KR20150003756A - 플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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미노루 혼다
도시오 나카니시
다이스케 가타야마
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

일 실시형태의 플라즈마 처리 방법은, 피처리 기체 상에 다결정 실리콘층을 성장시키기 위한 플라즈마 처리 방법으로서, (a) 처리 용기 내에 피처리 기체를 준비하는 공정과, (b) 플라즈마 여기용의 마이크로파를 처리 용기 내에 도입하고, 실리콘을 함유한 원료 가스를 처리 용기 내에 도입하여, 피처리 기체 상에 다결정 실리콘층을 성장시키는 공정을 포함한다.

Description

플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING METHOD AND PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명의 여러 가지 측면 및 실시형태는 플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 피처리 기체(基體) 상에 다결정 실리콘층을 성장시키는 플라즈마 처리 방법 및 이 방법의 실시에 이용할 수 있는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
반도체 소자의 일종으로서, 전기 저항이 큰 비도핑(i형) 반도체층을 p형 반도체층과 n형 반도체층 사이에 끼운 구조를 갖는 pin 다이오드가 알려져 있다. pin 다이오드는, 예컨대 기판 상에, 붕소(B)를 도핑한 p형 실리콘층과, i형 다결정 실리콘(폴리실리콘)층과, 인(P)을 도핑한 n형 실리콘층을 순차 성장시킴으로써 형성된다.
이들 p형 실리콘층, i형 다결정 실리콘층 및 n형 실리콘층의 성장 방법으로서는, 플라즈마 CVD(Chemical Vapor Deposition)법이 알려져 있다. 플라즈마 CVD법은, 반도체 원료를 함유한 원료 가스의 플라즈마를 발생시켜, 원료 가스의 플라즈마를 성장 기판 상에서 반응시킴으로써 반도체층을 성장시킨다. 또한, 이들 반도체층을 성장시키는 다른 방법으로서, 열 CVD법도 알려져 있다. 열 CVD법은 원료 가스에 대하여 열을 가하여 가스 분자를 열분해시키고, 열분해된 가스 분자를 성장 기판 상에서 반응시킴으로써 반도체층을 성장시킨다(예컨대, 비특허문헌 1 참조).
히라오 다카시 외 저 「박막 기술의 신조류」 고교쵸사카이(Kogyo Chosakai Publishing Co., Ltd) 1997년, 제95 페이지~제100 페이지
pin 다이오드의 전기 특성 저하의 한 요인으로서, p형 실리콘층 또는 n형 실리콘층으로부터 도펀트가 i형 실리콘층으로 확산되는 것을 들 수 있다. 이러한 도펀트의 확산은 프로세스가 고온에서 행해질수록 현저하게 된다. 이러한 도펀트의 확산을 억제하기 위해서는, 저온에서 결정을 성장시키는 것, 및 결정을 미세화하는 것, 즉 결정 사이즈가 작은 다결정 실리콘을 저온 성장시키는 것이 유효하다는 것을, 본원 발명자들은 알아냈다.
그러나, 평행 평판형의 플라즈마 CVD 장치와 같은 종래의 플라즈마 CVD 장치에서 실시되는 플라즈마 CVD법에 의한 반도체층의 성장 방법에서는, 원료 가스의 플라즈마가 높은 전자 온도를 갖기 때문에 이온 에너지가 높아, 다결정 실리콘층의 성장이 가능한 조건 범위가 좁아진다.
또한, 열 CVD법에 의한 반도체층의 성장 방법에서는, 다결정 실리콘층을 성장시키기 위해서 700℃ 이상으로 성장 기판이 승온된다. 이러한 고온 하에서의 결정 성장은, p형 실리콘층 또는 n형 실리콘층의 도펀트를 i형 다결정 실리콘층으로 확산시킬 수 있다. 또한, 고온 하에서의 결정 성장은 다결정 실리콘층을 구성하는 실리콘 결정의 결정 사이즈를 크게 할 수 있다.
따라서, 본 기술분야에서는, 결정 사이즈가 작은 다결정 실리콘층을 저온에서 성장시키는 방법 및 이 방법의 실시에 이용할 수 있는 장치가 요구되고 있다.
본 발명의 일 측면은, 피처리 기체 상에 다결정 실리콘층을 성장시키기 위한 플라즈마 처리 방법으로서, (a) 처리 용기 내에 피처리 기체를 준비하는 공정과, (b) 플라즈마 여기용의 마이크로파를 처리 용기 내에 도입하고, 실리콘을 함유한 원료 가스를 처리 용기 내에 도입하여, 피처리 기체 상에 다결정 실리콘층을 성장시키는 공정을 포함한다.
이 플라즈마 처리 방법에서는, 마이크로파에 의해 플라즈마를 여기하기 때문에, 플라즈마 중의 전자 온도는, 평행 평판형의 플라즈마 처리 장치 등에 의해서 발생하는 플라즈마의 전자 온도보다 낮게, 예컨대 1~2 eV가 된다. 본 방법에서는, 이러한 플라즈마에 의해 원료 가스에 포함되는 실리콘을 활성화시켜 성막을 행하기 때문에, 높은 이온 에너지에 의한 성장 저해를 저감하여 다결정 실리콘층을 성장시킬 수 있다. 또한, 본 방법에서는, 저온에서 다결정 실리콘층을 성장시킬 수 있기 때문에, 결정 사이즈가 미세화된 다결정 실리콘층을 성장시킬 수 있다. 다결정 실리콘층의 결정 사이즈가 미세화되면, 결정립계가 메쉬형으로 된다. 이러한 메쉬형의 복잡한 결정립계를 갖는 다결정 실리콘층에서는 도펀트의 확산이 억제된다.
일 실시형태에 있어서, 다결정 실리콘층을 성장시키는 공정은, 원료 가스 및 제1 도펀트 재료를 함유하는 제1 가스를 처리 용기 내에 도입하여, 피처리 기체 상에 제1 도전형의 다결정 실리콘층을 성장시키는 공정과, 원료 가스를 처리 용기 내에 도입하여, 제1 도전형의 다결정 실리콘층 상에 i형의 다결정 실리콘층을 성장시키는 공정과, 원료 가스 및 제2 도펀트 재료를 함유하는 제2 가스를 처리 용기 내에 도입하여, i형의 다결정 실리콘층 상에 제2 도전형의 다결정 실리콘층을 성장시키는 공정을 포함하고 있어도 좋다. 이 실시형태에 따르면, 낮은 전자 온도의 플라즈마를 여기할 수 있기 때문에, 다결정 실리콘의 결정 구조에 도펀트 원자를 주입한 상태에서 이 다결정 실리콘층을 성장시킬 수 있다. 따라서, 활성화된 제1 도전형의 다결정 실리콘층과 제2 도전형의 다결정 실리콘층을 성장시킬 수 있다.
일 실시형태에서는, i형의 다결정 실리콘층을 성장시키는 공정에서, 수소를 함유하는 희석 가스를 처리 용기 내에 도입하여도 좋다. 이 실시형태에 따르면, 희석 가스를 도입함으로써, i형의 다결정 실리콘층의 결정률을 향상시킬 수 있다.
일 실시형태에서는, i형의 다결정 실리콘층을 성장시키는 공정에서, 그 위에 피처리 기체가 배치된 배치대로서, 전극을 구성하는 상기 배치대에 고주파 바이어스 전력을 부여하여도 좋다. 이 실시형태에 따르면, 고주파 바이어스 전력을 제어함으로써, 피처리 기체에 인입되는 이온의 이온 에너지가 제어되기 때문에, i형의 다결정 실리콘층의 결정 사이즈를 제어할 수 있다.
일 실시형태에서는, 고주파 바이어스 전력은 100 와트 이상 500 와트 이하라도 좋다. 이 실시형태에 따르면, i형의 다결정 실리콘층의 결정률을 보다 높이고, i형의 다결정 실리콘층의 결정 사이즈를 보다 작게 할 수 있다.
일 실시형태에서는, 다결정 실리콘층을 성장시키는 공정에서, 처리 용기 내의 압력이 12 파스칼 이하라도 좋다. 이 실시형태에 따르면, i형의 다결정 실리콘층의 결정률을 보다 높일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 플라즈마 처리 장치는, 그 내부에 피처리 기체를 수용하는 처리 용기와, 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기와, 마이크로파 발생기에 접속되며, 플라즈마 여기용의 마이크로파를 처리 용기 내에 방사하는 안테나와, 실리콘을 함유한 원료 가스를 처리 용기 내에 도입하는 가스 도입부를 구비한다.
