JPS6043820A - プラズマ気相反応方法およびその製造装置 - Google Patents

プラズマ気相反応方法およびその製造装置

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JPS6043820A
JPS6043820A JP58151407A JP15140783A JPS6043820A JP S6043820 A JPS6043820 A JP S6043820A JP 58151407 A JP58151407 A JP 58151407A JP 15140783 A JP15140783 A JP 15140783A JP S6043820 A JPS6043820 A JP S6043820A
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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】 本発明はプラズマ気相反応方法およびその製造装置に関
する。
本発明は1つの反応容器内に2つの独立した電界を平行
平板電極により供給することにより、均一な膜厚の被膜
を作製することを目的とする。
本発明ばかがる目的のため、基板の被形成面に概略平行
に第1の電界を発生させ、プラズマ反li色をせしめ、
さらにこの電界に直交して第2の電界をアシスト(補助
用)電界として供給せしめたことを目的とする。
従来、プラズマ気相反応方法においては、一対のみの電
極を平行に配し、平行平板型電極とし、その電極間にプ
ラズマ放電をグロー放電法Gこより実施することにより
半導体被膜等の形成を行つζいた。かかる一対の電極の
み用いる方式でGよ、この電極の一方に被形成面を有す
る基板を配設して電極と等電位とする場合は、被膜の均
一性を±5%以内のばらつきの範囲に有せしめることが
できる。
しかしかかる方式では、被形成面を電極面積以上に大き
くすることができない。このため、多量生産に不向きで
あるという欠点を有する。
他方、基板を平行平板型電極の間にその電界力(被形成
面に概略平行になるように多数の基板を互いに一定の距
離(2〜6cm)を離間して林立せしめて配設する方法
が知られている。
その−例は本発明人の出願になる特許願(プラズマ気相
反応装置 昭和57年9月20日出願 特願昭57−−
163728 / 16.3729 / 163730
 )である。
即ち、基板を電位的にいずれの電極からも遊離せしめて
気相反応を行ういわゆるフローティングプラズマ気相反
応方法(以下FPCVD法という)において、多量に被
膜形成を行うことができるという特徴を有する。このた
め従来より公知の平行平板型電極の一方電極上に基板を
配設する方法に比べて5〜20倍の生産性をあげること
ができた。しかしかかるFP(:VD法において、得ら
れる膜厚の均一性はその一例として第1図に示すごとき
ものであった。
図面(A)において、基板(2)と電極(62)。
(52)との相対位置関係を示している。基板(2)は
約5000人の厚さに珪素を形成したものであるが、一
対の電極(62>、<52)間で(B>、(C)に示す
ごとく、電極近傍が厚くなり、また(1))、(E)に
示すごとく電極の中央部が厚く、また電極端部が薄くな
ってしまった。このため基板(2)上側端部に形成され
る膜厚は中央部の上下端部の厚さに比べて20〜30%
も厚さが薄くなってしまった。
即ち、従来より公知のPCVD法において被形成面のス
バ・7タを少なくするため、そのプラズマ反応に用いら
れる高周波の電界は被形成面に添−7て流れるように層
流を構成して供給され、即ち電界は被形成面に概略平行
になるように配設せしめている。しかし一対の電極によ
る電界のみでは端口19の電界が外方向に放散し、電束
密度が小さくなっ一部しまう。その結果、電極端部下の
被形成面−Lでは被膜はその厚さが薄くなったものと判
断される。
このため本発明はかかる膜厚の不均一性を防ぎ四角形の
