JP2626701B2

JP2626701B2 - Ｍｉｓ型電界効果半導体装置

Info

Publication number: JP2626701B2
Application number: JP4037168A
Authority: JP
Inventors: 舜平山崎
Original assignee: 株式会社半導体エネルギー研究所
Priority date: 1980-10-24
Filing date: 1992-01-28
Publication date: 1997-07-02
Anticipated expiration: 2012-07-02
Also published as: JPS5773174A; JPH0562919A; JPH0325928B2

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、気相法により基板上に
作製された半導体材料、特に被膜状の半導体材料を用い
たＭＩＳ型電界効果半導体装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来珪素を主成分とする被膜特に多結晶
珪素被膜（ＰＣＳという）を作製しようとした場合、気
相法、特に減圧気相法が知られている。この減圧気相法
は、本出願人の出願に係るもので、特公昭５１−１３８
９号公報にすべて記されている。しかし、この減圧気相
法は、多量の基板上に大面積に均一な膜厚の被膜を作製
しようとするものであって、珪化物気体、特にシランを
０．１〜１０ｔｏｒｒの減圧状態で熱分解により基板上
に形成させようとするもので、被膜の形成に、６００〜
９００℃の高温を必要とする。しかし、この高温処理
は、基板が半導体シリコンまたは珪素の化合物である酸
化珪素、窒化珪素等の耐熱セラミック材料にあって、許
容されるが、基板がエポキシ樹脂、ガラスエポキシ樹脂
等の有機物、または熱膨張係数をある程度有するため、
大型の割れ易い基板（例えばガラス）、この基板上に導
電性被膜をコーティングした基板、またはポリイミド樹
脂等のフレキシブルフィルムを用いる場合に、きわめて
大きな欠点となった。

【０００３】また、他方、作製温度が室温〜３００℃の
低温で、一枚のみの基板に、かつその上に形成された被
膜もきわめて不均質な膜厚を有する方法としては、グロ
ー放電法によるアモルファス（非晶質）珪素被膜（非晶
質半導体を以下ＡＳという）が知られている。これは〜
２０ｃｍ平方または３ｃｍ平方の基板を０．０１〜１０
ｔｏｒｒ、特に０．１〜１ｔｏｒｒに減圧した水素雰囲
気に浸し、珪化物気体、特にシランをこの反応炉に導入
し、かつその際、基板を一方の電極上におき、その上方
に対抗電極をおいた平行平板型の反応装置を用いたもの
で、その二つの電極間に誘導エネルギを加えることによ
りグロー放電させて活性化させ、さらにその活性または
分解された珪化物を基板上に被膜形成させるものであ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前者の減圧多結晶半導
体膜は、単結晶と同じち密な結晶性を有し、かつ各粒の
粒界が結晶状の異方性のため、界面準位を多大有する電
気的絶縁性となっていた。このため、高濃度に不純物が
添加されたＰ^＋またはＮ^＋型の半導体は、作り得ても、
Ｐ、Ｐ⁻、Ｉ（真性）、Ｎ⁻、Ｎ型の半導体を作ること
が不可能であった。また、後者のグロー放電法によるア
モルファスシリコンは、原子間距離も結晶配位もランダ
ムであり、またさらに、グロー放電法によるスパッタ効
果により原子密度も小さく、また空げき（ＶＯＩＤ）の
多く、抵抗率が高く、電界移動度の低い半導体膜しかで
きなかった。そして、このような半導体膜の産業上の用
途は、限られていた。

【０００５】本発明は、このような問題を鑑みてなされ
たもので、気相法によって作製される半導体材料、特に
Ｉ型の半導体材料で、半導体として機能するに十分な抵
抗率あるいは電界移動度を有する半導体材料を用いたＭ
ＩＳ型電界効果半導体装置を提供することを目的とす
る。すなわち、従来の方法によって得られる各種半導体
被膜では、利用することが困難であるような用途、ある
いは従来であれば、単結晶半導体によらなくては実現で
きないとされていた用途であるＭＩＳ型電界効果半導体
装置にも利用できる半導体材料、特に被膜状の半導体材
料を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明のＭＩＳ型電界効果半導体装置は、珪素を主
成分とする実質的に真性な導電型（Ｉ型）を示す半導体
材料からなり、アモルファス半導体中に塊状、柱状、平
板状、半球状、半円状のうちのいずれかを含む複数の結
晶と、当該各結晶の間に介在し、アモルファス半導体に
おける再結合中心密度より低い再結合中心密度と５Åな
いし１０００Åの境界領域とを有する粒界とからなる構
造の半導体材料を用いたことを特徴とする。

