JPS62241326A - 堆積膜形成法 - 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】 産業上の利用分野 本発明はシリコンを含有する堆積膜、とりわけ柵能性謹
、殊に半導体デバイス、感光デバイス画像入力用のライ
ンセンサー、撮像デバイスなどに用いる多結晶シリコン
の堆積膜を形成するのに好適な方法に関する。

〔従来技術の説明〕

例えば、多結晶シリコン膜の形成には、主として常圧Ｃ
ＶＤ法、ＬＰＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法などが用いら
れており、一般的にはＬＰＣＶＤ法が広く用いられ、企
業化されている。面乍ら従来の方法では例えばＬＰＣＶ
Ｄ法では基板温度が高く安価なガラス基板等は用いるこ
とができず、低温では実用可能な特性を有する堆ａＳは
得られない。

又、プラズマＣＶＤ法に於ては、ＬＰＣＶＤよりも基板
の低温化ができる利点はあるが反応プロセスが複雑であ
り、その反応機構も不明な点が少なくない。

又、その堆積膜の形成パラメーターも多く、（例えば基
板温度、導入ガスの流量と比、形成時の圧力、高周波電
力、電極構造９反応容器の構造、排気速度、プラズマ発
生方式など）これらの多くのパラメータの組合せによる
為、時にはプラズマが不安定な状態になり、形成された
堆積膜に著しい悪影響を与えることが少なくなかった。

又プラズマではイオンやエレクトロンなどの膜への衝突
によるダメージも避けがたく良質な膜を得る為のさまた
げとなっている。

Ｉ：述の如く、多結晶シリコン膜の形成に於いてその実
用可能な特性、均一性を維持させながら、低コストな装
器で大面積の良質な多結晶シリコン膜を低温で形成する
方法の開発が望まれている。この等のことは他の機能性
膜５例えば炭化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化シリ
コン膜に於いても同様なことが言える。

本発明は上述したプラズマＣＶＤ法の欠点を除去すると
同時に、従来の形成方法によらない新規な多結晶膜形成
法を提供するものである。

本発明の目的は、形成される膜の特性、成膜速度、再現
性の向上及び膜品質の均一化を図りながら、　ＤＩの大
面積化に適し、膜の生産性の向上及び量産化を容易に達
成することのできる多結晶堆積膜形成法を提供すること
にある。

上記の目的は、基体上に堆積膜を形成する為の成膜空間
内に、ケイ素とハロゲンを含む化合物を分解することに
より生成される活性種（Ａ）と、該、活性種（Ａ）と化
学的相互作用をする成膜用化学物質より生成される活性
種（Ｂ）とを夫々別々に導入し、化学反応させることに
よって前記基体上に堆積膜を形成する堆積膜形成法に於
いて、前記堆積膜の形成の際に、前記堆積膜に対してエ
ツチング作用を有するガスまたはその活性種を堆積膜成
長表面に供給して前記堆８！膜の表面にエツチング作用
を施すことで特定の面方位の結晶成長を優先的に行うこ
とによって達せられる。

〔実施ｙＥ様〕

本発明の方法では堆積膜を形成する為の成膜空間に於い
てプラズマを生起させる代りにケイ素とハロゲンを含む
化合物を分解する事により生成される活性種（Ａ）と成
膜用の化学物質より生成される活性種（Ｂ）との共存下
に於いて、化学的相互作用を生起させる為、形成される
堆積膜はプラズマによる生成されたイオンによるスパッ
タリングや電子等の悪影響を受けない。

又、本発明によれば、成膜空間の雰囲気温度。

基体温度を所望に従って任意に制御することによりより
安定したＣＶＤ法とすることができる。

本発明の方法が従来のＣＶＤ法と違う点の１つは、あら
かじめ成膜空間とは異なる空間（以下活性化空間という
）に於いて、活性化された活性種を使う事である。これ
より従来のＣＶＤ法より成膜速度を飛躍的に伸ばしたり
、又堆積膜形成の際の基体温度も一層の低温化を図るこ
とが可能になり、更に加えて、エツチング種の効果によ
って結晶の一定面方位のみをもった多結晶膜、配向性の
強く、グレインサイズの大きな、良質の膜の堆積が可能
となった。

