JPH02208293A - 多結晶シリコン膜の製造方法 - Google Patents
多結晶シリコン膜の製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
「産業上の利用分野コ
本発明は、プラズマを利用して＜１００＞結晶軸配向し
た多結晶シリコン膜の製造方法に関する。
た多結晶シリコン膜の製造方法に関する。
［従来技術］
現在、薄膜トランジスタに応用される多結晶シリコン膜
として、結晶粒サイズの増加及び結晶軸の配向について
多くの研究、開発がなされている。
として、結晶粒サイズの増加及び結晶軸の配向について
多くの研究、開発がなされている。
すなわち、薄膜トランジスタとして金属電極−ゲト絶縁
膜（酸化シリコン膜等）−シリコン構造を形成した場合
、ゲート絶縁膜とシリコンとの界面における表面準位（
半導体のエネルギー・バンド・ギャップ間の伝導帯およ
び充満帯の近傍に存在する）の密度は、シリコン表面に
垂直な結晶軸方向に強く依存する。単結晶シリコンの場
合、＜ ］、 ＯＯ＞方向での表面準位密度を基準にと
れば、く］コ０〉方向での密度は約３倍、＜１１１＞方
向での密度は約６〜７倍となることが報告されている。
膜（酸化シリコン膜等）−シリコン構造を形成した場合
、ゲート絶縁膜とシリコンとの界面における表面準位（
半導体のエネルギー・バンド・ギャップ間の伝導帯およ
び充満帯の近傍に存在する）の密度は、シリコン表面に
垂直な結晶軸方向に強く依存する。単結晶シリコンの場
合、＜ ］、 ＯＯ＞方向での表面準位密度を基準にと
れば、く］コ０〉方向での密度は約３倍、＜１１１＞方
向での密度は約６〜７倍となることが報告されている。
そのため、＜ １００＞結晶軸方向の表面をもつ単結晶
シリコンかに記の目的に対して使用されている。
シリコンかに記の目的に対して使用されている。
多結晶シリコン膜を使用する場合も、その表面に対して
結晶粒の結晶軸方向が＜１００＞方向に配向したシリコ
ン膜の開発が工業的に非常に重要となる。
結晶粒の結晶軸方向が＜１００＞方向に配向したシリコ
ン膜の開発が工業的に非常に重要となる。
また多結晶シリコン中には、必然的に結晶粒間に界面が
存在するために、その界面準位（半導体のエネルギー・
バンド・ギャップ間に荷電準位を形成する）に起因して
、結晶粒間にポテンシャル・バリヤが発生している。こ
の結晶粒界面の影響を減少させるためには、結晶粒サイ
ズを大きくすることが必要である。
存在するために、その界面準位（半導体のエネルギー・
バンド・ギャップ間に荷電準位を形成する）に起因して
、結晶粒間にポテンシャル・バリヤが発生している。こ
の結晶粒界面の影響を減少させるためには、結晶粒サイ
ズを大きくすることが必要である。
従来、＜１００＞方向に結晶軸が配向した多結晶シリコ
ン膜は、シラン系ガスを含む原料ガスを低ガス圧力の下
で熱分解する時に、ガス圧力および堆積温度を調整する
ことによって得られる。しかし、この方法では、６００
℃程度以下の温度で堆積した場合はシリコン膜の表面は
平滑となるが、堆積されたシリコン膜はアモルファスと
なる。
ン膜は、シラン系ガスを含む原料ガスを低ガス圧力の下
で熱分解する時に、ガス圧力および堆積温度を調整する
ことによって得られる。しかし、この方法では、６００
℃程度以下の温度で堆積した場合はシリコン膜の表面は
平滑となるが、堆積されたシリコン膜はアモルファスと
なる。
方、堆積温度を６００℃以上に増加させて多結晶シリコ
ン膜の堆積が可能となる条件にした場合、その表面は非
常に荒れたものとなる。特に、この表面の荒れは配向の
程度に強く依存しており、配向か強くなると極めて大き
くなり高低差は０．２μｍ以」−に達する。
ン膜の堆積が可能となる条件にした場合、その表面は非
常に荒れたものとなる。特に、この表面の荒れは配向の
程度に強く依存しており、配向か強くなると極めて大き
くなり高低差は０．２μｍ以」−に達する。
この表面の荒れを防止するために、従来の多結晶シリコ
ン膜の作製方法では、上記の熱分解法により表面が平滑
となる６００℃程度以下の堆積温度でアモルファス・シ
リコン膜を堆積し、それを６００℃程度以下の温度で熱
処理することによって同相結晶化させている。この方法
では、表面は平滑で結晶粒サイズも大きな多結晶シリコ
ン膜が得られるが、成長する結晶粒の結晶軸方向は制御
されていないため、多くの場合、結晶軸方向はランダム
または＜ １．１１ ＞方向に弱く配向し、＜１００＞
配向多結晶シリコン膜は作製できない。
ン膜の作製方法では、上記の熱分解法により表面が平滑
となる６００℃程度以下の堆積温度でアモルファス・シ
リコン膜を堆積し、それを６００℃程度以下の温度で熱
処理することによって同相結晶化させている。この方法
では、表面は平滑で結晶粒サイズも大きな多結晶シリコ
ン膜が得られるが、成長する結晶粒の結晶軸方向は制御
されていないため、多くの場合、結晶軸方向はランダム
または＜ １．１１ ＞方向に弱く配向し、＜１００＞
配向多結晶シリコン膜は作製できない。
［発明が解決しようとする課題］
本発明は＜１００＞方向に結晶軸が強く配向し、かつ表
面の荒れの極めて少ない平滑な表面をもつ多結晶シリコ
ン膜を製造する方法を提供するものである。
面の荒れの極めて少ない平滑な表面をもつ多結晶シリコ
ン膜を製造する方法を提供するものである。
［課題を解決する手段及び作用］
本発明は、反応装置内に基板を配置する工程と、上記反
応装置内にシラン系ガスを含む原料ガスを導入して５０
０〜８００℃で熱分解する工程と、熱分解と同時にプラ
ズマ発生用電力を印加して」１記原料ガス中でプラズマ
を発生させる工程と、原料ガスの熱分解とプラズマの発
生とにより、」−記基板上にシリコンを堆積させて多結
晶シリコン膜を形成する工程と、を具備し、上記プラズ
マ発生用印加電力を、シリコン膜が＜１１０＞配向の多
結晶となる印加電力よりも低く制御して、主に＜１００
＞配向で、表面が平滑な多結晶シリコン膜を得る、多結
晶シリコン膜の製造方法である。