【０００７】

【作用】本発明のＭＩＳ型電界効果半導体装置に使用
されるセミアモルファス半導体材料は、アモルファスシ
リコンと異なり、ボイドの少ないまたは全くないもので
ある。また、本発明の半導体材料は、従来の減圧気相法
による半導体材料とちがって、再結合中心密度の高い粒
界を有しないものである。元来、減圧気相法を使用して
得られた半導体材料は、真性半導体が再現良く得られな
かった理由として、このような再結合中心密度の高い粒
界の存在が考えられる。すなわち、このような再結合中
心密度の高い粒界には、不対結合手が集中し、その部分
に限って、著しく導電特性が妨げられ、結局、半導体と
して要求されるような微妙な電気伝導特性が得られなか
ったものと考えられる。しかし、本発明のＭＩＳ型電界
効果半導体装置は、アモルファス半導体中に塊状、柱
状、平板状、半球状、半円状のうちのいずれかを含む複
数の結晶と、当該各結晶の間に介在し、アモルファス半
導体における再結合中心密度より低い再結合中心密度と
５Åないし１０００Åの境界領域とを有する粒界からな
る構造の半導体材料を用いることによって、単結晶半導
体によってのみ得られたＭＩＳ型電界効果半導体装置に
近い特性のものを得ることができるようになった。

【０００８】本発明による半導体材料を得るため、様々
な方法が可能であるが、以下、特にスパッタ効果をきわ
めて少なく、または除去する方法であって、かつ同一バ
ッチに１０〜３００枚の基板を設置でき、従来の方法の
１０〜３００倍にまでその生産性が向上する方法を記述
する。このような方法において、多量生産が可能であ
り、基板を１０〜２０ｃｍ平方の大面積に±３％以内の
均一度で、均質に被膜を形成させること、およびこの被
膜の作製に必要な基板温度、たとえば室温〜５００℃で
可能なことは、本発明によるところの半導体材料を利用
するうえで大いに意味がある。具体的には、ヘリュー
ム、またはネオンよりなる不活性気体、または水素より
なるキャリアガスのさらにこのプラズマ化された雰囲気
に珪化物（例えばシラン（Ｓｉ_ｍＨ_ｎｍ≧１ｎ≧
４））また、ゲルマニューム化物の反応性気体を導入
し、質量の大きい反応性気体が電気エネルギのみを受
け、できるだけ運動エネルギを受けないようにして、そ
の化学的活性化または反応を基板より離れた位置で行な
うものである。

【０００９】該方法は、かかる活性または分解状態が
０．３〜３ｍもの長い飛しょう距離を長時間（〜３分）
も保持しうること、およびこの飛しょう中の活性生成物
は、反応管内を自由にとびまわり、反応ガスの流れに対
し、裏面側にも表面と同様に均一に作りうるという実験
事実の発見に基づくものである。

【００１０】さらに、該方法によれば、その活性状態の
持続をこの反応性気体を活性化、またはイオン化したヘ
リューム、またはネオンの如き不活性気体、または水素
でつつむことにより保持し、かつこのヘリュームまたは
ネオンの如きキャリアガスのプラズマエネルギを反応性
気体にうけわたし、その結果、飛しょう中に会合または
重合状態の反応性気体をさらに反応化して結晶化反応さ
せると共に、これらを被形成面上に均質に被膜化させる
作用が実験的に見出された。

