JPH04343414A - 非単結晶半導体装置の製造法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、太陽電池、ラインセン
サやエリアセンサなどの光電変換装置、液晶ディスプレ
イのＴＦＴなどに用いられる非単結晶半導体装置、特に
、複数の半導体薄膜を連続的に積層する非単結晶半導体
装置の製造法に関する。

【０００２】

【従来技術】非単結晶半導体薄膜、中でも、非単結晶シ
リコンおよびその化合物を膜堆積した半導体薄膜は、低
温で作製が可能であるという利点があるだけでなく、可
視光における光吸収が大きいために、特に大面積が要求
される太陽電池、ラインセンサやエリアセンサなどの光
電変換装置、また、液晶ディスプレイのＴＦＴなどに広
く利用されている。

【０００３】これらの半導体デバイスは、その機能を実
現するために、例えばＰ／Ｉ／Ｎ構造のように、通常、
２種類以上の半導体薄膜を積層した構造を有するものが
殆どであり、従って、現在では、これらの半導体デバイ
スを作製するに際しては、真空を破らずに、基板上に半
導体薄膜を連続的に積層する製造法が一般的に用いられ
ている。この製造法を実施するのに用いられる従来の装
置は、各々の薄膜層を独立した真空チャンバ−で積層す
るので、特に、成膜における不純物の混入を低減する点
において、デバイスの高性能化に有効である。

【０００４】また、非単結晶半導体薄膜の作製方法とし
ては現在までにプラズマＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、熱ＣＶ
Ｄ法、スパッタリング法、真空蒸着法などが提案されて
きたが、その中でも比較的良好な膜質が得られ、また大
面積化も容易であることから、現在ではプラズマＣＶＤ
法が一般的に用いられている。一般的なプラズマＣＶＤ
法とは、原料ガスを高周波またはマイクロ波などを用い
て分解することにより、堆積前駆体を生成させて基板上
に膜堆積を行うものである。中でも、励起源に周波数１
３．　５６ＭＨｚの高周波を用いた容量結合型の高周波
プラズマＣＶＤ法は、最も一般的に用いられている。

【０００５】図２には、従来例として、例えばＰＩＮ構
造のデバイスを作製する場合の作成装置が示されている
。この装置は、容量結合型の高周波プラズマＣＶＤ装置
であり、Ｐ層成膜室２０３、Ｉ層成膜室２０２、Ｎ層成
膜室２０１が各々独立しており、ゲ−トバルブ２０６、
２０７、２０８、２０９を介してタンデムに接続されて
いる。また、基板の投入、取り出しのためのロ−ド室２
０４、アンロ−ド室２０５も設けられており、上記作成
装置は合計で５室を有するマルチチャンバシステムとな
っている。

【０００６】作成手順としては、最初に、基板ホルダー
２１１に基板２１０をセットし、これをロ−ド室２０４
に投入し、真空引き、基板加熱を行う。次にゲ−トバル
ブ１２０６を開き、上記基板２１０をセットした状態で
基板ホルダー２１１をＮ層成膜室２０１へ搬送し、ゲ−
トバルブ２０６を閉じる。その後、原料ガス２２２をＮ
層成膜室２０１に導入して、高周波電源２２３を用いて
プラズマを発生させて成膜を行う。

【０００７】成膜終了時には、高周波プラズマを切り、
原料ガスの供給を停止し、真空引きを行った後に、ゲ−
トバルブ２０７を開いて、Ｉ層成膜室２０２へ基板２１
０と共に基板ホルダー２１１を搬送し、Ｎ層成膜時と同
様な手順によりＩ層成膜を行う。また、Ｐ層成膜室２０
３におけるＰ層成膜についても同様である。

【０００８】このようにしてＰＩＮ構造のデバイスを作
成することができる。また、原料ガスの種類や成膜室の
数を変えることにより、同様の手法で、他の非単結晶半
導体デバイスも作成することができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
作成方法においては、以下のような問題点がある。すな
わち、この作成方法は、各々の層を形成した後にプラズ
マを切り、真空引きをしてから次の層の形成を行うため
、界面においてプラズマのオン／オフという履歴を有し
、それがデバイス特性に影響をもたらす。まず、第一に
、初期プラズマによる界面へのプラズマ・ダメ−ジの問
題がある。初期プラズマとは励起源をオンした瞬間から
定常状態に至るまでのプラズマのことであり、それによ
り下地の膜がダメ−ジを受け、界面に欠陥を生成するこ
とは良く知られている。また、積層する膜そのものも、
成膜初期の部分、即ち、界面を形成する部分が初期プラ
ズマにより形成されるため、同様に、界面特性の低下を
引き起こす要因となる。また、界面における不純物の偏
析も界面欠陥に起因すると考えられている。

