Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP3495035B2 - Silicon film fabrication method - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP3495035B2 - Silicon film fabrication method - Google Patents

Silicon film fabrication method

Info

Publication number
JP3495035B2
JP3495035B2 JP2002332368A JP2002332368A JP3495035B2 JP 3495035 B2 JP3495035 B2 JP 3495035B2 JP 2002332368 A JP2002332368 A JP 2002332368A JP 2002332368 A JP2002332368 A JP 2002332368A JP 3495035 B2 JP3495035 B2 JP 3495035B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
silicon
substrate
target
hydrogen
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2002332368A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2003218032A (en
Inventor
宏勇 張
舜平 山崎
喬 犬島
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Original Assignee
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd filed Critical Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority to JP2002332368A priority Critical patent/JP3495035B2/en
Publication of JP2003218032A publication Critical patent/JP2003218032A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3495035B2 publication Critical patent/JP3495035B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、低温工程によって
薄膜デバイスに応用できる高品質な半導体膜を作製する
方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a high quality semiconductor film applicable to a thin film device by a low temperature process.

【0002】[0002]

【従来の技術】低温工程によって、半導体膜を得る方法
としてはスパッタ法が知られているが実用に耐える電気
的特性を有する半導体膜を得ることができなかった。例
えばI型半導体を作製使用とする場合、ターゲット中に
酸素やPまたはN型の導電型を付与する公知のIII 価,
V価の不純物が多量に存在しているので良質なI型半導
体膜をスパッタ法によって得ることはできなかった。
2. Description of the Related Art A sputtering method is known as a method of obtaining a semiconductor film by a low temperature process, but a semiconductor film having electric characteristics that can be practically used cannot be obtained. For example, when an I-type semiconductor is produced and used, a known III-valent compound that imparts oxygen or a P- or N-type conductivity type to a target,
Since a large amount of V-valent impurities are present, a good quality I-type semiconductor film cannot be obtained by the sputtering method.

【0003】また、従来スパッタ法によってPまたはN
型の半導体膜を得る方法としては、例えば一導電型の珪
素膜を得ようとするならば単結晶シリコンに一導電型を
付与する不純物を添加したターゲットを用いて、アルゴ
ンのみを用いた雰囲気中においてスパッタリングをする
か、PまたはN型を付与する不純物が添加されていない
単結晶シリコンターゲットを用いて一導電型付与する元
素を含んだ反応ガス(例えばフォスヒン)を添加したア
ルゴン雰囲気中でスパッタリングをするのが公知の方法
であると考えられている。しかし従来の方法においては
10-5( Ωcm) -1以上の導電率を有する一導電型の半導体
であるPまたはN型の半導体膜を得ることができなかっ
た。これはPまたはN型の導電型を付与する不純物が半
導体中で置換してドナーまたはアクセプターとならない
からである。
Further, P or N is conventionally formed by the sputtering method.
As a method of obtaining a single-conductivity-type semiconductor film, for example, if a single-conductivity-type silicon film is to be obtained, a target obtained by adding an impurity imparting one-conductivity-type to single-crystal silicon is used, and an argon-only atmosphere Or sputtering in an argon atmosphere to which a reaction gas (for example, Phoshin) containing an element imparting one conductivity type is added using a single crystal silicon target to which an impurity imparting P or N type is not added. It is believed that this is a known method. But in the traditional way
It was not possible to obtain a P-type or N-type semiconductor film that is a semiconductor of one conductivity type having a conductivity of 10 −5 (Ωcm) −1 or more. This is because the impurities imparting the P or N type conductivity do not substitute in the semiconductor to serve as donors or acceptors.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、低温で成膜
でき、生産性にも優れたスパッタ法を用いて良質な半導
体膜、例えばI型半導体そして導電率の高い一導電型を
有する半導体膜を作製することを発明の課題とする。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention uses a sputtering method which can form a film at a low temperature and is excellent in productivity, such as a good quality semiconductor film, for example, an I type semiconductor and a semiconductor having one conductivity type having a high conductivity. It is an object of the invention to manufacture a film.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明は、水素を含んだ
アルゴンのごとき不活性雰囲気中の水素の分圧比が好ま
しくは30%以上である雰囲気中でスパッタリングによっ
て半導体膜を作製する方法であって、基板を絶縁状態す
なわちフローティングの状態とする方法と、基板とター
ゲットの距離を90mm以上離してスパッタリングによ
って半導体膜を作製することを特徴とする半導体作製方
法である。基板をフローティングとするのは、基板をア
ース電位とした場合に生じる基板に対するイオンの衝撃
を防ぐためである。基板とターゲットの距離を90mm
以上離すのは水素を含んだ不活性雰囲気中におけるスパ
ッタリングによって得られた半導体膜は、スパッタ時に
おいて水素が多量に存在している雰囲気において、ター
ゲットから飛び出しターゲットを構成している原子のク
ラスタが水素プラズマ中を飛翔する間にクラスタの不対
結合手を水素によって中和されやすくするためである。
このクラスタは基板に到達し、水素を介して他のクラス
タと結合する。よって不対結合手が水素によって中和さ
れたクラスタがターゲットから基板に到達する際におい
て、成膜時における水素の分圧比が大きい場合、クラス
タが水素原子と頻繁に衝突するので珪素クラスタの不対
結合手が少なくなり珪素クラスタの水素を介した結合が
より密になり緻密な半導体膜(例えば珪素膜)を得るこ
とができる。
The present invention is a method for forming a semiconductor film by sputtering in an atmosphere in which the partial pressure ratio of hydrogen in an inert atmosphere such as argon containing hydrogen is preferably 30% or more. And a method for making the substrate in an insulating state, that is, a floating state, and a method for producing a semiconductor film by producing a semiconductor film by sputtering with a distance between the substrate and the target being 90 mm or more. The reason why the substrate is made floating is to prevent ion bombardment against the substrate that occurs when the substrate is set to the ground potential. 90mm distance between substrate and target
The semiconductor film obtained by sputtering in an inert atmosphere containing hydrogen is separated from the above, and in an atmosphere in which a large amount of hydrogen is present at the time of sputtering, the atomic clusters that pop out from the target and form the target are hydrogen. This is because it is easy for the dangling bonds of the cluster to be neutralized by hydrogen while flying in the plasma.
This cluster reaches the substrate and bonds with other clusters via hydrogen. Therefore, when a cluster in which the dangling bonds are neutralized by hydrogen reaches the substrate from the target and the partial pressure ratio of hydrogen during film formation is large, the cluster frequently collides with hydrogen atoms, so that the silicon cluster is unpaired. The number of bonds is reduced, and the bonds of silicon clusters through hydrogen are more dense, so that a dense semiconductor film (for example, a silicon film) can be obtained.

【0006】しかしながらアルゴンのごとき不活性気体
中の水素分圧比を80%以上と大きくした場合、成膜レ
ートが極めて悪くなりスパッタ法の特徴である生産性の
良さを生かすことができなかった。また水素の分圧比を
30%程度とした場合には、実用的な成膜レートが得ら
れるとともにある程度の膜の特性が得られた。このこと
は図2のスパッタ時の水素分圧と成膜された真性の珪素
半導体膜のラマンスペクトルの関係を示した図をみれば
わかる。水素分圧が30%以上であれば結晶性を示すピ
ークが鋭く出ていることがわかる。この図より単結晶の
珪素のピ−ク521cm-1より低周波側にシフトしたピ
−クが観察される。この521cm-1より低周波側にシ
フトしたピ−クは、弱い格子歪みを有した結晶性の状態
を示している。またその見掛け上の粒径は半値巾から計
算すると、50〜500Åとマイクロクリスタルのよう
になっているが、実際はこの結晶性の高い領域は多数あ
ってクラスタ構造を有し、その各クラスタ間は互いに珪
素同志で結合( アンカリング) がされたセミアモルファ
ス構造の被膜を形成していることがわかる。なおこの図
2に示されたラマンスペクトルを示した半導体膜は、単
結晶シリコンターゲットを用い基板温度150℃、成膜
圧力0.5pa、基板とターゲットの距離は80mmで
ある。また成膜雰囲気はアルゴンと水素の混合雰囲気
で、RF出力は400Wで成膜した膜である。
However, when the hydrogen partial pressure ratio in an inert gas such as argon is increased to 80% or more, the film forming rate becomes extremely poor, and the good productivity characteristic of the sputtering method cannot be utilized. Further, when the hydrogen partial pressure ratio was set to about 30%, a practical film formation rate was obtained and a certain degree of film characteristics were obtained. This can be seen from the graph of FIG. 2 showing the relationship between the hydrogen partial pressure during sputtering and the Raman spectrum of the formed intrinsic silicon semiconductor film. It can be seen that when the hydrogen partial pressure is 30% or more, a sharp peak showing crystallinity appears. From this figure, a peak shifted to the low frequency side from the peak 521 cm -1 of single crystal silicon is observed. The peak shifted to the low frequency side from 521 cm -1 shows a crystalline state having a weak lattice strain. Also, the apparent grain size is 50 to 500 Å when calculated from the full width at half maximum, and it looks like a microcrystal. However, in reality, there are many regions with high crystallinity and they have a cluster structure. It can be seen that a film having a semi-amorphous structure in which silicon is bonded to each other (anchoring) is formed. The semiconductor film having the Raman spectrum shown in FIG. 2 has a substrate temperature of 150 ° C., a film forming pressure of 0.5 pa, and a distance between the substrate and the target of 80 mm using a single crystal silicon target. The film forming atmosphere is a mixed atmosphere of argon and hydrogen, and the RF output is 400 W.

