JPH0891994A - Formation of crystalline silicon - Google Patents
Formation of crystalline siliconInfo
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- JPH0891994A JPH0891994A JP22177894A JP22177894A JPH0891994A JP H0891994 A JPH0891994 A JP H0891994A JP 22177894 A JP22177894 A JP 22177894A JP 22177894 A JP22177894 A JP 22177894A JP H0891994 A JPH0891994 A JP H0891994A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、光励起気相成長法によ
って、単結晶基板上にシリコンをエピタキシャル成長さ
せる、又は、ガラス基板上に多結晶シリコンを堆積させ
る等の結晶性シリコンの形成方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming crystalline silicon, such as epitaxially growing silicon on a single crystal substrate or depositing polycrystalline silicon on a glass substrate by photoexcited vapor phase epitaxy.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、シリコン基板の表面にシリコンを
熱ＣＶＤ法でエピタキシャル成長させる場合、基板を約
９００℃以上の高温に加熱し、原料ガスを熱分解して基
板表面にエピタキシャル成長させている。一方、エピタ
キシャル成長を低温で実現する方法として、ＭＢＥ法や
プラズマエピタキシー、フォトエピタキシーなどが提案
されている。フォトエピタキシーは低温化への有望な手
段であり、盛んに研究されている。一例として、水銀光
増感反応法においては、弗化シラン、ジシラン、水素を
原料ガスとして用いた水銀光増感反応により２００℃程
度でエピタキシャル成長を行った例が報告されている。
一方、原料ガスを直接、光分解してシリコンのエピタキ
シーをおこなう手法としては、以下のようなものがあ
る。即ち、特開昭６２−２８８１９４では、原料ガスと
して、ジシランおよびモノシランの少なくとも一方を含
むガスに塩素ガスを添加することにより低温でシリコン
をエピタキシャル成長させる。さらに、特公平４−１１
５１６では、原料ガスとして弗化ジシラン、ジシラン、
水素を用い、弗化ジシラン又はジシランの長波長側吸収
よりも短い波長の光を照射して、シリコンをエピタキシ
ャル成長させる。2. Description of the Related Art Conventionally, when silicon is epitaxially grown on a surface of a silicon substrate by a thermal CVD method, the substrate is heated to a high temperature of about 900 ° C. or higher, and a raw material gas is thermally decomposed to grow epitaxially on the surface of the substrate. On the other hand, MBE, plasma epitaxy, photoepitaxy, and the like have been proposed as methods for realizing epitaxial growth at a low temperature. Photoepitaxy is a promising means for lowering the temperature and is being actively studied. As an example, in the mercury photosensitization reaction method, an example in which epitaxial growth is performed at about 200 ° C. by a mercury photosensitization reaction using fluorinated silane, disilane and hydrogen as source gases has been reported.
On the other hand, there are the following methods for directly photodecomposing the source gas to perform silicon epitaxy. That is, in JP-A-62-288194, silicon is epitaxially grown at a low temperature by adding chlorine gas to a gas containing at least one of disilane and monosilane as a source gas. In addition, Japanese Patent Fair
In 516, fluorinated disilane, disilane,
Silicon is epitaxially grown by using hydrogen and irradiating with light having a wavelength shorter than the long-wavelength absorption of fluorinated disilane or disilane.
【０００３】一方、石英基板にかわる大型で安価なガラ
ス基板上に、低温で多結晶シリコンを堆積させる技術
は、高性能な薄膜トランジスターを安価に作製する技術
として、期待されている。しかしながら現在のところ、
低温で多結晶シリコンを堆積する技術がないため、高価
な石英基板を用いて高温で堆積する方法が実用上とられ
ている。さらに、この多結晶シリコンを低温で堆積させ
る技術としては、まずガラス基板上にアモルファスシリ
コンをプラズマＣＶＤにより堆積し、それをエキシマレ
ーザーアニールにより溶融凝固させて、多結晶化するこ
とが提案されている。On the other hand, a technique for depositing polycrystalline silicon at a low temperature on a large and inexpensive glass substrate which replaces a quartz substrate is expected as a technique for producing a high-performance thin film transistor at low cost. However, at the moment,
Since there is no technique for depositing polycrystalline silicon at a low temperature, a method of depositing at a high temperature using an expensive quartz substrate is practically used. Further, as a technique for depositing this polycrystalline silicon at a low temperature, it has been proposed to first deposit amorphous silicon on a glass substrate by plasma CVD, and melt and solidify it by excimer laser annealing to polycrystallize it. .
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上述
べて来た従来技術においては、夫々、以下のような課題
がある。先ず、エピタキシー側について説明すると、熱
ＣＶＤ法では、系が高温プロセスであるため、不純物の
オートドーピングや固相拡散によってエピタキシャル層
の不純物濃度にだれが生じ、高品質化の妨げとなる。Ｍ
ＢＥ法は低温でのエピタキシャル成長が可能だが、超高
真空を必要とするため実用的ではない。プラズマエピタ
キシーでは、生成したイオン種の基板へのダメージが大
きい。However, each of the conventional techniques described above has the following problems. First, the epitaxy side will be described. In the thermal CVD method, since the system is a high temperature process, the impurity concentration in the epitaxial layer is dulled by autodoping of impurities and solid phase diffusion, which hinders improvement in quality. M
The BE method allows epitaxial growth at a low temperature, but it is not practical because it requires an ultrahigh vacuum. In plasma epitaxy, the generated ion species damages the substrate.
