JPS62159417A - 光照射による薄膜気相成長法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明はシリコンあるいはシリコンを含む化合物薄膜を
高速かつ低温で形成する光照射による薄膜気相成長法に
関する。

〔発明の背景〕

光照射してシリコン単結晶を形成する方法として特開昭
５９−６９９２２号公報に示される方法が提案されてい
る。この方法は、シリコン基板の表面に２３００Å以下
の波長の光を照射してシリコン単結晶膜を形成する方法
である。この方法のポイントは光照射によってシリコン
基板上における表面反応を促進させ、これによってシリ
コン単結晶膜の成長速度を増大させることにある。しか
し、２３００Å以下の光を基板の表面に照射しただけで
は成長温度を低温にした場合には成長速度が大きくなら
ない。これはシリコン単結晶膜を低温で形成すると、基
板の表面に積層欠陥が生じやすいこと、また低温では多
結晶が形成されやすいために減圧下で結晶成長させなけ
ればならないからである。

いっぽうシリコンの酸化膜あるいは窒化膜を光照射して
形成する方法が特開昭５９−８２７号公報で提案されて
いる。この方法ではモノシラン（ＳｉＨａ）　　を結晶
成長室に導入する前に予備励起室でモノシランに光照射
して反応ガスの活性種を増殖させ、結晶成長室では基板
表面上に光照射して表面反応を促進させる。しかしこの
場合には反応ガス（モノシラン）に増感剤（Ｈｇ）を含
む系であり、半導体に適用すると半導体の電気的特性に
影響するという問題がある。また予備励起室で反応ガス
（モノシラン）を利起しても励起種（Ｈｇ増感で生成す
るのはラジカル）の寿命が短いため、反応室に導入する
途中で励起種の濃度が低下してしまう。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、ジシラン（ＳｉｚＨｇ）に紫外〜真空
紫外域の光を照射してシランイオン（ＳｉＨｘ＋）およ
びジシランイオン（ＳｉｚＨｘ＋）を生成させ、これら
のイオンを含む気体を基板上に導入し、単結晶シリコン
、多結晶シリコン、アモルファスシリコン等の半導体薄
膜あるいはシリコンを含む化合物薄膜を低温で高速成長
させる薄膜気相成長法を提供することにある。

〔発明の概要〕

単結晶シリコン、多結晶シリコン等の薄膜を高速成長さ
せるためには結晶成長に寄与する反応活性種を増殖させ
ることが必要である。この目的を達成するためには従来
のように光照射によって直接反応活性種を生成させる方
法があるが、本発明ではある限られた波長範囲の光照射
によってジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を光解離させると同時
に光イオン化反応を起させ、これによってシランイオン
（Ｓ　ｘ　ＨＸ＋）およびジシランイオン（Ｓ　ｉ　２
Ｈｘ＋）を生成させる。これらのシランイオンおよびジ
シランイオンはさらに中性分子と衝突して薄膜形成に寄
与するシランのラジカルを形成することができる。ジシ
ランの光解離の反応をしらべた結果、ジシランに約１２
５０Å以下の波長の光を照射すると。

上記のシランイオンおよびジシランイオンが生成するこ
と、またこれらのイオンはさらに中性分子と相互作用し
てラジカルおよび中性の解離分子を生成することがわか
った。第３図はジシランに光照射して生成するシランイ
オン（ＳｉＨｘ÷）およびジシランイオン（Ｓ　ｉ　ｚ
Ｈｘ＋）　　の相対的イオン化断面積の波長依存性であ
る。ジシランは１２５０Å以下の光を吸収して各種のシ
ランイオンおよびジシランイオンを生成する。イオン化
断面積はみかけ１約１０００人の波長で最大となる。ジ
シランイオン（Ｓ　ｉ　ｚＨｘ＋）　　のイオン化断面
積と波長との関係には、　１１３０人、　１０００人、
９４０人、８６０人の波長でピークがみられるが、これ
らのピークは各種のジシランイオン（Ｓ　ｉ　ｘＨ１１
＋、　Ｓ　ｉ　ｚＨ番Φ。

Ｓ　ｉ　ｘＨｓ＋、　Ｓ　ｉ　ｚＨｚ＋　ａｔｅ、）　
　のイオン化断面積が最大となる光の波長域に対応して
いる。またシランイオンは１１００Å以下の波長で生成
し、これも各波長域において生成するシランイオンの種
類（Ｓ　ｉ　Ｈｓ＋、　Ｓ　ｉ　Ｈｚ＋、　Ｓ　ｉ　Ｈ
＋、　Ｓ　ｉ÷）が異なる。以上の光解離によって生成
したシランイオンおよびジシランイオンは中性のジシラ
ンとの相互作用によってラジカルおよび解離した中性分
子（たとえばＳ　１ｚＨｓ、　Ｓ　１ｚＨ４，Ｓ　ｉ　
Ｈｚ、Ｓ　ｉ　Ｈａなど）を生じる０本発明はジシラン
（Ｓｉ２Ｈ６）に１２５０Å以下の波長の光を照射して
ジシランを解離させるとともにジシランイオン（Ｓｉｚ
Ｈｘ＋）およびシランイオン（ＳｉＨｘ”）を形成し、
これらのイオンを含むジシランガスを基体上に導入し。

