JPS62213118A

JPS62213118A - 薄膜形成方法およびその装置

Info

Publication number: JPS62213118A
Application number: JP61056177A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Uchida; 宏之内田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1986-03-13
Filing date: 1986-03-13
Publication date: 1987-09-19

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、薄膜形成方法およびその装置に関し、特に低
温で半導体及び絶縁体薄膜を形成する技術に関するもの
である。

〔従来の技術〕

従来、低温で半導体及び絶縁体薄膜を形成する方法とし
ては、グロー放電あるいはアーク放電で作られたプラズ
マにより原料ガスを分解し、基板上に薄膜を堆積させる
プラズマＣＶＤ法、Ａｒ等のイオンにより固定ターゲッ
トをスパッタし、飛び出した物質を基板上に付着させる
スパッタ法が主に用いられてきた。しかし、このプラズ
マＣＶＤ法及びスパッタ法は、プラズマ中に高エネルギ
ー粒子が含まれ、基板表面がプラズマにさらされるため
、膜中にダメージが発生しやすい、また、多種類の分解
生成物ができるため、膜質の成長条件依存性が大きく、
制御性が乏しい等の欠点があった。

この欠点を克服する方法として、光ＣＶＤ法とマイクロ
波による励起種ＣＶＤ法が開発された。

光ＣＶＤ法では、原料ガスに光を照射し、光化学反応に
より分解させ基板上に薄膜を堆積させているが、極紫外
線の光源の出力が小さく、反応槽内への光の導入が窓へ
の膜付着のため妨げられる等の欠点がある。

一方、励起種ＣＶＤ法では、マイクロ波の電磁エネルギ
ーによって、水素ラジカル等の励起種を発生させ、原料
ガスと励起種とのラジカル反応によって基板上に分解生
成物を堆積させている。従って、励起種ＣＶＤ法は基板
表面でのプラズマダメージがなく、成長速度も大きく、
低温薄膜形成法としてすぐれている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

マイクロ波による励起種ＣＶＤ法では、空洞共振器内で
マイクロ波により励起ガスを放電させ、励起種を生成し
ている。このため、励起種の発生領域は空洞共振器の大
きさできまる。ところが、空洞共振器の大きさは、マイ
クロ波の波長によって決まっているので、大面積に渡っ
て均一な励起種をつくることが困難であり、励起種ＣＶ
Ｄ法は大面積化が難しかった。

本発明の目的は、大面積に渡って均一な励起水素原子を
形成し、この励起水素原子と原料ガス分子とのラジカル
反応によって、プラズマダメージがなく高品質の薄膜を
大面積に渡って均一に形成する薄膜形成方法およびその
装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

第１の発明の薄膜形成方法は、少なくともシリコン原子
あるいはゲルマニウム原子を含有する分子を含む混合ガ
スを原料ガスとし、励起状態の水素原子を前記原料ガス
と混合し、前記励起状態の水素原子のエネルギーにより
前記原料ガスを分解し、分解生成物を基板上に導くこと
により、前記基板上に非晶質半導体膜、絶縁体膜等の薄
膜形成を行なう薄膜形成方法において、水素分子を高温
に加熱した金属との触媒化学反応により分解して励起状
態の水素原子を生成し、該励起状態の水素原子を前記原
料ガスの位置へ輸送し、該原料ガスを分解することによ
り構成される。

また、第２の発明の薄膜形成装置は、水素ガスを導入す
る機構と通電することにより加熱できる金属ヒーターを
有し、励起状態の水素原子を発生させる水素励起室と、
膜形成すべき試料基板を配置するための試料台と少なく
ともシリコン原子あるいはゲルマニウム原子を含有する
分子を含む混合ガスを導入する機構とを有し、前記試料
基板上に薄膜を堆積させる試料室と、前記水素励起室と
前記試料室との間に配置された穴、網、パイプ等の前記
励起水素原子を前記試料室に導く構造とを有して構成さ
れる。

〔作用〕

本発明の薄膜形成方法について第１図を用いて説明する
１本発明の薄膜形成方法の原理は、励起状態の水素原子
１３を原料ガス分子１５に衝突させ、原料ガス分子１５
をラジカル反応により分解１６し、分解生成物１７によ
って基板１９上に低温で薄膜１８を形成している。この
原理はマイクロ波放電を用いた励起種ＣＶＤ法と同じで
あるが、本発明の薄膜形成方法は励起状態の水素原子１
３の生成方法が根本的に異なっている。マイクロ波ＣＶ
Ｄ法は、マイクロ波のエネルギーにより水素ガスを放電
・分解し、励起状態の水素原子を生成している。−力木
発明の薄膜形成方法では、高温に加熱した金属ヒーター
１２の表面における触媒反応により水素分子１１を励起
状態の水素原子１３に分解している。金属表面で水素が
分解することは、すでによく知られている（例えば、フ
ィジカル・レビュー・レターズ（Ｐｈｙｓ、Ｒｅｖ、Ｌ
ｅｔｔ、）、５５，１５８３　（１９８５））。金属中
のｄ電子が水素の分解に関与していると考えられている
。