【０００５】さらに、フォトエピタキシーにおける従来
技術は夫々以下のような課題を有している。水銀光増感
反応法では、２００℃という低温でエピタキシャル成長
を実現できるが、系内に重金属である水銀が含まれてい
るため、ライフタイムなど素子特性に悪影響を与える虞
がある。また、水銀は毒物に指定されており（毒物及び
劇物取締法）、その取り扱いおよび廃棄物処理等におい
て特別の配慮が必要であり、安全・衛生・公害等の面か
ら大きな問題がある。原料ガスを直接光分解するシリコ
ンのエピタキシーについて説明すると、特開昭６２−２
８８１９４の手法では、塩素ガスを利用しなければなら
ない。塩素ガスは、”毒物及び劇物取締法”において劇
物に指定されており、安全性において問題がある。一
方、特公平４−１１５１６の手法では、弗化ジシラン
は、一般に大量には製造されておらず、価格が高く、実
際に生産する場合には経済性が悪いといった問題点があ
る。Further, each of the conventional techniques in photoepitaxy has the following problems. In the mercury photosensitization reaction method, epitaxial growth can be realized at a low temperature of 200 ° C. However, since mercury, which is a heavy metal, is contained in the system, there is a possibility that it adversely affects device characteristics such as lifetime. In addition, mercury is designated as a poisonous substance (Poisonous Substances and Deleterious Substances Control Law), and special consideration is required in its handling and waste treatment, which poses a serious problem in terms of safety, health and pollution. The epitaxy of silicon, which directly photolyzes a raw material gas, will be described in JP-A-62-2.
The 88194 approach requires the use of chlorine gas. Chlorine gas is designated as a deleterious substance in the "Poisonous and Deleterious Substances Control Law" and has a problem in safety. On the other hand, the method of Japanese Patent Publication No. 4-11516 has a problem that fluorinated disilane is generally not produced in a large amount, has a high price, and is economically disadvantageous when actually produced.
【０００６】次に、ガラス基板上に低温で多結晶シリコ
ンを堆積させる技術においては、現在のところ、低温で
多結晶を堆積する技術がないため、高温で堆積する方法
となり、高価な石英基板を必要とする。この方法は大き
な基板に適応できない。さらに、低温化手法としては、
プラズマＣＶＤ、エキシマレーザーアニールを使用する
方法があるが、これは、装置構成が複雑で、工程が多い
といった問題があり、また結晶粒の大きさが面内で均一
でなく、作製したトランジスターの特性がバラつくとい
った問題がある。Next, in the technique of depositing polycrystalline silicon on a glass substrate at a low temperature, there is currently no technique of depositing polycrystalline silicon at a low temperature. I need. This method cannot be applied to large substrates. Furthermore, as a method of lowering the temperature,
There is a method using plasma CVD or excimer laser annealing, but this has the problems that the device configuration is complicated and there are many steps, and the crystal grain size is not uniform in the plane, and the characteristics of the fabricated transistor There is a problem that it varies.
【０００７】以上、本発明は、このような従来の問題点
に着目してなされたもので、低温でのシリコンのエピタ
キシーを実現する、あるいは、多結晶シリコンの堆積を
実現する際の上記種々の問題点を解決できる結晶性シリ
コンの形成方法を得ることにある。As described above, the present invention has been made by paying attention to such a conventional problem, and various kinds of the above-mentioned various methods for realizing the epitaxy of silicon at a low temperature or the deposition of polycrystalline silicon are provided. It is to obtain a method for forming crystalline silicon that can solve the problem.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明による請求項１に係わる光励起気相成長法によ
って基板表面に結晶性シリコンを得る結晶性シリコンの
形成方法の第１の特徴手段は、ハロゲン化モノシランと
水素を原料ガスとし、原料ガスを光励起できる波長の励
起光を原料ガスに照射して、基板表面上に選択的に結晶
性シリコンを形成することにある。さらに、上記目的を
達成するための本発明による請求項２に係わる光励起気
相成長法によって基板表面に結晶性シリコンを得る結晶
性シリコンの形成方法の第２の特徴手段は、ジシラン
（Ｓｉ2Ｈ6）、ハロゲン化モノシラン、水素を原料ガス
とし、原料ガスを光励起できる波長の励起光を原料ガス
に照射して、基板表面上に選択的に前記結晶性シリコン
を形成することにある。上記本願第１もしくは第２の特
徴手段において、前記ハロゲン化モノシランが、塩化シ
ラン（ＳｉＨxＣｌ4-x，ｘ＝０，１，２，３）、又は弗
化シラン（ＳｉＨxＦ4-x，ｘ＝０，１，２，３）である
ことが好ましい。これが、請求項３に係わる本願第３の
特徴手段である。上記本願第１〜第３の特徴手段におい
て、前記励起光が、エキシマレーザー又はエキシマラン
プから照射される紫外光であることが好ましい。これ
が、請求項４に係わる本願第４の特徴手段である。上記
本願第１〜第３の特徴手段において、前記励起光が、Ａ
ｒＦエキシマレーザーから照射される紫外光であり、前
記励起光を水平に配設される前記基板表面と平行に、前
記基板表面の上方部位に照射することが好ましい。これ
が、請求項５に係わる本願第５の特徴手段である。上記
本願第２の特徴手段において、前記励起光が、少なくと
も前記ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）を光励起できる波長の紫外
光であることが好ましい。これが、請求項６に係わる本
願第６の特徴手段である。上記本願第１〜６のいずれか
の特徴手段において、基板として単結晶基板を使用し、
前記単結晶基板上にシリコンをエピタキシャル成長させ
ることが好ましい。これが、請求項７に係わる本願第７
の特徴手段である。上記本願第１〜６のいずれかの特徴
手段において、基板として多結晶基板もしくは非晶質基
板を使用し、前記多結晶基板もしくは非晶質基板上にシ
リコンを多結晶状態で堆積させることが好ましい。これ
