DE4013944A1

DE4013944A1 - Verfahren zur bildung eines polykristallinen halbleiterfilms durch das chemische mikrowellen-plasmaaufdampfverfahren

Info

Publication number: DE4013944A1
Application number: DE19904013944
Authority: DE
Inventors: Soichiro Kawakami; Masahiro Kanai; Takeshi Aoki
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-04-28
Filing date: 1990-04-30
Publication date: 1990-11-08
Anticipated expiration: 2010-05-01
Also published as: FR2646557B1; DE4013944C2; FR2646557A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbesserung bei dem chemischen Mi krowellen-Plasmaaufdampfverfahren (nachstehend als "MW-PCVD-Ver fahren" bezeichnet) zur Bildung eines polykristallinen Halblei terfilms auf einem isolierenden Substrat. Die Erfindung be trifft insbesondere ein verbessertes MW-PCVD-Verfahren zur Bil dung eines polykristallinen Halbleiterfilms auf einem isolieren den Substrat, bei dem ein gasförmiges Ausgangsmaterial in einer Plasmaerzeugungskammer durch die Wirkung von Mikrowellenenergie zersetzt bzw. dissoziiert wird, um ein Plasma zu erzeugen, das dann durch eine gelochte Gitterelektrode hindurch in eine Film bildungskammer mit einem isolierenden Substrat, das auf einer darin befindlichen, aus einem elektrisch leitenden Material be stehenden Substrat-Halteeinrichtung angeordnet ist, eingeführt wird, während zwischen der Gitterelektrode und der Substrat- Halteeinrichtung eine Hochfrequenzspannung mit einer Frequenz von 20 bis 500 MHz angelegt wird, wodurch in der Nähe der Ober fläche des isolierenden Substrats ein gewünschtes Ionenprofil gebildet und die Bildung eines polykristallinen Halbleiterfilms auf dieser Oberfläche verursacht wird.

In den letzten Jahren hat sich die öffentliche Aufmerksamkeit auf eine Flüssigkristallanzeige gerichtet, weil sie fähig ist, die Braunsche Röhre zu ersetzen, da sie so dünn wie gewünscht gestaltet und mit einem geringen Energieverbrauch betrieben wer den kann. Im Hinblick darauf sind zur Verbesserung der Funktio nen einer solchen Flüssigkristallanzeige Dünnfilmtransistoren mit polykristallinem Silicium (nachstehend als "Polykristallsi licium-TFT" bezeichnet) hervorgehoben und verschiedene Untersu chungen darüber angestellt worden.

Diese Untersuchungen über Polykristallsilicium-TFT sind in der Absicht angestellt worden, bei einer niedrigen Abscheidungstem peratur die wirksame Bildung eines polykristallinen Silicium- Halbleiterfilms auf einem handelsüblichen isolierenden Substrat wie z. B. Natronkalkglas zu erzielen. Ein industriell anwendba res Filmbildungsverfahren, das die stabile und wiederholte Bil dung eines polykristallinen Halbleiterfilms hoher Qualität auf solch einem handelsüblichen isolierenden Substrat möglich macht, ist jedoch zur Zeit noch nicht realisiert worden.

Übrigens ist bezüglich des chemischen Plasmaaufdampfverfahrens, bei dem eine HF-Glimmentladung ausgenutzt wird und das im all gemeinen als HF-Glimmentladungs-Zersetzungs- bzw. Dissoziations verfahren bezeichnet wird, eine Zahl von Vorschlägen gemacht worden. Gemäß dem HF-Glimmentladungs-Zersetzungsverfahren ist es möglich, auf einem isolierenden Substrat bei einer verhält nismäßig hohen Abscheidungstemperatur durch HF-Glimmentladung in einem gasförmigen Ausgangsmaterial, wodurch das gasförmige Ausgangsmaterial zersetzt und ein Plasma erzeugt wird, das die Abscheidung eines Films verursacht, einen polykristallinen Halb leiterfilm zu bilden.

Das HF-Glimmentladungs-Zersetzungsverfahren hat jedoch die Nach teile, daß der Ausnutzungsgrad eines gasförmigen filmbildenden Ausgangsmaterials nicht zufriedenstellend ist und daß es eine Zahl von Filmbildungsparametern gibt, die in einer organischen Beziehung zueinander stehen, wobei es äußerst schwierig ist, die Filmbildungsparameter zu verallgemeinern, und es ist folg lich schwierig, stabil und wiederholt einen gewünschten poly kristallinen Halbleiterfilm in einer hohen Ausbeute zu erhalten.

Zur Beseitigung dieser Nachteile des HF-Glimmentladungs-Zerset zungsverfahrens hat sich die Aufmerksamkeit auf das chemische Mikrowellen-Plasmaaufdampfverfahren (MW-PCVD-Verfahren) gerich tet, bei dem anstelle der HF-Energie (Hochfrequenzenergie) Mi krowellenenergie verwendet wird und bei dem ein gasförmiges Aus gangsmaterial durch die Wirkung von Mikrowellenenergie zersetzt bzw. dissoziiert wird, um Plasma zu erzeugen, das die Bildung eines abgeschiedenen Films auf einem Substrat verursacht. Durch das MW-PCVD-Verfahren kann auf einem isolierenden Substrat ein polykristalliner Halbleiterfilm gebildet werden. Das MW-PCVD- Verfahren hat die Vorteile, daß im Vergleich zu dem Fall des HF- Glimmentladungs-Zersetzungsverfahrens das Plasma, das die Bil dung eines abgeschiedenen Films verursacht, mit einer höheren Dichte erzeugt und ein Film mit einer höheren Abscheidungsge schwindigkeit gebildet wird. Wie im Fall des HF-Glimmentla dungs-Zersetzungsverfahrens hat jedoch auch das MW-PCVD-Verfah ren Nachteile. Das heißt, es gibt eine Zahl von Filmbildungsparame tern, die in einer organischen Beziehung zueinander stehen, wo bei es äußerst schwierig ist, die Filmbildungsparameter zu ver allgemeinern, und es ist schwierig, stabil und wiederholt einen gewünschten polykristallinen Halbleiterfilm in einer hohen Aus beute zu erhalten.

Zur Verbesserung des vorstehend beschriebenen MW-PCVD-Verfah rens ist ein chemisches Elektronenzyklotronresonanz-Plasmaauf dampfverfahren (nachstehend als "ECR-Plasma-CVD-Verfahren" be zeichnet) vorgeschlagen worden, bei dem in dem MW-PCVD-Verfah ren ein Magnetfeld angelegt wird. Von dem ECR-Plasma-CVD-Ver fahren ist berichtet worden, daß es möglicht ist, im Vergleich zu dem Fall des MW-PCVD-Verfahrens auf wirksamere Weise bei ei ner niedrigeren Abscheidungstemperatur und mit einer verbesser ten Abscheidungsgeschwindigkeit einen polykristallinen Halblei terfilm mit weniger Fehlern zu bilden. Die tatsächliche Situa tion bei dem ECR-Plasma-CVD-Verfahren ist jedoch derart, daß es noch ungelöste Probleme gibt, und zwar müssen zur Erzielung ei nes gewünschten polykristallinen Halbleiterfilms nicht nur die Bedingungen für die Erzeugung von Plasma aus einem gasförmigen Ausgangsmaterial durch die Wirkung von Mikrowellenenergie, son dern auch die Bedingungen für die Steuerung der Ionenenergie in dem Plasma durch das Anlegen eines Magnetfeldes richtig einge stellt werden. Es ist schwierig, die zwei vorstehend erwähnten Arten von Bedingungen im Sinne einer organischen Wechselbezie hung richtig einzustellen, so daß ein gewünschter Zustand er zielt wird, der die Bildung eines solchen gewünschten polykri stallinen Halbleiterfilms erlaubt, und es ist deshalb schwierig, stabil und wiederholt einen gewünschten polykristallinen Halb leiterfilm zu erhalten.

Ein Beispiel für das ECR-Plasma-CVD-Verfahren ist in Spalte 31P-K-2 des Advance Summary for 1985 Spring Meeting of Applied Phy sics Society beschrieben. Diese Literaturstelle offenbart ein ECR-Plasma-CVD-Verfahren für die Bildung eines polykristallinen Siliciumfilms oder eines Einkristall-Siliciumfilms auf einer Einkristall-Siliciumscheibe unter Anwendung einer Vorrichtung für die Abscheidung mittels eines reaktiven Ionenstrahls (RIBD), die den in Fig. 6 gezeigten Aufbau hat. Die in Fig. 6 gezeig te Vorrichtung weist eine Plasmaerzeugungskammer 601 mit einem Plasmaerzeugungsraum und eine Abscheidungskammer 602 mit einem Filmbildungsraum auf. Die obere Wand der Plasmaerzeugungskammer 601 ist mit einem hermetisch abgeschlossenen Mikrowelleneinfüh rungsfenster 603 versehen, das mit einem Hohlleiter 604 verbun den ist, der sich von einer (nicht gezeigten) Mikrowellenener giequelle aus erstreckt. Die Bezugszahl 612 bezeichnet eine un tere Wand der Plasmaerzeugungskammer 601, die durch ein Iso lierteil gebildet wird und ein Loch hat, durch das Plasma, das in dem Plasmaerzeugungsraum der Plasmaerzeugungskammer 601 er zeugt wird, in den Filmbildungsraum der Abscheidungskammer 602 eingeführt wird.

Die Bezugszahl 611 bezeichnet eine aus einer Metallnetzplatte bestehende Gitterelektrode zum Anlegen eines elektrischen Feldes, die derart auf die untere Wand 612 aufgelegt ist, daß das Loch der unteren Wand scheinbar durch die Gitterelektrode 611 verschlossen wird.

Die Bezugszahl 605 bezeichnet ein Gaszuführungsrohr, das sich von einem (nicht gezeigten) Gasbehälter aus erstreckt, in dem ein gasförmiges Ausgangsmaterial enthalten ist. Die Bezugszahl 610 bezeichnet eine Kühleinheit, die an der Außenwand der Plas maerzeugungskammer 601 angeordnet ist.

Die Bezugszahl 610′ bezeichnet ein Rohr für die Einführung von Kühlwasser in die Kühleinheit 610, und die Bezugszahl 610′′ be zeichnet ein Rohr für die Rückführung des Kühlwassers aus der Kühleinheit 610. Die Bezugszahl 609 bezeichnet einen Magneten, der derart angeordnet ist, daß er die Plasmaerzeugungskammer 601 umgibt.

Die Abscheidungskammer 602 hat in ihrer oberen Wand ein Loch, durch das Plasma, das in dem Plasmaerzeugungsraum der Plasmaer zeugungskammer 601 erzeugt wird, in den Filmbildungsraum der Ab scheidungskammer 602 eingelassen wird. Die Abscheidungskammer 602 ist mit einem Auslaßrohr versehen, das durch ein Auslaßven til mit einer Vakuumpumpe verbunden ist (dieses Teil ist nicht gezeigt). Die Bezugszahl 613 bezeichnet ein leitfähiges Sub strat, das aus einer Einkristall-Siliciumscheibe besteht, die auf eine leitfähige Substrat-Halteeinrichtung 608 aufgelegt ist. Die Bezugszahl 607 bezeichnet einen Plasmastrom aus dem Plasma erzeugungsraum. Die Bezugszahl 600 bezeichnet eine Gleichstrom quelle, die mit der Gitterelektrode 611 elektrisch leitend ver bunden ist. Die Stromquelle 600 ist auch mit der Substrat- Halteeinrichtung 608 elektrisch leitend verbunden, während sie elektrisch geerdet ist.

Das Verfahren, das unter Anwendung der in Fig. 6 gezeigten Vor richtung durchzuführen ist und das in der vorstehend erwähnten Literaturstelle beschrieben ist, besteht darin, daß auf der Ein kristall-Siliciumscheibe 613, die auf die leitfähige Substrat- Halteeinrichtung 608 aufgelegt ist, ein polykristalliner Sili ciumfilm gebildet wird, indem durch das Gaszuführungsrohr 605 in die Plasmaerzeugungskammer 601 SiH₄-Gas eingeführt wird, durch das Mikrowelleneinführungsfenster 603 in den Plasmaerzeu gungsraum Mikrowellenenergie eingeführt wird, während in dem Plasmaerzeugungsraum durch den Magneten 609 ein Magnetfeld her vorgerufen wird und zwischen der Gitterelektrode 611 und der leitfähigen Substrat-Halteeinrichtung 608 durch die Gleichstrom quelle 600 eine Gleichstrom-Vorspannung angelegt wird, um eine Mikrowellenentladung vom ECR-Typ zu verursachen, durch die Plas ma erzeugt wird, das dann durch die Gitterelektrode 611 hin durch in den Filmbildungsraum der Abscheidungskammer 602 einge führt wird, wodurch auf der Einkristall-Siliciumscheibe 613, die bei 200°C gehalten wird, ein polykristalliner Siliciumfilm gebildet wird. Die vorstehend erwähnte Literaturstelle offen bart auch die Bildung eines kristallinen Siliciumfilms durch Bewirken eines homoepitaxialen Wachstums auf einer bei 400°C gehaltenen Einkristall-Siliciumscheibe.

Die Erfinder haben anstelle der vorstehend erwähnten Einkri stall-Siliciumscheibe 613 eine handelsübliche Glasplatte (Han delsname: No. 7059 glass plate; hergestellt von Corning Glass Works) verwendet und haben versucht, auf dieser Glasplatte, die bei 400°C gehalten wurde, durch Wiederholung des in der vorste hend erwähnten Literaturstelle beschriebenen Filmbildungsverfah rens einen polykristallinen Siliciumfilm zu bilden. Als Ergeb nis ist festgestellt worden, daß auf dem isolierenden Substrat (Glasplatte) kaum ein praktisch akzeptierbarer polykristalliner Siliciumfilm gebildet wird.

Als Ursache dafür, daß in diesem Falle kein praktisch akzep tierbarer polykristalliner Siliciumfilm erhalten werden konnte, wird angenommen, daß die Gleichstrom-Vorspannung wegen der iso lierenden Eigenschaften des Substrats zwischen der Gitterelek trode 611 und dem Substrat 613 nicht wirksam angelegt wurde. Ein weiterer Faktor, der als Ursache angenommen wird, ist, daß für den zu bildenden Film während seiner Bildung keine Gitter anpassung bewirkt wurde, weil das Substrat 613 keine Einkri stall-Siliciumscheibe, sondern eine isolierende Glasplatte war.

