JPH02233594A - Ｓｉ結晶薄膜の製法およびそれに用いる装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、半導体装置の一部となるＳｉ結晶薄膜の製法
およびそれに用いる装置に関する。さらに詳しくは、均
一な膜厚および膜質を有する大面積Ｓｉ結晶薄膜を、実
用的な堆積速度を確保しつつ製造することのできるＳｉ
結晶薄膜の製法およびそれに用いる装置に関する。

Ｓｉ結晶薄膜は、半導体集積回路や液晶ディスプレイな
どの表示デバイスの電極もしくは配線として、または薄
膜トランジスタの構成要素として、さらに受光センサな
との光電変換部の構成要素としてなど各種の半導体利用
デバイスにおいて、多結晶または単結晶の形態で利用ざ
れている。

［従来の技術］ 第８図はＳｉ結晶ＳＳを製造するための従来の典型的な
装置を示す断面図であり、たとえば「真空」第２８巻第
３号（１９８５）１１３〜１１８頁に示されている、一
般に広く利用されている装置である。第８図において、
（Ｓｉ）は石英製の反応室、（３．２）はＳｉ結晶薄膜
を堆積させる、たとえばガラスからなる基板である．（
３３）は基板を加熱するためのヒータ、（３４）はＳ＋
Ｈ４などのＳｉ結晶薄膜の原料ガス供給部、（３５）は
原料ガスの流量調整バルブ、（３６）は反応’！（Ｓｉ
）内の余分な原料ガスおよび反応副産物を排気するため
の真空排気部、（３７）は反応室（Ｓｉ）内の圧力を調
整するための圧力調整バルプである。

つぎにかかる従来の装置によるＳｉ多結晶薄膜の従来の
典型的な製法について説明する。

まず真空排気部（３６）により反応室（Ｓｉ）内をｔｏ
−３Ｔｏｒｒ程度まで減圧したのち、ガラス基板（３２
）の濃度をヒータ（３３）を用いて６００〜６３０℃程
度に昇潰させる。つぎに流量調整バルブ（３５）により
一定流量に調整ざれたＳｉＨ４を反応ガス供給部（３４
）より反応室（Ｓｉ）内に導入する。このとき、圧力調
整パルプ（３７）により反応室（Ｓｉ）内の圧力は０．
　ＩＴＯｒｒから数Ｔｏｒｒの範囲の所定圧力に調整さ
れる。反応’１Ｓｉ）内に導入されたＳＩＨ４は、加熱
されたガラス基板（３２）の表面またはそのごく近傍で
、ＳｉＨ４（気体）→Ｓｉ（固体）＋２１−１２（気体
）と示されるごとく熱分解し、基板（３２）の表面にＳ
ｉ多結晶薄膜が堆積する。この際、反応室（Ｓｉ）内の
反応をしなかつた余分なＳＩＨ４および反応副産物であ
るＨ２は真空排気部（３６）により排気される。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来のＳｉ結晶薄膜の製法では、大面積
での均一性を充分に満足した状態で、結晶性が良く粒径
の大きいＳｉ多結晶膜を実用的な堆積速度を確保しつつ
製造することは困難であった。

これは、反応副産物であるＨ２がＳ　ｉ　Ｈ４の熱分解
反応を抑制し、堆積速度を鈍化させるとともにこのＨ２
がＳｉＨ４を稀釈して基板表面へのＳ　ｉ　Ｈ４の供給
量が大面積基板では均一でなくなり膜厚均一性が劣化す
ること、およびＳｉｎ．の熱分解反応のほかにこれに付
随してＳｉルの気相反応でＳ＋２８６が生じ、大面積で
の膜厚均一性を劣化させること、さらにＳｉ結晶表面が
常に多量のＳｉＨ４やＨ２の分子の入射を受けかつ吸着
しているので、Ｓ＋Ｈ４の熱分解により生成したＳｉ原
子がＳｉ結晶表面を充分に移動することができず結晶性
が劣化することが原因である。また、薄躾の成長初期に
おいてガラス基板の表面にＳｉの成長核が次々に発生す
るが、この成長核の発生を能動的に抑制する手段を施し
ていないためＳｉ結晶の粒径を大きくできないのである
。

本発明は前記のような問題点を解消するためになされた
ものであり、大面積で膜厚および膜質が均一で、結晶性
が良く、粒径の大きなＳｉ多結晶薄膜を実用的な堆積速
度を確保しつつ製造することのできる方法（以下、第１
の製法という）およびそれに用いる装置を提供すること
を目的とする。

