Способ и устройство для изготовления тонкой полупроводниковой пленки - RU2189663C2

Чертежи

Описание

Данное изобретение относится к способу изготовления тонкой полупроводниковой пленки, например, поликристаллического кремния (поли-Si) или аморфного кремния, и производственной установке для его осуществления. В частности, данное устройство относится к способу и устройству для изготовления тонкой полупроводниковой пленки, с помощью которых с высокой управляемостью можно осуществлять выращивание тонкой пленки при более низкой температуре, чем обычными средствами, известными в технике.

Обычно формирование тонкой пленки из аморфного кремния или поликристаллического кремния часто выполняют способом химического осаждения пара (ХОП), при котором осуществляется осаждение из паровой фазы на подложку. В частности, упомянутое осаждение осуществляют из паровой фазы посредством процесса термического разложения исходного газа, такого, как гидрид кремния, например, SiH₄ (моносилан), Si₂H₆ (дисилан), или галогенид кремния, например, SiH₂Cl₂ (дихлоросилан), при атмосферном давлении (нормальном давлении) или низком давлении, или посредством процесса разложения исходного газа с помощью плазмы путем приложения энергии постоянного тока или высокочастотной энергии к исходному газу при низком давлении.

Например, в типичном, обычном аппарате для формирования поликристаллического кремния, использующем ХОП-устройство низкого давления, после удаления воздуха из вакуумной камеры с помощью вакуумного насоса, вакуумную камеру и находящуюся в ней подложку нагревают от внешнего нагревателя так, что исходный газ, состоящий главным образом из моносилана (SiH₄) или подобного газа, введенный через впускной канал, нагревается при температуре, превышающей температуру разложения. Когда промежуточные продукты, созданные этим процессом термического разложения, достигают подложки, происходит осаждение аморфного кремния в том случае, когда температура подложки установлена ниже приблизительно 600^oС, в то время, как в случае, когда температура подложки установлена выше приблизительно 600^oС, осаждается поликристаллический кремний.

Однако для образования поликристаллического кремния при изготовлении тонкой кремниевой пленки обычным ХОП-способом при низком давлении или плазменным ХОП-способом при использовании процесса термического осаждения или процесса разложения плазмы, описанных выше, требуется, чтобы температура формирования (температура подложки) была задана выше приблизительно 600^oС. Поэтому аппарат для изготовления тонкой полупроводниковой пленки становится более дорогим и выбор материалов для использования в качестве подложки ограничен. Эти существенные проблемы необходимо решить для того, чтобы осуществить выпуск промышленных устройств с низкой стоимостью. Более того, трудно осуществить формирование тонкой пленки, имеющей большую площадь, требуемую для расширения применения поликристаллической кремниевой тонкой пленки, потому что размер нагреваемого пространства (объем и/или площадь) ограничен в зависимости от мощности нагревателя.

Единственным способом уйти от этих проблем является плазменный ХОП-способ (ЭЦР-плазменный ХОП-способ), использующий микроволновый электронный циклотронный резонанс (ЭЦР). На фиг.6 схематически изображена конфигурация ЭЦР-плазменного ХОП-устройства.

В устройстве, имеющем конфигурацию, изображенную на фиг.6, плазма генерируется в атмосфере SiH₄ даже при низком давлении приблизительно в 1 м Тор*. Поэтому по данному способу предполагается использование устройства, имеющего такую конфигурацию, что, например, после того, как газообразный SiH₄ придет в крайне возбужденное состояние, микрокристаллическая кремниевая пленка или поликристаллическая кремниевая пленка осаждается на подложке при относительно низкой температуре нагревания подложки (например, приблизительно 50^oС). С помощью этого способа высококачественная полупроводниковая (кремниевая) тонкая пленка получается при низкой температуре.

Ниже следует более детальное описание устройства, изображенного на фиг. 6. Воздух из вакуумной камеры 61 откачивается через выходной канал 62. В то время, как микроволна вводится в камеру возбуждения плазмы 65 через волновод 63 от источника микроволн 64, магнитное поле одновременно прикладывается к камере возбуждения плазмы 65 с помощью электромагнитной катушки 66. Газ, используемый в качестве исходного газа, главным образом газообразный моносилан (SiH₄), поступает в вакуумную камеру 61 из контейнера исходного газа (источник исходного газа) 60 через впускной канал 67. При поддержании такой интенсивности приложенного магнитного поля, которая удовлетворяет условиям электронного циклотронного резонанса, в камере возбуждения плазмы 65 получается плазма 80, характеризующаяся высокой степенью диссоциации. Полученная плазма 80 проходит через окно экстракции плазмы 68 для того, чтобы войти в вакуумную камеру 61 и достичь держателя подложки 69, который нагревается при температуре, например, около 250^oС, в это время поликристаллический кремний осаждается на поверхности подложки 70, размещенной на держателе подложки 69.

