(57)【要約】【課題】プラズマＣＶＤ法により、ほぼ大気圧雰囲気下で多結晶シリコン薄膜を基板上に直接、かつ、高速に成膜する。【解決手段】原料ガスとして、シリコン原料ガス（ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＦ４など）とＨ２ガスと希ガスとを含む混合ガスを用いて、ほぼ大気圧雰囲気下でプラズマＣＶＤ法により、Ｈ２ガスのシリコン原料ガスに対する割合（Ｈ２ガス／シリコン原料ガス比）を５００以上に設定し、印加電力を３００Ｗ／ｃｍ３以上に設定し、基板温度を３７０℃以上に設定して、基板上に多結晶シリコン薄膜を成膜する。結晶化率が１００％に近い多結晶シリコン薄膜を、基板上に直接、かつ、高速に成膜することができる。【選択図】  図２
2004193528.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器内の基板ステージ上に載置された基板上に多結晶シリコン薄膜を形成する方法であって、
該反応容器内に原料ガスを供給する工程と、
該反応容器内に供給された該原料ガスの全ガス圧がほぼ大気圧になるように調節する工程と、
該基板ステージの上方に設けられた電極に電力を印加して、該電極と該基板ステージとの間に電場を発生させ、該電極と該基板ステージに載置された基板との間の原料ガスをプラズマ状態にして、該基板上に多結晶シリコン薄膜を形成する工程とを包含し、
該原料ガスとして、シリコン原料ガスとＨ２ガスと希ガスとを含む混合ガスを用い、Ｈ２ガスのシリコン原料ガスに対する割合（Ｈ２ガス／シリコン原料ガス比）を５００以上３０００以下に設定する多結晶シリコン薄膜の形成方法。
【請求項２】
前記電極に印加される電力を３００Ｗ／ｃｍ３以上５００Ｗ／ｃｍ３以下に設定する請求項１に記載の多結晶シリコン薄膜の形成方法。
【請求項３】
前記基板の温度を３７０℃以上５００℃以下に設定する請求項１または請求項２に記載の多結晶シリコン薄膜の形成方法。
【請求項４】
前記希ガスとして、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、ＫｒおよびＸｅのうちの１種類あるいは複数種類を用いる請求項１〜請求項３のいずれかに記載の多結晶シリコン薄膜の形成方法。
【請求項５】
前記電極として円筒型回転電極を用いて、前記基板ステージと該円筒型回転電極の回転軸とが平行になるように、該基板ステージ上方に該円筒型回転電極を配置する請求項１〜請求項４のいずれかに記載の多結晶シリコン薄膜の形成方法。
【請求項６】
前記基板ステージを、前記反応容器の底面に対して平行にスライドさせる請求項１〜請求項５のいずれかに記載の多結晶シリコン薄膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反応容器内の基板ステージ上に載置された基板上に、プラズマＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により多結晶シリコン薄膜を形成する多結晶シリコン薄膜の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多結晶シリコン薄膜は、アモルファスシリコン薄膜に比べて、電気的特性に優れた薄膜材料であり、高い電界効果移動度を有する。その多結晶シリコン薄膜の高い電界効果移動度を活用することによって、例えばＴＦＴ液晶ディスプレイにおいては、画素スイッチ用ＴＦＴ素子の性能を向上させるだけでなく、液晶駆動用ドライバ部を画素部と同一基板上に同時に形成することが可能となる。これにより、ＴＦＴ液晶ディスプレイの性能向上を達成すると共に、液晶駆動用ドライバチップが不要になるなど、周辺部品点数軽減による製品の小型化を実現することが可能となる。
【０００３】
