JPH0436450B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はプラズマCVD装置に関する。

本発明は反応容器内に筒状空間を選択的に設
け、この空間に配設された被形成面を有する基板
にこの空間に選択的に反応性気体を供給するとと
もに、この空間の反応性気体を選択的にプラズマ
放電せしめることにより、反応容器の内壁に反応
生成物をフレーク（雪片）状に付着せしめないよ
うにするに加えて、被形成面上に形成される反応
生成物の生成収率（被膜になつた反応生成物／供
給された反応性気体）を向上させ、さらに被膜成
長速度を著しく向上させるプラズマGVD装置に
関する。

本発明は反応容器内に設けられた供給手段と排
気手段とを相対し、その間に基板ホルダを用いて
筒状空間を作り、この空間の内壁を実質的に被形
成面とすることにより、プラズマ反応による反応
生成物をこの空間より反応容器内の外空間に放散
し、結果として形成された被膜にピンホールの原
因となる反応生成物のフレークの発生の防止、さ
らには装置のメンテナンスを容易にすることを目
的としている。

従来プラズマCVD装置としては、第１図に示
された構造がその代表的なものであるが、以下に
その概要を述べる。

反応容器２に対し、抵抗加熱ヒータ１８をその
上面に負電極２５を有し、この負電極上面に被形
成面を有する基板５を配設している。さらにこの
負電極に相対した平行平板型の正電極２３を多孔
状に設けている。反応性気体３３，３４，３５よ
り流量計５２、バルブ５１を経由して２７の供給
側に至り、正電極２３の穴より下方向に噴出し、
13.56MHz等の高周波電源２１により、電極２３，
２５間に電気エネルギが供給され、空間９７にプ
ラズマが発生し、反応生成物が基板５上に形成さ
れる。反応性気体は主として８６の如くに流れる
が、同時に多くの反応生成物が８７方向に乱れ拡
散し、反応容器２の内壁に付着してしまう。

さらに基板５に供給する熱は抵抗加熱ヒータ１
８で行なうため、高周波電源の一方の４９は負電
極即ち接地側としなければならない。このため反
応性気体は反応が強くおきる陽極即ち正電極の穴
の噴出しをつららのようにでき、それがフレーク
となつて基板表面に落下してしまい、ピンホール
を誘発してしまうという欠点を有する。さらにこ
のプラズマCVD装置は電極に平行に１まいの基
板５をおくのみであるため、多量生産性に乏し
く、さらに不要の反応生成物の排気を基板の外側
に設け（基板の下側にはヒータが入つている）て
いるため、基板上で中央部と周辺部とで被膜の膜
厚にバラツキが生じやすくまた被膜成長速度も十
分でなく、0.5〜１Å／秒程度であつた。

本発明はこれらの多くの欠点のすべてを解決し
てしまうもので、プラズマCVD装置としては全
く画期的な発明といえる。

さらに本発明は、かかる多数の反応容器を連結
したマルチチアンバー方式のプラズマ反応装置に
おいても第２図に示す１つのチアンバー方式に対
しても適用できるもので、一度に多数の基板を同
時にしかもその成長速度を大きくしたいわゆる多
量生産方式に関する。

このため、反応性気体が反応容器内のすべてに
分散してしまうことを防ぎ、基板の被形成面を利
用して、筒状空間を設け、この筒状空間に被形成
面を１つの側に有する基板を裏面を互いに密接し
て、一定の距離例えば２〜６cm代表的には３〜４
cm離して平行に配列し、この基板が林立した筒状
空間においてのみプラズマ放電を行なわしめ、加
えて反応性気体を選択的に導びき、結果として反
応性気体の収集効率を従来の１〜３％よりその20
〜60倍の40〜70％にまで高めたことを特徴として
いる。

本発明はかくの如くに反応性気体を基板が配置
されている筒状空間に林立した筒状空間に選択的
に導入せしめ、その領域を主に選択的にプラズマ
放電させるとともに、反応性気体をその空間を主
として選択的に流入せしめるべきガイドを供給口
および排気口に設けたことを特徴としている。さ
らに本発明においては、かかる条件を満しながら
も互いに横方向に連結したマルチチアンバー間を
基板が移動するに際し何らの支障にならないよう
に、電極、反応性ガスの導入口および排気口を設
け、さらに加熱赤外線を設けたことを特徴として
いる。