応装置内にシラン系ガスを含む原料ガスを導入して５０
０〜８００℃で熱分解する工程と、熱分解と同時にプラ
ズマ発生用電力を印加して」１記原料ガス中でプラズマ
を発生させる工程と、原料ガスの熱分解とプラズマの発
生とにより、」−記基板上にシリコンを堆積させて多結
晶シリコン膜を形成する工程と、を具備し、上記プラズ
マ発生用印加電力を、シリコン膜が＜１１０＞配向の多
結晶となる印加電力よりも低く制御して、主に＜１００
＞配向で、表面が平滑な多結晶シリコン膜を得る、多結
晶シリコン膜の製造方法である。
本発明では、まず絶縁基板を用意し、これを反応装置内
に配置する。そしてこの反応装置内にシラン系ガスを含
む原料ガスを導入して５００〜８００℃で熱分解し、同
時にプラズマ発生用電力を印加して上記原料ガス中でプ
ラズマを発生させる。この原料ガスは、シラン系ガス（
モノンラン（ＳｉＨ）やジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）など）
若しくは、このシラン系ガスと、必要により導入するキ
ャリヤ・ガス（水素やアルゴンなど）と、必要により導
入するドーパント・ガス（フォスフイン（ＰＨ）、アル
シン（Ａ ｓ Ｈ３） 、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）など）
との混合ガスである。ここで、シランで水素を希釈する
場合、シランの水素希釈比は大きくしない方が強い＜
１００ ＞配向を得るために良い。
に配置する。そしてこの反応装置内にシラン系ガスを含
む原料ガスを導入して５００〜８００℃で熱分解し、同
時にプラズマ発生用電力を印加して上記原料ガス中でプ
ラズマを発生させる。この原料ガスは、シラン系ガス（
モノンラン（ＳｉＨ）やジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）など）
若しくは、このシラン系ガスと、必要により導入するキ
ャリヤ・ガス（水素やアルゴンなど）と、必要により導
入するドーパント・ガス（フォスフイン（ＰＨ）、アル
シン（Ａ ｓ Ｈ３） 、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）など）
との混合ガスである。ここで、シランで水素を希釈する
場合、シランの水素希釈比は大きくしない方が強い＜
１００ ＞配向を得るために良い。
本発明において、熱分解温度を上記範囲に限定した理由
は、５００℃未満では＜１１０＞配向をもつ結晶粒サイ
ズの小さな微結晶シリコン膜またはアモルファス争シリ
コンとなり、＜１００＞配向膜を作製することができな
いためである。一方８００℃を越えるとシラン系ガスの
熱分解反応がプラズマ分解反応の効果を上回ることとな
り、配向性に関して、プラズマ発生用電力を印加してい
ない場合と類似の結果を生じるためである。本発明を実
施するための最適な温度は、他の多結晶シリコン膜形成
条件に影響されて変化するが、上記温度範囲内において
当業者であれば適宜設定可能である。
は、５００℃未満では＜１１０＞配向をもつ結晶粒サイ
ズの小さな微結晶シリコン膜またはアモルファス争シリ
コンとなり、＜１００＞配向膜を作製することができな
いためである。一方８００℃を越えるとシラン系ガスの
熱分解反応がプラズマ分解反応の効果を上回ることとな
り、配向性に関して、プラズマ発生用電力を印加してい
ない場合と類似の結果を生じるためである。本発明を実
施するための最適な温度は、他の多結晶シリコン膜形成
条件に影響されて変化するが、上記温度範囲内において
当業者であれば適宜設定可能である。
原料ガスとしてシラン系ガスのうちモノシランを使用す
るか、またはジシランを使用するかは任意である。しか
しいずれかを選択するかによって、＜１００＞配向か観
測される多結晶シリコン膜の有効堆積温度か変化する可
能性が非常に強い。
るか、またはジシランを使用するかは任意である。しか
しいずれかを選択するかによって、＜１００＞配向か観
測される多結晶シリコン膜の有効堆積温度か変化する可
能性が非常に強い。
一般的に、モノシランが最も多く使用されていますか、
ジシランを使用した場合には、前記した＜１００＞配向
を可能ならしめる有効堆積温度は低温側に移動するもの
と推定される。この推定の根拠は、ジシランはモノシラ
ンよりも低い温度で熱分解すること、およびアモルファ
ス・シリコン膜を堆積した場合、その堆積温度は、モノ
シランを使用した場合よりジシランを使用した場合に低
くすることができることによる。
ジシランを使用した場合には、前記した＜１００＞配向
を可能ならしめる有効堆積温度は低温側に移動するもの
と推定される。この推定の根拠は、ジシランはモノシラ
ンよりも低い温度で熱分解すること、およびアモルファ
ス・シリコン膜を堆積した場合、その堆積温度は、モノ
シランを使用した場合よりジシランを使用した場合に低
くすることができることによる。
原料ガスのガス圧力は１００ ｍＴｏｒｒから数Ｔｏｒ
ｒの範囲で選択するのが好ましい。原料ガスの流量は、
薄膜作製装置の形状に依存するが、１時間当りのシリコ
ン膜の堆積速度の上限が１〜２μｍを超えない条件下で
選択することが望ましい。
ｒの範囲で選択するのが好ましい。原料ガスの流量は、
薄膜作製装置の形状に依存するが、１時間当りのシリコ
ン膜の堆積速度の上限が１〜２μｍを超えない条件下で
選択することが望ましい。
そして原料ガスの熱分解と同時にプラズマを発生させて
＜ １．００ ＞配向の多結晶シリコン膜を堆積させる
。プラズマ発生用電力は、他の多結晶シリコン膜の条件
に係わらず常に＜１１０＞配向の結晶粒となる印加重力
よりも低くなるように制御する。そしてこのことにより
＜１００＞配向の多結晶シリコン膜が得られる。このよ
うな知見ハ本発明者の研究により見出されたものである
。すなわち、以下の実施例で具体的に示すが、本発明者
の研究によれば、シリコン膜の結晶粒の配向は、プラズ
マ発生用電力のみならず、堆積温度、原料ガスの圧力、
