JP3194547B2 - Method for manufacturing polycrystalline silicon layer - Google Patents

Method for manufacturing polycrystalline silicon layer

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JP3194547B2
JP3194547B2 JP35020892A JP35020892A JP3194547B2 JP 3194547 B2 JP3194547 B2 JP 3194547B2 JP 35020892 A JP35020892 A JP 35020892A JP 35020892 A JP35020892 A JP 35020892A JP 3194547 B2 JP3194547 B2 JP 3194547B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は低消費電力と高速性を兼
ね備えたBi−CMOSデバイスを搭載したULSIや
センサーデバイス、演算素子、メモリなどの機能素子を
積層した3次元構造デバイス、また電子交換、放電形プ
リンタ、プラズマ・ディスプレイ用のパワー・トランジ
スタなどの高耐圧デバイス等の次世代半導体集積回路技
術であるSOI(Silicon On Insula
tor)形成技術やマイクロ・マシニング技術の分野で
利用される多結晶シリコン層の製造方法、特に非晶質絶
縁体膜上でデバイス・クオリティーを有する低欠陥多結
晶シリコン層の製造方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a three-dimensional structure device in which functional elements such as an ULSI, a sensor device, an arithmetic element, and a memory are mounted on which a Bi-CMOS device having both low power consumption and high speed is mounted, and an electronic switching device. SOI (Silicon On Insula), a next-generation semiconductor integrated circuit technology for high-voltage devices such as power-transistors, discharge-type printers, and power transistors for plasma displays
The present invention relates to a method for manufacturing a polycrystalline silicon layer used in the field of tor) forming technology and micro-machining technology, and more particularly to a method for manufacturing a low-defect polycrystalline silicon layer having device quality on an amorphous insulator film. .

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、半導体膜、絶縁膜、光導電膜、磁
性膜、あるいは金属膜等の多結晶および単結晶質の機能
性膜は、望まれる物理的特性や用途等の観点から個々に
適した形成技術が採用されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, polycrystalline and monocrystalline functional films such as a semiconductor film, an insulating film, a photoconductive film, a magnetic film, and a metal film are individually formed from the viewpoint of desired physical characteristics and applications. Suitable forming techniques are employed.

【0003】例えば、SOI形成技術における多結晶シ
リコン半導体層の製造方法としては再結晶化法、エピタ
キシャル成長法、絶縁膜埋込法、貼合せ法などが知られ
ており、形成するデバイス構造により適宜選択されるの
が一般的である。特にエピタキシャル成長法はすでに単
結晶シリコン(以後「c−Si」と略記する。)基板上
での単結晶シリコン層の製造方法として、またシリコン
以外の単結晶材料や絶縁性材料などの上での多結晶シリ
コン(以後「poly−Si」と略記する。尚、本願に
おいては、俗に言う微結晶シリコン「μc−Si:H・
D」や非晶質シリコン「a−Si:H・D」はpoly
−Siの範疇には入らないものとする。)層の製造技術
として広く用いられている。
For example, a recrystallization method, an epitaxial growth method, an insulating film embedding method, a bonding method, and the like are known as a method for manufacturing a polycrystalline silicon semiconductor layer in the SOI forming technique, and are appropriately selected depending on a device structure to be formed. It is generally done. In particular, the epitaxial growth method has already been used as a method for manufacturing a single crystal silicon layer on a single crystal silicon (hereinafter abbreviated as “c-Si”) substrate, or on a single crystal material or an insulating material other than silicon. Crystalline silicon (hereinafter abbreviated as “poly-Si”. In this application, microcrystalline silicon “μc-Si: H ·
D "and amorphous silicon" a-Si: HD "are poly.
-Si shall not be included. ) Widely used as a layer manufacturing technique.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】近年、LSIの高集積
化が進むにつれて低抵抗率配線材料の使用や、下層に作
られたデバイスのオート・ドーピングや外向き拡散によ
る特性劣化を防ぐため、製造プロセスの低温化の実現が
望まれている。しかも、SOI構造においては集積回路
の半導体層として利用することから、電子や正孔の移動
度などの半導体特性が単結晶並に高いことが実用化にお
いて望まれ、多結晶といえども結晶粒界や亜粒界などの
結晶欠陥の密度が単結晶並に低いことが望ましい。ま
た、結晶異方性による閾値の分散が少なく特性バラツキ
の少ないことも実用化において望まれ、結晶方位は制御
されていることが好ましい。
In recent years, as the degree of integration of LSIs has increased, the use of low-resistivity wiring materials and the manufacture of devices formed in lower layers to prevent deterioration in characteristics due to auto-doping and outward diffusion have been promoted. It is desired to realize a low temperature process. In addition, since the SOI structure is used as a semiconductor layer of an integrated circuit, it is desired in practical use that semiconductor characteristics such as electron and hole mobilities are as high as that of a single crystal. It is desirable that the density of crystal defects such as crystal grains and sub-grain boundaries is as low as that of a single crystal. It is also desirable in practical use that the dispersion of the threshold value due to crystal anisotropy is small and the variation in characteristics is small, and it is preferable that the crystal orientation is controlled.

