JPH04137724A

JPH04137724A - 多結晶シリコン薄膜

Info

Publication number: JPH04137724A
Application number: JP2260760A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Kakigi; 柿木　寿; Tatsuro Nagahara; 達郎長原; Keitaro Fukui; 福井　慶太郎
Original assignee: Tonen Corp
Current assignee: Tonen General Sekiyu KK
Priority date: 1990-09-28
Filing date: 1990-09-28
Publication date: 1992-05-12

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。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は薄膜トランジスタ等の半導体や太陽電池に利用
し得る多結晶シリコン薄膜に関し、特に（１００）配向
を大きくした多結晶シリコン薄膜に関する。

〔従来の技術〕

多結晶シリコン薄膜は数百人〜数十μｍの結晶シリコン
か多数集合した状態であり、従来その薄膜は主として熱
ＣＶＤ法によって製造され、アモルファスシリコンに比
して電子の移動度が１〜２桁程大きく、単結晶シリコン
では不可能なアルミナやグラファイトなと結晶シリコン
以外の材質の基板上への形成が可能であるという優れた
特性を有しているが、その製膜温度が６００〜７００°
Ｃ以上と高いために、従来、耐熱性のある石英ガラス基
板に積んで薄膜トランジスタとして使用されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、従来の多結晶シリコン薄膜は、配向性、特に
（１００）配向が低いので薄膜表面の平坦性が低下し、
薄膜トランジスタ等に使用する場合に微細加工後の歩留
まりが低下するという問題があった。

また、結晶シリコン以外の材質の基板上に熱ＣＶＤ法に
よって形成する際には、７００”Ｃ以上の高温状態に曝
されるため基板中に含存されるアルミニウムやニッケル
なとの不純物がシリコン結晶中に拡散して堆積され、薄
膜の特性か劣化してしまうとともに、歪点の低いガラス
基板上に多結晶シリコン薄膜を形成することはできなか
った。

さらに、最近の研究によって、熱ＣＶＤ法によって作製
した多結晶シリコンの場合は、作製時の温度が高いため
にシリコン粒子間の隙間か多く互いに密着していないこ
とに加え、結晶粒界のダングリングボンドか電気的特性
を劣化させることか判明し、斬る不都合を是正するため
に結晶粒界を水素でパッシベーションさせる必要かある
等の欠点が知られている。

このため、最近低温で多結晶シリコン薄膜を製造するこ
とのできるプラズマＣＶＤ法（特開昭６３−１５７８７
２号、同６３−１７５４１７号参照）が注目されている
。これらの方法においては反応ガスの一成分として多量
の水素ガスを使用するため、得られた多結晶シリコンは
熱ＣＶＤ法による場合よりシリコン粒子間に水素を含存
し、度作製した多結晶シリコンを後からノ（・ノシベー
ンヨンする必要はないという長所を有する。

しかしながら、上記方法により得られた多結晶シリコン
薄膜は、約２．５原子％以上の水素を含有し、シリコン
の結晶粒径は高々５００人程度しか得られなかった。

そこで、本発明者等は多結晶シリコン薄膜について更に
研究を進めた結果、水素を希釈ガスとして使用せず、成
膜ガスとして水素化珪素、工・ノチングガスとしてフッ
化珪素フッ素ガス或いは塩化珪素ガスを使用し、プラズ
マＣＶＤ法又は光ＣＶＤ法を用いて、任意の基板上に（
１００）配向７０％以上、水素含有量、フッソ含有量を
それぞれｌ原子％以下、結晶粒径０．０１〜５μｍ程度
の多結晶シリコン薄膜を得ることかでき、これによって
多結晶シリコン薄膜の物性を改良することかできること
を見出し本発明に到達した。

従って本発明の目的は、任意の基板を用いて（１００）
配向の大きい高品質の多結晶シリコン薄膜を提供するこ
とにある。

さらに本発明の目的は、水素含有量、フッソ含有量をそ
れぞれ１原子％以下とし、結晶粒径か大きく、高性能の
多結晶シリコン薄膜を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の多結晶シリコン薄膜は、任意の基板上に形成さ
れ、（１００）配向が７０％以上であること、またプラ
ズマＣＶＤまたは光ＣＶＤにより形成されること、また
水素含有量カ月原子％以下、フッソ含有量が１原子％以
下、結晶粒径が０，０１〜５μｍであることを特徴とす
る。

