JP3005253B2 - 多結晶半導体の形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （イ） 産業上の利用分野 本発明は、太陽電池や薄膜トランジスタ及び光センサ
などの活性層として用いる多結晶半導体の形成方法に関
する。

（ロ） 従来の技術 多結晶半導体は、微小な単結晶からなる結晶粒の集合
体より成り、通常該結晶粒が大なるほど電気的特性が優
れている。このために、多結晶半導体の形成において
は、基板表面に前記結晶粒の成長の起点とするためのも
の、即ち一般に核と称するものを設けるための複雑な化
学的又は物理的処理を該表面に行う必要があり、さらに
は前記結晶粒を大きく成長させるための高温加熱処理が
後工程で必要である。

（ハ） 発明が解決しようとする課題 前述のような各種処理を再現性よく行うためには幾つ
かの課題がある。

即ち、一般に多結晶半導体の形成過程では、その初期
に基板表面に飛来した原料原子あるいは分子が前記基板
表面で相互に結合し核を形成する。しかしながら、当該
核が常に成長の起点と成り得るのではなく、安定した核
としての機能を担うにはある程度の大きさにまで成長す
ることが必要である。前記基板表面に飛来した前記原料
原子あるいは分子は、その結合が極めて弱い場合、基板
からの熱によって再び気相中に放出されてしまう。この
ため、それらが核となるにはある程度の大きさにまで成
長することが必要である。

そして、ある程度の大きさになった核はさらに成長
し、初期の結晶粒の形態をとるにまで至り、さらに隣接
する結晶粒同士と合体し多結晶半導体となる。

かような形成過程では基板温度の制御がもっとも重要
である。そこで基板温度による影響を緩和する方法とし
て例えば「応用物理」第57巻９号p1387〜1391に開示さ
れているような、薄膜の極初期の核形成時に、核位置を
人工的に制御し、任意の大きさにまで結晶粒を成長せし
める試みが行われている。

しかしながら、かかる核位置の制御では、絶縁膜のパ
ターニングにより微細なエッチング工程などが必要とな
るため、工程が複雑となり且つ、大面積の多結晶半導体
を得ることはできない。

本発明の目的とするところは、多結晶半導体として、
大きな結晶粒を容易に、且つ再現性よく形成することに
ある。

（ニ） 課題を解決するための手段 本発明の多結晶半導体の形成方法の特徴は支持基板上
に、プラズマガス分解法によって10〜500Åの径を有す
る結晶粒を形成せしめ、次に、前記結晶粒の特定結晶面
上への成長が支配的となるプラズマガス分解法の反応条
件で多結晶成長せしめることにある。

（ホ） 作用 半導体膜をプラズマガス分解法によって形成した場
合、その初期の該半導体膜中には、10〜500Åの径を有
する多結晶半導体の結晶粒が存在する。かような結晶粒
においても、種々の結晶方向を備えた結晶面を有してい
る。これら結晶面は、単結晶における結晶面と概ね同様
な物性を有するものである。

本発明は、この結晶面の一種である特定結晶面を用い
る。本発明の特定結晶面とは、前記結晶粒の中で最も耐
エッチング特性の大きな結晶面をいう。この特定結晶面
は、多結晶半導体や微結晶半導体さらに非晶質半導体
の、それぞれにおける結晶粒に備わっているものであ
る。

そこで、本発明は、当該特定結晶面と他の結晶面との
耐エッチング特性の大小の差を利用し、該特定結晶面上
に多結晶半導体として好ましい結晶粒の成長を行うもの
である。

即ち、10〜500Åの径を有する多結晶半導体の結晶粒
を形成した後、該結晶粒に備わる前記特定結晶面上に多
結晶膜としての膜成長を行う。そして、この膜成長を行
いつつ、前記特定結晶面以外の部分に付着した原子や分
子は、エッチングによって除去するものである。これに
より、膜成長は、前記結晶粒の前記特定結晶面上に支配
的に行われることになる。

以下では、前記多結晶半導体薄膜の結晶粒の形成段階
を初期過程と称し、前記特定結晶面上に付着した原子あ
るいは分子を成長せしめる形成段階を後期過程と称す。

さらに、本発明は、後期過程のエッチングと膜形成と
の両メカニズムを同時に行うものとして、プラズマガス
分解法を利用する。

プラズマガス分解法は、通常膜形成法として広く用い
られているものであるが、そのメカニズムは常に膜形成
とエッチングの両面が共存しかつ、競合する状態にあ
る。例えば、従来非晶質シリコンの形成て用いられるシ
ラン（SiH₄）ガスによるプラズマ反応においても、非晶
質シリコンを形成する一方で、ガス分解で発生する水素
ラジカルによって、シリコンのエッチングが同時に起こ
っている。但し、一般のプラズマ分解法では、膜形成と
エッチングのバランス状態によって一方のみの現象を主
に利用しているのである。

