在具有噴頭的等離子體增強化學汽相沉積系統中通過背面擴散實現氣體混合的方法

專利名稱：在具有噴頭的等離子體增強化學汽相沉積系統中通過背面擴散實現氣體混合的方法
技術領域：
本發明的實施方式大體涉及一種諸如用于太陽能電池的薄膜形成，以及形成薄膜 的方法。更具體地，本發明的實施方式涉及在薄膜太陽能電池和結晶太陽能電池中形成的 具有混合硅相的本征型硅層的形成方法。
背景技術：
光伏(PV)器件或太陽能電池是將太陽光轉換成直流(DC)電能的器件。結晶硅太 陽能電池和薄膜太陽能電池是太陽能電池的兩種類型。結晶硅太陽能電池通常使用單晶硅 基板(即純硅的單晶基板)或者多晶硅基板(即多晶或多晶硅)。將另外的膜層沉積在硅 基板上，從而改善光捕獲能力、形成電路和保護器件。薄膜太陽能電池使用沉積在合適基板 上的材料薄層，以形成一個或多個p-n結。合適基板包括玻璃、金屬和聚合物基板。通常，薄層太陽能電池包括有源區，或者光電轉換單元，和設置為正面電極和/或 背面電極的透明導電氧化物(TCO)膜。光電轉換單元包括P型硅層、η型硅層和夾在P型硅 層和η型硅層之間的本征型(i型)硅層。可利用包括微晶硅膜(μ c-Si)、非晶硅膜(a-Si)、 多晶硅膜(poly-Si)等多種類型的硅膜來形成光電轉換單元的ρ型、η型和/或i型層。背 面電極可含有一個或多個導電層。當太陽能電池的光電轉換單元暴露于太陽光(由光子能 量構成)時，通過PV效應將太陽光轉換為電能。薄膜太陽能電池通常由以多種不同方式放置在一起的許多種類型的膜或層形成。 在這種器件中使用的大多數膜都包含半導體元素，所包含的半導體元素可以包括硅、鍺、 碳、硼、磷、氮、氧、氫等。不同膜的特性包括結晶度、摻雜類型、摻雜濃度、膜折射系數、膜消 光系數、膜透明性、膜吸收性、導電性、厚度和粗糙度。這些膜中大多數都能通過使用可包括 一定程度的離子化或等離子體形成的化學汽相沉積工藝形成。用于微晶或多晶層的硅膜的不充分結晶會引起膜的不完全形成和部分形成 (fraction)，從而降低PV太陽能電池的轉換效率。此外，微晶硅膜的常規沉積工藝沉積速 度慢，這會不利地降低制造產量并增加生產成本。為了擴大太陽能電池的經濟用途，必須提高太陽能電池自身的效率以及用于制造 太陽能電池的工藝的效率。隨著能量成本以及環境問題的增加，需要更加高效的薄膜太陽 能電池以及太陽能電池中薄膜的更加高效的形成。因此，需要一種用于沉積微晶硅膜的改良的方法。

發明內容
在本發明的一個實施方式中，提供了一種在沉積室中于基板上形成微晶硅層的方 法。該方法包括將工藝氣體流入到沉積室的背板和噴頭之間的擴散區域中，將工藝氣體流 動通過噴頭中的多個孔并流入到沉積室的噴頭和基板支件之間的工藝空間中，點燃工藝空 間內的等離子體，使等離子體中形成的氣體離子回流通過噴頭中的多個孔并流入到擴散區域中，在擴散區域中混合氣體離子和工藝氣體，使氣體離子和工藝氣體重新流動通過噴頭 中的多個孔并流入到工藝空間內，和在基板上沉積微晶硅層。在本發明的另一實施方式中，提供了一種在沉積室內于基板上形成微晶硅層的方 法。該方法包括將硅烷氣體流入到沉積室的背板和噴頭之間的擴散區域中，使硅烷氣體流 動通過噴頭中的多個孔并流入到沉積室中的噴頭和基板支件之間的工藝空間內，點燃工藝 空間內的等離子體，和循環硅烷氣體流。循環氣體流包括在點燃等離子體之后使硅烷氣體 流動約1至15秒，和通過停止硅烷氣體流約50至65秒，使等離子體中形成的氣體離子回 流通過噴頭中的多個孔并流入到擴散區域中。該方法還包括在擴散區域中混合氣體離子和 硅烷氣體，通過重復循環，使氣體離子和硅烷氣體重新流動通過噴頭中的多個孔并流入到 工藝空間中，以及在基板上沉積微晶硅層。


為了更詳細了解本發明的上述特征，參照具體實施方式
可更具體說明以上所簡述 的發明，其中一些于圖中示出。但是應當注意，附圖僅示出了本發明的典型實施方式，且因 此不認為限制本發明的范圍，本發明允許其他等同有效的實施方式。圖IA是根據本文所述一個實施方式的薄膜太陽能電池器件的側截面圖；圖IB是根據本文所述一個實施方式的薄膜太陽能電池器件的側截面圖；圖IC是根據本文所述一個實施方式的復合太陽能電池結構的平面圖；圖ID是沿著圖IC的A-A截面的側截面圖；圖IE是根據本文所述一個實施方式的薄膜太陽能電池器件的側截面圖；圖2A示出了可以根據本文所述一個實施方式使用的集群設備的平面圖；圖2B是根據本文所述一個實施方式的沉積室的側截面圖；圖3A-3C示出了根據本文所述一個實施方式在工藝期間圖2B的沉積室的側截面 圖；圖4示出了根據本文所述一個實施方式在沉積室內于基板上形成微晶硅層的方 法。圖5示出了根據本文所述另一實施方式在沉積室中于基板上形成微晶硅層的另