【0005】低温における多結晶シリコンの製造方法と
しては、例えばクラッセン(W.A.P.Claass
en)らが雑誌「ジャーナル・エレクトロケミカル・ソ
サエティー(J.Electrochem.So
c.)」第128巻、6号(1981年)の1353〜
1359頁に発表している方法がある。これによると減
圧気相成長法(Low Pressure−CVD法、
以下LP−CVD法と略記する)において原料ガスとし
てモノシラン(SiH4 )を、キャリアーガスとして水
素を使用することで、600℃程度の低温においても窒
化シリコン(Si3 4 )膜上への選択成長が可能であ
り、かつ結晶核形成密度が大きいことが報告されてい
る。モノシラン・ガスは現在プラズマCVD法によるa
−Si:H膜の形成用原料として広く半導体産業分野に
おいて使用されている。LP−CVD法において基板近
傍でこれを熱分解すると、前駆体としてSiH2 ラジカ
ルが生成される。SiH2 ラジカルはc−Si基板のよ
うに基板表面がSi原子で覆われている場合には、これ
に吸着しSiH2 −Si結合を形成する。基板表面の一
部がSi3 4 層で覆われている場合には、SiH2
ジカルは表面の窒素原子に優先的に吸着し、Si核形成
密度が高まる。一方、SiO2 層で覆われている場合に
はSi原子に水素分子が優先的に吸着して表面をSi−
OH基で被覆するため、SiH2 ラジカルの吸着は阻止
されてSi3 4 層との間で選択性が生じる。低温にお
いて成長するpoly−Si層は、その表面から水素ガ
ス(H2 )を放出しながらSin 2 (nは整数)ポリ
マーとして成長するが、成長層中でSi原子と結合して
いる水素原子は低温では除去されないため、これら結晶
核が合体してpoly−Si層を形成しても水素原子を
多く含有する水素化多結晶シリコン化合物(以後、「p
oly−Si:H」と略記する。)層を形成する。この
ため結晶粒界等の界面に結合水素が多数存在する結晶欠
陥の多い低品位のpoly−Si層を形成してしまう。
A method for producing polycrystalline silicon at a low temperature and
For example, Klassen (WAP Class)
en) et al. published the magazine “Journal Electrochemical So
Society (J. Electrochem. So
c. Vol. 128, No. 6 (1981), 1353-
There is a method published on page 1359. According to this
Low pressure-CVD method,
(Hereinafter abbreviated as LP-CVD method)
Monosilane (SiHFour) With water as carrier gas
By using nitrogen, even at a low temperature of about 600 ° C,
Silicon (Si)ThreeN Four) Selective growth on film is possible
And high nucleation density.
You. Monosilane gas is currently available by plasma CVD.
-Widely used in the semiconductor industry as a raw material for forming Si: H films
Used in Near the substrate in LP-CVD
When this is pyrolyzed nearby, SiH is used as a precursor.TwoBoombox
Is generated. SiHTwoRadicals are c-Si substrates
If the substrate surface is covered with Si atoms,
Adsorbed on SiHTwo-Form Si bonds. One of the substrate surface
Part is SiThreeNFourSiH if covered by a layerTwoLa
Dical preferentially adsorbs to nitrogen atoms on the surface, forming Si nuclei
Density increases. On the other hand, SiOTwoWhen covered with layers
Means that hydrogen molecules are preferentially adsorbed on Si atoms and
SiH to cover with OH groupTwoBlocks radical adsorption
Being SiThreeNFourSelectivity occurs between layers. At low temperatures
The poly-Si layer that grows and grows
(HTwo) While releasing SinHTwo(N is an integer)
Grow as a mer, but bond with Si atoms in the growth layer
Hydrogen atoms are not removed at low temperatures,
Even if the nuclei unite to form a poly-Si layer,
Hydrogenated polycrystalline silicon compounds containing a large amount (hereinafter referred to as "p
poly-Si: H ". ) Form a layer. this
Crystal defects due to the presence of a large number of bonded hydrogen at interfaces such as grain boundaries
A low-quality poly-Si layer having many defects is formed.

【0006】これらの結晶欠陥を除去するため、一般に
はpoly−Si層形成後に1000℃程度の高温雰囲
気中でアニール処理を行なうことで結合水素を熱脱離さ
せ、かつSi原子どうしの構造緩和を促進することが一
般に試みられているが、低温プロセスという目的からは
好ましくないことは言うまでもない。一方、プラズマC
VD法で堆積したa−Si:H膜は370℃以上の温度
に加熱することで含有する水素分子は膜外に脱離し、さ
らに600℃以上の温度に加熱するとSiダングリング
・ボンドを補償する膜中結合水素原子も解離して徐々に
膜外に放出され、800℃以上の温度で完全に膜中水素
はなくなることが知られている。そこで、a−Si:H
膜を400〜600℃程度の低温でアニール処理して結
晶化を促進する試みも行なわれているが、この場合もS
i原子と結合している水素原子を完全に除去することが
できないために水素原子を含有し微結晶構造の領域を出
ないのが現状である。しかも下層のデバイスにプラズマ
からのイオンによるダメージを与えてしまうという問題
がある。さらに、分子線エピタキシ法(MBE法)のよ
うに既に低温での結晶成長が可能であることが実証され
た例もあるが、超高真空槽内での形成手法でありコスト
的な問題がある。
In order to remove these crystal defects, generally, after forming a poly-Si layer, annealing is performed in a high-temperature atmosphere of about 1000 ° C. to thermally desorb bonded hydrogen and to relax the structure of Si atoms. Acceleration is generally attempted, but needless to say, is not desirable for purposes of low temperature processing. On the other hand, plasma C
When the a-Si: H film deposited by the VD method is heated to a temperature of 370 ° C. or more, the contained hydrogen molecules are desorbed outside the film, and when heated to a temperature of 600 ° C. or more, the Si dangling bond is compensated. It is known that the bonded hydrogen atoms in the film are also dissociated and gradually released out of the film, and the hydrogen in the film completely disappears at a temperature of 800 ° C. or more. Therefore, a-Si: H
Attempts have been made to promote crystallization by annealing the film at a low temperature of about 400 to 600 ° C.
At present, since hydrogen atoms bonded to i atoms cannot be completely removed, they contain hydrogen atoms and do not leave a region of a microcrystalline structure. In addition, there is a problem that the lower device is damaged by ions from the plasma. Further, there is an example in which crystal growth at a low temperature is already possible as in a molecular beam epitaxy method (MBE method), but it is a forming method in an ultra-high vacuum chamber and has a cost problem. .

