JPS6222426A - 堆積膜形成装置 - 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］ 本発明は１例えばシリコンおよびゲルマニウム等の半導
体物質を含有する非結晶半導体と、ＳｉＮおよび５ｉ０
２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、　　Ｔｉ
ｅｄｊｅ　　、　　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　　Ｒｅｖｉｅｗ
　　Ｌｅｔｔｅｒｓ　　。

Ｖｏｌ、５１　（１９８３）　　Ｐ、Ｐ、　２００３〜
２００８）　。

［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ｉｓ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。

［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、反応室と、反応室内に設定された基板を加
熱または冷却する温度制御手段　　　　　ｉと、反応室
内に２種類以上の原料ガスを導入するための原料ガス導
入手段と、反応室内において温度制御手段によって所定
温度に制御された基板上に薄膜を堆積するように少なく
とも１種類の光を前記反応室内に照射して原料ガスを分
解する光源と１反応室内において基板上に堆積された膜
の厚さを測定する膜厚測定手段と、測定手段の測定値に
基づいて、原稿ガス導入手段および光源を制御する制御
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、ｌは反応室、２は反応室ｌにゲートバ
ルブ３を介して連接した前室である。

４．５およびＢは反応室ｌ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ｔ５は排気管７を介
して反応室１に接続され、排気装！１６は排気管８を介
して前室２に接続され、排気装置４は排気管１７および
７を介して反応室ｌ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！内の圧力および反応ガスの流
量に応じて排気源力を調整できるように、排気装置４お
よび５の一方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、他方はメカ
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。

１２は排気管７に設けられたスロットルバルブ。

１０はバルブ１２よりも下流側になるように排気管７に
設けられたストップバルブ、排気管１７は２つのバルブ
１０．１２間において、排気管７に連通している。９は
排気管１７に設けられたス）　ｙプバルブ。

１１は排気管８に設けられたストップバルブである。

１３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１８を介して反応室ｌに供給される。　１４は
供給管１８の途中に設けたストップバルブである。

１５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ｌに具えられた窓からその中に光
を入射する。光源１５としては、具体的には、例えば、
低圧水銀灯、Ｘｅランプ。

Ｘｅ−Ｈｇランフ、エキシマレーザ、アルゴンレーザ、
　Ｎｄ−ＹＡＧレーザおよびＣＯ２レーザなどがある。

１Ｂ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ｌとの間において基板を搬送する。

１９および２０は真空計であって１反応室１および前室
２内の真空度を各々計測する。

２１は反応室！内の原料濃度を測定するための質量分析
計である。２３は薄膜を堆積する支持体（基板）の温度
を測定する温度計であって、具体的には１反応室１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）、２４は支持体（基板）上に堆
積された１１！ｌ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１３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、５ＩＨ４＊　５１２）
１６　＋Ｂ２）（Ｇ　、　ＰＨ３、ＣＨ＊　、　ＣＰｏ
およびＮＨ３など）源である。各ガスｒＡ４１−４８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６１〜６８を介して木管７８に供給され、こ
の木管７３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８１〜８８を介して管７１〜７８に供給され、容
管７１〜７８および木管７９を適宜パージする。喜寿８
１〜Ｈ，８１〜８８．９１〜９８および各マスフローコ
ントローラ５１〜５８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ラ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、原料ガスの反応室自製　　　　　４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ー、ピーディスクドラ
イバ１０３に記憶されており、これがＣＰｏ　１０４内
の内部メモリーに読みこまれる。！０５はＣＰＵ　１０
４からの指令により各バルブを駆動するドライバ、１０
１３はマスフローコントローラインターフェイス、　１
１１〜１１８はインターフェイス１０６を介してＣＰｏ
　１Ｇ４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ある。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７
１〜７８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
ＣＰｏ　１０４　ニ入力される。

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ｃｐｉｙ　１０４からの指令に基づいて光源１５
が制御される。１０９は支持体ホルダに設けた抵抗ヒー
タまたは！Ｒ光源からなる温度制御装置であって、ＣＰ
Ｕ１０４からの指令に基づいて支持体（基板）の温度を
制御する。各要素の接続は例えばＩＥＥＥ　４８８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Ｓｔにおいて、反応室！内を真空にする
。これは、次のようにして行う、ストップバルブ１０を
閉じ、ストップバルブ９およびスロットルバルブ１２を
開き、排気装Ｎ４によって１反応室ｌ内を１０−７丁ｏ
ｒｒ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
ｌ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ｌ
Ｂ上に基板を！置し、ついで前室２上部の蓋を閉じ、ス
トップバルブ１１を開けて排気装置６によって前室２内
を１０−７〜１０→Ｔｏｒｒ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１Ｂによって
基板を前室２から反応室１内に搬送し、同室ｌ内の基板
ホルダ上にｉｉし、再び基板搬送機構１Ｂ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１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℃に設定する（温度計２３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ｌ内に原料ガスを供
給する。すなわち、ストップバルブ！４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１３か
ら反応室１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源１３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Ｓ６にすすんで、光源１５
を動作させ、所定強度の光を反応室ｌ内に照射して、反
応室１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４または５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、基板上に予め設定した厚さ
の膜が堆積したかを膜厚計の測定値に基づいて判断し、
膜厚が設定値に達したときに、ステップＳ８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１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
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
性良く且つ表面を荒らすことなく基板上に堆積させるこ
とができる。

