JP2014086730A - アモルファスシリコンフィルムを堆積する方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】アモルファスシリコンフィルムを堆積する方法。
【解決手段】本発明によれば、チャンバー内で、半導性又は絶縁性基材の表面上にアモルファスシリコン層を堆積する方法であって、アモルファスシリコン層を堆積する前に、ＮＨ３プラズマによって表面を前処理する方法が提供される。
【選択図】図１ｂ
【解決手段】本発明によれば、チャンバー内で、半導性又は絶縁性基材の表面上にアモルファスシリコン層を堆積する方法であって、アモルファスシリコン層を堆積する前に、ＮＨ３プラズマによって表面を前処理する方法が提供される。
【選択図】図１ｂ
Description
本発明は、アモルファスシリコンフィルム、特に３μｍ以上の厚みを有するそのようなフィルムを堆積する方法に関する。
より厚いアモルファスシリコンフィルム、例えば３μｍ以上の厚みを有するものを堆積しようとする場合、基材表面に対するフィルムの接着性に重大な課題がありうることが分かっている。現在、これは、特にＭＥＭＳ産業において、アモルファスシリコンフィルムの使用を制限している。
アモルファスシリコンは、シリコンの非結晶同素体の形態である。それは様々な基材上に薄いフィルムとして堆積することができ、様々なエレクトロニクス用途のために、いくつかの固有の機能を提供する。アモルファスシリコンは、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、及びナノ電気機械システム（ＮＥＭＳ）、太陽電池、微結晶シリコン、及びマイクロモルファスシリコン、大規模生産において使われ、並びに様々な基材についてのロールツーロール処理技術にさえも利用可能である。アモルファスシリコンフィルムについての、具体的なＭＥＭＳの用途としては、
１．可視光線又は赤外線の検出のためのフォトダイオード若しくは薄膜トランジスタ、又は圧力センサーのためのピエゾ抵抗器を含む薄膜装置。
２．高濃縮ＨＦ溶液における良好な耐性のため、マイクロ流体用途におけるガラスエッチングのためのマスキング層、又は更には誘電泳動チップにおける薄い電極。
３．アルカリ性溶液（ＴＭＡＨ、又はＫＯＨ）中で簡単に除去できるため、容量型超音波振動子の微細加工における犠牲層。
４．機械的ＲＦ磁場変調のための圧電共振器における、ＸｅＦ２エッチングによるａ―Ｓｉ：Ｈフィルムの乾燥剥離除去によるナノギャップの画定。
５．接着の質を改善するためのアノード結合のための、又はナノ流体チャネルの製造における、中間層の提供。
１．可視光線又は赤外線の検出のためのフォトダイオード若しくは薄膜トランジスタ、又は圧力センサーのためのピエゾ抵抗器を含む薄膜装置。
２．高濃縮ＨＦ溶液における良好な耐性のため、マイクロ流体用途におけるガラスエッチングのためのマスキング層、又は更には誘電泳動チップにおける薄い電極。
３．アルカリ性溶液（ＴＭＡＨ、又はＫＯＨ）中で簡単に除去できるため、容量型超音波振動子の微細加工における犠牲層。
４．機械的ＲＦ磁場変調のための圧電共振器における、ＸｅＦ２エッチングによるａ―Ｓｉ：Ｈフィルムの乾燥剥離除去によるナノギャップの画定。
５．接着の質を改善するためのアノード結合のための、又はナノ流体チャネルの製造における、中間層の提供。
本出願人らは、ａ―Ｓｉ：Ｈ薄膜の接着性を改善し、及び特定の実施形態において、応力を低め、均一性を改善する更なる特徴を有する方法を開発した。
本発明は、チャンバー内で、基材の表面上にアモルファスシリコン層を堆積する方法であって、アモルファスシリコン層を堆積する前に表面をＮＨ３プラズマによって前処理する方法を含む。
