JPH0697078A - Manufacture of amorphous silicon thin film - Google Patents

Manufacture of amorphous silicon thin film

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JPH0697078A
JPH0697078A JP27079892A JP27079892A JPH0697078A JP H0697078 A JPH0697078 A JP H0697078A JP 27079892 A JP27079892 A JP 27079892A JP 27079892 A JP27079892 A JP 27079892A JP H0697078 A JPH0697078 A JP H0697078A
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sih
thin film
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千織 望月
Kazuaki Tashiro
和昭 田代
Tatsumi Shoji
辰美 庄司
Hidemasa Mizutani
英正 水谷
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Abstract

PURPOSE:To provide a manufacture of an amorphous silicon thin film used in solar battery or the like at a high quality and a low cost. CONSTITUTION:In a manufacture of an amorphous silicon thin film by a plasma CVD method using a high-frequency discharge, a silicon compound gas such as SiH4 is used as a main raw gas, and a frequency f (MHz) of a high-frequency power source 405 is 30MHz or higher, and a negative voltage is applied to a substrate side electrode 401 in order to control an ion irradiation to the surface of a substrate 402. Also, in the manufacture of the amorphous silicon thin film, a relation of the distance d (cm) between the electrodes 401 and 403 to the frequency f (MHz) of the high-frequency power source 405 is satisfied with f/d <30.

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、非晶質半導体薄膜の製
造方法に関するものであり、特に、薄膜トランジスタ
(以下TFTと略記)、薄膜トランジスタ型光センサ
ー、太陽電池、電子写真感光体等の薄膜デバイスに利用
される非晶質シリコン薄膜(以下a−Si薄膜と略記)
の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing an amorphous semiconductor thin film, and in particular, a thin film device such as a thin film transistor (hereinafter abbreviated as TFT), a thin film transistor type photosensor, a solar cell, an electrophotographic photoreceptor and the like. Amorphous silicon thin film (hereinafter referred to as a-Si thin film)
Manufacturing method.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、a−Si薄膜の堆積方法として
は、真空蒸着法、スパッタリング法、プラズマCVDや
光CVD法などの各種CVD法が提案されている。中で
も、SiH4 ガスなどの半導体ガスを用い、必要に応じ
てH2 ガスなどで希釈して、周波数13.56MHZ
のグロー放電分解により基体上に成膜を行うRFプラズ
マCVD法は、良質のa−Si薄膜が堆積できるので一
般に広く使用される様になった。この方法は、R.C.
Chittic等が始めたもので、W.E.Spear
等がこの方法によりアモルファス半導体で初めて不純物
による電気伝導のpn制御を可能にしたものであり、そ
の後大いに注目され、応用例として代表的なものは太陽
電池・光センサー・電子写真感光体などがある。このR
FプラズマCVD法によるa−Si薄膜には数10%の
水素が含まれ、この水素がa−Si薄膜の光電導性、不
純物による電気伝導度の制御などを可能にしていると考
えられている。
2. Description of the Related Art Conventionally, various CVD methods such as a vacuum vapor deposition method, a sputtering method, a plasma CVD method and a photo CVD method have been proposed as a method for depositing an a-Si thin film. Among them, a semiconductor gas such as SiH 4 gas is diluted with such as H 2 gas as required, RF plasma CVD method for forming a film on a substrate by glow discharge decomposition of a frequency 13.56MH Z is good Since the a-Si thin film can be deposited, it has become widely used. This method is described in C.
It was started by Chittic et al. E. Spear
This is the first amorphous semiconductor to enable pn control of electrical conduction by impurities by this method, and it has received a great deal of attention since then. Typical applications include solar cells, photosensors, and electrophotographic photoreceptors. . This R
It is considered that the a-Si thin film formed by the F plasma CVD method contains several 10% of hydrogen, and this hydrogen makes it possible to control the photoconductivity of the a-Si thin film and the electric conductivity by impurities. .

【0003】一方、真空蒸着法やスパッタリング法によ
り成膜された水素を含まないa−Si膜は、スピン密度
が1020cm-3程度あり、非常にダングリングボンド密
度が大きい。
On the other hand, a hydrogen-free a-Si film formed by a vacuum evaporation method or a sputtering method has a spin density of about 10 20 cm -3 and a very high dangling bond density.

【0004】この様な事より、RFプラズマCVD法に
よる水素化a−Si膜では、水素がその膜質向上に重要
な働きをしていると考えられており、特に、基板温度を
250℃前後にするとスピン密度は1016cm-3程度ま
で低下し、不純物によるpn制御も可能となる。この様
なRFプラズマCVD法によるa−Siは10%前後の
水素を含んでいることが確認され、水素がa−Si膜中
のダングリングボンドを終端して膜質を向上させたと推
定し、逆に、水素がこの様な機能をするならば、RFプ
ラズマCVD法での水素を含む反応ガスSiH4 などを
使わない真空蒸着法やスパッタリング法であっても、成
膜時に水素を供給すればダングリングボンドを減少させ
ることができるとの予想のもとに、この事実が確かめら
れ、a−Si膜におけるダングリングボンドターミネー
ターとしての水素の役割が広く認められる様になった。
From the above, it is considered that in the hydrogenated a-Si film formed by the RF plasma CVD method, hydrogen plays an important role in improving the film quality. Then, the spin density decreases to about 10 16 cm −3 , and pn control by impurities becomes possible. It was confirmed that a-Si by such RF plasma CVD method contained about 10% of hydrogen, and it was estimated that hydrogen terminated the dangling bond in the a-Si film and improved the film quality. If hydrogen has such a function, even if it is a vacuum deposition method or a sputtering method that does not use hydrogen-containing reaction gas such as SiH 4 in the RF plasma CVD method, if hydrogen is supplied at the time of film formation, it becomes dangling. This fact was confirmed with the expectation that ring bonds could be reduced, and the role of hydrogen as a dangling bond terminator in the a-Si film became widely accepted.

【0005】そして、更に、現在では種々の実験結果よ
り、SiH4 ガスを原料としたRFプラズマCVD法で
の膜成長過程は、一般に次の様な過程に分類して考えら
れている。
Further, at present, from various experimental results, the film growth process by the RF plasma CVD method using SiH 4 gas as a raw material is generally considered to be classified into the following processes.

【0006】(1)ラジカル生成過程 プラズマ内において、電子がSiH4 分子と非弾性衝突
を繰り返して種々のラジカル、イオン、原子を生成して
いく過程。膜成長の主な反応前駆体はSiH2、SiH3
ラジカルの可能性が高い。
(1) Radical generation process A process in which electrons repeatedly generate inelastic collisions with SiH 4 molecules to generate various radicals, ions, and atoms in plasma. The main reaction precursors for film growth are SiH 2 and SiH 3
The possibility of radicals is high.

【0007】(2)ラジカル輸送過程 プラズマ内で生成された中性ラジカルが、種々の2次化
学反応を、主としてSiH4 分子と起こしながら拡散に
よって基板表面へ輸送される過程。プラズマ中でのラジ
カルの生成率と、輸送過程における反応寿命から考える
と、基板表面へ到達する多くはSiH3 ラジカルである
と推定される。しかし、Si、SiH、SiH2 、の様
なラジカルの到達密度が増加する様になると、表面にお
ける反応様式の違いにより膜質の低下を招く。
(2) Radical Transport Process A process in which neutral radicals generated in plasma are transported to the substrate surface by diffusion while causing various secondary chemical reactions mainly with SiH 4 molecules. Considering the generation rate of radicals in plasma and the reaction lifetime in the transport process, it is presumed that most of the particles that reach the surface of the substrate are SiH 3 radicals. However, when the arrival density of radicals such as Si, SiH, and SiH 2 increases, the quality of the film deteriorates due to the difference in the reaction mode on the surface.

【0008】(3)表面反応過程 膜成長表面へ到達したラジカルが表面に吸着され、表面
を拡散して、安定なサイトと化学結合を作り、アモルフ
ァス・ネットワークを形成する過程。高い基板温度で水
素被覆表面であればSiH3 ラジカルは、表面拡散が十
分行われ、安定なサイトと化学結合をして高品質な膜を
得ることができる。
(3) Surface reaction process A process in which radicals reaching the film growth surface are adsorbed on the surface and diffused on the surface to form stable sites and chemical bonds to form an amorphous network. If the surface is covered with hydrogen at a high substrate temperature, SiH 3 radicals are sufficiently diffused on the surface, and chemically bond with stable sites to obtain a high quality film.

【0009】上述の成膜メカニズムに従えば、a−Si
堆積の反応前駆体であるSiH3 ラジカルを選択的に基
板表面へ拡散させ、基板表面を拡散させることにより、
高品質なa−Si膜が形成される。この時、基板表面が
水素被覆されていることが、ラジカルの表面移動性の促
進に重要であると考えられている。更に、表面反応は水
素被覆表面においてSiH3 ラジカルが表面水素を引き
抜き、そのサイトと他のSiH3 ラジカルが化学反応を
行うと考えられている。
According to the above-mentioned film forming mechanism, a-Si
By selectively diffusing SiH 3 radicals, which are reaction precursors of deposition, to the substrate surface and diffusing the substrate surface,
A high quality a-Si film is formed. At this time, it is considered that the substrate surface is covered with hydrogen, which is important for promoting the surface mobility of radicals. Furthermore, the surface reaction SiH 3 radicals abstraction surface hydrogen in the hydrogen-coated surface, the site with other SiH 3 radicals is thought to carry out the chemical reactions.

