在具有喷头的等离子体增强化学汽相沉积系统中通过背面扩散实现气体混合的方法

专利名称：在具有喷头的等离子体增强化学汽相沉积系统中通过背面扩散实现气体混合的方法
技术领域：
本发明的实施方式大体涉及一种诸如用于太阳能电池的薄膜形成，以及形成薄膜 的方法。更具体地，本发明的实施方式涉及在薄膜太阳能电池和结晶太阳能电池中形成的 具有混合硅相的本征型硅层的形成方法。
背景技术：
光伏(PV)器件或太阳能电池是将太阳光转换成直流(DC)电能的器件。结晶硅太 阳能电池和薄膜太阳能电池是太阳能电池的两种类型。结晶硅太阳能电池通常使用单晶硅 基板(即纯硅的单晶基板)或者多晶硅基板(即多晶或多晶硅)。将另外的膜层沉积在硅 基板上，从而改善光捕获能力、形成电路和保护器件。薄膜太阳能电池使用沉积在合适基板 上的材料薄层，以形成一个或多个p-n结。合适基板包括玻璃、金属和聚合物基板。通常，薄层太阳能电池包括有源区，或者光电转换单元，和设置为正面电极和/或 背面电极的透明导电氧化物(TCO)膜。光电转换单元包括P型硅层、η型硅层和夹在P型硅 层和η型硅层之间的本征型(i型)硅层。可利用包括微晶硅膜(μ c-Si)、非晶硅膜(a-Si)、 多晶硅膜(poly-Si)等多种类型的硅膜来形成光电转换单元的ρ型、η型和/或i型层。背 面电极可含有一个或多个导电层。当太阳能电池的光电转换单元暴露于太阳光(由光子能 量构成)时，通过PV效应将太阳光转换为电能。薄膜太阳能电池通常由以多种不同方式放置在一起的许多种类型的膜或层形成。 在这种器件中使用的大多数膜都包含半导体元素，所包含的半导体元素可以包括硅、锗、 碳、硼、磷、氮、氧、氢等。不同膜的特性包括结晶度、掺杂类型、掺杂浓度、膜折射系数、膜消 光系数、膜透明性、膜吸收性、导电性、厚度和粗糙度。这些膜中大多数都能通过使用可包括 一定程度的离子化或等离子体形成的化学汽相沉积工艺形成。用于微晶或多晶层的硅膜的不充分结晶会引起膜的不完全形成和部分形成 (fraction)，从而降低PV太阳能电池的转换效率。此外，微晶硅膜的常规沉积工艺沉积速 度慢，这会不利地降低制造产量并增加生产成本。为了扩大太阳能电池的经济用途，必须提高太阳能电池自身的效率以及用于制造 太阳能电池的工艺的效率。随着能量成本以及环境问题的增加，需要更加高效的薄膜太阳 能电池以及太阳能电池中薄膜的更加高效的形成。因此，需要一种用于沉积微晶硅膜的改良的方法。

发明内容
在本发明的一个实施方式中，提供了一种在沉积室中于基板上形成微晶硅层的方 法。该方法包括将工艺气体流入到沉积室的背板和喷头之间的扩散区域中，将工艺气体流 动通过喷头中的多个孔并流入到沉积室的喷头和基板支件之间的工艺空间中，点燃工艺空 间内的等离子体，使等离子体中形成的气体离子回流通过喷头中的多个孔并流入到扩散区域中，在扩散区域中混合气体离子和工艺气体，使气体离子和工艺气体重新流动通过喷头 中的多个孔并流入到工艺空间内，和在基板上沉积微晶硅层。在本发明的另一实施方式中，提供了一种在沉积室内于基板上形成微晶硅层的方 法。该方法包括将硅烷气体流入到沉积室的背板和喷头之间的扩散区域中，使硅烷气体流 动通过喷头中的多个孔并流入到沉积室中的喷头和基板支件之间的工艺空间内，点燃工艺 空间内的等离子体，和循环硅烷气体流。循环气体流包括在点燃等离子体之后使硅烷气体 流动约1至15秒，和通过停止硅烷气体流约50至65秒，使等离子体中形成的气体离子回 流通过喷头中的多个孔并流入到扩散区域中。该方法还包括在扩散区域中混合气体离子和 硅烷气体，通过重复循环，使气体离子和硅烷气体重新流动通过喷头中的多个孔并流入到 工艺空间中，以及在基板上沉积微晶硅层。


为了更详细了解本发明的上述特征，参照具体实施方式
可更具体说明以上所简述 的发明，其中一些于图中示出。但是应当注意，附图仅示出了本发明的典型实施方式，且因 此不认为限制本发明的范围，本发明允许其他等同有效的实施方式。图IA是根据本文所述一个实施方式的薄膜太阳能电池器件的侧截面图；图IB是根据本文所述一个实施方式的薄膜太阳能电池器件的侧截面图；图IC是根据本文所述一个实施方式的复合太阳能电池结构的平面图；图ID是沿着图IC的A-A截面的侧截面图；图IE是根据本文所述一个实施方式的薄膜太阳能电池器件的侧截面图；图2A示出了可以根据本文所述一个实施方式使用的集群设备的平面图；图2B是根据本文所述一个实施方式的沉积室的侧截面图；图3A-3C示出了根据本文所述一个实施方式在工艺期间图2B的沉积室的侧截面 图；图4示出了根据本文所述一个实施方式在沉积室内于基板上形成微晶硅层的方 法。图5示出了根据本文所述另一实施方式在沉积室中于基板上形成微晶硅层的另