本発明はさらに少なくとも一部にアモルファス表面、を
有し残りがＳｉ結晶である基板において、Ｓｉ単結晶部
分に選択的にＳｉ単結晶薄膜を堆積させるに際し、大面
積で均一で結晶性の良いＳｉ単結晶ｉｉ１１ｇを実用的
な堆積速度を確保しつつ製造できる方法（以下、第２の
製法という）およびそれに用いる装置を提供することを
目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明のＳｉ結晶薄膜の製法（第１の製法）は、基板表
面およびその近傍でのＳｉ水素化物または塩素を含むＳ
ｉ水素化物の熱分解により基板表面にＳを堆積させる工
程と、Ｓ；水素化物または塩素を含むＳｉ水素化物の熱
分解における反応副産物と反応しなかった余分のＳｉ水
素化物または塩素を含むＳｉ水素化物を排気して基板近
傍から実質的に除去する工程とからなることを特徴とし
ている。また、本発明の第２の製法はこれらの２つの工
程に加えて基板のアモルファス表面に発生したＳｉの成
長核を除去する工程を挿入するようにしたものである。

［作　用］ 本発明におけるＳｉ結晶ｉ１ｌ１の製法（第１の製法）
においては、Ｓ＋Ｈ４などのＳｉ水素化物または塩素を
含むＳｉ水素化物の熱分解における反応副産物であるＨ
２や気相反応により生じたＳ　ｉ　２Ｈ　６などの中間
生成種および未反応のＳＩＨ４を適時に基板表面または
近傍から除去される。また、本発明の第２の製法におい
ては、これに加えて基板のアモルファス表面に新たに発
生したＳｉ成長核が除去ざれる。したがって、本発明の
製法によれば均一で結晶性の良い大面積Ｓｉ結晶薄膜を
実用的な堆積速度を確保しつつ堆積させることができる
。

［実施例］ 以下、本発明の製法および装置を図面に基づき詳細に説
明する。

第１図は本発明の第１の製法に用いられる装置の一実施
例の断面説明図である。

第１図において、（１）はたとえば石英やステンレス鋼
などで作られた反応室、（３）はたとえば抵抗体やハロ
ゲンランプなどからなる大面積基板に）を加熱するため
のヒータである。基板（８）は本発明において大面積の
ものを採用することができ、たとえば６０１角程度の基
板を用いることができる。（４）はたとえばｓｉＦｌ４
やＳｉＨ２ＣＩｚなどのＳｉ結晶薄膜の原料ガスを反応
室（１）内に供給するための原料ガス供給部であり、（
９）はバルプ開閉制御部復の指示のもとに原料ガスを反
応室（１）内に断続的に供給するための開閉手段である
高速作動開閏バルブである。（６）は反応室（１）内の
ガスを排気するための真空排気部である。

つぎにかかる装置を用いてＳｉ結晶薄膜を製造する方法
の一例（基板上にＳｉ多結晶薄膜を形成するばあい）に
ついて説明する。

まず、反応室（１）内を真空排気部（６）により１０−
７　Ｔｏｒｒ程度に充分に真空排気し、ヒータ（３）で
大面積基板（８）を６００℃程度に加熱する。基板（８
）の加熱温度は、用いる基板の耐熱性に応じて適宜選択
すればよいが、たとえばホウケイ酸ガラス板を用いると
きは概ね６００〜６３０℃程度に加熱すればよい。つぎ
にバルブ開閉制御部（転）の指示のもとに高速作動開閏
バルブ（９）を動作させて、原料ガス供給部（４）から
反応室（１）内にＳｉＨ＊などのＳｉ水素化物または塩
素を含むＳｉ水素化物（以下、ＳｉＨａを用いるものと
して説明する》を、たとえば第２図に示すような圧力の
時系列変化が実現できるように供給する。ＳｉＨａを供
給しているときには、基板（８）の表面または近傍でＳ
ｉ８４が熱分解し、基板（８）表面にＳｉが堆積すると
ともに、気相中に反応副産物であるＨ２が生じる。また
少量ではあるが気相中でＳ＋｝１４が反応してＳｉ２８
ｓが生成する。これらの反応は初期は過渡的に進行する
が、やがては反応副産物のＨ２の増加に伴いＳｉ｝ｌ＊
の熱分解反応が抑制されて、低い反応速度の値で平衡状
態となる。

しかし、本製法では平衡状態に達する前にＳｉ｝１４の
供給を中断して、反応ＩＩ産物であるＨ２や反応しなか
った余分のＳｉ｝１４および大面積での膜厚の均一性に
大きな影響を与えるＳｉ２Ｈ．を排気してしまう。