이 플라즈마 처리 장치에서는, 마이크로파에 의해 플라즈마를 여기하기 때문에, 플라즈마 중의 전자 온도(예컨대 1~2 eV)는, 평행 평판형의 플라즈마 처리 장치 등에 의해서 발생하는 플라즈마의 전자 온도보다 낮게 된다. 본 장치에서는, 이러한 플라즈마에 의해 원료 가스에 포함되는 실리콘을 활성화시켜 성막을 행할 수 있기 때문에, 높은 이온 에너지에 의한 성장 저해를 저감하여 다결정 실리콘층을 성장시킬 수 있다. 또한, 본 장치에서는, 저온에서 다결정 실리콘층을 성장시킬 수 있기 때문에, 결정 사이즈가 미세화된 다결정 실리콘층을 성장시킬 수 있다. 다결정 실리콘층의 결정 사이즈가 미세화되면, 결정립계가 메쉬형으로 된다. 이러한 메쉬형의 복잡한 결정립계를 갖는 다결정 실리콘층에서는 도펀트의 확산이 억제된다.
일 실시형태에서는, 플라즈마 처리 장치는 가스 도입부 및 마이크로파 발생기를 제어하는 제어부를 더 구비할 수 있다. 가스 도입부는 제1 도펀트 재료를 함유하는 제1 가스 및 제2 도펀트 재료를 함유하는 제2 가스를 처리 용기 내에 또한 도입할 수 있어도 좋다. 제어부는 가스 도입부에, 원료 가스 및 제1 가스를 처리 용기 내에 도입하게 하여, 피처리 기체 상에 제1 도전형의 다결정 실리콘층을 성장시키고, 원료 가스를 처리 용기 내에 도입하게 하여, 제1 도전형의 다결정 실리콘층 상에 i형의 다결정 실리콘층을 성장시키고, 원료 가스 및 제2 가스를 처리 용기 내에 도입하게 하여, i형의 다결정 실리콘층 상에 제2 도전형의 다결정 실리콘층을 성장시켜도 좋다. 이 실시형태에 따르면, 낮은 전자 온도의 플라즈마를 여기할 수 있기 때문에, 다결정 실리콘의 결정 구조에 도펀트 원자를 주입한 상태에서 이 다결정 실리콘층을 성장시킬 수 있다. 따라서, 활성화된 제1 도전형의 다결정 실리콘층과 제2 도전형의 다결정 실리콘층을 성장시킬 수 있다.
일 실시형태에 있어서는, 가스 도입부는 수소를 함유하는 희석 가스를 처리 용기 내에 또한 도입할 수 있어도 좋다. 제어부는 i형의 다결정 실리콘층을 성장시킬 때에, 가스 도입부에, 희석 가스를 처리 용기 내에 도입하게 하여도 좋다. 이 실시형태에 따르면, 희석 가스를 도입함으로써, i형의 다결정 실리콘층의 결정률을 향상시킬 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 플라즈마 처리 장치는, 처리 용기 내에 설치되며, 피처리 기체가 배치되는 배치대로서, 전극을 구성하는 상기 배치대와, 배치대에 접속되며, 전극에 부여하는 고주파 바이어스 전력을 발생시키는 고주파 전원을 더 구비하고 있어도 좋다. 이 실시형태에 따르면, 고주파 바이어스 전력을 제어함으로써, 피처리 기체에 인입되는 이온의 이온 에너지가 제어되기 때문에, i형의 다결정 실리콘층의 결정 사이즈를 제어할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 제어부는, i형의 다결정 실리콘층을 성장시킬 때에, 100 와트 이상 500 와트 이하의 고주파 바이어스 전력을 발생시키게 하여도 좋다. 이 실시형태에 따르면, i형의 다결정 실리콘층의 결정률을 보다 높이는 동시에, i형의 다결정 실리콘층의 결정 사이즈를 보다 작게 할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 플라즈마 처리 장치는, 처리 용기 내의 압력을 조정하는 압력 조정부를 더 구비하고 있어도 좋다. 제어부는, 압력 조정부에, 처리 용기 내의 압력을 12 파스칼 이하로 설정하게 하여도 좋다. 이 실시형태에 따르면, i형의 다결정 실리콘층의 결정률을 보다 높일 수 있다.
이상 설명한 것과 같이, 본 발명에 따르면, 결정 사이즈가 작은 다결정 실리콘층을 저온에서 성장시키는 방법 및 이 방법의 실시에 이용할 수 있는 장치가 제공된다.
도 1은 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 일 실시형태에 따른 슬롯판을 축선(X) 방향에서 본 평면도이다.
도 3은 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 4는 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 방법에서의 성막의 원리를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 5는 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 방법의 각 공정을 설명하기 위한 타이밍 차트이다.
도 6은 고주파 바이어스 전력과 i형 반도체층의 결정 사이즈와의 관계 및 고주파 바이어스 전력과 i형 반도체층의 결정률과의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 7은 고주파 바이어스 전력과 i형 반도체층의 결정률과의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 8은 처리 용기 내의 압력과 i형 반도체층의 결정률과의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 9는 마이크로파 출력 파워와 p형 반도체층의 저항률과의 관계, 스테이지의 온도와 p형 반도체층의 저항률과의 관계, 및 처리 용기 내의 압력과 p형 반도체층의 저항률과의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 10은 i형의 다결정 실리콘층에서 도펀트의 확산이 억제되는 것을 확인한 결과를 도시하는 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 여러 가지 실시형태에 관해서 상세히 설명한다. 한편, 각 도면에서 동일하거나 또는 상당하는 부분에 대해서는 동일한 부호를 부여하기로 한다.
도 1은 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 도시하는 도면이다. 도 1에 도시하는 플라즈마 처리 장치(10)는 마이크로파에 의해 플라즈마를 여기하는 플라즈마 처리 장치이며, 처리 용기(12), 스테이지(14), 마이크로파 발생기(16) 및 안테나(18)를 구비하고 있다.
처리 용기(12)는 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 공간(E)을 구획하고 있고, 또한, 피처리 기체(W)에 플라즈마 처리를 하기 위한 처리 공간(P)을 플라즈마 발생 공간(E)의 아래쪽에 구획하고 있다. 이 처리 용기(12)는 측벽(12a) 및 바닥부(12b)를 포함할 수 있다. 측벽(12a)은 축선(X) 방향(즉, 축선(X)의 연장 방향)으로 뻗어 있는 대략 통 형상을 갖고 있다. 측벽(12a)의 상단부는 개구되어 있다.
측벽(12a)의 상단부 개구는 유전체창(20)에 의해서 닫혀 있다. 이 유전체창(20)과 측벽(12a)의 상단부 사이에는 O 링(19)이 개재되어 있어도 좋다. 이 O 링(19)에 의해, 처리 용기(12)의 밀폐가 보다 확실하게 된다.
바닥부(12b)는 측벽(12a)의 하단 측에 형성되어 있다. 바닥부(12b)에는 배기 구멍(12c)을 갖는 배기관(21)이 설치되어 있다. 배기관(21)은 압력 조정부(22)를 통해 배기 장치(23)에 접속되어 있다. 압력 조정부(22)는 후술하는 제어부에 의해 제어되며, 배기되는 기체의 유량을 제어하여, 처리 용기(12) 내의 압력을 조정한다. 배기 장치(23)는 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프를 갖고 있다. 배기 장치(23)에 의해, 처리 용기(12) 내의 처리 공간(P)을 원하는 진공도까지 감압할 수 있다.
처리 용기(12) 내에는 스테이지(14)가 마련되어 있다. 스테이지(14)는 처리 공간(P)의 아래쪽에서, 후술하는 샤워 플레이트(42)와 대면하도록 설치되어 있다. 이 스테이지(14) 상에는 피처리 기체(W)가 배치된다. 일 실시형태에서는, 스테이지(14)는 대(臺)(14a), 포커스 링(14b) 및 정전 척(15)을 포함할 수 있다. 한편, 대(14a), 포커스 링(14b) 및 정전 척(15)을 포함하는 스테이지(14)는 일 실시형태에 따른 배치대를 구성하고 있다.
대(14a)는 처리 용기(12)의 바닥부(12b)로부터 위쪽으로 뻗어 있는 지지체(17)에 의해서 지지되어 있다. 대(14a)는 고주파 전극을 겸하고 있다. 대(14a)에는, 매칭 유닛(24)을 통해, RF 바이어스용의 고주파 전원(25)이 전기적으로 접속되어 있다. 고주파 전원(25)은 피처리 기체(W)에 인입하는 이온의 에너지를 제어하기에 적절한 일정한 주파수, 예컨대 13.65 MHz의 고주파 바이어스 전력을 소정의 파워로 출력한다. 일 실시형태에서, 고주파 바이어스 전력의 파워는 100 W~500 W일 수 있다. 매칭 유닛(24)은 고주파 전원(25) 측의 임피던스와, 주로 전극, 플라즈마, 처리 용기(12)와 같은 부하 측의 임피던스와의 사이에서 정합을 취하기 위한 정합기를 수용하고 있다. 이 정합기 속에 자기 바이어스 생성용의 블로킹 콘덴서가 포함되어 있다.
