DE69233359T2 - Verfahren zur herstellung einer halbleiter-dünnschicht mit einer chemischen gasphasen-beschichtungsanlage - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer halbleiter-dünnschicht mit einer chemischen gasphasen-beschichtungsanlage Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung eines Halbleiterfilms, z. B. eines Siliciumfilms, der in einem Dünnfilm-Halbleiterbauelement, einer integrierten Schaltung, einer Solarzelle, einem ladungsgekoppelten Bauelement oder einem anderen Bauelement verwendet wird.
  • Stand der Technik
  • In den letzten Jahren wurden Flüssigkristallanzeigen mit größeren Bildschirmen und höherer Auflösung hergestellt. Angesichts dieser Tendenz hat sich eine Verschiebung des Ansteuerungsverfahrens vom einfachen Matrixverfahren zum aktiven Matrixverfahren ergeben, um eine Anzeige mit einer größeren Informationsmenge bereitzustellen. Das Verfahren mit aktiver Matrix ermöglicht die Herstellung einer Flüssigkristallanzeige mit hunderttausenden von Pixeln. Bei der Flüssigkristallanzeige wird für jeden Pixel ein Schalttransistor bereitgestellt. Platten aus geschmolzenem Quarz und durchsichtige, isolierende Platten aus Glas oder einem anderen Material werden als vordere und rückwärtige Platten von verschiedenen Flüssigkristallanzeigen verwendet. Die durchsichtigen isolierenden Platten ermöglichen die Herstellung von Anzeigevorrichtungen vom Transmissionstyp.
  • Um jedoch die Fläche des Bildschirms zu vergrößern oder um die Kosten zu verringern, ist es wesentlich, billiges, normales Glas als isolierende Platten oder Substrate zu verwenden. Es besteht daher ein Bedürfnis nach einer Technik, die zur Ausbildung von derartigen Dünnfilmtransistoren befähigt ist, die in stabiler Weise auf kostengünstigen Glasplatten arbeiten, die eine Aktivmatrix-Flüssigkristallanzeige aktivieren, wobei die wirtschaftlichen Vorteile erhalten bleiben.
  • Üblicherweise werden Halbleiterfilme, wie amorphe Siliciumfilme oder polykristalline Siliciumfilme, als aktive Schichten von Dünnfilmtransistoren verwendet. Wenn Treiberschaltungen mit Dünnfilmtransistoren integriert werden, ist die Verwendung von Polysilicium vorteilhaft, da es eine hohe Betriebsgeschwindigkeit ermöglicht.
  • Somit ist eine Technik zur Herstellung von Dünnfilm-Halbleitervorrichtungen mit einer normalen Glasplatte erforderlich, auf der eine aktive Schicht, die aus einem Halbleiterfilm, z. B. einem Polysiliciumfilm, besteht, ausgebildet ist. Die Verwendung von normalen Glasplatten bedeutet für das Verfahren eine starke Einschränkung. Insbesondere muss die maximale Temperatur unter 600 °C, d. h. unter dem Spannungspunkt des Glases, liegen. Somit besteht ein Bedürfnis nach einem Niedertemperaturverfahren zur Herstellung von Dünnfilmtransistoren, die zum Betreiben einer Flüssigkristallanzeige befähigt sind, und nach einer aktiven Schicht von Dünnfilmtransistoren, die zur Betätigung von Treiberschaltungen mit hoher Geschwindigkeit befähigt sind.
  • Ein herkömmliches LPCVD-Verfahren (chemische Dampfabscheidung bei niedrigem Druck) zur Abscheidung eines derartigen Halbleiterfilms bedient sich eines LPCVD-Systems, bei dem der niedrigste erreichbare Basisdruck 133 × 10–3 bis 133 × 10–4 Pa (10–3 bis 10–4 Torr) beträgt. Der Abscheidungsdruck wird durch das System auf etwa 5,32 Pa (40 mTorr) eingestellt. Ein Halbleiterfilm, z. B. ein Siliciumfilm, wird durch Erhöhung der Temperatur auf 610–640 °C, die dem Spannungspunkt des Glases entspricht oder geringfügig darüber liegt, abgeschieden. Ein weiteres LPCVD-Verfahren bedient sich eines LPCVD-Systems mit einer Reaktionskammer, die mit einer effektiven Pumpgeschwindigkeit von etwa 12,67 bis 38,01 Liter/sec (1 bis 3 SCCM/mTorr) oder darunter evakuiert wird. Die Abscheidungstemperatur wird auf die maximal zulässige Temperatur von etwa 600 bis 620 °C, bei der Glasplatten oder Substrate verwendet werden können, erhöht. Monosilan (SiH4) wird als Rohmaterialgas mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 10 SCCM zugeführt. Der Partialdruck des Monosilans wird auf etwa einige 0,133 Pa (einige mTorr) eingestellt. Unter diesen Bedingungen wird ein Halbleiterfilm, z. B. ein Siliciumfilm, abgeschieden (vergl. Solid State Devices and Materials, Extended Abstracts, (1991), S. 614).
  • Ein weiteres Verfahren zur Ausbildung einer Halbleiterschicht, die als aktive Schicht dient, wird in JP-A-307776/1988 beschrieben. Dabei wird ein Halbleiterfilm, z. B. ein Siliciumfilm, der zu der aktiven Schicht wird, auf einem isolierenden Substrat bei einer Temperatur unter 570 °C durch Niederdruck-CVD abgeschieden. Anschließend wird das Substrat etwa 24 Stunden einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur unter 640 °C unterzogen, um einen kristallisierten Halbleiterfilm zu bilden. Dadurch werden die Eigenschaften des Dünnfilmtransistors verbessert.
  • Weitere Verfahren bedienen sich des Hochfrequenz-Magnetron-Sputtering oder einer plasmaverstärkten CVD. Dabei wird ein amorpher Siliciumfilm bei einer Temperatur unter etwa 300 °C durch Magnetron-Sputtering oder plasmaverstärkte CVD abgeschieden. Anschließend wird der Film mit verschiedenen Laserstrahlen unter Bildung eines Siliciumfilms, der als aktive Schicht eines Dünnfilmtransistors wirkt, belichtet (Jpn. J. Appl. Phys., Bd. 28 (1989), S. 1871; und Research Report EID-88-58, Institute of Electronics and Information Communication Engineers).
  • Diese herkömmlichen Techniken haben verschiedene Nachteile. Beim zweiten Verfahren der thermischen Behandlung des Substrats nach Abscheidung des Siliciumfilms ist die Wärmebehandlungstemperatur zur Verwendung von Glasplatten zu hoch. Wenn diese Vergütungstemperatur unter etwa 600 °C gesenkt wird, so ergibt sich eine lange Bearbeitungszeit von einigen zehn Stunden. Dies verhindert die Verwendung von Glasplatten. Außerdem ist das Verfahren im Vergleich zum an erster Stelle erwähnten LPCVD-Verfahren sehr aufwändig. Infolgedessen ergibt sich eine verminderte Produktivität und eine Erhöhung der Kosten für die Handelsprodukte. Beim Verfahren unter Laser-Belichtung nach Abscheidung eines Siliciumfilms variieren die Halbleitereigenschaften in starkem Maße von Vorrichtung zu Vorrichtung. Dies macht es unmöglich, eine Anzahl von Dünnfilm-Halbleiterbauelementen in gleichmäßiger Weise auf einer großen Fläche auszubilden. Ferner ist das Herstellungsverfahren sehr kompliziert und aufwändiger als das an erster Stelle erwähnte LPCVD-Verfahren, und zwar in gleicher Weise wie das an zweiter Stelle erwähnte Verfahren. Somit ergibt sich eine geringe Produktivität. Ferner müssen teure Verfahrenseinrichtungen angeschafft werden. Dies führt zu einer Kostensteigerung. Somit kommt es zu verschiedenen Schwierigkeiten.
  • Auf der anderen Seite sind bei Anwendung des herkömmlichen LPCVD-Verfahrens zur Ausbildung eines Halbleiterfilms, z. B. eines Siliciumfilms, die Abscheidungsvorrichtung und die Abscheidungstechniken noch nicht weit entwickelt. Wird daher ein derartiger Halbleiterfilm als aktive Schicht verwendet, so zeigt der erhaltene Halbleiter keine zufriedenstellenden Eigenschaften. Somit kann der erzeugte Film nicht in angemessener Weise für Schaltelemente oder Treiberschaltungen einer hochgradig definierten Flüssigkristallanzeige von hoher Bildqualität verwendet werden.
  • EP-A-0 259 759 beschreibt eine Niederdruck-Heißwand-Vorrichtung für die chemische Dampfabscheidung entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die effektive Pumpgeschwindigkeit von Gasen, die aus den Daten dieser Druckschrift berechnet werden kann, liegt im Bereich von 63 bis 127 Liter/sec.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Niederdruck-Heißwand-Vorrichtung für die chemische Dampfabscheidung bereitzustellen, die in einfacher Weise nur durch das LPCVD-Verfahren die Ausbildung eines Halbleiterfilms von guter Qualität ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren von Anspruch 1 und dessen Anwendung gemäß Anspruch 6 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von nachgeordneten Ansprüchen.
  • Weitere Ziele und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • 1 ist ein schematischer Aufriss einer erfindungsgemäßen LPCVD-Vorrichtung.
  • 2(a) bis (e) sind Querschnittansichten eines erfindungsgemäßen Dünnfilmhalbleiterbauelements zur Erläuterung der aufeinanderfolgenden Schritte, die zur Herstellung des Bauelements vorgenommen werden.
  • 3–6 sind Diagramme zur Erläuterung der Vorteile der erfindungsgemäßen Dünnfilm-Halbleiterbauelemente.
  • 7 ist ein schematischer Aufriss einer herkömmlichen LPCVD-Vorrichtung.
  • 8(a) bis (d) sind Querschnittansichten eines weiteren erfindungsgemäßen Dünnfilm-Halbleiterbauelements zur Erläuterung der aufeinanderfolgenden Schritte, die zur Herstellung des Bauelements vorgenommen werden.
  • 9 ist eine schematische Darstellung eines Verteilers der in 1 dargestellten erfindungsgemäßen LPCVD-Vorrichtung.
  • 10 ist eine schematische Darstellung des Verteilers einer herkömmlichen LPCVD-Vorrichtung.
  • 11 ist ein schematischer Aufriss einer erfindungsgemäßen vertikalen LPCVD-Vorrichtung.
  • 12 ist ein schematischer Aufriss einer weiteren erfindungsgemäßen vertikalen LPCVD-Vorrichtung.
  • 13 ist ein schematischer Aufriss einer erfindungsgemäßen CVD-Vorrichtung.
  • 14 ist ein schematischer Aufriss einer weiteren erfindungsgemäßen CVD-Vorrichtung.
  • 15 ist ein schematischer Aufriss einer weiteren erfindungsgemäßen CVD-Vorrichtung.
  • Beste Ausführungsform zur Durchführung der Erfindung
  • Beispiel 1
  • 1 erläutert das Konzept einer erfindungsgemäßen Niederdruck-CVD-Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst einen vertikalen Ofen mit einer Quarz-Reaktionskammer 101. Quadratische Glasplatten oder Substrate 102 mit einer Kantenlänge von jeweils 300 mm werden horizontal in der Nähe der Mitte der Kammer 101 angeordnet. In der Vorrichtung werden Halbleiterfilme, wie Siliciumfilme, unter thermischer Zersetzung eines Rohmaterialgases, wie Silan (SiH4), Disilan (Si2H6) oder German (GeH4), abgeschieden. Die Reaktionskammer 101 weist einen Durchmesser von 600 mm und ein Volumen von 184,5 Liter auf. In diesem Beispiel 1 umfasst die Vakuumpumpmaschine eine Turbomolekularpumpe 106 und eine Rotationspumpe 107. Bei der Vakuumpumpmaschine kann es sich auch um eine Kombination einer mechanischen Zusatzpumpe und einer Trockenpumpe handeln. Das Rohmaterialgas und ein Verdünnungsgas, wie Helium, Stickstoff, Argon oder Wasserstoff, werden gegebenenfalls in die Reaktionskammer 101 über ein Gaseinspritzrohr 103 zugeführt. Die Kammer wird mit der Turbomolekularpumpe 106 über die Rotationspumpe 107, die mit einem Verteiler 104 über ein Absperrventil und ein Leitventil 105 verbunden ist, evakuiert. Weder im Verteiler noch im Reaktionsofen liegt eine spezielle Unterteilung vor. Somit können sie zu einer Einheit vereinigt werden. Eine Heizvorrichtung 108, die in drei Bereiche unterteilt ist, ist an der Außenseite der Reaktionskammer 101 angebracht. Rund um das Zentrum der Reaktionskammer bildet sich eine homogen auf eine erwünschte Temperatur erwärmte Zone, indem man die drei Bereiche der Heizvorrichtung getrennt einstellt. Die Zone weist eine Höhe von etwa 350 mm auf. Die Temperaturvariationen liegen in dieser Heizzone innerhalb von 0,2 °C, wenn die Temperatur auf 600 °C eingestellt wird. Wenn die eingesetzten Platten oder Substrate sich in einem Abstand von 10 mm voneinander befinden, so kann die Vorrichtung in einem einzigen Ansatz 35 Platten bearbeiten. In diesem Beispiel 1 werden 17 Platten innerhalb der homogen beheizten Zone in Abständen von 20 mm angeordnet, wobei die Zone sich über einem Drehteller 109 erstreckt.
  • Eine Evakuierung wird vorgenommen, wobei die Turbomolekularpumpe 106 direkt mit der Rotationspumpe 107 verbunden ist. Die erfindungsgemäß verwendete Turbomolekularpumpe 106 weist den chemisch entsprechenden Typ auf und kann auch während der Abscheidung eines Halbleiterfilms, z. B. eines Siliciumfilms, arbeiten. Diese Turbomolekularpumpe pumpt Stickstoff mit einer Geschwindigkeit von 2200 Liter/sec. Um die effektive Pumpgeschwindigkeit am Einlass der Reaktionskammer 101 auf ein Maximum zu bringen, sind die Turbomolekularpumpe 106, das Absperrventil und das Leitventil 105 direkt mit dem Verteiler 104 gekoppelt. Im Ergebnis werden bei einer Temperatur im Innern des Ofens von 600 °C beide Pumpen betätigt. Dabei wird Stickstoff aus dem Gaseinspritzrohr 103 mit 100 SCCM zugeführt, wobei der Gleichgewichtsdruck im Innern der Reaktionskammer 101 bis 159,6 × 10–3 Pa (1,2 × 10–3 Torr) beträgt. Somit beträgt die effektive Pumpgeschwindigkeit 1055,411 Liter/sec (83,3 SCCM/mTorr). Unter den gleichen Bedingungen beträgt bei Zufuhr von Stickstoff mit 3,97 × 10–5 SCCM, 15,83 SCCM, 39,68 SCCM und 300 SCCM der Gleichgewichtsdruck im Innern der Reaktionskammer 1263,5 × 10–5 Pa (9,5 × 10–5 Torr), 332,5 × 10–4 Pa (2,5 × 10–4 Torr, 731,5 × 10–4 Pa (5,5 × 10–4 Torr) bzw. 399 × 10–3 Pa (3 × 10–3 Torr). Die entsprechenden effektiven Pumpgeschwindigkeiten betragen 529,606 Liter/sec (41,8 SCCM/mTorr), 802,011 Liter/sec (63,3 SCCM/mTorr), 913,507 Liter/sec (72,1 SCCM/mTorr) bzw. 1267 Liter/sec (100 SCCM/mTorr).
  • Diese Drücke werden mit einem Ionisationsvakuummessgerät, das mit Stickstoff geeicht ist, gemessen. Wenn beispielsweise während der Reaktion ein anderes Gas als Stickstoff zugeführt wird, so wird der Druck mit einem Kapazitätsmanometer gemessen, dessen Wert nicht von der Gasart abhängig ist. Die Auflösung dieses Druckmessgeräts beträgt 133 × 10–6 Pa (1 × 10–6 Torr).
  • Für die im vorliegenden Beispiel 1 verwendete Turbomolekularpumpe betrug die Pumpgeschwindigkeit Sp an der Einlassöffnung 2200 Liter/sec für Stickstoff, wenn der Druck im Innern der Einlassöffnung in der Größenordnung von 0,399 Pa (3 mTorr) lag. Andererseits beträgt die effektive Pumpgeschwindigkeit Se bei diesem Druck im Innern der Reaktionskammer 100 SCCM/mTorr = 1267 Liter/sec, wie vorstehend beschrieben. Der Leitwert Cv des Absperrventils und des Leitventils beträgt 3150 Liter/sec. Der gesamte Cx-Wert sämtlicher restlicher Leitwerte einschließlich des Leitwerts des Verteilers und des Leitwerts zwischen denn Verteiler und der Reaktionskammer wird durch die folgende Gleichung angegeben: 1/Se = 1/Sp + 1/Cv + 1/Cx
  • Somit gilt Cx = 57937 Liter/sec. Dies bedeutet, dass aufgrund der Tatsache, dass der Leitwert des Verteilers selbst und der Leitwert zwischen dem Verteiler und der Reaktionskammer ausreichend groß sind, es möglich ist, den gesamten Cx-Wert der restlichen Leitwerte wesentlich größer als die Pumpgeschwindigkeit Sp in der Einlassöffnung der Pumpe zu machen. Als Folge kann die effektive Pumpgeschwindigkeit Se in der Reaktionskammer auf einem hohen Wert gehalten werden.