ＴＦＴ液晶ディスプレイの製造において、多結晶シリコン薄膜は、一般に、減圧プラズマＣＶＤ法によってガラス基板上にアモルファスシリコン薄膜を形成し、そのアモルファスシリコン薄膜を脱水素処理した後、エキシマレーザーを照射してアモルファスシリコン薄膜を結晶化することによって形成される。しかしながら、均一な結晶化を行うためには、レーザーの出力安定性が厳しく要求されるなど、今後、さらなる大面積化が予想されるガラス基板に対して、対応が容易ではないことが予想される。また、多結晶シリコン薄膜を用いたＴＦＴの製造プロセスは、アモルファスシリコン薄膜を用いたＴＦＴの製造プロセスに比べて、結晶化のための工程が増加することになり、製造コストが増加する。
【０００４】
そこで、上述したように、アモルファスシリコン薄膜を形成した後、何らかの手段を用いてアモルファスシリコン薄膜を結晶化させるのではなく、多結晶シリコン薄膜を基板上に直接形成する技術が検討されている。特に、ガラス基板や樹脂基板、フィルム基板などの上に多結晶シリコン薄膜を形成することを考えると、熱ＣＶＤ法よりも低温化が容易であるプラズマＣＶＤ法が有力である。
【０００５】
例えば、特許文献１には、プラズマＣＶＤ法によって、シリコン原料ガスをＨ２ガスおよび希ガスの少なくとも一方によって３０倍以上（好ましくは５００倍以下）に希釈した混合ガスを用いて、反応室内の圧力を１０Ｔｏｒｒ〜１気圧（好ましくは１０Ｔｏｒｒ〜２００Ｔｏｒｒ）、基板温度を２００℃〜７００℃（好ましくは３５０℃〜５５０℃）に設定して、結晶性シリコン薄膜を成膜する方法が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、プラズマＣＶＤ法によって、反応室内の圧力を５Ｔｏｒｒ以上（好ましくは７６０Ｔｏｒｒ以下）、高周波パワー密度を０．１Ｗ／ｃｍ２以上、基板温度を５００℃以下に設定し、シラン系ガスをＨ２ガスで１／２０以下（好ましくは１／５０以下）に希釈して、多結晶シリコン薄膜を形成する方法が開示されている。
【０００７】
また、特許文献３には、プラズマＣＶＤ法によって、ＳｉＨ４ガスの分圧に対するＨ２ガスの分圧を１２倍〜１００倍（好ましくは５０倍以下）、反応室内の圧力を８０Ｔｏｒｒ〜５００Ｔｏｒｒに設定して、微結晶シリコン薄膜を形成する方法が開示されている。また、この特許文献３に開示されている方法では、円筒型の回転電極が用いられている。このような円筒型回転電極は、一般に、減圧プラズマＣＶＤ法で行われているような１Ｔｏｒｒ程度またはそれ以下の減圧雰囲気下における薄膜形成プロセスよりも、高い圧力雰囲気（例えば大気圧）での薄膜形成プロセスにおいて特に有効である。この円筒型回転電極の原型は、例えば特許文献４に開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開昭６３−１７５４１７号公報
【特許文献２】
特開平６−１５１３１５号公報
【特許文献３】
特開２００２−３０４３８号公報
【特許文献４】
特開平９−１０４９８５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、多結晶シリコン薄膜を形成する場合に、アモルファスシリコン薄膜を何らかの手段を用いて結晶化させるよりも、基板上に多結晶シリコン薄膜を直接形成する方が、アモルファスシリコン薄膜結晶化のための工程が不要となるため、製造コストを下げることができる。また、ガラス基板や樹脂基板、フィルム基板への適用を考えると、熱ＣＶＤ法よりも低温化が容易なプラズマＣＶＤ法を用いることが好ましい。
【００１０】
さらに、多結晶シリコン薄膜を基板上に直接形成する際に、高速成膜を実現するためには、減圧雰囲気下ではなく、ガス分子濃度が高い大気圧雰囲気下において、プラズマＣＶＤ法により成膜を行うことが好ましい。大気圧雰囲気下では、ガス分子の濃度が高く、ガス分子の衝突回数が多くなるため、化学反応が増加して成膜速度が上昇し、その結果、プラズマＣＶＤ装置のスループット向上が期待されるからである。それに加えて、減圧雰囲気下で必要とされるような強度を有する反応容器および強力な排気システム等が不要となり、成膜装置のコストが下がるため、最終製品のコストダウンも期待することができる。
【００１１】