一方法。圖6A-6C示出了在具有使用純硅烷沉積在基板上的硅的基板的各個區域處的硅 結晶度測試結果。圖7A-7C示出了具有根據本發明的實施方式沉積在基板上的硅的基板的各個區 域處的硅結晶度測試結果。
具體實施例方式諸如結晶太陽能電池和薄膜太陽能電池的光伏電池通常由以多種不同方式放置 在一起的多種類型的膜或層形成。這種器件中使用的大多數膜包含半導體元素，所包含的 半導體元素可以包括硅、鍺、碳、硼、磷、氮、氧、氫等等。不同膜的特性包括結晶度、摻雜類 型、摻雜濃度、膜折射系數、膜消光系數、膜透明性、膜吸收性、導電性、厚度和粗糙度。這些 膜中大多數能通過使用可包括一定程度的氣體離子化或等離子體形成的化學汽相沉積工藝形成。在光伏過程中的電荷產生通常由諸如含硅層的體半導體層提供。體層有時也稱作 本征層，以將體層與太陽能電池中的各種摻雜層區分開。本征層可具有任意所需程度的結 晶度，結晶度將影響光吸收特性。例如，諸如非晶硅的非晶本征層與諸如微晶或納米晶硅或 多晶硅的具有不同結晶度的本征層相比，通常將吸收不同波長的光。由于這個原因，使用 各種類型的層以獲得范圍最寬的可吸收特性是有益的。硅和其他半導體可形成為具有不同結晶度的固體。實質上不具有結晶度的固體是 非晶的，具有可忽略不計的結晶度的硅被稱為非晶硅。完全結晶的硅被稱為結晶、多晶或單 晶硅。多晶硅是包括由晶粒間界分開的多個晶粒的結晶硅。單晶硅是單晶的硅。具有約5% 和約95%之間結晶比例的部分結晶度的固體被稱作納米晶或微晶，被稱作納米晶還是微晶 通常與非晶態下懸置的晶粒的尺寸有關。具有較大晶粒的固體被稱作微晶，而具有較小晶 粒的固體是納米晶體。應當注意到，術語“結晶硅”指的是具有晶體相的任何形式的硅，包 括微晶、納米晶、單晶和多晶硅。本發明的實施方式大體涉及一種使用適合于在形成太陽能電池器件的系統內進 行太陽能電池器件形成中的一個或多個工藝的工藝模塊在太陽能電池器件上形成微晶膜 或層的方法。在一個實施方式中，該方法用于在自動化生產線中在薄膜太陽能電池器件上 形成微晶層，該生產線接收大的未加工基板并進行多個沉積、材料去除、清洗、劃片、粘合和 各種檢測和測試工藝，以形成多個完整、可使用和經測試的太陽能電池器件，隨后將太陽能 電池器件運送到最終用戶，安裝在所需位置從而產生電能。圖1A-1E中示出了可用多種工藝順序形成的太陽能電池300的一些實例在，所述 工藝順序例如是2008年8月29日提交的美國申請序列No. 12/202，199和2008年8月29 日提交的美國申請序列No. 12/201/840中公開的順序。圖IA是可在下文所述的系統中形 成和分析的單結非晶或微晶硅太陽能電池300的簡化示意圖。如圖IA中所示，單結非晶或 微晶硅太陽能電池300被定向為朝向光源或太陽輻射301。太陽能電池300通常包括基板 302，如玻璃基板、聚合物基板、金屬基板或其它適合的基板，基板上形成有薄膜。在一個實 施方式中，基板302為尺寸約為2200mmX2600mmX3mm的玻璃基板。太陽能電池300進一 步包括形成在基板302上方的第一透明導電氧化物(TCO)層310 (例如，氧化鋅(ZnO)、氧化 錫(SnO))，形成在第一 TCO層310上方的第一 p-i_n結320，形成在第一 p-i_n結320上方 的第二 TCO層340，和形成在第二 TCO層340上方的背接觸層350。為了通過增強光捕獲來 改善光吸收，基板和/或形成于基板上方的一或多個薄膜可非必須地通過濕法、等離子體、 離子和/或機械工藝來粗糙化。舉例而言，在圖IA所示的實施方式中，對第一 TCO層310 進行粗糙化，且隨后沉積在該第一 TCO層310上方的薄膜一般具有與該薄膜下方的表面相 同的表面紋理。在一種結構中，第一 p-i-n結320可包括ρ型非晶硅層322、形成于ρ型非 晶硅層322上方的本征型非晶硅層324、及形成于本征型非晶硅層324上方的η型非晶硅 層326。在一實例中，ρ型非晶硅層322可形成為約60Α與約300Α之間的厚度，本征型 非晶硅層324可形成為約1,500入與約3,500Α之間的厚度，η型非晶硅層326可形成為 約IOOA與約500A之間的厚度。背接觸層350可包括選自由Al、Ag、Ti、Cr、Au、Cu、Pt、 其合金及其組合所組成的組的材料，但不限于此。圖IB為太陽能電池300的實施例的示意圖，該太陽能電池300是被定向為朝向光