Im Hinblick auf die vorstehenden Ausführungen kann festgestellt werden, daß es schwierig ist, auf einem isolierenden Substrat wie z. B. einer Glasplatte durch irgendeines der bekannten Plas ma-CVD-Filmbildungsverfahren stabil und wiederholt einen poly kristallinen Halbleiterfilm hoher Qualität mit einer großen Flä che zu bilden, der in der gewünschten Weise in einem TFT ver wendbar ist.

Nun ist ein TFT vorgeschlagen worden, der in einer Flüssigkri stallanzeige mit aktivem Matrixsystem anzuwenden ist und eine Halbleiterschicht aufweist, die aus einem polykristallinen Si liciumfilm besteht (dieser TFT wird nachstehend als "Aktivma trix-Polykristallsilicium-TFT" bezeichnet). Dieser Aktivmatrix- Polykristallsilicium-TFT wird im allgemeinen folgendermaßen her gestellt: Auf einem isolierenden, lichtdurchlässigen Substrat hoher Qualität wie z. B. einer Quarzglasplatte wird eine aus ei nem ITO-Film (ITO=Indiumzinnoxid) bestehende lichtdurchlässi ge Elektrode gebildet, und danach wird auf der lichtdurchlässi gen Elektrode ein polykristalliner Siliciumfilm gebildet, der als Halbleiterschicht dient. Wenn für die Bildung dieser Halb leiterschicht das LP-CVD-Verfahren (chemisches Niederdruck-Auf dampfverfahren), das als wirksames Verfahren für die Bildung eines polykristallinen Siliciumfilms hoher Qualität angesehen wird, angewandt wird, wird als gasförmiges filmbildendes Aus gangsmaterial Silangas verwendet, und die Filmbildung wird bei einer Filmabscheidungstemperatur von 700°C oder mehr durchge führt. Während der Filmbildung wird das Silangas unter Erzeu gung von Wasserstoffradikalen dissoziiert bzw. zersetzt; und es ist nicht zu vermeiden, daß Wasserstoffradikale zu dem bei er höhter Temperatur gehaltenen ITO-Film gelangen, wo sie mit am Aufbau des ITO-Films beteiligten Sauerstoffatomen reagieren und den ITO-Film trüben bzw. lichtundurchlässig machen, was dazu führt, daß der auf diese Weise getrübte ITO-Film nicht als lichtdurchlässige Elektrode wirkt. Der erhaltene Aktivmatrix- Polykristallsilicium-TFT wird infolgedessen derart, daß er in der Praxis nicht anwendbar ist. Das LP-CVD-Verfahren ist in die ser Hinsicht für die Bildung eines polykristallinen Silicium films, der als Halbleiterschicht des Aktivmatrix-Polykristall silicium-TFT dient, nicht praktisch anwendbar. Im Fall der Bildung der aus einem polykristallinen Siliciumfilm bestehenden Halbleiterschicht des erwähnten TFT durch das LP-CVD-Verfahren tritt auch das Problem auf, daß ein weniger hitzebeständiges, billiges Material wie z. B. Natronkalkglas oder eine Kunstharz folie nicht als Substrat verwendet werden kann, weil die Film bildung bei erhöhter Temperatur von 700°C oder mehr durchge führt wird, wie es vorstehend erwähnt wurde.

Es ist vorgeschlagen worden, einen polykristallinen Silicium film, der als Halbleiterschicht des Aktivmatrix-Polykristallsi licium-TFT dient, durch das Molekularstrahl-Verdampfungsverfah ren zu bilden, bei dem der Film auf einem isolierenden, licht durchlässigen Substrat bei einer Abscheidungstemperatur von 400°C und unter der Bedingung eines Ultrahochvakuums von etwa 13,3 nPa gebildet wird, wobei als Verdampfungsquelle Einkristall-Si licium oder polykristallines Silicium verwendet wird. Der er haltene Aktivmatrix-Polykristallsilicium-TFT ist derart, daß er ein 10³ bis 10⁴ betragendes Verhältnis von Einschaltzeit zu Aus schaltzeit des elektrischen Stroms und eine Trägerbeweglichkeit von 2 bis 10 cm²/V·s hat; diese Werte sind praktisch nicht ak zeptierbar (siehe THIN FILM HANDBOOK, S. 625, veröffentlicht am 10. Dezember 1983 von KABUSHIKI KAISHA Ohm SHA of Japan).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend erwähn ten Probleme zu beseitigen, die bei dem bekannten Verfahren zur Bildung eines polykristallinen Halbleiterfilms auftreten, das in der Vorrichtung durchgeführt wird, die eine Plasmaerzeugungs kammer und eine Filmbildungskammer aufweist, und bei dem in der Plasmaerzeugungskammer ein Plasma erzeugt und das Plasma in die Filmbildungskammer befördert wird, um auf einem darin angeord neten Substrat den polykristallinen Halbleiterfilm zu bilden, und ein verbessertes MW-PCVD-Verfahren bereitzustellen, das da zu befähigt ist, wirksam verschiedene Arten von polykristalli nen Halbleiterfilmen hoher Qualität zu bilden, die als Bestand teile in verschiedenen Halbleiterbauelementen und elektroni schen Bauelementen verwendbar sind.

Ferner soll durch die Erfindung ein verbessertes MW-PCVD-Verfah ren bereitgestellt werden, das die stabile und wiederholte Bil dung eines polykristallinen Halbleiterfilms mit hoher Qualität, der als Bestandteil in verschiedenen Halbleiterbauelementen und elektronischen Bauelementen verwendbar ist, auf einem handelsüb lichen, billigen Substrat möglich macht.

Des weiteren soll durch die Erfindung ein verbessertes MW-PCVD- Verfahren bereitgestellt werden, das die Bildung eines polykri stallinen Silicium-Halbleiterfilms hoher Qualität, der als Halb leiterschicht des Aktivmatrix-TFT verwendbar ist, und die Erzie lung eines praktisch anwendbaren Aktivmatrix-Polykristallsili cium-TFT möglich macht.

Durch die Erfindung soll auch ein verbessertes MW-PCVD-Verfah ren bereitgestellt werden, das die stabile und wiederholte Bil dung eines polykristallinen Halbleiterfilms hoher Qualität auf einem handelsüblichen, billigen isolierenden Substrat möglich macht und bei dem ein gasförmiges filmbildendes Ausgangsmate rial zur Erzeugung eines Plasmas in einer Plasmaerzeugungskam mer mit Mikrowellenenergie in Berührung gebracht wird und das erhaltene Plasma durch eine Gitterelektrode hindurch in eine Filmbildungskammer eingeführt wird, die das isolierende Sub strat enthält, das sich auf einer leitfähigen Substrat-Halteein richtung befindet, während zwischen der Gitterelektrode und der Substrat-Halteeinrichtung eine Hochfrequenzspannung mit einer bestimmten Frequenz angelegt wird, um in der Nähe der Oberflä che des Substrats ein gewünschtes Profil der Ionenenergie zu bilden, wodurch auf dem isolierenden Substrat, das bei einer gewünschten Temperatur gehalten wird, die Bildung eines polykri stallinen Halbleiterfilms hoher Qualität verursacht wird.

Durch die Erfindung soll ferner ein verbessertes MW-PCVD-Verfah ren bereitgestellt werden, das die stabile und wiederholte Bil dung eines polykristallinen Halbleiterfilms hoher Qualität auf einem handelsüblichen, billigen isolierenden Substrat bei einer niedrigen Abscheidungstemperatur möglich macht und bei dem ein gasförmiges filmbildendes Ausgangsmaterial zur Erzeugung eines Plasmas in einer Plasmaerzeugungskammer mit Mikrowellenenergie in Berührung gebracht wird und das erhaltene Plasma durch eine gelochte Gitterelektrode hindurch in eine Filmbildungskammer eingeführt wird, die das isolierende Substrat enthält, das sich auf einer leitfähigen Substrat-Halteeinrichtung befindet, wäh rend zwischen der Gitterelektrode und der Substrat-Halteeinrich tung eine Hochfrequenzspannung mit einer bestimmten Frequenz an gelegt wird, um die Ionenenergie und die Verteilung der Ionen energie in dem Plasma in der Nähe der Oberfläche des isolieren den Substrats in der gewünschten Weise zu steuern, wodurch auf dem isolierenden Substrat, das bei einer gewünschten niedrigen Temperatur gehalten wird, die Bildung eines polykristallinen Films hoher Qualität verursacht wird.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beige fügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1(A) ist eine Schnittzeichnung, die den Aufbau der in den Versuchen 1, 3 und 4 der Erfindung angewandten Vorrichtung zur Messung der Ionenenergie im Plasma schematisch veranschaulicht.

Fig. 1(B) ist eine Schnittzeichnung, die den Aufbau einer Modi fikation der in Fig. 1(A) gezeigten Vorrichtung, die im Versuch 2 der Erfindung angewandt wurde, schematisch veranschaulicht.

Fig. 2(A) bis Fig. 2(B) sind Ansichten, die jeweils die im Ver such 1 erhaltenen Ionenenergieprofile veranschaulichen.

Fig. 2(E) und Fig. 2(F) sind Ansichten, die jeweils die im Ver such 2 erhaltenen Ionenergieprofile veranschaulichen.

Fig. 2(G) ist eine graphische Darstellung, die die im Versuch 3 der Erfindung erhaltenen Beziehungen zwischen der Frequenz der angelegten Hochfrequenzspannung und der Halbwertsbreite des Spitzenwertes des Ionenenergie veranschaulicht.

Fig. 3(A) ist eine Ansicht, die die im Versuch 5 der Erfindung erhaltenen Wechselbeziehungen zwischen der angelegten Hochfre quenzspannung und der Kristallinität der abgeschiedenen Filme veranschaulicht.

Fig. 3(B) ist eine Ansicht, die die im Versuch 6 der Erfindung erhaltenen Wechselbeziehungen zwischen dem Innendruck während der Filmbildung und der Kristallinität der abgeschiedenen Filme veranschaulicht.

Fig. 3(C) ist eine Ansicht, die die im Versuch 7 der Erfindung erhaltenen Wechselbeziehungen zwischen der Substrattemperatur während der Filmbildung und der Kristallinität der abgeschiede nen Filme veranschaulicht.

Fig. 3(D) ist eine Ansicht, die die im Versuch 7 der Erfindung erhaltenen Wechselbeziehungen zwischen der Substrattemperatur während der Filmbildung und den Korngrößen der abgeschiedenen Filme veranschaulicht.

Fig. 4 ist eine Teil-Schnittzeichnung, die ein Beispiel für den Aufbau der für die Durchführung des erfindungsgemäßen MW-PCVD- Verfahrens geeigneten Filmbildungskammer, mit der eine Plasma erzeugungskammer durch eine Gitterelektrode zu verbinden ist, schematisch veranschaulicht.

Fig. 5(A) bis Fig. 5(G) sind Schnittzeichnungen, die jeweils ein Beispiel für den Aufbau der Plasmaerzeugungskammer veran schaulichen, die mit der in Fig. 4 gezeigten Filmbildungskammer zu verbinden ist.

Fig. 6 ist eine Schnittzeichnung, die den Aufbau der bekannten RIBD-Vorrichtung schematisch veranschaulicht.

Fig. 7 ist eine Schnittzeichnung, die ein Beispiel der für die Durchführung des erfindungsgemäßen MW-PCVD-Verfahrens geeigne ten Vorrichtung, die aus der in Fig. 4 gezeigten Filmbildungs kammer und der in Fig. 5(B) gezeigten Plasmaerzeugungskammer be steht, schematisch veranschaulicht.

Fig. 8(A) ist eine Schnittzeichnung, die ein Beispiel der für die Durchführung des erfindungsgemäßen MW-PCVD-Verfahrens geeig neten Vorrichtung, die aus der in Fig. 4 gezeigten Filmbildungs kammer und der in Fig. 5(C) gezeigten Plasmaerzeugungskammer be steht, schematisch veranschaulicht.

Fig. 8(B) ist eine Schnittzeichnung, die eine teilweise Modifi kation der in Fig. 8(A) gezeigten Vorrichtung, bei der die Sub strat-Halteeinrichtung derart eingebaut ist, daß das Substrat parallel zu dem Strom des Plasmas in der Filmbildungskammer an geordnet ist, schematisch veranschaulicht.

Fig. 9 ist eine Schnittzeichnung, die einen im Beispiel 6 oder Beispiel 7 der Erfindung hergestellten TFT schematisch veran schaulicht, dessen Halbleiterschicht aus einem polykristallinen Siliciumfilm besteht, der durch das erfindungsgemäße MW-PCVD- Verfahren gebildet worden ist.

Die Erfinder haben durch Versuche, die nachstehend beschrieben werden, ausgedehnte Untersuchungen durchgeführt, um die Proble me zu lösen, die bei den vorstehend erwähnten üblichen Verfah ren zur Bildung eines polykristallinen Halbleiterfilms auftre ten, und um die Aufgabe der Erfindung zu lösen. Die Versuche sind mit dem Ziel durchgeführt worden, einen Weg zu finden, der die Bildung eines erwünschten polykristallinen Halbleiterfilms hoher Qualität auf einem handelsüblichen, billigen isolierenden Substrat wie z. B. Natronkalkglas durch das MW-PCVD-Verfahren er möglicht. Als Ergebnis haben die Erfinder die folgende Tatsache gefunden:

Wenn sich das vorstehend erwähnte isolierende Substrat in einer Filmbildungskammer auf einer Substrat-Halteeinrichtung befindet, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist; ein gasför miges filmbildendes Ausgangsmaterial zur Erzeugung eines Plas mas in einer Plasmaerzeugungskammer mit Mikrowellenenergie in Berührung gebracht wird und das in der Plasmaerzeugungskammer erhaltene Plasma dann in die Filmbildungskammer eingeführt wird, während zwischen der Plasmaerzeugungskammer und der leitfähigen Substrat-Halteeinrichtung eine bestimmte Hochfrequenzspannung angelegt wird, wird die Energieverteilungsbreite der Ionen des Plasmas, das der Oberfläche des isolierenden Substrats zuzufüh ren ist, derart gesteuert, daß ein erwünschter Zustand einer ge ringen Energieverteilungsbreite erzielt wird, um die Bildung eines erwünschten Ionenprofils in der Nähe der Oberfläche des iso lierenden Substrats zu verursachen, und als Folge wird auf der Oberfläche des isolierenden Substrats ein polykristalliner Halb leiterfilm hoher Qualität gebildet. Die Erfindung haben ferner festgestellt, daß, wenn in dem vorstehend beschriebenen Fall in der Plasmaerzeugungskammer ein Magnetfeld hervorgerufen wird, die Dichte der Ionen, die eine geringe Energieverteilungsbreite haben, erhöht wird, wodurch in der Nähe der Oberfläche des iso lierenden Substrats ein äußerst erwünschtes Ionenprofil gebil det wird, und als Ergebnis auf dem isolierenden Substrat ein polykristalliner Halbleiterfilm mit einer noch höheren Qua lität gebildet.

