JP3812232B2 - 多結晶シリコン薄膜形成方法及び薄膜形成装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマＣＶＤ法による多結晶シリコン薄膜の形成方法及び多結晶シリコン薄膜の形成に用いることができる薄膜形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液晶表示装置における画素に設けられるＴＦＴ（薄膜トランジスタ）スイッチの材料として、或いは各種集積回路、太陽電池等の作製にシリコン薄膜が採用されている。
シリコン薄膜は、多くの場合、シラン系反応ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により形成され、その場合、該薄膜のほとんどはアモルファスシリコン薄膜である。
【０００３】
アモルファスシリコン薄膜は、被成膜基板の温度を比較的低くして形成することができ、平行平板型の電極を用いた高周波放電（周波数 １３．５６ＭＨｚ）による材料ガスのプラズマのもとに容易に大面積に形成できる。このことから、これまで液晶表示装置の画素用スイッチングデバイス、太陽電池等に広く利用されている。
【０００４】
しかし、シリコン膜利用の太陽電池における発電効率のさらなる向上、シリコン膜利用の半導体デバイスにおける応答速度等の特性のさらなる向上はかかるアモルファスシリコン膜に求めることはできない。そのため結晶性シリコン薄膜（例えば多結晶シリコン薄膜）の利用が検討されている。
多結晶シリコン薄膜のような結晶性シリコン薄膜の形成方法としては、被成膜基板の温度を６００℃〜７００℃以上の温度に維持して低圧プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ等のＣＶＤ法や、真空蒸着法、スパッタ蒸着法等のＰＶＤ法により膜形成する方法、各種ＣＶＤ法やＰＶＤ法により比較的低温下でアモルファスシリコン薄膜を形成した後、後処理として、８００℃程度以上の熱処理若しくは６００℃程度で長時間にわたる熱処理を施す方法が知られている。
【０００５】
また、アモルファスシリコン膜にレーザアニール処理を施して該膜を結晶化させる方法も知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらのうち基板を高温に曝す方法では、基板として高温に耐え得る高価な基板を採用しなけれならず、例えば安価な低融点ガラス基板（耐熱温度５００℃以下）への結晶性シリコン薄膜の形成は困難であり、そのため、多結晶シリコン薄膜のような結晶性シリコン薄膜の製造コストが高くなるという問題がある。
【０００７】
また、レーザアニール法によるときには、低温下で結晶性シリコン薄膜を得ることができるものの、レーザ照射工程を必要とすることや、非常に高いエネルギー密度のレーザ光を照射しなければならないこと等から、この場合も結晶性シリコン薄膜の製造コストが高くなってしまう。
そこで本発明は、比較的低温下で安価に、生産性よく多結晶シリコン薄膜を形成できる多結晶シリコン薄膜形成方法を提供することを課題とする。
【０００８】
また、本発明は、比較的低温下で安価に、生産性よく多結晶シリコン薄膜を形成できる薄膜形成装置を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため本発明者は研究を重ね次の知見を得た。
すなわち、成膜室内に導入したシリコン原子を有する材料ガス〔例えば四フッ化シリコン（ＳｉＦ4 ）、四塩化シリコン（ＳｉＣｌ4 ）等のガス〕と水素ガスとの混合ガスや、シラン系反応ガス〔例えばモノシラン（ＳｉＨ4 ）、ジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）、トリシラン（Ｓｉ3 Ｈ8 ）等のガス〕はプラズマ形成により分解され、多数の分解生成物（各種ラジカルやイオン）が形成される。その中でシリコン薄膜の形成に寄与するラジカルとしてはＳｉＨ3 * 、ＳｉＨ2 * 、ＳｉＨ* 等が挙げられる。シリコン薄膜の成長過程において形成される膜の構造を決定するのは、基板上における表面反応であり、基板表面に存在するシリコンの未結合手とこれらラジカルとが反応して膜堆積が起こると考えられる。また、シリコン薄膜の結晶化には未結合手を持つシリコン原子やＳｉ原子と結合した水素原子が膜中へ取り込まれることをできるだけ抑制することが必要であり、そのためには基板表面さらにはそこに形成されていく膜表面における水素原子の被覆率増加が重要と考えられる。基板表面さらにはそこに形成されていく膜の表面を被覆する水素原子が、未結合手を持つＳｉ原子と結合した水素原子等の膜中への取り込みを低減する詳細な機構については不明であるが、Ｓｉ原子の未結合手と水素が十分結合することでこれらが気化していくためではないかと考えられる。いずれにしても基板表面における水素原子の被覆率増加により未結合手を持つＳｉ原子やシリコン原子と結合した水素原子の膜中への取り込みが低減する。基板表面における水素原子の被覆率増加のためには常にプラズマ中から基板へ水素原子ラジカルが飛来しなければならない。そのためには、プラズマ中の水素原子ラジカルの密度を高めることが重要である。本発明者の研究によれば、プラズマ中の水素原子ラジカルの密度を高める程度として、プラズマ中のＳｉＨ* ラジカルの発光強度に対する水素原子ラジカル（Ｈβ）の発光強度比が１以上〔すなわち、（水素原子ラジカル（Ｈβ）の発光強度）／（ＳｉＨ* ラジカルの発光強度）が１以上〕になるように水素原子ラジカルの密度を高めれば、良質の多結晶シリコン薄膜を形成できる。
【００１０】
本発明はこのような知見に基づくもので、次の（１）多結晶シリコン薄膜形成方法及び（２）薄膜形成装置を提供する。
（１）多結晶シリコン薄膜形成方法。
シリコン原子を有する材料ガスと水素ガスとの混合ガスから、又はシラン系反応ガスからプラズマを形成し、該プラズマ中のＳｉＨ* ラジカルの発光強度に対する水素原子ラジカル（Ｈβ）の発光強度比が１以上になるように該プラズマ状態を制御し、該プラズマのもとで基板に多結晶シリコン薄膜を形成する多結晶シリコン薄膜形成方法。
【００１１】
本発明に係る多結晶シリコン薄膜形成方法によると、良質の多結晶シリコン薄膜が、従来の後熱処理やレーザアニール処理の必要なくして生産性よく得られる。
また、本発明に係る多結晶シリコン薄膜形成方法によると、多結晶シリコン薄膜を、４００℃以下の低温で基板上に形成することができ、従って、基板として耐熱性の低い安価な基板、例えば安価な低融点ガラス基板（耐熱温度５００℃以下）を採用でき、それだけ安価に多結晶シリコン薄膜を形成でき、ひいてはそれだけ安価にシリコン薄膜利用の液晶表示装置、太陽電池、各種半導体デバイス等を提供することができる。
【００１２】
前記シリコン原子を有する材料ガスとしては、四フッ化シリコン（ＳｉＦ4 ）、四塩化シリコン（ＳｉＣｌ4 ）等のガスを例示できる。また、シラン系反応ガスとしては、モノシラン（ＳｉＨ4 ）、ジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）、トリシラン（Ｓｉ3 Ｈ8 ）等のガスを例示できる。
プラズマ中のＳｉＨ* ラジカルの発光強度に対する水素原子ラジカル（Ｈβ）の発光強度比〔すなわち、（水素原子ラジカル（Ｈβ）の発光強度）／（ＳｉＨ* ラジカルの発光強度）〕（以下、「Ｈβ／ＳｉＨ* 」という。）が１以上になるように該プラズマ状態を制御するにあたっては、ガスの解離状態を発光分光法により計測し、シリコン薄膜の形成に寄与するラジカルの一つであるＳｉＨ* （４１４ｎｍの出現）の発光強度に対する水素原子ラジカルＨβ（４８６ｎｍの出現）の発光強度比が１以上になるようプラズマ状態を制御する。
【００１３】
Ｈβ／ＳｉＨ* の上限については、多結晶シリコン薄膜の形成に支障のない範囲で大きい値を採用でき、特に制限はないが、後ほど説明する好ましくないイオンの増加を招かない等のために、それには限定されないが、普通には、２０以下程度がよい。
プラズマ状態の制御は、具体的には、プラズマ生成のための投入電力の大きさ、成膜室へ導入するガスの流量、成膜室内の成膜ガス圧等のうち１又は２以上の制御により行える。
【００１４】
例えば、投入電力（ワット数）を大きくするとガス分解しやすくなる。しかし投入電力をあまり大きくすると、イオンが無視し難く増える。成膜ガス圧を低くすると、イオンが減少する。しかし水素原子ラジカルも減る。例えばシリコン原子を有する材料ガスと水素ガスの混合ガスを採用する場合において、水素ガス導入量を増やすと、イオン増加を抑制しつつ水素原子ラジカルを増やすことができる。これらを勘案して、投入電力の大きさ、成膜室へ導入するガスの流量、成膜室内の成膜ガス圧等のうち１又は２以上を適宜制御することで所望のプラズマ状態を得るようにプラズマを制御すればよい。
【００１５】
本発明方法により多結晶シリコン薄膜を形成するとき、基板表面さらには形成されていく膜表面へはラジカルとともにプラズマ中のイオンも飛来する。しかしイオン入射が多いと、形成される膜がダメージを受けるとともにシリコン結晶化の妨げとなる。プラズマ中のイオンの基板表面への入射エネルギーは、プラズマポテンシャル（プラズマ電位）に影響され、プラズマ電位と基板表面電位との差分で与えられる。本発明者の研究によると、プラズマポテンシャルは６０Ｖ以下に設定すれば、基板へのイオン入射を相当抑制できる。また、プラズマ中に生成されるイオンの密度を減らすようにプラズマを制御してもイオン入射数を減らすことができる。
【００１６】
そこで、本発明に係る多結晶シリコン薄膜形成方法では、プラズマの制御にあたり、プラズマポテンシャルを６０Ｖ以下に制御してもよい。また、これに代えて、或いはこれとともに、プラズマ状態の制御にあたり、プラズマ中のイオン密度が５×１０10（ｃｍ-3）以下になるようにプラズマ状態を制御してもよい。
プラズマポテンシャルの下限については、多結晶シリコン薄膜を形成できるのであれば特に制限はないが、例えばプラズマが安定して持続できる状態を得る等の観点から、それには限定されないが、例えば１０Ｖ程度以上にすることができる。
【００１７】
また、プラズマ中に生成されるイオンの密度は、多結晶シリコン薄膜の形成に支障のない範囲で低いほどよいが、例えばプラズマの安定持続等の観点から、それには限定されないが、例えば１×１０8 （ｃｍ-3）程度以上にすることができる。
本発明方法においてプラズマの生成は、代表的には放電のもとに形成することができ、その場合、従来から用いられている平行平板型の電極構造によるプラズマ生成よりも、放電用電極として円筒形電極を用いるプラズマ生成による方が、効率よくガス分解を進めることができ、発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）が１以上となるプラズマを生成し易い。何故なら、発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）を１以上とするためにプラズマ中の原子状水素ラジカルの密度を高めるには、導入したガスを効率よく分解する必要があり、ガスの分解はプラズマ中の高速電子とガス分子との衝突によって起こる。そしてプラズマ中の電子は印加電圧の変動に応じて電極間を移動（運動）し、その間にガス分子と衝突する。従って、従来用いられている平行平板型の電極構造では電極間距離が短いため、電極間における移動中に電子がガス分子に衝突する回数が少なくガス分解が進みにくい。この点、円筒形放電電極では、対向電極として、例えば成膜室内壁やそれと同電位の基板ホルダ等を採用することで電極間距離を長くして電子の移動中に電子とガス分子とが衝突する回数を多くして効率よくガスを分解できる。なお、円筒形放電電極を採用する場合、普通には、該円筒形放電電極の円筒形中心軸線が基板面に垂直又は略垂直になるように設置すればよい。
【００１８】
また、本発明方法においてプラズマの生成は、代表的には放電のもとに形成することができ、その場合、プラズマ発生のための放電に用いる放電用電源は、従来一般に用いられてきた１３．５６ＭＨｚの高周波電源でもよいが、周波数を増加させると、単位時間当たりの電子の電極間移動回数が増え、より効率よくガス分解が起こるので、例えば６０ＭＨｚ以上の高周波電源を用いることにより発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）を容易に大きくできる。
【００１９】
