JPH11150284A

JPH11150284A - 多結晶シリコン薄膜の製造方法

Info

Publication number: JPH11150284A
Application number: JP31806397A
Authority: JP
Inventors: Hisao Morooka; 久雄師岡
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1997-11-19
Filing date: 1997-11-19
Publication date: 1999-06-02

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、３５０゜Ｃ以下の基板温度で原料
ガスの加熱温度を所定の範囲内でプラズマ処理を行うこ
とにより膜中の欠陥が少なく良好な膜質を有する多結晶
シリコン薄膜を製造する多結晶シリコン薄膜の製造方法
を提供する。【解決手段】基板５をチャンバ１０内のアノード電極
６上にセットした後、ヒータ１１により基板５を加熱
し、基板温度を３５０゜Ｃ以下、ここでは２００゜Ｃ一
定とする。次に、カソード電極４に電源３からＲＦ電力
を供給し、ガス導入管２を通してチャンバ１０内に原料
ガスを導入する。原料ガスはガス加熱／分散板９により
加熱されるが、基板５の温度を一定に維持するために冷
却管７により冷却する。成膜圧力を０．５Ｔｏｒｒで原
料ガスの加熱温度を４５０゜Ｃから８００゜Ｃの範囲内
でプラズマ処理を行い、基板５にシリコン薄膜を形成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ化学的気
相堆積法（プラズマＣＶＤ法）等のプラズマ処理により
多結晶シリコン薄膜を製造する多結晶シリコン薄膜の製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】アモルファス（非晶質）シリコン薄膜
は、液晶ディスプレイ装置の周辺駆動回路において形成
される薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）や太陽電池に頻繁に
使用されている。これらのデバイスの性能をより向上さ
せるためには、アモルファスシリコン薄膜のキャリア移
動度よりも高いキャリヤ移動度を有する多結晶シリコン
薄膜を使用することが必要である。

【０００３】従来、プラズマ化学的気相堆積法（プラズ
マＣＶＤ法）を用いて多結晶シリコン薄膜を形成する方
法では、基板温度を６００゜Ｃ以上にしなければならな
かった。その理由は、基板に与えられる熱エネルギによ
って基板に入射する活性種の基板表面における合体、結
合反応が促進され、基板表面における多結晶シリコン薄
膜の成長反応が基板温度が高いほど早く進むためであ
る。逆に、基板温度を６００゜Ｃよりも低くすると上記
成長反応が起こりにくくなり、最終的にはアモルファス
化してしまうこととなる。なお、基板温度が高いと、安
価なガラス基板ではその歪み点を越えてしまうため均一
で歪みの少ない基板表面が得られない。一方、ＴＦＴ用
無アルカリガラス系基板は、ソーダライムガラス系基板
よりも耐熱性を有し、６００゜Ｃ以上の高温でも使用可
能であるが、ソーダライムガラス系基板と比較して高価
である。従って、コストの面等から、ソーダライムガラ
ス系基板上に多結晶シリコン薄膜を形成するためには、
基板温度を３５０゜Ｃ以下にすることが望ましい。

【０００４】また、ガラス基板上に形成したアモルファ
スシリコン薄膜に対してレーザアニールを併用すること
により、基板温度を３５０゜Ｃ程度まで下げることがで
きるが、製造プロセスが煩雑化する。

【０００５】さらに、多結晶シリコン薄膜の用途の多様
化から、さらに低い耐熱温度を有するフレキシブル基板
に多結晶シリコン薄膜を形成することも望まれている。

【０００６】基板温度が３００゜Ｃである場合における
多結晶シリコン薄膜の製造方法については、Ｙｕらによ
る報告（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６８（１
９），２６８１、１９９６）がある。この報告によれ
ば、基板温度を３００゜ＣとしてホットワイヤーＣＶＤ
法により選択的に多結晶シリコン薄膜を形成している。
しかし、この方法では、（１）大面積化が困難であり、
（２）反応性ガスを活性化させるためのフィラメントに
よる原料解離を利用していることから、フィラメントの
経時変化により成膜速度や結晶粒の成長に影響を与える
と共に、フィラメント材の膜内への混入による膜質の劣
化が生じ、（３）フィラメントの長期安定性を確保する
のが難しい。