  • 9 ist ein schematischer Grundriss des Verteilers der LPCVD-Vorrichtung. Der Verteiler ist allgemein mit dem Bezugszeichen 104 bezeichnet. Das Innere des Verteilers 104 ist hohl. Das Abgas aus der Reaktionskammer durchströmt diesen breiten Innenraum des Verteilers 104. Verstärkungsbalken 901 sind an einigen Stellen im Innern des Verteilers angebracht. Diese Balken 901 sind im Vergleich zur Breite von 600 mm des hohlen Innenraums des Verteilers ausreichend dünn. Daher verringern diese Balken 901 den Leitwert nicht. Die Dicke der Innenseite des Verteilers beträgt 125 mm. Der Querschnitt, durch den das Gas strömt, weist im engsten Bereich einen hohen Wert von 700 cm2 oder mehr auf. Daher ergibt sich ein ausreichend hoher Leitwert im Innern des Verteilers im Vergleich zur Pumpgeschwindigkeit Sp der Pumpe und dem Leitwert Cv des Absperrventils und des Leitventils. Wie vorstehend beschrieben, ist die Turbomolekularpumpe an den unteren Bereich des Verteilers über das Absperrventil und das Leitventil gekoppelt. Der Durchmesser der Einlassöffnung 902 dieser Vakuumpumpmaschine beträgt 260 mm, so dass sie eine Querschnittfläche von 531 cm2 aufweist. Die untere Oberfläche und die obere Oberfläche des Verteilers sind mit Öffnungen 903 versehen, um Glasplatten oder Substrate in die Reaktionskammer einsetzen zu können. In der vorliegenden LPCVD-Vorrichtung können Glasplatten mit einer Kantenlänge von 300 mm horizontal im Innern der Reaktionskammer angeordnet werden. Somit beträgt der Durchmesser der Öffnungen 903 460 mm. Vorzugsweise befinden sich die Öffnungen 903 möglichst nahe an der Einlassöffnung 902 der Vakuumpumpmaschine, soweit dies die Festigkeit des Verteilers zulässt. Wie in 1 dargestellt, ist die Reaktionskammer 101 über dem Verteiler angebracht. Das Gaseinspritzrohr 103 steht aufrecht auf dem Verteiler 104 an der Seite der Mitte der Platteneinführöffnung, die der Einlassöffnung der Vakuumpumpmaschine auf der Verbindungslinie zwischen der Mitte der Einlassöffnung 902 und der Mitte der Einführöffnung 903 gegenüberliegt. Somit strömt das Gas im Innern der Reaktionskammer nach unten und von rechts nach links, wie in 9 dargestellt ist. Da das Gaseinspritzrohr und die Einlassöffnung des Verteilers symmetrisch angeordnet sind, wird das Auftreten von turbulenten Strömungen auf ein Minimum beschränkt. Infolgedessen kann ein Halbleiterfilm mit gleichmäßiger Qualität gleichmäßig abgeschieden werden. Der Einlass von Gas in den Verteiler aus der Reaktionskammer erfolgt über den Gaseinlassteil 904 des Verteilers. Der Einlassteil 904 ist in der Seitenfläche, die der Platteneinführöffnung des Verteilers zugewandt ist, ausgebildet, wie in 1 dargestellt ist. Von der Seitenfläche, die der Platteneinführöffnung des Verteilers zugewandt ist, ist der gesamte halbkreisförmige Teil auf der Seite der Vakuumpumpmaschine geöffnet, wodurch der Einlassteil 904 ausgebildet wird. Da der Radius der Platteneinführöffnung 230 mm und die Dicke des Verteilers 125 mm betragen, ergibt sich eine große Fläche der Öffnung im Einlassteil 904 des Verteilers von 903 cm2. Daraus ergibt sich im wesentlichen, dass der Verteiler in die Reaktionskammer integriert ist. Aus diesem Grund ist die Leitung zwischen dem Verteiler und der Reaktionskammer wesentlich größer als die Pumpgeschwindigkeit der Pumpe. Die Öffnung in der gesamten Seitenfläche des Verteilers, die sich auf der Seite der Reaktionskammer befindet, macht eine Unterscheidung zwischen der Reaktionskammer und dem Verteiler bedeutungslos. Die Unterschiede liegen nur in der Temperatur und im Material. In Bezug auf die Gasströmung können sie nicht voneinander unterschieden werden. Auf diese Weise ist die Querschnittfläche des engsten Bereiches des Verteilers größer als die Querschnittfläche des Gaseinlassteils der Vakuumpumpmaschine. Ferner kann die effektive Pumpgeschwindigkeit in der Reaktionskammer hoch gehalten werden, wie vorstehend ausgeführt, da der Verteilereinlassteil so groß wie möglich gemacht wird.
  • Die Turbomolekularpumpe 106 erreicht innerhalb von etwa 10 Minuten nach Betriebsbeginn einen konstanten Rotationszustand. Wenn während dieses Zeitraums das Absperrventil und das Leitventil 105 vollständig geöffnet werden, beträgt der Basisdruck im Innern der Reaktionskammer 133 × 10–6 bis 199,5 × 10–6 Pa (1,0 × 10–6 bis 1,5 × 10–6 Torr), wobei die Reaktionskammer auf 600 °C gehalten wird. Nach Ablauf von 10 Minuten, nachdem die Turbomolekularpumpe den konstanten Rotationszustand erreicht hat, beträgt der Gegendruck im Innern der Reaktionskammer 532 × 10–7 bis 1197 × 10–7 Pa (4,0 × 10–7 bis 9,0 × 10–7 Torr) bei 600 °C. Wenn das Absperrventil geschlossen ist, wird der Druck im Innern der Reaktionskammer in der Größenordnung von 133 Pa (1 Torr) aufrechterhalten, und die Turbomolekularpumpe wird im stationären Zustand betrieben. Beim Öffnen des Absperrventils beträgt der Gegendruck im Innern der Reaktionskammer erneut 532 × 10–7 bis 1197 × 10–7 Pa (4,0 × 10–7 bis 9 × 10–7 Torr) bei 600 °C nach Ablauf von 10 Minuten nach Öffnen des Absperrventils. Dies ergibt sich aus folgenden Gründen. Die Turbomolekularpumpe ist direkt mit dem Verteiler gekoppelt, um die Leitung auf ein Maximum zu erhöhen. Somit ergibt sich eine sehr hohe effektive Pumpgeschwindigkeit in der Reaktionskammer, d. h. über 506,8 Liter/sec (40 SCCM/mTorr). Somit wird ein hohes Vakuum von 133 × 10–7 Pa (10–7 Torr) erst nach Ablauf von 10 Minuten nach Erreichen des stationären Zustands der Turbomolekularpumpe oder nach Öffnen des Absperrventils erreicht.
  • 17 Glasplatten mit einer Kantenlänge von jeweils 235 mm werden in diese LPCVD-Vorrichtung eingeführt und unter Vakuum auf eine Temperatur von 500 bis 600 °C erwärmt, wobei diese Temperatur der Abscheidungstemperatur entspricht. Die Leckagerate von entweichenden Gasen betrug etwa 266 × 10–5 bis 931 × 10–5 Pa/min (2 × 10–5 bis 7 × 10–5 Torr/min). Infolgedessen betrug der Druckanstieg aufgrund von gasförmigen Verunreinigungen, wie entweichenden Gasen, während des Zeitraums von 10 Minuten im Vakuumzustand etwa 266 × 10–4 bis 931 × 10–4 Pa (2 × 10–4 bis 7 × 10–4 Torr).
  • Die neue LPCVD-Vorrichtung ist dazu befähigt, den Vakuumgrad von 133 Pa (1 Torr) innerhalb von 10 Minuten unter 133 × 10–6 Pa (1 × 10–6 Torr) zu senken, während die Vakuumpumpmaschine, z. B. eine Turbomolekularpumpe, auf die vorstehend beschriebene Weise im stationären Zustand betrieben wird. Somit kann die neuartige LPCVD-Vorrichtung in ausreichendem Maße unerwünschte Gase, die unvermeidlicherweise von den Glasplatten und der Schiffchen-Befestigungsvorrichtung entweichen, in ausreichendem Maße evakuieren. Diese entweichenden Gase enthalten Wasser (H2O) und Sauerstoff (O2), die das Wachstum von hochwertigen Siliciumfilmen verhindern. Insbesondere können bei Abscheidung eines Halbleiterfilms, z. B. eines Siliciumfilms, gasförmige Verunreinigungen, die aus den Glasplatten und den Schiffchen-Befestigungsvorrichtungen entstanden sind, im anfänglichen Abscheidungsstadium eine Kristallisationskeimwirkung für den abgeschiedenen Film haben. Wenn daher die entweichenden Gase nicht in ausreichendem Maße evakuiert werden, wird ein großer Anteil von gasförmigen Verunreinigungen an den Oberflächen der Glasplatten adsorbiert, wodurch zahlreiche Kristallisationskeime entstehen. Dadurch werden die Durchmesser der Teilchen, die den abgeschiedenen Halbleiterfilm bilden, verringert, was zu einer Beeinträchtigung der Eigenschaften des Halbleiterfilms führt. Wenn ein amorpher Halbleiterfilm abgeschieden und anschließend durch Wärmebehandlung oder Laserbestrahlung kristallisiert wird, verringert das Vorliegen einer großen Menge an Kristallisationskeimen, die von entweichenden Gasen herrühren, den durchschnittlichen Teilchendurchmesser nach dem Kristallwachstum. Dies beeinträchtigt wiederum die Halbleitereigenschaften. Ferner unterdrücken diese entweichenden gasförmigen Verunreinigungen die Wanderung des Rohmaterialgases an der Wachstumsoberfläche während der Abscheidung. Infolgedessen vermindert sich die Fähigkeit des Rohmaterialgases, wie Silan, Disilan, German, Phosphin (PH3) oder Diboran (B2H6), die stabilste Position für eine Kristallenergieabsenkung zu finden. Als Folge davon enthält der Halbleiterfilm zahlreiche Korngrenzflächen oder amorphe Komponenten. Auf diese Weise ergibt sich eine schlechte Qualität des Halbleiterfilms. Wenn die entweichenden gasförmigen Verunreinigungen in den wachsenden Halbleiterfilm gelangen, so kommt es zu einer weiteren Beeinträchtigung der Eigenschaften des Halbleiters.
  • Aus den vorstehenden Ausführungen ist ersichtlich, dass die Verwendung einer LPCVD-Vorrichtung, die gasförmige Verunreinigungen, die unvermeidlicherweise von Glasplatten und dergl. entweichen, mit ausreichend hoher Geschwindigkeit evakuiert, sich zur Abscheidung eines Halbleiterfilms von guter Qualität eignet. Im allgemeinen erzeugt eine Gasentwicklung in einem Vakuum innerhalb von 10 Minuten einen Druckanstieg von etwa 133 × 10–4 Pa (10–4 Torr). Eine LPCVD-Vorrichtung, die mit einem Vakuumpumpsystem ausgerüstet ist, dessen Evakuierungsvermögen größer als diese Gasentwicklungsgeschwindigkeit, d. h. 1 Torr (133 Pa) in 10 Minuten, ist, kann entweichende gasförmige Verunreinigungen aus der Reaktionskammer mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit abpumpen. Dies führt dazu, dass sich ein Halbleiterfilm von guter Qualität bilden lässt. Ferner lässt sich das Vakuumpumpsystem leicht herstellen, indem man unerwünschte Rohre zwischen dem Vakuumpumpsystem und der Reaktionskammer entfernt und die Vakuumpumpmaschine über die erforderliche Ventile, z. B. das Absperrventil und das Leitventil, fast direkt in der Reaktionskammer anbringt.
  • 2(a)-(e) sind Querschnittansichten eines Dünnfilmhalbleiterbauelements zur Bildung eines "MISFET". In diesem Beispiel 1 weist das Dünnfilmhalbleiterbauelement eine nicht-selbstabgleichende, versetzte Struktur auf. Die vorliegende Erfindung kann auch auf ein Dünnfilmhalbleiterbauelement mit umgekehrter versetzter Struktur oder auf einen selbstabgleichenden Dünnfilmhalbleiterfilm angewandt werden.
  • Im vorliegenden Beispiel 1 besteht jedes quadratische Substrat 201 aus Quarzglas mit einer Kantenlänge von 235 mm. Hinsichtlich der Art oder der Größe der einzelnen Substrate bestehen keine Beschränkungen, sofern das Substrat die Abscheidungstemperatur für den Halbleiterfilm aushält. Ferner handelt es sich in diesen Beispielen beim Halbleiterfilm um einen Film aus intrinsischem Silicium. Der Halbleiterfilm kann auch aus einem Siliciumfilm mit einem Gehalt an Verunreinigungen, wie Donatoren oder Akzeptoren (z. B. Phosphor oder Bor) oder Germanium, einem intrinsischen Germaniumfilm oder aus einem Germaniumfilm mit einem Gehalt an Donatoren oder Akzeptoren bestehen.
  • Zunächst wurde ein Film 202 aus Siliciumdioxid (SiO2), der die untere Schutzschicht bildete, auf dem Substrat 201 durch CVD bei atmosphärischem Druck (APCVD) oder durch Sputtering ausgebildet. Anschließend wurde ein Siliciumfilm mit einem Gehalt an Dotierungsmitteln, die zu Donatoren oder Akzeptoren wurden, durch LPCVD abgeschieden und zu Source- und Drain-Zonen 203 bemu stert (2(a)). Im vorliegenden Beispiel 1 wurde Phosphor als Dotierungsmittel ausgewählt. Phosphin (PH3) und SiH4 wurden vermischt. Ein Siliciumfilm, der das Dotierungsmittel enthielt, wurde in einer Filmdicke von 150 nm 1 500 Å bei 600 °C durch LPCVD abgeschieden.
  • Anschließend wurde ein Kanalbereich-Siliciumfilm 204, der zur aktiven Schicht eines Transistors wurde, durch die bereits in Verbindung mit 1 beschriebene LPCVD-Vorrichtung abgeschieden (2(b)). Im vorliegenden Beispiel wurde SiH4 als Rohmaterialgas verwendet. Ein Verdünnungsgas wurde überhaupt nicht verwendet. Der Siliciumfilm 204 wurde bei 600 °C abgeschieden. Das Substrat wurde in die Reaktionskammer 101 so eingesetzt, dass die Vorderseite des Substrats nach unten gewandt war. Die Kammer 101 wurde dabei bei 400 °C gehalten. Zu diesem Zeitpunkt wurde reiner Stickstoff aus dem Gaseinspritzrohr 103 mit 30 SLM eingeleitet, um den Luftstrom in der Reaktionskammer beim Einsetzen des Substrats auf ein Minimum zu beschränken.
  • Nach Einsetzen des Substrats wurde die Turbomolekularpumpe in Gang gesetzt. Nach Erreichen eines stationären Zustands wurde 2 Minuten lang eine Leckageinspektion durchgeführt. Zu diesem Zeitpunkt betrug die Leckagegeschwindigkeit der entweichenden Gase 571,9 × 10–5 Pa/min (4,3 × 10–5 Torr/min). Anschließend wurde die Temperatur innerhalb von 1 Stunde von einer Einsetztemperatur von 400 °C auf eine Abscheidungstemperatur von 600 °C erhöht. Während der ersten 10 Minuten des Temperaturerhöhungsvorgangs wurden keine Gase in die Reaktionskammer gelassen. Die Temperaturerhöhung wurde während der ersten 10 Minuten unter Vakuum durchgeführt. Der niedrigste erreichbare Basisdruck im Innern der Reaktionskammer betrug nach 10 Minuten des Temperaturerhöhungsvorgangs 904,4 × 10–7 Pa (6,8 × 10–7 Torr). Während der restlichen 50 Minuten wurde Stickstoffgas mit einer Reinheit von mehr als 99,9999 % mit 300 SCCM zugeführt. Dabei betrug der Gleichgewichtsdruck im Innern der Reaktionskammer 399 × 10–3 Pa (3 × 10–3 Torr). Nach Erreichen der Abscheidungstemperatur wurde SiH4 als Rohmaterialgas mit 250 SCCM zugeführt. Ein Siliciumfilm wurde 6 Minuten und 51 Sekunden lang abgeschieden. Während dieses Vorgangs wurde das Leitventil so gesteuert, dass der Druck im Innern der Reaktionskammer auf 3,79 Pa (28,5 mTorr) gehalten wurde. Während der Umsetzung wurde der Druck mit einem Kapazitätsmanometer, dessen Messwert nicht von der Gasart abhängt, gemessen. Die Dicke des erhaltenen Siliciumfilms betrug 29,4 nm (294 A). Der Siliciumfilm wurde zur Bildung eines Kanalbereich-Siliciumfilms 205 bemustert, der zur aktiven Schicht des Transistors wurde (2(c)).
  • Anschließend wurde ein Gateisolierfilm 206 durch ECR-PECVD (durch Elektronenzyklotronresonanz-Plasma verstärkte chemische Abscheidung aus der Dampfphase) oder APCVD ausgebildet. Im vorliegenden Beispiel 1 wurde der Gateisolierfilm aus SiO2 gebildet, das durch ECR-PECVD als 150 nm (1 500 Å) dicker Film abgeschieden wurde (2(d). Anschließend wurde ein Dünnfilm, der zur Gateelektrode 207 wurde, durch Sputtering, CVD oder ein anderes Verfahren gebildet. In diesem Beispiel 1 wurde die Gateelektrode aus Chrom (Cr) hergestellt. Chrom wurde durch Sputtering als ein 150 nm (1 500 Å) dicker Film abgeschieden. Anschließend wurde der Dünnfilm, der zur Gateelektrode wurde, abgeschieden und der Film wurde bemustert. Sodann wurde ein Zwischenisolierfilm 208 mit einer Dicke von 500 nm (5 000 Å) abgeschieden. Es wurden Kontaktlöcher gebildet. Source- und Drain-Verbindungselektroden 209 wurden durch Sputtering gebildet, wodurch das Dünnfilmhalbleiterbauelement fertiggestellt wurde (2(e)).
