JPH02229792A - 蒸着薄膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ネ．詳細な説明（産業上の利用分野） 単結晶薄膜を利用する総ての電子デバイスに関する利用
。

（従来の技術） 多結晶薄膜を単結晶薄膜に変換する試みは数多くなされ
てきた。　シリコンの場合には、レーザー・ビーム、電
子ビーム、グラファイト・ヒーターを用いた帯溶融再結
晶化法（ＺＭＲ　　ＺｏｎｅＭｅｌｔｉｎｇ　Ｒｅｃｒ
ｙｓｔａｉｚａｔｉｏｎ　）や、横方向固相エビタキシ
ー成長法（Ｌ−ＳＰＥ　　ＬａｔｅｒａｌＳｏｌｉｄＰ
　ｈａｓｅＥ　ｐｉｔａｘｙ）などが挙げられ、現在な
お多くの試みが為されている。

しかし、高温で熱処理をするような方法は三次元ＩＣな
どを作るには適していない。　と言うのは、高温熱処理
によってすでに作り込まれているＭＯＳ｝ランジスター
の特性がかわってしまうからである。

また、Ｌ−ＳＰＥなどの低温度での処理では結晶化の速
度が極めて遅く、例えば６０００Ｃでは１０−　　ｃｍ
／ｓｅｃ程度で、実用には供せられない。

単結晶化のスピードを上げるために、結晶化に寄与する
空孔密度を増やすために高エネルギー・イオンの照射も
試みられているが、低温においてはそれ程成長速度は改
善されていない。　例えば４００’Ｃで０．６メガエレ
クトロンボルトのネオンイオンで照射した場合の成長速
度は２００オグストローム／１０”イオン／　ｃ　ｍ　
”である。

その他のＬ−ＳＰＥの改善策として、不純物の添加も試
みられたが、一桁程度の改善しかできていない。　また
、できた単結晶の結晶の質も余り良いものではなく、格
子欠陥の密度も大きい。

（発明が解決しようとする問題点） 三次元ＩＣを作ろうとすると、基板の性質に関係無く薄
膜単結晶の方位が自由にコントロール出来なくてはなら
ない。　また、すでに作り込まれた下の層のＭＯＳ｝ラ
ンジスターの特性に影響が無いよう、単結晶は低温で成
長させなくてはならない。　これらの要求は三次元ＩＣ
のみならず表示パネルのアクティブ・マトリックスを作
るときにも必要である。

（問題を解決するための手段および作用）低温と言う要
求からは、蒸着で単結晶薄膜を作るのが最適であるが、
通常の方法では利用出来ない程度の微細な粒形の多結晶
薄膜しか得られないそのため、薄膜を蒸着する時に、蒸
着面を活性度の低い電気的に中性の原子ビームで照射し
、照射の結晶構造に及ぼす効果を利用し、単結晶粒を大
きくするのが本発明の目的である。

単結晶上に単結晶と同じ物質を蒸着する場合には、表面
を清浄にし、真空度をよくし、基板温度をある程度以上
に保つ限り、この上に単結晶がエビタキシアリーに成長
する。

これに反し、アモルファスの基板上に蒸着を行う場合に
は、表面を如何に清浄にし、真空度を良くし、基板温度
を上げても、単結晶が成長することは無く、最初多くの
粒状の結晶核が基板面上に形成され、この結晶核から結
晶が成長して行く。

この結晶核の結晶方位は基板表面の原子配列で定まるの
で、原子配列が無秩序であるアモルファス基板上では結
晶核の結晶方位も無秩序になり、成長した膜も多結晶と
なる。

この膜を単結晶にするには、無秩序な結晶方位を持った
結晶核のうち、所望の結晶方位の結晶核のみが蒸着によ
ってさらに成長し、その他の結晶核の成長が押さえられ
る様にすれば良い。

