JP2009152539A - Continuous manufacturing method for semiconductor device, and chamber - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、薄膜シリコンをプラズマＣＶＤにより製膜する工程を有する半導体デバイスの連続製造方法及びこれに使用するチャンバー（反応容器）に関するものである。 The present invention relates to a continuous manufacturing method of a semiconductor device having a step of forming thin film silicon by plasma CVD, and a chamber (reaction vessel) used therein.
太陽電池やＴＦＴ（Thin Film Transistor;薄膜トランジスタ）の製造には薄膜シリコンを製膜する工程があり、この工程では主としてプラズマＣＶＤ装置が使用される。プラズマＣＶＤ装置では製膜を行うにつれ、ＣＶＤ装置のチャンバー内にシリコン系膜が蓄積され、ある一定以上の膜厚になると、膜が剥離したり、粒子状のゴミ（パーティクル）が発生し、膜特性に悪影響を与えたり、ＣＶＤ装置の故障につながったりする。
従来のチャンバーの平面模式図を図５に示す。
In the manufacture of solar cells and TFTs (Thin Film Transistors), there is a process of forming thin film silicon, and in this process, a plasma CVD apparatus is mainly used. As the film is formed in the plasma CVD apparatus, a silicon-based film accumulates in the chamber of the CVD apparatus, and when the film thickness exceeds a certain level, the film is peeled off or particulate dust (particles) is generated. It may adversely affect the characteristics and lead to failure of the CVD apparatus.
A schematic plan view of a conventional chamber is shown in FIG.
そこで、これを回避するために、定期的にチャンバークリーニングを行い、チャンバー内の膜やパーティクルを除去することが行われる。このチャンバークリーニングには主に２種類の方法がある。１つは装置を停止し、チャンバーを大気開放して作業者が内部を清掃し、膜が堆積した部材を洗浄済みのもの、あるいは新品と取り替えるメカニカルクリーニングであり、もう１つはチャンバークリーニング用ガスを用いて、装置を停止することなく行うクリーニングである。チャンバークリーニング用ガスには代表的なものとして、ＮＦ３、ＣＦ４、ＳＦ６、Ｃ２Ｆ６などがある。 In order to avoid this, chamber cleaning is periodically performed to remove films and particles in the chamber. There are mainly two types of chamber cleaning. One is to stop the apparatus, open the chamber to the atmosphere, the operator cleans the inside, and the mechanical cleaning that replaces the member on which the film is deposited with a cleaned one or a new one. The other is a chamber cleaning gas. The cleaning is performed without stopping the apparatus. Typical chamber cleaning gases include NF 3 , CF 4 , SF 6 , and C 2 F 6 .
これらのガスは地球温暖化係数が大きいことや、Ｆ以外にＮ、Ｃ、Ｓなどの元素を含んでいるため、これら元素がチャンバー内壁に残留し、製膜時にチャンバー内壁から放出されることでシリコン膜中に取り込まれ、デバイス特性に悪影響を与えることが知られている。 Since these gases have a large global warming potential and contain elements such as N, C, and S in addition to F, these elements remain on the inner wall of the chamber and are released from the inner wall of the chamber during film formation. It is known that it is taken into a silicon film and adversely affects device characteristics.
上記メカニカルクリーニングは、クリーニング自体は有効であるが、装置を停止して行うため、大気開放の悪影響があること、デバイス製造のための時間が余分にかかること、チャンバークリーニング作業者は真空用部材を取り扱うため熟練を要し、このための人件費がかかること、さらに交換部材を用意する必要があるため、同じ部材が都合2セット以上必要であり、無駄が多いこと、などの欠点がある。また装置を停止することなく行うチャンバークリーニングにおいては、このような時間は必要ないが、ＮＦ３、ＣＦ４、ＳＦ６、Ｃ２Ｆ６などの代表的クリーニングガスを用いたチャンバークリーニング直後においてはチャンバー内が不安定な状態となるため、クリーニング直後のバッチでは安定した膜特性が得られない。 The mechanical cleaning described above is effective, but since the apparatus is stopped, there is an adverse effect of opening to the atmosphere, extra time is required for manufacturing the device, and the chamber cleaning operator needs a vacuum member. Since handling requires skill and labor costs for this, it is necessary to prepare replacement members, so there are disadvantages that two or more sets of the same members are necessary and wasteful. In the chamber cleaning performed without stopping the apparatus, such time is not required, but immediately after the chamber cleaning using a typical cleaning gas such as NF 3 , CF 4 , SF 6 , C 2 F 6, etc. Since the inside becomes unstable, stable film characteristics cannot be obtained in a batch immediately after cleaning.
