JP2564482C - - Google Patents
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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SiO2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．Abeles and T．Tiedje，Physical Review Letters，Vol
.51(1983)p.p．2003〜2006)。 ［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ッ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10Å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含まれるので、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。 ［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、 原料ガス源からの原料ガス流量を制御するマスフローコントローラと、 反応室に原料ガスを導入するための第１のライン（本管）と、該第１のライン
とは別のベントラインと、該第１のライン及び該ベントラインと前記マスフロー
コントローラとの間で流量を制御された原料ガスを該第１のラインまたは該ベン
トラインへ選択的に導入するための三方弁と、を有する原料ガス導入手段と、 前記反応室を排気するための排気手段と、 前記反応室内の基板上に堆積膜を形成するための前記原料ガスを分解する分解
手段と、 前記基板上への堆積膜の形成状態に応じて、前記第１のラインから前記ベント
ラインへ前記原料ガス源からの原料ガスが導入されるように前記三方弁を切り替
え制御する手段と、 を備えたことを特徴とする。 ［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およびバリアブルオリフィス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4,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10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1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18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3
2からの原料ガスを例えば予め設定した温度に加熱する。19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CO2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。 36,37および38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。 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)。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、SiH4，Si
2H6，B2H6，PH3，CH4，CF4およびNH3など)源である。各ガス源41〜48からのガス
は各管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
介して本管（第１のライン）７９に供給され、この本管79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、各管71〜78および本管79を適宜パージする。各弁61〜68，81〜
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。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(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9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 104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106を介
してCPU 104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106を介してCPU 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。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CPU 104からの指令に基づいて電源7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、CP
U 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S1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，スロットルバルブ17，ゲートバルブ6および13,バリ
アブルオリフィス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10-7Torr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23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16を開け
て排気装置10によって前室2内を10-7〜10-6Torr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
ップバルブ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32
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3
2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Ｓ6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9によって排気されているの
で、反応室１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10Å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S10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10-7Torr〜10-6Torr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20Å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〜S23)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(Si2H6)，水素(H2)およびアンモニア(NH3)の３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２図に従って説明する。ま
ず、Si2H6，およびNH3をそれぞれのラインの最下流の三方弁６１〜６８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Si2H6を0.5SCCM，H2を10SCCM，NH3を50SCCM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Ｓ26にすすんで光源、例えば低圧
水銀灯の光を反応室1内にt1時間だけ照射し、ステップＳ27において基板上に20
Åの水素化アモル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。20Å堆積したならば、ステップS28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の中にNH3が流れこまないよう
にする。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t2時間照射し、ステップ
Ｓ31にすすんで、基板上に20Å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t1，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)。20Åに達したならば
、ステップＳ32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
Ｓ33にすすみ、100でなければステップＳ24に戻り、20Åの水素化アモルファス
窒化シリコンを堆積させ、さらにその上に20Å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Ｓ3
3にすすんで反応室1内への原料ガスの供給を停止する。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、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
あるいは3種類以上の異なる堆積膜を積層する場合の手続きも上記同様である。 次に、第9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、非結晶半導体薄膜を