本発明では、成膜空間に導入される活性化空間（Ａ）か
らの活性種（Ａ）は生産性及び取扱い易さなどの点から
、その寿命が０．１秒以上、より好ましくは１秒以上、
最適には１０秒以上あるものか所望に従って選択されて
使用され、この活性種（Ａ）の構成要素が成膜空間で形
成される堆積膜を構成する成分を構成するものとなる。

又、成膜用の化学物質は活性化空間（Ｂ）に於いて活性
化エネルギーを作用されて活性化されて、成膜空間に導
入され、堆積膜を形成する際、同時に活性化空間（Ａ）
から導入され、形成される塩８１膜の構成成分となる構
成要素を含む活性＃（Ａ）と化学的に相互作用する。

本発明の堆積膜形成法では、外部よりハロゲン、ハロゲ
ン化合物で代表されるエツチング作用を有するガス、又
その励起種が生成され導入される。

基体表面上に上記のハロゲン系物質存在する場合に、膜
堆積の最中にエツチングが生じる。Ｓｉの多結晶成長時
には成長速度の面方位依存性がある。これは膜堆積方法
や堆積条件により異なるが、本発明の方法では（１１０
）　＞（ｌ　ｌ　ｌ）　＞　（１００）が優勢である。

この条件下でエツチングガスの種類条件を適当に選択す
ることにより、より強い配向性の（１１０）＞＞（ｉｌ
ｌ）＞＞（１００）条件を実現出来、ひいては（１１０
）面のみにして配向したグレイサイズの大きな多結晶膜
の堆積が可能となる。

もちろん条件により配向面方位の制御も可能である。

本発明に於いて、活性化空間（Ａ）に導入されるケイ素
とハロゲンを含む化合物としては、例えば鎖状又は環状
シラン化合物の水素原子の一部乃至全部をハロゲン原子
で置換した化合物が用いられ、具体的には、例えば５ｉ
ＨＹｚｕ＋２（ｕは１以上の整数、ＹはＦ、Ｃ１，Ｂｒ
及びＩより選択される少なくとも一種の元素である。）
で示される鎖状ハロゲン化ケイ素。

５ｉｖＹ２ｖ（ｖは３以上の整数、Ｙは前述の意味を有
する。）で示される環状ハロゲン化ケイ素、Ｓ　１ｕＨ
ｘＹｙ　（ｕ及びＹは前述の意味を有するａｘ＋Ｙ”２
ｕ又は２ｕ＋２である。）で示される鎖状又は環状化合
物などが挙げられる。

艮体的には、例えば、 ５ｉＦａ、　　　　　　（ＳｉＦｚ）５゜（ＳｉＦ２）
ｓ、　　　（ＳｉＦ２）４゜Ｓｉ２Ｆ６．　　　　５ｉ
３ＦＢ・ Ｓ　１ＨＦ３　、　　　　　Ｓ　１Ｈ２Ｆ２　。

５ｉＣ１ａ、　　　　　（ＳｉＣ１２）ｓ。

ＳｉＢｒ４．　　　　　（ＳｉＢｒ２）　５゜５ｉ２Ｃ
１６，５ｆ２Ｂｒ６゜ ５ｆＨＣ１タ　　、　　　　　　　　　　　　　５ｉＨ
３Ｃ１゜５ｉＨ２Ｃ１２，５ｉＨＢｒ３゜ ５ｉＨｉ３．　　　　５ｉ２Ｃ１３Ｆ３などのガス状態
の又は容易にガス化し得るものが挙げられる。

