JP4729191B2

JP4729191B2 - 多結晶シリコン薄膜の作製方法

Info

Publication number: JP4729191B2
Application number: JP2001107888A
Authority: JP
Inventors: 八井　　浄; 俊昭鈴木
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2001-04-06
Filing date: 2001-04-06
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2021-04-06
Also published as: JP2002302758A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、パルスイオンビーム蒸着法を使用した多結晶シリコン薄膜の作製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、ポリシリコン薄膜（ポリ−Si）は，種々な電子デバイス（例えば、薄膜トランジスタ（TFTs）、太陽電池、液晶ディスプレイの周辺回路及びシリコンＩＣの電極）に広く使用されている。この理由としては、水素化アモルファスシリコン(a-Si:H)のキャリア移動度よりもポリシリコンの移動度がかなり高いためである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
プラズマ励起CVD（以下PECVDと略称する）は、ポリシリコン薄膜を作製する方法の一つである。けれども、SiH₄／H₂ガスからPECVDで成膜したポリシリコン薄膜は、低圧CVDあるいは固相結晶化法から作製した薄膜と、比較すると電気特性が劣る問題がある。PECVDは、成膜後高温（代表的には400〜1000℃）での熱処理をする必要があるし、かつSiH₄のような危険なガス（引火性や爆発性がある）を成膜中に流す必要がある等の欠点を持っている。
【０００４】
この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、パルスイオンビーム蒸着法を用いてシリコン及び石英ガラス基板を加熱及びアニール処理をせずに、その基板上に高い結晶性を持つ多結晶シリコン薄膜を成膜することができる多結晶シリコン薄膜の作製方法を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を達成するために、第１発明は、真空にされた箱体内にパルスイオンビーム発生源と、この発生源から一定距離を隔てて固体ターゲットとを設け、パルスイオンビーム発生源から発生したイオンビームを固体ターゲットに照射することによって、アブレーションプラズマを生成し、その生成されたプラズマを被処理基板に蒸着することにより、被処理基板上に高い結晶性を持つ多結晶シリコン薄膜を加熱，アニール処理しないで作製するようにしたことを特徴とするものである。
【０００６】
第２発明は、前記被処理基板が、シリコン基板または石英ガラス基板からなることを特徴とするものである。
【０００７】
第３発明は、前記多結晶シリコン薄膜の結晶性が、アブレーションプラズマ密度を増加させて変更できるようにしたことを特徴とするものである。
【０００８】
上記各発明において、パルス幅50nsのパルスイオンビームから発生したアブレーションプラズマの寿命は20μsなので、瞬時の成膜速度は、〜cm/sになる。このときの多結晶シリコン薄膜の結晶性は、アブレーションプラズマ密度が増すに伴いよりよくなり、また、薄膜のシリコンの粒径も、小さくなっていることが判明した。
【０００９】
上記パルスイオンビーム蒸着法は、パルスプロトンイオンビームを固体ターゲットに照射すると高密度のアブレーションプラズマが、ターゲットの中でプロトンの飛程により生成される。このことから、このプラズマを使用して、薄膜を非常に効率よく作製できる。
【００１０】
上記パルスイオンビーム蒸着法で、1988年に初めてZnS薄膜を作製したことを発表した後、種々な薄膜「例えば、YBCO（酸化膜超伝導体）、ITO（In，SnO₂の略で透明電極）、BaTiO₃、BN、SiC、TiO₂、ZrO₂、AlN」が上記蒸着法によって作製されるようになった。
【００１１】
上記パルスイオンビーム蒸着法には、長岡科学技術大学の“ETIGO-II”パルス−パワジェネレータ装置を使用する。この装置によりイオンビーム（LIB）は、幾何学的に焦点を合わせ、磁界で電子を絶縁するダイオード（MID）により生成される。上記装置の陽極（アルミニウム）にポリエチレンシートを被せたフラシュボードをイオン源としている。イオン種は、エネルギスペクトルの測定から大部分プロトン（約75％）であり、残りがカーボンであることが判明している。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１はこの発明の実施の形態を示す概略構成説明図で、図１において、１１、１２は、１０^-4Torrの圧力に設定された第１、第２箱体からなり、両箱体１１、１２の一部の面を結合させるとともに、その結合面をくりぬいて両箱体１１、１２を連通状態に構成する。第１箱体１１には、パルスイオンビーム発生源を配置し、第２箱体１２には、固体のターゲットと被処理体となる基板を配置する。
【００１４】
第１箱体１１に配置されるパルスイオンビーム発生源は、陽極１３を取り囲むように形成した陰極１４から構成される。陽極１３の材質には、アルミニウムが使用され、そのアルミニウムにはポリエチレンシートを被覆してフラシュボード１５とし、そのフラシュボード１５をイオン源としている。
【００１５】
第２箱体１２には、陽極１３から所定の距離ｚを隔てた内壁面に支持装置１６により支持された固体のターゲット１７を設ける。固体のターゲット１７は、所定の角度（約４５゜）を傾けて配置される。傾けられた固体のターゲット１７と対向する位置には、被処理体となる基板１８を支持装置１９により支持して配置する。固体のターゲット１７と基板１８との距離は、約70mm〜80mmとする。
【００１６】
上記のように構成された実施の形態において、陽極１３には、１MVのビーム電圧と、70kAの電流とを供給してイオンビーム発生源を動作させ、イオンビームを発生させる。発生したイオンビームが、固体のターゲット１７に照射されると、高密度のアブレーションプラズマが、固体のターゲット１７の中でプロトンの飛程により生成される。このときの、イオンビームのエネルギ密度は、幾何学的焦点で測定した結果、25〜100J/cm²であった。また、固体のターゲット１７上でのビーム径は、直径20mmであった。固体のターゲット１７には、直径50mm、厚さ10mmの単結晶シリコンを使用した。
【００１７】
前記固体のターゲット１７から生成されたプラズマは、ターゲット面に垂直方向へ飛散して基板１８に蒸着され、基板１８に薄膜が作製される。なお、基板１８には、シリコンウエハー（100）、石英ガラス、スライドガラス、あるいはステンレスを使用した。また、基板１８の温度は、室温で、第２箱体（チャンバー）１２の圧力は、10^-4Torrとした。代表的な実験条件を表１にまとめて示した。
【００１８】
【表１】

