專利名稱：用于非晶態硅和形成的薄膜的化學氣相沉積法的制作方法
技術領域：
本發明通常涉及化學氣相沉積法，更具體而言，涉及非晶態硅和形成薄膜的化學氣相沉積法。
等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)方法，是一種廣泛用于在各種基質上沉積電子材料層的半導體器件的制造方法。在PECVD方法中，基質被放置在一個真空沉積室里，在該室里配備有一對平行板極或其它的偶合電能裝置，例如旋線圈。這基質通常被安裝在還作為下部電極的感受器上。反應氣體流通過氣體進口歧管引入沉積室，該氣體進口歧管還用作上部電極。射頻(RF)電壓施加在上述兩個電極之間，此電壓產生的RF功率足以使反應氣體形成等離子體。這等離子體使反應氣體反應活躍，并導致反應體在基質本體表面上沉積一層所要求的材料。其它電子材料附加層可以通過下述方法使其沉積在第一層上，即將含有要沉積的附加層材料的反應氣體流引入沉積室。每種反應氣體要經受等離子體處理，從而導致形成所要求材料的沉積層。
可以利用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)方法來沉積能用于各種不同場合的非晶態硅薄膜。一種這樣的應用是制造那些首先必需在硅薄片上沉積有非晶態a-SiH薄膜的非晶態硅基電路元件。
遺憾的是，為了達到高生產效率和高物流通過量，在高沉積率下卻難以生產出高質量的氫化非晶態硅(a-SiH)薄膜。例如，為了生產出優質薄膜，在工業中常規方法所采用的典型沉積率近似為1-10埃/秒。在這樣的沉積率下，基質制造方法是效率非常低的方法。例如，在這樣低的沉積率下僅沉積1微米厚的a-SiH薄膜，就可能要化費2-3小時。正如可能對此所作的正確評價，對于高容積集成電路生產來說，這樣慢的加工時間是不能接受的。可是，當提高沉積率時，按常規方法生產的薄膜質量不合格。
已有一些試圖生產高質量的非晶態硅和改進生長率的嘗試。一份由A.馬祖丹報導的這樣的研究報告發表在1998年的真空科學技術學會會志第16卷1冊1月/2月期上，該論文的題目為“以高生長率獲得低缺陷密度的非晶態硅的等離子體和表面反應作用”。根據對等離子體化學組成和性質的看法，該篇文章講述了有關形成a-SiH薄膜的基本機理中的一些機理，并提供了有關保持“足夠的硅烷流率”和“降低硅烷的局部壓力”的一些普遍評論。遺憾的是，該文章既沒有列舉也沒有提供具體的關于沉積率和產生的非晶態硅薄膜的質量的實驗結果。此外，沒有提供或指出有關能夠在制造工藝中加以應用的具體的工藝條件和工藝圖。因此，很希望有關于如何利用可制造的方法，來提高非晶態硅的生長率而又能生產出高質量材料的具體說明。
某些現有技術方法試圖通過調整在CVD室中形成等離子體所施加的能量，來改進非晶態硅的生長。例如US5648293提出了一種通過利用改進的高頻周期放電來沉積非晶態硅的方法。遺憾地，控制高頻周期放電要求額外的輔助操作和更難以監控，從而將一些無效的東西引入了制造工藝中。而且，這種周期性放電會損壞放置在硅基質上的裝置。
有些現有技術方法企圖通過設計專用加工設備(例如重新設計反應器和裝料鎖定系統)來改進薄膜的質量。在由托什海羅·卡門和阿克海薩·馬特薩戴發表的論文“超純的氫化非晶態硅”中論述了一種這樣的方法。遺憾地，這些方法不僅設計費用大，而且這種設備的復雜性可能使得設備的操作和維護更不方便。正如可能對此所作的正確評價，要求的新專用設備必須經大量的運轉試驗并得到確認，這就會將復雜的和無效的東西引入制造工藝中。
基于以上所述，明確地希望提供一種能有效地沉積出一層非晶態硅薄膜的方法。
本發明的目的是要提供一種以高的沉積率使a-SiH層或薄膜沉積在硅基質上的方法，這種方法能合適地用于制造工藝中。
本發明的另一個目的是要提供一種適合于在制造工藝中采用的，以高的沉積率使a-SiH層或薄膜沉積在硅基質上，同時能產生優質的薄膜的方法。
按照一種實施方案，本發明提供了一種以極快的沉積率使非晶態硅薄膜層沉積在基質上，又保持薄膜高質量的方法。在工藝操作室內的等離子體的容積被確定。引入該室中的混合氣體的總流率也被確定。這總流率是混合氣體中各氣體流率之和。其次，包括等離子體容積和總流率的工藝參數被確定。于是，在非晶態硅薄膜的沉積過程中，按照第一預定關系使工藝、參數保持預定值。通過采用本發明，能夠以極高的效率利用活性非晶態硅半導體層生產出高質量的電路器件(例如二極管或薄膜晶體管)。每當需要一層非晶態硅涂層(摻雜或不摻雜)時，就可應用本發明的加工方法。
按照另一個實施方案，本發明導出了一種含有硅和氫二種元素的高質量非晶態硅薄膜，當在50,000放大率的電子掃描顯微鏡(SEM)下觀察時，可以看到有著平滑的和玻璃狀光澤的外表，而當切開時，在剖面圖和俯視圖上可以看到有著密實的結構。本發明的高質量非晶態硅薄膜還具有以來自帶隙導電邊緣的能量表示的能態密度與深度的關系圖，基本上如圖5所示，和一張光電容與光子能量的關系曲線圖，基本上如圖6所示。
本發明通過實例而不是用限制的方法，以附圖的圖形來闡明的，圖中相同的參考數碼指的是相同的元件。


圖1是按照本發明的方法能得以實施的等離子體增強化學氣相沉積室的示意剖面圖。
圖2是闡明按照本發明的一種實施方案的加工步驟流程圖。
圖3是按照本發明的一種實施方案制造的非晶態硅薄膜的X射線衍射儀圖。
圖4是按照本發明的一種實施方案制造的非晶態硅薄膜的紅外光譜圖。
圖5闡明了按照本發明的加工方法制造的非晶態硅薄膜的，以來自帶隙導電邊緣的能量表示的態密度與深度的關系圖。
圖6是按照本發明的加工方法制造的非晶態硅薄膜的光電容與光子能量關系曲線圖。
現對用于形成非晶態硅涂層的高沉積率方法和由此得到的高質量a-SiH層進行敘述。為了說明起見，在以下的敘述中對許多特殊的細節作了詳細陳述，以便對本發明有一個充分的了解。但是，對于本領域的技術人員而言，無需這些專門的詳細論述就能實踐本發明，這將是顯而易見的。在其它情況下，為了避免對本發明產生不必要的理解困難，用方塊圖形式表明了眾所周知的結構和裝置。
本發明的發明者們已識別出，對以高沉積率形成a-SiH薄膜的各種現有技術方法所遇到的各種，問題會產生影響的以下三個因素。第一，在工藝操作室(例如等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)室)中有高的粒子生成率。第二，在可能導致成為一種粒子生成源的含硅分子碎片之間有著高的碰撞頻率。第三，這些現有技術方法采用了將低流率的含硅前體引入工藝操作室，從而增加在該室內生成粒子的數量和速率。
根據這些已識別出的因素，本發明提供了一種用以形成a-SiH薄膜的高沉積率方法，且用此方法所得到的a-SiH薄膜顯示有低的缺陷密度。本發明提供了一些新的技術和機械以便(1)減少工藝操作室內生成的粒子數量；和(2)以便排除在上述室內已生成的粒子。
本發明通過定義一新的工藝參數和在本方法中實施這參數的辦法，來減少在該室內生成的粒子數量。這工藝參數與該室內的等離子體和引入該室的氣體的流率有關。首先，本發明確定了在該室內的等離子體容積。第二，本發明確定了進入該室的氣體的流率。第三，本發明規定了一個確定在等離子體容積與抽氣速度之間預定關系的工藝參數(K)。這種預定關系可以是了子體容量和抽氣速度(例如氣體的流率)之間的比值。
此外，本發明的加工方法規定了，在這些含硅前體有一低的局部壓力的情況下，它們有一高的流率。此外，本發明的加工方法規定了，等離子體有一高的能量，以使含硅前體有效地成為碎片。最后，本發明將對薄片的溫度，該室里的氫的含量，以及薄膜中的氫的含量進行控制，以便生產出具有低缺陷密度的a-SiH材料或薄膜。
本發明還指出要清除該室內生成的粒子。可以通過采用以下的方法來實現清除粒子，即采用能容易和快速地清洗的工藝操作室或采用自動清洗室。等離子體反應器10參看圖1，圖中表明了等離子體增強化學氣相沉積(PEVCD)裝置10(文中也稱為等離子體反應器10)的示意剖面圖，在此裝置中能實施本發明的方法。裝置10備有沉積室12，該室包括頂壁板14，側壁板32和底板22。頂壁板12上有一個貫穿該壁板的開孔。該裝置10還有一個第一電極或氣體進氣歧管16，位于由頂壁板12確定的開孔內。另一種辦法是，頂壁板14可以是一個整體，在靠近其內表面處裝有電極16。在室12內部有一個平板形式的感受器18，它平行于第一電極16。感受器18安置在軸20的末端上，而軸20則垂直貫穿沉積室12的底板22。這軸20能垂直移動，以便容許感受器18垂直運動，朝向或離開第一電極16。
氣體排氣管30貫穿沉積室12的側壁32，并與用于抽空沉積室12的裝置(未示出)相連接。氣體進氣管42貫穿沉積室12的第一電極或氣體進氣歧管16，并通過氣體轉接網絡(未示出)連接到各種氣體氣源(未示出)上。應指出，可以采用一個以上的氣體進氣管42，氣體進氣管42也可貫穿該室12的其它壁板中的任一壁板。第一電極與RF能量源36相連接。
沉積裝置10作業時，基質38(例如硅基質)首先裝進沉積室12，通過送料器(未示出)將其放置在感受器18上。通常使用的硅晶體管基質的尺寸大致為100mm×300mm。感受器18升起基質38，以便將基質38置于比較靠近第一電極16的位置。優選的電極間隙或基質表面和氣體進氣歧管16的排氣表面之間的距離為約250-約800密耳。工藝流程圖2是闡明按照本發明的一種實施方案的加工步驟的流程圖。在沉積過程的一開始時，首先通過氣體排氣管30將沉積室12抽空。雜質監控步驟200，對該室12的壁板是否清潔作出鑒定(例如，壁板的確有著不可接受的雜質水平)。這雜質水平是預定的，并能根據不同的加工方法和應用狀況而改變。優選地，雜質水平限于小于1015/cm3或低于應用最廣的SIMS(次級離子質譜儀)的檢測能力。
有許多眾所周知的方法來確定該室12的壁板是否有雜質。這些雜質可能包括硅殘渣或摻雜劑(例如磷，硼，鋁或砷)。一種這類雜質的檢測方法，是應用次級離子質譜儀(SIMS)。另一種雜質檢測方法是讓某種薄膜在壁板上生長，然后檢驗其中的雜質。
如果有雜質，按步驟204清洗該室12的壁板。清洗步驟結束后，加工程序轉向步驟208。如果按照步驟200確定雜質的水平處于合格水平，加工程序直接轉向步驟208而無需清洗步驟204。清洗工藝操作室工藝操作室優選能自動清洗，從而無粒子留下。在每次沉積之后，當改變摻雜劑類型時，或當對粒子的產生可能有爭議時，可以實施室的內側對現場清洗法。這清洗法有效地從室的壁板上清除可能成為薄膜中有害雜質源的雜質和粒子。這樣的現場清洗的頻率取決于根據每種沉積方法確定的許多工藝參數。
另外，可以將真空系統與該室耦合，以例于將薄片真空傳輸到儲存區，這樣可以在室內無薄片的情況下清洗該室。任選預涂層按照步驟208，可以任選地將預涂層沉積在室12的壁板上。應指出在本方法中薄片或基質此時不在室12內，這點是重要的。通過應用本領域中眾所周知的技術，使可能是SiN薄膜或SiO2薄膜的預涂層沉積在室12的壁板上。例如，為了在室12的壁板上形成SiO2薄膜，采用引進一氧化二氮和硅烷使其通過等離子體的方法是有效的，類似地，為了在室12的壁板上形成SiN薄膜，采用引進含氮硅烷和/或氨使其通過等離子體的方法是有效的。
然后，在沉積室12內，將基質38(例如硅基質)放置在感受器18上。按照步驟216，使非晶態硅沉積同時按照預定關系使工藝參數(K)保持為預定值。這工藝參數(K)可以包括等離子體容積和進入室12的氣體流率。
可以通過在某一工藝參數(K)的條件下，在該室內形成具有該等離子體容積的等離子體的辦法進行沉積。在優選的實施方案中，工藝參數(K)是等離子體容積與混合氣體的總流率之比值，按照第一預定關系使工藝參數保持有第一預定比值。在室12內形成的等離子體可以包括引入的氣體，這引入氣體可以包括以受工藝參數(K)(例如等離子體容積與流率之比值)支配且是穩定的總流率，流進室12的反應氣體和惰性氣體。
這流率是混合氣體56中所有氣體的流率之和。例如，假設一種混合氣體是以第一流率(Q1)流動的惰性氣體52和以第二充率(Q2)流動的反應氣體(例如硅前體54)。在這種情況下，用來表成等離子體容積與流率之比值的總流率(Q總)是形成混合氣體的各氣體流率之和(亦即Q總＝Q1＋Q2)。此流率的單位為“sccm”，它代表“每分鐘標準立方厘米”。正如本領域中眾所周知的，標準溫度和壓力(STP)是在1標準大氣壓下298°K。優選地，反應氣體為含硅前體，這含硅前體可能是硅烷，乙硅烷，丙硅烷，或其它鹵代硅烷，氟化硅烷，或二氯硅烷。
在一個實施例中，惰性氣體的流率保持在高水平下，以便(1)使硅前體快速通過等離子體容積50，以增加硅的沉積率，和(2)稀釋硅前體。優選地，惰性氣體為稀有氣體之一，例如氦(He)，氖(Ne)，氬(Ar)，氪(Kr)或氙(Xe)。但不限于此。
形成等離子體的步驟還包括將能量施加于第一電極16的步驟，以便在薄片附近形成等離子體。這等離子體具有受施加的能量值控制的等離子體容積50。應指出，這等離子體限定在該室內且沒有擴散。確定在二個平行的平板構形中的等離子體容積50的一種方法是，用目視檢查等離子體的生長和它在室12內擴展多遠。然后將目視獲得的尺寸，用來計算等離子體容積50的估計值。應指出，也可采用其它的方法并可能更適于某些構形。
一種與在室12內形成等離子體所加能量有關的計量方法是能量密度。能量密度是所施加的能量值除以能量施加其上的電極的面積。在本發明的一個實施方案中，能量密度優選為約0.2W/cm2-約1W/cm2，但在其它構形中可以更大些。應指出，在這種情況中，本發明所采用的能量密度比常規的能量密度要大得多(約大一個數量級)，常規的能量密度一般為0.01W/cm2-約0.1W/cm2。
應指出，首先將能量施加到第一電極16上，然后可將氣體引進室12以形成等離子體或步驟相反。
優選地，應用小于3s的工藝參數(K)(例如等離子體容積與流率之比值)。也應相信，等離子體容積與流速之比值小于9s仍能產生出高質量的薄膜。
平均通過時間是氣體分子穿過等離子區(例如從噴射頭到輝光區外側的區域)所需平均時間。優選地，本發明方法的平均通過時間小于1.5s。在一種實施方案中，大約0.5s平均通過時間能得到良好的工藝效果。
應指出，以上所述的各種參數的值和值域可以改變，這取決于具體的工藝操作室或反應器的設計和所用加工設備的構形。
按照步驟218，在達到所要求的薄膜厚度后停止沉積。例如，在a-SiH達到特定的厚度后，通過切斷電源便能使等離子體停止產生。應指出使等離子體停止產生的另一種方法是切斷反應氣體源(例如含硅前體)。
因為沉積率是已知的，在達到預定時間后，便可使沉積停止。優選地，可以采用測量裝置例如沉積積率監視器測量a-SiH薄膜的厚度，在達到預定厚度后便可切斷電源。另一種方法是，可以采用石英天平測量a-SiH薄膜的厚度。
在加工結束后，給室12排氣，然后將薄片從室12中取出。另一種方法是，在裝料-鎖定系統中，在步驟218結束后，可將薄片直接送往真空室作進一步加工。生長條件在本發明所述實施方案中，通過沉積氣體(例如硅前體和惰性氣體的混合氣體)同時使CVD室內的壓力保持為約2-約9乇，和基質放置點的溫度為225-330℃，就能得到高質量的a-SiH薄膜。
正如本領域內眾所周知的，基質的真實溫度不同于放置點的溫度，一般來說，可能比放置點的溫度要低約30度。建立沉積溫度的優選方法是，在幾種不同溫度下使材料或薄膜生長，并獲得紅外光譜圖(例如圖4的傅里葉變換紅外光譜圖)。參考圖4，這溫度可根據使氫的總量為最大，而同時使2100cm-1處的臺肩或峰值最小來確定。
為了保持足夠的反應氣體含量并根據使等離子體容積與流率有關的工藝參數(K)來調整氣體流率。優選地，采用以流率150-300sccm的硅烷和以泫率3000-7000sccm的氬，使a-SiH沉積在項質上。a-SiH薄膜的合適的厚度是約10nm-2000nm。適用于a-SiH薄膜沉積的優選工藝條件示于下面表I。
表I
減少粒子的形成當抽氣速度(S)增加時，氣體在等離子體中花費最小的時間，從而減少了可能落在硅薄片上或附著在該室的壁板上的粒子形成。
下面的表達式表達了在本發明中應用的流率，抽氣速度和壓力之間的關系Q＝S×P式中Q是流率，S是抽氣速度，和P是壓力。
沉積率(此處也稱為“沉積率”)通常與流率(Q)成正比。在現有技術中，曾認為為了沉積出高質量的材料，必須使淀積率保持低值。因為淀積率通常與流率成正比，故曾認為為了沉積出高質量的非晶態硅層，流率(Q)也必須保持低值。
為了進一步討論薄膜生長機理，請參閱K.塔納克的“輝光放電氫化非晶態硅”的第2章“沉積方法和生長機理”，該由在1989年由克盧維爾阿卡德米奇出版社出版，社址波士頓。
相反，本發明增大流率(Q)，從而增加了沉積率同時又保持了生成產品的質量。對于許多系統，對最好是保持壓力為常數的系統，本發明還增加抽氣速度(S)。本發明的方法的其它步驟，例如局部低能等離子體和該室的清洗，涉及粒子產生問題，和生產高質量的非晶態硅層。
由本發明的方法生產的a-SiH薄膜具有以每秒至少25埃的沉積率沉積在整個薄片上，并具有不大于1.3×1016cm-3的缺陷密度。應指出，采用本發明的方法，缺陷密度2×1015cm-3-3×1015cm-3是可以達到的。另外，采用本發明方法已使沉積率達到了30-40埃/秒。應相信當采用較高的抽氣速度時，缺陷密度能進一步降低。
在一種實施方案中，非晶態硅薄膜通過以選自25-40/S的高沉積率實施的化學氣相沉積法沉積而成。本發明的加工方法規定了小的等離子體與抽氣速度之比值，應用了能容易和快速清洗的CVD室，規定了在這些含硅前體有一低的局部壓力情況下它們有一高的流率，以及規定了等離子體有一高的能量以使含硅前體有效地形成碎片。
應指出，上面所述的用于沉積無摻雜的非晶態硅的方法，同樣地適用于非晶態硅摻雜薄膜。例如，在有些應用場合，可能最好是形成n-型或p-型區摻雜薄膜。例如，摻雜非晶態硅(例如乙硼烷或膦)可以通過添加含硼或含磷氣體形成。非晶態硅沉積法可適用于具有上述同樣優點的這些摻雜薄膜。在這些情況中，加工設備可包括能控制含有引進摻雜薄膜中的摻雜劑原子的氣體流量的機械。這些摻雜劑包括以下元素B，Al，Ga，In，C，Sn，Ge，Pb，P，N，As，Sb，Ti，Bi，Se，S，Te和O，但不限于此。于是，摻雜硅薄膜能夠在上述類似的工藝條件外加少量摻雜劑的條件下制成。氫化非晶態硅的圖象按照本發明的一種實施方案制造的氫化非晶態硅可以根據對氫化非晶態硅性能所采用的一種或更多種測量方法來識別。現參照圖3-6對這些性能進行描述。
圖3是按照本發明的一種實施方案制造的氫化非晶態硅的X射線衍射儀圖。獲得該圖所需的測量設備是本領域內普通技術人員所周知的，它包括用來產生和將X射線束射向試件(亦即尚需測量的材料)的X射線源，和為接收由該試件衍射的X射線而設置的探測器。垂直軸代表相對強度，它可以任何任選的單位來表示。這強度是被探測器接收到的X射線數的一種相對度量。水平軸代表由入射的X射線束和由試件衍射的X射線束形成的夾角。這角度以2θ角為單位給出。應指出，在大約27度處有一峰值310，而在大約54度處，有一諧波為320，這是采用本發明的方法沉積出的非晶態硅層的一種獨特的圖象。峰值310代表非晶態晶帶，它表明了基于Si-Si原子平均間距的散布。X射線衍射儀不能檢測大餾分的晶態材料。
圖4是按照本發明的一種實施方案制造的氫化非晶態硅的紅外光譜圖。在這FTIR圖中有五條曲線，每條曲線對應一不同的溫度(例如以25度增量表示，放置點溫度從200到325℃)。獲得此圖所需的測量設備是本領域內普通技術人員所周知的，它包括用來產生和將紅外光射向試件(亦即尚需測量的材料)的紅外線源和為接收通過該試件的紅外線而設置的探測器。水平軸代表波數，它只是入射紅外線波長的倒數的一種相對度量。垂直軸代表吸收率(亦即不能通過該材料的光線的測量值)。
一旦加工條件已按以上所述設定，可以應用圖4的紅外光譜曲線來選擇適用于該材料的最佳加工溫度，以達到改進a-SiH的結構。圖4用對應于5種不同溫度的5條曲線來說明。第一條曲線400對應于300℃。第二條曲線402對應于275℃。第三條曲線404對應于250℃。第四條曲線406對應于225℃。第五條曲線408對應于200℃。在這些曲線(400-408)的大約2000cm-1處有一紅外吸收峰。第一曲線400和第二曲線402顯示在大約2100cm-1處有一小的臺肩。
通常都知道，通過有選擇地改進基質溫度，便能增加或減少氫原子數量以求得最佳的氫原子數量。最佳條件是當氫原子數目與硅中的懸空鍵數目極為匹配時，當有過多的氫原子數目時(亦即基質溫度太高)，紅外光譜圖顯示出有一臺肩(例如曲線400和402)。優選地，本發明的a-SiH材料以紅外光譜圖的第4條曲線406(225℃)或者是第5條曲線408(200℃)為特點，二者都顯示沒有臺肩，由此表明氫原子數目與硅中的懸空鍵數目極為匹配。正如前面所述，確定工藝溫度的優選方法是借助于圖4的紅外光譜圖。
利用本發明的加工方法制造的a-SiH沉積薄膜，在50000放大率的電子掃描顯微鏡(SEM)下觀察時，顯示有平滑和玻璃狀光澤的外表。當切開時，由本發明的加工方法制造的a-SiH沉積薄膜的剖面圖和俯視圖顯示為一密實結構。
圖5闡明了按照本發明的一種實施方案制造的氫化非晶態硅的，以來自帶隙導電邊緣的能量表示的能態密度與深度的關系圖(此外稱為能態密度圖)。此能態密度圖形成了本發明的氫化非晶態硅的“指紋”。能態密度圖指示出材料的質量并揭示了用本薄膜制造的器件的漏泄程度。該圖還表明了會對漏泄產生影響的懸空鍵缺陷的程度，也是材料質量的指示器。應指出，這種積分能態密度(DOS)小于約6×1015cm-3。另外，在離帶隙導電邊緣約0.88eV處有一中間間隙峰，而在大約0.83eV處有第二峰。帶隙約為1.84eV。熱載體產生的活化能量(Ea)是0.9eV，而Urbach能量(Eu)約為56meV。
請參閱“低水平B-摻雜a-SiH薄膜的中間間隙態的測量”，該文由J.泰爾，D.萊福格，G.庫奧依，M.高和G.雷等人編寫，并發表在第18屆ICAMS會刊，J.非晶形因體一集上，在此引入作為參考，并以此作為對一種形成DOS圖的技術的描述。
圖6是按照本發明的一種實施方案制造的氫化非晶態硅的光電容與光子能量關系曲線圖。曲線的直線部分608的斜率604表示沿價帶邊緣的能態密度(DOS)。斜率604和在大約0.8eV和1.4eV之間所定義的臺肩612提供了利用本發明的方法制造的a-SiH薄膜所具有的一種圖象。利用本發明的方法制造的a-SiH薄膜的陡斜部分的斜率604表明，該薄膜在其原子結構方面比具有較大斜率的材料有著更多的序。增加序改善了遷移率(亦即有著較少的存儲電荷)，從而降低了薄膜中的電容。由于該薄膜的電容下降了，用其制造的快速器件顯示有交快的響應(亦即器件的速度增加)。應指出，陡斜部分的斜率越小，該材料的無序程度越小，從而表明材料有較高的質量。在本發明的一種實施方案中，陡斜部分的斜率約為56meV。相反，質量低的材料具有約為70-80meV的大得多的斜率，這表明無序程度較高。
總之，用上面所述方法制造的a-SiH薄膜根據圖3-6能獨特地加以識別。這些圖或曲線圖提供了本a-SiH所特有的圖象，以致當根據某一已知試件材料測得這些測量結果后，便能作出該試件材料是否是按照本發明的方法制造的a-SiH的結論。
在上述說明中，已根據一些具體實施方案對本發明作了敘述。但是，很明顯，可以對其作出許多修改和更改，只要不違背本發明的主要目標。因此，本說明和這些圖都是被認為是解釋性的而不是限制性的。
權利要求
1.一種沉積非晶態硅薄膜的方法，包括以下步驟確定工藝操作室中的等離子體容積；確定引入工藝操作室的混合氣體的總流率，該混合氣體包括含有前體的硅；其中總流率是混合氣體中各個氣體的流率之和；確定工藝參數，它包括等離子體容積和總流率；和在非晶態硅薄膜沉積過程中，按照預定關系使工藝參數保持預定值。
2.權利要求1的方法，其中定義包括等離子體容積和總流率的工藝參數的步驟包括定義工藝參數為等離子體與總流率之比值；和其中在非晶態硅薄膜沉積過程中，按照預定關系使工藝參數保持具有預定值的步驟，包括使等離子體容積與總流率之比值保持為小于預定比值。
3.權利要求2的方法，其中預定的比值小于9秒。
4.權利要求2的方法，其中預定的比值小于3秒。
5.權利要求1的方法，其中非晶態硅薄膜采用化學氣相沉積法沉積，其中總流率至少為25/s。
6.權利要求1的方法，其中非晶態硅薄膜具有的陷缺密度不大于1.3×1016cm-3。
7.權利要求5的方法，其中平均渡越時間定義為氣體分子通過等離子體區所需平均時間；和其中平均渡越時間小于1.5秒。
8.權利要求5的方法，其中平均渡越時間定義為氣體分子通過等離子體區所需平均時間；和其中平均渡越時間約為0.5秒。
9.權利要求1的方法，進一步包括使工藝操作室內的壓力保持為約2乇-約9乇；其中在非晶態硅薄膜沉積過程中，按照預定關系工藝參數保持有預定值的步驟包括使反應氣體的流率保持為150-300sccm；使稀有氣體的流率保持為約3000sccm-約7000sccm；和使能量密度保持為約0.2W/cm2-約1W/cm2。
10.權利要求1的方法，其中使非晶體硅薄膜沉積在硅基質上。
11.權利要求1的方法，其中非晶態硅是a-SiH薄膜。
12.權利要求11的方法，其中a-SiH薄膜是無摻雜的a-SiH薄膜。
13.權利要求11的方法，其中a-SiH薄膜是摻雜的a-SiH薄膜。
14.由權利要求1的方法制造的非晶態硅薄膜。
15.一種在具有壁板的室內使非晶態硅生長的方法，該方法包括(a)確定該室壁板是否清潔；(b)如果不清潔，則清洗該室壁板；和(c)如果清潔，在該室內形成具有等離子體容積的等離子體；其中形成等離子體包括將反應氣體以某一流率引入該室的步驟；其中使反應氣體的等離子體容積與該流率之比值，按照預定的關系保持預定的比值。
16.由權利要求15的方法制造的非晶態硅薄膜。
17.一種在具有壁板的室內使非晶態硅生長的方法，該方法包括(a)確定該室的壁板是否清潔；(b)如果不清潔，則清洗該室的壁板；(c)如果清潔，則以某一流率將反應氣體引入該室；和(d)在第一電極和第二電極之間施加能量，以使在該室內表成等離子體，該等離子體具有一定的等離子體容積；其中保持該流率和施加的能量，以使按照預定的關系使等離子體容積與流率的比值具有預定的比值。
18.由權利要求17的方法制造的非晶態硅薄膜。
19.一種氫化非晶態硅薄膜，它包括硅和氫元素；當在50000放大率的電子掃描顯微鏡(SEM)下觀察時，該薄膜具有平滑和玻璃狀光澤的外表；當切開該薄膜時，它在剖面圖和俯視圖上具有密實的結構；該薄膜具有基本上如圖5所示的，以來自帶隙導電邊緣的能量表示的能態密度與深度關系圖；和該薄膜具有基本上如圖6所示的光電容與光子能量曲線圖。
20.權利要求19的氫化非晶態硅薄膜，該薄膜具有基本上如圖3所示的X射線衍射圖，和具有基本上如圖4所示的紅外線光譜圖。
21.權利要求19的氫化非晶態硅薄膜，還包括選自B，Al，Ga，In，C，Sn，Ge，Pb，P，N，As，Sb，Ti，Bi，Se，S，Te和O的一種摻雜劑。
全文摘要
以非常快的沉積率使非晶態硅薄膜層沉積在基質上,同時又使該薄膜保持質優的方法。確定了在工藝操作室內的等離子體容積。也確定了引入該室的混合氣體的總流率。總流率是混合氣體中各個氣體的流率之和。其次,確定了包括等離子體容積和總流率的工藝參數。然后,在非晶態硅薄膜的沉積過程中,按照第一預定關系使工藝參數保持有預定值。
文檔編號H01L31/036GK1339617SQ01121189
公開日2002年3月13日 申請日期2001年6月12日 優先權日2000年6月12日
發明者J·A·泰爾, G·J·科伊, R·P·瓦赫瑟 申請人:安捷倫科技有限公司