【0007】また、半導体デバイスとして用いる場合に
は、既に説明したように形成するpoly−Si層の結
晶方位が揃っていることが好ましい。エピタキシャル成
長においては、その形成時の温度により成長するSi結
晶核がサイトと共有する結晶軸の回りに自由に面内回転
し、多くの方位を取るという現象がある。用いる核形成
面が非晶質構造である場合は、表面に露出しているサイ
トに規則性が無いためにこの問題はいっそう深刻であ
る。形成時の温度が610℃程度以下の低温になるとほ
ぼ100%のSi結晶核が(110)面方位を持つこと
が知られているが、再度高温でアニールしたり、形成時
の温度を700℃程度に上げていくと半数ほどが(10
0)面方位を持つ結晶核として成長してくることが知ら
れている。したがって核形成初期の温度を610℃以下
とすれば(110)に面方位を制御できる可能性が生じ
る。ただし核形成密度が比較的低い条件では、結晶核間
の合体が達成される以前に個々のサイトから発生した核
が成長するために粒界が発生してしまうという問題があ
る。ところが先に紹介したように、核形成面としてのS
3 4 膜上に、SiH4 −H2 系原料ガスを熱分解し
て核成長させた場合、低温になるほど核形成密度が増加
し、約600℃で1011cm-2程度に達することが報告
されている。逆に、SiO2 膜上での核形成密度は10
8 cm-2程度にまで低下する。しかしながら、このよう
な低温においては水素を含有し結晶欠陥の多い低品位の
poly−Si:H層しか形成できないという問題があ
ることは既に説明した通りである。
When used as a semiconductor device, it is preferable that the poly-Si layers formed as described above have the same crystal orientation. In the epitaxial growth, there is a phenomenon that a Si crystal nucleus that grows freely rotates in a plane around a crystal axis shared with a site depending on a temperature at the time of its formation, and takes many orientations. When the nucleation surface to be used has an amorphous structure, this problem is more serious because sites exposed on the surface have no regularity. It is known that almost 100% of Si crystal nuclei have a (110) plane orientation when the temperature at the time of formation becomes a low temperature of about 610 ° C. or less. If you raise it to about half, about half (10
0) It is known that they grow as crystal nuclei having a plane orientation. Therefore, if the temperature at the initial stage of nucleation is 610 ° C. or lower, there is a possibility that the plane orientation can be controlled at (110). However, under the condition that the nucleation density is relatively low, there is a problem that nuclei generated from individual sites grow before coalescence between crystal nuclei is achieved, so that grain boundaries are generated. However, as introduced earlier, S as a nucleation surface
When a nucleus is grown on an i 3 N 4 film by pyrolyzing a SiH 4 —H 2 -based source gas, the nucleation density increases as the temperature decreases, reaching about 10 11 cm -2 at about 600 ° C. Have been reported. Conversely, the nucleation density on the SiO 2 film is 10
It drops to about 8 cm -2 . However, as described above, at such a low temperature, there is a problem that only a low-grade poly-Si: H layer containing hydrogen and having many crystal defects can be formed.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明は、シリコンを主な構成元素とする化合物
原料ガスを反応容器中で加熱分解し、該反応容器内に設
置した基板上に多結晶シリコン層を堆積させる多結晶シ
リコン層の製造方法において、該基板は表面に窒化シリ
コン層を有し、且つ該基板の温度は400℃から650
℃の範囲に加熱されており、 前記多結晶シリコン層を堆
積する工程を開始するに先立って、前記窒化シリコン層
表面に原子状水素あるいは原子状重水素を供給して表面
処理を行い、 前記基板表面に前記化合物原料ガスを供給
して前記基板表面上に多結晶シリコン層を堆積する工程
と、原子状水素あるいは原子状重水素を前記基板の表面
に供給する工程とを交互に行なうことを特徴とする。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is directed to a method of thermally decomposing a compound raw material gas containing silicon as a main constituent element in a reaction vessel to form a substrate provided in the reaction vessel. In a method of manufacturing a polycrystalline silicon layer on which a polycrystalline silicon layer is deposited, the substrate has a surface formed of silicon nitride.
And a temperature of the substrate is from 400 ° C. to 650 ° C.
℃ range, the polycrystalline silicon layer is deposited
Prior to starting the stacking step, the silicon nitride layer
Supplying atomic hydrogen or atomic deuterium to the surface
Perform processing and supply the compound source gas to the substrate surface
Depositing a polycrystalline silicon layer on the surface of the substrate
And atomic hydrogen or atomic deuterium on the surface of the substrate.
And alternately performing the step of supplying the liquid crystal.

【0009】[0009]

【作用】以下、本発明について実施態様例を基にして説
明する。
The present invention will be described below based on embodiments.

