JP3630450B2 - 結晶性シリコンの形成方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光励起気相成長法によって、ガラス基板上に多結晶シリコンを堆積させる等の結晶性シリコンの形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリコン基板の表面にシリコンを熱ＣＶＤ法でエピタキシャル成長させる場合、基板を約９００℃以上の高温に加熱し、原料ガスを熱分解して基板表面にエピタキシャル成長させている。
一方、エピタキシャル成長を低温で実現する方法として、ＭＢＥ法やプラズマエピタキシー、フォトエピタキシーなどが提案されている。
フォトエピタキシーは低温化への有望な手段であり、盛んに研究されている。一例として、水銀光増感反応法においては、弗化シラン、ジシラン、水素を原料ガスとして用いた水銀光増感反応により２００℃程度でエピタキシャル成長を行った例が報告されている。
一方、原料ガスを直接、光分解してシリコンのエピタキシーをおこなう手法としては、以下のようなものがある。即ち、特開昭６２−２８８１９４では、原料ガスとして、ジシランおよびモノシランの少なくとも一方を含むガスに塩素ガスを添加することにより低温でシリコンをエピタキシャル成長させる。さらに、特公平４−１１５１６では、原料ガスとして弗化ジシラン、ジシラン、水素を用い、弗化ジシラン又はジシランの長波長側吸収よりも短い波長の光を照射して、シリコンをエピタキシャル成長させる。
【０００３】
一方、石英基板にかわる大型で安価なガラス基板上に、低温で多結晶シリコンを堆積させる技術は、高性能な薄膜トランジスターを安価に作製する技術として、期待されている。しかしながら現在のところ、低温で多結晶シリコンを堆積する技術がないため、高価な石英基板を用いて高温で堆積する方法が実用上とられている。
さらに、この多結晶シリコンを低温で堆積させる技術としては、まずガラス基板上にアモルファスシリコンをプラズマＣＶＤにより堆積し、それをエキシマレーザーアニールにより溶融凝固させて、多結晶化することが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上述べて来た従来技術においては、夫々、以下のような課題がある。
先ず、エピタキシー側について説明すると、熱ＣＶＤ法では、系が高温プロセスであるため、不純物のオートドーピングや固相拡散によってエピタキシャル層の不純物濃度にだれが生じ、高品質化の妨げとなる。ＭＢＥ法は低温でのエピタキシャル成長が可能だが、超高真空を必要とするため実用的ではない。
プラズマエピタキシーでは、生成したイオン種の基板へのダメージが大きい。
【０００５】
さらに、フォトエピタキシーにおける従来技術は夫々以下のような課題を有している。
水銀光増感反応法では、２００℃という低温でエピタキシャル成長を実現できるが、系内に重金属である水銀が含まれているため、ライフタイムなど素子特性に悪影響を与える虞がある。また、水銀は毒物に指定されており（毒物及び劇物取締法）、その取り扱いおよび廃棄物処理等において特別の配慮が必要であり、安全・衛生・公害等の面から大きな問題がある。
原料ガスを直接光分解するシリコンのエピタキシーについて説明すると、特開昭６２−２８８１９４の手法では、塩素ガスを利用しなければならない。塩素ガスは、”毒物及び劇物取締法”において劇物に指定されており、安全性において問題がある。一方、特公平４−１１５１６の手法では、弗化ジシランは、一般に大量には製造されておらず、価格が高く、実際に生産する場合には経済性が悪いといった問題点がある。
【０００６】
次に、ガラス基板上に低温で多結晶シリコンを堆積させる技術においては、現在のところ、低温で多結晶を堆積する技術がないため、高温で堆積する方法となり、高価な石英基板を必要とする。この方法は大きな基板に適応できない。
さらに、低温化手法としては、プラズマＣＶＤ、エキシマレーザーアニールを使用する方法があるが、これは、装置構成が複雑で、工程が多いといった問題があり、また結晶粒の大きさが面内で均一でなく、作製したトランジスターの特性がバラつくといった問題がある。
【０００７】
以上、本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、低温での多結晶シリコンの堆積を実現する際の上記種々の問題点を解決できる結晶性シリコンの形成方法を得ることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明による請求項１に係わる光励起気相成長法によって基板表面に結晶性シリコンを得る結晶性シリコンの形成方法の第１の特徴手段は、ジシラン（Ｓｉ ₂ Ｈ ₆ ）、ジクロルシラン（ＳｉＨ _２ Ｃｌ _２ ）と水素を原料ガスとし、１９３ｎｍの紫外光を照射可能なＡｒＦエキシマレーザーから、前記基板としてのガラス基板の基板表面上方に位置する前記原料ガスに紫外光を照射して、前記基板表面上に選択的に結晶性シリコンを形成することにある。
ここで、前記紫外光が前記基板表面に平行に照射されることが好ましい。
【０００９】
【作用】
本願第１の特徴手段においては、基板表面上に結晶性シリコンを得るにあたり、光励起気相成長法による。
