JP3067180B2 - Method and apparatus for forming single crystal silicon film - Google Patents

Method and apparatus for forming single crystal silicon film

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JP3067180B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、例えば三次元集積回路素子の製造等に用
いられるものであって、基板の表面に単結晶シリコン膜
を形成する単結晶シリコン膜形成方法およびその装置に
関する。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention is used, for example, for manufacturing a three-dimensional integrated circuit device, and is a single-crystal silicon film for forming a single-crystal silicon film on a surface of a substrate. The present invention relates to a forming method and an apparatus therefor.

〔背景となる技術〕[Background technology]

基板上にトランジスタ等の素子を三次元的に集積した
三次元集積回路素子の実現のためには、非晶質の絶縁物
上に、素子を形成するのに十分に良質な半導体結晶を形
成する技術が必要である。
In order to realize a three-dimensional integrated circuit element in which elements such as transistors are three-dimensionally integrated on a substrate, a semiconductor crystal of sufficient quality for forming the element is formed on an amorphous insulator. Technology is required.

絶縁物上にシリコン膜を形成する従来技術としては、
レーザアニールを用いるものがある。これは、絶縁膜上
に1μm以下の薄いアルモファスシリコン膜または多結
晶シリコン膜を形成し、これに強力なレーザ光を照射す
る技術であり、レーザ光の照射によりシリコン膜が瞬間
的に溶融して再び固化するときに単結晶化する現象を利
用するものである。
As a conventional technique for forming a silicon film on an insulator,
Some use laser annealing. This is a technology in which a thin amorphous silicon film or polycrystalline silicon film of 1 μm or less is formed on an insulating film, and this is irradiated with a powerful laser beam. This is to utilize the phenomenon of single crystallization when solidifying again.

しかしながらこの従来技術は、現在では未だ研究段階
にあり、三次元集積回路素子の製造が可能な段階にまで
は確立されていない。即ち、レーザ再結晶化による結晶
成長では、レーザ出力の変化、試料のパターン欠陥、お
よびビーム系の変動等の影響を受けて、結晶欠陥ができ
やすく、半導体素子等の素子を形成するのに十分に良質
な半導体単結晶を形成することができない。
However, this prior art is still in the research stage at present, and has not been established to the point where three-dimensional integrated circuit elements can be manufactured. That is, in crystal growth by laser recrystallization, a crystal defect is likely to occur under the influence of a change in laser output, a pattern defect of a sample, a change in a beam system, and the like, which is sufficient for forming an element such as a semiconductor element. A high quality semiconductor single crystal cannot be formed.

このような問題を解決するものとして、基板表面の性
質に関係なくその表面に良質の単結晶シリコン膜を形成
することができる単結晶シリコン膜の形成方法が同一出
願人によって先に提案されている(特願平1−91271
号)。それを要約して説明すると次のとおりである。
As a solution to such a problem, a single-crystal silicon film formation method capable of forming a high-quality single-crystal silicon film on the surface of a substrate regardless of the properties of the surface has been previously proposed by the same applicant. (Japanese Patent Application No. 1-91271
issue). The summary is as follows.

即ち、絶縁物の表面にシリコンを蒸着すると種々の方
向を向いた結晶粒が成長してシリコン膜(多結晶)が形
成されるが、このシリコン膜にイオンを照射すると、シ
リコン原子はイオンによるスパッタ作用を受ける。この
ときのシリコン原子のスパッタ量は、イオンとシリコン
原子との衝突回数に比例する。
That is, when silicon is deposited on the surface of the insulator, crystal grains oriented in various directions grow to form a silicon film (polycrystal). When the silicon film is irradiated with ions, silicon atoms are sputtered by the ions. Be affected. The amount of silicon atoms sputtered at this time is proportional to the number of collisions between ions and silicon atoms.

ところが、イオンの入射方向に沿う結晶軸を有する結
晶粒において前記結晶軸が低指数であるときには、イオ
ンから結晶粒を見た場合に、この結晶粒は第3図におい
て符号Aで示す“す”が開いた構造に見える。この
“す”の中にイオンが入り込むと、このイオンはシリコ
ン原子と衝突しにくくなり、“す”のチャンネルの中を
通り抜けて行くことになる。従って結晶粒に低指数の結
晶軸に沿う方向からイオンが入射する場合には、このイ
オンとシリコン原子との衝突回数が少ないので、スパッ
タ率が小さくなる。つまり、イオンの入射方向に沿った
異なる結晶軸を有する各結晶粒におけるシリコン原子の
スパッタ率は各結晶粒の前記結晶軸により決定付けられ
ると言える。
However, when the crystal axis has a low index in a crystal grain having a crystal axis along the direction of incidence of ions, when the crystal grain is viewed from the ion, the crystal grain is represented by "S" shown by the symbol A in FIG. Looks like an open structure. When ions enter the "su", the ions are less likely to collide with silicon atoms and pass through the "su" channel. Therefore, when ions enter the crystal grains from a direction along the low-index crystal axis, the number of collisions between the ions and silicon atoms is small, and the sputtering rate is reduced. That is, it can be said that the sputtering rate of silicon atoms in each crystal grain having a different crystal axis along the ion incident direction is determined by the crystal axis of each crystal grain.

