JPH0236058B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はプズマCVD（化学蒸着）装置に関す
る。

本発明は反応容器内にフードおよび枠よりなる
枠構造によりプラズマ化して反応性気体を閉じ込
める筒状空間を設け、この空間内部の反応空間に
配設された被形成面を有する基板に反応性気体を
供給するとともに、この空間の反応性気体をグロ
−放電またはプラズマ状態とせしめることによ
り、反応容器の内壁への不要反応生成物（フレー
ク（雪片）状）の付着を防止するに加えて、被形
成面上に形成される反応生成物の生成収率（被膜
になつた反応生成物の重量／供給された反応性気
体の重量）を向上させるプラズマVD装置に関す
る。

本発明は反応容器内に設けられた供給手段と排
気手段とを相対し、その間に基板ホルダを用いて
筒状空間を作り、この空間の内部にプラズマ状態
にある反応性気体を閉じ込めるとともに、一対の
電極を対称性を有する構成とし、基板に対する等
電位面電束（平等電界）を有せしめるため、枠構
造は絶縁物により設けられたことを特徴としてい
る。さらにグロー放電によりプラズマ化した活性
反応性気体をこの枠構造内に閉じ込め、反応容器
の内壁にまで至らしめないようにすることにより
反応容器の内壁に付着するフレークの発生を防止
し、さらには装置のメンテナンスを容易にするこ
とを目的としている。

本発明はかかる目的のため、反応性気体が供給
手段より網目状または多孔状の電極を通り、筒状
空間でプラズマ放電をし、さらに不要反応生成物
およびキヤリアガスが他の網目状または多孔状の
電極を通り、排気手段にいたつて真空排気せしめ
たガスカーテン構造（基板に平行または概略平行
の層流構成）または電界をカーテン構造（基板の
被形成面に平行または概略平行に電界を印加す
る）としたことを特徴とする。

加えて本発明はかかる筒状空間を構成する枠構
造をその内部に設けられたホルダ（基板保持用治
具ともいう）および基板をこの反応容器の一方の
側に連設させた予備室より供給させ、さらにブラ
ズマCVDの後この予備室または他の第２の予備
室に至らしめるいわゆるロードロツク方式をとら
しめた。

従来、プラズマCVD装置としては、第１図に
示された構造がその代表的なものであるが、以下
にその概要を述べる。

反応容器２は、抵抗加熱ヒータ１６の上面に負
電極２３′（接地電位レベル）を有し、この負電
極上面に被形成面を有する基板５を配設してい
る。さらにこの負電極に相対して平行平板型の正
電極２３を多孔状に設けている。反応性気体は供
給系１０の３３，３４，３５より流量計５２、バ
ルブ５１を経由して２７の供給側に至り、正電極
２３の穴より下方向に噴出し、13.56MHz等の高
周波電源２１により、電極２３，２３′間に電気
エネルギが供給され、反応空間１００′にプラズ
マが発生し、反応生成物の被膜が基板５上に形成
される。反応性気体は主として８６のごとくに流
れるが、この反応空間における電極周辺部が平等
電界を呈さず、反応容器側面方向に分散してしま
う。このためこの分散する電界により多くの反応
生成物が８７方向に乱れ拡散し、反応容器２の内
壁に付着してしまう。

さらに基板５に供給する熱は抵抗加熱シータ１
６で行い、このヒータカバー等が装置に連結して
いるため、高周波電源の一方２３′は負電極即ち
接地側としなければならない。このため反応性気
体は即ち正電極の穴の吹き出し口で強い反応が起
き、結果として生成物の一部が口の近傍で「つら
ら」のように垂れ下がり、それがフレークとなつ
て基板表面に落下し、ピンホールを誘発してしま
うという欠点を有する。さらにこのプラズマ
CVD装置は電極に平行に１枚の基板５を置くの
みであるため、多量生産性に乏しく、さらに不要
の反応生成物の排気を基板の外側２８′に設け
（基板の下側にはヒータが入つている）ているた
め、反応性気体の流れも層流を構成せず、中央部
より周辺部へ放散する流れとなる。このため基板
上の中央部と周辺部とでは被膜の膜厚にばらつき
が生じやすく、また、その被膜成長速度も十分で
なく、0.5〜１Å／秒程度であつた。

