JP3201495B2 - 非晶質シリコンの製造方法 - Google Patents
非晶質シリコンの製造方法Info
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は非晶質シリコンの製造方
法に関するものである。特にプラズマ化学気相蒸着法を
用いて、非晶質シリコンを作成する製造方法に関するも
のである。
法に関するものである。特にプラズマ化学気相蒸着法を
用いて、非晶質シリコンを作成する製造方法に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】近年非
晶質シリコンを用いた半導体装置の開発が盛んである。
特に大面積低コストで生産できる太陽電池や複写機の感
光ドラムの開発、液晶デイスプレイ用薄膜トランジスタ
の開発、軽量小型に作れる、ファクシミリ用固体撮像装
置の開発が盛んである。従来これらの半導体装置に使わ
れる非晶質シリコン膜の堆積方法としては、シランSi
H4 、またはジシランSi2H6 を成膜ガスとするRFプ
ラズマCVD法や、あるいは水素ガスとシラン、アルゴ
ンガスを混合し、シリコンターゲットをスパッタする反
応性スパッタリング法などが用いられてきた。一般に普
及しているプラズマCVD法では、シランまたはジシラ
ンに水素ガスを混合し、13.56MHzのRF帯域の
高周波でプラズマを発生させ、プラズマによりガスを分
解して反応性のある活性種を作り、基板上に非晶質シリ
コン膜を堆積させる。しかしながら、これらの膜は、光
劣化の原因と思われる水素を10%以上含み、またプラ
ズマ中のイオンによるダメージも大きく、膜中欠陥密度
は1015/cm3 程度より下げることはできなかった。
この膜中の水素を減らし、光劣化を抑える試みがなされ
てきた。例えば、水素プラズマ処理と成膜を交互に繰り
返すことにより膜中の水素を減らし、光劣化を抑える方
法が提案されている('90年春応用物理学関係連合講
演会31a−ZD−11、 '90年秋28−p−MD−
1)。しかしながらこの方法では、実用上装置構成が困
難であり、量産化に適当でないといった欠点がある。ま
た一方、従来のRF高周波を用いて、基板温度を350
℃程度に保ち、この状態で成膜速度を上げることによ
り、膜中の欠陥密度を減らす試みもなされている(' 9
2年春応用物理学関係連合講演会30p−ZT−3,
4)。しかしながらこの方法では、RF高周波を用いて
いる故に、成膜速度を上げるためには、圧力を上げ、流
量比を変えるなどしており、成膜プラズマとしては非常
に厳しい条件であり、異常放電が起こりや易くなった
り、気相中での反応が生じ易くなったりして、ポリマー
の形成が起こり、これがパーティクル状になって膜中に
取り込まれ、膜質劣化を起こし易く、再現性、量産性の
乏しい方法である。
晶質シリコンを用いた半導体装置の開発が盛んである。
特に大面積低コストで生産できる太陽電池や複写機の感
光ドラムの開発、液晶デイスプレイ用薄膜トランジスタ
の開発、軽量小型に作れる、ファクシミリ用固体撮像装
置の開発が盛んである。従来これらの半導体装置に使わ
れる非晶質シリコン膜の堆積方法としては、シランSi
H4 、またはジシランSi2H6 を成膜ガスとするRFプ
ラズマCVD法や、あるいは水素ガスとシラン、アルゴ
ンガスを混合し、シリコンターゲットをスパッタする反
応性スパッタリング法などが用いられてきた。一般に普
及しているプラズマCVD法では、シランまたはジシラ
ンに水素ガスを混合し、13.56MHzのRF帯域の
高周波でプラズマを発生させ、プラズマによりガスを分
解して反応性のある活性種を作り、基板上に非晶質シリ
コン膜を堆積させる。しかしながら、これらの膜は、光
劣化の原因と思われる水素を10%以上含み、またプラ
ズマ中のイオンによるダメージも大きく、膜中欠陥密度
は1015/cm3 程度より下げることはできなかった。
この膜中の水素を減らし、光劣化を抑える試みがなされ
てきた。例えば、水素プラズマ処理と成膜を交互に繰り
返すことにより膜中の水素を減らし、光劣化を抑える方
法が提案されている('90年春応用物理学関係連合講
演会31a−ZD−11、 '90年秋28−p−MD−
1)。しかしながらこの方法では、実用上装置構成が困
難であり、量産化に適当でないといった欠点がある。ま
た一方、従来のRF高周波を用いて、基板温度を350
℃程度に保ち、この状態で成膜速度を上げることによ
り、膜中の欠陥密度を減らす試みもなされている(' 9
2年春応用物理学関係連合講演会30p−ZT−3,
4)。しかしながらこの方法では、RF高周波を用いて
いる故に、成膜速度を上げるためには、圧力を上げ、流
量比を変えるなどしており、成膜プラズマとしては非常
に厳しい条件であり、異常放電が起こりや易くなった
り、気相中での反応が生じ易くなったりして、ポリマー
の形成が起こり、これがパーティクル状になって膜中に
取り込まれ、膜質劣化を起こし易く、再現性、量産性の
乏しい方法である。
【0003】
【課題を解決するための手段】本発明は、プラズマ化学
気相蒸着法により、Siを含むガスを用いて、非晶質シ
リコンを堆積させる製造方法において、基板温度Tsを
300℃から600℃までの温度に保持し、印加高周波
数fが30MHz以上のVHF高周波を電極間に印加
し、該電極間距離d(cm)がf/d<30の関係を満
たすようにしてプラズマを発生させ、成膜することによ
り上記従来の方法に比較してより高品質な非晶質シリコ
ンを提供するものである。
気相蒸着法により、Siを含むガスを用いて、非晶質シ
リコンを堆積させる製造方法において、基板温度Tsを
300℃から600℃までの温度に保持し、印加高周波
数fが30MHz以上のVHF高周波を電極間に印加
し、該電極間距離d(cm)がf/d<30の関係を満
たすようにしてプラズマを発生させ、成膜することによ
り上記従来の方法に比較してより高品質な非晶質シリコ
ンを提供するものである。
【0004】上記本発明において、より好適には、基板
温度Ts(℃)と印加高周波数f(MHz)とがTs=
kf+a(0.1≦k≦2、a=300)の関係を満た
すようにVHF高周波を印加し、プラズマを発生させる
ことが望ましく、より高品質な非晶質シリコンを提供す
ることができる。
温度Ts(℃)と印加高周波数f(MHz)とがTs=
kf+a(0.1≦k≦2、a=300)の関係を満た
すようにVHF高周波を印加し、プラズマを発生させる
ことが望ましく、より高品質な非晶質シリコンを提供す
ることができる。
【0005】また上記本発明において、より好適には、
10/f(W/cm2 )(f:MHz)以下の電力で供
給し、プラズマを発生させることが望ましく、水素ラジ
カル発光強度[H* ]とシランラジカルの発光強度[S
i H* ]との比が[H* ]/[Si H* ]≦1であるよ
うに、VHF高周波を印加し、プラズマを発生させるこ
とが望ましく、より高品質な非晶質シリコンを提供する
ことができる。
10/f(W/cm2 )(f:MHz)以下の電力で供
給し、プラズマを発生させることが望ましく、水素ラジ
カル発光強度[H* ]とシランラジカルの発光強度[S
i H* ]との比が[H* ]/[Si H* ]≦1であるよ
うに、VHF高周波を印加し、プラズマを発生させるこ
とが望ましく、より高品質な非晶質シリコンを提供する
ことができる。
【0006】
【0007】
【作用】本発明者らは、上記従来の非晶質シリコン膜作
成方法の持っていた欠点をなくし、膜の高品質化を図る
ため検討してきた結果、容易に成膜速度を向上できる新
規な方法を得るに至った。その新規な方法を以下に説明
する。プラズマ化学気相蒸着法により、Si を含むガス
を用いて、非晶質シリコン膜を堆積させる製造方法にお
いて、印加高周波数fが30MHz以上のVHF高周波
を印加し、プラズマを発生させ、成膜することにより上
記従来の方法に替わって高品質な非晶質シリコンを作製
することができた。
成方法の持っていた欠点をなくし、膜の高品質化を図る
ため検討してきた結果、容易に成膜速度を向上できる新
規な方法を得るに至った。その新規な方法を以下に説明
する。プラズマ化学気相蒸着法により、Si を含むガス
を用いて、非晶質シリコン膜を堆積させる製造方法にお
いて、印加高周波数fが30MHz以上のVHF高周波
を印加し、プラズマを発生させ、成膜することにより上
記従来の方法に替わって高品質な非晶質シリコンを作製
することができた。
【0008】図2にSi H* ラジカル(414nm)の
発光強度[Si H* ]と、水素ラジカルH* の発光強度
[H* ]の印加高周波数f依存を示す。図3に成膜速度
Rの印加高周波数f依存を示す。このときの条件はSi
H4 流量10sccm、圧力0.5Torr、印加高周
波電力10mW/cm2 である。
発光強度[Si H* ]と、水素ラジカルH* の発光強度
[H* ]の印加高周波数f依存を示す。図3に成膜速度
Rの印加高周波数f依存を示す。このときの条件はSi
H4 流量10sccm、圧力0.5Torr、印加高周
波電力10mW/cm2 である。
【0009】図2より印加高周波数fを大きくすると、
f=30MHzあたりからプラズマ中のSi H* ラジカ
