KR100481785B1 - 다결정 실리콘 박막형성방법 및 박막형성장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비교적 저온하에서 저렴하고 생산성 좋게 다결정실리콘박막을 형성할 수 있는 다결정 실리콘박막형성방법을 제공하는 것이다. 비교적 저온하에서 저렴하고 생산성 좋게 다결정 실리콘박막을 형성할 수 있는 외에, 널리 원하는 박막의 형성에 이용할 수 있는 박막형성장치를 제공하는 것이다.
이를 위하여 본 발명에서는 실리콘원자를 가지는 재료가스와 수소가스와의 혼합가스로부터 또는 실란계 반응가스로부터 플라즈마를 형성하고, 그 플라즈마중의 SiH* 라디칼의 발광강도에 대한 수소원자 라디칼(Hβ)의 발광강도비가 l 이상이 되도록, 또는 다시 플라즈마포텐셜이 60V 이하가 되도록 그 플라즈마상태를 제어하여 그 플라즈마를 기초로 기판에 다결정 실리콘박막을 형성하는 다결정 실리콘박막형성방법이 제공된다. 또한 성막실(1), 방전용전원(4)에 접속된 방전용 전극(3), 가스공급장치 (5), 배기장치(6)를 구비한 플라즈마 CVD 에 의한 박막형성장치에 있어서, 플라즈마상태의 계측을 행하기 위한 발광분광계측장치(7) 및 프로브측정장치(8) 및 장치 (7, 8)에 의한 검출정보에 의거하여 플라즈마상태를 소정의 상태로 유지하도록 방전용 전원(4)으로부터의 전력공급, 가스공급장치(5)로부터의 가스공급 및 배기장치 (6)에 의한 배기중 적어도 하나를 제어하는 제어부(9)를 구비하고 있는 박막형성장치가 제공된다.

Description

다결정 실리콘박막형성방법 및 박막형성장치{METHOD AND APPARATUS FOR FORMING POLYCRYSTAL SILICON THIN FILM}
본 발명은 플라즈마 CVD 법에 의한 다결정실리콘박막의 형성방법 및 다결정실리콘박막의 형성에 사용할 수 있는 박막형성장치에 관한 것이다.
종래 액정표시장치에 있어서의 화소에 설치되는 TFT(박막트랜지스터)스위치의 재료로서, 또는 각종 집적회로, 태양전지 등의 제작에 실리콘박막이 채용되어 있다.
실리콘박막은 대부분의 경우, 실란계 반응가스를 사용한 플라즈마 CVD 법에 의하여 형성되고, 그 경우 해당 박막의 대부분은 아몰퍼스실리콘박막이다.
아몰퍼스실리콘박막은, 피성막기판의 온도를 비교적 낮게 하여 형성할 수 있어, 평행평판형의 전극을 사용한 고주파방전(주파수 13.56 MHz)에 의한 재료가스의 플라즈마하에 용이하게 대면적으로 형성할 수 있다. 이 때문에 지금까지 상기 박막은 액정표시장치의 화소용 스위칭디바이스, 태양전지 등에 널리 이용되고 있다.
그러나 실리콘막이용의 태양전지에 있어서의 발전효율의 더 한층의 향상, 실리콘막이용의 반도체디바이스에 있어서의 응답속도 등의 특성의 더 한층의 향상은 이와 같은 아몰퍼스실리콘막에 구할 수는 없다. 그 때문에 결정성 실리콘박막(예를 들어 다결정 실리콘박막)의 이용이 검토되고 있다.
다결정 실리콘박막과 같은 결정성 실리콘박막의 형성방법으로서는 피성막기판의 온도를 600℃∼700℃ 이상의 온도로 유지하여 저압플라즈마 CVD, 열 CVD 등의 CVD 법이나, 진공증착법, 스퍼터증착법 등의 PVD 법에 의하여 막을 형성하는 방법, 각종 CVD 법이나 PVD 법에 의하여 비교적 저온하에서 아몰퍼스실리콘박막을 형성한 후, 후처리로서 800℃ 정도 이상의 열처리 또는 600℃ 정도로 장시간에 걸친 열처리를 실시하는 방법이 알려져 있다.
또 아몰퍼스실리콘막에 레이저어닐링처리를 실시하여 상기 막을 결정화시키는 방법도 알려져 있다.
그러나 이들 중, 기판을 고온에 노출하는 방법에서는 기판으로서 고온에 견딜 수 있는 고가의 기판을 채용하지 않으면 안되고, 예를 들어 저렴한 저융점 유리기판(내열온도 500℃ 이하)에 대한 결정성 실리콘박막의 형성은 곤란하며, 그 때문에 다결정 실리콘박막과 같은 결정성 실리콘박막의 제조비용이 비싸진다는 문제가 있다.
또 레이저어닐링법에 의할 때에는 저온하에서 결정성 실리콘박막을 얻을 수 있으나, 레이저조사공정을 필요로 하는 것이나, 매우 높은 에너지밀도의 레이저광을 조사하지 않으면 안되는 것 등때문에, 이 경우도 결정성 실리콘박막의 제조비용이 비싸진다.
따라서 본 발명은 비교적 저온하에서 저렴하고 생산성 좋게 다결정 실리콘박막을 형성할 수 있는 다결정 실리콘박막형성방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
또 본 발명은 비교적 저온하에서 저렴하고 생산성 좋게 다결정 실리콘박막을 형성할 수 있는 외에, 널리 원하는 박막의 형성에 이용할 수 있는 박막형성장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명자는 연구를 거듭하여 다음의 지견을 얻었다.
즉 성막실내에 도입한 실리콘원자를 가지는 재료가스〔예를 들어 4플루오르화실리콘(SiF4 ), 4염화실리콘(SiC14 )등의 가스〕와 수소가스의 혼합가스나, 실란계 반응가스〔예를 들어 모노실란(SiH4 ), 디실란(Si2 H6), 트리실란(Si3 H8) 등의 가스〕는 플라즈마형성에 의하여 분해되어, 다수의 분해생성물(각종 라디칼이온)이 형성된다. 그 중에서 실리콘박막의 형성에 기여하는 라디칼로서는 SiH3 *, SiH2 *, SiH* 등을 들 수 있다. 실리콘박막의 성장과정에서 형성되는 막의 구조를 결정하는 것은, 기판상에 있어서의 표면반응이며, 기판 표면에 존재하는 실리콘의 미결합손과 이들 라디칼이 반응하여 막퇴적이 일어난다고 생각된다. 또 실리콘박막의 결정화에는 미결합손(dangling bond)을 가지는 실리콘원자나 Si 원자와 결합한 수소원자가 막중으로 받아들여지는 것을 될 수 있는 한 억제하는 것이 필요하고, 그것을 위해서는 기판 표면, 또한 거기에 형성되어 가는 막표면에 있어서의 수소원자의 피복율 증가가 중요하다고 생각된다. 기판 표면 나아가서는 거기에 형성되어 가는 막의 표면을 피복하는 수소원자가 미결합손을 가지는 Si 원자와 결합한 수소원자 등의 막중으로의 도입을 저감하는 상세한 기구에 대해서는 불분명하나, Si 원자의 미결합손과 수소가 충분히 결합함으로써 이들이 기화하여 가기 때문이 아닐까 라고 생각된다. 어째든 기판표면에 있어서의 수소원자의 피복율 증가에 의하여 미결합손을 가지는 Si 원자나 실리콘원자와 결합한 수소원자의 막중으로의 도입이 저감한다. 기판표면에 있어서의 수소원자의 피복율 증가를 위해서는 항상 플라즈마 중으로부터 기판으로 수소원자 라디칼이 날아오지 않으면 안된다. 그것을 위해서는 플라즈마중의 수소원자 라디칼의 밀도를 높이는 것이 중요하다. 본 발명자의 연구에 의하면, 플라즈마중의 수소원자 라디칼의 밀도를 높이는 정도로서, 플라즈마중의 SiH* 라디칼의 발광강도에 대한 수소원자 라디칼(Hβ)의 발광강도비가 1 이상〔즉, (수소원자 라디칼(Hβ)의 발광강도)/(SiH* 라디칼의 발광강도)가 1 이상〕이 되도록 수소원자 라디칼의 밀도를 높이면 양질의 다결정 실리콘박막을 형성할 수 있다.
본 발명은 이와 같은 지견에 의거하는 것으로, 다음의 (1) 다결정 실리콘박막형성방법 및 (2) 박막형성장치를 제공한다.
