JPS5893321A - 半導体装置製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はグローまたはアーク放電を利用したプラズマ気
相法（ＰＣ！’ＶＤ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（例えば石英製のボート）のみを導入し、
反応性気体チ間でバラツキの少ない半導体膜を形成させ
るだ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（員）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。

本発明はかかる酸素、水分の反〆炉へ°−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）ｊ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ＫＰ型型
環導体層設け、その上面に１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１０〜１０ａｍの濃度Ｋ１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の反応系を設は九製造装置に関
する。かかる製造装置においては、まず第１の室にて真
空引され、酸素、水分が除去され九雰囲気にて第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
の反応炉にて一導電型例えば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の室に引出し、さらにこれに連結した第２の室
￥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
ダーに導入させ、第１の室とは異々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“：：；、１１、。ＫＥｆＰＯＮ。、□４５．６゜
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との独立した反応炉を三系統設け
、これらを共通した室すなわち第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の反応炉にて工型半導体層を
、さらに第３の反応炉にてＮ型半導体層を形成して、Ｐ
ＩＮ型のダイオー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。

本発明は積層するその層の数によシ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
シ、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Ｐ工Ｎ、　Ｐ工ＮＰ工
Ｎ、　Ｐ工Ｎ工Ｐ工Ｎ、　Ｎ工Ｐ工Ｎ１Ｐ工Ｎ工Ｐ１・
・・・等９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、■価の元素例えば珪素に
炭素またはゲルマニュームを添加し、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（Ｋｇ）を有せまいＥｇ−ＥいＥ−ｇ）とし
て設けることを可能とした。またさらにこのＰ工Ｎ接合
を２つ積層して設けたＰＩＮＰ工Ｎ構工匠構造て、Ｅｇ
ｐ、、Ｆｉｇｉ、、Ｅ、ｇｎ。

ＥｇＴ）、ｓ　Ｅｇｇ、　Ｅｇｎ、（Ｅｇｐ、＞Ｆｌｉ
ｇｎ、：Ｆｉｇ、４：：　Ｅｇｐ、−？Ｂｇ４ｐＫｇｎ
Ｌ）として設け、Ｅｇ　ｐ、　（２，０〜２−４　ｅ　
Ｖ）ｙＥｇ　ｎｔ（１，７〜２．１ｅＶ）をＳ　ｉ　Ｘ
　Ｃｔ−ｇ　（０＜　Ｘ　＜　１）　Ｅｇ　ｉ７１１ｅ
　ｇ、ｐｔ２　　　　　　　ノ （１，６〜１．８ｅＶ）を８１により、Ｅｇｉｚ、］１
Ｊｎ２（１，Ｑ〜１゜５ｅＶ）をＳ　ｉ　Ｘ　Ｇ　ｅｌ
−Ａ　（Ｏり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。

またＮＩＮまたはＰ工Ｎ接合としたＭ工Ｓ＠ＦＦ１Ｔ１
バイポー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
反応系により次の三層を、さらに第１の反応系に基板ホ
ルダをも１−１１．第３属目のＮまたはＰ層を作製する
三層構造を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
ことを目的上している０ 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ー
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、反応炉は一室
であるためＰ型、エヤおよびＮ型半導体層とを積層せん
とすると、その−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ード特性を劣化させ、さ
らにその特性が全くばらついてしまった。とのため光電
変換装置を作ろうとしても、その開放電圧Ｖｏｃ　０．
２〜０．６■しか得られず、短絡電流を数ｍＡ／ｃｍ’
シ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
面に垂直力：：向であるため、Ｐ型層の、　′ 後工層を作らんとしても、この三層中にＰ層の不純物が
混入しやすく、ダイオード特性が出な□い場合がしばし
ば見られた。