【0007】成膜時の水素分圧が30%以上であれば一
応半導体膜として用いることができるのであるが、水素
分圧が高い条件で成膜した半導体膜を絶縁ゲイト型電界
効果トランジスタのチャネル形成領域に用いた場合、図
3に示すようにキャリアの移動度が水素分圧比(PH
TOTAL )が高い場合の半導体膜を用いた方が高いこと
がわかっている。この図3に示す絶縁ゲイト型電界効果
トランジスタのチャネル形成領域に用いた半導体膜は図
2にそのラマンスペクトルを示した珪素半導体を用いた
ものである。
If the hydrogen partial pressure at the time of film formation is 30% or more, it can be used as a semiconductor film for the time being. However, the semiconductor film formed under the condition that the hydrogen partial pressure is high is a channel of the insulating gate type field effect transistor. When used in the formation region, the carrier mobility has a hydrogen partial pressure ratio (P H /
It has been found that the use of a semiconductor film having a high P TOTAL ) is higher. The semiconductor film used in the channel formation region of the insulated gate field effect transistor shown in FIG. 3 is a silicon semiconductor whose Raman spectrum is shown in FIG.

【0008】そこで、本発明においては水素原子とスパ
ッタされたターゲットを構成しているクラスタとの衝突
を高めるためにターゲットと基板の距離を90mm以上
とすることによって、30%程度の低い水素分圧であって
も高い水素分圧時に得られる膜質と同等の膜質を得よう
とするものである。
Therefore, in the present invention, the distance between the target and the substrate is set to 90 mm or more in order to increase the collision between hydrogen atoms and the clusters forming the sputtered target, so that the hydrogen partial pressure is as low as about 30%. Even so, it is intended to obtain a film quality equivalent to that obtained at a high hydrogen partial pressure.

【0009】本発明の構成をとると、ターゲットを構成
している元素からなるクラスタの基板面における運動エ
ネルギーを小さくすることができるので、基板にたいす
る前記クラスタのスパッタリングを防ぐことができ、基
板を電気的にフローティングにすることと合わせて、ス
パッタ衝撃による損傷のない良質な半導体膜を得るのに
効果があった。イオンのスパッタリングによって基板が
損傷してしまうことを防ぐためには、基板とターゲット
の距離を大きくとる方法以外に投入RFパワーを小さく
する方法があるが、この場合は基板とターゲット間の距
離がとれないので水素分圧を高くしなければならないの
で、RFパワーを小さいことと水素分圧が高いことの相
乗効果で一層成膜レートが下がってしまい実用上問題が
あった。
With the structure of the present invention, the kinetic energy of the clusters of the elements forming the target on the substrate surface can be reduced, so that the clusters can be prevented from being sputtered on the substrate and the substrate can be electrically connected. This is effective in obtaining a high-quality semiconductor film that is not damaged by the impact of sputtering, together with the floating. In order to prevent the substrate from being damaged by the sputtering of ions, there is a method of reducing the input RF power in addition to the method of increasing the distance between the substrate and the target. In this case, the distance between the substrate and the target cannot be secured. Therefore, since the hydrogen partial pressure must be increased, the film formation rate is further reduced due to the synergistic effect of the small RF power and the high hydrogen partial pressure, which is a practical problem.

【0010】またPまたはN型の導電型を有する半導体
層を得るのであれば、PまたはN型の導電型を付与する
元素であるIII 価またはV価の元素が好ましくは1×1
17cm-3以上添加された単結晶または多結晶の半導体
ターゲットを用いることができる。この成膜の際、基板
の温度を200℃以下とすることによって導電率が低
く、結晶性の高いPまたはN型の一導電型を有する半導
体膜を作製することができる。
If a semiconductor layer having a P or N type conductivity type is to be obtained, a III-valent or V-valent element which is an element imparting a P or N type conductivity type is preferably 1 × 1.
A single crystal or polycrystalline semiconductor target added with 0 17 cm −3 or more can be used. At the time of this film formation, by setting the temperature of the substrate to 200 ° C. or lower, a semiconductor film having one conductivity type of P or N type having low conductivity and high crystallinity can be manufactured.

【0011】本発明の構成をとった場合、300℃以下
の成膜温度(基板温度)において、単結晶または多結晶
のシリコンターゲットに導電率が100(Ωcm) -1
0.1(Ωcm) -1となるように一導電型を付与する不純
物であるIII 価またはV価の元素を添加したターゲット
を用いて、水素を含む雰囲気中においてスパッタリング
によって成膜を行い、かつこのスパッタリングの際に基
板温度を200℃以下好ましくは150℃以下とするこ
とによって10-2(Ωcm) -1以上の導電率を有するP
またはN型の半導体層を得ることができる。
With the structure of the present invention, at a film forming temperature (substrate temperature) of 300 ° C. or less, the conductivity of a single crystal or polycrystal silicon target is 100 (Ωcm) −1 to
A film was formed by sputtering in an atmosphere containing hydrogen, using a target to which an element having a valence of III or V, which is an impurity imparting one conductivity type, was added so as to be 0.1 (Ωcm) −1 , and By setting the substrate temperature at 200 ° C. or lower, preferably 150 ° C. or lower during this sputtering, P having a conductivity of 10 −2 (Ωcm) −1 or higher is obtained.
Alternatively, an N-type semiconductor layer can be obtained.

【0012】本発明の構成は、珪素半導体に限らず他の
半導体に適用できることはいうまでもない。例えば、一
導電型を付与する不純物(例えばボロン、リン等のIII
価、V価の元素)が添加されたシリコン(珪素)とゲル
マニウムのターゲットを同時に用いることによって、一
導電型を有するSix Ge1-x (0≦X≦1)の半導体膜を
得ることができる。この場合、それぞれのターゲットの
面積を変えることで、半導体膜の組成比を変えることが
できるという別の特徴を有する。この思想によれば、さ
らに複数のターゲットを同時に用いることでさらに複雑
な組成比を有する半導体膜を得るこができる。
It goes without saying that the structure of the present invention can be applied not only to the silicon semiconductor but also to other semiconductors. For example, an impurity imparting one conductivity type (for example, boron or phosphorus III
A semiconductor film of Si x Ge 1-x (0 ≦ X ≦ 1) having one conductivity type can be obtained by simultaneously using silicon (silicon) added with valence and V valence elements and a germanium target. it can. In this case, there is another feature that the composition ratio of the semiconductor film can be changed by changing the area of each target. According to this idea, a semiconductor film having a more complicated composition ratio can be obtained by using a plurality of targets at the same time.

【0013】[0013]

【実施例1】本実施例は、図1に示すマグネトロン型R
Fスパッタ装置を用いてN型珪素半導体膜をガラス基板
上に酸化珪素膜を1000Åの厚さに設けた上に300
℃以下の成膜条件で半導体膜を作製するものである。
[Embodiment 1] This embodiment is a magnetron type R shown in FIG.
An N-type silicon semiconductor film is formed on a glass substrate using an F sputtering apparatus to form a silicon oxide film with a thickness of 1000Å, and then 300
A semiconductor film is manufactured under film forming conditions of ℃ or less.

【0014】以下図1に示すマグネトロン型RFスパッ
タ装置について説明する。図1において、(12)は基板、
(13)は必要に応じて回転することのでき、電気的のフロ
ーティング状態にあるホルダー、(14)は基板加熱用のヒ
ーター、(15)はガス導入系、(17) はガス導入系のバル
ブ、(18)はガス供給系例えば水素が充填されたボンベで
ある。この第1図においては一種類のガス供給系しか記
載されていないが、その他必要に応じてアルゴン、フォ
スヒン、ジボラン、窒素等のガス供給系を備えてもよ
く、この際ガス導入系を複数設け同時に反応室内にガス
を導入できるようにしてもよい。また、(19)は高周波電
源(13.56MHz)であり、(20)は高周波マッチング装置であ
り、(21)は必要に応じて回転する永久磁石(22)を円形上
に設けたマグネトロン部分である。
The magnetron type RF sputtering apparatus shown in FIG. 1 will be described below. In FIG. 1, (12) is a substrate,
(13) is a holder that can be rotated if necessary and is in an electrically floating state, (14) is a heater for heating the substrate, (15) is a gas introduction system, and (17) is a gas introduction system valve. Reference numeral (18) is a gas supply system, for example, a cylinder filled with hydrogen. Although only one type of gas supply system is shown in FIG. 1, other gas supply systems such as argon, Foshin, diborane, and nitrogen may be provided if necessary, in which case a plurality of gas introduction systems are provided. At the same time, gas may be introduced into the reaction chamber. Further, (19) is a high frequency power supply (13.56 MHz), (20) is a high frequency matching device, and (21) is a magnetron portion in which a permanent magnet (22) rotating as necessary is provided in a circular shape. .

