JPH0654754B2 - 非晶質半導体膜の形成方法 - Google Patents

非晶質半導体膜の形成方法

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JPH0654754B2
JPH0654754B2 JP60125305A JP12530585A JPH0654754B2 JP H0654754 B2 JPH0654754 B2 JP H0654754B2 JP 60125305 A JP60125305 A JP 60125305A JP 12530585 A JP12530585 A JP 12530585A JP H0654754 B2 JPH0654754 B2 JP H0654754B2
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栄一郎 田中
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晋匡 倉本
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はシリコン,ゲルマニュームなどの局在化状態密
度を減少せしめる補償元素を含む非晶質半導体膜を形成
する方法に関する。
従来の技術 太陽電池,電子写真感光体などの非晶質シリコン、非晶
質ゲルマニュームなどの非晶質半導体膜の形成には、従
来比較的低温で薄膜が形成できるプラズマCVD法が最
もよく使用されている。この方法は、例えば非晶質シリ
コン膜を形成する場合、原料ガスとしてSiH4(シランガ
ス)あるいはSiH4とH2の混合ガスを使用し、基板温度
を200〜350℃に、またガス圧力を0.1〜10To
rrに制御しながら電極と対向した基板間に高周波電力を
印加してプラズマを発生させ、シランガスを分解して基
板上に膜を形成する方法である。この場合、堆積速度は
約3μm/h と遅く、約20μm以上を要する電子写真
感光体を製作する場合には6時間以上を必要とし、迅速
な量産が困難である。また、堆積速度を上げるために高
周波電力を増加すると、原料ガス中で気相反応により粉
体状のシリコンが大量に発生し、製造装置の排気系にめ
ずまりを起こし量産上大きな問題であった。
上記のプラズマCVD装置の持つ問題点を解決する手段
として提案されたのが、電子サイクロトロン共鳴(EC
R)を用いたプラズマCVD装置である。(特開昭56
−155535号公報,特開昭59−159167号公
報) 第2図にこの装置の基本構成を示す。1はプラズマ生成
室、2は膜形成室であり、プラズマ生成室1にはマグネ
トロン電源から導波管3が導波用窓4で接続されてお
り、その外周には磁気コイル5が設置してある。また、
膜形成室2の外周は水冷パイプ6で冷却されている。プ
ラズマ生成室1には第1ガス導入口7よりプラズマ励起
用ガスを導入し、マイクロ波によりプラズマ生成室内1
にプラズマを励起し、更に磁場を印加することによりプ
ラズマ中に電子サイクロトロン共鳴を起こし、拡散磁界
によりプラズマを導入口8より膜形成室2に配置された
基板ホルダー9上の基板10に導く。膜形成室2に第2
ガス導入口11,11Aより原料ガスを導入しプラズマ
と接触させ、原料ガス12を分解し膜を堆積させる。
この方法は、電子サイクロトロン共鳴を用いていること
から、2×10-5〜0.1Torrの低圧力下でも放電の持
続が可能になっており、更に膜形成に利用されるエネル
ギーは基板10に入射するイオンの有するエネルギーで
与えられ、膜表面のイオンの衝突が膜をちみつにするた
め基板温度を室温に設定している場合においても良質な
膜が得られる。この方法により半導体プロセス用として
良質なSiN,SiO2などの絶縁層、またはSiを低温で形成
できることが示されている。これは、ごく表面のみがイ
オンエネルギーによって高温に上昇しSi−Hの結合を
立ち切ることによると考えられている。
発明が解決しようとする問題点 上記のようなECRを用いたCVD法は低温で高速に膜
堆積ができる半面、マイクロ波と磁界を用いることから
大面積にわたって均一な膜形成には不向きである。ま
た、CVD法の欠点であったシリコン粉体の発生につい
てはまだまだ未知の状態である。
