JPH0536619A - 半導体表面処理方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 被処理基板１０６は陰極１０５に固定され、
シールド電極１１４にてシールドされている。陰極１０
５には高周波電源１０３が接続されている。陰極１０５
と対向する陽極１０９の中心には穴が設けられており、
この穴に蒸発源を仕込むための坩堝１１０が設けられて
いる。坩堝１１０には加熱用フィラメント１１１が巻か
れている。処理室１０２内へ不活性ガスを導入するため
に不活性ガス導入管１０７が設けられている。処理室１
０２は排気口１１２より不図示の排気ポンプによって排
気することができる。 【効果】 特性の優れたｐ型またはｎ型の半導体を大面
積にわたり均一性よく、短い処理時間で製造することが
でき、大面積の半導体デバイスの低コストでの製造を可
能とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体表面処理方法及
び装置に関し、特に太陽電池や液晶ディスプレーのアク
ティブマトリクス回路等の大面積半導体デバイスの製造
工程においてその表面を処理する方法及び装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】最近の半導体デバイス技術の流れとし
て、半導体メモリやイメージセンサーに代表される微細
化、集積化の方向と共に、太陽電池や液晶ディスプレー
のアクティブマトリクス回路に代表される大面積化の方
向がある。大面積半導体デバイスにおいては、単位面積
あたりの製造コストを極力下げる必要がある。そのため
半導体材料として単結晶シリコンウェハーと共に、ガラ
ス、金属、セラミックス等の廉価な基板上に堆積された
アモルファスや多結晶の半導体薄膜が用いられ始めてい
る。しかしデバイスの製造コストを下げるためには、他
の各製造プロセスについても低コスト化が要求される。
また製造されたデバイスは３０ｃｍ角あるいはそれ以上
の大面積にわたって特性が均一でなくてはならない。す
なわち大面積デバイスにはそれにふさわしいプロセス技
術が開発されなくてはならない。

【０００３】各製造プロセスの中でも大面積化の観点か
ら最も重要な技術としてドーピング技術が挙げられる。

【０００４】半導体のドーピング技術として最も一般的
に用いられてきたのは熱拡散法である。熱拡散法は半導
体表面に塗布または堆積した膜の中に含まれるドーパン
ト原子を通常１０００℃以上の高温で半導体中に拡散し
ドーパントとして活性化する技術である。この方法は比
較的容易に大面積デバイスに適用できるが、高温を用い
るため薄膜半導体を用いるに際し使用可能な基板に制約
を受ける。また処理に長時間（通常数時間程度）を要し
製造のスループットが良くない。

【０００５】また他の一般的なドーピング技術としてイ
オンインプランテーション法がある。この方法では真空
中でイオン化したドーパント原子イオンのビームから、
質量分析の手段により不純物を取り除いた後、電界で加
速して半導体中に打ち込み、通常８００℃以上の温度で
数時間程度アニールしてドーパントを活性化する方法で
ある。この方法ではドーパントの制御がし易いが、大面
積にわたりビームを走査する必要がありやはり製造のス
ループットが良くない。また装置が大がかりになりやは
りコスト面で不利となる。

【０００６】一方、熱ＣＶＤやプラズマＣＶＤ等の方法
で気相から堆積する薄膜半導体の場合には、薄膜の堆積
時に気相中にドーパントを含むガスを混合して薄膜半導
体中にドーパント原子を導入する方法がある。この方法
では比較的大面積化も容易で、スループットも熱拡散法
やイオンインプランテーション法に比べるとよいが、形
成されたｎ型またはｐ型の半導体の特性は必ずしも十分
ではなく半導体デバイスへの応用には不十分なことが多
かった。よく知られた例としては、熱ＣＶＤにより多結
晶Ｓｉを堆積する際、原料のモノシラン（ＳｉＨ₄ ）に
フォスフィン（ＰＨ₃ ）を混合してｎ型にしようとする
と、特に高濃度ではＳｉの結晶粒が小さくなりｎ型Ｓｉ
としての特性が、熱拡散法やイオンインプラテーション
法でｎ型にする場合に比べて劣ったものとなる。またプ
ラズマＣＶＤ法でアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）を
堆積する際、原料のＳｉＨ₄ にジボラン（Ｂ₂ Ｈ₆ ）を
混合してｐ型にしようとすると、光学的バンドギャップ
（Ｅｇ）が低下し、局在準位が増加してｐ型半導体とし
ての特性は劣ったものとなる。

【０００７】その理由としては、ドーパントを含むガス
が気相中に混合されると、半導体を構成する主成分の元
素（Ｓｉ等）を含むガスの反応に影響を及ぼし、半導体
の堆積のプリカーサー（堆積反応の前駆体）を変化させ
るためと考えられる。

【０００８】また堆積によりドーピングを行うと、一般
には基板上の特定の場所に選択的にｎ型やｐ型の半導体
領域を形成することができない。このため特に液晶ディ
スプレーへの応用においてはプロセスが複雑化する。こ
のような観点からいくつかの提案がなされている。

【０００９】M.B. SpitzerとS.N. Bunker はｐ型単結晶
Ｓｉに質量分析を行わずにリン（Ｐ）のイオンインプラ
ンテーションを行い、ｐｎ接合をもつ変換効率１５％の
太陽電池を作った（16th IEEE Photovoltaic Conf. San
Diego, 1982p.711-)。 H.Itoh等も同様な方法で反射防
止層無しで変換効率１０％の太陽電池を作った(Proc.3r
d PVSEC in Japan ('82) p.7-) 。質量分析を行わない
イオンインプラテーション法では、装置は比較的簡単と
なり製造のスループットも向上する。しかし太陽電池へ
の応用上十分なほどの大面積の処理は困難である。また
彼らの実験ではイオンを打ち込んだ後、５５０℃または
６００℃以上でアニーリングを行っており、製造のスル
ープットが低いばかりでなく、薄膜半導体への応用に対
して制約が多い。

