JPS59190209A - Preparation of silicon coating film - Google Patents

Preparation of silicon coating film

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JPS59190209A
JPS59190209A JP58063389A JP6338983A JPS59190209A JP S59190209 A JPS59190209 A JP S59190209A JP 58063389 A JP58063389 A JP 58063389A JP 6338983 A JP6338983 A JP 6338983A JP S59190209 A JPS59190209 A JP S59190209A
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silane
silicon
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reaction
water
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Abstract

PURPOSE:To obtain a semiconductor film composed mainly of Si having low oxygen or oxide concentration, by treating silane with HF to remove silicon oxide from the silane in the form of water and SiF4, and using the silane as a raw material of the objective Si coating film. CONSTITUTION:In the filling of a silane, e.g. SiH4, in a bomb, the silane is contaminated with silicon oxide (represented by SiO2) produced by the reaction of SiF4 with residual O2, etc. The above trouble can be prevented as follows: When HF is charged together with SiH4 in the first vessel, SiF4 and water are produced by the reaction of formula II. The produced SiH4 containing impurities is transferred to the second vessel maintained at a cryogenic temperature to effect the trapping of water as a solid and SiF4, etc. as a liquid or solid in the vessel as shown in formula III. The vessel is maintained at a temperature to vaporize only SiH4, and the purified SiH4 obtained by this process is introduced into a reaction furnace at <=1atm and subjected to the photo(plasma)-chemical reaction. A semiconductor film composed mainly of Si and having an oxygen or oxide concentration of <=1X10<18>atom/cc can be formed on the surface of the substrate 1.

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、シラン中に含まれる酸化珪素を除去して精
製された気相反応用シランを作製するとともに、かかる
精製されたシランを用いて充気相法(Photo CV
Dという)または光プラズマ気相法(PPCVDという
)により、酸素濃度が1×1018atom/cc以下
のシリコンを主成分とする半導体膜を形成する方法に関
する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention involves removing silicon oxide contained in silane to produce purified gas-phase applied silane, and using the purified silane to process a gas-phase method (Photo CV method).
The present invention relates to a method of forming a semiconductor film containing silicon as a main component and having an oxygen concentration of 1×10 18 atoms/cc or less by using a photo plasma vapor deposition method (referred to as D) or a photo plasma vapor deposition method (referred to as PPCVD).

この発明は、1モル%以下の酸化物局に酸化珪素の混入
したシラン(以下単に原シランという)より酸化物を除
去するため、シラン(SiH4またはSinH2n+2
 n≧2)の充填された容器(一般に高圧ボンベを指す
が、ここでは単に容器または第1の容器という)内に弗
化水素(以下HFという)を混合する。
This invention uses silane (SiH4 or SinH2n + 2
Hydrogen fluoride (hereinafter referred to as HF) is mixed in a container (generally referred to as a high-pressure cylinder, but herein simply referred to as a container or a first container) filled with hydrogen fluoride (n≧2).

するとこの容器内で酸化物、特に代表的には酸化珪素が
HPと反応して反応生成物として水(H2O)と弗化珪
素(SiF4一般式はH4−xSiFx)を生成する。
The oxide, typically silicon oxide, then reacts with HP in this container to produce water (H2O) and silicon fluoride (SiF4 general formula H4-xSiFx) as reaction products.

この水、弗化珪素の不純物を65〜105°Cに保持さ
れた容器(第2の容器)にて液化積装するまたは不純物
をトラップして精製したシランを用いてPhoto C
VDまたはPPCVDを行うことを特徴とする。
The impurities of this water and silicon fluoride are liquefied and loaded in a container (second container) maintained at 65 to 105°C, or the impurities are trapped and purified using silane.
It is characterized by performing VD or PPCVD.

一般に、きわめて激しい酸化力を有するシランは、その
酸化力のため、シラン中に不純物としての酸化珪素が混
入されやすい。
In general, silane having extremely strong oxidizing power tends to easily contain silicon oxide as an impurity due to its oxidizing power.

しかしこの酸化珪素は超微粉末(粒径は100A以下と
推定される)であり、固体である。
However, this silicon oxide is an ultrafine powder (the particle size is estimated to be 100A or less) and a solid.

この超微粉末状のため、シラン容器内でコロイド状に遊
離しており、半導体用反応性気体としてのシランより分
離するためのいかなるフィルターにもかからす、反応容
器内に至って反応生成物中に不純物としての酸化珪素を
存在させてしまう。
Because of its ultrafine powder form, it is liberated in the form of a colloid in the silane container, and cannot be filtered through any filter to separate it from silane as a reactive gas for semiconductors. This results in the presence of silicon oxide as an impurity.

さらに従来この酸化珪素は固体であるため、シラン中の
不純物としての純度の化学的な調査に対しては、全く検
出不可能であり、これまでどの程度混入しているか不明
であった。
Furthermore, since silicon oxide is conventionally a solid, it has been completely undetectable in chemical investigations of its purity as an impurity in silane, and it has been unknown until now to what extent it is mixed in.

即ち化学的なシラン中の不純物の測定としては質量分析
、原子吸光、ガスクロマトクロフィー等の方法により測
定評価されていた。
That is, chemical impurities in silane have been measured and evaluated using methods such as mass spectrometry, atomic absorption, and gas chromatography.

