JP4434115B2 - 結晶性シリコン薄膜の形成方法及び装置 - Google Patents
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Description
多結晶シリコン薄膜は、例えば、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、また、各種集積回路、太陽電池等の作製に採用されている。ナノ結晶シリコンは不揮発性メモリ、発光素子、光増感剤としての利用が期待されている。
上記の他、モノシラン(SiH4 )、ジシラン(Si2 H6 )等のシラン系ガスを水素やフッ化シリコン(SiF)などで希釈したガスのプラズマのもとで、500℃程度以下の低温下に結晶性シリコン薄膜を基板上に直接形成する方法も提案されている(例えば特開2000−195810号公報参照)。
かかる終端処理については、特開2004−83299号公報に、酸素或いは窒素で終端されたシリコンナノ結晶構造体の形成方法が記載されている。
すなわち、水素ガス由来の、プラズマ発光における波長656nmでの水素原子ラジカルの発光スペクトル強度Hα及び波長414nmでのシランラジカルの発光スペクトル強度SiH* との比(Hα/SiH* )がHα/SiH* が0.3〜1.3であるプラズマでシリコンスパッタターゲットをケミカルスパッタリング(反応性スパッタリング)し、これによりスパッタリングされた原子と水素プラズマによる励起効果及び被成膜物品の堆積膜表面と水素ラジカルの反応などにより被成膜物品上に膜を堆積形成すれば、従来のシラン系ガスを水素ガスで希釈したガスのプラズマのもとで形成されるシリコン薄膜と同様に、結晶性を示し、表面粗度の小さい、良質の結晶性シリコン膜が形成される。
さらに、大気中で自然発火するシランガスを使用しないので、それだけ安全に結晶性シリコン薄膜を形成できる。
シリコンスパッタターゲットと被成膜物品を設置した成膜室内に水素ガスを導入し、該ガスに高周波電力を印加することで該成膜室内にプラズマ発光における波長656nmでの水素原子ラジカルの発光スペクトル強度Hαと波長414nmでのシランラジカルの発光スペクトル強度SiH* との比(Hα/SiH* )が0.3〜1.3であるプラズマを発生させ、該プラズマにて前記シリコンスパッタターゲットをケミカルスパッタリングして前記被成膜物品上に結晶性シリコン薄膜を形成する工程と、
酸素含有ガス及び窒素含有ガスから選ばれた少なくとも一種の終端処理用ガスに高周波電力を印加することで発生させた終端処理用プラズマのもとで前記結晶性シリコン薄膜の表面を終端処理する終端処理工程と
を含む結晶性シリコン薄膜の形成方法を提供する。
本発明者は、誘導結合方式により水素ガスをプラズマ化し、プラズマ発光分光することで、該プラズマにおいてHα(656nm)及びHβ(486nm)が支配的となることを観測している。HαやHβが豊富であることは水素ラジカル濃度が高いことを意味している。この点は、HαやHβが乏しくなる容量結合方式によるプラズマ生成の場合と大きく異なっている。
かかる絶縁性材料としては、石英ガラスや電極のアルマイト処理による材料を例示できる。
例えば高周波放電電極を成膜室内に設置する場合において、該高周波放電電極に臨設されるシリコンスパッタターゲットの例として、該電極周囲を囲むとともに被成膜物品側に開放された筒状配置のシリコンスパッタターゲットを挙げることができる。
また、プラズマ中の電子密度が1010cm-3より小さくなってくると、結晶化度が低下したり、膜形成速度が低下したりし、1012cm-3より大きくなってくると、膜及び被成膜物品がダメージを受けやすくなる。
かかるプラズマポテンシャルやプラズマの電子密度は、印加する高周波電力の大きさ、周波数、成膜圧等のうち少なくとも一つを制御することで調整できる。
また、前記成膜室から独立した終端処理室を準備し、該終端処理室において終端処理工程を実施してもよい。