原料ガスの総流量、原料ガスの組成にも依存するが、他
の堆積条件を一定として、プラズマ発生用電力をＯＷか
ら次第に増加させていった時、＜１００＞配向の程度は
急激に強くなり、最大値をとった後再び弱くなりこの後
は＜１１０＞配向か極めて強くなる。
＜ １．００ ＞配向の多結晶シリコン膜を堆積させる
。プラズマ発生用電力は、他の多結晶シリコン膜の条件
に係わらず常に＜１１０＞配向の結晶粒となる印加重力
よりも低くなるように制御する。そしてこのことにより
＜１００＞配向の多結晶シリコン膜が得られる。このよ
うな知見ハ本発明者の研究により見出されたものである
。すなわち、以下の実施例で具体的に示すが、本発明者
の研究によれば、シリコン膜の結晶粒の配向は、プラズ
マ発生用電力のみならず、堆積温度、原料ガスの圧力、
原料ガスの総流量、原料ガスの組成にも依存するが、他
の堆積条件を一定として、プラズマ発生用電力をＯＷか
ら次第に増加させていった時、＜１００＞配向の程度は
急激に強くなり、最大値をとった後再び弱くなりこの後
は＜１１０＞配向か極めて強くなる。
さらに、プラズマ発生用電力を印加していない時は、堆
積されたシリコン膜の表面は非常に荒れるが、本発明方
法のプラズマ印加により＜１００＞方向に結晶軸が配向
した時、その表面は極めて平滑（３０λ以下）となる。
積されたシリコン膜の表面は非常に荒れるが、本発明方
法のプラズマ印加により＜１００＞方向に結晶軸が配向
した時、その表面は極めて平滑（３０λ以下）となる。
さらには、」１記堆積温度の範囲で比較的低い温度で堆
積した場合、＜１００＞配向の強さを維持したままで、
全体としての結晶化率を下げることかできる。このよう
な多結晶シリコン膜を６００℃程度以下で熱処理して、
＜１００＞配向結晶粒を固相結晶成長させることにより
、＜１００＞方向に強く配向し、かつ結晶粒サイズの大
きな多結晶シリコン膜を作製することができる。本発明
では、結晶粒サイズの増加に関して、上記の６００℃程
度以下の温度で熱処理する方法以外に、Ｋｕｎｇ ａｎ
ｄ Ｒｅ１ｆによって発表された、Ｓｉイオン注入時に
おけるイオン・チャネリング効果を利用して、低温固相
成長過程において種となる結晶粒を選択する方法［Ｋｕ
ｎｇ ｅｔ ａｔの方法で得られた多結晶シリコン膜は
、＜１１０＞配向をもち、結晶粒サイズが大きい：論文
誌：Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓ
ｊｃｓ、 ６２巻、４号、１９８７年、１５０３−１５
０９ページ、著者： Ｋ、Ｔ、−Ｙ。
積した場合、＜１００＞配向の強さを維持したままで、
全体としての結晶化率を下げることかできる。このよう
な多結晶シリコン膜を６００℃程度以下で熱処理して、
＜１００＞配向結晶粒を固相結晶成長させることにより
、＜１００＞方向に強く配向し、かつ結晶粒サイズの大
きな多結晶シリコン膜を作製することができる。本発明
では、結晶粒サイズの増加に関して、上記の６００℃程
度以下の温度で熱処理する方法以外に、Ｋｕｎｇ ａｎ
ｄ Ｒｅ１ｆによって発表された、Ｓｉイオン注入時に
おけるイオン・チャネリング効果を利用して、低温固相
成長過程において種となる結晶粒を選択する方法［Ｋｕ
ｎｇ ｅｔ ａｔの方法で得られた多結晶シリコン膜は
、＜１１０＞配向をもち、結晶粒サイズが大きい：論文
誌：Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓ
ｊｃｓ、 ６２巻、４号、１９８７年、１５０３−１５
０９ページ、著者： Ｋ、Ｔ、−Ｙ。
Ｋｕｎｇ ａｎｄ Ｒ，Ｒｅ１ｆ、題目： Ｐｏ１ｙｃ
ｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｊｔｈｉｎ−Ｎｌｍｔｒａｎ
ｓｊｓｔｏｒｓ Ｉ’ａｂｒｉｃａｔｅｄ ａｔ＜
８００ ℃ ：Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｇｒａｉ
ｎ ５ｉｚｅ ａｎｄ＜１００＞ｆｉｂｅｒ ｔ
ｅｘｔｕｒｅ］、さらには、アモルファス中シリコン膜
の低温での固相結晶成長過程において、本発明による＜
１００＞配向多結晶シリコンを結晶軸方向を制御するた
めの種（下地）として利用して、アモルファス・シリコ
ン膜を下地と同じ＜１００＞配向をもち、かつ結晶粒サ
イズを大きくする方法、等が利用可能である。
ｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｊｔｈｉｎ−Ｎｌｍｔｒａｎ
ｓｊｓｔｏｒｓ Ｉ’ａｂｒｉｃａｔｅｄ ａｔ＜
８００ ℃ ：Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｇｒａｉ
ｎ ５ｉｚｅ ａｎｄ＜１００＞ｆｉｂｅｒ ｔ
ｅｘｔｕｒｅ］、さらには、アモルファス中シリコン膜
の低温での固相結晶成長過程において、本発明による＜
１００＞配向多結晶シリコンを結晶軸方向を制御するた
めの種（下地）として利用して、アモルファス・シリコ
ン膜を下地と同じ＜１００＞配向をもち、かつ結晶粒サ
イズを大きくする方法、等が利用可能である。
［発明の効果］
本発明による多結晶シリコン膜は、＜１００＞方向に強
く配向し、かつ平滑な表面をもつため、薄膜トランジス
タに応用した場合、以下に記載されるような効果を奏す
る。
く配向し、かつ平滑な表面をもつため、薄膜トランジス
タに応用した場合、以下に記載されるような効果を奏す
る。
（１）シリコンとゲート絶縁膜との界面付近Ｉにおける
表面準位密度が少なくなる上記の結晶軸方向での配向は
、しきい電圧の変動を少なくし、界面付近でのキャリヤ
易動度を増加させる効果をもっため、従来の多結晶シリ
コン膜を使用した場合に比較して、薄膜トランジスタの
特性は改善されたものとなる。また、平滑な表面をもつ
ため、堆積された多結晶シリコン膜」二に多様な機能を
もつ素子を順次構成した、三次元集積回路への応用も可
能となる。
表面準位密度が少なくなる上記の結晶軸方向での配向は
