JPS6222425A

JPS6222425A - 堆積膜形成装置

Info

Publication number: JPS6222425A
Application number: JP16113785A
Authority: JP
Inventors: Masafumi Sano; 政史佐野; Katsuji Takasu; 高須　克二; Hisanori Tsuda; 津田　尚徳; Yutaka Hirai; 裕平井
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1985-07-23
Filing date: 1985-07-23
Publication date: 1987-01-30

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］本発明は、例えばシリコンおよびゲルマニウム等の半導
体物質を含有子る非結晶半導体と、ＳｉＮおよびＳｉＯ
□などの絶縁体とを支持体上に多層に積層するのに好適
な堆積膜形成装置に関するものである。

［従来の技術］結晶半導体多層膜（各層が十分薄く、量子サイズ効果が
出てくるようなものは、一般に、半導体超格子と呼ばれ
る。）を作製する装置としては超高真空を用いた分子ビ
ーム・エピタキシ法を用いたものが良く知られている。

一方、最近になって非結晶半導体の分野でも、多層薄膜
が作製されるようになってきたが、この分野では、現在
までにグロー放電法を用いた作製法しか報告されていな
い（例えば、Ｂ、　　Ａｂｅｌｅｓａｎｄ　　Ｔ、　　
Ｔｉｅｄｊｅ　　、　　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　　Ｒｅｖｉ
ｅｗ　　Ｌｅｔｔｅｒｓ　　。

Ｖａｌ、５１　　（１９８３）　　　ｐ−ｐ、　　２０
０３　〜２００Ｂ）　　。

［発明が解決しようとする問題点］　゛上述のようなグ
ロー放電法を用いた装置においては、通常ＲＦ放電を用
いるので、放電開始時には電源とのマツチング不良によ
り放電が不安定になりやすい、従って、特に数１０人程
度の薄膜を作製するときには、膜厚の制御が極めて困難
となる。

また、放電雰囲気中において薄膜を直接形成するように
なっており、しかも、放電雰囲気中には高いエネルギを
持ったイオン種が多数台まれるので、薄膜を多層形成す
る際に、このイオン種によって薄膜各層間の界面は荒さ
れてしまう。

このように、従来のグロー放電法では、高品質の非結晶
半導体多層薄膜を作製することは困難である。

ｃ問題点を解決するための手段］本発明は、上述従来例の欠点を除去するべくなされた・
ものであって、反応容器と１反応容器内に原料ガスを導
入するための原料ガス導入手段と。

反応容器内に設置された支持体上に堆積膜を形成するよ
うに反応容器内の原料ガスを分解する分解手段と、原料
ガス導入手段からの原料ガスを反応容器に導入する前に
加熱する手段とを具える。

［実施例］第１図は本発明にかかる堆積膜形成装置の一実施例の構
成を示す。

第１図において、１は反応室、２は反応室１にゲートバ
ルブ３を介して連接した前室である。４は反応室１にゲ
ートバルブ５およびバリアプルオリフィスθを介して連
接したプラズマ室である。７はプラズマ室４内でプラズ
マ放電を発生させるためのＲＦもしくはマイクロ波の放
電用電源である。

８．８および１０はプラズマ室４１反応室１および前室
２から各々排気するための排気装置である。排気装置８
は排気管３０を介してプラズマ室４に接続され、排気装
置９は排気管３１を介して反応室１に接続され、排気装
置ｌＯは排気管１２を介して前室２に接続されている。

特に、堆積膜形成時に要求される反応室ｌ内の圧力およ
び反応ガスの流量に応じて排気能力を調整できるように
、排気装置８はターボ分子ポンプあるいは拡散ポンプと
ロータリポンプとの組み合わせが好ましく、排気装置８
はメカニカルブースタポンプとロータリポンプとの組み
合わせが好ましい。

１３は排気管３０に設けられたゲートバルブ、１７は排
気管３１に設けられたスロットルバルブ、１５はバルブ
１７よりも下流側になるように排気管３１に設けられた
ストップバルブ、　１１は連結管であって、ゲートバル
ブ１３と排気装置８との間および２つのバルブ１５．１
７間において、２つの排気管３０および３１を連通する
。１４は連結管１１に設けられたストップバルブ、１６
は排気管１２に設けられたス）−／プバルブである。

