JPH0513337A - 半導体薄膜製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 結晶欠陥の少ない良質の半導体薄膜がＣＶＤ
法により製造できることを目的とする。 【構成】 炉内に配置された複数のウエハ上に、ＣＶＤ
法により半導体薄膜を形成する半導体薄膜製造方法にお
いて、反応ガスの拡散抵抗を低減し、かつ上記反応ガス
の流量を大きくすることにより、上記半導体薄膜を上記
半導体薄膜がアモルファス状態から結晶状態に変化する
速さより速く成膜する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体薄膜の製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、次世代高速素子あるいは多機能素
子の製造を目指して集積度の向上のため立体的な構造の
ＬＳＩが要求されている。さらに、センサおよびディス
プレイでは光を透すガラス上に素子を形成することが試
みられている。このような立体化及び透明基板化を具体
的に実現するため、絶縁膜上に半導体装置を形成する技
術の開発が必要になる。絶縁膜上に半導体装置を形成す
るためには半導体薄膜の製造技術が重要である。

【０００３】従来、この種の半導体薄膜の製造方法は、
図２３に示すように、内部に多数のウエハ３を密に配列
し、外周にヒ−タ７を周設し、一端部に反応ガスの導入
管１を配設すると共に、他端部に反応ガスおよび生成ガ
スを排出する排気口２を備えた炉６を用いて、絶縁膜上
に形成したアモルファスシリコン膜を熱処理により固相
成長させ単結晶化した。この場合、アモルファス膜を成
膜するときの膜の堆積工程と、その後の固相成長工程と
は別々に考えられていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】然し乍ら、上述した従
来の半導体薄膜の製造方法においては、アモルファス膜
の成膜工程と固相成長工程とは独立して考えられ、ＵＨ
Ｖ法、イオン注入法およびＣＶＤ法が開発されている
が、ＵＨＶ法およびイオン注入法は潜在的な結晶構造が
少ないという点でＣＶＤ法より優れている反面、次のよ
うな欠点を持っている。即ち、ＵＨＶ法では、室温に近
い基板温度で膜を堆積しているためシリコン同士の結合
が弱く、多孔質に近い膜しかできず、大気に曝したとき
水などの不純物を取り込んでしまう。また、イオン注入
法では、シリコンイオンの注入でダメージを与えてアモ
ルファス化するとき、同時に窒素などの不純物も打ち込
んでしまい高純度の膜が形成できず、かつ下地にまでダ
メージを与えてしまうため、例えば下にゲートなどを作
ることができない。さらに、これらＵＨＶ法（真空蒸着
法）およびイオン注入法は膜の製造に時間がかかり、基
板を一枚づつ処理するため生産性が悪いという問題点が
あった。

【０００５】これに対して、ＣＶＤ法により形成したア
モルファス膜は化学反応を利用しているため、シリコン
原子同士の結合が強くできており、膜自体は密度が高く
良質である。また、イオン注入による不純物の混入やダ
メージもなく、反応炉を用いて一度に複数の半導体基板
を処理できるなど生産性もきわめて良い。しかし、ＵＨ
Ｖ法およびイオン注入法に比べアモルファス中に結晶構
造を持ち易く、透過電子顕微鏡などでも観察できない潜
在核が膜中に生じ、イオン注入法のアモルファス膜が６
００℃で再結晶化したとき、結晶粒の大きさを２〜３μ
ｍにまで大きくできるのに対し０．５μｍ程度にしかで
きない。即ち、ＣＶＤ法では潜在的結晶構造を抑制した
アモルファス膜が製造できず、この膜を再結晶化しても
結晶欠陥が多く最終的な電気的特性、例えば移動度など
が低いという問題点があった。

【０００６】これは、図２４に示すように、結晶成長速
度Ｉより遅い成膜速度IIで成膜が行われることにより、
アモルファス膜に潜在的な結晶構造が生じ、再結晶化熱
処理による結晶成長の制御がイオン注入法やＵＨＶ法で
製造した膜のようにうまくできないことによる。