、しきい電圧の変動を少なくし、界面付近でのキャリヤ
易動度を増加させる効果をもっため、従来の多結晶シリ
コン膜を使用した場合に比較して、薄膜トランジスタの
特性は改善されたものとなる。また、平滑な表面をもつ
ため、堆積された多結晶シリコン膜」二に多様な機能を
もつ素子を順次構成した、三次元集積回路への応用も可
能となる。
（２）本発明による多結晶シリコン膜の堆積方法は、原
料ガスの熱分解反応に加えてプラズマ放電分解反応を利
用しているため、堆積温度が７００℃以下の時、従来の
熱分解反応のみを利用している場合に比較して堆積速度
はかなり早くなる効果をもつ。
料ガスの熱分解反応に加えてプラズマ放電分解反応を利
用しているため、堆積温度が７００℃以下の時、従来の
熱分解反応のみを利用している場合に比較して堆積速度
はかなり早くなる効果をもつ。
（３）本発明では、＜１００＞配向多結晶シリコン膜を
印加電力を制御することにより製造するので、次のよう
な効果をもつ。すなわち、エツチングにより表面層の除
去速度は、結晶軸配向の方向に依存している（ ＜ １
００ ＞が最も早く、＜ １１．１ ＞が最も遅い）。
印加電力を制御することにより製造するので、次のよう
な効果をもつ。すなわち、エツチングにより表面層の除
去速度は、結晶軸配向の方向に依存している（ ＜ １
００ ＞が最も早く、＜ １１．１ ＞が最も遅い）。
このことを利用して、基板」二にまず＜ １．１０ ＞
配向膜を作り、ついて印加電力を制御してその」二に＜
１００＞配向膜を形成して、多結晶シリコン膜を作る。
配向膜を作り、ついて印加電力を制御してその」二に＜
１００＞配向膜を形成して、多結晶シリコン膜を作る。
そして＜ １００ ＞膜を選択的にエツチングすること
により、＜１１０＞膜」−に＜１００＞膜のパターンを
描いて残すことが可能となる。
により、＜１１０＞膜」−に＜１００＞膜のパターンを
描いて残すことが可能となる。
（４）不純物を熱拡散法によりドープする場合、その拡
散係数（不純物が拡散する速度を与える係数）は、結晶
軸方向に依存する。このため＜ １． ＯＯ＞膜と＜
１１．０ ＞膜の２層構造の多結晶シリコン膜に拡散さ
せた時、ドーピング深さを選択的に制御することが可能
である。
散係数（不純物が拡散する速度を与える係数）は、結晶
軸方向に依存する。このため＜ １． ＯＯ＞膜と＜
１１．０ ＞膜の２層構造の多結晶シリコン膜に拡散さ
せた時、ドーピング深さを選択的に制御することが可能
である。
［実施例］
本発明は、以下の実施例により更に明確に説明される。
実施例１
本発明者の出願にかかる特願昭５［ｉ−５０９０４号に
開示した薄膜作製装置を用いて、本発明のシリコン膜を
製造した。この装置は、第１図に示すよ６に、外熱式誘
導結合型装置であり、直径が５ ｃｍの溶融石英製の反
応管］に同心形状にプラズマ発生用高周波コイル２（巻
数は２０ターン）を配置し、それを電気炉３中に挿入し
たものである。シリコン膜の堆積用基板４（石英または
ガラス）は高周波コイルの中心部に位置するように反応
管内に設置した。原料ガスとしては、シランと水素を１
対４の割合で混合したガスを使用し、堆積温度を７００
℃、ガス圧力を０．３Ｔｏｒｒ 、ガス総流量を４８Ｃ
ＣＭとして、印加高周波電力をＯＷから４０Ｗまで変化
させた。この例でのシリコン膜の１時間当たりの堆積速
度は、ＯＷの場合を除いて、０．４〜０．６μｍである
。＜１００＞配向多結晶シリコン膜は３Ｗと７Ｗの間で
得られ、ＩＯＷ以上では＜１１０＞配向膜となった。＜
１００＞配向の程度は、５Ｗで堆積した場合、全結晶粒
の相対強度の総和に占める＜１００＞配向した結晶粒の
割合は８５％以上であり、＜１１１＞方向の割合は約８
％、＜１１０＞および＜ ３１１． ＞の割合は約２〜
４％であった。さらに、表面荒さ計によって測定された
表面の荒れの程度は、ＯＷで堆積［７た場合、約１００
〜１５０人であったのに対して、３Ｗ以」−の電力３Ｗ
以」二の電力を印加した時、その表面は極めて平滑とな
り、使用した表面荒さ計の検出限界である３０Å以下で
あった。
開示した薄膜作製装置を用いて、本発明のシリコン膜を
製造した。この装置は、第１図に示すよ６に、外熱式誘
導結合型装置であり、直径が５ ｃｍの溶融石英製の反
応管］に同心形状にプラズマ発生用高周波コイル２（巻
数は２０ターン）を配置し、それを電気炉３中に挿入し
たものである。シリコン膜の堆積用基板４（石英または
ガラス）は高周波コイルの中心部に位置するように反応
管内に設置した。原料ガスとしては、シランと水素を１
対４の割合で混合したガスを使用し、堆積温度を７００
℃、ガス圧力を０．３Ｔｏｒｒ 、ガス総流量を４８Ｃ
ＣＭとして、印加高周波電力をＯＷから４０Ｗまで変化
させた。この例でのシリコン膜の１時間当たりの堆積速
度は、ＯＷの場合を除いて、０．４〜０．６μｍである
。＜１００＞配向多結晶シリコン膜は３Ｗと７Ｗの間で
得られ、ＩＯＷ以上では＜１１０＞配向膜となった。＜
１００＞配向の程度は、５Ｗで堆積した場合、全結晶粒
の相対強度の総和に占める＜１００＞配向した結晶粒の
割合は８５％以上であり、＜１１１＞方向の割合は約８
％、＜１１０＞および＜ ３１１． ＞の割合は約２〜
４％であった。さらに、表面荒さ計によって測定された
表面の荒れの程度は、ＯＷで堆積［７た場合、約１００
〜１５０人であったのに対して、３Ｗ以」−の電力３Ｗ
以」二の電力を印加した時、その表面は極めて平滑とな
り、使用した表面荒さ計の検出限界である３０Å以下で
あった。
また、」１記の多結晶シリコン膜を１０００℃で熱酸化
することにより、金属−酸化シリコン膜−多結晶シリコ
ン膜の構造物を作製して、コンダクタンス法により多結
晶シリコン膜と酸化シリコン膜との界面付近における表
面準位密度を調べた。なお、熱酸化後の多結晶シリコン
膜についても配向の程度を調べた。結果として、１５Ｗ
以」二の電力を印加して極めて強い＜１１０＞配向を示
していたシリコン膜において、わずかに配向の強さが弱
まったことを除いては、大きな変化は見られなかった。