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Ｓ41〜Ｓ45）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Ｓ46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およびバリアブルオリフィス6を通して反応室1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
4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4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
ブルオリフィス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およびバリアブルオリフィス6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積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S48において反応室1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
，バリアブルオリフィス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内でエッ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およびバリアブルオリフ
ィスを通して反応室1に流入させて、窓の内面をエッチングすることも可能であ
るし、また、反応室1内に直接、エッチング性のガスを導入し、光源22を用いた
光エッチング反応を起こさせて窓の内面をエッチングすることも可能である。 また、前記実施例中、水素化アモルファスシリコンと水素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６図に示したように反応ガスの一部、すな
わちここではSi2H6とH2とを連続的に流し、NH3だけを断続的に流した場合につい
て説明したが、すべての反応ガスを断続的に流し、混合ガスの流れを制御するこ
とができるのは言うまでもない。さらに本発明では、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こともでき、本発明は、堆積する膜の種類を問
わない。 ［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、あらかじめ設定された一定流量の原料
ガスを流しながら三方弁の制御によって反応室または当該反応室とは別の領域に
選択的に瞬時に原料ガスを導入する場合、マスフローコントローラには、常に一
定の原料ガスが流れ、三方弁の制御によって連続的に堆積膜を形成することがで
き、また、原料ガスの切り替えによる場合においてもマスフローコントローラ内
の残留の原料ガスを排気する必要がない。従ってマスフローコントローラ内の残
留ガスを排除するために反応室内部を一旦高真空排気する必要がなく、そのため 高真空排気時に反応室内部から発生する不純物（Ｏ，Ｃ，Ｎ）の拡散を抑えられ
、さらに、瞬時に所望の原料ガス量を反応室に導入できるため、一定流量のガス
に安定するまでの間に堆積膜がアニールされるなどの問題もなく、所望の特性を
有する半導体を連続的に形成することができる。
晶半導体と、SiNおよびSiO2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．Abeles and T．Tiedje，Physical Review Letters，Vol
.51(1983)p.p．2003〜2006)。 ［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ッ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10Å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含まれるので、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。 ［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、 原料ガス源からの原料ガス流量を制御するマスフローコントローラと、 反応室に原料ガスを導入するための第１のライン（本管）と、該第１のライン
とは別のベントラインと、該第１のライン及び該ベントラインと前記マスフロー
コントローラとの間で流量を制御された原料ガスを該第１のラインまたは該ベン
トラインへ選択的に導入するための三方弁と、を有する原料ガス導入手段と、 前記反応室を排気するための排気手段と、 前記反応室内の基板上に堆積膜を形成するための前記原料ガスを分解する分解
手段と、 前記基板上への堆積膜の形成状態に応じて、前記第１のラインから前記ベント
ラインへ前記原料ガス源からの原料ガスが導入されるように前記三方弁を切り替
え制御する手段と、 を備えたことを特徴とする。 ［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およびバリアブルオリフィス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4,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10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1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18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3
2からの原料ガスを例えば予め設定した温度に加熱する。19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CO2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。 36,37および38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。 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)。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、SiH4，Si
2H6，B2H6，PH3，CH4，CF4およびNH3など)源である。各ガス源41〜48からのガス
は各管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
介して本管（第１のライン）７９に供給され、この本管79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、各管71〜78および本管79を適宜パージする。各弁61〜68，81〜
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。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(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9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 104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106を介
してCPU 104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106を介してCPU 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。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CPU 104からの指令に基づいて電源7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、CP
U 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S1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，スロットルバルブ17，ゲートバルブ6および13,バリ
アブルオリフィス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10-7Torr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23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16を開け
て排気装置10によって前室2内を10-7〜10-6Torr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
ップバルブ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32
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3
2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Ｓ6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9によって排気されているの
で、反応室１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10Å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S10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10-7Torr〜10-6Torr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20Å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〜S23)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(Si2H6)，水素(H2)およびアンモニア(NH3)の３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２図に従って説明する。ま
ず、Si2H6，およびNH3をそれぞれのラインの最下流の三方弁６１〜６８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Si2H6を0.5SCCM，H2を10SCCM，NH3を50SCCM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Ｓ26にすすんで光源、例えば低圧
水銀灯の光を反応室1内にt1時間だけ照射し、ステップＳ27において基板上に20
Åの水素化アモル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。20Å堆積したならば、ステップS28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の中にNH3が流れこまないよう
にする。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t2時間照射し、ステップ
Ｓ31にすすんで、基板上に20Å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t1，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)。20Åに達したならば
、ステップＳ32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
Ｓ33にすすみ、100でなければステップＳ24に戻り、20Åの水素化アモルファス
窒化シリコンを堆積させ、さらにその上に20Å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Ｓ3
3にすすんで反応室1内への原料ガスの供給を停止する。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、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
あるいは3種類以上の異なる堆積膜を積層する場合の手続きも上記同様である。 次に、第9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、非結晶半導体薄膜を
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Ｓ41〜Ｓ45）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Ｓ46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およびバリアブルオリフィス6を通して反応室1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
4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4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
ブルオリフィス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およびバリアブルオリフィス6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積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S48において反応室1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
，バリアブルオリフィス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内でエッ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およびバリアブルオリフ
ィスを通して反応室1に流入させて、窓の内面をエッチングすることも可能であ
るし、また、反応室1内に直接、エッチング性のガスを導入し、光源22を用いた
光エッチング反応を起こさせて窓の内面をエッチングすることも可能である。 また、前記実施例中、水素化アモルファスシリコンと水素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６図に示したように反応ガスの一部、すな
わちここではSi2H6とH2とを連続的に流し、NH3だけを断続的に流した場合につい
て説明したが、すべての反応ガスを断続的に流し、混合ガスの流れを制御するこ
とができるのは言うまでもない。さらに本発明では、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こともでき、本発明は、堆積する膜の種類を問
わない。 ［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、あらかじめ設定された一定流量の原料
ガスを流しながら三方弁の制御によって反応室または当該反応室とは別の領域に
選択的に瞬時に原料ガスを導入する場合、マスフローコントローラには、常に一
定の原料ガスが流れ、三方弁の制御によって連続的に堆積膜を形成することがで
き、また、原料ガスの切り替えによる場合においてもマスフローコントローラ内
の残留の原料ガスを排気する必要がない。従ってマスフローコントローラ内の残
留ガスを排除するために反応室内部を一旦高真空排気する必要がなく、そのため 高真空排気時に反応室内部から発生する不純物（Ｏ，Ｃ，Ｎ）の拡散を抑えられ
、さらに、瞬時に所望の原料ガス量を反応室に導入できるため、一定流量のガス
に安定するまでの間に堆積膜がアニールされるなどの問題もなく、所望の特性を
有する半導体を連続的に形成することができる。
【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…バリアブルオリフィス、 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、 14,15,16…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、 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、 36,37,38…真空計、 39…質量分析計、 100,101…温度計、 102…膜厚計。
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…バリアブルオリフィス、 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、 14,15,16…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、 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、 36,37,38…真空計、 39…質量分析計、 100,101…温度計、 102…膜厚計。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １）原料ガス源からの原料ガス流量を制御するマスフローコントローラと、 反応室に原料ガスを導入するための第１のラインと、該第１のラインとは別の
ベントラインと、該第１のライン及び該ベントラインと前記マスフローコントロ
ーラとの間で流量を制御された原料ガスを該第１のラインまたは該ベントライン
へ選択的に導入するための三方弁と、を有する原料ガス導入手段と、 前記反応室を排気するための排気手段と、 前記反応室内の基板上に堆積膜を形成するための前記原料ガスを分解する分解
手段と、 前記基板上への堆積膜の形成状態に応じて、前記第１のラインから前記ベント
ラインへ前記原料ガス源からの原料ガスが導入されるように前記三方弁を切り替
え制御する手段と、 を備えたことを特徴とする堆積膜形成装置。 ２）特許請求の範囲第１項記載の堆積膜形成装置において、前記ガス導入手段は
、２種類以上のガスを交互にかつ断続的に前記反応室に導入する前記原料ガスに
それぞれ対応する２以上の三方弁を有することを特徴とする堆積膜形成装置。 ３）特許請求の範囲第１項記載の堆積膜形成装置において、前記分解手段は、少
なくとも１種類の光エネルギを前記反応室内に照射して原料ガスを分解する光源
を有することを特徴とする堆積膜形成装置。 ４）特許請求の範囲第１項記載の堆積膜形成装置において、前記反応室は、前記
基板を導入するための前室を連接し、該前室との間に基板を搬送する搬送機構を
有することを特徴とする堆積膜形成装置。 ５）特許請求の範囲第１項記載の堆積膜形成装置において、前記分解手段は、前
記反応室に連通したプラズマ室を有し、該プラズマ室内で発生したラジカル種を
前記反応室内に導いて前記原料ガスを分解することを特徴とする堆積膜形成装置
。 ６）特許請求の範囲第１項記載の堆積膜形成装置において、前記原料ガス導入手
段は、前記反応室内に導入する前記原料ガスを加熱する加熱手段を有することを
特徴とする堆積膜形成装置。
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