ル、水素ラジカルは、それに応じて増加し始める。しか
しながら、f=80MHzから100MHzあたりで極
大値を持ち、それ以後は減少傾向にあることが分かる。
シランガスや水素ガスの分解率はプラズマ中の電子密度
ne に依存するので、分解によって生じるSi H* ラジ
カルやH* ラジカルも電子密度ne に依存する。よって
プラズマ中の電子密度ne が印加高周波数f依存を示
し、それに応じてラジカルの発光強度が、図2のような
依存を示しているものと思われる。
f=30MHzあたりからプラズマ中のSi H* ラジカ
ル、水素ラジカルは、それに応じて増加し始める。しか
しながら、f=80MHzから100MHzあたりで極
大値を持ち、それ以後は減少傾向にあることが分かる。
シランガスや水素ガスの分解率はプラズマ中の電子密度
ne に依存するので、分解によって生じるSi H* ラジ
カルやH* ラジカルも電子密度ne に依存する。よって
プラズマ中の電子密度ne が印加高周波数f依存を示
し、それに応じてラジカルの発光強度が、図2のような
依存を示しているものと思われる。
【0010】図3より成膜速度Rも印加高周波数fを大
きくするに従い、f=30MHzあたりから増加し始
め、f=80MHzから100MHzあたりで極大を持
っている。よって好適には30MHzから100MHz
の周波数帯で本発明の効果が十分に発揮できる。一般に
シランガス中での成膜速度は[Si H* ]に比例してお
り、図3での傾向は図2での[Si H* ]の傾向に依存
しているものと思われる。印加周波数を増やすことによ
り、成膜に寄与するシランラジカルの量が増加し、これ
により成膜速度が増加しているものと思われる。
きくするに従い、f=30MHzあたりから増加し始
め、f=80MHzから100MHzあたりで極大を持
っている。よって好適には30MHzから100MHz
の周波数帯で本発明の効果が十分に発揮できる。一般に
シランガス中での成膜速度は[Si H* ]に比例してお
り、図3での傾向は図2での[Si H* ]の傾向に依存
しているものと思われる。印加周波数を増やすことによ
り、成膜に寄与するシランラジカルの量が増加し、これ
により成膜速度が増加しているものと思われる。
【0011】図4に印加高周波数fが13.56MH
z、50MHz、100MHzの場合のSi H* ラジカ
ルの発光強度[SiH* ]と、水素ラジカルの発光強度
[H*]の印加高周波電力Pw依存を示す。図4より印
加高周波電力を増すと、[SiH* ]、[H* ]も、と
もに増加するが、[Si H* ]に比べて、[H* ]の方
が依存が大きい。
z、50MHz、100MHzの場合のSi H* ラジカ
ルの発光強度[SiH* ]と、水素ラジカルの発光強度
[H*]の印加高周波電力Pw依存を示す。図4より印
加高周波電力を増すと、[SiH* ]、[H* ]も、と
もに増加するが、[Si H* ]に比べて、[H* ]の方
が依存が大きい。
【0012】一般に非晶質シリコンを作成する場合、い
くつかの条件がある。まずプラズマ中の[H* ]と成膜
速度Rとの間に[H* ]/R≦a(aはある定数)の関
係が成立する必要がある。これは成膜表面を覆う水素が
ある一定量あると微結晶化を起こしてしまうことを示
す。またシランガスを用いるプラズマにおいては、成膜
速度Rは[Si H* ]に比例するので、この条件は[H
* ]/[Si H* ]≦a’とも書き換えることができ
る。本発明の実際の条件下ではこの値がa’=1であっ
た。印加高周波数を上げることで、ガスの分解効率を上
げ、成膜速度を上げ、成膜時間の短縮化を図ることもで
きる。図4において[H* ]/[Si H* ]=1となる
点Pに注目すると、P点は印加高周波数fを上げるに従
い、図の左上に移動していく。このP点での印加電力P
wと印加高周波数fは、およそPw=10/f(Pw:
W/cm2 、f:MHz)の関係で変化する。このP点
ばかりでなく、[H* ]/[Si H* ]=a’を満たす
点も同様の変化を示す。つまり、ある一定比率以下の
[H* ]/[Si H* ]比をある印加高周波数fで実現
するためには、印加高周波電力の上限が存在することに
なる。従来の13.56MHzで成膜速度を上げるため
に、印加高周波電力を上げると[H* ]/[Si H* ]
が大きくなり、微結晶化しやすい条件となり、膜質の低
下をもたらすのは前述のごとしである。この比率を低く
抑え、かつ成膜速度を大きくするために本発明は非常に
有効である。
くつかの条件がある。まずプラズマ中の[H* ]と成膜
速度Rとの間に[H* ]/R≦a(aはある定数)の関
係が成立する必要がある。これは成膜表面を覆う水素が
ある一定量あると微結晶化を起こしてしまうことを示
す。またシランガスを用いるプラズマにおいては、成膜
速度Rは[Si H* ]に比例するので、この条件は[H
* ]/[Si H* ]≦a’とも書き換えることができ
る。本発明の実際の条件下ではこの値がa’=1であっ
た。印加高周波数を上げることで、ガスの分解効率を上
げ、成膜速度を上げ、成膜時間の短縮化を図ることもで
きる。図4において[H* ]/[Si H* ]=1となる
点Pに注目すると、P点は印加高周波数fを上げるに従
い、図の左上に移動していく。このP点での印加電力P
wと印加高周波数fは、およそPw=10/f(Pw:
W/cm2 、f:MHz)の関係で変化する。このP点
ばかりでなく、[H* ]/[Si H* ]=a’を満たす
点も同様の変化を示す。つまり、ある一定比率以下の
[H* ]/[Si H* ]比をある印加高周波数fで実現
するためには、印加高周波電力の上限が存在することに
なる。従来の13.56MHzで成膜速度を上げるため
に、印加高周波電力を上げると[H* ]/[Si H* ]
が大きくなり、微結晶化しやすい条件となり、膜質の低
下をもたらすのは前述のごとしである。この比率を低く
抑え、かつ成膜速度を大きくするために本発明は非常に
有効である。
【0013】これを種々の条件下で求めたところ、図5
に示されたようなPw=10/fの曲線を上限として、
図の斜線で示された領域が本発明の実現できる領域であ
ることが判明した。より低い印加高周波電力において良
質の膜が作成できることは、装置を大型化し、大面積で
成膜を行なう場合など特に効果的であった。つまり装置
の大型の割に、高周波電源は小型化を図ることができ、
装置コストの低減を図ることができた。また膜の特性へ
の影響から言っても、印加電力の少ない領域で作成する
ことができれば、プラズマ中のイオンの総体的なエネル
ギーは減少するので、膜表面に入射するイオンよるダメ
ージを低減することができ、良好な膜特性を有した膜を
作成することができる。さらに以下に述べるように、成
膜速度を向上させるために、RF高周波放電を使う場合
の様に、放電が不安定となり、異常放電が起こったりす
る高い印加高周波電力領域を用いる必要がないため容易
に、安定的に、再現性よく成膜速度を向上させることが
できた。次にこの様子を詳しく述べる。
に示されたようなPw=10/fの曲線を上限として、
図の斜線で示された領域が本発明の実現できる領域であ
ることが判明した。より低い印加高周波電力において良
質の膜が作成できることは、装置を大型化し、大面積で
成膜を行なう場合など特に効果的であった。つまり装置
の大型の割に、高周波電源は小型化を図ることができ、
装置コストの低減を図ることができた。また膜の特性へ
の影響から言っても、印加電力の少ない領域で作成する
ことができれば、プラズマ中のイオンの総体的なエネル
ギーは減少するので、膜表面に入射するイオンよるダメ
ージを低減することができ、良好な膜特性を有した膜を
作成することができる。さらに以下に述べるように、成
膜速度を向上させるために、RF高周波放電を使う場合
の様に、放電が不安定となり、異常放電が起こったりす
る高い印加高周波電力領域を用いる必要がないため容易
に、安定的に、再現性よく成膜速度を向上させることが
できた。次にこの様子を詳しく述べる。
【0014】図6に印加高周波数fが13.56MH
z、50MHz、100MHzの場合の成膜速度の印加
高周波電力Pw依存を示す。このときの条件はSiH4
流量10sccm、圧力0.5Torrである。図中a
が13.56MHz、図中bが50MHz、図中cが1
00MHzの場合である。それぞれの場合、成膜速度
は、ほぼ印加高周波電力に比例して増加しているのが分
かる。
z、50MHz、100MHzの場合の成膜速度の印加
高周波電力Pw依存を示す。このときの条件はSiH4
流量10sccm、圧力0.5Torrである。図中a
が13.56MHz、図中bが50MHz、図中cが1
00MHzの場合である。それぞれの場合、成膜速度
は、ほぼ印加高周波電力に比例して増加しているのが分
かる。
【0015】一般に成膜速度を上げるために用いられる
方法は印加高周波電力を大きくする方法である。従来の
13.56MHzの周波数を用いる場合、図6のaから
分かるように例えば20Å/sec以上の成膜速度を実
現する場合30mW/cm2程度以上の印加高周波電力
を必要とした。しかしながら図中斜線で示してある部分
