アモルファスシリコン薄膜の成膜方法

【目的】半導体材料としての膜質を確保できると共に、半導体デバイスの製造上、必要とされる膜厚を短時間で成膜する方法を提供する。
【構成】プラズマＣＶＤ法で基板４の表面にアモルファスシリコン薄膜を成膜する方法において、成膜初期は連続放電で成膜し、次いで間欠放電で必要な膜厚まで成膜する。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、プラズマＣＶＤ法で基板表面にアモルファスシリコン薄膜を成膜する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、成膜チャンバー（真空チャンバー）内で、シランガス（ＳｉＨ₄）および水素ガス（Ｈ₂）の原料ガスを導入すると共に、対向電極間に高周波電力を印加して、放電によるプラズマを形成し、プラズマで原料ガスを励起、分解することにより、対向電極の一方の電極に支持した基板の表面にアモルファスシリコン薄膜を成膜するようにした、プラズマＣＶＤ法による成膜方法が知られている。薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などの半導体デバイスの製造に応用されている。
【０００３】前記の対向電極間における放電は、連続放電と間欠放電とがある。
【０００４】連続放電は、一般的に行なわれているプラズマＣＶＤ法であり、高品質なアモルファスシリコン薄膜が、低い基板温度で成膜できる特質があるものである。
【０００５】間欠放電は、基本的な成膜条件（圧力、温度、原料ガス）は、前記連続放電の場合と同じであるが、対向電極に印加する高周波電力を、振幅変調した高周波電力とした方法で、１９８７年以降、九州大学の渡辺等により提案された方法である（Ｙ．Ｗａｔａｎａｂｅｅｔａｌ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５３，１２６３（１９８８）、渡辺他九州大学工学集報第６０巻６号７３９頁（１９８７）、白谷他九州大学工学集報第６２巻６号６７７頁（１９８９）、白谷他電気学会プラズマ研究会資料ＥＰ−８９−６２（１９８９））。連続放電の場合に比較して、成膜速度の向上および気相中で発生するパーティクルの低減ができるとされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】前記の如くの従来のアモルファスシリコンの成膜方法においては、次のような問題点があった。
【０００７】即ち、連続放電による場合、高周波電力を増大したり、原料ガスの導入量を増大して、成膜速度を大きくすると、気相中での反応が促進されて、パーティクルの発生が起ると共に、プラズマ中でＳｉＨ₂ラジカルが多量に生成されることによって、膜質が悪くなることである。従って、実用に耐え得る膜質を得るためには、成膜速度を遅くしなければならなくなり、成膜時間が長くなり、能率が低下する問題点となっていた（参考として、松田彰久電子技術総合研究所研究報告８６４号Ｐ３５〜４５、Ａ．ＭａｔｓｕｄａａｎｄＮ．ＨａｔａＧｌｏｗ−ＤｉｓｃｈａｒｇｅＨｙｄｒｏｇｅｎａｔｅｄＡｍｏｒｐｈｏｕｓＳｉｌｉｃｏｎ、ｅｄｉｔｅｄｂｙＫ．ＴａｎａｋａＰ２８（１９８９）などの文献がある。）。
【０００８】一方、間欠放電による方法では、前記の通り、成膜速度の向上およびパーティクルの低減が可能であるが、半導体材料としての膜質が、連続放電の場合に比較して劣るという問題点があった。
【０００９】
【課題を解決する為の手段】この発明は、前記の如くの問題点に鑑みてなされたもので、半導体材料としての膜質を確保できると共に、半導体デバイスの製造上、必要とされる膜厚を短時間で成膜する方法を提供することを目的としている。
