JPH05275346A - Manufacture of amorphous silicon film, and manufacture of amorphous silicon nitride film, and manufacture of crystallite silicon film, and nonsingle crystal semiconductor device - Google Patents
Manufacture of amorphous silicon film, and manufacture of amorphous silicon nitride film, and manufacture of crystallite silicon film, and nonsingle crystal semiconductor deviceInfo
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- JPH05275346A JPH05275346A JP4100219A JP10021992A JPH05275346A JP H05275346 A JPH05275346 A JP H05275346A JP 4100219 A JP4100219 A JP 4100219A JP 10021992 A JP10021992 A JP 10021992A JP H05275346 A JPH05275346 A JP H05275346A
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本願第1及び第2の発明は、非晶
質膜の製造方法に関するものであり、特に、薄膜トラン
ジスタ、薄膜トランジスタ型光センサー、太陽電池等の
薄膜デバイスに好適に利用される非晶質シリコン膜の製
造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION The first and second inventions of the present application relate to a method for producing an amorphous film, and are particularly suitable for use in thin film devices such as thin film transistors, thin film transistor type photosensors and solar cells. The present invention relates to a method for manufacturing an amorphous silicon film.
【0002】本願第3及び第4の発明は、非晶質窒化シ
リコン膜の製造方法に関するものであり、特に、薄膜ト
ランジスタ、薄膜トランジスタ型光センサー等の非晶質
シリコン薄膜デバイスに好適に利用される非晶質窒化シ
リコン膜の製造方法に関する。The third and fourth inventions of the present application relate to a method for producing an amorphous silicon nitride film, and are particularly suitable for use in amorphous silicon thin film devices such as thin film transistors and thin film transistor type optical sensors. The present invention relates to a method for manufacturing a crystalline silicon nitride film.
【0003】本願第5の発明は、微結晶シリコン膜の製
造方法に関するものであり、特にプラズマCVD法を用
いて、微結晶シリコン膜を作成する製造方法に関するも
のである。ここで微結晶とは膜中に結晶粒を含む構造の
シリコン膜を意味し、ポリシリコン(多結晶)も含むも
のとする。The fifth invention of the present application relates to a method of manufacturing a microcrystalline silicon film, and more particularly to a method of manufacturing a microcrystalline silicon film by using a plasma CVD method. Here, the microcrystal means a silicon film having a structure including crystal grains in the film, and also includes polysilicon (polycrystal).
【0004】本願第6の発明は、非単結晶半導体装置に
関するものであり、特にプラズマCVD法により作成さ
れた非単結晶半導体層を有する非単結晶半導体装置に関
する。The sixth invention of the present application relates to a non-single crystal semiconductor device, and more particularly to a non-single crystal semiconductor device having a non-single crystal semiconductor layer formed by a plasma CVD method.
【0005】本願第7の発明は、非単結晶半導体装置に
関するものであり、特にプラズマCVD法により作成さ
れた保護層を有する非単結晶半導体装置に関する。A seventh invention of the present application relates to a non-single crystal semiconductor device, and more particularly to a non-single crystal semiconductor device having a protective layer formed by a plasma CVD method.
【0006】ここで、非単結晶半導体とは、単結晶半導
体以外の非晶質半導体、微結晶(多結晶を含む)半導体
等をいうものとする。Here, the non-single crystal semiconductor refers to an amorphous semiconductor other than a single crystal semiconductor, a microcrystalline (including polycrystal) semiconductor, and the like.
【0007】[0007]
【従来の技術】まず、本願第1及び第2の発明に係る従
来の技術について説明する。2. Description of the Related Art First, a conventional technique according to the first and second inventions of the present application will be described.
【0008】従来、非晶質シリコン薄膜(以下a−Si
薄膜と略記)の製造方法としては、モノシランガス(S
iH4 )に代表される珪素化合物を原料ガスとした、プ
ラズマCVD法がある。一般に、プラズマCVD法は1
3.56MHzのRF帯域、又は、2.54GHzのマ
イクロ波帯域による高周波放電を用いている。Conventionally, an amorphous silicon thin film (hereinafter a-Si)
As a method for producing a thin film, monosilane gas (S
There is a plasma CVD method using a silicon compound typified by iH 4 ) as a source gas. Generally, the plasma CVD method is 1
A high frequency discharge in the RF band of 3.56 MHz or the microwave band of 2.54 GHz is used.
【0009】その他、光CVD法、或は、ECR−CV
D法などが知られているが、この様な製造方法の内で、
a−Si薄膜の品質・大面積対応・価格等をバランス良
く満足する成膜方法として、一般的に普及しているの
は、13.56MHzのRF放電によるプラズマCVD
法である。このプラズマCVD法は、多くの場合モノシ
ランガス(SiH4 )を用い、必要に応じて水素ガス
(H2 )で希釈して、13.56MHzのRF放電によ
り原料ガスを分解して反応性のある活性種を作り、基板
上にa−Si膜を堆積させるものである。この種の方法
により製造したa−Si薄膜は、薄膜トランジスタ、薄
膜トランジスタ型光センサー、太陽電池等のa−Si薄
膜デバイスに用いられている。In addition, the photo CVD method or the ECR-CV method
D method etc. are known, but among such manufacturing methods,
Plasma CVD by RF discharge of 13.56 MHz is widely used as a film forming method that satisfies well-balanced quality, large area, and price of a-Si thin film.
Is the law. This plasma CVD method often uses monosilane gas (SiH 4 ), dilutes it with hydrogen gas (H 2 ) if necessary, and decomposes the raw material gas by RF discharge at 13.56 MHz to obtain a reactive activity. A seed is created and an a-Si film is deposited on the substrate. The a-Si thin film manufactured by this type of method is used for a-Si thin film devices such as thin film transistors, thin film transistor type photosensors, and solar cells.
【0010】次に本願第3の発明に係る従来の技術につ
いて説明する。Next, a conventional technique according to the third invention of the present application will be described.
【0011】近年、非単結晶シリコンを用いた半導体装
置の開発が盛んである。特に大面積低コストで生産でき
る太陽電池や複写機の感光体ドラムの開発、液晶ディス
プレイ用薄膜トランジスタの開発、軽量小型に作れる、
ファクシミリ用固体撮像装置の開発が盛んである。特に
薄膜トランジスタのゲート絶縁膜用や、これらのデバイ
スのパッシベーション膜用に非晶質窒化シリコン膜が用
いられている。従来これらの半導体装置に使われる非晶
質窒化シリコン膜の堆積方法としては、シランSiH4
またはフッ化シランSiF4 とアンモニアNH3 や窒素
N2 を混合させたものを成膜ガスとするRFプラズマC
VD法が用いられてきた。窒化シリコンの製造方法には
ほかに熱CVD法があるが、成長温度が850℃程度と
高く、耐熱性が400℃程度と低い非晶質シリコン半導
体を用いる上記デバイスのプロセスとしては採用できな
い。RFプラズマCVD法では、成長温度を300℃程
度にできるので、十分利用できる。窒素よりアンモニア
を用いる場合の方が分解しやすく、反応が起こりやすい
ので、多くの場合シランSiH4 とアンモニアNH3 の
混合ガスを用い、必要に応じて水素ガスで稀釈を行い1
3.56MHzの高周波でプラズマを発生させ、プラズ
マにより成膜ガスを分解して反応性のある活性種をつく
り、基板上に非晶質窒化シリコン膜を堆積させるプラズ
マCVD法が用いられる。しかしながら、アンモニアガ
スは腐食性があり、取り扱いが難しく特に生産装置にと
って好ましくない場合がある。その点窒素ガスは取り扱
いが楽であり有利である。また窒素ガスはアンモニアガ
スより純化しやすく、成膜中の不純物の取り込みが少な
くできる。膜中の不純物は非晶質窒化シリコン絶縁膜の
電気的特性に悪影響を与えるので、好ましくない。また
アンモニアガスを用いて成膜すると、窒素ガスを用いる
場合より、膜中水素濃度が増加することが知られてい
る。膜中の水素が多くなると、密度が低下し、緻密性や
耐熱性が悪くなる。またこの水素が膜中を拡散して行
き、種々の不安定現象を引き起こすもとにもなるので、
膜中水素は少ないほうが良い。このようにシランガスと
窒素ガスの混合ガスを利用した場合には種々の有利な点
がある。さらにこの観点からすると、水素を含まないフ
ッ化シランと窒素ガスとの混合ガスを利用する方が有利
と考えられる。In recent years, semiconductor devices using non-single crystal silicon have been actively developed. In particular, development of large-area, low-cost solar cells and photoconductor drums for copiers, development of thin-film transistors for liquid crystal displays, lightweight and compact manufacturing,
Development of a solid-state image pickup device for a facsimile is active. In particular, an amorphous silicon nitride film is used for a gate insulating film of a thin film transistor and a passivation film of these devices. Conventionally, as a method of depositing an amorphous silicon nitride film used in these semiconductor devices, silane SiH 4 is used.
Alternatively, RF plasma C using a mixture of fluorinated silane SiF 4 and ammonia NH 3 or nitrogen N 2 as a film forming gas
The VD method has been used. Although there is another thermal CVD method as a method for producing silicon nitride, it cannot be adopted as a process for the above device using an amorphous silicon semiconductor having a high growth temperature of about 850 ° C. and a low heat resistance of about 400 ° C. Since the growth temperature can be set to about 300 ° C. in the RF plasma CVD method, it can be sufficiently used. When ammonia is used rather than nitrogen, the decomposition and the reaction are more likely to occur, so in most cases a mixed gas of silane SiH 4 and ammonia NH 3 is used, and if necessary diluted with hydrogen gas.
A plasma CVD method is used in which plasma is generated at a high frequency of 3.56 MHz, a film forming gas is decomposed by the plasma to generate reactive active species, and an amorphous silicon nitride film is deposited on a substrate. However, ammonia gas is corrosive, is difficult to handle, and may be particularly unfavorable for production equipment. In that respect, nitrogen gas is easy to handle and advantageous. Further, nitrogen gas is easier to purify than ammonia gas, and the incorporation of impurities during film formation can be reduced. Impurities in the film adversely affect the electrical characteristics of the amorphous silicon nitride insulating film, which is not preferable. It is also known that when a film is formed using ammonia gas, the hydrogen concentration in the film is higher than when nitrogen gas is used. When the amount of hydrogen in the film increases, the density decreases, and the compactness and heat resistance deteriorate. Also, this hydrogen diffuses in the film, causing various unstable phenomena.
The less hydrogen in the film, the better. There are various advantages in using a mixed gas of silane gas and nitrogen gas. From this point of view, it is considered advantageous to use a mixed gas of hydrogen-free fluorinated silane and nitrogen gas.
【0012】次に、本願第4の発明に係る従来の技術に
ついて説明する。Next, a conventional technique according to the fourth invention of the present application will be described.
【0013】非晶質窒化シリコン薄膜は製造方法及びそ
の条件に依存して組成が変化するため、SiNX 膜と表
記されている。このSiNX 膜の物性は、組成・含有水
素量などにより大きく変化する。代表的なSiNX 膜の
堆積方法としては、SiH4−NH3 混合系気体による
常圧CVD法、プラズマCVD法、光CVD法等があ
る。その中で、大面積のガラス基板を用いた低温プロセ
ス、具体的には400℃程度で利用できるものは、特
に、SiH4 −NH3 混合系気体の13.56MHzの
放電周波数を利用したRFプラズマCVD法であり、反
応が起こり易く、又その制御性が良いという利点から最
も広く利用されている。Since the composition of the amorphous silicon nitride thin film changes depending on the manufacturing method and its conditions, it is referred to as a SiN x film. The physical properties of this SiN x film largely change depending on the composition, the amount of hydrogen contained, and the like. Typical SiN x film deposition methods include atmospheric pressure CVD method using SiH 4 —NH 3 mixed gas, plasma CVD method, photo CVD method and the like. Among them, a low temperature process using a large area glass substrate, specifically one that can be used at about 400 ° C., is especially an RF plasma utilizing a discharge frequency of 13.56 MHz of a SiH 4 —NH 3 mixed gas. It is a CVD method and is most widely used because of its advantages of easy reaction and good controllability.
【0014】しかしながら、このSiNX 膜をa−Si
薄膜を用いた薄膜トランジスタ(以下TFTと略記す
る)のゲート絶縁膜として利用した場合、a−Si薄膜
TFTの特性は、ゲート絶縁膜SiNX 膜に依存してデ
バイス特性に変化を与える。特に、閾値電圧の変動、オ
ン・オフ比の低下、応答性の悪化と言った場合には、歩
留を低下させ、大きな問題をとなる。同様に、TFT型
の光センサーにおいても、閾値電圧の変化により、その
基本特性である光電流及び暗電流の変化を引き起こす。
この様なデバイス特性上の問題は、一般にはゲート絶縁
膜又はゲート絶縁膜とa−Si膜との界面特性に起因し
ていると考えられている。However, this SiN x film is a-Si
When using as a gate insulating film of the thin film transistor (hereinafter abbreviated as TFT) using a thin film, characteristics of a-Si thin film TFT provides a change in device characteristics depending on the gate insulating film SiN X film. In particular, when it is said that the threshold voltage fluctuates, the on / off ratio is lowered, and the response is deteriorated, the yield is lowered, which causes a serious problem. Similarly, in a TFT type optical sensor, a change in threshold voltage causes a change in photocurrent and dark current, which are its basic characteristics.
It is generally considered that such a problem in device characteristics is caused by the gate insulating film or the interface characteristics between the gate insulating film and the a-Si film.
【0015】具体的に述べると、閾値電圧の変化は、電
子や正孔がa−SiからSiNX へ注入されたり、Si
NX のトラップ準位に捕獲されたりするためであり、S
iNX 膜の光学バンドギャップが大きく、また、電子ス
ピン密度が小さい高品質膜が変化を最少限に抑えるため
に有効であると考えられている。More specifically, the change in the threshold voltage is caused by the injection of electrons and holes from a-Si into SiN x , or Si
It is because it is trapped in the trap level of N x , and S
It is considered that a high quality film having a large optical band gap of the iN x film and a small electron spin density is effective for suppressing the change to a minimum.
【0016】また、SiNX 膜中の含有水素が多くなる
と、密度が低下し、耐電圧が低くなる。更に、この水素
が膜中を拡散して行き、種々の不安定現象を引き起こす
ため、膜中水素は少ない方が望ましいとも考えられてい
る。When the SiN x film contains a large amount of hydrogen, the density is lowered and the withstand voltage is lowered. Further, since this hydrogen diffuses in the film and causes various unstable phenomena, it is considered preferable that the amount of hydrogen in the film is small.
【0017】更に、SiNX 膜の応力を若干の圧縮側に
することによりTFT特性の向上が期待できるとも考え
られている。Further, it is also considered that the TFT characteristics can be expected to be improved by making the stress of the SiN x film slightly on the compression side.
【0018】即ち、現在まで、SiNX 薄膜の基本物性
を成膜条件、試験条件など様々な角度から検討され、S
iNX 薄膜としては、光学バンドギャップが大きく、ス
ピン密度が小さく、水素濃度が小さく、更に、応力が若
干圧縮側であることが望ましいと推定されている。That is, until now, the basic physical properties of the SiN x thin film have been studied from various angles such as film forming conditions and test conditions.
It is estimated that the iN x thin film preferably has a large optical band gap, a low spin density, a low hydrogen concentration, and a stress on the compression side.
【0019】次に本願第5の発明に係る従来の技術につ
いて説明する。Next, a conventional technique according to the fifth invention of the present application will be described.
【0020】近年、微結晶シリコンや非晶質シリコンを
用いた半導体装置の開発が盛んである。特に大面積低コ
ストで生産できる太陽電池や複写機の感光体ドラムの開
発、液晶ディスプレイ用薄膜トランジスタの開発、軽量
小型に作られる、ファクシミリ用固体撮像装置の開発が
盛んである。従来これらの半導体装置に使われる非単結
晶シリコン膜の堆積方法としては、シランSiH4 また
はジシランSi2 H6を成膜ガスとするRFプラズマC
VD法やあるいは水素ガス存在下でSiターゲットをA
rプラズマ中でスパッタする反応性スパッタリング法な
どが用いられてきた。これらの方法により得られる微結
晶シリコンや非晶質シリコンはほとんど水素を10%以
上含んでいる。このような微結晶シリコンや非晶質シリ
コンの堆積方法としてもっとも普及しているのはプラズ
マCVD法で、シランSiH4 またはジシランSi2 H
6 を用い、必要に応じて水素ガスで希釈を行い13.5
6MHzのRF帯域の高周波でプラズマを発生させ、プ
ラズマにより成膜ガスを分解して反応性のある活性種を
つくり、基板上に微結晶シリコンや非晶質シリコンを堆
積させる。特に成膜ガスにホスフィンPH3 、ジボラン
B2 H6 、フッ化ボロンBF3 などのドーピングガスを
混ぜ、成膜することにより、自由に膜のn型またはp型
を制御した微結晶シリコン膜を形成することができる。
これらのpn制御を行った膜は、半導体デバイスのオー
ミック層やブロッキング層として重要であり、これらの
膜を用いてpin型の太陽電池やフォトダイオードが作
成されている。In recent years, a semiconductor device using microcrystalline silicon or amorphous silicon has been actively developed. In particular, development of a solar cell and a photoconductor drum of a copying machine that can be produced in a large area at low cost, development of a thin film transistor for a liquid crystal display, and development of a solid-state image pickup device for a facsimile which can be made light and small are active. A conventional non-single-crystal silicon film deposition method used in these semiconductor devices is RF plasma C using silane SiH 4 or disilane Si 2 H 6 as a film forming gas.
A Si target is formed by the VD method or in the presence of hydrogen gas.
A reactive sputtering method of sputtering in r plasma has been used. The microcrystalline silicon and amorphous silicon obtained by these methods almost contain 10% or more of hydrogen. The most popular method for depositing such microcrystalline silicon or amorphous silicon is plasma CVD, which is silane SiH 4 or disilane Si 2 H.
Using 6 and diluting with hydrogen gas as needed 13.5
Plasma is generated at a high frequency in the RF band of 6 MHz, the film-forming gas is decomposed by the plasma to generate reactive active species, and microcrystalline silicon or amorphous silicon is deposited on the substrate. In particular, a film forming gas is mixed with a doping gas such as phosphine PH 3 , diborane B 2 H 6 , or boron fluoride BF 3 to form a film, thereby forming a microcrystalline silicon film in which the n-type or p-type of the film is freely controlled. Can be formed.
These pn-controlled films are important as ohmic layers and blocking layers of semiconductor devices, and pin-type solar cells and photodiodes are produced using these films.
【0021】以上、本願第1〜第5の発明に係る従来技
術について説明したが、各従来技術において述べたRF
プラズマCVD法を改良する方法として、これまでのR
F帯域の高周波放電に対して、周波数を上げて検討した
例が報告されている。The prior arts according to the first to fifth inventions of the present application have been described above.
As a method of improving the plasma CVD method, R
It has been reported that the high frequency discharge in the F band was studied by increasing the frequency.
【0022】即ち、90年秋、91年春の応用物理学関
係連合講演会(28p-MF-14 、28p-S-4 )では東工大の小
田らが周波数144MHzの高周波で放電を行い、これ
により非晶質シリコンを作成して評価している。That is, at the Joint Lectures on Applied Physics (28p-MF-14, 28p-S-4) in the fall of 1990 and the spring of 1991, Oda et al. Of Tokyo Institute of Technology discharged at a high frequency of 144 MHz, and Crystalline silicon is created and evaluated.
【0023】しかしながら、この報告では13.56M
Hzと144MHzのみでの検討であり、大面積化や生
産を考えた場合VHF帯での周波数の十分な最適化まで
は至っていない。However, in this report, 13.56M
It is a study with only Hz and 144 MHz, and the frequency has not been fully optimized in the VHF band when considering the increase in area and production.
【0024】また周波数の効果として、周波数を上げる
ことにより成膜面にわたって空間的に均一な放電を作り
出すことができ、均一な成膜速度を実現できたことが特
開平3−64466号公報に開示されている。しかしな
がら、この発明では単に均一成膜についてだけ言及して
あり、VHF帯の高周波が膜質等に対してどのような影
響、技術的効果を持っているか述べられていない。Further, as an effect of frequency, it is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 3-64466 that by increasing the frequency, it is possible to create a spatially uniform discharge over the film formation surface and to realize a uniform film formation rate. Has been done. However, the present invention only refers to uniform film formation, and does not describe what kind of influence or technical effect the high frequency in the VHF band has on the film quality and the like.
【0025】また、特開平2−225674号公報で
は、周波数1kHzから100MHzの記述があるが、
VHF帯での技術的作用効果につては何等記述されてお
らず、これはRF帯での技術延長に過ぎない。Further, in JP-A-2-225674, there is a description of a frequency of 1 kHz to 100 MHz.
Nothing has been described about technical effects in the VHF band, and this is merely a technical extension in the RF band.
【0026】また米国特許第4933203号ではVH
F帯の高周波を用いて、膜の検討を行い、周波数と電極
間距離の関係を最適化しているが、この関係は後述する
我々の解決しようとしている課題に対して、不十分であ
る。In US Pat. No. 4,933,203, VH
The F-band high frequency is used to study the film to optimize the relationship between the frequency and the distance between the electrodes, but this relationship is insufficient for the problem to be solved by us, which will be described later.
【0027】[0027]
【発明が解決しようとする課題】まず、本願第1及び第
2の発明に係る課題について説明する。First, the problems relating to the first and second inventions of the present application will be described.
【0028】最近の技術発展に伴って、太陽電池、液晶
テレビ、光センサー等のあらゆる分野において、a−S
i薄膜の高品質化が求められているが、従来の様に、1
3.56MHzのRF放電を利用したa−Si薄膜で
は、a−Si薄膜デバイスに応用した場合、次の様な問
題が依然としてある。 (1)薄膜の基本特性に対して、薄膜トランジスタにお
いては、キャリア移動度が小さいこと、光センサーにお
いては、光導電率と暗導電率との比で定義されるS/N
比が小さいこと、太陽電池においては、光照射により光
導電率(σP )の特性が低下する光劣化が大きいことな
どが挙げられる。 (2)生産歩留りに対して、大面積デバイスにおいて
は、膜厚・膜質分布に起因するデバイス特性の分布等に
よる歩留の低下がある。 (3)価格に対して、薄膜デバイスに利用できる高品位
な膜は、成膜速度が小さいため生産能力が上がらず価格
の低減が困難である。With the recent technological development, a-S has been used in all fields such as solar cells, liquid crystal televisions, and optical sensors.
High quality i thin film is required, but
The a-Si thin film using the RF discharge of 3.56 MHz still has the following problems when applied to an a-Si thin film device. (1) Compared to the basic characteristics of a thin film, a thin film transistor has a small carrier mobility, and an optical sensor has an S / N defined by a ratio of photoconductivity and dark conductivity.
The ratio is small, and in a solar cell, photo-deterioration (σ P ) characteristics are degraded by light irradiation, and photodegradation is large. (2) With respect to the production yield, in a large area device, the yield is reduced due to the distribution of device characteristics due to the film thickness / film quality distribution. (3) With respect to the price, a high-quality film that can be used in a thin film device has a low film forming rate, and thus the production capacity does not increase and it is difficult to reduce the price.
【0029】つまり、大面積a−Si薄膜のデバイス特
性を改良し、同時に歩留を向上させ、且つ、低価格を実
現するためには、a−Si薄膜の基本特性を向上させつ
つ、同時に、高速に成膜する必要がある。That is, in order to improve the device characteristics of a large-area a-Si thin film, improve the yield at the same time, and realize low cost, while improving the basic characteristics of the a-Si thin film, at the same time, It is necessary to form a film at high speed.
【0030】その目的のため、13.56MHzのプラ
ズマCVD法において、原料ガス流量・圧力・投入電力
等の製造条件の改良が一般に試みられているが、成膜速
度を上げると、a−Si薄膜特性を低下させると推定さ
れている膜内水素の増加、歩留低下を引き起こす異物
(ポリシラン)の発生等がある。例えば、図65に示し
た様に、成膜速度の増加に従い、薄膜の基本特性である
光導電率σP (S/cm)が低下し、薄膜トランジスタ
型光センサー等のデバイス化を行なう上で、その特性を
向上できるものは現在未だ製造できていない。結局、こ
のa−Si薄膜の製造方法では、デバイス特性を維持で
きる成膜速度は概0.2〜2Å/sec程度である。For that purpose, in the plasma CVD method of 13.56 MHz, attempts have generally been made to improve the manufacturing conditions such as the flow rate of the raw material gas, the pressure, and the input power. There is an increase in hydrogen in the film, which is presumed to deteriorate the characteristics, and generation of foreign matter (polysilane) that causes a decrease in yield. For example, as shown in FIG. 65, the photoconductivity σ P (S / cm), which is a basic characteristic of a thin film, decreases with an increase in the film formation rate, and when a device such as a thin film transistor type optical sensor is formed, The thing which can improve the characteristic is not yet manufactured now. After all, in this a-Si thin film manufacturing method, the film formation rate at which device characteristics can be maintained is approximately 0.2 to 2Å / sec.
【0031】即ち、13.56MHzのRF放電での特
徴としては、大面積での成膜は容易に行なうことができ
る利点はあるが、成膜速度が小さく、又、基板、更に
は、薄膜自体へのイオンダメージが大きい等の欠点があ
る。一方、2.54GHzのマイクロ波放電では、成膜
速度は大きく、基板へのイオンダメージは無いが、大面
積化に困難であるという欠点がある。又、光CVD法
は、成膜されたa−Si薄膜の品質はもとより、大面積
化においても問題があり、開発途上の方法である。同様
に、ECR−CVD法においても、基板へのダメージを
自由に制御でき、a−Si薄膜を高品質化できる可能性
があるが、大面積成膜が困難であるという欠点がある。That is, the characteristic of the RF discharge of 13.56 MHz is that the film formation on a large area can be easily performed, but the film formation speed is low, and the substrate and further the thin film itself. There is a drawback such as large ion damage to the. On the other hand, with the microwave discharge of 2.54 GHz, the film formation rate is high and there is no ion damage to the substrate, but it is difficult to increase the area. Further, the photo-CVD method is a developing method because it has problems not only in the quality of the formed a-Si thin film but also in increasing the area. Similarly, even in the ECR-CVD method, damage to the substrate can be freely controlled and the quality of the a-Si thin film can be improved, but there is a drawback that it is difficult to form a large area film.
【0032】以上述べた様に、a−Si薄膜デバイスを
製造する上で、a−Si薄膜を高品質化させ、デバイス
特性を向上させることと、成膜速度に代表される生産性
は同時に満足できないと言う欠点がある。As described above, in manufacturing an a-Si thin film device, the quality of the a-Si thin film is improved, the device characteristics are improved, and the productivity represented by the film forming rate is satisfied at the same time. There is a drawback that you can't.
【0033】次に、本願第3の発明に係る課題について
説明する。Next, the problem relating to the third invention of the present application will be described.
【0034】上述した従来のシランガスあるいはフッ化
シランと窒素ガスとの混合ガスを用い、必要に応じて水
素ガスで稀釈を行い13.56MHzの高周波でプラズ
マを発生させ、プラズマにより成膜ガスを分解して、基
板上に非晶質窒化シリコン膜を堆積させる方法では、以
下の問題があった。Using the above-mentioned conventional silane gas or a mixed gas of fluorinated silane and nitrogen gas, if necessary diluting with hydrogen gas, plasma is generated at a high frequency of 13.56 MHz, and the film forming gas is decomposed by the plasma. Then, the method of depositing the amorphous silicon nitride film on the substrate has the following problems.