更に、Onderdelindenの仮説によれば、結晶軸〈uvw〉
へのこの結晶軸に沿う方向からのイオンの入射によるス
パッタ率Y〈uvw〉には、原子間距離tuvwとの間に次の
関係がある。
Furthermore, according to Onderdelinden's hypothesis, the crystal axis <uvw>
The sputtering rate Y <uvw> due to the incidence of ions from the direction along this crystal axis has the following relationship with the interatomic distance t uvw :

Y〈uvw〉∝tuvw 3/2 この式をシリコン結晶に適用すると、各結晶軸〈11
0〉、〈111〉、〈100〉に関して次の関係が成立する。
Y <uvw> ∝t uvw 3/2 When this equation is applied to a silicon crystal, each crystal axis <11
The following relationship is established for <0>, <111>, and <100>.

更に高次指数軸をも考えると、 Y〈110〉<Y〈111〉<Y〈100〉<Y〈高次指数〉 なる関係が成立する。 Further, considering the higher-order exponent axis, the following relationship is established: Y <110><Y<111><Y<100><Y<higher-orderindex>.

なお、〈110〉なる表示は、[110]およびそれに等価
な方向をまとめて示すものである(他も同様)。
The display <110> collectively shows [110] and directions equivalent thereto (the same applies to other cases).

従って、様々な方向を向いている結晶粒を有するシリ
コン膜にイオンを照射すると、イオンの照射方向に沿っ
て結晶軸〈110〉を有する結晶粒がより多く残留するこ
とになる。
Therefore, when ions are irradiated on a silicon film having crystal grains oriented in various directions, more crystal grains having a crystal axis <110> remain along the ion irradiation direction.

従って、絶縁物の表面に蒸着等の方法によりシリコン
を堆積させ、かつこの絶縁物の表面に向けてイオンを照
射することにより、結晶軸〈110〉をイオンの入射方向
に向けたシリコン結晶の形成が可能である。但し、この
ようにして結晶軸〈110〉の方向が定まっても、結晶軸
〈100〉あるいは〈111〉の方向が定まらなければ、形成
されるシリコン膜を単結晶膜にすることはできない。
Therefore, silicon is deposited on the surface of the insulator by a method such as vapor deposition, and the surface of the insulator is irradiated with ions to form a silicon crystal with the crystal axis <110> oriented in the direction of incidence of the ions. Is possible. However, even if the direction of the crystal axis <110> is determined in this way, if the direction of the crystal axis <100> or <111> is not determined, the formed silicon film cannot be a single crystal film.

これを詳述すると、第4図はシリコン結晶の[011]
軸を中心としたステレオ投影図である。この図からも分
かるように、シリコン結晶では、結晶軸〈110〉相互間
の角度は60゜または90゜であり、結晶軸〈110〉と〈10
0〉との間の角度は45゜または90゜であり、更に結晶軸
〈110〉と〈111〉との間の角度は35.3゜または90゜であ
る。従って例えば、第5図のように基板2に対して垂直
にイオン4を照射した場合には結晶軸〈110〉はイオン
の入射方向を向くので、結晶軸〈100〉は基板2に垂直
の方向に対して45゜の角度を成す母線を有する円錐の側
面内で任意の方向を取り得ることになり、また第6図に
示すように結晶軸〈111〉は基板2に垂直な方向に対し
て35.3゜の角度を成す母線を有する円錐の側面内で任意
の方向を取り得ることになる。このように、シリコンを
堆積させた基板2に1方向からイオンの照射を行うだけ
では単結晶膜を形成することはできない。
To explain this in detail, FIG. 4 shows that the silicon crystal [011]
It is a stereo projection figure centering on an axis. As can be seen from this figure, in the silicon crystal, the angle between the crystal axes <110> is 60 ° or 90 °, and the crystal axes <110> and <10>
0> is 45 ° or 90 °, and the angle between the crystal axes <110> and <111> is 35.3 ° or 90 °. Therefore, for example, when the ions 4 are irradiated perpendicularly to the substrate 2 as shown in FIG. 5, the crystal axis <110> is oriented in the incident direction of the ions. 6, the crystal axis <111> can be taken in any direction within the side of the cone having a generating line at an angle of 45 ° with respect to the direction perpendicular to the substrate 2 as shown in FIG. Any direction could be taken within the side of the cone with the generating line at an angle of 35.3 °. Thus, a single crystal film cannot be formed only by irradiating the substrate 2 on which silicon is deposited with ions from one direction.

