JPH04342119A - Manufacture of hydrogenated amorphous silicon thin film - Google Patents

Manufacture of hydrogenated amorphous silicon thin film

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JPH04342119A
JPH04342119A JP3140678A JP14067891A JPH04342119A JP H04342119 A JPH04342119 A JP H04342119A JP 3140678 A JP3140678 A JP 3140678A JP 14067891 A JP14067891 A JP 14067891A JP H04342119 A JPH04342119 A JP H04342119A
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JP
Japan
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film
hydrogen
amorphous silicon
hydrogenated amorphous
gas
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JP3140678A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasutomo Fujiyama
藤山 靖朋
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Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

Abstract

PURPOSE:To obtain an amorphous silicon film which is dense, whose structural defect is small and whose hydrogen content is small. CONSTITUTION:The following are repeated alternately: a first process wherein a film-forming substrate is heated to and held at 300 to 600 deg.C, a raw-material gas composed of a silane-based gas is pyrolyzed near said film-forming substrate and a hydrogenated amorphous silicon thin film is deposited; and a second process wherein the film-forming substrate is exposed to atomic hydrogen and/or atomic heavy hydrogen which have been produced by using a means different from that to pyrolyze the raw-material gas.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、機能性膜、特に画像入
力用ラインセンサー、撮像デバイス、太陽電池、光セン
サー、電子写真用感光体デバイス、および薄膜トランジ
スター等の半導体電子デバイスの用途に有用な水素化非
晶質シリコン薄膜の製造方法に関するものである。
[Industrial Application Field] The present invention is useful for functional films, particularly for applications in line sensors for image input, imaging devices, solar cells, optical sensors, photoreceptor devices for electrophotography, and semiconductor electronic devices such as thin film transistors. The present invention relates to a method for producing a hydrogenated amorphous silicon thin film.

【0002】0002

【従来の技術】従来、半導体膜、絶縁膜、光導電膜、磁
性膜、あるいは金属膜等の非晶質および多結晶質の機能
性膜は、所望される物理的特性や用途等の観点から個々
に適した成膜法が採用されている。
[Prior Art] Conventionally, amorphous and polycrystalline functional films such as semiconductor films, insulating films, photoconductive films, magnetic films, and metal films have been developed from the viewpoint of desired physical properties and uses. A film formation method suitable for each individual is adopted.

【0003】例えば、必要に応じて水素原子(H)等の
補償剤で不対電子が補償された非晶質や多結晶質の非単
結晶シリコン(以後「NON−Si:H」と略記し、そ
のなかでも殊に非晶質シリコンを示す場合には「a−S
i:H」、多結晶質シリコンを示す場合には「poly
−Si:H」と記す)膜等のシリコン堆積膜(尚、いわ
ゆる微結晶シリコン(μc−Si:H)は、a−Si:
Hの範疇にはいる)の形成には、真空蒸着法、プラズマ
化学気相成長法(以後、「プラズマCVD法」と略記す
る)、熱化学気相成長法(以後、「熱CVD法」と略記
する)、反応性スパッタリング法、イオンプレーティン
グ法、光CVD法等が試みられており、一般的には、プ
ラズマCVD法が広く用いられており、企業化されてい
る。
For example, amorphous or polycrystalline non-single-crystal silicon (hereinafter abbreviated as "NON-Si:H") whose unpaired electrons are compensated with a compensating agent such as a hydrogen atom (H) as necessary. , especially when referring to amorphous silicon, "a-S"
i:H", and "poly" to indicate polycrystalline silicon.
-Si:H") film (so-called microcrystalline silicon (μc-Si:H))
H) can be formed using vacuum evaporation, plasma chemical vapor deposition (hereinafter abbreviated as "plasma CVD"), and thermal chemical vapor deposition (hereinafter referred to as "thermal CVD"). (abbreviated), reactive sputtering method, ion plating method, photo-CVD method, etc., and generally, plasma CVD method is widely used and has been commercialized.

【0004】0004

【発明が解決しようとする課題】周知のごとく、a−S
i:Hにおける水素(H)の役割は、その結晶構造上の
特徴であるところの不規則網目構造を保持するに当たっ
て必要となるシリコン原子の不対電子(いわゆるダング
リング・ボンド)と結合してこれを補償し、非晶質半導
体に特有の局在準位密度を低減することにある。また、
これら水素は、a−Si:H膜中に10〜20原子%(
at.%)程度含有されており、シリコン原子とSi−
H結合あるいはSi−H2 結合の形態で結合している
ことが分かっている。
[Problem to be solved by the invention] As is well known, a-S
The role of hydrogen (H) in i:H is to bond with the unpaired electrons of silicon atoms (so-called dangling bonds), which are necessary to maintain the irregular network structure that is a characteristic of its crystal structure. The purpose is to compensate for this and reduce the localized level density, which is specific to amorphous semiconductors. Also,
These hydrogens are present in the a-Si:H film at 10 to 20 atomic % (
at. %) and contains silicon atoms and Si-
It is known that they are bonded in the form of H bonds or Si-H2 bonds.

【0005】ところが、近年、これら水素原子が、隣接
するシリコン原子どうしの結合角や結合距離に「ゆらぎ
」を生ぜしめ、a−Si:H特有の価電子帯側の裾状の
準位を形成することが指摘されている。また、内面に水
素原子が結合した微小空孔(いわゆるマイクロ・ボイド
)や、界面にSi−H2 結合の形態で水素が多数存在
している微結晶粒界などの、中、長距離の巨視的構造で
とらえた構造欠陥が、伝導帯側の裾状の準位の形成およ
びa−Si:Hの移動度やライフ・タイム等の電気特性
に深く関与していると考えられている。さらにまた、a
−Si:Hに特有の性質である光照射下でのスピン密度
の増加(いわゆる光劣化)も、近年の研究から、水素と
シリコンとの電気陰性度の違いから生ずるというモデル
が提唱されている。このように、最近の水素に対する認
識は、a−Si:Hに含有される水素の濃度をいかに低
減し、緻密で且つ微小構造欠陥の少ない不規則網目構造
を形成するかという課題を提起している。
However, in recent years, these hydrogen atoms have caused "fluctuations" in the bond angles and bond distances between adjacent silicon atoms, forming a tail-like level on the valence band side peculiar to a-Si:H. It has been pointed out that In addition, there are medium- and long-range macroscopic phenomena such as micro-voids with hydrogen atoms bonded to their inner surfaces (so-called micro-voids) and microcrystal grain boundaries where many hydrogen atoms exist in the form of Si-H2 bonds at the interface. It is believed that structural defects captured in the structure are deeply involved in the formation of skirt-like levels on the conduction band side and in the electrical properties such as the mobility and lifetime of a-Si:H. Furthermore, a
- Recent research has proposed a model in which the increase in spin density under light irradiation (so-called photodegradation), which is a characteristic characteristic of Si:H, arises from the difference in electronegativity between hydrogen and silicon. . As described above, recent recognition of hydrogen has raised the issue of how to reduce the concentration of hydrogen contained in a-Si:H and form a dense irregular network structure with few microstructural defects. There is.

