(57)【要約】【課題】単結晶薄膜、または結晶方位の揃った良質な多結晶薄膜を、実用可能な速度で成長させる半導体薄膜製造装置を提供することにある。【解決手段】中性粒子ビーム源１により発生させた２つの中性粒子ビーム１４を、基板３に対し所定の角度から照射して結晶方位を制御しながら結晶核を発生させ、基板３を加熱装置２により加熱して、この結晶核を固相エピタキシャル成長させる。また、移動可能な試料台４を利用することで、広範囲に渡る領域に結晶を製造することができる。これにより、結晶方位の揃った良質な半導体薄膜を、実用するのに十分な生産性をもって製造することができる。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶薄膜、または結晶方位の揃った多結晶薄膜を製造する半導体薄膜製造装置であって、
薄膜を成膜する基板の表面に対して、所望の角度から所望のエネルギーを有する中性粒子ビームを照射することができる２つ以上の中性粒子ビーム発生手段と、
上記基板を加熱するための基板加熱手段と、
を備え、
前記中性粒子ビーム発生手段により発生した所定のエネルギーを有する２つ以上の中性粒子ビームを、所定の角度から前記基板の表面に照射して、前記基板上に結晶方位を制御した結晶を成膜し、さらに前記基板加熱手段により前記基板を加熱して、固相エピタキシャル成長により、結晶方位を制御した前記結晶を成長させることを特徴とする半導体薄膜製造装置。
【請求項２】
単結晶薄膜、または結晶方位の揃った多結晶薄膜を製造する半導体薄膜製造装置であって、
薄膜を成膜する基板の表面に対して、所望の角度から所望のエネルギーを有する中性粒子ビームを照射することができる中性粒子ビーム発生手段と、
前記中性粒子ビーム発生手段から前記基板に至る経路に設けられた反射板と、
上記基板を加熱するための基板加熱手段と、
を備え、
前記中性粒子ビーム発生手段により発生した所定のエネルギーを有する中性粒子ビームを、所定の角度から前記基板の表面に照射すると同時に、前記反射板により反射した前記中性粒子ビームを、所定の角度から前記基板の表面に照射して、前記基板上に結晶方位を制御した結晶を成膜し、さらに前記基板加熱手段により前記基板を加熱して、固相エピタキシャル成長により、結晶方位を制御した前記結晶を成長させることを特徴とする半導体薄膜製造装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の半導体薄膜製造装置であって、
前記基板上への前記結晶方位を制御した前記結晶の成膜は、前記基板上に予め成膜したアモルファス半導体を結晶化することで行うことを特徴とする半導体薄膜製造装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の半導体薄膜製造装置であって、さらに、
蒸着またはスパッタにより前記基板上に結晶を成膜する成膜手段、
を備え、
前記基板上への前記結晶方位を制御した前記結晶の成膜方法は、前記成膜手段により行うことを特徴とする半導体薄膜製造装置。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体薄膜製造装置であって、
前記中性粒子ビーム発生手段は、前記基板上に成膜する結晶の構成元素から成る中性粒子ビームを発生させ、前記成膜手段は、前記中性粒子ビームを、前記結晶の成膜にも利用することを特徴とする半導体薄膜製造装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の半導体薄膜製造装置であって、さらに、
ｐ型またはｎ型不純物を蒸発させる蒸発手段、
を備え、
前記基板上に成膜する結晶に、前記蒸発手段により蒸発させた前記ｐ型またはｎ型不純物を添加することを特徴とする半導体薄膜製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、単結晶薄膜、または結晶方位の揃った単結晶薄膜に近い結晶構造を有する良質な多結晶薄膜を製造する半導体薄膜製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、コンピュータ装置だけではなく、通信機器や家電製品など、様々な分野で、液晶が利用されている。また、この様な利用の増加に伴って、液晶に対する高画素化、高精細化、動作の高速化などの要求が高まっている。そして、これらの要求に応えるには、液晶の製造に不可欠な半導体薄膜の高品質化が必須条件である。そのため、単結晶薄膜に近い良質な多結晶薄膜を製造する技術が強く要求されており、これについて様々な試みがなされている。具体的には、キャリアである電子や正孔の移動度が大きくｐ／ｎ接合部の漏洩電流の少ない、結晶方位の揃った良質な多結晶薄膜の製造を実現するための試みが多くなされている。
【０００３】
例えば、従来のアモルファスシリコンの結晶化技術においては、結晶化の初期段階に、多くの結晶核が無秩序に発生するため、成長した多結晶薄膜の結晶方位は無秩序なものとなる。この結果、薄膜中には、欠陥度の大きい結晶粒界が多く発生し、これが電子や正孔の移動度を極端に劣化させる原因となっていた。これを解決するため、低温で、結晶方位の揃った多結晶膜を、基板上に直接製造する、エキシマレーザーによる低温結晶化技術が注目を集めている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