このためデバイス製造の前処理として工程で使うものと同一の膜種にてチャンバー内に製膜を行うプリデポ、又は捨てバッチと呼ぶ工程が必要である。そしてこの工程の最中はデバイス生産には寄与しないので生産性を落とす欠点がある。
本発明は上記従来技術の欠点を改善し、チャンバークリーニング直後から膜特性が安定し、プリデポなしでも所望のデバイス特性が得られるような半導体デバイスの連続製造方法及びこれに使用するチャンバーを提供することを課題とする。 The present invention improves the above-mentioned drawbacks of the prior art, and provides a continuous manufacturing method of a semiconductor device in which film characteristics are stabilized immediately after chamber cleaning, and desired device characteristics can be obtained even without predeposition, and a chamber used therefor. Is an issue.
課題を解決するための手段は次のとおりである。
（１）薄膜シリコンをプラズマＣＶＤにより製膜する工程を有する半導体デバイスの連続製造方法において、装置を停止することなくＦ２ガスを用いてチャンバークリーニングを行うことを特徴とする半導体デバイスの連続製造方法。
（２）上記シリコンは、非晶質シリコン又は微結晶シリコンを含むことを特徴とする（１）に記載の半導体デバイスの連続製造方法。
（３）上記半導体装置は、太陽電池又はＴＦＴであることを特徴とする（１）又は（２）に記載の半導体デバイスの連続製造方法。
（４）上記Ｆ２ガスは、希釈ガスなしの１００％Ｆ２ガスであることを特徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載の半導体デバイスの連続製造方法。
（５）（１）ないし（４）のいずれかに記載の半導体デバイスの連続製造方法に使用するチャンバーであって、チャンバーの内壁側の隅は角がない構造としたことを特徴とするチャンバー。
（６）上記チャンバーの内壁側は、Ａｌ材料又はアルマイト加工されたＡｌ材料からなることを特徴とする（５）に記載のチャンバー。
Means for solving the problems are as follows.
(1) A continuous manufacturing method of a semiconductor device having a step of forming thin film silicon by plasma CVD, wherein chamber cleaning is performed using F 2 gas without stopping the apparatus. .
(2) The method for continuously manufacturing a semiconductor device according to (1), wherein the silicon includes amorphous silicon or microcrystalline silicon.
(3) The continuous manufacturing method of a semiconductor device according to (1) or (2), wherein the semiconductor device is a solar cell or a TFT.
(4) The continuous manufacturing method of a semiconductor device according to any one of (1) to (3), wherein the F 2 gas is 100% F 2 gas without a dilution gas.
(5) A chamber for use in the continuous manufacturing method of a semiconductor device according to any one of (1) to (4), characterized in that a corner on the inner wall side of the chamber has no corner.
(6) The chamber according to (5), wherein the inner wall side of the chamber is made of an Al material or an anodized Al material.
本発明に従い、装置を停止することなくＦ２ガスを用いてチャンバークリーニングを行うことにより、半導体デバイスの連続製造に際し、チャンバークリーニング直後から膜特性が安定し、プリデポなしでも所望のデバイス特性が得られる。
また、Ｆ２ガスは地球温暖化係数が０であるため、従来のＮＦ３等のクリーニングガスに比べて環境への悪影響が少ない。
本発明に係るチャンバーを用いることにより、半導体デバイスの連続製造において、チャンバークリーニングの時間を短くして生産性を上げることができる。
According to the present invention, by performing chamber cleaning using F 2 gas without stopping the apparatus, film characteristics are stabilized immediately after chamber cleaning in the continuous production of semiconductor devices, and desired device characteristics can be obtained without predeposition. .
In addition, since F 2 gas has a global warming potential of 0, it has less adverse effects on the environment than conventional cleaning gases such as NF 3 .
By using the chamber according to the present invention, it is possible to shorten the chamber cleaning time and increase the productivity in the continuous manufacture of semiconductor devices.
本発明の実施の形態について非晶質シリコン太陽電池のシリコン膜製膜工程を例にとって説明する。
太陽電池基板はロードロック室（前室）に搬入され、ロードロック室を真空に排気した後、搬送チャンバーを介し、ｐ層用プロセスチャンバーに運ばれ、プラズマＣＶＤによるｐ層シリコンの製膜が行われる。
An embodiment of the present invention will be described by taking a silicon film forming process of an amorphous silicon solar cell as an example.