本発明は、かようなプラズマガス分解法を用いること
により、エッチングと膜形成との両メカニズムを同時に
利用し、初期結晶粒の特定結晶面上への膜成長を選択し
て行うものである。

（ヘ） 実施例 本発明の形成方法を説明する実施例を第１図に示す。
同図（ａ）は、多結晶半導体の形成の初期過程すなわ
ち、結晶粒の形成過程を示す。同図（ｂ）は同図（ａ）
に続く膜成長の後期過程を示すものである。図中（１）
はガラスなどの支持基板、（２）は初期過程において、
支持基板（１）上に形成されたInPの結晶粒、（３）は
結晶粒（２）上に後期過程によって成長した多結晶薄膜
である。

このような結晶粒の形成は、従来のプラズマガス分解
法を用いて行うことができる。すなわち、前記支持基板
（１）を真空保持可能な槽の中に配置し、半導体元素を
包含する原料ガス、例えばPH₃（フォスフィン）ガス、I
n（CH₃）_３（トリメチルインジューウム）ガスを前記槽
の中に導入し、真空度0.1〜10torr,前記支持基板の加熱
温度200℃の条件下で、プラズマ放電によるガス分解を
行う。これにより前記支持基板（１）上に結晶粒径が10
〜500Å程度で膜厚500Å以下の初期結晶粒を形成する。
当該初期結晶粒では、基板加熱温度を低くしているため
高い表面密度で基板上に形成される。

次に第１図（ｂ）に示す前記初期結晶粒の拡大成長を
行う。斯る成長は、前述したように結晶粒の成長面に整
合する位置に付着した原料原子または分子を支配的に成
長せしめるものである。かような成長を行うために、プ
ラズマガス分解法の反応条件として基板温度を250℃以
上に設定し、さらに水素ガスを導入する。この反応条件
は、当該プラズマガス分解法におけるエッチング効果を
増進せしめるためのものである。

特に、本発明では基板温度による制御が重要で、実施
例InP多結晶半導体の場合は、初期過程の温度を室温か
ら250℃、または後期過程におけるそれを250〜500℃の
範囲とし、かつこれら２過程の温度差を100℃以上とす
ることが好適である。

尚、本実施例の特定結晶面は（111）面である。

この効果によって、結晶粒の特定結晶面に付着した原
子や分子は、前記水素ラジカルによって容易にエッチン
グ除去されることになり、結局、該特定結晶面と整合し
た面上に支配的に成長することになる。このため、最終
的なInP多結晶半導体の結晶粒径は、2000Å〜５μｍに
まで成長する。本実施例における膜形成条件を第１表に
まとめて示す。

次に第２の実施例として、本発明による多結晶シリコ
ン半導体の形成方法について詳述する。まず初期過程と
してシリコン結晶粒をプラズマガス分解法によって形成
する。反応ガスとしてシリコン化合物、例えばシラン
（SiH₄）を用い、基板温度として100℃の条件下で初期
の結晶粒を形成する。

次に後期過程として基板温度を500℃にまで上昇さ
せ、さらに四フッ化ケイ素（SiF₄）,H₂ガスを添加しプ
ラズマガス分解法により膜成長せしめる。これら添加ガ
スは、エッチング効果を増強せしめるものである。当該
実施例の代表的な反応条件を第２表に示す。

本実施例においても、先のInPの場合と同様に、初期
過程及後期過程での基板温度が重要なファクタとなる。
本発明者らのよる実験では、初期過程での基板温度は、
室温から200℃とし。後期過程でのそれを200〜600℃と
し、かつこれら２過程の基板温度の差を100℃以上とす
ることが好適であった。又、本実施例の特定結晶面は
（111）面である。

本方法によって形成された多結晶半導体は膜成長にお
いてエッチング現象にも晒されるために、該多結晶半導
体の表面はきわめて平坦でかつ均一な膜となる。

本発明は多結晶半導体を全てプラズマガス分解法によ
って形成するため、膜形成が安定でありかつ簡便であ
る。

次に本発明の方法による多結晶半導体を用いた半導体
装置について詳述する。

第２図は、本発明の多結晶半導体を備えた薄膜トラン
ジスタ断面図である。（21）は支持基板とする絶縁性基
板、（22）は本発明方法による多結晶半導体、（23）は
当該薄膜トランジスタのゲート用絶縁膜として機能する
絶縁膜、（24）はドレイン、ソース電極、（25）はゲー
ト電極、（26）はドレイン、ソース用の開口部である。