一般に、蒸着中の蒸着表面を不活性ガスのイオン、或る
いは不活性ガスの中性原子で照射すると、照射方向に垂
直な面が最稠密結晶面になることは、Ｂｒａｖａｉｓの
法則として知られている。

しかし、一般に単結晶にはならず、最稠密結晶面内で、
任意角度回転した微結晶の集合となる。

この法則を利用し、所望の結晶方位の単結晶が持つ独立
した複数の最稠結晶面に垂直な方向がら低エネルギーの
不活性ガスの中性原子ビームで照射すると比較的大きい
単結晶粒を得る事が出来る一般に、歪みや、格子欠陥の
少ない結晶を成長させようとすると、蒸着原子、あるい
は分子のエネルギーは１０エレクトロンボルト程度が好
ましいと言われている。

しかし、坩堝から蒸発してくる蒸発物の持つエネルギー
は数エレクトロンボルト以下で、エネルギーが不足する
。　また、陰極からスバッターして来る粒子は適度のエ
ネルギーをもつが、高エネルギーの正、負の反跳イオン
流を含むので、蒸着膜は格子欠陥が多く−なり、質の良
い結晶が得られない。　また、通常のスバッター法では
、プラズマからのイオン流を引き出すのに基板表面の電
子電荷を利用しているので、イオン流は基板面に垂直に
しかならないと言う制約もある。

蒸着薄膜の膜質の改善のために低エネルギーイオン流で
蒸着面を照射する方法は古くから報告されている。　　
しかし、今まで報告されている例は総て一方向からの蒸
着、或はイオンビームの照射であり，作られた膜の結晶
の方向は揃っていても依然多結晶である。　　しかも、
エネルギーを低くすると、イオン相互の電気的反発の為
、イオンの流れは発散し、並行な流れを作ることは不可
能で２００エレクトロンボルト程度が限度である。

さらに、絶縁基板上に蒸着薄膜をこの方法で作ろうとす
ると、絶縁基板上に電荷が蓄積しイオン粒が到達しなく
なる。

しかし、不活性ガスの中性原子流で蒸着面を照射すると
、これらの欠点を総て除くことが出来る不活性ガスの中
性原子流を作るには、適度なエネルギーの値、例えば６
００エレクトロンボルトの不活性ガスのイオン流を作り
、蒸着物質で作られたターゲットにこのイオン流を当て
、反跳させると、中性化すると同時に、完全弾性衝突の
法則に従い、運動量、従ってエネルギーが大きく減少す
る。　　残存している正負の高エネルギー粒子を取り除
くにはこれらの粒子が減速する様な電界を反跳ビームの
通路に設ければ良い．以上の様な手段で不活性ガスの中
性原子流を複数個つくり、これらの流れを所望の結晶方
位を持つ単結晶の最稠密結晶面に垂直になる様に配置し
蒸着面を照射することで、結晶粒を大きくし様とするの
が本発明の問題解決方法である。

（実施例−１） 第一図は、本発明を利用した薄膜形成法の実施例を示す
図である。

（１１）は厚さ０．５ｍｍのシリコン単結晶基板で、熱
酸化によって５０００オグストロームの厚さのシリコン
酸化膜（１２）を表面に設けてある。（１５）はケージ
型のイオンソースで、導管（１４）からアルゴンガスを
導入し，この内部で、電子線によってイオン化プラズマ
にして、引き出し電極でアルゴンイオンのみを取り出し
、イオンビームを作っている。

このケージ形のイオンソース（１　５）の直径は１０ｃ
ｍで、アルゴンイオンを２００ボルト〜６００ボルトに
加速することが出来、その電流密度は１〜９ミリアンア
／　ｃ　ｍ　”である。　このアルゴンイオンビームに
よってターゲット（１７）を入射角４５度で照射する。

　このターゲットは直径１５ｃｍのシリコン単結晶板で
、ターゲットの結晶面は（１，１．１）である。　この
ターゲットからスバッターされたシリコン、及び反跳さ
れたアルゴン原子は、方向を揃え、また、好ましくない
エネルギーの大きい荷電粒子を除く為のフィルター（１
６）を通り、不要な荷電粒子は取り除かれ、基板面に到
達する，　　　（１３）は基板を加熱するヒーターで、
基板温度を６０００゜Ｃまで上げることが出来る。