また、イオンの入射により局在化状態密度を減少せしめ
る1価補償元素である水素を含む非晶質半導体膜が形成
できるかについての未知の状態である。
本発明は粉体の発生量少く、また大面積においても均一
な膜堆積が可能な非晶質半導体膜の堆積方法の実現を目
的とする。
また、励起ガスに水素などの1価元素をもちい、イオン
の入射により局在化状態密度を減少せしめる1価補償元
素である水素を含む非晶質半導体膜が形成できる膜の堆
積方法を実現することを目的とする。
問題点を解決するための手段 被着される基板が配置された容器内を減圧し、被着膜原
材料であるガス化された分子を前記容器内に導入し前記
基板上に堆積する非晶質膜の形成方法であって、電気的
放電を用いてガスを前励起しイオンを含む励起されたガ
スを前記容器内に導入された前記原材料ガスと接触さ
せ、その原材料ガスをラジカル化し前記基板上に堆積す
る工程を含み、その工程は、前記基板と、前記イオン及
びラジカルを含むプラズマとの間に形成されるシースの
幅(以下Sisと記す)が容器内のイオンの平均自由工程
(λ)に対し、Sis<λとなるガス圧にて実施される。
作 用 電気的放電によって励起されイオン化された前励起ガス
は基板が設置された容器内に導入される。この時イオン
は電子をひきつれ原材料ガスと接触し多量のラジカルを
生成する。このラジカルは基板表面まで拡散し基板上の
膜材料と反応し堆積する。
また、イオンの寿命は比較的短くプラズマの存在しない
シース内に存在する中性分子との衝突により基板に付着
する前にエネルギーを失う。このため、多量に発生した
イオンも基板に到達する量は極く少なく堆積速度を遅く
している原因と考えられる。またこの際、気相において
イオン,ラジカルどうしの衝突により多量の気相反応が
誘起され半導体材料のポリマーが発生し、反応容器内に
粉体を付着させる。この考えを基にシースの幅が小さく
なるようガス圧を制御する事により堆積速度を著しく向
上する事ができ、また反応容器内の粉体の発生を著しく
減少させることが出来た。また、励起ガスとして水素を
含むガスを用いることによって、局在化状態密度を減少
させる事ができる半導体膜を形成することができた。
実施例 以下、図面をもって本発明の実施例について述べる。
〔実施例1〕 第1図に本発明に用いたイオン源を示す。イオン源には
励起ガスとして水素を含むガスを励起ガス導入口13よ
り導入する。プラズマソース14の背面と側面には磁石
15を配し、カスプ磁界15aを作るようになってい
る。最大磁場の強さは約2.3KGで、プラズマソース
14の内側では1KG、壁から約4cm内側では20Gで
ある。プラズマはフィラメント16と陽極(壁)17と
の間に120V〜250Vの交流電圧を印加し放電によ
り発生する。カスプ磁界15aにより電子のとじ込め時
間が長くなるため10-2〜10-3Torrでも安定に放電す
る。このように発生したプラズマは多孔グリッド18を
通って、あらかじめ原料ガス導入口19から原料ガスが
導入されている反応室20に、外部磁界21による拡散
磁界により導かれて移動し、原料ガス(SiH4)と接触し
ラジカル化する。
反応室では基板22との間に負バイアス20Vが印加さ
れているためプラズマ中の陽イオンは基板22に加速さ
れる。この時反応室20の圧力は、原料ガス5×10-2
×5×10-4Torrにポンプ23によって排気、制御され
ている。また多孔グリッド18から基板22までの距離
は約15cmに設定されている。この時導入されたイオン
の平均自由行程はプラズマのイオン化率が数%なので
0.1〜20cmである。基板22に印加されている負バ
イアスにより基板表面にイオンシースを形成する。この
イオンシースの幅はLangmuir−Childの式からイオンの
飽和電流(IO)に対しIO -1/2に比例し負バイアス電圧
(Vf)に対しVf 3/4に比例する。5×10-4Torrでは、
O=30mA/cm2、Vf=−20Vの時イオンシース幅は
0.2mm程度である。しかし、5×10-2Torrではイオ
ンの飽和電流IO=1mA/cm2でイオンシース幅は1mm程
度となる。このような状態にて基板上に堆積した非晶質
シリコン膜の暗導電率、光導電率(546nm光で1.