本発明はこれらの多くの欠点のすべてを解決し
てしまうもので、プラズマCVD装置としてはま
つたく画期的な発明といえる。

さらに本発明は、第２図に示す如く、一度に多
数の基板を同時に反応空間に配設し、しかもその
生成収率を大きくしたいわゆる多量生成装置に関
する。

本発明は第１図に示した従来例とはまつたく逆
に、反応性気体が反応空間より外側の反応容器内
に分散してしまうことを防ぎ、枠構造により活性
反応性気体を閉じ込め、この枠の内面を利用して
筒状空間を設け、この筒状空間の内部にホルダま
たはホルダの大きさの大面積基板またはホルダ内
に保持された基板の被形成面を裏面を互いに密接
して配設し、かつこの複数の間隔をそれぞれ一定
または概略一定とした。なぜならば各間隔でのプ
ラズマは正帰還をしやすく強いプラズマが起こる
と他部のプラズマを弱めてしまう。この減少は間
隔のばらつきにより強く依存しているため、ある
ホルダと隣のホルダとの間隔は互いに一定または
概略一定とすることがきわめて重要である。そし
てその距離（間隔）は例えば２〜10cm代表的には
６cm（±0.6cm以内）離して平行に配列し、この
基板が林立した反応空間においてのみ均一な膜厚
の被膜形成を行わしめ、活性反応性気体がこの空
間のみにしか存在しないように導き、結果として
反応性気体の生成収率を従来の１〜３％よりその
20〜60倍の20〜30％にまで高めたことを特徴とし
ている。

さらに本発明においてこの反応空間の周辺部に
補助空間を設け、これにより枠構造による平等電
界の乱れを避けている。加えてこの補助空間の間
隔（第３図８０，８０′）はホルダ間の間隔に比
べ等しいか狭いものである。なぜなら反応空間で
の平等電界の乱れを避けつつもプラズマを反応空
間のみで起こせしめるためである。

本発明は被膜作製を多数回繰り返して行うと、
その時反応容器上部に付着形成された生成物がフ
レークとなり、基板の被形成面上に落ち付着して
ピンホールの発生を誘発してしまうことを防ぐた
め、基板の被形成面を重力にそつて配向せしめ
た。

本発明において、例えば６cm（±0.6cm以内）
の一定の間隔を経て被形成面を概略平行に配置し
た基板の上部、下部および中央部、さらに周辺部
での膜厚の均一性、また被膜の均質性の最も重要
な要素が電界電束を「碁盤の目」のごとく等電
界、等電束とすること（以下平等電界という）で
あり、このため枠構造即ち側部の枠の内壁および
その上部、下部のガイド（フード）を絶縁部（一
般には石英ガラス）とし、加えて反応空間と筒状
空間との間の補助空間の間隔は３〜５cm例えば４
cmとした。かくしてプラズマ反応を反応空間で行
わしめ、加えて被膜の均一化に重要な平等電界を
補助空間を設けることにより有せしめることがで
きた。

加えて基板例えば10cm×10cmまたは電極方向に
10〜40cmを有する巾15〜120cmの基板（この場合
の最大の反応空間は、上下（40cm）×前後（120
cm）×左右（120cm）を期待できる）方向がその温
度分布において、100〜400℃例えば所定温度210
℃±10℃好ましくは±５℃以内とした。