6或太陽輻射301的多結太陽能電池。太陽能電池300包括基板302，如玻璃基板、聚合物基 板、金屬基板或其它適合的基板，基板上方形成有薄膜。太陽能電池300可進一步包括形成 于基板302上方的第一透明導電氧化物(TCO)層310，形成于第一 TCO層310上方的第一 p-i-n結320，形成于第一 p-i-n結320上方的第二 p-i_n結330，形成于第二 p-i_n結330 上方的第二 TCO層340，以及形成于第二 TCO層340上方的背接觸層350。在圖IB所示的 實施例中，對第一 TCO層310進行粗糙化，且隨后沉積于該第一 TCO層310上方的薄膜一般 具有與該薄膜下方的表面相同的表面紋理。第一 P-i-n結320可包括ρ型非晶硅層322、形 成于P型非晶硅層322上方的本征型非晶硅層324、以及形成于本征型非晶硅層324上方 的η型微晶硅層326。在一實例中，ρ型非晶硅層322可形成為約60入與約300Α之間的 厚度，本征型非晶硅層324可形成為約1,500Α與約3,500人之間的厚度，η型微晶半導體 層326可形成為約IOOA與約400人之間的厚度。第二 P-i-n結330可包括ρ型微晶硅層 332、形成于ρ型微晶硅層332上方的本征型微晶硅層334、以及形成于本征型微晶硅層334 上方的η型非晶硅層336。在一實例中，ρ型微晶硅層332可形成為約100人與約400人之 間的厚度，本征型微晶硅層334可形成為約10,OOOA與約30,OOOA之間的厚度，η型非晶 硅層336可形成為約IOOA與約500A之間的厚度。背接觸層350可包括選自由Al、Ag、 Ti、Cr、Au、Cu、Pt、其合金及其組合所組成的組的材料，但不限于此。圖IC為示意性示出已在生產線200中制造的所形成的太陽能電池300的背表面 的實例的平面圖。圖ID為圖IC所示太陽能電池300的一部分的側截面圖(見截面A-A)。 盡管圖ID示出了與圖IA所描繪的結構相似的單結電池的截面，但是這并不意圖限制本文 所描述的發明范圍。如圖IC及圖ID所示，太陽能電池300可含有基板302、太陽能電池器件部分(例 如，標號310-350)、一或多個內部電連接(例如，側總線355、交叉總線356)、粘合材料層 360、背玻璃基板361及接線盒370。接線盒370通常可含有兩個接線盒端子371、372，這兩 個端子經由與太陽能電池300的背接觸層350及有源區域電連通的側總線355及交叉總線 356電連接至太陽能電池300的部分。為了避免與下文論述的特別在基板302上執行的處 理相混淆，通常將上面設置有一或多個沉積層(例如，標號310-350)和/或一或多個內部 電連接(例如，側總線355、交叉總線356)的基板302稱為器件基板303。類似地，將已用 粘合材料層360粘合至背玻璃基板361的器件基板303稱為復合太陽能電池結構304。圖IE為太陽能電池300的示意性截面圖，示出了用于在太陽能電池300中形成單 個電池382A-382B的各種刻劃區域。如圖IE中所示，太陽能電池300包括透明基板302、 第一 TCO層310、第一 p-i-n結320及背接觸層350。可執行三個激光刻劃步驟以產生溝槽 381A、381B及381C，這些溝槽通常是形成高效太陽能電池器件所需的。盡管單個電池382A 及382B —起形成于基板302上，但是它們由形成在背接觸層350及第一 p-i-n結320中的 絕緣溝槽381C彼此隔離。此外，溝槽381B形成于第一 p-i-n結320中，以使背接觸層350 與第一 TCO層310電接觸。在一個實施方式中，在沉積第一 p-i-n結320及背接觸層350 之前，通過激光刻劃移除部分的第一 TCO層310來形成絕緣溝槽381A。類似地，在一個實施 方式中，在沉積背接觸層350之前，通過激光刻劃移除部分的第一 p-i-n結320，以在第一 P-i-n結320中形成溝槽381B。盡管圖IE中示出單結型太陽能電池，但此結構并不意圖限 制本文所描述的發明范圍。