【0010】本実施態様例は、反応容器内の400〜6
50℃(より好ましくは450〜610℃)の温度に加
熱保持した基板表面近傍で、シラン系原料ガスを熱分解
してSiH2 前駆体を生成し、基板上に形成した窒化シ
リコン層の表面に選択的に吸着させてSin 2 ポリマ
ーを核形成させ、これを合体させてpoly−Si:H
層を堆積させる過程において、Sin 2 ポリマーが成
長する間に化成する水素分子ガスを該堆積層から熱放出
させる(第一の工程)。次に、この堆積を中断し、提示
する程度の温度(400〜650℃の温度)では解離、
放出されない該堆積層表面近傍の内部に潜むSi−H結
合をなす結合水素を、加熱による作用を用いることなく
気相中から供給した活性な原子状水素又は原子状重水素
を作用させて低温で化学的にSiネットワークから切り
放し、H2 分子として化成させると同時に堆積層からこ
れを熱放出させることによって、結合水素原子を失った
近接して存在するシリコン原子どうしを再結合させて構
造緩和する(第二の工程)。
[0010] In this embodiment, 400 to 6
In the vicinity of the substrate surface heated and held at a temperature of 50 ° C. (more preferably 450 to 610 ° C.), a silane-based source gas is thermally decomposed to generate a SiH 2 precursor, and the surface of the silicon nitride layer formed on the substrate is formed. Selectively adsorb to nucleate the Si n H 2 polymer, which is combined to form poly-Si: H
In the process of depositing the layer, hydrogen molecule gas that forms during the growth of the Si n H 2 polymer is released from the deposited layer by heat (first step). Next, the deposition is interrupted, and dissociation occurs at a temperature of about the suggested value (a temperature of 400 to 650 ° C.).
The bonded hydrogen forming a Si-H bond lurking in the vicinity of the surface of the deposited layer that is not released is reacted with active atomic hydrogen or atomic deuterium supplied from the gas phase without using the action of heating at a low temperature. By chemically dissociating from the Si network, forming it as H 2 molecules, and simultaneously releasing it from the deposited layer, the adjacent silicon atoms that have lost the bonded hydrogen atoms are recombined and relaxed ( Second step).

【0011】なお、水素分子の解離には1000℃以上
の高温を必要とする。したがって、ここで用いる活性な
原子状水素としては、キャリアーガスとして原料ガスと
ともに導入した水素ガスを熱分解したものではその作用
として不十分である。ここで、原料ガスとは別に水素ガ
スを高温で熱分解することや高周波で励起することも十
分に可能であるが、そのエネルギーや原子状水素生成密
度の点でマイクロ波により励起して化成したものを用い
ることがもっとも好ましい。
The dissociation of hydrogen molecules requires a high temperature of 1000 ° C. or higher. Therefore, as the active atomic hydrogen used here, one obtained by thermally decomposing hydrogen gas introduced together with the raw material gas as a carrier gas is insufficient in its function. Here, apart from the source gas, it is possible to thermally decompose hydrogen gas at a high temperature or to excite it at a high frequency.However, in terms of its energy and atomic hydrogen generation density, it was formed by microwave excitation. It is most preferred to use one.

【0012】本実施態様例は、上記第一の工程と上記第
二の工程とを複数回繰り返すことにより、結晶化促進と
粒界発生の防止を同時に達成し、低欠陥poly−Si
化合物半導体層を実現するものである。一回に形成する
堆積層の厚みは、前記Sin2 ポリマーからなるSi
ネットワークが固化しない程度の厚みであり、同時に前
記原子状水素が浸透し、かつ化成する分子状水素がポリ
マー間を通り抜けて脱離できる厚みであることが望まれ
る。実験的にはシリコン結晶において結晶面間隔で数原
子層程度の厚みが好ましい。より具体的には、1サイク
ル当たりに堆積する多結晶シリコン層の膜厚は10Å以
下が望ましい。なお、各サイクルごとの膜厚が同じであ
る必要はない。例えば、最初の1サイクル目に堆積する
膜厚はシード層として作用することからシリコン単原子
層から数原子層程度の厚さで良く、2サイクル目からは
多結晶シリコン層として形成することから1サイクル目
以上の膜厚で堆積させるというようにサイクル毎に堆積
する多結晶シリコン層の厚みを変えても良い。
In this embodiment, the first step and the second step are repeated a plurality of times, thereby simultaneously promoting crystallization and preventing the generation of grain boundaries, thereby achieving low defect poly-Si.
This realizes a compound semiconductor layer. The thickness of the deposited layer formed at a time is the same as that of the Si n H 2 polymer.
It is desired that the thickness is such that the network does not solidify, and at the same time, the thickness is such that the atomic hydrogen penetrates and the formed molecular hydrogen passes through the polymer and is released. Experimentally, it is preferable that the silicon crystal has a thickness of about several atomic layers at a crystal plane interval. More specifically, the thickness of the polycrystalline silicon layer deposited per cycle is desirably 10 ° or less. It is not necessary that the film thickness in each cycle be the same. For example, since the film thickness deposited in the first cycle acts as a seed layer, it may have a thickness of about a monoatomic layer of silicon to about several atomic layers. The thickness of the polycrystalline silicon layer deposited in each cycle may be changed such that the film is deposited with a film thickness of the cycle or more.

