JPH01730A - Method of forming multilayer thin film - Google Patents
Method of forming multilayer thin filmInfo
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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。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、アモルファス半導体超格子薄膜などを形成す
るのに好適に採用される多層薄膜の形成方法に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a method for forming a multilayer thin film, which is suitably employed for forming an amorphous semiconductor superlattice thin film.
〔従来の技術及び発明が解決しようとする課、題〕アモ
ルファス半導体薄膜は、太陽電池、薄膜トランジスタ等
への実用化が進められているが、性能面での研究成果は
飽和傾向にある。その主な理由は、本質的に欠陥の多い
アモルファス半導体中では、キャリアの易動度が低いた
めである。この状況を打破する新材料として、アモルフ
ァス半導体超格子が注目されている。。[Issues and problems to be solved by conventional techniques and inventions] Amorphous semiconductor thin films are being put to practical use in solar cells, thin film transistors, etc., but research results in terms of performance tend to be saturated. The main reason for this is that the mobility of carriers is low in amorphous semiconductors, which inherently have many defects. Amorphous semiconductor superlattices are attracting attention as a new material that can overcome this situation. .
アモルファス半導体超格子とは1組成やバンドギャップ
又はドープする不純物の異なる二種類のアモルファス半
導体(以下、AJIとB層と呼ぶ)を数人から数十大周
期で積み重ねたものである。このアモルファス半導体超
格子薄膜の作製方法としては、従来、プラズマあるいは
光励起CVD(chemical vaper dep
osition)が利用され、原料ガスの導入を機械的
に切り替えて・AWjと119とを交互に積層形成して
いく方法が採用されている。An amorphous semiconductor superlattice is one in which two types of amorphous semiconductors (hereinafter referred to as AJI and B layers) with different compositions, band gaps, or doped impurities are stacked in several to several dozen large periods. Conventionally, methods for producing this amorphous semiconductor superlattice thin film include plasma or photo-excited CVD (chemical vapor deposition).
A method is adopted in which AWj and 119 are alternately layered by mechanically switching the introduction of raw material gas.
即ち、Aiを堆積させる原料ガスを反応室に導入し、光
あるいはプラズマにより原料ガスを励起、分解し、15
を所望の膜厚になるまで堆積させる。That is, a raw material gas for depositing Ai is introduced into a reaction chamber, the raw material gas is excited and decomposed by light or plasma, and 15
is deposited until the desired film thickness is reached.
次いで、上記原料ガスの供給を停止し、反応室を排気し
た後、B層を堆積させる原料ガスを導入し。Next, after stopping the supply of the raw material gas and evacuating the reaction chamber, the raw material gas for depositing the B layer was introduced.
同様に所望の膜厚になるまでB層を堆積させる。Similarly, layer B is deposited until the desired thickness is achieved.
次に1反応室を再度排気し、A層とB層との境界におい
て両層が互に不純物で汚染されないようにする。この作
業を所定の回数繰り返すことにより超格子薄膜を作製す
る方法が一般的である。例えば、a−8i(アモルファ
ス−5i)とa−SiC(アモルファス−3iC)を積
層する場合は、a−3iを堆積させるときはシリコンを
含む原料ガスの分解を行ない、a−8iCを堆積させる
ときはシリ・コンを含む原料ガスと炭素を含む原料ガス
との混合ガスの分解を行なうもので、以上の作業の繰り
返しで超格子薄膜は作製される。Next, one reaction chamber is evacuated again to prevent the layers A and B from contaminating each other at the boundary with impurities. A common method is to repeat this operation a predetermined number of times to produce a superlattice thin film. For example, when stacking a-8i (amorphous-5i) and a-SiC (amorphous-3iC), when depositing a-3i, the source gas containing silicon is decomposed, and when depositing a-8iC, the source gas containing silicon is decomposed. This method decomposes a mixed gas of a source gas containing silicon and a source gas containing carbon, and a superlattice thin film is produced by repeating the above operations.
しかしながら、このように従来のプラズマあるいは光励
起CVDによる超格子薄膜作製法は、本質的に原料ガス
の機械的切り替えを必要とするものであり、各層の膜を
形成する反応を行なう毎に反応層から原料ガスを排気し
て系内を真空にする操作が入るため、超格子膜の生産性
は非常に効率が悪いものであった。However, the conventional superlattice thin film fabrication method using plasma or photo-excited CVD essentially requires mechanical switching of raw material gases, and each time the reaction to form a film of each layer is performed, The productivity of superlattice films was extremely inefficient because the process involved exhausting the raw material gas and creating a vacuum in the system.
従って、上記の方法では原料ガスの切り替えを必要とし
、本質的に一層の堆積が一作業工程となるので、多層積
層膜である超格子薄膜作製の際、作業工程は膨大となり
、実用化への大きな障害となるとい、う問題があった。Therefore, in the above method, it is necessary to switch the raw material gas, and the deposition of one layer is essentially one work step, so the work steps are enormous when producing a superlattice thin film, which is a multilayer film, and it is difficult to put it into practical use. There was a problem that was said to be a major hindrance.
また、Alを形成する反応室とB層を形成する反応室と
を仕切壁を介して、隣接し、この仕切壁に両室間を交互
に所定速度で回転移動していく回転体(ロータリー)を
設け、この回転体上に基板を置いて、この基板を回転体
と一体に回転させることにより、基板上にA層とB層と
を交互に積層する方法もあるが、この方法も非常に効率
が悪い。In addition, the reaction chamber for forming Al and the reaction chamber for forming the B layer are adjacent to each other via a partition wall, and a rotating body (rotary) that alternately rotates between the two chambers at a predetermined speed is connected to the partition wall. There is also a method in which layers A and B are alternately laminated on the substrate by placing the substrate on this rotating body and rotating the substrate together with the rotating body, but this method is also very slow. ineffective.
