JP2020178067A

JP2020178067A - シリコン膜の成膜方法

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Publication number: JP2020178067A
Application number: JP2019080041A
Authority: JP
Inventors: 大介東; Daisuke Higashi; 靖典安東; Yasunori Ando
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 2019-04-19
Filing date: 2019-04-19
Publication date: 2020-10-29
Anticipated expiration: 2039-04-19
Also published as: JP7233639B2

Abstract

【課題】ＣＶＤプラズマ法を用いて、低い基板温度でありながら、水素含有比率が従来より低いアモルファスシリコン膜の成膜を可能とするシリコン膜の成膜方法を提供する。【解決手段】ＣＶＤプラズマ成膜装置１００の真空槽２内に載置された基板Ｗ上に、プラズマを用いてアモルファス構造を有するシリコン膜を成膜するシリコン膜の成膜方法であって、プラズマの生成に、主ガスとしてＳｉＦ４ガスを、希釈用ガスとして不活性ガスおよび水素ガスを用い、主ガスと希釈用ガスとの全体に占める水素ガスの比率を６〜３５容量％とし、真空槽内に、ガスを導入しながら、真空槽内を１００ｍＴｏｒｒ以下の圧力に保持して、誘導結合型プラズマを生成させ、３００℃以下の基板上にシリコン膜を成膜する。【選択図】図１

Description

本発明は、シリコン膜の成膜方法に関し、より詳しくは、プラズマＣＶＤ法を用いて、アモルファス構造を有する低水素含有比率のシリコン膜を基板上に成膜するシリコン膜の成膜方法に関する。

薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などの製造に用いられるシリコン膜は、ＣＶＤ法を用いて基板上にアモルファス構造を有するシリコン膜（以下、「アモルファスシリコン膜」ともいう）を成膜した後、アモルファスシリコン膜をレーザーアニールして結晶化することにより製造されている。

ＣＶＤ法を用いて成膜されたアモルファスシリコン膜には、通常、水素が含有されており、水素含有比率が高いアモルファスシリコン膜をレーザーアニールした場合、含有されている多量の水素が急激に気化して、シリコン膜の表面が荒れてしまうことがあり、さらに、爆発、破裂の恐れもある。

水素含有比率の低いアモルファスシリコン膜を成膜するＣＶＤ法には、減圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ：ＬｏｗＰｒｅｓｓｕｒｅＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法があり、水素含有比率１ａｔ％以下のアモルファスシリコン膜が得られている。しかし、この方法は、成膜速度が数十Å／ｍｉｎと遅いため、量産に適した方法とは言えない。また、成膜温度が５００℃程度と高いため、近年ユーザーから強く望まれている樹脂フィルム製の基板に適用することができない。

そこで、２５０〜３５０℃の低温で十分な成膜速度を得ることができるプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：ＰｌａｓｍａＥｎｈａｎｃｅｄＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が注目されている。しかし、従来のプラズマＣＶＤ法の場合、成膜されたアモルファスシリコン膜には、通常１０〜２０ａｔ％の水素が含有されているため、レーザーアニールの前に予備加熱等の工程を設けて、表面荒れの発生を招く水素の除去を行っているが、このような工程を設けることは生産性の低下を招く。

このような状況下、プラズマＣＶＤ法の成膜条件を改良することにより、低水素含有比率のアモルファスシリコン膜を成膜する技術が提案されている。例えば、特許文献１には、ＳｉＨ_４ガスにＨｅやＮｅ等の不活性ガスを添加して希釈したガスを用いて、容量結合プラズマ（ＣＣＰ：ＣａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）を発生させることにより、基板上にアモルファスシリコン膜を成膜することが提案されている。

この成膜方法によれば、成膜中にアモルファスシリコン膜の表面を不活性ガスイオンで叩くことにより、アモルファスシリコン膜中の水素含有比率を低減することができる。

特開平９−１３４８８２号公報

しかしながら、前記成膜方法の場合、低水素化に寄与している主たる要因は基板温度であり、比較的使用し易い不活性ガスであるＡｒを希釈ガスとして用いて基板温度３００℃の温度条件で成膜した場合、ほぼ２．５ａｔ％の水素含有比率に留まっており、未だ十分に低いとは言えない。

そこで、本発明は、ＣＶＤプラズマ法を用いて、低い基板温度でありながら、水素含有比率が従来より低いアモルファスシリコン膜の成膜を可能とするシリコン膜の成膜方法を提供することを課題とする。

本発明者は、上記課題の解決について鋭意検討を行った結果、プラズマＣＶＤ法を用いて以下に記載する成膜条件の下で成膜を行った場合、３００℃よりも低い基板温度でありながら、水素含有比率が従来よりも低いアモルファスシリコン膜が得られることを見出した。

即ち、第１の成膜条件として、主ガスとしてＳｉＦ_４ガスを用いること。ＳｉＦ_４は、従来、広く用いられていたＳｉＨ_４と異なり、水素（Ｈ）を含まない。このため、シリコン膜中にＨが取り込まれ難く、水素含有比率を低くすることができる。また、自然発火性が強く、毒性についての管理限界も非常に低いＳｉＨ_４と異なり、取り扱いが容易であるため、安全に関する周辺設備に要するコストを低減させることができる。

