JPH1174204A - 半導体薄膜の製造方法およびその装置 - Google Patents
半導体薄膜の製造方法およびその装置Info
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- JPH1174204A JPH1174204A JP10181201A JP18120198A JPH1174204A JP H1174204 A JPH1174204 A JP H1174204A JP 10181201 A JP10181201 A JP 10181201A JP 18120198 A JP18120198 A JP 18120198A JP H1174204 A JPH1174204 A JP H1174204A
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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。
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
【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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
成を模式的に示す概略図である。
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 (22)
- 【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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10181201A JPH1174204A (ja) | 1997-06-30 | 1998-06-26 | 半導体薄膜の製造方法およびその装置 |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17357797 | 1997-06-30 | ||
JP9-173577 | 1997-06-30 | ||
JP10181201A JPH1174204A (ja) | 1997-06-30 | 1998-06-26 | 半導体薄膜の製造方法およびその装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH1174204A true JPH1174204A (ja) | 1999-03-16 |
Family
ID=26495504
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP10181201A Pending JPH1174204A (ja) | 1997-06-30 | 1998-06-26 | 半導体薄膜の製造方法およびその装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH1174204A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6548380B1 (en) | 1999-09-08 | 2003-04-15 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Semiconductor thin film, semiconductor device employing the same, methods for manufacturing the same and device for manufacturing a semiconductor thin film |
JP2009105420A (ja) * | 2004-03-26 | 2009-05-14 | Nissin Electric Co Ltd | シリコンドット形成方法及びシリコンドット形成装置 |
JP2012531741A (ja) * | 2009-06-26 | 2012-12-10 | 東京エレクトロン株式会社 | プラズマ処理方法 |
-
1998
- 1998-06-26 JP JP10181201A patent/JPH1174204A/ja active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6548380B1 (en) | 1999-09-08 | 2003-04-15 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Semiconductor thin film, semiconductor device employing the same, methods for manufacturing the same and device for manufacturing a semiconductor thin film |
US6846728B2 (en) | 1999-09-08 | 2005-01-25 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Semiconductor thin film, semiconductor device employing the same, methods for manufacturing the same and device for manufacturing a semiconductor thin film |
JP2009105420A (ja) * | 2004-03-26 | 2009-05-14 | Nissin Electric Co Ltd | シリコンドット形成方法及びシリコンドット形成装置 |
JP2012531741A (ja) * | 2009-06-26 | 2012-12-10 | 東京エレクトロン株式会社 | プラズマ処理方法 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20030401 |