【００１０】また、S.D. Westbrook等は、硼素（Ｂ）を
含むガスをグロー放電で分解し、さらに電界を印加する
ことにより硼素イオンを加速し、ｎ型単結晶Ｓｉに打ち
込んだ後、５５０℃以上でアニールを行って、変換効率
１９％もの太陽電池を作っている(Appl. Phys. Lett. V
ol. 50 ('87) p.469-)。一方、吉田、瀬恒、平尾は同様
の装置を用いてリンのａ−Ｓｉへのドーピングを行い薄
膜トランジスター（ＴＦＴ）を作っている（IEEE Elec.
Device Lett. Vol. 9 (1988) p.90-)。これらの方法で
は大面積化がし易く、製造のスループットも比較的良
い。また後者において示されているように、半導体面の
特定の場所に選択的にｐ型またはｎ型の領域を形成する
ことができる。しかし質量分析を行わないためドーパン
トイオン以外に各種の不必要なイオンも高速で打ち込ま
れることとなる。したがって十分な温度でアニールする
ことが困難なａ−Ｓｉの場合には特にイオンによるダメ
ージが取り除きにくく、ａ−Ｓｉ太陽電池への応用に当
たっての障害になっていた。またイオン以外の中性のド
ーパント原子については制御ができず、これらのドーパ
ント原子が装置の各部に拡散し易い。特にａ−Ｓｉ太陽
電池では通常ｐｉｎ接合を用いており、少なくともｎ
型、ｉ型、ｐ型の３層から、さらに複数のｐｉｎ接合を
積層したタンデム型ａ−Ｓｉセルでは６層、９層からな
る。これらのドーパントは隣接する導電型の異なる半導
体層（特にｉ層）に混入するとデバイスの特性に悪影響
を与え易い。中でもａ−Ｓｉ太陽電池の量産を目的とし
て長尺の帯状基板に連続堆積を行うロールトゥロール装
置では、隣接する成膜室へのドーパントの拡散が起こり
易い。

【００１１】このように高性能なａ−Ｓｉ太陽電池を量
産するためには、大面積へのドーピング技術をさらに改
善する必要があった。また結晶半導体太陽電池や、液晶
ディスプレーの場合にも製造のスループットのよいドー
ピング技術の開発が望まれていた。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
現状に鑑みなされたものであって、半導体デバイスの製
造において、ドーパントの不要な拡散が少ない簡単な装
置で、特性の優れたｐ型またはｎ型の半導体を、大面積
にわたり均一性よく、短い処理時間で製造する方法及び
この方法を実施するための装置を提供し、特に高性能な
太陽電池や液晶ディスプレーのような大面積の半導体デ
バイスの低コストでの製造を可能とし、これらのデバイ
スの普及に寄与することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、従来の半
導体表面処理方法及び装置における前述の諸問題を克服
して、上述の本発明の目的を達成すべく鋭意研究を重ね
たところ、真空蒸着法を応用すれば大面積処理が容易に
可能であり、かつ処理装置及び原材料費が廉価になる知
見を得た。

【００１４】さらに本発明者らは、前記真空蒸着法によ
り蒸発したドーパント粒子とともに不活性ガスをイオン
化し、これらのイオン種を電界により加速して半導体表
面に衝突させることにより、加速された不活性ガスイオ
ン種により半導体表面をスパッタエッチしてドーパント
イオン種による膜堆積を防ぐとともに、表面エネルギー
を高めて加速されたドーパントイオン種による表面打ち
込み及び拡散を促進でき半導体表面の効果的なドーピン
グができる知見を得た。

【００１５】本発明は、上述の本発明者らが得た知見及
び本発明者が確認した事実に基づいて完成するに至った
ものである。

【００１６】即ち、本発明により提供される半導体表面
処理方法は、減圧にされた半導体表面処理室内に於い
て、ドーパンド元素を含む蒸発源を熱エネルギーにより
蒸発することにより粒子化し、該粒子化した蒸発源を不
活性ガスプラズマにさらすことにより一部または全部を
イオン化してドーパントイオン種と不活性ガスイオン種
との共存状態を形成し、ドーパントイオン種及び不活性
ガスイオン種を電界で加速し半導体表面に衝突させるこ
とにより、加速された不活性ガスイオン種により半導体
表面をスパッタエッチしてドーパントイオン種による膜
堆積を防ぐとともに表面エネルギーを高め、加速された
ドーパントイオン種による表面打ち込み及び拡散を促進
させ不純物のドーピングを行うことを特徴としている。

【００１７】また、本発明により提供される半導体表面
処理装置は、半導体表面を処理するための処理室と、該
処理室内に設けられた半導体表面を有する被処理基体
と、前記処理室を減圧状態に保持するための排気手段
と、前記処理室内に設置されたドーパント元素を含む蒸
発源と、該蒸発源を加熱蒸発するための蒸発源加熱手段
と、前記処理室内に不活性ガスを導入するための不活性
ガス導入手段と、不活性ガスプラズマを形成しかつ蒸発
源から蒸発した粒子をイオン化してドーパントイオン種
及び不活性ガスイオン種を形成するためのプラズマ誘起
手段と、ドーパントイオン種及び不活性ガスイオン種を
加速し半導体表面に衝突させるためのイオン種加速手段
とを有することを特徴としている。