(1) 다결정 실리콘박막형성방법.
실리콘 원자를 가지는 재료가스와 수소가스의 혼합가스로부터, 또는 실란계 반응가스로부터 플라즈마를 형성하여 그 플라즈마중의 SiH* 라디칼의 발광강도에 대한 수소원자라디칼(Hβ)의 발광강도비가 1 이상이 되도록 그 플라즈마상태를 제어하여, 그 플라즈마하에서 기판에 다결정 실리콘박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘박막형성방법.
본 발명에 관한 다결정 실리콘박막형성방법에 의하면, 양질의 다결정 실리콘박막이 종래의 후열처리나 레이저어닐링처리가 필요없어져 생산성 좋게 얻어진다.
또 본 발명에 관한 다결정 실리콘박막형성방법에 의하면, 다결정 실리콘박막을 400℃ 이하의 저온에서 기판상에 형성할 수 있고, 따라서 기판으로서 내열성이 낮은 저렴한 기판, 예를 들어 저렴한 저융점 유리기판(내열온도 500℃ 이하)을 채용가능하고, 그만큼 저렴하게 다결정 실리콘박막을 형성할 수 있고, 나아가서는 그만큼 저렴하게 실리콘박막 이용의 액정표시장치, 태양전지, 각종 반도체디바이스 등을 제공할 수 있다.
상기 실리콘원자를 가지는 재료가스로서는, 4플루오르화실리콘(SiF4), 4염화실리콘(SiC14) 등의 가스를 예시할 수 있다. 또 실란계 반응가스로서는 모노실란(SiH4), 디실란(Si2H6), 트리실란(Si3 H8) 등의 가스를 예시할 수 있다.
플라즈마중의 SiH* 라디칼의 발광강도에 대한 수소원자 라디칼(Hβ)의 발광강도비〔즉, (수소원자 라디칼(Hβ)의 발광강도)/(SiH* 라디칼의 발광강도)〕(이하, 「Hβ/SiH*」라 한다.)가 1 이상이 되도록 해당 플라즈마상태를 제어함에 있어서는 가스의 해리상태를 발광분광법에 의하여 계측하여, 실리콘박막의 형성에 기여하는 라디칼의 하나인 SiH* (414nm의 출현)의 발광강도에 대한 수소원자 라디칼 Hβ(486 nm의 출현)의 발광강도비가 1 이상이 되도록 플라즈마상태를 제어한다.
Hβ/SiH* 의 상한에 관해서는 다결정 실리콘박막의 형성에 지장이 없는 범위에서 큰 값을 채용할 수 있고, 특히 제한은 없으나, 나중에 설명하는 바람직하지 못한 이온의 증가를 초래하지 않기 위하여 그것에는 한정되지 않으나 대개는 20 이하 정도가 좋다.
플라즈마상태의 제어는, 구체적으로는 플라즈마생성을 위한 투입전력의 크기, 성막실에 도입하는 가스의 유량, 성막실내의 성막가스압 등 중 l 또는 2 이상의 제어에 의하여 행할 수 있다.
예를 들어 투입전력(와트수)을 크게 하면 가스분해하기 쉽게 된다. 그러나 투입전력을 너무 크게 하면, 이온이 무시하기 어렵게 증가한다. 성막가스압을 낮게 하면, 이온이 감소한다. 그러나 수소원자 라디칼도 감소한다. 예를 들어 실리콘원자를 가지는 재료가스와 수소가스의 혼합가스를 채용하는 경우에 있어서, 수소가스도입량을 늘리면, 이온증가를 억제하면서 수소원자 라디칼을 늘릴 수 있다. 이들을 감안하여 투입전력의 크기, 성막실에 도입하는 가스의 유량, 성막실내의 성막가스압 등 중 1 또는 2 이상을 적절하게 제어함으로써 원하는 플라즈마상태를 얻도록 플라즈마를 제어하면 좋다.
본 발명방법에 의하여 다결정 실리콘박막을 형성할 때, 기판 표면 또는 형성되어 가는 막 표면에는 라디칼과 함께 플라즈마 중의 이온도 날라온다. 그러나 이온입사가 많으면, 형성되는 막이 손상을 받음과 동시에 실리콘결정화에 방해가 된다. 플라즈마중의 이온의 기판표면에 대한 입사에너지는, 플라즈마포텐셜(플라즈마전위)에 영향을 미쳐, 플라즈마전위와 기판표면전위와의 차분으로 주어진다. 본 발명자의 연구에 의하면, 플라즈마포텐셜은 60 V 이하로 설정하면 기판에 대한 이온입사를 상당히 억제할 수 있다. 또 플라즈마중에 생성되는 이온의 밀도를 줄이도록 플라즈마를 제어하여도 이온입사 수를 줄일 수 있다.
따라서 본 발명에 관한 다결정 실리콘박막형성방법에서는, 플라즈마의 제어에 있어서 플라즈마포텐셜을 60 V 이하로 제어하여도 좋다. 또 이것 대신에, 또는 이것과 함께 플라즈마상태의 제어에 있어서 플라즈마중의 이온밀도가 5 ×1O10(cm-3)이하가 되도록 플라즈마상태를 제어하여도 좋다.
플라즈마포텐셜의 하한에 대해서는, 다결정 실리콘박막을 형성할 수 있는 것이면 특별히 제한은 없으나, 예를 들어 플라즈마를 안정되게 지속할 수 있는 상태를 얻는 등의 관점으로부터 그것에는 한정되지 않으나, 예를 들어 10 V 정도 이상으로 할 수 있다.
또 플라즈마중에 생성되는 이온의 밀도는, 다결정 실리콘박막의 형성에 지장이 없는 범위로 낮을 수록 좋으나, 예를 들어 플라즈마의 안정지속 등의 관점으로부터 그것에는 한정되지 않으나, 예를 들어 1 ×1O8(cm-3)정도 이상으로 할 수 있다.
본 발명방법에 있어서 플라즈마의 생성은, 대표적으로는 방전하에 형성할 수있고, 그 경우 종래부터 사용되고 있는 평행평판형의 전극구조에 의한 플라즈마생성보다도 방전용 전극으로서 원통형 전극을 사용하는 플라즈마생성에 의한 쪽이 효율적으로 가스분해를 진행시킬 수 있고, 발광강도비(Hβ/SiH*)가 1 이상이 되는 플라즈마를 생성하기 쉽다. 왜냐하면 발광강도비(Hβ/SiH*)를 1 이상으로 하기 위하여 플라즈마중의 원자형상 수소 라디칼의 밀도를 높이기 위해서는 도입한 가스를 효율적으로 분해할 필요가 있고, 가스의 분해는 플라즈마중의 고속전자와 가스분자와의 충돌에 의하여 일어난다. 그리고 플라즈마중의 전자는 인가전압의 변동에 따라 전극사이를 이동(운동)하고, 그 동안에 가스분자와 충돌한다. 따라서 종래 사용하고 있는 평행평판형의 전극구조로서는 전극사이 거리가 짧기 때문에, 전극사이에 있어서의 전자의 이동중에 전자가 가스분자에 충돌하는 회수가 적어 가스분해가 진행하기 어렵다. 이 점 원통형 방전전극에서는 대향전극으로서 예를 들어 성막실 내벽이나 그것과 동전위의 기판홀더 등을 채용함으로써 전극사이 거리를 길게 하여 전자의 이동중에 전자와 가스분자가 충돌하는 회수를 많게 하여 효율적으로 가스를 분해할 수 있다. 또한 원통형 방전전극을 채용하는 경우, 대개는 그 원통형 방전전극의 원통형 중심축선이 기판면에 수직 또는 대략 수직하게 되도록 설치하면 좋다.
또 본 발명방법에 있어서 플라즈마의 생성은, 대표적으로는 방전하에 형성할 수 있고, 그 경우 플라즈마발생을 위한 방전에 사용하는 방전용 전원은, 종래 일반적으로 사용되어 온 13.56 MHz의 고주파 전원이어도 되나, 주파수를 증가시키면, 단위시간당 전자의 전극간 이동회수가 늘어나, 보다 효율적으로 가스분해가 일어나기 때문에, 예를 들어 60 MHz 이상의 고주파전원을 사용함으로써 발광강도비 (Hβ/SiH*) 를 용이하게 크게 할 수 있다.