本発明は上記事情を改善するためになされたもので、ア
モルファス半導体超格子薄膜等の多層薄膜を原料ガスの
導入、排気の繰り返しなく、一つの反応室内で効率よく
簡単にかつ確実に形成することができる多層薄膜の形成
方法を提供することを目的とする。The present invention has been made in order to improve the above-mentioned situation, and it is an object of the present invention to form a multilayer thin film such as an amorphous semiconductor superlattice thin film efficiently, easily, and reliably in one reaction chamber without repeating the introduction and exhaust of raw material gases. The purpose of the present invention is to provide a method for forming a multilayer thin film.
〔課題を解決するための手段及び作用〕本発明は上記目
的を達成するため、プラズマ励起化学反応と光励起化学
反応とのいずれかの化学反応のみが可能な又は優先的に
起る第一の原料ガスと、これらの化学反応に対して上記
原料とは反応性の著しく異なる第二の原料ガス、例えば
再反応が可能な原料ガスとの混合ガスを反応室内に導入
し、この反応室内でプラズマ励起化学反応と光励起化学
反応の一方を単独に又は優先的にしかも断続的に行なわ
せると共に、他方の化学反応を一方の化学反応と異なる
位相で断続的に又は連続的に行なわせて、基板上に一方
の化学反応を行なわせた時の薄膜と一方の化学反応を停
止させた時の薄膜とを順次交互に積層形成することによ
り、多層薄膜を形成するようにしたものである。[Means and effects for solving the problems] In order to achieve the above object, the present invention provides a first raw material in which only one of the plasma-excited chemical reaction and the photo-excited chemical reaction is possible or preferentially occurs. A mixed gas of a gas and a second raw material gas that has significantly different reactivity to these chemical reactions than the above-mentioned raw materials, such as a raw material gas that can be re-reacted, is introduced into the reaction chamber, and plasma is excited in the reaction chamber. One of the chemical reaction and the photoexcitation chemical reaction is performed singly or preferentially and intermittently, and the other chemical reaction is performed intermittently or continuously in a phase different from that of the other chemical reaction, and the chemical reaction is performed on the substrate. A multilayer thin film is formed by sequentially and alternately laminating a thin film when one chemical reaction is carried out and a thin film when one chemical reaction is stopped.
即ち、本発明は、原料ガスの供給を断続することなく、
超格子構造等の多層薄膜を連続的に形成するため、二種
以上の原料ガスの化学反応性の違いを利用するもので、
二種類の励起源を反応ガスを励起するために同時に使用
する。例えば、低圧水銀ランプやエキシマレーザなどの
狭い分布の励起エネルギーを発生する光源と広いエネル
ギー分布を有する高速電子の発生、例えば10eV以上
の高エネルギーを発生する放電プラズマを用いる。That is, the present invention enables the supply of raw material gas to be carried out without interruption,
In order to continuously form a multilayer thin film such as a superlattice structure, it utilizes the difference in chemical reactivity of two or more raw material gases.
Two types of excitation sources are used simultaneously to excite the reactant gas. For example, a light source that generates excitation energy with a narrow distribution, such as a low-pressure mercury lamp or an excimer laser, and a discharge plasma that generates high-speed electrons with a wide energy distribution, such as high energy of 10 eV or more, are used.
而して、本発明は、プラズマ励起エネルギーと光励起エ
ネルギーのいずれか一方を互に異なる光学反応性を有す
るガスの混合物を充填した反応室に不連続的に与えると
共に、他方の励起エネルギーを一方の励起エネルギーと
異なる位相で断続的に又は連続的に与え、基板上に一方
の励起エネルギーを用いた時の薄膜と一方の励起エネル
ギーを停止させた時の薄膜とを順次交互に積層形成する
ものであり、例えば原料ガスとして、光でもプラズマで
も分解可能なものと、プラズマでは分解できるが、光で
は分解しないものを選んで、定常的にこれら原料ガスの
混合ガスを反応室に導くと共に、その除光を連続的に照
射し、放電を周期的にオン−オフさせてプラズマをパル
ス化することにより、光のみのCVDと、光とプラズマ
との複合励起によるCVDを同一反応室内で連続的に切
り替え、これによって放電がオフの時は光のみのCvD
による膜を形成し、放電がオンの時は双方の原料ガスか
らの合金組成の膜を形成するものである。Thus, the present invention discontinuously supplies either plasma excitation energy or optical excitation energy to a reaction chamber filled with a mixture of gases having mutually different optical reactivities, and supplies the other excitation energy to one of them. A method in which excitation energy is applied intermittently or continuously with a phase different from that of the excitation energy, and a thin film when one excitation energy is used and a thin film when one excitation energy is stopped are sequentially and alternately laminated on the substrate. For example, as raw material gases, we select one that can be decomposed by light or plasma, and another that can be decomposed by plasma but not by light, and constantly introduce a mixture of these raw material gases into the reaction chamber and remove it. By continuously irradiating light and pulsing the plasma by periodically turning the discharge on and off, it is possible to continuously switch between light-only CVD and CVD with combined excitation of light and plasma in the same reaction chamber. , this allows light-only CvD when the discharge is off.
When the discharge is on, a film with an alloy composition from both source gases is formed.
従って1本発明によれば、混合ガス及び反応態様を種々
選定することによって所望の種々の多層薄膜を形成でき
、この場合上述したように原料となる混合ガスは連続的
に供給することができ、導入、排気を繰り返さなくても
よいと共に、反応室は1つでよく、反応室を切り替えな
くてもよいので、多層薄膜が効率よく簡単確実に形成で
き、装置的にも複雑化したりコストが高くなる等の不都
合は生じないものである。Therefore, according to the present invention, various desired multilayer thin films can be formed by selecting various mixed gases and reaction modes, and in this case, as described above, the mixed gas serving as the raw material can be continuously supplied, There is no need to repeat introduction and exhaust, there is only one reaction chamber, and there is no need to switch reaction chambers, so multilayer thin films can be formed efficiently, easily, and reliably, which eliminates the need for complicated equipment and high costs. This will not cause any inconvenience.