しかしこの不純物としての酸化珪素の量を、本発明人は
このシランを用いた充気相法(Photo CVD〔光
化学蒸着〕法)またはPPCVD〔光プラズマ気相また
はPhoto−Plasma Chcmical Va
por Dipos−ion)法を総称する)により珪
素を主成分とする半導体膜を形成し、その形成された珪
素膜をSIMS(イオン、マイクロ、アナライザー)に
より検出して同定するごとにより成就することができた
However, the amount of silicon oxide as an impurity was determined by the present inventor using a charged phase method (Photo CVD [photochemical vapor deposition] method) using this silane or a PPCVD [photo plasma vapor phase method].
This can be achieved by forming a semiconductor film containing silicon as the main component using the por dipos-ion method (collectively called the por dipos-ion method), and detecting and identifying the formed silicon film using SIMS (ion, micro, analyzer). did it.

かかる同定を行うと、従来より知られていた珪素膜中に
は2×1019〜1x1024atom/ccの濃度を
含有していた。
When such identification was performed, it was found that the conventionally known silicon film contained a concentration of 2×10 19 to 1×10 24 atoms/cc.

加えて珪素の濃度が2×1019atom/ccである
ため、酸素は0.1〜5%もの多量に含まれていること
が判明した。
In addition, since the silicon concentration was 2×10 19 atoms/cc, it was found that oxygen was contained in a large amount of 0.1 to 5%.

さらにその代表結合はSiO2、SiO,SiOHに関
しては、そのSIMSのイオン強度(count/se
c)において、例えばSiO2×104、SiO2×1
02、SiOH3×103とSin2がきわめて多量に
含まれていくことが判明した。
Furthermore, for SiO2, SiO, and SiOH, the representative bonds are determined by the ionic strength (count/se) of the SIMS.
In c), for example, SiO2×104, SiO2×1
02, it was found that SiOH3×103 and Sin2 were contained in extremely large amounts.

本発明は、かかる酸化物を除去するとともに、形成され
た半導体中の酸素濃度を非晶質、半非晶省(セミアモル
ファス構造を有する半導体)または微結晶構造を含有す
る非単結晶珪素にて、1/1018atom/cc以下
好ましくば5×1017atom/cc以下にすること
を目的としている。
The present invention removes such oxides and reduces the oxygen concentration in the formed semiconductor by converting it into amorphous, semi-amorphous (semiconductor having a semi-amorphous structure) or non-single crystal silicon containing a microcrystalline structure. , 1/1018 atom/cc or less, preferably 5×1017 atom/cc or less.

本発明は、かかるSIMSのデータより、SiO2が多
量に含まれているのは反応系、ドーピング系のリークを
除いても除去することができず、ボンベ等の高圧容器内
に最初から存在したものであることを明らかにし、この
ボンへ内に酸化珪素と反応して水を生成する弗化水素を
充填または混合して不純物に対してのみ反応せしめたこ
とを特徴とする。
Based on such SIMS data, the present invention has discovered that large amounts of SiO2 cannot be removed even by removing leaks from the reaction system and doping system, and are present in high-pressure containers such as cylinders from the beginning. The present invention is characterized in that hydrogen fluoride, which reacts with silicon oxide to produce water, is filled or mixed into the bomb to react only with impurities.

以下に図面に従って本発明の精製、被膜形成、反応過程
を説明する。
Purification, film formation, and reaction processes of the present invention will be explained below with reference to the drawings.

第1図はシランのうち特にモノシラン(SiH4)を例
にしてその反応式を示しであるが、ポリシランを用いる
場合はこのモノシランよりポリシランを無極放電法によ
り作製し、その精製されたポリシラン特にジシランを用
いることにより同様に可能である。
Figure 1 shows the reaction formula using monosilane (SiH4) among silanes as an example. When using polysilane, polysilane is prepared from this monosilane by a non-polar discharge method, and the purified polysilane, especially disilane, is It is likewise possible by using

図面において、式(50)はシランと酸素特にボンベ内
に充坏する際の残留酸素または導入パイプ内壁の吸着酸
素との反応により、生成される酸化珪素である。
In the drawings, formula (50) represents silicon oxide produced by the reaction between silane and oxygen, particularly residual oxygen when the cylinder is filled or oxygen adsorbed on the inner wall of the introduction pipe.

酸化珪素ばSiO2、SiO等のSiOxがあり、また
水酸基が一部に混入してSiOH結合になる場合もある
が、ここではSiO、で反応式を代表させる。
Silicon oxides include SiOx such as SiO2 and SiO, and some hydroxyl groups may be mixed in to form SiOH bonds, but here SiO is used to represent the reaction formula.

かくのごとくの酸化珪素がシラン中に固体の超微粉にて
0.1〜5%もボンベ中に存在する時、この超微粉の酸
化珪素を除去する方法はこれまでまったく知られていな
かった。
When such silicon oxide is present in a cylinder in the form of a solid ultrafine powder in silane at an amount of 0.1 to 5%, there has been no known method for removing the ultrafine silicon oxide.

本発明においてはこの第1の容器内に弗化珪素(無水弗
化水素を単にHFと記す)を同肋に充填した。即ち第1
の容器に真空引きを十分(10−6torr以下の真空
引きをする)するに加えて、この容器を150℃以上の
温度(例えば250±20℃)に加熱して容器内の脱水
を行った。
In the present invention, silicon fluoride (anhydrous hydrogen fluoride is simply referred to as HF) was filled in the same space in the first container. That is, the first
In addition to sufficiently evacuating the container (to a vacuum of 10 −6 torr or less), the container was heated to a temperature of 150° C. or higher (for example, 250±20° C.) to dehydrate the inside of the container.