かくの如くに連続製造方式を基本条件としてい
るため、それぞれの反応容器内での被膜の特性の
向上に加えて、チアンバー内壁に不要の反応生成
物が付着することを防ぎ、逆にみかけ上の反応容
器の内壁を筒状空間の側面とすることにより、被
膜作製の度に、即ち新たにホルダを反応容器内に
挿着する度に、あたかも新しい内壁が作られるた
め、くりかえしの被膜形成によつても被膜が従来
のプラズマCVD装置の内壁のように何度も層状
に積層されるのを防ぐことができる。即ちフレー
クの発生を防止できるという大きな特徴を有す
る。

以下図面に従つて本発明を説明する。

実施例 １ 第２図に従つて本発明のプラズマCVD装置を
示す。

第２図において反応容器ではその一方の側に基
板を装填するための第１の予備室１を有し、さら
に他方に基板、ホルダをとり出すための第２の予
備室３を有する。第１の予備室１、反応容器２、
第２の予備室３の連設部はゲート弁４３，４４を
有し、基板、ホルダの反応室中の移動に関しては
開となり、プラズマ反応中第１の予備室１での基
板４ホルダ６のとびら１１からの装填また第２の
予備室３での基板、ホルダのとびら１２よりのと
り出しにおいては閉となる。装填、とり出しはと
もに予備室１，３内で大気圧となり、２０，３２
より真空中より大気圧にするための窒素が供給さ
れる。

第１の予備室１において、大気圧にて外部より
基板、ホルダをガイド９に挿着し、とびらを閉め
て、基板上の吸着物を加熱真空脱気させるため、
赤外線ランプ１５，１５′、真空排気手段２９を
有している。この予備室を真空引をし、さらにバ
ルプ１６を開いて赤外線ランプ１５，１５をも真
空引をした。この後ゲート弁４３を開け、予め真
空引がされている反応容器２内に基板、ホルダを
移動させる。この移動は第１の予備室にあるステ
ツプモータ８で行なう。まずガイド９を含むホル
ダを約〜1.5cm上方にもち上げ、この後容器２内
にホルダをガイドをのばして移動させた。さらに
中央部に至つた後、ガイドを止め、約1.5cm下方
向にホルダをガイドを下げることによりおろす。
するとその中間の高さの位置にホルダ７の上部の
円板状デイスクをうけるフインシヤフト３９が設
けられており、ここにホルダが保持される。この
後ガイドはこのデイスクの下側を通り、もとの第
１の予備室１に縮んで収納される。さらにゲート
弁４３を閉じる。

この後第１の予備室を窒素２０により大気圧と
し、次の基板、ホルダをガイド９に挿着させこれ
がくりかえされる。

反応容器内での機構を記す。

反応容器２は反応性気体を供給する系９７と真
空排気する系９８を具備する。

反応性気体を供給する系９７はドーピング系と
してバルブ５１、流量計５２とキヤリアガス３
３、反応性気体３４，３５，３６，３７よりなつ
ている。反応性気体として珪化物気体、ゲルマニ
ユーム化物気体の如く室温で気体のものは３４よ
り、またこれにＰまたはＮ型用のドーピング用気
体（例えばジボラン、フオスヒン）は３５より供
給することが可能である。

また塩化スズ、塩化アルミニユーム、塩化アン
チモン等の室温において液体のものは、バブラー
３６により供給される。これらの気体は減圧下に
て気体となるため、流量計により十分制御が可能
である。また蒸着にはこのバブラー３６の電子恒
温そうによる温度制御をおこなつた。

これらの反応性気体は供給口２７より供給ノズ
ル（フードともいう）により下方向に噴射され
る。このフードのふき出し口は１〜２mmの穴が多
数あけられ、全体に均質にふき出すようにしてあ
る。さらにこの穴の間にはプラズマ放電用の負の
電極２３を有し、これはリード４９をへて電気エ
ネルギ供給用の発振器２１に至つている。他方の
正の端子２２は排気手段４７のフード上に設けら
れて網目状または多孔状の正電極２５に接続され
ている。