【0035】窒素ガスはアンモニアガスに比べて分解し
にくいので、投入する高周波電力をより大きくする必要
がある。しかし投入電力を上げると、チャンバー壁から
脱ガスが多くなり、膜中に取り込まれる不純物が多くな
り、またプラズマダメージが増えて、膜の特性を悪化さ
せる。またフッ化シリコンはシランよりも化学的に安定
なため、プラズマ中での分解効率が低く、これを用いた
場合、ガスの利用効率が悪い。さらに膜の成長速度が遅
くなってしまう。Since nitrogen gas is less likely to be decomposed than ammonia gas, it is necessary to increase the high frequency power supplied. However, when the applied power is increased, the amount of gas released from the chamber wall increases, the amount of impurities taken into the film increases, and plasma damage increases, which deteriorates the film characteristics. Further, since silicon fluoride is more chemically stable than silane, it has a low decomposition efficiency in plasma, and when it is used, the gas utilization efficiency is poor. Further, the growth rate of the film becomes slow.
【0036】次に、本願第4の発明に係る課題について
説明する。Next, the problem relating to the fourth invention of the present application will be described.
【0037】上述の薄膜物性を満たすために、従来の1
3.56MHzを用いたRFプラズマCVD法において
種々の方法が試みられているが次の様な問題を生じてい
る。In order to satisfy the above-mentioned physical properties of the thin film, the conventional 1
Various methods have been tried in the RF plasma CVD method using 3.56 MHz, but the following problems occur.
【0038】先ず、従来より、膜内水素濃度CH (%)
は基板温度TS に最も依存性が高く、また、原料ガス種
にも大きく依存する。この関係を図66に示す。同図よ
り明らかな様に、単純に水素濃度を減少させるためには
原料ガスをNH3 からN2 へ変え、更に、温度を上げれ
ば良いことが解る。しかし、実際には、大板ガラスの使
用等、また、装置構造上・生産性を考えると400℃程
度が上限である。また、逆にデバイス特性を考えると2
50℃程度が下限である。何故ならば、低温側での薄膜
はスピン密度が大きくなり、デバイス特性の信頼性を著
しく低下させるからである。即ち、同図において、黒プ
ロットの範囲がデバイス特性上及び生産上満足できる範
囲であると考えられている。First, conventionally, the hydrogen concentration in the film C H (%)
Has the highest dependence on the substrate temperature T S , and also greatly depends on the source gas species. This relationship is shown in FIG. As is clear from the figure, in order to simply reduce the hydrogen concentration, the source gas should be changed from NH 3 to N 2 and the temperature should be further raised. However, in actuality, considering the use of a large glass plate, the structure of the device, and the productivity, the upper limit is about 400 ° C. Conversely, considering the device characteristics, 2
The lower limit is about 50 ° C. This is because the thin film on the low temperature side has a high spin density, and the reliability of the device characteristics is significantly reduced. That is, in the figure, the range of the black plot is considered to be a range that is satisfactory in terms of device characteristics and production.
【0039】ここで、応力Stress(dyn/cm
2 )と水素濃度CH (%)との関係を図67に示す。水
素濃度が減少するに従い応力は引張り応力から圧縮応力
へ移行する。しかし、先述の基板温度範囲250℃以上
400℃以下で得られる高品位なSiNX 薄膜におい
て、NH3 を用いたSiNX 膜の応力は概引張応力を示
す。また、N2 を用いた場合には、大きな圧縮応力を示
す。図中の黒プロットは高品位なSiNX 薄膜を実現で
きる点であり、斜線の領域は制御できる水素濃度範囲と
応力範囲である。即ち、応力を若干の圧縮応力、つま
り、デバイス・クオリティーがあると考えられている5
×109 dyn/cm2 以下の圧縮応力を示すSiNX
薄膜はできないことが解る。Here, the stress Stress (dyn / cm
67 shows the relationship between 2 ) and the hydrogen concentration C H (%). As the hydrogen concentration decreases, the stress shifts from tensile stress to compressive stress. However, in the high-quality SiN x thin film obtained in the above-mentioned substrate temperature range of 250 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, the stress of the SiN x film using NH 3 shows approximately tensile stress. Moreover, when N 2 is used, a large compressive stress is exhibited. The black plot in the figure is the point where a high-quality SiN x thin film can be realized, and the shaded areas are the hydrogen concentration range and stress range that can be controlled. That is, it is considered that there is some compressive stress, that is, device quality.
SiN x showing a compressive stress of × 10 9 dyn / cm 2 or less
It turns out that thin films cannot be made.
【0040】そこで、NH3 を用いた場合、膜内水素濃
度は、NH3 /SiH4 比を変化させることにより制御
できる。その関係を図68に示す。同図から確認できる
様に、水素濃度を低下させるとN/Siが低下し、光学
バンドギャップの低下等、膜質の低下が生じるためNH
3 /SiH4 比を下げることはできない。同様にN2を
用いた場合、水素濃度を増加して、応力を制御するとN
/Si比などの膜質の低下を生じる。Therefore, when NH 3 is used, the hydrogen concentration in the film can be controlled by changing the NH 3 / SiH 4 ratio. The relationship is shown in FIG. As can be seen from the figure, when the hydrogen concentration is lowered, N / Si is lowered, and the film quality such as the optical band gap is lowered.
The 3 / SiH 4 ratio cannot be lowered. Similarly, when N 2 is used, if the hydrogen concentration is increased and the stress is controlled, N 2
The film quality such as the / Si ratio is deteriorated.
【0041】即ち、水素濃度を低くして、応力を若干圧
縮側にし、更に、その時のN/Si比を化学量論比に近
く、光学バンドギャップを大きく、スピン密度を小さく
できる成膜条件を得ることができないといった問題があ
る。That is, the hydrogen concentration is lowered to make the stress slightly on the compression side, and the N / Si ratio at that time is close to the stoichiometric ratio, the optical band gap is increased, and the spin density is decreased. There is a problem that you cannot get it.
【0042】次に、本願第5の発明に係る課題について
説明する。Next, the problem relating to the fifth aspect of the present invention will be described.
【0043】上述した従来の製造方法では、特に不純物
を含む微結晶シリコンを作成する場合、次のような問題
点があった。シランガスを用い、必要に応じて水素ガス
で希釈を行い13.56MHzRF帯域の高周波でプラ
ズマを発生させ、プラズマにより成膜ガスを分解して、
基板上に微結晶シリコンを堆積させる方法では一般にガ
スの利用効率が悪い。そのため不純物ガスを導入して、
不純物を含む微結晶シリコンを作成する場合、ドーピン
グ効率が悪い問題があった。さらに従来の方法では、膜
中に微結晶化を起こす条件が厳しく、また希望の微結晶
膜を作ることが困難であった。そのためなかなかドーピ
ング効率を上げることができなかった。従来の平行平板
型の成膜装置において、n型の微結晶シリコン膜を作る
場合を考える。シランガス3sccm、水素ガスで10
0ppmに希釈したフォスフィンガス150sccm、
圧力0.5Torr、RFパワー50mW/cm2 の標
準的な条件で成膜した場合、そのドーピング効率は10
%であった。これは膜中の9割のリン原子はドーパント
として働いていないことになる。The above-described conventional manufacturing method has the following problems, particularly when microcrystalline silicon containing impurities is formed. Using silane gas, diluting with hydrogen gas as needed, plasma is generated at a high frequency of 13.56 MHz RF band, and the film forming gas is decomposed by the plasma.
The method of depositing microcrystalline silicon on a substrate generally has a poor gas utilization efficiency. Therefore, by introducing impurity gas,
When forming microcrystalline silicon containing impurities, there is a problem that doping efficiency is poor. Further, according to the conventional method, the conditions for causing microcrystallization in the film are strict, and it is difficult to form a desired microcrystalline film. Therefore, it was difficult to improve the doping efficiency. Consider a case where an n-type microcrystalline silicon film is formed in a conventional parallel plate type film forming apparatus. Silane gas 3 sccm, hydrogen gas 10
150 sccm of phosphine gas diluted to 0 ppm,
When a film is formed under standard conditions of a pressure of 0.5 Torr and an RF power of 50 mW / cm 2 , the doping efficiency is 10
%Met. This means that 90% of phosphorus atoms in the film do not work as a dopant.
【0044】なお、前述したVHF帯域を用いてRFプ
ラズマCVD法を改良する方法(90年秋、91年春の
応用物理学関係連合講演会(28p-MF-14 、28p-S-3 )、
東工大、小田等、特開平3−64466号公報等)につ
いても、条件の最適化がなされておらず、本願第1〜第
5の発明に係る課題の解決には不十分であった。A method for improving the RF plasma CVD method by using the above-mentioned VHF band (Autumn 90 Fall, Spring 1991 Lecture on Applied Physics (28p-MF-14, 28p-S-3),
In Tokyo Tech, Oda et al., Japanese Patent Laid-Open No. 3-64466, etc.), the conditions were not optimized, and it was insufficient to solve the problems according to the first to fifth inventions of the present application.
【0045】本願第1及び第2の発明の目的は、従来例
のVHF成膜法を改善し、本発明者らが解決しようとし
ている課題に対して、最適な条件を提供することにあ
る。An object of the first and second inventions of the present application is to improve the conventional VHF film forming method and provide optimum conditions for the problems to be solved by the present inventors.
【0046】また本願第3の発明の目的は、窒素ガスや
フッ化シリコンガスの分解効率を上げ、成膜用ガスの利
用効率を高め、プラズマ中のイオンの効果によるチャン
バーからの脱ガスを防止し、プラズマダメージを低減
し、製造コストの低減とさらに良質の非晶質窒化シリコ
ン膜を容易に作成せしめ、良好な半導体デバイスを得る
ことができる製造方法を提供することにある。The third object of the present invention is to improve the decomposition efficiency of nitrogen gas and silicon fluoride gas, the utilization efficiency of the film forming gas, and prevent the degassing from the chamber due to the effect of ions in plasma. However, it is another object of the present invention to provide a manufacturing method capable of obtaining a good semiconductor device by reducing plasma damage, reducing manufacturing cost, and easily forming a high-quality amorphous silicon nitride film.
【0047】また本願第4の発明の目的は、従来のRF
プラズマCVD法での周波数13.56MHzを見直
し、高周波放電を用いて原料ガスの分解効率を高め、そ
の結果、従来のNH3 を用いたSiNX 薄膜の水素濃度
を低減し、同時に応力を制御して、大面積デバイスに対
応した、より高品質なSiNX 薄膜を更に安価に得る製
造方法を提供することにある。A fourth object of the present invention is to provide a conventional RF
The frequency of 13.56 MHz in the plasma CVD method was reviewed, and the decomposition efficiency of the raw material gas was increased by using high frequency discharge. As a result, the hydrogen concentration of the SiN x thin film using conventional NH 3 was reduced and at the same time the stress was controlled. Therefore, it is another object of the present invention to provide a manufacturing method for obtaining a higher quality SiN x thin film corresponding to a large area device at a lower cost.
【0048】また本願第5の発明の目的は、成膜用ガス
の利用効率を高め、製造コストの低減とさらに好適の微
結晶シリコン膜を容易に作成せしめ、良好な半導体デバ
イスを得ることができる製造方法を提供することにあ
る。The fifth object of the present invention is to improve the utilization efficiency of the film forming gas, reduce the manufacturing cost, and easily form a more suitable microcrystalline silicon film, thereby obtaining a good semiconductor device. It is to provide a manufacturing method.
【0049】また本願第6及び第7の発明の目的は、高
品質で、低コストな非単結晶半導体装置を得ることにあ
る。Another object of the sixth and seventh inventions of the present application is to obtain a high quality, low cost non-single crystal semiconductor device.
【0050】[0050]
【課題を解決するための手段】本願第1の発明は、プラ
ズマCVD法において、少なくとも、珪素化合物を原料
ガスとして、成膜圧力P(Torr)を0.25Tor
r以上2.5Torr以下に設定し、高周波電源の周波
数f(MHz)を30MHz以上120MHz以下、望
ましくは、50MHz以上100MHz以下に設定し、
且つ、投入電力PW (W/cm2 )を10/f(MH
z)の関係で規定される値以下とし、電極間距離d(c
m)をf/30で規定される値より大きい値とすること
により、a−Si膜の大面積化に対応でき、且つ、膜特
性を改善して高速成膜が可能となり、更に、デバイス特
性を左右する界面特性を向上させることをも可能にする
ものである。According to a first aspect of the present invention, in a plasma CVD method, at least a silicon compound is used as a source gas and a film forming pressure P (Torr) is 0.25 Tor.
r to 2.5 Torr or less, and the frequency f (MHz) of the high frequency power source is set to 30 MHz to 120 MHz, preferably 50 MHz to 100 MHz,
Moreover, the input power P W (W / cm 2 ) is 10 / f (MH
z) below the value specified by the relationship, and the inter-electrode distance d (c
By setting m) to a value larger than the value defined by f / 30, it is possible to cope with an increase in the area of the a-Si film, and it is possible to improve the film characteristics and achieve high-speed film formation. It is also possible to improve the interface characteristics that influence the temperature.
【0051】また本願第2の発明は、プラズマCVD法
において、少なくとも、珪素化合物ガスを原料ガスとし
て、成膜圧力P(Torr)を0.25Torr以上
2.5Torr以下に設定し、高周波電源の周波数f
(MHz)を30MHz以上120MHz以下、望まし
くは、50MHz以上100MHz以下に設定し、電極
間距離d(cm)をf/30で規定される値より大きい
値とし、放電空間V(cm3 )内に原料ガスQ(scc
m)が滞留する滞留時間τ(sec)をτ=78.94
7×10-3×V×P/Qと定義したときの、該滞留時間
τを0.05sec以上2.5sec以下、望ましく
は、0.1sec以上2.5sec以下とすることによ
り、a−Si膜の大面積化に対応でき、且つ、膜特性を
改善して高速成膜が可能となり、更に、デバイス特性を
左右する界面特性を向上させることをも可能にするもの
である。In the second invention of the present application, in the plasma CVD method, at least a silicon compound gas is used as a source gas, and a film forming pressure P (Torr) is set to 0.25 Torr or more and 2.5 Torr or less, and a frequency of a high frequency power source is set. f
(MHz) is set to 30 MHz or more and 120 MHz or less, preferably 50 MHz or more and 100 MHz or less, the inter-electrode distance d (cm) is set to a value larger than the value defined by f / 30, and the discharge space V (cm 3 ) is set. Source gas Q (scc
m) dwell time τ (sec) is τ = 78.94
When the residence time τ when defined as 7 × 10 −3 × V × P / Q is set to 0.05 sec or more and 2.5 sec or less, preferably 0.1 sec or more and 2.5 sec or less, a-Si It is possible to cope with a large area of the film, improve the film characteristics to enable high-speed film formation, and further improve the interface characteristics that influence the device characteristics.
【0052】また本願第3の発明は、プラズマCVD法
により、Si、あるいはSiとFとを含むガスと窒素ガ
ス、さらには水素ガスを加えた混合ガスを用いて、非晶
質窒化シリコン膜を堆積させる製造方法において、周波
数fが30MHz以上のVHF高周波を電極間距離をd
(cm)とするときf/d<30を満たすように印加
し、プラズマを発生させることを特徴とする非晶質シリ
コンの製造方法であり、30MHz以上のVHF高周
波、好適には50MHzから100MHzの高周波を、
電極間距離をd(cm)とするときf/d<30を満た
すように印加することにより、プラズマ中の電子密度を
上昇させ、分解しにくい窒素ガスやフッ化シリコンガス
の分解効率を上げ、容易に良質の分布の改良された非晶
質窒化シリコン膜を提供するものである。更にプラズマ
中でのイオンのトラッピングを利用して、チャンバーか
らの不必要な脱ガスを押え、膜中への酸素などの不純物
の混入を防ぎ、膜へのイオンダメージの少ない良質の膜
を提供するものである。A third aspect of the present invention is an amorphous silicon nitride film formed by plasma CVD using a mixed gas of Si or a gas containing Si and F and nitrogen gas, and further hydrogen gas. In the manufacturing method of depositing, a VHF high frequency having a frequency f of 30 MHz or more is applied to the interelectrode distance d.
(Cm) is applied so as to satisfy f / d <30, and plasma is generated, which is a method for producing amorphous silicon, and has a VHF high frequency of 30 MHz or higher, preferably 50 MHz to 100 MHz. High frequency,
By applying so as to satisfy f / d <30 when the distance between the electrodes is d (cm), the electron density in the plasma is increased and the decomposition efficiency of nitrogen gas or silicon fluoride gas that is difficult to decompose is increased. It is an object of the present invention to easily provide an improved amorphous silicon nitride film having a good quality distribution. Furthermore, by utilizing the trapping of ions in the plasma, unnecessary degassing from the chamber is suppressed, impurities such as oxygen are prevented from mixing into the film, and a high-quality film with little ion damage to the film is provided. It is a thing.
【0053】また、本願第4の発明は、膜質を低下させ
ることなく、応力を若干圧縮側へ移行させるために、プ
ラズマCVD法において、少なくとも、珪素化合物及び
アンモニアを含有する混合気体を原料ガスとして、高周
波電源の周波数を30MHz以上120MHz以下、望
ましくは、50MHz以上100MHz以下とし、電極
間距離d(cm)をf/30で規定される値より大きい
値とすることにより、膜特性を改良し、大面積化に対応
しつつ高速成膜が可能となり、更に、デバイス特性を向
上させることをも可能にしたものである。Further, in the fourth invention of the present application, in order to transfer the stress to the compression side slightly without deteriorating the film quality, in the plasma CVD method, a mixed gas containing at least a silicon compound and ammonia is used as a source gas. The frequency of the high frequency power source is 30 MHz or more and 120 MHz or less, preferably 50 MHz or more and 100 MHz or less, and the inter-electrode distance d (cm) is set to a value larger than the value defined by f / 30, thereby improving the film characteristics, High-speed film formation is possible while supporting a large area, and further, device characteristics can be improved.
【0054】また、本願第5の発明は、プラズマCVD
法により、Siを含むガスを用いて、微結晶シリコン膜
を堆積させる製造方法において、印加高周波数fが30
MHz以上のVHF高周波を、1/f(W/cm2 )
(f:MHz)以上の電力で、電極間距離をd(cm)
とするときf/d<30を満たすように印加し、水素ラ
ジカルの発光強度[H* ]とシランラジカルの発光強度
[SiH* ]とが[H*]≧[SiH* ]となるように
プラズマを発生させることを特徴とする微結晶シリコン
膜の製造方法であり、30MHz以上のVHF高周波、
好適には50MHzから100MHzの高周波を用いる
ことにより、プラズマ中の電子密度を上昇させ、ガスの
分解効率を上げ、更にプラズマ中でのイオンのトラッピ
ングを利用して、高いドーピング効率とイオンダメージ
の少ない良質の微結晶シリコン膜を提供するものであ
る。The fifth invention of the present application is the plasma CVD.
In a manufacturing method of depositing a microcrystalline silicon film by using a gas containing Si by a method, the applied high frequency f is 30
1 / f (W / cm 2 ) for VHF high frequency above MHz
(F: MHz) or more power, the distance between electrodes d (cm)
Then, a plasma is applied so that the emission intensity [H * ] of hydrogen radicals and the emission intensity [SiH * ] of silane radicals satisfy [H * ] ≧ [SiH * ]. And a VHF high frequency of 30 MHz or more,
Preferably, a high frequency of 50 MHz to 100 MHz is used to increase the electron density in the plasma, increase the gas decomposition efficiency, and use the trapping of ions in the plasma to achieve high doping efficiency and less ion damage. A high-quality microcrystalline silicon film is provided.
【0055】また、本願第6の発明は、非単結晶半導体
層を周波数30MHz以上120MHz以下の高周波放
電を利用したプラズマCVD法により作成することで、
大面積化に対応でき、且つ、膜特性を改善して高速成膜
が可能となり、更に、デバイス特性を左右する界面特性
を向上することができる非単結晶半導体装置を提供する
ものである。なお、本願第6の発明はTFT等の絶縁ゲ
ート型トランジスタ構成の半導体装置に用いることがで
き、この場合ゲート絶縁層又は/及びオーミックコンタ
クト層は周波数30MHz以上の高周波放電を利用した
プラズマCVD法により作成されることが望ましい。ま
た各層を大気解放することなく、連続して成膜すれば、
各層の品質等を考慮して放電周波数を適切に選択するこ
とができる。The sixth aspect of the present invention is that the non-single crystal semiconductor layer is formed by the plasma CVD method using high frequency discharge having a frequency of 30 MHz or more and 120 MHz or less,
(EN) A non-single-crystal semiconductor device capable of accommodating a large area, improving film characteristics, enabling high-speed film formation, and improving interface characteristics that influence device characteristics. The sixth invention of the present application can be applied to a semiconductor device having an insulated gate transistor structure such as a TFT. In this case, the gate insulating layer and / or the ohmic contact layer is formed by a plasma CVD method using a high frequency discharge having a frequency of 30 MHz or more. It is desirable to be created. Moreover, if each layer is continuously formed without exposing to the atmosphere,
The discharge frequency can be appropriately selected in consideration of the quality of each layer.
【0056】また、本願第7の発明は、保護層を周波数
30MHz以上の高周波放電を利用したプラズマCVD
法により作成することで、イオンダメージの少ない良質
の保護層を作成することができる。Further, a seventh invention of the present application is that the protective layer is formed by plasma CVD using high frequency discharge having a frequency of 30 MHz or more.
By using the method, it is possible to form a high-quality protective layer with less ion damage.
【0057】[0057]
【実施例】以下、本発明の詳細な説明及び実施例につい
て図面を用いて説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The detailed description and embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0058】なお、本願に係る非単結晶半導体装置の構
成説明は、以下に示す本願第1〜第5の発明に係る各非
晶質シリコン膜の製造方法の説明において行う。The structure of the non-single crystal semiconductor device according to the present application will be described in the following description of the method for producing each amorphous silicon film according to the first to fifth aspects of the present application.
【0059】まず、本願第1及び第2の発明について説
明する。First, the first and second inventions of the present application will be described.
【0060】ここで、先ず、プラズマCVD法での膜成
長過程を概略述べた後、本発明の詳細を述べる。Here, first, a film growth process by the plasma CVD method will be briefly described, and then the present invention will be described in detail.
【0061】一般に、a−Si薄膜の成長過程は、次の
様な過程に分類して考えることができる。ここでは原料
ガスとしてSiH4 を例にとる。 (1)SiH4 のグロー放電プラズマ中でのラジカル生
成過程 この過程では、プラズマ内での電子のエネルギー分布は
数eVにピークを持つMaxwell−Boltzma
nn分布に近い形をしており、この様な電子がSiH4
分子と非弾性衝突を繰り返して種々のラジカル、イオ
ン、原子を生成していく。膜成長の主な前駆体はSiH
2 ,SiH3 ラジカルの可能性が高い。 (2)生成されたラジカルの基板への輸送過程 この過程では、プラズマ内で生成された中性ラジカル
が、種々の2次化学反応を、主としてSiH4 分子と起
こしながら拡散によって基板表面へ輸送される。プラズ
マ中でのラジカルの生成率と、輸送過程における反応寿
命から考えると、基板表面へ到達する多くはSiH3 ラ
ジカルであると推定される。しかし、Si,SiH,S
iH2 の様なラジカルの到達密度が増加する様になる
と、表面における反応様式の違いにより膜質の低下を招
く。 (3)基板表面での膜成長過程 この過程では、膜成長表面へ到達したラジカルは表面に
吸着され、表面を拡散して、安定なサイトと化学結合を
作り、アモルファス・ネットワークを形成する。水素被
覆表面であればSiH3 ラジカルは、表面拡散が十分行
なわれ、安定なサイトと化学結合をし、高品質な膜を得
ることができる。In general, the growth process of an a-Si thin film can be classified into the following processes. Here, SiH 4 is used as an example of the source gas. (1) Radical generation process of SiH 4 in glow discharge plasma In this process, the energy distribution of electrons in the plasma has a peak at several eV, Maxwell-Boltzma.
It has a shape close to the nn distribution, and such electrons are SiH 4
By repeating inelastic collisions with molecules, various radicals, ions, and atoms are generated. SiH is the main precursor for film growth
2 , The possibility of SiH 3 radicals is high. (2) Transport process of generated radicals to the substrate In this process, neutral radicals generated in plasma are transported to the substrate surface by diffusion while causing various secondary chemical reactions mainly with SiH 4 molecules. It Considering the radical generation rate in plasma and the reaction lifetime in the transport process, it is presumed that most of the particles that reach the substrate surface are SiH 3 radicals. However, Si, SiH, S
When the arrival density of radicals such as iH 2 increases, the quality of the film deteriorates due to the difference in the reaction mode on the surface. (3) Film Growth Process on Substrate Surface In this process, radicals reaching the film growth surface are adsorbed on the surface and diffused on the surface to form stable sites and chemical bonds to form an amorphous network. If the surface is covered with hydrogen, SiH 3 radicals are sufficiently surface-diffused, and chemically bond with stable sites to obtain a high-quality film.
【0062】上述の各過程をプラズマの外部パラメータ
ーを制御して、膜成長表面へSiH3 ラジカルを主に到
達させ、基板表面をラジカルが拡散する様に水素被覆し
ていれば、高品質なa−Si薄膜を作成できる。In each of the above processes, the external parameters of the plasma are controlled so that SiH 3 radicals mainly reach the film growth surface and hydrogen is coated on the substrate surface so that the radicals diffuse. -Si thin film can be prepared.
【0063】本発明者等は、高品質のa−Si薄膜を作
成するためには、ラジカルを制御することが重要である
という認識から、具体的には、成膜プロセスでの重要な
モニタリング手法として、プラズマ発光分析を用いて検
討を行なった。この分析により、珪素化合物プラズマに
おいて重要な、Si* ,SiH* ,H2 * ,H* の発光
ラインが確認でき、この中でSiH* (414nm)と
H* (656nm)との発光強度の関係、即ち、強度の
大小がa−Si薄膜の品質と深く関係があることが明ら
かになった。特に、発光強度比[H* ]/[SiH* ]
(SiH* ,H* ラジカルの発光強度をそれぞれ[Si
H* ],[H* ]で表す)が最小値となる様な成膜条件
を採用することが望ましいが、発光強度の関係が[Si
H* ]≧[H* ]であれば概満足できるa−Si薄膜を
得ることができる。The present inventors recognize that it is important to control radicals in order to form a high-quality a-Si thin film, and thus, specifically, an important monitoring method in the film forming process. As a result, the investigation was performed using plasma emission analysis. This analysis is important in a silicon compound plasma, Si *, SiH *, H 2 *, H * emission line can be confirmed, the relationship between the emission intensity of In this and SiH * (414nm) H * and (656 nm) That is, it has been clarified that the magnitude of the strength is closely related to the quality of the a-Si thin film. In particular, the emission intensity ratio [H * ] / [SiH * ]
(SiH * , H * radical emission intensity is [Si
It is desirable to adopt film-forming conditions such that (H * ] and [H * ] are minimum values, but the relationship of emission intensity is [Si
If H * ] ≧ [H * ], an almost satisfactory a-Si thin film can be obtained.
【0064】図1に発光強度比[H* ]/[SiH* ]
と薄膜中の水素結合様式との関係、即ち、膜質との関係
を示す。FIG. 1 shows the emission intensity ratio [H * ] / [SiH * ].
And the hydrogen bonding mode in the thin film, that is, the film quality.
