JP3505987B2 - Method and apparatus for forming silicon-based thin film - Google Patents

Method and apparatus for forming silicon-based thin film

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JP3505987B2
JP3505987B2 JP35376197A JP35376197A JP3505987B2 JP 3505987 B2 JP3505987 B2 JP 3505987B2 JP 35376197 A JP35376197 A JP 35376197A JP 35376197 A JP35376197 A JP 35376197A JP 3505987 B2 JP3505987 B2 JP 3505987B2
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Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶表示装置にお
ける各画素に設けられるTFT(薄膜トランジスタ)ス
イッチ等の材料として用いられたり、集積回路、太陽電
池等に用いられるシリコン系薄膜の形成方法及びその方
法を実施することができる成膜装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of forming a silicon-based thin film used as a material for a TFT (thin film transistor) switch provided in each pixel of a liquid crystal display device, or used for an integrated circuit, a solar cell and the like. The present invention relates to a film forming apparatus capable of carrying out the method.

【0002】[0002]

【従来の技術】シリコン系薄膜の形成方法として従来次
のような方法が用いられている。すなわち、シリコン
膜、特に結晶性シリコン膜の形成方法としては、CVD
法、特に熱CVD法が多用されている。CVD法により
結晶性シリコン膜を形成するためには、通常、被成膜物
品の温度を800℃程度以上に保つ必要がある。また、
真空蒸着法、スパッタ蒸着法等のPVD法も用いられる
が、この場合も、該膜を結晶性を有するものにするため
には、通常、被成膜物品の温度を700℃程度以上に保
つ必要がある。
2. Description of the Related Art The following method has been conventionally used as a method for forming a silicon-based thin film. That is, as a method of forming a silicon film, particularly a crystalline silicon film, CVD is used.
The method, especially the thermal CVD method is often used. In order to form a crystalline silicon film by the CVD method, it is usually necessary to keep the temperature of the film-formed article at 800 ° C. or higher. Also,
A PVD method such as a vacuum vapor deposition method or a sputter vapor deposition method is also used, but in this case also, in order to make the film crystalline, it is usually necessary to keep the temperature of the film-forming article at about 700 ° C. or higher. There is.

【0003】また近年では、各種CVD法、PVD法に
より比較的低温下でアモルファスシリコン膜を形成した
後、後処理として、800℃程度以上の熱処理若しくは
600℃程度で20時間程度以上の長時間にわたる熱処
理を施したり、レーザアニール処理を施して、該膜を結
晶性シリコン膜とすることが行われている。また、シリ
コン化合物膜としてシリコン酸化物膜やシリコン窒化物
膜等を形成する方法としてはプラズマCVD法等が多用
されている。
Further, in recent years, after forming an amorphous silicon film at a relatively low temperature by various CVD methods or PVD methods, as a post-treatment, heat treatment at about 800 ° C. or higher or at 600 ° C. for a long time of about 20 hours or longer. Heat treatment or laser annealing treatment is performed to form the film into a crystalline silicon film. Further, as a method of forming a silicon oxide film, a silicon nitride film or the like as a silicon compound film, a plasma CVD method or the like is often used.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
ように、各種CVD法、PVD法により直接結晶性シリ
コン膜を形成する方法によっては、例えば液晶表示装置
のガラス基板として比較的安価な低融点ガラスを用い、
この基板上にTFTを形成するために結晶性シリコン膜
を形成しようとするとき、かかる低融点ガラスを700
℃や800℃に保つと、溶融したり歪みが生じる等す
る。このようにCVD法やPVD法で直接結晶性シリコ
ン膜を形成する手法では耐熱性が比較的低い材質からな
る物品上への成膜が困難である。
However, as described above, depending on the method of directly forming the crystalline silicon film by various CVD methods or PVD methods, for example, a relatively inexpensive low melting point glass as a glass substrate of a liquid crystal display device. Using
When a crystalline silicon film is formed to form a TFT on this substrate, the low melting point glass is 700
If it is kept at ℃ or 800 ℃, it will melt and distortion will occur. As described above, it is difficult to form a film on an article made of a material having relatively low heat resistance by the method of directly forming the crystalline silicon film by the CVD method or the PVD method.

【0005】また、前記の熱処理やレーザアニール処理
を後処理として行い結晶性シリコン膜を得る方法は、直
接結晶性シリコン膜を形成する方法に比べて、工程が多
いため生産性が悪い。なお、レーザアニール処理はレー
ザ照射装置が高価であるとともに、大面積で均一性の良
い膜が得られ難いという欠点もある。また、プラズマC
VD法によりシリコン化合物膜を形成する場合は、気相
反応により成膜に不要なパーティクルが発生して膜中に
混入し易いこと、膜中に水素が混入し易いこと、膜中欠
陥が生じ易いこと等から得られる膜は電気絶縁性が比較
的悪く、さらに、内部応力が大きく密着性が劣るものに
なり易い。
Further, the method of obtaining a crystalline silicon film by performing the above-mentioned heat treatment or laser annealing treatment as a post-treatment has a large number of steps as compared with the method of directly forming a crystalline silicon film, and thus the productivity is poor. The laser annealing treatment has the drawbacks that the laser irradiation apparatus is expensive and it is difficult to obtain a film having a large area and good uniformity. Also, plasma C
When a silicon compound film is formed by the VD method, particles unnecessary for film formation are generated by a gas phase reaction and are easily mixed in the film, hydrogen is easily mixed in the film, and defects in the film are easily generated. The film obtained from the above has relatively poor electrical insulation, and further tends to have large internal stress and poor adhesion.

【0006】そこで、本発明は、比較的低温下で生産性
良く、所望の特性を有する良質なシリコン系薄膜を形成
できるシリコン系薄膜の形成方法を提供することを第1
の課題とする。また、本発明は、比較的低温下で生産性
良く良質なシリコン膜、代表的には良質な結晶性を有す
るシリコン膜を形成できるシリコン系薄膜の形成方法を
提供することを第2の課題とする。
Therefore, the first object of the present invention is to provide a method for forming a silicon-based thin film, which can form a high-quality silicon-based thin film having desired characteristics with good productivity at a relatively low temperature.
And the subject. A second object of the present invention is to provide a method for forming a silicon-based thin film capable of forming a high-quality silicon film with good productivity at a relatively low temperature, typically a silicon film having good crystallinity. To do.

【0007】また、本発明は、比較的低温下で生産性良
く良好な電気絶縁性及び膜密着性を有するシリコン化合
物膜を形成できるシリコン系薄膜の形成方法を提供する
ことを第3の課題とする。また、本発明は、かかるシリ
コン膜(代表的には結晶性シリコン膜)及びシリコン化
合物膜といったシリコン系薄膜を形成することができる
成膜装置を提供することを第4の課題とする。
A third object of the present invention is to provide a method for forming a silicon-based thin film capable of forming a silicon compound film having good electrical insulation and film adhesion with good productivity at a relatively low temperature. To do. A fourth object of the present invention is to provide a film forming apparatus capable of forming a silicon-based thin film such as such a silicon film (typically a crystalline silicon film) and a silicon compound film.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに本発明者らは研究を重ね、次のイ〜ハの知見を得
た。 イ. シリコン系ガスを含む原料ガスをプラズマ化し該
プラズマの下で例えばシリコン膜を形成するにあたり、
該物品にイオンビームを照射し、このとき、プラズマか
ら高エネルギ粒子(高速イオン、高速電子等)が該被成
膜物品に入射するのを抑制し、或いはさらに該物品への
イオンビームの入射エネルギを低いレベルに制御するこ
とにより、膜成長面にダメージを与えず、その結晶成長
を促すことができる。 ロ. また同様にして、シリコン酸化物膜のようなシリ
コン化合物膜を形成すれば、プラズマ中のパーティクル
の膜への混入量の低減、膜中欠陥及び膜中水素濃度の低
減、膜応力の緩和により良好な電気絶縁性及び膜密着性
を有する膜が得られる。 ハ. このとき、照射するイオンビームとして特に負の
イオンビームを用いることにより、たとえ被成膜物品の
被成膜面又は(及び)形成しようとする膜が電気絶縁性
材料からなる場合にも、イオン照射による該物品表面の
正の帯電が該負イオンにより打ち消されて、該物品又は
(及び)該膜表面の帯電によるイオン照射効果の低減を
回避できる。
Means for Solving the Problems In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted extensive research and obtained the following findings a to c. I. In converting the source gas containing a silicon-based gas into plasma and forming a silicon film under the plasma, for example,
The article is irradiated with an ion beam, and at this time, high-energy particles (fast ions, fast electrons, etc.) from the plasma are suppressed from entering the film-forming article, or the incident energy of the ion beam to the article is further reduced. Is controlled to a low level, the crystal growth can be promoted without damaging the film growth surface. B. Similarly, if a silicon compound film such as a silicon oxide film is formed, the amount of particles in plasma mixed into the film is reduced, the defects in the film and the hydrogen concentration in the film are reduced, and the film stress is relaxed. A film having excellent electric insulation and film adhesion can be obtained. C. At this time, by using a negative ion beam as the ion beam for irradiation, the ion irradiation can be performed even if the film formation surface of the film formation article or / and the film to be formed is made of an electrically insulating material. Positive charges on the surface of the article due to the negative ions are canceled by the negative ions, and the reduction of the ion irradiation effect due to the charge on the surface of the article or / and the film can be avoided.

【0009】前記知見に基づき本発明は、次ののシリ
コン系薄膜の形成方法及び(a)の成膜装置を提供す
る。 シリコン系ガスを含む原料ガスを電力供給によりプ
ラズマ化し、該プラズマの下で被成膜物品上にシリコン
系薄膜を形成する方法であって、該プラズマを該物品周
縁部の近傍に形成するとともに、該物品表面に負イオン
ビームを照射して膜形成することを特徴とするシリコン
系薄膜の形成方法。 (a) 真空排気手段を接続したプラズマ生成室内へ原料
ガス供給手段により供給される原料ガスをガスプラズマ
化用電力供給手段による電力供給によりプラズマ化し、
該プラズマの下で、該プラズマ生成室内の支持手段に支
持される被成膜物品上に成膜する装置であって、該被成
膜物品に負イオンビームを照射するための手段を備えて
おり、該電力供給手段は該プラズマを該被成膜物品周縁
部の近傍に形成できるものであることを特徴とする成膜
装置。
Based on the above findings, the present invention provides the following method of forming a silicon-based thin film and the film forming apparatus of (a). A method of forming a raw material gas containing a silicon-based gas into plasma by supplying power, and forming a silicon-based thin film on a film-forming article under the plasma, the plasma being formed in the vicinity of the peripheral portion of the article, A method for forming a silicon-based thin film, comprising forming a film by irradiating the surface of the article with a negative ion beam. (a) The raw material gas supplied by the raw material gas supply means into the plasma generation chamber connected to the vacuum exhaust means is turned into plasma by the power supply by the gas plasmaization power supply means,
An apparatus for forming a film under the plasma on a film-formed article supported by a supporting means in the plasma generation chamber, the apparatus including means for irradiating the film-formed article with a negative ion beam. The film forming apparatus is characterized in that the power supply means can form the plasma in the vicinity of the peripheral portion of the film formation target article.