被形成面のすべての周辺部、中央部も所定の厚さに対し
その厚さのばらつきが±5%以内とするため、電極を2
対とし、それぞれの対をなす電極を互いに直交する方向
に供給して電気エネルギを供給することを特徴としてい
る。
即ち、前記した第1の電界?、こ直交して第2のアシス
ト電界を供給せしめて、端部での電束密度が小さくなる
ことを防いだ。本発明はこれら2つの電極から基板の被
形成面が電気的に浮いた(フローティング)とすること
により、プラズマエネルギが被形成面をスパツクする程
度を軽減せしめた。
即ち、本発明は一対の上下方向に配設された(電極間距
離の短い)主電極による主電界を発生せしめ、さらにそ
れに直交してアシスト電界を発生させている。そしてこ
れら2つの電界は互いに直交または概略直交(膜厚の薄
い方向に電界を加える)し、かつ被形成面に概略平行に
配設されるように位置関係を有せしめている。本発明は
この2対の電極を1つの反応容器内に配設し、かかる反
応容器にて被膜例えば非単結晶半導体の形成を行うこと
を特徴としている。
さらに本発明ばかがる半導体層をP型半導体、I型半導
体およびN型半導体と積層してPIN接合を基板上に形
成するに際し、それぞれの反応容器を分離部を介して連
結せしめたマルチチャンバ方式のPCVD法を提案する
にある。
本発明は水素またはハロゲン元素が添加された非単結晶
半導体層、好ましくは珪素、ゲルマニューム、炭化珪素
(SiC:のみではなく、本発明においては5iXC)
−,0< x < 1の総称を意味する)、珪化ゲルマ
ニューム(SixGe、40 < x < 1入珪化ス
ズ(SixSn I−z O< x < 1 )であっ
て、この被膜中に活性状態の水素またはハロゲン元素を
充填することにより、再結合中心密度の小さなP、Iお
よびN型の導電型を有する半導体層を複数形成し、その
積層境界にてPI接合、Nl接合またはこれらを組み合
わせてPIF接合、NIN接合、PIN接合を形成する
とともに、それぞれの半導体層に他の隣接する半導体層
からの不純物が混入して接合特性を劣化させることなく
形成するとともに、またそれぞれに半導体層を形成する
工程間に大気特に酸素に触れさせて、半導体の一部が酸
化されることにより、眉間絶縁物が形成されることのな
いようにした連続生産を行うためのプラズマ気相反応に
関する。
さらに本発明はかかる多数の反応容器を連結したマルチ
チャンバ方式のプラズマ反応方法において、一度に多数
の基板を同時にその被膜成長速度を大きくしたいわゆる
多量生産方式に関する。
本発明は2〜10cm好ましくは3〜5cmの−、定の
間隙を経て被膜形成面に概略平行に配置された基板の上
部、下部および中央1周辺での膜厚の均一性、また膜質
の均質性を促すため、一対をなす電極を2対互いに直交
するように設け、さらに本発明装置においては、基板の
加熱を少なくとも上方向および下方向より棒状赤外線ラ
ンプを互いに90゜曲げて配向し、均熱化を図った。即
ち10cm X 10cmまたは電極方向に10〜40
cm例えば20cmを有するとともに中15〜120 
cm例えば60c1の基板(20cm X 6Qcmを
1ハツチ20枚配設)が、その温度分布において、10
0〜650℃の温度設定において±10℃以内のばらつ
きとしたことを特徴としている。
かくのごとくにマルチチャンバ方式を基本条件としてい
るため、それぞれの反応容器内での被膜の特性の向上に
加えて、チャンバ内壁に不要の反応生成物が付着するこ
とを防ぎ、逆に加えて供給した反応性気体の被膜になる
割合、即ち収集効率を高めている。このため絶縁性(石
英)ホルダにより囲み、ヂムニー(煙突)状に基板の配
置されている筒状空間に反応性気体を供給フードに選択
的に導入させ、排気フードに排気させている。さらに基
板の被形成面が実質的にチムニ−の内壁を構成せしめた
ことを特徴とするプラズマ気相反応に関する。
図面においては、反応性気体の導入口、排気1」におい
て供給フード、排気フードを設け、この間の絶縁物ホル
ダで囲んだ基板の被形成面により実質的に作られた筒状
