JP2876318B2

JP2876318B2 - 薄膜形成方法

Info

Publication number: JP2876318B2
Application number: JP1012832A
Authority: JP
Inventors: 真吾岡本; 久樹樽井; 昇中村; 信哉津田; 昭一中野
Original assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Current assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Priority date: 1989-01-20
Filing date: 1989-01-20
Publication date: 1999-03-31
Anticipated expiration: 2014-03-31
Also published as: JPH02192720A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、半導体薄膜などの薄膜を形成する薄膜形成
方法に関する。

〔従来の技術〕

一般に、光エネルギによつて原料ガスを分解し、薄膜
形成用基板上に薄膜を形成する光CVD法は、低温成長が
可能であり、しかも成長膜へのダメージが少ないなどの
利点から、非常に注目されている。

しかし、原料ガスを分解するのに必要な光エネルギは
主に紫外領域にあり、真空容器に形成した窓を通して、
この容器内に外部から光を照射する場合、波長110nm以
下の短波長光を透過する適当な窓材がないために、110n
m以下の短波長光を利用できないことや、成膜反応の経
過に伴つて窓材表面にも成膜されて透過率の低下を招く
などの不都合がある。

そこで、例えば昭和59年（1984年）第31回応用物理学
関係連合講演会講演予稿集P391「29a−Ｒ−４窓なし光C
VD法によるａ−siの折出（Ｉ）」に記載されているよう
に、真空容器内においてプラズマを発生させ、プラズマ
の発光エネルギにより原料ガスを分解し、いわゆる窓な
しCVD法により薄膜を形成することが考えられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の窓なし光CVD法の場合、プラズマの発生領域と
基板の設置位置とが接近しているため、プラズマ中のイ
オンや電子などの荷電粒子が基板に衝突し、基板や成長
膜がダメージを受け、成長膜の膜質の低下を招くという
問題点がある。

そこで、イオンが基板に衝突しないように，基板にバ
イアスをかけることや、プラズマ発生領域と基板との間
にメッシュ状電極を設け、この電極の電位を制御するこ
とにより、荷電粒子の基板への到達を防止する対策が考
えられているが、これらの対策ではすべての荷電粒子の
基板への衝突を防止することは不可能である。

本発明は、前記の点に留意してなされ、荷電粒子の基
板への到達を確実に防止し、荷電粒子の衝突による基板
及び成長膜のダメージを防止できるようにすることを目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

前記目的を達成するために、本発明の薄膜形成方法で
は、プラズマ室においてマイクロ波エネルギによりプラ
ズマ用のプラズマを生成し、前記プラズマ室に形成した
磁気鏡型磁場により該磁場中に前記プラズマの荷電粒子
を閉じ込め、前記プラズマの発光エネルギ及び中性ラジ
カルのエネルギにより、前記プラズマ室に連通した反応
室に導入した原料ガスを分解し、その分解生成物により
前記反応室に配設した薄膜形成用基板上に薄膜を形成す
ることを特徴としている。

〔作用〕

以上のように構成されているため、プラズマ中の荷電
粒子は磁気鏡型磁場（ミラー磁場）に閉じ込められて基
板に到達することがなく、荷電粒子の基板への衝突が確
実に防止される。

そして、原料ガスの分解生成物により基板上に薄膜が
形成され、このとき、基板及び成長膜は荷電粒子の衝突
によるダメージを受けることがない。

また、窓から光を照射しないため、従来のような窓材
による波長制限がなく、プラズマ用ガスの選択により、
波長110nm以下の高エネルギの短波長光をも有効に利用
して成膜することができる。

〔実施例〕

実施例について図面を参照して説明する。

まず、磁気鏡による荷電粒子の閉じ込めり原理につい
て、第２図を用いて説明する。

第２図において、（1a），（1b）は同軸に配設された
２個の空心コイルであり、両コイル（1a），（1b）によ
り、両コイル（1a），（1b）の近傍で最大磁界となり、
両コイル（1a），（1b）の中間で最小磁界となる紡錘型
の磁気鏡型磁場が形成される。

そして、このような磁場により、荷電粒子は磁力線に
沿つて進んだのち、ある所で反射され、これらの繰り返
しにより結果的に磁気鏡内部に荷電粒子が閉じ込められ
ることになる。