本発明の実施形態において、ＮＨ３プラズマは、以下の処理条件の少なくとも一つを有していてもよい。
（ａ）ＲＦ電力を、１５０〜２５０Ｗの範囲内で供給する。
（ｂ）ＮＨ３の流速を、８０〜１１０ｓｃｃｍ（標準条件下で８０〜１１０ｍｌ／分）とする。
（ｃ）チャンバー圧力を、８００〜１０００ｍＴｏｒｒ（１０６．６〜１３３．３Ｐａ）とする。
（ｄ）ＮＨ３プラズマを、約５分間作動させる。
（ａ）ＲＦ電力を、１５０〜２５０Ｗの範囲内で供給する。
（ｂ）ＮＨ３の流速を、８０〜１１０ｓｃｃｍ（標準条件下で８０〜１１０ｍｌ／分）とする。
（ｃ）チャンバー圧力を、８００〜１０００ｍＴｏｒｒ（１０６．６〜１３３．３Ｐａ）とする。
（ｄ）ＮＨ３プラズマを、約５分間作動させる。
基材は、シリコン、又はシリコンを含む材料でできていてもよい。基材としては、シリコン、又はガラス（ＳｉＯ２）とすることができる。基材は、二酸化ケイ素、又は窒化ケイ素の中間層で被覆されていてもよい。しかしながら、本発明は、そのような実施形態に限定されない。
基材は、その後の処理工程の均一性を改善するために、不活性気体の流れによって、基材の幅全体にわたって一定の温度に加熱することが好ましい。好都合には、不活性気体はＮ２である。
アモルファスシリコンフィルムは、処理気体としてＳｉＨ４を用いて堆積してもよく、これはキャリア気体、例えばアルゴン中で担送してもよい。
典型的に、チャンバーはプラテンを含む。アモルファスシリコンフィルムを堆積する間、プラテン温度は、２００℃〜３５０℃、例えば２００℃とすることができる。好ましくは、チャンバー壁は約７５℃であり、処理気体を供給するためにシャワーヘッドを用いるとき、シャワーヘッドは、使用する場合、約２００℃の温度を有してもよい。
上記の態様において堆積する場合、アモルファスフィルムの応力は低く、例えば５０ＭＰａ以下であることがある。
上記に本発明を定義したが、上記、又は以下の記載、図面、若しくは請求項において設定する特徴を組合せた任意の発明を含むことを理解すべきである。
本発明は様々な方法で行うことができ、ここで、添付の図面と連携して、以下に具体例を記載する。
図１ａは、（ａ）通常の堆積技術を使用して堆積したとき、及び（ｂ）本発明の実施形態を使用したときの、３．２μｍのシリコンフィルムの堆積についての接着性試験の結果を対比する。
図１ｂは、（ａ）通常の堆積技術を使用して堆積したとき、及び（ｂ）本発明の実施形態を使用したときの、３．２μｍのシリコンフィルムの堆積についての接着性試験の結果を対比する。
接着性を改善し、応力を低め、及びアモルファスシリコン堆積ステップの間の均一性を改善するために、新規なＮＨ３プラズマの基材処理工程を開発した。
例えば、いかなる層間剥離の徴候も示さない、低い応力のアモルファスシリコンフィルムを、以下の処理工程を用いてうまく達成した。処理パラメータを表１に示す。
図３に示すように、減圧処理チャンバーを含むことが可能な処理モジュール内に、ウェハーを載置する。図３において、一般に１で表す減圧処理チャンバーは、チャンバーをポンプ（図示せず）に接続するポンピング開口部２を備える。基材３をプラテン４上に置き、公知の手段、例えば静電クランプによって、適所に固定してもよい。チャンバー１は、面板６、及び気体入口８を有するバッキングプレート７からなるシャワーヘッド組立体５を更に備える。孔９が、面板を通して形成されている。面板とバッキングプレート間の空間１０は気体リザーバーとして機能し、気体入口８と処理空間１１の間の導通を可能にする。適切な封止を、例えば１２及び１３に提供する。ＲＦ電源１４は、シャワーヘッド組立体５にＲＦ電力を供給して、当業者によく理解されている態様においてプラズマを生じさせ、及び維持する。ＰＥＣＶＤ系の構成、及び操作に関する更なる詳細は、米国特許出願公開第２００４／０１２３８００号明細書に見ることができ、その全体の内容は引用により本明細書中に含まれる。