【００１８】なお、本発明により提供される上記方法及
び装置においては、半導体表面を有する被処理基体は、
その表面に半導体を有する基体であれば何でもよい。例
えばシリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素等の単結晶
半導体基板、多結晶半導体基板、または非晶質シリコ
ン、多結晶シリコン等の半導体層を形成した絶縁性基
板、導電性基板等が挙げられる。被処理基体の形状は、
限定されるものではないが、例えばウェハー状、角型、
帯状、長尺状等が挙げられる。

【００１９】本発明により提供されるドーパント元素を
含む蒸発源としては、被処理基体の半導体表面の導電率
を変更できるドーパント元素を含むものであり、元素単
体または化合物であってもよく、例えばシリコン半導体
に対しては硼素、リン、アルミニウム、アンチモン等が
挙げられる。

【００２０】本発明により提供される蒸発源に熱エネル
ギーを与え加熱蒸発するための蒸発源加熱手段として
は、蒸発源を真空中で加熱できるものであり、例えばフ
ィラメント、ボート等による抵抗加熱、電子ビームによ
る加熱等が挙げられる。

【００２１】本発明により提供される不活性ガスとして
は、半導体表面と反応しない不活性なガスであれば何で
もよく、例えばＡｒ，Ｈｅ等が挙げられる。

【００２２】本発明により提供される前記ドーパントイ
オン種と不活性ガスイオン種との共存状態を形成するプ
ラズマ誘起手段としては、直流電圧、交流電圧、容量結
合型または誘導結合型ＲＦ、マイクロ波等を印加するこ
とが挙げられる。

【００２３】本発明により提供される前記イオン種加速
手段としては、プラズマ誘起手段により形成されたイオ
ン種を電界により加速し、半導体表面に衝突させること
ができるものなら何でもよく、例えばグリッドにより被
処理基体との間に電位差を形成するもの、単に被処理基
体にマイナスの電位を与えてプラズマとの間に電位差を
形成するもの、放電電極に形成される自己バイアスを利
用するもの等が挙げられる。

【００２４】

【作用】以下本発明を、図面の実施態様により更に詳し
く説明するが、本発明はこれにより何等限定されるもの
ではない。

【００２５】図１は本発明の半導体表面処理方法を実施
するのに好適な本発明の半導体表面処理装置の実施態様
を示す概略構成図である。

【００２６】半導体処理装置１０１は接地された処理室
１０２を有しており、処理室１０２内において、被処理
基体としての被処理基板１０６は陰極１０５に固定さ
れ、陰極１０５は絶縁物１０４にて処理室１０２と電気
的に絶縁され、また不要な放電を抑制するシールド電極
１１４にてシールドされている。陰極１０５には、高周
波電源１０３が接続され、高周波電力が投入される。ま
た、処理室１０２内には、陰極１０５と対向して陽極１
０９があり、この陽極１０９はシールド電極１１４と同
電位となっている。これら高周波電源１０３、絶縁物１
０４、陰極１０５、陽極１０９及びシールド電極１１４
によりプラズマ誘起手段及びイオン種加速手段が構成さ
れる。陽極１０９の中心には穴が設けられており、この
穴に蒸発源を仕込むためのアルミナ製の坩堝１１０が設
けられている。坩堝１１０には加熱用フィラメント１１
１が巻かれており、加熱用フィラメント１１１は、蒸発
源加熱用電源１１３に接続されている。これら坩堝１１
０、加熱用フィラメント１１１及び蒸発源加熱用電源１
１３により蒸発源加熱手段が構成される。また、処理室
１０２内へ不活性ガスを導入するために、不活性ガス導
入手段として不活性ガス導入管１０７が設けられてお
り、バルブ１０８により流量調整される。処理室１０２
は、排気口１１２より排気手段である不図示の排気ポン
プによって真空排気することができる。

【００２７】同図に示される装置においては、坩堝１１
０内に仕込まれたドーパント源は、加熱用フィラメント
１１１によって加熱され蒸発する。これと同時に高周波
電力の投入により、陽極−陰極間に不活性ガスプラズマ
が生起される。蒸発したドーパント源は、イオン化され
プラズマ内にはドーパントイオン種と不活性ガスイオン
種が混在する。これらのイオン種は陰極１０５に生成す
る自己バイアスにより、陰極１０５方向へ加速され、被
処理基板１０６の半導体表面に衝突する。このとき、高
周波パワー、処理室内の圧力及び蒸発速度の調整によ
り、ドーパントイオン種と不活性ガスイオン種の濃度比
の調整ができる。この濃度比により例えば、不活性ガス
イオン種が支配的な場合には、半導体表面のスパッタエ
ッチが進行し、また、ドーパントイオン種が支配的な場
合にはイオンプレーティングと同様に、ドーパント源の
膜堆積が進行する。ところがちょうどこれらの中間にお
いては、膜堆積もスパッタエッチも起こらない領域が存
在する。この領域においては、高エネルギーで衝突した
ドーパントイオン種は半導体表面に打ち込まれる。一
方、低エネルギーで衝突したドーパントイオン種はいっ
たんは表面に付着するが、すぐに不活性ガスイオン種の
衝撃でスパッタエッチされてしまう。即ち、この領域に
おいては膜堆積及び半導体表面のスパッタエッチは生じ
ずに、ドーパントイオン種による半導体表面へのイオン
打ち込みのみが進行することになる。更に、表面をたた
く不活性ガスイオン種により半導体表面は常に活性な状
態となっているので、イオンの打ち込み及び半導体内部
への拡散を促進させる。なお、この装置では、高周波電
源１０３、絶縁物１０４、陰極１０５、陽極１０９及び
シールド電極１１４がプラズマ誘起手段及びイオン種加
速手段を兼ねており、イオン種加速手段として図２に示
し後述するイオン種加速用電源２２９及びイオン種加速
用グリッド２２６のようなものは不要である。