Однако способ с использованием вышеописанного микроволнового ЭЦР-плазменного ХОП-способа создает некоторые проблемы, которые необходимо решить.

Во-первых, при осуществлении вышеописанного способа, несмотря на то, что образование полупроводниковой пленки происходит при низкой температуре, требуется, как показано на схеме устройства на фиг.6, резонансное магнитное поле.

Например, когда микроволна частотой 1,25 ГГц вводится в камеру возбуждения плазмы 65, необходимо приложить сильное магнитное поле 875 Гаусс, настроенное на вышеуказанную микроволну, которую необходимо получить. Поэтому требуется громоздкое оборудование по созданию магнитного поля (например, электромагнитная катушка). Размер камеры возбуждения плазмы 65 (источника возбуждения плазмы) ограничен из-за размера магнита. Например, для того, чтобы создать вышеуказанное сильное магнитное поле с помощью электромагнитной катушки 66, требуется, как показано на фиг.6, сильный электрический ток порядка сотен ампер, и, следовательно, размер и вес электромагнитной катушки 66 становится очень большим.

В частности, в поле LHtra-LSI, из-за того, что диаметр кремниевой подложки становился больше, потребовалось, чтобы полупроводниковая пленка осаждалась на пластину, имеющую диаметр приблизительно 300 мм. Для жидкокристаллических дисплеев, использующих тонкопленочный транзистор (ТПТ), количество продуктов на основе которого в последние годы резко увеличилось, требуется, чтобы тонкая полупроводниковая пленка осаждалась на подложке большого масштаба, имеющей размеры, превышающие 500 х 500 мм. Когда проектируется микроволновое ЭЦР-плазменнос ХОП-устройство для одновременной обработки такой большой поверхности, вес требуемой электромагнитной катушки 66, согласно расчетам, составляет несколько сотен килограмм. Вдобавок, для того, чтобы получить выпрямленный ток, необходимый для вышеуказанной электромагнитной катушки 66, требуется источник питания, имеющий выходную мощность в несколько десятков киловатт. Более того, для того, чтобы предохранить электромагнитную катушку от перегрева, который приводит к снижению эффективности работы установки, необходим дополнительный механизм охлаждения, например, охлаждение водой.

Таким образом, устройство в целом становится больше и сложнее, что приводит к снижению эффективности работы системы.

Введение микроволны в камеру возбуждения плазмы 65 для генерации ЭЦР-плазмы 80 рассматривается как местная эмиссионная подача электрической энергии с использованием волновода 63 или рамочной антенны. Поэтому размер (объем/площадь поверхности) участка возбуждения плазмы ограничен. Другими словами, трудно осадить тонкую полупроводниковую пленку на большую поверхность путем создания большего по размеру участка возбуждения плазмы, потому что ЭЦР-плазма 80 возбуждается в точке.

Из рассмотрения вышеперечисленных моментов в целом обычно считалось, что осуществление создания тонкой пленки на большой поверхности, а это, как ожидается, будет широко востребовано в области применения тонкой полупроводниковой пленки, затруднительно.

Все вышеописанные проблемы можно решить, используя множество малых источников ЭЦР-плазмы или с помощью перемещения подложки в течение процесса. Однако эти контрмеры приводят к существенному уменьшению скорости осаждения, так что возможность образования тонкой полупроводниковой пленки при низкой температуре и с большой скоростью мала. Таким образом, существуют препятствия к внедрению в практику способа изготовления тонкой полупроводниковой пленки таких больших размеров.

Более того, в производственных способе и устройстве, использующих традиционный источник ЭЦР-плазмы 80, который использует сильное магнитное поле, сравнительно большое магнитное поле существует вблизи обрабатываемой подложки 70. Поэтому плазма 80, генерируемая в камере возбуждения плазмы 65, движется вдоль градиента магнитного поля, так что заряженные частицы в виде как ионов, так и электронов попадают на поверхность подложки 70 в высоко энергетическом состоянии. В связи с этим существует большая вероятность повреждения подложки 70 или пленки, которая должна образоваться на ее поверхности и которая служит подстилающей пленкой. Более того, магнитное поле вблизи подложки 70 часто является непостоянным, так что заряженные частицы, вероятно, попадают неоднородно на подложку 70 и т.п. В результате существует большая вероятность возникновения неоднородности или локальных повреждений. Это является одним из факторов, которые препятствуют практическому применению вышеописанного способа изготовления.