一方法。图6A-6C示出了在具有使用纯硅烷沉积在基板上的硅的基板的各个区域处的硅 结晶度测试结果。图7A-7C示出了具有根据本发明的实施方式沉积在基板上的硅的基板的各个区 域处的硅结晶度测试结果。
具体实施例方式诸如结晶太阳能电池和薄膜太阳能电池的光伏电池通常由以多种不同方式放置 在一起的多种类型的膜或层形成。这种器件中使用的大多数膜包含半导体元素，所包含的 半导体元素可以包括硅、锗、碳、硼、磷、氮、氧、氢等等。不同膜的特性包括结晶度、掺杂类 型、掺杂浓度、膜折射系数、膜消光系数、膜透明性、膜吸收性、导电性、厚度和粗糙度。这些 膜中大多数能通过使用可包括一定程度的气体离子化或等离子体形成的化学汽相沉积工艺形成。在光伏过程中的电荷产生通常由诸如含硅层的体半导体层提供。体层有时也称作 本征层，以将体层与太阳能电池中的各种掺杂层区分开。本征层可具有任意所需程度的结 晶度，结晶度将影响光吸收特性。例如，诸如非晶硅的非晶本征层与诸如微晶或纳米晶硅或 多晶硅的具有不同结晶度的本征层相比，通常将吸收不同波长的光。由于这个原因，使用 各种类型的层以获得范围最宽的可吸收特性是有益的。硅和其他半导体可形成为具有不同结晶度的固体。实质上不具有结晶度的固体是 非晶的，具有可忽略不计的结晶度的硅被称为非晶硅。完全结晶的硅被称为结晶、多晶或单 晶硅。多晶硅是包括由晶粒间界分开的多个晶粒的结晶硅。单晶硅是单晶的硅。具有约5% 和约95%之间结晶比例的部分结晶度的固体被称作纳米晶或微晶，被称作纳米晶还是微晶 通常与非晶态下悬置的晶粒的尺寸有关。具有较大晶粒的固体被称作微晶，而具有较小晶 粒的固体是纳米晶体。应当注意到，术语“结晶硅”指的是具有晶体相的任何形式的硅，包 括微晶、纳米晶、单晶和多晶硅。本发明的实施方式大体涉及一种使用适合于在形成太阳能电池器件的系统内进 行太阳能电池器件形成中的一个或多个工艺的工艺模块在太阳能电池器件上形成微晶膜 或层的方法。在一个实施方式中，该方法用于在自动化生产线中在薄膜太阳能电池器件上 形成微晶层，该生产线接收大的未加工基板并进行多个沉积、材料去除、清洗、划片、粘合和 各种检测和测试工艺，以形成多个完整、可使用和经测试的太阳能电池器件，随后将太阳能 电池器件运送到最终用户，安装在所需位置从而产生电能。图1A-1E中示出了可用多种工艺顺序形成的太阳能电池300的一些实例在，所述 工艺顺序例如是2008年8月29日提交的美国申请序列No. 12/202，199和2008年8月29 日提交的美国申请序列No. 12/201/840中公开的顺序。图IA是可在下文所述的系统中形 成和分析的单结非晶或微晶硅太阳能电池300的简化示意图。如图IA中所示，单结非晶或 微晶硅太阳能电池300被定向为朝向光源或太阳辐射301。太阳能电池300通常包括基板 302，如玻璃基板、聚合物基板、金属基板或其它适合的基板，基板上形成有薄膜。在一个实 施方式中，基板302为尺寸约为2200mmX2600mmX3mm的玻璃基板。太阳能电池300进一 步包括形成在基板302上方的第一透明导电氧化物(TCO)层310 (例如，氧化锌(ZnO)、氧化 锡(SnO))，形成在第一 TCO层310上方的第一 p-i_n结320，形成在第一 p-i_n结320上方 的第二 TCO层340，和形成在第二 TCO层340上方的背接触层350。为了通过增强光捕获来 改善光吸收，基板和/或形成于基板上方的一或多个薄膜可非必须地通过湿法、等离子体、 离子和/或机械工艺来粗糙化。举例而言，在图IA所示的实施方式中，对第一 TCO层310 进行粗糙化，且随后沉积在该第一 TCO层310上方的薄膜一般具有与该薄膜下方的表面相 同的表面纹理。在一种结构中，第一 p-i-n结320可包括ρ型非晶硅层322、形成于ρ型非 晶硅层322上方的本征型非晶硅层324、及形成于本征型非晶硅层324上方的η型非晶硅 层326。在一实例中，ρ型非晶硅层322可形成为约60Α与约300Α之间的厚度，本征型 非晶硅层324可形成为约1,500入与约3,500Α之间的厚度，η型非晶硅层326可形成为 约IOOA与约500A之间的厚度。背接触层350可包括选自由Al、Ag、Ti、Cr、Au、Cu、Pt、 其合金及其组合所组成的组的材料，但不限于此。图IB为太阳能电池300的实施例的示意图，该太阳能电池300是被定向为朝向光