  • Die Kurve 3–a von 3 zeigt die Ids- (Source-Drain-Strom) und Vgs- (Gate-Spannung) Transistor-Kenngrößen des auf diese Weise versuchsweise hergestellten Dünnfilmhalbleiterbauelements. Die Source-Drain-Strom-Werte Ids wurden bei Vds = 4 V bei 25 °C gemessen. Die Länge L des Transistor-Kanalbereiches betrug 10 μm und die Breite W 10 μm. Der Transistor-AN-Strom, der als Ids definiert ist, wenn sich der Transistor im AN-Zustand von Vds = 4 V und Vgs = 10 V befindet, wurde zu 3,34 × 10–7 A gemessen. Der Transistor-AUS-Strom, der als Ids im AUS-Zustand des Transistors von Vdgs = 0 V definiert ist, betrug 2,24 × 10–13 A. Infolgedessen wurde ein hochwertiges Dünnfilmhalbleiterbauelement erhalten, dessen Source-Drain-Strom Ids um mehr als das 6-fache der Größe bei 10 V-Modulation der Gate-Spannung variieren. Die effektive Elektronenmobilität, die aus der Sättigungsstromregion dieses Dünnfilmhalbleiterbauelements gefunden wurde, betrug 6,1 cm2/V sec.
  • Ein Dünnfilmhalbleiterbauelement wurde auf ähnliche Weise wie beim vorstehend beschriebenen neuen Verfahren hergestellt, mit der Ausnahme, dass ein Siliciumfilm zur Bildung einer aktiven Schicht, die zu einem Kanalbereich wurde, durch herkömmliche LPCVD-Technik abgeschieden wurde. Zum Vergleich zeigt die Kurve 3–b von 3 die Ids-Vgs-Eigenschaften dieses Bauelements.
  • Wie in 7 dargestellt, ist die herkömmliche LPCVD-Vorrichtung der in 1 dargestellten neuartigen LPCVD-Vorrichtung ähnlich in Bezug auf die Größe der Reaktionskammer, die Gestalt der Glasplatten, die Art der Glasplatten, die Anzahl der Glasplatten, die Einsetzposition und das Heizsystem, unterscheidet sich aber stark in Bezug auf das Evakuierungssystem. Speziell evakuiert die herkömmliche LPCVD-Vorrichtung Gas mittels der Rotationspumpe 107 und der mechanischen Zusatzpumpe 706. Aus der Reaktionskammer 101 gepumptes Gas wird durch die Abgasrohre 703, die aufrecht auf dem Verteiler 104 stehen, gedrückt. Ein Abgasrohr 705 erstreckt sich vom Verteiler zur Evakuierungsvorrichtung, um Gas aus dem Verteiler zu entfernen. 10 ist eine schematische Darstellung des Verteilers der herkömmlichen LPCVD-Vorrichtung, dargestellt in vertikaler Richtung. Der herkömmliche Verteiler ist krapfenähnlich geformt und weist einen Außendurchmesser von 600 mm, eine Breite von 70 mm, eine Dicke von 125 mm und eine Querschnittfläche von etwa 87,5 cm2 auf. Das Leitvermögen ist sehr gering. Vier Abgasrohre 703 stehen zwischen dem Verteiler und der Reaktionskammer. Jedes Rohr 703 ist zylindrisch ausgebildet und weist einen Durchmesser von 40 mm und eine Länge von 685 mm auf. Das Leitvermögen der Abgasrohre beträgt 11,64 Liter/sec, so dass das Leitvermögen zwischen dem Verteiler und der Reaktionskammer in der Größenordnung von 47 Liter/sec liegt. Bei Zufuhr von Helium mit 74 SCCM unter der Bedingung, dass die Temperatur im Innern der Reaktionskammer 600 °C betrug, war die effektive Pumpgeschwindigkeit so beschaffen, dass der Gleichgewichtsdruck im Innern der Reaktionskammer 3,35 Pa (25,2 mTorr) betrug. Der niedrigste erreichbare Basisdruck in der Reaktionskammer betrug 133 × 10–4 Pa (10–4 Torr).
  • Mit dieser herkömmlichen LPCVD-Vorrichtung wurde ein Siliciumfilm, der zur aktiven Schicht des Kanalbildungsbereiches wurde, 8 Minuten und 30 Sekunden unter folgenden Bedingungen abgeschieden: Abscheidungstemperatur 600 °C, Strömungsgeschwindigkeit des SiH4 70 SCCM und Druck im Innern des Reaktionsofens 3,78 Pa (28,4 mTorr). Die Dicke des abgeschiedenen Silicium films betrug 29,9 nm (299 Å). Der AN-Strom des auf diese Weise gemäß herkömmlicher Technik hergestellten Dünnfilmhalbleiterbauelements betrug 1,1 × 10–7 A und der AUS-Strom betrug 8,76 × 10–13 A. Die effektive Elektronenbeweglichkeit, die aus den Sättigungsstrombereich festgestellt wurde, betrug 2,48 cm2/V sec.
  • Ein Vergleich dieser Ergebnisse zeigt, dass die vorliegende Erfindung den herkömmlichen Techniken weit überlegen ist. Insbesondere ist erfindungsgemäß die Elektronenbeweglichkeit mindestens doppelt so hoch wie bei den herkömmlichen Techniken. Der AN-Strom ist mindestens 3-mal größer als der sich bei herkömmlichen Techniken ergebende AUS-Strom. Ferner ist der AUS-Strom auf ein Drittel verringert. Auf diese Weise ergibt sich eine erhebliche Verbesserung der Transistoreigenschaften. Ferner beträgt die mit dem neuartigen Verfahren erreichte Abscheidungsgeschwindigkeit 4,29 nm/min (42,9 Å/min), was höher als die Abscheidungsgeschwindigkeit von 3,52 nm/min (35,2 Å/min) ist, die sich durch herkömmliche Techniken bei der gleichen Temperatur und bei dem gleichen Druck ergibt. Somit wird durch das neuartige Verfahren die Herstellungszeit verkürzt und der Durchsatz verbessert. Außerdem wird erfindungsgemäß eine LPCVD-Vorrichtung mit hohem Evakuierungsvermögen im Hochvakuum, das mit der normalen Vorrichtung von Heißwandtyp nicht erreichbar war, realisiert, indem man sich des vorerwähnten speziellen Vakuumpumpsystems bedient. Infolgedessen kann in einem einzigen Ansatz eine Mehrzahl von Glasplatten oder Substraten bearbeitet werden. Gleichzeitig wird eine hervorragende Gleichmäßigkeit gewährleistet. Im vorliegenden Beispiel 1 wurden in der Praxis 17 quadratische Glasplatten mit einer Kantenlänge von 235 mm gleichzeitig bearbeitet. Bei den einzelnen Glasplatten lagen die Variationen der Filmdicke über die gesamte Oberfläche hinweg innerhalb von 1 %, ausgenommen die Bereiche, die sich innerhalb von 1 cm von den vier Ecken der Platte befanden. Die einzelnen Glassubstrate mit einer Kantenlänge von 235 mm weisen eine Fläche von 552,25 cm2 auf. Der Bereich unter Ausschluss der vier Eckbereiche weist eine Fläche von 549,11 cm2 auf. Die Filmdickenvariationen innerhalb dieses Bereichs liegen unter 0,2 nm (2 Å). Ferner sind die Filmdickenvariationen unter den 16 Glasplatten (unter Ausschluss der untersten Platte) sehr gering, wobei die Filmdicke der untersten Platte etwa 3 nm (30 Å) dünner ist. Von diesen 16 Glasplatten beträgt die dünnste Filmdicke 28,9 nm (289 Å) während die dickste Filmdicke 29,8 nm (298 Å) beträgt. Auf diese Weise lässt sich gleichzeitig eine große Anzahl von Halbleiterfilmen von hoher Qualität und in sehr gleichmäßiger Art und Weise mit der neuartigen LPCVD-Vorrichtung mit einem hohen Evakuierungsvermögen im Hochvakuum bearbeiten.
  • Es ist allgemein bekannt, dass Temperatur und Druck wichtige Faktoren bei der Abscheidung eines Siliciumfilms zur Bildung des Kanals eines Silicium-Dünnfilmhalbleiterbauelements darstellen. Es wurde angenommen, dass bei gleicher Temperatur und gleichem Druck Siliciumfilme von gleicher Qualität abgeschieden und Dünnfilmhalbleiterbauelemente mit den gleichen Transistoreigenschaften hergestellt werden können. Durch die vorliegende Erfindung wird das Pumpsystem verbessert, so dass die Abscheidungszeit bei gleichbleibender Temperatur und gleichbleibendem Druck verkürzt wird. Dies führt zu einer Verbesserung des Durchsatzes. Durch Abscheidung von Halbleiterfilmen von verbesserter Qualität lassen sich die Transistoreigenschaften erheblich verbessern.
  • Vergleichsbeispiel 2
  • Die Darstellungen in 2(a)-(e) sind Querschnittansichten eines Dünnfilmhalbleiterbauelements zur Bildung eines erfindungsgemäßen MISFET, wobei die zur Herstellung der Vorrichtung nacheinander durchgeführten Schritte dargestellt werden. In diesem Beispiel 2, bei dem es sich um ein Vergleichsbeispiel handelt, entspricht das Dünnfilmhalbleiterbauelement dem nicht-selbstabgleichenden versetzten Typ.
  • Im Vergleichsbeispiel 2 besteht jedes quadratische Substrat 201 aus Quarzglas mit einer Kantenlänge von 235 mm. Hinsichtlich der Art oder der Größe der einzelnen Substrate gibt es keine Beschränkungen, sofern es die Abscheidungstemperatur des Halbleiterfilms aushält. Auch in diesem Vergleichsbeispiel 2 wird der Halbleiterfilm aus Silicium hergestellt. Auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 kann der Halbleiterfilm auch Germanium (Ge), Siliciumgermanid (SiχGe1–χ, wobei 0 < χ < 1) und Donatoren oder Akzeptoren enthalten.
  • Zunächst wurde ein Film 202 aus Siliciumdioxid (SiO2), der zum unteren Schutzfilm wurde, auf dem Substrat 201 durch CVD bei atmosphärischem Druck (APCVD) oder Sputtering ausgebildet. Sodann wurde ein Siliciumfilm mit einem Gehalt an Dotierungsmitteln, die zu Donatoren oder Akzeptoren wurden, durch LPCVD abgeschieden und zu Source- und Drain-Zonen 203 bemustert (2(a)). Im vorliegenden Vergleichsbeispiel 2 wurde Phosphor als Dotierungsmittel ausgewählt. Phosphin (PH3) und SiH4 wurden vermischt und ein Siliciumfilm mit einem Gehalt an dem Dotierungsmittel wurde als Film mit einer Dicke von 150 nm (1 500 Å) bei 600 °C durch LPCVD abgeschieden.
  • Anschließend wurde ein Siliciumfilm 204, der einen als aktive Schicht eines Transistors wirkenden Kanalbereich bildete, mit der bereits ausführlich in Beispiel 1 unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen LPCVD-Vorrichtung abgeschieden (2(b)). Im vorliegenden Vergleichsbeispiel 2 wurde SiH4 als Rohmaterialgas verwendet. Ein Verdünnungsgas wurde nicht verwendet. Der Siliciumfilm 204 wurde bei 600 °C abgeschieden. Das Substrat wurde in die Reaktionskammer 101 so eingesetzt, dass die Vorderseite des Substrats nach unten gewandt war. Dabei wurde die Kammer 101 auf 400 °C gehalten. Gleichzeitig strömte reiner Stickstoff aus dem Gaseinspritzrohr 103 mit 30 SLM ein, um den Strom von Luft in die Reaktionskammer beim Einsetzen des Substrats auf ein Minimum zu beschränken.
  • Nach dem Einsetzen des Substrats wurde die Turbomolekularpumpe in Gang gesetzt. Nachdem die Pumpe einen stationären Zustand erreicht hatte, wurde 2 Minuten lang eine Leckageinspektion vorgenommen. Zu diesem Zeitpunkt betrug die Leckagegeschwindigkeit von entweichenden Gasen 532 × 10–5 Pa (4 × 10–5 Torr/min). Anschließend wurde die Temperatur von der Einsetztemperatur von 400 °C innerhalb von 1 Stunde auf eine Abscheidungstemperatur von 600 °C erhöht. Während der ersten 10 Minuten der Temperaturerhöhung ließ man kein Gas in die Reaktionskammer eintreten. Die Temperaturerhöhung wurde während der ersten 10 Minuten unter Vakuum durchgeführt. Der niedrigste erreichbare Basisdruck im Innern der Reaktionskammer nach der 10-minütigen Temperaturerhöhung betrug 864,5 × 10–7 Pa (6,5 × 10–7 Torr). Während der restlichen 50 Minuten wurde Stickstoffgas mit einer Reinheit von mehr als 99,9999 % mit 300 SCCM zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt betrug der Gleichgewichtsdruck im Innern der Reaktionskammer 399 × 10–3 Pa (3 × 10–3 Torr). Nach Erreichen der Abscheidungstemperatur wurde SiH4 als Rohmaterialgas mit 250 SCCM zugeführt. Ein Siliciumfilm wurde 12 Minuten und 46 Sekunden lang abgeschieden. Während dieses Vorgangs war das Leitventil vollständig geöffnet. Der Druck im Innern des Reaktionsofens wurde mit einem Kapazitätsmanometer, dessen Wert nicht von der Gasart abhängig ist, gemessen. Nach Einleiten des Rohmaterialgases SiH4 in die Reaktionskammer betrug der Gleichgewichtsdruck im Innern der Reaktionskammer für 3 Minuten und 16 Sekunden 0,339 Pa (2,55 mTorr). Dieser gemessene Druck entspricht dem Wert, der erhalten wurde, wenn SiH4 mit 250 SCCM zugeführt wurde und die Temperatur im Innern der Reaktionskammer 25 °C betrug. Unter diesen Bedingungen ergab sich ein Verhältnis der Dicke T (nm (Å)) des abgeschiedenen Films zur Abscheidungszeit t (in Minuten) von T (nm) = –8,79 (nm) + 3,04 (nm/min) × t (min) (T (Å) = –87,9 (Å) + 30,4 (Å/min) × t (min)
  • Wir nehmen somit an, dass das Rohmaterialgas während etwa 3 Minuten nach Einleiten des Rohmaterialgases in die Reaktionskammer nicht thermisch zersetzt wurde. Sodann wurde der Druck im Innern der Reaktionskammer allmählich erhöht und erreichte 11 Minuten und 16 Sekunden nach Einleitung des Rohmaterialgases einen Wert von 0,391 Pa (2,94 mTorr). Dieser Druck wurde bis zum Abscheidungsende, d. h. 12 Minuten und 46 Sekunden nach Einleiten des Rohmaterialgases, aufrechterhalten. Die Drucksteigerung im Innern der Reaktionskammer wurde einer Erhöhung der Menge an gebildetem Wasserstoff zugeschrieben, was wiederum durch eine Variation des Reaktionskoeffizienten des als Rohmaterial verwendeten Silans verursacht wird. Berücksichtig man diese Druckvariation, so lässt sich der Reaktionskoeffizient des als Rohmaterial verwendeten Silans unmittelbar vor dem Ende der Zersetzung zu 16,7 % schätzen. Hieraus leiten wir ab, dass der Partialdruck des Silans 0,279 Pa (2,1 mTorr) betrug.
  • Im vorliegenden Vergleichsbeispiel 2 wurden 17 quadratische Substrate mit einer Kantenlänge von 235 mm in die Reaktionskammer eingesetzt. Die sich ergebende gesamte Innenfläche der Reaktionskammer betrug 44 040 cm2. Unter der Annahme, dass die Abscheidungsgeschwindigkeit im gesamten Innenraum der Reaktionskammer gleichmäßig ist, lässt sich aus der Abscheidungsgeschwindigkeit und der gesamten Innenfläche der Reaktionskammer der Reaktionskoeffizient des als Ausgangsmaterial verwendeten Silans und der Partialdruck des Silans zu 10,0 % bzw. 0,335 Pa (2,52 mTorr) bestimmen. Die Dicke des erhaltenen Siliciumfilms betrug 30,1 nm (301 Å). Dieser Siliciumfilm 205 wurde zur Bildung eines Kanalbereiches der aktiven Schicht eines Transistors bemustert (2(c)).
  • Anschließend wurde ein Gateisolierfilm 206 durch ECR-PECVD, APCVD oder ein anderes Verfahren gebildet. Im vorliegenden Vergleichsbeispiel 2 wurde der Gateisolierfilm durch Abscheiden von SiO2 in einer Dicke von 150 nm (1 500 Å) durch ECR-PECVD gebildet (2(d)). Anschließend wurde ein Dünnfilm, der zu einer Gateelektrode 207 wurde, durch Sputtering oder CVD abgeschieden. Für diesen Zweck wurde Chrom (Cr) durch Sputtering in einer Dicke von 150 nm (1 500 Å) abgeschieden. Sodann wurde der Film bemustert und anschließend wurde ein Zwischenisolierfilm 208 mit einer Dicke von 500 nm (5 000 Å) abgeschieden. Sodann wurden Kontaktlöcher gebildet. Source- und Drain-Verbindungselektroden 209 wurden durch Sputtering gebildet. Somit wurde ein Dünnfilm halbleiterfilm fertiggestellt (2(e)).
  • Die Kurve 4–a von 4 zeigt die Ids- (Source-Drain-Strom) und Vgs- (Gate-Spannung) Transistorkenngrößen des in dieser Weise auf Versuchsbasis hergestellten Dünnfilmhalbleiterbauelements. Die Source-Drain-Strom-Ids-Werte wurden bei Vds = 4 V bei 25 °C gemessen. Die Länge L des Transistor-Kanalbereiches betrug 10 μm und die Breite W 10 μm. Wenn sich der Transistor im AN-Zustand unter den Bedingungen Vds = 4 V und Vgs = 10 V befand, betrug der AN-Strom IAN = (2,40 + 0,08, – 0,07) × 10–6 Amit einem Vertrauenskoeffizient von 95 %. Wenn sich der Transistor im AUS-Zustand unter der Bedingung Vgs = 0 V befand, betrug der AUS-Strom IAUS = (1,82 + 0,64, –0,47) × 10–13 A
  • Somit variierten die Source-Drain-Strom-Ids-Werte des Dünnfilmhalbleiterbauelements um mehr als 7 Größenordnungen bei einer Modulation von 10 V der Gate-Spannung. Dies stellt eine zufriedenstellende Beschaffenheit dar. Die effektive Elektronenbeweglichkeit, die aus der Sättigungsstromregion dieses Dünnfilmhalbleiterbauelements festgestellt wurde, betrug 10,84 ± 0,29 cm2/V sec. Somit wurde ein hochwertiger Dünnfilmhalbleiterfilm erhalten.