【０００７】また、松田らによる報告（電子総合研究所
い集、５７、８、１９９３）によれば、反応種加熱欠陥
制御法を用いることにより、形成されるアモルファスシ
リコン薄膜の膜中欠陥密度を制御している。しかし、本
報告はアモルファスシリコン薄膜の膜質の改善方法にと
どまっている。

【０００８】一方、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）
プラズマＣＶＤを用いて多結晶シリコン薄膜を製造する
方法が注目されている。

【０００９】Ｎｏｚａｗａらによる報告（Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｃｈｅｍｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙＰｒｏｃｅｅｄ
ｉｎｇｓ，Ｖｏｌ９６−１２，１９９６，６６２頁〜
６６７頁）によれば、ＳｉＨ_４／Ｈ_２ガスを原料とした
ＥＣＲプラズマＣＶＤにおいて、基板温度を３００゜Ｃ
とし、基板に＋５０ＶのＤＣ（直流）バイアスを印加す
ることにより、多結晶シリコン薄膜を形成している。し
かし、基板にＤＣバイアスを印加すると、基板の導電性
の有無および形成される多結晶シリコン薄膜の膜厚の影
響を受けて、欠陥密度、結晶粒径等の膜質に関するパラ
メータの制御が難しくなる。

【００１０】また、水素ガスを反応室に導入するための
導入管にＲＦ電力またはマイクロ波電力を印加して反応
室とは別に電磁エネルギを水素ガスに与えることにより
水素ガスの電離、解離を促進し、これにより、原子状水
素の量を増加させて結晶化を促進させる方法がある。し
かし、このような方法では、原料ガスの運動エネルギを
増加させることができないので、良好な膜質を有する多
結晶シリコン薄膜を３５０゜Ｃ以下の低温で形成するこ
とができない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、多結
晶シリコン薄膜の製造方法については、種々の報告があ
るが、製造プロセスが煩雑化することなく、３５０゜Ｃ
以下、特に３００゜Ｃ以下の基板温度で、大面積化が可
能であり、膜中の欠陥が少なく良好な膜質を有する多結
晶シリコン薄膜を形成することは難しかった。

【００１２】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、本発明の目的は、基板温度を３５０゜Ｃ以下、
特に２５０゜Ｃ以下とした条件において原料ガスの加熱
温度を４５０゜Ｃ以上でプラズマ処理を行うことによ
り、製造プロセスが煩雑化することなく、大面積化が可
能であり、膜中の欠陥が少なく良好な膜質を有する多結
晶シリコン薄膜を形成することが可能な多結晶シリコン
薄膜の製造方法を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、プラズマ処理により多結晶シリコン薄膜
を基板上に製造する多結晶シリコン薄膜の製造方法にお
いて、前記基板の温度をＴｓ（゜Ｃ）、前記プラズマ処
理に用いられる原料ガスの加熱温度をＴｍ（゜Ｃ）とし
た場合、３５０≧Ｔｓ、Ｔｍ≧４５０、およびＴｍ≧−
５．３３Ｔｓ＋１２５０の関係を満たすことを特徴とす
る。

【００１４】上記多結晶シリコン薄膜の製造方法におい
て、本発明は、前記プラズマ処理の圧力が１Ｘ１０^−４
Ｔｏｒｒから１Ｔｏｒｒの範囲内であることを特徴とす
る。

【００１５】上記多結晶シリコン薄膜の製造方法におい
て、本発明は、前記原料ガスが水素希釈系ガスおよび水
素ガスを含むことを特徴とする。

【００１６】上記多結晶シリコン薄膜の製造方法におい
て、本発明は、前記水素希釈系ガスは、モノシラン、４
フッ化シラン、ジクロルシラン、ジシラン、トリクロル
シラン、トリフロルシランのいずれかであることを特徴
とする。

【００１７】上記多結晶シリコン薄膜の製造方法におい
て、本発明は、前記プラズマ処理はプラズマＣＶＤであ
ることを特徴とする。

【００１８】上記多結晶シリコン薄膜の製造方法におい
て、本発明は、前記プラズマＣＶＤは、マイクロ波、Ｒ
Ｆ、ＤＣ、ＥＣＲのいずれかを用いることを特徴とす
る。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００２０】本発明の実施の形態では、基板温度を３５
０゜Ｃ、特に２５０゜Ｃ以下とし、原料ガスを所定の温
度範囲内で加熱してプラズマ処理を行うことにより、膜
中の欠陥が少なく良質な膜質を有する多結晶シリコン薄
膜を形成しているが、その理由について以下に説明す
る。