【００１０】このように界面の状態がデバイス特性に与
える影響は大きい。例えば、非晶質シリコンを用いたＴ
ＦＴにおいては、絶縁膜／非晶質シリコンの順で連続堆
積を行う場合と、非晶質シリコン／絶縁膜の順で連続堆
積を行う場合があるが、両者を比較すると、素子の電気
特性や信頼性については、通常、前者の方が優れている
といわれている。これは、キヤリアの通り道であるチャ
ネルが非晶質シリコン中の絶縁膜との界面近傍に形成さ
れるためで、デバイス特性はその界面特性に支配され、
また、後者の場合には絶縁膜を非晶質シリコン上に形成
する時に、非晶質シリコンの表面、即ちＴＦＴのチャネ
ル部分がプラズマダメ−ジを受けるためにデバイス特性
が劣化するという理由による。しかしながら、前者にお
いても、チャネル部分は初期プラズマで形成された非晶
質シリコンであり、本来の膜特性を十分に生かしている
とはいえない。

【００１１】以上はＴＦＴについて述べたが、ＴＦＴに
限らず、例えば、光電変換装置においても、利得や光応
答特性などに界面の影響があらわれるのであって、これ
らのデバイス特性は、従来の作成方法において十分に満
足できるものではなかった。

【００１２】

【発明の目的】本発明は、上記事情に基いてなされたも
ので、基板が成膜の最初から、最後まで、プラズマ雰囲
気の中に置かれるように搬送経路、各成膜室の構造など
を構成して、良好な膜特性を維持できるようにした非単
結晶半導体装置の製造法を提供しようとするものである
。

【００１３】

【課題を解決するための手段】このため、本発明では、
プラズマＣＶＤ法を用いて、基板上に、少なくとも２種
類以上の非単結晶半導体薄膜を連続的に積層することで
、非単結晶半導体装置を構成するようにした非単結晶半
導体装置の製造法において、連続成膜が終了するまでの
間、基板における半導体薄膜の成長表面および薄膜相互
の界面を、常時、プラズマ雰囲気中に置くようにしてい
る。

【００１４】すなわち、本発明においては２種類以上の
半導体薄膜を連続成膜する場合に、基板は常にプラズマ
雰囲気中に置かれるため、膜成長表面及び積層界面には
常にプラズマが照射されており、プラズマのオン／オフ
による初期プラズマ・ダメ−ジを避けることが可能にな
る。

【００１５】従って、本発明を実現するために、ここで
使用する装置は、成膜領域だけでなく、基板が搬送され
る経路すべてに、プラズマが励起されるような構造を備
えると良いのである。

【００１６】また、この場合、プラズマの励起源や励起
方法は、装置によって選ぶことができるが、成膜時と同
様の励起源を用いるのが好ましい。また、成膜時以外の
プラズマの励起源の電力は一定である必要はなく、例え
ば、基板を搬送する時にプラズマ励起源の電力を連続的
に変化させて、次の成膜条件の電力に合わせ込み、プラ
ズマ電力の不連続量を抑え込むというように、プラズマ
電力を変化させるような方法でもよい。

【００１７】本発明においては、プラズマを常時励起さ
せているため、成膜の開始／終了は原料ガスの切り替え
のみによって行う。従って、成膜に際しては、原料ガス
のみではなく、希釈ガスとの混合ガスを用いることによ
り、成膜終了後に原料ガスのみの供給を停止しても、希
釈ガスにより放電が維持され、プラズマの変動を抑制す
るのに有効である。なお、希釈ガスとしては、水素、ア
ルゴン、ヘリウムなどを用いることができるが、特に、
水素を主体としたガスが好ましい。

【００１８】また、原料ガスの供給を安定に、かつ、応
答を速く行うために、原料ガスの系統を成膜領域に供給
される系と成膜領域を通らずに直接排気側に供給される
２つに分け、それらのガスの経路の切り替えにより、成
膜の開始／終了を制御する方法を用いてもよい。即ち、
成膜開始以前に原料ガスを規定量流しておき、成膜開始
とともに原料ガスの経路のみを切り替えるのである。こ
のため、この方法は、流量制御装置の応答速度が比較的
遅い場合に、特に有効である。

【００１９】

【実施例】次に、本発明の実施例を図１を参照して詳細
に説明する。ここでは、本発明の製造法により非単結晶
シリコンＰＩＮダイオードを作成した例を示す。

【００２０】本発明に係る成膜装置は、ロード室、アン
ロード室、Ｎ層成膜室、Ｉ層成膜室、Ｐ層成膜室の、合
計５つの成膜室で構成されているが、特に、図１には、
そのうちのロード室１０１、Ｎ層成膜室１０２、Ｉ層成
膜室１０３のみが示されている。しかし、図示されてい
ないＰ層成膜室についても、これらと同様である。

