JP3201492B2 - Method for manufacturing amorphous silicon film, method for manufacturing amorphous silicon nitride film, method for manufacturing microcrystalline silicon film, and non-single-crystal semiconductor device - Google Patents
Method for manufacturing amorphous silicon film, method for manufacturing amorphous silicon nitride film, method for manufacturing microcrystalline silicon film, and non-single-crystal semiconductor deviceInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、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 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing an amorphous film, and more particularly to a method for producing an amorphous silicon film suitably used for a thin film device such as a thin film transistor, a thin film transistor type optical sensor, a solar cell and the like. It relates to a manufacturing method.
【0002】また本発明は、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。[0002] The present invention also relates to a method for manufacturing an amorphous silicon nitride film.
The present invention relates to a method for manufacturing an amorphous silicon nitride film suitably used for an amorphous silicon thin film device such as a thin film transistor type optical sensor.
【0003】また本発明は、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 present invention also relates to a method for manufacturing a microcrystalline silicon film, and more particularly to a method for manufacturing a microcrystalline silicon film by using a plasma CVD method. Here, microcrystal means a silicon film having a structure including crystal grains in the film, and also includes polysilicon (polycrystal).
【0004】また本発明は、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。 [0004] The present invention relates to a non-single crystal semiconductor device, about the particular non-single crystal semiconductor device having a non-single crystal semiconductor layer which is prepared by a plasma CVD method
You.
【0005】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。[0005] Here, a non-single-crystal semiconductor refers to an amorphous semiconductor other than a single-crystal semiconductor, a microcrystalline (including polycrystalline) semiconductor, or the like.
【0006】[0006]
【従来の技術】まず、非晶質シリコン膜の製造方法に係
る従来の技術について説明する。2. Description of the Related Art First, a conventional technique relating to a method for manufacturing an amorphous silicon film will be described.
【0007】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 referred to as a-Si
As a method for producing a thin film, a monosilane gas (S
There is a plasma CVD method using a silicon compound represented by iH 4 ) as a source gas. Generally, the plasma CVD method is 1
A high-frequency discharge in an RF band of 3.56 MHz or a microwave band of 2.54 GHz is used.
【0008】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。[0008] In addition, a photo CVD method or an ECR-CV
The D method is known, but among such manufacturing methods,
As a film forming method which satisfies the a-Si thin film quality, large area support, price, etc. in a well-balanced manner, plasma CVD by RF discharge of 13.56 MHz is generally used.
Is the law. This plasma CVD method uses monosilane gas (SiH 4 ) in many cases, dilutes it with hydrogen gas (H 2 ) if necessary, decomposes the source gas by 13.56 MHz RF discharge, and reacts with reactive active gas. A seed is formed 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 optical sensors, and solar cells.
【0009】次に非晶質窒化シリコンの製造方法に係る
従来の技術について説明する。Next, a conventional technique relating to a method for producing amorphous silicon nitride will be described.
【0010】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。[0010] In recent years, semiconductor devices using non-single-crystal silicon have been actively developed. In particular, the development of photoconductor drums for photovoltaic cells and copiers that can be produced with large area and low cost, the development of thin film transistors for liquid crystal displays,
The development of solid-state imaging devices for facsimile has been 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
Or 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. Another method of manufacturing silicon nitride is a thermal CVD method, but 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. In the RF plasma CVD method, the growth temperature can be set to about 300 ° C., so that it can be sufficiently used. Ammonia is more easily decomposed and reaction is more likely to occur when using nitrogen than nitrogen. In many cases, a mixed gas of silane SiH 4 and ammonia NH 3 is used, and if necessary, diluted with hydrogen gas to perform the reaction.
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, difficult to handle, and may not be particularly desirable for production equipment. In that respect, nitrogen gas is easy to handle and advantageous. In addition, nitrogen gas is easier to purify than ammonia gas, and the incorporation of impurities during film formation can be reduced. Impurities in the film are not preferable because they adversely affect the electrical characteristics of the amorphous silicon nitride insulating film. It is known that when a film is formed using an ammonia gas, the hydrogen concentration in the film is increased as compared with the case where a nitrogen gas is used. When the amount of hydrogen in the film increases, the density decreases, and the denseness and heat resistance deteriorate. In addition, since this hydrogen diffuses through the film and causes various instability phenomena,
The less hydrogen in the film, the better. As described above, when the mixed gas of the silane gas and the nitrogen gas is used, there are various advantages. Furthermore, from this viewpoint, it is considered advantageous to use a mixed gas of hydrogen-free fluorinated silane and nitrogen gas.
【0011】さらに、非晶質窒化シリコンの製造方法に
係る従来の技術について説明する。 Further, a conventional technique relating to a method for producing amorphous silicon nitride will be described.
【0012】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 described as a SiN x film. The physical properties of the SiN x film vary greatly depending on the composition, the amount of hydrogen contained, and the like. Typical methods for depositing a SiN x film include a normal pressure CVD method using a SiH 4 —NH 3 mixed gas, a plasma CVD method, an optical 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 particularly an RF plasma using a discharge frequency of 13.56 MHz of a SiH 4 —NH 3 mixed gas. This is a CVD method, and is most widely used because it has an advantage that a reaction easily occurs and its controllability is good.
【0013】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, in the case of a change in the threshold voltage, a decrease in the on / off ratio, or a decrease in the response, the yield is reduced, which causes a serious problem. Similarly, in a TFT-type optical sensor, a change in the threshold voltage causes a change in the photocurrent and the dark current, which are the 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.
【0014】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 injection of electrons and holes from a-Si into SiN x ,
Because it is trapped in the trap level of N X
It is considered that a high quality film having a large optical band gap and a small electron spin density of the iN x film is effective for minimizing the change.
【0015】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。Further, as the content of hydrogen in the SiN x film increases, the density decreases and the withstand voltage decreases. Further, since this hydrogen diffuses in the film and causes various instability phenomena, it is considered that it is desirable that the amount of hydrogen in the film is small.
【0016】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 considered that the TFT characteristics can be improved by setting the stress of the SiN x film to a slightly compressed side.
【0017】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 a SiN x thin film have been studied from various angles such as film formation conditions and test conditions.
It is presumed that the iN x thin film desirably has a large optical band gap, a low spin density, a low hydrogen concentration, and a slightly compressive stress.
【0018】次に微結晶シリコン膜の製造方法に係る従
来の技術について説明する。Next, a conventional technique relating to a method for manufacturing a microcrystalline silicon film will be described.
【0019】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, semiconductor devices using microcrystalline silicon or amorphous silicon have been actively developed. In particular, the development of photoconductor drums for solar cells and copiers that can be produced at a large area and at low cost, the development of thin film transistors for liquid crystal displays, and the development of solid-state imaging devices for facsimile devices that are made light and small are active. Conventionally, as a method of depositing a non-single-crystal silicon film used in these semiconductor devices, RF plasma C using silane SiH 4 or disilane Si 2 H 6 as a deposition gas is used.
VD method or Si target in the presence of hydrogen gas
A reactive sputtering method of sputtering in r plasma has been used. Microcrystalline silicon and amorphous silicon obtained by these methods almost contain hydrogen at 10% or more. The most widespread method for depositing such microcrystalline silicon or amorphous silicon is a plasma CVD method, which is silane SiH 4 or disilane Si 2 H.
6 and, if necessary, dilute with hydrogen gas to obtain 13.5.
Plasma is generated at a high frequency of an RF band of 6 MHz, and a 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, by mixing a film forming gas with a doping gas such as phosphine PH 3 , diborane B 2 H 6 , and boron fluoride BF 3 , a microcrystalline silicon film whose n-type or p-type is freely controlled can be formed by forming a film. 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 have been made using these films.
【0020】以上、非晶質シリコン膜の製造方法、非晶
質窒化シリコンの製造方法、微結晶シリコン膜の製造方
法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RF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。As described above, the method of manufacturing an amorphous silicon film,
Method of manufacturing porous silicon nitride, method of manufacturing microcrystalline silicon film
Prior arts related to the conventional methods have been described. As a method of improving the RF plasma CVD method described in each prior art, examples have been reported in which the frequency has been increased with respect to a high frequency discharge in an RF band up to now. .
【0021】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, in the fall of 1990 and in the spring of 1991, the Lectures on Applied Physics (28p-MF-14, 28p-S-4)
In (1), Oda et al. Of Tokyo Institute of Technology performed discharge at a high frequency of 144 MHz, thereby producing and evaluating amorphous silicon.
【0022】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
Hz and 144 MHz only, and considering a large area and production, the frequency in the VHF band has not yet been sufficiently optimized.
【0023】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。Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-64466 discloses that as a frequency effect, a spatially uniform discharge can be generated over the film forming surface by increasing the frequency, and a uniform film forming speed can be realized. Have been. However, in the present invention, only uniform film formation is referred to, and no description is given as to how the high frequency in the VHF band has a technical effect on film quality and the like.
【0024】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。Japanese Patent Application Laid-Open No. 22567/1990 describes a frequency of 1 kHz to 100 MHz.
No mention is made of technical effects in the VHF band, and this is merely an extension of the technology in the RF band.
【0025】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 film is examined using the F-band high frequency, and the relationship between the frequency and the inter-electrode distance is optimized. However, this relationship is insufficient for a problem to be solved by the present invention described later.
【0026】[0026]
【発明が解決しようとする課題】まず、非晶質シリコン
膜の製造方法に係る課題について説明する。SUMMARY OF THE INVENTION First, amorphous silicon
Problems relating to the film manufacturing method will be described.
【0027】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 is required in all fields such as solar cells, liquid crystal televisions and optical sensors.
Although there is a demand for high quality i-thin films, as in the past,
The a-Si thin film using the 3.56 MHz RF discharge still has the following problems when applied to an a-Si thin film device. (1) With respect 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 to dark conductivity.
For example, the ratio is small, and in a solar cell, the photoconductivity (σ P ) characteristic is deteriorated by light irradiation, and the photodeterioration is large. (2) With respect to the production yield, in a large-area device, there is a decrease in the yield 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 for a thin-film device has a low film-forming rate, so that its production capacity does not increase and it is difficult to reduce the price.
【0028】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 the large-area a-Si thin film, to improve the yield at the same time, and to realize a low price, while improving the basic characteristics of the a-Si thin film, It is necessary to form a film at high speed.
【0029】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 this purpose, in the 13.56 MHz plasma CVD method, improvement of production conditions such as flow rate, pressure, and input power of raw material gas has been generally attempted. There are an increase in hydrogen in the film, which is presumed to lower the characteristics, and the generation of foreign matter (polysilane) which lowers the yield. For example, as shown in FIG. 65, as the deposition rate increases, the photoconductivity σ P (S / cm), which is the basic characteristic of the thin film, decreases. The one which can improve the characteristics has not been manufactured yet. As a result, in this method of manufacturing an a-Si thin film, the film formation rate at which device characteristics can be maintained is about 0.2 to 2 ° / sec.
【0030】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, as a feature of the 13.56 MHz RF discharge, there is an advantage that the film can be easily formed in a large area, but the film forming speed is low, and the substrate and the thin film itself are not. It has disadvantages such as large ion damage to the surface. On the other hand, in the case of the microwave discharge of 2.54 GHz, the deposition rate is high and there is no ion damage to the substrate, but there is a disadvantage that it is difficult to increase the area. In addition, the photo-CVD method has a problem not only in the quality of the formed a-Si thin film but also in increasing the area, and is a method under development. Similarly, in the ECR-CVD method, the damage to the substrate can be freely controlled, and the quality of the a-Si thin film can be improved. However, there is a disadvantage that it is difficult to form a large-area film.
【0031】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, it is necessary to simultaneously improve the quality of the a-Si thin film and improve the device characteristics, and at the same time, the productivity represented by the film forming speed. There is a drawback that you can not.
