JPS633414A - シリコン膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、経時変化の少ない薄膜トランジスタ等に用
いるシリコン膜の製造方法に関するものである。

（発明の概要〕 この発明は、トリシラン以上の高次シランを用いた熱Ｃ
ＶＤにより、高品質で安定なアモルファスシリコン膜を
製造するものである。

〔従来の技術〕

プラズマ等のＲ’Ｃ粒子によるダメージのないシリコン
膜の製造方法に熱ＣＶＤがある。

従来、水素化アモルファスシリコン膜を熱ＣＶＤ法で成
膜する場合、原料ガスにモノシラン（ＳｉＵＳ）を用い
ると基板温度を６００〜６５０℃の高温にする必要があ
り、膜中の構造欠陥を補償する結合水素量が極めて少な
く膜の特性が良くなかった。

ジシラン（ＳｉＪｉ）を用いた場合、基板温度４００〜
５００℃で適当に水素を含むアモルファスシリコン膜が
形成できるとの報告が、Ｙｏｓｈｉｎｏｒｉ　ＡＳＨＩ
［ｌＡら（Ｙｏｓｈｉｎｏｒｉ　ＡＳＨＩＤＡ、Ｙａｓ
ｕｙｏｓｈｉ　ＭＩＳ）ＩＩｆ’ｌＡ、Ｍａｓａｔａｋ
ａ旧ＲＯＳＥ、Ｙｕｋｉｏ　０５ＡＫＡ　ａｎｄ　Ｋｅ
ｎｉｃｈｉ　ＫＯＪＩＭＡ、　Ｊｊ。

Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、　２３（１９８４）　１２９）に
よりなされている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、従来のジシランによる熱ＣＶＤ法では基板加熱
以外に、チャンバーも加熱するホットウォール型の反応
装置を用いていた。ホントウオール型ではデポジション
レートは高いもののチャンバー内壁の不純物をシリコン
膜中にとり込み易く改質の向上がむずかしい。また、気
相反応により基板表面にシリコン粒子が堆積し、表面が
荒れてしまうという問題があった。

一方、チャンバーは加熱せず基板のみを加熱すルコール
ドウォール型の反応装置ではデポジションレートが低い
という問題があった。

そこで、この発明はコールドウオール型の反応装置にお
いても低い基ＦＡＡ度で十分なデポジションレートがあ
り、良好な電気特性をもつ安定なアモルファスシリコン
膜の形成を目的としている。

〔問題を解決するための手段〕

この発明では、原料ガスにトリシラン以上の高次シラン
を用い、ｐｃｖｏにおける成膜条件とシリコン膜の特性
の関係を明らかにすることにより問題を解決した。

〔作用〕

ジシランに比ベトリシラン以上の高次シランは反応性が
高いので、十分なデポジションレートがあり、膜質に関
係する基板温度、反応圧力等の成膜条件を最適化するこ
とができる。

〔実施例〕

まず、この発明に用いる装置例を第１図（ａｌおよびＣ
ｂ）により説明する。

第１図（ａ）において、１はチャンバーで、内部にヒー
ター等の基板加熱手段２を有し、熱伝専の良いサセプタ
ー３が固定され、加熱される。サセプター３上には石英
板、ガラス板、ステンレス板。

シリコンウェハー等の基板４が載せられている（下向き
等の場合には止め金具等で固定される）。

さらに、基板４の近傍にガス吹出部５を形成し、ガス供
給手段６とチャンバー１内を排気手段５がチャンバー１
に接続されている。ガス供給手段６からガス吹出部まで
の系はヒーター等により原料ガスの沸点（トリシランで
は５３，１℃）以上の温度に保たれている。このほか、
必要に応じて、チャンバー１の側面に真空ゲージ、観察
窓等が設けられ、冷却のための空冷ないしは水冷パイプ
が接続されている。

第１図ｆｂｌは、基板加熱手段２にランプ加熱を用いた
場合で、チャンバー１は光吸収の少ない石英。

サセプター３は光吸収の良いカーボン等の材質のものを
各々用いる。

このような装置において基板温度を４００　℃程度に加
熱し、トリシラン以上の高次シランをチャンバー１内に
導入すると、熱分解反応により、基板４表面にアモルフ
ァスシリコン膜を形成することができる。この場合、チ
ャンバー１の壁面の温度は２００℃前後であるが、さら
に冷却する場合は、空気、Ｎ２ガス等をチャンバー１外
から吹きつければよい。以下にデポジションの詳細な条
件を示す。

第２図は１００％トリシランを用いた石英基板上へのア
モルファスシリコン膜のデポジションレートのデータの
一例を示すものである。第３図で横軸は基板温度Ｔｓｕ
ｂの逆数（１／Ｋ）　、縦軸はデポジションレート　（
人／　ｍ１ｎ）であり、△１０．○、◇。