かくの如くに本発明は連続製造方式（ロードロ
ツク方式）を基本条件としているため、それぞれ
の反応容器内での被膜の特性の向上に加えて、チ
ヤンバ内壁に不要の反応生成物が付着することを
防ぎ、逆に見掛け上の反応容器の内壁を筒状絶縁
空間を構成する枠とすることにより、被膜作製の
際、新たに枠およびホルダ、基板を反応容器内に
挿着する度に、あたかも新しい内壁が作られるた
め、くりかえしの被膜作製によつても被膜が従来
のプラズマCVD装置の内壁のようなフレークの
発生を防止できるという大きな特徴と有する。

本発明はさらにこの反応容器内を単純化するた
め、基板の発熱は加熱部を石英板を介して上方、
下方から離れた赤外線ランプ（例えばハロゲンラ
ンプ）で設け、反応性気体にとつて反応容器内に
はホルダおよび基板とこの筒状空間を構成する供
給フード、排気フードおよび相対した電極のみと
し、反応性気体および電界を被形成面に平行な層
流とすることにより単純構造のプラズマCVD反
応をせしめたことを特徴としている。

以下に図面に従つて本発明を説明する。

実施例 １ 第２図に従つて本発明のプラズマCVD装置を
示す。

第２図において反応容器２はその一方の側に基
板を装填するための予備室１を有する。予備室１
と反応容器２との連結部はゲート弁４３を有し、
基板、ホルダ５および枠７，７′の反応室への移
動時に関しては開となり、ブラズマ反応中および
予備室１での基板４、枠６，６′の取り出しにお
いては閉となる。装填、取り出しの際、予備室１
は大気圧となり、２０より大気圧にするための窒
素が供給される。

予備室１において、大気圧にて外部より基板
４，４′を枠６，６′に挿着し、移動機構（通称レ
ール）（図示せず）上に配設し、扉を閉める。基
板上の吸着物を加熱真空脱気させるため、赤外線
ランプ１５，１５′、真空排気手段１９′，２９を
動作させる。この予備室のバルブ１８を閉としタ
ーボ分子ボンプ１９′を利用して10^-7torr以下に
真空引きをし、さらにバルブ１６を開として赤外
線ランプ１５，１５′をも真空引きをした。この
後ゲート弁４３を開販け、予めターボ分子ポンプ
１９′により10^-7torr以下に真空引きがされてい
る反応容器２内に基板、ホルダ５、枠７，７′を
移動させた。

反応容器２内での機構を記す。

反応容器２は反応性気体の供給系１０と真空排
気系１１を具備する。

反応性気体を供給するドーピング系１０はバル
ブ５１、流量計５２とキヤリアガス３７、反応性
気体３３，３４，３５，３６よりなつている。反
応性気体として珪化物気体、ゲルマニユーム化物
気体のごとく室温で気体のものは３４より、また
ＰまたはＮ型用のドーピング用気体（例えばジボ
ラン、フオスヒン）は３５より供給することが可
能である。

またメチルシラン、ヒドラジン等の室温におい
て液体のものは、バブラー３６より供給される。

これらの気体は減圧下にて気体となるため、流
量計により十分制御が可能である。また蒸気には
このバブラ３６の電子恒温槽による温度制御を行
つた。

これらの反応性気体は供給口２７より供給ガイ
ド（フードともいう）７に至り、供給手段２４の
穴８（１〜２mmφ）より下方向に均一な層流にな
るように放出される。

さらにこの穴の下側にはプラズマ放電用の一対
の電極の一方２３を有し、これは電気エネルギ供
給用の発振器２１に接続されている。他方の端子
２２は排気手段２４′のフード７′上に設けられ
て、網目状または多孔状の電極２３′が対称構造
として配設されている。

この一対の電極に対応してマツチングトランス
は中点を接地とし、電極のいずれをも接地レベル
に対し対称とさせた。

排気手段２４′は供給手段２４と概略同一形状
を有し、ともに絶縁物の透明石英により作られて
おり、全体の穴より均一に筒状空間に気体を層流
にして排気口２８圧力調整バルブ１８′を経てタ
ーボ真空ポンプ１９に至る。