【0010】本発明の前記のシリコン系薄膜の形成方
法及び(a)の成膜装置によると、被成膜物品の周縁部
近傍にプラズマを形成することにより、該プラズマから
の高速イオン(500eV程度より高いエネルギを持つ
イオン)や高速電子等の被成膜物品への直接入射が抑制
されるため、シリコン膜を形成する場合、膜成長面にダ
メージを与えず欠陥の少ない良質なシリコン膜の成長が
促される。それとともに該物品表面にイオンビームを照
射し、そのイオン種及びイオン加速エネルギを適宜選択
或いは調整することにより、表面励起、結晶性向上、結
晶配向制御等の効果が得られ、シリコン原子の移動乃至
マイグレーション(migration)が促進されて、被成膜物
品上に良好な結晶性を有するシリコン膜を形成できる。
According to the method for forming a silicon-based thin film and the film forming apparatus of (a) of the present invention, by forming plasma in the vicinity of the peripheral edge of the film-forming article, fast ions (about 500 eV) from the plasma are formed. Since the high incidence of ions (higher energy) and high-speed electrons are suppressed from directly entering the film-formed article, when forming a silicon film, the growth of a good-quality silicon film that does not damage the film growth surface and has few defects. Is prompted. At the same time, by irradiating the surface of the article with an ion beam and appropriately selecting or adjusting the ion species and the ion acceleration energy, effects such as surface excitation, crystallinity improvement, and crystal orientation control can be obtained, and the movement of silicon atoms or Migration can be promoted, and a silicon film having good crystallinity can be formed on a film-formed article.

【0011】この場合、比較的低温下で膜を結晶化させ
ることができる。また、1工程でこのような結晶性を有
するシリコン膜が得られるため、成膜後の熱処理を省略
することができ、生産性が良好である。さらに、イオン
ビーム照射を行うことにより、膜と被成膜物品との界面
部分処理時、成膜中及び成膜後の表面処理時のいずれの
時においても、イオン種を選択し、或いはイオン加速エ
ネルギを調整し、或いはこれらの組み合わせにより、膜
応力制御ひいては膜密着力制御、結晶性制御、結晶粒径
制御、結晶配向制御等を行うことができる。なお、プラ
ズマCVDにおいてプラズマ励起による反応種のエネル
ギは数eV〜数100eVという広範囲に及ぶため、単
なるプラズマCVDではこのような制御を行い難い。
In this case, the film can be crystallized at a relatively low temperature. Further, since the silicon film having such crystallinity can be obtained in one step, the heat treatment after film formation can be omitted, and the productivity is good. Furthermore, by performing ion beam irradiation, the ion species is selected or the ion acceleration is performed at the time of the surface treatment of the interface between the film and the film-forming article, during the film formation, and during the surface treatment after the film formation. By adjusting the energy or by combining these, it is possible to perform film stress control, and thus film adhesion control, crystallinity control, crystal grain size control, crystal orientation control, and the like. In plasma CVD, the energy of reactive species due to plasma excitation covers a wide range of several eV to several 100 eV, and thus it is difficult to perform such control by simple plasma CVD.

【0012】またシリコン化合物膜を形成する場合も、
被成膜物品の周縁部近傍にプラズマを形成することによ
り、該プラズマからの高速イオン(500eV程度より
高いエネルギを持つイオン)や高速電子等の被成膜物品
への直接入射が抑制されるため、膜成長面にダメージを
与えず欠陥の少ないシリコン化合物膜の成長が促され
る。それとともに該物品表面にイオンビームを照射し、
そのイオン種及びイオン加速エネルギを適宜選択或いは
調整することにより、膜中水素濃度の低減、膜中欠陥の
低減、膜の緻密性の向上、膜応力の緩和といった効果が
得られて、良好な電気絶縁性及び膜密着性を有するシリ
コン化合物膜を得ることができる。
When forming a silicon compound film,
By forming plasma in the vicinity of the peripheral portion of the film formation target object, direct incidence of fast ions (ions having energy higher than about 500 eV) or high speed electrons from the plasma on the film formation target object is suppressed. The growth of a silicon compound film with few defects is promoted without damaging the film growth surface. At the same time, the article surface is irradiated with an ion beam,
By properly selecting or adjusting the ion species and the ion acceleration energy, effects such as reduction of hydrogen concentration in the film, reduction of defects in the film, improvement of denseness of the film, and relaxation of film stress can be obtained, and good electrical conductivity can be obtained. A silicon compound film having insulation and film adhesion can be obtained.

【0013】さらに、イオンビーム照射にあたり、膜と
被成膜物品との界面部分処理時、成膜中及び成膜後の表
面処理時のいずれの時においても、イオン種を選択し、
或いはイオン加速エネルギを調整し、或いはこれらの組
み合わせにより、膜応力制御ひいては膜密着力制御等を
行うことができる。また、被成膜物品としてその表面が
電気絶縁性材料からなるものを用いる場合又は(及び)
シリコン酸化物膜等のシリコン化合物膜のような電気絶
縁性膜を形成する場合は、イオンビーム照射により該物
品又は(及び)形成中の該膜表面から2次電子が放出さ
れることにより該物品又は(及び)該膜表面が正に帯電
しようとする。そして従来の通常のイオンビーム照射で
は、イオン原料ガスのプラズマ中に主に存在する正イオ
ンを引き出し被成膜物品に照射するため、このような物
品表面又は(及び)膜表面の正の帯電及びこれに伴うイ
オンビーム照射効果の低減が生じ易い。これに対して本
発明の前記の方法及び(a)の装置によると、イオン
原料ガスのプラズマ中に存在する負イオンを引き出して
被成膜物品に照射するため、たとえその表面が電気絶縁
性材料からなる被成膜物品を用いる場合でも、又は(及
び)形成しようとする膜がシリコン酸化物膜等のシリコ
ン化合物膜のような電気絶縁性膜である場合でも、イオ
ンビーム照射により該物品又は(及び)該膜表面が正に
帯電しようとするのが負イオンにより打ち消されて、該
表面の帯電によるイオンビーム照射効果の低減が回避さ
れる。また、該物品又は(及び)該膜表面の正の帯電に
よるデバイス損傷が回避される。
Further, upon ion beam irradiation, an ion species is selected at the time of the interface treatment between the film and the article to be film-formed, during the film formation and at the time of the surface treatment after the film formation.
Alternatively, by controlling the ion acceleration energy, or by combining these, it is possible to perform film stress control and thus film adhesion control. When the article to be film-formed has a surface made of an electrically insulating material, or (and)
When an electrically insulating film such as a silicon compound film such as a silicon oxide film is formed, secondary electrons are emitted from the article or / and the surface of the film being formed by ion beam irradiation, and the article is then formed. Or (and) the film surface tends to be positively charged. In the conventional ordinary ion beam irradiation, positive ions mainly present in the plasma of the ion source gas are extracted to irradiate the film-forming article, and therefore, such an article surface or / and a film surface is positively charged and Along with this, the ion beam irradiation effect is likely to be reduced. On the other hand, according to the method of the present invention and the apparatus of (a), since the negative ions existing in the plasma of the ion source gas are extracted and irradiated to the film formation target, even if the surface thereof is an electrically insulating material. Even when a film-forming article consisting of, or (and) the film to be formed is an electrically insulating film such as a silicon compound film such as a silicon oxide film, the article or ( And) The negative ions cancel out the tendency of the film surface to be positively charged, and the reduction of the ion beam irradiation effect due to the charging of the surface is avoided. Also, device damage due to positive charging of the article or / and the membrane surface is avoided.

【0014】また、プラズマを被成膜物品の周縁部の近
傍に形成するために、具体例としては、前記(a)の装
置において、前記電力供給手段に含まれる電極として、
前記被成膜物品の周縁部に対向するリング状電極、筒状
電極、コイル状電極、リジタノコイル型電極及びリング
状のマイクロ波導入用アンテナ等のうちのいずれかのも
のを採用すればよく、前記イオンビーム照射手段を該電
極の開口部を通して前記被成膜物品にイオンビームを照
射できるものとすればよい。
Further, in order to form the plasma in the vicinity of the peripheral edge of the article to be film-formed, as a specific example, in the apparatus of (a), the electrode included in the power supply means is:
Any one of a ring-shaped electrode, a cylindrical electrode, a coil-shaped electrode, a rigidano coil type electrode, a ring-shaped microwave introduction antenna, and the like facing the peripheral portion of the film-forming article may be adopted. The ion beam irradiation means may be capable of irradiating the film-forming target with an ion beam through the opening of the electrode.

【0015】なお、「被成膜物品の周縁部に対向するリ
ング状電極、筒状電極、コイル状電極、リジタノコイル
型電極、マイクロ波導入用アンテナ」において、該電極
やアンテナが被成膜物品の周縁部に対向する状態には、
それらが文字通り被成膜物品周縁部に対向している場合
だけでなく、被成膜物品の周縁部近傍にプラズマを形成
できるようにその周縁部に臨む位置、その周縁部に関係
する位置等に配置されている場合も含まれる。この点に
ついては、以下同様である。
Incidentally, in "a ring-shaped electrode, a cylindrical electrode, a coil-shaped electrode, a rigidano coil-type electrode, a microwave introducing antenna" which opposes the peripheral portion of the film-forming article, the electrode or the antenna is the film-forming article. In the state of facing the peripheral edge,
Not only when they literally face the peripheral edge of the film-forming article, but also at a position facing the peripheral edge so that plasma can be formed near the peripheral edge of the film-forming article, a position related to the peripheral edge, and the like. The case where it is arranged is also included. The same applies to this point hereinafter.

【0016】前記リング状電極、筒状電極、コイル状電
極を用いる場合、ガスプラズマ化用電力供給手段に含ま
れる電源としては代表例として高周波電源が用いられ
る。また、前記リジタノコイル型電極を用いる場合、電
子サイクロトロン共鳴(ECR)プラズマを得るため
に、普通には、電源としてマイクロ波電源が用いられる
とともに、リジタノコイル型電極の外周部に対し磁場形
成手段が備えられる。なお、リング状電極、筒状電極、
コイル状電極、マイクロ波導入用アンテナを用いる場合
も、該アンテナの外周部に対し磁場形成手段が備えられ
てもよい。このように磁場を形成することにより低圧下
(高真空下)でもプラズマを形成維持し易くなる。
When using the ring-shaped electrode, the cylindrical electrode, or the coil-shaped electrode, a high-frequency power source is typically used as a power source included in the gas plasma power supply means. In the case of using the above-mentioned electrode of the rigid coil type, in order to obtain electron cyclotron resonance (ECR) plasma, a microwave power source is usually used as a power source and a magnetic field forming means is provided on the outer peripheral portion of the electrode of the rigid coil type. . In addition, a ring-shaped electrode, a cylindrical electrode,
When using the coiled electrode or the microwave introducing antenna, the magnetic field forming means may be provided on the outer peripheral portion of the antenna. By forming a magnetic field in this way, it becomes easy to form and maintain plasma even under a low pressure (under a high vacuum).

【0017】また、前記知見に基づき本発明は、次の
のシリコン系薄膜の形成方法及び(b)の成膜装置を提
供する。 シリコン系ガスを含む原料ガスを電力供給によりプ
ラズマ化し、該プラズマの下で被成膜物品上にシリコン
系薄膜を形成する方法であって、該物品表面近傍の真空
度を1×10-3Torr〜1×10-6Torrとすると
ともに、該物品表面に負イオンビームを照射して膜形成
することを特徴とするシリコン系薄膜の形成方法。 (b) 真空排気手段を接続したプラズマ生成室内へ原
料ガス供給手段により供給される原料ガスをガスプラズ
マ化用電力供給手段による電力供給によりプラズマ化
し、該プラズマの下で、該プラズマ生成室内の支持手段
に支持される被成膜物品上に成膜する装置であって、該
被成膜物品に負イオンビームを照射するための手段を備
えており、該被成膜物品上に膜形成するにあたり該被成
膜物品表面近傍の真空度を1×10-3Torr〜1×1
-6Torrに設定できることを特徴とする成膜装置。
Based on the above findings, the present invention also provides the following silicon-based thin film forming method and (b) film forming apparatus. A method for forming a silicon-based thin film on an article to be film-formed under the plasma from a source gas containing a silicon-based gas by supplying electric power, wherein the degree of vacuum near the surface of the article is 1 × 10 −3 Torr. A method for forming a silicon-based thin film, characterized in that the film is formed by irradiating the surface of the article with a negative ion beam while the film thickness is adjusted to 1 × 10 −6 Torr. (B) The raw material gas supplied by the raw material gas supply means into the plasma generation chamber connected to the vacuum exhaust means is turned into plasma by the power supply by the gas plasmaization power supply means, and the inside of the plasma generation chamber is supported under the plasma. An apparatus for forming a film on a film-formed article supported by the means, the apparatus including means for irradiating the film-formed article with a negative ion beam, for forming a film on the film-formed article. The degree of vacuum in the vicinity of the surface of the article to be film-formed is 1 × 10 −3 Torr to 1 × 1.
A film forming apparatus characterized in that it can be set to 0 -6 Torr.