  • Zu Vergleichszwecken wurde ein Dünnfilmhalbleiterfilm in ähnlicher Weise wie das vorstehend beschriebene Dünnfilmhalbleiterbauelement hergestellt, mit der Ausnahme, dass das Leitventil vollständig geschlossen wurde, um einen Siliciumfilm zur Bildung der aktiven Kanalschicht mit einer verminderten effektiven Pumpgeschwindigkeit in der Reaktionskammer zu bilden. Die Kurve 4–b von 4 zeigt die Ids-Vgs-Eigenschaften dieses Bauelements. Bei vollständigem Schließen des Leitventils und bei Zufuhr von Stickstoff in die Reaktionskammer mit 100 SCCM, 200 SCCM und 300 SCCM betrug der Gleichgewichtsdruck im Innern der Reaktionskammer 159,6 × 10–2 Pa (1,2 × 10–2 Torr), 345,8 × 10–2 Pa (2,6 × 10–2 Torr) bzw. 532 × 10–2 Pa (4 × 10–2 Torr) bei einer Ofeninnentemperatur von 600 °C. Die entsprechenden effektiven Pumpgeschwindigkeiten betrugen 105,541 Liter/sec (8,33 SCCM/mTorr), 97,432 Liter/sec (7,69 SCCM/mTorr) und 95,025 Liter/sec (7,5 SCCM/mTorr). Diese effektiven Pumpgeschwindigkeiten sind etwa doppelt so hoch wie die effektive Pumpgeschwindigkeit der herkömmlichen LPCVD-Vorrichtung und sind für herkömmliche Techniken untypisch. Jedoch wurde das vorstehend beschriebene Dünnfilmhalbleiterbauelement als ein Beispiel mit einer geringen wirksamen Pumpgeschwindigkeit unter ähnlichen Herstellungsbedingungen (ausgenommen diese Bedingung) zu Vergleichszwecken hergestellt.
  • Auf diese Weise wurde ein Kanalbereich-Siliciumfilm, der zur aktiven Schicht des Transistors wurde, abgeschieden, wobei die neuartige LPCVD-Vorrichtung unter vollständigem Schließen des Leitventils eingesetzt wurde. In diesem Vergleichsbeispiel wurde SiH4 als Rohmaterialgas verwendet. Es wurde kein Verdünnungsgas verwendet. Ein Siliciumfilm 204 wurde bei einer Temperatur von 600 °C abgeschieden. Das Substrat wurde in die Reaktionskammer 101, die auf 400 °C gehalten wurde, so eingesetzt, dass die Vorderseite des Substrats nach unten gewandt war. Zu diesem Zeitpunkt strömte reines Stickstoffgas aus dem Gaseinspritzrohr 103 mit 30 SLM, um den Luftstrom in die Reaktionskammer beim Einsetzen des Substrats auf ein Minimum zu beschränken. Nachdem die Pumpe einen stationären Zustand erreicht hatte, wurde 2 Minuten lang eine Leckageinspektion durchgeführt. Zu diesem Zeitpunkt betrug die Leckagegeschwindigkeit von entweichenden Gasen 571,9 × 10–5 Pa/min 4,3 × 10–5 Torr/min. Anschließend wurde die Temperatur von der Einsetztemperatur von 400 °C innerhalb von 1 Stunde auf eine Abscheidungstemperatur von 600 °C erhöht. Während der ersten 10 Minuten des Temperaturerhöhungsvorgangs wurde kein Gas in die Reaktionskammer gelassen. Die Temperaturerhöhung wurde in den ersten 10 Minuten unter Vakuum durchgeführt. Der niedrigste erreichbare Basisdruck im Innern der Reaktionskammer betrug nach 10-minütiger Temperaturerhöhung 904,4 × 10–7 Pa (6,8 × 10–7 Torr). Während der restlichen 50 Minuten wurde Stickstoffgas mit einer Reinheit von mehr als 99,9999 % mit 300 SCCM zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt betrug der Gleichgewichtsdruck im Innern der Reaktionskammer 399 × 10–3 Pa (3 × 10–3 Torr). Nach Erreichen der Abscheidungstemperatur wurde SiH4 als Rohmaterialgas mit 250 SCCM zugeführt. Ein Siliciumfilm wurde innerhalb von 6 Minuten und 51 Sekunden abgeschieden. Während dieses Vorgangs wurde das Leitventil vollständig geschlossen gehalten. Der Druck im Innern des Reaktionsofens betrug 3,79 Pa (28,5 mTorr). Der Druck im Innern des Reaktionsofens wurde mit einem Kapazitätsmanometer, dessen Wert von der Gasspezies unabhängig ist, gemessen. Die Dicke des auf diese Weise erhaltenen Siliciumfilms betrug 29,4 nm (294 Å). Ein Dünnfilmhalbleiterfilm wurde auf Versuchsbasis in ähnlicher Weise wie in Vergleichsbeispiel 2 (mit Ausnahme des vorstehenden Sachverhalts) hergestellt.
  • Der AN-Strom dieses weiteren Vergleichsbeispiels für ein auf diese Weise hergestelltes Dünnfilmhalbleiterbauelement betrug IAN = (3,34 + 0,11, – 0,12) × 10–7 A.
  • Der AUS-Strom betrug IAUS = (2,24 + 0,79, –0,58) × 10–13 A.
  • Die effektive Elektronenmobilität, die aus dem Sättigungsstrombereich dieses Dünnfilmhalbleiterbauelements festgestellt wurde, betrug 6,12 ± 0,29 cm2/V sec. Wie aus diesem Vergleichsbeispiel ersichtlich ist, wurde der AN-Strom im Vergleich zur herkömmlichen Technik um einen Faktor von mehr als 7 erhöht und der AUS-Strom wurde unterdrückt. Im Ergebnis ist das Verhältnis des AUS-Stroms zum AN-Strom mehr als 10-mal so groß wie das herkömmlicherweise erzielte Verhältnis. Der Kanalbereich-Siliciumfilm wurde mit der LPCVD-Vorrichtung mit einer effektiven Pumpgeschwindigkeit von mehr als 126,7 Liter/sec (10 SCCM/mTorr) gebildet.
  • Es ist allgemein bekannt, dass Temperatur und Druck wichtige Faktoren bei der Abscheidung eines Siliciumfilms, der zur Kanalschicht eines Silicium-Dünnfilmhalbleiterbauelements wird, darstellen. Da die herkömmliche LPCVD-Vorrichtung eine langsame Pumpgeschwindigkeit aufweist, ergibt sich eine Abscheidungsgeschwindigkeit von nur etwa 0,8 nm/min (8 Å/min) und der erhaltene Film weist schlechte Halbleitereigenschafen auf, wenn die Abscheidungstemperatur auf 600 °C eingestellt wird und der Silan-Partialdruck beispielsweise weniger als 0,399 Pa (3 mTorr) beträgt. Andererseits wird erfindungsgemäß die Abscheidungsgeschwindigkeit durch Erhöhung der effektiven Pumpgeschwindigkeit gesteigert. Somit ergibt sich eine verkürzte Abscheidungszeit. Außerdem lassen sich die Transistoreigenschaften durch Niederdruckabscheidung stark verbessern.
  • Beispiel 3
  • Die Darstellungen (a)–(e) von 2 zeigen Querschnittansichten eines ein MISFET bildenden Dünnfilmhalbleiterbauelements, wobei die zur Herstellung des Bauelements durchgeführten Schritte nacheinander dargestellt sind. In diesem Beispiel 3 weist das Dünnfilmhalbleiterbauelement eine nicht-selbstabgleichende, versetzte Struktur auf. Die vorliegende Erfindung ist auch auf ein Dünnfilmhalbleiterbauelement mit umgekehrter versetzter Struktur sowie auf ein Dünnfilmhalbleiterbauelement des selbstabgleichenden Typs anwendbar.
  • In diesem Beispiel 3 besteht die Glasplatte oder das Substrat 201 aus einem quadratischen Quarzglas mit einer Kantenlänge von 235 mm. Hinsichtlich der Art oder der Größe der einzelnen Substrate gibt es keine Beschränkungen, sofern es die Abscheidungstemperatur des Halbleiterfilms aushält. In diesem Beispiel 3 wird der Halbleiterfilm aus einem intrinsischen Siliciumfilm gebildet. Beim Halbleiterfilm kann es sich auch um einen Siliciumfilm mit einem Gehalt an Donatoren oder Akzeptoren oder einen Film aus SiχGe1–χ (0 < χ < 1) mit einem Gehalt an Germanium handeln. Ferner kann der Halbleiterfilm aus SiGeχ bestehen.
  • Zunächst wurde auf dem Substrat 201 ein Film 202 aus Siliciumdioxid (SiO2), der zu einer unteren Schutzschicht wurde, durch CVD bei atmosphärischem Druck (APCVD) oder Sputtering gebildet. Sodann wurde ein Siliciumfilm mit einem Gehalt an Dotierungsmitteln als Donatoren oder Akzeptoren durch LPCVD abgeschieden und zu Source- und Drain-Zonen 203 bemustert (2(a)). Im vorliegenden Beispiel 3 wurde Phosphor als Dotierungsmittel gewählt. Phosphin (PH3) und SiH4 wurden vermischt. Ein Siliciumfilm mit einem Gehalt an dem Dotierungsmittel wurde in einer Dicke von 150 nm (1 500 Å) bei 600 °C durch LPCVD abgeschieden.
  • Anschließend wurde ein Kanalbereich-Siliciumfilm 204, der zur aktiven Schicht eines Transistors wurde, durch die bereits ausführlich in Beispiel 1 im Zusammenhang mit 1 beschriebene LPCVD-Vorrichtung abgeschieden (2(b)). Im vorliegenden Beispiel 3 wurde SiH4 als Rohmaterialgas verwendet. Ein Verdünnungsgas wurde nicht verwendet. Der Siliciumfilm 204 wurde bei 600 °C abgeschieden. Das Substrat wurde in der Weise in die Reaktionskammer 101 eingesetzt, dass die Vorderseite des Substrats nach unten gerichtet war, wobei die Kammer 101 auf 400 °C gehalten wurde. Zu diesem Zeitpunkt strömte reines Stickstoffgas aus dem Gaseinspritzrohr 103 mit 30 SLM ein, um den Luftstrom in die Reaktionskammer beim Einsetzen des Substrats auf ein Minimum zu beschränken.
  • Nach Einsetzen des Substrats wurde die Turbomolekularpumpe in Gang gesetzt. Nach Erreichen eines stationären Zustands wurde 2 Minuten lang eine Leckageinspektion durchgeführt. Zu diesem Zeitpunkt betrug die Leckagegeschwindigkeit von entweichenden Gasen 399 × 10–5 Pa/min (3 × 10–5 Torr/min). Anschließend wurde die Temperatur innerhalb von 1 Stunde von einer Einsetztemperatur von 400 °C auf eine Abscheidungstemperatur von 600 °C erhöht. Während der ersten 10 Minuten der Temperaturerhöhung wurde kein Gas in die Reaktionskammer gelassen. Die Temperaturerhöhung wurde während der ersten 10 Minuten unter Vakuum durchgeführt. Der niedrigste erreichbare Basisdruck im Innern der Reaktionskammer betrug nach 10 Minuten der Temperaturerhöhung 691,6 × 10–7 Pa (5,2 × 10–7 Torr). Während der restlichen 50 Minuten der Temperaturerhöhung wurde Stickstoffgas mit einer Reinheit von mehr als 99,9999 % mit 300 SCCM zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt betrug der Gleichgewichtsdruck im Innern der Reaktionskammer 399 × 10–3 Pa (3 × 10–3 Torr). Nach Erreichen der Abscheidungstemperatur wurde SiH4 als Rohmaterialgas mit 50 SCCM zugeführt. Ein Siliciumfilm wurde 26 Minuten und 4 Sekunden lang abgeschieden.
  • Während dieses Vorgangs blieb das Leitventil vollständig geöffnet. Der Druck im Innern des Reaktionsofens wurde mit einem Kapazitätsmanometer, dessen Wert nicht von der Gasart abhängig war, gemessen. Nach Einleiten des Rohmaterialgases SiH4 in die Reaktionskammer betrug der Gleichgewichtsdruck im Innern der Reaktionskammer für 13 Minuten und 30 Sekunden 0,092 Pa (0,69 mTorr). Dieser gemessene Wert entspricht im wesentlichen dem Wert von 0,089 Pa (0,67 mTorr), der bei Zufuhr von SiH4 mit 50 SCCM und einer Temperatur im Innern der Reaktionskammer von 25 °C erzielt wurde. Unter diesen Bedingungen ergab sich die folgende Beziehung für die Dicke T (nm (Å)) des abgeschiedenen Films zur Abscheidungszeit t (in Minuten): T (nm) = –22,7 (nm) + 2,06 (nm/min) × t (min) (T (Å) = –227 (Å) + 20,6 (Å/min) × t (min)
  • Daher nehmen wir an, dass das Rohmaterialgas etwa 12 Minuten nach Einleiten des Rohmaterialgases in die Reaktionskammer nicht thermisch zersetzt wurde. Anschließend wurde der Druck im Innern der Reaktionskammer allmählich erhöht und erreicht nach 26 Minuten 0 Sekunden nach Einleitung des Rohmaterialgases einen Wert von 0,114 Pa (0,86 mTorr). Der Druckanstieg im Innern der Reaktionskammer wurde auf eine Erhöhung der Menge an gebildetem Wasserstoff, die durch eine Variation des Reaktionskoeffizienten des als Rohmaterial verwendeten Silans hervorgerufen wurde, zurückgeführt. Berücksichtigt man diese Druckvariation, so lässt sich der Reaktionskoeffizient des als Rohmaterial verwendeten Silans unmittelbar vor Ende der Zersetzung zu 31,5 % abschätzen. Daraus schließen wir, dass der Partialdruck des Silans 0,06 Pa (0,45 mTorr) betrug. Im vorliegenden Beispiel 3 wurden 17 quadratische Glasplatten mit einer Kantenlänge von 235 mm in die Reaktionskammer eingesetzt. Die gesamte Innenfläche der Reaktionskammer betrug 44 040 cm2. Unter der Annahme, dass die Abscheidungsgeschwindigkeit im gesamten Innenraum der Reaktionskammer gleichmäßig ist, ergeben sich aus der Abscheidungsgeschwindigkeit und aus der gesamten Innenfläche der Reaktionskammer ein Reaktionskoeffizient des als Rohmaterial verwendeten Silans und ein Partialdruck des Silans von 34,0 % bzw. 0,057 Pa (0,43 mTorr). Die Dicke des erhaltenen Siliciumfilms betrug 32,6 nm (326 Å). Dieser Siliciumfilm wurde zur Bildung eines Kanalbereiches 205, der zur aktiven Schicht des Transistors wurde, bemustert (2(c)).
  • Sodann wurde ein Gateisolierfilm 206 durch ECR-PECVD, APCVD oder ein anderes Verfahren gebildet. Im vorliegenden Beispiel 3 wurde der Gateisolierfilm durch Abscheiden von SiO2 in einer Dicke von 150 nm (1 500 Å) durch ECR-PECVD gebildet (2(d)). Anschließend wurde ein Dünnfilm, der zur Gateelektrode 207 wurde, durch Sputtering oder CVD abgeschieden. Für diesen Zweck wurde Chrom (Cr) durch Sputtering in einer Dicke von 150 nm (1 500 Å) abgeschieden. Anschließend wurde der Dünnfilm bemustert. Sodann wurde ein Zwischenisolierfilm 208 mit einer Dicke von 500 nm (5 000 Å) abgeschieden. Sodann wurden Kontaktlöcher gebildet. Source- und Drain-Verbindungselektroden 209 wurden durch Sputtering gebildet. Auf diese Weise wurde ein Dünnfilmhalbleiterfilm fertiggestellt (2(e)).
  • Die Transistoreigenschaften des in dieser Weise auf Versuchsbasis hergestellten Dünnfilmhalbleiterbauelements wurden gemessen. Der Transistor wurde unter den Bedingungen Vds (Source-Drain-Spannung) = 4 V und Vgs (Gate-Spannung) = 10 V im AN-Zustand vorgespannt. In diesem Zustand wird der Source-Drain-Strom Ids als AN-Strom IAN definiert. Dieser AN-Strom betrug IAN = (3,63 + 0,12, – 0,11) × 10–6 Amit einem Vertrauenskoeffizient von 95 %. Die Messung wurde bei 25 °C an einem Transistor mit einer Kanallänge L = 10 μm und einer Breite W = 25 °C vorgenommen. Die effektive Elektronenbeweglichkeit μ (J. Levinson et al., J. Appl. Phys., Bd. 53 (1982), S. 1193) betrug 12,91 ± 0,29 cm2/V sec. Auf diese Weise wurde erfindungsgemäß ein hochwertiger Dünnfilmhalbleiterfilm erhalten.
