JPH0562917A - Manufacture of amorphous silicon thin film - Google Patents

Manufacture of amorphous silicon thin film

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JPH0562917A
JPH0562917A JP3250245A JP25024591A JPH0562917A JP H0562917 A JPH0562917 A JP H0562917A JP 3250245 A JP3250245 A JP 3250245A JP 25024591 A JP25024591 A JP 25024591A JP H0562917 A JPH0562917 A JP H0562917A
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JP
Japan
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film
hydrogen
gas
plasma
nozzle
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JP3250245A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazuaki Omi
和明 近江
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Original Assignee
Canon Inc
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Abstract

PURPOSE:To stably maintain plasma by a method wherein the atom like hydrogen, to be fed to a film-forming region, is grown by bringing hydrogen molecules to come in contact with heated metal surface, and the feeding condition of the atom like hydrogen is independently controlled separating from the film- deposition condition. CONSTITUTION:A substrate A is attached to an electrode 101, a film-forming chamber 117 is depressed, and the substrate A is heated up. H2 gas and Ar gas are fed to the film-forming chamber 117, and the pressure of the chamber is adjusted. On the other hand, a nozzle 118 is heated up, the H2 gas, entering into the film-forming chamber passing through the nozzle 118 together with Ar gas, is thermo-dissociated and formed into atomic hydrogen. Besides, RF is applied to an electrode 102, and plasma is generated between the electrodes 101 and 102. SiH4 gas is allowed to flow into the film-forming chamber 117, and an a-Si film is formed by plasma. At this time, the SiH4 gas is fed intermittently by switching a valve 116, and an a-Si film-forming process and an atom like hydrogen feeding process are repeated alternately. Accordingly, the feeding of atom-like hydrogen can be controlled independent of film formation.

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、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、電子写真感光体などに用いられる半導体薄
膜として、非晶質シリコンおよびその化合物を基板上に
膜堆積するアモルファスシリコン薄膜の製造法に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention uses amorphous silicon and its compound as a semiconductor thin film used for solar cells, photoelectric conversion devices such as line sensors and area sensors, TFTs of liquid crystal displays, and electrophotographic photoreceptors. The present invention relates to a method for manufacturing an amorphous silicon thin film deposited on a substrate.

【0002】[0002]

【従来技術】アモルファスシリコン(以下、「a−S
i」と略記する)およびその化合物を膜堆積した半導体
薄膜は、低温で作成が可能であるという利点が有るだけ
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、電子写真感光体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。
2. Description of the Related Art Amorphous silicon (hereinafter referred to as "a-S
abbreviated as “i”) and a compound thereof are not only advantageous in that they can be formed at low temperatures, but also have a large light absorption in visible light,
It is widely used for solar cells that require a large area, line sensors, area sensors, photoelectric conversion devices such as electrophotographic photoreceptors, and TFTs for liquid crystal displays.

【0003】上記a−Siの半導体薄膜の作成方法とし
ては、現在までに、SiH4 、Si26 を成膜ガスと
するRFプラズマCVD法(所謂GD法)、マイクロ波
プラズマCVD法、水素ガスの存在下においてSiタ−
ゲットによりArプラズマ中で行う反応性スパッタリン
グ法などが用いられてきた。なお、実験的には、このほ
かにも、光CVD法、ECRCVD法、原子状水素の存
在下でのSiの真空蒸着法などの報告があり、Si2
6 などの熱CVD法による成膜の例もある。
As a method of forming the a-Si semiconductor thin film, an RF plasma CVD method (so-called GD method) using SiH 4 , Si 2 H 6 as a film forming gas, a microwave plasma CVD method, and hydrogen have been used so far. Si type in the presence of gas
A reactive sputtering method or the like has been used which is carried out in Ar plasma by Get. Note that the experimental, In addition to this, an optical CVD method, there are reports on ECRCVD method, a vacuum deposition method of Si in the presence of atomic hydrogen, Si 2 H
There is also an example of film formation by a thermal CVD method such as 6 .

【0004】これらの方法により得られるa−Si膜
は、殆ど、水素を10%またはそれ以上含む、所謂、水
素化a−Siであり、a−Si半導体装置に利用できる
電子材料としての特性を持っている。このようなa−S
iの製造法として、最も普及しているのが、以下に述べ
るプラズマCVD法であり、ここでは、多くの場合、S
iH4 またはSi26 ガスが用いられる。そして、必
要に応じて、水素ガスで稀釈して、13.56MHZ
たは2.54GHZ の高周波でプラズマを発生させ、こ
れにより、成膜ガスを分解して、反応性のある活性種を
つくって、基板上にa−Si膜を堆積するのである。そ
して、成膜ガス中にPH、BH、BFなどのド−ピング
ガスを混ざれば、n型またはp型のa−Si半導体装置
を作ることができる。a−Siの場合は、単結晶Siと
相違して、低温基板やガラス基板の上にも成膜でき、大
面積化も容易なだけでなく、光吸収が結晶シリコンの場
合よりも強く、特性が等方的で、方向性がなく、多結晶
のような結晶粒界がないなどのために、結晶シリコンと
は異なる分野で広く利用されている。
Almost all of the a-Si films obtained by these methods are so-called hydrogenated a-Si containing 10% or more of hydrogen, and have characteristics as an electronic material that can be used in an a-Si semiconductor device. have. Such a-S
The most popular method for producing i is the plasma CVD method described below.
iH 4 or Si 2 H 6 gas is used. Then, if necessary, it is diluted with hydrogen gas to generate plasma at a high frequency of 13.56 MH Z or 2.54 GH Z , thereby decomposing the film forming gas and producing reactive active species. Then, the a-Si film is deposited on the substrate. Then, if a doping gas such as PH, BH, or BF is mixed in the film forming gas, an n-type or p-type a-Si semiconductor device can be manufactured. In the case of a-Si, unlike single crystal Si, it is possible to form a film on a low-temperature substrate or a glass substrate, and it is easy to increase the area, and the light absorption is stronger than that of crystalline silicon, and the characteristics are higher. However, it is widely used in a field different from crystalline silicon because it is isotropic, has no directionality, and has no crystal grain boundaries such as polycrystal.