また、本発明により製造した超格子膜は、平均すると同
じ組成になる単層の膜より優れた半導体特性を有し、例
えば従来からのバルクのものでかつ同程度の光学的バン
ドギャップを有する膜と比較して、また積層する各単層
と比較して非常に高い光電率を持つものである。また、
プラズマ励起と光励起とが位相を変えて繰返し生じるの
で、得られる超格子膜の構造や特性は従来のガス交換法
や単独励起法により得られたものに比べて改良されたも
のである。このため、本発明によれば、太陽電池、光セ
ンサ−、感光ドラム、発光素子、薄膜トランジスタ等に
利用されて優れた特性を有するアモルファス半導体超格
子膜を得ることができる。In addition, the superlattice film produced according to the present invention has, on average, superior semiconductor properties to a single layer film with the same composition, such as a conventional bulk film with a similar optical band gap. It has a very high photoelectric rate compared to the conventional monolayers, and compared to each of the monolayers that are laminated. Also,
Since plasma excitation and optical excitation occur repeatedly with different phases, the structure and properties of the resulting superlattice film are improved compared to those obtained by conventional gas exchange methods or single excitation methods. Therefore, according to the present invention, it is possible to obtain an amorphous semiconductor superlattice film that can be used in solar cells, optical sensors, photosensitive drums, light emitting elements, thin film transistors, etc. and has excellent properties.
以下、本発明につき更に詳しく説明する。The present invention will be explained in more detail below.
本発明の多層薄膜の形成方法は、プラズマ励起化学反応
と光励起化学反応を利用して同一反応室内で互に異なる
組成あるいはバンドギャップの薄膜を交互に順次形成す
るもので、まず反応室内にプラズマ励起化学反応と光励
起化学反応とのいずれかの化学反応のみが可能な又は優
先的に起る(プラズマ励起化学反応が光励起化学反応よ
りも優先的に起こるか又は光励起化学反応がプラズマ励
起化学反応よりも優先的に起こる)第一の原料ガスと、
これらの化学反応に対して上記原料とは反応性が著しく
異なる第二の原料ガスとの混合ガスを反応導入する。The method for forming a multilayer thin film of the present invention uses plasma-excited chemical reactions and photo-excited chemical reactions to alternately and sequentially form thin films with different compositions or band gaps in the same reaction chamber. Either a chemical reaction or a photoexcited chemical reaction is possible or occurs preferentially (a plasma-excited chemical reaction occurs preferentially over a photoexcited chemical reaction, or a photoexcited chemical reaction occurs over a plasma-excited chemical reaction). a first raw material gas (which occurs preferentially),
For these chemical reactions, a mixed gas with a second raw material gas whose reactivity is significantly different from that of the raw material is introduced.
ここで、この混合ガスとしては、具体的に下記のものが
挙げられる。Here, specific examples of this mixed gas include the following.
(1)プラズマ励起化学反応(以下、P反応という)の
みが可能な或いは優先的に起る原料ガスと光励起化学反
応(以下、L反応という)のみが可能な或いは優先的に
起る原料ガスとの混合ガス。(1) A raw material gas in which only a plasma-excited chemical reaction (hereinafter referred to as P reaction) is possible or preferentially occurs, and a raw material gas in which only a light-excited chemical reaction (hereinafter referred to as L reaction) is possible or preferentially occurs. mixed gas.
(2)P反応のみが可能な或いは優先的に起る原料ガス
とP反応及びL反応の両方が可能な原料ガスとの混合ガ
ス。(2) A mixed gas of a raw material gas in which only the P reaction is possible or occurs preferentially, and a raw material gas in which both the P reaction and the L reaction are possible.
(3)L反応のみが可能な或いは優先的に起る原料ガス
とP反応及びL反応の両方が可能な原料ガスとの混合ガ
ス。(3) A mixed gas of a raw material gas in which only the L reaction is possible or occurs preferentially, and a raw material gas in which both the P reaction and the L reaction are possible.
ここで、前記の第一の原料ガスから得られる層は第二の
原料ガスから得られる層とは互に相違するものである。Here, the layer obtained from the first source gas is different from the layer obtained from the second source gas.
この場合、本発明において、P反応は、高速電子による
10eV以上、特に10〜20eVの高エネルギーの励
起が可能な放電プラズマが好適に利用し得、直流又は高
周波による誘導結合型又は容量結合型プラズマCVD装
置、マイクロ波CVD装置などを用いて行なうことがで
きる。またL反応は、励起エネルギーの単色性に優れ、
しかも狭い分布の光源が有効に使用し得、例えば低圧水
銀ランプ、エキシマレーザ、重水素放電管、希ガス放電
管等の紫外光源など、特に波長範囲100〜300止の
光によって誘起される光化学反応を利用することによっ
て行なうことができる。従って、P反応やL反応可能な
或いは優先的に起る原料ガスとしては、これらの反応、
方法によって反応し。In this case, in the present invention, a discharge plasma capable of excitation with high energy of 10 eV or more, particularly 10 to 20 eV by fast electrons can be suitably used for the P reaction, and an inductively coupled or capacitively coupled plasma using direct current or radio frequency can be suitably used. This can be carried out using a CVD device, a microwave CVD device, or the like. In addition, the L reaction has excellent monochromaticity of excitation energy,
In addition, light sources with a narrow distribution can be used effectively, such as ultraviolet light sources such as low-pressure mercury lamps, excimer lasers, deuterium discharge tubes, rare gas discharge tubes, etc. In particular, photochemical reactions induced by light in the wavelength range of 100 to 300 This can be done by using . Therefore, raw material gases that can or preferentially cause P and L reactions include these reactions,
React depending on the method.
薄膜を形成することができるものが使用できる。Any material that can form a thin film can be used.