さらにこの中にHF(純度99.8%以上)を大気圧に
なる程度に充填する。さらにこの後、この第1の容器内
に原シランを10〜30Kg/cm2例えば20Kg/
cm2の圧力になるまで封入した。すると原シラン中に
HFが10〜3%の濃度に含有させることかできた。
Furthermore, HF (purity of 99.8% or more) is filled into this to an extent that the pressure becomes atmospheric. Furthermore, after this, 10 to 30 kg/cm2 of raw silane is added to the first container, for example, 20 kg/cm2.
It was sealed until the pressure reached cm2. As a result, it was possible to incorporate HF into the raw silane at a concentration of 10 to 3%.

この第1の容器においては、式(51)に示されるごと
く、酸化珪素はHFと反応し、SiF4(BP−65℃
)と水(BP+100℃,MP0℃)とが生成される。
In this first container, as shown in equation (51), silicon oxide reacts with HF, and SiF4 (BP-65°C
) and water (BP+100°C, MP0°C) are produced.

この容器は室温であるが、10〜30Kg/cm2と加
圧状態であるため、容器内にO2として残存する量は1
PPM以下であり、全て反応して酸化珪素となり、また
これはすべてHFと反応して弗化珪素になって固体から
気体にすることができた。
Although this container is at room temperature, it is under pressure of 10 to 30 kg/cm2, so the amount remaining as O2 in the container is 1.
PPM or less, all reacted to form silicon oxide, and all reacted with HF to form silicon fluoride, which could be converted from solid to gas.

さらにこの不純物の混入した環シランを112℃以下好
ましくは−130〜−150℃の温度の第2の容器に移
した。するとシランは液体になり、不純物である水は固
体となる。また弗化水素等も液体または固体となって、
第2の容器内にトラップされる。
Further, this impure ring silane was transferred to a second container at a temperature of 112°C or lower, preferably -130 to -150°C. The silane then becomes a liquid, and the impurity water becomes a solid. In addition, hydrogen fluoride etc. become liquid or solid,
Trapped within a second container.

式(52)は不純物の弗化珪素、水が気体から液体また
は固体に変成することを示す。
Equation (52) shows that impurities silicon fluoride and water are transformed from gas to liquid or solid.

次にこの第2の容器を−65〜−110℃好ましくは−
75〜−100℃に保持することにより、不純物自体は
固体として第2の容器内に残存させ、シランのみを気体
として反応系に導出させることができる。
Next, this second container is heated to -65 to -110°C, preferably -
By maintaining the temperature at 75 to -100°C, the impurities themselves can remain in the second container as a solid, and only the silane can be led out as a gas into the reaction system.

第2の精製の場合に弗化珪素を気体としてシラン中に混
入させないために、弗化珪素の沸点(BPという)−6
5℃よりも低い温度であって、かつシランのBP(−1
22℃)よりも高い温度であることが本発明の特長であ
る。
In order to prevent silicon fluoride from being mixed into the silane as a gas during the second purification, the boiling point (BP) of silicon fluoride is -6
The temperature is lower than 5°C, and the BP of the silane (-1
A feature of the present invention is that the temperature is higher than 22°C.

しかしこのBP近くでのそれぞれの成分の分圧を考慮す
ると、気化させるシランの温度が、−75〜−100℃
の範囲であることが高純度化精製のために好ましかった
However, considering the partial pressure of each component near this BP, the temperature of the silane to be vaporized is -75 to -100℃.
It was preferable for the purification to be in the range of .

かくして精製されたシラン気体を、本発明方法において
は、固体の珪素または水素が混入した珪素に反応系にて
式(53)に示す如くにPhoto CVD法またはP
PCVD法を利用して変成した。即ち、精製されたシラ
ンを用いて式(53)になるごときアモルファスまたは
結晶性、秩序性を含む構造の珪素を主成分とする非単結
晶半導体、または単結晶珪素半導体を形成させた。
In the method of the present invention, the thus purified silane gas is applied to solid silicon or silicon mixed with hydrogen in a reaction system using the Photo CVD method or P as shown in formula (53).
Metamorphosed using PCVD method. That is, purified silane was used to form a non-single crystal semiconductor mainly composed of silicon or a single crystal silicon semiconductor having an amorphous or crystalline or ordered structure as shown in formula (53).

第2図は反応系がCVD(本明細書ではPPCVDまた
はPhotoCVDを特に総称してCVDという)法で
あって、本発明方法を実施するための装置の概要を示す
FIG. 2 shows an outline of an apparatus for carrying out the method of the present invention, in which the reaction system is a CVD method (herein, PPCVD or PhotoCVD are particularly collectively referred to as CVD).

第2図は反応系(10)、ドーピンク系(20)、本発
明の精製系(30)を有する。
FIG. 2 has a reaction system (10), a doping system (20), and a purification system (30) of the present invention.

反応系(10)は、反応容器(2)内容(巾90cm、
高さ60cm、奥行き120cm)には被形成面を有す
る基板(1)が石英ボルダ−(19)に保持されている
The reaction system (10) contains the contents of the reaction container (2) (width 90 cm,
A substrate (1) having a surface to be formed (height: 60 cm, depth: 120 cm) is held by a quartz boulder (19).

このホルダーは65cmであるが、反応性気体の流れ方
向に20cmを有し、20cm×60cmの基板を20
枚(被形成面の総面積24000cm2)同時に挿入さ
せている。
This holder is 65 cm long, but has a 20 cm width in the direction of flow of the reactive gas, and holds a 20 cm x 60 cm substrate at 20 cm.
(total area of the surface to be formed: 24,000 cm2) are inserted at the same time.