空間のみに選択的にプラズマ反応による活性気体を導入
せしめることによりチャンバ(反応容器)内の全空間に
反応生成物が拡散し広がることを防いだものである。か
かる気相反応装置により、形成された不純物のそれぞれ
の半導体層から他の半導体層への混合を排除し、またそ
れぞれの反応容器内に形成されるフレークを少なくさせ
て、さらに複数の半導体層の積層界面での混合の厚さを
200〜300人と従来よりも約1/10〜115にす
るとともに、基板内、同一ハノチの基板間での膜厚のば
らつきを±5%以内(例えば5000人の厚さとすると
、そのばらつきが±250人以内)とし得たことを特徴
としている。
以下に本発明の実施例を図面に従って説明する。
実施例1 第2図に従って本発明のプラズマ気相反応装置の実施例
を説明する。
この図面は、PIN接合、PIP接合、NIN接合また
はPINPIN・・・PIN接合等の基板上の半導体に
、異種導電型でありながらも、形成される半導体の主成
分または化学量論比の異なる半導体層をそれぞれの半導
体層をその前工程において形成された半導体層の影響(
混入)を受けずに積層させるための多層に自動かつ連続
的に形成するための装置である。
図面においてはPI接合、IN接合をさらに複合化して
PIN接合を構成する3つのP、IおよびN型の半導体
層をfI!J層して形成する3つの反応系(I、■、■
)とさらに第1および第2の予備室を有するマルチチャ
ンバ(ここでは3つの反応容器)方式のプラズマ気相反
応装置の装置例を示す。
図面における系■、■、■は3つの各反応容器(6>、
< 7 >、< 8 )を有し、それぞれの反応容器間
に分離部(44)、<45>、(46>;(47)を有
している。またそれぞれ独立して反応性気体の導入フー
ド(17)、<18)、(19)と′排気フード< 1
7’>、(18’)、(19’)とを有し、反応性気体
が供給系または排気系から逆流、または他の系からの反
応性気体の混入を防いでいる。
この装置は入り口側には第1の予備室(5)が設げられ
、まず扉(42)より基板ホルダ(ホルダともいうX1
5)に基板(4)を挿着し、この予備室に配置させた。
この被形成面を有する基板は被膜形成を行わない裏面を
互いに接し、2枚を一対として2〜10cm好ましくは
3〜5cmの間隙を有して林立させてい息。この間隙は
基板の反応性気体の流れ方向の長さが10cm、 15
cm、 20cmと長くなるにつれて、3〜4cm、4
〜5cm、5〜6cmと広げた。
例えば20cm x 60cmの基板を20枚同時に形
成させる場合、その間隙は6crLl とした。さらに
この第1の予備室(5)を真空ポンプ(35)にてバル
ブを開けて真空引きをした。この後予め真空引きがされ
ている反応容器(6)、(7)、(8)との分離用のゲ
ート弁(44>、(45>、< 46 >、< 47 
)を開けて基板およびホルダを移した。例えば、予備室
(5)より第1の反応容器(6)に移し、さらにゲート
弁(44)を閉じることにより基板およびホルダを第1
の反応容器(6)に移動させたものである。この時、第
1の反応容器(6)に保持されていた基板(1)は第2
の反応容器(7)に、また第2の反応容器(7)に保持
されていた基板(2)は第3の反応容器(8)に、また
第3の反応容器(8)に保持されていた基板は出口側の
第2の予備室(9)に同時にゲート弁(45)、(46
)、(47)を開けて移動させた。この後ゲート弁(4
4)、<45>、<46>、<47)を閉めた。
第2の予備室に移された基板はゲート弁(47)が閉じ
られた後(41)より窒素が導入されて大気圧にされ、
(43)の扉より外へ出した。
即ちゲート弁の動きは扉(42)、(43)が大気圧で
開けられた時は分離部のゲート弁(44)、(45)ズ
46)。
(47)は閉しられ、各チャンバにおいてばプラズマ気
相反応が行われている。また逆に扉(42)、<43)
が閉じられていて予備室(5>、< 9 )が十分真空
引きされた時は、ゲート弁(44>、<45>、(46