따라서 본 발명에 관한 다결정 실리콘박막형성방법에서는, 상기 플라즈마를 방전하에 형성하도록 하고, 그 방전에 사용하는 방전전극으로서 원통형 전극을 사용하여도 좋다. 또 이것과 함께 또는 이것을 대신하여 방전에 사용하는 방전용 전원으로서, 주파수 60 MHz 이상의 고주파전원을 사용하여도 좋다.
주파수 60 MHz 이상의 고주파전원을 사용하는 경우, 주파수의 상한에 있어서는, 다결정 실리콘박막을 형성할 수 있는 것이면 특별히 제한은 없으나, 너무 주파수가 높아지면 플라즈마발생영역이 제한되어 지는 경향에 있기 때문에, 예를 들어 마이크로파 오더의 주파수(대표적으로는 2.45 GHz)정도까지로 할 수 있다.
또 가스분해에 의하여 생긴 수소원자 라디칼의 수명은 짧고, 그 일부는 기판상에 도달하나, 대부분은 인접하는 수소원자 라디칼이나 SiH3 *, SiH2 *, SiH* 등의 라디칼과 재결합한다. 따라서, 수소원자 라디칼이 기판에 도달하는 사이에 될 수 있는 한, 다른 라디칼과 만나지 않도록 성막시의 가스압은 낮은 쪽이 바람직하고, 종래의 플라즈마 CVD 법에 있어서의 일반적인 성막압력인 수백 mTorr∼수 Torr보다도 20 mTorr이하, 보다 바람직하게는 10 mTorr 이하의 성막압력의 쪽이 생성된 수소원자 라디칼이 효율적으로 기판상에 도달할 수 있다.
따라서, 본 발명에 관한 다결정 실리콘박막형성방법에서는, 성막가스압을 20 mTorr이하, 또는 10 mTorr 이하로 유지하여도 좋다. 성막가스압의 하한에 대해서는 다결정 실리콘박막을 형성할 수 있는 것이면, 특별히 제한은 없으나 원활하게 플라즈마를 생성시키기 위하여 0.l mTorr 정도 이상이 좋다.
성막시의 기판온도는 400℃ 이하로 유지할 수 있다. 성막시의 기판온도의 하한에 대해서는, 다결정 실리콘박막을 형성할 수 있는 것이면, 특별히 제한은 없으나, 대개는 실온이나 막형성장치 주변온도 정도 이상이 된다.
여기서 약간 원래로 되돌아가, 상기 기판에 대한 다결정 실리콘박막형성에 있어서 그 기판을 성막실내에 설치하고, 그 성막실내를 배기감압하여 성막가스압으로 설정함과 동시에, 상기 플라즈마를 그 성막실내로 도입한 상기 실리콘원자를 가지는 재료가스와 수소가스의 혼합가스 또는 실란계 반응가스인 성막원료가스에 고주파전력을 인가하여 형성하는 경우에 대하여 본다. 이와 같은 다결정 실리콘박막성형에서는 예를 들어 상기 발광강도비(Hβ/SiH*)가 l 이상, 또 플라즈마포텐셜(Vp)이 60 V 이하로 하기 위해서는, 다음과 같이 하면 된다.
즉, 상기 발광강도비가 1 보다 작고, 플라즈마포텐셜이 60 V 이하일 때는, 상기 고주파전력을 증가시켜, 상기 발광강도비가 1 이상이며, 플라즈마포텐셜이 60 V 보다 클 때는, 상기 성막실내로부터의 배기량을 조정하여 상기 성막가스압을 증가시키고, 상기 발광강도비가 1 보다 작고, 플라즈마포텐셜이 60 V보다 클 때는, 상기 성막실내에 대한 상기 원료가스 도입량을 감소시킴으로써 발광강도비 1 이상, 플라즈마포텐셜 60 V 이하의 조건을 설정하면 좋다. 이들의 조작은 필요에 따라 복수를 순서대로 실행하여도 좋다.
상기 발광강도비가 1 보다 작고, 플라즈마포텐셜이 60 V 이하일 때, 상기 고주파 전력을 증가시키면, 플라즈마의 해리도가 증가하여 발광강도비가 상승하기 때문에 플라즈마포텐셜이 60 V 이하인 채로 발광강도비가 1 이상을 향하여 변화된다.
또 상기 발광강도비가 1 이상이고 플라즈마포텐셜이 60 V보다 클 때, 상기 성막실내로부터의 배기량을 조정하여 상기 성막가스압을 증가시키면, 평균 자유행정의 감소에 의한 각 이온의 전계로부터의 에너지수여가 감소하기 때문에, 발광강도비 1 이상인 채로 플라즈마포텐셜이 60 V 이하를 향하여 변화된다.
발광강도비가 1 보다 작고, 플라즈마포텐셜이 60 V보다 클 때는, 상기 성막실내로의 상기 원료가스도입량을 감소시키면, 가스공급 과다에 의한 가스분자에 대한 에너지공급부족이 개선되고 발광강도비는 1 이상을 향하여 변화된다. 그 후 아직 플라즈마포텐셜이 60 V보다 클 때는 성막가스압을 증가시키면 좋다.
또 상기 플라즈마상태의 제어에 있어서, 플라즈마중의 이온밀도가 5 ×1010(cm-3)이하가 되도록 플라즈마상태를 제어하여 다결정 실리콘박막을 형성하여도 좋다.
상기 성막원료가스에 대한 상기 고주파전력인가에 있어서, 고주파전원에 접속된 원통형 방전전극을 채용하여도 좋다.
상기 성막원료가스에 대한 상기 고주파전력인가에 있어서, 그 고주파전력으로서 주파수 60 MHz 이상의 고주파전력을 사용하여도 좋다.
성막가스압을 20 mTorr 이하로 유지하여도 좋다.
성막시의 기판온도를 400℃ 이하로 유지할 수도 있다.
(2) 박막형성장치
피성막기판을 설치할 수 있는 성막실, 그 성막실내에 설치되어 방전용 전원에 접속된 플라즈마형성을 위한 방전용 전극, 그 성막실내에 성막을 위한 가스를 공급하는 가스공급장치, 그 성막실로부터 배기하는 배기장치를 구비한 플라즈마 CVD 에 의한 박막형성장치에 있어서, 플라즈마상태의 계측을 행하기 위한 발광분광 계측장치 및 프로브측정장치 및 그 발광분광 계측장치 및 프로브측정장치에 의한 검출정보에 의거하여 플라즈마상태를 소정의 상태로 유지하도록 상기 방전용 전원으로부터의 전력공급(대표적으로는 투입전력의 크기), 가스공급장치로부터의 가스공급(대표적으로는 공급가스유량) 및 상기 배기장치에 의한 배기중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 박막형성장치.
이 박막형성장치에 의하면, 성막실내의 소정위치에 피성막기판을 설치하고, 배기장치를 운전하여 성막실내로부터 배기하는 한편, 가스공급장치로부터 성막을 위한 가스를 성막실내에 도입하여, 방전용 전극으로부터 방전시킴으로써 그 가스를 플라즈마화하고, 그 플라즈마하에서 기판에 막을 형성할 수 있다. 이 때 발광분광 계측장치 및 프로브측정장치에 의한 검출정보에 의거하여 제어부가 플라즈마상태를 소정의 상태로 유지하도록 상기 방전용 전원으로부터의 전력공급, 가스공급장치부터의 가스공급 및 상기 배기장치에 의한 배기중 적어도 하나를 제어함으로써 (또한, 가스공급장치로부터의 가스공급이나, 배기장치에 의한 배기의 제어는, 성막가스압의 제어로도 이어진다), 원하는 박막을 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 가스공급장치를 실리콘원자를 가지는 재료가스〔예를 들어 4플루오르화 실리콘(SiF4), 4염화실리콘(SiC14)등의 가스〕와 수소가스와의 혼합가스나, 실란계 반응가스〔예를 들어 모노실란(SiH4), 디실란(Si2H6), 트리실란 (Si3H8)등의 가스〕를 공급할 수 있는 것으로 하여, 상기 제어부를 상기 발광분광 계측장치에 의하여 구해지는 성막실내 플라즈마중의 SiH* 라디칼의 발광강도에 대한 수소원자 라디칼(Hβ)의 발광강도비가 소정의 값이 되도록, 또는 다시 프로브측정장치에 의하여 검출되는 플라즈마포텐셜이 소정의 값을 나타내도록, 상기 방전용 전원으로부터의 전력공급, 가스공급장치로부터의 가스공급 및 상기 배기장치에 의한 배기중 적어도 하나를 제어할 수 있는 것으로 하여, 상기 기판상에 소정의(소정의 결정성 등)실리콘박막을 형성할 수 있다.
