JPH1174204A

JPH1174204A - 半導体薄膜の製造方法およびその装置

Info

Publication number: JPH1174204A
Application number: JP10181201A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Kitagawa; 雅俊北川; Tetsuhisa Yoshida; 哲久吉田; Munehiro Shibuya; 宗裕澁谷; Hideo Sugai; 秀郎菅井
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-06-30
Filing date: 1998-06-26
Publication date: 1999-03-16

Abstract

(57)【要約】【課題】高品質な半導体薄膜を低温で形成でき、且つ
基板温度の制御によって形成される半導体薄膜の結晶性
（多結晶薄膜或いはアモルファス薄膜）を制御性良く造
り分けられる、半導体薄膜の製造方法を提供する。【解決手段】半導体薄膜の製造方法が、真空チャンバ
に原料ガスを供給する工程と、該供給された原料ガス
を、高周波電力の印加による高周波誘導結合プラズマ
（ＩＣＰ）を用いたプラズマ分解によって分解し、該分
解された原料ガスを用いた化学気相成長プロセスによっ
て、基板上に所定の半導体薄膜を形成する工程と、を包
含し、該半導体薄膜の形成時の該基板の加熱温度を制御
することによって、該形成される半導体薄膜の結晶状態
を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多結晶シリコン
（poly-Si）或いはアモルファスシリコンなどの半導体
薄膜の製造方法及びそれを実現するための製造装置に関
し、特に、従来技術における形成温度に比べて低い温度
での薄膜成長を制御性良く実施できる半導体薄膜の製造
方法及び製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、アモルファスシリコン或いは
多結晶シリコンの薄膜の形成は、気相から基板上へ堆積
させる化学気相成長（ＣＶＤ）法で行われることが多
い。具体的には、大気圧（常圧）や減圧下で、ＳｉＨ₄
（モノシラン）やＳｉ₂Ｈ₆（ジシラン）などの水素化シ
リコン、或いはＳｉＨ₂Ｃｌ₂（ジクロルシラン）等のハ
ロゲン化シリコンなどの原料ガスを熱分解するプロセ
ス、又は、減圧下で原料ガスに直流電力或いは高周波電
力を印加して原料ガスをプラズマ分解するプロセスを通
じて、上記のような気相からの堆積を実現する。

【０００３】例えば、減圧ＣＶＤ装置を用いた典型的な
従来の多結晶シリコン形成装置では、真空容器を真空ポ
ンプによって真空に排気した上で、例えば外熱型加熱ヒ
ータを通して真空容器及び容器中の基板を加熱して、ガ
ス導入口から容器中に導入した主としてモノシラン（Ｓ
ｉＨ₄）等の原料ガスを分解温度以上に加熱する。この
熱分解プロセスによって得られた中間生成物が基板に到
達すると、例えば基板温度が約６００℃以下に設定され
ていればアモルファスシリコンが堆積され、一方、基板
温度が約６００℃以上に設定されていれば、多結晶シリ
コンが堆積される。

【０００４】しかし、上記のような熱分解工程やプラズ
マ分解工程を利用する従来の減圧ＣＶＤ法やプラズマＣ
ＶＤ法によるシリコン薄膜の製造方法では、多結晶シリ
コンを形成する場合には、形成温度（基板温度）を約６
００℃以上に設定する必要がある。このため、半導体薄
膜の製造装置が高価格化するとともに、使用され得る基
板材料が制限されて、工業的に安価なデバイスの製造を
実現するための大きな課題となる。更に、加熱領域のサ
イズ（体積及び／或いは面積）が加熱ヒータの能力によ
って制限され、多結晶シリコン薄膜のアプリケーション
の拡大に最も必要とされる大面積の薄膜形成の実現が、
困難である。

【０００５】これらの問題を避け得る一つの手法が、マ
イクロ波電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を用いたプ
ラズマＣＶＤ法（ＥＣＲプラズマＣＶＤ法）である。図
６には、ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の典型的な構成例を
模式的に示す。

【０００６】図６のような構成を有する装置では、１ｍ
Ｔｏｒｒ前後の範囲の低圧ＳｉＨ₄雰囲気下でもプラズ
マの発生が可能である。従って、このような構成の装置
を利用して、例えばＳｉＨ₄ガスを高励起状態にした上
で、微結晶シリコン膜や多結晶シリコン膜は３００℃程
度の比較的低い基板加熱温度で基板上に堆積させ、一
方、アモルファスシリコン膜はこれ以下の基板加熱温度
（例えば５０℃程度）で基板上に堆積させる方法が提案
されており、高品質な半導体（シリコン）薄膜が低温で
製造されている。