Eine erste Ausgestaltung der Erfindung besteht in einem verbes serten MW-PCVD-Verfahren zur Bildung eines polykristallinen Halbleiterfilms, bei dem eine MW-PCVD-Vorrichtung mit einer Plasmaerzeugungskammer, die mit einer Mikrowelleneinführungsein richtung versehen ist, und einer Filmbildungskammer, die durch eine Gitterelektrode mit der Plasmaerzeugungskammer verbunden ist, angewendet wird, wobei die Filmbildungskammer ein isolie rendes Substrat enthält, das sich auf einer darin eingebauten Substrat-Halteeinrichtung befindet, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist, und wobei die Filmbildungskammer ge gen die Plasmaerzeugungskammer elektrisch isoliert ist; bei dem in der Plasmaerzeugungskammer ein Plasma erzeugt wird, indem ein gasförmiges filmbildendes Ausgangsmaterial mit Mikrowellen energie in Berührung gebracht wird, die durch die Mikrowellen einführungseinrichtung zugeführt wird; und bei dem das Plasma in die Filmbildungskammer eingeführt wird, während zwischen der Gitterelektrode und der leitfähigen Substrat-Halteeinrichtung eine Hochfrequenzspannung mit einer Frequenz von 20 bis 500 MHz angelegt wird, wodurch auf dem isolierenden Substrat, das bei einer gewünschten Temperatur gehalten wird, die Bildung eines polykristallinen Halbleiterfilms hoher Qualität verursacht wird.

Eine zweite Ausgestaltung der Erfindung besteht in einem verbes serten MW-PCVD-Verfahren zur Bildung eines polykristallinen Halbleiterfilms, bei dem eine MW-PCVD-Vorrichtung mit einer Plasmaerzeugungskammer, die mit einer Mikrowelleneinführungsein richtung und einer Einrichtung zum Hervorrufen eines Magnetfel des versehen ist, und einer Filmbildungskammer, die durch eine Gittereleketrode mit der Plasmaerzeugungskammer verbunden ist, angewendet wird, wobei die Filmbildungskammer ein isolierendes Substrat enthält, das sich auf einer darin eingebauten Substrat- Halteeinrichtung befindet, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist, und wobei die Filmbildungskammer gegen die Plasmaerzeugungskammer elektrisch isoliert ist; bei dem in der Plasmaerzeugungskammer ein Plasma erzeugt wird, indem ein gas förmiges filmbildendes Ausgangsmaterial mit Mikrowellenenergie in Berührung gebracht wird, die durch die Mikrowelleneinfüh rungseinrichtung zugeführt wird, während in der Plasmaerzeu gungskammer durch die Einrichtung zum Hervorrufen eines Magnet feldes ein Magnetfeld hervorgerufen wird; und bei dem das Plasma in die Filmbildungskammer eingeführt wird, während zwischen der Gitterelektrode und der Substrat-Halteeinrichtung eine Hochfre quenzspannung mit einer Frequenz von 20 bis 500 MHz angelegt wird, wodurch auf dem isolierenden Substrat, das bei einer ge wünschten Temperatur gehalten wird, die Bildung eines polykri stallinen Halbleiterfilms hoher Qualität verursacht wird.

Die Erfindung ermöglicht die stabile und wiederholte Bildung eines polykristallinen Halbleiterfilms hoher Qualität auf einem isolierenden Substrat mit einer großen Fläche, und zwar nicht bei einer erhöhten Abscheidungstemperatur von 700°C oder mehr, sondern bei einer niedrigen Abscheidungstemperatur von 400°C oder weniger, und nicht unter der Bedingung eines Ultrahochva kuums, sondern unter der Bedingung eines vertretbaren Innen druckes.

Zusätzlich zu dem vorstehend erwähnten Vorteil liefert die Er findung den weiteren Vorteil, daß es nicht vorkommt, daß Fremd stoffe, die in einem isolierenden Substrat enthalten sind, frei gesetzt werden und einen polykristallinen Film, der auf dem Sub strat zu bilden ist, während der Filmbildung verunreinigen, da die Filmbildung durchgeführt wird, während das isolierende Sub strat bei einer niedrigen Temperatur gehalten wird, die keine Freisetzung solcher Fremdstoffe aus dem Substrat erlaubt. Es ist deshalb nicht notwendig, ein teures Substrat mit hoher Hit zebeständigkeit wie z. B. Quarzglas zu verwenden. Als Substrat kann ein handelsübliches, billiges Material wie z. B. Natronkalk glas oder Kunstharzfolien verwendet werden. Durch die Erfindung wird es folglich möglich gemacht, mit verminderten Kosten Halb leiterbauelemente wie z. B. TFT und photoelektrische Wandler wie z. B. Solarzellen zu erhalten, die eine aus einem polykristalli nen Halbleiterfilm bestehende Halbleiterschicht aufweisen. Die Erfindung ermöglicht insbesondere die Verwirklichung eines er wünschten Polykristallsilicium-TFT für die Anwendung in einer Flüssigkristallanzeige mit aktivem Matrixsystem (des vorstehend erwähnten Aktivmatrix-Polykristallsilicium-TFT), dessen Verwirk lichung bisher schwierig zu sein pflegte.

Tatsächlich zeigt ein Aktivmatrix-Polykristallsilicium-TFT mit einer Halbleiterschicht, die aus einem polykristallinen Silici um-Halbleiterfilm besteht und auf einem handelsüblichen, billi gen lichtdurchlässigen isolierenden Material als Substrat gebil det ist, ein hohes, 10⁵ betragendes Verhältnis von Einschalt zeit zu Ausschaltzeit des elektrischen Stroms und eine hohe Trä gerbeweglichkeit von 50 cm²/V·s oder mehr.

Nachstehend werden die Versuche erläutert, die von den Erfin dern durchgeführt wurden.

Versuch 1

In diesem Versuch wurde der Zustand des Ionenenergieprofils in der Nähe der Oberfläche eines als Substrat, auf dem ein Film abzuscheiden ist, dienenden isolierenden Materials in dem Fall beobachtet, daß auf dem isolierenden Material ein Film abge schieden wurde, indem in einer Plasmaerzeugungskammer durch Zer setzung eines gasförmigen Ausgangsmaterials infolge der Wirkung von Mikrowellenenergie ein Plasma erzeugt und das Plasma in eine Filmbildungskammer eingeführt wurde, die das Substrat ent hielt, das sich auf einer darin angeordneten, aus einem leitfä higen Material hergestellten Substrat-Halteeinrichtung befand, während zwischen der Plasmaerzeugungskammer und der Substrat- Halteeinrichtung eine Hochfrequenzspannung angelegt wurde.

Die vorstehend erwähnte Beobachtung wurde durchgeführt, indem die Frequenz der angelegten Hochfrequenzspannung verändert wur de.

In diesem Versuch wurde auch die Abhängigkeit der anzulegenden Hochfrequenzspannung von ihrer Frequenz beobachtet.

Zur Durchführung des Versuchs wurde eine Vorrichtung für Ver suchszwecke mit dem in Fig. 1(A) gezeigten Aufbau angewandt. Die in Fig. 1(A) gezeigte Vorrichtung weist eine Plasmaerzeu gungskammer 111 und einen Vakuumbehälter 115, der einer Filmbil dungskammer entspricht und durch ein Isolierteil 109 derart mit der Plasmaerzeugungskammer verbunden ist, daß der Vakuumbe hälter 115 gegen die Plasmaerzeugungskammer 111 elektrisch iso liert ist, auf. Die Bezugszahl 103 bezeichnet eine Ionenenergie- Steuerelektrode mit einem Mittelteil, der aus einem Metallnetz teil besteht; sie ist in dem Vakuumbehälter 115 senkrecht zu der Richtung eines Plasmastromes 117 eingebaut.

Die Bezugszahl 107 bezeichnet eine Isolierplatte, die auf die Ionenenergie-Steuerelektrode 103 aufgelegt ist und im Mittel teil ein Loch hat, das dem Metallnetzteil der Elekrode 103 ent spricht. Die Bezugszahl 104 bezeichnet eine ionenreflektierende Gitterelektrode mit einem Mittelteil, der aus einem Metallnetz teil besteht; sie ist in dem Vakuumbehälter 115 hinter und par allel zu der Ionenenergie-Steuerelektrode 103 eingebaut. Die Bezugszahl 105 bezeichnet eine Ionensammelelektrode, die in dem Vakuumbehälter 115 hiter der ionenreflektierenden Gitterelek trode 104 eingebaut ist. Die Ionenenergie-Steuerelektrode 103, die ionenreflektrierende Gitterelektrode 104 und die Ionensammel elektrode 105 sind alle mit einer Schaltung (Ionenenergie-Meß schaltung), die einen Kondensator 101, einen veränderlichen HF- Generator 100 (mit einem HF-Oszillator und einem Verstärker), eine Gleichstromquelle 106 zum Anlegen einer Spannung für die Verhinderung einer Elektronenzufuhr, ein Mikrostrom-Elektrome ter 108 und eine Gleichstromquelle 102 zum Anlegen einer Gitter spannung enthält, elektrisch leitend verbunden. Der Vakuumbehäl ter 115 ist mit einem Auslaßrohr versehen, das durch ein (nicht gezeigtes) Auslaßventil mit einer (nicht gezeigten) Vakuumpumpe verbunden ist.

Die Plasmaerzeugungskammer 111 ist mit einem Gaszuführungsrohr 116 versehen, das sich von einem (nicht gezeigten) Gasbehälter aus erstreckt, in dem ein gasförmiges Ausgangsmaterial enthal ten ist. Die Bezugszahl 113 bezeichnet eine zur Einführung von Mikrowellen dienende Wendelantenne, die in der Plasmaerzeugungs kammer 111 angeordnet ist. Die Bezugszahl 112 bezeichnet einen Elektromagneten, der derart angeordnet ist, daß er die Außen wand der Plasmaerzeugungskammer 111 umgibt. Die Bezugszahl 114 bezeichnet einen Hohlleiter, der mit einer Abstimmeinrichtung 119 versehen ist und der sich von einer (nicht gezeigten) Mikro wellenenergiequelle aus erstreckt. Die Wendelantenne 113 ist durch ein Koaxial-Vakuumglasrohr 120 und den Hohlleiter 114 mit einer Abstimmeinrichtung 118 verbunden. Die Plasmaerzeugungs kammer 111 ist durch eine Erdungselektrode 110 elektrisch geer det. In der Plasmaerzeugungskammer 111 wird ein gasförmiges Ausgangsmaterial, das durch das Gaszuführungsrohr 116 zugeführt wird, durch die Wirkung von Mikrowellenenergie, die durch die Wendelantenne 113 zugeführt wird, zersetzt, wodurch ein Plasma erzeugt wird, das dann in den Vakuumbehälter 115 hineinströmt, wie es durch den Pfeil 117, der den Plasmastrom veranschaulicht, ausgedrückt wird. Wie aus der vorstehenden Beschreibung her vorgeht, ist die vorstehend erwähnte Ionenenergie-Meßschaltung durch die Erdungselektrode 110 gegen die Plasmaerzeugungskammer 111 elektrisch isoliert. Die Gitterelektrode 104 wirkt in der Weise, daß sie Ionen mit einer ausgewählten hohen Energie (d. h., Ionen, die eine hohe Energie mit einem bestimmten Wert oder ei nem höheren Wert haben) zu der Ionensammelelektrode 105 lenkt und die übrigen Elektronen reflektiert. Die Ionensammelelektro de 105 wirkt in der Weise, daß sie die Ionen, die durch die Git terelektrode 104 hindurchgegangen sind, sammelt. Das Anlegen einer Hochfrequenzspannung von dem HF-Generator 100 an die Iso lierplatte 107 und an die Plasmaerzeugungskammer 111 wird mit tels der Ionenenergie-Steuerelektrode 103 und der Erdungselek trode 110 durchgeführt. Der Elektromagnet 112 dient zum Stabi lisieren der Mikrowellenentladung und zum Fördern der Erzeugung von Plasma in der Plasmaerzeugungskammer 111.

Nun wurden die Plasmaerzeugungskammer 111 und der Vakuumbehäl ter 115 durch das Auslaßrohr in ausreichendem Maße evakuiert. H₂-Gas wurde durch das Gaszuführungsrohr 116 mit einer Strö mungsgeschwindigkeit von 4 Ncm³/min in die Plasmaerzeugungskam mer 111 eingeführt. Der Gasdruck (Innendruck) in der Plasmaer zeugungskammer 111 und dem Vakuumbehälter 115 wurde durch Ein stellen des Auslaßventils des Auslaßrohrs bei etwa 667 mPa ge halten. Dann wurde der Elektromagnet 112 erregt, um in der Plas maerzeugungskammer ein Magnetfeld hervorzurufen. Gleichzeitig wurde die Mikrowellenenergiequelle eingeschaltet, um in die Plasmaerzeugungskammer 111 durch den Hohlleiter 114 und die Wen delantenne 113 Mikrowellenenergie mit einer Leistung von 100 W einzuführen, wodurch das H₂-Gas zersetzt und ein Plasma erzeugt wurde, das dann in den Vakuumbehälter 115 hineinströmen gelas sen wurde. Das elektrische Potential der Ionensammelelektrode 105 wurde auf -50 V eingestellt. Die positive Spannung, die an die Gitterelektrode 104 angelegt wurde, und der Spitze-zu-Spit ze-Spannungswert (V _p-p) der an die Ionenenergie-Steuerelektrode 103 angelegten Hochfrequenzspannung wurden verändert. Der Wert des in die Ionensammelelektrode 105 fließenden Ionenstromes wur de mit dem Elektrometer 108 gemessen.