は、プラズマに対して過剰に給電された状態となり放電
が不安定となり、異常放電を起こし易くなり、気相中の
ポリシランの生成も多くなり膜質の低下をもたらす領域
となり、RF高周波を用いて、上記のように30Å/s
ecの成膜速度を得るために30mW/cm2 以上の電
力を投入すると、図中斜線の放電不安定領域に入ってし
まい、再現性良く、安定的に良質の膜を得られなかっ
た。ところが図中b、cのように印加高周波数を増加さ
せるに従い、より低い印加高周波電力で、なんら異常放
電やポリシランの発生を懸念することなく、容易に成膜
速度を向上させることができた。
方法は印加高周波電力を大きくする方法である。従来の
13.56MHzの周波数を用いる場合、図6のaから
分かるように例えば20Å/sec以上の成膜速度を実
現する場合30mW/cm2程度以上の印加高周波電力
を必要とした。しかしながら図中斜線で示してある部分
は、プラズマに対して過剰に給電された状態となり放電
が不安定となり、異常放電を起こし易くなり、気相中の
ポリシランの生成も多くなり膜質の低下をもたらす領域
となり、RF高周波を用いて、上記のように30Å/s
ecの成膜速度を得るために30mW/cm2 以上の電
力を投入すると、図中斜線の放電不安定領域に入ってし
まい、再現性良く、安定的に良質の膜を得られなかっ
た。ところが図中b、cのように印加高周波数を増加さ
せるに従い、より低い印加高周波電力で、なんら異常放
電やポリシランの発生を懸念することなく、容易に成膜
速度を向上させることができた。
【0016】図7に成膜速度の圧力依存性を示す。この
ときの条件はSi H4 流量10sccm、印加電力10
mW/cm2 である。図中aが13.56MHz、図中
bが50MHz、図中cが100MHzの場合である。
従来の13.56MHzの周波数を用いる場合、例えば
30Å/secの成膜速度を実現する場合数Torrの
圧力を必要とした。しかしながら図中斜線で示してある
部分、つまりほぼ1Torrを超える領域に入ると気相
反応が起こり易くなり、気相中でのポリシラン等の生成
が激しくなり、これらが成膜表面に達して膜中に取り込
まれたり、あるいはチャンバー壁に堆積し、さらに膜剥
がれが生じて、これが成膜中の膜に取り込まれるなどし
て、膜質の低下をもたらすことが頻繁であり、RF高周
波を用いて、上記のように30Å/secの成膜速度を
得るために数Torrの圧力で成膜を行うと、この気相
反応領域に入ってしまい、この領域で安定的に、再現性
良く成膜を行うことはできなかった。ところが図中b、
cのように印加高周波数を増加させるに従い、より低い
印加高周波電力で、なんら異常放電やポリシランの発生
を懸念することなく、容易に成膜速度を向上させること
ができた。
ときの条件はSi H4 流量10sccm、印加電力10
mW/cm2 である。図中aが13.56MHz、図中
bが50MHz、図中cが100MHzの場合である。
従来の13.56MHzの周波数を用いる場合、例えば
30Å/secの成膜速度を実現する場合数Torrの
圧力を必要とした。しかしながら図中斜線で示してある
部分、つまりほぼ1Torrを超える領域に入ると気相
反応が起こり易くなり、気相中でのポリシラン等の生成
が激しくなり、これらが成膜表面に達して膜中に取り込
まれたり、あるいはチャンバー壁に堆積し、さらに膜剥
がれが生じて、これが成膜中の膜に取り込まれるなどし
て、膜質の低下をもたらすことが頻繁であり、RF高周
波を用いて、上記のように30Å/secの成膜速度を
得るために数Torrの圧力で成膜を行うと、この気相
反応領域に入ってしまい、この領域で安定的に、再現性
良く成膜を行うことはできなかった。ところが図中b、
cのように印加高周波数を増加させるに従い、より低い
印加高周波電力で、なんら異常放電やポリシランの発生
を懸念することなく、容易に成膜速度を向上させること
ができた。
【0017】またイオンのダメージを減らすという観点
から、プラズマ中のイオンの動きに注目してみる。一般
に高周波プラズマ中のイオンは、プラズマ中の高周波に
よる振動する電界に従い、プラズマ中を振動している。
この様子を式に表わせば以下のようになる。ここでAは
イオンの振動する振幅である。
から、プラズマ中のイオンの動きに注目してみる。一般
に高周波プラズマ中のイオンは、プラズマ中の高周波に
よる振動する電界に従い、プラズマ中を振動している。
この様子を式に表わせば以下のようになる。ここでAは
イオンの振動する振幅である。
【0018】 A= V/ω V:高周波1周期中の最高速度 ω:高周波の角周波数:f=2πω 今考えている成膜装置を平行平板型の装置とし、その電
極間距離をdとする。そうすると d>A という条件が満たされれば、プラズマ中のイオンは基板
上に達することなく、プラズマ中を行き来することにな
る。このような状態を一般に、プラズマ中に捕獲あるい
はトラップされた状態という。この関係式から明らかな
ように、印加高周波数を上げることにより、装置の大き
さにかかわりなく、イオンのトラップされた状態を作り
だすことができる。そうすることにより、基板上に入射
するイオンの量を低減することができた。本発明はこの
ような状態を積極的に活用しようというものである。入
射イオンの量とエネルギーを低減化することで、これら
による欠陥を低減化することができた。
極間距離をdとする。そうすると d>A という条件が満たされれば、プラズマ中のイオンは基板
上に達することなく、プラズマ中を行き来することにな
る。このような状態を一般に、プラズマ中に捕獲あるい
はトラップされた状態という。この関係式から明らかな
ように、印加高周波数を上げることにより、装置の大き
さにかかわりなく、イオンのトラップされた状態を作り
だすことができる。そうすることにより、基板上に入射
するイオンの量を低減することができた。本発明はこの
ような状態を積極的に活用しようというものである。入
射イオンの量とエネルギーを低減化することで、これら
による欠陥を低減化することができた。
【0019】図8にこの様子を描いている。基板位置に
質量分析計を設置し、ここに飛び込んでくるイオンの入
射エネルギーと入射量の分布をもとめた。このデータは
解析を容易にするためにアルゴンガスについて求めたの
ものである。本発明の反応ガスについても本質的には同
様な傾向を示す。従来の印加高周波数f=13.56M
Hzと本発明になるf=80MHzの条件では、基板に
入射するイオンの入射エネルギーと入射量が異なってい
る。f=80MHzの条件での方が明らかに、平均入射
エネルギーは低くなり、入射量は減少している。
質量分析計を設置し、ここに飛び込んでくるイオンの入
射エネルギーと入射量の分布をもとめた。このデータは
解析を容易にするためにアルゴンガスについて求めたの
ものである。本発明の反応ガスについても本質的には同
様な傾向を示す。従来の印加高周波数f=13.56M
Hzと本発明になるf=80MHzの条件では、基板に
入射するイオンの入射エネルギーと入射量が異なってい
る。f=80MHzの条件での方が明らかに、平均入射
エネルギーは低くなり、入射量は減少している。
【0020】次に平行平板型プラズマ化学気相蒸着装置
を用いる場合の電極間距離の影響を調べた。図9に膜厚
分布の印加高周波数依存を示す。図中に示されている様
に、ある電極間距離dに対して周波数が大きいと分布が
大きくなる。これは大面積化に対して大きな問題とな
る。そこで本発明者らは種々の成膜パラメータに対して
改良を試みたところ、電極間距離が膜厚分布に影響を与
えていることを見いだし、さらに電極間距離を大きくす
ることにより、分布が小さくなることを見いだした。種
々の条件下での基板内の膜厚分布T(%)が10%以内
に納まる条件下で、その関係を求めたところ、d=2c
mでは分布が著しく大きくなり、使用できる範囲ではな
く、dが3cmより大きいところでは、f/d<30を
みたすdであれば、おおむね良好な分布を得ることがで
きることが判明した。また図10には印加高周波数を8
0MHzとして、種々の条件下での電極間距離と膜中の
欠陥準位密度の関係を示す。電極間距離が4cmを超え
ると欠陥の密度は漸次減少しているのが分かるが、電極
間距離が4cmより小さくなると増加しだしているのが
分かる。印加周波数が80MHzの場合は電極間距離が
好適には4cm以上が望ましいことが分かる。そこで本
発明の実施例においては電極間距離を4cmに固定して
検討を行った。
を用いる場合の電極間距離の影響を調べた。図9に膜厚
分布の印加高周波数依存を示す。図中に示されている様
に、ある電極間距離dに対して周波数が大きいと分布が
大きくなる。これは大面積化に対して大きな問題とな
る。そこで本発明者らは種々の成膜パラメータに対して
改良を試みたところ、電極間距離が膜厚分布に影響を与
えていることを見いだし、さらに電極間距離を大きくす
ることにより、分布が小さくなることを見いだした。種
々の条件下での基板内の膜厚分布T(%)が10%以内
に納まる条件下で、その関係を求めたところ、d=2c
mでは分布が著しく大きくなり、使用できる範囲ではな
く、dが3cmより大きいところでは、f/d<30を