【0065】一般に、a−Si薄膜における赤外吸収分
析において2000cm-1〜2100cm-1に現れる吸
収ピークは、Si−H結合の伸縮振動(2000c
m-1)及び、Si−H2 結合の伸縮振動(2100cm
-1)によるものであり、2000cm-1〜2100cm
-1に現れる吸収ピークの中央値Rm(cm-1)は薄膜中
に含まれるSiH結合とSiH2 結合の比を表すものと
考えることができる。ここで、例えば、中央値Rmが2
000cm-1から2100cm-1へ移行していれば、S
iH2 結合の増加でありSiの鎖状結合、又は、環状結
合が膜中に含まれる欠陥を生成し、膜質を低下している
こととなる。[0065] In general, the absorption peak appearing in 2000cm -1 ~2100cm -1 in infrared absorption analysis in a-Si thin film, Si-H stretching vibration bond (2000c
m -1 ) and stretching vibration of Si-H 2 bond (2100 cm
-1 ), 2000 cm -1 to 2100 cm
The median value Rm (cm -1 ) of the absorption peak appearing at -1 can be considered to represent the ratio of SiH bond and SiH 2 bond contained in the thin film. Here, for example, the median value Rm is 2
If it has changed from 000 cm -1 to 2100 cm -1 , S
This is an increase in iH 2 bonds, and chain bonds or cyclic bonds of Si generate defects contained in the film, resulting in deterioration of film quality.
【0066】つまり、図1に示す様に、発光強度比[H
* ]/[SiH* ]が増加するに従い中央値Rmも21
00cm-1側へ移行していることは、言い換えれば、発
光強度比[H* ]/[SiH* ]が増加すれば、a−S
i膜質は低下すると言える。本発明者等の見解では[S
iH* ]≧[H* ]であれば、概満足できるa−Si薄
膜を得ることができる。That is, as shown in FIG. 1, the emission intensity ratio [H
* ] / [SiH * ] increases, the median value Rm is also 21
In other words, the shift to the 00 cm −1 side means that if the emission intensity ratio [H * ] / [SiH * ] increases, then a−S
It can be said that the i film quality is deteriorated. In the view of the present inventors, [S
If iH * ] ≧ [H * ], a substantially satisfactory a-Si thin film can be obtained.
【0067】次に本発明の前提となる電極間距離につい
て述べる。Next, the distance between the electrodes which is the premise of the present invention will be described.
【0068】図2に記されているように、ある電極間距
離dに対して周波数が大きいと基板内の膜厚分布が大き
くなる。これは大面積化に対して大きな問題となる。そ
こで本発明者らは、種々の成膜パラメーターに対して、
改良を試みたところ、電極間距離が膜厚分布に影響を与
えていることを見出し、さらに電極間距離を大きくする
ことにより、膜厚分布が小さくなることを見出した。本
発明の種々の条件下で基板内の膜厚分布T(%)が10
%に納まる条件下で、その関係を求めたところ、d=2
cmでは分布が著しく大きく、使用できる範囲ではな
く、dが3cmより大きいところでは、f(MHz)/
d(cm)<30を満たすdであれば、おおむね良好な
分布を得ることができることが判明した。As shown in FIG. 2, when the frequency is large for a certain distance d between the electrodes, the film thickness distribution in the substrate becomes large. This becomes a big problem for increasing the area. Therefore, the inventors of the present invention have
As a result of attempting improvement, it was found that the distance between the electrodes had an influence on the film thickness distribution, and further, the film thickness distribution was reduced by increasing the distance between the electrodes. Under various conditions of the present invention, the film thickness distribution T (%) in the substrate is 10
When the relation is calculated under the condition that the ratio is within%, d = 2
In cm, the distribution is remarkably large, which is outside the usable range, and when d is larger than 3 cm, f (MHz) /
It was found that if d (cm) <30 is satisfied, a generally good distribution can be obtained.
【0069】図3には種々の条件下での電極間距離と膜
中の欠陥準位密度の関係を示す。電極間距離が4cmを
超えると欠陥の密度は漸次減少しているのがわかるが、
電極間距離が4cmより小さくなると急激に増加してい
るのが分かる。電極間距離は好適には4cm以上が望ま
しいことが分かる。そこ本実施例では電極間距離を4c
mとして検討を行なった。FIG. 3 shows the relationship between the interelectrode distance and the defect level density in the film under various conditions. It can be seen that the defect density gradually decreases when the distance between the electrodes exceeds 4 cm.
It can be seen that when the distance between the electrodes becomes smaller than 4 cm, it rapidly increases. It can be seen that the distance between the electrodes is preferably 4 cm or more. Therefore, in this embodiment, the distance between the electrodes is 4c.
m was examined.
【0070】先述の成膜機構を考慮すると、高品質なa
−Si膜質を得るためには、基板表面を水素により充分
に被覆する必要がある。そこで、SiH4 をH2 にて希
釈した混合ガスをSiH4 :H2 =1:9にてプラズマ
反応室へ導入して、周波数f=80MHzとして、投入
電力PW =0.07W/cm2 にて、放電させた。この
時の圧力P(Torr)とSiH* ,H* ラジカルの発
光強度との関係を図4に示す。満足できるa−Si膜質
を得るためには、先述の如く、発光強度の関係が[Si
H* ]≧[H* ]となる圧力P(Torr)はP≧0.
25Torrの領域であるが、P>2.5Torrにな
ると歩留を低下させる異物(ポリシラン)の発生が起こ
る。一方、圧力PがP<0.25Torrの領域では、
薄膜内の水素量の増加、SiH2 結合の増加など膜質の
低下を招く。即ち、圧力Pが0.25Torr以上2.
5Torr以下で高品質なa−Si膜質を得ることがで
きる。同様に周波数f=13.56,30,50,10
0,120,150の発光強度との関係を求めるとfの
増加に伴ない各発光強度は増加するが[SiH]/
[H]比は大きく変わらなかった。Considering the film forming mechanism described above, a high quality a
In order to obtain the -Si film quality, it is necessary to sufficiently cover the substrate surface with hydrogen. Therefore, a mixed gas obtained by diluting SiH 4 with H 2 was introduced into the plasma reaction chamber at SiH 4 : H 2 = 1: 9, the frequency f was set to 80 MHz, and the input power P W was 0.07 W / cm 2. It was made to discharge. The relationship between the pressure P (Torr) and the emission intensity of SiH * and H * radicals at this time is shown in FIG. In order to obtain a satisfactory a-Si film quality, as described above, the relationship of the emission intensity is [Si
The pressure P (Torr) that satisfies H * ] ≧ [H * ] is P ≧ 0.
Although it is in the region of 25 Torr, when P> 2.5 Torr, foreign matter (polysilane) which reduces the yield occurs. On the other hand, in the region where the pressure P is P <0.25 Torr,
This leads to deterioration of film quality such as an increase in the amount of hydrogen in the thin film and an increase in SiH 2 bond. That is, the pressure P is 0.25 Torr or more.2.
A high quality a-Si film quality can be obtained at 5 Torr or less. Similarly, the frequency f = 13.56, 30, 50, 10
When the relationship with the emission intensity of 0, 120, and 150 is obtained, each emission intensity increases as f increases, but [SiH] /
The [H] ratio did not change significantly.
【0071】次に、一例として、圧力PをP=0.5T
orrに固定して、高周波電源の周波数f=13.5
6,80,150MHzそれぞれにおいて、投入電力P
W とSiH* ,H* ラジカルの発光強度の関係を図5、
図6に示す。なお、図中、白の○,△プロットは[Si
H* ]≧[H* ]なる条件であり、黒の○,△プロット
は、[SiH* ]<[H* ]なる条件である。発光強度
の関係が[SiH* ]≧[H* ]となる、各周波数fと
投入電力PW との関係を図7に示す。同図より、a−S
i薄膜を得るための条件としては、物理的意味は未だ不
明であるが、各周波数fに対して投入電力PW (W/c
m2 )は、10/f(MHz)の関係で規定される値以
下である必要があり、この範囲を斜線で示す。図中の白
の○プロットは高品位a−Si薄膜を得ることができた
条件であり、黒の○プロットは、低品位なa−Si薄膜
の条件であった。また、高品質a−Si薄膜の最適条件
として、各周波数において発光強度比[H* ]/[Si
H* ]が最小値を示す投入電力PW を選定し成膜を行な
った。Next, as an example, the pressure P is set to P = 0.5T.
Fixed to orr and the frequency f of the high frequency power supply f = 13.5
Input power P at 6, 80 and 150 MHz respectively
Figure 5 shows the relationship between W and the emission intensity of SiH * and H * radicals.
As shown in FIG. In the figure, the white circles and triangles indicate [Si
H * ] ≧ [H * ], and the black and white plots satisfy [SiH * ] <[H * ]. FIG. 7 shows the relationship between each frequency f and the input power P W for which the relationship of the emission intensity is [SiH * ] ≧ [H * ]. From the figure, a-S
Although the physical meaning of the condition for obtaining the i thin film is unknown, the input power P W (W / c
m 2 ) needs to be equal to or less than the value defined by the relationship of 10 / f (MHz), and this range is indicated by diagonal lines. The white circle plots in the figure are the conditions under which a high-quality a-Si thin film could be obtained, and the black circle plots are the conditions for a low-quality a-Si thin film. In addition, as the optimum condition of the high quality a-Si thin film, the emission intensity ratio [H * ] / [Si
The film formation was performed by selecting the input power P W at which H * ] shows the minimum value.
【0072】a−Si薄膜の各成膜圧力における電源周
波数fと赤外吸収分析での中央値Rmとの関係を図8に
示す。この時の投入電力は先述の様に[H* ]/[Si
H*]比が最小となる最適投入電力である。例えば80
MHz,0.5Torrでは0.04W/cm2 であ
る。周波数fが30MHz未満の領域では、基板に入射
するイオンダメージが大きく、膜内のSiH2 結合の含
有量が多く、欠陥の多い膜となっており、又、周波数f
が120MHzを超える領域においても、膜内のSiH
2 結合の含有量が多くなり、膜質が低下する。その理由
としては、高周波放電に移行するに従い、SiH4 分子
が過分解されるSi,SiH,SiH2 ラジカルが増加
し、逆にSiH3 ラジカルが減少したためと推定してい
る。更に、この領域は、大面積化を考えた場合、膜厚・
膜質分布の問題などの問題がでてくる。FIG. 8 shows the relationship between the power supply frequency f and the median value Rm in the infrared absorption analysis at each deposition pressure of the a-Si thin film. The input power at this time is [H * ] / [Si
H * ] ratio is the optimum input power that minimizes the ratio. For example 80
At MHz and 0.5 Torr, it is 0.04 W / cm 2 . In the region where the frequency f is less than 30 MHz, the ion damage to the substrate is large, the SiH 2 bond content in the film is large, and the film has many defects.
SiH in the film even in the region over 120MHz
The content of 2 bonds increases and the film quality deteriorates. It is presumed that the reason for this is that Si, SiH, and SiH 2 radicals in which SiH 4 molecules are overdecomposed increase with the transition to high-frequency discharge, and conversely, SiH 3 radicals decrease. In addition, considering the large area,
Problems such as film quality distribution problems will appear.
【0073】成膜圧力が0.25〜2.5Torrの範
囲では同図より高品位なa−Si膜が得られるが、それ
以外の成膜圧力で高品位なa−Si膜が得られないの
は、p<0.25の範囲では基板入射イオンのダメージ
が増加するためと考えており、またp>2.5の範囲で
はポリシランの発生が始まるためと考えられる。同様に
図9に各成膜圧力をパラメーターとして周波数fとスピ
ン密度の関係を示した。When the film forming pressure is in the range of 0.25 to 2.5 Torr, a high quality a-Si film can be obtained as shown in the figure, but a high quality a-Si film cannot be obtained at other film forming pressures. It is considered that this is because damage to the substrate incident ions increases in the range of p <0.25, and generation of polysilane starts in the range of p> 2.5. Similarly, FIG. 9 shows the relationship between the frequency f and the spin density with each film forming pressure as a parameter.
【0074】また一例として圧力0.5Torr、投入
電力0.04W/cm2 での周波数fと成膜速度DRと
の関係を図10に示し、また、光導電率σp (S/c
m)と暗導電率σd (S/cm)との比であるS/N比
との周波数依存を図11に示す。また図12に成膜速度
とS/N比との関係を各周波数に対しまとめた。As an example, FIG. 10 shows the relationship between the frequency f and the film formation rate DR at a pressure of 0.5 Torr and an applied power of 0.04 W / cm 2 , and the photoconductivity σ p (S / c
FIG. 11 shows the frequency dependence of the S / N ratio, which is the ratio of m) to the dark conductivity σ d (S / cm). Further, FIG. 12 summarizes the relationship between the film forming rate and the S / N ratio for each frequency.
【0075】これらの結果により、周波数は30MHz
以上120MHz以下の範囲であれば高品質で、且つ、
生産性の高いa−Si薄膜が作成でき、望ましくは、5
0MHz以上100MHz以下であれば、光電特性の向
上が期待できる。From these results, the frequency is 30 MHz.
High quality in the range of 120 MHz or more and 120 MHz or less, and
A highly productive a-Si thin film can be formed, and preferably 5
If it is 0 MHz or more and 100 MHz or less, improvement in photoelectric characteristics can be expected.
【0076】次に、圧力P=0.5Torr、周波数f
=80MHz、投入電力PW =0.04W/cm2 と
し、滞留時間τ(sec)について確認した。ここで、
滞留時間τ(sec)とは、放電空間V(cm3 )内に
原料ガスQ(sccm)が導入され、圧力P(Tor
r)を一定に保つ様に制御されている場合、原料ガスが
放電空間内に滞留している時間であり、次式で表わされ
る。Next, pressure P = 0.5 Torr and frequency f
= 80 MHz, input power P W = 0.04 W / cm 2 , and the retention time τ (sec) was confirmed. here,
The residence time τ (sec) means that the source gas Q (sccm) is introduced into the discharge space V (cm 3 ) and the pressure P (Tor
When r) is controlled to be kept constant, this is the time during which the raw material gas stays in the discharge space and is represented by the following equation.
【0077】τ=78.947×10-3×V×P/Q 滞留時間τとSiH* ,H* ラジカルの発光強度との関
係を図13に示した。先述の様に、高品質なa−Si薄
膜を得るためには、発光強度の関係が[SiH*]≧
[H* ]であることから、滞留時間τは2.5sec以
下である必要がある。図中において、白の○,△プロッ
トは[SiH]≧[H]なる条件であり、黒の○,△プ
ロットは[SiH]<[H]なる条件である。この時の
滞留時間τによる膜質の変化を、赤外吸収分析での中央
値Rmで表すと図14の様になる。滞留時間τ>2.5
の領域において、a−Si薄膜内にはSiH2 結合の比
が大きくなり、膜質の低下が起こっていることが確認で
きる。同様に、図15に示した光導電率σp (S/c
m)と暗導電率σd (S/cm)との比であるS/N比
においても、滞留時間τ>2.5secにおいて低下が
確認された。Τ = 78.947 × 10 −3 × V × P / Q The relationship between the residence time τ and the emission intensity of SiH * and H * radicals is shown in FIG. As described above, in order to obtain a high quality a-Si thin film, the relation of the emission intensity is [SiH * ] ≧
Since it is [H * ], the residence time τ needs to be 2.5 sec or less. In the figure, the white ◯ and Δ plots are the conditions of [SiH] ≧ [H], and the black ◯ and Δ plots are the conditions of [SiH] <[H]. The change in film quality due to the residence time τ at this time is represented by the median value Rm in the infrared absorption analysis, as shown in FIG. Residence time τ> 2.5
It can be confirmed that the ratio of SiH 2 bond is increased in the a-Si thin film in the region (3) and the film quality is deteriorated. Similarly, the photoconductivity σ p (S / c shown in FIG.
Also in the S / N ratio, which is the ratio of m) to the dark conductivity σ d (S / cm), a decrease was confirmed when the residence time τ> 2.5 sec.
【0078】即ち、滞留時間τは2.5sec以下であ
ることが望ましいことが確認できる。That is, it can be confirmed that the residence time τ is preferably 2.5 sec or less.
【0079】また、滞留時間τと成膜速度DRとの関係
を図16に示し、基板内膜厚分布TE (%)との関係を
図17に示す。ここでは、基板内膜厚分布を最大膜厚と
最小膜厚をそれぞれTMAX ,TMIN とした場合、TE =
(1−TMIN /TMAX )×100で表している。なお、
基板サイズは、30cm□である。図16において、滞
留時間τが0.05secより少ないと成膜速度が低下
し始め、また、5sec以上から同様に成膜速度が低下
する。これは、滞留時間τが小さい場合は、放電により
生成された反応性ラジカルが基板表面に到達する前に系
外へ排気されてしまい、逆に、滞留時間τが大きい場合
には、単純に原料不足のため、成膜速度が低下すると考
えられる。図17においても、同様に考えることができ
る。滞留時間τが0.05secより少ない場合は、原
料ガス流に従う分布が発生し、また、滞留時間τが5s
ecより大きい場合は、原料ガスの導入部から分布が生
じる。分布は、目安として10%以下が望ましい。FIG. 16 shows the relationship between the residence time τ and the film forming rate DR, and FIG. 17 shows the relationship with the in-substrate film thickness distribution T E (%). Here, when the maximum film thickness and the minimum film thickness distribution in the substrate are T MAX and T MIN , respectively, T E =
It is represented by (1-T MIN / T MAX ) × 100. In addition,
The substrate size is 30 cm square. In FIG. 16, when the residence time τ is less than 0.05 sec, the film formation rate begins to decrease, and from 5 sec or more, the film formation rate similarly decreases. This is because when the residence time τ is small, the reactive radicals generated by the discharge are exhausted out of the system before reaching the substrate surface, and conversely, when the residence time τ is large, the raw material is simply It is considered that the film formation rate decreases due to the shortage. The same can be considered in FIG. When the residence time τ is less than 0.05 sec, a distribution according to the raw material gas flow occurs, and the residence time τ is 5 s.
If it is larger than ec, distribution occurs from the introduction part of the source gas. As a guide, the distribution is preferably 10% or less.
【0080】即ち、滞留時間τは、τ<0.05sec
の領域では成膜速度は減少し、膜厚分布は大きくなるた
め、大面積・生産性を考慮すれば、滞留時間τは0.0
5sec以上となる。That is, the residence time τ is τ <0.05 sec
In the region of, the film formation rate decreases and the film thickness distribution increases. Therefore, considering the large area and productivity, the residence time τ is 0.0
It will be 5 seconds or more.
【0081】これらの結果により、大面積薄膜デバイス
を歩留良く、均一に製造するためには滞留時間τ(se
c)は0.05sec以上2.5sec以下である必要
があり、望ましくは、0.1sec以上2.5sec以
下であれば図15に示した様に光電特性の向上が望め
る。From these results, the residence time τ (se
It is necessary that c) is 0.05 sec or more and 2.5 sec or less, and preferably 0.1 sec or more and 2.5 sec or less, the improvement of photoelectric characteristics can be expected as shown in FIG.
【0082】次に、本願第1の発明に係る成膜方法によ
り製造されたa−Si薄膜を用いた電界効果型トランジ
スタの実施例について述べる。Next, an example of a field effect transistor using an a-Si thin film manufactured by the film forming method according to the first invention of the present application will be described.
【0083】図18は逆スタガー型TFTの断面図であ
る。FIG. 18 is a sectional view of an inverted stagger type TFT.
【0084】絶縁性基板11上にゲート電極12が形成
されており、更にその上に、絶縁層13と半導体層14
が積層されている。半導体層14上には、オーミックコ
ンタクト層15を介してソース・ドレイン電極16が形
成されている。そして、保護膜17により被膜されてい
る。次に、このTFTの作製方法を図19(a)〜
(d)を用いて説明する。The gate electrode 12 is formed on the insulating substrate 11, and the insulating layer 13 and the semiconductor layer 14 are further formed on the gate electrode 12.
Are stacked. Source / drain electrodes 16 are formed on the semiconductor layer 14 via an ohmic contact layer 15. Then, it is covered with the protective film 17. Next, a method for manufacturing this TFT will be described with reference to FIGS.
An explanation will be given using (d).
【0085】第1に、図19(a)の様に、コーニング
製7059ガラス基板21にスパッタリング装置によ
り、Cr薄膜(約1000Å)を形成し、パターニング
してゲート電極22を形成する。First, as shown in FIG. 19A, a Cr thin film (about 1000 Å) is formed on a Corning 7059 glass substrate 21 by a sputtering device and patterned to form a gate electrode 22.
【0086】その後、プラズマCVD装置により、ゲー
ト絶縁層23として、窒化シリコン、SiNX (約30
00Å)薄膜を成膜し、次いで、半導体層24として、
ノンドープ非晶質シリコン、i型a−Si(約6000
Å)薄膜、オーミック・コンタクト層25として、リン
ドープ微結晶シリコン、n+ 型μc−Si(約1000
Å)薄膜を同一装置で順次成膜する。After that, silicon nitride, SiN x (about 30 nm) is formed as the gate insulating layer 23 by a plasma CVD apparatus.
00 Å) A thin film is formed, and then, as the semiconductor layer 24,
Non-doped amorphous silicon, i-type a-Si (about 6000
Å) Thin film, as ohmic contact layer 25, phosphorus-doped microcrystalline silicon, n + type μc-Si (approximately 1000
Å) Thin films are sequentially formed using the same equipment.
【0087】第2に、図19(b)の様に、スパッタリ
ング装置により、Al薄膜(約1μm)を形成し、パタ
ーニングしてソース・ドレイン電極26を形成する。チ
ャンネル幅Wとチャンネル長LはW/L=100とし
た。Second, as shown in FIG. 19B, a source / drain electrode 26 is formed by forming an Al thin film (about 1 μm) by a sputtering device and patterning it. The channel width W and the channel length L were set to W / L = 100.
【0088】第3に、図19(c)の様に、リアクティ
ブ・イオン・エッチングにより、不要なn+ 型μc−S
i層をエッチングし、ギャップ部28を形成する。Third, as shown in FIG. 19C, unnecessary n + -type μc-S is formed by reactive ion etching.
The i layer is etched to form the gap portion 28.
【0089】第4に、図19(d)の様に、更に不要な
SiNX /i型a−Si/n+ 型μc−Si層をアイソ
レーションした後、保護膜27を堆積して、図18の薄
膜トランジスタが作成される。Fourth, as shown in FIG. 19D, after further isolating unnecessary SiN x / i type a-Si / n + type μc-Si layers, a protective film 27 is deposited, Eighteen thin film transistors are created.
【0090】ここで、本発明のポイントとなるa−Si
薄膜の製造方法について詳細に述べる。Here, a-Si which is the point of the present invention
The thin film manufacturing method will be described in detail.
【0091】上述の第1で述べた様に、a−Si薄膜の
作成は図20に示した様な平行平板型プラズマCVD装
置により行なわれる。同図はi型a−Si薄膜の成膜室
であり、SiNX /i型a−Si/n+ 型μc−Si層
を連続成膜するための機構、及び、その他成膜室は不図
示である。同図において、300は真空チャンバーであ
り、301は基板、302はアノード電極、303はカ
ソード電極、304は基板加熱用ヒーター、305は接
地用端子、306はマッチングボックス、307は高周
波電源、308は排気口、309は排気ポンプ、310
は原料ガス導入口、320,340,322,342は
バルブ、321,341はマスフローコントローラーを
示す。As described in the first section, the formation of the a-Si thin film is carried out by the parallel plate type plasma CVD apparatus as shown in FIG. The figure shows a film forming chamber for an i-type a-Si thin film, and a mechanism for continuously forming a SiN x / i-type a-Si / n + μc-Si layer and other film forming chambers are not shown. Is. In the figure, 300 is a vacuum chamber, 301 is a substrate, 302 is an anode electrode, 303 is a cathode electrode, 304 is a heater for heating a substrate, 305 is a grounding terminal, 306 is a matching box, 307 is a high frequency power supply, and 308 is Exhaust port, 309 is exhaust pump, 310
Is a raw material gas inlet, 320, 340, 322 and 342 are valves, and 321 and 341 are mass flow controllers.
【0092】前室の不図示のSiNX 成膜室から基板が
搬入され、同チャンバーが1×10-6Torr以下にな
るまで真空引きする。次に、原料ガスSiH4 ,H2 を
マスフローコントローラー321,341により2,1
8sccm供給し、圧力を0.5Torrに維持し、基
板加熱ヒーター304を設定して、基板温度が200℃
になるまで保持した後、高周波電源307より、周波数
を80MHz、電力0.04W/cm2 を投入して、i
型a−Si膜を6000Å成膜する。成膜後、同チャン
バーを同様に1×10-6Torr以下まで真空引きす
る。次に、不図示の次室のn+ 型μ−Si成膜室へ移動
する。The substrate is loaded from the SiN x film forming chamber (not shown) in the front chamber, and the chamber is evacuated to 1 × 10 −6 Torr or less. Next, the source gases SiH 4 and H 2 are fed to the mass flow controllers 321 and 341 for 2, 1
8 sccm is supplied, the pressure is maintained at 0.5 Torr, the substrate heating heater 304 is set, and the substrate temperature is 200 ° C.
Until the frequency reaches 80 MHz, a high frequency power source 307 supplies a frequency of 80 MHz and a power of 0.04 W / cm 2 ,
A type a-Si film is formed at 6000Å. After the film formation, the chamber is similarly evacuated to 1 × 10 −6 Torr or less. Next, the substrate is moved to an n + type μ-Si film forming chamber in the next chamber (not shown).
【0093】この様にして薄膜トランジスタを作製する
ことができる。本発明の一実施例として80MHzの高
周波放電を例にとったが、勿論、周波数fを変えた場合
には、投入電力PW (W/cm2 )は10/f(MH
z)の関係で規定される値以下であり、望ましくは、発
光強度比[H* ]/[SiH* ]が最小値となる投入電
力に変更する。各周波数fにより成膜したa−Si薄膜
を用いたTFTの電界移動度μ(cm2 /Vsec)の
周波数f(MHz)依存を図21に示す。同図におい
て、周波数fが30MHz以上120MHz以下におい
て、電界移動度μが向上し、従来の13.56MHzの
放電のa−Si薄膜の0.47cm2 /Vsecに比べ
80MHzでは最大値0.88cm2 /Vsecと約2
倍となった。その理由は、一般的に明らかにされている
図22に示すアルゴン(Ar)放電での基板入射イオン
・エネルギーの差異から考えることができる。本発明の
80MHzで高周波放電では、従来の13.56MHz
での放電に比べて、基板へ入射到達するイオン・エネル
ギーが小さく、またエネルギー分散も少ないと言う特徴
があり、そのため、a−Si薄膜を積層する場合に、ゲ
ート絶縁膜であるSiNX 薄膜にイオン・ダメージを与
えず、界面特性が改良されたためと考えられる。A thin film transistor can be manufactured in this manner. As an example of the present invention, a high frequency discharge of 80 MHz is taken as an example. Of course, when the frequency f is changed, the input power P W (W / cm 2 ) is 10 / f (MH
z) is less than or equal to the value defined by the relationship, and it is desirable to change the input power so that the emission intensity ratio [H * ] / [SiH * ] becomes the minimum value. FIG. 21 shows the frequency f (MHz) dependence of the electric field mobility μ (cm 2 / Vsec) of the TFT using the a-Si thin film formed at each frequency f. In the figure, when the frequency f is 30 MHz or more and 120 MHz or less, the electric field mobility μ is improved, and the maximum value is 0.88 cm 2 at 80 MHz compared to 0.47 cm 2 / Vsec of the conventional a-Si thin film of 13.56 MHz discharge. / Vsec and about 2
Doubled. The reason for this can be considered from the difference between the ion energy incident on the substrate in the argon (Ar) discharge shown in FIG. In the high frequency discharge at 80 MHz of the present invention, the conventional 13.56 MHz
Compared to discharge at a small ion energy reaching incident on the substrate, also is characterized say less energy dispersion, therefore, the case of laminating an a-Si film, the SiN X film is a gate insulating film It is considered that the interface characteristics were improved without giving ion damage.
【0094】また、膜特性・生産性・デバイス特性など
の何れかに重点を置くかによって、周波数を決定するこ
とも可能である。It is also possible to determine the frequency by focusing on any of film characteristics, productivity, device characteristics and the like.
【0095】次に、本願第2の発明に係る成膜方法によ
り製造されたa−Si薄膜を用いた電界効果型トランジ
スタの実施例について述べる。Next, an example of a field effect transistor using an a-Si thin film manufactured by the film forming method according to the second invention of the present application will be described.
