JP2005093986A - アモルファスシリコン及びポリシリコン等の薄膜の成膜方法及び成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 アモルファスシリコン薄膜の膜質、特にＳｉ−Ｈ結合比を改善し、良質なアモルファスシリコン膜等の薄膜を形成する。
【解決手段】 主ガスとして、ＳｉＨ_４／Ｈ_２系のガスを用いている。大気圧近傍での圧力で反応を起させるプラズマＣＶＤ装置を用い、Ｎ_２雰囲気７０ｋＰａに調整し、成膜対象の基板の温度を１５０℃に保持し、Ｖｐｐ＝１０ｋＶ、励起周波数３０ｋＨｚの一般的な条件でプラズマＣＶＤ法によるａ−Ｓｉの成膜を行う。ａ−Ｓｉの収率とＳｉＨ_４／Ｈ_２比との関係をみると、Ｈ_２ガスの流量を１．６ｓｃｃｍ／ｍｍ^２から６．３９ｓｃｃｍ／ｍｍ^２まで変化させた場合に、ａ−Ｓｉの収率は、Ｈ_２＝６．３９ｓｃｃｍ／ｍｍ^２と水素流量が大きい場合を除いて概ね１％以上の良好な値を示す。収率の値は水素流量とＳｉＨ_４／Ｈ_２比とにより変化する。１．６０〜６．３９までのいずれのＨ_２ガスの流量においても、ＳｉＨ_４／Ｈ_２比が０．０４程度までは、ＳｉＨ_４／Ｈ_２比が大きくなるに従って収率が小さくなる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、アモルファスシリコンやポリシリコン等のシリコン薄膜を含む薄膜の成膜技術に関し、特に、大口径のウェハ上に大気圧近傍の圧力でシリコン薄膜を堆積する常圧プラズマＣＶＤによる成膜方法と、成膜装置に関する。

アモルファスシリコン（以下、「ａ−Ｓｉ」）は、低コスト太陽電池の主材料として有望視されている。常圧プラズマＣＶＤ法は、大口径のウェハ上にａ−Ｓｉ層を堆積するための技術として注目されている。平行平板型の装置を用いてアモルファスシリコン層を堆積する技術としては、希ガスをキャリアガスとする方法がある（例えば、特許文献１参照）。

また、ライン状のプラズマ発生部と、反応ガスを導入する導入部とからなるライン状のプラズマＣＶＤ装置と該プラズマＣＶＤにより成膜された薄膜をライン状の光によりアニールするアニール部と、アニールされた薄膜表面をプラズマで処理するライン状のプラズマ処理装置が直列に配置された薄膜形成装置により、アモルファスシリコン表面の不純物を無くすことができ、再現性良く良好な素子が得られる薄膜形成装置がある（例えば、特許文献２参照）。

特開平２−２６７２７３号公報 特開２００２−１００５７８号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載されている技術のように希ガスを用いると、堆積したアモルファスシリコン層の膜質があまり良くならないという問題があった。

また、前記特許文献２に記載の薄膜形成装置は、プラズマ発生部と、アニール部と、プラズマ処理部を直列に配置した構成であり、構成が複雑で装置が大型化するという問題点があった。そして、工程が多数あり、煩雑な操作を必要としていた。

本発明は、例えばアモルファスシリコン薄膜の膜質、特にＳｉ−Ｈ結合比を改善し、良質なアモルファスシリコン薄膜を成膜するための技術を提供することである。また、装置構成が簡単で小型化でき、操作が容易なシリコン薄膜等の薄膜の成膜方法と装置を提供することにある。

本発明の一観点によれば、第１の電極部を兼ねる基板設置部と、反応ガスを供給するガス供給部と、該ガス供給部により供給された反応ガスをプラズマ励起させる励起用の第２の電極部と、前記第１の電極部と前記第２の電極部との間に電圧を印加する電源部と、を有するプラズマ成膜装置を用いた成膜方法であって、原料ガスとＨ_２ガスとの合計の分圧が８０％以上となる反応ガスを、該反応ガスをプラズマ励起させるプラズマ化空間に導入するステップと、前記プラズマ化空間の圧力を略大気圧に保持しつつ前記反応ガスをプラズマ励起させて前記基板設置部に載せた基板上に薄膜を形成させるステップとを含むことを特徴とする成膜方法が提供される。

原料ガスとしては、Ｓｉ，Ｃ，Ｇｅ等の４族原子含有ガスが好ましく、ＳｉＨ_４，Ｓｉ
_２Ｈ_４，ＧｅＨ_４，ＣＨ_４等のガスが好ましい。また、３族原子含有ガスと４族原子含有ガス、２族原子含有ガスと６族原子含有ガスの中から選ばれる少なくとも１つを含む原料ガスを用いることができる。具体的には、Ｓｉ，Ｃ，Ｇｅ等の原子や化合物を含むガスが好ましく、ＳｉＨ_４，Ｓｉ_２Ｈ_６，ＧｅＨ_４，ＣＨ_４等のガスを使用する。キャリアガスとして一般的な希ガスの代わりにＨ_２ガスを用い、ＳｉＨ_４ガスとの合計としての分圧が８０％以上となるようにすることにより、ａ−Ｓｉ層の収率を高く維持したままＳｉ−Ｈ比を上げることができ、良質な膜を効率良く成長することができる。

