JPH04137725A - ガラス基板多結晶シリコン薄膜 - Google Patents

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、特にガラス基板上に
形成され、（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
が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
して電子の移動度か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か可能であるという優れた
特性を有しているか、その製膜温度が６００〜７０゛０
℃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〕

従来の多結晶シリコンは、７００℃以上の高温にした基
板上に熱ＣＶＤ法により形成しているため、基板は高温
に耐えるものでなければならない。

ところで、基板が光を透過するものであればバックライ
トによる照明かできるため、例えば液晶テレビ等に最適
であり、この他にもさまざまな用途か考えられ、そのた
め多結晶シリコンの基板としてガラス基板を用いたいと
する要望は大きい。しかし、通常のガラスは歪点がせい
ぜい６００℃以下でありとても多結晶シリコンを形成す
ることはできない。そのためガラス基板に多結晶シリコ
ンを形成する場合には石英ガラス等の耐熱性ガラスを用
いざるを得す、非常に高価になってしまうとともに、７
００℃以上の高温状態に曝されるため基板中に含有され
るアルカリ物質などの不純物がシリコン結晶中に拡散し
て堆積されるのを防ぐのが容易でなく、薄膜の特性が劣
化してしまうという問題があった。

また、従来の多結晶シリコン薄膜は、配向性、特に（１
００）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。

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、作製時の温度か高いため
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バッジベージタンさせる必要がある
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有
し、度作製した多結晶シリコンを後からパッシベーショ
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％以上の水素を含存し、シリコン
の結晶粒径は高々５００λ程度のものしか得られなかっ
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、少なくともハロゲン化珪素及び水素
ガスからなり、反応ガス中のハロゲン原子の数が水素原
子の数より多くなるように調整した反応ガスを使用し、
プラズマＣＶＤ法又は光ＣＶＤ法による低温プロセスに
より歪点６００℃以下のガラス基板上に基板からの不純
物の溶出のない多結晶シリコン薄膜を形成することがで
き、しかも（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０．０５
　〜５μｍ程度の多結晶シリコン薄膜を得ることができ
、安価にガラス基板上に高品質の多結晶シリコン薄膜を
形成することが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、通常のガラス基板上に形成した
高品質の多結晶シリコン薄膜を提供することにある。

また、本発明の目的は、（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ｌ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、ガラス基板上に形成さ
れ、（１００）配向が７０％以上であること、またガラ
ス基板は歪点が７００℃以下であること、またプラズマ
ＣＶＤ又は光ＣＶＤにより形成されること、また水素含
有量が１原子％以下、フッソ含有量が】原子％以下、結
晶粒径が０，０１μｍ〜５μｍであるであることを特徴
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歪点が
７００℃以下、好ましくは６２０℃以下のガラス、例え
ばコーニング７０５９ガラス、ＨＯＹＡのＮＡ４０ガラ
ス、中性硼珪酸ガラス等の通常のガラス基板を使用し、
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。

多結晶シリコンを成膜するための成膜性のシリコン原子
供給ガスとして、本発明においてはＳｉＦ４　、Ｓｉ＊
　Ｆｍ　、５ｉＣＩ！ｎからなる群から選択された少な
くとも１種を用いる。これらのガスはシリコン結晶薄膜
作製技術において、従来エツチング性ガスと考えられて
いたものであるか、本発明においては、反応ガス中に少
量の水素ガスを含有させることにより、これらに成膜性
のシリコン原子供給ガスとしての役割を持たせることに
成功したものである。

上記反応ガス中には、更に水素ガス以外の水素原子供給
ガスを含有させることも、Ｆ、またはＣ１２、好ましく
はＦ、をエツチング性ガスとして含有させることもでき
る。

上記水素ガス以外の水素原子供給ガスは、反応系に無用
の不純物を導入しない上から、ＳｉＨ＜−５Ｘｔ（ｎは
０〜３、ＸはＦ又はＣＩ！原子）、５ｉｘＨｓ及び５ｉ
ａＨｓの中から選択されるが、特に発火の危険性を低く
するという点を考慮してＳ　ｔ　Ｈ４−−Ｘ−（ｍは１
〜３）て表される弗化シランを使用することが好ましい
。