【0015】さらに(23)はスパッタ粒子(スパッタされ
た原子やクラスタ、イオン等)が基板に到達しないよう
にするためのシャッターである。このシャッター(23)は
スパッタリング開始直後に不純物がスパッタ粒子となっ
て基板に到達するのを防ぐものであるが、必要に応じて
スパッタ粒子が被形成面に到達しないように用いること
ができる。(24)はターゲットである。ターゲットは必要
に応じて不純物元素例えばリン、ボロン、弗素その他ハ
ロゲン元素等を混入させることにより不純物がドーピン
グされた薄膜を成膜することができる。(25)はガス排気
系であり、(26)はターボ分子ポンプ、(27)は油回転ポン
プである。また(28),(29) は排気系のバルブである。さ
らに(34)にはさらに高い高真空状態や特定の不純物を排
気するためにクライオポンプ31、回転ポンプ(33)を備え
た排気系(34)を備えている。なお(30),(33) はこの排気
系(34)のバルブである。
Further, (23) is a shutter for preventing sputtered particles (sputtered atoms, clusters, ions, etc.) from reaching the substrate. The shutter (23) prevents impurities from becoming sputtered particles and reaching the substrate immediately after the start of sputtering, but it can be used so that the sputtered particles do not reach the formation surface if necessary. (24) is the target. As the target, a thin film doped with impurities can be formed by mixing impurity elements such as phosphorus, boron, fluorine and other halogen elements as necessary. (25) is a gas exhaust system, (26) is a turbo molecular pump, and (27) is an oil rotary pump. Also, (28) and (29) are exhaust system valves. Further, (34) is provided with an exhaust system (34) equipped with a cryopump 31 and a rotary pump (33) for exhausting a higher vacuum state and specific impurities. Note that (30) and (33) are valves of this exhaust system (34).

【0016】このうちクライオポンプが設けられた排気
系(34)は主として、成膜前の高真空排気に用いられ、1
-10 Torr程度まで反応容器内を排気でき、反応容
器内に吸着している気体や分子を排気することができ
る。特に成膜前の高真空排気は膜中に含まれる酸素、炭
素、窒素の不純物量を減らすことに対して有効である。
Of these, the exhaust system (34) provided with a cryopump is mainly used for high vacuum exhaust before film formation.
The inside of the reaction vessel can be evacuated to about 0 -10 Torr, and the gas or molecules adsorbed in the reaction vessel can be evacuated. In particular, high vacuum evacuation before film formation is effective for reducing the amount of impurities such as oxygen, carbon and nitrogen contained in the film.

【0017】本実施例においては、基板(12)の加熱はヒ
ーター(14)によって行ったが、赤外線ランプで行っても
よい。
In this embodiment, the substrate (12) was heated by the heater (14), but it may be heated by an infrared lamp.

【0018】本実施例において、ターゲットは一導電型
を付与する不純物であるアンチモンが添加された抵抗率
ρ=0.60Ωcmである溶融シリコンターゲットを用
いたが、他の一導電型を付与する不純物例えばN型であ
ればV価元素である公知のP、As、Sb、P形であればII
I 価元素である公知のBを用いることができることはい
うまでもない。またターゲットの導電率を熱アニール等
の方法でできるだけ高くすることは効果がある。さらに
ターゲット中の導電型に寄与する以外の不純物、例えば
炭素、酸素、窒素等は2×1018/cm3 以下がよい。
成膜条件は、水素とアルゴンの混合雰囲気中において、
水素分圧をパラメータとし、成膜温度150℃、圧力
0.5pa、RFパワー400Wで、基板とターゲット
の距離は100mmである。また基板は電気的にフロー
ティングとした。珪素半導体膜は、膜厚2000Åの厚
さにガラス基板上に成膜した。
In this embodiment, the target used is a molten silicon target having a resistivity ρ = 0.60 Ωcm to which antimony, which is an impurity imparting one conductivity type, is added, but an impurity imparting another conductivity type is used. For example, if it is N-type, it is II, if it is a known P, As, Sb, P-type which is a V-valent
It goes without saying that a known B which is an I-valent element can be used. Further, it is effective to increase the conductivity of the target as much as possible by a method such as thermal annealing. Further, impurities other than those contributing to the conductivity type in the target, such as carbon, oxygen, and nitrogen, are preferably 2 × 10 18 / cm 3 or less.
The film forming conditions are as follows: in a mixed atmosphere of hydrogen and argon,
Using the hydrogen partial pressure as a parameter, the film forming temperature is 150 ° C., the pressure is 0.5 pa, the RF power is 400 W, and the distance between the substrate and the target is 100 mm. The substrate was electrically floating. The silicon semiconductor film was formed on a glass substrate to a thickness of 2000Å.

【0019】図4(A)に本実施例において得られたN
型半導体膜の導電率σ(Ωcm)-1と成膜時の雰囲気中
における水素の分圧比%との関係を示す。この図を見る
と、スパッタリング時における水素分圧が30%以上で
σ=10-2(Ωcm)-1以上の値が得られていることが
わかる。この図からも水素分圧は可能な限りる高い方が
良いことがわかる。
FIG. 4A shows the N obtained in this embodiment.
The relationship between the conductivity σ (Ωcm) −1 of the type semiconductor film and the partial pressure ratio% of hydrogen in the atmosphere during film formation is shown. It can be seen from this figure that a value of σ = 10 -2 (Ωcm) -1 or more is obtained when the hydrogen partial pressure during sputtering is 30% or more. This figure also shows that the hydrogen partial pressure should be as high as possible.

【0020】図5には、本実施例において得られた成膜
時の水素分圧比の違いによるラマンスペクトルを示す。
この図からも水素分圧比(PH /PT )が30%以上で
極めて結晶性の単結晶シリコンのスペクトルである52
1cm-1の波数よりも低いところに鋭いピークが出てい
ることがわかる。このように150℃という低い成膜温
度(基板温度)で図5に示されるような高い結晶性を示
す半導体膜が得られることは本発明の大きな特徴であ
る。このことは一般に200℃以下のプロセスであれば
安価な大面積ガラス基板を用いることができるという点
を考えれば明らかである。
FIG. 5 shows a Raman spectrum obtained in this example due to the difference in hydrogen partial pressure ratio during film formation.
This figure also shows the spectrum of extremely crystalline single crystal silicon with a hydrogen partial pressure ratio (P H / P T ) of 30% or more.
It can be seen that a sharp peak appears at a position lower than the wave number of 1 cm -1 . Thus, it is a great feature of the present invention that a semiconductor film having high crystallinity as shown in FIG. 5 can be obtained at a film forming temperature (substrate temperature) as low as 150 ° C. This is obvious in consideration of the fact that an inexpensive large-area glass substrate can be generally used if the process is performed at 200 ° C. or lower.

【0021】一般にσ=10-1( Ωcm) -1以上の値を
得ることができば、絶縁ゲイト型電界効果トランジスタ
のソース、ドレイン領域として十分に実用になる。この
ことを考えると、水素が添加された不活性雰囲気中にお
けるスパッタリングによって得られた一導電型を有する
珪素膜(この場合はN型珪素膜)は大面積に成膜するこ
とができるので、従来の不純物イオンドーピング等に比
べ、経済性を備えると同時に電気的特性に優れた一導電
型を有する半導体膜であるといえる。
Generally, if a value of σ = 10 -1 (Ωcm) -1 or more can be obtained, it can be practically used as the source and drain regions of an insulating gate type field effect transistor. Considering this, a silicon film having one conductivity type (N-type silicon film in this case) obtained by sputtering in an inert atmosphere to which hydrogen is added can be formed in a large area. It can be said that the semiconductor film has one conductivity type, which is more economical and at the same time excellent in electrical characteristics as compared with the impurity ion doping.

【0022】このスパッタリングによって得られた膜の
導電率がターゲットの導電率の1 /100〜1/3の
値、すなわち0.1(Ωcm)-1以上の導電率を有する
P型またはN型の半導体を得ることができることは有用
である。
The conductivity of the film obtained by this sputtering is 1/100 to 1/3 of the conductivity of the target, that is, P-type or N-type having a conductivity of 0.1 (Ωcm) −1 or more. It is useful to be able to obtain a semiconductor.