この金属表面での水素分子の分解反応を薄膜形成に応用
した例としては、ＳｉＦ２と水素の混合ガス中でタング
ステンヒーターを加熱し、生成した励起状態の水素原子
をＳｉＦ２分子と反応させ、ヒーター近傍にある基板上
に良質な非晶質シリコンを得た報告がある（アプライド
・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅ
ｔｔ、）、　４７　、　１９８５　＞　）。この報告で
は、励起状態の水素原子の生成場所と原料ガスを分解す
る場所が空間的に分離されていない点が本発明と異なる
が、金属ヒーターにより生成した励起水素を用いて薄膜
を形成した良い例である。

このような高温に加熱した金属ヒーターによって励起し
た水素原子を用いた薄膜形成方法は、放電を必要としな
いのでマツチングの必要がなく、また、水素の励起部の
形状に関する制限がない。

従って、大面積にヒーターを配置すことによって均一な
励起水素原子を大面積に渡って形成することができる。

また、励起状態の水素原子だけを原料ガスの分解源とし
て用いているので、プラズマＣＶＤ法のように高エネル
ギー粒子が存在しないため、膜表面におけるプラズマダ
メージの発生がなく、良質の薄膜が得らえる。

次に、本発明の薄膜形成装置について説明する。第２図
は第２の発明の薄膜形成装置の一実施例を示す断面図で
ある０本発明の薄膜形成装置は、第２図に示すように水
素分子を分解し、励起状態の水素原子を生成する水素励
起室２１と試料基板上に薄膜を堆積させる試料室２２と
からなる。水素励起室２１は、金属ヒーター（タングス
テンヒーター）２９が配置されており、金属ヒーターに
電流を流すことにより金属を高温に加熱し、水素励起室
に水素導入口２３により導入される水素ガスを分解する
。金属ヒーターの材質は、水素を分解するという目的に
おいては、とくに選択する必要はない、水素の分解効果
は、金属の共通の性質であるからである。ただし、金属
の種類により水素吸蔵による脆弱化の程度が異なるので
、ヒーターの素材として脆弱化が起こりにくい゛金属が
望ましい。金属ヒーターは、同一平面上に同じ間隔で配
置することにより、大面積に渡って均一な励起状態の水
素原子を発生させることが容易にできる。

試料室２２は、ガラス板やシリコンウェー八等の試料基
板２６を固定するための試料台２５が設けられている。

この試料台２５をヒーターや赤外線ランプにより加熱し
、試料基板２６の温度を上げられるのが望ましい、また
ＳｉＨ４，ＮＨ３、Ｎ２０，０□等の原料ガスを直接導
入する原料ガス導入口２７等の導入機構を設ける。水素
励起室２１と試料室２２との間には、水素励起室におい
て発生した励起状態の水素原子を試料室に導くための導
入口が設けである。導入口とは、具体的には水素励起室
と試料室との間に壁を設け、この壁に直径数龍以下の小
さな穴２４を多数あける、あるいはこの壁として網を用
いてもよい。また、２つの室を分離し、パイプで接続し
てもよい、ただし、開口面積を大きくしすぎると、試料
室に導入されている５ｉ１１４等の原料ガスが逆流し、
水素励起室２１や金属ヒーター２９に薄膜が堆積してし
まい、水素励起室が汚染されてしまう。このため再現性
が悪くなるなどの不都合が生じる。従って、水素ガスや
原料ガスの流量を考慮しながら、開口部の形状を設計し
なければならない。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。第２図は本発明の薄膜形成装置の一実施例の断面図で
ある。