【0006】従来、高純度の半導体製造には、精製の容
易な気体原料を分解し、その化学結合を切断して新たな
結合の形成によって固体を析出するCVDプロセスが広
く応用されており、エッチング、ドーピング等のデバイ
ス化プロセスも結合の開裂と組換えを伴う化学反応の一
種と考えられる。化学反応を引き起こすには活性化エネ
ルギーを必要とするが、熱エネルギーの注入によって分
子運動を活性化し、気相分子間あるいは気相分子と固体
表面との非弾性衝突によって反応を誘起するのが一般的
である。この様な分子設計においては、膜形成やエッチ
ングを支配する活性種を同定し、その量や動きを制御す
ることが必要であり、シラン(SiH4)ガスを成膜基
板近傍で1350℃程度に加熱されたタングステン、モ
リブデン、あるいはタンタル等からなるヒータにより熱
分解してSiH2 前駆体とH2 とを生成し、これを
200℃程度に加熱保持された成膜基板上に堆積させ構
造的に良好なa−Si:H膜を形成する熱CVD法(い
わゆるHOMO−CVD法)は、a−Si:H膜の形成
法として工業的にも利用されているプラズマCVD法に
比べて、気相反応生成物の種類や分布が単純で制御しや
すく、且つプラズマ中で生成するイオン種によるa−S
i:H膜へのイオン・ダメージを受けないことから、高
品質a−Si:H膜の形成方法として期待されている。
[0006] Conventionally, in the production of high-purity semiconductors, the CVD process, which decomposes easily purified gaseous raw materials, breaks their chemical bonds, and deposits solids by forming new bonds, has been widely applied. , doping and other device fabrication processes are also considered to be a type of chemical reaction that involves bond cleavage and recombination. Activation energy is required to cause a chemical reaction, but generally the molecular motion is activated by injection of thermal energy, and the reaction is induced by inelastic collisions between molecules in the gas phase or between molecules in the gas phase and the solid surface. It is true. In such molecular design, it is necessary to identify the active species that govern film formation and etching, and to control their amount and movement. SiH2 precursor and H2 are thermally decomposed by a heater made of tungsten, molybdenum, tantalum, etc., which is deposited on a film forming substrate heated to about 200°C to form a structurally good a. -Thermal CVD method (so-called HOMO-CVD method) for forming a-Si:H film produces more gas-phase reaction products than plasma CVD method, which is also used industrially as a method for forming a-Si:H film. The type and distribution of a-S are simple and easy to control, and the ion species generated in the plasma
Since this method does not cause ion damage to the i:H film, it is expected to be a method for forming high-quality a-Si:H films.

【0007】ところが、前記SiH2 前駆体が自然分
解するために、a−Si:H膜中に多数のSi−Hポリ
マーが形成され、微小欠陥(マイクロ・ボイド、微結晶
等)の多い膜を形成してしまい、膜中含有水素量CH 
が11〜18at.%程度と、プラズマCVD法により
形成されたa−Si:H膜の膜中含有水素量と比較して
も大差がないにもかかわらず、照射光強度100mW/
cmの白色光下で測定した明導電率σphは10−6〜
10−7シーメンス/cm(s/cm)程度とプラズマ
CVD法で形成したa−Si:H膜と比較して2桁程度
劣る膜しか作製できないという問題点があった。
However, due to the natural decomposition of the SiH2 precursor, many Si-H polymers are formed in the a-Si:H film, forming a film with many micro defects (micro-voids, microcrystals, etc.). As a result, the amount of hydrogen contained in the film CH
is 11-18 at. %, which is not much different from the amount of hydrogen contained in the a-Si:H film formed by the plasma CVD method.
Bright conductivity σph measured under white light of cm is 10-6 ~
There was a problem in that it was possible to produce a film of about 10-7 Siemens/cm (s/cm), which is about two orders of magnitude inferior to an a-Si:H film formed by plasma CVD.

【0008】そこで、一般によく知られている様に、a
−Si:H膜を300℃以上の高温で加熱することで、
含有されていた水素を膜から放出、除去することが考え
られた。
Therefore, as is generally well known, a
-By heating the Si:H film at a high temperature of 300°C or higher,
The idea was to release and remove the contained hydrogen from the membrane.

【0009】水素の放出形態は、ベイヤー(W.Bey
er)らが、雑誌「ジャーナル・オブ・ノン・クリスタ
リン・ソリッズ (Journal of Non−C
rystalline Solids)」第59&60
巻(1983年)の第161〜168頁に発表している
データによると、加熱温度370℃付近と、堆積中の基
板温度により異なるが600℃付近に放出のピークを持
つ。370℃付近と600℃付近では放出のメカニズム
が異なり、370℃付近では水素は主に分子状水素(H
2 )として膜表面及び最表面層から直接脱離、放出す
るか、あるいは膜中のSi−H2 結合、Si−H3 
結合、(SiH2 )n 結合(ここで、nは整数)が
切断することで分子状水素が生成し、前記のボイドをた
どって拡散し、表面に達して放出されるものと考えられ
る。一方、600℃付近では放出される分子状水素の起
源は、膜中の原子状水素であると考えられる。加熱によ
り複数のSi−H結合が切断することで原子状水素(a
tm.H)が生成し、不規則網目構造内を拡散し、表面
に達したところで他の原子状水素と結合して分子状水素
となり、表面から離脱、放出されるものと考えられる。 このとき、原子状水素を切断したシリコン原子が隣接し
て複数存在すると、Si−Si結合が復興することも考
えられる。しかしながら、水素含有量がせいぜい20%
を上限とし、その結合形態がSi−H結合以外にも存在
し、なおかつSi−H結合がたまたま隣接して存在する
確率を想定すると、水素原子及び水素分子が放出される
ことでダングリング・ボンドがこれに伴って増加するこ
とも理解できる。
[0009] The release form of hydrogen is described by W. Bey.
er) et al. published the magazine “Journal of Non-Crystalline Solids”.
rystalline Solids)” No. 59 & 60
According to data published in Vol. (1983), pages 161 to 168, the emission peaks at a heating temperature of around 370°C and around 600°C, although this varies depending on the substrate temperature during deposition. The release mechanism is different around 370°C and around 600°C. At around 370°C, hydrogen is mainly molecular hydrogen (H
2) is directly desorbed and released from the membrane surface and outermost layer, or Si-H2 bonds in the membrane, Si-H3
It is thought that molecular hydrogen is generated by the cleavage of the (SiH2)n bond (where n is an integer), diffuses along the voids, reaches the surface, and is released. On the other hand, the origin of molecular hydrogen released at around 600° C. is thought to be atomic hydrogen in the film. Atomic hydrogen (a
tm. It is thought that H) is generated, diffuses within the irregular network structure, and when it reaches the surface, combines with other atomic hydrogen to become molecular hydrogen, which is separated and released from the surface. At this time, if a plurality of silicon atoms from which atomic hydrogen has been cut exist adjacently, the Si--Si bond may be restored. However, the hydrogen content is at most 20%
Assuming that there are bond forms other than Si-H bonds, and that Si-H bonds happen to exist adjacent to each other, a dangling bond is created by releasing hydrogen atoms and hydrogen molecules. It is also understandable that the amount increases along with this.

【0010】また、特公平2−27824号公報に見ら
れる様に、グロー放電法で形成したa−Si:H膜を4
00〜550℃の範囲内の温度で熱処理した後、水素プ
ラズマ中で水素プラズマに対してa−Si:H膜が負電
位となる様に電圧を印加しながらアニールする方法が提
案されているが、工業的に利用される様な数1000Å
程度の厚い膜に対しては、膜形成後のアニール処理であ
るため、膜厚方向の含有水素量分布を均一にできないと
いう欠点があった。
Furthermore, as seen in Japanese Patent Publication No. 2-27824, an a-Si:H film formed by a glow discharge method is
A method has been proposed in which, after heat treatment at a temperature in the range of 00 to 550°C, annealing is performed in hydrogen plasma while applying a voltage so that the a-Si:H film has a negative potential with respect to the hydrogen plasma. , several thousand Å, which is used industrially.
For relatively thick films, since the annealing treatment is performed after film formation, there is a drawback that the distribution of hydrogen content in the film thickness direction cannot be made uniform.