【0010】この様な考えのもとに、a−Si膜質向上
のために、成膜温度・原料ガス流量・圧力・投入電力な
どの製造条件の改良が一般に試みられたが、結局、現時
点では成膜温度には最適値が存在すること、また、成膜
速度を上げると膜質が低下すること、が確認されている
にすぎない。即ち、図1に示した様に、成膜温度にはス
ピン密度が極小となる基板温度が存在する。
Based on such an idea, in order to improve the quality of the a-Si film, attempts have generally been made to improve the manufacturing conditions such as the film forming temperature, the raw material gas flow rate, the pressure, and the input electric power. It is only confirmed that the film forming temperature has an optimum value, and that the film quality deteriorates when the film forming speed is increased. That is, as shown in FIG. 1, the film formation temperature has a substrate temperature at which the spin density is minimized.

【0011】また、成膜速度を上げると、a−Si薄膜
特性を低下させると推定されている膜内水素の増加、ダ
ングリングボンド密度の増加などが起こる。例えば、図
2に示した様に、成膜速度の増加に従い、薄膜の基本特
性である光導電率σp(S/cm)が低下する。
Further, if the film formation speed is increased, increase in hydrogen in the film, increase in dangling bond density, etc., which are presumed to deteriorate the characteristics of the a-Si thin film, occur. For example, as shown in FIG. 2, the photoconductivity σp (S / cm), which is a basic characteristic of the thin film, decreases as the film formation rate increases.

【0012】結局、このa−Si薄膜の製造方法では、
デバイス特性を維持できる成膜条件としては温度250
℃前後で成膜速度は概0.2〜2Å/sec程度となる
原料ガス流量・圧力・投入電力などであり、a−Si膜
質としては、スピン密度は1016〜1017程度、水素濃
度は10%前後である。勿論、これら物性値は最良の値
とは考えられてはいない。例えば、水素がダングリング
ボンドを終端させるために必要であるならば、水素濃度
は1%もあれば十分であるとも考えられるからである。
After all, according to this method of manufacturing an a-Si thin film,
A film forming condition capable of maintaining device characteristics is a temperature of 250.
The film forming rate is around 0.2 to 2 Å / sec at around ℃. The raw material gas flow rate, pressure, input electric power, etc. are used. As the a-Si film quality, the spin density is about 10 16 to 10 17 , and the hydrogen concentration is It is around 10%. Of course, these physical property values are not considered to be the best values. For example, if hydrogen is necessary to terminate the dangling bond, it is considered that the hydrogen concentration of 1% is sufficient.

【0013】そこで、この様なRFプラズマCVD法を
べースにして、a−Si膜質を更に改善する方法が種々
提案されている。
Therefore, various methods have been proposed for further improving the quality of the a-Si film by using such an RF plasma CVD method as a base.

【0014】最近特に注目された成膜手法の一例とし
て、応用物理第59巻(1990)P1618において
東工大の清水らが報告している化学アニーリング法があ
る。これはa−Si膜の光劣化などはSi網目構造の不
均質性によるものと考え、Si網目構造を緻密化するこ
とで構造の安定化を試みようとするものである。その方
法は、膜成長表面での水素脱離を伴う構造形成過程の制
御を目指し、Siと化学的相互作用の強い原子状水素を
供給することにより達成される。原子状水素はマイクロ
波プラズマで多量に生成し、堆積部分に搬送する。Si
4 は通常のRFグロー放電で分解し、基板上に堆積を
行うが、SiH4 供給時間(T1 秒)を制御し、この膜
堆積と堆積膜表面の原子状水素処理(T2 秒)を繰り返
し行うものである。この様な堆積表面処理を繰り返し行
うとa−Si膜内水素量が1%程度に減少するというも
のである。その結果、キャリア移動度や光劣化などの改
善が確認されている。
As an example of a film forming technique which has recently received special attention, there is a chemical annealing method reported by Shimizu et al. Of Tokyo Institute of Technology in Applied Physics Volume 59 (1990) P1618. It is considered that this is because the photodegradation of the a-Si film is caused by the nonuniformity of the Si network structure, and attempts to stabilize the structure by densifying the Si network structure. The method aims at controlling the structure formation process involving hydrogen desorption on the film growth surface, and is achieved by supplying atomic hydrogen having a strong chemical interaction with Si. A large amount of atomic hydrogen is generated by microwave plasma and is transported to the deposition part. Si
H 4 is decomposed by a normal RF glow discharge and deposited on the substrate, but the SiH 4 supply time (T 1 second) is controlled, and this film deposition and atomic hydrogen treatment on the surface of the deposited film (T 2 seconds). Is repeated. By repeating such deposition surface treatment, the amount of hydrogen in the a-Si film is reduced to about 1%. As a result, improvements in carrier mobility and photodegradation have been confirmed.

【0015】しかしながら、本発明者らは、異なる考え
にもとづいて上述の様な複雑な装置構造や複雑な成膜条
件を用いることなく、高品質膜を作成できる手法を発明
したものである。具体的には、本発明者らは先にVHF
成膜法の中でも特に最適な範囲を特願平4−10021
9にて出願しており、今回は更に改良を加えたものであ
る。
However, the inventors of the present invention have invented a method of forming a high quality film based on a different idea, without using the complicated apparatus structure and the complicated film forming conditions as described above. Specifically, the present inventors have previously proposed VHF.
The most suitable range among the film forming methods is disclosed in Japanese Patent Application No. 4-10021.
The application was filed in No. 9, and this time it has been improved.

【0016】VHF成膜法に関連した検討例は、現在ま
で種々報告されている。
Various investigation examples relating to the VHF film formation method have been reported until now.

【0017】まず、90年秋、91年春の応用物理学関
係連合講演会(28p−MF−14、28p−S−4)
では東工大の小田等が周波数144MHzの高周波で放
電を行い、a−Si膜を作成して評価している。
First, the 90th Fall and the 1991 Spring Joint Lectures on Applied Physics (28p-MF-14, 28p-S-4)
Then, Oda et al. Of Tokyo Institute of Technology discharges at a high frequency of 144 MHz to form and evaluate an a-Si film.

【0018】また、周波数の効果として、周波数を上げ
ることにより成膜面に渡って空間的に均一な放電を作り
出すことができ、均一な成膜速度を実現できたことが特
開平3−64466号公報に開示されている。
Further, as an effect of frequency, by increasing the frequency, it is possible to create a spatially uniform discharge over the film formation surface, and to realize a uniform film formation rate. JP-A-3-64466 It is disclosed in the official gazette.

【0019】また、特開平2−225674号公報で
は、周波数1KHzから100MHzの記述がある。
Further, Japanese Patent Laid-Open No. 2-225674 describes a frequency of 1 KHz to 100 MHz.

【0020】また、米国特許第4933203号ではV
HF帯の高周波を用いて、薄膜の検討を行い、周波数と
電極間距離との関係を最適化している。
Further, in US Pat. No. 4,933,203, V
A thin film is investigated using a high frequency in the HF band, and the relationship between the frequency and the distance between electrodes is optimized.

【0021】この様にVHFに関連した報告は多いが、
単純に周波数をVHF帯に上げて実験している例も多
い。
Although there are many reports relating to VHF as described above,
In many cases, the experiment is simply performed by raising the frequency to the VHF band.

【0022】[0022]

【発明が解決しようとしている課題】最近の技術発展に
伴って、TFT型液晶テレビ、光センサー、太陽電池、
電子写真感光ドラム等の薄膜デバイスに利用されるa−
Si薄膜の高品質化が求められているが、従来の様に、
13.56MHzのRF放電を利用したa−Si薄膜に
は次の様な問題が依然としてある。
With the recent technological development, TFT type liquid crystal televisions, optical sensors, solar cells,
A- used in thin film devices such as electrophotographic photosensitive drums
High quality Si thin films are required, but as in the past,
The a-Si thin film using 13.56 MHz RF discharge still has the following problems.

【0023】(1)薄膜の基本特性に対する問題点 a.光導電率が小さい 従来のRFグロー放電によるa−Si膜では、ダングリ
ングボンド密度は1015cm-3程度存在し、現在のとこ
ろ、これ以下に下げることは難しい。この改善により光
導電率の向上が期待できる。
(1) Problems concerning basic characteristics of thin film a. In the conventional a-Si film having a small photoconductivity by the RF glow discharge, the dangling bond density is about 10 15 cm −3 , and it is difficult to reduce the density below this value. This improvement can be expected to improve the photoconductivity.

