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JP3007579B2 - Manufacturing method of silicon thin film - Google Patents

Manufacturing method of silicon thin film

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JP3007579B2
JP3007579B2 JP8349926A JP34992696A JP3007579B2 JP 3007579 B2 JP3007579 B2 JP 3007579B2 JP 8349926 A JP8349926 A JP 8349926A JP 34992696 A JP34992696 A JP 34992696A JP 3007579 B2 JP3007579 B2 JP 3007579B2
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film
thin film
arc discharge
plasma
silicon thin
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吉田  誠
隆浩 齋田
智 岡田
雅洋 赤松
健一 近藤
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Stanley Electric Co Ltd
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Stanley Electric Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はシリコン薄膜の製造
方法に関し、特に固体Si原料を用い、半導体としての
特性を持つシリコン薄膜を製造する方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a silicon thin film, and more particularly to a method for manufacturing a silicon thin film having characteristics as a semiconductor using a solid Si raw material.

【0002】[0002]

【従来の技術】シリコン薄膜は、太陽電池等、種々の用
途に用いられている。従来、太陽電池に用いられるシリ
コン薄膜は、化学気相堆積(CVD)によってガラス基
板上に作製されていた。このシリコン薄膜は、水素を含
むアモルファスシリコン(a−Si:H)であった。
2. Description of the Related Art Silicon thin films are used in various applications such as solar cells. Conventionally, silicon thin films used in solar cells have been produced on glass substrates by chemical vapor deposition (CVD). This silicon thin film was amorphous silicon containing hydrogen (a-Si: H).

【0003】しかし、a−Si:H膜の太陽電池は、光
劣化を生じ、使用に伴って発電コストが高くなるという
問題を有している。光劣化を防ぐには、熱処理によって
シリコン薄膜を結晶化することが有効であることが知ら
れている。なお、CVDはシリコン原料としてシラン等
の危険なガスを使うため、その安全対策の設備が必要で
ある。
However, an a-Si: H film solar cell has a problem that photodeterioration occurs and the power generation cost increases with use. It is known that crystallization of a silicon thin film by heat treatment is effective in preventing light deterioration. Since CVD uses a dangerous gas such as silane as a silicon raw material, equipment for safety measures is required.

【0004】より簡便なシリコン薄膜の製造方法とし
て、電子ビームによる蒸着法が知られている。電子銃に
より金属シリコンを加熱し、蒸発させることにより、基
板上にシリコン薄膜を堆積させる。しかしながら、この
ようにして作製したシリコン薄膜は、多量のダングリン
グボンドを含み、導電率の可変性、導電型の可変性、光
応答能力等の半導体的性質を大幅に劣化させてしまう。
As a simpler method for producing a silicon thin film, an evaporation method using an electron beam is known. By heating and evaporating metallic silicon with an electron gun, a silicon thin film is deposited on the substrate. However, the silicon thin film manufactured in this manner contains a large amount of dangling bonds, and significantly degrades semiconductor properties such as variability in conductivity, variability in conductivity type, and light response capability.

【0005】ダングリングボンドの減少には、水素等に
よる終端化が有効であることが知られている。たとえ
ば、全てのダングリングボンドを水素原子によって終端
化すれば、ダングリングボンドの存在による不都合は大
幅に減少させることができる。
It is known that terminating with hydrogen or the like is effective in reducing dangling bonds. For example, if all dangling bonds are terminated with hydrogen atoms, the inconvenience due to the presence of dangling bonds can be greatly reduced.

【0006】図4は、従来技術によるシリコン薄膜の製
造方法を示す概略断面図である。真空排気可能な成膜チ
ャンバ51内に電子ビーム(EB)蒸発源53が配置さ
れ、その上方にはヒータ60によって加熱することので
きる基板61が配置される。EB蒸発源53の側方に、
イオンガン55が配置され、水素イオンを供給すること
ができる。
FIG. 4 is a schematic sectional view showing a method of manufacturing a silicon thin film according to the prior art. An electron beam (EB) evaporation source 53 is arranged in a film forming chamber 51 which can be evacuated, and a substrate 61 which can be heated by a heater 60 is arranged above the evaporation source 53. Beside the EB evaporation source 53,
An ion gun 55 is provided to supply hydrogen ions.

【0007】排気管57を介し、成膜チャンバ51内を
所定の真空度に排気し、EB蒸発源53から電子ビーム
を発生させ、シリコンに照射してシリコンを蒸発させ、
イオンガン55から水素をイオン化させた水素イオンを
基板61に向かわせる。基板61上には、EB蒸発源5
3からのSiとイオンガン55からの水素とが同時に到
達し、a−Si:Hの薄膜を形成する。
The inside of the film forming chamber 51 is evacuated to a predetermined degree of vacuum through an exhaust pipe 57, an electron beam is generated from an EB evaporation source 53, and is irradiated on silicon to evaporate silicon.
Hydrogen ions obtained by ionizing hydrogen from the ion gun 55 are directed to the substrate 61. On the substrate 61, the EB evaporation source 5
The Si from No. 3 and the hydrogen from the ion gun 55 arrive at the same time, forming a thin film of a-Si: H.