【0032】次に、非晶質窒化シリコンの製造方法に係
る課題について説明する。Next, problems relating to a method for manufacturing amorphous silicon nitride will be described.
【0033】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, dilute with hydrogen gas to generate plasma at a high frequency of 13.56 MHz, and decompose the film forming gas by the plasma. The method of depositing an amorphous silicon nitride film on a substrate has the following problems.
【0034】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 harder to decompose than ammonia gas, it is necessary to increase the high frequency power to be supplied. However, when the input power is increased, more gas is released from the chamber wall, more impurities are taken in the film, and plasma damage is increased, thereby deteriorating the characteristics of the film. In addition, since silicon fluoride is chemically more stable than silane, its decomposition efficiency in plasma is low, and when it is used, gas utilization efficiency is poor. Further, the growth rate of the film is reduced.
【0035】さらに非晶質窒化シリコンの製造方法に係
る課題について説明する。Next, problems relating to the method for manufacturing amorphous silicon nitride will be described.
【0036】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 one
Various methods have been attempted in the RF plasma CVD method using 3.56 MHz, but the following problems have been encountered.
【0037】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 dependency on the substrate temperature T S and also greatly depends on the type of source gas. This relationship is shown in FIG. As is clear from the figure, in order to simply reduce the hydrogen concentration, the source gas may be changed from NH 3 to N 2 and the temperature may be further increased. However, in actuality, the upper limit is about 400 ° C. in consideration of the use of large plate glass and the like, and the productivity and the structure of the apparatus. 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, which significantly reduces the reliability of the device characteristics. 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.
【0038】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, stress Stress (dyn / cm
FIG. 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 more and 400 ° C. or less, the stress of the SiN x film using NH 3 shows almost tensile stress. In the case of using N 2 shows a large compression stress. The black plots in the figure indicate that a high-quality SiN x thin film can be realized, and the shaded areas indicate the controllable hydrogen concentration range and stress range. That is, the stress is considered to have a slight compressive stress, that is, device quality.
SiN x showing a compressive stress of × 10 9 dyn / cm 2 or less
It turns out that a thin film cannot be formed.
【0039】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. FIG. 68 shows the relationship. As can be seen from the figure, when the hydrogen concentration is decreased, N / Si is decreased, and the film quality such as the optical band gap is decreased.
3 / SiH 4 can not be lowered ratio. Similarly, when N 2 is used, the hydrogen concentration is increased to control the stress.
The film quality such as the / Si ratio is deteriorated.
【0040】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 film forming conditions are set such that the hydrogen concentration is reduced, the stress is slightly compressed, the N / Si ratio at that time is close to the stoichiometric ratio, the optical band gap is large, and the spin density is small. There is a problem that it cannot be obtained.
【0041】次に、微結晶シリコン膜の製造方法に係る
課題について説明する。Next, problems relating to a method for manufacturing a microcrystalline silicon film will be described.
【0042】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, if necessary, dilute with hydrogen gas to generate plasma at a high frequency of 13.56 MHz RF band, and decompose the film forming gas by the plasma,
The method of depositing microcrystalline silicon on a substrate generally has a low gas utilization efficiency. Therefore, introduce impurity gas,
When microcrystalline silicon containing impurities is formed, there is a problem that the doping efficiency is low. Further, in the conventional method, conditions for causing microcrystallization in the film are severe, and it has been difficult to form a desired microcrystalline film. Therefore, the doping efficiency could not be easily increased. 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
Phosphine gas diluted to 0 ppm 150 sccm,
When the 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 the phosphorus atoms in the film do not work as a dopant.
【0043】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 、2
8p−S−3 )、東工大、小田等、特開平3−644
66号公報等)についても、条件の最適化がなされてお
らず、非晶質シリコン膜の製造方法、非晶質窒化シリコ
ンの製造方法、微結晶シリコン膜の製造方法に係る課題
の解決には不十分であった。The method of improving the RF plasma CVD method using the above-described VHF band (see the Lectures on Applied Physics in Autumn 1990 and Spring 1991 (28p-MF-14, 2
8p-S-3), Tokyo Tech, Oda, etc., JP-A-3-644.
No. 66, etc.), the conditions were not optimized, and the method for producing an amorphous silicon film,
However, it has not been sufficient to solve the problems relating to the method of manufacturing the silicon film and the method of manufacturing the microcrystalline silicon film .
【0044】本発明の目的は、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 present invention is to improve the conventional VHF film forming method and to provide optimum conditions for the problems to be solved by the present inventors.
【0045】また本発明の目的は、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。Another object of the present invention is to increase the decomposition efficiency of nitrogen gas and silicon fluoride gas, increase the utilization efficiency of film forming gas, prevent degassing from the chamber due to the effects of ions in plasma, It is an object of the present invention to provide a manufacturing method capable of reducing damage, reducing manufacturing cost and easily forming a high-quality amorphous silicon nitride film, and obtaining a good semiconductor device.
【0046】また本発明の目的は、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。Another object of the present invention is to reconsider the frequency of 13.56 MHz in the conventional RF plasma CVD method and increase the decomposition efficiency of the source gas by using a high-frequency discharge. As a result, the conventional SiN x using NH 3 is used. Reduce the hydrogen concentration in the thin film,
At the same time, it is an object of the present invention to provide a manufacturing method for controlling a stress to obtain a higher quality SiN x thin film corresponding to a large area device at a lower cost.
【0047】また本発明の目的は、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。Another object of the present invention is to provide a manufacturing method capable of increasing the utilization efficiency of a film forming gas, reducing the manufacturing cost and easily forming a more suitable microcrystalline silicon film, and obtaining a good semiconductor device. To provide.
【0048】また本発明の目的は、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 present invention is to provide a high-quality, low-cost non-single-crystal semiconductor device.
【0049】[0049]
【課題を解決するための手段】本発明の非晶質シリコン
膜の製造方法は、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(Tor
r)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100
MHz以下に設定し、且つ、投入電力PW (W/c
m2 )を10/f(MHz)の関係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。 SUMMARY OF THE INVENTION Amorphous silicon of the present invention
The method for producing the film is such that a film forming pressure P (Torr) is obtained by using at least a silicon compound as a source gas in a plasma CVD method.
r) 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 or more and 120 MHz or less, preferably 50 MHz or more and 100 MHz or less.
MHz or less and the input power P W (W / c
m 2 ) is equal to or less than the value specified by the relationship of 10 / f (MHz), and the inter-electrode distance d (cm) is set to a value larger than the value specified by f / 30. It is possible to cope with the increase in the area, improve the film characteristics, perform high-speed film formation, and further improve the interface characteristics that influence the device characteristics .
【0050】本発明の非晶質窒化シリコン膜の製造方法
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100M
Hz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。The method for producing an amorphous silicon nitride film according to the present invention comprises the steps of:
In a manufacturing method for depositing an amorphous silicon nitride film using a mixed gas containing a gas containing nitrogen, and a hydrogen gas, a VHF high frequency having a frequency f of 30 MHz or more is set to a distance d (cm) between electrodes. ) And f / d <30
And a plasma is generated so as to satisfy 30 MHz.
VHF high frequency above, preferably 50MHz to 100M
When the high frequency of Hz is d (cm) and the electrode distance is d (cm), f
/ D <30, the electron density in the plasma is increased, the decomposition efficiency of the hardly decomposed nitrogen gas and silicon fluoride gas is increased, and the amorphous material having a good quality distribution is easily improved. It is intended to provide a silicon nitride film. Furthermore, by utilizing the trapping of ions in the plasma, unnecessary degassing from the chamber is suppressed, contamination of impurities such as oxygen into the film is prevented, and a high-quality film with little ion damage to the film is provided. Things.
【0051】また、本発明の非晶質窒化シリコン膜の製
造方法は、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1
00MHz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、投入電力を30mW
/cm 2 以上とすることにより、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, the production of the amorphous silicon nitride film of the present invention
In the plasma CVD method, at least a mixed gas containing a silicon compound and ammonia is used as a source gas and the frequency of a high-frequency power source is set to 30 MHz in order to shift the stress slightly to the compression side without lowering the film quality.
Not less than 120 MHz, preferably not less than 50 MHz1
00 MHz or less, and the distance d (cm) between the electrodes is f / 30
And the input power is 30 mW
By setting the ratio to / cm 2 or more, it is possible to improve the film characteristics, perform high-speed film formation while coping with an increase in the area, and further improve the device characteristics.
【0052】また、本発明の微結晶シリコン膜の製造方
法は、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、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* ]≧[Si
H* ]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100MH
z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。Also, the method for manufacturing the microcrystalline silicon film of the present invention
The method is a manufacturing method of depositing a microcrystalline silicon film using a gas containing Si by a plasma CVD method,
VHF high frequency with applied high frequency f of 30 MHz or more
/ F (W / cm 2 ) (f: MHz) or more, and when the distance between the electrodes is d (cm), application is performed so as to satisfy f / d <30, and the emission intensity of hydrogen radical [H * ] And the emission intensity of the silane radical [SiH * ] is [H * ] ≧ [Si
H * ], which is a method for producing a microcrystalline silicon film, characterized in that a VHF high frequency of 30 MHz or more, preferably 50 MHz to 100 MHz.
By using high frequency of z, electron density in plasma is increased, gas decomposition efficiency is increased, and high quality doping efficiency and high quality microcrystalline silicon with less ion damage are utilized by utilizing ion trapping in plasma. Providing a membrane.
【0053】また、本発明の非単結晶半導体装置は、上
記本発明の非晶質シリコン膜の製造方法、又は/及び非
晶質窒化シリコン膜の製造方法を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たものであり、
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。 Further, the non-single-crystal semiconductor device of the present invention
The method of manufacturing an amorphous silicon film according to the present invention, and / or
The method for producing a crystalline silicon nitride film is used for a semiconductor device having an insulated gate transistor structure such as a TFT ,
In this case, it is preferable that the gate insulating layer and / or the ohmic contact layer be formed by a plasma CVD method using a high-frequency discharge of a frequency of 30 MHz or more. If each layer is continuously formed without being released to the atmosphere, the discharge frequency can be appropriately selected in consideration of the quality of each layer.
it can.
【0054】[0054]
【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。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a detailed description and embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
【0055】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 configuration of the non-single-crystal semiconductor device according to the present invention will be described in the following description of the method of manufacturing each amorphous silicon film according to the present invention .
【0056】まず、本発明の非晶質シリコン膜の製造方
法について説明する。First, a method of manufacturing the amorphous silicon film of the present invention
The method will be described.
【0057】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, the film growth process by the plasma CVD method will be outlined, and then the details of the present invention will be described.
【0058】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 categorized into the following processes. Here, SiH 4 is taken as an example of the source gas. (1) Radical generation process in glow discharge plasma of SiH 4 In this process, the energy distribution of electrons in the plasma has a peak at several eV, Maxwell-Boltzma.
nn distribution, such electrons are SiH 4
Repeats inelastic collisions with molecules to generate various radicals, ions, and atoms. The main precursor for film growth is SiH
2 , The possibility of SiH 3 radical is high. (2) Transport process of generated radicals to substrate In this process, neutral radicals generated in the plasma are transported to the substrate surface by diffusion while causing various secondary chemical reactions mainly with SiH 4 molecules. You. Considering the generation rate of radicals in plasma and the reaction life in the transport process, it is estimated that most of them reaching the substrate surface are SiH 3 radicals. However, Si, SiH, S
As the arrival density of radicals such as iH 2 increases, the film quality deteriorates due to the difference in the reaction mode on the surface. (3) Film growth process on the substrate surface In this process, the radicals that have reached the film growth surface are adsorbed on the surface, diffuse the surface, form chemical bonds with stable sites, and form an amorphous network. In the case of a hydrogen-coated surface, SiH 3 radicals are sufficiently diffused on the surface, chemically bond to stable sites, and a high-quality film can be obtained.