ウェハーを、減圧（０．１Ｔｏｒｒ（１３．３３Ｐａ）未満）において処理モジュール内に載置し、Ｎ２（２Ｔｏｒｒ（２６６．６Ｐａ）超、及び約２０００ｓｃｃｍ（標準条件下で２０００ｍｌ／分））を用いて処理温度にする。この温度において、図３に見ることができるように、ＲＦ電源（１４）駆動のシャワーヘッド（５、６）を使用して、ＮＨ３プラズマ処理工程を行う。この工程は、プラテン４上の基材３の表面を変性する。
ＮＨ３プラズマの基材処理工程は、堆積するアモルファスシリコンフィルムと基材との間の接着特性を増加させるための、鍵となる処理工程である。例えば、２００Ｗの高周波電力（１３．５６ＭＨｚ）、９００ｍＴｏｒｒ（１９９．９７Ｐａ）の圧力、及び９５ｓｃｃｍ（標準条件下で９５ｍｌ／分）のＮＨ３の気体流速での、５分間のＮＨ３プラズマの基材処理工程である。フィルムの応力は、更に低い応力（５０ＭＰａ以下）のフィルムの堆積のために、低温（約２００℃）の堆積工程で操作することによって、更に調整することができる。
ＲＦ周波数、電力、圧力、及び気体流速の最適化した処理パラメータと組み合わせて、低温で堆積したアモルファスシリコンフィルムは、非常に低い応力（５０ＭＰａ以下）のアモルファスシリコンフィルムを生ずることができることが実験的に分かった。例えば、２００℃のシャワーヘッド温度及びプラテン温度、７５℃のチャンバー側壁温度において、１２０Ｗの高周波電力（１３．５６ＭＨｚ）、７００ｍＴｏｒｒ（９３．３１Ｐａ）の処理チャンバー圧力、ＳｉＨ４について１２０ｓｃｃｍ（標準条件下で１２０ｍｌ／分）、及びＡｒについて５００ｓｃｃｍ（標準条件下で５００ｍｌ／分）の気体流速を用いた堆積は、約１０９ｎｍ／分の堆積速度の、更に低い引張応力（＋４８．１ＭＰａ）のアモルファスシリコンフィルムの堆積を提供する。
図１ａ）ＮＨ３前処理なし、及びｂ）ＮＨ３プラズマ処理において、シリコンウェハーに対するａ―Ｓｉ：Ｈフィルム（３．２５μｍ厚）の接着性に関して、本方法の利点を認めることができる。接着性試験は、ＡＮＳＩ／ＳＤＩ Ａ２５０．１０―１９９８（Ｒ２００４）の方法を使用した。１ａ）において、全てのａ―Ｓｉ：Ｈの堆積はテープによって除去されたが、１ｂ）において、ａ―Ｓｉ：Ｈは全く除去されなかった。フィルム上の交差するハッチングは、再現性のある結果を確保するための方法の一部である。これらのフィルムの応力は、温度、電力、気体流速、及び圧力の処理パラメータを変化させることによって、張力の成分から圧縮力の成分まで、制御することができる。例えば、２００℃から３００℃へとプラテン温度を上げることで、応力を、５０ＭＰａ未満の張力から、２００ＭＰａより大きい圧縮力まで、調整することができる。ＲＦ電力を下げることによって、引張応力を増加させることもできる。
アモルファスシリコンフィルムの接着特性を著しく増加させたのは、ＮＨ３プラズマの基材処理工程であることが分かる。
堆積フィルムの接着特性を強化するための伝統的方法としては、アモルファスシリコンフィルムの堆積温度を上昇させること、並びに中間層、例えば窒化ケイ素、及び二酸化ケイ素を導入することが挙げられるが、両方法は欠点を有する。３５０℃より高い高温は、応力、及び熱的な予算の考慮によって多くの用途において許容できず、また、更なる層の導入は、結果として、コスト、複雑化、及び場合によっては不必要な、その後除去されるフィルムにつながる。
フィルムの接着性の強化を比較するために、以下の実験を行った。