具体的には、P反応としてプラズマCVDを、L反応と
して水銀増感光CVDを考えると、P反応のみが可能な
或いはL反応に比べて著しく優先する原料ガスとしては
、CF、、CHl、SiF、。Specifically, considering plasma CVD as a P reaction and mercury-sensitized CVD as an L reaction, raw material gases that are capable of only a P reaction or that have a significant priority over an L reaction include CF, CH1, SiF, .
B F、、NF3.N、等が挙げられ、これらの1種又
は2種以上が形成すべき薄膜の種類に応じて選択使用さ
れ得る。また、L反応のみが可能な或いは優先的に起る
原料ガスとしては、GeF4.、GeH4等が挙げられ
、これらの1種又は2種以上が選択使用され得る。更に
P反応及びL反応の両方が可能な原料ガスとしては、S
iH,、Si2H6,SL、Hs*S IHn R(4
−nl l S IHn F (4−n) + A Q
R3t G’e R3tZ n R2y S n R4
(但し、n=1.2又は3、Rはアルキル基又はアリー
ル基を示すが、Rは炭素数が1〜7、特にRがアルキル
基の場合は1〜4、またRがアリール基の場合は6〜7
の炭素数を有することが好ましい)等があり、これらの
1種又は2種以上が使用され得る。なお、本発明におい
て、L反応は光の照射によって励起し、光の照射を停止
しても反応が持続するという暗反応を包含するものであ
り、このため暗反応可能な原料ガスも使用することがで
きる。このような暗反応可能な原料ガスとしては、例え
ばSiH,十〇□、 A[(CH,)。B F,,NF3. N, etc., and one or more of these may be selected and used depending on the type of thin film to be formed. In addition, as a raw material gas in which only the L reaction is possible or preferentially occurs, GeF4. , GeH4, etc., and one or more of these may be selectively used. Furthermore, as a raw material gas capable of both P reaction and L reaction, S
iH,,Si2H6,SL,Hs*S IHn R(4
-nl l S IHn F (4-n) + A Q
R3t G'e R3tZ n R2y S n R4
(However, n = 1.2 or 3, R represents an alkyl group or an aryl group, and R has 1 to 7 carbon atoms, especially 1 to 4 when R is an alkyl group, and when R is an aryl group. is 6-7
), and one or more of these may be used. In addition, in the present invention, the L reaction includes a dark reaction in which the reaction is excited by light irradiation and continues even if the light irradiation is stopped, and therefore raw material gases capable of dark reaction may also be used. Can be done. Examples of source gases capable of dark reaction include SiH, 10□, and A[(CH,).
等がある。etc.
本発明においては、上述した如き(1)〜(3)のいず
れかの混合ガスを例えば0.01〜100Torrの圧
力で反応室内に導入した後、この反応室内でプラズマ励
起化学反応と光励起化学反応との少なくともいずれか一
方の化学反応を断続的に行なわせると共に、他方の化学
反応を一方の化学反応と異なる位相で断続的に又は連続
的に行なわせる。In the present invention, after introducing any of the mixed gases (1) to (3) as described above into a reaction chamber at a pressure of, for example, 0.01 to 100 Torr, a plasma-excited chemical reaction and a photo-excited chemical reaction occur in the reaction chamber. At least one of the chemical reactions is caused to occur intermittently, and the other chemical reaction is caused to occur intermittently or continuously in a phase different from that of the one chemical reaction.
即ち、ここで反応態様としては、下記のものが挙げられ
る。That is, examples of the reaction mode include the following.
(a)第1図に示したように、P反応とL反応とを交互
に行なう。この場合、P反応とL反応とは瞬時に切り替
え、反応を行なう(実質的に無反応状態がない状態)よ
うにしてもよく、P反応とL反応との間に無反応状態が
存在するようにしてもよい。また、P反応とL反応とは
一部反応が重複してもよい。(a) As shown in FIG. 1, P reactions and L reactions are performed alternately. In this case, the P reaction and the L reaction may be switched instantaneously to perform the reaction (substantially no non-reactive state), or there may be a non-reactive state between the P reaction and the L reaction. You can also do this. Further, the P reaction and the L reaction may partially overlap.
(b)第2図に示したように、P反応を断読的に行ない
、この間り反応は連続的に行なう。(b) As shown in FIG. 2, the P reaction is carried out intermittently, during which the reaction is carried out continuously.
(c)第3図に示したように、L反応をIl)?続的に
行ない、この間P反応は連続的に行なう。(c) As shown in Figure 3, the L reaction is Il)? The P reaction is carried out continuously during this period.
この場合、反応時間(成いは無反応時間)間隔は通常0
.1秒〜20分、好ましくは1秒〜10分であるが、こ
の間隔は特に制限されず、多層薄膜により変わるもので
ある。In this case, the reaction time (or non-reaction time) interval is usually 0.
.. The interval is 1 second to 20 minutes, preferably 1 second to 10 minutes, but this interval is not particularly limited and varies depending on the multilayer thin film.
なお、(b)、 (c)の反応態様において、連続反応
は多層薄膜の形成の間に連続して行なうようにしてもよ
く、多N薄膜の形成の間に適当な休止期間を設ける(即
ち、それ自体断続的に行なう)ようにしてもよい。更に
、この休止期間にP反応又はL反応を行なうようにする
こともできるなど、上記(a)〜(c)の種々の変形態
様とすることも可能である。In the reaction modes (b) and (c), the continuous reaction may be carried out continuously during the formation of the multi-layer thin film, or an appropriate rest period may be provided between the formation of the multi-N thin film (i.e. , itself may be performed intermittently). Furthermore, various modifications of the above (a) to (c) are also possible, such as allowing the P reaction or the L reaction to occur during this rest period.
従って1反応装置は、これらの反応態様のいずれかが反
応室内で行なわれるように形成される。One reactor is thus constructed in such a way that either of these reaction modes takes place within the reaction chamber.