【００２８】

【実施例】以下に、本発明の半導体表面処理方法及び装
置の実施例を述べて本発明をさらに説明するが、本発明
はこれにより何等限定されるものではない。

【００２９】実施例１ 本実施例においては、図３の断面模式図に示す層構成の
ｐｉｎ型ａ−Ｓｉ光起電力素子３０８を図１に示す装置
を用いて作製した。この光起電力素子３０８は、基板３
０１上に下部電極３０２、ｎ型半導体層３０３、ｉ型半
導体層３０４、ｐ型半導体層３０５、透明電極３０６及
び集電電極３０７をこの順に堆積形成した光起電力素子
である。なお、本実施例の光起電力素子３０８では透明
電極３０６の側より光の入射が行われることを前提とし
ている。

【００３０】まず、ステンレス製角型基板（５ｃｍ×５
ｃｍ）を市販のスパッタ装置（アルバック社製、ＳＢＨ
−２２０６ＤＥ）にセットし、Ａｇ（９９．９９％）を
ターゲットとして用いて０．３μｍのＡｇ薄膜を、また
連続してＺｎＯ（９９．９％）をターゲットとして用い
て１．５μｍのＺｎＯ薄膜をスパッタ蒸着し、下部電極
３０２を形成した。

【００３１】引き続き、この下部電極３０２の形成され
た基板を市販のプラズマＣＶＤ装置（アルバック社製、
ＣＨＪ−３０３０）にセットした。排気ポンプにて、反
応容器の排気管を介して、荒引き、高真空引き操作を行
った。このとき、基板の表面温度は２５０℃となるよ
う、温度制御機構により制御した。

【００３２】十分に排気が行われた時点で、ガス導入管
より、ＳｉＨ₄ ３００ｓｃｃｍ，ＳｉＦ₄ ４ｓｃｃｍ，
ＰＨ₃ ／Ｈ₂ （１％Ｈ₂ 希釈）５５ｓｃｃｍ，Ｈ₂ ４０
ｓｃｃｍを導入し、スロットルバルブの開度を調整し
て、反応容器の内圧を１Ｔｏｒｒに保持し、圧力が安定
したところで、直ちに高周波電源より２００Ｗの電力を
投入した。プラズマは５分間持続させた。これにより、
ｎ⁺ 半導体層３０３としてのｎ⁺ ａ−Ｓｉ：Ｈ：Ｆ膜が
下部電極３０２上に形成された。

【００３３】再び排気した後に、今度はガス導入管より
ＳｉＨ₄ ３００ｓｃｃｍ，ＳｉＦ₄４ｓｃｃｍ，Ｈ₂ ４
０ｓｃｃｍを導入し、スロットルバルブの開度を調整し
て、反応容器の内圧を１Ｔｏｒｒに保持し、圧力が安定
したところで、直ちに高周波電源より１５０Ｗの電力を
投入した。プラズマは４０分間持続させた。これにより
ｉ型半導体層３０４としてのａ−Ｓｉ：Ｈ：Ｆ膜がｎ型
半導体層３０３上に形成された。

【００３４】次に基板３０１をプラズマＣＶＤ装置より
取り出し、図１に示す半導体表面処理装置１０１にセッ
トした。また坩堝１１０には粒状硼素（９９％）を仕込
んだ。

【００３５】まず排気口１１２より１０^-5Ｔｏｒｒ以下
に真空排気した後に、不活性ガス導入管１０７からバル
ブ１０８にて流量調整しながらＡｒガスを導入し、圧力
約１０ｍＴｏｒｒとした。加熱用フィラメント１１１に
電流を流し、硼素の蒸発を開始すると同時に高周波電源
１０３より高周波電力３００Ｗ投入し放電を生起させ
た。３分後に放電を止め、処理室１０２を大気リークし
た後に基板３０１を取り出した。

【００３６】次に真空蒸着により透明電極３０６（ＩＴ
Ｏ（Ｉｎ₂Ｏ₃＋ＳｎＯ₂ ））を形成し、さらに集電電極
３０７（Ａｌ）をマスク蒸着して光起電力素子３０８を
完成した。

【００３７】作製した光起電力素子３０８について、エ
アマス（以降ＡＭと記す）１．５（１００ｍＷ／ｃｍ
² ）光照射下にて特性評価を行ったところ、光電変換効
率（η）で９．３％が得られた。また、ＡＭ１．５（１
００ｍＷ／ｃｍ² ）光の５００時間連続照射後の光電変
換効率の初期値に対する変化率を測定したところ２０％
以内に納まった。

【００３８】実施例２ 本実施例においては、図４の断面模式図に示す層構成の
ａ−Ｓｉ／ａ−Ｓｉタンデム型光起電力素子４１３を図
２に示すロールトゥロール装置２４２を用いて作製し
た。