【０００７】ここで、図６の装置構成をより詳しく説明
すると、真空チャンバ６１は、排気孔６２より真空に排
気される。また、プラズマ発生室６５には、導波管６３
を通してマイクロ波電源６４からマイクロ波が導入され
ると同時に、電磁石コイル６６によって磁界が印加され
る。原料ガスとしては、主にモノシラン（ＳｉＨ₄）ガ
スが、原料ガス容器（原料ガス源）６０からガス導入口
６７を通じて真空チャンバ６１に導入される。印加磁界
の強さを電子サイクロトロン共鳴条件を満たすように設
定することにより、プラズマ発生室６５の中に、解離度
の高いプラズマ８０が得られる。発生したプラズマ８０
は、プラズマ引出し窓６８を通過して真空チャンバ６１
に入り、例えば約２５０℃に加熱された基板ホルダ６９
に達して、ホルダ６９の上に載置された基板７０の表面
に多結晶シリコンが堆積される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の様なマ
イクロ波ＥＣＲプラズマＣＶＤ法を用いた製造方法に
は、幾つかの解決すべき問題点が存在している。

【０００９】第１に、上記の方法では、低温での半導体
薄膜の形成が実現できるものの、図６の装置構成に示す
ように共鳴磁界が必要となる。

【００１０】例えば、約１．２５ＧＨｚのマイクロ波を
プラズマ発生室６５に導入する場合には、それに共鳴す
る８７５Ｇａｕｓｓという高磁界を発生させる必要があ
る。そのためには、大きな磁界発生装置（電磁石コイル
など）が必要であって、この磁石の大きさで、プラズマ
発生室（プラズマ発生源）６５の大きさが制限される。
例えば、図６に描かれているような電磁石コイル６６に
よって上記のような高磁界を発生させるためには、数百
Ａオーダの大電流を流す必要があり、そのためには電磁
石コイル６６のサイズ及び重量が非常に大きくなる。

【００１１】具体的には、超ＬＳＩの分野ではシリコン
基板の大口径化が進んでおり、直径約３００ｍｍのウェ
ハの上に半導体薄膜を堆積することが要求されている。
また、近年において生産量が飛躍的に増大している薄膜
トランジスタ（ＴＦＴ）を用いた液晶ディスプレイで
は、５００ｍｍ×５００ｍｍを越える大型基板の上に半
導体薄膜を堆積することが求められている。これらのよ
うな大きな面積を一括処理するためのマイクロ波ＥＣＲ
プラズマＣＶＤ装置を設計すると、必要な電磁石コイル
６６の重量は数１００ｋｇになると計算される。また、
これらの電磁石コイル６６に必要な直流電流を供給する
ためには、出力が数１０ｋＷの電源が必要となる。更に
は、電磁石コイル６６が加熱して動作効率が悪くなるこ
とを防ぐために、水冷などの冷却機構も必要とする。

【００１２】以上のことから、装置全体が大型化且つ複
雑化して、低効率なシステムとなってしまう。

【００１３】また、ＥＣＲプラズマ８０を発生させるた
めのプラズマ発生室６５へのマイクロ波の導入は、導波
管６３或いはコイルアンテナを利用した局所的な電力の
放射供給になる。このために、プラズマ発生領域のサイ
ズ（体積／面積）が制限される。言い換えると、ＥＣＲ
プラズマ８０は点着火されるため、プラズマ発生領域の
サイズを大きくして大面積に渡って半導体薄膜を堆積さ
せることが、困難である。

【００１４】以上の点を総合して、従来は、半導体薄膜
の応用分野として大きな需要が見込まれる大面積での薄
膜形成の実現が、困難であると判断されてきた。

【００１５】上記の問題は、複数の小型ＥＣＲプラズマ
源を使用したり、基板を移動させて処理することによっ
て克服され得る。しかし、そのような対処策は堆積速度
の激減を招き、低温で高速に半導体薄膜を形成する可能
性が失われることになる。そのために、この様な大面積
の半導体薄膜の製造方法の実用化が妨げられていた。

【００１６】更に、高磁界を用いる従来のＥＣＲプラズ
マ８０を用いた製造方法及び製造装置では、処理対象で
ある基板７０の近傍にも、比較的大きな磁界が存在す
る。そのために、プラズマ発生室６５で発生したプラズ
マ８０が磁界勾配に沿って移動し、基板７０の表面へイ
オン及び電子の両荷電粒子が高いエネルギーで入射す
る。これによって、基板７０やその表面に形成されて下
地膜として機能することになる膜の損傷を引き起こす恐
れが大きい。しかも、基板７０の近傍の磁界は不均一で
あるケースが多いので、基板７０などへの荷電粒子の入
射も不均一になり、結果として不均一或いは局所的な損
傷が生じる可能性が高い。この点も、上記の製造方法の
実用化を妨げる一要因となっていた。

【００１７】本発明は、上記の課題を解決するためにな
されたものであって、その目的は、高品質な半導体薄膜
を低温で形成でき、且つ基板温度の制御によって形成さ
れる半導体薄膜の結晶性（すなわち、多結晶薄膜或いは
アモルファス薄膜）を制御性良く造り分けられる、半導
体薄膜の製造方法及びそのための製造装置を提供するこ
と、である。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体薄膜の製
造方法は、真空チャンバに原料ガスを供給する工程と、
該供給された原料ガスを、高周波電力の印加による高周
波誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Inductive Coupled Plas
ma）を用いたプラズマ分解によって分解し、該分解され
た原料ガスを用いた化学気相成長プロセスによって、基
板上に所定の半導体薄膜を形成する工程と、を包含し、
該半導体薄膜の形成時の該基板の加熱温度を制御するこ
とによって該形成される半導体薄膜の結晶状態を制御し
ており、そのことによって、上記の目的が達成される。