更に詳しく説明すれば、多層薄膜を形成する装置は以下
のものにて構成することができる。例えば、反応室、反
応室に基板を保持する装置、プラズマ励起化学反応と光
励起化学反応とのいずれかの化学反応のみが可能な又は
優先的に起こる第一の原料ガスと、これらの化学反応に
対して上記原料とは反応性の異なる第二の原料ガスとの
混合ガスを反応室内に導入する装置、プラズマ発生用装
置、光発生用装置、前記プラズマ発生用装置と光発生用
装置の一方が断続的に動作すると共に、他方が一方と異
なる位相で断続的に又は連続的に動作するように制御す
る反応制御装置にて構成することができる。具体的には
、後述する第4図に示す装置などが使用し得るが、勿論
これに限定されるものではない。To explain in more detail, the apparatus for forming a multilayer thin film can be constructed of the following. For example, a reaction chamber, a device for holding a substrate in the reaction chamber, a first raw material gas that allows or preferentially performs either a plasma-enhanced chemical reaction or a photo-excited chemical reaction, and On the other hand, a device for introducing into the reaction chamber a mixed gas with a second raw material gas having a different reactivity from the above raw material, a plasma generation device, a light generation device, and one of the plasma generation device and the light generation device. It can be configured with a reaction control device that operates intermittently and controls the other to operate intermittently or continuously in a phase different from that of the other. Specifically, a device such as shown in FIG. 4, which will be described later, can be used, but is of course not limited to this.
この場合、このような反応制御は、コンピュータ或いは
公知の電気回路によって行なうことができ、例えば励起
源として連続照射光とパルス化されたプラズマを用いる
ことによって(b)の反応態様を実施することができる
。ここで、パルスの順序は反応中一定でも変化させるこ
とも可能である。In this case, such reaction control can be performed by a computer or a known electric circuit, and for example, the reaction mode (b) can be carried out by using continuous irradiation light and pulsed plasma as an excitation source. can. Here, the order of pulses can be constant or changed during the reaction.
なお、原料となる混合ガスの導入は、断絶することなく
、連続的に行なうことができ、これにより多層薄膜を連
続的に形成することができるが、必要によっては断続的
に行なうようにしてもよく、反応途中で混合ガス組成を
変更することもできる。Note that the introduction of the mixed gas serving as the raw material can be carried out continuously without interruption, and thus a multilayer thin film can be formed continuously, but if necessary, it can be carried out intermittently. Often, the mixed gas composition can be changed during the reaction.
また、P反応、L反応の条件は、それぞれ公知の条件を
採用することができ、P反応、L反応は通常の方法によ
って行なうことができる。例えば、特に限定されるもの
ではないが、基板の温度は室温〜500℃とすることが
でき、反応用ガスはこれを水素ガス又は希ガスで薄める
ことができるが、ガスの全圧はo、01〜100 To
rrとすることができる。また、パルス高周波発振器(
RF)(13,56MHz)の電力密度が0.01〜1
00W / rd、水銀蒸気圧がO〜0.2Torrの
ような条件を採用することができる。Further, the conditions for the P reaction and the L reaction can be respectively known conditions, and the P reaction and the L reaction can be carried out by conventional methods. For example, although not particularly limited, the temperature of the substrate can be from room temperature to 500°C, the reaction gas can be diluted with hydrogen gas or a rare gas, and the total pressure of the gas is o, 01~100 To
It can be rr. In addition, a pulsed high-frequency oscillator (
RF) (13,56MHz) power density is 0.01 to 1
Conditions such as 00 W/rd and mercury vapor pressure of O to 0.2 Torr can be adopted.
なお、本発明において、基板の種類としては特に制限さ
れず、種々選定されるが、超格子膜を得る場合であれば
、ガラス、セラミック、金属、高分子フィルム等の可曲
性基板などが使用できる。In the present invention, the type of substrate is not particularly limited and can be selected from various types, but in the case of obtaining a superlattice film, flexible substrates such as glass, ceramic, metal, polymer films, etc. can be used. can.
而して、本発明は上述した如き方法で(1)〜(3)の
原料となる混合ガスと(a)〜(C)の反応態様を組み
合わせることにより、基板上に一方の化学反応を行なわ
せた時の薄膜と一方の化学反応を停止させた時の薄膜と
を順次交互に積層形成するもので、これによって組成あ
るいはバンドギャップの異なる薄膜が積層された種々の
所望の多層薄膜を得ることができる。Therefore, the present invention allows one of the chemical reactions to be carried out on the substrate by combining the mixed gases (1) to (3) as raw materials and the reaction modes (a) to (C) using the method described above. This method involves sequentially and alternately laminating thin films when the chemical reaction is stopped, and thin films when one side of the chemical reaction is stopped, thereby making it possible to obtain various desired multilayer thin films in which thin films with different compositions or band gaps are stacked. Can be done.
例えば、混合ガスとして(2)のものを使用し、反応態
様として(b)の反応態様を採用した場合、プラズマ放
電が停止している時にP反応及びL反応の両者が可能な
原料ガスが光により分解され、このL反応に基づくP反
応及びL反応可能な原料ガスによる薄膜が形成され、次
いでプラズマ放電がオンになると、P反応のみが可能な
又は優先して起る原料ガスとP反応及びL反応の両方が
可能な原料ガスの双方が励起され、上記薄膜とは組成あ
るいはバンドギャップが異なる同原料ガスによる薄膜が
形成されるものである。For example, if (2) is used as the mixed gas and the reaction mode (b) is adopted as the reaction mode, when the plasma discharge is stopped, the raw material gas capable of both the P reaction and the L reaction is exposed to light. When the plasma discharge is turned on, the P reaction and the P reaction occur with the source gas, in which only the P reaction is possible or preferentially occurs. Both of the raw material gases capable of both L reactions are excited, and a thin film is formed using the same raw material gases having a different composition or band gap from the above-mentioned thin film.
