JPH04298022A - Manufacture of single crystal silicon thin film - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】0001
【産業上の利用分野】本発明は単結晶シリコン薄膜の製
造方法に係り、特に、プラズマＣＶＤ装置を用い電子移
動度等電気的特性の優れた単結晶シリコン薄膜が求めら
れる単結晶シリコン薄膜の製造方法に関するものである
。[Industrial Application Field] The present invention relates to a method for producing a single crystal silicon thin film, and in particular, the present invention relates to a method for producing a single crystal silicon thin film using a plasma CVD apparatus, in which a single crystal silicon thin film having excellent electrical properties such as electron mobility is required. It is about the method.
【０００２】0002
【従来の技術】バイポーラトランジスタ、バイポーラＩ
Ｃ、ＭＯＳ、ＬＳＩ、メモリー等の半導体材料として、
近年、単結晶シリコン薄膜が注目されている。[Prior art] Bipolar transistor, bipolar I
As a semiconductor material for C, MOS, LSI, memory, etc.
In recent years, single-crystal silicon thin films have attracted attention.
【０００３】この単結晶シリコン薄膜は、従来、化学的
気相成長法によるエピタキシャル成長で得られ、熱ＣＶ
Ｄ法が一般に適用されている。例えば、シリコンのエピ
タキシャル成長の場合には、基板としてシリコン単結晶
基板を使用し、１０００〜１１５０℃という高温下にお
いて水素ガスで希釈されたシランやクロロシラン等を熱
分解して単結晶シリコン薄膜が製造されている。Conventionally, this single-crystal silicon thin film has been obtained by epitaxial growth using chemical vapor deposition, and thermal CVD.
D method is generally applied. For example, in the case of epitaxial growth of silicon, a silicon single crystal substrate is used as the substrate, and a single crystal silicon thin film is produced by thermally decomposing silane, chlorosilane, etc. diluted with hydrogen gas at a high temperature of 1000 to 1150 °C. ing.
【０００４】しかし、最近、バイポーラＩＣの製造にお
いて微細化への要求が高まっており、不純物（ドーパン
ト）濃度の高いシリコン単結晶基板の上に０．５〜１．
５μｍと薄く、かつ、不純物濃度の低いエピタキシャル
層を形成する必要が生じている。それにもかかわらず、
従来の熱ＣＶＤ法によってドーパントを含む単結晶基板
ａ上に形成した単結晶シリコン薄膜ｂは、図３に示すよ
うに上記基板ａに含有されている不純物が単結晶シリコ
ン薄膜ｂ中に拡散してエピタキシャル層と基板ａの臨界
面に厚さ１．５〜２．５μｍもの遷移領域ｃが生じてし
まう欠点があった。ここで、単結晶基板ａ中のドーパン
トが１０ｐｐｍ以上拡散したエピタキシャル層の領域を
上記遷移領域と定義する。このため、従来法ではとても
前記ＩＣの微細化に適応することはできなかった（「日
経マイクロデバイス」１９８５年、１０月号、第８０頁
参照）。However, recently, there has been an increasing demand for miniaturization in the production of bipolar ICs, and silicon single crystal substrates with high impurity (dopant) concentrations are used on silicon single crystal substrates of 0.5 to 1.0 mm.
There is a need to form an epitaxial layer as thin as 5 μm and with a low impurity concentration. Nevertheless,
As shown in FIG. 3, a single crystal silicon thin film b formed on a single crystal substrate a containing a dopant by a conventional thermal CVD method is caused by impurities contained in the substrate a being diffused into the single crystal silicon thin film b. There is a drawback that a transition region c with a thickness of 1.5 to 2.5 μm is formed at the critical interface between the epitaxial layer and the substrate a. Here, the region of the epitaxial layer in which the dopant in the single crystal substrate a is diffused by 10 ppm or more is defined as the transition region. For this reason, conventional methods have not been able to adapt to the miniaturization of the IC (see "Nikkei Micro Devices", October issue, 1985, p. 80).
【０００５】そこで、近年、単結晶基板に含有されてい
る不純物を拡散させずに単結晶シリコン薄膜を形成させ
る技術の開発が強く望まれていた。Therefore, in recent years, there has been a strong desire to develop a technique for forming a single crystal silicon thin film without diffusing impurities contained in a single crystal substrate.
【０００６】この様な要望に沿って研究が進められた結
果、最近、プラズマＣＶＤ法によってかかる目的を達し
うることが見出された。その一例として、容量結合型Ｒ
ＦプラズマＣＶＤ装置を用いて多量の水素で希釈された
ＳｉＨ４ とＳｉＨ２ Ｆ２ の混合系のグロー放電分
解を行うことにより、約２５０℃程度の低温で（１００
）シリコン単結晶基板上に表面状態の良好な単結晶シリ
コンを成長させることができることが報告されている（
ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アブライド・フィジ
ックス、２６巻、Ｌ９５１−９５３［１９８７］）。As a result of research conducted in line with such demands, it has recently been discovered that such objects can be achieved by plasma CVD. As an example, capacitively coupled R
By performing glow discharge decomposition of a mixed system of SiH4 and SiH2 F2 diluted with a large amount of hydrogen using an F plasma CVD device, it is possible to decompose a mixture of SiH4 and SiH2 F2 at a low temperature of about 250°C (100°C).
) It has been reported that single crystal silicon with good surface conditions can be grown on a silicon single crystal substrate (
Japanese Journal of Ablide Physics, Volume 26, L951-953 [1987]).