低温で処理をして多結晶薄膜を製造する場合、結晶の成長速度が極めて遅く、生産性および実用性の点で問題となっていた。これを解決するためにエキシマレーザーや、高エネルギーのイオンビームを照射しながら薄膜を成長させる方法が試みられているが、低温における結晶の成長速度の改善は十分とは言えず、依然として生産性および実用性に問題を残していた。また、これらの方法で製造された多結晶薄膜は、結晶方位が無秩序であるという欠点が解決されないため、格子欠陥の密度が高く良質な多結晶薄膜とは言えなかった。
【０００５】
そこで、この発明の課題は、単結晶薄膜、または結晶方位の揃った単結晶薄膜に近い結晶構造を有する良質な多結晶薄膜を、実用可能な速度で成長させる半導体薄膜製造装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく、請求項１に記載の発明は、単結晶薄膜、または結晶方位の揃った多結晶薄膜を製造する半導体薄膜製造装置であって、薄膜を成膜する基板の表面に対して、所望の角度から所望のエネルギーを有する中性粒子ビームを照射することができる２つ以上の中性粒子ビーム発生手段と、上記基板を加熱するための基板加熱手段と、を備え、前記中性粒子ビーム発生手段により、所定のエネルギーを有する２つ以上の中性粒子ビームを、所定の角度から前記基板の表面に照射して、前記基板上に結晶方位を制御した結晶を成膜し、さらに前記基板加熱手段により前記基板を加熱して、固相エピタキシャル成長により結晶方位を制御した前記結晶を成長させることを特徴とするものである。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、単結晶薄膜、または結晶方位の揃った多結晶薄膜を製造する半導体薄膜製造装置であって、薄膜を成膜する基板の表面に対して、所望の角度から所望のエネルギーを有する中性粒子ビームを照射することができる中性粒子ビーム発生手段と、前記中性粒子ビーム発生手段から前記基板に至る経路に設けられた反射板と、上記基板を加熱するための基板加熱手段と、を備え、前記中性粒子ビーム発生手段により、所定のエネルギーを有する中性粒子ビームを、所定の角度から前記基板の表面に照射すると同時に、前記反射板により反射した前記中性粒子ビームを、所定の角度から前記基板の表面に照射して、前記基板上に結晶方位を制御した結晶を成膜し、さらに前記基板加熱手段により前記基板を加熱して、固相エピタキシャル成長により結晶方位を制御した前記結晶を成長させることを特徴とするものである。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の半導体薄膜製造装置であって、前記基板上への前記結晶方位を制御した前記結晶の成膜は、前記基板上に予め成膜したアモルファス半導体を結晶化することで行うことを特徴とするものである。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の半導体薄膜製造装置であって、さらに、蒸着またはスパッタにより前記基板上に結晶を成膜する成膜手段、を備え、前記基板上への前記結晶方位を制御した前記結晶の成膜方法は、前記成膜手段により行うことを特徴とするものである。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の半導体薄膜製造装置であって、前記中性粒子ビーム発生手段は、前記基板上に製造する結晶の構成元素から成る中性粒子ビームを発生させ、前記成膜手段は、前記中性粒子ビームを、前記結晶の成膜にも利用することを特徴とするものである。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の半導体薄膜製造装置であって、さらに、ｐ型またはｎ型不純物を蒸発させる蒸発手段、を備え、前記基板上に成膜する結晶に、前記蒸発手段により蒸発させた前記ｐ型またはｎ型不純物を添加することを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
｛薄膜製造装置の利用技術｝
半導体薄膜製造装置の実施の形態について説明する前に、当該半導体薄膜製造措置で利用する結晶成長に係る種々の技術について、以下に説明する。
【００１３】
＜結晶方位の制御＞
上述した従来の技術において最も問題であるのは、製造した多結晶薄膜に欠陥度の大きい結晶粒界が多く存在する点である。これを解決するためには、多結晶を構成する各結晶粒の結晶方位を揃え、いわゆる低エネルギー・グレインバウンダリーにしてやれば、結晶粒界でのキャリアの散乱を抑えることができる。このとき、結晶方位の変動を±１度程度に抑えることができれば、キャリアの移動度は十分大きく、単結晶薄膜と比べても遜色ない特性を得られることが知られている。そして、本発明によれば、結晶方位の変動をこの程度に抑えた、結晶方位の揃った多結晶薄膜を製造することができる。
【００１４】
一般に、液体や気体から結晶が成長するときは、第一段階で結晶核が発生し、第二段階でこの結晶核が成長する。アモルファスシリコンなど半導体の結晶化の過程も同様に２段階に分けて考えられる。上述した従来の技術において問題になっているのは、結晶核の発生を自由に行わせているため薄膜中に様々な方向を持った複数の結晶核が発生し、これが成長して多結晶となることである。そこで、本発明では、特定の結晶方位に配向した結晶核を発生させる。具体的には以下の通りである。