【0018】本発明の前記のシリコン系薄膜の形成方
法及び(b)の成膜装置によると、被成膜物品表面近傍
の真空度を1×10-3Torr〜1×10-6Torrと
いう高真空(低圧)とすることにより、該物品表面への
イオンビームの照射を可能とし、そのイオン種及びイオ
ン加速エネルギを適宜選択或いは調整することにより、
シリコン膜を形成する場合、表面励起、結晶性向上、結
晶配向制御等の効果が得られ、シリコン原子のマイグレ
ーションが促進されて、被成膜物品上に良質な結晶性を
有するシリコン膜が形成される。またシリコン化合物膜
を形成する場合も同様に、該物品表面へのイオンビーム
照射を可能とし、そのイオン種及びイオン加速エネルギ
を適宜選択或いは調整することにより、膜中水素濃度の
低減、膜中欠陥の低減、膜の緻密性の向上、膜応力の緩
和といった効果が得られて、良好な電気絶縁性及び膜密
着性を有するシリコン化合物膜を得ることができる。
According to the method for forming a silicon-based thin film and the film forming apparatus of (b) of the present invention, the degree of vacuum near the surface of the film-formed article is as high as 1 × 10 −3 Torr to 1 × 10 −6 Torr. By making a vacuum (low pressure), it is possible to irradiate the article surface with an ion beam, and by appropriately selecting or adjusting the ion species and ion acceleration energy,
When a silicon film is formed, effects such as surface excitation, improvement of crystallinity, control of crystal orientation are obtained, migration of silicon atoms is promoted, and a silicon film having good crystallinity is formed on an article to be film-formed. It Similarly, when a silicon compound film is formed, the surface of the article can be irradiated with an ion beam, and the ion species and the ion acceleration energy are appropriately selected or adjusted to reduce the hydrogen concentration in the film and the defects in the film. It is possible to obtain a silicon compound film having good electric insulation and film adhesion, since effects such as reduction of temperature, improvement of film density, and relaxation of film stress can be obtained.

【0019】また、1×10-3Torr〜1×10-6
orrという高真空下でガスをプラズマ化させるため、
気相反応が抑制されて不要なダストパーティクルの生成
が少なくなり、被成膜物品表面又は膜成長面への不純物
の付着が抑制され、良質なシリコン膜(代表的には結晶
性シリコン膜)又は良好な電気絶縁性を有するシリコン
化合物膜が得られる。また、高真空下でガスをプラズマ
化させるため、膜形成に寄与するラジカルの拡散域が広
がり、それだけ大面積の被成膜物品上にもシリコン系薄
膜を形成することができる。さらに、膜形成工程におい
て成膜を行う容器内面等への膜付着が少なく、それだけ
クリーニング等のメンテナンスが容易になる。
Further, 1 × 10 -3 Torr to 1 × 10 -6 T
To turn the gas into plasma under a high vacuum called orr,
The vapor phase reaction is suppressed, the generation of unnecessary dust particles is reduced, the adhesion of impurities to the surface of the film-forming article or the film growth surface is suppressed, and a high-quality silicon film (typically a crystalline silicon film) or A silicon compound film having good electrical insulation can be obtained. In addition, since the gas is turned into plasma under high vacuum, the diffusion region of radicals contributing to film formation is widened, and thus a silicon-based thin film can be formed on a film-forming article having a large area. Furthermore, in the film forming step, the film does not adhere to the inner surface of the container where the film is formed, and the maintenance such as cleaning becomes easier.

【0020】その他の作用・効果は、前記の方法及び
(a)の装置と同様である。また、前記の方法及び前
記(a)の装置においても、前記被成膜物品表面近傍の
真空度を1×10-3Torr〜1×10-6Torrとす
ることが考えられ、このとき良質なシリコン膜(代表的
には結晶性シリコン膜)又は良好な電気絶縁性を有する
シリコン化合物膜を一層効率良く得ることができる。
Other functions and effects are similar to those of the above method and the device (a). Also in the method and the apparatus (a), it is considered that the degree of vacuum in the vicinity of the surface of the article to be film-formed is set to 1 × 10 −3 Torr to 1 × 10 −6 Torr. A silicon film (typically a crystalline silicon film) or a silicon compound film having good electric insulation can be obtained more efficiently.

【0021】前記本発明の、の方法及び(a)、
(b)の装置において、負イオンビーム照射は次のよう
にして行う。通常のプラズマ中にはイオンとして正イオ
ンが主に存在し、負イオンの存在確率は低いが、イオン
原料ガスを100MHz程度以上の高い周波数の高周波
電力を供給してプラズマ化することにより、負イオンの
存在比率の高いプラズマを得ることができる。周波数の
上限は特に限定されないが、装置コスト等を勘案すると
3000MHz程度までが適当である。周波数はより好
ましくは100MHz〜1000MHz程度であり、代
表的には500MHz程度とすればよい。そして、この
プラズマ中の負イオンを適当な引出し電圧を印加して引
き出し、被成膜物品に照射する。
The above method of the present invention and (a),
In the apparatus of (b), negative ion beam irradiation is performed as follows. In normal plasma, positive ions are mainly present as ions, and the existence probability of negative ions is low, but negative ions are generated by supplying high-frequency power with a high frequency of about 100 MHz or more to the ion source gas to generate plasma. It is possible to obtain a plasma having a high abundance ratio of. The upper limit of the frequency is not particularly limited, but considering the cost of the device and the like, up to about 3000 MHz is suitable. The frequency is more preferably about 100 MHz to 1000 MHz, and typically about 500 MHz. Then, the negative ions in the plasma are extracted by applying an appropriate extraction voltage, and the film-formed article is irradiated with the negative ions.

【0022】通常用いられる13.56MHz程度の周
波数の電力ではプラズマ中の電子が該電力に追従できる
ため、該電力の供給に伴い電子速度(電子温度)が比較
的高くなる。一方、100MHz以上の高い周波数の高
周波電力を供給して原料ガスをプラズマ化すると電子が
この高周波電力に追従できず、その結果電子速度(電子
温度)が低くなり、この低速の電子が原料ガス分子に付
着して負イオンが生成する。
Since the electrons in the plasma can follow the power with the power of about 13.56 MHz which is usually used, the electron velocity (electron temperature) becomes relatively high as the power is supplied. On the other hand, when high-frequency power with a high frequency of 100 MHz or more is supplied and the raw material gas is made into plasma, the electrons cannot follow this high-frequency power, and as a result, the electron velocity (electron temperature) becomes low, and this low-speed electron is the source gas molecule Negative ions are generated by attaching to.

【0023】また前記、の方法及び(a)、(b)
の装置において、イオン原料ガスをプラズマ化させる領
域にエネルギフィルタとして磁場を形成し、該磁場によ
りプラズマ中の電子を捉えることで一層効率良く低速電
子を生成することができ、ひいては負イオンを多く生成
できる。この場合のエネルギフィルタとして、例えば一
方の側部にN極を、これと反対側の側部にS極を有する
(永久磁石の場合)、又はそのようなN極、S極を形成
できる(電磁石の場合)磁石部材を所定間隔で並行に並
べたものを挙げることができる。
The above method and (a) and (b)
In this device, a magnetic field is formed as an energy filter in a region where the ion source gas is turned into plasma, and the electrons in the plasma are captured by the magnetic field, so that low-speed electrons can be generated more efficiently, and more negative ions are generated. it can. As an energy filter in this case, for example, an N pole is provided on one side and an S pole is provided on the opposite side (in the case of a permanent magnet), or such N pole and S pole can be formed (electromagnet). In the case of 1), the magnet members may be arranged in parallel at predetermined intervals.

【0024】また、前記、の方法及び(a)、
(b)の装置において、前記プラズマの原料ガスとし
て、シリコン系ガス(モノシラン(SiH4 )ガス、ジ
シラン(Si2 6 )ガス等の水素化シリコンガス、4
フッ化シリコン(SiF4 )ガス等のフッ化シリコンガ
ス、4塩化シリコン(SiCl4 )ガス等の塩化シリコ
ンガス、テトラエチル−O−シリケイト(TEOS,S
i(C2 5 O)4 )ガス等)のうち少なくとも一種の
ガス、又は該シリコン系ガスのうち少なくとも一種のガ
スと反応性ガス(水素(H2 )ガス、フッ素(F2 )ガ
ス、フッ化水素(HF)ガス、酸素(O2 )ガス、酸化
2窒素(N2 O)ガス、窒素(N2 )ガス、アンモニア
(NH3 )ガス等)のうち少なくとも一種のガスとを用
いることができる。
Further, the above method and (a),
In the apparatus of (b), a silicon-based gas (monosilane (SiH 4 ) gas, disilane (Si 2 H 6 ) gas, or other hydrogenated silicon gas is used as the source gas for the plasma.
Silicon fluoride gas such as silicon fluoride (SiF 4 ) gas, silicon chloride gas such as silicon chloride (SiCl 4 ) gas, tetraethyl-O-silicate (TEOS, S
i (C 2 H 5 O) 4 ) gas or the like), or at least one gas of the silicon-based gas and a reactive gas (hydrogen (H 2 ) gas, fluorine (F 2 ) gas, Use of at least one gas selected from hydrogen fluoride (HF) gas, oxygen (O 2 ) gas, dinitrogen oxide (N 2 O) gas, nitrogen (N 2 ) gas, ammonia (NH 3 ) gas, etc.) You can

【0025】前記プラズマ原料ガスとして、酸素
(O2 )ガス、酸化2窒素(N2 O)ガス、窒素
(N2 )ガス、アンモニア(NH3 )ガス、TEOSガ
ス等の酸素含有ガスや窒素含有ガスにを用いる場合、シ
リコン酸化物やシリコン窒化物のようなシリコン化合物
膜を形成できる。このような酸素含有ガスや窒素含有ガ
スを含まないガスを用いる場合、シリコン膜を形成でき
る。
As the plasma source gas, oxygen-containing gas such as oxygen (O 2 ) gas, dinitrogen oxide (N 2 O) gas, nitrogen (N 2 ) gas, ammonia (NH 3 ) gas, TEOS gas, etc. When used as a gas, a silicon compound film such as silicon oxide or silicon nitride can be formed. When a gas containing no such oxygen-containing gas or nitrogen-containing gas is used, a silicon film can be formed.

【0026】また、前記、の方法及び(a)、
(b)の装置において、前記イオンビームのイオン種と
して、不活性ガス(ヘリウム(He)ガス、ネオン(N
e)ガス、アルゴン(Ar)ガス、クリプトン(Kr)
ガス、キセノン(Xe)ガス等)、前記プラズマの原料
ガスとして例示した反応性ガス及び前記プラズマの原料
ガスとして例示したシリコン系ガスのうち少なくとも一
種のガスのイオンを用いることができる。
The above method and (a),
In the apparatus of (b), as the ion species of the ion beam, an inert gas (helium (He) gas, neon (N
e) gas, argon (Ar) gas, krypton (Kr)
Gas, xenon (Xe) gas, etc.), the reactive gas exemplified as the source gas for the plasma, and the ions of at least one gas selected from the silicon-based gases exemplified as the source gas for the plasma can be used.