【００１０】斯る目的を達成するこの発明のアモルファスシリコン薄膜の成膜方法は、プラズマＣＶＤ法で基板表面にアモルファスシリコン薄膜を成膜する方法において、成膜初期は連続放電で成膜し、次いで間欠放電で必要な膜厚まで成膜することを特徴としている。
【００１１】前記連続放電における高周波電力や原料ガスの導入量は、成膜チャンバー内で、パーティクルの発生が起らない条件とするのは言うまでもない。
【００１２】連続放電および間欠放電による成膜は、同一の成膜チャンバー内で行なっても良く、別の成膜チャンバー内で行なっても良い。
【００１３】高周波電力の周波数は１ｋＨｚ〜１００ＭＨｚ（通常１３．５６ＭＨｚ）とすることができる。連続放電は、このような高周波電力を時間的に連続して印加するのに対し、間欠放電では、１００Ｈｚ〜１００ｋＨｚで変調して印加する。変調放電時における放電時間の割合であるデューティー比は１％以上１００％未満とすることができる。
【００１４】
【作用】この発明のアモルファスシリコン薄膜の成膜方法によれば、成膜の初期の連続放電による成膜で膜質の良好なアモルファスシリコンを成膜し、その後の間欠放電による成膜で、パーティクルの発生を伴うことなく、高速でアモルファスシリコンを成膜し、必要な膜厚に要する時間を短縮することができる。
【００１５】薄膜トランジスタなどの半導体デバイスにおいて、アモルファスシリコン層は、半導体材料としては理論上１０〜２０ｎｍ、物理的には５０〜１００ｎｍの膜厚が確保できれば十分であり、残部のアモルファスシリコン層は電流の経路、或いはエッチングマージンとされるので、この部分は膜質が多少劣っていても、デバイスの性能上、問題は生じない。
【００１６】従って、所要の膜厚のアモルファスシリコン層のうち、半導体材料としての膜質が必要な部分を連続放電で成膜し、次いで残りの膜厚部分を間欠放電で成膜し、結果として成膜時間の短縮を図ることができる。
【００１７】
【実施例】薄膜トランジスタの製造に際し、膜厚３００ｎｍのアモルファスシリコン薄膜を成膜した。
【００１８】図１は使用した装置の構成を示したものである。真空容器１内に高周波電極２と接地電極３が対向して設置してあり、接地電極３に基板４が支持できるようにしてあると共に、高周波電極２には、整合回路１２を介して高周波電源１１が接続してある。高周波電源１１には波形発生器１３が接続してあり、波形発生器１３の変調用信号１４で、連続高周波電力１５が、振幅変調高周波電力１６に変化できるようになっている。
【００１９】真空容器１には、ＳｉＨ₄、Ｈ₂等の原料ガス５を流量制御器６を通して導入するガス導入系が接続してあると共に、可変コンダクタンスバルブ８を介して排気系９が接続してあり、真空容器１内を所定の圧力に調整できるようになっている。真空容器１内の圧力は圧力計７で測定する。
【００２０】接地電極３には、基板加熱機構１０が内蔵してあり、基板４を加熱できるようになっている。
【００２１】図中１７は高周波電極２と接地電極３の間の放電で形成されるプラズマを表わしている。
【００２２】前記のような構成の成膜装置を用いて、基板４の表面に厚さ３００ｎｍのアモルファスシリコン薄膜を成膜した。
【００２３】先ず、基板４を接地電極３に取付けた後、真空容器１内を真空に排気し、十分な真空（５×１０^-3Ｐａ（３．８×１０^-5Ｔｏｒｒ））を得た後、基板４を加熱（２５０℃）すると共に、原料ガス５を導入し、真空容器１内を１００Ｐａ（０．７５Ｔｏｒｒ）の圧力に調整した。圧力調整は流量制御器６と可変コンダクタンスバルブ８で行う。原料ガス５はＳｉＨ₄ガスとＨ₂ガスを混合した（組成比１：４）のものとし、連続放電による成膜の際に、パーティクルが生じないように、５００ｓｃｃｍの流量とした。
【００２４】次に、高周波電源１１を動作させて、連続高周波電力１５を高周波電極２と接地電極３間に印加して、両電極間で連続放電させ、基板４の表面にアモルファスシリコン薄膜を成膜した。パーティクルが発生しないように、高周波電力は１００ｗ（０．１ｋｗ）とした。