【００１５】
アモルファスシリコン或いは多結晶シリコンに、イオンビーム或いは中性粒子などの粒子ビームを照射して、その表面を叩くと、叩かれた表面は、ビーム方向に特有な結晶軸に配向することが知られている。例えば、アモルファスシリコンの表面を、３０〜４０ｅＶのＮｅ＋イオンビームで叩くとチャネリング効果により、表面の結晶がビームの飛来方向を＜１１０＞とするように配向し、５〜１０ｅＶのイオンビームで叩くと、ブラベーの法則（Ｂｒａｖａｉｓ’Ｌａｗ）により、ビームの飛来方向を＜１１１＞とするように配向する。この性質を利用すれば、基板上にビームの飛来方向を特定の結晶軸方向とする薄膜を形成することができる。しかし、粒子ビームを１つだけ照射する場合には、ビームの飛来方向を特定の結晶軸とすることができるが、この結晶軸に対する回転方向には無秩序に回転することができるため、上述した結晶粒界の問題は解決しない。そこで、例えば、５〜１０ｅＶのエネルギーを有する２つの粒子ビームを利用して、最初の粒子ビームを基板の法線から５４度の方向から照射し、もう一つの粒子ビームを、最初の粒子ビームと基板法線のなす平面上において、基板法線に対して最初の粒子ビームと対称となる方向、則ち最初の粒子ビームと反対側に基板法線から５４度を成す方向から照射すれば、２つの粒子ビームの飛来方向が、それぞれ＜１１１＞の結晶軸方位となる。これにより、結晶粒の方位を一義的に決めることができ、結晶方位の揃った良質な多結晶膜の形成はもとより、単結晶の形成さえも不可能ではない。
【００１６】
なお、粒子ビームとしてイオンビームを使用すると、基板面のイオンシースの影響により、基板法線から３０度以上の角度から照射することは不可能であるため、粒子ビームとしては、イオンシースの影響を受けない中性粒子ビームを利用する。
【００１７】
また、この様な２０ｅＶ以下の低いエネルギーの粒子ビームで制御して出来る結晶膜の厚さは極めて薄く膜全体を結晶化することは困難である。多くの場合、この厚さは１０Å程度、あるいはそれ以下であり、このままでは、１０００Å程度の厚さを要求するのＬＳＩや液晶で利用される薄膜の結晶化は不可能である。そこで、この問題を解決するため、本発明では、基板表面に出来た結晶方位を制御した結晶膜から、固相エピタキシャル成長を利用して膜全体を結晶化させ、所望の厚みの薄膜を得ることとする。
【００１８】
また、固相エピタキシャル成長の薄膜の成長速度は、温度や結晶方位に関係するため、これらを制御すれば、さらに生産性を向上することができる。これについて、以下に述べる。
【００１９】
＜結晶成長速度と温度＞
固相エピタキシャル成長の成長速度Ｖ（ｃｍ／ｓｅｃ）は温度と成長方向の結晶軸の関数で、式（１）で与えられる。
【００２０】
Ｖ＝Ｖ０×ｅｘｐ（−Ｅａ／ｋＴ）…（１）
ここで、Ｖ０は、プレエクスポーネンシャル因子で、シリコンでは結晶軸が無作為の場合、その値は２．３〜３．１×１０８ｃｍ／ｓｅｃである。Ｅａは、活性化エネルギーで、その値は結晶軸によって変わらず、２．６８〜２．７ｅＶである。また、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度を示している。
【００２１】
アモルファスシリコンを電気炉またはレーザーによってアニールしたときのシリコンの固相エピタキシャル成長の成長速度Ｖの実測例を図１に示す。横軸がアニール時の温度、縦軸が成長速度を示している。測定には、種結晶として、シリコン単結晶の（１００）面を高エネルギーのイオンで叩き、表面をアモルファス状態にしたシリコン基板を利用している。図１から、アニール温度の上昇に伴って、成長速度が大きくなることが分かる。
【００２２】
また、図１に示したように、基板の温度を１０００度程度にすると、成長速度は０．１ｍｍ／ｓｅｃ程度になることから、１０００Å程度のアモルファスシリコン膜であれば、０．１ｍｓｅｃ程度の短時間で膜全体を結晶化することができる。しかし、現実に使用されている液晶の基板はソーダガラスなので、温度を５００度以下にしなければ、基板が軟化してしまう。そのため、高温で処理する場合には、基板表面のアモルファスシリコンだけを加熱し、本体のソーダガラスの平均温度を５００度以下に保持しなくてはならない。
【００２３】
熔融再結晶によってシリコンを結晶化させる場合、エキシマレーザをパルス幅５０ｐｓｅｃ程度、繰り返し周波数７０Ｈｚの条件で照射すれば、基板の平均温度を１２０度以下に保持することができ、この条件で良好な特性のトランジスタを製造できることが知られているが、レーザの保守コストが高く問題になっている。これに対し、固相エピタキシャル成長の場合には、基板温度は５００度、表面最高温度は１１００度程度でよいので、レーザの照射に係る条件は大幅に緩和され、パルス幅１００μｓｅｃ程度のパルスＹＡＧレーザやＡｒレーザを利用した結晶化も可能であり、製造コストを抑えるという効果も期待できる。不活性ガスの代わりに、より安価な水素を使用することも考えられるが、この場合、基板表面でエッチング反応が起こり、低温ではエッチングされる速度と、固相エピタキシャル成長の成長速度が同程度となり、結晶膜を得ることは困難である。これに対し、Ｎｅ等の不活性ガスを使用すれば、エッチング反応も無く、２５ｅＶ以下のエネルギーであれば、スパッタリングも起こらず長時間照射をしても問題はない。