みたすdであれば、おおむね良好な分布を得ることがで
きることが判明した。また図10には印加高周波数を8
0MHzとして、種々の条件下での電極間距離と膜中の
欠陥準位密度の関係を示す。電極間距離が4cmを超え
ると欠陥の密度は漸次減少しているのが分かるが、電極
間距離が4cmより小さくなると増加しだしているのが
分かる。印加周波数が80MHzの場合は電極間距離が
好適には4cm以上が望ましいことが分かる。そこで本
発明の実施例においては電極間距離を4cmに固定して
検討を行った。
【0021】以上述べてきたようにVHF高周波プラズ
マを用いることにより、従来のRF高周波プラズマを用
いる場合に比べ、容易に、安定的に、再現性よく成膜速
度を向上させることができ、さらにイオンダメージが少
なく、膜厚分布の小さい良質の膜を得ることができた。
マを用いることにより、従来のRF高周波プラズマを用
いる場合に比べ、容易に、安定的に、再現性よく成膜速
度を向上させることができ、さらにイオンダメージが少
なく、膜厚分布の小さい良質の膜を得ることができた。
【0022】以上はシランガスのみを用いた場合で説明
したが、水素等の希釈ガスで希釈した系においても同様
の効果を実現できる。但し、低い圧力で高い成膜速度が
実現できることから、従来のように水素で希釈し圧力調
整をする必要もなく、100%シランで容易に作成する
ことができる。
したが、水素等の希釈ガスで希釈した系においても同様
の効果を実現できる。但し、低い圧力で高い成膜速度が
実現できることから、従来のように水素で希釈し圧力調
整をする必要もなく、100%シランで容易に作成する
ことができる。
【0023】本発明者らは、上記VHF高周波プラズマ
を用いる方法により高品質な高速堆積膜を実現できた
が、さらに検討を進めた結果、より一層の改良を実現で
きる方法を見いだした。これを以下に述べる。この成膜
法に対する基板温度の影響について検討した。従来より
成膜時の基板温度にはある最適値があり、通常のRF高
周波を用いる方法での最適値は、200℃〜250℃と
言われている。この様子について、膜中欠陥密度の基板
温度依存性として、我々の実験系で求めた結果を図11
に示す。図中aが13.56MHzの従来のRF高周波
を用いて成膜した場合である。250℃近くで膜中欠陥
密度は最も少なくなり、このとき他の膜特性光導電率等
も最も良好な値を示した。我々はここで印加周波数を増
加させることにより、膜中欠陥密度がどの様に依存する
か、さらに基板温度がどのように影響するかを見た。図
中のbが50MHz、cが100MHzでのデータであ
る。周波数を増加させることにより、膜中欠陥密度が最
小となる基板温度Topt が上昇していくことを見いだし
た。さらに欠陥密度の最小値は減少しているのが分か
る。また基板温度がTopt を越えると、欠陥密度は再び
増加していく。図中3点のデータのみであるが、周波数
依存を細かく見ると30MHz以下では、欠陥密度の基
板温度依存は13.56MHzと変わらなかった。よっ
て30MHz以上のVHF高周波帯においてはじめて、
このような基板温度依存が見られた。30MHz以下の
周波数では以上のメカニズムによる膜質の向上は見られ
なかった。
を用いる方法により高品質な高速堆積膜を実現できた
が、さらに検討を進めた結果、より一層の改良を実現で
きる方法を見いだした。これを以下に述べる。この成膜
法に対する基板温度の影響について検討した。従来より
成膜時の基板温度にはある最適値があり、通常のRF高
周波を用いる方法での最適値は、200℃〜250℃と
言われている。この様子について、膜中欠陥密度の基板
温度依存性として、我々の実験系で求めた結果を図11
に示す。図中aが13.56MHzの従来のRF高周波
を用いて成膜した場合である。250℃近くで膜中欠陥
密度は最も少なくなり、このとき他の膜特性光導電率等
も最も良好な値を示した。我々はここで印加周波数を増
加させることにより、膜中欠陥密度がどの様に依存する
か、さらに基板温度がどのように影響するかを見た。図
中のbが50MHz、cが100MHzでのデータであ
る。周波数を増加させることにより、膜中欠陥密度が最
小となる基板温度Topt が上昇していくことを見いだし
た。さらに欠陥密度の最小値は減少しているのが分か
る。また基板温度がTopt を越えると、欠陥密度は再び
増加していく。図中3点のデータのみであるが、周波数
依存を細かく見ると30MHz以下では、欠陥密度の基
板温度依存は13.56MHzと変わらなかった。よっ
て30MHz以上のVHF高周波帯においてはじめて、
このような基板温度依存が見られた。30MHz以下の
周波数では以上のメカニズムによる膜質の向上は見られ
なかった。
【0024】また30MHz以上の周波数を加えなが
ら、種種の条件下で、最小欠陥密度Nsmin (図11中
のP点)の基板温度依存を求め、これを図12に示す。
300℃以下では、欠陥密度は通常のRF放電で得られ
る値より減少することはなく、300℃を超えるころか
ら、減少している。今回の実験では、300℃を超える
ところで膜中欠陥密度は1014〜1015個/cm3 と従
来の1桁から2桁低減することができた。また550℃
あたりから欠陥密度は上昇しはじめ、600℃を超える
と急激に増加している。600℃におけるサンプルをX
線回析で観察したところ、結晶のピークが観察されの
で、非晶質シリコンの結晶化温度は550℃から600
℃と言われており、この急激な欠陥の増加は結晶化によ
り、結晶粒界での欠陥が増加したためと説明される。
ら、種種の条件下で、最小欠陥密度Nsmin (図11中
のP点)の基板温度依存を求め、これを図12に示す。
300℃以下では、欠陥密度は通常のRF放電で得られ
る値より減少することはなく、300℃を超えるころか
ら、減少している。今回の実験では、300℃を超える
ところで膜中欠陥密度は1014〜1015個/cm3 と従
来の1桁から2桁低減することができた。また550℃
あたりから欠陥密度は上昇しはじめ、600℃を超える
と急激に増加している。600℃におけるサンプルをX
線回析で観察したところ、結晶のピークが観察されの
で、非晶質シリコンの結晶化温度は550℃から600
℃と言われており、この急激な欠陥の増加は結晶化によ
り、結晶粒界での欠陥が増加したためと説明される。
【0025】このような30MHz以上の周波数を用
い、基板温度を300℃以上にすることで膜中の欠陥密
度を低減できるという作用のメカニズムは、現在のとこ
ろ明確に断定することはできないが、おおよそつぎのよ
うに推測することができる。
い、基板温度を300℃以上にすることで膜中の欠陥密
度を低減できるという作用のメカニズムは、現在のとこ
ろ明確に断定することはできないが、おおよそつぎのよ
うに推測することができる。
【0026】一般に基板温度が300℃から250℃以
下の場合、膜成長表面は水素で覆われており、膜成長は
表面の水素と表面に達したシランラジカルSi H3 *の相
互作用で決まる。つまり、つぎの反応式に示されるよう
に 表面の水素をシランラジカルが引き抜き、そこに結合す
る。このとき引き抜かれなかった水素がそのまま膜中に
取り込まれ、膜中の水素を形成するものと思われる。こ
れが350℃を超える温度になると表面の水素はほとん
どすべて脱離し、表面にはダングリングボンドが生成さ
れている。このとき、つぎの反応式に示されるように 表面のダングリングボンドとシランラジカルは直接結合
していく。さらにこのラジカルについていた水素は同時
に脱離してゆき、最表面には新たなダングリングボンド
が生成される。さらに温度があがると、従来のRF高周
波放電を用いる方法では水素脱離によるダングリングボ
ンドの生成にシランラジカルの供給が追いつかなくな
り、終端されなかったダングリングボンドはそのまま膜
中に取り込まれることになる。温度がさらに上がるとこ
の傾向はますます顕著になり図8aに示したように、3
00℃以上では膜中の欠陥密度が非常に大きくなり、膜
質の低下は否めない。こうして通常のRF高周波放電に
よる成膜では、300℃以上での膜質向上は困難であっ
た。
下の場合、膜成長表面は水素で覆われており、膜成長は
表面の水素と表面に達したシランラジカルSi H3 *の相
互作用で決まる。つまり、つぎの反応式に示されるよう
に 表面の水素をシランラジカルが引き抜き、そこに結合す
る。このとき引き抜かれなかった水素がそのまま膜中に
取り込まれ、膜中の水素を形成するものと思われる。こ
れが350℃を超える温度になると表面の水素はほとん
どすべて脱離し、表面にはダングリングボンドが生成さ
れている。このとき、つぎの反応式に示されるように 表面のダングリングボンドとシランラジカルは直接結合
していく。さらにこのラジカルについていた水素は同時
に脱離してゆき、最表面には新たなダングリングボンド
が生成される。さらに温度があがると、従来のRF高周
波放電を用いる方法では水素脱離によるダングリングボ
ンドの生成にシランラジカルの供給が追いつかなくな
り、終端されなかったダングリングボンドはそのまま膜
中に取り込まれることになる。温度がさらに上がるとこ
の傾向はますます顕著になり図8aに示したように、3