【0008】水素イオンの補助がない場合、Si薄膜中
には1020cm-3程度のダングリングボンドが存在する
が、イオンガンによる水素イオンのアシストにより、ダ
ングリングボンドを3×1017cm-3程度まで減少させ
ることが可能であると報告されている。
When hydrogen ions are not assisted, dangling bonds of about 10 20 cm −3 are present in the Si thin film, but the dangling bonds are reduced to 3 × 10 17 cm −3 by the assist of hydrogen ions by an ion gun. It has been reported that it can be reduced to a degree.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述の技術
は、水素イオンをイオンガンによって発生させている。
このため、水素イオン電流密度が小さく、成膜速度が水
素イオン電流で律速される。
In the above-mentioned technology, hydrogen ions are generated by an ion gun.
For this reason, the hydrogen ion current density is small, and the film formation rate is limited by the hydrogen ion current.

【0010】水素イオンのアシストのない場合に比べれ
ば、膜質は大幅に改善されているが、さらなる膜質の改
善が望まれる。
Although the film quality is greatly improved as compared with the case without hydrogen ion assist, further improvement of the film quality is desired.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明の一観点によれ
ば、成膜チャンバ内に基板を配置する工程と、成膜チャ
ンバ内に不活性ガスの少なくとも1種のガスを導入し、
第1次直流アーク放電プラズマを発生させる工程と、前
記第1次直流アーク放電プラズマを発生させた後、水素
ガスを導入し、第2次直流アーク放電プラズマを形成す
る工程と、成膜チャンバ内で金属シリコンを加熱して蒸
発させ、前記第2次直流アーク放電プラズマ中を通して
基板に到達させ、基板上にシリコン薄膜を形成する工程
とを有し、前記シリコン薄膜を形成する工程において、
前記成膜チャンバ内の圧力を10〜500mTorrに
し、多結晶シリコン膜を成長することを特徴とするシリ
コン薄膜の製造方法が提供される。
According to one aspect of the present invention, a step of arranging a substrate in a film forming chamber, introducing at least one kind of inert gas into the film forming chamber,
Generating a primary DC arc discharge plasma, generating hydrogen gas after generating the primary DC arc discharge plasma, and forming a secondary DC arc discharge plasma; Heating and evaporating the metal silicon in the second direct current arc discharge plasma to reach the substrate, the step of forming a silicon thin film on the substrate, the step of forming the silicon thin film,
A method of manufacturing a silicon thin film is provided, wherein the pressure in the film forming chamber is set to 10 to 500 mTorr to grow a polycrystalline silicon film.

【0012】従来のイオンガンは、ガン内部で生じさせ
た放電により水素を電離し、グリッドを介して電気的に
イオンを引き出している。引き出せるイオン電流は空間
電荷により制限され、大きな電流は取り出せない。
In a conventional ion gun, hydrogen is ionized by discharge generated inside the gun, and ions are electrically extracted through a grid. The ion current that can be extracted is limited by the space charge, and a large current cannot be extracted.

【0013】それに対してプラズマは空間電荷による制
限がないため、大きな電流が取り出せる。また、プラズ
マ中には大量にイオン及びラジカル等の活性化された水
素が存在する。この現象は、グロー放電でもアーク放電
でも同じであるが、図1(B)に示すように、アーク放
電プラズマAGは、グロー放電プラズマGDに比べ電圧
が低く電流が大きい。すなわち、膜質にダメージを与え
るような高エネルギ粒子が少なく、適度なエネルギを持
つ粒子が大量に存在する。
On the other hand, since plasma is not limited by space charge, a large current can be taken out. Further, a large amount of activated hydrogen such as ions and radicals is present in the plasma. This phenomenon is the same for glow discharge and arc discharge, but as shown in FIG. 1B, arc discharge plasma AG has a lower voltage and a larger current than glow discharge plasma GD. That is, there are few high-energy particles that damage the film quality, and a large number of particles having appropriate energy exist.

【0014】このため、高密度の活性水素によってシリ
コン薄膜の膜質を改善できると共に、成膜速度をも改善
することができる。
Therefore, the film quality of the silicon thin film can be improved by the high-density active hydrogen, and the film forming speed can be improved.

【0015】蒸発したシリコンが、直流アーク放電のプ
ラズマ中を通って基板に到達することにより、シリコン
も活性化し、膜質を改善することができる。
When the evaporated silicon reaches the substrate through the plasma of the DC arc discharge, the silicon is also activated and the film quality can be improved.