そこで、本発明に係る多結晶シリコン薄膜形成方法では、前記プラズマを放電のもとに形成するようにし、該放電に用いる放電電極として円筒形電極を用いてもよい。また、これとともに、或いはこれに代えて、放電に用いる放電用電源として、周波数６０ＭＨｚ以上の高周波電源を用いてもよい。
周波数６０ＭＨｚ以上の高周波電源を用いる場合、周波数の上限については、多結晶シリコン薄膜を形成できるのであれば特に制限はないが、あまり周波数が高くなるとプラズマ発生領域が制限されてくる傾向にあるから、例えばマイクロ波オーダの周波数（代表的には２．４５ＧＨｚ）程度までとすることができる。
【００２０】
また、ガス分解により生じた水素原子ラジカルは寿命は短く、その一部は基板上へ到達するが、大半は近隣の水素原子ラジカルやＳｉＨ3 * ，ＳｉＨ2 * ，ＳｉＨ* 等のラジカルと再結合してしまう。したがって、できるだけ基板へ到達する間に他のラジカルと出会わないように、成膜時のガス圧は低い方が望ましく、従来のプラズマＣＶＤ法における一般的な成膜圧力である数百ｍＴｏｒｒ〜数Ｔｏｒｒよりも２０ｍＴｏｒｒ以下、より好ましくは１０ｍＴｏｒｒ以下の成膜圧力の方が、生成された水素原子ラジカルが効率よく基板上へ到達できる。
【００２１】
従って、本発明に係る多結晶シリコン薄膜形成方法では、成膜ガス圧を２０ｍＴｏｒｒ以下、或いは１０ｍＴｏｒｒ以下に維持してもよい。成膜ガス圧の下限については、多結晶シリコン薄膜が形成できるのであれば、特に制限はないが、円滑にプラズマを生成させる等のために０．１ｍＴｏｒｒ程度以上がよい。
成膜時の基板温度は４００℃以下に維持できる。成膜時の基板温度の下限については、多結晶シリコン薄膜が形成できるのであれば、特に制限はないが、普通には、室温や膜形成装置周辺温度程度以上となる。
【００２２】
ここで少し元に戻り、前記基板への多結晶シリコン薄膜形成にあたり、該基板を成膜室内に設置し、該成膜室内を排気減圧して成膜ガス圧に設定するとともに前記プラズマを該成膜室内へ導入した前記シリコン原子を有する材料ガスと水素ガスとの混合ガス又はシラン系反応ガスである成膜原料ガスに高周波電力を印加して形成する場合についてみる。このような多結晶シリコン薄膜成形では、例えば、前記発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）が１以上、且つ、プラズマポテンシャルＶｐが６０Ｖ以下とするには、次のようにすればよい。
【００２３】
すなわち、前記発光強度比が１より小さく、プラズマポテンシャルが６０Ｖ以下であるときは、前記高周波電力を増加させ、前記発光強度比が１以上でプラズマポテンシャルが６０Ｖより大きいときは、前記成膜室内からの排気量を調整して前記成膜ガス圧を増加させ、前記発光強度比が１より小さく、プラズマポテンシャルが６０Ｖより大きいときは、前記成膜室内への前記原料ガス導入量を減少させることで発光強度比１以上、プラズマポテンシャル６０Ｖ以下の条件を設定すればよい。これらの操作は必要に応じ複数を順次実行してもよい。
【００２４】
前記発光強度比が１より小さく、プラズマポテンシャルが６０Ｖ以下であるときに前記高周波電力を増加させると、プラズマの解離度が増加し、発光強度比が上昇するので、プラズマポテンシャルが６０Ｖ以下のままで、発光強度比が１以上へ向け変化する。
また前記発光強度比が１以上でプラズマポテンシャルが６０Ｖより大きいときに前記成膜室内からの排気量を調整して前記成膜ガス圧を増加させると、平均自由行程の減少による各イオンの電界からのエネルギー授与が減少するため、発光強度比１以上のままで、プラズマポテンシャルが６０Ｖ以下へ向け変化する。
【００２５】
発光強度比が１より小さく、プラズマポテンシャルが６０Ｖより大きいときは、前記成膜室内への前記原料ガス導入量を減少させると、ガス供給過多によるガス分子へのエネルギー供給不足が改善され、発光強度比は１以上へ向け変化する。その後、未だプラズマポテンシャルが６０Ｖより大きいときは成膜ガス圧を増加させるとよい。
【００２６】
また、前記プラズマ状態の制御にあたり、プラズマ中のイオン密度が５×１０10（ｃｍ-3）以下になるようにプラズマ状態を制御して多結晶シリコン薄膜を形成してもよい。
前記成膜原料ガスへの前記高周波電力印加にあたり、高周波電源に接続された円筒形放電電極を採用してもよい。
【００２７】
前記成膜原料ガスへの前記高周波電力印加にあたり、該高周波電力として周波数６０ＭＨｚ以上の高周波電力を用いてもよい。
成膜ガス圧を２０ｍＴｏｒｒ以下に維持してもよい。
成膜時の基板温度を４００℃以下に維持することもできる。
（２）薄膜形成装置
被成膜基板を設置できる成膜室、該成膜室内に設置され、放電用電源に接続されたプラズマ形成のための放電用電極、該成膜室内へ成膜のためのガスを供給するガス供給装置、該成膜室から排気する排気装置を備えたプラズマＣＶＤによる薄膜形成装置であって、プラズマ状態の計測を行うための発光分光計測装置及びプローブ測定装置、並びに該発光分光計測装置及びプローブ測定装置による検出情報に基づいてプラズマ状態を所定の状態に維持するように前記放電用電源からの電力供給（代表的には投入電力の大きさ）、ガス供給装置からのガス供給（代表的には供給ガス流量）及び前記排気装置による排気のうちすくなくとも一つを制御する制御部を備えている薄膜形成装置。
【００２８】
この薄膜形成装置によると、成膜室内の所定位置に被成膜基板を設置し、排気装置を運転して成膜室内から排気する一方、ガス供給装置から成膜のためのガスを成膜室内へ導入し、放電用電極から放電させることで該ガスをプラズマ化し、該プラズマのもとで基板に膜形成できる。このとき、発光分光計測装置及びプローブ測定装置による検出情報に基づいて制御部がプラズマ状態を所定の状態に維持するように前記放電用電源からの電力供給、ガス供給装置からのガス供給及び前記排気装置による排気のうちすくなくとも一つを制御することで（なお、ガス供給装置からのガス供給や、排気装置による排気の制御は、成膜ガス圧の制御にもつながる）、所望の薄膜を形成できる。
【００２９】
例えば、前記ガス供給装置をシリコン原子を有する材料ガス〔例えば四フッ化シリコン（ＳｉＦ4 ）、四塩化シリコン（ＳｉＣｌ4 ）等のガス〕と水素ガスとの混合ガスや、シラン系反応ガス〔例えばモノシラン（ＳｉＨ4 ）、ジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）、トリシラン（Ｓｉ3 Ｈ8 ）等のガス〕を供給できるものとし、前記制御部を、前記発光分光計測装置により求められる成膜室内プラズマ中のＳｉＨ* ラジカルの発光強度に対する水素原子ラジカル（Ｈβ）の発光強度比が所定の値になるように、或いはさらにプローブ測定装置により検出されるプラズマポテンシャルが所定の値を示すように、前記放電用電源からの電力供給、ガス供給装置からのガス供給及び前記排気装置による排気のうち少なくとも一つを制御できるものとして、前記基板上に所定の（所定の結晶性等の）シリコン薄膜を形成することができる。
【００３０】
さらに例示すれば、本発明に係る薄膜形成装置は、前記ガス供給装置をシリコン原子を有する材料ガスと水素ガス、又はシラン系反応ガスを供給できるものとし、前記制御部を、前記発光分光計測装置により求められる成膜室内プラズマ中のＳｉＨ* ラジカルの発光強度に対する水素原子ラジカル（Ｈβ）の発光強度比が１以上になるように前記放電用電源からの電力供給、ガス供給装置からのガス供給及び前記排気装置による排気のうち少なくとも一つを制御できるものとして、前記基板上への多結晶シリコン薄膜形成のための薄膜形成装置とできる。
【００３１】
或いは、前記ガス供給装置をシリコン原子を有する材料ガスと水素ガス、又はシラン系反応ガスを供給できるものとし、前記制御部を、前記発光分光計測装置により求められる成膜室内プラズマ中のＳｉＨ* ラジカルの発光強度に対する水素原子ラジカル（Ｈβ）の発光強度比が１以上になるように、且つ、前記プローブ測定装置により求められるプラズマポテンシャルが６０Ｖ以下になるように前記放電用電源からの電力供給、ガス供給装置からのガス供給及び前記排気装置による排気のうち少なくとも一つを制御できるものとして、前記基板上への多結晶シリコン薄膜形成のための薄膜形成装置とできる。この装置の場合、プラズマポテンシャルの下限については、多結晶シリコン薄膜を形成できるのであれば特に制限はないが、例えばプラズマの安定持続等の観点から、それには限定されないが、例えば１０Ｖ程度以上にすることができる。
【００３２】
また後者のように、発光強度比が１以上になるように、且つ、プラズマポテンシャルが６０Ｖ以下になるように制御するときには、前記放電用電源を高周波電源とし、前記制御部は、前記被成膜基板への多結晶シリコン薄膜形成にあたり前記発光強度比１以上、プラズマポテンシャル６０Ｖ以下の条件を設定するように、前記発光強度比が１より小さく、プラズマポテンシャルが６０Ｖ以下であるときは、前記高周波電源から供給される電力を増加させ、前記発光強度比が１以上でプラズマポテンシャルが６０Ｖより大きいときは、前記排気装置による成膜室からの排気量を調整して成膜室内の成膜ガス圧を増加させ、前記発光強度比が１より小さく、プラズマポテンシャルが６０Ｖより大きいときは、前記ガス供給装置から成膜室内へのガス供給量を減少させるものとしてもよい。
【００３３】
かかるいずれの多結晶シリコン薄膜形成のための薄膜形成装置の場合でも、前記方法で述べたように、Ｈβ／ＳｉＨ* の上限については、多結晶シリコン薄膜の形成に支障のない範囲で大きい値を採用でき、特に制限はないが、後ほど説明する好ましくないイオンの増加を招かない等のために、それには限定されないが、普通には、２０以下程度がよい。
【００３４】
かかる多結晶シリコン薄膜形成のための薄膜形成装置によると、良質の多結晶シリコン薄膜が、従来の後熱処理やレーザアニール処理の必要なくして生産性よく得られる。
また、多結晶シリコン薄膜を、４００℃以下の低温で基板上に形成することができ、従って、基板として耐熱性の低い安価な基板、例えば安価な低融点ガラス基板（耐熱温度５００℃以下）を採用でき、それだけ安価に多結晶シリコン薄膜を形成でき、ひいてはそれだけ安価にシリコン薄膜利用の液晶表示装置、太陽電池、各種半導体デバイス等を提供することができる。
【００３５】
本発明に係る薄膜形成装置をかかる多結晶シリコン薄膜形成のための薄膜形成装置とする場合、既述の本発明に係る多結晶シリコン薄膜形成方法で述べたと同様の理由から、次の薄膜形成装置としてもよい。また、以下の▲１▼〜▲４▼に述べる特徴を支障のない範囲で適宜組み合わせ採用した薄膜形成装置とすることもできる。
▲１▼前記制御部が、さらに、前記プローブ測定装置により求められるプラズマ中のイオン密度が５×１０10（ｃｍ-3）以下になるようにも前記放電用電源からの電力供給、ガス供給装置からのガス供給及び前記排気装置による排気のうち少なくとも一つを制御する多結晶シリコン薄膜形成のための薄膜形成装置。
【００３６】
プラズマ中に生成されるイオンの密度は、多結晶シリコン薄膜の形成に支障のない範囲で低いほどよいが、例えばプラズマの安定持続等の観点から、それには限定されないが、例えば１×１０8 （ｃｍ-3）程度以上とすることができる。
▲２▼前記放電用電極が円筒形電極である多結晶シリコン薄膜形成のための薄膜形成装置。
▲３▼前記放電用電源が周波数６０ＭＨｚ以上の電力を供給する電源である多結晶シリコン薄膜形成のための薄膜形成装置。
【００３７】
該放電用電源の周波数の上限については、多結晶シリコン薄膜を形成できるのであれば特に制限はないが、あまり周波数が高くなるとプラズマ発生領域が制限されてくる傾向にあるから、例えばマイクロ波オーダの周波数（代表的には２．４５ＧＨｚ）程度までとすることができる。
▲４▼前記制御部が、成膜ガス圧を２０ｍＴｏｒｒ以下、或いは１０ｍＴｏｒｒ以下に維持するように、前記ガス供給装置からのガス供給及び前記排気装置による排気のうち少なくとも一方を制御する多結晶シリコン薄膜形成のための薄膜形成装置。
【００３８】
成膜ガス圧の下限については、多結晶シリコン薄膜が形成できるのであれば、特に制限はないが、円滑にプラズマを生成させる等のために０．１ｍＴｏｒｒ程度以上がよい。
【００３９】
【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は本発明に係る薄膜形成装置の１例の概略構成を示している。