【0096】なお、作製しようとする逆スタガー型TF
Tの構成、その作製工程、及びa−Si薄膜の作成に用
いる平行平板型プラズマCVD装置の構成は図18〜図
20に示したものと同じなので、説明を省略するものと
し、差異を生ずるa−Si膜膜の製造方法についてのみ
以下に説明する。The inverted stagger type TF to be manufactured
The structure of T, its manufacturing process, and the structure of the parallel plate plasma CVD apparatus used for forming the a-Si thin film are the same as those shown in FIGS. -Si Film Only the method for manufacturing the film will be described below.
【0097】前室の不図示のSiNX 成膜室から基板が
搬入され、同チャンバーが1×10-6Torr以下にな
るまで真空引きする。次に、原料ガスSiH4 ,H2 を
マスフローコントローラー321,341によりSiH
4 :H2 =1:9にて供給し、圧力を0.5Torrに
維持し、滞留時間τが1.0secとなる様に流量を調
節した。基板加熱ヒーター304を設定して、基板温度
が200℃になるまで保持した後、高周波電源307よ
り、周波数を80MHz、電力0.04W/cm2 を投
入して、i型a−Si膜を6000Å成膜する。成膜
後、同チャンバーを同様に1×10-6Torr以下まで
真空引きする。次に、不図示の次室のn+型μ−Si成
膜室へ移動する。The substrate is loaded from the SiN x film forming chamber (not shown) in the front chamber, and the chamber is evacuated to 1 × 10 −6 Torr or less. Next, the source gases SiH 4 and H 2 are converted into SiH by the mass flow controllers 321 and 341.
It was supplied at 4 : H 2 = 1: 9, the pressure was maintained at 0.5 Torr, and the flow rate was adjusted so that the residence time τ was 1.0 sec. After setting the substrate heating heater 304 and maintaining it until the substrate temperature reaches 200 ° C., a frequency of 80 MHz and power of 0.04 W / cm 2 are applied from the high frequency power source 307 to apply an i-type a-Si film of 6000 Å. Form a film. After the film formation, the chamber is similarly evacuated to 1 × 10 −6 Torr or less. Next, the substrate is moved to an n + type μ-Si film forming chamber in the next chamber (not shown).
【0098】この様にして薄膜トランジスタを作製する
ことができる。本発明の一実施例として80MHzの高
周波放電を例にとったが、勿論、周波数fを変えた場合
には、発光強度比[SiH* ]≧[H* ]の関係を満た
す範囲で、望ましくは、発光強度比[H* ]/[SiH
* ]が最小値を示す投入電力等の条件に変更する。滞留
時間τ(sec)と基板内平均の電界移動度μ(cm2
/Vsec)との関係を図23に示す。特性分布を考慮
すると、滞留時間τ(sec)が0.05sec以上
2.5sec以下において、良好な電界移動度μ(cm
2 /Vsec)を得ることができる。次に、本願第3の
発明について説明する。A thin film transistor can be manufactured in this manner. As an example of the present invention, a high frequency discharge of 80 MHz is taken as an example, but of course, when the frequency f is changed, it is preferable that the emission intensity ratio [SiH * ] ≧ [H * ] is satisfied within a range satisfying the relationship. , Emission intensity ratio [H * ] / [SiH
* ] Change to conditions such as input power that shows the minimum value. Residence time τ (sec) and average electric field mobility in the substrate μ (cm 2
/ Vsec) is shown in FIG. Considering the characteristic distribution, when the residence time τ (sec) is 0.05 sec or more and 2.5 sec or less, good electric field mobility μ (cm
2 / Vsec) can be obtained. Next, the third invention of the present application will be described.
【0099】図24に本発明の実施例に用いた製造装置
を示す。基本的構造としては従来の平行平板型のプラズ
マCVD装置と同様である。FIG. 24 shows a manufacturing apparatus used in the embodiment of the present invention. The basic structure is the same as that of the conventional parallel plate type plasma CVD apparatus.
【0100】同図において400は真空チャンバー、4
01はアノード電極、402は基板、403はカソード
電極である。アノード電極401は406でアースされ
ている。404は整合器、405は高周波電源である。
407はゲートバルブ、408はターボ分子ポンプ、4
09はロータリーポンプである。また410,420は
シランガスラインバルブ、411,421は水素ガスラ
インバルブ、412,422はホスフィンガスラインバ
ルブ、413,423はジボランガスラインバルブ、4
14,424はフッ化シリコンガスラインバルブ、41
5〜419はマスフローメータである。高周波の印加の
しかたと取り扱いに注意すれば、本実施例におけるよう
な平行平板型ばかりでなく、感光体ドラムの製造に使わ
れている、カルーセル電極型においても、本実施例は適
用できる。In the figure, 400 is a vacuum chamber, 4
Reference numeral 01 is an anode electrode, 402 is a substrate, and 403 is a cathode electrode. The anode electrode 401 is grounded at 406. Reference numeral 404 is a matching unit, and 405 is a high frequency power source.
407 is a gate valve, 408 is a turbo molecular pump, 4
Reference numeral 09 is a rotary pump. Further, 410 and 420 are silane gas line valves, 411 and 421 are hydrogen gas line valves, 412 and 422 are phosphine gas line valves, 413 and 423 are diborane gas line valves, 4
14,424 are silicon fluoride gas line valves, 41
5-419 are mass flow meters. This embodiment can be applied not only to the parallel plate type as in the present embodiment but also to the carousel electrode type used in the manufacture of the photoconductor drum, if attention is paid to how to apply a high frequency and handling.
【0101】まず本発明になる製造方法の原理を述べ
る。図25にSiH* ラジカル(414nm)の発光強
度[SiH* ]と、窒素ラジカルの発光強度[N* ]の
印加高周波数f依存を示す。図29に成膜速度Rの印加
高周波数f依存性を示す。図26にSiH* ラジカルの
発光強度[SiH* ]と、窒素ラジカルの発光強度[N
* ]の印加高周波電力Pw依存性を示す。このときの条
件はSiH4 3sccm、水素30sccm、窒素60
sccm、圧力0.2Torrである。なお、図25で
はPw=10mW/cm2 、図26ではf=80MHz
とした。First, the principle of the manufacturing method according to the present invention will be described. FIG. 25 shows the applied high frequency f dependence of the emission intensity [SiH * ] of SiH * radicals (414 nm) and the emission intensity [N * ] of nitrogen radicals. FIG. 29 shows the dependency of the deposition rate R on the applied high frequency f. FIG. 26 shows the emission intensity of SiH * radicals [SiH * ] and the emission intensity of nitrogen radicals [N
* ] Shows the dependency of the applied high frequency power Pw. The conditions at this time are SiH 4 3sccm, hydrogen 30sccm, nitrogen 60
Sccm, pressure 0.2 Torr. Note that Pw = 10 mW / cm 2 in FIG. 25 and f = 80 MHz in FIG.
And
【0102】図25より印加高周波数fを大きくする
と、プラズマ中のSiH* ラジカル、窒素ラジカルは、
それに応じて増加している。しかしながら、f=80M
Hzあたりで極大値を持ち、それ以後は減少傾向にある
ことが分かる。シランガスや窒素ガスの分解率はプラズ
マ中の電子密度ne に依存するので、分解によって生じ
るSiH* ラジカルやN* ラジカルも電子密度ne に依
存する。よってプラズマ中の電子密度ne が印加高周波
数f依存を示し、それに応じてラジカルの発光強度が、
図25のような依存を示しているものと思われる。From FIG. 25, when the applied high frequency f is increased, SiH * radicals and nitrogen radicals in the plasma are
It is increasing accordingly. However, f = 80M
It can be seen that it has a maximum value around Hz and tends to decrease thereafter. Since the decomposition rate of the silane gas and nitrogen gas depends on the electron density n e in the plasma, SiH * radicals and N * radicals generated by the decomposition also depends on the electron density n e. Therefore the electron density n e in the plasma indicates an applied high frequency f-dependent, the light emission intensity of the radical accordingly,
It seems that the dependence shown in FIG. 25 is shown.
【0103】図29より成膜速度Rも印加高周波数fを
大きくするに従い増加し、f=100MHzあたりで極
大を持っている。しかしながら100MHzを超える領
域では基板上の膜厚分布が大きくなり、またポリシラン
ができやすくなり、これがゴミとなってピンホールが生
じ安くなった。また膜特性も均一に良好なものは得られ
なかった。よって好適には30MHzから100MHz
の周波数帯で本発明の効果が十分に発揮できる。一般に
シランガス中での成膜速度は[SiH* ]に比例してお
り、図29での傾向は図25での[SiH* ]の傾向に
依存しているものと思われる。From FIG. 29, the film formation rate R also increases as the applied high frequency f increases, and has a maximum value around f = 100 MHz. However, in the region over 100 MHz, the film thickness distribution on the substrate becomes large, and polysilane is easily formed, which becomes dust and pinholes are made cheaper. Further, it was not possible to obtain a film having uniformly good film characteristics. Therefore, preferably 30 MHz to 100 MHz
The effect of the present invention can be sufficiently exerted in the frequency band of. Generally, the film formation rate in silane gas is proportional to [SiH * ], and the tendency in FIG. 29 seems to depend on the [SiH * ] tendency in FIG.
【0104】図26より印加高周波電力を増すと、[S
iH* ]、[N* ]も、ともに増加する傾向がある。When the applied high frequency power is increased from FIG. 26, [S
Both iH * ] and [N * ] tend to increase.
【0105】印加高周波数を上げることで、成膜速度を
稼ぐことができる。それに応じて印加電力を減らすこと
も可能である。これは装置を大型化し、大面積で成膜を
行う場合など特に効果的である。つまり装置の大型の割
に、高周波電源は小型化を図ることができ、装置コスト
の低減を図ることができる。また膜の特性への影響から
言っても、印加電力の少ない領域で作成することができ
れば、プラズマ中のイオンの総体的なエネルギーは減少
するので、膜表面に入射するイオンによるダメージを低
減することができ、良好な膜特性を有した膜を作成する
ことができる。またイオンのダメージを減らすという観
点から、プラズマ中のイオンの動きに注目してみる。一
般に高周波プラズマ中のイオンは、プラズマ中の高周波
による振動する電界に従い、プラズマ中を振動してい
る。この様子を式に表わせば以下のようになる。ここで
Aはイオンの振動する振幅である。By increasing the applied high frequency, the film formation rate can be increased. It is also possible to reduce the applied power accordingly. This is particularly effective when the apparatus is enlarged and film formation is performed in a large area. That is, the high-frequency power supply can be downsized despite the large size of the device, and the device cost can be reduced. In addition, even if it affects the characteristics of the film, if it can be created in a region where the applied power is small, the total energy of the ions in the plasma will be reduced, so the damage caused by the ions incident on the film surface should be reduced. It is possible to produce a film having good film characteristics. Also, pay attention to the movement of the ions in the plasma from the viewpoint of reducing the damage of the ions. Generally, the ions in the high frequency plasma oscillate in the plasma according to the oscillating electric field due to the high frequency in the plasma. This situation can be expressed in an equation as follows. Here, A is the amplitude of oscillation of the ions.
【0106】 A≒V/w V:高周波1周期中の最高速度 w:高周波の角周波数:f=2πw 今考えている成膜装置を平行平板型の装置とし、その電
極間距離をdとする。そうすると d>A という条件が満たされれば、プラズマ中のイオンは基板
上に達することなく、プラズマ中を行き来することにな
る。このような状態を一般に、プラズマ中に捕獲あるい
はトラップされた状態という。この関係式から明らかな
ように、印加高周波数を上げることにより、装置の大き
さにかかわりなく、イオンのトラップされた状態を作り
だすことができる。そうすることにより、基板上に入射
するイオンの量を低減することができた。そのために膜
表面や膜中へのイオンダメージが低減できた。A≈V / w V: maximum speed in one cycle of high frequency w: angular frequency of high frequency: f = 2πw Let us assume that the film-forming apparatus under consideration is a parallel plate type apparatus, and the distance between the electrodes is d. .. Then, if the condition of d> A is satisfied, the ions in the plasma will move back and forth in the plasma without reaching the substrate. Such a state is generally called a state of being trapped or trapped in plasma. As is clear from this relational expression, increasing the applied high frequency makes it possible to create a trapped state of ions regardless of the size of the device. By doing so, the amount of ions incident on the substrate could be reduced. Therefore, ion damage to the film surface and inside the film could be reduced.
【0107】既に説明した図22にこの様子を描いてい
る。基板位置に質量分析計を設置し、ここに飛び込んで
くるイオンの入射エネルギーと入射量の分布をもとめ
た。このデータは解析を容易にするためにアルゴンガス
について求めたものである。本発明の反応ガスについて
も本質的には同様な傾向を示す。従来の印加高周波数f
=13.56MHzと本発明になるf=80MHzの条
件では、基板に入射するイオンの入射エネルギーと入射
量が異なっている。f=80MHzの条件での方が明ら
かに、平均入射エネルギーは低くなり、入射量は減少し
ている。This is illustrated in FIG. 22 already described. A mass spectrometer was installed at the substrate position, and the distribution of the incident energy and the incident amount of the ions that jumped in here were determined. This data was obtained for argon gas to facilitate analysis. The reaction gas of the present invention shows essentially the same tendency. Conventional applied high frequency f
= 13.56 MHz and f = 80 MHz according to the present invention, the incident energy and the incident amount of the ions incident on the substrate are different. Obviously, under the condition of f = 80 MHz, the average incident energy becomes lower and the incident amount decreases.
【0108】また以上の効果は基板ばかりでなく、チャ
ンバー壁に対しても当てはまり、チャンバーを叩くイオ
ンの数と、エネルギーを低減できるので、真空装置に特
別な処置を施すことなく、チャンバー壁からの脱ガスを
減らすことができた。本発明はこのような状態を積極的
に活用しようとするものである。Further, the above effects apply not only to the substrate but also to the chamber wall, and the number of ions hitting the chamber and the energy can be reduced, so that the vacuum device can be removed from the chamber wall without any special treatment. It was possible to reduce degassing. The present invention intends to positively utilize such a state.
【0109】なお既に図2を用いて説明したように、あ
る電極間距離dに対して周波数が大きいと分布が大きく
なる。これは大面積化に対して大きな問題となる。そこ
で本発明者らは、種々の成膜パラメーターに対して、改
良を試みたところ、電極間距離が膜厚分布に影響を与え
ていることを見出し、さらに電極間距離を大きくするこ
とにより、分布が小さくなることを見出した。本発明の
種々の条件下で基板内の膜厚分布T(%)が10%に納
まる条件下で、その関係を求めたところ、d=2cmで
は分布が著しく大きく、使用できる範囲ではなく、dが
3cmより大きいところでは、f/d<30を満たすd
であれば、おおむね良好な分布を得ることができること
が判明した。As already described with reference to FIG. 2, the distribution becomes large when the frequency is large for a certain distance d between the electrodes. This becomes a big problem for increasing the area. Therefore, the inventors of the present invention tried to improve various film forming parameters, found that the inter-electrode distance had an influence on the film thickness distribution, and by further increasing the inter-electrode distance, the distribution It was found that Under various conditions of the present invention, the relationship was obtained under the condition that the film thickness distribution T (%) in the substrate was within 10%. When d = 2 cm, the distribution was remarkably large, and it was not within the usable range. Is larger than 3 cm, d that satisfies f / d <30
Then, it has been found that a generally good distribution can be obtained.
【0110】また図3の種々の条件下での電極間距離と
膜中の欠陥準位密度の関係図に示されるように、電極間
距離が4cmを超えると欠陥の密度は漸次減少している
のがわかるが、電極間距離が4cmより小さくなると急
激に増加しているのが分かる。電極間距離は好適には4
cm以上が望ましいことが分かる。そこで本実施例では
電極間距離を4cmとして検討を行った。Further, as shown in the relationship diagram between the electrode distance and the defect level density in the film under various conditions in FIG. 3, the defect density gradually decreases when the electrode distance exceeds 4 cm. It can be seen that, when the distance between the electrodes becomes smaller than 4 cm, it rapidly increases. The distance between the electrodes is preferably 4
It can be seen that cm or more is desirable. Therefore, in this example, the distance between the electrodes was set to 4 cm.
【0111】以上の実験事実と考察を踏まえ本発明の製
造方法によりシランガス、水素ガス、窒素ガスの混合ガ
スを用いて非晶質窒化シリコンを作成した。Based on the above experimental facts and consideration, amorphous silicon nitride was prepared by the manufacturing method of the present invention using a mixed gas of silane gas, hydrogen gas and nitrogen gas.
【0112】図24に示した様に、ガラス基板402を
チャンバー400の中のアノード電極401上に取りつ
け、排気ポンプ409により排気し、10-6Torrと
した。基板温度を350℃に設定し、SiH4 ガスを3
sccm流し、H2 ガスを30sccm、窒素ガスを6
0sccm流し、チャンバー内圧を0.2Torrにし
て、30分の間保持した。然るのちに高周波電力を投入
し、整合器を調整することで放電を開始し、必要な時間
放電し成膜を行った。As shown in FIG. 24, the glass substrate 402 was mounted on the anode electrode 401 in the chamber 400 and exhausted by the exhaust pump 409 to 10 -6 Torr. The substrate temperature is set to 350 ° C and SiH 4 gas is set to 3
sccm flow, H 2 gas 30 sccm, nitrogen gas 6
The flow rate was 0 sccm, the internal pressure of the chamber was 0.2 Torr, and the pressure was maintained for 30 minutes. After that, high-frequency power was applied and the matching device was adjusted to start discharge, and discharge was performed for a required time to form a film.
【0113】印加高周波数はf=13.56MHzとf
=80MHzとした。このときの高周波電力はf=1
3.56MHzで30mW/cm2 、f=80MHzで
2mW/cm2 とした。膜の特性比較のため成膜速度を
1Å/secに揃えた。The applied high frequency is f = 13.56 MHz and f
= 80 MHz. The high frequency power at this time is f = 1
It was 2 mW / cm 2 at 30mW / cm 2, f = 80MHz at 3.56MHz. The film formation rate was set to 1Å / sec for comparison of film characteristics.
【0114】この膜にアルミニウムの櫛型電極を蒸着
し、室温(25℃)において、抵抗率を測定した。光学
的バンドギャップEgoptもこれらのサンプルを用いて作
成した。膜中の不純物量は2次イオン質量分析計で測定
した。Aluminum comb electrodes were vapor-deposited on this film, and the resistivity was measured at room temperature (25 ° C.). An optical bandgap E gopt was also created using these samples. The amount of impurities in the film was measured by a secondary ion mass spectrometer.
【0115】表1に、この条件でつけた膜の抵抗率と光
学的バンドギャップEgoptを示す。酸素の膜中濃度、水
素濃度、膜中のスピン密度を示す。Table 1 shows the resistivity and the optical band gap E gopt of the film formed under these conditions. The oxygen concentration in the film, the hydrogen concentration, and the spin density in the film are shown.
【0116】[0116]
【表1】 これは印加高周波数fを上げることにより、プラズマ中
のイオンはトラップされた状態にあり、基板表面やチャ
ンバー壁に入射するイオンのフラックスは減少する。膜
中の不純物は、チャンバー壁からの叩出しがない分、確
実に減少している。膜中のスピン密度については膜中の
不純物が減少したことと、成膜中のイオンダメージが減
少したことにより実現したものと思われる。本実施例で
抵抗率がより高くなっているのは、Si−Si、Si−
Nなどの結合の不整合性が、イオンダメージが減少した
ことで改善されたためと思われる。[Table 1] This is because by increasing the applied high frequency f, the ions in the plasma are trapped, and the flux of the ions incident on the substrate surface or the chamber wall is reduced. Impurities in the film are surely reduced because there is no blowout from the chamber wall. It is considered that the spin density in the film was realized by the reduction of impurities in the film and the reduction of ion damage during film formation. In this example, the higher resistivity is due to Si-Si, Si-
It is considered that the inconsistency of bonds such as N was improved by the reduction of ion damage.
【0117】次に上記の条件での非晶質窒化シリコン膜
を薄膜トランジスタのゲート絶縁膜に使い評価した。図
35にデバイス構成を示す。Next, the amorphous silicon nitride film under the above conditions was used as a gate insulating film of a thin film transistor and evaluated. FIG. 35 shows the device configuration.
【0118】ガラス基板131上に、真空蒸着法により
アルミを1000Å成膜し、パターニングを施して、ゲ
ート電極132とした。A 1000 liter film of aluminum was formed on the glass substrate 131 by a vacuum vapor deposition method and patterned to form a gate electrode 132.
【0119】次にこのガラス基板131を図24のチャ
ンバー400の中のアノード電極上に取りつけ、排気ポ
ンプ408,409により、10-6Torrまで排気し
た。基板温度を350℃に設定し、SiH4 ガスを3s
ccm流し、H2 ガスを30sccm流し、窒素ガスを
60sccm流し、チャンバー内圧を0.2Torrに
して、30分の間保持して、基板温度が安定するのを待
った。然るのちに高周波電力を投入し、整合器を調整す
ることで放電を開始し、必要な時間放電し成膜を行っ
た。このとき周波数はf=80MHzを中心に何点かふ
った。高周波電力は、成膜速度を10Å/secに揃う
ように設定した。放電終了後、ガスを排気して、10-6
Torrまで高真空引きした。Next, this glass substrate 131 was mounted on the anode electrode in the chamber 400 shown in FIG. 24 and exhausted to 10 -6 Torr by exhaust pumps 408 and 409. Set the substrate temperature to 350 ° C and use SiH 4 gas for 3 s.
ccm flow, H 2 gas flow at 30 sccm, nitrogen gas flow at 60 sccm, chamber internal pressure was 0.2 Torr, holding for 30 minutes, and waiting for the substrate temperature to stabilize. After that, high-frequency power was applied and the matching device was adjusted to start discharge, and discharge was performed for a required time to form a film. At this time, the frequency was fluctuated around f = 80 MHz. The high frequency power was set so that the film forming rate was uniform at 10 Å / sec. After discharging, evacuate the gas to 10 -6
A high vacuum was drawn up to Torr.
【0120】次に、基板温度を250℃に設定し、Si
H4 ガスを3sccm流し、H2 ガスを30sccm流
し、チャンバー内圧を0.5Torrにして、30分の
間保持して、基板温度が安定するのを待った。然るのち
に通常の13.56MHzの高周波を10mW/cm2
の電力で投入し、整合器を調整することで放電を開始
し、必要な時間放電し成膜を行った。3.5時間放電し
て5000Åのイントリンシックな非晶質シリコン13
4を成膜した。その後ガスを排気して、10-6Torr
まで高真空引きした。Next, the substrate temperature is set to 250 ° C. and the Si
H 4 gas was caused to flow at 3 sccm, H 2 gas was caused to flow at 30 sccm, the chamber internal pressure was set to 0.5 Torr, and the temperature was maintained for 30 minutes to wait for the substrate temperature to stabilize. After that, a normal high frequency of 13.56 MHz is applied at 10 mW / cm 2
The discharge was started by turning on the electric power of No. 1 and adjusting the matching device, and the film was formed by discharging for a required time. Intrinsic amorphous silicon 13 of 5000 Å after discharging for 3.5 hours
4 was deposited. After that, the gas is exhausted and 10 -6 Torr
High vacuum was pulled up to.
【0121】次に、基板温度を250℃に設定し、Si
H4 ガスを3sccm流し、H2 ガスで100ppmに
稀釈したホスフィンガスを150sccm流し、チャン
バー内圧を0.5Torrにして、30分の間保持し
て、基板温度が安定するのを待った。然るのちに通常の
13.56MHzの高周波を30mW/cm2 の電力で
投入し、整合器を調整することで放電を開始し、必要な
時間放電し成膜を行った。30分間放電して1500Å
のn+ 型非晶質シリコン135を成膜した。その後ガス
を排気して、10-6Torrまで高真空引きした。Next, the substrate temperature is set to 250 ° C. and the Si
H 4 gas was flowed at 3 sccm, phosphine gas diluted to 100 ppm with H 2 gas was flowed at 150 sccm, the chamber internal pressure was set to 0.5 Torr, and the temperature was maintained for 30 minutes to wait for the substrate temperature to stabilize. After that, a normal high frequency of 13.56 MHz was applied with a power of 30 mW / cm 2 , and the matching device was adjusted to start discharge, and the discharge was performed for a required time to form a film. Discharge for 30 minutes and 1500Å
Of n + type amorphous silicon 135 was deposited. After that, the gas was exhausted and a high vacuum was drawn up to 10 −6 Torr.
【0122】次に、この基板を成膜装置から取り出し、
真空蒸着法によりアルミ136を1μm成膜した。Next, this substrate was taken out from the film forming apparatus,
Aluminum 136 was formed into a film with a thickness of 1 μm by a vacuum deposition method.
【0123】然る後、このアルミをパターニングし、ソ
ース、ドレイン電極とした。最後にこの電極をマスクに
して、n+ 型非晶質シリコン135をエッチング除去し
た。After that, this aluminum was patterned to form source and drain electrodes. Finally, using this electrode as a mask, the n + type amorphous silicon 135 was removed by etching.
【0124】このように作成した薄膜トランジスタの内
代表的なf=80MHzで窒化シリコンを成膜した薄膜
トランジスタの特性を図30(a)に示す。十分に良好
な特性を示している。図31(b)にON状態を100
時間まで維持したときのスレショールド電圧Vthの変化
を示す。図中(a)は従来のデバイスのデータである。
従来は時間とともに正側にシフトしていたが、本実施例
によると、このシフトはかなり改善された。一般にこの
VthシフトはON動作中にキャリア、この場合Nチャン
ネル動作なので電子が絶縁膜中に入り、膜中の捕獲準位
に捕獲され、ここに固定電荷が形成されることによる。
よって本発明の製造方法によれば、膜中の不純物が低減
され、また成膜中のイオンダメージも低減され膜中の欠
陥が減少し、この特性が改善されたものと思われる。ま
たこのVthシフトの印加高周波数依存を図34(a)に
示す。f=30MHzあたりから上記の効果が現われて
いることが分かる。Characteristics of a thin film transistor in which a silicon nitride film is formed at f = 80 MHz, which is a typical thin film transistor thus formed, is shown in FIG. It shows sufficiently good characteristics. The ON state is 100 in FIG.
The change in the threshold voltage V th when the time is maintained is shown. In the figure, (a) is data of a conventional device.
Conventionally, the shift was performed to the positive side with time, but according to the present embodiment, this shift is considerably improved. Generally, this V th shift is due to carriers entering during ON operation, in this case N-channel operation, so that electrons enter the insulating film and are trapped by the trap levels in the film to form fixed charges there.
Therefore, according to the manufacturing method of the present invention, it is considered that the impurities in the film are reduced, the ion damage during the film formation is also reduced, the defects in the film are reduced, and this characteristic is improved. The dependence of the V th shift on the applied high frequency is shown in FIG. It can be seen that the above effect appears from around f = 30 MHz.
【0125】次に同じ条件での非晶質窒化シリコン膜を
薄膜トランジスタのパッシベーション膜に使い評価し
た。ただし基板温度は薄膜トランジスタへの悪影響を避
けるため250℃に設定した。図36にデバイスの構成
を示す。Next, an amorphous silicon nitride film under the same conditions was used as a passivation film of a thin film transistor and evaluated. However, the substrate temperature was set to 250 ° C. in order to avoid adverse effects on the thin film transistor. FIG. 36 shows the configuration of the device.
【0126】ガラス基板141上に、真空蒸着法により
アルミを1000Å成膜し、パターニングを施して、ゲ
ート電極142とした。A 1000 liter film of aluminum was formed on the glass substrate 141 by a vacuum vapor deposition method and patterned to form a gate electrode 142.