【0005】更に、上記プラズマCVD法では、アモル
ファス相の中に微結晶相を含むものを作ることができ、
このため、必要に応じて、微結晶層の割合を選択して、
様々な分野に利用できる半導体装置を提供してきた。
Further, in the above-mentioned plasma CVD method, it is possible to make a material containing a microcrystalline phase in an amorphous phase,
Therefore, if necessary, select the proportion of the microcrystalline layer,
A semiconductor device that can be used in various fields has been provided.

【0006】最近の新しい動きとして、a−Siの成膜
法において、水素プラズマ照射によりa−Siの膜質を
改良する提案が多数なされている。例えば、特公平2−
27824号公報や特開平2−197117号公報に開
示されている方法がそれである。しかし、これらの方法
は高温が必要であったり、a−Siの結晶化が起き易い
などの問題がある。
As a recent new movement, in the a-Si film forming method, many proposals have been made to improve the quality of the a-Si film by irradiation with hydrogen plasma. For example, Japanese Patent Fair 2-
That is the method disclosed in Japanese Patent No. 27824 or Japanese Patent Laid-Open No. 2-197117. However, these methods have problems that high temperature is required and that a-Si is easily crystallized.

【0007】これらとは異なる発想として、Journal of
Non-Crystalline Solids 第114巻145頁(198
9)や新素材21世紀フォ−ラム材料連合フォ−ラム総
合シンポジア予稿集(1990.2.4)あるいは応用
物理学会春季講演会(1990)予稿集などに開示され
ている方法がある。これらの方法では、a−Siのネッ
トワ−クが出来る程度に厚く、そのうえ、H原子が容易
に拡散可能な程度に薄いa−Si層を堆積してから、水
素プラズマを照射するという手順を繰返し踏まなければ
ならない。その結果、確かに、a−Siの結晶化を抑制
しながら高品質のものを得ることができる。
[0007] As an idea different from these, the Journal of
Non-Crystalline Solids 114, 145 (198)
9) and new material 21st century forum material association forum comprehensive symposia proceedings (199.2.4) or the spring meeting of the Japan Society of Applied Physics (1990) proceedings. In these methods, an a-Si layer is deposited thick enough to form an a-Si network and H-atoms can be easily diffused, and then hydrogen plasma irradiation is repeated. I have to step on it. As a result, it is possible to obtain a high quality product while suppressing the crystallization of a-Si.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の方法では、原子状水素を生成するのにRFやマイクロ
波などの高周波プラズマを用いるため、a−Si層の堆
積に用いる高周波プラズマと上述の原子状水素を生成す
るための高周波プラズマとの間で、相互作用があった
り、上記2種のプラズマを独立に制御する必要があり、
制御が困難であるばかりでなく、プロセスの最適化が難
しいという欠点がある。すなわち、例えば、a−Si層
の成膜にRFプラズマを使い、原子状水素生成のために
マイクロ波プラズマを用いるとすると、基本的に、1つ
の真空チャンバ−の中で、この2種類のプラズマを安定
に、しかも効率良く共存させなければならないのであ
る。しかし、双方とも、個別に最適な放電圧力を選択す
ることは困難である。また、真空中へのマイクロ波投入
のためには石英ガラス、その他のマイクロ波の吸収が少
ない材料の投入窓が必要となるが、SiH4がこの投入
窓の方へ逆拡散して、窓にa−Siを堆積させてしま
い、マイクロ波の投入強度を低下させるという問題もあ
る。
However, in these methods, since high frequency plasma such as RF or microwave is used to generate atomic hydrogen, the high frequency plasma used for the deposition of the a-Si layer and the above-mentioned atoms are used. It is necessary to interact with the high-frequency plasma for generating hydrogen gas and to control the above-mentioned two types of plasma independently,
Not only is it difficult to control, but it is also difficult to optimize the process. That is, for example, if RF plasma is used for film formation of the a-Si layer and microwave plasma is used for atomic hydrogen generation, basically, these two types of plasma are stored in one vacuum chamber. Must coexist stably and efficiently. However, it is difficult for both of them to individually select the optimum discharge pressure. Further, in order to input the microwave into the vacuum, an input window made of quartz glass or other material that absorbs a small amount of microwaves is required, but SiH 4 is diffused back toward the input window, and the SiH 4 is injected into the window. There is also a problem that the a-Si is deposited and the microwave input strength is lowered.