Настоящее изобретение предназначено для решения вышеописанных проблем. Целью настоящего изобретения является создание способа изготовления тонкой полупроводниковой пленки и устройства для ее получения, в котором высококачественная тонкая полупроводниковая пленка может получаться при низкой температуре, и степень кристалличности получаемой тонкой полупроводниковой пленки (то есть поликристаллической тонкой пленки или аморфной тонкой пленки) может быть достигнута по желанию с хорошей управляемостью процессом с помощью регулирования температуры подложки.

Способ изготовления тонкой полупроводниковой пленки по данному изобретению включает в себя следующие стадии: подачу исходного газа в вакуумную камеру; и разложение поданного исходного газа с помощью плазмы с использованием высокочастотной индуктивно-связанной плазмы (ИСП), генерируемой за счет подачи высокочастотной энергии, и формирование заданной тонкой полупроводниковой пленки на подложке с помощью процесса химического осаждения пара с использованием разложенного исходного газа, в котором условиями кристаллизации формирующейся тонкой полупроводниковой пленки управляют путем регулирования температуры нагревания подложки в течение процесса формирования тонкой полупроводниковой пленки, за счет чего может быть достигнута вышеупомянутая цель.

В одной из реализаций изобретения исходным газом является газ, содержащий кремний.

В одной из реализаций исходным газом является смешанный газ, в котором водород смешивается с газом, содержащим кремний.

Предпочтительно, чтобы температура нагревания подложки в течение процесса формирования тонкой полупроводниковой пленки устанавливалась в диапазоне от приблизительно 50^oС до приблизительно 550^oС.

Частота используемой высокочастотной энергии может быть установлена в пределах от приблизительно 50 Гц до приблизительно 500 МГц.

В одной из реализаций высокочастотная индуктивно-связанная плазма генерируется с использованием средств генерирования магнитного поля, получаемого в области возбуждения высокочастотной индуктивно-связанной плазмы или вблизи от нее.

Средством генерации магнитного поля может быть электромагнитная катушка. С другой стороны, средством для генерации магнитного поля может быть постоянный магнит, имеющий заданную плотность магнитного потока.

Предпочтительно, чтобы давление в области возбуждения высокочастотной индуктивно-связанной плазмы в течение образования тонкой полупроводниковой пленки было установлено в пределах от 5•10^-5 Top до 2• 10^-2 Тор.

В одной из реализаций способ также включает в себя стадии: измерения светового эмиссионного спектра высокочастотной индуктивно-связанной плазмы, по крайней мере, вблизи от подложки; определения относительного коэффициента (отношения [Si]/[SiH] и отношения [H]/[SiH]) по интенсивности светового эмиссионного пика [SiH] молекулы SiH, интенсивности светового эмиссионного пика [Si] Si-атома, и интенсивности светового эмиссионного пика [Н] Н-атома в измеренном спектре световой эмиссии; и регулировки заданного параметра процесса таким образом, что относительные коэффициенты удовлетворяют, по крайней мере, одному из соотношений ([Si]/[SiH])>1,0 и ([H]/[SiH])>2,0.

Заданным параметром способа изготовления, который необходимо регулировать, может быть, по крайней мере, один из следующих параметров: давление в области возбуждения высокочастотной индуктивно-связанной плазмы, расход подаваемого исходного газа, отношение расходов для подаваемого исходного газа и величина прикладываемой высокочастотной энергии.

Устройство для изготовления тонкой полупроводниковой пленки по настоящему изобретению включает в себя: средство для подачи исходного газа в вакуумную камеру; средство для разложения поданного исходного газа с помощью процесса плазменного разложения с использованием высокочастотной индуктивно-связанной плазмы (ИСП), генерируемой за счет подачи высокочастотной энергии, и формирования заданной тонкой полупроводниковой пленки на подложке с помощью процесса химического осаждения пара с использованием разложенного исходного газа; и средство регулирования температуры подложки для регулирования температуры нагревания подложки в процессе химического осаждения пара, в котором условиями кристаллизации формирующейся тонкой полупроводниковой пленки управляют путем регулирования температуры нагревания подложки в течение процесса формирования тонкой полупроводниковой пленки с помощью средства регулирования температуры подложки, за счет чего может быть достигнута вышеупомянутая цель.