The solar cell substrate is loaded into the load lock chamber (front chamber), evacuated from the load lock chamber, and then transferred to the p layer process chamber via the transfer chamber, where the p layer silicon film is formed by plasma CVD. Is called.
次に、基板はi層用プロセスチャンバーに運ばれ、プラズマＣＶＤによるi層シリコン製膜が行われた後、n層用プロセスチャンバーに運ばれ、プラズマＣＶＤによるn層シリコンの製膜が行われる。p層とn層は1回当たりの製膜が数１０ｎｍ程度であり、i層の膜厚は２５０〜３００ｎｍ程度である。 Next, the substrate is transported to the i-layer process chamber, and after forming the i-layer silicon by plasma CVD, the substrate is transported to the n-layer process chamber, where n-layer silicon is formed by plasma CVD. The p layer and the n layer have a film formation of about several tens of nm per time, and the i layer has a film thickness of about 250 to 300 nm.
チャンバークリーニングの目安は、チャンバー内壁の膜はがれやパーティクルが顕著になる膜厚で決定されるが、通常は２ミクロン程度である。ここでｐ層、n層の膜厚が２０ｎｍとすると、チャンバークリーニングの頻度は、１００バッチに１回となる。非晶質i層の場合、膜厚が２５０ｎｍとすると、チャンバークリーニングは８バッチに１回となる。 The standard of chamber cleaning is determined by the film thickness at which the film on the inner wall of the chamber is peeled off and particles are noticeable, but it is usually about 2 microns. Here, when the thickness of the p layer and the n layer is 20 nm, the frequency of chamber cleaning is once per 100 batches. In the case of an amorphous i layer, if the film thickness is 250 nm, chamber cleaning is performed once in 8 batches.
本発明では、装置を停止することなくＦ２ガスを用いてチャンバークリーニングを行うことを特徴とする。すなわち１００バッチに1回又は８バッチに１回のチャンバークリーニングを、装置を停止することなくＦ２ガスを用いてチャンバークリーニングを行うものである。チャンバークリーニング後はそのまま製膜を開始し、生産を続ける。
なおＦ２ガスはＡｒガス等で希釈してもよいし、希釈ガスなしの１００％Ｆ２ガスでもよい。この場合には、Ａｒガス等の使用を不要とする利点がある。
The present invention is characterized in that chamber cleaning is performed using F 2 gas without stopping the apparatus. That is, the chamber cleaning is performed once every 100 batches or once every 8 batches using F 2 gas without stopping the apparatus. After chamber cleaning, film formation starts and production continues.
The F 2 gas may be diluted with Ar gas or the like, or 100% F 2 gas without dilution gas may be used. In this case, there is an advantage that the use of Ar gas or the like is unnecessary.
本発明に係るＦ２ガスを用いたチャンバークリーニングの有効性について、従来の代表的クリーニングガスであるＮＦ３との比較で説明する。
図１は、ＮＦ３ガスを用いたチャンバークリーニング直後からの太陽電池のI−V特性推移図である。縦軸は短絡電流、横軸は開放電圧を表しており、どちらの値も大きいほうが太陽電池の特性としてはよい。図1では、２、３バッチ目と比べて１バッチ目が特に開放電圧が小さく、変換効率も１／３程度と小さい。１バッチ目は実用に耐えられる変換効率ではないため、通常の生産ラインでは不良である。
The effectiveness of chamber cleaning using F 2 gas according to the present invention will be described in comparison with NF 3 which is a typical representative cleaning gas.
FIG. 1 is an IV characteristic transition diagram of a solar cell immediately after chamber cleaning using NF 3 gas. The vertical axis represents the short-circuit current, and the horizontal axis represents the open-circuit voltage. The larger the value, the better the characteristics of the solar cell. In FIG. 1, compared with the second and third batches, the first batch has a particularly small open-circuit voltage and the conversion efficiency is as low as about 1/3. The first batch is unsatisfactory in a normal production line because the conversion efficiency is not practical enough.
図２は、本発明に係るＦ２ガスを用いたチャンバークリーニング直後からの太陽電池のI−V特性推移図である。図2ではバッチ間の差がほとんどなく、１バッチ目から所望の特性が出ていることがわかる。 FIG. 2 is an IV characteristic transition diagram of a solar cell immediately after chamber cleaning using F 2 gas according to the present invention. In FIG. 2, there is almost no difference between batches, and it can be seen that desired characteristics are obtained from the first batch.
図３は、Ｆ２ガスとＮＦ３ガスとのクリーニング直後からの太陽電池変換効率のバッチ数依存性図である。変換効率についてＦ２ガスは１バッチ目から所望の値が出ているが、ＮＦ３ガスでは２バッチ目から回復している。１バッチ目は所望の特性ではないため、不良である。 FIG. 3 is a batch number dependence diagram of solar cell conversion efficiency immediately after cleaning with F 2 gas and NF 3 gas. As for the conversion efficiency, a desired value of F 2 gas is obtained from the first batch, but the recovery is recovered from the second batch of NF 3 gas. The first batch is defective because it does not have the desired characteristics.
次に本発明は、薄膜シリコンをプラズマＣＶＤにより製膜する工程を有する半導体デバイスの連続製造において、装置を停止することなくＦ２ガスを用いてチャンバークリーニングを行うものであるが、チャンバークリーニングは内壁に付着した膜がすべて除去されるまで行う。 Next, the present invention performs chamber cleaning using F 2 gas without stopping the apparatus in continuous manufacturing of a semiconductor device having a step of forming thin film silicon by plasma CVD. This is performed until all the film adhering to is removed.
ここで、チャンバー内壁に付着した膜は内壁の場所によって厚さや性質が異なることや、チャンバー内のプラズマの広がり方が均一ではないため、場所によってエッチングレートが異なる。このため、クリーニングの過程では、除去された場所とまだ除去されていない場所とがチャンバー内に混在することになる。またプラズマ領域から遠い場所は、活性なクリーニングガス反応種が到達しにくいため、エッチング時間が長くなる。
エッチング時間が長くなると、クリーニングガス反応種によるチャンバー内の部材へのダメージが顕著になることや、ガスをより多く消費することによるクリーニングコスト増などの弊害が生じる。
Here, the film attached to the inner wall of the chamber has different thicknesses and properties depending on the location of the inner wall, and the plasma spread in the chamber is not uniform, so that the etching rate differs depending on the location. For this reason, in the cleaning process, the removed place and the place that has not been removed are mixed in the chamber. Further, since the active cleaning gas reactive species hardly reach a place far from the plasma region, the etching time becomes long.
When the etching time is lengthened, there are problems such as significant damage to the members in the chamber due to the reactive species of the cleaning gas and an increase in cleaning cost due to consumption of more gas.
したがって、半導体デバイスの連続製造において、チャンバークリーニング時間を短くして生産性を上げるには、チャンバーの角など、反応種が届きにくい領域を無くして反応種を届きやすくすればよい。 Therefore, in continuous manufacturing of semiconductor devices, in order to shorten the chamber cleaning time and increase the productivity, it is only necessary to eliminate the region where the reactive species are difficult to reach, such as the corner of the chamber, so that the reactive species can be easily reached.
図４に本発明の実施に特に有効なチャンバー構造の一例を示す。チャンバーの内壁側又は防着板の隅は角がなく、反応種が全体に届きやすい構造となっている。なお図４に示すチャンバーの内壁側では隅を隅切りしているが、隅を丸くした構造としてもよい。 FIG. 4 shows an example of a chamber structure that is particularly effective for implementing the present invention. The inner wall side of the chamber or the corner of the deposition preventing plate has no corners, and the reaction species can easily reach the whole. Although the corners are cut off on the inner wall side of the chamber shown in FIG. 4, a structure with rounded corners may be used.
本発明の実施の形態では、非晶質シリコン太陽電池を例示して本発明を説明したが本発明はこれに限定されず、例えば多接合太陽電池の構成要素である微結晶シリコン太陽電池、非晶質シリコンゲルマニウム太陽電池、微結晶シリコンゲルマニウム太陽電池にも適用可能である。これら太陽電池作製ＣＶＤ工程ではプロセスによってＳｉＯ２膜、窒化シリコン膜、シリコンカーバイド膜を製膜する場合があるが、これらについても適用可能である。 In the embodiment of the present invention, the present invention has been described by exemplifying an amorphous silicon solar cell. However, the present invention is not limited to this. For example, a microcrystalline silicon solar cell that is a constituent element of a multijunction solar cell, The present invention can also be applied to a crystalline silicon germanium solar cell and a microcrystalline silicon germanium solar cell. In these solar cell manufacturing CVD processes, there are cases where an SiO 2 film, a silicon nitride film, and a silicon carbide film are formed depending on the process, but these are also applicable.
またチャンバーについても従来より周知のＳＵＳ等の材料のものが利用可能であるが、特に内壁側がＡｌ材料又はアルマイト加工されたＡｌ材料からなるチャンバーが好適である。 As the chamber, a conventionally known material such as SUS can be used, and a chamber made of an Al material or an anodized Al material on the inner wall side is particularly suitable.
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