【００１９】ある実施形態では、前記原料ガスがシリコ
ンを含むガスである。

【００２０】ある実施形態では、前記原料ガスが、シリ
コンを含むガスに水素を混合した混合ガスである。

【００２１】好ましくは、前記半導体薄膜の形成時の前
記基板の加熱温度を、約５０℃から約５５０℃の範囲に
設定する。

【００２２】前記印加する高周波電力の周波数は、約５
０Ｈｚ〜約５００ＭＨｚに設定され得る。

【００２３】ある実施形態では、前記高周波誘導結合プ
ラズマの発生領域或いはその近傍に設けられた磁界を発
生する手段を利用して該高周波誘導結合プラズマを発生
する。

【００２４】前記磁界を発生する手段は、電磁石コイル
であり得る。或いは、前記磁界を発生する手段は、所定
の磁束密度を有する永久磁石であり得る。

【００２５】好ましくは、前記半導体薄膜の形成時の前
記高周波誘導結合プラズマの発生領域の圧力を、約５×
１０^-5Ｔｏｒｒから約２×１０^-2Ｔｏｒｒに設定する。

【００２６】ある実施形態では、少なくとも前記基板の
近傍における前記高周波誘導結合プラズマの発光分光ス
ペクトルを測定する工程と、該測定された発光分光スペ
クトルにおける、ＳｉＨ分子からの発光ピーク強度［Ｓ
ｉＨ］、Ｓｉ原子からの発光ピーク強度［Ｓｉ］、及び
Ｈ原子からの発光ピーク強度［Ｈ］の間の相対比（［Ｓ
ｉ］／［ＳｉＨ］比及び［Ｈ］／［ＳｉＨ］比）を測定
する工程と、該相対比が、（［Ｓｉ］／［ＳｉＨ］）＞
１．０及び（［Ｈ］／［ＳｉＨ］）＞２．０の少なくと
も一方の関係を満たすように、所定のプロセスパラメー
タを調節する工程と、を更に包含する。

【００２７】前記調節されるべき所定のプロセスパラメ
ータは、少なくとも、前記高周波誘導結合プラズマの発
生領域の圧力、前記原料ガスの供給流量、該原料ガスの
供給流量の比、前記印加高周波電力の値、のうちの一つ
であり得る。

【００２８】本発明の半導体薄膜の製造装置は、真空チ
ャンバに原料ガスを供給する供給手段と、該供給された
原料ガスを、高周波電力の印加による高周波誘導結合プ
ラズマ（ＩＣＰ：Inductive Coupled Plasma）を用いた
プラズマ分解によって分解し、該分解された原料ガスを
用いた化学気相成長プロセスによって、基板上に所定の
半導体薄膜を形成するＩＣＰ手段と、該化学気相成長プ
ロセスにおける該基板の加熱温度を制御する基板温度制
御手段と、を備え、該基板温度制御手段により該半導体
薄膜の形成時の該基板の加熱温度を制御することによっ
て、該形成される半導体薄膜の結晶状態を制御してお
り、そのことによって、前述の目的が達成される。

【００２９】ある実施形態では、前記原料ガスがシリコ
ンを含むガスである。

【００３０】ある実施形態では、前記原料ガスが、シリ
コンを含むガスに水素を混合した混合ガスである。

【００３１】好ましくは、前記半導体薄膜の形成時の前
記基板の加熱温度を、約５０℃から約５５０℃の範囲に
設定する。

【００３２】前記印加する高周波電力の周波数は、約５
０Ｈｚ〜約５００ＭＨｚに設定され得る。

【００３３】ある実施形態では、前記高周波誘導結合プ
ラズマの発生領域或いはその近傍に設けられた磁界を発
生する手段を更に備えている。

【００３４】前記磁界を発生する手段は、電磁石コイル
であり得る。或いは、前記磁界を発生する手段は、所定
の磁束密度を有する永久磁石であり得る。

【００３５】好ましくは、前記半導体薄膜の形成時の前
記高周波誘導結合プラズマの発生領域の圧力を、約５×
１０^-5Ｔｏｒｒから約２×１０^-2Ｔｏｒｒに設定する。

【００３６】ある実施形態では、少なくとも前記基板の
近傍における前記高周波誘導結合プラズマの発光分光ス
ペクトルを測定する手段と、該測定された発光分光スペ
クトルにおける、ＳｉＨ分子からの発光ピーク強度［Ｓ
ｉＨ］、Ｓｉ原子からの発光ピーク強度［Ｓｉ］、及び
Ｈ原子からの発光ピーク強度［Ｈ］の間の相対比（［Ｓ
ｉ］／［ＳｉＨ］比及び［Ｈ］／［ＳｉＨ］比）を測定
する手段と、該相対比が、（［Ｓｉ］／［ＳｉＨ］）＞
１．０及び（［Ｈ］／［ＳｉＨ］）＞２．０の少なくと
も一方の関係を満たすように、所定のプロセスパラメー
タを調節する手段と、を更に備える。