В одной из реализаций изобретения исходным газом является газ, содержащий кремний.

В одной из реализаций изобретения исходным газом является смешанный газ, в котором водород смешивается с газом, содержащим кремний.

Предпочтительно, чтобы температура нагревания подложки в течение процесса формирования тонкой полупроводниковой пленки устанавливалась в диапазоне от приблизительно 50^oС до приблизительно 550^oС.

Частота используемой высокочастотной энергии может быть установлена в пределах от приблизительно 50 Гц до приблизительно 500 МГц.

В одной из реализаций изобретения устройство также включает в себя средство для генерирования магнитного поля, получаемого в области возбуждения высокочастотной индуктивно-связанной плазмы или вблизи нее.

Средством генерации магнитного поля может быть электромагнитная катушка. С другой стороны, средством для генерации магнитного поля может быть постоянный магнит с заданной плотностью магнитного потока.

Предпочтительно, чтобы давление в области возбуждения высокочастотной индуктивно-связанной плазмы в процессе образования тонкой полупроводниковой пленки было установлено в пределах от 5•10^-5 Top до 2•10^-2 Тор.

В одной из реализаций изобретения устройство также включает в себя: средство для измерения светового эмиссионного спектра высокочастотной индуктивно-связанной плазмы, по крайней мере, вблизи от подложки; средство для определения относительного коэффициента (отношения [Si]/[SiH] и отношения [H] /[SiH]) по интенсивности светового эмиссионного пика [SiH] молекулы SiH, интенсивности светового эмиссионного пика [Si] Si-атома, и интенсивности светового эмиссионного пика [Н] Н-атома в измеренном спектре световой эмиссии; и средство для регулировки заданного параметра процесса таким образом, что относительные коэффициенты удовлетворяют, по крайней мере, одному из соотношений ([Si]/[SiH])>1,0 и ([H]/[SiH])>2,0.

Заданным параметром процесса, который необходимо регулировать, может быть, по крайней мере, один из следующих параметров: давление в области возбуждения высокочастотной индуктивно-связанной плазмы, расход подаваемого исходного газа, отношение расходов для подаваемого исходного газа и величина прикладываемой высокочастотной энергии.

Согласно данному изобретению, понижение температуры образования тонкой полупроводниковой пленки, особенно поликристаллического кремния, который получается согласно известному способу только с применением микроволновой ЭЦР ХОП-плазмы, достигается при использовании, вместо микроволнового ЭЦР, устройства для получения высокочастотной индуктивно-связанной ХОП-плазмы (ИСПХОП), которое использует высокочастотную индуктивно-связанную плазму (ИСП) без использования сильного магнитного поля в качестве источника плазмы. При применении индуктивно-связанной плазмы(ИСП), газ SiH₄ может разлагаться плазмой равномерно на широкой поверхности разложения в области низкого давления без необходимости применения громоздкого оборудования для генерации магнитного поля.

В частности, в общепринятом способе для того, чтобы разложить газ SiH₄ с плазмой, который, скорее всего, не разложится из-за высокой степени диссоциации, с использованием явления резонанса (ЭЦР) между микроволной и сильным магнитным полем генерируется плазма низкого давления, имеющая высокую электронную температуру. Поэтому размер устройства, генерирующего магнитное поле, волновода для микроволн и т. п., становится больше и трудно добиться его уменьшения. Более того, также трудно равномерно осадить тонкую полупроводниковую пленку на поверхность большого размера.

С другой стороны, в настоящем изобретении нашел применение тот факт, что высокочастотная индуктивно-связанная плазма, которая является источником плазмы без использования магнитного поля или микроволн, может генерировать плазму низкого давления в состоянии плазмы высокой плотности, которая возбуждается однородно и в достаточной степени на большой поверхности. Поэтому высококачественная пленка может быть осаждена с достаточно быстрой скоростью осаждения без повреждений.

На фиг.1 представлен вид в перспективе, схематически изображающий конфигурацию ИСП-ХОП-устройства в примере 1 данного изобретения.

На фиг. 2 представлен график, иллюстрирующий зависимость электропроводности тонкой кремниевой пленки, осажденной согласно данному изобретению, на свету и электропроводности ее в темноте от температуры подложки в процессе образования пленки.

На фиг. 3 представлен график, иллюстрирующий зависимость электропроводности тонкой кремниевой пленки, осажденной согласно настоящему изобретению, на свету и ее электропроводности в темноте от величины прикладываемой в течение процесса образования пленки высокочастотной энергии.