【００１９】
上記のようにして動作させたときのアブレーションプラズマの挙動を、高速カメラ（ULTRNAC FS501，NACInc）で撮影した様子を後述の図２に示す。基板１８に作製された薄膜の結晶構造は、ディフラクトメータを用いたＸＲＤ装置(RINT 2000⁺,RIGAKU)で調べた。このときのＸＲＤスペクトルの半値幅(FWHM)からシェラーの式を使用して特定の結晶面(nkl)をもつ結晶粒径を計算した。また、膜厚は、段差計(SURF COM130A,Tokyo seimitu)で測定した。
【００２０】
図２は上記高速カメラで撮影したアブレーションプラズマの高速写真に基づいて描いた図である。図２において、t=0は、固体のターゲット１７上にイオンビームの照射が始まったことを示す。この図２からアブレーションプラズマが、イオンビームの照射によって生成することが判明した。そして、固体のターゲット１７に照射されたプラズマは、固体のターゲット１７の表面に対し垂直方向へ広がる。このため、アブレーションプラズマは、基板１８に達してそれに薄膜が作製される。なお、プラズマは、ビーム照射後、20μs間生成される。
【００２１】
図３は、シリコン（100）と石英ガラス基板上に生成したシリコン薄膜のＸ線回折パターン図で、図３から面方位（110）、（220）、（311）に相当する回折ピークが常に観察された。シリコン薄膜の成膜速度は、約200nm／ショットであった。アブレーションプラズマの寿命は、ほぼ20μsで、パルスイオンビームのパルス幅が50nsであるので、従って、瞬間的な成膜速度は〜cm/sとなる。ＸＲＤ装置のデータからシリコン薄膜の粒径ｄは、ｎｍオーダであることが、シュラーの式を使用して計算できる。
【００２２】
ｄ＝0.9λ／βcosθ …… （１）
ここで、ｄが粒径、λはＸ線の波長、βはFWHM、θはブラッグ角である。
【００２３】
シュラーの式（１）を使用して、シリコン基板上，石英ガラス基板上のシリコン薄膜の粒径は、それぞれ44nmと60nmである。
【００２４】
図４は、10ショット照射によってシリコン基板上に生成されたシリコン薄膜のＸＲＤパターンの基板の設置場所による違いを示したＸ線回折パターン図で、図４において、条件は、ｐ（圧力）〜１０^-4Torr，ｚ（陽極・ターゲット間距離）＝200ｍｍ、ｄ_TS（ターゲット・基板間距離）＝80ｍｍ、θ（ビーム・ターゲット角）＝45゜である。
【００２５】
図４からアブレーションプラズマは、サンプルNo.1とNo.2の表面に直接到達していることが分かる。また、面（111）、（220）そして（311）の回折ピークを観察できる。これらのピーク強度は、アブレーションプラズマのセンタに近づくにつれ強くなる。No.1サンプルの面（111）の積分強度は、No.7サンプルに比べて9.3倍大きいことが判明した。図４から薄膜の結晶性は、プラズマ密度がプラズマの中心の方が周辺より非常に高いために、中心の方が良くなっていることが分かった。
【００２６】
図４から判るようにＸＲＤスペクトル（Ｘ線回折パターン）の半値幅（FWHM）を用いてシュラーの式から結晶の粒径を評価することができる。表２は、薄膜の厚さと成膜速度に対する粒径とをまとめたものである。
【００２７】
【表２】

