JP2001144017A

JP2001144017A - スパッタ装置

Info

Publication number: JP2001144017A
Application number: JP2000298843A
Authority: JP
Inventors: Koyu Cho; 宏勇張; Shunpei Yamazaki; 舜平山崎; Takashi Inushima; 喬犬島
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2001-05-25

Abstract

(57)【要約】【課題】高品質な半導体膜を作製できるスパッタ装置
を提供する。【解決手段】反応室、水素ボンベ、真空ポンプ、基板
ホルダーおよび半導体ターゲットを含むスパッタ装置で
あって、前記半導体ターゲットと前記基板ホルダーが９
０ｍｍ以上の距離をおいて相対することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低温工程によって
薄膜デバイスに応用できる高品質な半導体膜を作製する
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】低温工程によって、半導体膜を得る方法
としてはスパッタ法が知られているが実用に耐える電気
的特性を有する半導体膜を得ることができなかった。例
えばＩ型半導体を作製使用とする場合、ターゲット中に
酸素やＰまたはＮ型の導電型を付与する公知のIII 価，
Ｖ価の不純物が多量に存在しているので良質なＩ型半導
体膜をスパッタ法によって得ることはできなかった。

【０００３】また、従来スパッタ法によってＰまたはＮ
型の半導体膜を得る方法としては、例えば一導電型の珪
素膜を得ようとするならば単結晶シリコンに一導電型を
付与する不純物を添加したターゲットを用いて、アルゴ
ンのみを用いた雰囲気中においてスパッタリングをする
か、ＰまたはＮ型を付与する不純物が添加されていない
単結晶シリコンターゲットを用いて一導電型付与する元
素を含んだ反応ガス（例えばフォスヒン）を添加したア
ルゴン雰囲気中でスパッタリングをするのが公知の方法
であると考えられている。しかし従来の方法においては
10^-5( Ωcm) ^-1以上の導電率を有する一導電型の半導体
であるＰまたはＮ型の半導体膜を得ることができなかっ
た。これはＰまたはＮ型の導電型を付与する不純物が半
導体中で置換してドナーまたはアクセプターとならない
からである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、低温で成膜
でき、生産性にも優れたスパッタ法を用いて良質な半導
体膜、例えばＩ型半導体そして導電率の高い一導電型を
有する半導体膜を作製することを発明の課題とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、水素を含んだ
アルゴンのごとき不活性雰囲気中の水素の分圧比が好ま
しくは30％以上である雰囲気中でスパッタリングによっ
て半導体膜を作製する方法であって、基板を絶縁状態す
なわちフローティングの状態とする方法と、基板とター
ゲットの距離を９０ｍｍ以上離してスパッタリングによ
って半導体膜を作製することを特徴とする半導体作製方
法である。基板をフローティングとするのは、基板をア
ース電位とした場合に生じる基板に対するイオンの衝撃
を防ぐためである。基板とターゲットの距離を９０ｍｍ
以上離すのは水素を含んだ不活性雰囲気中におけるスパ
ッタリングによって得られた半導体膜は、スパッタ時に
おいて水素が多量に存在している雰囲気において、ター
ゲットから飛び出しターゲットを構成している原子のク
ラスタが水素プラズマ中を飛翔する間にクラスタの不対
結合手を水素によって中和されやすくするためである。
このクラスタは基板に到達し、水素を介して他のクラス
タと結合する。よって不対結合手が水素によって中和さ
れたクラスタがターゲットから基板に到達する際におい
て、成膜時における水素の分圧比が大きい場合、クラス
タが水素原子と頻繁に衝突するので珪素クラスタの不対
結合手が少なくなり珪素クラスタの水素を介した結合が
より密になり緻密な半導体膜（例えば珪素膜）を得るこ
とができる。

