JPS6235515A - 堆積膜形成方法 - 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、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５ｉ
０２などの絶縁体とを支持体上に多層に接層するのに好
適な堆積膜形成方法に関するものである。

［従来の技術］ 単結病半導体多層膜（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、最近になって非単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、　　Ａｂｅｌｅｓ ａｎｄ　Ｔ、　Ｔｉｅｄｊｅ　、　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　
Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　。

Ｖｏ１５１　　Ｎ９Ｆ１１）　　ｎ−ｔ＋−ワｎ０１〜
ワｎ１ｌＲ）　−［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１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、高品質の非晶質
ないしは多結晶の非単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、反応容器と、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ｙ１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
えた堆積膜形成装置を使用し、前記各手段の少なくとも
１つの動作タイミングおよび動作量の少なくとも１つを
（システム制御コントローラを用いて）制御する。

［実施例］ 第１図は本発明にかかる堆積膜形ｒ＆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６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。

８．９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とである。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８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！内の圧力およ
び反応ガスの流量に応じて排気使方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９
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１５．１７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に設けられたストップバルブで
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。また２１はハロゲンラ
ンプのような赤外域の光で加熱しても良く、温度は熱電
対あるいはＣＡＲ９（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ　Ａｎｔｉ−９
ｔａｋｅｓ　Ｒａｍａｎ　５ｐｅｃｔｒｏｓｃａｐｙ）
法等を用いて測定される。　１９および２０は分岐管３
３および３４の途中に各々設けたス）−／プバルブであ
る。

２２は反応室１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１および前室２内の真空度を各々計測する。

３８は反応室ｌ内の原料濃度を測定するための質敬分析
計、１００は反応室ｌ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）　、　＋０２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、Ａ体内には、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）。

４１〜４日は原料ガス（例えば、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６
。

８７８６　、　ＰＨ３、ＣＨａ　、　ＣＦａおよびＮＨ
３など）源である。各ガス源４１〜４８からのガスは６
管７１〜７Ｂ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５１〜５Ｂおよび各三方弁６
１〜Ｂ８を介して木管７９に供給され、この本管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８１〜８８を介して管７１〜７８に供給され、
６管７１〜７８および木管７８を適宜パージする。６弁
６１〜８８．８１〜８８　、９１〜９８および各マスプ
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（０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
、１０６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１０Ｂを介してＣＰ
Ｕ　１０４からの指令を受けて各マス７０−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５１〜５日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７−イスＩｏＦＩか春
りで（：ＰＵ　１０４　ニ入力さレル。

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。１０８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ＣＰＩＪ　１０４からの指令に
基づいて電ｓ７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ＩＲ光源からなる温度制御装
置であって、ＣＰＵ１０４からの指令に基づいて支持体
（基板）の温度および原料ガスの加熱度、すなわちヒー
タ２１に送る電力値を制御する。ヒータ２１も同様にＣ
ＰＵ　１０４によって制御される。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、
ストップバルブ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．スコツトルバルブ
１フ、ゲートバルブ６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１Ｏ−Ｔｏｒｒ程度の真空度にする。な
お、このとき、反応室ｌ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内に七−２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
２３上に基板を載置し、ついで前室２」二部の蓋を閉じ
、ストップバルブ１Ｂを開けて排気装置１０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２３に
よって基板を前室２から反応室１内に搬送し、同室ｉ内
の基板ホルダ上に８、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ｌ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１０１
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１内に原料ガスを供
給する。すなわち、スト’−／プバルブ２０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３
２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３２における該当するバルブ
の制御ならびに該り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。但し、ガス温度はガスの分解温度以下に
制御されている。

次にステップＳ５において、反応室ｌ内に供給される原
料ガスの流量（または圧力）が定常状ｙ島に達したかを
判断し、達した時点でステップ３８にすすんで、光源２
２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８または８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、光照射が所定時間性われた
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Ｅ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Ｂ！Ｉ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ＳＩＯ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１０＝Ｔｏｒｒ〜１０
″′ｆＩＴａｒｒ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ｌ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（５ｉ２Ｈ６）
　、およびアンモニア（ＮＨ３）の２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、５ｉ７Ｈ６、および
ＮＯ３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側に流れるよ
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５ｉ７Ｈ６を０．５ＳＣＣＭ　
、　Ｎ１（３を５Ｏ３ＣＧ＞！ｆ！、すものとする。

次にステップＳ２５において１反応室ｌ内に供給される
原料ガスのｆＪｉ、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３２Ｇにすすんで光源、例えば低
圧水銀灯の光を反応室！内に１１時間だけ照射し、ステ
ップＳ２７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のラインの最下流の三方弁をベントラ
イン９０′の方に変更して原料ガス（Ｓｉ２Ｈ６）の中
にＮＨ３が流れこまないようにする０次にステップＳ２
９において、ＳｉよＨ６を６０ＳＣＧ踵流し、ステップ
Ｓ３０においてＭ料ガス渣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５３１にすすんで、光源
光をｔ２時間照射し、ステップＳ３２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．．１７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Ｓ３３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、　１００でなければステップＳ２４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２０人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１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〒、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＃長の一つは、流量コントロール、ガス混合、
温度ＴＡｔｒ１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、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。

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、晶半導体ｆｊ咬
を堆積させる手順について述べる。

基板を反応室ｌ内に定置し、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１内に供給し、反応
室１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３４１〜５４５）は前述と同様である
。

ステップＳ４５において反応室１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Ｓ４８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！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、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
かもパワーを供給し、プラズマ室４内で放電させる。

これによってプラズマ室番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
通し丁反広宕ｌに歓訃潔ぜスｒ〉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１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、堆積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Ｂを用いて調節する。

次にステップＳ４７において基板上に所定厚の堆Ｗ１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５４８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トし、ステップＳ４
９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ｌに供給するのでなく
、ストップバルブ１８．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ｌ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およびへ
リアプルオリフィスを通して反応室ｌ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エ
ツチングすることもｉｒ崩である。

［発１１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
品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。また、原料ガスをあらか
じめ加熱することにより、効率良く原料ガスを分解でき
るようになった。

【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８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８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・・・ＲＦｉｉ源またはマイクロ波電源、８．９．ｔ
ｏ・・・排気装置。 １１．１２・・・排気管、 １４．１５．１８．２５・・・ストップバルブ、１７…
スロー、トルバルブ、 １８．２４・・・反応ガス供給管。 １９．２０・・・ストップバルブ、 ３２．３５・・・ガス供給源。 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、 ３８・・・質量分析計、 １００．１０１・・・温度計、 １０２・・・膜厚計。 −ｇｒ３閂 第５図 □Ｂ５開 第６図

Claims (1)

1. 【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堆積膜形成装置
   を使用し、 前記原料ガス導入手段、前記分解手段および前記原料ガ
   スの加熱手段の少なくとも１つの動作タイミングおよび
   動作量の少なくとも１つを予め設定されたプログラムに
   より制御することを特徴とする堆積膜形成方法。