【0009】[0009]

【本発明の目的】上記の問題を解決するために、本発明
では、真空中で原子状水素を発生させるのに、a−Si
層を生成するプラズマを安定に維持する上で、何等、障
害とならない手段を用いる、現実的なアモルファスシリ
コン薄膜の製造法を提供しようとするものである。
In order to solve the above problems, the present invention uses a-Si to generate atomic hydrogen in a vacuum.
It is intended to provide a realistic method for producing an amorphous silicon thin film, which uses any means that does not hinder the stable generation of the plasma that forms the layer.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】すなわち、本発明にお
いては、基板に対してa−Si層を堆積する膜堆積工程
と、成膜領域へ原子状水素を供給する工程とを交互に繰
返して、成膜するアモルファスシリコン薄膜の製造法に
おいて、上記原子状水素は、加熱した金属表面に水素分
子を接触することで生成するのである。
That is, in the present invention, a film deposition step of depositing an a-Si layer on a substrate and a step of supplying atomic hydrogen to a film formation region are alternately repeated, In the method for producing an amorphous silicon thin film to be formed, the atomic hydrogen is generated by bringing hydrogen molecules into contact with the heated metal surface.

【0011】[0011]

【作用】このため、a−Si層の堆積/原子状水素の供
給を交互に繰り返し、膜堆積を行う場合に、真空中で
は、常にa−Si層の堆積のためのプラズマ制御のみが
行われることになるから、プラズマを安定に、効率良
く、投入できる。
Therefore, when the deposition of the a-Si layer / the supply of atomic hydrogen is alternately repeated to deposit the film, only the plasma control for depositing the a-Si layer is always performed in vacuum. Therefore, the plasma can be supplied stably and efficiently.

【0012】[0012]

【実施例】次に、本発明の方法を実施する具体例を図1
ないし図8を参照して説明する。本発明でa−Si膜を
堆積する手順とは、その一例として図8に示すように、
一定時間tD の間、a−Si層の堆積を行った後、この
堆積したa−Si層に対して別の一定時間tA だけ原子
状水素供給をするという、一組のステップを繰返すこと
である。例えば、tD の間の堆積速度をvD とすると、
各ステップをn回繰返した後の堆積膜厚Lと、これに要
する堆積時間tT とは、単純に計算すれば次のようにな
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT Next, FIG.
It will be described with reference to FIGS. The procedure for depositing an a-Si film in the present invention is, as an example thereof, as shown in FIG.
During a predetermined time period t D, after deposition of the a-Si layer, that only atomic hydrogen supply another predetermined time t A with respect to a-Si layer in this deposition, repeating a set of steps Is. For example, let v D be the deposition rate during t D :
The deposition film thickness L after repeating each step n times and the deposition time t T required for this are as follows when simply calculated.

【0013】 L=vD ・tD ・n ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1) tT =(tD +tA )・n ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2) 従って、平均的な堆積速度VD は VD =L/tT ={tD /(tD +tA )}・vD ・・・・(3) 実際に成膜する場合には、LおよびVD は上式で求めた
値に一致するか、それより若干小さい値になる。
L = v D · t D · n (1) t T = (T D + t A ) n (2) Therefore, the average deposition rate V D is V D = L / t T = {t D / (t D + t A )} · v D ··· (3) In actual film formation, do L and V D match the values obtained by the above formula? , Which is slightly smaller than that.

【0014】なお、各ステップのtD 、vD 、tAは、
上記の最も単純な例に限定されるものではなく、例え
ば、各ステップ毎にtD 、vD 、tA が変化しても良
く、更に、vD は一定値でなく、時間の関数であっても
よい。
Note that t D , v D , and t A at each step are
The present invention is not limited to the simplest example described above, and for example, t D , v D , and t A may change at each step, and v D is not a constant value but a function of time. May be.

【0015】さて、本発明の製造法では、tA の間、堆
積膜表面は原子状水素の照射を受ける。この間に何が起
きているかは必ずしも明らかではない。しかし、原子状
水素が堆積層の中へ或る程度拡散し、これにより、過剰
な原子状水素の引き抜きや、Siネットワ−クの組替え
(構造緩和)が促進されていると考えられる。実際問題
として、tD の間に堆積するa−Siの層の厚さl(=
D ・tD )は2原子層程度以上、例えば、10Å以
上、必要である。
In the manufacturing method of the present invention, the surface of the deposited film is irradiated with atomic hydrogen during t A. It is not always clear what is happening during this time. However, it is considered that atomic hydrogen diffuses into the deposited layer to some extent, which promotes extraction of excess atomic hydrogen and rearrangement (structural relaxation) of the Si network. In practice, the thickness of the layer of a-Si is deposited between t D l (=
v D · t D ) needs to be about 2 atomic layers or more, for example, 10 Å or more.

【0016】もし、新しく堆積した層が1原子層程度し
かないとすると、アモルファス構造を安定に保つことが
できず、原子状水素の照射により、a−Si膜は、限り
なく結晶化して行き、その程度を制御することが極めて
困難になる。この原因として考えられるのは、次のよう
なプロセスが実施されているということである。すなわ
ち、1ステップ前の原子状水素の照射によりできたa−
Si層表面の原子状水素の層が、次のステップで表面に
堆積するSi原子の表面の拡散を促進し、更に、このス
テップでSiが3次元的なネットワ−クを殆ど組めない
ために、次の原子状水素の照射のとき、a−Siネット
ワ−ク(2次元的)を保てずに、結晶化してしまうとい
うことである。
If the newly deposited layer is only about one atomic layer, the amorphous structure cannot be stably maintained, and the a-Si film is crystallized infinitely by irradiation of atomic hydrogen. It becomes extremely difficult to control the degree. The possible cause is that the following processes are being implemented. That is, a- formed by irradiation of atomic hydrogen one step before
The layer of atomic hydrogen on the surface of the Si layer promotes the diffusion of the surface of Si atoms deposited on the surface in the next step, and further, since Si can hardly form a three-dimensional network in this step, In the next irradiation with atomic hydrogen, the a-Si network (two-dimensional) cannot be maintained and the crystallization occurs.