【００２１】各々の成膜室は、ゲートバルブ１０４、１
０５、１０６で仕切られており、独立した高周波電源１
０７、１０８を装備している。また、原料ガスは、各々
の高周波電極１０９，１１０の位置から反応空間へ供給
され、これらの高周波電極の周囲には、スイッチＳ１、
Ｓ２により、高周波電極と同電位、または接地電位に切
り替えられるシールド１１１、１１２が設けられており
、上記電極は、成膜室いっぱいに広がる大きさである。

【００２２】しかして、まず、クロムを蒸着したガラス
基板１１３を基板ホルダー１１４にセットし、ロード室
１０１に投入し、真空引き、基板加熱を行った後、ゲー
トバルブ１０４を開けて、Ｎ層成膜室１０２へ搬送し、
ゲートバルブ１０４を閉じる。各成膜室には、基板搬送
用のレール１１５の下に補助電極を兼ねたヒーター１１
６、１１７があり、Ｎ層成膜室に基板が搬入されると、
このヒーターが基板ホルダーを持ち上げるように、上方
へ移動し、基板を加熱する。次に、例えば、原料ガスと
してホスフィンが１％含有されているシランガス１１８
を１０ＳＣＣＭ、水素ガス１１９を４０ＳＣＣＭ、成膜
室に導入し、圧力を０．　５Ｔｏｒｒに調整する。続い
て、高周波電源１０７をオンにし、成膜を開始するが、
この時、シールド１１１は接地されており、プラズマは
基板と電極の間に集中している。Ｎ層が所望の膜厚に達
したら、原料ガス１１８の供給のみを停止し、Ｉ層成膜
室１０３に水素ガス１１９を４０ＳＣＣＭ、導入し、Ｎ
層成膜室１０２と同じ圧力に設定する。次に、Ｉ層成膜
室の高周波電源１０８をオンし、高周波電極１１０と補
助電極１１７の間に水素プラズマをたてる。この時、シ
ールド１１２は接地されている。この状態ではゲートバ
ルブ１０５は閉じているが、Ｎ層成膜室１０２、Ｉ層成
膜室１０３の電極間には、共に水素プラズマが励起され
ており、Ｎ層成膜後の表面は、水素プラズマに曝されて
いる。続いてゲートバルブ１０５を開け、シールド１０
７、１０８の電位を高周波側に切り替える。この切り替
えを行うことにより、電極間に閉じ込められていたプラ
ズマはゲートバルブ１０５の間にも広がる。次に、基板
ホルダー１１４をＩ層成膜室に搬送し、所定の位置に達
したらシールド１１２を接地してヒーター１１７を上に
移動させ、Ｎ層成膜室の高周波電源を切り、ゲートバル
ブ１０５を閉じる。この状態で、基板は、Ｎ層成膜室で
水素プラズマに曝されており、原料ガスのシランガス１
２０を供給し、Ｉ層の成膜を開始する。また、Ｉ層成膜
後からＰ層成膜開始に至るまでの過程は、Ｎ層成膜後か
らＩ層成膜開始に至る過程と同様に行い、Ｐ層を結晶化
条件で成膜し、基板を取り出した後に、ＩＴＯを蒸着し
て、パターニングを行う。

【００２３】以上のように、Ｎ層成膜開始からＰ層成膜
終了時まで成長表面、及びＮ／Ｉ、Ｉ／Ｐ　　の界面を
常時水素プラズマ雰囲気中に置く、という本発明の製造
法により、非単結晶シリコンＰＩＮダイオードが製作さ
れる。

【００２４】なお、比較のため、同様の作成条件におい
て、従来の製造法、すなわち、各層成膜後に放電を停止
し、基板を搬送して、再び放電を開始するという手順で
の製造法を用いて、非単結晶シリコンＰＩＮダイオード
を作成し、ダイオード特性を評価した結果、逆方向暗電
流、光応答特性ともに、本発明により作成したＰＩＮダ
イオードの方が良好な特性を示し、本発明の優位性が確
認された。

【００２５】次に、図３に示す本発明の他の実施例につ
いて説明する。ここでは、１つのチャンバーで成膜を行
うのであって、ここでは、ガスを切り替えることによっ
て非晶質シリコンＴＦＴを作成するのである。ここで示
す装置は、平行平板の高周波電極側３０１からヘリウム
ガスを５％含有した水素ガス３０２を供給するのであっ
て、原料ガスはその電極の間から供給される。ここで、
原料ガスを分布よく供給するためにバッファ３０３を設
けているが、そのため、原料ガスの供給／停止の応答が
悪くなる。そこで、原料ガスを直接真空ポンプ３０４で
排気することができるようにバイパスライン３０５を設
け、バルブＶ１、Ｖ２の同時切り替えによりチャンバー
３１０への供給／停止を行っている。ここで、バルブの
同時切り替えというのはバルブＶ１が開の時はバルブＶ
２は閉に、また、バルブＶ１が閉の時はバルブＶ２は開
に自動的に切り替わるということである。

