JPH01302813A - アモルファス半導体薄膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、例えば水素化アモルファス炭素薄膜等のアモ
ルファス半導体薄膜を製造する方法に関するしのである
。

Ｂ６発明の概要 本発明は、反応ガスを真空容器内に導入して、プラズマ
化学蒸着法によりアモルファス半導体薄膜を製造する方
法において、 例えばメタンガスと水素ガスとの混合ガスを用いて、製
造開始時から、膜厚の大きさにより抵抗率が変化しない
臨界膜厚が得られるまでの時間Ｔｏを予め求めておき、
目的とする膜特性が得られる安定特電力値Ｇｓよりも高
い電力を製膜開始時に電極に印加し、その後印加電力を
面記時間Ｔｏ経過後またはその付近にて電力値Ｇｓにな
るようにコントロールすることによって、 膜厚が小さくても、大きな膜厚の薄膜特性を得ろことが
でき、これによりデバイス設計を容易にしたものである
。

Ｃ１従来の技術 ダイヤモンド状炭素薄膜もしくは水素化アモルファス炭
素薄膜の製造法としては、イオンビーム法、スパッタ法
、ＣＶＤ法（化学的蒸着法）などが知られている。

イオンビーム法は基板にイオンビームを照射するため、
界面に構造欠陥が生じやすく、また有機材料や半導体な
どイオンビームに侵されやすいけ質に対しては膜を形成
しにくいという欠点がある。

スパッタ法は、スパッタガス種等の製膜因子の変化によ
り各種の特性を引き出すことができて、イオンダメージ
、構造欠陥の少ない膜を作製出来るが、ＣＶＤ法に較べ
て製膜速度が遅く、水素ガス中のスパッタでは水素が比
較的過剰に入りやすいという欠点が生じやすい。

ＣＶＤ法には、熱、光、プラズマＣＶＤ法等があり、水
素化アモルファス炭素薄膜は主にプラズマＣＶＤ法によ
り作製されている。

Ｄ９発明が解決しようとする課題 ところで最近高性能デバイス作製のために他のアモルフ
ァス物質（アモルファスＳｉ、アモルファスＳｉＣ等ン
において超格子など原子層単位の極めて膜厚の小さい薄
膜について特性を制御する必要性が出て来た。プラズマ
ＣＶＤ法は、製膜速度が速く工業生産向きであり、製膜
因子数も多いため、特性も他の製膜法に比較して多様な
ものを作製しやすい長所があるが、アモルファスは研究
の歴史も浅いため、プラズマ状態記述の物性値に対して
制御可能なパラメータが少ないこと及び製膜機構か明確
になっていないことから、プラズマ状態の変動による膜
特性の膜厚依存性等が生じ、このため均質でかつ目的特
性の膜を作製することが困難であり、１１００ｎ以下の
膜厚の薄膜を設計する場合、設計通りのデバイスを作製
出来ないという問題点があった。例えば水素化アモルフ
ァス炭素薄膜について光吸収測定を行ったところ、第７
図に示すように同一の作製条件でありなから膜厚により
図のような違いが見られる。このようなことからデバイ
ス作製上、特に膜厚が５０ｎｍ以下の薄膜の製作におい
て支障をきたしている。

本発明の目的は、膜厚が小さくても大きな膜厚の薄膜特
性を得ることができ、これによりデバイス設計を容易に
することにある。

Ｅ２課題を解決するための手段 本発明は、電力印加開始時からしばらくの間はプラズマ
状態が不安定であり、そのため従来の製法、即ちプラズ
マ状態の不安定、安定の時期にかかわらず同一の条件で
製造する方法では、膜厚か小さい場合にはプラズマ状態
の不安定性の影響を受け、この結果膜厚の大きさによっ
て特性にばらつきがある点に着眼して成されたものであ
り、具体的には電極に印加電力を特徴とする特性が得ら
れろ値Ｇｓに設定して生成した前記薄膜について、膜厚
と薄膜の特性との関係を予め調べることにより、膜厚の
大きさによって薄膜の特性が変化しない臨界膜厚を求め
ると共に、製膜開始時から膜厚が前記臨界膜厚になるま
での時間Ｔ。を求めておき、この製膜に用いた反応ガス
と同じガスを真空容器内に導入すると共に前記電力Ｇｓ
よりも高い電力を電極に印加して製膜を開始し、前記時
間Ｔ。経過後またはその付近にて印加電力が前記電力値
Ｇｓになるように減少さけることを特徴とする。