基板はハロゲンヒーター(7)により例えば200−5
00℃に加熱される。加えて、185nm、253nm
または10.6μの波長を発光する光化学反応用のラン
プ(9)が同時に設けられている。反応性気体は導入口
(11)よりノズル(3)を経て反応’+li (44
)に至り、排出口(8)を経て(12)より排気系に至
る。
The substrate is heated by a halogen heater (7), e.g.
heated to 00°C. In addition, 185nm, 253nm
Alternatively, a photochemical reaction lamp (9) emitting light with a wavelength of 10.6 μm is also provided. The reactive gas passes through the nozzle (3) from the inlet (11) and undergoes a reaction '+li (44
), and reaches the exhaust system from (12) through the exhaust port (8).

排気系は、圧力調整バルブ(13)、ストップバルブ(
14)、メカニカルブースターポンプ(17)ロータリ
ーポンプ(18)より外部に不用物を排出する。
The exhaust system includes a pressure adjustment valve (13) and a stop valve (
14) Discharge unnecessary materials to the outside from the mechanical booster pump (17) and rotary pump (18).

基板はホルダーにて最初予備室(16)に配設させ、真
空引きを(23)にて行った後、ゲートバルブ(45)
を開け、反応部(44)に移設させた。反応性気体はド
ーピング系(20)にてシランが(26)より、その化
ジボラン(B2H6)等のP型用反応性気体、フォスヒ
ン(PH3)等のN型用気体(24)、珪素に窒素添加
または炭素添加せしめるためのアンモニアまたはシラン
等の気体(25)、キャリアガスとしての水素またはヘ
リューム(27)をそれぞれ流量計(29)を経てバル
ブ(28)により制御して加えられる。
The substrate is first placed in the preliminary chamber (16) using a holder, and after being evacuated at (23), the board is placed at the gate valve (45).
was opened and moved to the reaction section (44). In the doping system (20), silane is converted into reactive gases (26), P-type reactive gases such as diborane (B2H6), N-type gases (24) such as phosphin (PH3), and nitrogen are added to silicon. A gas (25) such as ammonia or silane for addition or carbon addition, and hydrogen or helium (27) as a carrier gas are respectively added through a flow meter (29) and controlled by a valve (28).

シランの精製系(30)に関しては、シランに弗化水素
が混入した原シランが第1の容器の(31)に封入され
ている。
Regarding the silane purification system (30), raw silane in which hydrogen fluoride is mixed with silane is sealed in a first container (31).

第2図においては、圧力調整バルブ(32)を経て第2
の容器(40)に至る。
In Fig. 2, the second
to the container (40).

原シランの精製は以下の操作にて行った。The raw silane was purified by the following procedure.

原シラン(31)をボンベバルブを閉とし、排気系、第
2の容器をバルブ(32)(34)(46)(15)を
開、バルブ(13)、(25)、(33)、(14)を
閉としターボポンプ(19)、ロータリーポンプ(18
)にて10−6torr以下好ましくは10−7tor
rに真空引きをする。
Close the cylinder valve for raw silane (31), open the exhaust system and second container valves (32), (34), (46), and (15); 14), and then close the turbo pump (19) and rotary pump (18).
) at 10-6 torr or less, preferably 10-7 torr
Vacuum r.

さらに第2の容器(40)をヒーター(39)にて15
0〜250℃に加熱して脱気する。
Furthermore, the second container (40) is heated to 15
Heat to 0-250°C and degas.

この後、第2の容器(40)を冷却するため、バルブ(
13)、(14)、(15)、(25)、(33)、(
34)を閉とする。
After this, in order to cool the second container (40), the valve (
13), (14), (15), (25), (33), (
34) is closed.

又コントローラ(47)により液化窒素を(35)より
バルブ(36)を制御してニードルバルブ(37)を経
てトラップ(38)に導入する。
Further, the controller (47) controls the valve (36) from (35) to introduce liquefied nitrogen into the trap (38) through the needle valve (37).

気化した不要の窒素は(42)より排出する。この(4
2)を再び液化して(35)に還元することは雀エネル
ギー対策として自効である。
Vaporized unnecessary nitrogen is discharged from (42). This (4
Liquefying 2) again and reducing it to (35) is self-effective as a measure against sparrow energy.

かくして第2の容器(40)を約−150℃にする。The second container (40) is thus brought to approximately -150°C.

この後、バルブ(32)、(46)および第1の容器の
コックを開として原シランを第2の容器に移し液化シラ
ンを作製した。第1図における式(52)である。
Thereafter, the valves (32) and (46) and the cock of the first container were opened, and the raw silane was transferred to the second container to produce liquefied silane. This is equation (52) in FIG.

この容器に所望の量の液化シランを作製した後バルブ(
46)、(32)および第1の容器のコックを閉とし、
コントローラ(47)にてこの第2の容器を−65〜−
110℃、例えば−90℃に保持する。第2の容器内の
圧力を(41)にて検出してから、バルブ(33)を経
て、予め真空引きされているドーピング系(20)のう
らの(26)に至らしめる。即ち第1図の式(52)(
53)である。
After preparing the desired amount of liquefied silane in this container, the valve (
46), (32) and the first container cocks are closed;
The controller (47) controls this second container from -65 to -
The temperature is maintained at 110°C, for example -90°C. After the pressure inside the second container is detected at (41), it is led to (26) at the back of the doping system (20), which has been evacuated in advance, via a valve (33). That is, equation (52) (
53).

