JP2945948B2 - 半導体膜作製方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】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
ーゲットの距離を十ｃｍ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できるだ
け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
珪素のピーク５２１ｃｍ^−１より低周波側にシフトした
ピークが観察される。この５２１ｃｍ^−１より低周波側
にシフトしたピークは、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かわかる。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８
０ｍｍ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長くすること
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×
１０^１７ｃｍ^−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ＩＩ
Ｉ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スッ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３０
０℃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）の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、（１
７）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、（２
１）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（２
８），（２９）は排気系のバルブである。さらに（３
４）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），（３
３）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、１０^−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ＩＩＩ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２×１０^１８／ｃｍ^３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２００
０Å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
イオンのスッ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ＸＲ
Ｄ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
（１５０℃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５
０％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−Ｓ
ｉ）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、３×１０^１９ ｃｍ ^−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６×１０^１８ ｃｍ ^−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３×１０
^１６ｃｍ^−３を得ることができ、水素は４×１０^２０ｃ
ｍ^−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ＩＩ
Ｉ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Ｉ
ＩＩ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ＮＦ_３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１
００℃、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（ＩＮＴＥＮＳＩＴ
Ｙ）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。結晶としてもレー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ーク５２１ｃ
ｍ^−１より低周波側にシフトしたピークが観察される。
この５２１ｃｍ^−１より低周波側にシフトしたピーク
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１
５０℃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
_Ｘ、Ｇｅ_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_Ｘ、Ｇｅ_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１×１０^１９ｃｍ
^−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１×１０^１７ｃｍ^−３以下であり、また
酸素濃度が１×１０^１７ｃｍ^−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４０．１ｃｍ_２／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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−221816（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−312962（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−31466（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−130485（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−232116（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−102525（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−194620（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水素を含む雰囲気中でスパッタリングによ
   り基板上に半導体膜を作製する方法において、前記水素の分圧を全圧の３０％以上とし 、前記 基板を周囲から絶縁されたフローティングの状態と
   することを特徴とする半導体膜作製方法。
2. 【請求項２】 水素を含む雰囲気中でスパッタリングによ
   り基板上に半導体膜を作製する方法において、前記水素の分圧を全圧の３０％以上とし 、前記 基板とターゲットとの距離を１００ｍｍ以上離した
   状態とし、前記基板を周囲から絶縁されたフローティングの状態と
   す ることを特徴とする半導体膜作製方法。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２において、 前記基板の温度を２００℃以下で反動阿智膜を作製する
   ことを特徴とする半導体膜作製方法。