【０００６】しかしながらアルゴンのごとき不活性気体
中の水素分圧比を８０％以上と大きくした場合、成膜レ
ートが極めて悪くなりスパッタ法の特徴である生産性の
良さを生かすことができなかった。また水素の分圧比を
３０％程度とした場合には、実用的な成膜レートが得ら
れるとともにある程度の膜の特性が得られた。このこと
は図２のスパッタ時の水素分圧と成膜された真性の珪素
半導体膜のラマンスペクトルの関係を示した図をみれば
わかる。水素分圧が３０％以上であれば結晶性を示すピ
ークが鋭く出ていることがわかる。この図より単結晶の
珪素のピ−ク５２１ｃｍ^-1より低周波側にシフトしたピ
−クが観察される。この５２１ｃｍ^-1より低周波側にシ
フトしたピ−クは、弱い格子歪みを有した結晶性の状態
を示している。またその見掛け上の粒径は半値巾から計
算すると、５０〜５００Åとマイクロクリスタルのよう
になっているが、実際はこの結晶性の高い領域は多数あ
ってクラスタ構造を有し、その各クラスタ間は互いに珪
素同志で結合( アンカリング) がされたセミアモルファ
ス構造の被膜を形成していることがわかる。なおこの図
２に示されたラマンスペクトルを示した半導体膜は、単
結晶シリコンターゲットを用い基板温度１５０℃、成膜
圧力０．５ｐａ、基板とターゲットの距離は８０ｍｍで
ある。また成膜雰囲気はアルゴンと水素の混合雰囲気
で、ＲＦ出力は４００Ｗで成膜した膜である。

【０００７】成膜時の水素分圧が３０％以上であれば一
応半導体膜として用いることができるのであるが、水素
分圧が高い条件で成膜した半導体膜を絶縁ゲイト型電界
効果トランジスタのチャネル形成領域に用いた場合、図
３に示すようにキャリアの移動度が水素分圧比（Ｐ_H／
Ｐ_TOTAL）が高い場合の半導体膜を用いた方が高いこと
がわかっている。この図３に示す絶縁ゲイト型電界効果
トランジスタのチャネル形成領域に用いた半導体膜は図
２にそのラマンスペクトルを示した珪素半導体を用いた
ものである。

【０００８】そこで、本発明においては水素原子とスパ
ッタされたターゲットを構成しているクラスタとの衝突
を高めるためにターゲットと基板の距離を９０ｍｍ以上
とすることによって、30％程度の低い水素分圧であって
も高い水素分圧時に得られる膜質と同等の膜質を得よう
とするものである。

【０００９】本発明の構成をとると、ターゲットを構成
している元素からなるクラスタの基板面における運動エ
ネルギーを小さくすることができるので、基板にたいす
る前記クラスタのスパッタリングを防ぐことができ、基
板を電気的にフローティングにすることと合わせて、ス
パッタ衝撃による損傷のない良質な半導体膜を得るのに
効果があった。イオンのスパッタリングによって基板が
損傷してしまうことを防ぐためには、基板とターゲット
の距離を大きくとる方法以外に投入ＲＦパワーを小さく
する方法があるが、この場合は基板とターゲット間の距
離がとれないので水素分圧を高くしなければならないの
で、ＲＦパワーを小さいことと水素分圧が高いことの相
乗効果で一層成膜レートが下がってしまい実用上問題が
あった。

【００１０】またＰまたはＮ型の導電型を有する半導体
層を得るのであれば、ＰまたはＮ型の導電型を付与する
元素であるIII 価またはＶ価の元素が好ましくは１×１
０¹⁷ｃｍ^-3以上添加された単結晶または多結晶の半導体
ターゲットを用いることができる。この成膜の際、基板
の温度を２００℃以下とすることによって導電率が低
く、結晶性の高いＰまたはＮ型の一導電型を有する半導
体膜を作製することができる。

【００１１】本発明の構成をとった場合、３００℃以下
の成膜温度（基板温度）において、単結晶または多結晶
のシリコンターゲットに導電率が１００（Ωｃｍ) ^-1〜
０．1(Ωｃｍ) ^-1となるように一導電型を付与する不純
物であるIII 価またはＶ価の元素を添加したターゲット
を用いて、水素を含む雰囲気中においてスパッタリング
によって成膜を行い、かつこのスパッタリングの際に基
板温度を２００℃以下好ましくは１５０℃以下とするこ
とによって１０^-2（Ωｃｍ) ^-1以上の導電率を有するＰ
またはＮ型の半導体層を得ることができる。

【００１２】本発明の構成は、珪素半導体に限らず他の
半導体に適用できることはいうまでもない。例えば、一
導電型を付与する不純物（例えばボロン、リン等のIII
価、Ｖ価の元素）が添加されたシリコン（珪素）とゲル
マニウムのターゲットを同時に用いることによって、一
導電型を有するSi_xGe_1-x（０≦Ｘ≦１）の半導体膜を
得ることができる。この場合、それぞれのターゲットの
面積を変えることで、半導体膜の組成比を変えることが
できるという別の特徴を有する。この思想によれば、さ
らに複数のターゲットを同時に用いることでさらに複雑
な組成比を有する半導体膜を得るこができる。