또한 예시하면, 기판에 다결정 실리콘박막을 형성할 수 있도록 상기 가스공급장치를 실리콘원자를 가지는 재료가스와 수소가스, 또는 실란계 반응가스를 공급할 수 있는 것으로 하여 상기 제어부를 상기 발광분광 계측장치에 의하여 구해지는 성막실내 플라즈마중의 SiH* 라디칼의 발광강도에 대한 수소원자라디칼(Hβ)의 발광강도비가 1 이상이 되도록 상기 방전용 전원으로부터의 전력공급, 가스공급장치로부터의 가스공급 및 상기 배기장치에 의한 배기중 적어도 하나를 제어할 수 있는 것으로 하여도 좋다.
또는 기판에 다결정 실리콘박막을 형성할 수 있도록, 상기 가스공급장치를 실리콘원자를 가지는 재료가스와 수소가스 또는 실란계 반응가스를 공급할 수 있는 것으로 하고, 상기 제어부를 상기 발광분광 계측장치에 의하여 구해지는 성막실내플라즈마중의 SiH* 라디칼의 발광강도에 대한 수소원자 라디칼(Hβ)의 발광강도비가 1 이상이 되도록, 또 상기 프로브측정장치에 의하여 구해지는 플라즈마포텐셜이 60 V 이하가 되도록 상기 방전용 전원으로부터의 전력공급, 가스공급장치로부터의 가스공급 및 상기 배기장치에 의한 배기중 적어도 하나를 제어할 수 있는 것으로 하여도 좋다. 이 장치의 경우, 플라즈마포텐셜의 하한에 관해서는 다결정 실리콘박막을 형성할 수 있는 것이면 특별히 제한은 없으나, 예를 들어 플라즈마의 안정지속 등의 관점에서 그것에는 한정되지 않으나, 예를 들어 1O V 정도이상으로 할 수 있다.
또 후자와 같이, 발광강도비가 1 이상이 되도록, 또 플라즈마포텐셜이 60 V 이하가 되도록 제어할 때에는, 상기 방전용 전원을 고주파전원으로 하고, 상기 제어부는 상기 피성막기판에 대한 다결정 실리콘박막형성에 있어서 상기 발광강도비 1 이상, 플라즈마포텐셜 60 V 이하의 조건을 설정하도록 상기 발광강도비가 1 보다 작고, 플라즈마포텐셜이 60 V 이하일 때는, 상기 고주파전원으로부터 공급되는 전력을 증가시키고, 상기 발광강도비가 1 이상이고 플라즈마포텐셜이 60 V 보다 클 때는 상기 배기장치에 의한 성막실로부터의 배기량을 조정하여 성막실내의 성막가스압을 증가시키고, 상기 발광강도비가 1 보다 작고, 플라즈마포텐셜이 60 V보다 클 때는 상기 가스공급장치로부터 성막실내로의 가스공급량을 감소시키는 것으로 하여도 좋다.
이와 같은 어느 하나의 다결정 실리콘박막형성을 위한 박막형성장치의 경우라도 상기 방법에서 설명한 바와 같이 Hβ/SiH* 의 상한에 대해서는 다결정 실리콘박막의 형성에 지장이 없는 범위에서 큰 값을 채용할 수 있고, 특별히 제한은 없으나, 나중에 설명하는 바람직하지 않은 이온의 증가를 초래하지 않기 위해 그것에는 한정되지 않으나, 20 이하 정도가 좋다.
이와 같은 다결정 실리콘박막형성을 위한 박막형성장치에 의하면, 양질의 다결정 실리콘박막이, 종래의 후열처리나 레이저어닐링처리의 필요를 없애 생산성좋게 얻어진다.
또 다결정 실리콘박막을 400℃ 이하의 저온에서 기판상에 형성할 수가 있고, 따라서 기판으로서 내열성이 낮은 저렴한 기판, 예를 들어 저렴한 저융점 유리기판 (내열온도 500℃ 이하)을 채용할 수 있어 그 만큼 저렴하게 다결정 실리콘박막을 형성할 수 있고, 나아가서는 그 만큼 저렴하게 실리콘박막이용의 액정표시장치, 태양전지, 각종 반도체디바이스 등을 제공할 수 있다.
본 발명에 관한 박막형성장치를 이와 같은 다결정 실리콘박막형성을 위한 박막형성장치로서 사용하는 경우, 이미 설명한 본 발명에 관한 다결정 실리콘박막형성방법으로 설명하면, 동일한 이유로부터 다음의 박막형성장치로 하여도 좋다. 또이하의 (1)∼(4)에 설명하는 특징을 지장이 없는 범위에서 적절하게 조합시켜 채용한 박막형성장치로 할 수도 있다.
① 상기 제어부가 또한 상기 프로브측정장치에 의하여 구해지는 플라즈마중의 이온밀도가 5 ×1O10(cm-3)이하가 되도록 상기 방전용 전원으로부터의 전력공급, 가스공급장치로부터의 가스공급 및 상기 배기장치에 의한 배기중 적어도 하나를 제어하는 다결정 실리콘박막형성을 위한 박막형성장치.
플라즈마중에 생성되는 이온의 밀도는, 다결정 실리콘박막의 형성에 지장이 없는 범위에서 낮을 수록 좋으나, 예를 들어 플라즈마의 안정지속 등의 관점에서 그것에는 한정되지 않으나, 예를 들어 1 ×1O8(cm-3)정도 이상으로 할 수 있다.
② 상기 방전용 전극이 원통형 전극인 다결정 실리콘박막형성을 위한 박막형성장치.
③ 상기 방전용 전원이 주파수 60 MHz 이상의 전력을 공급하는 전원인 다결정 실리콘박막형성을 위한 박막형성장치.
그 방전용 전원의 주파수의 상한에 관해서는, 다결정 실리콘박막을 형성할 수 있는 것이면 특별히 제한은 없으나, 너무 주파수가 높아지면 플라즈마발생영역이 제한되어 오는 경향에 있기 때문에, 예를 들어 마이크로파 오더의 주파수(대표적으로는 2.45 GHz)정도까지로 할 수 있다.
④ 상기 제어부가 성막가스압을 20 mTorr 이하, 또는 10 mTorr 이하로 유지하도록, 상기 가스공급장치로부터의 가스공급 및 상기 배기장치에 의한 배기중 적어도 한쪽을 제어하는 다결정 실리콘박막형성을 위한 박막형성장치.
성막가스압의 하한에 있어서는, 다결정 실리콘박막이 형성될 수 있는 것이면특별히 제한은 없으나, 원활하게 플라즈마를 생성시키기 위해 0.l mTorr 정도이상이 좋다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 의거하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 관한 박막형성장치의 일예의 개략구성을 나타내고 있다.
도 1에 나타내는 박막형성장치는, 성막실(플라즈마생성실)(1), 그 실내에 설치된 기판홀더(2), 그 실내에서 기판홀더(2)의 위쪽에 설치된 원통형 방전전극(3),방전전극(3)에 매칭박스(41)를 거쳐 접속된 방전용 고주파전원(4), 성막실내에 성막을 위한 가스를 도입하기 위한 가스공급장치(5), 성막실내에서 배기하기 위하여 성막실에 접속된 배기장치(6), 성막실내에 생성되는 플라즈마상태를 계측하기 위한 발광분광 계측장치(7) 및 프로브측정장치(8), 발광분광 계측장치(7)및 프로브측정장치(8)에 의한 검출정보에 의거하여 전원(4)에 의한 투입전력, 가스공급장치로부터의 가스공급 및 성막실내의 성막압력 중 적어도 하나를 소정의 플라즈마상태를 얻도록 제어하는 제어부(9)를 포함하고 있다. 또한 이들 전체는 호스트컴퓨터 (100)의 지시에 의거하여 동작한다. 또한 도면중 11은 신호의 송수신정리를 행하는 중간의 허브장치이다.
기판홀더(2)는 기판가열용 히터(2H)를 구비하고 있다.
원통형 방전전극(3)은 그 원통중심축선이 기판홀더(2)에 설치되는 피성막기판(S)의 중심부에 그 기판에 대략 수직하게 교차하도록 설치되어 있다.
전원(4)은 제어부(9)로부터의 지시에 의하여 출력가변의 전원이며, 주파수 60 MHz의 고주파전력을 공급할 수 있다.