しかしながら、ガス分子の平均自由工程が小さい場合、面積が大きいプラズマを生成することが困難になり、安定したグロー放電を維持するために電極と基板ステージとの間の距離を小さくする必要があるため、原料ガスをプラズマ空間に均一に供給することが容易ではなくなる。また、この場合には、ガス分子の衝突回数が増加するため、成膜速度は上昇するが、不必要な化学反応およびガス分子の凝集等の反応速度も上昇するために、薄膜形成に不要な反応副生成物の発生量が増加する等といった問題が生じる。従って、成膜速度向上を図るために、雰囲気圧力を高くしたり、シリコン原料ガスの濃度を高くしても、反応副生成物が大量発生してしまうなど、実用に耐える膜を得ることは容易ではない。
【００１２】
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、プラズマＣＶＤ法により、基板上に多結晶シリコン薄膜を直接、かつ、高速に成膜することができる多結晶シリコン薄膜の形成方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の多結晶シリコン薄膜の形成方法は、反応容器内の基板ステージ上に載置された基板上に多結晶シリコン薄膜を形成する方法であって、該反応容器内に原料ガスを供給する工程と、該反応容器内に供給された該原料ガスの全ガス圧がほぼ大気圧になるように調節する工程と、該基板ステージの上方に設けられた電極に電力を印加して、該電極と該基板ステージとの間に電場を発生させ、該電極と該基板ステージに載置された基板との間の原料ガスをプラズマ状態にして、該基板上に多結晶シリコン薄膜を形成する工程とを包含し、該原料ガスとして、シリコン原料ガスとＨ２ガスと希ガスとを含む混合ガスを用い、Ｈ２ガスのシリコン原料ガスに対する割合（Ｈ２ガス／シリコン原料ガス比）を５００以上３０００以下に設定しており、そのことにより上記目的が達成される。
【００１４】
好ましくは、前記電極に印加される電力を３００Ｗ／ｃｍ３以上５００Ｗ／ｃｍ３以下に設定する。
【００１５】
また、好ましくは、前記基板の温度を３７０℃以上５００℃以下に設定する。
【００１６】
前記希ガスとしては、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、ＫｒおよびＸｅのうちの１種類あるいは複数種類を用いることができる。
【００１７】
好ましくは、前記電極として円筒型回転電極を用いて、前記基板ステージと該円筒型回転電極の回転軸とが平行になるように、該基板ステージ上方に該円筒型回転電極を配置する。
【００１８】
また、好ましくは、前記基板ステージを、前記反応容器の底面に対して平行にスライドさせる。
【００１９】
以下に、本発明の作用について説明する。
【００２０】
本発明にあっては、大気圧下でプラズマＣＶＤ法により、基板上に多結晶シリコン薄膜を直接形成する際に、原料ガスとして、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＦ４などのシリコン原料ガスとＨ２ガスと希ガスとを含む混合ガスを用い、Ｈ２ガスのシリコン原料ガスに対する割合（Ｈ２ガス／シリコン原料ガス比）を５００以上３０００以下に設定する。この範囲では、１００％に近い結晶化率が得られると共に、高速成膜を行うことができる。Ｈ２ガスのシリコン原料ガスに対する割合が５００未満では、アモルファスシリコン膜、あるいは、アモルファスシリコンと結晶シリコンの混成膜が形成される。また、Ｈ２ガスのシリコン原料ガスに対する割合が３０００を超えると、プラズマ生成のために大電力を投入する必要があり、プラズマを安定維持することも容易でなくなるため実用的ではない。（コメント：Ｈ２ガスの割合を増せば増すほどプラズマが生成しにくくなります。プラズマを生成させるため大電力を投入して生成したプラズマは、大きくなったり小さくなったり不安定になります。実使用上、好ましくないという判断です。）
電極に印加される電力は、３００Ｗ／ｃｍ３以上５００Ｗ／ｃｍ３以下に設定することが好ましい。この範囲であれば、１００％に近い結晶化率が得られると共に、高速成膜を行うことができる。電力密度が３００Ｗ／ｃｍ３未満では、原料ガスの化学反応を充分促進することができず、５００Ｗ／ｃｍ３を超えると、高周波電力による基板の局所的な加熱が顕著になり、基板温度を制御することが容易ではなくなるのに加え、基板や下地の損傷も懸念される。