反応性気体は供給口２７より下方向に枠３，
３′で囲まれた筒状空間１０１を経て排気口２８
に至る。筒状空間１０１は外側の枠３，３′を矩
形の絶縁物の石英で作り、その内壁に被形成面を
有する基板５，５′が一定の間隔例えば６cmをと
つて互いに裏面を接して配設されている。

この基板の加熱は上側の赤外線ランプ１６と下
側の赤外線ランプ１６′とが互いに直交して金メ
ツキされた放物面の反射鏡を有して設けられ、筒
状空間の均熱化を計つている。

この加熱用のランプ１６，１６′が設けられて
いる空間と、反応容器内の反応室とはフード７，
７′の一部を構成する透明石英板１３，１３′によ
つてしきられ、反応生成物が赤外線ランプに至
り、ランプの表面に付着することを防いでいる。
この反応容器とランプ加熱部との圧力調整は、反
応性気体を流していない時、例えばオーバーホー
ル用の大気圧にする時、また真空引きをする時、
バルブ１１′を開として等圧とし、また反応性気
体が供給されている時は閉として赤外線ランプ内
に反応性気体が逆流入することを防いでいる。

第３図は第２図における枠構造の空間をよりわ
かりやすく示すための斜視図を示した。

図面において、この直方体の枠構造は３，３′
および上、下方のフード７，７′は縦断面図の約
半分を示している。

これらの図番等は第２図に対応しているが、フ
ード７に対し供給口２７より供給された気体は供
給手段２４の穴８より基板５の表面にそつて流
れ、９，９′さらにフード７′が排気手段２４′を
経て不要な反応性気体２８′が排気される。枠構
造の内部は筒上空間１０１よりなり、かつそのう
ちの有効な空間即ち反応空間１００がこの枠内の
内面より２〜８cm代表的には３〜５cm内側の空間
として絶縁物の枠構造においてすらも多少乱れる
電界を防ぐため内側に設けて位置づけられる。

このため左右方向８０、前後方向８０′の補助
空間を設けて反応空間を補正して設けた。この補
助空間の間隔８０，８０′は基板、ホルダ５，
５′と隣の基板、ホルダとの間隔よりも等しいが
狭くなつていて、プラズマが反応空間に集束する
ようにした。

かくすることにより電位的に一対の電極及び枠
構造より浮いた（フローテイングポテンシヤルを
有する）基板、ホルダ５，５′上に被膜をその均
一性として±10％以内代表的には±４％のロツト
間ばらつきを考慮しても保持させることできた。
このため平等電界を乱し得る機械的な理由でやむ
なく発生してしまう隙間（５mm以内）９″の存在
を極力少なくすることが重要であり、また枠構造
端部での電界の乱れを誘発する導体等は完全に除
去して、この枠構造、上側、下側フードに同じ材
料の絶縁材料を設けた。

この枠構造を絶縁体とすることは、被膜形成を
繰り返し行い、被膜の積層される部分と積層され
ない部分が局所的に存在してしまう時においても
平等電界の乱れを極力少なくすることができるた
め重要であつた。

特に形成される被膜が絶縁体または半導体にお
いては枠構造が絶縁物であることがきわめて重要
な要件である。

さらに第３図より明らかなように、不要空間８
０，８１を設けることにより、この有効反応空間
１００を直方体（含む立方体）とすることがで
き、結果として基板の充填率を円筒状の反応空間
よりもさらに高くすることができにようになつ
た。

例えば基板を20cm×60cmを20枚６cmの間隔で配
設させんとする時、延べての被形成面は2400cm²、
これに必要な空間は70cm×70cm×30cm（有効空間
60cm×60cm×20cm）＝147000cm²である。

即ち単位体積当たり16.1％もの面積（24000
cm²／147000cm³）を被膜形成面積とすることが可能
である。

このため供給する反応性気体のうらの被膜とな
る生成収率も従来の第１図に示した放散型の１％
程度に比べ20％〜25％と著しい高収率を得ること
ができるようになつた。