【００１１】このような方法によって、本発明による半
導体材料を再現性よく得ることができ、また、このよう
な半導体材料では、半導体としての微妙な導電特性の要
求されるＩ型半導体を作製することが可能であり、か
つ、アモルファスシリコンと違って、半導体としての秩
序の整った領域も包含していることによって、十分に高
い電界移動度等の特性をも有している。このため、例え
ば、ＭＩＳ型電界効果トランジスタの如く、従来、単結
晶材料でなければ作製できないと考えられていた素子を
本発明の半導体材料によって作製することも可能とな
る。すなわち、従来の薄膜半導体を使用したＭＩＳ型電
界効果トランジスタにおいては、高い電界移動度を要求
される、Ｉ型もしくは実質的にＩ型（Ｎ⁻型やＰ⁻型も
含む）の導電型であるチャネル形成領域を作製すること
が極めて困難であった。

【００１２】本発明による半導体材料は、その構造的特
性上、セミアモルファス半導体と称すべき材料である
が、このような材料を作製する際に、上記、あるいは以
下の実施例以外の方法も利用できることはいうまでもな
い。以下、本発明の半導体材料を作製するための実施例
を図面に従って説明するが、これは本発明の請求する
『物の発明』としての半導体材料の作製方法を何ら限定
するものではないことは明らかであろう。

【００１３】

【実施例】基板は、導体基板（ステンレス、チタ
ン、窒化チタンその他の金属）、半導体（珪素、ゲルマ
ニューム）、絶縁体（アルミナ、ガラス、エポキシ、ポ
リイミド樹脂等の有機物、フレキシブルフィルム）、ま
たは複合基板（絶縁基板上に酸化インジューム、ＩＴＯ
等の透明導電膜が形成されたもの、基板上にＰまたはＮ
型の半導体が単層または多層に形成されたもの）を用い
た。もちろん、この基板は、可撓性（フレキシブル）で
あっても、また固い板であってもよい。

【００１４】図１は本発明の被膜を作製するための実施
例を説明するための図である。図１において、基板
（１）は、ボート（例えば石英）（２）に対して隣立さ
せた。基板（１）は、厚さ２００μｍ、大きさ１０ｃｍ
平方のものを本実施例において用いた。この基板（１）
を反応炉（３）に封じた。この反応炉（３）は、その外
側に抵抗加熱によるヒータ（４）を設置している。排気
は、排気口（１３）よりニードルバルブ（１４）、スト
ップバルブ（１５）を経て、真空ポンプ（１６）により
なされる。反応性気体は、反応性気体導入管（８）また
は（９）より反応炉（３）内における混合室（１７）の
基板（１）より前方に離れた位置の混合室（１７）に導
入させた。さらに、水素、ヘリュームの如き不活性気体
（１１）、またはアンモニアの如き窒化物気体、または
酸素の如き酸化物気体を酸化物気体導入管（１２）より
導入した。これらの気体よりなるキャリアガスをマイク
ロ波発生源（５）より導波管内に設けられた活性化室
（７）にて、化学的に活性化または分解してイオン化さ
せた。このプラズマ状態の発生のため、マイクロ波発生
源（５）、ここでは１〜１０ＧＨｚ、例えば２．４６Ｇ
Ｈｚのマイクロ波発生源（５）（１．３ＫＷ最大）によ
り１００Ｗ〜１ＫＷの強い出力を加えて化学的に活性
化、または分解させている。この化学的な活性化は、
０．１〜１００ＭＨｚの高周波をインダクティブ結合を
して加えてもよい。しかし、例えば１３．５６ＭＨｚに
比べ本発明の２．４６ＧＨｚはイオン化率が１０^４〜１
０^５倍も大きく、かつイオン化したキャリアガスが電気
エネルギのみであり運動エネルギを少ししか受けないた
めスパッタ効果の防止に特に有効であった。

【００１５】混合室（１７）において、前記活性化した
キャリアガスより電荷を反応性気体に受けた後、さら
に、壁面へ衝突するのを防止した。また、たとえ衝突し
ても、壁面における被膜化または核形成を防ぐため、そ
の近傍の壁面は、水冷またはフロンで冷却（〜−３０
℃）をした。