終端処理用ガスとしては、前記のとおり酸素含有ガス又は(及び)窒素含有ガスを用いるが、酸素含有ガスとしては、酸素ガスや酸化窒素(N2 O)ガスを例示でき、窒素含有ガスとしては、窒素ガスやアンモニア(NH3 )ガスを例示できる。
被成膜物品を支持する物品ホルダを有する成膜室と、
前記成膜室内に配置されるシリコンスパッタターゲットと、
前記成膜室内へ水素ガスを導入する水素ガス供給装置と、
前記成膜室内から排気する排気装置と、
前記成膜室内へ前記水素ガス供給装置から供給される水素ガスに高周波電力を印加して前記シリコンスパッタターゲットをケミカルスパッタリングするためのケミカルスパッタリング用プラズマを形成する高周波電力印加装置と、
前記成膜室内のケミカルスパッタリング用プラズマ発光における波長656nmでの水素原子ラジカルの発光スペクトル強度Hαと波長414nmでのシランラジカルの発光スペクトル強度SiH* との発光強度比(Hα/SiH* )を求めるプラズマ発光分光計測装置と、
酸素含有ガス及び窒素含有ガスから選ばれた少なくとも一種の終端処理用ガスに高周波電力を印加することで終端処理用プラズマを発生させ、該終端処理用プラズマのもとで前記被成膜物品上に形成される結晶性シリコン薄膜の表面を終端処理するための終端処理装置と
を含んでいる結晶性シリコン薄膜形成装置である。
かかる高周波放電電極は前記成膜室内に設置してもよく、その場合、シリコンスパッタターゲットは、前記の薄膜形成方法で説明したと同様に、少なくとも該高周波放電電極に臨設してもよい。
高周波放電電極を成膜室内に設置する場合、該高周波放電電極はその導体部表面が電気絶縁性材料で被覆されることが望ましい。
該成膜室内へ該終端処理用ガス供給装置から供給される終端処理用ガスに高周波電力を印加して終端処理用プラズマを発生させる高周波電力印加装置と
を含んでいるものを例示できる。
また、排気装置については、前記の排気装置を利用できる。
終端処理室として前記成膜室から独立した終端処理室を採用することも可能である。
該終端処理室内から排気する排気装置と、
該終端処理室内へ酸素含有ガス及び窒素含有ガスから選ばれた少なくとも一種の終端処理用ガスを導入する終端処理用ガス供給装置と、
該終端処理室内へ該終端処理用ガス供給装置から供給される終端処理用ガスに高周波電力を印加して終端処理用プラズマを発生させる高周波電力印加装置と
を含んでいるものでもよい。
図1に示す装置は成膜室1を備えており、該成膜室内には物品ホルダ2、該ホルダ上方の高周波放電電極51及び該電極に臨むシリコンスパッタターゲットTが設置されている。
この電極51には、マッチングボックスMB1を介して放電用高周波電源PW1が接続されている。電極51、マッチングボックスMB1及び電源PW1は、後述するように成膜室内へ導入される水素ガスに高周波電力を印加する高周波電力印加装置5を構成している。
シリコンスパッタターゲットTは筒形状に形成されており、電極51を囲むように該電極に臨み、成膜室1の天井部に取付け保持されている。筒状ターゲットTの下端はホルダ2に向け開放されている。
排気装置3は、排気量調整を行うコンダクタンスバルブ及び該バルブを介して室1に接続された排気ポンプを含んでいる。
電極501はマッチングボックスMB2を介して放電用高周波電源PW2に接続されている。電極501、マッチングボックスMB2及び電源PW2は、後述するように終端処理室10内へ導入される終端処理用ガスに高周波電力を印加する高周波電力印加装置50を構成している。
物品ホルダ20は、後述するように、成膜室1内で結晶性シリコン薄膜が形成された被成膜基板Sを加熱するヒータ201を備えている。物品ホルダ20は室10とともに接地されている。
ここでの終端処理用ガスは、酸素ガス又は窒素ガスである。
この膜形成においては、成膜室1内の成膜ガス圧を0.6Pa〜13.4Paの範囲のものに維持して行う。成膜ガス圧は、図示を省略しているが、成膜室1に圧力センサを接続する等して検出すればよい。
排気装置3にて成膜室1内から排気を開始する。そのときの排気量は、室1内の成膜ガス圧0.6Pa〜13.4Paを考慮した排気量に調整しておく。