성막실(1) 및 기판홀더(2)는 함께 접지되어 있다.
가스공급장치(5)는 여기서는 모노실란(SiH4 )가스를 공급할 수 있는 것으로, SiH4 가스원 외에, 도시 생략한 밸브, 제어부(9)로부터의 지시에 의하여 유량조정을 행하는 질량유량제어기(51) 등을 포함하고 있다.
배기장치(6)는 배기펌프 외에, 제어부(9)로부터의 지시에 의하여 배기유량조정을 행하는 밸브(여기서는 컨덕턴스밸브)(61) 등을 포함하고 있다.
발광분광 계측장치(7)는 가스분해에 의한 생성물의 발광분광스펙트럼을 검출하여, SiH* 라디칼의 발광강도에 대한 수소원자 라디칼(Hβ)의 발광강도비(Hβ/SiH*) 를 구할 수 있는 것이다.
Hβ/SiH* 는, 장치의 감도교정을 고려하여 다음의 식으로 구해진다.
발광강도비(Hβ/SiH*) = (Ib ×αb)/(Ia ×αa)
Ia : SiH* (414 nm)의 발광강도, αa : 장치에 있어서의 414 nm의 보정계수
Ib : Hβ(486 nm)의 발광강도, αb : 장치에 있어서의 486 nm의 보정계수
프로브측정장치(8)는, 랑뮤어프로브에 의하여 플라즈마상태를 측정하는 장치로, 플라즈마에 있어서의 전압전류 특성을 검출함과 동시에, 그 특성으로부터 플라즈마포텐셜, 이온밀도, 전자밀도, 전자온도를 산출할 수 있는 것이다.
도 2는 본 발명에 관한 박막형성장치의 다른예의 개략구성을 나타내고 있다.
도 2에 나타내는 박막형성장치는, 평행평판형 전극구조의 플라즈마 CVD 장치이고, 성막실(플라즈마생성실)(10), 그 실내에 설치된 접지전위의 히터(2H) 부착 기판홀더(2), 그 실내에서 기판홀더(2)의 위쪽에 설치된 평판형의 방전전극 (3l), 방전전극(31)에 매칭박스(41)를 거쳐 접속된 방전용 고주파전원(4), 성막실내에 성막을 위한 가스를 도입하기 위한 가스공급장치(5), 성막실내에서 배기하기위하여 성막실에 접속된 배기장치(6), 성막실내에 생성되는 플라즈마상태를 계측하기 위한 발광분광 계측장치(7) 및 프로브측정장치(8), 발광분광 계측장치(7) 및 프로브측정장치(8)에 의한 검출정보에 의거하여 전원(4)에 의한 투입전력, 가스공급장치(5)로부터의 가스공급 및 성막실내의 성막압력중 적어도 하나를 소정의 플라즈마상태를 얻도록 제어하는 제어부(9)를 포함하고 있다. 또한 이들 전체는 호스트컴퓨터(100)의 지시에 의거하여 동작한다. 도면중 11은 신호의 송수신정리를 행하는 중간의 허브장치이다.
이 장치는 성막실(플라즈마생성실)(10) 및 방전전극(31)의 각 형태의 점을 제외하면, 다른 점은 도 1에 나타내는 장치와 동일하다.
도 1 및 도 2에 나타내는 어느쪽의 박막형성장치에 있어서도, 성막실내의 기판홀더(2)상에 피성막기판(S)을 설치하고, 필요에 따라 소정온도로 가열하여 배기장치(6)를 운전하여 성막실내로부터 배기하는 한편, 가스공급장치(5)로부터 모노실란가스를 성막실내로 도입하여, 방전용 전극(3)(31)으로부터 방전시킴으로써 그 가스를 플라즈마화하고, 그 플라즈마하에서 기판(S)에 막을 형성할 수 있다. 이 때 제어부(9)가 발광분광 계측장치(7)에 의하여 구해지는 성막실내 플라즈마중의 SiH* 라디칼의 발광강도에 대한 수소원자 라디칼(Hβ)의 발광강도비(Hβ/SiH*)가 소정의 값이 되도록, 또는 다시 프로브측정장치(8)에 의하여 검출되는 플라즈마포텐셜이 소정의 값을 나타내도록, 상기 방전용 전원(4)으로부터의 투입전력의 크기, 가스공급장치(5)로부터의 가스공급량, 또한 그 가스공급량 및(또는) 상기 배기장치(6)에 의한 배기량의 조정에 의한 성막압력중 적어도 하나를 제어함으로써 기판(S)상에 소정의(소정의 결정성등)실리콘박막을 형성할 수 있다.
특히 상기 제어부(9)를 발광분광 계측장치(7)에 의하여 구해지는 성막실내 플라즈마중의 SiH* 라디칼의 발광강도에 대한 수소원자 라디칼(Hβ)의 발광강도비가 1 이상이 되도록, 또는 다시 프로브측정장치(8)에 의하여 구해지는 플라즈마포텐셜이 60 V 이하가 되도록, 방전용 전원(4)에 의한 투입전력의 크기, 가스공급장치(5)로부터의 가스공급량, 또는 그 가스공급량 및(또는) 배기장치(6)에 의한 배기량의 조정에 의한 성막압력중 적어도 하나를 제어하도록 설정해 둠으로써 기판(S)상에 400℃ 이하의 기판온도로 생산성 좋게 다결정 실리콘박막을 형성할 수 있다.
보다 원활하게 양질의 다결정 실리콘박막을 형성하기 위하여, 또한 다음과 같이 하여도 좋다.
① 플라즈마중의 이온밀도가 5 ×1O10(cm-3)이하가 되도록, 제어부(9)에 방전용 전원(4)으로부터의 투입전력의 크기, 가스공급장치(5)로부터의 가스공급량, 또한 그 가스공급량 및(또는) 상기 배기장치(6)에 의한 배기량의 조정에 의한 성막압력중 적어도 하나를 제어시켜도 좋다.
② 성막가스압을 20 mTorr이하, 보다 바람직하게는 10 mTorr 이하로 하도록 제어부(9)에 가스공급장치(5)로부터의 가스공급량 및(또는) 배기장치(6)에 의한 배기량을 제어시켜도 좋다.
다음에 실리콘박막의 형성의 실험예에 관해서 설명한다.
실험예 1
도 1에 나타내는 원통형 전극(3)을 사용한 장치의 기판홀더(2)에 유리기판을 세트한 후, 배기장치(6)에 성막실(1)내로부터 2 ×10-6 Torr까지 진공배기시켰다. 그 후 그대로 배기를 계속하게 하는 한편, 가스공급장치(5)로부터 모노실란가스 (SiH4)를 5 sccm 도입시키면서 전원(4)으로부터 원통전극(3)에 60 MHz, 20O W의 고주파전력을 인가시켜 성막실(1)내에 방전을 일으켜, 도입가스를 플라즈마화하고, 유리기판상에 실리콘박막을 500Å 형성하였다. 그 사이 성막가스압력은 2.0 mTorr 이고, 기판온도를 400℃로 유지하였다.
얻어진 실리콘박막의 결정성을 레이저라만분광법에 의하여 평가한 바, 다결정 실리콘박막인 것이 확인되었다. 또한 라만분광법은 종래의 플라즈마 CVD 법에 의하여 형성된 아몰퍼스실리콘의 구조(라만시프트 = 480 cm-1)에 대하여, 결정화 실리콘의(라만시프트 = 515∼520 cm-1) 피크를 검출하여 결정성을 확인하였다. 또한 라만분광법에 의한 결정성의 평가법은 이하와 동일하다.
도 3에 SiH4 도입량 5 ccm, 방전전력 200 W일 때의 SiH4 플라즈마의 발광분광스펙트럼를 나타낸다. 상기 도면에는 가스분해에 의하여 생긴 생성물에 따른 발광스펙트럼이 보이고, 실리콘퇴적에 기여하는 SiH*의 발광이 414 nm, 수소원자 라디칼(Hβ)의 발광이 486 nm으로 관측되어 플라즈마중에 SiH* 나 수소원자 라디칼이 다수존재하고 있음을 알 수 있다.
발광분광 계측장치(7)에 의하여 구해지는 SiH* 라디칼(414 nm)의 발광강도와 수소원자 라디칼(Hβ)의 발광강도의 비(Hβ/SiH*)는 l.10 (αa:0.0145, αb:0.0167)이었다.