【００３９】この光起電力素子４１３は、基板４０１上
に下部電極４０２、第１のセル４１１を構成するｎ型半
導体層４０３、ｉ型半導体層４０４、ｐ型半導体層４０
５、さらに第２のセル４１２を構成するｎ型半導体層４
０６、ｉ型半導体層４０７、ｐ型半導体層４０８、さら
に透明電極４０９及び集電電極４１０をこの順に堆積形
成した光起電力素子である。なお、本実施例の光起電力
素子４１３では透明電極４０９の側より光の入射が行わ
れることを前提としている。

【００４０】図２のロールトゥロール装置２４２は、ス
テンレス鋼製の帯状基板２０４に連続的に光起電力素子
を形成するものである。同図の装置は、基板送り出し室
２０３、第１のｎ型チャンバー２１３、第１のｉ型チャ
ンバー２２２、第１のｐ型チャンバー２２７、第２のｎ
型チャンバー（不図示）、第２のｉ型チャンバー（不図
示）、第２のｐ型チャンバー（不図示）、及び基板巻取
り室２３９がこの順に配置されている。第２のｎ型チャ
ンバー、第２のｉ型チャンバー、第２のｐ型チャンバー
は、それぞれ第１のｎ型チャンバー２１３、第１のｉ型
チャンバー２２２、第１のｐ型チャンバー２２７と全く
同じ構成である。各チャンバー間はガスゲート２０７，
２１５，２４３，２３６（他不図示）により隔離され、
チャンバー間の不純物の混入を防止している。また、こ
のロールトゥロール装置２４２では、帯状基板２０４に
自由に電圧を加えることができないため、プラズマ誘起
手段としてプラズマ誘起用コイル２３１を有し、イオン
加速手段としてイオン種加速用電源２２９及びイオン種
加速用グリッド２２６を有している。

【００４１】同図においてまず基板送り出し室２０３
は、帯状基板２０４がセットされる室であり、成膜中は
この室からガイドローラー２０５を介して反応室へ基板
が連続的に搬出される。また排気口２０２及びバルブ２
０１を介して真空排気される。基板巻取り室２３９は、
成膜された帯状基板２３８が巻取られる室であり、成膜
中はこの室へガイドローラ２３７を介して反応室から基
板が連続的に搬入される。また排気口２４０及びバルブ
２４１を介して真空排気される。

【００４２】ｎ型チャンバー２１３及びｉ型チャンバー
２２２は、プラズマＣＶＤチャンバーであり、それぞれ
ｎ型半導体層及びｉ型半導体層を堆積する。各チャンバ
ー２１３，２２２内で基板は基板加熱ヒータ２１４，２
２３により加熱され所定の基板温度に制御される。原料
ガスは原料ガス供給管２１０，２１８より供給され、シ
ールド板２１２，２２１により流れが整えられ、陰極２
１１，２２０と基板間に生起されたプラズマにより分解
され基板上に半導体膜が形成され、さらに排気口２０
９，２１９より排気される。

【００４３】ｐ型チャンバー２２７は本発明の方法を用
いた本発明の半導体処理装置の実施態様である。基板は
基板加熱ヒータ２２８により所定温度に制御される。チ
ャンバー内は排気口２４４より真空排気される。硼素等
のｐ型ドーパントは坩堝２３２に仕込まれ、蒸発源加熱
電源２３３により加熱され蒸発する。またＡｒガスは、
ガスゲート２４３，２３６より流入する。蒸発した粒子
は高周波電源２３０に接続されたプラズマ誘起用コイル
２３１により誘起された不活性ガスプラズマによりイオ
ン化される。これらのイオン種は、イオン種加速用電源
２２９に接続された加速用グリッド２２６により加速さ
れ、基板に衝突し、ｉ型半導体層表面に硼素が打ち込ま
れ、ｐ型層が形成される。

【００４４】ガスゲート２０７，２１５，２４３，２３
６（他不図示）には、チャンバー間のガスを隔離するた
めにＡｒ、水素等の掃引ガスがガス導入口２０６，２０
８，２１６，２１７，２２４，２２５，２３５，２３４
（他不図示）より導入される。

【００４５】このようなロールトゥロール装置２４２を
用いて光起電力素子４１３を作製した。

【００４６】まず、ステンレス鋼製帯状基板を連続スパ
ッタ装置（不図示）にセットし、Ａｌ−Ｓｉ（５％Ｓ
ｉ）をターゲットとして用いて０．２μｍのＡｌ−Ｓｉ
薄膜を、また連続してＳｎＯ₂ （９９．９９％）をター
ゲットとして用いて０．１μｍのＳｎＯ₂ 薄膜をスパッ
タ蒸着し、下部電極４０２を形成した。

【００４７】引き続き、この下部電極４０２の形成され
た帯状基板を図２で示したロールトゥロール装置２４２
にセットした。その後、排気ポンプ（不図示）にて、各
チャンバーの排気管を介して真空引き操作を行った。こ
のとき、基板の表面温度は２５０℃となるよう、温度制
御機構により制御した。

【００４８】十分に排気が行われた時点で、ガス導入管
２１０，２１８より、ｎ型チャンバーにはＳｉＨ₄ ／Ｐ
Ｈ₃ ／Ｈ₂ を、ｉ型チャンバーにはＳｉＨ₄ ／ＳｉＦ₄
／Ｈ ₂ を、ガスゲートにはＡｒガスを導入し、ｎ型及び
ｉ型チャンバーの内圧を１００ｍＴｏｒｒにまたｐ型チ
ャンバーの圧力は５０ｍＴｏｒｒに保持した。