【０００７】一方、特開昭６３−２２２０９６号公報に
は、シラン、フロロシラン、及び、（シラン＋フロロシ
ラン）の５倍以上の水素から成る混合ガスを放電分解し
て単結晶シリコン薄膜を製造する方法が記載されており
、実施例において基板としてシリコン単結晶ウエハを２
５０℃に加熱して使用した場合には上記シリコン基板か
ら単結晶シリコン薄膜がエピタキシャル成長したことが
確認された旨記載されている。On the other hand, Japanese Unexamined Patent Publication No. 63-222096 discloses a method for manufacturing a single crystal silicon thin film by discharging and decomposing a mixed gas consisting of silane, fluorosilane, and hydrogen in an amount more than 5 times that of (silane + fluorosilane). is described, and in the example, two silicon single crystal wafers are used as the substrate.
It is stated that when the silicon substrate was heated to 50° C. and used, it was confirmed that a single crystal silicon thin film was epitaxially grown from the silicon substrate.
【０００８】[0008]
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記基板に
含有されている不純物が成長層の方へ拡散してくること
が少ないこれ等従来の低温プラズマＣＶＤ法においては
、充分ラジカルを拡散させるための工夫が必要である。[Problem to be Solved by the Invention] However, in these conventional low temperature plasma CVD methods, in which the impurities contained in the substrate rarely diffuse toward the growth layer, it is difficult to sufficiently diffuse radicals. Some effort is needed.
【０００９】すなわち、ＳｉＨ４ が分解してできたＳ
ｉＨ３ のようなラジカルがシリコン成膜に寄与してい
ると考えられているが、この様なラジカルが飛来してき
たときにＳｉのダングリングボンドが露出しているとこ
のダングリングボンドにすぐ付着してしまい、ランダム
な成長をしてアモルファス（非晶質）化又は微結晶化し
て単結晶にはならない。このとき水素が成長表面に過剰
に存在していると、成長表面を不活性化するためにラジ
カルが成長表面で充分拡散して安定なサイトに辿着くこ
とができ、結晶成長が可能となる。このため、従来のプ
ラズマＣＶＤ法では反応ガス中に多量の水素ガスを存在
させることが必要と考えられていた。[0009] That is, S formed by decomposing SiH4
Radicals such as iH3 are thought to contribute to silicon film formation, but when such radicals fly in and the dangling bonds of Si are exposed, they immediately attach to the dangling bonds. As a result, it grows randomly and becomes amorphous or microcrystalline and does not become a single crystal. At this time, if hydrogen is present in excess on the growth surface, radicals can sufficiently diffuse on the growth surface to inactivate the growth surface and reach stable sites, making crystal growth possible. For this reason, it has been thought that in the conventional plasma CVD method, it is necessary to have a large amount of hydrogen gas present in the reaction gas.
【００１０】しかしながら、水素が過剰に存在している
とエピタキシャル成長膜中に水素が取残され易く、これ
により結晶の均一性が低下する結果、求められた単結晶
シリコン薄膜の電子移動度が小さな値となってしまう欠
点があった。例えば、従来法で製造した単結晶シリコン
薄膜中には約１原子％の水素が含有されることが知られ
ている（ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アブライド
・フィジックス、２６巻、第６号、第９５１頁［１９８
７］）。[0010] However, when hydrogen is present in excess, hydrogen tends to be left behind in the epitaxially grown film, and as a result, the uniformity of the crystal deteriorates, and as a result, the determined electron mobility of the single crystal silicon thin film becomes a small value. There was a drawback that it became. For example, it is known that a single-crystal silicon thin film produced by conventional methods contains approximately 1 atomic percent hydrogen (Japanese Journal of Abrid Physics, Vol. 26, No. 6, No. 951). Page [198
7]).
【００１１】このように、従来法では大きな電子移動度
を有する高品位の単結晶シリコン薄膜を求められない問
題点があった。[0011] As described above, the conventional method has the problem that it is not possible to obtain a high-quality single-crystal silicon thin film having large electron mobility.
【００１２】そこで、本発明者等は基板温度を低温にす
ることができるという利点を有するプラズマＣＶＤ法に
よって大きな電子移動度を有する高品位の単結晶シリコ
ン薄膜を得るべく更に研究を進めた結果、本発明を完成
するに至ったものである。[0012] Therefore, the present inventors conducted further research in order to obtain a high-quality single-crystal silicon thin film with large electron mobility using the plasma CVD method, which has the advantage of being able to lower the substrate temperature. This has led to the completion of the present invention.
【００１３】[0013]
【課題を解決するための手段】すなわち請求項１に係る
発明は、プラズマＣＶＤ装置を用いてシリコン原子、ハ
ロゲン原子及び水素原子を含有する反応ガスをプラズマ
化し、加熱された単結晶基板上に単結晶シリコンの薄膜
を形成する単結晶シリコン薄膜の製造方法を前提とし、
上記反応ガス中の水素原子の供給ガスを水素化珪素ガス
及び／又はハロゲン化シランガスにて構成したことを特
徴とするものであり、一方、請求項２に係る発明は、請
求項１に係る発明において上記単結晶シリコン薄膜の単
結晶基板からの不純物拡散遷移領域の厚みが５００オン
グストローム以下であり、かつ、上記薄膜中の水素濃度
が５０ｐｐｍ以下であることを特徴とするものである。[Means for Solving the Problem] That is, the invention according to claim 1 is a method for turning a reactive gas containing silicon atoms, halogen atoms, and hydrogen atoms into plasma using a plasma CVD apparatus, and depositing a single crystal on a heated single crystal substrate. Assuming a method for manufacturing a single crystal silicon thin film to form a crystalline silicon thin film,
The invention according to claim 2 is characterized in that the supply gas for hydrogen atoms in the reaction gas is composed of silicon hydride gas and/or halogenated silane gas. The single crystal silicon thin film is characterized in that the thickness of the impurity diffusion transition region from the single crystal substrate is 500 angstroms or less, and the hydrogen concentration in the thin film is 50 ppm or less.