この点を解決したのが先の出願であり、即ち少なくと
も2方向からイオンを照射し、このイオンの照射方向の
成す角を結晶軸〈110〉相互間の角度に等しく選ぶこと
により、結晶軸〈110〉以外の結晶軸の方向を一定の方
向に規定することができる。そして、このとき単結晶シ
リコン膜を形成すべき基板に対するイオンの入射角を、
結晶軸〈110〉と〈100〉との間の角度に等しく選べば、
基板に垂直な方向に結晶軸〈100〉を向けたシリコン結
晶を成長させることができる。また、前記入射角を結晶
軸〈110〉と〈111〉との間の角度に等しく選べば、基板
に垂直な方向に結晶軸〈111〉を向けたシリコン結晶を
成長させることができる。
The prior application solved this point. That is, by irradiating ions from at least two directions and selecting the angle formed by the irradiation directions of the ions equal to the angle between the crystal axes <110>, the crystal axis < The direction of the crystal axis other than <110> can be defined as a fixed direction. Then, at this time, the incident angle of ions with respect to the substrate on which the single crystal silicon film is to be formed is
If you choose equal to the angle between the crystal axes <110> and <100>,
A silicon crystal with a crystal axis <100> oriented in a direction perpendicular to the substrate can be grown. If the incident angle is selected to be equal to the angle between the crystal axes <110> and <111>, a silicon crystal having the crystal axis <111> oriented in a direction perpendicular to the substrate can be grown.

そのための装置構成を第7図および第8図に示す。室
温〜700℃程度の温度とされる基板2に向けて、シリコ
ンの堆積用にこの例では電子ビーム加熱式の蒸発源8が
配置され、更にスパッタ用に2台のイオン源6、7が配
置されている。イオン源6、7からのイオン(例えばア
ルゴン等の不活性ガスイオン)4の基板2への照射方向
R1、R2は、基板2に対していずれも角度αを成してお
り、また照射方向R1、R2の基板2の表面への正射影は角
度βを成している。そして第7図の例は、 α≒45゜,β≒180゜ になるようにしている(但しβ≒90゜でも良い)。この
ようにすると、第9図にも示すように、基板2に対して
垂直な方向に結晶軸〈100〉を有し、これと45゜の角度
を成す結晶軸〈110〉を同一平面内に配列したシリコン
結晶を得ることができる。この場合の両結晶軸〈110〉
は互いに90゜の角度を成す。
Apparatus configurations for this are shown in FIGS. 7 and 8. In this example, an electron beam heating type evaporation source 8 is disposed for depositing silicon toward the substrate 2 having a temperature of about room temperature to about 700 ° C., and two ion sources 6 and 7 are disposed for sputtering. Have been. The direction of irradiation of the substrate 2 with ions (eg, inert gas ions such as argon) 4 from the ion sources 6 and 7
R1 and R2 both form an angle α with respect to the substrate 2, and the orthogonal projection of the irradiation directions R1 and R2 onto the surface of the substrate 2 forms an angle β. In the example of FIG. 7, α ≒ 45 ≒ and β ≒ 180 ゜ are set (however, β ≒ 90 ゜ may be used). In this way, as shown in FIG. 9, a crystal axis <100> is formed in a direction perpendicular to the substrate 2 and a crystal axis <110> forming an angle of 45 ° with the crystal axis is formed in the same plane. An arrayed silicon crystal can be obtained. In this case, both crystal axes <110>
Form a 90 ° angle with each other.

また、第8図の例では、 α≒54.7゜,β≒120゜ になるようにしている。このようにすると、第10図にも
示すように、基板2対して垂直な方向に結晶軸〈111〉
を有し、これと35.3゜の角度を成す結晶軸〈110〉を同
一平面内に配列したシリコン結晶を得ることができる。
この場合の両結晶軸〈110〉は互いに60゜の角度を成
す。
In the example shown in FIG. 8, α54.7 and β120 are set. In this manner, as shown in FIG. 10, the crystal axis <111> is perpendicular to the substrate 2.
And a silicon crystal in which crystal axes <110> forming an angle of 35.3 ° with this are arranged in the same plane.
In this case, both crystal axes <110> form an angle of 60 ° with each other.

上記のような手段によれば、基板2の表面には結晶軸
〈110〉と〈100〉あるいは〈111〉の方位が一様なシリ
コン結晶を成長させることができるので、基板2の表面
には良質の単結晶シリコン膜が形成されるようになる。
According to the above-described means, a silicon crystal having a uniform crystal axis <110> and <100> or <111> can be grown on the surface of the substrate 2. A high quality single crystal silicon film is formed.

〔発明の目的〕[Object of the invention]

ところが、上記のような先行例では、単結晶シリコン
膜の形成が可能であるけれども、その生産性(スループ
ット)については特に考慮されていない。
However, in the above prior art example, although a single crystal silicon film can be formed, its productivity (throughput) is not particularly considered.

即ち、仮に上記のような基板2に対するシリコンの堆
積とイオンの照射とを一つの処理室で行うものとする
と、そこに2台のイオン源6、7のみならず蒸発源8を
も立体的に配置しなければならないので、処理室が非常
に大きくなる。その結果、基板2の搬出入等に伴う真空
排気時間が長くなり、しかも基板2の搬出入時には全て
の処理を停止しなければならないのでロス時間が生じ、
スループットを高めることが難しい。
That is, if the deposition of silicon on the substrate 2 and the irradiation of ions as described above are performed in one processing chamber, not only the two ion sources 6 and 7 but also the evaporation source 8 are three-dimensionally provided. Since they must be arranged, the processing chamber becomes very large. As a result, the evacuation time accompanying the loading / unloading of the substrate 2 becomes longer, and all the processing must be stopped when the substrate 2 is loaded / unloaded, so that a loss time occurs.
It is difficult to increase throughput.