【００３７】前記調節されるべき所定のプロセスパラメ
ータは、少なくとも、前記高周波誘導結合プラズマの発
生領域の圧力、前記原料ガスの供給流量、該原料ガスの
供給流量の比、前記印加高周波電力の値、のうちの一つ
であり得る。

【００３８】本発明によれば、従来はマイクロ波ＥＣＲ
プラズマＣＶＤでしか実現されていなかった半導体薄
膜、特に多結晶シリコンの形成温度の低温化を、マイク
ロ波ＥＣＲの代わりに、プラズマ源として高磁界を用い
ない誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を用いた誘導結合プラ
ズマＣＶＤ（ＩＣＰＣＶＤ）装置を使用することによ
り、実現している。誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）の使用
によって、大型の磁界発生装置を必要とせず、低圧力領
域で大きな堆積面積に渡って均一にＳｉＨ₄ガスをプラ
ズマ分解できる。

【００３９】具体的には、従来の方法では、解離エネル
ギーが高く分解しにくいＳｉＨ₄ガスをプラズマ分解す
るにあたって、マイクロ波と強磁界との共鳴現象（ＥＣ
Ｒ）を利用して、電子温度の高い低圧プラズマを発生し
ている。このために、磁界発生装置やマイクロ波導波管
などのサイズが大型化し、且つその小型化が困難であ
る。更に、大面積への均一な半導体薄膜の堆積が、困難
である。これに対して本発明では、高磁界及びマイクロ
波を使用しないプラズマ源である高周波誘導結合プラズ
マが、大面積に渡って均一に且つ十分に励起された高密
度なプラズマ状態で低圧プラズマを作りだすことが可能
であることを利用している。これによって、十分に速い
堆積速度を得ながら、損傷を発生することなく、高品質
な膜を堆積することが可能になっている。

【００４０】

【発明の実施の形態】以下には、添付の図面を参照しな
がら、本発明の代表的な実施の形態を説明する。

【００４１】（第１の実施形態）図１は、本発明の第１
の実施形態におけるＩＣＰＣＶＤ装置の構成を模式的に
示す概略図である。

【００４２】具体的には、真空チャンバ１１は、排気口
１２より真空に排気される。真空チャンバ１１には、プ
ラズマ発生室１６が取り付けられていて、プラズマ発生
室１６の周囲には、誘導コイル１３が巻かれている。誘
導コイル１３には、高周波発振器１４で発生されて整合
器２５により所定のパラメータ（例えば周波数など）に
設定された高周波電力が、印加される。なお、プラズマ
発生室１６は、少なくとも誘導コイル１３の設置箇所の
近傍が、石英チューブ等の絶縁性材料から構成されてい
る。高周波電力を誘導コイル１３に印加することによ
り、誘導磁界が発生して、プラズマ発生室１６に電磁界
が印加される。

【００４３】モノシラン（ＳｉＨ₄）ガスなどのシリコ
ン元素を含む原料ガスは、原料ガス容器（原料ガス源）
３０からガス導入口１７を通じて真空チャンバ１１に導
入される。誘導コイル１３の巻き数を、印加する高周波
電力との誘導結合条件を満たすように設定することによ
り、プラズマ発生室１６の中に、解離度の高い高周波誘
導結合プラズマ（ＩＣＰ）５０が得られる。発生したプ
ラズマ５０は、加熱電源（温度制御加熱用電源）１８に
より基板加熱ヒータ２９を用いて加熱され且つ温度モニ
タ２８によってその温度が制御されている基板ホルダ１
９に達して、ホルダ１９の上に載置された基板２０の表
面に、シリコン薄膜（多結晶シリコン或いはアモルファ
スシリコン）が堆積される。

【００４４】誘導コイル１３に印加する高周波電力の周
波数は、誘導コイル１３による結合が可能であって且つ
放電プラズマ５０を発生することができる周波数に設定
すればよく、例えば約５０Ｈｚから約５００ＭＨｚの範
囲に設定することが好ましい。上記の範囲における下限
値の約５０Ｈｚは、プラズマ５０から見て直流に見えな
い実用的な交流周波数である。また、上限値の約５００
ＭＨｚは、導波管を用いることなくコイルアンテナで電
界を印加し得る周波数の上限である。

【００４５】典型的には、誘導コイル１３に印加する高
周波電力の周波数は、約１０ＭＨｚ〜約１００ＭＨｚの
範囲に、例えば、１３．５６ＭＨｚに設定する。しか
し、上記のような広い周波数範囲において、放電プラズ
マ５０が発生できれば同様の効果が得られる。

