JPH0831420B2

JPH0831420B2 - 被膜作製装置

Info

Publication number: JPH0831420B2
Application number: JP4103746A
Authority: JP
Inventors: 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1992-03-30
Filing date: 1992-03-30
Publication date: 1996-03-27
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: JPH05144754A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明はグロ−またはア−ク放電を利用し
たプラズマ気相法(PCVD と以下いう) により、安定して
再現性のよい半導体装置を多量に作製するための製造装
置に関する。本発明はPCVD装置に対し、反応系に関して
はプラズマ気相法における反応性気体が導入される反応
筒内には電極その他のジグを設けず、被形成面を有する
基板とその基板ホルダ( 例えば石英製のボ−ト）のみを
導入し、反応性気体がラミナフロ−（層流）とせしめる
ことにより、被膜厚を均一とし、さらに膜質もバッチ
内、バッチ間でバラツキの少ない半導体膜を形成させる
ための製造装置に関する。一般にPCVD装置において、特
に反応力の強い珪素を主成分とする反応性気体であるシ
ランまたは珪素のハロゲン化物気体を用いる場合、反応
筒、例えば石英ガラス管の内壁およびホルダに吸着した
酸素（空気）および水分が珪化物気体と反応して、酸化
珪素（低級酸化珪素）を作り、半導体としての導電性を
悪くしていた。

【０００２】本発明はかかる酸素、水分の反応炉への導
入を防止するため、この反応筒に連結して基板および基
板ホルダを保持または移動する機構を有する室を設け、
その生産性の向上および特性の再現性の向上に務めた製
造装置に関する。さらに本発明はプラズマ放電電界が基
板表面に平行に（そって）印加されるように電極を具備
せしめ、活性の反応性生成物が被形成表面に垂直方向に
衝突して形成された半導体膜の特性を劣化させてしまう
ことを防いでいることを他の目的としている。この被形
成面上へのスパッタ（損傷）の防止は、例えば、被形成
面上にＰ型半導体層を設け、その上面にＩ型（真性また
は実質的に真性）の半導体層を作製しようとする時、Ｐ
型を構成する不純物が10¹⁷〜10¹⁸cm^-3の濃度にＩ層に混
入してしまい、ＰＩ接合を劣化させてしまう。本発明は
かかる欠点を防ぐために示されたものである。さらに本
発明は前記した反応系よりなる第１の反応系と、これに
連結して第１の室を設け、この第１の室に連結して第２
の室を設け、さらにこの第２の室に連結した第１の反応
系と同様の第２の反応系を設けた製造装置に関する。か
かる製造装置においては、まず第１の室にて真空引きさ
れ、酸素、水分が除去された雰囲気にて第１の反応炉に
基板およびホルダが移動機構により挿入され、この反応
炉にてー導電型例えばＰ型の導電型を有する半導体が形
成された。さらにこの半導体が形成された基板を再び第
１の室に引き出し、さらにこれに連結した第２の室へ同
様に酸素、水分の全くない真空中にて移動される。さら
にこの第２の室より第２の反応炉に基板およびホルダに
導入させ、第１の室とは異なる導電型または異なる添加
物またはその異なる濃度（不純物または添加物）にて第
２の半導体層を第１の半導体層上に形成させることがで
きる。

【０００３】この際、第１の反応炉の内壁に付着した不
純物が全く第２の半導体層を形成させる際付着すること
がないため、きわめて精度高く、導電率導電性またはEg
( エネルギバンド巾) 等を制御することができるように
なつむ。さらに本発明はさらにこの独立した反応炉を三
系統設け、これらを共通した室即ち第１第２および第３
の室で互いに連結した製造装置において、特に第１の反
応炉にてＰ型半導体層を、第２の反応炉にてＩ型半導体
層を、さらに第３の反応炉にてＮ型半導体層を形成し
て、PIN 型のダイオ−ド特に光電変換装置を作製せんと
する時、特に有効である。