【0023】また本発明の構成において、基板に対する
イオンのスパッタリングの影響を小さくするために基板
(一般的にはガラス基板、シリコン基板等が用いられ
る)を電気的にフローティングとする。本実施例におい
ては基板ホルダー(13)をフローティングとした。ここ
で、基板をアース電位すなわち基板ホルダー(13)をアー
ス電位とすると成膜される半導体膜がイオンのスパッタ
効果によって叩かれるのでサンプルによってXRD強度
に大きくばらつきがでたり、この半導体膜を使用したデ
バイスの再現性が著しく悪くなった。
In the structure of the present invention, the substrate (generally a glass substrate, a silicon substrate or the like is used) is electrically floated in order to reduce the influence of ion sputtering on the substrate. In this embodiment, the substrate holder (13) is floating. Here, when the substrate is set to the ground potential, that is, when the substrate holder (13) is set to the ground potential, the semiconductor film to be formed is hit by the sputtering effect of the ions, so that the XRD intensity varies widely depending on the sample, and this semiconductor film is used The reproducibility of the device is extremely poor.

【0024】また基板とターゲットの距離を本実施例の
半分とすると図4(B)のように低い導電率しか得られ
なかった。すなわち基板とターゲットの距離は100m
m以上であることが望ましいことになる。
When the distance between the substrate and the target is half that of this embodiment, only low conductivity was obtained as shown in FIG. 4 (B). That is, the distance between the substrate and the target is 100m
It becomes desirable that it is m or more.

【0025】すなわち本発明においては、水素を含む不
活性雰囲気中においてスパッタリングによって半導体膜
の成膜を行なうに際して、高い水素分圧の場合と同様の
膜質を低い水素分圧におけるスパッタリングによって得
ようとする場合、その高い水素分圧の場合における基板
とターゲットの距離より、低い水素分圧でスパッタリン
グを行なう場合のターゲットと基板の距離を長くすれば
よいのである。
That is, in the present invention, when a semiconductor film is formed by sputtering in an inert atmosphere containing hydrogen, it is intended to obtain the same film quality as in the case of high hydrogen partial pressure by sputtering at low hydrogen partial pressure. In this case, the distance between the target and the substrate when sputtering is performed at a low hydrogen partial pressure may be made longer than the distance between the substrate and the target when the hydrogen partial pressure is high.

【0026】本実施例においては、アンチモンの添加さ
れたターゲットを用いてN型の珪素半導体膜を基板上に
作製したが、スパッタリング成膜に用いるターゲットに
は、N型の導電型を付与する不純物であれば、リン(P)
、砒素(As)、アンチモン(Sb)等のV価の元素を、P型
の導電体を付与する不純物であればボロン(B) 、アルミ
(Al)等のIII 価の元素が添加された単結晶または多結晶
シリコンターゲットを用いることができる。また単結晶
または多結晶の半導体ターゲットとしては、珪素すなわ
ちシリコンを用いるのみでなく成膜される半導体膜によ
って、Ge、Se、や化合物半導体例えばガリウム砒素、ガ
リウムアンチモン等を用いてもよい。
In this example, an N-type silicon semiconductor film was formed on a substrate by using a target to which antimony was added, but the target used for sputtering film formation has an impurity imparting an N-type conductivity type. Then, phosphorus (P)
V, such as arsenic, arsenic (As), and antimony (Sb), and boron (B) and aluminum if they are impurities that impart a P-type conductor.
A single crystal or polycrystalline silicon target to which a trivalent element such as (Al) is added can be used. As the single crystal or polycrystal semiconductor target, not only silicon, that is, silicon, but also a semiconductor film to be formed may be Ge, Se, or a compound semiconductor such as gallium arsenide or gallium antimony.

【0027】本発明の構成において、成膜後の一導電型
を有する半導体膜に700℃以下の温度で熱アニールを
行ってもよい。
In the structure of the present invention, the semiconductor film having one conductivity type after film formation may be subjected to thermal annealing at a temperature of 700 ° C. or lower.

【0028】従来はスパッタ法やCVD法によって得た
一導電型を有する半導体膜を熱アニールすることによっ
て得ていた10-2(Ωcm)-1以上の導電率を低温(1
50℃以下) でスパッタリングすることによって得るこ
とができることは、本発明の大きな特徴である。このこ
とは、図5に示す成膜直後のアニールしていない本発明
方法によって得たN型半導体膜のラマンスペクトルをみ
れば明らかである。図5を見ると、水素の分圧が50%
の雰囲気中におけるスパッタリングによって得たN型半
導体膜のラマンスペクトルは、単結晶珪素(cーSi)
のピークである521cm-1より波数が低いところに結
晶性を示すピークが表れていることがわかる。
Conventionally, a conductivity of 10 −2 (Ωcm) −1 or more, which has been obtained by thermally annealing a semiconductor film having one conductivity type obtained by a sputtering method or a CVD method, is obtained at a low temperature (1
It is a great feature of the present invention that it can be obtained by sputtering at 50 ° C. or lower. This is clear from the Raman spectrum of the N-type semiconductor film obtained by the method of the present invention which is not annealed immediately after the film formation shown in FIG. Looking at FIG. 5, the partial pressure of hydrogen is 50%.
The Raman spectrum of the N-type semiconductor film obtained by sputtering in the atmosphere described above shows single crystal silicon (c-Si).
It can be seen that a peak exhibiting crystallinity appears at a wave number lower than the peak of 521 cm −1 .

【0029】本実施例においては、図1に示すマグネト
ロン型RFスパッタ装置に示されている排気系(34)に備え
られているクライオポンプを用いることによって特定の
不純物例えば酸素、炭素、窒素を選択的に排気すること
は、スパッタ成膜される半導体膜の膜質を高めるために
大きな効果がある。例えば一導電型を付与する不純物が
添加されたPまたはN型の半導体膜の膜中にアクセプタ
ーまたはドナーとして寄与する不純物以外に酸素、炭
素、窒素の不純物が存在すると、その半導体膜を用いて
デバイスを作製した時のデバイスの性能に悪い影響を与
える。例えば太陽電池を構成する半導体層に酸素元素が
混入すると変換効率や耐久性の劣化を招くことがある。
よってこれら酸素、炭素、窒素等の不純物を効率よく排
気することによって、半導体膜に対する悪影響を防止す
ることができる。
In this embodiment, a specific impurity such as oxygen, carbon or nitrogen is selected by using a cryopump provided in the exhaust system (34) shown in the magnetron type RF sputtering apparatus shown in FIG. Evacuation is effective in improving the quality of the semiconductor film formed by sputtering. For example, when impurities such as oxygen, carbon, and nitrogen are present in the film of a P or N type semiconductor film to which an impurity imparting one conductivity type is added, in addition to the impurities contributing as an acceptor or a donor, a device is formed using the semiconductor film. It adversely affects the performance of the device when it was manufactured. For example, if oxygen element is mixed in a semiconductor layer that constitutes a solar cell, conversion efficiency and durability may be deteriorated.
Therefore, by efficiently exhausting the impurities such as oxygen, carbon, and nitrogen, it is possible to prevent adverse effects on the semiconductor film.

【0030】本実施例において用いた図1に示されるス
パッタ装置に備えられている吸着ポンプであるクライオ
ポンプを用いることによって酸素、炭素、窒素等の不純
物からなる分子を効率よく排気することができる。例え
ば本実施例において、ターボ分子ポンプが備えられてい
る排気系(25)のみを用いて成膜を行った場合、形成され
た膜中に含まれる酸素濃度はSIMS( 二次イオン質量分
析) 法によると、3×1019cm-3程度であったが、同
じ成膜圧力でもクライオポンプが備えられた排気系(34)
を併用することによって形成された膜中に含まれる酸素
濃度は6×1018cm-3とすることができた。また形成
された被膜中の炭素濃度は3×1016cm-3を得ること
ができ、水素は4×1020cm-3であり、珪素4×10
22cm-3として比較すると1原子%であった。
By using a cryopump, which is an adsorption pump provided in the sputtering apparatus shown in FIG. 1 used in this embodiment, molecules composed of impurities such as oxygen, carbon and nitrogen can be efficiently exhausted. . For example, in this example, when film formation was performed using only an exhaust system (25) equipped with a turbo molecular pump, the oxygen concentration contained in the formed film was determined by SIMS (secondary ion mass spectrometry) method. According to the results, it was about 3 × 10 19 cm −3 , but an exhaust system equipped with a cryopump at the same film forming pressure (34)
The oxygen concentration contained in the film formed by the combined use of the above was able to be 6 × 10 18 cm −3 . The carbon concentration in the formed coating film can be 3 × 10 16 cm −3 , the hydrogen content is 4 × 10 20 cm −3 , and the silicon content is 4 × 10 4.
It was 1 atom% when compared with 22 cm -3 .