【0017】このように、a−Si膜の成膜には、上述
の原子状水素の照射による過度のSiネットワ−クの組
替えを防ぎ、制御性の良い状態で、構造緩和を実現させ
るために、10Å以上堆積することが必要なのである。
なお、tDの間に堆積するa−Si層は、部分的にμc
−Siを含んでいてもよいが、tD の間の体積層の厚さ
が10Å以上あれば、μc−Siを含んだ構造を保存し
たまま構造緩和して行くと考えられるので、実際に、制
御不能な過度の結晶化を防ぐことができる。換言すれ
ば、a−Si膜が10Å以上の厚さに堆積されて、初め
て、原子状水素の供給を十分に行っても、制御不能な結
晶化が起こらず、望みの程度に微結晶を含んだアモルフ
ァス構造のままの構造緩和を図ることができる。
As described above, in forming the a-Si film, in order to prevent the excessive rearrangement of the Si network due to the irradiation of atomic hydrogen, and to realize the structural relaxation in the state of good controllability. It is necessary to deposit more than 10Å.
The a-Si layer deposited during t D is partially μc
-Si may be contained, but if the thickness of the body stacking during t D is 10 Å or more, it is considered that the structure containing μc-Si is relaxed while the structure is preserved. Uncontrollable excessive crystallization can be prevented. In other words, after the a-Si film is deposited to a thickness of 10 Å or more, uncontrolled crystallization does not occur even if the atomic hydrogen is sufficiently supplied, and microcrystals are contained to a desired degree. The structure can be relaxed while maintaining the amorphous structure.

【0018】一方、各ステップでのa−Si層の厚さが
100Å以上であると、原子状水素の供給をいくら行っ
ても、構造緩和が進まなくなる。このような構造緩和の
程度は、a−Si膜中の水素濃度の減少およびラマンス
ペクトルの480cm-1のピ−ク半値幅の減少により確
かめることができる。従って、tD の間に堆積するa−
Si層の厚さは、100Å以下、好ましくは50Å以下
であることが必要である。なお、tA を十分に長く、例
えば、60sec程度にすると、スピン密度をあまり増
加させずに、a−Si膜中の水素濃度を5%またはそれ
以下にまで低下させることができる。このようなa−S
i膜は電気伝導度に光劣化の効果が現われず、正孔の易
動度が高くなり、デバイス特性が向上する利点がある。
また、特に、基板温度を低くした場合に、特性の悪化が
少ないので、プラスチック基板などの低コスト基板を使
用することが出来る。
On the other hand, if the thickness of the a-Si layer in each step is 100 Å or more, the structural relaxation does not proceed no matter how much atomic hydrogen is supplied. The degree of such structural relaxation can be confirmed by the reduction of the hydrogen concentration in the a-Si film and the reduction of the peak full width at half maximum of Raman spectrum at 480 cm -1 . Therefore, a− that accumulates during t D
The thickness of the Si layer needs to be 100 Å or less, preferably 50 Å or less. If t A is sufficiently long, for example, about 60 sec, the hydrogen concentration in the a-Si film can be reduced to 5% or less without increasing the spin density so much. Such a-S
The i film has an advantage that the effect of photodegradation on the electric conductivity does not appear, the mobility of holes is increased, and the device characteristics are improved.
Further, especially when the substrate temperature is lowered, the deterioration of the characteristics is small, so that a low-cost substrate such as a plastic substrate can be used.

【0019】本発明の製造法における原子状水素の供給
法は、加熱した金属表面に水素分子を接触させるという
単純な方法である。この場合に有利な金属材料は、タン
グステン(W)やパラジウム(Pb)である。また、加
熱温度は1000℃以上が効果的で、例えば、Wの場
合、1500〜2000℃の温度で、H2 の殆ど全て
を、H+ (原子状水素)に解離する。金属表面に水素分
子を接触させる方法には種々の仕方が可能である。最も
簡単な方法は、図1および図2に示すように、灼熱した
タングステン製の細いノズル118から水素ガスを吹き
出す方法である。ここで、真空チャンバ−117内を5
0mTorr程度に保ちながら、ノズル118から水素分子
を吹き出すことは、実際上、容易なことであり、上記ノ
ズル118を通過するときに、上記水素分子は熱的に原
子状水素に解離され、基板の方向に向けられる。
The method of supplying atomic hydrogen in the production method of the present invention is a simple method of bringing hydrogen molecules into contact with a heated metal surface. In this case, an advantageous metal material is tungsten (W) or palladium (Pb). Further, it is effective that the heating temperature is 1000 ° C. or higher. For example, in the case of W, at a temperature of 1500 to 2000 ° C., almost all of H 2 is dissociated into H + (atomic hydrogen). Various methods are possible for bringing hydrogen molecules into contact with the metal surface. The simplest method is to blow out hydrogen gas from a thin nozzle 118 made of burning tungsten as shown in FIGS. Here, the inside of the vacuum chamber-117 is set to 5
It is practically easy to blow out hydrogen molecules from the nozzle 118 while keeping it at about 0 mTorr, and when passing through the nozzle 118, the hydrogen molecules are thermally dissociated into atomic hydrogen, and Is oriented.