대(14a)의 상면에는, 피처리 기체(W)를 유지하기 위한 유지 부재인 정전 척(15)이 설치되어 있다. 정전 척(15)은 피처리 기체(W)를 정전 흡착력으로 유지한다. 정전 척(15)의 직경 방향 외측에는, 피처리 기체(W)의 주위 및 정전 척(15)의 주위를 환상으로 둘러싸는 포커스 링(14b)이 마련되어 있다.
정전 척(15)은 전극(15a), 절연막(15b) 및 절연막(15c)을 포함하고 있다. 전극(15a)은 도전막에 의해서 구성되어 있으며, 절연막(15b)과 절연막(15c) 사이에 형성되어 있다. 전극(15a)에는, 스위치(26) 및 피복선(27)을 통해 고압의 직류 전원(28)이 전기적으로 접속되어 있다. 정전 척(15)은 직류 전원(28)으로부터 인가되는 직류 전압에 의해 발생하는 쿨롱력에 의해서 피처리 기체(W)를 유지할 수 있다.
대(14a)의 내부에는 히터(29)가 설치되어 있다. 이 히터(29)는 히터 전원(31)에 접속되어 있으며, 히터 전원(31)으로부터 공급되는 전력에 의해 열을 발생시켜, 피처리 기체(W)를 가열한다.
마이크로파 발생기(16)는 예컨대 2.45 GHz의 마이크로파를 발생시킨다. 일 실시형태에서는, 플라즈마 처리 장치(10)는 튜너(32), 도파관(33), 모드 변환기(34) 및 동축 도파관(35)을 더 구비할 수 있다.
마이크로파 발생기(16)는 튜너(32)를 통해 도파관(33)에 접속되어 있다. 도파관(33)은 예컨대 직사각형 도파관이다. 도파관(33)은 모드 변환기(34)에 접속되어 있고, 이 모드 변환기(34)는 동축 도파관(35)의 상단에 접속되어 있다.
동축 도파관(35)은 축선(X)을 따라서 뻗어 있다. 이 동축 도파관(35)은 외측 도체(35a) 및 내측 도체(35b)를 포함하고 있다. 외측 도체(35a)는 축선(X) 방향으로 뻗는 대략 원통 형상을 갖고 있다. 내측 도체(35b)는 외측 도체(35a)의 내부에 설치되어 있다. 이 내측 도체(35b)는 축선(X)을 따라서 뻗는 대략 원통 형상을 갖고 있다.
마이크로파 발생기(16)에 의해서 발생한 마이크로파는 튜너(32) 및 도파관(33)을 통해 모드 변환기(34)에 도파된다. 모드 변환기(34)는 마이크로파의 모드를 변환하여, 모드 변환 후의 마이크로파를 동축 도파관(35)에 공급한다. 동축 도파관(35)으로부터의 마이크로파는 안테나(18)에 공급된다.
안테나(18)는 마이크로파 발생기(16)에 의해서 발생하는 마이크로파에 기초하여, 플라즈마 여기용의 마이크로파를 플라즈마 발생 공간(E)에 방사한다. 안테나(18)는 유전체창(20), 슬롯판(36), 유전체판(37) 및 냉각 자켓(38)을 포함할 수 있다. 동축 도파관(35)으로부터의 마이크로파는 유전체판(37)에 전파되어, 슬롯판(36)의 슬롯으로부터 유전체창(20)을 통해, 플라즈마 발생 공간(E)에 방사된다.
유전체창(20)은 대략 원판 형상을 갖고 있고, 예컨대 석영에 의해서 구성된다. 이 유전체창(20)은 축선(X) 방향에 있어서 슬롯판(36)의 바로 아래에 설치되어 있다.
도 2는 일 실시형태에 따른 슬롯판(36)을 축선(X) 방향에서 본 평면도이다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 슬롯판(36)에는, 축선(X)을 중심으로 하여 둘레 방향으로 복수의 슬롯쌍(36a)이 배열되어 있다. 일 실시형태에서는, 슬롯판(36)은 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 구성하는 슬롯판일 수 있다. 슬롯판(36)은 도전성을 갖는 금속제의 원판으로 구성된다. 슬롯판(36)에는 복수의 슬롯쌍(36a)이 형성되어 있다. 각 슬롯쌍(36a)은 상호 교차 또는 직교하는 방향으로 뻗는 슬롯(36b) 및 슬롯(36c)을 포함하고 있다. 복수의 슬롯쌍(36a)은 직경 방향으로 소정의 간격으로 배치되어 있고, 또한, 둘레 방향으로 소정의 간격으로 배치되어 있다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 유전체판(37)은 슬롯판(36)과 냉각 자켓(38)의 하측 표면과의 사이에 설치되어 있다. 유전체판(37)은 예컨대 석영제이며, 대략 원판 형상을 갖고 있다. 냉각 자켓(38)의 표면은 도전성을 지닐 수 있다. 냉각 자켓(38)은 유전체판(37) 및 슬롯판(36)을 냉각한다. 그 때문에, 냉각 자켓(38) 내에는 냉매용의 유로가 형성되어 있다. 이 냉각 자켓(38)의 상부 표면에는 외측 도체(35a)의 하단이 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 내측 도체(35b)의 하단은 냉각 자켓(38) 및 유전체판(37)의 중앙 부분에 형성된 구멍을 지나, 슬롯판(36)에 전기적으로 접속되어 있다.
일 실시형태에서는, 처리 용기(12)의 측벽(12a) 내에는, 가스 유로(39a) 및 복수의 분사 구멍(39b)이 형성되어 있다. 가스 유로(39a)는 축선(X)을 중심으로 환상으로 뻗어 있으며, 가스 공급부(41)에 접속되어 있다. 가스 공급부(41)는 플라즈마 생성용의 가스를 가스 유로(39a)에 공급한다. 가스 공급부(41)에 의해서 공급되는 플라즈마 생성용의 가스는, 예컨대 Ar 가스 또는 H2 가스이다. 이 가스 공급부(41)는 가스원(41a), 밸브(41b) 및 유량 제어기(41c)를 포함할 수 있다. 가스원(41a)은 플라즈마 생성용 가스의 가스원이다. 밸브(41b)는 가스원(41a)으로부터의 가스의 공급 및 공급의 정지를 전환한다. 유량 제어기(41c)는, 예컨대 매스플로우 컨트롤러이며, 가스원(41a)으로부터의 가스의 유량을 조정한다. 가스 공급부(41)로부터 플라즈마 생성용의 가스를 받는 가스 유로(39a)에는, 복수의 분사 구멍(39b)이 접속되어 있다. 복수의 분사 구멍(39b)은 축선(X) 중심으로 환상으로 배열되어 있다. 복수의 분사 구멍(39b)은 플라즈마 발생 공간(E) 내에 플라즈마 생성용의 가스를 분사하는 것이며, 축선(X)을 향해서 상기 가스를 분사한다.
일 실시형태에서는, 플라즈마 처리 장치(10)는 샤워 플레이트(42)를 더 구비할 수 있다. 샤워 플레이트(42)는 플라즈마 발생 공간(E)과 처리 공간(P)의 사이에 개재되며, 성막용의 처리 가스를 처리 공간(P)에 도입한다. 이 샤워 플레이트(42)는 격자형으로 형성되어 있고, 격자의 내부에는 가스 유로(42a)가 형성되어 있다. 즉, 샤워 플레이트(42)에는 격자형으로 뻗어 있는 가스 유로(42a)가 형성되어 있다. 이 샤워 플레이트(42)의 가스 유로(42a)는 가스 공급부(43)에 접속되어 있다.
가스 공급부(43)는 성막용의 처리 가스를 가스 유로(42a)에 공급한다. 가스 공급부(43)는 복수의 가스원(44a~48a)과, 가스원(44a~48a)에 각각 접속된 복수의 밸브(44b~48b)와, 밸브(44b~48b)에 각각 접속된 유량 제어기(44c~48c)를 포함한다.