【００２１】
基板の温度は、３７０℃以上５００℃以下に設定することが好ましい。この範囲であれば、高速成膜を行うことができる。基板温度が３７０℃未満では、シリコン原子に結合している水素原子の離脱が充分に促進されないため、十分な成膜速度が得られない。また、基板温度が５００℃を超えると、基板等から放出される不純物の熱拡散等が増大して高純度のシリコン薄膜が得られなくなるという懸念がある。また、基板温度が低いほど使用できる基板材質の種類も増えるし、基板の過熱や冷却は瞬時に行えるものでないため、その時間を短縮するためにも、基板温度は低いことが好ましい。
【００２２】
希ガスとしては、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、ＫｒおよびＸｅのうちの１種類あるいは複数種類を用いることができる。
【００２３】
また、円筒型回転電極を用いて、基板ステージと回転軸とが平行になるように、基板ステージ上方に配置することが好ましい。円筒型回転電極を所定の回転速度で回転させると、円筒型回転電極の表面と原料ガスとの間の粘性により、原料ガスが、高速回転する円筒型回転電極の表面と共に移動して、プラズマ空間に均一に供給され得る。従って、大気圧下で薄膜形成を行う場合でも、良好な品質の薄膜を高速に成膜することができる。また、円筒型回転電極と基板ステージ上の基板との間隔を小さくして原料ガスの利用効率を向上させることができる。また、円筒型回転電極の高速回転により電極表面を十分に冷却することができるため、大きな電力を投入して原料ガスの化学反応をより促進することができる。
【００２４】
さらに、基板が載置された基板ステージを反応容器の底面に対して所定の速度にて平行にスライドさせることにより、基板上の所望の部分をプラズマ空間に近接させ、基板上の所望の部分に均質な多結晶シリコン薄膜を形成し得る。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００２６】
図１は、本実施形態の多結晶シリコン薄膜の形成方法において用いられる円筒型回転電極を有するプラズマＣＶＤ装置を示す図である。図１（ａ）は、このプラズマＣＶＤ装置の要部を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、このプラズマＣＶＤ装置の概略全体構成を示す側面図である。
【００２７】
このプラズマＣＶＤ装置は、図１（ｂ）に示すように、薄膜形成の反応場となる内部空間が設けられた反応容器１を備えており、この反応容器１の内部には、反応容器１の底面に対して水平に配置された基板ステージ４と、この基板ステージ４の上方に、その回転軸３が基板ステージ４に対して平行になるように配置された円筒型回転電極２とが設けられている。
【００２８】
円筒型回転電極２の回転軸３には、反応容器１の外部に設けられた高周波電源７が、回転軸３の回転を阻害することなく、接続されている。基板ステージ４は、反応容器１の外部において接地されており、基板ステージ４の内部には、基板ステージ４上に載置される基板６を加熱するための加熱ヒーター５が設けられている。
【００２９】
基板ステージ４は、図１（ｂ）に矢印Ａで示すように、反応容器１の底面に対して平行な方向（水平方向）にスライド可能とすると共に、上下方向にも移動可能とする機構を備えており、上下方向に移動することにより、上方の円筒型回転電極２と基板６との距離を適宜調整することができるようになっている。また、基板ステージ４には、基板ステージ４上に載置される基板６を吸着固定するための真空チャック（図示せず）が設けられており、薄膜形成処理中の基板６が、基板ステージ４の移動によって載置位置からずれないように固定されている。
【００３０】