【0024】b.光劣化が大きい 従来のa−Siで問題になっている光導電率の光劣化
は、その原因が完全に解明されていないが、水素がSi
に結合することによるウィークボンドによると考えられ
ている。従って、水素を減少すれば光劣化を改善できる
可能性がある。従来のGD法では数10%程度の水素を
含んでいる。
B. Photodegradation is large The problem of photodegradation of photoconductivity, which has been a problem in conventional a-Si, has not been completely clarified.
It is believed to be due to a weak bond by bonding to. Therefore, there is a possibility that photo-deterioration can be improved by reducing hydrogen. The conventional GD method contains about several tens of percent of hydrogen.

【0025】c.キャリア移動度が小さい 水素濃度を下げることにより、キャリア移動度が上がる
可能性がある。従来のa−Si膜の欠点であるデバイス
の高速化が可能となる。
C. Carrier mobility is low By decreasing the hydrogen concentration, carrier mobility may increase. It is possible to speed up the device, which is a drawback of the conventional a-Si film.

【0026】(2)価格に対する問題点 薄膜デバイスに利用できる高品位な膜は、成膜速度が小
さいため生産能力が上がらず価格の低減が困難である。
(2) Problems with Price High-quality films that can be used in thin-film devices have a low film-forming rate, and their production capacity does not increase, making it difficult to reduce the cost.

【0027】つまり、a−Si薄膜の基本特性を向上さ
せ、同時に低価格、即ち、高速成膜の実現は、依然とし
て解決すべき大きな課題である。
In other words, improving the basic characteristics of the a-Si thin film and at the same time realizing low cost, that is, high-speed film formation are still major problems to be solved.

【0028】[0028]

【課題を解決するための手段及び作用】本発明によれ
ば、プラズマCVD法において、珪素化合物を主原料ガ
スとして、高周波電源の周波数fを30MHz以上、望
ましくは、50MHz以上100MHz以下に規定し、
基板表面へのイオン照射が制御される様に、基板側電極
に負電圧を印加することにより、薄膜特性を改善して高
速成膜が可能となるものである。
According to the present invention, in the plasma CVD method, the frequency f of the high frequency power source is specified to be 30 MHz or higher, preferably 50 MHz or higher and 100 MHz or lower, using a silicon compound as a main raw material gas.
By applying a negative voltage to the substrate-side electrode so that the irradiation of ions on the substrate surface is controlled, the thin film characteristics are improved and high-speed film formation becomes possible.

【0029】従来の考え方に従えば、先述の様に、表面
被覆水素が単純にa−Si膜中のダングリングボンドを
終端していることによって膜質が向上しているのであれ
ば、低い基板温度では水素の吸着は十分行われるのでダ
ングリングボンド密度は低いはずである。しかし、実際
は予想に反してダングリングボンド密度は増加する。
According to the conventional concept, as described above, if the film quality is improved by simply terminating the dangling bonds in the a-Si film by the surface coating hydrogen, the low substrate temperature is used. Since hydrogen is sufficiently adsorbed, the dangling bond density should be low. However, the dangling bond density actually increases unexpectedly.

【0030】この原因を本発明者等は次の様に考えた。
即ち、表面被覆水素の役割は直接ダングリングボンドを
終端することではなく、あくまでも反応前駆体であるS
iH3 ラジカルの表面移動性を高める役割を果している
のであって、この表面移動性が促進されるために、その
結果としてダングリングボンドが減少すると考えれば、
上述の低い基板温度でダングリングボンド密度が高くな
る原因は、基板温度が低いために、基板表面は水素が被
覆されているにもかかわらず、反応前駆体の表面移動性
が低いことにあると推定できる。
The present inventors considered the cause as follows.
That is, the role of the surface-covering hydrogen is not to directly terminate the dangling bond, but it is merely the reaction precursor S.
It plays a role of enhancing the surface mobility of iH 3 radicals, and since the surface mobility is promoted, it is considered that the dangling bonds are reduced as a result.
The reason why the dangling bond density becomes high at the low substrate temperature described above is that the surface mobility of the reaction precursor is low even though the substrate surface is covered with hydrogen because the substrate temperature is low. Can be estimated.

【0031】本発明者等は、上述の様な考えに従い、高
品質のa−Si薄膜を作成するためには、SiH3 ラジ
カルの表面移動性を高めることが重要であるという認識
から、具体的に次の様な指針を得た。
According to the above-mentioned idea, the present inventors have recognized that it is important to enhance the surface mobility of SiH 3 radicals in order to produce a high quality a-Si thin film. I got the following guidelines.

【0032】先ず第1に、ダングリングボンドを終端す
るためにはSiH3 ラジカルの表面移動性を上げるこ
と、更に第2に、基板に到達吸着するSiH3 ラジカル
を増加させることが必要であると考えた。以下に上述の
結論に到達した根拠を具体的に述べる。
[0032] First, to terminate the dangling bonds to increase the surface mobility of SiH 3 radicals, further to the second, and the SiH 3 radicals that reach adsorbed on the substrate it is necessary to increase Thought. The grounds for reaching the above conclusion will be specifically described below.

【0033】基板表面では、常に水素の吸着・脱離が行
われていると考える。a−Si膜中のダングリングボン
ドは表面水素が脱離し、それが水素またはSiH3 ラジ
カルでターミネートされずに残った場合に生成されると
考える。
It is considered that hydrogen is always adsorbed and desorbed on the surface of the substrate. It is considered that the dangling bonds in the a-Si film are generated when surface hydrogen is desorbed and remains without being terminated by hydrogen or SiH 3 radicals.

【0034】 1)表面状態 σ−SiH → σ−Si + (1/2)H2 (1) σ−SiH ← σ−Si + (1/2)H2 (2) ここで、σは基板表面のSi活性点である。基板温度が
低温である場合には2)式が支配的に進行し、高温であ
る場合には1)式が支配的に進行する。大まかに言え
ば、基板温度が300℃以下の低温では成膜表面は水素
被覆された表面であり、300℃以上の高温では成膜表
面はダングリングボンドがでている表面である。この状
態を間接的ではあるが良く表わしている例として、成膜
速度と基板温度の関係が挙げられる。それは、基板温度
が300℃以上となると基板温度の上昇と共に成膜速度
が増加する。逆に、300℃以下では基板温度によらず
成膜速度は一定となる。これは基板温度が300℃以下
では成膜表面は一定の表面と推定できる。一般には、表
面は水素で覆われており、SiH3 ラジカルは一旦水素
を引き抜き、別なSiH3 ラジカルと反応する2分子反
応である。一方、300℃以上では基板温度の上昇と共
に成膜表面の状態が変化していることを示している。つ
まり表面の水素が剥れSiH3 ラジカルがそこで反応す
ると考えると、水素がより剥れることにより成膜速度は
増加する。
1) Surface state σ-SiH → σ-Si + (1/2) H 2 (1) σ-SiH ← σ-Si + (1/2) H 2 (2) where σ is the substrate surface Is the Si active point. When the substrate temperature is low, the equation 2) predominantly progresses, and when the substrate temperature is high, the equation 1) predominantly progresses. Roughly speaking, at a low substrate temperature of 300 ° C. or lower, the film forming surface is a hydrogen-covered surface, and at a high temperature of 300 ° C. or more, the film forming surface is a surface with dangling bonds. As an example that represents this state indirectly but well, there is a relationship between the film formation rate and the substrate temperature. That is, when the substrate temperature is 300 ° C. or higher, the film formation rate increases as the substrate temperature rises. On the contrary, at 300 ° C. or lower, the film formation rate becomes constant regardless of the substrate temperature. It can be estimated that the film-forming surface is a constant surface when the substrate temperature is 300 ° C. or lower. Generally, the surface is covered with hydrogen, and the SiH 3 radical is a bimolecular reaction in which hydrogen is once extracted and then reacted with another SiH 3 radical. On the other hand, when the temperature is 300 ° C. or higher, the state of the film formation surface changes with the rise of the substrate temperature. That is, considering that hydrogen on the surface is peeled off and SiH 3 radicals react there, the film formation rate is increased by more peeled hydrogen.

【0035】次に、プラズマ内で作成されたSiH3
ジカルは基板表面を拡散して活性点と反応すると考え
る。
Next, it is considered that the SiH 3 radicals generated in the plasma diffuse on the surface of the substrate and react with the active points.

【0036】 2)表面反応 σ−SiH+SiH3(act) → σ−SiH3 +(1/2)H2 (3) σ−Si +SiH3(act) → σ−SiH3 (4) ここで、3)、4)式内でのSiH3 (act) は基板表面
の活性点と反応できる状態にあるSiH3 ラジカル、即
ち、表面に吸着されており、拡散によりその活性点へ移
行できる反応性の高いラジカルと考える。ここで、2)
式で表されるダングリングボンドを4)式の反応で終端
するためには、SiH3(act)を増加させることが必要で
あることがわかる。つまり、SiH3 ラジカルを大量に
基板へ拡散させ、更に、基板表面へ吸着したSiH3
ジカルを活性化させることである。2)式は単に膜中水
素を増加するのみである。
2) Surface reaction σ-SiH + SiH 3 (act) → σ-SiH 3 + (1/2) H 2 (3) σ-Si + SiH 3 (act) → σ-SiH 3 (4) where 3 ), 4) SiH 3 (act) is a SiH 3 radical that is in a state capable of reacting with an active point on the substrate surface, that is, is adsorbed on the surface and has a high reactivity that can be transferred to the active point by diffusion. Think of it as a radical. Where 2)
It can be seen that it is necessary to increase SiH 3 (act) in order to terminate the dangling bond represented by the formula by the reaction of the formula 4). That is, a large amount of SiH 3 radicals are diffused into the substrate, and further the SiH 3 radicals adsorbed on the substrate surface are activated. The equation (2) simply increases the hydrogen in the film.