この第2の容器を−65〜−110℃好ましくは−75
〜−100℃例えは−90℃に保持し、原シランを液化
せしめることなくこの容器をコールドトラップとして用
い、ごのトランプにて同様に原シラン中の水や弗化珪素
を除去してもよい。
This second container is heated to -65 to -110°C, preferably -75°C.
The water and silicon fluoride in the raw silane may be removed in the same way by holding it at ~-100°C, for example, -90°C, and using this container as a cold trap without liquefying the raw silane. .

シランよりなる半導体の反応性気体は、流量計(29)
を経て反応系(10)に至る。この反応系には100〜
500℃好ましくは250〜350℃、代表的には30
0℃に保持された被形成面が配設してあり、反応領域(
44)の圧力を0.1〜10torr例えば2torr
として、シラン流量を1〜500cc/分例えば50c
c/分供給した。光エネルギーを紫外光185nmと2
53nmを発するランプ(長さ680nm、直径10m
mφ、出力450W)を用いて光照射を行った。次きに
電気エネルギーを高周波発振器(周波数13.56MH
z)(4)より一対の(5)(6)に加え、プラズマグ
ロー放電をせしめてPPCVD反応を行った。
The semiconductor reactive gas consisting of silane is detected by a flowmeter (29)
The reaction system (10) is reached through the steps. This reaction system has 100~
500°C, preferably 250-350°C, typically 30°C
A surface to be formed is maintained at 0°C, and a reaction area (
44) Pressure of 0.1 to 10 torr, e.g. 2 torr
, the silane flow rate is 1 to 500 cc/min, e.g. 50 c
c/min. The light energy is ultraviolet light 185 nm and 2
Lamp that emits 53 nm (length 680 nm, diameter 10 m)
Light irradiation was performed using a light source (mφ, output: 450 W). Next, the electrical energy is transferred to a high frequency oscillator (frequency 13.56MH).
z) In addition to a pair of (5) and (6) from (4), plasma glow discharge was caused to perform a PPCVD reaction.

基板位置は照射光に対して平行に配設されており、光化
学反応は基板表面よりもむしろ飛翔中の反応性気体に対
して行った。かくすることにより多量生産が可能なPh
otoCVDを実施することかできた。さらに本発明の
他の方法はこの光エネルギーに加えて電気エネルギーを
加えた。この時基板は発生したグロー放電における陽光
柱領域に配設されており、フォト・プラズマ放電により
被形成面、例えばガラス基板上にシリコン膜が第1図の
式(53)に基づいて形成された。
The substrate position was arranged parallel to the irradiation light, and the photochemical reaction was carried out on the flying reactive gas rather than on the substrate surface. This allows for mass production of Ph.
I was able to perform otoCVD. Yet another method of the invention added electrical energy in addition to this optical energy. At this time, the substrate was disposed in the positive column region of the generated glow discharge, and a silicon film was formed on the surface to be formed, for example, the glass substrate, by the photoplasma discharge based on equation (53) in Fig. 1. .

この成長速度はPhotCVDのみにおいては0.1〜
0.3A/秒例えは0.2A/秒であった。またPPC
VDにおいては、6〜15A/秒例えば12A/秒であ
った。
This growth rate is from 0.1 to 0.1 in PhotoCVD only.
The 0.3 A/sec analogy was 0.2 A/sec. Also PPC
In VD, it was 6-15 A/sec, for example 12 A/sec.

即ちPhotoCVD法においては、基板表面をプラズ
マにより損傷することかないため、良好な膜質を得るこ
とができた。しかし被膜の成長速度は0.1〜0.3A
/秒ときわめて遅く、さらにそれに必要な光エネルギー
がきわめて強力であるという欠点を存する。
That is, in the PhotoCVD method, since the substrate surface was not damaged by plasma, a good film quality could be obtained. However, the growth rate of the film is 0.1-0.3A
It has the disadvantage that it is extremely slow (/second) and that the light energy required is extremely powerful.

他力PPCVDはプラズマによる損傷が若干みられるが
、被膜の成長速度としては6〜15A/秒と、Phot
oCVD法の30倍もの高速成長を行うことかできた。
Photo
We were able to achieve growth 30 times faster than the oCVD method.

このPPCVD法においては、その工程によって光照射
を行い、その後に電気エネルギーを加えてプラズマを生
ぜしめたことはきわめて重要である。かくすることによ
り、放電開始前のプラズマ衝撃波により基板表面の損傷
を防ぐことかでき、電気的にはプラスマ損傷を実質的に
防ぐことができるという特長を有していた。
In this PPCVD method, it is extremely important that light irradiation is performed in the process and then electrical energy is applied to generate plasma. By doing so, damage to the substrate surface due to plasma shock waves before the start of discharge can be prevented, and electrically, plasma damage can be substantially prevented.

以上の如くにて本発明方法の示す珪素を主成分とする酸
素濃度が1×1018cm−3以下好ましくは1×10
7cm−3以下の非単結晶半導体を被形成面上に形成さ
せることができた。
As described above, the method of the present invention shows that the oxygen concentration mainly composed of silicon is 1 x 1018 cm-3 or less, preferably 1 x 10
A non-single crystal semiconductor having a size of 7 cm −3 or less could be formed on the surface to be formed.

