JPH04367222A - 非単結晶シリコン膜の成膜方法及びその装置 - 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、非単結晶シリコン膜の
製膜方法及びその装置に関し、特に半導体デバイス、イ
メージセンサー、撮像デバイス、光起電力デバイスなど
に有用な、マイクロ波プラズマＣＶＤ法による非単結晶
シリコン膜の成膜方法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、非単結晶シリコン膜（アモルファ
ス、マイクロクリスタル、ポリクリスタルを含む）の高
品質化および高速成膜化などの目的で、電子サイクロト
ロン共鳴現象（ＥＣＲ）によるプラズマ放電を利用して
成膜性ガスを分解し、成膜を行うことが利用されている
。

【０００３】ＥＣＲを利用したプラズマは、低ガス下に
おいて、高い活性度を有すること、プラズマ発生室と反
応処理室とが別になっており、イオンエネルギーの範囲
が選択可能であること、また比較的堆積膜へのイオン・
ダメージが少ないこと、プラズマ流の指向性、均一性に
優れていることなどの利点がある。

【０００４】図５は、従来の一般的なＥＣＲ装置の構造
を示す模式図である。

【０００５】図５において、１はプラズマ発生室、２は
試料台、３は基板、４はマイクロ波矩形導波管、５はマ
グネトロン、６はソレノイドコイル、７は反応処理室、
８はガス供給管、９は排気ポート、１０は石英製の放電
管である。

【０００６】この装置において、成膜性ガスは図示しな
いガスボンベからガス供給管８を通りプラズマ発生室１
に供給される。マイクロ波はマグネトロン５より発生し
、マイクロ波導波管４を通り、プラズマ発生室１に導入
され、８７５ガウスのＥＣＲ条件が満たされた場所にお
いて、高密度のプラズマが発生する。このプラズマは反
応処理室７に引き出され、基板３に堆積膜が形成される
。

【０００７】また、その他の高品質非単結晶シリコン膜
の製法として、（応用物理第５９巻第１２号ｐ４３〜４
５）に記載されているように化学アニーリングという方
法が提案されている。

【０００８】これは、図４の摸式図にあるように、通常
の高周波プラズマＣＶＤ（ＲＦ−ＧＤ）装置にマイクロ
波プラズマ発生器を取り付けた構成の装置を用いる。同
図において、図５と同様の部分には同一の番号を付すこ
とで、説明は省略する。

【０００９】例えばアモルファスシリコン膜の成膜方法
としては、ＳｉＨ４　ガス等の成膜性ガスを通常の高周
波電力で分解し、膜の堆積を行い、一方で水素ガスをマ
イクロ波電力で分解し、多量の原子状水素を生起させ堆
積膜へ搬送する。

【００１０】膜堆積と原子状水素の搬送という二つの工
程を、時間（Ｔ１、Ｔ２　）で制御し、交互に繰り返し
て成膜を行う。具体的には高周波電力とマイクロ波電力
及びＨ２　ガスは常に導入されており、ＳｉＨ４　ガス
等の成膜性ガスのみをＴ１　の間導入する。

【００１１】ＳｉＨ４　ガス等の成膜性ガスを間欠的に
導入する主な理由は、原子状水素を効率よく膜表面に供
給するためである。このような処理によって膜中の水素
の引き抜き反応が進行し、緻密な膜が形成されると考え
られている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記従来例の、図５に
示した電子サイクロトロン共鳴現象（ＥＣＲ）によるプ
ラズマ放電を利用して成膜性ガスを分解し、成膜を行う
方法では、イオン・ダメージの比較的少ない高品質な非
単結晶シリコン膜を形成することは可能だが、膜中水素
濃度が１０％前後となり、緻密で安定性の高い堆積膜を
得にくいという欠点がある。特に水素濃度が高いとＳｉ
どうしの結合が弱くなり易く、光による劣化（いわゆる
ＳＷ効果）が起きやすいといった問題があった。

【００１３】また、図４に示した高周波電力とマイクロ
波電力を用いて非単結晶シリコン膜の堆積と原子状水素
の堆積膜への供給を交互に繰り返す成膜方法では、膜中
水素濃度の低減には効果的に作用するが、常に高周波電
力とマイクロ波電力が投入されているため、特に、高周
波電力による堆積膜へのイオン・ダメージが生じやすい
という問題がある。

【００１４】また、この形成方法では、ＳｉＨ４　ガス
の分解効率が低く、高速に堆積することができず、分解
効率を上げようと高周波電力を増大させると、更にイオ
ン・ダメージが大きくなるという問題がある。