【００２１】基板温度が３５０゜Ｃ以下の低温プロセス
において多結晶シリコン薄膜を形成する条件としては、
（１）気相中に励起、解離状態の活性種があること、
（２）基板に入射する活性種が多結晶シリコン薄膜が形
成されるために必要な結晶化エネルギを有することが必
要である。

【００２２】従って、本発明では、プラズマ中において
励起、解離状態の活性種を生成するために、高周波（Ｒ
Ｆ）、マイクロ波、直流（ＤＣ）等の電磁エネルギを利
用したプラズマ化学的気相堆積法（プラズマＣＶＤ法）
のようなプラズマ処理を用いている。なお、電子サイク
ロトロン共鳴（ＥＣＲ）を利用した有磁場マイクロ波プ
ラズマ処理、高周波誘導加熱を利用したプラズマ処理、
直流プラズマ処理等の中では、ＥＣＲを利用した有磁場
マイクロ波プラズマ処理において高密度の活性種が得ら
れ、プラズマ処理速度が速い。

【００２３】一方、基板に入射する活性種が多結晶シリ
コン薄膜を基板上に形成するために必要な結晶化エネル
ギーを有するためには、（１）活性種の温度が高いこ
と、すなわち、温度とは活性種の１自由度当たりの運動
エネルギの平均値であるから、活性種の運動エネルギが
大きいこと、（２）基板温度を高くすること、（３）基
板表面を水素原子が覆っていることが必要である。

【００２４】通常、成膜に用いられる１Ｔｏｒｒ以下の
プラズマ中においては、電子は中性粒子と衝突してもエ
ネルギをほとんど失わないので、電子温度Ｔｅとイオン
の温度Ｔｉは異なる（非平衡プラズマ）が、イオンや中
性粒子は衝突の際にエネルギを交換するので、イオンの
温度Ｔｉは中性粒子の温度Ｔｎとほぼ等しくなる。ここ
で、圧力変化における電子温度Ｔｅと中性粒子の温度Ｔ
ｎとの関係を図１に示す。図１からわかるように、電子
と中性粒子の衝突周波数（衝突頻度）が小さい低圧力放
電下では、電子は中性粒子と衝突してもそのエネルギを
ほとんど失わないので、Ｔｅ＞＞Ｔｎとなり、これによ
り、活性種は結晶化に十分な運動エネルギを得ることが
できない。一方、高圧力放電下では、電子と中性粒子の
衝突周波数（衝突頻度）が大きいので、各活性種の温度
は均等化し、活性種の運動エネルギが増加する。従っ
て、活性種は多結晶シリコン薄膜を形成するために必要
な結晶化エネルギを得ることができ、基板表面において
成長反応を起こすことが可能となる。

【００２５】すなわち、成膜圧力が低すぎる場合には、
活性種は十分な結晶化エネルギを有することができな
い。従って、形成される多結晶シリコン薄膜にはアモル
ファス部分および未結合手を膜中に多く含むので、結晶
化率が低く、膜質が悪くなる。

【００２６】また、成膜圧力が高すぎる場合には、生成
されるプラズマが局在化するため、大面積のプラズマ処
理は困難となり、基板上で均一な膜厚分布を有する膜を
形成することができない。また、成膜圧力の増加に伴っ
てプラズマ中でのシリコン粉末の生成が活発となり、生
成されたシリコン粉末が形成されるシリコン薄膜の膜中
に取り込まれる際、シリコン粉末とシリコン薄膜との界
面に多くの欠陥や不純物を導入するので、膜質が悪くな
る。

【００２７】一方、基板温度を高くすれば、基板から熱
エネルギを受け取ることができるので、活性種の運動エ
ネルギが大きくなって十分な結晶化エネルギーを得るこ
とができ、多結晶シリコン薄膜が形成されることにな
る。しかし、基板温度を高くすることは、上述したよう
に好ましくない。

【００２８】従って、本発明では、基板に入射する活性
種の運動エネルギーを増加させるために、原料ガスを反
応室直前で所定の温度範囲で加熱している。これによ
り、基板温度が３５０゜Ｃ以下の低温においてもプラズ
マ中から基板表面に入射する活性種に十分な結晶化エネ
ルギを与えることができる。