또한 도 4는 상기 실험예 1의 막형성을 행함에 있어서 가스도입량이나 방전전력을 여러가지로 변화시켰을 때의 플라즈마의 상태[발광강도비(Hβ/SiH*)와 이온밀도]와 실리콘결정성과의 관계를 나타내고 있다. 도 4중에 ●으로 표시되는 바와 같이 다결정 실리콘박막을 얻을 수 있는 것은 어느 이온밀도에 있어서도 발광강도비(Hβ/SiH*)가 l.0 이상의 경우임을 알 수 있다. 발광강도비(Hβ/SiH*)가 1.0 보다 작으면 도 4중에 □로 표시되는 바와 같이 아몰퍼스실리콘박막이 형성된다. 또 이온밀도가 증가하면, 결정화에 방해가 되고, 결정화에는 보다 높은 발광강도비 (Hβ/SiH*)가 필요하게 되고, 따라서 보다 효과적으로 다결정 실리콘박막을 얻기위해서는 이온밀도를 5 ×1010/cm3 이하로 억제하는 쪽이 바람직함도 알 수 있다.
실험예 2 및 실험예 3
실험예 2로서 도 1에 나타내는 박막형성장치에 의하여 실리콘박막을 형성하고, 실험예 3으로서 도 2에 나타내는 박막형성장치에 의하여 실리콘박막을 형성하였다.
실험예 2의 성막조건
기판 유리기판
SiH4 도입량 5 sccm
방전전력 60 MHz, 300 W
기판 온도 400℃
성막가스압력 방전을 안정되게 유지할 수 있는 2 mTorr
성막 막두께 500Å
실험예 3의 성막조건
기판 유리기판
SiH4 도입량 5 sccm
방전전력 60 MHz, 300 W
기판 온도 400℃
성막압력 방전을 안정되게 유지할 수 있는 l50 mTorr
성막 막두께 500Å
실험예 2, 3으로 얻어진 실리콘박막의 결정성을 라만분광법에 의하여 평가한 바, 실험예 2에서는 다결정 실리콘박막의 형성이 확인되었으나, 실험예 3에서는 아몰퍼스실리콘박막이 확인되었다. 플라즈마중의 발광강도비(Hβ/SiH*)는, 실험예 2에서는 1 이상이었으나, 실험예 3에서는 1보다 작았다.
실험예 4 및 실험예 5
실험예 4, 5는 고주파전력의 주파수의 관점에서의 실험예이다.
실험예 4로서 도 1에 나타내는 박막형성장치에 의하여 실리콘박막을 형성하고, 실험예 5로서 도 1에 나타내는 박막형성장치에 있어서 방전용 전원(4)을 13.56 MHz, 300 W의 전원으로 바꾼 것을 사용하여 실리콘박막을 형성하였다.
실험예 4의 성막조건
기판 유리기판
SiH4도입량 5 sccm
방전전력 60 MHz, 300 W
기판 온도 400℃
성막가스압력 2 mTorr
성막 막두께 500Å
실험예 5의 성막조건
기판 유리기판
SiH4 도입량 5 sccm
방전전력 13.56 MHz, 300 W
기판 온도 400℃
성막압력 2 mTorr
성막 막두께 500Å
실험예 4, 5에서 얻어진 실리콘박막의 결정성을 라만분광법에 의하여 평가한 바, 실험예 4에서는 다결정 실리콘박막의 형성이 확인되었으나, 실험예 5에서는 아몰퍼스실리콘박막이 확인되었다. 플라즈마중의 발광강도비(Hβ/SiH*)는, 실험예 4에서는 1 이상이나, 실험예 5에서는 방전주파수가 13,56 MHz로 낮기 때문에 1 보다 작았다.
실험예 6 및 실험예 7
실험예 6, 7은 성막가스압의 관점에서의 실험예이다.
실험예 6, 7중 어느것에 관해서도 도 1에 나타내는 박막형성장치에 의하여 실리콘박막을 형성하였다.
실험예 6의 성막조건
기판 유리기판
SiH4 도입량 5 sccm
방전전력 60 MHz, 300 W
기판 온도 400℃
성막가스압력 2 mTorr
성막 막두께 500 Å
실험예 7의 성막조건
기판 유리기판
SiH4 도입량 5 sccm
방전전력 60 MHz, 300 W
기판온도 400℃
성막압력 50 mTorr
성막 막두께 500Å
실험예 6, 7에서 얻어진 실리콘박막의 결정성을 라만분광법에 의하여 평가한 바, 실험예 6에서는 다결정 실리콘박막의 형성이 확인되었으나, 실험예 7에서는 아몰퍼스실리콘박막이 확인되었다. 플라즈마중의 발광강도비(Hβ/SiH*)는, 실험예 6에서는 1 이상이었으나, 실험예 7에서는 성막압력이 50 mTorr로 높았기 때문에 1 보다 작았다. 또한 플라즈마중의 이온밀도가, 실험예 7의 쪽이 실험예 6의 경우보다 높았다.
실험예 8
도 2에 나타내는 장치를 사용하여 실리콘박막을 형성하였다. 성막조건은 이하와 같다.
피성막기판 무알칼리유리기판 및 Si-Wafer<1OO>의 각각
SiH4도입량 30 sccm
방전전력 60 MHz, 800 W
Hβ/SiH* 2.5
플라즈마포텐셜 45 V
전자온도 2.3 eV
성막가스압력 1 ×10-3 Torr
기판 온도 400℃
성막 막두께 500Å
얻어진 실리콘박막에 관하여 FT-IR(푸리에변환 적외분광법), 레이저라만분광법에 의하여 수소농도평가, 결정성 평가를 행하였다.
FT-IR 에 대해서는, 2000 cm-1의 Si-H(Stretching-band)흡수피크적분 강도로부터 막중의 수소농도를 정량한 바, 5 ×1O20cm-3이하를 나타내어, 종래의 시료(아몰퍼스실리콘막) 2 ×1O22 cm-3에 대하여 크게 감소개선하는 결과를 얻었다.
도 5는 실험예 8에서 얻어진 실리콘박막 및 종래의 아몰퍼스실리콘박막의 레이저라만분광법에 의한 라만시프트와 라만산란강도와의 관계를 나타내고 있다.
라만분광법에 의한 결정성 평가의 결과, 종래의 시료(아몰퍼스실리콘구조 라만시프트 = 480 cm-1)에 대하여 결정화 실리콘의(라만시프트 = 515∼520 cm-1)피크를 검출하여 실리콘박막의 결정성을 확인할 수 있었다. 결정사이즈로서 100Å∼2000Å의 결정입자를 확인하였다.
또한 상기 실험예 8 외에, 그 실험예 8 에 있어서, 방전전력, 도입가스유량, 성막가스압의 플라즈마제어 파라미터를 여러가지로 변화시키고, 그러나 Hβ/SiH*는 1 이상을, 플라즈마포텐셜은 60 V 이하를 유지하여 실리콘박막을 형성한 바, 모두 FT-IR 에 대해서는, 종래예의 시료(아몰퍼스실리콘막) 2 ×lO22cm-3에 대하여 크게 감소개선하는 결과를 얻었다. 또 라만분광법에 의하여 다결정 실리콘박막의 형성이 확인되었다.
다음에 도 6을 참조하여 본 발명에 관한 박막형성장치의 또 다른예에 대하여 설명한다.
도 6에 나타내는 박막형성장치는 도 2에 나타내는 박막형성장치와 실질상 같은 구성의 평행평판형 전극구조의 플라즈마 CVD 장치이고, 성막실(플라즈마생성실) (10'), 그 실내에 설치된 접지전위의 히터(2H)부착 기판홀더(2), 그 실내에서 기판홀더(2)의 위쪽에 설치된 평판형의 방전전극(31), 방전전극(31)에 매칭박스(41)를 거쳐 접속된 방전용 고주파전원(4), 성막실내에 성막을 위한 가스를 도입하기 위한 가스공급장치(5), 성막실내에서 배기하기 위하여 성막실에 접속된 배기장치(6), 성막실내에 생성되는 플라즈마상태를 계측하기 위한 발광분광 계측장치(7) 및 프로브측정장치(8), 발광분광 계측장치(7) 및 프로브측정장치(8)에 의한 검출정보에 의거하여 전원(4)에 의한 투입전력, 가스공급장치(5)로부터의 가스공급, 또는 성막실내의 성막압력(성막가스압)을 소정의 플라즈마상태를 얻도록 제어하는 제어부(9')를 포함하고 있다. 또 이 장치는 기판셔터(ST)를 구비하고 있고, 이 셔터(ST)는 구동부(D)에 의한 구동에 의하여 홀더(2)상에 설치되는 기판(S)를 덮는 위치와 그 기판 (S)을 노출시키는 퇴피위치와의 사이를 왕복운동할 수 있다. 또한 이들 전체는 호스트컴퓨터(100)의 지시에 의거하여 동작한다. 도면중 11은 신호의 송수신정리를 행하는 중간의 허브장치이다.
