KR100814455B1 - 실리콘 도트 형성방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실리콘 도트 형성 대상 기판 위에 종래보다 저온에서 입자지름이 갖추어진 실리콘 도트를 균일한 밀도분포로 형성할 수 있는 실리콘 도트 형성방법 및 장치를 제공하는 것이다.
이를 위하여 본 발명에서는 실리콘 스퍼터 타깃[예를 들면 타깃(30)]을 내부에 설치한 진공챔버(1) 내에 기판(S)을 배치하고, 챔버(1) 내에 스퍼터링용 가스(대표적으로는 수소가스)를 도입하여 그 가스에 고주파 전력을 인가함으로써 챔버(1) 내에 플라즈마를 발생시킴과 동시에 상기 타깃에 케미컬 스퍼터링 제어용 바이어스 전압을 인가하면서 상기 플라즈마로 타깃을 케미컬 스퍼터링하여 기판(S) 위에 실리콘 도트(SiD)를 형성한다.

Description

실리콘 도트 형성방법 및 장치{SILICON DOT FORMING METHOD AND SILICON DOT FORMING APPARATUS}
도 1은 본 발명에 관한 실리콘 도트 형성장치의 일례를 나타내는 도,
도 2는 플라즈마 발광 분광 계측장치 예를 나타내는 블럭도,
도 3은 배기장치에 의한 배기량(진공챔버 내압)의 제어 등을 행하는 회로예의 블럭도,
도 4는 실리콘 도트 형성장치의 다른 예를 나타내는 도,
도 5는 실리콘막을 형성하는 타깃 기판과 전극 등과의 위치관계를 나타내는 도,
도 6은 실리콘 도트 형성장치의 또 다른 예를 나타내는 도,
도 7은 도 6의 장치에서의 유도 결합형 플라즈마생성용의 고주파 안테나의 사시도,
도 8은 실리콘 도트 형성장치의 또 다른 예를 나타내는 도,
도 9는 실리콘 도트 형성 기판의 예를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
A : 실리콘 도트 형성장치 1 : 진공챔버
2 기판 홀더 2H : 히터
3 : 방전 전극 31 : 실리콘막
W1 : 내벽 30 : 실리콘 스퍼터 타깃
4 : 방전용 고주파 전원 41 : 매칭박스
5 : 수소가스공급장치 6 : 실란계 가스공급장치
7 : 배기장치 8 : 플라즈마 발광 분광 계측장치
S : 실리콘 도트 형성 대상 기판 81, 82 : 분광기
83 : 연산부 80 : 제어부
BPW : 바이어스 전원 B : 실리콘 도트 형성장치
10 : 진공챔버 V : 게이트 밸브
2' : 홀더 100 : 타깃 기판
7' : 배기장치 5' : 수소가스공급장치
6' : 실란계 가스공급장치 4' : 출력 가변 전원
41' : 매칭박스 3' : 챔버 내 전극
2H' : 히터 T : 반송장치
SP : 챔버(1) 내의 대 C : 실리콘 도트 형성장치
SW : 진공챔버의 천정벽 SWa : 절연성 시일부재
W2 : 내벽 30' : 실리콘막
9 : 고주파 안테나 91 : 안테나의 제 1 부분
92 : 안테나의 제 2 부분 91e : 제 1 부분의 챔버 안쪽 끝부
92e : 제 2 부분의 종단 MX : 매칭박스
PW : 고주파 전원 D : 실리콘 도트 형성장치
30' : 실리콘 스퍼터 타깃 S : 기판
SiD : 실리콘 도트
본 발명은 단일 전자장치 등을 위한 전자장치 재료나 발광재료 등으로서 사용되는 실리콘 도트, 즉 미소 크기의 실리콘 도트(소위 실리콘 나노입자)를 기판위에 형성하는 실리콘 도트의 형성방법 및 장치에 관한 것이다.
실리콘 도트는, 전자장치(예를 들면 실리콘 도트의 전하 축적기능을 이용한 메모리소자)나, 발광소자 등을 형성하기 위하여 이용할 수 있다.
실리콘 도트의 형성방법으로서는, 실리콘을 불활성 가스 중에서 엑시머 레이저 등을 사용하여 가열, 증발시켜 기판 위에 실리콘 도트를 형성하는 물리적방법이 알려져 있다. 또 가스중 증발법도 알려져 있다(가나가와켄 산업기술종합연구소 연구보고 No.9/2003 77∼78 페이지 참조). 후자는 레이저 대신에 고주파 유도가열이나 아크방전에 의하여 실리콘을 가열 증발시켜 기판 위에 실리콘 도트를 형성하는 방법이다.
또, CVD 챔버 내에 재료가스를 도입하여 가열한 기판 위에 실리콘 나노입자를 형성하는 CVD법도 알려져 있다(JP2004-179658A).
이 방법에서는 실리콘 나노입자 성장을 위한 핵을 기판 위에 형성하는 공정 을 거쳐 상기 핵으로부터 실리콘 나노입자를 성장시킨다.
[특허문헌 1]
JP2004-179658A
[비특허문헌 1]
가나가와켄 산업기술종합연구소 연구보고 No.9/2003 77∼78페이지
그러나 실리콘을 레이저조사에 의하여 가열 증발시키는 방법은, 균일하게 에너지밀도를 제어하여 레이저를 실리콘에 조사하는 것이 곤란하여 실리콘 도트의 입자지름이나 밀도분포를 갖추는 것이 곤란하다.
가스중 증발법에서도 실리콘의 불균일한 가열이 일어나, 그 때문에 실리콘 도트의 입자지름이나 밀도분포를 갖추는 것이 곤란하다.
또 상기한 CVD법에서는 상기 핵을 기판 위에 형성함에 있어서, 기판을 550℃ 정도 이상으로 가열하지 않으면 안되어, 내열 온도가 낮은 기판을 채용할 수 없고, 기판 재료의 선택 가능 범위가 그 만큼 제한된다.
따라서 본 발명은 실리콘 도트 형성 대상 기판 위에 종래보다 저온에서 입자지름이 갖추어진 실리콘 도트를 균일한 밀도분포로 형성할 수 있는 실리콘 도트 형성방법을 제공하는 것을 제 1의 과제로 한다.
또 본 발명은, 실리콘 도트 형성 대상 기판 위에 종래보다 저온에서 입자지름이 갖추어진 실리콘 도트를 균일한 밀도분포로 형성할 수 있는 실리콘 도트 형성장치를 제공하는 것을 제 2의 과제로 한다.
본 발명자는 이와 같은 과제를 해결하기 위하여 연구를 거듭하여 다음의 것을 지견하기에 이르렀다.
즉, 스퍼터링용 가스(예를 들면 수소가스)를 플라즈마화하여 상기 플라즈마로 실리콘 스퍼터 타깃을 케미컬 스퍼터링(반응성 스퍼터링)함으로써, 저온에서 실리콘 도트 형성 대상 기판 위에 직접 입자지름이 갖추어진 결정성의 실리콘 도트를 균일한 밀도분포로 형성하는 것이 가능하다.
또, 실리콘 스퍼터 타깃을 케미컬 스퍼터링함에 있어서는 실리콘 스퍼터 타깃에 스퍼터링 제어용 바이어스 전압(스퍼터링량을 제어하는 전압)을 인가함으로써 플라즈마로부터 실리콘 스퍼터 타깃에의 하전입자의 입사 에너지를 제어하여 스퍼터량을 컨트롤하고, 그것에 의하여 원하는 입자지름의 실리콘 도트를 형성할 수 있다.
또, 실리콘 스퍼터 타깃을 플라즈마발광에서 파장 288 nm 에서의 실리콘 원자의 발광강도(Si)(288 nm)와 파장 484 nm 에서의 수소원자의 발광강도(Hβ)와의 비[Si(288 nm)/Hβ]가 10.0 이하, 더욱 바람직하게는 3.0 이하, 또는 0.5 이하인 플라즈마로 케미컬 스퍼터링하면 500℃ 이하의 저온에서도 입자지름 20 nm 이하, 나아가서는 입자지름 10 nm 이하의 범위에서 입자지름이 갖추어진 결정성의 실리콘 도트를 균일한 밀도분포로 기판 위에 형성하는 것이 가능하다.
이와 같은 플라즈마의 형성은, 플라즈마형성영역에 스퍼터링용 가스(예를 들면 수소가스)를 도입하여 이것에 고주파 전력을 인가함으로써 행할 수 있다.
여기서 실리콘 도트의 「입자지름이 갖추어져 있다」란, 각 실리콘 도트의 입자지름이 어느 것이나 동일 또는 대략 동일한 경우 외에, 실리콘 도트의 입자지름에 불균일이 있었다 하여도 실리콘 도트의 입자지름이, 실용상은 갖추어져 있다고 볼 수 있는 경우도 가리킨다. 예를 들면 실리콘 도트의 입자지름이, 소정의 범위(예를 들면 20 nm 이하의 범위 또는 10 nm 이하의 범위) 내에 갖추어져 있는 또는 대략 갖추어져 있다고 보아도 실용상 지장이 없는 경우나, 실리콘 도트의 입자지름이 예를 들면 5 nm∼6 nm의 범위와 8 nm∼11 nm의 범위에 분포하고 있으나, 전체로서는 실리콘 도트의 입자지름이 소정의 범위(예를 들면 10 nm 이하의 범위) 내에 대략 갖추어져 있다고 볼 수 있어, 실용상 지장이 없는 경우 등도 포함된다. 요컨대, 실리콘 도트의 「입자지름이 갖추어져 있다」란, 실용상의 관점에서 전체로서 실질상 갖추어져 있다고 할 수 있는 경우를 가리킨다.
이와 같은 지견에 의거하여 본 발명은 상기 제 1의 과제를 해결하기 위하여 1 또는 2 이상의 실리콘 스퍼터 타깃을 내부에 설치한 실리콘 도트 형성용 진공챔버 내에 실리콘 도트 형성 대상 기판을 배치하는 공정과,
상기 실리콘 도트 형성 대상 기판 위에 실리콘 도트를 형성하는 실리콘 도트 형성공정을 포함하고,
상기 실리콘 도트 형성공정에서는, 상기 진공챔버 내에 스퍼터링용 가스를 도입하여 상기 가스에 고주파 전력을 인가함으로써 상기 진공챔버 내에 플라즈마를 발생시킴과 동시에 상기 실리콘 스퍼터 타깃에 케미컬 스퍼터링 제어용 바이어스 전압을 인가하고, 상기 플라즈마로 상기 실리콘 스퍼터 타깃을 케미컬 스퍼터링하 여 상기 실리콘 도트 형성 대상 기판 위에 실리콘 도트를 형성하는 실리콘 도트 형성방법을 제공한다.
여기서 「실리콘 도트」란, 일반적으로「실리콘 나노입자」등이라 불리우고 있는 입자지름 크기가 100 나노미터(100 nm) 미만의 미소한 실리콘 도트, 예를 들면 입자지름 크기가 수 nm∼수십 nm의 미소 실리콘 도트이다. 또한 실리콘 도트의 크기의 하한에 대해서는 그것에는 한정되지 않으나, 형성의 난이점으로부터 대략 1 nm 정도가 될 것이다.
이와 같은 실리콘 도트 형성방법에 의하면, 저온(예를 들면 500℃ 이하의 저온에서)에서 실리콘 도트 형성 대상 기판 위에 직접 종래보다 입자지름이 갖추어진 결정성의 실리콘 도트를 균일한 밀도분포로 형성하는 것이 가능하다.