【００１６】反応炉（３）（混合室（１７）を含む）
は、１０^−４〜１０ｔｏｒｒ、特に０．００１〜５ｔｏ
ｒｒとした。本実施例において、反応性気体は、珪化物
気体として、シラン（Ｓｉ_ｍＨ_ｎ）、ジクロールシラン
（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）、トリクロールシラン（ＳｉＨＣｌ
_３）、四フッ化珪素（ＳｉＦ_４）等があるが、取り扱い
が容易なシラン（モノシラン（ＳｉＨ_４）、またはポリ
シラン（Ｓｉ_ｍＨ_ｎ＋２）、または会合シラン（Ｓｉ_ｍ
Ｈ_ｎ）を総称してここではシランという）を用いた。こ
のシランを本発明においては、１０〜５０％の濃度でヘ
リューム希釈のボンベとした。１００％のシランを用い
てもよい。このボンベの圧力は、通常より２〜４倍も高
圧であり、１００％にて５気圧、５０％にて１０気圧、
１０％にて１００気圧として高圧での会合化、重合化反
応を促進させた。キャリアガスが水素である過剰水素雰
囲気では、水素希釈としてもよい。

【００１７】本実施例においては、Ｐ型の不純物として
ボロンをジシランより１０^１７ｃｍ^−３〜１．０モル％
の濃度になるように加え、またＮ型の不純物としてはフ
ォスヒン（ＰＨ_３）を１０^１７ｃｍ^−３〜２．０モル％
の濃度になるようにあらかじめボンベ中にシランと同時
に添加して調整して用いた。アルシン（ＡｓＨ_３）であ
ってもよい。さらに、特に何ら不純物を加えず、真性の
半導体としてもよい。

【００１８】図２（Ａ）、（Ｂ）は図１に示す実施例に
おいて、反応炉内に被形成面を有する基板を設置する方
法を説明するための図である。図２（Ａ）は基板上に対
し一対をなす基板（２１）（２２）の裏面を互いに隣接
せしめ、ボート（２）上において、重力方向に対して斜
めまたは垂直（直角）に配置し、重力により裏面が互い
に密接せしめるようにしたものである。このため、ボー
ト（２）には、斜方向にみぞ（２３）がきられ、そこに
裏面を互いに接して装填されている。かくすると、基板
（２１）（２２）の被形成面である表面に対し、被膜を
均一に被着できると同時に、裏面に全く半導体膜が形成
されない状態を作ることができた。

【００１９】図２（Ａ）は２０行のうちの一部である３
行を配置したものを５〜２０列の一部である２列を示し
たものである。基板を斜めに配置するため、前列を左斜
めに配置して、その後、後列を右斜めに配置して、反応
性気体の混合を助長し、均一度を高めてもよい。ボート
（２）の製造上は、同一斜方向の方がいい。

【００２０】また、被形成面をボート（２）表面に平行
（重力に垂直方向）に裏面を互いに接せしめ、その各対
間は、５〜１０ｍｍの間げきを設けて配置させてもよ
い。図２（Ｂ）は反応炉（２６）に対し、ボート（２）
を水平方向ではなく、斜めに配置させたものを示してい
る。また、図２（Ｂ）示すものは、対をなす基板（２
１）（２２）に加えて、ダミーとして基板（２１）（２
２）を設け、被形成面に対し、反応炉（３）の内壁、ボ
ート（２）の表面の面積を少なくせしめたことを特徴と
している。

【００２１】従来より公知である重力と平行に配置され
た基板は、みぞ（２３）の幅が被膜形成中のボート
（２）、基板（１）の熱膨張を考慮して、基板２枚の厚
さよりも０．２〜０．４ｍと幅広にできているため、一
対をなす基板（１）の裏面に「すきま」を形成し、被形
成面の反対面に半導体膜が形成させてしまう。本実施例
は、かかる欠点を除いたもので、特に、光電変換装置の
如く基板を透明なものとし裏面より形成させる被膜であ
る半導体に光照射を行なおうとした時、製造工程の簡略
化により、その光学的効果が大きい。

【００２２】加えて、本実施例は、従来より知られた平
行平板型よりも量産効果を有する１００〜３００枚の基
板の一表面にのみ、半導体膜等を選択的に形成し、かつ
そのために、製造工程を増加させることも必要なく、加
えて実質的な反応炉への充てん密度を２倍にできるとい
う特徴を有している。