活性種（Ａ）を生成させる為には、前記ケイ素とハロゲ
ンを含む化合物に加えて、必要に応じてケイ素単体等他
のケイ素化合物、水素、ハロゲン化合物（例えばＦ２ガ
ス、Ｃ１２ガス。

ガス化したＢｒ２．Ｉ２等）等を併用する事ができる。

本発明に於いて、活性化空間（Ａ）で活性種（Ａ）を生
成させる方法としては、各々の条件、装置を考慮してマ
イクロ波、ＲＦ、低周波、ＤＣ等の電気エネルギー、ヒ
ータ加熱、赤外線加熱等による熱エネルギー、光エネル
ギーなどの活性化エネルギーが使用される。

ヒ述したものに、活性化空間（Ａ）で熱。

光、電気などの励起エネルギーを加えることにより、活
性種（Ａ）が生成される。

本発明の方法で用いられる活性化空間（Ｂ）に於いて、
活性種（Ｂ）を生成させる前記成膜用の化学物質として
は、水素ガス及び／又はハロゲン化合物（例えばＦ２ガ
ス、ｃｉ２ガス。

ガス化したＢｒ２．Ｉ２等）が有利に用いられる。また
、これらの成膜用の化学物質に加えて、例えばヘリウム
、アルゴン、ネオン等の不活性ガスを用いることもでき
る。これらの成膜用の化学物質の複数を用いる場合には
、予め混合して活性化空間（Ｂ）内にガス状態で導入す
ることもできるし、或いはこれらの成膜用の化学物質を
ガス状態で夫々独立した供給源から各個別に供給し、活
性化空間（Ｂ）に導入することもできるし、又夫々独立
の活性化空間に導入して、夫々個別に活性化することも
出来る。

本発明に於いて、成膜空間に導入される前記活性種（Ａ
）と前記活性種（Ｂ）との量の割合は、成膜条件、活性
種の種類などで適宜所望に従って決められるが、好まし
くは１ｏｌｌ〜１：１０（導入流量比）が適当であり、
より好ましくは８：２〜４：６とされるのが望ましい。

又１本発明の方法により形成される塩８１膜は、成膜中
又は成膜後に不純物元素でドーピングする事が可能であ
る。使用する不純物元素としては、ｐ型不純物として１
周期律表第■族Ａの元素、例えばＢ、Ａ１．Ｇａ、Ｉｎ
、ＴＩ等が好適なものとして挙げられ、ｎ型不純物とし
ては。

周期律表第Ｖ族Ａの元素、例えばＰ、Ａ！ｌ。

Ｓｂ　、Ｂｆ等が好適なものとして挙げられるが、特に
Ｂ、Ｇａ、Ｐ、Ｓｂ等が最適である。ドーピングされる
不純物の量は、所望される電気的・光学的特性に応じて
適宜決定される。

かかる不純物元素を成分として含む物質（不純物導入用
物質）としては１常温常圧でガス状態であるから、或い
は少なくとも活性化条件下で気体であり、適宜の気化装
置で容易に気化し得る化合物を選択するのが好ましい、
この様な化合物としては、 ＰＨ３，Ｐ２Ｈａ、　　ＰＦ３゜ ＰＦ５．　　　ＰＣｌ３．　　ＡＳＨ３゜ＡｓＦ３．　
　ＡｓＦ５．　　Ａ３Ｃｌ３゜ＳｂＨ３，ＳｂＦ５．　
　ＳｉＨ：ｉ。

ＢＦ３．　　　ＢＣｌ３．　　ＢＢｒ３゜Ｂ　２　Ｈ６
、Ｂ　ａ　Ｈ１０、Ｂ　５　Ｈ９。

Ｂ５Ｈ１１，Ｂ６Ｈ１０，Ｂ６ＨＬ２゜ＡｌＣｌ３　　
等を挙げることができる。不純物元素を含む化合物は、
１種用いても２種以上併用してもよい。

不純物元素を成分として含む化合物は、ガス状態で直接
成膜空間内に導入しても差支えないし、或いは、予め活
性化空間（Ａ）乃至は活性化空間（Ｂ）、又は第３の活
性化空間（Ｃ）で活性化してその後、成膜空間に導入す
ることもできる。