反応容器１の一方の側部には、薄膜形成の原料となる原料ガスを導入するためのガス導入ライン８が設けられており、このガス導入ライン８は、原料ガスボンベ等（図示せず）に接続されている。また、反応容器１の他方の側部には、反応容器１内のガスを排出するためのガス排気ライン９と、薄膜形成中に反応容器１内に発生する粉体を除去してガスを反応容器１内に戻すための循環ライン１０とが設けられている。ガス排気ライン９は、反応器１内のガス（図示せず）を吸引するためのポンプ（図示せず）に接続されている。循環ライン１０は、ガス排気ライン９の途中から分岐して、反応容器１内と連通しており、循環ライン１０には、粉体除去フィルタ１１および循環ポンプ１２が、ガス排気ライン９側からこの順に設けられている。この循環ライン１０では、循環ポンプ１２を駆動させて、反応容器１内の反応ガスを吸引し、反応ガスと共に薄膜形成中に発生する粉体を循環ライン１０に循環させて、粉体除去フィルタ１１にて捕獲するようになっており、これにより、基板６上に形成される薄膜中に粉体が取り込まれることを防いでいる。
【００３１】
このように構成された本実施形態のプラズマＣＶＤ装置において、反応容器１内の基板ステージ４上に載置された基板６上に薄膜を形成する工程は、以下のようにして行われる。
【００３２】
まず、ガス排気ライン９によって反応容器１内を十分に排気した後、ガス導入ライン８から原料ガスを反応容器１内に導入し、全ガス圧を所望の圧力に設定する。このときのガス圧は、原料ガスの全ガス圧がほぼ大気圧となるように調節することが好ましく、好適な範囲は１００Ｔｏｒｒ〜２気圧である。多結晶シリコン薄膜を形成する場合には、原料ガスとして、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＦ４などのシリコン原料ガスと、Ｈ２ガスと、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、ＫｒおよびＸｅのうちの１種類あるいは複数種類からなる希ガスとを含む混合ガスを用いることができる。
【００３３】
原料ガスを反応容器１内に導入した後、循環ライン１０に設けられた循環ポンプ１２を始動させる。その後、円筒型回転電極２の回転速度、円筒型回転電極２と基板ステージ４上に載置された基板６との間隔、基板ステージ４のスライド速度の水平方向成分およびスライド方向、基板ステージ４内に設けられた加熱ヒーター５の設定温度等、所定の成膜条件を設定した後、反応容器１の外部に設けられた高周波電源７から所定の高周波電力を回転軸３を介して円筒型回転電極２に印加する。この高周波電力を円筒型回転電極２に印加することにより、円筒型回転電極２と基板ステージ４との間に電場が生じる。また、円筒型回転電極２を所定の回転速度で回転させることによって、円筒型回転電極２の表面上の原料ガスが、円筒型回転電極２の表面と原料ガスとの間の粘性により、円筒型回転電極２と基板６との間に均一的に供給される。そして、円筒型回転電極２と基板ステージ４との間に形成された電場によって、円筒型回転電極２と基板６との間に供給された原料ガスが分解および励起されてプラズマ状態とされ、円筒型回転電極２と基板６との間にプラズマ空間１３が形成される。これにより、基板６のプラズマ空間１３に近接する部分の表面上に薄膜が形成される。さらに、基板６が載置された基板ステージ４を所定のスライド方向に所定の速度にてスライドさせることにより、基板６上の所望の部分がプラズマ空間１３に近接され、基板６上に均質な薄膜が形成される。
【００３４】
円筒型回転電極２を用いたプラズマＣＶＤ装置では、円筒型回転電極２の表面と原料ガスとの間の粘性により、原料ガスが高速回転する円筒型回転電極２の表面と共に移動して、プラズマ空間１３に均一に供給される。その結果、大気圧下で薄膜を形成する場合であっても、成膜速度を高速化することができると共に、形成される薄膜の品質を向上させることができる。また、円筒型回転電極２を用いたプラズマＣＶＤ装置では、円筒型回転電極２と基板ステージ４上の基板６との間隔を小さくしても原料ガスを均一に供給することができるため、その間隔を小さくすることができる。しかも、円筒型回転電極２と基板ステージ４上の基板６との間隔を小さくして安定したグロー放電を維持することができるため原料ガスの利用効率を向上させることができる。また、円筒型回転電極２を用いたプラズマＣＶＤ装置では、円筒型回転電極２の高速回転に基づく自己冷却作用により、円筒型回転電極２の表面を十分に冷却することができるため、円筒型回転電極２に大きな電力を与えることができ、原料ガスの化学反応をより促進して、薄膜の成膜速度および薄膜の均質性を大幅に向上させることができる。
