JPH0298127A - 半導体薄膜の形成方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、常圧の反応容器内において光エネルギにより
原料ガスを分解し、基板上に半導体薄膜を形成する常圧
光ＣＶＤによる半導体薄膜の形成方法に関する。

〔従来の技術〕

一般に、光ＣＶＤは、プラズマＣＶＤのように基板にプ
ラズマダメージを与えることがないため、例えば非晶質
シリコン薄膜や微結晶シリコン薄膜などの形成（こ広く
採用されている。

最近では、昭和６３年春季第３５回応用物理学関係連合
講演会講演予稿集第１分冊３２９頁の「２８ｐＺＧ−１
１常圧光ＣＶＤ法によるａ−５ｉ膜の作製」に記載され
ているように、常圧における光ＣＶＤにより、高価な真
空排気ポンプを不要にし、反応容器内面からの不純物を
低減して膜質の向上を図ることが提案されている。

ところで、前記した常圧光ＣＶＤも含め、光ＣＶＤであ
っても、通常のプラズマＣＶＤと同様、膜質の良好な半
導体薄膜を得る為には、基板を１００〜３００℃程度に
加熱し、成膜ラジカルが基板表面で最適な位置に移動す
るのに要するエネルギとして熱エネルギを与える必要が
ある。

〔発明が解決しようとする１課題〕 従来の技術で説明したよう（こ、基板を高温に加熱する
と、以下のような問題点がある。

■　異なる種類の薄膜を基板上に積層する場合に、下層
の薄膜の原子やドープされたボロンなどの不純物原子が
、熱拡散によりと層の薄膜中に混入し、上層の薄膜の膜
質低下を招く。

■　希釈ガスとして水素ガスを用いる水銀増感光ＣＶ　
Ｉ）のように、水素ラジカルが多く存在する雰囲気中で
は、光起電力装置を作成する為に、透明導電膜（ＴＣＯ
）　Ｊ：に半導体薄膜を形成する際に、水素ラジカルに
よってｉ”　ｃ　ｏが還元され、ＴＣＯが損傷してＴＣ
Ｏの透過率が低下し、この現象は温度が高いほど顕著と
なり、光電変換動、率の低下の原因となる。

◎　成膜反応の開始までに基板を加熱する時間と、成膜
後（こ基板を冷却する時間とを要し、成膜に要するトー
タル時間が長くなる。

Ｏ反応容器を冷却水により冷却する設備が必要となり、
装置が高価ｉこなる。

そこで、本発明は前記の諸点に留意してなされたもので
あり、安価な構成により、膜質の優れた半導体薄膜を、
従来よりも短い時間で得られ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、内部を常圧に保持した反応
容器に透光性窓板を設け、前記容器内に基板を配設し、
前記容器内に原料ガスを供給し、光源により前記窓板を
通して前記容器内に照射光を照射し、前記照射光のエネ
ルギにより、前記原料ガスを分解して成膜ラジカルを生
成し、前記基板表面での前記成膜ラジカルの反応により
、前記基板上（こ半導体薄膜を形成する常圧光ＣＶＤに
よる半導体薄膜の形成方法において、本発明では、前記
基板に振動を与え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、光源による照射光の
エネルギーこより原料ガスが分解されて生成された成膜
ラジカルが基板表面で反応し、振動エネルギにより、基
板表面の最適の位置に成膜ラジカルが移動し、基板上に
半導体薄膜が成長する。

このとき、成膜ラジカルが基板表面の最適の位置に移動
するのに要するエネルギを、従来のような熱エネルギで
はなく、振動エネルギの形で与えるため、成膜時の基板
温度は室温程度に留まり、異種の薄膜積層時の下層中の
不純物の熱拡散による膜質低下、光起電力装置を作成す
る場合のＴＣＯの損傷、成膜に要する時間の長期化や装
置のコストアップなどの、基板の高温加熱に起因する種
々の問題がすべて解消される。

〔実施例〕

実施例について図面を参照して説明する。

（実施例１） まず、実施例１を示した第１図ないし第３図について説
明する。

形成装置を示す第１図において、（１）は反応容器、（
２）は反応容器（１）の上面に設けられた石英からなる
透光性窓板、（３）は反応容器＋１１内に配設された基
板ホルダ、（４）はホルダ（３）に装着保持された基板
、（５）は先端部が反応容器＋１１内に導入され基板（
４）に原料ガスを供給する原料ガス供給パイプ、（６）
は先端部が反応容器＋ＩＩ内に導入され窓板（２）に曇
り止めのｌ−１ｅ。