【００２４】
本発明では、このようなレーザの照射による温度上昇を利用してもよいし、生産性を向上させるという観点から、結晶方位を制御したある程度の厚みの結晶膜が発生した時点でレーザの照射を止めて、その後は加熱装置を利用して結晶成長を続行させる方法をとっても構わない。この方法であれば、例えば、５００度の炉内でアモルファスシリコンを結晶化する場合、０．５μｍのアモルファス膜の結晶化に数時間を要するが、多数枚の基板を同時に処理できるという利点がある。
【００２５】
＜結晶成長速度と結晶方位＞
図１と同様の方法で、種結晶として利用するシリコン基板の面方位を変更したときの、それぞれの固相エピタキシャル成長の成長速度Ｖの実測例を図２に示す。図１と同様、横軸が温度、縦軸が成長速度を示している。この図から、成長速度が面方位に依存することが分かる。これは、プレエクスポーネンシャル因子Ｖ０が結晶方位によって大きく変化するためで、＜１００＞と＜１１１＞とでは、成長速度が約１桁異なる。
【００２６】
また、上述したように中性粒子ビームとしてレーザを照射して結晶を成長させる場合、照射するレーザの平行度を良くすると、結晶粒径が大きくなり単結晶に劣らない結晶特性を示す薄膜を成長させることができる。また、中性粒子ビーム源を使用する場合、上述したように２つの中性粒子ビームを利用して、最初の粒子ビームを基板の法線から５４．７度の方向から照射し、もう一つの粒子ビームを、最初の粒子ビームと基板法線のなす平面上において基板法線に対して最初の粒子ビームと対称となる方向、則ち最初の粒子ビームと反対側に基板法線から５４．７度を成す方向から照射すれば、２つの粒子ビームの飛来方向が、それぞれ＜１１１＞の結晶軸方位となる。これにより、基板の面方位を＜１００＞に制御することが可能である。
【００２７】
これらの固相エピタキシャル成長における成長速度と結晶方位の関係と、２つの中性粒子ビームを利用した結晶方位の制御方法を利用すれば、製造する薄膜の結晶方位を制御して成長速度の速い＜１００＞を結晶方位とする結晶を成長させることで、＜１１０＞を結晶方位とする場合に比べ２倍以上の成長速度を得ることができ、加熱時間の短縮という効果も期待できる。
【００２８】
一方、アモルファス状態のない物質の場合、基板上に蒸着やスパッタで膜を成長させながら、中性粒子ビームを多方向から照射すれば、表面の数Åから１０Åの範囲ではあるが、結晶方位の揃った多結晶を得ることができる。また、この方法であれば、生産性の問題から利用用途は限定されるが、膜の成長速度が遅いために、蒸着された膜が順次結晶化することで、結晶方位の揃った薄膜を製造することができる。最近では、利用されるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）のシリコン膜の厚さが減少しており、４から８ｎｍの厚さのものでも利用用途があることから、このような、固相エピタキシャル成長を利用せず、直接蒸着する方法も利用することができる。
【００２９】
上述したこれらの技術を利用して、実際に薄膜を製造する半導体薄膜製造装置の具体的な実施の形態について、以下に説明する。
【００３０】
｛第１の実施の形態｝
図３に、本発明に係る一の実施の形態である半導体薄膜製造装置の概要を示す。本装置は、中性粒子ビーム源（中性粒子ビーム発生手段）としての２つのＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ  Ｐｌａｓｍａ  Ｃｏｕｐｌｅｄ）型プラズマ発生装置１Ａ，１Ｂと、加熱装置２（基板加熱手段）と、試料台４を備え、試料台４には表面にアモルファスシリコン薄膜が成膜された基板３が設置されている。ＩＣＰ型プラズマ発生装置１Ａ，１Ｂは、陰極６Ａ，６Ｂおよび陽極７Ａ，７Ｂを備えた石英管５Ａ，５Ｂと、石英管５Ａ，５Ｂ内部でプラズマを発生するためのコイル電極８Ａ，８Ｂと、これに高周波の交流電圧を印可するための電源９Ａ，９Ｂとから構成される。コイル電極８Ａ，８Ｂには、電源９Ａ，９Ｂと可変コンデンサ１０Ａ，１０Ｂを利用して、周波数１３．５６ＭＨｚの電圧が印可される。
【００３１】
なお、図示はしていないが、製造する半導体薄膜への原子レベルの汚染や不純物の混入などを避けるため、中性粒子ビームを発生させるための領域から半導体薄膜を製造するための基板３へ至る領域は、全て真空チャンバなどの内部に設けられ、高真空度を保たれた状態にある。
【００３２】
次に、予め表面にアモルファスシリコンを成膜した基板を用い、良質なシリコン結晶薄膜を製造するときの本装置の動作について説明する。
【００３３】
まず、石英管５Ａ，５Ｂ内に、Ｎｅガス１１Ａ，１１Ｂを導入すると、コイル電極８Ａ，８Ｂの作用によって、プラズマ１２Ａ，１２Ｂが発生する。そして、陽極７Ａ，７Ｂと陰極６Ａ，６Ｂの間に電圧を加えると、プラズマ１２Ａ，１２Ｂのイオンが加速されて陰極６Ａ，６Ｂの方へ移動する。陰極６Ａ，６Ｂ近傍の陰極暗黒部では、イオンと中性原子との共鳴電荷交換により高速イオンの電荷がとり除かれ、陰極６Ａ，６Ｂに設けられた多数のアパチャー１３Ａ，１３Ｂから、中性粒子ビーム１４Ａ，１４Ｂとして取り出される。このとき、導入するＮｅガス１１Ａ，１１Ｂのガス圧を０．３〜０．５ｍＴｏｒｒにすれば、その中性化率は１００％に近く、また、高速中性原子の平均自由行程は１００〜２００ｃｍであることから、照射する中性粒子ビーム１４Ａ，１４Ｂは、ほぼ平行なものとすることができる。