【００４６】なお、印加高周波周波数を上記の１３．５
６ＭＨｚに設定する場合、プラズマ５０を発生させるた
めに必要な電流は数ｍＡオーダと小さく、誘導コイル１
３の巻き数の２ターン程度と少なくて良い。従って、装
置の全体サイズの小型化が容易に達成され得る。

【００４７】また、高密度プラズマ５０が発生されるも
のの、ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の場合とは異なって、
磁界は誘導コイル１３の近傍のみに形成され、処理対象
である基板２０の近傍に磁界は形成されない。従って、
ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置で問題になる磁界勾配に沿っ
た荷電粒子の基板への入射という問題は発生せず、基板
ダメージが抑制される。

【００４８】更に、本発明の装置構成では、原料ガスを
適切に選択することによって、形成される半導体薄膜の
種類を適宜設定できる。例えば、シリコン薄膜を形成す
るためには、ＳｉＨ₄（モノシラン）やＳｉ₂Ｈ₆（ジシ
ラン）などの水素化シリコン、或いはＳｉＨ₂Ｃｌ₂（ジ
クロルシラン）等のハロゲン化シリコンなど、シリコン
元素を含む原料ガスを、少なくとも供給すればよい。或
いは、供給する原料ガスにメタン（ＣＨ₄）を混合すれ
ば、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）膜が形成できる。

【００４９】半導体薄膜の形成時において、プラズマ
（高周波誘導結合プラズマ＝ＩＣＰ）５０の発生領域の
圧力は、好ましくは約５×１０^-5Ｔｏｒｒから約２×１
０^-2Ｔｏｒｒの範囲に設定する。

【００５０】更には、供給するシリコンを含む原料ガス
（例えばＳｉＨ₄）を水素などの他の適切な気体で希釈
したり、誘導コイル１３に印加する高周波電力を増大さ
せることにより、多結晶シリコン膜が形成できる。この
点を、図２及び図３を参照して更に説明する。

【００５１】図２には、流量５ｓｃｃｍの１００％Ｓｉ
Ｈ₄ガスを流量２０ｓｃｃｍの水素ガスで希釈したＳｉ
Ｈ₄／Ｈ₂混合原料ガスを導入した場合（「ＳｉＨ₄／Ｈ₂
５％」と記載）と、ＳｉＨ₄を希釈せずに流量１０ｓｃ
ｃｍで導入した場合（「ＳｉＨ₄１００％」と記載）と
の各々に関して、真空チャンバ１１の中の圧力が１ｍＴ
ｏｒｒとなるように原料ガスを供給して基板２０の表面
に堆積させたシリコン薄膜の電気伝導度（光電気伝導度
及び暗電気伝導度）の測定値を、形成時の基板２０の加
熱温度をパラメータとして示す。

【００５２】図２より、どちらの場合においても、室温
から約１５０℃の基板温度範囲では、良好な光電気伝導
度及び明暗比（すなわち、光電気伝導度と暗電気伝導度
との比）が得られており、これは、アモルファスシリコ
ン膜が形成されていることを示す。また、Ｘ線回折の結
果からも、この領域では水素化非晶質シリコンが形成さ
れていることが確認された。

【００５３】それに対して、約１５０℃以上の基板温度
においては、水素希釈の有無によって得られる膜の特性
が異なっている。すなわち、水素希釈している場合に
は、約１５０℃以上の基板温度に対して暗電気伝導度が
増大しており、結晶化された膜が堆積されていることを
示している。実際に、Ｘ線回折からも、堆積された膜の
結晶化が確認された。それに対して、水素希釈しない場
合には、約４００℃付近の基板温度まで暗電気伝導度の
変化が少なく、Ｘ線回折の結果からも、結晶化せずにア
モルファス状態のままであることが確認された。

【００５４】このように、上記の条件での水素希釈実施
時には、基板温度約１５０℃までの範囲ではアモルファ
スシリコン膜が堆積され、基板温度が約１５０℃を越え
ると、多結晶シリコン膜が堆積される。但し、堆積され
る膜がアモルファス（非晶質）から多結晶（結晶質）へ
移る上記の１５０℃付近という境界温度は、原料ガスの
供給量やその種類、装置構成、印加電力、放電周波数等
に依存して変化し得る。

【００５５】一方、図３は、上記のような水素希釈５％
のＳｉＨ₄ガスの供給時に、真空チャンバ１１の圧力を
約１ｍＴｏｒｒ、基板温度を約２５０℃で一定とし、印
加する高周波電力を約１００Ｗ〜約１０００Ｗの範囲で
変化させた場合に、室温で形成したシリコン薄膜の光電
気伝導度及び暗電気伝導度の変化を示す。これより、約
５００Ｗ〜約１０００Ｗという比較的に高い電力の領域
で暗電気伝導度が増加しており、この領域での堆積膜の
結晶化が確認された。

【００５６】なお、図１には描いていないが、実際に
は、原料ガス容器３０からのガス流量を調整するための
流量調整器、或いは、排気口１２からポンプへの排気量
を調節して真空チャンバ１１内の圧力を調整するための
圧力調整器などを、図１の装置構成は含み得る。これら
の調整器は、以下に説明する図４の構成には描かれてい
る。