00℃以上では膜中の欠陥密度が非常に大きくなり、膜
質の低下は否めない。こうして通常のRF高周波放電に
よる成膜では、300℃以上での膜質向上は困難であっ
た。
【0027】VHF高周波放電を用いることにより、図
2に示されてあるように気相中のシランラジカルの量が
増加していることは分かっており、このとき単位面積当
りの成膜表面上に到達するSi H3 *の量も当然増加して
いるものと思われ、表面のダングリングボンドを終端す
るに十分なラジカルを容易に供給できる。
2に示されてあるように気相中のシランラジカルの量が
増加していることは分かっており、このとき単位面積当
りの成膜表面上に到達するSi H3 *の量も当然増加して
いるものと思われ、表面のダングリングボンドを終端す
るに十分なラジカルを容易に供給できる。
【0028】さらに一般に基板温度Ts のとき、膜成長
表面上の粒子の表面拡散係数Dは次式で表される。
表面上の粒子の表面拡散係数Dは次式で表される。
【0029】D=νa0 exp(−Ea /kTs ) a0 :結合サイト間の距離 ν :サイトでの振動周波数 Ea :一つのサイトから次のサイトへのジャンプしてい
くのに必要な活性化エネルギー ここで結合サイトとは今の場合表面上のダングリングボ
ンドと考える。一般に考えられているDの基板温度依存
の模式図を図13に示す。300℃までは単調に増加す
るが、300℃を超えるあたりから減少し始め、350
℃あたりから再び増加しはじめると思われる。表面を覆
っている水素はEa に影響を与え、ダングリングボンド
が露出している状態に比べ、小さくなっていると考えら
れいる。しかも表面に水素がいると露出したダングリン
グボンドの数は温度によって変わらず、一定と考えられ
る。ところが温度が300℃を超え、表面の水素が脱離
していくにしたがい、表面のダングリングボンドが増加
しはじめ、サイト間つまりダングリングボンド間の距離
は小さくなる。しかも露出したダングリングボンドは結
合力が大きく、活性化エネルギーは水素が覆っている場
合に比べて大きくなっている。そこでDは300℃あた
りから減少し始め、完全に水素が脱離した350℃あた
りから、新しい活性化エネルギーとサイト間距離をもっ
て、増加し始めるものと思われる。
くのに必要な活性化エネルギー ここで結合サイトとは今の場合表面上のダングリングボ
ンドと考える。一般に考えられているDの基板温度依存
の模式図を図13に示す。300℃までは単調に増加す
るが、300℃を超えるあたりから減少し始め、350
℃あたりから再び増加しはじめると思われる。表面を覆
っている水素はEa に影響を与え、ダングリングボンド
が露出している状態に比べ、小さくなっていると考えら
れいる。しかも表面に水素がいると露出したダングリン
グボンドの数は温度によって変わらず、一定と考えられ
る。ところが温度が300℃を超え、表面の水素が脱離
していくにしたがい、表面のダングリングボンドが増加
しはじめ、サイト間つまりダングリングボンド間の距離
は小さくなる。しかも露出したダングリングボンドは結
合力が大きく、活性化エネルギーは水素が覆っている場
合に比べて大きくなっている。そこでDは300℃あた
りから減少し始め、完全に水素が脱離した350℃あた
りから、新しい活性化エネルギーとサイト間距離をもっ
て、増加し始めるものと思われる。
【0030】本発明では図13のCの領域を利用してお
り、基板温度を300℃以上に保持し、表面の水素を脱
離させ、ダングリングボンドを露出させた上で、多量の
ラジカルを供給し、その結果成膜表面上の欠陥と効率よ
く出会いこれを終端していくものと思われ、300℃以
上で効果が現れたことを説明している。温度をさらにあ
げて、供給量もさらに上げれば、拡散係数が上昇し、表
面上に到達したラジカルがすばやく拡散しながら、さら
に効率よくダングリングボンドを終端するものと思われ
る。上記の考察より、図11b、cで見いだされた周波
数を上げると膜中欠陥密度が最小となる基板温度Topt
が上昇していく現象も説明できる。そこでこの現象を定
式化し、膜の品質を高めるための最適条件を求めた。欠
陥密度が最小となる基板温度Topt (℃)と印加周波数
f(MHz)の関係を種々の条件で実験したところ最適
基板温度と最適周波数の間に一定の関係Topt =kf+
a(0.1≦k≦2、a=300)があることが分かっ
た。図14にこの様子を示す。図中編目部分が上記関係
式の占める範囲である。
り、基板温度を300℃以上に保持し、表面の水素を脱
離させ、ダングリングボンドを露出させた上で、多量の
ラジカルを供給し、その結果成膜表面上の欠陥と効率よ
く出会いこれを終端していくものと思われ、300℃以
上で効果が現れたことを説明している。温度をさらにあ
げて、供給量もさらに上げれば、拡散係数が上昇し、表
面上に到達したラジカルがすばやく拡散しながら、さら
に効率よくダングリングボンドを終端するものと思われ
る。上記の考察より、図11b、cで見いだされた周波
数を上げると膜中欠陥密度が最小となる基板温度Topt
が上昇していく現象も説明できる。そこでこの現象を定
式化し、膜の品質を高めるための最適条件を求めた。欠
陥密度が最小となる基板温度Topt (℃)と印加周波数
f(MHz)の関係を種々の条件で実験したところ最適
基板温度と最適周波数の間に一定の関係Topt =kf+
a(0.1≦k≦2、a=300)があることが分かっ
た。図14にこの様子を示す。図中編目部分が上記関係
式の占める範囲である。
【0031】本発明の効果を発現させるには、表面の水
素を取り去った状態つまり300℃以上の基板温度、好
適には完全に表面水素の脱離する350℃の基板温度に
する必要がある。こうすることにより従来は終端されず
に膜中に取り込まれていた欠陥を終端できるようにな
り、最終的な膜中欠陥密度を低減できたものと思われ
る。
素を取り去った状態つまり300℃以上の基板温度、好
適には完全に表面水素の脱離する350℃の基板温度に
する必要がある。こうすることにより従来は終端されず
に膜中に取り込まれていた欠陥を終端できるようにな
り、最終的な膜中欠陥密度を低減できたものと思われ
る。
【0032】また600℃以上では上述のように膜の結
晶化がはじまり、膜中欠陥が増加してしまうので、本発
明の基板温度の範囲としては300℃≦Ts≦600
℃、好適には350℃≦Ts≦550℃の範囲となる。
周波数に関しては図2に示されてあるように気相中のラ
ジカルが増加しだす30MHzが必要である。この条件
を図示すると図14中の斜線部分である。
晶化がはじまり、膜中欠陥が増加してしまうので、本発
明の基板温度の範囲としては300℃≦Ts≦600
℃、好適には350℃≦Ts≦550℃の範囲となる。
周波数に関しては図2に示されてあるように気相中のラ
ジカルが増加しだす30MHzが必要である。この条件
を図示すると図14中の斜線部分である。
【0033】さらに本発明の利点は、上記の作用と同時
に、膜中の水素を容易に低減できることにある。図15
に膜中水素濃度の基板温度依存を示す。従来から膜中の
水素濃度は基板温度に依存し、基板温度を上げることに
より、低減することができた。しかしながら、この方法
では、先述のメカニズムで想定されるように、従来のR
F高周波放電を用いる限り250℃以上に上げると、表
面の水素は脱離しはじめ、その結果膜中に取り込まれる
水素は減少するが、同時に発生するダングリングボンド
を終端すべきラジカルの供給量が不足しだし、図11a
で示したように膜中の欠陥密度が上昇し、これにともな
い光導電率も減少し、光を利用するデバイスに使える特
性を出すことはできない。それ故これ以上温度を上げる
ことはできなかった。しかしながら先述のように本発明
の方法によれば、膜中欠陥密度を増やすことなく、さら
に減少させつつ基板温度を上げることができるので、初
期の膜中欠陥密度を減少させ、さらに膜中に取り込まれ
る水素は低減させることができた。その結果膜中水素に
起因すると言われるウイークボンドも減少し、ウイーク
ボンドが減少することにより光電流の光劣化も抑えるこ
とができた。
に、膜中の水素を容易に低減できることにある。図15
に膜中水素濃度の基板温度依存を示す。従来から膜中の
水素濃度は基板温度に依存し、基板温度を上げることに
より、低減することができた。しかしながら、この方法
では、先述のメカニズムで想定されるように、従来のR
F高周波放電を用いる限り250℃以上に上げると、表
面の水素は脱離しはじめ、その結果膜中に取り込まれる
水素は減少するが、同時に発生するダングリングボンド
を終端すべきラジカルの供給量が不足しだし、図11a
で示したように膜中の欠陥密度が上昇し、これにともな
い光導電率も減少し、光を利用するデバイスに使える特
性を出すことはできない。それ故これ以上温度を上げる
ことはできなかった。しかしながら先述のように本発明
の方法によれば、膜中欠陥密度を増やすことなく、さら
に減少させつつ基板温度を上げることができるので、初
期の膜中欠陥密度を減少させ、さらに膜中に取り込まれ
る水素は低減させることができた。その結果膜中水素に
起因すると言われるウイークボンドも減少し、ウイーク
ボンドが減少することにより光電流の光劣化も抑えるこ