6或太阳辐射301的多结太阳能电池。太阳能电池300包括基板302，如玻璃基板、聚合物基 板、金属基板或其它适合的基板，基板上方形成有薄膜。太阳能电池300可进一步包括形成 于基板302上方的第一透明导电氧化物(TCO)层310，形成于第一 TCO层310上方的第一 p-i-n结320，形成于第一 p-i-n结320上方的第二 p-i_n结330，形成于第二 p-i_n结330 上方的第二 TCO层340，以及形成于第二 TCO层340上方的背接触层350。在图IB所示的 实施例中，对第一 TCO层310进行粗糙化，且随后沉积于该第一 TCO层310上方的薄膜一般 具有与该薄膜下方的表面相同的表面纹理。第一 P-i-n结320可包括ρ型非晶硅层322、形 成于P型非晶硅层322上方的本征型非晶硅层324、以及形成于本征型非晶硅层324上方 的η型微晶硅层326。在一实例中，ρ型非晶硅层322可形成为约60入与约300Α之间的 厚度，本征型非晶硅层324可形成为约1,500Α与约3,500人之间的厚度，η型微晶半导体 层326可形成为约IOOA与约400人之间的厚度。第二 P-i-n结330可包括ρ型微晶硅层 332、形成于ρ型微晶硅层332上方的本征型微晶硅层334、以及形成于本征型微晶硅层334 上方的η型非晶硅层336。在一实例中，ρ型微晶硅层332可形成为约100人与约400人之 间的厚度，本征型微晶硅层334可形成为约10,OOOA与约30,OOOA之间的厚度，η型非晶 硅层336可形成为约IOOA与约500A之间的厚度。背接触层350可包括选自由Al、Ag、 Ti、Cr、Au、Cu、Pt、其合金及其组合所组成的组的材料，但不限于此。图IC为示意性示出已在生产线200中制造的所形成的太阳能电池300的背表面 的实例的平面图。图ID为图IC所示太阳能电池300的一部分的侧截面图(见截面A-A)。 尽管图ID示出了与图IA所描绘的结构相似的单结电池的截面，但是这并不意图限制本文 所描述的发明范围。如图IC及图ID所示，太阳能电池300可含有基板302、太阳能电池器件部分(例 如，标号310-350)、一或多个内部电连接(例如，侧总线355、交叉总线356)、粘合材料层 360、背玻璃基板361及接线盒370。接线盒370通常可含有两个接线盒端子371、372，这两 个端子经由与太阳能电池300的背接触层350及有源区域电连通的侧总线355及交叉总线 356电连接至太阳能电池300的部分。为了避免与下文论述的特别在基板302上执行的处 理相混淆，通常将上面设置有一或多个沉积层(例如，标号310-350)和/或一或多个内部 电连接(例如，侧总线355、交叉总线356)的基板302称为器件基板303。类似地，将已用 粘合材料层360粘合至背玻璃基板361的器件基板303称为复合太阳能电池结构304。图IE为太阳能电池300的示意性截面图，示出了用于在太阳能电池300中形成单 个电池382A-382B的各种刻划区域。如图IE中所示，太阳能电池300包括透明基板302、 第一 TCO层310、第一 p-i-n结320及背接触层350。可执行三个激光刻划步骤以产生沟槽 381A、381B及381C，这些沟槽通常是形成高效太阳能电池器件所需的。尽管单个电池382A 及382B —起形成于基板302上，但是它们由形成在背接触层350及第一 p-i-n结320中的 绝缘沟槽381C彼此隔离。此外，沟槽381B形成于第一 p-i-n结320中，以使背接触层350 与第一 TCO层310电接触。在一个实施方式中，在沉积第一 p-i-n结320及背接触层350 之前，通过激光刻划移除部分的第一 TCO层310来形成绝缘沟槽381A。类似地，在一个实施 方式中，在沉积背接触层350之前，通过激光刻划移除部分的第一 p-i-n结320，以在第一 P-i-n结320中形成沟槽381B。尽管图IE中示出单结型太阳能电池，但此结构并不意图限 制本文所描述的发明范围。