原料ガス／Ｈ_２ガス比が、０．００２以上０．１２以下であることが好ましく、プラズマ化空間のＨ_２ガスの流量が、０．０１以上８．５（ｓｃｃｍ／ｍｍ^２）以下であると好ましい。前記ＳｉＨ_４ガス及びＨ_２ガス以外のガスとしては、ドーピング対象元素の水素化物により構成されるドーパントガスのみを含むのが好ましい。これにより、例えばａ−Ｓｉにドーピングする場合においても、成長速度を維持しつつ膜質を良好にすることができる。不純物の混入も防止できる。

本発明に係る成膜装置は、反応容器と、第１の電極部を兼ねる基板設置部と、反応ガスを供給するガス供給部と、該ガス供給部により供給された反応ガスをプラズマ励起させる励起用の第２の電極部と、前記第１の電極部と前記第２の電極部との間に電圧を印加する電源部と、前記ガス供給部から供給された反応ガスを原料ガスとＨ_２ガスとの合計の分圧が８０％以上になるように調整し、反応ガスをプラズマ励起させるプラズマ化空間に導入するガス導入部と、前記反応ガスを排気し前記反応容器内の圧力を略大気圧に保持する排気機構とを有することを特徴とする。前記基板設置部とともに前記基板を移動させる移動機構を設けても良い。また、前記第１の電極部と前記第２の電極部との間に印加する電圧は前記電源部からのパルス電圧であるのが好ましい。

また、本発明に係るポリシリコンの成膜方法の他の態様は、第１の電極部を兼ねる基板設置部と、反応ガスを供給するガス供給部と、該ガス供給部により供給された反応ガスを基板設置部とともにプラズマ励起させる励起用の第２の電極部と、第１の電極部と第２の電極部との間に電圧を印加する電源部と、を有するプラズマ成膜装置を用いた成膜方法であって、原料ガスと希釈用のＨ_２ガスとのガス比が０．００２以上０．１２以下である反応ガスを、第２の電極部の幅に対する反応ガスの供給量比（ｓｃｃｍ／ｃｍ）が１／３以下となる条件でプラズマ励起させるプラズマ化空間に導入するステップと、プラズマ化空間の圧力を略大気圧に保持しつつ反応ガスを、第１の電極部と第２の電極部とのギャップ寸法に対する印加電圧を５ｋＶ／ｍｍ以上に調整してプラズマ励起させ、基板設置部に載せた基板上にポリシリコン薄膜を形成させるステップとを含むことを特徴とする。

また、本発明に係るポリシリコンの成膜装置の他の態様は、反応容器と、第１の電極部を兼ねる基板設置部と、原料ガスと希釈用のＨ_２ガスとのガス比が０．００２以上０．１２以下になるように調整した反応ガスを供給するガス供給部と、該ガス供給部により供給された反応ガスを基板設置部とともにプラズマ励起させる励起用の第２の電極部と、第１の電極部と第２の電極部との間、前記第１の電極部と第２の電極部とのギャップ寸法に対する印加電圧を５ｋＶ／ｍｍ以上に調整して印加する電源部と、ガス供給部から、第２の電極部の幅に対する反応ガスの供給量比（ｓｃｃｍ／ｃｍ）を１／３以下として反応ガスを供給し、供給された反応ガスをプラズマ励起させるプラズマ化空間に導入するガス導入部と、反応ガスを排気し反応容器内の圧力を略大気圧に保持する排気機構とを有することを特徴としている。

前記のごとく構成された本発明のポリシリコンの成膜方法、及び成膜装置は、例えば原料ガスとしてシリコン含有原料ガスと希釈ガスとのガス比が０．００２以上０．１２以下で、第２の電極部の幅に対するＳｉＨ_４ガスの供給量比を１／３以下とし、第１の電極部
と第２の電極部とのギャップ寸法に対する電圧を５ｋＶ／ｍｍ以上として印加してプラズマ励起させることにより、簡単な装置構成で、しかも容易な操作でポリシリコン薄膜を形成できる。すなわち、例えばＳｉＨ_４ガスとＨ_２ガスのみを用いた常圧プラズマ装置で、２５０℃以下の低温状態でポリシリコン薄膜を成膜できる。

本発明に係るポリシリコンの成膜方法のさらに他の態様は、第１の電極部を兼ねる基板設置部と、反応ガスを供給するガス供給部と、該ガス供給部により供給された反応ガスを前記基板設置部とともにプラズマ励起させる励起用の第２の電極部と、第１の電極部と第２の電極部との間に電圧を印加する電源部と、を反応容器内に設置したプラズマ成膜装置を用いてポリシリコン薄膜を成膜する方法であって、シリコン含有原料ガスと希釈用のＨ_２ガスとのガス比が０．００２以上０．１２以下である反応ガスを、該反応ガスをプラズマ励起させるプラズマ化空間に導入するステップと、プラズマ化空間の圧力を略大気圧に保持しつつ反応容器に希釈用のＨ_２ガスと別系統のＨ_２ガスを所定の流量で供給し、反応ガスをプラズマ励起させて基板設置部に載せた基板上にポリシリコン薄膜を形成させるステップとを含むことを特徴とする。