【００２８】
上記表２からシリコン基板上に成膜したポリシリコン薄膜の粒径は、図４に示した結果と同じようにアブレーションプラズマの中心に近づくにつれて減少していることが判る。これらの結果から、パルスイオンビーム蒸着法は、多結晶シリコン薄膜を、基板加熱およびアニール処理すること無しで、成膜する方法として非常に適していることが判った。けれども、作製した薄膜の電気的特性については、まだ、明白にはなっていない。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、パルスイオンビーム蒸着法を用いて、シリコン基板または石英ガラス基板上に多結晶シリコン薄膜を成膜することでき、しかも、高い結晶性がアニール処理しなくても得ることができる。アブレーションプラズマの寿命は、パルス幅が、50nsのイオンビームであるので、20μs程度となり、瞬時の成膜速度は、〜cm/sとなる。多結晶シリコン薄膜の結晶性は、アブレーションプラズマ密度が増加するに伴って良くなり、結晶性は粒子径と関係し、小さい方が良くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態を示す概略構成説明図。
【図２】高速カメラで撮影したアブレーションプラズマの高速写真に基づいて描いた説明図。
【図３】シリコン（100）と石英ガラス基板上に生成したシリコン薄膜のＸ線回折パターン図。
【図４】 10ショット照射によってシリコン基板上に生成されたシリコン薄膜のＸＲＤパターンの基板の設置場所による違いを示したＸ線回折パターン図。
【符号の説明】
１１…第１箱体
１２…第２箱体
１３…陽極
１４…陰極
１５…フラッシュボード
１６…支持装置
１７…ターゲット
１８…基板
１９…支持装置

Claims

真空にされた箱体内にパルスイオンビーム発生源と、この発生源から一定距離を隔てて固体ターゲットとを設け、
パルスイオンビーム発生源から発生したイオンビームを固体ターゲットに照射することによって、アブレーションプラズマを生成し、
その生成されたプラズマを被処理基板に蒸着することにより、被処理基板上に高い結晶性を持つ多結晶シリコン薄膜を加熱，アニール処理しないで作製するようにしたことを特徴とする多結晶シリコン薄膜の作製方法。
前記被処理基板は、シリコン基板または石英ガラス基板からなることを特徴とする請求項１記載の多結晶シリコン薄膜の作製方法。
前記多結晶シリコン薄膜の結晶性は、アブレーションプラズマ密度を増加させて変更させることを特徴とする請求項１または２記載の多結晶シリコン薄膜の作製方法。