전원(4)은 제어부(9')로부터의 지시에 의하여 출력가변의 전원이며, 주파수 60 MHz의 고주파전력을 공급할 수 있다.
가스공급장치(5)는 여기서는 모노실란(SiH4)가스를 공급함으로써 SiH4 가스원 외에, 도시 생략한 밸브나, 제어부(9')로부터의 지시에 의하여 유량조정을 행하여 성막실(10')에 대한 가스공급량을 조절하는 질량유량제어기(51) 등을 포함하고 있다.
배기장치(6)는 배기펌프 외에, 제어부(9')로부터의 지시에 의하여 배기량조정을 행하여 성막실(10')내의 성막압력(성막가스압)을 조절하는 밸브(여기서는 컨덕턴스밸브)(61)등을 포함하고 있다.
셔터구동부(D)는 제어부(9') 의 지시하에 셔터를 움직인다.
발광분광 계측장치(7)는 도 1이나 도 2에 나타내는 발광분광 계측장치와 같은 것으로, 가스분해에 의한 생성물의 발광분광스펙트럼을 검출하고, 검출한 SiH* 라디칼 및 수소원자 라디칼(Hβ)의 각 발광강도를 기억하는 메모리, 그 메모리에 기억된 각 발광강도로부터 발광강도비((Hβ/SiH*)를 연산하여 구하는 연산부 등을 가지고 있다.
또한 여기서도 Hβ/SiH* 는, 장치의 감도교정을 고려하여 상기와 같이 발광강도비(Hβ/SiH*) = (Ib ×αb)/(Ia ×αa)로 구해진다.
프로브측정장치(8)는, 도 1 이나 도 2에 나타내는 프로브측정장치와 같이 랑뮤어프로브에 의하여 플라즈마상태를 측정하는 장치로, 프로브측정 데이터로부터 플라즈마포텐셜을 연산하여 구하는 연산부 등을 가지고 있다.
도 6에 나타내는 박막형성장치에서는 성막실(10')내의 기판홀더(2)상에 피성막기판(S)를 설치하여, 당초는 그 기판을 셔터(ST)로 덮어 둔다. 그리고 필요에 따라 소정온도로 가열하여 배기장치(6)를 운전하여 성막실내로부터 배기하는 한편, 가스공급장치(5)로부터 모노실란가스를 성막실내로 도입하여 방전용 전극(31)으로부터 방전시킴으로써 그 가스를 플라즈마화한다. 한편, 제어부(9')에 다음의 제어를 시킨다.
즉, 제어부(9')는, 도 7의 플로우차트에 나타내는 바와 같이, 발광분광 계측장치(7)에 의하여 구해지는 발광강도비(Hβ/SiH*)를 판독함과 동시에, 프로브측정장치(8)에 의하여 검출되는 플라즈마포텐셜(Vp)을 판독한다(스텝 S1).
제어부(9')는 또한 그들이 (Hβ/SiH*)≥1, 또 Vp ≤60 V의 조건을 만족하고 있는 지의 여부를 판단하여 (스텝 S2), 만족하고 있을 때는 구동부(D)에 지시하여 셔터(ST)를 움직이고, 기판(S)을 노출시켜 성막을 개시시킨다(스텝 S3).
그러나 상기조건이 만족되어 있지 않으면, 다음의 순서로 동작한다.
먼저, (Hβ/SiH*)<1 또한 Vp ≤60 V 인지의 여부를 판단한다(스텝 S4).
「YES」일 때는, 전원(4)의 출력(와트)을 소정량 증가시킨다(스텝 S5).
「NO」일 때는 (Hβ/SiH*) ≥1 또한 Vp > 60 V 인지의 여부를 판단한다(스텝 S6). 「YES」일 때는 배기장치(6)의 배기량 조정밸브(61)를 조작하여 성막실(10')내의 가스압을 소정량 증가시킨다(스텝 S7).
「NO」일 때는 (Hβ/SiH*) < 1 또한 Vp > 60 V 이고, 가스공급장치(5)의 질량유량제어기(51)를 조작하여 가스공급량을 소정량 감소시킨다(스텝 S8).
스텝 S5, S7 또는 S8에서 전원출력을 소정량 증가하여 성막실내 가스압을 소정량 증가 또는 가스공급량을 소정량 감소시킨 후는, 다시 스텝(S1)으로 되돌아가 장치(7, 8)로부터 검출정보를 판독하여, 그들이 (Hβ/SiH*) ≥1 또한 Vp ≤60 V의 조건을 만족하고 있는 지의 여부를 판단한다. 필요에 따라 동일한 스텝을 반복한다.
이렇게하여 (Hβ/SiH*) ≥1 또한 Vp ≤60 V의 조건이 만족되면, 구동부(D)에 지시하여 셔터(ST)를 움직이고, 기판(S)을 노출시켜 성막을 개시시킨다.
이와 같이하여 기판(S) 상에 400℃ 이하의 기판온도로, 생산성 좋게 다결정 실리콘박막을 형성할 수 있다.
보다 원활하게 양질의 다결정 실리콘박막을 형성하기 위하여 도 6의 장치에 있어서도, 다시 다음과 같이 하여도 좋다.
① 플라즈마중의 이온밀도가 5 ×1O10(cm-3)이하가 되도록, 제어부(9')에 방전용 전원(4)으로부터의 투입전력의 크기, 가스공급장치(5)로부터의 가스공급량, 또한 그 가스공급량 및(또는) 상기 배기장치(6)에 의한 배기량의 조정에 의한 성막압력중 적어도 하나를 제어시켜도 좋다.
② 성막가스압을 20 mTorr 이하, 보다 바람직하게는 10 mTorr 이하로 되도록 제어부(9)에 가스공급장치(5)로부터의 가스공급량 및(또는) 배기장치(6)에 의한 배기량을 제어시켜도 좋다.
도 6에 나타내는 박막형성장치를 사용하여, 예를 들어 상기 실험예 8의 경우와 동일한 기판에 실험예 8과 대략 동일조건을 설정하여 양호한 다결정 실리콘박막을 형성할 수 있었다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 비교적 저온하에서 저렴하고 생산성 좋게 다결정 실리콘박막을 형성할 수 있는 다결정 실리콘박막형성방법을 제공할 수 있다.