【0127】次にこのガラス基板141を図24のチャ
ンバー400の中のアノード電極上に取りつけ、排気ポ
ンプ408,409により、10-6Torrまで排気し
た。基板温度を250℃に設定し、SiH4 ガスを3s
ccm流し、H2 ガスを30sccm流し、窒素ガスを
60sccm流し、チャンバー内圧を0.5Torrに
して、30分の間保持して、基板温度が安定するのを待
った。然るのちに高周波電力を投入し、整合器を調整す
ることで放電を開始し、必要な時間放電しゲート絶縁膜
143の成膜を行った。このとき周波数はf=13.5
6MHz、高周波電力は30mW/cm2 とした。放電
終了後、ガスを排気して、10-6Torrまで高真空引
きした。Next, this glass substrate 141 was mounted on the anode electrode in the chamber 400 shown in FIG. 24, and exhausted to 10 -6 Torr by exhaust pumps 408 and 409. Substrate temperature is set to 250 ° C and SiH 4 gas is applied for 3s.
ccm flow, H 2 gas flow of 30 sccm, nitrogen gas flow of 60 sccm, the chamber internal pressure was set to 0.5 Torr, the temperature was kept for 30 minutes, and the substrate temperature was waited for stabilization. After that, high-frequency power was applied and a matching device was adjusted to start discharge, and discharge was performed for a required time to form the gate insulating film 143. At this time, the frequency is f = 13.5
6 MHz, high frequency power was 30 mW / cm 2 . After the discharge was completed, the gas was exhausted and a high vacuum was drawn up to 10 −6 Torr.
【0128】次に、基板温度を250℃に設定し、Si
H4 ガスを3sccm流し、H2 ガスを30sccm流
し、チャンバー内圧を0.5Torrにして、30分の
間保持して、基板温度が安定するのを待った。然るのち
に通常の13.56MHzの高周波を10mW/cm2
の電力で投入し、整合器を調整することで放電を開始
し、必要な時間放電し成膜を行った。3.5時間放電し
て5000Åのイントリンシックな非晶質シリコン14
4を成膜した。その後ガスを排気して、10-6Torr
まで高真空引きした。Next, the substrate temperature is set to 250 ° C. and the Si
H 4 gas was caused to flow at 3 sccm, H 2 gas was caused to flow at 30 sccm, the chamber internal pressure was set to 0.5 Torr, and the temperature was maintained for 30 minutes to wait for the substrate temperature to stabilize. After that, a normal high frequency of 13.56 MHz is applied at 10 mW / cm 2
The discharge was started by turning on the electric power of No. 1 and adjusting the matching device, and the film was formed by discharging for a required time. 5000 Å intrinsic amorphous silicon 14 after 3.5 hours of discharge
4 was deposited. After that, the gas is exhausted and 10 -6 Torr
High vacuum was pulled up to.
【0129】次に、基板温度を250℃に設定し、Si
H4 ガスを3sccm流し、H2 ガスで100ppmに
稀釈したホスフィンガスを150sccm流し、チャン
バー内圧を0.5Torrにして、30分の間保持し
て、基板温度が安定するのを待った。然るのちに通常の
13.56MHzの高周波を30mW/cm2 の電力で
投入し、整合器を調整することで放電を開始し、必要な
時間放電し成膜を行った。30分間放電して1500Å
のn+ 型非晶質シリコン145を成膜した。その後ガス
を排気して、10-6Torrまで高真空引きした。Next, the substrate temperature is set to 250 ° C. and the Si
H 4 gas was flowed at 3 sccm, phosphine gas diluted to 100 ppm with H 2 gas was flowed at 150 sccm, the chamber internal pressure was set to 0.5 Torr, and the temperature was maintained for 30 minutes to wait for the substrate temperature to stabilize. After that, a normal high frequency of 13.56 MHz was applied with a power of 30 mW / cm 2 , and the matching device was adjusted to start discharge, and the discharge was performed for a required time to form a film. Discharge for 30 minutes and 1500Å
Of n + type amorphous silicon 145 was deposited. After that, the gas was exhausted and a high vacuum was drawn up to 10 −6 Torr.
【0130】次に、この基板を成膜装置から取り出し、
真空蒸着法によりアルミ146を1μm成膜した。然る
後、このアルミをパターニングし、ソース、ドレイン電
極とした。Next, this substrate was taken out from the film forming apparatus,
Aluminum 146 was deposited to a thickness of 1 μm by the vacuum deposition method. After that, this aluminum was patterned to form source and drain electrodes.
【0131】最後にこの電極をマスクにして、n+ 型非
晶質シリコン145をエッチング除去した。この工程ま
では従来の薄膜トランジスタの作成工程である。Finally, using this electrode as a mask, the n + type amorphous silicon 145 was removed by etching. The process up to this step is the conventional process of forming a thin film transistor.
【0132】次にこの工程まで終了した基板上に、本発
明になる製造方法によりパッシベーション膜147を堆
積させた。まず基板を再びチャンバー400の中のアノ
ード電極上に取りつけ、排気ポンプ408,409によ
り、10-6Torrまで排気した。基板温度を200℃
に設定し、SiH4 ガスを3sccm流し、H2 ガスを
30sccm流し、窒素ガスを60sccm流し、チャ
ンバー内圧を0.2Torrにして、30分の間保持し
て、基板温度が安定するのを待った。然るのちに高周波
電力を投入し、整合器を調整することで放電を開始し、
必要な時間放電し成膜を行った。このとき周波数はf=
80MHzを中心に何点かふった。放電終了後、ガスを
排気して、10-6Torrまで高真空引きした。比較サ
ンプルとして同等の薄膜トランジスタ上に、周波数はf
=13.56MHz、高周波電力30mW/cm2 のパ
ッシベーション膜を付けたサンプルも用意した。このよ
うに作成した薄膜トランジスタの内代表的なf=80M
Hzでパッシベーション膜を成膜した時の特性を図33
(c)に示す。図中(b)は従来の方法で作成した場合
である。図中(a)はパッシベーション膜なしの初期特
性である。従来はプラズマ中のイオンによるダメージの
ためスレショールド電圧が、パッシベーション膜を付け
ることにより初期状態より正にシフトしていたが、本発
明のパッシベーション膜では、そのシフトをかなり低減
することができた。またこのVthシフトの印加高周波数
依存を図34(e)に示す。f=30MHzあたりから
上記の効果が現われているのが分かる。この実験結果よ
り、f=30MHzあたりから印加高周波数を上げるこ
とにより、基板入射イオンが低減し、成膜時のイオンダ
メージも低減されているものと思われる。 [実施例2]次に本願第3の発明に係る第2の実施例に
ついて説明する。Next, a passivation film 147 was deposited on the substrate which has been subjected to these steps by the manufacturing method according to the present invention. First, the substrate was mounted on the anode electrode in the chamber 400 again, and the exhaust pumps 408 and 409 evacuated it to 10 −6 Torr. Substrate temperature is 200 ℃
Then, SiH 4 gas was flowed at 3 sccm, H 2 gas was flowed at 30 sccm, nitrogen gas was flowed at 60 sccm, the chamber internal pressure was 0.2 Torr, and the temperature was kept for 30 minutes to wait until the substrate temperature became stable. Then, turn on high frequency power and adjust the matching device to start discharge.
A film was formed by discharging for a required time. At this time, the frequency is f =
I touched some points around 80MHz. After the discharge was completed, the gas was exhausted and a high vacuum was drawn up to 10 −6 Torr. As a comparative sample, the frequency is f
A sample having a passivation film of = 13.56 MHz and high frequency power of 30 mW / cm 2 was also prepared. The typical f of the thin film transistors prepared in this way is 80M
FIG. 33 shows the characteristics when the passivation film is formed at Hz.
It shows in (c). In the figure, (b) shows the case of the conventional method. In the figure, (a) shows initial characteristics without a passivation film. Conventionally, the threshold voltage was positively shifted from the initial state by attaching a passivation film due to damage by ions in plasma, but with the passivation film of the present invention, the shift can be considerably reduced. .. The applied high frequency dependency of this V th shift is shown in FIG. It can be seen that the above effect appears from around f = 30 MHz. From this experimental result, it is considered that by increasing the applied high frequency from around f = 30 MHz, the ions incident on the substrate are reduced and the ion damage during film formation is also reduced. [Second Embodiment] Next, a second embodiment according to the third invention of the present application will be described.
【0133】フッ化シリコンと水素ガスと窒素ガスの混
合ガスを利用して本発明に成る製造方法で非晶質窒化シ
リコン膜を作成した。An amorphous silicon nitride film was formed by the manufacturing method according to the present invention using a mixed gas of silicon fluoride, hydrogen gas and nitrogen gas.
【0134】先ずこのときのプラズマの様子を示す。図
27にSiF* ラジカルの発光強度の周波数依存性を示
す。印加高周波数を上げることにより、発光強度も上昇
していることが分かる。これはシランガスの場合と同様
にプラズマ中の電子密度が大きくなり、分解効率が上が
ったためと思われる。図28にSiF* ラジカルの発光
強度の印加電力依存性を示す。印加電力を上げるに従
い、発光強度も上昇していることが分かる。本実施例で
の印加高周波数は13.56MHzから150MHzと
した。First, the state of plasma at this time will be shown. FIG. 27 shows the frequency dependence of the emission intensity of SiF * radicals. It can be seen that the emission intensity is also increased by increasing the applied high frequency. It is considered that this is because the electron density in the plasma increased as in the case of silane gas and the decomposition efficiency increased. FIG. 28 shows the applied power dependence of the emission intensity of SiF * radicals. It can be seen that the emission intensity increases as the applied power increases. The applied high frequency in this example was set from 13.56 MHz to 150 MHz.
【0135】これらのプラズマ状態を示す条件でサンプ
ルを作成した。ガラス基板を図24のチャンバー内のア
ノード電極に取り付け、排気ポンプ408,409で1
0-6Torr以下に排気した。基板温度を350℃に設
定した後、バルブ414,424を開けてフッ化シリコ
ンガス3sccm、バルブ411,421を開けてH2
ガスを40sccm、窒素ガス120sccmを流し、
30分保持した。然るのちに高周波電力を投入し、整合
器を調整することでプラズマ放電を開始し、成膜した。
全てのサンプルでその膜厚は1μm程度とした。Samples were prepared under the conditions showing these plasma states. The glass substrate is attached to the anode electrode in the chamber of FIG. 24, and the exhaust pumps 408 and 409
It was exhausted to below 0 -6 Torr. After setting the substrate temperature to 350 ° C., the valves 414 and 424 are opened to make the silicon fluoride gas 3 sccm, and the valves 411 and 421 are opened to make H 2
Gas is flowed at 40 sccm and nitrogen gas at 120 sccm,
Hold for 30 minutes. After that, high-frequency power was applied and the matching device was adjusted to start plasma discharge and form a film.
The film thickness of all samples was about 1 μm.
【0136】図29(b)に成膜速度Rの印加周波数f
依存を示す。上記プラズマ発光で見たように、ガスは印
加高周波数を上げることで十分分解され、従来よりも高
い成膜速度を実現できた。The applied frequency f of the film formation rate R is shown in FIG.
Indicates dependency. As seen from the above plasma emission, the gas was sufficiently decomposed by increasing the applied high frequency, and it was possible to realize a higher film formation rate than before.
【0137】ここで作成した膜を使って、薄膜トランジ
スタのゲート絶縁膜として利用し評価した。このときの
単膜特性は表1に示す。基本的にデバイス作成工程は実
施例1中の工程と同じなので省略する。f=80MHz
で窒化シリコン膜を成膜した場合のデバイス特性を図3
0(b)に示す。図31(c)にON動作を100時間
維持したときのスレショールド電圧Vthの変化を示す。
図32(c)に熱処理をかけたときのスレショールド電
圧Vthの変化を示す。図中は従来のデバイスのデータで
ある。基本特性は従来のものと同様に良好なものが得ら
れた。またON動作によるVthシフトは低減された。こ
れは膜中の不純物が減少し、これに伴う欠陥や、成膜時
のプラズマダメージによる欠陥が減少し、全体的にキャ
リアの捕獲準位が低減され、これにトラップされる電子
が少なくなったためと思われる。本実施例でのデバイス
は膜中水素が抑えられている分、熱による水素の拡散が
起こりにくく、熱処理による負側へのVthシフトが小さ
かった。またこのON動作によるVthシフトの印加高周
波数依存を図34(b)に、熱によるVthシフトの印加
高周波数依存を図34(d)に示す。f=30MHzあ
たりから上記の効果が現われているのが分かる。この実
験結果より、f=30MHzあたりから印加高周波数を
上げることにより、基板入射イオンが低減し、成膜時の
イオンダメージも低減されているものと思われる。The film formed here was used as a gate insulating film of a thin film transistor and evaluated. The single film characteristics at this time are shown in Table 1. Since the device manufacturing process is basically the same as the process in the first embodiment, it will be omitted. f = 80MHz
Figure 3 shows the device characteristics when a silicon nitride film is formed by
It is shown in 0 (b). FIG. 31C shows a change in the threshold voltage V th when the ON operation is maintained for 100 hours.
FIG. 32C shows changes in the threshold voltage V th when heat treatment is applied. In the figure, data of a conventional device is shown. The basic characteristics were as good as the conventional ones. Also, the V th shift due to the ON operation was reduced. This is because the impurities in the film are reduced, the defects associated therewith and the defects due to plasma damage at the time of film formation are reduced, the trap levels of carriers are reduced overall, and the number of electrons trapped in them is reduced. I think that the. In the device of this example, since hydrogen in the film was suppressed, diffusion of hydrogen due to heat did not easily occur, and the V th shift to the negative side due to heat treatment was small. Further, FIG. 34B shows the applied high frequency dependency of V th shift due to this ON operation, and FIG. 34D shows the applied high frequency dependency of V th shift due to heat. It can be seen that the above effect appears from around f = 30 MHz. From this experimental result, it is considered that by increasing the applied high frequency from around f = 30 MHz, the ions incident on the substrate are reduced and the ion damage during film formation is also reduced.
【0138】次に本願第4の発明について説明する。Next, the fourth invention of the present application will be described.
【0139】まず本発明の実施例の前提とする電極間距
離について述べる。First, the inter-electrode distance, which is the premise of the embodiment of the present invention, will be described.
【0140】既に図2を用いて説明したように、ある電
極間距離dに対して周波数が大きいと分布が大きくな
る。これは大面積化に対して大きな問題となる。そこで
本発明者らは、種々の成膜パラメーターに対して、改良
を試みたところ、電極間距離が膜厚分布に影響を与えて
いることを見出し、さらに電極間距離を大きくすること
により、分布が小さくなることを見出した。本発明の種
々の条件下で基板内の膜厚分布T(%)が10%に納ま
る条件下で、その関係を求めたところ、d=2cmでは
分布が著しく大きく、使用できる範囲ではなく、dが3
cmより大きいところでは、f/d<30を満たすdで
あれば、おおむね良好な分布を得ることができることが
判明した。As already described with reference to FIG. 2, the distribution becomes large when the frequency is large for a certain inter-electrode distance d. This becomes a big problem for increasing the area. Therefore, the inventors of the present invention tried to improve various film forming parameters, found that the inter-electrode distance had an influence on the film thickness distribution, and by further increasing the inter-electrode distance, the distribution It was found that Under various conditions of the present invention, the relationship was obtained under the condition that the film thickness distribution T (%) in the substrate was within 10%. When d = 2 cm, the distribution was remarkably large, and it was not within the usable range. Is 3
It has been found that a good distribution can be obtained at a value larger than cm if d satisfies f / d <30.
【0141】また図3の種々の条件下での電極間距離と
膜中の欠陥準位密度の関係図に示されるように、電極間
距離が4cmを超えると欠陥の密度は漸次減少している
のがわかるが、電極間距離が4cmより小さくなると急
激に増加しているのが分かる。電極間距離は好適には4
cm以上が望ましいことが分かる。そこで本実施例では
電極間距離を4cmとして検討を行った。Further, as shown in the relationship diagram between the electrode distance under various conditions and the defect level density in the film in FIG. 3, the defect density gradually decreases when the electrode distance exceeds 4 cm. It can be seen that, when the distance between the electrodes becomes smaller than 4 cm, it rapidly increases. The distance between the electrodes is preferably 4
It can be seen that cm or more is desirable. Therefore, in this example, the distance between the electrodes was set to 4 cm.
【0142】図37に本実施例に用いた製造装置を示
す。基本構造としては、従来の平行平板型のプラズマC
VD装置と同様である。FIG. 37 shows a manufacturing apparatus used in this embodiment. As a basic structure, a conventional parallel plate type plasma C
It is similar to the VD device.
【0143】同図に示すように、500は真空チャンバ
ー、501はアノード電極、502は基板、503はカ
ソード電極である。アノード電極501はアースされて
いる。504は整合器、505は高周波電源である。5
07はゲートバルブ、508はターボ分子ポンプ、50
9はロータリーポンプである。As shown in the figure, 500 is a vacuum chamber, 501 is an anode electrode, 502 is a substrate, and 503 is a cathode electrode. The anode electrode 501 is grounded. Reference numeral 504 is a matching unit, and 505 is a high frequency power source. 5
07 is a gate valve, 508 is a turbo molecular pump, 50
9 is a rotary pump.
【0144】先ず、SiH4 −NH3 系混合ガスを必要
に応じてH2 で希釈して真空チャンバー500内へ導入
する。本実施例ではSiH4 を10sccm、NH3 を
200sccm、H2 を100sccmそれぞれマスフ
ローコントローラー515,516,517を用いて導
入し、圧力を0.2Torrに維持した。高周波電源の
周波数fを13.56MHzから150MHzまで変化
させた。この時、成膜には投入電力は10mW/cm2
以上あれば十分であるが、本実施例では分布等を考慮し
て30mW/cm2 とした。First, the SiH 4 —NH 3 mixed gas is diluted with H 2 if necessary and introduced into the vacuum chamber 500. In this example, SiH 4 was introduced at 10 sccm, NH 3 was introduced at 200 sccm, and H 2 was introduced at 100 sccm using mass flow controllers 515, 516 and 517, respectively, and the pressure was maintained at 0.2 Torr. The frequency f of the high frequency power source was changed from 13.56 MHz to 150 MHz. At this time, the applied power is 10 mW / cm 2 for film formation.
The above is sufficient, but in this example, it was set to 30 mW / cm 2 in consideration of distribution and the like.
【0145】電源周波数fと成膜速度DRとの関係を図
38に示した。同図は基板温度TS350℃でのもので
ある。成膜速度は基板温度に依存しないが、周波数に対
してピークを持っている。その理由は、放電周波数の増
加に従い、原料ガスの分解が促進され、一旦成膜速度は
増加するが、更に周波数を増加すると、原料ガス及び前
駆体が過分解し始めるため成膜速度が低下するためであ
ると推定している。次に、各成膜温度における電源周波
数fと膜内水素量CH を図39に示した。また、各基板
温度350℃,250℃,150℃におけるそれぞれの
膜内水素量と応力との関係を図40、図41、図42に
示した。同図より、若干圧縮応力(具体的には本発明で
は最適値として1×109 dyn/cm2 以上4×10
9 dyn/cm2 以下である)を示すには、従来の高品
質膜を実現する基板温度250℃以上350℃以下で
は、高周波電源の周波数を30MHHz以上120MH
z以下にすることにより、実現できる。FIG. 38 shows the relationship between the power supply frequency f and the film formation rate DR. In the figure, the substrate temperature T S is 350 ° C. The deposition rate does not depend on the substrate temperature, but has a peak with respect to frequency. The reason is that the decomposition of the raw material gas is promoted as the discharge frequency increases, and the film forming rate increases once. However, when the frequency further increases, the raw material gas and the precursor start to overdecompose, and the film forming rate decreases. It is presumed to be because. Next, FIG. 39 shows the power supply frequency f and the in-film hydrogen amount C H at each film forming temperature. The relationships between the amount of hydrogen in the film and the stress at the respective substrate temperatures of 350 ° C., 250 ° C. and 150 ° C. are shown in FIGS. 40, 41 and 42. From the figure, a slight compressive stress (specifically, 1 × 10 9 dyn / cm 2 or more and 4 × 10 5
9 dyn / cm 2 or less) indicates that the frequency of the high frequency power supply is 30 MHz to 120 MH at a substrate temperature of 250 ° C. to 350 ° C. that realizes a conventional high quality film.
It can be realized by setting z or less.
【0146】次に、周波数と膜内スピン密度との関係を
図43に示す。同図は基板温度350℃での周波数依存
を示したものであるが、150℃以上であれば同様な傾
向を示した。即ち、周波数fが30MHz未満の低い領
域では、基板に入射するイオンダメージが大きく、欠陥
の多い膜となると推定している。既に述べた様に、基板
位置に質量分析計を設置し、ここに飛び込んでくるイオ
ンの入射エネルギーと入射量の分布を求めた図22がそ
の根拠の一例となる。これはデータ解析を容易にするた
めにアルゴンガスを用いたものである。これにより明ら
かな様に、13.56MHzでのRF放電では高エネル
ギー成分が基板へ入射している。又、周波数fが120
MHz超える領域においても、膜質が低下する。その理
由としては、高周波放電に移行するに従い、原料ガス及
び前駆体が過分解されたためと推定している。更に、こ
の領域は、大面積化を考えた場合、膜厚・膜質分布の問
題などの問題がでてくる。Next, FIG. 43 shows the relationship between the frequency and the spin density in the film. The figure shows the frequency dependence at a substrate temperature of 350 ° C., but the same tendency was shown at 150 ° C. or higher. That is, it is presumed that in a low region where the frequency f is less than 30 MHz, the damage to the ions incident on the substrate is large and the film has many defects. As described above, FIG. 22 in which the mass spectrometer is installed at the substrate position and the distribution of the incident energy and the incident amount of the ions that jump in here is obtained is one example of the basis. This uses argon gas to facilitate data analysis. As is clear from this, in the RF discharge at 13.56 MHz, high energy components are incident on the substrate. Also, the frequency f is 120
The film quality also deteriorates in the region above MHz. It is presumed that the reason is that the raw material gas and the precursor were overdecomposed as the high-frequency discharge was transferred. Further, in consideration of increasing the area of this region, problems such as a film thickness / film quality distribution problem arise.
【0147】これらの結果により、周波数は30MHz
以上120MHz以下の範囲であれば、応力を若干圧縮
側で、且つ、N/Si比、光学バンドギャップ、スピン
密度など損わず高品質で、且つ、生産性の高いSiNX
薄膜が作成できる。From these results, the frequency is 30 MHz.
It is in the range of less than 120 MHz, a stress slightly compressed side, and, N / Si ratio, optical band gap, high quality without adversely affecting spin density, and high productivity SiN X
A thin film can be created.
【0148】次に、この様な成膜方法により製造された
SiNX 薄膜を用いた電界効果型トランジスタの実施例
について述べる。Next, an example of a field effect transistor using a SiN x thin film manufactured by such a film forming method will be described.
【0149】図44は逆スタガー型TFTの断面図であ
る。FIG. 44 is a sectional view of an inverted stagger type TFT.
【0150】絶縁性基板31上にゲート電極32が形成
されており、更にその上に、絶縁層33と半導体層34
が積層されている。半導体層34上には、オーミックコ
ンタクト層35を介してソース・ドレイン電極36が形
成されている。そして、保護膜37により被膜されてい
る。次に、このTFTの作製方法を図45(a)〜
(d)を用いて記す。A gate electrode 32 is formed on an insulating substrate 31, and an insulating layer 33 and a semiconductor layer 34 are further formed on the gate electrode 32.
Are stacked. Source / drain electrodes 36 are formed on the semiconductor layer 34 via an ohmic contact layer 35. Then, it is covered with a protective film 37. Next, a method of manufacturing this TFT will be described with reference to FIG.
This is described using (d).
【0151】第1に、図45(a)の様に、コーニング
製7059ガラス基板41にスパッタリング装置によ
り、Cr薄膜(約1000Å)を形成し、パターニング
してゲート電極42を形成する。First, as shown in FIG. 45A, a Cr thin film (about 1000 Å) is formed on a Corning 7059 glass substrate 41 by a sputtering device and patterned to form a gate electrode 42.
【0152】その後、プラズマCVD装置により、ゲー
ト絶縁層43として、窒化シリコン、SiNX (約30
00Å)薄膜を成膜し、次いで、半導体層44として、
ノンドープ非晶質シリコン、i型a−Si(約6000
Å)薄膜、オーミック・コンタクト層45として、リン
ドープ微結晶シリコン、n+ 型μc−Si(約1000
Å)薄膜を同一装置で順次成膜する。After that, as a gate insulating layer 43, silicon nitride, SiN x (about 30
00 Å) A thin film is formed, and then, as the semiconductor layer 44,
Non-doped amorphous silicon, i-type a-Si (about 6000
Å) Thin film, as ohmic contact layer 45, phosphorus-doped microcrystalline silicon, n + -type μc-Si (about 1000)
Å) Thin films are sequentially formed using the same equipment.
【0153】第2に、図45(b)の様に、スパッタリ
ング装置により、Al薄膜(約1μ)を形成し、パター
ニングしてソース・ドレイン電極46を形成する。チャ
ンネル幅Wとチャンネル長LはW/L=100とした。Secondly, as shown in FIG. 45B, an Al thin film (about 1 μm) is formed by a sputtering apparatus and patterned to form source / drain electrodes 46. The channel width W and the channel length L were set to W / L = 100.
【0154】第3に、図45(c)の様に、リアクティ
ブ・イオン・エッチングにより、不要なn+ 型μc−S
i層をエッチングし、ギャップ部48を形成する。Thirdly, as shown in FIG. 45C, unnecessary n + type μc-S is formed by reactive ion etching.
The i layer is etched to form the gap portion 48.
【0155】第4に、図45(d)の様に、更に不要な
SiNX /i型a−Si/n+ 型μc−Si層をアイソ
レーションした後、保護膜47を堆積して、図44の薄
膜トランジスタが作成される。Fourth, as shown in FIG. 45 (d), an unnecessary SiN x / i-type a-Si / n + -type μc-Si layer is further isolated, and then a protective film 47 is deposited. Forty-four thin film transistors are created.
【0156】ここで、本発明のポイントとなるSiNX
薄膜の製造方法について詳細に述べる。Here, SiN x which is the point of the present invention
The thin film manufacturing method will be described in detail.
【0157】上述の第1で述べた様に、a−Si薄膜の
作成は図46に示した様な平行平板型プラズマCVD装
置により行われる。同図はSiNX 薄膜の成膜室であ
り、SiNX /i型a−Si/n+ 型μc−Si層を連
続成膜するための機構、及び、その他成膜室は不図示で
ある。同図において、600は真空チャンバーであり、
601は基板、602はアノード電極、603はカソー
ド電極、604は基板加熱用ヒーター、605は接地用
端子、606はマッチングボックス、607は高周波電
源、608は排気口、609は排気ポンプ、610は原
料ガス導入口、620,630,640,622,63
2,642はバルブ、621,631,641はマスフ
ローコントローラーを示す。As described in the first section, the a-Si thin film is formed by the parallel plate type plasma CVD apparatus as shown in FIG. This figure shows a SiN x thin film forming chamber, and a mechanism for continuously forming a SiN x / i-type a-Si / n + -type μc-Si layer and other film forming chambers are not shown. In the figure, 600 is a vacuum chamber,
601 is a substrate, 602 is an anode electrode, 603 is a cathode electrode, 604 is a substrate heating heater, 605 is a grounding terminal, 606 is a matching box, 607 is a high frequency power source, 608 is an exhaust port, 609 is an exhaust pump, and 610 is a raw material. Gas inlet, 620, 630, 640, 622, 63
2, 642 are valves, and 621, 631, 641 are mass flow controllers.