本発明の多結晶シリコン薄膜は、結晶成長とエツチング
のバランスが要求され、成膜性のシリコン原子供給ガス
と水素ガス及び必要に応じて添加される水素ガス以外の
水素原子供給ガスを適宜混合して使用することにより容
易に調整することかできるか、特に成膜性のシリコン原
子供給ガスとして５ｉＦａ及びＳｉｌＦｍを夫々単独で
又は混合して用いることが好ましい。

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０．０ＩＴｏｒｒ−１５Ｔｏｒｒとすること
が必要てあり、特に０．３Ｔｏｒｒ〜５Ｔｏ　ｒ　ｒと
することが、好ましい。

反応ガス中の水素原子の数がエツチング性の弗素原子及
び／又は塩素原子の数よりも少ないということか必要で
、このような条件は反応ガス中に含有されるハロゲン原
子の総量を反応ガス中に含有される水素原子の総量より
多くすることによって容易に達成することかできる。反
応ガス中に含まれるハロゲン原子の総量は、反応ガス中
に含まれる水素原子の総量の約２〜１０００倍、特に１
０〜４００倍とすることが好ましい。

また、上記反応ガス中に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
て加えてもよい。希釈ガスは前記ハロゲン原子に対して
１−１０００倍量、特に３〜１００倍量使用することが
好ましい。この場合、ハロゲン原子の数は、反応ガス中
に含有される弗素原子及び／又は塩素原子の総量で換算
する。

又、シリコン原子とエツチング性のハロゲン原子につい
ては、ハロゲン原子をシリコン原子の約３〜５００倍、
好ましくは約４〜２００倍とする。

シリコン原子とハロゲン原子の比率は５ｉｔＦ＊の場合
で１＝３であるので、ハロゲン原子をシリコン原子の３
倍以下とすることが困難である一方、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
成長速度が低下する。

上記の条件を満たした反応ガスを、電力密度０゜０１〜
ＩＯＷ／ｃＩｌ、好ましくは０．１〜５Ｗ／ａ＋ｆで放
電して反応ガスをプラズマ化し、約＋００℃〜６００℃
好ましくは約３００℃〜５５０℃の間の一定温度に維持
したガラス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。

基板温度が１００℃より低いと、非晶質相が現れ、微結
晶構造となり品質か悪化する。もちろん、６００℃より
高くするとガラス表面の変形が生じ基板として機能しな
くなってしまう。

電力密度は、反応ガスの種類及び圧力によって異なるが
、電力密度が０．ＯＩＷ／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が遅
く、ｌＯＷ／ｃｄ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Ｖ族のドーパントガスを混合することにより、形成
される多結晶シリコン薄膜をｐ型又はｎ型とすることが
できる。この場合の上記ドーパントガスとしては、例え
ばジポラン、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Ａ３７Ｍカード（標準試料）に基づい
たＸ線回折強度を示す。

Ａ３７Ｍ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、（１１１）：　　（２２０）＋　　（３
１１）：　　（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、　（１
１１）：０％、　（２２０）：４％、（３１１）：３％
、　（４００）：９３％、となる。（４００）は（１０
０）と同等てあり、本発明の薄膜多結晶シリコンは（＋
００）配向か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
上のものが得られた。

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ｌ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
もダングリングボンドのターミネーションの機能を有す
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ができる。