原料ガスとしてジクロルシランとジシランとを共に使用し、励起光によりジシランを励起し、この励起されたジシランとジクロルシランの相互作用を促して、塩素ラジカルを形成し、結晶性シリコンを得る。ここで、ジクロルシランの長波長側の吸収の吸収端は、ジシランのそれより短い波長域にあるが、ジクロルモノシランとジシランとの組み合わせを考える場合、これらの境界域にあるＡｒＦエキシマレーザーを利用して、相互作用を促し、比較的速い成膜速度で有効に結晶性シリコンの形成をおこなうこととなる。ここで、多結晶シリコンが非晶質基板であるガラス基板上に形成できる。
この手法では、ジクロルシランは分解され、シリコン側が結晶構成材料となるとともに、発生する塩素ラジカルの作用により、反応系を低温化でき、酸素等の不純物原子や不正配位シリコン等のエッチング作用をおこなって、高品質の結晶性シリコンを得ることができる。さらに、水素は結晶成長最表面のシリコンの未結合手を終端し、ガス中のシリコン前駆体の表面遊泳を助長させる働きをする。
この手法においては、塩素ラジカルの供給源として、結晶材料と化合した塩素を採用するため、装置系が簡略化される。さらに、例えば、一般に大量に生産されない弗化ジシラン等のハロゲン化ジシランを使用しないため、価格が安く、経済性、生産性の点で好ましい手法となっている。
さらに、ジシランを原料ガスに含むため、ジシランと比較して比較的直接分解しにくいジクロルシランの励起分解を、ジシランとジクロルシランとの相互作用により促進して、結晶性シリコンを比較的高速で形成できる。
ジクロルシランは、入手が比較的容易であるとともに、劇物に指定されている塩素ガスに比べれば安全で取り扱いが容易であるため、経済的で、安全な操業が可能となる。また、弗化ジシランに比べても、ガスの価格が安く経済的で、実働生産性に向いている。
励起光の照射源としてエキシマレーザーを採用すると、この光源から、波長が安定するとともに、比較的大きなエネルギーの励起光を得て、結晶性シリコンの形成をおこなうことができる。
そして、少なくとも１９３ｎｍの紫外光を照射可能なＡｒＦエキシマレーザーを使用して、ジクロルシラン、ジシランを適切に励起することにより、結晶化を進めることができる。
本願の手法においては、従来よりは低温側の２００℃〜４５０℃の温度域で結晶性シリコンの形成が、実用的に可能である。
この場合は、基板表面に平行にレーザー光線束を照射すると、基板側もしくは形成された結晶性シリコンに影響を与えることなく、均質で安定した結晶性シリコンを得ることができる。
【００１０】
【発明の効果】
従って、本願においては、結晶性シリコンの形成を低温でおこなうことが可能であるため、ガラス基板を使用することが可能となり、非常に有益である。
さらに、系に、水銀、塩素ガス等の毒物を使用しないこととなるため、安全性を確保できるとともに、管理が容易となり、さらに、水銀を使用しないために、その品質も，長い期間に亘って良好に保つことが可能となる。
また、ジクロルシランを含むために、超高真空を必要とすることもない。さらに、弗化ジシラン等のジシラン化合物を原料ガスとして使用しないために、その経済性にも優れている。
さらに、この工程は単一工程となるため、装置系が複雑化したり、手間が掛かることもない。
結果、品質、安全性、経済性の点で優れた結晶性シリコンの形成方法を得ることができた。
【００１１】
【実施例】
本発明の実施例として、原料ガスとしてのジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）、ジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）および水素（Ｈ_２）を使用して、結晶性シリコンを得る場合について説明する。
図１は、本発明の方法を使用する光励起気相成長装置１の概略図である。装置１は、真空ポンプ２によって所定の真空度に排気される成長室３内に、サセプタ４に保持された基板（例えばガラス基板；Ｃｏｒｎｉｎｇ７０５９）５を収納可能に構成されており、ヒータ６によって所定の温度に加熱されるようになっている。成長室３内には、ガス導入管７を経由して原料ガスが供給される。原料ガスとしては、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）、ジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）、さらに、水素（Ｈ_２）の混合ガスが使用され、この成長室３内に供給される。
一方、成長室３に対して、基板表面５ａ付近のガス雰囲気を励起可能な励起光８を照射可能な光源９が備えられている。この実施例においては、結晶性シリコンの形成にあたって、光源９からの励起光８を入射窓１０を通して、水平配置の基板表面５ａに対してこれとほぼ平行に、励起光８を照射する。光源９は、具体的には、発振波長が１９３ｎｍであるＡｒＦエキシマレーザーである。この波長の励起光８は、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）を直接励起可能である。即ち、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）は約２２０ｎｍ付近に電子状態励起に伴う光吸収の吸収端を持っているため、結晶性シリコンの形成にあたっては、ＡｒＦエキシマレーザーにより、直接これが励起されて、分子結合の解離を起こす。
【００１２】
成膜条件を以下に箇条書きする。