가스원(44a)은 실리콘을 함유하는 원료 가스의 가스원이다. 이 원료 가스는 예컨대 SiH4 가스이다. 가스원(44a)은, 밸브(44b)와 유량 제어기(44c)를 통해 가스 유로(42a)에 접속되어 있다. 가스원(45a)은 제1 도펀트 재료를 함유하는 제1 가스의 가스원이다. 제1 가스는 제1 도펀트 재료로서, 예컨대 붕소(B)를 함유할 수 있다. 이 제1 가스는 예컨대 B2H6 가스이다. 가스원(45a)은 밸브(45b)와 유량 제어기(45c)를 통해 가스 유로(42a)에 접속되어 있다. 또한, 가스원(46a)은 제2 도펀트 재료를 포함하는 제2 가스의 가스원이다. 제2 가스는 제2 도펀트 재료로서, 예컨대 인(P)을 함유할 수 있다. 이 제2 가스는 예컨대 PH3 가스이다. 가스원(46a)은 밸브(46b)와 유량 제어기(46c)를 통해 가스 유로(42a)에 접속되어 있다. 가스원(47a)은 희석 가스의 가스원이다. 희석 가스는 예컨대 수소(H2) 가스이다. 가스원(47a)은 밸브(47b)와 유량 제어기(47c)를 통해 가스 유로(42a)에 접속되어 있다. 가스원(48a)은 다른 희석 가스의 가스원이다. 다른 희석 가스는 예컨대 아르곤(Ar) 가스이다. 가스원(48a)은 밸브(48b)와 유량 제어기(48c)를 통해 가스 유로(42a)에 접속되어 있다.
또한, 샤워 플레이트(42)에는, 가스 유로(42a)에 접속하는 복수의 분사 구멍(42b)이 형성되어 있다. 복수의 분사 구멍(42b)은 가스 유로(42a)에 공급된 처리 가스를 아래쪽으로 분사하여 처리 공간(P) 내에 공급한다. 한편, 샤워 플레이트(42) 및 가스 공급부(43)는 일 실시형태에 따른 가스 도입부를 구성하고 있다.
또한, 격자형으로 형성된 샤워 플레이트(42)는 플라즈마 발생 공간(E)과 처리 공간(P)을 연통시키는 복수의 구멍(42c)을 구획하고 있다. 플라즈마 발생 공간(E)에서 플라즈마화된 가스는 복수의 구멍(42c)을 통해 처리 공간(P)에 공급되어, 그 처리 공간(P)에서 성막용의 처리 가스를 활성화시킨다.
일 실시형태에서는, 플라즈마 처리 장치(10)는 프로그램 가능한 마이크로 프로세서(컴퓨터)를 포함하는 제어부(100)를 더 구비할 수 있다. 제어부(100)는 플라즈마 처리 장치(10)의 각 구성부, 예컨대 고주파 전원(25), 가스 공급부(41, 43) 및 압력 조정부(22)를 제어할 수 있다. 또한, 플라즈마 처리 장치(10)는 제어부(100)에 접속된 사용자 인터페이스(100a)를 더 구비할 수 있다. 사용자 인터페이스(100a)는 오퍼레이터가 플라즈마 처리 장치(10)를 관리하기 위해서 커맨드의 입력 조작 등을 행하는 키보드나, 플라즈마 처리 장치(10)의 가동 상황을 가시화하여 표시하는 디스플레이 등을 포함한다.
또한, 제어부(100)에는, 플라즈마 처리 장치(10)에서 실행되는 각종 처리를 제어부(100)의 제어로 실현하기 위한 제어 프로그램이나, 처리 조건에 따라서 플라즈마 처리 장치(10)의 각 구성부에 처리를 실행시키기 위한 프로그램, 즉 처리 레시피가 저장된 기억부(100b)가 접속되어 있다. 처리 레시피는 기억부(100b) 중의 기억 매체에 기억되어 있다. 기억 매체는 하드 디스크나 반도체 메모리라도 좋고, CD ROM, DVD, 플래시 메모리 등의 가반성인 것이라도 좋다. 또한, 다른 장치로부터, 예컨대 전용 회선을 통해 레시피를 적절하게 전송시키도록 하여도 좋다.
그리고, 필요에 따라서, 사용자 인터페이스(100a)로부터의 지시 등에 의해 임의의 처리 레시피를 기억부(100b)로부터 호출하여 제어부(100)에 실행시킴으로써, 제어부(100)의 제어 하에서, 플라즈마 처리 장치(10)에서의 원하는 처리가 이루어진다.
이러한 플라즈마 처리 장치(10)에서는, 가스원(44a)으로부터의 원료 가스가 처리 공간(P)에 공급되고, 플라즈마 발생 공간(E)으로부터 처리 공간(P)으로 공급되는 플라즈마에 의해 원료 가스가 플라즈마화된다. 이에 따라 활성화된 원료 가스 중의 실리콘이 피처리 기체(W)의 표면과 반응함으로써, 다결정 실리콘의 막이 형성된다. 이 플라즈마 처리 장치(10)에서는, 마이크로파에 의해 플라즈마를 여기하기 때문에, 플라즈마의 전자 온도가 낮게 된다. 따라서, 플라즈마 처리 장치(10)는 높은 이온 에너지에 의한 성장 저해를 저감하여 다결정 실리콘층을 성장시킬 수 있다. 또한, 플라즈마 처리 장치(10)는 저온에서 다결정 실리콘층을 성장시킬 수 있기 때문에, 결정 사이즈가 미세화된 다결정 실리콘층을 성장시킬 수 있다. 이와 같이 다결정 실리콘층의 결정 사이즈가 미세화되면, 결정립계가 메쉬형으로 된다. 이러한 메쉬형의 복잡한 결정립계를 갖는 다결정 실리콘층에서는 도펀트의 확산이 억제된다.
또한, 플라즈마 처리 장치(10)는 가스원(44a)으로부터의 원료 가스에 더하여, 가스원(45a)으로부터의 제1 가스 또는 가스원(46a)으로부터의 제2 가스를 처리 공간(P)에 공급할 수 있다. 이 플라즈마 처리 장치(10)는 전술한 바와 같이, 낮은 전자 온도의 플라즈마를 여기할 수 있기 때문에, 다결정 실리콘의 결정 구조에 도펀트 원자를 주입한 상태에서 이 다결정 실리콘층을 성장시킬 수 있다. 따라서, 플라즈마 처리 장치(10)는 활성화된 제1 도전형의 다결정 실리콘층과 제2 도전형의 다결정 실리콘층을 성장시킬 수도 있다. 한편, 가스원(44a, 45a, 46a)으로부터의 가스의 공급은 밸브(44b, 45b, 46b) 및 유량 제어기(44c, 45c, 46c)에 대한 제어부(100)에 의한 제어에 의해 조정될 수 있다.
또한, 플라즈마 처리 장치(10)는 가스원(44a)으로부터의 원료 가스에 더하여, 가스원(47a, 48a)으로부터의 희석 가스를 처리 공간(P)에 공급할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 희석 가스는 수소 가스라도 좋고, 혹은 수소 가스와 불활성 가스, 예컨대 Ar 가스와의 혼합 가스라도 좋다. 이와 같이, 원료 가스에 더하여 수소 가스를 처리 공간(P)에 공급함으로써, 다결정 실리콘층의 결정률을 보다 높일 수 있다. 한편, 가스원(47a)으로부터의 가스의 공급도 밸브(47b) 및 유량 제어기(47c)에 대한 제어부(100)에 의한 제어에 의해 조정될 수 있다. 또한, 가스원(48a)으로부터의 가스의 공급도 밸브(48b) 및 유량 제어기(48c)에 대한 제어부(100)에 의한 제어에 의해 조정될 수 있다.
또한, 플라즈마 처리 장치(10)는 제어부(100)에 의한 제어에 의해 고주파 전원(25)으로부터 고주파 전극, 즉 대(14a)에 부여되는 전력을 100 W~500 W 범위의 바이어스 전력으로 제어할 수 있다. 이러한 범위의 전력을 갖는 고주파 바이어스 전력에 의해서 피처리 기체(W)에 이온을 인입함으로써, 다결정 실리콘층의 결정 사이즈를 보다 작게 할 수 있다.
또한, 플라즈마 처리 장치(10)는 제어부(100)에 의해서 압력 조정부(22)를 제어함으로써, 처리 용기(12) 내의 압력을 12 Pa 이하로 설정하여도 좋다. 이러한 범위의 압력으로 처리 용기(12) 내의 압력을 조정함으로써, i형의 다결정 실리콘층의 결정률을 보다 높일 수 있게 된다.
이하, 도 1의 플라즈마 처리 장치(10)를 이용한 플라즈마 처리 방법의 일 실시형태에 관해서 설명한다. 도 3은 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 방법을 도시하는 흐름도이다. 도 4는 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 방법에 있어서의 성막의 원리를 개략적으로 도시하는 도면이다. 도 5는 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 방법의 각 공정을 설명하기 위한 타이밍 차트이다.
도 3에 도시하는 플라즈마 처리 방법에서는, 우선, 도 4의 (a)에 도시하는 바와 같이, 피처리 기체(W)인 반도체 기판(도면에서 「sub」)을 준비한다(공정 S1). 구체적으로, 공정 S1에서는, 처리 용기(12) 내에 반도체 기판(sub)을 수용하고, 이 반도체 기판(sub)을 스테이지(14) 상에 배치하여, 정전 척(15)에 의해 반도체 기판(sub)을 흡착한다.
이어서, 일 실시형태에서는, 공정 S2에서, 성막 프로세스를 실행한다. 성막 프로세스는 그 성막 프로세스의 일부인 예비 공정과, 다결정 실리콘층을 성장시키는 공정을 포함한다. 공정 S3에서, 성막 프로세스의 일부인 예비 공정을 행한다. 구체적으로는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 공정 S3에서는, 기간 T1에 있어서, 배기 장치(23)에 의해 처리 용기(12) 내부를 배기하면서, 가스원(47a, 48a)으로부터 희석 가스를 유량(qh3)으로 처리 공간(P)에 공급함으로써, 처리 용기(12) 내의 압력을 소정의 압력(Pr3)으로 설정한다. 또한, 기간 T1에서는, 히터(29)에 전력을 부여함으로써, 스테이지(14)의 가열을 시작한다. 또한, 기간 T1에서는, 가스원(41a)으로부터 플라즈마 생성용의 가스, 예컨대 Ar 가스를 플라즈마 발생 공간(E)에 도입한다.
계속해서, 기간 T2에 있어서, 배기 장치(23)에 의해 처리 용기(12) 내부를 배기하면서, 가스원(47a, 48a)으로부터 희석 가스를 유량(qh3)보다 적은 유량(qh2)으로 처리 공간(P)에 공급하고, 처리 용기(12) 내의 압력을 압력(Pr3)보다 낮은 압력(Pr2)으로 저하시킨다. 또한, 기간 T2에서는, 가스원(41a)으로부터 플라즈마 생성용의 가스를 플라즈마 발생 공간(E)에 도입하고, 마이크로파 발생기(16)에 의해 출력 파워(MW2)의 마이크로파를 발생시켜, 플라즈마 여기용의 마이크로파를 플라즈마 발생 공간(E)에 도입한다. 이에 따라, 플라즈마 발생 공간(E)에서 플라즈마가 착화된다.
이어서, 기간 T3에 있어서, 배기 장치(23)에 의해 처리 용기(12) 내부를 배기하면서, 가스원(47a, 48a)으로부터 희석 가스를 유량(qh2)보다 적은 유량(qh1)으로 처리 공간(P)에 공급하고, 처리 용기(12) 내의 압력을 압력(Pr2)보다 낮은 압력(Pr1)으로 저하시킨다. 또한, 기간 T3에서는, 가스원(41a)으로부터 플라즈마 생성용의 가스를 플라즈마 발생 공간(E)에 도입하고, 마이크로파 발생기(16)에 의해 출력 파워(MW2)보다 작은 출력 파워(MW1)의 마이크로파를 발생시켜, 플라즈마 여기용의 마이크로파를 플라즈마 발생 공간(E)에 도입한다.
한편, 공정 S3에서의 기간 T1~T3에서는, 희석 가스의 유량, 원료 가스의 유량, 제1 가스의 유량 또는 제2 가스의 유량 및 처리 용기(12) 내의 압력을, 이하의 공정 S4, S5, S6과 같은 식으로 설정하여도 좋다. 또한, 기간 T2 및 T3에서는, 마이크로파 발생기(16)에 의해 발생하는 마이크로파 출력 파워를, 이하의 공정 S4, S5, S6과 같은 식으로 설정하여도 좋다.
본 플라즈마 처리 방법에서는, 공정 S3에서의 예비 공정이 종료된 후, 다결정 실리콘층의 성막을 행한다. 일 실시형태에서, 다결정 실리콘층을 성막하는 공정은, 제1 도전형의 다결정 실리콘층인 p형의 다결정 실리콘층을 성장시키기 위한 공정 S4, i형의 다결정 실리콘층을 성장시키기 위한 공정 S5, 제2 도전형의 다결정 실리콘층인 n형의 다결정 실리콘층을 성장시키기 위한 공정 S6을 포함하고 있다.
공정 S4에서는, 배기 장치(23)에 의해 처리 용기(12) 내부를 배기하면서, 가스원(47a, 48a)으로부터 희석 가스를 유량(qh1)으로 처리 공간(P)에 공급하고, 가스원(44a)으로부터의 원료 가스를 유량(qs2)으로 처리 공간(P)에 공급하고, 가스원(45a)으로부터의 제1 가스를 유량(q12)으로 처리 공간(P)에 공급하여, 처리 용기(12) 내의 압력을 압력(Pr1)으로 유지한다. 원료 가스의 유량은 예컨대 1 sccm~100 sccm이며, 제1 가스의 유량은 0.02 sccm~2 sccm이다. 또한, 공정 S4에서는, 가스원(41a)으로부터 플라즈마 생성용의 가스를 플라즈마 발생 공간(E)에 도입하여, 마이크로파 발생기(16)에 의해 발생하는 마이크로파 출력 파워를 출력 파워(MW1)로 유지한다. 공정 S4에서의 마이크로파 출력 파워는 예컨대 2000 W~4000 W이다. 또한, 일 실시형태에서는, 공정 S4에서, 처리 공간(P)에 공급되는 희석 가스는 수소 가스, 혹은 수소 가스와 불활성 가스, 예컨대 Ar 가스와의 혼합 가스라도 좋다. 또한, 일 실시형태에서는, 공정 S4에서, 고주파 전원(25)으로부터 고주파 전극에 바이어스 전력을 부여하여도 좋고, 이 바이어스 전력은 100 W~500 W 범위의 전력이라도 좋다.
이러한 공정 S4에서는, 플라즈마 발생 공간(E)에서 플라즈마가 여기되고, 그 플라즈마가 처리 공간(P)에 공급되어, 처리 공간(P)에서 원료 가스 및 제1 가스가 활성화된다. 이에 따라, 도 4의 (b)에 도시하는 바와 같이, 실리콘의 활성종(도면에서 원으로 둘러싸인 「Si」) 및 제1 도펀트 재료의 활성종(도면에서 원으로 둘러싸인 「B」)이 반도체 기판(sub)의 표면과 반응하여, 그 반도체 기판(sub) 상에 p형의 다결정 실리콘층(H1)을 성장시킨다.
계속되는 공정 S5에서는, 가스원(45a)으로부터의 제1 가스의 공급을 정지하고, 배기 장치(23)에 의해 처리 용기(12) 내부를 배기하면서, 가스원(47a, 48a)으로부터 희석 가스를 유량(qh1)으로 처리 공간(P)에 공급하고, 가스원(44a)으로부터의 원료 가스를 유량(qs2)으로 처리 공간(P)에 공급하여, 처리 용기(12) 내의 압력을 압력(Pr1)으로 유지한다. 원료 가스의 유량은 예컨대 1 sccm~100 sccm이다. 또한, 공정 S5에서는, 가스원(41a)으로부터 플라즈마 생성용의 가스를 플라즈마 발생 공간(E)에 도입하여, 마이크로파 발생기(16)에 의해 발생하는 마이크로파 출력 파워를 출력 파워(MW1)로 유지한다. 공정 S5에서의 마이크로파 출력 파워는 예컨대 2000 W~4000 W이다. 또한, 공정 S5에서는, 고주파 전원(25)으로부터 고주파 전극에 고주파 바이어스 전력(RF2)을 더한다. 공정 S5에서의 고주파 바이어스 전력은 예컨대 100 W~500 W이다. 또한, 일 실시형태에서는, 공정 S5에서, 처리 공간(P)에 공급되는 희석 가스는 수소 가스, 혹은 수소 가스와 불활성 가스, 예컨대 Ar 가스와의 혼합 가스라도 좋다.
이러한 공정 S5에서는, 플라즈마 발생 공간(E)에서 플라즈마가 여기되고, 그 플라즈마가 처리 공간(P)에 공급되어, 처리 공간(P)에서 원료 가스가 활성화된다. 그리고, 고주파 전극에 가해진 고주파 바이어스 전력에 의해 이온 에너지가 제어된 이온이 피처리 기체(W)의 표면에 인입된다. 이에 따라, 도 4의 (c)에 도시하는 바와 같이, 실리콘의 활성종(도면에서 원으로 둘러싸인 「Si」)이 피처리 기체(W)의 표면, 즉 p형의 다결정 실리콘층(H1)의 표면과 반응하여, p형의 다결정 실리콘층(H1) 상에 i형의 다결정 실리콘층(H2)을 성장시킨다.
계속되는 공정 S6에서는, 배기 장치(23)에 의해 처리 용기(12) 내부를 배기하면서, 가스원(47a, 48a)으로부터 희석 가스를 유량(qh1)으로 처리 공간(P)에 공급하고, 가스원(44a)으로부터의 원료 가스를 유량(qs2)으로 처리 공간(P)에 공급하고, 가스원(46a)으로부터의 제2 가스를 유량(q22)으로 처리 공간(P)에 공급하여, 처리 용기(12) 내의 압력을 압력(Pr1)으로 유지한다. 원료 가스의 유량은 예컨대 1 sccm~100 sccm이고, 제2 가스의 유량은 0.02 sccm~2 sccm이다. 또한, 공정 S6에서는, 가스원(41a)으로부터 플라즈마 생성용의 가스를 플라즈마 발생 공간(E)에 도입하여, 마이크로파 발생기(16)에 의해 발생하는 마이크로파 출력 파워를 출력 파워(MW1)로 유지한다. 공정 S6에서의 마이크로파 출력 파워는 예컨대 2000 W~4000 W이다. 또한, 일 실시형태에서는, 공정 S6에서, 처리 공간(P)에 공급되는 희석 가스는 수소 가스이다. 혹은, 희석 가스는 수소 가스와 불활성 가스의 혼합 가스라도 좋다. 불활성 가스는, 예컨대 Ar, He, Kr, Xe이며, 희석 가스는 수소 가스와 Ar 가스와의 혼합 가스라도 좋다. 예컨대 Ar 가스와의 혼합 가스라도 좋다. 또한, 일 실시형태에서는, 공정 S6에서, 고주파 전원(25)으로부터 고주파 전극에 바이어스 전력을 부여하여도 좋고, 이 바이어스 전력은 100 W~500 W 범위의 전력이라도 좋다.
이러한 공정 S6에서는, 플라즈마 발생 공간(E)에서 플라즈마가 여기되고, 이 플라즈마가 처리 공간(P)에 공급되어, 처리 공간(P)에서 원료 가스 및 제2 가스가 활성화된다. 이에 따라, 도 4의 (d)에 도시하는 바와 같이, 실리콘의 활성종(도면에서 원으로 둘러싸인 「Si」) 및 제2 도펀트 재료의 활성종(도면에서 원으로 둘러싸인 「P」)이 피처리 기체(W)의 표면, 즉 i형의 다결정 실리콘층(H2)의 표면과 반응하여, i형의 다결정 실리콘층(H2) 상에 n형의 다결정 실리콘층(H3)을 성장시킨다.
이상의 공정 S1~S6을 종료한 후, 도 4의 (e)에 도시하는 바와 같이, 반도체 기판(sub) 상에 p형의 다결정 실리콘층(H1), i형의 다결정 실리콘층(H2) 및 n형의 다결정 실리콘층(H3)이 적층된 반도체 장치(Y)가 형성된다.
이 플라즈마 처리 방법에서는, 마이크로파에 의해 낮은 전자 온도의 플라즈마가 여기되고, 이 플라즈마에 의해 원료 가스에 포함되는 실리콘이 활성화된다. 따라서, 높은 이온 에너지에 의한 성장 저해를 저감하여, 다결정 실리콘층(H1~H3)을 성장시킬 수 있다. 또한, 낮은 온도에서의 결정 성장이 가능하기 때문에, 결정 사이즈가 미세화된 i형의 다결정 실리콘층(H2)을 성장시킬 수 있다. 그 결과, i형의 다결정 실리콘층(H2)으로 도펀트가 확산되는 것이 억제된다.
또한, 일 실시형태에서는, 원료 가스에 더하여 제1 가스, 제2 가스를 처리 공간(P) 내에 도입하여 p형의 다결정 실리콘층(H1), n형의 다결정 실리콘층(H3)을 각각 성장시킬 수 있다. 이들 p형의 다결정 실리콘층(H1) 및 n형의 다결정 실리콘층(H3)의 성장에 있어서도, 낮은 전자 온도의 플라즈마를 여기할 수 있기 때문에, 다결정 실리콘의 결정 구조에 도펀트 원자를 주입한 상태에서 이 다결정 실리콘층을 성장시킬 수 있게 된다. 따라서, 활성화된 p형의 다결정 실리콘층(H1)과 n형의 다결정 실리콘층(H3)을 성장시킬 수 있다. 즉, 도펀트를 활성화하기 위한 어닐링 공정을 필요로 하지 않고서, 활성화된 p형의 다결정 실리콘층(H1)과 n형의 다결정 실리콘층(H3)을 성장시키는 것이 가능하고, 그 결과, 어닐링 공정에 의한 결정 사이즈의 증대를 억제할 수 있게 된다.
또한, 일 실시형태에서는, 전술한 바와 같이, 공정 S4~공정 S6에서, 수소를 함유하는 희석 가스를 처리 공간(P)에 도입할 수 있다. 이와 같이, 수소 가스를 희석 가스로서 이용함으로써, 다결정 실리콘층(H1~H3)의 결정률을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 일 실시형태에서, 공정 S4~공정 S6에서, 고주파 바이어스 전력을 고주파 전극에 부여할 수 있다. 이에 따라, 피처리 기체(W)에 인입하는 이온의 에너지가 제어되고, 그 결과, 다결정 실리콘층(H1~H3)의 결정 사이즈를 제어할 수 있게 된다. 일 실시형태에서는, 이 고주파 바이어스 전력은 100 W 이상 500 W 이하라도 좋다. 이러한 범위의 전력의 고주파 바이어스 전력에 따르면, 다결정 실리콘층(H1~H3)의 결정률을 보다 높일 수 있게 되고, 또한, 다결정 실리콘층(H1~H3)의 결정 사이즈를 보다 작게 할 수 있게 된다.
또한, 일 실시형태에서는, 다결정 실리콘층(H1~H3)을 성장시키는 공정 S4~S6에서는, 처리 용기(12) 내의 압력이 12 Pa 이하로 설정되어도 좋다. 이러한 범위의 압력으로 처리 용기(12) 내의 압력을 설정함으로써, 다결정 실리콘층(H1~H3)의 결정률을 보다 높일 수 있게 된다.
이상, 여러 가지 실시형태에 관해서 설명해 왔지만, 전술한 실시형태에 한정되지 않고 여러 가지 변형 양태를 구성할 수 있다. 예컨대, 제1 도전형의 다결정 실리콘층은 n형 반도체층이라도 좋고, 또한, 제2 도전형의 다결정 실리콘층은 p형 반도체층이라도 좋다.
이하, 플라즈마 처리 장치(10)를 이용하여 행한 실험예에 관해서 설명한다.
<실험예1>
실험예 1에서는, 13.65 MHz의 고주파 바이어스 전력을 가변의 파라미터로 하여 i형의 다결정 실리콘층을 반도체 기판 상에 성장시켰다. 실험예 1에서의 조건은 다음과 같이 했다.
원료 가스의 유량: 5 sccm
희석 가스(H2 가스의 유량): 395 sccm
마이크로파 출력 파워: 4000 W
마이크로파의 주파수: 2.45 GHz
플라즈마 생성용의 가스(Ar 가스의 유량): 0 sccm
처리 용기(12) 내의 압력: 4 Pa
그리고, 실험예 1에서는, 고주파 바이어스 전력을 가변의 파라미터로 하여 성장시킨 i형의 다결정 실리콘층을 X-선 회절법(XRD)을 이용하여 분석하고, 셰러법에 의해 i형의 다결정 실리콘층의 결정 사이즈를 구하고, 또한, 라만 분광법에 의해 결정률을 구했다. 이 실험예 1의 결과를 도 6에 도시한다. 도 6에서 검게 칠한 플롯은 결정 사이즈를 나타내고, 공백으로 둔 플롯은 결정률을 나타내고 있다. 도 6으로부터 분명한 것과 같이, 실험예 1에 의해, 고주파 바이어스 전력을 증대시킬수록 다결정 실리콘층의 결정 사이즈를 작게 할 수 있음이 확인되고, 100 W 이상의 고주파 바이어스 전력에 의해, 20 nm 이하의 미세한 결정 사이즈의 다결정 실리콘층을 얻을 수 있음이 확인되었다. 또한, 고주파 바이어스 전력이 200 W까지는 결정률이 높아지는 것도 확인되었다.
<실험예 2>
실험예 2에서는, 13.65 MHz의 고주파 바이어스 전력의 가변 범위를 더욱 넓혀, i형의 다결정 실리콘층을 반도체 기판 상에 성장시켰다. 실험예 2에서의 조건은 다음과 같이 했다.