【００３４】
また、照射する中性粒子のエネルギーは陽極７Ａ，７Ｂと陰極６Ａ，６Ｂの間に加えられた電圧の８０％程度のエネルギーとなるので、そのエネルギーの値を陽極７Ａ，７Ｂに印可する電圧で制御することができる。一般に、照射する中性粒子のエネルギーが２５ｅＶを越えると、シリコン、ゲルマニウムおよびＩＩＩＶ族化合物などの半導体原子はスパッタされるので、照射する中性粒子ビーム１４Ａ，１４Ｂのエネルギーは２０ｅＶ以下に抑える必要がある。例えば、Ｎｅの場合、エネルギーを１０ｅＶ以下にすれば、ブラベーの法則に従い照射方向が＜１１１＞に配向し、かつ中性粒子が結晶膜内に浸入することもないので、中性粒子ビーム１４Ａ，１４Ｂの有するエネルギーが、この範囲内に収まるように、陽極７Ａ，７Ｂに印可する電圧を調整して使用すればよい。
【００３５】
図３に示したように、２つの中性粒子ビーム１４Ａ，１４Ｂを同一平面内で、基板法線に対してそれぞれ５４．７度、則ち１１０度の角度をなすように配置し、基板３表面を同時に照射すれば、基板３上には、中性粒子ビーム１４Ａ，１４Ｂの照射方向を＜１１１＞とする（１００）面のシリコン薄膜を形成することができる。
【００３６】
こうして中性粒子ビーム１４Ａ，１４Ｂの照射により、結晶方位を制御されたシリコンの結晶核が発生すれば、次に、膜面の温度を上げて固相エピタキシャル成長をさせるため、加熱装置２で基板３の加熱を行う。加熱装置２としては、例えば、ランプを利用したランプアニール装置を利用する。このとき、ランプで照射し温度を上げる領域は中性粒子ビーム１４Ａ，１４Ｂの照射面積よりも小さくする。これは、中性粒子ビーム１４Ａ，１４Ｂの照射されていない領域で温度を上げると、自発的な結晶核の発生が起こって多結晶となり、固相エピタキシャル成長の開始温度が高くなるため、後で中性粒子ビーム１４Ａ，１４Ｂの照射および固相エピタキシャル成長による結晶化が行いにくくなることを避けるためである。
【００３７】
なお、図３には図示していないが、中性粒子ビーム１４Ａ，１４Ｂの照射領域と加熱装置２による加熱領域を移動するため、本装置には、基板３を設置した試料台４を移動できるような移動装置が設けられている。これにより、加熱領域および中性粒子ビームの照射領域を移動させながら、広い領域を結晶化することが可能である。
【００３８】
また、加熱装置２は、ランプに限らず、フラッシュチューブなど他の方法を利用する態様であっても構わない。例えば、Ｘｅのフラッシュチューブを利用して、２ｍｓｅｃ程度のパルス加熱を行えば、基板の平均温度を５００度以下に保持しながら、アモルファスシリコン膜の表面温度のピークを１２００〜１３００度にすることも可能である。
【００３９】
このように、２つの中性粒子ビーム１４Ａ，１４Ｂを基板３表面に照射することで、結晶方位を制御することができる。また、加熱装置２による加熱を行うことで、制御された結晶を核とする固相エピタキシャル成長を行わせ、結晶の成長速度を上げることができる。さらに、中性粒子ビーム１４Ａ，１４Ｂによる制御により、製造する半導体薄膜の面方位を、固相エピタキシャル成長の成長速度の早い面方位とすることで、生産性をさらに向上することが可能である。
【００４０】
｛第２の実施の形態｝
図４に、本発明に係る一の実施の形態である半導体薄膜製造装置の概要を示す。本装置では、２つの中性粒子ビーム源として、ホローカソード１６Ａ，１６Ｂを設置した中性粒子ビーム源１５Ａ，１５Ｂを使用している。その他、中性粒子ビーム源に利用する電源２５（２５Ａ，２５Ｂおよび２５Ｃ）と、ランプまたはフラッシュチューブなどから成る加熱装置２と、基板３を設置する移動可能な試料台（図示せず）とを備え、中性粒子ビームの発生領域から基板３に至る主要領域が高真空状態に保持されている点は、第１の実施の形態と同様である。
【００４１】
中性粒子ビーム源１５Ａ，１５Ｂは、電源２５Ａ，２５Ｂにより約マイナス２００Ｖに保持されたホローカソード１６Ａ，１６Ｂと、放電室１７Ａ，１７Ｂと、リング状の陽極１９Ａ，１９Ｂを備え、放電室１７Ａ，１７Ｂの陰極１８Ａ，１８Ｂは接地されている。
【００４２】
次に、本装置の動作について説明する。
【００４３】
まず、ホローカソード１６Ａ，１６Ｂ内に、不活性ガス２０Ａ，２０Ｂを導入すると内部で放電現象が起こり、ここで発生した電子は放電室１７Ａ，１７Ｂに入り、さらに、リング状の陽極１９Ａ，１９Ｂで加速されて陽極近傍で濃度の高いプラズマ２１Ａ，２１Ｂが発生する。このとき、リング状の陽極１９Ａ，１９Ｂを使用することで、バルクハウゼン・クルツ型の振動が発生し、電子がリング陽極１９Ａ，１９Ｂ近傍で往復運動を繰り返すのでイオン化率が上昇する。これにより、本実施の形態では、第１の実施の形態に比べて密度の高い中性粒子ビームを得ることができる。
【００４４】
ここで発生したイオンは、ホローカソード１６Ａ，１６Ｂと反対側の陰極１８Ａ，１８Ｂの方に移動し、陰極壁に空けられた多数のアパチャー２２Ａ，２２Ｂから外部に流れ出る。そして、このアパチャー２２Ａ，２２Ｂを通過する時に中性化され、中性粒子ビーム２３Ａ，２３Ｂを得ることができる。
