JP2985472B2 - Method of forming silicon film - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、例えば半導体デバイ
スの構成等に用いられるものであって、基板の表面に結
晶化したシリコン膜を形成する方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a crystallized silicon film on the surface of a substrate, for example, for use in the construction of a semiconductor device.

【０００２】[0002]

【従来の技術】例えばガラス基板のような絶縁性の基板
上に結晶化したシリコン膜を形成する技術は、いわゆる
ＳＯＩ技術と呼ばれており、従来から幾つかの方法が試
みられている。2. Description of the Related Art A technique for forming a crystallized silicon film on an insulating substrate such as a glass substrate is called a so-called SOI technique, and several methods have been tried.

【０００３】一つは、シラン（ＳiＨ₄）ガスを用いてＣ
ＶＤ法によってシリコン膜を形成する方法であり、この
方法では基板を８００℃程度に加熱する必要がある。One is to use a silane (SiH ₄ ) gas to convert C
This is a method of forming a silicon film by a VD method. In this method, the substrate needs to be heated to about 800 ° C.

【０００４】他の一つは、真空蒸着法によってシリコン
を基板に蒸着させる方法であり、この方法でも基板を６
００℃程度以上に加熱する必要がある。[0004] Another method is to deposit silicon on a substrate by a vacuum deposition method.
It is necessary to heat to about 00 ° C. or more.

【０００５】また、低温にてシリコン膜を形成する方法
として、レーザアニール法が試みられている。これは、
低温にて基板上にシリコン膜を形成した後、レーザによ
って膜表面を局所的に加熱して高温にすることでシリコ
ン膜を再結晶化する方法である。[0005] As a method of forming a silicon film at a low temperature, a laser annealing method has been attempted. this is,
In this method, after a silicon film is formed on a substrate at a low temperature, the film surface is locally heated by a laser to raise the temperature to a high temperature to recrystallize the silicon film.

【０００６】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記Ｃ
ＶＤ法および真空蒸着法では、基板を上述したような高
温に加熱しないとシリコンが結晶化しないという問題が
ある。そのためには、このような温度に耐え得る基板を
選択する必要があり、そのような基板は一般的に高価で
ある。また、基板を高温に加熱し、冷却するには多くの
時間がかかり、そのためスループットも低下する。However, the above C
In the VD method and the vacuum evaporation method, there is a problem that silicon does not crystallize unless the substrate is heated to the high temperature as described above. For that purpose, it is necessary to select a substrate that can withstand such a temperature, and such a substrate is generally expensive. In addition, it takes a lot of time to heat and cool the substrate to a high temperature, and thus the throughput is reduced.

【０００７】一方、レーザアニール法については、シリ
コン膜を均一に結晶化するのが困難であり、まだ実用の
段階には至っていない。On the other hand, with the laser annealing method, it is difficult to uniformly crystallize a silicon film, and it has not yet reached a practical stage.

【０００８】そこでこの発明は、基板上に結晶化したシ
リコン膜を低温下で形成することができるシリコン膜の
形成方法を提供することを主たる目的とする。Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for forming a silicon film which can form a crystallized silicon film on a substrate at a low temperature.

【０００９】[0009]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明のシリコン膜の形成方法は、真空容器内に
おいて、基板にシリコンを蒸着させると同時に、不活性
ガスプラズマを基板の近傍に発生させて当該プラズマ中
の不活性ガスイオンを基板に衝突させ、しかもこのとき
に基板に衝突する不活性ガスイオンのエネルギーを５ｅ
Ｖ〜６３ｅＶの範囲内にし、かつ基板へのシリコン原子
に対する不活性ガスイオンの輸送比を２〜６０の範囲内
にすることを特徴とする。In order to achieve the above object, a method of forming a silicon film according to the present invention is characterized in that silicon is vapor-deposited on a substrate in a vacuum vessel and, at the same time, an inert gas plasma is generated near the substrate. This causes the inert gas ions in the plasma to collide with the substrate, and the energy of the inert gas ions that collide with the substrate at this time is reduced to 5e.
V is in the range of 63 to 63 eV, and the transport ratio of inert gas ions to silicon atoms in the substrate is in the range of 2 to 60.