光吸收器沉积工艺模块和工艺顺序图2A-2B示出了可用于形成上文所述的太阳能电池300的部分的工艺系统400和 沉积室401。图2A是工艺系统400的一个实施例的顶部示意图，该工艺系统可以是用于在 自动制造系统中形成光伏电池的一个或多个集群设备中的一个。工艺系统400可用于进行 用于形成太阳能电池器件的多个区域的一个或多个工艺步骤。工艺系统400通常含有能够 在基板表面上沉积一个或多个所需的层的多个工艺室481-487，诸如等离子体增强化学汽 相沉积(PECVD)室401 (图2B)。工艺系统400包括耦接到装载锁定室460和工艺室481-487 的传送室470。装载锁定室460让基板能够在系统外部的周围环境和传送室470及工艺室 481-487内部的真空环境之间传送。装载锁定室460包括一个或多个可抽空区域以保存一 个或多个基板。可抽空区域在将基板送入到系统400期间被抽空，在从系统400送出基板 期间通风。传送室470具有设置于其中的至少一个真空机械臂472，用于在装载锁定室460 和工艺室481-487之间传送基板。虽然在图2A中示出了七个工艺室，但是系统400可具有 任意合适数量的工艺室。图2B是其中可以沉积太阳能电池300的一个或多个膜的沉积室的一个实施例的 示意性截面图，如PECVD室401。一种合适的等离子体增强化学汽相沉积室可从位于加州 圣克拉拉市的应用材料公司获得。可以预期包括从其他制造商获得的例如热丝化学汽相沉 积(HWCVD)、低压化学汽相沉积(LPCVD)、物理汽相沉积(PVD)、蒸镀或其他类似设备的其他 沉积室都可用于实施本发明。在一个实施方式中，腔室401 —般包括壁402、底部404和喷 头410、以及限定了工艺空间406的基板支件430。可通过阀门408进出工艺空间，以使得 如基板302的基板能够被送进和送出PECVD室401。基板支件430包括用于支撑基板的基板接收表面432和耦接到升降系统436以升 高和降低基板支件430的轴434。遮挡框架433可选用地设置在上面已形成了例如TCO层 310的一个或多个层的器件基板303的外围部分上方。升降管脚438可移动地设置成透过 基板支件430，以将基板移向或移离基板接收表面432。基板支件430也可包括加热和/或 冷却元件439，以保持基板支件430处于所需温度。基板支件430也可包括接地母线431， 以在基板支件430的外围部分提供RF接地。在2000年2月15日颁发给Law等人的美国 专利6，024，044和2006年12月20提交的Park等人的美国专利申请11/613,934中公开 了接地母线的实例，将两篇文献的全文内容作为参考并入本文。喷头410在背板412边缘通过悬架414耦接到背板412。喷头410也可通过一 个或多个中央支件416耦接到背板，从而帮助防止喷头410下垂和/或控制喷头410的直 度/曲度。气体源420耦接到背板412，以通过背板412和喷头410中的多个孔411提供 气体到基板接收表面432。真空泵409耦接到PECVD室401，以控制工艺空间406处于所需 压力。RF功率源422耦接到背板412和/或喷头410，以提供RF功率到喷头410，从而在 喷头和基板支件之间产生电场，使得可由喷头410和基板支件430之间的气体产生等离子 体。可使用多种RF频率，诸如在约0.3MHz和约200MHz之间的频率。在一个实施方式中， 以13. 56MHz的频率提供RF功率源。在2002年11月12日颁发给White等人的美国专利 6，477，980,2006年11月17日公开的Choi等人的美国公开20050251990以及2006年3月 23日公开的Ke 11 er等人的美国公开2006/0060138中公开了喷头的实例，将以上文献的全 文内容作为参考并入本文。
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诸如感应耦合远程等离子体源的远程等离子体源424也可耦接在气体源和背板 之间。在基板处理之间，可以提供清洗气体至远程等离子体424，从而产生远程等离子体并 将该远程等离子体提供到清洗室部件。可进一步通过提供到喷头的RF功率源422激发清洗 气体。合适的清洗气体包括但是不限于NF3、F2和SF6。在1998年8月4日颁发给Shang 等人的美国专利5，788，778中公开了远程等离子体源的实例，将该文献的全文内容作为参 考并入本文。重新参考图2A，在系统400的一个实施例中，工艺室481-487中的一个用于沉积太 阳能电池器件的第一 p-i-n结320或第二 p-i-n结330的ρ型硅层，工艺室481-487中的 另一个用于沉积第一或第二 p-i-n结的本征硅层，工艺室481-487中的再一个用于沉积第 一或第二 p-i-n结的η型硅层。虽然三个腔室处理的结构可以具有一些污染控制的优势， 但是通常比两个腔室处理的系统的基板产量低，并且当一个或多个工艺室停工以进行维护 时通常不能维持所需产量。在本发明的某些实施方式中，系统400(图4)用于形成具有本征型非晶硅层的第 一 p-i-n结，如图1A-1B中示出的第一 p_i_n结320。在一个实施方式中，工艺室481-487 中的一个用于沉积第一 P-i-n结的ρ型硅层，而其余的工艺室481-487的每一个都用于沉 积第一p-i-n结的本征型非晶硅层和η型硅层。在一个实施方式中，可在相同腔室中沉积第 一 p-i-n结320的本征型非晶硅层和η型硅层，而不需进行用于使沉积步骤之间在沉积层 之间的交叉污染最小化的钝化处理。虽然讨论了工艺系统400及其用于形成第一 p-i-n结 的各部分的部件，但是该结构并不意图限制本文描述的发明的范围，这是由于工艺系统400 可用于形成第一 P-i-n结、第二 p-i-n结、第一和第二 p-i-n结或者其它组合，而不偏离本 文描述的发明的基本范围。在一个实例中，其中在与工艺系统400相似的系统中进行基板处理顺序，基板通 过装载锁定室460进入到工艺系统400，真空机械臂472随后将基板传送到用于在基板上沉 积P型硅层的工艺室481中，在工艺室481中沉积ρ型层之后，真空机械臂472随后将基板 传送到用于沉积本征型硅层和η型硅层的工艺室484中，在工艺室484中沉积了本征型层 和η型层之后，基板随后返回到装载锁定室460，之后可以从系统中移走基板。假设ρ型层 的厚度是150 Α，沉积速度是每分钟500 Α，则沉积P型层的时间周期接近0.3分钟。对于 以220人/分钟的沉积速度沉积的2700人的本征层，沉积本征层的时间周期接近12. 3 分钟。假设以500 A每分钟的沉积速度沉积250 A的η型层，沉积η型层将需要接近0.5 分钟。因此可看出，如果指定一个腔室沉积P型层并且指定多个室沉积本征和η型层，则通 过增加能够并行制造i-η层的工艺室数量可以实现基板产量提高。也就是，传送室470可 从如工艺室481的用于沉积ρ型层的工艺室装载和操纵连续多个基板，之后将每个基板传 送到如工艺室482至487的至少一个随后的工艺室以形成i-n层。在两个腔室处理的结构中，在被指定为制造i-n层的腔室的每个中沉积i-n层之 后，可重复工艺。但是，为了预防污染物进入到形成在随后基板上的本征层中，已经发现以 某一所需间隔在被指定为制造i型和η型层腔室的每个中进行诸如干燥工艺(seasoning process)的清洗工艺，能提高工艺顺序的器件产量。干燥工艺一般包括用于从工艺室部件 去除之前沉积的材料的一个或多个步骤和用于在工艺室部件上沉积材料的一个或多个步 骤，如根据本文描述的一个实施方式所讨论的。在2008年7月9日提交的美国专利申请12/170，387 [代理A#APPM 11710]中进一步描述了可用在工艺模块212的一个或多个部件 中的干燥工艺和太阳能电池工艺的顺序的实例，在此将该文献作为参考并入本文。在常规微晶沉积工艺中，包括氢(H2)和硅烷(SiH4)混合物的工艺气体通过喷头 410连续流动并流入工艺空间406，在工艺空间406中在等离子体氛围下反应。由此，碰到 等离子体的气体成分单独由所提供的气体控制。通常，在如在1-3托耳之间的较低压力下 进行该常规工艺，以沉积微晶硅。使用仅有硅烷而没有氢气的工艺气体倾向于沉积厚度不均勻的微晶膜。此外，有 时会形成粉末物质且该粉末物质污染腔室和膜层。认为该粉末是由于在使用没有氢气或载 气的纯硅烷工艺气体时功率过高或者压力过高而在硅离子到达基板表面之前形成的硅粉 末。当在高压条件下使纯硅烷流动时，大量粉末可形成在基板的中心区域。由此，低压可缓 解一些粉末产生问题，但是也会导致较低的沉积速度。此外，如果使用氢气和硅烷气体的混 合物，则会减少粉末的产生。但是，由于各种原因希望在沉积微晶硅期间仅使用硅烷作为工艺气体而不将氢气 流入到工艺室中。例如，由于氢气昂贵，因此仅使用硅烷节约与硅烷气体混合以形成工艺气 体的氢气使用的成本。此外，在沉积工艺期间不需将氢气流入到工艺室中使所需的工艺气 体泵送容量降低。还认为本发明的实施方式控制实际反应气体自身的成分，而常规的硅烷 /氢气工艺气体混合物处理控制各种源气体的反应气体成分。图4示出了含有多个步骤(如步骤410-440)的方法400的一个实施方式，其中每 一个步骤都用于使用本文中描述的新颖方法在太阳能电池器件形成期间在基板上形成微 晶层。方法400中的工艺步骤的数量和工艺步骤的顺序并不意图限制本文中描述的发明的 范围。图3A-3C是在使用根据本发明一个实施方式的方法400期间的沉积室401的截面图， 其意图示出一些工艺步骤，但不意图因而限制本文描述的发明的范围。参考图3A-3C和图4，用于在工艺室中在基板上形成微晶硅层的方法500通常始于 框502，将工艺气体459流入到沉积室401的背板412和喷头410之间的扩散区域407中。 在一个实施方式中，工艺气体459可包括硅烷基气体且没有载气。硅烷基气体的合适实例 包括但不限于硅烷(SiH4),乙硅烷(Si2H6),四氟化硅(SiF4),四氯化硅(SiCl4)和二氯硅烷 (SiH2Cl2)等等。在另一实施方式中，工艺气体可以是多种气体的混合物，诸如硅烷和氢气 以及载气。在另一实施方式中，工艺气体由硅烷(SiH4)构成。在下一框515中，工艺气体459流过喷头410中的多个孔411并流入到沉积室401 的喷头410和基板支件430之间的工艺空间406。如图3A中所示，在框520中，在工艺空 间406中点燃等离子体450。在一个实施方式中，可通过将约5000W的RF功率施加到沉积 室来点燃等离子体。返回到图3B，在接下来的步骤525中，继续进行方法400，在等离子体450中形成 的气体离子回流通过喷头410中的多个孔411并进入到扩散区域407。虚线箭头455示出 在等离子体中形成的气体离子，这些气体离子回流通过多个孔411填充由虚线区域451示 出的气体离子扩散区域407。应当理解在本公开全文中，等离子体是部分离子化的气体，通 常含有相同数量的正和负电荷以及其他一些未离子化的气体微粒，由此通常是整体电中性 的。此外，等离子体可产生多种基团。由此，当使用硅烷作为工艺气体时，在等离子体中可 形成多种类型的气体离子和基团，诸如硅烷气体的离子和基团或者氢气的离子和基团，且
10这些气体离子和基团会回流到扩散区域407中。由此在等离子体中产生的气体离子和基团 会回流到扩散区域407中，所产生的气体离子和基团可包括例如氢离子和基团，硅离子和 基团以及硅烷离子和基团。在下一框530中，气体离子455和工艺气体459在扩散区域407中混合，之后如框 535中所示，气体离子455和工艺气体459重新流动通过喷头410中的多个孔411并流入到 工艺空间406。通过使用该方法，如框540中所示，微晶硅层沉积在基板402上。在一个实施方式中，方法400也包括循环工艺气体流，包括在点燃等离子体之后 使工艺气体流动约1至15秒的时间，随后停止工艺气体流动约50至65秒的时间。例如，一 个循环周期可持续60秒，包括点燃等离子体之后工艺气体流动到工艺区域中的10秒，和之 后停止工艺气体流动的50秒。其他可行的循环时间组合可包括流动工艺气体达1秒和停 止流动达50秒或者流动气体达1秒和停止流动达61秒。循环可重复10至20次。例如， 在一个实施方式中，循环可包括使工艺气体流动61秒和停止工艺气体1秒，并且重复15次 循环以在基板上沉积均勻的微晶膜。在一个实施方式中，在工艺气体流停止时，在等离子体中形成的气体离子在部分 的循环期间内发生回流。可认为通过停止气体流，扩散区域407和工艺空间406之间的压 力差降低使等离子体450产生的气体离子459能够回流通过多个孔411并流入到扩散区域 407。