印はそれぞれ反応圧力が１．　２．　５．１０．１２Ｔ
ｏｒｒの場合である。１０　Ｔｏｒｒ、　４２０℃で６
０人／ｍｉｎのデポジションレートがあり、半導体素子
を生産するのに十分な値である。

）ＩＺ＋　Ｎｚ、　Ｈｅ、　Ａｒ等の雰囲気ガスでｎ訳
した場合のデポジションは、トリシランの分圧が第３図
の反応圧力と同じなら、デポジションレートもほぼ等し
くなる。

第３図は１００％トリシランを用いて反応圧力５Ｔｏｒ
ｒの場合の光学バンドギャップと結合水素工の基板温度
依存性の一例を示したものである。、ｌ＋Ｎ温度が４８
０℃以下では光学バンドギャップは約１゜６５ｅＶ　、
結合水素量は約７，５％でほぼ一定である。

基板温度が４８０℃を越える温度では光学バンドギャッ
プ、結合水素量ともに減少する。これよりトリシラン以
上の高次シランの熱ＣＶ　Ｄでは基板温度４８０℃を越
える温度で水素脱離が起こることが解った。

第４図は、１００％トリシランを用いて反応圧力５　Ｔ
ｏｒｒの場合の暗導電率（Ｏ印）とＡＭＩスペクトラム
６０ｎ　Ｗ／ｃａｌの光照射での光導電率（Ｏ印）の基
板温度依存性を示したものである。光導電率は高（ない
が、光ぷ電率と暗導電率の比は３桁以上ある。また、基
板温度４８０℃を越える温度では、水素脱離により光導
電率、暗導電率ともに低下する。

第５図は、赤外吸収特性の一例を示したものである。−
般に２０００ｃｍ−’付近にピークを持つＳｉＨ結合の
伸縮振動と２１００ｃ＋＋＋−’付近にピークを持つＳ
ｉＪ結合の伸１１振動が観察されるが、トリシランの熱
ＣＶＤによるアモルファスシリコン膜では５ｉｌｔ結合
のピークはほとんど観測されず、５ｉｌｌ結合が主であ
り良質な膜であるといえる。

以上のデポジションのデータを利用して作成した薄膜ト
ランジスタの断面図の一例を第６図に示す。低抵抗ｐ型
シリコン基板を利用したゲート６と、前記シリコン基板
を１１００℃、　ｄｒｙＯ□雰囲気中で熱酸化した約９
００　人のゲート絶縁膜７の上に、トリシラン以上の高
次シランの熱ｃｖｏによるノンドープアモルファスンリ
コン膜８を約５００人デポジションする。さらにｎ°ア
モルファスシリコン層とＮｉ等の金属層の二層よりなる
ソース９及びトレイン１０を形成する。

第７図は実際の薄膜トランジスタの出力特性の一例であ
る。ゲート・ソース電圧は２０〜３０Ｖまで２■ステツ
プで変化させ、チャネル幅−とチャネル長しの比は−／
Ｌ　＝　４０である。ソース・ドレイン電圧を０−１Ｏ
−ＯＶと掃引した場合のヒステリシスは非常に小さく安
定である。この薄膜トランジスタの０Ｎ１０ＦＦ電流比
は６桁以上あり、飽和領域から求めたしきい値電圧と電
子移動度は各々１８■。

０、ＩＣｌ１ｌ／Ｖ−５と良好なものであった。

ドレイン電流１ｄの時間変化を、モノシランのプラズマ
ＣＶＤで作製した薄膜トランジスタと比較して第８図に
示す、プラズマＣＶＤ試料は熱Ｃ■Ｄと同じチャンバー
を用い、基板温度３００℃１反応圧力０．７Ｔｏｒｒ、
高周波電力ＬＯＷで製膜したちのである。第９図の横軸
は、ドレイン電流を１μＡ流すのに必要なバイアスを印
加してからの時間。

縦軸はドレイン電流の初期値１ｄ（０）に対する各時間
における値１ｄの比である。実線が熱ＣＶＤ、破線がプ
ラズマＣＶＤによる薄膜トランジスタの場合である。熱
ＣＶＤによる薄膜トランジスタの方が、プラズマＣＶＤ
によるものよりドレイン電流の時間変化が小さく安定で
ある。

第９図（ａｌ及びｔｂｌはそれぞれ実際のデポジション
の手順の一例を示したもので、横軸は時間、縦軸はチャ
ンバー圧と基板温度を示している。第９図（ａｌは１０
０％トリシランの場合で、真空引きしたチャンバー１に
トリシランを導入するとデポジションが始まる。この時
、チャンバー圧が急に増加すると基板加熱手段２とサセ
プター３．及びサセプター３と基板４間の熱伝導が良（
なり、基板温度が２０℃程度も上昇する。しばらくする
と温度制御が追従し、基板温度が安定する。チャンバー
圧が１０Ｔｏｒｒ以上でこの現象は顕著である。このデ
ポジション開始時の基板温度変化は、デポジション時間
が短い場合、膜厚の制御や膜質の均一性を悪くする。