【0059】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。By controlling the external parameters of the plasma in each of the above-described processes so that the SiH 3 radical mainly reaches the film growth surface and the substrate surface is coated with hydrogen so that the radical is diffused, high quality a -Si thin film can be formed.
【0060】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 have recognized that it is important to control radicals in order to form a high-quality a-Si thin film. Were examined 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 became clear that the magnitude of the strength was deeply related to the quality of the a-Si thin film. In particular, the emission intensity ratio [H * ] / [SiH * ]
(Emission intensity of SiH * and H *
H * ] and [H * ] are preferably the minimum values, but the relationship between the emission intensities is [Si
If H * ] ≧ [H * ], an almost satisfactory a-Si thin film can be obtained.
【0061】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 relationship with the hydrogen bonding mode in the thin film, that is, the relationship with the film quality.
【0062】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。Generally, in an infrared absorption analysis of an a-Si thin film, the absorption peak appearing at 2000 cm −1 to 2100 cm −1 is determined by the stretching vibration (2000 c −1) of the Si—H bond.
m -1 ) and stretching vibration of Si-H 2 bond (2100 cm
-1 ), 2000 cm -1 to 2100 cm
It can be considered that the median value Rm (cm -1 ) of the absorption peak appearing at -1 indicates the ratio between the SiH bond and the SiH 2 bond contained in the thin film. Here, for example, the median Rm is 2
If the shift from 000 cm -1 to 2100 cm -1 is S
This is an increase in iH 2 bonds, and a chain bond or a cyclic bond of Si generates defects contained in the film, thereby deteriorating the film quality.
【0063】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 Rm also increases to 21.
In other words, the shift to the 00 cm -1 side means that if the emission intensity ratio [H * ] / [SiH * ] increases, a-S
It can be said that the i-film quality deteriorates. In our opinion, [S
If iH * ] ≧ [H * ], an almost satisfactory a-Si thin film can be obtained.
【0064】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.
【0065】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 poses a serious problem for increasing the area. Therefore, the present inventors, for various deposition parameters,
As a result of improvement, it was found that the distance between the electrodes affected the film thickness distribution, and it was further found that 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%.
%, The relationship was determined, and d = 2
cm, the distribution is remarkably large, not within the usable range. When d is larger than 3 cm, f (MHz) /
It has been found that if d satisfies d (cm) <30, generally good distribution can be obtained.
【0066】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 distance between the electrodes and the density of defect states in the film under various conditions. It can be seen that when the distance between the electrodes exceeds 4 cm, the density of defects gradually decreases.
It can be seen that when the distance between the electrodes is smaller than 4 cm, the value rapidly increases. It is understood that the distance between the electrodes is preferably 4 cm or more. In this embodiment, the distance between the electrodes is 4c.
The study was performed as m.
【0067】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, high quality a
In order to obtain -Si film quality, it is necessary to sufficiently coat the substrate surface with hydrogen. Therefore, a mixed gas obtained by diluting SiH 4 with H 2 is introduced into the plasma reaction chamber at a ratio of SiH 4 : H 2 = 1: 9, and the input power P W = 0.07 W / cm 2 at a frequency f = 80 MHz. Was discharged. FIG. 4 shows the relationship between the pressure P (Torr) at this time and the emission intensity of the SiH * and H * radicals. In order to obtain satisfactory a-Si film quality, as described above, the relationship between the emission intensities is [Si
The pressure P (Torr) that satisfies H * ] ≧ [H * ] is P ≧ 0.
Although the area is 25 Torr, when P> 2.5 Torr, foreign substances (polysilane) that lower the yield occur. On the other hand, in the region where the pressure P is P <0.25 Torr,
This leads to a decrease in film quality such as an increase in the amount of hydrogen in the thin film and an increase in SiH 2 bonds. That is, the pressure P is 0.25 Torr or more.
High-quality a-Si film quality can be obtained at 5 Torr or less. Similarly, frequency f = 13.56, 30, 50, 10
When the relationship with the emission intensities of 0, 120, and 150 is obtained, each emission intensity increases as f increases, but [SiH] /
The [H] ratio did not change significantly.
【0068】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 at orr, the frequency f of the high-frequency power supply = 13.5
At each of 6, 80 and 150 MHz, the input power P
The relationship between W and the emission intensity of SiH * and H * radicals is shown in FIG.
As shown in FIG. In the figure, the white circles and white plots indicate [Si
H * ] ≧ [H * ], and the black circle and black plots are the conditions [SiH * ] <[H * ]. FIG. 7 shows the relationship between each frequency f and the input power P W where the relationship of the light emission intensity is [SiH * ] ≧ [H * ]. According to FIG.
As the conditions for obtaining the i-thin film, the physical meaning is still unknown, but the input power P W (W / c
m 2 ) must be equal to or less than the value defined by the relationship of 10 / f (MHz), and this range is indicated by oblique 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 were the conditions for a low-quality a-Si thin film. In addition, as an optimum condition of a high-quality a-Si thin film, the emission intensity ratio [H * ] / [Si
H * ] was selected for the input power P W at which the minimum value was obtained, and a film was formed.
【0069】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 at each deposition pressure of the a-Si thin film and the median value Rm in the infrared absorption analysis. The input power at this time is [H * ] / [Si
[H * ] ratio is the optimum input power at which the ratio becomes minimum. For example, 80
In MHz and 0.5 Torr, it is 0.04 W / cm 2 . In the region where the frequency f is less than 30 MHz, ion damage incident on the substrate is large, the content of SiH 2 bonds in the film is large, and the film has many defects.
Is higher than 120 MHz, the SiH
The content of two bonds increases, and the film quality deteriorates. It is presumed that the reason is that Si, SiH, and SiH 2 radicals, in which SiH 4 molecules are excessively decomposed, increase and SiH 3 radicals decrease as the shift to high frequency discharge occurs. Furthermore, this region has a film thickness and
Problems such as the problem of film quality distribution come out.
【0070】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. This is considered to be due to the fact that the damage of the substrate incident ions increases in the range of p <0.25, and the 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 using each film forming pressure as a parameter.
【0071】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 at a pressure of 0.5 Torr and an input power of 0.04 W / cm 2 and the film forming rate DR, and the photoconductivity σ p (S / c
FIG. 11 shows the frequency dependence of the S / N ratio, which is the ratio between m) and the dark conductivity σ d (S / cm). FIG. 12 summarizes the relationship between the deposition rate and the S / N ratio for each frequency.
【0072】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。According to these results, the frequency is 30 MHz
If the range is not less than 120 MHz and high quality, and
An a-Si thin film having high productivity can be formed.
If the frequency is 0 MHz or more and 100 MHz or less, improvement in photoelectric characteristics can be expected.
【0073】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, frequency f
= 80 MHz, input power P W = 0.04 W / cm 2 , and the residence time τ (sec) was confirmed. here,
The residence time τ (sec) is defined as the time when the source gas Q (sccm) is introduced into the discharge space V (cm 3 ) and the pressure P (Torr).
When r) is controlled to be constant, it is the time during which the source gas stays in the discharge space, and is expressed by the following equation.
【0074】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 FIG. 13 shows the relationship between the residence time τ and the emission intensity of SiH * and H * radicals. As described above, in order to obtain a high-quality a-Si thin film, the relationship between the emission intensities is [SiH * ] ≧
[H * ], the residence time τ needs to be 2.5 sec or less. In the drawing, the white circles and white plots are conditions where [SiH] ≧ [H], and the black circles and Δ plots are conditions where [SiH] <[H]. FIG. 14 shows the change in the film quality due to the residence time τ at this time represented by the median Rm in the infrared absorption analysis. Residence time τ> 2.5
In the region, it can be confirmed that the ratio of SiH 2 bonds in the a-Si thin film is increased, and the film quality is deteriorated. Similarly, the photoconductivity σ p (S / c) shown in FIG.
m) and the dark conductivity σ d (S / cm), the S / N ratio was also found to decrease when the residence time τ> 2.5 sec.
【0075】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 desirably 2.5 seconds or less.
【0076】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 between the in-substrate film thickness distribution TE (%). Here, assuming that the maximum thickness and the minimum thickness of the thickness distribution in the substrate are T MAX and T MIN , respectively, T E =
(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 forming rate starts to decrease, and similarly, when the residence time τ is 5 sec or more, the film forming rate decreases. This is because when the residence time τ is short, the reactive radicals generated by the discharge are exhausted out of the system before reaching the substrate surface, and when the residence time τ is long, It is considered that the film formation rate is reduced due to the shortage. The same can be said for FIG. When the residence time τ is less than 0.05 sec, a distribution according to the source gas flow occurs, and the residence time τ is 5 s.
When it is larger than ec, distribution occurs from the introduction portion of the source gas. The distribution is preferably 10% or less as a guide.
【0077】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, the film formation rate decreases and the film thickness distribution increases, so that the residence time τ is 0.0
5 seconds or more.
【0078】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) is required to manufacture large-area thin-film devices with good yield and uniformity.
It is necessary that c) is not less than 0.05 sec and not more than 2.5 sec. Desirably, if it is not less than 0.1 sec and not more than 2.5 sec, improvement of the photoelectric characteristics can be expected as shown in FIG.
【0079】次に、本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 embodiment of a field-effect transistor using an a-Si thin film manufactured by the film forming method according to the present invention will be described.
【0080】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.
【0081】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。A gate electrode 12 is formed on an insulating substrate 11, and an insulating layer 13 and a semiconductor layer 14 are further formed thereon.
Are laminated. Source / drain electrodes 16 are formed on the semiconductor layer 14 via an ohmic contact layer 15. And it is covered with the protective film 17. Next, a method for manufacturing this TFT will be described with reference to FIGS.
This will be described with reference to FIG.
【0082】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 (approximately 1000 °) is formed on a 7059 glass substrate 21 made of Corning by a sputtering device and patterned to form a gate electrode 22.
【0083】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。Then, silicon nitride, SiN x (about 30
00Å) A thin film is formed, and then, as a semiconductor layer 24,
Non-doped amorphous silicon, i-type a-Si (about 6000
Å) As a thin film, ohmic contact layer 25, phosphorus-doped microcrystalline silicon, n + -type μc-Si (about 1000
Å) Thin films are sequentially formed by the same apparatus.
【0084】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, an Al thin film (approximately 1 μm) is formed by a sputtering device and patterned to form a source / drain electrode 26. The channel width W and the channel length L were W / L = 100.
【0085】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
The i-layer is etched to form the gap 28.
【0086】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 unnecessary SiN x / i-type a-Si / n + -type μc-Si layers are isolated, a protective film 27 is deposited. Eighteen thin film transistors are created.
【0087】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, is used.
The method for producing a thin film will be described in detail.
【0088】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 embodiment, the formation of the a-Si thin film is performed by a 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 + -type μc-Si layer, and other film forming chambers are not shown. It 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 source, and 308 is a high-frequency power supply. Exhaust port, 309 is an exhaust pump, 310
Denotes a material gas inlet, 320, 340, 322, and 342 denote valves, and 321 and 341 denote mass flow controllers.
【0089】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。A substrate is carried in from a not-shown SiN x film forming chamber in the front chamber, and the chamber is evacuated until the chamber becomes 1 × 10 −6 Torr or less. Next, the raw material gases SiH 4 and H 2 are supplied to the mass flow controllers 321 and 341 for 2, 1
8 sccm, the pressure was maintained at 0.5 Torr, the substrate heater 304 was set, and the substrate temperature was 200 ° C.
, And a frequency of 80 MHz and a power of 0.04 W / cm 2 were applied from the high frequency power supply 307 to obtain i
A type a-Si film is formed at 6000 °. After film formation, the chamber is similarly evacuated to 1 × 10 −6 Torr or less. Next, the film is moved to an n + -type μ-Si film forming chamber in a next chamber (not shown).