本発明におけるエツチグ作用を有するガスまたは活性種
としては、 Ｆ２．Ｃ１２，ガス化したＢｒ２．Ｉ２などのハロゲン
、　　ＣＨＦ３　、ＣＦ４．Ｃ２Ｆ６　。

ＣＣ１４，ＣＢｒＦ３　、ＣＣｌ２Ｆ２　。

ＣＧ１３Ｆ、ＣＣｌＦ３．Ｃ２Ｃ１２Ｆ４などのハロゲ
ン化炭素、　ＢＣｌ３．ＢＦ３などのハロゲン化ホウ素
をはじめとするＳＦ６　。

ＮＦ３．ＰＦ５などのハロゲン化物、　更　にこれらの
ガスによるＦ″、ＣＩ’などのラジカル、　　ＣＦ３＋
、ＣＣｌ３＋、などのイオンが用いられる。これらは混
合して用いることもできるし、膜に影響を及ぼさない程
度の０２゜Ｆ２、その他ガスを添加してエツチング特性
をコントロールすることができる。

これらのガスまたは活性種の膜面に於るエツチングへの
導入法としては、別にエツチング空間を配して成膜と交
互にくり返してもよいし、成膜空間中にエツチング活性
を有した状態で導入して、成膜と同時にエツチング作用
をさせて、結晶性膜の成長方向を限定するという効果を
与えて１本発明の目的を達してもよい。

次に本発明の方法によって形成されるデバイスの典型的
な例を挙げて本発明を説明する。第１図は本発明方法の
実施される堆積膜形成装置の一例の概略構成を示す部分
断面図である。

第１図に於いて、１０１はその内部でシリコン薄膜の堆
積が行なわれる堆積室であり、堆積室１０１内は排気口
１０６を通して不図示の排気系に接続され、堆積室１０
１内を所望の圧力に保持することができる。

堆積室ｌＯ１には励起種（Ａ）であるＳｉとハロゲンを
含むラジカルの導入管１０２と励起種（Ｂ）である水素
ラジカルの導入管１０３がそれぞれ１対の組になって設
けられている。各ラジカルの導入管の先は作用室１０Ｂ
、１０８’の所で太く、又出口１０９　、　ｌ　Ｏ９’
で細くなっている。堆積室ｌｏｔ内にはローラー１１０
により紙面に垂直な方向に往復移動可部な様に基体支持
体１０４が保持されている。そして該支持体１０４上に
は、堆積用の基体１０５が保持されている。出口１０９
　、１０９’より出た各ラジカルは堆積室１０１内の基
体近傍で混合し反応して基体上で膜を形成する。

シリコンとハロゲンとを含むラジカルと水素ラジカルと
はそれぞれ図示しない加熱炉或いはプラズマ室等のラジ
カル生成部に於いてそれぞれの原料ガスから生成せしめ
られた後に、それぞれ導入管１０２．１０３から作用室
１０８１０８′内に導入される。その量は加熱炉又はプ
ラズマ室よりガスソース側のマスフローコントローラー
によって制御される。ローラー１１０は基板１０５を移
動させて基板上全面にシリコン薄膜を堆積するのに供せ
られる。

導入管ｉｌｌは化学的或いは物理的エツチング活性を有
する別のガスのため導入管であリ、場合によって不図示
の加熱炉、プラズマ炉で励起されて、ガスを出口１１４
まテ導く。

出口１１４から膜にアタックするエツチング活性を有す
るガスが放出されて、膜の特定の成長方向以外の結合を
選択的に切断排除する。エツチング活性ガスの導入はこ
のような別導入管による他、原料ガスとの反応性が低い
場合には、原料ガスと混合して導入管１０２，１０３か
ら導入することもできる。