図１に示す薄膜形成装置は、成膜室（プラズマ生成室）１、該室内に設置された基板ホルダ２、該室内において基板ホルダ２の上方に設置された円筒形放電電極３、放電電極３にマッチングボックス４１を介して接続された放電用高周波電源４、成膜室内に成膜のためのガスを導入するためのガス供給装置５、成膜室内から排気するために成膜室に接続された排気装置６、成膜室内に生成されるプラズマ状態を計測するための発光分光計測装置７及びプローブ測定装置８、発光分光計測装置７及びプローブ測定装置８による検出情報に基づいて電源４による投入電力、ガス供給装置からのガス供給及び成膜室内の成膜圧力のうち少なくとも一つを所定のプラズマ状態を得るように制御する制御部９を含んでいる。なお、これら全体はホストコンピュータ１００の指示に基づいて動作する。なお、図中１１は信号の送受信整理を行う中間のハブ装置である。
【００４０】
基板ホルダ２は基板加熱用ヒータ２Ｈを備えている。
円筒形放電電極３は、その円筒中心軸線が基板ホルダ２に設置される被成膜基板Ｓの中心部に該基板に略垂直に交わるように設置されている。
電源４は制御部９からの指示により出力可変の電源であり、周波数６０ＭＨｚの高周波電力を供給できる。
【００４１】
成膜室１及び基板ホルダ２はともに接地されている。
ガス供給装置５はここではモノシラン（ＳｉＨ4 ）ガスを供給できるもので、ＳｉＨ4 ガス源の他、図示を省略した弁、制御部９からの指示により流量調整を行うマスフローコントローラ等を含んでいる。
排気装置６は排気ポンプの他、制御部９からの指示により排気流量調整を行う弁（ここではコンダクタンスバルブ）等を含んでいる。
【００４２】
発光分光計測装置７は、ガス分解による生成物の発光分光スペクトルを検出し、ＳｉＨ* ラジカルの発光強度に対する水素原子ラジカル（Ｈβ）の発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）を求めることができるものである。
Ｈβ／ＳｉＨ* は、装置の感度校正を考慮して次の式より求められる。
発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）＝（Ｉｂ×αｂ）／（Ｉａ×αａ）
Iａ：SiH * (414nm) の発光強度、αａ: 装置における414nm の補正係数
Iｂ：Ｈβ(486nm) の発光強度、αｂ: 装置における486nm の補正係数
プローブ測定装置８は、ラングミューアプローブによりプラズマ状態を測定する装置で、プラズマにおける電圧電流特性を検出するとともに、該特性からプラズマポテンシャル、イオン密度、電子密度、電子温度を算出できるものである。
【００４３】
図２は本発明に係る薄膜形成装置の他の例の概略構成を示している。
図２に示す薄膜形成装置は、平行平板型電極構造のプラズマＣＶＤ装置であり、成膜室（プラズマ生成室）１０、該室内に設置された接地電位の、ヒータ２Ｈ付き基板ホルダ２、該室内において基板ホルダ２の上方に設置された平板形の放電電極３１、放電電極３１にマッチングボックス４１を介して接続された放電用高周波電源４、成膜室内に成膜のためのガスを導入するためのガス供給装置５、成膜室内から排気するために成膜室に接続された排気装置６、成膜室内に生成されるプラズマ状態を計測するための発光分光計測装置７及びプローブ測定装置８、発光分光計測装置７及びプローブ測定装置８による検出情報に基づいて電源４による投入電力、ガス供給装置５からのガス供給及び成膜室内の成膜圧力のうち少なくとも一つを所定のプラズマ状態を得るように制御する制御部９を含んでいる。なお、これら全体はホストコンピュータ１００の指示に基づいて動作する。図中１１は信号の送受信整理を行う中間のハブ装置である。
【００４４】
この装置は、成膜室（プラズマ生成室）１０及び放電電極３１の各形態の点を除けば、他の点は図１に示す装置と同様である。
図１及び図２に示すいずれの薄膜形成装置においても、成膜室内の基板ホルダ２上に被成膜基板Ｓを設置し、必要に応じて所定温度に加熱し、排気装置６を運転して成膜室内から排気する一方、ガス供給装置５からモノシランガスを成膜室内へ導入し、放電用電極３（３１）から放電させることで該ガスをプラズマ化し、該プラズマのもとで基板Ｓに膜形成できる。このとき、制御部９が、発光分光計測装置７により求められる成膜室内プラズマ中のＳｉＨ* ラジカルの発光強度に対する水素原子ラジカル（Ｈβ）の発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）が所定の値になるように、或いはさらにプローブ測定装置８により検出されるプラズマポテンシャルが所定の値を示すように、前記放電用電源４からの投入電力の大きさ、、ガス供給装置５からのガス供給量、さらには、該ガス供給量及び（又は）前記排気装置６による排気量の調整による成膜圧力のうち少なくとも一つを制御することで、基板Ｓ上に所定の（所定の結晶性等の）シリコン薄膜を形成することができる。
【００４５】
特に、前記制御部９を、発光分光計測装置７により求められる成膜室内プラズマ中のＳｉＨ* ラジカルの発光強度に対する水素原子ラジカル（Ｈβ）の発光強度比が１以上になるように、或いはさらにプローブ測定装置８により求められるプラズマポテンシャルが６０Ｖ以下になるように、放電用電源４による投入電力の大きさ、ガス供給装置５からのガス供給量、さらには該ガス供給量及び（又は）排気装置６による排気量の調整による成膜圧力のうち少なくとも一つを制御するように設定しておくことで、基板Ｓ上に４００℃以下の基板温度で、生産性よく多結晶シリコン薄膜を形成することができる。
【００４６】
より円滑に良質の多結晶シリコン薄膜を形成するために、さらに次のようにしてもよい。
▲１▼ プラズマ中のイオン密度が５×１０10（ｃｍ-3）以下になるように、制御部９に、放電用電源４からの投入電力の大きさ、ガス供給装置５からのガス供給量、さらには、該ガス供給量及び（又は）前記排気装置６による排気量の調整による成膜圧力のうち少なくとも一つを制御させてもよい。
▲２▼ 成膜ガス圧を２０ｍＴｏｒｒ以下、より好ましくは１０ｍＴｏｒｒ以下にするように、制御部９に、ガス供給装置５からのガス供給量及び（又は）排気装置６による排気量を制御させてもよい。
【００４７】
次にシリコン薄膜の形成の実験例について説明する。
実験例１
図１に示す円筒形電極３を用いた装置の基板ホルダ２にガラス基板をセットした後、排気装置６に成膜室１内から２×１０-6Ｔｏｒｒまで真空排気させた。その後そのまま排気を続けさせる一方、ガス供給装置５からモノシランガス（ＳｉＨ4 ）を５ｓｃｃｍ導入させつつ、電源４から円筒電極３に６０ＭＨｚ、２００Ｗの高周波電力を印加させて成膜室１内に放電を起こし、導入ガスをプラズマ化し、ガラス基板上にシリコン薄膜を５００Å形成した。この間、成膜ガス圧力は２．０ｍＴｏｒｒであり、基板温度を４００℃に維持した。
【００４８】
得られたシリコン薄膜の結晶性をレーザラマン分光法により評価したところ、多結晶シリコン薄膜であることが確認された。なお、ラマン分光法は、従来のプラズマＣＶＤ法により形成されたアモルファスシリコンの構造（ラマンシフト＝４８０ｃｍ-1）に対して、結晶化シリコンの（ラマンシフト＝５１５〜５２０ｃｍ-1）ピークを検出し、結晶性を確認した。なお、ラマン分光法による結晶性の評価法は以下同様である。
【００４９】
図３にＳｉＨ4 導入量５ｃｃｍ、放電電力２００ＷのときのＳｉＨ4 プラズマの発光分光スペクトルを示す。同図にはガス分解により生じた生成物に応じた発光スペクトルが見られ、シリコン堆積に寄与するＳｉＨ* の発光が４１４ｎｍ、水素原子ラジカル（Ｈβ）の発光が４８６ｎｍに観測され、プラズマ中にＳｉＨ* や水素原子ラジカルが多数存在していることがわかる。
【００５０】
発光分光計測装置７により求められたＳｉＨ* ラジカル（４１４ｎｍ）の発光強度と水素原子ラジカル（Ｈβ）の発光強度の比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）は、１．１０（αａ：０．０１４５、αｂ：０．０１６７）であった。
なお、図４は、前記実験例１の膜形成を行うにあたり、ガス導入量や放電電力を種々変化させたときの、プラズマの状態〔発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）とイオン密度〕とシリコン結晶性との関係を示している。図４中に●で示されるように多結晶シリコン薄膜が得られるのは何れのイオン密度においても発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）が１．０以上の場合であることが判る。発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）が１．０より小さいと図４中に□で示されるようにアモルファスシリコン薄膜が形成されてしまう。また、イオン密度が増加すると、結晶化の妨げとなり、結晶化にはより高い発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）が必要となり、従って、より効果的に多結晶シリコン薄膜を得るにはイオン密度を５×１０10／ｃｍ3 以下に抑える方が望ましいことも判る。
実験例２及び実験例３
実験例２として図１に示す薄膜形成装置によりシリコン薄膜を形成し、実験例３として図２に示す薄膜形成装置によりシリコン薄膜を形成した。
【００５１】
実験例２の成膜条件
基板 ガラス基板
ＳｉＨ4 導入量 ５ｓｃｃｍ
放電電力 ６０ＭＨｚ、３００Ｗ
基板温度 ４００℃
成膜ガス圧力 放電を安定して維持できる２ｍＴｏｒｒ
成膜膜厚 ５００Å
実験例３の成膜条件
基板 ガラス基板
ＳｉＨ4 導入量 ５ｓｃｃｍ
放電電力 ６０ＭＨｚ、３００Ｗ
基板温度 ４００℃
成膜圧力 放電を安定して維持できる１５０ｍＴｏｒｒ
成膜膜厚 ５００Å
実験例２、３で得られたシリコン薄膜の結晶性をラマン分光法により評価したところ、実験例２では多結晶シリコン薄膜の形成が確認されたが、実験例３ではアモルファスシリコン薄膜が確認された。プラズマ中の発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）は、実験例２では１以上であったが、実験例３では１より小さかった。
実験例４及び実験例５
実験例４、５は高周波電力の周波数の観点からの実験例である。
【００５２】
実験例４として図１に示す薄膜形成装置によりシリコン薄膜を形成し、実験例５として図１に示す薄膜形成装置において放電用電源４を１３、５６ＭＨｚ、３００Ｗの電源に代えたものを用いてシリコン薄膜を形成した。
実験例４の成膜条件
基板 ガラス基板
ＳｉＨ4 導入量 ５ｓｃｃｍ
放電電力 ６０ＭＨｚ、３００Ｗ
基板温度 ４００℃
成膜ガス圧力 ２ｍＴｏｒｒ
成膜膜厚 ５００Å
実験例５の成膜条件
基板 ガラス基板
ＳｉＨ4 導入量 ５ｓｃｃｍ
放電電力 １３．５６ＭＨｚ、３００Ｗ
基板温度 ４００℃
成膜圧力 ２ｍＴｏｒｒ
成膜膜厚 ５００Å
実験例４、５で得られたシリコン薄膜の結晶性をラマン分光法により評価したところ、実験例４では多結晶シリコン薄膜の形成が確認されたが、実験例５ではアモルファスシリコン薄膜が確認された。プラズマ中の発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）は、実験例４では１以上であったが、実験例５では放電周波数が１３、５６ＭＨｚと低いため、１より小さかった。
実験例６及び実験例７
実験例６、７は成膜ガス圧の観点からの実験例である。
【００５３】
実験例６、７のいずれについても図１に示す薄膜形成装置によりシリコン薄膜を形成した。
実験例６の成膜条件
基板 ガラス基板
ＳｉＨ4 導入量 ５ｓｃｃｍ
放電電力 ６０ＭＨｚ、３００Ｗ
基板温度 ４００℃
成膜ガス圧力 ２ｍＴｏｒｒ
成膜膜厚 ５００Å
実験例７の成膜条件
基板 ガラス基板
ＳｉＨ4 導入量 ５ｓｃｃｍ
放電電力 ６０ＭＨｚ、３００Ｗ
基板温度 ４００℃
成膜圧力 ５０ｍＴｏｒｒ
成膜膜厚 ５００Å
実験例６、７で得られたシリコン薄膜の結晶性をラマン分光法により評価したところ、実験例６では多結晶シリコン薄膜の形成が確認されたが、実験例７ではアモルファスシリコン薄膜が確認された。プラズマ中の発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）は、実験例６では１以上であったが、実験例７では成膜圧力が５０ｍＴｏｒｒと高かったため、１より小さかった。さらに、プラズマ中のイオン密度が、実験例７の方が実験例６の場合より高かった。
実験例８