【0016】[0016]

【0017】シリコン薄膜を形成する工程において、前
記成膜チャンバ内の圧力を10〜500mTorrにす
ることで多結晶シリコン薄膜を得ることができる。この
時、前記直流アーク放電プラズマを陽極と陰極の2極間
で発生させることが好ましい。
In the step of forming a silicon thin film, a polycrystalline silicon thin film can be obtained by setting the pressure in the film forming chamber to 10 to 500 mTorr. At this time, it is preferable that the DC arc discharge plasma is generated between two electrodes of an anode and a cathode.

【0018】この様に本発明によれば、成膜チャンバ内
の圧力を高くすることにより、活性水素の量を増加さ
せ、多結晶シリコン薄膜を得ることができる。
As described above, according to the present invention, by increasing the pressure in the film forming chamber, the amount of active hydrogen can be increased and a polycrystalline silicon thin film can be obtained.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施例を説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0020】図1は、シリコン薄膜を製造するための成
膜装置および直流アーク放電を説明するためのグラフを
示す。
FIG. 1 is a graph illustrating a film forming apparatus for producing a silicon thin film and a DC arc discharge.

【0021】図1(A)において、成膜装置の成膜チャ
ンバ1内には、陰極2および陽極3が配置され、陽極3
はるつぼを兼用する。陽極3のるつぼ内には、金属Si
8が収容されている。陽極3上方には、基板を保持する
ためのサセプタ9が配置されている。サセプタ9は、ヒ
ータ10によって所望温度に加熱することができる。ガ
ラス基板等の基板11は、サセプタ9に保持され、陽極
3のるつぼと対向して配置される。
In FIG. 1A, a cathode 2 and an anode 3 are arranged in a film forming chamber 1 of the film forming apparatus.
Also serves as a crucible. In the crucible of the anode 3, metal Si
8 are accommodated. A susceptor 9 for holding a substrate is disposed above the anode 3. The susceptor 9 can be heated to a desired temperature by the heater 10. A substrate 11 such as a glass substrate is held by the susceptor 9 and is arranged to face the crucible of the anode 3.

【0022】陰極2の極板12は、たとえばTa−La
6 複合材料で形成されている。陰極の極板12を貫通
して、水素ガスを導入する配管5が設けられている。陽
極3と陰極2の極板12は、成膜チャンバ1とは電気的
に分離された状態で可変直流電圧源4に接続される。な
お、成膜チャンバ1は接地されている。
The electrode plate 12 of the cathode 2 is made of, for example, Ta-La
B 6 is formed of a composite material. A pipe 5 for introducing hydrogen gas is provided through the electrode plate 12 of the cathode. The electrode plates 12 of the anode 3 and the cathode 2 are connected to the variable DC voltage source 4 while being electrically separated from the film forming chamber 1. The film forming chamber 1 is grounded.

【0023】水素ガスを導入する配管5と対向する側
に、バルブVを介して排気管6が接続されている。配管
5から水素ガスを導入し、排気管6から排気することに
よって成膜チャンバ1内を所定の水素ガス圧に保つこと
ができる。可変直流電源4からたとえば数百Vの電圧を
陽極3、陰極2間に印加し、水素ガス雰囲気中で放電を
開始させる。放電によって生じた荷電粒子(水素イオ
ン、電子)は、陰極2または陽極3に向かって加速され
る。陰極2は、衝突する正イオンによって加熱され、や
がて熱電子を発生するようになる。
An exhaust pipe 6 is connected via a valve V to a side facing the pipe 5 for introducing hydrogen gas. By introducing hydrogen gas from the pipe 5 and exhausting the gas from the exhaust pipe 6, the inside of the film forming chamber 1 can be maintained at a predetermined hydrogen gas pressure. A voltage of, for example, several hundred volts is applied between the anode 3 and the cathode 2 from the variable DC power supply 4 to start discharge in a hydrogen gas atmosphere. Charged particles (hydrogen ions, electrons) generated by the discharge are accelerated toward the cathode 2 or the anode 3. The cathode 2 is heated by the colliding positive ions, and eventually generates thermoelectrons.

【0024】熱電子が発生すると、プラズマはさらに密
度を上げ、グロー放電からアーク放電の状態に遷移す
る。アーク放電状態になると、陽極3、陰極2間の電圧
は低下する。このような可変電圧源4は、たとえば電流
値を制御できる定電流源によって形成することができ
る。
When thermionic electrons are generated, the density of the plasma further increases, and the plasma changes from a glow discharge to an arc discharge. When an arc discharge state occurs, the voltage between the anode 3 and the cathode 2 decreases. Such a variable voltage source 4 can be formed, for example, by a constant current source capable of controlling a current value.