【００１４】この様な技術的手段において成膜性を有す
るシリコン原子の供給ガスとしては、ＳｉＨ４ 、Ｓｉ
２ Ｈ６ 、Ｓｉ３ Ｈ８ 等の水素化珪素、ＳｉＨｍ
Ｘ４−ｍ （但し、ｍは１〜４、好ましくは２〜４、
ＸはＣｌ又はＦ原子、好ましくはＦ原子である）で示さ
れるハロゲン化シラン、及びＳｉＦ４ 、ＳｉＣｌ４
、及びＳｉ２ Ｆ６ より任意に選択されたハロゲン化
珪素が適用可能である。In such technical means, SiH4, Si
Silicon hydride such as 2 H6, Si3 H8, SiHm
X4-m (where m is 1 to 4, preferably 2 to 4,
X is Cl or F atom, preferably F atom), and SiF4, SiCl4
, and Si2 F6 can be used.
【００１５】尚、ＳｉＦ４ 、ＳｉＣｌ４ 、Ｓｉ２
Ｆ６ 等のハロゲン化珪素は、シリコン結晶薄膜作製技
術において従来エッチング性ガスと考えられていたもの
であるが、本発明においては、反応ガス中に下記の水素
化合物を含有させることによりこれ等に成膜性のシリコ
ン原子供給ガスとしての役割を持たせることに成功した
ものである。[0015] Furthermore, SiF4, SiCl4, Si2
Silicon halides such as F6 were conventionally considered to be etching gases in silicon crystal thin film production technology, but in the present invention, silicon halides such as F6 can be etched by containing the following hydrogen compounds in the reaction gas. This has succeeded in providing the gas with the role of supplying film-like silicon atoms.
【００１６】また、エッチング性を有するハロゲン原子
の供給ガスとしては、上記ＳｉＦ４ 、ＳｉＣｌ４ 、
Ｓｉ２ Ｆ６ 等のハロゲン化珪素やＳｉＨｍ Ｘ４−
ｍ で示されるハロゲン化シラン、及び、Ｆ２ 又はＣ
ｌ２ 等のハロゲンガスが適用できる。これ等のガスは
プラズマ条件下においてシリコン表面をエッチングする
ことのできるハロゲン原子を放出する。すなわち、プラ
ズマ中のハロゲン原子は常に清浄なシリコン成長表面を
露出させる、成長シリコン成膜中の不純物を除去する、
気相中のシランの重合防止等の機能を有すると考えられ
ている。[0016] Furthermore, as the gas for supplying halogen atoms having etching properties, the above-mentioned SiF4, SiCl4,
Silicon halides such as Si2 F6 and SiHm
halogenated silane represented by m and F2 or C
Halogen gas such as 12 can be applied. These gases release halogen atoms that can etch silicon surfaces under plasma conditions. That is, halogen atoms in the plasma always expose a clean silicon growth surface, remove impurities from the growing silicon film,
It is thought to have functions such as preventing polymerization of silane in the gas phase.
【００１７】一方、単結晶シリコン薄膜の結晶成長に必
要とされた水素原子の供給ガスにつき、この技術的手段
においては従来の水素ガスに代えてＳｉＨ４、Ｓｉ２
Ｈ６ 、Ｓｉ３ Ｈ８ 等の水素化珪素及び／又はＳｉ
Ｈｍ Ｘ４−ｍ で示されるハロゲン化シランより選択
される水素化合物を適用することを特徴とするものであ
る。このようにこの技術的手段においては従来法にて多
量に適用されていた水素ガスに代えて上記水素化合物を
適用しているため、その分、相対的に反応ガス中の水素
濃度が低くなってシリコンのエピタキシャル成長表面が
水素原子で過剰に覆われることがなくなり、この結果、
単結晶シリコンの成膜中に水素原子が取残され難くなっ
て結晶の均一性を向上させることが可能となることを特
徴とするものである。On the other hand, regarding the supply gas of hydrogen atoms required for the crystal growth of single crystal silicon thin films, in this technical means SiH4, Si2 is used instead of the conventional hydrogen gas.
Silicon hydride and/or Si such as H6, Si3 H8
It is characterized in that a hydrogen compound selected from halogenated silanes represented by Hm X4-m is applied. In this way, in this technical means, the above hydrogen compound is used instead of the hydrogen gas that was used in large amounts in the conventional method, so the hydrogen concentration in the reaction gas is relatively low. The silicon epitaxial growth surface is no longer over-covered with hydrogen atoms;
This method is characterized in that hydrogen atoms are less likely to be left behind during single-crystal silicon film formation, making it possible to improve crystal uniformity.