【0027】前記イオンビームのイオン種として、酸素
(O2 )ガス、酸化2窒素(N2 O)ガス、窒素
(N2 )ガス、アンモニア(NH3 )ガス、TEOSガ
ス等の酸素含有ガスや窒素含有ガスに基づくものを用い
る場合、シリコン酸化物やシリコン窒化物のようなシリ
コン化合物膜を形成できる。これらは電気絶縁性の膜で
ある。このような酸素含有ガスや窒素含有ガスを含まな
いガスを用いる場合、シリコン膜を形成できる。なお、
いずれの場合もプラズマの原料ガスとしてシリコン系ガ
スを含むガスを用いる。
As the ion species of the ion beam, an oxygen-containing gas such as oxygen (O 2 ) gas, dinitrogen oxide (N 2 O) gas, nitrogen (N 2 ) gas, ammonia (NH 3 ) gas, TEOS gas, or the like, When a gas based on a nitrogen-containing gas is used, a silicon compound film such as silicon oxide or silicon nitride can be formed. These are electrically insulating films. When a gas containing no such oxygen-containing gas or nitrogen-containing gas is used, a silicon film can be formed. In addition,
In any case, a gas containing a silicon-based gas is used as the plasma source gas.

【0028】なお、シリコン膜形成に際して前記不活性
ガスイオンを用いるときには、結晶化のための物理的励
起制御が可能となる。また、シリコン膜形成に際して前
記反応性ガス及び前記シリコン系ガスのうち水素(H)
又は(及び)フッ素(F)を含むガスをイオン種として
用いるときには、水素原子、フッ素原子が膜中のアモル
ファス相のシリコン原子と結合してこれを気化し、膜の
結晶化が促進されるとともに、シリコン−シリコンネッ
トワーク中のダングリングボンドや膜中欠陥が低減さ
れ、一層良質な結晶性を有するシリコン膜を形成するこ
とができる。
When the inert gas ions are used for forming the silicon film, physical excitation control for crystallization becomes possible. In addition, hydrogen (H) of the reactive gas and the silicon-based gas is used in forming the silicon film.
Alternatively, (and) when a gas containing fluorine (F) is used as an ionic species, hydrogen atoms and fluorine atoms bond with silicon atoms in an amorphous phase in the film and vaporize them, thereby promoting crystallization of the film. Thus, dangling bonds in the silicon-silicon network and defects in the film are reduced, and a silicon film having higher quality crystallinity can be formed.

【0029】なお、イオン源内からイオン原料ガスが成
膜容器内に拡散し、逆に成膜容器内の原料ガスがイオン
源内に拡散するため、成膜原料ガスとイオン原料ガスと
で同じガスを用いる場合は、該ガスは、成膜原料ガスと
して成膜容器内に導入したもの或いはイオン原料ガスと
してイオン源内に導入してものを双方で共用してもよ
い。
Since the ion source gas diffuses from the ion source into the film forming container, and conversely the source gas inside the film forming container diffuses into the ion source, the same gas is used as the film forming source gas and the ion source gas. When used, the gas may be introduced into the film forming container as the film forming raw material gas or may be introduced into the ion source as the ion starting material gas for both of them.

【0030】また、前記イオンビームは被成膜物品に対
し10eV〜500eV程度の低エネルギで照射するこ
とが好ましい。より好ましくは30eV〜100eV程
度である。これにより、シリコン膜を形成する場合は、
イオンビームを被成膜物品に照射することによる表面励
起、結晶性向上、結晶配向制御等の効果を妨げることな
く一層良質な結晶性を有するシリコン膜を形成すること
ができる。また、シリコン化合物膜を形成する場合は、
膜中水素濃度の低減、膜中欠陥の低減、膜の緻密性の向
上、膜応力の緩和といった効果が得られて、良好な電気
絶縁性及び膜密着性を有するシリコン化合物膜を形成す
ることができる。
Further, it is preferable to irradiate the film-formed article with a low energy of about 10 eV to 500 eV. More preferably, it is about 30 eV to 100 eV. As a result, when forming a silicon film,
A silicon film having higher quality crystallinity can be formed without hindering the effects of surface excitation, crystallinity improvement, crystal orientation control, etc. by irradiating the film-forming article with an ion beam. When forming a silicon compound film,
It is possible to form a silicon compound film having good electrical insulation and film adhesion by obtaining effects such as reduction of hydrogen concentration in film, reduction of defects in film, improvement of film compactness, relaxation of film stress. it can.

【0031】また、前記、の方法及び(a)、
(b)の装置において、原料ガスの供給量及び該ガスを
プラズマ化させる電力の大きさや周波数等を制御するこ
とで、前記プラズマから前記被成膜物品表面に入射する
イオンのエネルギを0eVより大きく500eV以下と
すること、又は、前記被成膜物品表面に前記プラズマか
ら低エネルギのラジカル種を優先的に拡散させることが
できる。これにより、シリコン原子のマイグレーション
を促進し、被成膜物品上に一層良質な結晶性を有するシ
リコン膜を形成することができる。また、膜成長面にダ
メージを与えず欠陥の少ない良好な電気絶縁性を有する
シリコン化合物膜を形成することができる。
Further, the above method and (a),
In the device of (b), by controlling the supply amount of the raw material gas and the magnitude and frequency of the electric power for converting the gas into plasma, the energy of the ions incident on the surface of the film-forming article from the plasma is made larger than 0 eV. It can be 500 eV or less, or low-energy radical species can be preferentially diffused from the plasma to the surface of the film-formed article. Thereby, the migration of silicon atoms can be promoted, and a silicon film having higher quality crystallinity can be formed on the film formation target article. Further, it is possible to form a silicon compound film having a good electrical insulating property with few defects without damaging the film growth surface.

【0032】なお、ラジカル種の密度は、ガスプラズマ
化用電力の周波数を調整すること等により制御すること
ができる。また、前記、の方法及び(a)、(b)
の装置において、前記イオンビームのイオン種として前
記不活性ガス、前記反応性ガス及び前記シリコン系ガス
のうち少なくとも一種のガスのイオンを用いるととも
に、前記プラズマの原料ガスとして前記シリコン系ガス
のうち少なくとも一種のガス、又は前記シリコン系ガス
のうち少なくとも一種のガスと前記反応性ガスのうち少
なくとも一種のガスとを用い、このとき前記被成膜物品
表面に到達するプラズマからのシリコン原子数と負イオ
ンビームの負イオン数との比(Si/i輸送比)を0.
1〜100程度とすることが好ましい。これは、Si/
i輸送比が0.1より小さくなってくるとイオン量が過
剰となり膜欠陥が発生し易くなるからであり、100よ
り大きくなってくるとイオン照射による結晶化促進等の
効果が不十分になるからである。
The density of radical species can be controlled by adjusting the frequency of the gas plasma generation power. Further, the above method and (a) and (b)
In the apparatus, at least one gas of the inert gas, the reactive gas and the silicon-based gas is used as the ion species of the ion beam, and at least the silicon-based gas is used as a source gas of the plasma. One kind of gas, or at least one kind of gas of the silicon-based gas and at least one kind of gas of the reactive gas is used, and at this time, the number of silicon atoms and negative ions from plasma reaching the surface of the film-forming article. The ratio of the number of negative ions in the beam (Si / i transport ratio) to 0.
It is preferably about 1 to 100. This is Si /
This is because when the i transport ratio is smaller than 0.1, the amount of ions becomes excessive and film defects are likely to occur, and when it is larger than 100, the effect of promoting crystallization by ion irradiation becomes insufficient. Because.

【0033】なお、被成膜物品表面に到達するシリコン
原子数は膜厚をモニタしつつ制御することができ、被成
膜物品表面に到達する負イオン数はイオン源からのイオ
ンの引出し電圧を制御したり、イオン源内でプラズマを
発生させるための電力を制御すること等により制御する
ことができる。また、前記、の方法及び(a)、
(b)の装置において、被成膜物品の温度を室温〜60
0℃程度にすることができる。より好ましくは、300
℃〜600℃程度である。本発明方法及び装置による
と、従来に比べてこのような低温下でも良質な結晶性を
有するシリコン膜(代表的には結晶性シリコン膜)やシ
リコン化合物膜を得ることができる。なお、室温より低
温にすると、例えばシリコン膜の場合、形成されるシリ
コン膜中にアモルファス成分が増加し易く結晶性が却っ
て低くなる場合がある。
The number of silicon atoms reaching the surface of the film-forming article can be controlled while monitoring the film thickness, and the number of negative ions reaching the surface of the film-forming article is the extraction voltage of ions from the ion source. It can be controlled by, for example, controlling the electric power for generating plasma in the ion source. In addition, the above method and (a),
In the apparatus (b), the temperature of the film-forming article is set to room temperature to 60.
It can be about 0 ° C. More preferably 300
It is in the range of ℃ to 600 ℃. According to the method and apparatus of the present invention, it is possible to obtain a silicon film (typically a crystalline silicon film) or a silicon compound film having good crystallinity at such a low temperature as compared with the conventional method. When the temperature is lower than room temperature, for example, in the case of a silicon film, an amorphous component is likely to increase in the formed silicon film, and the crystallinity may be lowered rather.

【0034】さらに、前記、の方法及び(a)、
(b)の装置において、より結晶性の高いシリコン膜を
形成する必要がある場合には、成膜後、後処理として、
前記シリコン膜に300℃〜600℃程度の熱処理を施
すことができる。熱処理温度は、より好ましくは400
℃〜600℃程度である。前記、の方法により得ら
れるシリコン系薄膜中の水素濃度は1×1021cm-3
下という通常のCVD法により得られるシリコン系薄膜
より約1桁低い値にできる。結晶性シリコン膜を形成す
る場合、このように膜中水素濃度を低値として上述の後
処理によりボイドの少ない一層良質な結晶性を有するシ
リコン膜を形成することができる。また、結晶化のため
に行われる従来の後処理より加熱温度を低くすることが
できるとともに、加熱時間も短くすることができる。
Further, the above method and (a),
In the apparatus of (b), when it is necessary to form a silicon film having higher crystallinity, after film formation, as a post-treatment,
The silicon film may be heat-treated at about 300 to 600 ° C. The heat treatment temperature is more preferably 400
It is in the range of ℃ to 600 ℃. The hydrogen concentration in the silicon-based thin film obtained by the above method can be set to 1 × 10 21 cm −3 or less, which is about one digit lower than that of the silicon-based thin film obtained by the ordinary CVD method. In the case of forming a crystalline silicon film, the hydrogen concentration in the film is set to a low value in this way, and the above-mentioned post-treatment makes it possible to form a silicon film having less voids and higher crystallinity. Further, the heating temperature can be lowered and the heating time can be shortened as compared with the conventional post-treatment performed for crystallization.

【0035】[0035]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図1の図(A)は、本発明に係る
シリコン系薄膜の形成装置の1例の概略構成を示す図で
ある。この装置は、プラズマ生成室Cを有し、室Cには
真空排気部18が接続されるとともに、原料ガス供給部
12が接続されている。原料ガス供給部12には原料ガ
ス源、マスフローコントローラ等が含まれるが、これら
については図示を省略している。また室C内には被成膜
物品保持部材11が設置され、保持部材11は被成膜物
品10を搬入搬出すべく図示しない駆動部により水平往
復動可能で、室C内では被成膜物品加熱用ヒータ9上に
配置される。また、保持部材11に保持される被成膜物
品10周縁部に対向する位置には、円筒状電極14aが
設置される。電極14aには整合器16を介して高周波
電源17aが接続されている。また、プラズマ生成室C
の外周の円筒状電極14aに対応する位置には、プラズ
マ安定維持のための磁場を入れる磁石100bが設けら
れている。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1A is a diagram showing a schematic configuration of an example of a silicon-based thin film forming apparatus according to the present invention. This apparatus has a plasma generation chamber C, and the chamber C is connected to a vacuum exhaust unit 18 and a source gas supply unit 12. The raw material gas supply unit 12 includes a raw material gas source, a mass flow controller and the like, but these are not shown. Further, a film-forming article holding member 11 is installed in the chamber C, and the holding member 11 can be horizontally reciprocated by a driving unit (not shown) to carry the film-forming article 10 in and out. It is arranged on the heater 9 for heating. In addition, a cylindrical electrode 14 a is installed at a position facing the peripheral edge of the film-forming article 10 held by the holding member 11. A high frequency power supply 17a is connected to the electrode 14a via a matching unit 16. Also, the plasma generation chamber C
A magnet 100b for applying a magnetic field for maintaining stable plasma is provided at a position corresponding to the cylindrical electrode 14a on the outer periphery of the.