とができた。
【0034】周波数f(MHz)が30MHz以上のV
HF帯の高周波を用いることにより、従来のRF帯の場
合に比較して安定的にシランラジカルを増やすことがで
き、成膜速度膜を安定的に、再現性よく向上させること
ができた。さらに膜の特性を悪化させるイオンをプラズ
マ中に閉じ込める形で成膜をするために、イオンによる
ダメージを抑えられ、界面でのプラズマダメージを低減
できるので、安定的に良質の膜を提供できた。さらに成
膜時の基板温度Ts(℃)を300℃〜600℃の高
温、好適にはTs=kf+a(0.1≦k≦2、a=3
00)の関係を満たすように保持することにより、膜中
水素濃度を低く抑えることが可能となり、しかも同時に
膜中欠陥密度の低減を図ることができ、光導電率が大き
く、光劣化特性の大幅に改善された良質の膜を作ること
ができた。
HF帯の高周波を用いることにより、従来のRF帯の場
合に比較して安定的にシランラジカルを増やすことがで
き、成膜速度膜を安定的に、再現性よく向上させること
ができた。さらに膜の特性を悪化させるイオンをプラズ
マ中に閉じ込める形で成膜をするために、イオンによる
ダメージを抑えられ、界面でのプラズマダメージを低減
できるので、安定的に良質の膜を提供できた。さらに成
膜時の基板温度Ts(℃)を300℃〜600℃の高
温、好適にはTs=kf+a(0.1≦k≦2、a=3
00)の関係を満たすように保持することにより、膜中
水素濃度を低く抑えることが可能となり、しかも同時に
膜中欠陥密度の低減を図ることができ、光導電率が大き
く、光劣化特性の大幅に改善された良質の膜を作ること
ができた。
【0035】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に
説明する。 [実施例1]図1に本実施例に用いた製造装置を示す。
基本的構造としては従来の並行平板型のプラズマCVD
装置と同様である。
説明する。 [実施例1]図1に本実施例に用いた製造装置を示す。
基本的構造としては従来の並行平板型のプラズマCVD
装置と同様である。
【0036】同図において、100は真空チャンバー、
101はアノード電極、102は基板、103はカソー
ド電極である。アノード電極101は106でアースさ
れている。104は整合器、105は高周波電源であ
る。107はゲートバルブ、108はターボ分子ポン
プ、109はロータリーポンプである。110,118
はシランガスラインバルブ、111,119は水素ガス
ラインバルブ、112,120はホスフィンガスライン
バルブ、113,121はアンモニアガスラインバル
ブ、114,115,116,117はマスフローメー
タである。なお、VHF高周波の印加のしかたと取り扱
いに注意すれば、本実施例におけるような平行平板型ば
かりでなく、感光体ドラムの製造に使われている、カル
ーセル電極型など、内部電極方式、外部電極方式、ある
いは容量結合型、誘導結合型を問わず本発明は適用でき
る。
101はアノード電極、102は基板、103はカソー
ド電極である。アノード電極101は106でアースさ
れている。104は整合器、105は高周波電源であ
る。107はゲートバルブ、108はターボ分子ポン
プ、109はロータリーポンプである。110,118
はシランガスラインバルブ、111,119は水素ガス
ラインバルブ、112,120はホスフィンガスライン
バルブ、113,121はアンモニアガスラインバル
ブ、114,115,116,117はマスフローメー
タである。なお、VHF高周波の印加のしかたと取り扱
いに注意すれば、本実施例におけるような平行平板型ば
かりでなく、感光体ドラムの製造に使われている、カル
ーセル電極型など、内部電極方式、外部電極方式、ある
いは容量結合型、誘導結合型を問わず本発明は適用でき
る。
【0037】以上の実験事実と考察を踏まえ本発明の製
造方法により不純物を含まない非晶質シリコンを作成
し、単膜評価を行った。図21(a)にデバイス構成を
示す。図21(a)において、161は基板、162は
イントリンシック非晶質シリコン層、163はn+ 型微
結晶シリコン層、164はアルミ電極である。
造方法により不純物を含まない非晶質シリコンを作成
し、単膜評価を行った。図21(a)にデバイス構成を
示す。図21(a)において、161は基板、162は
イントリンシック非晶質シリコン層、163はn+ 型微
結晶シリコン層、164はアルミ電極である。
【0038】かかるデバイスの製造方法は、まず、ガラ
ス基板102をチャンバー100の中のアノード電極上
に取りつけ、排気ポンプ109により排気し、10-6T
orrとした。基板温度を250℃から400℃まで変
化させた。Si H4 ガスを10sccm流し、チャンバ
ー内圧を0.5Torrにして、30分の間保持した。
然るのちに高周波電力を投入し、整合器を調整すること
で放電を開始し、必要な時間放電し成膜を行った。
ス基板102をチャンバー100の中のアノード電極上
に取りつけ、排気ポンプ109により排気し、10-6T
orrとした。基板温度を250℃から400℃まで変
化させた。Si H4 ガスを10sccm流し、チャンバ
ー内圧を0.5Torrにして、30分の間保持した。
然るのちに高周波電力を投入し、整合器を調整すること
で放電を開始し、必要な時間放電し成膜を行った。
【0039】印加高周波数はf=13.56MHzから
f=150MHzの間を変化させてサンプルを作成し
た。このときの高周波電力は10mW/cm2 とした。
f=150MHzの間を変化させてサンプルを作成し
た。このときの高周波電力は10mW/cm2 とした。
【0040】この膜にアルミニウムの櫛型電極を蒸着
し、室温(25℃)において、暗導電率と活性化エネル
ギーを測定した。
し、室温(25℃)において、暗導電率と活性化エネル
ギーを測定した。
【0041】図16に膜の光導電率の印加高周波数依存
を示す。このとき基板温度はその周波数で膜中欠陥密度
が最小になる温度を選んでいる。周波数を増加させるに
したがい、初期の欠陥準位が減少し、それに応じて光導
電率は増加している。
を示す。このとき基板温度はその周波数で膜中欠陥密度
が最小になる温度を選んでいる。周波数を増加させるに
したがい、初期の欠陥準位が減少し、それに応じて光導
電率は増加している。
【0042】印加高周波数を上げるに従い、プラズマ中
のイオンはトラップされた状態にあり、図8で述べたよ
うに、基板に入射するイオンの数とそのエネルギーが減
少したためと考えられる。図17に光電流の経時変化を
示す(初期の光電流で規格化している。Ip が光電流、
Ip0が初期の光電流である。)。aが従来の13.56
MHzで成膜した膜、b、c、dはこの順に周波数を上
げ、かつ基板温度を上げて行って成膜した膜である。周
波数を上げ、基板温度を上げて行くことにより、劣化特
性が向上していることが分かる。膜質の向上は30MH
z以上の周波数で見られ、本発明のメカニズムによる効
果を出すにはこれ以上の周波数が必要であることが分か
った。基板温度を上げることにより、膜中水素濃度は低
減されているので、水素によるウイークボンドも少なく
なり、光による欠陥生成が抑えられているものと思われ
る。図11により前述したように高濃度ラジカルプラズ
マを実現することにより、この温度でも熱による欠陥生
成を抑えて、初期から十分低い欠陥密度を実現すること
ができている。 [実施例2]次に本発明になる非晶質シリコン膜を薄膜
トランジスタのi層に用いた第2の実施例を示す。図2
1(b)にデバイス構成を示す。図21(b)におい
て、171は基板、172はゲート電極、173は非晶
質窒化シリコン層、174はイントリンシック非晶質シ
リコン層、175はn+ 型微結晶シリコン層、176は
アルミ電極である。
のイオンはトラップされた状態にあり、図8で述べたよ
うに、基板に入射するイオンの数とそのエネルギーが減
少したためと考えられる。図17に光電流の経時変化を
示す(初期の光電流で規格化している。Ip が光電流、
Ip0が初期の光電流である。)。aが従来の13.56
MHzで成膜した膜、b、c、dはこの順に周波数を上
げ、かつ基板温度を上げて行って成膜した膜である。周
波数を上げ、基板温度を上げて行くことにより、劣化特
性が向上していることが分かる。膜質の向上は30MH
z以上の周波数で見られ、本発明のメカニズムによる効
果を出すにはこれ以上の周波数が必要であることが分か
った。基板温度を上げることにより、膜中水素濃度は低
減されているので、水素によるウイークボンドも少なく
なり、光による欠陥生成が抑えられているものと思われ
る。図11により前述したように高濃度ラジカルプラズ
マを実現することにより、この温度でも熱による欠陥生
成を抑えて、初期から十分低い欠陥密度を実現すること
ができている。 [実施例2]次に本発明になる非晶質シリコン膜を薄膜
トランジスタのi層に用いた第2の実施例を示す。図2
1(b)にデバイス構成を示す。図21(b)におい
て、171は基板、172はゲート電極、173は非晶
質窒化シリコン層、174はイントリンシック非晶質シ
リコン層、175はn+ 型微結晶シリコン層、176は