【0037】本発明によれば、プラズマCVD法におい
て、珪素化合物を主原料ガスとして、SiH3 ラジカル
を増加させるために、高周波電源の周波数fを30MH
z以上、望ましくは、50MHz以上100MHz以下
に規定し、SiH3 ラジカルを成膜表面で活性化させ表
面拡散を十分行わせるための基板表面へのイオン照射が
制御される様に、基板側電極に負電圧を印加することに
より、薄膜特性を改善して高速成膜が可能となるもので
ある。
According to the present invention, in the plasma CVD method, the frequency f of the high frequency power source is set to 30 MH in order to increase SiH 3 radicals using a silicon compound as a main raw material gas.
z or more, preferably 50 MHz or more and 100 MHz or less, and the substrate-side electrode is controlled so that the ion irradiation to the substrate surface for activating SiH 3 radicals on the film-forming surface and sufficiently performing surface diffusion is controlled. By applying a negative voltage, thin film characteristics are improved and high-speed film formation becomes possible.

【0038】[0038]

【実施例】【Example】

[実施例1]本発明者等は高効率でSiH3 ラジカルを
増加させる手法としてプラズマCVDでの電源周波数に
ついて着目した。実際のモニター手法として、SiH3
ラジカル量を成膜速度とプラズマ発光分析による発光量
とにより間接的に判断した。即ち、このプラズマ発光分
析により確認できるSi* 、SiH* 、H2 *、H* の発
光ラインの中で、Si* 、SiH* の発光強度(以下そ
れぞれ[Si* ]、[SiH* ]と記す)と成膜速度
(DR)とは相関があり、また、成膜に寄与する主なラ
ジカルはSiH3 であることから間接的にSiH3 ラジ
カルの量を確認した。勿論、SiH3 ラジカルのみ増加
させなければならないので、この時のa−Si膜の膜質
が従来に比べて極端に低下しないことを前提としてい
る。何故ならば、その膜質の低下はSi、SiH2 ラジ
カルの発生に原因していると推定されるからである。
[Example 1] The present inventors have focused on the power supply frequency in plasma CVD as a method of increasing SiH 3 radicals with high efficiency. As an actual monitoring method, SiH 3
The amount of radicals was indirectly determined by the film formation rate and the amount of light emission by plasma emission analysis. That, Si *, which can be confirmed by the plasma emission spectrometry, SiH *, H 2 *, in H * light emitting line, Si *, SiH * emission intensity (hereinafter, respectively [Si *], denoted as [SiH *] ) And the film formation rate (DR) are correlated with each other, and since SiH 3 is the main radical contributing to film formation, the amount of SiH 3 radicals was indirectly confirmed. Of course, since it is necessary to increase only SiH 3 radicals, it is premised that the film quality of the a-Si film at this time is not extremely deteriorated as compared with the conventional case. This is because it is presumed that the deterioration of the film quality is caused by the generation of Si and SiH 2 radicals.

【0039】更に、本発明では、この中でSiH* (4
14nm)とH* (656nm)との発光強度の関係、
即ち、強度の大小がa−Si薄膜の品質と深く関係があ
ることが明らかになった。特に、発光強度比[H* ]/
[SiH* ]が最小値となる様な成膜条件を採用するこ
とが望ましいが、[H* ]≦[SiH* ]であれば概満
足できるa−Si薄膜を得ることができる。図3に発光
強度比[H* ]/[SiH* ]とa−Si膜質として薄
膜中の水素結合様式との関係を示す。
Further, in the present invention, among these, SiH * (4
14 nm) and the H * (656 nm) emission intensity relationship,
That is, it became clear that the magnitude of the strength is deeply related to the quality of the a-Si thin film. In particular, the emission intensity ratio [H * ] /
It is desirable to adopt a film forming condition such that [SiH * ] becomes the minimum value, but if [H * ] ≦ [SiH * ], a substantially satisfactory a-Si thin film can be obtained. FIG. 3 shows the relationship between the emission intensity ratio [H * ] / [SiH * ] and the hydrogen bonding mode in the thin film as the a-Si film quality.

【0040】一般に、a−Si薄膜における赤外吸収分
析において2000cm-1〜2100cm-1に現れる吸
収ピークは、Si−H結合の伸縮振動(2000c
-1)及び、Si−H2 結合の伸縮振動(2100cm
-1)によるものであり、2000cm-1〜2100cm
-1に表れる吸収ピークの中央値Rm(cm-1)は薄膜中
に含まれるSiH結合とSiH2 結合の比を表すものと
考えることができる。ここで、例えば、中央値Rmが2
000cm-1から2100cm-1へ移行していれば、S
iH2 結合の増加でありSiの鎖状結合、又は、環状結
合が膜中に含まれ欠陥を生成し、膜質を低下しているこ
ととなる。
[0040] In general, the absorption peak appearing in 2000cm -1 ~2100cm -1 in infrared absorption analysis in a-Si thin film, Si-H stretching vibration bond (2000c
m -1 ) and stretching vibration of Si-H 2 bond (2100 cm
-1 ), 2000 cm -1 to 2100 cm
The median value Rm (cm -1 ) of the absorption peak appearing at -1 can be considered to represent the ratio of SiH bond and SiH 2 bond contained in the thin film. Here, for example, the median value Rm is 2
If it has changed from 000 cm -1 to 2100 cm -1 , S
This is an increase in iH 2 bonds, and chain bonds or cyclic bonds of Si are contained in the film to generate defects, thus deteriorating the film quality.

【0041】つまり、図3に示す様に、発光強度比[H
* ]/[SiH* ]が増加するに従い中央値Rmも21
00cm-1側へ移行していることは、言い換えれば、発
光強度比[H* ]/[SiH* ]が増加すれば、a−S
i膜質は低下すると言える。本発明者等の見解では満足
できるa−Si膜を得るには、少なくとも[H* ]≦
[SiH* ]であることが必要であると考えている。
That is, as shown in FIG. 3, the emission intensity ratio [H
* ] / [SiH * ] increases, the median value Rm is also 21
In other words, the shift to the 00 cm −1 side means that if the emission intensity ratio [H * ] / [SiH * ] increases, then a−S
It can be said that the i film quality is deteriorated. In order to obtain a satisfactory a-Si film from the view of the present inventors, at least [H * ] ≦
We believe that it must be [SiH * ].

【0042】次に本発明の構成要素である電極間距離に
ついて述べる。図4に示されている様に電極間距離d
(cm)によっては放電周波数f(MHz)が大きいと
基板内の膜厚分布T(%)が大きくなる場合がある。本
発明者らの見解では膜厚分布は主に電極間距離に依存し
ており、電極間距離を大きくすることにより膜厚分布を
最少限に抑えることができると確認できた。本発明の種
々の成膜条件下で基板内分布T(%)が10%に納まる
関係を求めたところ、同図において電極間距離d=2
(cm)では分布が著しく大きく使用できる範囲ではな
く、電極間距離d≧3cmではf/d<30(MHz/
cm)を満たすdであれば概良好な分布を得ることがで
きると判明した。
Next, the distance between electrodes, which is a component of the present invention, will be described. As shown in FIG. 4, the inter-electrode distance d
When the discharge frequency f (MHz) is large, the film thickness distribution T (%) in the substrate may become large depending on (cm). From the view of the present inventors, it was confirmed that the film thickness distribution mainly depends on the distance between the electrodes, and the film thickness distribution can be suppressed to the minimum by increasing the distance between the electrodes. When the relationship in which the distribution T (%) within the substrate is within 10% was obtained under various film forming conditions of the present invention, the inter-electrode distance d = 2 in the figure.
(Cm) has a remarkably large distribution and cannot be used, and f / d <30 (MHz /
It was found that a good distribution can be obtained with d satisfying cm).

【0043】図5に、ある成膜条件下での電極間距離と
膜中の欠陥準位密度の関係を示す。電極間距離d≧4c
mであれば欠陥密度は減少するが、電極間距離d<4c
mでは欠陥密度は増加しているのが分かる。電極間距離
は好適には4cm以上が望ましいことが分かる。そこで
本発明の実施例では電極間距離を5cmとして検討を行
った。
FIG. 5 shows the relationship between the interelectrode distance and the defect level density in the film under certain film forming conditions. Distance between electrodes d ≧ 4c
If m, the defect density decreases, but the distance between electrodes d <4c
It can be seen that the defect density increases with m. It can be seen that the distance between the electrodes is preferably 4 cm or more. Therefore, in the examples of the present invention, the distance between the electrodes was set to 5 cm.