図２に示す装置を用いてシリコン薄膜を形成した。
【００５４】
成膜条件は以下のとおり。
得られたシリコン薄膜についてＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換赤外分光法）、レーザラマン分光法により水素濃度評価、結晶性評価を行った。
【００５５】
ＦＴ−ＩＲについては、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したところ、５×１０ 20 ｃｍ -3 以下を示し、従来の試料（アモルファスシリコン膜）２×１０ 22 ｃｍ -3 に対して大きく減少改善する結果を得た。
図５は実験例８で得られたシリコン薄膜及び従来のアモルファスシリコン薄膜のレーザラマン分光法によるラマンシフトとラマン散乱強度の関係を示している。
ラマン分光法による結晶性評価の結果、従来の試料（アモルファスシリコン構造 ラマンシフト＝４８０ｃｍ-1）に対して結晶化シリコンの（ラマンシフト＝５１５〜５２０ｃｍ-1）ピークを検出し、シリコン薄膜の結晶性を確認できた。結晶サイズとして１００Å〜２０００Åの結晶粒を確認した。
【００５６】
なお、上記実験例８の他、該実験例８において、放電電力、導入ガス流量、成膜ガス圧のプラズマ制御パラメータを種々変化させ、しかし、Ｈβ／ＳｉＨ* は１以上を、プラズマポテンシャルは６０Ｖ以下を維持してシリコン薄膜を形成したところ、いずれも、ＦＴ−ＩＲについては、従来例の試料（アモルファスシリコン膜）２×１０ 22 ｃｍ -3 に対して大きく減少改善する結果を得た。また、ラマン分光法により多結晶シリコン薄膜の形成が確認された。
【００５７】
次に図６を参照して本発明に係る薄膜形成装置のさらに他の例について説明する。
図６に示す薄膜形成装置は図２に示す薄膜形成装置と実質上同じ構成の平行平板型電極構造のプラズマＣＶＤ装置であり、成膜室（プラズマ生成室）１０’、該室内に設置された接地電位の、ヒータ２Ｈ付き基板ホルダ２、該室内において基板ホルダ２の上方に設置された平板形の放電電極３１、放電電極３１にマッチングボックス４１を介して接続された放電用高周波電源４、成膜室内に成膜のためのガスを導入するためのガス供給装置５、成膜室内から排気するために成膜室に接続された排気装置６、成膜室内に生成されるプラズマ状態を計測するための発光分光計測装置７及びプローブ測定装置８、発光分光計測装置７及びプローブ測定装置８による検出情報に基づいて電源４による投入電力、ガス供給装置５からのガス供給、又は成膜室内の成膜圧力（成膜ガス圧）を所定のプラズマ状態を得るように制御する制御部９’を含んでいる。また、この装置は基板シャッタＳＴを備えており、このシャッタＳＴは駆動部Ｄによる駆動によりホルダ２上に設置される基板Ｓを覆う位置と該基板Ｓを露出させる退避位置との間を往復動できる。なお、これら全体はホストコンピュータ１００の指示に基づいて動作する。図中１１は信号の送受信整理を行う中間のハブ装置である。
【００５８】
電源４は制御部９’からの指示により出力可変の電源であり、周波数６０ＭＨｚの高周波電力を供給できる。
ガス供給装置５はここではモノシラン（ＳｉＨ4 ）ガスを供給するもので、ＳｉＨ4 ガス源の他、図示を省略した弁や、制御部９’からの指示により流量調整を行って成膜室１０’へのガス供給量を調節するマスフローコントローラ５１等を含んでいる。
【００５９】
排気装置６は排気ポンプの他、制御部９’からの指示により排気量調整を行って成膜室１０’内の成膜圧力（成膜ガス圧）を調節する弁（ここではコンダクタンスバルブ）６１等を含んでいる。
シャッタ駆動部Ｄは制御部９’の指示のもとにシャッタを動かす。
発光分光計測装置７は、図１や図２に示す発光分光計測装置と同様のもので、ガス分解による生成物の発光分光スペクトルを検出し、検出したＳｉＨ* ラジカル及び水素原子ラジカル（Ｈβ）の各発光強度を記憶するメモリ、該メモリに記憶された各発光強度から発光強度比（（Ｈβ／ＳｉＨ* ）を演算して求める演算部等を有している。
【００６０】
なお、ここでもＨβ／ＳｉＨ* は、装置の感度校正を考慮して前記のように、発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）＝（Ｉｂ×αｂ）／（Ｉａ×αａ）で求められる。
プローブ測定装置８は、図１や図２に示すプローブ測定装置と同様にラングミューアプローブによりプラズマ状態を測定する装置で、プローブ測定データからプラズマポテンシャルを演算して求める演算部等を有している。
【００６１】
図６に示す薄膜形成装置では、成膜室１０’内の基板ホルダ２上に被成膜基板Ｓを設置し、当初は該基板をシャッタＳＴで覆っておく。そして必要に応じて所定温度に加熱し、排気装置６を運転して成膜室内から排気する一方、ガス供給装置５からモノシランガスを成膜室内へ導入し、放電用電極３１から放電させることで該ガスをプラズマ化する。一方、制御部９’に次の制御をさせる。
【００６２】
すなわち、制御部９’は、図７のフローチャートに示すように、発光分光計測装置７により求められる発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）を読み込むとともにプローブ測定装置８により検出されるプラズマポテンシャルＶｐを読み込む（ステップＳ１）。
制御部９’はさらに、それらが、（Ｈβ／ＳｉＨ* ）≧１、且つ、Ｖｐ≦６０Ｖの条件を満たしているか否かを判断し（ステップＳ２）、満たしているときは駆動部Ｄに指示してシャッタＳＴを動かし、基板Ｓを露出させ、成膜を開始させる（ステップＳ３）。
【００６３】
しかし、前記条件が満たされていないと、次の順序で動作する。
・先ず、（Ｈβ／ＳｉＨ* ）＜１、且つ、Ｖｐ≦６０Ｖ か否かを判断する（ステップＳ４）。
「ＹＥＳ」のときは、電源４の出力（ワット）を所定量増加させる（ステップＳ５）。
・「ＮＯ」のときは、（Ｈβ／ＳｉＨ* ）≧１、且つ、Ｖｐ＞６０Ｖ か否かを判断する（ステップＳ６）。「ＹＥＳ」のときは、排気装置６の排気量調整弁６１を操作して成膜室１０’内のガス圧を所定量増加させる（ステップＳ７）。
・「ＮＯ」のときは、（Ｈβ／ＳｉＨ* ）＜１、且つ、Ｖｐ＞６０Ｖ であり、ガス供給装置５のマスフローコントローラ５１を操作してガス供給量を所定量減少させる（ステップＳ８）。
【００６４】
ステップＳ５、Ｓ７又はＳ８で、電源出力を所定量増加、成膜室内ガス圧を所定量増加又はガス供給量を所定量減少させた後は、再びステップＳ１に戻り装置７、８から検出情報を読み込み、それらが（Ｈβ／ＳｉＨ* ）≧１、且つ、Ｖｐ≦６０Ｖの条件を満たしているか否かを判断する。必要に応じ同様のステップを繰り返す。
【００６５】
このようにして、（Ｈβ／ＳｉＨ* ）≧１、且つ、Ｖｐ≦６０Ｖの条件が満たされると、駆動部Ｄに指示してシャッタＳＴを動かし、基板Ｓを露出させ、成膜を開始させる。
かくして、基板Ｓ上に４００℃以下の基板温度で、生産性よく多結晶シリコン薄膜を形成することができる。
【００６６】
より円滑に良質の多結晶シリコン薄膜を形成するために、図６の装置においても、さらに次のようにしてもよい。
▲１▼ プラズマ中のイオン密度が５×１０10（ｃｍ-3）以下になるように、制御部９’に、放電用電源４からの投入電力の大きさ、ガス供給装置５からのガス供給量、さらには、該ガス供給量及び（又は）前記排気装置６による排気量の調整による成膜圧力のうち少なくとも一つを制御させてもよい。
▲２▼ 成膜ガス圧を２０ｍＴｏｒｒ以下、より好ましくは１０ｍＴｏｒｒ以下にするように、制御部９に、ガス供給装置５からのガス供給量及び（又は）排気装置６による排気量を制御させてもよい。
【００６７】
図６に示す薄膜形成装置を用いて、例えば前記実験例８の場合と同じ基板に、実験例８と略同じ条件を設定して良好な多結晶シリコン薄膜を形成することができた。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によると、比較的低温下で安価に、生産性よく多結晶シリコン薄膜を形成できる多結晶シリコン薄膜形成方法を提供することができる。
また、本発明によると、比較的低温下で安価に、生産性よく多結晶シリコン薄膜を形成できる薄膜形成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る薄膜形成装置の１例の概略構成を示す図である。
【図２】本発明に係る薄膜形成装置の他の例の概略構成を示す図である。
【図３】図１に示す装置による実験例１のＳｉＨ4 導入量１０ｃｃｍ、放電電力２００ＷのときのＳｉＨ4 プラズマの発光分光スペクトルを示す図である。
【図４】実験例１の膜形成を行うにあたり、ガス導入量や放電電力を種々変化させたときの、プラズマの状態〔発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）とイオン密度〕とシリコン結晶性との関係を示す図である。
【図５】実験例８で得られたシリコン薄膜及び従来のアモルファスシリコン薄膜のレーザラマン分光法によるラマンシフトとラマン散乱強度との関係を示す図である。
【図６】本発明に係る薄膜形成装置のさらに他の例の概略構成を示す図である。
【図７】図６に示す薄膜形成装置における制御部の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１、１０、１０’ 成膜室（プラズマ生成室）
２ 基板ホルダ
２Ｈ ヒータ
３ 円筒形放電電極
３１ 平板形放電電極
４ 放電用電源
４１ マッチングボックス
５ ガス供給装置
５１ マスフローコントローラ
６ 排気装置
６１ 排気量調整弁
７ 発光分光計測装置
８ プローブ測定装置
９、９’ 制御部
１００ ホストコンピュータ
１１ ハブ装置
ＳＴ シャッタ
Ｄ シャッタ駆動部
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマＣＶＤ法による多結晶シリコン薄膜の形成方法及び多結晶シリコン薄膜の形成に用いることができる薄膜形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液晶表示装置における画素に設けられるＴＦＴ（薄膜トランジスタ）スイッチの材料として、或いは各種集積回路、太陽電池等の作製にシリコン薄膜が採用されている。
シリコン薄膜は、多くの場合、シラン系反応ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により形成され、その場合、該薄膜のほとんどはアモルファスシリコン薄膜である。
【０００３】
アモルファスシリコン薄膜は、被成膜基板の温度を比較的低くして形成することができ、平行平板型の電極を用いた高周波放電（周波数 １３．５６ＭＨｚ）による材料ガスのプラズマのもとに容易に大面積に形成できる。このことから、これまで液晶表示装置の画素用スイッチングデバイス、太陽電池等に広く利用されている。
【０００４】
しかし、シリコン膜利用の太陽電池における発電効率のさらなる向上、シリコン膜利用の半導体デバイスにおける応答速度等の特性のさらなる向上はかかるアモルファスシリコン膜に求めることはできない。そのため結晶性シリコン薄膜（例えば多結晶シリコン薄膜）の利用が検討されている。
多結晶シリコン薄膜のような結晶性シリコン薄膜の形成方法としては、被成膜基板の温度を６００℃〜７００℃以上の温度に維持して低圧プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ等のＣＶＤ法や、真空蒸着法、スパッタ蒸着法等のＰＶＤ法により膜形成する方法、各種ＣＶＤ法やＰＶＤ法により比較的低温下でアモルファスシリコン薄膜を形成した後、後処理として、８００℃程度以上の熱処理若しくは６００℃程度で長時間にわたる熱処理を施す方法が知られている。
【０００５】
また、アモルファスシリコン膜にレーザアニール処理を施して該膜を結晶化させる方法も知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらのうち基板を高温に曝す方法では、基板として高温に耐え得る高価な基板を採用しなけれならず、例えば安価な低融点ガラス基板（耐熱温度５００℃以下）への結晶性シリコン薄膜の形成は困難であり、そのため、多結晶シリコン薄膜のような結晶性シリコン薄膜の製造コストが高くなるという問題がある。
【０００７】
また、レーザアニール法によるときには、低温下で結晶性シリコン薄膜を得ることができるものの、レーザ照射工程を必要とすることや、非常に高いエネルギー密度のレーザ光を照射しなければならないこと等から、この場合も結晶性シリコン薄膜の製造コストが高くなってしまう。