【００４９】圧力が安定したところで、各高周波電源よ
り電力を投入し、各々のチャンバー内でプラズマを生起
させ、また蒸発源加熱用電源２３３、イオン種加速用電
源２２９も投入して、放電等が安定したところで帯状基
板を搬送スピード２０ｃｍ／ｍｉｎで図中左側から右側
方向へ搬送させ、連続して、ｎ，ｉ，ｐ／ｎ，ｉ，ｐ型
半導体層を積層形成した。 帯状基板の全長にわたって
半導体層を積層形成した後、冷却後取り出し、さらに、
連続モジュール化装置（不図示）にて３５ｃｍ×７０ｃ
ｍの太陽電池モジュールを連続作製した。

【００５０】作製した太陽電池モジュールについて、Ａ
Ｍ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ² ）光照射下にて特性評価
を行ったところ、光電変換効率（η）で７．５％以上が
得られ、更にモジュール間の特性のバラツキは１０％以
内に納まっていた。

【００５１】また、ＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ² ）
光の５００時間連続照射後の光電変換効率の初期値に対
する変化率を測定したところ１５％以内に納まった。

【００５２】これらのモジュールを接続して１ｋＷの電
力供給システムを作製することができた。

【００５３】実施例３ 本実施例においては、実施例２と同様に図４の断面模式
図に示す層構成のａ−Ｓｉ／ａ−Ｓｉタンデム型光起電
力素子を図２に示すロールトゥロール装置２４２を一部
改造した装置（不図示）を用いて作製した。図２の装置
と異なるのは第２のｎ型チャンバーに第１または第２の
ｐ型チャンバーと全く同じ本発明の半導体表面処理装置
を用いたことである。第１及び第２のｐ型チャンバーに
は蒸発源として粒状の硼素（９９％）を、また第２のｎ
型チャンバーには粒状のリン（９９％）を仕込んだ。

【００５４】このようなロールトゥロール装置を用いて
光起電力素子４１３を作製した。

【００５５】まず、実施例２と同様にステンレス鋼製帯
状基板を連続スパッタ装置にセットし、Ａｌ−Ｓｉ（５
％Ｓｉ）をターゲットとして用いて０．５μｍのＡｌ−
Ｓｉ薄膜を、また連続してＺｎＯ（９９．９９％）をタ
ーゲットとして用いて０．５μｍのＺｎＯ薄膜をスパッ
タ蒸着し、下部電極４０２を形成した。

【００５６】引き続き、この下部電極４０２の形成され
た帯状基板を本実施例のロールトゥロール装置にセット
した。その後、排気ポンプにて、各チャンバーの排気管
を介して真空引き操作を行った。このとき、基板の表面
温度は２５０℃となるよう、温度制御機構により制御し
た。

【００５７】十分に排気が行われた時点で、ガス導入管
より、第１のｎ型チャンバーにはＳｉＨ₄ ／ＰＨ₃ ／Ｈ
₂ を、第１及び第２のｉ型チャンバーにはＳｉＨ₄ ／Ｓ
ｉＦ ₄ ／Ｈ₂ を、ガスゲートにはＡｒガスを導入し、ス
ロットルバルブの開度を調整して、第１のｎ型及び第
１、第２のｉ型チャンバーの内圧を１００ｍＴｏｒｒ
に、また第２のｎ型チャンバー及び第１、第２のｐ型チ
ャンバーの圧力は５０ｍＴｏｒｒに保持した。

【００５８】圧力が安定したところで、各高周波電源よ
り電力を投入し各々のチャンバー内でプラズマを生起さ
せ、また蒸発源加熱装置の電源も投入して、放電が安定
したところで帯状基板を搬送スピード２０ｃｍ／ｍｉｎ
で搬送させ、連続して、ｎ，ｉ，ｐ／ｎ，ｉ，ｐ型半導
体層を積層形成した。

【００５９】帯状基板の全長にわたって半導体層を積層
形成した後、冷却後取り出し、さらに、連続モジュール
化装置にて３０ｃｍ×１２０ｃｍの太陽電池モジュール
を連続作製した。

【００６０】作製した太陽電池モジュールについて、Ａ
Ｍ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ² ）光照射下にて特性評価
を行ったところ、光電変換効率（η）で７．７％以上が
得られ、さらにモジュール間の特性のバラツキは１０％
以内に納まっていた。

【００６１】また、ＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ² ）
光の５００時間連続照射後の光電変換効率の初期値に対
する変化率を測定したところ１５％以内に納まった。

【００６２】実施例４ 本実施例においては、図５の断面模式図に示す層構成の
ａ−ＳｉＣ／ａ−Ｓｉ／ａ−ＳｉＧｅトリプル型光起電
力素子を図２に示すロールトゥロール装置２４２を一部
改造した装置（不図示）を用いて作製した。本実施例で
用いた装置は、実施例２で用いた装置にさらに第３のｎ
型、ｉ型及びｐ型チャンバーを追加したものであり、第
１から第３のｐ型チャンバーのみが本発明の半導体表面
処理チャンバー、他のチャンバーはプラズマＣＶＤチャ
ンバーである。