【0020】なお、図3に示すように、原子状水素を供
給するために、ノズル301の中にタングステンワイヤ
−302を設置して、これをリ−ド線303を介して電
源304に接続し、上記ワイヤ−を灼熱しても良い。ま
た、大面積の基板に原子状水素を供給したい場合には、
図4に示すように、扁平な口を持ったノズル401を用
いてもよい。ここでは、上記ノズル401の出口に巻線
403が配置され、これがリ−ド線を介して電源404
に接続されている。原子状水素生成のためのヒ−タ−と
しては、図4に示すような巻線403の代りに、図5に
示すような、プレ−ト501をスペ−サ502を介して
重ねた構造のものを用いても良い。ここでも、上記プレ
−ト501にはリ−ド線を介して相互接続部503の個
所に、電源505が接続してある。この場合には、水素
ガスの接触面積が増して、原子状水素の生成効率が高く
なる。また、加熱したPbまたはその合金は、水素を透
過させる作用が強いので、ノズルを構成せず、図6に示
すように、Pbで構成された発熱体603から水素をし
み出させる仕方も可能である。この場合、上記発熱体6
03はノズル601内に位置し、上記ノズル601を囲
むヒ−タ−602で加熱されるようになっている。
As shown in FIG. 3, in order to supply atomic hydrogen, a tungsten wire 302 is installed in the nozzle 301, and this is connected to a power source 304 via a lead wire 303. The wire may be burnt. Also, if you want to supply atomic hydrogen to a large area substrate,
As shown in FIG. 4, a nozzle 401 having a flat mouth may be used. Here, a winding 403 is arranged at the outlet of the nozzle 401, which is connected to a power source 404 via a lead wire.
It is connected to the. As a heater for producing atomic hydrogen, instead of the winding 403 as shown in FIG. 4, a plate 501 as shown in FIG. 5 is piled up via a spacer 502. You may use the thing. Here again, a power source 505 is connected to the plate 501 at a location of the interconnection 503 via a lead wire. In this case, the contact area of hydrogen gas increases, and the atomic hydrogen production efficiency increases. Further, since heated Pb or its alloy has a strong effect of permeating hydrogen, it is also possible to exude hydrogen from the heating element 603 composed of Pb as shown in FIG. 6, without forming a nozzle. is there. In this case, the heating element 6
03 is located inside the nozzle 601, and is heated by a heater 602 surrounding the nozzle 601.

【0021】このように、原子状水素を供給するのに、
上述のような仕方を実施すれば、プラズマを使用しない
ので、原子状水素の供給条件を、a−Si膜の成膜条件
とは別に、独立して制御できる。ここでは、制御パラメ
−タがノズル温度と水素ガスの流量だけであるから、極
めて簡単に制御できる。また、成膜室117(真空チャ
ンバ−)内の圧力は、排気系のコンダクタンス調整弁を
用いれば、水素ガス流量とは別に、広い範囲で独立して
制御が出来る。従って、成膜工程の放電条件は、それだ
けを独立に最適化できることになる。
Thus, to supply atomic hydrogen,
If the above method is performed, plasma is not used, so that the supply conditions of atomic hydrogen can be controlled independently of the film formation conditions of the a-Si film. Here, since the control parameters are only the nozzle temperature and the flow rate of hydrogen gas, it is possible to control very easily. Further, the pressure inside the film forming chamber 117 (vacuum chamber) can be independently controlled in a wide range independently of the hydrogen gas flow rate by using a conductance adjusting valve of the exhaust system. Therefore, the discharge conditions of the film forming process can be optimized independently.

【0022】繰返される各成膜工程の間の原子状水素供
給工程では、SiH4 などの成膜ガスの供給を停止して
おくが、上記原子状水素の供給だけは持続している。こ
こでは、成膜室内の圧力をコンダクタンス調整弁により
50mTorr程度に保っておけば、成膜ガスを停止して
も、プラズマを安定に維持することは容易である。な
お、プラズマの安定化のために、Arなどを成膜ガスに
混合しても良い。また、必要があれば、原子状水素供給
工程で、プラズマをオフして、ノズルからの原子状水素
の供給だけを行うようにしてもよい。
In the atomic hydrogen supply step between the repeated film forming steps, the supply of the film forming gas such as SiH 4 is stopped, but only the above atomic hydrogen supply is continued. Here, if the pressure in the film forming chamber is maintained at about 50 mTorr by the conductance adjusting valve, it is easy to maintain the plasma stably even when the film forming gas is stopped. Note that Ar or the like may be mixed with the deposition gas in order to stabilize the plasma. If necessary, in the atomic hydrogen supplying step, plasma may be turned off and only atomic hydrogen may be supplied from the nozzle.