【0025】図1(B)は、印加電流と陽極−陰極間を
流れる電流との関係を示すグラフである。電流の低い領
域GDは、グロー放電が発生する領域を示す。グロー放
電領域は、電流値IG を最大値とし、より電流量が増加
すると、遷移領域を介してアーク放電領域AGに遷移す
る。アーク放電領域の電流値はIA を最小値とする。こ
こで、電流値IA は、通常電流値IG よりも2桁程度以
上高い。
FIG. 1B is a graph showing the relationship between the applied current and the current flowing between the anode and the cathode. The region GD where the current is low indicates a region where glow discharge occurs. In the glow discharge region, the current value IG is set to the maximum value, and when the current amount further increases, the glow discharge region transitions to the arc discharge region AG via the transition region. Current value of the arc discharge region to the minimum value of I A. Here, the current value I A, higher than 2 orders of magnitude than the normal current value I G.

【0026】すなわち、直流アーク放電は、グロー放電
よりも約2桁以上電流密度が高い放電状態である。した
がって、直流アーク放電を用い、水素プラズマを発生さ
せると、このプラズマ中の活性水素の量は、グロー放電
による水素プラズマと比べ、約2桁程度以上高いものと
推定できる。
That is, the DC arc discharge is a discharge state in which the current density is higher than the glow discharge by about two digits or more. Therefore, when hydrogen plasma is generated using DC arc discharge, the amount of active hydrogen in this plasma can be estimated to be about two orders of magnitude or more higher than hydrogen plasma generated by glow discharge.

【0027】また、アーク放電においては、陽極−陰極
間の電圧が低下する。たとえば約100V程度となる。
このような状態においては、プラズマP内の電子温度も
100eV程度となる。
In the arc discharge, the voltage between the anode and the cathode decreases. For example, it is about 100V.
In such a state, the electron temperature in the plasma P is also about 100 eV.

【0028】グロー放電においては、印加電圧が高く、
プラズマ中の電子温度も高くなってしまう。Si源8か
ら蒸発したSi原子を活性化するためには、Siのイオ
ン化エネルギ程度の電子を衝突させることが好ましい。
この点で、アーク放電中の電子はSi原子の活性化に適
している。グロー放電を用いると、電子のエネルギが高
すぎ、Siを効率よく活性化することができなくなって
しまう。なお、良質のSi膜を形成するためには、電子
温度約0.1〜10eVの電子が密度約5×1011〜1
14/cc存在することが好ましい。
In the glow discharge, the applied voltage is high,
The electron temperature in the plasma also increases. In order to activate the Si atoms evaporated from the Si source 8, it is preferable to collide electrons with about the ionization energy of Si.
In this regard, the electrons in the arc discharge are suitable for activating Si atoms. When glow discharge is used, the energy of electrons is too high, and it becomes impossible to activate Si efficiently. In order to form a high-quality Si film, electrons having an electron temperature of about 0.1 to 10 eV must have a density of about 5 × 10 11 to 1
It is preferably present at 0 14 / cc.

【0029】直流アーク放電状態になると、成膜チャン
バ1内の広い領域が発光するが、特に破線で示した領域
Pが明るく発光する。この領域P内には密度の高いプラ
ズマが存在する。
When a direct current arc discharge occurs, a large area in the film forming chamber 1 emits light, and particularly, an area P indicated by a broken line emits light brightly. High-density plasma exists in this region P.

【0030】プラズマ中では、以下のような種々の反応
が進行していると考えられる。 H2 → 2H+ +2e-2 → H2 + +e-2 → H* +H*2 → H* +H+ +e- ここでH* はHのラジカルを示す。
It is considered that the following various reactions proceed in the plasma. H 2 → 2H + + 2e - H 2 → H 2 + + e - H 2 → H * + H * H 2 → H * + H + + e - where H * represents a radical of H.

【0031】プラズマP内の多量の電子が金属Si8に
衝突し、Si8を加熱、蒸発させる。蒸発したSi原子
(またはクラスター)は、直流アーク放電のプラズマP
中を通過し、さらに電子、活性水素(イオン、ラジカ
ル)と衝突し、基板11表面に到達する。なお、基板1
1表面にも活性水素が衝突する。
A large amount of electrons in the plasma P collide with the metal Si8, thereby heating and evaporating the Si8. Evaporated Si atoms (or clusters) form plasma P of the DC arc discharge.
It passes through the inside and collides with electrons and active hydrogen (ions, radicals), and reaches the surface of the substrate 11. The substrate 1
Active hydrogen also collides with one surface.

【0032】このように、直流アーク放電によって高密
度の活性水素を発生させ、かつ蒸発したSiを活性化し
つつ基板上に到達させることにより、高膜質のSi膜が
形成される。
As described above, a high-quality Si film is formed by generating high-density active hydrogen by DC arc discharge and activating the evaporated Si to reach the substrate.