【００３５】
以下に、図１に示す本実施形態のプラズマＣＶＤ装置により、大気圧雰囲気下において、シリコン原料ガスとしてのＳｉＨ４ガスとＨ２ガスと希ガスとしてのＨｅガスとを含む混合ガスを原料ガスとして用いて多結晶シリコン薄膜を形成する場合に、最適な成膜条件を決定するために本願発明者らが行った実験結果について説明する。
【００３６】
多結晶シリコン薄膜の評価は、主として以下の３点について実施した。
【００３７】
（１）走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による観察・・・結晶成長の確認
（２）レーザーラマン分光法・・・結晶化率の算出
（３）成膜前後の基板（シリコンウェハー）の質量測定・・・質量増加分が膜質量に相当、成膜時間で除することにより成膜速度を求める。
【００３８】
図２は、多結晶シリコン薄膜を形成する原料ガスであるＳｉＨ４ガスとＨ２ガスとＨｅガスとを含む混合ガスについて、Ｈ２ガスのシリコン原料ガスに対する割合（Ｈ２／ＳｉＨ４比）の最適範囲を決定するために本願発明者らが行った実験結果を示す図である。横軸はＨ２／ＳｉＨ４比である。また、右縦軸は、レーザーラマン分光法から算出した結晶化率であり、図中●は実測値を、実線は近似曲線を表している。また、左縦軸は、基板（シリコンウェハー）の質量増加分であり、形成された薄膜の質量に相当し、図中○は実測値を、点線は近似曲線を表している。図２に示す多結晶シリコン薄膜は、下記表１に示す成膜条件１下で形成した。
【００３９】
【表１】
2004193528.tif 000003
【００４０】
形成された薄膜の表面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、表１に示すいずれの条件においても、結晶成長していることを確認することができた。また、図２に示すように、Ｈ２／ＳｉＨ４比が５００以上の領域においては、１００％に近い結晶化率が得られると共に、高速成膜を達成することができた。走査型電子顕微鏡で膜断面を観察して得られた膜厚から算出すると、約０．５μｍ／ｍｉｎの成膜速度であることが分かった。しかし、Ｈ２／ＳｉＨ４比が３０００以上になると、プラズマ生成のために大電力を投入する必要があり、プラズマを安定維持することも容易でなくなるため実用的ではない。
【００４１】
図３は、多結晶シリコン薄膜を形成する際に円筒型回転電極に印加される電力の最適範囲を決定するために本願発明者らが行った実験結果を示す図である。横軸は印加電力（投入電力）の電力密度である。また、右縦軸は、レーザーラマン分光法から算出した結晶化率であり、図中■は実測値を、実線は近似曲線を表している。また、左縦軸は、基板（シリコンウェハー）の質量増加分であり、形成された薄膜の質量に相当し、図中□は実測値を、点線は近似曲線を表している。図３に示された多結晶シリコン薄膜は、下記表２に示す成膜条件２下で形成した。
【００４２】
【表２】
2004193528.tif 000004
【００４３】
形成された薄膜の表面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、表２に示すいずれの条件においても、結晶成長していることを確認することができた。また、図３に示すように、電力密度が３００Ｗ／ｃｍ３超えると、結晶率が１００％に近づくと共に、高速成膜を達成することができた。走査型電子顕微鏡で膜断面を観察して得られた膜厚から算出すると、約０．５μｍ／ｍｉｎの成膜速度であることが分かった。しかし、電力密度が５００Ｗ／ｃｍ３以上にしても、成膜速度のさらなる向上は難しい。また、高周波電力による基板の局所的な加熱が顕著になり、基板温度を制御することが容易ではなくなるのに加え、基板や下地の損傷も懸念される。
【００４４】