【００２９】ここで、本発明における多結晶シリコン薄
膜の形成においては、基板温度Ｔｓの上昇に伴い原料ガ
スの加熱温度Ｔｍを下げることができる一方、原料ガス
の加熱温度Ｔｍを上昇させると基板温度Ｔｓを下げるこ
とができることが実験により明らかになった。このよう
な原料ガスの加熱温度Ｔｍと基板温度Ｔｓとの間の関係
を表したのが図７である。

【００３０】従って、図７において、原料ガスの加熱温
度Ｔｍ（゜Ｃ）と基板温度Ｔｓ（゜Ｃ）を、Ｔｍ≧−
５．３３Ｔｓ＋１２５０、３５０≧Ｔｓ、およびＴｍ≧
４５０の関係を満足するような値に設定すれば、良好な
膜質を有する多結晶シリコン薄膜を形成することができ
る。なお、原料ガスの加熱温度Ｔｍを４５０゜Ｃ以上と
したのは、原料ガスの加熱温度を４５０゜Ｃよりも低く
した場合には、結晶粒径を大きくすることができず、良
好な膜質を有する多結晶シリコン薄膜を形成できないた
めである。

【００３１】なお、基板温度をある程度上昇させると、
原料ガスを加熱しなくても多結晶シリコン薄膜を形成す
ることが可能となる。しかし、この場合にも、さらに原
料ガスを加熱すれば、結晶粒径を大きく成長させること
ができる。従って、形成する多結晶シリコン薄膜の使用
目的に応じて原料ガスの加熱温度Ｔｍと基板温度Ｔｓと
を図７の斜線の領域内において任意に選択することが可
能なる。

【００３２】また、本発明では、例えば、原料ガスとし
て、モノシラン（ＳｉＨ_４）、４フッ化シラン（ＳｉＦ
_４）、ジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）、ジシラン
（Ｓｉ_２Ｈ_８）、トリクロルシラン、トリフロルシラン
等の水素希釈系ガスと水素ガスとを用いている。この事
により、プラズマ処理時に原料ガスが電離、解離されて
水素ガスが水素原子の活性種となり、基板表面（膜形成
面）の未結合手をターミネートして基板表面を覆うこと
になる。この場合、多結晶シリコン薄膜の形成は上述の
原料ガスの加熱による十分な結晶化エネルギを有するシ
リコンラジカル等の活性種により行われる。

【００３３】以上のことから、本発明では、基板温度が
３５０゜Ｃ以下、特に２５０゜Ｃ以下で原料ガスに所定
の温度範囲で加熱してプラズマ処理を行うことにより、
膜中の欠陥が少なく、良好な膜質を有する多結晶シリコ
ン薄膜を形成している。

【００３４】以下、本発明の実施の形態の多結晶シリコ
ン薄膜を製造するための製造装置およびその製造方法に
ついて具体的に説明する。

【００３５】（実施の形態１）図２は、本発明の第１の
実施の形態の多結晶シリコン薄膜を製造するための製造
装置の一例であるプラズマ処理装置の概略構成を示す図
である。図２に示す本発明の第１の実施の形態のプラズ
マ処理装置１は、多結晶シリコン薄膜が形成される基板
５を配置するチャンバ１０と、チャンバ１０内に原料ガ
スを導入するためのガス導入管２と、チャンバ１０内の
ガスを排出するガス排出管８とを有している。

【００３６】チャンバ１０内には、カソード電極４およ
びアノード電極６が互いに対向して設けられており、カ
ソード電極４とアノード電極６との間の距離は３５ｍｍ
である。カソード電極４にはＲＦ電力を供給する電源３
が接続され、アノード電極６は接地されている。カソー
ド電極４内には、ガス導入管２から導入される原料ガス
を加熱し、加熱した原料ガスを分散させて広い面積にわ
たって原料ガスを均一にするためのガス加熱／分散板９
が設けられている。基板面積を拡大する場合には、面状
に加熱可能な加熱源を用いることが望ましい。原料ガス
をガス導入管２からチャンバ１０内に導入する際、所定
の温度に加熱した加熱源の表面に原料ガスが衝突するこ
とにより原料ガスを加熱する。なお、プラズマはカソー
ド電極４とアノード電極６との間の空間で発生する。