【００２３】反応系は、最初容器の内壁に付着した酸素
等を８００〜１２００℃で、マイクロ波発生源（５）に
より真空加熱して除去し、その後、排気口（１３）側よ
り基板（１）を装着したボート（２）を反応炉（３）に
入れた。この後、この反応炉（３）を排気口（１３）に
より真空びきし、１０^−５ｔｏｒｒにまでした。さら
に、しばらくの間ヘリュームを不活性気体導入管（１
１）より流し、反応系をパージした。また、マイクロ波
エネルギを活性化室（７）に印加し、さらに、反応性気
体を反応性気体導入管（８）（９）より必要量導入し、
混合室（１７）にて、キャリアガスよりの電荷を受け、
完全に混合して反応炉（３）に導いた。かくすると、シ
ランのうち複数の近接した分子系の不対結合手、または
シランは活性化、または分解して互いに共有結合をし、
エネルギ的に安定な結晶性を飛しょう中に得る。また、
逆に、十分離れた不対結合手、またはシランは、同極性
の電荷を受けると互いに離間し合うことがわかった。特
に、シランのうち会合分子（ａｓｓｏｃｉａｔｅｄｍ
ｏｌｅｃｕｌｅ）、または重合分子（ｐｏｌｙｍｅｒｉ
ｚｅｄｍｏｌｅｃｕｌｅ）は、それらのキャリアガス
より電気エネルギを受け、その全体が飛しょう中により
結晶化方向に移行する。

【００２４】このシランに対し、キャリアガスを水素枯
渇雰囲気であるＨｅの如き不活性ガスにより、シラン／
Ｈｅ＝１／５〜１／１０００とすると、イオン化したヘ
リュームより反応中のシランクラスタがエネルギを受
け、その結晶化傾向がさらに強まり、珪素の不対結合手
は互いに共有結合をすることが判明した。そして、形成
される被膜は半球状、球状を有する塊状のクラスタの積
層した半導体膜、さらに、または被形成面上で成長過程
を有せしめると柱状のクラスタ構造となった半導体膜と
することができた。

【００２５】また、この半導体膜を透過電子顕微鏡写真
（加速電圧２００ＫＶ）によってみると、その粒界がダ
イヤモンド構造の単結晶体粒子が複数個集合したいわゆ
る多結晶珪素の如く明確な線状粒界とならず、境界領域
を５〜１０００Åの幅で有しており、いわゆる結晶粒界
のみに不対結合手が必ずしも集中していないものと推定
される。また、塊状または柱状のクラスタは、その径が
１００〜１００００Åを有した平板状であるか半球状、
または柱状であって、特に、基板（１）の温度が室温〜
３００℃にて平板状、または半円状を有し、２００〜４
００℃であり、かつマイクロ波エネルギ、または高周波
エネルギを２〜１０倍の高出力にすることにより、飛し
ょう中の結晶化反応、および基板（１）上の成長反応
は、活性化を助長することにより本実験で、５０Å〜１
０μｍの有効径の柱状を有していた。

【００２６】これらは、電子線回折において、幅広のリ
ング状であり、同時に線状のリングを（１１１）、（２
２０）、（３１１）結晶面によると推定されるパターン
を示し、半結晶性であることが判明した。これは、線状
リングのみのち密な多結晶構造とは異なっており、また
ハローパターンのみのアモルファス構造でもないその中
間の半結晶性または非晶質のセラミック半導体の構造で
あった。

【００２７】また、このシランに対し、キャリアガスを
水素過剰雰囲気である水素とすると、この活性化した水
素がシランの一部である珪素の不対結合手と結合し、特
に重合シラン、または会合シランをモノシランに代えて
移行する。そのため、アモルファス化傾向が強まり、ク
ラスタの粒径を５０〜５００Åと小さくするか、または
不可能状態の非クラスタ状の半導体被膜とすることがで
きた。また、たとえクラスタがＴＥＭ（透過電子顕微
鏡）にて調べても、その境界領域は、１０Å〜１μｍを
有し、境界が不明確であった。すなわち、結晶と非晶質
の中間構造（セミアモルファス構造）を有していた。