【００１５】以上のように、従来、高品質非単結晶シリ
コン膜の堆積方法がいくつか行われているが、高速成膜
が可能で、イオン・ダメージが少なく、膜中水素濃度が
低く、安定性の高いものが得にくいという問題がある。 特に成膜の高速性は、量産する上で重要であるが、条件
を十分満たす成膜方法が無いという問題がある。

【００１６】（発明の目的）本発明の目的は、イオン・
ダメージは少ないが膜中水素濃度が高くなってしまうと
いう電子サイクロトロン共鳴現象（ＥＣＲ）によるプラ
ズマ放電を利用した成膜方法の欠点を改良することによ
り、高速成膜が可能で、イオン・ダメージが少なく、膜
中水素濃度が低く、安定性の高い非単結晶シリコン膜の
成膜方法及び装置を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述した課題
を解決し、本発明の目的を達成するため、以下の手段を
提供するものである。 （１）　　真空を保持できる反応容器内にマイクロ波導
入手段及び成膜性ガス導入手段を設けた成膜装置を用い
、Ｓｉ元素を含有する（ＳｉＨ４　、Ｓｉ２　Ｈ６　な
ど）成膜性ガス及び非成膜性ガスをプラズマ発生室に導
入し、ＥＣＲ現象によりプラズマ放電を生起し、基板上
に非単結晶シリコン膜の堆積処理をするものにおいて、
前記成膜性ガスのみを一定時間の周期で周期的に前記プ
ラズマ発生室に導入して分解させ、前記基板上に非単結
晶シリコンの薄層を積層する方法及びその装置である。 （２）　　また、前記成膜性ガスと前記非成膜性ガスは
、反応容器の直前で混合して同一または複数の管から前
記プラズマ発生室に供給し、前記成膜性ガスの周期的導
入は自動弁を用いて制御する。

【００１８】すなわち、本発明による非単結晶シリコン
の成膜法は、ＥＣＲ装置を用いて、マイクロ波放電を利
用して、成膜性ガス及び非成膜性ガスを分解して、非単
結晶シリコン膜の堆積工程と前記堆積膜への非成膜性プ
ラズマ照射工程とを交互に行うものである。

【００１９】

【作用】本発明の非単結晶シリコン膜の形成において、
電子サイクロトロン共鳴プラズマ（ＥＣＲ）を利用して
、Ｓｉ元素を含む成膜性ガス及び非成膜性ガスをプラズ
マ発生室に導入し、前記成膜性ガスのみを一定周期で周
期的に導入することにより、成膜と、それに対する原子
状水素の供給を交互に行なうことができる。そのため、
マイクロ波プラズマで生成された原子状水素を堆積膜上
に効率的に搬送することができ、これにより、膜中水素
濃度の低減が可能となり、緻密性や安定性が向上する。 これは原子状水素により、膜中の過剰な水素が引き抜か
れ、構造緩和が起こるためと考えられている。

【００２０】また、マイクロ波電力によるマイクロ波プ
ラズマは、高周波電力によるものよりもイオンエネルギ
ーを低く抑えることが可能であるため、堆積膜へのイオ
ンダメージを低減することができる。

【００２１】したがって、本発明の方法及び装置により
処理することにより、膜中水素濃度が低く、劣化が少な
く、またイオン・ダメージが少なく高品質な非単結晶シ
リコン膜を高速で成膜することができる。

【００２２】

【実施例】以下に本発明の一実施例を挙げて図面を参照
しながら説明する。

【００２３】図１は本実施例において、非単結晶シリコ
ン膜を成膜した装置の構造を示す摸式図である。

【００２４】図において、マグネトロン５は、通常２．
４５ＧＨｚのマイクロ波を発生させ、発生したマイクロ
波は、矩形の導波管４を通して石英製の放電管１０内に
導入される。

【００２５】放電管１０はマイクロ波を通すために絶縁
物で形成されていて、石英の他にアルミナなどを使用し
てもよい。

【００２６】ソレノイドコイル６は、放電管１０内に磁
場を形成させるためのものである。放電管１０には、ガ
ス供給管８が接続されていて、図示しないＳｉ元素を含
む成膜性ガス（例えばＳｉＨ４　など）ボンベよりバル
ブ１２を通して成膜性ガスが供給される。