Ａｒ　、Ｎ２　、Ｈｚなどのパージガスを吹き出すパー
ジガス供給パイプ、［７）　ｅ　Ｉ８）は両供給パイプ
＋５１　、　（６１の途中に設けられたバルブ、（９）
は水銀バブラであり、原料ガス供給パイプ（５）側のバ
ルブ（７）の入口側及び出口側にそれぞれ接続されたバ
ルブ（１０ａ）、（１０ｂ）　７ｅ介し、バルブ＋７１
にバイパスして設けられ、使用時において、水銀蒸気圧
を一定に保つようになっており、温度制御が可能な構造
を有する。

（ｌｌ）は基板ホルダ（３）の下面に装着され高周波電
源（！匂により通電され基板ホルダ（３）を通して基板
（４）に振動を与える水晶圧電振動子、（１３）は反応
容器（１）に形成された排気口、（１４）は真空バルブ
（１５）を介して排気口ｆ＋３）に接続された真空排気
ポンプ、（１６）は排気バルブ（１７）を介して排気口
（１３）に接続され、反応容器＋ｌｌ内からガスを排気
、処理する排気ガス処理装置、（１８）は窓板（２）の
上側に形成されたランプハウス、（１９）は光源である
低圧水銀ランプであり、ランプハウス（１１９内に収納
され、窓板（２）を通して反応容器［１）内に照射光を
照射し、この照射光エネルギにより、反応容器（１）内
に供給された原料ガスが分解されて成膜ラジカルが生成
し、生成した成膜ラジカルの基板（４）の表面での反応
により、基板（４）上に半導体薄膜が成長する。

なお、し０）は特性比較のために設けられた基板（４）
の加熱用ヒータである。

そして、第１図ｆこ示す装置を用い、水銀増感を行わず
にｐｉｎ型光起電力装置を作成する。この光起電力装置
は、第２図に示すように、ガラス基板？１）上にスパッ
ク等によりＴＣＯ［透明導電膜］固が形成され、このＴ
ＣＯ（２３上に非晶質シリコンカーバイド（以下ａ−５
ｉＣという）からなるｐ層（２３）　、非晶質シリコン
（以下ａ−８ｉという）からなるｉ層シ４）及びｎ層（
２５）が順次積層され、ｎ／１（２５）上（ζアルミニ
ウムＣＡＩ］等からなる裏面電極に６）が形成されて構
成されており、以下のような手順で作成される。

まず、ＴＣＯＱ謁を形成したガラス基板（２１）を容器
ｆｌｌ内のホルダ（３）＃こ装着し、バルブ（１５）の
みを開いて容器＋ＩＩ内を真空ポンプ（１４）により一
旦真空排気し、その後バルブ（１５）を閉じ、バルブ（
７）、（８）を開いて容器ｆｌｌ内に原料ガス及びパー
ジガスを供給し、容器Ｆｌｌ内の圧力が大気圧よりも若
干高く（〜７８０Ｔｏｒｒ　）なった時点でバルブ（１
７）を開き、排気ガス処理装置０６）ｌζより容器（１
）内のガスを排出する。

このとき、容器（１）内のガスをポンプなしで排出する
為には、容器（１）内の圧力を大気圧よりも若干高くす
る必要があり、逆に容器［１１内の圧力を高くしすぎる
と安全面の問題があるため、容器（１）内の圧力を７８
０Ｔｏｒｒに設定した。

また、水銀増感を行わないため、バルブ（１０ａ）。

（１０ｂ）を閉じておく。

つぎに、電源（１２）により振動子（１１）にＩＭＩ４
Ｚの高周波を印加して振動子（１１）を駆動し、振動子
（１すによりホルダ（３）を通して基板（４）に振動エ
ネルギを与え、水銀ランプ（１９）により照射光を照射
し、ＴＣＯ４２）上にｐｅＬｎの各層（２３）〜（２ω
を形成する。

このように、水銀ランプ（１９）により照射光を照射す
ると、照射光エネルギにより、原料ガスが分解されて成
膜ラジカルが生成され、生成された成膜ラジカルが基板
（４）の表面で反応し、基板（４）上にａ−５ｉＣやａ
−５ｉの薄膜が成長するが、成膜ラジカルが基板（４）
の表面の最適な位置に移動するのに要するエネルギを、
従来のような熱エネルギではなく。

振動子（１１）による振動エネルギの形で与えるため、
成膜時の基板温度は室温程度にしかならず、従来の光Ｃ
Ｖ　Ｌ）における基板の加熱（こよる種々の問題点が解
消される。

ところで、ＬＬｎの各層（２）３）〜蓼５）の形成条件
は表１に示すとおりであり、電源（１２）の出力は、Ｐ
／１（２３＋の形成時にはＩＱＷ、ｉ、ｎ層（２４）、
□□□は形成時には２０Ｗとし、ｐ層（２３）の形成後
、容器（１）内を真空にして１層２４）への不純物の混
入を防止した。