そこでこの発明は、このような点を更に改善して、ス
ループットを高めることができ、それによって成膜コス
トを下げることをできるようにした単結晶シリコン膜形
成方法およびその装置を提供することを主たる目的とす
る。
Accordingly, the present invention mainly aims to provide a method and an apparatus for forming a single crystal silicon film capable of further improving such a point and increasing the throughput and thereby reducing the film formation cost. Aim.

〔発明の概要〕[Summary of the Invention]

上記目的を達成するため、この発明の単結晶シリコン
膜形成方法は、簡単に言えば、基板の表面にシリコンを
堆積させる第1の工程と、この第1の工程を経た基板の
表面に向けて前述したような所定の少なくとも2方向か
らイオンを照射する第2の工程と、この第2の工程を経
た基板の表面にシリコンを堆積させる第3の工程とを備
えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a method of forming a single crystal silicon film according to the present invention is, in a simple manner, directed to a first step of depositing silicon on a surface of a substrate, and a method of forming a silicon layer on the surface of the substrate after the first step. The method is characterized by comprising a second step of irradiating ions from at least two predetermined directions as described above, and a third step of depositing silicon on the surface of the substrate after the second step.

また、この発明の単結晶シリコン膜形成装置は、簡単
に言えば、基板の表面にシリコンを堆積させる手段が設
けられた第1の処理室と、この第1の処理室から搬送さ
れてきた基板の表面に向けて前述したような所定の少な
くとも2方向からイオンを照射する手段が設けられた第
2の処理室と、この第2の処理室から搬送されてきた基
板の表面にシリコンを堆積させる手段が設けられた第3
の処理室と、基板を前記第1の処理室から第2の処理室
を経て第3の処理室へと搬送する基板搬送手段とを備え
ることを特徴とする。
Further, in brief, the single crystal silicon film forming apparatus of the present invention comprises a first processing chamber provided with means for depositing silicon on a surface of a substrate, and a substrate transferred from the first processing chamber. A second processing chamber provided with means for irradiating ions to the surface of the substrate from at least two predetermined directions as described above, and depositing silicon on the surface of the substrate transferred from the second processing chamber. Third provided means
And a substrate transfer means for transferring the substrate from the first processing chamber to the third processing chamber via the second processing chamber.

〔実施例〕〔Example〕

第1図は、この発明に係る単結晶シリコン膜形成装置
の一例を示す概略図である。第2図は、第1図の線I−
Iに沿う概略断面図である。前述した先行例と同一また
は相当する部分には同一符号を付し、以下においては当
該先行例との相違点を主に説明する。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a single crystal silicon film forming apparatus according to the present invention. FIG. 2 is a line I- of FIG.
It is a schematic sectional drawing which follows I. The same reference numerals are given to the same or corresponding portions as those in the above-described prior example, and differences from the preceding example will be mainly described below.

この装置では、基板2の表面にシリコンを堆積させる
第1の工程を第1の処理室10で、この第1の工程を経た
基板2の表面に向けて前述したような所定の少なくとも
2方向からイオンを照射する第2の工程を処理室10に隣
接された第2の処理室20で、この第2の工程を経た基板
2の表面に更にシリコンを堆積させる第3の工程を処理
室20に隣接された第3の処理室30で行うようにしてい
る。
In this apparatus, the first step of depositing silicon on the surface of the substrate 2 is performed in the first processing chamber 10 from at least two predetermined directions as described above toward the surface of the substrate 2 that has undergone the first step. The second step of irradiating ions is performed in the second processing chamber 20 adjacent to the processing chamber 10, and the third step of further depositing silicon on the surface of the substrate 2 after the second step is performed in the processing chamber 20. The processing is performed in the third processing chamber 30 adjacent to the processing chamber.

各処理室10、20、30間およびその前後には、真空弁41
〜44がそれぞれ設けられている。
A vacuum valve 41 is provided between the processing chambers 10, 20, and 30 and before and after the processing chambers.
To 44 are provided.

また、各処理室10、20および30間には、図示しないけ
れども、基板2を処理室10から処理室20を経て処理室30
へと搬送する、より具体的には基板2を処理室10内の後
述するホルダを兼ねる電極11へと搬送し、そこで処理の
終わった基板2を処理室20内の後述するホルダ21へと搬
送し、そこで処理の終わった基板2を処理室30内の後述
するホルダを兼ねる電極31へと搬送し、更にそこで処理
が終わった基板2を処理室30外へと搬送する基板搬送手
段が設けられている。図中の矢印Bはその搬送方向を示
す。この基板搬送手段は、具体的には、搬送ベルトや搬
送アーム等を用いて構成される。
Further, between the processing chambers 10, 20, and 30, although not shown, the substrate 2 is transferred from the processing chamber 10 through the processing chamber 20 to the processing chamber 30.
More specifically, the substrate 2 is transported to the electrode 11 also serving as a holder described below in the processing chamber 10, and the substrate 2 having been processed there is transported to the holder 21 described below in the processing chamber 20. Then, there is provided a substrate transfer means for transferring the processed substrate 2 to an electrode 31 also serving as a holder in the processing chamber 30 which will be described later, and further transferring the processed substrate 2 out of the processing chamber 30 there. ing. Arrow B in the figure indicates the transport direction. This substrate transfer means is specifically configured using a transfer belt, a transfer arm, and the like.