することにより、金属−酸化シリコン膜−多結晶シリコ
ン膜の構造物を作製して、コンダクタンス法により多結
晶シリコン膜と酸化シリコン膜との界面付近における表
面準位密度を調べた。なお、熱酸化後の多結晶シリコン
膜についても配向の程度を調べた。結果として、１５Ｗ
以」二の電力を印加して極めて強い＜１１０＞配向を示
していたシリコン膜において、わずかに配向の強さが弱
まったことを除いては、大きな変化は見られなかった。
たたし、これは＜ １．１１ ＞方向のＸ線強度を基準
とした場合であって、相対強度で求めた場合は、＜１０
０＞および＜ １１． Ｏ＞方向に強い配向を示す膜に
おいては、それぞれ相対強度か１０〜２０％程度増加し
ていた。表面準位密度の印加高周波電力による変化は、
＜１００＞配向の強さの変化と良く対応しており、ラン
ダム配向に近い構造をもつＯＷで堆積した多結晶シリコ
ン膜における］４ 表面準位密度を基準とすれは、５Ｗで堆積した＜１００
＞配向膜のそれは約１／１２てあり、１５Ｗで堆積した
＜ １１０ ＞配向膜のそれは約］／２であった。
とした場合であって、相対強度で求めた場合は、＜１０
０＞および＜ １１． Ｏ＞方向に強い配向を示す膜に
おいては、それぞれ相対強度か１０〜２０％程度増加し
ていた。表面準位密度の印加高周波電力による変化は、
＜１００＞配向の強さの変化と良く対応しており、ラン
ダム配向に近い構造をもつＯＷで堆積した多結晶シリコ
ン膜における］４ 表面準位密度を基準とすれは、５Ｗで堆積した＜１００
＞配向膜のそれは約１／１２てあり、１５Ｗで堆積した
＜ １１０ ＞配向膜のそれは約］／２であった。
第２図は本発明方法を実施するに際し、堆積温度を７０
０℃一定の下で高周波電力を変化させた時のアンドープ
膜のＸ−線回折強度の相対強度を示したものであり、第
３図は堆積温度は７０００Ｃとし、シラン（Ｓ ｉＨ４
）に対するジボラン（Ｂ２Ｈ６）の流量比を１０−５で
一定としたときの相対強度を示す。相対強度の定義は、
測定された各方位からのＸ−線信号強度を全くランダム
なシリコン・パウダーにおける対応するＸ−線信号強度
によって割り算し、さらに、Ｘ−線のシリコンに対する
吸収係数を使って測定した試料の膜厚の差異を補正した
ものである。第２図に見られるように、強い＜１００＞
配向は５Ｗて観測されており、１５Ｗ以上では強い＜１
１０＞配向が観測されている。第３図に示したボロン・
ドープ膜についての結果は、５Ｗより低い３Ｗでさらに
＜ １００ ＞配向か強くなっているのが分かる。また
、第２図及び第３図の５Ｗおよび１５Ｗに対する結果の
比較からボロンのドープは＜１００＞および＜１１０＞
配向共に相対強度を約半分に弱めているのが分かります
。そして、第２図及び第３図に示す結果は、＜１００＞
配向の強い多結晶シリコン膜の形成が、＜１１０＞配向
の強いシリコン膜よりも常に低いプラズマ形成用印加電
圧の下で達成されるということを意味している。
０℃一定の下で高周波電力を変化させた時のアンドープ
膜のＸ−線回折強度の相対強度を示したものであり、第
３図は堆積温度は７０００Ｃとし、シラン（Ｓ ｉＨ４
）に対するジボラン（Ｂ２Ｈ６）の流量比を１０−５で
一定としたときの相対強度を示す。相対強度の定義は、
測定された各方位からのＸ−線信号強度を全くランダム
なシリコン・パウダーにおける対応するＸ−線信号強度
によって割り算し、さらに、Ｘ−線のシリコンに対する
吸収係数を使って測定した試料の膜厚の差異を補正した
ものである。第２図に見られるように、強い＜１００＞
配向は５Ｗて観測されており、１５Ｗ以上では強い＜１
１０＞配向が観測されている。第３図に示したボロン・
ドープ膜についての結果は、５Ｗより低い３Ｗでさらに
＜ １００ ＞配向か強くなっているのが分かる。また
、第２図及び第３図の５Ｗおよび１５Ｗに対する結果の
比較からボロンのドープは＜１００＞および＜１１０＞
配向共に相対強度を約半分に弱めているのが分かります
。そして、第２図及び第３図に示す結果は、＜１００＞
配向の強い多結晶シリコン膜の形成が、＜１１０＞配向
の強いシリコン膜よりも常に低いプラズマ形成用印加電
圧の下で達成されるということを意味している。
実施例２
実施例１のアンドープ膜に対する堆積条件のうち、シラ
ンと水素の割合を１対４＊とともに、１対２及び１対８
と変え、他の条件は以下に示す同じ条件下で多結晶シリ
コンを作製した。その結果を実施例１の結果（１対４＊
＊）とともに表１に示す。
ンと水素の割合を１対４＊とともに、１対２及び１対８
と変え、他の条件は以下に示す同じ条件下で多結晶シリ
コンを作製した。その結果を実施例１の結果（１対４＊
＊）とともに表１に示す。
表 １
水素に対するシランガスの混合割合を変化させた時のＸ
−線相対強度の変化及び堆積速度の変化計：相対強度の
定義は第２図、第３図に示されたものと同じ。
−線相対強度の変化及び堆積速度の変化計：相対強度の
定義は第２図、第３図に示されたものと同じ。
堆積強度は、堆積温度（７００℃）、印加高周波電力（
５ｗ）、圧力（０，３Ｔｏｒｒ） 、流ｆｉｔ （４８
ＣＣＭ）等で、第２図に示されたアンドープ膜の５Ｗの
時と同じであり、水素希釈比のみを変えている。
５ｗ）、圧力（０，３Ｔｏｒｒ） 、流ｆｉｔ （４８
ＣＣＭ）等で、第２図に示されたアンドープ膜の５Ｗの
時と同じであり、水素希釈比のみを変えている。
結果として、データにバラツキがあるものの、水素の混
合割合を減少（１対８から１対２の方向に変化）させた
時、＜１００＞方向の相対強度は大きく増加しており、
＜３１１＞のそれは減少しているのがわかる。＜１１１
＞のそれもやや減少している。他の方位に関してきあま
り大きくは変化していないと見ることができる。
合割合を減少（１対８から１対２の方向に変化）させた
時、＜１００＞方向の相対強度は大きく増加しており、
＜３１１＞のそれは減少しているのがわかる。＜１１１
＞のそれもやや減少している。他の方位に関してきあま
り大きくは変化していないと見ることができる。