アルミ電極である。
【0043】かかるデバイスの製造方法は、まず、ガラ
ス基板上に、真空蒸着法によりアルミを1000Å成膜
し、パターニングを施して、ゲート電極とした。
ス基板上に、真空蒸着法によりアルミを1000Å成膜
し、パターニングを施して、ゲート電極とした。
【0044】次にこのガラス基板101をチャンバー1
00の中のアノード電極上に取りつけ、排気ポンプ10
8、109により、10-6Torrまで排気した。基板
温度を350℃に設定し、SiH4 ガスを3sccm流
し、H2 ガスを150sccm流し、窒素ガスを60s
ccm流し、チャンバー内圧を0.2Torrにして、
30分の間保持して、基板温度が安定するのを待った。
然るのちに高周波電力を投入し、整合器を調整すること
で放電を開始し、必要な時間放電し成膜を行った。この
ときの周波数はf=13.56MHzとした。高周波電
力は、30mW/cm2 に設定した。放電終了後、ガス
を排気して、10-6Torrまで高真空引きした。
00の中のアノード電極上に取りつけ、排気ポンプ10
8、109により、10-6Torrまで排気した。基板
温度を350℃に設定し、SiH4 ガスを3sccm流
し、H2 ガスを150sccm流し、窒素ガスを60s
ccm流し、チャンバー内圧を0.2Torrにして、
30分の間保持して、基板温度が安定するのを待った。
然るのちに高周波電力を投入し、整合器を調整すること
で放電を開始し、必要な時間放電し成膜を行った。この
ときの周波数はf=13.56MHzとした。高周波電
力は、30mW/cm2 に設定した。放電終了後、ガス
を排気して、10-6Torrまで高真空引きした。
【0045】次に、基板温度を350℃のままとし、S
iH4 ガスを10sccm流し、チャンバー内圧を0.
5Torrにして、5分の間保持して、基板温度が安定
するのを待った。然るのちに80MHzの高周波を10
mW/cm2 の電力で投入し、整合器を調整することで
放電を開始し、必要な時間放電し成膜を行った。分放電
して5000Åのイントリンシックな非晶質シリコンを
成膜した。その後ガスを排気して、10-6Torrまで
高真空引きした。同様に周波数を30MHzから100
MHzまで振ってi層を変えたサンプルを用意した。
iH4 ガスを10sccm流し、チャンバー内圧を0.
5Torrにして、5分の間保持して、基板温度が安定
するのを待った。然るのちに80MHzの高周波を10
mW/cm2 の電力で投入し、整合器を調整することで
放電を開始し、必要な時間放電し成膜を行った。分放電
して5000Åのイントリンシックな非晶質シリコンを
成膜した。その後ガスを排気して、10-6Torrまで
高真空引きした。同様に周波数を30MHzから100
MHzまで振ってi層を変えたサンプルを用意した。
【0046】次に、基板温度を250℃に設定し、Si
H4 ガスを3sccm流し、H2 ガスで100ppmに
稀釈したホスフィンガスを150sccm流し、チャン
バー内圧を0.5Torrにして、30分の間保持し
て、基板温度が安定するのを待った。然るのちに通常の
13.56MHzの高周波を30mW/cm2 の電力で
投入し、整合器を調整することで放電を開始し、必要な
時間放電し成膜を行った。30分間放電して1500Å
のn+ 型非晶質シリコンを成膜した。その後ガスを排気
して、10-6Torrまで高真空引きした。
H4 ガスを3sccm流し、H2 ガスで100ppmに
稀釈したホスフィンガスを150sccm流し、チャン
バー内圧を0.5Torrにして、30分の間保持し
て、基板温度が安定するのを待った。然るのちに通常の
13.56MHzの高周波を30mW/cm2 の電力で
投入し、整合器を調整することで放電を開始し、必要な
時間放電し成膜を行った。30分間放電して1500Å
のn+ 型非晶質シリコンを成膜した。その後ガスを排気
して、10-6Torrまで高真空引きした。
【0047】次に、この基板を成膜装置から取り出し、
真空蒸着法によりアルミを1μm成膜した。然る後、こ
のアルミをパターニングし、ソース、ドレイン電極とし
た。
真空蒸着法によりアルミを1μm成膜した。然る後、こ
のアルミをパターニングし、ソース、ドレイン電極とし
た。
【0048】最後にこの電極をマスクにして、n+ 型非
晶質シリコンをエッチング除去した。
晶質シリコンをエッチング除去した。
【0049】このように作成した薄膜トランジスタの内
代表的なf=100MHzで成膜した薄膜トランジスタ
の特性を図18(a)に示す。十分に良好な特性を示し
ている。同図中(b)は従来のデータである。
代表的なf=100MHzで成膜した薄膜トランジスタ
の特性を図18(a)に示す。十分に良好な特性を示し
ている。同図中(b)は従来のデータである。
【0050】図19にON状態を100時間まで維持し
たときのスレショールド電圧VthシフトのVg依存を示
す。図中(a)は従来のデバイスのデータである。従来
は時間とともに正側にシフトしていたが、本実施例によ
ると、このシフトはかなり改善された。一般にこのVth
シフトには、2種類の要因が考えられ、図中Aの領域
は、窒化膜近傍のi層中のウイークボンドが動作中に切
れ、ギャップ内の準位密度分布が変化し、Vthシフトを
起こしている。図中Bの領域はON動作中にキャリア、
この場合Nチャンネル動作なので電子が絶縁膜中に入
り、膜中の捕獲準位に捕獲され、ここに固定電荷が形成
されることによる。本発明の製造方法によれば、膜中水
素を低く抑えることができ、これに起因するi層中のウ
イークボンドが低減され、その結果ボンドが切れにくく
なり、Aの領域でのVthシフトを低減することができ
た。またi層成膜中の窒化膜へのイオンダメ−ジが低減
され窒化膜中の欠陥が減少し、Bの領域でのVthシフト
も低減することができた。またこのVthシフトの印加高
周波数依存を図20(a)に示す。f=30MHzあた
りから上記の効果が現われていることが分かる。本実施
例においては、窒化膜の後、同じ温度でi層を成膜する
ことができるので、この間の温度安定をはかるための待
機時間を大幅に減らすことができた。また従来のように
窒化膜とi層との間で成膜温度が大幅にずれる場合、室
温にもどしたきの熱応力の差が窒化膜、i層界面特性を
悪くすることが従来から指摘されており、本発明を用い
ることにより、熱応力の差を緩和し、界面特性を向上さ
せることができた。
たときのスレショールド電圧VthシフトのVg依存を示
す。図中(a)は従来のデバイスのデータである。従来
は時間とともに正側にシフトしていたが、本実施例によ
ると、このシフトはかなり改善された。一般にこのVth
シフトには、2種類の要因が考えられ、図中Aの領域
は、窒化膜近傍のi層中のウイークボンドが動作中に切
れ、ギャップ内の準位密度分布が変化し、Vthシフトを
起こしている。図中Bの領域はON動作中にキャリア、
この場合Nチャンネル動作なので電子が絶縁膜中に入
り、膜中の捕獲準位に捕獲され、ここに固定電荷が形成
されることによる。本発明の製造方法によれば、膜中水
素を低く抑えることができ、これに起因するi層中のウ
イークボンドが低減され、その結果ボンドが切れにくく
なり、Aの領域でのVthシフトを低減することができ
た。またi層成膜中の窒化膜へのイオンダメ−ジが低減
され窒化膜中の欠陥が減少し、Bの領域でのVthシフト
も低減することができた。またこのVthシフトの印加高
周波数依存を図20(a)に示す。f=30MHzあた
りから上記の効果が現われていることが分かる。本実施
例においては、窒化膜の後、同じ温度でi層を成膜する
ことができるので、この間の温度安定をはかるための待
機時間を大幅に減らすことができた。また従来のように
窒化膜とi層との間で成膜温度が大幅にずれる場合、室
温にもどしたきの熱応力の差が窒化膜、i層界面特性を
悪くすることが従来から指摘されており、本発明を用い
ることにより、熱応力の差を緩和し、界面特性を向上さ
せることができた。
【0051】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、周波数f(MHz)が30MHz以上のVHF帯
の高周波を用いることにより、従来のRF帯の場合に比
較して安定的にシランラジカルを増やすことができ、膜
の特性を悪化させるイオンをプラズマ中に閉じ込める形
で成膜をするために、イオンによるダメージを抑えら
れ、界面でのプラズマダメージを低減できるので、安定
的に良質の膜を提供できるなどのVHF高周波プラズマ
の利点に加えて、さらに成膜時の基板温度Ts(℃)を
300℃〜600℃の高温、好適にはTs=kf+a
(0.1≦k≦2、a=300)の関係を満たすように
保持することにより、膜中水素濃度を低く抑えることが
可能となり、しかも同時に膜中欠陥密度の低減を図るこ
とができ、光導電率が大きく、光劣化特性の大幅に改善
された良質の膜を作ることができた。
れば、周波数f(MHz)が30MHz以上のVHF帯
の高周波を用いることにより、従来のRF帯の場合に比
較して安定的にシランラジカルを増やすことができ、膜
の特性を悪化させるイオンをプラズマ中に閉じ込める形
で成膜をするために、イオンによるダメージを抑えら