【００５７】また、上述したような原料ガスの水素希釈
に対応するためには、やはり図４に描かれているよう
に、原料ガス容器３０として、水素ガス（Ｈ₂）用の容
器３１とＳｉＨ₄などシリコン元素を含むガス用の容器
３２とを、それぞれ設ければよい。

【００５８】（第２の実施形態）図４は、本発明の第２
の実施形態におけるＩＣＰＣＶＤ装置の構成を模式的に
示す概略図である。

【００５９】図４の装置構成において、図１の構成に対
応する構成要素には同じ参照番号を付しており、その説
明はここでは省略する。また、図１に描かれていた基板
加熱用電源（温度制御加熱用電源）１８、基板加熱ヒー
タ２９、及び温度モニタ２８は、図４では省略してい
る。

【００６０】図４の装置構成では、堆積プロセス中に、
発生しているプラズマ５０からの光を光ファイバ等によ
り分光装置４１に導入して発光分光を行い、所定の発光
ピーク強度の変化を検知可能にしている。更に、検知さ
れた発光ピーク強度をデータ処理装置４２でモニタリン
グし、放電圧力、放電電力、及び供給流量へのフィード
バック回路４３を組むことにより、流量調整器４４や、
圧力調整器４５、高周波発振器（電源）１４に対するフ
ィードバック制御を行う。これによって、プラズマ５０
からのＳｉ、ＳｉＨ、及びＨの発光ピーク強度（本願明
細書では、それぞれ［Ｓｉ］、［ＳｉＨ］、及び［Ｈ］
と称する）を所定の値になるように制御することによっ
て、良質な半導体薄膜を安定して作製することができ
る。

【００６１】図５には、基板温度を２５０℃一定とする
一方で、印加する高周波電力、供給する原料ガス（例え
ばＳｉＨ₄）の流量、供給する原料ガスの流量比（例え
ば、Ｈ₂とＳｉＨ₄との流量比＝希釈比）、或いはプラズ
マ５０の発生領域の圧力、などのプロセスパラメータを
様々に変化させて作製した種々のシリコン薄膜に対す
る、光電気伝導度／暗電気伝導度の比（光−暗電気伝導
度比）の測定データを示している。但し、横軸は、基板
２０の近傍におけるプラズマ発光分光の発光ピーク強度
のうち、約４００ｎｍ〜約４２０ｎｍ付近に見られるＳ
ｉＨ分子からの発光ピーク強度［ＳｉＨ］、約２８８ｎ
ｍ付近（約２８０ｎｍ〜約２９０ｎｍ）を中心とするＳ
ｉ原子からの発光ピーク強度［Ｓｉ］、及び約６１８ｎ
ｍ付近（約６１０ｎｍ〜約６２０ｎｍ）を中心とするＨ
原子からの発光ピーク強度［Ｈ］に対する、それらの間
の相対比（［Ｓｉ］／［ＳｉＨ］比及び［Ｈ］／［Ｓｉ
Ｈ］比）を示す。

【００６２】図５より、相対的に［Ｓｉ］＞［ＳｉＨ］
或いは［Ｈ］＞［ＳｉＨ］である場合、すなわち［Ｓ
ｉ］／［ＳｉＨ］比或いは［Ｈ］／［ＳｉＨ］比が大き
くなる場合に、作製したシリコン薄膜の光−暗電気伝導
度比が小さくなり、堆積される薄膜の結晶化が生じ易い
条件となっていることがわかる。

【００６３】これより、薄膜形成時の基板温度を低く保
ちながら結晶質シリコン薄膜（多結晶シリコン）を得る
ためには、上記のようにプラズマの発光分光を観測しな
がら、上記したＳｉ、ＳｉＨ、Ｈの発光ピーク強度
（［Ｓｉ］、［ＳｉＨ］、及び［Ｈ］）の相対比が、
［Ｓｉ］＞［ＳｉＨ］或いは［Ｈ］＞［ＳｉＨ］となる
ように、各種プロセスパラメータ、例えば、印加する高
周波電力、供給する原料ガス（例えばＳｉＨ₄）の流
量、原料ガスの流量比（例えばＨ₂とＳｉＨ₄との流量
比）、或いはプラズマ５０の発生領域の圧力を、調整す
ればよい。より具体的には、（［Ｓｉ］／［ＳｉＨ］）
＞１．０及び（［Ｈ］／［ＳｉＨ］）＞２．０の少なく
とも一方が満たされるように、上記の各種プロセスパラ
メータ（例えば、印加する高周波電力、供給する原料ガ
スの流量、原料ガスの流量比、或いはプラズマ５０の発
生領域の圧力）を調整すれば、良質な結晶性（多結晶）
シリコン薄膜が得られる。

【００６４】或いは、上記のＳｉ、ＳｉＨ、Ｈの発光ピ
ーク強度の比が［Ｓｉ］＞［ＳｉＨ］或いは［Ｈ］＞
［ＳｉＨ］となるように各種プロセス条件を保ちなが
ら、基板温度を約５０℃として薄膜形成を行えば、良質
な水素化アモルファスシリコン膜が得られる。