以上の結果から、強い＜１００＞配向膜を得るための堆
積条件として、水素のシランに対する混合割合は大きく
しない方が良いことが分る。その理由は明確ではないが
、本発明者の推定によれば、水素そのものの影響という
よりも水素の混合割合を減少させた時に堆積速度が大き
く増加していることから、堆積速度はある程度速い方が
強い＜１００＞配向膜を得ることができると考えられる
。しかし、堆積速度が速すぎると、プラズマを印加した
条件の下でも多結晶シリコン膜の表面は荒れてきます。
積条件として、水素のシランに対する混合割合は大きく
しない方が良いことが分る。その理由は明確ではないが
、本発明者の推定によれば、水素そのものの影響という
よりも水素の混合割合を減少させた時に堆積速度が大き
く増加していることから、堆積速度はある程度速い方が
強い＜１００＞配向膜を得ることができると考えられる
。しかし、堆積速度が速すぎると、プラズマを印加した
条件の下でも多結晶シリコン膜の表面は荒れてきます。
］対２の場合は、１対４の場合よりも表面の荒れはやや
増加（１対２の試料の表面の荒れは４０〜５０人）して
いた。以」二のことから、強い＜１００＞配向及び平滑
な表面の多結晶シリコン膜を得るためには、１時間当り
の堆積速度の」１限が１〜２μｍ程度であることが好適
であることが推定される。
増加（１対２の試料の表面の荒れは４０〜５０人）して
いた。以」二のことから、強い＜１００＞配向及び平滑
な表面の多結晶シリコン膜を得るためには、１時間当り
の堆積速度の」１限が１〜２μｍ程度であることが好適
であることが推定される。
］ ８
実施例３
７００℃の時強い＜１００＞配向が観測された高周波電
力が５Ｗの条件で一定として、堆積温度を６００〜８０
０℃まで変化させてアンドープ膜を作製してＸ−線回折
の相対強度を測定した（他の堆積条件は実施例１と同じ
）。結果として、温度を増加させていくと、最初＜ １
１０ ＞の相対強度が６３０℃付近から増加し始め、６
８０℃付近で最大値を取りその後、急激に減少する。一
方、＜１００＞の相対強度は６６０℃付近から増加し始
め、７００〜７３０ ’Ｃで最大値を取った後、序々に
減少した。＜１１１＞および＜３１１＞の相対強度は＜
１１０＞や＜１００＞の強度に比較して全温度範囲で弱
く、温度の増加に対してはわずかに単調増加している。
力が５Ｗの条件で一定として、堆積温度を６００〜８０
０℃まで変化させてアンドープ膜を作製してＸ−線回折
の相対強度を測定した（他の堆積条件は実施例１と同じ
）。結果として、温度を増加させていくと、最初＜ １
１０ ＞の相対強度が６３０℃付近から増加し始め、６
８０℃付近で最大値を取りその後、急激に減少する。一
方、＜１００＞の相対強度は６６０℃付近から増加し始
め、７００〜７３０ ’Ｃで最大値を取った後、序々に
減少した。＜１１１＞および＜３１１＞の相対強度は＜
１１０＞や＜１００＞の強度に比較して全温度範囲で弱
く、温度の増加に対してはわずかに単調増加している。
以上の結果から、ある方位に対してその相対強度が他の
方位からの信号に比較して主信号となるその方向での配
向は、＜１１０＞配向は６５０℃から６８０℃の間、＜
１００＞配向は６９０℃から７３０℃の間で観測される
。この堆積温度依存性は、通常の低ガス圧力下での熱Ｃ
ＶＤ （ＬＰＧＶＤ）法によって堆積された多結晶シリ
コン膜における各配向の堆積温度依存性と非常に類似し
ている。
方位からの信号に比較して主信号となるその方向での配
向は、＜１１０＞配向は６５０℃から６８０℃の間、＜
１００＞配向は６９０℃から７３０℃の間で観測される
。この堆積温度依存性は、通常の低ガス圧力下での熱Ｃ
ＶＤ （ＬＰＧＶＤ）法によって堆積された多結晶シリ
コン膜における各配向の堆積温度依存性と非常に類似し
ている。
方、高周波電力を１５Ｗ以上とした場合には、＜１００
＞配向は全堆積温度範囲で観測されない。
＞配向は全堆積温度範囲で観測されない。
以上の結果、およびＬＰＧＶＤ膜の配向の堆積温度依存
性との類似性を考慮して、＜１００＞配向を可能ならし
める堆積条件について推定する。なお、ＬＰＧＶＤ膜の
場合、シランの圧力を一定とした時ある堆積温度範囲で
＜１００＞配向が観測されているか、シランの圧力を減
少させると、＜１００＞配向か観測される堆積温度の」
１限および下限共に、低温側に移動することが報告され
ている（なお、＜１１０＞配向が観測される範囲も移動
して、常に＜１００＞配向よりも低温側で観測される）
。
性との類似性を考慮して、＜１００＞配向を可能ならし
める堆積条件について推定する。なお、ＬＰＧＶＤ膜の
場合、シランの圧力を一定とした時ある堆積温度範囲で
＜１００＞配向が観測されているか、シランの圧力を減
少させると、＜１００＞配向か観測される堆積温度の」
１限および下限共に、低温側に移動することが報告され
ている（なお、＜１１０＞配向が観測される範囲も移動
して、常に＜１００＞配向よりも低温側で観測される）
。
堆積温度の増加およびガス圧力の減少は、共に、基板表
面に到達した反応分子の運動エネルギーを増加させるも
のであり、この運動エネルギーのある適当な範囲で、こ
れが主な原因となって、＜ １．００ ＞配向の実現が
可能になっているものと考えられる。
面に到達した反応分子の運動エネルギーを増加させるも
のであり、この運動エネルギーのある適当な範囲で、こ
れが主な原因となって、＜ １．００ ＞配向の実現が
可能になっているものと考えられる。
プラズマの印加は、またこの運動エネルギーを増加させ
る。しかし、プラズマが配向性に与える効果としては、
運動エネルギーの増加だけではなく、スパッタリング効
果により弱い５ｉ−８ｔボンドを除去する物理的な効果
（この効果が堆積されたシリコン膜の表面を平滑にして
いる原因の一つと考えられる）も寄与していると考えら
れる。
る。しかし、プラズマが配向性に与える効果としては、
運動エネルギーの増加だけではなく、スパッタリング効
果により弱い５ｉ−８ｔボンドを除去する物理的な効果
（この効果が堆積されたシリコン膜の表面を平滑にして