【0023】また、上記実施例のノズルの形状を、図7
に示すように、周囲にウォ−タジャケット706を持つ
2重筒形とし、内径の大きな部分705に位置して、そ
の発熱体702をスペ−サ703を介してノズル701
内のガス流の方向に並列配置すれば、ノズル701内の
水素ガスの流れに逆行して、成膜ガスがノズル701内
を加熱部分(発熱体)へと逆拡散することが防げるか
ら、加熱部分での成膜ガスの分解と、それに伴う加熱金
属表面へのSi堆積とを防止することができ、基板上へ
のa−Siの成膜を、極めて安定に実施できる。なお、
上記ウォ−タジャケット706を備えることで、ノズル
外側が、SiH4 などの成膜ガスの熱分解で汚損される
のを防ぐことができる。
The shape of the nozzle of the above embodiment is shown in FIG.
As shown in FIG. 7, a double cylinder having a water jacket 706 on the periphery is formed, and the heating element 702 is located at a portion 705 having a large inner diameter, and the heating element 702 is connected to the nozzle 701 via a spacer 703.
If they are arranged in parallel with each other in the direction of the gas flow inside, it is possible to prevent the film forming gas from back diffusing into the heating portion (heating element) inside the nozzle 701 against the flow of hydrogen gas inside the nozzle 701. It is possible to prevent decomposition of the film-forming gas in a portion and accompanying deposition of Si on the surface of the heated metal, and extremely stable film formation of a-Si on the substrate. In addition,
By providing the water jacket 706, it is possible to prevent the outside of the nozzle from being contaminated by the thermal decomposition of the film-forming gas such as SiH 4 .

【0024】このような製造法を実現する全体の装置を
図1に概略的に示す。ここでは、高周波電極101、1
02を持つ通常のRFプラズマCVD装置に水素供給ノ
ズル118が設置されている。そして、このノズルに
は、H2 、Arなどのガス供給系120、121、12
2などからガスが供給できるように配管されている。な
お、図中、符号120、130、140および150は
各種ガスの供給用バルブ、121、131、141およ
び151は流量コントロ−ラ、122、132、142
および152はガス供給源である。上記ノズル118
は、タングステン製で、電流を流して1500〜200
0℃に加熱される。勿論、ノズルの材料としては、T
a、Pd、Moその他の高融点材料を使用することが可
能である。しかして、水素分子(水素ガス)は、上記ノ
ズルを通過するときに、原子状水素に解離される。図2
には、上記ノズルの断面が示されている。ここで、符号
201はノズルの主要部を構成するタングステンパイ
プ、204は導線、205は交流電源である。202は
配管に対する絶縁用のセラミックパイプであり、上記パ
イプ201は上記セラミックパイプ202を介してSU
S製のガス配管203に接続されている。
An overall apparatus for realizing such a manufacturing method is schematically shown in FIG. Here, the high frequency electrodes 101, 1
A hydrogen supply nozzle 118 is installed in a normal RF plasma CVD apparatus having 02. Then, gas supply systems 120, 121, 12 such as H 2 and Ar are supplied to this nozzle.
It is arranged so that gas can be supplied from 2 or the like. In the figure, reference numerals 120, 130, 140 and 150 are various gas supply valves, 121, 131, 141 and 151 are flow rate controllers, 122, 132 and 142.
And 152 are gas supply sources. The nozzle 118
Is made of tungsten, and current is applied to it from 1500 to 200
Heat to 0 ° C. Of course, the nozzle material is T
It is possible to use high melting point materials such as a, Pd, and Mo. Then, hydrogen molecules (hydrogen gas) are dissociated into atomic hydrogen when passing through the nozzle. Figure 2
Shows the cross section of the nozzle. Here, reference numeral 201 is a tungsten pipe forming a main part of the nozzle, 204 is a conducting wire, and 205 is an AC power source. Reference numeral 202 denotes a ceramic pipe for insulating pipes, and the pipe 201 is connected to the SU via the ceramic pipe 202.
It is connected to the S gas pipe 203.

【0025】また、成膜ガス供給系160、161、1
62などは、配管112、113を通り、切替えバルブ
116を介して真空チャンバ−117に成膜ガスを供給
できるようになっている。なお、図中、符号160、1
70、180、190および210は各種ガス供給用の
バルブ、161、171、181、191および211
は流量コントロ−ラ、162、172、182、192
および212はガス供給源である。そして、上記切替え
バルブ116は、排気ライン114および排気トラップ
115へとガスの切替えが出来るようになっている。
Further, the film forming gas supply systems 160, 161, 1
62 and the like can supply the film forming gas to the vacuum chamber 117 through the switching valves 116 through the pipes 112 and 113. In the figure, reference numerals 160 and 1
70, 180, 190 and 210 are valves for supplying various gases, 161, 171, 181, 191 and 211.
Is a flow controller, 162, 172, 182, 192
And 212 are gas supply sources. Then, the switching valve 116 can switch the gas to the exhaust line 114 and the exhaust trap 115.

【0026】上記成膜室(真空チャンバ−)117は、
高周波電極101の内部に基板Aを加熱するヒ−タ−1
03を備え、伝熱で、基板を加熱するようになってい
る。なお、図中、符号104はヒ−タ−103のための
リ−ド線、105は接地リ−ド、106はプラズマ制御
のためのマッチングボックス、107は高周波電源、1
08は排気ダクト、109は真空ポンプである。
The film forming chamber (vacuum chamber) 117 is
Heater-1 for heating the substrate A inside the high frequency electrode 101
03 is provided, and the substrate is heated by heat transfer. In the figure, reference numeral 104 is a lead wire for the heater 103, 105 is a ground lead, 106 is a matching box for plasma control, 107 is a high frequency power supply,
Reference numeral 08 is an exhaust duct, and 109 is a vacuum pump.