【００１０】[0010]

【作用】上記方法によれば、基板上に結晶化したシリコ
ン膜を、従来の真空蒸着法による場合よりも低温下で形
成することができた。これは、基板にシリコン原子が蒸
着されると同時に、適度のエネルギーを持つ不活性ガス
イオンが適度の割合で衝突し、そのエネルギーが基板最
表面にあるシリコン原子に伝達されてその結晶成長にほ
ど良い状態が基板最表面にて実現するためであると考え
られる。According to the above method, a crystallized silicon film can be formed on a substrate at a lower temperature than in a conventional vacuum deposition method. This is because, at the same time as silicon atoms are deposited on the substrate, inert gas ions having appropriate energy collide at an appropriate rate, and the energy is transferred to the silicon atoms on the outermost surface of the substrate, and as the crystal grows. It is considered that a good state is realized on the outermost surface of the substrate.

【００１１】この場合、前記不活性ガスイオンのエネル
ギーを１４ｅＶ〜４６ｅＶの範囲内にし、かつ前記輸送
比を６〜３０の範囲内にすると、より低温下で結晶化し
たシリコン膜を形成することができる。In this case, when the energy of the inert gas ions is set in the range of 14 eV to 46 eV and the transport ratio is set in the range of 6 to 30, a silicon film crystallized at a lower temperature can be formed. it can.

【００１２】[0012]

【実施例】図１は、この発明に係るシリコン膜の形成方
法を実施する装置の一例を示す概略断面図である。図示
しない真空排気装置によって超高真空に真空排気される
真空容器２内に、この例では回転式のホルダ４が設けら
れており、それに基板６が取り付けられている。ホルダ
４をこの例のように回転式にすれば基板６の表面に形成
される膜をより均一にすることができるが、必須ではな
い。ホルダ４の背後には、基板６を加熱するヒータのよ
うな加熱源５が設けられている。FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of an apparatus for carrying out a method for forming a silicon film according to the present invention. In this example, a rotary holder 4 is provided in a vacuum vessel 2 which is evacuated to an ultra-high vacuum by a vacuum exhaust device (not shown), and a substrate 6 is attached thereto. If the holder 4 is made to be a rotary type as in this example, the film formed on the surface of the substrate 6 can be made more uniform, but is not essential. Behind the holder 4, a heating source 5 such as a heater for heating the substrate 6 is provided.

【００１３】真空容器２内には、例えば抵抗加熱、電子
ビーム加熱等によってシリコン１０を蒸発させてそれを
ホルダ４上の基板６に蒸着させる蒸発源８が設けられて
いる。もっともこのような蒸発源８の代わりに、スパッ
タによってシリコンを蒸発させる方式の蒸発源を用いて
も良い。In the vacuum vessel 2, there is provided an evaporation source 8 for evaporating the silicon 10 by, for example, resistance heating, electron beam heating or the like and depositing the silicon 10 on the substrate 6 on the holder 4. However, instead of such an evaporation source 8, an evaporation source of a type in which silicon is evaporated by sputtering may be used.

【００１４】また、真空容器２には、基板６に向けて、
この例では、ＥＣＲ型のプラズマ源１４が取り付けられ
ている。このプラズマ源１４は、マイクロ波導入口１８
からマイクロ波２０が、ガス導入口２２から不活性ガス
２４がそれぞれ導入されるプラズマ生成容器１６および
その周りに設けられた磁気コイル２６を有しており、プ
ラズマ生成容器１６内でＥＣＲ（電子サイクロトロン共
鳴）条件下のマイクロ波放電によって不活性ガスプラズ
マ２８を発生させることができる。発生した不活性ガス
プラズマ２８は、自然にホルダ４上の基板６の近傍まで
拡散して行く。不活性ガス２４は、Ｈe 、Ｎe 、Ａr 、
Ｋr 、Ｘe の内のいずれかである。Further, in the vacuum vessel 2,
In this example, an ECR type plasma source 14 is attached. The plasma source 14 has a microwave inlet 18
Has a plasma generating container 16 into which an inert gas 24 is introduced from a gas inlet 22 and a magnetic coil 26 provided around the plasma generating container 16, and has an ECR (Electron Cyclotron) inside the plasma generating container 16. Inert gas plasma 28 can be generated by microwave discharge under (resonant) conditions. The generated inert gas plasma 28 naturally diffuses to the vicinity of the substrate 6 on the holder 4. The inert gas 24 includes He, Ne, Ar,
Kr or Xe.