したがって、つぎにＳｉ｝１４を反応室（１）に導入す
ると、ＳｉＦｔｓの熱分解反応が再び過渡的に進行する
。このように、第２図に示すような間欠的なＳ　Ｉ　８
４の供給を行なうので、Ｓｉ結晶薄膜を実用的な堆積速
度を確保しつつかつ原料ガスであるＳｉ８４を効果的に
利用して大面積で均一に堆積することが可能となる。

また、ＳＩＨａ供給時にＳｉ結晶の表面に生成したＳｉ
原子は、Ｓｉ｝１４供給が停止して反応空内が排気ざれ
るとＳ；結晶表面を移動しやすくなり、その結果結晶性
のよいＳｉ結晶薄膜かえられる。

つぎに、本発明の第２の製法について説明する。

第３図は本発明の第２の製法に用いられる装置の一実施
例の断面説明図である。

第３図において、第１図において用いられた参照符号と
同一のものくたとえば（１）、（３）など）は、第１図
に示されたものと同様の要素であるので、ここでは説明
を省略する。

０クはＳｉを堆積させる工程において基板のアモルファ
ス表面に発生したＳｉの成長核を除去するために用いる
たとえばＨ２などの除去用反応ガスを供給する反応ガス
供給部、■はバルプ開閉制御部側の指示のもとに反応ガ
スを反応室（１）内に断続的に供給するための高速作動
開閉バルプである。また、本実施例ではＳｉの成長核の
除去を低基板温度で効率的に行なうために、マイクロ波
（ト）により放電を起こし、反応ガスのプラズマを発生
させて反応ガスを活性化させるための反応ガス活性化部
６が設けられている。口はプラズマを閉じ込めて効率良
く反応ガスを活性化するために用いられる磁石である．
Ｈ２を反応ガスとして用いるぱあい、反応ガス活性化部
５でＣラジカルが効率良く生成し、大面積基板（８）に
供給される。

第４ａ図および第４ｂ図はそれぞれ原料ガスであるＳｉ
｝１４　（第４ａ図）および反応ガスであるＨ２　（第
４ｂ図）を反応容器（１）に供給するタイムチャートの
一例を示している。第４ａ図および第４ｂ図よりわかる
ように、Ｓ＋｝ｌ４の供給工程、供給停止による排気工
程、Ｈ２の供給工程、供給停止による排気工程の４工程
が基本単位となって繰り返される。

このときの基板（８）表面での現象について、まず大面
積基板（８）が全面アモルファスであるガラス基板であ
るぱあいについて、第５図を用いて説明する。ｓ＋Ｈ４
が供給されると、ガラス基板｛８｝表面に初期より存在
したＳｉの成長核をもとにしてＳｉ結晶が成長する（第
５ａ図）。この成長核の密度はガラス基板表面の清浄度
に大きく依存するので、大粒径のＳｉ結晶をうるために
はＳｉの堆積前に充分に基板表面を清浄化することが重
要である。初期より存在したＳｉの成長核に加えて順次
Ｓｉの成長核が発生するので（第５ｂ図）、Ｓｉ−を供
給しつづけると多農の成長核が生じ、それぞれがＳｉ結
晶となってしまい、大粒径のＳｉ結晶をうることができ
なくなる。

そこで、ｓ＋１｛４の供給を一旦停止して反応容器（１
）内を排気し、ついで反応ガス活性化部５で作られたＨ
１ラジカルを基板（８）表面に供給すると（第５ｃ図）
、Ｓｉ結晶よりもエネルギー的に不安定な数個から数百
個程度のＳｉ原子から構成されたＳｉ成長核またはそれ
をもとに成長した微小なＳｉ結晶粒子が水素化合物（Ｓ
ｉ｝１２、Ｓ＋｝１４など）・となって気化し、基板表
面から除去される（第５ｄ図）。つぎに、反応副産物お
よびＨ２を排気したのち、再１ｓｔ１｛４を供給すると
、最初に形成ざれたＳｉ結晶が選択的に成長する。この
ぱあいに新たにＳｉ成長核も発生するが、新たに発生し
たＳｉ成長核は、前述したＳｉＨ４の供給停止、反応容
器の排気、Ｈ１ラジカルの供給という操作によって逐次
除去され、大粒径のＳｉ多結晶１ｌ１が形成される。ま
た、ＳｉＨ４の供給時に熱分解によりＳｉ結晶表面に生
成したＳ［子は、その直後に行なわれるＳｉｆｋ供給停
止による排気工程時において、Ｓｉ結晶表面を移動しや
すい状態となり、その結果として、結晶性の良い結晶薄
膜となる。