【0033】図1(C)は、図1(A)に示した冷陰極
2の代わりに用いることのできる熱電子発生型陰極の構
成を示す。この陰極は、熱フィラメント14と、熱フィ
ラメントに電流を供給するための電源15(たとえば直
流電源)からなる。熱電子発生源を用いる場合、直流電
源4は、当初から所定の低い電圧を与えれば、直流アー
ク放電を発生させることができる。
FIG. 1C shows a configuration of a thermoelectron generating type cathode which can be used in place of the cold cathode 2 shown in FIG. 1A. The cathode includes a hot filament 14 and a power supply 15 (for example, a DC power supply) for supplying a current to the hot filament. When using a thermoelectron source, the DC power supply 4 can generate a DC arc discharge by applying a predetermined low voltage from the beginning.

【0034】なお、水素ガスのみを導入して直流アーク
放電を発生させる場合を説明したが、水素ガスと不活性
ガス(たとえば、He、Ar、Kr、Xe等)を同時に
導入してもよい。
Although the case where DC arc discharge is generated by introducing only hydrogen gas has been described, hydrogen gas and an inert gas (for example, He, Ar, Kr, Xe, etc.) may be simultaneously introduced.

【0035】図7は、水素ガスと不活性ガスとしてアル
ゴンガスを導入する成膜装置の構成例を概略的に示す。
FIG. 7 schematically shows a configuration example of a film forming apparatus for introducing a hydrogen gas and an argon gas as an inert gas.

【0036】図7(A)は、シリコン薄膜を成膜するた
めの成膜装置の断面図である。成膜チャンバ1の陰極2
の極板12の近傍には、配管16が設けられている。ア
ルゴンガスは配管16の一端から導入され、水素ガスは
配管16の途中につながれた配管5から導入される。ま
ず、配管16から導入されたアルゴンガスの雰囲気中
で、第1次直流アーク放電プラズマを発生させる。その
後、配管5から水素ガスを導入し、第2次アーク放電プ
ラズマを形成する。
FIG. 7A is a cross-sectional view of a film forming apparatus for forming a silicon thin film. Cathode 2 of deposition chamber 1
In the vicinity of the electrode plate 12, a pipe 16 is provided. The argon gas is introduced from one end of the pipe 16, and the hydrogen gas is introduced from the pipe 5 connected in the middle of the pipe 16. First, a primary DC arc discharge plasma is generated in an atmosphere of an argon gas introduced from a pipe 16. Thereafter, hydrogen gas is introduced from the pipe 5 to form a secondary arc discharge plasma.

【0037】図7(B)に示すように、水素を導入する
位置は、成膜チャンバ1の壁面の他、配管17のように
プラズマPに吹き付けたり、配管18の様にSi8に吹
き付けたり、配管19の様に基板11に吹き付けても良
い。これらの場合に形成されたSi薄膜は、より酸化が
少ないものとなる。
As shown in FIG. 7 (B), the hydrogen is introduced at the wall of the film forming chamber 1 as well as at the plasma P as at the pipe 17 or at the Si 8 as at the pipe 18. It may be sprayed on the substrate 11 like the pipe 19. The Si thin film formed in these cases has less oxidation.

【0038】さらに、安定かつ高密度のプラズマを発生
させるために、磁場によるピンチ作用を利用することが
できる。
Furthermore, in order to generate stable and high-density plasma, a pinch effect by a magnetic field can be used.

【0039】図2は、磁場を利用した場合の構成例を概
略的に示す。陽極3のるつぼ下に永久磁石21が埋め込
まれ、成膜チャンバ1の陰極2の周囲に複数組の電磁石
22a、22b、23a、23bが配置されている。こ
れらの電磁石22、23は、電流を調整することによ
り、発生する磁場の形状および強度を調整することがで
きる。なお、他の構成の磁石を用いてもよい。
FIG. 2 schematically shows a configuration example when a magnetic field is used. A permanent magnet 21 is embedded under the crucible of the anode 3, and a plurality of sets of electromagnets 22 a, 22 b, 23 a, and 23 b are arranged around the cathode 2 of the film forming chamber 1. These electromagnets 22 and 23 can adjust the shape and intensity of the generated magnetic field by adjusting the current. Note that a magnet having another configuration may be used.

【0040】プラズマ中の電子によってSiを加熱する
場合を説明したが、Siの加熱を他の手段によって行な
うこともできる。
Although the case where Si is heated by electrons in the plasma has been described, heating of Si can be performed by other means.

【0041】図3は、EB蒸発源25を用いてSiを蒸
発させ、別途アーク放電プラズマを発生させる場合を示
す。
FIG. 3 shows a case in which Si is evaporated using the EB evaporation source 25 to separately generate arc discharge plasma.