【0044】先ず、本実施例に用いた製造装置を図6に
示す。基本構造としては、従来の平行平板型プラズマC
VD装置と同様である。同図に示す様に、400は真空
チャンバー、401はアノード電極、402は基板、4
03はカソード電極である。420は電源端子であり、
必要に応じて基板にバイアス電圧を印加できる。また、
アノード電極401には不図示の基板過熱用ヒーターが
内蔵されている。404は整合器、405は高周波電
源、407はゲートバルブ、408はターボ分子ポン
プ、409はロータリーポンプである。410、41
1、412はマスフローコントローラーであり、不図示
のガスボンベより供給される。なお、電極面積は約30
0cm2 で電極間距離は5cmである。
First, the manufacturing apparatus used in this embodiment is shown in FIG. As a basic structure, a conventional parallel plate type plasma C
It is similar to the VD device. As shown in the figure, 400 is a vacuum chamber, 401 is an anode electrode, 402 is a substrate, 4
Reference numeral 03 is a cathode electrode. 420 is a power supply terminal,
A bias voltage can be applied to the substrate as needed. Also,
A heater for heating the substrate (not shown) is built in the anode electrode 401. 404 is a matching unit, 405 is a high frequency power source, 407 is a gate valve, 408 is a turbo molecular pump, and 409 is a rotary pump. 410, 41
Mass flow controllers 1 and 412 are supplied from a gas cylinder (not shown). The electrode area is about 30
At 0 cm 2 , the distance between the electrodes is 5 cm.

【0045】本実施例では、原料ガスとしてSiH4
希釈ガスとしてArを真空チャンバー400へ導入し
て、高周波電源405により周波数f(MHz)で放電
させた。基板過熱用ヒーターにより基板温度を250℃
とし、ここでは、本発明の説明を簡単にするために基板
バイアスは0vとした。この時、満足できるa−Si薄
膜を得るために先述の如く、発光強度の関係が[H*
≦[SiH* ]となり、望ましくは[H* ]/[SiH
* ]が最小となる圧力P(Torr)及び投入電力Pw
(W/cm2 )を選び成膜する。圧力は概0.25To
rr以上2.5Torr以下であり、投入電力は概0.
3W/cm2 以下であった。
In this embodiment, SiH 4 is used as a source gas,
Ar was introduced into the vacuum chamber 400 as a diluent gas, and was discharged at a frequency f (MHz) by the high frequency power source 405. The substrate temperature is 250 ° C by the substrate overheater
Here, the substrate bias is set to 0 v in order to simplify the description of the present invention. At this time, in order to obtain a satisfactory a-Si thin film, the relation of the emission intensity is [H * ] as described above.
≦ [SiH * ], preferably [H * ] / [SiH
* ] Is the minimum pressure P (Torr) and input power Pw
Select (W / cm 2 ) to form a film. Pressure is approximately 0.25To
rr or more and 2.5 Torr or less, and the input power is approximately 0.
It was 3 W / cm 2 or less.

【0046】図7に電源周波数fと成膜速度DRとの関
係を示す。また、この時のSiH*発光強度と成膜速度
DRとの関係を図8に示す。放電周波数を増加させるこ
とによりSiH3 ラジカルが増加すると推定でき、ま
た、SiH3 ラジカルと成膜速度との相関があることも
予想できる。ここで、放電周波数fが120MHzを越
える領域で成膜速度DRが減少しているが、これは本発
明の装置特有の問題で、実効的な投入電力が低下してい
るためと推定している。
FIG. 7 shows the relationship between the power supply frequency f and the film formation rate DR. Further, FIG. 8 shows the relationship between the SiH * emission intensity and the film formation rate DR at this time. It can be estimated that the SiH 3 radicals increase by increasing the discharge frequency, and it can be expected that there is a correlation between the SiH 3 radicals and the film formation rate. Here, the film formation rate DR decreases in the region where the discharge frequency f exceeds 120 MHz, but it is estimated that this is a problem peculiar to the apparatus of the present invention and the effective input power is decreased. .

【0047】次に、膜質との関係として、放電周波数f
と赤外吸収分析での中央値Rmとの関係を図9に示す。
また、放電周波数fとスピン密度Nsとの関係を図10
に示す。この結果によれば、放電周波数が30MHz以
上120MHz以下において膜質が向上していることが
解る。この理由として、周波数fが30MHz未満の領
域では、基板表面に入射するイオンダメージ(詳細は後
述)が大きいため、膜内のSiH2 結合の含有量が多
く、欠陥の多い膜となる。また、放電周波数fが120
MHz越える領域においても同様に、膜内のSiH2
合の含有量が多くなり膜質が低下する。それは、SiH
4 分子が高分解されSi、SiH、SiH2 ラジカルも
同時に増加したためなのか、または、後述する本発明の
ポイントでもあるが、基板表面に入射するイオンエネル
ギーが小さいためにSiH3 の表面移動性が低下したた
めなのか、現在においては不明である。
Next, as a relation with the film quality, the discharge frequency f
FIG. 9 shows the relationship between and the median value Rm in infrared absorption analysis.
FIG. 10 shows the relationship between the discharge frequency f and the spin density Ns.
Shown in. According to this result, it is understood that the film quality is improved when the discharge frequency is 30 MHz or more and 120 MHz or less. The reason for this is that in a region where the frequency f is less than 30 MHz, ion damage (details described later) incident on the substrate surface is large, so that the film contains a large amount of SiH 2 bonds and has many defects. Further, the discharge frequency f is 120
Similarly, in the region over MHz, the content of SiH 2 bonds in the film increases and the film quality deteriorates. It is SiH
This is because the four molecules are highly decomposed and Si, SiH, and SiH 2 radicals are also increased at the same time. It is also the point of the present invention described later, but since the ion energy incident on the substrate surface is small, the surface mobility of SiH 3 is It is unclear at present, probably because it has decreased.

【0048】また、光導電率σp(S/cm)と暗導電
率σd(S/cm)との比であるS/N比との周波数依
存を図11に示す。放電周波数が50MHz以上100
MHz以下であれば、光電特性の向上が期待できる。
FIG. 11 shows the frequency dependence of the S / N ratio, which is the ratio of the photoconductivity σp (S / cm) and the dark conductivity σd (S / cm). Discharge frequency is 50MHz or more 100
If it is less than or equal to MHz, improvement of photoelectric characteristics can be expected.

【0049】これらの結果により、基板バイアスVb=
0vの場合の周波数は30MHz以上120MHz以下
の範囲であれば、a−Si膜の膜質を低下させることな
く、成膜速度を増加させることができる。
From these results, the substrate bias Vb =
If the frequency in the case of 0 v is in the range of 30 MHz or more and 120 MHz or less, the film formation rate can be increased without degrading the film quality of the a-Si film.

【0050】より高品質なa−Si膜を実現するために
は、SiH3 ラジカルを増加させ、更に、基板表面での
移動度を上げる必要があると言うことを先に述べた。そ
こで、本発明者等は高品質膜に必要なSiH3 ラジカル
を増加させるために、放電周波数を30MHz以上と
し、更に、基板に負バイアスを印加して、表面に吸着し
た大量の反応性ラジカルSiH3 を活性化させ、基板表
面での移動度を上げ高品質なa−Si膜を実現すること
ができた。言い換えれば、基板に負バイアスを印加し
て、成膜表面に積極的にイオンを衝突させ、その運動エ
ネルギーによりSiH3 ラジカルを表面拡散させるので
ある。
As described above, in order to realize a higher quality a-Si film, it is necessary to increase SiH 3 radicals and further increase the mobility on the substrate surface. Therefore, the inventors of the present invention set the discharge frequency to 30 MHz or more in order to increase the SiH 3 radicals necessary for a high quality film, and further apply a negative bias to the substrate, and a large amount of reactive radical SiH 3 adsorbed on the surface. It was possible to activate 3 to increase the mobility on the substrate surface and realize a high quality a-Si film. In other words, a negative bias is applied to the substrate, ions are positively made to collide with the film formation surface, and the SiH 3 radicals are surface-diffused by the kinetic energy.

【0051】図12に本発明の30MHzから120M
Hzの各放電周波数と13.56MHzでの基板バイア
スVbと赤外吸収分析の中央値Rmとの関係を示し、図
13に、同様に基板バイアスVbとスピン密度Nsとの
関係を示した。基板バイアスVbとは電極間距離d(c
m)と印加電圧V(v)においてVb=V/d(v/c
m)と表される。ここで重要なことは、本発明の周波数
の範囲では基板バイアスには最適値があり、負のバイア
ス印加をすることにより膜質の改善が期待できるが、そ
の負の基板バイアスを大きくしすぎると逆に膜質の低下
を引き起こす。
FIG. 12 shows the invention of 30 MHz to 120M.
The relationship between each discharge frequency of Hz and the substrate bias Vb at 13.56 MHz and the median value Rm of the infrared absorption analysis is shown. Similarly, FIG. 13 shows the relationship between the substrate bias Vb and the spin density Ns. The substrate bias Vb is the distance between electrodes d (c
m) and the applied voltage V (v), Vb = V / d (v / c
m). What is important here is that the substrate bias has an optimum value in the frequency range of the present invention, and improvement of the film quality can be expected by applying a negative bias, but if the negative substrate bias is made too large, the reverse effect occurs. Cause deterioration of film quality.