そして、第２の成膜条件として、希釈用ガスとして不活性ガスおよび水素ガスを用いること。水素ガスから生成されたＨプラズマは、ＳｉＦ_４のプラズマ化によって生成されたＦイオンと結合して、フッ化水素（ＨＦ）を生成するため、Ｆイオンが効率的に消費され、ＳｉＦ_４の解離を促進させる。この結果、Ｓｉプラズマの密度が高められて、成膜速度が向上する。そして、ＨプラズマもＦイオンと共に消費されるため、シリコン膜中へのＨの取り込みが抑制される。

このように、水素含有比率を低くすることを目的としているにも拘わらず、不活性ガスと共に、水素ガスを用いることにより、意外にも、逆にアモルファスシリコン膜中の水素含有比率を低くすることができる。

また、プラズマの生成に不活性ガスを用いているため、プラズマ密度が増大し、成膜速度の向上を図ることができる。また、Ｓｉ_２Ｆ_６などの重合反応を抑制することができる。

次に、第３の成膜条件として、水素ガスの導入量を適切に制御すること。具体的には、主ガスと希釈用ガスの全体に占める水素ガスの比率が６〜３５容量％となるように制御することにより、水素含有比率を、従来に比べて、大きく低減することができる。そして、８〜２５容量％であるとより好ましく、９〜１７容量％であるとさらに好ましい。なお、このとき、上記したＳｉＦ_４ガス（主ガス）および不活性ガスの導入量としては、主ガスと希釈用ガスの全体に占めるＳｉＦ_４ガスの比率を８〜１２容量％、不活性ガスの比率を５５〜８４容量％とすることが好ましい。

次に、第４の成膜条件として、真空槽内を低い圧力に保持すること。具体的には、真空槽内を１００ｍＴｏｒｒ以下の圧力に保持する。これにより、プラズマの平均自由行程を長くすることができるため、プラズマを構成するイオンや電子に大きなエネルギーを加えることができる。

次に、第５の成膜条件として、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）を生成させること。ＩＣＰを生成させることにより、プラズマ化におけるガスの分解効率を向上させることができる。

以上の成膜条件に基づいて成膜することにより、基板温度が３００℃以下という低い温度条件下でありながら、密度の高いプラズマを安定して供給して、低い水素含有比率のシリコン膜を成膜することができる。

請求項１〜請求項５に係る発明は、上記知見に基づくものであり、請求項１に記載の発明は、
ＣＶＤプラズマ成膜装置の真空槽内に載置された基板上に、プラズマを用いてアモルファス構造を有するシリコン膜を成膜するシリコン膜の成膜方法であって、
前記プラズマの生成に、主ガスとしてＳｉＦ_４ガスを、希釈用ガスとして不活性ガスおよび水素ガスを用い、
前記主ガスと前記希釈用ガスとの全体に占める前記水素ガスの比率を６〜３５容量％とし、
前記真空槽内に、前記主ガスおよび前記希釈用ガスを導入しながら、前記真空槽内を１００ｍＴｏｒｒ以下の圧力に保持して、誘導結合型プラズマを生成させ、
３００℃以下の基板上に前記シリコン膜を成膜することを特徴とするシリコン膜の成膜方法である。

また、請求項２に記載の発明は、
前記主ガスと前記希釈用ガスとの全体に占める前記水素ガスの比率を８〜２５容量％とすることを特徴とする請求項１に記載のシリコン膜の成膜方法である。

さらに、請求項３に記載の発明は、
前記主ガスと前記希釈用ガスとの全体に占める前記水素ガスの比率を９〜１７容量％とすることを特徴とする請求項１に記載のシリコン膜の成膜方法である。

請求項４に記載の発明は、
前記主ガスと前記希釈用ガスとの全体に占める前記ＳｉＦ_４ガスの比率を８〜１２容量％とすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のシリコン膜の成膜方法である。

請求項５に記載の発明は、
前記主ガスと前記希釈用ガスとの全体に占める前記不活性ガスの比率を５５〜８４容量％とすることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のシリコン膜の成膜方法である。

そして、本発明において、不活性ガスとしては、入手の容易さなどから、Ａｒガスを用いることが好ましい。

即ち、請求項６に記載の発明は、
前記不活性ガスとして、Ａｒガスを用いることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のシリコン膜の成膜方法である。

次に、本発明において、成膜装置としては特に限定されず、一般に広く用いられている成膜装置、例えば、スパイラルコイル状のアンテナを備える成膜装置を用いることもできるが、近年要望が益々高まっている大型の基板上に成膜する場合に発生する恐れがあるアモルファスシリコン膜の膜厚や水素含有比率の不均一を考慮すると、以下に示す構成を備えた成膜装置を用いることが好ましいことが分かった。
内部に冷却液が流通する流路を有し、以下の構成を有するアンテナ
・少なくとも２つの管状の導体要素
・隣り合う導体要素の間に設けられて、各導体要素を絶縁する管状の絶縁要素
・前記流路に設けられて、互いに隣り合う導体要素と電気的に直列接続された容量
素子

容量素子は、互いに隣り合う導体要素の一方と電気的に接続された第１の電極と、互いに隣り合う導体要素の他方と電気的に接続されるとともに、第１の電極に対向して配置された第２の電極と、第１の電極および第２の電極の間の空間を満たす誘電体を備えており、冷却液を誘電体として用いることが好ましい。