さらに、本発明に係るポリシリコンの成膜装置は、反応容器と、第１の電極部を兼ねる基板設置部と、原料ガスと希釈用のＨ_２ガスとのガス比が０．００２以上０．１２以下になるように調整した反応ガスを供給するガス供給部と、該ガス供給部により供給された反応ガスを前記基板設置部とともにプラズマ励起させる励起用の第２の電極部と、第１の電極部と第２の電極部との間に電圧を印加する電源部と、ガス供給部から供給された反応ガスをプラズマ励起させるプラズマ化空間に導入するガス導入部と、反応容器内に前記希釈用のＨ_２ガスと別系統のＨ_２ガスをプロセスガスとして所定の流量で供給するプロセスガス供給部と、反応ガス及びプロセスガスを排気し反応容器内の圧力を略大気圧に保持する排気機構とを有することを特徴としている。

前記のごとく構成された本発明のポリシリコンの成膜方法、及び成膜装置は、シリコン含有原料ガスと希釈用のＨ_２ガスとのガス比が０．００２以上０．１２以下の反応ガスをプラズマ励起させ、プラズマ化空間の圧力を略大気圧に保持しつつ、別系統で反応容器にＨ_２ガスを所定の流量で流すことで、ポリシリコン薄膜を容易に成膜することができ、形成されたポリシリコン薄膜は結晶性が良く、均質性にも優れている。

本発明による成膜方法や成膜装置によれば、例えばアモルファスシリコン薄膜を形成するとき、アモルファスシリコン層の収率を高く維持したままＳｉ−Ｈ比を上げることができ、良質な膜を効率良く形成することができる。また、簡単な装置構成で容易に、低温ポリシリコン等のシリコン薄膜を形成することができる。さらに、常圧ＣＶＤ装置で、結晶が良く、均質なポリシリコン薄膜を成膜できる。

本実施の形態によるプラズマＣＶＤ装置について、図１及び図２を参照しつつ説明を行う。図１はプラズマＣＶＤ装置の断面図であり、図２はプラズマＣＶＤ装置の斜視図である。図１及び図２に示すように、本実施の形態によるプラズマＣＶＤ装置は、例えば、基板３に直接プラズマを照射するダイレクトプラズマ装置であり、例えばセラミックス製のウェハトレイ１であって基板３を置くための凹部を有するウェハトレイ（基板設置部）１と、反応ガスを供給するガス供給部１５と、ガス供給部１５から供給された反応ガスをプラズマ励起させるプラズマ化空間に導入するガス導入部８と、ガス導入部８から供給されたガスをプラズマ励起させる励起用の電極部５ａ・５ｂと、電極部５ａ・５ｂにパルス電圧７ａを印加する電源部１１と、図示しない装置全体を覆うフード（反応容器）と、を有している。ウェハトレイ１が電極部５ａ・５ｂと対向する他方の電極部を兼ねている。こ
こでトレイ１の下にアース電極を設け、この電極の上にトレイを置いても良い。さらに、供給される反応ガスを排気することにより、常に新しい反応ガスを供給するための吸気系（排気系）機構１７ａ・１７ｂが設けられるとともに、トレイ１とともに基板３を移動させるための移動機構２１を有している。

電極部５ａ・５ｂは、図１の紙面と直交する長手の板状の形状を有する。また、電極部５ａ・５ｂの下面、すなわちウェハトレイ１や基板３と対向する対向面は四角形の放電面であり、この放電面とウェハトレイ１や基板３との間にプラズマ化空間６が形成される。

ガス供給部１５から供給される反応ガスとキャリアガス、例えばＳｉＨ_４／Ｈ_２系のガスが、それぞれのガス供給用ボンベ（図示せず）からガス配管を通ってガス混合器において混合され、電極部５ａ・５ｂ間に供給される。大型のガラス基板３や大口径のＳｉ基板３を用いる場合には、反応ガスによるプラズマを発生させる領域は、基板３表面の全領域に対して小さくなる場合が多いため、移動機構２１により基板３を移動させながら成長させていくことにより、基板３面の所望の領域例えば基板面全体にａ−Ｓｉ層を堆積させて成膜することができる。反応は大気圧下で行うのが好ましい。圧力は、１．３３３×１０^４〜１０．６６４×１０^４Ｐａの間、特に、９．３３１×１０^４〜１０．３９７×１０^４Ｐａの間の圧力調整が容易であり好ましい大気圧条件と言える。

以下、上記のプラズマＣＶＤ装置を用い、種々の条件下においてアモルファスシリコン薄膜を形成させるための、より具体的な実験例について説明を行う。

本発明に係るアモルファスシリコン形成技術においては、主要な原料ガスとして希ガスを用いずに、ＳｉＨ_４／Ｈ_２系のガスを用いている。上述のプラズマＣＶＤ装置を用い、Ｎ_２雰囲気１．０１３×１０^５Ｐａに調整し、成膜対象の基板３の温度を１５０℃に保持し、Ｖｐｐ＝１０ｋＶ、励起周波数３０ｋＨｚの一般的な条件でプラズマＣＶＤ法によるａ−Ｓｉ薄膜の成膜を行った。電極部５ａ・５ｂの下面と、基板３との間隔が２．０ｍｍに設定されており、電界強度は５ｋＶ／ｍｍとなる。