単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコ
ンあるいはシリコンを含む化合物の薄膜を気相成長させ
ることを特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、図面を参照して本発明を実施例に基づいて説明す
る。

第１図はシンクロトロン軌道放射光を光源として真空紫
外の光をとりこみ、ジシラン（ＳｉｚＨｓ）ガスを光解
離させて基板上に膜を成長させる装置の概略である０図
において１０１はストレジリングからのシンクロトロン
放射光の超高真空に保たれたビームラインと、後述する
放射光の分光器および薄膜の気相成長室を隔離する真空
遮断バルブ、１０２は放射光のＸ線、軟Ｘ線領域の波長
の成分をカットし、分光器への放射光の入射角度を適正
にする前置鏡、１０３は分光器に入射する放射光の光束
を！！１ＩＩ１１する入射スリット、１０４は凹面回折
格子からなる瀬谷、波岡型分光器、１０５は分光器から
の放射光の光束を調整する出射スリット、１０６は、分
光器から出射した放射光を、後述の気相成長室の基板面
の近傍に焦点をつくるための後！！鏡、１０７はジシラ
ン（ＳｉｚＨａ）ガスを気相成長室１０８に導入するた
めの導入ノズル、１０９は膜を気相成長させるシリコン
（ウェハ）基板、１１０は基板１０９を加熱するヒータ
である６以上の装置の構成のうち前部１１１１０２のチ
ャンバ、分光器１０４のチャンバ、および後置鏡１０６
のチャンバは、ターボ分子ポンプ、イオンポンプ等によ
り、１Ｏ−９Ｔｏｒｒの真空に保持される。気相成長室
１０８と後置鏡１０６のチャンバは差動排気される。上
記の気相成長室１０８と後置鏡１０６の間にフィルタを
設置してもよい、フィルタとしては、光の波長として５
００〜１０００人の領域では金属メツシュに保持したＳ
ｎやＩｎの薄膜（厚さ〜１０００人）、また１０００Å
以上ではＬｉＦやＭｇＦｘの光学結晶を使用できる。気
相成長室１０８は、予め１０−１ＩＴｏｒｒの真空に排
気した後、ジシラン（ＳｉｚＨａ）を導入する。成長時
の圧力は１０−１〜１０−’Ｔｏｒｒである。照射する
光の強度は後置鏡１０６の後方において、約１０９ｐｈ
ｏｔｏｎ／Ｓであった。上記の構成の装置において、シ
リコンウェハ１０９を５００℃に加熱するとともに、１
０−’Ｔｏｒｒの圧力でジシランを導入した。照射した
光の波長は７００〜２０００人で、光はシリコンウェハ
１０９面に水平方向から入射させた。上記の方法により
シリコンウェハ１０９上にシリコンを気相成長させた結
果、光を照射した場合には照射しない場合にくらべて、
１．５〜２倍の厚さのシリコンの多結晶膜が成長した。

この場合、放射光を分光して照射したが、分光器の回折
格子の０次光の光のように分光されていない光をそのま
ま照射してもよい。ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）の光イオン
化の波長領域は１２５０〜５００人と広いため、膜の成
長速度のみを上げるためには分光した光よりも分光しな
い光を照射した方がよい、特に光源の光強度が小さい場
合には、分光しない光を用いた方がジシランの光解離で
生成するイオンの濃度が増加し、気相成長の速度が大き
くなる。本発明の実施例のように光源としてシンクロト
ロン放射光を用いた場合にはこれに相当している。

第２図はＨｅあるいはＮｅの放電管を光源とし、ジシラ
ン（ＳｉｚＨｓ）に光照射してイオン化し、この気体を
気相成長室に輸送して基体上にシリコン薄膜を堆積する
装置の概要を示すｅ　ＨｅやＮ。