원료 가스의 유량: 15 sccm
희석 가스(H2 가스의 유량): 400 sccm
마이크로파 출력 파워: 4000 W
마이크로파의 주파수: 2.45 GHz
플라즈마 생성용의 가스(Ar 가스의 유량): 0 sccm
처리 용기(12) 내의 압력: 4 Pa
그리고, 실험예 2에서는, 고주파 바이어스 전력을 가변의 파라미터로 하여 성장시킨 i형의 다결정 실리콘층을 X-선 회절법(XRD)을 이용하여 분석하고, 라만 분광법에 의해 결정률을 구했다. 이 실험예 2의 결과를 도 7에 도시한다. 도 7로부터 분명한 것과 같이, 실험예 2에 의해, 고주파 바이어스 전력이 400 W를 넘으면, 고주파 바이어스 전력의 증가에 따라서 결정률은 저하되고 있음이 확인되었다. 또한, 40% 이상의 결정률의 다결정 실리콘층을 얻기 위해서는, 희석 가스로서 수소 가스를 이용하고, 고주파 바이어스 전력은 500 W 이하로 설정하면 된다는 것이 확인되었다. 이 결과, 희석 가스로서 수소 가스를 이용하고, 고주파 바이어스 전력을 100 W 이상 500 W 이하로 설정함으로써, 보다 높은 결정률을 지니면서 보다 미세화된 다결정 실리콘층을 얻을 수 있음이 확인되었다.
<실험예 3>
실험예 3에서는, 처리 용기(12) 내의 압력을 가변의 파라미터로 하여 i형의 다결정 실리콘층을 반도체 기판 상에 성장시켰다. 실험예 3에서의 조건은 다음과 같이 했다.
원료 가스의 유량: 5 sccm
희석 가스(H2 가스의 유량): 395 sccm
마이크로파 출력 파워: 4000 W
마이크로파의 주파수: 2.45 GHz
고주파 바이어스 전력: 0 W
고주파 바이어스의 주파수: 13.65 MHz
플라즈마 생성용의 가스(Ar 가스의 유량): 0 sccm
그리고, 실험예 3에서는, 처리 용기(12) 내의 압력을 가변의 파라미터로 하여 성장시킨 i형의 다결정 실리콘층을 X-선 회절법(XRD)을 이용하여 분석하고, 라만 분광법에 의해 결정률을 구했다. 이 실험예 3의 결과를 도 8에 도시한다. 도 8로부터 분명한 것과 같이, 12 Pa 이하의 처리 용기(12) 내의 압력에 의해 40% 이상의 결정률을 실현할 수 있다는 것이 확인되었다.
<실험예 4>
실험예 4에서는, 반도체 기판 상에 p형의 다결정 실리콘층, i형의 다결정 실리콘층 및 n형의 다결정 실리콘층을 성장시켰다. 이 실험예 4에서는, 2.45 GHz의 마이크로파 출력 파워와, 피처리 기체(W)를 배치한 스테이지(14)의 온도와, 처리 공간(P)의 압력을 가변의 파라미터로 하여, 피처리 기체(W) 상에 p형의 다결정 실리콘층을 성장시켰다. 실험예 4에서 p형의 다결정 실리콘층을 성장시킨 조건은 다음과 같이 했다.
원료 가스의 유량: 5 sccm
희석 가스(H2 가스의 유량): 394.91 sccm
제1 가스의 유량: 0.09 sccm
마이크로파의 주파수: 2.45 GHz
고주파 바이어스 전력: 0 W
플라즈마 생성용의 가스(Ar 가스의 유량): 0 sccm
마이크로파 출력 파워를 가변의 파라미터로 하여 p형의 다결정 실리콘층을 성장시켰을 때, 스테이지(14)의 온도는 400℃로 하고, 처리 용기(12) 내의 압력은 4 Pa로 했다. 또한, 스테이지(14)의 온도를 가변의 파라미터로 하여 p형의 다결정 실리콘층을 성장시켰을 때, 마이크로파 출력 파워는 4000 W로 하고, 처리 용기(12) 내의 압력은 4 Pa로 했다. 또한, 처리 용기(12) 내의 압력을 가변의 파라미터로 했을 때, 마이크로파 출력 파워는 4000 W로 하고, 스테이지(14)의 온도는 400℃로 했다.
한편, 실험예 4에서 i형의 다결정 실리콘층을 성장시킨 조건은 다음과 같이 했다.
원료 가스의 유량: 15 sccm
희석 가스(H2 가스의 유량): 400 sccm
마이크로파 출력 파워: 4000 W
마이크로파의 주파수: 2.45 GHz
고주파 바이어스 전력: 200 W
고주파 바이어스의 주파수: 13.65 MHz
플라즈마 생성용의 가스(Ar 가스의 유량): 0 sccm
스테이지 온도: 400℃
처리 용기 내의 압력: 4 Pa
또, 실험예 4에서 n형의 다결정 실리콘층을 성장시킨 조건은 다음과 같이 했다.
원료 가스의 유량: 5 sccm
희석 가스(H2 가스의 유량): 393.5 sccm
제2 가스의 유량: 1.5 sccm
마이크로파 출력 파워: 4000 W
마이크로파의 주파수: 2.45 GHz
고주파 바이어스 전력: 0 W
플라즈마 생성용의 가스(Ar 가스의 유량): 0 sccm
스테이지 온도: 400℃
처리 용기 내의 압력: 4 Pa
실험예 4에서는, p형의 다결정 실리콘층에 있어서의 도펀트인 붕소(B)의 활성을, 저항률을 이용하여 평가했다. 실험예 4에서는, p형의 다결정 실리콘층의 저항률이 1.0 Ω·cm 이하인 경우에, 도펀트가 활성화되고 있다고 판단했다.
우선, 마이크로파 출력 파워를 가변의 파라미터로 하여 성장시킨 p형의 다결정 실리콘층의 도펀트의 활성을 평가했다. 이 평가 결과를 도 9의 (a)에 도시한다. 도 9의 (a)로부터 분명한 것과 같이, 마이크로파 출력 파워가 2000 W~4000 W인 범위에서는, 저항률이 0.2 Ω·cm 이하임이 확인되었다. 이 결과, 마이크로파 출력 파워가 2000 W~4000 W인 범위에서는, 활성화된 p형의 다결정 실리콘층을 성장시킬 수 있음이 확인되었다. 한편, 마이크로파 출력 파워를 2000 W~4000 W의 범위에서 변화시킨 경우라도, 저항률의 변화는 비교적 작았다. 따라서, p형의 다결정 실리콘층의 저항률의 마이크로파 출력 파워에 대한 의존성은 작은 것이 확인되었다.
이어서, 스테이지(14)의 온도를 가변의 파라미터로 하여 성장시킨 p형의 다결정 실리콘층의 도펀트의 활성을, p형의 다결정 실리콘층의 저항률을 이용하여 평가했다. 이 평가 결과를 도 9의 (b)에 도시한다. 도 9의 (b)로부터 분명한 것과 같이, 스테이지(14)의 온도가 250℃~500℃인 범위에서는, 저항률이 0.1 Ω·cm 이하임이 확인되었다. 이 결과, 스테이지(14)의 온도가 250℃~500℃인 범위에서는, 활성화된 p형의 다결정 실리콘층을 성장시킬 수 있음이 확인되었다. 한편, 스테이지(14)의 온도를 250℃~500℃의 범위에서 변화시킨 경우라도, 저항률의 변화는 비교적 작았다. 따라서, p형의 다결정 실리콘층의 저항률의 스테이지(14)의 온도에 대한 의존성은 작은 것이 확인되었다.
이어서, 처리 용기(12) 내의 압력을 가변의 파라미터로 하여 성장시킨 p형의 다결정 실리콘층의 도펀트의 활성을, p형의 다결정 실리콘층의 저항률을 이용하여 평가했다. 이 평가 결과를 도 9의 (c)에 도시한다. 도 9의 (c)로부터 분명한 것과 같이, 처리 용기(12) 내의 압력이 12 Pa 이하인 범위에서는, 저항률이 1.0 Ω·cm 이하임이 확인되었다. 이 결과, 처리 용기(12) 내의 압력이 12 Pa 이하인 범위에서는, 활성화된 p형의 다결정 실리콘층을 성장시킬 수 있음이 확인되었다. 또한, 처리 용기(12) 내의 압력이 높아지면, p형의 다결정 실리콘층의 저항률이 증대하는 것이 확인되었다. 처리 용기(12) 내의 압력이 12 Pa보다 높은 경우에는, 플라즈마 밀도가 저하하기 때문에, p형의 다결정 실리콘층을 성장시킨 직후의 상태에서는 도펀트가 활성화되지 않았다고 생각된다.
<실험예 5>
실험예 5에서는, 반도체 기판 상에 p형의 다결정 실리콘층, i형의 다결정 실리콘층 및 n형의 다결정 실리콘층을, 레이디얼 라인 슬롯 안테나(RLSA)를 구비한 플라즈마 CVD 장치를 이용하여 성장시켰다. 실험예 5에서의 각 다결정 실리콘층의 성장 조건은 다음과 같이 했다.