Ｎ_２ガスは、反応ガスを流す前のパージ用ガスとして用いられる。プラズマ化空間６では、Ｎ_２ガスがほとんど存在しない状態となっていると考えられる。

図３は、上記条件下におけるａ−Ｓｉの収率とＳｉＨ_４／Ｈ_２比との関係を示すグラフである。ここでは、Ｈ_２ガスの流量を１．６ｓｃｃｍ／ｍｍ^２から６．３９ｓｃｃｍ／ｍｍ^２まで３通りに変化させて実験を行った。なお、ガス流量は、図１に示すように、プラズマ化空間（放電空間）６に対して、矢印で示されるガスの流れがある場合に、プラズマ化空間６へのガスの流量（ｓｃｃｍ）を、ガスの流れと直交する面Ｓの面積（ｍｍ^２）で除算した値で表すことができる。尚、プラズマ化空間６の一部でも、上記ガス流量であれば、条件を満たすものとする。但し、プラズマ化空間６全体が上記条件を満たすのがより好ましい。

図３に示すように、ａ−Ｓｉの収率は、Ｈ_２＝６．３９ｓｃｃｍ／ｍｍ^２と水素流量が大きい場合を除いて概ね１％以上の良好な値を示す。具体的な収率の値は水素流量とＳｉＨ_４／Ｈ_２比とにより変化する。１．６０〜６．３９までのいずれのＨ_２ガスの流量においても、ＳｉＨ_４／Ｈ_２比が０．０４程度までは、ＳｉＨ_４／Ｈ_２比が大きくなるに従って収率が小さくなる傾向が見られた。これは、ＳｉＨ_４ガスの相対的な量が減少することによる影響と考えられる。

図４は、図３の実験結果について別の見方をした図であり、ａ−Ｓｉの収率とＨ_２ガス
の流量との関係を示す図である。図４に示すように、Ｈ_２ガスの流量が大きくなるに従ってａ−Ｓｉの収率が小さくなる傾向になる。これは、Ｈ_２ガスの流量が大きくなりすぎると、直接反応に寄与するＳｉＨ_４ガスがプラズマにより励起されて反応しａ−Ｓｉが基板に堆積するより前に基板から反応ガスが移動してしまうためと考えられる。

図５は、Ｈ_２流量を変化させた場合のＳｉ−Ｈ結合比とＳｉＨ_４／Ｈ_２比との関係を示す図である。図５に示すように、Ｈ_２流量が１．６０ｓｃｃｍ／ｃｍ^２の場合には、ＳｉＨ_４／Ｈ_２比が大きくなるとＳｉ−Ｈ結合比が小さくなり、かつ、５５％以下であるが、Ｈ_２流量が３．１９〜６．３９ｓｃｃｍ／ｃｍ^２の場合には、ＳｉＨ_４／Ｈ_２比が大きくなるとＳｉ−Ｈ結合比が一旦大きくなった後にほぼ一定値をとり、かつ、値としては５５％以上であり概ね７０％である。ＳｉＨ_４／Ｈ_２比が大きいほど良好な膜が形成されていると考えられることから、Ｈ_２流量を小さくしすぎると反応ガスの更新が起こりにくいため（ガスが滞留するため）、膜質が劣化するものと考えられる。

図６は、８インチウェハに換算した場合のａ−Ｓｉ膜の堆積速度（ｎｍ／分）のＳｉＨ_４／Ｈ_２比依存性を示す図である。図６に示すように、アモルファスシリコン膜の堆積速度は、ＳｉＨ_４／Ｈ_２比が０．０３程度までは増加し、その後０．０７程度まではほぼ一定の値を示すことがわかる。この傾向は、Ｈ_２流量にあまり依存しない。ＳｉＨ_４／Ｈ_２比をある程度以上に保つことにより、Ｈ_２流量を変化させてもａ−Ｓｉ膜の堆積速度はほぼ同じであり、かつ、実用的な値である１０ｎｍ／ｍｉｎ以上の値が得られる。

図５の結果より、Ｈ_２流量が少ない場合には、ＳｉＨ_４／Ｈ_２比を大きくするとＳｉ−Ｈ比は低下するが、ＳｉＨ_４／Ｈ_２比を同じにしてＨ_２流量を大きくすると、Ｓｉ−Ｈ結合比も大きくすることができることがわかる。従って、図６の結果と合わせて考えてみると、Ｈ_２流量を大きし、かつ、ＳｉＨ_４／Ｈ_２比を大きくすることによってＳｉ−Ｈ結合比を低下させることなく、成膜速度を高めることができることがわかる。

図７は、Ｓｉ−Ｈ結合比と基板温度との関係を示す図である。図７に示すように、基板温度１５０℃程度までは温度上昇とともにＳｉ−Ｈ比は大きくなるが、それ以上温度を高くしても、Ｓｉ−Ｈ比はそれほど大きくならないことがわかる。Ｓｉ−Ｈ比は、ガス流量をある程度高めることにより大きくなることがわかる。