の希ガス放電管は６００〜１８００人の波長範囲の連続
スペクトルの発光が得られる。

２０１．２０２はいずれも放電場の冷却用ファン、２０
３は陰極、２０４は陽極であり、ＡＱあるいはＮｉ等の
金属電極である。２０５は主に石英管で作られたπ型の
放電管、２０・６はＨｅあるいはＮｏの放電気体を放電
管に導入する気体導入用バルブ、２０７は放電気体の排
気口、２０８はπ型の放電管２０５の外壁を冷却する水
を導入する口、２０９は放電用のトランス、２１０はス
ライドトランスである。π型放電管２０５の放電時の気
体圧力は、Ｈａで４Ｏ−６０Ｔｏｒｒ　、Ｎｅで約３０
０　Ｔｏｒｒである。Ｈｅを放電気体とした場合、約８
００人付近の波長で最大の強度となる６　００−１１０
０人の領域の波長の連続帯の発光スペクトルが得られる
。２１１はジシラン（ＳｉｚＨｓ）を気相成長室に導入
する気体ノズル、２１２はシリコン（ウェハ）基体、２
１３は基体加熱用のヒータである。放電管２０５と膜の
成長室２１４はターボ分子ポンプ等のポンプで差圧排気
する。膜の気相成長室２１４は、ゲートバルブ２１５を
閉じて、予め１０−’Ｔｏｒｒの真空に排気した後、ジ
シラン（ＳｉｚＨｇ）を導入する。成長時の圧力は１０
−”〜１０−’Ｔｏｒｒである。上記の構成の場合に、
差圧排気が十分でないと放電管２０５の希ガスが気相成
長室２１４に、逆に気相成長室２１４にジシラン（Ｓｉ
ｚＨａ）が放電管２０５に流入する場合がある。このた
め、ゲートバルブ２１５に窓をもうけ、実施例１と同じ
ようにＩｎやＳｎの薄膜フィルタあるいはＬｉＦやＭｇ
Ｆｘなどの光学結晶フィルタを、ゲートバルブ２１５の
窓にっけ、上記の気体の混入をさけてもよい、上記の装
置においてシリコンウェハ２１２を５００℃に加熱する
とともに、１Ｏ−３Ｔｏｒｒの圧力でジシラン（Ｓｉ２
Ｈ６）を導入した。照射した光の波長は６００〜１００
０人で、光はシリコンウェハ２１２面に垂直方向から入
射させた。上記の方法によりシリコンウェハ２１２上に
シリコンを気相成長させた結果、光を照射した場合には
照射しない場合に比べて１．５〜２．０倍の厚さのシリ
コンの多結晶膜が成長した。

上記の例では、Ｓｉウェハ２１２上に多結晶Ｓｉを形成
したが、Ｓｉウェハの加熱温度を変えることにより単結
晶シリコン、アモルファスシリコンが形成される。

本発明では、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）ガスを用いてシリ
コンを気相成長する時の光の波長を限定しているが、ジ
シランと他の反応ガスを混合して用いる場合には他の反
応ガスの光解離や、ジシランの光解離によって生成する
フラグメントと他の反応ガスとの光反応を促進する波長
域の光を相乗して照射することができる。例えば、ジシ
ラン（ＳｉｚＨｓ）　とｍ酸化窒素（Ｎ　ｚ　Ｏ）　カ
らＳ　ｉ　Ｏｘ膜を気相成長させる場合には、ジシラン
（Ｓｉ２Ｈ６）の光イオン化に必要な１２５０Å以下の
波長の光と、Ｎ２０の分解に必要な低圧水銀燈の１８４
９人やＫｒの１２３６人の共鳴線を相乗して照射するこ
とができる。またジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）とメタン（Ｃ
Ｈａ）からＳｉＣ膜を形成する場合には、メタンの光分
解（ラジカルおよび分解した中性分子を生成）に必要な
Ｋｒの共鳴線（１２３６人）近傍の波長の光、あるいは
ＣＨａの光イオン化に必要な９５０Å以下の光を相乗し
て照射することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、Ｓｉ単結晶、Ｓｉ
酸化膜などを低温で形成することができるので、ＬＳＩ
のサブミクロンプロセスに適用でき、ＬＳＩの高集積化
、高機能化の効果が生じる。

またＳｉ多結晶、アモルファスシリコンをガラスなど５
００〜６００℃の軟化点をもつ基板上へ低温でかつ高速
で成長が可能なため、液晶アクティブマトリクスの基板
としてガラス基板を用いることができる。

また照射する光のビームを絞ることにより、膜を直接描
画して気相成長させることができるので、ＬＳＩや半導
体素子の高機能化の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例でシンクロトロン放射光を光
源とする光照射による膜の気相成長装置の概要を示す説
明図、第２図は本発明の他の実施例でＨｅあるいはＮｅ
放電管から発光する光を光源として用いた光照射による
膜成長装置の概要を示す図、第３図はジシラン（Ｓｉ２
Ｈ６）の光イオン化断面積の波長依存性を示す図である
。 １０１・・・シンクロトロン放射源との遮断バルブ。 １０２・・・前置鏡、１０３・・・入射スリット、１０
４・・・回路格子、１０５・・・出射スリット、１０６
・・・後置鏡、１０７・・・ジシランおよびその混合気
体の導入口、１０８・・・膜の気相成長室、１０９・・
・基板、１１０・・・基板加熱用のヒータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ジシラン（Ｓｉ＿２Ｈ＿６）を含む気体に１２５０
   Å以下の波長の光を照射してシランイオン （ＳｉＨ＿ｘ＋、ｘ＝１〜３）あるいはジシランイオン
   （Ｓｉ＿２Ｈ＿ｘ＋、ｘ＝２〜５）を含む気体を生成さ
   せ、上記のイオンを含む気体を基板上に輸送してシリコ
   ン（Ｓｉ）あるいはシリコンを含む化合物の薄膜を基板
   上に気相成長させる光照射による薄膜気相成長法。