が、請求項８に係わる本願第８の特徴手段である。In order to achieve this object, the first characteristic means of the method for forming crystalline silicon according to the present invention, which obtains crystalline silicon on the surface of a substrate by photoexcited vapor phase epitaxy according to the present invention. Is to use halogenated monosilane and hydrogen as a source gas, and irradiate the source gas with excitation light having a wavelength capable of photoexciting the source gas to selectively form crystalline silicon on the substrate surface. In order to achieve the above object, the second characteristic means of the method for forming crystalline silicon according to the present invention, which obtains crystalline silicon on the substrate surface by the photoexcited vapor phase epitaxy method according to the present invention, is disilane (Si 2 H 6 ), using halogenated monosilane and hydrogen as a source gas, and irradiating the source gas with excitation light having a wavelength capable of photoexciting the source gas to selectively form the crystalline silicon on the surface of the substrate. In the first or second characteristic means of the present application, the halogenated monosilane is chlorosilane (SiH x Cl 4-x , x = 0,1,2,3) or fluorinated silane (SiH x F 4-x). , X = 0, 1, 2, 3, 3). This is the third characteristic means of the present invention according to claim 3. In the first to third characteristic means of the present application, it is preferable that the excitation light is ultraviolet light emitted from an excimer laser or an excimer lamp. This is the fourth characteristic means of the present invention according to claim 4. In the first to third characteristic means of the present application, the excitation light is A
It is ultraviolet light emitted from an rF excimer laser, and it is preferable to irradiate the excitation light to a region above the substrate surface in parallel with the substrate surface arranged horizontally. This is the fifth characteristic means of the present invention according to claim 5. In the second characteristic means of the present application, it is preferable that the excitation light is ultraviolet light having a wavelength capable of optically exciting at least the disilane (Si 2 H 6 ). This is the sixth characteristic means of the present invention according to claim 6. In the characteristic means according to any one of the first to sixth aspects of the present application, a single crystal substrate is used as the substrate,
It is preferable to epitaxially grow silicon on the single crystal substrate. This is the seventh aspect of the present invention according to claim 7.
It is a characteristic means of. In any one of the first to sixth feature means of the present application, it is preferable that a polycrystalline substrate or an amorphous substrate is used as a substrate, and silicon is deposited on the polycrystalline substrate or the amorphous substrate in a polycrystalline state. . This is the eighth characteristic means of the present invention according to claim 8.
【０００９】[0009]
【作用】本願第１の特徴手段においては、基板表面上に
結晶性シリコンを得るにあたり、光励起気相成長法によ
る。そして、原料ガスとしては、ハロゲン化モノシラン
と水素とを使用する。ここで、ハロゲン化モノシランは
励起光により直接分解され、シリコン側が結晶構成材料
となるとともに、発生するハロゲンラジカルの作用によ
り、反応系を低温化でき、酸素等の不純物原子や不正配
位シリコン等のエッチング作用をおこなって、高品質の
結晶性シリコンを得ることができる。さらに、水素は結
晶成長最表面のシリコンの未結合手を終端し、ガス中の
シリコン前駆体の表面遊泳を助長させる働きをする。こ
の手法においては、ハロゲンラジカルの供給源として、
結晶材料と化合したハロゲンを採用するため、装置系が
簡略化される。さらに、例えば、一般に大量に生産され
ない弗化ジシラン等のハロゲン化ジシランを使用しない
ため、価格が安く、経済性、生産性の点で好ましい手法
となっている。さらに、本願第２の特徴手段において
は、上記の原料ガスに加えて、ジシランが追加される。
この構成の場合は、ジシランと比較して比較的直接分解
しにくいハロゲン化シランの励起分解を、ジシランとハ
ロゲン化モノシランとの相互作用により促進して、結晶
性シリコンを比較的高速で形成できる。ここで、前記第
１の特徴手段と同様に、反応性の高いハロゲンラジカル
により、結晶性シリコン成長時に、酸素等の不純物原子
を除去し、高品質のシリコン結晶が低温で成長可能であ
る。さらに、このように、ジシランは反応を促進するた
め、結晶性シリコンの形成速度を、例えば第１の特徴手
段の手法に対して促進することができる。本願第３の特
徴手段においては、原料ガスとして、塩化シラン（Ｓｉ
ＨxＣｌ4 -x，ｘ＝０，１，２，３）、又は弗化シラン
（ＳｉＨxＦ4-x，ｘ＝０，１，２，３）を採用する。こ
れらの化合物は、入手が比較的容易であるとともに、劇
物に指定されている塩素ガスに比べれば安全で取り扱い
が容易であるため、経済的で、安全な操業が可能とな
る。また、弗化ジシランに比べても、ガスの価格が安く
経済的で、実働生産性に向いている。本願第４の特徴手
段においては、励起光の照射源としてエキシマレーザ
ー、もしくはエキシマランプを採用すると、この光源か
ら、波長が安定するとともに、比較的大きなエネルギー
の励起光を得て、結晶性シリコンの形成をおこなうこと
ができる。本願第５の特徴手段においては、少なくとも
１９３ｎｍの紫外光を照射可能なＡｒＦエキシマレーザ
ーを使用して、ハロゲン化モノシランもしくはジシラン
を適切に励起することにより、結晶化を進める。この場
合は、基板表面に平行にレーザー光線束を照射するた
め、基板側もしくは形成された結晶性シリコンに影響を
与えることなく、均質で安定した結晶性シリコンを得る
ことができる。本願第６の特徴手段においては、原料ガ
スとしてハロゲン化シランとジシランとを共に使用する
場合、励起光によりジシランを励起し、この励起された
ジシランとハロゲン化シランの相互作用を促して、ハロ
ゲンラジカルを形成し、結晶性シリコンを得る。ここ
で、ハロゲン化シランの長波長側の吸収の吸収端は、ジ
シランのそれより短い波長域にあるが、例えば、ジクロ
ルモノシランとジシランとの組み合わせを考える場合、
これらの境界域にあるＡｒＦエキシマレーザー等を利用
して、相互作用を促し、比較的速い成膜速度で有効に結
晶性シリコンの形成をおこなうことができる。本願第
７、第８の特徴手段においては、得たい結晶性シリコン
の構成に従って、基板を適切に選択することにより、エ
ピタキシャルな、もしくは多結晶のシリコンを得ること
ができる。ここで、エピタキシャル成長をおこないたい
場合は、シリコン基板等を採用すればよい。さらに、多
結晶シリコンを得たい場合は、前述のシリコン基板の
他、石英基板、ガラス基板、樹脂基板等も採用すること
ができる。これらの、比較的低融点の基板を採用できる
理由は、後述するように、本願の手法においては、従来
よりは低温側の２００℃〜４５０℃の温度域で結晶性シ
リコンの形成が、実用的に可能であることに起因してい