図８はアモルファスシリコン膜の成膜速度の基板温度依存性を示す図である。図８に示すように、基板温度を高くすると堆積速度は大きくなるが、基板温度２００℃以上では、ほぼ頭打ちになることがわかる。この傾向はガス流量にあまり依存しない。従って、ガス流量を大きくすると、基板温度を上げることによって、成膜速度を変えることなくＳｉ−Ｈ結合比を上げることができる。尚、主たるガスであるＳｉＨ_４とＨ_２との合計の割合は８０％以上が好ましく、９０％以上がさらに好ましい。主たるガス以外には、ＡｒやＨｅガスなどの希ガスを混合させても良いし、ＰＨ_３などのドーピングガスを混ぜても良い。

以上の結果から、本発明によるａ−Ｓｉの堆積方法では、以下のような結論が得られる。
１）ＳｉＨ_４／Ｈ_２比に関しては、収率とＳｉ−Ｈ比と堆積速度とを加味することにより、０．０１以上でありかつ０．０４以下が好ましい。
２）Ｈ_２流量に関しては、ＳｉＨ_４／Ｈ_２比とＳｉ−Ｈ結合比との関係より、Ｈ_２流量が２．０ｓｃｃｍ／ｍｍ^２以上であり、６．０ｓｃｃｍ／ｍｍ^２以下であるのが好ましい。
３）基板温度はＳｉ−Ｈ比と堆積速度とを加味して１５０℃近傍が好ましい。
４）主たるガスであるＳｉＨ_４とＨ_２との合計の割合は８０％以上が好ましく、９０％以上がさらに好ましい。

尚、ＳｉＨ_４ガス及びＨ_２ガス以外のガスとしては、ドーピング対象元素の水素化物により構成されるドーパントガス例えばＰＨ_３ガス又はＡｓＨ_３ガスのみを含むのが好ましい。これにより、ａ−Ｓｉにドーピングする場合においても、成長速度を維持しつつ膜質を良好にすることができる。不純物の混入も防止できる。

本発明の他の実施形態として、ポリシリコン薄膜等の薄膜を成膜する例について、図９及び図１０を参照して説明する。図９はプラズマＣＶＤ装置の他の実施形態の要部構成図、図１０は図９の装置の電極部を上下反転して示す概略斜視図である。この実施形態では、グロー放電させる電極に印加する電圧と、ＳｉＨ_４ガス等のシリコン含有原料ガスと希釈用のＨ_２ガスとからなる反応ガスの供給量、及び反応ガスを希釈したときのガス比を変化させることにより、基板上にポリシリコン薄膜を形成する方法と装置を説明する。

図９，１０において、基板３０にポリシリコン薄膜を成膜するダイレクト型のプラズマＣＶＤ装置は、基板３０を載置する第１の電極部を兼ねるウェハトレイ３１と、第２の電極部３２ａ・３２ｂとを備えており、両者のギャップ寸法はΔＨに設定され、２つの電極部の長手方向の長さ（電極幅）はＬに設定されている。電極部３２ａ・３２ｂの間隔がガス導入部３３を構成している。ガス導入部３３には、ガス供給部３４から反応ガスが供給される。反応ガスは図示していないガス分散器等でガス導入部３３に均一に供給され、基板３０に吹き付けられて２方向に分かれて排気される。なお、電極の幅Ｌは、処理される基板３０の直径より大きいこと勿論である。

第１の電極部を構成するウェハトレイ３１と、第２の電極部３２ａ・３２ｂとの間には電源部３５から、例えばパルス状の電圧が供給される。このパルス状の電圧により、電極間にグロー放電が発生し、この放電空間に反応ガスを通過させることで反応ガスをプラズマ励起させている。反応ガスは処理後に排気機構３６により排気されるように構成されている。ウェハトレイ３１は移動機構３７により移動され、基板３０の全面を均一に処理することができるように構成されている。なお、移動機構はウェハトレイの代わりに電極部３２ａ・３２ｂを設置したヘッド側を移動する構成でもよい。

この実施形態では、成膜するときの反応ガスを、ＳｉＨ_４ガス（シリコン含有原料ガス）と、希釈用のＨ_２ガスとのガス比が０．０１以上０．０４以下の範囲を除くように設定されている。また、電極幅Ｌに対する反応ガスの供給量Ｍの比Ｍ／Ｌを、１／３（ｓｃｃｍ／ｃｍ）以下としている。すなわち、反応ガスの流れる方向と直角の方向の電極部の幅Ｌに対する反応ガス供給量を規定することで、成膜条件を決めている。さらに、グロー放電させる電圧として、ギャップ寸法ΔＨに対する電界強度Ｅが、５ｋＶ／ｍｍ以上に設定される。なお、電圧の上限は、アーク放電が起こらない電圧（例えば２０ｋＶ／ｍｍ）である。このような条件でプラズマ化空間に反応ガスを導入して基板上にポリシリコン薄膜を堆積させて成膜する。

ガス供給部３４から、ＳｉＨ_４ガスを１ｓｃｃｍで供給するとともに、Ｈ_２ガスを４９９ｓｃｃｍで供給する。これにより反応ガスのガス比は約０．００２強となり、前記のガス比が０．０１以上０．０４以下の条件外となっている。電極幅Ｌを３ｃｍとすると、同じ幅の電極を２つ使用し反応ガスは２方向に分けて流れるため電極幅は６ｃｍとなり、反応ガスの供給量比Ｍ／Ｌは１／６となる。すなわち、反応ガス供給量比は１／３以下に設定されている。