なお、ｐ層”ｓｎの各層圏）〜翰５）の厚さはそれぞれ
２００゜３０００．３００Ａであり、各層形成時の基板
温度はほぼ室温の４０℃であった。

そして、比較のために、１層（２４）の形成時に、振動
子（１１）による振動に代えて、ヒータ（２０）により
基板（４）を３００°Ｃに加熱し、それ以外は表１に示
す条件と同一条件下でｐ、１．ｎの各層（２３）〜イ５
）の形成を行い、得られた光起電力装置の諸特性を測定
した。

（表　１） なお、ｉ層（２４）の加熱を行う場合、ｐ層（２３）及
び１層（２４）の形成後、基板（４）の加熱及び冷却の
為に、それぞれ約１時間放置する必要があるのに対し、
振動子による振動を行う場合にはこのような放置時間は
不要であるが、条件を合わせるため、振動子（ＩＩ）ｉ
こよる振動を行う場合も、ｐ層（２３）及びｉ層（２４
）の形成後、それぞれ約１時間放置したが、特性的には
放置時間を設けない場合の光起電力装置と変わらない。

このとき、ｉ層（２４）の形成時に、振動を与える場合
をケースのとし、基板（４）を３００°Ｃに加熱する場
合をケース■とすると、ｉ層自体の特性は、ケースの、
■とも大差はな（、光学的バンドギャップＥｏｐｔ−１
，５８ｅＶ　、暗導電率Ｃｒｄ〜１０　　Ωａ、光導電
率０′ｐｈ〜１０−４Ω−一戸となり、ケース■、■に
おける光起電力装置の緒特性は、表２に示すようになっ
た。

ただし、表２において、Ｖｏｃは開放重圧、　ＩＳＣは
短絡充電流密度、ＦＦはフィルファクタ、ηは光電変換
効率である。

（表　２） ところで、表２かられかるように、ケース■。

即ち１層例の形成時に基板（４）を３００°Ｃに加熱す
る場合、ケース■、即ちｉ層シ４）の形成時に振動を与
える場合に比べ、ＶＯＣ，ＩＳＣ，Ｆ　Ｆ　、ηが共に
大きく低下しているが、その原因として、ｐ層カ）中の
ドーパントとしてのボロン〔Ｂ〕原子がｉ層（２４ｊ中
に熱拡散によって混入したことが考えられ、これを確認
するために、得られた光起電力装置の１層シ４）の深さ
方向のＢ濃度分布をＳＩＭＳ　（２次イオン質量分析法
）により測定したところ、ケースの、■の結果は、それ
ぞれ第３図中の実線及び破線に示すようになり、同図か
ら、ケースΦの場合には、ｐ層（ハ）との界面付近であ
る深さ３０００　Ａ付近でＢ濃度が急峻に増加し、１層
（２４）中にはＢが混入していないのに対し、ケース■
の場合には、ｉ層（２４）の全域にＢが拡散、混入して
いることがわかる。

なお、ケース■の場合であっても、実験の結果、基板（
４）の温度が２０〜５０°Ｃであるとき（こ良好な特性
データが得られたことから基板温度が２０〜５０°Ｃと
なるように、基板（４）に与える振動エネルギを調整す
ればよい。

従って、実施例１によると、成膜ラジカルが基板（４）
表面の最適の位置に移動するのに要するエネルギを、従
来のような熱エネルギではなく、振動の不純物の熱拡散
による膜質低下、光起電力装置を作成す、る場合のＴＣ
Ｏの損傷、成膜に要する時間の長期化や装置のコストア
ップなどの基板の高温加熱に起因する種々の問題を解消
することができ、安価な構成ｆこより、膜質の優れたａ
−５＋Ｃやａ−５ｌなどの半導体薄膜を、従来よりも短
い時間で形成することができ、特性の良好な光起電力装
置等を得ることが可能となる。

（実施例２） つぎに、実施例２を示す？１ｒＪ４図について説明する
。

なお、実施例２において用いる装置は、第１図に示すも
のと同一であり、以下に第１図に示す装置を用い、水銀
増感【こより作成したｐｉｎ型光起電力装置の緒特性の
測定結果について説明する。

このとき、作成した光起電力装置の構成は、第２図中の
ｐ層（支））の材質を微結晶シリコンカーバイド（以下
μＣ−５ＩＣという）とした以外は、第２図に示す構成
と同様であり、形成手順としては、μＣ−５ｉＣのｐ層
（割の形成時に、水銀増感を行う為に、バルブ（７）を
閉じ、バルブ（１０ａ）、（１０ｂ）を開いて容器（１
）に水銀バブラ（９）からの水銀蒸気を導入する以外は
、前記実施例１と同様である。