つぎに、大面積基板（８）がアモルファスのＳｉ０２ｉ
１膜で表面をおおわれ、一部に下地のＳｉ結晶が露出し
たＳｉ単結晶基板（第６ａ図参照）であるぱあいについ
て第６ａ〜６０図をもとに説明する。

第６ａ図のごとき基板にＳｉＨ４が供給されると、露出
した下地のＳｉ結晶部分にＳｉ結晶薄膜が選択性をもっ
て成長する。同時に、量的には少ないがＳ＋０２表面に
もＳｉ成長核が発生し、その数は時間とともにある飽和
値に達するまで増加する（第６ｂ図）．，したがって、
Ｓｉ結晶部分とＳｉ０２表面とでのＳｉ結晶薄膜の成長
における選択性は徐々に低下する。そこで、Ｓｉ｝Ｉ４
の供給を停止して反応容器（１）内を排気し、ついでＨ
　ラジカルを基板（８）表面に供給すると（第６Ｃ図）
　、Ｓｉ結晶よりもエネルギー的に不安定な少数のＳｉ
ｌｌ子から構成されたＳｉ成長核またはそれをもとに成
長した微小Ｓｉ結晶粒子が水素化合物（Ｓｉ｝１２、Ｓ
ｉＦ！４など》となって気化し、Ｓｉｏ２表面から除去
される（第６ｄ図）．，つぎに、再度排気したのちにＳ
ｉ｝Ｌ４を供給すると、こんどは充分な選択性をもって
Ｓｉ結晶薄膜が基板表面に露出したＳｉ結畠部分に成長
する。以上の工程を繰り返すことにより、Ｓｉ０２上に
ＳＩ結晶薄膜が堆積することなく、下地のＳｉ結晶の露
出した部分のみにＳｉ結晶７ａ膜を成長させることが可
能となる（第６ｅ図）。

なお、以上の説明においては、Ｓｉの成長核を除去する
ために用いる除去用反応ガスとしてＨ２のばあいのみを
示したが、Ｈ２以外にＣｌ　２やＨＣ＃などを用いても
同様の効果がえられる。

また、これまでは第１の製法および第２の製法ともにド
ーピングを行なわないＳｉ結晶薄膜の成長についてのみ
説明したが、ドーピングガスまたはドーピングガスを含
むＳｉ｝ｌａガスを基板表面に供給する工程と生成した
反応副産物を排気する工程を加えるようにしてもよく、
こうすることにより大面積で均一な膜厚およびドーピン
グ濃度を有するドーピングざれた良質のＳｉ結晶薄膜が
えられる。

つぎに、本発明のＳｉ結晶薄膜の製法を実施する装置で
あって、大面積基板での膜厚および膜質の均一性がとく
に重要となるぱあいに本発明の特徴を充分に発揮するこ
とを可能とするＳｉ結晶薄膜製造装置について説明する
。第７図はかかる装置の一実施例の断面説明図である。

なお、本装置を用いないぱあいにおいても、本発明の製
法の実施は可能であり、そのぱあいにも本発明特有の効
果かえられることはもちろんである。

第７図において、第１図において用いられた参照符号と
同一のもの（たとえば（１）、｛３｝など）は、第１図
に示されたものと同様の要素であるので、ここでは説明
を省略する。喝は基板（８）に対向して２次元に均等に
配置されたｓｕ＋４などのＳｉ水素化物または塩素を含
むＳｉ水素化物の供給孔で、（至）は基板（８）に対向
して同様に２次元的に均等に配置された真空排気を行な
うための排気孔である。従来の装置においては、Ｓｉ水
素化物または塩素を含むＳ水素化物の供給孔を２次元的
に均等に配置させることは行なわれているが、排気孔に
関してはこのような例は見られない。しかし、基板が大
面積化すればするほど基板表面での排気能力の均一性が
失なわれ、ひいてはＳｉ結晶薄摸の均一性に影響を与え
る要因となる。本装置を用いることによりＳ水素化物ま
たは塩素を含むＳｉ水素化物の供給および反応副産物の
排気に関して従来よりも２次元的に均一となり、容易に
基板の大面積化に対応できる。

以上の説明においては、原料ガスとしてｓ　＋　８４を
用いるばあいのみを示したが、ＳｉＨ２１Ｊｚ　、ＳＩ
２Ｈ８、Ｓｉｎ（Ｊ３を用いても同様の効果がえられる
。ただし、Ｓｉ｝１２ｃｆ２を用いるぱあいは、少なく
とも排気すべき反応副産物はＨ２およびＨＣＩとなる。