このときの、プラズマ化空間のＨ_２ガスの流量は、電極ギャップ寸法ΔＨを１ｍｍとしており、４９９／６０＝約８．３２（ｓｃｃｍ／ｍｍ^２）である。前記のギャップ寸法Δ
Ｈが１ｍｍ、電圧Ｖｐｐを７ｋＶに設定することで電界強度は７ｋＶ／ｍｍとなり、電界強度は５ｋＶ／ｍｍ以上となっている。この条件により図示していない反応容器内を２５０℃に保つと、基板３０上にポリシリコン薄膜を成膜できた。このようにして形成されたポリシリコン薄膜は、高速成膜が可能で、薄膜の均質性が良好であった。

なお、この実施形態で、Ｈ_２ガスの供給量を４９９ｓｃｃｍのままＳｉＨ_４ガスを５ｓｃｃｍで供給すると、電極の幅Ｌに対する反応ガスの供給量Ｍの比Ｍ／Ｌは、５／６（ｓｃｃｍ／ｃｍ）となり、前記の１／３より大きくなるため、ポリシリコンでなくアモルファスシリコンの薄膜が成膜された。このときのＳｉＨ_４／Ｈ_２ガス比は、５／４９９＝約０．０１であった。

また、前記の実施形態で、電極ギャップを２ｍｍとし、電圧Ｖｐｐを７ｋＶに設定すると、電界強度Ｅは３．５ｋＶ／ｍｍとなり、前記の５ｋＶ／ｍｍ以下となるため、ポリシリコンでなくアモルファスシリコンの薄膜が成膜された。このときの、プラズマ化空間のＨ_２ガスの流量は、電極ギャップを２ｍｍとしたためガスが通過する空間の高さが倍となり、４９９／（６０×２）＝約４．１６（ｓｃｃｍ／ｍｍ^２）である。

さらに、前記の実施形態で、ＳｉＨ_４ガスを１ｓｃｃｍで供給するとともに、Ｈ_２ガスを９ｓｃｃｍで供給すると、原料ガスのガス比、すなわちＳｉＨ_４／Ｈ_２ガス比が１／９＝約０．１１強となると共に、プラズマ化空間のＨ_２ガスの流量は、９／６０＝０．１５（ｓｃｃｍ／ｍｍ^２）となり、アモルファスシリコンの薄膜が成膜された。このように、ＳｉＨ_４／Ｈ_２ガス比が０．０１以上０．０４以下の範囲から外れるとともに、プラズマ化空間のＨ_２ガスの流量が２．０以上６．０以下の範囲から外れるとアモルファスシリコンの薄膜が成膜された。

本発明のさらに他の実施形態として、アモルファスシリコン薄膜またはポリシリコン薄膜を成膜する例について、図１１を参照して説明する。図１１はプラズマＣＶＤ装置のさらに他の実施形態の要部構成図である。なお、この実施形態は、前記した図９，１０に示す実施形態と基本構成は略同じであり、さらに希釈用のＨ_２ガスと別系統のＨ_２ガスを、反応容器内にプロセスガスとして流し、反応容器内を水素雰囲気とすることを特徴とし、実質的に同じ構成は同一符号を付して詳細な説明は省略する。

従来のこの種の成膜装置において、プラズマ化空間に供給する反応ガスは、基本的には均一に供給されているが、電極部は反応ガスの供給方向に沿って所定の奥行き（電極幅）を有しており、反応ガスが流通する上流側と下流側とで形成されるシリコン薄膜の膜厚分布が一定とならない虞がある。すなわち、上流側は反応ガスの濃度が大きいため膜厚が大きくなる傾向があり、反対に下流側は膜厚が小さくなる傾向がある。

このような不具合を除去するために反応ガスの流速を速くすることが考えられるが、流速を速くするためにシラン投入量（ＳｉＨ_４ガス）を増やすと、成膜されたシリコン薄膜はアモルファスとなる。また水素投入量（Ｈ_２ガス）を増やすと結晶性が良くなり膜が薄くなる傾向があり、単純にシラン投入量や水素投入量を増やすことができない。この実施形態では、このような膜厚が不均一となる不具合を除去できるものであり、均質なシリコン薄膜を高速で成膜できる装置と、方法を提供する。

この実施形態では、前記と同等の構成のプラズマＣＶＤ装置を反応容器４０内に設置し、希釈用のＨ_２ガスとは別系統のＨ_２ガスをプロセスガス供給部４５から吸入口４１を通して一定の流量で供給し、排気口４２から排気機構４６により排出し、プラズマ化空間及び反応容器４０内を略大気圧に保持している。すなわち、ガス供給部３４からシリコン含有原料ガスをＨ_２ガスで希釈した反応ガスを供給し、この反応ガスを希釈したときのガス
比を変化させるとともに、反応容器４０内に供給するプロセスガスとしてのＨ_２ガスの流量を変化させることにより、基板３０上にアモルファスシリコン薄膜またはポリシリコン薄膜を高速で形成する。本実施形態では、反応ガスとしてＳｉＨ_４ガスをＨ_２ガスで希釈して使用し、ＳｉＨ_４ガスを５ｃｃｍ、Ｈ_２ガスを９５ｓｃｃｍで供給し、希釈によるガス比を０．０５程度以下に設定している。