【００２６】ここでは、最初に、基板３０６を投入し、
真空引きと基板加熱とを行う。なお、基板上にはパタニ
ングされたクロムが、ゲ−トメタルとして既に形成され
ている。次に、バルブＶ３、バルブＶ４、並びにバルブ
Ｖ１を開けて、窒化シリコンの原料ガスであるアンモニ
アガス３０７、シランガス３０８、及び水素ガス３０２
をチャンバー３１０に供給する。次に、高周波電源３１
１から電力を供給し、窒化シリコンの成膜を行い、所望
の膜厚に達したところで、バルブＶ１、Ｖ２の切り替え
を行い、更に、バルブＶ３、Ｖ４を閉じ、原料ガスの供
給を停止する。この状態では、チャンバ３１０内に供給
されているガスは、水素ガス３０２のみであり、かつ、
高周波電力３１１は供給されているため、水素プラズマ
が電極間に励起されている。ここで、窒化シリコンの成
膜条件および次の非晶質シリコンの成膜条件における水
素流量と高周波電力とが異なるため、まず、最初に高周
波電力の反射電力が小さくなるように、マッチングを調
整しながら、水素流量をゆっくりと変化させ、次に、高
周波電力量を調整して、非晶質シリコンの成膜条件の水
素流量、及び高周波電力に合わせ込むのである。続いて
、バルブＶ４を開けてシランガス３０８を、流量が安定
するまで、バイパスライン３０５側に流し、バルブＶ１
、Ｖ２を切り替えてシランガス３０８をチャンバ内に導
入して、非晶質シリコン層の形成を行うのである。

【００２７】このような原料ガスの供給方法を用いるこ
とにより、高周波プラズマが常時励起されていても、成
膜初期段階から比較的安定した流量の原料ガスの供給が
可能になる。半導体層である非晶質シリコン層が所望の
膜厚に達したら、バルブＶ１、Ｖ２を切り替えて、チャ
ンバ３１０へのシランガス３０８の供給を停止する。そ
して、ガスをバイパスライン３０５へ流し、さらに、バ
ルブＶ５を開けて、ド−ピングガスである水素希釈ホス
フィンガス３０９を加えて、それぞれ流量制御を行う。 流量が安定したところで、再び、バルブＶ１、Ｖ２を切
り替えて、シランガス３０８及びホスフィンガス３０９
をチャンバ３１０内に導入して、ド−ピング層の形成を
行う。ド−ピング層が所望の膜厚に達したところで、高
周波電力及び全てのガスの供給を停止し、冷却した後に
、基板を取り出すのである。その後、アルミニウムをス
パッタリング法により形成し、パタ−ニングを行って、
非晶質シリコンＴＦＴが作成される。

【００２８】

【発明の効果】本発明は、以上詳述されているように、
従来の作成法の問題点、すなわち、半導体薄膜を積層す
る場合に生ずる半導体界面へのプラズマ・ダメ−ジや不
純物の偏析による半導体装置の特性劣化が避けられ、改
善された、高性能の半導体装置を提供することが可能に
なった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の作成方法を実施する成膜装置の概略図
である。

【図２】従来の成膜装置の概略図である。

【図３】本発明の他の実施例を示す作製装置の概略図で
ある。

【符号の説明】

１０１　　　　ロ−ド室 １０２　　　　Ｎ層成膜室 １０３　　　　Ｉ層成膜室 １０４、１０５、１０６　　　　ゲ−トバルブ１０７、
１０８　　　　高周波電源 １０９、１１０　　　　高周波電極 １１１、１１２　　　　シ−ルド １１３　　　　基板 １１４　　　　基板ホルダ− １１５　　　　基板搬送用レ−ル １１６、１１７　　　　ヒ−タ−（補助電極）１１８　
　　　シランガス（含１％ホスフィン）１１９　　　　
水素ガス １２０　　　　シランガス

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　プラズマＣＶＤ法を用いて、基板上に
   、少なくとも２種類以上の非単結晶半導体薄膜を連続的
   に積層することで、非単結晶半導体装置を構成するよう
   にした非単結晶半導体装置の製造法において、連続成膜
   が終了するまでの間、基板における半導体薄膜の成長表
   面および薄膜相互の界面を、常時、プラズマ雰囲気中に
   置くようにしたことを特徴とする非単結晶半導体装置の
   製造法。
2. 【請求項２】　　前記の半導体薄膜の成長表面および薄
   膜相互の界面が置かれるプラズマ雰囲気は、少なくとも
   水素を含むプラズマで構成されることを特徴とする請求
   項１に記載の非単結晶半導体装置の製造法。