Ｆ、実施例 本発明方法は、例えば第２図及び第３図に夫々示す製造
装置及び制御系を用いることにより実行される。第２図
に示すＣＶＤ装置は３槽分離真空１１、−１．３を連設
して成り、水素化アモルファス炭素薄膜（以下ｒａ−ｃ
膜」という）を得るためには、先ず真空槽１１内を１．
３３Ｘ１０−５Ｐａ（ＩＸＩＯ−’Ｔｏｒｒ）まで減圧
した後、炭化水素ガス例えばメタン（ＣＨ，）ガスを適
度の水素ガスで希釈した混合ガスを真空槽１．内に導入
し、電極を兼ねたサセプタ２．上の基板３をヒータ４゜
で適時１５０〜３００℃に加熱した後所定の圧力に槽内
を調節し、次いで平面方向のムラをなくすためにサセプ
タ２Ｉを回転させながら、電極５１゜サセプタ２８間に
高周波電源Ｅ＋から１３．５６Ｍ１−Ｉ　ｚの高周波電
力２０〜３００Ｗを加え、プラズマを発生させて基板３
．上に膜を形成する。６１は排気口である。真空槽ｋｉ
、内の圧力については、第３図に示すように真空計７よ
りの検出値に基づいてコンピュータ８により排気ロエア
ー弁スイッチ９及びマスフローコントローラ用電源ＩＯ
を制御することによって行イつれ、また電極への印加電
力（人力電力）については高周波電源１１を制御するこ
とによって行われる。更にガス流量、ガス混合比もこの
制御系によって随時微妙に制御される。

他の真空槽り、１３は前記真空槽ｌ、と同一構造に設計
されており、２２．２３はサセプタ、４．。

４３はヒータ、５７，５３は電極、６ｔ、６ｓは排気口
である。真空槽１．−Ｌ間には図示しない基板搬送機構
が装着されており、ロック弁ＶＡ、ＶＢを開閉すること
により真空状態を推持したまま基板を真空槽Ｉ、〜１３
間を移動させることができる。

従って各種にて独立に所望の特性の薄膜を作製すること
が可能であり、例えばＰ型半導体層、ｎ型半導体層及び
真性半導体層を汚染されることなく順次に積層したもの
を作製することができる。

本発明方法はこれら真空槽ｌ、〜Ｉ３のいずれの製膜プ
ロセスにおいても適用することができ、本発明方法を実
行するためには、先ず従来法によって臨界膜厚を求めて
おく。例えばメタンガスを炭化水素ガスとして用い、膜
厚が１１００ｎ以下であっても２００　ｎｍの膜厚と同
程度の特性をもった薄膜を作製しようとする場合、メタ
ンガスを水素ガスによって５０％に希釈した混合ガスを
真空槽内に導入した後電力を印加し、製膜時間を変えて
種々の膜厚のａ−Ｃ膜を予め作製しておく。そしてこれ
らについて例えば抵抗率を調べ、膜厚の大きさによって
抵抗率が変化しない臨界膜厚を求め′ると共に、電力印
加時から膜厚が臨界膜厚になるまでの時間Ｔ。を求めて
おく。第４図は抵抗率を膜厚との関係を示す測定データ
であり、この図かられかるように抵抗率は膜厚か小さい
程高く、略４０ｎｍ（４００人）を越えると膜厚増加に
対して飽和している。従ってこの場合臨界膜厚は４０ｎ
ｍとなる。なおこの例では、基板直径２０ｃｍ、基板温
度１５０℃、槽内圧力１３．３Ｐａ。

入力電力２０Ｗ、電極間距離２ｃｍとしている。

ところで炭化水素ガスとして用いるガス種と臨界膜厚と
の関係を調べたところ第５図に示すように、臨界膜厚は
ガス種の分解効率、即ち製膜速度と略比例していること
がわかった。このことから電力印加時から一定時間内に
おいて製膜された薄膜は膜厚の影響を受け、その原因は
プラズマ状態が電力印加開始時から一定時間内は不安定
であり、時間経過と共に安定状態に向かっていくためで
あると推察される。このように考えれば、プラズマ状態
が不安定な時間帯は前記時間Ｔ。に対応する。