排気装置3の運転により成膜室1の内圧が目指す成膜ガス圧より低くなってくると、水素ガス供給装置4から成膜室1内に水素ガスを導入するとともに出力可変電源PW1から高周波放電電極51に高周波電力を印加し、これにより導入された水素ガスを誘導結合方式でプラズマ化する。
そして、電極51へ印加する高周波電力、ガス供給装置4からの水素ガス導入量、室内ガス圧等のうち少なくとも一つを制御することで、プラズマにおけるHα(656nm )及びHβ(486nm)の発光強度が十分大くなる高周波電力、水素ガス導入量等の条件を決定する。
プラズマポテンシャル、電子密度は例えば、図示省略のラングミューアプローブを室1内へ挿入し、これを用いてラングミューアプローブ法により確認できる。
これらを勘案して最終的な高周波電力、水素ガス導入量、成膜ガス圧等の条件を決定する。
膜形成においては、ホルダ2にて支持する被成膜基板Sの温度を500℃以下の比較的低温、例えば400℃程度に加熱できるようにヒータ21を設定し、該ホルダ2に被成膜基板Sを搭載する。次いで排気装置3にて成膜室1から排気し、ひき続き水素ガス供給装置4から成膜室1内へ所定量の水素ガスを導入するとともに電極51に電源PW1から高周波電力を印加することで、電極51からの放電を誘導結合方式にて行わせ、これによりプラズマを発生させる。
基板温度は低すぎると、シリコンの結晶化が困難になるので、他の条件にもよるが概ね200℃以上が望ましい。
このとき、基板Sの室10への搬入は、ゲートバルブV1を開け、ロボット71でホルダ2上の基板Sを取り出し基板搬送室7内へ引き入れ、ゲートバルブV1を閉じ、引き続きゲートバルブV2を開けて、該基板を室10内のホルダ20に搭載することで行う。その後、ロボット可動部分を基板搬送室7内へ引っ込め、ゲートバルブV2を閉じ、室10において終端処理を実施する。
かくして発生する終端処理用プラズマのもとで、基板S上の結晶性シリコン薄膜の表面に酸素終端処理或いは窒素終端処理を施し、終端処理された結晶性シリコン薄膜を得る。
また、終端処理工程における基板の加熱温度は、成膜室1におけるシリコン薄膜形成が比較的低温で実施可能であることを意味あらしめるため、また、基板Sの耐熱性を考慮して、室温〜500℃程度の温度範囲から選択する場合を例示できる。
(1)実験例1(酸素終端処理された結晶性シリコン薄膜の形成)
(1-1) 結晶性シリコン薄膜形成工程
基板:無アルカリガラス基板
基板温度:400℃
高周波電源:13.56MHz、 2000W
水素ガス導入量:50sccm
成膜圧力:13Pa(98mTorr)
プラズマにおけるHα/SiH* :1.0
プラズマポテンシャル:30eV
プラズマにおける電子密度:1011cm-3
膜厚:約500Å
基板温度:400℃
酸素ガス導入量:100sccm
高周波電源:13.56MHz、1kW
終端処理圧:0.67Pa
処理時間 :1分
(2-1) 結晶性シリコン薄膜形成工程
実験例1の場合と同じ
(2-2) 終端処理工程
基板温度:400℃
窒素ガス導入量:200sccm
高周波電源:13.56MHz、1kW
終端処理圧:0.67Pa
処理時間 :5分
図4に示すシリコン薄膜形成装置は、図1に示す装置において、成膜室1を終端処理室として利用するものである。この装置では、物品ホルダ2は、絶縁部材11を介して室1に設置されているとともに、切り換えスイッチSWに接続されており、スイッチSWの一方の端子は接地されており、他方の端子は、高周波電力印加装置50’を構成するマッチングボックスMB2を介して高周波電源PW2に接続されている。また、成膜室1内へ、終端処理用ガス供給装置40からノズルN2にて終端処理用ガスを供給できる。
図4の装置において図1の装置における部品等と実質上同じ部品等には図1の装置と同じ参照符号を付してある。
2 物品ホルダ
21 ヒータ
3 排気装置
4 水素ガス供給装置
N1 ガス導入ノズル
5 高周波電力印加装置
51 高周波放電電極