以下に本発明の多結晶シリコン薄膜について詳述する。

本発明の多結晶シリコン薄膜を得るに当たっては、ガラ
ス、セラミック、金属等任意の基板を使用し、この基板
上にプラズマＣＶＤ法によって多結晶シリコン薄膜を形
成する。単結晶シリコンを基板として用いた場合には、
プラズマＣＶＤとして結晶化の条件を選択するとエピタ
キシャル膜が得られ本発明の多結晶シリコン薄膜は得ら
れない。

多結晶シリコンを成膜するための成膜性ガスとしては、
Ｓ　ｉ　Ｈ，Ｘ４−、　　（ｍは１〜４、好ましくは２
〜４、ＸはＣ１又はＦ原子、好ましくはＦ原子である。

）、５ｉ２Ｈｓ及び５ｉ−Ｈ−等を挙げることができる
。これらの成膜性ガスは単独で使用しても、２種以上を
混合して使用しても良い。

又、エツチング性ガスとしては５ｉＦｓ、ＳｉｔＦｇ　
、Ｓ　Ｉ　ＣＡ’ａ　、Ｆｔ及びＣ１ｓ等を挙げること
ができる。これらのエツチング性ガスは単独て使用して
も２種以上を混合して使用しても良い。

本発明の多結晶シリコン薄膜は、成膜性ガスとエツチン
グ性ガスを適宜混合して使用し、結晶成長とエツチング
のバランスをとることにより得られる。このようなバラ
ンスは、上記成膜性ガスとエツチング性ガスを適宜混合
して使用することにより、容易に調整することができる
が、特に成膜性ガスとしてＳ　Ｉ　Ｈ４及び５ｉｔＨ＊
を夫々単独で又は混合して用いることが好ましい。又、
エツチング性ガスとしては、Ｓ　ｓ　Ｆ　４及びＦ、を
夫々単独又は混合して用いることか好ましい。

プラズマを発生させるチャンバー内の圧力は、基板上に
到達する原子等が有するエネルギー量に関係するので、
その圧力は０．０２Ｔｏｒｒ−１５Ｔｏｒｒとすること
が必要であり、特に０．　３Ｔｏｒｒ〜５Ｔｏｒｒとす
ることか好ましい。

前記成膜性ガス及びエツチング性ガスには、更に希ガス
等の不活性ガス、好ましくはヘリウム、ネオン、アルゴ
ン等を希釈ガスとして加えても良く、水素ガスはいわゆ
る希釈ガスとして使用しない。希釈ガスはエツチング性
ガスに対して１〜ｌ０００倍量、特に５〜１００倍量使
用することが好ましい。

又、成膜性ガスとエツチング性ガスについては、エツチ
ング性ガスを成膜性ガスの約１〜５００倍、好ましくは
３〜２００倍とする。エツチング性ガスが成膜性ガスの
１倍以下であると、多結晶シリコンか成長し易いように
基板表面を常に最良の状態に保つことかできない一方、
５００倍以上としては、エツチング速度が大きくなりす
ぎてシリコンの結晶成長速度か低下する。

上記の条件を満たした反応ガスを、電力密度００１〜１
０Ｗ／ａｉ、好ましくは０．１〜５Ｗ／ａｌで放電して
反応ガスをプラズマ化し、約１００°Ｃ〜７００℃好ま
しくは約３０（１″Ｃ〜６００℃の間の一定温度に維持
した基板上に多結晶シリコン薄膜を形成せしめる。放電
は、高周波放電、直流放電又はマイクロ波放電等の何れ
であっても良い。

基板温度か１００°Ｃより低いと、非晶質相か現れ、微
結晶構造となり品質か悪化する。基板温度を７００°Ｃ
より高くしても最早、性能をより向上させることができ
ない上、低温法としてのプラズマＣＶＤの利点を生かせ
なくなる。

電力密度は、反応ガスの種類及び圧力によって異なるか
、電力密度が０．０１Ｗ／ｃｄより小さいと反応ガスの
圧力を十分低下させなければならないので成膜速度か遅
く、ＩＯＷ／ｃｆｆｌを越えると薄膜の品質を高く維持
することができないので好ましくない。