【０００７】また、シリコンイオン注入などで潜在的な
結晶構造を破壊したアモルファス膜では、これを６００
℃程度の低温で結晶化熱処理をした後、透過電子顕微鏡
により膜の結晶粒の大きさを調べると２〜３μｍにまで
大きくなることが知られている。しかし、反応ガス、例
えばシランなどの熱分解を用いて形成したアモルファス
膜では、このように結晶粒を大きく成長させることがで
きない。ジシランを反応ガスとして用いた場合は、数μ
ｍの大きな結晶粒も見られるが、潜在的な結晶構造から
成長した小さい結晶も非常に多く発生し、全体でみると
潜在核を抑制したアモルファス膜より結晶欠陥が多く最
終的な電気的特性、例えば移動度は２０〜３０程度と低
く、閾値も大きくばらつくなど、反応ガスの熱分解のみ
で不純物および潜在的結晶構造の少ない良質のアモルフ
ァス膜を高い生産性で得ることができないという問題点
があった。

【０００８】本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、
結晶粒界が少なく、結晶粒の大きさが大きく揃っている
など結晶欠陥の少ない良質の半導体薄膜をＣＶＤ法によ
り製造できる半導体薄膜製造方法を提供するものであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上述した目的を
達成するため、炉内に配置された複数のウエハ上にＣＶ
Ｄ法により半導体薄膜を形成する半導体薄膜製造方法に
おいて、上記各ウエハ同士の間隔を所定値より大きくす
ることにより、反応ガスの拡散抵抗を低減すると共に、
上記反応ガスの流量を大きくして、上記半導体薄膜を上
記半導体薄膜がアモルファス状態から結晶状態に変化す
る速さより速く成膜するものである。

【００１０】

【作用】本発明においては、半導体薄膜を半導体薄膜が
アモルファス状態から結晶状態に変化する速さより速く
成膜するので、ＣＶＤ法を用いて潜在的な結晶構造を抑
制した良質なアモルファス膜が得られる。

【００１１】

【実施例】本発明の半導体薄膜製造方法に係わる実施例
を図１乃至図２２に基づいて説明する。

【００１２】アモルファス膜中の潜在的な結晶構造およ
び結晶核をなくすためには、膜を堆積するときの堆積速
度（成膜速度）を上げることが効果的である。これは、
次のような考察から推測でき、実験的にも確かめられ
た。基板表面に付いた反応ガスが分解した後、エネルギ
ー的に一番安定な結晶構造位置に落ち着く前に、次のガ
スが吸着分解して積み重なるようにする。こうすると、
熱分解によって堆積した原子は結晶構造にならずにアモ
ルファス状態のまま堆積する。これは、温度が低いほど
分解して堆積した原子が結晶構造位置に落ち着くまでに
時間がかかり、高温より遅い堆積速度でもアモルファス
化することとも一致する。いずれにしても、できる限り
速い堆積速度にすることによって、基板表面に付着した
原子が結晶構造をとる位置に入りにくくすることができ
る。

【００１３】図１は炉６の構成図である。同図におい
て、炉６は外周にヒ−タ７が周設され、一端部に反応ガ
スの導入管１が配設されると共に、他端部に反応ガスお
よび生成ガスを排出する排気口２が開口されている。ま
た、内部には、例えば１０ｍｍ以上の間隔４を置いて複
数のウエハ３が配列され、炉６の中のウエハ３の数が制
限されている。さらに、炉６の両端部に石英製のプラグ
８が嵌入され、炉６の容積の縮小化を図っている。

【００１４】このような工夫は、図２に示した考察から
生まれた。即ち、ガスの圧力が１Ｔｏｒｒ程度の場合、
ガスそのものの平均自由行程は短く、粘性も高く、ガス
の流れは粘性流の領域である。しかし、反応ガス（例え
ば、シランガス）と生成ガス（例えば、水素ガス）の拡
散を調べると、相互拡散係数は平均自由行程や流速およ
び炉６の構造的数値より非常に大きく、炉６の中のガス
の移動はほとんどガス拡散で支配されている。そこで、
拡散抵抗を下げることが反応の進行をウエハ３表面での
化学反応速度に近づけることになる。