【００２５】前記のような条件で得られるアモルファスシリコン薄膜の成膜速度は約１０ｎｍ／ｍｉｎであり、１０分の成膜時間で約１００ｎｍの膜厚のアモルファスシリコン薄膜を成膜した。
【００２６】１０分間の連続放電を終了した後、波形成形器１３を動作させて、高周波電源１１の出力を振幅変調高周波電力１６に変化させて、高周波電極２と接地電極３間で間欠放電が起るようにして、成膜を続行した。変調用信号１４の周波数は５００Ｈｚとし、デューティー比は５０％とした。
【００２７】この間欠放電時の条件で得られるアモルファスシリコン薄膜の成膜速度は約８６ｎｍ／ｍｉｎであり、２．３分の成膜時間で２００ｎｍの膜厚のアモルファスシリコン薄膜を成膜し、合計３００ｎｍの膜厚のアモルファスシリコン薄膜を基板４の表面に成膜した。成膜時間の合計は１２．３分で、連続放電のみで３００ｎｍの膜厚に成膜する時間（３０分）の約１／３とすることができた。
【００２８】表１は連続放電で成膜したアモルファスシリコン薄膜と、間欠放電で成膜したアモルファスシリコン薄膜の特性を表わしたものである。
【００２９】
【表１】

【００３０】間欠放電で成膜したアモルファスシリコン薄膜の電気電導度比（光電気伝導度／暗電気伝導度）は、連続放電で成膜したアモルファスシリコン薄膜の電気電導度比に比較して小さい。
【００３１】成膜速度は、前記の通り、間欠放電の場合の方が連続放電の場合に比べて８．６倍大きい。
【００３２】図２は、アモルファスシリコン薄膜の赤外分光測定結果の図である。またＳｉ−Ｈｘ結合を示す波数２０００ｃｍ^-1付近の波形をピーク分離した結果を図３R>３に示した。何れの図も（ａ）が間欠放電によるアモルファスシリコン薄膜であり、（ｂ）が連続放電によるアモルファスシリコン薄膜に対するものである。
【００３３】間欠放電によるアモルファスシリコン薄膜では、シリコンと水素の結合を示すピークが二つに分かれており、Ｓｉ−Ｈ₂結合が多く含まれており、半導体材料としての膜質が劣っている。連続放電によるアモルファスシリコン薄膜では、シリコンと水素の結合を示すピークが一つしかなく、、Ｓｉ−Ｈ結合のみが含まれていることを示しており、膜質が良いものであった。
【００３４】薄膜トランジスタにおけるアモルファスシリコン薄膜では、半導体材料としての膜質が必要となる膜厚は１０〜２０ｎｍの部分であり、残部は電流の経路やエッチングのマージンの領域とされる。従って実施例のように、半導体材料としての膜質が必要となる領域を連続放電で成膜し、残りの部分は膜質の劣る間欠放電によるアモルファスシリコン薄膜としても、半導体デバイスの性能上、問題無い。この結果、アモルファスシリコン薄膜の成膜時間を大幅に短縮することができる。
【００３５】
【発明の効果】この発明によれば、成膜時間を大幅に短縮できる効果があり、半導体デバイスの製造能率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例で使用した成膜装置の構成図である。
【図２】アモルファスシリコン薄膜の赤外分光分析のグラフである。
【図３】同じく赤外分光分析のシリコンと水素の結合を示している部分を拡大したグラフである。
【符号の説明】
１真空容器
２高周波電極
３接地電極
４基板
５原料ガス
６流量制御器
７圧力計
８可変コンダクタンスバルブ
９排気系
１０基板加熱機構
１１高周波電源
１２整合回路
１３波形発生器
１４変調用信号
１５連続高周波電力
１６振幅変調高周波電力

【特許請求の範囲】
【請求項１】プラズマＣＶＤ法で基板表面にアモルファスシリコン薄膜を成膜する方法において、成膜初期は連続放電で成膜し、次いで間欠放電で必要な膜厚まで成膜することを特徴とするアモルファスシリコン薄膜の成膜方法。
【請求項２】連続放電および間欠放電による成膜は、同一のチャンバー内又は別のチャンバー内で行う請求項１記載のアモルファスシリコン薄膜の成膜方法。

【図１】