【００１３】

【実施例１】本実施例は、図１に示すマグネトロン型Ｒ
Ｆスパッタ装置を用いてＮ型珪素半導体膜をガラス基板
上に酸化珪素膜を１０００Åの厚さに設けた上に３００
℃以下の成膜条件で半導体膜を作製するものである。

【００１４】以下図１に示すマグネトロン型ＲＦスパッ
タ装置について説明する。図１において、(12)は基板、
(13)は必要に応じて回転することのでき、電気的のフロ
ーティング状態にあるホルダー、(14)は基板加熱用のヒ
ーター、(15)はガス導入系、(17) はガス導入系のバル
ブ、(18)はガス供給系例えば水素が充填されたボンベで
ある。この第１図においては一種類のガス供給系しか記
載されていないが、その他必要に応じてアルゴン、フォ
スヒン、ジボラン、窒素等のガス供給系を備えてもよ
く、この際ガス導入系を複数設け同時に反応室内にガス
を導入できるようにしてもよい。また、(19)は高周波電
源(13.56MHz)であり、(20)は高周波マッチング装置であ
り、(21)は必要に応じて回転する永久磁石(22)を円形上
に設けたマグネトロン部分である。

【００１５】さらに(23)はスパッタ粒子（スパッタされ
た原子やクラスタ、イオン等）が基板に到達しないよう
にするためのシャッターである。このシャッター(23)は
スパッタリング開始直後に不純物がスパッタ粒子となっ
て基板に到達するのを防ぐものであるが、必要に応じて
スパッタ粒子が被形成面に到達しないように用いること
ができる。(24)はターゲットである。ターゲットは必要
に応じて不純物元素例えばリン、ボロン、弗素その他ハ
ロゲン元素等を混入させることにより不純物がドーピン
グされた薄膜を成膜することができる。(25)はガス排気
系であり、(26)はターボ分子ポンプ、(27)は油回転ポン
プである。また(28),(29) は排気系のバルブである。さ
らに(34)にはさらに高い高真空状態や特定の不純物を排
気するためにクライオポンプ31、回転ポンプ(33)を備え
た排気系(34)を備えている。なお(30),(33) はこの排気
系(34)のバルブである。

【００１６】このうちクライオポンプが設けられた排気
系(34)は主として、成膜前の高真空排気に用いられ、１
０^-10Ｔｏｒｒ程度まで反応容器内を排気でき、反応容
器内に吸着している気体や分子を排気することができ
る。特に成膜前の高真空排気は膜中に含まれる酸素、炭
素、窒素の不純物量を減らすことに対して有効である。

【００１７】本実施例においては、基板(12)の加熱はヒ
ーター(14)によって行ったが、赤外線ランプで行っても
よい。

【００１８】本実施例において、ターゲットは一導電型
を付与する不純物であるアンチモンが添加された抵抗率
ρ＝０．６０Ωｃｍである溶融シリコンターゲットを用
いたが、他の一導電型を付与する不純物例えばＮ型であ
ればＶ価元素である公知のＰ、As、Sb、Ｐ形であればII
I 価元素である公知のＢを用いることができることはい
うまでもない。またターゲットの導電率を熱アニール等
の方法でできるだけ高くすることは効果がある。さらに
ターゲット中の導電型に寄与する以外の不純物、例えば
炭素、酸素、窒素等は２×１０¹⁸／ｃｍ³以下がよい。
成膜条件は、水素とアルゴンの混合雰囲気中において、
水素分圧をパラメータとし、成膜温度１５０℃、圧力
０．５ｐａ、ＲＦパワー４００Ｗで、基板とターゲット
の距離は１００ｍｍである。また基板は電気的にフロー
ティングとした。珪素半導体膜は、膜厚２０００Åの厚
さにガラス基板上に成膜した。

【００１９】図４（Ａ）に本実施例において得られたＮ
型半導体膜の導電率σ（Ωｃｍ）^-1と成膜時の雰囲気中
における水素の分圧比％との関係を示す。この図を見る
と、スパッタリング時における水素分圧が３０％以上で
σ＝１０^-2（Ωｃｍ）^-1以上の値が得られていることが
わかる。この図からも水素分圧は可能な限りる高い方が
良いことがわかる。

【００２０】図５には、本実施例において得られた成膜
時の水素分圧比の違いによるラマンスペクトルを示す。
この図からも水素分圧比（Ｐ_H／Ｐ_T）が３０％以上で
極めて結晶性の単結晶シリコンのスペクトルである５２
１ｃｍ^-1の波数よりも低いところに鋭いピークが出てい
ることがわかる。このように１５０℃という低い成膜温
度（基板温度）で図５に示されるような高い結晶性を示
す半導体膜が得られることは本発明の大きな特徴であ
る。このことは一般に２００℃以下のプロセスであれば
安価な大面積ガラス基板を用いることができるという点
を考えれば明らかである。