【００１８】また、この技術的手段においては上記反応
ガス中に更に希ガス等の不活性ガス、好ましくはヘリウ
ム、ネオン、アルゴン等を希釈ガスとして加えてもよい
。希釈ガスは上記ハロゲン原子に対して１〜１０００倍
量、特に、１〜１００倍量使用することが好ましい。Furthermore, in this technical means, an inert gas such as a rare gas, preferably helium, neon, argon, etc., may be added as a diluent gas to the reaction gas. It is preferable to use the diluent gas in an amount of 1 to 1000 times, particularly 1 to 100 times, the amount of the halogen atom.
【００１９】更に、成膜性のシリコン原子とエッチング
性のハロゲン原子との関係については、ハロゲン原子を
シリコン原子の約１〜５００倍、特に、３〜３００倍と
することが好ましい。ハロゲン原子をシリコン原子の１
倍以下にするとエッチング速度が小さくなり過ぎて単結
晶シリコンが成長し易いように基板表面を常に最良の状
態に保つことができなくなる一方、５００倍以上にした
場合エッチング速度が大きくなり過ぎてシリコン結晶成
長速度が低下するためである。Furthermore, regarding the relationship between the film-forming silicon atoms and the etching halogen atoms, it is preferable that the number of halogen atoms be approximately 1 to 500 times, particularly 3 to 300 times as large as that of silicon atoms. A halogen atom is a silicon atom.
If the etching rate is less than 500 times, the etching rate will be too low and it will not be possible to keep the substrate surface in the best condition to facilitate the growth of single crystal silicon, whereas if the etching rate is more than 500 times, the etching rate will be too high and the silicon crystal will grow. This is because the growth rate decreases.
【００２０】尚、上記反応ガスの組合わせの一例として
、成膜性ガスについてはＳｉＨ４ 及びＳｉ２ Ｈ６
を夫々単独で又は混合して適用し、他方、エッチング性
ガスについてはＳｉＦ４ 及びＦ２ を夫々単独又は混
合して適用することが好ましい。但し、この技術的手段
はこの様な適用例に限定されるものではない。[0020] As an example of the combination of the above reaction gases, SiH4 and Si2 H6 are used as film-forming gases.
It is preferable to apply SiF4 and F2 individually or in a mixture as etching gases. However, this technical means is not limited to such applications.
【００２１】この技術的手段においては、上記の条件を
満たした反応ガスを、電力密度０．０１〜１０Ｗ／ｃｍ
２ 、好ましくは０．０５〜５Ｗ／ｃｍ２ で放電して
反応ガスをプラズマ化し、約１００℃〜７００℃、好ま
しくは約２００℃〜６００℃、更に好ましくは約３００
℃〜５００℃の間の一定温度に維持した単結晶基板上に
単結晶シリコン薄膜を形成せしめる。[0021] In this technical means, a reaction gas satisfying the above conditions is heated at a power density of 0.01 to 10 W/cm.
2, preferably 0.05 to 5 W/cm2 to turn the reaction gas into plasma, about 100°C to 700°C, preferably about 200°C to 600°C, more preferably about 300°C.
A single crystal silicon thin film is formed on a single crystal substrate maintained at a constant temperature between .degree. C. and 500.degree.
【００２２】ここで、基板温度が１００℃より低いと結
晶構造が乱れ、多結晶構造となるので品質が悪化する。
基板温度を７００℃より高くした場合には最早、性能を
より向上させることができない上、低温法としてのプラ
ズマＣＶＤ法の利点を生かせなくなる。[0022] Here, if the substrate temperature is lower than 100°C, the crystal structure is disturbed and becomes a polycrystalline structure, resulting in poor quality. If the substrate temperature is made higher than 700° C., the performance cannot be further improved, and the advantages of the plasma CVD method as a low-temperature method cannot be utilized.
【００２３】また、電力密度は反応ガスの種類及びチャ
ンバー内の圧力によって異なるが、電力密度が０．０１
Ｗ／ｃｍ２ より小さいと反応ガスの圧力を十分低下さ
せなければならないので成膜速度が遅く、１０Ｗ／ｃｍ
２ を越えると薄膜の品質を高く維持することができな
いので好ましくない。[0023]Although the power density varies depending on the type of reaction gas and the pressure inside the chamber, the power density is 0.01.
If it is smaller than 10 W/cm2, the pressure of the reaction gas must be sufficiently lowered, resulting in a slow film formation rate.
If it exceeds 2, it is not preferable because the quality of the thin film cannot be maintained at a high level.
【００２４】また、上記プラズマを発生させるチャンバ
ー内の圧力は、基板上に到達する原子等が有するエネル
ギー量に関係するので、その圧力は０．０１Ｔｏｒｒ〜
１５Ｔｏｒｒとすることが必要であり、特に、０．１Ｔ
ｏｒｒ〜５Ｔｏｒｒとすることが好ましい。[0024] Furthermore, since the pressure inside the chamber for generating the plasma is related to the amount of energy possessed by atoms etc. that reach the substrate, the pressure is between 0.01 Torr and more.
It is necessary to set it to 15Torr, especially 0.1T
It is preferable to set it as orr - 5 Torr.
【００２５】ここで、プラズマＣＶＤ法によるシリコン
のエピタキシャル成長は、例えば、図２に示すような装
置により達成される。[0025] Here, the epitaxial growth of silicon by the plasma CVD method is achieved by, for example, an apparatus as shown in FIG.