そこで、第９図（ｂｌに示すように、あらかじめＨ２゜
Ｎｚ、　Ｈｅ、Ａｒ等の希釈ガスを１０Ｔｏｒｒ以上チ
ャンバー１内に導入しておき、基板温度が安定してから
トリシランを与太すると、基板温度の変化は１℃以下に
おさえることができ、安定なデポジションを行うことが
できる。この安定化効果は５　Ｔｏｒｒ前後のチャンバ
ー圧でも認められた。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、どの発明はトリシラン以上
の高次シランを用いて基板温度４８０℃以下で熱ＣＶＤ
を行った場合、電気特性の良い安定なアモルファスシリ
コン膜が得られる利点がある。

また、雰囲気ガスをあらかしめチャンバー内に導入し、
基板温度が安定した後に原料ガスを導入して熱ＣＶＤを
行うと、成膜時の基板温度変化を非常に小さくすること
ができる。

さらに、低温でしかも荷電粒子のダメージのないプロセ
スであることから、ＬＳＩ等のプロセスと組合せた場合
でも、既に形成済みの他の素子に悪い影響を与えること
がないことは明白である。

【図面の簡単な説明】

第１図（８１はこの発明に用いるヒーター加熱による装
置の断面略図、第１図ｔｂｌは同様にランプ加熱による
装置の断面略図、第２図はこの発明の１００％トリシラ
ンを用いた熱ＣＶＤのデポジションレートの基板温度依
存性を示す図、第３図は、この発明の光学バンドギャッ
プと水素含有率の基板温度依存性を示す図、第４図はこ
の発明の導電率の基板温度依存性を示す図、第５図はこ
の発明のシリコン膜の赤外吸収特性図、第６図は第２図
から第５図までのデータを利用して作製した薄膜トラン
ジスタの断面図、第７図は第６図の薄膜トランジスタの
出力特性図、第８図は同じく、ドレイン電流の時間変化
を示す図、第９図（ａ）は１００％トリシランを用いた
場合のデポジションの手順例を示す図、第９図へ）は同
様に雰囲気ガスで希釈した場合のデポジションの手順例
を示す図である０図中、１はチャンバー、２は基板加熱
手段、３はサセプタ、４は基板、５はガス吹出部、６は
ガス供給手段、７は排気手段、８はシリコン膜、９はソ
ース、１０はドレインである。 以上 出　願　人　　工業技術院長 信越化学工業株式会社 セイコー電子工業株式会社 指定代理人　　工業技術院電子技術総合研究所所長佐藤
孝平 ４代　理　人　　弁理士　最　上　　１１ｔ　（他１名
）第１凶（ａ） 基板温度（０Ｃ） １０００／Ｔｓｕｂ　（１／に） デボシ゛シ３ンし一トΦ肪暴し！壱に杓峠缶を、ホＴｆ
ｆｉ第２図 導　　電　早　（Ｓ−ｃｍ−〇 に％＞−二ｔ″Ｇ−７（ｅＶ）　　　　７關に、４ｉＬ
（％）：ＪＬ数（ｃｍ−’） 赤外吸家符性図 第５図 ＮＦ２．ｒラシシ“スタの迂γ面図 第６図 ドレイン・ソース電圧　（Ｖ） 薄４片費、トランジズタの出力特十往図第　７　図 バイアス卵１ａｇ７−月ノつ’（ｈｏｕｒンドしイ〕電
麦の片開変化をホＴＩＩＫ 第８図 ミ午間　（ｍｉｎン テ゛ホ５５Ｇのす櫃１烈１ホＴ図 第９図（ａ） Ｂ′ｒ　　閣　（ｍｉｎン テホ゛ジシｊ二の計慣例１ホＴ図 第９図（ｂ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板加熱手段を内蔵するチャンバーに排気手段と
   ガス供給手段とが接続された装置を用い、原料ガスとし
   てトリシラン（Ｓｉ＿３Ｈ＿２）以上の高次シランを前
   記チャンバー内に導入し、基板温度４８０℃以下で、か
   つ前記チャンバー壁面の温度を前記基板温度より低く保
   ち、熱ＣＶＤによりシリコン膜を成長させることを特徴
   とするシリコン膜の製造方法。
2. （２）雰囲気ガス（Ｈ＿２、Ｎ＿２、Ｈｅ、Ａｒ等）を
   あらかじめ前記チャンバー内に導入し、基板温度が安定
   した後に、原料ガスを導入してシリコン膜を成長させる
   ことを特徴とする特許請求範囲第１項記載のシリコン膜
   の製造方法。