  • Beispiel 4
  • Ein Dünnfilmhalbleiterbauelement wurde auf ähnliche Weise wie in Beispiel 3 hergestellt, ausgenommen der Schritt zur Abscheidung des Siliciumfilms zur Bildung des Kanalbereiches. In diesem Beispiel 4 wurde zur Abscheidung des Siliciumfilms zur Bildung des Kanalbereiches die in Beispiel 1 ausführlich beschriebene LPCVD-Vorrichtung verwendet. Die Abscheidungstemperatur betrug 600 °C. Es wurde kein Verdünnungsgas verwendet. Die Fließgeschwindigkeit des Silans wurde von 100 SCCM auf 250 SCCM verändert, und zwar in Schritten von 50 SCCM. Silicium wurde abgeschieden, bis die Dicke der Siliciumschicht zur Bildung des Kanalbereiches etwa 30 nm (300 Å) betrug. Auf diese Weise wurde ein Dünnfilmhalbleiterbauelement hergestellt. Zu diesem Zeitpunkt war das Leitventil der LPCVD-Vorrichtung vollständig geöffnet. Daher variieren der Druck im Innern der Reaktionskammer, die Abscheidungsgeschwindigkeit, der Silan-Reaktionskoeffizient und der Silan-Partialdruck je nach der Fließgeschwindigkeit des Silans. Die Werte für diese Faktoren sind für verschiedene Proben in Tabelle 1 aufgeführt. Als Beispiele für die Transistoreigenschaften des auf diese Weise hergestellten Dünnfilmhalbleiterbauelements sind der AN-Strom und die effektive Beweglichkeit, die in Beispiel 3 definiert sind, in Tabelle 1 und in den 5 und 6 aufgeführt. In dieser Tabelle und den Figuren bedeuten die einzelnen Fehlerbalken den geschätzten Intervallwert mit einem Vertrauenskoeffizienten von 95 %. Aus der Tabelle und den Figuren ist ersichtlich, dass bei Abscheidung des Siliciumfilms zur Bildung des Kanalbereiches bei einem Partialdruck des Silans von weniger als 0,133 Pa (1 mTorr) oder einem Druck im Innern der Reaktionskammer von weniger als 0,266 Pa (2 mTorr) die Qualität des Halbleiterfilms erheblich verbessert wird. Offensichtlich werden die entsprechenden Transistoreigenschaften stark verbessert.
  • Figure 00190001
  • Zur Erzielung einer hohen Produktivität ist es erforderlich, möglichst viele Glasplatten in einem einzigen Ansatz zu bearbeiten. Zu diesem Zweck muss der Reaktionskoeffizient des Silans, das das Rohmaterialgas darstellt, verringert werden und die Variationen im Partialdruck von Silan unter den Glassubstraten müssen auf ein Minimum beschränkt werden, um die Filmqualität der einzelnen Glasplatten zu vereinheitlichen. Speziell muss zur Erzielung einer hohen Filmqualität bei gleichzeitig hoher Produktivität das Rohmaterialgas mit mindestens 100 SCCM zugeführt werden, um eine homogene Beschaffenheit unter den Glasplatten zu gewährleisten. Gleichzeitig muss der Druck im Innern des Reaktionsofens auf weniger als 0,266 Pa (2 mTorr) eingestellt werden, um einen Film von hoher Qualität abzuscheiden. Wie ausführlich in Beispiel 1 beschrieben, weist die neuartige Vakuumpumpmaschine eine Pumpgeschwindigkeit von 2 200 Liter/sec für Stickstoff auf. Wenn daher die Fließgeschwindigkeit von Silan 100 SCCM beträgt, so ergibt sich ein maximaler Druck im Innern der Reaktionskammer von 0,198 Pa (1,49 mTorr). Auf diese Weise werden die beiden Bedingungen ohne Schwierigkeiten eingehalten. Um die beiden Bedingungen zu erfüllen, muss im allgemeinen die Pumpgeschwindigkeit der Vakuumpumpmaschine über 1 650 Liter/sec betragen.
  • Beispiel 5
  • Nach Abscheiden eines Films von SiO2 auf einem Substrat aus geschmolzenem Quarzglas mit einem Durchmesser von 7,62 cm (3 Zoll) wurde ein Siliciumfilm gebildet. Dessen physikalische Eigenschaften wurden untersucht. Zunächst wurde das Quarzsubstrat 5 Minuten in siedende Salpetersäure mit einer Konzentration von 60 % getaucht, um Verunreinigungen von der Oberfläche des Substrats zu entfernen. Sodann wurde es 20 Minuten in eine 1,67%ige wässrige Fluorwasserstoffsäurelösung getaucht, um den amorphen Oxidfilm auf der Oberfläche des Substrats zu entfernen. Sofort anschließend wurde SiO2 als Film in einer Dicke von 200 nm (2 000 Å) durch APCVD abgeschieden, um die darunter liegende Schicht zu schützen.
  • Sodann wurde ein Siliciumfilm unter Verwendung der in Beispiel 1 in Zusammenhang mit 1 ausführlich beschriebenen neuartigen LPCVD-Vorrichtung abgeschieden. Im vorliegenden Beispiel 5 wurde SiH4 als Rohmaterialgas verwendet. Der Siliciumfilm wurde bei 555 °C ohne Verwendung eines Verdünnungsgases gebildet. 17 quadratische Substrate mit einer Kantenlänge von 235 mm wurden als Attrappen platziert. Das Quarzsubstrat mit einem Durchmesser von 7,62 cm (3 Zoll) wurde in der Mitte als neunte Attrappenplatte von unten aus betrachtet in der Weise platziert, dass die Vorderseite des Substrats nach oben gerichtet war. Das Substrat wurde in eine Reaktionskammer 101 eingesetzt, die auf 400 °C gehalten wurde. Zu diesem Zeitpunkt strömte reiner Stickstoff aus dem Gaseinspritzrohr 103 mit 30 SLM, um den Luftstrom in die Reaktionskammer beim Einsetzen des Substrats auf ein Minimum zu beschränken.
  • Nach dem Einsetzen des Substrats wurde die Turbomolekularpumpe in Gang gesetzt. Nachdem die Pumpe einen stationären Zustand erreicht hatte, wurde 2 Minuten lang eine Leckageinspektion durchgeführt. Zu diesem Zeitpunkt betrug die Leckagegeschwindigkeit von entweichenden Gasen 591,85 × 10–5 Pa/min (4,45 × 10–5 Torr/min). Anschließend wurde die Temperatur innerhalb von 1 Stunde von einer Einsetztemperatur von 400 °C auf eine Abscheidungstemperatur von 555 °C erhöht. Während der ersten 10 Minuten der Temperaturerhöhung wurde überhaupt kein Gas in die Reaktionskammer gelassen. Die Temperaturerhöhung wurde innerhalb der ersten 10 Minuten unter Vakuum durchgeführt. Der niedrigste erreichbare Basisdruck im Innern der Reaktionskammer betrug nach 10-minütiger Temperaturerhöhung 798 × 10 Pa (6 × 10–7 Torr). Während der restlichen 50 Minuten der Temperaturerhöhung wurde Stickstoffgas mit einer Reinheit von mehr als 99,9999 % mit 30 SCCM zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt betrug der Gleichgewichtsdruck im Innern der Reaktionskammer 399× 10–3 Pa (3 × 10–3 Torr). Nach Erreichen der Abscheidungstemperatur wurde SiH4 als Rohmaterialgas mit SCCM zugeführt. Ein Siliciumfilm wurde 15 Stunden, 44 Minuten und 0 Sekun den abgeschieden.
  • Während dieses Vorgangs wurde das Leitventil in geöffneter Stellung gehalten. Der Druck im Innern des Reaktionsofens wurde mit einem Kapazitätsmanometer, dessen Wert nicht von der Gasart abhängig war, gemessen. Nach Einleiten des Rohmaterialgases SiH4 in die Reaktionskammer betrug der Gleichgewichtsdruck im Innern der Reaktionskammer für 17 Minuten und 30 Sekunden 0,1609 Pa (1,21 mTorr). Dieser gemessene Wert entspricht dem Wert, der erhalten wurde, wenn SiH4 mit 100 SCCM zugeführt wurde und die Temperatur im Innern der Reaktionskammer 25 °C betrug. Unter diesen Bedingungen ergibt sich das folgende Verhältnis der Dicke T (nm (Å)) des abgeschiedenen Films zur Abscheidungszeit t (in Minuten): T (nm) = –10,2 (nm) + 0,563 (nm/min) × t (min) (T (A) = –102 (Å) + 5,63 (Å/min) × t (min)
  • Somit nehmen wir an, dass das Rohmaterialgas 18 Minuten nach Einleiten des Rohmaterialgases in die Reaktionskammer nicht thermisch zersetzt war. Anschließend wurde der Druck im Innern der Reaktionskammer allmählich erhöht und erreichte nach Ablauf von 15 Stunden und 40 Minuten nach Einleitung des Rohmaterialgases, d. h. unmittelbar vor dem Ende der Abscheidung, einen Wert von 0,168 Pa (1,26 mTorr). Der Druckanstieg im Innern der Reaktionskammer wurde einer Zunahme der Menge an gebildetem Wasserstoff zugeschrieben, die wiederum auf eine Variation des Reaktionskoeffizienten des als Rohmaterial verwendeten Silans verursacht wird. Berücksichtigt man diese Druckvariation, so lässt sich der Reaktionskoeffizient des als Rohmaterial verwendeten Silans unmittelbar vor Ende der Abscheidung zu 3,4 % abschätzen. Daraus entnehmen wir, dass der Partialdruck des Silans 0,157 Pa (1,17 mTorr) betrug. Da im vorliegenden Beispiel 5 17 quadratische Substratattrappen mit einer Kantenlänge von 235 mm in die Reaktionskammer eingesetzt worden waren, betrug die gesamte Innenfläche der Reaktionskammer 44 040 cm2. Unter der Annahme, dass die Abscheidungsgeschwindigkeit im gesamten Innenraum der Reaktionskammer gleichmäßig ist, werden aus der Abscheidungsgeschwindigkeit und der gesamten Innenfläche der Reaktionskammer der Reaktionskoeffizient des als Rohmaterial verwendeten Silans und der Partialdruck des Silans zu 4,6 % bzw. 0,153 Pa (1,15 mTorr) bestimmt. Die Dicke des erhaltenen Siliciumfilms betrug 536,3 nm (5 363 Å).
  • Die Kristallstruktur des auf diese Weise gebildeten Siliciumfilms wurde durch Röntgenbeugung und durch Raman-Spektroskopie untersucht. Beim Röntgenbeugungsverfahren wurden intensive Peaks beobachtet, wenn der Beugungswinkel 2θ (θ ist der Bragg-Winkel) 28,47°, 47,44°, 56,18° und 69,21° betrug. Diese Peaks entsprechen {111}-, {220}-, {311}- und {400}-Beugungen von Einkristallpulver und zeigen, dass es sich beim in Beispiel 5 erhaltenen Siliciumfilm um einen polykristallinen Film handelte. Die Intensitäten der Peaks betrugen 5 118, 16 760, 2 787 bzw. 498 gemäß einem willkürlichen Maßstab. Wir haben festgestellt, dass der in Beispiel 5 gebildete Siliciumfilm vorwiegend in Richtung der (110)-Ebene orientiert ist. Bei der Raman-Spektroskopie wurde die Rückstreuung in einer mikroskopischen Probenkammer gemessen. Um eine Temperung aufgrund der Anregungs-Laserstrahlung sowie eine Peakverschiebung und eine Verbreiterung der Halbwertsbreite aufgrund des Temperaturanstiegs an der Probenoberfläche zu vermeiden, wurde die Ausgangsleistung des Lasers auf den geringen Wert von 10 mW eingestellt. Gleichzeitig wurde der Strahlen durchmesser auf 10 μm eingestellt, was den größten Wert bei den mikroskopischen Messungen darstellt. Die Messungen wurden bei 25 °C durchgeführt. Die Wellenzahl wurde im Bereich von 600 bis 100 cm–1 abgetastet.
  • Die vorstehend beschriebene Raman-Spektroskopie ergab, dass der in Beispiel 5 erhaltene Siliciumfilm einen scharfen Peak mit einer Halbwertsbreite von 4,27 cm–1 bei einer Wellenzahl von 519,50 cm–1 aufwies. Offensichtlich war der Siliciumfilm polykristallin. Die Kristallinität wurde aus dem Verhältnis der integrierten Intensität der Raman-Streuung nahe der Optikmodus-Vibrationsfrequenz 520 cm–1 entsprechend kristallinem Silicium, zur Gesamtheit der untersuchten Intensität der Streuung des amorphen Siliciums im akustischen Querwellenmodus nahe der Vibrationsfrequenz von 130 cm–1, im akustischen Längswellenmodus nahe der Vibrationsfrequenz 290 cm–1, im optischen Querwellenmodus nahe der Vibrationsfrequenz 405 cm–1 und im optischen Querwellenmodus nahe 480 cm–1 festgestellt (Appl. Phys. Lett., Bd. 40 (6) (1982), S. 534). Die Kristallinität des im vorliegenden Beispiel 5 erhaltenen Siliciumfilms wies einen hohen Wert von 96,6 % auf. Bei dieser Messung wurde der Korrekturfaktor K für die integrierte Intensität der Streuung auf 0,88 eingestellt.
  • Die Ergebnisse der Messungen dieser physikalischen Eigenschaften ergaben, dass der kristalline Siliciumfilm, der bisher erst dann gebildet werden konnte, wenn die Abscheidungstemperatur über 580 °C lag, bei Verwendung der neuartigen LPCVD-Vorrichtung unter etwa 555 °C gebildet werden konnte.
  • Anschließend wurde Phosphor zu dem in Beispiel 5 erhaltenen reinen Siliciumfilm gegeben, um somit einen elektrischen Leiter zu schaffen. In Beispiel 5 wurden Dotierungsionen implantiert, wobei ein nicht-massenseparierter Ionenimplantierer vom Wannentyp verwendet wurde. Als Rohmaterialgas wurde Phosphin in einer Konzentration von 5 % in Wasserstoff als Verdünnungsmittel verwendet. Die Ionen wurden mit einer Beschleunigungsspannung von 110 kV in einer Dosis von 1,6 × 1016 Atomen/cm2 implantiert. Das Substrat wurde in den auf 400 °C unter einer Stickstoffatmosphäre gehaltenen Ofen eingesetzt und 3 Stunden thermisch behandelt. Der auf diese Weise erhaltene Siliciumfilm wies einen recht niedrigen Flächenwiderstand von 125 Ω/☐ auf. Der Widerstandswert des auf herkömmliche Weise durch LPCVD bei einer Abscheidungstemperatur unter 580 °C gebildeten Films war unendlich groß, obgleich Dotierungionen, wie Phosphor, zugesetzt wurden; es sei denn, der Film wurde 10 Stunden bei einer Temperatur über 600 °C thermisch behandelt. Durch diesen Film floss im wesentlichen kein elektrischer Strom. Wurde andererseits der Siliciumfilm mit der neuartigen LPCVD-Vorrichtung unter Anwendung der erfindungsgemäßen Ionenimplantierung gebildet, so ergab sich ein ausreichend niedriger elektrischer Widerstand bei Durchführung einer Niedertemperaturabscheidung bei 555 °C und einer thermischen Niedertemperaturbehandlung bei 400 °C. Demzufolge lässt sich erfindungsgemäß ein Siliciumfilm bei niedrigen Temperaturen unter etwa 555 °C bilden, der als Dünnfilmhalbleiterbauelement, als Großintegrationsschaltung (LSI), Gateelektroden und leitende Verbindungen eines ladungsgekoppelten Bauelements (CCD) oder eines beliebigen anderen elektronischen Bauelements verwendet werden kann. Ferner lässt sich bei derartigen niedrigen Temperaturen ein elektrischer Leiter erzeugen. Auf diese Weise lässt sich eine Beeinträchtigung des Bauelements durch eine thermische Hochtemperaturbehandlung verhindern. Außerdem lassen sich weitere Bauelemente und leitende Verbindungen aus Materialien, die nicht hitzebeständig sind, bilden. Infolgedessen lassen sich die Leistungsmerkmale derartiger elektronischer Bauelemente verbessern und die entsprechenden Kosten verringern.
  • Beispiel 6
  • Die Darstellungen (a)–(e) von 2 sind Querschnittansichten eines ein MISFET bildenden Dünnfilmhalbleiterbauelements zur Erläuterung der zur Herstellung des Bauelements durchgeführten aufeinanderfolgenden Schritte.
  • In diesem Beispiel 6 handelt es sich beim Dünnfilmhalbleiterbauelement um eine nicht-selbstabgleichende versetzte Struktur. Die vorliegende Erfindung ist auch auf ein Dünnfilmhalbleiterbauelement von umgekehrter versetzter Struktur und ferner auf ein Dünnfilmhalbleiterbauelement vom selbstabgleichenden Typ anwendbar.
  • In diesem Beispiel 6 besteht die Glasplatte oder das Substrat 201 aus einem quadratischen Quarzglas mit einer Kantenlänge von 235 mm. Hinsichtlich der Art oder der Größe der einzelnen Substrate gibt es keine Beschränkungen, sofern es die Abscheidungstemperatur des Halbleiterfilms aushält. Zunächst wurde ein Film 202 aus Siliciumdioxid (SiO2), der zum unteren Schutzfilm wurde, auf dem Substrat 201 durch CVD bei atmosphärischem Druck (APCVD) oder Sputtering ausgebildet. Sodann wurde ein Siliciumfilm mit einem Gehalt an Dotierungsmitteln, die zu Donatoren oder Akzeptoren wurden, ausgebildet und zu Source- und Drain-Zonen 203 bemustert (2(a)).
  • Im vorliegenden Beispiel 6 wurde ein reiner Siliciumfilm mit einer Dicke von etwa 150 nm (1 500 Å) bei 555 °C unter Verwendung der vorstehend ausführlich in Beispiel 1 in Verbindung mit 1 beschriebenen neuartigen LPCVD-Vorrichtung abgeschieden. Anschließend wurden Phosphorionen als Dotierungsionen implantiert, um einen dotierten Siliciumfilm zu bilden. Der intrinsische Siliciumfilm, der zu Quell- und Drain-Zonen wurde, wurde bei 555 °C 4 Stunden 53 Minuten und 4 Sekunden unter Zufuhr von SiH4 als Rohmaterialgas mit 100 SCCM abgeschieden. Das Verhältnis der Dicke T (nm (Å)) des abgeschiedenen Films zur Abscheidungszeit t (in Minuten) entsprach dem in Beispiel 5 angegebenen Verhältnis. Insbesondere betrug der Druck im Innern der Reaktionskammer unmittelbar nach der Einleitung des SiH4-Rohmaterialgases in die Reaktionskammer, die auf 555 °C gehalten wurde, 0,161 Pa (1,21 mTorr). Der Druck betrug nach Ablauf von 4 Stunden und 52 Minuten nach Einleitung des Rohmaterialgases, d. h. unmittelbar vor dem Ende der Abscheidung, 0,169 Pa (1,27 mTorr). Die Dicke des intrinsischen Siliciumfilms, der auf diese Weise erhalten wurde, betrug 157,1 nm (1 571 Å). Anschließend wurden Phosphorionen unter Verwendung eines nicht-massenseparierten Ionenimplantierers vom Wannentyp implantiert. Phosphin mit einer Konzentration von 5 % in Wasserstoff als Verdünnungsgas wurde als Rohmaterialgas verwendet. Ionen wurden in einer Dosis von 3 × 1015 Atomen/cm2 bei einer Hochfrequenz-Ausgangsleistung von 38 W und einer Beschleunigungsspannung von 110 kV implantiert. Anschließend wurde der Film thermisch 1 Stunde und 30 Minuten bei 400 °C in einer Stickstoffumgebung behandelt. Der Flächenwiderstand des auf diese Weise erhaltenen dotierten Siliciumfilms betrug 936 Ω/⎕.