処理室10内には、外部の高周波電源14から高周波電力
が供給される二つの平行平板状の電極11および12が設け
られている。これらはホルダを兼ねており、一方の電極
11には前述したような基板2が装着される。他方の電極
12にはスパッタ用のシリコンターゲット13が保持されて
いる。
In the processing chamber 10, two parallel plate-like electrodes 11 and 12 to which high-frequency power is supplied from an external high-frequency power supply 14 are provided. These also serve as holders, and one electrode
The substrate 2 as described above is mounted on 11. The other electrode
12 holds a silicon target 13 for sputtering.

従って、電極11に基板2を装着してこの処理室10内を
真空排気すると共にそこにアルゴン等のスパッタガスを
所定の圧力(例えば10-2〜10-3Torr程度)になるように
導入し、両電極11、12間に高周波電力を供給すると、両
電極11、12間で高周波放電が生じてプラズマが作られ、
それによってシリコンターゲット13がスパッタされて基
板2の表面にシリコンが堆積する。これによって基板2
の表面に形成されるのは、多結晶シリコン膜である。そ
の膜厚は例えば数十nm程度とする。
Accordingly, the substrate 2 is mounted on the electrode 11, the inside of the processing chamber 10 is evacuated, and a sputtering gas such as argon is introduced into the processing chamber 10 at a predetermined pressure (for example, about 10 -2 to 10 -3 Torr). When high-frequency power is supplied between the two electrodes 11 and 12, a high-frequency discharge is generated between the two electrodes 11 and 12, and plasma is generated.
Thereby, the silicon target 13 is sputtered, and silicon is deposited on the surface of the substrate 2. Thereby, the substrate 2
Formed on the surface is a polycrystalline silicon film. The film thickness is, for example, about several tens nm.

処理室20内には、基板2を保持するホルダ21が設けら
れている。このホルダ21内またはその背後には、必要に
応じて、例えば第2図に示すように、基板2を加熱する
加熱源22が設けられる。
In the processing chamber 20, a holder 21 for holding the substrate 2 is provided. Inside or behind the holder 21, a heating source 22 for heating the substrate 2 is provided as necessary, for example, as shown in FIG.

また、この処理室20の側壁部には、この実施例では前
述したような2台のイオン源6および7が、第7図また
は第8図のところで説明したような所定の配置で設けら
れている。
In this embodiment, two ion sources 6 and 7 as described above are provided on the side wall of the processing chamber 20 in a predetermined arrangement as described with reference to FIG. 7 or FIG. I have.

即ち、結晶軸〈100〉を基板2に垂直な方向に向けた
シリコン結晶を得る場合は、基板2の表面とイオン4の
照射方向との間の角度αはほぼ45゜にされ、かつイオン
4の照射方向の基板2の表面への正射影が相互に成す角
度β(第2図では図示省略)はほぼ180゜またはほぼ90
゜にされる。また、結晶軸〈111〉を基板2に垂直な方
向に向けたシリコン結晶を得る場合は、上記αはほぼ5
4.7゜にされβはほぼ120゜にされる。
That is, when obtaining a silicon crystal with the crystal axis <100> oriented in a direction perpendicular to the substrate 2, the angle α between the surface of the substrate 2 and the irradiation direction of the ions 4 is set to approximately 45 °, and The angle β (not shown in FIG. 2) formed by the orthogonal projection of the irradiation direction to the surface of the substrate 2 is approximately 180 ° or approximately 90 °.
さ れ るWhen obtaining a silicon crystal in which the crystal axis <111> is oriented in a direction perpendicular to the substrate 2, the above α is approximately 5
It is made 4.7 ° and β is made almost 120 °.

従って、前の工程で表面にシリコンが堆積された基板
2をホルダ21に装着してこの処理室20内を所定の真空度
に(例えば10-5〜10-6Torr程度に)なるように排気し、
それに両イオン源6、7からイオン(例えばアルゴン等
の不活性ガスイオン)4を照射すると、それによる前述
したようなスパッタ作用で、結晶軸〈100〉または〈11
1〉を基板2の表面に垂直に向けた結晶粒のみを残すこ
とができる。即ち、基板2の表面に単結晶シリコンの核
形成を行うことができる。
Therefore, the substrate 2 having silicon deposited on the surface in the previous step is mounted on the holder 21 and the inside of the processing chamber 20 is evacuated to a predetermined degree of vacuum (for example, about 10 -5 to 10 -6 Torr). And
Irradiation with ions (eg, inert gas ions such as argon) 4 from both ion sources 6 and 7 causes the crystal axis <100> or <11> by the above-described sputtering action.
Only the crystal grains with <1> oriented perpendicular to the surface of the substrate 2 can be left. That is, nucleation of single crystal silicon can be performed on the surface of the substrate 2.

