任意材料基板上への結晶シリコンの低温・高速成膜に関する研究

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昨年度に設計・製作した均熱型基板加熱ステージを用いて、原料ガス(SiH_4)とともに使用する不活性ガスの種類およびH_2濃度、プラズマへの投入電力、基板温度を変化させ、それらパラメータとシリコン薄膜の結晶性・結晶粒径との相関関係を系統的に検討した。その結果、500℃以下の低温においても、プラズマへの投入電力を適切に設定するとともに、H_2/SiH_4比を十分に大きくすることによって、大粒径(粒径:約1mm)の多結晶Si薄膜をガラス基板上に高速形成可能であることが明らかになった。一方、得られた多結晶Si薄膜の成長様式について検討した。6X線回折によって膜の配向特性を評価したところ、H_2/SiH_4比が十分に大きい場合には(220)面が主に見られた。これは、Siの成長速度とプラズマ中の原子状水素によるエッチング速度を考慮すると、(110)面が最も成長しやすいためである。また、基板界面付近では、微結晶粒あるいはアモルファス相が観察された。これらのことから、膜の成長様式としては、まず基板上に高密度なSiの結晶核が形成され、それが柱状成長する過程で(110)配向の結晶粒が優勢になるものと考えられる。本年度までの結果からは、大粒径多結晶Si薄膜を得るためには膜厚を厚く(1mm以上)しなければならず、結果として膜厚が薄い段階で結晶粒径を拡大するには至らなかった。しかし、現在、膜成長初期におけるシリコンの核密度の制御方法に関じて基礎的な検討を行うとともに、粒界の制御技術の開発も進めており、移動度の大きな多結晶Si薄膜の低温・高速形成の見通しを得ている。