【0011】本発明は、以上の様な従来技術の問題点に
鑑み、緻密で構造欠陥が少なく水素含有量の少ないa−
Si:H膜を得ることを目的とするものである。
In view of the problems of the prior art as described above, the present invention has been developed to produce a-a-
The purpose is to obtain a Si:H film.

【0012】0012

【課題を解決するための手段】本発明によれば、この様
な目的は、シラン系ガスからなる原料ガスを成膜基板近
傍において熱分解して該成膜基板上に水素化非晶質シリ
コン薄膜を堆積させる水素化非晶質シリコン薄膜の製造
方法において、前記成膜基板を300〜600℃に加熱
保持して水素化非晶質シリコン薄膜を堆積させる第1の
工程と、前記原料ガスの熱分解とは別の手段で生成した
原子状水素及び/または原子状重水素に前記成膜基板を
さらす第2の工程とを交互に繰り返して行うことを特徴
とする、水素化非晶質シリコン薄膜の製造方法、により
達成される。
[Means for Solving the Problems] According to the present invention, such an object is to thermally decompose a raw material gas consisting of a silane-based gas in the vicinity of a film-forming substrate to form hydrogenated amorphous silicon on the film-forming substrate. A method for producing a hydrogenated amorphous silicon thin film in which a thin film is deposited includes a first step of depositing a hydrogenated amorphous silicon thin film by heating and holding the film-forming substrate at 300 to 600°C; Hydrogenated amorphous silicon, characterized in that a second step of exposing the film-forming substrate to atomic hydrogen and/or atomic deuterium produced by a means other than thermal decomposition is repeated alternately. This is achieved by a thin film manufacturing method.

【0013】本発明においては、前記第1の工程におい
て1回において堆積される堆積層の厚みが10〜60Å
であるのが好ましい。また、本発明においては、前記原
料ガスにドーピングガスを混合し、前記第1の工程での
成膜基板の加熱保持温度を250〜550℃とし、かく
して価電子制御された水素化非晶質シリコン薄膜を得る
ことができる。更に、本発明においては、前記原子状水
素及び/または原子状重水素の生成を、分子状水素ガス
及び/または分子状重水素ガスをグロー放電分解するこ
とにより行うことができ、また別法として分子状水素ガ
スを前記原料ガスの熱分解温度より更に高い温度で熱分
解することにより行うことができる。
In the present invention, the thickness of the deposited layer deposited at one time in the first step is 10 to 60 Å.
It is preferable that Further, in the present invention, a doping gas is mixed with the raw material gas, and the heating and holding temperature of the film-forming substrate in the first step is set to 250 to 550°C, thereby producing hydrogenated amorphous silicon with controlled valence electrons. A thin film can be obtained. Furthermore, in the present invention, the atomic hydrogen and/or atomic deuterium can be generated by glow discharge decomposition of molecular hydrogen gas and/or molecular deuterium gas, and as an alternative method. This can be carried out by thermally decomposing molecular hydrogen gas at a temperature higher than the thermal decomposition temperature of the raw material gas.

【0014】[0014]

【作用】本発明は、シラン系ガスの熱分解により生成し
たSiH2 前駆体を直接成膜基板表面に堆積させて不
規則網目構造を形成する表面反応主体の熱CVD法等に
おいて、前記a−Si:H膜堆積中の成膜基板を高温に
加熱することにより、堆積表面近傍からの水素分子(H
2 )ガスの離脱、放出を促進させるとともに、成長層
におけるSiH2 の一部がSi−Hポリマーへと自然
分解する過程において、そのSi−H結合を熱解離して
結合水素を膜外に放出させ、更に原子状水素を表面から
注入、拡散させることにより、成長層に残留するSi−
Hポリマー及びマイクロ・ボイド内面の結合水素等を切
断して膜表面へと拡散させ、水素分子を生成して放出さ
せること(即ち、水素による膜中水素の引き抜き反応)
によりSi−Si結合の復興を促すとともに、不対電子
を補償することで、緻密で且つ膜中含有水素量を低減し
た不規則網目構造を有するa−Si:H膜を形成するも
のである。尚、シラン系ガスとしては、シラン(SiH
4 )ガス以外に、ジシラン(Si2 H6 )ガスや
トリシラン(Si3 H8 )ガス等の高次シランガス
を使用することもできる。
[Operation] The present invention is applicable to the surface reaction-based thermal CVD method in which an SiH2 precursor produced by thermal decomposition of silane gas is directly deposited on the surface of a film-forming substrate to form an irregular network structure. : By heating the deposition substrate to a high temperature during H film deposition, hydrogen molecules (H
2) In addition to promoting the separation and release of gas, in the process in which a portion of SiH2 in the growth layer spontaneously decomposes into Si-H polymer, the Si-H bonds are thermally dissociated and bonded hydrogen is released outside the film. Furthermore, by injecting and diffusing atomic hydrogen from the surface, the remaining Si-
H-polymer and bonded hydrogen, etc. on the inner surface of micro-voids are cut and diffused to the membrane surface to generate and release hydrogen molecules (i.e., an abstraction reaction of hydrogen in the membrane by hydrogen).
By promoting restoration of Si--Si bonds and compensating for unpaired electrons, an a-Si:H film having a dense irregular network structure with a reduced amount of hydrogen contained in the film is formed. Incidentally, as the silane-based gas, silane (SiH
4) In addition to the gas, higher silane gases such as disilane (Si2 H6) gas and trisilane (Si3 H8) gas can also be used.

【0015】一方、原子状重水素(atm.D)にさら
した場合も、膜表面から脱離、放出するガス分子がH2
 分子以外にHD分子あるいはD2 分子の形態をとる
以外は原子状水素にさらした場合と全く同じ作用をする
On the other hand, when exposed to atomic deuterium (atm.D), the gas molecules desorbed and released from the membrane surface become H2
It acts exactly the same as when exposed to atomic hydrogen, except that it takes the form of HD molecules or D2 molecules.

【0016】ここで、成長層が安定した不規則網目構造
を形成するためには、成膜条件にもよるが、第1の工程
で数原子層程度の厚み即ち10〜60Å程度の厚みの形
成が必要であり、余り厚くすると内部層が形成されるた
め、ここに分子状水素が閉じ込められて放出されなくな
り、本発明の作用を十分には発揮することができない。 また、原子状水素にさらす第2の工程では、膜外から注
入した原子状水素が成長表面から前記内部層にまで拡散
して到達することが必要であり、前記成長層1サイクル
あたりの膜厚が厚いと、原子状水素処理が膜厚方向に分
布を持つことになり、好ましくはない。また、原子状水
素処理時間が長すぎると、不必要にSi−Si結合まで
も切断することになる。堆積条件や原子状水素の量にも
よるが、上記の膜厚の範囲では、20〜50秒程度が好
ましい。尚、原子状重水素の場合には、原子状水素を使
用する場合に比べて注入効率が低いため、また放出ピー
クが高温側にシフトするため、原子状水素を使用する場
合に比較して処理時間を長くするのが好ましい。尚、原
子状水素及び原子状重水素は、その荷電状態にかかわら
ず使用することができるが、熱CVD法の特徴がイオン
・ダメージ・フリーであることを考慮すると、電気的に
中性である方が好ましい。これら原子状水素及び原子状
重水素は、グロー放電等の分解手段を用いて生成するこ
とができるが、その生成は堆積空間と分離することが好
ましい。
Here, in order to form a stable irregular network structure in the grown layer, it is necessary to form a thickness of about several atomic layers, that is, about 10 to 60 Å in the first step, although it depends on the film forming conditions. If the thickness is too thick, an inner layer will be formed, and molecular hydrogen will be trapped there and will not be released, making it impossible to fully exhibit the effects of the present invention. In addition, in the second step of exposing to atomic hydrogen, it is necessary for the atomic hydrogen injected from outside the film to diffuse from the growth surface to the inner layer, and the film thickness per cycle of the growth layer is If it is thick, the atomic hydrogen treatment will have a distribution in the film thickness direction, which is not preferable. Moreover, if the atomic hydrogen treatment time is too long, even Si--Si bonds will be cut unnecessarily. Although it depends on the deposition conditions and the amount of atomic hydrogen, within the above film thickness range, about 20 to 50 seconds is preferable. In addition, in the case of atomic deuterium, the injection efficiency is lower than when using atomic hydrogen, and the emission peak shifts to the higher temperature side, so the processing time is lower than when using atomic hydrogen. It is preferable to increase the time. Atomic hydrogen and atomic deuterium can be used regardless of their charge state, but considering that the thermal CVD method is free from ion damage, they are electrically neutral. is preferable. These atomic hydrogen and atomic deuterium can be generated using decomposition means such as glow discharge, but it is preferable to separate the generation from the deposition space.