【0031】本発明の構成においては、2.5pa程度
の比較的高い成膜圧力がよいことがデータとして得られ
ており(図6)、超高真空状態での成膜を行うのは不適
格である。よって、前述したように酸素、炭素、窒素を
吸着分子として排気することのできるクライオポンプの
使用は顕著な効果を有する。さらに本発明においてはア
ルゴンのごとき不活性気体と水素の混合雰囲気中におい
て、スパッタリングによって成膜をするので、最も問題
となる不純物である酸素が水素と結合して分子となって
反応空間内に存在する。よって前述のごとくクライオポ
ンプを用いると効率よくこの酸素と水素から成る分子を
排気することができる。さらに本発明の構成のようにP
型またはN型の導電型に寄与する不純物(例えばリン、
アンチモン)を含有しなければならない半導体膜を形成
する場合、反応ガスを用いたCVD法等の気相成長法に
おいては、気相中に導電型に寄与する不純物を添加せね
ばならないので、必然的に不要な不純物が混入してしま
う問題がある。このような問題を解決する方法としては
極めて純度の高い反応ガスを用いて特殊な反応炉を用い
る方法があるが、コストの問題と生産性の悪さが問題と
なる。
In the structure of the present invention, it has been obtained as data that a relatively high film forming pressure of about 2.5 pa is good (FIG. 6), and it is unsuitable to form a film in an ultrahigh vacuum state. Is. Therefore, as described above, the use of a cryopump capable of exhausting oxygen, carbon, and nitrogen as adsorbed molecules has a remarkable effect. Furthermore, in the present invention, since the film is formed by sputtering in a mixed atmosphere of an inert gas such as argon and hydrogen, oxygen, which is the most problematic impurity, is bonded to hydrogen and becomes a molecule to be present in the reaction space. To do. Therefore, when the cryopump is used as described above, the molecules of oxygen and hydrogen can be efficiently exhausted. Further, as in the configuration of the present invention, P
-Type or N-type conductivity-type impurities (such as phosphorus,
In the case of forming a semiconductor film that must contain (antimony), in a vapor phase growth method such as a CVD method using a reaction gas, it is necessary to add an impurity that contributes to the conductivity type into the vapor phase. There is a problem that unnecessary impurities are mixed in. As a method of solving such a problem, there is a method of using a special reaction furnace by using a reaction gas having an extremely high purity, but there are problems of cost and poor productivity.

【0032】以上のことより本実施例のように、ターボ
分子ポンプ、クライオポンプを併用し、反応ガスを用い
ない水素を含有した不活性雰囲気中におけるスパッタリ
ングによって半導体膜、とくに一導電型を付与するIII
価、V価の元素を含んだ半導体膜を作製する方法は、成
膜される半導体膜中の不要な不純物である酸素、炭素、
窒素を効率よくに排気でき、しかも究めて低コストで生
産性に優れた方法であるといえる。
From the above, as in the present embodiment, a turbo molecular pump and a cryopump are used in combination, and a semiconductor film, particularly one conductivity type, is imparted by sputtering in an inert atmosphere containing hydrogen without using a reaction gas. III
A method for manufacturing a semiconductor film containing a valent or V-valent element is performed by using oxygen, carbon, which are unnecessary impurities in the formed semiconductor film,
It can be said that this method is capable of efficiently exhausting nitrogen, and has a low cost and excellent productivity.

【0033】本発明の構成において、成膜後のN型の半
導体膜に700℃以下の温度で熱アニールを行ってもよ
い。
In the structure of the present invention, the N-type semiconductor film after film formation may be subjected to thermal annealing at a temperature of 700 ° C. or lower.

【0034】本発明においては、ターゲットとして単結
晶、多結晶の半導体ターゲットを用い、そのターゲット
中にP型またはN型の導電型を付与する不純物であるII
I 価またはV価の不純物を100%イオン化した状態、
すなわち完全にIII 価またはV価の不純物をアクセプタ
またはドナーとして置換せしめているので、このターゲ
ットを水素を含む雰囲気中においてスパッタリングする
ことによって、前記不純物がその内部でアクセプタまた
はドナーとして置換されているクラスタが基板に向かっ
て飛翔し水素プラズマによって不対結合手を中和しつつ
基板に到達するので、スパッタリングによって成膜され
る半導体膜中における前記III 価またはV価の不純物が
高いイオン化率を有し、これら不純物がアクセプタまた
はドナーとして置換せしめ、イオン化率を高めることが
できた。
In the present invention, a single crystal or polycrystal semiconductor target is used as a target, and an impurity which imparts a P-type or N-type conductivity type to the target II
100% ionized I or V valence impurities,
That is, since the III-valent or V-valent impurity is completely substituted as an acceptor or a donor, by sputtering this target in an atmosphere containing hydrogen, a cluster in which the impurity is substituted as an acceptor or a donor is provided. Fly toward the substrate and reach the substrate while neutralizing dangling bonds by hydrogen plasma, so that the III- or V-valent impurities in the semiconductor film formed by sputtering have a high ionization rate. It was possible to increase the ionization rate by substituting these impurities as acceptors or donors.

【0035】本発明の構成は、珪素半導体に限らず他の
半導体に適用できることはいうまでもない。例えば、一
導電型を付与する不純物が添加されたシリコン(珪素)
とゲルマニウムのターゲットを同時に用いることによっ
て、一導電型を有するSix Ge1-x の半導体膜を得ること
ができる。この場合、それぞれのターゲットの面積を変
えることで、半導体膜の組成比を変えることができる。
この思想によれば、さらに複数のターゲットを同時に用
いることでさらに複雑な組成比を有する半導体膜を得る
こができる。
It goes without saying that the structure of the present invention can be applied not only to the silicon semiconductor but also to other semiconductors. For example, silicon to which an impurity imparting one conductivity type is added
A Si x Ge 1 -x semiconductor film having one conductivity type can be obtained by simultaneously using a target of and germanium. In this case, the composition ratio of the semiconductor film can be changed by changing the area of each target.
According to this idea, a semiconductor film having a more complicated composition ratio can be obtained by using a plurality of targets at the same time.

【0036】またスパッタリング時において、その雰囲
気中にハロゲン元素を添加し、水素と同様にスパッタ原
子のクラスタの不対結合手を中和するためにNF3 等を
0.1〜10%程度添加してもよい。
At the time of sputtering, a halogen element is added to the atmosphere, and NF 3 or the like is added in an amount of about 0.1 to 10% in order to neutralize dangling bonds of clusters of sputtered atoms like hydrogen. May be.

【0037】[0037]

【実施例2】本実施例は、図1に示すマグネトロン型R
Fスパッタ装置を用いてボロン(B)が添加されたP型
のSix Ge1-x の半導体膜を得たものである。本実施例に
おいては、マグネトロン型RFスパッタ装置を用いて圧
力2.5pa、RFパワー200W、基板温度100
℃、基板とターゲットの距離は90mmで、水素分圧比
80%の水素とアルゴンの混合雰囲気下においてスパッ
タリングを行い、その後600 ℃、72時間の熱アニール
を行ったN型のSix Ge1-x 半導体膜である。なおシリコ
ン、ゲルマニウムの単結晶ターゲットはリンが1×10
17cm-3以上含まれた溶融基板を同面積づつ複数分散して
配置し、さらに基板側を遊星回転によって回転させるこ
とによって基板上に形成されるN型のSix Ge1-x 半導体
膜の均一性を高めた。
[Embodiment 2] This embodiment is a magnetron type R shown in FIG.
A P-type Si x Ge 1-x semiconductor film added with boron (B) was obtained by using an F sputtering apparatus. In this embodiment, a magnetron type RF sputter device is used, pressure is 2.5 pa, RF power is 200 W, and substrate temperature is 100.
℃, the distance between the substrate and the target is 90mm, sputtering was performed in a mixed atmosphere of hydrogen and argon with a hydrogen partial pressure ratio of 80%, and then thermal annealing was performed at 600 ℃ for 72 hours. N-type Si x Ge 1-x It is a semiconductor film. In addition, the single crystal target of silicon and germanium has phosphorus of 1 × 10.
Of the N-type Si x Ge 1-x semiconductor film formed on the substrate by arranging a plurality of molten substrates containing 17 cm -3 or more dispersed in the same area and further rotating the substrate side by planetary rotation. Increased uniformity.

【0038】本実施例においてもシリコンおよびゲルマ
ニウムの単結晶ターゲット中のボロンがアクセプターと
して置換されているので、本発明の特徴であるターゲッ
トの導電率の1/100〜1/3の導電率を有するP型
の半導体を作製することができる。
Also in this embodiment, since boron in the single crystal target of silicon and germanium is substituted as the acceptor, it has a conductivity of 1/100 to 1/3 of the conductivity of the target which is a feature of the present invention. A P-type semiconductor can be manufactured.