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−ｚ′１０〜１０　ＣＪＬｃｍ：）’、　
ＡＭＰでの光伝導度も１０〜１ｏ（ａｃｍ）′でしかな
かった。しかしこの吸着物鴫 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１０〜１０、ＡＭｌでの光伝導度は、ｌＸｌ０〜９
Ｘ１０　（ＪＬｃｍ）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〈従来
多数用いられている平行平板型の一室反応炉のＰＣ’Ｖ
Ｄ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さらに改良したものに、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１
０日（５３−１５２８８りおよびその分割出願　半導体
装置作製方法（５６−０５５６０８）Ｋ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
（５←’１０４４５２）にもその詳細が述べられている
０ これらの発明は、例えばＰ工Ｎ接合を有するダイオード
を作製せんとする場合、Ｐ型半導体要用の第１の反応系
、エヤ半導体用の第２の反応系、さらＫＮ型半導体層用
の第３の反応系奪それぞれの反応炉（ベルジャ１−）を
ゲイトパルプにて連結したもので本る。かくすることに
よりＰ層の不純物が三層に混入することがなく、またＮ
層の不純物が三層、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なうこ
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、いわゆる外部よシの酸素、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たて型のペルジャ一
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。すなわち３０
０±２０’Ｏ程度を有してしまっていた。このため形成
される被膜のバラツキが大きく、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１
０ｃｍで１〜１０まいであった。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
。

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
装置をさ難に改良し、温度精度も３００±１″Ｃ３以下
におさえ、加えて１回のローテ１イアｆ　ｔｌｚｌｋ　
ｋ　５０〜５００　ｔいＫｔ、Ｂｊ＆？Ｔ能よ。

た低価格、高品質の半導体装置を多量に製造せんとする
ものであ暮。

以下に図面に従ってその実施例を示す。

第１図は本発明の横型、独立分離式のプラズマＣＶＤ装
置すなわち半導体装゜□門ｉ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）であシ、その直径は１００〜３００　ｍｎ’とした
。さらにこの反応炉（５）の外側にＹ対のプラズマ放電
を行なわしめる電極（２）、（２）を配置した。

この電極は例えばステンレ入嵯よシなり、この電゛極を
おおって抵抗加熱ヒータ（３）を設け、指示温度５０〜
３５０＠Ｃ例えば３００’Ｃ！に対し±１’Ｏの精度に
て制御されている。基板および基板ボルダは（４）で→
セ（シておシ、反応性気体は（６）よシホモジナイザ（
ハ）をへて俣６される。一対の電極は供給用電源０１に
よシ高周波（１０ＫＨｚ〜１００ＭＨ２代表的には１３
．５６ＭＨｚが５〜２ｏｏｗ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ューム、水素等のキャリ
アガスは、排気口α１よシ反応管内の圧力調整用バルブ
１１１４をへてロータリー−ポンプ（ト）にて排出さ４
る。

反応筒（５）は反応中は反応圧力は０．０５〜０．６ｔ
Ｏｒｒ汽 代表的には０．３ｔｏｒｒに保持され、反応性気体の実
効３Ａｔを＃！Ｓｒｍ／Ｉ！Ｉ）にまではやめた。

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
炉外に引出す移動機構（６）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α→よシ
高純度空気が供給され、通気はバルブ（３９）をへてロ
ータリーポンプ（３７）にて０．００１〜Ｏｈ　０１ｔ
ｏｒｒに真空引がされている。

またこね基板およびホルダＱカは予備室（８）よシ移動
され、この第１の予備室（８）は（１１よシ空気が導入
され大気圧となシ、真空引がバルブ００）、ポンプ（３
Ｂ）Ｋよシなされ、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０］）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。

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０１）に到り、外部にとシ出すものは予備室（
８）よシ外部にとシ出すことができる。