ところで、この磁気鏡型磁場の磁束密度の最大値をB
m,最小値をBoとすると、Ｒ（＝Bm/Bo）をミラー比と言
い、磁束密度が最小となる両コイル（1a），（1b）の中
間で、多数の荷電粒子が等方的な速度分布を持つと仮定
すると、磁気鏡に閉じ込められずに外へ逃げ出す荷電粒
子の割合は1/Rとなり、ミラー比Ｒを十分大きくするこ
とにより、ほとんどすべての荷電粒子を閉じ込めること
が可能となる。

つぎに、薄膜形成装置の概略を示す第１図について説
明する。

第１図において、（２）は筒状のプラズマ室、（3
a），（3b）はプラズマ室（２）の両端部の外側に配設
された磁気鏡型磁場形成用の２個の空心電磁コイル、
（4a），（4b）は両コイル（3a），（3b）間のプラズマ
室（２）の外側に配設された磁場微調整用の２個の空心
電磁コイルであり、これらのコイル（3a），（3b），
（4a），（4b）によりプラズマ室（２）に磁気鏡型磁場
（Ｍ）が形成される。

さらに、（５）はマグネトロン、（６）はプラズマ室
（２）に連通した導波管、（７）は導波管（６）とプラ
ズマ室（２）との間を気密に仕切りプラズマ用ガスの導
波管（６）内への流入を遮断する石英仕切板、（８）は
プラズマ室（２）に連通した反応室、（９）は反応室
（８）に配設されヒータ（10）を内蔵した基板ホルダ、
（11）はホルダ（９）に保持された薄膜形成用基板、
（12）は先端部がプラズマ室（２）の中央部まで導入さ
れプラズマ用ガスを供給するプラズマ用ガスパイプ、
（13）は先端部が反応室（８）の基板（11）の近傍まで
導入され原料ガスを供給する原料ガス用パイプ、（14）
は反応室（８）に形成された排気口、（15）は金属メッ
シユであり、プラズマ室（２）と反応室（８）との間に
設けられ、マイクロ波の反応室（８）への漏洩を防止す
る。

ところで、磁気鏡型磁場（Ｍ）の実例値として、磁場
（Ｍ）の中心から、コイル（3a）、（3b）までの距離を
共に30cm,コイル（4a），（4b）までの距離を共に20cm
とし、各コイル（3a），（3b），（4a），（4b）の半径
を5cmとし、コイル（3a），（3b）に10000AT,コイル（4
a），（4b）に500ATの電流を流すと、磁場（Ｍ）の磁束
密度の最大値Bmは1263Gauss,最小値Boは13.1Gaussとな
つて、磁場（Ｍ）のミラー比Ｒ（＝Bm/Bo）はＲ＝96.8
となり、この場合約99％割合で荷電粒子を閉じ込めるこ
とができる。

そして、例えば非晶質Si薄膜を形成する場合、原料ガ
スとしてジシランガス〔Si₂H₆〕を用い、プラズマ用ガ
スとしてキセノン〔Xe〕ガスを用い、Si₂H₆に対して吸
呼の大きい147nmのXe共鳴線のエネルギにより、Si₂H₆を
分解するようにし、このときの条件として、Xeガスの流
量を10SCCM,反応室（８）の圧力を0.5Torrとし、マツチ
ング調整した導波管（６）を介してマグネトロン（５）
によるマイクロ波を照射すると、プラズマ室（２）でXe
ガスがプラズマ化され、磁気鏡型磁場（Ｍ）によりXeプ
ラズマが閉じ込められ、プラズマ室（２）において147n
mの共鳴線を含む白色の発光が生じ、このXeプラズマの
発光のエネルギ及び磁場（Ｍ）に閉じ込められない中性
ラジカルのエネルギにより，主として147nmの共鳴線の
エネルギにより、反応室（８）においてSi₂H₆が分解さ
れ、基板（11）上に非晶質Si薄膜が形成される。

つぎに、第１図に示す形成装置により光起電力装置の
p,i,nの各層を表１に示す条件で形成し、第３図に示す
ような構成の光起電力装置（Ｉ）を作成した。

ところで、この光起電力装置は周知の構成であり、第
３図に示す如く、ガラス基板（16）上に、透明導電膜
（17），非晶質Siからなるp,i,n層（18），（19），（2
0）及び裏面電極（21）を順次積層したものであり、表
１の条件下において、p,n層（18），（20）の成膜速度
を20Å/min,i層（19）の成膜速度を70Å/minとし、p,i,
n層（18），（19），（20）の膜厚はそれぞれ150Å,400
0Å,300Åとした。