【0027】このような構成の装置を用いて、本発明の
a−Si膜製造法を実施した具体例について、以下に説
明する。先ず、電極101に基板Aを取付け、上記成膜
室117内を10-7Torr台まで減圧し、次にヒ−タ−1
03に通電して基板Aを280℃まで加熱する。次にH
2 ガスをガス供給系120、121、122から、ま
た、Arガスをガス供給系130、131、132から
成膜室117へ供給し、室内の圧力を50mTorrに調整
する。一方、ノズル118では、このノズルを1800
℃まで加熱し、Arガスとともに、ここを流れて成膜室
に入るH2 ガスを熱解離し、原子状水素などにする。更
に、電極102には13.56MHZ のRFを印加し、
電極101および102間でプラズマを発生させる。こ
の時、マッチングボックス106の働きで、プラズマを
安定に維持する。そして、ガス供給系160、161、
162よりSiH4 ガスを流し始める。当初は、上記ガ
スを排気ライン114に向けているが、ガス流が安定し
た段階で、切替えバルブ116を働かせ、上記ガスを成
膜室117に導入し、既に発生しているプラズマを用い
て、成膜工程に入る。この場合、図8に示すように、上
記バルブ116の切替えで、SiH4 ガスの供給を断続
し、a−Si膜の成膜工程と、原子状水素の供給工程と
を交互に繰返すのである。そして、例えば、上記a−S
i膜の各成膜工程毎に、20Åの厚さにa−Si層を堆
積する。また、この間の原子状水素の供給工程を、例え
ば、60secの間、持続する。なお、SiH4 を流す
ときの成膜室の圧力は0.1Torrである。
A specific example of carrying out the a-Si film manufacturing method of the present invention using the apparatus having such a structure will be described below. First, the substrate A is attached to the electrode 101, the pressure inside the film forming chamber 117 is reduced to the level of 10 −7 Torr, and then the heater-1 is used.
03 is energized to heat the substrate A to 280 ° C. Then H
2 gas is supplied from the gas supply systems 120, 121 and 122 and Ar gas is supplied from the gas supply systems 130, 131 and 132 to the film forming chamber 117, and the pressure in the chamber is adjusted to 50 mTorr. On the other hand, in the nozzle 118, this nozzle is set to 1800
The mixture is heated to 0 ° C., and the H 2 gas flowing through the Ar gas and flowing into the film forming chamber is thermally dissociated into atomic hydrogen or the like. Furthermore, the electrode 102 by applying a RF of 13.56MH Z,
A plasma is generated between the electrodes 101 and 102. At this time, the matching box 106 works to keep the plasma stable. Then, the gas supply systems 160, 161,
Starting to flow SiH 4 gas from 162. Initially, the gas is directed to the exhaust line 114, but when the gas flow becomes stable, the switching valve 116 is activated to introduce the gas into the film forming chamber 117 and use the plasma that has already been generated. Enter the film forming process. In this case, as shown in FIG. 8, by switching the valve 116, the supply of SiH 4 gas is interrupted, and the step of forming the a-Si film and the step of supplying atomic hydrogen are alternately repeated. And, for example, the above aS
An a-Si layer is deposited to a thickness of 20Å for each film forming step of the i film. The atomic hydrogen supply process during this period is continued for, for example, 60 seconds. The pressure in the film forming chamber when SiH 4 was flown was 0.1 Torr.

【0028】このようにして製造されたa−Si半導体
薄膜(膜厚5000Å)は、実際の試験結果に依れば、
膜中水素濃度で、約6at%である。この数値結果は、ノ
ズルからの原子状水素の供給を行わず、連続的に成膜し
た通常の場合の約半分であった。また、従来の光電流の
光照射による劣化特性の低下も、本発明では少なく、連
続成膜の場合の約1/5程度である。
The a-Si semiconductor thin film (thickness 5000 Å) manufactured in this way is, according to the actual test results,
The hydrogen concentration in the film is about 6 at%. This numerical result was about half of the normal case where continuous film formation was performed without supplying atomic hydrogen from the nozzle. Further, the deterioration of the deterioration characteristics due to the conventional photocurrent irradiation is small in the present invention, which is about 1/5 of that in the case of continuous film formation.