処理室30内には、外部の高周波電源34から高周波電力
が供給される二つの平行平板状の電極31および32が設け
られている。これらはホルダを兼ねており、一方の電極
31には基板2が装着される。他方の電極32にはスパッタ
用のシリコンターゲット33が保持されている。
In the processing chamber 30, two parallel plate-shaped electrodes 31 and 32 to which high-frequency power is supplied from an external high-frequency power supply 34 are provided. These also serve as holders, and one electrode
The substrate 2 is mounted on 31. On the other electrode 32, a silicon target 33 for sputtering is held.

従って、前の工程で表面に核形成が成された基板2を
電極31に装着してこの処理室30内を真空排気すると共に
そこにアルゴン等のスパッタガスを所定の圧力(例えば
10-2〜10-3Torr程度)になるように導入し、両電極31、
32間に高周波電力を供給すると、両電極31、32間で高周
波放電が生じてプラズマが作られ、それによってシリコ
ンターゲット33がスパッタされて基板2の表面にシリコ
ンが堆積する。
Therefore, the substrate 2 having a nucleus formed on the surface in the previous step is mounted on the electrode 31 and the inside of the processing chamber 30 is evacuated and a sputtering gas such as argon is applied thereto at a predetermined pressure (for example,
10 -2 to 10 -3 Torr).
When high-frequency power is supplied between the electrodes 32, a high-frequency discharge is generated between the electrodes 31 and 32 to generate plasma, whereby the silicon target 33 is sputtered and silicon is deposited on the surface of the substrate 2.

この場合、基板2の表面には前の工程で単結晶シリコ
ンの核形成が成されているので、その上に上記のように
してシリコンを堆積させることによってエピタキシャル
成長が行われ、単結晶シリコン膜が形成される。従って
これによって、所要の膜厚の単結晶シリコン膜を得るよ
うにすれば良い。
In this case, since nucleation of single crystal silicon has been formed on the surface of the substrate 2 in the previous step, epitaxial growth is performed by depositing silicon thereon as described above, and the single crystal silicon film is formed. It is formed. Accordingly, a single crystal silicon film having a required film thickness may be obtained.

上記のように、単結晶シリコン膜の形成を、基板2の
表面にシリコンを堆積させる工程、その基板2にイオン
を照射して核形成する工程およびその上にシリコンを堆
積させて単結晶シリコンを成長させる工程の3工程に分
けて行うことにより、多数の基板2をロス時間を少なく
して連続的に成膜処理することができるので、スループ
ットが向上する。
As described above, a single-crystal silicon film is formed by the steps of depositing silicon on the surface of the substrate 2, irradiating the substrate 2 with ions to form nuclei, and depositing silicon thereon to form single-crystal silicon. By performing the growth step in three steps, a large number of substrates 2 can be continuously formed into a film with a reduced loss time, so that the throughput is improved.

また、上記装置では、各処理室10、20および30におい
ては、各工程専用の処理を行えば良いので、各処理室1
0、20および30を小型化することができ、その真空排気
時間も短くて済む。しかも、成膜をインライン化して全
て真空中で処理することができる。これらの結果、スル
ープットを向上させることができる。また、大面積の基
板2に対しても容易に対応することができる。
Further, in the above-described apparatus, in each of the processing chambers 10, 20, and 30, it is only necessary to perform a process dedicated to each process.
The size of 0, 20, and 30 can be reduced, and the evacuation time can be shortened. In addition, all the films can be processed in vacuum by forming the films in-line. As a result, the throughput can be improved. Further, it can easily cope with a large area substrate 2.

なお、この発明によれば、基板2が均質な面方位を有
しているか否かに関係なく単結晶シリコン膜を形成する
ことができるので、基板2は特定のものに限定されるも
のではなく、例えばガラス基板やシリコン基板等でも良
く、またその表面に非晶質の絶縁物層が形成されたもの
でも良い。
According to the present invention, a single crystal silicon film can be formed regardless of whether or not the substrate 2 has a uniform plane orientation. Therefore, the substrate 2 is not limited to a specific one. For example, a glass substrate, a silicon substrate, or the like may be used, or a substrate on which an amorphous insulating layer is formed may be used.

また、核形成前後に基板2の表面にシリコンを堆積さ
せる手段は、上記例のようなスパッタに限られるもので
はなく、真空蒸着やCVD(化学気相成長)等でも良い。
The means for depositing silicon on the surface of the substrate 2 before and after nucleation is not limited to sputtering as in the above example, but may be vacuum deposition, CVD (chemical vapor deposition), or the like.