【００３７】基板５はアノード電極６の上にセットされ
る。基板５としてはガラス基板が用いられ、そのサイズ
は３６０ｍｍ×４６０ｍｍである。

【００３８】アノード電極６にはヒータ１１が設けられ
ており、ヒータ１１により基板５が加熱され、所定の基
板温度が維持される。

【００３９】また、アノード電極６には、シリコン系オ
イルを循環可能な冷却管７が設けられている。通常、カ
ソード電極４とアノード電極６との間の距離が３０ｍｍ
から３５ｍｍである場合に成膜圧力が１Ｔｏｒｒ以下で
ガス加熱／分散板９の温度を３００゜Ｃから４００゜Ｃ
まで上昇させると、基板５の温度は３００゜Ｃ程度まで
高くなってしまう。従って、ガス加熱／分散板９による
原料ガスの加熱温度の上昇により基板５の温度が上昇す
るのを防ぐため、冷却管７によりシリコン系オイルを冷
却媒体として用いて基板５を冷却している。これによ
り、基板５の温度を３５０゜Ｃ以下、ここでは、２００
゜Ｃ程度に維持している。

【００４０】原料ガスはガス導入管２を通してカソード
電極４からチャンバ１０内に導入される。なお、原料ガ
スとしては、モノシラン（ＳｉＨ_４）、４フッ化シラン
（ＳｉＦ_４）、ジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）、ジ
シラン（Ｓｉ_２Ｈ_８）、トリクロルシラン、トリフロル
シラン等の水素希釈系ガスと水素ガスとを用いている。

【００４１】上記のように構成されたプラズマ処理装置
１を用いて次のようにして多結晶シリコン薄膜を製造す
る。

【００４２】まず、基板５をチャンバ１０内に設けられ
ているアノード電極６上にセットした後、ヒータ１１に
より基板５を加熱し、所定の基板温度を維持する。基板
温度は、３５０゜Ｃ以下、ここでは２００゜Ｃ一定とし
ている。

【００４３】次に、電源３からカソード電極４にＲＦ電
力を供給する。投入電力は０．６ｋＷである。また、ガ
ス導入管２を通してカソード電極４からチャンバ１０内
に原料ガスを導入する。ここでは、原料ガスとしてＳｉ
Ｈ_４およびＨ_２を使用する。ＳｉＨ_４の流量は２５ｓｃ
ｃｍ、Ｈ_２の流量は９７５ｓｃｃｍである。なお、ガス
導入管２を通った原料ガスは、所定の温度に加熱された
ガス加熱／分散板９に衝突することにより加熱される。

【００４４】なお、基板５の温度は、ガス加熱／分散板
９による原料ガスの加熱に伴って上昇するので、この温
度上昇を避けるために、シリコン系オイルを冷却管７を
通じて循環させ、基板温度を３５０゜Ｃ以下、ここでは
２００゜Ｃ一定に維持している。

【００４５】ここで、成膜圧力を１Ｔｏｒｒから１０
^−２Ｔｏｒｒの範囲内で、ここでは０．５Ｔｏｒｒ一定
の条件下で、ガス加熱／分散板９の温度（原料ガスの加
熱温度）を順次変化させて原料ガスを加熱して基板５上
にシリコン薄膜を形成する。なお、変化させるガス加熱
／分散板９の温度は２００゜Ｃから８００゜Ｃの範囲内
である。

【００４６】加熱／分散板９の各温度において基板５に
シリコン薄膜を形成した後、シリコン薄膜が形成されて
いる基板５をチャンバ１０から取り出し、その形成膜に
対してラマン散乱およびＸ線回折（ＸＲＤ）による分析
評価を行う。

【００４７】形成膜の結晶化率を得るためのラマン散乱
による分析評価では、形成膜の散乱スペクトルを２つの
ガウス分布と仮定し、結晶シリコンピークＩ_５２０（５
２０ｃｍ^−１）とアモルファスシリコンピークＩ_４８０
（４８０ｃｍ^−１）とを分離して、その積分強度比Ｉ
_５２０／（Ｉ_４８０＋Ｉ_５２０）を用いて結晶化率を求
めている。

【００４８】また、形成膜の平均結晶粒径を得るための
Ｘ線回折による分析評価では、形成膜のＸ線回折スペク
トルを測定し、（１１１）ピークの半値幅からＳｈｅｒ
ｒｅｒの公式を用いて平均結晶粒径を求めている。