光吸收器沉積工藝模塊和工藝順序圖2A-2B示出了可用于形成上文所述的太陽能電池300的部分的工藝系統400和 沉積室401。圖2A是工藝系統400的一個實施例的頂部示意圖，該工藝系統可以是用于在 自動制造系統中形成光伏電池的一個或多個集群設備中的一個。工藝系統400可用于進行 用于形成太陽能電池器件的多個區域的一個或多個工藝步驟。工藝系統400通常含有能夠 在基板表面上沉積一個或多個所需的層的多個工藝室481-487，諸如等離子體增強化學汽 相沉積(PECVD)室401 (圖2B)。工藝系統400包括耦接到裝載鎖定室460和工藝室481-487 的傳送室470。裝載鎖定室460讓基板能夠在系統外部的周圍環境和傳送室470及工藝室 481-487內部的真空環境之間傳送。裝載鎖定室460包括一個或多個可抽空區域以保存一 個或多個基板。可抽空區域在將基板送入到系統400期間被抽空，在從系統400送出基板 期間通風。傳送室470具有設置于其中的至少一個真空機械臂472，用于在裝載鎖定室460 和工藝室481-487之間傳送基板。雖然在圖2A中示出了七個工藝室，但是系統400可具有 任意合適數量的工藝室。圖2B是其中可以沉積太陽能電池300的一個或多個膜的沉積室的一個實施例的 示意性截面圖，如PECVD室401。一種合適的等離子體增強化學汽相沉積室可從位于加州 圣克拉拉市的應用材料公司獲得。可以預期包括從其他制造商獲得的例如熱絲化學汽相沉 積(HWCVD)、低壓化學汽相沉積(LPCVD)、物理汽相沉積(PVD)、蒸鍍或其他類似設備的其他 沉積室都可用于實施本發明。在一個實施方式中，腔室401 —般包括壁402、底部404和噴 頭410、以及限定了工藝空間406的基板支件430。可通過閥門408進出工藝空間，以使得 如基板302的基板能夠被送進和送出PECVD室401。基板支件430包括用于支撐基板的基板接收表面432和耦接到升降系統436以升 高和降低基板支件430的軸434。遮擋框架433可選用地設置在上面已形成了例如TCO層 310的一個或多個層的器件基板303的外圍部分上方。升降管腳438可移動地設置成透過 基板支件430，以將基板移向或移離基板接收表面432。基板支件430也可包括加熱和/或 冷卻元件439，以保持基板支件430處于所需溫度。基板支件430也可包括接地母線431， 以在基板支件430的外圍部分提供RF接地。在2000年2月15日頒發給Law等人的美國 專利6，024，044和2006年12月20提交的Park等人的美國專利申請11/613,934中公開 了接地母線的實例，將兩篇文獻的全文內容作為參考并入本文。噴頭410在背板412邊緣通過懸架414耦接到背板412。噴頭410也可通過一 個或多個中央支件416耦接到背板，從而幫助防止噴頭410下垂和/或控制噴頭410的直 度/曲度。氣體源420耦接到背板412，以通過背板412和噴頭410中的多個孔411提供 氣體到基板接收表面432。真空泵409耦接到PECVD室401，以控制工藝空間406處于所需 壓力。RF功率源422耦接到背板412和/或噴頭410，以提供RF功率到噴頭410，從而在 噴頭和基板支件之間產生電場，使得可由噴頭410和基板支件430之間的氣體產生等離子 體。可使用多種RF頻率，諸如在約0.3MHz和約200MHz之間的頻率。在一個實施方式中， 以13. 56MHz的頻率提供RF功率源。在2002年11月12日頒發給White等人的美國專利 6，477，980,2006年11月17日公開的Choi等人的美國公開20050251990以及2006年3月 23日公開的Ke 11 er等人的美國公開2006/0060138中公開了噴頭的實例，將以上文獻的全 文內容作為參考并入本文。