ただし、水銀バブラ（９）の温度は７０°Ｃに保持する
。

ところで、ｐ層　’　＊ｎの各層匈）〜（２５）の形成
条件は表３に示すとおりであり、各層１２３１〜唾の厚
さはそれぞれ３００　、２０００　、３００Ａとし、比
較のために、ｐ層（ハ）の形成時に、振動子（ＩＩ）ｉ
こよる振動に代えて、ヒータ（２０）により基板（４）
を２００°Ｃに加熱し、それ以外は表３に示す条件と同
一条件下でｐｓ’ｙｎの各層哨）〜蓼（へ）の形成を行
い、得られた光起電力装置の緒特性を測定した。

このとき、ｐ　７ｉ　ｆ２３１の形成時に、振動を与え
る場合をケースＯとし、基板（４）を２００℃に加熱す
る場合をケース■とすると、ｐ層自体の特性は、ケース
Ｏ９■とも大差はなく、Ｅｏｐｔ＝２．１　ｅＶ　、　
ｃＦｄ〜１０Ωσ、αｐｈ−１０゜ΩａＩ　となり、ケ
ース０，０における光起電力装置の諸特性は、表４に示
すようになった。

（表　４） 面の接合不良が生じていることが考えられる。

さらに、ＴＣＯ（２２の透過率の低下を確認するために
、得られた光起電力装置の収集効率スペクトルを測定し
たところ、ケース０，０の結果は、それぞれ第４図中の
実線及び破線ｔこ示すようになり、同図から、ケース■
の場合、ケースＯに比べ３００〜８００　ｎｆｉの波長
範囲の全域において収集効率が低下しており、ＴＣＯ（
３）の透過率の低下を裏伺けていそして、表４かられか
るように、ケース■、即ちＩ）　ａ　（’Ｊｌの形成時
に基板（４）を２００°Ｃに加熱する場合、ケースＯ１
即ちｐ層（２３）の形成時に振動を与える場合に比べ、
ＶｏｃとＩｓｃが著しく低下しているが、その原因とし
て、ＴＣＯ（２２ｊ上に水銀増感法によりｐ層（２３）
を形成する場合に、水銀蒸気の希釈ガスとして水素を用
いるため、高温下でＴＣＯ（２３が水素ラジカルにより
還元されてＴＣＯ固が損傷を受け、ＴＣＯ（２２）の透
過率が低下し、ＴＣＯヴ４とｐ層（２３）との界従って
、実施例２によると、前記実施例１と同等の効果を得る
ことができ、安価な構成により、膜質の優れたμＣ−５
ｉＣやａ−５ｉなどの半導体薄膜を従来よりも短い時間
で形成することができる。

なお、前記両実施例では、電源（１匂により振動子（１
すに印加する高周波をＩＭＨ２としたが、これに限るも
のではなく、可聴周波であってもよい。

また、形成装置としては、第１図に示す単室反応炉型）
こ限らず、分離形成炉型であっても、本発明を同様に実
施することがで、きる。

さらに、前記両実施例のような光起電力装置以外に、Ｔ
ＰＴや半導体センサなどのドーパントを用いるものを始
め、Ａ、ｌなどの熱拡散に弱い物質を用いたデバイスの
作成に、本発明を適用できるのは勿論である。

また、光源は、前記した低圧水銀ランプに限らないのは
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。

照射光エネルギ（こよる原料ガスの分解により生成した
成膜ラジカルが、基板表面の最適の位置に移動するのに
要するエネルギを、従来のような熱エネルギではなく、
振動エネルギの形で与えるため、基板が従来のように高
温になることがなく、成膜時の基板温度を室温程度に留
めることができ、基板の高温加熱に起因する従来の種々
の問題を解消することができ、安価な構成により、膜質
の優れた半導体薄膜を従来より短い時間で形成すること
ができ、特性の良好な半導体デバイスを作成するとで極
めて有効である。

【図面の簡単な説明】

図面は、本発明の半導体薄膜の形成方法の実施例を示し
、ＰｉＩＪ１図ないし第３図は実施例１を示し、第１図
は形成装置の概略図、第２図は作成した光起電力装置の
断面図、第３図は第２図の光起電力装置のｉ層における
ボロン濃度の分布図、第４図は実施例２を示し、作成し
た光起電力装置の収集効率スペクトルである。 ｉｌｌ・・・反応容器、（２）・・透光性窓板、（４）
・・・基板、（１９）低圧水銀ランプ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）内部を常圧に保持した反応容器に透光性窓板を設
   け、前記容器内に基板を配設し、前記容器内に原料ガス
   を供給し、光源により前記窓板を通して前記容器内に照
   射光を照射し、前記照射光のエネルギにより、前記原料
   ガスを分解して成膜ラジカルを生成し、前記基板表面で
   の前記成膜ラジカルの反応により、前記基板上に、半導
   体薄膜を形成する常圧光ＣＶＤによる半導体薄膜の形成
   方法において、 前記基板に振動を与えることを特徴とする半導体薄膜の
   形成方法。