JPH0666278B2 - 成膜装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、次世代の超LSI製造工程で要求される低温の
条件で良質な膜を成膜する装置を提供するものである。

〈従来の技術〉 今後の超LSIの開発にあたっては、現在の超LSIの高集積
化を実現している素子回路寸法の縮小という技術の延長
からだけでは採算や素子の信頼性を考えると限界を迎え
る事態が予測される。そのような将来の超LSIの高集積
化は、三次元LSIで提案されているように絶縁膜を介し
て回路を多層化するSOI技術や、従来の半導体装置のよ
うに回路平面上に水平に形成していたトランジスタを垂
直方向に形成する等をして実現されると予測される。ま
たLSIの高機能化を実現するために１つの基板上にMOS−
FETとバイポーラトランジスタを混在させるBi−CMOS技
術も普及すると期待される。

〈発明が解決しようとする問題点〉 このような素子構造の変化に対応するためには既存の技
術では対応できない。例えば三次元LSIのようにLSI上に
多層構造で回路を集積しようとすると、上層部の素子形
成時に不純物拡散や絶縁膜形成として1000度程度の熱処
理を必要とし、これに対応するために配線材料に高抵抗
の高融点金属を使わざるを得ない。しかし回路の集積度
をあげるためには、配線材料としてはより低抵抗である
アルミ合金の方が有利である。またBi−CMOS技術におい
ては、バイポーラを形成するために単結晶成長をしなけ
ればならないため同様に1000度近傍の高温熱処理を要す
る。また高温の熱処理サイクルを経るに従って基板の反
りや配線材料の断線等が生じ製造中に不良品が発生しや
すく、製造条件も厳しくなる等の問題がある。

処で超LSIの各種材料の成膜は現在500度以上の高温を必
要とするものが多い。その理由は、膜の原料ガスを分解
する方法として基板温度を上昇させて熱分解する方法を
用いる熱CVDが良質な膜を成膜できることにある。例え
ば従来から開発されている低温の成膜技術であるプラズ
マCVDを用いると、シリコン等の半導体材料の成膜は可
能であるが、超LSI等に使用される微細なトランジスタ
を形成するのに欠陥密度が多いため実用化できていな
い。また低温成膜であっても欠陥を誘起しにくい光CVD
法を用いると、低温で成膜することは可能であるが、膜
質としては400度程度の温度では結晶の粒径も小さく成
長速度も小さいという問題点がある。それに加えて水銀
増感法を用いないと紫外域のレーザやランプで分解可能
な原料ガスは限られており、設備に高価なものを使用し
なければならない。また光を入射する窓への膜堆積が生
じることによって膜堆積速度が変化したり発塵したりす
るため装置上の問題点もある。

そのために近年においては、400℃程度の低温で超LSIに
必要な各種材料を形成する技術が各方面で精力的に研究
されている。

本発明は上記従来の成膜装置の問題点に鑑みてなされた
もので、超LSIの製造に必要な半導体、絶縁体、金属等
の材料を低温の条件で成膜する装置を提供することにあ
る。

〈問題点を解決するための手段〉 本発明は、原料ガスのマイクロ波放電による分解と同時
に基板表面に紫外レーザ光照射を行って原料ガスに含ま
れた成分の薄膜を成膜する成膜装置において、上記マイ
クロ波が放電される領域を囲む内壁面が絶縁体で被覆さ
れており、且つ、側面に上記紫外レーザ光が上記基板表
面に照射されるように設けられた透光性窓を有する反応
室と、上記基板に対し、平行に且つ上方から上記マイク
ロ波を上記反応室に導入するマイクロ波導入管と、上記
紫外レーザ光を上記透光性窓を通して上記基板表面に対
して斜めに照射する位置に配置される光学系とを有する
ことを特徴とする成膜装置を提供する。

〈作用〉 本発明によれば、成膜を要する基板表面において、基板
表面に照射するレーザ光は予め強度が調整されているた
め成膜領域全体に亘って均一な膜成長を低温で行うこと
ができ、欠陥の少ない安定した膜を形成することができ
る。

〈実施例〉 本発明は400℃以下で超LSIの各種材料膜を成膜する際、
原料ガスの放電による分解と同時にレーザ光照を行って
成膜する装置であり、このようにプラズマCVDと光CVDの
両者の利点を組み合わせることにより低温で良質な膜の
堆積が可能である。また本発明は、大口径の基板に均一
に成膜する方式であり、しかも荷電粒子による照射損傷
を低減する方式を併せ持つ成膜装置である。

第１図において、反応室１には成膜のための基板２を支
持する傾斜自在の保持台３が設けられている。反応室１
の壁面には導波管４が結合され、上記基板２の表面に対
して平行に2.45GHzのマイクロ波が導入され、該導入さ
れたマイクロ波に対して進行方向と垂直方向に磁石10に
よって磁界がかけられる。また反応室１には透光性の窓
５が設けられ、エキシマレーザ光６を所望の角度で上記
基板２上に照射する。上記エキシマレーザ光６はレーザ
発生装置７で投射された後、光強度の調整を行なうため
の減衰器（反射板）やレンズからなる光強度調整部８を
通過し、更にレーザビーム走査機構９を通過する際にビ
ーム方向が制御され、基板２への入射角度のみならず照
射領域を調整して基板２面を２次元に走査する。11及び
12は上記反応室１に原料ガス或いは希釈ガスを供給し、
排気するための系路である。上記反応室１のマイクロ導
波管４が結合された放電領域13は少なくとも内壁面が石
英等の絶縁体で被覆されている。

まずプラズマCVDと光CVDを併用する成膜装置の特性につ
いて説明する。

上記成膜装置はマイクロ波放電部において原料ガスの分
解を行なうため、光CVDで問題になるような原料ガスに
対する制約はない。しかし、マイクロ波放電によるガス
分解を用いた場合放電領域で発生している荷電粒子、と
くに電子の基板への拡散をおさえることが必要である。
なぜならばマイクロ波をプラズマの励起源として用いる
と汚染源である無電極放電は容易に実現できるが、電磁
波で発生する電場強度の振動に対して追従性のよい電子
がイオンにくらべて高いエネルギーの状態になるために
様々な問題が生じる。即ち基板への電子拡散を抑える手
段を併用しない場合、基板にたいする電子の照射損傷が
生じたりまた電子とイオンの移動度に大きな差があるた
めにプラズマの電位が上昇し、イオンの堆積膜への打ち
込みが欠陥を誘起したりする。そこで電子の拡散を抑え
るために反応室１内に磁石10を設置して磁場を印加す
る。このように電子が加速される電場の方向に対して垂
直に磁場をかけることにより、電子の運動を螺旋状にし
て実効的な電子の拡散速度を低下させることができる。
また反応室１のマイクロ波放電領域を絶縁膜で被覆する
ことによって電子のプラズマからの拡散を一層抑え得
る。

さらに基板２にレーザ照射を行なっているのは、レーザ
光６を堆積膜の表面に照射することにより堆積膜の最表
面のみが温度上昇し拡散して荷電粒子による欠陥を除去
し、さらに熱アニールの効果により膜質を熱CVDで得ら
れるものと同等なレベルまで改善することができる。こ
の場合紫外領域の光を用いると、一般的に固体における
紫外域の光吸収係数が大きいため表面のみが光吸収し、
基板全体の温度上昇は100度以内程度に抑えることが可
能である。

また放電領域からの反応種の拡散により成膜しているの
で基板表面は基板に相対する放電領域の端からの距離を
一定にしないと基板全体で均一な膜成長は不可能であ
る。そのためレーザ光６は基板２の表面に対して斜めに
入射する必要がある。本実施例では保持台３が19.5度の
角度で傾斜し、従ってレーザ光６は基板２に70.5度の角
度で照射される。

また現状ではレーザの出力で制限されるためレーザ光を
固定すると処理面積は数センチ角であり将来の超LSIの
製造に使用される半径10cm程度の基板の処理は不可能で
ある。そこで本実施例では走査機構９を設けてレーザ光
６を基板表面２に対して２次元的に走査することにより
大面積の処理に対応している。また成膜は基板全体で進
行している一方、レーザによるアニール効果は膜が厚く
なると効果が薄くなると考えられるので成膜中レーザは
全面の走査を１サイクルとしそのサイクルを繰り返し行
ない基板の全面に対して逐次レーザ照射して成膜する。

上記装置において、レーザとしてKrF（248nm）エキシマ
レーザ、マイクロ波（2.45GHz）としては100Hzのパルス
発振の発振器を用い、原料ガスとしてSiH_４ガスとArガ
スを混合させて基板温度400℃でガラス基板２上に成膜
させたところ、結晶成長が確認された。第２図は上記成
膜装置を用いて成長させたシリコン結晶薄膜のＸ線回折
の結果を示し、半値幅の小さい回折パターンピークが得
られており、比較的大粒径の結晶が成長したことが判
る。尚従来の650℃で堆積させる熱CVDシリコン膜の成長
速度は10−20nm／min、結晶は（110）配向でＸ線回折ピ
ークの半値幅から求めた粒径は約20nmであったが、上記
成膜装置では、成膜速度が20−30nm／minで（111）配向
の結晶粒径は約40nmであり、本実施例の方が成膜速度は
速くしかも結晶粒径の大きい膜を成長させることができ
る。

第３図は希釈ガスと原料ガスSiH_４との流量比に対する
膜堆積速度の関係を示す。

口径の大きい基板上への成膜に対応するため、レーザビ
ームを走査機構９で２次元的に走査し、基板全域に均一
にレーザ光を照射して成膜させることにより、基板面積
に拘らず均質な薄膜を成長させることができる。

上記実施例はシリコン膜を成膜する場合を挙げて説明し
たが、他の金属膜や絶縁膜を同様に成膜することもでき
る。

〈効果〉 以上本発明によれば、マイクロ波放電によるガス分解を
用いた場合に放電領域で発生している電子の拡散を抑え
ることができるので、基板に対する電子の照射損傷の発
生やイオンの堆積膜への打ち込みによる欠陥の誘発を生
じさせることなく、低温で薄膜を成膜することができ、
高温処理に伴うウェハーの反りや配線切れ等の問題点を
解決することができ、また高温処理による不純物拡散が
なくなり、超LSI設計に際してアルミ合金の使用も可能
になって自由度が著しく増し、高集積化された半導体装
置の製造を容易にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概略構成図、第２図は
本発明を適用した薄膜のＸ線回折図、第３図は本発明に
よる原料ガスと堆積膜速度との関係を示す図である。 1:反応室、2:基板、3:保持台、4:導波管、6:レーザービ
ーム、7:光源、8:強度調整部、9:走査機構、10:磁石。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】原料ガスのマイクロ波放電による分解と同
   時に基板表面に紫外レーザ光照射を行って原料ガスに含
   まれた成分の薄膜を成膜する成膜装置において、 上記マイクロ波が放電される領域を囲む内壁面が絶縁体
   で被覆されており、且つ、側面に上記紫外レーザ光が上
   記基板表面に照射されるように設けられた透光性窓を有
   する反応室と、 上記基板に対し、平行に且つ上方から上記マイクロ波を
   上記反応室に導入するマイクロ波導入管と、 上記紫外レーザ光を上記透光性窓を通して上記基板表面
   に対して斜めに照射する位置に配置される光学系とを有
   することを特徴とする成膜装置。