また、低温プロセスで薄膜形成するためにガラス基板中
のＮａ、Ｃａ、に、Ｂ等の不純物がシリコン結晶側に溶
出するのを防ぐことが容易になる。

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

この場合、光源として１８５ｎｍ、　２５４ｎｍ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ＳｉＨ＜、ＳｉＦ＊を使
用し、基板（コーニング７０５９ガラス）温度を３６０
℃１圧力１．５Ｔｏｒｒ程度とする。あらかじめ、５×
ｌＯ−”Ｔｏｒｒに真空排気された反応室に５ｉＨａを
４ＳＣＣＭ、ＳｉＦ＜を２５ＳＣＣＭ、増感剤（Ｈｇ）
のキャリアガスとしてのＨｅを１５０ＳＣＣＭ（水銀温
度８０℃）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
であり、また、シリコン結晶中への基板からの不純物の
溶出は殆どなかった。

以上、本発明の多結晶シリコン薄膜はプラズマＣＶＤ法
または光ＣＶＤ法によって製造され、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製造さ
れることを述べた。しかし、本発明は水素を使用せず、
原料ガスとしては成膜性ガスとエツチングガスとを使用
しても実施することができる。この場合、成膜性ガスガ
スとして水素化珪素、エツチングガスとしてフッ化珪素
或いは塩化珪素ガスを使用すればよい。

〔作用〕

本発明の多結晶シリコン薄膜は、歪点７００℃以下のガ
ラス基板上にプラズマＣＶＤまたは光ＣＶＤ法により形
成されるため光透過性であり、また（１００）配向が７
０％以上であるため、平坦性がよく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でき、特にト
ランジスタの大面積化をおこなって液晶テレビ等への適
応が可能となる。

〔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、１ｘｌＯ−”ＴｏｒｒＯ高真空にした反応室内に
、５ｉｆ４　：Ｈｘ　　：Ｆｔ＝５：１：５　（容量比
であり、この場合ＦはＨの１５倍となる）の混合ガスを
反応ガスとして６０ＳＣＣＭで供給し反応ガスの圧力を
１．５Ｔｏｒｒ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／
Ｃ１１Ｉｒでプラズマ化し、４００℃に加熱されたコー
ニング７０５９ガラス基板上に０．　６μｍ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
、５２０ａｎ−’の位置に半値巾５国−１の結晶シリコ
ンに基づ（非常にシャープなスペクトルが観測された。

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、粒径を測定し
たところ、平均粒径は３０００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３０ａｏ−’Ｖ−’・Ｓ−１であった。

又、水素含量は０．　１％、フッソ含量は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゜ ガラス基板の温度を３００℃，プラズマ反応室内圧力を
５　Ｔｏ　ｒ　ｒ、原料ガスとして５ＩＨ４：Ｈｔ＝Ｉ
：１００の混合ガスを使用し、電力密度２　Ｗ／ａＩｒ
の条件でプラズマ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が島の如く存在
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０．３ｃｏｆ・Ｖ　−１・ｓ−１と小さく、（１
００）については８％であった。

比較例２及び３ 第３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４
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ｉ＊ｍされた。

（ル・人　千　／１　自） 第５表の条件で実施例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ところ、第６表に示す結果とな
った。第６表の結果から、反応ガス中の水素の量が少な
過ぎても、また水素原子の数がハロゲン原子の数より多
くなっても良好な結果は得られないことが実証された。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、通常の低歪点ガラスを使
用して結晶シリコン薄膜を形成することができ、しかも
（１００）配向の大きい薄膜を得ることができるので、
光透過性てかつ薄膜表面の平坦性、微細加工性を向上さ
せ、薄膜トランジスタ等へ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。また、水素含有量
、フッソ含有量を少なくできるとともに、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、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
純物が拡散することを防ぐのが容易なので、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てきる

【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 (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガラス基板上に形成され、（１００）配向が７０
   ％以上であることを特徴とするガラス基板多結晶シリコ
   ン薄膜。
2. （２）前記ガラス基板は歪点が７００℃以下であること
   を特徴とする請求項１記載のガラス基板多結晶シリコン
   薄膜。
3. （３）プラズマＣＶＤ又は光ＣＶＤにより形成された請
   求項１記載のガラス基板多結晶シリコン薄膜。
4. （４）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記載のガラス基板多結晶シリコン薄膜。