かくして第２図に示された如き反応容器と予備
室との間でのプラズマ気相反応を連続的に操作さ
せることができた。

実施例 ２ 第４図は本発明の実施例を示す。

第４図は実施例１の第２図に対応して図面の概
要を示したものである。その他は第２図および実
施例１と同様である。

第４図において、枠構造はフード７，７′、枠
３，３′を有し、反応性気体は２７を経て供給手
段２４より電極２３を経て筒状空間１０１でプラ
ズマ反応をし、さらに不要反応生成物およびキヤ
リアガスは排気手段２４′、電極２３′を経て排気
系１１に至る。

この実施例において反応空間１００内には基板
５，５′が基板ホルダ５上にテーパ状（この望み
角８１は３〜10゜とできるだけ小さい方が基板を
多量に挿着できる）に配設され、基板の導入口側
より排気口側に向かつて若干狭くなり、基板の落
下を防ぐに加えてその基板上に形成される膜の均
一化をさらに促進させた。

この実施例においても補助空間８０が反応空間
の周片部に設けられ、基板５、ホルダ５０が枠構
造より電気的にフローテイングとされている。

この構造においてはフレークが形成面にテーパ
を有しているため若干付着するという欠点はある
が、シリコンウエハを多数枚同時に固定治具を付
けることなく挿着できるという点では実施例１よ
り優れたものであつた。

実施例 ３ この実施例は実施例１のプラズマCVD装置を
用い、反応性気体として34よりシランを供給して
珪素半導体膜を作製したものである。

基板温度は210℃とした。被膜の成長速度は３
Å／秒を高周波（13.56MHzを使用）電界を200W
とし、シランを200c.c.／分加え、プラズマCVD中
の圧力を0.1torrとした時得ることできた。その
結果、第１図に示した従来の平行平板型の電極方
式における1.5Å／秒の２倍を有せしめることが
できる。従来のPCVD装置の反応容器においては
１回の被膜形成で最大50cm×50cm１枚のみ（この
場合もシランの量は200c.c.／分を必要とする）の
ロードが可能であつた。他方、本発明のプラズマ
CVD装置においては20cm×60cmの基板20枚を１
バツチで挿着（ロード）でき、その結果１バツチ
の延べの形成面積は20cm×60cm×20と従来例より
も即ち9.6倍も多量生産を可能にできた。加えて
被膜の成長速度を考慮すると、合計19倍倍の多量
生産が可能になつた。

さらに重要なことは、従来は１〜２回のCVD
作業を行うと、チヤンバの内壁には0.3〜1μのシ
リコンのフレークが沈着し、掃除をしなければな
らなかつた。しかし本発明のプラズマCVD装置
においては、0.5μの膜厚の被膜生成を繰り返して
行い、その回数が100回になつても、反応容器の
内壁にはうつすらとフレイクが観察されるのみで
あつた。このため装置のダウンタイムを少なくで
き、加えて皮膜のピンホール等の不良発生を防ぎ
得るといえる二重、三重の長所を有していた。

かくして形成された半導体層は、プラズマ状態
での反応性気体のドリフトの距離が長いにもかか
わらず、光伝導度は２×10^-5〜７×10^-4（Ωcm）
^-1、暗伝導度３×10^-8〜１×10^-10（Ωcm）^-1を有し
ていた。

これはプラズマの電界方向が被形成面に垂直の
従来の方法が、光伝導度として３×10^-7〜１×
10^-10（Ωcm）^-1であることを考えると、十分なデ
イバイスへの応用が可能であることが判明した。

この実施例は不純物を積極的に添加しない場合
であるが、ＰまたはＮ型用の不純物を添加しても
同様のＰ型またはＮ型の半導体膜を作ることがで
きる。

実施例 ４ この実施例は実施例１のプラズマCVD装置を
用いて、窒化珪素被膜を作製した。

即ち、第１図の場合においてジシランを３４よ
り100c.c.／分、アンモニアを３５より500c.c.／分導
入した。周波数13.56MHz、出力500W、基板温度
は350℃とし、0.1torrとして１バツチで５インチ
ウエハを120枚ロードできた。ここに500〜500Å
の厚さに被膜形成速度185Å／分で形成させるこ
とができた。

被膜の均一性において、ロツト内、ロツト間に
おいて±５％以内を得ることができた。

実施例 ５ この実施例は酸化珪素を形成させた場合であ
る。即ちモノシランを100c.c.／分として３４より、
また過酸化窒素を３５より300c.c.／分導入し、同
時に３３より窒素を200c.c.／分導入した。

高周波電力は200Wとした。基板温度は100〜
400℃において可能であるが、250℃で形成させた
とすると、１ツチに５インチウエハ120枚をロー
トして被膜の均一性を0.5μ形成した場合±５％以
内におさめることができた。

その結果、100回の連続製造をしてもフレーク
はまつたく観察することができなかつた。

実施例 ６ この実施例においては化合物導体例えば珪化タ
ングステン、珪化モリブテンを作製した。即ち実
施例１においてバブラー３６に塩化モリブテンま
たは弗化タングステンを導入し、さらにモノシラ
ンを３５より供給し、タングステンまたはモリブ
テンと珪素とを所定の比、例えば１：２にしてプ
ラズマCVDを行つた。その結果250℃、20Wにお
いて0.4μの厚さに１〜２Å／秒の成長速度を得る
ことができた。

この化合物金属と耐熱金属とを反応性気体を調
節することにより、層状に多層構造で作ることが
できる。

以上の説明より明らかなごとく、本発明のブラ
ズマCVD装置は、半導体、導体または絶縁体の
いずれに対しても形成させることができる。特に
構造敏感な半導体、またはＰまたはＮ型の不純物
を添加した半導体層を複数層積層させることも可
能である。

さらに導体の形成において、耐熱金属であるチ
タン、モリブテン、タングステンを形成させるこ
とも可能である。さらに基板上に導体−半導体−
絶縁体−絶縁体−導体と漸次積層して作製させる
こともできる。

本発明のプラズマCVD装置として第２図は１
つの反応室を示した。しかしこれを複数個連結
し、マルチチヤンバ方式とすることも可能である
ことはいうまでもない。

なお非単結晶半導体の従来例においてはプラズ
マCVD装置に同時にプラズマエツチング装置と
しても動作可能である。しかし第２図および以上
の説明より明らかなごとく、従来より公知の局部
的に選択エツチ化用プラズマエツチング装置は本
発明方法とはまつたく思想を異にする。

即ち本発明は反応性空間を有効に多量の基板を
同時に配設したもので、この意味でエツチング方
式とは異なることがわかる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のプラズマCVD装置の概要を示
す。第２図は本発明のプラズマCVD装置の概要
を示す。第３図は第２図のプラズマCVD装置の
筒上空間を構成する付近の斜視図を示す。第４図
は他のプラズマCVD装置における筒状空間およ
び反応性気体の供給口と排気口との関係を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 減圧状態に保持された反応容器と、該反応容
   器に反応性気体を供給する系と、不要反応生成物
   を排気する排気系とを具備したプラズマ気相反応
   装置において、相対した一対の電極が電極の対向
   する領域を除いてフードでおおわれており、複数
   の基板を電界に平行に配置するための基板支持体
   は、前記電極の対向する領域を除いて、基板を枠
   で基板と枠とが接しないよう取り囲んだ構造と
   し、前記一対のフードと前記基板支持体とにより
   囲まれた空間に前記一対の電極から供給される電
   力によつて発生するプラズマを閉じ込めるように
   前記一対のフードと前記基板支持体とが設けられ
   たことを特徴とするプラズマ気相反応装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、基板支持体
   を構成する枠と基板との間隔は、隣りあう基板と
   基板との間隔に比べ、等しいか若しくは狭いこと
   を特徴とするプラズマ気相反応装置。