なお第2の容器内に堆積され残存した不純物としての水
、弗化珪素またその他−65℃に以下の温度にてトラッ
プされた他の不純物は半導体被膜の炸裂が終了した後、
第2図においてバルブ(33)(25)を閉、バルブ(
34)(14)を開として、メカニカルブースターポン
プ(17)真空ポンプ(18)により真空排気した。
Note that the remaining impurities deposited in the second container such as water, silicon fluoride, and other impurities trapped at a temperature below -65°C are removed after the explosion of the semiconductor film is completed.
In Figure 2, the valves (33) and (25) are closed, and the valve (
34) (14) was opened and evacuated using the mechanical booster pump (17) and vacuum pump (18).

この珪素膜の膜質を調べると、SIMSの測定において
酸素濃度は1×1018atom/cc以下(光出力2
.0kW放電出カ70W以下)を有せしめることかでき
た。
Examining the film quality of this silicon film, we found that the oxygen concentration was less than 1 x 1018 atoms/cc (light output 2
.. 0kW discharge output (70W or less).

さらに放電出力は15Wとすると、2×1017ato
m/ccとさらにその1/5に減少し、従来から知られ
たシランドーピング系に繋ぎその被膜を調べると、3×
1019atom/ccであり、この値より約100分
の1に減少していることが判明した。
Furthermore, assuming that the discharge output is 15W, 2×1017ato
m/cc and further reduced to 1/5 of that, and when connected to a conventionally known silane doping system and examining the film, it was found that 3×
1019 atoms/cc, which was found to be about 1/100th of this value.

以下に本発明方法によって得られた精製シランを用いた
PhotoCVD法またはPPCVD法によって作製し
た珪素被膜中の不純物の結果をそれぞれ表2、表3に示
す。さらに従来方法のシランを用いたPCVD法で同じ
装置を用いて得られた結果を表1に示す。
Tables 2 and 3 show the results of impurities in silicon films produced by the PhotoCVD method or the PPCVD method using the purified silane obtained by the method of the present invention. Furthermore, Table 1 shows the results obtained using the same equipment in the conventional PCVD method using silane.

かかる表1、表2、表3に示す如く酸素を5×107以
下にし得る非単結晶シリコン半導体を300℃において
すら作ることができた。
As shown in Tables 1, 2, and 3, a non-single crystal silicon semiconductor capable of reducing oxygen to 5×10 7 or less could be produced even at 300°C.

これは基板温度を350℃、400℃にすることにより
この結晶性はさらに進行した。
This crystallinity progressed further by increasing the substrate temperature to 350°C and 400°C.

この反応生成物を作る温度も300℃ではなく150℃
〜300℃においても可能であった。
The temperature at which this reaction product is produced is also 150°C instead of 300°C.
It was also possible at ~300°C.

シランを前記したモノシランではなく、精製シランを用
い、さらにこのシランを無極放電法により変成して合成
した低酸素化ポリシラン(例えばSiπH2π+2)を
得ることができる。このポリシラン特にジシランを少な
くとも一部(SiH6/(SiH4+Si2H6)5〜
30%例えば15%)に含むシランを用いて前記したP
hotoCVD法により半導体被膜を作製する場合は、
被膜の成長速度を0.6A/秒とモノシランの場合の3
倍にまで高めることかできた。
A purified silane is used instead of the monosilane described above, and a synthesized low-oxygenated polysilane (for example, SiπH2π+2) can be obtained by modifying this silane by a non-polar discharge method. At least a portion of this polysilane, especially disilane (SiH6/(SiH4+Si2H6)5~
30% (e.g. 15%))
When producing a semiconductor film by the photoCVD method,
The growth rate of the film was 0.6 A/s and 3 for monosilane.
I was able to double it.

もちろんポリシランが90%以上の濃度に存在する時は
さらに成長速度を速めることができた。
Of course, when polysilane was present at a concentration of 90% or more, the growth rate could be further accelerated.

第3図はガラス基板上に第2図の装置にて0.5μのシ
リコン半導体層をPPCVD法(光出力1.0KW、放
電出力が15W)にて作製したものである。
FIG. 3 shows a silicon semiconductor layer having a thickness of 0.5 μm formed on a glass substrate using the apparatus shown in FIG. 2 by the PPCVD method (light output: 1.0 KW, discharge output: 15 W).

さらにこの上面に窒化珪素絶縁物を酸化防止のバリア層
として同一の第2図の反応装置を用いて500Aの厚さ
に積層した。この後、この窒化珪素を一部除去して、こ
の部分にオームコンククト電極を平行電極として設けて
、電気伝導度特性を調べたものである。
Furthermore, a silicon nitride insulator was laminated on this upper surface as a barrier layer for preventing oxidation to a thickness of 500 Å using the same reaction apparatus shown in FIG. Thereafter, a portion of this silicon nitride was removed, and an ohmic contact electrode was provided in this portion as a parallel electrode, and the electrical conductivity characteristics were investigated.

第3図は特に本発明方法の精製されたシランを用いたシ
リコン半導体の電気特性(57)(64)(65)(6
6)(68)、従来よりの特性(57)(63)(58
)(67)(69)を示したものである。
Figure 3 particularly shows the electrical characteristics (57) (64) (65) (6
6) (68), conventional characteristics (57) (63) (58
)(67)(69).