【0039】反応圧力を2.5paと高くしたのは、本
発明者の行った図6(A)に示す実験結果に基づくもの
である。図6は成膜後に600℃、72時間の熱アニー
ルを行ったN型の珪素半導体膜の成膜時の圧力とXRD
強度(INTENSITY)との関係を示したものであ
る。図6のデータが得られた成膜条件は、単結晶または
多結晶のシリコンターゲット中にリンをターゲットの抵
抗率が2〜3KΩcmになるように添加したものを用
い、成膜温度は150℃、RFパワーは400W、雰囲
気は水素分圧比(PH /PT )が30%の水素とアルゴ
ンの混合雰囲気中である。また基板とターゲットの距離
は120mmであり、電気的にフローティングの状態で
ある。
The reason why the reaction pressure is increased to 2.5 pa is based on the experimental result shown in FIG. 6 (A) conducted by the present inventor. FIG. 6 shows the pressure and XRD at the time of forming the N-type silicon semiconductor film which was annealed at 600 ° C. for 72 hours after the film formation.
It shows the relationship with the strength (INTENSITY). The film formation conditions for which the data in FIG. 6 were obtained were those in which phosphorus was added to a single crystal or polycrystal silicon target so that the target resistivity was 2 to 3 KΩcm, and the film formation temperature was 150 ° C. The RF power is 400 W, and the atmosphere is a mixed atmosphere of hydrogen and argon with a hydrogen partial pressure ratio (P H / P T ) of 30%. The distance between the substrate and the target is 120 mm, and the target is in an electrically floating state.

【0040】そして成膜後不活性雰囲気中において60
0℃、72時間の熱アニールを行ったものである。図6
(A)より反応圧力は2.5pa程度の方が、高い結晶性を
示していることがわかる。しかし、基板とターゲットの
距離を60mmとすると(B)に示すようにその膜の結
晶性は低くなってしまった。これはターゲットを構成す
る原子からなるクラスタが基板に到達し被膜を形成する
のと同時にスパッタ効果も起こしてしまった結果、基板
上において半導体膜となるべきクラスタがダメージを受
け出来上がった薄膜の膜質に悪い影響を与えてしまった
ためである。さらに基板ホルダー(13)を電気的にフロー
ティングすなわち周囲から絶縁した。
After the film formation, 60 in an inert atmosphere
The thermal annealing was performed at 0 ° C. for 72 hours. Figure 6
From (A), it can be seen that the reaction pressure of about 2.5 pa exhibits higher crystallinity. However, when the distance between the substrate and the target was 60 mm, the crystallinity of the film became low as shown in (B). This is because the clusters consisting of the atoms that make up the target reach the substrate and form the film, and at the same time the sputter effect also occurs, resulting in damage to the clusters that should become semiconductor films on the substrate and the quality of the resulting thin film. This is because it had a bad influence. Furthermore, the substrate holder (13) was electrically floating, ie insulated from the surroundings.

【0041】RFパワーを200Wとしたのは、図7に示
す実験結果に基づくものである。図7に示されるデータ
は、前記図6において示される作製条件と同様な条件に
おいて、成膜圧力を0.5pa とした場合における成膜時の
投入パワーとXRDの強度(INTENSITY)との
関係をしめしたものである。図7よりスパッタリング時
の投入パワーは200W程度の比較的低い値の方が半導
体膜の結晶性が高いことがわかる。この結果も投入パワ
ーを大きくすると基板に対するスパッタ効果が生じてス
パッタ膜に対して悪い影響があることを示している。ま
た基板とターゲットの距離が120mmであっても基板
ホルダーを電気的にフローティング即ち基板をフローテ
ィングにしない場合もイオンのスパッタ効果によって成
膜される半導体膜が損傷を受けてしまいよくなかった。
The RF power of 200 W is based on the experimental results shown in FIG. The data shown in FIG. 7 shows the relationship between the input power during film formation and the XRD intensity (INTENSITY) when the film forming pressure was 0.5 pa under the same manufacturing conditions as shown in FIG. It was done. It can be seen from FIG. 7 that the crystallinity of the semiconductor film is higher when the input power during sputtering is a relatively low value of about 200 W. This result also shows that when the input power is increased, the sputtering effect on the substrate occurs and the sputtered film is adversely affected. Even if the distance between the substrate and the target is 120 mm, the semiconductor film formed by the ion sputtering effect may be damaged even when the substrate holder is electrically floating, that is, the substrate is not floating.

【0042】本実施例において、基板温度を100℃と
したのは、本発明の構成である200℃以下の基板温度
で成膜することによって、膜質を高めた効果を示す図8
に示す実験結果に基づくものである。図8に示されるデ
ータは図6(A)に示される場合と同様な作製条件にお
いて、基板温度と得られた膜のXRD強度の関係を示し
たものである。この図8を見ると、成膜温度(この場合
は基板温度)は100℃以上では、熱アニール後の膜の
結晶性が低くなるのに対して、100℃以下で成膜した
場合は、熱アニール後の膜の結晶性が高いことがわか
る。図8において示される傾向は以下のモデルによって
説明することができる。本実施例におけるスパッタリン
グによって得られる珪素膜は、スパッタ時において水素
が多量に存在している雰囲気において、スパッタリング
されるので、ターゲットを構成する元素は、原子が数十
から数十万のクラスタとなってターゲットから飛び出し
クラスタが水素プラズマ中を飛翔する間にクラスタの不
対結合手が水素によって中和され、このクラスタは基板
に到達する。この際、ターゲット中において、P型また
はN型の導電型を付与する不純物は、アクセプタまたは
ドナーとして作用しているので、前記基板に向かって飛
翔中のクラスタ中においてもアクセプタまたはドナーと
なっている。そのためこのクラスタが基板に到達し珪素
膜を形成した場合、前記P型またはN型の導電型を付与
する不純物は、アクセプタまたはドナーとしてスパッタ
リングによって成膜された膜中において作用するという
特徴を有する。
In the present embodiment, the substrate temperature is set to 100 ° C., which shows the effect of improving the film quality by forming the film at the substrate temperature of 200 ° C. or less which is the constitution of the present invention.
It is based on the experimental results shown in. The data shown in FIG. 8 shows the relationship between the substrate temperature and the XRD intensity of the obtained film under the same manufacturing conditions as the case shown in FIG. 6 (A). As shown in FIG. 8, when the film formation temperature (the substrate temperature in this case) is 100 ° C. or higher, the crystallinity of the film after thermal annealing is low, whereas when the film formation temperature is 100 ° C. or lower, the heat treatment is It can be seen that the crystallinity of the film after annealing is high. The trend shown in FIG. 8 can be explained by the following model. Since the silicon film obtained by sputtering in this example is sputtered in an atmosphere in which a large amount of hydrogen is present at the time of sputtering, the elements composing the target are clusters of tens to hundreds of thousands of atoms. While the clusters fly out of the target and fly in the hydrogen plasma, the dangling bonds of the clusters are neutralized by hydrogen, and the clusters reach the substrate. At this time, in the target, the impurity imparting the P-type or N-type conductivity acts as an acceptor or a donor, so that the impurity is an acceptor or a donor even in the cluster flying toward the substrate. . Therefore, when the cluster reaches the substrate and forms a silicon film, the impurity imparting the P-type or N-type conductivity acts as an acceptor or a donor in the film formed by sputtering.

【0043】不対結合手が水素によって中和されたクラ
スタがターゲットから基板に到達する際において、成膜
時の温度が高いと珪素クラスタの不対結合手を中和して
いる水素が離れてしまい基板上において、クラスタ同士
が結合することができず秩序を構成することができな
い。従って200 度以上の雰囲気中において成膜された珪
素膜を熱アニールした場合、より秩序性の高い状態にな
ろうとすることができず結果としてXRD強度がでない
のである。これに対して、成膜時の温度が低い場合には
前記スパッタリングされた粒子である珪素のクラスタが
基板上において、水素を介して結合する。その結果比較
的高い秩序状態が実現される。この膜を450 度から700
度の温度で熱アニールすることによって水素を介して結
合している珪素クラスタが珪素原子同士の結合になり、
より高い秩序秩序状態に移行し、存在する珪素により互
いの結合がなされるため、珪素同志は互いにひっぱりあ
う。結晶としてもレ−ザラマン分光により測定すると、
図2に示すように単結晶の珪素のピ−ク521 cm-1より低
周波側にシフトしたピ−クが観察される。この521 cm-1
より低周波側にシフトしたピ−クは、弱い格子歪みを有
した結晶性の状態を示している。またその見掛け上の粒
径は半値巾から計算すると、50〜500 Åとマイクロクリ
スタルのようになっているが、実際はこの結晶性の高い
領域は多数あってクラスタ構造を有し、その各クラスタ
間は互いに珪素同志で結合( アンカリング) がされたセ
ミアモルファス構造の被膜を形成させることができる。
したがって成膜温度の低い状態(150 ℃以下の雰囲気)
のスパッタリングによって得られた珪素膜はその秩序性
が熱アニールによってさらに助長れるのに対して、基板
温度の高い状態で成膜された膜は前述の通り初めから秩
序性を有せず熱アニールしても各クラスタ間が互いに珪
素同志で結合( アンカリング) がされたセミアモルファ
ス構造の被膜を形成させることができず、XRDのピー
クもほとんどでないのである。
When the cluster in which the dangling bond is neutralized by the hydrogen reaches the substrate from the target, the hydrogen neutralizing the dangling bond of the silicon cluster separates when the temperature during film formation is high. On the substrate, the clusters cannot bond with each other and cannot form order. Therefore, when a silicon film formed in an atmosphere of 200 ° C. or higher is annealed by heat, it is impossible to attain a more highly ordered state, and as a result, the XRD intensity is low. On the other hand, when the temperature at the time of film formation is low, the clusters of silicon, which are the sputtered particles, bond on the substrate via hydrogen. As a result, a relatively high order state is realized. This membrane from 450 degrees to 700
By thermal annealing at a temperature of 100 degrees, the silicon clusters bonded via hydrogen become bonds between silicon atoms,
The silicon comrades pull each other because they move to a higher ordered system and the existing silicon bonds to each other. When measured by laser Raman spectroscopy as a crystal,
As shown in FIG. 2, a peak shifted from the single-crystal silicon peak 521 cm -1 to the low frequency side is observed. This 521 cm -1
The peak shifted to the lower frequency side shows a crystalline state with weak lattice distortion. The apparent grain size is 50 to 500 Å, which is similar to that of microcrystals, when calculated from the half-width, but in reality, there are many regions with high crystallinity, which have a cluster structure. Can form a film having a semi-amorphous structure in which silicon is bonded to each other (anchoring).
Therefore, the film formation temperature is low (at 150 ° C or lower)
Although the order of the silicon film obtained by sputtering of Si is further promoted by thermal annealing, the film formed at a high substrate temperature has no order and is thermally annealed from the beginning as described above. However, it is not possible to form a semi-amorphous structure film in which the respective clusters are mutually bonded (anchoring) to each other by silicon, and there is almost no XRD peak.