【００１５】成膜に際しては、シリコン１０を蒸発源８
より蒸発させてそれを基板６の表面に蒸着させると同時
に、プラズマ源１４で不活性ガスプラズマ２８を発生さ
せてそれを基板６の近傍まで拡散させて当該不活性ガス
プラズマ２８中の不活性ガスイオンを基板６に衝突させ
る。このとき、不活性ガスプラズマ２８の状態（例えば
その密度とかその中の不活性ガスイオンのエネルギー
等）は、プラズマ源１４にガス導入口２２より導入する
不活性ガス２４の流量およびマイクロ波導入口１８より
導入するマイクロ波２０の電力等によって制御すること
ができる。基板６の温度は、加熱源５によって制御する
ことができる。At the time of film formation, the silicon 10 is
At the same time, the inert gas plasma 28 is generated by the plasma source 14 and diffused to the vicinity of the substrate 6 so that the inert gas in the inert gas plasma 28 is removed. The ions collide with the substrate 6. At this time, the state of the inert gas plasma 28 (for example, the density thereof or the energy of the inert gas ions therein) depends on the flow rate of the inert gas 24 introduced from the gas inlet 22 into the plasma source 14 and the microwave inlet 18. It can be controlled by the power of the microwave 20 to be introduced. The temperature of the substrate 6 can be controlled by the heating source 5.

【００１６】上記のような装置を用いて、基板６として
ガラス基板を用い、かつ不活性ガス２４としてアルゴン
（Ａr ）ガスを用いて、成膜条件を変えて形成したシリ
コン膜のＸ線回折による分析結果を図２に示す。Using the apparatus as described above, a glass substrate is used as the substrate 6 and argon (Ar) gas is used as the inert gas 24, and X-ray diffraction is performed on a silicon film formed under different film forming conditions. FIG. 2 shows the analysis results.

【００１７】図中の横軸は基板温度を、縦軸はＸ線回折
によるＳi（２００）面の回折強度を表している。この
回折強度の値が大きいほど、シリコン膜は結晶化してお
り、結晶化シリコンの生成具合の目安となる。図中の○
印は、比較のためにＡr プラズマを発生させずに真空蒸
着のみによってシリコン膜を形成した結果であり、従来
技術に相当する。□印は、Ａr プラズマを発生させなが
らシリコンを蒸着した結果である。In the figure, the horizontal axis represents the substrate temperature, and the vertical axis represents the diffraction intensity of the Si (200) plane by X-ray diffraction. The larger the value of the diffraction intensity is, the more the silicon film is crystallized, which is a measure of the degree of generation of crystallized silicon. ○ in the figure
The mark shows the result of forming a silicon film only by vacuum deposition without generating Ar plasma for comparison, which corresponds to the prior art. The marks □ are the results of depositing silicon while generating Ar plasma.

【００１８】この図より、シリコン蒸着のみの場合は基
板の温度を約６００℃以上にしないとシリコンが結晶化
していないのに対して、Ａr プラズマを併用した場合に
は４００℃においてもシリコンが結晶化している。この
ことから、不活性ガスプラズマを併用することによっ
て、シリコン膜がより低温下で結晶化できることが分か
る。From this figure, it can be seen that in the case of silicon deposition alone, silicon does not crystallize unless the temperature of the substrate is set to about 600 ° C. or higher, whereas when Ar plasma is also used, silicon crystallizes even at 400 ° C. Is becoming This indicates that the silicon film can be crystallized at a lower temperature by using the inert gas plasma together.