【0017】また、ドーピングを行う場合には、従来の
熱CVD法と同様、原料ガスにジボラン(B2 H6 
)ガスあるいはホスフィン(PH3 )ガスを混合して
熱分解して価電子制御を行うことができる。このとき、
不純物が混入することで、その活性化エネルギーが低下
するために、水素放出のピークは50℃程度低温側にシ
フトし、このため前記基板温度も引き下げることができ
る。
In addition, when doping is performed, diborane (B2 H6
) gas or phosphine (PH3) gas can be mixed and thermally decomposed to control valence electrons. At this time,
When impurities are mixed in, the activation energy thereof is lowered, so that the peak of hydrogen release is shifted to a lower temperature side by about 50° C., so that the substrate temperature can also be lowered.

【0018】[0018]

【実施例】図1は、本発明の一実施例に用いる熱CVD
装置を示す断面図である。堆積管9の内部には、成膜用
石英基板1を支持し、その温度を一定に保持する恒温台
10がある。該恒温台10には石英基板1を加熱保持す
るためのヒータ11が内蔵されている。石英基板1の近
傍には基板温度モニター用の熱電対12が設置されてお
り、これをモニターしてヒータ11の加熱温度を調整し
て基板温度を一定に保持することができる。石英基板1
の真上20mmの位置にはタングステン製リボン・ヒー
タ13が設置されており、直流定電流電源14により2
000℃まで加熱できる。尚、リボン・ヒータ13の表
面は、a−Si:H膜へのタングステンの混入を防ぐた
め、アルミナ・セラミックス塗膜材(図示されていない
)により被覆されている。堆積管9の端部には原料ガス
導入管15及び原子状水素導入管16が接続されており
、堆積管9のもう一方の端部には排気管17が接続され
ている。原料ガス導入管15には高速開閉バルブ18が
接続されており、原子状水素導入管16には高速開閉バ
ルブ19及び他の真空排気装置(図示されていない)に
接続されたT字配管20、さらには周波数2.45GH
zのマイクロ波電源21に接続されたアプリケータ型放
電管22が接続されている。また、排気管17には、コ
ンダクタンス・バルブ23を介して真空ポンプ24が接
続されている。
[Example] Figure 1 shows a thermal CVD method used in an example of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing the device. Inside the deposition tube 9, there is a constant temperature table 10 that supports the quartz substrate 1 for film formation and keeps its temperature constant. The constant temperature table 10 has a built-in heater 11 for heating and holding the quartz substrate 1. A thermocouple 12 for monitoring the substrate temperature is installed near the quartz substrate 1, and by monitoring this, the heating temperature of the heater 11 can be adjusted to keep the substrate temperature constant. Quartz substrate 1
A tungsten ribbon heater 13 is installed at a position 20 mm directly above the
Can be heated up to 000℃. The surface of the ribbon heater 13 is coated with an alumina ceramic coating material (not shown) to prevent tungsten from being mixed into the a-Si:H film. A source gas introduction pipe 15 and an atomic hydrogen introduction pipe 16 are connected to one end of the deposition tube 9, and an exhaust pipe 17 is connected to the other end of the deposition pipe 9. A high-speed on-off valve 18 is connected to the raw material gas introduction pipe 15, and a T-shaped pipe 20 connected to a high-speed on-off valve 19 and another evacuation device (not shown) is connected to the atomic hydrogen introduction pipe 16. Moreover, the frequency is 2.45GH
An applicator type discharge tube 22 connected to a microwave power source 21 of Z is connected. Further, a vacuum pump 24 is connected to the exhaust pipe 17 via a conductance valve 23.

【0019】この装置を用いて行われた本発明の一実施
例を、図2を参照して述べる。
An embodiment of the present invention carried out using this apparatus will be described with reference to FIG.

【0020】まず、石英基板1を恒温台10の上に設置
し、堆積管9の扉を閉めてコンダクタンス・バルブ23
を全開にして真空ポンプ24でその内部を真空に排気し
、堆積管9内のリボン・ヒータ13及びヒータ11に通
電し、熱電対12をモニターしながら恒温台10上の石
英基板1の温度が250℃になる様に調整した。次に、
高速開閉バルブ19を開け、水素ガスを50sccmの
流量で堆積管9内に導入し、コンダクタンス・バルブ2
3の開口度を調節して堆積管9内の圧力を1.00To
rrに調整した。この状態で、1時間ほど水素ガスを流
し続け、リボン・ヒータ13の温度が1350℃になる
様に直流定電流電源14の電流値を調整すると同時に、
その輻射熱により石英基板1の温度が上昇するため、ヒ
ータ11の温度を調整して基板温度を400℃に保持し
た。
First, the quartz substrate 1 is placed on the constant temperature table 10, the door of the deposition tube 9 is closed, and the conductance valve 23 is closed.
is fully opened, the inside is evacuated using the vacuum pump 24, the ribbon heater 13 and the heater 11 in the deposition tube 9 are energized, and the temperature of the quartz substrate 1 on the thermostatic table 10 is monitored while monitoring the thermocouple 12. The temperature was adjusted to 250°C. next,
Open the high-speed opening/closing valve 19, introduce hydrogen gas into the deposition tube 9 at a flow rate of 50 sccm, and then open the conductance valve 2.
The pressure inside the deposition tube 9 is adjusted to 1.00 To by adjusting the opening degree of step 3.
Adjusted to rr. In this state, hydrogen gas was continued to flow for about an hour, and at the same time, the current value of the DC constant current power supply 14 was adjusted so that the temperature of the ribbon heater 13 reached 1350°C.
Since the temperature of the quartz substrate 1 rose due to the radiant heat, the temperature of the heater 11 was adjusted to maintain the substrate temperature at 400°C.