る。In the first characteristic means of the present application, the photo-excited vapor phase epitaxy method is used to obtain crystalline silicon on the surface of the substrate. Then, halogenated monosilane and hydrogen are used as the source gas. Here, halogenated monosilane is directly decomposed by excitation light, the silicon side becomes a crystal constituent material, the reaction system can be lowered in temperature by the action of halogen radicals generated, and impurity atoms such as oxygen and illegal coordination silicon By performing the etching action, high quality crystalline silicon can be obtained. Further, hydrogen terminates dangling bonds of silicon on the outermost surface of crystal growth, and promotes surface swimming of the silicon precursor in the gas. In this method, as a source of halogen radicals,
Since the halogen compounded with the crystalline material is adopted, the device system is simplified. Further, for example, since a halogenated disilane such as a fluorinated disilane, which is not generally produced in a large amount, is not used, the cost is low, and the method is preferable in terms of economical efficiency and productivity. Further, in the second characteristic means of the present application, disilane is added in addition to the above raw material gas.
In the case of this configuration, the excited decomposition of halogenated silane, which is relatively less likely to be decomposed directly than disilane, is promoted by the interaction between disilane and halogenated monosilane, and crystalline silicon can be formed at a relatively high speed. Here, as in the case of the first characteristic means, a highly reactive halogen radical removes impurity atoms such as oxygen during the growth of crystalline silicon, so that a high-quality silicon crystal can be grown at a low temperature. Furthermore, since disilane thus accelerates the reaction, the formation rate of crystalline silicon can be accelerated, for example, with respect to the first feature means. In the third characteristic means of the present application, silane chloride (Si
H x Cl 4 -x , x = 0, 1, 2, 3) or fluorinated silane (SiH x F 4-x , x = 0, 1, 2, 3) is adopted. These compounds are relatively easy to obtain, and are safer and easier to handle than chlorine gas designated as a deleterious substance, so that economical and safe operation is possible. Further, compared with fluorinated disilane, the price of gas is low and it is economical, and it is suitable for actual productivity. In the fourth characteristic means of the present application, when an excimer laser or an excimer lamp is adopted as the irradiation source of the excitation light, the wavelength is stabilized from this light source, and the excitation light of relatively large energy is obtained to obtain crystalline silicon. Can be formed. In the fifth characteristic means of the present application, crystallization is promoted by appropriately exciting the halogenated monosilane or disilane using an ArF excimer laser capable of irradiating at least 193 nm ultraviolet light. In this case, since the laser beam bundle is irradiated parallel to the surface of the substrate, homogeneous and stable crystalline silicon can be obtained without affecting the substrate side or the formed crystalline silicon. In the sixth characteristic means of the present application, when both halogenated silane and disilane are used as the source gas, the disilane is excited by excitation light, and the interaction between the excited disilane and the halogenated silane is promoted to generate a halogen radical. To obtain crystalline silicon. Here, the absorption edge of the absorption on the long wavelength side of the halogenated silane is in a wavelength range shorter than that of disilane, for example, when considering a combination of dichloromonosilane and disilane,
By utilizing an ArF excimer laser or the like in these boundary regions, interaction can be promoted and crystalline silicon can be effectively formed at a relatively high film formation rate. In the seventh and eighth characteristic means of the present application, epitaxial or polycrystalline silicon can be obtained by appropriately selecting the substrate according to the configuration of crystalline silicon to be obtained. Here, if epitaxial growth is desired, a silicon substrate or the like may be adopted. Further, when it is desired to obtain polycrystalline silicon, a quartz substrate, a glass substrate, a resin substrate or the like can be adopted in addition to the above-mentioned silicon substrate. The reason why these relatively low-melting-point substrates can be adopted is, as will be described later, in the method of the present application, the formation of crystalline silicon is practical in the temperature range of 200 ° C. to 450 ° C., which is lower than the conventional temperature. Because it is possible.