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諸如感應耦合遠程等離子體源的遠程等離子體源424也可耦接在氣體源和背板 之間。在基板處理之間，可以提供清洗氣體至遠程等離子體424，從而產生遠程等離子體并 將該遠程等離子體提供到清洗室部件。可進一步通過提供到噴頭的RF功率源422激發清洗 氣體。合適的清洗氣體包括但是不限于NF3、F2和SF6。在1998年8月4日頒發給Shang 等人的美國專利5，788，778中公開了遠程等離子體源的實例，將該文獻的全文內容作為參 考并入本文。重新參考圖2A，在系統400的一個實施例中，工藝室481-487中的一個用于沉積太 陽能電池器件的第一 p-i-n結320或第二 p-i-n結330的ρ型硅層，工藝室481-487中的 另一個用于沉積第一或第二 p-i-n結的本征硅層，工藝室481-487中的再一個用于沉積第 一或第二 p-i-n結的η型硅層。雖然三個腔室處理的結構可以具有一些污染控制的優勢， 但是通常比兩個腔室處理的系統的基板產量低，并且當一個或多個工藝室停工以進行維護 時通常不能維持所需產量。在本發明的某些實施方式中，系統400(圖4)用于形成具有本征型非晶硅層的第 一 p-i-n結，如圖1A-1B中示出的第一 p_i_n結320。在一個實施方式中，工藝室481-487 中的一個用于沉積第一 P-i-n結的ρ型硅層，而其余的工藝室481-487的每一個都用于沉 積第一p-i-n結的本征型非晶硅層和η型硅層。在一個實施方式中，可在相同腔室中沉積第 一 p-i-n結320的本征型非晶硅層和η型硅層，而不需進行用于使沉積步驟之間在沉積層 之間的交叉污染最小化的鈍化處理。雖然討論了工藝系統400及其用于形成第一 p-i-n結 的各部分的部件，但是該結構并不意圖限制本文描述的發明的范圍，這是由于工藝系統400 可用于形成第一 P-i-n結、第二 p-i-n結、第一和第二 p-i-n結或者其它組合，而不偏離本 文描述的發明的基本范圍。在一個實例中，其中在與工藝系統400相似的系統中進行基板處理順序，基板通 過裝載鎖定室460進入到工藝系統400，真空機械臂472隨后將基板傳送到用于在基板上沉 積P型硅層的工藝室481中，在工藝室481中沉積ρ型層之后，真空機械臂472隨后將基板 傳送到用于沉積本征型硅層和η型硅層的工藝室484中，在工藝室484中沉積了本征型層 和η型層之后，基板隨后返回到裝載鎖定室460，之后可以從系統中移走基板。假設ρ型層 的厚度是150 Α，沉積速度是每分鐘500 Α，則沉積P型層的時間周期接近0.3分鐘。對于 以220人/分鐘的沉積速度沉積的2700人的本征層，沉積本征層的時間周期接近12. 3 分鐘。假設以500 A每分鐘的沉積速度沉積250 A的η型層，沉積η型層將需要接近0.5 分鐘。因此可看出，如果指定一個腔室沉積P型層并且指定多個室沉積本征和η型層，則通 過增加能夠并行制造i-η層的工藝室數量可以實現基板產量提高。也就是，傳送室470可 從如工藝室481的用于沉積ρ型層的工藝室裝載和操縱連續多個基板，之后將每個基板傳 送到如工藝室482至487的至少一個隨后的工藝室以形成i-n層。在兩個腔室處理的結構中，在被指定為制造i-n層的腔室的每個中沉積i-n層之 后，可重復工藝。但是，為了預防污染物進入到形成在隨后基板上的本征層中，已經發現以 某一所需間隔在被指定為制造i型和η型層腔室的每個中進行諸如干燥工藝(seasoning process)的清洗工藝，能提高工藝順序的器件產量。干燥工藝一般包括用于從工藝室部件 去除之前沉積的材料的一個或多個步驟和用于在工藝室部件上沉積材料的一個或多個步 驟，如根據本文描述的一個實施方式所討論的。在2008年7月9日提交的美國專利申請12/170，387 [代理A#APPM 11710]中進一步描述了可用在工藝模塊212的一個或多個部件 中的干燥工藝和太陽能電池工藝的順序的實例，在此將該文獻作為參考并入本文。在常規微晶沉積工藝中，包括氫(H2)和硅烷(SiH4)混合物的工藝氣體通過噴頭 410連續流動并流入工藝空間406，在工藝空間406中在等離子體氛圍下反應。由此，碰到 等離子體的氣體成分單獨由所提供的氣體控制。通常，在如在1-3托耳之間的較低壓力下 進行該常規工藝，以沉積微晶硅。使用僅有硅烷而沒有氫氣的工藝氣體傾向于沉積厚度不均勻的微晶膜。