また、イオン源6、7から引き出すイオン4のエネル
ギーは、特定のものに限定されないが、例えば100eV〜1
00KeV(より好ましくは500eV〜10KeV)程度が好まし
い。これはシリコンのスパッタが起こりやすい範囲だか
らである。
The energy of the ions 4 extracted from the ion sources 6 and 7 is not limited to a specific one, but may be, for example, 100 eV to 1 eV.
It is preferably about 00 KeV (more preferably, 500 eV to 10 KeV). This is because silicon is likely to be sputtered.

また、第2の工程における、即ち処理室20におけるイ
オン源は、第4図のステレオ投影図からも分かるよう
に、基板2の表面への正射影が相互にほぼ90゜またはほ
ぼ180゜の角度を成すように3台または4台用いても良
く(結晶軸〈100〉を基板2に垂直に向けたシリコン結
晶を得る場合)、あるいはほぼ120゜の角度を成すよう
に3台用いても良い(結晶軸〈111〉を基板2に垂直に
向けたシリコン結晶を得る場合)。あるいは、ホルダ21
を回転させて基板2を回転させることができるようにす
れば、固定させたイオン源を1台用いて同様な成膜処理
が可能である。
Further, in the second step, that is, in the processing chamber 20, the orthogonal projection of the ion source onto the surface of the substrate 2 is substantially 90 ° or 180 ° relative to each other, as can be seen from the stereoscopic projection of FIG. May be used (when obtaining a silicon crystal with the crystal axis <100> oriented perpendicular to the substrate 2), or three may be used to form an angle of approximately 120 °. (To obtain a silicon crystal with the crystal axis <111> oriented perpendicular to the substrate 2). Alternatively, holder 21
If the substrate 2 can be rotated by rotating, the same film forming process can be performed using one fixed ion source.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上のようにこの発明の単結晶シリコン膜形成方法に
よれば、単結晶シリコン膜の形成を、基板の表面にシリ
コン膜を堆積させる工程、その表面にイオンを照射して
核形成する工程およびその上にシリコンを堆積させて単
結晶シリコンを成長させる工程の3工程に分けて行うよ
うにしたので、多数の基板をロス時間を少なくして連続
的に成膜処理することができ、スループットが向上す
る。その結果、成膜コストを下げることができる。
As described above, according to the single-crystal silicon film forming method of the present invention, the formation of the single-crystal silicon film includes the steps of: depositing a silicon film on the surface of the substrate; irradiating the surface with ions to form nuclei; Since the process is performed in three steps of depositing silicon thereon and growing single-crystal silicon, a large number of substrates can be continuously formed with reduced loss time, thereby improving throughput. I do. As a result, the film formation cost can be reduced.

またこの発明の単結晶シリコン膜形成装置によれば、
各処理室においては各工程専用の処理を行えば良いの
で、各処理室を小型化することができ、その真空排気時
間も短くて済む。しかも成膜をインライン化することも
できる。これらの結果、スループットを向上させること
ができ、それによって成膜コストを下げることができ
る。また、大面積の基板に対しても容易に対応すること
ができる。
Further, according to the single crystal silicon film forming apparatus of the present invention,
In each processing chamber, processing only for each process may be performed, so that each processing chamber can be reduced in size and the evacuation time thereof can be shortened. In addition, the film formation can be made inline. As a result, the throughput can be improved, and the film formation cost can be reduced. Further, it can easily cope with a large-area substrate.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は、この発明に係る単結晶シリコン膜形成装置の
一例を示す概略図である。第2図は、第1図の線I−I
に沿う概略断面図である。第3図は、低指数の結晶軸方
向から見たシリコン結晶の構造を模式的に示す図であ
る。第4図は、シリコン結晶の[011]軸を中心とした
ステレオ投影図である。第5図は、シリコンを堆積させ
た基板にイオンを照射したときのシリコン結晶軸〈11
0〉および〈100〉の方位を示す図である。第6図は、シ
リコンを堆積させた基板にイオンを照射したときのシリ
コンの結晶軸〈110〉および〈111〉の方位を示す図であ
る。第7図および第8図は、それぞれ、この発明の背景
となる単結晶シリコン膜形成方法の実施のための基本的
な構成を示す図である。第9図および第10図は、それぞ
れ、基板の表面に形成されるシリコン結晶の各結晶軸の
方位を示す図である。 2……基板、4……イオン、6,7……イオン源、10……
第1の処理室、13……シリコンターゲット、20……第2
の処理室、30……第3の処理室、33……シリコンターゲ
ット。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a single crystal silicon film forming apparatus according to the present invention. FIG. 2 is a line II of FIG.
FIG. FIG. 3 is a diagram schematically showing the structure of a silicon crystal viewed from a low-index crystal axis direction. FIG. 4 is a stereographic projection centered on the [011] axis of the silicon crystal. FIG. 5 shows the silicon crystal axis <11 when the substrate on which silicon was deposited was irradiated with ions.
It is a figure which shows the direction of <0> and <100>. FIG. 6 is a diagram showing the orientation of the crystal axes <110> and <111> of silicon when the substrate on which silicon is deposited is irradiated with ions. 7 and 8 are diagrams each showing a basic configuration for implementing a method of forming a single crystal silicon film as a background of the present invention. FIG. 9 and FIG. 10 are diagrams showing the orientation of each crystal axis of a silicon crystal formed on the surface of the substrate. 2 ... substrate, 4 ... ion, 6,7 ... ion source, 10 ...
1st processing chamber, 13 ... silicon target, 20 ... second
Processing chamber, 30... Third processing chamber, 33... Silicon target.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/203 C30B 29/06 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 21/203 C30B 29/06