【００２１】一般にσ＝１０^-1( Ωｃｍ) ^-1以上の値を
得ることができば、絶縁ゲイト型電界効果トランジスタ
のソース、ドレイン領域として十分に実用になる。この
ことを考えると、水素が添加された不活性雰囲気中にお
けるスパッタリングによって得られた一導電型を有する
珪素膜（この場合はＮ型珪素膜）は大面積に成膜するこ
とができるので、従来の不純物イオンドーピング等に比
べ、経済性を備えると同時に電気的特性に優れた一導電
型を有する半導体膜であるといえる。

【００２２】このスパッタリングによって得られた膜の
導電率がターゲットの導電率の1 ／１００〜１／３の
値、すなわち０．１（Ωｃｍ）^-1以上の導電率を有する
Ｐ型またはＮ型の半導体を得ることができることは有用
である。

【００２３】また本発明の構成において、基板に対する
イオンのスパッタリングの影響を小さくするために基板
（一般的にはガラス基板、シリコン基板等が用いられ
る）を電気的にフローティングとする。本実施例におい
ては基板ホルダー(13)をフローティングとした。ここ
で、基板をアース電位すなわち基板ホルダー(13)をアー
ス電位とすると成膜される半導体膜がイオンのスパッタ
効果によって叩かれるのでサンプルによってＸＲＤ強度
に大きくばらつきがでたり、この半導体膜を使用したデ
バイスの再現性が著しく悪くなった。

【００２４】また基板とターゲットの距離を本実施例の
半分とすると図４（Ｂ）のように低い導電率しか得られ
なかった。すなわち基板とターゲットの距離は１００ｍ
ｍ以上であることが望ましいことになる。

【００２５】すなわち本発明においては、水素を含む不
活性雰囲気中においてスパッタリングによって半導体膜
の成膜を行なうに際して、高い水素分圧の場合と同様の
膜質を低い水素分圧におけるスパッタリングによって得
ようとする場合、その高い水素分圧の場合における基板
とターゲットの距離より、低い水素分圧でスパッタリン
グを行なう場合のターゲットと基板の距離を長くすれば
よいのである。

【００２６】本実施例においては、アンチモンの添加さ
れたターゲットを用いてＮ型の珪素半導体膜を基板上に
作製したが、スパッタリング成膜に用いるターゲットに
は、Ｎ型の導電型を付与する不純物であれば、リン(P)
、砒素(As)、アンチモン(Sb)等のＶ価の元素を、Ｐ型
の導電体を付与する不純物であればボロン(B) 、アルミ
(Al)等のIII 価の元素が添加された単結晶または多結晶
シリコンターゲットを用いることができる。また単結晶
または多結晶の半導体ターゲットとしては、珪素すなわ
ちシリコンを用いるのみでなく成膜される半導体膜によ
って、Ge、Se、や化合物半導体例えばガリウム砒素、ガ
リウムアンチモン等を用いてもよい。

【００２７】本発明の構成において、成膜後の一導電型
を有する半導体膜に７００℃以下の温度で熱アニールを
行ってもよい。

【００２８】従来はスパッタ法やＣＶＤ法によって得た
一導電型を有する半導体膜を熱アニールすることによっ
て得ていた１０^-2（Ωｃｍ）^-1以上の導電率を低温（１
５０℃以下) でスパッタリングすることによって得るこ
とができることは、本発明の大きな特徴である。このこ
とは、図５に示す成膜直後のアニールしていない本発明
方法によって得たＮ型半導体膜のラマンスペクトルをみ
れば明らかである。図５を見ると、水素の分圧が５０％
の雰囲気中におけるスパッタリングによって得たＮ型半
導体膜のラマンスペクトルは、単結晶珪素（ｃーＳｉ）
のピークである５２１ｃｍ^-1より波数が低いところに結
晶性を示すピークが表れていることがわかる。

【００２９】本実施例においては、図１に示すマグネト
ロン型RFスパッタ装置に示されている排気系(34)に備え
られているクライオポンプを用いることによって特定の
不純物例えば酸素、炭素、窒素を選択的に排気すること
は、スパッタ成膜される半導体膜の膜質を高めるために
大きな効果がある。例えば一導電型を付与する不純物が
添加されたＰまたはＮ型の半導体膜の膜中にアクセプタ
ーまたはドナーとして寄与する不純物以外に酸素、炭
素、窒素の不純物が存在すると、その半導体膜を用いて
デバイスを作製した時のデバイスの性能に悪い影響を与
える。例えば太陽電池を構成する半導体層に酸素元素が
混入すると変換効率や耐久性の劣化を招くことがある。
よってこれら酸素、炭素、窒素等の不純物を効率よく排
気することによって、半導体膜に対する悪影響を防止す
ることができる。