【0044】以上のことより水素を含んだ不活性気体の
雰囲気中において、半導体膜例えば一導電型を付与する
不純物を添加したターゲットを用いたスパッタリングに
よって一導電型を有する半導体膜を作製する際には、ス
パッタ時における基板温度を200 ℃以下好ましくは150
℃以下にすることよいことが結論できる。
From the above, when a semiconductor film having one conductivity type is produced by sputtering in an atmosphere of an inert gas containing hydrogen, for example, sputtering using a target to which an impurity imparting one conductivity type is added. The substrate temperature during sputtering is 200 ℃ or less, preferably 150
It can be concluded that the temperature should be below ℃.

【0045】これは前述したように、低温で成膜すると
スパッタされた珪素のクラスタが雰囲気中の水素によっ
て結合し、さらに熱アニールによって珪素クラスタ同士
の結合を形成するため、熱アニールを行ってもその結晶
性が保存、助長されるためである。
As described above, when the film is formed at a low temperature, the sputtered silicon clusters are bonded by hydrogen in the atmosphere, and the silicon clusters are bonded by thermal annealing. This is because its crystallinity is preserved and promoted.

【0046】本実施例においてもターゲットの導電率を
高くすることで、スパッタ膜の導電率を高くすることが
できる。これは、前述したようにターゲット中において
アクセプターまたはドナーとなった不純物は、水素を含
む雰囲気中におけるスパッタリングにおいて成膜された
膜中で、高いイオン化率で存在し、アクセプターまたは
ドナーとして置換されるため、ターゲットの導電率の1
/100〜1/3 という高い導電率を有するPまたはN
形の半導体膜を得ることができるからである。
Also in this embodiment, the conductivity of the sputtered film can be increased by increasing the conductivity of the target. This is because the impurities that have become acceptors or donors in the target exist at a high ionization rate in the film formed by sputtering in an atmosphere containing hydrogen and are replaced as acceptors or donors as described above. , Target conductivity of 1
P or N with high conductivity of / 100 to 1/3
This is because a semiconductor film having a shape can be obtained.

【0047】[0047]

【実施例3】本実施例は、実施例2と同様な条件によっ
て、Six C1-X、(0≦X≦1)のリンが混入したN型半
導体膜を得たものである。本実施例においては、珪素と
炭素のターゲットを細かく分散して配置し、かつその量
を変えることで化学量論比を換えることができる。この
場合、作製される膜の均一度を増すためにターゲットま
たは基板を回転させた。
Example 3 In this example, an N-type semiconductor film mixed with Si x C 1 -X and (0 ≦ X ≦ 1) phosphorus was obtained under the same conditions as in Example 2. In the present embodiment, the targets of silicon and carbon are finely dispersed and arranged, and the stoichiometric ratio can be changed by changing the amounts thereof. In this case, the target or substrate was rotated to increase the uniformity of the film produced.

【0048】なお本明細書中における実施例において
は、一導電型を半導体に対し付与する元素であるアンチ
モン、リン、ボロン等が添加されたターゲットを用いた
が、これら不純物が添加されていないSi、Ge、Six Ge
1-X 、Six C1-X、(0≦X≦1)等のターゲットを用い
て、ノンドープの真正半導体I型半導体であるSi、Ge、
Six Ge1-X 、Six C1-X、(0≦X≦1)等の半導体膜を
作製してもよいことはいうまでもない。
In the examples in the present specification, a target to which an element imparting one conductivity type to a semiconductor, such as antimony, phosphorus, or boron, was added was used, but Si to which these impurities are not added is used. , Ge, Si x Ge
1-X , Si x C 1-X , (0 ≦ X ≦ 1) and other targets are used to produce non-doped true semiconductor I-type semiconductors Si, Ge,
It goes without saying that a semiconductor film of Si x Ge 1-X , Si x C 1-X , (0 ≦ X ≦ 1) or the like may be formed.

【0049】[0049]

【実施例4】本実施例は、水素を含む不活性雰囲気中に
おけるスパッタリングによる半導体膜の作製方法であっ
て、基板を周囲から絶縁されたフローティングの状態と
し、さらに成膜雰囲気中における炭素、窒素、酸素の濃
度を実施例1において述べたようにクライオポンプとタ
ーボ分子ポンプを用いることにより1×1019cm-3
下とし、さらにPまたはN型の導電型を付与する不純物
の濃度が1×1017cm-3以下であり、また酸素濃度が
1×1017cm-3 以下である単結晶または多結晶ター
ゲットを用いてI型半導体を得るものである。
[Embodiment 4] This embodiment relates to a method for manufacturing a semiconductor film by sputtering in an inert atmosphere containing hydrogen, in which a substrate is placed in a floating state insulated from the surroundings, and further carbon and nitrogen in a film forming atmosphere are used. The oxygen concentration is 1 × 10 19 cm −3 or less by using the cryopump and the turbo molecular pump as described in Example 1, and the concentration of the impurity imparting the P or N conductivity type is 1 ×. An I-type semiconductor is obtained using a single crystal or polycrystalline target having a concentration of 10 17 cm -3 or less and an oxygen concentration of 1 × 10 17 cm -3 or less.

【0050】本実施例においては、水素とアルゴン雰囲
気中において、水素の分圧を30%とし、成膜圧力は0.
5pa、RFパワー250W、基板温度150℃、の成
膜条件で図1に示すRFスパッタ装置を用いてスパッタ
リングを行なった。
In this embodiment, the partial pressure of hydrogen is set to 30% and the film forming pressure is set to be 0.
Sputtering was performed using the RF sputtering apparatus shown in FIG. 1 under the film forming conditions of 5 pa, RF power of 250 W, and substrate temperature of 150 ° C.

【0051】本実施例において作製したI型珪素半導体
膜は、図5に示すの同様なラマンスペクトルを示し、本
発明の特徴である低温(300℃以下)で良質なセミア
モルファスまたはマイクロクリスタル半導体を得ること
ができた。このI型の珪素半導体を用いてNチャネル型
絶縁ゲイト型電界効果トランジスタを作製すると移動度
が40.1cm2 /Vを得ることができた。
The I-type silicon semiconductor film produced in this example exhibits a Raman spectrum similar to that shown in FIG. 5, and is a characteristic of the present invention that is a high-quality semi-amorphous or microcrystalline semiconductor at low temperature (300 ° C. or lower). I was able to get it. A mobility of 40.1 cm 2 / V could be obtained when an N channel type insulated gate type field effect transistor was manufactured using this I type silicon semiconductor.

【0052】[0052]

【発明の効果】本発明の構成である、基板を電気的にフ
ローティングにすることで高品質な半導体膜を得ること
ができ、また基板とターゲットの距離を90mm以上に
離すことで、高品質な半導体膜を得ることができた。
According to the structure of the present invention, a high quality semiconductor film can be obtained by electrically floating the substrate, and a high quality semiconductor film can be obtained by separating the substrate from the target by 90 mm or more. A semiconductor film could be obtained.

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

【図1】 本発明の方法を実現するために用いたスパッ
タ装置を示す。
FIG. 1 shows a sputtering apparatus used for realizing the method of the present invention.

【図2】 実施例のおいて作製した半導体膜のラマンス
ペクトルを示す。
FIG. 2 shows a Raman spectrum of a semiconductor film manufactured in an example.

【図3】 実施例のおいて作製した半導体膜を用いた絶
縁ゲイト型電界効果トランジスタ度の移動度(μ)と半
導体膜成膜時の水素分圧比の関係を示す。
FIG. 3 shows the relationship between the mobility (μ) of the insulating gate type field effect transistor using the semiconductor film manufactured in the example and the hydrogen partial pressure ratio at the time of forming the semiconductor film.