なお、積層数は多層薄膜の種類に応じて相違するが、通
常、2〜400層、好ましくは2〜200層とすること
ができる。例えば一方の反応で得られた50暦と他方の
反応で得られた50層とが交互に積層してなる各層が約
50人の厚さの100層の多層薄膜構成とすることがで
きる。この場合、各層の厚さは特に制限されないが、5
人〜500人、特に10人〜200人とすることが好ま
しい。The number of laminated layers varies depending on the type of multilayer thin film, but is usually 2 to 400 layers, preferably 2 to 200 layers. For example, a multilayer thin film structure can be obtained in which 50 layers obtained from one reaction and 50 layers obtained from the other reaction are alternately laminated to have 100 layers each having a thickness of about 50 layers. In this case, the thickness of each layer is not particularly limited, but
It is preferable that the number of people is 10 to 200 people, particularly 10 to 200 people.
以上説明したように、本発明によれば、アモルファス半
導体超格子薄膜等の多層薄膜を原料ガスの導入、排気を
繰り返すことなく、一つの反応室内で連続的に効率よく
、しかも簡単かつ確実に形成することができる。また、
本発明によれば、優れた半導体特性を有する超格子膜を
容易に形成し得るものである。As explained above, according to the present invention, multilayer thin films such as amorphous semiconductor superlattice thin films can be formed continuously, efficiently, simply and reliably in one reaction chamber without repeating the introduction and exhaust of raw material gases. can do. Also,
According to the present invention, a superlattice film having excellent semiconductor properties can be easily formed.
以下、本発明の実施例を示し、本発明を具体的に説明す
るが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない
。EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically explained by showing examples of the present invention, but the present invention is not limited to the following examples.
〔実施例1〕
第4図に示す反応装置を使用し、多層薄膜の形成を行な
った。[Example 1] A multilayer thin film was formed using the reaction apparatus shown in FIG.
ここで、第4図において、1は筒状の反応装置、2はそ
の内部に形成された反応室、3は混合ガス導入路、4は
排気口であり、反応室2内には回転体5が回転可能に配
設され、この回転体5のディスク6上には基板7が載置
される。また、この基板7上方のプラズマ形成空間(反
応室2上部)2aの側方には、反応装置1の外部に存し
てコンピュータによりオン−オフ制御されたパルス高周
波発振器(13,56MHz)8が配設され(誘導結合
型)、該発振器8がオンとなることによりプラズマ形成
空間2aにプラズマが形成されると共に、上記プラズマ
形成空間2aの上方には、合成石英窓9を介して薄膜形
成期間中は常時オン状態にあって光を照射する低圧水銀
ランプ10が配設されてなるものである。なお、図中矢
印は混合ガスの流れ方向を示す。また、図中11は不活
性ガス導入口。Here, in FIG. 4, 1 is a cylindrical reactor, 2 is a reaction chamber formed inside the reactor, 3 is a mixed gas introduction path, 4 is an exhaust port, and a rotating body 5 is inside the reaction chamber 2. is arranged rotatably, and a substrate 7 is placed on a disk 6 of this rotating body 5. Further, on the side of the plasma formation space (upper part of the reaction chamber 2) 2a above the substrate 7, there is a pulsed high frequency oscillator (13,56MHz) 8 which is located outside the reaction apparatus 1 and is controlled on and off by a computer. When the oscillator 8 is turned on, plasma is formed in the plasma formation space 2a, and a thin film formation period is provided above the plasma formation space 2a through a synthetic quartz window 9. Inside is a low-pressure mercury lamp 10 that is always on and emits light. Note that the arrow in the figure indicates the flow direction of the mixed gas. In addition, 11 in the figure is an inert gas inlet.
12はその流路であり、この不活性ガスの導入により、
上記石英窓9に曇りが生じることを防止するようになっ
ている。12 is the flow path, and by introducing this inert gas,
This prevents the quartz window 9 from becoming foggy.
而して、上記の装置を用い、下記条件で多層薄膜を形成
した。A multilayer thin film was then formed using the above apparatus under the following conditions.
走玖粂止
混合ガス 5i2Hr、: 3.Osecm
CF4: 60.Osecm
圧力 700mTorr
基板温度 300℃
プラズマパワー 30W
プラズマ オン状態:33秒 10組繰り返し
オフ状態:58秒
紫外線波長 185nm、254nm基板
コーニング7059ガラスシリコンウエハー(
単結晶)
上記方法にあっては、プラズマがオフ状態の時は5i2
H,のみが光により分解し、SiとHからなる薄膜を形
成し、プラズマがオン状態の時は5i2HGとCF4の
両者が励起し、SL、C,H,Fからなる薄膜が形成さ
れた。Driving mixture gas 5i2Hr: 3. Osecm
CF4: 60. Osecm Pressure 700mTorr Substrate temperature 300℃ Plasma power 30W Plasma On state: 33 seconds 10 sets repeat Off state: 58 seconds Ultraviolet wavelength 185 nm, 254 nm substrate
Corning 7059 Glass Silicon Wafer (
(single crystal) In the above method, when the plasma is off, 5i2
Only H, was decomposed by light to form a thin film consisting of Si and H, and when the plasma was on, both 5i2HG and CF4 were excited, forming a thin film consisting of SL, C, H, and F.
得られた膜の物性は以下の通りであった。The physical properties of the obtained membrane were as follows.