れ、界面でのプラズマダメージを低減できるので、安定
的に良質の膜を提供できるなどのVHF高周波プラズマ
の利点に加えて、さらに成膜時の基板温度Ts(℃)を
300℃〜600℃の高温、好適にはTs=kf+a
(0.1≦k≦2、a=300)の関係を満たすように
保持することにより、膜中水素濃度を低く抑えることが
可能となり、しかも同時に膜中欠陥密度の低減を図るこ
とができ、光導電率が大きく、光劣化特性の大幅に改善
された良質の膜を作ることができた。
【図1】本発明になる製造方法を実現するための装置を
示す図である。
示す図である。
【図2】Si H* ラジカルの発光強度[Si H* ]と、
水素ラジカルの発光強度[H*]の印加高周波数f依存
を示す図である。
水素ラジカルの発光強度[H*]の印加高周波数f依存
を示す図である。
【図3】成膜速度Rの印加高周波数f依存を示す図であ
る。
る。
【図4】SiH* ラジカルの発光強度[Si H* ]と、
水素ラジカルの発光強度[H*]の印加高周波電力Pw
依存を示す図である。
水素ラジカルの発光強度[H*]の印加高周波電力Pw
依存を示す図である。
【図5】印加高周波電力Pwと印加高周波数fの関係を
示す図である。
示す図である。
【図6】成膜速度の印加高周波電力Pw依存を示す図で
ある。
ある。
【図7】成膜速度の圧力Pr依存を示す図である。
【図8】基板入射イオンの入射エネルギーと分布を示す
図である。
図である。
【図9】印加高周波数fと膜厚分布の関係を示す図であ
る。
る。
【図10】電極間距離と膜中欠陥密度の関係を示す図で
ある。
ある。
【図11】膜中欠陥密度の基板温度依存性を示す図であ
る。
る。
【図12】最小欠陥密度の基板温度依存性を示す図であ
る。
る。
【図13】表面拡散係数の基板温度依存性を示す図であ
る。
る。
【図14】基板温度と印加周波数の関係を示す図であ
る。
る。
【図15】膜中水素濃度の基板温度依存性を示す図であ
る。
る。
【図16】光導電率の印加高周波f依存を示す図であ
る。
る。
【図17】光導電率の経時変化を示す図である。
【図18】本実施例の薄膜トランジスタの特性を示す図
である。
である。
【図19】ON動作時のVthシフトのVg依存を示す図
である。
である。
【図20】Vthシフトの印加高周波数F依存を示す図で
ある。
ある。
【図21】(a)はコプラナ型センサの構成、(b)は
薄膜トランジスタの構成を示す図である。
薄膜トランジスタの構成を示す図である。
100 真空チャンバー 101 アノード電極 102 基板 103 カソード電極 104 整合器 105 高周波電源 106 接地 107 ゲートバルブ 108 ターボ分子ポンプ 109 ロータリポンプ 110,118 シランガスラインバルブ 111,119 水素ガスラインバルブ 112,120 ホスフィンガスラインバルブ 113,121 アンモニアガスラインバルブ 114,115,116,117 マスフローメータ 161 基板 162 イントリンシック非晶質シリコン層 163 n+ 型微結晶シリコン層 164 アルミ電極 171 基板 172 ゲート電極 173 非晶質窒化シリコン層 174 イントリンシック非晶質シリコン層 175 n+ 型微結晶シリコン層 176 アルミ電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 水谷 英正 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−197329(JP,A) 特開 昭63−17519(JP,A) 特開 平2−225674(JP,A) 特開 昭58−125822(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/205
Claims (4)
- 【請求項1】 プラズマ化学気相蒸着法により、Siを
含むガスを用いて、非晶質シリコンを堆積させる製造方
法において、基板温度Tsを300℃から600℃まで
の温度に保持し、印加高周波数fが30MHz以上のV
HF高周波を電極間に印加し、該電極間距離d(cm)
がf/d<30の関係を満たすようにしてプラズマを発
生させることを特徴とする非晶質シリコンの製造方法。 - 【請求項2】 請求項1記載の非晶質シリコンの製造方
法において、基板温度Ts(℃)と印加高周波数f(M
Hz)とがTs=kf+a(0.1≦k≦2、a=30
0)の関係を満たすようにVHF高周波を印加し、プラ
ズマを発生させることを特徴とする非晶質シリコンの製
造方法。 - 【請求項3】 請求項1記載の非晶質シリコンの製造方
法において、VHF高周波数fを、10/f(W/cm
2)(f:MHz)以下の電力で供給し、プラズマを発
生させることを特徴とする非晶質シリコンの製造方法。 - 【請求項4】 請求項1記載の非晶質シリコンの製造方
法において、水素ラジカルの発光強度[H*]とシラン
ラジカルの発光強度[SiH*]との比が[H*]/[S
iH*]≦1であることを特徴とする非晶質シリコンの
製造方法。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP27079992A JP3201495B2 (ja) | 1992-09-16 | 1992-09-16 | 非晶質シリコンの製造方法 |
US08/036,236 US5582880A (en) | 1992-03-27 | 1993-03-24 | Method of manufacturing non-single crystal film and non-single crystal semiconductor device |
EP93105043A EP0562623A3 (en) | 1992-03-27 | 1993-03-26 | Method of manufacturing non-single crystal film and non-single crystal semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP27079992A JP3201495B2 (ja) | 1992-09-16 | 1992-09-16 | 非晶質シリコンの製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0697079A JPH0697079A (ja) | 1994-04-08 |
JP3201495B2 true JP3201495B2 (ja) | 2001-08-20 |
Family
ID=17491179
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP27079992A Expired - Fee Related JP3201495B2 (ja) | 1992-03-27 | 1992-09-16 | 非晶質シリコンの製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3201495B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
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---|---|---|---|---|
JP3387616B2 (ja) * | 1994-04-18 | 2003-03-17 | キヤノン株式会社 | プラズマ処理装置 |
US5834827A (en) * | 1994-06-15 | 1998-11-10 | Seiko Epson Corporation | Thin film semiconductor device, fabrication method thereof, electronic device and its fabrication method |
US5858819A (en) * | 1994-06-15 | 1999-01-12 | Seiko Epson Corporation | Fabrication method for a thin film semiconductor device, the thin film semiconductor device itself, liquid crystal display, and electronic device |
JP3812232B2 (ja) | 1998-10-23 | 2006-08-23 | 日新電機株式会社 | 多結晶シリコン薄膜形成方法及び薄膜形成装置 |
-
1992
- 1992-09-16 JP JP27079992A patent/JP3201495B2/ja not_active Expired - Fee Related
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---|---|
JPH0697079A (ja) | 1994-04-08 |
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