こうして、真性の多結晶シリコン薄膜を作製することが
できるのみならず、反応ガス中に元素周期律表第■族又
は第■族のドーパントガスを混合することにより、形成
される多結晶ソリコン薄膜をｐ型又はｎ型とすることか
できる。この場合の上記ドーパントガスとしては、例え
ばンポラン、ホスフィン、アルシン等の水素化物が挙げ
られる。

所定の条件で形成された多結晶シリコン薄膜について、
Ｘ線回折による分析を行ったところ第１図に示すような
データが得られた。

第１図（ａ）は本発明の多結晶シリコンのＸ線回折強度
、第１図（ｂ）はＡＳＴＭカード（標準試料）に基づい
たＸ線回折強度を示す。

ＡＳＴＭカードによれば、配向の全くない多結晶シリコ
ンの場合の回折強度の比は、第１図（ｂ）に示すように
、（１１１）：　　（２２０）＋　　（３１１）（４００
）　　＝１００：５５：３０：５である。これに対して
、本発明により得られた薄膜多結晶シリコンのＸ線回折
強度の比は、（Ｉｌｌ）：　（２２０）：　　（３２２
）：　　（４００）＝０：２３：１０：５０となり、標
準値と測定値との比から配向性を求めると、　（ＩＩり
：Ｏ％、　（２２０）：４％、（３１１）：３％、（４
００）：９３％、となる。（４００）は（１００）と同
等であり、本発明の薄膜多結晶シリコンは（１００）配
向が非常に強いことが分かる。そして、後述の実施例で
示すように作成条件を異ならせて作成した結果、本発明
の多結晶シリコンは（１００）配向が７０％以上のもの
か得られた。

このように（１００）配向が７０％以上であるために薄
膜表面は平坦性に優れ、シリコン結晶粒子も約０．０１
μｍ〜５μｍと大きく成長し、従って薄膜中の結晶表面
積が減少するので結晶界面に存在するダングリングボン
ドを封鎖するための水素の量もＩ原子％以下であり、０
．　２原子％以下とすることも容易である。また、フッ
ソもエツチングとダングリングボンドのターミネーショ
ンの両方の機能を有するため、薄膜中に含まれる量を１
原子％以下とすると電気特性の向上に寄与せしめること
かできる。

また、本発明の多結晶シリコン薄膜は光ＣＶＤ法によっ
ても作成することができる。

この場合、光源として１８５ｎｍ、２５４　ｎｍに共鳴
線をもつ低圧水銀ランプを使用し、成膜ガス、エツチン
グガスとして、例えばそれぞれＳｉＨ４，５ＩＦ４を使
用し、基板（コーニング７０５９ガラス）温度を３６０
°Ｃ１圧力１．５Ｔｏｒｒ程度とする。あらかじめ、ｌ
Ｘｌ０−’Ｔｏｒｒに真空排気された反応室にＳｉＨ４
を４ＳＣＣＭ、ＳｉＦ４を２０ＳＣＣＭ、増感Ｍ（Ｈｇ
）のキャリアガスとしてのＨｅを１５０ＳＣＣＭ（水銀
温度８０°Ｃ）を導入し、圧力が安定した時点で低圧水
銀ランプを点灯した。得られた多結晶シリコン薄膜は成
長速度０．３人／ｓｅｅ、粒径１０００人で（１００）
配向の大きさは、プラズマＣＶＤの場合と同様に７０％
以上であった。

以上本発明の多結晶シリコン薄膜はプラズマＣＶＤ法お
よび光ＣＶＤ法によって製造され、原料ガスとしては成
膜性ガスとエツチングガスとか使用されることを述べた
。しかし、本発明は成膜性とエツチング性とを兼ね備え
た原料ガスと水素とを使用しても実施することかできる
。この場合の原料ガスとしては５ｉＦｔ　、Ｓｉ２Ｆｇ
か選択され、水素ガスは原料ガスに対して１／３〜１／
１０００、特に１１５〜１／４００混合すればよい。