【０００４】本発明は積層するその層の数により共通し
た室を介して反応炉をその積層する膜の順序に従って設
けることにより、その段数を２段または３段のみではな
く、４〜10段にすることができる。かくしてPIN 、PINP
IN、PINIPIN 、NIPIN 、PINIP 、・・・・等の接合構造
に作ることができる。またこの半導体層の作製の際、４
価の元素例えば珪素に炭素またはゲルマニウムを添加
し、その添加量を制御することにより、添加量に比例、
対応した光学的エネルギバンド巾(Eg)を有せしめること
ができる。例えばPIN 接合をEgp 、Egi 、Egn(Egp>Egi
≧Egn)としたW-N-W(広いEg−狭いEg−広いEg) として設
けることを可能とした。またさらにこのPIN 接合を２つ
積層して設けたPINPIN構造において、Egp₁、Egi₁、Eg
n₁、Egp₂、Egi₂、Egn₂( Egp₁〉Egn₁ ≒Egi₁≧Egp₂≧Egi
₂≧Egn₂) として設け、Egp₁(2.0〜2.4eV),Egn₁(1.7 〜
2.1eV)をSixC_1-X(0<X<1),Egi₁,Egp₁(1.6 〜1.8eV)をSi
により、Egi₂,Egn₂(1.0 〜1.5eV)をSixGe_1-x(0<X<1) と
して設けることが可能である。かかるタンデム構造とす
るには反応系を６系統設ければよい。

【０００５】またNIN またはPIN 接合としてMIS・FET
、バイポ−ラトランジスタにおいては反応系を２系統
とし、第１の反応室により基板上にＮまたはＰ層を、第
２の反応系により次のＩ層を、さらに第１の反応系に基
板ホルダを戻して第３番目のＮまたはＰ層を作製する３
層構造を２系統にて作ることが可能である。これら本発
明は、反応炉を互いに連結するのではなく、それぞれ独
立した反応系を共通する室に連結せしめ、この室を介し
て基板上に独立した半導体層を形成させることを目的と
している。

【０００６】従来PCVD装置に関しては、上下に平行平板
状に容量結合の電極を設け、その一方の電極例えば下側
のカソ−ド電極上に基板を配置し、下方向より加熱する
方法が知られている。しかしこの方法においては、反応
炉はー室であるためＰ型、Ｉ型およびＮ型半導体層とを
積層せんとすると、その１回目の製造の後のＮ型半導体
層の不純物が２回目の次の工程のＰ型半導体層中に混入
してしまい、再結合中心となってダイオ−ド特性を劣化
させ、さらにその特性が全くばらついてしまった。この
ため光電変換装置を作ろうとしても、その開放電圧Voc
0.2 〜0.6Vしか得られず、短絡電流を数mA/cm²しか流す
ことができなかった。加えてこの平行平板型の装置にお
いては、電界は基板表面に垂直方向であるため、Ｐ型層
の後Ｉ層を作らんとしても、このＩ層中にＰ層の不純物
が混入しやすく、ダイオ−ド特性が出ない場合がしばし
ば見られた。

【０００７】さらにこの反応装置は特に予備室を有して
いないため、１回製造するごとに反応炉の内壁を大気
（空気）にふれさせるため、酸素、水分が吸着し、その
吸着酸化物が反応中バックグラウンドレベルに存在する
ため、電気伝導度が暗伝導度も10^-11〜10^-8( Ωcm)
^-1、AM1 での光伝導度も10^-6〜10^-4( Ωcm) ^-1でしか
なかった。しかしこの吸着物が全く存在しない装置を使
った本発明においては、暗伝導度10^-6〜10^-4、AM1 での
光伝導度は１×10^-3〜９×10^-2( Ωcm) ^-1と約100 倍も
高く、半導体的性質を有せしめることができた。本発明
はかくの如く従来多数用いられている平行平板型のー室
反応炉のPCVD装置のあらゆる欠点を除去せんとしたもの
である。さらにこの従来の方式を更に改良したものに、
本発明人の出願になる独立分離型の反応装置が知られて
いる。この装置は半導体装置作製方法昭和53年12月10
日(53-152887) およびその分割出願半導体装置作製方
法(56-055608) に詳しく述べられている。さらに、被膜
作製方法昭和54年８月16日(54-104452) にもその詳細
が述べられている。