【００２６】すなわち、図２において真空反応室１１へ
ガス供給源１７、１８からＳｉＨ４ やＳｉＦ４ 等の
シリコン原子供給ガス、水素原子供給ガス、及び、ハロ
ゲン原子供給ガスを供給し、高周波電源１６により平行
平板電極１２、１３の間で高周波放電させ、ポンプ１９
で反応ガスを排気する構成となっている。そして、単結
晶基板１４は電極１３上に載置されてヒータ１５で加熱
され、この単結晶基板１４上に結晶成長が行われる。尚
、上記放電は、高周波放電以外の、例えば、直流放電、
マイクロ波放電等のいづれであってもよい。That is, in FIG. 2, a silicon atom supply gas such as SiH4 or SiF4, a hydrogen atom supply gas, and a halogen atom supply gas are supplied to the vacuum reaction chamber 11 from gas supply sources 17 and 18, and a high frequency power supply 16 supplies them in parallel. A high frequency discharge is caused between the flat plate electrodes 12 and 13, and the pump 19
The structure is such that the reaction gas is exhausted. Then, the single crystal substrate 14 is placed on the electrode 13 and heated by the heater 15, and crystal growth is performed on the single crystal substrate 14. Note that the above-mentioned discharge is other than high-frequency discharge, for example, direct current discharge,
Any method such as microwave discharge may be used.
【００２７】この技術的手段においては真性の単結晶シ
リコン薄膜を作製することができるのみならず、反応ガ
ス中に元素周期率表第ＩＩＩ 族又は第Ｖ族のドーパン
トガスを混合することにより、形成される単結晶シリコ
ン薄膜をｐ型又はｎ型にすることができる。この場合の
上記ドーパントガスとしては、例えば、ジボラン、ホス
フィン、アルシン等の水素化物が挙げられる。[0027] This technical means not only makes it possible to produce an intrinsic single-crystal silicon thin film, but also allows formation The monocrystalline silicon thin film to be used can be p-type or n-type. Examples of the dopant gas in this case include hydrides such as diborane, phosphine, and arsine.
【００２８】また、この技術的手段において適用できる
単結晶基板としては、シリコンをエピタキシャル成長さ
せる関係上その格子定数がシリコンと同一又は略同一の
単結晶基板であることを必要とし、例えば、シリコン単
結晶基板、酸化アルミニウム（Ａｌ２ Ｏ３ ：サファ
イア）単結晶基板、及び、弗化カルシウム（ＣａＦ２
：ホタル石）単結晶基板等が挙げられる。[0028] Furthermore, the single-crystal substrate that can be applied to this technical means must be a single-crystal substrate whose lattice constant is the same or almost the same as that of silicon because of the epitaxial growth of silicon; for example, a silicon single-crystal substrate, aluminum oxide (Al2O3: sapphire) single crystal substrate, and calcium fluoride (CaF2)
: Fluorite) single crystal substrate, etc.
【００２９】このように請求項１〜２に係る発明は、従
来、エピタキシャル成長が行われていたあらゆる分野、
例えば、バイポーラトランジスタ、バイポーラＩＣ、Ｍ
ＯＳ、ＬＳＩ、メモリー等の半導体を初め、太陽電池の
製造等に応用することが可能である。As described above, the invention according to claims 1 and 2 can be applied to all fields where epitaxial growth has conventionally been performed.
For example, bipolar transistor, bipolar IC, M
It can be applied to semiconductors such as OS, LSI, and memory, as well as to the production of solar cells.
【００３０】特に、請求項２に係る発明においては、単
結晶シリコン薄膜の単結晶基板からの不純物拡散遷移領
域の厚みが５００オングストローム以下、好ましくは４
００オングストローム以下、更に好ましくは３５０オン
グストローム以下であり、かつ、単結晶シリコン薄膜中
の水素濃度が５０ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｍ以
下であるためエピタキシャル層の膜厚を薄く設定するこ
とができ、従って、この単結晶シリコン薄膜が適用され
たデバイスの寄生容量を減少できるだけでなく、高密度
化、高性能化に対応したＩＣの微細化を達成し得る。In particular, in the invention according to claim 2, the thickness of the impurity diffusion transition region from the single crystal substrate of the single crystal silicon thin film is 500 angstroms or less, preferably 400 angstroms or less.
00 angstroms or less, more preferably 350 angstroms or less, and the hydrogen concentration in the single crystal silicon thin film is 50 ppm or less, preferably 10 ppm or less, so the film thickness of the epitaxial layer can be set thin. Not only can the parasitic capacitance of a device to which a single crystal silicon thin film is applied be reduced, but also miniaturization of an IC corresponding to higher density and higher performance can be achieved.
【００３１】[0031]
【作用】請求項１に係る発明によれば、従来、多量に適
用されていた水素ガスに代えてＳｉＨ４ 、Ｓｉ２ Ｈ
６ 、及び、Ｓｉ３ Ｈ８ 等の水素化珪素及び／又は
ＳｉＨｍ Ｘ４−ｍ で示されるハロゲン化シランより
選択された水素化合物が適用されているため、その分、
反応ガス中の水素濃度が相対的に低くなってエピタキシ
ャル成長表面が水素原子で過剰に覆われることがなくな
り、この結果、単結晶シリコンの成長膜中に水素が取残
され難くなって結晶の均一性を向上させることが可能と
なる。[Operation] According to the invention according to claim 1, SiH4, Si2
6 and silicon hydride such as Si3 H8 and/or halogenated silane represented by SiHm
Since the hydrogen concentration in the reaction gas is relatively low, the epitaxial growth surface is not covered excessively with hydrogen atoms, and as a result, hydrogen is less likely to be left behind in the grown single-crystal silicon film, improving crystal uniformity. It becomes possible to improve the
【００３２】他方、請求項２に係る発明によれば、製造
された単結晶シリコン薄膜の単結晶基板からの不純物拡
散遷移領域の厚みが５００オングストローム以下であり
、かつ、上記薄膜中の水素濃度が５０ｐｐｍ以下である
ため、従来に較べてその膜厚を薄く設定した単結晶シリ
コン膜が得られると共にこの単結晶シリコン薄膜の電子
移動度等電気的特性を向上させることが可能となる。On the other hand, according to the invention according to claim 2, the thickness of the impurity diffusion transition region from the single crystal substrate of the manufactured single crystal silicon thin film is 500 angstroms or less, and the hydrogen concentration in the thin film is Since it is 50 ppm or less, it is possible to obtain a single-crystal silicon film with a thinner film thickness than in the past, and to improve the electrical properties such as electron mobility of this single-crystal silicon thin film.