【００６３】このようなロールトゥロール装置を用いて
図５に示す光起電力素子５１７を作製した。

【００６４】この光起電力素子５１７は、基板５０１上
に下部電極５０２、第１のセル５１４を構成するｎ型半
導体層５０３、ｉ型半導体層５０４、ｐ型半導体層５０
５、さらに第２のセル５１５を構成するｎ型半導体層５
０６、ｉ型半導体層５０７、ｐ型半導体層５０８、さら
に第３のセル５１６を構成するｎ型半導体層５０９、ｉ
型半導体層５１０、ｐ型半導体層５１１、さらに透明電
極５１２及び集電電極５１３をこの順に堆積形成した光
起電力素子である。なお、本実施例の光起電力素子５１
７では透明電極５１２の側より光の入射が行われること
を前提としている。

【００６５】まず、実施例２と同様にステンレス鋼製帯
状基板を連続スパッタ装置にセットし、Ａｌ（９９．９
９％）をターゲットとして用いて０．３μｍのＡｌ薄膜
を、また連続してＺｎＯ（９９．９％）をターゲットと
して用いて０．３μｍのＺｎＯ薄膜をスパッタ蒸着し、
下部電極５０２を形成した。

【００６６】引き続き、該下部電極５０２の形成された
帯状基板をロールトゥロール装置にセットした。その
後、排気ポンプにて、各チャンバーの排気管を介して真
空引き操作を行った。このとき、基板の表面温度は２５
０℃となるよう、温度制御機構により制御した。

【００６７】十分に排気が行われた時点で、ガス導入管
より、各ｎ型チャンバーにはＳｉＨ ₄ ／ＰＨ₃ ／Ｈ₂
を、第１のｉ型チャンバーにはＳｉＨ₄ ／ＧｅＨ₄ ／Ｈ
₂ を、第２のｉ型チャンバーにはＳｉＨ₄ ／ＳｉＦ₄ ／
Ｈ₂ を、第３のｉ型チャンバーにはＳｉＨ₄ ／ＣＨ₄／
Ｈ₂ を、また、ガスゲートにはＡｒガスを導入し、スロ
ットルバルブの開度を調整して、各ｎ型及び各ｉ型チャ
ンバーの内圧を１００ｍＴｏｒｒにまた各ｐ型チャンバ
ーの圧力は５０ｍＴｏｒｒに保持した。

【００６８】圧力が安定したところで、各高周波電源よ
り電力を投入し各々のチャンバー内でプラズマを生起さ
せ、また蒸発源加熱装置の電源の投入して、放電等が安
定したところで帯状基板を搬送スピード３０ｃｍ／ｍｉ
ｎで搬送させ、連続して、ｎ，ｉ，ｐ／ｎ，ｉ，ｐ型半
導体層を積層形成した。

【００６９】帯状基板の全長にわたって半導体層を積層
形成した後、冷却後取り出し、さらに、連続モジュール
化装置にて３０ｃｍ×１２０ｃｍの太陽電池モジュール
を連続作製した。

【００７０】作製した太陽電池モジュールについて、Ａ
Ｍ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ² ）光照射下にて特性評価
を行ったところ、光電変換効率（η）で９．５％以上が
得られ、さらにモジュール間の特性のバラツキは７％以
内に納まっていた。

【００７１】また、ＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ² ）
光の５００時間連続照射後の光電変換効率の初期値に対
する変化率を測定したところ８％以内に納まった。

【００７２】これらのモジュールを接続して５ｋＷの電
力供給システムを作製することができた。

【００７３】実施例５ 本実施例において図６に示すような構成の多結晶Ｓｉ太
陽電池６０１について説明する。Wacker社製の表面が研
磨された直径６インチのｎ型多結晶Ｓｉウェハー（比抵
抗２ｏｈｍ・ｃｍ）を基板として用意した。弗酸にて自
然酸化膜を除去した後、この基板を図１の半導体表面処
理装置に研磨面が表向きとなるようセットした。蒸発源
として純度９９．９％の粒状のＧａを坩堝１１０に仕込
んだ。ドーピング条件としては、Ａｒ流量２０ｓｃｃ
ｍ、圧力５ｍＴｏｒｒ、基板温度１００℃、放電電力は
５００Ｗとし、放電を１５０秒継続しｐ型領域６０２を
形成した。次いで蒸発源を純度９９．９％の粒状のＳｂ
に交換し、基板を裏返しにセットしなおした以外は同様
のドーピング条件でｎ⁺ 型領域６０３を形成した。この
ｎ⁺ 型領域６０３はいわゆるバックサーフェスフィール
ドを形成しキャリアの電極近傍での再結合を防ぎ、さら
にオーミック性を向上させるためのものである。次い
で、両面にＴｉ，Ｐｄ，Ａｇの積層からなる集電電極６
０４、下部電極６０５を電子ビーム蒸着法で形成した。
表面の電極は光の入射をあまり妨げないようマスクをか
けてグリッド状とした。電極を形成した後４００℃にて
２分間シンタリングを行った。次いで表面にＺｎＳとＭ
ｇＦ₂ を積層し反射防止層６０６とした。