실리콘 스퍼터 타깃은 시장에서 입수할 수 있는 실리콘 스퍼터 타깃 등의 미리 준비된 것을 진공챔버에 뒤에 부착 설치하여 사용하여도 좋으나, 상기 실리콘 스퍼터 타깃 중 적어도 하나는 진공챔버 내벽에 형성한 실리콘막으로 이루어지는 실리콘 스퍼터 타깃이어도 좋다. 상기 실리콘막은 예를 들면 상기 진공챔버 내에 상기 실리콘 도트 형성 대상 기판을 배치하기에 앞서 실란계 가스 및 수소가스를 도입하여 이들 가스에 고주파 전력을 인가하여 상기 진공챔버 내에 플라즈마를 발생시키고, 그 플라즈마에 의하여 상기 진공챔버 내벽에 형성할 수 있다.
이하, 이 실리콘 스퍼터 타깃에 의한 실리콘 도트 형성방법을 제 1 방법 또는 제 1의 실리콘 도트 형성방법이라 하는 경우가 있다.
이 경우, 진공챔버 내벽에 실리콘 스퍼터 타깃이 되는 실리콘막을 형성하기 때문에 시판의 실리콘 스퍼터 타깃을 진공챔버에 뒤에 부착하여 배치하는 경우보다 대면적의 실리콘 스퍼터 타깃을 용이하게 얻을 수 있어, 그 만큼 기판의 넓은 면적에 걸쳐 균일하게 실리콘 도트를 형성하기 쉬워진다.
또한 여기서의「진공챔버 내벽」은, 진공챔버를 형성하고 있는 챔버벽의 내면그것이어도 좋고, 이와 같은 챔버벽의 안쪽에 설치한 내벽이어도 좋으며, 이들의 조합이어도 좋다.
이와 같이 진공챔버 내벽에 형성된 실리콘막으로 이루어지는 실리콘 스퍼터 타깃에는 예를 들면 상기 진공챔버 내벽을 도체 또는 반도체재료로 형성하고, 상기 진공챔버 내벽을 거쳐 상기한 케미컬 스퍼터링 제어용 바이어스 전압을 인가할 수 있다.
또, 상기 실리콘 스퍼터 타깃 중 적어도 하나는 상기 실리콘 도트 형성용 진공챔버 내에 설치된 실리콘 스퍼터 타깃이어도 좋다.
상기 실리콘 스퍼터 타깃은, 예를 들면 상기 실리콘 도트 형성용 진공챔버에 외부로부터 기밀하게 차단되는 상태에 연달아 설치된 실리콘 스퍼터 타깃 형성용 진공챔버 내에 타깃 기판을 배치하고, 그 실리콘 스퍼터 타깃 형성용 진공챔버 내에 실란계 가스 및 수소가스를 도입하여 이들 가스에 고주파 전력을 인가하여 플라즈마를 발생시키고, 상기 플라즈마에 의하여 상기 타깃 기판 위에 실리콘막을 형성하여 얻어지는 실리콘 스퍼터 타깃으로, 상기 실리콘 스퍼터 타깃 형성용 진공챔버로부터 상기 실리콘 도트 형성용 진공챔버 내에 외기에 접촉시키지 않고 반입하여 설치할 수 있다.
이하, 이 실리콘 스퍼터 타깃에 의한 실리콘 도트 형성방법을 제 2 방법 또는 제 2의 실리콘 도트 형성방법이라 하는 경우가 있다.
이와 같은 실리콘 스퍼터 타깃을 채용하는 경우에는, 예를 들면 상기 타깃 기판을 도체 또는 반도체재료로 형성하고, 상기 타깃 기판을 거쳐 상기한 케미컬 스퍼터링 제어용 바이어스 전압을 인가할 수 있다.
실리콘 스퍼터 타깃이 상기한 바와 같이 진공챔버 내벽의 실리콘막이거나, 이와 같이 타깃 기판에 실리콘막을 형성한 것인 경우는, 상기 실리콘 스퍼터 타깃을 외기에 접촉시키지 않고 둘 수 있기 때문에 그 만큼 예정되지 않은 불순물의 혼입이 억제된 실리콘 도트를 형성할 수 있고, 또한 저온에서(예를 들면 기판 온도가 500℃ 이하의 저온에서) 실리콘 도트 형성 대상 기판 위에 입자지름이 갖추어진 결정성의 실리콘 도트를 균일한 밀도분포로 형성하는 것이 가능하다.
상기 실리콘 스퍼터 타깃은, 상기한 바와 같이 미리 준비된 실리콘 스퍼터 타깃(예를 들면 시판의 실리콘 스퍼터 타깃)을, 상기 진공챔버 내에 뒤에 부착하여 설치한 것이어도 좋다.
다시 말하면, 실리콘 스퍼터 타깃 중 적어도 하나(바꾸어 말하면 실리콘 스퍼터 타깃의 전부 또는 일부)는, 미리 준비된 실리콘 스퍼터 타깃(예를 들면 시판의 실리콘 스퍼터 타깃)을, 상기 진공챔버 내에 뒤에 부착하여 설치한 것이어도 좋다.
이하, 이와 같은 실리콘 스퍼터 타깃을 사용하는 실리콘 도트 형성방법을 제 3 방법 또는 제 3의 실리콘 도트 형성방법이라 하는 경우가 있다.
이와 같은 미리 준비된 실리콘 스퍼터 타깃은, 실리콘을 주체로 하는 타깃으로, 예를 들면 단결정 실리콘으로 이루어지는 것, 다결정 실리콘으로 이루어지는 것, 미결정 실리콘으로 이루어지는 것, 아몰퍼스 실리콘으로 이루어지는 것, 이들의 조합등을 들 수 있다.
또 실리콘 스퍼터 타깃은, 불순물이 함유되어 있지 않은 것, 함유되어 있어도 그 함유량을 가능한 한 적은 것, 적당량의 불순물 함유에 의하여 소정의 비저항을 나타내는 것 등, 형성하는 실리콘 도트의 용도에 따라 적절하게 선택할 수 있다.
불순물이 함유되어 있지 않은 실리콘 스퍼터 타깃 및 불순물이 함유되어 있어도 그 함유량이 가능한 한 적은 실리콘 스퍼터 타깃의 예로서 인(P), 붕소(B) 및 게르마늄(Ge)의 각각의 함유량이 어느 것이나 10 ppm 미만으로 억제된 실리콘 스퍼터 타깃을 들 수 있다.
소정의 비저항을 나타내는 실리콘 스퍼터 타깃으로서, 비저항이 0.001Ω·cm∼50Ω·cm 인 실리콘 스퍼터 타깃을 예시할 수 있다.
상기 스퍼터링용 가스로서는 대표예로서 수소가스를 들 수 있다. 이 경우 상기 수소가스는 희석가스[헬륨가스(He), 네온가스(Ne), 아르곤가스(Ar), 크립톤가스(Kr) 및 크세논가스(Xe)부터 선택된 적어도 1종의 가스)]와 혼합된 것이어도 좋다.
즉, 상기 어느쪽의 실리콘 도트 형성방법에서도 상기 실리콘 도트 형성공정에서는 상기 실리콘 도트 형성 대상 기판을 배치한 진공챔버 내에 상기 스퍼터링용 가스로서 수소가스를 도입하고, 상기 수소가스에 고주파 전력을 인가함으로써 상기 진공챔버 내에 플라즈마를 발생시켜 상기 플라즈마로 실리콘 스퍼터 타깃을 케미컬 스퍼터링하여 실리콘 도트 형성 대상 기판 위에 실리콘 도트를 형성할 수 있다. 또 그 때 500℃ 이하의 저온에서(환언하면 기판 온도를 500℃ 이하의 저온으로 하여) 기판 위에 직접 입자지름이 20 nm 이하, 또는 입자지름 10 nm 이하의 실리콘 도트를 형성하는 것이 가능하다.
상기 스퍼터링용 가스로서 수소가스를 채용하고, 그 수소가스에 고주파 전력을 인가하여 실리콘 스퍼터 타깃의 케미컬 스퍼터링용 플라즈마를 발생시키는 경우, 상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마는 전자밀도가 1010/㎤(1010cm-3) 이상의 플라즈마인 것이 바람직하다.
케미컬 스퍼터링용 플라즈마 중의 전자밀도가 1010/㎤보다 작아지기 시작하면 실리콘 도트의 결정화도가 저하하거나, 실리콘 도트 형성속도가 저하하기 시작한다. 그러나 이와 같은 전자밀도가 너무 커지면, 오히려 형성되는 실리콘 도트가 손상을 받거나, 기판이 손상을 받게 된다. 따라서 케미컬 스퍼터링용 플라즈마 중의 전자밀도의 상한으로서는, 1012/㎤ 정도를 들 수 있다.
이와 같은 전자밀도는 스퍼터링용 수소가스에 인가하는 고주파 전력의 크기, 주파수, 진공챔버 내의 실리콘 도트 형성 압력 등중, 적어도 하나를 제어함으로써 조정할 수 있다. 전자밀도는 예를 들면 랭뮤어 프로브법에 의하여 확인할 수 있다.
실리콘 스퍼터 타깃의 스퍼터링용 플라즈마에 의한 케미컬 스퍼터링에서 상기 실리콘 스퍼터 타깃에 인가하는 상기 스퍼터링 제어용 바이어스 전압은, -20V∼ +20V의 범위에서의 바이어스 전압인 것이 바람직하다.
바이어스 전압이 +20V를 초과하면 플라즈마 중의 하전입자(수소가스 플라즈마의 경우는 특히 수소 이온)에 의한 스퍼터효과를 기대할 수 없게 된다. 또 바이어스 전압이 +20V를 초과하면 그것이 플라즈마 전위를 초과하여 플라즈마 중의 전자가 한꺼번에 바이어스 인가 전극 또는 바이어스 인가 전극 상당부분으로 흘러 들어와 방전이 발생한다는 염려가 있다. 바이어스 전압이 -20V를 하회하면 하전 입자 에너지가 너무 커져 스퍼터입자의 크기의 제어가 곤란해지거나, 경우에 따라서는 하전입자가 타깃 에 주입되어 스퍼터링이 곤란하게 되기도 한다.
스퍼터링을 행하고 나서 스퍼터링 제어용 바이어스 전압은 상기한 바와 같이 -20V ∼ +20V의 범위에서의 바이어스 전압인 것이 바람직하다.
또 이상 설명한 실리콘 도트 형성방법에서는 실리콘 스퍼터 타깃이 되는 실리콘막의 형성을 위한 상기 실란계 가스 및 수소가스 유래의 플라즈마형성에서도 또 상기 실리콘막을 스퍼터링하기 위한 스퍼터링용 가스(예를 들면 수소가스) 유래의 스퍼터링용 플라즈마형성에서도 그것들 플라즈마는 플라즈마 발광에서 파장 288 nm에서의 실리콘 원자의 발광강도(Si)(288 nm)와 파장 484 nm에서의 수소원자의 발광강도(Hβ)와의 비[Si(288 nm)/Hβ]가 10.0 이하인 플라즈마로 하는 것이 바람직하고, 3.0 이하 인 플라즈마로 하는 것이 더욱 바람직하다. 0.5 이하인 플라즈마로 하여도 좋다.
본 발명에 관한 실리콘 도트 형성방법에서는 플라즈마에서의 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]를 10.0 이하로 설정하는 경우, 그것은 플라즈마 중의 수소원자 라디칼이 풍부한 것을 나타낸다.
제 1 방법에서의 실리콘 스퍼터 타깃이 되는 진공챔버 내벽 위의 실리콘막의 형성을 위한 실란계 가스 및 수소가스로부터의 플라즈마형성에 있어서, 또 제 2 방법에서의 타깃 기판 위에의 실리콘막의 형성을 위한 실란계 가스 및 수소가스로부터의 플라즈마형성에 있어서, 상기 플라즈마에서의 발광강도비[Si(288 nm)/Hβ]를 10.0 이하, 더욱 바람직하게는 3.0 이하, 또는 0.5 이하로 설정하면 진공챔버 내벽에 또는 타깃 기판에 500℃ 이하의 저온에서 실리콘 도트 형성 대상 기판에의 실리콘 도트형성에 적합한 양질의 실리콘막(실리콘 스퍼터 타깃)이 원활하게 형성된다.
또 어느 쪽의 실리콘 도트 형성방법에 있어서도, 실리콘 스퍼터 타깃을 스퍼터링하기 위한 스퍼터링용 플라즈마에서의 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]를 10.0 이하로, 더욱 바람직하게는 3.0 이하 또는 0.5 이하로 설정함으로써 500℃ 이하의 저온에서(환언하면, 기판 온도를 500℃ 이하의 저온으로 하여) 입자지름 20 nm 이하, 나아가서는 입자지름 10 nm 이하의 범위에서 입자지름이 갖추어진 결정성의 실리콘 도트를 균일한 밀도분포로 기판 위에 형성할 수 있다.
어느 쪽의 방법에서도 이와 같은 발광 강도비가 10.0 보다 커지면 결정립(도트)이 성장하기 어렵게 되어 기판 위에는 아몰퍼스 실리콘이 많이 생기게 된다. 따라서 발광 강도비는 10.0 이하가 좋다. 입자지름이 작은 실리콘 도트를 형성하는 데에 있어서 발광 강도비는 3.0 이하가 더욱 바람직하다. 0.5 이하로 하여도 좋다.
그러나 발광 강도비의 값이 너무 지나치게 작으면 결정립(도트)의 성장이 늦어져 요구되는 도트 입자지름을 얻는 데 시간이 걸린다. 또한 작아지기 시작하면 도트의 성장보다 에칭효과의 쪽이 커져, 결정립이 성장하지 않게 된다. 발광 강도비[Si(288 nm) /Hβ]는 다른 여러가지의 조건 등에도 의하나, 대략 0.1 이상으로 하면 좋다.
발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]의 값은, 예를 들면 각종 라디칼의 발광 스펙트럼을 플라즈마 발광 분광 계측장치에 의하여 측정하고, 그 측정결과에 의거하여 얻을 수 있다. 또 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]의 제어는, 도입가스에 인가하는 고주파 전력(예를 들면 그 주파수나 전력의 크기), 실리콘 도트 형성시의 진공챔버 내 가스압, 진공챔버 내로 도입하는 가스(예를 들면 수소가스, 혹은 수소가스 및 실란계 가스)의 유량 등의 제어에 의하여 행할 수 있다.
상기 어느 쪽의 실리콘 도트 형성방법에서도 스퍼터링용 가스로서 수소가스를 채용하는 경우, 실리콘 스퍼터 타깃을 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]가 10.0 이하, 더욱 바람직하게는 3.0 이하, 또는 0.5 이하인 플라즈마로 케미컬 스퍼터링함으로써 기판 위에 결정핵의 형성이 촉진되고, 그 핵으로부터 실리콘 도트를 성장시키는 것이 가능하다.
이와 같이 결정핵 형성이 촉진되어 실리콘 도트가 성장하기 때문에, 미리 실리콘 도트 형성 대상 기판 위에 댕그링본드나 스텝 등의 핵이 될 수 있는 것이 존재하지 않아도 실리콘 도트가 성장하기 위한 핵을 비교적 용이하게 고밀도로 형성 할 수있다. 또 수소 라디칼이나 수소이온이 실리콘 라디칼이나 실리콘 이온보다 풍부하고, 핵밀도의 과잉으로 큰 부분에 대해서는 여기된 수소원자나 수소분자와 실리콘원자와의 화학반응에 의하여 실리콘의 탈리가 진행되고, 이에 의하여 실리콘 도트의 핵밀도는 기판 위에서 고밀도가 되면서도 균일화된다.
또 플라즈마에 의하여 분해 여기된 실리콘원자나 실리콘 라디칼은 핵에 흡착하고, 화학반응에 의하여 실리콘 도트로 성장하나, 이 성장시에도 수소 라디칼이 많기 때문에 흡착 탈리의 화학반응이 촉진되어 핵은 결정방위와 입자지름이 잘 갖추어진 실리콘 도트로 성장한다. 이상에 의하여 기판 위에 결정방위와 입자지름 크기가 갖추어진 실리콘 도트를 고밀도 또한 균일분포로 형성하는 것이 가능하다.
이상 설명한 실리콘 도트 형성방법은, 실리콘 도트 형성 대상 기판 위에 미소입자지름의 실리콘 도트, 예를 들면 입자지름이 20 nm 이하, 더욱 바람직하게는 입자지름이 10 nm 이하의 실리콘 도트를 형성하고자 하는 것이다. 그러나 실제로는 극단적으로 작은 입자지름의 실리콘 도트를 형성하는 것은 곤란하다. 따라서 실리콘 도트 입자지름은 그것에는 한정되지 않으나, 1 nm 정도 이상의 것이 될 것이다. 예를 들면 3 nm∼15 nm 정도의 것, 더욱 바람직하게는 3 nm∼10 nm 정도의 것을 예시할 수 있다.
이와 같은 실리콘 도트 형성방법에 의하면, 500℃ 이하의 저온하에서(바꾸어 말하면, 기판 온도를 500℃ 이하의 저온으로 하여), 조건에 따라서는 400℃ 이하의 저온하에서(바꾸어 말하면 조건에 따라서는 기판 온도를 400℃ 이하로 하여), 기판 위에 실리콘 도트를 형성할 수 있기 때문에 기판 재료의 선택범위가 그 만큼 넓어 진다. 예를 들면 내열 온도 500℃ 이하의 저렴한 저융점 유리기판에 대한 실리콘 도트 형성이 가능하다.
이와 같이 저온하에서 실리콘 도트를 형성할 수 있으나, 실리콘 도트 형성 대상 기판 온도가 너무 낮으면 실리콘의 결정화가 곤란해지기 때문에 다른 여러가지 조건에도 의하나, 대략 150℃ 이상, 또는 200℃ 이상의 온도에서(바꾸어 말하면, 기판 온도를 대략 150℃ 이상, 또는 200℃ 이상으로 하여) 실리콘 도트를 형성하는 것이 바람직하다.
상기 어느 쪽의 실리콘 도트 형성방법에서도 스퍼터링용 플라즈마형성시의 진공챔버 내 압력으로서는 0.1 Pa∼10.0 Pa 정도를 예시할 수 있다.
0.1 Pa보다 낮아지면 결정립(도트)의 성장이 지연되어 요구되는 도트 입자지름을 얻는 데 시간이 걸린다. 또한 낮아지면 결정립이 성장하지 않게 된다. 10.0 Pa보다 높아지면 결정립(도트)이 성장하기 어렵게 되고, 기판 위에는 아몰퍼스 실리콘이 많이 생기게 된다.
상기 제 2 실리콘 도트 형성방법 및 상기 실리콘 스퍼터 타깃으로서 미리 준비된 예를 들면 시판의 실리콘 스퍼터 타깃을 이용하는 상기 제 3 실리콘 도트 형성방법에서와 같이 실리콘 스퍼터링 타킷을 실리콘 도트 형성용 진공챔버 내에 뒤에 부착하여 배치하는 경우, 상기 타깃의 상기 진공챔버 내에서의 배치로서는 이것이 스퍼터링용 플라즈마에 의하여 케미컬 스퍼터링되는 배치이면 좋으나, 예를 들면 진공챔버 내 벽면의 전부 또는 일부를 따라 배치하는 경우를 들 수 있다. 챔버 내에 독립하여 배치하여도 좋다. 챔버 내벽을 따라 배치되는 것과, 독립적으로 배 치되는 것을 병용하여도 좋다.
진공챔버의 내벽에 실리콘막을 형성하여 이것을 실리콘 스퍼터 타깃으로 하거나, 실리콘 스퍼터 타깃을 진공챔버 내 벽면을 따라 배치하면 진공챔버를 가열함으로써 실리콘 스퍼터 타깃을 가열할 수 있다. 타깃을 가열하면 타깃이 실온인 경우보다 스퍼터되기 쉬워져 그 만큼 고밀도로 실리콘 도트를 형성하기 쉬워진다. 진공챔버를 예를 들면 밴드 히터, 가열재킷 등으로 가열하여 실리콘 스퍼터 타깃을 80℃ 이상으로 가열하는 예를 들 수 있다. 가열온도의 상한에 대해서는 경제적 관점 등으로부터 대략 300℃ 정도를 예시할 수 있다. 챔버에 O 링 등을 사용하고 있는 경우는 그것들의 내열성에 따라 300℃보다 낮은 온도로 하지 않으면 안되는 것도 있다.
어느 쪽의 실리콘 도트 형성방법에서도 실리콘 도트 형성용 진공챔버 내로 도입되는 스퍼터링용 가스에의 고주파 전력의 인가는, 전극을 사용하여 행한다. 이와 같은 전극으로서는 유도결합형 전극, 용량 결합형 전극의 어느 것이나 채용할 수 있다. 유도 결합형 플라즈마를 발생시키기 위하여 유도 결합형 전극(고주파 안테나)을 채용할 때, 그것은 진공챔버 내에 배치할 수도, 챔버 밖에 배치할 수도 있다.
유도 결합형 전극(고주파 안테나)을 채용하면 용량 결합형 전극을 채용하는 경우보다 고밀도로 균일한 플라즈마를 얻기 쉽다. 또 유도 결합형 안테나는 챔버 외부에 배치하는 것보다 챔버 내부에 배치하는 쪽이 투입되는 고주파 전력의 이용효율이 향상한다.
진공챔버 내에 배치하는 전극에 대해서는 실리콘을 포함하는 전기절연성막, 알루미늄을 포함하는 전기절연성막과 같은 전기절연성막(예를 들면 실리콘막, 질화실리콘막, 산화실리콘막, 알루미나막 등)으로 피복하여 고밀도 플라즈마의 유지, 전극표면의 스퍼터링에 의한 실리콘 도트에의 불순물의 혼입 억제 등을 도모하여도 좋다.
용량 결합형 전극을 채용하는 경우에는, 기판에의 실리콘 도트 형성을 방해하지 않도록 상기 전극을 기판 표면에 대하여 수직하게 배치하는 것(다시 말하면 기판의 실리콘 도트 형성 대상면을 포함하는 면에 대하여 수직 자세로 배치하는 것)이 권장된다.
어쨌든 플라즈마형성을 위한 고주파 전력의 주파수로서는, 비교적 저렴하게 할 수 있는 13 MHz 정도 내지 100 MHz 정도의 범위의 것을 예시할 수 있다. 100 MHz보다 고주파수가 되면 전원 비용이 높아져 고주파 전력 인가시의 매칭을 취하기 어렵게 된다.
또, 어쨌든 고주파 전력의 전력밀도〔인가전력(W)/진공챔버용적(L:리터)〕는 5 W/L∼100 W/L 정도가 바람직하다. 5 W/L보다 작아지면 기판 위의 실리콘이 아몰퍼스 실리콘이 되어 결정성이 있는 도트가 되기 어렵게 된다. 100 W/L보다 커지면 실리콘 도트 형성 대상 기판 표면(예를 들면, 산화실리콘막을 형성한 기판의 상기 산화실리콘막)의 손상이 커진다. 상한에 대해서는 50 W/L 정도이어도 좋다.
이상, 실리콘 도트 형성방법에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기 제 2의 과제를 해결하기 위하여 다음의 제 1 내지 제 3의 실리콘 도트 형성장치를 제공한 다.
(1) 제 1의 실리콘 도트 형성장치
실리콘 도트 형성 대상 기판을 지지하는 홀더를 가지는 실리콘 도트 형성용 진공챔버와,
상기 진공챔버 내에 설치되는 실리콘 스퍼터 타깃과,
상기 진공챔버 내에 수소가스를 공급하는 수소가스공급장치와,
상기 진공챔버 내로부터 배기하는 배기장치와,
상기 진공챔버 내에 상기 수소가스공급장치로부터 공급되는 수소가스에 고주파 전력을 인가하여 상기 실리콘 스퍼터 타깃을 케미컬 스퍼터링하기 위한 플라즈마를 형성하는 고주파 전력 인가장치와,
상기 플라즈마에 의한 상기 실리콘 스퍼터 타깃의 케미컬 스퍼터링에 있어서 상기 실리콘 스퍼터 타깃에 케미컬 스퍼터링 제어용 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 인가장치를 구비하고 있는 실리콘 도트 형성장치.
(2) 제 2의 실리콘 도트 형성장치
실리콘 도트 형성 대상 기판을 지지하는 홀더를 가지는 실리콘 도트 형성용 진공챔버와,
상기 진공챔버 내에 수소가스를 공급하는 수소가스공급장치와,
상기 진공챔버 내에 실란계 가스를 공급하는 실란계 가스공급장치와,
상기 진공챔버 내로부터 배기하는 배기장치와,
상기 진공챔버 내에 상기 수소가스공급장치로부터 공급되는 수소가스 및 상 기실란계 가스공급장치로부터 공급되는 실란계 가스에 고주파 전력을 인가하여 상기 진공챔버의 내벽에 실리콘막을 형성하기 위한 플라즈마를 형성하는 제 1고주파 전력 인가장치와,
상기 실리콘막 형성후에, 상기 진공챔버 내에 상기 수소가스공급장치로부터 공급되는 수소가스에 고주파 전력을 인가하여 상기 실리콘막을 실리콘 스퍼터 타깃으로 하여 케미컬 스퍼터링하기 위한 플라즈마를 형성하는 제 2 고주파 전력 인가장치와,
상기 수소가스로 형성되는 케미컬 스퍼터링용 플라즈마에 의한 상기 실리콘 스퍼터 타깃의 케미컬 스퍼터링에 있어서 상기 실리콘 스퍼터 타깃에 케미컬 스퍼터링 제어용 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 인가장치를 구비하고 있는 실리콘 도트 형성장치.
이 제 2의 장치는 상기한 제 1의 실리콘 도트 형성방법을 실시할 수 있는 장치이다. 제 1, 제 2의 고주파 전력인가장치는 서로 일부 또는 전부가 공통이어도 좋다.
(3) 제 3 실리콘 도트 형성장치
타깃 기판을 지지하는 홀더를 가지는 제 1 진공챔버와,
상기 제 1 진공챔버 내에 수소가스를 공급하는 제 1 수소가스공급장치와,
상기 제 1 진공챔버 내에 실란계 가스를 공급하는 실란계 가스공급장치와,
상기 제 1 진공챔버 내로부터 배기하는 제 1 배기장치와,
상기 제 1 진공챔버 내에 상기 제 1 수소가스공급장치로부터 공급되는 수소 가스 및 상기 실란계 가스공급장치로부터 공급되는 실란계 가스에 고주파 전력을 인가하고, 상기 타깃 기판 위에 실리콘막을 형성하여 실리콘 스퍼터 타깃을 얻기 위한 플라즈마를 형성하는 제 1 고주파 전력 인가장치와,
상기 제 1 진공챔버에 외부로부터 기밀하게 차단되는 상태에서 연달아 설치되어 실리콘 도트 형성 대상 기판을 지지하는 홀더를 가지는 실리콘 도트 형성용의 제 2 진공챔버와,
상기 실리콘 스퍼터 타깃을 상기 제 1 진공챔버로부터 제 2 진공챔버에 외기에 접촉하는 일 없이 반입 배치하는 반송장치와,
상기 제 2 진공챔버 내에 수소가스를 공급하는 제 2 수소가스공급장치와,
상기 제 2 진공챔버 내로부터 배기하는 제 2 배기장치와,
상기 제 2 진공챔버 내에 상기 제 2 수소가스공급장치로부터 공급되는 수소가스에 고주파 전력을 인가하고, 상기 제 2 진공챔버 내에 반입 배치되는 상기 실리콘 스퍼터 타깃을 케미컬 스퍼터링하기 위한 플라즈마를 형성하는 제 2 고주파 전력 인가장치와,
상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마에 의한 상기 실리콘 스퍼터 타깃의 케미컬 스퍼터링에 있어서 상기 실리콘 스퍼터 타깃에 케미컬 스퍼터링제어용 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 인가장치를 구비하고 있는 실리콘 도트 형성장치.
이 제 3 장치는 상기한 제 2 실리콘 도트 형성방법을 실시할 수 있는 장치이다.
제 1, 제 2의 고주파 전력 인가장치는, 서로 일부 또는 전부가 공통이어도 좋다.
제 1, 제 2의 수소가스공급장치도 서로 일부 또는 전부가 공통이어도 좋다.
제 1, 제 2의 배기장치에 대해서도 서로 일부 또는 전부가 공통이어도 좋다.
상기한 반송장치의 배치로서는, 제 1 또는 제 2의 진공챔버에 배치하는 예를 들 수 있다. 제 1, 제 2의 진공챔버의 연장 설치는, 게이트 밸브 등을 거쳐 직접적으로 연달아 설치하여도 좋고, 상기 반송장치를 배치한 진공챔버를 사이에 두고 간접적으로 연달아 설치하는 것도 가능하다.
이상의 어느 쪽의 실리콘 도트 형성장치에서도 상기 실리콘 도트 형성용 진공챔버에서 수소가스로부터 상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마를 발생시키기 위한 상기고주파 전력 인가장치는, 상기 플라즈마로서 유도 결합형 플라즈마를 발생시키기 위한 고주파 방전 안테나를 포함하는 것이어도 좋다.
또 수소가스는 예를 들면 희석가스가 혼합된 것이어도 좋다.
어느 쪽의 실리콘 도트 형성장치도, 상기 실리콘 도트 형성용 진공챔버 내에서의 상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마의 플라즈마 발광에서의 파장 288 nm에서의 실리콘 원자의 발광강도(Si)(288 nm)와 파장 484 nm에서의 수소원자의 발광강도(Hβ)와의 비[Si(288 nm)/ Hβ]를 구하는 플라즈마 발광 분광 계측장치를 포함하고 있어도 좋다.
이 경우, 플라즈마 발광 분광 계측장치로 구해지는 발광 강도비[Si(288 nm) /Hβ〕와 10.0 이하의 범위에서 정한 기준 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]를 비교하여 상기 실리콘 도트 형성용 진공챔버 내의 상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마에 있 어서의 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]가 상기 기준 발광 강도비를 보이도록 (a) 상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마생성을 위한 상기 고주파 전력 인가장치의 전원출력, (b) 상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마 생성을 위하여 상기 수소가스 공급장치로부터 상기 진공챔버 내에 공급되는 수소가스의 공급량 및 (c) 상기 진공챔버로부터 배기하기 위한 상기 배기장치에 의한 배기량 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 더 가지고 있어도 좋다.
기준 발광 강도비는, 3.0 이하 또는 0.5 이하의 범위에서 정하여도 좋다.
상기 플라즈마 발광 분광 계측장치의 예로서, 플라즈마 발광에서의 파장 288 nm 에서의 실리콘원자의 발광강도(Si)(288 nm)를 검출하는 제 1 검출부와, 플라즈마발광에서의 파장 484 nm에서의 수소원자의 발광강도(Hβ)를 검출하는 제 2 검출부와, 상기 제 1 검출부에서 검출되는 발광강도(Si)(288 nm)와 상기 제 2 검출부에서 검출되는 발광강도(Hβ)와의 비[Si(288 nm)/Hβ]를 구하는 연산부를 구비하고 있는 것을 들 수 있다.
이상 설명한 실리콘 도트 형성장치에 의하면 저온에서(예를 들면 500℃ 이하의 저온에서) 실리콘 도트 형성 대상 기판 위에 직접 입자지름이 갖추어진 실리콘 도트를 균일한 밀도분포로 형성하는 것이 가능하다.
이하 도면을 참조하여 실리콘 도트 형성장치의 몇가지 예와 그것에 의한 실리콘 도트 형성방법 등에 대하여 설명한다.
<실리콘 도트 형성장치의 일례(장치 A)>
도 1은 실리콘 도트 형성장치의 일례의 개략 구성을 나타내고 있다.
도 1에 나타내는 장치 A는, 판형상의 실리콘 도트 형성 대상 기판(S)에 실리콘 도트를 형성하는 것으로, 진공챔버(1), 챔버(1) 내에 설치된 기판 홀더(2), 상기 챔버(1) 내의 기판 홀더(2)의 윗쪽영역에서 좌우에 설치된 한 쌍의 방전 전극(3), 각 방전 전극(3)에 매칭박스(41)를 거쳐 접속된 방전용 고주파 전원(4), 챔버(1) 내에 수소가스를 공급하기 위한 가스공급장치(5), 챔버(1) 내에 실리콘을 조성에 포함하는 (실리콘원자를 가진다) 실란계 가스를 공급하기 위한 가스공급장치(6), 챔버(1) 내로부터 배기하기 위하여 챔버(1)에 접속된 배기장치(7), 챔버(1) 내에 생성되는 플라즈마상태를 계측하기 위한 플라즈마 발광 분광 계측장치(8) 등을 구비하고 있다. 전원(4), 매칭박스(41) 및 전극(3)은 고주파 전력 인가장치를 구성하고 있다.
상기 실란계 가스로서는 모노실란(SiH4) 외에 디실란(Si2H6), 4플루오르화규소(SiF4), 4염화규소(SiCl4), 디클로실란(SiH2Cl2) 등의 가스도 사용할 수 있다.
기판 홀더(2)는 기판 가열용 히터(2H)를 구비하고 있다.
전극(3)은 그 안쪽면에 절연성막으로서 기능시키는 실리콘막(31)을 미리 설치하고 있다. 전극(3)은 어느 것이나 기판 홀더(2) 위에 설치되는 뒤에서 설명하는 실리콘 도트 형성 대상 기판(S) 표면[더욱 정확하게 말하면, 기판(S) 표면을 포함하는 면]에 대하여 수직한 자세로 배치되어 있다.
챔버(1) 내에는 챔버벽(본 예에서는 천정벽)을 따라 내벽(W1)을 설치하고 있다. 내벽(W1)은 도시를 생략한 절연성부재에 의하여 챔버벽에 지지되어 있다. 내 벽 (W1)의 하면에는 실리콘 스퍼터 타깃(30)을 접착하고 있다. 또한 내벽(W1)에는 케미컬 스퍼터링 제어용 DC 바이어스 전원(BPW)가 접속되어 있다. 따라서 실리콘 스퍼터 타깃(30)에 전원(BPW)으로부터 스퍼터링 제어용 바이어스 전압을 인가할 수 있다.
실리콘 스퍼터 타깃(30)은 형성하고자 하는 실리콘 도트의 용도 등에 따라 예를 들면 시장에서 입수 가능한 다음 (1) 내지 (3)에 기재된 실리콘 스퍼터 타깃으로부터 선택한 것을 채용할 수 있다.
(1) 단결정 실리콘으로 이루어지는 타깃, 다결정 실리콘으로 이루어지는 타깃, 미결정 실리콘으로 이루어지는 타깃, 아몰퍼스 실리콘으로 이루어지는 타깃, 이것들의 2 이상의 조합으로 이루어지는 타깃 중 어느 하나의 타깃,
(2) 상기 (1)에 기재된 어느 하나의 타깃으로서 인(P), 붕소(B) 및 게르마늄(Ge)의 각각의 함유량이 모두 10 ppm 미만으로 억제된 실리콘 스퍼터 타깃,
(3) 상기 (1)에 기재된 어느 하나의 타깃으로서, 소정의 비저항을 나타내는 실리콘 스퍼터 타깃(예를 들면 비저항이 0.001Ω·cm∼50Ω·cm인 실리콘 스퍼터 타깃).
전원(4)은 출력 가변의 전원으로, 주파수 60 MHz의 고주파 전력을 공급할 수 있다. 또한 주파수는 60 MHz에 한정하지 않고 예를 들면 13.56 MHz 정도 내지 100 MHz 정도의 범위의 것, 또는 그것 이상의 것을 채용할 수도 있다.
DC 전원(BPW)도 출력 가변 전원이다.
챔버(1) 및 기판 홀더(2)는 어느 것이나 접지되어 있다.
가스공급장치(5)는 수소가스원 외에 도시를 생략한 밸브, 유량조정을 행하는 매스플로우 컨트롤러 등을 포함하고 있다.
가스공급장치(6)는 여기서는 모노실란(SiH4)가스 등의 실란계 가스를 공급할 수 있는 것으로, SiH4 등의 가스원 외에 도시를 생략한 밸브, 유량조정을 행하는 매스플로우 컨트롤러 등을 포함하고 있다.
배기장치(7)는 배기펌프 외에 배기유량조정을 행하는 컨덕턴스 밸브 등을 포함하고 있다.
발광 분광 계측장치(8)는 가스분해에 의한 생성물의 발광 분광 스펙트럼을 검출할 수 있는 것으로, 그 검출결과에 의거하여 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]를 구할 수 있다.
발광 분광 계측장치(8)의 구체예로서 도 2에 나타내는 바와 같이 진공챔버(1) 내의 플라즈마 발광으로부터 파장 288 nm에서의 실리콘원자의 발광강도(Si)(288 nm)를 검출하는 분광기(81)와, 상기 플라즈마 발광으로부터 파장 484 nm에서의 수소원자의 발광강도(Hβ)를 검출하는 분광기(82)와, 분광기(81, 82)로 검출되는 발광강도(Si)(288 nm)와 발광강도(Hβ)로부터 양자의 비[Si(288 nm)/Hβ]를 구하는 연산부(83)를 포함하고 있는 것을 들 수 있다. 또한 분광기(81, 82) 대신에 필터부착의 광센서를 채용하는 것도 가능하다.
<장치 A에서 실리콘 스퍼터 타깃의 스퍼터링용 가스로서 수소가스를 사용하는 실리콘 도트 형성>
다음에 이상 설명한 실리콘 도트 형성장치 A에 의한 기판(S)에의 실리콘 도트형성예, 특히 플라즈마형성용 가스로서 수소가스만을 사용하는 경우의 예에 대하여 설명한다.
실리콘 도트 형성은, 진공챔버(1) 내의 압력을 0.1 Pa∼10.0Pa의 범위의 것으로 유지하여 행한다. 진공챔버 내 압력은 도시를 생략하고 있으나, 예를 들면 상기 챔버에 접속한 압력센서로 알 수 있다.
먼저, 실리콘 도트 형성에 앞서, 챔버(1)로부터 배기장치(7)로 배기를 개시한다. 배기장치(7)에서의 컨덕턴스 밸브(도시 생략)는 챔버(1) 내의 상기 실리콘 도트 형성시의 압력 0.1 Pa∼10.0 Pa를 고려한 배기량으로 조정하여 둔다.
배기장치(7)의 운전에 의하여 챔버(1) 내 압력이 미리 정하여 둔 압력 또는 그것보다 저하하면 가스공급장치(5)로부터 챔버(1) 내로 수소가스의 도입을 개시함과 동시에 전원(4)으로부터 전극(3)에 고주파 전력을 인가하여 도입한 수소가스를 플라즈마화한다.
또한 바이어스 전원(BPW)으로부터 상기한 내벽(W1)을 거쳐 실리콘 스퍼터 타깃(30)에 바이어스 전압을 인가한다. 이 때의 바이어스 전압은 실리콘 도트 형성시의 바이어스 전압 -20V∼+20V를 고려하여 조정한다.
이와 같이 하여 발생한 가스 플라즈마로부터, 발광 분광 계측장치(8)에서 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]를 산출하고, 그 값이 0.1 이상 10.0 이하의 범위, 더욱 바람직하게는 0.1 이상 3.0 이하, 또는 0.1 이상 0.5 이하의 범위에서의 미리 정한 값(기준 발광 강도비)을 향하도록 고주파 전력의 크기(비용 등을 고려하면 예를 들 면 1000∼8000 와트 정도), 수소가스 도입량, 챔버(1) 내 압력 등을 결정한다.
고주파 전력의 크기에 대해서는 다시 전극(3)에 인가하는 고주파 전력의 전력밀도〔인가전력(W:Watt) /진공챔버 용적(L:리터)〕가 5 W/L∼100 W/L에, 또는 5 W/L∼50 W/L에 들어가도록 결정한다.
이와 같이 하여 실리콘 도트 형성조건을 결정한 다음은, 그 조건에 따라 실리콘 도트의 형성을 행한다.
실리콘 도트 형성에서는 챔버(1) 내의 기판 홀더(2)에 실리콘 도트 형성 대상 기판(S)을 설치하고, 그 기판(S)을 히터(2H)로 500℃ 이하의 온도, 예를 들면 400℃로 가열한다. 또 배기장치(7)의 운전으로 챔버(1) 내를 실리콘 도트 형성을 위한 압력으로 유지하면서 챔버(1) 내에 가스공급장치(5)로부터 수소가스를 도입하고, 전원(4)으로부터 방전 전극(3)에 고주파 전력을 인가하여 도입한 수소가스를 플라즈마화한다.
또한 바이어스 전원(BPW)으로부터 상기한 내벽(W1)을 거쳐 실리콘 스퍼터 타깃(30)에 -20V∼+20V 정도의 범위에서 선택한 케미컬 스퍼터링 제어용 바이어스 전압을 인가한다.
이와 같이 하여 플라즈마발광에서의 파장 288 nm 에서의 실리콘 원자의 발광강도(Si)(288 nm)와 파장 484 nm 에서의 수소원자의 발광강도(Hβ)와의 비[Si(288 nm)/Hβ]가 0.1 이상 10.0 이하의 범위, 더욱 바람직하게는 0.1 이상 3.0 이하, 또는 0.1 이상 0.5 이하의 범위에서의 상기 기준 발광 강도비 또는 실질상 상기 기준 발광 강도비가 되는 플라즈마를 발생시킨다. 그리고 상기 플라즈마로 실리콘 스퍼 터 타깃(30)을 케미컬 스퍼터링(반응성 스퍼터링)한다.
이때 바이어스 전원(BPW)으로부터 실리콘 스퍼터 타깃(30)에 상기한 케미컬 스퍼터링 제어용 바이어스 전압이 인가됨으로써, 상기 타깃의 스퍼터링이 방전발생의 억제, 스퍼터입자의 크기 제어 등의 점에서 양호하게 행하여진다. 이와 같이 하여 기판(S) 표면에 결정성을 나타내는 입자지름 20 nm 이하의 실리콘 도트를 형성할 수 있다.
이상 설명한 실리콘 도트 형성장치(A)에서는, 전극으로서 평판형상의 용량 결합형 전극을 채용하고 있으나, 유도 결합형 전극을 채용할 수도 있다. 유전 결합형 전극의 경우, 그것은 막대형상, 코일형상 등의 각종 형상의 것을 채용할 수 있다. 채용갯수 등에 대해서도 임의이다.
유도 결합형 전극을 채용하는 경우에 있어서 실리콘 스퍼터 타깃을 채용하는 경우, 상기 전극이 챔버 내에 배치되는 경우이든, 챔버 밖에 배치되는 경우이든, 상기 실리콘 스퍼터 타깃은 챔버 내 벽면의 전부 또는 일부를 따라 배치하거나, 챔버 내에 독립하여 배치하거나, 그것들 양쪽의 배치를 채용하거나 할 수 있다.
뒤에서 도 6, 도 8을 참조하여 유도 결합 전극을 채용한 실리콘 도트 형성장치와 그것에 의한 실리콘 도트 형성에 대하여 설명한다.
또 장치(A)에서는 진공챔버(1)를 가열하는 수단(밴드 히터, 전열매체를 통과시키는 가열재킷 등)의 도시가 생략되어 있으나, 실리콘 스퍼터 타깃의 스퍼터링을 촉진시키기 위하여 이와 같은 가열수단으로 챔버(1)를 가열함으로써 실리콘 스퍼터 타깃을 80℃ 이상으로 가열하여도 좋다.
< 실리콘 스퍼터 타깃의 다른 예 >
이상 설명한 실리콘 도트 형성에서는 실리콘 스퍼터 타깃으로서, 시장에서 입수할 수 있는 타깃을 진공챔버(1) 내에 뒤에 부착하여 배치하였다. 그러나 다음의 외기에 노출되지 않은 실리콘 스퍼터 타깃을 채용함으로써 예정되어 있지 않은 불순물 혼입이 한층 억제된 실리콘 도트를 형성하는 것이 가능하다.
즉, 상기한 장치(A)에서 당초는 진공챔버(1) 내에 기판(S)을 아직 배치하지 않고, 가스공급장치(5, 6)로부터 수소가스와 실란계 가스를 도입하여, 이들 가스에 전원(4)으로부터 고주파 전력을 인가하여 플라즈마를 생성시키고, 그 플라즈마에 의하여 진공챔버(1)의 내벽[상기 내벽(W1) 등]에 실리콘막을 형성한다. 이와 같은 실리콘막형성에 있어서는, 챔버 벽을 외부 히터로 가열하는 것이 바람직하다. 그후 상기 챔버(1) 내에 기판(S)을 배치하고, 상기 내벽 상의 실리콘막을 스퍼터 타깃으로 하여 그 타깃을 상기한 바와 같이 수소가스 유래의 플라즈마로 케미컬 스퍼터링하여 기판(S) 위에 실리콘 도트를 형성한다.
이와 같은 실리콘 스퍼터 타깃으로서 사용하는 실리콘막의 형성에서도 양질의 실리콘막을 형성하기 위하여 플라즈마에서의 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]를 0.1 이상 10.0 이하의 범위, 더욱 바람직하게는 0.1 이상 3.0 이하, 또는 0.1 이상 0.5 이하의 범위로 유지하여 형성하는 것이 바람직하다.
< 실리콘 도트 형성방법 및 장치의 다른 예 >
도 4는 실리콘 도트 형성장치의 다른 예를 나타내고 있다. 도 4의 장치(B)는, 도 1의 장치(A)에 실리콘 스퍼터 타깃 형성용 진공챔버(10) 등을 연달아 설치 한 것이다.
즉, 도 4에 개략 도시하는 바와 같이 실리콘 스퍼터 타깃형성을 위한 진공챔버(10)가 상기한 진공챔버(1)에 게이트 밸브(V)를 거쳐 외부로부터 기밀하게 차단된 상태로 연달아 설치되어 있다.
챔버(10)의 홀더(2')에 타깃 기판(100)을 배치하고, 배기장치(7')로 상기 진공챔버 내로부터 배기하여 상기 진공 챔버 내압을 소정의 성막압으로 유지하면서 상기 챔버 내에 수소가스공급장치(5')로부터 수소가스를, 실란계 가스공급장치(6')로부터 실란계 가스를 각각 도입한다. 또한 그들 가스에 출력 가변 전원(4')으로부터 매칭박스(41') 를 거쳐 챔버 내 전극(3') 에 고주파 전력을 인가함으로써 플라즈마를 형성한다. 상기 플라즈마에 의하여 히터(2H')로 가열한 타깃 기판(100) 위에 실리콘막을 형성한다.
그후, 게이트 밸브(V)를 개방하여 실리콘막이 형성된 타깃 기판(100)을 반송장치(T)로 진공챔버(1) 내로 반입하여 챔버(1) 내의 대(SP) 위에 세트한다. 이어서 반송장치(T)를 후퇴시켜 게이트 밸브(V)를 기밀하게 폐쇄한다. 그리고 챔버(1) 내에서 상기 실리콘막이 형성된 타깃 기판(100)을 실리콘 스퍼터 타깃으로 하여 상기 타깃에 바이어스 전원(BPW)으로부터 소정의 바이어스 전압을 인가하면서, 수소가스 플라즈마로 케미컬 스퍼터링하고, 그것에 의하여 챔버(1) 내에 배치된 기판(S) 위에 실리콘 도트를 형성한다.
도 5는 이와 같은 타깃 기판(100)과, 전극(3)(또는 3'), 챔버(10) 내의 히터(2H'), 챔버(1) 내의 대(SP), 기판(S) 등과의 위치관계를 나타내고 있다. 그것 에는 한정되지 않으나, 여기서의 타깃 기판(100)은, 도 5에 나타내는 바와 같이 대면적의 실리콘 스퍼터 타깃을 얻기 위하여 도어형으로 굴곡시킨 기판이다. 반송장치(T)는 상기 기판(100)을 전극 등에 충돌시키는 일 없이 반송할 수 있다. 반송장치(T)는 기판(100)을 진공챔버(1) 내로 반입하여 세트할 수 있는 것이면 좋고, 예를 들면 기판(100)을 유지하여 신축할 수 있는 아암을 가지는 장치를 채용할 수 있다.
챔버(10)에서의 타깃 기판 위에의 실리콘막형성에 있어서는, 양질의 실리콘막을 형성하기 위하여 플라즈마에서의 발광 강도비〔Si(288 nm)/Hβ〕를 0.1 이상 10.0 이하의 범위, 더욱 바람직하게는 0.1 이상 3.0 이하, 또는 0.1 이상 0.5 이하의 범위로 유지하여 형성하는 것이 바람직하다.
또한 반송장치에 관하여 말하면, 진공챔버(10)와 진공챔버(1)와의 사이에, 반송장치를 설치한 진공챔버를 배치하고, 상기 반송장치를 설치한 챔버를 게이트 밸브를 거쳐 챔버(10)와 챔버(1)에 각각 연달아 설치하여도 좋다.
< 진공챔버 내압 등의 다른 제어예 >
이상 설명한 실리콘 도트 형성에서는 출력 가변 전원(4)의 출력, 수소가스공급장치(5)에 의한 수소가스공급량[또는 수소가스공급장치(5)에 의한 수소가스공급량및 실란계 가스공급장치(6)에 의한 실란계 가스공급량], 배기장치(7)에 의한 배기량 등의 제어는, 발광 분광 계측장치(8)로 구해지는 발광 분광 강도비를 참조하면서 매뉴얼조작으로 행하여졌다.
그러나, 도 3에 나타내는 바와 같이 발광 분광 계측장치(8)의 연산부(83)에 서 구해진 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]를 제어부(80)에 입력하여도 좋다. 그리고 이와 같은 제어부(80)로서 연산부(83)로부터 입력된 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]가 미리 정한 기준 발광 강도비인지의 여부를 판단하여 기준 발광 강도비로부터 벗어나 있으면, 기준 발광 강도비를 향하여 상기한 출력 가변 전원(4)의 출력, 수소가스공급장치(5)에 의한 수소가스공급량, 실란계 가스공급장치(6)에 의한 실란계 가스공급량 및 배기장치(7)에 의한 배기량 중 적어도 하나를 제어할 수 있도록 구성된 것을 채용하여도 좋다.
이와 같은 제어부(80)의 구체예로서, 배기장치(7)의 컨덕턴스 밸브를 제어함으로써 상기 장치(7)에 의한 배기량을 제어하고, 그것에 의하여 진공챔버(1) 내의 가스압을 상기 기준 발광 강도비 달성을 향하여 제어하는 것을 들 수 있다.
이 경우, 출력 가변 전원(4)의 출력, 수소가스공급장치(5)에 의한 수소가스공급량[또는 수소가스공급장치(5)에 의한 수소가스공급량 및 실란계 가스공급장치(6)에의한 실란계 가스공급량] 및 배기장치(7)에 의한 배기량에 대하여 기준 발광 강도비 또는 그것에 가까운 값을 얻을 수 있는, 미리 실험 등으로 구한 전원출력, 수소가스공급량(또는 수소가스공급량 및 실란계 가스공급량) 및 배기량을 초기값으로서 채용하면 좋다.
이와 같은 초기값 결정시에도 배기장치(7)에 의한 배기량은, 진공챔버(1) 내의 압력이 0.1 Pa∼10.0 Pa의 범위에 들어가도록 결정한다.
전원(4)의 출력은, 전극(3)에 인가하는 고주파 전력의 전력밀도가 5 W/L∼1 00 W/L에, 또는 5 W/L∼50 W/L에 들어가도록 결정한다.
또한 수소가스 및 실란계 가스의 양쪽을 플라즈마형성을 위한 가스로서 채용하는 경우는, 그들 가스의 진공챔버(1) 내로의 도입 유량비(실란계 가스유량/수소가스유량)를 1/200∼1/30의 범위의 것으로 결정한다. 예를 들면 실란계 가스의 도입유량을 1 sccm∼5 sccm으로 하고, [실란계 가스의 도입유량(sccm)/진공챔버 용적(리터)]을 1/200∼1/30의 범위의 것으로 결정한다. 실란계 가스의 도입유량을 1 sccm∼5 sccm이라 할 때, 수소가스도입량으로서 150 sccm∼200 sccm를 예시할 수 있다.
또한 바이어스 전원(BPW)으로부터 실리콘 스퍼터 타깃에의 인가 바이어스는 -20 V∼+20 V 정도의 범위의 것으로 결정한다.
그리고 전원(4)의 출력, 수소가스공급장치(5)에 의한 수소가스공급량[또는 수소가스공급장치(5)에 의한 수소가스공급량 및 실란계 가스공급장치(6)에 의한 실란계 가스공급량] 및 바이어스 전압에 대해서는 그것들의 초기값을 그후에도 유지하여 배기장치(7)에 의한 배기량을 기준 발광 강도비 달성을 향하여 제어부(80)에 제어시키면 좋다.
<실리콘 도트 형성방법 및 장치의 또 다른 예>
도 6은 본 발명에 관한 실리콘 도트 형성장치의 또 다른 예를 나타내고 있다. 도 6에 나타내는 실리콘 도트 형성장치(C)는, 도 1 장치(A)에서 용량 결합형 전극(3) 대신에 유도 결합형 플라즈마를 발생시키기 위한 고주파 안테나(9)를 진공챔버(1)의 천정벽(SW)으로부터 챔버 내로 매달아 내려 배치하고, 또한 챔버(1) 내에 챔버 벽을 따라 내벽(W2)을 배치하고, 그 내벽에 DC 바이어스 전원(BPW)을 접속 한 것이다. 내벽(W2)은 절연부재를 거쳐 챔버 벽에 지지시키고 있다.
그 밖의 점은 장치(A)와 실질상 동일하고, 장치(A)에서의 부분, 부품과 실질상 동일한 부분, 부품에는 장치(A)와 동일한 참조부호를 붙이고 있다.
고주파 방전 안테나(9)는, 진공챔버(1) 밖으로부터 챔버(1) 내로 연장되고, 챔버(1) 내에서 전기적으로 병렬로 분기되어, 각 분기부분의 종단이 챔버(1)에 직접적으로 접속되어 있는 안테나이다. 챔버(1)는 접지전위로 설정된다.
도면을 참조하여 다시 설명하면, 도 7에도 나타내는 바와 같이 고주파 안테나(9)는 입체구조의 안테나이고, 제 1 부분(91)과 복수개의 제 2 부분(92)으로 이루어져 있다. 제 1 부분(91)은 챔버(1) 밖으로부터 상기 챔버의 천정벽(SW)을 통하여 챔버 내로 똑바로 막대형상으로 연장되어 있다. 제 2 부분(92)은 제 1 부분(91)의 챔버 안쪽 끝부(91e)로부터 방사상으로 분기하여 연장됨과 동시에 천정벽(SW)을 향하여 연장되어 있다. 각 제 2 부분(92)의 종단(92e)은 천정벽(SW)에 커넥터로 직접 접속되어 있고, 따라서 챔버(1)를 거쳐 접지된 상태에 있다.
제 2 부분(92)의 무리는, 전체로서 コ자형으로 굴곡된 2개의 안테나부분을 평면으로 보아 열십(十)자형으로 조합시켜 제 1 부분(91)에 연결한 형태를 나타내고 있다.
또, 고주파 안테나(9)는 그 안테나 도체의 표면이 절연성막(여기서는 알루미나막)으로 피복되어 있다.
고주파 안테나(9)의 제 1 부분(91)은 매칭박스(MX)를 거쳐 고주파 전원(PW)에 접속되어 있다. 매칭박스(MX) 및 전원(PW)은 고주파 전력 인가장치를 구성하고 있다. 제 1 부분(91) 중 챔버(1)밖으로 나와 있는 플라즈마생성에 기여하지 않는 부분은 아주 짧아져 매칭박스(MX)에 직접적으로 접속되어 있다. 또한 제 1 부분(91)은 챔버(1)의 천정벽(SW)에 설치한 기밀 시일을 겸하는 절연부재(SWa)를 관통하고 있다.
이와 같이 하여 고주파 안테나(9)는 짧게 형성되고, 또한 챔버(1) 내에서 전기적으로 병렬로 분기된 병렬 배선구조로 되어 있기 때문에 안테나(9)의 인덕턴스는 그만큼 저감되어 있다.
이와 같은 실리콘 도트 형성장치(C)에 의하면, 다음과 같이 하여 실리콘 도트를 형성할 수 있다.
즉, 당초는 진공챔버(1) 내에 기판(S)을 아직 배치하지 않고, 가스공급장치(5, 6)로부터 수소가스와 실란계 가스를 도입하고, 이들 가스에 고주파 안테나(9)를 거쳐 전원(PW)으로부터 고주파 전력을 인가하여 플라즈마화하고, 상기 플라즈마에 의하여 진공챔버(1) 내의 내역(W2)에 실리콘막(30')을 형성한다. 이와 같은 실리콘막 형성에서는 챔버 벽을 외부 히터로 가열하여도 좋다.
그후 상기 챔버(1) 내에 기판(S)을 배치하고, 그 내벽(W2) 위의 실리콘막(30')을 스퍼터 타깃으로 하고, 그 타깃을 장치(A)에서의 실리콘 스퍼터 타깃(30)의 케미컬 스퍼터링의 경우와 마찬가지로 타깃(30)에 바이어스 전원(BPW)으로부터 스퍼터링 제어용 바이어스 전압을 인가하면서 수소가스공급장치(5)로부터 공급되는 수소가스 유래의 스퍼터링용 플라즈마로 케미컬 스퍼터링하여 기판(S) 위에 실리콘 도트를 형성할 수 있다.
이와 같은 실리콘 스퍼터 타깃으로서 사용하는 실리콘막(30')의 형성에 있어서도 양질의 실리콘막을 형성하기 위하여 플라즈마에서의 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]를 0.1 이상 10.0 이하의 범위, 더욱 바람직하게는 0.1 이상 3.0 이하, 또는 0.1 이상 0.5 이하의 범위로 유지하여 형성하는 것이 바람직하다.
< 실리콘 도트 형성방법 및 장치의 또 다른 예 >
도 8은 본 발명에 관한 실리콘 도트 형성장치의 또 다른 예를 나타내고 있다. 도 7에 나타내는 실리콘 도트 형성장치(D)는, 도 6의 장치(C)에서 내벽(W2)과 그것에 형성된 실리콘막(30') 대신에 고주파 안테나(9)의 주위를 둘러 싸도록 배치된 실리콘 스퍼터 타깃(30")을 채용하는 것이다. 바이어스 전원(BPW)은 실리콘 스퍼터 타깃(30")에 접속하고 있다. 그 밖의 점은 도 6의 장치(C)와 대략 동일한 구조이다. 단 실란계 가스공급장치(6)는 불필요하기 때문에 생략하고 있다. 장치(C)에서의 부분, 부품과 실질상 동일한 부, 부품에 대해서는 장치(C)와 동일한 참조부호를 붙이고 있다.
이 장치(D)에 의하면, 수소가스공급장치(5)로부터 챔버(1) 내에 공급되는 가스를 안테나(9)로부터의 고주파 전력의 인가에 의하여 플라즈마화하고, 그 플라즈마로 장치(A)에서의 실리콘 스퍼터 타깃(30)의 케미컬 스퍼터링의 경우와 마찬가지로 타깃(30")에 바이어스 전원(BPW)으로부터 스퍼터링 제어용 바이어스 전압을 인가하면서 타깃(30")을 케미컬 스퍼터링하여 기판(S) 위에 실리콘 도트를 형성할 수 있다.
<실험예>
다음에 몇가지 실리콘 도트 형성의 실험예에 대하여 설명한다.
(1) 실험예 1
도 1에 나타내는 타입의 실리콘 도트 형성장치를 사용하여, 단 실란가스는 채용하지 않고, 수소가스와 실리콘 스퍼터 타깃을 사용하여 기판 위에 직접 실리콘 도트를 형성하였다. 도트 형성조건은 이하와 같았다.
실리콘 스퍼터 타깃 : 단결정 실리콘 스퍼터 타깃
기판 : 산화막(SiO2)으로 피복된 실리콘 웨이퍼
챔버용량 : 180 리터
고주파 전원 : 60 MHz, 4 kW
전력밀도 : 22 W/L
기판 온도 : 400℃
챔버내압 : 0.6 Pa
수소 도입량 : 100 sccm
바이어스 전압 : -20 V
Si(288 nm)/Hβ : 0.2
이와 같이 도 9에 모식적으로 나타내는 실리콘 도트(SiD)가 형성된 기판(S)을 얻었다.
이 실리콘 도트(SiD)를 가지는 기판(S)의 단면을 투과 전자현미경(TEM)으로 관측한 바, 각각 독립적으로 형성되고, 또 균일 분포로 고밀도의 상태로 형성된 입 자지름이 갖추어진 실리콘 도트를 확인할 수 있었다. TEM 상으로부터 50개의 실리콘 도트의 입자지름을 측정하고, 그 평균값을 구한 바, 5 nm 이고, 20 nm 이하, 다시 말하면 10 nm 이하의 입자지름의 실리콘 도트가 형성되어 있는 것이 확인되었다. 도트밀도는 약 2.0 × 1012개/㎠ 이었다.
(2) 실험예 2
도 6에 나타내는 타입의 실리콘 도트 형성장치를 사용하여, 먼저 진공챔버(1)의 내벽(W2)에 실리콘막을 형성하고, 이어서 그 실리콘막을 스퍼터 타깃으로 하여 실리콘 도트를 형성하였다. 실리콘막 형성조건 및 도트 형성조건은 이하와 같았다.
. 실리콘막 형성조건
내벽 면적 : 약 3 ㎡
챔버용량 : 440 리터
고주파 전원 : 13.56 MHz, 10 kW
전력밀도 : 23 W/L
챔버 내벽 온도 : 80℃(챔버 내부에 설치한 히터로 챔버를 가열)
챔버 내압 : 0.67 Pa
모노실란 도입량 : 100 sccm
수소 도입량 : 150 sccm
Si(288 nm)/Hβ : 2.0
. 도트 형성조건
기판 : 산화막(SiO2)으로 피복된 실리콘 웨이퍼
챔버용량 : 440 리터
고주파 전원 : 13.56 MHz, 5 kW
전력 밀도 : 11 W/L
챔버 내벽 온도 : 80℃(챔버 내부에 설치한 히터로 챔버를 가열)
기판 온도 : 430℃
챔버 내압 : 0.67 Pa
수소 도입량 : 150 sccm(모노 실란가스는 사용하지 않았다.)
바이어스 전압 : -10V
Si(288 nm)/Hβ : 1.5
이와 같이 하여 도 9에 모식적으로 나타내는 실리콘 도트(SiD)가 형성된 기판(S)을 얻었다.
이 실리콘 도트(SiD)를 가지는 기판(S)의 단면을 투과 전자현미경(TEM)으로 관측한 바, 각각 독립적으로 형성되고, 또 균일 분포로 고밀도한 상태로 형성된 입자지름이 갖추어진 실리콘 도트를 확인할 수 있었다. 작은 도트에서는 5 nm∼6 nm, 큰 도트에서는 9 nm∼11 nm 이었다. TEM 상으로부터 50개의 실리콘 도트의 입자지름을 측정하여 그 평균값을 구한 바, 8 nm 이고, 10 nm 이하의 입자지름의 실리콘 도트가 실질적으로 형성되어 있는 것이 확인되었다. 도트 밀도는 약 7.3 × 1011개/㎠이었다.
(3) 실험예 3
도 6에 나타내는 타입의 실리콘 도트 형성장치를 사용하여, 먼저 진공챔버(1)의 내벽(W2)에 실험예 2에서의 실리콘막 형성조건으로 실리콘막을 형성하고, 이어서 그 실리콘막을 스퍼터 타깃으로 하여 실리콘 도트를 형성하였다. 도트 형성조건은 챔버 내 압력을 1.34 Pa로 하고, Si(288 nm)/Hβ를 2.5로 한 이외는 실험예 2와 동일하게 하였다.
이와 같이 하여 도 9에 모식적으로 나타내는 실리콘 도트(SiD)가 형성된 기판(S)을 얻었다.
이 실리콘 도트(SiD)를 가지는 기판(S)의 단면을 투과 전자현미경(TEM)으로 관측한 바, 각각 독립적으로 형성되고, 또 균일분포로 고밀도한 상태로 형성된 입자지름이 갖추어진 실리콘 도트를 확인할 수 있었다. TEM 상으로부터 50개의 실리콘 도트의 입자지름을 측정하여 그 평균값을 구한 바, 10 nm 이고, 10 nm 이하의 입자지름의 실리콘 도트가 실질적으로 형성되어 있는 것이 확인되었다. 도트 밀도는 약 7.0 × 1011개/㎠이었다.
(4) 실험예 4
도 6에 나타내는 타입의 실리콘 도트 형성장치를 사용하여, 먼저 진공챔버(1)의 내벽(W2)에 실험예 2에서의 실리콘막 형성조건으로 실리콘막을 형성하고, 이어서 상기 실리콘막을 스퍼터 타깃으로 하여 실리콘 도트를 형성하였다. 도트 형성조건은 챔버 내 압력을 2.68 Pa로 하고, Si(288 nm)/Hβ를 4.6로 한 이외는 실험예 2와 동일하게 하였다.
이와 같이 하여 도 9에 모식적으로 나타내는 실리콘 도트(SiD)가 형성된 기판(S)을 얻었다.
이 실리콘 도트(SiD)를 가지는 기판(S)의 단면을 투과 전자현미경(TEM)으로 관측한 바, 각각 독립적으로 형성되고, 또 균일분포로 고밀도한 상태로 형성된 입자지름이 갖추어진 실리콘 도트를 확인할 수 있었다. TEM 상으로부터 50개의 실리콘 도트의 입자지름을 측정하여 그 평균값을 구한 바, 13 nm 이고, 20 nm 이하의 입자지름의 실리콘 도트가 실질적으로 형성되어 있는 것이 확인되었다. 도트 밀도는 약 6.5× 1011개/㎠ 이었다.
(5) 실험예 5
도 6에 나타내는 타입의 실리콘 도트 형성장치를 사용하여 먼저 진공챔버(1)의 내벽(W2)에 실험예 2에서의 실리콘막 형성조건으로 실리콘막을 형성하고, 이어서 상기 실리콘막을 스퍼터 타깃으로 하여 실리콘 도트를 형성하였다. 도트 형성조건은 챔버 내 압력을 6.70 Pa로 하고, Si(288 nm)/Hβ를 8.2로 한 이외는 실험예 2와 동일하게 하였다.
이와 같이 하여 도 9에 모식적으로 나타낸 실리콘 도트(SiD)가 형성된 기판(S)를 얻었다.
이 실리콘 도트(SiD)를 가지는 기판(S)의 단면을 투과 전자현미경(TEM)으로 관측한 바, 각각 독립적으로 형성되고, 또 균일분포로 고밀도한 상태로 형성된 입자지름이 갖추어진 실리콘 도트를 확인할 수 있었다. TEM 상으로부터 50개의 실리콘 도트의 입자지름을 측정하여 그 평균값을 구한 바, 16 nm 이고, 20 nm 이하의 입자지름의 실리콘 도트가 실질적으로 형성되어 있는 것이 확인되었다. 도트 밀도는 약 6.1 × 1011개/㎠이었다.
< 실리콘 도트부착 기판 형성의 다른 예 >
이상의 실험예로부터 알 수 있는 바와 같이 미리 SiO2 등의 절연물층을 표면에 형성한 기판(S)을 채용하여 그 절연물층의 위에 실리콘 도트(SiD)를 형성할 수 있다.
그러나 예를 들면 실리콘 도트 형성을 위한 챔버 외에 절연물층 형성을 위한 챔버를 설치하고, 절연물층에 대해서는 그 절연물층 형성 챔버로 형성하고, 그곳에서 절연물층이 형성된 기판을 외기에 노출하지 않게 실리콘 도트 형성 챔버에 반입하여 그 절연물층 위에 실리콘 도트를 형성하도록 하여도 좋다.
본 발명은 단일 전자장치 등을 위한 전자장치 재료나 발광 재료 등으로서 사용되는 실리콘 도트, 즉 미소 크기의 실리콘 도트(소위 실리콘 나노입자)를 제공하는 것에 이용할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 실리콘 도트 형성 대상 기판 위에 종래보다 저온에서 입자지름이 갖추어진 실리콘 도트를 균일한 밀도분포로 형성할 수 있는 실리콘 도트 형성방법을 제공할 수 있다.
또 본 발명에 의하면, 실리콘 도트 형성 대상 기판 위에 종래보다 저온에서 입자지름이 갖추어진 실리콘 도트를 균일한 밀도분포로 형성할 수 있는 실리콘 도트 형성장치를 제공할 수 있다.

Claims (16)

1 또는 2 이상의 실리콘 스퍼터 타깃을 내부에 설치한 실리콘 도트 형성용 진공챔버 내에 실리콘 도트 형성 대상 기판을 배치하는 공정과,
상기 실리콘 도트 형성 대상 기판 위에 실리콘 도트를 형성하는 실리콘 도트 형성공정을 포함하고,
상기 실리콘 도트 형성공정에서는, 상기 진공챔버 내에 스퍼터링용 가스를 도입하여 상기 가스에 고주파 전력을 인가함으로써 상기 진공챔버 내에 플라즈마를 발생시킴과 동시에 상기 실리콘 스퍼터 타깃에 케미컬 스퍼터링 제어용 바이어스 전압을 인가하고, 상기 플라즈마로 상기 실리콘 스퍼터 타깃을 케미컬 스퍼터링하여 상기 실리콘 도트 형성 대상 기판 위에 실리콘 도트를 형성하는 것을 특징으로 하는 실리콘 도트 형성방법.
제 1항에 있어서,
상기 실리콘 스퍼터 타깃 중 적어도 하나는 상기 진공챔버 내벽에 형성한 실리콘막으로 이루어지는 실리콘 스퍼터 타깃이고, 상기 실리콘막은, 상기 진공챔버 내에 상기 실리콘 도트 형성 대상 기판을 배치하기에 앞서 실란계 가스 및 수소가스를 도입하고, 이들 가스에 고주파 전력을 인가하여 상기 진공챔버 내에 플라즈마를 발생시키고, 상기 플라즈마에 의하여 상기 진공챔버 내벽에 형성하는 것을 특징으로 하는 실리콘 도트 형성방법.
제 1항에 있어서,
상기 실리콘 스퍼터 타깃 중 적어도 하나는, 상기 실리콘 도트 형성용 진공챔버 내에 설치된 실리콘 스퍼터 타깃이고, 상기 설치된 실리콘 스퍼터 타깃은, 상기 실리콘 도트 형성용 진공챔버에 외부로부터 기밀하게 차단되는 상태로 연달아 설치된 실리콘 스퍼터 타깃 형성용 진공챔버 내에 타깃 기판을 배치하고, 상기 실리콘 스퍼터 타깃 형성용 진공챔버 내에 실란계 가스 및 수소가스를 도입하고, 이들 가스에 고주파 전력을 인가하여 플라즈마를 발생시켜 상기 플라즈마에 의하여 상기 타깃 기판 위에 실리콘막을 형성하여 얻어진 실리콘 스퍼터 타깃이고, 상기 실리콘 스퍼터 타깃 형성용 진공챔버로부터 상기 실리콘 도트 형성용 진공챔버 내에 외기에 접촉시키지 않고 반입 설치된 것임을 특징으로 하는 실리콘 도트 형성방법.
제 1항에 있어서,
상기 실리콘 스퍼터 타깃 중 적어도 하나는, 미리 준비된 실리콘 스퍼터 타깃을, 상기 진공챔버 내에 뒤에 부착하여 설치한 것임을 특징으로 하는 실리콘 도트 형성방법.
제 1항에 있어서,
상기 스퍼터링용 가스로서 수소가스를 채용하고, 상기 수소가스에 고주파 전 력을 인가하여 상기 케미컬 스퍼터링용의 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 도트 형성방법.
제 5항에 있어서,
상기 스퍼터링용 수소가스를 플라즈마화시키는 고주파 전력의 인가를, 상기 가스로부터 유도 결합형 플라즈마를 발생시키는 고주파 방전 안테나를 사용하여 행하는 것을 특징으로 하는 실리콘 도트 형성방법.
제 5항에 있어서,
상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마는, 전자밀도가 1010개/㎤ 이상 1012개/㎤ 이하의 플라즈마인 것을 특징으로 하는 실리콘 도트 형성방법.
제 5항에 있어서,
상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마는, 플라즈마발광에 있어서 파장 288 nm 에서의 실리콘 원자의 발광강도(Si)(288 nm)와 파장 484 nm 에서의 수소원자의 발광강도(Hβ)와의 비〔Si(288 nm)/Hβ〕가 0.1 이상 10.0 이하의 플라즈마인 것을 특징으로 하는 실리콘 도트 형성방법.
제 8항에 있어서,
상기 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ〕가 0.1 이상 3.0 이하인 것을 특징으로 하는 실리콘 도트 형성방법.
제 1항에 있어서,
상기 스퍼터링 제어용 바이어스 전압은 -20V∼+20V의 범위에서의 바이어스 전압인 것을 특징으로 하는 실리콘 도트 형성방법.
실리콘 도트 형성 대상 기판을 지지하는 홀더를 가지는 실리콘 도트 형성용 진공챔버와,
상기 진공챔버 내에 설치되는 실리콘 스퍼터 타깃과,
상기 진공챔버 내에 수소가스를 공급하는 수소가스공급장치와,
상기 진공챔버 내로부터 배기하는 배기장치와,
상기 진공챔버 내에 상기 수소가스공급장치로부터 공급되는 수소가스에 고주파 전력을 인가하여 상기 실리콘 스퍼터 타깃을 케미컬 스퍼터링하기 위한 플라즈마를 형성하는 고주파 전력 인가장치와,
상기 플라즈마에 의한 상기 실리콘 스퍼터 타깃의 케미컬 스퍼터링에 있어서 상기 실리콘 스퍼터 타깃에 케미컬 스퍼터링 제어용 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 인가장치를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 도트 형성장치.
실리콘 도트 형성 대상 기판을 지지하는 홀더를 가지는 실리콘 도트 형성용 진공챔버와,
상기 진공챔버 내에 수소가스를 공급하는 수소가스공급장치와,
상기 진공챔버 내에 실란계 가스를 공급하는 실란계 가스공급장치와,
상기 진공챔버 내로부터 배기하는 배기장치와,
상기 진공챔버 내에 상기 수소가스공급장치로부터 공급되는 수소가스 및 상기실란계 가스공급장치로부터 공급되는 실란계 가스에 고주파 전력을 인가하여, 상기 진공챔버의 내벽에 실리콘막을 형성하기 위한 플라즈마를 형성하는 제 1 고주파 전력 인가장치와,
상기 실리콘막 형성후에, 상기 진공챔버 내에 상기 수소가스공급장치로부터 공급되는 수소가스에 고주파 전력을 인가하여, 상기 실리콘막을 실리콘 스퍼터 타깃으로 하여 케미컬 스퍼터링하기 위한 플라즈마를 형성하는 제 2 고주파 전력 인가장치와,
상기 수소가스로부터 형성되는 케미컬 스퍼터링용 플라즈마에 의한 상기 실리콘 스퍼터 타깃의 케미컬 스퍼터링에 있어서, 상기 실리콘 스퍼터 타깃에 케미컬 스퍼터링 제어용 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 인가장치를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 도트 형성장치.
타깃 기판을 지지하는 홀더를 가지는 제 1 진공챔버와,
상기 제 1 진공챔버 내에 수소가스를 공급하는 제 1 수소가스공급장치와,
상기 제 1 진공챔버 내에 실란계 가스를 공급하는 실란계 가스공급장치와,
상기 제 1 진공챔버 내로부터 배기하는 제 1 배기장치와,
상기 제 1 진공챔버 내에 상기 제 1 수소가스공급장치로부터 공급되는 수소가스 및 상기 실란계 가스공급장치로부터 공급되는 실란계 가스에 고주파 전력을 인가하고, 상기 타깃 기판 위에 실리콘막을 형성하여 실리콘 스퍼터 타깃을 얻기 위한 플라즈마를 형성하는 제 1 고주파 전력 인가장치와,
상기 제 1 진공챔버에 외부로부터 기밀하게 차단되는 상태로 연달아 설치되고, 실리콘 도트 형성 대상 기판을 지지하는 홀더를 가지는 실리콘 도트 형성용의 제2 진공챔버와,
상기 실리콘 스퍼터 타깃을 상기 제 1 진공챔버로부터 제 2 진공챔버에 외기에 접촉하지 않고 반입 배치하는 반송장치와,
상기 제 2 진공챔버 내에 수소가스를 공급하는 제 2 수소가스공급장치와,
상기 제 2 진공챔버 내로부터 배기하는 제 2 배기장치와,
상기 제 2 진공챔버 내에 상기 제 2 수소가스공급장치로부터 공급되는 수소가스에 고주파 전력을 인가하여 상기 제 2 진공챔버 내에 반입 배치되는 상기 실리콘 스퍼터 타깃을 케미컬 스퍼터링하기 위한 플라즈마를 형성하는 제 2 고주파 전력 인가장치와,
상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마에 의한 상기 실리콘 스퍼터 타깃의 케미컬 스퍼터링에 있어서, 상기 실리콘 스퍼터 타깃에 케미컬 스퍼터링 제어용 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 인가장치를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 도트 형성장치.
제 11항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 실리콘 도트 형성용 진공챔버에서 수소가스로부터 상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마를 발생시키기 위한 상기 고주파 전력인가장치는, 상기 플라즈마로서 유도 결합형 플라즈마를 발생시키기 위한 고주파 방전 안테나를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 도트 형성장치.
제 11항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 실리콘 도트 형성용 진공챔버 내에서의 상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마의 플라즈마발광에서의 파장 288 nm 에서의 실리콘 원자의 발광강도(Si)(288 nm)와 파장 484 nm 에서의 수소원자의 발광강도(Hβ)와의 비[Si(288 nm)/Hβ]를 구하는 플라즈마 발광 분광 계측장치를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 도트 형성장치.
제 15항에 있어서,
상기 플라즈마 발광 분광 계측장치로 구해지는 발광강도비 [Si(288 nm)/Hβ]와 0.1 이상 10.0 이하의 범위로부터 정한 기준 발광 강도비 [Si(288 nm)/Hβ]를 비교하여 상기 실리콘 도트 형성용 진공챔버 내의 상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마에서의 발광강도비 [Si(288 nm)/Hβ]가 상기 기준 발광 강도비를 향하도록, (a) 상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마생성을 위한 상기 고주파 전력 인가장치의 전원출력, (b) 상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마생성을 위하여 상기 수소가스공급장치로부터 상기 진공챔버내에 공급되는 수소가스의 공급량 및 (c) 상기 진공챔버로부터 배기하기 위한 상기 배기장치에 의한 배기량 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 더 가지고 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 도트 형성장치.
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