【0036】また、円筒状電極14aを挟み、保持部材
11に対向する位置には断面円形のイオン源2が設けら
れている。イオン源2にはイオン源用ガス供給部1が接
続されているとともに、ガスプラズマ化のために整合器
3を介して高周波電源4が接続されている。また、イオ
ン源2の周囲にもプラズマ安定維持のための磁場を入れ
る磁石100aが設けられている。なお、ガス供給部1
にもガス源等が含まれるが、これらは図示を省略してい
る。また、イオン源2は、イオンを引き出すためのここ
では3枚の電極(イオン源側から加速電極、減速電極、
接地電極)からなる引出し電極系21を有している。引
出し電極系21とイオン源2との間には加速電源5及び
減速電源6が接続されている。また、イオン源2内に
は、所定間隔で水平方向に並行配置された複数の棒状磁
石Bが設けられており、これらはエネルギフィルタを構
成する。複数の棒状磁石Bからなるエネルギフィルタの
平面図を図(B)に示す。なお、イオン源2の励起方法
はここでは高周波型を示しているが、この他フィラメン
ト型、マイクロ波型等を採用できる。また、引出し電極
系は3枚電極構造に限定されず1枚〜4枚の電極からな
るものでよい。
An ion source 2 having a circular cross section is provided at a position facing the holding member 11 with the cylindrical electrode 14a interposed therebetween. An ion source gas supply unit 1 is connected to the ion source 2, and a high frequency power source 4 is connected to the ion source 2 via a matching unit 3 for gas plasma conversion. In addition, a magnet 100a is also provided around the ion source 2 to enter a magnetic field for maintaining stable plasma. The gas supply unit 1
Also, a gas source and the like are included, but these are not shown. Further, the ion source 2 has three electrodes for extracting ions (acceleration electrode, deceleration electrode,
It has an extraction electrode system 21 composed of a ground electrode). An acceleration power supply 5 and a deceleration power supply 6 are connected between the extraction electrode system 21 and the ion source 2. Further, in the ion source 2, a plurality of bar-shaped magnets B arranged in parallel in the horizontal direction at predetermined intervals are provided, and these constitute an energy filter. A plan view of an energy filter including a plurality of rod-shaped magnets B is shown in FIG. The excitation method of the ion source 2 is a high frequency type here, but other types such as a filament type and a microwave type can be adopted. Further, the extraction electrode system is not limited to the three-electrode structure, and may be one to four electrodes.

【0037】この装置を用いて本発明方法を実施するに
あたっては、被成膜物品10を保持部材11により保持
してプラズマ生成室C内に搬入しヒータ9上の所定の成
膜位置に設置するとともに、室C内を真空排気部18の
運転にて所定真空度とする。次いで、原料ガス供給部1
2からプラズマ生成室C内にシリコン系ガスを含む原料
ガスを導入するとともに、整合器16を介して高周波電
源17aから円筒状電極14aに高周波電力を供給して
前記導入したガスをプラズマ化し、図中13で示す位
置、すなわち円筒状電極14aの内側であって被成膜物
品10の周縁部の近傍位置にプラズマを形成する。原料
ガスとしては、シリコン系ガスのうち少なくとも一種の
ガス又はシリコン系ガスのうち少なくとも一種のガスと
反応性ガスのうち少なくとも一種のガスを用いる。
In carrying out the method of the present invention using this apparatus, the article 10 to be film-formed is held by the holding member 11 and carried into the plasma generation chamber C and set at a predetermined film-forming position on the heater 9. At the same time, the inside of the chamber C is set to a predetermined degree of vacuum by operating the vacuum exhaust unit 18. Next, the raw material gas supply unit 1
2 introduces a raw material gas containing a silicon-based gas into the plasma generation chamber C from 2 and supplies high frequency power from the high frequency power supply 17a to the cylindrical electrode 14a through the matching device 16 to plasmaize the introduced gas, Plasma is formed at a position indicated by middle 13, that is, inside the cylindrical electrode 14a and in the vicinity of the peripheral edge of the film-forming article 10. As the source gas, at least one gas of silicon-based gas or at least one gas of silicon-based gas and at least one gas of reactive gas is used.

【0038】それとともにイオン源2にイオン源用ガス
供給部1からイオンの原料ガスを導入し、これに整合器
3を介して電源4から100MHz〜3000MHz、
より好ましくは100MHz〜1000MHzという高
い周波数の高周波電力を供給して、図中8aで示すイオ
ン源内の位置にプラズマを発生させる。100MHz以
上の高い周波数の高周波電力の供給によりイオン原料ガ
スをプラズマ化しているため、生成したプラズマ中の電
子がこの電力に追随できず、その結果電子温度(速度)
が低くなる。さらに、イオン源内に並行配置された棒状
の磁石Bにより形成される磁界(エネルギフィルタ)の
作用で、プラズマ中の電子が該磁界で回転運動し、トラ
ップされたごとき状態となる。そして、このようにして
生じる低速電子が原料ガス分子に付着して負イオンが生
成し、図中8bに示す位置に負イオンの存在比率の高い
プラズマが形成される。
At the same time, an ion source gas is introduced from the ion source gas supply unit 1 into the ion source 2, and a 100 MHz to 3000 MHz from the power source 4 is supplied to the ion source gas via the matching unit 3.
More preferably, high-frequency power having a high frequency of 100 MHz to 1000 MHz is supplied to generate plasma at a position in the ion source indicated by 8a in the figure. Since the ion source gas is made into plasma by supplying high-frequency power of high frequency of 100 MHz or more, the electrons in the generated plasma cannot follow this power, resulting in electron temperature (velocity).
Will be lower. Further, due to the action of the magnetic field (energy filter) formed by the rod-shaped magnets B arranged in parallel in the ion source, the electrons in the plasma rotate in the magnetic field and become trapped. Then, the low-velocity electrons thus generated adhere to the source gas molecules to generate negative ions, and plasma having a high negative ion abundance ratio is formed at a position 8b in the figure.

【0039】そして、引出し電極系21に電源5、6に
より適当な電圧を印加することにより、プラズマ8bか
ら加速エネルギ10eV〜500eV、より好ましくは
30eV〜100eVで負イオンを引き出し、円筒状電
極14aの開口部を通して被成膜物品10に該負イオン
ビームを照射する。負イオンの原料ガスとしては不活性
ガス、反応性ガス及びシリコン系ガスのうち少なくとも
一種のガスを用いる。
Then, by applying an appropriate voltage to the extraction electrode system 21 by the power supplies 5 and 6, negative ions are extracted from the plasma 8b at an acceleration energy of 10 eV to 500 eV, more preferably 30 eV to 100 eV, and the cylindrical electrode 14a is charged. The film-forming article 10 is irradiated with the negative ion beam through the opening. At least one gas selected from an inert gas, a reactive gas and a silicon-based gas is used as the negative ion source gas.

【0040】これにより、被成膜物品10上にシリコン
系薄膜が形成される。なお、ここでは成膜中は、被成膜
物品10表面近傍の真空度が1×10-3Torr〜1×
10 -6Torrの範囲内になるようにプラズマ生成室内
の真空度を調整する。また、被成膜物品10の温度はヒ
ータ9により室温〜600℃に保つ。以上説明した方法
及び装置によると、プラズマ13は主に物品10の周縁
部に対向する位置に形成されるため、さらには被成膜物
品10表面近傍の真空度が高い(ガス圧が低い)ため、
プラズマ13中の高速イオン及び高速電子の物品10へ
の入射量が少なく、しかも直接入射が抑制され、膜成長
面にダメージを与えず、欠陥の少ない良質な結晶性を有
するシリコン膜又は欠陥の少ない良好な電気絶縁性を有
するシリコン化合物膜の成長が促される。
As a result, silicon is deposited on the film-forming article 10.
A system thin film is formed. In addition, here, during film formation,
The degree of vacuum near the surface of the article 10 is 1 × 10-3Torr ~ 1x
10 -6Plasma generation chamber to be within Torr range
Adjust the vacuum degree of. Further, the temperature of the film-forming article 10 is high.
Room temperature to 600 ° C. The method described above
And according to the device, the plasma 13 is mainly around the periphery of the article 10.
Since it is formed at the position facing the part,
Since the degree of vacuum near the surface of the product 10 is high (gas pressure is low),
To fast ion and fast electron article 10 in plasma 13
The amount of incident light is small, and direct incidence is suppressed.
It does not damage the surface and has good crystallinity with few defects.
It has a good electrical insulation with few silicon films or few defects.
The growth of the silicon compound film is accelerated.

【0041】また、物品10にイオンビームを照射し、
その照射のエネルギが500eV以下の低レベルに制御
されていることにより、シリコン膜を形成する場合はイ
オンビーム照射による表面励起、結晶性向上、結晶配向
制御等の効果が妨げられずシリコン原子のマイグレーシ
ョンが促進されて、物品10上に良質な結晶性を有する
シリコン膜が形成される。また、シリコン化合物膜を形
成する場合は膜中水素濃度の低減、膜中欠陥の低減、膜
緻密性の向上、膜応力の緩和といった効果が得られて、
良好な電気絶縁性及び膜密着性を有するシリコン化合物
膜が得られる。
Further, the article 10 is irradiated with an ion beam,
Since the irradiation energy is controlled to a low level of 500 eV or less, when a silicon film is formed, the effects of surface excitation, crystallinity improvement, crystal orientation control, etc. due to ion beam irradiation are not hindered and the migration of silicon atoms is prevented. Is promoted to form a silicon film having good crystallinity on the article 10. Further, when a silicon compound film is formed, effects such as reduction of hydrogen concentration in the film, reduction of defects in the film, improvement of film density, and relaxation of film stress can be obtained.
A silicon compound film having good electrical insulation and film adhesion can be obtained.

【0042】また、通常のイオン源ではプラズマ中に主
に存在する正のイオンを引出して照射するため、被成膜
物品の表面又は(及び)形成しようとする膜が電気絶縁
性材料からなるものである場合には、照射イオンにより
該物品又は(及び)該膜の表面から電子が放出されて該
表面が正に帯電し、その後のイオンビーム照射の効果を
低減させ易いが、前記方法及び装置では、負イオンビー
ムを被成膜物品に照射するため、このような場合にも、
被成膜物品又は(及び)膜の表面の正の帯電が負イオン
により打ち消されて、イオン照射効果の低減が回避され
る。
Further, since a normal ion source extracts and irradiates positive ions mainly existing in plasma, the surface of the article to be deposited and / or the film to be formed is made of an electrically insulating material. In the case of, the irradiation ions emit electrons from the surface of the article or / and the film to positively charge the surface, and it is easy to reduce the effect of subsequent ion beam irradiation. In this case, since the film-forming article is irradiated with the negative ion beam, even in such a case,
The positive charge on the surface of the film-formed article or / and the film is canceled by the negative ions, and the reduction of the ion irradiation effect is avoided.