【００１０】[0010]
【発明の効果】従って、本願においては、結晶性シリコ
ンの形成を低温でおこなうことが可能であるため、石英
基板の他、ガラス基板さらには樹脂基板をも使用するこ
とが可能となり、非常に有益である。さらに、系に、水
銀、塩素ガス等の毒物を使用しないこととなるため、安
全性を確保できるとともに、管理が容易となり、さら
に、水銀を使用しないために、その品質も，長い期間に
亘って良好に保つことが可能となる。また、ハロゲン化
シランを含むために、超高真空を必要とすることもな
い。さらに、弗化ジシラン等のジシラン化合物を原料ガ
スとして使用しないために、その経済性にも優れてい
る。さらに、この工程は単一工程となるため、装置系が
複雑化したり、手間が掛かることもない。結果、品質、
安全性、経済性の点で優れた結晶性シリコンの形成方法
を得ることができた。As described above, according to the present invention, since crystalline silicon can be formed at a low temperature, it is possible to use not only a quartz substrate but also a glass substrate and a resin substrate, which is very useful. Is. Furthermore, since no poisonous substances such as mercury and chlorine gas are used in the system, safety can be ensured and management is easy. Moreover, since mercury is not used, the quality of the system is long-term. It becomes possible to keep good condition. Moreover, since the halogenated silane is contained, no ultra high vacuum is required. Further, since a disilane compound such as fluorinated disilane is not used as a raw material gas, it is excellent in economical efficiency. Furthermore, since this process is a single process, the device system does not become complicated or troublesome. Results, quality,
It was possible to obtain a method for forming crystalline silicon which is excellent in safety and economy.
【００１１】[0011]
【実施例】本発明の実施例として、原料ガスとしてのジ
シラン（Ｓｉ2Ｈ6）、ジクロルシラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）
および水素（Ｈ2）を使用して、結晶性シリコンを得る
場合について説明する。図１は、本発明の方法を使用す
る光励起気相成長装置１の概略図である。装置１は、真
空ポンプ２によって所定の真空度に排気される成長室３
内に、サセプタ４に保持された基板（例えばガラス基
板；Ｃｏｒｎｉｎｇ７０５９）５を収納可能に構成され
ており、ヒータ６によって所定の温度に加熱されるよう
になっている。成長室３内には、ガス導入管７を経由し
て原料ガスが供給される。原料ガスとしては、ジシラン
（Ｓｉ2Ｈ6）、ジクロルシラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）、さら
に、水素（Ｈ2）の混合ガスが使用され、この成長室３
内に供給される。一方、成長室３に対して、基板表面５
ａ付近のガス雰囲気を励起可能な励起光８を照射可能な
光源９が備えられている。この実施例においては、結晶
性シリコンの形成にあたって、光源９からの励起光８を
入射窓１０を通して、水平配置の基板表面５ａに対して
これとほぼ平行に、励起光８を照射する。光源９は、具
体的には、発振波長が１９３ｎｍであるＡｒＦエキシマ
レーザーである。この波長の励起光８は、ジシラン（Ｓ
ｉ2Ｈ6）を直接励起可能である。即ち、ジシラン（Ｓｉ
2Ｈ6）は約２２０ｎｍ付近に電子状態励起に伴う光吸収
の吸収端を持っているため、結晶性シリコンの形成にあ
たっては、ＡｒＦエキシマレーザーにより、直接これが
励起されて、分子結合の解離を起こす。EXAMPLES As examples of the present invention, disilane (Si 2 H 6 ) and dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) as raw material gases were used.
A case where crystalline silicon is obtained by using hydrogen and hydrogen (H 2 ) will be described. FIG. 1 is a schematic diagram of a photoexcited vapor phase growth apparatus 1 using the method of the present invention. The apparatus 1 includes a growth chamber 3 that is evacuated to a predetermined vacuum degree by a vacuum pump 2.
A substrate (for example, a glass substrate; Corning 7059) 5 held by the susceptor 4 can be housed therein, and is heated to a predetermined temperature by a heater 6. A raw material gas is supplied into the growth chamber 3 via a gas introduction pipe 7. A mixed gas of disilane (Si 2 H 6 ), dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ), and hydrogen (H 2 ) is used as a raw material gas.
Supplied within. On the other hand, with respect to the growth chamber 3, the substrate surface 5
A light source 9 capable of emitting excitation light 8 capable of exciting the gas atmosphere near a is provided. In this embodiment, when the crystalline silicon is formed, the excitation light 8 from the light source 9 is applied to the horizontally arranged substrate surface 5a substantially parallel to the excitation light 8 through the entrance window 10. The light source 9 is specifically an ArF excimer laser having an oscillation wavelength of 193 nm. The excitation light 8 of this wavelength is disilane (S
i 2 H 6 ) can be directly excited. That is, disilane (Si
2 H 6 ) has an absorption edge of light absorption due to the electronic state excitation in the vicinity of about 220 nm, so when forming crystalline silicon, this is directly excited by the ArF excimer laser to cause dissociation of molecular bonds. .