図１１のプラズマＣＶＤ装置において、ガス供給部３４から、反応ガスとしてＳｉＨ_４ガスを１ｓｃｃｍで供給するとともに、Ｈ_２ガスを９９ｓｃｃｍで供給する。これにより反応ガスのガス比は約０．０１となり、前記の０．０５以下の条件を満たしている。そして、反応容器４０内にプロセスガスとしてＨ_２ガスを４００ｓｃｃｍで供給している。すなわち、前記した図９，１０の実施形態と同じ量である４９９ｓｃｃｍのＨ_２ガスを全体として使用する。このように反応容器４０内を水素雰囲気とし、２５０℃の条件で成膜すると、基板３０上にはポリシリコン薄膜が成膜された。このポリシリコン薄膜は、ラマンスペクトルで求めた結晶化率が６８％であり、堆積速度は１６０Å／ｍｉｎであった。そして、膜厚の変化が小さいポリシリコン薄膜が高速で成膜できた。

比較例として、ＳｉＨ_４ガスを１ｓｃｃｍで供給するとともに、Ｈ_２ガスを４９９ｓｃｃｍで供給する。これにより反応ガスのガス比は約０．００２となり、前記の０．０５以下の条件となっている。しかし、この比較例では、反応容器４０内にプロセスガスを供給しないが、全体のＨ_２ガスの供給量は前記の実施例３と同じになっている。この条件の場合、基板３０上には、ラマンスペクトルで求めた結晶化率が８４％であり、堆積速度は６５Å／ｍｉｎのポリシリコン薄膜が成膜された。このシリコン薄膜は膜厚の変化が大きく均質でなく、堆積速度は低速であった。

この実施形態では、反応容器４０内に別系統のプロセスガスとしてＨ_２ガスを導入して水素雰囲気とすることにより、排気速度を速くして流速を上げた状態でプラズマ化空間に供給するＳｉＨ_４ガスの割合を高くして、結晶化率を抑えたシリコン薄膜の高速堆積が実現できる。すなわち、ＳｉＨ_４ガス投入量を増やさずにＨ_２投入量を増やすことにより、結晶性が良く薄いシリコン膜を高速で形成でき、太陽電池等の用途に最適なシリコン薄膜の成膜が可能となる。なお、この例では、条件を変えることによりポリシリコンやアモルファスシリコンの薄膜を成膜することができる。

本発明によるａ−Ｓｉは、太陽電池以外にイメージセンサ、光センサ、薄膜トランジスタ、複写機の感光材料などに用いることもできる。ＳｉＨ_４／Ｈ_２以外にも、Ｓｉ_２Ｈ_６／Ｈ_２などの反応ガスを主たるガスとして用いることができる。

プラズマＣＶＤ装置の断面図である。 プラズマＣＶＤ装置の斜視図である。 ａ−Ｓｉの収率とＳｉＨ_４／Ｈ_２比との関係を示すグラフである。 ａ−Ｓｉの収率とＨ_２ガスの流量との関係を示す図である。 Ｈ_２流量を変化させた場合のＳｉ−Ｈ結合比とＳｉＨ_４／Ｈ_２比との関係を示す図である。 ８インチウェハに換算した場合のａ−Ｓｉ膜の堆積速度（ｎｍ／分）のＳｉＨ_４／Ｈ_２比依存性を示す図である。 Ｓｉ−Ｈ結合比と基板温度との関係を示す図である。 アモルファスシリコン膜の成膜速度の基板温度依存性を示す図である。 本発明に係るシリコン薄膜の成膜方法を実施するプラズマＣＶＤ装置の他の実施形態の要部構成図。 図９の装置の電極部を示す概略斜視図。 プラズマＣＶＤ装置のさらに他の実施形態の要部構成図。

符号の説明

１…ウェハトレイ、３…基板、５ａ・５ｂ…電極部、６…プラズマ化空間、８…ガス導入部、１１…電源部、１５…ガス供給部、１７ａ・１７ｂ…吸気系（排気系）機構、２１…移動機構、３０…基板、３１…ウェハトレイ、３２ａ・３２ｂ…電極部、３３…ガス導入部、３４…ガス供給部、３５…電源部、３６…排気機構、３７…移動機構、４０…反応容器、４５…プロセスガス供給部、４６…排気機構、Ｌ…電極部の幅、ΔＨ…ギャップ寸法。

Claims (9)