上記のような構成とすることにより、絶縁要素を介して互いに隣り合う導体要素に容量素子が電気的に直列接続されるため、アンテナのインピーダンスを低減することができ、大型化に対応するためにアンテナを長くした場合であっても、インピーダンスの増大を抑制してプラズマを効率良く発生させることができ、プラズマ密度を上げることができる。

そして、第１の電極および第２の電極の間の空間を冷却液で満たして誘電体としているため、容量素子を構成する電極および誘電体の間に生じる隙間を無くすことができる。その結果、生成されるプラズマの均一性を向上させることができ、成膜の均一性を向上させることができる。また、通常、冷却液は温調機構により一定温度に調整されているため、この冷却液を誘電体として用いることにより、温度変化による比誘電率の変化を抑制して、キャパシタンス値の変化を抑えることができ、さらにプラズマの均一性が向上して、成膜の均一性をさらに向上させることができる。

また、隙間を考慮することなく、第１の電極および第２の電極の距離、対向面積および冷却液の誘電率からキャパシタンス値を精度良く設定することができる。さらに、隙間を埋めるための電極および誘電体を押圧する電極が不要となるため、押圧構造によるアンテナ周辺の構造の複雑化や、それによって生じるプラズマの均一性の悪化を防ぐことができる。

請求項７に記載の発明は、上記の知見に基づくものであり、
前記ＣＶＤプラズマ成膜装置として、
内部に冷却液が流通する流路を有し、少なくとも２つの管状をなす導体要素と、互いに隣り合う前記導体要素の間に設けられて、それら導体要素を絶縁する管状をなす絶縁要素と、前記流路に設けられて、互いに隣り合う前記導体要素と電気的に直列接続された容量素子とを有するアンテナを備え、
前記容量素子は、互いに隣り合う前記導体要素の一方と電気的に接続された第１の電極と、互いに隣り合う前記導体要素の他方と電気的に接続されるとともに、前記第１の電極に対向して配置された第２の電極と、前記第１の電極及び前記第２の電極の間の空間を満たす誘電体とからなり、
前記冷却液を前記誘電体として用いた成膜装置を用いることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のシリコン膜の成膜方法である。

そして、具体的な成膜に際して、本実施の形態のＩＣＰ生成のためには、成膜中にアンテナに供給する高周波電力のパワー密度として、７００〜１０００ｍＷ／ｃｍ^２が好ましい。

即ち、請求項８に記載の発明は、
成膜中、前記アンテナに対し、７００〜１０００ｍＷ／ｃｍ^２のパワー密度で高周波電力を印加して前記誘導結合型プラズマを生成させることを特徴とする請求項７に記載のシリコン膜の成膜方法である。

また、真空槽内に供給する主ガスと希釈用ガスとを合わせたガスの面積当たりのトータル流量として、０．０４０〜０．１５７ｓｃｃｍ／ｃｍ^２が好ましいことが分かった。

即ち、請求項９に記載の発明は、
成膜中の前記主ガスと希釈用ガスとを合わせたガスの面積当たりのトータル流量が、０．０４０〜０．１５７ｓｃｃｍ／ｃｍ^２であることを特徴とする請求項７または請求項８に記載のシリコン膜の成膜方法である。

また、成膜中の前記主ガスの面積当たりの流量として、０．００７〜０．０１８ｓｃｃｍ／ｃｍ^２が好ましいことが分った。

即ち、請求項１０に記載の発明は、
成膜中の前記主ガスの面積当たりの流量が、０．００７〜０．０１８ｓｃｃｍ／ｃｍ^２であることを特徴とする請求項７ないし請求項９のいずれか１項に記載のシリコン膜の成膜方法である。

本発明によれば、ＣＶＤプラズマ法を用いて、低い基板温度でありながら、水素含有比率が従来より低いアモルファスシリコン膜の成膜を可能とするシリコン膜の成膜方法を提供することができる。

本実施形態に係る成膜装置の構成を模式的に示すアンテナの長手方向に沿った縦断面図である。本実施形態に係る成膜装置の構成を模式的に示すアンテナの長手方向と直交する方向に沿った縦断面図である。本実施形態のアンテナにおけるコンデンサ部分を示す部分拡大断面図である。本発明の一実施例におけるシリコン膜中の水素の比率とプラズマ生成用ガス中に占めるＡｒガスの比率および水素ガスの比率との関係を示す図である。

以下、本発明を実施の形態に基づいて具体的に説明する。なお、以下では、本発明の理解を容易にするために、まず、成膜装置について説明し、その後、成膜方法について説明する。

［１］成膜装置
図１および図２は、本実施の形態において使用される成膜装置、即ち、上記した構成の成膜装置の模式的な断面図である。なお、図１はアンテナの長手方向に沿った縦断面図であり、図２はアンテナの長手方向と直交する方向に沿った縦断面図である。また、図３はアンテナにおけるコンデンサ部分を示す部分拡大断面図である。

本実施形態の成膜装置１００は、誘導結合型のプラズマＰを用いて基板Ｗに成膜処理を施すものである。ここで、基板Ｗは、例えば、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等のフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）用の基板、フレキシブルディスプレイ用のフレキシブル基板等である。