【００２８】図３は本実施例における基板温度と被膜成
長速度との関係を説明するための図である。図３におい
て、曲線（３０）は、容量結合型高周波エネルギを１０
０Ｗ、マイクロ波を０Ｗ、反応炉内圧力が０．０５〜２
ｔｏｒｒ、シラン／Ｈｅ＝１／１０〜１／５０において
得られた特性である。上記と同一条件で、マイクロ波出
力のみを５００Ｗとすると、曲線（３１）が得られた。
この場合、被膜の均一度に関しては、図１の加熱炉の均
熱部が６０ｃｍを有し、流れに平行に４列各行１０対２
０枚、計８０枚を同一バッチで形成したものである。

【００２９】その場合、ガスの流入口の最前列と最後列
にて、被膜が±５〜１０％（膜厚）を有し、また、同一
列において、２０枚の膜厚は、±５％、一枚中の膜厚
は、±２％以内の範囲で均一度を得ることができた。

【００３０】以上より、容量結合方式の本実施例装置
は、５０〜１００枚の多数の基板を同時に作製すること
にきわめて有効であることが判明した。加えて、キャリ
アガスにマイクロ波を加えることにより、さらに被膜成
長速度が増加し反応性気体の収集効果を３０％より７０
〜８０％に向上させることができた。これは平行平板型
の反応炉の１０〜２０％に比べ、反応炉内有効面積が管
壁の２０〜１００倍になり、トータルコストの低減に有
効であった。

【００３１】図４は本実施例の容量結合プラズマ反応装
置に、さらにマイクロ波発生源（５）を併用した図１の
装置で得られた特性を説明するための図である。図４に
おいて、曲線（４０）は、基板温度３００℃、容量結合
型高周波出力１００Ｗ、Ｓｉ_ｍＨ_ｎ／Ｈｅ＝０．０３、
反応炉内圧力０．０１〜０．０５ｔｏｒｒ、とさらにキ
ャリアガスであるＨｅにマイクロ波出力を０〜１０００
Ｗ加えた場合の被膜成長速度を示す。

【００３２】曲線（４１）は、高周波エネルギを加えず
マイクロ波出力のみを加えたものであり、被膜形成が出
力に比例して行ないうることがわかる。しかし、この場
合、被膜の均一度は、反応炉の流れ方向において、後方
がうすく、±１５％になってしまった。曲線（４２）
は、Ｓｉ_ｍＨ_ｎ／Ｈｅ＝０．３、反応炉内圧力０．５〜
２ｔｏｒｒとした時のもので、その他、曲線（４０）と
同様の条件とした。

【００３３】シランの濃度が高く、かつ真空度が高いた
め、反応性ガスの飛しょう中の反応時間も長く結果とし
て被形成速度が大きくなった。以上の実施例より明らか
な如く、キャリアガスにのみマイクロ波出力を加えて
も、励起したキャリアガスが混合室において、シランに
電気エネルギを加える間接励起が可能であることがわか
った。さらに、その結晶化は、容量結合方式のみにおい
て、反応性気体に十分キャリアガスよりエネルギを加え
るため、キャリアガスにより十分希釈し、さらに飛しょ
う中の結晶化反応に要する時間を長くしなければならな
かった。

【００３４】しかし、キャリアガスに対し高周波の１０
０倍の周波数のマイクロ波エネルギを加えることによ
り、そのガスの電離度は、１０^４〜１０^５倍にもなるた
め、かかるプラズマエネルギを反応性気体に十分与える
ことが可能であり、結果として低い真空度である０．０
００１〜１ｔｏｒｒ特に０．００１〜０．０５ｔｏｒｒ
においてもセミアモルファスシリコンの膜を作ることが
可能となった。加えて真空度が低いため、反応性気体の
滞空時間が短く、その飛しょう速度が速くなり、結果と
して反応炉の流れ方向において、反応炉が１〜３ｍの長
さにおいてもその前方および後方の均一度を±３％以内
（膜厚１μｍを１０ｃｍ平方に形成させるとした場合）
にすることが可能になり、その結果同一反応炉に１００
〜３００枚の基板を同時に設置できるため、安価で多量
にセミアモルファスシリコン半導体材料を作ることが可
能になった。