Das Profil der Ionenenergie (nachstehend als "Ionenergiepro fil" bezeichnet) wurde auf der Grundlage des gemessenen Wertes des vorstehend erwähnten Ionenstromes und des Wertes der an die Gitterelektrode 104 angelegten Spannung berechnet. Auf diese Weise wurde eine Vielzahl von Ionenenergieprofilen erhalten, die bei einer Frequenz von 13,56 MHz, 20 MHz, 25 MHz bzw. 40,7 MHz der an die Ionenenergie-Steuerelektrode 103 angelegten Hoch frequenzspannung gemessen wurden.

Die erhaltenen Ionenenergieprofile sind in Fig. 2(A), 2(B), 2(C) und 2(D) gezeigt.

Aus den in Fig. 2(A), 2(B), 2(C) und 2(D) gezeigten Ergebnissen sind die folgenden Schlüsse gezogen worden:

Der Spitzenwert (Peak) der Ionenenergie wird scharf, wenn die Frequenz der angelegten Hochfrequenzspannung erhöht wird. Tat sächlich wird in dem Fall, daß die Frequenz der angelegten Hoch frequenzspannung 13,56 MHz beträgt, eine beträchtliche Streuung der Ionenenergie beobachtet, wie aus Fig. 2(B) hervorgeht. Es wird auch beobachtet, daß mehr als ein Spitzenwert der Ionen energie auftritt und die Streuung der Ionenenergie offensicht lich groß ist, wenn der V _p-p-Wert der angelegten Hochfrequenz spannung auf 40 V erhöht wird.

Andererseits wird in dem Fall, daß die Frequenz der angelegten Hochfrequenzspannung 40,7 MHz beträgt, beobachtet, daß der Spit zenwert der Ionenenergie eine beträchtliche Schärfe hat und daß es selbst im Fall eines 40 V betragenden V _p-p-Wertes nur einen Spitzenwert der Ionenenergie gibt, wie aus Fig. 2(A) hervorgeht.

Diese Feststellungen ließen vermuten, daß es bei dem MW-PCVD- Filmbildungsverfahren in dem Fall, daß die Energie der Ionen, die der Oberfläche eines isolierenden Substrats, auf dem ein Film abzuscheiden ist und das sich auf einer leitfähigen Sub strat-Halteeinrichtung befindet, zugeführt werden, durch Anle gen einer Hochfrequenzspannung an die leitfähige Substrat-Hal teeinrichtung gesteuert werden soll, durch Optimieren der Fre quenz der angelegten Hochfrequenzspannung möglich ist, die Vor aussetzungen dafür zu schaffen, daß es nur einen Spitzenwert der Ionenenergie gibt und daß dieser Spitzenwert scharf wird. Dies bedeutet, daß die durch eine Nebenreaktion bei der Filmab scheidungsreaktion verursachte Streuung der Ionenenergie verhin dert werden kann.

Versuch 2

In diesem Versuch wurde unter Anwendung der in Fig. 1(A) gezeigten Vorrichtung und der in Fig. 1(B) gezeigten Vorrichtung der Einfluß eines Magnetfeldes auf das Energieprofil der Ionen, die einer Isolierplatte zugeführt werden, beobachtet. Die Vorrich tung von Fig. 1(B) ist eine teilweise Modifikation der Vorrich tung von Fig. 1(A) und unterscheidet sich von der letzteren in der Hinsicht, daß der Ionenenergie-Meßmechanismus parallel zu dem Plasmastrom 117 in dem Vakuumbehälter 115 eingebaut ist.

In diesem Versuch wurden zwei Reihen von Versuchen (A) und (B), durchgeführt, die nachstehend beschrieben werden.

(Versuch A)

Das Verfahren von Versuch 1 wurde unter Anwendung der in Fig. 1(B) gezeigten Vorrichtung wiederholt, wodurch eine Vielzahl von Energieprofilen von Ionen mit vertikaler Stoßrichtung in dem Magnetfeld erhalten wurde. Als Ergebnis ist festgestellt worden, daß die Wirkung des Anlegens einer Hochfrequenzspannung in einem nicht so hohen Maße wie in Versuch 1 beobachtet wird.

(Versuch B)

(1) Das Verfahren von Versuch 1 wurde für den Fall des Anlegens einer Hochfrequenzspannung mit einer Frequenz von 40,7 MHz un ter Anwendung der in Fig. 1(A) gezeigten Vorrichtung wiederholt, ohne daß der Elektromagnet 112 erregt wurde, wodurch ein Ionen energieprofil gemessen wurde. Es wurden die in Fig. 2(E) gezeig ten Ergebnisse erhalten.

(2) Das Verfahren von Versuch 1 wurde für den Fall des Anlegens einer Hochfrequenzspannung mit einer Frequenz von 40,7 MHz un ter Anwendung der in Fig. 1(B) gezeigten Vorrichtung wiederholt, ohne daß der Elektromagnet 112 erregt wurde, wodurch ein Ionen energieprofil gemessen wurde. Es wurden die in Fig. 2(F) gezeigten Ergebnisse erhalten.

Die Ursache dafür, daß in Versuch (A) keine merkliche Wirkung erzielt wurde, kann wie folgt gedeutet werden: Wenn das elek trische Feld, das an die Ionenenergie-Steuerelektrode angelegt wird, als E und die magnetische Flußdichte des durch den Elek tromagneten 112 hervorgerufenen Magnetfeldes als B bezeichnet wird, nimmt das elektrische Feld E einen Zustand an, in dem es bezüglich des Magnetfeldes orthogonal ist, und ein geladenes Teilchen wandert in dem Fall, daß der Ionenenergie-Meßmechanis mus parallel zu dem Plasmastrom 117 angeordnet ist, mit einem Wert von E×B. Deswegen wird keine so merkliche Wirkung wie in dem Fall erzielt, daß der Ionenenergie-Meßmechanismus senkrecht zu dem Plasmastrom 117 angeordnet ist.

Wie aus den in Fig. 2(E) und 2(F) gezeigten Ergebnissen hervor geht, ist bezüglich der Ionenenergieprofile erkannt worden, daß zwischen den zwei Fällen kein erkennbarer Unterschied gefunden wird.

Aus den in diesem Versuch erhaltenen Ergebnissen sind die fol genden Schlüsse gezogen worden: Die Richtung, in der eine Hoch frequenzspannung angelegt wird, um die Ionenenergie zu steuern, ist in dem Fall, daß ein Magnetfeld vorhanden ist, wirksamer, wenn sie senkrecht zu dem Magnetfeld verläuft. Wenn eine Plasma behandlung durchgeführt wird, während die Ionenenergie gesteu ert wird, ist es bei der Anwendung eines Elektromagneten vor teilhafter, einen mit Plasma zu behandelnden Gegenstand senk recht zu der Richtung des angelegten Magnetfeldes anzuordnen.

Versuch 3

In diesem Versuch wurde untersucht, bei welcher Frequenz das An legen einer Hochfrequenzspannung eine merkliche Wirkung bezüg lich der Begrenzung der Streuung der Ionenenergie hat.

Das Verfahren von Versuch 1 wurde mit der in Fig. 1(A) gezeig ten Vorrichtung wiederholt, wobei jedoch der V _p-p-Wert der an die Ionenenergie-Steuerelektrode 103 angelegten Hochfrequenz spannung konstant gehalten und die Frequenz verändert wurde. Die Wechselwirkung zwischen dem Verhältnis (Δ E _H/E _M) der Halb wertsbreite [Δ E _H (eV)] der Ionenenergie zu dem Spitzenwert [E _M (eV)] der Ionenenergie und der Frequenz [f (MHz)] der angeleg ten Hochfrequenzspannung wurde beobachtet. Es wurden die in Fig. 2(G) gezeigten Ergebnisse erhalten.

Aus den in Fig. 2(G) gezeigten Ergebnissen geht hervor, daß der Δ E _H/E _M-Wert von einem etwa 20 MHz betragenden Wert der Frequenz der angelegten Hochfrequenzspannung an steil abzunehmen beginnt und die Streuung der Ionenenergie demzufolge geringer wird.

Im Hinblick auf diese Feststellung und im Hinblick auf die in Fig. 2(D) gezeigten Ergebnisse, die in Versuch 1 erhalten wur den, bei dem mit der Frequenz von 20 MHz mehr als ein Spitzen wert der Ionenenergie erhalten wird, wenn der V _p-p-Wert größer gemacht wird, ist erkannt worden, daß es für eine gewünschte Verminderung der Streuung der Energie von Ionen, die einer Iso lierplatte zuzuführen sind, zweckmäßig ist, eine Hochfrequenz spannung mit einer Frequenz von 25 MHz oder mehr anzulegen, die der Beziehung Δ E _H/E _M≦0,5 genügt.

Versuch 4

Im Fall der Bildung eines abgeschiedenen Films hoher Qualität auf einem isolierenden Substrat durch Ausnutzung der Mikrowel lenentladung in einem gasförmigen filmbildenden Ausgangsmate rial ist es immer notwendig, die Mikrowellenentladung stabil in einem gewünschten Zustand zu halten.

In diesem Versuch wurde unter Anwendung der in Fig. 1(A) gezeig ten Vorrichtung der Zustand der Mikrowellenentladung beobachtet, wobei die Frequenz der zur Plasmaerzeugung angewandten Mikrowel len bei dem konstanten Wert von 2,45 GHz und auch der Wert der angelegten Hochfrequenzspannung konstant gehalten wurde, wäh rend die Frequenz dieser Hochfrequenzspannung in der in Tabelle 1 gezeigten Weise verändert wurde.

Das Verfahren von Versuch 1 wurde wiederholt, wobei jedoch H₂- Gas oder eine Mischung aus H₂-Gas und Ar-Gas mit den Strömungs geschwindigkeiten, die in Tabelle 1 für jeden der in Tabelle 1 gezeigten Fälle gezeigt sind, verwendet wurde.

Für jeden Fall wurden die Stabilität der Entladung, die Mikro wellen-Rückleistung, die minimale Mikrowellenleistung, die zur Aufrechterhaltung der Entladung erforderlich ist, und die Schär fe des Ionenenergieprofils untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.

Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, wurde die Entladung instabil und konnte das Profil der Ionenenergie nicht gemessen werden, wenn die Frequenz der angelegten Hochfrequenzspannung in der Nähe der für die Mikrowellen angewandten Frequenz von 2,45 GHz lag. Es wird angenommen, daß dieses Ergebnis wegen einer gegensei tigen Störung bzw. Interferenz zwischen der Mikrowellenenergie und der Hochfrequenzenergie auftrat.

Es ist eine Neigung vorhanden, daß die Entladung in einem film bildenden Gas wie z. B. SiH₄ in einem stabileren Zustand gehal ten wird als im Fall der Entladung in H₂-Gas oder Ar-Gas. In diesem Zusammenhang kann festgestellt werden, daß, wenn bei dem Entladungsversuch mit H₂-Gas und Ar-Gas ein gutes Ergebnis er zielt wird, das Ergebnis auch im Fall der Verwendung eines sol chen gasförmigen filmbildenden Ausgangsmaterials wirksam ist. Als Ergebnis von Untersuchungen der in Tabelle 1 gezeigten Er gebnisse ist unter Berücksichtigung der vorstehend erwähnten Umstände festgestellt worden, daß im Fall der Anwendung von Mi krowellenenergie mit einer Frequenz von 2,45 GHz zur Erzeugung eines Plasmas die Obergrenze für die Frequenz einer anzulegen den Hochfrequenzspannung geeigneterweise eine Frequenz ist, die zu keiner Beeinträchtigung der Mikrowellenentladung führt.

Diese Obergrenze liegt vorzugsweise bei 500 MHz oder darunter und insbesondere bei 100 MHz oder darunter.

Als Ergebnis der vorstehend beschriebenen Versuche 1 bis 4 ist erkannt worden, daß die Frequenz der Hochfrequenzspannung, die an eine leitfähige Substrat-Halteeinrichtung, auf der sich ein isolierendes Substrat befindet, anzulegen ist, um die Streuung der Ionenenergie in einem Plasma, das durch Zersetzung von H₂- Gas, Ar-Gas oder einer Mischung aus H₂-Gas und Ar-Gas durch die Wirkung von Mikrowellenenergie mit einer Frequenz von 2,45 GHz erzeugt und der Oberfläche des Substrats zugeführt wird, zu ver mindern bzw. zu steuern, vorzusweise in dem Bereich von 20 MHz bis 500 MHz und insbesondere in dem Bereich von 25 MHz bis 100 MHz liegt.

Versuche 5 bis 7

In den vorstehend beschriebenen Versuchen 1 bis 4 wurde zur ge nauen Beobachtung des Zustandes der Ionenenergie H₂-Gas oder Ar- Gas verwendet, das keine Abscheidung eines Films auf der Ionen sammelelektrode verursacht.

Um die Wirksamkeit der in den Versuchen 1 bis 4 erhaltenen Er gebnisse für den Fall der Bildung eines abgeschiedenen Films auf einer Isolierplatte (Substrat) durch das MW-PCVD-Verfahren unter Verwendung eines gasförmigen filmbildenden Ausgangsmate rials wie z. B. SiH₄-Gas zu bestätigen, wurden die folgenden Ver suche 5 bis 7 durchgeführt.

Versuch 5

In diesem Versuch wurde die Wechselwirkung zwischen der Fre quenz einer angelegten Hochfrequenzspannung und der Kristalli nität eines abgeschiedenen Siliciumfilms beobachtet, der gebil det wurde, indem als gasförmiges filmbildendes Ausgangsmaterial SiH₄-Gas verwendet wurde, in dem gasförmigen filmbildenden Aus gangsmaterial unter Anwendung von Mikrowellenenergie mit einer Frequenz von 2,45 GHz eine Entladung hervorgerufen wurde, um in einer Plasmaerzeugungskammer ein Plasma zu erzeugen, und dieses Plasma in eine Filmbildungskammer, die ein isolierendes Sub strat enthielt, das sich auf einer darin eingebauten leitfähi gen Substrat-Halteeinrichtung befand, eingeführt wurde, während zwischen der Plasmaerzeugungskammer und der Substrat-Halteein richtung eine Hochfrequenzspannung mit einer festgelegten Fre quenz angelegt wurde, um Ionen des Plasmas in Richtung auf die Oberfläche des isolierenden Substrats zu entziehen, wodurch auf dem isolierenden Substrat, das bei einer gewünschten Temperatur gehalten wurde, die Bildung eines abgeschiedenen Siliciumfilms verursacht wurde.

Zur Durchführung der Filmbildung wurde eine MW-PCVD-Vorrichtung mit dem in Fig. 7 gezeigten Aufbau angewendet.