【００２７】また、ガス供給管８の途中には、非成膜性
ガス（Ｈ２　、Ａｒなど）が、図示しない供給設備より
バルブ１１を介して空気作動弁１３を通過し、供給され
る。空気作動弁１３と１４は、どちらか一方が開くよう
に制御され、空気作動弁１３が閉じている時は、空気作
動弁１４が開きガス排気管１５に連通し、図示しない真
空ポンプでガスを排出する。前記空気作動弁の動作の目
的は、成膜性ガス切替時の流量を滞留なく安定的に行う
ためのものである。

【００２８】非単結晶シリコン膜を形成させる基板３は
、加熱機構を設けてある試料台２に載置されている。 排気ポート９はターボ分子ポンプのような排気速度の大
きな図示しない真空ポンプに接続されている。石英製の
放電管１０内に成膜性ガスおよび非成膜性ガスを導入し
所定の圧力に設定した後、マグネトロン５より供給され
るマイクロ波電力を供給すると、マイクロ波放電が発生
し、高密度のプラズマが生起する。

【００２９】生起されたプラズマは、磁力線にそって反
応処理室７に引き出されて基板３上に輸送され、非単結
晶シリコン膜が形成される。

【００３０】また、成膜性ガスは一定の周期で交互に空
気作動弁１３、１４により制御され、放電管１０に導入
し、この成膜性ガスの放電管１０への供給が停止された
時、生起されるプラズマは非成膜性ガスプラズマのみに
なり、原子状水素およびアルゴンなどの非成膜性原子が
、堆積された非単結晶シリコン膜へ輸送される。

【００３１】以上説明したように、本発明による非単結
晶シリコンの成膜法は、マイクロ波放電を利用して成膜
性ガス及び非成膜性ガスを分解して、非単結晶シリコン
膜の堆積工程と前記堆積膜への非成膜性プラズマ照射工
程とを交互に行うものである。

【００３２】図２は、このような本発明の成膜方法を示
す図であり、同図に示すように、Ｔ１　の間、成膜性ガ
スを供給（ＯＮ）して非単結晶シリコン膜の堆積を行な
い、その後Ｔ２　の間は、成膜性ガスの供給を止め（Ｏ
ＦＦ）、非成膜性プラズマ照射工程を行ない、再びＴ１
　の間、成膜性ガスを供給（ＯＮ）して堆積を行なうと
いうように、成膜性ガスの供給を周期的に行なうことを
特徴とする。

【００３３】次に、本発明の非単結晶シリコン膜の製造
方法について具体的に説明する。

【００３４】試料台２に、洗浄を施した５ｃｍ角のコー
ニング７０５９ガラスを取り付け、反応処理室７および
プラズマ発生室１を排気速度１０００　　ｌ／ｓｅｃの
ターボ分子ポンプで真空引し、試料台の加熱機構により
基板を２５０℃に加熱した。

【００３５】真空度が５×１０−７ｔｏｒｒ以下になっ
た後、プラズマ発生室に非成膜性ガスとして、Ｈ２　ガ
ス１０ｓｃｃｍをマスフローコントローラーにより制御
し、バルブ１１より供給した。また、成膜性ガスとして
ＳｉＨ４　ガスをマスフローコントローラーで１０ｓｃ
ｃｍに制御しバルブ１２と空気作動弁１３を開け供給し
た。そして、内圧を５×１０−４ｔｏｒｒに設定した。

【００３６】その後、マグネトロン５から２．４５ＧＨ
ｚのマイクロ波電力１００Ｗをマイクロ波矩形導波管４
よりプラズマ発生室１に供給し、マイクロ波プラズマを
生起させた。この状態で非単結晶シリコン膜を６秒間（
Ｔ１　）堆積し、その後空気作動弁１３を閉じ、空気作
動弁１４を開け、プラズマ発生室１へのＳｉＨ４　ガス
（成膜性ガス）の供給を停止し、次に、すでに堆積して
いる非単結晶シリコンへ１０秒間（Ｔ２　）原子状水素
を照射した。その後再びＳｉＨ４　ガス（成膜性ガス）
をプラズマ発生室１に供給し、６秒間（Ｔ１　）非単結
晶シリコン膜を堆積する。空気作動弁１３、１４の制御
は、タイマーあるいはコンピューターにより行う。

【００３７】すなわち図２のように、ＳｉＨ４　ガス（
成膜性ガス）を一定周期で周期的にＯＮ／ＯＦＦする工
程を２００回繰り返した結果、ガラス基板上に６０００
Åの非単結晶シリコン膜が堆積した。堆積速度は、５Å
／ｓｅｃであった。