【0043】また、シリコン膜を形成する場合、成膜中
は膜を結晶化させるために物品10の温度を600℃よ
り高くする必要はない。このことから、例えば液晶表示
装置用のガラス基板として比較的低融点の安価なガラス
を用い、その上にTFT用等の結晶性シリコン膜を形成
できる。また、1工程で結晶性シリコン膜が得られるた
め、成膜後の熱処理を省略することができ、生産性が良
好である。さらに結晶性を向上させる必要があるために
熱処理を加える場合にも、300℃〜600℃という従
来より低温で、しかも加熱時間も従来(20時間以上)
より短くすることができる。
When forming a silicon film, it is not necessary to raise the temperature of the article 10 above 600 ° C. to crystallize the film during film formation. From this, for example, a glass having a relatively low melting point and an inexpensive glass is used as a glass substrate for a liquid crystal display device, and a crystalline silicon film for a TFT or the like can be formed thereon. Further, since the crystalline silicon film is obtained in one step, the heat treatment after the film formation can be omitted, and the productivity is good. Even when heat treatment is applied because it is necessary to improve the crystallinity, the temperature is 300 ° C to 600 ° C, which is lower than the conventional temperature, and the heating time is conventional (20 hours or more).
Can be shorter.

【0044】また、ここでは1×10-3Torr〜1×
10-6Torrという高真空下で原料ガスをプラズマ化
させるため、気相反応が抑制されて不要なパーティクル
の生成が抑制され、被成膜物品10への不純物の付着が
抑制されて良質な結晶性を有するシリコン膜又は良好な
電気絶縁性を有するシリコン化合物膜が得られる。ま
た、前記のとおり高真空下で原料ガスをプラズマ化する
ため、成膜に寄与するラジカルの拡散域が広くなり、大
面積の被成膜物品10上にもシリコン系薄膜を形成する
ことができる。さらにプラズマ生成室C内面等への膜付
着が少なく、従って室C内のクリーニングの頻度が少な
くて済む。
Further, here, 1 × 10 −3 Torr to 1 ×
Since the raw material gas is turned into plasma under a high vacuum of 10 −6 Torr, the gas phase reaction is suppressed, the generation of unnecessary particles is suppressed, and the adhesion of impurities to the film-forming article 10 is suppressed, so that a high quality crystal is obtained. A silicon film having a property or a silicon compound film having a good electric insulating property can be obtained. Further, as described above, since the raw material gas is turned into plasma under high vacuum, the diffusion region of radicals contributing to film formation is widened, and a silicon-based thin film can be formed even on a large-area film-formed article 10. . Further, the amount of film deposited on the inner surface of the plasma generation chamber C is small, and therefore the frequency of cleaning the chamber C is low.

【0045】また、図1の装置では、プラズマを被成膜
物品の周縁部に対向する位置に形成するために、円筒状
電極14aを用いたが、これに代えて、リング状電極、
コイル状電極を用いることもできる。また、円筒状電極
14aに代えてリジタノコイル型電極やリング状マイク
ロ波導入用アンテナを用いるとともに、高周波電源17
aに代えてマイクロ波電源をこれに接続することもでき
る。
Further, in the apparatus of FIG. 1, the cylindrical electrode 14a is used to form the plasma at the position facing the peripheral edge of the film-forming article, but instead of this, a ring-shaped electrode,
A coiled electrode can also be used. In addition to the cylindrical electrode 14a, a rigid coil type electrode or a ring-shaped microwave introducing antenna is used, and the high frequency power source 17 is used.
A microwave power source can be connected to this instead of a.

【0046】また、プラズマを被成膜物品の周縁部に形
成しない場合は、プラズマ生成室C内のガス圧を1×1
-3Torr〜1×10-6Torrとするだけでも、負
イオンビームの照射を可能とし、シリコン系薄膜の結晶
化又はシリコン化合物膜の欠陥の低減及び膜密着性向上
を促進することができる。この場合、従来の平行平板型
のプラズマCVD装置において、被成膜物品に対向する
位置にイオン源を備えた図2のような装置を用いること
ができる。
When the plasma is not formed on the peripheral portion of the film-forming article, the gas pressure in the plasma generation chamber C is set to 1 × 1.
Even if only 0 -3 Torr to 1 × 10 -6 Torr is used, irradiation with a negative ion beam can be performed, and crystallization of a silicon-based thin film or reduction of defects in a silicon compound film and improvement of film adhesion can be promoted. . In this case, in the conventional parallel plate type plasma CVD apparatus, an apparatus as shown in FIG. 2 provided with an ion source at a position facing the film-forming article can be used.

【0047】この装置は、成膜室C´を有し、その内部
に高周波電極14及びこれに対向する接地電極11´を
設置してあり、電極11´は被成膜物品10を支持する
ホルダを兼ねており、内部に物品加熱用ヒータ9´を内
蔵している。成膜室C´は真空排気部18´により所望
の真空度に排気でき、ガス供給部12´から成膜原料ガ
スを供給できる。
This apparatus has a film forming chamber C ', in which a high frequency electrode 14 and a ground electrode 11' facing the high frequency electrode 14 are installed. The electrode 11 'is a holder for supporting the film forming article 10. And also has a heater 9'for heating the article therein. The film forming chamber C'can be evacuated to a desired degree of vacuum by the vacuum evacuation unit 18 ', and the film forming raw material gas can be supplied from the gas supply unit 12'.

【0048】高周波電極14には整合器3´を介して高
周波電源4´を接続してある。また、成膜室C´には、
ホルダ11´上の被成膜物品10に対しイオンビームを
照射するためのイオン源2´を付設してある。このイオ
ン源2´は図1に示す装置におけるイオン源2と実質上
同構造、同作用のものである。
A high frequency power source 4'is connected to the high frequency electrode 14 via a matching unit 3 '. In addition, in the film forming chamber C ′,
An ion source 2'for irradiating the film-forming article 10 on the holder 11 'with an ion beam is additionally provided. This ion source 2'has substantially the same structure and operation as the ion source 2 in the apparatus shown in FIG.

【0049】この装置を用いて本発明方法によりシリコ
ン系薄膜を形成するにあたっては、被成膜物品10を成
膜室C´内に搬入してホルダ11´に設置する。また、
成膜室C´内を真空排気部18´の運転にて排気する一
方、ガス供給部12´から成膜室内に原料ガスを導入す
る。原料ガスの導入を制御することで、或いは原料ガス
導入と排気部18´による排気を制御することで、被成
膜物品10表面近傍の真空度を1×10-3Torr〜1
×10-6Torrの範囲のものに維持しつつ、また被成
膜物品10の温度を室温〜600℃に保ちつつ、電極1
4、11’間に高周波電力を供給して成膜原料ガスをプ
ラズマ化する。また、イオン源2’から被成膜物品10
に向け負イオンビームをイオン照射エネルギ10eV〜
500eV、より好ましくは30eV〜100eVで照
射し、このようにしてプラズマ13の下で物品10表面
にシリコン系薄膜を形成する。
In forming a silicon-based thin film by the method of the present invention using this apparatus, the film-forming target 10 is carried into the film-forming chamber C'and set in the holder 11 '. Also,
The film forming chamber C'is evacuated by the operation of the vacuum evacuation unit 18 ', while the source gas is introduced into the film forming chamber from the gas supply unit 12'. By controlling the introduction of the raw material gas or by controlling the introduction of the raw material gas and the exhaust of the exhaust unit 18 ′, the degree of vacuum in the vicinity of the surface of the film - forming article 10 is set to 1 × 10 −3 Torr to 1
While maintaining the temperature in the range of × 10 -6 Torr and maintaining the temperature of the film-forming article 10 at room temperature to 600 ° C, the electrode 1
High-frequency power is supplied between 4 and 11 'to turn the film-forming raw material gas into plasma. Further, from the ion source 2 ′ to the film-forming article 10
The negative ion beam toward the ion irradiation energy of 10 eV
Irradiation is performed at 500 eV, more preferably 30 eV to 100 eV, and thus a silicon-based thin film is formed on the surface of the article 10 under the plasma 13.