На фиг.4 представлен вид, схематически изображающий конфигурацию ИДП-ХОП-устройства в примере 2 данного изобретения.

На фиг.5 представлен график, изображающий зависимость измеренных значений "электропроводность на свету/электропроводность в темноте" (отношение световой и темновой электропроводностей) от того, какая тонкая кремниевая пленка была получена при том, что температура подложки оставалась постоянной, а остальные параметры по-разному изменялись.

На фиг.6 представлен схематический вид, изображающий конфигурацию ЭЦР-плазменного ХОП-устройства согласно известному способу.

Ниже будут представлены основные реализации данного изобретения со ссылкой на сопровождающие чертежи.

(Пример1)
На фиг. 1 представлен вид, схематически изображающий конфигурацию ИСП-ХОП-устройства в примере 1 данного изобретения.

В частности, из вакуумной камеры 11 откачивается воздух через выпускное отверстие 12. Камера возбуждения плазмы 16 присоединена к вакуумной камере 11, и вокруг камеры возбуждения плазмы 16 намотана индукционная катушка 13. Генерируемая генератором высокой частоты 14 высокочастотная энергия, параметр которой (например, частота) поддерживается на заданном уровне с помощью регулятора 25, подается на индукционную катушку 13. Часть камеры возбуждения плазмы 16, по крайней мере, вблизи области, где расположена индукционная катушка 13, выполнена из изолирующего материала, например, в виде кварцевой трубки. При воздействии высокочастотной энергии на индукционную катушку 13 индуцируется магнитное поле таким образом, что на камеру возбуждения плазмы 16 воздействует электромагнитное поле.

Исходный газ, в элементный состав которого входит кремний, например, газ моносилан (SiH₄), вводится в вакуумную камеру 11 из контейнера 30, содержащего исходный газ (источник исходного газа) через газовый впускной канал 17. Путем задания такого числа витков обмотки индукционной катушки 13, которое удовлетворяет условию создания индуктивной связи с прикладываемой высокочастотной энергией, в камере возбуждения плазмы 16 получается высокочастотная индуктивно-связанная плазма (ИСП), характеризующаяся высокой степенью диссоциации. Генерированная плазма 50 нагревается от источника тепла (источник тепла с регулируемой температурой нагревания) 18 с использованием нагревателя подложки 29, и достигает держателя подложки 19, температура которого регулируется с помощью датчика температуры 28. Таким образом, на поверхности подложки 20, расположенной на держателе 19, осаждается тонкая кремниевая пленка (поликристаллического кремния или аморфного кремния).

Требуется только, чтобы частота высокочастотной энергии, прикладываемой к индукционной катушке 13, была установлена на уровне, который обеспечит связь посредством индукционной катушки 13 и возбуждение вызванной разрядом плазмы 50. Например, желательно, чтобы она была установлена в пределах от приблизительно 50 Гц до приблизительно 500 МГц. Нижним пределом вышеуказанного промежутка - приблизительно 50 Гц - является практическая частота переменного тока, который не рассматривается как постоянный ток с точки зрения получения плазмы 50. Верхним пределом частот - приблизительно 500 МГц - является верхний предел частот, при котором электрическое поле может быть приложено на рамочную антенну без применения волновода.

Обычно частоту высокочастотной энергии, подаваемой на индукционную катушку 13, устанавливают в пределах от приблизительно 10 МГц до приблизительно 100 МГц, например, 13,56 МГц. Однако, пока генерируется вызванная разрядом плазма 50, подобный эффект может быть получен в широком ряду частот, как указано выше.

Когда частота прикладываемой высокочастотной энергии устанавливается, как указано выше, на 13,56 МГц, ток, требуемый для возбуждения плазмы 50, составляет всего несколько миллиампер, и, поэтому, количество витков обмотки индукционной катушки 13 может равняться всего 2. Таким образом, может быть легко достигнуто уменьшение общего размера устройства.

Хотя генерируется плазма 50 высокой плотности, магнитное поле генерируется только вблизи индукционной катушки 13, и оно не генерируется вблизи обрабатываемой подложки 20, что является отличием от ЭЦР-плазменного ХОП-устройства. Поэтому заряженные частицы не попадают на подложку вдоль градиента магнитного поля, что является одной из проблем ЭЦР-плазменного ХОП-устройства, и таким образом, повреждение подложки имеет ограниченный характер.