【０００８】これらの発明は、例えばPIN 接合を有する
ダイオ−ドを作製せんとする場合、Ｐ型半導体層用の第
１の反応系、Ｉ型半導体用の第２の反応系、さらにＮ型
半導体層用の第３の反応性をそれぞれの反応炉（ベルジ
ャ−）をゲイドバルブにて連結したものである。かくす
ることによりＰ層の不純物がＩ層に混入することがな
く、またＮ層の不純物がＩ層、Ｐ層に混入することがな
い。いわゆる各半導体層での不純物制御を完全に精度よ
く行うことができるという特徴を有する。さらにこのＰ
層用の反応炉の前またはＮ層用反応炉のあとに連結して
予備室を設け、いわゆる外部よりの酸素、水蒸気の混入
を防止しようとしたものである。しかしかかる本発明人
の発明になる縦型のベルジャ−式またはその変形の反応
炉を互いに連結した方式においては、基板の温度制御が
十分に行えない。即ち300 ±20℃程度を有してしまって
いた。このため形成される被膜のばらつきが大きく、好
ましくなかった。加えてひとつの反応炉に充填できる基
板の数量が例えば10cm²で１〜10枚であった。このため
生産性がきわめて低く、いわゆる低価格、多量生産とは
いえなかった。

【０００９】本発明はかかる本発明人の独立分離型の半
導体装置製造装置をさらに改良し、温度精度も300 ±1
℃以下におさえ、加えて１回のロ−ディング数量を50〜
500枚にすることを可能とした低価格、高品質の半導体
装置を多量に製造せんとするものである。以下に図面に
従ってその実施例を示す。

【００１０】

【実施例】第１図は本発明の横型、独立分離式のプラズ
マCVD 装置即ち半導体装置製造装置の概要を示す。図面
において第１の反応系(1) は円筒状の反応管(5) 例えば
透明石英（アルミナその他のセラミックでもよい）であ
り、その直径は100 〜300mm とした。さらにこの反応炉
(5) の外側に一対のプラズマ放電を行わしめる電極(2)
、(2')を配置した。この電極は、例えばステンレス綱
よりなり、この電極を覆って抵抗加熱ヒ−タ(3) を設
け、指示温度50〜350℃例えば300 ℃に対し±1 ℃の精
度にて制御されている。基板および基板ホルダは(4) で
略記しており、反応性気体は(6)よりホモシナイザ(26)
をへて供給される。一対の電極は供給用電源(13)により
高周波(10KHz〜100MHz代表的には13.56MHzが５〜200Wの
強さにて供給される。反応後の不要の生成物およびヘリ
ウム、水素等のキャリアガスは、排気口(13)より反応管
内の圧力調整用バルブ(14)をへてロ−タリ−ポンプ(15)
にて排出される。反応筒(5) は反応中は反応圧力は0.05
〜0.6torr 代表的には0.3torr に保持され、反応性気体
の実効流速を数十m/秒にまではやめた。

【００１１】この第１の反応炉に加えてこの一方、図面
では入口側に基板およびホルダ(4)を反応炉内に挿入ま
たは内より炉外に引き出す移動機構(12)を有する第１の
室(7) が設けられている。この室は大気圧にする場合は
(14)より高純度空気が供給され、通気はバルブ(39)をへ
てロ−タリ−ポンプ(37)にて0.001 〜0.01torrに真空引
きがされている。またこね基板およびホルダ(11)は予備
室(8) より移動され、この第１の予備室(8) は(13)より
空気が導入され大気圧となり、真空引きがバルブ(40)、
ポンプ(38)によりなされ、室１(7) と概略等圧の十分低
真空となった。そして基板およびホルダ(10)が(11)に移
される。さらにこの(11)は第１の反応炉(4) に移され、
所定の半導体膜を基板上に形成させた。