〔作用〕

本発明の多結晶シリコン薄膜は、任意の基板上にプラズ
マＣＶＤまたは光ＣＶＤにより形成され、（＋００）配
向性か７０％以上であるため、平坦性に優れ、微細加工
に適しているので、薄膜トランジスタ等に好適に適用す
ることができ、薄膜トランジスタの大面積化も容易にな
るので、液晶テレビ等多方面への応用が可能となる。

〔実施例〕

以下実施例に従って本発明を更に詳述するが、本発明は
これによって限定されるものではない。

実施例１゜予め、ｌＸｌ０−’ＴｏｒｒＯ高真空にした反応室内に
、５ｉＨａ　　：Ｆｔ　　：Ｈｅ＝１：５：１００の混
合ガスを反応ガスとして５０ＳＣＣＭで供給し反応ガス
の圧力を１．２Ｔｏｒｒに調整した。

次いでこの反応ガスを１３．５６ＭＨｚの高周波電源を
用いて、電力０．７Ｗ／ｃｄでプラズマ化し、４５０″
Ｃに加熱されたガラス基板上に４０００人の厚さとなる
迄シリコン薄膜を形成させた。

得られた薄膜について、ラマン分光分析を行ったところ
、５２０■−１の位置に半値巾５０−１の結晶シリコン
に基づく非常にシャープなスペクトルがＩｉ！測された
。

又、Ｘ線回折によってＸ線強度を測定して（１００）配
向の割合を求めたところ、９７％であり、透過型電子穎
微鏡を用いて粒径を測定したところ、平均粒径は２００
０人であった。更に、この薄膜の電子移動度をホール効
果測定装置により求めたところ１８ｃｍ−”Ｖ−’　−
Ｓ−’であった。

又、水素含量は０．１％、フッソ含有量は０゜２％であ
った。

実施例２〜７第１表の条件で実施例１と同様にして多結晶シリコン薄
膜を得、結晶の平均粒径、水素含量及び電子移動度を測
定した所第２表に示す結果を得た。

比較例１゜基板温度を３００°Ｃ、プラズマ反応室内圧力を５Ｔｏ
　ｒ　ｒ、原料ガスとしてＳ！Ｈｎ：Ｈ２＝１：１００
の混合ガスを使用し、電力密度２Ｗ／ｄの条件てプラズ
マＣＶＤを行った他は、実施例１と全く同様にして試料
を作製した。得られたシリコン薄膜のアモルファスシリ
コン相中に多くの微結晶か島の如く存在するものであっ
た。このシリコン層の水素濃度は約８原子％と多く、電
子移動度は０．１ａｌ−Ｖ−’−３−’と小さく、（１
００）については８％であった。

比較例２及び３第１表の条件で比較例１と同様にしてガラス基板上へシ
リコン薄膜を形成させた。得られたシリコン薄膜は第２
表に示す如くであり、本願発明の多結晶シリコン薄膜よ
り劣ることが確認された。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、（１００）配向の大きい
多結晶シリコン薄膜を得ることができるので、薄膜表面
の平坦性を向上させることができ、微細加工に優れ、薄
膜トランジスタ等へ好適に適用することかてき、薄膜ト
ランジスタの大面積化も容易になるので、液晶テレビ等
多方面への応用か可能となる。また、水素含有量、フッ
ソ含有量を少なくてきるとともに、結晶粒径を大きくす
ることができるので、電気的特性も格段に向上させるこ
とが可能である。さらに、低温での形成か可能であるた
め不純物を含有する基板を使用しても、形成されるシリ
コン薄膜中に基板中の不純物か拡散するのを防ぐのが容
易で、安価な基板を用いることによって薄膜半導体素子
の製造コストを大幅に引き下げることができるのみなら
ず、この低コスト化に伴って薄膜の用途を大幅に拡大す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の多結晶シリコンの（１００）配向を説
明するための図である。出　　願　　人　　東燃株式会社

Claims

【特許請求の範囲】

（１）任意の基板上に形成され、（１００）配向が７０
％以上であることを特徴とする多結晶シリコン薄膜。
（２）プラズマＣＶＤまたは光ＣＶＤにより形成された
ことを特徴とする請求項１記載の多結晶シリコン薄膜。
（３）水素含有量が１原子％以下、フッソ含有量が１原
子％以下、結晶粒径が０．０１μｍ〜５μｍである請求
項１または２記載の多結晶シリコン薄膜。