【0050】この装置及び方法によると、図1の装置に
よる膜形成の場合と同様、比較的低温下で良質の結晶性
を有するシリコン膜を得ることができる。また良好な電
気絶縁性及び膜密着性を有するシリコン化合物膜を得る
ことができる。次に、図1及び図2の装置を用いて本発
明方法によりシリコン系薄膜を形成した具体的実施例及
びその結果得られたシリコン系薄膜について説明する。
併せて、従来の平行平板型プラズマCVD装置を用いて
シリコン系薄膜を形成した比較例についても説明する。
なお、以下の各実施例及び比較例は、被成膜物品を替え
てそれぞれ100回ずつ行った。 実施例1(シリコン膜形成、図1の装置による) 被成膜物品 無アルカリガラス基板及び シリコンウエハ<100>のそれぞれ プラズマ励起用高周波 100MHz 原料ガス SiH4 50% H2 50% 成膜圧力 1×10-4Torr イオンビームイオン種 H- 、SiHx- 照射エネルギ 100eV 励起用高周波 500MHz 成膜温度 300℃ 成膜膜厚 1000Å 実施例2(2酸化シリコン(SiO2 )膜形成、図1の装置による) 被成膜物品 無アルカリガラス基板及び シリコンウエハ<100>のそれぞれ プラズマ励起用高周波 100MHz 原料ガス SiH4 20% N2 O 80% 成膜圧力 1×10-4Torr イオンビームイオン種 H- 、Ox- 、SiHx- 照射エネルギ 100eV 励起用高周波 500MHz 成膜温度 300℃ 成膜膜厚 1500Å 実施例3(シリコン窒化物(SiNx )膜形成、図1の装置による) 被成膜物品 無アルカリガラス基板及び シリコンウエハ<100>のそれぞれ プラズマ励起用高周波 100MHz 原料ガス SiH4 20% NH3 80% 成膜圧力 1×10-4Torr イオンビームイオン種 H- 、NHx - 、SiHx- 照射エネルギ 100eV 励起用高周波 500MHz 成膜温度 300℃ 成膜膜厚 1500Å 実施例4(シリコン膜形成、図2の装置による) 被成膜物品 無アルカリガラス基板及び シリコンウエハ<100>のそれぞれ プラズマ励起用高周波 100MHz 原料ガス SiH4 50% H2 50% 成膜圧力 1×10-4Torr イオンビームイオン種 H- 、SiHx- 照射エネルギ 100eV 励起用高周波 500MHz 成膜温度 300℃ 成膜膜厚 1000Å 実施例5(2酸化シリコン膜形成、図2の装置による) 被成膜物品 無アルカリガラス基板及び シリコンウエハ<100>のそれぞれ プラズマ励起用高周波 100MHz 原料ガス SiH4 20% N2 O 80% 成膜圧力 1×10-4Torr イオンビームイオン種 H- 、Ox- 、SiHx- 照射エネルギ 100eV 励起用高周波 500MHz 成膜温度 300℃ 成膜膜厚 1500Å 比較例1(シリコン膜形成、平行平板型プラズマCVD装置) 被成膜物品 無アルカリガラス基板及び シリコンウエハ<100>のそれぞれ プラズマ励起用高周波 13.56MHz 原料ガス SiH4 50% H2 50% 成膜圧力 2×10-1Torr 成膜温度 300℃ 成膜膜厚 1000Å 比較例2(2酸化シリコン膜形成、平行平板型プラズマCVD装置) 被成膜物品 無アルカリガラス基板及び シリコンウエハ<100>のそれぞれ プラズマ励起用高周波 13.56MHz 原料ガス SiH4 20% N2 O 80% 成膜圧力 2×10-1Torr 成膜温度 300℃ 成膜膜厚 1500Å 比較例3(シリコン窒化物膜形成、平行平板型プラズマCVD装置) 被成膜物品 無アルカリガラス基板及び シリコンウエハ<100>のそれぞれ プラズマ励起用高周波 13.56MHz 原料ガス SiH4 20% NH3 80% 成膜圧力 2×10-1Torr 成膜温度 300℃ 成膜膜厚 1500Å 次に、前記実施例1、4及び比較例1により得られた各
シリコン膜について、フーリエ交換赤外分光分析(FT
−IR)、X線回折分析(XRD)及びレーザラマン分
光分析により水素濃度測定及び結晶性評価を行った。ま
た、後処理として熱処理を施し結晶構造の変化を調べ
た。また、電子移動度を測定することでデバイス特性を
評価した。 ・FT−IR 実施例1、4及び比較例1により得られた各膜サンプル
について、波数2000cm-1のSi−H(Stretching-
band) 吸収ピーク積分強度から膜中の水素濃度を定量分
析したところ、実施例1及び4による各膜サンプルでは
5×1020cm -3以下であるのに対し、比較例1による
膜サンプルは2×1022cm-3であった。このように本
発明実施例1及び4により得られた各膜サンプルは比較
例1によるものより水素濃度が著しく少なかった。 ・XRD 実施例1及び実施例4による各膜サンプルは、111面
(2θ=28.2°)及び220面(2θ=47.2
°)からのピークが検出され、シリコン(cubic)の結晶
性が確認された。一方、比較例1による膜サンプルはア
モルファス構造であることが確認された。 ・レーザラマン分光分析 実施例1及び実施例4による各膜サンプルは、結晶化シ
リコンによるピーク(ラマンシフト=515〜520c
-1)を検出し、100Å〜2000Åの結晶粒が認め
られた。一方、比較例1による膜サンプルはアモルファ
ス構造によるピーク(ラマンシフト=480cm-1)が
検出された。 ・熱処理 実施例1、4及び比較例1により得られた各膜サンプル
に後処理として500℃、8時間の真空中での熱処理を
施したところ、比較例1による膜サンプルはアモルファ
ス構造のままで結晶化しなかったが、実施例1、4のも
のでは100Å〜2000Åから500Å〜3000Å
へ結晶粒径が増大した。 ・電子移動度 比較例1による膜サンプルが0.1cm2 /V・sの電
子移動度を示したのに対し、実施例1及び4による膜サ
ンプルでは結晶粒径100Åのもので0.5cm2 /V
・s、結晶粒径2000Åのもので50cm2 /V・s
の電子移動度を示した。
According to this device and method, the device of FIG.
Good crystallinity at relatively low temperature, similar to film formation
It is possible to obtain a silicon film having Good electricity
Obtain a silicon compound film with air insulation and film adhesion
be able to. Next, using the apparatus shown in FIGS.
A concrete example in which a silicon-based thin film is formed by a bright method
And the silicon-based thin film obtained as a result will be described.
In addition, using a conventional parallel plate type plasma CVD device
A comparative example in which a silicon-based thin film is formed will also be described.
In addition, in each of the following Examples and Comparative Examples, the film-forming article was changed.
100 times each. Example 1 (silicon film formation, by the apparatus of FIG. 1)   Article to be film-formed Alkali-free glass substrate and                                 Each of silicon wafer <100>   High frequency for plasma excitation 100MHz   Raw material gas SiHFour  50%                                 H2      50%   Film forming pressure 1 × 10-FourTorr   Ion beam ion species H-, SiHx-               Irradiation energy 100 eV               High frequency for excitation 500MHz   Deposition temperature 300 ℃   Film thickness 1000Å Example 2 (silicon dioxide (SiO 22) Membrane formation, by the apparatus of FIG. 1)   Article to be film-formed Alkali-free glass substrate and                                 Each of silicon wafer <100>   High frequency for plasma excitation 100MHz   Raw material gas SiHFour  20%                                 N2O 80%   Film forming pressure 1 × 10-FourTorr   Ion beam ion species H-, Ox-, SiHx-               Irradiation energy 100 eV               High frequency for excitation 500MHz   Deposition temperature 300 ℃   Deposition film thickness 1500Å Example 3 (silicon nitride (SiNx) Membrane formation, by the apparatus of FIG. 1)   Article to be film-formed Alkali-free glass substrate and                                 Each of silicon wafer <100>   High frequency for plasma excitation 100MHz   Raw material gas SiHFour  20%                                 NH3    80%   Film forming pressure 1 × 10-FourTorr   Ion beam ion species H-, NHx -, SiHx-               Irradiation energy 100 eV               High frequency for excitation 500MHz   Deposition temperature 300 ℃   Deposition film thickness 1500Å Example 4 (silicon film formation, by the apparatus of FIG. 2)   Article to be film-formed Alkali-free glass substrate and                                 Each of silicon wafer <100>   High frequency for plasma excitation 100MHz   Raw material gas SiHFour  50%                                 H2      50%   Film forming pressure 1 × 10-FourTorr   Ion beam ion species H-, SiHx-               Irradiation energy 100 eV               High frequency for excitation 500MHz   Deposition temperature 300 ℃   Film thickness 1000Å Example 5 (silicon dioxide film formation, by the apparatus of FIG. 2)   Article to be film-formed Alkali-free glass substrate and                                 Each of silicon wafer <100>   High frequency for plasma excitation 100MHz   Raw material gas SiHFour  20%                                 N2O 80%   Film forming pressure 1 × 10-FourTorr   Ion beam ion species H-, Ox-, SiHx-               Irradiation energy 100 eV               High frequency for excitation 500MHz   Deposition temperature 300 ℃   Deposition film thickness 1500Å Comparative Example 1 (silicon film formation, parallel plate type plasma CVD apparatus)   Article to be film-formed Alkali-free glass substrate and                                 Each of silicon wafer <100>   High frequency for plasma excitation 13.56MHz   Raw material gas SiHFour  50%                                 H2      50%   Film forming pressure 2 × 10-1Torr   Deposition temperature 300 ℃   Film thickness 1000Å Comparative Example 2 (silicon dioxide film formation, parallel plate type plasma CVD apparatus)   Article to be film-formed Alkali-free glass substrate and                                 Each of silicon wafer <100>   High frequency for plasma excitation 13.56MHz   Raw material gas SiHFour  20%                                 N2O 80%   Film forming pressure 2 × 10-1Torr   Deposition temperature 300 ℃   Deposition film thickness 1500Å Comparative Example 3 (silicon nitride film formation, parallel plate type plasma CVD apparatus)   Article to be film-formed Alkali-free glass substrate and                                 Each of silicon wafer <100>   High frequency for plasma excitation 13.56MHz   Raw material gas SiHFour  20%                                 NH3    80%   Film forming pressure 2 × 10-1Torr   Deposition temperature 300 ℃   Deposition film thickness 1500Å Next, each obtained in Examples 1 and 4 and Comparative Example 1
Fourier-exchange infrared spectroscopy (FT) of silicon film
-IR), X-ray diffraction analysis (XRD) and laser Raman analysis
The hydrogen concentration was measured and the crystallinity was evaluated by optical analysis. Well
In addition, heat treatment was performed as a post-treatment to examine the change in crystal structure.
It was In addition, device characteristics can be measured by measuring electron mobility.
evaluated. ・ FT-IR Membrane samples obtained in Examples 1 and 4 and Comparative Example 1
About the wave number 2000cm-1Si-H (Stretching-
band) Quantitative determination of hydrogen concentration in the film from the integrated intensity of absorption peak
As a result of analysis, in each of the film samples according to Examples 1 and 4,
5 x 1020cm -3In contrast to the following, according to Comparative Example 1
Membrane sample is 2 × 10twenty twocm-3Met. Book like this
The membrane samples obtained according to Inventive Examples 1 and 4 are compared.
The hydrogen concentration was significantly lower than that according to Example 1. ・ XRD Each of the film samples according to Example 1 and Example 4 has 111 faces.
(2θ = 28.2 °) and 220 planes (2θ = 47.2)
) Peak was detected and the crystal of silicon (cubic) was detected.
The sex was confirmed. On the other hand, the film sample according to Comparative Example 1
It was confirmed to have a morphus structure. ・ Laser Raman spectroscopy Each film sample according to Example 1 and Example 4 had a crystallization
Peak due to recon (Raman shift = 515-520c
m-1) Is detected, a crystal grain of 100Å to 2000Å is recognized.
Was given. On the other hand, the membrane sample according to Comparative Example 1 is
Peak due to the structure (Raman shift = 480 cm)-1)But
was detected. ·Heat treatment Membrane samples obtained in Examples 1 and 4 and Comparative Example 1
As a post-treatment, heat treatment in vacuum at 500 ° C for 8 hours
When applied, the film sample according to Comparative Example 1 was
Although it was not crystallized as it was,
So, from 100Å to 2000Å to 500Å to 3000Å
The crystal grain size was increased. ・ Electron mobility The film sample according to Comparative Example 1 is 0.1 cm2/ V ・ s power
Although the child mobility was shown, the membrane support according to Examples 1 and 4 was used.
Samples with a crystal grain size of 100Å are 0.5 cm2/ V
・ S, with a crystal grain size of 2000Å, 50 cm2/ V · s
The electron mobility of is shown.

【0051】また、前記実施例2、5及び比較例2によ
り得られた各2酸化シリコン膜並びに前記実施例3及び
比較例3により得られた各シリコン窒化物膜について、
フーリエ交換赤外分光分析(FT−IR)により水素濃
度を測定した。また、リーク電流、絶縁耐電圧を測定す
ることにより電気特性を評価した。 ・FT−IR 実施例2、5及び比較例2により得られた各2酸化シリ
コン膜サンプル並びに実施例3及び比較例3により得ら
れた各シリコン窒化物膜サンプルについて、波数200
0cm-1のSi−H(Stretching-band) 吸収ピーク積分
強度から膜中の水素濃度を定量分析したところ、実施例
2、4による膜サンプルでは1×1021cm-3以下であ
るのに対し、比較例2による膜サンプルは2×1022
-3であった。このように本発明実施例2、4により得
られた膜サンプルは比較例2によるものより水素濃度が
著しく少なかった。 ・電気特性 実施例2、5及び比較例2により得られた各2酸化シリ
コン膜サンプルについて、リーク電流、絶縁耐電圧を測
定したところ、実施例2、5による膜サンプルではリー
ク電流は1×10-11 A/cm2 以下、絶縁耐電圧は1
0MV/cmであるのに対して、比較例2による膜では
リーク電流は1×10-10 A/cm2 、絶縁耐電圧は8
MV/cmであった。
Regarding the silicon dioxide films obtained in Examples 2 and 5 and Comparative Example 2, and the silicon nitride films obtained in Example 3 and Comparative Example 3,
Hydrogen concentration was measured by Fourier exchange infrared spectroscopy (FT-IR). Moreover, the electrical characteristics were evaluated by measuring the leak current and the dielectric strength voltage. FT-IR For each silicon dioxide film sample obtained in Examples 2 and 5 and Comparative Example 2 and each silicon nitride film sample obtained in Example 3 and Comparative Example 3, wave number 200
When the hydrogen concentration in the film was quantitatively analyzed from the Si—H (Stretching-band) absorption peak integrated intensity at 0 cm −1 , it was 1 × 10 21 cm −3 or less in the film samples according to Examples 2 and 4. And the film sample according to Comparative Example 2 has 2 × 10 22 c
It was m -3 . Thus, the membrane samples obtained according to Examples 2 and 4 of the present invention had a significantly lower hydrogen concentration than that according to Comparative Example 2. -Electrical characteristics Regarding the silicon dioxide film samples obtained in Examples 2 and 5 and Comparative Example 2, the leak current and the dielectric withstanding voltage were measured. The leak current of the film samples according to Examples 2 and 5 was 1x10. -11 A / cm 2 or less, insulation withstand voltage is 1
The film according to Comparative Example 2 has a leak current of 1 × 10 −10 A / cm 2 and a withstand voltage of 8 MV / cm.
It was MV / cm.

【0052】また、実施例3及び比較例3により得られ
た各シリコン窒化物膜サンプルについて、リーク電流、
絶縁耐電圧を測定したところ、実施例3による膜サンプ
ルではリーク電流は5×10-11 A/cm2 以下、絶縁
耐電圧は8MV/cmであるのに対して、比較例3によ
る膜ではリーク電流は5×10-10 A/cm2 、絶縁耐
電圧は5MV/cmであった。
For each of the silicon nitride film samples obtained in Example 3 and Comparative Example 3, the leak current,
When the withstand voltage was measured, the film sample according to Example 3 had a leak current of 5 × 10 −11 A / cm 2 or less, and the withstand voltage was 8 MV / cm, whereas the film according to Comparative Example 3 had a leak current. The electric current was 5 × 10 −10 A / cm 2 , and the withstand voltage was 5 MV / cm.