此外，有 時會形成粉末物質且該粉末物質污染腔室和膜層。認為該粉末是由于在使用沒有氫氣或載 氣的純硅烷工藝氣體時功率過高或者壓力過高而在硅離子到達基板表面之前形成的硅粉 末。當在高壓條件下使純硅烷流動時，大量粉末可形成在基板的中心區域。由此，低壓可緩 解一些粉末產生問題，但是也會導致較低的沉積速度。此外，如果使用氫氣和硅烷氣體的混 合物，則會減少粉末的產生。但是，由于各種原因希望在沉積微晶硅期間僅使用硅烷作為工藝氣體而不將氫氣 流入到工藝室中。例如，由于氫氣昂貴，因此僅使用硅烷節約與硅烷氣體混合以形成工藝氣 體的氫氣使用的成本。此外，在沉積工藝期間不需將氫氣流入到工藝室中使所需的工藝氣 體泵送容量降低。還認為本發明的實施方式控制實際反應氣體自身的成分，而常規的硅烷 /氫氣工藝氣體混合物處理控制各種源氣體的反應氣體成分。圖4示出了含有多個步驟(如步驟410-440)的方法400的一個實施方式，其中每 一個步驟都用于使用本文中描述的新穎方法在太陽能電池器件形成期間在基板上形成微 晶層。方法400中的工藝步驟的數量和工藝步驟的順序并不意圖限制本文中描述的發明的 范圍。圖3A-3C是在使用根據本發明一個實施方式的方法400期間的沉積室401的截面圖， 其意圖示出一些工藝步驟，但不意圖因而限制本文描述的發明的范圍。參考圖3A-3C和圖4，用于在工藝室中在基板上形成微晶硅層的方法500通常始于 框502，將工藝氣體459流入到沉積室401的背板412和噴頭410之間的擴散區域407中。 在一個實施方式中，工藝氣體459可包括硅烷基氣體且沒有載氣。硅烷基氣體的合適實例 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。在另一實施方式中，工藝氣體可以是多種氣體的混合物，諸如硅烷和氫氣 以及載氣。在另一實施方式中，工藝氣體由硅烷(SiH4)構成。在下一框515中，工藝氣體459流過噴頭410中的多個孔411并流入到沉積室401 的噴頭410和基板支件430之間的工藝空間406。如圖3A中所示，在框520中，在工藝空 間406中點燃等離子體450。在一個實施方式中，可通過將約5000W的RF功率施加到沉積 室來點燃等離子體。返回到圖3B，在接下來的步驟525中，繼續進行方法400，在等離子體450中形成 的氣體離子回流通過噴頭410中的多個孔411并進入到擴散區域407。虛線箭頭455示出 在等離子體中形成的氣體離子，這些氣體離子回流通過多個孔411填充由虛線區域451示 出的氣體離子擴散區域407。應當理解在本公開全文中，等離子體是部分離子化的氣體，通 常含有相同數量的正和負電荷以及其他一些未離子化的氣體微粒，由此通常是整體電中性 的。此外，等離子體可產生多種基團。由此，當使用硅烷作為工藝氣體時，在等離子體中可 形成多種類型的氣體離子和基團，諸如硅烷氣體的離子和基團或者氫氣的離子和基團，且
10這些氣體離子和基團會回流到擴散區域407中。由此在等離子體中產生的氣體離子和基團 會回流到擴散區域407中，所產生的氣體離子和基團可包括例如氫離子和基團，硅離子和 基團以及硅烷離子和基團。在下一框530中，氣體離子455和工藝氣體459在擴散區域407中混合，之后如框 535中所示，氣體離子455和工藝氣體459重新流動通過噴頭410中的多個孔411并流入到 工藝空間406。通過使用該方法，如框540中所示，微晶硅層沉積在基板402上。在一個實施方式中，方法400也包括循環工藝氣體流，包括在點燃等離子體之后 使工藝氣體流動約1至15秒的時間，隨后停止工藝氣體流動約50至65秒的時間。例如，一 個循環周期可持續60秒，包括點燃等離子體之后工藝氣體流動到工藝區域中的10秒，和之 后停止工藝氣體流動的50秒。其他可行的循環時間組合可包括流動工藝氣體達1秒和停 止流動達50秒或者流動氣體達1秒和停止流動達61秒。循環可重復10至20次。例如， 在一個實施方式中，循環可包括使工藝氣體流動61秒和停止工藝氣體1秒，并且重復15次 循環以在基板上沉積均勻的微晶膜。在一個實施方式中，在工藝氣體流停止時，在等離子體中形成的氣體離子在部分 的循環期間內發生回流。可認為通過停止氣體流，擴散區域407和工藝空間406之間的壓 力差降低使等離子體450產生的氣體離子459能夠回流通過多個孔411并流入到擴散區域 407。