【図4】 実施例において作製した半導体膜の導電率と
半導体膜の成膜時の水素分圧の関係を示す。
FIG. 4 shows a relationship between conductivity of a semiconductor film manufactured in an example and hydrogen partial pressure at the time of forming the semiconductor film.

【図5】 本発明方法によって作製された半導体膜のラ
マンスペクトルを示す。
FIG. 5 shows a Raman spectrum of a semiconductor film manufactured by the method of the present invention.

【図6】 実施例において作製した半導体膜の成膜圧力
と膜のXRD強度の関係を示す。
FIG. 6 shows the relationship between the film forming pressure of the semiconductor film manufactured in the example and the XRD intensity of the film.

【図7】 実施例において作製した半導体膜の成膜時に
おける投入パワーと膜のXRD強度の関係を示す。
FIG. 7 shows the relationship between the applied power and the XRD intensity of the film when forming the semiconductor film manufactured in the example.

【図8】 実施例において作製した半導体膜の成膜時に
おける基板温度(成膜温度)と膜のXRD強度の関係を
示す。
FIG. 8 shows the relationship between the substrate temperature (deposition temperature) and the XRD intensity of the film during the film formation of the semiconductor film manufactured in the example.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−35015(JP,A) 特開 平2−109378(JP,A) 特開 平2−109379(JP,A) 特開 昭60−43482(JP,A) 特開 昭63−312962(JP,A) 特開 昭61−573(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/203 C23C 14/34 - 14/46 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) Reference JP-A-59-35015 (JP, A) JP-A-2-109378 (JP, A) JP-A-2-109379 (JP, A) JP-A-60- 43482 (JP, A) JP-A-63-312962 (JP, A) JP-A-61-573 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/203 C23C 14 / 34-14/46

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】RFマグネトロンスパッタ装置を用いてスパ
ッタ法を用いたシリコン膜の作製方法であって、 基板と一導電型を付与する不純物を添加した単結晶又は
多結晶のシリコンターゲットを相対して設け、前記シリコンターゲットを用いて、0.1−10%の NF
3 が添加され水素を含む雰囲気で前記シリコン膜を形成
し、 前記シリコンターゲットの導電率は100(Ωcm) -1
〜0.1(Ωcm) -1 であり、 前記基板と前記シリコンターゲットとの間の距離を90
mm以上とし、 前記シリコン膜の成膜圧力は2.5Pa以上であること
を特徴とするシリコン膜の作製方法。
1. A method for producing a silicon film using a sputtering method using an RF magnetron sputtering apparatus, comprising: a substrate and a single crystal doped with an impurity imparting one conductivity type;
A polycrystalline silicon target is provided oppositely, and using the silicon target, 0.1-10% NF
3 is added to form the silicon film in an atmosphere containing hydrogen
And the conductivity of the silicon target is 100 (Ωcm) -1
Is 0.1 (Ωcm) −1 , and the distance between the substrate and the silicon target is 90.
not less than mm, a manufacturing method of the silicon film, wherein the film formation pressure of said silicon film is at least 2.5 Pa.
【請求項2】RFマグネトロンスパッタ装置を用いてスパ
ッタ法を用いたシリコン膜の作製方法であって 板とIII 価の元素又は V 価の元素を添加した単結晶又は
多結晶のシリコンターゲットを相対して設け、前記シリコンターゲットを用いて、0.1−10%の NF
3 が添加され水素を含む雰囲気中でスパッタすることに
よって前記シリコン膜を形成し、 前記シリコンターゲットの導電率は100(Ωcm) -1
〜0.1(Ωcm) -1 であり、 前記基板と前記シリコンターゲットとの間の距離を90
mm以上とし、 前記シリコン膜の成膜圧力は2.5Pa以上であること
を特徴とするシリコン膜の作製方法。
2. A method for producing a silicon film using a sputtering method using an RF magnetron sputtering apparatus, comprising a single crystal containing a substrate and a valence III element or a valence V element.
A polycrystalline silicon target is provided oppositely, and using the silicon target, 0.1-10% NF
Sputtering in an atmosphere containing 3 and hydrogen
Therefore, the silicon film is formed, and the conductivity of the silicon target is 100 (Ωcm) −1.
Is 0.1 (Ωcm) −1 , and the distance between the substrate and the silicon target is 90.
not less than mm, a manufacturing method of the silicon film, wherein the film formation pressure of said silicon film is at least 2.5 Pa.
【請求項3】請求項1または請求項2において、 前記基板を周囲から絶縁することを特徴とするシリコン
の作製方法。
3. The silicon according to claim 1 or 2, wherein the substrate is insulated from the surroundings.
Membrane fabrication method.
【請求項4】請求項1乃至3のいずれか1項において、 前記雰囲気はアルゴン又は窒素を含むことを特徴とする
シリコン膜の作製方法。
4. The atmosphere according to any one of claims 1 to 3, wherein the atmosphere contains argon or nitrogen.
A method for manufacturing a silicon film.
【請求項5】請求項1乃至請求項4のいずれか1項にお
いて、 前記シリコンターゲット中の炭素、酸素、窒素の濃度は
2×10 18 /cm -3 以下であることを特徴とするシリコ
ン膜の作製方法。
5. The method according to any one of claims 1 to 4.
There are, carbon in the silicon target, oxygen, concentration of nitrogen
Silicone characterized by being 2 × 10 18 / cm -3 or less
A method for forming a membrane.
【請求項6】請求項1乃至請求項のいずれかにおい
て、 前記RFマグネトロンスパッタ装置にはターボ分子ポン
プ及びクライオポンプが設けられていることを特徴とす
シリコン膜の作製方法。
Te 6. any claim smell of claims 1 to 5 <br/>, making the silicon film above the RF magnetron sputtering apparatus, characterized in that the turbo-molecular pump and a cryopump is provided Method.
【請求項7】請求項1乃至請求項いずれか1項におい
て、 前記シリコン膜前記水素を含む不活性雰囲気中で成膜
され、 前記水素の分圧は30%以上であることを特徴とする
リコン膜の作製方法。
Te smell <br/> 7. claims 1 to any one of claims 6, wherein the silicon film is deposited in an inert atmosphere containing hydrogen, the partial pressure of the hydrogen is 30% or more sheet, characterized in that
Method for producing recon film .
JP2002332368A 2002-11-15 2002-11-15 Silicon film fabrication method Expired - Fee Related JP3495035B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002332368A JP3495035B2 (en) 2002-11-15 2002-11-15 Silicon film fabrication method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002332368A JP3495035B2 (en) 2002-11-15 2002-11-15 Silicon film fabrication method

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2000298843A Division JP2001144017A (en) 2000-09-29 2000-09-29 Sputtering device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2003218032A JP2003218032A (en) 2003-07-31
JP3495035B2 true JP3495035B2 (en) 2004-02-09

Family

ID=27655822

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002332368A Expired - Fee Related JP3495035B2 (en) 2002-11-15 2002-11-15 Silicon film fabrication method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3495035B2 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
JP2003218032A (en) 2003-07-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5320984A (en) Method for forming a semiconductor film by sputter deposition in a hydrogen atmosphere
US4496450A (en) Process for the production of a multicomponent thin film
JP2023017839A (en) Manufacture of solar cells
JP2010226136A (en) Semiconductor thin film manufacturing method
JP3495035B2 (en) Silicon film fabrication method
JP2945948B2 (en) Semiconductor film fabrication method
US20030151051A1 (en) High performance active and passive structures based on silicon material grown epitaxially or bonded to silicon carbide substrate
JP2923696B2 (en) Semiconductor film fabrication method
JP3386436B2 (en) Method for manufacturing semiconductor film
JP3123657B2 (en) Semiconductor film fabrication method
JP3076382B2 (en) Semiconductor film fabrication method
JP3518490B2 (en) Semiconductor film fabrication method
JP2001144017A (en) Sputtering device
JP3123656B2 (en) Semiconductor film fabrication method
JPH1064824A (en) Sputtering apparatus
US11972947B2 (en) Manufacturing method for semiconductor laminated film, and semiconductor laminated film
JP2003297753A (en) Method for forming semiconductor film
JPH0290568A (en) Manufacture of thin film transistor
JP4910124B2 (en) Semiconductor thin film manufacturing apparatus and method
US20250163606A1 (en) Production method for single crystal semiconductor film, production method for multilayer film of single crystal semiconductor film, and semiconductor element
JP7689668B2 (en) Barium silicide laminate substrate
JPH0536619A (en) Method and apparatus for semiconductor surface treatment
JP3160269B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JP3102540B2 (en) Method for forming low hydrogen content amorphous silicon semiconductor thin film
JP2001244199A (en) Beta iron silicide deposition method

Legal Events

Date Code Title Description
R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081121

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091121

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091121

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091121

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101121

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101121

Year of fee payment: 7

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees