JP4879959B2 - シリコンドット形成方法及びシリコンドット形成装置 - Google Patents
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Description
この方法では、シリコンナノ粒子成長のための核を基板上に形成する工程を経て、該核からシリコンナノ粒子を成長させる。
ガス中蒸発法においても、シリコンの不均一な加熱が起こり、そのためにシリコンドットの粒径や密度分布を揃えることが困難である。
また本発明は、低温でシリコンドット形成対象基体上に直接、粒径の揃ったシリコンドットを均一な密度分布で形成できるシリコンドット形成装置を提供することを課題とする。
すなわち、スパッタリング用ガス(例えば水素ガス)をプラズマ化し、該プラズマでシリコンスパッタターゲットをケミカルスパッタリング(反応性スパッタリング)することで、低温でシリコンドット形成対象基体上に直接、粒径の揃った結晶性のシリコンドットを均一な密度分布で形成することが可能である。
特に、シリコンスパッタターゲットをプラズマ発光において波長288nmにおけるシリコン原子の発光強度Si(288nm) と波長484nmにおける水素原子の発光強度Hβとの比〔Si(288nm) /Hβ〕が10.0以下、より好ましくは3.0以下、或いは0.5以下であるプラズマでケミカルスパッタリングすれば、500℃以下の低温においても、粒径20nm以下、さらには粒径10nm以下の範囲で、粒径の揃った結晶性のシリコンドットを均一な密度分布で基体上に形成できる。
また、シラン系ガスを水素ガスで希釈したガスに高周波電力を印加して該ガスをプラズマ化し、該プラズマは、プラズマ発光において波長288nmにおけるシリコン原子の発光強度Si(288nm) と波長484nmにおける水素原子の発光強度Hβとの比〔Si(288nm) /Hβ〕が10.0以下、より好ましくは3.0以下、或いは0.5以下であるプラズマとすれば、該プラズマのもとでも、500℃以下の低温で、粒径20nm以下、さらには粒径10nm以下の範囲で、粒径の揃った結晶性のシリコンドットを均一な密度分布で基体上に形成できる。この場合、かかるプラズマによるシリコンスパッタターゲットのケミカルスパッタリングを併用することも可能である。
本発明はかかる知見に基づき次の第4のシリコンドット形成方法を提供する。また、参考までに言えば、かかる知見に基づき次の第1、第2及び第3のシリコンドット形成方法も提供できる。
真空チャンバ内にシラン系ガス及び水素ガスを導入し、これらガスに高周波電力を印加することで該真空チャンバ内にプラズマを発生させ、該プラズマにより該真空チャンバの内壁にシリコン膜を形成するシリコン膜形成工程と、
内壁にシリコン膜が形成された前記真空チャンバ内にシリコンドット形成対象基体を配置し、該真空チャンバ内にスパッタリング用ガスを導入し、該ガスに高周波電力を印加することで該真空チャンバ内にプラズマを発生させ、該プラズマで前記シリコン膜をスパッタターゲットとするケミカルスパッタリングを行って該基体上にシリコンドットを形成するシリコンドット形成工程と
を含むシリコンドット形成方法。
第1の真空チャンバ内にターゲット基板を配置し、該第1真空チャンバ内にシラン系ガス及び水素ガスを導入し、これらガスに高周波電力を印加することで該第1真空チャンバ内にプラズマを発生させ、該プラズマにより該ターゲット基板上にシリコン膜を形成してシリコンスパッタターゲットを得るスパッタターゲット形成工程と、
前記第1の真空チャンバから第2の真空チャンバ内に、前記スパッタターゲット形成工程で得たシリコンスパッタターゲットを外気に触れさせることなく搬入配置するとともに、該第2真空チャンバ内にシリコンドット形成対象基体を配置し、該第2真空チャンバ内にスパッタリング用ガスを導入し、該ガスに高周波電力を印加することで該第2真空チャンバ内にプラズマを発生させ、該プラズマで前記シリコンスパッタターゲットのシリコン膜をケミカルスパッタリングして該基体上にシリコンドットを形成するシリコンドット形成工程と
を含むシリコンドット形成方法。
シリコンスパッタターゲットとシリコンドット形成対象基体を配置した真空チャンバ内に水素ガスを導入し、該ガスに高周波電力を印加することで該真空チャンバ内に、プラズマ発光において波長288nmにおけるシリコン原子の発光強度Si(288nm) と波長484nmにおける水素原子の発光強度Hβとの比〔Si(288nm) /Hβ〕が10.0以下であるプラズマを発生させ、該プラズマで前記シリコンスパッタターゲットをケミカルスパッタリングして500℃以下の低温で(換言すれば、基体温度を500℃以下として)前記基体上に直接、粒径が20nm以下のシリコンドットを形成するシリコンドット形成方法。
シリコンドット形成対象基体を配置した真空チャンバ内にシラン系ガス及び水素ガスを導入し、これらガスに高周波電力を印加することで該真空チャンバ内に、プラズマ発光において波長288nmにおけるシリコン原子の発光強度Si(288nm) と波長484nmにおける水素原子の発光強度Hβとの比〔Si(288nm) /Hβ〕が10.0以下であるプラズマを発生させ、該プラズマにより、500℃以下の低温で(換言すれば、基体温度を500℃以下として)前記基体上に直接、粒径が20nm以下のシリコンドットを形成するシリコンドット形成方法。
前記第1から第4の方法のいずれにおいても、プラズマにおける発光強度比〔Si(288nm) /Hβ〕を10.0以下に設定する場合、それはプラズマ中の水素原子ラジカルが豊富であることを示す。
しかし、発光強度比の値が余り小さすぎると、結晶粒(ドット)の成長が遅くなり、要求されるドット粒径を得るのに時間がかかる。さらに小さくなってくると、ドットの成長よりエッチング効果の方が大きくなり、結晶粒が成長しなくなる。発光強度比〔Si(288nm) /Hβ〕は、他の種々の条件等にもよるが、概ね0.1以上とすればよい。
前記第1から第4のいずれのシリコンドット形成方法においても、プラズマ形成時の真空チャンバ内圧力としては、0.1Pa〜10.0Pa程度を例示できる。
不純物が含まれていないシリコンスパッタタゲット及び不純物が含まれていてもその含有量ができるだけ少ないシリコンスパッタタゲットの例として、燐(P)、ホウ素(B)及びゲルマニウム(Ge)のそれぞれの含有量がいずれも10ppm未満に抑えられたシリコンスパッタターゲットを挙げることができる。
前記第2、第3のシリコンドット形成方法や前記第4のシリコンドット形成方法においてシリコンスパッタターゲットのケミカルスパッタリングを併用する場合において、シリコンスパッタリングターゲットをシリコンドット形成用の真空チャンバ内に後付け配置する場合、該ターゲットの真空チャンバ内における配置としては、これがプラズマによりケミカルスパッタリングされる配置であればよいが、例えば、真空チャンバ内壁面の全部又は一部に沿って配置する場合を挙げることができる。チャンバ内に独立して配置してもよい。チャンバ内壁に沿って配置されるものと、独立的に配置されるものを併用してもよい。
真空チャンバ内に配置する電極については、シリコンを含む電気絶縁性膜、アルミニウムを含む電気絶縁性膜のような電気絶縁性膜(例えばシリコン膜、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、アルミナ膜等)で被覆して、高密度プラズマの維持、電極表面のスパッタリングによるシリコンドットへの不純物の混入抑制等を図ってもよい。
いずれにしてもプラズマ形成のための高周波電力の周波数としては、比較的安価に済む13MHz程度から100MHz程度の範囲のものを例示できる。100MHzより高周波数になってくると、電源コストが高くなってくるし、高周波電力印加時のマッチングがとり難くなってくる。
以上説明したいずれのシリコンドット形成方法でもシリコンドットを含むシリコンドット構造体を提供できる。
<シリコンドット形成装置>
本発明は、また、本発明に係る前記第4のシリコンドット形成方法を実施するための次の第4のシリコンドット形成装置を提供する。また、参考までに、前記第1、第2及び第3のシリコンドット形成方法を実施するための次の第1、第2及び第3のシリコンドット形成装置も挙げることができる。
シリコンドット形成対象基体を支持するホルダを有する真空チャンバと、
該真空チャンバ内に水素ガスを供給する水素ガス供給装置と、
該真空チャンバ内にシラン系ガスを供給するシラン系ガス供給装置と、
該真空チャンバ内から排気する排気装置と、
該真空チャンバ内に前記水素ガス供給装置から供給される水素ガス及び前記シラン系ガス供給装置から供給されるシラン系ガスに高周波電力を印加して、該真空チャンバの内壁にシリコン膜を形成するためのプラズマを形成する第1高周波電力印加装置と、
該シリコン膜形成後に、該真空チャンバ内に前記水素ガス供給装置から供給される水素ガスに高周波電力を印加して、該シリコン膜をスパッタターゲットとしてケミカルスパッタリングするためのプラズマを形成する第2高周波電力印加装置と、
該真空チャンバ内のプラズマ発光における波長288nmでのシリコン原子の発光強度Si(288nm) と波長484nmでの水素原子の発光強度Hβとの比〔Si(288nm) /Hβ〕を求めるプラズマ発光分光計測装置とを含むシリコンドット形成装置。
この第1シリコンドット形成装置は、前記第1及び第2の高周波電力印加装置のうち少なくとも第2高周波電力印加装置によるプラズマの形成において、前記プラズマ発光分光計測装置で求められる発光強度比〔Si(288nm) /Hβ〕と10.0以下の範囲から定めた基準発光強度比〔Si(288nm) /Hβ〕とを比較して、前記真空チャンバ内プラズマにおける発光強度比〔Si(288nm) /Hβ〕が該基準発光強度比に向かうように、該第2高周波電力印加装置の電源出力、前記水素ガス供給装置から前記真空チャンバ内への水素ガス供給量及び前記排気装置による排気量のうち少なくとも一つを制御する制御部をさらに有していてもよい。
いずれにしても、第1、第2の高周波電力印加装置は、互いに一部又は全部が共通であってもよい。
基準発光強度比は、3.0以下、或いは0.5以下の範囲から定めてもよい。
スパッタターゲット基板を支持するホルダを有する第1真空チャンバと、
該第1真空チャンバ内に水素ガスを供給する第1水素ガス供給装置と、
該第1真空チャンバ内にシラン系ガスを供給するシラン系ガス供給装置と、
該第1真空チャンバ内から排気する第1排気装置と、
該第1真空チャンバ内に前記第1水素ガス供給装置から供給される水素ガス及び前記シラン系ガス供給装置から供給されるシラン系ガスに高周波電力を印加して、前記スパッタターゲット基板上にシリコン膜を形成するためのプラズマを形成する第1高周波電力印加装置と、
前記第1真空チャンバに外部から気密に遮断される状態に連設され、シリコンドット形成対象基体を支持するホルダを有する第2真空チャンバと、
該第2真空チャンバ内に水素ガスを供給する第2水素ガス供給装置と、
該第2真空チャンバ内から排気する第2排気装置と、
該第2真空チャンバ内に前記第2水素ガス供給装置から供給される水素ガスに高周波電力を印加して、前記スパッタターゲット基板上のシリコン膜をケミカルスパッタリングするためのプラズマを形成する第2高周波電力印加装置と、
該第2真空チャンバ内のプラズマ発光における波長288nmでのシリコン原子の発光強度Si(288nm) と波長484nmでの水素原子の発光強度Hβとの比〔Si(288nm) /Hβ〕を求めるプラズマ発光分光計測装置と、
シリコン膜が形成された前記スパッタターゲット基板を前記第1真空チャンバから第2真空チャンバへ、外気に触れさせることなく搬入配置する搬送装置と
を備えているシリコンドット形成装置。
この第2シリコンドット形成装置は、第2高周波電力印加装置によるプラズマの形成において、前記プラズマ発光分光計測装置で求められる発光強度比〔Si(288nm) /Hβ〕と10.0以下の範囲から定めた基準発光強度比〔Si(288nm) /Hβ〕とを比較して、前記第2真空チャンバ内プラズマにおける発光強度比〔Si(288nm) /Hβ〕が該基準発光強度比に向かうように、該第2高周波電力印加装置の電源出力、前記第2水素ガス供給装置から第2真空チャンバ内への水素ガス供給量及び前記第2排気装置による排気量のうち少なくとも一つを制御する制御部をさらに有していてもよい。
第1、第2の水素ガス供給装置も、互いに一部又は全部が共通であってもよい。
第1、第2の排気装置も、互いに一部又は全部が共通であってもよい。
前記の搬送装置の配置としては、第1又は第2の真空チャンバに配置する例を挙げることができる。第1、第2の真空チャンバの連設は、ゲートバルブ等を介して直接的に連設してもよいし、前記搬送装置を配置した真空チャンバを間にして間接的に連設することも可能である。
いずれにしても、基準発光強度比は、3.0以下、或いは0.5以下の範囲から定めてもよい。
第2真空チャンバ内へシラン系ガスを供給する第2のシラン系ガス供給装置を設ければ、前記第4シリコンドット形成方法において、シリコンスパッタターゲットのケミカルスパッタリングを併用する方法を実施できる装置となる。
シリコンドット形成対象基体を支持するホルダを有する真空チャンバと、該真空チャンバ内に配置されるシリコンスパッタターゲットと、該真空チャンバ内に水素ガスを供給する水素ガス供給装置と、該真空チャンバ内から排気する排気装置と、該真空チャンバ内に前記水素ガス供給装置から供給される水素ガスに高周波電力を印加して該シリコンスパッタターゲットをケミカルスパッタリングするためのプラズマを形成する高周波電力印加装置と、該真空チャンバ内のプラズマ発光における波長288nmでのシリコン原子の発光強度Si(288nm) と波長484nmでの水素原子の発光強度Hβとの比〔Si(288nm) /Hβ〕を求めるプラズマ発光分光計測装置とを含むシリコンドット形成装置。
この第3シリコンドット形成装置は、プラズマ発光分光計測装置で求められる発光強度比〔Si(288nm) /Hβ〕と10.0以下の範囲から定めた基準発光強度比〔Si(288nm) /Hβ〕とを比較して、前記真空チャンバ内プラズマにおける発光強度比〔Si(288nm) /Hβ〕が該基準発光強度比に向かうように、前記高周波電力印加装置の電源出力、前記水素ガス供給装置から前記真空チャンバ内への水素ガス供給量及び前記排気装置による排気量のうち少なくとも一つを制御する制御部をさらに有していてもよい。
基準発光強度比は、3.0以下、或いは0.5以下の範囲から定めてもよい。
シリコンドット形成対象基体を支持するホルダを有する真空チャンバと、該真空チャンバ内に水素ガスを供給する水素ガス供給装置と、該真空チャンバ内にシラン系ガスを供給するシラン系ガス供給装置と、該真空チャンバ内から排気する排気装置と、該真空チャンバ内に前記水素ガス供給装置及びシラン系ガス供給装置から供給されるガスに高周波電力を印加して、シリコンドット形成のためのプラズマを形成する高周波電力印加装置と、該真空チャンバ内のプラズマ発光における波長288nmでのシリコン原子の発光強度Si(288nm) と波長484nmでの水素原子の発光強度Hβとの比〔Si(288nm) /Hβ〕を求めるプラズマ発光分光計測装置とを含むシリコンドット形成装置。
この第4シリコンドット形成装置は、プラズマ発光分光計測装置で求められる発光強度比〔Si(288nm) /Hβ〕と10.0以下の範囲から定めた基準発光強度比〔Si(288nm) /Hβ〕とを比較して、前記真空チャンバ内プラズマにおける発光強度比〔Si(288nm) /Hβ〕が該基準発光強度比に向かうように、前記高周波電力印加装置の電源出力、前記水素ガス供給装置から前記真空チャンバ内への水素ガス供給量、前記シラン系ガス供給装置から前記真空チャンバ内へのシラン系ガス供給量及び前記排気装置による排気量のうち少なくとも一つを制御する制御部をさらに有していてもよい。
基準発光強度比は、3.0以下、或いは0.5以下の範囲から定めてもよい。
いずれにしても、真空チャンバ内にシリコンスパッタターゲットを配置してもよい。
また本発明によると、低温でシリコンドット形成対象基体上に直接、粒径の揃ったシリコンドットを均一な密度分布で形成できるシリコンドット形成装置を提供することができる。
<シリコンドット形成装置の1例>
第1図はシリコンドット形成に用いるシリコンドット形成装置の1例の概略構成を示している。
電極3はその内側面に絶縁性膜として機能させるシリコン膜31を予め設けてある。また、チャンバ1の天井壁内面等にはシリコンスパッタターゲット30を予め設けてある。 電極3はいずれも、基板ホルダ2上に設置される後述するシリコンドット形成対象基板S表面(より正確に言えば、基板S表面を含む面)に対し垂直な姿勢で配置されている。
(1) 単結晶シリコンからなるターゲット、多結晶シリコンからなるターゲット、微結晶シリコンからなるターゲット、アモルファスシリコンからなるターゲット、これらの2以上の組み合わせからなるターゲットのうちのいずれかのターゲット、
(2) 前記(1) 記載のいずれかのターゲットであって、燐(P)、ホウ素(B)及びゲルマニウム(Ge)のそれぞれの含有量がいずれも10ppm未満に抑えられたシリコンスパッタターゲット、
(3) 前記(1) 記載のいずれかのターゲットであって、所定の比抵抗を示すシリコンスパッタターゲット(例えば比抵抗が0.001Ω・cm〜50Ω・cmであるシリコンスパッタターゲット)。
チャンバ1及び基板ホルダ2はいずれも接地されている。
ガス供給装置5は水素ガス源の他、図示を省略した弁、流量調整を行うマスフローコントローラ等を含んでいる。
排気装置7は排気ポンプの他、排気流量調整を行うコンダクタンスバルブ等を含んでいる。
発光分光計測装置8は、ガス分解による生成物の発光分光スペクトルを検出することができるもので、その検出結果に基づいて、発光強度比〔Si(288nm) /Hβ〕を求めることができる。
次に、以上説明したシリコンドット形成装置Aによる基体(本例では基板)Sへのシコンドット形成例、特にプラズマ形成用ガスとして水素ガスのみを用いる場合の例について説明する。
先ず、シリコンドット形成に先立って、チャンバ1から排気装置7にて排気を開始する。排気装置7におけるコンダクタンスバルブ(図示省略)はチャンバ1内の前記シリコンドット形成時の圧力0.1Pa〜10.0Paを考慮した排気量に調整しておく。
排気装置7の運転によりチャンバ1内圧力が予め定めておいた圧力或いはそれより低下してくると、ガス供給装置5からチャンバ1内へ水素ガスの導入を開始するとともに電源4から電極3に高周波電力を印加し、導入した水素ガスをプラズマ化する。
このようにしてシリコンドット形成条件を決定したあとは、その条件に従ってシリコンドットの形成を行う。
以上説明したシリコンドットの形成では、ガス供給装置6におけるシラン系ガスを用いず、水素ガスのみを用いたが、真空チャンバ1内にガス供給装置5から水素ガスを導入するとともにガス供給装置6からシラン系ガスも導入してシリコンドットを形成することもできる。また、シラン系ガスと水素ガスを採用する場合、シリコンスパッタターゲット30を省略してもシリコンドットを形成することができる。
以上説明したシリコンドット形成においては、出力可変電源4の出力、水素ガス供給装置5による水素ガス供給量(又は水素ガス供給装置5による水素ガス供給量及びシラン系ガス供給装置6によるシラン系ガス供給量)、及び排気装置7による排気量等の制御は、発光分光計測装置8で求められる発光分光強度比を参照しつつマニュアル操作で行われた。
この場合、出力可変電源4の出力、水素ガス供給装置5による水素ガス供給量(又は水素ガス供給装置5による水素ガス供給量及びシラン系ガス供給装置6によるシラン系ガス供給量)、及び排気装置7による排気量について、基準発光強度比或いはそれに近い値が得られる、予め実験等で求めた電源出力、水素ガス供給量(又は水素ガス供給量及びシラン系ガス供給量)及び排気量を初期値として採用すればよい。
電源4の出力は、電極3に印加する高周波電力の電力密度が5W/L〜100W/Lに、或いは5W/L〜50W/Lに納まるように決定する。
さらに、水素ガス及びシラン系ガスの双方をプラズマ形成のためのガスとして採用する場合は、それらガスの真空チャンバ1内への導入流量比(シラン系ガス流量/水素ガス流量)を1/200〜1/30の範囲のものに決定する。例えば、シラン系ガスの導入流量を1sccm〜5sccmとし、〔シラン系ガスの導入流量(sccm)/真空チャンバ容積(リットル)〕を1/200〜1/30の範囲のものに決定する。
以上説明したシリコンドット形成においては、シリコンスパッタターゲットとして、市場で入手できるターゲットを真空チャンバ1内に後付け配置した。しかし、次の、外気に曝されないシリコンスパッタターゲットを採用することで、予定されていない不純物混入が一層抑制されたシリコンドットを形成することが可能である。
すなわち、第4図に概略図示するように、シリコンスパッタターゲット形成のための真空チャンバ10を前記の真空チャンバ1にゲートバルブVを介して外部から気密に遮断された状態に連設する。
なお、搬送装置に関して言えば、真空チャンバ10と真空チャンバ1との間に、搬送装置を設けた真空チャンバを配置し、該搬送装置を設けたチャンバを、ゲートバルブを介してチャンバ10とチャンバ1にそれぞれ連設してもよい。
(1) 実験例1
第1図に示すタイプのシリコンドット形成装置を用い、但しシリコンスパッタターゲットは採用せずに、水素ガスとモノシランガスを用いて基板上に直接シリコンドットを形成した。ドット形成条件は以下のとおりとした。
基板:酸化膜(SiO2 )で被覆されたシリコンウエハ
チャンバ容量:180リットル
高周波電源:60MHz、6kW
電力密度:33W/L
基板温度:400℃
チャンバ内圧:0.6Pa
シラン導入量:3sccm
水素導入量:150sccm
Si(288nm) /Hβ:0.5
第1図に示すタイプのシリコンドット形成装置を用い、水素ガスとモノシランガスを用いて、さらにシリコンスパッタターゲットも併用して、基板上に直接シリコンドットを形成した。ドット形成条件は次のとおりであった。
シリコンスパッタターゲット:アモルファスシリコンスパッタターゲット
基板:酸化膜(SiO2 )で被覆されたシリコンウエハ
チャンバ容量:180リットル
高周波電源:60MHz、4kW
電力密度:22W/L
基板温度:400℃
チャンバ内圧:0.6Pa
シラン導入量:1sccm
水素導入量:150sccm
Si(288nm) /Hβ:0.3
第1図に示すタイプのシリコンドット形成装置を用い、但しシランガスは採用しないで、水素ガスとシリコンスパッタターゲットを用いて、基板上に直接シリコンドットを形成した。ドット形成条件は以下のとおりであった。
シリコンスパッタターゲット:単結晶シリコンスパッタターゲット
基板:酸化膜(SiO2 )で被覆されたシリコンウエハ
チャンバ容量:180リットル
高周波電源:60MHz、4kW
電力密度:22W/L
基板温度:400℃
チャンバ内圧:0.6Pa
水素導入量:100sccm
Si(288nm) /Hβ:0.2
第1図に示すタイプのシリコンドット形成装置を用い、先ず、真空チャンバ1の内壁にシリコン膜を形成し、次いで該シリコン膜をスパッタターゲットとしてシリコンドットを形成した。シリコン膜形成条件及びドット形成条件は以下のとおりであった。
シリコン膜形成条件
チャンバ内壁面積:約3m2
チャンバ容量:440リットル
高周波電源:13.56MHz、10kW
電力密度:23W/L
チャンバ内壁温度:80℃ (チャンバ内部に設置のヒータでチャンバを加熱)
チャンバ内圧:0.67Pa
モノシラン導入量:100sccm
水素導入量:150sccm
Si(288nm) /Hβ:2.0
ドット形成条件
基板:酸化膜(SiO2 )で被覆されたシリコンウエハ
チャンバ容量:440リットル
高周波電源:13.56MHz、5kW
電力密度:11W/L
チャンバ内壁温度:80℃ (チャンバ内部に設置のヒータでチャンバを加熱)
基板温度:430℃
チャンバ内圧:0.67Pa
水素導入量:150sccm (モノシランガスは使用しなかった。)
Si(288nm) /Hβ:1.5
第1図に示すタイプのシリコンドット形成装置を用い、先ず、真空チャンバ1の内壁に実験例4におけるシリコン膜形成条件でシリコン膜を形成し、次いで該シリコン膜をスパッタターゲットとしてシリコンドットを形成した。ドット形成条件は、チャンバ内圧力を1.34Paとし、Si(288nm) /Hβを2.5とした以外は実験例4と同じとした。
ドット形成後、基板断面を透過電子顕微鏡(TEM)で観測したところ、それぞれ独立的に形成され、また、均一分布で高密度な状態に形成された、粒径の揃ったシリコンドットを確認できた。TEM像から50個のシリコンドットの粒粒を測定し、その平均値を求めたところ、10nmであり、10nm以下の粒径のシリコンドットが実質的に形成されていることが確認された。ドット密度は約7.0×1011個/cm2 であった。
第1図に示すタイプのシリコンドット形成装置を用い、先ず、真空チャンバ1の内壁に実験例4におけるシリコン膜形成条件でシリコン膜を形成し、次いで該シリコン膜をスパッタターゲットとしてシリコンドットを形成した。ドット形成条件は、チャンバ内圧力を2.68Paとし、Si(288nm) /Hβを4.6とした以外は実験例4と同じとした。
ドット形成後、基板断面を透過電子顕微鏡(TEM)で観測したところ、それぞれ独立的に形成され、また、均一分布で高密度な状態に形成された、粒径の揃ったシリコンドットを確認できた。TEM像から50個のシリコンドットの粒粒を測定し、その平均値を求めたところ、13nmであり、20nm以下の粒径のシリコンドットが実質的に形成されていることが確認された。ドット密度は約6.5×1011個/cm2 であった。
第1図に示すタイプのシリコンドット形成装置を用い、先ず、真空チャンバ1の内壁に実験例4におけるシリコン膜形成条件でシリコン膜を形成し、次いで該シリコン膜をスパッタターゲットとしてシリコンドットを形成した。ドット形成条件は、チャンバ内圧力を6.70Paとし、Si(288nm) /Hβを8.2とした以外は実験例4と同じとした。
ドット形成後、基板断面を透過電子顕微鏡(TEM)で観測したところ、それぞれ独立的に形成され、また、均一分布で高密度な状態に形成された、粒径の揃ったシリコンドットを確認できた。TEM像から50個のシリコンドットの粒粒を測定し、その平均値を求めたところ、16nmであり、20nm以下の粒径のシリコンドットが実質的に形成されていることが確認された。ドット密度は約6.1×1011個/cm2 であった。
S 基板
1 真空チャンバ
2 基板ホルダ
2H 基板加熱用ヒータ
3 放電電極
4 放電用高周波電源
41 マッチングボックス
5 ガス供給装置
6 ガス供給装置
7 排気装置
8 プラズマ発光分光計測装置
31 シリコン膜
30 シリコンスパッタターゲット
80 制御部
81、82 分光器
83 演算部
100 ターゲット基板
10 真空チャンバ
V ゲートバルブ
2’ ホルダ
2H’ ヒータ
T 搬送装置
SP 台
3’ 電極
4’電源
5’ 水素ガス供給装置
6’ シラン系ガス供給装置
7’ 排気装置
Claims (19)
- シリコンドット形成対象基体を配置した真空チャンバ内にシラン系ガス及び水素ガスを導入し、これらガスに高周波電力を印加することで該真空チャンバ内に、プラズマ発光において波長288nmにおけるシリコン原子の発光強度Si(288nm) と波長484nmにおける水素原子の発光強度Hβとの比〔Si(288nm) /Hβ〕が10.0以下0.1以上であるプラズマを発生させ、該プラズマにより、500℃以下の低温で前記基体上に直接、粒径が20nm以下のシリコンドットを形成することを特徴とするシリコンドット形成方法。
- 前記発光強度比〔Si(288nm) /Hβ〕が3.0以下である請求項1記載のシリコンドット形成方法。
- 前記基体上に直接、粒径が10nm以下のシリコンドットを形成する請求項1又は2記載のシリコンドット形成方法。
- 前記真空チャンバ内にシリコンスパッタターゲットを配置し、前記プラズマによる該ターゲットのケミカルスパッタリングを併用する請求項1、2又は3記載のシリコンドット形成方法。
- 前記シリコンスパッタターゲットとして、スパッタターゲット形成用真空チャンバ内にターゲット基板を配置し、該真空チャンバ内にシラン系ガス及び水素ガスを導入し、これらガスに高周波電力を印加することで該真空チャンバ内にプラズマを発生させ、該プラズマにより該ターゲット基板上にシリコン膜を形成して得たシリコンスパッタターゲットを採用し、該シリコンスパッタターゲットを該スパッタターゲット形成用真空チャンバから前記シリコンドット形成対象基体を配置する真空チャンバ内に、外気に触れさせることなく搬入配置して用いる請求項4記載のシリコンドット形成方法。
- 前記シリコンスパッタターゲットとして、燐(P)、ホウ素(B)及びゲルマニウム(Ge)のそれぞれの含有量がいずれも10ppm未満に抑えられたシリコンスパッタターゲットを採用する請求項4又は5記載のシリコンドット形成方法。
- 前記シリコンスパッタターゲットとして、比抵抗が0.001Ω・cm〜50Ω・cmであるシリコンスパッタターゲットを採用する請求項4又は5記載のシリコンドット形成方法。
- 前記シリコンスパッタターゲットは前記真空チャンバ内壁に沿って配置されており、該真空チャンバを加熱することで該シリコンスパッタターゲットを80℃以上に加熱する請求項4から7のいずれか1項に記載のシリコンドット形成方法。
- 前記シラン系ガスと水素ガスとの前記真空チャンバ内への導入流量比(シラン系ガス流量/水素ガス流量)は1/200〜1/30である請求項1から4のいずれか1項に記載のシリコンドット形成方法。
- 前記シラン系ガスの導入流量が1sccm〜5sccmであり、〔シラン系ガスの導入流量(sccm)/真空チャンバ容積(リットル)〕が1/200〜1/30である請求項1から4のいずれか1項に記載のシリコンドット形成方法。
- 前記真空チャンバ内へ導入されるガスへの高周波電力の印加は、前記真空チャンバ内に配置され、シリコン又はアルミニウムを含有する電気絶縁性膜で被覆された電極を用いて行う請求項1から10のいずれか1項に記載のシリコンドット形成方法。
- 前記プラズマ形成時の前記真空チャンバ内圧力が0.1Pa〜10.0Paである請求項1から11のいずれか1項に記載のシリコンドット形成方法。
- 前記真空チャンバ内へ導入されるガスへの高周波電力の印加は、前記真空チャンバ内に配置されるとともに前記基体に対し垂直に配置された容量結合型電極を用いて行う請求項1から12のいずれか1項に記載のシリコンドット形成方法。
- 前記真空チャンバ内へ導入されるガスへの高周波電力の印加は、誘導結合型電極を用いて行う請求項1から12のいずれか1項に記載のシリコンドット形成方法。
- 前記高周波電力の周波数は13MHz〜100MHzである請求項1から14のいずれか1項に記載のシリコンドット形成方法。
- 前記高周波電力の電力密度〔印加電力(W)/真空チャンバ容積(L:リットル)〕が5W/L〜100W/Lである請求項1から15のいずれか1項に記載のシリコンドット形成方法。
- シリコンドット形成対象基体を支持するホルダを有する真空チャンバと、該真空チャンバ内に水素ガスを供給する水素ガス供給装置と、該真空チャンバ内にシラン系ガスを供給するシラン系ガス供給装置と、該真空チャンバ内から排気する排気装置と、該真空チャンバ内に前記水素ガス供給装置及びシラン系ガス供給装置から供給されるガスに高周波電力を印加して、シリコンドット形成のためのプラズマを形成する高周波電力印加装置と、該真空チャンバ内のプラズマ発光における波長288nmでのシリコン原子の発光強度Si(288nm) と波長484nmでの水素原子の発光強度Hβとの比〔Si(288nm) /Hβ〕を求めるプラズマ発光分光計測装置とを含むことを特徴とするシリコンドット形成装置。
- 前記プラズマ発光分光計測装置で求められる発光強度比〔Si(288nm) /Hβ〕と10.0以下の範囲から定めた基準発光強度比〔Si(288nm) /Hβ〕とを比較して、前記真空チャンバ内プラズマにおける発光強度比〔Si(288nm) /Hβ〕が該基準発光強度比に向かうように、前記高周波電力印加装置の電源出力、前記水素ガス供給装置から前記真空チャンバ内への水素ガス供給量、前記シラン系ガス供給装置から前記真空チャンバ内へのシラン系ガス供給量及び前記排気装置による排気量のうち少なくとも一つを制御する制御部をさらに有している請求項17記載のシリコンドット形成装置。
- 前記プラズマ発光分光計測装置は、プラズマ発光における波長288nmでのシリコン原子の発光強度Si(288nm) を検出する第1検出部と、プラズマ発光における波長484nmでの水素原子の発光強度Hβを検出する第2検出部と、該第1検出部で検出される発光強度Si(288nm) と該第2検出部で検出される発光強度Hβとの比〔Si(288nm) /Hβ〕を求める演算部とを備えている請求項17又は18記載のシリコンドット形成装置。
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