【００１２】成膜条件を以下に箇条書きする。 成膜温度 ２００〜 ４５０℃ ガス流量 ジシラン ０．５〜 ３ｃｃ／ｍｉｎ ジクロルシラン ５ 〜 ５０ｃｃ／ｍｉｎ 水素 ２０ 〜 ３００ｃｃ／ｍｉｎ 成膜操作圧力 ０．１〜 １０Ｔｏｒｒ レーザー ＡｒＦ（１９３ｎｍ）１０〜１００ｍＪ×１０〜１００Ｈｚ これらの条件の範囲において、結晶性シリコンの形成速
度に差があるものの、所望のシリコン膜を得ることがで
きた。各ガスの流量比は上記の範囲の比で選択するのが
好ましい。The film forming conditions are listed below. Film formation temperature 200 to 450 ° C. Gas flow rate Disilane 0.5 to 3 cc / min Dichlorosilane 5 to 50 cc / min Hydrogen 20 to 300 cc / min Film formation operation pressure 0.1 to 10 Torr Laser ArF (193 nm) 10 to 100 mJ × 10 to 100 Hz Within the range of these conditions, the desired silicon film could be obtained although the formation rate of crystalline silicon was different. The flow rate ratio of each gas is preferably selected within the above range.
【００１３】上記の条件において、以下の条件が最も好
ましかった。 成膜温度 ３５０℃ ガス流量 ジシラン ２ｃｃ／ｍｉｎ ジクロルシラン ３０ｃｃ／ｍｉｎ 水素 ２００ｃｃ／ｍｉｎ 成膜操作圧力 ３Ｔｏｒｒ レーザー ＡｒＦ（１９３ｎｍ）３０ｍＪ×１００ＨｚAmong the above conditions, the following conditions were most preferable. Deposition temperature 350 ° C. Gas flow rate Disilane 2 cc / min Dichlorosilane 30 cc / min Hydrogen 200 cc / min Deposition operation pressure 3 Torr Laser ArF (193 nm) 30 mJ × 100 Hz
【００１４】また、図２に、上記の条件でガラス基板上
に得られた多結晶シリコン膜のＦＴ−ＩＲによる評価結
果を示した。同図において、（イ）は本願の方法による
ものであり、（ロ）はジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）のみから薄
膜を得た場合の結果を示している。結果を比較すると、
ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）とジクロルシラン（ＳｉＨ2Ｃ
ｌ2）とを共に原料ガスとして採用することにより、２
０００ｃｍ-1付近に見られるＳｉＨ結合から２１００ｃ
ｍ-1付近に見られるＳｉＨ2結合への変化が観測され
る。このＳｉＨ2結合によるピークは多結晶シリコン膜
によく見られ、結晶化が促進されたことを示している。
これは、塩素ラジカルにより、酸素などの不純物原子や
不正配位シリコンなどの結合の弱い原子をエッチングし
ながら成長が進行した結果と考えられる。さらに１００
０ｃｍ-1付近のＳｉＯ結合と思われるブロードなピーク
も減少し不純物の取り込みが抑制されていることが判
る。このことからＡｒＦエキシマレーザーにより励起さ
れて分解したＳｉ2Ｈ6ラジカルにより、ジクロルシラン
の励起・分解も促進されて成長が進行したことがわか
る。FIG. 2 shows the FT-IR evaluation results of the polycrystalline silicon film obtained on the glass substrate under the above conditions. In the figure, (a) shows the result obtained by the method of the present application, and (b) shows the result obtained when a thin film was obtained from only disilane (Si 2 H 6 ). Comparing the results,
Disilane (Si 2 H 6 ) and dichlorosilane (SiH 2 C
l 2 ) as the raw material gas,
2100c from SiH bond near 000 cm -1
A change to the SiH 2 bond observed near m −1 is observed. The peak due to this SiH 2 bond is often seen in the polycrystalline silicon film, indicating that crystallization is promoted.
It is considered that this is because the chlorine radicals promote the growth while etching the impurity atoms such as oxygen and the atoms with weak bonds such as uncoordinated silicon. 100 more
It can be seen that the broad peak, which is considered to be a SiO bond near 0 cm −1 , is also reduced, and the uptake of impurities is suppressed. From this, it is understood that the Si 2 H 6 radicals excited and decomposed by the ArF excimer laser promoted the excitation / decomposition of dichlorosilane and promoted the growth.
【００１５】上記の条件でガラス基板上に得られた多結
晶シリコン膜のＡＦＭ像を図３に示した。同図におい
て、（イ）は本願の方法によるものであり、（ロ）はジ
シラン（Ｓｉ2Ｈ6）のみから薄膜を得た場合の結果を示
している。結果、ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）とジクロルシラ
ン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）とを共に原料ガスとして採用するこ
とにより、表面が平坦化していることが観察できる。例
えば、ＡＦＭ像による膜の端面厚さを観察できる端面
（（イ）の場合のＡ，Ｂ端面、（ロ）の場合のＡ’，
Ｂ’端面）の状態を比較すると、この事実が明確であ
る。これは、ジクロルシラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）分子が励
起され分解されて塩素ラジカルが供給され、不純物や結
合の弱い原子等がエッチングされながら成長が進むため
に、平坦性が保たれているものと思われる。An AFM image of the polycrystalline silicon film obtained on the glass substrate under the above conditions is shown in FIG. In the figure, (a) shows the result obtained by the method of the present application, and (b) shows the result obtained when a thin film was obtained from only disilane (Si 2 H 6 ). As a result, it can be observed that the surface is flattened by using both disilane (Si 2 H 6 ) and dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) as the source gas. For example, an end face (A in the case of (a), B end face, A ′ in the case of (b), where the end face thickness of the film can be observed by an AFM image,
This fact is clear when the states of the B ′ end face) are compared. This is because the dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) molecule is excited and decomposed to supply chlorine radicals, and the growth progresses while etching impurities and weakly bonded atoms, so that flatness is maintained. Be done.