【００３３】ここで、請求項１〜２に係る発明において
、従来、単結晶シリコン薄膜の結晶成長に必要とされた
多量の水素が適用されてないにも拘らず電気的特性に優
れた単結晶シリコン薄膜が求められる理由について本発
明者等は以下のように推察している。Here, in the invention according to claims 1 and 2, although the large amount of hydrogen conventionally required for crystal growth of a single crystal silicon thin film is not applied, the single crystal has excellent electrical characteristics. The present inventors speculate as follows about the reason why a silicon thin film is required.
【００３４】すなわち、この技術的手段においては反応
室内に水素が少ない代わりにエッチング作用の強いハロ
ゲン原子が相対的に従来より余分に存在している。この
ため、エピタキシャル成長表面は常にエッチング作用を
受けており、例えば、アモルファス成長や結晶粒界を形
成する歪んだシリコン膜の成長が起るとこれ等はその結
合力が弱いためにエッチング作用を受け常にきれいな表
面が露出する一方、シリコンが所定のサイトに入込んだ
場合には上記成長に較べてその結合力が強いためエッチ
ング作用があまり起らずその結晶化が促進する。That is, in this technical means, although there is less hydrogen in the reaction chamber, there are relatively more halogen atoms having a strong etching action than in the prior art. For this reason, the epitaxial growth surface is constantly subjected to etching action. For example, when amorphous growth or growth of a distorted silicon film that forms grain boundaries occurs, these are constantly subjected to etching action due to their weak bonding strength. While a clean surface is exposed, when silicon enters a predetermined site, its bonding force is stronger than in the above-mentioned growth, so that less etching action occurs and its crystallization is promoted.
【００３５】従って、常にきれいな表面を露出しながら
かつ弱い結合を切りながらエピタキシャル成長が進行す
るため、従来法に反し多量の水素が適用されてないにも
拘らず電気的特性に優れた単結晶シリコン薄膜が求めら
れるものであると推察している。Therefore, because epitaxial growth progresses while always exposing a clean surface and cutting weak bonds, a single-crystal silicon thin film with excellent electrical properties can be produced even though a large amount of hydrogen is not applied, contrary to conventional methods. It is assumed that this is what is required.
【００３６】[0036]
【実施例】以下、本発明の実施例について詳細に説明す
るが、本発明はこれ等実施例によって限定されるもので
はない。EXAMPLES Examples of the present invention will be described in detail below, but the present invention is not limited to these examples.
【００３７】［実施例１］予め、１×１０−９Ｔｏｒｒ
の高真空にした反応室内に、ＳｉＦ４ ：ＳｉＨ４ ：
Ｆ２ （ガス比率は容量比で２：１：５、また、Ｆ／Ｈ
比率は９：２である）の混合ガスを反応ガスとして８０
ＳＣＣＭで供給し、反応ガスの圧力を０．３Ｔｏｒｒに
調整した。[Example 1] 1×10 −9 Torr in advance
SiF4:SiH4:
F2 (gas ratio is 2:1:5 in volume ratio, and F/H
The ratio is 9:2) as the reaction gas.
The reaction gas was supplied using SCCM, and the pressure of the reaction gas was adjusted to 0.3 Torr.
【００３８】次いで、この反応ガスを１３．５６ＭＨＺ
の高周波電源を用いて電力密度０．１Ｗ／ｃｍ２ で
プラズマ化し、４００℃に加熱されたシリコン単結晶基
板上に２．０μｍの厚さとなるまでシリコン結晶薄膜を
形成させた。Next, this reaction gas was heated to 13.56MHZ.
A high frequency power source was used to generate plasma at a power density of 0.1 W/cm2, and a silicon crystal thin film was formed to a thickness of 2.0 μm on a silicon single crystal substrate heated to 400°C.
【００３９】このようにして得られた薄膜について、反
射高速電子線回析（ＲＨＥＥＤ）によってシリコン結晶
薄膜の評価を行ったところ、ストリークパターンと菊地
ラインが観測され、良好な単結晶であることが判明した
。この薄膜の比抵抗は５０Ω・ｃｍであり、電子移動度
をペトリッツ法を適用したホール効果測定装置により求
めたところ１３００ｃｍ２ ／Ｖ・Ｓであった。また、
薄膜中の水素含有濃度は１０ｐｐｍ以下であった。When the silicon crystal thin film thus obtained was evaluated by reflection high-speed electron diffraction (RHEED), streak patterns and Kikuchi lines were observed, indicating that it was a good single crystal. found. The specific resistance of this thin film was 50 Ω·cm, and the electron mobility was determined to be 1300 cm 2 /V·S using a Hall effect measurement device applying the Petritz method. Also,
The hydrogen content concentration in the thin film was 10 ppm or less.