フィルター（ｌ６）は、なみ（波）形のモリブデン板で
構成されており、全体は第二図（ａ）の様な形状をして
いる。　第二図（ｂ）に、なみ（波）形のモリブデン板
の構成方法、イオンビームの入射方向を示す。　第二図
（Ｃ）は、なみ（波）形のモリブデン板の断面を示した
もので、モリブデン板（４１）の両面にシリコン（４２
）を蒸着し、モリブデンが露出しない様にしたものであ
る。

これらのモリブデン板を２０枚重ね合わせたものが第二
図（ａ）で、これらのモリブデン板の間に不活性ガスの
ビームを流し、ガスの流れの方向を揃え、このフィルタ
ーの電位をシリコンの夕一ゲ７ト（１７）と同じにする
ことで、高エネルギーの荷電粒子を取り除き、あるいは
中性化する。

フィルターの面積は１０ｘｌＯｃｍ”　　長さは１５ｃ
ｍで、なみ（波）形の高さは０．５ｃｍである。

これらのフィルターを通過した粒子の流れを、基板面法
線と３５．５度の角度を成すように基板の蒸着面に当て
る。　一般に、スパッターされたシリコンは３エレクト
ロンボルトに分布のピークを持ち、平均エネルギーが１
０エレクトロンボルトのエネルギー分布を持っている。

　反跳されたアルゴンイオンのエネルギーは入射アルゴ
ンイオンのエネルギーの３％の値でその分散は小さい。

基板の蒸着面に当るアルゴンイオンのエネルギーが２５
エレクトロンボルトを越えると蒸着されたシリコンが逆
にスバッターされる。　また、１２．９エレクトロンボ
ルトを越えると、イオン衝撃によって、結晶格子の周期
性が損なわれると言われている，１２．９エレクトロン
ボルト以下の時は緻密な結晶が成長する。

イオンソースの加速電圧を４００ボルトにし、シリコン
ターゲッットをスパッターすると、スパッターイールド
は０．３程度で、反跳アルゴンイオンのエネルギーは１
２エレクトロンボルトとなる。　第一図の配置で、この
様な条件下で、基板の温度を４００’Ｃに保って蒸着を
行うと、膜の成長速度は５０オグストローム／分となり
、数十〜敗百ミクロン程度の比較的大きい結晶粒を得る
ことが出来た。

この結晶粒の方位は、基板に入射する粒子の流れに垂直
な面が（１，１．１）面になっていることがＸ線回折で
確認できた。

上に述べた方法で、シリコン結晶基板に限らず、他の絶
縁基板上にも比較的大きい結晶粒の薄膜を作ることが出
来、また低温で、基板の材質、構造に比較的制約を受け
ずに、結晶方位も制御出来るので、３次元ＬＳＩの製造
プロセスには有効である。

（実施例−２） 第三図は本発明の第二の実施例を示す説明図である。

（２１）は暑さ０．５ｍｍのシリコン単結晶基板で、熱
酸化によって５０００人のシリコン酸化膜（２２）を表
面に設けてある。　　（２５）はケージ型のイオンソー
スで、導ｆ（２４）から窒素ガスを導入し，この内部で
、電子線によってイオン化プラズマにして、引き出し電
極で窒素イオンのみを取り出しイオンビームを作ってい
る。　このイオンビーム−によってターゲット（２７）
を入射角４５度で照射する。　このターゲットはホウ素
金属で出来ており、このターゲットからスバッターされ
たホウ素、及び窒素原子は、実施例−１と同様の方向を
揃える烏のフィルター（２６）を通り、不要な荷電粒子
は取り除かれ、基板面に到達する。