52 絶縁材
MB1 マッチングボックス
PW1 放電用高周波電源
T シリコンスパッタターゲット
S 基板
6 プラズマ発光分光計測装置
61、62、64 分光器
63 演算部
Cont 制御部
10 終端処理室
20 物品ホルダ
201 ヒータ
30 排気装置
40 終端処理用ガス供給装置
N2 ガス導入ノズル
50 高周波電力印加装置
501 高周波放電電極
MB2 マッチングボックス
PW2 高周波電源
7 基板搬送室
71 基板搬送ロボット
V1、V2 ゲートバルブ
11 電気絶縁性部材
50’ 高周波電力印加装置
Claims (5)
- シリコンスパッタターゲットと被成膜物品を設置した成膜室内に水素ガスを導入し、該ガスに高周波電力を印加することで該成膜室内にプラズマ発光における波長656nmでの水素原子ラジカルの発光スペクトル強度Hαと波長414nmでのシランラジカルの発光スペクトル強度SiH* との比(Hα/SiH* )が0.3〜1.3であるプラズマを発生させ、該プラズマにて前記シリコンスパッタターゲットをケミカルスパッタリングして前記被成膜物品上に結晶性シリコン薄膜を形成する工程と、
酸素含有ガス及び窒素含有ガスから選ばれた少なくとも一種の終端処理用ガスに高周波電力を印加することで発生させた終端処理用プラズマのもとで前記結晶性シリコン薄膜の表面を終端処理する終端処理工程と
を含むことを特徴とする結晶性シリコン薄膜の形成方法。 - 前記成膜室において前記結晶性シリコン薄膜形成工程を実施したあと、該結晶性シリコン薄膜が形成された被成膜物品を該成膜室に連設された終端処理室へ搬入し、該終端処理室で前記終端処理工程を実施する請求項1記載の結晶性シリコン薄膜の形成方法。
- 被成膜物品を支持する物品ホルダを有する成膜室と、
前記成膜室内に配置されるシリコンスパッタターゲットと、
前記成膜室内へ水素ガスを導入する水素ガス供給装置と、
前記成膜室内から排気する排気装置と、
前記成膜室内へ前記水素ガス供給装置から供給される水素ガスに高周波電力を印加して前記シリコンスパッタターゲットをケミカルスパッタリングするためのケミカルスパッタリング用プラズマを形成する高周波電力印加装置と、
前記成膜室内のケミカルスパッタリング用プラズマ発光における波長656nmでの水素原子ラジカルの発光スペクトル強度Hαと波長414nmでのシランラジカルの発光スペクトル強度SiH* との発光強度比(Hα/SiH* )を求める発光分光計測装置と、 酸素含有ガス及び窒素含有ガスから選ばれた少なくとも一種の終端処理用ガスに高周波電力を印加することで終端処理用プラズマを発生させ、該終端処理用プラズマのもとで前記被成膜物品上に形成される結晶性シリコン薄膜の表面を終端処理するための終端処理装置と
を含んでいることを特徴とする結晶性シリコン薄膜形成装置。 - 前記終端処理装置は、前記成膜室に連設され、該成膜室おいて結晶性シリコン薄膜が形成された被成膜物品が搬入される終端処理室と、
該終端処理室内から排気する排気装置と、
該終端処理室内へ酸素含有ガス及び窒素含有ガスから選ばれた少なくとも一種の終端処理用ガスを導入する終端処理用ガス供給装置と、
該終端処理室内へ該終端処理用ガス供給装置から供給される終端処理用ガスに高周波電力を印加して終端処理用プラズマを発生させる高周波電力印加装置と
を含んでいる請求項3記載の結晶性シリコン薄膜形成装置。 - 前記終端処理装置は、
終端処理室を兼ねさせる前記成膜室と、
該成膜室内へ酸素含有ガス及び窒素含有ガスから選ばれた少なくとも一種の終端処理用ガスを導入する終端処理用ガス供給装置と、
該成膜室内へ該終端処理用ガス供給装置から供給される終端処理用ガスに、前記物品ホルダを高周波電極として高周波電力を印加して終端処理用プラズマを発生させる高周波電力印加装置と
を含んでいる請求項3記載の結晶性シリコン薄膜形成装置。
Priority Applications (4)
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