由此，可在不完全停止工藝氣體流的條件下發生流入到到擴散區域407中的氣體離子 回流。于是，在另一實施方式中，通過擴散區域407和工藝空間406之間總壓力差的降低， 可簡單地使工藝氣體流充分減少以允許氣體離子回流通過噴頭410中的多個孔411。此外，可認為在開始和重復工藝氣體流經過調節的循環工藝之后，當氣體離子和 工藝氣體混合物重新進入到工藝空間406時，工藝氣體不在等離子體中直接反應，而是首 先與擴散區域407中的氣體離子反應，之后開始與等離子體反應。在另一實施方式中，在 整個循環時間內RF功率保持在相同的頻率和功率等級。工藝室可被施壓到6和10托耳 (torr)之間，工藝氣體流速可在750和1300標準立方厘米每分鐘(sccm)之間。可通過關 閉泵端口同時將工藝氣體流入到工藝空間406中來控制壓力。如果壓力超過預定點，則可 稍許打開泵端口以對于工藝區域407所需的泵送保持恒定壓力。在另一實施方式中，方法500包括通過使H2流入到工藝空間406以啟動沉積室 401。期望通過使H2流入到腔室中以啟動反應，從而幫助等離子體反應持續和基板上微晶硅 的沉積。例如，可在第一循環之前或第一循環期間啟動沉積室401。在一個實施方式中，不 包括諸如硅烷等其他工藝氣體的H2流入到工藝區域中一段時間，之后開始將工藝氣體流入 到工藝空間和停止工藝氣體進入工藝空間的流動的循環。在另一實施方式中，第一循環可 包括將H2和工藝氣體流入到工藝空間，其后停止H2和工藝氣體進入到工藝空間的流動。但 是在工藝氣體僅由硅烷構成的實施方式中，當重復剩余次數的循環時，僅使工藝氣體流入 到工藝空間。對于特定工藝可在任意合適的時間點燃等離子體，例如當氫氣單獨流入到腔 室中，隨后氫氣和工藝氣體的混合物流入到腔室中時，或者甚至在氫氣單獨流入到腔室中， 隨后工藝氣體流入到腔室中時。圖5示出了用于在工藝室中于基板上形成微晶硅層的方法600的另一實施方式。 方法600包括將硅烷氣體流入到沉積室的背板和噴頭之間的擴散區域中的框610，使硅烷 氣體流動通過噴頭中的多個孔并流入到沉積室內的噴頭和基板支件之間的工藝空間中的
11框615，點燃工藝空間內的等離子體的框620，和循環硅烷氣體流的框625。循環氣體流包括 點燃等離子體之后流動硅烷氣體約1至15秒的框630，和通過停止硅烷氣體流動約50至 65秒來使等離子體中形成的氣體離子回流通過噴頭中的多個孔并流入到擴散區域中的框 635。方法600還包括在擴散區域中混合氣體離子和硅烷氣體的框645，通過重復循環使氣 體離子和硅烷氣體重新流動通過噴頭中的多個孔并流入到工藝空間中的框650，和在基板 上沉積微晶硅層的框655。使等離子體中形成的氣體離子回流到擴散區域中和在擴散區域中將氣體離子與 工藝氣體混合改變了進入到工藝空間和等離子體區域中的氣體成分，所述氣體成分從所提 供的純凈氣體改變為工藝氣體和諸如氣體離子的等離子體活化氣體的混合物。由此改良了 PECVD工藝窗口且有助于防止粉末形成和提高微晶硅膜沉積和均勻度。此外，本發明的實施 方式改善了擴散區域中的壓力和壓力分布并由此改善了工藝空間和等離子體區域內的流 體分布，由此也提高了膜均勻度。而且，本發明的實施方式可實現這些改進而不需更改任何 硬件。在一些常規方法中，用于沉積微晶硅的氣體混合物的硅烷基氣體與氫氣(H2)的比 率較大，諸如約1 100，甚至高達1 200。但是本發明的實施方式可僅使用硅烷基氣體 作為工藝氣體而不需在工藝氣體中連續流動氫氣來形成微晶硅。在這些實施方式中，應當 注意，需要通過氫氣注入而啟動沉積室，但是在以下硅烷基氣體循環期間不使用氫氣在使 等離子體中形成的氣體離子回流期間、將氣體離子與工藝氣體混合期間、和將混合物重新 流動到工藝空間中并與等離子體混合期間。下面是示出當使用本發明的實施方式時與其他工藝相比改進的結晶度和均勻度 的各實例。實例1表1示出了在基板上形成微晶硅的常規類型方法的各沉積參數。在諸如可從應用 材料公司獲得的AKT 4300PECVD系統的PECVD室中處理600X720mm的基板。該常規類型 方法中，純凈硅烷流入到腔室中而不需載氣或氫氣。每一個樣品被放置在腔室中，噴頭和基板之間間隔640毫米。硅烷氣體流速和壓 力以及用于形成等離子體的功率設置對于每個樣品不同。在200°C左右下實施沉積工藝。 每個樣品被處理600秒。