これらの条件の範囲において、結晶性シリコンの形成速度に差があるものの、所望のシリコン膜を得ることができた。各ガスの流量比は上記の範囲の比で選択するのが好ましい。
【００１３】
上記の条件において、以下の条件が最も好ましかった。

【００１４】
また、図２に、上記の条件でガラス基板上に得られた多結晶シリコン膜のＦＴ−ＩＲによる評価結果を示した。同図において、（イ）は本願の方法によるものであり、（ロ）はジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）のみから薄膜を得た場合の結果を示している。
結果を比較すると、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）とジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）とを共に原料ガスとして採用することにより、２０００ｃｍ^−１付近に見られるＳｉＨ結合から２１００ｃｍ^−１付近に見られるＳｉＨ_２結合への変化が観測される。このＳｉＨ_２結合によるピークは多結晶シリコン膜によく見られ、結晶化が促進されたことを示している。これは、塩素ラジカルにより、酸素などの不純物原子や不正配位シリコンなどの結合の弱い原子をエッチングしながら成長が進行した結果と考えられる。さらに１０００ｃｍ^−１付近のＳｉＯ結合と思われるブロードなピークも減少し不純物の取り込みが抑制されていることが判る。このことからＡｒＦエキシマレーザーにより励起されて分解したＳｉ_２Ｈ_６ラジカルにより、ジクロルシランの励起・分解も促進されて成長が進行したことがわかる。
【００１５】
上記の条件でガラス基板上に得られた多結晶シリコン膜のＡＦＭ像を図３に示した。同図において、（イ）は本願の方法によるものであり、（ロ）はジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）のみから薄膜を得た場合の結果を示している。
結果、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）とジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）とを共に原料ガスとして採用することにより、表面が平坦化していることが観察できる。例えば、ＡＦＭ像による膜の端面厚さを観察できる端面（（イ）の場合のＡ，Ｂ端面、（ロ）の場合のＡ’，Ｂ’端面）の状態を比較すると、この事実が明確である。これは、ジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）分子が励起され分解されて塩素ラジカルが供給され、不純物や結合の弱い原子等がエッチングされながら成長が進むために、平坦性が保たれているものと思われる。
【００１６】
以上、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）とジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）とを共に原料ガスとして採用し、ＡｒＦエキシマレーザーによる光励起を行って、非晶質基板であるガラス基板上に、多結晶シリコンを得ることができた。この事実は、今回発明者らが、新たに確認したことであり、低温で、しかもガラス基板、樹脂基板等の大型の基板上に、単一工程で多結晶シリコンを形成できるため、例えば、液晶、トランジスタ等の開発に非常に有望な道を開くものである。
【００１７】
〔別実施例〕
レーザーの照射方向としては、上記のように、基板表面と平行に照射する他、基板の上部から垂直に照射する構成でも、結晶性シリコンの形成をおこなうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光励起気相成長装置の構成を示す図
【図２】原料ガスとしてジシラン、ジクロルシランを使用する場合とジシラン単独の場合のＦＴ−ＩＲを示す図
【図３】原料ガスとしてジシラン、ジクロルシランを使用する場合とジシラン単独の場合のＡＦＭ像を示す図
【符号の説明】
１ 光励起気相成長装置
３ 成長室
５ 基板
８ 励起光

Claims (2)

1. 光励起気相成長法によって基板表面に結晶性シリコンを得る結晶性シリコンの形成方法であって、
   ジシラン（Ｓｉ ₂ Ｈ ₆ ）、ジクロルシラン（ＳｉＨ _２ Ｃｌ _２ ）と水素を原料ガスとし、１９３ｎｍの紫外光を照射可能なＡｒＦエキシマレーザーから、前記基板としてのガラス基板の基板表面上方に位置する前記原料ガスに紫外光を照射して、前記基板表面上に選択的に結晶性シリコンを形成する結晶性シリコンの形成方法。
2. 前記紫外光が前記基板表面に平行に照射される請求項１記載の結晶性シリコンの形成方法。

Images