【0042】図3(A)においては、成膜チャンバ1の
下部にEB蒸発源25が配置され、上方に基板11が配
置されている。基板11の下に、基板11表面とほぼ平
行な方向にアーク放電プラズマAPを発生させるように
陰極12、陽極13が配置されている。蒸発源25から
飛び出したSi原子は、プラズマ中で活性化された後、
直ちに基板11表面に達する。
In FIG. 3A, an EB evaporation source 25 is disposed below the film forming chamber 1 and a substrate 11 is disposed above the EB evaporation source 25. A cathode 12 and an anode 13 are arranged below the substrate 11 so as to generate an arc discharge plasma AP in a direction substantially parallel to the surface of the substrate 11. The Si atoms jumping out of the evaporation source 25 are activated in the plasma,
Immediately reaches the surface of the substrate 11.

【0043】図3(B)においては、陽極13が基板1
1のサセプタを兼用し、成膜チャンバ1の上方に配置さ
れている。陰極12は、EB蒸発源25と共に成膜チャ
ンバ1の下方に配置されている。この構成によれば、E
B蒸発源25から発生したSiビームが基板11に向か
って飛行する経路に長くオーバラップするように、陰極
12、陽極13間にアーク放電プラズマが発生する。
In FIG. 3B, the anode 13 is
One susceptor is also used, and is disposed above the film forming chamber 1. The cathode 12 is arranged below the film forming chamber 1 together with the EB evaporation source 25. According to this configuration, E
Arc discharge plasma is generated between the cathode 12 and the anode 13 such that the Si beam generated from the B evaporation source 25 overlaps a path that flies toward the substrate 11 for a long time.

【0044】これらの構成によれば、プラズマ密度とS
i蒸発量とを独立に制御することができる。 なお、図
1(A)の装置を用い、以下の条件でSi薄膜を形成し
た。
According to these configurations, the plasma density and S
i and the amount of evaporation can be controlled independently. Note that a Si thin film was formed using the apparatus of FIG. 1A under the following conditions.

【0045】 カソード電流 : 100A カソード電圧 : 100V 水素流量 : 120sccm アルゴン流量 : 10sccm 圧 力 : 7×10-4Torr 基板温度 : 400℃ 以上の条件下で、成膜速度10nm/sで3×1016
-3のダングリングボンド密度を有するアモルファスシ
リコン膜を得ることができた。
Cathode current: 100 A Cathode voltage: 100 V Hydrogen flow rate: 120 sccm Argon flow rate: 10 sccm Pressure: 7 × 10 -4 Torr Substrate temperature: 400 ° C. Under the conditions of not less than 3 × 10 16 at a film formation rate of 10 nm / s. c
An amorphous silicon film having a dangling bond density of m −3 was obtained.

【0046】なお、比較のため、図4に示すイオンガン
方式でも成膜した。この場合には、成膜速度3nm/s
でダングリングボンド密度が3×1017cm-3であっ
た。
For comparison, a film was formed also by the ion gun method shown in FIG. In this case, the film formation rate is 3 nm / s
And the dangling bond density was 3 × 10 17 cm −3 .

【0047】上記例では、成膜速度は約3倍と速いのに
もかかわらず、ダングリングボンド密度が約1桁低下し
ている。このため、良好な膜質のSi薄膜が高成膜速度
で得られることが判る。なお、このように膜質が改善さ
れた原因は、少なくとも一部プラズマ密度が高く、かつ
プラズマ中の電子温度がSiのイオン化エネルギにほぼ
等しいことによると考えられる。
In the above example, the dangling bond density is reduced by about one digit, even though the film forming speed is about three times as fast. This indicates that a Si thin film having good film quality can be obtained at a high film forming rate. It is considered that the reason why the film quality is improved in this way is that the plasma density is at least partially high and the electron temperature in the plasma is almost equal to the ionization energy of Si.

【0048】図7(A)の装置を用いた多結晶Siの成
膜例を以下に示す。 カソード電流 : 200A カソード電圧 : 100V 水素流量 : 120sccm アルゴン流量 : 30sccm 圧 力 : 7.5×10-2Torr 基板温度 : 300〜500℃
An example of polycrystalline Si film formation using the apparatus shown in FIG. Cathode current: 200 A Cathode voltage: 100 V Hydrogen flow rate: 120 sccm Argon flow rate: 30 sccm Pressure: 7.5 × 10 −2 Torr Substrate temperature: 300 to 500 ° C.

【0049】図5は、上記の条件で作成したSi膜のラ
マンスペクトルを示す。また、図6は同じSi膜のX線
回折スペクトルを示す。両スペクトルから多結晶Siが
形成されていることが判る。
FIG. 5 shows a Raman spectrum of the Si film formed under the above conditions. FIG. 6 shows an X-ray diffraction spectrum of the same Si film. It can be seen from both spectra that polycrystalline Si has been formed.