【００１９】次に、不活性ガスプラズマを併用する場合
の条件を変えることで、シリコンの結晶化開始温度がど
のように変わるかを測定した結果を図３に示す。Next, FIG. 3 shows the result of measuring how the crystallization start temperature of silicon changes by changing the conditions when the inert gas plasma is used together.

【００２０】図中の横軸は、不活性ガスプラズマ（この
場合はＡr プラズマ）２８中の基板６に衝突するＡr イ
オンのエネルギーを示しており、これは主としてプラズ
マ源１４に投入するマイクロ波２０の電力によって調節
した。図中の縦軸は、基板６に対する、蒸発源８からの
シリコン原子とＡr プラズマ２８中のＡr イオンとの輸
送比を示しており、この例の場合はシリコン１０の蒸着
速度を５Å／秒の一定にしておき、Ａr イオンの量を、
主として真空容器２内のＡr ガス圧を変えてＡr プラズ
マ２８の密度を変えることによって調節した。図中の四
角内の数字は、シリコンの結晶化開始温度を示してい
る。The horizontal axis in the figure shows the energy of Ar ions colliding with the substrate 6 in the inert gas plasma (in this case, Ar plasma) 28, which is mainly due to the microwave 20 applied to the plasma source 14. The power was adjusted. The vertical axis in the figure shows the transport ratio of silicon atoms from the evaporation source 8 to Ar ions in the Ar plasma 28 with respect to the substrate 6, and in this case, the deposition rate of the silicon 10 was 5 ° / sec. Keeping the amount of Ar ions constant,
It was adjusted mainly by changing the Ar gas pressure in the vacuum vessel 2 to change the density of the Ar plasma 28. The numbers in the squares in the figure indicate the crystallization start temperature of silicon.

【００２１】この図から分かるように、Ａr イオンのエ
ネルギーが５ｅＶ〜６３ｅＶの範囲内、かつＡr ／Ｓi
輸送比が２〜６０の範囲内の場合は、従来の真空蒸着法
等による場合よりも遙かに低い４００℃でシリコンの結
晶化が始まっており、取り分けＡr イオンのエネルギー
を１４ｅＶ〜４６ｅＶの範囲内、かつＡr ／Ｓi 輸送比
を６〜３０の範囲内にすれば、３００℃でシリコンの結
晶化が始まっている。As can be seen from this figure, the energy of Ar ions is in the range of 5 eV to 63 eV, and Ar / Si
When the transport ratio is in the range of 2 to 60, crystallization of silicon has started at 400 ° C., which is much lower than in the case of the conventional vacuum deposition method or the like, and the energy of Ar ions is in the range of 14 eV to 46 eV. If the Ar / Si transport ratio is within the range of 6 to 30, silicon crystallization has begun at 300 ° C.

【００２２】このようにシリコンが低温下で結晶化する
理由としては、不活性ガスプラズマを併用すると基板に
シリコン原子が蒸着されると同時に、不活性ガスプラズ
マ中の適度のエネルギーを持つ不活性ガスイオンが適度
の割合で衝突し、そのエネルギーが基板最表面にあるシ
リコン原子に伝達されてその結晶成長にほど良い状態が
基板最表面にて実現するためであると考えられる。The reason why silicon is crystallized at a low temperature is that when an inert gas plasma is used together, silicon atoms are vapor-deposited on a substrate, and at the same time, an inert gas having a suitable energy in the inert gas plasma is used. It is considered that this is because ions collide at an appropriate rate, the energy is transmitted to silicon atoms on the outermost surface of the substrate, and a state suitable for crystal growth is realized on the outermost surface of the substrate.