そこで本発明は、比較的低温下で安価に、生産性よく多結晶シリコン薄膜を形成できる多結晶シリコン薄膜形成方法を提供することを課題とする。
【０００８】
また、本発明は、比較的低温下で安価に、生産性よく多結晶シリコン薄膜を形成できる薄膜形成装置を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため本発明者は研究を重ね次の知見を得た。
すなわち、成膜室内に導入したシリコン原子を有する材料ガス〔例えば四フッ化シリコン（ＳｉＦ4 ）、四塩化シリコン（ＳｉＣｌ4 ）等のガス〕と水素ガスとの混合ガスや、シラン系反応ガス〔例えばモノシラン（ＳｉＨ4 ）、ジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）、トリシラン（Ｓｉ3 Ｈ8 ）等のガス〕はプラズマ形成により分解され、多数の分解生成物（各種ラジカルやイオン）が形成される。その中でシリコン薄膜の形成に寄与するラジカルとしてはＳｉＨ3 * 、ＳｉＨ2 * 、ＳｉＨ* 等が挙げられる。シリコン薄膜の成長過程において形成される膜の構造を決定するのは、基板上における表面反応であり、基板表面に存在するシリコンの未結合手とこれらラジカルとが反応して膜堆積が起こると考えられる。また、シリコン薄膜の結晶化には未結合手を持つシリコン原子やＳｉ原子と結合した水素原子が膜中へ取り込まれることをできるだけ抑制することが必要であり、そのためには基板表面さらにはそこに形成されていく膜表面における水素原子の被覆率増加が重要と考えられる。基板表面さらにはそこに形成されていく膜の表面を被覆する水素原子が、未結合手を持つＳｉ原子と結合した水素原子等の膜中への取り込みを低減する詳細な機構については不明であるが、Ｓｉ原子の未結合手と水素が十分結合することでこれらが気化していくためではないかと考えられる。いずれにしても基板表面における水素原子の被覆率増加により未結合手を持つＳｉ原子やシリコン原子と結合した水素原子の膜中への取り込みが低減する。基板表面における水素原子の被覆率増加のためには常にプラズマ中から基板へ水素原子ラジカルが飛来しなければならない。そのためには、プラズマ中の水素原子ラジカルの密度を高めることが重要である。本発明者の研究によれば、プラズマ中の水素原子ラジカルの密度を高める程度として、プラズマ中のＳｉＨ* ラジカルの発光強度に対する水素原子ラジカル（Ｈβ）の発光強度比が１以上〔すなわち、（水素原子ラジカル（Ｈβ）の発光強度）／（ＳｉＨ* ラジカルの発光強度）が１以上〕になるように水素原子ラジカルの密度を高めれば、良質の多結晶シリコン薄膜を形成できる。
【００１０】
本発明はこのような知見に基づくもので、次の（１）多結晶シリコン薄膜形成方法及び（２）薄膜形成装置を提供する。
（１）多結晶シリコン薄膜形成方法。
シリコン原子を有する材料ガスと水素ガスとの混合ガスから、又はシラン系反応ガスからプラズマを形成し、該プラズマ中のＳｉＨ* ラジカルの発光強度に対する水素原子ラジカル（Ｈβ）の発光強度比が１以上になるように該プラズマ状態を制御し、該プラズマのもとで基板に多結晶シリコン薄膜を形成する多結晶シリコン薄膜形成方法。
【００１１】
本発明に係る多結晶シリコン薄膜形成方法によると、良質の多結晶シリコン薄膜が、従来の後熱処理やレーザアニール処理の必要なくして生産性よく得られる。
また、本発明に係る多結晶シリコン薄膜形成方法によると、多結晶シリコン薄膜を、４００℃以下の低温で基板上に形成することができ、従って、基板として耐熱性の低い安価な基板、例えば安価な低融点ガラス基板（耐熱温度５００℃以下）を採用でき、それだけ安価に多結晶シリコン薄膜を形成でき、ひいてはそれだけ安価にシリコン薄膜利用の液晶表示装置、太陽電池、各種半導体デバイス等を提供することができる。
【００１２】
前記シリコン原子を有する材料ガスとしては、四フッ化シリコン（ＳｉＦ4 ）、四塩化シリコン（ＳｉＣｌ4 ）等のガスを例示できる。また、シラン系反応ガスとしては、モノシラン（ＳｉＨ4 ）、ジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）、トリシラン（Ｓｉ3 Ｈ8 ）等のガスを例示できる。
プラズマ中のＳｉＨ* ラジカルの発光強度に対する水素原子ラジカル（Ｈβ）の発光強度比〔すなわち、（水素原子ラジカル（Ｈβ）の発光強度）／（ＳｉＨ* ラジカルの発光強度）〕（以下、「Ｈβ／ＳｉＨ* 」という。）が１以上になるように該プラズマ状態を制御するにあたっては、ガスの解離状態を発光分光法により計測し、シリコン薄膜の形成に寄与するラジカルの一つであるＳｉＨ* （４１４ｎｍの出現）の発光強度に対する水素原子ラジカルＨβ（４８６ｎｍの出現）の発光強度比が１以上になるようプラズマ状態を制御する。
【００１３】
Ｈβ／ＳｉＨ* の上限については、多結晶シリコン薄膜の形成に支障のない範囲で大きい値を採用でき、特に制限はないが、後ほど説明する好ましくないイオンの増加を招かない等のために、それには限定されないが、普通には、２０以下程度がよい。
プラズマ状態の制御は、具体的には、プラズマ生成のための投入電力の大きさ、成膜室へ導入するガスの流量、成膜室内の成膜ガス圧等のうち１又は２以上の制御により行える。
【００１４】
例えば、投入電力（ワット数）を大きくするとガス分解しやすくなる。しかし投入電力をあまり大きくすると、イオンが無視し難く増える。成膜ガス圧を低くすると、イオンが減少する。しかし水素原子ラジカルも減る。例えばシリコン原子を有する材料ガスと水素ガスの混合ガスを採用する場合において、水素ガス導入量を増やすと、イオン増加を抑制しつつ水素原子ラジカルを増やすことができる。これらを勘案して、投入電力の大きさ、成膜室へ導入するガスの流量、成膜室内の成膜ガス圧等のうち１又は２以上を適宜制御することで所望のプラズマ状態を得るようにプラズマを制御すればよい。
【００１５】
本発明方法により多結晶シリコン薄膜を形成するとき、基板表面さらには形成されていく膜表面へはラジカルとともにプラズマ中のイオンも飛来する。しかしイオン入射が多いと、形成される膜がダメージを受けるとともにシリコン結晶化の妨げとなる。プラズマ中のイオンの基板表面への入射エネルギーは、プラズマポテンシャル（プラズマ電位）に影響され、プラズマ電位と基板表面電位との差分で与えられる。本発明者の研究によると、プラズマポテンシャルは６０Ｖ以下に設定すれば、基板へのイオン入射を相当抑制できる。また、プラズマ中に生成されるイオンの密度を減らすようにプラズマを制御してもイオン入射数を減らすことができる。
【００１６】
そこで、本発明に係る多結晶シリコン薄膜形成方法では、プラズマの制御にあたり、プラズマポテンシャルを６０Ｖ以下に制御してもよい。また、これに代えて、或いはこれとともに、プラズマ状態の制御にあたり、プラズマ中のイオン密度が５×１０10（ｃｍ-3）以下になるようにプラズマ状態を制御してもよい。
プラズマポテンシャルの下限については、多結晶シリコン薄膜を形成できるのであれば特に制限はないが、例えばプラズマが安定して持続できる状態を得る等の観点から、それには限定されないが、例えば１０Ｖ程度以上にすることができる。
【００１７】
また、プラズマ中に生成されるイオンの密度は、多結晶シリコン薄膜の形成に支障のない範囲で低いほどよいが、例えばプラズマの安定持続等の観点から、それには限定されないが、例えば１×１０8 （ｃｍ-3）程度以上にすることができる。
本発明方法においてプラズマの生成は、代表的には放電のもとに形成することができ、その場合、従来から用いられている平行平板型の電極構造によるプラズマ生成よりも、放電用電極として円筒形電極を用いるプラズマ生成による方が、効率よくガス分解を進めることができ、発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）が１以上となるプラズマを生成し易い。何故なら、発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）を１以上とするためにプラズマ中の原子状水素ラジカルの密度を高めるには、導入したガスを効率よく分解する必要があり、ガスの分解はプラズマ中の高速電子とガス分子との衝突によって起こる。そしてプラズマ中の電子は印加電圧の変動に応じて電極間を移動（運動）し、その間にガス分子と衝突する。従って、従来用いられている平行平板型の電極構造では電極間距離が短いため、電極間における移動中に電子がガス分子に衝突する回数が少なくガス分解が進みにくい。この点、円筒形放電電極では、対向電極として、例えば成膜室内壁やそれと同電位の基板ホルダ等を採用することで電極間距離を長くして電子の移動中に電子とガス分子とが衝突する回数を多くして効率よくガスを分解できる。なお、円筒形放電電極を採用する場合、普通には、該円筒形放電電極の円筒形中心軸線が基板面に垂直又は略垂直になるように設置すればよい。
【００１８】
また、本発明方法においてプラズマの生成は、代表的には放電のもとに形成することができ、その場合、プラズマ発生のための放電に用いる放電用電源は、従来一般に用いられてきた１３．５６ＭＨｚの高周波電源でもよいが、周波数を増加させると、単位時間当たりの電子の電極間移動回数が増え、より効率よくガス分解が起こるので、例えば６０ＭＨｚ以上の高周波電源を用いることにより発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）を容易に大きくできる。
【００１９】
そこで、本発明に係る多結晶シリコン薄膜形成方法では、前記プラズマを放電のもとに形成するようにし、該放電に用いる放電電極として円筒形電極を用いてもよい。また、これとともに、或いはこれに代えて、放電に用いる放電用電源として、周波数６０ＭＨｚ以上の高周波電源を用いてもよい。
周波数６０ＭＨｚ以上の高周波電源を用いる場合、周波数の上限については、多結晶シリコン薄膜を形成できるのであれば特に制限はないが、あまり周波数が高くなるとプラズマ発生領域が制限されてくる傾向にあるから、例えばマイクロ波オーダの周波数（代表的には２．４５ＧＨｚ）程度までとすることができる。
【００２０】
また、ガス分解により生じた水素原子ラジカルは寿命は短く、その一部は基板上へ到達するが、大半は近隣の水素原子ラジカルやＳｉＨ3 * ，ＳｉＨ2 * ，ＳｉＨ* 等のラジカルと再結合してしまう。したがって、できるだけ基板へ到達する間に他のラジカルと出会わないように、成膜時のガス圧は低い方が望ましく、従来のプラズマＣＶＤ法における一般的な成膜圧力である数百ｍＴｏｒｒ〜数Ｔｏｒｒよりも２０ｍＴｏｒｒ以下、より好ましくは１０ｍＴｏｒｒ以下の成膜圧力の方が、生成された水素原子ラジカルが効率よく基板上へ到達できる。
【００２１】
従って、本発明に係る多結晶シリコン薄膜形成方法では、成膜ガス圧を２０ｍＴｏｒｒ以下、或いは１０ｍＴｏｒｒ以下に維持してもよい。成膜ガス圧の下限については、多結晶シリコン薄膜が形成できるのであれば、特に制限はないが、円滑にプラズマを生成させる等のために０．１ｍＴｏｒｒ程度以上がよい。
成膜時の基板温度は４００℃以下に維持できる。成膜時の基板温度の下限については、多結晶シリコン薄膜が形成できるのであれば、特に制限はないが、普通には、室温や膜形成装置周辺温度程度以上となる。
【００２２】
ここで少し元に戻り、前記基板への多結晶シリコン薄膜形成にあたり、該基板を成膜室内に設置し、該成膜室内を排気減圧して成膜ガス圧に設定するとともに前記プラズマを該成膜室内へ導入した前記シリコン原子を有する材料ガスと水素ガスとの混合ガス又はシラン系反応ガスである成膜原料ガスに高周波電力を印加して形成する場合についてみる。このような多結晶シリコン薄膜成形では、例えば、前記発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）が１以上、且つ、プラズマポテンシャルＶｐが６０Ｖ以下とするには、次のようにすればよい。
【００２３】
すなわち、前記発光強度比が１より小さく、プラズマポテンシャルが６０Ｖ以下であるときは、前記高周波電力を増加させ、前記発光強度比が１以上でプラズマポテンシャルが６０Ｖより大きいときは、前記成膜室内からの排気量を調整して前記成膜ガス圧を増加させ、前記発光強度比が１より小さく、プラズマポテンシャルが６０Ｖより大きいときは、前記成膜室内への前記原料ガス導入量を減少させることで発光強度比１以上、プラズマポテンシャル６０Ｖ以下の条件を設定すればよい。これらの操作は必要に応じ複数を順次実行してもよい。