)、<47)が開けられ、各チャンバ′の基板、ホルダ
は隣のチャンバに移動する機構を有している。
系Iにおける第1の反応容器(6)でP型半導体層をI
IcVD法により形成する場合を以下に示す。
反応系l (反応容器(6)を含む)は101〜10t
orr好ましくは0.01〜l torr例えば0.0
8torrとした。
反応性気体は珪化物気体(24)に対してはシラン(S
inll、、、、Lnン1特に5il14>、ジクロー
ルシラン(SinLCIL>、トリクロールシラン(S
IIICIJ )、四フッ化珪素(Sir、)等がある
が、取扱が容易なシランを用いた。
本実施例の5ixC+−、I(0< x < 1 )を
形成するため、炭化物気体(23)に対してはメタン(
Cal、 )を用いた。
炭化珪素(SixC2−LO< x < 1 )に対し
ては、P型の不純物としてボロンを水素にて20001
1PMに希釈されたジボランより (25)より供給し
た。またガリュームをTMG (Ga (Cll 3 
)J )により10Fj〜9 X 10” cm−ヨの
濃度になるように加えてもよい。
必要に応し水素(H4)または窒素(N2)を液体窒素
より気化して用いた。これらの反応性気体はそれぞれの
流量計(33)およびバルブ(32)を経て、反応性気
体の供給フード(17)より高周波電源(14)の負電
極(61)を経て反応容器(6)に供給された。反応性
気体は(70)のホルダ(74)に囲まれた筒状空間内
に供給され、この空間を構成する基板(1)に被膜形成
を行った。さらに負電極(61)と正電極(51)間に
電気エネルギ例えば13.5611112の高周波エネ
ルギ(14)を加えてプラズマ反応せしめ、基板上に反
応生成物を被膜形成せしめた。
基板はioo〜400 ’c例えば200°Cに赤外線
ヒータ(11)、(11’)により加熱した。
この赤外線ヒータは、近赤外用ハロゲンランプ(発光波
長1〜3μ)ヒータまたは遠赤外用セラミックヒータ(
発光波長8〜25μ)を用い、棒状を有するため上方の
ヒータと下方のヒータとが互いに直交する方向に配置し
て、この反応容器内におけるホルダにより取り囲まれた
筒状空間を200±10℃好ましくは±5°C以内に設
置した。
この後、前記したが、この容器に前記した反応性気体を
導入し、さらに10〜500W例えば100訂こ高周波
エネルギ(14)を供給してプラズマ反応を起こさせた
さらに上下の電極(t+l1lI状のステンレス製電極
(図示されず)にも同様に電気エネルギを加えた。
ここでは13.56MHzを50Wの出力で加えた。即
しアシスト電界(補助電界)により第1の電界の端部で
の電界が弱くなる部分を中央部とほぼ同しようにするこ
とが可能になった。
かくしてP型半導体層はBLl16/ S + 114
 = 0 、5%。
Ctl、/ (Sill+ +CI味) ’=0.5%
の条件にて、この反応系■で約100人の厚さを有する
薄膜(IWJソのばらつき95〜103人)として形成
させた。Eg=2.Oeν。
σ−IXIO−G〜3X10’(Ωcm戸であった。
基板は導体基板(ステンレス、チタン、アルミニューム
、その他の金属)2半導体(珪素、ゲルマニューム)、
絶縁体くアルミナ、ガラス、有機物質)または複合基板
(アルミニューム、ステンレス上に絶縁薄を形成させた
絶縁性表面を有する可曲性基板またはガラス絶縁基板の
上面に弗素が添加された酸化スズ、ITO等の導電膜が
単層またはITO上に5nOsが形成された2N膜が形
成されたもの、さらにまたは絶縁基板上にPまたはN型
の半導体が形成されたもの)を用いた。本実施例のみな
らず本発明のすべてにおいてこれらを総称して基板とい
う。勿論この基板は可曲性であってもまた固い坂であっ
てもよい。
かくして1〜5分間プラズマ気相反応をさせて、P型不
純物゛としてホウ素またはガリュームが添加された炭化
珪素膜を約100人の厚さに作製した。
さらにこの第1の半導体層上に基板を前記した操作順序
に従って第2の反応容器(7)に移動し、ここで真性の