【００６５】このように、上述したプラズマの発光分光
の分析（具体的には、Ｓｉ、ＳｉＨ、Ｈの発光ピーク強
度の相対比である［Ｓｉ］／［ＳｉＨ］比及び［Ｈ］／
［ＳｉＨ］比の分析）は、低温で良質な半導体薄膜を作
成するにあたって、膜がアモルファスであるか或いは結
晶質であるかに関する制御性に優れた薄膜形成を実現す
るためのプロセスモニタとして、有効である。

【００６６】なお、上記の図５に示すデータ測定時の各
種条件下での成膜速度は、約１Ａ／秒〜約１０Ａ／秒で
あって、十分に実用的な成膜速度であった。

【００６７】上記の第１及び第２の実施形態の装置構成
では、図１或いは図４に示したように、高周波誘導結合
プラズマ（ＩＣＰ）５０を発生させるための磁界を生じ
させる手段としてプラズマ発生室１６の近傍に設けられ
たソレノイドコイル型外部コイルを誘導コイル１３とし
て使用する、外部コイル配置の誘導結合装置を用いてい
る。しかし、本発明の適用はこれに限られるわけではな
い。例えば、同一面内にコイルを巻くスパイラル型コイ
ル配置の誘導結合装置、誘導コイルを反応室の内部に設
置する内部コイル配置の誘導結合装置、更には、上記の
ような様々な構成に更に補助磁石が付加された構成を有
するものなど、その他の構成を有する場合であっても、
全く同様な効果が得られる。また、電磁石コイルに代え
て、所定の磁束密度を有する永久磁石を設けても良い。

【００６８】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、高磁界及びマイクロ波を使用せずに、大面積に渡っ
て低圧プラズマを発生することができるプラズマ源であ
る高周波誘導結合プラズマを、ＣＶＤ法による半導体薄
膜の形成時の原料ガスのプラズマ分解のために利用して
いる。これにより、大型の磁界発生装置を必要とせず、
低圧力領域で大きな堆積面積に渡って均一に、ＳｉＨ₄
ガスなどの原料ガスをプラズマ分解できる。この結果、
十分に速い堆積速度を得ながら、基板やその表面に形成
された半導体薄膜の下地膜として機能する膜に損傷を与
えることなく、高品質な半導体薄膜（アモルファス膜や
多結晶膜）を堆積することが可能であり、高性能な半導
体素子の作成が可能になっている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態におけるＩＣＰＣＶＤ
装置の構成を模式的に示す概略図である。

【図２】本発明に従って堆積されたシリコン薄膜の光電
気伝導度及び暗電気伝導度の、形成時の基板温度に対す
る依存性を示す図である。

【図３】本発明に従って堆積されたシリコン薄膜の光電
気伝導度及び暗電気伝導度の、形成時の印加高周波電力
に対する依存性を示す図である。

【図４】本発明の第２の実施形態におけるＩＣＰＣＶＤ
装置の構成を模式的に示す概略図である。

【図５】基板温度を一定とする一方で他のプロセスパラ
メータを様々に変化させて作製した種々のシリコン薄膜
に対する、光電気伝導度／暗電気伝導度の比（光−暗電
気伝導度比）の測定データを示す図である。

【図６】従来技術によるＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の構
成を模式的に示す概略図である。

【符号の説明】

１１真空チャンバ１２排気口１３誘導コイル１４高周波発振器（高周波電源）１６プラズマ発生室１７ガス導入口１８加熱電源（温度制御加熱用電源）１９基板ホルダ２０基板２５整合器２８温度モニタ２９基板加熱ヒータ３０原料ガス容器３１水素ガス用の容器３２シリコンを含む原料ガス用の容器４１分光装置４２データ処理装置４３フィードバック回路４４流量調整器４５圧力調整器５０高周波誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）