［発明の効果コ 以上詳述したように、本発明の製法によれば、Ｓｉ水素
化物または塩素を含むＳｉ水素化物の熱分解により基板
表面にＳｉを堆積させる工程とＳｉ水素化物または塩素
を含むＳｉ水素化物の熱分解における反応副産物と未反
応の余分のＳｉ水素化物または塩素を含むＳｉ水素化物
を排気して基板近傍から実質的に除去する工程とから構
成するようにしている（第１の製法）ので、またこれら
の２つの工程に加えて基板のアモルファス表面に発生し
たＳ’＋の成長核を除去する工程を挿入するようにして
いる（第２の製法）ので、躾厚および躾質が均一で結晶
性の良い大面積Ｓｉ結晶薄膜を実用的な堆積速度を確保
しつつ製造できるという効果がある。また、原料ガスで
あるＳｉ水素化物または塩素を含む水素化物を効率的に
・使用することができ、省資源化を図ることができると
いう効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のＳｉ結晶薄膜の製法に用いられる装置
の断面説明図、第２図は第１図に示される装置の動作を
説明するためのタイムチャート、第３図は本発明のＳｉ
結晶薄膜の製法に用いられる装置の断面説明図、第４図
は第３図に示される装置の動作を説明するためのタイム
チャート、第５ａ〜５０図は全面がアモルファスの表面
である基板での基板表面の現象を説明するための概略説
明図、第６ａ〜６８図は一部に下地Ｓｉ結晶が露出した
基板での基板表面での現象を説明するための概略説明図
，．第７図は本発明のＳｉ結晶薄膜の製造装置の断面説
明図、第８図は従来のＳｉ結晶ｉｌＭの製造装置の断面
説明図である。 （図面の主要符号） （１）：反応室 （２）二基板 （３）：ヒータ （４）：原料ガス供給部 （８Ｉ゜流量調整バルプ （６）．真空排気部 ｛力　圧力調整バルブ （８）．大面積基板 （９）．高速作動開閉バルプ（原料ガス用）η：バルブ
開閉制御部（原料ガス用） ０２）：反応ガス供給部 （ｌ３：高速作動開閉バルプ（反応ガス用）■：バルプ
開閉制御部（反応ガス用》 （５：反応ガス活性化部 （ト）二マイクロ波 ０７）：磁　石 （ト）：供給孔 （１９：排気孔 代 理 人 大 岩 増 雄 才 ２口 ′３ ２６ｄ図 才４ａ回 ７４ｂ口 時 間 （秒） オ７ ロ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）減圧下でＳｉ水素化物または塩素を含むＳｉ水素
   化物を熱分解することによりＳｉ結晶薄膜を形成する方
   法であつて、基板表面およびその近傍でのＳｉ水素化物
   または塩素を含むＳｉ水素化物の熱分解により基板表面
   にＳｉを堆積させる工程と、少なくともＨ＿２ガスを含
   む、Ｓｉ水素化物または塩素を含むＳｉ水素化物の熱分
   解による反応副産物を排気して基板近傍から実質的に除
   去する工程とからなることを特徴とするＳｉ結晶薄膜の
   製法。
2. （２）減圧下でＳｉ水素化物または塩素を含むＳｉ水素
   化物を熱分解することにより全面がアモルファスである
   かまたは少なくとも一部にアモルファス表面を有する基
   板上にＳｉ結晶薄膜を形成する方法であって、基板表面
   およびその近傍でのＳｉ水素化物または塩素を含むＳｉ
   水素化物の熱分解により基板表面にＳｉを堆積させる工
   程と、少なくともＨ＿２ガスを含む、Ｓｉ水素化物また
   は塩素を含むＳｉ水素化物の熱分解による反応副産物を
   排気して基板近傍から実質的に除去する工程とからなり
   、Ｓｉを堆積させる工程において基板のアモルファス表
   面に発生した成長核を除去する工程をさらに有すること
   を特徴とするＳｉ結晶薄膜の製法。
3. （３）減圧下でＳｉ水素化物または塩素を含む水素化物
   を熱分解することによりＳｉ結晶薄膜を形成するための
   装置であって、反応室と、該反応室内にＳｉ結晶薄膜の
   原料ガスを断続的に供給するための開閉手段と、反応室
   内のガスを排気するための排気手段とからなり、Ｓｉを
   堆積させるために基板表面にＳｉ水素化物または塩素を
   含む水素化物のガスを供給する孔と少なくともＨ＿２ガ
   スを排気させるための排気口とを複数個有し、該排気口
   が基板表面に対向して２次元的に均等に配置されてなる
   ことを特徴とするＳｉ結晶薄膜の製造装置。