【００４５】
本実施の形態では、予め基板３上に成膜したアモルファスシリコン膜の結晶構造を整える第１の実施の形態の場合とは異なり、蒸発用坩堝２４（成膜手段）を利用して成膜用の材料を蒸発させて基板上に蒸着して成膜を行う。具体的には、導体薄膜として液晶に利用される窒化ガリウムを製造するため、装置内にはガリウムの蒸発用坩堝２４（成膜手段）が設置されている。また、不活性ガス２０Ａ，２０Ｂには窒素を使用しており、中性粒子ビーム２３Ａ，２３Ｂは窒素原子および窒素分子の粒子流となっている。
【００４６】
坩堝２４から蒸発したガリウムと中性粒子ビーム２３Ａ，２３Ｂの窒素が反応して、基板３上には、窒化ガリウムが形成される。このとき、上述した条件では、照射される中性粒子ビーム２３Ａ，２３Ｂが２０ｅＶ以上のエネルギーを有するため、チャネリング効果により、基板表面に形成される結晶では、中性粒子ビーム２３Ａ，２３Ｂの照射方向が＜１１０＞に配向する。そのため、２つの中性粒子ビーム２３Ａ，２３Ｂを、基板３法線に対し、それぞれ４５度の方向から照射することで、基板３上には、２つの中性粒子ビーム２３Ａ，２３Ｂの照射方向を＜１１０＞とする（１００）面の窒化ガリウムを形成することができる。そして、引き続き、加熱装置２により加熱を行えば、結晶方位が制御された結晶を核とする固相エピタキシャル成長により、結晶成長を促進することができる。
【００４７】
なお、基板３上に結晶を成膜するために利用する方法は、坩堝２４を利用した蒸着に限らず、電子ビーム蒸着法やスパッタリングを利用した方法であっても構わない。
【００４８】
また、最近では、膜厚の薄い半導体薄膜を利用する場合もあり、そのような利用用途のための半導体薄膜を製造することを目的とし、半導体薄膜の製造速度が問題とならない場合であれば、加熱装置２を利用した固相エピタキシャル成長は行わない態様であっても構わない。
【００４９】
また、図示していないが、中性粒子ビーム２３Ａ，２３Ｂの照射領域と加熱装置２による加熱領域を移動するため、本装置には、基板３を設置した試料台（図示せず）を移動できるような移動装置が設けられており、加熱領域および中性粒子ビームの照射領域を移動させながら、広い領域を結晶化することが可能である。
【００５０】
このように、２つの中性粒子ビーム２３Ａ，２３Ｂを照射することで、結晶方位を制御することができ、加熱装置２による加熱を行うことで、制御された結晶を核とする固相エピタキシャル成長を行わせ、結晶の成長速度を上げることができる。さらに、製造する半導体薄膜の面方位を、固相エピタキシャル成長の成長速度の早い面方位とすることで、さらに生産性を向上することができる。
【００５１】
また、窒素イオンを利用する場合には形成される窒化ガリウムは結晶系はウルツァイト系になるが、中性粒子を利用する場合にはジンクブレンド系の結晶となり、これは、ウルツァイト系に比べて発光効率が良いことが知られている。本実施の形態では、中性粒子ビーム２３Ａ，２３Ｂを利用して窒化ガリウムを製造するため、結晶方位が揃った上に、このように発行効率の良いジンクブレンド系の良質な窒化ガリウムを製造することができる。
【００５２】
さらに、本装置によれば、アモルファスシリコンが成膜された基板３を対象として、第１の実施の形態で上述したように、その結晶方位が揃うように中性粒子ビーム１４Ａ，１４Ｂを照射し、坩堝２４（蒸発手段）を、リンなどのｎ型不純物、あるいはボロンなどのｐ型不純物を発生させるために利用すれば、ｐ型不純物とｎ型不純物を、それぞれ基板３上に製造するシリコンに添加して、ｐ型あるいはｎ型半導体を製造したり、ｐｎ接合を形成させることも可能である。
【００５３】
｛第３の実施の形態｝
図５に、本発明に係る一の実施の形態である半導体薄膜製造装置の概要を示す。本装置では、２つのＩＣＰ型プラズマ発生装置を利用した中性粒子ビーム源１Ａ，１Ｂと、加熱装置２と、基板３を設置した移動可能な試料台（図示せず）とを備え、中性粒子ビームの発生領域から基板３に至る主要部分が高真空状態に保持されている点は第１の実施の形態と同様である。基板３が中性粒子ビーム源１Ａ，１Ｂの上方に設置されている点と、成膜用材料を蒸発させるための坩堝２４と、電子ビーム源２６とを備える点のみが異なる。よって図３と同様の機能を有する要素については同一符号を付している。
【００５４】
本実施の形態では、予め基板３上に成膜したアモルファスシリコン膜の結晶構造を整える第１の実施の形態の場合とは異なり、第２の実施の形態と同様、成膜用の材料を蒸発させて基板上に蒸着して成膜を行う。蒸着法として、電子ビームのエネルギーを利用した電子ビーム蒸着法を利用する点が、第２の実施の形態と異なる。具体的には、電子ビーム源２６により電子ビームを発生させ、これを坩堝２４上の、成膜用材料に照射し、これにより坩堝２４から成膜用材料を蒸発させて、上方に設置された基板３上に薄膜を成膜する。このとき、第１の実施の形態で上述したのと同様に、Ｎｅなどを利用した中性粒子ビーム１４Ａ，１４Ｂを照射する。そして、さらに、加熱装置２による加熱を行って、成膜した半導体薄膜を固相エピタキシャル成長させる。
【００５５】