半導体層を約5000人の厚さに形成させた。
即ち第1図における反応系Hにおいて、半導体の反応性
気体としてシランを(28)より、また、10” cm
1以下のホウ素を添加するため、水素、ソラン等により
5〜30PPMに希釈したB2I+、を(27)より、
また、キャリアガスを必要に応じて(2G)より供給し
た。
反応性気体は基板(2)の被形成面にそって」三方より
下方に流れ、真空ポンプ(37)に至る。系■において
り43)の出口側よりみた縦断面図を第3図に示す。
第3図を概説する。
第3図において、アシスト電界を用いて被膜を形成せし
めたものである。
図面において、ヒータ(12)、(12)はジルコン(
ZrSiO−発熱体を用い、8μ以上の光が十分に放射
できる遠赤外線ヒ〜りとした。反応空間ばヒータにより
100〜400℃例えば250°Cとした。反応性気体
は例えばシランを分解した。
さらに基板(20)に対し、その被形成面に概略平行に
第1の電界(90)を一対の主の電極(62)、(52
)により供給し、プラズマ気相反応を行った。
さらに同時にアシスト電界(91)を第2の一対をなす
電極(72>、<82)により供給して、それぞれが高
周波発振器(15)および他の高周波発振器(85)に
より連結している。反応性気体を(26入(27>、(
2B)より供給フード(1B)、ホルダ(74)、排気
フード(18’)により真空ポンプ(37)へ排気させ
た。被膜としてシランによりアモルファス珪素を作製し
た場合、5000人の厚さに5illp 60cc/分
、被膜形成速度2.5人/秒、基板(20cm X 6
0cmを20枚、延べ面積24000 cシ)で圧力0
.08torrとした。
すると中央部が5000人とばらつき、縦方向の周辺部
がアシスト電界がない従来方法の場合は3000人(ば
らつき±20%)であったのが、本発明方法では450
0人(±5%)ときわめて均一性を向上させることがで
きた。
かくして第1の反応室にてプラズマ気相法によりP型半
導体層を形成した上にLT CVD法によりI型半導体
層を形成させてPI接合を構成させた。
またかくして系■にて約5000人の厚さに形成させた
(&、基板は前記した操作に従って第1図の糸■の反応
容器(8)に移され、N型半導体層が形成させた。この
N型半導体層は、l’cVD法によりフォスヒンを円1
3/ S iH+ = 1 、0%としく31)よりま
たシランを(30)より、またキャリアガスの水素を(
38)より5111f/ Hz = 50%として供給
し、系Iと同様にして約200人の厚さにN型の微結晶
性または繊維構造を有する多結晶の半導体層を形成させ
、さらにその上面にメタンをCI+、 / (Sil+
、+C1l、)−〇、1 として(29)より供給して
5iXC+−((0< x〈1)で示されるN型半導体
層を10〜200人の厚さ例えば50人の厚さに積層し
て形成させたものである。その他反応装置については系
Jと同様である。
かかる工程の後、第2の予備室(9)より外に1”IN
接合を構成して出された基板上に100〜1.50 [
)人の厚さのITOをさらにその上に反射性電極として
のアルミニューム電極を真空蒸着法により約1μの厚さ
に作り、ガラス基板上ζこ(ITO4SnOq−)表面
電極−(PIN半導体〉−(裏面電極)を構成させた。
その光電変換装置としての特性は7〜9%平均8%を1
0cm M 10cmの基板でAMl(100mW /
cJ)の条件下にて真性効率特性として有し、集積化し
てハイブリッド型にした20cm X 60cmのガラ
ス基板においても、3〜5%を実効効率で得ることがで
きた。この効率の向上は大きい面積の基板の周辺部での
膜厚が従来の3000人よりlff1としての最適の膜
厚の5000人とすることができたこと、さらに同様に
′従来はPまたはN型半導体層では膜厚がばらつきすぎ
て十分な開放電圧がでなかったことに比べて、本発明方
法はきわめて均一な膜厚にさせることができたことによ
り、その結果、1つの素子で開放電圧は0.85〜0.