次にステップＳｌＯにおいて薄膜堆積後の基板をとり出
す、すなわち、反応室！内を再び１Ｇ−７Ｔｏｒｒ〜ｌ
Ｏ→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１８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８Ｎ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２０
人にするものとし、各５０層ずつ計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Ｓ２１〜５２３）は上述
と同様である。

次にステップＳ２４において、反応室１内に原料ガスを
供給する。使用する原料ガスはジシラン（５ｊｊｌｂ　
）　、水素（Ｈ２）およびアンモニア（ＮＨ３）　０３
種類である。ガス温度は１００〜２００℃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、Ｓ
’２日＆　＊　　Ｈ２およびＮＨ３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９０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５
ｉｚＨ６を０．５Ｓ（：ＯＮ　　、　　Ｈ２を１０９０
０Ｍ　、　ＮＨ３を５Ｏ５ＣＣ１４流すものとする。

次にステップＳ２５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３２Ｂにすすんで光源１例えば低圧水銀
灯の光を反応室ｌ内に１１時間だけ照射し、ステップ５
２７において基板上にフレ ２０人の水素化アモメファス窒化シリコンが堆積した一
部を膜厚計の測定値に基づいて判断する。２０人堆積し
たならば、ステップ９２８にすすみ、ＮＨ３のラインの
最下流０三方弁をベントライン９０の方に変更して原料
ガスの中にＮＨ３が流れこまないようにする０次にステ
ップＳ２９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Ｓ３０にすすんで
、光源光を１２時間照射し、ステップ５３１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１．．１２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Ｓ３２にすすみ、薄膜積層数が１
００かを判断する。１００であればステップＳ３３にす
すみ、１００でなければステップ３２４に戻り、２０人
の水素化アモｒファス窒化シリコンを堆積させ、さらに
その上に２０人の水素化アモルファスシリコンを堆積さ
せる。

そして、ステップＳ３２において薄膜積層数が１００に
達したならば、ステップＳ３３にすすんで反応室１内へ
の原料ガスの供給を停市する０次にステップＳ３４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ｗＡｔＩ５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積膜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。

前記実施例中、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の多層薄膜を作製する際に、第
８図に示したように反応ガスの一部、ここではＳｉ２Ｈ
６とＨ２を、連続的に流した場合について説明したが１
１７ｆ＃／、これらの反応ガスをも断続的に流して混合
ガスの流れを制御することができることは言うまでもな
い。

また、光入射窓上にも膜が堆積して、光の透過率を下げ
るようなことがあるが、そのような場合には、いったん
基板を前室２に退避させてからエツチング性のガス、例
えばＣＦ４などを反応質１に導入し、光源１５を用いた
光エツチング反応を起こさせて窓の内面をエツチングす
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、光分解することによって
、多層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積膜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４ＵｇＪ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図および第８図は本発明による膜堆積手順の例を示
す図である。 ｌ・・・反応室、 ２・・・前室、 第３図 一時間 第５図 企

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）反応室と、 該反応室内に設定された基板を加熱または冷却する温度
   制御手段と、 前記反応室内に２種類以上の原料ガスを導入するための
   原料ガス導入手段と、 前記反応室内において前記温度制御手段によって所定温
   度に制御された基板上に薄膜を堆積するように少なくと
   も１種類の光を前記反応室内に照射して原料ガスを分解
   する光源と、 前記反応室内において基板上に堆積された膜の厚さを測
   定する膜厚測定手段と、 該測定手段の測定値に基づいて、前記原料ガス導入手段
   および前記光源を制御する制御手段とを具えたことを特
   徴とする堆積膜形成装置。 ２）前記反応室は内部の真空度を測定する真空度測定手
   段を有し、前記制御手段は、前記膜厚測定値および前記
   真空度測定手段の測定値に基づいて、前記原料ガス導入
   手段および前記光源を制御することを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の堆積膜形成装置。