本実施例の製造方法は、絶縁性基板（21）上に膜厚約
3000Åの多結晶シリコン（22）を前述の方法によって形
成した後、所望の形状にパターニングする。次にスパッ
タ法やCVD法などによりSiO₂絶縁膜（23）を成膜し、ソ
ース、ドレインコンタクト部などの必要な箇所について
エッチング除去し開口部（26）を設ける。該開口部（2
6）にリン（Ｐ）イオンの注入をおこなう。最後に蒸着
法によるクロム（Cr）金属膜などでドレイン、ソース電
極（24）及び、ゲート電極（25）を形成する。

当該多結晶シリコンの形成方法以外は従来からの薄膜
トランジスタの形成法と同様である。

本発明による薄膜トランジスタでは、50cm²/V・ｓ程
度の電子移動度が得られ、通常の多結晶シリコンにおけ
る10cm²/V・ｓ程度のものと比較して、向上している。

次に本発明の方法による多結晶シリコンを具備した実
施例光起電力装置について第３図を用いて説明する。図
中の（31）は石英やガラスからなる透光性絶縁基板、
（32）は透明導電膜、（33）は本発明の方法によるｐ型
多結晶半導体、（34）真性型半導体の多結晶半導体、
（35）はｎ型多結晶半導体、（36）は金属膜からなる導
電膜である。

以下に当該光起電力装置の形成方法について詳述す
る。透光性絶縁基板（31）上に所望のパターンを形成
し、透光性絶縁基板（31）をプラズマガス分解法による
装置に設置し、まずシリコンの初期結晶粒を形成する。
初期過程の反応ガスとして、シリコン化合物、例えばシ
ラン（SiH₄）を用い、基板温度として100℃の条件下で
初期の結晶粒を形成する。この初期のシリコン結晶粒の
形成にあたっては、形成と同時に価電子制御を行うため
にジボランガスを混入し形成した。次に後期過程として
基板温度を500℃にまで上昇させ、SiF₄とH₂の添加に加
えて、さらに前述と同様な理由によりジボランガスを添
加してｐ型半導体（33）を形成した。

SiF₄（四フッ化ケイ素）ガスとH₂ガスの添加は、前述
と同様にエッチング効果の増強のためのものである。

本発明による多結晶半導体形成方法において、ジボラ
ンガスのような価電子制御用のドーピングガスが膜形成
とエッチング効果とのバランスに及ぼす影響はその添加
量が極僅かであるために、かかるバランスにはほとんど
影響しない。但し、当該ドーピングガスの希釈用ガス、
例えば水素などの場合においては、該希釈ガスによる影
響を考慮する必要がある。

次に、当該光起電力装置の活性層とするための真性型
半導体（34）を連続して形成するために前記B₂H₆（ジボ
ラン）ガスの供給のみを停止し、さらに膜形成を行う。
最後にｎ型半導体（35）を形成するためにフォスフィン
ガスを添加しさらに成膜する。最後に導電膜（36）を形
成して素子を完成した。

このように本発明による方法では、プラズマガス分解
法を使用するため多結晶成長の過程と同時にドーピング
ガスの添加による価電子制御を容易に行うことができる
という長所を有している。第３表、第４表に当該光起電
力装置の各層の反応条件を示す。

さらに第５表に、本発明の形成方法と、従来の方法と
のそれぞれの光起電力装置における特性を示す。

第５表における従来の太陽電池とは、本発明の後期過
程において、エッチング効果増強用のガスを添加してい
ない条件で膜成長した多結晶半導体を使用したものであ
る。

同表より、本発明による多結晶半導体を備えた太陽電
池においては、いずれのパラメータ値においても特性の
向上が確認できる。

実施例においては、本発明の形成方法として初期過程
と後期過程との２段階による形成方法について述べた
が、これに限るものではなく２以上の過程に分割して行
うことも可能である。即ち、プラズマガス分解法による
膜形成とエッチングの両メカニズムを同時に用いる膜成
長に先だって、成長面を有した結晶粒を形成するもので
あれば、２以上の過程を経て多結晶半導体を形成しても
よい。

（ト） 発明の効果 本発明による多結晶半導体においては、結晶粒の特定
結晶面を反映した膜成長を行うことができるため膜質が
良好となり、かつかかる多結晶半導体を備えた半導体装
置では特性の向上が著しい。

さらに本発明の形成方法では、多結晶半導体の形成を
プラズマガス分解法によって全て行うことが可能である
ため、簡便でかつ膜成長過程の制御が極めて容易であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の形成方法を説明するための模式図、第
２図は本発明形成方法を説明する実施例半導体装置断面
図、第３図は本発明形成方法の実施例光起電力装置断面
図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/205

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】支持基板上に、プラズマガス分解法によっ
   て10〜500Åの径を有する結晶粒を形成せしめ、次に前
   記結晶粒の中で最も耐エッチング特性の大きな結晶面上
   への成長が支配的となるプラズマガス分解法の反応条件
   で多結晶成長せしめることを特徴とする多結晶半導体の
   形成方法。