いる原因の一つと考えられる）も寄与していると考えら
れる。
事実として単結晶シリコンにおいて、＜１００＞方向の
面は、＜１１０＞や＜１１１＞方向に比較してエツチン
グ除去されやすい。本発明の多結晶シリコン膜において
も、高周波電力を増加（スパッタリング効果が増加する
）させた時、＜１００＞配向からエツチング除去されに
くい＜１１０＞配向に変化している。そのため、＜１０
０＞配向が観測される印加高周波電力の上限の値は、前
記した他の堆積条件によって余り大きくは変化しないと
考えられる。しかし、プラズマ印加による基板表面にお
ける吸着反応分子の運動エネルギー増加の効果は、堆積
温度の減少又はガス圧力を増加させた時（運動エネルギ
ーが減少する）、上記の高周波電力の上限値はいくらか
増加するであろう。
面は、＜１１０＞や＜１１１＞方向に比較してエツチン
グ除去されやすい。本発明の多結晶シリコン膜において
も、高周波電力を増加（スパッタリング効果が増加する
）させた時、＜１００＞配向からエツチング除去されに
くい＜１１０＞配向に変化している。そのため、＜１０
０＞配向が観測される印加高周波電力の上限の値は、前
記した他の堆積条件によって余り大きくは変化しないと
考えられる。しかし、プラズマ印加による基板表面にお
ける吸着反応分子の運動エネルギー増加の効果は、堆積
温度の減少又はガス圧力を増加させた時（運動エネルギ
ーが減少する）、上記の高周波電力の上限値はいくらか
増加するであろう。
また、堆積温度にも下限の値があり、６００〜６５０℃
程度以下では通常のＬＰＧＶＤ膜とプラズマ印加法（Ｐ
ＥＣＶＤ ）による膜とては、その堆積速度には大きな
差かある（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＡｐｐｌｉｅｄＰｈ
ｙｓｉｃｓ、 ６４１８） １５０ｃｔｏｂｅｒ １
９８８ 、 ４１５５頁。
程度以下では通常のＬＰＧＶＤ膜とプラズマ印加法（Ｐ
ＥＣＶＤ ）による膜とては、その堆積速度には大きな
差かある（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＡｐｐｌｉｅｄＰｈ
ｙｓｉｃｓ、 ６４１８） １５０ｃｔｏｂｅｒ １
９８８ 、 ４１５５頁。
Ｐｉｇ、 １． （ａ） 、参照）。そのため、＜１０
０＞配向が可能である比較的低い高周波電力の印加の下
では、ＰＥＣＶＤ膜の場合、堆積温度が低いことおよび
堆積速度か早いことのために結晶化せずにアモルファス
となりやすい。
０＞配向が可能である比較的低い高周波電力の印加の下
では、ＰＥＣＶＤ膜の場合、堆積温度が低いことおよび
堆積速度か早いことのために結晶化せずにアモルファス
となりやすい。
多結晶シリコン膜を薄膜トランジスタに応用する場合、
多結晶シリコン膜上に作製されるゲート絶縁膜の厚さは
５００人であり、本発明により実現されている多結晶シ
リコン膜の表面の荒れの大きさはこの応用に対しては全
く問題がない。一方、従来のＬＰＧＶＤ法によって堆積
された多結晶シリコン膜の表面荒れは、＜１００＞配向
が観測できる６００℃以上の堆積温度では、本発明の研
究によれば１００Å以上であり、ｌ−記の目的には使用
できない。さらには、従来のＬ Ｐ ＣＶ Ｄ膜の場合
、表面の荒れはその配向の強さと共に増加し、強い＜
１．００ ＞配向をもつＬ Ｐ ＣＶ Ｄ膜においては
、その表面の荒れは２０００人にも達することが報告さ
れている。
多結晶シリコン膜上に作製されるゲート絶縁膜の厚さは
５００人であり、本発明により実現されている多結晶シ
リコン膜の表面の荒れの大きさはこの応用に対しては全
く問題がない。一方、従来のＬＰＧＶＤ法によって堆積
された多結晶シリコン膜の表面荒れは、＜１００＞配向
が観測できる６００℃以上の堆積温度では、本発明の研
究によれば１００Å以上であり、ｌ−記の目的には使用
できない。さらには、従来のＬ Ｐ ＣＶ Ｄ膜の場合
、表面の荒れはその配向の強さと共に増加し、強い＜
１．００ ＞配向をもつＬ Ｐ ＣＶ Ｄ膜においては
、その表面の荒れは２０００人にも達することが報告さ
れている。
第１図は、本発明の実施例で使用したシリコン膜作製装
置の概略図、第２図及び第３図はそれぞれ実施例におけ
る高周波電力を変えた場合の各結晶軸の配向の相対強度
の変化を示す図である。 １・・・反応管、２・・・高周波コイル、３・・電気炉
、４・・・基板。 出願人代理人 弁理士 鈴江武彦
置の概略図、第２図及び第３図はそれぞれ実施例におけ
る高周波電力を変えた場合の各結晶軸の配向の相対強度
の変化を示す図である。 １・・・反応管、２・・・高周波コイル、３・・電気炉
、４・・・基板。 出願人代理人 弁理士 鈴江武彦
Claims (2)
- （１）反応装置内に基板を配置する工程と、上記反応装
置内にシラン系ガスを含む原料ガスを導入して５００〜
８００℃で熱分解する工程と、熱分解と同時にプラズマ
発生用電力を印加して上記原料ガス中でプラズマを発生
させる工程と、原料ガスの熱分解とプラズマの発生とに
より、上記基板上にシリコンを堆積させて多結晶シリコ
ン膜を形成する工程と、を具備し、 上記プラズマ発生用印加電力を、シリコン膜が＜１１０
＞配向の多結晶となる印加電力よりも低く制御して、主
に＜１００＞配向で、表面が平滑な多結晶シリコン膜を
得る、多結晶シリコン膜の製造方法。 - （２）請求項１の方法で得られた多結晶シリコン膜に、
更に結晶粒サイズの増加処理を施す多結晶シリコン膜の
製造方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1029286A JPH02208293A (ja) | 1989-02-08 | 1989-02-08 | 多結晶シリコン膜の製造方法 |