図面において、従来例において領域(59)は暗電気伝
導度(57)を示し10−7〜10−8(Ωcm)−1
のオーダーの値を有している。ここにAM1(100m
W/cm2)を領域(60)にて照射すると、従来法で
は曲線(58)に示すごとく、1×10(Ωcm)−1
を有し、且つ2時間連続照射して約1桁その値が劣化し
ていた。
In the drawing, in the conventional example, a region (59) exhibits a dark electrical conductivity (57) of 10-7 to 10-8 (Ωcm)-1.
It has a value of the order of . Here AM1 (100m
When irradiating area (60) with W/cm2), as shown by curve (58) in the conventional method, 1×10(Ωcm)−1
, and the value had deteriorated by about one order of magnitude after 2 hours of continuous irradiation.

他力本発明方法においては、暗伝導度(56)として5
×1010(Ωcm)−1を有し、その光転導度(64
)は2×10(Ωcm)のオーダーとフォトセンシティ
ビデーにて107を有し、従来例よりも約1〜2桁も大
きく、さらに連続光の照射にて、曲線(65)に見られ
るごとくほとんどその電気伝導度の劣化がみられなかっ
た。
In the method of the present invention, the dark conductivity (56) is 5
×1010(Ωcm)−1, and its optical conductivity (64
) has an order of 2×10 (Ωcm) and a photosensitivity of 107, which is about 1 to 2 orders of magnitude larger than that of the conventional example. Almost no deterioration of the electrical conductivity was observed.

さらに領域(61)において、その照射後の暗伝導度も
本発明においては(66)と(56)に比べ誤差の範囲
で同一であった。
Furthermore, in the present invention, the dark conductivity of region (61) after irradiation was also the same within the range of error compared to (66) and (56).

さらに150℃の加熱を行うと、従来例では曲線(67
)が(69)となり、見掛け上の特性向上変化があり、
その後領域(62)にて再度光照射を行うと、再び劣化
特性がみられた。
When heating is further performed at 150°C, the curve (67
) becomes (69), and there is an apparent change in property improvement,
After that, when the region (62) was irradiated with light again, the deterioration characteristics were observed again.

即ち、従来例ではかくのごとくに電気伝導度が(67)
に示される如く小さく、かつ光照射により劣化特性がみ
られる。
That is, in the conventional example, the electrical conductivity is (67)
As shown in Figure 2, it is small and exhibits deterioration characteristics due to light irradiation.

しかし本発明においては、電気伝導度が光照射の有無、
熱アニールの有無で特性の変化、劣化が殆ど観察されず
、かつ光転導度およびフォトセンシティビデー(光転導
度と暗転導度との羞)が大きく、また暗転導度は小さか
った。
However, in the present invention, the electrical conductivity depends on the presence or absence of light irradiation.
Almost no change or deterioration of properties was observed with or without thermal annealing, and the photoconductivity and photosensitivity (difference between photoconductivity and dark conductivity) were large, and dark conversion conductivity was small.

以上のごとく、本発明方法はかくのごとく高信頼性を有
するシリコン半碑体相を提供することができるという相
乗効果を有することが判明した。
As described above, it has been found that the method of the present invention has a synergistic effect in that it can provide a highly reliable silicon half-stone phase.

第4図は第3図における従来例の光劣化特性(Phot
o Induced Effect以下PIEという、
これはステブラー・ロンスキ効果ともいわれている)の
原理および本発明により特製改善の原理を示したもので
ある。
Figure 4 shows the photodegradation characteristics (Photo) of the conventional example in Figure 3.
o Induced Effect, hereinafter referred to as PIE,
This demonstrates the principle of the Stebler-Wronski effect (also known as the Stebler-Wronski effect) and the principle of special improvement according to the present invention.

即ち光り照射により相(70)より相(71)に移り熱
アニールにより相(71)より相(70)に移る。
That is, by light irradiation, the phase (70) changes to the phase (71), and by thermal annealing, the phase (71) changes to the phase (70).

これは反応式において、式(73)に示されており光照
射により再結合中心として作用する不対結合手が発生し
、熱アニールにより水素結合ができて発生しなくなる。
This is shown in equation (73) in the reaction formula, and dangling bonds that act as recombination centers are generated by light irradiation, and hydrogen bonds are formed by thermal annealing and are no longer generated.

式(73)はその反応式を示す。Formula (73) shows the reaction formula.

このPIEはSiOH等の酸素の混合量か究めて重大で
あるが、このSiOHの量は前記表2、表3において、
従来のものが140分の1に減少している。この濃度を
さらに減少させることが本発明の進歩の方向である。
This PIE is important because it determines the amount of oxygen such as SiOH mixed, but the amount of SiOH is as shown in Tables 2 and 3 above.
It has been reduced to 1/140 of the conventional one. Further reducing this concentration is the direction of progress of the present invention.

この減少かこのPIEの特性劣化を少なくしたものと判
断される。
It is judged that this decrease is due to the reduction in the characteristic deterioration of this PIE.

このPIEは半導体エレクトロニクスにおいて工業上信
頼性の低下を促し、きわめて有害なものであった。
This PIE promoted a decline in industrial reliability in semiconductor electronics and was extremely harmful.