1. 第１の電極部を兼ねる基板設置部と、反応ガスを供給するガス供給部と、該ガス供給部により供給された反応ガスをプラズマ励起させる励起用の第２の電極部と、前記第１の電極部と前記第２の電極部との間に電圧を印加する電源部と、を有するプラズマ成膜装置を用いた成膜方法であって、
   原料ガスとＨ_２ガスとの合計の分圧が８０％以上となる反応ガスを、該反応ガスをプラズマ励起させるプラズマ化空間に導入するステップと、
   前記プラズマ化空間の圧力を略大気圧に保持しつつ前記反応ガスをプラズマ励起させて前記基板設置部に載せた基板上に薄膜を形成させるステップと
   を含むことを特徴とする成膜方法。
2. 原料ガス／Ｈ_２ガス比が、０．００２以上０．１２以下であることを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
3. 前記プラズマ化空間のＨ_２ガスの流量が、０．０１以上８．５以下（ｓｃｃｍ／ｍｍ^２）であることを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜方法。
4. 前記原料ガス及びＨ_２ガス以外のガスとしては、ドーピング対象元素の水素化物により構成されるドーパントガスのみを含むことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の成膜方法。
5. 反応容器と、
   第１の電極部を兼ねる基板設置部と、
   反応ガスを供給するガス供給部と、
   該ガス供給部により供給された反応ガスをプラズマ励起させる励起用の第２の電極部と、
   前記第１の電極部と前記第２の電極部との間に電圧を印加する電源部と、
   前記ガス供給部から供給された反応ガスを原料ガスとＨ_２ガスとの合計の分圧が８０％以上になるように調整し、反応ガスをプラズマ励起させるプラズマ化空間に導入するガス導入部と、
   前記反応ガスを排気し前記反応容器内の圧力を略大気圧に保持する排気機構と
   を有することを特徴とする成膜装置。
6. 第１の電極部を兼ねる基板設置部と、反応ガスを供給するガス供給部と、該ガス供給部により供給された反応ガスを前記基板設置部とともにプラズマ励起させる励起用の第２の電極部と、前記第１の電極部と前記第２の電極部との間に電圧を印加する電源部と、を有するプラズマ成膜装置を用いたポリシリコンの成膜方法であって、
   シリコン含有原料ガスと希釈用のＨ_２ガスとのガス比が０．００２以上０．１２以下である反応ガスを、前記第２の電極部の幅に対する前記反応ガスの供給量比（ｓｃｃｍ／ｃｍ）が１／３以下となる条件でプラズマ励起させるプラズマ化空間に導入するステップと、
   前記プラズマ化空間の圧力を略大気圧に保持しつつ前記反応ガスを、前記第１の電極部と第２の電極部とのギャップ寸法に対する印加電圧を５ｋＶ／ｍｍ以上に調整してプラズマ励起させ、前記基板設置部に載せた基板上にポリシリコン薄膜を形成させるステップとを含むことを特徴とするポリシリコンの成膜方法。
7. 第１の電極部を兼ねる基板設置部と、反応ガスを供給するガス供給部と、該ガス供給部により供給された反応ガスを前記基板設置部とともにプラズマ励起させる励起用の第２の電極部と、前記第１の電極部と前記第２の電極部との間に電圧を印加する電源部と、を反
   応容器内に設置したプラズマ成膜装置を用いてポリシリコン薄膜を成膜する方法であって、
   シリコン含有原料ガスと希釈用のＨ_２ガスとのガス比が０．００２以上０．１２以下である反応ガスを、該反応ガスをプラズマ励起させるプラズマ化空間に導入するステップと、
   前記プラズマ化空間の圧力を略大気圧に保持しつつ前記反応容器に前記希釈用のＨ_２ガスと別系統のＨ_２ガスを所定の流量で供給し、前記反応ガスをプラズマ励起させて前記基板設置部に載せた基板上にポリシリコン薄膜を形成させるステップと
   を含むことを特徴とするポリシリコンの成膜方法。
8. 反応容器と、
   第１の電極部を兼ねる基板設置部と、
   シリコン含有原料ガスと希釈用のＨ_２ガスとのガス比が０．００２以上０．１２以下になるように調整した反応ガスを供給するガス供給部と、
   該ガス供給部により供給された反応ガスを前記基板設置部とともにプラズマ励起させる励起用の第２の電極部と、
   前記第１の電極部と前記第２の電極部との間に、前記第１の電極部と第２の電極部とのギャップ寸法に対する印加電圧を５ｋＶ／ｍｍ以上に調整して印加する電源部と、
   前記ガス供給部から、前記第２の電極部の幅に対する前記反応ガスの供給量比（ｓｃｃｍ／ｃｍ）を１／３以下として該反応ガスを供給し、供給された反応ガスをプラズマ励起させるプラズマ化空間に導入するガス導入部と、
   前記反応ガスを排気し前記反応容器内の圧力を略大気圧に保持する排気機構と
   を有することを特徴とするポリシリコンの成膜装置。
9. 反応容器と、
   第１の電極部を兼ねる基板設置部と、
   シリコン含有原料ガスと希釈用のＨ_２ガスとのガス比が０．００２以上０．１２以下になるように調整した反応ガスを供給するガス供給部と、
   該ガス供給部により供給された反応ガスを前記基板設置部とともにプラズマ励起させる励起用の第２の電極部と、
   前記第１の電極部と前記第２の電極部との間に電圧を印加する電源部と、
   前記ガス供給部から供給された反応ガスをプラズマ励起させるプラズマ化空間に導入するガス導入部と、
   前記反応容器内に前記希釈用のＨ_２ガスと別系統のＨ_２ガスをプロセスガスとして所定の流量で供給するプロセスガス供給部と、
   前記反応ガス及び前記プロセスガスを排気し前記反応容器内の圧力を略大気圧に保持する排気機構と
   を有することを特徴とするポリシリコンの成膜装置。

Images