実施例−１と異なり、このフィルターの表面はホウ素の
膜で覆われている。　その寸法は実施例一１のフィルタ
ー（１６）と同じであるが、材質は第四図に示す様に、
なみ（波）形モリブデン板（５２）の両面をホウ素（５
３）で覆い、モリブデンが露出しない様にしている。

イオンソース（２７）で作られるイオンのエネルギーは
３００エレクトロンボルトで、電流密度は５ミリアンペ
ア／ｃｍ’である。　ターゲットで反射されると、窒素
イオンのエネルギーは約４％に落ち、ターゲットのホウ
素のスバッターイールドは０．３程度となる。　さらに
、実施例−１と異なる点は基板えの入射角で、基板法線
に対し５５度の角度から入射し、蒸着面を（１，１．１
）に配向させていることである。

また、図中の（２９）はホウ素の電子ビーム蒸着用の坩
堝で、（３０）は溶融ホウ素、（３１）は電子ビーム発
生用の熱陰極で、これらは製膜遠度を上げる鳥に使用し
た。

このような条件下で、基板温度を４００’Ｃとして、電
子ビーム蒸着装置を併用して蒸着を行うと、１００オグ
ストローム／分の蒸着速度が得られ、数十〜数百ミクロ
ンの大きさの立方晶系の窒化ホウ素の結晶粒が得られた
。

Ｘ線回折によると、ウルツァイト型、六方晶系の結晶は
殆ど観測されなかった。

（発明の効果） 上述の説明の様に本発明を使用すると、容易に単結晶薄
膜を低温で作ることが出来る。　現在、３次元ＬＳＩ、
等倍センサー、液晶（ＬＣＤ）パネルなど、いずれも能
動素子を作るのに良質の単結晶薄膜が得られず苦労して
いる。　これらの分野で大きい寄与をするものと期待で
きる。

【図面の簡単な説明】

第一図は、本発明の実施例−１を示す薄膜形成装置の図
である。 第二図は、反射粒子の流れを揃えるフィルターの構造を
示す図である。 第三図は、本発明の実施例−２を示す薄膜形成装置の図
である。 第四図は、反射粒子の流れを揃えるフィルターの構造を
示す図である。 （符号の説明） １１、２１・・・・・シリコン基板 １２、２２・・・・・石英膜 １３、２３・・・・・基板加熱用ヒーター８、　２　８
　・・・・・ ５、　２　５　・・・・・ ４、　２　４　・・・・・ Ｔ　・・・・・・・・・・・ ７　・・１・・１・・・ ６　・・・・・・・・・・・ ２　６　・・・・・・・・・・ ９　・・−・・・・・・・・ Ｏ　・・・・・・・・・・・ １　・・・・・・・・・・・ １、　５　２　・・・・・ ２　・・・・・・・・・・・ ３　・・・・・・・・・・・ シャッター ケージ型イオンソース アルゴンガス導管 シリコンターゲット ホウ素ターゲット シリコン、アルゴン、ビームフ ィルター ホウ素、アルゴンビームフィル ター 電子ビーム蒸着用ホウ素坩堝 ホウ素 電子ビーム用熱陰極 モリブデン板 シリコン被覆 ホウ素被覆

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）蒸着薄膜を基板上に製造する方法において、基板
   面に薄膜材料を蒸着しながら、比較的低エネルギーの不
   活性ガスの中性原子ビームを照射し、所望の結晶方位が
   得られるように、所望の方位の結晶が持つ、少なくても
   ２つ以上の相異なる最稠密の結晶面に垂直な方向から照
   射し、比較的大きい結晶粒を得ることを特徴とする蒸着
   薄膜の製造方法。
2. （２）第一項に記載した蒸着薄膜を基板上に製造する方
   法において、薄膜材料が化合物で、かつ、成分元素が比
   較的不活性な気体の場合には、不活性ガスの中性原子ビ
   ームの替わりに、この成分元素の中性原子ビームを使用
   することを特徴とする蒸着薄膜の製造方法。