由此，可在不完全停止工艺气体流的条件下发生流入到到扩散区域407中的气体离子 回流。于是，在另一实施方式中，通过扩散区域407和工艺空间406之间总压力差的降低， 可简单地使工艺气体流充分减少以允许气体离子回流通过喷头410中的多个孔411。此外，可认为在开始和重复工艺气体流经过调节的循环工艺之后，当气体离子和 工艺气体混合物重新进入到工艺空间406时，工艺气体不在等离子体中直接反应，而是首 先与扩散区域407中的气体离子反应，之后开始与等离子体反应。在另一实施方式中，在 整个循环时间内RF功率保持在相同的频率和功率等级。工艺室可被施压到6和10托耳 (torr)之间，工艺气体流速可在750和1300标准立方厘米每分钟(sccm)之间。可通过关 闭泵端口同时将工艺气体流入到工艺空间406中来控制压力。如果压力超过预定点，则可 稍许打开泵端口以对于工艺区域407所需的泵送保持恒定压力。在另一实施方式中，方法500包括通过使H2流入到工艺空间406以启动沉积室 401。期望通过使H2流入到腔室中以启动反应，从而帮助等离子体反应持续和基板上微晶硅 的沉积。例如，可在第一循环之前或第一循环期间启动沉积室401。在一个实施方式中，不 包括诸如硅烷等其他工艺气体的H2流入到工艺区域中一段时间，之后开始将工艺气体流入 到工艺空间和停止工艺气体进入工艺空间的流动的循环。在另一实施方式中，第一循环可 包括将H2和工艺气体流入到工艺空间，其后停止H2和工艺气体进入到工艺空间的流动。但 是在工艺气体仅由硅烷构成的实施方式中，当重复剩余次数的循环时，仅使工艺气体流入 到工艺空间。对于特定工艺可在任意合适的时间点燃等离子体，例如当氢气单独流入到腔 室中，随后氢气和工艺气体的混合物流入到腔室中时，或者甚至在氢气单独流入到腔室中， 随后工艺气体流入到腔室中时。图5示出了用于在工艺室中于基板上形成微晶硅层的方法600的另一实施方式。 方法600包括将硅烷气体流入到沉积室的背板和喷头之间的扩散区域中的框610，使硅烷 气体流动通过喷头中的多个孔并流入到沉积室内的喷头和基板支件之间的工艺空间中的
11框615，点燃工艺空间内的等离子体的框620，和循环硅烷气体流的框625。循环气体流包括 点燃等离子体之后流动硅烷气体约1至15秒的框630，和通过停止硅烷气体流动约50至 65秒来使等离子体中形成的气体离子回流通过喷头中的多个孔并流入到扩散区域中的框 635。方法600还包括在扩散区域中混合气体离子和硅烷气体的框645，通过重复循环使气 体离子和硅烷气体重新流动通过喷头中的多个孔并流入到工艺空间中的框650，和在基板 上沉积微晶硅层的框655。使等离子体中形成的气体离子回流到扩散区域中和在扩散区域中将气体离子与 工艺气体混合改变了进入到工艺空间和等离子体区域中的气体成分，所述气体成分从所提 供的纯净气体改变为工艺气体和诸如气体离子的等离子体活化气体的混合物。由此改良了 PECVD工艺窗口且有助于防止粉末形成和提高微晶硅膜沉积和均勻度。此外，本发明的实施 方式改善了扩散区域中的压力和压力分布并由此改善了工艺空间和等离子体区域内的流 体分布，由此也提高了膜均勻度。而且，本发明的实施方式可实现这些改进而不需更改任何 硬件。在一些常规方法中，用于沉积微晶硅的气体混合物的硅烷基气体与氢气(H2)的比 率较大，诸如约1 100，甚至高达1 200。但是本发明的实施方式可仅使用硅烷基气体 作为工艺气体而不需在工艺气体中连续流动氢气来形成微晶硅。在这些实施方式中，应当 注意，需要通过氢气注入而启动沉积室，但是在以下硅烷基气体循环期间不使用氢气在使 等离子体中形成的气体离子回流期间、将气体离子与工艺气体混合期间、和将混合物重新 流动到工艺空间中并与等离子体混合期间。下面是示出当使用本发明的实施方式时与其他工艺相比改进的结晶度和均勻度 的各实例。实例1表1示出了在基板上形成微晶硅的常规类型方法的各沉积参数。在诸如可从应用 材料公司获得的AKT 4300PECVD系统的PECVD室中处理600X720mm的基板。该常规类型 方法中，纯净硅烷流入到腔室中而不需载气或氢气。每一个样品被放置在腔室中，喷头和基板之间间隔640毫米。硅烷气体流速和压 力以及用于形成等离子体的功率设置对于每个样品不同。在200°C左右下实施沉积工艺。 每个样品被处理600秒。