３２は原料ガスの供給源であって、ここからの原料ガス
は供給管８および分岐管３３を介してプラズマ室４に供
給され、また供給管１８および分岐管３４を介して反応
室１に供給される。２１は供給管１８の途中に取付けた
ヒータであって、ガス供給源３２からの原料ガスを例え
ば予め設定した温度に加熱する。１８および２０は分岐
管３３および３４の途中に各々設けたストップバルブで
ある。

２２は反応室ｌに導入された反応ガスを光分解するため
の光源であり、反応室１に具えられた窓からその中に光
を入射する。光源２２としては、具体的には、例えば、
低圧水銀灯、Ｘｅランプ、Ｘｅ−Ｈｇランプ、エキシマ
レーザ、アルゴンレーザ、　Ｎｄ−ＹＡＧレーザおよび
Ｃ０２レーザなどがある。

３５はプラズマを発生させるための反応ガスの供給源で
あって、ここからの反応ガスは供給管２４を介してプラ
ズマ室４に供給される。供給管２４の途中にはストップ
バルブ２５が取付けられている。２３は油圧などによっ
て駆動される基板搬送機構であって、前室２と反応室１
との間において基板を搬送する。

３５．３８および３７は真空計であって、プラズマ室４
、反応室ｌおよび前室２内の真空度を各々計測する。

３９は反応室１内の原料濃度を測定するための質量分析
計、１００は反応室１に供給される原料ガスの温度を測
定する温度計である。　１０１は薄膜を堆積する支持体
の温度を測定する温度計であって、具体的には、反応室
ｌ内に配置された支持体ホルダ（図示せず）に取付けた
熱電対から構成される（これは、例えば、支持体ホルダ
の温度を測定することによってこれに支持した支持体の
温度を推定することもできる）　、　１０２は支持体上
に堆積された薄膜の厚さを測定するための膜厚計であっ
て、具体的には、例えばエリプソメータ等からなる。

第２図は原料ガスを反応室１に供給するためのガス供給
源を示す。

第２図において、４０はパージ用ガス（Ｎ２）。

４１〜４８は原料ガス（例えば、Ｓ＋Ｈ４、５ＩＪ６＋
Ｂ２Ｈ６，ＰＨ３，ＣＨ，、ＣＦ、およびＮＨ３など）
源である。各ガス源４１〜４８からのガスは容管７１〜
７８を介し、さらに当該各管７１〜７８に設けた各三方
弁８１〜８８．流量制御および流量計測可能な各マスフ
ローコントローラ５１〜５８および各三方弁８１〜８８
を介して木管７９に供給され、この木管７８において適
宜混合され、供給管１８に供給される。

一方、パージ用ガス源４０からのガスは、管７０および
三方弁８１〜８日を介して管７１〜７８に供給され、容
管７１〜７８および木管７８を適宜パージする。容置８
１〜８８．８１〜８８．９１〜９８および各マスフロー
コントローラ５１〜５Ｂは後述するシステム制御コント
ローラによって制御されている。

第３図はシステム制御コントロー゛うによる制御の種類
と制御のための入力情報を示す概念図である０図示され
るように、原料ガスあ反応室内濃度、原料ガスの流量、
各室内の真空度、堆積膜の膜厚、支持体（基板）温度、
ガス温度などの入力情報（測定値）に基づいてシステム
制御コントローラによってバルブ開閉シーケンス制御、
ガス圧制御、ガス流量制御、光源／プラズマ制御、温度
制御（基板／ガス）を行う、　　　　　　　　　　　　
。

第４図はシステム制御コントローラの一構成例を示す、
第７図、第８図、第８図に示すようなシステム全体の動
作の手順は予め外部記憶装置としてのフロッピーディス
クドライバ１０３に記憶されており、これがＣＰＵ　１
０４内の内部メモリーに読みこまれる。１０５はＣＰＵ
　１０４からの指令により各バルブを駆動するドライバ
、１０Ｂはマスフローコントローラインターフェイス、
１１１〜１１８はインターフェイス１０６を介してＣＰ
ｔ１１０４からの指令を受けて各マスフローコントロー
ラを制御する制御ユニットでアル、なお、各マスフロー
コントローラ５１〜５８内の流量検出手段からの、各管
７１〜７８内を流れるガスの流量の測定値は、各ユニッ
ト１１１〜１１８およびインターフェイス１０Ｂを介し
てＣＰＩＪ　１０４に入力される。