  • Anschließend wurde ein Siliciumfilm 204 zur Bildung eines Kanalbereiches, der zur aktiven Schicht eines Transistors wurde, durch die ausführlich in Beispiel 1 in Verbindung mit 1 beschriebene LPCVD-Vorrichtung abgeschieden (2(b)). Im vorliegenden Beispiel 6 wurde SiH4 als Rohmaterialgas verwendet. Es wurde kein Verdünnungsgas verwendet. Der Siliciumfilm 204 wurde bei 555 °C abgeschieden. Das Substrat wurde in der Weise in die Reaktionskammer 101 eingeführt, dass die Vorderseite des Substrats nach unten gerichtet war. Die Kammer 101 wurde auf 400 °C gehalten. Zu diesem Zeitpunkt strömte reiner Stickstoff aus dem Gaseinspritzrohr 103 mit 30 SLM, um den Luftstrom in die Reaktionskammer beim Einsetzen des Substrats auf ein Minimum zu beschränken.
  • Nach dem Einsetzen des Substrats wurde die Turbomolekularpumpe in Gang gesetzt. Nachdem die Pumpe einen stationären Zustand erreicht hatte, wurde 2 Minuten eine Leckageinspektion durchgeführt. Zu diesem Zeitpunkt betrug die Leckagerate von entweichenden Gasen 645,05 × 10–5 Pa/min (4,85 × 10–5 Torr/min). Anschließend wurde die Temperatur innerhalb von 1 Stunde von einer Einsetztemperatur von 400 °C auf eine Abscheidungstemperatur von 555 °C erhöht. Während der ersten 10 Minuten der Temperaturerhöhung ließ man überhaupt kein Gas in die Reaktionskammer. Die Temperaturerhöhung wurde innerhalb der ersten 10 Minuten unter Vakuum durchgeführt. Der niedrigste erreichbare Basisdruck im Innern der Reaktionskammer betrug nach 10-minütiger Temperaturerhöhung 851,2 × 10–7 Pa (6,4 × 10–7 Torr). Während der restlichen 50 Minuten der Temperaturerhöhung wurde Stickstoffgas mit einer Reinheit von mehr als 99,9999 % mit 300 SCCM zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt betrug der Gleichgewichtsdruck im Innern der Reaktionskammer 399 × 10–3 Pa (3 × 10–3 Torr).
  • Nach Erreichen der Abscheidungstemperatur wurde SiH4 als Rohmaterialgas mit 100 SCCM zugeführt. Ein Siliciumfilm wurde 58 Minuten und 23 Sekunden lang abgeschieden. Während dieses Vorgangs blieb das Leitventil vollständig geöffnet. Der Druck im Innern des Reaktionsofens wurde mit einem Diaphragma-Druckmessgerät, dessen Ablesung nicht von der Gasart abhängig ist, gemessen. Nach Einleiten des Rohmaterialgases SiH4 in die Reaktionskammer betrug der Gleichgewichtsdruck im Innern der Reaktionskammer für 17 Minuten und 30 Sekunden 0,1609 Pa (1,21 mTorr). Das Verhältnis der Dicke T (nm (Å)) des abgeschiedenen Films zur Abscheidungszeit t (in Minuten) entsprach dem Verhältnis in Beispiel 5. Der Gleichgewichtsdruck im Innern der Reaktionskammer betrug 58 Minuten und 0 Sekunden nach Einleitung des Rohmaterialgases, d. h. unmittelbar vor dem Ende der Abscheidung 0,169 Pa (1,27 mTorr). Wie in Beispiel 5 ausgeführt, lassen sich unter der Annahme, dass die Abscheidungsrate im gesamten Innenraum der Reaktionskammer gleichmäßig ist, aus der Abscheidungsrate und der gesamten Innenfläche der Reaktionskammer ein Reaktionskoeffizient des als Rohmaterial verwendeten Silans und ein Partialdruck des Silans zu 4,6 % bzw. 0,153 Pa (1,15 mTorr) bestimmen. Die Dicke des erhaltenen Siliciumfilms betrug 19,9 nm (199 A). Dieser Siliciumfilm wurde zur Bildung des Siliciumfilms 205 zur Herstellung eines Kanalbereiches, der zur aktiven Schicht eines Transistors wurde, bemustert (2(c)).
  • Anschließend wurde durch ECR-PECVD, APCVD oder ein anderes Verfahren ein Gateisolierfilm 206 ausgebildet. Im vorliegenden Beispiel 6 wurde der Gateisolierfilm durch Abscheiden von SiO2 in einer Dicke von 150 nm (1 500 Å) durch ECR-PECVD gebildet (2(d)). Anschließend wurde ein Dünnfilm, der zur Gateelektrode 207 wurde, durch Sputtering oder CVD abgeschieden. Zu diesen Zweck wurde Chrom (Cr) durch Sputtering in einer Dicke von 150 nm (1 500 Å) abgeschieden. Anschließend wurde der Dünnfilm bemustert und ein Zwischenisolierfilm 208 mit einer Dicke von 500 nm (5 000 A) wurde abgeschieden. Sodann wurden Kontaktlöcher gebildet. Source- und Drain-Verbindungselektroden 209 wurden durch Sputtering gebildet. Auf diese Weise wurde ein Dünnfilmhalbleiterfilm fertiggestellt (2(e)).
  • Die Transistoreigenschaften des in dieser Weise auf Versuchsbasis hergestellten Dünnfilmhalbleiterbauelements wurden gemessen. Der Transistor wurde in einem AN-Zustand unter folgenden Bedingungen vorgespannt: Vds (Source-Drain-Spannung) = 4 V und Vgs (Gate-Spannung) = 10 V. In diesem Zustand ist der Source-Drain-Strom Ids als AN-Strom IAN definiert. Dieser AN-Strom betrug IAN = (1,45 + 0,08, – 0,07) × 10–6 Amit einem Vertrauenskoeffizient von 95 %. Wurde der Transistor in den AUS-Zustand unter den Bedingungen Vds = 4 V und Vgs = 0 V gebracht, so ergab sich für den AUS-Strom folgendes: IAUS = (0,079 + 0,030, –0,022) × 10–12 A
  • Die Messung erfolgte bei 25 °C an einem Transistor mit einer Kanallänge L = 10 μm und einer Breite W = 10 μm. Die effektive Elektronenbeweglichkeit μ (J. Levinson et al., J. Appl. Phys., Bd. 53 (1982), S. 1193) betrug 9,30 ± 0,39 cm2/V sec. Somit variierte der Source-Drain-Strom Ids des Dünnfilmhalbleiterbauelements um mehr als 7 Größenordnungen bei einer Modulation von 10 V der Gate-Spannung. Dies stellt eine hervorragende Eigenschaft dar. Ferner konnte dieses Bauelement durch ein Niedertemperaturverfahren, bei dem die maximale Temperatur unter 555 °C lag, innerhalb einiger Stunden hergestellt werden. Erfindungsgemäß werden nicht nur die Leistungsmerkmale des Halbleiterfilms und des Dünnfilmhalbleiterbauelements verbessert, sondern es wird auch eine Massenproduktion in stabiler Weise durch ein Niedertemperaturverfahren ermöglicht, dessen Realisierung bisher als vollkommen unmöglich galt.
  • Beispiel 7
  • Die Darstellungen (a)–(d) von 8 sind Querschnittansichten eines ein MISFET bildenden Dünnfilmhalbleiterbauelements zur Erläuterung der zur Herstellung des Bauelements nacheinander durchgeführten Schritte.
  • Im vorliegenden Beispiel 7 wird ein Substrat 801 aus einer quadratischen Quarzglasplatte mit einer Kantenlänge von 235 mm hergestellt. Hinsichtlich der Art oder der Größe des Substrats gibt es keine Beschränkungen, sofern es etwa 3 Stunden die hohe Temperatur von 555 °C aushält. Zunächst wurde ein Film 802 aus Siliciumdioxid (SiO2), der zu einem unteren Schutzfilm wurde, auf dem Substrat 801 durch CVD bei atmosphärischem Druck (APCVD), Sputtering oder ein anderes Verfahren ausgebildet. In diesem Beispiel 7 wurde SiO2 in einer Dicke von 200 nm (2 000 Å) bei einer Substrattemperatur von 300 °C und einer Abscheidungsgeschwindigkeit von 0,39 nm/sec (3,9 Å/sec) durch APCVD zur Bildung des unteren Schutzfilms 802 abgeschieden.
  • Anschließend wurde ein Halbleiterfilm 803 unter Verwendung der in Beispiel 1 ausführlich beschriebenen neuartigen LPCVD-Vorrichtung ausgebildet. Im vorliegenden Beispiel 7 handelt es sich beim Halbleiterfilm um einen intrinsischen Siliciumfilm. Es kann sich auch um einen anderen Halbleiterfilm handeln, z. B. um einen Siliciumgermanid-Film oder einen Galliumarsenid-Film. Ferner kann der Halbleiterfilm Spurenmengen eines Dotierungsmittels in einem Anteil von weniger als 1 × 1019 Atome/cm3 enthalten, was einen Film vom p- oder n-Typ ergibt. Im vorliegenden Beispiel 7 wurde ein Siliciumfilm 2 Stunden, 5 Minuten und 26 Sekunden bei 555 °C unter Zufuhr von Silan mit 100 SCCM abgeschieden. Für die Abscheidung wurde die Temperatur von einer Einsetztemperatur von 400 °C innerhalb von 1 Stunde auf eine Abscheidungstemperatur von 555 °C erhöht. Während der ersten 10 Minuten der Temperaturerhöhung wurde überhaupt kein Gas in die Reaktionskammer gelassen. Die Temperaturerhöhung wurde während der ersten 10 Minuten unter Vakuum durchgeführt. Der niedrigste erreichbare Basisdruck im Innern der Reaktionskammer betrug nach 10-minütiger Temperaturerhöhung 811,3 × 10–7 Pa (6,1 × 10–7 Torr). Während der restlichen 50 Minuten der Temperaturerhöhung wurde Stickstoffgas mit einer Reinheit von mehr als 99,9999 % mit 300 SCCM zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt betrug der Gleichgewichtsdruck im Innern der Reaktionskammer 399 × 10–3 Pa (3 × 10–3 Torr). Nach Ablauf von 2 Stunden und 5 Minuten nach Einführung des Rohmaterialgases d. h. unmittelbar vor dem Ende der Abscheidung, betrug der Gleichgewichtsdruck im Innern der Reaktionskammer 0,168 Pa (1,26 mTorr). Die Dicke des auf diese Weise erhaltenen Halbleiterfilms betrug 58,8 nm (588 Å). Anschließend wurde dieser Halbleiterfilm unter Bildung eines Halbleiterfilms 803, der zu einem Transistor wurde, bemustert (8(a)).
  • Sodann wurde durch ECR-PECVD, APCVD oder ein anderes Verfahren ein Gateisolierfilm 804 ausgebildet. Im vorliegenden Beispiel 7 wurde der Gateisolierfilm durch Abscheiden von SiO2 in einer Dicke von 150 nm (1 500 Å) bei einer Substrattemperatur von 100 °C durch ECR-PECVD ausgebildet. Anschließend wurde ein leitfähiger Film, der zur Gateelektrode wurde, ausgebildet, wonach die Bildung eines Films für eine Deckschicht folgte. Wenn in den Halbleiterfilm anschließend Dotierungsionen, die zu Donatoren oder Akzeptoren werden, implantiert werden, wobei die Gateelektrode als Maske verwendet wird, verhindert die Deckschicht, dass diese Dotierungsionen in den Kanalbereich gelangen. Wenn demzufolge die Gateelektrode dazu befähigt ist, die Implantation von Dotierungsionen, zu der es bei einer dicken Gateelektrode kommt, zu verhindern, so ist diese Deckschicht nicht erforderlich. Im vorliegenden Beispiel 7 handelt es sich bei der Gateelektrode 805 um einen Film mit einer Dicke von 200 nm (2 000 Å) aus Indiumzinnoxid (ITO). Die Deckschicht 806 bestand aus SiO2 und wies eine Dicke von 350 nm (3 500 Å) auf. Die Gateelektrode 805 wurde bei einer Substrattemperatur von 150 °C durch Sputtering gebildet. Die Deckschicht 806 wurde durch Abscheiden von SiO2 bei einer Substrattemperatur von 300 °C durch APCVD gebildet. Anschließend wurde dieser Film zur Bildung der Gateelektrode 805 und der Deckschicht 806 bemustert (8(b)). Das Gate kann auch aus einem Metall, wie Chrom, Wolfram oder Molybdän, oder aus einem Silicid, wie Molybdänsilicid oder Wolframsilicid, hergestellt werden. Wenn diese Filme dicker als etwa 350 nm (3 500 Å) sind, so ist die vorstehend beschriebene Deckschicht entbehrlich. Ferner ist es vorteilhaft, die Gateelektrode durch Sputtering von reinem Aluminium in einer Dicke von etwa 800 nm (8 000 Å) zu bilden. Auch in diesem Fall ist die Deckschicht nicht erforderlich. Die Deckschicht kann auch aus Siliciumnitrid, SiON oder einem Metalloxid, wie SiO2, das im vorliegenden Beispiel 7 verwendet wird, bestehen.
  • Anschließend wurden Dotierungsionen, die zu Donatoren oder Akzeptoren wurden, in den Halbleiterfilm 803 unter Verwendung der Gateelektrode 805 als Maske durch einen nicht-massenseparierten Ionenimplantierer vom Wannentyp implantiert. Dadurch entstand eine Source/Drain-Zone 808 und eine Kanalzone 807, die bezüglich der Gateelektrode 805 selbstabgleichend waren (8(c)). Im vorliegenden Beispiel 7 wurde die Herstellung eines MOS vom n-Typ versucht. Daher wurde Phosphin (PH3) mit einer Konzentration von 5 % in Verdünnung mit Wasserstoff als Rohmaterialgas verwendet. Beim Rohmaterialgas kann es sich auch um ein anderes Hydrid eines Dotierungsmittels unter Verdünnung mit Wasserstoff handeln. Beispielsweise kann mit Wasserstoff verdünntes Diboran (B2H6) zur Herstellung eines MOS vom p-Typ verwendet werden. Im vorliegenden Beispiel 7 wurde das Rohmaterialgas bei 13,56 MHz und einer Hochfrequenz-Ausgangsleistung von 50 W in ein Plasma verwandelt. Sämtliche Ionenspezies, einschließlich PH3 +, PH2 +, PH+, H2 + und H+ wurden bei einer Beschleunigungsspannung von 110 kV und einer Dosis von 2 × 1016 Atomen/cm2 in den Halbleiterfilm eingebaut. Anschließend wurde das Substrat 2 Stunden bei 350 °C in einer Stickstoffumgebung getempert, wodurch die Source/Drain-Zone 808 fertiggestellt wurde. Der Flächenwiderstand der Source/Drain-Zone nach dem Tempern betrug 17,01 kΩ/⧠.
  • Sodann wurde ein Zwischenisolierfilm 809 mit einer Dicke von 500 nm (5 000 Å) bei 300 °C durch APCVD abgeschieden. Kontaktlöcher wurden gebildet. Source- und Drain-Verbindungselektroden 810 wurden gebildet, wodurch ein Dünnfilmhalbleiterbauelement fertiggestellt wurde. Im vorliegenden Beispiel 7 wurde Aluminium bei einer Substrattemperatur von 180 °C in einer Dicke von 800 nm (8 000 Å) durch Sputtering abgeschieden. Anschließend wurde eine Bemusterung unter Bildung der Source- und Drain-Verbindungselektroden 810 durchgeführt.
  • Die Transistoreigenschaften des in dieser Weise auf Versuchsbasis hergestellten Dünnfilmhalbleiterbauelements wurden gemessen. Der Transistor wurde im AN-Zustand unter folgenden Bedingungen vorgespannt: Vds (Source-Drain-Spannung) = 4 V und Vgs (Gate-Spannung) = 10 V. In diesem Zustand wird der Source-Drain-Strom Ids als AN-Strom definiert. Die Kanallänge und die Breite des Transistors betrugen jeweils 10 um. Für diesen Transistor ergab sich bei Raumtemperatur: IAN = 5,62 × 10–7 A. Die effektive Elektronenbeweglichkeit μ wurde aus der Sättigungsstromzone dieses Halbleiterbauelements zu 6,87 ± 0,35 cm2/V sec bei einem Vertrauenskoeffizient von 95 % bestimmt. Der AUS-Strom dieses Transistors betrug bei Ansteuerung im AUS-Zustand unter den Bedingungen Vds = 4 V und Vgs = 0 V 8,48 × 10–13 A. Auf diese Weise ließen sich zahlreiche selbstabgleichende Dünnfilmhalbleiterbauelemente auf einem großen Substrat in gleichmäßiger Weise innerhalb von kurzer Zeit durch ein Niedertemperaturverfahren herstellen, wobei die höchste Temperatur 555 °C betrug und diese Temperatur nur etwa 2 Stunden aufrechterhalten wurde. Da die höchste Temperatur in den anschließenden Schritten nach Bildung des hochwertigen Halbleiterfilms 803 bei 555 °C bei dem in einer Stickstoffumgebung zur Aktivierung der Dotierungsionen durchgeführten Temperung auf 350 °C gedrückt wurde, ist es beim vorliegenden Verfahren nicht erforderlich, die Substrate einer Hydrierungsstufe oder einer Laser-Bestrahlung auszusetzen, wodurch es zu zahlreichen Abänderungen an den fertiggestellten Bauelementen kommt, die zu Abänderungen bei der Verarbeitung führen können und normalerweise den Durchsatz beeinträchtigen. Erfindungsgemäß besteht die gravierendste thermische Umgebung nur einige Stunden bei 555 °C. Somit bereiten selbst bei Verwendung relativ billiger Glasscheiben als Substrat eine Dehnung, Schrumpfung oder Verformung des Substrats keine Probleme. Infolgedessen lässt sich in wirtschaftlicher Weise ein Dünnfilmhalbleiterbauelement mit großer Fläche, hoher Definition und hoher Dichte herstellen.