【0013】核形成初期の基板表面への原子状水素の供
給は、上記以外の特別な作用も発揮する。一般に、前駆
体の基板表面における移動度は低温において低下するた
め、異常成長による欠陥ができやすい。基板表面を水素
で覆うことは前駆体のSi34 膜表面における移動度
を高め、もっとも安定なサイトに到達しやすくして完全
な結晶核の形成を助ける作用をする。一方、SiO2
上では安定サイトの占有が促進されるためにSiH2
駆体の吸着を防いで核形成を防ぐ作用がある。
The supply of atomic hydrogen to the substrate surface at the beginning of nucleation also exerts a special action other than the above. Generally, the mobility of the precursor on the substrate surface decreases at a low temperature, so that defects due to abnormal growth are likely to occur. Covering the substrate surface with hydrogen increases the mobility of the precursor on the surface of the Si 3 N 4 film, facilitates reaching the most stable site, and helps to form a complete crystal nucleus. On the other hand, since the occupation of stable sites is promoted on the SiO 2 film, it has an effect of preventing nucleation by preventing adsorption of the SiH 2 precursor.

【0014】また、既に説明したようにシラン系原料ガ
スを用いて610℃以下の低温でSi3 4 膜上に核形
成を行なうことは、結晶方位制御のために有効に作用す
る。ただし、650℃以下であれば、ある程度結晶方位
制御がなされたSi結晶核を得ることができる。表面安
定サイト数の増加、供給する前駆体の過飽和度の増加、
表面水素被覆による前駆体の表面移動度の増加等は、核
形成の初期において(110)面の容易方位を取る緻密
に密接した二次元核による成長と合体を促し、たとえ
(100)面方位を持つ結晶核が出現したとしてもこれ
を(110)面に再配置する作用がある。これにより、
Si3 4 シード上にはSi(110)面の単原子層が
成長し、その後の面に垂直なSiエピタキシャル成長の
Si核形成面となる。これにより、非晶質材料からなる
核形成面を用いても結晶方位の揃った低欠陥poly−
Si層を形成することができる。
As described above, nucleation on a Si 3 N 4 film at a low temperature of 610 ° C. or less using a silane-based source gas is effective for controlling the crystal orientation. However, when the temperature is 650 ° C. or lower, a Si crystal nucleus whose crystal orientation is controlled to some extent can be obtained. An increase in the number of surface stable sites, an increase in the degree of supersaturation of the precursor to be supplied,
The increase in the surface mobility of the precursor due to the surface hydrogen coating promotes the growth and coalescence of dense and close two-dimensional nuclei that take the easy orientation of the (110) plane in the early stage of nucleation, and the Even if a crystal nucleus having it appears, it has an effect of rearranging it on the (110) plane. This allows
A monoatomic layer of the Si (110) plane grows on the Si 3 N 4 seed, and becomes a Si nucleation plane perpendicular to the subsequent plane. As a result, even when a nucleation surface made of an amorphous material is used, a low defect poly-
An Si layer can be formed.

【0015】すなわち、核形成面の材料、原料ガス、基
板温度、原子状水素による繰り返し処理は本発明の目的
を達成する上で重要な要件である。
That is, the repetitive treatment with the material of the nucleation surface, the source gas, the substrate temperature, and the atomic hydrogen is an important requirement for achieving the object of the present invention.

【0016】本実施態様例におけるエピタキシャル堆積
は非晶質窒化シリコン膜上において実施されることか
ら、基板材料としては単結晶シリコン基板に限定される
ものではなく本発明の処理温度に耐え得る基板材料であ
ればよく、例えばシリコンとの格子定数の異なる単結晶
GaAs基板や耐熱ガラス基板などでもよい。なお、本
発明は非晶質窒化シリコン膜上にpoly−Si層を形
成する場合に限定されない。例えば、SiO2 被覆膜上
に薄いμc−Si膜やa−Si膜を形成したc−Si基
板等の基板上にpoly−Si層を形成する場合にも本
発明は適用される。
Since the epitaxial deposition in this embodiment is performed on an amorphous silicon nitride film, the substrate material is not limited to a single crystal silicon substrate, but may be a substrate material that can withstand the processing temperature of the present invention. For example, a single crystal GaAs substrate or a heat-resistant glass substrate having a different lattice constant from silicon may be used. Note that the present invention is not limited to the case where a poly-Si layer is formed on an amorphous silicon nitride film. For example, the present invention is also applicable to the case where a poly-Si layer is formed on a substrate such as a c-Si substrate having a thin μc-Si film or a-Si film formed on a SiO 2 coating film.

【0017】化合物原料ガスとしては代表的には、シラ
ン系ガス、好ましくはモノシラン(SiH4 )ガス、S
iD4 ガスを用いることができ、必要に応じて、キャリ
アーガスとして水素(H2 )ガス、重水素(D2 )ガ
ス、アルゴン等の不活性ガスを用いることができる。
The compound source gas is typically a silane-based gas, preferably a monosilane (SiH 4 ) gas,
An iD 4 gas can be used, and if necessary, an inert gas such as hydrogen (H 2 ) gas, deuterium (D 2 ) gas, or argon can be used as a carrier gas.