【００３８】この非単結晶シリコン膜上に、２５０μｍ
のギャップ幅のくし形アルミ電極を蒸着装置でつけ、光
電気伝導度を測定した結果、従来より約一桁高い測定値
のものが得られ、良好なものであった。

【００３９】また、これと同じ試料にソーラーシュミレ
ーターの光を１００ｍＷ／ｃｍ２　の強度で照射し、光
電流の劣化を見たところ、同じ条件で連続的に堆積した
膜より良好であった。

【００４０】また、シリコンウエハー上に、ガラス基板
と同じように基板温度、内圧、ガス流量、ＳｉＨ４　ガ
スのＯＮ／ＯＦＦ周期、マイクロ波電力を備えて成膜し
、赤外吸収スペクトルから水素濃度を測定した結果、約
５ａｔ％であり、従来より低濃度のものが得られた。

【００４１】また、図３に示すように、非単結晶シリコ
ン膜の堆積時間（Ｔ１　）を変えずに、ＳｉＨ４　ガス
（成膜性ガス）をＯＦＦしている時間（Ｔ２　）、すな
わち原子状水素を堆積膜に照射している時間を２０秒と
長くしたところ、膜中水素濃度が３ａｔ％まで低下した
。すなわち、Ｔ２　を長くすると、原子状水素が十分に
堆積した膜に浸透し、水素の引き抜き反応が進行すると
考えられる。

【００４２】以上、ｉ型非単結晶シリコン膜の製造方法
について述べたが、ＰＨ３　などの５価の元素を含むガ
スを添加するとｎ型に、またＢ２Ｈ６　などの３価の元
素を含むガスを添加するとｐ型に制御することができる
。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、高品質な非単結晶シリ
コン膜を、高速かつプラズマ・ダメージが少なく成膜す
ることができる。また、膜中水素濃度を低減することが
できるため、劣化が少なく安定性が向上する。また、高
い電気伝導度を得ることができるため、光電変換作用を
利用したデバイスに応用することにより、高性能なデバ
イスを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の成膜装置の断面構造を示す摸式図

【図
２】成膜性ガス（ＳｉＨ４　ガス）の切り替えタイミン
グを示した図

【図３】膜中水素濃度のＴ２　（成膜性ガスＯＦＦ時間
）依存を示すグラフ

【図４】従来の装置を示す摸式図である

【図５】従来の
装置を示す摸式図である

【符号の説明】

１　　　　プラズマ発生室 ２　　　　試料台 ３　　　　基板 ４　　　　マイクロ波矩形導波管 ５　　　　マグネトロン ６　　　　ソレノイドコイル ７　　　　反応処理室 ８　　　　ガス供給管 ９　　　　排気ポート １０　　　　放電管 １１、１２　　　　バルブ １３、１４　　　　空気作動弁 １５　　　　ガス排気管

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　成膜性ガス及び非成膜性ガスをプラズ
   マ発生室に導入し、マイクロ波を導入し、ＥＣＲ現象に
   より生起するプラズマ放電により、前記成膜性ガスを分
   解して、非単結晶シリコン膜を成膜する成膜方法におい
   て、前記成膜性ガスのみを周期的に前記プラズマ発生室
   に導入して分解し、非単結晶シリコン膜を堆積する工程
   と、該堆積膜に対する前記非成膜性ガスプラズマによる
   原子状水素照射工程とを交互に行なうことを特徴とする
   非単結晶シリコン膜の成膜方法。
2. 【請求項２】　　前記成膜性ガスがＳｉ元素を含有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の非単結晶シリコン膜
   の成膜方法。
3. 【請求項３】　　成膜性ガス及び非成膜性ガスを導入し
   て、マイクロ波を導入し、ＥＣＲ現象によるプラズマ放
   電を生起するプラズマ発生室と、前記成膜性ガスのみを
   、周期的に前記プラズマ発生室に導入する手段と、前記
   プラズマ発生室で分解された成膜性ガスを堆積して、非
   単結晶シリコン膜を成膜する反応容器と、を有すること
   を特徴とする非単結晶シリコン膜の成膜装置。
4. 【請求項４】　　前記成膜性ガスと前記非成膜性ガスは
   、前記プラズマ発生室の直前で混合して、同一または複
   数の管から前記プラズマ発生室に供給され、前記成膜性
   ガスの周期的導入は、自動弁を用いて制御することを特
   徴とする請求項３に記載の非単結晶シリコン膜の成膜装
   置。