[p형의 다결정 실리콘층의 성장 조건]
원료 가스의 유량: 5 sccm
희석 가스(H2 가스의 유량): 394.91 sccm
제1 가스: 0.09 sccm
마이크로파 출력 파워: 4000 W
마이크로파의 주파수: 2.45 GHz
고주파 바이어스 전력: 0 W
플라즈마 생성용의 가스(Ar 가스의 유량): 0 sccm
스테이지 온도: 400℃
처리 용기 내의 압력: 4 Pa
[i형의 다결정 실리콘층의 성장 조건]
원료 가스의 유량: 15 sccm
희석 가스(H2 가스의 유량): 400 sccm
마이크로파 출력 파워: 4000 W
마이크로파의 주파수: 2.45 GHz
고주파 바이어스 전력: 200 W
고주파 바이어스의 주파수: 13.65 MHz
플라즈마 생성용의 가스(Ar 가스의 유량): 0 sccm
스테이지 온도: 400℃
처리 용기 내의 압력: 4 Pa
[n형의 다결정 실리콘층의 성장 조건]
원료 가스의 유량: 5 sccm
희석 가스(H2 가스의 유량): 393.5 sccm
제2 가스의 유량: 1.5 sccm
마이크로파 출력 파워: 4000 W
마이크로파의 주파수: 2.45 GHz
고주파 바이어스 전력: 0 W
플라즈마 생성용의 가스(Ar 가스의 유량): 0 sccm
스테이지 온도: 400℃
처리 용기 내의 압력: 4 Pa
그리고, 실험예 5에서는, 전술한 조건으로 성장시킨 p형의 다결정 실리콘층, i형의 다결정 실리콘층 및 n형의 다결정 실리콘층에 있어서의 도펀트의 분포를 분석했다. 실험예 5에서는, p형의 다결정 실리콘층, i형의 다결정 실리콘층 및 n형의 다결정 실리콘층에 있어서의 인(P)의 분포와 붕소(B)의 분포를, 비행 시간 이차 이온 질량 분석계(TOF-SIMS)를 이용하여 분석했다. 이 실험예 5의 결과를 도 10에 도시한다. 도 10에서는, 인과 붕소의 분포를, 각 다결정 실리콘층의 표면에 이온을 충돌시켜 발생시킨 이차 이온을 질량 분석기로 검출한 강도로서 나타내고 있다. 또한, 도 10의 깊이는 n형의 다결정 실리콘층으로부터 p형의 다결정 실리콘층으로 향하는 방향으로, 깊이가 깊어지는 것으로서 규정하고 있다. 그리고, 도 10에서 굵은 선의 플롯은 붕소의 분포를 나타내고, 얇은 선의 플롯은 인의 분포를 나타내고 있다. 도 10으로부터 분명한 것과 같이, p형의 다결정 실리콘층과 i형의 다결정 실리콘층과의 계면 근방에서는, 붕소의 분포가 급격하게 변화하고 있음이 확인되었다. 또한, n형의 다결정 실리콘층과 i형의 다결정 실리콘층의 계면 근방에서는, 인의 분포가 급격하게 변화하고 있음이 확인되었다. 이 결과, i형의 다결정 실리콘층으로의 p형의 다결정 실리콘층의 도펀트인 인의 확산이 억제되고 있음이 확인되었다. 또한, i형의 다결정 실리콘층으로의 n형의 다결정 실리콘층의 도펀트인 붕소의 확산이 억제되고 있음이 확인되었다.
10: 플라즈마 처리 장치, 12: 처리 용기, 14: 스테이지(배치대), 16: 마이크로파 발생기, 22: 압력 조정부, 25: 고주파 전원, 41, 43: 가스 도입부, 42: 샤워 플레이트, 100: 제어부, E: 플라즈마 발생 공간, P: 처리 공간, H1: p형의 다결정 실리콘층(제1 도전형의 다결정 실리콘층), H2: i형의 다결정 실리콘층(i형의 다결정 실리콘층), H3: n형의 다결정 실리콘층(제2 도전형의 다결정 실리콘층), W: 피처리 기체.

Claims (12)

  1. 피처리 기체 상에 다결정 실리콘층을 성장시키기 위한 플라즈마 처리 방법에 있어서,
    처리 용기 내에 피처리 기체를 준비하는 공정과,
    플라즈마 여기용의 마이크로파를 상기 처리 용기 내에 도입하고, 실리콘을 함유한 원료 가스를 상기 처리 용기 내에 도입하여, 상기 피처리 기체 상에 다결정 실리콘층을 성장시키는 공정
    을 포함하는 플라즈마 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다결정 실리콘층을 성장시키는 공정은,
    상기 원료 가스 및 제1 도펀트 재료를 함유하는 제1 가스를 상기 처리 용기 내에 도입하여, 상기 피처리 기체 상에 제1 도전형의 다결정 실리콘층을 성장시키는 공정과,
    상기 원료 가스를 상기 처리 용기 내에 도입하여, 상기 제1 도전형의 다결정 실리콘층 상에 i형의 다결정 실리콘층을 성장시키는 공정과,
    상기 원료 가스 및 제2 도펀트 재료를 함유하는 제2 가스를 상기 처리 용기 내에 도입하여, 상기 i형의 다결정 실리콘층 상에 제2 도전형의 다결정 실리콘층을 성장시키는 공정
    을 포함하는 것인 플라즈마 처리 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 i형의 다결정 실리콘층을 성장시키는 공정에서는, 수소를 함유하는 희석 가스를 상기 처리 용기 내에 도입하는 것인 플라즈마 처리 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 i형의 다결정 실리콘층을 성장시키는 공정에서는, 그 위에 상기 피처리 기체가 배치된 배치대로서 전극을 구성하는 상기 배치대에 고주파 바이어스 전력을 부여하는 것인 플라즈마 처리 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 고주파 바이어스 전력은 100 와트 이상 500 와트 이하인 것인 플라즈마 처리 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다결정 실리콘층을 성장시키는 공정에서는, 상기 처리 용기 내의 압력이 12 파스칼 이하로 설정되는 것인 플라즈마 처리 방법.
  7. 그 내부에 피처리 기체를 수용하는 처리 용기와,
    마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기와,
    상기 마이크로파 발생기에 접속되며, 플라즈마 여기용의 마이크로파를 상기 처리 용기 내에 방사하는 안테나와,
    실리콘을 함유한 원료 가스를 상기 처리 용기 내에 도입하는 가스 도입부
    를 구비하는 플라즈마 처리 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 가스 도입부 및 상기 마이크로파 발생기를 제어하는 제어부를 더 구비하고,
    상기 가스 도입부는, 제1 도펀트 재료를 함유하는 제1 가스 및 제2 도펀트 재료를 함유하는 제2 가스를 상기 처리 용기 내에 또한 도입 가능하고,
    상기 제어부는, 상기 가스 도입부에,
    상기 원료 가스 및 상기 제1 가스를 상기 처리 용기 내에 도입하게 하여, 상기 피처리 기체 상에 제1 도전형의 다결정 실리콘층을 성장시키고,
    상기 원료 가스를 상기 처리 용기 내에 도입하게 하여, 상기 제1 도전형의 다결정 실리콘층 상에 i형의 다결정 실리콘층을 성장시키고,
    상기 원료 가스 및 상기 제2 가스를 상기 처리 용기 내에 도입하게 하여, 상기 i형의 다결정 실리콘층 상에 제2 도전형의 다결정 실리콘층을 성장시키는 것인 플라즈마 처리 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 가스 도입부는, 수소를 함유하는 희석 가스를 상기 처리 용기 내에 또한 도입 가능하고,
    상기 제어부는, 상기 i형의 다결정 실리콘층을 성장시킬 때에, 상기 가스 도입부에, 상기 희석 가스를 상기 처리 용기 내에 도입하게 하는 것인 플라즈마 처리 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 처리 용기 내에 설치되며, 상기 피처리 기체가 배치되는 배치대로서, 전극을 구성하는 상기 배치대와,
    상기 배치대에 접속되며, 상기 전극에 부여하는 고주파 바이어스 전력을 발생시키는 고주파 전원
    을 더 구비하는 플라즈마 처리 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 i형의 다결정 실리콘층을 성장시킬 때에, 상기 고주파 전원에 100 와트 이상 500 와트 이하의 고주파 바이어스 전력을 발생시키게 하는 것인 플라즈마 처리 장치.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 처리 용기 내의 압력을 조정하는 압력 조정부를 더 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 압력 조정부에, 상기 처리 용기 내의 압력을 12 파스칼 이하로 설정하게 하는 것인 플라즈마 처리 장치.
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