또 본 발명에 의하면, 비교적 저온하에서 저렴하고 생산성 좋게 다결정 실리콘박막을 형성할 수 있는 외에, 널리 원하는 박막의 형성에 이용할 수 있는 박막형성장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 관한 박막형성장치의 일예의 개략구성을 나타내는 도,
도 2는 본 발명에 관한 박막형성장치의 다른예의 개략구성을 나타내는 도,
도 3은 도 1에 나타내는 장치에 의한 실험예 1의 SiH4 도입량10 ccm, 방전전력 200W일 때의 SiH4 플라즈마의 발광분광 스펙트럼을 나타내는 도,
도 4는 실험예 1의 막형성을 행함에 있어서, 가스도입량이나 방전전력을 여러가지로 변화시켰을 때의 플라즈마의 상태〔발광강도비(Hβ/SiH*)와 이온밀도〕와 실리콘결정성과의 관계를 나타내는 도,
도 5는 실험예 8로 얻어진 실리콘박막 및 종래의 아몰퍼스실리콘박막의 레이저라만분광법에 의한 라만시프트와 라만산란강도와의 관계를 나타내는 도,
도 6은 본 발명에 관한 박막형성장치의 또 다른예의 개략구성을 나타내는 도,
도 7은 도 6에 나타내는 박막형성장치에 있어서의 제어부의 동작을 나타내는 플로우차트이다.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 10, 10' : 성막실(플라즈마생성실)
2 : 기판홀더 2H : 히터
3 : 원통형 방전전극 31 : 평판형 방전전극
4 : 방전용 전원 41 : 매칭박스
5 : 가스공급장치 51 : 질량유량제어기
6 : 배기장치 61 : 배기량 조정밸브
7 : 발광분광 계측장치 8 : 프로브측정장치
9, 9' : 제어부 100 : 호스트컴퓨터
11 : 허브장치 ST : 셔터
D : 셔터구동부

Claims (21)

  1. 실리콘원자를 가지는 재료가스와, 수소가스와의 혼합가스로부터 또는 실란계반응가스로부터 플라즈마를 형성하여, 그 플라즈마중의 SiH* 라디칼의 발광강도에 대한 수소원자 라디컬(Hβ)의 발광강도비〔(수소원자 라디컬(Hβ)의 발광강도) /(SiH* 라디컬의 발광강도)〕가 1 이상이 되도록 상기 플라즈마상태를 제어하고, 그 플라즈마하에서 기판에 다결정 실리콘박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘박막형성방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 플라즈마의 제어에 있어서, 플라즈마포텐셜을 60 V 이하로 제어하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘박막형성방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 플라즈마상태의 제어에 있어서, 플라즈마중의 이온밀도가 5 ×1O10 (cm-3)이하가 되도록 플라즈마상태를 제어하여 다결정 실리콘박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘박막형성방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마를 방전하에 형성하도록 하고, 그 방전에 사용하는 방전전극으로서 원통형 전극을 사용하고 있는 것을 특징으로하는 다결정 실리콘박막형성방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마를 방전하에 형성하도록 하고, 그 방전에 사용하는 방전용 전원으로서, 주파수 60 MHz 이상의 고주파전원을 사용하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘박막형성방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항중 어느 한 항에 있어서,
    성막가스압을 20 mTorr 이하로 유지하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘박막형성방법.
  7. 제 1항 내지 제 6항중 어느 한 항에 있어서,
    성막시의 기판온도를 400℃ 이하로 유지하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘박막형성방법.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 기판에 대한 다결정 실리콘박막형성에 있어서, 상기 기판을 성막실내에 설치하고, 그 성막실내를 배기감압하여 성막가스압으로 설정함과 동시에, 상기 플라즈마를 그 성막실내에 도입한 상기 실리콘원자를 가지는 재료가스와 수소가스와의 혼합가스 또는 실란계 반응가스인 성막원료가스에 고주파전력을 인가하여 형성하도록 하고, 그 때 상기 발광강도비가 1 보다 작고 플라즈마포텐셜이 60 V 이하 일 때는, 상기 고주파전력을 증가시키고, 상기 발광강도비가 1 이상이고 플라즈마포텐셜이 60 V보다 클 때는, 상기 성막실내로부터의 배기량을 조정하여 상기 성막가스압을 증가시키고, 상기 발광강도비가 1 보다 작고 플라즈마포텐셜이 60 V보다 클 때는, 상기 성막실내에 대한 상기 원료가스도입량을 감소시킴으로써 발광강도비 1 이상, 플라즈마포텐셜 60 V 이하의 조건을 설정하는 것을 특징으로 하는 다결정실리콘박막형성방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 플라즈마상태의 제어에 있어서, 플라즈마중의 이온밀도가 5 ×1O10 (cm-3)이하가 되도록 플라즈마상태를 제어하여 다결정 실리콘박막을 형성하는 것을 특징으로하는 다결정 실리콘박막형성방법.
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 성막원료가스에 대한 상기 고주파전력인가에 있어서, 고주파전원에 접속된 원통형 방전전극을 채용하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘박막형성방법.
  11. 제 8항 내지 제 10항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 성막원료가스에 대한 상기 고주파전력인가에 있어서, 그 고주파전력으로서 주파수 60 MHz 이상의 고주파전력을 사용하고 있는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘박막형성방법.
  12. 제 8항 내지 제 11항중의 어느 한 항에 있어서,
    성막가스압을 20 mTorr 이하로 유지하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘박막형성방법.
  13. 제 8항 내지 제 12항중의 어느 한 항에 있어서,
    성막시의 기판온도를 400℃ 이하로 유지하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘박막형성방법.
  14. 피성막기판을 설치할 수 있는 성막실, 상기 성막실 내에 설치되어 방전용 전원에 접속된 플라즈마형성을 위한 방전용 전극, 상기 성막실 내에 성막을 위한 가스를 공급하는 가스공급장치, 상기 성막실로부터 배기하는 배기장치를 구비한 플라즈마 CVD 에 의한 박막형성장치에 있어서,
    플라즈마상태의 계측을 행하기 위한 발광분광 계측장치 및 프로브측정장치 와 상기 발광분광 계측장치 및 프로브측정장치에 의한 검출정보에 의거하여 플라즈마상태를 소정의 상태로 유지하도록 상기 방전용 전원으로부터의 전력공급, 가스공급장치로부터의 가스공급 및 상기 배기장치에 의한 배기중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 박막형성장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 가스공급장치는 실리콘원자를 가지는 재료가스와 수소가스, 또는 실란계 반응가스를 공급할 수 있는 것이며, 상기 제어부는 상기 발광분광 계측장치에 의하여 구해지는 성막실내 플라즈마중의 SiH* 라디컬의 발광강도에 대한 수소원자 라디컬(Hβ)의 발광강도비〔(수소원자 라디컬(Hβ)의 발광강도)/(SiH* 라디컬의 발광강도)〕가 1 이상이 되도록 상기 방전용 전원으로부터의 전력공급, 가스공급장치로부터의 가스공급 및 상기 배기장치에 의한 배기중 적어도 하나를 제어할 수 있는 것이고, 상기 기판상에 다결정 실리콘박막을 형성할 수 있는 것을 특징으로 하는 박막형성장치.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 가스공급장치는 실리콘원자를 가지는 재료가스와 수소가스, 또는 실란계 반응가스를 공급할 수 있는 것이고, 상기 제어부는 상기 발광분광 계측장치에 의하여 구해지는 성막실내 플라즈마중의 SiH* 라디컬의 발광강도에 대한 수소원자 라디컬(Hβ)의 발광강도비〔(수소원자 라디컬(Hβ)의 발광강도)/(SiH* 라디컬의 발광강도)〕가 1 이상이 되도록, 또 상기 프로브측정장치에 의하여 구해지는 플라즈마포텐셜이 60 V 이하가 되도록 상기 방전용 전원으로부터의 전력공급, 가스공급장치로부터의 가스공급 및 상기 배기장치에 의한 배기중 적어도 하나를 제어할 수 있는 것이고, 상기 기판상에 다결정 실리콘박막형성을 형성할 수 있는 것을 특징으로 하는 박막형성장치.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 방전용 전원이 고주파전원이고, 상기 제어부는 상기 피성막기판에 대한 다결정 실리콘박막형성에 있어서 상기 발광강도비 1 이상, 플라즈마포텐셜 60 V 이하의 조건을 설정하도록, 상기 발광강도비가 1 보다 작고, 플라즈마포텐셜이 60 V 이하일 때는, 상기 고주파전원으로부터 공급되는 전력을 증가시키고, 상기 발광강도비가 1 이상이고 플라즈마포텐셜이 60 V보다 클 때는, 상기 배기장치에 의한 성막실로부터의 배기량을 조정하여 성막실내의 성막가스압을 증가시키고, 상기 발광강도비가 1 보다 작고, 플라즈마포텐셜이 60 V보다 클 때는 상기 가스공급장치로부터 성막실내에 대한 가스공급량을 감소시키는 것을 특징으로하는 박막형성장치.
  18. 제 15항 내지 제 17항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는 다시 상기 프로브측정장치에 의하여 구해지는 플라즈마중의 이온밀도가 5 ×1O10(cm-3)이하가 되도록 상기 방전용 전원으로부터의 전력공급, 가스공급장치로부터의 가스공급 및 상기 배기장치에 의한 배기중 적어도 하나를 제어하는 것을 특징으로 하는 박막형성장치.
  19. 제 15항 내지 제 18항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방전용 전극이 원통형 전극인 것을 특징으로 하는 박막형성장치.
  20. 제 15항 내지 제 19항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방전용 전원은 주파수 60 MHz 이상의 전력을 공급하는 전원인 것을 특징으로 하는 박막형성장치.
  21. 제 15항 내지 제 20항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는 성막가스압을 20 mTorr 이하로 유지하도록, 상기 가스공급장치로부터의 가스공급 및 상기 배기장치에 의한 배기중 적어도 한쪽을 제어하는 것을 특징으로 하는 박막형성장치.
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