【0090】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。In this manner, a thin film transistor can be manufactured. As an embodiment of the present invention, a high-frequency discharge of 80 MHz is taken as an example. However, when the frequency f is changed, the input power P W (W / cm 2 ) is 10 / f (MH).
z) or less, and desirably the input power at which 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 with 0.47 cm 2 / Vsec of the conventional 13.56 MHz discharge a-Si thin film. / Vsec and about 2
Doubled. The reason can be considered from the difference between the substrate incident ion energies 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
In comparison with the discharge in the above, the ion energy that reaches the substrate is small and the energy dispersion is small. Therefore, when the a-Si thin film is laminated, the SiN x thin film which is the gate insulating film is formed. It is considered that the interface characteristics were improved without causing ion damage.
【0091】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 depending on which of the film characteristics, productivity, device characteristics, etc., is emphasized.
【0092】次に、本発明に係る参考例となる成膜方法
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 embodiment of a field-effect transistor using an a-Si thin film manufactured by a film forming method according to a reference example of the present invention will be described.
【0093】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 a parallel plate type plasma CVD apparatus used for forming an a-Si thin film are the same as those shown in FIGS. Only the method of manufacturing the Si film will be described below.
【0094】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 carried in from a not-shown SiN x film forming chamber in the front chamber, and the chamber is evacuated until the chamber becomes 1 × 10 −6 Torr or less. Next, the raw material gases SiH 4 and H 2 are supplied to the mass flow controllers 321 and 341 to obtain SiH 4 and H 2.
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 heater 304 and keeping the substrate temperature at 200 ° C., a frequency of 80 MHz and a power of 0.04 W / cm 2 were applied from the high frequency power supply 307 to form the i-type a-Si film at 6000 ° C. Form a film. After film formation, the chamber is similarly evacuated to 1 × 10 −6 Torr or less. Next, the film is moved to an n + -type μ-Si film forming chamber in a next chamber (not shown).
【0095】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。In this way, 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. Of course, when the frequency f is changed, it is preferable that the emission intensity ratio [SiH * ] ≧ [H * ] be satisfied. , Emission intensity ratio [H * ] / [SiH
* ] Is changed to the condition such as the input power at which the minimum value is shown. Residence time τ (sec) and average electric field mobility μ (cm 2 ) in the substrate
/ 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, a good electric field mobility μ (cm
2 / Vsec).
【0096】次に、本発明の非晶質窒化シリコン膜の製
造方法について説明する。Next, the production of the amorphous silicon nitride film of the present invention is described.
The fabrication method will be described.
【0097】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 a conventional parallel plate type plasma CVD apparatus.
【0098】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, reference numeral 400 denotes a vacuum chamber,
01 is an anode electrode, 402 is a substrate, and 403 is a cathode electrode. The anode electrode 401 is grounded at 406. 404 is a matching device, and 405 is a high frequency power supply.
407 is a gate valve, 408 is a turbo molecular pump, 4
09 is a rotary pump. 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,
14, 424 are silicon fluoride gas line valves, 41
5 to 419 are mass flow meters. If attention is paid to how to apply a high frequency and to handling, this embodiment can be applied not only to the parallel plate type as in this embodiment but also to the carousel electrode type used in the manufacture of the photosensitive drum.
【0099】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 the SiH * radical (414 nm) and the emission intensity [N * ] of the nitrogen radical. FIG. 29 shows the dependency of the deposition rate R on the applied high frequency f. The emission intensity of SiH * radicals [SiH *] in FIG. 26, the emission intensity of nitrogen radicals [N
* ] Shows the applied high frequency power Pw dependency. The conditions at this time are SiH 4 3 sccm, hydrogen 30 sccm, nitrogen 60
sccm, pressure 0.2 Torr. In FIG. 25, Pw = 10 mW / cm 2 , and in FIG. 26, f = 80 MHz.
And
【0100】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。As shown in FIG. 25, when the applied high frequency f is increased, SiH * radicals and nitrogen radicals in the plasma
It has increased accordingly. However, f = 80M
It can be seen that it has a maximum value around Hz, and thereafter it tends to decrease. 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,
This seems to indicate the dependence as shown in FIG.
【0101】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。As shown in FIG. 29, the film formation rate R also increases as the applied high frequency f increases, and has a maximum around f = 100 MHz. However, in the region exceeding 100 MHz, the film thickness distribution on the substrate became large, and polysilane was easily formed, which became dust and pinholes were formed and the cost was reduced. In addition, uniform film properties were not obtained. Therefore, preferably from 30 MHz to 100 MHz
The effect of the present invention can be sufficiently exhibited in the above frequency band. Generally, the film formation rate in silane gas is proportional to [SiH * ], and the tendency in FIG. 29 seems to depend on the tendency of [SiH * ] in FIG.
【0102】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。From FIG. 26, when the applied high frequency power is increased, [S
Both iH * ] and [N * ] tend to increase.
【0103】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。The film forming speed can be increased by increasing the applied high frequency. It is also possible to reduce the applied power accordingly. This is particularly effective when the size of the apparatus is increased and a film is formed in a large area. That is, the size of the high-frequency power supply can be reduced for the size of the device, and the cost of the device can be reduced. Also, in terms of the effect on the film properties, if it can be made in a region where the applied power is small, the overall energy of the ions in the plasma will decrease, so reducing the damage caused by ions incident on the film surface And a film having good film properties can be formed. Attention is also paid to the movement of ions in plasma from the viewpoint of reducing ion damage. In general, ions in a high-frequency plasma vibrate in the plasma according to an electric field oscillating by a high frequency in the plasma. This situation can be expressed as follows. Here, A is the oscillation amplitude of the ions.
【0104】 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 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, ions in the plasma will move back and forth in the plasma without reaching the substrate. Such a state is generally referred to as a state captured or trapped in plasma. As is apparent from this relational expression, by increasing the applied high frequency, a trapped state of ions can be created regardless of the size of the device. By doing so, the amount of ions incident on the substrate could be reduced. As a result, ion damage on the film surface and in the film could be reduced.
【0105】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。FIG. 22 described above illustrates this state. A mass spectrometer was installed at the substrate position, and the distribution of the incident energy and incident amount of the ions entering the mass spectrometer was 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
Under the condition of 13.56 MHz and f = 80 MHz according to the present invention, the incident energy and the incident amount of ions incident on the substrate are different. Obviously, under the condition of f = 80 MHz, the average incident energy is lower and the incident amount is reduced.
【0106】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。The above-mentioned effects are applied 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. Degassing could be reduced. The present invention is intended to actively utilize such a state.
【0107】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, if the frequency is large for a certain distance d between the electrodes, the distribution becomes large. This poses a serious problem for increasing the area. Therefore, the present inventors have tried to improve various film forming parameters, and found that the distance between the electrodes has an influence on the film thickness distribution. Was found to be smaller. Under various conditions of the present invention, the relationship was determined under the condition that the film thickness distribution T (%) in the substrate was within 10%. When d = 2 cm, the distribution was remarkably large. Where f / d <30 where d is greater than 3 cm
Then, it was found that a good distribution can be obtained in general.
【0108】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。As shown in FIG. 3 showing the relationship between the distance between the electrodes under various conditions and the density of defect states in the film, when the distance between the electrodes exceeds 4 cm, the density of the defects gradually decreases. It can be seen that when the distance between the electrodes is smaller than 4 cm, the value rapidly increases. The distance between the electrodes is preferably 4
cm or more is desirable. Therefore, in the present embodiment, a study was performed with the distance between the electrodes being 4 cm.
【0109】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 considerations, amorphous silicon nitride was produced by the production method of the present invention using a mixed gas of silane gas, hydrogen gas and nitrogen gas.
【0110】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 was evacuated by the evacuation pump 409 to 10 -6 Torr. The substrate temperature was set to 350 ° C., and SiH 4 gas was
sccm, H 2 gas at 30 sccm, and nitrogen gas at 6 sccm.
At 0 sccm, the pressure in the chamber was set to 0.2 Torr and 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 necessary time to form a film.
【0111】印加高周波数はf=13.56MHz(従
来例)とf=80MHz(実施例1)とした。このとき
の高周波電力はf=13.56MHzで30mW/cm
2 、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 (according to
( Example) and f = 80 MHz (Example 1) . The high frequency power at this time is 30 mW / cm at f = 13.56 MHz.
2 and 2 mW / cm 2 at f = 80 MHz. For comparison of film characteristics, the film forming speed was adjusted to 1 ° / sec.
【0112】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測
定した。膜中の不純物量は2次イオン質量分析計で測定
した。An aluminum comb electrode was deposited on this film, and the resistivity was measured at room temperature (25 ° C.). The optical band gap E gopt was also measured using these samples.
It was constant. The amount of impurities in the film was measured by a secondary ion mass spectrometer.
【0113】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.
【0114】[0114]
【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, ions in the plasma are in a trapped state, and the flux of ions incident on the substrate surface and the chamber wall is reduced. Impurities in the film are surely reduced because there is no impact from the chamber wall. It is considered that the spin density in the film was realized because the impurities in the film were reduced and the ion damage during the film formation was reduced. In the present embodiment, the higher resistivity is due to Si-Si, Si-
This is probably because the bond inconsistency such as N was improved by reducing the ion damage.
【0115】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 a device configuration.
【0116】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。On a glass substrate 131, aluminum was formed in a thickness of 1000 ° by a vacuum evaporation method, and was patterned to form a gate electrode 132.
【0117】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, the glass substrate 131 was mounted on the anode electrode in the chamber 400 shown in FIG. 24, and evacuated to 10 -6 Torr by the exhaust pumps 408 and 409. The substrate temperature was set to 350 ° C. and SiH 4 gas was supplied for 3 seconds.
flushed ccm, H 2 gas flow 30 sccm, the nitrogen gas flow 60 sccm, and the pressure in the chamber to 0.2 Torr, and maintained for 30 minutes, the substrate temperature is waiting for stability. After that, high-frequency power was applied and the matching device was adjusted to start discharge, and discharge was performed for a necessary time to form a film. At this time, several frequencies were applied around f = 80 MHz. The high-frequency power was set so that the film formation rate was adjusted to 10 ° / sec. After the discharge, the gas is evacuated to 10 -6
High vacuum was applied to Torr.
【0118】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 was set to 250 ° C.
The H 4 gas was flowed at 3 sccm, the H 2 gas was flowed at 30 sccm, the chamber internal pressure was set to 0.5 Torr, the temperature was maintained for 30 minutes, and the substrate temperature was stabilized. After that, the normal 13.56 MHz high frequency was changed to 10 mW / cm 2.
The discharge was started by adjusting the matching device, and the film was formed by discharging for a necessary time. Discharge for 3.5 hours and 5000Å intrinsic amorphous silicon 13
4 was formed. After that, the gas is exhausted and 10 -6 Torr
It was evacuated to high vacuum.
【0119】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 was set to 250 ° C.
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, and the substrate temperature was stabilized. Thereafter, a normal high frequency of 13.56 MHz was supplied at a power of 30 mW / cm 2 , and the matching device was adjusted to start discharging, and the film was formed by discharging for a necessary time. Discharge for 30 minutes and 1500Å
Of n + type amorphous silicon 135 was formed. Thereafter, the gas was evacuated and a high vacuum was applied to 10 -6 Torr.
【0120】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, the substrate is taken out of the film forming apparatus,
Aluminum 136 was formed to a thickness of 1 μm by a vacuum evaporation method.
【0121】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。Thereafter, 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.
【0122】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。FIG. 30A shows the characteristics of a thin film transistor formed of silicon nitride at f = 80 MHz, which is typical of the thin film transistors formed as described above. It shows sufficiently good characteristics. FIG. 31B shows that the ON state is 100.
7 shows a change in the threshold voltage Vth when maintained for a time. (A) in the figure is data of a conventional device.
Conventionally, the shift was made to the positive side with time, but according to the present embodiment, this shift has been considerably improved. Generally, this Vth shift is caused by carriers entering the ON operation, in this case, N-channel operation, and electrons enter the insulating film and are captured by trap levels in the film, where fixed charges are formed.
Therefore, according to the manufacturing method of the present invention, it is considered that impurities in the film were reduced, ion damage during the film formation was also reduced, defects in the film were reduced, and this characteristic was improved. FIG. 34A shows the dependency of the V th shift on the applied high frequency. It can be seen that the above effect appears from around f = 30 MHz.
【0123】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, evaluation was performed using the amorphous silicon nitride film under the same conditions as a passivation film of a thin film transistor. However, the substrate temperature was set to 250 ° C. to avoid adverse effects on the thin film transistor. FIG. 36 shows the configuration of the device.
【0124】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。On a glass substrate 141, aluminum was formed to a thickness of 1000 ° by a vacuum evaporation method, and was patterned to form a gate electrode 142.
【0125】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, the glass substrate 141 was mounted on the anode electrode in the chamber 400 shown in FIG. 24, and evacuated to 10 -6 Torr by the exhaust pumps 408 and 409. The substrate temperature was set to 250 ° C., and SiH 4 gas was
flushed ccm, H 2 gas flow 30 sccm, the nitrogen gas flow 60 sccm, and the pressure in the chamber to 0.5 Torr, and maintained for 30 minutes, the substrate temperature is waiting for stability. Thereafter, high-frequency power was applied, and the matching device was adjusted to start discharge, and discharge was performed for a necessary time to form the gate insulating film 143. At this time, the frequency is f = 13.5
6 MHz and high frequency power were 30 mW / cm 2 . After the discharge, the gas was evacuated and a high vacuum was applied to 10 -6 Torr.
【0126】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 was set to 250 ° C.
The H 4 gas was flowed at 3 sccm, the H 2 gas was flowed at 30 sccm, the chamber internal pressure was set to 0.5 Torr, the temperature was maintained for 30 minutes, and the substrate temperature was stabilized. After that, the normal 13.56 MHz high frequency was changed to 10 mW / cm 2.
The discharge was started by adjusting the matching device, and the film was formed by discharging for a necessary time. Discharge for 3.5 hours, 5000Å intrinsic amorphous silicon 14
4 was formed. After that, the gas is exhausted and 10 -6 Torr
It was evacuated to high vacuum.
【0127】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 was set at 250 ° C.
The H 4 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 for the substrate temperature to stabilize. Thereafter, a normal high frequency of 13.56 MHz was supplied at a power of 30 mW / cm 2 , and the matching device was adjusted to start discharging, and the film was formed by discharging for a necessary time. Discharge for 30 minutes and 1500Å
Of n + type amorphous silicon 145 was formed. Thereafter, the gas was evacuated and a high vacuum was applied to 10 -6 Torr.
【0128】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, the substrate is taken out of the film forming apparatus,
Aluminum 146 was formed to a thickness of 1 μm by a vacuum evaporation method. Thereafter, the aluminum was patterned to form source and drain electrodes.
【0129】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. Up to this step, a conventional thin film transistor is formed.
【0130】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。 Next, a passivation film 147 was deposited on the substrate completed up to this step by the manufacturing method according to the present invention. First, the substrate was mounted again on the anode electrode in the chamber 400, and exhausted to 10 -6 Torr by the exhaust pumps 408 and 409. 200 ° C substrate temperature
, The flow of SiH 4 gas was 3 sccm, the flow of H 2 gas was 30 sccm, the flow of nitrogen gas was 60 sccm, the internal pressure of the chamber was 0.2 Torr, the temperature was maintained for 30 minutes, and the substrate temperature was stabilized. After that, high-frequency power is turned on and the matching device is adjusted to start discharging,
The film was formed by discharging for a necessary time. At this time, the frequency is f =
Several points around 80MHz. After the discharge, the gas was evacuated and a high vacuum was applied to 10 -6 Torr. On a comparable thin film transistor as a comparative sample, the frequency is f
A sample provided with a passivation film having a frequency of 13.56 MHz and a high-frequency power of 30 mW / cm 2 was also prepared. A typical f = 80M of the thin film transistor thus prepared
FIG. 33 shows the characteristics when a passivation film is formed at
It is shown in (c). (B) in the figure is a case where it is created by a conventional method. In the figure, (a) shows initial characteristics without a passivation film. Conventionally, the threshold voltage was shifted more positively than the initial state by attaching a passivation film due to damage by ions in the plasma, but the shift can be considerably reduced with the passivation film of the present invention. . FIG. 34E shows the dependency of the V th shift on the applied high frequency. It can be seen that the above-mentioned effect appears around f = 30 MHz. From this experimental result, it is considered that, by increasing the applied high frequency from about f = 30 MHz, ions incident on the substrate are reduced, and ion damage during film formation is also reduced .
【0131】次に本発明の非晶質窒化シリコン膜の製造
方法に係る第2の実施例について説明する。 Next, production of the amorphous silicon nitride film of the present invention
A second embodiment according to the method will be described.
【0132】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 a manufacturing method according to the present invention using a mixed gas of silicon fluoride, hydrogen gas and nitrogen gas.
【0133】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 the plasma at this time will be described. FIG. 27 shows the frequency dependence of the emission intensity of the SiF * radical. It can be seen that the emission intensity is increased by increasing the applied high frequency. This is presumably 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 the SiF * radical. It can be seen that the emission intensity increases as the applied power increases. In this embodiment, the applied high frequency is from 13.56 MHz to 150 MHz.
【0134】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 indicating these plasma states. The glass substrate was attached to the anode electrode in the chamber shown in FIG.
The air was evacuated to 0 -6 Torr or less. After setting the substrate temperature at 350 ° C., the valves 414 and 424 were opened to open the silicon fluoride gas at 3 sccm, and the valves 411 and 421 were opened to open H 2.
40 sccm of gas and 120 sccm of nitrogen gas flow,
Hold for 30 minutes. Thereafter, high-frequency power was applied, and a matching device was adjusted to start plasma discharge, thereby forming a film.
The thickness of all samples was about 1 μm.
【0135】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。FIG. 29B shows the applied frequency f of the film forming speed R.
Indicates dependence. As seen from the above plasma emission, the gas was sufficiently decomposed by increasing the applied high frequency, and a higher film formation rate than in the past could be realized.
【0136】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の実施例2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30(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=3
0MHz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 prepared here was used as a gate insulating film of a thin film transistor and evaluated. The properties of the single film at this time are shown in Example 2 of Table 1. Basically, the device forming process is the same as the process in the first embodiment, and a description thereof will be omitted. f =
FIG. 30B shows device characteristics when a silicon nitride film is formed at 80 MHz. FIG. 31C shows a change in the threshold voltage V th when the ON operation is maintained for 100 hours. FIG. 32C shows a change in the threshold voltage Vth when the heat treatment is performed. The figure shows data of a conventional device. Good basic characteristics were obtained as in the conventional case. Also, the V th shift due to the ON operation was reduced. This is because impurities in the film are reduced, defects due to this and defects due to plasma damage at the time of film formation are reduced, carrier trap levels are reduced as a whole, and electrons trapped by this are reduced. I think that the. In the device of this example, the diffusion of hydrogen due to heat was less likely to occur because the hydrogen in the film was suppressed, and the V th shift to the negative side due to the heat treatment was small. FIG. 34 (b) shows the applied high frequency dependence of the V th shift due to this ON operation, and FIG. 34 (d) shows the applied high frequency dependence of the V th shift due to heat. f = 3
It can be seen that the above effects appear from around 0 MHz. From this experimental result, it is considered that, by increasing the applied high frequency from about f = 30 MHz, ions incident on the substrate are reduced, and ion damage during film formation is also reduced.
【0137】次に別の本発明の非晶質窒化シリコン膜の
製造方法について説明する。Next, another amorphous silicon nitride film of the present invention
The manufacturing method will be described.
【0138】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, a description will be given of the inter-electrode distance as a premise of the embodiment of the present invention.
【0139】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, when the frequency is large for a certain distance d between the electrodes, the distribution becomes large. This poses a serious problem for increasing the area. Therefore, the present inventors have tried to improve various film forming parameters, and found that the distance between the electrodes has an influence on the film thickness distribution. Was found to be smaller. When the film thickness distribution T (%) in the substrate was within 10% under various conditions of the present invention, the relationship was determined. When d = 2 cm, the distribution was remarkably large. Is 3
It has been found that at a location larger than cm, if d satisfies f / d <30, generally good distribution can be obtained.
【0140】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 FIG. 3 showing the relationship between the distance between the electrodes under various conditions and the density of defect states in the film, when the distance between the electrodes exceeds 4 cm, the density of the defects gradually decreases. It can be seen that when the distance between the electrodes is smaller than 4 cm, the value rapidly increases. The distance between the electrodes is preferably 4
cm or more is desirable. Therefore, in the present embodiment, a study was performed with the distance between the electrodes being 4 cm.
【0141】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. The basic structure is a conventional parallel plate type plasma C
It is the same as the VD device.
【0142】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. 504 is a matching device, and 505 is a high frequency power supply. 5
07 is a gate valve, 508 is a turbo molecular pump, 50
9 is a rotary pump.
【0143】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 -based mixed gas is diluted with H 2 as necessary and introduced into the vacuum chamber 500. In this embodiment, 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, and the pressure was maintained at 0.2 Torr. The frequency f of the high frequency power supply was changed from 13.56 MHz to 150 MHz. At this time, the input power for film formation was 10 mW / cm 2.
The above is sufficient, but in the present embodiment, it was set to 30 mW / cm 2 in consideration of distribution and the like.
【0144】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 forming speed DR. The figure is for a substrate temperature T S of 350 ° C. The deposition rate does not depend on the substrate temperature, but has a peak with respect to the frequency. The reason is that, as the discharge frequency increases, the decomposition of the source gas is promoted, and the film formation rate increases once. However, when the frequency is further increased, the film formation rate decreases because the source gas and the precursor start to be excessively decomposed. It is estimated that it is. Next, showed the power frequency f and intramembranous hydrogen content C H at each deposition temperature in Figure 39. The relationship between the amount of hydrogen in the film and the stress at each substrate temperature of 350 ° C., 250 ° C., and 150 ° C. is shown in FIGS. From the figure, it can be seen that a slight compressive stress (specifically, in the present invention, the optimal value is 1 × 10 9 dyn / cm 2 or more and 4 × 10
9 dyn / cm 2 or less), the frequency of the high-frequency power supply should be 30 MHz to 120 MHz at a substrate temperature of 250 ° C. or more and 350 ° C. or less for realizing a conventional high quality film.
It can be realized by setting z or less.
【0145】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, the relationship between the frequency and the spin density in the film is shown in FIG. The figure shows the frequency dependence at a substrate temperature of 350 ° C., but the same tendency was observed at a substrate temperature of 150 ° C. or higher. That is, it is estimated that in a low region where the frequency f is lower than 30 MHz, ion damage incident on the substrate is large, and the film has many defects. As described above, FIG. 22 in which a mass spectrometer is installed at the substrate position and the distribution of the incident energy and the incident amount of the ions entering the substrate is obtained is an 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, a high energy component is incident on the substrate. If the frequency f is 120
Even in a region exceeding MHz, the film quality is deteriorated. It is presumed that the reason is that the raw material gas and the precursor were excessively decomposed as the shift to the high frequency discharge was performed. Furthermore, when this area is considered to have a large area, problems such as a problem of a film thickness / film quality distribution appear.
【0146】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
When the frequency is in the range of not less than 120 MHz and the stress is slightly compressed, SiN x of high quality and high productivity is obtained without impairing the N / Si ratio, optical band gap, spin density and the like.
A thin film can be created.
【0147】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 embodiment of a field effect transistor using a SiN x thin film manufactured by such a film forming method will be described.
【0148】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.
【0149】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 thereon.
Are laminated. Source / drain electrodes 36 are formed on the semiconductor layer 34 via an ohmic contact layer 35. And it is covered with a protective film 37. Next, a method of manufacturing this TFT will be described with reference to FIGS.
This is described using (d).
【0150】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 (approximately 1000 °) is formed on a Corning 7059 glass substrate 41 by a sputtering device and patterned to form a gate electrode.
【0151】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。Then, silicon nitride, SiN x (about 30
00Å) A thin film is formed, and then as a semiconductor layer 44,
Non-doped amorphous silicon, i-type a-Si (about 6000
Å) As a thin film, ohmic contact layer 45, phosphorus-doped microcrystalline silicon, n + -type μc-Si (about 1000
Å) Thin films are sequentially formed by the same apparatus.
【0152】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1μm)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。[0152] Second, as in FIG. 45 (b), the sputtering apparatus to form an Al thin film (about 1 [mu] m), and patterned to form the source and drain electrodes 46. The channel width W and the channel length L were W / L = 100.
【0153】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。Third, as shown in FIG. 45C, unnecessary n + -type μc-S
The i-layer is etched to form the gap 48.
【0154】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. 45D, after further unnecessary SiN x / i-type a-Si / n + -type μc-Si layers are isolated, a protective film 47 is deposited. 44 thin film transistors are created.
【0155】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, the point of the present invention, SiN x
The method for producing a thin film will be described in detail.
【0156】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 formation of the a-Si thin film is performed by a parallel plate type plasma CVD apparatus as shown in FIG. This figure shows a film forming chamber for a SiN x thin film, 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 heater for heating a substrate, 605 is a ground terminal, 606 is a matching box, 607 is a high-frequency power source, 607 is an exhaust port, 608 is an exhaust pump, 609 is an exhaust pump, and 610 is a raw material. Gas inlets, 620, 630, 640, 622, 63
2, 642 indicates a valve, and 621, 631, 641 indicate a mass flow controller.
【0157】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 is carried in, and the chamber is set to 1 × 10 -6 To.
Vacuum until rr or less. Next, the raw material gas Si
H 4 , NH 3 , H 2 are supplied to the mass flow controller 62
10,200,100scc according to 1,631,641
m, the pressure is maintained at 0.2 Torr, the substrate heater 604 is set, and the substrate temperature is maintained until the temperature reaches 350 ° C.
Hz and a power of 30 mW / cm 2 , and a 3000 nm SiN x film is formed. After film formation, the same chamber
Vacuum to 10-6 Torr or less. Next, it moves to the i-type a-Si film formation chamber of the next chamber not shown.
【0158】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。[0158] Thus, a thin film transistor can be manufactured. As an embodiment of the present invention, a high-frequency discharge of 80 MHz is taken as an example. Si deposited at each frequency f
Field mobility of a TFT using a N X film μ (cm 2 / Vs
FIG. 47 summarizes ec) with respect to the stress of the thin film. The electric field mobility μ becomes maximum at the frequency f = 80 MHz as compared with the case where the conventional 13.56 MHz is used, and an improvement of about twice is recognized. Conventional 13.56 MH
The electric field mobilities of the SiN x thin film prepared by the RF plasma CVD method of z and NH 3 and N 2 are represented by black ○ △ plots, respectively.
【0159】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 at 50 MHz or more and 100 MHz or less.
【0160】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 in z was compared. FIG. 48 shows a change in threshold voltage when the ON state is maintained for up to 100 hours. It can be seen that the reliability has also been improved.
【0161】次に、本発明の微結晶シリコン膜の製造方
法について説明する。Next, a method of manufacturing the microcrystalline silicon film of the present invention
The method will be described.
【0162】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. The basic structure is a conventional parallel plate type plasma C
It is the same as the VD device.
【0163】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, reference numeral 700 denotes a vacuum chamber,
701 is an anode electrode, 702 is a substrate, and 703 is a cathode electrode. The anode electrode 701 is grounded at 706. 704 is a matching device, and 705 is a high frequency power supply. 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.
【0164】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。If attention is paid to the method of applying high frequency and handling, not only the parallel plate type as in this embodiment but also the carousel electrode type used in the manufacture of the photosensitive drum can be used in this embodiment. Is applicable.
【0165】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 the SiH * radical (414 nm) and the emission intensity [H * ] of the hydrogen radical.
(656 nm) of the applied high frequency f. FIG. 51 shows the dependency of the deposition rate R on the applied high frequency f. FIGS. 52, 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 3 sccm, hydrogen 15
0 sccm, pressure 0.5 Torr.
【0166】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 correspondingly from about f = 30 MHz.
However, it has a maximum around f = 80 MHz,
It can be seen that it has been decreasing since then, and when it exceeds 120 MHz, it suddenly starts to decrease. 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.
【0167】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。As shown in 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 exceeding 100 MHz, the film thickness distribution on the substrate became large, and polysilane was easily formed, which became dust and pinholes were formed and the cost was reduced. In addition, uniform film properties were not obtained. Therefore, preferably, the effects of the present invention can be sufficiently exhibited 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.
【0168】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。As shown in FIGS. 52 and 53, when the applied high frequency power is increased, both [SiH * ] and [H * ] are increased.
[H * ] is more dependent than [SiH * ].
【0169】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。In general, there are some conditions for forming microcrystalline silicon. First, the relationship of [H * ] / R> a (a is a constant) needs to be established between [H * ] in the plasma and the film formation rate R. This indicates that it is difficult to crystallize unless the hydrogen covering the film formation surface exceeds a certain amount.
In the plasma using a silane gas addition, since the film formation rate R is proportional to [SiH *], this condition is [H *]
/ [SiH * ]> a '. Under the actual conditions of the present invention, this value was a '= 1. In a normal system, the dilution ratio of hydrogen gas is increased to achieve this ratio.
【0170】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 reduced, and the film forming speed was extremely reduced. Thus, as in the present invention, by increasing the applied high frequency, the gas decomposition efficiency can be increased, and a decrease in the film forming rate can be prevented. Further, a higher film forming speed can be realized, and the film forming time can be shortened. This is the first effect of the present invention.
【0171】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。In FIGS. 52 and 53, [H * ] / [SiH]
* ] = 1, the point P moves to the upper left as the applied high frequency f increases. 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 a point satisfying [H * ] / [SiH * ] = a 'shows the same change. In other words, in order to achieve a [H * ] / [SiH * ] ratio of a certain ratio or more at a certain applied high frequency f, there is a change in the applied high-frequency power.
【0172】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。This was determined under various conditions this time.
With the k = 1 curve as shown in FIG. 54 as the lower limit, preferably, the region indicated by oblique lines with k = 10 slightly deviating from the boundary region is a region in which the present invention can be realized. found. This is the second effect of the present invention. That is, by increasing the applied high frequency, a desired film can be obtained in a wider applied high-frequency power range without breaking the conditions for forming microcrystalline silicon. This is particularly effective when the apparatus is made large and a film is formed over a large area. That is, the size of the high-frequency power supply can be reduced for the large size of the device, and the cost of the device can be reduced.
Also, in terms of the effect on the film properties, if it can be made in a region where the applied power is small, the overall energy of the ions in the plasma will decrease, so reducing the damage caused by ions incident on the film surface And a film having good film properties can be formed.
【0173】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。From the viewpoint of reducing ion damage, attention is paid to the movement of ions in the plasma. In general, ions in a high-frequency plasma vibrate in the plasma according to an electric field oscillating by a high frequency in the plasma.
This situation can be expressed as follows. Here, A is the oscillation amplitude of the ions.
【0174】 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 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, ions in the plasma will move back and forth in the plasma without reaching the substrate. Such a state is generally referred to as a state captured or trapped in plasma. As is apparent from this relational expression, by increasing the applied high frequency, a trapped state of ions can be created regardless of the size of the device. By doing so, the amount of ions incident on the substrate could be reduced. Further, as described later, ions are considered to have an adverse effect on the formation of microcrystals, which is effective not only for simple ion damage but also for efficiently producing high-quality microcrystals. The present invention intends to actively utilize such a state.
【0175】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。FIG. 22 described above illustrates this state. A mass spectrometer was installed at the substrate position, and the distribution of the incident energy and incident amount of the ions entering the mass spectrometer was 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
Under the condition of 13.56 MHz and f = 80 MHz according to the present invention, the incident energy and the incident amount of ions incident on the substrate are different. Obviously, under the condition of f = 100 MHz, the average incident energy is lower and the incident amount is reduced.
【0176】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 distance d between the electrodes, the distribution becomes large. This poses a serious problem for increasing the area. Therefore, the present inventors have tried to improve various film forming parameters, found that the distance between the electrodes has affected the film thickness distribution, and by further increasing the distance between the electrodes,
It has been found that the distribution becomes smaller. When the film thickness distribution T (%) in the substrate was within 10% under various conditions of the present invention, the relationship was determined. When d = 2 cm, the distribution was remarkably large. Is larger than 3 cm, if d satisfies f / d <30,
It has been found that generally good distribution can be obtained.
【0177】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 distance between the electrodes and the density of defect states in the film under various conditions. It can be seen that when the distance between the electrodes exceeds 4 cm, the density of defects gradually decreases.
It can be seen that when the distance between the electrodes is smaller than 4 cm, the value rapidly increases. It is understood 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
Investigation was performed as cm.
【0178】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 considerations, microcrystalline silicon containing no impurities was produced by the manufacturing method of the present invention.
【0179】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 was set to 250 ° C., SiH 4 gas was flowed at 3 sccm, and H 2 gas was
The flow rate was 50 sccm, and the internal pressure of the chamber was set to 0.5 Torr, and 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 necessary time to form a film.
【0180】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。The applied high frequency was varied from f = 13.56 MHz to f = 150 MHz to prepare a sample. The high frequency power at this time is from 7 mW / cm 2 to 0.1
W / cm 2 .
【0181】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 deposited on this film, and the dark conductivity and the activation energy were measured at room temperature (25 ° C.). An optical band gap E gopt was also made using these samples.
【0182】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 by (a) in FIG. 57 shows the applied high frequency dependence of the dark conductivity of the film formed under this condition. FIG.
FIG. 8A shows the dependence of the activation energy on the applied high frequency. The broken line in the figure indicates that the film has much dust and the reproducibility of the characteristics is not sufficient. If the frequency exceeds 100 MHz, especially 120 MHz, the silane gas is liable to be excessively decomposed and polysilane is easily formed, which is considered to be a cause of dust.
【0183】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。FIGS. 57 and 58 show that as the applied high frequency is increased, the dark conductivity increases and the activation energy decreases. This is a phenomenon that accompanies crystallization of the film. It has been pointed out that the amount of ions incident on the substrate surface should be reduced as a condition for crystallization of the deposited film. As a result, ions in the plasma are trapped,
As described with reference to FIG. 22, it is considered that the crystallization actually proceeded because the number and energy of ions incident on the substrate decreased.
【0184】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。As a further effect of the present invention, there is an improvement in the initial film. Generally, when depositing microcrystalline silicon, 5
It has been found that the initial film of about 00 ° is a region where the growth of microcrystals is insufficient and there are many defects. This is presumably because a negative bias is applied to the insulating substrate in the initial stage of film formation, and accordingly, ions are incident on the substrate, which causes the above-described inconvenience. Microcrystalline silicon is often used as a blocking layer or an ohmic layer of a semiconductor device, and its thickness is at most 100.
In many cases, the thickness is about 0 °, so that about half of the thickness does not have good film quality.
【0185】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 is known that such an initial film fluctuates due to film forming conditions and process instability, and eventually causes deterioration and instability of device characteristics. In particular, such troubles at the production site are serious.
【0186】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。 Therefore, if the manufacturing method of the present invention is used, the amount of ions trapped in the plasma and incident on the substrate can be reduced in the first place. Therefore, it was confirmed that the microcrystalline silicon initial film obtained by the method of the present invention was changed to a good film .
【0187】次に本発明の微結晶シリコン膜の製造方法
で不純物を含むn+ 型微結晶シリコン膜を作成した他の
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1
00mW/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150M
Hzまで変化させた。 Next, another method of forming an n + -type microcrystalline silicon film containing impurities by the method of manufacturing a microcrystalline silicon film of the present invention is described .
An example will be described. First, the state of the 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 1
Samples were prepared with the variation between 00 mW / cm 2 . The applied high frequency is 13.56 MHz to 150M
Hz.
【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。The glass substrate 702 is mounted on the anode electrode in the chamber 700, and the pumps 708 and 70
According to 9, the gas was exhausted to 10 -6 Torr. Next, after setting the substrate temperature to 250 ° C., the valves 710 and 718 are opened to flow SiH 4 gas at 3 sccm, and the valves 712 and 7
PH 3 diluted 100ppm with H 2 gas by opening the 20
Gas flow 150sccm, chamber pressure 0.5T
The pressure was maintained at orr and held for 30 minutes until the substrate temperature was stabilized. After that, high-frequency power was applied and the matching device was adjusted to start discharge, and discharge was performed for a necessary time to form a film. A 1 μm film was formed. Thereafter, the gas was evacuated and a high vacuum was applied 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 deposited on this film, and the dark conductivity and the 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. 57 (b) shows the applied high frequency dependence of the dark conductivity of the film formed under this condition. (B) in FIG.
Fig. 3 shows the dependence of the activation energy on the applied high frequency. Figure 59
Fig. 6 shows the applied high frequency dependence of the doping efficiency. FIG.
It can be seen from FIG. 58 that the dark conductivity increases and the activation energy decreases as the applied high frequency is increased. As can be seen from the movement of the non-doped film (a) in the figure, the crystallization of the film is promoted by increasing the doping efficiency when the applied high frequency is increased. As a result, the incorporation of phosphorus into the film becomes active. It seems to be done. Moreover, as can be seen from FIG. 59, the doping efficiency also increases as the applied high frequency increases, which is also considered to be due to the improvement in 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 prepared here, a film having an applied high frequency of 80 MHz was evaluated as an ohmic layer of a photoconductive 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 evacuated to 10 -6 Torr by the exhaust pumps 708 and 709. Next, the substrate temperature was set to 250 ° C., SiH 4 gas was flowed at 3 sccm, H 2 gas was flowed at 30 sccm, the chamber internal pressure was set to 0.5 Torr, and the temperature was maintained for 30 minutes. waited. Thereafter, a normal high frequency of 13.56 MHz was applied at a power of 10 mW / cm 2 , and the matching device was adjusted to start discharge, and the film was formed by discharging for a required time. Discharge for 3.5 hours and 5000
Intrinsic amorphous silicon of Å was deposited. Thereafter, the gas was evacuated and a high vacuum was applied 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。Then, n + -type microcrystalline silicon was deposited on the intrinsic amorphous silicon by the manufacturing method of the present invention. The substrate was held on the anode electrode in the chamber 700, and while the substrate temperature was set at 250 ° C., the SiH 4
A gas was flowed at 3 sccm, a 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, and the substrate temperature was stabilized. Thereafter, a high frequency of 80 MHz was applied, and a matching device was adjusted to start a discharge, and the discharge was carried out for a necessary time to form a film of 1500 ° n + type amorphous silicon. After that, the gas is exhausted and 10 -6 Torr
It was evacuated to high vacuum.
【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, the substrate is taken out of the film forming apparatus,
Aluminum was formed to a thickness of 1 μm by a vacuum deposition method.
【0195】然る後、このアルミをパターニングし、電
極とした。Thereafter, this aluminum was patterned to form electrodes.
【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。 FIG. 61B shows the dependence of the dark current on the bias of the device thus manufactured. FIG. 62B shows the bias dependence of the photocurrent under a light source of wavelength 560 (nm) and 200 (lx). (A) in the figure is data of a conventional device. Conventionally, the dark current at the time of low bias has exhibited non-ohmic characteristics. The photocurrent showed slightly similar characteristics. This is thought to be caused by poor bonding between the intrinsic amorphous silicon layer and the n + microcrystalline silicon layer. However, in 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, damage to the amorphous silicon layer by ions was reduced, and photoelectric characteristics were also improved.
【0198】次に本発明の微結晶シリコン膜の製造方法
でp+ 型微結晶シリコン膜を作成したさらに他の実施例
を示す。 Next , still another embodiment in which a p + -type microcrystalline silicon film is formed by the method for manufacturing a microcrystalline silicon film of the present invention will be described.
【0199】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。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。First, the state of the plasma at this time will be described. FIG. 55 shows the frequency dependence of the emission intensity of boron radicals. Normally, emission of boron radicals, for which emission is invisible, is observed, and it can be seen that the emission intensity increases as the applied high frequency is increased. This is probably because the electron density in the plasma increased as in the case of the silane gas, and the decomposition efficiency increased. FIG. 56 shows the dependence of the emission intensity of boron radicals on the applied power. It can be seen that the emission intensity increases as the applied power increases. The applied high frequency in this embodiment is from 13.56 MHz to 150 MHz.
z. Samples were prepared under the conditions indicating 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 was attached to the anode electrode in the chamber, and an exhaust pump 708
At 709, the gas was exhausted to 10 -6 Torr or less. Substrate temperature 2
After setting the temperature to 00 ° C., the valves 710 and 718 were opened to flow 3 sccm of silane gas, and the valves 713 and 721 were opened to flow 150 sccm of diborane diluted to 1% with H 2 gas and held for 30 minutes. After that, I turned on high frequency power,
By adjusting the matching device, plasma discharge was started to form a film. The 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 deposited on this film, and the dark conductivity and the 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 dependence of the dark conductivity of the film applied under these conditions on the applied high frequency. FIG. 58C shows the dependence of the activation energy on the applied high frequency. FIG. 59 shows the applied high frequency dependence of the doping efficiency. FIGS. 57 and 58
As the applied high frequency increases, 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), if the doping efficiency is also increased with the applied high frequency, the crystallization of the film is promoted, and along with this, boron is actively incorporated into the film. It seems to be. Moreover, FIG.
As can be seen from (b), the doping efficiency also increases as the applied high frequency increases, and this is also considered to be due to the improvement in 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, of the films prepared here, a PIN type photodiode was prepared using a film with an applied high frequency of 80 MHz, and device evaluation was performed. 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
On top of this, n + -type microcrystalline silicon 263 was deposited. The substrate was held on the anode electrode in the chamber 700 of FIG. 49, and while the substrate temperature was set at 250 ° C., SiH 4 gas was flowed at 3 sccm, and phosphine gas diluted to 100 ppm with H 2 gas was flowed at 150 sccm, and the chamber pressure was changed. Was set to 0.5 Torr and held for 30 minutes to wait for the substrate temperature to stabilize. After that, normal 13.56
A high frequency of MHz was applied at a power of 30 mW / cm 2 , discharge was started by adjusting the matching device, and the discharge was carried out for a necessary time to form a 1500 ° n + amorphous silicon film. Thereafter, the gas was evacuated and a high vacuum was applied 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 SiH 4 gas was supplied at 3 sc with the substrate temperature set at 250 ° C.
cm, and H 2 gas at 30 sccm. The internal pressure of the chamber was set to 0.5 Torr, the temperature was maintained for 30 minutes, and the substrate temperature was stabilized. After that, normal 13.5
A high frequency of 6 MHz is applied with a power of 10 mW / cm 2 ,
Discharge was started by adjusting the matching device, and the film was formed by discharging for a necessary time. Discharging was performed for 3.5 hours to form 5000 nm intrinsic amorphous silicon 264. Thereafter, the gas was evacuated and a high vacuum was applied 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, a p - microcrystalline silicon layer 265 is formed on the intrinsic amorphous silicon 264 by the manufacturing method of the present invention.
Was deposited. After setting the substrate temperature to 200 ° C. while the substrate was kept attached to the anode electrode in the chamber, valves 710 and 718 were opened to open silane gas at 3 sccm, and valves 713 and 721 were opened to diborane diluted to 1% with H 2 gas at 150 sccm. And kept for 30 minutes. Thereafter, high-frequency power was applied at an applied high frequency of 80 MHz, and the matching device was adjusted to start plasma discharge, and a film was formed at 500 °.
【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, the substrate is taken out of the film forming apparatus,
A transparent conductive film 266 was formed by a 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. 64 (b) shows the diode characteristics of this device. (A) in the figure is data when a p + microcrystalline silicon layer is formed by a conventional manufacturing method. The current at the time of reverse bias was considerably reduced. 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 characteristics were improved.
It is considered that the damage due to 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 described. However, similar effects can be obtained by using arsine or the like as a doping gas.
【0210】なお、以上説明した各実施例は、本発明の
非晶質シリコン膜の製造方法、非晶質窒化シリコンの製
造方法、微結晶シリコン膜の製造方法の各製造方法を各
々実施例した場合についてのものであるが、本発明の製
造方法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発明の非晶
質窒化シリコンの製造方法を用い、i型半導体層に本発
明の非晶質シリコン膜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。[0210] Each of the embodiments described above corresponds to the present invention.
Method for producing amorphous silicon film, production of amorphous silicon nitride
The manufacturing method and the method for manufacturing a microcrystalline silicon film are examples in which each of the manufacturing methods is performed .
It is also possible to arbitrarily combine the manufacturing methods . For example, the amorphous insulating film of the present invention
Using the manufacturing method of quality silicon nitride, the onset the i-type semiconductor layer
A bright amorphous silicon film manufacturing method can be used. Here, it is needless to say that all the layers (i-type semiconductor layer, n + semiconductor layer, insulating layer, etc.) are preferably formed by the manufacturing method of the present invention .
【0211】以下に、非晶質シリコン膜の製造方法、非
晶質窒化シリコンの製造方法、微結晶シリコン膜の製造
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。The method for manufacturing an amorphous silicon film will now be described.
Method for producing amorphous silicon nitride, production of microcrystalline silicon film
A case where a non-single-crystal semiconductor device is manufactured by combining methods will be described.
【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 a field-effect transistor as shown in FIG. 18, a PIN-type semiconductor device, or the like, it is desirable to continuously laminate each functional film.
What is problematic in performing interface control, which is an important factor for the characteristics, is that not all the films have the same film forming rate and the required thicknesses are different. As a result, a rate-determining step occurs during continuous film formation, which is the tact 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 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-limiting step can be eliminated, the throughput can be improved, and the cost can be reduced. Further, the throughput can be increased by increasing the discharge frequency of each layer in consideration of the 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, in addition to increasing the throughput, the amorphous silicon nitride film according to the present invention is used as a gate insulating layer, and a non-single-crystal film such as an amorphous silicon film or a microcrystalline silicon film according to the present invention is used. When used as a semiconductor layer, as described above, a TFT with high reliability and excellent characteristics
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 the continuous film formation, each discharge frequency can be determined in consideration of the influence of each of the above-mentioned films 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、本発明の非晶質シリ
コン膜の製造方法によれば、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, the amorphous silicon of the present invention is
According to the method of manufacturing the capacitor film , in the plasma CVD method, by defining the frequency of the high-frequency power supply, the input power depending on the frequency, the pressure, and the distance between the electrodes,
An a-Si film can be manufactured inexpensively, with high yield, and with 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.
You.
【0217】また、本発明の非晶質窒化シリコン膜の製
造方法によれば、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。 Also, the production of the amorphous silicon nitride film of the present invention
According to the manufacturing method , a sufficient film forming rate can be obtained while suppressing a decrease in the film forming rate. As a result, manufacturing throughput can be increased. In addition, the decomposition efficiency of the deposition gas can be increased, the amount of gas used can be reduced, and the gas utilization efficiency can be greatly increased. As a result, manufacturing costs can be reduced. Further, since a film is formed in a state where ions that deteriorate the characteristics of the film are confined in plasma, generation of defects is suppressed, and a film having excellent characteristics can be provided.
In addition, since plasma damage at the interface can be reduced, a high-quality film can be stably provided. In addition, outgassing from the chamber can be suppressed, impurities are less taken into the film, defects based on the gas can be reduced, and a high-quality film can be provided. In addition, since film formation can be performed with a smaller electric power than a conventional apparatus, it is easy to reduce the size of a power supply apparatus, and it is possible to reduce the apparatus cost especially for a large-scale production apparatus.
【0218】また本発明の非晶質窒化シリコン膜の製造
方法によれば、プラズマCVD法において、高周波電源
の周波数、電極間距離及び投入電力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。 Production of amorphous silicon nitride film of the present invention
According to the method , in the plasma CVD method, by specifying the frequency of the high-frequency power supply, the distance between the electrodes, and the input power , the SiN x thin film can be manufactured inexpensively, with high yield, and with high quality even in a large area. In particular, in a thin film transistor, a thin film transistor type optical sensor, and the like, various characteristics such as electric field mobility, photoelectric characteristics, and the like, and improvement in stability thereof can be achieved.
【0219】また本発明の微結晶シリコン膜の製造方法
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 method for manufacturing a microcrystalline silicon film of the present invention , a sufficient film forming rate can be obtained while suppressing a decrease in the film forming rate. As a result, manufacturing throughput can be increased. In addition, increase the decomposition efficiency of film forming gas,
The amount of gas used can be reduced, and the gas use efficiency can be greatly increased. As a result, manufacturing costs can be reduced. Further, since a film is formed in a state where ions that deteriorate the characteristics of the film are confined in plasma, generation of defects is suppressed, and a film having excellent characteristics can be provided. In addition, since plasma damage at the interface can be reduced, a high-quality film can be stably provided. In addition, the initial film can be improved, and by removing the unstable factors of the interface characteristics,
High quality film can be provided stably. Also, since film formation can be performed with a small electric power compared to a conventional film formation apparatus,
The size of the power supply device can be easily reduced, and the cost of the device can be reduced particularly for a large-sized device for production.
【0220】また本発明の非単結晶半導体装置によれ
ば、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。 Further , according to the non-single-crystal semiconductor device of the present invention,
Accordingly, it is possible to provide a non-single-crystal semiconductor device capable of coping with an increase in area, improving film characteristics, enabling high-speed film formation, and further improving interface characteristics that affect device characteristics. . Note that the present invention can be used for a semiconductor device having an insulated gate transistor structure such as a TFT. In this case, if a gate insulating layer and / or an ohmic contact layer is formed by a plasma CVD method using a high-frequency discharge of a frequency of 30 MHz or more. In addition, a higher quality non-single-crystal semiconductor device can be provided. Furthermore, by appropriately selecting the discharge frequency in consideration of the quality of each layer, the rate-limiting step of each layer can be eliminated, the throughput can be improved, and the cost can be reduced. In addition, by increasing the discharge frequency of each layer in consideration of quality,
Throughput can be increased .
【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 bonding 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 density of defect states 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 a relationship between a frequency and a 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 a relationship between a frequency and a film forming speed.
【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 forming speed and a photoelectric characteristic.
【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 a 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 a relationship between a residence time and a 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 a relationship between a residence time and a film forming speed.
【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 a 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 chart showing a method for manufacturing a 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 shows a TFT using the amorphous silicon thin film of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing initial characteristics of the present invention.
【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 a substrate incident energy depending on 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 shows a TFT using the amorphous silicon thin film of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing electric field mobility of the present invention.
【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 * radicals [SiH * ]
And the applied high frequency f of the emission intensity [N * ] of the nitrogen radical
FIG. 4 is a characteristic diagram showing 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 * radicals [SiH * ]
FIG. 4 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: Emission intensity of SiF * radicals [SiF * ]
And the applied high frequency f of the emission intensity [N * ] of the nitrogen radical
FIG. 4 is a characteristic diagram showing 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 * radicals [SiF * ]
FIG. 4 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 dependence of a film forming rate R on an 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 a V th shift during an 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 a 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 the thin film transistor showing the effect of the passivation film according to the present 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 a 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 a relationship between a frequency and a film forming speed.
【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 the relationship between the amount of hydrogen 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 view showing the method for manufacturing 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 the stress dependence of the 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 a change in threshold voltage in the present embodiment.
【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 * radicals [SiH * ]
And the applied high frequency f of the emission intensity [H * ] of the hydrogen radical
FIG. 4 is a characteristic diagram showing 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 dependence of a film forming rate R on an 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 * radicals [SiH * ]
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the dependence of the emission intensity [H * ] of hydrogen radicals on 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 shows emission intensity of SiH * radicals [SiH * ].
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the dependence of the emission intensity [H * ] of hydrogen radicals on 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 a relationship between applied high frequency power Pw and 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 the dependence of a doping gas radical on the 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
FIG. 9 is a characteristic diagram showing 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 dependence of dark conductivity on 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 dependence of activation energy on 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 the present embodiment.
【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 the 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 a photocurrent of the 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 forming speed 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 a relationship between a substrate temperature and a hydrogen amount.
【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 a 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 a hydrogen amount.
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 Ground 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 + type 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 Box 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 Matching device 705 High frequency power supply 706 Ground 707 Gate valve 708 Turbo molecular pump 709 Rotary pump 710,718 Silane gas line valve 7111, 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 (56)参考文献 特開 昭63−197329(JP,A) 特開 昭63−223178(JP,A) 特開 平2−38570(JP,A) 特開 平4−65120(JP,A) 特開 平3−278481(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/205 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Hidemasa Mizutani 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Inc. (56) References JP-A-63-197329 (JP, A) JP-A-63 -223178 (JP, A) JP-A-2-38570 (JP, A) JP-A-4-65120 (JP, A) JP-A-3-278481 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. . 7, DB name) H01L 21/205
Claims (12)
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。In a method of manufacturing an amorphous silicon film by a plasma CVD method using a high-frequency discharge, at least 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 set to 30 MHz.
It is set to not less than 120 MHz and input power Pw (W / c
m 2 ) is equal to or less than a value specified by 10 / f (MHz),
A method for manufacturing an amorphous silicon film, wherein a distance d (cm) between electrodes is set to a value larger than a value specified by f / 30.
Si又は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、又は少なくとも、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て、非晶質
窒化シリコン膜を堆積させる製造方法であって、 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非晶質窒化シリコン膜の
製造方法。 2. The method according to claim 2 , wherein at least
A gas containing Si or Si and F, a hydrogen gas, and a nitrogen gas.
Mixed gas containing at least Si and F, or at least
A method of depositing an amorphous silicon nitride film using a mixed gas containing a mixed gas containing nitrogen gas and nitrogen gas, wherein a VHF high frequency having a frequency f of 30 MHz or more is set to a distance between electrodes d (cm). A method for producing an amorphous silicon nitride film in which a voltage is applied so as to satisfy f / d <30 and a plasma is generated .
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を満たし、かつ投入電力が30mW/cm 2 以
上となるように印加し、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. A manufacturing method for depositing an amorphous silicon nitride film by a plasma CVD method using a mixed gas containing at least a silicon compound and ammonia as a source gas, wherein the frequency f is 30 MHz to 120 MHz.
When the HF high frequency and the distance between the electrodes are d (cm), f /
It meets d <30, and the input power is 30 mW / cm 2 or more
A method for producing an amorphous silicon nitride film, characterized in that plasma is generated by applying a voltage so as to be above .
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3記載の非晶質窒化シリコン膜
の製造方法。Manufacturing method of claim 4, wherein the amorphous silicon nitride film, a manufacturing method of an amorphous silicon nitride film according to claim 3, characterized in that used in the laminated structure of the amorphous silicon film.
109dyn/cm2以上、4×109dyn/cm2以下
の圧縮応力を示すことを特徴とする請求項4記載の非晶
質窒化シリコン膜の製造方法。5. The method according to claim 1, wherein the stress of said amorphous silicon nitride film is 1 ×.
5. The method for producing an amorphous silicon nitride film according to claim 4 , wherein the amorphous silicon nitride film exhibits a compressive stress of 10 9 dyn / cm 2 or more and 4 × 10 9 dyn / cm 2 or less.
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。 6. A manufacturing method for 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
Plasma is generated by applying a power of 1 / f (W / cm 2 ) (f: MHz) or more so as to satisfy f / d <30 when the distance between the electrodes is d (cm). Of producing a microcrystalline silicon film.
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。 7. A method for producing a microcrystalline silicon film according to claim 6 for gas containing Si, and characterized by using a gas containing boron, a gas containing phosphorus, the gas containing arsenic as an impurity gas Of producing a microcrystalline silicon film.
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。 8. The method for producing microcrystalline silicon according to claim 6 , wherein the emission intensity of hydrogen radical [H
* ] And the emission intensity [SiH * ] of silane radicals are [H * ] / [SiH * ] ≧ 1.
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
ト層を設けた非単結晶半導体装置であって、 前記非単結晶半導体層は請求項1記載の製造方法により
形成された非晶質シリコン膜である非単結晶半導体装
置。 9. At least a gate electrode on a substrate,
A gate insulating layer, a non-single-crystal semiconductor layer, a pair of source
2. A non-single-crystal semiconductor device in which a drain electrode is sequentially stacked and an ohmic contact layer is provided between the non-single-crystal semiconductor layer and the source / drain electrodes , wherein the non-single-crystal semiconductor layer is provided. Depending on the manufacturing method
Non-single-crystal semiconductor device as amorphous silicon film formed
Place.
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
タクト層を設けた非単結晶半導体装置であって、前記ゲ
ート絶縁層は請求項3記載の製造方法により形成された
非晶質窒化シリコン膜である非単結晶半導体装置。 10. The method according to claim 10 , wherein at least a gate electrode is formed on the substrate.
A gate insulating layer, a non-single-crystal semiconductor layer, and a pair of saws.
The non-single-crystal semiconductor
Ohmic capacitor between the layer and the source / drain electrodes.
A non-single-crystal semiconductor device provided with a tact layer,
The heat insulating layer is formed by the manufacturing method according to claim 3.
A non-single-crystal semiconductor device which is an amorphous silicon nitride film.
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
タクト層を設けた非単結晶半導体装置であって、前記非
単結晶半導体層は請求項1記載の製造方法により形成さ
れた非晶質シリコン膜であり、前記ゲート絶縁層は請求
項3記載 の製造方法により形成された非晶質窒化シリコ
ン膜である非単結晶半導体装置。 11. At least a gate electrode on a substrate
A gate insulating layer, a non-single-crystal semiconductor layer, and a pair of saws.
The non-single-crystal semiconductor
Ohmic capacitor between the layer and the source / drain electrodes.
A non-single-crystal semiconductor device provided with a tact layer,
The single crystal semiconductor layer is formed by the manufacturing method according to claim 1.
Amorphous silicon film, wherein the gate insulating layer is
Item 3. An amorphous silicon nitride formed by the manufacturing method according to Item 3.
Non-single-crystal semiconductor device that is a thin film.
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9から請求項11のいずれか1項に記載の非
単結晶半導体装置。 12. At least, the gate insulating layer, the non-single-crystal semiconductor layer, the ohmic contact layer without being exposed to the atmosphere, according to claim 11 claim 9, characterized in that it is formed sequentially The non-single-crystal semiconductor device according to any one of the above.
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