【００２４】
前記発光強度比が１より小さく、プラズマポテンシャルが６０Ｖ以下であるときに前記高周波電力を増加させると、プラズマの解離度が増加し、発光強度比が上昇するので、プラズマポテンシャルが６０Ｖ以下のままで、発光強度比が１以上へ向け変化する。
また前記発光強度比が１以上でプラズマポテンシャルが６０Ｖより大きいときに前記成膜室内からの排気量を調整して前記成膜ガス圧を増加させると、平均自由行程の減少による各イオンの電界からのエネルギー授与が減少するため、発光強度比１以上のままで、プラズマポテンシャルが６０Ｖ以下へ向け変化する。
【００２５】
発光強度比が１より小さく、プラズマポテンシャルが６０Ｖより大きいときは、前記成膜室内への前記原料ガス導入量を減少させると、ガス供給過多によるガス分子へのエネルギー供給不足が改善され、発光強度比は１以上へ向け変化する。その後、未だプラズマポテンシャルが６０Ｖより大きいときは成膜ガス圧を増加させるとよい。
【００２６】
また、前記プラズマ状態の制御にあたり、プラズマ中のイオン密度が５×１０10（ｃｍ-3）以下になるようにプラズマ状態を制御して多結晶シリコン薄膜を形成してもよい。
前記成膜原料ガスへの前記高周波電力印加にあたり、高周波電源に接続された円筒形放電電極を採用してもよい。
【００２７】
前記成膜原料ガスへの前記高周波電力印加にあたり、該高周波電力として周波数６０ＭＨｚ以上の高周波電力を用いてもよい。
成膜ガス圧を２０ｍＴｏｒｒ以下に維持してもよい。
成膜時の基板温度を４００℃以下に維持することもできる。
（２）薄膜形成装置
被成膜基板を設置できる成膜室、該成膜室内に設置され、放電用電源に接続されたプラズマ形成のための放電用電極、該成膜室内へ成膜のためのガスを供給するガス供給装置、該成膜室から排気する排気装置を備えたプラズマＣＶＤによる薄膜形成装置であって、プラズマ状態の計測を行うための発光分光計測装置及びプローブ測定装置、並びに該発光分光計測装置及びプローブ測定装置による検出情報に基づいてプラズマ状態を所定の状態に維持するように前記放電用電源からの電力供給（代表的には投入電力の大きさ）、ガス供給装置からのガス供給（代表的には供給ガス流量）及び前記排気装置による排気のうちすくなくとも一つを制御する制御部を備えている薄膜形成装置。
【００２８】
この薄膜形成装置によると、成膜室内の所定位置に被成膜基板を設置し、排気装置を運転して成膜室内から排気する一方、ガス供給装置から成膜のためのガスを成膜室内へ導入し、放電用電極から放電させることで該ガスをプラズマ化し、該プラズマのもとで基板に膜形成できる。このとき、発光分光計測装置及びプローブ測定装置による検出情報に基づいて制御部がプラズマ状態を所定の状態に維持するように前記放電用電源からの電力供給、ガス供給装置からのガス供給及び前記排気装置による排気のうちすくなくとも一つを制御することで（なお、ガス供給装置からのガス供給や、排気装置による排気の制御は、成膜ガス圧の制御にもつながる）、所望の薄膜を形成できる。
【００２９】
例えば、前記ガス供給装置をシリコン原子を有する材料ガス〔例えば四フッ化シリコン（ＳｉＦ4 ）、四塩化シリコン（ＳｉＣｌ4 ）等のガス〕と水素ガスとの混合ガスや、シラン系反応ガス〔例えばモノシラン（ＳｉＨ4 ）、ジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）、トリシラン（Ｓｉ3 Ｈ8 ）等のガス〕を供給できるものとし、前記制御部を、前記発光分光計測装置により求められる成膜室内プラズマ中のＳｉＨ* ラジカルの発光強度に対する水素原子ラジカル（Ｈβ）の発光強度比が所定の値になるように、或いはさらにプローブ測定装置により検出されるプラズマポテンシャルが所定の値を示すように、前記放電用電源からの電力供給、ガス供給装置からのガス供給及び前記排気装置による排気のうち少なくとも一つを制御できるものとして、前記基板上に所定の（所定の結晶性等の）シリコン薄膜を形成することができる。
【００３０】
さらに例示すれば、本発明に係る薄膜形成装置は、前記ガス供給装置をシリコン原子を有する材料ガスと水素ガス、又はシラン系反応ガスを供給できるものとし、前記制御部を、前記発光分光計測装置により求められる成膜室内プラズマ中のＳｉＨ* ラジカルの発光強度に対する水素原子ラジカル（Ｈβ）の発光強度比が１以上になるように前記放電用電源からの電力供給、ガス供給装置からのガス供給及び前記排気装置による排気のうち少なくとも一つを制御できるものとして、前記基板上への多結晶シリコン薄膜形成のための薄膜形成装置とできる。
【００３１】
或いは、前記ガス供給装置をシリコン原子を有する材料ガスと水素ガス、又はシラン系反応ガスを供給できるものとし、前記制御部を、前記発光分光計測装置により求められる成膜室内プラズマ中のＳｉＨ* ラジカルの発光強度に対する水素原子ラジカル（Ｈβ）の発光強度比が１以上になるように、且つ、前記プローブ測定装置により求められるプラズマポテンシャルが６０Ｖ以下になるように前記放電用電源からの電力供給、ガス供給装置からのガス供給及び前記排気装置による排気のうち少なくとも一つを制御できるものとして、前記基板上への多結晶シリコン薄膜形成のための薄膜形成装置とできる。この装置の場合、プラズマポテンシャルの下限については、多結晶シリコン薄膜を形成できるのであれば特に制限はないが、例えばプラズマの安定持続等の観点から、それには限定されないが、例えば１０Ｖ程度以上にすることができる。
【００３２】
また後者のように、発光強度比が１以上になるように、且つ、プラズマポテンシャルが６０Ｖ以下になるように制御するときには、前記放電用電源を高周波電源とし、前記制御部は、前記被成膜基板への多結晶シリコン薄膜形成にあたり前記発光強度比１以上、プラズマポテンシャル６０Ｖ以下の条件を設定するように、前記発光強度比が１より小さく、プラズマポテンシャルが６０Ｖ以下であるときは、前記高周波電源から供給される電力を増加させ、前記発光強度比が１以上でプラズマポテンシャルが６０Ｖより大きいときは、前記排気装置による成膜室からの排気量を調整して成膜室内の成膜ガス圧を増加させ、前記発光強度比が１より小さく、プラズマポテンシャルが６０Ｖより大きいときは、前記ガス供給装置から成膜室内へのガス供給量を減少させるものとしてもよい。
【００３３】
かかるいずれの多結晶シリコン薄膜形成のための薄膜形成装置の場合でも、前記方法で述べたように、Ｈβ／ＳｉＨ* の上限については、多結晶シリコン薄膜の形成に支障のない範囲で大きい値を採用でき、特に制限はないが、後ほど説明する好ましくないイオンの増加を招かない等のために、それには限定されないが、普通には、２０以下程度がよい。
【００３４】
かかる多結晶シリコン薄膜形成のための薄膜形成装置によると、良質の多結晶シリコン薄膜が、従来の後熱処理やレーザアニール処理の必要なくして生産性よく得られる。
また、多結晶シリコン薄膜を、４００℃以下の低温で基板上に形成することができ、従って、基板として耐熱性の低い安価な基板、例えば安価な低融点ガラス基板（耐熱温度５００℃以下）を採用でき、それだけ安価に多結晶シリコン薄膜を形成でき、ひいてはそれだけ安価にシリコン薄膜利用の液晶表示装置、太陽電池、各種半導体デバイス等を提供することができる。
【００３５】
本発明に係る薄膜形成装置をかかる多結晶シリコン薄膜形成のための薄膜形成装置とする場合、既述の本発明に係る多結晶シリコン薄膜形成方法で述べたと同様の理由から、次の薄膜形成装置としてもよい。また、以下の▲１▼〜▲４▼に述べる特徴を支障のない範囲で適宜組み合わせ採用した薄膜形成装置とすることもできる。
▲１▼前記制御部が、さらに、前記プローブ測定装置により求められるプラズマ中のイオン密度が５×１０10（ｃｍ-3）以下になるようにも前記放電用電源からの電力供給、ガス供給装置からのガス供給及び前記排気装置による排気のうち少なくとも一つを制御する多結晶シリコン薄膜形成のための薄膜形成装置。
【００３６】
プラズマ中に生成されるイオンの密度は、多結晶シリコン薄膜の形成に支障のない範囲で低いほどよいが、例えばプラズマの安定持続等の観点から、それには限定されないが、例えば１×１０8 （ｃｍ-3）程度以上とすることができる。
▲２▼前記放電用電極が円筒形電極である多結晶シリコン薄膜形成のための薄膜形成装置。
▲３▼前記放電用電源が周波数６０ＭＨｚ以上の電力を供給する電源である多結晶シリコン薄膜形成のための薄膜形成装置。
【００３７】
該放電用電源の周波数の上限については、多結晶シリコン薄膜を形成できるのであれば特に制限はないが、あまり周波数が高くなるとプラズマ発生領域が制限されてくる傾向にあるから、例えばマイクロ波オーダの周波数（代表的には２．４５ＧＨｚ）程度までとすることができる。
▲４▼前記制御部が、成膜ガス圧を２０ｍＴｏｒｒ以下、或いは１０ｍＴｏｒｒ以下に維持するように、前記ガス供給装置からのガス供給及び前記排気装置による排気のうち少なくとも一方を制御する多結晶シリコン薄膜形成のための薄膜形成装置。
【００３８】
成膜ガス圧の下限については、多結晶シリコン薄膜が形成できるのであれば、特に制限はないが、円滑にプラズマを生成させる等のために０．１ｍＴｏｒｒ程度以上がよい。
【００３９】
【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は本発明に係る薄膜形成装置の１例の概略構成を示している。
図１に示す薄膜形成装置は、成膜室（プラズマ生成室）１、該室内に設置された基板ホルダ２、該室内において基板ホルダ２の上方に設置された円筒形放電電極３、放電電極３にマッチングボックス４１を介して接続された放電用高周波電源４、成膜室内に成膜のためのガスを導入するためのガス供給装置５、成膜室内から排気するために成膜室に接続された排気装置６、成膜室内に生成されるプラズマ状態を計測するための発光分光計測装置７及びプローブ測定装置８、発光分光計測装置７及びプローブ測定装置８による検出情報に基づいて電源４による投入電力、ガス供給装置からのガス供給及び成膜室内の成膜圧力のうち少なくとも一つを所定のプラズマ状態を得るように制御する制御部９を含んでいる。なお、これら全体はホストコンピュータ１００の指示に基づいて動作する。なお、図中１１は信号の送受信整理を行う中間のハブ装置である。
【００４０】
基板ホルダ２は基板加熱用ヒータ２Ｈを備えている。
円筒形放電電極３は、その円筒中心軸線が基板ホルダ２に設置される被成膜基板Ｓの中心部に該基板に略垂直に交わるように設置されている。
電源４は制御部９からの指示により出力可変の電源であり、周波数６０ＭＨｚの高周波電力を供給できる。
【００４１】
成膜室１及び基板ホルダ２はともに接地されている。
ガス供給装置５はここではモノシラン（ＳｉＨ4 ）ガスを供給できるもので、ＳｉＨ4 ガス源の他、図示を省略した弁、制御部９からの指示により流量調整を行うマスフローコントローラ等を含んでいる。
排気装置６は排気ポンプの他、制御部９からの指示により排気流量調整を行う弁（ここではコンダクタンスバルブ）等を含んでいる。
【００４２】
発光分光計測装置７は、ガス分解による生成物の発光分光スペクトルを検出し、ＳｉＨ* ラジカルの発光強度に対する水素原子ラジカル（Ｈβ）の発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）を求めることができるものである。
Ｈβ／ＳｉＨ* は、装置の感度校正を考慮して次の式より求められる。
発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）＝（Ｉｂ×αｂ）／（Ｉａ×αａ）
Iａ：SiH * (414nm) の発光強度、αａ: 装置における414nm の補正係数
Iｂ：Ｈβ(486nm) の発光強度、αｂ: 装置における486nm の補正係数
プローブ測定装置８は、ラングミューアプローブによりプラズマ状態を測定する装置で、プラズマにおける電圧電流特性を検出するとともに、該特性からプラズマポテンシャル、イオン密度、電子密度、電子温度を算出できるものである。
【００４３】
図２は本発明に係る薄膜形成装置の他の例の概略構成を示している。