权利要求
1.一种在沉积室中于基板上形成微晶硅层的方法，包括 使工艺气体流动到限定在背板和喷头之间的扩散区域中；使工艺气体从所述扩散区域流动至限定在所述喷头和基板支件之间的工艺空间中，其 中所述工艺气体流过所述喷头中形成的多个孔并流入到所述工艺空间；和 在设置于所述基板支件上的基板上沉积硅层，包括 在所述工艺空间中形成等离子体；和 循环工艺气体流，其中所述循环气体流包括使所述工艺气体流动一段第一时间，其中所述工艺气体在所述工艺空间内形成等离子 体时流动所述第一时间；和停止所述工艺气体流动一段第二时间。
2.如权利要求1的方法，其中所述第一时间在约1和约15秒之间，所述第二时间在约 50和65秒之间。
3.如权利要求1的方法，其中所述循环发生10至20次。
4.如权利要求1的方法，其中循环所述流体还包括在停止所述工艺气体流动期间，在所述等离子体中形成的气体离子回流通过所述喷头 中的多个孔并流入到所述扩散区域中；和之后使所述工艺气体和所述气体离子从所述扩散区域流入到所述工艺空间内。
5.如权利要求2的方法，还包括通过将H2流入到所述工艺空间中来启动所述沉积室。
6.如权利要求5的方法，其中启动所述沉积室发生在第一循环之前或第一循环期间。
7.如权利要求1的方法，其中沉积所述硅层包括在基板上形成微晶硅层。
8.如权利要求1的方法，其中所述工艺气体不包括载气。
9.如权利要求1的方法，其中所述工艺气体实质上由硅烷构成。
10.如权利要求1的方法，其中所述工艺气体包括硅烷和H2。
11.如权利要求1的方法，其中所述工艺气体的流速在750和1300sCCm之间。
12.如权利要求1的方法，其中点燃所述等离子体还包括将约5000W的RF功率提供给 所述沉积室。
13.如权利要求1的方法，其中所述方法还包括将腔室施压到6至10托耳之间。
14.一种在沉积室中于基板上形成微晶硅层的方法，包括 将硅烷气体流入到所述沉积室的背板和喷头之间的扩散区域中；将所述硅烷气体流动通过所述喷头中的多个孔并流入到所述沉积室的所述喷头和基 板支件之间的工艺空间中；点燃所述工艺空间内的等离子体； 循环所述硅烷气体流，所述循环包括在点燃所述等离子体之后使所述硅烷气体流动约1至15秒；和 通过停止所述硅烷气体流动约50至65秒，使所述等离子体中形成的 气体离子回流通过所述喷头中的多个孔并流入到所述扩散区域中； 在所述扩散区域中混合所述气体离子和所述硅烷气体；通过重复所述循环使所述气体离子和所述硅烷气体重新流动通过所述喷头中的多个 孔并流入到所述工艺空间中；和在所述基板上沉积微晶硅层。
15.如权利要求14的方法，其中所述循环发生10至20次。
16.如权利要求14的方法，还包括通过将H2流入到所述工艺空间中来启动所述沉积室。
17.如权利要求15的方法，其中启动所述沉积室发生在流动所述硅烷气体的第一循环 之前或第一循环期间。
18.如权利要求14的方法，其中所述硅烷气体的流速在750和1300SCCm之间。
19.如权利要求14的方法，其中点燃所述等离子体还包括将5000W的RF功率提供给所 述沉积室。
20.如权利要求14的方法，其中所述方法还包括将所述沉积室施压至6和10托耳之间。
21.如权利要求4的方法，其中回流所述气体离子还包括充分地减少工艺气体流以使 所述气体离子能够回流通过所述喷头中的多个孔并流入到所述扩散区域中。
全文摘要
本发明的实施方式大体涉及在沉积室中于基板上形成微晶硅层的方法。在一个实施方式中，该方法包括将工艺气体流入到沉积室的背板和喷头之间的扩散区域中，将工艺气体流动通过喷头中的多个孔并流入到沉积室的喷头和基板支件之间的工艺空间中，点燃工艺空间中的等离子体，使等离子体中形成的气体离子回流通过喷头中的多个孔并流入到扩散区域中，在扩散区域中混合气体离子和工艺气体，使气体离子和工艺气体回流通过喷头中的多个孔并流入到工艺空间中，和在基板上沉积微晶硅层。
文档编号C23C16/44GK102002687SQ20101028717
公开日2011年4月6日 申请日期2010年9月2日 优先权日2009年9月2日
发明者李立伟, 杨谢森, 盛殊然, 蔡容基 申请人:应用材料股份有限公司