図４は、多結晶シリコン薄膜を形成する際の基板温度の最適範囲を決定するために本願発明者らた行った実験結果を示す図である。横軸は基板温度である。また、縦軸は、基板（シリコンウェハー）の質量増加分であり、形成された薄膜の質量に相当し、図中▲は実測値を、点線は近似曲線を表している。図４に示された多結晶シリコン薄膜は、表３に示す成膜条件３下で形成した。
【００４５】
【表３】
2004193528.tif 000005
【００４６】
形成された薄膜の表面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、表２に示すいずれの条件においても、結晶成長していることを確認することができた。結晶成長を促進させる大きな要因としては、シリコン原子に結合している水素原子が離脱することが考えられる。基板温度は水素原子の離脱を促進する重要なパラメーターであり、図４から、３７０℃を水素離脱温度と見積もることができる。基板温度が３７０℃以下においても、結晶は成長するが、水素離脱が十分に促進されないため、高速成膜を実現することが容易ではないと考えられる。基板温度を３７０℃以上に設定すれば、水素離脱が促進され、十分な成膜速度を得ることができる。
【００４７】
以上のようにして形成される多結晶シリコン薄膜は、多結晶シリコンＴＦＴ液晶ディスプレイや、多結晶シリコン太陽電池に用いることができると考えられる。また、用途に応じて、原料ガス中に微量のＰＨ３やＢ２Ｈ４などのドーパントガスを添加してもよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ほぼ大気圧下でのプラズマＣＶＤ法により、基板上に多結晶シリコン薄膜を直接形成する際に、原料ガスとして、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＦ４などのシリコン原料ガスとＨ２ガスと希ガスとを含む混合ガスを用いて、Ｈ２ガスのシリコン原料ガスに対する割合（Ｈ２ガス／シリコン原料ガス比）を５００以上３０００以下に設定し、電極に印加される電力を３００Ｗ／ｃｍ３以上５００Ｗ／ｃｍ３以下に設定し、基板温度を３７０℃以上５００℃以下に設定することによって、結晶化率が１００％に近い多結晶シリコン薄膜を、基板上に直接、かつ、高速に成膜することができる。
【００４９】
また、円筒型回転電極を用いて、基板ステージと回転軸とが平行になるように、基板ステージ上方に配置して、円筒型回転電極を所定の回転速度で回転させることにより、原料ガスをプラズマ空間に均一に供給することができ、大気圧下で薄膜形成を行う場合でも、良好な品質の薄膜を高速に成膜することができる。また、円筒型回転電極と基板ステージ上の基板との間隔を小さくして原料ガスの利用効率を向上させることができ、円筒型回転電極の高速回転により電極表面を十分に冷却することができるため、大きな電力を投入して原料ガスの化学反応をより促進することができる。
【００５０】
さらに、基板が載置された基板ステージを反応容器の底面に対して所定の速度にて平行にスライドさせることにより、基板上の所望の部分をプラズマ空間に近接させ、基板上の所望の部分に均質な多結晶シリコン薄膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、実施形態１のプラズマＣＶＤ装置の要部構成を説明するための斜視図であり、（ｂ）は、実施形態１のプラズマＣＶＤ装置の全体構成を示す側面図である。
【図２】Ｈ２／ＳｉＨ４比と、結晶化率および膜質量との関係を示すグラフである。
【図３】印加電力の電力密度と、結晶化率および膜質量との関係を示すグラフである。
【図４】基板温度と、膜質量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  反応容器
２  円筒型回転電極
３  回転軸
４  基板ステージ
５  加熱ヒーター
６  基板
７  高周波電源
８  ガス供給ライン
９  ガス排気ライン
１０  循環ライン
１１  粉体除去フィルタ
１２  循環ポンプ
１３  プラズマ空間
【図１】
2004193528.tif 000006
【図２】
2004193528.tif 000007
【図３】
2004193528.tif 000008
【図４】
2004193528.tif 000009