【００２３】なお、上記のような不活性ガスプラズマの
発生には、この例のようにＥＣＲ型のプラズマ源を用い
る方が、適度に低いプラズマエネルギーで高密度プラズ
マを作ることができるので好ましいが、勿論それ以外の
プラズマ源を用いても良い。In order to generate the above-mentioned inert gas plasma, it is preferable to use an ECR type plasma source as in this example, since high-density plasma can be produced with appropriately low plasma energy. Of course, other plasma sources may be used.

【００２４】[0024]

【発明の効果】以上のように請求項１記載の発明によれ
ば、基板上に結晶化したシリコン膜を従来のＣＶＤ法ま
たは真空蒸着法による場合よりも低温下で形成すること
ができる。その結果、基板に耐熱温度の低い安価な基板
を使用することができるのでコストダウンを図ることが
できると共に、基板の加熱、冷却に要する時間を短縮す
ることができるので、スループットも向上する。請求項
２記載の発明によれば、より低温下で結晶化したシリコ
ン膜を形成することができるという更なる効果を奏す
る。 As described above , according to the first aspect of the present invention, a crystallized silicon film is formed on a substrate by a conventional CVD method.
Alternatively, it can be formed at a lower temperature than in the case of using a vacuum deposition method . As a result, an inexpensive substrate having a low heat-resistant temperature can be used as the substrate, so that the cost can be reduced, and the time required for heating and cooling the substrate can be shortened, so that the throughput can be improved. Claim
According to the invention described in 2, the silicon crystallized at lower temperature
It has the additional effect that a film can be formed.
You.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】 この発明に係るシリコン膜の形成方法を実施
する装置の一例を示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of an apparatus for performing a method of forming a silicon film according to the present invention.

【図２】 成膜条件を変えて形成したシリコン膜のＸ線
回折による分析結果の一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of an analysis result by X-ray diffraction of a silicon film formed under changing film forming conditions.

【図３】 Ａr イオンエネルギーおよびＡr ／Ｓi 輸送
比を変えて形成したシリコン膜の結晶化開始温度の測定
結果の一例を示す図である。FIG. 3 is a view showing an example of a measurement result of a crystallization start temperature of a silicon film formed by changing an Ar ion energy and an Ar / Si transport ratio.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

２ 真空容器 ６ 基板 ８ 蒸発源 １０ シリコン １４ プラズマ源 ２８ 不活性ガスプラズマ 2 Vacuum container 6 Substrate 8 Evaporation source 10 Silicon 14 Plasma source 28 Inert gas plasma

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/205 Ｈ０１Ｌ 21/205 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/203 H01L 21/205 Continued on the front page (51) Int.Cl. ⁶ identification code FI H01L 21/205 H01L 21/205 (58) Fields investigated (Int.Cl. ⁶ , DB name) H01L 21/203 H01L 21/205

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】 真空容器内において、基板にシリコンを
蒸着させると同時に、不活性ガスプラズマを基板の近傍
に発生させて当該プラズマ中の不活性ガスイオンを基板
に衝突させ、しかもこのときに基板に衝突する不活性ガ
スイオンのエネルギーを５ｅＶ〜６３ｅＶの範囲内に
し、かつ基板へのシリコン原子に対する不活性ガスイオ
ンの輸送比を２〜６０の範囲内にすることを特徴とする
シリコン膜の形成方法。In a vacuum vessel, silicon is vapor-deposited on a substrate, and at the same time, an inert gas plasma is generated near the substrate to cause inert gas ions in the plasma to collide with the substrate. Characterized in that the energy of inert gas ions colliding with the substrate is in the range of 5 eV to 63 eV and the transport ratio of inert gas ions to silicon atoms in the substrate is in the range of 2 to 60. Method. 【請求項２】 前記不活性ガスイオンのエネルギーを１
４ｅＶ〜４６ｅＶの範囲内にし、かつ前記輸送比を６〜
３０の範囲内にする請求項１記載のシリコン膜の形成方
法。2. The energy of the inert gas ions is 1
4 eV to 46 eV, and the transport ratio is 6 to
The method for forming a silicon film according to claim 1, wherein the thickness is in the range of 30.