【0050】図7(A)に示した装置においては、1つ
のプラズマで金属Siの蒸発と活性水素の生成を同時に
行うため、良質の多結晶シリコン薄膜を得るためにはS
iの蒸発量と活性水素量の比が重要である。図8は、上
記の条件のうち圧力のみを変化させて得られたグラフで
ある。
In the apparatus shown in FIG. 7A, evaporation of metal Si and generation of active hydrogen are performed simultaneously by one plasma.
The ratio between the amount of evaporation of i and the amount of active hydrogen is important. FIG. 8 is a graph obtained by changing only the pressure among the above conditions.

【0051】図8(A)は、成膜中に於ける、活性水素
Hによる657nmの発光と蒸発したSiによる63
4.7nmの発光との強度比と、成膜チャンバ内の圧力
変化の関係を示したグラフである。グラフにおいて、横
軸は圧力(単位はTorr)を示し、縦軸はSiに対す
る水素(水素/Si)の発光強度比を示している。グラ
フが示すように、発光強度比は0.008〜0.02T
orrの範囲において増加し、それ以上の範囲ではほぼ
一定に保たれている。つまり、0.008〜0.02T
orrの範囲において、蒸発したSiに対する活性水素
の比率が増加し、それ以上の圧力では両者の比率は一定
に保たれていると考えることができる。
FIG. 8A shows the emission of 657 nm by active hydrogen H and the formation of 63
6 is a graph showing a relationship between an intensity ratio with 4.7 nm light emission and a pressure change in a film forming chamber. In the graph, the horizontal axis indicates pressure (unit is Torr), and the vertical axis indicates the emission intensity ratio of hydrogen (hydrogen / Si) to Si. As shown in the graph, the emission intensity ratio is 0.008 to 0.02T.
It increases in the range of orr, and is kept substantially constant in the range beyond that. That is, 0.008 to 0.02T
It can be considered that in the range of orr, the ratio of the active hydrogen to the evaporated Si increases, and at a pressure higher than that, the ratio between the two is kept constant.

【0052】図8(B)は、作成したSi膜のX線回折
スペクトルを示したグラフである。成膜チャンバ内の圧
力を、0.006、0.02、0.05、0.07To
rrの4つの条件に設定し、その条件で得られたSi膜
のX線回折スペクトルが示されている。スペクトルか
ら、0.006Torrの条件では、結晶性のピークは
ほとんど確認できない。一方、0.02Torr以上の
圧力では、圧力の増加に伴い、より明確な結晶性のピー
クが確認できる。つまり、0.006Torrより高い
圧力で多結晶Siが形成されていると判断できる。
FIG. 8B is a graph showing an X-ray diffraction spectrum of the formed Si film. The pressure in the film forming chamber is set to 0.006, 0.02, 0.05, 0.07 To.
The X-ray diffraction spectrum of the Si film obtained under the four conditions of rr is shown. From the spectrum, under the condition of 0.006 Torr, almost no crystalline peak can be confirmed. On the other hand, at a pressure of 0.02 Torr or more, a clearer peak of crystallinity can be confirmed as the pressure increases. That is, it can be determined that polycrystalline Si is formed at a pressure higher than 0.006 Torr.

【0053】図8(C)はチャンバ内の圧力と成膜速度
の関係を示したグラフである。成長速度は、チャンバ内
圧力の増加に伴って減少し、500mTorr以上の圧
力においてはほとんど成長しない。これは、圧力の増加
に伴い、気体(水素ガス、不活性ガス)中の分子が増加
し、これを活性化するためにエネルギが消費され、Si
が蒸発しにくくなるためと考えられる。
FIG. 8C is a graph showing the relationship between the pressure in the chamber and the deposition rate. The growth rate decreases as the pressure in the chamber increases, and hardly grows at a pressure of 500 mTorr or more. This is because, as the pressure increases, the number of molecules in the gas (hydrogen gas, inert gas) increases, and energy is consumed to activate the molecules.
This is considered to be because it becomes difficult to evaporate.

【0054】以上より、成膜チャンバが0.01Tor
r以上の圧力の場合は、活性水素の量が多くなるため多
結晶Siが得られる。また、圧力が高くなると成長速度
が遅くなるため上限圧力としては500mTorr程度
が好ましいと判明した。つまり、成膜チャンバ内の圧力
は10〜500mTorrが好ましく、約20〜500
mTorrがより好ましいと判明した。一方、0.01
Torr以下の圧力においてはSiの蒸発量が活性水素
の量と比べ相対的に増え、アモルファスシリコン膜が得
られる。
As described above, the film forming chamber is set to 0.01 Torr.
When the pressure is equal to or higher than r, polycrystalline Si is obtained because the amount of active hydrogen increases. Also, it has been found that the upper limit pressure is preferably about 500 mTorr because the growth rate becomes slower as the pressure increases. That is, the pressure in the film forming chamber is preferably 10 to 500 mTorr, and is approximately 20 to 500 mTorr.
mTorr has been found to be more preferred. On the other hand, 0.01
At a pressure equal to or lower than Torr, the evaporation amount of Si is relatively increased as compared with the amount of active hydrogen, and an amorphous silicon film is obtained.