図２に示す薄膜形成装置は、平行平板型電極構造のプラズマＣＶＤ装置であり、成膜室（プラズマ生成室）１０、該室内に設置された接地電位の、ヒータ２Ｈ付き基板ホルダ２、該室内において基板ホルダ２の上方に設置された平板形の放電電極３１、放電電極３１にマッチングボックス４１を介して接続された放電用高周波電源４、成膜室内に成膜のためのガスを導入するためのガス供給装置５、成膜室内から排気するために成膜室に接続された排気装置６、成膜室内に生成されるプラズマ状態を計測するための発光分光計測装置７及びプローブ測定装置８、発光分光計測装置７及びプローブ測定装置８による検出情報に基づいて電源４による投入電力、ガス供給装置５からのガス供給及び成膜室内の成膜圧力のうち少なくとも一つを所定のプラズマ状態を得るように制御する制御部９を含んでいる。なお、これら全体はホストコンピュータ１００の指示に基づいて動作する。図中１１は信号の送受信整理を行う中間のハブ装置である。
【００４４】
この装置は、成膜室（プラズマ生成室）１０及び放電電極３１の各形態の点を除けば、他の点は図１に示す装置と同様である。
図１及び図２に示すいずれの薄膜形成装置においても、成膜室内の基板ホルダ２上に被成膜基板Ｓを設置し、必要に応じて所定温度に加熱し、排気装置６を運転して成膜室内から排気する一方、ガス供給装置５からモノシランガスを成膜室内へ導入し、放電用電極３（３１）から放電させることで該ガスをプラズマ化し、該プラズマのもとで基板Ｓに膜形成できる。このとき、制御部９が、発光分光計測装置７により求められる成膜室内プラズマ中のＳｉＨ* ラジカルの発光強度に対する水素原子ラジカル（Ｈβ）の発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）が所定の値になるように、或いはさらにプローブ測定装置８により検出されるプラズマポテンシャルが所定の値を示すように、前記放電用電源４からの投入電力の大きさ、、ガス供給装置５からのガス供給量、さらには、該ガス供給量及び（又は）前記排気装置６による排気量の調整による成膜圧力のうち少なくとも一つを制御することで、基板Ｓ上に所定の（所定の結晶性等の）シリコン薄膜を形成することができる。
【００４５】
特に、前記制御部９を、発光分光計測装置７により求められる成膜室内プラズマ中のＳｉＨ* ラジカルの発光強度に対する水素原子ラジカル（Ｈβ）の発光強度比が１以上になるように、或いはさらにプローブ測定装置８により求められるプラズマポテンシャルが６０Ｖ以下になるように、放電用電源４による投入電力の大きさ、ガス供給装置５からのガス供給量、さらには該ガス供給量及び（又は）排気装置６による排気量の調整による成膜圧力のうち少なくとも一つを制御するように設定しておくことで、基板Ｓ上に４００℃以下の基板温度で、生産性よく多結晶シリコン薄膜を形成することができる。
【００４６】
より円滑に良質の多結晶シリコン薄膜を形成するために、さらに次のようにしてもよい。
▲１▼ プラズマ中のイオン密度が５×１０10（ｃｍ-3）以下になるように、制御部９に、放電用電源４からの投入電力の大きさ、ガス供給装置５からのガス供給量、さらには、該ガス供給量及び（又は）前記排気装置６による排気量の調整による成膜圧力のうち少なくとも一つを制御させてもよい。
▲２▼ 成膜ガス圧を２０ｍＴｏｒｒ以下、より好ましくは１０ｍＴｏｒｒ以下にするように、制御部９に、ガス供給装置５からのガス供給量及び（又は）排気装置６による排気量を制御させてもよい。
【００４７】
次にシリコン薄膜の形成の実験例について説明する。
実験例１
図１に示す円筒形電極３を用いた装置の基板ホルダ２にガラス基板をセットした後、排気装置６に成膜室１内から２×１０-6Ｔｏｒｒまで真空排気させた。その後そのまま排気を続けさせる一方、ガス供給装置５からモノシランガス（ＳｉＨ4 ）を５ｓｃｃｍ導入させつつ、電源４から円筒電極３に６０ＭＨｚ、２００Ｗの高周波電力を印加させて成膜室１内に放電を起こし、導入ガスをプラズマ化し、ガラス基板上にシリコン薄膜を５００Å形成した。この間、成膜ガス圧力は２．０ｍＴｏｒｒであり、基板温度を４００℃に維持した。
【００４８】
得られたシリコン薄膜の結晶性をレーザラマン分光法により評価したところ、多結晶シリコン薄膜であることが確認された。なお、ラマン分光法は、従来のプラズマＣＶＤ法により形成されたアモルファスシリコンの構造（ラマンシフト＝４８０ｃｍ-1）に対して、結晶化シリコンの（ラマンシフト＝５１５〜５２０ｃｍ-1）ピークを検出し、結晶性を確認した。なお、ラマン分光法による結晶性の評価法は以下同様である。
【００４９】
図３にＳｉＨ4 導入量５ｃｃｍ、放電電力２００ＷのときのＳｉＨ4 プラズマの発光分光スペクトルを示す。同図にはガス分解により生じた生成物に応じた発光スペクトルが見られ、シリコン堆積に寄与するＳｉＨ* の発光が４１４ｎｍ、水素原子ラジカル（Ｈβ）の発光が４８６ｎｍに観測され、プラズマ中にＳｉＨ* や水素原子ラジカルが多数存在していることがわかる。
【００５０】
発光分光計測装置７により求められたＳｉＨ* ラジカル（４１４ｎｍ）の発光強度と水素原子ラジカル（Ｈβ）の発光強度の比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）は、１．１０（αａ：０．０１４５、αｂ：０．０１６７）であった。
なお、図４は、前記実験例１の膜形成を行うにあたり、ガス導入量や放電電力を種々変化させたときの、プラズマの状態〔発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）とイオン密度〕とシリコン結晶性との関係を示している。図４中に●で示されるように多結晶シリコン薄膜が得られるのは何れのイオン密度においても発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）が１．０以上の場合であることが判る。発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）が１．０より小さいと図４中に□で示されるようにアモルファスシリコン薄膜が形成されてしまう。また、イオン密度が増加すると、結晶化の妨げとなり、結晶化にはより高い発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）が必要となり、従って、より効果的に多結晶シリコン薄膜を得るにはイオン密度を５×１０10／ｃｍ3 以下に抑える方が望ましいことも判る。
実験例２及び実験例３
実験例２として図１に示す薄膜形成装置によりシリコン薄膜を形成し、実験例３として図２に示す薄膜形成装置によりシリコン薄膜を形成した。
【００５１】
実験例２の成膜条件
基板 ガラス基板
ＳｉＨ4 導入量 ５ｓｃｃｍ
放電電力 ６０ＭＨｚ、３００Ｗ
基板温度 ４００℃
成膜ガス圧力 放電を安定して維持できる２ｍＴｏｒｒ
成膜膜厚 ５００Å
実験例３の成膜条件
基板 ガラス基板
ＳｉＨ4 導入量 ５ｓｃｃｍ
放電電力 ６０ＭＨｚ、３００Ｗ
基板温度 ４００℃
成膜圧力 放電を安定して維持できる１５０ｍＴｏｒｒ
成膜膜厚 ５００Å
実験例２、３で得られたシリコン薄膜の結晶性をラマン分光法により評価したところ、実験例２では多結晶シリコン薄膜の形成が確認されたが、実験例３ではアモルファスシリコン薄膜が確認された。プラズマ中の発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）は、実験例２では１以上であったが、実験例３では１より小さかった。
実験例４及び実験例５
実験例４、５は高周波電力の周波数の観点からの実験例である。
【００５２】
実験例４として図１に示す薄膜形成装置によりシリコン薄膜を形成し、実験例５として図１に示す薄膜形成装置において放電用電源４を１３、５６ＭＨｚ、３００Ｗの電源に代えたものを用いてシリコン薄膜を形成した。
実験例４の成膜条件
基板 ガラス基板
ＳｉＨ4 導入量 ５ｓｃｃｍ
放電電力 ６０ＭＨｚ、３００Ｗ
基板温度 ４００℃
成膜ガス圧力 ２ｍＴｏｒｒ
成膜膜厚 ５００Å
実験例５の成膜条件
基板 ガラス基板
ＳｉＨ4 導入量 ５ｓｃｃｍ
放電電力 １３．５６ＭＨｚ、３００Ｗ
基板温度 ４００℃
成膜圧力 ２ｍＴｏｒｒ
成膜膜厚 ５００Å
実験例４、５で得られたシリコン薄膜の結晶性をラマン分光法により評価したところ、実験例４では多結晶シリコン薄膜の形成が確認されたが、実験例５ではアモルファスシリコン薄膜が確認された。プラズマ中の発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）は、実験例４では１以上であったが、実験例５では放電周波数が１３、５６ＭＨｚと低いため、１より小さかった。
実験例６及び実験例７
実験例６、７は成膜ガス圧の観点からの実験例である。
【００５３】
実験例６、７のいずれについても図１に示す薄膜形成装置によりシリコン薄膜を形成した。
実験例６の成膜条件
基板 ガラス基板
ＳｉＨ4 導入量 ５ｓｃｃｍ
放電電力 ６０ＭＨｚ、３００Ｗ
基板温度 ４００℃
成膜ガス圧力 ２ｍＴｏｒｒ
成膜膜厚 ５００Å
実験例７の成膜条件
基板 ガラス基板
ＳｉＨ4 導入量 ５ｓｃｃｍ
放電電力 ６０ＭＨｚ、３００Ｗ
基板温度 ４００℃
成膜圧力 ５０ｍＴｏｒｒ
成膜膜厚 ５００Å
実験例６、７で得られたシリコン薄膜の結晶性をラマン分光法により評価したところ、実験例６では多結晶シリコン薄膜の形成が確認されたが、実験例７ではアモルファスシリコン薄膜が確認された。プラズマ中の発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）は、実験例６では１以上であったが、実験例７では成膜圧力が５０ｍＴｏｒｒと高かったため、１より小さかった。さらに、プラズマ中のイオン密度が、実験例７の方が実験例６の場合より高かった。
実験例８
図２に示す装置を用いてシリコン薄膜を形成した。
【００５４】
成膜条件は以下のとおり。
【００５５】
ＦＴ−ＩＲについては、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したところ、５×１０ 20 ｃｍ -3 以下を示し、従来の試料（アモルファスシリコン膜）２×１０ 22 ｃｍ -3 に対して大きく減少改善する結果を得た。
図５は実験例８で得られたシリコン薄膜及び従来のアモルファスシリコン薄膜のレーザラマン分光法によるラマンシフトとラマン散乱強度の関係を示している。
ラマン分光法による結晶性評価の結果、従来の試料（アモルファスシリコン構造 ラマンシフト＝４８０ｃｍ-1）に対して結晶化シリコンの（ラマンシフト＝５１５〜５２０ｃｍ-1）ピークを検出し、シリコン薄膜の結晶性を確認できた。結晶サイズとして１００Å〜２０００Åの結晶粒を確認した。
【００５６】
なお、上記実験例８の他、該実験例８において、放電電力、導入ガス流量、成膜ガス圧のプラズマ制御パラメータを種々変化させ、しかし、Ｈβ／ＳｉＨ* は１以上を、プラズマポテンシャルは６０Ｖ以下を維持してシリコン薄膜を形成したところ、いずれも、ＦＴ−ＩＲについては、従来例の試料（アモルファスシリコン膜）２×１０ 22 ｃｍ -3 に対して大きく減少改善する結果を得た。また、ラマン分光法により多結晶シリコン薄膜の形成が確認された。
【００５７】
次に図６を参照して本発明に係る薄膜形成装置のさらに他の例について説明する。
図６に示す薄膜形成装置は図２に示す薄膜形成装置と実質上同じ構成の平行平板型電極構造のプラズマＣＶＤ装置であり、成膜室（プラズマ生成室）１０’、該室内に設置された接地電位の、ヒータ２Ｈ付き基板ホルダ２、該室内において基板ホルダ２の上方に設置された平板形の放電電極３１、放電電極３１にマッチングボックス４１を介して接続された放電用高周波電源４、成膜室内に成膜のためのガスを導入するためのガス供給装置５、成膜室内から排気するために成膜室に接続された排気装置６、成膜室内に生成されるプラズマ状態を計測するための発光分光計測装置７及びプローブ測定装置８、発光分光計測装置７及びプローブ測定装置８による検出情報に基づいて電源４による投入電力、ガス供給装置５からのガス供給、又は成膜室内の成膜圧力（成膜ガス圧）を所定のプラズマ状態を得るように制御する制御部９’を含んでいる。また、この装置は基板シャッタＳＴを備えており、このシャッタＳＴは駆動部Ｄによる駆動によりホルダ２上に設置される基板Ｓを覆う位置と該基板Ｓを露出させる退避位置との間を往復動できる。なお、これら全体はホストコンピュータ１００の指示に基づいて動作する。図中１１は信号の送受信整理を行う中間のハブ装置である。
【００５８】
電源４は制御部９’からの指示により出力可変の電源であり、周波数６０ＭＨｚの高周波電力を供給できる。