またさらにこの上に半導体層を作ろうとする場合、α９
にシャッタ（３２）を開け、第２の室（３０）Ｋ縦動さ
せる。この（３２）およびニオ（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（４２）に
移され、第２の半導体層（例えば三層）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（ハ）より反応
性気体が入シ、キャリアガス、不純物は排気口、バルブ
（１４真空引ポンプ翰をへ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）をぺて外部にとシ出されてもよいが、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、さらにこの三
層が形成された基板および系ルダ（３４）は真空引をさ
れた第２０予儒家（３５）をへてａｌよシ空気の導入に
よって大気圧にさせた後、ゲートパルプ（３６）をあけ
て外部にとり出される。

以上の概要よシ明らかな如く、本発明は第１の反応系に
は第１の室があシ、この室に設けられた移動機構０■に
よシ基板およびボルダ（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、基板およびボルダの８巧および移動機構ＩＪ、（
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および
出口側に第１１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である。この製造装置にお
い１ては、各反応ごとに反応炉よシ一度真空引された室
（７）に引出される−ため、各反応系の反応性気体が全
くそれぞれ されることがない。特に各反応炉と室との間のしきりパ
ルプ（５２）、　（５１＆　、（５４）を出入れの際開
閉し基板およびホルダαめがα（αちと移動の際は、こ
のしきシバルプ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
ゲイトパルプで連結されている場□合に比べてさらに不
純物のオートドーピングが少なくなった。

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αｐ１第２
の反応炉用ホルダαを第３の反応炉用ホルダα５をそれ
ぞれ！ＪＩＫ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−′１・造装置をｊ＾・かんするもの
である。すなわち第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入（財）、（ハ）よシそれぞ
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ポランと炭素
とが化合した反応性気体例えばＴＭ８　（テトラメチル
シラン　Ｓｉ　（Ｃ！Ｎ、）　（４６）およびキャリア
ガスである水素またはへリューム０７）が配これらは流
量計（マスフロメータ）　（５０）電磁パルプ（５１）
をへて（６）より第１の反応炉に供給される。この場合
は５ｉＸＯ，−、（０，２≦ｘり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１．７〜２．５ｅ
Ｖ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１００〜３
００Ａの厚さに形成させた。

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　Ｓ５６．１０．１４５６−１０３６２７）に詳し
く述べられているが、例えば２５０〜３３０°０特に３
００１０　０．１〜０．３ｔＯｒｒプラズマ発生用電流
’１３．５６ＭＨ２５〜１００Ｗ　　被膜形成時間１０
秒〜１０分とした。

によりプラズマエツチングして除去すればよい。

第２図（Ｂ）は１層のアモルファスまたは５〜１００Ａ
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よシなる非単結晶半導体膜を
作製する場合を示している。

すなわちシラン（４５）　ＯＦ、（２）・０−５％）キ
ャリアガスア であるヘリューム（４９）よシなシ５〜２０チにヘリュ
ームにて希釈されたシランによシ光伝導度１×１６′〜
９　Ｘ　１０’　（Ｊ　ｃ　ｍ）’特に５〜２０＾１６
’（４ｃｍ夕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（４）とは逆にＮ型不純物であるフ
オスヒン−（ａＳ）、シラン（４−１，エツチング用ガ
ス（４５）ＴＭＳ（４６）キャリアガス（４０）を提供
し１００〜５００ＡのＮ型半導体層を作製した。

かくして第３図に示す如き基板上Ｋ　ＰＩＮ型のダイオ
ードまたは光電変換装置を作シ、その特性を調べた。

０〇）上にＰ型半導体層０１）、工型半導体層（’７２
）、Ｎ型半導体層（′２つよりなる半導体層ｃ７３）を
作製し・、この上面に工ＴＯの如き透光性透明導電膜を
６００〜８００Ａ　　＾・１０〜２５Ｍを作製した。従
来の一室式の平行平板型ではＡＭ　１（１００ｍＷ／Ｑ
　ＩＡ）にて６〜’Ｌ　５％／３ｍｍ’ｌ、か得られな
かったが、本発明人の出願になるたて型の独立分離式に
おいては、マ、５〜９．５％／３ｍｍ”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％／３ｍｍ”一般に１２〜１５チの高゛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理・人を防止したことにあ
る。