  • Beispiel 8
  • Wie ausführlich in den Beispielen 1 bis 7 beschrieben, lässt sich bei steigender effektiver Pumpgeschwindigkeit in der Reaktionskammer ein hochwertiger Halbleiterfilm bei einer niedrigeren Temperatur abscheiden. Somit lassen sich hervorragende Dünnfilmhalbleiterbauelemente in stabiler Weise auf einem billigen Substrat mit einer großen Fläche herstellen.
  • 11 zeigt schematisch eine vertikale Niederdruck-CVD-Vorrichtung mit derartigen hervorragenden Funktionen, die durch die Erfindung ermöglicht werden. Diese LPCVD-Vorrichtung weist eine Reaktionskammer 101 auf. Substrate 102 werden horizontal in der Nähe der Mitte der Reaktionskammer 101 platziert. Ein Halbleiterfilm, z. B. ein Siliciumfilm, wird unter Anwendung einer thermischen Zersetzung eines Rohmaterialgases, wie Silan, Disilan oder German, abgeschieden. Dieses Gas und ein Verdünnungsgas, wie Stickstoff, Wasserstoff oder Argon, werden aus Gaseinspritzöffnungen 1103, die sich in der Nähe des Bodens der Reaktionskammer befinden, eingeleitet. Die einzelnen Substrate 102 sind auf einem Drehteller 109 angeordnet, der aus einer Kombination von mehreren Scheiben besteht. Während der Abscheidung des Halbleiterfilms führen der Drehteller und die Substrate mehrere Umdrehungen pro Minuten aus. Das in die Reaktionskammer eingedrückte Rohmaterialgas strömt zwischen dem Drehteller und der Innenwand der Reaktionskammer und erreicht die Substrate. Sodann wird das Rohmaterialgas durch einen Verteiler 104 oder eine Vakuumpumpe, die sich oben an der Reaktionskammer befindet, evakuiert. Im vorliegenden Beispiel 8 handelt es sich beim Verteiler oder bei der Vakuumpumpe um den gleichen Verteiler oder um die gleiche Vakuumpumpe, wie sie bei der ausführlich in Beispiel 1 beschriebenen LPCVD-Vorrichtung Verwendung finden. Wie nachstehend ausgeführt, kann der Verteiler entfallen. Ferner ist auch eine andere Kombination von Pumpen möglich. Eine Heizvorrichtung 108, die in mehrere Bereiche unterteilt ist, ist außerhalb der Reaktionskammer installiert. Ein angestrebter Temperaturbereich kann im Innern der Reaktionskammer entstehen, indem man die Temperatur in diesen Bereichen der Heizvorrichtung unabhängig steuert. Beispielsweise ist die Heizvorrichtung 108 in vertikaler Richtung in 5 Bereiche unterteilt. Die Temperatur steigt von den untersten Bereichen zu den obersten Bereichen der Heizvorrichtung zunehmend an, so dass sich im Innern der Reaktionskammer ein Temperaturgradient in der Weise ergibt, dass die Temperatur mit einer vorgegebenen Rate vom untersten Substrat bis zum obersten Substrat steigt. Selbstverständlich kann auch ein gleichmäßiger Temperaturbereich gebildet werden, in dem zwischen aufeinanderfolgenden Substraten eine gleichmäßige Temperatur herrscht.
  • In der im vorliegenden Beispiel 8 beschriebenen vertikalen LPCVD-Vorrichtung strömt das Gas nach oben. Streng genommen, fällt daher der Druck im Innern der Reaktionskammer nach oben ab. Um einen hochwertigen Halbleiterfilm gemäß den vorstehenden Ausführungen zu erhalten, ist es erstrebenswert, das Material bei einem niedrigeren Druck bei einer maximalen Pumpgeschwindigkeit abzuscheiden. In der in 11 dargestellten LPCVD-Vorrichtung wird Gas oben an der Vorrichtung abgepumpt, so dass die Leitung zwischen dem Drehteller und der Wand der Reaktionskammer kein Problem darstellt. Die Substrate sind direkt der Pumpgeschwindigkeit im Verteiler, der sich von den Einlassöffnungen der Reaktionskammer aus erstreckt, ausgesetzt. Infolgedessen lässt sich ein Halbleiterfilm bei einem noch höheren Vakuum ausbilden. Erfindungsgemäß wird Gas von der gesamten oberen Oberfläche der Reaktionskammer aus evakuiert, wodurch eine Konvektion im Innern der Reaktionskammer weitgehend unterdrückt wird. Dadurch wird die gleichmäßige Filmqualität unter den Substraten verbessert. Bei Abscheidung eines Halbleiterfilms ist das Molekulargewicht eines reagierenden Gases, wie Silan (SiH4) oder Dichlorsilan (SiH2Cl2), im allgemeinen größer als das Molekulargewicht der gebildeten Gase, wie Wasserstoff (H2) und Chlorwasserstoff (HCl). Bei dem Verfahren, bei dem das Abgasrohr der herkömmlichen LPCVD-Vorrichtung aufrecht angeordnet ist, wie in 7 dargestellt, stauen sich die gebildeten Gase im oberen Bereich der Reaktionskammer. Somit variiert das Verhältnis des Reaktionsgases zu den gebildeten Gasen in der herkömmlichen LPCVD-Kammer im zeitlichen Verlauf während der Abscheidung. In der in 11 dargestelltem neuartigen LPCVD-Vorrichtung kommt es nicht zu einem Stau von Gasen, so dass sich der Abscheidungszustand nach Belieben während der gesamten Abscheidungsdauer steuern lässt. Im allgemeinen ist die Pumpgeschwindigkeit für Gase mit niedrigerem Molekulargewicht, wie Wasserstoff, geringer. Wenn diese Gase sich in der Reaktionskammer stauen, fällt die Pumpgeschwindigkeit, der die Substrate unterliegen, ab. In der neuartigen LPCVD-Vorrichtung werden die Gase oben aus der Kammer abgepumpt. Daher lassen sich diese leichten Gase in wirksamer Weise evakuieren. Infolgedessen kann die Pumpgeschwindigkeit, denen die Substrate selbst ausgesetzt sind, auf ein Maximum erhöht werden. Auf diese Weise lässt sich ein Halbleiterfilm von höherer Qualität bei einer niedrigeren Temperatur, die unter etwa 555 °C liegt, mit der neuartigen LPCVD-Vorrichtung abscheiden. Ferner kann die Abscheidungsgeschwindigkeit erhöht werden.
  • Beispiel 9
  • 12 erläutert in schematischer Weise eine erfindungsgemäße vertikale Niederdruck-CVD-Vorrichtung. Wie ausführlich in Beispiel 8 beschrieben, ist es zur Bildung eines Halbleiterfilms von hoher Qualität unter Erzielung eines höheren Wirkungsgrads erstrebenswert, ein Rohmaterialgas auf der Unterseite einer Reaktionskammer einer vertikalen LPCVD-Vorrichtung mit hoher Pumpleistung einzuführen und das Gas aus einem großen Bereich der oberen Oberfläche der Reaktionskammer abzupumpen. Die in 12 dargestellte LPCVD-Vorrichtung weist keinen Verteiler auf. Eine mit einem Magnet ausgerüstete Turbomolekularpumpe 1206, z. B. die mit einem Magnet ausgerüstete Verbundmolekularpumpe TG2203MV der Fa. Osaka Vakuum Ltd., Japan, wird in der Reaktionskammer über ein Absperrventil und ein Leitventil 105, die an der oberen Oberfläche der Reaktionskammer angeordnet sind, angebracht. Die mit einem Magnet ausgerüstete Turbomolekularpumpe kann in umgekehrter Stellung eingesetzt werden. Dies ermöglicht die Strömungsrichtung des Gases nach oben, was wiederum eine gleichmäßige Abscheidung erleichtert. Ferner lassen sich leichte Moleküle mit hoher Geschwindigkeit abpumpen. Außerdem wird der Einfluss des im Verteiler und zwischen dem Drehteller und der Reaktionskammerwand an den Substraten erzeugten Fluidwiderstands vollständig beseitigt. Infolgedessen lässt sich an den Positionen der Substrate eine maximale Pumpgeschwindigkeit erzielen. Bei Verwendung der vorstehend beschriebenen Turbomolekularpumpe mit einem Magneten betrug die Pumpgeschwindigkeit Sp an der Einlassöffnung der Pumpe 2 200 Liter/sec. Da die Leitung Cv des Absperrventils und des Leitventils 3 150 Liter/sec betrugen, ergab sich die folgende effektive Pumpgeschwindigkeit Se in der Reaktionskammer: 1 /Se = 1/Sp + 1/Cv
  • Somit ergibt sich: Se = 1 235 Liter/sec. Dieser Wert ist höher als die Pumpgeschwindigkeit der neuartigen LPCVD-Vorrichtung von Beispiel 1 (1). Ferner ist in der neuartigen LPCVD-Vorrichtung von Beispiel 9 (12) die Differenz zwischen dem Druck in der Pumpeinlassöffnung und dem Druck an den Positionen der Substrate wesentlich geringer als die Druckdifferenz in der herkömmlichen LPCVD-Vorrichtung und die Druckdifferenz in der in 1 dargestellten LPCVD-Vorrichtung. Daraus folgt im wesentlichen, dass die Abscheidung bei einem niedrigeren Druck ermöglicht wird. Infolgedessen lassen sich Halbleiterfilme von hoher Qualität und hervorragende Dünnfilmhalbleiterbauelemente in einfacher und stabiler Weise herstellen.
  • Beispiel 10
  • Die 13 und 14 stellen schematisch Beispiele einer erfindungsgemäßen CVD-Vorrichtung dar. Im vorliegenden Beispiel 10 wird beispielsweise eine LPCVD-Vorrichtung verwendet. Die Erfindung kann auch auf eine plasmaverstärkte CVD-Vorrichtung, eine photounterstützte CVD-Vorrichtung und andere CVD-Vorrichtungen angewandt werden.
  • Die dargestellte LPCVD-Vorrichtung umfasst einen vertikalen Ofen mit einer Reaktionskammer 101. Substrate 102 werden rund um das Zentrum der Reaktionskammer 101 angeordnet. In den 13 und 14 sind die Substrate horizontal auf einem Drehteller 109 platziert. Die Substrate können auch vertikal oder schräg platziert werden. Eine Heizvorrichtung 108 ist außerhalb der Reaktionskammer angebracht. Ein Rohmaterialgas wird aus Gaseinspritzöffnungen 1103, in die Reaktionskammer eingeleitet. Das Innere der Kammer wird durch eine Turbomolekularpumpe 106 über ein Absperrventil 1304 evakuiert. Diese Turbomolekularpumpe wird durch eine zweite Vakuumpumpe 1307 evakuiert. Im vorliegenden Beispiel 10 wird eine Rotationspumpe als zweite Vakuumpumpe verwendet. Es kann statt dessen auch eine Trockenpumpe oder eine andere Pumpe verwendet werden. Der Druck im Innern der Reaktionskammer wird mit einem Druckmessgerät 1310 gemessen. Bei der herkömmlichen LPCVD-Vorrichtung ist das Leitventil, das den Druck im Innern der Reaktionskammer reguliert, zwischen der Reaktionskammer und der Turbomolekularpumpe angebracht. Erfindungsgemäß ist eine Druckeinstellvorrichtung zum Einstellen des Druckes im Inneren der Reaktionskammer an der Abgasöffnung der Turbomolekularpumpe angebracht. Da die Pumpgeschwindigkeit an der Einlassöffnung der Turbomolekularpumpe eine negative Korrelation zum Druck der Abgasöffnung der Pumpe aufweist, ergibt sich dann, wenn der Druck in der Abgasöffnung steigt, eine Abnahme der Pumpgeschwindigkeit an der Einlassöffnung. Infolgedessen steigt der Druck im Innern der Reaktionskammer an. Wenn umgekehrt der Druck in der Abgasöffnung sinkt, nimmt die Pumpgeschwindigkeit zu, wodurch der Druck im Innern der Reaktionskammer verringert wird. Daher kann der Druck im Innern der Reaktionskammer leicht eingestellt werden, indem man den Druck in der Abgasöffnung der Turbomolekularpumpe einstellt. In 13 ist eine Gasstrom-Einstellvorrichtung 1305 an der Abgasöffnung der Turbomolekularpumpe 106 angebracht, um ein Inertgas von hoher Reinheit, wie Helium, Stickstoff und Argon, mit einer geeigneten Strömungsgeschwindigkeit der Abgasöffnung zuzuführen. Diese Strömungsgeschwindigkeit des Gases wird durch die Gasstrom-Einstellvorrichtung entsprechend der Differenz zwischen dem angestrebten Druck im Innern der Reaktionskammer und dem mit dem Druckmessgerät 1310 tatsächlich gemessenen Druck eingestellt. Wenn demzufolge die Gasstrom-Einstellvorrichtung 1305 die Gaszufuhr in die Abgasöffnug der Pumpe vollständig unterbricht, erreicht die Pumpgeschwindigkeit an der Einlassöffnung der Pumpe ihr Maximum. In 14 ist ein Leitventil 1405 an der Abgasöffnung der Turbomolekularpumpe angebracht. Auf die gleiche Weise wie bei den vorstehenden Ausführungen wird die Öffnung des Leitventils 1405 entsprechend der Differenz zwischen dem angestrebten Druck im Innern der Reaktionskammer und dem mit dem Druckmessgerät 1310 tatsächlich gemessenen Druck eingestellt. Wenn das Leitventil 1405 vollständig geöffnet ist, so erreicht die Pumpgeschwindigkeit an der Einlassöffnung der Pumpe ihr Maximum. Die Druckeinstellvorrichtung kann sich der vorstehend beschriebenen Gaszufuhr und/oder eines Leitventils bedienen. Auf diese Weise wird ein höherer Abscheidungsdruck zugelassen.
  • Üblicherweise ist zur Abscheidung verschiedener Filme unter verschiedenartigen Bedingungen jeweils eine CVD-Vorrichtung erforderlich. Dabei wird es angestrebt, eine Anpassung an möglichst viele Abscheidungsbedingungen vorzunehmen. Was beispielsweise den Abscheidungsdruck betrifft, so passt sich eine Vorrichtung vorzugsweise selbst einem breiten Bereich von Drücken von einem niedrigen Druck bis zu einem hohen Druck an. Die neuartige CVD-Vorrichtung kann eine Abscheidung von Filmen über einen derartigen breiten Druckbereich hinweg ermöglichen. Ferner kann die Vorrichtung gleichzeitig eine hohe Pumpgeschwindigkeit und einen niedrigen Druck gewährleisten.
  • Sofern die in Beispiel 9 beschriebene, mit einem Magnet ausgestattete Turbomolekularpumpe als Turbomolekularpumpe 106 verwendet wird, liegt nur das Absperrventil 1304 zwischen der Pumpe und der Reaktionskammer vor. Da die Leitung CG dieses Absperrventils 1304 10500 Liter/sec beträgt, so ergibt sich in der Reaktionskammer eine hohe effektive Pumpgeschwindigkeit Se von 1 819 Liter/sec, wenn eine maximale Pumpgeschwindigkeit erreicht werden soll. Bei Zufuhr von Stickstoff in die Reaktionskammer mit 100 SCCM beträgt der Gleichgewichtsdruck im Innern der Reaktionskammer 1 117,2 × 10–4 Pa (8,4 × 10–4 Torr). Auf diese Weise lässt sich eine Abscheidung bei einem extrem niedrigen Druck erreichen. Wie bereits im Beispiel 9 und in den früheren Beispielen ausgeführt, lässt man ein Rohmaterialgas mit einer relativ hohen Strömungsgeschwindigkeit von etwa 100 SCCM in die Reaktionskammer einströmen. Dieses Merkmal wird mit der Abscheidung beim einem extrem niedrigen Druck kombiniert, um einen hochwertigen Halbleiterfilm bei einer niedrigeren Temperatur zu bilden. Bei Abscheidung eines intrinsischen Siliciumfilms ergibt sich bei Zufuhr von Monosilan als Rohmaterialgas mit etwa 100 SCCM und bei einer Abscheidungstemperatur von 555 °C ein Partialdruck des Silans während der Abscheidung in der Größenordnung von 0,106 Pa (0,8 mTorr). Da der Druck unter dem Druck liegt, bei dem der polykristalline Siliciumfilm bei der gleichen Temperatur wie in Beispiel 5 gebildet wird, entsteht ein polykristalliner Film von hoher Qualität mit größeren Korndurchmessern bei einem höheren Kristallisationsgrad. Ferner lässt sich in einfacher Weise ein Dünnfilmhalbleiterbauelement mit hervorragenden Eigenschaften durch ein Niedertemperaturverfahren herstellen.