ガス供給装置５はここではモノシラン（ＳｉＨ4 ）ガスを供給するもので、ＳｉＨ4 ガス源の他、図示を省略した弁や、制御部９’からの指示により流量調整を行って成膜室１０’へのガス供給量を調節するマスフローコントローラ５１等を含んでいる。
【００５９】
排気装置６は排気ポンプの他、制御部９’からの指示により排気量調整を行って成膜室１０’内の成膜圧力（成膜ガス圧）を調節する弁（ここではコンダクタンスバルブ）６１等を含んでいる。
シャッタ駆動部Ｄは制御部９’の指示のもとにシャッタを動かす。
発光分光計測装置７は、図１や図２に示す発光分光計測装置と同様のもので、ガス分解による生成物の発光分光スペクトルを検出し、検出したＳｉＨ* ラジカル及び水素原子ラジカル（Ｈβ）の各発光強度を記憶するメモリ、該メモリに記憶された各発光強度から発光強度比（（Ｈβ／ＳｉＨ* ）を演算して求める演算部等を有している。
【００６０】
なお、ここでもＨβ／ＳｉＨ* は、装置の感度校正を考慮して前記のように、発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）＝（Ｉｂ×αｂ）／（Ｉａ×αａ）で求められる。
プローブ測定装置８は、図１や図２に示すプローブ測定装置と同様にラングミューアプローブによりプラズマ状態を測定する装置で、プローブ測定データからプラズマポテンシャルを演算して求める演算部等を有している。
【００６１】
図６に示す薄膜形成装置では、成膜室１０’内の基板ホルダ２上に被成膜基板Ｓを設置し、当初は該基板をシャッタＳＴで覆っておく。そして必要に応じて所定温度に加熱し、排気装置６を運転して成膜室内から排気する一方、ガス供給装置５からモノシランガスを成膜室内へ導入し、放電用電極３１から放電させることで該ガスをプラズマ化する。一方、制御部９’に次の制御をさせる。
【００６２】
すなわち、制御部９’は、図７のフローチャートに示すように、発光分光計測装置７により求められる発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）を読み込むとともにプローブ測定装置８により検出されるプラズマポテンシャルＶｐを読み込む（ステップＳ１）。
制御部９’はさらに、それらが、（Ｈβ／ＳｉＨ* ）≧１、且つ、Ｖｐ≦６０Ｖの条件を満たしているか否かを判断し（ステップＳ２）、満たしているときは駆動部Ｄに指示してシャッタＳＴを動かし、基板Ｓを露出させ、成膜を開始させる（ステップＳ３）。
【００６３】
しかし、前記条件が満たされていないと、次の順序で動作する。
・先ず、（Ｈβ／ＳｉＨ* ）＜１、且つ、Ｖｐ≦６０Ｖ か否かを判断する（ステップＳ４）。
「ＹＥＳ」のときは、電源４の出力（ワット）を所定量増加させる（ステップＳ５）。
・「ＮＯ」のときは、（Ｈβ／ＳｉＨ* ）≧１、且つ、Ｖｐ＞６０Ｖ か否かを判断する（ステップＳ６）。「ＹＥＳ」のときは、排気装置６の排気量調整弁６１を操作して成膜室１０’内のガス圧を所定量増加させる（ステップＳ７）。
・「ＮＯ」のときは、（Ｈβ／ＳｉＨ* ）＜１、且つ、Ｖｐ＞６０Ｖ であり、ガス供給装置５のマスフローコントローラ５１を操作してガス供給量を所定量減少させる（ステップＳ８）。
【００６４】
ステップＳ５、Ｓ７又はＳ８で、電源出力を所定量増加、成膜室内ガス圧を所定量増加又はガス供給量を所定量減少させた後は、再びステップＳ１に戻り装置７、８から検出情報を読み込み、それらが（Ｈβ／ＳｉＨ* ）≧１、且つ、Ｖｐ≦６０Ｖの条件を満たしているか否かを判断する。必要に応じ同様のステップを繰り返す。
【００６５】
このようにして、（Ｈβ／ＳｉＨ* ）≧１、且つ、Ｖｐ≦６０Ｖの条件が満たされると、駆動部Ｄに指示してシャッタＳＴを動かし、基板Ｓを露出させ、成膜を開始させる。
かくして、基板Ｓ上に４００℃以下の基板温度で、生産性よく多結晶シリコン薄膜を形成することができる。
【００６６】
より円滑に良質の多結晶シリコン薄膜を形成するために、図６の装置においても、さらに次のようにしてもよい。
▲１▼ プラズマ中のイオン密度が５×１０10（ｃｍ-3）以下になるように、制御部９’に、放電用電源４からの投入電力の大きさ、ガス供給装置５からのガス供給量、さらには、該ガス供給量及び（又は）前記排気装置６による排気量の調整による成膜圧力のうち少なくとも一つを制御させてもよい。
▲２▼ 成膜ガス圧を２０ｍＴｏｒｒ以下、より好ましくは１０ｍＴｏｒｒ以下にするように、制御部９に、ガス供給装置５からのガス供給量及び（又は）排気装置６による排気量を制御させてもよい。
【００６７】
図６に示す薄膜形成装置を用いて、例えば前記実験例８の場合と同じ基板に、実験例８と略同じ条件を設定して良好な多結晶シリコン薄膜を形成することができた。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によると、比較的低温下で安価に、生産性よく多結晶シリコン薄膜を形成できる多結晶シリコン薄膜形成方法を提供することができる。
また、本発明によると、比較的低温下で安価に、生産性よく多結晶シリコン薄膜を形成できる薄膜形成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る薄膜形成装置の１例の概略構成を示す図である。
【図２】本発明に係る薄膜形成装置の他の例の概略構成を示す図である。
【図３】図１に示す装置による実験例１のＳｉＨ4 導入量１０ｃｃｍ、放電電力２００ＷのときのＳｉＨ4 プラズマの発光分光スペクトルを示す図である。
【図４】実験例１の膜形成を行うにあたり、ガス導入量や放電電力を種々変化させたときの、プラズマの状態〔発光強度比（Ｈβ／ＳｉＨ* ）とイオン密度〕とシリコン結晶性との関係を示す図である。
【図５】実験例８で得られたシリコン薄膜及び従来のアモルファスシリコン薄膜のレーザラマン分光法によるラマンシフトとラマン散乱強度との関係を示す図である。
【図６】本発明に係る薄膜形成装置のさらに他の例の概略構成を示す図である。
【図７】図６に示す薄膜形成装置における制御部の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１、１０、１０’ 成膜室（プラズマ生成室）
２ 基板ホルダ
２Ｈ ヒータ
３ 円筒形放電電極
３１ 平板形放電電極
４ 放電用電源
４１ マッチングボックス
５ ガス供給装置
５１ マスフローコントローラ
６ 排気装置
６１ 排気量調整弁
７ 発光分光計測装置
８ プローブ測定装置
９、９’ 制御部
１００ ホストコンピュータ
１１ ハブ装置
ＳＴ シャッタ
Ｄ シャッタ駆動部
Claims (18)
- シリコン原子を有する材料ガスと水素ガスとの混合ガスから、又はシラン系反応ガスからプラズマを形成し、該プラズマ中のＳｉＨ* ラジカルの発光強度に対する水素原子ラジカル（Ｈβ）の発光強度比が１以上になるように該プラズマ状態を制御するとともに該プラズマ状態の制御にあたりプラズマポテンシャルを６０Ｖ以下に制御し、該プラズマのもとで基板に多結晶シリコン薄膜を形成することを特徴とする多結晶シリコン薄膜形成方法。
- 前記プラズマ状態の制御にあたり、プラズマ中のイオン密度が５×１０10（ｃｍ-3）以下になるようにプラズマ状態を制御して多結晶シリコン薄膜を形成する請求項１記載の多結晶シリコン薄膜形成方法。
- 前記プラズマを放電のもとに形成するようにし、該放電に用いる放電電極として円筒形電極を用いる請求項１又は２記載の多結晶シリコン薄膜形成方法。
- 前記プラズマを放電のもとに形成するようにし、該放電に用いる放電用電源として、周波数６０ＭＨｚ以上の高周波電源を用いる請求項１、２又は３記載の多結晶シリコン薄膜形成方法。
- 成膜ガス圧を２０ｍＴｏｒｒ以下に維持する請求項１から４のいずれかに記載の多結晶シリコン薄膜形成方法。
- 成膜時の基板温度を４００℃以下に維持する請求項１から５のいずれかに記載の多結晶シリコン薄膜形成方法。
- 前記基板への多結晶シリコン薄膜形成にあたり、該基板を成膜室内に設置し、該成膜室内を排気減圧して成膜ガス圧に設定するとともに前記プラズマを該成膜室内へ導入した前記シリコン原子を有する材料ガスと水素ガスとの混合ガス又はシラン系反応ガスである成膜原料ガスに高周波電力を印加して形成するようにし、そのとき、前記発光強度比が１より小さく、プラズマポテンシャルが６０Ｖ以下であるときは、前記高周波電力を増加させ、前記発光強度比が１以上でプラズマポテンシャルが６０Ｖより大きいときは、前記成膜室内からの排気量を調整して前記成膜ガス圧を増加させ、前記発光強度比が１より小さく、プラズマポテンシャルが６０Ｖより大きいときは、前記成膜室内への前記原料ガス導入量を減少させることで発光強度比１以上、プラズマポテンシャル６０Ｖ以下の条件を設定する請求項１記載の多結晶シリコン薄膜形成方法。
- 前記プラズマ状態の制御にあたり、プラズマ中のイオン密度が５×１０10（ｃｍ-3）以下になるようにプラズマ状態を制御して多結晶シリコン薄膜を形成する請求項７記載の多結晶シリコン薄膜形成方法。
- 前記成膜原料ガスへの前記高周波電力印加にあたり、高周波電源に接続された円筒形放電電極を採用する請求項７又は８記載の多結晶シリコン薄膜形成方法。
- 前記成膜原料ガスへの前記高周波電力印加にあたり、該高周波電力として周波数６０ＭＨｚ以上の高周波電力を用いる請求項７から９のいずれかに記載の多結晶シリコン薄膜形成方法。
- 成膜ガス圧を２０ｍＴｏｒｒ以下に維持する請求項７から１０のいずれかに記載の多結晶シリコン薄膜形成方法。
- 成膜時の基板温度を４００℃以下に維持する請求項７から１１のいずれかに記載の多結晶シリコン薄膜形成方法。
- 被成膜基板を設置できる成膜室、該成膜室内に設置され、放電用電源に接続されたプラズマ形成のための放電用電極、該成膜室内へ成膜のためのガスを供給するガス供給装置、該成膜室から排気する排気装置を備えたプラズマＣＶＤによる薄膜形成装置であって、プラズマ状態の計測を行うための発光分光計測装置及びプローブ測定装置、並びに該発光分光計測装置及びプローブ測定装置による検出情報に基づいてプラズマ状態を所定の状態に維持するように前記放電用電源からの電力供給、ガス供給装置からのガス供給及び前記排気装置による排気のうちすくなくとも一つを制御する制御部を備えており、
前記ガス供給装置をシリコン原子を有する材料ガスと水素ガス、又はシラン系反応ガスを供給できるものとし、前記制御部を、前記発光分光計測装置により求められる成膜室内プラズマ中のＳｉＨ* ラジカルの発光強度に対する水素原子ラジカル（Ｈβ）の発光強度比が１以上になるように、且つ、前記プローブ測定装置により求められるプラズマポテンシャルが６０Ｖ以下になるように前記放電用電源からの電力供給、ガス供給装置からのガス供給及び前記排気装置による排気のうち少なくとも一つを制御できるものとし、前記基板上に多結晶シリコン薄膜を形成できるようにしたことを特徴とする薄膜形成装置。 - 前記放電用電源が高周波電源であり、前記制御部は、前記被成膜基板への多結晶シリコン薄膜形成にあたり前記発光強度比１以上、プラズマポテンシャル６０Ｖ以下の条件を設定するように、前記発光強度比が１より小さく、プラズマポテンシャルが６０Ｖ以下であるときは、前記高周波電源から供給される電力を増加させ、前記発光強度比が１以上でプラズマポテンシャルが６０Ｖより大きいときは、前記排気装置による成膜室からの排気量を調整して成膜室内の成膜ガス圧を増加させ、前記発光強度比が１より小さく、プラズマポテンシャルが６０Ｖより大きいときは、前記ガス供給装置から成膜室内へのガス供給量を減少させる請求項１３記載の薄膜形成装置。
- 前記制御部は、さらに、前記プローブ測定装置により求められるプラズマ中のイオン密度が５×１０10（ｃｍ-3）以下になるようにも前記放電用電源からの電力供給、ガス供給装置からのガス供給及び前記排気装置による排気のうち少なくとも一つを制御する請求項１３又は１４記載の薄膜形成装置。
- 前記放電用電極が円筒形電極である請求項１３、１４又は１５記載の薄膜形成装置。
- 前記放電用電源は周波数６０ＭＨｚ以上の電力を供給する電源である請求項１３から１６のいずれかに記載の薄膜形成装置。
- 前記制御部は、成膜ガス圧を２０ｍＴｏｒｒ以下に維持するように、前記ガス供給装置からのガス供給及び前記排気装置による排気のうち少なくとも一方を制御する請求項１３から１７のいずれかに記載の薄膜形成装置。
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