【００３０】本実施例において用いた図１に示されるス
パッタ装置に備えられている吸着ポンプであるクライオ
ポンプを用いることによって酸素、炭素、窒素等の不純
物からなる分子を効率よく排気することができる。例え
ば本実施例において、ターボ分子ポンプが備えられてい
る排気系(25)のみを用いて成膜を行った場合、形成され
た膜中に含まれる酸素濃度はSIMS( 二次イオン質量分
析) 法によると、３×１０¹⁹ｃｍ^-3程度であったが、同
じ成膜圧力でもクライオポンプが備えられた排気系(34)
を併用することによって形成された膜中に含まれる酸素
濃度は６×１０¹⁸ｃｍ^-3とすることができた。また形成
された被膜中の炭素濃度は３×１０¹⁶ｃｍ^-3を得ること
ができ、水素は４×１０²⁰ｃｍ^-3であり、珪素４×１０
²²ｃｍ^-3として比較すると１原子％であった。

【００３１】本発明の構成においては、２．５ｐａ程度
の比較的高い成膜圧力がよいことがデータとして得られ
ており（図６）、超高真空状態での成膜を行うのは不適
格である。よって、前述したように酸素、炭素、窒素を
吸着分子として排気することのできるクライオポンプの
使用は顕著な効果を有する。さらに本発明においてはア
ルゴンのごとき不活性気体と水素の混合雰囲気中におい
て、スパッタリングによって成膜をするので、最も問題
となる不純物である酸素が水素と結合して分子となって
反応空間内に存在する。よって前述のごとくクライオポ
ンプを用いると効率よくこの酸素と水素から成る分子を
排気することができる。さらに本発明の構成のようにＰ
型またはＮ型の導電型に寄与する不純物（例えばリン、
アンチモン）を含有しなければならない半導体膜を形成
する場合、反応ガスを用いたＣＶＤ法等の気相成長法に
おいては、気相中に導電型に寄与する不純物を添加せね
ばならないので、必然的に不要な不純物が混入してしま
う問題がある。このような問題を解決する方法としては
極めて純度の高い反応ガスを用いて特殊な反応炉を用い
る方法があるが、コストの問題と生産性の悪さが問題と
なる。

【００３２】以上のことより本実施例のように、ターボ
分子ポンプ、クライオポンプを併用し、反応ガスを用い
ない水素を含有した不活性雰囲気中におけるスパッタリ
ングによって半導体膜、とくに一導電型を付与するIII
価、Ｖ価の元素を含んだ半導体膜を作製する方法は、成
膜される半導体膜中の不要な不純物である酸素、炭素、
窒素を効率よくに排気でき、しかも究めて低コストで生
産性に優れた方法であるといえる。

【００３３】本発明の構成において、成膜後のＮ型の半
導体膜に７００℃以下の温度で熱アニールを行ってもよ
い。

【００３４】本発明においては、ターゲットとして単結
晶、多結晶の半導体ターゲットを用い、そのターゲット
中にＰ型またはＮ型の導電型を付与する不純物であるII
I 価またはＶ価の不純物を１００％イオン化した状態、
すなわち完全にIII 価またはＶ価の不純物をアクセプタ
またはドナーとして置換せしめているので、このターゲ
ットを水素を含む雰囲気中においてスパッタリングする
ことによって、前記不純物がその内部でアクセプタまた
はドナーとして置換されているクラスタが基板に向かっ
て飛翔し水素プラズマによって不対結合手を中和しつつ
基板に到達するので、スパッタリングによって成膜され
る半導体膜中における前記III 価またはＶ価の不純物が
高いイオン化率を有し、これら不純物がアクセプタまた
はドナーとして置換せしめ、イオン化率を高めることが
できた。

【００３５】本発明の構成は、珪素半導体に限らず他の
半導体に適用できることはいうまでもない。例えば、一
導電型を付与する不純物が添加されたシリコン（珪素）
とゲルマニウムのターゲットを同時に用いることによっ
て、一導電型を有するSi_xGe_1-xの半導体膜を得ること
ができる。この場合、それぞれのターゲットの面積を変
えることで、半導体膜の組成比を変えることができる。
この思想によれば、さらに複数のターゲットを同時に用
いることでさらに複雑な組成比を有する半導体膜を得る
こができる。

【００３６】またスパッタリング時において、その雰囲
気中にハロゲン元素を添加し、水素と同様にスパッタ原
子のクラスタの不対結合手を中和するためにNF₃等を
０．１〜１０％程度添加してもよい。

【００３７】

【実施例２】本実施例は、図１に示すマグネトロン型Ｒ
Ｆスパッタ装置を用いてボロン（Ｂ）が添加されたＰ型
のSi_xGe_1-xの半導体膜を得たものである。本実施例に
おいては、マグネトロン型ＲＦスパッタ装置を用いて圧
力２．５ｐａ、ＲＦパワー２００Ｗ、基板温度１００
℃、基板とターゲットの距離は９０ｍｍで、水素分圧比
８０％の水素とアルゴンの混合雰囲気下においてスパッ
タリングを行い、その後600 ℃、７２時間の熱アニール
を行ったＮ型のSi_xGe_1-x半導体膜である。なおシリコ
ン、ゲルマニウムの単結晶ターゲットはリンが１×１０
¹⁷cm^-3以上含まれた溶融基板を同面積づつ複数分散して
配置し、さらに基板側を遊星回転によって回転させるこ
とによって基板上に形成されるＮ型のSi_xGe_1-x半導体
膜の均一性を高めた。

【００３８】本実施例においてもシリコンおよびゲルマ
ニウムの単結晶ターゲット中のボロンがアクセプターと
して置換されているので、本発明の特徴であるターゲッ
トの導電率の１／１００〜１／３の導電率を有するＰ型
の半導体を作製することができる。

【００３９】反応圧力を２．５ｐａと高くしたのは、本
発明者の行った図６（Ａ）に示す実験結果に基づくもの
である。図６は成膜後に６００℃、７２時間の熱アニー
ルを行ったＮ型の珪素半導体膜の成膜時の圧力とＸＲＤ
強度（ＩＮＴＥＮＳＩＴＹ）との関係を示したものであ
る。図６のデータが得られた成膜条件は、単結晶または
多結晶のシリコンターゲット中にリンをターゲットの抵
抗率が２〜３ＫΩｃｍになるように添加したものを用
い、成膜温度は１５０℃、ＲＦパワーは４００Ｗ、雰囲
気は水素分圧比（Ｐ_H／Ｐ_T）が３０％の水素とアルゴ
ンの混合雰囲気中である。また基板とターゲットの距離
は１２０ｍｍであり、電気的にフローティングの状態で
ある。

【００４０】そして成膜後不活性雰囲気中において６０
０℃、７２時間の熱アニールを行ったものである。図６
（Ａ）より反応圧力は2.５pa程度の方が、高い結晶性を
示していることがわかる。しかし、基板とターゲットの
距離を６０ｍｍとすると（Ｂ）に示すようにその膜の結
晶性は低くなってしまった。これはターゲットを構成す
る原子からなるクラスタが基板に到達し被膜を形成する
のと同時にスパッタ効果も起こしてしまった結果、基板
上において半導体膜となるべきクラスタがダメージを受
け出来上がった薄膜の膜質に悪い影響を与えてしまった
ためである。さらに基板ホルダー(13)を電気的にフロー
ティングすなわち周囲から絶縁した。

【００４１】RFパワーを２００Ｗとしたのは、図７に示
す実験結果に基づくものである。図７に示されるデータ
は、前記図６において示される作製条件と同様な条件に
おいて、成膜圧力を0.5pa とした場合における成膜時の
投入パワーとＸＲＤの強度（ＩＮＴＥＮＳＩＴＹ）との
関係をしめしたものである。図７よりスパッタリング時
の投入パワーは２００Ｗ程度の比較的低い値の方が半導
体膜の結晶性が高いことがわかる。この結果も投入パワ
ーを大きくすると基板に対するスパッタ効果が生じてス
パッタ膜に対して悪い影響があることを示している。ま
た基板とターゲットの距離が１２０ｍｍであっても基板
ホルダーを電気的にフローティング即ち基板をフローテ
ィングにしない場合もイオンのスパッタ効果によって成
膜される半導体膜が損傷を受けてしまいよくなかった。