4μW/cm2)、水素含有量を赤外吸収の吸光度からも
とめた。基板は室温からヒータ24により350℃まで
制御したが基板温度の依存性は少ない。
またこの時の堆積速度は20μm/hと非常に早いこと
が確認された。
第3図に暗導電率と光導電率の結果を示す。図中31
a,31bはそれぞれ原料ガスと励起ガスにSiH4とH
をもちい、それぞれの流量がSiH4/Hの比が67%,
32a,32bは流量の比が34%の条件で、31b,
32bは暗導電率、31a,32aは光導電率を示す。
イオンシースの幅とイオンの平均自由行程とが等しくな
る5×10-2Torr付近で光導電率が暗導電率と遠しく光
感度がない半導体材料としては膜質の悪い膜となる。ま
た、第4図には5×10-4Torrでの原料ガスと励起ガス
の流量の比によって非晶質シリコン膜に含まれる水素量
は制御できることを示す。41は励起ガスに水素を10
0%、42は励起ガスにHe/H2=0.24とした場合につい
て示したもので、それぞれ40〜14atm%,20〜5a
tm%まで制御できる事が分かった。
また、このような堆積条件では通常のプラズマCVD法
と明らかに異なり、堆積容器内のシリコン粉体の発生量
が著しく少なく、電子写真感光体に必要な20μm以上
の膜厚に堆積しても粉体の発生が極めて少ないため装置
の保守に必要だった時間が不用になり生産性が著しく向
上することができた。
また、原料ガスとしてSiH4を用いたが、他のSiF4,SiCl
4,Si2H6,Si2F6,SiH2F2,SiH3F,SiHClなどのシリ
コン系ガスのほかにGeH4,GeF4,GeH2F2,Ge2F6,GeH
3F,GeHF3 などのゲルマニューム系ガスを用いて非晶質
ゲルマニューム、あるいは非晶質シリコン、ゲルマニュ
ーム半導体膜を形成することもできる。
〔実施例2〕 次に、第1図の装置を用いて堆積容器内にドーピングガ
スとしてB2H6を添加した場合について述べる。
第5図に5×10-4Torr、SiH4/Hが34%でB2H6
量を変化させて第3図と同様に暗導電率51bと光導電
率51aを測定した。一方、5×10-2Torrでは52
b,52aに示すように感度が低く、またシリコン粉体
の発生量も著しく増加してくる。
励起ガスとしてHガス、H,Heの混合ガスを用いた
が、Hガスに希ガス例えばAr,Ne,Xeなどを混合し用い
ても同じような結果が得られる。
ドーピング材料としてはB以外にもP、As、Gaなど
のガス化可能な材料はすべて適応出来ることは明らかで
ある。
発明の効果 以上述べたように、本発明によると、極めて早い堆積速
度でしかも反応容器内にほとんど粉体を発生させずに非
晶質半導体膜を堆積することができた。さらに半導体膜
には局在化状態密度を減少せしめる1価元素を励起ガス
に用いることにより価電子制御が可能な非晶質半導体膜
が容易に得られることができる。
これにより、電子写真感光体、太陽電子などの非晶質半
導体膜をもちいた機能デバイスは従来のCVD法に比較
して更に安価に、容易に製造できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例に用いる堆積装置の一実施例
を示す断面図、第2図は従来のECRプラズマCVD装
置の例を示す断面図、第3図は本発明に係わる非晶質半
導体膜の暗導電率、光導電率を示すグラフ、第4図は膜
中の水素濃度を測定した例を示すグラフ、第5図はBド
ープによる暗導電率、光導電率の変化を示すグラフであ
る。 13……ガス導入口、14……プラズマソース、15…
…磁石、16……フィラメント、17……陽極、18…
…多孔グリッド、19……原料ガス導入口、20……反
応室、21……外部磁界、22……基板。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】被着される基板が配置された容器内を減圧
    し、被着膜原材料であるガス化された分子を前記容器内
    に導入し前記基板上に堆積する非晶質半導体膜の形成方
    法であって、前記容器に隣接した空間で電気的放電を用
    いて励起ガスを前励起し、イオンを含む励起されたガス
    を、前記容器内に導入された前記原材料ガスと接触さ
    せ、前記原材料ガスをラジカル化し基板上に堆積する工
    程を含み、前記基板と、前記イオン及びラジカルを含む
    プラズマとの間に形成されるシースの幅(Siと記
    す)が前記容器内の前記イオンの平均自由工程(λ)に対
    し、Si<λとなるガス圧にて堆積を実施する事を特
    徴とする非晶質半導体膜の形成方法。
  2. 【請求項2】原材料ガスにシリコンを含むガスを用い、
    また励起ガスとして水素を含むガスを用い、水素を含む
    非晶質シリコン膜を堆積する特許請求の範囲第1項記載
    の非晶質半導体膜の形成方法。
  3. 【請求項3】基板が配置された容器内の圧力を5×10-2
    以下とすることを特徴とする特許請求の範囲第2項記載
    の非晶質半導体膜の形成方法。
JP60125305A 1985-06-10 1985-06-10 非晶質半導体膜の形成方法 Expired - Lifetime JPH0654754B2 (ja)

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