そこで本発明では、製膜開始時即ち電力印加時には安定
特電力よりも高い電力を印加し、プラズマ状態が安定す
るに従って電力の上乗せ分を減少させろ。ここで安定特
電力とは、例えば膜厚が２００ｎｍであって、目的とす
る膜特性を有するニーＣ膜と同等の特性を得る場合、そ
のａ−ｃ膜に与えた電力を意味する。具体的には印加電
力（人力電力）の初期値を６０、安定特電力をＧｓとす
ると、Ｇｓに対する人力電力の比Ｒか第６図に示すパタ
ーンとなるように入力電力をコントロールして製膜する
。この例では時間ｔとＲとの関係はＴｏ前までは（１）
式で表され、それ以降は（２）式で表される。

Ｒ＝（Ｇｏ／Ｇ−ＩＸｔ／Ｔｏ　　１）”＋Ｉ・・・（
１）Ｒ＝１　　　・・・（２） そして００を種々変えて特性を調べたところ、膜厚が１
１００ｎ以下の１−〇膜について、メタンガス１００％
を炭化水素ガスとして用い、初めから安定特電力を与え
て作製した２　００　ｎ　ｍ　（各種の特性が測定でき
る典型的厚さ）の膜厚を有するｌ−Ｃ膜と同等の特性を
得るためには、ＧｏがＧｓの１．５〜３．０倍であった
。この範囲においては、光吸収プロファイル、抵抗率に
ついて上記の２００　ｎｍの膜厚のものと一致した。

本発明ではメタンガスに限らずエチレンガスやアセチレ
ンガスを炭化水素ガスとして用いた薄膜特性を得る場合
にも適用することができ、エチレンガス（Ｃ，Ｈ，ガス
）を用いる場合にはＧ。をＧ。

の１．５〜２．５倍に設定することにより、またアセチ
レンガス（ｃ　ｔ　Ｈｔガス）を用いる場合にはＧｏを
Ｇｓの１．５〜２．０倍に設定することにより、膜厚が
１００　ｎｍ以下のａ−ｃ膜について、夫々エチレンガ
ス１００％、アセチレンガス１００％を炭化水素ガスと
して用い、初めから安定特電力を与えて作製した２　０
０　ｎｍの膜厚を有する１−Ｃ膜と同等の特性を得るこ
とができる。

Ｇｓ発明の効果 本発明では、電力印加開始時からしばらくの間は従来の
条件では十分なプラズマ状態が得られず、これに起因し
て膜厚が小さい場合には特性にばらっきがあるという点
に着目し、製膜開始時即ち電力印加開始時には安定特電
力値Ｇｓよりも高い電力を与えておき、プラズマ状態が
安定するに従って電ツノの上乗せ分を減少させるように
しているため、例えばメタンガスと水素ガスとの混合ガ
スを反応ガスとして用い、アモルファス超格子等でよく
用いられる２〜２０ｎｍ（２０〜２００人）の膜厚のａ
−ｃ膜を得を二場合、２００　ｎ　ｍ　（２０００人）
の膜厚程度のものと同一の特性を得ることができ、従っ
てデバイス設計が簡単になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る電圧印加パターンを示す
グラフ、第２図は製造装置の一例を示す構成図、第３図
は制御系を示すブロック図、第４図は抵抗率と膜厚との
関係を示すグラフ、第５図はガス種毎の臨界膜厚及び製
膜速度を示すグラフ、第６図は光学的バンドギャップと
入力電力との関係を示すグラフ、第７図は光吸収特性を
示すグラフである。 １、−１３・・・真空槽、２１〜２３・・・サセプタ、
３・・・基板、４．〜４．・・・ヒータ、５１〜５．・
・・電極、６゜〜６３・・・排気口。 第１図 ｑ−ｎ叩ロバ０クーン図 Ｔ。 時間（ｓｅｅ） 第２図 製造装置／）嬌政ヨ 鍋群曖路　（ｎｍ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）反応ガスを真空容器内に導入して、プラズマ化学
   蒸着法によりアモルファス半導体薄膜を製造する方法に
   おいて、 電極に印加電力を、目的とする膜特性が得られる値Ｇ＿
   ｓに設定して生成した前記薄膜について、膜厚と薄膜の
   特性との関係を予め調べることにより、膜厚の大きさに
   よって薄膜の特性が変化しない臨界膜厚を求めると共に
   、製膜開始時から膜厚が前記臨界膜厚になるまでの時間
   Ｔ＿０を求めておき、この製膜に用いた反応ガスと同じ
   ガスを真空容器内に導入すると共に前記電力Ｇ＿ｓより
   も高い電力を電極に印加して製膜を開始し、前記時間Ｔ
   ＿０経過後またはその付近にて印加電力が前記電力値Ｇ
   ＿ｓになるように減少させることを特徴とするアモルフ
   ァス半導体薄膜の製造方法。