【0055】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。
The present invention has been described in connection with the preferred embodiments.
The present invention is not limited to these. For example,
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.

【0056】[0056]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
良膜質のSi多結晶薄膜を製造することができる。
As described above, according to the present invention,
A high-quality Si polycrystalline thin film can be manufactured.

【0057】環境対策の容易なシリコン薄膜の製造方法
が提供される。
A method for manufacturing a silicon thin film that is easy to take environmental measures is provided.

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

【図1】本発明の実施例を説明するための断面図、線
図、グラフである。
FIG. 1 is a sectional view, a diagram, and a graph for explaining an example of the present invention.

【図2】本発明の他の実施例を説明するための概略断面
図である。
FIG. 2 is a schematic sectional view for explaining another embodiment of the present invention.

【図3】本発明の他の実施例を説明するための概略断面
図である。
FIG. 3 is a schematic sectional view for explaining another embodiment of the present invention.

【図4】従来技術を説明するための概略断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining a conventional technique.

【図5】作成したSi膜のラマンスペクトルを示す。FIG. 5 shows a Raman spectrum of the formed Si film.

【図6】作成したSi膜のX線回折スペクトルを示す。FIG. 6 shows an X-ray diffraction spectrum of the formed Si film.

【図7】本発明の他の実施例を説明するための断面図で
ある。
FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining another embodiment of the present invention.

【図8】本発明の他の実施例を説明するためのグラフで
ある。
FIG. 8 is a graph for explaining another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 成膜チャンバ 2 陰極 3 陽極 4 直流電源 5 導入管 6 排気管 8 Si 9 サセプタ 10 ヒータ 11 基板 12 陰極板 14 熱フィラメント 15 直流電源 16〜19 配管 21 永久磁石 22、23 電磁石 25 EB蒸発源 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Film-forming chamber 2 Cathode 3 Anode 4 DC power supply 5 Inlet pipe 6 Exhaust pipe 8 Si9 susceptor 10 Heater 11 Substrate 12 Cathode plate 14 Hot filament 15 DC power supply 16-19 Piping 21 Permanent magnet 22, 23 Electromagnet 25 EB evaporation source

フロントページの続き (72)発明者 近藤 健一 東京都世田谷区千歳台2−33−1 (56)参考文献 特開 昭60−223113(JP,A) 特開 平4−252020(JP,A) 特開 平4−252018(JP,A) 特開 昭59−96718(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/203 Continuation of the front page (72) Inventor Kenichi Kondo 2-33-1 Chitosedai, Setagaya-ku, Tokyo (56) Reference JP-A-60-223113 (JP, A) JP-A-4-252020 (JP, A) JP-A-4-252018 (JP, A) JP-A-59-96718 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 21/203

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 成膜チャンバ内に基板を配置する工程
と、 成膜チャンバ内に不活性ガスの少なくとも1種のガスを
導入し、第1次直流アーク放電プラズマを発生させる工
程と、 前記第1次直流アーク放電プラズマを発生させた後、水
素ガスを導入し、第2次直流アーク放電プラズマを形成
する工程と、 成膜チャンバ内で金属シリコンを加熱して蒸発させ、前
記第2次直流アーク放電プラズマ中を通して基板に到達
させ、基板上にシリコン薄膜を形成する工程とを有し、 前記シリコン薄膜を形成する工程において、前記成膜チ
ャンバ内の圧力を10〜500mTorrにし、多結晶
シリコン膜を成長することを特徴とするシリコン薄膜の
製造方法。
A step of disposing a substrate in a film forming chamber; a step of introducing at least one kind of inert gas into the film forming chamber to generate a first DC arc discharge plasma; Generating a primary DC arc discharge plasma, introducing hydrogen gas to form a secondary DC arc discharge plasma; heating and evaporating metallic silicon in a film forming chamber; Forming a silicon thin film on the substrate by reaching the substrate through the arc discharge plasma. In the step of forming the silicon thin film, the pressure in the film forming chamber is set to 10 to 500 mTorr, and the polycrystalline silicon film is formed. A method for producing a silicon thin film, comprising: growing silicon.
【請求項2】 前記直流アーク放電プラズマを発生させ
る工程が陽極と陰極の2極間でプラズマを発生させる工
程であり、前記水素ガス及び前記不活性ガスの導入を配
管によって陰極の近傍から行なうことを特徴とする請求
項1記載のシリコン薄膜の製造方法。
2. The step of generating a DC arc discharge plasma is a step of generating plasma between two electrodes of an anode and a cathode, wherein the introduction of the hydrogen gas and the inert gas is performed from near the cathode by piping. The method for producing a silicon thin film according to claim 1, wherein:
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