JPH01295412A - プラズマ気相成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 半導体素子の微細化に必要とされる急峻なドーピングプ
ロファイルのエピタキシャル基板を製造するのに適した
プラズマ気相成長装置に関する。

〔従来技術〕

半導体シリコンのエピタキシャル成長法は該半導体の電
気特性を制御するためにシリコン中に添加される砒素、
燐、アンチモン、硼素等の微量不純物、所謂ドーパント
の濃度の高い基板、または局所的に電気特性を制御する
ためにイオン打込法等によりドーパント濃度を高くした
領域、所謂埋込層の上にドーパント濃度の低い単結晶層
を形成する現在唯一の方法である。

現在、トランジスタ、ダイオード、キャパシタセル及び
その集積回路等のシリコン半導体素子の形成に用いられ
るエピタキシャル基板には、素子微細化に対応するため
に急峻なドーピングプロファイルをもつことが要求され
ている。

このような素子の製造装置としては従来第５゜６図に示
す如き装置が用いられている。

第５図は従来におけるマイクロ波を用いた電子サイクロ
トロン共鳴励起を利用するプラズマ気相成長装置（特開
昭５６−１５５５３５号）の縦断面図であり、３Ｉはプ
ラズマ生成室を示している。プラズマ生成室３１は上部
壁中央に石英ガラス板３１ａにて封止したマイクロ波導
入窓３１ｂを、また下部壁中央には前記マイクロ波導入
窓３１ｂと対向する位置にプラズマ引出窓３１ｃを夫々
備え、前記マイクロ波導入窓３１ｂには他端を図示しな
い高周波発振器に接続した導波管３２の一端が接続され
、またプラズマ引出窓３１ｃに望ませて試料室３３を配
設し、更にプラズマ生成室３１の周囲にはプラズマ生成
室３１及びこれに接続した導波管３２の一端部にわたっ
てこれらを囲繞する態様でこれらと同心状に励磁コイル
３４を配設しである。

試料室３３内にはウェーハ等の基板Ｓを装着する試料台
３５が前記プラズマ引出窓３１ｄと対向させて配設され
、その上面には基板Ｓが着脱可能に装着されるようにし
である。

３３ａは図示しない排気装置に連なる排気口、３１ｇ。

３３ｇは原料ガスの供給系である。

而してこのようなプラズマ気相成長装置にあってはプラ
ズマ生成室３１．試料室３３内を所要の真空度に設定し
た後、プラズマ生成室３１内にガス供給系３１ｇから成
膜用の１又は複数種の原料ガスを供給し、励磁コイル３
４にて磁界を形成しつつ、プラズマ生成室３１内にマイ
クロ波を導入し、電子サイクロトロン共鳴励起してプラ
ズマを生成させ、生成させたプラズマを励磁コイル３４
にて形成される発散磁界によって試料室３３へ引出し、
イオンを試料台３５上の基板Ｓ周辺に投射せしめて成膜
を行うようになっている。

第６図は従来装置の他の例（特開昭６１−５３７１９号
）を示す模式的縦断面図であり、試料室４３の周壁に第
５図に示したのと同様の構造を有する電子サイクロトロ
ン共鳴励起によりプラズマを生成する２個のプラズマ生
成室４１．５１を所要の角度で傾斜させて設置し、一方
のプラズマ生成室４１には結晶性膜の構成元素を含まな
い不活性ガス、■２ガスを、また他方のプラズマ生成室
５１には結晶性膜の構成元素を含むガスを導入して夫々
電子サイクロトロン共鳴励起によりプラズマを生成させ
、このプラズマを選択的に、或いは同時的に試料室４３
内の基板Ｓ表面に導き、前処理としてのエツチング処理
を施し、また成膜を施すようになっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで従来のこの種の装置では原料ガスのうちプラズ
マ生成室内でプラズマ化したものの一部は発散磁界で試
料室に引き出され、基板への成膜に寄与するものの、引
き出されずにプラズマ生成室３１，４１．５Ｉ内面にそ
のまま付着し、基板Ｓへの成膜に寄与しないこととなる
ためガス利用効率が低いという問題があった。