【００１５】図３および図４に拡散抵抗を下げるため、
ウエハ３の間隔を広げて堆積を行った例を示す。同図に
よれば、堆積する温度によらず堆積速度が大きくなって
いることが判る。次表１は堆積速度を上げて成膜したア
モルファス膜を６００℃の熱処理で結晶化した後に、透
過電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって結晶の大きさを調べた
結果である。ウエハ３の間隔を５mm程度にして成膜した
ものに比べて２倍以上粒が大きくできている。

【００１６】

【表１】

【００１７】次表２および表３は炉６からの排気ガスを
ガスクロで分析することによって、炉６の中に入れるウ
エハ３の枚数とガスの消費の仕方を調べたものであり、
同時にそのときのウエハ３へのシリコンの堆積速度も示
している。

【００１８】

【表２】

【００１９】

【表３】

【００２０】上記表２および表３から判るように、ウエ
ハ３の枚数を少なくするほど反応ガスの消費量が少な
く、堆積速度を大きくすることができる。これは、ガス
の反応に関する解析式を用いて炉６の中の反応ガスおよ
び生成ガスの圧力を求めると説明できる。

【００２１】図５は炉６の中の反応ガスと生成ガスの分
圧を５２５℃および５５０℃の各々の温度について示し
たものである。ウエハ３の枚数が減るに従って反応ガス
は増加し、生成ガスは減少している。反応ガスの増加は
堆積反応を促進し、生成ガスの増加は堆積反応を阻害す
る。

【００２２】図６はウエハ３の間隔を広げることによる
拡散抵抗の低減効果とウエハ３の枚数を減らすことによ
る反応ガス消費の低減効果を分解して解析するために行
った実験の結果である。両者とも大きく効いていること
が判った。即ち、ウエハ３の枚数は一定でウエハ３の間
隔を５mmから５倍の２５mmに増加すると、堆積速度は
１．６倍（５５０℃）および１．８倍（５２５℃）に増
加できる。ウエハ３の枚数を１２６枚から１／５の２６
枚に減少すると、堆積速度は１．４倍（５５０℃）およ
び１．５倍（５２５℃）に増加できる。５５０℃では、
量が少ないＳｉＨ₄ が堆積速度に大きく影響する。

【００２３】さらに、ウエハ３を全く入れない場合を見
る。これは炉６の容積がウエハ３で挟まれていた空間も
含めて１．７倍近く増加している場合であるが、炉６の
容積が大きくなると、ガスの滞留時間が長くなり、ガス
の気相分解が進み反応ガスの消費量が多く、生成ガスが
多く発生していることが判る。即ち、炉容積が大きくな
ると、ガスの利用効率が悪く堆積速度が減少する。

【００２４】次表４は反応ガスの利用効率を調べた結果
である。

【００２５】

【表４】

【００２６】ガスの分解率は５５０℃（７０〜８０％）
の方が５２５℃（３０〜４０％）より高い。しかし、５
２５℃の方が気相分解の割合が少なく、パーティクルな
どの抑制には有利と考えられる。いずれにしても、ウエ
ハ３の枚数を減らした方が気相分解によるパーティクル
および異常成長を防ぐことができる。

【００２７】図７はウエハ枚数を減らしアモルファスシ
リコン膜を成膜した後、６００℃結晶化まで行い、ＴＥ
Ｍで結晶の粒径を調べた結果である。ここで、αは５２
５℃で２６枚入れた場合、βは５２枚入れた場合、γは
１２６枚（従来法）入れた場合、δは５５０℃で２６枚
入れた場合、ηは５２枚入れた場合およびξは１２６枚
（従来法）入れた場合である。従来法に比べ結晶の大き
さが大きく改善できている。尚、これらの膜厚は４００
〜５００オングストロ−ムである。