なお、基板３上に結晶を成膜するために利用する方法は、電子ビーム蒸着法に限らず、抵抗線加熱による蒸着法やスパッタリングを利用した方法であっても構わない。また、図示はしていないが、中性粒子ビーム１４Ａ，１４Ｂの照射領域と加熱装置２による加熱領域を移動するため、本装置には、基板３を設置した試料台（図示せず）を移動できるような移動装置が設けられており、加熱領域および中性粒子ビームの照射領域を移動させながら、広い領域を結晶化することが可能である。
【００５６】
このように、２つの中性粒子ビーム１４Ａ，１４Ｂを照射しながら、電子ビーム蒸着を実施することで、結晶方位を制御しながら結晶を成膜することができ、さらに加熱装置２による加熱を行うことで、制御された結晶を核とする固相エピタキシャル成長を行わせ、結晶の成長速度を上げることができる。
【００５７】
また、本実施の形態で成膜する材料は、半導体に限らず、スパッタが起きないように中性粒子ビームのエネルギーを数ｅＶ程度に抑えれば、面心立方の結晶系に属するＡｕ、Ｐｔ、Ｎｉといった金属薄膜を製造することもできる。
【００５８】
さらに、本装置によれば、第２の実施の形態で上述したのと同様に、坩堝２４を、リンなどのｎ型不純物、あるいはボロンなどのｐ型不純物を発生させるために利用して、ｐ型不純物とｎ型不純物を、それぞれ基板３上に製造するシリコンに添加し、ｐ型あるいはｎ型半導体を製造したり、ｐｎ接合を形成させることも可能である。
【００５９】
｛第４の実施の形態｝
図６に、本発明に係る一の実施の形態である半導体薄膜製造装置の概要を示す。本装置では、中性粒子ビーム源としてマグネトロン型のプラズマ発生装置２７（２７Ａ，２７Ｂ）を利用している。マグネトロン型のプラズマ発生装置２７は、永久磁石２８を備える陽極２９と、多数のアパチャー３１を設けた陰極３０と、電源３６とを備える。中性粒子ビーム源としてマグネトロン型のプラズマ発生装置２７を利用する以外は、加熱装置２と、基板３を設置した移動可能な試料台（図示せず）とを備え、中性粒子ビームの発生領域から基板３に至る主要部分が高真空状態に保持されている点などは、第１の実施の形態で上述したのと同様である。
【００６０】
次に、本装置の動作について説明する。
【００６１】
まず、電極２９，３０に電源３６から５０Ｖの電圧を印可した状態で、不活性ガス３２を導入すると、プラズマ３３が発生する。発生したプラズマ３３中のイオンは、陽極２９により加速され陰極３０側へ移動する。そして、陰極３０近傍の陰極暗黒部において、第１の実施の形態と同様に、イオンと中性原子との共鳴電荷交換により高速イオンの電荷がとり除かれ、陰極３０に設けられた多数のアパチャー３１から、中性粒子ビーム３４（３４Ａ，３４Ｂ）として取り出される。このとき、取り出された中性粒子ビーム３４に残留する電子とイオンは、アパチャー３１近傍に設置された永久磁石３５Ａ，３５Ｂにより形成される磁界の効果によって除去される。
【００６２】
本実施の形態では、このようにして取り出した中性粒子ビーム３４と、加熱装置２とを利用して、第１の実施の形態と同様に、予め基板３上に成膜しておいたアモルファスシリコンを結晶方位の揃った結晶に再結晶化させる。
【００６３】
具体的には、第１の実施の形態で上述したように、まず、Ｎｅなどの不活性ガス３２を用い、上述したように２つの中性粒子ビーム３４を発生させて、これを基板３上のアモルファスシリコンに照射することで、結晶方位の揃ったシリコンの結晶核を形成させる。そして、引き続き、ランプやフラッシュチューブを利用した加熱装置２を利用して、基板３の表面温度を上昇させることで、固相エピタキシャル成長により、結晶核を成長させる。これにより、基板３表面のアモルファスシリコンを、結晶方位の揃った良質なシリコン結晶とすることができる。
【００６４】
なお、図６には図示していないが、中性粒子ビーム３４Ａ，３４Ｂの照射領域と加熱装置２による加熱領域を移動するため、本装置には、基板３を設置した試料台を移動できるような移動装置が設けられている。これにより、加熱領域および中性粒子ビームの照射領域を移動させながら、広い領域を結晶化することが可能である。
【００６５】
このように、２つの中性粒子ビーム３４Ａ，３４Ｂを基板３表面に照射することで、結晶方位を制御することができる。また、加熱装置２による加熱を行うことで、制御された結晶を核とする固相エピタキシャル成長を行わせ、結晶の成長速度を上げることができる。さらに、中性粒子ビーム３４Ａ，３４Ｂによる制御により、製造する半導体薄膜の面方位を、固相エピタキシャル成長の成長速度の早い面方位とすれば、生産性をさらに向上することも可能である。
【００６６】
また、本実施の形態で利用するマグネトロン型のプラズマ発生装置２７は、当該プラズマ発生装置を大型化することで、容易に中性粒子ビームの照射領域を広げることができるという利点がある。さらに、電源も１つの直流電源を利用するだけでよく、第１の実施の形態から第３の実施の形態で上述したＩＣＰ型やホローカソード型のプラズマ発生装置をから成る中性粒子ビーム源を利用する場合に比べて、簡単な構成から成る装置であるため、装置を容易にかつ低コストに製造できるという利点もある。
【００６７】
｛第５の実施の形態｝
図７に、本発明に係る一の実施の形態である半導体薄膜製造装置の概要を示す。本実施の形態は、第４の実施の形態と同様、中性粒子ビーム源としてマグネトロン型のプラズマ発生装置２７を利用している。ただし、利用するマグネトロン型のプラズマ発生装置２７は１つだけであり、もう１つの中性粒子ビームを反射板３７を利用して作り出す点のみが第４の実施の形態と異なっている。