本発明者はこのようなプラズマ生成室内面への膜の付着
による原料ガスの無駄を解消すべく実験研究を行った結
果、次のような事実を知見した。

即ち、例えばシリコンのエピタキシャル膜を形成すべく
原料ガスとしてモノシランを用い、前述した如き電子サ
イクロトロン共鳴励起によりシリコンのエピタキシャル
成長を行ったところ、成膜速度は基板温度が低い場合よ
りも高い場合の方が大きくなること、またこのモノシラ
ンにアルゴン。

水素等のエツチング性希釈ガスを加えて供給すると、加
えない場合と比較してガス利用効率が格段に向上するこ
とが確認された。

この事実からガス利用率の向上には、基板表面への膜の
付着を促進し、またガス利用率低下の最大の要因の一つ
であるプラズマ生成室内壁への膜付着を抑制するのが最
も効果的である。

即ち、 ■　基板加熱により基板への成膜速度を高めることによ
って、プラズマ室内面への付着速度を相対的に低下させ
る。これによりガス利用効率は２．４倍増大した。

■　膜に対するエツチング性を有する水素及び／又はア
ルゴンで原料ガスを希釈することによりプラズマ生成室
内壁へのシリコン析出を防止する。

これによりガス利用効率は１．７倍増大した。

本発明はかかる知見に基づきなされたものであって、そ
の目的とするところは電子サイクロトロン共鳴励起によ
って生成させたプラズマを用いて基板表面でのプラズマ
の作用を高めて原料ガスの利用効率を高め、高品質のエ
ピタキシャル膜を大面積にわたって生産性段（形成でき
るプラズマ気相成長装置を提供するにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係るプラズマ気相成長装置は、試料を加熱する
手段と、成膜のための原料ガスをプラズマ生成室に供給
する手段と、形成すべき膜に対するエツチング作用を有
するエツチング性希釈ガスを供給する手段とを具備する
。

〔作用〕

本発明にあっては、これによって基板以外の室壁への膜
付着を抑制、防止し、原料ガスの無駄を解消し、それだ
け成長速度を高め得ることとなる。

〔実施例〕

以下本発明をその実施例を示す図面に基づき具体的に説
明する。

第１図は本発明に係るプラズマ気相成長装置（以下本発
明装置という）の模式図であり、図中１はプラズマ生成
室、２は導波管、３は基板Ｓを配置する試料室、４は励
磁コイルを示している。

プラズマ生成室１はステンレス鋼製であって、工業用周
波数２．４５Ｈｚのマイクロ波に対してＴＥ１１３モー
ドの定在波を形成する円筒型空洞共振器として機能する
よう構成されており、上部壁中央には石英ガラス板等で
閉鎖されたマイクロ波導入窓１ａを備え、また下部壁中
央には前記マイクロ波導入窓１ａと対向する位置にプラ
ズマの引出窓ｌｂを備え、前記マイクロ波導入窓１ａに
は導波管２の一端部が接続され、またプラズマ引出窓１
ｂにはこれに臨ませて試料室３が配設され、更に周囲に
は同心状に励磁コイル４が周設せしめられている。

導波管２はその他端部が図示しない高周波発振器に接続
され、高周波発振器で発せられた工業用周波数２．４５
Ｈｚのマイクロ波をマイクロ波導入窓１ａを通じてプラ
ズマ生成室ｌ内に導入するようにしである。

励磁コイル４は図示しない直流電源に接続されており、
直流電流の通流によってプラズマ生成室１内にマイクロ
波の導入により電子サイクロトロン共鳴条件を成立させ
る８、７５　Ｘ　１０−”　Ｔの磁束密度を与えると共
に、試料室３側に向けて磁束密度が低くなる発散磁界を
形成し、プラズマ生成室１内に生成されたプラズマをプ
ラズマ引出窓１ｂを通じて試料室３内に導入せしめるよ
うになっている。

試料室３の一側壁にはゲート弁５ａを介在させて複合型
のターボ分子ポンプ５が、また他側壁にはゲート弁６ａ
を介在させてロードロツタ室６が夫々連設されている。

ロードロック室６内には基板Ｓを試料室３内に挿入し、
またここからロードロック室６内に取り出すための搬送
アーム６ｂが配設されている。

複合ターボ分子ポンプ５の吸気側にはコンダクタンス３
０００Ｌ／秒の図示しないコンダクタンス弁が設けられ
、排気速度は１５００Ｌ／秒に設定されている。

一方試料室３の内部には前記プラズマ引出窓１ｂと対向
させて試料台７が配設され、この試料台７上に石英製の
サセプタ８を介在させて前記プラズマ引出窓１ｂと対向
するよう基板Ｓが着脱可能に装着され、またサセプタ８
の下方にはヒータ９を臨ませである。

試料台７はリング状に形成されており、その下面を周方
向の複数個所で支柱７ａの上端部に支持されている。支
柱７ａの下端部は円筒ラック７ｃを備えると共に、試料
室３の底壁にスラストベアリング７ｂを用いて回転可能
に支持され、モータＭと連繋させたピニオン７ｄによっ
て回転駆動せしめられるようにしである。

ヒータ９は金属タンタルの素線を窒化珪素円板上に折り
返し蛇行させて一様に配置して構成されており、ヒータ
９の赤外線は一部がサセプタ８に吸収されるが、大部分
はこれを透過して基板Ｓを照射し、これを加熱すること
となる。

ヒータ９内には図示しない測温用熱電対が配設されてお
り、この出力に基づき熱電対検出温度パターンを負帰還
制御する温度制御系が設けられている。なお基板Ｓの温
度は試料室３の上部壁に設けた窓３ａを通して光高温計
１０により測定し得るようにしである。

１１はエツチング性希釈ガスの、また１２は原料ガスの
各供給系を示しており、希釈ガスの供給系１１はプラズ
マ生成室１に、また原料ガス供給系１２は試料室３に夫
々希釈ガス、原料ガスを供給するようになっている。

希釈ガス供給系１１は弁１１ａ１流量調整器１１ｂ、弁
１１ｃを備えたＨ２ガス系と、同じく弁１１ｄ、流量調
整器ｌｉｅ　、弁１１ｆを備えたアルゴンガス系とから
なり、両系は弁１１ｃ、　ｌｌｆの出側で合流し、弁１
１ｇを介在させてプラズマ生成室１に連結されている。

またガス供給系１２は弁１２ａ、流量調整器１２ｂ、弁
１２ｃを備えており、弁１２ｃの出側で試料室３に連結
され、モノシランガスを試料室３に供給するようになっ
ている。

而してこのような本発明装置にあっては基板Ｓを試料室
３に導入するに先立って、予め試料室３を１０−　”Ｐ
ａ程度にターボ分子ポンプ５を用いて真空排気しておき
、ロードロック室６に図示しない配管から窒素ガスを徐
々に注入して内部を大気圧とし、図示しないゲート弁を
開き外部から搬送アーム６ｂ上に支持台７．サセプタ８
と共に基板Ｓを載置する。

ゲート弁を閉じ、ロードロック室６内を図示しない油圧
回転ポンプを用いて１０Ｐａ迄排気した後、図示しない
クライオポンプで１０−　”Ｐａまで排気し、ゲート弁
６ａを開く。このときのプラズマ生成室１内の真空度は
１０−’Ｐａである。

搬送アーム６ｂを水平に移動させて基板Ｓ、サセプタ８
．サセプタ支持台７を円筒ラック７ｃ上部に載置し、搬
送アーム６ｂをロードロック室６内に引き戻してゲート
弁６ａを閉じる。

試料室３内は引き続きターボ分子ポンプ５で排気し、再
び１０−’Ｐａ程度の真空度に排気する。

モータＭを起動し、基板Ｓをプラズマ生成室１゜ヒータ
９に対し回転させつつヒータ１６に通電し、基板を昇温
速度１°Ｃ／秒で加熱昇温する。基板温度は観測窓３ａ
を介して、光高温計１０により測定される。基板Ｓはヒ
ータ９に対し回転せしめられ円周方向の基板温度を均一
化される。

この間ゲート弁５ａを開き、ターボ分子ポンプ５は引き
続き運転を継続する。

〔前処理］ 基板Ｓの温度が所定値、例えば８００°Ｃに達した時点
で昇温を停止し、基板Ｓをこの温度に保つ。

この時の試料室６の圧力はＩ　Ｘｌ０−’Ｐａである。

基板Ｓの温度については特に限定するものではないがエ
ツチング速度を高（するうえでは８００°Ｃ以上とする
のが望ましい。

第２図はアルゴンプラズマを用いてシリコンエツチング
を行うときのエツチング速度の温度依存性を示すグラフ
であり、このグラフから明らかな如＜８００°Ｃ以上で
高いエツチング速度が得られることが解る。

第３図は水素プラズマを用いてシリコンエツチングを行
うときのエツチング速度の温度依存性を示すグラフであ
り、このグラフから明らかな如く５００°Ｃ以下、又は
８００°Ｃ以上で高いエツチング速度が得られることが
解る。

プラズマ生成室１に希釈ガス供給系１１からアルゴンガ
ス（又は水素ガス、又はこれらの混合ガス）を、また試
料室３内にはモノシランガスを夫々所定流量（２５ＳＣ
ＣＭ）流しつつ、ターボ分子ポンプ５の入側のコンダク
タンス弁の開度を調節してプラズマ生成室１．試料室３
の圧力を９　ＸＩＯ””Ｐａ乃至１、ｌＸ１０−’Ｐａ
に設定する。

プラズマ生成室ｌ内にマイクロ波導波管２を通じて７０
０Ｗのマイクロ波を供給し、アルゴン（又は水素、又は
アルゴン・水素混合）プラズマを発生させ、ここから励
磁コイル４にて形成される試料室３側に向う発散磁界に
よってプラズマ引出窓ｌｃを通して試料室３内に引き出
し、基板Ｓ上に照射せしめて、基板Ｓ表面の自然酸化膜
を除去するエツチング処理、即ち前処理を行う。

〔成膜処理〕

前処理が終了するとプラズマ生成室１へのアルゴンガス
流量を２５５ＣＣＭから１２．５ｓｅｃＨに低減し、ま
た同時に試料室３に原料ガス供給系１２からモノシラン
ガスを４．５５ＣＣＭ供給し、供給する総ガス量は一定
にして基板Ｓの表面にシリコン単結晶膜をエピタキシャ
ル成長させる。なおこの過程で試料室３内に供給された
モノシランの一部はプラズマ生底室１内にも侵入し、ア
ルゴンプラズマ中で分解され、プラズマ生成室１の内周
壁に付着して膜が生じるが、直ちにアルゴンプラズマに
よるエツチング作用を受けて再びガス化されることとな
って壁面への成膜が抑制される。また基板温度は前処理
時と同一にしたが、何らこれに限るものではなく原料ガ
ス組成・その他の条件に応じて設定すればよい。

第４図はモノシラン・水素混合プラズマに依る成膜速度
の基板温度依存性を示すグラフであり、横軸に基板温度
（°Ｃ）を、また縦軸に成膜速度（８ｍ７分）をとって
示しである。このグラフから明らかな如く基板温度８０
０　’Ｃ前後で高い成膜速度が得られていることが解る
。

次に従来方法１本発明方法の比較試験結果について説明
する。

なお従来装置は第５図に示す装置を用い、プラズマ生成
室３１、試料室３３内をＩ　Ｘｌ０−’Ｐａに減圧し、
プラズマ生成室３１内に窒素を１５〜２０ＳＣＣＨの割
合で、また試料室３３内にモノシランＩＯ５ＣＣＭの割
合で導入し、電子サイクロトロン共鳴励起によってプラ
ズマを生成し、窒化珪素膜の成膜を行った。

本発明装置１は上述の如く前記第１〜４図について説明
した場合である（第４図中２°）。

また本発明装置２は第１図に示す装置であって、基板温
度８００℃にしてアルゴンガスによるプラズマを用いて
基板の自然酸化膜を除去する前処理を施した後、プラズ
マ生成室１内に水素ガスを１２．５３ＣＣＭ、試料室３
内にモノシランを４．５５ＣＣＭの割合で通流し、エピ
タキシャル成長を行った（第４図中２°）。

更に比較例１は第１図に示す装置であって、エツチング
性希釈ガスを用いず、モノシランを９　ＳＣＣＭの割合
で通流して（第４図中３°）、また比較例２は直接的に
は基板の加熱を行わず（基板温度２８０°Ｃ程度）、他
の条件は比較例１と同じとした（第４図中１°）。

結果は表１に示すとおりである。

表１ 表１から明らかな如く本発明装置を用いたときは、比較
例１，２、従来装置に依った場合と比較して原料ガスの
利用効率、成膜速度が共に大幅に向上していることが解
る。

また、水素、アルゴンガスを混合し、これとモノシラン
とを混合した場合についても本発明装置１、及び２と同
様の効果が得られた。

〔効果〕

以上の如く本発明装置に依った場合には成膜用の原料ガ
ス利用効率及び成膜速度が共に格段の向上が図れるなど
優れた効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の模式図、第２図は本発明装置にお
けるエツチング性希釈ガスとしてアルゴンを用いたとき
のシリコンエツチング速度の温度依存性を示すグラフ、
第３図は同じく水素ガスを用いたときのシリコンエツチ
ング速度の温度依存性を示すグラフ、第４図は本発明装
置におけるモノシラン・水素混合プラズマを用いたとき
の成膜速度の温度依存性を示すグラフ、第５．６図は夫
々従来装置の模式的縦断面図である。 ■・・・プラズマ生成室　２・・・マイクロ波導波管３
・・・試料室　　　　　　４・・・励磁コイル５・・・
ターボ分子ポンプ　６・・・ロードロック室７・・・試
料台　　　　　　Ｓ・・・基板時　許　出願人　　住友
金属工業株式会社代理人　弁理士　　河　　野　　登　
　夫第２図 第３図 第５図 一６Ｆ＋− 手続補正書（自発） 昭和６３年９月２２日 昭和６３年特許願第１２６１８６号 ２、発明の名称 プラズマ気相成長装置 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 所在地　大阪市東区北浜５丁目１５番地名　称　（２１
１）　　住友金属工業株式会社代表者新宮康男 ４、代理人 住　所　■５４３大阪市天王寺区四天王寺１丁目１４番
２２号　日進ビル２０７号 河野特許事務所（電話０６−７７９−３０８８）明細書
の「発明の詳細な説明」の欄 ６、補正の内容 （１）　　明細書の第１５頁１２行目にｒ（μｍ／分）
」とあるをｒ（ｎｍ／分）」と訂正する。 （２）明細書の第１７頁にある表１を次のとおりに訂正
する。 表１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電子サイクロトロン共鳴励起により真空容器内に生
   成させたプラズマを基板面に導き気相成長を行わせる装
   置において、 前記試料を加熱する手段と、 気相成長させるべき膜の原料ガスを真空容 器内に供給する手段と、 成長させるべき膜に対してエッチング作用 を有するエッチング性希釈ガスを供給する手段と を具備することを特徴とするプラズマ気相 成長装置。 ２、原料ガスとしてモノシランを、またエッチング性希
   釈ガスとしてアルゴン及び／又は水素を用いる請求項１
   記載のプラズマ気相成長装置。