  • In der in 13 dargestellten neuartigen LPCVD-Vorrichtung wurde Stickstoff mit einer Reinheit von mehr als etwa 99,9995 % in die Abgasöffnung einer Turbomolekularpumpe mit 1,4 SLM über die Gasstrom-Einstellvorrichtung 1305 zugeführt. Monosilan wurde als Rohmaterialgas in die Reaktionskammer aus den Gaseinspritzöffnungen 1103 mit 100 SCCM eingeleitet. Der Druck an der Auslassöffnung der Pumpe wies einen hohen Wert von 148,96 Pa (1,12 Torr) auf. Dementsprechend betrug der Druck im Innern der Reaktionskammer 59,85 Pa (0,45 Torr). Bei einer Abscheidungstemperatur von 555 °C wie in den vorstehenden Beispielen wurde durch die Abscheidung ein amorpher Siliciumfilm erhalten. Wenn der vorerwähnte Stickstoffstrom in die Abgasöffnung der Turbomolekularpumpe mit 2,9 SLM über die Gasstrom-Einstellvorrichtung 1305 zugeführt wurde und das Rohmaterialgas in die Reaktionskammer aus den Gaseinspritzöffnungen 1103 mit 100 SCCM eingeleitet wurde, betrug der Druck in der Abgasöffnung der Turbomolekularpumpe 267,33 Pa (2,01 Torr) und der Druck im Innern der Reaktionskammer 212,8 Pa (1,6 Torr). Wenn in der neuartigen CVD-Vorrichtung die Strömungsgeschwindigkeit des der Reaktionskammer aus den Gaseinspritzöffnungen 1103 zugeführten Rohmaterialgases beispielsweise auf 100 SCCM gehalten wird, so kann in einer einzigen Vorrichtung der Druck im Innern der Reaktionskammer innerhalb eines breiten Bereiches von einem äußerst niedrigen Druck von 1 117,2 × 10–4 Pa (8,4 × 10–4 Torr) zu einem relativ hohen Druck von 212,8 Pa (1 ,6 Torr) eingestellt werden. Tatsächlich wird ein Verhältnis des minimalen Drucks zum maximalen Druck von 2 000 erreicht. Demzufolge können mit einer einzigen neuartigen CVD-Vorrichtung verschiedene Halbleiterfilme gebildet werden, die von hochkristallinen, polykristallinen Halbleiterfilmen zu amorphen Halbleiterfilmen reichen. Wenn eine Abscheidung bei einem relativ hohen Druck vorgenommen wird, so wird die Temperaturerhöhung vor der Abscheidung bei einer hohen Pumpgeschwindigkeit und einem extrem niedrigen Druck vorgenommen. Somit kann der Basisdruck auf weniger als etwa 1 330 × 10–7 Pa (10 × 10–7 Torr) oberhalb von 400 °C gehalten werden. Infolgedessen können Gase, die aus den Substraten und aus den Innenwänden der Reaktionskammer austreten und andere, in Spurenmengen austretende Gase ausreichend rasch abgepumpt werden. Dies erleichtert die Bildung eines Halbleiterfilms von hoher Reinheit.
  • Wenn andererseits bei der in 7 dargestellten herkömmlichen LPCVD-Vorrichtung das Rohmaterialgas in die Reaktionskammer mit 100 SCCM eingeleitet wurde, betrug der minimale Abscheidungsdruck 4,389 Pa (33 mTorr). Der durch vollständiges Schließen des Leitventils erzielte maximale Druck betrug 119,7 Pa (0,9 Torr). Das Verhältnis des minimalen Drucks zum maximalen Druck betrug nur 27. Bei einer Abscheidungstemperatur von 555 °C und bei Verwendung von Monosilan als Rohmaterialgas können mit der herkömmlichen LPCVD-Vorrichtung keine anderen Filme als amorphe Siliciumfilme abgeschieden werden. In der in 1 dargestelltem LPCVD-Vorrichtung mit hoher Pumpgeschwindigkeit wurde bei Anordnung des Leitventils zwischen der Reaktionkammer (oder dem Verteiler) und der Turbomolekularpumpe das Rohmaterialgas der Reaktionskammer aus den Gaseinspritzöffnungen 103 bei 100 SCCM zugeführt. Der minimale Druck und der maximale Druck, die durch Einstellen des Leitventils erzielt wurden, betrugen 0,16 Pa (1 ,2 mTorr) bzw. 1,6 Pa (12 mTorr). Da die Vorrichtung zum Einstellen des Drucks im Innern der Reaktionskammer auf diese Weise an der Abgasöffnung der Turbomolekularpumpe angebracht ist, steigt der Druckbereich in erheblichem Maße. Infolgedessen können mit einer einzigen CVD- Vorrichtung verschiedenartige Halbleiterfilme gebildet werden. Gleichzeitig. können Halbleiterfilm von höherer Qualität bei einem äußerst niedrigen Abscheidungsdruck gebildet werden.
  • Beispiel 11
  • 15 zeigt in schematischer Weise eine erfindungsgemäße CVD-Vorrichtung. Im Beispiel 11 wird eine LPCVD-Vorrichtung verwendet. Die Erfindung kann auch auf eine plasmaverstärkte CVD-Vorrichtung, eine photounterstützte CVD-Vorrichtung oder andere CVD-Vorrichtungen angewandt werden.
  • Die dargestellte LPCVD-Vorrichtung umfasst einen vertikalen Ofen mit einer Reaktionskammer 101. Substrate 102 werden rund um das Zentrum der Reaktionskammer 101 angeordnet. In 15 sind die Substrate horizontal auf einem Drehteller 109 platziert. Die Substrate können auch vertikal oder schräg platziert werden. Eine Heizvorrichtung 108 ist außen an der Reaktionskammer angebracht. Ein Rohmaterialgas wird aus Gaseinspritzöffnungen 1103 in die Reaktionskammer eingeleitet. Das Innere der Kammer wird mit einer Turbomolekularpumpe 106, die direkt in der Reaktionskammer angebracht ist, evakuiert. Diese Turbomolekularpumpe wird durch eine zweite Vakuumpumpe 1307 evakuiert. Im vorliegenden Beispiel 11 wird eine Rotationspumpe als zweite Vakuumpumpe verwendet. Es kann statt dessen auch eine Trockenpumpe oder eine andere Pumpe verwendet werden. Der Druck im Innern der Reaktionskammer wird mit einem Druckmessgerät 1310 gemessen. Bei der herkömmlichen LPCVD-Vorrichtung ist das Absperrventil zwischen der Reaktionskammer und der Turbomolekularpumpe angeordnet. Erfindungsgemäß ist das Absperrventil 1304 an der Abgasöffnung der Turbomolekularpumpe angeordnet. Eine Druckeinstellvorrichtung 1505, die den Druck im Innern der Reaktionskammer einstellt, wird zwischen dem Absperrventil 1304 und der zweiten Vakuumpumpe 1307 angebracht. Die Druckeinstellvorrichtung kann sich der Zugabe einer vorgegebenen Menge eines Inertgases von hoher Reinheit oder eines Leitventils bedienen. Die Druckeinstellvorrichtung arbeitet entsprechend der Druckdifferenz zwischen dem mit der Druckmessvorrichtung 1310 tatsächlichen gemessenen Druck und dem angestrebten Druck.
  • Nachstehend wird ein Beispiel für eine Abfolge von Vorgängen, die beim Einsatz der neuen CVD-Vorrichtung ablaufen, beschrieben. Nach dem Einsetzen der Substrate wird das Absperrventil 1304 geöffnet. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich die zweite Vakuumpumpe 1307 im stationären Betrieb und evakuiert den Innenraum der Reaktionskammer grob durch die Turbomolekularpumpe 106. Beim Druck im Innern der Reaktionskammer kann es sich entweder um atmosphärischen Druck oder um ein Vakuum, z. B. etwa 133 Pa (1 Torr) handeln, wenn das Absperrventil geöffnet ist. Gleichzeitig mit dem Öffnen des Absperrventils wird die Pumpe 106 in Gang gesetzt. Nachdem die Pumpe einen stationären Zustand erreicht hat, wird das Absperrventil 1304 für einen Zeitraum von mehreren Sekunden bis mehreren Minuten geschlossen. Eine Leckage in der Reaktionskammer wird durch das Druckmessgerät 1510, das zwischen der Turbomolekularpumpe 106 und dem Absperrventil 1304 angeordnet ist, geprüft. Wenn keine Leckage festgestellt wird, wird das Ventil 1304 erneut geöffnet. Die Temperatur im Innern der Reaktionskammer wird auf die angestrebte Temperatur erhöht. Dieser Vorgang kann unter einem Hochvakuum von weniger als 1 330 × 10–7 Pa (10 × 10–7 Torr) durchge führt werden, ohne dass man überhaupt Gas einleitet, oder er kann unter Zufuhr von Gas von hoher Reinheit vorgenommen werden. Anschließend lässt man zur Abscheidung eines Films ein Rohmaterialgas in die Reaktionskammer strömen. Nach beendeter Abscheidung wird die Reaktionskammer leergepumpt oder mit Stickstoff gespült. Sodann wird der Betrieb der Turbomolekularpumpe beendet und das Absperrventil 1304 geschlossen. Man lässt ein Inertgas, wie Stickstoff, in die Reaktionskammer strömen. Nachdem der Druck einen vorgegebenen Druck, z. B, atmosphärischen Druck, erreicht hat, werden die Substrate entnommen.
  • Bei Verwendung einer Turbomolekularpumpe mit einem Magneten gemäß Beispiel 9 als Turbomolekularpumpe 106 entspricht die wirksame Pumpgeschwindigkeit Se in der Nähe der Substrate im Innern der Reaktionskammer der Pumpgeschwindigkeit Sp der Pumpe, da die Einlassöffnungen der Pumpe den Substraten zugewandt sind. Die Pumpgeschwindigkeit erreicht ihren maximalen Wert und beträgt: Se = Sp = 2200 Liter/sec
  • Wenn somit Stickstoff in die Reaktionskammer mit etwa 100 SCCM zugeführt wurde, betrug der Gleichgewichtsdruck im Innern der Reaktionskammer 917,7 × 10–4 Pa (6,9 × 10–4 Torr). Auf diese Weise wird eine Abscheidung bei einem extrem niedrigen Druck ermöglicht. Dieser Druck ist noch niedriger als der in Beispiel 9 angewandte Druck. Daher lässt sich ein Siliciumfilm von hoher Qualität bei einer niedrigeren Temperatur erhalten. Ferner lässt sich ein Dünnfilmhalbleiterbauelement mit hervorragenden Eigenschaften in stabiler Weise durch ein Niedertemperaturverfahren herstellen.
  • Außerdem wird erfindungsgemäß der Druck im Innern der Reaktionskammer entsprechend dem Druck in der Auslassöffnung der Turbomolekularpumpe eingestellt. Daher kann der Abscheidungsdruck innerhalb eines sehr breiten Bereiches festgelegt werden. Wenn beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit des Rohmaterialgases 100 SCCM beträgt, so kann der Druck im Innern der Reaktionskammer auf einen beliebigen angestrebten Wert innerhalb eines breiten Bereiches vom vorstehend beschriebenen Wert 917,7 × 10–4 Pa (6,9 × 10–4 Torr) bis 212,8 Pa (1 ,6 Torr) festgelegt werden. Somit lassen sich verschiedenartige Filme mit einer einzigen CVD-Vorrichtung abscheiden.
  • Wie vorstehend beschrieben, wird erfindungsgemäß ein Halbleiterfilm, z. B. ein Siliciumfilm, abgeschieden, indem man entweder eine Abscheidung mit einer LPCVD-Vorrichtung, deren effektive Pumpgeschwindigkeit in der Reaktionskammer mehr als 126,7 Liter/sec (10 SCCM/mTorr) beträgt, oder mit einer LPCVD-Vorrichtung vornimmt, bei der der Druck im Innern der Reaktionskammer innerhalb von 10 Minuten, nachdem die Vakuumpumpmaschine in einem stationären Zustand betätigt wird, weniger als 1330 × 10–5 Pa (10 × 10–5 Torr) erreicht. Dadurch wird der Halbleiterfilm erheblich verbessert, was wiederum die Eigenschaften des Dünnfilmhalbleiterbauelements verbessert. Somit werden eine Verringerung der Herstellungskosten und eine stabile Massenproduktion erreicht. Außerdem wird erfindungsgemäß die Temperatur, bei der ein kristalliner Siliciumfilm gebildet wird, im Vergleich zu herkömmlichen Techniken um etwa 40 °C verringert. Außerdem lässt sich ein leitender Siliciumfilm bei einer niedrigeren Temperatur bilden. Wenn somit die vorliegende Erfindung auf eine Flüssigkristallanzeige mit einer aktiven Matrix oder dergl. angewandt wird, lassen sich billige Glasscheiben oder -platten als Substrate verwenden. Bei Anwendung der Erfindung auf andere elektronische Bauelemente lassen sich Beeinträchtigungen der Vorrichtungen durch Wärme verringern. Ferner kann die neuartige CVD-Vorrichtung Filme im Vergleich zur Situation des Stands der Technik in einem wesentlich breiteren Druckbereich bilden. Verschiedene Filme lassen sich mit einer einzigen CVD-Vorrichtung herstellen. Auf diese Weise werden erfindungsgemäß die Leistungsmerkmale von Flüssigkristallanzeigen mit aktiver Matrix und die Leistungsmerkmale von elektronischen Vorrichtungen, wie integrierten Schaltungen, verbessert und die entsprechenden Kosten verringert.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Wie vorstehend ausgeführt, eignet sich die Erfindung für ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterfilmen, wie Siliciumfilmen, die in Dünnfilmhalbleiterbauelementen, integrierten Schaltungen, Solarzellen, ladungsgekoppelten Bauelementen und dergl., Anwendung finden. Ferner eignet sich die Erfindung für eine bei niedrigem Druck arbeitende Vorrichtung zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase (LPCVD) zur Bildung von Halbleiterfilmen. Außerdem eignet sich die Erfindung für Dünnfilmhalbleiterbauelemente unter Verwendung von Halbleiterfilmen sowie für aktive Flüssigkristallanzeigen oder dergl.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Ausbildung eines Halbleiterfilms auf einer Oberfläche eines Substrats (201), wobei die Oberfläche ein isolierendes Material (202) umfaßt, und das Verfahren umfaßt: (a) Anordnen des Substrats in der Heißwand-Reaktionskammer (101) einer Niederdruck-Heißwandvorrichtung für chemische Dampfabscheidung, welche die Heißwand-Reaktionskammer (101), ein Gaseinspritzrohr (103) mit einem Auslaß innerhalb der Reaktionskammer (101), einen mit der Reaktionskammer (101) verbundenen Verteiler (104) und ein Evakuierungspumpensystem (106, 107) aufweist, welches eine direkt mit dem Verteiler gekoppelte Turbomolekularpumpe (106) aufweist, derart, daß der Auslaß des Gaseinspritzrohres und ein Einlaß des Evakuierungspumpensystems sich an entgegengesetzten Enden der Reaktionskammer (101) befinden, um eine turbulente Gasströmung über in der Kammer angeordnete Substrate zu vermindern, und (b) Abscheiden des Halbleiterfilms (204) auf der Oberfläche des Substrats (201) in der Heißwand-Reaktionskammer (101) durch chemische Heißwand-Niederdruck-Dampfabscheidung unter Verwendung des Evakuierungspumpensystems (106, 107) dazu, Gase mit vermindertem Druck zu der Reaktionskammer (101) zu pumpen, wobei die Gase von dem Gaseinspritzrohr eingespritzt und von dem Evakuierungspumpensystem (106, 107) abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpgeschwindigkeit der Gase im Schritt (b) so eingestellt wird, daß sie 508 l/sek (40 SCCM/mTorr) übersteigt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Abscheidung des Halbleiterfilms (204) in der Reaktionskammer (101) bei einem in der Reaktionskammer (101) erreichten Grunddruck von weniger als 133 × 10–5 Pa (10–5 torr) durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Abscheidung des Halbleiterfilms (204) durchgeführt wird, während das Substrat (201) auf einem Drehteller (109), der sich in der Reaktionskammer (101) befindet, angeordnet ist, wobei der Drehteller (109) sich während des Abscheidungsprozesses dreht und während des Abscheidungsprozesses Monosilan (SiH4) als Rohmaterialgas verwendet wird und entweder der Druck innerhalb der Reaktionskammer (101) weniger als 0,266 Pa (2 mTorr) beträgt oder der Partialdruck von Silan weniger als 1 mTorr beträgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend die Schritte: Abscheiden eines intrinsischen Halbleiterfilms (204) auf der Substratoberfläche in der Reaktionskammer (101) durch chemische Heißwand-Niederdruck-Dampfabscheidung unter Verwendung eines Evakuierungspumpensystems (106, 107), welches Gase durch die Reaktionskammer (101) mit einem verminderten Druck von weniger als 0,266 Pa (2 mTorr) pumpt, wobei die Gase von dem Gaseinspritzrohr (103) eingespritzt und von dem Evakuierungspumpensystem (106, 107) abgezogen werden und Monosilan (SiH4) als Rohmaterialgas verwendet wird, und Implantieren von Dotierstoffatomen in den intrinsischen Halbleiterfilm (204) unter Verwendung eines nicht-massenseparierten Ionenimplantierers bei Verwendung eines Hydrids des zugesetzten Dotierstoffmittels und Wasserstoff als Rohmaterialgase.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der abgeschiedene Halbleiterfilm (204) Silizium enthält.
  6. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung eines Dünnfilmhalbleiterbauelements mit einem Substrat (201) und dem auf einer Oberfläche des Substrats (201) ausgebildeten Halbleiterfilm (204), bei dem der Halbleiterfilm (204) als eine aktive Schicht eines Transistors verwendet wird.
  7. Verwendung nach Anspruch 6 in Abhängigkeit von Anspruch 4, umfassend die Schritte: Abscheiden des Halbleiterfilms (204) auf einem isolierenden Material (202) unter Verwendung von Monosilan (SiH4) als eines Rohmaterialgases in der Reaktionskammer (101), Mustern des Halbleiterfilms (204); Ausbilden eines Gateisolierfilms (206) auf dem Halbleiterfilm (204); Ausbilden von Gateelektroden (207) auf dem Gateisolierfilm; und Implantieren von Dotierstoffionen in Teile des Halbleiterfilms (204) die Source- und Drainzonen werden, unter Verwendung eines nicht-massenseparierten Ionenimplantierers bei Benutzung von Hydrid des zugesetzten Dotierstoffs und Wasserstoff als Rohmaterialgase.
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