Die in Fig. 7 gezeigte Vorrichtung weist eine Plasmaerzeugungs kammer 701 mit einem Plasmaerzeugungsraum und eine Filmbildungs kammer 702 mit einem Filmbildungsraum auf. Die Plasmaerzeugungs kammer 701 ist durch ein Isolierteil 712 derart mit der Filmbil dungskammer 702 verbunden, daß die Plasmaerzeugungskammer 701 gegen die Filmbildungskammer 702 elektrisch isoliert ist. Der Plasmaerzeugungsraum ist durch ein Loch, das im Mittelteil der unteren Wand der Plasmaerzeugungskammer 701 gebildet ist, und ein Loch, das im Mittelteil der oberen Wand der Filmbildungskam mer 702 gebildet ist, direkt mit dem Filmbildungsraum verbun den. Bei dem Loch der unteren Wand der Plasmaerzeugungskammer 701 ist eine aus einem Metallnetzteil bestehende Gitterelektrode 711 derart angeordnet, daß sie den Plasmaerzeugungsraum scheinbar verschließt. Die obere Wand der Plasmaerzeugungskammer 701 ist mit einem hermetisch abgeschlossenen Mikrowellen einführungsfenster 703 versehen, das aus einem dielektrischen Material wie z. B. Quarz hergestellt und mit einem Hohlleiter 704, der sich von einer (nicht gezeigten) Mikrowellenenergie quelle aus erstreckt, verbunden ist.

Die Bezugszahl 705 bezeichnet ein Gaszuführungsrohr, das sich von einem (nicht gezeigten) Gasbehälter aus erstreckt, in dem ein gasförmiges Ausgangsmaterial enthalten ist. Die Bezugszahl 710 bezeichnet eine Kühleinheit, die an der Außenwand der Plas maerzeugungskammer 701 angeordnet ist.

Die Bezugszahl 710′ bezeichnet ein Rohr für die Einführung von Kühlwasser in die Kühleinheit 710, und die Bezugszahl 710′′ be zeichnet ein Rohr für die Rückführung des Kühlwassers aus der Kühleinheit 710. Die Bezugszahl 709 bezeichnet einen Elektroma gneten, der derart angeordnet ist, daß er die Plasmaerzeugungs kammer 701 umgibt. Die Filmbildungskammer 702 ist mit einem Aus laßrohr versehen, das durch ein (nicht gezeigtes) Auslaßventil mit einer (nicht gezeigten) Vakuumpumpe verbunden ist.

Die Bezugszahl 706 bezeichnet ein Gaszuführungsrohr, mit dem die Filmbildungskammer 702 ausgestattet ist.

Das Gaszuführungsrohr 706 erstreckt sich von einem (nicht ge zeigten) Gasbehälter aus, in dem ein gasförmiges Ausgangsmate rial enthalten ist. Die Bezugszahl 707 bezeichnet einen Plasma strom, der aus der Plasmaerzeugungskammer 701 durch die Metall netz-Gitterelektrode 711 hindurch zugeführt wird. Die Bezugs zahl 708 bezeichnet eine Substrat-Halteeinrichtung, die aus ei nem leitfähigen Material hergestellt ist und in die eine (nicht gezeigte) elektrische Heizeinrichtung eingebaut ist. Die Be zugszahl 713 bezeichnet ein isolierendes Substrat wie z. B. ei ne Glasplatte, auf dem ein Film zu bilden ist und das auf der Substrat-Halteeinrichtung 708 angeordnet ist. Die Bezugszahl 700 bezeichnet einen veränderlichen HF-Generator mit einem HF- Oszillator und einem Verstärker. Der veränderliche HF-Generator ist mit der Gitterelektrode 711 elektrisch leitend verbunden. Der veränderliche HF-Generator ist durch eine Impedanzanpas sungsschaltung 714 mit der leitfähigen Substrat-Halteeinrich tung elektrisch leitend verbunden.

In der vorstehend erwähnten Vorrichtung dient der Elektromagnet 709 im Fall seiner Anwendung zum Hervorrufen eines Magnetfelds in dem Plasmaerzeugungsraum, während zur Erzeugung eines Plas mas eine Mikrowellenentladung bewirkt wird, wobei die Mikrowel lenentladung durch das Magnetfeld in einem stabileren Zustand gehalten wird. Die Kühleinheit 710 dient zur Verhinderung des Erhitzens des Elektromagneten 709. Ferner kann bei der Vorrich tung durch das Gaszuführungsrohr 705 ein gasförmiges filmbilden des Ausgangsmaterial in den Plasmaerzeugungsraum eingeführt wer den. Alternativ kann durch das Gaszuführungsrohr 705 ein gasför miges Ausgangsmaterial für die Plasmaerzeugung in den Plasmaer zeugungsraum eingeführt werden und durch das Gaszuführungsrohr 706 ein gasförmiges filmbildendes Ausgangsmaterial in den Film bildungsraum eingeführt werden.

In diesem Versuch wurde die Filmbildung unter Anwendung der vor stehend beschriebenen Vorrichtung folgendermaßen durchgeführt:

Als isolierendes Substrat 713 wurde eine Quarzglasplatte verwen det. Die Quarzglasplatte wurde zunächst auf der leitfähigen Sub strat-Halteeinrichtung 708 angeordnet. Die in der Substrat-Hal teeinrichtung eingebaute elektrische Heizeinrichtung wurde ein geschaltet, um die Quarzglasplatte auf 400°C zu erhitzen, und sie wurde bei dieser Temperatur gehalten.

Gleichzeitig wurden die Plasmaerzeugungskammer 701 und die Film bildungskammer 702 durch Betätigen der (nicht gezeigten) Vakuum pumpe auf ein Vakuum von etwa 13,3 µPa evakuiert. Dann wurde durch das Gaszuführungsrohr 705 SiH₄-Gas mit einer Strömungsge schwindigkeit von 4 Ncm³/min in den Plasmaerzeugungsraum einge führt. Der Gasdruck in dem Filmbildungsraum wurde durch Regu lieren des (nicht gezeigten) Auslaßventils auf etwa 4,0 mPa ein gestellt. Der Elektromagnet 70 wurde erregt, um in dem Plasma erzeugungsraum ein Magnetfeld hervorzurufen. Gleichzeitig wurde die Mikrowellenenergiequelle eingeschaltet, um in den Plasmaer zeugungsraum Mikrowellenenergie mit einer Leistung von 300 W (2,45 GHz) einzuführen. Gleichzeitig wurde der HF-Generator 700 eingeschaltet, um zwischen der Gitterelektrode 711 und der leit fähigen Substrat-Halteeinrichtung 708 eine festgelegte Hochfre quenzspannung mit einer festgelegten Frequenz anzulegen. Auf diese Weise wurde in dem SiH₄-Gas eine Mikrowellenentladung be wirkt, um in dem Plasmaerzeugungsraum ein Plasma zu erzeugen, und das erhaltene Plasma wurde dann in den Filmbildungsraum ein geführt, um auf der bei 400°C gehaltenen Quarzglasplatte die Bildung eines abgeschiedenen Siliciumfilms zu verursachen. Auf diese Weise wurde eine Vielzahl von Proben von abgeschiedenen Siliciumfilmen erhalten, indem eine Hochfrequenzspannung von 0 bis 600 V mit einer Frequenz von 13,56 MHz, 40 MHz bzw. 100 MHz angelegt wurde. Bei jeder der erhaltenen Proben von abgeschie denen Siliciumfilmen wurde durch RHEED (reflektierende Hochener gie-Elektronenbeugung) die Kristallinität untersucht. Die RHEED- Untersuchung wurde unter Anwendung eines handelsüblichen Elek tronenmikroskops durchgeführt (JEM-100 SX Type; Erzeugnis von JEOL Ltd.). Die erhaltenen Ergebnisse sind in Fig. 3(A) quali tativ gezeigt. Wie in Fig. 3 veranschaulicht ist, wurde die Kri stallinität jeder Probe eines abgeschiedenen Siliciumfilms auf der Grundlage des erhaltenen RHEED-Beugungsbildes untersucht, wobei in Abhängigkeit davon, zu welcher Art von Beugungsbild (Halo-, Ring-, Punkt- oder Strich-Beugungsbild) das Beugungs bild gehörte, das mit dem Film erhalten wurde, festgestellt wur de, ob der Film amorph, polykristallin oder einkristallin ist.

Demnach wurde die Bewertung von jedem der erhaltenen abgeschie denen Siliciumfilme auf der Grundlage des RHEED-Beugungsbildes durchgeführt, indem das Beugungsbild mit Beugungsbildern von 10 klassifizierten Standardproben, die zuvor hergestellt worden waren und sich von einem Halo-Beugungsbild bis zu einem Strich- Beugungsbild erstreckten, verglichen wurde.

Das Symbol "0" in Fig. 3(A) bezieht sich auf die Vergleichspro be eines abgeschiedenen Siliciumfilms, die durch das vorstehend beschriebene MW-PCVD-Verfahren unter Anwendung einer Gleichspan nung hergestellt worden war.

Aus den in Fig. 3(A) gezeigten Ergebnissen ist festgestellt wor den, daß der Film, der auf einem isolierenden Substrat gebildet wird, indem während seiner Bildung durch das MW-PCVD-Verfahren an die leitfähige Substrat-Halteeinrichtung, auf der sich das Substrat befindet, eine Hochfrequenzspannung angelegt wird, da zu neigt, leichter zu kristallisieren als ein Film, bei dessen Bildung eine Gleichspannung angelegt wird, und daß diese Nei gung ausgeprägt wird, wenn eine Hochfrequenzspannung mit einer hohen Frequenz angewandt wird. Es ist auch festgestellt worden, daß eine Neigung zur Verminderung der Kristallinität eines ge bildeten abgeschiedenen Siliciumfilms vorhanden ist, wenn eine Hochfrequenzspannung mit einem übermäßig hohen Wert angelegt wird, und die Hochfrequenzspannung, die anzulegen ist, um auf einem isolierenden Substrat einen gewünschten abgeschiedenen Si liciumfilm mit einer guten Kristallinität zu bilden, liegt ge eigneterweise im allgemeinen in dem Bereich von 100 bis 500 V.

Versuch 6

In diesem Versuch wurde der Einfluß des Innendruckes auf die Kristallinität eines abgeschiedenen Films beobachtet, der durch das MW-PCVD-Verfahren auf einem isolierenden Substrat, das sich auf einer leitfähigen Substrat-Halteeinrichtung befindet, gebil det wird, während an die leitfähige Substrat-Halteeinrichtung eine Hochfrequenzspannung angelegt wird.

Eine Vielzahl von Proben von abgeschiedenen Siliciumfilmen wurde hergestellt, indem das Verfahren von Versuch 5 wiederholt wurde, wobei jedoch eine Hochfrequenzspannung von 200 V mit ei ner Frequenz von 13,56 MHz, 40 MHz oder 100 MHz angewandt und der Innendruck der Filmbildungskammer verändert wurde.

Bei jeder der erhaltenen Proben von abgeschiedenen Siliciumfilmen wurde die Kristallinität in derselben Weise wie in Versuch 5 untersucht.

Die erhaltenen Ergebnisse sind in Fig. 3(B) qualitativ gezeigt.

Aus den in Fig. 3(B) gezeigten Ergebnissen ist festgestellt wor den, daß der Film, der auf einem isolierenden Substrat, das sich auf einer leitfähigen Substrat-Halteeinrichtung befindet, durch das MW-PCVD-Verfahren unter der Bedingung eines 667 mPa oder weniger betragenden Innendrucks der Filmbildungskammer ge bildet wird, während an die leitfähige Substrat-Halteeinrich tung eine Hochfrequenzspannung angelegt wird, dazu neigt, leicht zu kristallisieren, und daß diese Neigung ausgeprägter wird, wenn eine Hochfrequenzspannung mit einer erhöhten Fre quenz angewandt wird. In diesem Versuch wurde die Filmbildung nicht mit einem Innendruck von weniger als 0,133 mPa durchge führt, weil bei einem so geringen Innendruck infolge der zu ge ringen Gasdichte kaum eine Mikrowellenentladung hervorgerufen wird.

Versuch 7

In diesem Versuch wurde der Einfluß der Substrattemperatur auf die Kristallinität eines abgeschiedenen Films beobachtet, der durch das MW-PCVD-Verfahren auf einem isolierenden Substrat, das sich auf einer leitfähigen Substrat-Halteeinrichtung befin det, gebildet wird, während an die leitfähige Substrat-Halteein richtung eine Hochfrequenzspannung angelegt wird.

Eine Vielzahl von Proben von abgeschiedenen Siliciumfilmen wur de hergestellt, indem das Verfahren von Versuch 5 wiederholt wurde, wobei jedoch eine Hochfrequenzspannung von 200 V mit ei ner Frequenz von 40 MHz und eine Hochfrequenzspannung von 300 V mit einer Frequenz von 40 MHz angewandt wurden und die Substrat temperatur in dem Bereich von 100 bis 600°C verändert wurde.

Bei jeder der erhaltenen Proben von abgeschiedenen Siliciumfil men wurde die Kristallinität in derselben Weise wie in Versuch 5 untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Fig. 3(C) quali tativ gezeigt.

Ferner wurde jede der Proben von abgeschiedenen Siliciumfilmen, die beim Anlegen einer Hochfrequenzspannung von 300 V mit einer Frequenz von 40 MHz bei einer Substrattemperatur im Bereich von 200 bis 600°C erhalten wurden, bezüglich der mittleren Größe der in dem Film enthaltenen Körner untersucht. Jede abgeschie dene Filmprobe wurde einer Röntgenbeugung unterzogen, und die mittlere Korngröße wurde durch die Scherrer-Gleichung erhalten.

Die erhaltenen Ergebnisse sind in Fig. 3(D) gezeigt.

Aus den in Fig. 3(C) und 3(D) gezeigten Ergebnissen ist festge stellt worden, daß der Film, der auf einem isolierenden Sub strat, das sich auf einer leitfähigen Substrat-Halteeinrichtung befindet, durch das MW-PCVD-Verfahren bei einer Abscheidungstem peratur (Substrattemperatur) in dem Bereich von 200 bis 400°C gebildet wird, während eine Hochfrequenzspannung angelegt wird, dazu neigt, leicht zu kristallisieren.

Ferner ist festgestellt worden, daß diese abgeschiedenen Sili ciumfilme hinsichtlich der mittleren Korngröße zufriedenstel lend sind.