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】基板の表面にシリコンを堆積させる第1の
工程と、この第1の工程を経た基板の表面に向けて、そ
の表面とイオンの照射方向とが40゜の角度を成し、イオ
ンの照射方向の当該基板への正射影が相互に成す角度が
90゜または180゜となる少なくとも2方向からイオンを
照射する第2の工程と、この第2の工程を経た基板の表
面にシリコンを堆積させる第3の工程とを備えることを
特徴とする単結晶シリコン膜形成方法。
A first step of depositing silicon on the surface of the substrate, and an irradiation direction of ions with respect to the surface of the substrate after the first step forms an angle of 40 ° with respect to the surface of the substrate; The angle formed by the orthogonal projection of the ion irradiation direction onto the substrate
A single crystal, comprising: a second step of irradiating ions from at least two directions at 90 ° or 180 °; and a third step of depositing silicon on the surface of the substrate after the second step. Silicon film formation method.
【請求項2】基板の表面にシリコンを堆積させる第1の
工程と、この第1の工程を経た基板の表面に向けて、そ
の表面とイオンの照射方向とが54.7゜の角度を成し、イ
オンの照射方向の当該基板への正射影が相互に成す角度
が120゜となる少なくとも2方向からイオンを照射する
第2の工程と、この第2の工程を経た基板の表面にシリ
コンを堆積させる第3の工程とを備えることを特徴とす
る単結晶シリコン膜形成方法。
2. A first step of depositing silicon on a surface of a substrate, and an irradiation direction of ions with respect to the surface of the substrate after the first step forms an angle of 54.7 °. A second step of irradiating ions from at least two directions in which the angle of the orthogonal projection of the ions onto the substrate is 120 °, and depositing silicon on the surface of the substrate after the second step. A method of forming a single crystal silicon film, comprising: a third step.
【請求項3】基板の表面にシリコンを堆積させる手段が
設けられた第1の処理室と、この第1の処理室に隣接さ
れていて、そこから搬送されてきた基板の表面に向け
て、その表面とイオンの照射方向とが45゜の角度を成
し、イオンの照射方向の当該基板への正射影が相互に成
す角度が90゜または180゜となる少なくとも2方向から
イオンを照射する手段が設けられた第2の処理室と、こ
の第2の処理室に隣接されていて、そこから搬送されて
きた基板の表面にシリコンを堆積させる手段が設けられ
た第3の処理室と、基板を前記第1の処理室から第2の
処理室を経て第3の処理室へと搬送する基板搬送手段と
を備えることを特徴とする単結晶シリコン膜形成装置。
3. A first processing chamber provided with a means for depositing silicon on a surface of a substrate, and a first processing chamber adjacent to the first processing chamber and facing a surface of the substrate conveyed therefrom. Means for irradiating ions from at least two directions in which the surface and the direction of ion irradiation form an angle of 45 °, and the angle of orthogonal projection of the direction of ion irradiation to the substrate becomes 90 ° or 180 °. A second processing chamber provided with a second processing chamber, a third processing chamber adjacent to the second processing chamber and provided with a means for depositing silicon on a surface of the substrate conveyed from the second processing chamber; A substrate transfer means for transferring the substrate from the first processing chamber to the third processing chamber via the second processing chamber.
【請求項4】基板の表面にシリコンを堆積させる手段が
設けられた第1の処理室と、この第1の処理室に隣接さ
れていて、そこから搬送されてきた基板の表面に向け
て、その表面とイオンの照射方向とが54.7゜の角度を成
し、イオンの照射方向の当該基板への正射影が相互に成
す角度が120゜となる少なくとも2方向からイオンを照
射する手段が設けられた第2の処理室と、この第2の処
理室に隣接されていて、そこから搬送されてきた基板の
表面にシリコンを堆積させる手段が設けられた第3の処
理室と、基板を前記第1の処理室から第2の処理室を経
て第3の処理室へと搬送する基板搬送手段とを備えるこ
とを特徴とする単結晶シリコン膜形成装置。
4. A first processing chamber provided with a means for depositing silicon on a surface of a substrate, and a first processing chamber adjacent to the first processing chamber and directed to a surface of the substrate conveyed therefrom. Means are provided for irradiating ions from at least two directions in which the surface and the direction of irradiation of ions form an angle of 54.7 °, and the angle of orthogonal projection of the direction of irradiation of ions to the substrate becomes 120 °. A second processing chamber, a third processing chamber adjacent to the second processing chamber, and provided with a means for depositing silicon on the surface of the substrate conveyed therefrom; A single-crystal silicon film forming apparatus, comprising: a substrate transfer means for transferring the first processing chamber to the third processing chamber via the second processing chamber.
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