【００４２】本実施例において、基板温度を１００℃と
したのは、本発明の構成である２００℃以下の基板温度
で成膜することによって、膜質を高めた効果を示す図８
に示す実験結果に基づくものである。図８に示されるデ
ータは図６（Ａ）に示される場合と同様な作製条件にお
いて、基板温度と得られた膜のＸＲＤ強度の関係を示し
たものである。この図８を見ると、成膜温度（この場合
は基板温度）は１００℃以上では、熱アニール後の膜の
結晶性が低くなるのに対して、１００℃以下で成膜した
場合は、熱アニール後の膜の結晶性が高いことがわか
る。図８において示される傾向は以下のモデルによって
説明することができる。本実施例におけるスパッタリン
グによって得られる珪素膜は、スパッタ時において水素
が多量に存在している雰囲気において、スパッタリング
されるので、ターゲットを構成する元素は、原子が数十
から数十万のクラスタとなってターゲットから飛び出し
クラスタが水素プラズマ中を飛翔する間にクラスタの不
対結合手が水素によって中和され、このクラスタは基板
に到達する。この際、ターゲット中において、Ｐ型また
はＮ型の導電型を付与する不純物は、アクセプタまたは
ドナーとして作用しているので、前記基板に向かって飛
翔中のクラスタ中においてもアクセプタまたはドナーと
なっている。そのためこのクラスタが基板に到達し珪素
膜を形成した場合、前記Ｐ型またはＮ型の導電型を付与
する不純物は、アクセプタまたはドナーとしてスパッタ
リングによって成膜された膜中において作用するという
特徴を有する。

【００４３】不対結合手が水素によって中和されたクラ
スタがターゲットから基板に到達する際において、成膜
時の温度が高いと珪素クラスタの不対結合手を中和して
いる水素が離れてしまい基板上において、クラスタ同士
が結合することができず秩序を構成することができな
い。従って200 度以上の雰囲気中において成膜された珪
素膜を熱アニールした場合、より秩序性の高い状態にな
ろうとすることができず結果としてＸＲＤ強度がでない
のである。これに対して、成膜時の温度が低い場合には
前記スパッタリングされた粒子である珪素のクラスタが
基板上において、水素を介して結合する。その結果比較
的高い秩序状態が実現される。この膜を450 度から700
度の温度で熱アニールすることによって水素を介して結
合している珪素クラスタが珪素原子同士の結合になり、
より高い秩序秩序状態に移行し、存在する珪素により互
いの結合がなされるため、珪素同志は互いにひっぱりあ
う。結晶としてもレ−ザラマン分光により測定すると、
図２に示すように単結晶の珪素のピ−ク521 cm^-1より低
周波側にシフトしたピ−クが観察される。この521 cm^-1
より低周波側にシフトしたピ−クは、弱い格子歪みを有
した結晶性の状態を示している。またその見掛け上の粒
径は半値巾から計算すると、50〜500 Åとマイクロクリ
スタルのようになっているが、実際はこの結晶性の高い
領域は多数あってクラスタ構造を有し、その各クラスタ
間は互いに珪素同志で結合( アンカリング) がされたセ
ミアモルファス構造の被膜を形成させることができる。
したがって成膜温度の低い状態（150 ℃以下の雰囲気）
のスパッタリングによって得られた珪素膜はその秩序性
が熱アニールによってさらに助長れるのに対して、基板
温度の高い状態で成膜された膜は前述の通り初めから秩
序性を有せず熱アニールしても各クラスタ間が互いに珪
素同志で結合( アンカリング) がされたセミアモルファ
ス構造の被膜を形成させることができず、ＸＲＤのピー
クもほとんどでないのである。

【００４４】以上のことより水素を含んだ不活性気体の
雰囲気中において、半導体膜例えば一導電型を付与する
不純物を添加したターゲットを用いたスパッタリングに
よって一導電型を有する半導体膜を作製する際には、ス
パッタ時における基板温度を200 ℃以下好ましくは150
℃以下にすることよいことが結論できる。

【００４５】これは前述したように、低温で成膜すると
スパッタされた珪素のクラスタが雰囲気中の水素によっ
て結合し、さらに熱アニールによって珪素クラスタ同士
の結合を形成するため、熱アニールを行ってもその結晶
性が保存、助長されるためである。

【００４６】本実施例においてもターゲットの導電率を
高くすることで、スパッタ膜の導電率を高くすることが
できる。これは、前述したようにターゲット中において
アクセプターまたはドナーとなった不純物は、水素を含
む雰囲気中におけるスパッタリングにおいて成膜された
膜中で、高いイオン化率で存在し、アクセプターまたは
ドナーとして置換されるため、ターゲットの導電率の１
／１００〜１／3 という高い導電率を有するＰまたはＮ
形の半導体膜を得ることができるからである。