【0052】ここで、最適基板バイアス電位Vcとし
て、スピン密度Nsが最も低く且つ赤外吸収分析の中央
値Rmが増加しない印加電位として、図14にそれぞれ
最適な負の基板バイアスを印加した放電周波数fとスピ
ン密度Nsとの関係を示す。
Here, as the optimum substrate bias potential Vc, an applied potential which has the lowest spin density Ns and which does not increase the median value Rm of the infrared absorption analysis is shown in FIG. The relationship between f and the spin density Ns is shown.

【0053】一方、従来の13.56MHzでは基板バ
イアスを負にするよりもむしろ正の基板バイアスを印加
する方が膜質の向上となる。これは、従来より、13.
56MHzでのRFプラズマCVD法では、一般に膜質
改善の方法として知られているものであり、同様な考え
のもとに基板とカソード間に第3の電極を設け、この電
極に正バイアスを印加する方法もある。
On the other hand, at 13.56 MHz in the related art, the film quality is improved by applying a positive substrate bias rather than making the substrate bias negative. This is because of the 13.
The RF plasma CVD method at 56 MHz is generally known as a method for improving film quality. Based on the same idea, a third electrode is provided between the substrate and the cathode, and a positive bias is applied to this electrode. There is also a method.

【0054】何故、この様に本発明の周波数帯域と従来
の13.56MHzでの最適な基板バイアスが正と負と
いったように異なるのか。その理由について述べる前
に、放電周波数による基板へのイオンダメージについて
述べる。
Why is the frequency band of the present invention different from the conventional optimum substrate bias at 13.56 MHz, such as positive and negative? Before describing the reason, the ion damage to the substrate due to the discharge frequency will be described.

【0055】基板位置に質量分析計を設置して、イオン
の入射エネルギーと入射量の分布を求めた。ここでは、
解析を単純にするためにArガスのみを導入して基板に
入射するAr+ イオンの入射エネルギーと入射量の分布
を求めた。図15に、従来より使用している13.56
MHzと本発明となる80MHzでの場合を示した。f
=80MHzにおいて平均入射エネルギーは低くなり、
且つ、エネルギー分布はシャープである。逆に、13.
56MHzは高エネルギーイオンが多く分布も悪い。本
発明者らの推定では従来の13.56MHzにおいては
まだイオンが周波数に追随して振動しており、放電周波
数の増加によりイオンは完全に停止するのではないかと
推定している。
A mass spectrometer was installed at the substrate position, and the distribution of the incident energy of ions and the distribution of the incident amount were obtained. here,
In order to simplify the analysis, only Ar gas was introduced and the distribution of the incident energy and the incident amount of Ar + ions incident on the substrate was obtained. FIG. 15 shows a conventional 13.56.
The case is shown at MHz and 80 MHz according to the present invention. f
= 80MHz, the average incident energy becomes low,
Moreover, the energy distribution is sharp. Conversely, 13.
At 56 MHz, there are many high energy ions and the distribution is bad. According to the estimation by the present inventors, at 13.56 MHz in the related art, the ions are still oscillating according to the frequency, and it is estimated that the ions may be completely stopped by the increase of the discharge frequency.

【0056】つまり、先述の図12及び図13の放電周
波数による基板バイアスの差異は、13.56MHzの
様な低周波数では基板に負バイアスを印加すると不必要
な高エネルギーイオンが入射してしまうのでむしろ基板
バイアスを正にして高エネルギーイオンの入射を防ぐ方
が良いことになる。従来よりRFプラズマCVD法の最
大の欠点と考えられている成膜面へのイオンダメージは
上述の高エネルギーイオンと予想できる。
That is, the difference between the substrate biases depending on the discharge frequencies in FIGS. 12 and 13 is that unnecessary high energy ions are incident when a negative bias is applied to the substrate at a low frequency such as 13.56 MHz. Rather, it is better to make the substrate bias positive to prevent high energy ions from entering. Ion damage to the film formation surface, which has been conventionally considered to be the greatest drawback of the RF plasma CVD method, can be expected to be the above-mentioned high-energy ions.

【0057】逆に、30MHz以上の高周波ではイオン
エネルギー分布が揃っているので制御しやすく、負の基
板バイアスにして積極的にイオンを基板に衝突させるこ
とにより、膜成長表面の反応性ラジカルであるSiH3
にエネルギーを与え、基板表面でのSiH3 ラジカルの
移動性を高める効果があると考えられるからである。し
たがって、小さ過ぎる負の基板バイアスではSiH3
ジカルの表面移動性を高めることができず、また、大き
過ぎる負の基板バイアスでは逆にイオンダメージを受け
てしまうことになる。そのため、放電周波数に依存して
スピン密度が極小値を示す最適バイアスVcが存在する
ことも理解できる。基板照射イオンは、膜内へ拡散し易
い水素やヘリウムと言った軽元素よりは、Si原子と同
程度、または、それ以上の原子量のイオンを照射するこ
とが望ましい。実際に、イオン照射により基板表面状態
がどの様に変化し、また、SiH3 ラジカルがどの様に
活性化されているのか不明であるが、本発明者らの推定
では、イオン照射により基板表面の極表面、即ち表面の
数原子層が高温状態、つまり活性化された状態になって
いる。そのため、表面から水素は脱離し、また、表面に
到達したSiH3 ラジカルは吸着しエネルギーを得て拡
散する。しかしながら、表面は反応活性であるためラジ
カルの拡散距離は短い、しかし、ラジカルは従来に比べ
て格段に多いため、表面の活性点をまんべんなくSiH
3 ラジカルを拡散させることができていると推定してい
る。
On the contrary, at a high frequency of 30 MHz or higher, the ion energy distribution is uniform, so that it is easy to control, and ions are positively made to collide with the substrate by setting a negative substrate bias, so that they are reactive radicals on the film growth surface. SiH 3
This is because it is considered that there is an effect that energy is applied to the substrate to enhance the mobility of SiH 3 radicals on the substrate surface. Therefore, if the negative substrate bias is too small, the surface mobility of SiH 3 radicals cannot be increased, and if the negative substrate bias is too large, ion damage is caused. Therefore, it can be understood that there exists an optimum bias Vc in which the spin density has a minimum value depending on the discharge frequency. It is desirable that the substrate irradiation ions are irradiated with ions having the same or higher atomic weight as Si atoms than light elements such as hydrogen and helium that easily diffuse into the film. Actually, it is unclear how the substrate surface state is changed by the ion irradiation and how the SiH 3 radicals are activated, but it is presumed by the present inventors that the ion irradiation causes the substrate surface of the substrate surface to be changed. The extreme surface, that is, several atomic layers on the surface is in a high temperature state, that is, in an activated state. Therefore, hydrogen is desorbed from the surface, and SiH 3 radicals that reach the surface are adsorbed to obtain energy and diffuse. However, since the surface is reactive, the diffusion distance of radicals is short. However, since the number of radicals is much larger than in the past, the active sites on the surface are evenly distributed over SiH.
It is estimated that 3 radicals can be diffused.

【0058】本発明のSiH3 ラジカルを高効率で増加
させることができる放電周波数、30MHz以上の範囲
では、図16に示すように、放電周波数fが増加するに
従い、最適バイアス電圧Vcは比例してマイナス側に大
きくなる。また同時に電極間距離にも依存するので、基
板側電極の印加電圧をVb(v)として、その電極間距
離d(cm)を考慮すると、0>Vb/d≧概−12
(v/cm)であれば、膜質の向上は期待できる。
In the discharge frequency range of 30 MHz or higher which can increase the SiH 3 radicals of the present invention with high efficiency, as shown in FIG. 16, the optimum bias voltage Vc is proportional to the increase of the discharge frequency f. It increases to the negative side. At the same time, since it also depends on the inter-electrode distance, when the voltage applied to the substrate-side electrode is Vb (v) and the inter-electrode distance d (cm) is considered, 0> Vb / d ≧ approximately −12
If it is (v / cm), improvement in film quality can be expected.

【0059】更に、本発明での特徴として、最適バイア
スVc下での各放電周波数fに対する膜内水素量CH
大きくは変わらないが概数%となり、従来の基板バイア
スVb=0v、f=13.56MHzでのグロー放電に
よる水素濃度CH の数10%に比べ大幅に改善できた。
更に、図17に示す様に、水素濃度CH の基板温度Ts
依存が小さいことも確認できた。同図では、本発明の一
例として放電周波数f=80MHz、基板バイアスVc
=−40vでのものと、従来例として放電周波数f=1
3.56MHz、基板バイアスVb=0vのものを示し
ている。また、図18に基板温度Tsとスピン密度Ns
との関係を示した。同様に基板温度Ts依存が小さくな
っていることがわかる。ここでの見解としては、本発明
者等の考えの様に、基板温度Tsが従来より低くても、
十分なa−Si膜質を得ることができるのは、SiH3
ラジカルの表面移動性を高めるための手段として基板バ
イアスVbが有効な手段であると更に確認できた。
Further, as a feature of the present invention, the in-film hydrogen amount C H with respect to each discharge frequency f under the optimum bias Vc does not change largely, but becomes approximately several percent, and the conventional substrate bias Vb = 0v, f = 13. The hydrogen concentration C H was greatly improved compared to several 10% of the hydrogen concentration C H by glow discharge at 0.56 MHz.
Further, as shown in FIG. 17, the substrate temperature Ts at the hydrogen concentration C H is
It was also confirmed that the dependence was small. In the figure, as an example of the present invention, the discharge frequency f = 80 MHz, the substrate bias Vc
= -40V and the discharge frequency f = 1 as a conventional example
The one with 3.56 MHz and the substrate bias Vb = 0 v is shown. 18 shows the substrate temperature Ts and the spin density Ns.
The relationship with Similarly, it can be seen that the dependence on the substrate temperature Ts is reduced. The view here is that, even if the substrate temperature Ts is lower than that of the conventional case,
It is possible to obtain a sufficient a-Si film quality by using SiH 3
It was further confirmed that the substrate bias Vb is an effective means for increasing the surface mobility of radicals.