Die Erfinder haben auf der Grundlage der in den vorstehend be schriebenen Versuchen erhaltenen Ergebnisse Untersuchungen durchgeführt, wobei Folgendes festgestellt wurde:

Es ist möglich, durch das MW-PCVD-Verfahren sogar auf einem iso lierenden Substrat bei einer niedrigen Abscheidungstemperatur stabil und wiederholt einen polykristallinen Halbleiterfilm ho her Qualität zu bilden, und zwar in dem Fall, daß in einem gas förmigen Ausgangsmaterial in einer Plasmaerzeugungskammer eine Mikrowellenentladung hervorgerufen wird und das erhaltene Plas ma dann in eine Filmbildungskammer eingeführt wird, die das iso lierende Substrat enthält, das sich auf einer darin eingebauten, leitfähigen Substrat-Halteeinrichtung befindet, während zwi schen der Plasmaerzeugungskammer und der leitfähigen Substrat- Halteeinrichtung eine Hochfrequenzspannung von 100 bis 500 V mit einer Frequenz von 20 bis 500 MHz angelegt wird und während der Innendruck der Filmbildungskammer bei einem Vakuum im Be reich von 0,133 mPa bis 667 mPa und das isolierende Substrat bei einer Temperatur in dem Bereich von 200 bis 400°C gehalten wird. In diesem Fall wird in der Nähe der Oberfläche des isolie renden Substrats ein gewünschtes Profil der Ionenenergie gebil det und werden dort gewünschte chemische Filmbildungsreaktionen verursacht. Als Folge wird auf einem isolierenden Substrat ein gewünschter polykristalliner Halbleiterfilm hoher Qualität ge bildet.

Die Erfinder haben ferner festgestellt, daß die Mikrowellenent ladung weiter stabilisiert wird und der vorstehend erwähnte po lykristalline Halbleiterfilm hoher Qualität auf einem isolieren den Substrat wirksamer gebildet wird, wenn in dem vorstehend er wähnten Fall in der Plasmaerzeugungskammer ein Magnetfeld her vorgerufen wird.

Die Erfindung ist auf der Grundlage der vorstehend erwähnten Feststellungen gemacht worden und liefert ein verbessertes MW- PCVD-Verfahren zur Bildung eines polykristallinen Halbleiterfil mes hoher Qualität auf einem isolierenden Substrat bei einer niedrigen Abscheidungstemperatur.

Der Kernpunkt des erfindungsgemäßen MW-PCVD-Verfahrens besteht darin, daß eine MW-PCVD-Vorrichtung angewandt wird, die eine mit einer Mikrowelleneinführungseinrichtung versehene Plasmaer zeugungskammer und eine Filmbildungskammer, die durch eine Git terelektrode mit der Plasmaerzeugungskammer verbunden ist, auf weist, wobei die Filmbildungskammer ein isolierendes Substrat enthält, das sich auf einer darin eingebauten, aus einem leit fähigen Material hergestellten Substrat-Halteeinrichtung befin det, wobei die Filmbildungskammer gegen die Plasmaerzeugungskam mer elektrisch isoliert ist, daß ein Plasma erzeugt wird, indem ein gasförmiges filmbildendes Ausgangsmaterial mit Mikrowellen energie in Berührung gebracht wird, die durch die Mikrowellen einführungseinrichtung zugeführt wird, um das gasförmige film bildende Ausgangsmaterial in der Plasmaerzeugungskammer zu zer setzen bzw. zu dissoziieren, und daß das Plasma in die Filmbil dungskammer eingeführt wird, während eine Hochfrequenzspannung von 100 bis 500 V mit einer Frequenz, die vorzugsweise im Be reich von 20 bis 500 MHz und insbesondere im Bereich von 25 bis 100 MHz liegt, angelegt wird, wodurch auf dem isolierenden Sub strat, das bei einer gewünschten Temperatur gehalten wird, ein polykristalliner Halbleiterfilm gebildet wird.

Bei dem erfindungsgemäßen MW-PCVD-Verfahren ist es erwünscht, daß das isolierende Substrat senkrecht zu der Richtung eines elektrischen Feldes, das durch Anlegen einer Hochfrequenzspan nung gebildet wird, angeordnet ist. In diesem Fall wird durch Anlegen einer Hochfrequenzspannung eine sehr erwünschte Wirkung erzielt.

Ferner kann bei dem erfindungsgemäßen MW-PCVD-Verfahren in der Plasmaerzeugungskammer ein Magnetfeld hervorgerufen werden, wäh rend darin ein Plasma erzeugt wird. In diesem Fall wird die Mi krowellenentladung, die in der Plasmaerzeugungskammer ein Plas ma verursacht, in höherem Maße in einem erwünschten Zustand sta bilisiert, und als Folge wird auf dem isolierenden Substrat mit höherem Wirkungsgrad ein erwünschter polykristalliner Halblei terfilm hoher Qualität gebildet.

Es ist erwünscht, daß der Innendruck der Filmbildungskammer bei der Bildung des polykristallinen Halbleiterfilms durch das er findungsgemäße MW-PCVD-Verfahren vorzugsweise im Bereich von 13,3 mPa bis 667 mPa liegt, wenn kein Magnetfeld angelegt wird. In dem Fall, daß ein Magnetfeld angelegt wird, ist es erwünscht, daß der Innendruck vorzugsweise im Bereich von 0,133 mPa bis 667 mPa liegt.

Es ist erwünscht, daß die Substrattemperatur bei der Bildung des polykristallinen Halbleiterfilms durch das erfindungsgemäße MW-PCVD-Verfahren vorzugsweise im Bereich von 200 bis 400°C und insbesondere im Bereich von 250 bis 350°C liegt.

Durch die Erfindung ist es möglich, auf einem handelsüblichen, billigen Substrat wie z. B. Natronkalkglas oder Kunstharzfolien verschiedene polykristalline Halbleiterfilme zu bilden.

Als solche polykristallinen Halbleiterfilme können polykristal line Halbleiterfilme von Elementen der Gruppe IV des Perioden systems (nachstehend als "polykristalliner Halbleiterfilm der Gruppe IV" bezeichnet), polykristalline Halbleiterfilme von Elementen der Gruppe II und VI des Periodensystems (nachstehend als "polykristalliner Halbleiterfilm der Gruppe II-VI" bezeich net) und polykristalline Halbleiterfilme von Elementen der Gruppe III und V des Periodensystems (nachstehend als "polykristal liner Halbleiterfilm der Gruppe III-V" bezeichnet) erwähnt wer den.

Besondere Beispiele für den Halbleiterfilm der Gruppe IV sind ein Poly-Si-Halbleiterfilm, ein Poly-Ge-Halbleiterfilm, ein Poly- SiGe-Halbleiterfilm und ein Poly-SiC-Halbleiterfilm.

Besondere Beispiele für den Halbleiterfilm der Gruppe II-VI sind ein Poly-ZnO-Halbleiterfilm, ein Poly-ZnS-Halbleiterfilm, ein Poly-ZnSe-Halbleiterfilm, ein Poly-CdS-Halbleiterfilm und ein Poly-CdSe-Halbleiterfilm.

Besondere Beispiele für den Halbleiterfilm der Gruppe III-V sind ein Poly-AlAs-Halbleiterfilm, ein Poly-AlSb-Halbleiterfilm, ein Poly-GaN-Halbleiterfilm, ein Poly-GaP-Halbleiterfilm, ein Poly-GaSb-Halbleiterfilm, ein Poly-InP-Halbleiterfilm, ein Poly- InAs-Halbleiterfilm und ein Poly-InSb-Halbleiterfilm.

Als isolierendes Substrat können im Rahmen der Erfindung für die Bildung irgendeines dieser polykristallinen Halbleiterfilme irgendwelche der bekannten nicht einkristallinen Substrate ver wendet werden.

Beispiele für solche Substrate sind Quarzglas, Natronkalkglas, Aluminiumoxidglas, Bornitridglas und Kunstharzfolien wie z. B. Polyimidfolie und Siliconharzfolie.

Als filmbildendes Ausgangsmaterial kann im Rahmen der Erfindung für die Bildung irgendeines der vorstehend erwähnten kristalli nen Halbleiterfilme irgendeine der dafür bekannten Verbindungen verwendet werden, die bei Normaltemperatur und Atmosphärendruck gasförmig oder leicht vergasbar sind.

Im Fall der Verwendung einer Verbindung, die bei Normaltempera tur und Atmosphärendruck nicht gasförmig ist, wird sie einer Hitzebehandlung in einem Ofen unterzogen oder wird ein Gas hin durchperlen gelassen, um ein gasförmiges Ausgangsmaterial zu er zeugen, das dann in die Plasmaerzeugungskammer oder in die Film bildungskammer eingeführt wird. Außer dem gasförmigen filmbil denden Ausgangsmaterial kann ein oder mehr als ein Gas verwen det werden, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus H₂, Ar, He, Ne, Kr, Xe, F₂, Cl₂, HF und HCl besteht, um die Mikrowellen entladung zu stabilisieren oder eine chemische Filmbildungsreak tion zu fördern.

Im einzelnen sind als filmbildendes Ausgangsmaterial für die Bildung des polykristallinen Halbleiterfilms der Gruppe IV bei spielsweise Si-haltige Verbindungen wie z. B. SiH₄, Si₂H₆, SiF4, SiHF₃, SiH₂F₂, SiH₃F, Si₂F₆, SiCl₄, SiH₂Cl₂ und SiH₃Cl. Ge haltige Verbindungen wie z. B. GeH₄ und GeF₄ und C-haltige Ver bindungen wie z. B. CH₄, C₂H₂ und C₂H₆ verwendbar.

Als Ausgangsmaterial für die Bildung des polykristallinen Halb leiterfilms der Gruppe II-VI, das ein Element der Gruppe II enthält, sind beispielsweise Zn-haltige Verbindungen wie z. B. Zn(CH₃)₂ und Zn(C₂H₅)₂ und Cd-haltige Verbindungen wie z. B. Cd(CH₃)₂ und Cd(C₂H₅)₂ verwendbar.

Als Ausgangsmaterial für die Bildung des polykristallinen Halb leiterfilms der Gruppe II-VI, das ein Element der Gruppe VI enthält, sind beispielsweise S-haltige Verbindungen wie z. B. H₂S, S(CH₃)₂, S(C₂H₅)₂ und S(CH₃) (C₂H₅) und Se-haltige Verbin dungen wie z. B. H₂Se und Se(CH₃)₂ verwendbar.

Als Ausgangsmaterial für die Bildung des polykristallinen Halb leiterfilms der Gruppe III-V, das ein Element der Gruppe III enthält, sind beispielsweise Al-haltige Verbindungen wie z. B. Al(CH₃)₃, Al(C₂H₅)₃ und AlC₄H₉)₃, Ga-haltige Verbindungen wie z. B. Ga(CH₃)₃ und Ga(C₂H₅)₃ und In(CH₃)₃ verwendbar.

Das erfindungsgemäße MW-PCVD-Verfahren zur Bildung des vorste hend erwähnten polykristallinen Halbleiterfilms auf einem iso lierenden Substrat kann in einer geeigneten MW-PCVD-Vorrichtung durchgeführt werden. Als eine solche Vorrichtung können die MW- PCVD-Vorrichtungen erwähnt werden, die eine Filmbildungskammer mit dem in Fig. 4 gezeigten Aufbau und eine Plasmaerzeugungskam mer mit einem Aufbau, wie er in einer der Fig. 5(A) bis 5(G) ge zeigt ist, aufweisen.

Einzelne Beispiele sind die MW-PCVD-Vorrichtungen, die in Fig. 7, Fig. 8(A) und Fig. 8(B) gezeigt sind.

Fig. 4 zeigt schematisch einen typischen Grundaufbau der Film bildungskammer.

In Fig. 4 bezeichnet die Bezugszahl 402 eine Substrat-Halteein richtung, die aus einem leitfähigen Material hergestellt und in einer Filmbildungskammer 404 eingebaut ist. Die Bezugszahl 403 bezeichnet ein isolierendes Substrat, das auf der leitfähigen Substrat-Halteeinrichtung angeordnet ist. Die Bezugszahl 408 be zeichnet eine Plasmaerzeugungskammer, die durch ein Isolierteil mit der Filmbildungskammer 404 verbunden ist. Die Bezugszahl 407 bezeichnet eine Gitterelektrode, die aus einem leitfähigen Metallnetzteil besteht und derart angeordnet ist, daß sie die Plasmaerzeugungskammer 408 scheinbar verschließt. Die Bezugs zahl 400 bezeichnet einen veränderlichen HF-Generator mit einem HF-Oszillator und einem Verstärker. Der veränderliche HF-Gene rator 400 ist mit der Gitterelektrode elektrisch leitend verbun den. Der veränderliche HF-Generator 400 ist durch eine Impedanz anpassungsschaltung 401 mit der leitfähigen Substrat-Halteein richtung 402 elektrisch leitend verbunden. Die Bezugszahl 409 bezeichnet ein Gaszuführungsrohr, das sich von einem (nicht ge zeigten) Gasbehälter aus erstreckt.

Fig. 5(A) bis 5(G) schematische Ansichten, die typische Beispiele für den Grundaufbau der Plasmaerzeugungskammer veran schaulichen.

In Fig. 5(A) bis 5(G) bezeichnet die Bezugszahl 500 Mikrowellen. Die Bezugszahl 501 bezeichnet einen Hohlleiter, die Bezugszahl 502 eine Plasmaerzeugungskammer, die Bezugszahl 503 ein Mikro welleneinführungsfenster, die Bezugszahl 504 einen Magneten, die Bezugszahl 505 eine Gitterelektrode (oder Erdungselektrode), die Bezugszahl 506 eine Lisitano-Spule, die Bezugszahl 507 eine Wendelantenne, die Bezugszahl 508 eine Koaxialstabantenne, die Bezugszahl 509 eine Hohlleiterschlitzantenne, die Bezugszahl 510 einen verstellbaren Tauchkolben eines Hohlraumresonators und die Bezugszahl 511 ein Gaszuführungsrohr.

Der Aufbau von Fig. 5(A) ist derart, daß eine Entladung in einem gasförmigen Ausgangsmaterial hervorgerufen wird, indem Mi krowellen direkt durch das aus einem dielektrischen Material hergestellte Mikrowelleneinführungsfenster 503 in die Plasmaer zeugungskammer, die eine Hohlraumresonatorstruktur hat, einge führt werden.

Der Aufbau von Fig. 5(B) ist der eines ECR-Systems mit nichtpo larer Entladung, bei dem die Plasmaerzeugungskammer 502 eine Hohlraumresonatorstruktur hat.