9V (0,87±0.02V)であったが、短絡電流
は20〜22mA/c己と大きく、またFFも0,70
〜0.78と大きく゛かつそのばらつきもパネル内、バ
ッチ内で小さく工業的に本発明方法はきわめて有効であ
ることが判明した。
第4図は第3図における第2の反応系(It)で非単結
晶珪素を0.5μの膜厚に形成した場合の分布を示す。
図面より明らかなように、基板(2)、主電極(62>
、(52>、アシスト電極(72)、<82)を配し、
それぞれの断面での厚さの分布を(B >、< C>、
< D )、(E )に示す。このすべての断面図にお
いて、第1図に比べてきわめて均一性を有し、実用上十
分±5%以内のばらつきになっていることが判明した。
さらにこの珪素または炭素の不対結合手を水素により5
t−11,C−Hにて中和するのではなく、5i−p、
cffFとハロゲン化物特に弗化物気体を用いて実施し
てもよいことばいうまでもなく、この濃度は10原子%
以下、例えば2〜5原子%が好ましかった。
形成させる半導体の種類に関しては、前記したごとく、
複数層ではなく IV族のS l + Ge、 I 5
IXLIJL(0<x<1)、5ixGe+−((0<
x<l 入5ixSn+−<(0<x<1)単層であっ
ても、またこれら以外にGaAs、GaAlAs、 B
P、CdS等の化合物半導体であってもよいことはいう
までもない。
本発明は3つの反応容器を用いてマルチチャンバ方式で
のPCVD法を示した。しかしこれを1つの反応容器と
し、そこでPCVD法により窒化珪素をシランとアンモ
ニアとのPCVD反応により形成させることは有効であ
る。また酸化珪素をシランをN20とのpcvo反応に
より形成させることも有効である。
また酸化スズをSiCl2と窒素とのPCVD反応によ
り、11’OをInCl7.5nCI4 と窒素゛との
プラズマ気相方法により形成することも有効である。
本発明で形成された非単結晶半導体被膜は、絶縁ディト
型電界効果半導体装置におけるN(ソース)I(チャネ
ル形成領域)N(ドレイン)接合またはPIF接合に対
しても有効である。さらにPINダイオードであってエ
ネルギハンド1jがW−N−w (WIDE−NALL
OW−WIDE)または5ixC1,t−5i−5ix
C+g(Q<x<l)構造のPIN接合型の可視光レー
ザ、発光素子または光電変換装置を作ってもよい。特に
先入射光側のエネルギハンド1Jを大きくしたベテロ接
合構造を有するいわゆるW(PまたはN型)−N(I型
>oooETONp、LLo匈)と各反応室にて導電型
のみではなく生成物を異ならせてそれぞれに独立して作
製して積層させることが可能になり、工業的にきわめて
重要なものであると信する。
本発明において、分離部は単にゲイト弁のみではなく、
2つのゲート弁と1つのバッファ室を系Iと系2との間
に設けてP型半導体の不純物のI型半導体層中への混入
をさらに防ぎ、特性を向上せしめることは有効であった
また本発明の実施例は第2図に示すマルチチャンバ方式
であり、そのすべての反応容器にてアシスト電界を供給
した。しかし必要に応じ、この一部を従来の一対の電極
のみとするPCVD法またはプラズマを用いない光CV
D法、LT CVD法を採用して複合被膜を形成しても
よい。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の方法で得られた基板上の膜厚の不均一性
を示す。 第2図、第3図は本発明を実施するための半導体膜形成
用製造装置の概略を示す。 第4図は本発明方法によってiqられた基板の膜厚の均
一性を示す。 、62 ,4−AJu−or (13) (C) (O) (F) ポ1口 −−1’ C−C’ (1)ノ ″−2

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、基板の表面に概略平行に第1の電界が供給されるプ
    ラズマ気相反応方法において、前記第1の電界に直交し
    て第2の電界を供給することにより被形成面上に導体、
    半導体または絶縁体の被膜を形成することを特徴とする
    プラズマ気相反応方法。 2、基板を互いに離間して概略平行に設けた前記基板表
    面に概略平行の電界を供給する第1の一対の電極と、該
    第1の一対の電極に直交して第2の電界を供給する第2
    の一対の電極とを具備したプラズマ気相反応用製造装置
JP58151407A 1983-08-19 1983-08-19 プラズマ気相反応方法およびその製造装置 Granted JPS6043820A (ja)

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