【００４９】図３および図４は、図２に示す本発明の第
１の実施の形態のプラズマ処理装置１を用いて上述した
製造方法によって原料ガスに対する種々の加熱温度の条
件の下で得られたシリコン膜についての分析評価結果を
示す図である。

【００５０】図３からわかるように、原料ガスの加熱温
度が２００゜Ｃ以上３００゜Ｃ未満の場合には、形成膜
は非晶質（アモルファス）となり、原料ガスの加熱温度
が３００゜Ｃ以上４５０゜Ｃ未満の場合には、形成膜は
非晶質と結晶質との混在となり、その結晶化率は原料ガ
スの加熱温度により変化している。しかし、原料ガスの
加熱温度が４５０゜Ｃ以上の場合には、形成膜は結晶質
となり、結晶化率が１００％である多結晶シリコン薄膜
が得られている。

【００５１】また、図４からわかるように、原料ガスの
加熱温度が４５０゜Ｃ以上の場合において、原料ガスの
加熱温度の上昇に伴い、形成膜の平均結晶粒径は増加し
ており、例えば、４５０゜Ｃの加熱温度においては３０
ｎｍ、８００゜Ｃの加熱温度においては８００ｎｍの平
均結晶粒径を有する多結晶シリコン薄膜がそれぞれ得ら
れている。

【００５２】なお、原料ガスの加熱温度が４５０゜Ｃよ
り低い場合には、平均結晶粒径が小さく、良好な膜質を
得ることができなくなる。一方、原料ガスの加熱温度が
８００゜Ｃを越える場合には、原料ガスを均一に加熱す
ることが困難になっており、これにより、形成膜におい
て均一な膜厚分布を得ることができなくなる。

【００５３】また、原料ガスとして組成比が２／９８で
あるＳｉＨ_４およびＨ_２を使用し、投入電力を１ｋＷ、
基板温度を１５０゜Ｃから２５０゜Ｃの範囲内、原料ガ
スの加熱温度を４５０゜Ｃとした条件で多結晶シリコン
薄膜を形成する。形成膜について上述と同様な分析評価
を行った結果、平均結晶粒径が８００ｎｍである多結晶
シリコン薄膜が得られている。なお、キャリア移動度
は、６０ｃｍ^２／Ｖ・ｓｅｃ．である。

【００５４】従って、本発明のように、基板温度が３５
０゜Ｃ以下、特に２５０゜Ｃの場合において原料ガスの
加熱温度を４５０゜Ｃから８００゜Ｃの範囲内、好まし
くは５００゜Ｃから７００゜Ｃの範囲内でプラズマ処理
を行うことにより、大面積化が可能であり、結晶率が１
００％で、膜中の欠陥が少なく、良好な膜質を有する多
結晶シリコン成膜を形成することができる。

【００５５】（実施の形態２）図５は、本発明の第２の
実施の形態の多結晶シリコン薄膜を製造するための製造
装置の一例であるプラズマ処理装置の概略構成を示す図
である。図５に示す本発明の第２の実施の形態のプラズ
マ処理装置２１は、ＥＣＲを用いてプラズマ処理を行う
ために用いられ、多結晶シリコン薄膜が形成される基板
２５を配置するチャンバ３０と、チャンバ３０内に原料
ガスを導入するためのガス導入管２２と、ガス導入管２
２に連結され、原料ガスを加熱し、加熱した原料ガスを
分散させて広い面積にわたって原料ガスを均一にするた
めのガス加熱／分散板２３と、チャンバ３０内のガスを
排出するガス排出管２８と、マイクロ波を発生するマイ
クロ波発振器２９と、マイクロ波発振器２９で発生した
マイクロ波をダウンフローのプラズマ生成領域３３に導
く導波管３２と、ＥＣＲ条件を満たす磁界（８７５ガウ
ス）を発生する電磁石３４とを有している。

【００５６】また、図６は本発明の第２の実施の形態の
多結晶シリコン薄膜を製造するための製造装置の一例で
あるプラズマ処理装置の他の概略構成を示す図である。
図６に示すプラズマ処理装置は、図５に示すプラズマ処
理装置と比較して、電磁石３４をチャンバ３０の外に設
けている。本発明の第２の実施の形態では、どちらのプ
ラズマ処理装置を用いて多結晶シリコン薄膜を形成して
もよい。

【００５７】チャンバ３０内には、基板２５をセットす
るための基板ホルダ２６が設けられている。基板２５と
してはガラス基板が用いられ、そのサイズは１２ｉｎｃ
ｈである。