以下に実施例を示し、本発明について更に詳細に説明す
る。

〔実施例１〕 基体として平板状のガラス基板（コーニング社製＃７０
５９）を用い第１図の装置を用いて該基板上にシリコン
薄膜を形成した。

シリコンとハロゲンを含むラジカルの形成用の原料ガス
としてＳｉＦ４ガスを用い、エツチングガスＦ２を混合
して、これを１１００℃に保った反応炉に流入させ分解
した後、導入管１０２から作用室１０８へ放出した。こ
れと同時にＦ２ガスを導入管１０３に流入せしめ該導入
管３に２．４５ＧＨ２（７）？イクロ波を０．５　ｗ　
／ｃｒｎ’のパワーで導入し、放電を生じせしめ、Ｆ２
を分解させ作用室１０ｇに放出した。基板温度は２５０
℃に保った。

この時各原料ガスの量比を流量比に於いてＦ２ガスの流
量／　Ｓ　ｉ　Ｆ　４分解ガスの流量を１０／１００，
２０／１００，３０／１００゜４０／Ｚｏｏ　、５０／
１００　（単位はＳＣＣＭ）と変化させて、各々１時間
圧力０．５Ｔｏｒｒで維持したところ表１の様な性質の
膜が堆積した。各サンプルのうちＮｏ、２　、３　、４
についてドリフトモビリティを測定すると、Ｎｏ、２は
２１　、　Ｎｏ、３は３５　、　Ｎｏ、４は１２ｃゴ／
ｖ・ｓｅｃとなり、非常に良好な配向性の強い多結晶膜
が作成できることがわかった。

Ｆ２流量の大きいＮｏ、５では膜はアモルファスとなっ
た。グレインサイズはデバイシェラ−法及び透過電子顕
微鏡を用いて測定した。

〔実施例２〕 実施例１と同様の装置で導入管１０２に５ｆ２Ｆ６をソ
ースとした励起種を流入させ導入管１０３にＦ２の励起
種を導入して基体として乎板上のコーニング＃７０５９
基板上に膜を堆積した。

シリコンとハロゲンを含むラジカルの形成用の原料ガス
としてＳ　ｉ　２Ｆ６を用いこれを８００℃に保った反
応炉に流入させ分解した後、導入管１０２から作用室１
０８へ放出した。これと同時に導入管１１１からＦ２を
流入させ、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を０．７　ｗ　
／ｃｍ″のパワーで導入して放電せしめ、作用室１１３
へ放出した。Ｆ２ガスは導入管１０３を用いて流入させ
、２．４５　Ｇ　Ｈｚのマイクロ波を０、５　ｗ　／　
ｃ　ｒｎ’のパワーで導入し放電を生ぜしめ、Ｆ２を分
解させ作用室１０８に放出した。

基板温度は３１０℃に保った。

この時各原料ガスの比を流量比に於いてＦ２ガスの流量
／Ｓ［２Ｆ６分解ガスの流量を５／１００．１５／１０
０．２５／１００．３５／１００．５０／１００としく
単位はＳＣＣＭ）ど変化させ、水素は３０ＳＣＣＭと一
定とし、各々の条件下で１時間、圧力０．５Ｔｏｒｒで
維持したところ表２の様な性質の膜が堆積した。

Ｎｏ、８　、９のサンプルについて、ドリフト・モビリ
ティを測定した結果各々４０．１５ｃｍ”／ｖｉｉ　ｓ
ｅｅの高い値を得て、良好な膜が堆積していることが判
明した。

〔実施例３〕 実施例１と２のサンプルＮｏ、３　、８の条件を用いて
第３図の様な薄膜トランジスタ（以下ＴＰＴと略す）を
作成した。前記の条件でガラス（コーニング＃７０５９
）基板２０１上に０．５ｇｍの膜厚でＳｔ半導体多結晶
層２０２を第２図の様に堆積した橋上ゲートコプレーナ
ーＴＰＴ作成のプロセスを用いてＴＰＴを作成した。