【００１２】さらにこの被膜を形成させた後、基板およ
びホルダ(4) は電極(11)に到り、外部に取り出すものは
予備室(8) より外部に取り出すことができる。またさら
にこの上に半導体層を作ろうとする場合、(11)にシャッ
タ(32)を開け、第２の室(30)に移動させる。この(32)お
よび次段のシャッタ(33)は必ずしも必要ではなく、その
場合は共通の室を反応炉に連続して複数ケ設けることに
なる。また、さらに基板およびホルダは第２の反応系(4
2)に移され、第２の半導体層（例えばＩ層）を第１の半
導体層（例えばＰ層）を形成する履歴に無関係に独立し
て作ることができた。この第２の反応炉も反応性気体の
導入口(24)より反応性気体が入り、キャリアガス、不純
物は排気口、バルブ(14)、真空引ポンプ(20)を経て外部
に放出される。さらにこの第２の半導体膜が形成され
た後、第２の予備室(35)をへて外部にとり出されてもよ
いが、この図面では、さらに今一度の第３の反応系(43)
をへて第３の半導体層例えばＮ層半導体層を形成し、さ
らにこの３層が形成された基板およびホルダ(34)は真空
引きをされた第２の予備室(35)をへて(13)より空気の導
入によって大気圧にさせた後、ゲ−トバルブ(36)をあけ
て外部に取り出される。以上の概要より明らかな如く、
本発明は第１の反応計には第１の室があり、この室に設
けられた移動機構(12)により基板およびホルダ(4) は反
応炉(1) と第１の室(7) との間を往復する。さらに同様
に第２、第３の反応炉、基板およびホルダの保持および
移動機構(29),(41) を有している。この第１、第２、第
３の室は共通させて設けており、この共通の室の前後の
入口側及び出口側に第１、第２の予備室を空気中の酸
素、水分が反応系に混入しといように設けてある。この
製造装置においては、各反応ごとに反応炉より一度真空
引きされた室(7) に引き出されるため、各反応系の反応
性気体が全くそれぞれの反応炉に混入されることがな
い。特に各反応炉と室との管のしきりバルブ(52),(53),
(54)を出入れの際開閉し、基板およびホルダ(11)が(1
1')(11'') と移動の際は、このしきりバルブが完全に閉
の状態であるため、従来の説明にて本発明人により示さ
れた各反応系が互いに１つのゲイトバルブで連結されて
いる場合に比べてさらに不純物のオ−トド−ピングが少
なくなった。

【００１３】加えてさらに以上の説明においては、基板
のホルダは各反応室を基板と共に移動させた。しかしこ
の移動は基板のみとし、ホルダは第１の反応炉用のホル
ダ(11)、第２の反応炉用ホルダ(11') 、第３の反応炉用
ホルダ(11'')をそれぞれ専用に配置せしめることが本発
明の製造装置においては可能である。かくすることによ
り、各反応室間の不純物の混入特にホルダ表面に付着し
ているPN型またはEg可変用不純物、添加物の混入を完全
に除去することができ、多量生産用として全く画期的な
ものである。第２図は第１図の製造装置を補完するもの
である。即ち第１、第２、第３の反応炉に対して供給さ
れる反応性気体は(6)(27)(28) よりそれぞれ供給され
る。その反応性気体は第２図(A),(B) および(C) に対応
して示されている。第２図(A) においては水素で希釈し
たジボラン(43)、シラン(44)、反応炉内壁のエッチング
用ガス例えばCF₄(O₂＝０〜5%) またはNF₃,炭化物の添加
物である珪素と炭素とが化合した反応性気体例えばTMS
(テトラメチルシラン Si(CH₃)₄)(46)およびキャリアガ
スである水素またはヘリウム(47)が配置されている。こ
れらは流量計( マスフロメ−タ)(50) 電磁バルブ(51)を
経て、(6) より第１の反応炉に供給される。この場合は
SixC_1-X(0.2≦Ｘ≦1)で作られ導電型はＰ型としてい
る。かくすることにより1.7 〜2.5eV のEgを有するＰ型
のアモルファスまたはセミアモルファス構造を含む非単
結晶半導体を基板上に100 〜300 Åの厚さに形成させ
た。