【0029】次に、図3に示すようなノズルを用いて、
上述の装置により、a−Si膜の製造をする場合につい
て説明する。各ステップはほぼ上述の実施例と同じであ
るが、ヒ−タ−による基板Aの加熱温度を340℃に設
定し、成膜室117内の圧力を50mTorrに合せる点な
どが相違する。ここでも、高周波電極102には13.
56MHZ のRFを印加するが、成膜室117にSiH
4 ガスが流されないうちは、電極間でグロ−放電は起き
ない。そして、基板A表面には上記ノズル118から原
子状水素が供給されている。バルブ116の切替え動作
で、SiH4 ガスが成膜室117内に導入され、内圧が
40mTorrになると、グロ−放電が起こり、基板Aの表
面にa−Si膜の堆積がなされる。20secの膜堆積
の後、SiH4 ガスの供給を停止すると、成膜室117
内の圧力が低下し、グロ−放電が停止する。この状態で
ノズル118からの原子状水素の供給を60sec継続
する。これを繰返して、所要厚さのa−Si膜の堆積を
達成するのである。
Next, using a nozzle as shown in FIG.
A case of manufacturing an a-Si film by the above-mentioned apparatus will be described. Each step is almost the same as the above-mentioned embodiment, except that the heating temperature of the substrate A by the heater is set to 340 ° C. and the pressure in the film forming chamber 117 is adjusted to 50 mTorr. Here again, the high-frequency electrode 102 has 13.
Applying an RF of 56MH Z is, SiH the film forming chamber 117
No glow discharge occurs between the electrodes while the gas is not flowing. Atomic hydrogen is supplied to the surface of the substrate A from the nozzle 118. When the SiH 4 gas is introduced into the film forming chamber 117 by the switching operation of the valve 116 and the internal pressure reaches 40 mTorr, glow discharge occurs and an a-Si film is deposited on the surface of the substrate A. When the supply of SiH 4 gas is stopped after the film deposition for 20 seconds, the film forming chamber 117
The internal pressure drops and the glow discharge stops. In this state, the supply of atomic hydrogen from the nozzle 118 is continued for 60 seconds. By repeating this, the deposition of the a-Si film having the required thickness is achieved.

【0030】このようにして堆積した、例えば、5μm
のa−Si膜は、水素濃度が約4at%であり、正孔のド
リフト易動度が通常のGD法によるa−Si膜の場合よ
りも約1桁、高い良好な特性を示す。
For example, 5 μm deposited in this way
The a-Si film has a hydrogen concentration of about 4 at%, and has a hole drift mobility of about one digit higher than that of the a-Si film formed by the ordinary GD method, and exhibits good characteristics.

【0031】[0031]

【発明の効果】以上の実施例で示したように、本発明の
a−Si膜の製造方法を用いることにより、従来の製造
法における問題点、例えば、原子状水素プラズマ照射に
伴う膜の結晶化や高周波プラズマの共存による安定性、
制御性の困難を回避でき、原子状水素の供給条件を、膜
堆積の条件とは切り離して、独立に制御でき、安定した
プラズマを維持できるなどの効果が得られる。その結
果、膜の光電特性、及び光劣化特性が大幅に向上し、良
好なa−Si半導体薄膜の作成が可能になった。
As shown in the above embodiments, by using the method for producing an a-Si film of the present invention, there are problems in the conventional production method, for example, film crystal accompanied by atomic hydrogen plasma irradiation. Stability and stability due to coexistence of high-frequency plasma,
It is possible to avoid the difficulty of controllability, to control the supply condition of atomic hydrogen independently of the film deposition condition, to independently control, and to maintain stable plasma. As a result, the photoelectric characteristics and photodegradation characteristics of the film were significantly improved, and a good a-Si semiconductor thin film could be produced.

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

【図1】本発明を実施するための成膜装置の一実施例の
概略図である。
FIG. 1 is a schematic view of an example of a film forming apparatus for carrying out the present invention.

【図2】本発明における原子状水素の供給手段を示す要
部概略図である。
FIG. 2 is a schematic view of a main part showing a means for supplying atomic hydrogen in the present invention.

【図3】本発明における原子状水素の供給手段を示す要
部概略図である。
FIG. 3 is a schematic view of a main part showing a means for supplying atomic hydrogen in the present invention.

【図4】本発明における原子状水素の供給手段を示す要
部概略図である。
FIG. 4 is a schematic view of a main part showing a means for supplying atomic hydrogen in the present invention.

【図5】本発明における原子状水素の供給手段を示す要
部概略図である。
FIG. 5 is a schematic view of a main part showing a means for supplying atomic hydrogen in the present invention.

【図6】本発明における原子状水素の供給手段を示す要
部概略図である。
FIG. 6 is a schematic view of a main part showing a means for supplying atomic hydrogen in the present invention.

【図7】本発明における原子状水素の供給手段を示す要
部概略図である。
FIG. 7 is a schematic view of an essential part showing a means for supplying atomic hydrogen in the present invention.

【図8】本発明における成膜のタイムチャ−トである。FIG. 8 is a time chart of film formation in the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101、102 高周波電極 103 ヒ−タ− 106 マッチングボックス 116 切替えバルブ 117 成膜室(真空チャンバ−) 118 ノズル 302 タングステンワイヤ− 403 巻線 501 プレ−ト 101, 102 high frequency electrode 103 heater 106 matching box 116 switching valve 117 film forming chamber (vacuum chamber) 118 nozzle 302 tungsten wire 403 winding 501 plate

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板に対してa−Si層を堆積する膜堆
積工程と、成膜領域へ原子状水素を供給する工程とを交
互に繰返して、成膜するアモルファスシリコン薄膜の製
造法において、上記原子状水素は、加熱した金属表面に
水素分子を接触することで生成することを特徴とするア
モルファスシリコン薄膜の製造方法。
1. A method of manufacturing an amorphous silicon thin film, wherein a film deposition step of depositing an a-Si layer on a substrate and a step of supplying atomic hydrogen to a film formation region are alternately repeated to form a film. The method for producing an amorphous silicon thin film, wherein the atomic hydrogen is generated by bringing hydrogen molecules into contact with a heated metal surface.
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