【００３５】本発明の実施例であるヘリュームをキャリ
アガスとして形成された被膜は、温度が室温〜５００℃
といわゆる多結晶半導体構造と異なり、セミアモルファ
ス構造（Ｓｅｍｉ−ａｍｏｒｐｈｏｕｓ、Ｑｕａｓｉ−
ａｍｏｒｐｈｏｕｓ、Ｓｅｍｉ−ｃｒｙｓｔａｌ、Ｑｕ
ａｓｉ−ｃｒｙｓｔａｌ）として独特な、ち密構造を有
する結晶と非晶質の中間構造を有していた。

【００３６】また、逆に水素においても、１００〜５０
０℃のヘリュームに比べて１００〜２００℃高温におい
ては、電子線回折で、半結晶性を有しており、セミアモ
ルファス半導体を作るために、基板（１）のスパッタ効
果を除去することがきわめて重要である。そのために、
本発明の質量の大きい珪素を間接的に活性化することが
有効であった。

【００３７】非単結晶構造は、一般に多数の不対結合手
があることが知られており、例えば本発明装置におい
て、キャリアガスを窒素とした時、その再結合中心の密
度が１０^２０〜１０^２２ｃｍ^−３と多い。また、グロー
放電法を用いたアモルファスシリコンの公知の結果にお
いても、再結合中心密度が１０^１８〜１０^１９ｃｍ^−３
を有していた。しかし、このキャリアガスをヘリューム
または水素とすると、さらに基板（１）のすでに形成さ
れたセミアモルファスシリコンの表面の飛しょうする新
たなるクラスタがスパッタするスパッタ効果を極力除去
した。本実施例による方法には、これらのガス、特にヘ
リュームは、被膜中を自由に動き得るため、不対結合手
が活性化され、それぞれ共有結合して中和される効果が
あった。このため、再結合中心密度は、５×１０^１４〜
５×１０^１６ｃｍ^−３とすることができた。

【００３８】本実施例において、この反応性気体をフッ
化珪素とすると、さらにその再結合中心密度は、１／３
〜１／１０に下げることができた。本実施例は、その思
想において、飛しょう中に珪素の不対結合手同志を互い
に共有結合せしめること、および被形成面上に飛しょう
した珪素がすでに形成された半導体膜をスパッタしてあ
らたな不対結合手、やボイドを発生させることを禁止す
ることを目的としている。このため、形成された半導体
膜中の水素濃度は、Ｈｅをキャリアガスとすると、０．
１〜１０モル％であり、また、水素をキャリアガスとす
ると、２０〜３０モル％であり、Ｈｅ／Ｈ_２を混合する
と、その中間の水素濃度を得ることができた。また、こ
の被膜を５００℃に加熱しても１０％以下、代表的には
１％以下の密度上昇しかなく、いわゆる従来のアモルフ
ァス珪素が２０〜３０モル％の水素を含有し、５００℃
でアニール処理を行なうことにより２０〜４０％の高密
度化をおこすこととは、きわめて異なる半導体膜であっ
た。

【００３９】本実施例に記述した作製方法は、セミアモ
ルファスシリコンを作ると同様に、Ｐ型、Ｎ型のセミア
モルファスシリコンを作りうるためＰ型またはＮ型の半
導体としての被膜を単層に作ることも、ＰＮ接合、ＰＩ
Ｎ接合、ＰＮＰＮ接合、ＰＮＰＮ・・・・ＰＮ接合等を
多重に自由に作ることもできた。このため、本実施例に
記述された方法により作られた被膜は、半導体レーザ、
発光素子、さらにまたは太陽電池等の光電変換素子への
応用が可能となった。もちろん、ＭＩＳ型電界効果トラ
ンジスタ、または集積回路等にも応用でき、大きな価値
を有している。

【００４０】図１のマイクロ波のエネルギは、マグネト
ロン等を利用する。しかし、さらに強いエネルギを出す
ため、工業生産において、この基板より離れた位置での
活性化は、１〜５００ＭＨｚの高周波誘導エネルギ源を
誘導結合させて用いて実施してもよい。