【００１４】被膜の作製は本発明人の出願になる特許願
( プラズマ気相法 S56.10.14 56-103627) に詳しく述べ
られているが、例えば250 〜330 ℃特に300 ℃0.1 〜0.
3torr 、プラズマ発生用電流13.56MHz 5〜100W、被膜形
成時間10秒〜10分とした。反応炉内壁は５〜30回作製す
るとフレイク( 薄片) が発生するので、かかる場合には
CF₄またはNF₃によりプラズマエッチングして除去すれ
ばよい。第２図(B) はＩ層のアモルファスまたは５〜10
0 Åの大きさの微結晶性を含有するセミアモルファスま
たはマイクロポリクリスタルによりなる非単結晶半導体
膜を作製する場合を示している。即ちシラン(45)CF₄(O₂
＝０〜5%),キャリアガスであるヘリウム(49)よりなり、
５〜20％にヘリウムにて希釈されたシランにより光伝導
度１×10^-3〜９×10^-2( Ωcm) ^-1特に５〜20×10^-3( Ω
cm) ^-3の値を有する珪素の非単結晶半導体を0.4 〜１μ
の厚さに作製した。また第２図(C) は(A) とは逆にＮ型
不純物であるフォスヒン(48), シラン(43), エッチング
用ガス(45),TMS(46)キャリアガス(40)を提供し、100 〜
500 ÅのＮ型半導体層を作製した。

【００１５】かくして第３図に示す如き基板上にPIN 型
のダイオ−ドまたは光電変換装置を作り、その特性を調
べた。第３図(A) においては、ステンレスの如き金属基
板またはカプトンの如くフレキシブルフィルム上にステ
ンレス膜が形成された基板(70)上にＰ型半導体層(71)Ｉ
型半導体層(72)Ｎ型半導体層(74)よりなる半導体層(73)
を作製し、この上面にITO の如く透光性透明導電膜を60
0 〜800 Å ρ_s＝10〜25Ω／□を作製した。従来のー
室式の平行平板型ではAM1(100mW/cm²)にて６〜7.5%/3mm
²しか得られなかったが、本発明人の出願になる縦型の
独立分離式においては、7.5 〜9.5%/3mm²が得られた。
しかし本発明ではホルダを各反応炉独立式にした場合、
最高16%/3mm² 一般に12〜15% の高い変換効率の太陽電
池を作ることができた。またホルダを各反応炉共通にし
た場合、9.0 〜12.5% の高い効率であった。これは酸
素、水分等の酸化物気体の外部からの混入防止、各半導
体表面等への不純物混入を防止したことにある。

【００１６】さらに重要なことは、１回のバッチにおい
て10cm²の基板を50〜500 枚もロ−ディング可能であ
り、10cm²１枚に対する設備償却費は従来の50〜500 円
であったものが、0.2 〜２円と約1/100 に下げることが
可能となった点で光電変換装置の流布のためきわめて重
要であった。第３図(B) は、ガラスの如き透光性基板(7
6)上にITO(500 〜800 Å)(78) および酸化スズまたは酸
化アンチモン(79)(100〜300 Å) よりなる低シ−ト抵抗
（ρ_s＝５〜20Ω／□ 高耐熱性）の透明導電膜(77)上
にＰ型半導体層(71)、Ｉ型層(72)、Ｎ型層(74)およびア
ルミニウムまたはITOよりなる裏面電極(75)を設けたも
のである。かかる構造においても、変換効率10〜13％を
得ることができた。このため、この構造をガラス基板上
に集積化しまた同時にPIN 型の逆流防止ダイオ−ドを設
けることにより民生用の太陽電池を従来と同一出力を得
る場合従来より1/2 の面積でかつ価格は200 〜250 円を
20〜30円にまで下げ、10cm²の面積にて100 〜130 円で
作ることが可能になった。