膜 厚(1時間反応) 3100人組成(
アモルファスシリコン) Si:96%H: 4%
光学的バンドキャップ 1.80eV暗導電率
6.04O4X10−11Sea’光導電率
8.56X10= S−am−”プラズマ
がオン の の L 、 びP、・、による 比
膜 厚(1時間反応) 5500人組成(
アモルファス5iC) si: 57%C:11
%
H:28%
F: 4%
光学的バンドキャップ 2.35eV暗導電率
1.12X10−”5−an−’光導電率
2,40X10−7S−an−’膜 厚
1000人光学的バンドキャップ
2,05eV暗導電率 1.69X
10−’5−an−1光導電率 6.18X
10づS−■−1第1図に得られた超格子膜のX線回折
結果(a−Si(50人)41層/a−8iC(50人
)40層のX線回折スペクトル)を示す。第5図の結果
は、この超格子膜が設定膜厚で規制的に積み重ねられて
いることを明確に示している。Film thickness (1 hour reaction) Composition of 3100 people (
Amorphous silicon) Si: 96%H: 4% Optical bandgap 1.80eV dark conductivity
6.04 O4
Amorphous 5iC) si: 57%C:11
% H: 28% F: 4% Optical bandgap 2.35eV dark conductivity
1.12X10-"5-an-' photoconductivity
2,40X10-7S-an-' film thickness
1000 people optical bandcap 2,05eV dark conductivity 1.69X
10-'5-an-1 Photoconductivity 6.18X
10zuS-■-1 Figure 1 shows the X-ray diffraction results of the obtained superlattice film (X-ray diffraction spectrum of a-Si (50 people) 41 layers/a-8iC (50 people) 40 layers) . The results shown in FIG. 5 clearly show that this superlattice film is stacked in a regulated manner with a set film thickness.
以上の結果より、それぞれプラズマによって励起される
と共に、光によって分解しないガスと分解するガスとを
組合わせ、常時光を照射すると共に、プラズマを断続的
に発生させることにより、ガスの切り替えなしで連続プ
ロセスにて超格子膜を作製し得ることが認められる。ま
た、上記方法により作製した超格子膜は、平均すると同
じ組成になる単層の膜よりも優れた半導体特性を有する
。From the above results, we found that by combining a gas that is excited by plasma and a gas that does not decompose by light and a gas that decomposes by light, constantly irradiating light and generating plasma intermittently, it is possible to continuously generate gas without switching gases. It is recognized that a superlattice film can be produced by this process. Further, the superlattice film produced by the above method has semiconductor properties that are superior to a single layer film having the same composition on average.
即ち、従来からのバルクのa−8iCで同程度の光学的
バンドギャップを有するものと比較すると、1桁以上も
光導電率が高い。しかも、各a−Si。That is, compared to conventional bulk a-8iC having a similar optical band gap, the photoconductivity is one order of magnitude higher. Moreover, each a-Si.
a−5iC4層の光導電率よりも光導電率が良好であり
、従って本発明により超格子特有の量子効果に基づく優
れた半導体特性を持つ超格子膜を確実に得ることができ
るものであることが知見される。The photoconductivity is better than that of the a-5iC4 layer, and therefore the present invention can reliably obtain a superlattice film with excellent semiconductor properties based on quantum effects unique to superlattices. is found.
〔実施例2〕 上記の装置を用い、下記条件で多層薄膜を形成した。[Example 2] A multilayer thin film was formed using the above apparatus under the following conditions.
作JUL咀
混合ガス 5i2H,: 3.OsecmC
M4 : 60.Osecm
圧力 700 mTorr基板温度
300℃
プラズマパワー 30W
プラズマ オン状態=94秒
オフ状態:151秒
紫外線波長 185nm、 254nm基板
コーニング7059ガラスシリコンウエハー
(単結晶)
上記方法にあっては、プラズマがオフ状態の時はSi、
H,のみが光により1分解しくL反応のみ進行)、Si
とHからなる薄膜を形成しくアモルファスSi)、プラ
ズマがオン状態の時は5i2HGとCH,の両者が励起
しくL及びP反応の両者が進行)、Si、C,Hからな
る薄膜(アモルファス5iC)が形成された。Made by JUL Tsui Mixed Gas 5i2H: 3. OsecmC
M4: 60. Osecm Pressure 700 mTorr Substrate temperature
300℃ Plasma power 30W Plasma On state = 94 seconds Off state: 151 seconds Ultraviolet wavelength 185 nm, 254 nm substrate
Corning 7059 glass silicon wafer (single crystal) In the above method, when the plasma is off, Si,
Only H, decomposes by light and only L reaction proceeds), Si
When the plasma is on, both 5i2HG and CH are excited and both L and P reactions proceed), and a thin film consisting of Si, C, and H (amorphous 5iC). was formed.
得られた膜の物性は以下の通りであった。The physical properties of the obtained membrane were as follows.
膜 厚(90分反応) 2900人光学的
バンドキャップ 1 、78eV暗導電率
8.67X10−11S−an−’光導電率
2.50X10−’ S−am−”膜 厚(
120分反応) 2400人光学的バンドキャ
ップ 2.13eV暗導電率 3.07
X10−”S−CM−1光導電率 1.2
2X10−’ S−am−1膜 厚
1000人光学的バンドキャップ 1.9
0eV暗専電率 7.77X10−’S−c
m−”光導電率 3.25X10−5S−
cm−”〔実施例3〕
上記の装置を用い、下記条件で多層薄膜を形成した。Film thickness (90 minutes reaction) 2900 people Optical band cap 1, 78 eV dark conductivity
8.67X10-11S-an-' photoconductivity
2.50X10-'S-am-" film thickness (
120 minutes reaction) 2400 people Optical band cap 2.13eV dark conductivity 3.07
X10-”S-CM-1 Photoconductivity 1.2
2X10-' S-am-1 film thickness
1000 people optical band cap 1.9
0eV dark current rate 7.77X10-'S-c
m-” Photoconductivity 3.25X10-5S-
cm-'' [Example 3] Using the above-mentioned apparatus, a multilayer thin film was formed under the following conditions.