Более того, в конфигурации устройства по данному изобретению тип тонкой полупроводниковой пленки, которая должна быть получена, может быть должным образом выбран путем подбора подходящего исходного газа. Например, для образования тонкой кремниевой пленки требуется, по крайней мере, подача исходного газа, содержащего кремний, такого, как гидрид кремния, например, SiH₄ (моносилан) или Si₂H₄ (дисилан), или галогенид кремния, например, SiH₂Cl₂ (дихлорсилан). С другой стороны, при смешивании метана (СН₄) с используемым исходным газом может получиться пленка карбида кремния (SiC).

Предпочтительно, чтобы во время образования тонкой полупроводниковой пленки давление в области возбуждения плазмы (высокочастотной индуктивно-связанной плазмы = ИСП) 50 было установлено в пределах от приблизительно 5•10^-5 Тор до приблизительно 2•10^-2 Тор.

Кроме того, поликристаллическая кремниевая пленка может образовываться при разбавлении подаваемого газа, содержащего кремний (например, SiH₄), подходящим газом, таким, как водород, или при увеличении высокочастотной энергии, которая будет приложена к индукционной катушке 13. Об этом будет в дальнейшем рассказано при обращении к фиг.2 и 3.

На фиг. 2, для случая, когда в качестве исходного газа вводится смесь газов SiH₄/H₂ (обозначенная как "SiH₄/H₂ 5%"), приготовленная разбавлением 100% газа SiH, имеющего расход 5 sccm, газообразным водородом, имеющим расход 20 sccm, и для случай, когда SiH₄ (обозначенный как "SiH₄ 100%") был введен при скорости потока 10 sccm без разбавления; измеренные значения электропроводности (электропроводности на свету и электропроводности в темноте) тонкой кремниевой пленки, осажденной на поверхности подложки 20 при подаче исходного газа таким образом, что давление внутри вакуумной камеры 11 поддерживается на уровне 1 мТор, изображены в зависимости от температуры подложки 20 в течение процесса образования пленки.

Как видно из фиг. 2, в обоих случаях в диапазоне температур подложки от комнатной температуры до приблизительно 150^oС, получена удовлетворительная электропроводность на свету и отношение свет/темнота (т.е. отношение электропроводности на свету к электропроводности в темноте). Это означает, что образовалась аморфная кремниевая пленка. Кроме того, образование гидрогенизированного аморфного кремния подтверждено результатами исследования дифракции рентгеновских лучей.

С другой стороны, при температуре подложки более 150^oС характеристики пленки, которая должна образоваться, отличаются в зависимости от того, было ли произведено разбавление водородом или нет. То есть при разбавлении водородом электропроводность в темноте возрастает при увеличении температуры подложки выше 150^oC, это означает, что осаждается кристаллическая пленка. Кристалличность осажденной пленки подтверждена на практике с помощью результатов исследования дифракции рентгеновских лучей. И наоборот, без разбавления водородом электропроводность в темноте мало изменяется при возрастании температуры подложки до приблизительно 400^oС. В этом случае с помощью результатов исследования дифракции рентгеновских лучей подтверждается, что пленка не кристаллизуется, а остается в аморфном состоянии.

Таким образом, если разбавление водородом осуществляется в вышеописанных условиях, аморфная кремниевая пленка осаждается при температуре подложки в пределах до приблизительно 150^oС, в то время, как поликристаллическая кремниевая пленка осаждается при температуре подложки выше приблизительно 150^oС. Однако вышеупомянутая критическая температура вблизи 150^oС, при которой осаждаемая пленка трансформируется из аморфной в поликристаллическую (кристаллическую), может изменяться в зависимости от количества подаваемого исходного газа и его типа, конфигурации устройства, прикладываемой энергии, частоты разряда и т.п.

С другой стороны, фиг. 3 показывает изменения в электропроводности на свету и электропроводности в темноте тонкой кремниевой пленки, образующейся при комнатной температуре при подаче вышеупомянутого 5% разбавленного водородом газа SiH₄ в следующих условиях: давление в вакуумной камере 11 приблизительно 1 мТор; постоянная температура подложки приблизительно 250^oС; и величина прикладываемой высокочастотной энергии изменяется в пределах от приблизительно 100 Вт до приблизительно 1000 Вт. Как видно из фиг.3, электропроводность в темноте возрастает в диапазоне относительно высоких мощностей от приблизительно 500 Вт до приблизительно 1000 Вт, и подтверждается факт кристаллизации осаждаемой в этих пределах пленки.