【0060】次に、光劣化について比較した、具体的に
は、VD =10(v)で10mW/cm2 の白色光を一
定時間照射した後、暗導電率の変化を測定し比較した。
ここでは変化を初期暗導電率に対する割合で示した。図
19に示した様に本発明のa−Si膜は予想通り従来の
a−Si膜に比べて劣化が少ないことがわかる。水素濃
度及びスピン密度が小さいなどの低欠陥膜になっている
ことを示している。 [実施例2]次に、この様な成膜方法により製造された
a−Si膜を用いた電界効果型トランジスタの実施例に
ついて述べる。
Next, a comparison was made regarding photodegradation, specifically, after irradiating with white light of 10 mW / cm 2 at V D = 10 (v) for a certain period of time, changes in dark conductivity were measured and compared.
Here, the change is shown as a ratio to the initial dark conductivity. As shown in FIG. 19, it can be seen that the a-Si film of the present invention is less deteriorated than the conventional a-Si film as expected. This indicates that the film has a low defect such as a low hydrogen concentration and a low spin density. Example 2 Next, an example of a field effect transistor using an a-Si film manufactured by such a film forming method will be described.

【0061】図20は逆スタガー型TFTの断面図であ
る。絶縁性基板11上にゲート電極12が形成されてお
り、更にその上に、絶縁層13と半導体層14が積層さ
れている。半導体層14上には、オーミックコンタクト
層15を介してソース・ドレイン電極16が形成されて
いる。そして、保護膜17により被膜されている。次
に、このTFTの作製方法を図21(a)〜(d)を用
いて記す。
FIG. 20 is a sectional view of an inverted stagger type TFT. The gate electrode 12 is formed on the insulating substrate 11, and the insulating layer 13 and the semiconductor layer 14 are further stacked thereon. Source / drain electrodes 16 are formed on the semiconductor layer 14 via an ohmic contact layer 15. Then, it is covered with the protective film 17. Next, a method for manufacturing this TFT will be described with reference to FIGS.

【0062】第1に、図21(a)の様に、コーニング
製7059ガラス基板21にスパッタリング装置によ
り、Cr薄膜(約1000Å)を形成し、パターニング
してゲート電極22を形成する。
First, as shown in FIG. 21A, a Cr thin film (about 1000 Å) is formed on a Corning 7059 glass substrate 21 by a sputtering device and patterned to form a gate electrode 22.

【0063】その後、プラズマCVD装置により、ゲー
ト絶縁層23として、窒化シリコン、SiNx(約30
00Å)薄膜を成膜し、次いで、半導体層24として、
ノンドープ非晶質シリコン、i型a−Si(約6000
Å)薄膜、オーミック・コンタクト層25として、リン
ドープ微結晶シリコン、n+ 型μc−Si(約1000
Å)薄膜を同一装置で順次成膜する。
After that, as the gate insulating layer 23, silicon nitride, SiNx (about 30
00 Å) A thin film is formed, and then, as the semiconductor layer 24,
Non-doped amorphous silicon, i-type a-Si (about 6000
Å) Thin film, as ohmic contact layer 25, phosphorus-doped microcrystalline silicon, n + -type μc-Si (about 1000
Å) Thin films are sequentially formed using the same equipment.

【0064】第2に、図21(b)の様に、スパッタリ
ング装置により、Al薄膜(約1μ)を形成し、パター
ニングしてソース・ドレイン電極26を形成する。チャ
ンネル幅wとチャンネル長LはW/L=100とした。
Second, as shown in FIG. 21B, an Al thin film (about 1 μm) is formed by a sputtering apparatus and patterned to form source / drain electrodes 26. The channel width w and the channel length L were set to W / L = 100.

【0065】第3に、図21(c)の様に、リアクティ
ブ・イオン・エッチングにより、不要なn+ 型μc−S
i層をエッチングし、ギャップ部28を形成する。
Third, as shown in FIG. 21 (c), unnecessary n + type μc-S is formed by reactive ion etching.
The i layer is etched to form the gap portion 28.

【0066】第4に、図21(d)の様に、更に不要な
SiNx/i型a−Si/n+ 型μc−Si層をアイソ
レーションした後、保護膜27を堆積して、図20の薄
膜トランジスタが作成される。
Fourth, as shown in FIG. 21D, an unnecessary SiNx / i-type a-Si / n + -type μc-Si layer is further isolated, and then a protective film 27 is deposited. The thin film transistor is manufactured.

【0067】ここで、本発明のポイントとなるa−Si
薄膜の製造方法について詳細に述べる。
Here, a-Si which is the point of the present invention
The thin film manufacturing method will be described in detail.

【0068】上述の第1で述べた様に、SiNx/i型
a−Si/n+ 型μc−Si層の作成は図22に示した
様なロードロック型プラズマCVD装置により行われ
る。同図においては、SiNx/i型a−Si/n+
μc−Si層を連続成膜するための詳細な機構は不図示
である。本発明のi型a−Si層の成膜室以外は説明を
省略する。同図において、300は真空チャンバーであ
り、301は基板、302はアノード電極、303はカ
ソード電極、304は基板加熱用ヒーター、305はバ
イアス印加端子、306はマッチングボックス、307
は高周波電源、308は排気ポンプ、309及び310
は前後室の仕切り弁である。320は原料ガス導入口、
321、322、323、324はバルブ、325、3
26はマスフローコントローラーをである。
As described in the first embodiment, the SiNx / i type a-Si / n + type μc-Si layer is formed by the load lock type plasma CVD apparatus as shown in FIG. In the figure, the detailed mechanism for continuously forming the SiNx / i-type a-Si / n + -type μc-Si layer is not shown. Descriptions are omitted except for the i-type a-Si layer deposition chamber of the present invention. In the figure, 300 is a vacuum chamber, 301 is a substrate, 302 is an anode electrode, 303 is a cathode electrode, 304 is a heater for heating a substrate, 305 is a bias applying terminal, 306 is a matching box, 307.
Is a high frequency power supply, 308 is an exhaust pump, 309 and 310
Is a sluice valve for the front and rear chambers. 320 is a raw material gas inlet,
321, 322, 323, 324 are valves, 325, 3
26 is a mass flow controller.

【0069】先述の様に基板はロード室より投入され、
前室のSiNx成膜室で成膜された後搬入され、同チャ
ンバーが1*10-6Torr以下になるまで真空引きする。
次に、原料ガスSiH4 及び、Arをマスフローコント
ローラー325,326により供給し、圧力を0.5T
orrに維持し、基板加熱ヒーター304を制御して、
基板温度が300℃になるまで保持した後、高周波電源
307より、周波数を80MHz、電力0.04W/c
2 、基板バイアス−40vを印加して、i型a−Si
膜を6000Å成膜する。成膜終了後、同チャンバーを
同様に1*10-6Torr以下まで真空引きする。次に、次
室のn+ 型μc−Si成膜室へ移動し成膜し、次室のア
ンロード室より取り出す。
As described above, the substrate is loaded from the load chamber,
After the film is formed in the SiNx film forming chamber in the front chamber, it is carried in, and the chamber is evacuated to 1 * 10 -6 Torr or less.
Next, the source gas SiH 4 and Ar are supplied by the mass flow controllers 325 and 326, and the pressure is 0.5T.
Orr and maintain the substrate heater 304,
After holding until the substrate temperature reaches 300 ° C, the high frequency power supply 307 sets the frequency to 80 MHz and the power to 0.04 W / c.
m 2 and a substrate bias of −40 v are applied to the i-type a-Si
A film is formed at 6000Å. After the film formation is completed, the chamber is similarly evacuated to 1 * 10 −6 Torr or less. Next, the film is moved to the n + -type μc-Si film forming chamber in the next chamber, a film is formed, and taken out from the unloading chamber in the next chamber.