【0018】[0018]

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
詳細に説明する。 (実施例1)本発明の実施に当たっては、先ず図2に示
すように、(100)面c−Siウェーハ1の上にSi
3 4 膜2aを蒸着し、基板3aを準備した。該基板3
aを洗浄後、図3に示すようなディスク型LP−CVD
炉4のサセプタ5にセットし、炉全体を10-5Torr
の真空度に減圧し、同時に高周波コイル6に通電してサ
セプタ5を加熱し該基板3aを550℃に加熱保持し
た。次に、水素ガス供給管7からアプリケータ型マイク
ロ波放電管8に水素ガスを毎分500ccほど流し、マ
イクロ波発振器9に通電して該放電管8内で水素プラズ
マを発生させ水素ガスを解離して原子状水素を生成す
る。この原子状水素を放出ノズル10から2×10-1
orrの真空度に調節したCVD炉4内に導入し、基板
3aの表面に吹き付けた。20秒間、原子状水素に晒し
た後、水素ガスの供給を中断して、次に原料ガス供給管
11からシランガスおよび水素ガスをそれぞれ毎分30
0、100ccづつ混合してCVD炉4内に供給し、該
基板3a表面近傍で熱分解してpoly−Si:H層1
2を10Åの膜厚になるように堆積する。次に、原料ガ
スの供給を停止し、再び原子状水素を供給する。20秒
間処理することにより膜中結合水素は水素ガスとして膜
外に放出、脱離されてpoly−Si層13となる。こ
れらの操作を600回繰り返して約5000Åの厚みの
poly−Si層を堆積させた。図1に、poly−S
i膜の堆積途中の層構成を示す。図中、13は水素分子
が放出された各poly−Si層を示し、12はこの上
に堆積された膜中結合水素を含むpoly−Si:H層
を示す。最上層の原子状水素処理が終了した後、pol
y−Si膜の堆積工程を終了する。冷却後、大気中に取
り出して結晶品位の評価を行なった。結晶構造はラマン
散乱の半値幅が8cm-1程度で、(220)面に配向し
ていた。しかも明瞭な菊地ラインを観察することができ
良好な結晶性を持つSiが形成されていた。また、断面
方向からの断面TEM(透過形電子顕微鏡)観察でも微
小双晶や亜粒界などの結晶欠陥は観察されなかった。ま
た、Si3 4 界面においても結晶欠陥は観察されなか
った。また、FT−IR法(赤外吸収分光法)による測
定では、膜中結合水素の存在は確認されなかったことか
ら低欠陥poly−Si膜が形成されていることが確認
できた。 (実施例2)次に基板材料による選択成長を調べた。図
2に示した基板のかわりに図4に示すように(100)
面c−Siウェーハ1表面にSi3 4 膜2bを蒸着し
てパターニングした後、更にSiO2 膜14を蒸着して
パターニングした基板3bを準備した。次に実施例1と
同様の工程によりpoly−Si層を形成した。pol
y−Si層13bはSiO2 膜14領域をわずかに被覆
するが、ELO(epitaxial latera1
over−growth)法において堆積された多結
晶シリコン化合物層で観察される外観とは異なり、Si
3 4 膜2b上にほぼ垂直に成長した。図5にpoly
−Si膜堆積途中の層形状を示す。実施例1と同様にこ
れを断面方向から断面TEMで観察したところ、pol
y−Si層には結晶欠陥は観察されなかった。これは原
子状水素処理によりSiO2 膜上でのSi結晶核形成が
阻止されていたことと、Si3 4 膜上に堆積初期に形
成されたSi原子層が(110)面を形成するため成長
速度の大きい(100)がファセットにならず、垂直な
(110)側面が得られるためであると考えられる。 (実施例3)また、前記実施例2と同形式の基板3bを
使用し、原子状重水素処理の効果について調べた。この
場合、前記アプリケータ型マイクロ波放電管8に重水素
ガスを流してこれを励起する以外は実施例2と同様の工
程、操作を実施した。堆積したpoly−Si層は実施
例2と同様の形状であり、欠陥も確認されなかった。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. (Embodiment 1) In carrying out the present invention, first, as shown in FIG.
The 3 N 4 film 2a is deposited, was prepared substrate 3a. The substrate 3
a, and then disc-type LP-CVD as shown in FIG.
It is set on the susceptor 5 of the furnace 4 and the whole furnace is 10 -5 Torr
Then, the high-frequency coil 6 was energized to heat the susceptor 5, and the substrate 3a was heated and maintained at 550 ° C. Next, a hydrogen gas is supplied from the hydrogen gas supply pipe 7 to the applicator-type microwave discharge tube 8 at a rate of about 500 cc / min, and electricity is supplied to the microwave oscillator 9 to generate hydrogen plasma in the discharge tube 8 to dissociate the hydrogen gas. To produce atomic hydrogen. This atomic hydrogen is discharged from the discharge nozzle 10 to 2 × 10 −1 T
It was introduced into the CVD furnace 4 adjusted to a vacuum degree of orr and sprayed on the surface of the substrate 3a. After exposure to atomic hydrogen for 20 seconds, the supply of hydrogen gas was interrupted, and then silane gas and hydrogen gas were supplied from the raw material gas supply pipe 11 at a rate of 30 minutes per minute.
The poly-Si: H layer 1 is mixed at a rate of 0, 100 cc and supplied into the CVD furnace 4 and thermally decomposed near the surface of the substrate 3a.
2 is deposited to a thickness of 10 °. Next, supply of the source gas is stopped, and atomic hydrogen is supplied again. By performing the treatment for 20 seconds, the bound hydrogen in the film is released as a hydrogen gas out of the film and desorbed to form the poly-Si layer 13. These operations were repeated 600 times to deposit a poly-Si layer having a thickness of about 5000 °. In FIG. 1, poly-S
The layer configuration during the deposition of the i film is shown. In the drawing, reference numeral 13 denotes each poly-Si layer from which hydrogen molecules have been released, and reference numeral 12 denotes a poly-Si: H layer containing a bonded hydrogen in a film deposited thereon. After the atomic hydrogen treatment of the top layer is completed, pol
The step of depositing the y-Si film is completed. After cooling, it was taken out into the atmosphere and the crystal quality was evaluated. The crystal structure had a half-width of Raman scattering of about 8 cm -1 and was oriented in the (220) plane. Moreover, a clear Kikuchi line could be observed, and Si having good crystallinity was formed. Further, no crystal defects such as fine twins and sub-grain boundaries were observed by cross-sectional TEM (transmission electron microscope) observation from the cross-sectional direction. No crystal defects were observed at the Si 3 N 4 interface. In addition, in the measurement by the FT-IR method (infrared absorption spectroscopy), the presence of bonded hydrogen in the film was not confirmed, so that it was confirmed that a low defect poly-Si film was formed. (Example 2) Next, selective growth using a substrate material was examined. As shown in FIG. 4 instead of the substrate shown in FIG.
After the Si 3 N 4 film 2b was deposited and patterned on the surface c-Si wafer 1, the substrate 3b was prepared by depositing the SiO 2 film 14 and patterning. Next, a poly-Si layer was formed in the same process as in Example 1. pol
The y-Si layer 13b slightly covers the region of the SiO 2 film 14, but has an ELO (epitaxial latera 1).
Unlike the appearance observed with a polycrystalline silicon compound layer deposited in the over-growth method,
It is grown substantially vertically on 3 N 4 film 2b. FIG. 5 shows poly.
-Shows the layer shape during the deposition of the Si film. This was observed with a cross-sectional TEM from the cross-sectional direction in the same manner as in Example 1.
No crystal defects were observed in the y-Si layer. This is because the formation of Si crystal nuclei on the SiO 2 film was prevented by the atomic hydrogen treatment, and the Si atomic layer formed on the Si 3 N 4 film at the initial stage of deposition forms the (110) plane. This is probably because (100) having a high growth rate does not become a facet and a vertical (110) side surface is obtained. Example 3 The effect of the atomic deuterium treatment was examined using a substrate 3b of the same type as that of Example 2. In this case, the same steps and operations as those in Example 2 were performed, except that deuterium gas was supplied to the applicator-type microwave discharge tube 8 to excite the same. The deposited poly-Si layer had the same shape as in Example 2, and no defects were confirmed.

【0019】また、poly−Si層堆積時の基板温度
の効果を調べるために、350℃と700℃にそれぞれ
基板を加熱保持して実施例1と同様の工程、操作により
Si3 4 膜上にpoly−Si層を堆積させた。35
0℃で堆積した場合は、FT−IR法で測定したところ
膜中結合水素は確認されず断面TEM観察では柱状のS
i結晶が成長していた。また、基板温度700℃で堆積
したpoly−Si層は同じく膜中結合水素は確認され
なかったが、無数の結晶欠陥が観察された。
Further, in order to examine the effect of substrate temperature during the poly-Si layer deposition, 350 ° C. and same process as in Example 1 by heating and holding the substrate respectively 700 ℃, Si 3 N 4 film by the operation Was deposited with a poly-Si layer. 35
When deposited at 0 ° C., no bonded hydrogen was found in the film when measured by the FT-IR method.
An i crystal was growing. Similarly, in the poly-Si layer deposited at a substrate temperature of 700 ° C., no bonded hydrogen was confirmed in the film, but countless crystal defects were observed.

【0020】[0020]

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、絶縁性膜上に低温で単結晶シリコンに限りなく近
い結晶構造を有する低欠陥多結晶シリコン層を積層形成
することができる。しかも原料ガスとしてシラン系ガス
を使用することから従来の高温でSi単結晶シリコンの
エピタキシャル成長と比べて究めて低コストで製造する
ことができる。しかも、基板表面をSi3 4 膜とSi
2 膜でパターニングして被覆することにより所望の領
域に選択的に低欠陥多結晶シリコン層を堆積することも
可能であり、将来のULSIや高耐圧デバイス製造のた
めの主要なプロセスであるSOI形成技術を低温で実現
する上で究めて有効である。
As described above in detail, according to the present invention, a low-defect polycrystalline silicon layer having a crystal structure as close as possible to single-crystal silicon can be formed on an insulating film at a low temperature. . In addition, since a silane-based gas is used as a raw material gas, it can be manufactured at an extremely low cost as compared with the conventional high temperature epitaxial growth of single crystal silicon. In addition, the substrate surface is made of Si 3 N 4 film and Si
It is also possible to selectively deposit a low-defect polycrystalline silicon layer in a desired region by patterning and covering with an O 2 film, and SOI, which is a main process for manufacturing future ULSIs and high breakdown voltage devices, will be described. It is extremely effective in realizing the forming technique at a low temperature.

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

【図1】本発明の堆積過程を示すpoly−Si膜の概
略的断面図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view of a poly-Si film showing a deposition process of the present invention.

【図2】本発明の実施例1において使用する基板の概略
的断面図である。
FIG. 2 is a schematic sectional view of a substrate used in Embodiment 1 of the present invention.

【図3】本発明を実施する上で好適なLP−CVD炉の
概略的断面図である。
FIG. 3 is a schematic sectional view of an LP-CVD furnace suitable for practicing the present invention.

【図4】本発明の他の実施例2において使用した基板の
概略的断面図である。
FIG. 4 is a schematic sectional view of a substrate used in another embodiment 2 of the present invention.

【図5】poly−Si膜堆積の状態を示す概略的断面
図である。
FIG. 5 is a schematic sectional view showing a state of poly-Si film deposition.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 c−Siウェーハ 2a,2b Si3 4 膜 3a,3b 基板 4 LP−CVD炉 5 サセプタ 6 高周波コイル 7 水素ガス供給管 8 マイクロ波放電管 9 マイクロ波発振器 10 放出ノズル 11 原料ガス供給管 12 poly−Si:H層 13 poly−Si層 14 SiO2 Reference Signs List 1 c-Si wafer 2a, 2b Si 3 N 4 film 3a, 3b substrate 4 LP-CVD furnace 5 susceptor 6 high frequency coil 7 hydrogen gas supply tube 8 microwave discharge tube 9 microwave oscillator 10 discharge nozzle 11 source gas supply tube 12 poly-Si: H layer 13 poly-Si layer 14 SiO 2 film

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 C30B 25/14 H01L 21/84 H01L 27/12 Continued on the front page (58) Fields surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 21/205 C30B 25/14 H01L 21/84 H01L 27/12

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 シリコンを主な構成元素とする化合物原
料ガスを反応容器中で加熱分解し、該反応容器内に設置
した基板上に多結晶シリコン層を堆積させる多結晶シリ
コン層の製造方法において、 該基板は表面に窒化シリコン層を有し、且つ該基板の温
度は400℃から650℃の範囲に加熱されており、 前記多結晶シリコン層を堆積する工程を開始するに先立
って、前記窒化シリコン層表面に原子状水素あるいは原
子状重水素を供給して表面処理を行い、 前記基板表面に前記化合物原料ガスを供給して前記基板
表面上に多結晶シリコン層を堆積する工程と、原子状水
素あるいは原子状重水素を前記基板の表面に供給する工
程とを交互に行なうことを特徴とする 多結晶シリコン層
の製造方法。
1. A compound source containing silicon as a main constituent element.
Gas is decomposed by heating in a reaction vessel and installed in the reaction vessel.
To deposit a polycrystalline silicon layer on a patterned substrate
In the method for manufacturing a capacitor layer, the substrate has a silicon nitride layer on a surface thereof, and the temperature of the substrate is low.
The substrate is heated to a temperature in the range of 400 ° C. to 650 ° C., and before the step of depositing the polycrystalline silicon layer is started, atomic hydrogen or atomic deuterium is supplied to the surface of the silicon nitride layer. Performing a process , supplying the compound source gas to the substrate surface,
Depositing a polycrystalline silicon layer on the surface and adding atomic water
Supplying elemental or atomic deuterium to the surface of the substrate
And a step of alternately performing the steps .
【請求項2】 シリコンを主な構成元素とする化合物原
料ガスを反応容器中で加熱分解し、該反応容器内に設置
した基板上に多結晶シリコン層を堆積させる多結晶シリ
コン層の製造方法において、 前記基板表面窒化シリコン膜および酸化シリコン膜で
パターンニングして被覆され、 前記化合物原料ガスとは別個に生成した原子状水素ある
いは原子状重水素を前記基板の表面に供給する工程と、
前記基板表面に前記化合物原料ガスを供給して前記窒化
シリコン膜表面上に多結晶シリコン層を堆積する工程
と、とを交互に行なうことを特徴とする多結晶シリコン
層の製造方法。
2. A compound source containing silicon as a main constituent element.
Gas is decomposed by heating in a reaction vessel and installed in the reaction vessel.
To deposit a polycrystalline silicon layer on a patterned substrate
The method of manufacturing a Con layer, the substrate surface is coated and patterned with silicon nitride film and a silicon oxide film, wherein the compound feed gas is separately generated atomic hydrogen
Or supplying atomic deuterium to the surface of the substrate;
Supplying the compound source gas to the substrate surface and nitriding
Step of depositing a polycrystalline silicon layer on a silicon film surface
And polycrystalline silicon characterized by alternately performing
The method of manufacturing the layer.
【請求項3】 前記基板を被覆する窒化シリコン膜およ
び酸化シリコン膜が非晶質構造を有することを特徴とす
る請求項記載の多結晶シリコン層の製造方法。
3. The method for producing a polycrystalline silicon layer according to claim 2, wherein the substrate silicon nitride film and a silicon oxide film covering the can and having an amorphous structure.
【請求項4】 前記基板を被覆する窒化シリコン膜およ
び酸化シリコン膜を、多結晶シリコン層の製造工程に先
立って気相成長方法により前記基板上に堆積したことを
特徴とする請求項記載の多結晶シリコン層の製造方
法。
The method according to claim 4, wherein the substrate silicon nitride film and a silicon oxide film covering the polycrystalline prior to the manufacturing process of the silicon layer by a vapor growth method according to claim 2, characterized in that deposited on said substrate A method for manufacturing a polycrystalline silicon layer.
【請求項5】 前記表面をパターニングした窒化シリコ
ン膜および酸化シリコン膜で被覆した基板が、単結晶基
板であることを特徴とする請求項記載の多結晶シリコ
ン層の製造方法。
5. A substrate coated with the surface patterned silicon nitride film and a silicon oxide film, method for producing polycrystalline silicon layer according to claim 2, characterized in that the single crystal substrate.
【請求項6】 表面をパターニングした窒化シリコン膜
および酸化シリコン膜で被覆した基板が、耐熱性ガラス
基板であることを特徴とする請求項記載の多結晶シリ
コン層の製造方法。
6. The method according to claim 2 , wherein the substrate whose surface is covered with a patterned silicon nitride film and a silicon oxide film is a heat-resistant glass substrate.
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