Хотя это не показано на фиг.1, но на практике конфигурация устройства на фиг. 1 может включать регулятор расхода для того, чтобы регулировать расход газа из контейнера исходного газа 30, регулятор давления для регулировки давления внутри вакуумной камеры 11 путем настройки скорости выведения через выходной канал 12 в насос и т.п. Эти регуляторы изображены на фиг.4, который будет описан ниже.

Кроме того, для того, чтобы осуществить вышеописанное разбавление исходного газа водородом, необходимо, как изображено на фиг.4, только присоединить соответственно контейнер для водорода (Н₂) 31 в качестве контейнера для исходного газа 30 и контейнер 32 для газа, в элементный состав молекул которого входит кремний, например, SiH₄.

(Пример 2)
На фиг. 4 представлен вид, схематически изображающий конфигурацию ИСП-ХОП-устройства согласно примеру 2 данного изобретения.

В конфигурации устройства на фиг.4 использованы те же номера для тех же компонентов устройства, что и в конфигурации устройства на фиг. 1, и их описание здесь опускается. Более того, источник тепла для нагревания подложки (источник тепла для подогревания с регулировкой температуры) 18, нагреватель подложки 29 и датчик температуры 28, которые изображены на фиг.1, на фиг.4 опущены.

В конфигурации устройства на фиг.4 в течение процесса осаждения осуществляется спектрометрический анализ испускаемого света путем введения светового излучения от возбужденной плазмы 50 в спектрометр 41 через оптическое волокно или аналогичное устройство, за счет чего предоставляется возможность обнаружения отклонений значений интенсивности пиков эмиссии света от заданных значений. Более того, при контроле с помощью процессора 42 интенсивности обнаруженных пиков эмиссии света и при введении контура обратной связи 43 для давления разряда, мощности разряда и скорости подачи по сигналам обратной связи осуществляется управление регулятором скорости потока 44, регулятором давления 45 и высокочастотным генератором (источником энергии) 14. Поэтому, регулируя интенсивности пиков световой эмиссии Si, SiH и Н (которые в данном описании обозначены как на [Si], [SiH] и [Н] соответственно), излучаемых плазмой 50, таким образом, чтобы их значения соответствовали заданным значениям, можно стабильно получать высококачественную тонкую полупроводниковую пленку.

На фиг. 5 представлены полученные из экспериментов значения отношения электропроводности на свету к электропроводности в темноте (отношение световой/темновой электропроводности) для разных тонких кремниевых пленок, которые были получены при поддержании температуры подложки постоянной около 250^oС, но с варьированием других параметров процесса, таких, как приложенная высокочастотная энергия, расход подаваемого исходного газа (например, SiH₄ ), отношение расходов для исходного газа (например, отношение расходов подаваемых Н₂ и SiH₄ = коэффициент разбавления), давление в области возбуждения плазмы 50 и т.п. Здесь на оси абсцисс представлены относительные коэффициенты (отношение [Si] /[SiH] и отношение [[H]/[SiH]) для интенсивности пика эмиссии света [SiH] молекул SiH, регистрируемого приблизительно от 400 до 420 нм, интенсивности пика эмиссии света [Si] атомов Si, регистрируемого приблизительно на 288 нм (приблизительно от 280 до 290 нм), и интенсивности пика эмиссии света [Н] атомов Н, регистрируемого приблизительно 618 нм (приблизительно от 610 до 620 нм).

Как видно из фиг.5, когда относительно удовлетворительно соблюдается неравенство [Si] >[SiH] или [H]>[SiH], то есть когда отношение [Si]/[SiH] или отношение [H]/[SiH] становится больше, отношение световой/темновой электропроводности полученной тонкой кремниевой пленки становится меньше, что приводит к условиям, при которых без проблем реализуется кристаллизация тонкой пленки, которая должна быть осаждена.

Поэтому для того, чтобы получить кристаллическую кремниевую тонкую пленку (из поликристаллического кремния) при поддержании низкой температуры подложки в течение процесса формирования тонкой пленки, требуется только, как описано выше, следить за спектрометрией эмиссии света плазмой и регулировать различные параметры процесса, например, величина прикладываемой высокочастотной энергии, расход подаваемого исходного газа (например, SiH₄), отношение расходов подаваемых газов (например, отношение расходов подаваемых газов Н₂ и SiH₄) или давление в области возбуждения плазмы 50 таким образом, чтобы вышеупомянутые отношения интенсивностей пиков эмиссии света между Si, StH и Н ([Si], [SiH] и [Н]) удовлетворяли условию [Si]>[SiH] или [H]>[SiH]. В частности, с помощью регулировки вышеперечисленных различных параметров процесса (например, подаваемой высокочастотной энергии, расхода подаваемого исходного газа, отношения расходов подаваемых газов или давления в области возбуждения плазмы 50) таким образом, чтобы, по крайней мере, удовлетворялось одно из условий ([Si]/[SiH])>1,0 или ([H]/[SiH])>2,0, может быть получена высококачественная кристаллическая (поликристаллическая) тонкая кремниевая пленка.