【００７４】この試料を２ｃｍ角に切って太陽電池特性
を評価したところ、光電変換効率（η）が１６．４５±
０．４５％と極めて優れた特性及び均一性が得られた。

【００７５】実施例６ 本実施例は図７にその断面構造を示すａ−Ｓｉ薄膜トラ
ンジスター（ＴＦＴ）の例である。コーニング＃７０５
９ガラスを基板７０１としてこの上にＣｒを蒸着し、さ
らにフォトリソグラフィー工程にてゲート７０２を形成
した。次いで市販の容量結合型高周波グロー放電装置に
てＳｉＨ₄ とアンモニア（ＮＨ₃ ）を原料ガスとして厚
さ３０００Åのアモルファス窒化シリコン（ａ−Ｓｉ
Ｎ）膜７０３を堆積した。この上に同じ装置を用いて厚
さ２０００Åのｉ型ａ−Ｓｉ層７０４を堆積した。この
上に同じ装置で再び厚さ３０００Åのａ−ＳｉＮ層を堆
積しチャネル７０５を残してフォトリソグラフィー工程
にてエッチングした。この後試料をを図１に示す本発明
の半導体表面処理装置にセットし蒸発源として純度９９
％の粒状のＰを用い、ドーピング条件として、Ａｒ３０
ｓｃｃｍ、圧力２ｍＴｏｒｒ、基板温度８０℃、放電電
力８００Ｗとして放電を２００秒間継続しｎ⁺型領域７
０６を形成した。ここでチャネル７０５のａ−ＳｉＮは
絶縁体であるため表面にドーピングによる低抵抗領域が
できることはない。次いでこの上にＡｌを厚さ２０００
Å蒸着し、さらにチャネル７０５をフォトリソグラフィ
ー工程にてエッチングしソース７０７、ドレイン７０８
としてＴＦＴを形成した。なおここでチャネル長は１０
μｍである。

【００７６】このようにして製造されたＴＦＴのゲート
７０２、ソース７０７、ドレイン７０８に各々導線を固
着しトランジスタ特性を２０ｃｍ角の範囲にわたって評
価した。ドレイン電圧１５Ｖのとき、ゲート電圧１５Ｖ
と０ＶとのＯＮ／ＯＦＦ比は３×１０⁵ 倍±１０％と優
れたものであった。本発明の方法ではチャネル部がａ−
ＳｉＮで保護されエッチング等の処理を受けないためＯ
Ｎ／ＯＦＦ比が大きくかつ均一性も優れていると考えら
れる。したがって本発明の方法によるＴＦＴは大型の液
晶ディスプレーのアクティブマトリックス回路に用いる
のに最適なものである。

【００７７】

【発明の効果】以上説明したように本発明による方法及
び装置は真空蒸着を応用したものであるため、半導体デ
バイスの製造において、特性の優れたｐ型またはｎ型の
半導体を大面積にわたり均一性よく、短い処理時間で製
造することができ、特に高性能な太陽電池や液晶ディス
プレーのような大面積の半導体デバイスを低コストでの
製造を可能とした。

【００７８】また、大面積化が容易なため量産性の高い
ロールトゥロール装置にも応用でき、大幅なスループッ
トアップ及び低コスト化が可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体表面処理方法を実施するのに好
適な本発明の半導体表面処理装置の実施態様を示す概略
構成図である。

【図２】本発明の半導体表面処理装置をロールトゥロー
ル装置に組み込んだ例を示す概略構成図である。

【図３】本発明を用いて作製したｐｉｎ型ａ−Ｓｉ光起
電力素子を示す断面模式図である。

【図４】本発明を用いて作製したａ−Ｓｉ／ａ−Ｓｉタ
ンデム型光起電力素子を示す断面模式図である。

【図５】本発明を用いて作製したａ−Ｓｉ／ａ−Ｓｉ／
ａ−ＳｉＧｅトリプル型光起電力素子を示す断面模式図
である。

【図６】本発明を用いて作製した多結晶シリコン光起電
力素子を示す断面模式図である。

【図７】本発明を用いて作製したａ−ＳｉＴＦＴを示す
断面模式図である。

【符号の説明】

１０１ 半導体表面処理装置 １０２ 処理室 １０３ 高周波電源 １０４ 絶縁物 １０５ 陰極 １０６ 被処理基板 １０７ 不活性ガス導入管 １０８ バルブ １０９ 陽極 １１０ 坩堝 １１１ 加熱用フィラメント １１２ 排気口 １１３ 蒸発源加熱用電源 １１４ シールド電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 29/784 31/04 7376−4Ｍ Ｈ０１Ｌ 31/04 Ｂ 7376−4Ｍ Ａ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 減圧にされた半導体表面処理室内に於い
   て、ドーパンド元素を含む蒸発源を熱エネルギーにより
   蒸発することにより粒子化し、該粒子化した蒸発源を不
   活性ガスプラズマにさらすことにより一部または全部を
   イオン化してドーパントイオン種と不活性ガスイオン種
   との共存状態を形成し、ドーパントイオン種及び不活性
   ガスイオン種を電界で加速し半導体表面に衝突させるこ
   とにより、加速された不活性ガスイオン種により半導体
   表面をスパッタエッチしてドーパントイオン種による膜
   堆積を防ぐとともに表面エネルギーを高め、加速された
   ドーパントイオン種による表面打ち込み及び拡散を促進
   させ不純物のドーピングを行うことを特徴とする半導体
   表面処理方法。
2. 【請求項２】 半導体表面を処理するための処理室と、 該処理室内に設けられた半導体表面を有する被処理基体
   と、 前記処理室を減圧状態に保持するための排気手段と、 前記処理室内に設置されたドーパント元素を含む蒸発源
   と、 該蒸発源を加熱蒸発するための蒸発源加熱手段と、 前記処理室内に不活性ガスを導入するための不活性ガス
   導入手段と、 不活性ガスプラズマを形成しかつ蒸発源から蒸発した粒
   子をイオン化してドーパントイオン種及び不活性ガスイ
   オン種を形成するためのプラズマ誘起手段と、 ドーパントイオン種及び不活性ガスイオン種を加速し半
   導体表面に衝突させるためのイオン種加速手段とを有す
   ることを特徴とする半導体表面処理装置。