排気手段４７は供給手段２４と概略同一形状を
有し、ともに透明石英により作られており、全体
の穴より均一に筒状空間に気体を層流にして排気
口２８より真空ポンプ３０に至る。

反応性気体は供給口４６より下方向に筒状空間
１００をへて排気口４７に至る。筒状空間は外周
を石英で作り、その内壁に被形成面を有する基板
５が一定の間隙例えば３cmをとつて互いに裏面を
接して配設されている。

この基板の加熱は上側の赤外線ランプ１８と下
側の赤外線ランプ１８′とが互いに直交して金メ
ツキされた放物面の反射鏡を有して設けられ、筒
状空間の均熱化を計つている。

この加熱用のランプ１８，１８′が設けられて
いる空間と、反応容器内の反応室をは透明石英板
９５，９５′によつてしきられ、反応生成物が赤
外線ランプに至り、ランプの表面に付着すること
を防いでいる。この反応容器の２つの室の圧力調
整は、反応性気体を流していない時、例えばオー
バーホール用の大気圧にする時、また真空引をす
る時、バルブ１７を閉して等圧とし、また反応性
気体が供給される時は閉として赤外線ランプ内に
反応性気体が流入することを防いでいる。

フインシヤフト３９は外部のステツプモータ１
９と真空を遮断され回転している。そのためこの
フインシヤフトによつてつるされている基板５ホ
ルダ７は３〜10回転／分で回転し、基板上での被
膜形成を均一にさせている。

この反応容器を上方よりみたホルダ７筒状空
間、反応性気体の供給口４６排気口４７さらにホ
ルダの移動用のガイドの位置関係を第３図に示
す。第３図の番号は第２図に対応している。

図においてフインシヤフト３９はつば８０と軸
７９よりなり、このつばの部分にホルダ７の円板
状デイスク４１が保持されている。

さらに筒状空間１００を作るための壁４０が下
方向にのみであり、一対の電極２３，２５が反応
性気体のふき出し口４２、排気口の間に網状に設
けられている。また空間１００を均一に加熱でき
るように、ヒータ用の窓９５，９５が設けられて
いる。

ホルダの移動用のガイドは第１の予備室に９と
して保持され、反応容器２内に至つた時９の位置
になる。基板、ホルダは７７より７８の方向に移
動する。反応性気体の供給口４６基板５ホルダ
７、排気口４７、一対の電極２３，２５の相関関
係については、第４図にさらにその斜視図（前半
分を切断してある）で示している。

即ち、第４図において基板５は裏面を互いに合
せてさしこみ式になつたホルダ７に垂直方向（鉛
直方向）に互いに一定の間隙例えば３cmにて平行
に基板を配設する手段により配置されている。ホ
ルダは石英よりなり、上側に円板状のデイスク４
１とこれに連結した基板用みぞ９５を有してい
る。デイスク４１は４つのフイン８０，８０′に
より空間に保持され、フイン８０，８０′は軸
（シアフト）７９，７９′の回転に従つて回転し、
その結果デイスクを３〜10回／分の速度で回転さ
せ、反応性気体の均質化を促進させている。

反応性気体は供給口４６より１〜３mmの穴４２
をへて網状電極（穴約５〜10mm）２３をへて、下
方向にふき出させている。供給口４６のフードに
はガイド７０により反応性気体の８２方向への放
出を防ぐため、間隙８１は１cm以下好ましくは２
〜５mmとした。そして反応性気体は基板５′，
５″の被形成面および基板５をたてるためのみぞ
９５を保持するための壁９６とによつて、筒状１
００に構成した。即ち、煙突状に設けられた中空
を８３，８５の方向に層状に流させた。反応性気
体導入口２７を有する上ブタであるフードと反応
性気体排出口２８を有する下ブタであるフードと
を相対し、その相対したフードの間に基板ホルダ
である基板支持体を配して一対の電極間に生じた
プラズマを閉じ込めるための筒状空間（閉空間）
を作つた。石英の側壁９６はみぞ９５より外側に
10〜20mm離れて設け、反応性気体の側壁９６での
みだれの発生を防ぎ、そのことにより基板５の端
部での被膜の膜厚の均一性をより促進させた。

また排気系に関しても、８４からの反応性気体
の流入を少なくし、８５を選択的に優先させるた
め、ガイド７１と基板下端との間隙を１cm以下に
合せて設けた。即ち８２，８４のガス流のコンダ
クタンスを８３，８５の約1/5以下好ましくは1/3
０〜1/100にすることにより、筒状空間は選択的に
反応性気体を導き入れた。正電極２５と基板下端
との距離はガイドの高さを調節して設けた。

さらに負電極２３と基板上端即ちデイスク４１
との距離も同様にガイド７０により調節した。

第４図より明らかな如く、電極２３，２５はそ
の外周辺側を石英のガイド７０、上ぶた９３、ガ
イド７１、下ぶた９４によつて囲まれており、電
極と反応用器であるチアンバー（特にステンレス
チアンバー）の内壁との寄生放電の防止に努め
た。さらに反応性気体の供給口４６の内径と負電
極２３が概略同一の大きさを有し、また排気口４
７と正電極２５とが概略同一の大きさを有するた
め、高周波放電を行なうと、この筒状空間即ち反
応性気体は被形成面にそつて流れて、空間を５〜
30cm好ましくは15〜25cm優先的に飛翔し、プラズ
マ放電させている。その結果、反応性気体のプラ
ズマ化率がきわめて大きくなり、ひいては反応容
器（チヤンバー）の内壁に過剰の反応生成物がピ
ンホール発生の原因となるフレーク状に付着して
しまうことを防ぐことができた。

さらにかくの如き装置において、所定のプラズ
マCVDを行なつた後、真空排気がされている第
２の予備室に基板、ホルダを移す。即ちホルダお
よび基板は反応容器内における反応性気体を真空
引きした後、ゲート弁４４をあけて移した。

この移動はガイド１０を下方向より第２の予備
室をへて反応容器に至り、約１cm以上にホルダを
フインよりもち上げた後、シアフトを再び縮めて
第２の予備室に移した。この後ゲート弁４４を閉
じ、第２の予備室を窒素３２により大気圧とし
た。

かくして第２図に示された如き反応容器と第
１、第２の予備室との間でのプラズマ気相反応を
連続的に操作させることができた。

参考例 １ 第５図は参考例を示す。

第５図は実施例１の第４図に対応して図面の概
要を示したものである。その他は第２図および実
施例１と同様である。

第５図において反応性気体は２７をへて供給口
２４より負電極２３をへて筒状空間１００でプラ
ズマ反応をし、さらに不要反応生成物およびキヤ
リアガスは排気口４７、正電極２５、排気系２８
に至る。

この実施例は基板５がテーパ状に配設され、基
板の導入口側より排気口側に向つてせまくなり、
その基板上に形成される膜の均一化をさらに促進
させたものである。

この構造においてはフレークが被形成面に弱干
付着しやすいという欠点があるが、被膜の均一化
という点では実施例１よりすぐれたものであつ
た。

参考例 ２ 本参考例について第５図と同様に概要を第６図
に示す。

この実施例においては反応性気体の供給口を重
力に対し下方向に設け、ホルダ７により筒状空間
１００を実施例２と同様に設け、さらに排気口４
７を上方向に設けることにより反応性気体を下側
より上側に逆向きに流した。さらに基板５は反応
性気体の入口側より出口側にテーパ状にせまくな
り、被膜の膜厚の均一性もさらにすぐれたものと
なつた。加えて実施例２に比べてフレークが被形
成面に落下して付着することがなく即ちピンホー
ルによる製造歩留りも向上し、最も理想的な構造
であつた。さらに第６図においては、回転用フイ
ンシフト３９，３９をホルダの下側にデイスク４
１を支える構造で設けて、３〜10回／分の回転し
た。このため被膜の膜質も反応性気体の流れ方向
において均質な結果を得た。しかし第２図の実施
例１の製造装置に比べてその生産性は１回に配設
できる基板の数が少なくなるため約1/2になつて
しまつた。

実施例 ２ この実施例は実施例１のプラズマCVD装置を
用い、反応性気体として３４よりシランを供給し
て珪素半導体膜を作製したものである。

基板温度は250℃とした。被膜の成長速度は３
Å／秒を高周波（13.56MHzを使用）電界を20W
とし、シランを30cc／分加え、プラズマCVD中
の圧力を0.1torrとした時得ることができた。結
果として従来の平行平板型の電極方式において
0.1〜１Å／秒に比べて、同一反応容器において
例えば前者が10cm１まいであるのに対し、本発明
のプラズマCVD装置においては、10cm８まいを
被膜の成長速度が従来の0.5Å／秒とすると６倍
になり、合計48倍の多量生産が可能になつた。

さらに重要なことは、従来は１〜２回のCVD
作業を行なうこと、チアンバーの内壁は真空で
0.3〜1μのシリコンのフレークが沈着した。しか
しこのプラズマCVD装置においては、0.5μの膜
厚の被膜生成をくりかえして行ない、その回数が
100回になつても、反応容器の内壁にはうつすら
とフレイクが観察されるのみであつた。

かくして形成された半導体層は、プラズマ状態
の距離が長いため、光伝導度も２×10^-4〜７×
10^-3（Ωcm）^-1、暗伝導度３×10^-7〜１×10^-9（Ω
cm）^-1を有していた。

これはプラズマの電界方向が被形成面に垂直の
従来の方法が、光伝導度として３×10^-5〜３×
10^-4（Ωcm）^-1暗伝導度５×10^-7〜１×10^-9（Ωcm）
^-1であることを考えると、半導体膜として16倍以
上の特性の向上がみられた。

この実施例は不純物を積極的に添加しない場合
であるが、ＰまたはＮ型用の不純物を添加しても
同様のＰ型またはＮ型の半導体膜を作ることがで
きる。

実施例 ３ この実施例は実施例１のプラズマCVD装置を
用いて導電性金属を作製せんとするものでる。

以上において金属アルミニユームをプラズマ
CVD法で形成する場合を示す。

第２図においてバブラー３６に塩化アルミニユ
ームを充填した。塩化アルミニユームにおいて
は、電子恒温そうにて40〜60℃に加熱した。さら
に３９よりキヤリアガスとして不活性気体のヘリ
ユームを100cc／Ｍの流量導入し、ヘリユームに
混入した塩化アルミニユームを導入した。さらに
水素を３３より60〜100cc／分の流量導入した。
基板温度は200〜550℃例えば400℃に選んだ。高
周波電源は13.56MHzの周波数を10〜30W、例え
ば20Wを供給した。

かくして10cmを８まい挿着した基板上に0.3
Å／秒の成長速度で0.5〜1μの厚さに形成させる
ことができた。

さらに出発材料としてトリエチルアルミニユー
ム（TEAL）を第２図のバブラー３６に充填させ
た。さらに３９にキヤリアガスを導入する必要は
なかつた。バブラーの温度を60℃とすることによ
り、流量計において60cc／分とした。さらに水素
を３３より100cc／分で導入し、プラズマCVDを
行なつた。反応圧力を0.1〜0.3torrとし、高周波
を100KHz30Wとすることにより、基板を５イン
チウエハを40まい挿着させた。するとこれらの基
板上には４Å／分の成長速度にて金属アルミニユ
ームを作ることができた。

この時導体が筒状空間に形成されても、放電が
不安定になることもなく、厚さ１〜2μの金属ア
ルミニユームを蒸着させることができる。

この時反応容器２には、外部の３８より水素を
700cc／分導入した。かくすることにより、反応
容器の内壁に付着する程度をさらに少なくさせる
ことができた。そのため30回１〜2μの厚さに形
成しても、容器の内壁、のぞき窓に特に大きなく
もりはみられなかつた。

特にプラズマ放電用の２つの電極間をリーク電
流により互いに連結することが本発明のプラズマ
CVD装置においてないため、即ち上側フードと
ホルダとは離間し、さらにこのホルダと下側フー
トとは同様に離間している。さらにその周囲も反
応容器の内壁に付着が少ないため、このいずれの
電路においてもリークが発生することがなかつ
た。

この実施例においてはアルミニユームであつた
が、例えばカルボニル化合物の鉄、ニツケル、コ
バルトのカルボニル化合物を用いて、金属鉄ニツ
ケルまたはコバルトを被膜状に作製することも可
能である。

実施例 ４ この実施例は実施例１のプラズマCVD装置を
用いて、窒化珪素被膜を作製した。

即ち、第１図の場合において、シランを３４よ
り5cc／分、アンモニアを３５より100cc／分導入
した。基板温度は300Cとし、03torrとし10cmの基
板または５インチウエハ上に500〜1000Åの厚さ
に形成させることができた。

被膜の均一性において、ロツト内、ロツト間に
おいて±３％以内を得ることができた。

実施例 ５ この実施例は酸化珪素を形成させた場合であ
る。即ちシランを16cc／分として３４より、また
過酸化窒素を３５より100cc／分導入し、同時に
３３より窒素を200cc／分導入した。

高周波電力は5Wとした。基板温度は100〜400
℃において可能であるが、250℃で形成させたと
すると、被膜の均一性が0.5μ形成した場合±５％
以内におさめることができた。

この時３８より200cc／分にて窒素を導入し、
さらにチアンバー内壁へのフレークの付着を少な
くした。その結果100回の連続製造をしてもフレ
ークは全く観察することができなかつた。

実施例 ６ この実施例においては化合物導体例えば珪化タ
ングステン、珪化モリブデンを作製した。即ち実
施例１においてバブラー３６に塩化モリブデンま
たはフツ化タングステンを導入し、さらにシラン
を３５より供給し、タングステンまたはモリブデ
ンと珪素とを所定の比、例えば１：２にしてプラ
ズマCVDを行なつた。その結果250℃20Wにおい
て0.4μの厚さに１〜２Å／秒の成長速度を得るこ
とができた。

この化合物金属と耐熱金属とを反応性気体を調
節することにより、層状に多層構造で作ることが
できる。

以上の説明より明らかな如く、本発明のプラズ
マCVD装置は、半導体、導体または絶縁体のい
ずれに対しても形成させることができる。特に構
造敏感な半導体または導体中に不純物を添加し、
ＰまたはＮ型の不純物を添加した半導体層を複数
層積層させることができた。

さらに導体の形成において、耐熱金属であるモ
リブデン、タングステンを形成させることも可能
である。さらに基板上に導体−半導体−絶縁体−
導体と漸次積層して作製させることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のプラズマCVD装置の概要を示
す。第２図は本発明のプラズマCVD装置の概要
を示す。第３図は第２図のプラズマCVD装置の
上方よりみた概要を示す。第４図は第２図のプラ
ズマCVD装置の筒状空間を構成する付近の斜視
図を示す。第５図および第６図は他のプラズマ
CVD装置における筒状空間および反応性気体の
供給口と排気口との関係を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ １気圧以下の減圧状態に保持された反応容器
   と、該反応容器に反応性気体を供給する系と、不
   要反応生成物またはキヤリアガスを真空排気する
   排気系と具備したプラズマ気相反応装置におい
   て、前記反応容器内に固定された一対の電極およ
   びその外側にフードを対抗して設け上記一対の電
   極間に対抗する被形成面間の距離を等間隔に保つ
   て複数の基板を保持する手段を有し、かつ前記複
   数の基板をかこむ構造の移動可能な基板支持体を
   設け、前記一対のフードと上記基板支持体とによ
   つてかこまれる閉空間は、該空間に導入された前
   記反応性気体に対して前記一対の電極より供給さ
   れる電力によつて発生させるプラズマを閉じ込め
   る構成を有し、前記プラズマ化した反応性気体の
   反応生成物が前記反応容器の内壁に形成されない
   ように前記一対のフードと基板支持体との間隔を
   調整することによつて構成されていることを特徴
   とするプラズマCVD装置。