【００１６】以上、ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）とジクロルシ
ラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）とを共に原料ガスとして採用し、
ＡｒＦエキシマレーザーによる光励起を行って、非晶質
基板であるガラス基板上に、多結晶シリコンを得ること
ができた。この事実は、今回発明者らが、新たに確認し
たことであり、低温で、しかもガラス基板、樹脂基板等
の大型の基板上に、単一工程で多結晶シリコンを形成で
きるため、例えば、液晶、トランジスタ等の開発に非常
に有望な道を開くものである。As described above, both disilane (Si 2 H 6 ) and dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) are adopted as source gases,
Photo-excitation with an ArF excimer laser was performed, and polycrystalline silicon could be obtained on a glass substrate which was an amorphous substrate. This fact is newly confirmed by the present inventors, and it is possible to form polycrystalline silicon in a single step on a large substrate such as a glass substrate or a resin substrate at a low temperature. , Opens a very promising path for the development of transistors and the like.
【００１７】〔別実施例〕上記の実施例においては、ジ
シランとジクロルシランとを組み合わせて、結晶性シリ
コンの形成をおこなったが、形成速度を問題にしなけれ
ば、ジクロルシランに代表されるハロゲン化シラン単独
でも、これを励起・分解してハロゲンラジカルを系内に
得て、これにより不純物、不正配位シリコンをエッチン
グしながら、成膜をおこなうことも可能である。ハロゲ
ン化シランとしては、ＳｉＨ2Ｃｌ2、ＳｉＨ2Ｆ2、Ｓｉ
Ｃｌ4等を使用でき、これらの励起光としては、波長１
５７ｎｍ、１７２ｎｍ、１９３ｎｍ等の紫外光を使用し
て結晶性シリコンの形成をおこなうことができる。この
場合は、シリコン材料、エッチング用のラジカル材料を
共に、共通の原料ガスより供給することとなるため、例
えば、原料ガス供給量等の成膜条件が広がり、より実用
的な結晶性シリコンの形成方法を与えるものである。さ
らに、上記の実施例において、励起光の光源として、発
振波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザーを用いた例
について説明したが、原料ガスを励起できる波長を有す
るものであれば、他のエキシマレーザー（例えばＦ2レ
ーザー、ＡｒＣｌレーザー等）を使用することも可能で
ある。さらに、本発明による効果を得るためには、特に
レーザーを用いる必要はなく、発振波長１７２ｎｍのエ
キシマランプ等を使用することも可能である。また、レ
ーザーの照射方向としては、上記のように、基板表面と
平行に照射する他、基板の上部から垂直に照射する構成
でも、結晶性シリコンの形成をおこなうことができる。
さらに、上記の実施例においては、ガラス基板上に多結
晶シリコンを堆積させる場合について説明したが、本願
においては、単結晶基板の他、多結晶基板、非晶質基板
を使用することも可能である。ここで、基板として単結
晶基板を採用する場合は、エピタキシャル成長を実現す
ることが可能となり、単結晶基板の他、多結晶基板、非
晶質基板を使用す場合は、多結晶シリコンを基板表面上
に堆積させることができる。[Other Examples] In the above examples, crystalline silicon was formed by combining disilane and dichlorosilane. However, if the formation rate does not matter, a halogenated silane represented by dichlorosilane alone is used. However, it is also possible to carry out film formation while exciting / decomposing this to obtain a halogen radical in the system and thereby etching impurities and irregularly coordinated silicon. Examples of the halogenated silane include SiH 2 Cl 2 , SiH 2 F 2 and Si.
Cl 4 or the like can be used, and these excitation lights have a wavelength of 1
Crystalline silicon can be formed using ultraviolet light of 57 nm, 172 nm, 193 nm, or the like. In this case, since both the silicon material and the radical material for etching are supplied from a common source gas, for example, the film forming conditions such as the source gas supply amount are expanded, and a more practical crystalline silicon is formed. It is what gives way. Furthermore, in the above-described embodiment, an example in which an ArF excimer laser having an oscillation wavelength of 193 nm is used as a light source of excitation light has been described, but another excimer laser (for example, F 2 lasers, ArCl lasers, etc.) can also be used. Furthermore, in order to obtain the effects of the present invention, it is not necessary to use a laser, and it is possible to use an excimer lamp or the like having an oscillation wavelength of 172 nm. As for the laser irradiation direction, crystalline silicon can be formed not only by irradiation in parallel with the surface of the substrate as described above but also by irradiation vertically from the upper portion of the substrate.