【0158】前室の不図示のロード室にて予備加熱され
た後、基板が搬入され、同チャンバーが1×10-6To
rr以下になるまで真空引きする。次に、原料ガスSi
H4,NH3 ,H2 をマスフローコントローラー62
1,631,641により10,200,100scc
m供給し、圧力を0.2Torrに維持し、基板加熱ヒ
ーター604を設定して、基板温度が350℃になるま
で保持した後、高周波電源607より、周波数を80M
Hz、電力30mW/cm2 を投入して、SiNX 膜を
3000Å成膜する。成膜後、同チャンバーを同様に1
×10-6Torr以下まで真空引きする。次に、不図示
の次室のi型a−Si成膜室へ移動する。After being preheated in a load chamber (not shown) in the front chamber, the substrate was loaded and the chamber was heated to 1 × 10 −6 To.
Evacuate to rr or less. Next, the source gas Si
Mass flow controller 62 for H 4 , NH 3 , and H 2
1,631,641, 10,200,100scc
m, the pressure is maintained at 0.2 Torr, the substrate heating heater 604 is set and held until the substrate temperature reaches 350 ° C., and then the frequency is set to 80 M from the high frequency power source 607.
Hz and power of 30 mW / cm 2 are applied to deposit a SiN x film of 3000 Å. After film formation, the same chamber is also set to 1
Evacuate to less than × 10 -6 Torr. Next, it is moved to the i-type a-Si film forming chamber in the next chamber (not shown).
【0159】この様にして薄膜トランジスタを作製する
ことができる。本発明の一実施例として80MHzの高
周波放電を例にとった。各周波数fにより成膜したSi
NX薄膜を用いたTFTの電界移動度μ(cm2 /Vs
ec)を、その薄膜の応力に対してまとめると図47の
様になる。従来の13.56MHzを用いた場合に比べ
て、電界移動度μは周波数f=80MHzで最大とな
り、約2倍の向上が認められた。従来の13.56MH
zのRFプラズマCVD法により作成したSiNX 薄膜
での電界移動度をNH3 、N2 をそれぞれ黒の○△プロ
ットで表した。Thus, a thin film transistor can be manufactured. As an example of the present invention, a high frequency discharge of 80 MHz was taken as an example. Si deposited at each frequency f
Electric field mobility of TFT using N x thin film μ (cm 2 / Vs
ec) is summarized with respect to the stress of the thin film as shown in FIG. Compared with the conventional case of using 13.56 MHz, the electric field mobility μ becomes maximum at the frequency f = 80 MHz, and an improvement of about twice was confirmed. Conventional 13.56MH
The electric field mobilities of the SiN x thin film formed by the RF plasma CVD method of z are represented by black and white plots of NH 3 and N 2 , respectively.
【0160】すなわち、周波数は30MHz以上120
MHz以下、望ましくは50MHz以上100MHz以
下において電界移動度が向上する。That is, the frequency is 30 MHz or more and 120
The electric field mobility is improved at MHz or less, preferably 50 MHz or more and 100 MHz or less.
【0161】また、従来の13.56MHzと80MH
zで作成された、このTFTの安定性について比較し
た。図48にON状態を100時間まで維持した場合の
閾値電圧の変化を示した。信頼性も向上していることが
解る。In addition, the conventional 13.56 MHz and 80 MH
The stability of this TFT made with z was compared. FIG. 48 shows the change in the threshold voltage when the ON state is maintained for 100 hours. It can be seen that the reliability is also improved.
【0162】次に、本願第5の発明について説明する。Next, the fifth invention of the present application will be described.
【0163】図49に本実施例に用いた製造装置を示
す。基本的構造としては従来の平行平板型のプラズマC
VD装置と同様である。FIG. 49 shows a manufacturing apparatus used in this embodiment. As a basic structure, a conventional parallel plate type plasma C is used.
It is similar to the VD device.
【0164】同図において、700は真空チャンバー、
701はアノード電極、702は基板、703はカソー
ド電極である。アノード電極701は706でアースさ
れている。704は整合器、705は高周波電源であ
る。707はゲートバルブ、708はターボ分子ポン
プ、709はロータリーポンプである。また、710,
718はシランガスラインバルブ、711,719は水
素ガスラインバルブ、712,720はホスフィンガス
ラインバルブ、713,721はジボランガスラインバ
ルブ、714〜717はマスフローメータである。In the figure, 700 is a vacuum chamber,
Reference numeral 701 is an anode electrode, 702 is a substrate, and 703 is a cathode electrode. The anode electrode 701 is grounded at 706. Reference numeral 704 is a matching unit, and 705 is a high frequency power source. Reference numeral 707 is a gate valve, 708 is a turbo molecular pump, and 709 is a rotary pump. Also, 710,
718 is a silane gas line valve, 711 and 719 are hydrogen gas line valves, 712 and 720 are phosphine gas line valves, 713 and 721 are diborane gas line valves, and 714 to 717 are mass flow meters.
【0165】なお、高周波の印加のしかたと取り扱いに
注意すれば、本実施例におけるような平行平板型ばかり
でなく、感光体ドラムの製造に使われている、カルーセ
ル電極型においても、本実施例は適用できる。In addition to the parallel plate type as in the present embodiment, the carousel electrode type used in the manufacture of the photoconductor drum is not limited to this embodiment, if attention is paid to the way of applying the high frequency and the handling. Is applicable.
【0166】まず本実施例になる製造方法の原理を述べ
る。図50にSiH* ラジカル(414nm)の発光強
度[SiH* ]と、水素ラジカルの発光強度[H* ]
(656nm)の印加高周波数f依存を示す。図51に
成膜速度Rの印加高周波数f依存を示す。図52、53
にSiH* ラジカルの発光強度[SiH* ]と、水素ラ
ジカルの発光強度[H* ]の印加高周波電力Pw依存を
示す。このときの条件はSiH4 3sccm、水素15
0sccm、圧力0.5Torrである。First, the principle of the manufacturing method according to this embodiment will be described. FIG. 50 shows the emission intensity [SiH * ] of SiH * radical (414 nm) and the emission intensity [H * ] of hydrogen radical.
The applied high frequency f dependence of (656 nm) is shown. FIG. 51 shows the dependency of the deposition rate R on the applied high frequency f. 52 and 53
Shows the emission intensity of SiH * radicals [SiH *], the high frequency power applied Pw dependency of the emission intensity of hydrogen radicals [H *] to. The conditions at this time are SiH 4 3sccm, hydrogen 15
The pressure is 0 sccm and the pressure is 0.5 Torr.
【0167】図50より印加高周波数fを大きくする
と、f=30MHzあたりからプラズマ中のSiH* ラ
ジカル、水素ラジカルは、それに応じて増加し始める。
しかしながら、f=80MHzあたりで極大値を持ち、
それ以後は減少傾向にあり120MHzを超えると急激
に減少し始めていることが分かる。シランガスや水素ガ
スの分解率はプラズマ中の電子密度ne に依存するの
で、分解によって生じるSiH* ラジカルやH* ラジカ
ルも電子密度ne に依存する。よってプラズマ中の電子
密度ne が印加高周波数f依存を示し、それに応じてラ
ジカルの発光強度が、図50のような依存を示している
ものと思われる。As shown in FIG. 50, when the applied high frequency f is increased, the SiH * radicals and hydrogen radicals in the plasma start to increase accordingly around f = 30 MHz.
However, it has a maximum value around f = 80 MHz,
It can be seen that after that, there is a decreasing tendency, and when it exceeds 120 MHz, it begins to decrease sharply. Since the decomposition rate of the silane gas and the hydrogen gas depends on the electron density n e in the plasma, SiH * radicals or H * radicals generated by the decomposition also depends on the electron density n e. Therefore the electron density n e in the plasma indicates an applied high frequency f-dependent, the light emission intensity of the radical accordingly, is believed to show the dependence as FIG. 50.
【0168】図51より成膜速度Rも印加高周波数fを
大きくするに従い増加し、f=80MHzあたりで極大
を持っている。しかしながら100MHzを超える領域
では基板上の膜厚分布が大きくなり、またポリシランが
できやすくなり、これがゴミとなってピンホールが生じ
安くなった。また膜特性も均一に良好なものは得られな
かった。よって好適には30MHzから100MHzの
周波数帯で本発明の効果が十分に発揮できる。一般にシ
ランガス中での成膜速度は[SiH* ]に比例してお
り、図51での傾向は図50での[SiH* ]の傾向に
依存しているものと思われる。From FIG. 51, the film formation rate R also increases as the applied high frequency f increases, and has a maximum around f = 80 MHz. However, in the region over 100 MHz, the film thickness distribution on the substrate becomes large, and polysilane is easily formed, which becomes dust and pinholes are made cheaper. Further, it was not possible to obtain a film having uniformly good film characteristics. Therefore, preferably, the effects of the present invention can be sufficiently exerted in the frequency band of 30 MHz to 100 MHz. Generally, the film formation rate in silane gas is proportional to [SiH * ], and the tendency in FIG. 51 seems to depend on the tendency of [SiH * ] in FIG.
【0169】図52、53より印加高周波電力を増す
と、[SiH* ]、[H* ]も、ともに増加するが、
[SiH* ]に比べて、[H* ]の方が依存が大きい。52 and 53, when the applied high frequency power is increased, both [SiH * ] and [H * ] are increased,
[H * ] is more dependent than [SiH * ].
【0170】一般に微結晶シリコン作成する場合、いく
つかの条件がある。まずプラズマ中の[H* ]と成膜速
度Rとの間に[H* ]/R>a(aはある定数)の関係
が成立する必要がある。これは成膜表面を覆う水素があ
る一定量以上ないと結晶化しにくいことを示している。
またシランガスを用いるプラズマにおいては、成膜速度
Rは[SiH* ]に比例するので、この条件は[H* ]
/[SiH* ]>a′とも書き換えることができる。本
発明の実際の条件下ではこの値がa′=1であった。通
常の系では水素ガスの希釈率を上げ、この比率を稼いで
いる。Generally, there are some conditions for producing microcrystalline silicon. First, the relationship [H * ] / R> a (a is a constant) must be established between [H * ] in plasma and the film formation rate R. This indicates that it is difficult to crystallize unless there is a certain amount of hydrogen covering the film formation surface.
Further, in plasma using silane gas, the film formation rate R is proportional to [SiH * ], so this condition is [H * ]
It can be rewritten as / [SiH * ]> a '. Under the actual conditions of the invention, this value was a '= 1. In a normal system, the dilution ratio of hydrogen gas is increased to earn this ratio.
【0171】しかしながらそうすることにより、シラン
ガスの分圧が低下し、成膜速度が極端に落ちていた。そ
こで本発明のように、印加高周波数を上げることで、ガ
スの分解効率を上げ、成膜速度の低下を防ぐことができ
る。さらにより高い成膜速度を実現することができ、成
膜時間の短縮化を図ることもできる。これが本発明の第
1の効果である。However, by doing so, the partial pressure of the silane gas was lowered, and the film formation rate was extremely reduced. Therefore, by increasing the applied high frequency as in the present invention, it is possible to increase the gas decomposition efficiency and prevent the film formation rate from decreasing. Further, it is possible to realize a higher film forming rate and shorten the film forming time. This is the first effect of the present invention.
【0172】図52、53において[H* ]/[SiH
* ]=1となる点Pに注目すると、P点は印加高周波数
fを上げるに従い、左上に移動していく。この点での印
加電力Pwと印加高周波数fは、およそPw=k/f
(Pw:W/cm2 、f:MHz)の関係で変化する。
この点ばかりでなく、[H* ]/[SiH* ]=a′を
満たす点も同様の変化を示す。つまりある一定比率以上
の[H* ]/[SiH*]比をある印加高周波数fで実
現するためには、印加高周波電力の加減が存在すること
になる。52 and 53, [H * ] / [SiH
Paying attention to the point P where * ] = 1, the point P moves to the upper left as the applied high frequency f is increased. The applied power Pw and the applied high frequency f at this point are approximately Pw = k / f
(Pw: W / cm 2 , f: MHz).
Not only this point, but also the point where [H * ] / [SiH * ] = a ′ is satisfied shows the same change. That is, in order to realize the [H * ] / [SiH * ] ratio above a certain fixed ratio at a certain applied high frequency f, the applied high frequency power must be adjusted.
【0173】これを今回種々の条件下で求めたところ、
図54に示されたようなk=1の曲線を下限として、好
適には、境界領域を若干外れたk=10として図の斜線
で示された領域が本発明の実現できる領域であることが
判明した。この点が本発明の第2の効果である。つまり
印加高周波数を高くすることで、微結晶シリコンを作成
する条件を崩さずに、より広い印加高周波電力範囲で層
所望の膜が得られるということである。これは装置を大
型化し、大面積で成膜を行う場合など特に効果的であっ
た。つまり装置の大型の割に、高周波電源は小型化を図
ることができ、装置コストの低減を図ることができた。
また膜の特性への影響から言っても、印加電力の少ない
領域で作成することができれば、プラズマ中のイオンの
総体的なエネルギーは減少するので、膜表面に入射する
イオンによるダメージを低減することができ、良好な膜
特性を有した膜を作成することができる。When this is obtained under various conditions this time,
The lower limit is the curve of k = 1 as shown in FIG. 54, and preferably, the region indicated by the slanted lines in the figure as k = 10, which is slightly outside the boundary region, is the region in which the present invention can be realized. found. This point is the second effect of the present invention. That is, by increasing the applied high frequency, the desired film can be obtained in a wider applied high frequency power range without deteriorating the conditions for producing microcrystalline silicon. This was particularly effective when the apparatus was enlarged and film formation was performed on a large area. That is, the high frequency power source can be downsized despite the large size of the device, and the device cost can be reduced.
In addition, even if it affects the characteristics of the film, if it can be created in a region where the applied power is small, the total energy of the ions in the plasma will be reduced, so the damage caused by the ions incident on the film surface should be reduced. It is possible to produce a film having good film characteristics.
【0174】またイオンのダメージを減らすという観点
から、プラズマ中のイオンの動きに注目してみる。一般
に高周波プラズマ中のイオンは、プラズマ中の高周波に
よる振動する電界に従い、プラズマ中を振動している。
この様子を式に表わせば以下のようになる。ここでAは
イオンの振動する振幅である。Further, from the viewpoint of reducing the damage of ions, pay attention to the movement of ions in plasma. Generally, the ions in the high frequency plasma oscillate in the plasma according to the oscillating electric field due to the high frequency in the plasma.
This situation can be expressed in an equation as follows. Here, A is the amplitude of oscillation of the ions.
【0175】 A≒V/w V:高周波1周期中の最高速度 w:高周波の角周波数:f=2πw 今考えている成膜装置を平行平板型の装置とし、その電
極間距離をdとする。そうすると d>A という条件が満たされれば、プラズマ中のイオンは基板
上に達することなく、プラズマ中を行き来することにな
る。このような状態を一般に、プラズマ中に捕獲あるい
はトラップされた状態という。この関係式から明らかな
ように、印加高周波数を上げることにより、装置の大き
さにかかわりなく、イオンのトラップされた状態を作り
だすことができる。そうすることにより、基板上に入射
するイオンの量を低減することができた。また後述する
ようにイオンは微結晶生成上悪影響を及ぼすと思われる
ので、単純なイオンダメージばかりでなく、良質な微結
晶を効率良く作成するためにも効果的である。本発明は
このような状態を積極的に活用しようというものであ
る。A≈V / w V: maximum speed in one cycle of high frequency w: angular frequency of high frequency: f = 2πw Let us assume that the film forming apparatus currently being considered is a parallel plate type apparatus, and the distance between electrodes is d. .. Then, if the condition of d> A is satisfied, the ions in the plasma will move back and forth in the plasma without reaching the substrate. Such a state is generally called a state of being trapped or trapped in plasma. As is clear from this relational expression, increasing the applied high frequency makes it possible to create a trapped state of ions regardless of the size of the device. By doing so, the amount of ions incident on the substrate could be reduced. Further, as will be described later, since ions are considered to have an adverse effect on the formation of fine crystals, it is effective not only for simple ion damage but also for efficiently producing fine crystals. The present invention intends to positively utilize such a state.
【0176】既に説明した図22にこの様子を描いてい
る。基板位置に質量分析計を設置し、ここに飛び込んで
くるイオンの入射エネルギーと入射量の分布をもとめ
た。このデータは解析を容易にするためにアルゴンガス
について求めたものである。本発明の反応ガスについて
も本質的には同様な傾向を示す。従来の印加高周波数f
=13.56MHzと本発明になるf=80MHzの条
件では、基板に入射するイオンの入射エネルギーと入射
量が異なっている。f=100MHzの条件での方が明
らかに、平均入射エネルギーは低くなり、入射量は減少
している。This is illustrated in FIG. 22 already described. A mass spectrometer was installed at the substrate position, and the distribution of the incident energy and the incident amount of the ions that jumped in here were determined. This data was obtained for argon gas to facilitate analysis. The reaction gas of the present invention shows essentially the same tendency. Conventional applied high frequency f
= 13.56 MHz and f = 80 MHz according to the present invention, the incident energy and the incident amount of the ions incident on the substrate are different. Obviously, under the condition of f = 100 MHz, the average incident energy becomes lower and the incident amount decreases.
【0177】図2に示されているように、ある電極間距
離dに対して周波数が大きいと分布が大きくなる。これ
は大面積化に対して大きな問題となる。そこで本発明者
らは、種々の成膜パラメーターに対して、改良を試みた
ところ、電極間距離が膜厚分布に影響を与えていること
を見出し、さらに電極間距離を大きくすることにより、
分布が小さくなることを見出した。本発明の種々の条件
下で基板内の膜厚分布T(%)が10%に納まる条件下
で、その関係を求めたところ、d=2cmでは分布が著
しく大きく、使用できる範囲ではなく、dが3cmより
大きいところでは、f/d<30を満たすdであれば、
おおむね良好な分布を得ることができることが判明し
た。As shown in FIG. 2, when the frequency is large for a certain electrode distance d, the distribution becomes large. This becomes a big problem for increasing the area. Therefore, the inventors of the present invention tried to improve various film forming parameters, found that the inter-electrode distance affected the film thickness distribution, and by further increasing the inter-electrode distance,
It was found that the distribution became smaller. Under various conditions of the present invention, the relationship was obtained under the condition that the film thickness distribution T (%) in the substrate was within 10%. When d = 2 cm, the distribution was remarkably large, and it was not within the usable range. Is larger than 3 cm, if d satisfies f / d <30,
It was found that a good distribution can be obtained.
【0178】図3には種々の条件下での電極間距離と膜
中の欠陥準位密度の関係を示す。電極間距離が4cmを
超えると欠陥の密度は漸次減少しているのがわかるが、
電極間距離が4cmより小さくなると急激に増加してい
るのが分かる。電極間距離は好適には4cm以上が望ま
しいことが分かる。そこで本実施例では電極間距離を4
cmとして検討を行った。FIG. 3 shows the relationship between the interelectrode distance and the defect level density in the film under various conditions. It can be seen that the defect density gradually decreases when the distance between the electrodes exceeds 4 cm.
It can be seen that when the distance between the electrodes becomes smaller than 4 cm, it rapidly increases. It can be seen that the distance between the electrodes is preferably 4 cm or more. Therefore, in this embodiment, the distance between the electrodes is set to 4
The examination was conducted in cm.
【0179】以上の実験事実と考察を踏まえ本発明の製
造方法により不純物を含まない微結晶シリコンを作成し
た。Based on the above experimental facts and consideration, microcrystalline silicon containing no impurities was prepared by the manufacturing method of the present invention.
【0180】ガラス基板702をチャンバー700の中
のアノード電極上に取りつけ、排気ポンプ709により
排気し、10-6Torrとした。基板温度を250℃に
設定し、SiH4 ガスを3sccm流し、H2 ガスを1
50sccm流し、チャンバー内圧を0.5Torrに
して、30分の間保持した。然るのちに高周波電力を投
入し、整合器を調整することで放電を開始し、必要な時
間放電し成膜を行った。The glass substrate 702 was mounted on the anode electrode in the chamber 700 and evacuated by the exhaust pump 709 to 10 -6 Torr. The substrate temperature is set to 250 ° C., SiH 4 gas is caused to flow at 3 sccm, and H 2 gas is set to 1
The flow rate was 50 sccm, the internal pressure of the chamber was 0.5 Torr, and the pressure was maintained for 30 minutes. After that, high-frequency power was applied and the matching device was adjusted to start discharge, and discharge was performed for a required time to form a film.
【0181】印加高周波数はf=13.56MHzから
f=150MHzの間を変化させてサンプルを作成し
た。このときの高周波電力は7mW/cm2 から0.1
W/cm2 とした。Samples were prepared by changing the applied high frequency from f = 13.56 MHz to f = 150 MHz. The high frequency power at this time is 7 mW / cm 2 to 0.1
It was set to W / cm 2 .
【0182】X線回折で結晶性を評価したところ、全て
のサンプルで結晶化を起こしていた。この膜にアルミニ
ウムの櫛型電極を蒸着し、室温(25℃)において、暗
導電率と活性化エネルギーを測定した。光学的バンドギ
ャップEgoptもこれらのサンプルを用いて作成した。When the crystallinity was evaluated by X-ray diffraction, crystallization occurred in all the samples. An aluminum comb electrode was vapor-deposited on this film, and dark conductivity and activation energy were measured at room temperature (25 ° C.). An optical bandgap E gopt was also created using these samples.
【0183】図57中の(a)で示した実線でこの条件
でつけた膜の暗導電率の印加高周波数依存を示す。図5
8中の(a)に活性化エネルギーの印加高周波数依存を
示す。図中破線で示したのは、膜にごみが多く特性の再
現性が十分でないものである。これは100MHz、特
に120MHzを超えると、シランガスの過分解が起こ
りやすくなり、ポリシランができやすく、これがごみの
原因と思われる。The solid line shown in FIG. 57 (a) shows the dependence of the dark conductivity of the film applied under this condition on the applied high frequency. Figure 5
8 (a) shows the dependence of activation energy on the applied high frequency. The broken line in the figure indicates that the film has a lot of dust and the reproducibility of the characteristics is not sufficient. When the frequency exceeds 100 MHz, particularly 120 MHz, overdecomposition of silane gas is likely to occur, and polysilane is easily formed, which seems to be the cause of dust.
【0184】図57、58より印加高周波数を上げるに
従い、暗導電率は上昇し、活性化エネルギーは低下して
いることが分かる。これは膜の結晶化にともなう現象で
あり、堆積する膜が結晶化する条件として、基板表面に
入射するイオンの量を低減することが従来指摘されてお
り、この実験結果から印加高周波数をあげることによ
り、プラズマ中のイオンはトラップされた状態にあり、
図22で述べたように、基板に入射するイオンの数とそ
のエネルギーが減少したため、実際結晶化が進んだもの
と考えられる。57 and 58, it can be seen that as the applied high frequency is increased, the dark conductivity is increased and the activation energy is decreased. This is a phenomenon that accompanies crystallization of the film, and it has been previously pointed out that the amount of ions incident on the substrate surface is reduced as a condition for crystallization of the deposited film. From this experimental result, the applied high frequency is raised. As a result, the ions in the plasma are trapped,
As described with reference to FIG. 22, it is considered that the crystallization actually progressed because the number of ions incident on the substrate and the energy thereof decreased.
【0185】また本発明の更なる効果として、初期膜の
改善がある。一般に微結晶シリコンを成膜する場合、5
00Å程の初期膜は微結晶の成長が不十分でかつ欠陥の
多い領域となっていることが分かっている。これは成膜
初期の絶縁基板上は負のバイアスがかかり、これにとも
ない、基板上にイオンが入射し、これが上記のような不
都合を生じさせているものと考えられる。微結晶シリコ
ンは半導体デバイスのブロッキング層やオーミック層と
して用いられることが多く、せいぜいその膜厚は100
0Å程度であることが多く、そうするとこの厚さの半分
ほどが良好な膜質になっていないことになる。A further effect of the present invention is improvement of the initial film. Generally, when depositing microcrystalline silicon, 5
It is known that the initial film of about 00Å is a region where the growth of microcrystals is insufficient and there are many defects. It is considered that this is because a negative bias is applied to the insulating substrate at the initial stage of film formation, and accordingly, ions are incident on the substrate, which causes the above inconvenience. Microcrystalline silicon is often used as a blocking layer or an ohmic layer of a semiconductor device, and its film thickness is 100 at most.
It is often about 0Å, which means that about half of this thickness does not have good film quality.
【0186】こういった初期膜は成膜条件やプロセスの
不安定性から変動を起こし、最終的なデバイス特性の悪
化や不安定性を引き起こすことが分かっている。特に生
産現場でのこういったトラブルは重大である。It has been known that such an initial film causes fluctuations due to film formation conditions and process instability, and finally causes deterioration and instability of device characteristics. Such troubles at the production site are especially serious.
【0187】そこで本発明の製造方法を利用すれば、そ
もそもイオンはプラズマ中にトラップされ、基板上に入
射する量を低減化することができる。よって本発明の方
法による微結晶シリコン初期膜から良好な膜になってい
ることが確認された。 [実施例2]次に本願第5の発明になる製造方法で不純
物を含むn+ 型微結晶シリコン膜を作成した第2実施例
を示す。まずこのときのプラズマの様子を示す。図55
にホスフィンラジカルの発光強度の周波数依存性を示
す。図56にホスフィンラジカルの印加電力依存性を示
す。このときの高周波電力は3mW/cm2 から100
mW/cm2 の間を変化させたサンプルを作成した。ま
た印加高周波数は13.56MHzから150MHzま
で変化させた。Therefore, if the manufacturing method of the present invention is utilized, the amount of ions trapped in the plasma in the first place and incident on the substrate can be reduced. Therefore, it was confirmed that the initial film of microcrystalline silicon obtained by the method of the present invention was a good film. [Embodiment 2] Next, a second embodiment will be described in which an n + type microcrystalline silicon film containing impurities is formed by the manufacturing method according to the fifth invention of the present application. First, the state of plasma at this time is shown. FIG. 55
Shows the frequency dependence of the emission intensity of the phosphine radical. FIG. 56 shows the applied power dependency of the phosphine radical. The high frequency power at this time is 3 mW / cm 2 to 100
Samples with varying mW / cm 2 were prepared. The applied high frequency was changed from 13.56 MHz to 150 MHz.
【0188】ガラス基板702をチャンバー700の中
のアノード電極上に取りつけ、排気ポンプ708,70
9により、10-6Torrまで排気した。次に、基板温
度を250℃に設定した後、バルブ710,718を開
けてSiH4 ガスを3sccm流し、バルブ712,7
20を開けてH2 ガスで100ppmに希釈したPH3
ガス150sccmを流し、チャンバー内圧を0.5T
orrにして、30分の間保持して、基板温度が安定す
るのを待った。然るのちに高周波電力を投入し、整合器
を調整することで放電を開始し、必要な時間放電し成膜
を行った。1μmの膜を成膜した。その後ガスを排気し
て、10-6Torrまで高真空引きした。A glass substrate 702 is mounted on the anode electrode in the chamber 700, and exhaust pumps 708, 70 are attached.
It was evacuated to 10 -6 Torr by 9. Next, after setting the substrate temperature to 250 ° C., the valves 710 and 718 are opened and SiH 4 gas is caused to flow at 3 sccm, and the valves 712 and 7
Open 20 and PH 3 diluted to 100 ppm with H 2 gas
Flow gas 150sccm and set the chamber pressure to 0.5T.
It was set to orr and kept for 30 minutes, and waited for the substrate temperature to stabilize. After that, high-frequency power was applied and the matching device was adjusted to start discharge, and discharge was performed for a required time to form a film. A 1 μm film was formed. After that, the gas was exhausted and a high vacuum was drawn up to 10 −6 Torr.
【0189】X線回折で結晶性を評価したところ、全て
のサンプルで結晶化を起こしていた。この膜にアルミニ
ウムの櫛型電極を蒸着し、室温(25℃)において、暗
導電率と活性化エネルギーを測定した。When the crystallinity was evaluated by X-ray diffraction, crystallization occurred in all the samples. An aluminum comb electrode was vapor-deposited on this film, and dark conductivity and activation energy were measured at room temperature (25 ° C.).
【0190】図57中の(b)にこの条件でつけた膜の
暗導電率の印加高周波数依存を示す。図58中の(b)
に活性化エネルギーの印加高周波数依存を示す。図59
にドーピング効率の印加高周波数依存を示す。図57、
58より印加高周波数を上げるに従い、暗導電率は上昇
し、活性化エネルギーは低下していることが分かる。こ
れは図中の(a)のノンドーピング膜の動きから分かる
ように、ドーピング効率も印加高周波数をあげると、膜
の結晶化が促進され、それにともない、膜中へのリンの
取り込みが盛んに行われているものと思われる。しかも
図59から分かるように、ドーピング効率も印加高周波
数を上げるに従い上昇しているので、これも結晶性の向
上によるものと思われる。FIG. 57B shows the dependence of the dark conductivity of the film formed under these conditions on the applied high frequency. (B) in FIG. 58
Shows the dependence of activation energy on the applied high frequency. FIG. 59.
Shows the dependence of doping efficiency on the applied high frequency. 57,
58, it can be seen that as the applied high frequency is increased, the dark conductivity is increased and the activation energy is decreased. As can be seen from the movement of the non-doping film in (a) in the figure, the crystallization of the film is promoted when the doping efficiency is increased and the high frequency of the doping is also promoted, and accordingly, the incorporation of phosphorus into the film becomes active. It seems that it is being done. Moreover, as can be seen from FIG. 59, the doping efficiency also rises as the applied high frequency is increased, which is also considered to be due to the improvement of the crystallinity.
【0191】次にここで作成した膜の内、印加高周波数
80MHzの膜を、イントリンシックな非晶質シリコン
を光導電膜とした光導電型センサーデバイスのオーミッ
ク層として用い評価した。図60にデバイス構成を示
す。Next, of the films formed here, the film having an applied high frequency of 80 MHz was evaluated by using it as an ohmic layer of a photoconductive type sensor device using intrinsic amorphous silicon as a photoconductive film. FIG. 60 shows the device configuration.
【0192】ガラス基板702を図49に示したチャン
バー700の中のアノード電極上に取りつけ、排気ポン
プ708,709により、10-6Torrまで排気し
た。次に、基板温度を250℃に設定し、SiH4 ガス
を3sccm流し、H2 ガスを30sccm流し、チャ
ンバー内圧を0.5Torrにして、30分の間保持し
て、基板温度が安定するのを待った。然るのちに通常の
13.56MHzの高周波を10mW/cm2 の電力で
投入し、整合器を調整することで放電を開始し、必要な
時間放電し成膜を行った。3.5時間放電して5000
Åのイントリンシックな非晶質シリコンを成膜した。そ
の後ガスを排気して、10-6Torrまで高真空引きし
た。The glass substrate 702 was mounted on the anode electrode in the chamber 700 shown in FIG. 49 and exhausted to 10 -6 Torr by exhaust pumps 708 and 709. Next, the substrate temperature was set to 250 ° C., SiH 4 gas was made to flow at 3 sccm, H 2 gas was made to flow at 30 sccm, the chamber internal pressure was set to 0.5 Torr, and held for 30 minutes to stabilize the substrate temperature. waited. After that, a normal high frequency of 13.56 MHz was applied with a power of 10 mW / cm 2 , and the matching device was adjusted to start discharge, and the discharge was performed for a required time to form a film. Discharge for 3.5 hours and 5000
Å Intrinsic amorphous silicon was deposited. After that, the gas was exhausted and a high vacuum was drawn up to 10 −6 Torr.
【0193】次に、本発明の製造方法でこのイントリン
シック非晶質シリコン上にn+ 型微結晶シリコンを堆積
した。基板をチャンバー700の中のアノード電極上に
保持し、基板温度を250℃に設定したまま、SiH4
ガスを3sccm流し、H2ガスで100ppmに希釈
したホスフィンガスを150sccm流し、チャンバー
内圧を0.5Torrにして、30分の間保持して、基
板温度が安定するのを待った。然るのちに80MHzの
高周波を投入し、整合器を調整することで放電を開始
し、必要な時間放電し1500Åのn+ 型非晶質シリコ
ンを成膜した。その後ガスを排気して、10-6Torr
まで高真空引きした。Next, n + type microcrystalline silicon was deposited on this intrinsic amorphous silicon by the manufacturing method of the present invention. The substrate was held on the anode electrode in the chamber 700, while the substrate temperature was set to 250 ° C., SiH 4
The gas was flowed at 3 sccm, the phosphine gas diluted to 100 ppm with H 2 gas was flowed at 150 sccm, the chamber internal pressure was set to 0.5 Torr, and the temperature was maintained for 30 minutes to wait until the substrate temperature became stable. After that, a high frequency of 80 MHz was applied and the matching device was adjusted to start discharge, and the discharge was performed for a required time to form 1500 Å n + -type amorphous silicon film. After that, the gas is exhausted and 10 -6 Torr
High vacuum was pulled up to.
【0194】次に、この基板を成膜装置から取り出し、
真空蒸着法によりアルミを1μm成膜した。Next, this substrate was taken out from the film forming apparatus,
Aluminum was deposited to a thickness of 1 μm by a vacuum evaporation method.
【0195】然る後、このアルミをパターニングし、電
極とした。After that, this aluminum was patterned to form an electrode.
【0196】最後にこの電極をマスクにして、n+ 型非
晶質シリコンをエッチング除去した。Finally, using this electrode as a mask, the n + type amorphous silicon was removed by etching.
【0197】このように作成したデバイスの暗電流のバ
イアス依存を図61(b)に示す。図62(b)に波長
560(nm)、200(lx)の光源のもとでの光電
流のバイアス依存を示す。図中(a)は従来のデバイス
のデータである。従来は低バイアス時の特に暗電流が非
オーミックな特性を示していた。光電流でも若干同様な
特性を示していた。これはイントリンシック非晶質シリ
コン層とn+ 微結晶シリコン層との接合が良好でないた
めに起こると思われる。しかしながら本発明の方法でn
+ 微結晶シリコン層を作成すると、上記のような非オー
ミック特性は改善された。n+ 微結晶シリコンが改善さ
れたことで、接合が良好に形成され、さらにイオンによ
るイントリック非結晶質シリコン層へのダメージも軽減
され、光電特性も改善された。 [実施例3]次に本願第5の発明に成る製造方法でp+
型微結晶シリコン膜を作成した第3実施例を示す。The bias dependence of the dark current of the device thus manufactured is shown in FIG. 61 (b). FIG. 62B shows the bias dependence of the photocurrent under the light source of wavelength 560 (nm) and 200 (lx). In the figure, (a) is data of a conventional device. Conventionally, the dark current exhibited a non-ohmic characteristic when the bias was low. The photocurrent also showed slightly similar characteristics. This is considered to occur because the junction between the intrinsic amorphous silicon layer and the n + microcrystalline silicon layer is not good. However, according to the method of the present invention, n
+ When the microcrystalline silicon layer was formed, the above non-ohmic characteristics were improved. By improving the n + microcrystalline silicon, a good junction was formed, the damage to the intrick amorphous silicon layer by ions was reduced, and the photoelectric characteristics were also improved. [Embodiment 3] Next, in the manufacturing method according to the fifth invention of the present application, p +
A third embodiment in which a mold type microcrystalline silicon film is formed will be described.
【0198】先ずこのときのプラズマの様子を示す。図
55にボロンラジカルの発光強度の周波数依存性を示
す。通常は発光が見えないボロンラジカルの発光が観測
されており、印加高周波数を上げることにより、発光強
度も上昇していることが分かる。これはシランガスの場
合と同様にプラズマ中の電子密度が大きくなり、分解効
率が上がったためと思われる。図56にボロンラジカル
の発光強度の印加電力依存性を示す。印加電力を上げる
に従い、発光強度も上昇していることが分かる。本実施
例での印加高周波数は13.56MHzから150MH
zとした。First, a state of plasma at this time will be shown. FIG. 55 shows the frequency dependence of the emission intensity of boron radicals. It can be seen that the emission of boron radicals, which normally shows no emission, is observed, and that the emission intensity is also increased by increasing the applied high frequency. It is considered that this is because the electron density in the plasma increased as in the case of silane gas and the decomposition efficiency increased. FIG. 56 shows the applied power dependence of the emission intensity of boron radicals. It can be seen that the emission intensity increases as the applied power increases. The applied high frequency in this embodiment is 13.56 MHz to 150 MH.
z.
【0199】これらのプラズマ状態を示す条件でサンプ
ルを作成した。Samples were prepared under the conditions showing these plasma states.
【0200】図49に示したガラス基板702をチャン
バー内のアノード電極に取り付け、排気ポンプ708、
709で10-6Torr以下に排気した。基板温度を2
00℃に設定した後、バルブ710,718を開けてシ
ランガスを3sccm、バルブ713,721を開けて
H2 ガスで1%に希釈したジボラン150sccmを流
し、30分保持した。然るのちに高周波電力を投入し、
整合器を調整することでプラズマ放電を開始し、成膜し
た。全てのサンプルでその膜厚は1μm程度とした。The glass substrate 702 shown in FIG. 49 is attached to the anode electrode in the chamber, and the exhaust pump 708,
At 709, the gas was exhausted to 10 -6 Torr or less. Substrate temperature is 2
After setting the temperature to 00 ° C., valves 710 and 718 were opened to flow silane gas at 3 sccm, valves 713 and 721 were opened to flow 150 sccm of diborane diluted to 1% with H 2 gas, and held for 30 minutes. Then, turn on high frequency power,
By adjusting the matching device, plasma discharge was started and a film was formed. The film thickness of all samples was about 1 μm.
【0201】X線回折で結晶性を評価したところ、全て
のサンプルで結晶化を起こしていた。この膜にアルミニ
ウムの櫛型電極を蒸着し、室温(25℃)において、暗
導電率と活性化エネルギーを測定した。When the crystallinity was evaluated by X-ray diffraction, crystallization occurred in all the samples. An aluminum comb electrode was vapor-deposited on this film, and dark conductivity and activation energy were measured at room temperature (25 ° C.).
【0202】図57中(c)にこの条件でつけた膜の暗
導電率の印加高周波数依存を示す。図58中(c)に活
性化エネルギーの印加高周波数依存を示す。図59にド
ーピング効率の印加高周波数依存を示す。図57、58
より印加高周波数を上げるに従い、暗導電率は上昇し、
活性化エネルギーは低下していることが分かる。これは
(a)のノンドーピング膜の動きから分かるように、ド
ーピング効率も印加高周波数をあげると、膜の結晶化が
促進され、それにともない、膜中へのボロンの取り込み
が盛んに行われているものと思われる。しかも図59
(b)から分かるように、ドーピング効率も印加高周波
数を上げるに従い上昇しているので、これも結晶性の向
上によるものと思われる。FIG. 57 (c) shows the applied high frequency dependence of the dark conductivity of the film formed under these conditions. FIG. 58C shows the dependence of activation energy on the applied high frequency. FIG. 59 shows the dependence of the doping efficiency on the applied high frequency. 57 and 58
As the applied high frequency is increased, the dark conductivity increases,
It can be seen that the activation energy has decreased. As can be seen from the movement of the non-doped film in (a), when the applied high frequency is also increased in the doping efficiency, crystallization of the film is promoted, and accordingly, boron is actively taken into the film. It seems that there is. Moreover, FIG.
As can be seen from (b), the doping efficiency also rises as the applied high frequency is increased, and it is considered that this is also due to the improvement of the crystallinity.
【0203】次にここで作成した膜の内、印加高周波数
80MHzの膜を使って、PIN型フォトダイオードを
作成しデバイス評価した。図63にデバイス構成を示
す。Next, a PIN type photodiode was prepared using the film having an applied high frequency of 80 MHz among the films prepared here, and the device was evaluated. FIG. 63 shows the device configuration.
【0204】まずこの下電極262を形成した基板26
1上にn+ 型微結晶シリコン263を堆積した。基板を
図49のチャンバー700の中のアノード電極上に保持
し、基板温度を250℃に設定したまま、SiH4 ガス
を3sccm流し、H2 ガスで100ppmに希釈した
ホスフィンガスを150sccm流し、チャンバー内圧
を0.5Torrにして、30分の間保持して、基板温
度が安定するのを待った。然るのちに通常の13.56
MHzの高周波を30mW/cm2 の電力で投入し、整
合器を調整することで放電を開始し、必要な時間放電し
1500Åのn+ 型非晶質シリコンを成膜した。その後
ガスを排気して、10-6Torrまで高真空引きした。First, the substrate 26 on which the lower electrode 262 is formed
N + -type microcrystalline silicon 263 was deposited on the No. 1 substrate. The substrate was held on the anode electrode in the chamber 700 of FIG. 49, SiH 4 gas was flowed at 3 sccm and phosphine gas diluted to 100 ppm with H 2 gas was flowed at 150 sccm while the substrate temperature was set at 250 ° C. Was set to 0.5 Torr and held for 30 minutes to wait for the substrate temperature to stabilize. After that, the usual 13.56
A high frequency of MHz was applied at a power of 30 mW / cm 2 , and electric discharge was started by adjusting the matching device, and the electric discharge was performed for a necessary time to form 1500 Å n + -type amorphous silicon film. After that, the gas was exhausted and a high vacuum was drawn up to 10 −6 Torr.
【0205】次に、基板をチャンバー中に保持し、基板
温度を250℃に設定したまま、SiH4 ガスを3sc
cm流し、H2 ガスで30sccm流し、チャンバー内
圧を0.5Torrにして、30分の間保持して、基板
温度が安定するのを待った。然るのちに通常の13.5
6MHzの高周波を10mW/cm2 の電力で投入し、
整合器を調整することで放電を開始し、必要な時間放電
し成膜を行った。3.5時間放電して5000Åのイン
トリンシックな非晶質シリコン264を成膜した。その
後ガスを排気して、10-6Torrまで高真空引きし
た。Next, the substrate was held in the chamber, and the substrate temperature was set at 250 ° C., while SiH 4 gas was added for 3 sc.
cm flow, 30 sccm flow with H 2 gas, the chamber internal pressure was set to 0.5 Torr, the chamber was kept for 30 minutes, and waited for the substrate temperature to stabilize. After that, the usual 13.5
Input a high frequency of 6 MHz with a power of 10 mW / cm 2 ,
Discharge was started by adjusting the matching unit, and the film was formed by discharging for a required time. Discharged for 3.5 hours to form 5000 Å intrinsic amorphous silicon 264. After that, the gas was exhausted and a high vacuum was drawn up to 10 −6 Torr.
【0206】次に本発明の製造方法でイントリンシック
非晶質シリコン264上にp- 微結晶シリコン層265
を堆積した。基板をチャンバー内のアノード電極に取り
付けたまま、基板温度を200℃に設定した後、バルブ
710,718を開けてシランガス3sccm、バルブ
713,721を開けてH2 ガスで1%に希釈したジボ
ラン150sccmを流し、30分保持した。然るのち
に印加高周波数80MHzで高周波電力を投入し、整合
器を調整することでプラズマ放電を開始し、500Å成
膜した。Next, the p − microcrystalline silicon layer 265 is formed on the intrinsic amorphous silicon 264 by the manufacturing method of the present invention.
Was deposited. After the substrate temperature was set to 200 ° C. with the substrate attached to the anode electrode in the chamber, valves 710 and 718 were opened to make silane gas 3 sccm, and valves 713 and 721 were opened to make diborane 150 sccm diluted to 1% with H 2 gas. And kept for 30 minutes. After that, high-frequency power was applied at an applied high frequency of 80 MHz and the matching device was adjusted to start plasma discharge, thereby forming a 500 Å film.
【0207】次に、この基板を成膜装置から取り出し、
真空蒸着法により透明導電膜266を成膜した。Next, this substrate was taken out from the film forming apparatus,
The transparent conductive film 266 was formed by the vacuum evaporation method.
【0208】図64中(b)にこのデバイスのダイオー
ド特性を示す。図中(a)は従来の製造方法でp+ 微結
晶シリコン層を形成した場合のデータである。逆バイア
ス時の電流がかなり低減できた。また順方向の電流の立
ち上がりも改善できた。これはp- 微結晶シリコン層と
下地のイントリンシック非晶質シリコン層との接合が十
分に形成され、ブロッキング特性が改善されたためと、
イオンによるダメージが低減されたためと思われる。FIG. 64B shows the diode characteristics of this device. In the figure, (a) shows data when the p + microcrystalline silicon layer is formed by the conventional manufacturing method. The current during reverse bias could be reduced considerably. Moreover, the rise of the forward current was also improved. This is because the junction between the p − microcrystalline silicon layer and the underlying intrinsic amorphous silicon layer was sufficiently formed, and the blocking characteristic was improved.
This is probably because the damage caused by ions was reduced.
【0209】これらの実施例ではホスフィン、ジボラン
のみを取り上げて説明したが、その他ドーピングガスと
して、アルシン等を使っても同様な効果を上げることが
できる。In these examples, only phosphine and diborane are taken up for description, but the same effect can be obtained by using arsine or the like as the other doping gas.
【0210】なお、以上説明した各実施例は、本願第1
〜第5の発明の各製造方法を各々実施例した場合につい
てのものであるが、本願第1〜第5の発明を任意に組み
合わせることも可能である。例えば、薄膜トランジスタ
等のゲート絶縁層に本願第3又は第4の発明の製造方法
を用い、i型半導体層に本願第1又は第2の発明の製造
方法を用いることができる。ここで、各層(i型半導体
層、n+ 半導体層、絶縁層等)の全てが本願第1〜第5
の発明の製造方法で形成されることが望ましいことは勿
論である。The respective embodiments described above are the same as the first embodiment of the present invention.
-Although it is about the case where each manufacturing method of the fifth invention is implemented, each of the first to fifth inventions of the present application can be arbitrarily combined. For example, the manufacturing method of the third or fourth invention of the present application can be used for a gate insulating layer of a thin film transistor or the like, and the manufacturing method of the first or second invention of the present application can be used for an i-type semiconductor layer. Here, all of the layers (i-type semiconductor layer, n + semiconductor layer, insulating layer, etc.) are the first to fifth layers of the present application.
It is needless to say that it is desirable to be formed by the manufacturing method of the invention.
【0211】以下に、本願第1〜第5の発明の製造方法
を組み合わせて非単結晶半導体装置を作成した場合につ
いて説明する。A case where a non-single crystal semiconductor device is manufactured by combining the manufacturing methods of the first to fifth inventions of the present application will be described below.
【0212】先述のごとく、図18に示された様な電界
効果型トランジスタ、またP−I−N型の半導体デバイ
ス等では各機能膜を連続して積層することが望ましい。
特性に重要な因子である界面制御を行うために問題とな
ることは各膜全て成膜速度が同じではなく、また必要な
厚みも異なることである。その結果連続成膜時に律速段
階が生じ、それがタクトタイムとなる。As described above, in the field effect transistor as shown in FIG. 18, the P-I-N type semiconductor device, etc., it is desirable to continuously stack the functional films.
The problem in controlling the interface, which is an important factor for the characteristics, is that not all films have the same film formation rate, but also different required thicknesses. As a result, a rate-determining step occurs during continuous film formation, which becomes the takt time.
【0213】図18のような上述のデバイスでは、従来
i型a−Si層の成膜が律速段階となっていた。本発明
においては、その放電周波数を適切に選択することによ
り律速段階をなくし、スループットを向上させ、コスト
ダウンを実現することができる。また、更に各層の放電
周波数を品質を考慮して上げることにより、スループッ
トを上げることができる。In the above-described device as shown in FIG. 18, the film formation of the i-type a-Si layer has conventionally been the rate-determining step. In the present invention, by appropriately selecting the discharge frequency, the rate-determining step can be eliminated, throughput can be improved, and cost reduction can be realized. Further, the throughput can be increased by further increasing the discharge frequency of each layer in consideration of quality.
【0214】もちろん、スループットを上げるだけでな
く、本発明に係る非晶質窒化シリコン膜をゲート絶縁層
として用い、また本発明の非晶質シリコン膜又は微結晶
シリコン膜等の非単結晶膜を半導体層として用いた場合
には先述のように、信頼性の高い、優れた特性のTFT
が実現できる。Of course, not only the throughput is increased, but also the amorphous silicon nitride film according to the present invention is used as the gate insulating layer, and the non-single crystal film such as the amorphous silicon film or the microcrystalline silicon film according to the present invention is used. When used as a semiconductor layer, it has high reliability and excellent characteristics as described above.
Can be realized.
【0215】即ち、連続成膜において、先述のそれぞれ
の膜がデバイス特性に与える影響と、スループットに代
表されるコストダウン効果を考慮して、それぞれの放電
周波数を決めることができる。That is, in continuous film formation, the discharge frequency of each film can be determined in consideration of the effect of each film described above on the device characteristics and the cost reduction effect represented by the throughput.
【0216】[0216]
【発明の効果】以上説明した様に、本願第1の発明によ
れば、プラズマCVD法において、高周波電源の周波数
と、その周波数に依存した投入電力と、圧力と、電極間
距離とを規定することにより、a−Si膜を大面積にお
いても、安価に高歩留りで、更に、高品質で製造でき
る。特に、薄膜トランジスタ、薄膜トランジスタ型光セ
ンサー、太陽電池等においては、電界移動度、光電特性
等、種々の特性の向上が達成できる。As described above, according to the first invention of the present application, in the plasma CVD method, the frequency of the high frequency power source, the input power depending on the frequency, the pressure, and the inter-electrode distance are defined. As a result, the a-Si film can be manufactured inexpensively with high yield and high quality even in a large area. In particular, in thin film transistors, thin film transistor type optical sensors, solar cells, etc., various characteristics such as electric field mobility and photoelectric characteristics can be improved.
【0217】また、本願第2の発明によれば、プラズマ
CVD法において、高周波電源の周波数と、圧力と、電
極間距離とを規定し、更に、原料ガスが放電空間に滞留
する時間、即ち、滞留時間を規定することにより、a−
Si膜を大面積においても、安価に高歩留りで、更に、
高品質で製造できる。特に、薄膜トランジスタ、薄膜ト
ランジスタ型光センサー、太陽電池等においては、電界
移動度、光電特性等、種々の特性の向上が達成できる。Further, according to the second invention of the present application, in the plasma CVD method, the frequency of the high frequency power source, the pressure, and the distance between the electrodes are defined, and further, the time during which the source gas stays in the discharge space, that is, By defining the residence time, a-
Even with a large area of Si film, it is inexpensive and has a high yield.
Can be manufactured with high quality. In particular, in thin film transistors, thin film transistor type optical sensors, solar cells, etc., various characteristics such as electric field mobility and photoelectric characteristics can be improved.
【0218】また、本願第3の発明によれば、成膜速度
の低下を抑えて、十分な成膜速度を得ることができる。
その結果製造のスループットを上げることができる。ま
た成膜ガスの分解効率を上昇させ、ガスの使用量を低減
することができ、ガスの利用効率を大幅に上げることが
できる。これらの結果製造コストを下げることができ
る。さらに膜の特性を悪化させるイオンをプラズマ中に
閉じ込めた形で成膜するために欠陥の生成を抑え、良好
な特性を持つ膜を提供できる。また界面でのプラズマダ
メージを低減できるので、安定的に良質の膜を提供でき
る。またチャンバーからの脱ガスを抑えることができ、
膜中への不純物の取り込みも少なくなり、これに基ずく
欠陥も低減することができ、良質の膜を提供できる。ま
た従来の装置に対して、小さな電力で成膜を行うことが
できるので、電源装置の小型化を容易にし、特に生産用
の大型の装置に対して装置コストの低減を図ることがで
きる。Further, according to the third invention of the present application, it is possible to suppress a decrease in the film formation rate and obtain a sufficient film formation rate.
As a result, manufacturing throughput can be increased. In addition, the decomposition efficiency of the film forming gas can be increased, the amount of gas used can be reduced, and the gas utilization efficiency can be significantly increased. As a result, the manufacturing cost can be reduced. Furthermore, since ions that deteriorate the characteristics of the film are confined in the plasma to form a film, it is possible to suppress the generation of defects and provide a film having good characteristics. Moreover, since plasma damage at the interface can be reduced, a high-quality film can be stably provided. Also, degassing from the chamber can be suppressed,
Incorporation of impurities into the film is also reduced, defects due to this can be reduced, and a high-quality film can be provided. Further, since film formation can be performed with a small electric power in the conventional device, the power supply device can be easily downsized, and the device cost can be reduced particularly for a large-scale device for production.
【0219】また本願第4の発明によれば、プラズマC
VD法において、高周波電源の周波数及び電極間距離を
規定することにより、SiNX 薄膜を大面積において
も、安価に高歩留りで、更に、高品質で製造できる。特
に、薄膜トランジスタ、薄膜トランジスタ型光センサー
等においては、電界移動度、光電特性等、種々の特性と
その安定性の向上が達成できる。According to the fourth invention of the present application, the plasma C
In the VD method, by defining the frequency of the high frequency power source and the distance between the electrodes, the SiN x thin film can be manufactured inexpensively with high yield and high quality even in a large area. In particular, in thin film transistors, thin film transistor type optical sensors, and the like, various characteristics such as electric field mobility and photoelectric characteristics, and improvement in stability thereof can be achieved.
【0220】また本願第5の発明によれば、成膜速度の
低下を抑えて、十分な成膜速度を得ることができる。そ
の結果製造のスループットを上げることができる。また
成膜ガスの分解効率を上昇させ、ガスの使用量を低減す
ることができ、ガスの利用効率を大幅に上げることがで
きる。これらの結果製造コストを下げることができる。
さらに膜の特性を悪化させるイオンをプラズマ中に閉じ
込めた形で成膜するために欠陥の生成を抑え、良好な特
性を持つ膜を提供できる。また界面でのプラズマダメー
ジを低減できるので、安定的に良質の膜を提供できる。
しかも初期膜の改善を行うことができ、界面特性の不安
定な要因を取り去ることにより、安定的に良質の膜を提
供できる。また従来の成膜装置にたいして、小さな電力
で成膜を行うことができるので、電源装置の小型化を容
易にし、特に生産用の大型の装置に対して装置コストの
低減を図ることができる。Further, according to the fifth aspect of the present invention, it is possible to obtain a sufficient film formation rate while suppressing a decrease in the film formation rate. As a result, manufacturing throughput can be increased. In addition, the decomposition efficiency of the film forming gas can be increased, the amount of gas used can be reduced, and the gas utilization efficiency can be significantly increased. As a result, the manufacturing cost can be reduced.
Furthermore, since ions that deteriorate the characteristics of the film are confined in the plasma to form a film, it is possible to suppress the generation of defects and provide a film having good characteristics. Moreover, since plasma damage at the interface can be reduced, a high-quality film can be stably provided.
Moreover, it is possible to improve the initial film, and by removing the cause of the unstable interface characteristics, it is possible to stably provide a high-quality film. Further, since film formation can be performed with a small amount of electric power as compared with the conventional film forming apparatus, it is possible to easily downsize the power supply device, and to reduce the device cost particularly for a large-sized device for production.