そして、作成した光起電力装置（Ｉ）の光電変換特性
を測定した結果、表２に示すようになり、比較のため
に、ｉ層形成時の磁気鏡型磁場（Ｍ）を無しとする以外
は表１に示す条件とすべて同じにして作成した光起電力
装置（II）の光電変換特性も表２に示す。なお、表２の
各値はAM−1.5,100mW/cm²の状態のものである。

このように、表２からわかるように、光起電力装置
（Ｉ）の方がすべての特性について光起電力装置（II）
を上回つており、光起電力装置（Ｉ）の特性が良好であ
ることを示している。

さらに、光起電力装置（Ｉ），（II）の収集効率につ
いて、＋0.7Vバイアス時の値を−5Vバイアス時の値で規
格化した規格化収集効率スペクトルを測定したところ、
第４図に示すようになり、同図中の実線が光起電力装置
（Ｉ）を示し、破線が光起電力装置（II）を示してお
り、第４図から明らかなように、光起電力装置（Ｉ）は
400〜800nmの範囲で規格化収集効率がほぼ一定している
のに対し、光起電力装置（II）は400〜500nmの短波長域
の規格化収集効率が低下している。

これは、ｐ層（18）とｉ層（19）の界面付近の接合特
性が悪化したためと考えられる。

そして、表２及び第４図の結果から、ｉ層（19）の形
成時に磁気鏡型磁場（Ｍ）を無しとしたことにより、Xe
プラズマの荷電粒子の衝突によつて下地のｐ層（18）が
ダメージを受け、p/i界面の接合特性が悪化し、その結
果光起電力装置の光電変換特性及び規格化収集効率の低
下を招いたことになり、逆に磁気鏡型磁場による荷電粒
子の閉じ込めによつて、ｉ層（19）の形成時に下地のｐ
層（18）のダメージを防止して良好なp/i界面の接合特
性を得ることができ、光起電力装置の光電変換特性及び
規格化収集効率の向上を図ることが可能になる。

なお、前記実施例では、プラズマ用ガスとしてXeを用
いる場合について説明したが、これに限るものではな
く、Ar,Kr,Heなどの希ガスや、H₂，N₂などのガスを用い
てもよいのは勿論である。

また、前記実施例では非晶質Si薄膜を形成する場合に
ついて説明したが、非晶質のSiC,CiGe,SiSn,SiNなどの
薄膜や、微結晶，多結晶の薄膜の形成にも、本発明を同
様に適用できるのは言うまでもない。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように構成されているので、
以下に記載する効果を奏する。

プラズマ室に形成した磁気鏡型磁場（ミラー磁場）に
よりプラズマの荷電粒子を閉じ込め、プラズマの発光エ
ネルギ及び中性ラジカルのエネルギにより、プラズマ室
に連通した反応室の原料ガスを分解し、その分解生成物
により基板に薄膜を形成するようにしたため、荷電粒子
の基板への衝突を確実に防止することができ、基板及び
成長膜が荷電粒子の衝突によるダメージを受けることが
なく、膜質の良好な薄膜を得ることができ、特性の極め
て優れた半導体デバイス等を作成することができる。

また、通常の光CVD法のような窓材を必要としないた
め、従来は窓材の透過波長の制限から利用不可能であつ
た110nm以下の高エネルギの短波長光も，有効に利用す
ることが可能となり、適用範囲の拡張を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】図面は、本発明の薄膜形成方法の１実施例を示し、第１
図は形成装置の概略図、第２図は磁気鏡型磁場の説明
図、第３図は光起電力装置の概略図、第４図は波長と光
起電力装置の規格化収集効率との関係図である。（２）……プラズマ室、（５）……マグネトロン、
（８）……反応室、（11）……基板、（12）……プラズ
マ用ガスパイプ、（13）……原料ガスパイプ、（Ｍ）…
…磁気鏡型磁場。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者津田信哉大阪府守口市京阪本通２丁目18番地三洋電機株式会社内 (72)発明者中野昭一大阪府守口市京阪本通２丁目18番地三洋電機株式会社内 (56)参考文献特開昭63−142636（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−222075（ＪＰ，Ａ) 特開平２−27718（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマ室においてマイクロ波エネルギに
よりプラズマ用ガスのプラズマを生成し、前記プラズマ
室に形成した磁気鏡型磁場により該磁場中に前記プラズ
マの荷電粒子を閉じ込め、前記プラズマの発光エネルギ
及び中性ラジカルのエネルギにより、前記プラズマ室に
連通した反応室に導入した原料ガスを分解し、その分解
生成物により前記反応室に配設した薄膜形成用基板上に
薄膜を形成することを特徴とする薄膜形成方法。