Furthermore, in the above-mentioned embodiments, the case of depositing polycrystalline silicon on the glass substrate has been described, but in the present application, it is possible to use a polycrystalline substrate or an amorphous substrate in addition to the single crystal substrate. is there. Here, when a single crystal substrate is adopted as the substrate, it becomes possible to realize epitaxial growth. When a polycrystalline substrate or an amorphous substrate is used in addition to the single crystal substrate, polycrystalline silicon is used on the substrate surface. Can be deposited on.
【図１】光励起気相成長装置の構成を示す図FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an optically excited vapor phase growth apparatus.
【図２】原料ガスとしてジシラン、ジクロルシランを使
用する場合とジシラン単独の場合のＦＴ−ＩＲを示す図FIG. 2 is a diagram showing FT-IR when disilane or dichlorosilane is used as a source gas and when disilane is used alone.
【図３】原料ガスとしてジシラン、ジクロルシランを使
用する場合とジシラン単独の場合のＡＦＭ像を示す図FIG. 3 is a diagram showing AFM images when disilane and dichlorosilane are used as source gases and when disilane is used alone.
１ 光励起気相成長装置 ３ 成長室 ５ 基板 ８ 励起光 1 Photo-excited vapor phase growth apparatus 3 Growth chamber 5 Substrate 8 Excitation light
Claims (8)
晶性シリコンを得る結晶性シリコンの形成方法であっ
て、ハロゲン化モノシランと水素を原料ガスとし、前記
原料ガスを光励起できる波長の励起光を前記原料ガスに
照射して、前記基板表面上に選択的に前記結晶性シリコ
ンを形成する結晶性シリコンの形成方法。1. A method for forming crystalline silicon, wherein crystalline silicon is obtained on the surface of a substrate by photoexcited vapor phase epitaxy, wherein halogenated monosilane and hydrogen are used as source gases, and excitation light having a wavelength capable of optically exciting the source gas is used. A method for forming crystalline silicon, which comprises selectively irradiating the raw material gas to form the crystalline silicon on the surface of the substrate.
晶性シリコンを得る結晶性シリコンの形成方法であっ
て、ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）、ハロゲン化モノシラン、水
素を原料ガスとし、前記原料ガスを光励起できる波長の
励起光を前記原料ガスに照射して、前記基板表面上に選
択的に前記結晶性シリコンを形成する結晶性シリコンの
形成方法。2. A method of forming crystalline silicon for obtaining crystalline silicon on a substrate surface by photoexcited vapor phase epitaxy, comprising disilane (Si 2 H 6 ), halogenated monosilane and hydrogen as a source gas, wherein the source gas is a source gas. A method for forming crystalline silicon, which comprises selectively irradiating the source gas with excitation light having a wavelength capable of photoexciting the crystalline silicon to selectively form the crystalline silicon on the surface of the substrate.
ン（ＳｉＨxＣｌ4-x，ｘ＝０，１，２，３）、又は弗化
シラン（ＳｉＨxＦ4-x，ｘ＝０，１，２，３）である請
求項１又は請求項２記載の結晶性シリコンの形成方法。3. The halogenated monosilane is chlorosilane (SiH x Cl 4-x , x = 0,1,2,3) or fluorosilane (SiH x F 4-x , x = 0,1,1). 2. The method for forming crystalline silicon according to claim 1 or 2, wherein
キシマランプから照射される紫外光である請求項１、２
又は３記載の結晶性シリコンの形成方法。4. The excitation light is ultraviolet light emitted from an excimer laser or excimer lamp.
Alternatively, the method for forming crystalline silicon according to Item 3.
から照射される紫外光であり、前記励起光を水平に配設
される前記基板表面と平行に、前記基板表面の上方部位
に照射する請求項１、２又は３記載の結晶性シリコンの
形成方法。5. The excitation light is ultraviolet light emitted from an ArF excimer laser, and the excitation light is emitted to a region above the substrate surface in parallel with the substrate surface arranged horizontally. 4. The method for forming crystalline silicon according to 1, 2, or 3.
（Ｓｉ2Ｈ6）を光励起できる波長の紫外光である請求項
２記載の結晶性シリコンの形成方法。6. The method for forming crystalline silicon according to claim 2, wherein the excitation light is ultraviolet light having a wavelength capable of optically exciting at least the disilane (Si 2 H 6 ).
結晶基板上にシリコンをエピタキシャル成長させる請求
項１〜６のいずれか１項に記載の結晶性シリコンの形成
方法。7. The method for forming crystalline silicon according to claim 1, wherein a single crystal substrate is used as the substrate, and silicon is epitaxially grown on the single crystal substrate.
板を使用し、前記多結晶基板もしくは非晶質基板上にシ
リコンを多結晶状態で堆積させる請求項１〜６のいずれ
か１項に記載の結晶性シリコンの形成方法。8. The method according to claim 1, wherein a polycrystalline substrate or an amorphous substrate is used as the substrate, and silicon is deposited in a polycrystalline state on the polycrystalline substrate or the amorphous substrate. Method for forming crystalline silicon of.
Priority Applications (1)
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| JP22177894A JP3630450B2 (en) | 1994-09-16 | 1994-09-16 | Method for forming crystalline silicon |
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| JPH0891994A true JPH0891994A (en) | 1996-04-09 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9163308B2 (en) | 2000-10-17 | 2015-10-20 | Nanogram Corporation | Apparatus for coating formation by light reactive deposition |
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- 1994-09-16 JP JP22177894A patent/JP3630450B2/en not_active Expired - Fee Related
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