Der Aufbau von Fig. 5(C) ist derart, daß eine Entladung in ei nem gasförmigen Ausgangsmaterial hervorgerufen wird, während die Impedanz durch Verändern der Achsenlänge des Hohlraumreso nators der Plasmaerzeugungskammer 502 unter Anwendung des ver stellbaren Tauchkolbens 510 angepaßt wird.

Der Aufbau von Fig. 5(D) ist der eines ECR-Plasmaerzeugungssy stems, bei dem die Lisitano-Spule 506 angewandt wird.

Der Aufbau von Fig. 5(E) ist der eines ECR-Plasmaerzeugungssy stems, bei dem Mikrowellen durch die Wendelantenne 507 einge führt werden.

Der Aufbau von Fig. 5(F) ist der eines ECR-Plasmaerzeugungssy stems, bei dem Mikrowellen durch die Koaxialstabantenne 508 ein geführt werden.

Der Aufbau von Fig. 5(G) ist derart, daß eine Entladung in einem gasförmigen Ausgangsmaterial hervorgerufen wird, indem Mi krowellen durch die Hohlleiterschlitzantenne 509 eingeführt wer den.

In jedem der vorstehend beschriebenen Fälle weist der Grundauf bau der Plasmaerzeugungskammer 502 eine Mikrowelleneinführungs einrichtung und eine Zuführungseinrichtung für gasförmiges Aus gangsmaterial auf. Die vorstehend beschriebenen Arten des Auf baus der Plasmaerzeugungskammer 502 können bezüglich des Plas maerzeugungssystems in zwei Gruppen eingeteilt werden, und zwar in eine Gruppe mit nichtpolarer Entladung und eine Gruppe mit Antenne.

In jedem der Fälle von Fig. 5(A) bis 5(C) wird Plasma durch eine nichtpolare Entladung erzeugt, was den Vorteil hat, daß das erzeugte Plasma nicht durch Fremdstoffe verunreinigt wird. Diese Art des Aufbaus ist deshalb für den Fall geeignet, daß eine große Menge eines gasförmigen Ausgangsmaterials unter Anwendung einer hohen Mikrowellenleistung bzw. -energie zur Erzeugung ei ner großen Plasmamenge zersetzt bzw. dissoziiert wird. Die üb rigen Fälle, d. h., die der Fig. 5(D) bis 5(G), sind für die An wendung einer hohen Mikrowellenleistung bzw. -energie nicht ge eignet, jedoch hat jeder dieser Fälle den Vorteil, daß die Ent ladung in stabiler Weise hervorgerufen wird.

Um die Mikrowellenentladung in einem gasförmigen Ausgangsmate rial in stabilerer Weise hervorzurufen und ein Plasma mit höhe rem Wirkungsgrad mit einer hohen Dichte zu erzeugen, kann die Plasmaerzeugungskammer mit einer Einrichtung zum Anlegen bzw. Hervorrufen eines Magnetfelds in der Plasmaerzeugungskammer aus gestattet werden, wie es in Fig. 5(B), Fig. 5(D), Fig. 5(E) oder Fig. 5(F) gezeigt ist. In dem Fall, daß in der Plasmaer zeugungskammer ein Magnetfeld hervorgerufen wird, liegt die ma gnetische Flußdichte des Magnetfelds, das hervorgerufen wird, vorzugsweise in dem Bereich von 20,0 bis 200,0 mT und insbeson dere in dem Bereich von 60,0 bis 100,0 mT. In diesem Fall ist es im Hinblick auf eine wirksame Ausnutzung der Mikrowellenenergie erwünscht, einen Bereich der magnetischen Flußdichte bzw. Feldstärke einzustellen, der zum Hervorrufen einer Elektronen zyklotronresonanz in der Plasmaerzeugungskammer befähigt ist.

Die Plasmaerzeugungskammer kann in Abhängigkeit von den Umstän den in irgendeiner der vorstehend beschriebenen Arten aufgebaut sein.

Die in Fig. 7 gezeigte Vorrichtung ist eine typische MW-PCVD- Vorrichtung, die für die Durchführung des erfindungsgemäßen MW- PCVD-Verfahrens geeignet ist, und ist aus der in Fig. 4 gezeig ten Filmbildungskammer und der in Fig. 5(B) gezeigten Plasmaer zeugungskammer aufgebaut.

Die in Fig. 8(A) gezeigte Vorrichtung ist eine andere typische MW-PCVD-Vorrichtung, die für die Durchführung des erfindungsge mäßen MW-PCVD-Verfahrens geeignet ist, und ist aus der in Fig. 4 gezeigten Filmbildungskammer und der in Fig. 5(C) gezeigten Plasmaerzeugungskammer aufgebaut.

Die in Fig. 8(B) gezeigte Vorrichtung ist eine weitere typische MW-PCVD-Vorrichtung, die für die Durchführung des erfindungsge mäßen MW-PCVD-Verfahrens geeignet ist, und ist eine teilweise Modifikation der in Fig. 8(A) gezeigten Vorrichtung, die densel ben Aufbau wie die in Fig. 8(A) gezeigte Vorrichtung hat, von der sie sich jedoch in der Hinsicht unterscheidet, daß die leit fähige Substrat-Halteeinrichtung parallel zu der Richtung des Plasmastromes in der Filmbildungskammer angeordnet ist.

Auf eine Erläuterung der in Fig. 7 gezeigten MW-PCVD-Vorrich tung wird hier verzichtet, weil sie in jedem der vorstehend be schriebenen Versuche 5 bis 7 angewandt und in dem vorstehend be schriebenen Versuch 5 im einzelnen erläutert wurde.

Folglich werden nur die in Fig. 8(A) und 8(B) gezeigten MW-PCVD- Vorrichtung erläutert. Jede der in Fig. 8(A) und 8(B) gezeig ten MW-PCVD-Vorrichtungen weist eine Plasmaerzeugungskammer A mit einer Hohlraumresonatorstruktur und eine Filmbildungskammer B auf, die durch ein Isolierteil 806 mit der Plasmaerzeugungs kammer A verbunden ist.

Demnach ist die Filmbildungskammer B durch das Isolierteil 806 gegen die Plasmaerzeugungskammer A elektrisch isoliert. Die Be zugszahl 802 bezeichnet eine Substrat-Halteeinrichtung, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist und in die eine (nicht gezeigte) elektrische Heizeinrichtung zum Erhitzen eines isolierenden Substrats 803, das sich auf der Oberfläche der Sub strat-Halteeinrichtung 802 befindet, eingebaut ist.

Die Filmbildungskammer B ist mit einem Auslaßrohr versehen, das durch ein (nicht gezeigtes) Auslaßventil mit einer (nicht ge zeigten) Vakuumpumpe verbunden ist. Die Filmbildungskammer B ist mit einem Gaszuführungsrohr versehen, das sich von einem Gasbehälter aus erstreckt, in dem ein gasförmiges Ausgangsmate rial enthalten ist. Die Bezugszahl 800 bezeichnet einen verän derlichen HF-Generator mit einem HF-Oszillator und einem Ver stärker. Der HF-Generator 800 ist durch eine Impedanzanpassungs schaltung 801 mit der leitfähigen Substrat-Halteeinrichtung 802 elektrisch leitend verbunden. Der HF-Generator 800 ist auch mit einer Gitterelektrode (oder Erdungselektrode) 807, die aus ei nem Metallnetzteil besteht und am Endteil der Plasmaerzeugungs kammer A vorgesehen ist, elektrisch leitend verbunden. Die Be zugszahl 811 bezeichnet eine Quarzglocke, die derart angeordnet ist, daß sie mit der Gitterelektrode 807 einen Plasmaerzeugungs raum 808 bildet. Die Bezugszahl 813 bezeichnet ein Gaszufüh rungsrohr für die Einführung eines gasförmigen Ausgangsmateri als in den Plasmaerzeugungsraum 808. Die Plasmaerzeugungskammer A ist mit einem Hohlleiter 810 versehen, der sich von einer (nicht gezeigten) Mikrowellenenergiequelle aus erstreckt und zur Einführung von Mikrowellen 809 in die Plasmaerzeugungskam mer A dient. Die Bezugszahl 812 bezeichnet einen verstellbaren Tauchkolben, mit dem die Achsenlänge des Hohlraumresonators ver ändert werden kann. Bei der Hohlraumresonatorstruktur der Plas maerzeugungskammer A werden Mikrowellen durch den Hohlleiter 810 und durch die Quarzglocke 811 in den Plasmaerzeugungsraum 808 eingeführt, während mit dem Tauchkolben 812 die Länge des Hohlraumresonators eingestellt wird, und mit dem dort eingeführ ten gasförmigen Ausgangsmaterial in Berührung gebracht, um Plas ma zu erzeugen, das dann durch die Gitterelektrode 807 in einem durch die Bezugszahl 805 gezeigten Zustand in die Filmbildungs kammer eingeführt wird, während durch den HF-Generator eine Hochfrequenzspannung angelegt wird, wodurch auf dem isolieren den Substrat 803, das bei einer gewünschten Temperatur gehalten wird, die Bildung eines polykristallinen Halbleiterfilms verur sacht wird.

Wenn im Fall der Durchführung des erfindungsgemäßen MW-PCVD- Verfahrens mit einer der vorstehend beschriebenen MW-PCVD-Vor richtungen ein gasförmiges filmbildendes Ausgangsmaterial, das nicht leicht zersetzbar ist, verwendet wird, ist es erwünscht, solch ein gasförmiges filmbildendes Ausgangsmaterial direkt in die Plasmaerzeugungskammer einzuführen. Alternativ ist es mög lich, ein gasförmiges plasmaerzeugendes Ausgangsmaterial in die Plasmaerzeugungskammer und ein gasförmiges filmbildendes Aus gangsmaterial in die Filmbildungskammer einzuführen. Diese zwei Verfahren können in Abhängigkeit von der Art des gasförmigen filmbildenden Ausgangsmaterials, das verwendet wird, oder von anderen Bedingungen selektiv angewandt werden. Das an zweiter Stelle erwähnte Verfahren ist besonders in dem Fall wirksam, daß ein gasförmiges filmbildendes Ausgangsmaterial verwendet wird, das durch Wärmeenergie leicht zersetzbar ist.

Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, zur weiteren Förderung filmbildender chemischer Reaktionen der Oberfläche des isolie renden Substrats während der Filmbildung Wärme- oder Lichtener gie zuzuführen.

Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden nachste hend durch Beispiele näher erläutert.

Beispiel 1

Auf einem isolierenden Substrat wurde unter Anwendung der in Fig. 7 gezeigten MW-PCVD-Vorrichtung in derselben Weise wie in Versuch 5 ein polykristalliner Silicium-Halbleiterfilm gebildet.

Als isolierendes Substrat wurde eine Glasplatte (Corning No. 7059 glass plate; hergestellt von Corning Glass Works) verwen det.

Die Glasplatte wurde auf die Oberfläche der leitfähigen Sub strat-Halteeinrichtung 708 aufgelegt, auf 300°C erhitzt und bei dieser Temperatur gehalten. Die Plasmaerzeugungskammer 701 und die Filmbildungskammer 702 wurden durch Betätigen der nicht gezeigten Vakuumpumpe auf ein Vakuum von etwa 26,7 µPa evaku iert. H₂-Gas und SiH₄-Gas wurden durch das Gaszuführungsrohr 705 mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 50 bzw. 5 Ncm³/min in die Plasmaerzeugungskammer 701 eingeführt. Der Innendruck der Filmbildungskammer 702 wurde auf ein Vakuum von etwa 2,67 mPa eingestellt und bei diesem Wert gehalten. Dann wurde der Elektromagnet 709 erregt, um ein Magnetfeld von 87,5 mT anzule gen, und gleichzeitig wurde die Mikrowellenenergiequelle einge schaltet, um in die Plasmaerzeugungskammer 701 durch das Mikro welleneinführungsfenster 703 Mikrowellenenergie mit einer Lei stung von 300 W einzuführen. Gleichzeitig wurde der HF-Genera tor 700 eingeschaltet, um an die leitfähige Substrat-Halteein richtung 708 durch die Impedanzanpassungsschaltung 714 eine Hochfrequenzspannung von 300 V mit einer Frequenz von 100 MHz anzulegen. Aus diese Weise wurde eine Filmbildung durchgeführt. Als Ergebnis wurde auf der Glasplatte mit einer Abscheidungsge schwindigkeit von 0,15 nm/s ein 2,5 µm dicker polykristalliner Siliciumfilm gebildet.

Die Kristallinität des erhaltenen Films wurde durch RHEED unter sucht. Auf der Oberfläche des erhaltenen Films wurde durch Va kuumaufdampfung eine Elektrode angeordnet, und sein Hall-Effekt wurde durch die Van-der-Pauw-Methode geprüft. Der Film zeigte bei der RHEED-Untersuchung ein Punkt-Beugungsbild, wodurch eine sehr gute Kristallinität gezeigt wird, und liefert bei der Prü fung des Hall-Effekts eine Hall-Beweglichkeit von 64 cm²/V·s.

Als Ergebnis wurde festgestellt, daß der erhaltene Film ein po lykristalliner Silicium-Halbleiterfilm hoher Qualität war.

Vergleichsbeispiel 1

Das vorstehend beschriebene Filmbildungsverfahren wurde unter Anwendung der in Fig. 6 gezeigten Vorrichtung wiederholt, wo bei H₂-Gas und SiH₄-Gas mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 50 bzw. 5 Ncm³/min verwendet wurden und eine Gleichspannung von -400 V angelegt wurde, wodurch auf einer Glasplatte (Corning No. 7059) mit einer Abscheidungsgeschwindigkeit von 1,3 nm/s ein 1,8µm dicker abgeschiedener Film gebildet wurde.

Der erhaltene Film wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 untersucht. Der Film zeigte bei der RHEED-Untersuchung ein Ring- Beugungsbild, wodurch eine schlechte Kristallinität gezeigt wur de, und lieferte eine Hall-Beweglichkeit von 4 cm²/V·s.

Es wurde festgestellt, daß der erhaltene Film ein praktisch nicht akzeptierbarer polykristalliner Siliciumfilm war.

Beispiel 2

Das Verfahren von Beispiel 1 wurde wiederholt, wobei jedoch der Innendruck der Filmbildungskammer zu 267 mPa verändert wurde, wodurch auf einer Glasplatte (Corning No. 7059) mit einer Ab scheidungsgeschwindigkeit von 1,7 nm/s ein 2,5 µm dicker poly kristalliner Siliciumfilm gebildet wurde.