【0070】この様にして薄膜トランジスタを作製する
ことができる。本発明の一実施例として80MHzの高
周波放電を例にとったが、勿論、周波数fを変えた場合
には、投入電力Pw(W/cm2 )と圧力P(Tor
r)を変え、発光分光分析により、発光強度比[H*
/[SiH* ]が最小値となる様に設定し、最適な基板
バイアスVcを印加する。従来のf=13.56MH
z、基板バイアスVb=0vでのa−Si薄膜の電界移
動度μは0.5cm2 /Vsであるが、本発明のf=8
0MHz、基板バイアスVb=−8v/cm印加では、
1.3cm2 /Vsとなった。
A thin film transistor can be manufactured in this manner. As an example of the present invention, a high frequency discharge of 80 MHz was taken as an example. Of course, when the frequency f is changed, the input power Pw (W / cm 2 ) and the pressure P (Tor.
r) is changed, and the emission intensity ratio [H * ] is obtained by emission spectroscopy.
/ [SiH * ] is set to a minimum value, and an optimum substrate bias Vc is applied. Conventional f = 13.56 MH
The electric field mobility μ of the a-Si thin film at z and the substrate bias Vb = 0 v is 0.5 cm 2 / Vs, but f = 8 of the present invention.
With 0 MHz and substrate bias Vb = −8 v / cm applied,
It became 1.3 cm 2 / Vs.

【0071】更にこのa−Si薄膜の高品質化を表わす
結果として、図23に示した光劣化の差異がある。同図
では本発明の一例として先述のf=80MHz、Vb=
−8v/cmで作成したTFTを用いて確認した。ソー
ス・ドレイン間電圧を10v、ゲート電圧を0vにおい
て、このTFTのギャップ部550nmの500lx照
射下での光導電率の初期に対する変化を照射時間の関数
として表したものである。光劣化を格段に改善できたこ
とが理解できる。 [実施例3]本発明の他の実施例として、アノード電極
とカソード電極との間に第3の電極を設け、この電極に
負バイアスを印加させることにより、上述と同様の効果
を得ることができる。このとき本発明の構成要素である
電極間距離は第3の電極とカソード電極との距離であ
る。
Further, as a result of the higher quality of the a-Si thin film, there is a difference in photodegradation shown in FIG. In the figure, as an example of the present invention, the above-mentioned f = 80 MHz and Vb =
Confirmation was performed using a TFT prepared at −8 v / cm. The change of the photoconductivity with respect to the initial stage under the irradiation of 500 lx of the gap 550 nm of this TFT at a source-drain voltage of 10 v and a gate voltage of 0 v is expressed as a function of irradiation time. It can be understood that the photodegradation has been remarkably improved. [Embodiment 3] As another embodiment of the present invention, by providing a third electrode between the anode electrode and the cathode electrode and applying a negative bias to this electrode, the same effect as described above can be obtained. it can. At this time, the distance between the electrodes, which is a component of the present invention, is the distance between the third electrode and the cathode electrode.

【0072】[0072]

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、プ
ラズマCVDにおいて、高周波電源の周波数を30MH
z以上とし、負の基板バイアスを印加することにより、
a−Si薄膜を安価に、高品質で製造できる。特に、薄
膜トランジスタ、薄膜トランジスタ型光センサー、太陽
電池等においては、電界移動度、光電特性、信頼性など
の向上が達成できる。
As described above, according to the present invention, the frequency of the high frequency power source is 30 MHz in plasma CVD.
By setting z or more and applying a negative substrate bias,
The a-Si thin film can be manufactured inexpensively and with high quality. In particular, in thin film transistors, thin film transistor type optical sensors, solar cells, etc., improvements in electric field mobility, photoelectric characteristics, reliability, etc. can be achieved.

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

【図1】成膜温度と水素濃度及びスピン密度との関係を
示す図
FIG. 1 is a diagram showing a relationship between a film forming temperature, a hydrogen concentration, and a spin density.

【図2】成膜速度と光導電率との関係を示す図FIG. 2 is a diagram showing a relationship between a film formation rate and photoconductivity.

【図3】発光強度比と水素結合状態との関係を示す図FIG. 3 is a diagram showing a relationship between an emission intensity ratio and a hydrogen bond state.

【図4】周波数と膜厚分布との関係を示す図FIG. 4 is a diagram showing a relationship between frequency and film thickness distribution.

【図5】電極間距離と欠陥準位密度との関係を示す図FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a distance between electrodes and a defect level density.

【図6】成膜装置の概略構成図FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a film forming apparatus.

【図7】周波数と成膜速度との関係を示す図FIG. 7 is a diagram showing a relationship between frequency and film formation rate.

【図8】発光強度と成膜速度との関係を示す図FIG. 8 is a diagram showing a relationship between emission intensity and film formation rate.

【図9】周波数と水素結合状態との関係を示す図FIG. 9 is a diagram showing a relationship between frequency and hydrogen bonding state.

【図10】周波数とスピン密度との関係を示す図FIG. 10 is a diagram showing a relationship between frequency and spin density.

【図11】周波数とS/N比との関係を示す図FIG. 11 is a diagram showing a relationship between frequency and S / N ratio.

【図12】基板バイアスと水素結合状態との関係を示す
FIG. 12 is a diagram showing a relationship between a substrate bias and a hydrogen bond state.

【図13】基板バイアスとスピン密度との関係を示す図FIG. 13 is a diagram showing the relationship between substrate bias and spin density.

【図14】周波数とスピン密度との関係を示す図FIG. 14 is a diagram showing a relationship between frequency and spin density.

【図15】周波数の差異による基板入射エネルギーを示
す図
FIG. 15 is a diagram showing substrate incident energy due to a difference in frequency.

【図16】周波数と最適基板バイアスとの関係を示す図FIG. 16 is a diagram showing the relationship between frequency and optimum substrate bias.

【図17】本発明の基板温度と水素濃度との関係を示す
FIG. 17 is a graph showing the relationship between substrate temperature and hydrogen concentration according to the present invention.

【図18】本発明の基板温度とスピン密度との関係を示
す図
FIG. 18 is a graph showing the relationship between substrate temperature and spin density according to the present invention.

【図19】本発明の光劣化を示す図FIG. 19 is a diagram showing light deterioration of the present invention.

【図20】TFTの断面図FIG. 20 is a sectional view of a TFT.

【図21】TFTの製造方法を示す図FIG. 21 is a diagram showing a method of manufacturing a TFT.

【図22】連続成膜装置を示す図FIG. 22 is a view showing a continuous film forming apparatus.

【図23】本発明の光劣化を示す図FIG. 23 is a diagram showing light deterioration of the present invention.

【符合の説明】[Explanation of sign]

11、21 ガラス基板 12、22 ゲート電極 13、23 ゲート絶縁層 14、24 i型半導体層 15、25 n+ 型半導体層 16、26 ソース・ドレイン電極 17、27 保護膜 300 真空チャンバー 301 基板 302 アノード電極 303 カソード電極 304 基板加熱ヒーター 305 基板バイアス印加端子 306 マッチングボックス 307 高周波電源 308 排気ポンプ 309、310 仕切り弁 325、326 マスフローコントローラー11, 21 glass substrate 12, 22 gate electrode 13, 23 gate insulating layer 14, 24 i-type semiconductor layer 15, 25 n + type semiconductor layer 16, 26 source / drain electrode 17, 27 protective film 300 vacuum chamber 301 substrate 302 anode Electrode 303 Cathode electrode 304 Substrate heating heater 305 Substrate bias application terminal 306 Matching box 307 High frequency power source 308 Exhaust pumps 309, 310 Gate valves 325, 326 Mass flow controller

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 水谷 英正 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued Front Page (72) Inventor Hidemasa Mizutani 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Inc.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 高周波放電を利用したプラズマCVD法
による非晶質シリコン薄膜の製造方法において、 珪素化合物ガスを主原料ガスとして、高周波電源の周波
数f(MHz)が30MHz以上であり、かつ基板表面
へのイオン照射が制御される様に、基板側電極に該基板
表面が負電位になる電圧を印加したことを特徴とした非
晶質シリコン薄膜の製造方法。
1. A method for producing an amorphous silicon thin film by a plasma CVD method using a high frequency discharge, wherein a frequency f (MHz) of a high frequency power source is 30 MHz or more, with a silicon compound gas as a main raw material gas, and a substrate surface. A method for producing an amorphous silicon thin film, characterized in that a voltage at which the substrate surface has a negative potential is applied to the substrate-side electrode so that ion irradiation to the substrate is controlled.
【請求項2】 前記プラズマCVD法において、電極間
距離d(cm)と、前記高周波電源の周波数f(MH
z)との関係が、f/d<30を満たすことを特徴とし
た請求項1記載の非晶質シリコン薄膜の製造方法。
2. In the plasma CVD method, an inter-electrode distance d (cm) and a frequency f (MH) of the high frequency power source.
The method for producing an amorphous silicon thin film according to claim 1, wherein the relationship with z) satisfies f / d <30.
【請求項3】 前記プラズマCVD法において、電極間
距離d(cm)と、前記基板側電極の印加電圧Vb
(v)との関係が、Vb/d≧−12(v/cm)であ
ることを特徴とした請求項1記載の非晶質シリコン薄膜
の製造方法。
3. A distance d (cm) between electrodes and a voltage Vb applied to the substrate-side electrode in the plasma CVD method.
The method for producing an amorphous silicon thin film according to claim 1, wherein the relationship with (v) is Vb / d ≧ −12 (v / cm).
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