【００４０】［実施例２〜６］表１の条件で実施例１と
同様にしてシリコン薄膜を形成させ、同様の評価を行っ
たところ表２の結果が得られた。尚、実施例１の条件及
び効果も併せて表１〜２に記載した。[Examples 2 to 6] A silicon thin film was formed in the same manner as in Example 1 under the conditions shown in Table 1, and the same evaluation was performed, and the results shown in Table 2 were obtained. The conditions and effects of Example 1 are also listed in Tables 1 and 2.
【００４１】[0041]
【表１】[Table 1]
【００４２】[0042]
【表２】[Table 2]
【００４３】［実施例７］以下、この実施例から実施例
１３は請求項２に係る発明を適用した製造方法に関する
ものである。[Embodiment 7] Hereinafter, this embodiment to Embodiment 13 relate to a manufacturing method to which the invention according to claim 2 is applied.
【００４４】すなわち、予め、１×１０−９Ｔｏｒｒの
高真空にした反応室内に、ＳｉＦ４ ：ＳｉＨ４ ：Ｆ
２ （ガス比率は容量比で２：１：５、また、Ｆ／Ｈ比
率は９：２である）の混合ガスを反応ガスとして８０Ｓ
ＣＣＭで供給し、反応ガスの圧力を０．２Ｔｏｒｒに調
整した。That is, SiF4 :SiH4 :F
2 (gas ratio is 2:1:5 by volume, and F/H ratio is 9:2) as a reaction gas at 80S.
CCM was supplied, and the pressure of the reaction gas was adjusted to 0.2 Torr.
【００４５】次いで、この反応ガスを１３．５６ＭＨＺ
の高周波電源を用いて電力密度０．１Ｗ／ｃｍ２ で
プラズマ化し、３５０℃に加熱されたシリコン単結晶基
板（不純物としてＰ濃度１×１０１８ｃｍ−３）１上に
２．０μｍの厚さとなるまでシリコン結晶薄膜２を形成
させた（図１参照）。Next, this reaction gas was heated to 13.56MHZ.
A high-frequency power supply was used to generate plasma at a power density of 0.1 W/cm2, and silicon was heated to 350°C on a silicon single crystal substrate (concentration of P as an impurity of 1 x 1018 cm-3) until it reached a thickness of 2.0 μm. A crystal thin film 2 was formed (see FIG. 1).
【００４６】このようにして得られた薄膜について、反
射高速電子線回析（ＲＨＥＥＤ）によってシリコン結晶
薄膜の評価を行ったところ、ストリークパターンと菊地
ラインが観測され、良好な単結晶であることが判明した
。When the silicon crystal thin film thus obtained was evaluated by reflection high-speed electron diffraction (RHEED), streak patterns and Kikuchi lines were observed, indicating that it was a good single crystal. found.
【００４７】また、２次イオン質量分析法から、遷移領
域３の厚みは２５０オングストローム、水素濃度は１０
ｐｐｍ以下であることが判った。この薄膜のラマン分光
分析による５２０ｃｍ−１の位置での半値幅は３．５ｃ
ｍ−１で、比抵抗は５０Ω・ｃｍであり、電子移動度を
ペトリッツ法を適用したホール効果測定装置により求め
たところ１３００ｃｍ２ ／Ｖ・Ｓであった。また、薄
膜中の水素含有濃度は１０ｐｐｍ以下であった。[0047] Also, from secondary ion mass spectrometry, the thickness of the transition region 3 is 250 angstroms, and the hydrogen concentration is 10
It was found that it was less than ppm. The half width at 520 cm-1 according to Raman spectroscopy of this thin film is 3.5c.
m-1, the specific resistance was 50 Ω·cm, and the electron mobility was determined to be 1300 cm 2 /V·S using a Hall effect measurement device applying the Petritz method. Moreover, the hydrogen content concentration in the thin film was 10 ppm or less.
【００４８】［実施例８〜１３］表３の条件で実施例７
と同様にしてシリコン薄膜を形成させ、同様の評価を行
ったところ表４の結果が得られた。[Examples 8 to 13] Example 7 under the conditions shown in Table 3.
When a silicon thin film was formed in the same manner as above and the same evaluation was performed, the results shown in Table 4 were obtained.
【００４９】[0049]
【表３】[Table 3]
【００５０】[0050]
【表４】[Table 4]
【００５１】『比較例１』
熱ＣＶＤ法により、実施例１と同じシリコン単結晶基板
上へ単結晶シリコン薄膜を形成させた。Comparative Example 1 A single crystal silicon thin film was formed on the same silicon single crystal substrate as in Example 1 by thermal CVD.
【００５２】反応温度１１００℃、圧力２００Ｔｏｒｒ
の条件とし、反応ガスとしては１００％ＳｉＨ４ を用
いた。[0052] Reaction temperature: 1100°C, pressure: 200 Torr
The conditions were as follows, and 100% SiH4 was used as the reaction gas.
【００５３】薄膜は８．０μｍで、水素濃度は１０ｐｐ
ｍ以下であり、ラマン半値幅は３．５ｃｍ−１であった
が、遷移領域が１８０００オングストロームもの広さで
生じていた。[0053] The thin film is 8.0 μm and the hydrogen concentration is 10 pp.
m or less, and the Raman half-width was 3.5 cm -1 , but the transition region was as wide as 18,000 angstroms.