| US07/472,954 US5064779A (en) | 1989-02-08 | 1990-01-31 | Method of manufacturing polycrystalline silicon film |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1029286A JPH02208293A (ja) | 1989-02-08 | 1989-02-08 | 多結晶シリコン膜の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02208293A true JPH02208293A (ja) | 1990-08-17 |
| JPH0512315B2 JPH0512315B2 (ja) | 1993-02-17 |
Family
ID=12272006
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1029286A Granted JPH02208293A (ja) | 1989-02-08 | 1989-02-08 | 多結晶シリコン膜の製造方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5064779A (ja) |
| JP (1) | JPH02208293A (ja) |
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| US5614257A (en) * | 1991-08-09 | 1997-03-25 | Applied Materials, Inc | Low temperature, high pressure silicon deposition method |
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| US9443730B2 (en) | 2014-07-18 | 2016-09-13 | Asm Ip Holding B.V. | Process for forming silicon-filled openings with a reduced occurrence of voids |
| US9837271B2 (en) | 2014-07-18 | 2017-12-05 | Asm Ip Holding B.V. | Process for forming silicon-filled openings with a reduced occurrence of voids |
| US10460932B2 (en) | 2017-03-31 | 2019-10-29 | Asm Ip Holding B.V. | Semiconductor device with amorphous silicon filled gaps and methods for forming |
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| JP3491903B2 (ja) * | 1990-05-18 | 2004-02-03 | セイコーエプソン株式会社 | 薄膜半導体装置の製造方法 |
| WO1993002468A1 (en) * | 1991-07-16 | 1993-02-04 | Seiko Epson Corporation | Chemical vapor deposition apparatus, method of semiconductor film formation, and method of producing thin film semiconductor device |
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| US7858427B2 (en) * | 2009-03-03 | 2010-12-28 | Applied Materials, Inc. | Crystalline silicon solar cells on low purity substrate |
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| JP6920917B2 (ja) * | 2017-07-28 | 2021-08-18 | 上野製薬株式会社 | ６−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸アルケニルエステルおよびその製造方法 |
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| JPS58176929A (ja) * | 1982-04-09 | 1983-10-17 | Fujitsu Ltd | 半導体装置の製造方法 |
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-
1989
- 1989-02-08 JP JP1029286A patent/JPH02208293A/ja active Granted
-
1990
- 1990-01-31 US US07/472,954 patent/US5064779A/en not_active Expired - Lifetime
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| US10460932B2 (en) | 2017-03-31 | 2019-10-29 | Asm Ip Holding B.V. | Semiconductor device with amorphous silicon filled gaps and methods for forming |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5064779A (en) | 1991-11-12 |
| JPH0512315B2 (ja) | 1993-02-17 |
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