フロントページの続き (72)発明者菅井秀郎愛知県春日井市中新町２丁目４番６号

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空チャンバに原料ガスを供給する工程
と、該供給された原料ガスを、高周波電力の印加による高周
波誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Inductive Coupled Plas
ma）を用いたプラズマ分解によって分解し、該分解され
た原料ガスを用いた化学気相成長プロセスによって、基
板上に所定の半導体薄膜を形成する工程と、を包含し、該半導体薄膜の形成時の該基板の加熱温度を制御するこ
とによって、該形成される半導体薄膜の結晶状態を制御
する、半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】前記原料ガスがシリコンを含むガスであ
る、請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項３】前記原料ガスが、シリコンを含むガスに
水素を混合した混合ガスである、請求項１に記載の半導
体薄膜の製造方法。
【請求項４】前記半導体薄膜の形成時の前記基板の加
熱温度を、約５０℃から約５５０℃の範囲に設定する、
請求項１に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項５】前記印加する高周波電力の周波数を約５
０Ｈｚ〜約５００ＭＨｚに設定する、請求項１に記載の
半導体薄膜の製造方法。
【請求項６】前記高周波誘導結合プラズマの発生領域
或いはその近傍に設けられた磁界を発生する手段を利用
して、該高周波誘導結合プラズマを発生する、請求項１
に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項７】前記磁界を発生する手段が電磁石コイル
である、請求項６に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項８】前記磁界を発生する手段が所定の磁束密
度を有する永久磁石である、請求項６に記載の半導体薄
膜の製造方法。
【請求項９】前記半導体薄膜の形成時の前記高周波誘
導結合プラズマの発生領域の圧力を、約５×１０^-5Ｔｏ
ｒｒから約２×１０^-2Ｔｏｒｒに設定する、請求項１に
記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項１０】少なくとも前記基板の近傍における前
記高周波誘導結合プラズマの発光分光スペクトルを測定
する工程と、該測定された発光分光スペクトルにおける、ＳｉＨ分子
からの発光ピーク強度［ＳｉＨ］、Ｓｉ原子からの発光
ピーク強度［Ｓｉ］、及びＨ原子からの発光ピーク強度
［Ｈ］の間の相対比（［Ｓｉ］／［ＳｉＨ］比及び
［Ｈ］／［ＳｉＨ］比）を測定する工程と、該相対比が、（［Ｓｉ］／［ＳｉＨ］）＞１．０及び
（［Ｈ］／［ＳｉＨ］）＞２．０の少なくとも一方の関
係を満たすように、所定のプロセスパラメータを調節す
る工程と、を更に包含する、請求項１に記載の半導体薄
膜の製造方法。
【請求項１１】前記調節されるべき所定のプロセスパ
ラメータは、少なくとも、前記高周波誘導結合プラズマ
の発生領域の圧力、前記原料ガスの供給流量、該原料ガ
スの供給流量の比、前記印加高周波電力の値、のうちの
一つである、請求項１０に記載の半導体薄膜の製造方
法。
【請求項１２】真空チャンバに原料ガスを供給する供
給手段と、該供給された原料ガスを、高周波電力の印加による高周
波誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Inductive Coupled Plas
ma）を用いたプラズマ分解によって分解し、該分解され
た原料ガスを用いた化学気相成長プロセスによって、基
板上に所定の半導体薄膜を形成するＩＣＰ手段と、該化学気相成長プロセスにおける該基板の加熱温度を制
御する基板温度制御手段と、を備え、該基板温度制御手段により該半導体薄膜の形成時の該基
板の加熱温度を制御することによって、該形成される半
導体薄膜の結晶状態を制御する、半導体薄膜の製造装
置。
【請求項１３】前記原料ガスがシリコンを含むガスで
ある、請求項１２に記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項１４】前記原料ガスが、シリコンを含むガス
に水素を混合した混合ガスである、請求項１２に記載の
半導体薄膜の製造装置。
【請求項１５】前記半導体薄膜の形成時の前記基板の
加熱温度を、約５０℃から約５５０℃の範囲に設定す
る、請求項１２に記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項１６】前記印加する高周波電力の周波数を約
５０Ｈｚ〜約５００ＭＨｚに設定する、請求項１２に記
載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項１７】前記高周波誘導結合プラズマの発生領
域或いはその近傍に設けられた磁界を発生する手段を更
に備えている、請求項１２に記載の半導体薄膜の製造装
置。
【請求項１８】前記磁界を発生する手段が電磁石コイ
ルである、請求項１７に記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項１９】前記磁界を発生する手段が所定の磁束
密度を有する永久磁石である、請求項１７に記載の半導
体薄膜の製造装置。
【請求項２０】前記半導体薄膜の形成時の前記高周波
誘導結合プラズマの発生領域の圧力を、約５×１０^-5Ｔ
ｏｒｒから約２×１０^-2Ｔｏｒｒに設定する、請求項１
２に記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項２１】少なくとも前記基板の近傍における前
記高周波誘導結合プラズマの発光分光スペクトルを測定
する手段と、該測定された発光分光スペクトルにおける、ＳｉＨ分子
からの発光ピーク強度［ＳｉＨ］、Ｓｉ原子からの発光
ピーク強度［Ｓｉ］、及びＨ原子からの発光ピーク強度
［Ｈ］の間の相対比（［Ｓｉ］／［ＳｉＨ］比及び
［Ｈ］／［ＳｉＨ］比）を測定する手段と、該相対比が、（［Ｓｉ］／［ＳｉＨ］）＞１．０及び
（［Ｈ］／［ＳｉＨ］）＞２．０の少なくとも一方の関
係を満たすように、所定のプロセスパラメータを調節す
る手段と、を更に備える、請求項１２に記載の半導体薄
膜の製造装置。
【請求項２２】前記調節されるべき所定のプロセスパ
ラメータは、少なくとも、前記高周波誘導結合プラズマ
の発生領域の圧力、前記原料ガスの供給流量、該原料ガ
スの供給流量の比、前記印加高周波電力の値、のうちの
一つである、請求項２１に記載の半導体薄膜の製造装
置。