Der erhaltene Film wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 untersucht. Der Film zeigte bei der RHEED-Untersuchung ein Punkt-Beugungsbild, wodurch eine sehr gute Kristallinität ge zeigt wurde, und lieferte eine Hall-Beweglichkeit von 56 cm²/V·s.

Es wurde festgestellt, daß der erhaltene Film ein polykristalli ner Silicium-Halbleiterfilm hoher Qualität war.

Beispiel 3

Das Verfahren von Beispiel 1 wurde wiederholt, wobei jedoch der Elektromagnet nicht angewandt wurde, wodurch auf einer Glasplatte (Corning No. 7059) mit einer Abscheidungsgeschwindigkeit von 1,1 nm/s ein 2,5 µm dicker polykristalliner Siliciumfilm gebil det wurde.

Der erhaltene Film wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 untersucht. Der Film zeigte bei der RHEED-Untersuchung ein Punkt-Beugungsbild, wodurch eine sehr gute Kristallinität ge zeigt wurde, und lieferte eine Hall-Beweglichkeit von 43 cm²/V·s.

Vergleichsbeispiel 2

Das Verfahren von Beispiel 1 wurde wiederholt, wobei jedoch die angelegte Hochfrequenzspannung zu einer Hochfrequenzspannung von 400 V mit einer Frequenz von 13,56 MHz verändert wurde, wo durch auf einer Glasplatte (Cornig No. 7059) mit einer Abschei dungsgeschwindigkeit von 1,1 nm/s ein 1,6 µm dicker abgeschiede ner Film gebildet wurde.

Der erhaltene Film wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 untersucht. Der Film zeigte bei der RHEED-Untersuchung ein Ring- Beugungsbild, wodurch eine schlechte Kristallinität gezeigt wur de, und lieferte eine Hall-Beweglichkeit von 1 cm²/V·s.

Beispiel 4

Auf einem isolierenden Substrat wurde unter Anwendung der in Fig. 8(A) gezeigten MW-PCVD-Vorrichtung ein polykristalliner Halbleiterfilm gebildet.

Als isolierendes Substrat wurde eine Glasplatte (Corning No. 7059) verwendet.

Die Glasplatte wurde auf die Oberfläche der leitfähigen Sub strat-Halteeinrichtung 802 aufgelegt, auf 300°C erhitzt und bei dieser Temperatur gehalten.

Die Filmbildungskammer 804 wurde durch Betätigen der (nicht ge zeigten) Vakuumpumpe auf ein Vakuum von etwa 0,133 mPa evaku iert. H₂-Gas und Ar-Gas wurden durch das Gaszuführungsrohr 813 mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 10 bzw. 5 Ncm³/min in den Plasmaerzeugungsraum 808 eingeführt. Gleichzeitig wurde SiH₄-Gas durch das Gaszuführungsrohr 814 mit einer Strömungsge schwindigkeit von 10 Ncm³/min in die Filmbildungskammer 804 ein geführt. Der Innendruck wurde durch Regulieren des (nicht ge zeigten) Auslaßventils auf ein Vakuum von etwa 667 mPa einge stellt. Dann wurde die (nicht gezeigte) Mikrowellenenergiequel le eingeschaltet, um in den Plasmaerzeugungsraum 808 durch den Hohlleiter 810 und die Quarzglocke 811 Mikrowellenenergie mit einer Leistung von 300 W einzuführen. Gleichzeitig wurde der HF- Generator 800 eingeschaltet, um die leitfähige Substrat-Hal teeinrichtung 802 eine Hochfrequenzspannung von 100 V mit einer Frequenz von 50 MHz anzulegen. Auf diese Weise wurde auf der Glasplatte mit einer Abscheidungsgeschwindigkeit von 1,7 nm/s ein 1,5 µm dicker polykristalliner Siliciumfilm gebildet.

Der erhaltene Film wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 untersucht.

Der Film zeigte bei der RHEED-Untersuchung ein Punkt-Beugungs bild, wodurch eine sehr gute Kristallinität gezeigt wurde, und lieferte eine Hall-Beweglichkeit von 20 cm²/V·s.

Es wurde festgestellt, daß der erhaltene Film ein polykristalliner Silicium-Halbleiterfilm hoher Qualität war.

Vergleichsbeispiel 3

Das Verfahren von Beispiel 4 wurde wiederholt, wobei jedoch der HF-Generator ausgeschaltet war und folglich an die leitfähige Substrat-Halteeinrichtung 802 keine Hochfrequenzspannung ange legt wurde, wodurch auf einer Glasplatte (Corning No. 7059) ein abgeschiedener Film gebildet wurde.

Der erhaltene Film wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 untersucht. Der Film zeigte bei der RHEED-Untersuchung ein Ha lo-Beugungsbild, wodurch Nicht-Kristallinität (amorphe Struktur) gezeigt wurde, und lieferte eine Hall-Beweglichkeit von 0,7 cm²/V·s.

Es wurde festgestellt, daß der erhaltene Film ein amorpher Sili ciumfilm mit schlechten Halbleitereigenschaften war.

Beispiel 5

Auf einem isolierenden Substrat wurde unter Anwendung der in Fig. 7 gezeigten MW-PCVD-Vorrichtung ein polykristalliner ZnSe- Halbleiterfilm gebildet.

Als isolierendes Substrat wu 05716 00070 552 001000280000000200012000285910560500040 0002004013944 00004 05597rde eine Glasplatte (Corning No. 7059) verwendet.

Die Glasplatte wurde auf die Oberfläche der leitfähigen Sub strat-Halteeinrichtung 708 aufgelegt, auf 350°C erhitzt und bei dieser Temperatur gehalten.

Die Plasmaerzeugungskammer 701 und die Filmbildungskammer 702 wurden durch Betätigen der nicht gezeigten Vakuumpumpe auf ein Vakuum von etwa 107 µPa evakuiert. H₂-Gas und Se(CH₃)₂-Gas wur den durch das Gaszuführungsrohr 705 mit einer Strömungsgeschwin digkeit von 8 bzw. 3 Ncm³/min in die Plasmaerzeugungskammer 701 eingeführt.

Gleichzeitig wurde Zn(CH₃)₂-Gas durch das Gaszuführungsrohr 706 mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1 Ncm³/min in die Film bildungskammer 702 eingeführt.

Der Innendruck der Filmbildungskammer 702 wurde durch Regulie ren des (nicht gezeigten) Auslaßventils auf ein Vakuum von etwa 267 mPa eingestellt. Dann wurde der Elektromagnet erregt, um in der Plasmaerzeugungskammer 701 ein Magnetfeld von 100,0 mT anzulegen, und gleichzeitig wurde die Mikrowellenenergiequelle eingeschaltet, um in die Plasmaerzeugungskammer 701 durch das Mikrowelleneinführungsfenster 703 Mikrowellenenergie mit einer Leistung von 200 W einzuführen. Gleichzeitig wurde der HF-Gene rator eingeschaltet, um an die leitfähige Substrat-Halteein richtung 708 durch die Impedanzanpasungsschaltung 714 eine Hochfrequenzspannung von 200 V mit einer Frequenz von 50 MHz an zulegen. Auf diese Weise wurde eine Filmbildung durchgeführt, wodurch auf der Glasplatte ein 2,6 µm dicker polykristalliner ZnSe-Film gebildet wurde.

Der erhaltene Film wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 untersucht; er zeigte bei der RHEED-Untersuchung ein Punkt-Beu gungsbild, wodurch eine sehr gute Kristallinität gezeigt wurde, und lieferte eine Hall-Beweglichkeit von 45 cm²/V·s.

Es wurde festgestellt, daß der erhaltene Film ein polykristalli ner ZnSe-Halbleiterfilm hoher Qualität war.

Beispiel 6

Es wurde ein TFT mit dem in Fig. 9 gezeigten Aufbau hergestellt, der eine durch das erfindungsgemäße MW-PCVD-Verfahren gebildete Halbleiterschicht hatte.

In Fig. 9 bezeichnet die Bezugszahl 900 ein lichtdurchlässiges isolierendes Substrat, die Bezugszahl 901 eine polykristalline Halbleiterschicht, die Bezugszahl 902 eine mit einem Fremdstoff dotierte Schicht (Dotierungsschicht), die Bezugszahl 903 eine Source-Elektrode, die Bezugszahl 904 eine Drain-Elektrode, die Bezugszahl 905 einen Gate-Isolierfilm und die Bezugszahl 906 ei ne Gate-Elektrode.

Der vorstehend erwähnte TFT wurde folgendermaßen hergestellt: Zunächst wurde auf einer Glasplatte (Corning No. 7059), die als das lichtdurchlässige isolierende Substrat 900 diente, durch Wiederholung des in Beispiel 1 beschriebenen Filmbildungsverfah rens ein 30,0 nm dicker polykristalliner Silicium-Halbleiter film, der als die polykristalline Halbleiterschicht 901 diente, gebildet. Auf der so gebildeten Halbleiterschicht 901 wurde durch Wiederholung des in Beispiel 1 beschriebenen Filmbildungs verfahrens, bei dem in die Filmbildungskammer 702 jedoch zusätz lich PH₃-Gas eingeführt wurde, ein n⁺-Dotierungsfilm, der als die Dotierungsschicht 902 diente, gebildet. Auf der Dotierungs schicht 902 wurde durch das übliche Elektronenstrahl-Verdampfungs verfahren ein 100,0 nm dicker Al-Film gebildet. Der Dotie rungsfilm und der Al-Film wurden einer Musterbildung durch Pho tolithographie unterzogen. Auf diese Weise wurden die Source- Elektrode 903 und die Drain-Elektrode 904 gebildet. Dann wur de durch das übliche Plasma-CVD-Verfahren, bei dem SiH₄-Gas und NH₃-Gas verwendet wurden, ein 250,0 nm dicker Siliciumnitrid film, der als der Gate-Isolierfilm 905 diente, gebildet. Auf dem so gebildeten Gate-Isolierfilm 905 wurde durch das übliche Elektronenstrahl-Verdampfungsverfahren ein 500,0 nm dicker Al- Film gebildet. Der Al-Film wurde einer Musterbildung durch Pho tolithographie unterzogen, wodurch die Gate-Elektrode 906 ge bildet wurde. Auf diese Weise wurde eine Polykristallsilicium- TFT erhalten.

Der erhaltene TFT wurde durch das übliche Verfahren bewertet. Er zeigte ein 8·10⁵ betragendes Verhältnis von Einschaltzeit zu Ausschaltzeit des elektrischen Stroms und eine Trägerbeweglich keit von 52 cm²/V·s.

Folglich ist festgestellt worden, daß dieser TFT ausgezeichnete TFT-Eigenschaften hat und in gewünschter Weise praktisch anwend bar ist.

Beispiel 7

Das Verfahren von Beispiel 6 wurde wiederholt, wobei jedoch die Glasplatte (Corning No. 7059) durch ein Natronkalkglas ersetzt wurde, wodurch ein Polykristallsilicium-TFT erhalten wurde.

Dieser TFT wurde bewertet und zeigte ein 4·10⁵ betragendes Ver hältnis von Einschaltzeit zu Ausschaltzeit des elektrischen Stroms und eine Trägerbeweglichkeit von 31 cm²/V·s.

Tabelle 1

Claims

1. Verfahren zur Bildung eines polykristallinen Halbleiterfilms auf einem isolierenden Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß eine MW-PCVD-Vorrichtung mit einer Plasmaerzeugungskammer, die mit einer Mikrowelleneinführungseinrichtung versehen ist, und einer Filmbildungskammer, die durch eine Gitterelektrode mit der Plasmaerzeugungskammer verbunden ist, angewendet wird, wo bei die Filmbildungskammer das isolierende Substrat enthält, das sich auf einer darin eingebauten Substrat-Halteeinrichtung befindet, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist; daß in der Plasmaerzeugungskammer ein Plasma erzeugt wird, in dem ein gasförmiges filmbildendes Ausgangsmaterial mit Mikrowel lenenergie in Berührung gebracht wird, die durch die Mikrowel leneinführungseinrichtung zugeführt wird; und daß das Plasma in die Filmbildungskammer eingeführt wird, während zwischen der Gitterelektrode und der Substrat-Halteeinrichtung eine Hochfre quenzspannung mit einer Frequenz von 20 bis 500 MHz angelegt wird, wodurch auf dem isolierenden Substrat, das bei einer ge wünschten Temperatur gehalten wird, die Bildung eines polykri stallinen Halbleiterfilms verursacht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzspannung 100 bis 500 V beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendruck der Filmbildungskammer bei einem Vakuum im Bereich von 13,3 bis 667 mPa gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Substrat bei einer Temperatur im Bereich von 200°C bis 400°C gehalten wird.

5. Verfahren zur Bildung eines polykristallinen Halbleiterfilms auf einem isolierenden Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß eine MW-PCVD-Vorrichtung mit einer Plasmaerzeugungskammer, die mit einer Mikrowelleneinführungseinrichtung und einer Einrich tung zum Hervorrufen eins Magnetfelds versehen ist, und einer Filmbildungskammer, die durch eine Gitterelektrode mit der Plas maerzeugungskammer verbunden ist, angewendet wird, wobei die Filmbildungskammer das isolierende Substrat enthält, das sich auf einer darin eingebauten Substrat-Halteeinrichtung befindet, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist; daß in der Plasmaerzeugungskammer ein Plasma erzeugt wird, indem ein gas förmiges filmbildendes Ausgangsmaterial mit Mikrowellenenergie in Berührung gebracht wird, die durch die Mikrowelleneinfüh rungseinrichtung zugeführt wird, während in der Plasmaerzeu gungskammer durch die Einrichtung zum Hervorrufen eines Magnet felds ein Magnetfeld hervorgerufen wird; und daß das Plasma in die Filmbildungskammer eingeführt wird, während zwischen der Gitterelektrode und der Substrat-Halteeinrichtung eine Hochfre quenzspannung mit einer Frequenz von 20 bis 500 MHz angelegt wird, wodurch auf dem isolierenden Substrat, das bei einer ge wünschten Temperatur gehalten wird, die Bildung eines polykri stallinen Halbleiterfilms hoher Qualität verursacht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzspannung 100 bis 500 V beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendruck der Filmbildungskammer bei einem Vakuum im Bereich von 0,133 bis 667 mPa gehalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Substrat bei einer Temperatur im Bereich von 200°C bis 400°C gehalten wird.