【００４７】

【実施例３】本実施例は、実施例２と同様な条件によっ
て、Si_xC_1-X、（０≦Ｘ≦１）のリンが混入したＮ型半
導体膜を得たものである。本実施例においては、珪素と
炭素のターゲットを細かく分散して配置し、かつその量
を変えることで化学量論比を換えることができる。この
場合、作製される膜の均一度を増すためにターゲットま
たは基板を回転させた。

【００４８】なお本明細書中における実施例において
は、一導電型を半導体に対し付与する元素であるアンチ
モン、リン、ボロン等が添加されたターゲットを用いた
が、これら不純物が添加されていないSi、Ge、Si_xGe
_1-X、Si_xC_1-X、（０≦Ｘ≦１）等のターゲットを用い
て、ノンドープの真正半導体Ｉ型半導体であるSi、Ge、
Si_xGe_1-X、Si_xC_1-X、（０≦Ｘ≦１）等の半導体膜を
作製してもよいことはいうまでもない。

【００４９】

【実施例４】本実施例は、水素を含む不活性雰囲気中に
おけるスパッタリングによる半導体膜の作製方法であっ
て、基板を周囲から絶縁されたフローティングの状態と
し、さらに成膜雰囲気中における炭素、窒素、酸素の濃
度を実施例１において述べたようにクライオポンプとタ
ーボ分子ポンプを用いることにより１×１０¹⁹ｃｍ^-3以
下とし、さらにＰまたはＮ型の導電型を付与する不純物
の濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であり、また酸素濃度が
１×１０¹⁷ｃｍ^-3 以下である単結晶または多結晶ター
ゲットを用いてＩ型半導体を得るものである。

【００５０】本実施例においては、水素とアルゴン雰囲
気中において、水素の分圧を３０％とし、成膜圧力は0.
５ｐａ、ＲＦパワー２５０Ｗ、基板温度１５０℃、の成
膜条件で図１に示すＲＦスパッタ装置を用いてスパッタ
リングを行なった。

【００５１】本実施例において作製したＩ型珪素半導体
膜は、図５に示すの同様なラマンスペクトルを示し、本
発明の特徴である低温（３００℃以下）で良質なセミア
モルファスまたはマイクロクリスタル半導体を得ること
ができた。このＩ型の珪素半導体を用いてＮチャネル型
絶縁ゲイト型電界効果トランジスタを作製すると移動度
が４０.1ｃｍ²／Ｖを得ることができた。

【００５２】

【発明の効果】本発明の構成である、基板を電気的にフ
ローティングにすることで高品質な半導体膜を得ること
ができ、また基板とターゲットの距離を９０ｍｍ以上に
離すことで、高品質な半導体膜を得ることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法を実現するために用いたスパッ
タ装置を示す。

【図２】実施例のおいて作製した半導体膜のラマンス
ペクトルを示す。

【図３】実施例のおいて作製した半導体膜を用いた絶
縁ゲイト型電界効果トランジスタ度の移動度（μ）と半
導体膜成膜時の水素分圧比の関係を示す。

【図４】実施例において作製した半導体膜の導電率と
半導体膜の成膜時の水素分圧の関係を示す。

【図５】本発明方法によって作製された半導体膜のラ
マンスペクトルを示す。

【図６】実施例において作製した半導体膜の成膜圧力
と膜のＸＲＤ強度の関係を示す。

【図７】実施例において作製した半導体膜の成膜時に
おける投入パワーと膜のＸＲＤ強度の関係を示す。

【図８】実施例において作製した半導体膜の成膜時に
おける基板温度（成膜温度）と膜のＸＲＤ強度の関係を
示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反応室、水素ボンベ、真空ポンプ、基板ホ
ルダーおよび半導体ターゲットを含むスパッタ装置であ
って、前記半導体ターゲットと前記基板ホルダーが９０
ｍｍ以上の距離をおいて相対することを特徴とするスパ
ッタ装置。
【請求項２】反応室、水素ボンベ、真空ポンプ、基板ホ
ルダーおよび半導体ターゲットを含むスパッタ装置であ
って、前記基板ホルダーに基板が保持された際、前記半
導体ターゲットと前記基板が９０ｍｍ以上の距離をおい
て相対することを特徴とするスパッタ装置。
【請求項３】請求項１または請求項２において、前記基
板ホルダーは周囲から絶縁されていることを特徴とする
スパッタ装置。
【請求項４】請求項１乃至請求項３のいずれか一におい
て、前記反応室に前記半導体ターゲット以外のターゲッ
トを含むことを特徴とするスパッタ装置。