【００５４】『比較例２』
反応ガスとしてＳｉＨ４ ：ＳｉＨ２ Ｆ２ ：Ｈ２
＝１：１０：１００の混合ガスを使用し、この反応ガス
を１１１ＳＣＣＭで供給し、反応ガスの圧力を２．０Ｔ
０ｒｒに維持して電力密度０．８Ｗ／ｃｍ２ 、基板温
度２５０℃の条件で実施例１と同じシリコン単結晶基板
上へシリコン結晶薄膜を形成させた。"Comparative Example 2" SiH4 :SiH2 F2 :H2 as reaction gas
= 1:10:100 mixed gas was used, this reaction gas was supplied at 111SCCM, and the pressure of the reaction gas was 2.0T.
A silicon crystal thin film was formed on the same silicon single crystal substrate as in Example 1 under the conditions that the power density was maintained at 0rr, the power density was 0.8 W/cm2, and the substrate temperature was 250°C.
【００５５】得られた薄膜の比抵抗は３０Ω・ｃｍで電
子移動度は２７０ｃｍ２ ／Ｖ・Ｓであった。また、遷
移領域は５００オングストロームであったが水素含有量
は１．２原子％（１２０００ｐｐｍ）でラマン半値幅は
７ｃｍ−１であった。The resulting thin film had a specific resistance of 30 Ω·cm and an electron mobility of 270 cm 2 /V·S. Further, although the transition region was 500 angstroms, the hydrogen content was 1.2 atomic % (12000 ppm) and the Raman half-width was 7 cm.
【００５６】[0056]
【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、単結晶シ
リコンの成長膜中に水素が取残され難くなるため結晶の
均一性を向上させることが可能となる。According to the invention according to claim 1, since hydrogen is less likely to be left behind in a grown single crystal silicon film, it is possible to improve the uniformity of the crystal.
【００５７】従って、結晶の均一性向上に伴い電子移動
度等電気的特性が向上した単結晶シリコン薄膜が得られ
る効果を有している。Therefore, it is possible to obtain a single-crystal silicon thin film with improved electrical properties such as electron mobility due to improved crystal uniformity.
【００５８】また、請求項２に係る発明によれば、従来
に較べてその膜厚を薄く設定した単結晶シリコン薄膜が
製造できると共にその単結晶シリコン薄膜の電気的特性
が優れているため、その微細化と高性能化が要求される
バイポーラＩＣ等への適用が可能となる効果を有してい
る。Further, according to the invention according to claim 2, it is possible to manufacture a single crystal silicon thin film with a thinner film thickness than in the past, and the electrical properties of the single crystal silicon thin film are excellent. This has the effect of enabling application to bipolar ICs, etc., which require miniaturization and high performance.
【図１】実施例に係る単結晶シリコン薄膜とその基板の
断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view of a single crystal silicon thin film and its substrate according to an example.
【図２】本発明に適用されるプラズマＣＶＤ装置の構成
説明図。FIG. 2 is a configuration explanatory diagram of a plasma CVD apparatus applied to the present invention.
【図３】従来法に係る単結晶シリコン薄膜とその基板の
断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view of a single crystal silicon thin film and its substrate according to a conventional method.
１ シリコン単結晶基板 ２ 薄膜 ３ 遷移領域 1 Silicon single crystal substrate 2 Thin film 3. Transition area
Claims (2)
原子、ハロゲン原子及び水素原子を含有する反応ガスを
プラズマ化し、加熱された単結晶基板上に単結晶シリコ
ンの薄膜を形成する単結晶シリコン薄膜の製造方法にお
いて、上記反応ガス中の水素原子の供給ガスを水素化珪
素ガス及び／又はハロゲン化シランガスにて構成したこ
とを特徴とする単結晶シリコン薄膜の製造方法。1. Production of a single-crystal silicon thin film by converting a reactive gas containing silicon atoms, halogen atoms, and hydrogen atoms into plasma using a plasma CVD apparatus to form a single-crystal silicon thin film on a heated single-crystal substrate. A method for producing a single crystal silicon thin film, characterized in that the supply gas for hydrogen atoms in the reaction gas is composed of silicon hydride gas and/or halogenated silane gas.
からの不純物拡散遷移領域の厚みが５００オングストロ
ーム以下であり、かつ、上記薄膜中の水素濃度が５０ｐ
ｐｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の単結晶
シリコン薄膜の製造方法。2. The thickness of the impurity diffusion transition region from the single crystal substrate of the single crystal silicon thin film is 500 angstroms or less, and the hydrogen concentration in the thin film is 50p.
2. The method for producing a single crystal silicon thin film according to claim 1, characterized in that the amount is pm or less.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6305991A JPH04298022A (en) | 1991-03-27 | 1991-03-27 | Manufacture of single crystal silicon thin film |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6305991A JPH04298022A (en) | 1991-03-27 | 1991-03-27 | Manufacture of single crystal silicon thin film |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04298022A true JPH04298022A (en) | 1992-10-21 |
Family
ID=13218396
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6305991A Pending JPH04298022A (en) | 1991-03-27 | 1991-03-27 | Manufacture of single crystal silicon thin film |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04298022A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006524429A (en) * | 2003-03-28 | 2006-10-26 | コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ | Method for epitaxial growth of N-doped silicon layers |
-
1991
- 1991-03-27 JP JP6305991A patent/JPH04298022A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006524429A (en) * | 2003-03-28 | 2006-10-26 | コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ | Method for epitaxial growth of N-doped silicon layers |
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