【００１７】第４図は本発明のプラズマCVD 法で特にグ
ロ−放電法を用いる反応炉に配置される基板、電極およ
び基板のロ−ディングの関係を示す。図面において第４
図(A) は電極(2),(2')を水平方向に平行に、また基板(6
1)を裏面を互いに密接して表面は基板間を20〜40mmの間
隔で設けた。またその配置はやはり水平に設けたもので
ある。反応炉(1) の反応筒(5) は直径100 〜300mm 代表
的には180mm φを有し、その長さは200 〜400mm φを有
するため、10cm の基板に図面の如き８枚ではなく各段
20枚を10〜30列配置させることができた。このため１回
の製造バッチで50〜600 枚を作ることができ、従来の平
行平板式ではまったく考えられない量の半導体装置を一
度に作ることができた。第４図(B) は電極(2),(2')を垂
直方向に、また基板(61)の表面(被形成面) を垂直方向
に、裏面を互いに密接させて設けたものである。その他
は(A) と同様である。

【００１８】ホルダへの基板のロ−ディングは(A),(B)
を互いに交互に行ってもよい。第４図(C) はア−ク放電
法またはグロ−放電法を用いたプラズマCVD 法である。
図面では第１図(A) の１つの反応炉を示したものであ
る。即ち、放電電極(2),(2')を反応筒方向に有し、基板
(61)はホルダ(60)にロ−ディングされ、反応管(5) の外
側には加熱用ヒ−タ(3) が設けられている。ア−ク放電
とするには一方の電極より熱電子放出をさせた。反応性
気体は(6) より導入され、不要の反応生成物およびキャ
リアガスは(63)より外部に放出される。この不要の反応
生成物は低温になる領域で粉末状になるため、反応炉
(5) の中( 内壁) にこれらが発生することを防ぐため、
ヒ−タ(3) は(65)に示す如く反応管のすべてを覆うよう
にした。かくすることにより粉末状の反応生成物を反応
筒内に残留させることはなくなり、歩留まりの向上にな
った。第１図また第４図(A),(B) においても同様にする
とさらに生産性の向上に役立った。

【００１９】以上の説明より明らかな如く、本発明はプ
ラズマ気相法に対し多量生産を可能にする横型反応方式
を採用し、さらにそれらに共通室を設け連続的に製造す
る構造とすることによりバッチ方式と連続方式とを結合
させることが可能となった。このためこの思想を基礎と
し、2 つの反応系、４〜８の反応系等を作ることがで
き、初めてPCVD装置で大量生産可能な方式を開発するこ
とができた。さらにこの半導体製造装置において、単に
PIN の光電変換装置のみではなく、N(0.1 〜1 μ) −I
(0.2 〜２μ) −I(0.5 〜1μ) の伝導型のIGFET ( 縦チ
ャネル型の絶縁ゲイト型電界効果半導体装置) を、また
はそれを集積化した構造を作ることが可能である。さら
にこの反応炉に横方向に巾２〜20cmの50〜100cm の長い
半導体基板を配置し、その上面全面にフォトセンサアレ
−その他の半導体装置を作ることも可能である。以上本
発明の半導体製造装置の工学的効果はきわめて著しいも
のであると信ずる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体装置製造装置の実施例を示
す。

【図２】図１を補完する反応性気体のガス系の実施例
を示す。

【図３】本発明により作られた光電変換装置の縦断面
図を示す。

【図４】図１の反応炉の部分を示す実施例である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/68 Ａ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の反応室と、該複数の反応室の全て
に連結された共通室とを有した被膜作製装置。