１０７は光源制御インターフェイスであって、これを介
してのＣＰＵ　１０４からの指令に基づいて光源２２が
制御される。１０Ｂはプラズマ制御インターフェイスで
あって、これを介してのＣＰＵ　１０４からの指令に基
づいて電源７が制御される。１０８は支持体ホルダに設
けた抵抗ヒータまたはＩＲ光源からなる温度制御装置で
あって、ｃｐｕ　１０４からの指令に基づいて支持体（
基板）の温度を制御する。

ヒータ２１も同様にＣＰＵ　１０４によって制御される
。

各要素の接続は例えばＩＥＥ！　４８Ｂバスによって行
われる。

以上のような構成において、まず光分解法を用いた単層
膜の堆積について第７図を参照して説明する。

まず、ステップＳ１において１反応室１内およびプラズ
マ室４内を真空にする。これは、次のようにして行う、
ス）−／プバルブ１９，２０．２５および１５゜ゲート
バルブ３を閉じ、ストップバルブ１４．スロットルバル
ブ１７．ゲートバルブ８および１３．バリアプルオリフ
ィス５を開き、排気装置８によって、反応室１内および
プラズマ室４内を１０＝Ｔｏｒｒ程度の真空度にする。

なお、このとき、反応室１内をヒータによってベーキン
グしてもよい。

次にステップＳ２において支持体としての基板を反応室
１内にセットする。すなわち、まず、前室２上部の蓋を
開けて、大気圧下の前室２内において、基板搬送機構２
３上に基板を載置し、ついで前室２上部の蓋を閉じ、ス
トップバルブＩＢを開けて排気装置１０によって前室２
内を１０−７〜１０４Ｔｏｒｒ程度の真空度にする。つ
いでゲートバルブ３を開けて、基板搬送機構２３によっ
て基板を前室２から反応室１内に搬送し、同室１内の基
板ホルダ上に載置し、再び基板搬送機構２３を前室２内
に戻し。

ゲートバルブ３を閉じる。

次にステップＳ３において反応室！内の基板を所定温度
に加熱する。なお、基板温度は通常１００〜５００℃、
好ましくは２００〜４００　”０に設定する（温度計１
０１の測定値を参照して温度制御する）。

次にステップＳ４において、反応室！内に原料ガスを供
給する。すなわち、ストップバルブ２ｏを開けて、必要
とする少なくとも一種類の原料ガスをガス供給源３２か
ら反応室！内に供給する。この際、ガス種の選択および
ガス流量はガス供給ｌｌ３２における該当するバルブの
制御ならびに該当するマスフローコントローラの制御お
よび流量検出値を参照することによって行うことができ
、また、ガス温度は必要に応じて温度計１００の測定値
を参照して、ヒータ２１を制御することによって行うこ
とができる。

次にステップＳ５において、反応室１内に供給される原
料ガスの流量（または圧力）が定常状態に達したかを判
断し、達した時点でステップＳ８にすすんで、光源２２
を動作させ、所定強度の光を反応室１内に照射して、反
応室ｌ内の反応ガスを光分解する。このとき、反応室１
は排気装置８または９によって排気されているので、反
応室ｌ内の圧力は、原料ガスの供給量と排気量との差に
保たれる。

次にステップＳ７において、光照射が所定時間行われた
か否かを判断し、所定時間終了したときに、ステップＳ
８にすすんで光照射を止め、ついでステップＳ９におい
て反応室ｌ内への原料ガス供給を停止する。この一連の
動作を図示すると第５図のようになる。光照射によって
分解され、基　　　　　　轟板上に堆積する薄膜の膜厚
はガスの種類、ガス流量、ガス圧力、基板温度、光源の
種類、光強度および光照射時間に依存し、経験的に知ら
れる量であるので、それらのパラメータを予めシステム
制御コントローラのＣＰＵ内のメモリに入力しておくこ
とによって、所望の膜厚の薄膜を作成することができる
。特に薄膜堆積量が光照射時間にほぼ比例するので、他
の条件を変えずに光照射時間を変えることによって、数
１０人程度の薄い膜でも制御性良く基板上に堆積させる
ことができる。

次にステップ５１０において薄膜堆積後の基板をとり出
す、すなわち、反応室１内を再び１Ｏ−７Ｔｏｒｒ〜１
０”Ｔｏｒｒ程度の真空度にし、その後ゲートバルブ３
を開けて基板搬送機構２３により基板を前室２に戻し、
ゲートバルブ３を閉じ、この後、前室２を大気圧にもど
して、堆積膜のついた基板をとり出す。

次に第８図を参照して基板上に非結晶半導体多層膜を堆
′積する手゛順について述べる。ここでは、例として水
素化アモルファスシリコンと水素化アモルファス窒化シ
リコンとを交互に基板に積層する場合を考える。量子サ
イズ効果を実現させるために、それぞれの層の厚さを２
０人にするものとし、各５０ＦＪずつ計１００層積層す
るものとし、基板はシリコンウェハーを用いるものとす
る。

第８図に示すように、基板を反応室１内の所定の位置に
置き、加熱する過程（ステップ３２１〜５２３）は上述
と同様である。

次にステップ５２４において１反応室ｌ内に原料ガスを
供給する。使用する原料ガスはジシラン（５ｉｚｅ６）
　＊およびアンモニア（ＮＨ３）の２種類である。ガス
温度は１００〜２００　’Ｏとする。なお、原料ガスの
制御を第８図に従って説明する。まず、５ｆ２Ｈ６、お
よびＸＩ（、をそれぞれのラインの最下流の三方弁の開
閉によってベントライン８ｏからガス供給管１８偏に流
れるようにして、これらを混合させてゆく、このとき、
ガスの混合比はそれぞれのラインのマスフローコントロ
ーラによって流量を制御することによって可変とするこ
とができる。ここでは、例えば５ｉ２）１６を０．５９
ＣＣＭ　、　ＮＨ３を５０ＪＣＣＭ流すものとする。

次にステップ５２５において、反応室１内に供給される
原料ガスの流量が定常状態に達したかを判断し、達した
時点でステップＳ２８にすすんで光源、例えば低圧水銀
灯の光を反応室１内にｔ□時間だけ照射し、ステップＳ
２７において基板上に２０人の水素化アモスファス窒化
シリコンが堆積したか４膜厚計の測定値に基づいて判断
する。２０λ堆積したならば、ステップ９２８にすすみ
、ＮＨ３のラインの最下流の三方弁をベントライン８０
の方に変更して原料ガス（ＳｉよＨ６）の中にＮＨ３が
流れこまないようにする０次にステップ３２９において
、ＳｉＨ６を８０ＳＣＣＭ流し、ステップＳ３０におい
て原料ガス流量が定常状態に達したかを判断し、達して
いれば、ステップＳ３１にすすんで、光源光をｔ２時間
照射し、ステップ３３２にすすんで、基板上に２０人の
水素化アモルファスシリコンが堆積したかを判断する（
上記のＦ　＋ｔ２の値は、予め単層膜を作製しておき、
その光照射時間と堆積した膜厚とから比例計算によって
求めることができる）。

２０人に達したならば、ステップ５３３にすすみ、薄膜
積層数が１００かを判断する。　１００であればステッ
プＳ３４にすすみ、１ｏｏでなければステップ３２４に
戻り、２０人の水素化アモスファス窒化シリコンを堆積
させ、さらにその上に２０λの水素化アモスファスシリ
コンを堆積させる。

そして、ステップＳ３３において薄膜積層数が１００に
達したならば、ステップＳ３４にすすんで反応室ｌ内へ
の原料ガスの供給を停止する０次にステップＳ３５にす
すんで、前述と同様にして、薄膜堆積後の基板をとり出
す（第６図参照）。

以上のように、基板上に所望の非結晶半導体多層膜を自
動的に作製することができる。

本発明の特長の一つは、流量コントロール、ガス混合、
温度調節および上記の一連の操作をすべてシステム制御
コントローラによって自動的に行う点にあり、多層膜の
各層の厚さも正確に制御できることである。

ここでは１例として水素化アモルファスシリコンおよび
水素化アモルファス窒化シリコンを用いた多層膜の作製
をあげたが、さらに多種類のガスを用いる場合、３種類
以上の異なる堆ａＷＩを積層する場合あるいは非結晶半
導体、絶縁体および金属からなる多層膜を作製する場合
の手順も上記同様であって、本発明は堆積する膜の種類
を問わない。

次に、第８図を参照して、光分解ではなく、プラズマ室
４内で発生させたラジカル種を用いて、反応室１内の原
料ガスを分解し、基板上に、非結晶半導体Ｓ膜を堆積さ
せる手順について述べる。

基板を反応室１内に定ｌし、堆積させる膜に応じて適当
な混合比を持った原料ガスを反応室ｌ内に供給し、反応
室ｌ内に供給されるガスが定常状態に達したかを判断す
る工程（ステップ５４１〜５４５）は前述と同様である
。

ステップＳ４５において反応室！内に供給される原料ガ
スが定常状態に達したならば、ステップ３４Ｂにすすん
でプラズマ室４内で発生したラジカル種をゲートバルブ
５およびバリアプルオリフィス６を通して反応室ｌ内に
拡散させる。なお、プラズマ室４内においてプラズマを
発生させるには、プラズマ室４に１例えばＡｒ、Ｈ２、
ＣＦ、などの反応ガスを、ガス供給管２４を通して送り
こみ、プラズマ室４内にＲＦまたはマイクロ波の電源７
からパワーを供給し、プラズマ室礁内で放電させる。

これによってプラズマ室４内で発生した長寿命のラジカ
ル種をゲートバルブ５およびバリアプルオリフィス６を
通して反応室１に拡散させることができる。この際、イ
オン種はプラズマ室４内の放電極に吸引され、したがっ
て、中性のラジカル種のみをとり出すことができる。そ
して、反応室ｌ内にガス供給管１８から供給された原料
ガスはラジカル種の持つエネルギで分解され、基板上に
堆積される。イオン種でなく、ラジカル種によって原料
ガスを分解するので、堆！ｉ膜の表面を荒らすことがな
い、ラジカル種の流れはゲートバルブ５およびバリアプ
ルオリフィス６を用いてｗＲＷｊする。

次に一ステップＳ４７において基板上に所定厚の増結膜
が形成されたかを判断する。所定厚に堆積膜が形成され
たときは、ステップ５４Ｂにおいて反応。

室ｌ内への原料ガスおよびラジカル種の供給を停止し、
ステップＳ４９にすすんで、前記同様に基板をとり出す
。

なお、前述の光源光とプラズマ室４内の放電とを併用す
ることもできる。

前記実施例中、光分解によって基板上に堆積膜を作成す
る際に、原料ガスを直接、反応室１に供給するのでなく
、ストップバルブ１９．プラズマ室４、ゲートバルブ５
．バリアプルオリフィス６を通して供給することにより
、当該原料ガスの流れを層流にして均一なものにするこ
ともできる。

また、反応室１の光入射窓上にも膜が堆積して、光の透
過率を下げるようなことがあっても、そのような場合に
は、プラズマ室４内でエツチング性の反応ガスを放電さ
せることにより、放電生成物をゲートバルブ５およびバ
リアプルオリフィスを通して反応室１に流入させて、窓
の内面をエツチングすることも可能であるし、また、反
応室！内に直接、エツチング性のガスを導入し、光源２
２を用いた光エツチング反応を起こさせて窓の内面をニ
ー７チングすることも可能である。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、支持体上に非結
晶半導体多層薄膜を作成するに際して。

原料ガスをグロー放電中で分解するのでなく、光分解す
ることまたはグロー放電からとり出したラジカル種を用
いて分解することによって、多Ｒ膜、の各層間の界面を
荒らすことなく高品質の膜を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる堆ｍｓ形成装置の一実施例の構
成を示す図、第２図は原料ガスの供給源の構成を示す図、第３図はシ
ステム制御コントローラによる制御の種類と制御のため
の入力情報とを示す概念図。第４図はシステム制御コントローラの一構成例を示す図
、第５図および第６図は原料ガスの供給と光照射との関係
を示す図、第７図、第８図および第９図は本発明による膜堆積手順
の例を示す図である。１・・・反応室、２・・・前室。３．５．１３・・・ゲートバルブ、４・・・プラズマ室、６・・・バリアプルオリフィス、７・・・ＲＦ電源またはマイクロ波電源、８．９．１０
・・・排気装置、１１．１２・・・排気管、１４．１５．１８・・・ストップバルブ、１７・・・ス
ロットルバルブ。１８．２４・・・反応ガス供給管、１１３．２０・・・ストップバルブ、２１・・・ヒータ、２２・・・光源、２３・・・基板搬送機構、３２．３５−・・ガス供給源、３Ｂ、３７．３８−・・真空計、３９・・・質量分析計、１００．１０１・・・温度計、！０２・・・膜厚計。第３図　　　　　　　′ −一一釣関第５図一一伽■脣第６図ＧＡ− 第９図ヌ４８

Claims

【特許請求の範囲】反応容器と、該反応容器内に原料ガスを導入するための原料ガス導入
手段と、前記反応容器内に設置された支持体上に堆積膜を形成す
るように当該反応容器内の原料ガスを分解する分解手段
と、前記原料ガス導入手段からの原料ガスを前記反応容器に
導入する前に加熱する手段とを具えたことを特徴とする
堆積膜形成装置。