詐m件−
混合ガス 5i2F、 : 78secmH2
: 7.35secm
GeH4: 0.15secm
Ar : 15secm
圧力 1.0mTorr
基板温度 300℃
プラズマパワー 40W
プラズマ オン状態=67秒 10組繰り返し
オフ状態:455秒
紫外線波長 185膜m、 254膜m基板
コーニング7o59ガラスシリコンウエハー
(単結晶)
上記方法にあっては、プラズマがオフ状態の時はSiF
4が光により励起されず、GeとHからなる薄膜(アモ
ルファスGe)のみを形成し、プラズマがオン状態の時
はSiF4が励起し、Si、 Ge。Fraud - Mixed gas 5i2F, : 78secH2
: 7.35secm GeH4: 0.15secm Ar: 15sec Pressure 1.0mTorr Substrate temperature 300℃ Plasma power 40W Plasma On state = 67 seconds 10 sets Repeated off state: 455 seconds Ultraviolet wavelength 185 films m, 254 films m Substrate
Corning 7o59 glass silicon wafer (single crystal) In the above method, when the plasma is off, SiF
4 is not excited by light and forms only a thin film (amorphous Ge) consisting of Ge and H. When the plasma is on, SiF4 is excited and Si, Ge.
H,Fからなる薄膜(アモルファス5iGe)が形成さ
れた。A thin film (amorphous 5iGe) consisting of H and F was formed.
得られた膜の物性は以下の通りであった。The physical properties of the obtained membrane were as follows.
プラズマがオフ 態の時の L 応のみによA扇−a
r−汁り
膜 厚(120分反応) 1500人光学的
バンドキャップ 0.82eV暗導電率
2.33 X 10−’S−■−1光導電率
2.35X10−’S−■−1膜 厚(60分反
応) 7200人光学的バンドキャップ
1.566V暗導電率 1.27×1O−
118−all−1光導M 率3.60xlO−’ 5
−an−1膜 厚 1000
人光学的バンドキャップ 1・25eV暗導電率
1.56X10−’S−S−国光1光導電
率 2.76X10−7S−aa−’実施例2
及び3の結果より、それぞれプラズマによって励起され
ると共に、光によって分解しないガスと分解するガスと
を組合わせ、常時光を照射すると共に、プラズマを断続
的に発生させることにより、ガスの切り替えなしで連続
プロセスにて超格子膜を作製し得ることが認められる。L when plasma is off A fan-a
r-Sore film thickness (120 minute reaction) 1500 people Optical band cap 0.82 eV dark conductivity
2.33 x 10-'S-■-1 photoconductivity
2.35X10-'S-■-1 film thickness (60 minutes reaction) 7200 people Optical band cap
1.566V dark conductivity 1.27×1O-
118-all-1 light guide M rate 3.60xlO-' 5
-an-1 film thickness 1000
Ergonomic band cap 1・25eV dark conductivity
1.56X10-'S-S-Kuniko 1 Photoconductivity 2.76X10-7S-aa-'Example 2
From the results of 3 and 3, it is possible to combine a gas that is excited by plasma and a gas that does not decompose with light and a gas that decomposes with light, and by continuously irradiating light and generating plasma intermittently, it is possible to generate a gas without switching the gas. It is recognized that superlattice films can be fabricated in a continuous process.
また、上記方法により作製した超格子膜は、平均すると
同じ組成になる単層の膜よりも優れた半導体特性を有す
る。Further, the superlattice film produced by the above method has semiconductor properties that are superior to a single layer film having the same composition on average.
第1図乃至第3図はそれぞれ本発明の反応態様の一例を
説明するダイヤグラム、第4図は本発明の嚢胞に用いる
反応装置の一例を示す概略断面図、第5図は本発明によ
り得られた多層薄膜の一例のX線回折スペクトルである
。
1・・・反応装置、2・・・反応室、
2a・・・プラズマ形成空間、3・・・混合ガス導入路
、4・・・排気口、7・・・基板、
8・・・パルス高周波発振器、
10・・・低圧水銀ランプ。
第1図
竺9ビ
竺Q 阿
;、・ U −
p反民’ ON□
第4図1 to 3 are diagrams explaining an example of the reaction mode of the present invention, FIG. 4 is a schematic sectional view showing an example of the reaction device used for the cyst of the present invention, and FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the reaction mode of the present invention. This is an X-ray diffraction spectrum of an example of a multilayer thin film. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Reactor, 2... Reaction chamber, 2a... Plasma formation space, 3... Mixed gas introduction path, 4... Exhaust port, 7... Substrate, 8... Pulse high frequency Oscillator, 10...low pressure mercury lamp. Figure 1 9 Biji Q A;, U-p anti-min' ON□ Figure 4
Claims (1)
かの化学反応のみが可能な又は優先的に起る第一の原料
ガスと、これらの化学反応に対して上記原料とは反応性
の異なる第二の原料ガスとの混合ガスを反応室内に導入
し、この反応室内でプラズマ励起化学反応と光励起化学
反応の一方を単独に又は優先的にしかも断続的に行なわ
せると共に、他方の化学反応を一方の化学反応と異なる
位相で断続的に又は連続的に行なわせて、基板上に一方
の化学反応を行なわせた時の薄膜と一方の化学反応を停
止させた時の薄膜とを順次交互に積層形成するようにし
たことを特徴とする多層薄膜の形成方法。1. A first raw material gas that is capable of or preferentially undergoes either a plasma-induced chemical reaction or a photo-excited chemical reaction, and a first source gas that has a different reactivity from the above-mentioned raw materials for these chemical reactions. A mixed gas with the second raw material gas is introduced into the reaction chamber, and one of the plasma-excited chemical reaction and the photo-excited chemical reaction is carried out singly or preferentially and intermittently in the reaction chamber, and the other chemical reaction is carried out intermittently. The chemical reactions are carried out intermittently or continuously in different phases, and thin films when one chemical reaction is carried out and thin films when one chemical reaction is stopped are sequentially laminated on the substrate. 1. A method for forming a multilayer thin film, the method comprising: forming a multilayer thin film;
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