かかる劣化特性が明らかになり、かつその対策としての
本発明は光電変換装置、光センサ、静電複写機、絶縁ゲ
イト型電界効果半導体およびその集積化装置への応用が
可能となり、工業上きわめて有効なものと判断される。
Such deterioration characteristics have been clarified, and the present invention as a countermeasure against it can be applied to photoelectric conversion devices, optical sensors, electrostatic copying machines, insulated gate field effect semiconductors, and their integrated devices, and is extremely effective industrially. It is judged that

本発明においては、第2図にしめされるごとくボンベを
第1の容器とした。しかしこのボンベを第3の容器とし
て、ガス納入業者にてシランの精製を行い、その精製さ
れたシランをボンベ(高圧容器)(第3の容器)に充填
して、この精製シランの充填されたポンへを直接第2図
に示すごとき半導体デバイスを装造する反応系に連結し
て、珪素半導体被膜を作製することに対しても本発明は
有効である。
In the present invention, the cylinder was used as the first container as shown in FIG. However, using this cylinder as a third container, the silane is purified at a gas supplier, and the purified silane is filled into the cylinder (high-pressure container) (third container). The present invention is also effective for producing a silicon semiconductor film by directly connecting the reactor to a reaction system for manufacturing semiconductor devices as shown in FIG.

さらに本発明においては、第1の容器にシランと弗化水
素とを充填したが、これを混合器としても本発明は同様
に有効である。
Further, in the present invention, the first container is filled with silane and hydrogen fluoride, but the present invention is equally effective if this container is used as a mixer.

本明細書においては、シリコンを主成分とする半導体被
膜を示した。この半導体被膜として、第2図(25)よ
り、メタンまたはアンモニアを同時に導入してSixC
1−x(0<x≦1)、Si3N4−x(0<x≦4)
で示される炭素または窒素が添加された非単結晶半導体
を作ることは有効である。
In this specification, a semiconductor film containing silicon as a main component is shown. As shown in FIG. 2 (25), methane or ammonia was simultaneously introduced to form the semiconductor film.
1-x (0<x≦1), Si3N4-x (0<x≦4)
It is effective to make a non-single crystal semiconductor to which carbon or nitrogen is added.

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

第1図は本発明の原理を示す反応式である。 第2図は本発明方法を用いた反応系、精製系を示す。 第3図は本発明方法及び従来例によって得られた電気伝
導度特性を示す。 第4図は光劣化特性の原理を示すものである。 特許出願人 株式会社半導体エネルギー研究所 代表者 山崎舜平
FIG. 1 is a reaction formula showing the principle of the present invention. FIG. 2 shows a reaction system and a purification system using the method of the present invention. FIG. 3 shows electrical conductivity characteristics obtained by the method of the present invention and the conventional example. FIG. 4 shows the principle of photodegradation characteristics. Patent applicant Shunpei Yamazaki, representative of Semiconductor Energy Research Institute Co., Ltd.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、シランと弗化水素とを第1の容器内に充填または混
合することにより、前記ソラン中に含有される酸化珪素
不純物を水と弗化珪素に変成・υしぬる工程と、前記水
と弗化珪素および弗化水素を除去して、前記シラン気体
をイj−製する工程と、該精製されたシランを1気圧以
下に保持された反応か内に尋人し、光エネルギーを供給
して光化学反応または光プラスー7化学反応を行うごと
により、被形成面に酸素または酸化物の濃度を1×10
18atom/cc以下有するシリコンを主成分とする
半導体膜を形成せしめることを動機とするシリコン被膜
作製方法。 2、シランと弗化水素とを第1の容器内に充填または混
合することにより、前記シラン中に含有される酸化珪素
不純物を水と弗化珪素に変成せしめる工程点、前記水と
弗化珪素および弗化水素を除去して、前記シランを精製
する工程と、該精製されたモノシランよりポリシランを
少なくとも一部に生成せしめる工程と、該精製されたポ
リシランを含むシランを1気圧以下に保持された反応炉
内に導入し、光コーネルギーを供給して光化学反応また
は光プラズマ化学反応を行うことにより、被形成面に酸
素または酸化物の濃度を1×1018atom/cc以
下有するシリコンを主成分とする半導体膜を形成せしめ
ることを特徴とするシリコン被膜作製方法。 3、特許請求の範囲第1項または第2項において、シリ
コンを主成分とする半導体膜中には炭素または窒素が添
加されたSixC1−x(0<x<1)Si3N4−x
c(0<x<4)なる非単結晶半導体)模を形成するこ
とを特徴とするシリコン被膜作製方法。
[Claims] 1. By filling or mixing silane and hydrogen fluoride in a first container, the silicon oxide impurities contained in the solane are transformed into water and silicon fluoride, and the silane is nucleated. a step of removing the water, silicon fluoride, and hydrogen fluoride to produce the silane gas; and injecting the purified silane into a reaction chamber maintained at 1 atm or less. , each time a photochemical reaction or photoplus-7 chemical reaction is performed by supplying light energy, the concentration of oxygen or oxide is increased to 1×10 on the surface to be formed.
A method for producing a silicon film whose motive is to form a semiconductor film whose main component is silicon having a density of 18 atoms/cc or less. 2. A process point in which silicon oxide impurities contained in the silane are transformed into water and silicon fluoride by filling or mixing silane and hydrogen fluoride in a first container; and a step of purifying the silane by removing hydrogen fluoride, a step of generating at least a portion of polysilane from the purified monosilane, and a step of maintaining the silane containing the purified polysilane at a pressure of 1 atmosphere or less. A semiconductor whose main component is silicon, which has an oxygen or oxide concentration of 1 x 1018 atoms/cc or less on the surface to be formed, by introducing it into a reactor and performing a photochemical reaction or a photoplasma chemical reaction by supplying photonic energy. A method for producing a silicon film, characterized by forming a film. 3. In claim 1 or 2, a semiconductor film containing silicon as a main component includes SixC1-x (0<x<1)Si3N4-x to which carbon or nitrogen is added.
A method for producing a silicon film, the method comprising forming a pattern of a non-single crystal semiconductor c (0<x<4).
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