С другой стороны, когда процесс формирования тонкой пленки осуществляется при температуре подложки около 50^oС, в то время как остальные параметры процесса поддерживаются таким образом, что вышеупомянутые соотношения между интенсивностями пиков эмиссии света Si, SiH и Н удовлетворяют условиям [Si] > [SiH] или [H] >[SiH], может быть получена высококачественная гидрогенизированная аморфная кремниевая пленка.

Таким образом, вышеописанный спектрометрический анализ эмиссии света плазмой (более точно, анализ соотношений [Si]/[StH] и [H]/[SiH], которые являются относительными соотношениями между интенсивностями пиков световой эмиссии Si, SiH и Н) является эффективным в качестве контроля процесса образования тонкой пленки с высокой степенью управляемости процессом в отношении, будет ли пленка аморфной или кристаллической при получении высококачественной полупроводниковой тонкой пленки при низкой температуре.

Скорость образования пленки в различных условиях, когда данные измерений, представленные на фиг.5, установлены так, как указано выше, находится в пределах от приблизительно 1 А/с до приблизительно 10 А/с, что является удовлетворительной практической скоростью.

Как показано на фиг.1 или фиг.4, в конфигурациях устройства, обсуждаемого выше в примерах 1 и 2, использованы средства индуктивной связи с внешней катушкой, в которых внешняя катушка соленоидного типа, расположенная вблизи от камеры возбуждения плазмы 16, используется в качестве индукционной катушки 13, служащей средством для генерации магнитного поля для возбуждения высокочастотной индуктивно-связанной плазмы (ИСП) 50. Однако применение настоящего изобретения этим не ограничивается. Очень похожие преимущества могут быть получены для случаев различных конфигураций, например, для средств индуктивного сопряжения с катушкой спирального типа, имеющей катушку, намотанную в одной плоскости, для средств индуктивного сопряжения с внутренним расположением катушки, имеющих индукционную катушку, расположенную внутри реакционной камеры, и, кроме того, для конфигураций, в которых к вышеописанной конфигурации добавлен вспомогательный магнит. С другой стороны, вместо электромагнитной катушки может быть использован постоянный магнит с заданной плотностью магнитного потока.

Как было изложено выше, согласно данному изобретению, высокочастотная индуктивно-связанная плазма, которая является источником плазмы, способным генерировать плазму низкого давления на большой поверхности без использования сильного магнитного поля или микроволн, применяется для плазменного разложения исходного газа при формировании тонкой полупроводниковой пленки с помощью ХОП-метода. Таким образом, исходный газ, такой, как газообразный SiH₄ или подобный, может быть разложен с помощью плазмы однородно на большой площади осаждения в области низкого давления в отсутствие необходимости в громоздком устройстве для генерации магнитного поля. В результате высококачественная тонкая полупроводниковая пленка (аморфная пленка или поликристаллическая пленка) может быть осаждена с достаточно быстрой скоростью осаждения без повреждения подложки или пленки, образующейся на поверхности подложки для того, чтобы служить в качестве подпленки (основы пленки). Таким образом, может быть получен высокоэффективный полупроводниковый элемент.

Реферат

Использование: микроэлектроника. Сущность изобретения: способ получения тонкой полупроводниковой пленки включает в себя стадии введения газа-источника в вакуумную камеру и разложения газа с использованием высокочастотной индуктивно-связанной плазмы, генерируемой за счет подачи высокочастотной энергии, и формирование заданной тонкой полупроводниковой пленки на подложке с помощью процесса химического осаждения пара с использованием разложенного газа-источника, в котором условиями кристаллизации формирующейся тонкой полупроводниковой пленки управляют путем регулирования температуры нагревания подложки в течение процесса формирования тонкой полупроводниковой пленки. Устройство для получения тонкой полупроводниковой пленки содержит средства, обеспечивающие контролируемое осаждение пленки. Техническим результатом изобретения является получение высококачественной тонкой полупроводниковой пленки при низкой температуре при хорошей управляемости степенью кристалличности. 2 с. и 20 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула