JP3576188B2 - 気相反応装置および気相反応方法 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、気相反応装置の構成、および気相反応方法に関する。さらに本発明は、気相反応により、薄膜を形成する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より気相反応により薄膜を形成する技術が知られている。特に、平行平板型に構成された電極の一方の電極上(一般に接地電位側)にガラス基板等を配置し、電極間に高周波(例えば13.56MHz)を加えることで、気相反応を起こし、基板表面に半導体膜や絶縁膜を形成する技術が広く知られている。
【0003】
一方、図1および図2および図3に示すような構成を有した気相反応装置が知られている。図1のA−A’で切った断面図が図2であり、図2のB−Bで切った断面が図3である。即ち、図1に示す装置を上面から見た断面が図2であり、図1に示す装置を紙面右側あるいは紙面左側から見た断面が図3である。
【0004】
以下において、この気相反応装置(一般にCVD装置、あるいはプラズマCVD装置といわれる)の構成について説明する。図1に示す気相反応装置は、真空容器11内に一対の電極14と15を備えている。そしてガス導入系から導入される反応性気体をこの一対の電極間において行われる高周波放電によってプラズマ気相反応させ、成膜を行うものである。
【0005】
成膜が行われる基板は、基板ホルダー25に保持されている。基板は図1の23、24で示されるように、上下に2枚を1組として保持される。また図2、図3に示すように、基板は複数枚が平行に配置されている。そして基板ホルダー25はアルミやステンレス等の導体、あるいは石英、セラミック等の絶縁体で構成され、枠構造を有している。
【0006】
反応性気体やキャリアガスさらには添加ガスは、ガス供給系12より図2に示す基板ホルダー25上部のスリット27から基板ホルダー内に導入され、一対の電極14、15間に形成される放電空間に導かれる。ガス供給系より導入されるガスは、図1〜図3のy方向に示す向きに従って図3の28で示されるように流れていく。この際に、基板ホルダーの内部で行われる気相反応によって、基板表面に薄膜が形成される。
【0007】
また、不要になった反応性気体は排気系13より排気される。排気系13には真空ポンプ22が設けられている。
【0008】
一対の電極14、15には、2つの高周波電源20、21より位相が互いに180度ずれた位相差をもった高周波が整合器17、18を介して加えられる。位相制御は、位相差制御器19により行われる。
【0009】
また、基板を加熱する必要がある場合は、赤外線ランプ(図示せず)によって、基板ホルダー25を加熱し、基板を間接的に加熱する。
【0010】
以上において説明した気相反応装置は、以下の特徴を有している。
・基板が一対の電極間に垂直に複数配置されるので、複数の基板を同時に処理することができる。
・気相反応が枠で囲まれた構造を有する基板ホルダー内で行われるので、反応室内部に反応生成物がパーティクルとして残存する問題を低減できる。
【0011】
本発明者らは、上記の気相反応装置で数々の成膜実験を行い、以下の実験事実を得た。なお基板の大きさは400mm×300mmのガラス基板を用い、x方向が400mm、y方向が300mmとなるように配置した。
【0012】
図4、図5に示すのは、図1に示す装置を用いて成膜実験を行った結果の膜厚分布を示すものである。図4の横軸と図5の縦軸に示すのは、成膜速度(growth rate)であるが、所定の時間(例えば成膜時間)を乗ずれば膜厚として比較することができる。即ち図4の横軸と図5縦軸は、成膜される膜厚として評価することができる。また、図4の縦軸と図5の横軸は、図1〜3に示されるx及びyで示される座標を示す。この座標は、原点をガラス基板の角の部分にとったものである。従って、この座標と膜厚の関係を見ることで膜厚分布を評価することができる。
【0013】
図4の白丸印は、2つの基板(300mm幅が2枚で600mm幅になる)のy方向における膜厚分布を示すものである。(図3の黒丸印のプロット点については後述する)
【0014】
図5の白丸印、白四角印には、上下それぞれの基板の中央部分におけるx方向(400mm幅)における膜厚分布を示すものである。(図5の黒丸印、黒四角印については後述する)
【0015】
図5において、白丸印で示されるのは、図1に示される上側の基板(upper substrate) のx方向の膜厚分布であり、白四角印で示されるのは、下側の基板(lower substrate) のx方向の膜厚分布である。図5において、白丸印のプロット点と白四角印のプロット点とでは、その形状が似ているが、その絶対値が異なっている。これは、図4の白丸印のプロット点を見れば分かるように、図1のy方向にいくに従って、膜厚が薄くなることに関係する。即ち、図5の白丸印と白四角印は、上側の基板の膜厚が下側の基板に比較して厚く成膜されてしまうことを示している。
【0016】
なお、図4、図5に示す膜厚分布は、図2に示す平行に複数配置された基板全てにおいて同様である。即ち上下一組として配置された複数組の基板全てにおいて、図4、図5に示すような膜厚分布が観察された。
【0017】
図4、図5から明らかなように、図1〜図3に示すような構成を有する気相反応装置においては、成膜される膜厚の不均一性という問題が存在する。即ち、一対の電極間に電極とその面が垂直になるように基板を配置し、電極間において放電を起こすことによって成膜を行う気相反応装置は、
・反応性気体の移動方向(図1でいうy方向)における膜厚分布の不均一性
・電極間方向(図1でいうx方向)における膜厚分布の不均一性
とが問題となる。
【0018】
また、この不均一性の問題は、それぞれ不均一にする原因が独立であることが判明している。即ち、電極間方向(図1〜図3でいうとx方向)における膜厚分布の不均一性と、反応性気体の移動方向(図1〜図3でいうとy方向)における膜厚分布の不均一性とは、それぞれ独立した原因によるものであることが判明している。
【0019】
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明は、一対の電極間に電極と垂直に基板を配置し、該基板の表面に薄膜の成膜を行う構成において、成膜される薄膜の膜厚分布の不均一性を解決することを目的とする。具体的には、下記の2点の問題を解決することを目的とする。
1.電極間方向における膜厚の不均一性を解決する。
2.反応性気体の移動方向における膜厚の不均一性を解決する。
【0020】
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、一対の電極間に少なくとも1枚の基板が基板面を電極面に対して垂直にして配置された気相反応装置において、下記の2点を主要な発明の構成とする。
・一対の電極間に供給する高周波電力を間欠放電(パルス放電)とする。
・それぞれの電極に供給する高周波電力に少なくとも2つの位相差を非同時に与えて気相反応させる。
【0021】
それぞれの電極に供給する高周波電力に少なくとも2つの位相差を非同時に与えて気相反応させる動作の例を以下に示す。
(1)まず一対の電極にX度の位相差でもって高周波電力を供給する。
ここで、X度は任意の角度である。このX度の位相差でもって高周波電力を供給する時間は、任意である。
(2)上記(1)の動作に続いて、(X±180)度の位相差でもって、一対の電極に高周波電力を供給する。
【0022】
例えば、X=0度であれば、上記(1)に示す動作過程において、一対の電極に同相(位相差0)で高周波電力を供給し、次の動作過程(上記(2)の動作過程に相当する)において、一対の電極に180度の位相差で高周波電力を供給すればよい。
【0023】
また、X=−90度(270度)であれば、上記(1)の動作過程において、一対の電極に−90度の位相差で高周波電力を供給し、次の動作過程において、一対の電極に90度の位相差で高周波電力を供給すればよい。
【0024】
この(1)の動作過程と位相差と(2)の動作過程の位相差との差は、180度であることが好ましいが、±20%範囲で許容することができる。
【0025】
上記(1)と(2)の動作過程は、以下(a) 〜(b) に示すような組み合わせでもって実施される。
(a) 始めに(1)の動作を所定の時間行い、引き続いて(2)の動作を所定の時間行う。この際において、それぞれの動作時間は、同じ場合もあるし、異なる場合もある。
(b) (1)の動作と(2)の動作とを交互に繰り返して行う。
(c) 所定時間内において、(1)の動作時間と(2)の動作時間との割合が一定の比率になるようにする。
【0026】
例えば、高周波電力を供給する時間の総計が30分間の場合において、(1)の動作時間と(2)の動作時間の割合との比率を1:2とする場合、
・(1)の動作時間を10分とし、(2)の動作時間を20分とする。
・(1)の動作時間を1分として、(2)の動作時間を2分とする。そして、交互に10回この動作を繰り返す。
・(1)の動作を1msecとし、(2)の動作を2msecとする。そして、交互にこの動作を600回繰り返す。
といいった動作モードが考えられる。
【0027】
また、位相差放電の組み合わせの方法としては、2種類の位相差の組み合わせに限られるものではない。例えば、0度の位相差、180度の位相差、60度の位相差、240度の位相差、での放電を1分づつ行い、計4分間の気相反応を行うこともできる。
【0028】
また、位相差が連続的に変化させる方法を採用してもよい。例えば、一対の電極に加えられる高周波電力の位相差が放電開始時に0度であり、放電終了時に360度である1つのサイクルを考える。この場合、始めは位相差0つまり同位相であるが、徐々に1度,2度,3度と位相差がずれていき、360度の位相差すなわち0度で同位相の戻る。
【0029】
実際には、上記のサイクル(位相差が0度〜360度まで変化するのを1サイクルとする)が多数回繰り返されて気相反応が行われる。
【0030】
上記構成を実現する方法としては、以下のような構成を考えることができる。一方の電極の電極に供給さえる高周波電力と他方の電極に供給される高周波電力との周波数を僅かに異ならせて気相反応をさせる。このようにすると、それぞれの高周波電力の位相差が除々に変化していき、位相差を連続して変化させる場合と同様な効果を得ることができる。この高周波電力の周波数の違いは、20%程度以下であることが望ましい。
【0031】
本発明においては、一対の電極間に電磁エネルギーを供給し、高周波放電を生じさせるものであるが、高周波の周波数は、特に限定されるものではない。また、気相反応によって、薄膜の成膜を行うことが極めて有効であり、膜厚分布の良好な薄膜形成を行うことができる。しかし、これは気相反応が均一に行われていることでもあるので、この気相反応方法を利用して気相エッチングを行うことも有効である。
【0032】
【作用】
放電を間欠的に行うこと(一般にパルス放電という)によって、反応性気体の有効利用を計り、反応性気体の流れる方向における気相反応の均一性を高めることができる。特に、気相反応によって成膜を行う場合には、反応性気体の流れる方向における膜厚分布を著しく向上させることができる。
【0033】
一対の電極間に加えられる高周波エネルギーの位相差を少なくとも2つ用い、その第1の位相差をX度、第2の位相差を(X±180)度とすることによって、電極間方向における気相反応の均一性を向上させることができる。特に、気相反応によって、成膜を行う場合には、電極間方向における膜厚分布を著しく改善することができる。
【0034】
【実施例】
〔実施例1〕
本実施例では、図1に示すプラズマCVD装置において、y方向の膜厚分布を改善する例を示す。本実施例においては、図1に示すプラズマCVD装置において、図6にそのブロック図を示すような放電系を採用したこと特徴とする。
【0035】
本実施例は、一対の電極14、15から反応空間(一対の電極間に形成される)に対して行われる放電をパルス放電とするものである。
【0036】
このために、図6に示すパルス発振器からの信号を用いて、2つの高周波電源からの高周波をパルス発振させる。図6に示す放電系以外の構成は、図1〜図3に示すのと同様である。
【0037】
図6に示す放電系を用いると、高周波電源をパルス放電させるための基準パルスをパルス発生器で行ない、その信号によって2台の高周波電源をパルス放電させることができる。2台の高周波電源から発振される高周波電力の位相差は、位相信号発生器によって制御される。また、電極(14または15)と高周波電源との間には整合器があるため、電極上における位相差が制御値からずれる可能性がある。従って、整合器の出口のところでの位相差を位相信号発生器にフィードバックさせて、位相制御を行う構成としている。
【0038】
パルス発生器は、高周波電源をパルス駆動するためのものである。パルス発生器によって、どの様な高周波電力が出力されるかを図7に示す。パルス発生器からの信号によって、高周波電源がON,OFFされ、パルス状に高周波電力が一対の電極に印加される。
【0039】
このシステムでは、−10Vがパルス発生器から出力された場合に、高周波電源がON状態になる。この様子を図7に示す。また、本実施例においては、一対の電極14と15に供給される高周波電力の位相差は180度に固定してある。
【0040】
成膜に当たっては、図1〜図3に示すように、ガラス基板(400mm×300mm)を2枚一組で配置し、計12枚の基板に同時に成膜する構成とした。
【0041】
以下に成膜条件を示す。
反応性基体 SiH4 /NH3 =200/1000sccm
高周波電力 4kW(13.56MHz)×2
位相差 180度
パルス周波数 100Hz(duty比50%)
加熱温度 350℃
上記成膜条件は、図7に示すような放電形態において、放電時間を5msecとして、休止時間を5msecとした場合である。この放電形態は、duty比が50%のパルス放電を100Hzの繰り返し周波数、あるいはパルス周波数で行ったものといえる。duty比とは、(放電時間/(放電時間+休止時間))を示すものである。例えば、パルス周波数100Hzでduty比を10%としたパルス放電の場合は、1msecの放電と9msecの休止とを繰り返す放電形態となる。
【0042】
上記条件により成膜されたy方向の膜厚分布を図4の黒丸印で示す。図4を見れば明らかなように、y方向の膜厚分布は大きく改善することができる。
【0043】
また上記条件において成膜を行った際のx方向の膜厚分布を図5の白四角印と黒四角印とで示す。図4に示すようにy方向の膜厚分布のバラツキが改善されたことを反映して、上側の基板と下側の基板とで、ほとんど同じ膜厚分布を示している。しかし、図5に示すx方向の波打った膜厚分布は改善されていない。
【0044】
上記ようにパルス放電とすることで、y方向の膜厚分布の改善、即ち反応性気体の流れる方向における膜厚分布の改善が得られることが分かる。一方x方向、即ち反応性気体の流れる方向と垂直な方向における膜厚分布は、ほとんど改善されないことが分かる。
【0045】
以上のことから、以下のことが結論される。
1.パルス放電は、反応性気体の流れる方向における膜厚分布を改善し、この方向における平坦な膜厚分布を実現するのに大きな効果がある。
2.パルス放電は、反応性気体の流れる方向と垂直な方向における膜厚分布には、ほとんど影響を与えない。
【0046】
〔パルス放電の作用効果について〕
以下において、パルス放電の作用効果について考察する。まず、図1〜図3に示す装置において、y方向の膜厚分布が図4の白丸印で示されるようになる現象について考察する。図1〜図3に示す装置においては、反応性気体がガス導入系12から図2のスリット27で示される部分を通して、反応室内に導入される。そして、反応室内をy方向に移動しながら、排気系13から排気される。
【0047】
この際反応性気体は、基板表面に沿う方向で移動していき、一対の電極14、15から印加される高周波によってプラズマ化(一般に活性化といわれる)され、基板表面に薄膜として堆積されていく。この際、反応空間(電極間の空間)において、反応性気体は図8に示されるような様子で減少していくと考えられる。即ち、反応性気体が移動していくに従って、徐々に膜として堆積する分、反応性気体の残量は減少していくものと考えられる。また換言すれば、薄膜に寄与する反応性気体の成分は、図7に示すように移動に従って徐々に減少していくと考えられる。
【0048】
この結果、図4の白丸印で示されるように、y方向に向かって徐々に成膜速度(膜厚に対応する)が低下した分布が得られるものと考えられる。例えば、前述のように反応性気体としてSiH4 とNH3 を用い、その流量を200/1000sccmとした場合、反応性気体が反応空間を通り過ぎるのは、約2秒と計算されるが、この約2秒の間に反応性気体は徐々に消費されていき、結果として図4の白丸印で示されるような成膜速度が観察されると考えられる。
【0049】
ここでパルス放電を行った場合について考察する。パルス放電を行った場合、所定時間内において反応性気体に電磁エネルギーが供給され、その後所定時間放電が停止し、その間は電磁エネルギーの供給が停止する。この放電が停止している間は反応性気体の消費はほとんどされない。従って、単純に考えても反応性気体の消費率は約50%減少する。
【0050】
以上の考察から、図4の白丸印で示される膜厚分布が改善されることが理解される。しかし、上記の理由のみによって、図4の黒丸印で示されるようにy方向(反応性気体の流れる方向)の膜厚分布が改善されると考えにくい。
【0051】
そこで以下のようなことが考えられる。連続放電においては、成膜空間中に形成される大きな粒子(クラスタ状の粒子)がつぎつぎに成長しその多くがパーティクル(塵)となる。このパーティクルは、成膜に直接寄与せずに消費される。一方、パルス放電(間欠放電)を行った場合には、大きな粒子が形成される時間が制限されるので、パーティクルとして消費される反応性気体の損失が少なく、成膜に寄与する原料成分が多くなるものと考えられる。従って、y方向に反応性気体が移動していっても反応性気体の損失が少なく、図4の黒丸印で示すような均一な膜厚分布が得られるものと考えられる。
【0052】
また、パルス放電によって膜として堆積しやすい短寿命のラジカルの生成率が低下し、相対的に長寿命のラジカルの数が多くなるので、先に消費されてしまう短寿命のラジカル成分の影響を抑制することができ、結果として、図4の黒丸印で示されるような平坦な膜厚分布が得られるものと考えることもできる。
【0053】
本実施例においては、放電時間を5mmsec、休止時間を5msecとして、duty比を50%、周波数100Hzのパルス放電としたが。duty比や周波数を他の値としてもよい。さらには、放電間隔と休止間隔とが変化するようなパルス放電形態を採用してもよい。また成膜される薄膜も特に制限されるものではなく、一般にプラズマ気相法で成膜される薄膜の形成に適用することができる。即ち、反応性気体としては、SiH4 やNH3 に限定されるものではなく、公知の反応性気体を利用することができる。また、公知のエッチング用の反応性気体を利用すれば、エッチングも可能である。
【0054】
〔実施例2〕
本実施例は、実施例1に示したパルス放電によって、成膜される膜のステップカバレージ(段差被覆性)が改善されることに関する。一般にプラズマCVD法で薄膜を成膜する場合、ステップカバレージが問題となる。
【0055】
例えば、図1〜図3に示すプラズマCVD装置においても同様の問題がある。以下において、図1〜図3に示すプラズマCVD装置を用い、窒化珪素膜を形成した例について以下に説明する。
【0056】
まず成膜条件について説明する。
圧力 15mTorr
高周波電力 500W(13.56MHz)×2
反応性気体 SiH4 /NH3 =27/263sccm
位相差 180度
加熱温度 350℃
【0057】
上記成膜条件によって、ガラス基板上に形成された島状のタンタルのパターン(以下アイランドという)に5000Åの厚さに窒化珪素膜を成膜した模式図を図9に示す。図9(A)には、ガラス基板91上に形成された厚さ3000Åのタンタルのアイランド92の表面を覆って窒化珪素膜93を成膜した場合の状態が示されている。
【0058】
図9(A)に示すように、アイランド92を覆って形成された窒化珪素膜93は、アイランド端部94において、そのステップカバレージ(段差被覆性)が非常に悪くなる。
【0059】
一般にステップカバレージは、成膜圧力が高いと良くなり、成膜圧力が低いと悪くなる傾向がある。これは、成膜圧力が高いと、分子やラジカルの平均自由工程が短くなるので、アイランドの側面にも分子やラジカルが入り込みやすくなり、被覆性が改善されるからである。逆に、成膜圧力が低いと、分子やラジカルの平均自由工程が長くなるので、アイランドの側面に分子やラジカルが入り込みにくくなり、ステップカバレージは悪化する。
【0060】
以上の議論から、成膜圧力を高くすることによって、ステップカバレージを改善する方法が考えられる。しかしながら、上記成膜条件において成膜圧力を15mTorrから100mTorrとして成膜実験を行ってみても、ステップカバレージはそれほど改善されないことが確認されている。
【0061】
そこで、以下の成膜条件によって成膜を行ったところ、図9(B)に示すように、良好なステップカバレージを実現できることが確認された。
圧力 100mTorr
高周波波力 500W(13.56MHz)×2
反応性気体 SiH4 /NH3 =27/263sccm
位相差 180度
加熱温度 350℃
パルス周波数 100Hz(duty比50%)
【0062】
上記の成膜条件で得られた窒化珪素膜のステップカバレージが良好であった理由は、以下のように考えられる。
【0063】
パルス放電を行うことによって、被膜形成物表面のイオンシースが間欠的に消滅する状態が実現されるので、イオンシースによってプラズマ空間から被形成面に向かって加速されるイオンが少なくなり、結果としてラジカルの回り込みを高めることができる。
【0064】
即ち、成膜圧力を低くし、しかもパルス放電を行うことによって、ラジカルが図9に示すアイランド92の端部側面に回り込む状態が実現されるので、ステップカバレージが改善されると考えることができる。
【0065】
また、成膜圧力を15mTorrとしたままでパルス放電(パルス周波数100Hz、duty比50%)を行った場合にも、図9(B)程の顕著なステップカバレージの改善は得られなかったが、かなり良好なステップカバレージを得ることができた。このような効果が得られたのは、パルス放電によって、ラジカルがアイランド92の端部側面に回り込む為と考えられる。
【0066】
〔実施例3〕
本実施例は、図1〜図3のx方向における膜厚分布の不均一性を改善する構成に関する。まず、図1〜図3に示す装置において、図6に示す放電系を使用し、一対の電極17と18とに加えられる高周波電力の位相差を0〜270度の間で変化させた場合の、x方向における珪素薄膜の膜厚分布を図10に示す。この際の成膜条件を以下に示す。
反応性気体 SiH4 =300sccm
高周波電力 500W(13.56MHz)×2
加熱温度 250℃
成膜圧力 10mTorr
パルス周波数 100Hz(duty比50%)
【0067】
図10において、φは位相差を表し、upper substrate は上側の基板、lower substrate は下側の基板を示す。基板は、400mm×300mmのものを用い、図1〜図3に示すように、2枚を1組として縦に並べて基板ホルダー25に配置される。
【0068】
図10を見るれば明らかなように、上側の基板23(図1参照)と下側の基板(図1参照)とで、ほとんど同じ膜厚分布となっている。これは、パルス放電の効果によるものと考えられる。
【0069】
さらに図10見ると、一対の電極14と15とに加えられる高周波電力の位相差を変化させることで、膜厚分布の形状が位相差に従ってシフトする様子が分かる。
【0070】
また、上記成膜条件において、位相差を0度にして5分間成膜を行い、次に位相差を180度にして5分間の成膜を行った場合のx方向の膜厚分布を図11に示す。図11を見ればわかるように、0度の位相差と180度の位相差とを組み合わせることにより、x方向、即ち電極間方向における均一な膜厚分布を得られることが分かる。
【0071】
ここでは、位相差を0度にして所定時間の成膜を行い、つぎに位相差を180度にして同じ所定時間の成膜を行った例を示した。しかし、例えばパルス周波数100Hzのパルス放電を行う場合において、n回目のパルスの時を0度の位相差とし、n+1回目のパルスを180度の位相差とし、さらにn+2回目のパルスを0度の位相差とする、という様にパルスの繰り返しに応じてそれぞれの位相差で交互に放電を行う方法でも同様な効果を得ることができる。また、所定時間内において、0度の位相差の放電と180度位相差の放電とが同じ回数になるようにパルス放電を行うのでもよい。
【0072】
また、それぞれの位相差における放電時間、あるいは回数(パルス放電の回数)を異ならせて、より平坦な膜厚分布が得られるようにしてもよい。例えば、図11の白または黒の三角印で示される膜厚分布は、中央部でやや盛り上がっている。これは四角印で示される位相差180度の場合の影響が大きいものと考えることができる。そこで、丸印で示される位相差0度の放電時間(成膜時間)を長くすることで、より平坦な膜厚分布を期待することができる。例えば、所定時間内のパルス放電の回数の割合を、位相差180度:位相差0度=9:10とすることによって、さらに平坦な膜厚分布を得ることができる。
【0073】
以上のように一対の電極に加えられる高周波電力の位相差を異ならせた成膜条件を組み合わせることにより、電極間方向における膜厚分布を改善することができる。
【0074】
一方、電極間方向に垂直な方向(図1でいうとy方向)における膜厚分布には、一対の電極に加えられる高周波電力の位相差を変化させても、ほとんどその影響は見られない。
【0075】
このことから、上記一対の電極に加えられる高周波電力の位相差を変化させる手法は、当該電極間方向における膜厚分布を独立に制御できるものであり、その分布を大きく改善できることが結論される。
【0076】
当然、上記の効果は、パルス放電を行わない場合でも得ることができる。この場合、図1〜図3のy方向の膜厚分布が図4の白丸印で示されるように悪化するだけで、x方向の膜厚分布は平坦とすることができる。例えば、パルス放電を行わずに図11に示す様な成膜を行った場合、白の三角印のプロット点と黒の三角印のプロット点とは平坦な膜厚分布を示すが、上下の基板で膜厚が異なることになるので、それらのプロット点で示される曲線の位置は異なることによる。これは、他の丸印や四角印においても同様である。この場合、その曲線の形を保ったままで、その位置がずれることになる。
【0077】
〔実施例4〕
本実施例は、実施例3の構成において、位相差φを+90度と−90度とした場合の例である。位相差以外の成膜条件を以下に示す。
【0078】
(成膜条件)
反応性気体 SiH4 300sccm
高周波電力 500W(13.56MHz)×2
加熱温度 250℃
成膜圧力 10mTorr
パルス周波数 100Hz(duty比50%)
【0079】
図12に示すように、上記成膜条件において、+90度位相差の場合と−90度の位相差の場合とでは、そのx方向における膜厚分布が波打っている。そこで、+90度の位相差で5分間の成膜を行い、−90度の位相差で5分間の成膜を行った場合の膜厚分布を三角印で示す。
【0080】
図12から分かるように、+90度と−90度とで、同じ時間ずつ成膜を行うことによって、膜厚分布が改善されることが分かる。
【0081】
〔実施例5〕
本実施例は、実施例3の構成において、位相差を0度と180度とし、以下の条件で窒化珪素膜を成膜した例である。
【0082】
(成膜条件)
反応性気体 SiH4 /NH3 =500/1500sccm
高周波電力 4kW(13.56MHz)×2
成膜圧力 30mTorr
加熱温度 350℃
パルス周波数 100Hz(duty 比50%)
【0083】
図13において、黒と白の三角印で示されているのは、0度の位相差で10分間の成膜を行い、引続いて180度の位相差で5分間の成膜を行った場合のx方向の膜厚分布(正確には成膜速度)を示すものである。図13を見れば明らかなように、位相差による成膜速度の違いを反映させて成膜時間を異ならせることによって、x方向における平坦な膜厚分布を得ることができる。
【0084】
また、0度のパルス放電の回数と180度の放電回数との比率と2:1とすることによっても同様の効果を得ることができる。
【0085】
〔実施例6〕
本実施例3〜5においては、異なる位相差の成膜を連続して行うことによって、平坦な膜厚分布が実際に得られた。そこで、本実施例においては、この位相差を変化させる手法をさらに改良した例について説明する。
【0086】
実施例1に示したように、パルス放電を行うことによって、反応性気体の流れる方向における膜厚分布を改善することができる。このパルス放電というのは、例えば、10msec放電し、10msec放電を休止し、また10msec放電し、といったサイクルを繰り返す放電方法である。
【0087】
一方、実施例3〜5においては、特定の位相差で5分間成膜し、つぎに別の特定の位相差で5分間成膜することによって、電極間方向における膜質を著しく改善した例を示した。本実施例は、パルス放電の仕方を改良することによって、実施例3〜5に示すのと同様な効果を得る構成に関する。
【0088】
図14(A),(B)に本実施例の放電形態を示す。図14(A),(B)に示すのは、パルス周波数が100Hz、duty比が50%の場合、即ち放電時間と休止時間とが同じであるが、放電形態が違う場合である。
【0089】
即ち、図14(A)に示すのは、10msecの放電と10msecの休止とを交互に繰り返す場合において、0度の位相差の放電と、180度の位相差の放電とを繰り返して行う例である。また、図14(B)に示すのは、10msecの放電と10msecの休止とを交互に繰り返す場合において、0度の位相差の放電と180度の位相差の放電とを2回づつ交互に繰り返す場合の例である。
【0090】
いずれの場合にしても、0度の位相差の放電と180度の位相差の放電とを同じ時間行う場合と同様な効果を得ることができる。
【0091】
図14に示すのは、パルス周波数が100Hz、duty比が50%の場合の例である。しかし、他の値のパルス周波数やduty比を選ぶこともできる。例えば、パルス周波数が10Hz、duty比を10%とした場合は、放電時間が70msec、放電休止時間が30msecとなる。
【0092】
また、図13に示すように、それぞれの位相差での成膜時間を異ならせなければならない場合は、それぞれの位相差における放電回数の割合を異ならせればよい。例えば、図13に示す場合は、位相差0度で10分間成膜を行い、つぎに位相差180度で5分間成膜を行うことによって、図1のx方向における膜厚分布を改善される例であるが、このような場合は、図15に示すように、放電回数を(0度の位相差の場合):(180度の位相差の場合)=2:1となるように制御すればよい。
【0093】
また、(0度の位相差での放電時間):(180度の位相差での放電時間)=2:1となるようにしてもよい。例えば、0度の位相差で10秒放電し、180度の位相差で5秒放電する、そしてこのサイクルを繰り返す、といった放電形態を採用してもよい。
【0094】
〔実施例7〕
本実施例は、一対の電極に加えられる高周波電力の周波数を異ならせることで、自動的に位相差を変化させる構成に関する。
【0095】
ここで、珪素膜を成膜するとして、一対の電極に印加される高周波電力の位相差を0度として5分間成膜をし、さらに180度として5分間成膜をし、さらに位相差が90度で5分間成膜をし、270度(−90度)で5分間成膜した場合を考える。
【0096】
当然成膜された珪素膜は電極間方向に均一性の良いものとなる。従って、0度と180度、10度と190度、20度と200度、30度と210度・・・・・・・・350度(−10度)と80度、といった組み合わせで成膜を行っても電極間方向の均一性は改善されることになる。
【0097】
そこで、図1に示すような気相反応装置において、一対の電極間に少しだけ異なる周波数の高周波電力を加えた場合を考える。このような場合、2つの周波数の違いが僅か(20%以下)であることが重要である。なぜならば、周波数が異なりすぎると、その位相差を議論することができないからである。
【0098】
まず、反応開始時(高周波電力印加開始時)において、2つの高周波電力の位相はそろっているものとする。時間が経過していくと、2つの高周波電力はその位相が徐々にずれていき、その位相差は0度〜90度〜180度〜270度〜0度といったサイクルを繰り返すことになる。
【0099】
この一つのサイクルの中で、0度と180度、90度と270度(−90度)、といった位相差の違いが180度である組み合わせを考えることができる。この組み合わせについて考察すると、この組み合わせのそれぞれにおいて、当該電極間方向における膜厚分布の均一化が図れることが理解される。従って、上記一つのサイクルの間で膜厚分布の均一化を図ることができる。そして、このサイクルが繰り返されることによって、電極間方向に均一な膜厚分布を有する薄膜を形成することができる。ただし、上記のような成膜ができるのは、図11や図12で示されるような、180度異なる位相差で同じ時間成膜を行うことによって、電極間方向における膜厚分布を均一にできる場合である。
【0100】
具体的には、図1に示す気相反応装置において、一方の電極に13.56MHzの高周波電力を加え、他方の電極に13.55MHzの高周波電力を加えれば上記作用効果を得ることがでる。即ち、2つに周波数の違いによって、一対の電極間に加えられる高周波電力の位相差が0度〜360度まで除々に変化してき、この1サイクルにおいて、電極間方向における均一な膜厚分布を実現でき、さらにこのサイクルを繰り返すことによって、上記作用効果実現できる。
【0101】
本実施例においては、2つの高周波電力の位相を制御する必要はない。また、実際には上記のサイクルが多数回繰り返されるから、放電開始時に位相差0から出発する必要もない。また、上記構成にパルス放電を組み合わせることは、反応性気体の流れる方向における膜厚分布を改善するのに効果がある。
【0102】
〔実施例8〕
本実施例は、電極間方向(電界方向ともいう)と反応性気体が流れる方向を同一とした場合の例である。本実施例の構成を図16に示す。図16に示されるように、一対の電極14と15の間に基板23が平行に配置された基板ホルダー25が配置されている。この基板ホルダー25は、図2及び図3に示すのとその基本的な構成は同じである。即ち、一対の電極14、15と複数の基板の関係は、図1〜3の場合と同様である。ただ異なるのは、基板ホルダー25の上側と下側には、反応性気体が通るようにスリットが設けられていることである。
【0103】
放電は、一対の電極14と15との間で行われる。一対の電極14と15のそれぞれには、13.56MHzの高周波電源20と21が接続されている。また図示はしないが、電源系は図6に示すのと同様な構成を有しており、パルス放電、さらには電極14と15とに位相差をもたせた放電を行うことができる。勿論、一対の電極14と15に加えられる高周波電力の周波数を異ならせることもできる。
【0104】
図16に示す構成においては、電極14と15がメッシュ構造になっている。反応性気体はガス供給系12から供給され、メッシュ電極14を通して反応空間(ここには基板ホルダー25が設けられている)に到達し、プラズマ気相反応が行われる。そして不要となった反応性気体は真空ポンプ22が設けられた排気系13より排気される。なお、反応空間とは、一対の電極14と15との間の放電が行われる空間のことである。
【0105】
図16に示す構成を採用した場合には、電極間方向、即ち電界の方向と反応性気体が流れる方向とが同一の方向となる。
従って、
(1) 反応性気体の流れる方向における膜厚分布の均一化を得られる。
(2) 電極間方向における膜厚分布の均一化を得られる。
といった効果を相乗して得ることができる。
【0106】
【効果】
一対の電極間に基板面を垂直に配置した気相成膜装置において、
(1) パルス放電を行うことによって、反応性気体の流れる方向における膜厚分布を改善することができる。
(2) 位相差放電を行うことによって、電極間方向における膜厚分布を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例の構成を示す。
【図2】実施例の構成を示す。
【図3】実施例の構成を示す。
【図4】膜厚分布を示す。
【図5】膜厚分布を示す。
【図6】実施例の放電系を示す。
【図7】パルス放電の状態を示す。
【図8】反応空間における反応性気体の残量を示す。
【図9】スッテプカバレージの状態を示す。
【図10】膜厚分布を示す。
【図11】膜厚分布を示す。
【図12】膜厚分布を示す。
【図13】膜厚分布を示す。
【図14】パルス放電の状態を示す。
【図15】パルス放電の状態を示す。
【図16】実施例の構成を示す。
【符号の説明】
11・・・・真空容器
12・・・・ガス導入系
13・・・・排気系
14・・・・電極
15・・・・電極
17・・・・整合器
18・・・・整合器
19・・・・位相制御器
20・・・・高周波電源
21・・・・高周波電源
22・・・・真空ポンプ
23・・・・基板
24・・・・基板
25・・・・基板ホルダー
27・・・・スリット
Claims (4)
- 対向する第1及び第2の電極と、
前記第1及び第2の電極間に基板を電極面と直角に配置する手段と、
前記第1の電極と前記第2の電極とにそれぞれ高周波電力を供給する手段とを有する気相反応装置であって、
前記第1の電極と第2の電極とに供給される高周波電力の位相差をX度(Xは任意の数)とした後、位相差を(X±180)度とすることを特徴とする気相反応装置。 - 対向する第1及び第2の電極と、
前記第1及び第2の電極間に基板を電極面と直角に配置する手段と、
前記第1の電極と前記第2の電極とにそれぞれ高周波電力を供給する手段と、
前記第1及び第2の電極間にパルス放電を生じさせる手段とを有する気相反応装置であって、
前記第1の電極と第2の電極とに供給される高周波電力の位相差をX度(Xは任意の数)とした後、位相差を(X±180)度とすることを特徴とする気相反応装置。 - 第1及び第2の電極間に放電を起こし、気相反応を生じさせる方法であって、
前記第1及び第2の電極間に基板を電極面と直角に配置し、
位相差がX度(Xは任意の数)になるように前記第1の電極と第2の電極とにそれぞれ高周波電力を供給し、
位相差が(X±180)度になるように前記第1の電極と第2の電極とにそれぞれ高周波電力を供給することを特徴とする気相反応方法。 - 請求項3において、
前記第1及び第2の電極間で間欠的に放電させることを特徴とする気相反応方法。
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