【００４１】

【００４２】本実施例において、キャリアガスとしての
不活性ガスは、ヘリュームまたはネオンに限定した。そ
れはヘリュームの電離電圧が２４．５７ｅＶ、ネオンの
それが２１．５９ｅＶであり、その他の不活性気体であ
るＡｒ、Ｋｒ、Ｎの質量が大きいため、基板表面をスパ
ッタ（損傷）させてしまうに加えて電離電圧が１０〜１
５ｅＶと前二者に比べて大きい。その結果、このＨｅま
たはＮｅのみが電離状態を長く持続し、かつ、その所有
する活性エネルギが大きい。その結果、被形成面にて、
反応生成物の被膜化に際し均一に被膜化させ、かつ反応
性気体の実質的な平均自由工程を大きくさせているもの
と推定される。これらは実験事実より得られたもので、
特にヘリュームは本実施例の装置の如く大型の１０〜３
０ｃｍ平方の基板上に半導体被膜を均一に作製せんとし
た時、反応性気体を離れた位置で活性に必要なチャンバ
を実用上許容できる程度に小さく作っておいても、均一
度が高いという大きな特徴を有していた。

【００４３】

【００４４】

【発明の効果】本発明のＭＩＳ型電界効果半導体装置に
使用される半導体材料は、アモルファス半導体中に塊
状、柱状、平板状、半球状、半円状のうちのいずれかを
含む複数の結晶と、当該各結晶の間に介在し、アモルフ
ァス半導体における再結合中心密度より低い再結合中心
密度と５Åないし１０００Åの境界領域とを有する粒界
からなる構造であるため、従来のアモルファス半導体か
らなる薄膜半導体材料と異なり、優れた特性を有してい
た。すなわち、本発明のＭＩＳ型電界効果半導体装置に
使用される上記半導体材料は、アモルファスシリコンの
ように極めて乱雑な状態だけからなるのではなく、秩序
の高い領域を有しており、再結合中心密度が１０^１８〜
１０^１９ｃｍ^−３であるため、半導体としての特性を保
持しつつ、十分な電気特性をも示すものである。すなわ
ち、本発明のＭＩＳ型電界効果半導体装置に使用される
半導体材料とは、アモルファスシリコンのマトリクスの
中に微小な単結晶状態の半導体が組み込まれた一種の複
合材料といえる。そして、このように複合化せしめるこ
とによって、双方の長所を取り込むことが出来た。一
方、双方の欠点は、ほとんど表面に現れない。すなわ
ち、本発明のＭＩＳ型電界効果半導体装置は、アモルフ
ァス半導体中に塊状、柱状、平板状、半球状、半円状の
うちのいずれかを含む複数の結晶と、当該各結晶の間に
介在し、アモルファス半導体における再結合中心密度よ
り低い再結合中心密度と５Åないし１０００Åの境界領
域とを有する粒界からなる構造であるため、従来の半導
体材料の単なる組合わせではなく、従来、単結晶半導体
でしか作製できなかったものを、本発明の半導体材料に
よって初めて得ることができたものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の被膜を作製するための実施例を説明す
るための図である

【図２】（Ａ）、（Ｂ）は図１に示す実施例において、
反応炉内に被形成面を有する基板を設置する方法を説明
するための図である。

【図３】本実施例における基板温度と被膜成長速度との
関係を説明するための図である。

【図４】本実施例の容量結合プラズマ反応装置に、さら
にマイクロ波発生源（５）を併用した図１の装置で得ら
れた特性を説明するための図である。

【符号の説明】

１基板１３排気口２ボート１４ニードル
バルブ３反応炉１５ストップ
バルブ４ヒーター１６真空ポン
プ５マイクロ波発生源１７混合室６冷却装置７活性化室８、９反応性気体導入管１０不純物気体導入管１１不活性気体導入管１２酸化物気体導入管

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】珪素を主成分とする実質的に真性な導電
型（Ｉ型）を示す半導体材料からなるＭＩＳ型電界効果
半導体装置において、アモルファス半導体中に塊状、柱状、平板状、半球状、
半円状のうちのいずれかを含む複数の結晶と、当該各結晶の間に介在し、アモルファス半導体における
再結合中心密度より低い再結合中心密度と５Åないし１
０００Åの境界領域とを有する粒界と、からなる構造の半導体材料を用いたことを特徴とするＭ
ＩＳ型電界効果半導体装置。