權利要求
1.一種在沉積室中于基板上形成微晶硅層的方法，包括 使工藝氣體流動到限定在背板和噴頭之間的擴散區域中；使工藝氣體從所述擴散區域流動至限定在所述噴頭和基板支件之間的工藝空間中，其 中所述工藝氣體流過所述噴頭中形成的多個孔并流入到所述工藝空間；和 在設置于所述基板支件上的基板上沉積硅層，包括 在所述工藝空間中形成等離子體；和 循環工藝氣體流，其中所述循環氣體流包括使所述工藝氣體流動一段第一時間，其中所述工藝氣體在所述工藝空間內形成等離子 體時流動所述第一時間；和停止所述工藝氣體流動一段第二時間。
2.如權利要求1的方法，其中所述第一時間在約1和約15秒之間，所述第二時間在約 50和65秒之間。
3.如權利要求1的方法，其中所述循環發生10至20次。
4.如權利要求1的方法，其中循環所述流體還包括在停止所述工藝氣體流動期間，在所述等離子體中形成的氣體離子回流通過所述噴頭 中的多個孔并流入到所述擴散區域中；和之后使所述工藝氣體和所述氣體離子從所述擴散區域流入到所述工藝空間內。
5.如權利要求2的方法，還包括通過將H2流入到所述工藝空間中來啟動所述沉積室。
6.如權利要求5的方法，其中啟動所述沉積室發生在第一循環之前或第一循環期間。
7.如權利要求1的方法，其中沉積所述硅層包括在基板上形成微晶硅層。
8.如權利要求1的方法，其中所述工藝氣體不包括載氣。
9.如權利要求1的方法，其中所述工藝氣體實質上由硅烷構成。
10.如權利要求1的方法，其中所述工藝氣體包括硅烷和H2。
11.如權利要求1的方法，其中所述工藝氣體的流速在750和1300sCCm之間。
12.如權利要求1的方法，其中點燃所述等離子體還包括將約5000W的RF功率提供給 所述沉積室。
13.如權利要求1的方法，其中所述方法還包括將腔室施壓到6至10托耳之間。
14.一種在沉積室中于基板上形成微晶硅層的方法，包括 將硅烷氣體流入到所述沉積室的背板和噴頭之間的擴散區域中；將所述硅烷氣體流動通過所述噴頭中的多個孔并流入到所述沉積室的所述噴頭和基 板支件之間的工藝空間中；點燃所述工藝空間內的等離子體； 循環所述硅烷氣體流，所述循環包括在點燃所述等離子體之后使所述硅烷氣體流動約1至15秒；和 通過停止所述硅烷氣體流動約50至65秒，使所述等離子體中形成的 氣體離子回流通過所述噴頭中的多個孔并流入到所述擴散區域中； 在所述擴散區域中混合所述氣體離子和所述硅烷氣體；通過重復所述循環使所述氣體離子和所述硅烷氣體重新流動通過所述噴頭中的多個 孔并流入到所述工藝空間中；和在所述基板上沉積微晶硅層。
15.如權利要求14的方法，其中所述循環發生10至20次。
16.如權利要求14的方法，還包括通過將H2流入到所述工藝空間中來啟動所述沉積室。
17.如權利要求15的方法，其中啟動所述沉積室發生在流動所述硅烷氣體的第一循環 之前或第一循環期間。
18.如權利要求14的方法，其中所述硅烷氣體的流速在750和1300SCCm之間。
19.如權利要求14的方法，其中點燃所述等離子體還包括將5000W的RF功率提供給所 述沉積室。
20.如權利要求14的方法，其中所述方法還包括將所述沉積室施壓至6和10托耳之間。
21.如權利要求4的方法，其中回流所述氣體離子還包括充分地減少工藝氣體流以使 所述氣體離子能夠回流通過所述噴頭中的多個孔并流入到所述擴散區域中。
全文摘要
本發明的實施方式大體涉及在沉積室中于基板上形成微晶硅層的方法。在一個實施方式中，該方法包括將工藝氣體流入到沉積室的背板和噴頭之間的擴散區域中，將工藝氣體流動通過噴頭中的多個孔并流入到沉積室的噴頭和基板支件之間的工藝空間中，點燃工藝空間中的等離子體，使等離子體中形成的氣體離子回流通過噴頭中的多個孔并流入到擴散區域中，在擴散區域中混合氣體離子和工藝氣體，使氣體離子和工藝氣體回流通過噴頭中的多個孔并流入到工藝空間中，和在基板上沉積微晶硅層。
文檔編號C23C16/44GK102002687SQ20101028717
公開日2011年4月6日 申請日期2010年9月2日 優先權日2009年9月2日
發明者李立偉, 楊謝森, 盛殊然, 蔡容基 申請人:應用材料股份有限公司