【００５８】基板ホルダ２６には、ヒータ２７が設けら
れ、ヒータ２７により基板２５が加熱され、所定の基板
温度が維持される。また、基板ホルダ２６には、シリコ
ン系オイルを循環可能な冷却管３５が設けられ、ガス加
熱／分散板２３による原料ガスの加熱温度の上昇に伴い
基板２５の温度が上昇するのを防ぐため、シリコン系オ
イルを冷却媒体として用いて冷却管３５により基板２５
を冷却している。

【００５９】原料ガスはガス導入管２２およびガス加熱
／分散板２３を通してチャンバ３０内に導入される。な
お、原料ガスとしては、モノシラン（ＳｉＨ_４）、４フ
ッ化シラン（ＳｉＦ_４）、ジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃ
ｌ_２）、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_８）、トリクロルシラン、
トリフロルシラン等の水素希釈系ガスと水素ガスとを用
いている。

【００６０】上記のように構成されたプラズマ処理装置
２１を用いて次のようにして多結晶シリコン薄膜を製造
する。

【００６１】まず、基板２５をチャンバ３０内に設けら
れている基板ホルダ２６上にセットした後、ヒータ２７
により基板２５を加熱し、所定の基板温度を維持する。
基板温度は、３５０゜Ｃ以下、ここでは２００゜Ｃ一定
としている。

【００６２】次に、マイクロ波発振器２９でマイクロ波
を発生させ、発生させたマイクロ波を導波管３２を通し
てプラズマ生成領域３３に導入する。投入電力は０．８
ｋＷである。また、ガス導入管２２を通して原料ガスを
チャンバ３０内に導入する。ここでは、原料ガスとして
ＳｉＦ_４およびＨ_２を使用する。ＳｉＦ_４の流量は５０
ｓｃｃｍ、Ｈ_２の流量は９５０ｓｃｃｍである。さら
に、電磁石３４により８７５ガウスの磁界を発生させ
る。以上により、ＥＣＲを起こさせ、プラズマ生成領域
３３にプラズマを生成させる。

【００６３】なお、ガス導入管２２を通った原料ガス
は、所定の温度に加熱されたガス加熱／分散板２３に衝
突することにより加熱される。基板２５の温度は、ガス
加熱／分散板２３による原料ガスの加熱温度の上昇に伴
って上昇するので、この温度上昇を避けるために、シリ
コン系オイルを冷却管３５を通じて循環させ、基板２５
を冷却している。これにより、基板２５の温度を３５０
゜Ｃ以下、ここでは２００゜Ｃに維持している。

【００６４】ここで、成膜圧力を０．１Ｔｏｒｒから１
０^−４Ｔｏｒｒの範囲内で、ここでは３Ｘ１０^−３Ｔｏ
ｒｒで、ガス加熱／分散板２３の温度（原料ガスの加熱
温度）を６００゜Ｃの条件の下で、基板２５上にシリコ
ン薄膜を形成する。

【００６５】基板２５にシリコン薄膜を形成した後、シ
リコン薄膜が形成されている基板２５をチャンバ３０か
ら取り出し、その形成膜に対してラマン散乱およびＸ線
回折（ＸＲＤ）による分析評価を行う。

【００６６】なお、本発明の第１の実施の形態と同様
に、形成膜の結晶化率を得るためのラマン散乱による分
析評価では、形成膜の散乱スペクトルを２つのガウス分
布と仮定し、結晶シリコンピークＩ_５２０（５２０ｃｍ
^−１）とアモルファスシリコンピークＩ_４８０（４８０
ｃｍ^−１）とを分離して、その積分強度比Ｉ_５２０／
（Ｉ_４８０＋Ｉ_５２０）を用いて結晶化率を求めてい
る。また、形成膜の平均結晶粒径を得るためのＸ線回折
による分析評価では、生成膜のＸ線回折スペクトルを測
定し、（１１１）ピークの半値幅からＳｈｅｒｒｅｒの
公式を用いて平均結晶粒径を求めている。

【００６７】その結果、結晶化率が１００％、平均結晶
粒径が１．５μｍである多結晶シリコン薄膜が得られて
いる。

【００６８】また、上述の条件において、原料ガスとし
てジクロルシランおよび水素ガスを用い、投入電力を
１．５ｋＷとし、基板２５の温度を１７０゜Ｃに維持し
た場合においても、上述と同様な膜質を有するシリコン
薄膜を形成することができる。

【００６９】従って、本発明によれば、基板温度が３５
０゜Ｃ以下、特に２５０゜Ｃ以下の場合において、原料
ガスの加熱温度を４５０゜Ｃ以上、ここでは６００゜Ｃ
でＥＣＲを用いたプラズマ処理を行うことにより、大面
積化が可能であり、結晶率が１００％で、膜中の欠陥が
少なく、良好な膜質を有する多結晶シリコン成膜を形成
することができる。

【００７０】なお、本発明の実施の形態では、ＲＦやＥ
ＣＲによるプラズマＣＶＤを用いて多結晶シリコン薄膜
を形成しているが、マイクロ波、ＤＣ等を利用したプラ
ズマＣＶＤを用いることも可能である。

【００７１】

【発明の効果】以上、本発明によれば、基板温度を３５
０゜Ｃ以下、特に２５０゜Ｃ以下にし、原料ガスの加熱
温度を４５０゜Ｃ以上にして原料ガスを水素希釈系ガス
および水素ガスを用いてプラズマ処理を行うことによ
り、製造プロセスが煩雑化することなく、大面積化が可
能であり、結晶化率が１００％で、膜中の欠陥が少なく
良好な膜質を有する多結晶シリコン薄膜を製造すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】プラズマ中における気圧と電子温度および中性
粒子の温度との関係を示す図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態の多結晶シリコン薄
膜を製造するための製造装置の一例であるプラズマ処理
装置の概略構成を示す図である。

【図３】図２に示す本発明の第１の実施の形態のプラズ
マ処理装置を用いて原料ガスの種々の加熱温度の条件の
下で得られたシリコン膜についての分析評価結果を示す
図である。

【図４】図２に示す本発明の第１の実施の形態のプラズ
マ処理装置を用いて原料ガスを種々の加熱温度の条件の
下で得られたシリコン膜についての分析評価結果を示す
図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態の多結晶シリコン薄
膜を製造するための製造装置の一例であるプラズマ処理
装置の概略構成を示す図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態の多結晶シリコン薄
膜を製造するための製造装置の一例であるプラズマ処理
装置の他の概略構成を示す図である。

【図７】本発明の第１および第２の実施の形態の多結晶
シリコン薄膜を製造する場合における原料ガスの加熱温
度と基板温度との関係を示す図である。

【符号の説明】

１、２１プラズマ処理装置２、２２ガス導入管３電源４カソード電極５、２５基板６アノード電極８、２８ガス排出管７、３５冷却管９、２３ガス加熱／分散板１０、３０チャンバ１１、２７ヒータ２６基板ホルダ２９マイクロ波発振器３２導波管３３プラズマ生成領域３４電磁石

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマ処理により多結晶シリコン薄膜
を基板上に製造する多結晶シリコン薄膜の製造方法にお
いて、前記基板の温度をＴｓ（゜Ｃ）、前記プラズマ処理に用
いられる原料ガスの加熱温度をＴｍ（゜Ｃ）とした場
合、３５０≧Ｔｓ、Ｔｍ≧４５０、およびＴｍ≧−５．
３３Ｔｓ＋１２５０の関係を満たすことを特徴とする多
結晶シリコン薄膜の製造方法。
【請求項２】前記プラズマ処理の圧力が１Ｘ１０^−４
Ｔｏｒｒから１Ｔｏｒｒの範囲内であることを特徴とす
る請求項１に記載の多結晶シリコン薄膜の製造方法。
【請求項３】前記原料ガスが水素希釈系ガスおよび水
素ガスを含むことを特徴とする請求項１に記載の多結晶
シリコン薄膜の製造方法。
【請求項４】前記水素希釈系ガスは、モノシラン、４
フッ化シラン、ジクロルシラン、ジシラン、トリクロル
シラン、トリフロルシランのいずれかであることを特徴
とする請求項３に記載の多結晶シリコン薄膜の製造方
法。
【請求項５】前記プラズマ処理はプラズマＣＶＤであ
ることを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコン薄
膜の製造方法。
【請求項６】前記プラズマＣＶＤは、マイクロ波、Ｒ
Ｆ、ＤＣ、ＥＣＲのいずれかを用いることを特徴とする
請求項５に記載の多結晶シリコン薄膜の製造方法。