具体的に成膜装置１００は、図１及び図２に示すように、真空排気され且つ原料ガス７が導入される真空槽２と、真空槽２内に配置された直線状のアンテナ３と、真空槽２内に誘導結合型のプラズマＰを生成するための高周波をアンテナ３に印加する高周波電源４とを備えている。なお、アンテナ３に高周波電源４から高周波を印加することによりアンテナ３には高周波電流ＩＲが流れて、真空槽２内に誘導電界が発生して誘導結合型のプラズマＰが生成される。

真空槽２は、例えば金属製の容器であり、その内部は真空排気装置６によって真空排気される。真空槽２はこの例では電気的に接地されている。

真空槽２内に、例えば流量調整器（図示省略）及びアンテナ３に沿う方向に配置された複数のガス導入口２１を経由して、原料ガス７が導入される。なお、本実施形態のガス導入口２１は、真空槽２の側壁２ａに設けられているが、真空槽２の上側壁２ｂに設けてもよく、この場合、上側壁２ｂの中央付近に配置してもよい。

また、真空槽２内には、基板Ｗを保持する基板ホルダ８が設けられている。この例のように、基板ホルダ８にバイアス電源９からバイアス電圧を印加するようにしても良い。バイアス電圧は、例えば負の直流電圧、負のバイアス電圧等であるが、これに限られるものではない。このようなバイアス電圧によって、例えば、プラズマＰ中の正イオンが基板Ｗに入射する時のエネルギーを制御して、基板Ｗの表面に形成される膜の結晶化度の制御等を行うことができる。なお、基板ホルダ８内には、基板Ｗを加熱するヒータ８１が設けられている。

アンテナ３は、真空槽２内における基板Ｗの上方に、基板Ｗの表面に沿うように（例えば、基板Ｗの表面と実質的に平行に）配置されている。真空槽２内に配置するアンテナ３は、１つでも良いし、複数でも良い。なお、本実施形態のアンテナ３は、６つである。

アンテナ３の両端部付近は、真空槽２の相対向する側壁２ａ、２ｃをそれぞれ貫通している。アンテナ３の両端部を真空槽２外へ貫通させる部分には、絶縁部材１１がそれぞれ設けられている。この各絶縁部材１１を、アンテナ３の両端部が貫通しており、その貫通部は例えばパッキン１２によって真空シールされている。各絶縁部材１１と真空槽２との間も、例えばパッキン１３によって真空シールされている。なお、絶縁部材１１の材質は、例えば、アルミナ等のセラミックス、石英、又はポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等のエンジニアリングプラスチック等である。

さらに、アンテナ３において、真空槽２内に位置する部分は、直管状の絶縁カバー１０により覆われている。この絶縁カバー１０の両端部は絶縁部材１１によって支持されている。なお、絶縁カバー１０の両端部と絶縁部材１１間はシールしなくても良い。絶縁カバー１０内の空間に原料ガス７が入っても、当該空間は小さくて電子の移動距離が短いので、通常は空間にプラズマＰは発生しないからである。なお、絶縁カバー１０の材質は、例えば、石英、アルミナ、フッ素樹脂、窒化シリコン、炭化シリコン、シリコン等である。

絶縁カバー１０を設けることによって、プラズマＰ中の荷電粒子がアンテナ３を構成する金属パイプ３１に入射するのを抑制することができるので、金属パイプ３１に荷電粒子（主として電子）が入射することによるプラズマ電位の上昇を抑制することができると共に、金属パイプ３１が荷電粒子（主としてイオン）によってスバッタされてプラズマＰおよび基板Ｗに対して金属汚染（メタルコンタミネーション）が生じるのを抑制することができる。

アンテナ３の一端部である給電端部３ａには、整合回路４１を介して高周波電源４が接続されており、他端部である終端部３ｂは直接接地されている。なお、終端部３ｂは、コンデンサ又はコイル等を介して接地しても良い。

上記構成によって、高周波電源４から、整合回路４１を介して、アンテナ３に高周波電流ＩＲを流すことができる。高周波の周波数は、例えば、一般的な１３．５６ＭＨｚであるが、これに限られるものではない。

アンテナ３は、内部に冷却液ＣＬが流通する流路を有する中空構造のものである。具体的にアンテナ３は、図３に示すように、少なくとも２つの管状をなす金属製の導体要素３１（以下、「金属パイプ３１」という）と、互いに隣り合う金属パイプ３１の間に設けられて、それら金属パイプ３１を絶縁する管状の絶縁要素３２（以下、「絶縁パイプ３２」という）と、互いに隣り合う金属パイプ３１と電気的に直列接続された容量素子であるコンデンサ３３とを備えている。

本実施形態では金属パイプ３１の数は５つであり、絶縁パイプ３２及びコンデンサ３３の数は各４つである。以下の説明において、絶縁パイプ３２及びコンデンサ３３の一方側に配置される金属パイプ３１を「第１の金属パイプ３１Ａ」、他方側に配置される金属パイプを「第２の金属パイプ３１Ｂ」ともいう。なお、アンテナ３は、２つ以上の金属パイプ３１を有する構成であれば良く、そして、絶縁パイプ３２及びコンデンサ３３の数はいずれも金属パイプ３１の数よりも１つ少ない数になる。

なお、冷却液ＣＬは、真空槽２の外部に設けられた循環流路１４によりアンテナ３を流通するものであり、前記循環流路１４には、冷却液ＣＬを一定温度に調整するための熱交換器などの温調機構１４１と、循環流路１４において冷却液ＣＬを循環させるためのポンプなどの循環機構１４２とが設けられている。冷却液ＣＬとしては、電気絶縁の観点から、高抵抗の水が好ましく、例えば純水またはそれに近い水が好ましい。その他、例えばフッ素系不活性液体などの水以外の液冷媒を用いても良い。

金属パイプ３１は、内部に冷却液ＣＬが流れる直線状の流路３１ｘが形成された直管状をなすものである。そして、金属パイプ３１の少なくとも長手方向一端部の外局部には、雄ねじ部３１ａが形成されている。本実施形態の金属パイプ３１は、雄ねじ部３１ａが形成された端部とそれ以外の部材とを別部品により形成してそれらを接合しているが、単一の部材から形成しても良い。なお、複数の金属パイプ３１を接続する構成との部品の共通化を図るべく、金属パイプ３１の長手方向両端部に雄ねじ部３１ａを形成して互換性を持たせておくことが望ましい。金属パイプ３１の材質は、例えば、銅、アルミニウム、これらの合金、ステンレス等である。

絶縁パイプ３２は、内部に冷却液ＣＬが流れる直線状の流路３２ｘが形成された直管状をなすものである。そして、絶縁パイプ３２の軸方向両端部の側周壁には、金属パイプ３１の雄ねじ部３１ａと螺合して接続される雌ねじ部３２ａが形成されている。また、絶縁パイプ３２の軸方向両端部の側周壁には、雌ねじ部３２ａよりも軸方向中央側に、コンデンサ３３の各電極３３Ａ、３３Ｂを嵌合させるための凹部３２ｂが周方向全体に亘って形成されている。本実施形態の絶縁パイプ３２は、単一の部材から形成しているが、これに限られない。なお、絶縁パイプ３２の材質は、例えば、アルミナ、フッ素樹脂、ポリエチレン（ＰＥ）、エンジニアリングプラスチック（例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）など）等である。

コンデンサ３３は、絶縁パイプ３２の内部に設けられており、具体的には、絶縁パイプ３２の冷却液ＣＬが流れる流路３２ｘに設けられている。

具体的にコンデンサ３３は、互いに隣り合う金属パイプ３１の一方（第１の金属パイプ３１Ａ）と電気的に接続された第１の電極３３Ａと、互いに隣り合う金属パイプ３１の他方（第２の金属パイプ３１Ｂ）と電気的に接続されるとともに、第１の電極３３Ａに対向して配置された第２の電極３３Ｂとを備えており、第１の電極３３Ａ及び第２の電極３３Ｂの間の空間を冷却液ＣＬが満たすように構成されている。つまり、この第１の電極３３Ａ及び第２の電極３３Ｂの間の空間を流れる冷却液ＣＬが、コンデンサ３３を構成する誘電体となる。

各電極３３Ａ、３３Ｂは、概略回転体形状をなすとともに、その中心軸に沿って中央部に主流路３３ｘが形成されている。具体的に各電極３３Ａ、３３Ｂは、金属パイプ３１における絶縁パイプ３２側の端部に電気的に接触するフランジ部３３１と、当該フランジ部３３１から絶縁パイプ３２側に延出した延出部３３２とを有している。本実施形態の各電極３３Ａ、３３Ｂは、フランジ部３３１及び延出部３３２を単一の部材から形成しても良いし、別部品により形成してそれらを接合しても良い。電極３３Ａ、３３Ｂの材質は、例えば、アルミニウム、銅、これらの合金等である。

フランジ部３３１は、金属パイプ３１における絶縁パイプ３２側の端部に周方向全体に亘って接触している。具体的には、フランジ部３３１の軸方向端面は、金属パイプ３１の端部に形成された円筒状の接触部３１１の先端面に周方向全体に亘って接触するとともに、金属パイプ３１の接触部３１１の外周に設けられたリング状多面接触子１５を介して金属パイプ３１の端面に電気的に接触する。なお、フランジ部３３１は、それらの何れか一方により、金属パイプ３１に電気的に接触するものであっても良い。

また、フランジ部３３１には、厚み方向に複数の貫通孔３３１ｈが形成されている。このフランジ部３３１に貫通孔３３ｌｈを設けることによって、フランジ部３３１による冷却液ＣＬの流路抵抗を小さくするとともに、絶縁パイプ３２内での冷却液ＣＬの滞留、及び、絶縁パイプ３２内に気泡が溜まることを防ぐことができる。

延出部３３２は、円筒形状をなすものであり、その内部に主流路３３ｘが形成されている。第１の電極３３Ａの延出部３３２及び第２の電極３３Ｂの延出部３３２は、互いに同軸上に配置されている。つまり、第１の電極３３Ａの延出部３３２の内部に第２の電極３３Ｂの延出部３３２が挿し込まれた状態で設けられている。これにより、第１の電極３３Ａの延出部３３２と第２の電極３３Ｂの延出部３３２との間に、流路方向に沿った円筒状の空間が形成される。

このように構成された各電極３３Ａ、３３Ｂは、絶縁パイプ３２の側周壁に形成された凹部３２ｂに嵌合されている。具体的には、絶縁パイプ３２の軸方向一端側に形成された凹部３２ｂに第１の電極３３Ａが嵌合され、絶縁パイプ３２の軸方向他端側に形成された凹部３２ｂに第２の電極３３Ｂが嵌合されている。このように各凹部３２ｂに各電極３３Ａ、３３Ｂを嵌合させることによって、第１の電極３３Ａの延出部３３２及び第２の電極３３Ｂの延出部３３２は、互いに同軸上に配置される。また、各凹部３２ｂの軸方向外側を向く面に各電極３３Ａ、３３Ｂのフランジ部３３１の端面が接触することによって、第１の電極３３Ａの延出部３３２に対する第２の電極３３Ｂの延出部３３２の挿入寸法が規定される。

また、絶縁パイプ３２の各凹部３２ｂに各電極３３Ａ、３３Ｂを嵌合させるとともに、当該絶縁パイプ３２の雌ねじ部３２ａに金属パイプ３１の雄ねじ部３１ａを螺合させることによって、金属パイプ３１の接触部３１１の先端面が電極３３Ａ、３３Ｂのフランジ部３３１に接触して各電極３３Ａ、３３Ｂが、絶縁パイプ３２と金属パイプ３１との間に挟まれて固定される。このように本実施形態のアンテナ３は、金属パイプ３１、絶縁パイプ３２、第１の電極３３Ａ及び第２の電極３３Ｂが同軸上に配置された構造となる。なお、金属パイプ３１及び絶縁パイプ３２の接続部は、真空及び冷却液ＣＬに対するシール構造を有している。本実施形態のシール構造は、雄ねじ部３１ａの基端部に設けられたパッキン等のシール部材１６により実現されている。なお、管用テーパねじ構造を用いても良い。

このように、金属パイプ３１及び絶縁パイプ３２の間のシール、及び、金属パイプ３１と各電極３３Ａ、３３Ｂとの電気的接触が、雄ねじ部３１ａ及び雌ねじ部３２ａの締結と共に行われるので、組み立て作業が非常に簡便となる。

この構成において、第１の金属パイプ３１Ａから冷却液ＣＬが流れてくると、冷却液ＣＬは、第１の電極３３Ａの主流路３３ｘ及び貫通孔３３１ｈを通じて、第２の電極３３Ｂ側に流れる。第２の電極３３Ｂ側に流れた冷却液ＣＬは、第２の電極３３Ｂの主流路３３ｘ及び貫通孔３３１ｈを通じて第２の金属パイプ３１Ｂに流れる。このとき、第１の電極３３Ａの延出部３３２と第２の電極３３Ｂの延出部３３２との間の円筒状の空間が冷却液ＣＬに満たされて、当該冷却液ＣＬが誘電体となりコンデンサ３３が構成される。

＜成膜装置の効果＞
このように構成した本実施形態の成膜装置１００によれば、絶縁パイプ３２を介して互いに隣り合う金属パイプ３１にコンデンサ３３を電気的に直列接続しているので、アンテナ３の合成リアクタンスは、簡単に言えば、誘導性リアクタンスから容量性リアクタンスを引いた形になるので、アンテナ３のインピーダンスを低減させることができる。その結果、アンテナ３を長くする場合でもそのインピーダンスの増大を抑えることができ、アンテナ３に高周波電流が流れやすくなり、誘導結合型のプラズマＰを効率良く発生させることができる。

［２］成膜方法
次に、上記した成膜装置を用いて行う本実施の形態に係るシリコン膜の成膜方法について説明する。

まず、真空槽２内を真空排気した後、アンテナ３に対して高周波電流ＩＲを印加する。これにより、真空槽２内にガス導入口２１からＳｉＦ_４ガスを希釈用ガス（不活性ガスと水素ガスとの混合ガス）と共に導入した場合、真空槽２内に誘導結合型プラズマＰを発生させることができる。そして、このとき、基板ホルダ８をヒータ８１で加熱して、基板ホルダ８に保持された基板Ｗを加熱することにより、基板Ｗ上に、アモルファス構造を有する低水素含有比率のシリコン膜を成膜することができる。

そして、本実施の形態においては、上記の成膜に際して、以下に示す各項目に従って成膜を行う。

（１）主ガスおよび希釈用ガス
まず、主ガスとしてはＳｉＦ_４ガスを用いる。前記した通り、ＳｉＦ_４は、水素（Ｈ）を含まないため、シリコン膜中にＨが取り込まれ難く、水素含有比率を低くすることができる。

次に、希釈用ガスとしては、不活性ガスおよび水素ガスを用いる。水素ガスから生成されたＨプラズマは、ＳｉＦ_４のプラズマ化によって生成されたＦイオンと結合して、フッ化水素（ＨＦ）を生成し、Ｆイオンが効率的に消費され、ＳｉＦ_４の解離を促進させ、Ｓｉプラズマの密度が高められて、成膜速度が向上する。そして、ＨプラズマもＦイオンと共に消費されるため、シリコン膜中へのＨの取り込みが抑制される。

また、不活性ガスを用いているため、プラズマ密度が増大し、成膜速度の向上を図ることができる。なお、具体的な不活性ガスとしては、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅのいずれを用いてもよいが、比較的使用し易く、入手も容易という観点から、Ａｒの使用が好ましい。

（２）主ガスおよび希釈用ガスの比率
主ガスおよび希釈用ガスの比率については、主ガスと希釈用ガスの全体に占める水素ガスの比率が６〜３５容量％となるように制御する。これにより、水素含有比率を、従来に比べて、大きく低減することができる。このとき、主ガスと希釈用ガスとの全体に占めるＳｉＦ_４ガスの比率を８〜１２容量％、不活性ガスの比率を５５〜８４容量％となるように制御することが好ましい。

（３）真空槽内の圧力
真空槽内の圧力は、１００ｍＴｏｒｒ以下の低い圧力に保持する。これにより、プラズマの平均自由行程を長くすることができ、プラズマを構成するイオンや電子に大きなエネルギーを加えることができる。

（４）誘導結合型プラズマの生成
本実施の形態においては、プラズマとして、誘導結合型プラズマを生成させる。これにより、プラズマ化におけるガスの分解効率を向上させることができる。

（５）パワー密度
成膜中、アンテナに印加する高周波電力のパワー密度は、ＩＣＰ生成の観点から、７００ｍ〜１０００ｍＷ／ｃｍ^２であることが好ましい。なお、ここでいう「パワー密度」とは、アンテナに印加する電力（ｍＷ）を真空槽内の内部空間を基板と平行に横切るように切断した断面積（ｃｍ^２）によって除した値である。より、具体的には、断面積は、真空槽の基板とアンテナとの間の内部空間を基板と平行に横切るように切断した断面積である。

（６）主ガスと希釈用ガスとの面積当たりのトータル流量
主ガスと希釈用ガスとの面積当たりのトータル流量は、ＩＣＰ生成の観点から、０．０４０〜０．１５７ｓｃｃｍ／ｃｍ^２であることが好ましい。

（７）主ガスの面積当たりの流量
真空槽に供給する主ガスの面積当たりの流量は、０．００７〜０．０１８ｓｃｃｍ／ｃｍ^２であることが好ましい。

以下、実施例に基づき、本発明をさらに具体的に説明する。

［１］実験１
１．シリコン膜の成膜
図１〜図３に示した構成を有する成膜装置を使用し、ＩＣＰを用いたプラズマＣＶＤ法により、下記の条件の下でシリコン膜を成膜した。

（１）基板温度、基板、パワー、圧力、ＳｉＦ_４ガス流量
基板温度、基板、アンテナに印加するパワー、真空槽内の圧力およびＳｉＦ_４ガス流量を基本条件として、下記の条件で固定した。また、不活性ガスにはＡｒを用いた。なお、本実験において、主ガス（ＳｉＦ_４）と希釈用ガス（ＡｒおよびＨ_２）のトータル流量に対するＳｉＦ_４の比率（ＳｉＦ_４／ＳｉＦ_４＋Ａｒ＋Ｈ_２）は、１０容量％である。
（ａ）基板温度：３００℃
（ｂ）基板：Ｎ型Ｓｉウエハー
（ｃ）パワー：９ｋＷ（パワー密度：７１０ｍＷ／ｃｍ^２）
（ｄ）圧力：４５ｍＴｏｒｒ
（ｅ）ＳｉＦ_４ガス流量：１００ｓｃｃｍ（０．００８ｓｃｃｍ／ｃｍ^２）

（２）ＡｒおよびＨ_２の流量および比率、成膜時間
ＡｒおよびＨ_２の流量およびガスのトータル流量に対する比率および成膜時間は、表１に記載の通りとした。なお、表１のＡｒ、Ｈ_２の流量欄に括弧書きで示した数値は、ｓｃｃｍ／ｃｍ^２を単位とする数値であり、表１には、膜厚（ｎｍ）、成膜速度（ｎｍ／ｍｉｎ）、Ｈ濃度（×１０^２１ｃｍ^−１）を併記している。そして、実験例１以外の基板に対しては、予め、ＢＨＦ(フッ酸とフッ化アンモニウムの混合液)による洗浄を行った。なお、ＡｒおよびＨ_２のガスのトータル流量に対する比率は、具体的には、Ａｒ／ＳｉＦ_４＋Ａｒ＋Ｈ_２、および、Ｈ_２／ＳｉＦ_４＋Ａｒ＋Ｈ_２である。

２．シリコン膜の評価
（１）水素含有比率（Ｈ／Ｓｉ比）
各実験例で得られたシリコン膜について、ＦＴ−ＩＲ法を用いて水素含有比率（Ｈ／Ｓｉ比）（ａｔ％）の測定を行った。結果を表２および図４に示す。なお、図４において、縦軸は水素含有比率（Ｈ／Ｓｉ比）（ａｔ％）である。また、横軸は、上段がＨ_２の流量比率（Ｈ_２／（ＳｉＦ_４＋Ａｒ＋Ｈ_２））（容量％）、下段がＡｒの流量比率（Ａｒ／（ＳｉＦ_４＋Ａｒ＋Ｈ_２））（容量％）である。

図４より、Ｈ_２の流量比率が６〜３５容量％の場合（広Ｈ_２）には水素含有比率が４ａｔ％以下、８〜２５容量％の場合（中Ｈ_２）には３ａｔ％以下、９〜１７容量％の場合（狭Ｈ_２）には２ａｔ％以下となり、水素ガスの比率を制御することにより、水素含有比率を、従来に比べて、大きく低減できることが分かる。

表２、図４から、Ａｒの流量比が８０容量％となるまでは、Ａｒの流量比の増加に伴って、水素含有比率（Ｈ／Ｓｉ比）が低下していることが分かる。そして、Ａｒの流量比が６４容量％では３ａｔ％、７３容量％では２ａｔ％、８０容量％では１．１ａｔ％まで低下していることが分かる。一方、Ａｒの流量比が８０容量％を超えると、水素含有比率（Ｈ／Ｓｉ比）が一気に上昇して、９０容量％では９．２ａｔ％となっている。これにより、Ａｒの流量比が６５〜８２容量％の範囲内であれば、水素含有比率（Ｈ／Ｓｉ比）３ａｔ％以下の低水素含有比率のシリコン膜が成膜できることが確認できた。

［２］実験２
１．シリコン膜の成膜
実験１で前記のようにＨ／Ｓｉ比が、Ａｒの流量比８０容量％から９０容量％の間で急激に上昇しているため、基本となる成膜条件を実験１と同じ条件にして、Ａｒ流量およびＨ_２流量を変量させて、さらに詳細な実験を行った。成膜条件を表３に示す。

２．シリコン膜の評価
実験１と同じ方法で水素含有比率（Ｈ／Ｓｉ比）を測定した。評価結果を表４に示す。また、実験２の結果は実験１の結果を示した図４に併せて示す。

以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることができる。

２真空槽
２ａ、２ｃ側壁
２ｂ上側壁
３アンテナ
３ａ給電端部
３ｂ終端部
４高周波電源
６真空排気装置
７原料ガス
８基板ホルダ
９バイアス電源
１０絶縁カバー
１１絶縁部材
１２、１３パッキン
１４循環流路
１５リング状多面接触子
１６シール部材
２１ガス導入口
３１金属パイプ
３１Ａ第１の金属パイプ
３１Ｂ第２の金属パイプ
３１ａ雄ねじ部
３１ｘ、３２ｘ流路
３２絶縁パイプ
３２ａ雌ねじ部
３２ｂ凹部
３３コンデンサ
３３Ａ第１の電極
３３Ｂ第２の電極
３３ｘ主流路
４１整合回路
８１ヒータ
１００成膜装置
１４１温調機構
１４２循環機構
３１１接触部
３３１フランジ部
３３１ｈ貫通孔
３３２延出部
ＣＬ冷却液
ＩＲ高周波電流
Ｐプラズマ
Ｗ基板

Claims

ＣＶＤプラズマ成膜装置の真空槽内に載置された基板上に、プラズマを用いてアモルファス構造を有するシリコン膜を成膜するシリコン膜の成膜方法であって、
前記プラズマの生成に、主ガスとしてＳｉＦ_４ガスを、希釈用ガスとして不活性ガスおよび水素ガスを用い、
前記主ガスと前記希釈用ガスとの全体に占める前記水素ガスの比率を６〜３５容量％とし、
前記真空槽内に、前記主ガスおよび前記希釈用ガスを導入しながら、前記真空槽内を１００ｍＴｏｒｒ以下の圧力に保持して、誘導結合型プラズマを生成させ、
３００℃以下の基板上に前記シリコン膜を成膜することを特徴とするシリコン膜の成膜方法。
前記主ガスと前記希釈用ガスとの全体に占める前記水素ガスの比率を８〜２５容量％とすることを特徴とする請求項１に記載のシリコン膜の成膜方法。
前記主ガスと前記希釈用ガスとの全体に占める前記水素ガスの比率を９〜１７容量％とすることを特徴とする請求項１に記載のシリコン膜の成膜方法。
前記主ガスと前記希釈用ガスとの全体に占める前記ＳｉＦ_４ガスの比率を８〜１２容量％とすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のシリコン膜の成膜方法。
前記主ガスと前記希釈用ガスとの全体に占める前記不活性ガスの比率を５５〜８４容量％とすることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のシリコン膜の成膜方法。
前記不活性ガスとして、Ａｒガスを用いることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のシリコン膜の成膜方法。
前記ＣＶＤプラズマ成膜装置として、
内部に冷却液が流通する流路を有し、少なくとも２つの管状をなす導体要素と、互いに隣り合う前記導体要素の間に設けられて、それら導体要素を絶縁する管状をなす絶縁要素と、前記流路に設けられて、互いに隣り合う前記導体要素と電気的に直列接続された容量素子とを有するアンテナを備え、
前記容量素子は、互いに隣り合う前記導体要素の一方と電気的に接続された第１の電極と、互いに隣り合う前記導体要素の他方と電気的に接続されるとともに、前記第１の電極に対向して配置された第２の電極と、前記第１の電極及び前記第２の電極の間の空間を満たす誘電体とからなり、
前記冷却液を前記誘電体として用いた成膜装置を用いることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のシリコン膜の成膜方法。
成膜中、前記アンテナに対し、７００〜１０００ｍＷ／ｃｍ^２のパワー密度で高周波電力を印加して前記誘導結合型プラズマを生成させることを特徴とする請求項７に記載のシリコン膜の成膜方法。
成膜中の前記主ガスと希釈用ガスとを合わせたガスの面積当たりのトータル流量が、０．０４０〜０．１５７ｓｃｃｍ／ｃｍ^２であることを特徴とする請求項７または請求項８に記載のシリコン膜の成膜方法。
成膜中の前記主ガスの面積当たりの流量が、０．００７〜０．０１８ｓｃｃｍ／ｃｍ^２であることを特徴とする請求項７ないし請求項９のいずれか１項に記載のシリコン膜の成膜方法。