まずグロー放電法によって、Ｐのドープされたオーミッ
クコンタクト層３３であるη十層（比抵抗σ：１Ωφｃ
ｍ）を１０００人堆積した後、フォトリングラフィによ
り活性層３０２を残し、その後チャネル部分３０６をｅ
ｔ　ｃｈｉ　ｎｇして上記コンタクト層３０３を形成す
る。

そのおとグロー放電法を用いてＮＨ３とＳｉＨ４を分解
して基板温度２００℃で膜厚３０００人、誘電率６．７
、耐圧３Ｘ１０６ｖ／　ｃ　ｍ、　ＶＦＢ二０　Ｖｃ７
）Ｓ　ｉ−Ｎ−ＨＭを絶縁層３０４として堆積する。そ
の後ソース、ドレイン用のコンタクトホールを開け、上
部電極としてＡ免を真空蒸着によって５０００人堆積し
、フォトリングラフィによって、ソース電極３０７．ゲ
ート電極３０９、ドレイン電極３０８を成型する。（ゲ
ート巾Ｗとゲート長りはそれぞれ６００ｇ、２０ｇであ
る。）ドレイン電極を接地し、ソース電極、ゲート１糧
にｅ電圧を変化させながら加えた時の特性を測定した。

ドレイン電流ＩＯ−ドレイン電圧ＶＤ特性では、Ｎｏ、
３　、８両者とも良好な飽和特性が得られていてゲート
電圧１０Ｖ、ドレイン電圧１０■で３ＸｌＯ−４Ａの高
い電波が得られている。

ゲート電圧Ｖｃを変化させてドレイン電流ＩＤを測定し
た結果より得られたＴＰＴ特性を表３に示す。

以上より得られた膜を使ってＴＰＴは良好の特性をもつ
ことが判明した。

表　　　　３ ＊　ゲート電圧を変化させて測定 （ドレイン電圧Ｖｏ　＝　１０Ｖ一定にする）＊＊Ｊ″
′ｒＤ−ｖｏ依存性より算出 〔発明の効果〕 以上本発明により、非常に配向性の高いグレインサイズ
の大きな膜が作成する事ができた。

上記の配向性の高い膜を用いて薄膜トランジスタは高い
移動度を有し、ディスプレイやセンサーの駆動用として
充分な機能する事ができた。

【図面の簡単な説明】

８１図は本発明堆積膜形成装置の断面図である。 １０１：堆積室 １０２：シリコンとハロゲンを含むラジカルの導入管 １０３：水素ラジカルの導入管 １０５：基板 １１０：ローラー １０８．１０８’：作用室 １０９．１０９’：出口 １１０：ローラー １１１：エツチングガス導入管 １１３二作用室 １１４：出口 第２図は本発明方法により堆積膜の形成さえた基板の平
面図である。 ２０１：基板 ２０２：堆積膜 第３図は本発明の薄膜トランジスタの断面りである。 ３０１：基板 ３０２：半導体層 ３０３ニオ−ミックコンタ）ト層 ３０４：絶縁層 ３０５：コンタクトホール ３０６：チャネル ３０７：ソース金属電極 ３０８：　ドレイン　　〃 ３０９：ゲート〃

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 基体上に堆積膜を形成する為の成膜空間内に、ケイ素と
   ハロゲンを含む化合物を分解することにより生成される
   活性種（Ａ）と、該活性種（Ａ）と化学的相互作用をす
   る成膜用化学物質より生成される活性種（Ｂ）とを夫々
   別々に導入し、化学反応させることによって前記基体上
   に堆積膜を形成する堆積膜形成法に於て、前記堆積膜の
   形成の際に、前記堆積膜に対してエッチング作用を有す
   るガスまたはその活性種を堆積膜成長表面に供給して前
   記堆積膜の表面にエッチング作用を施すことで特定の面
   方位の結晶成長を優先的に行うことを特徴とする堆積膜
   形成法。