【0053】以上の結果から、本発明実施例1、4では
平行平板型プラズマCVD装置を用いた比較例1によっ
ては得られなかった良質な結晶性を有するシリコン膜が
300℃という低温度下で得られたことが分かる。ま
た、本発明実施例2、5では平行平板型プラズマCVD
装置を用いた比較例2では得られなかった良好な電気絶
縁性を有するシリコン酸化物膜が、本発明実施例3では
平行平板型プラズマCVD装置を用いた比較例3では得
られなかった良好な電気絶縁性を有するシリコン窒化物
膜が、それぞれ得られたことが分かる。
From the above results, in Examples 1 and 4 of the present invention, the silicon film having good crystallinity, which was not obtained in Comparative Example 1 using the parallel plate type plasma CVD apparatus, was obtained at a low temperature of 300 ° C. It can be seen that it was obtained. In the second and fifth embodiments of the present invention, parallel plate plasma CVD is used.
A silicon oxide film having a good electric insulating property, which was not obtained in Comparative Example 2 using the apparatus, was not obtained in Comparative Example 3 using the parallel plate type plasma CVD apparatus in Example 3 of the present invention, which was excellent. It can be seen that the silicon nitride films having the electric insulating property were obtained.

【0054】[0054]

【発明の効果】本発明によると、比較的低温下で生産性
良く、所望の特性を有する良質なシリコン系薄膜を形成
できるシリコン系薄膜の形成方法を提供することができ
る。また本発明によると、比較的低温下で生産性よく良
質なシリコン膜、代表的には結晶性を有する良質なシリ
コン膜を形成できるシリコン系薄膜の形成方法を提供す
ることができる。
According to the present invention, it is possible to provide a method for forming a silicon-based thin film which can form a high-quality silicon-based thin film having desired characteristics with high productivity at a relatively low temperature. Further, according to the present invention, it is possible to provide a method for forming a silicon-based thin film capable of forming a high-quality silicon film with good productivity at a relatively low temperature, typically a high-quality silicon film having crystallinity.

【0055】また本発明によると、良好な電気絶縁性及
び膜密着性を有するシリコン化合物膜を形成できるシリ
コン系薄膜の形成方法を提供することができる。また本
発明によると、かかるシリコン膜及びシリコン化合物膜
といったシリコン系薄膜を形成できる成膜装置を提供す
ることができる。
Further, according to the present invention, it is possible to provide a method for forming a silicon-based thin film capable of forming a silicon compound film having good electric insulation and film adhesion. Further, according to the present invention, it is possible to provide a film forming apparatus capable of forming a silicon-based thin film such as the silicon film and the silicon compound film.

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

【図1】図(A)は本発明に係る成膜装置の1例の概略
構成を示す図であり、図(B)は、図(A)におけるエ
ネルギフィルタの平面図である。
1A is a diagram showing a schematic configuration of an example of a film forming apparatus according to the present invention, and FIG. 1B is a plan view of an energy filter in FIG. 1A.

【図2】本発明に係る成膜装置の他の例の概略構成を示
す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of another example of the film forming apparatus according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 イオン源用ガス供給部 2、2´ イオン源 21 引出し電極系 3、3´、16 整合器 4、4´17a 高周波電源 5 加速電源 6 減速電源 8a イオン源内プラズマ 8b イオン源内の負イオンの割合の高いプラズマ 9、9´ 被成膜物品加熱用ヒータ 10 被成膜物品 11 被成膜物品保持部材 11´ 接地電極兼ホルダ 12、12´ 原料ガス供給部 13 成膜原料ガスプラズマ 14 高周波電極 14a 円筒状電極 18、18´ 真空排気部 100a、100b 磁石 C、C´ プラズマ生成室 B 磁石 1 Ion source gas supply section 2,2 'ion source 21 Extraction electrode system 3, 3 ', 16 Matching device 4, 4'17a High frequency power supply 5 acceleration power supply 6 Deceleration power supply 8a Plasma in ion source 8b Plasma with a high proportion of negative ions in the ion source 9,9 'Heater for heating film-forming target 10 Article to be film-formed 11 Film forming article holding member 11 'Ground electrode and holder 12, 12 'Raw material gas supply unit 13 Film forming source gas plasma 14 high frequency electrodes 14a Cylindrical electrode 18, 18 'Vacuum exhaust unit 100a, 100b magnet C, C'Plasma generation chamber B magnet

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C23C 14/00 - 16/56 C30B 29/06 H01L 21/203 - 21/205 Continuation of front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) C23C 14/00-16/56 C30B 29/06 H01L 21/203-21/205

Claims (16)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 シリコン系ガスを含む原料ガスを電力供
給によりプラズマ化し、該プラズマの下で被成膜物品上
にシリコン系薄膜を形成する方法であって、該プラズマ
を該物品周縁部の近傍に形成するとともに、該物品表面
に負イオンビームを照射して膜形成することを特徴とす
るシリコン系薄膜の形成方法。
1. A method of forming a silicon-based thin film on a film-forming article under the plasma by converting a source gas containing a silicon-based gas into a plasma by supplying electric power, the plasma being in the vicinity of a peripheral portion of the article. And forming a film by irradiating the surface of the article with a negative ion beam.
【請求項2】 シリコン系ガスを含む原料ガスを電力供
給によりプラズマ化し、該プラズマの下で被成膜物品上
にシリコン系薄膜を形成する方法であって、該物品表面
近傍の真空度を1×10-3Torr〜1×10-6Tor
rとするとともに、該物品表面に負イオンビームを照射
して膜形成することを特徴とするシリコン系薄膜の形成
方法。
2. A method of forming a silicon-based thin film on a film-formed article under the plasma by converting a source gas containing a silicon-based gas into a plasma by supplying electric power, wherein the degree of vacuum near the surface of the article is 1 × 10 -3 Torr ~ 1 × 10 -6 Tor
The method for forming a silicon-based thin film is characterized in that the surface of the article is irradiated with a negative ion beam to form a film.
【請求項3】 前記被成膜物品表面近傍の真空度を1×
10-3Torr〜1×10-6Torrとする請求項1記
載のシリコン系薄膜の形成方法。
3. The degree of vacuum near the surface of the film-forming target is 1 ×
The method for forming a silicon-based thin film according to claim 1, wherein the pressure is 10 −3 Torr to 1 × 10 −6 Torr.
【請求項4】 前記負イオンビームのイオン種として、
不活性ガス、反応性ガス及びシリコン系ガスのうち少な
くとも一種のガスのイオンを用いる請求項1、2又は3
記載のシリコン系薄膜の形成方法。
4. As the ion species of the negative ion beam,
The ions of at least one gas selected from an inert gas, a reactive gas, and a silicon-based gas are used.
A method for forming a silicon-based thin film as described above.
【請求項5】 前記負イオンビームをイオンエネルギ1
0eV〜500eVで照射する請求項4記載のシリコン
系薄膜の形成方法。
5. The negative ion beam is supplied with an ion energy of 1
The method for forming a silicon-based thin film according to claim 4, wherein the irradiation is performed at 0 eV to 500 eV.
【請求項6】 前記原料ガスとして、シリコン系ガスの
うち少なくとも一種のガス、又はシリコン系ガスのうち
少なくとも一種のガスと反応性ガスのうち少なくとも一
種のガスとを用いる請求項1、2又は3記載のシリコン
系薄膜の形成方法。
6. The raw material gas used is at least one gas of silicon-based gas, or at least one gas of silicon-based gas and at least one gas of reactive gas. A method for forming a silicon-based thin film as described above.
【請求項7】 前記原料ガスとして、シリコン系ガスの
うち少なくとも一種のガス、又はシリコン系ガスのうち
少なくとも一種のガスと反応性ガスのうち少なくとも一
種のガスとを用いる請求項4又は5記載のシリコン系薄
膜の形成方法。
7. The gas according to claim 4, wherein at least one gas of silicon-based gas or at least one gas of silicon-based gas and at least one gas of reactive gas is used as the raw material gas. Method for forming silicon-based thin film.
【請求項8】 前記プラズマから前記被成膜物品表面に
入射するイオンのエネルギを500eV以下とする請求
項6又は7記載のシリコン系薄膜の形成方法。
8. The method for forming a silicon-based thin film according to claim 6 or 7, wherein the energy of ions incident on the surface of the film formation article from the plasma is 500 eV or less.
【請求項9】 前記被成膜物品表面に前記プラズマから
低エネルギのラジカル種を優先的に拡散させる請求項6
又は7記載のシリコン系薄膜の形成方法。
9. The low-energy radical species are preferentially diffused from the plasma to the surface of the film-formed article.
Alternatively, the method of forming a silicon-based thin film according to item 7.
【請求項10】 前記被成膜物品表面に到達するプラズ
マからのシリコン原子数と負イオンビームの負イオン数
との比(Si/i輸送比)を0.1〜100とする請求
項7記載のシリコン系薄膜の形成方法。
10. The ratio (Si / i transport ratio) between the number of silicon atoms from the plasma that reaches the surface of the film-forming article and the number of negative ions of the negative ion beam is 0.1 to 100. Method of forming a silicon-based thin film of.
【請求項11】 前記被成膜物品の温度を室温〜600
°Cとする請求項1から10のいずれかに記載のシリコ
ン系薄膜の形成方法。
11. The temperature of the film-forming target is from room temperature to 600.
The method for forming a silicon-based thin film according to claim 1, wherein the temperature is set to ° C.
【請求項12】 成膜後、後処理として、前記シリコン
系薄膜に300°C〜600°Cの熱処理を施す請求項
1から11のいずれかに記載のシリコン系薄膜の形成方
法。
12. The method for forming a silicon-based thin film according to claim 1, wherein after the film formation, a heat treatment at 300 ° C. to 600 ° C. is applied to the silicon-based thin film as a post-treatment.
【請求項13】 前記シリコン系薄膜がシリコン膜であ
る請求項1から12のいずれかに記載のシリコン系薄膜
の形成方法。
13. The method for forming a silicon-based thin film according to claim 1, wherein the silicon-based thin film is a silicon film.
【請求項14】 前記シリコン系薄膜がシリコン化合物
膜である請求項1から12のいずれかに記載のシリコン
系薄膜の形成方法。
14. The method for forming a silicon-based thin film according to claim 1, wherein the silicon-based thin film is a silicon compound film.
【請求項15】 真空排気手段を接続したプラズマ生成
室内へ原料ガス供給手段により供給される原料ガスをガ
スプラズマ化用電力供給手段による電力供給によりプラ
ズマ化し、該プラズマの下で、該プラズマ生成室内の支
持手段に支持される被成膜物品上に成膜する装置であっ
て、該被成膜物品に負イオンビームを照射するための手
段を備えており、該電力供給手段は該プラズマを該被成
膜物品周縁部の近傍に形成できるものであることを特徴
とする成膜装置。
15. A raw material gas supplied by a raw material gas supply means into a plasma generation chamber connected to a vacuum exhaust means is turned into plasma by power supply by a gas plasmaization power supply means, and the plasma generation chamber under the plasma. An apparatus for forming a film on a film-forming article supported by the supporting means of the above, which comprises means for irradiating the film-forming article with a negative ion beam, and the power supply means supplies the plasma to the plasma. A film forming apparatus, which can be formed in the vicinity of a peripheral portion of a film formation target article.
【請求項16】 前記負イオンビーム照射手段はイオン
エネルギ10eV〜500eVでイオンを照射できるも
のである請求項15記載の成膜装置。
16. The film forming apparatus according to claim 15, wherein the negative ion beam irradiation means is capable of irradiating ions with an ion energy of 10 eV to 500 eV.
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