表２の結果は、より高いプラテン温度（３５０℃）が、接着特性を強化することがあることを示しているが、堆積したアモルファスシリコンフィルムに高い圧縮応力が導入された。上記の例について、より高温での堆積の結果として、標準的な接着性試験における１０％の損失、及び−３３２．９ＭＰａの高い圧縮応力のフィルムにつながった。
表３及び４（両者とも約３．３μｍのフィルムについて）の結果は、ＮＨ３プラズマ工程をせず、ＳｉＮ中間層又はＳｉＯ２中間層のいずれかを有する、堆積したアモルファスシリコンフィルムの、弱い接着性を示す。
表５に、表１〜４からの重要な結果をまとめる。すなわち、真空破壊を経たＳｉ、ＳｉＯ２、及びＳｉＮの表面は、ＮＨ３プラズマで処理した基材を除いて、全てのａ―Ｓｉ：Ｈフィルムが層間剥離の徴候を示した。処理温度を３５０℃に上げると、層間剥離の量が実質的に減ったが、しかしながら、この積極的な処理でさえ、ＮＨ３プラズマ工程で処理したＳｉ上への、２００℃での低い応力のａ―Ｓｉ：Ｈの堆積ほど生産的ではなかった。
ａ―Ｓｉ：Ｈフィルムの接着性の改善を理解するための、可能性のある機構を以下に記載する。大気に曝露したシリコン表面は、自然酸化層を有する。ウェハー表面において、シリコン原子は、巨大な共有結合構造の中の酸素原子によって結合している。しかしながら、二酸化ケイ素の表面上において、シリコン―酸素結合は、時間とともに空気中で加水分解され、―ＯＨ基を形成する。従って、図２に示すように、表面において、Ｓｉ―Ｏ―Ｓｉ結合の代わりにＳｉ―ＯＨ結合がある。表面は、―ＯＨ基のため極性を有し、ファンデルワールス分散力、及び双極子―双極子引力と同様に、周辺の適切な化合物と水素結合を形成する可能性がある。堆積したアモルファスシリコンのダングリングボンド以外に、基材表面上のこれらのＳｉ―ＯＨ結合は、堆積したアモルファスシリコンフィルムと基材との間の接着特性に、著しく影響を及ぼす。
したがって、ＮＨ３プラズマの基材処理工程を用いて基材表面上のＳｉ―ＯＨ結合を除去することで、堆積するアモルファスシリコンフィルムの接着性が著しく改善される。
Claims (9)
- チャンバー内で、半導性又は絶縁性基材の表面上にアモルファスシリコン層を堆積する方法であって、前記アモルファスシリコン層を堆積する前に、ＮＨ３プラズマによって前記表面を前処理する、方法。
- 前記ＮＨ３プラズマが以下の処理条件、
（ａ）ＲＦ電力を１５０〜２５０Ｗの範囲内で供給すること、
（ｂ）チャンバー圧力を、５００〜４０００ｍＴｏｒｒとすること、
（ｃ）ＮＨ３プラズマを、約１〜５分間作動させること、及び、
（ｄ）減圧破壊することなく、アモルファスシリコン層を続けて実施すること、
の少なくとも１つを有する、請求項１に記載した方法。 - 前記基材がシリコンでできている、請求項１又は２のいずれかに記載した方法。
- 前記基材の表面が、二酸化ケイ素、又は窒化ケイ素でできている、請求項１又は２のいずれかに記載した方法。
- 前記ＮＨ３プラズマを適用する前に、前記基材を、不活性気体の流れによって、前記基材の幅全体にわたって一定の温度に加熱する、請求項１〜４のいずれか一項に記載した方法。
- 前記不活性気体がＮ２である、請求項５に記載した方法。
- 処理気体としてＳｉＨ４を使用して、前記アモルファスシリコンフィルムを堆積する、請求項１〜６のいずれか一項に記載した方法。
- 前記チャンバーがプラテンを含んでおり、前記プラテン温度が２００〜３５０℃、例えば２００℃である、請求項７に記載した方法。
- 前記フィルムの応力が５０ＭＰａ以下である、請求項８に記載した方法。
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