【0021】次に、リボン・ヒータ13及び石英基板1
の温度が安定したところで、マイクロ波電源21からア
プリケータ型放電管22に出力500Wのマイクロ波電
力を供給し、放電管内にて水素プラズマを生起させ、原
子状水素を生成した。次に、高速開閉バルブ19を閉じ
、T字配管20から他の真空排気装置に原子状水素を捨
て、アプリケータ型放電管22内の水素プラズマを圧力
1.10Torrで維持した。高速開閉バルブ19を閉
じたと同時に高速開閉バルブ18を開けて、原料ガス導
入管15からシランガスを50sccmの流量で、堆積
管9内に導入し、且つコンダクタンス・バルブ23の開
口度を調節して堆積管9内の圧力を1.00Torrに
調整した。導入したシランガスはリボン・ヒータ13の
熱により解離し、図2の(a)に示す様に、最も解離エ
ネルギーの低いSiH2 前駆体2及び分子状水素3が
生成する。これらSiH2 前駆体2は石英基板1に到
達し、これが膜表面のSi−H結合に置き換わる挿入反
応にて堆積速度2.1Å/secでa−Si:H膜の成
長層4が堆積した。このとき、a−Si:Hに特有の不
規則網目構造の大枠ができあがる。表面にはSi−H2
 結合が多く、また成長層4自体もSi−Si結合への
構造緩和過程にあり、SiH2 の自然分解によりSi
−Hポリマーが増加したり、内面にSi−H結合を多数
有する微小空孔を多く含有するなど多量の水素を含有す
る。ところが、400℃という高温のため、Si−H2
 結合やSi−Hポリマー、及びマイクロ・ボイド中の
Si−H結合等の複数の原子状水素5の結合が切れて分
子状水素6を形成し、これらが凝縮されるSi−Hポリ
マーやマイクロ・ボイド等の隙間を通り抜けて表面に拡
散するために、堆積表面からは絶えず過剰な分子状水素
6が枯渇するまで膜外に脱離、放出される。これにより
、Si−Hポリマーの一部はSi−Si結合へと構造緩
和され、成長層4に含有される水素はSi−H結合が主
体となって存在し、成長層4における含有水素量はかな
り低減される。しかし、熱放出のみでは従来例と同じく
Si−Si結合への構造緩和は十分ではなく、ダングリ
ング・ボンドやその内表面に多くのSi−H結合をもつ
マイクロ・ボイド等の構造欠陥を多く含んだままとなり
、緻密な構造とは言い難い。しかも、更に堆積を継続す
ると、成長層4の内部では、石英基板1に近い層から徐
々に凝固し始めるために、構造欠陥が凍結された不規則
網目構造からなる内部層4’が形成される。そこで、こ
の内部層4’が形成される前に、これら構造欠陥を取り
除く処理が必要となる。
Next, the ribbon heater 13 and the quartz substrate 1
When the temperature became stable, microwave power with an output of 500 W was supplied from the microwave power source 21 to the applicator type discharge tube 22 to generate hydrogen plasma in the discharge tube and generate atomic hydrogen. Next, the high-speed opening/closing valve 19 was closed, the atomic hydrogen was discharged from the T-shaped pipe 20 to another evacuation device, and the hydrogen plasma in the applicator type discharge tube 22 was maintained at a pressure of 1.10 Torr. At the same time as closing the high-speed on-off valve 19, the high-speed on-off valve 18 is opened, and silane gas is introduced into the deposition tube 9 from the source gas introduction pipe 15 at a flow rate of 50 sccm, and the opening degree of the conductance valve 23 is adjusted to perform deposition. The pressure inside tube 9 was adjusted to 1.00 Torr. The introduced silane gas is dissociated by the heat of the ribbon heater 13, and as shown in FIG. 2(a), SiH2 precursor 2 and molecular hydrogen 3 having the lowest dissociation energy are produced. These SiH2 precursors 2 reached the quartz substrate 1, and through an insertion reaction in which they replaced Si--H bonds on the film surface, a growth layer 4 of an a-Si:H film was deposited at a deposition rate of 2.1 Å/sec. At this time, a large frame of an irregular network structure peculiar to a-Si:H is completed. Si-H2 on the surface
There are many bonds, and the growth layer 4 itself is in the process of structural relaxation to Si-Si bonds, and due to the natural decomposition of SiH2, Si
It contains a large amount of hydrogen, such as an increase in -H polymers and a large number of micropores with many Si-H bonds on the inner surface. However, due to the high temperature of 400℃, Si-H2
Bonds of multiple atomic hydrogens 5 such as bonds, Si-H polymers, and Si-H bonds in micro-voids are broken to form molecular hydrogen 6, which is condensed in Si-H polymers and micro-voids. Because it passes through gaps such as voids and diffuses to the surface, excess molecular hydrogen 6 is constantly desorbed and released from the deposition surface until it is depleted. As a result, a part of the Si-H polymer is structurally relaxed into Si-Si bonds, and the hydrogen contained in the grown layer 4 is mainly composed of Si-H bonds, and the amount of hydrogen contained in the grown layer 4 is significantly reduced. However, heat release alone is not sufficient to relax the structure to Si-Si bonds as in the conventional example, and the structure contains many structural defects such as dangling bonds and micro-voids with many Si-H bonds on their inner surfaces. It is hard to say that it is a precise structure. Furthermore, as the deposition continues, inside the growth layer 4, solidification begins gradually starting from the layer closest to the quartz substrate 1, so that an inner layer 4' consisting of an irregular network structure in which structural defects are frozen is formed. . Therefore, before this inner layer 4' is formed, a process to remove these structural defects is required.

【0022】原料ガスを導入してから24秒後、成長層
4の厚みが50Åに到達し、内部層4’が形成され始め
たところで、高速開閉バルブ18を閉じて、原料ガスの
供給を停止した。次に、高速開閉バルブ19を開けて堆
積管9内にマイクロ波放電により水素ガスをプラズマ分
解して得た原子状水素7を導入すると、図2の(b)に
示す様に、成長層4の表面はこの原子状水素にさらされ
ることになる。この原子状水素7は成長層4の表面から
更に膜中に注入、拡散することができ、成長層4と内部
層4’との界面にまで到達する。成長層4に注入した原
子状水素7’は、残留Si−Hポリマーや微小空孔内の
Si−H結合を更に切断して新たな原子状水素5,5’
を生成しながらSi−Si結合を復興させ、これらを凝
縮し、分子状水素6,6’を放出し、また一方では、ダ
ングリング・ボンドを補償して、緻密で構造欠陥が少な
く、膜中含有水素量も少ない成長層へと改質する。即ち
、これらの原子状水素は、膜中の過剰水素や構造欠陥の
除去に大いに役立つ。この原子状水素処理時間は40秒
程度が好ましく、堆積膜の構造や処理条件にもよるが、
あまり長い時間原子状水素7にさらすと、注入した原子
状水素7’が内部層4’のSi−Si結合までも切断し
て残留し、逆に不対電子を発生させる原因になり本発明
の効果を十分には発揮することができなくなる。
24 seconds after the introduction of the raw material gas, when the thickness of the growth layer 4 reaches 50 Å and the internal layer 4' begins to form, the high-speed opening/closing valve 18 is closed to stop the supply of the raw material gas. did. Next, when the high-speed opening/closing valve 19 is opened and atomic hydrogen 7 obtained by plasma decomposition of hydrogen gas by microwave discharge is introduced into the deposition tube 9, a grown layer 4 is formed as shown in FIG. 2(b). The surface of will be exposed to this atomic hydrogen. This atomic hydrogen 7 can be further injected and diffused into the film from the surface of the growth layer 4, reaching the interface between the growth layer 4 and the inner layer 4'. The atomic hydrogen 7' injected into the growth layer 4 further breaks the residual Si-H polymer and the Si-H bonds in the micropores to form new atomic hydrogen 5,5'.
It restores the Si-Si bonds while generating ions, condenses them, and releases molecular hydrogen 6,6', and on the other hand, compensates for dangling bonds to create a dense film with few structural defects. The growth layer is modified to contain less hydrogen. That is, these atomic hydrogens are very useful for removing excess hydrogen and structural defects in the film. The time for this atomic hydrogen treatment is preferably about 40 seconds, although it depends on the structure of the deposited film and the treatment conditions.
If exposed to the atomic hydrogen 7 for too long, the implanted atomic hydrogen 7' will also break the Si-Si bonds in the inner layer 4' and remain, causing unpaired electrons to be generated. It becomes impossible to fully demonstrate the effect.

【0023】次に、原子状水素処理を始めてから40秒
後、高速開閉バルブ19を閉じ、同時に高速開閉バルブ
18を開けて、原子状水素の代わりにシランガスを堆積
管9内に導入し、図2の(c)に示す様に、第1の工程
(堆積工程)に戻し、成長層4を堆積させた。成長層4
の厚みが内部層4’が形成される程度に厚くなると、図
2の(b)において原子状水素処理した成長層4及び内
部層4’は構造が凝固、安定し、緻密で構造欠陥の少な
い不規則網目構造を有する低水素含有a−Si:H膜8
となる。この様に、堆積工程と原子状水素処理工程とを
交互に繰り返して膜厚6000Åの低水素含有a−Si
:H膜を成膜基板1上に堆積させた後、高速開閉バルブ
18を閉じてシランガスの供給を停止して堆積を完了し
、高速開閉バルブ19も閉じて、原子状水素7の供給を
停止し、リボン・ヒータ13及びヒータ11の電源を切
り、石英基板1を冷却し、バタフライ・バルブ23を閉
じて、堆積管9を大気圧に戻した後、扉を開けて石英基
板1を搬出した。
Next, 40 seconds after starting the atomic hydrogen treatment, the high-speed on-off valve 19 is closed, and at the same time, the high-speed on-off valve 18 is opened to introduce silane gas into the deposition tube 9 instead of atomic hydrogen. As shown in FIG. 2(c), the process was returned to the first step (deposition step), and the growth layer 4 was deposited. growth layer 4
When the thickness of the inner layer 4' becomes thick enough to form the inner layer 4', the structure of the grown layer 4 and the inner layer 4' treated with atomic hydrogen becomes solidified and stable, and is dense and has few structural defects as shown in FIG. 2(b). Low hydrogen-containing a-Si:H film with irregular network structure 8
becomes. In this way, by repeating the deposition process and the atomic hydrogen treatment process alternately, a low hydrogen-containing a-Si film with a thickness of 6000 Å was deposited.
: After the H film is deposited on the film forming substrate 1, the high-speed on-off valve 18 is closed to stop the supply of silane gas to complete the deposition, and the high-speed on-off valve 19 is also closed to stop the supply of atomic hydrogen 7. Then, the ribbon heater 13 and the heater 11 were turned off, the quartz substrate 1 was cooled, the butterfly valve 23 was closed, and the deposition tube 9 was returned to atmospheric pressure, and then the door was opened and the quartz substrate 1 was carried out. .

【0024】同様にして、赤外吸収分光法(FT−IR
法)による膜中含有水素量の測定のため、n+ 型単結
晶シリコン基板を用いてa−Si:H膜を堆積した。
Similarly, infrared absorption spectroscopy (FT-IR
In order to measure the amount of hydrogen contained in the film using the method), an a-Si:H film was deposited using an n+ type single crystal silicon substrate.

【0025】図3は、上記実施例の方法で石英基板温度
が300℃、400℃、500℃、600℃の各温度に
おいて、原子状水素処理時間を0秒(原子状水素処理せ
ず)から70秒まで変えて作製したa−Si:H膜の赤
外吸収分光法による膜中含有水素量CH (at.%)
の測定結果を示す。基板温度の上昇とともに水素放出量
が増加するため、膜中水素量は低下し、原子状水素処理
なしの場合400℃で6.5at.%になる。更に原子
状水素処理すると、その処理時間とともに、含有水素量
は減少し、ほぼ30秒をすぎたあたりから変化量は鈍化
し、400℃では40秒で2.8at.%に達した。但
し、600℃では逆に1.7at.%に増加し、過剰に
切断されたSi−H結合の修復に原子状水素が寄与した
ことがうかがえる。
FIG. 3 shows the atomic hydrogen treatment time from 0 seconds (no atomic hydrogen treatment) to quartz substrate temperature of 300°C, 400°C, 500°C, and 600°C using the method of the above embodiment. Hydrogen content CH (at.%) in the a-Si:H film obtained by infrared absorption spectroscopy of the a-Si:H film prepared by changing the time up to 70 seconds
The measurement results are shown below. As the amount of hydrogen released increases as the substrate temperature rises, the amount of hydrogen in the film decreases, reaching 6.5 at. %become. When further treated with atomic hydrogen, the amount of hydrogen contained decreases with the treatment time, and the amount of change slows down after about 30 seconds, and at 400°C, it becomes 2.8 at. % has been reached. However, at 600°C, it is 1.7at. %, indicating that atomic hydrogen contributed to the repair of excessively broken Si-H bonds.

【0026】含有水素量の低下に伴うダングリング・ボ
ンドの増加がないことを確認するために、同じく400
℃と600℃の基板温度で石英基板上に原子状水素処理
時間を変えて作製したa−Si:H膜を、一定光電流法
(いわゆるCPM)で測定した不対電子(ダングリング
・ボンド)が作るバンド中央付近の局在準位の密度DO
S(1/cm3 )の値で評価した。その結果を図4に
示す。基板温度によらず、処理時間とともにDOS値は
減少し、40秒付近に最小値を持ち、水素含有量の低下
とほぼ比例関係にあった。基板温度400℃、処理時間
40秒でのDOS値は9×1014/cm3 であった
。しかし、過剰な処理を行うと、逆に欠陥が増加するこ
とが分かった。また、基板温度が600℃に達すると、
Si−H結合の切断による欠陥の増加と、注入した原子
状水素の放出のために、十分に欠陥を補償することがで
きず、DOS値の変化量はわずかであった。このことか
ら、基板温度としては400℃程度が、また原子状水素
処理時間としては40秒程度が好ましい。
[0026] In order to confirm that there is no increase in dangling bonds as the hydrogen content decreases, 400
Unpaired electrons (dangling bonds) measured by constant photocurrent method (so-called CPM) on a-Si:H films fabricated on a quartz substrate at substrate temperatures of 600°C and 600°C for different atomic hydrogen treatment times. The density of the localized level near the center of the band created by
Evaluation was made using the value of S (1/cm3). The results are shown in FIG. Regardless of the substrate temperature, the DOS value decreased with processing time, reached a minimum value around 40 seconds, and was approximately proportional to the decrease in hydrogen content. The DOS value at a substrate temperature of 400° C. and a processing time of 40 seconds was 9×10 14 /cm 3 . However, it has been found that excessive processing actually increases the number of defects. Also, when the substrate temperature reaches 600℃,
Due to the increase in defects due to the breakage of Si--H bonds and the release of the implanted atomic hydrogen, the defects could not be sufficiently compensated for, and the amount of change in the DOS value was small. For this reason, the substrate temperature is preferably about 400° C., and the atomic hydrogen treatment time is preferably about 40 seconds.

【0027】図5は、原子状水素処理時間40秒で、基
板温度300℃、400℃、500℃、600℃の各温
度で作製したa−Si:H膜の活性化エネルギーEad
(eV)、及びAM−1での照射光強度100mW/c
m2 での明導電率σp (s/cm)と暗導電率σd
 (s/cm)を示す。活性化エネルギーEadは基板
温度400℃では0.67eVであり、従来のプラズマ
CVD法で形成した膜と比較するとわずかながら小さい
が、基板温度の上昇とともに大きくなり、600℃では
8eV程度になる。また、暗導電率σd は10−10
 s/cmのオーダーであり、基板温度の上昇とともに
小さくなるが、その変化は小さい。これに比べて、明導
電率σp は400℃で1.3×10−4s/cmに達
し、従来のプラズマCVD法で形成した膜と比較しても
優れている。これは、図5中に示した従来の熱CVD法
(原子状水素処理なし)で作製した膜と比べると、4桁
近く増加し、明/暗導電率比は5桁に達している。しか
し、基板温度が高すぎると原子状水素処理を施しても明
導電率の増加は少ない。これらの測定結果は、図4に示
したDOS値の傾向に比例している。かくして、本発明
の原子状水素処理により、膜中の過剰水素を減少させる
と同時にダングリング・ボンドやマイクロ・ボイド等の
構造欠陥をも減少させることができた。この膜に対し、
上記照射光を連続照射して、その明導電率の変化を観測
したところ、15時間後の値は7.4×10−5s/c
mであった。これは、従来のプラズマCVD法で作製し
た膜が1桁程度減少することと比較すると、極めて少な
い劣化である。
FIG. 5 shows the activation energy Ead of a-Si:H films fabricated at substrate temperatures of 300°C, 400°C, 500°C, and 600°C with an atomic hydrogen treatment time of 40 seconds.
(eV), and irradiation light intensity 100 mW/c at AM-1
Bright conductivity σp (s/cm) and dark conductivity σd at m2
(s/cm). The activation energy Ead is 0.67 eV at a substrate temperature of 400°C, which is slightly smaller than that of a film formed by the conventional plasma CVD method, but increases as the substrate temperature increases, and becomes about 8 eV at 600°C. Also, the dark conductivity σd is 10-10
It is on the order of s/cm and decreases as the substrate temperature increases, but the change is small. In comparison, the bright conductivity σp reaches 1.3×10 −4 s/cm at 400° C., which is superior to a film formed by conventional plasma CVD method. This is an increase of nearly four orders of magnitude compared to the film produced by the conventional thermal CVD method (without atomic hydrogen treatment) shown in FIG. 5, and the bright/dark conductivity ratio reaches five orders of magnitude. However, if the substrate temperature is too high, the increase in bright conductivity will be small even if the atomic hydrogen treatment is performed. These measurement results are proportional to the trend of DOS values shown in FIG. Thus, the atomic hydrogen treatment of the present invention was able to reduce excess hydrogen in the film and at the same time reduce structural defects such as dangling bonds and micro voids. For this membrane,
When the above irradiation light was continuously irradiated and the change in bright conductivity was observed, the value after 15 hours was 7.4 × 10-5 s/c
It was m. This is an extremely small amount of deterioration compared to the one-digit decrease in film produced by conventional plasma CVD.

【0028】次に、本発明の他の実施例を示す。Next, another embodiment of the present invention will be shown.

【0029】シランガス50sccmとともに水素ガス
で希釈したジボラン(B2 H6 )ガス10sccm
を原料ガス導入管15から供給し、堆積管9内の圧力が
1.00Torrになる様に調整して、上記実施例と同
様に原子状水素処理を施して、a−Si:H膜へのドー
ピングを行った。このときのドーピング量は、ジボラン
ガスとシランガスとの濃度比で3000ppmの濃度で
あった。図6は基板温度と暗導電率との関係を示す。基
板温度360℃で最大値4.3×10−3s/cmとな
った。 これは、ノンドープ膜の明導電率の基板温度依存性と比
較すると、50℃程度低温側にシフトしており、ドーピ
ングに伴う活性化エネルギーの低下により、Si−H結
合水素原子の解離エネルギーが低下したためであると考
えられる。
50 sccm of silane gas and 10 sccm of diborane (B2 H6) gas diluted with hydrogen gas.
is supplied from the raw material gas introduction pipe 15, the pressure inside the deposition pipe 9 is adjusted to 1.00 Torr, and atomic hydrogen treatment is performed in the same manner as in the above embodiment to form an a-Si:H film. I did doping. The doping amount at this time was a concentration ratio of diborane gas and silane gas of 3000 ppm. FIG. 6 shows the relationship between substrate temperature and dark conductivity. The maximum value was 4.3×10 −3 s/cm at a substrate temperature of 360° C. Compared to the substrate temperature dependence of the bright conductivity of a non-doped film, this is shifted to a lower temperature side by about 50°C, and due to the lower activation energy associated with doping, the dissociation energy of Si-H bonded hydrogen atoms is lowered. This is thought to be because of this.

【0030】尚、原子状水素または原子状重水素の生成
方法としては、前記実施例におけるマイクロ波プラズマ
による分解が電子密度も高く、最も効率が良いが、これ
以外に、原子状水素導入管16に接続したマイクロ波電
源21及びアプリケータ型放電管22の代わりに、図7
に示す様に、水素ガス分解炉として緻密性アルミナ・セ
ラミックス管に容量結合型電極を配置し、その一方の電
極に周波数13.56MHzの高周波電源25を接続し
た高周波放電管26を用い、これを原子状水素導入管1
6に接続して、水素ガスを分解してもよい。但し、この
場合は、前記マイクロ波放電を用いる場合に比べてプラ
ズマの電子密度が低いため、水素分子の分解効率が低下
することを考慮して、高出力の高周波電力を投入するの
がよい。
As a method for producing atomic hydrogen or atomic deuterium, decomposition using microwave plasma in the above embodiment has a high electron density and is the most efficient. 7 instead of the microwave power source 21 and applicator type discharge tube 22 connected to
As shown in the figure, a high-frequency discharge tube 26 is used as a hydrogen gas decomposition furnace, in which a capacitively coupled electrode is arranged in a dense alumina ceramic tube, and a high-frequency power source 25 with a frequency of 13.56 MHz is connected to one of the electrodes. Atomic hydrogen introduction tube 1
6 to decompose hydrogen gas. However, in this case, since the electron density of the plasma is lower than in the case of using the microwave discharge, it is preferable to input high-output radio-frequency power, taking into consideration that the decomposition efficiency of hydrogen molecules will be lowered.

【0031】更にまた、上記実施例装置以外に、グロー
放電による分解に頼らず、やはり原子状水素の生成も熱
エネルギーを用いて実施する場合は、前記マイクロ波電
源21及びアプリケータ型放電管22の代わりに、図8
に示す様に、石英管から成る高温イメージ炉27を使用
することができる。水素分子の解離エネルギーが高いた
め、2000℃以上に加熱する。
Furthermore, in addition to the apparatus of the above embodiment, when atomic hydrogen is also generated using thermal energy without relying on decomposition by glow discharge, the microwave power source 21 and the applicator type discharge tube 22 may be used. Instead of Figure 8
A high temperature image furnace 27 made of a quartz tube can be used as shown in FIG. Since the dissociation energy of hydrogen molecules is high, it is heated to 2000°C or higher.

【0032】また、前記実施例では、成膜基板として石
英基板を用いたが、耐熱性を有する材料、例えばステン
レス・スチール等の金属材料の使用も可能である。
Furthermore, in the above embodiments, a quartz substrate was used as the film-forming substrate, but it is also possible to use a heat-resistant material, for example, a metal material such as stainless steel.

【0033】尚、前記実施例では、シランガスを熱分解
する温度を1350℃とした。これは、更に高温にする
と堆積速度は速くなるものの、SiH2 以外の前駆体
も生成されるため、膜質が低下する傾向にあるからであ
る。
In the above example, the temperature at which silane gas was thermally decomposed was set at 1350°C. This is because, although the deposition rate becomes faster when the temperature is raised further, precursors other than SiH2 are also produced, which tends to deteriorate the film quality.

【0034】[0034]

【発明の効果】本発明によれば、シラン系ガスを原料と
し、これを熱分解して300〜600℃に加熱保持した
基板上にa−Si:H膜を堆積させる第1の工程と、そ
の表面を原子状水素及び/または原子状重水素にさらす
第2の工程とを交互に繰り返して行うことで、成長表面
及びその近傍のSi−Hポリマーやマイクロ・ボイド内
面の過剰水素を脱離、放出して膜中含有水素量を低減す
ると同時に前記原子状水素及び/または原子状重水素を
その成長層に注入、拡散させることで、更に複数のSi
−H結合を切断してSi−Si結合の復興を促し、且つ
シリコン原子の不対電子を補償することで、緻密で構造
欠陥の少ない低水素含有a−Si:H膜を作製すること
ができ、従来の熱CVD法では作製できなかった様な、
局在準位密度が少なく明/暗導電率比に優れ、しかも光
劣化の少ない膜を製造できることから、光電変換特性に
優れた光センサーや光劣化の少ない太陽電池、更には高
速応答性能に優れたTFTなどを実現する上で、極めて
有効である。
According to the present invention, a first step of depositing an a-Si:H film on a substrate heated and maintained at 300 to 600° C. by thermally decomposing a silane gas as a raw material; By alternately repeating the second step of exposing the surface to atomic hydrogen and/or atomic deuterium, excess hydrogen on the growth surface and the Si-H polymer in the vicinity and on the inner surface of micro voids is desorbed. , by releasing and reducing the amount of hydrogen contained in the film, and at the same time injecting and diffusing the atomic hydrogen and/or atomic deuterium into the growth layer.
By cutting the -H bond to promote the recovery of the Si-Si bond and compensating for the unpaired electrons of the silicon atom, it is possible to create a dense, low-hydrogen-containing a-Si:H film with few structural defects. , which could not be produced using conventional thermal CVD methods.
Since it is possible to manufacture films with low localized level density, excellent bright/dark conductivity ratio, and less photodegradation, it is possible to produce optical sensors with excellent photoelectric conversion characteristics, solar cells with less photodegradation, and excellent high-speed response performance. It is extremely effective in realizing thin TFTs and the like.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

【図1】本発明の実施に用いる装置の断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of an apparatus used to practice the invention.

【図2】本発明の工程の説明のための模式的断面図であ
る。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining the process of the present invention.

【図3】本発明の実施により得られるa−Si:H膜の
特性の一例を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing an example of the characteristics of an a-Si:H film obtained by implementing the present invention.

【図4】本発明の実施により得られるa−Si:H膜の
特性の一例を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing an example of the characteristics of an a-Si:H film obtained by implementing the present invention.

【図5】本発明の実施により得られるa−Si:H膜の
特性の一例を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing an example of the characteristics of an a-Si:H film obtained by implementing the present invention.

【図6】本発明の実施により得られるa−Si:H膜の
特性の一例を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing an example of the characteristics of an a-Si:H film obtained by implementing the present invention.

【図7】本発明の実施に用いる装置の断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of an apparatus used to practice the invention.

【図8】本発明の実施に用いる装置の断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view of an apparatus used to practice the invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1    成膜基板 2    SiH2 前駆体 3    分子状水素 4    成長層 4’  内部層 5,5’    原子状水素 6,6’    分子状水素 7,7’    原子状水素 9    堆積管 10  恒温台 11    ヒータ 12    熱電対 13    リボン・ヒータ 14    ヒータ電源 15    原料ガス導入管 16    原子状水素導入管 17    排気管 18,19    高速開閉バルブ 20    T字配管 21    マイクロ波電源 22    アプリケータ型放電管 23    コンダクタンス・バルブ 24    真空ポンプ 25    高周波電源 26    容量結合型高周波放電管 27    高温イメージ炉 1 Film-forming substrate 2 SiH2 precursor 3 Molecular hydrogen 4 Growth layer 4’ Inner layer 5,5' Atomic hydrogen 6,6’ Molecular hydrogen 7,7’ Atomic hydrogen 9     Deposition tube 10 Thermostatic stand 11 Heater 12 Thermocouple 13 Ribbon heater 14 Heater power supply 15 Raw material gas introduction pipe 16 Atomic hydrogen introduction tube 17 Exhaust pipe 18, 19 High-speed opening/closing valve 20 T-shaped piping 21 Microwave power supply 22 Applicator type discharge tube 23 Conductance valve 24 Vacuum pump 25 High frequency power supply 26 Capacitively coupled high frequency discharge tube 27 High temperature image furnace

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  シラン系ガスからなる原料ガスを成膜
基板近傍において熱分解して該成膜基板上に水素化非晶
質シリコン薄膜を堆積させる水素化非晶質シリコン薄膜
の製造方法において、前記成膜基板を300〜600℃
に加熱保持して水素化非晶質シリコン薄膜を堆積させる
第1の工程と、前記原料ガスの熱分解とは別の手段で生
成した原子状水素及び/または原子状重水素に前記成膜
基板をさらす第2の工程とを交互に繰り返して行うこと
を特徴とする、水素化非晶質シリコン薄膜の製造方法。
1. A method for producing a hydrogenated amorphous silicon thin film, which comprises depositing a hydrogenated amorphous silicon thin film on the film forming substrate by thermally decomposing a raw material gas consisting of a silane-based gas in the vicinity of the film forming substrate. The film-forming substrate is heated to 300 to 600°C.
a first step of depositing a hydrogenated amorphous silicon thin film by heating and holding; A method for producing a hydrogenated amorphous silicon thin film, the method comprising alternately repeating a second step of exposing a hydrogenated amorphous silicon film.
【請求項2】  (a)前記原料ガスにドーピングガス
を混合すること、(b)前記第1の工程での成膜基板の
加熱保持温度を250〜550℃とすること、及び(c
)価電子制御された水素化非晶質シリコン薄膜を得るこ
と、以外は請求項1に記載の方法と同一であることを特
徴とする、水素化非晶質シリコン薄膜の製造方法。
2. (a) mixing a doping gas with the source gas; (b) heating and holding the film-forming substrate in the first step at a temperature of 250 to 550°C; and (c)
) A method for producing a hydrogenated amorphous silicon thin film, which is the same as the method according to claim 1, except for obtaining a hydrogenated amorphous silicon thin film with controlled valence electrons.
【請求項3】  前記第1の工程1回において堆積され
る堆積層の厚みが10〜60Åであることを特徴とする
、請求項1または請求項2に記載の水素化非晶質シリコ
ン薄膜の製造方法。
3. The hydrogenated amorphous silicon thin film according to claim 1 or 2, wherein the thickness of the deposited layer deposited in the first step is 10 to 60 Å. Production method.
【請求項4】  前記原子状水素及び/または原子状重
水素の生成を、分子状水素ガス及び/または分子状重水
素ガスをグロー放電分解することにより行うことを特徴
とする、請求項1〜請求項3のいずれかに記載の水素化
非晶質シリコン薄膜の製造方法。
4. The production of atomic hydrogen and/or atomic deuterium is performed by glow discharge decomposition of molecular hydrogen gas and/or molecular deuterium gas. A method for producing a hydrogenated amorphous silicon thin film according to claim 3.
【請求項5】  前記原子状水素及び/または原子状重
水素の生成を、分子状水素ガス及び/または分子状重水
素ガスを前記原料ガスの熱分解温度より更に高い温度で
熱分解することにより行うことを特徴とする、請求項1
〜請求項3のいずれかに記載の水素化非晶質シリコン薄
膜の製造方法。
5. The atomic hydrogen and/or atomic deuterium is produced by thermally decomposing molecular hydrogen gas and/or molecular deuterium gas at a temperature higher than the thermal decomposition temperature of the raw material gas. Claim 1, characterized in that
4. The method for producing a hydrogenated amorphous silicon thin film according to claim 3.
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