さらに重要なことは、１回のバッチにおいて’ｌ　ＯＯ
ｍ’の基板を５０〜５００まいもローディング可能であ
ＩＪ、１０ｃｍ’ｌまいに対する設備消却費は従来の５
０〜５００円であったものが、０．２〜２円と約１／１
００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（７６）上にＩ
ＴＯ（４（５，００〜８００Ａ）　（’７Ｂ）および酸
化スズまたは酸化アンチモン（７９）　（１ｏｏ〜３０
　ＯＡ）よシなる低シート抵抗（ｅｇ２５〜２０αに高
耐熱性）の透明導電膜０−／）上にＰ型半導体層（７′
ｌ）、エヤ層ＱもＮ型層０荀およびアルミニュームまた
は工ＴＯよシなる裏面電極（７５）を設けたもめである
。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の面積でか
つ価格は２００〜２５０円を２０〜３０円にまで下げ、
１００ｍＬの面積にて１００〜１３０円で作ることが可
能になった。

第４図は本発明のプラズマＣｖＤ法で特にグロー放電法
を用いる反応炉に配置される基板、電極および基板のロ
ーディングの１俗を示す。

図面において第４図俵）は電極（２））（メを水平方向
に平行に、また基板（６１）を裏面を互いに密接して表
面は基板間を２０〜４０ｍｍの間かくで設けた０またそ
の配置はやはり水平に設けたものである０反応炉（’ｌ
）　（７）反応筒（５）は直径１００〜３００円ノ代表
的には’１８０ｍ−を有し、その長さは２００〜４００
ｃｍを有するたＷ）、１０ｃｍ’の基板に図面の如き８
まいではなく各段２０まいを１０〜３０列配置させるこ
とができた０このため１回の製造ノぐツチで５０〜６０
０まいを作ることができ、従来の平行平板式では全く考
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人ｃ＃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。その他は戟）と同様であ
る。

ホルダへの基板のローディングは（Ａ）、（Ｂ）を互い
法である。

反応性気体は（６）よシ導入され、不要の反応性成物お
よびキャリアガスは（６）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、ヒータ（３）は（６５）に示す如く反応管め
すべてをおおうよう・にした０ かくすることによシ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。

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は連続的に聚九する構造とする
ことによジノパッチ応系、４〜８のａ豪　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Ｐ工Ｎの光電
変換装置のみではなく、Ｎ（０，１〜１μ）−■（０，
２〜２μ）−工（０，５〜１μ）の伝導型の工ＧＦＥＴ
（たて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ー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じる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体装置製造装置の実施例を示す。 第２図は第１図を補かんする反応性気体のガス系の実施
例を示す。 第３図は本発明により作られた光電変換装置のたて断面
図を示す。 第４図は第１図の反応炉の部分を示す実施例である。 特許出願人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、筒状を有するプラズマ気相用反応炉と該反応炉の外
   側の加熱装置と該加熱装置の内τｊｉｌまたは前記反応
   炉の部方向に配されたプラズマ放電用の一対の放電エネ
   ルギー供給用電極と該電極に放電エネルギーを供給すお
   よび基板ホルダーを保持または移動する機構を有する第
   １の室を有し、前記第１の室に連結した前記第１の室と
   同様の第２の室と該第２の室に連続し念前記第１の反応
   系と同様の第２の反応系を具備することを特徴とする半
   導体装置製造装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、第１の室を介して
   第１の反応系に導入された基板上の被形成面上ＫＰ型型
   半体体層設け、第１の室および第２の室を介して前記基
   板を第２の反応系に導入し、被形成面上に真性または実
   質的に真性の導電型の半導体層を設け、さらに第２の室
   および第２の室に連結された第２の室【同様の機構を有
   する第３の室を介して、前記第２の室と同様の機構を有
   する第３の反応系に前記基板を・傅装置製造装置。