【００６８】
次に、本装置の動作について説明する。
【００６９】
反射板は、ＳＵＳ３１６などの金属製で、基板３表面に対し４５度の角度で傾斜するように、基板３上に設置する。そして、第４の実施の形態で上述したように、中性粒子ビーム３４を発生させ、これを基板３表面のアモルファスシリコン膜３８に照射する。このとき、照射される中性粒子ビーム３４の一部は、反射板３７によって反射され、反射された中性粒子ビーム３４は、基板３面に対しほぼ並行な方向から、アモルファスシリコン膜３８に照射される。則ち、１つの中性粒子ビーム源２７を利用して、基板３に垂直な方向と、これと９０度をなす方向との２方向から、２つの中性粒子ビームを照射したのと同様の効果を得ることができる。これにより、第１の実施の形態から第４の実施の形態で上述したのと同様に、２つの中性粒子ビームを利用した結晶方位の制御を行うことが可能である。このとき、例えば、不活性ガス３２にＮｅを用い、照射する中性粒子ビーム３４の有するエネルギーを１０〜２０ｅＶになるよう調整すれば、チャネリング効果により、結晶は照射方向を＜１１０＞とするように配向することから、基板に並行な方位と垂直な方位をそれぞれ＜１１０＞とする結晶を得ることができる。そして、加熱装置２により、基板３を加熱して、固相エピタキシャル成長により結晶方位を制御した結晶を成長させる。
【００７０】
このように、反射板３７を利用すれば、１つの中性粒子ビーム源を用いて、２つの中性粒子ビームを照射するのと同様の効果を得ることができ、装置の大きさや製造コストなどを抑えることも可能である。
【００７１】
【発明の効果】
請求項１または請求項２に記載の発明によれば、基板の表面に対して、所定の角度から、所定のエネルギーを有する２つ以上の中性粒子ビームを照射することで、製造する半導体薄膜の結晶方位を制御することができ、さらに、基板を加熱して固相エピタキシャル成長により結晶を成長させることで、結晶の成長速度を促進することができ、結晶方位の揃った良質質な半導体薄膜を高い生産性をもって製造することができる。
【００７２】
請求項３に記載の発明によれば、所定の角度から所定のエネルギーを有する中性粒子ビームを照射しながら、予め成膜したアモルファス半導体を結晶化することで、結晶の結晶方位を制御することができ、さらに基板を加熱して固相エピタキシャル成長により結晶を成長させることで、高い成長速度を維持しながら結晶方位の揃った良質な半導体薄膜を製造することがができる。
【００７３】
請求項４に記載の発明によれば、所定の角度から所定のエネルギーを有する中性粒子ビームを照射しながら、蒸着またはスパッタにより基板上に結晶を成膜させることで、成長する結晶の結晶方位を制御することができ、さらに基板を加熱して固相エピタキシャル成長により結晶を成長させることで、高い成長速度を維持しながら結晶方位の揃った良質な半導体薄膜を製造することがができ、さらに蒸発またはスパッタする材料を選択することで様々な半導体薄膜の他、金属薄膜をも製造することができる。
【００７４】
請求項５に記載の発明によれば、製造する結晶の構成元素からなる中性粒子ビームを、結晶の成膜と結晶方位の制御の両方に利用することで、結晶を成膜しながら、同時に結晶方位を制御することができ、中性粒子ビームに利用する不活性ガスを別に準備することなく、結晶方位の揃った良質な半導体薄膜を、効率よく製造することができる。
【００７５】
請求項６に記載の発明は、基板上に成膜する結晶に、蒸発させたｐ型およびｎ型不純物添加することで、ｐ型あるいはｎ型半導体や、ｐｎ接合を有する半導体薄膜を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固相エピタキシャル成長における結晶の成長速度と処理温度との関係を示す図である。
【図２】固相エピタキシャル成長における結晶の成長速度と成長する結晶の面方位の関係を示す図である。
【図３】この発明の第１の実施の形態に係る半導体薄膜製造装置を示す概略図である。
【図４】この発明の第２の実施の形態に係る半導体薄膜製造装置を示す概略図である。
【図５】この発明の第３の実施の形態に係る半導体薄膜製造装置を示す概略図である。
【図６】この発明の第４の実施の形態に係る半導体薄膜製造装置を示す概略図である。
【図７】この発明の第５の実施の形態に係る半導体薄膜製造装置を示す概略図である。
【符号の説明】
１  ＩＣＰ型中性粒子ビーム源
２  加熱装置
３  基板
４  試料台
１１，２０，３２  不活性ガス
１４，２３，３４  中性粒子ビーム
１５  ホローカソード型中性粒子ビーム源
２４  坩堝
２７  マグネトロン型中性粒子ビーム源
３７  反射板
【図１】
2004303920.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2004303920.tif 000006
【図５】
2004303920.tif 000007
【図６】
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【図７】
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