まず、非晶質シリコンを堆積させる例について述べる。

第２図において、水素励起室２１には水素を分解するた
めのタングステンヒーター２９がある。タングステンヒ
ーター２９は、直径０．４　＋ｉ■のタングステン線を
用い、４０　ｃｔａ　Ｘ　４０　ｃｔａの領域に同一平
面内に間隔ＩＣＩＩの密度でジグザグ状に配置した。５
Ａ以上の電流を流した時にタングステンヒーターが高温
になり、赤色の発光がみられた。金属ヒーターの材質は
、クロムやチタン等の他の金属でもよい。水素導入口２
３から水素ガスを導入している。水素は通常２００　Ｓ
ＣＣＭ流している。導入した水素は下方から吹き出し、
通電することにより赤熱化しているタングステンヒータ
ー２９の表面で分解され、励起状態の水素原子が生成さ
れる。水素原子は穴２４を通り、試料室２２に輸送され
る。六の構造は、水素励起室２１と試料室２２の間の壁
に直径ＩＩＩｍの円形の穴をＩＣ１１の間隔で４０　Ｃ
Ｉｌ　Ｘ　４０　ｃｍの範囲に開けている。試料室には
、原料ガス導入口２７から５ｉｌ１４ガスが導入される
。試料室２２内でＳｉＨ４は、励起状態の水素原子との
ラジカル反応により分解され、その結果生ずる分解生成
物が試料台２５上に固定されている試料基板２６の表面
に吸着され薄膜が堆積する。排気は排気口２８から排気
ポンプにより行なわれる。タングステンヒーターのヒー
ター電流が１０Ａ、ＳｉＨ４の流量が５０５ＣＣＭ、真
空度ＩＱＴｏｒｒの時に、堆積速度は５０　ａｍ／ｍｉ
ｎであった。この時の膜厚の均一性は、３５　ａｒｍ　
Ｘ　３５　ｃｍの範囲で７％以内であり、大面積化が容
易であるという本薄膜形成方法の特徴が示された。また
、得られた非晶質シリコンの光導伝率は、ＡＭＩ照射下
で１Ｏ−４（ｏｈ［ｃｍ）−’であり、従来の成膜方法
であるグロー放電分解法の値に比べ遜色ない良質な膜が
得られた。

本実施例は非晶質シリコンの成膜であるが、原料ガスを
変えれば色々な膜を堆積させることができる９例えばＧ
ｅＨ４を用いれば、非晶質ゲルマニウムが堆積する。ま
た、窒化シリコン膜を堆積させたいならば、ＳｉＨ４と
ＮＨ，の混合ガスを、酸化膜ならばＳｉＨ４とＮ２０を
用いればよい。その他、原料ガスを選ぶことにより非晶
質シリコン・カーバイトや非晶室シリコン・ゲルマニウ
ム等を堆積するのも可能である。

また、活性層に非晶質シリコンをゲート絶縁膜に窒化シ
リコン膜を用いた薄膜トランジスタを本発明の薄膜形成
方法により試作したところ、電界効果移動度が０．６　
ｃｔａ　／　Ｖ、ｓｅｃが得られ、さらにスレッシュホ
ールド電圧のドリフトが観測されない安定な薄膜トラン
ジスタができな。このことから、非晶質シリコンとゲー
ト絶縁膜である窒化シリコンの界面における準位密度が
小さいことがわかり、本薄膜形成方法は膜形成時に発生
するダメージが少ないことが示された。

〔発明の効果〕

このように、本発明方法およびそれに使用する発明装置
により、大面積に渡って均一な励起水素原子を形成し、
この励起水素原子と原料ガスとのラジカル反応によって
、プラズマダメージがなく高品質の薄膜を大面積に渡っ
て均一に形成できることがわかる。

この発明により生成した膜は、このようにプラズマダメ
ージがなく界面特性が優れているため、薄膜を積層した
構造をもつデバイス（例えば、太陽電池・薄膜トランジ
スタ・非晶質薄膜の超格子構造を利用した新しいデバイ
ス等）への応用が期待されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の薄膜形成方法の実施例を説明するため
の原理図、第２図は本発明の薄膜形成装置の一実施例を
示す断面図である。１１・・・水素分子、１２・・・金属ヒーター、１３・
・・水素原子、１４・・・輸送、１５・・・原料ガス分
子、１６・・・ラジカル反応による分解、１７・・・分
解生成物、１８・・・薄膜、１つ・・・基板、２１・・
・水素励起室、２２・・・試料室、２３・・・水素導入
口、２４・・・穴、２５・・・試料台、２６・・・試料
基板、２７・・・原料ガス導入口、２８・・・排気口、
２９・・・タングステンヒーター。＄　２　図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）少なくともシリコン原子あるいはゲルマニウム原
子を含有する分子を含む混合ガスを原料ガスとし、励起
状態の水素原子を前記原料ガスと混合し、前記励起状態
の水素原子のエネルギーにより前記原料ガスを分解し、
分解生成物を基板上に導くことにより、前記基板上に非
晶質半導体膜、絶縁体膜等の薄膜形成を行なう薄膜形成
方法において、水素分子を高温に加熱した金属との触媒
化学反応により分解して励起状態の水素原子を生成し、
該励起状態の水素原子を前記原料ガスの位置へ輸送し、
該原料ガスを分解することにより前記基板上に成膜する
ことを特徴とする薄膜形成方法。
（２）水素ガスを導入する機構と通電することにより加
熱できる金属ヒーターを有し、励起状態の水素原子を発
生させる水素励起室と、膜形成すべき試料基板を配置す
るための試料台と少なくともシリコン原子あるいはゲル
マニウム原子を含有する分子を含む混合ガスを導入する
機構とを有し、前記試料基板上に薄膜を堆積させる試料
室と、前記水素励起室と前記試料室との間に配置された
穴、網、パイプ等の前記励起水素原子を前記試料室に導
く構造とを有することを特徴とする薄膜形成装置。