【００２８】次表５は素子を試作して素子特性の改善を
調べた結果の一例である。

【００２９】

【表５】

【００３０】ウエハ３の間隔を広げ、堆積速度を大きく
し、熱処理後の粒が大きくなった膜ほど素子としての特
性が向上し、例えばｏｎ／ｏｆｆ比などは２桁も改善で
きる。

【００３１】図８は同じ枚数を炉６に入れる場合、ウエ
ハ３の裏面を合わせ、表面が対抗するように充填するこ
とによってウエハ３の間隔をほぼ倍にでき、従って、堆
積速度も倍になり、アモルファスの質が改善できた例で
ある。

【００３２】図９は５６０℃より低い温度で堆積速度Π
が固相成長速度（結晶成長速度）Ｉを上回っている例を
示す。

【００３３】図１０は拡散抵抗を下げるためにウエハ３
の間隔を広げて堆積を行った場合であり、固相成長速度
Ｉと堆積速度Πとの差がさらに大きくなっている。この
ようにして成膜すると、アモルファス膜としてのマージ
ンが大きくとれ、炉６内のガスの流れの乱れや圧力変化
および温度変化に対して安定して良質のアモルファスを
形成することができる。

【００３４】さらに、図１１にガス流量を１０００ＳＣ
ＣＭまで増加させて堆積した場合を示す。

【００３５】図１２および図１３はヘリウムで２０％に
希釈したガスを用いた場合を示す。図１２のように圧力
が低い場合、堆積速度IIが固相成長速度Ｉより遅く、ア
モルファス膜を形成する温度を下げても膜の中の潜在的
結晶構造をなくすことができない。このような膜を固相
成長させても結晶粒は大きくならず、粒の大きさも揃え
ることができない。これに対して、図１３のように全圧
を５Ｔｏｒｒまで上げると、堆積速度IIは固相成長速度
Ｉを越え、イオン注入法やＵＨＶ法で形成したものと同
様のアモルファスの固相成長を行うことができる。

【００３６】図１４はアモルファスとシリコン（１０
０）面とが接しているとき、（１００）面が固相成長に
よってアモルファス側へ進んでいく速度を示したもので
ある。例えば６２０℃では、基板表面に付いた反応ガス
が分解し、シリコン膜が堆積して行くとき、ガスが吸着
分解して積み重なって行く前に、その温度で固相成長を
起こし結晶構造位置に分解した原子が入ってしまうと多
結晶になってしまう。これに対して、固相成長速度より
堆積する速度が速いと熱分解によって堆積した原子は結
晶構造にならずにアモルファス状態のまま堆積する。温
度が低いほど固相成長速度Ｉと堆積速度IIとの差が大き
くなり、アモルファス化する。いずれにしても、できる
限り速い堆積速度IIにすることによって、基板表面に付
いた原子が結晶構造をとる位置に入りにくくすることが
できる。

【００３７】堆積速度を上げるためには、ガスの供給を
十分に行い、反応律速にすることが効果的である。この
観点に立って、良好なアモルファス膜を製造するために
反応ガスの圧力を上げ、ガスの流量を増やす。図１５は
５５０℃で１００％のシランガスを用いた場合を示す。
同図によれば、ウエハ３を密に詰めて炉６を運用した場
合、流量を上げるだけでは堆積速度が飽和してしまい、
これ以上堆積速度を上げることができない。さらに、圧
力を上げた場合、気相分解反応が多く起こり、パーティ
クルの発生や異常成長および白濁などが生じて、均一な
膜の形成ができない。

【００３８】そこで、図１６は１００％のシランガスを
用い、ウエハ３の間隔を広げガスの拡散抵抗を下げ、反
応の進行をウエハ３表面での化学反応速度に近づけるこ
とによって堆積速度を上げた例である。

【００３９】さらに、炉６の中にいれるウエハ３の枚数
を少なくし、ガスの消費量を抑えた場合を図５および図
１７に示す。

【００４０】図１８、図１９、図２０および図２１は素
子を試作して素子特性の改善を調べた結果の一例であ
る。アモルファス膜を固相熱処理後、ＭＯＳを試作し移
動度を求めた結果である。Ｐ−ｃｈおよびＮ−ｃｈとも
に堆積速度が固相成長速度を越えた膜は急激に改善でき
ている。

【００４１】図２２は不純物を膜中に入れた場合の固相
成長速度を示したものである。固相成長速度を越える速
度で膜の堆積を行ったとき、素子特性の大幅な改善が得
られる。

【００４２】本実施例では、シリコンについて述べた
が、化学分解反応を用いてアモルファスを形成する場
合、ゲルマニウム、アルミニウムおよびタングステンな
どにも応用でき、本発明の主旨を逸脱しない範囲で同様
の効果を得ることができる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、Ｃ
ＶＤ法により半導体薄膜を半導体薄膜がアモルファス状
態から結晶状態に変化する速さより速く成膜するので、
潜在的な結晶構造を抑制した良質なアモルファス膜が得
られる。従って、結晶化させた膜の結晶粒は大きく、こ
の膜上に形成した素子の電気的特性が向上できる。ま
た、種結晶を用いるブリッジエピなどにおいても同様の
効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の炉の構成図である。

【図２】本発明の炉のガス流を説明する図である。

【図３】ウエハの間隔と堆積速度（成膜速度）との関係
図である。

【図４】ウエハの間隔と堆積速度との関係図である。

【図５】炉内のウエハ枚数とガス分圧との関係図であ
る。

【図６】ウエハの間隔と堆積速度との関係である。

【図７】ウエハ枚数と再結晶化粒径との関係図である。

【図８】ウエハの他の配置例を示す図である。

【図９】固相成長速度（結晶成長速度）と堆積速度との
関係図である。

【図１０】固相成長速度と堆積速度との関係図である。

【図１１】固相成長速度と堆積速度との関係図である。

【図１２】固相成長速度と堆積速度との関係図である。

【図１３】固相成長速度と堆積速度との関係図である。

【図１４】シリコン（１００）面の固相成長速度を示す
図である。

【図１５】流量、圧力および成膜堆積速度の関係図であ
る。

【図１６】ウエハ間隔と堆積速度との関係図である。

【図１７】炉の中のウエハの枚数とガスの消費量との関
係図である。

【図１８】１００％シランａ−Ｓｉ成膜時堆積速度とＰ
−ｃｈ移動度との関係図である。

【図１９】１００％シランａ−Ｓｉ成膜時堆積速度とＰ
−ｃｈ移動度との関係図である。

【図２０】１００％シランａ−Ｓｉ成膜時堆積速度とＮ
−ｃｈ移動度との関係図である。

【図２１】１００％シランａ−Ｓｉ成膜時堆積速度とＮ
−ｃｈ移動度との関係図である。

【図２２】不純物が存在する場合のシリコン（１００）
面の固相成長速度を示す図である。

【図２３】従来の炉の構成図である。

【図２４】従来の固相成長速度と堆積速度との関係図で
ある。

【符号の説明】

１ 導入管 ２ 排気口 ３ ウエハ ４ 間隔 ６ 炉 ７ ヒータ ８ プラグ Ｉ 固相成長速度（結晶成長速度） II 堆積速度（成膜速度）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炉内に配置された複数のウエハ上に、Ｃ
   ＶＤ法により半導体薄膜を形成する半導体薄膜製造方法
   において、反応ガスの拡散抵抗を低減し、反応ガスの流
   量を大きくすることにより、上記半導体薄膜を上記半導
   体薄膜がアモルファス状態から結晶状態に変化する速さ
   より速く成膜することを特徴とする半導体薄膜製造方
   法。
2. 【請求項２】 各ウエハ同士の間隔を所定値より大きく
   することを特徴とする請求項１記載の半導体薄膜製造方
   法。