【0221】また本願第6の発明によれば、非単結晶半
導体層を周波数30MHz以上120MHz以下の高周
波放電を利用したプラズマCVD法により作成すること
で、大面積化に対応でき、且つ、膜特性を改善して高速
成膜が可能となり、更に、デバイス特性を左右する界面
特性を向上することができる非単結晶半導体装置を提供
することができる。なお、本願第6の発明はTFT等の
絶縁ゲート型トランジスタ構成の半導体装置に用いるこ
とができ、この場合ゲート絶縁層又は/及びオーミック
コンタクト層を周波数30MHz以上の高周波放電を利
用したプラズマCVD法により作成すれば、更に高品質
の非単結晶半導体装置を提供することができる。さら
に、各層の品質等を考慮して、放電周波数を適切に選択
することにより各層の律速段階をなくし、スループット
を向上させ、コストダウンを実現することができる。ま
た、更に各層の放電周波数を品質を考慮して上げること
により、スループットを上げることができる。According to the sixth aspect of the present invention, the non-single-crystal semiconductor layer is formed by the plasma CVD method using high-frequency discharge with a frequency of 30 MHz or more and 120 MHz or less. Therefore, it is possible to provide a non-single-crystal semiconductor device capable of improving the characteristics, enabling high-speed film formation, and further improving the interface characteristics that influence the device characteristics. The sixth invention of the present application can be applied to a semiconductor device having an insulated gate transistor structure such as a TFT. In this case, the gate insulating layer and / or the ohmic contact layer is formed by a plasma CVD method using a high frequency discharge having a frequency of 30 MHz or more. If manufactured, a higher quality non-single-crystal semiconductor device can be provided. Further, by appropriately selecting the discharge frequency in consideration of the quality of each layer, the rate-determining step of each layer can be eliminated, throughput can be improved, and cost reduction can be realized. Further, the throughput can be increased by further increasing the discharge frequency of each layer in consideration of quality.
【0222】また、本願第7の発明によれば、保護層を
周波数30MHz以上の高周波放電を利用したプラズマ
CVD法により作成することで、イオンダメージの少な
い良質の保護層を作成することができる。Further, according to the seventh invention of the present application, by forming the protective layer by the plasma CVD method utilizing the high frequency discharge having the frequency of 30 MHz or more, it is possible to form the high quality protective layer with less ion damage.
【図1】発光強度比と水素結合状態との関係を示す特性
図である。FIG. 1 is a characteristic diagram showing a relationship between an emission intensity ratio and a hydrogen bond state.
【図2】印加高周波数fと膜厚分布の関係を示す特性図
である。FIG. 2 is a characteristic diagram showing a relationship between an applied high frequency f and a film thickness distribution.
【図3】電極間距離と、膜中欠陥準位密度の関係を示す
特性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram showing a relationship between a distance between electrodes and a defect level density in a film.
【図4】圧力と発光強度との関係を示す特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram showing a relationship between pressure and emission intensity.
【図5】パワーと発光強度との関係を示す特性図であ
る。FIG. 5 is a characteristic diagram showing a relationship between power and emission intensity.
【図6】パワーと発光強度との関係を示す特性図であ
る。FIG. 6 is a characteristic diagram showing a relationship between power and emission intensity.
【図7】周波数とパワーとの関係を示す特性図である。FIG. 7 is a characteristic diagram showing a relationship between frequency and power.
【図8】周波数と水素結合状態との関係を示す特性図で
ある。FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between frequency and hydrogen bonding state.
【図9】周波数とスピン密度との関係を示す特性図であ
る。FIG. 9 is a characteristic diagram showing a relationship between frequency and spin density.
【図10】周波数と成膜速度との関係を示す特性図であ
る。FIG. 10 is a characteristic diagram showing the relationship between frequency and film formation rate.
【図11】周波数と光電特性との関係を示す特性図であ
る。FIG. 11 is a characteristic diagram showing a relationship between frequency and photoelectric characteristics.
【図12】成膜速度と光電特性との関係を示す特性図で
ある。FIG. 12 is a characteristic diagram showing a relationship between a film formation rate and photoelectric characteristics.
【図13】滞留時間と発光強度との関係を示す特性図で
ある。FIG. 13 is a characteristic diagram showing the relationship between residence time and emission intensity.
【図14】滞留時間と水素結合状態との関係を示す特性
図である。FIG. 14 is a characteristic diagram showing the relationship between residence time and hydrogen bonding state.
【図15】滞留時間と光電特性との関係を示す特性図で
ある。FIG. 15 is a characteristic diagram showing a relationship between residence time and photoelectric characteristics.
【図16】滞留時間と成膜速度との関係を示す特性図で
ある。FIG. 16 is a characteristic diagram showing the relationship between residence time and film formation rate.
【図17】滞留時間と膜厚分布との関係を示す特性図で
ある。FIG. 17 is a characteristic diagram showing the relationship between residence time and film thickness distribution.
【図18】薄膜トランジスタの断面図である。FIG. 18 is a cross-sectional view of a thin film transistor.
【図19】薄膜トランジスタの製造方法を示す工程図で
ある。FIG. 19 is a process drawing that shows the manufacturing method of the thin film transistor.
【図20】プラズマCVD装置を示す構成図である。FIG. 20 is a configuration diagram showing a plasma CVD apparatus.
【図21】本発明の非晶質シリコン薄膜を用いたTFT
の初期特性を示す図である。FIG. 21 is a TFT using the amorphous silicon thin film of the present invention.
It is a figure which shows the initial characteristic of.
【図22】周波数の差異による基板入射エネルギーを示
す特性図である。FIG. 22 is a characteristic diagram showing substrate incident energy due to a difference in frequency.
【図23】本発明の非晶質シリコン薄膜を用いたTFT
の電界移動度を示す図である。FIG. 23 is a TFT using the amorphous silicon thin film of the present invention.
It is a figure which shows the electric field mobility of.
【図24】本発明による製造方法を実現するための装置
である。FIG. 24 is an apparatus for realizing the manufacturing method according to the present invention.
【図25】SiH* ラジカルの発光強度[SiH* ]
と、窒素ラジカルの発光強度[N*]の印加高周波数f
依存を示す特性図である。FIG. 25: Emission intensity of SiH * radical [SiH * ]
And applied high frequency f of emission intensity [N * ] of nitrogen radicals
It is a characteristic view which shows dependence.
【図26】SiH* ラジカルの発光強度[SiH* ]
と、窒素ラジカルの発光強度[N*]の印加高周波電力
Pw依存を示す特性図である。FIG. 26: Emission intensity of SiH * radical [SiH * ]
3 is a characteristic diagram showing the dependence of the emission intensity [N * ] of nitrogen radicals on the applied high frequency power Pw.
【図27】SiF* ラジカルの発光強度[SiF* ]
と、窒素ラジカルの発光強度[N*]の印加高周波数f
依存を示す特性図である。FIG. 27: Luminescence intensity of SiF * radical [SiF * ]
And applied high frequency f of emission intensity [N * ] of nitrogen radicals
It is a characteristic view which shows dependence.
【図28】SiF* ラジカルの発光強度[SiF* ]
と、窒素ラジカルの発光強度[N*]の印加高周波電力
Pw依存を示す特性図である。FIG. 28: Emission intensity of SiF * radical [SiF * ]
3 is a characteristic diagram showing the dependence of the emission intensity [N * ] of nitrogen radicals on the applied high frequency power Pw.
【図29】成膜速度Rの印加高周波数f依存を示す特性
図である。FIG. 29 is a characteristic diagram showing the dependency of the deposition rate R on the applied high frequency f.
【図30】本実施例の薄膜トランジスタの特性図であ
る。FIG. 30 is a characteristic diagram of the thin film transistor of this example.
【図31】ON動作時のVthシフトを示す特性図であ
る。FIG. 31 is a characteristic diagram showing V th shift during ON operation.
【図32】熱処理によるVthシフトを示す特性図であ
る。FIG. 32 is a characteristic diagram showing V th shift due to heat treatment.
【図33】本実施例によるパッシベーション膜の効果を
示す薄膜トランジスタの特性図である。FIG. 33 is a characteristic diagram of a thin film transistor showing the effect of the passivation film according to this example.
【図34】Vthシフトの周波数依存性を示す特性図であ
る。FIG. 34 is a characteristic diagram showing frequency dependence of V th shift.
【図35】薄膜トランジスタの断面図である。FIG. 35 is a cross-sectional view of a thin film transistor.
【図36】パッシベーション膜を設けた薄膜トランジス
タの断面図である。FIG. 36 is a cross-sectional view of a thin film transistor provided with a passivation film.
【図37】プラズマCVD装置を示す構成図である。FIG. 37 is a configuration diagram showing a plasma CVD apparatus.
【図38】周波数と成膜速度との関係を示す特性図であ
る。FIG. 38 is a characteristic diagram showing the relationship between frequency and film formation rate.
【図39】周波数と水素量との関係を示す特性図であ
る。FIG. 39 is a characteristic diagram showing a relationship between frequency and hydrogen amount.
【図40】水素量と応力との関係を示す特性図である。FIG. 40 is a characteristic diagram showing a relationship between hydrogen amount and stress.
【図41】水素量と応力との関係を示す特性図である。FIG. 41 is a characteristic diagram showing the relationship between the amount of hydrogen and stress.
【図42】水素量と応力との関係を示す特性図である。FIG. 42 is a characteristic diagram showing the relationship between the amount of hydrogen and stress.
【図43】周波数とスピン密度との関係を示す特性図で
ある。FIG. 43 is a characteristic diagram showing a relationship between frequency and spin density.
【図44】薄膜トランジスタの断面図である。FIG. 44 is a cross-sectional view of a thin film transistor.
【図45】薄膜トランジスタの製造方法を示す工程図で
ある。FIG. 45 is a process drawing that shows the manufacturing method of the thin film transistor.
【図46】プラズマCVD装置を示す構成図である。FIG. 46 is a configuration diagram showing a plasma CVD apparatus.
【図47】本実施例のSiNX 薄膜を用いたTFTの電
界移動度の応力依存性を示す図である。FIG. 47 is a diagram showing stress dependence of electric field mobility of a TFT using the SiN x thin film of this example.
【図48】本実施例での閾値電圧の変化を示す特性図で
ある。FIG. 48 is a characteristic diagram showing changes in threshold voltage in the present example.
【図49】本発明による製造方法を実現するための装置
である。FIG. 49 is an apparatus for realizing the manufacturing method according to the present invention.
【図50】SiH* ラジカルの発光強度[SiH* ]
と、水素ラジカルの発光強度[H*]の印加高周波数f
依存を示す特性図である。FIG. 50: Emission intensity of SiH * radical [SiH * ]
And the applied high frequency f of the emission intensity [H * ] of hydrogen radicals
It is a characteristic view which shows dependence.
【図51】成膜速度Rの印加高周波数f依存を示す特性
図である。FIG. 51 is a characteristic diagram showing the dependency of the deposition rate R on the applied high frequency f.
【図52】SiH* ラジカルの発光強度[SiH* ]
と、水素ラジカルの発光強度[H*]の印加高周波電力
Pw依存を示す特性図である。FIG. 52: Emission intensity of SiH * radical [SiH * ]
3 is a characteristic diagram showing the dependence of the emission intensity [H * ] of hydrogen radicals on the applied high frequency power Pw.
【図53】SiH* ラジカルの発光強度[SiH* ]
と、水素ラジカルの発光強度[H*]の印加高周波電力
Pw依存を示す特性図である。FIG. 53: Emission intensity of SiH * radical [SiH * ]
3 is a characteristic diagram showing the dependence of the emission intensity [H * ] of hydrogen radicals on the applied high frequency power Pw.
【図54】印加高周波電力Pwと印加高周波数fとの関
係を示す特性図である。FIG. 54 is a characteristic diagram showing the relationship between the applied high frequency power Pw and the applied high frequency f.
【図55】ドーピングガスラジカルの印加高周波数f依
存を示す特性図である。FIG. 55 is a characteristic diagram showing dependence of a doping gas radical on an applied high frequency f.
【図56】ドーピングガスラジカルの印加高周波電力P
w依存を示す特性図である。FIG. 56: Applied high frequency power P of doping gas radical
It is a characteristic view which shows w dependence.
【図57】暗導電率の印加高周波数f依存を示す特性図
である。FIG. 57 is a characteristic diagram showing the dependence of dark conductivity on the applied high frequency f.
【図58】活性化エネルギーの印加高周波数f依存を示
す特性図である。FIG. 58 is a characteristic diagram showing the dependence of activation energy on the applied high frequency f.
【図59】ドーピングレベルの印加高周波数f依存を示
す特性図である。FIG. 59 is a characteristic diagram showing the dependence of the doping level on the applied high frequency f.
【図60】本実施例の光導電型センサの構成を示す図で
ある。FIG. 60 is a diagram showing a configuration of a photoconductive sensor of this example.
【図61】光導電型センサの暗電流のバイアス依存を示
す特性図である。FIG. 61 is a characteristic diagram showing bias dependence of dark current of a photoconductive sensor.
【図62】光導電型センサの光電流のバイアス依存を示
す特性図である。FIG. 62 is a characteristic diagram showing bias dependence of photocurrent of a photoconductive sensor.
【図63】PIN型フォトダイオードの構成を示す図で
ある。FIG. 63 is a diagram showing a configuration of a PIN photodiode.
【図64】PIN型フォトダイオードのダイオード特性
を示す特性図である。FIG. 64 is a characteristic diagram showing diode characteristics of a PIN photodiode.
【図65】成膜速度と光電特性との関係を示す特性図で
ある。FIG. 65 is a characteristic diagram showing a relationship between a film formation rate and photoelectric characteristics.
【図66】基板温度と水素量との関係を示す特性図であ
る。FIG. 66 is a characteristic diagram showing the relationship between the substrate temperature and the amount of hydrogen.
【図67】基板温度と応力との関係を示す特性図であ
る。FIG. 67 is a characteristic diagram showing the relationship between substrate temperature and stress.
【図68】ガス比と組成比及び水素量との関係を示す特
性図である。FIG. 68 is a characteristic diagram showing a relationship between a gas ratio, a composition ratio, and an amount of hydrogen.
11,21 ガラス基板 12,22 ゲート電極 13,23 ゲート絶縁層 14,24 i型半導体層 15,25 n+ 型半導体層 16,26 ソース・ドレイン電極 17,27 保護膜 300 真空チャンバー 302 アノード電極 304 基板加熱ヒーター 306 マッチングボックス 307 高周波電源 309 排気ポンプ 321,341 マスフローコントローラー 400 真空チャンバー 401 アノード電極 402 基板 403 カソード電極 404 整合器 405 高周波数電源 406 接地 407 ゲートバルブ 408 ターボ分子ポンプ 409 ロータリポンプ 410,420 シランガスラインバルブ 411,421 水素ガスラインバルブ 412,422 ホスフィンガスラインバルブ 413,423 ジボランガスラインバルブ 414,424 フッ化シリコンガスラインバルブ 415,416,417,418,419 マスフロー
メータ 131 基板 132 ゲート電極 133 非晶質窒化シリコン層 134 イントリンシック非晶質シリコン層 135 n+ 型微結晶シリコン層 136 アルミ電極 141 基板 142 ゲート電極 143 非晶質窒化シリコン層 144 イントリンシック非晶質シリコン層 145 n+ 型微結晶シリコン層 146 アルミ電極 147 パッシベーション用非晶質窒化シリコン膜 31,41 ガラス基板 32,42 ゲート電極 33,43 ゲート絶縁層 34,44 i型半導体層 35,45 n+ 型半導体層 36,46 ソース・ドレイン電極 37,47 保護膜 600 真空チャンバー 602 アノード電極 604 基板加熱ヒーター 606 マッチングボックス 607 高周波電源 609 排気ポンプ 621,641 マスフローコントローラー 700 真空チャンバー 701 アノード電極 702 基板 703 カソード電極 704 整合器 705 高周波数電源 706 接地 707 ゲートバルブ 708 ターボ分子ポンプ 709 ロータリポンプ 710,718 シランガスラインバルブ 711,719 水素ガスラインバルブ 712,720 ホスフィンガスラインバルブ 713,721 ジボランガスラインバルブ 714,715,716,717 マスフローメータ 231 基板 232 イントリンシック非晶質シリコン層 233 n+ 型微結晶シリコン層 234 アルミ電極 261 基板 262 下電極 263 n+ 型微結晶シリコン層 264 イントリンシック非晶質シリコン層 265 p+ 型微結晶シリコン層 266 透明導電膜11, 21 glass substrate 12, 22 gate electrode 13, 23 gate insulating layer 14, 24 i-type semiconductor layer 15, 25 n + type semiconductor layer 16, 26 source / drain electrode 17, 27 protective film 300 vacuum chamber 302 anode electrode 304 Substrate heating heater 306 Matching box 307 High frequency power supply 309 Exhaust pump 321,341 Mass flow controller 400 Vacuum chamber 401 Anode electrode 402 Substrate 403 Cathode electrode 404 Matching device 405 High frequency power supply 406 Grounding 407 Gate valve 408 Turbo molecular pump 409 Rotary pump 410, 420 Silane gas line valve 411,421 Hydrogen gas line valve 412,422 Phosphine gas line valve 413,423 Diborane gas line valve 414 424 Silicon fluoride gas line valve 415, 416, 417, 418, 419 Mass flow meter 131 Substrate 132 Gate electrode 133 Amorphous silicon nitride layer 134 Intrinsic amorphous silicon layer 135 n + type microcrystalline silicon layer 136 Aluminum electrode 141 Substrate 142 Gate Electrode 143 Amorphous Silicon Nitride Layer 144 Intrinsic Amorphous Silicon Layer 145 n + Microcrystalline Silicon Layer 146 Aluminum Electrode 147 Amorphous Silicon Nitride Film for Passivation 31,41 Glass Substrate 32,42 Gate Electrode 33 , 43 gate insulating layer 34, 44 i-type semiconductor layer 35, 45 n + -type semiconductor layer 36 and 46 source and drain electrodes 37 and 47 protective film 600 vacuum chamber 602 anode electrode 604 substrate heater 606 matching ball Kus 607 high frequency power supply 609 exhaust pump 621, 641 mass flow controller 700 vacuum chamber 701 anode electrode 702 substrate 703 cathode electrode 704 matcher 705 high frequency power supply 706 ground 707 gate valve 708 turbo molecular pump 709 rotary pump 710,718 silane gas line valve 711 719 Hydrogen gas line valve 712, 720 Phosphine gas line valve 713, 721 Diborane gas line valve 714, 715, 716, 717 Mass flow meter 231 Substrate 232 Intrinsic amorphous silicon layer 233 n + type microcrystalline silicon layer 234 Aluminum electrode 261 lower electrode substrate 262 263 n + -type microcrystalline silicon layer 264 intrinsic amorphous silicon layer 265 p + -type microcrystalline sintered Silicon layer 266 a transparent conductive film
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 水谷 英正 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued Front Page (72) Inventor Hidemasa Mizutani 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Inc.
Claims (18)
による非晶質シリコン膜の製造方法において、少なくと
も、珪素化合物ガスを原料ガスとして、成膜圧力P(T
orr)を0.25Torr以上2.5Torr以下に
設定し、高周波電源の周波数f(MHz)を30MHz
以上120MHz以下に設定し、投入電力PW (W/c
m2 )を10/f(MHz)で規定される値以下とし、
電極間距離d(cm)をf/30で規定される値より大
きい値としたことを特徴とする非晶質シリコン膜の製造
方法。1. A method of manufacturing an amorphous silicon film by a plasma CVD method using a high frequency discharge, wherein a film forming pressure P (T
orr) is set to 0.25 Torr or more and 2.5 Torr or less, and the frequency f (MHz) of the high frequency power supply is 30 MHz.
Above 120MHz and below, input power P W (W / c
m 2 ) is less than or equal to the value specified by 10 / f (MHz),
A method for manufacturing an amorphous silicon film, characterized in that an inter-electrode distance d (cm) is set to a value larger than a value defined by f / 30.
による非晶質シリコン膜の製造方法において、少なくと
も、珪素化合物ガスを原料ガスとして、成膜圧力P(T
orr)を0.25Torr以上2.5Torr以下に
設定し、高周波電源の周波数f(MHz)を30MHz
以上120MHz以下に設定し、電極間距離d(cm)
をf/30で規定される値より大きい値とし、放電空間
V(cm3 )内に原料ガスQ(sccm)が滞留する滞
留時間τ(sec)をτ=78.947×10-3×V×
P/Qと定義したときの、該滞留時間τを0.05se
c以上2.5sec以下としたことを特徴とする非晶質
シリコン膜の製造方法。2. A method for producing an amorphous silicon film by a plasma CVD method using high frequency discharge, wherein a film forming pressure P (T
orr) is set to 0.25 Torr or more and 2.5 Torr or less, and the frequency f (MHz) of the high frequency power supply is 30 MHz.
Above 120MHz and below, distance between electrodes d (cm)
Is larger than the value defined by f / 30, and the residence time τ (sec) during which the source gas Q (sccm) stays in the discharge space V (cm 3 ) is τ = 78.947 × 10 −3 × V ×
The residence time τ when defined as P / Q is 0.05 se
A method of manufacturing an amorphous silicon film, characterized in that the time is not less than c and not more than 2.5 seconds.
Siを含むガスと、窒素ガスとを含む混合ガスを用い
て、非晶質窒化シリコン膜を堆積させる製造方法におい
て、周波数fが30MHz以上のVHF高周波を、電極
間距離をd(cm)とするときf/d<30を満たすよ
うに印加し、プラズマを発生させることを特徴とする非
晶質窒化シリコン膜の製造方法。3. At least by plasma CVD method,
In a manufacturing method of depositing an amorphous silicon nitride film by using a mixed gas containing a gas containing Si and a nitrogen gas, a VHF high frequency having a frequency f of 30 MHz or more and an inter-electrode distance is d (cm). At this time, a plasma is generated by applying so as to satisfy f / d <30, and a method of manufacturing an amorphous silicon nitride film.
製造方法において、少なくとも、Siを含むガスと、水
素ガスと、窒素ガスとを含む混合ガスを用いることを特
徴とする非晶質窒化シリコン膜の製造方法。4. The amorphous silicon nitride film manufacturing method according to claim 3, wherein a mixed gas containing at least a gas containing Si, a hydrogen gas, and a nitrogen gas is used. Manufacturing method of silicon nitride film.
製造方法において、少なくとも、SiとFとを含むガス
と、窒素ガスとを含む混合ガスを用いることを特徴とす
る非晶質窒化シリコン膜の製造方法。5. The method for producing an amorphous silicon nitride film according to claim 3, wherein a mixed gas containing at least a gas containing Si and F and a nitrogen gas is used. Silicon film manufacturing method.
製造方法において、少なくとも、SiとFとを含むガス
と、水素ガスと、窒素ガスとを含む混合ガスを用いるこ
とを特徴とする非晶質窒化シリコン膜の製造方法。6. The method for producing an amorphous silicon nitride film according to claim 3, wherein a mixed gas containing at least a gas containing Si and F, a hydrogen gas, and a nitrogen gas is used. Method for manufacturing amorphous silicon nitride film.
素化合物及びアンモニアを含有する混合気体を原料ガス
として非晶質窒化シリコン膜を堆積させる製造方法にお
いて、周波数fが30MHz以上120MHz以下のV
HF高周波を電極間距離をd(cm)とするときf/d
<30を満たすように印加し、プラズマを発生させるこ
とを特徴とする非晶質窒化シリコン膜の製造方法。7. A manufacturing method for depositing an amorphous silicon nitride film by using a mixed gas containing at least a silicon compound and ammonia as a source gas by a plasma CVD method, wherein V having a frequency f of 30 MHz or more and 120 MHz or less is used.
F / d when the distance between the electrodes of HF high frequency is d (cm)
A method of manufacturing an amorphous silicon nitride film, characterized in that a voltage is applied so as to satisfy <30 and plasma is generated.
は、非晶質シリコン膜との積層構造において用いられる
ことを特徴とする請求項7記載の非晶質窒化シリコン膜
の製造方法。8. The method of manufacturing an amorphous silicon nitride film according to claim 7, wherein the method of manufacturing the amorphous silicon nitride film is used in a laminated structure with an amorphous silicon film.
109 dyn/cm2 以上、4×109 dyn/cm2
以下の圧縮応力を示すことを特徴とする請求項8記載の
非晶質窒化シリコン膜の製造方法。9. The stress of the amorphous silicon nitride film is 1 ×.
10 9 dyn / cm 2 or more, 4 × 10 9 dyn / cm 2
The method for producing an amorphous silicon nitride film according to claim 8, wherein the method exhibits the following compressive stress.
ガスを用いて、微結晶シリコン膜を堆積させる製造方法
において、周波数fが30MHz以上のVHF高周波
を、1/f(W/cm2 )(f:MHz)以上の電力
で、電極間距離をd(cm)とするときf/d<30を
満たすように印加し、プラズマを発生させることを特徴
とする微結晶シリコン膜の製造方法。10. A method of depositing a microcrystalline silicon film by a plasma CVD method using a gas containing Si, wherein a VHF high frequency having a frequency f of 30 MHz or more is converted into 1 / f (W / cm 2 ) (f : MHz) or more so that f / d <30 is satisfied when the distance between the electrodes is d (cm), and plasma is generated to produce a microcrystalline silicon film.
製造方法において、Siを含むガスに対して、ボロンを
含むガス、リンを含むガス、ヒソを含むガスを不純物ガ
スとして用いることを特徴とする微結晶シリコン膜の製
造方法。11. The method for producing a microcrystalline silicon film according to claim 10, wherein a gas containing boron, a gas containing phosphorus, and a gas containing miso are used as impurity gases with respect to the gas containing Si. Method for manufacturing a microcrystalline silicon film.
晶シリコンの製造方法において、水素ラジカルの発光強
度[H* ]とシランラジカルの発光強度[SiH* ]と
の比が[H* ]/[SiH* ]≧1であることを特徴と
する微結晶シリコン膜の製造方法。12. The method for producing microcrystalline silicon according to claim 10, wherein the ratio of the emission intensity [H * ] of hydrogen radicals to the emission intensity [SiH * ] of silane radicals is [H * ] /. A method for manufacturing a microcrystalline silicon film, wherein [SiH * ] ≧ 1.
下の高周波放電を利用したプラズマCVD法により作成
された非単結晶半導体層を有することを特徴とする非単
結晶半導体装置。13. A non-single-crystal semiconductor device having a non-single-crystal semiconductor layer formed by a plasma CVD method using a high-frequency discharge having a frequency of 30 MHz or more and 120 MHz or less.
と、ゲート絶縁層と、非単結晶半導体層と、一対のソー
ス・ドレイン電極とを順次積層し、前記非単結晶半導体
層と前記ソース・ドレイン電極との間にオーミックコン
タクト層を設けたことを特徴とする請求項13記載の非
単結晶半導体装置。14. A substrate, at least a gate electrode, a gate insulating layer, a non-single-crystal semiconductor layer, and a pair of source / drain electrodes are sequentially stacked, and the non-single-crystal semiconductor layer and the source / drain are stacked. The non-single crystal semiconductor device according to claim 13, further comprising an ohmic contact layer provided between the electrode and the electrode.
z以上の高周波放電を利用したプラズマCVD法により
作成されることを特徴とする請求項14記載の非単結晶
半導体装置。15. The gate insulating layer has a frequency of 30 MHz.
15. The non-single-crystal semiconductor device according to claim 14, wherein the non-single-crystal semiconductor device is manufactured by a plasma CVD method using a high frequency discharge of z or more.
数30MHz以上の高周波放電を利用したプラズマCV
D法により作成されることを特徴とする請求項14記載
の非単結晶半導体装置。16. The plasma CV using the high frequency discharge having a frequency of 30 MHz or more for the ohmic contact layer.
15. The non-single crystal semiconductor device according to claim 14, wherein the non-single crystal semiconductor device is manufactured by the D method.
非単結晶半導体層、前記オーミックコンタクト層は大気
解放されることなく、連続して成膜されることを特徴と
する請求項14記載の非単結晶半導体装置。17. The non-single crystal according to claim 14, wherein at least the gate insulating layer, the non-single-crystal semiconductor layer, and the ohmic contact layer are continuously formed without being exposed to the atmosphere. Crystal semiconductor device.
利用したプラズマCVD法により作成された保護層を有
することを特徴とする非単結晶半導体装置。18. A non-single-crystal semiconductor device having a protective layer formed by a plasma CVD method using a high-frequency discharge having a frequency of 30 MHz or more.
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