JPH0252422A

JPH0252422A - 薄膜製造方法及び装置

Info

Publication number: JPH0252422A
Application number: JP20445188A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamada; 宏山田; Yasuhiro Torii; 鳥居　康弘
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1988-08-17
Filing date: 1988-08-17
Publication date: 1990-02-22

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、イオン化粒子を照射することにより膜形成用
原料ガスを分解あるいは励起し、低温で高品質のエピタ
キシャル膜や多結晶膜を形成する製造方法及び装置に関
するものである。

〔従来の技術〕

基板に対して特定方向の結晶膜（エピタキシャル膜）や
多結晶膜を低温で成長可能にする方法としては種々の方
法があるが、中でもイオン化粒子を用いた膜成長法は、
それらのエネルギーを制御することにより、エピタキシ
ャル成長や多結晶成長に必要な運動エネルギーを付与で
きることから、低温下での結晶膜成長に非常に有用な方
法である。

例えば、低温でのエピタキシャル膜成長等の結晶膜成長
法の一つに反応性イオンビームデポジション法がある。

本方法は、原料ガスである反応性ガス（例えば、Ｓｉ膜
成長に対しては５ｉＨ４）をプラズマ生成室へ導入し、
電子サイクロトロン共鳴条件下でプラズマ化し、発生し
たイオン化粒子のエネルギーを制御しながら基板上へ輸
送し膜成長を行う方法である。本方法を用いた低温結晶
膜の成長例として、ＳｉＨ，を用いたＳｉ膜成長を例に
すると、２００°ＣでのＳｔ多結晶膜成長や４００°Ｃ
でのＳｔホモエピタキシャル膜成長が実現されている。

このように、従来の方法は膜成長温度の低温化に対して
極めて有望であるが、プラズマ生成室の内部でもＳｉが
形成されるので、プラズマ生成室内壁やマイクロ波導入
窓に膜構成物質が堆積する。これらの堆積物の一部が微
小片となって基板表面上や膜中へ飛来し、基板表面を汚
染したり、膜中へ混入するため、形成膜の膜質が低下す
るという実用上大きな問題があった。また、マイクロ波
導入窓部の堆積物によってマイクロ波が吸収２反射され
、プラズマ生成室へ入射するマイクロ波強度が低下する
という問題があった。

［発明が解決しようとする課題］このように従来技術では、上記のプラズマ生成室内壁汚
染や膜中への微小片混入等の問題点があり、高品質のエ
ピタキシャル膜や多結晶膜等の結晶膜を低温で形成する
ことができなかった。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、このような課題を解決するものであり、プラ
ズマ生成室で基板照射用ガスとしてプラズマへの分解に
よって固体状の物質を形成しないガス好ましくは、Ｈや
Ｈｅ、Ｎｅ、ＣＩ、Ｆ等から成る質量数が少ないガスを
プラズマ化し、このプラズマ中のイオン化した粒子を基
板近傍へ照射し、また膜の構成元素となる膜形成用の原
料ガスである反応性ガスを基板近傍にのみ導入しイオン
化粒子で原料ガスをイオン化又は励起させることにより
、薄膜の製造を行うものである。

〔作用〕

本発明は、プラズマ生成室に膜形成用のガスを導入して
いないため、プラズマ生成室内での微小片発生やそれに
よる汚染等は全くなく、従来問題となっていたこれらの
微小片による基板表面の汚染や、形成膜中への混入など
による膜質低下を防止できる。また、イオンや励起され
た活性粒子の高い化学的活性を利用して薄膜形成を行え
るので、結晶薄膜を低温で実現できる。更に、基板照射
用ガスとして、質量数の小さな元素を用い、そのイオン
化した粒子のエネルギーを低エネルギー域に制御した場
合には、基板に損傷を与えることなく基板の清浄化と結
晶成長温度の低温化が可能である。

〔実施例］以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する
。

実施例として、Ｓｉ基板上にＳｉ結晶薄膜を形成する場
合を例にあげ、基板照射用ガスにＨ２、膜形成用の反応
性ガスにＳｉＨ４、プラズマ発生方法として電子サイク
ロトロン共鳴励起を利用する場合の装置構成を説明する
。ついで薄膜製造方法を基板清浄化工程、膜形成工程の
順に説明を進める。但し、本発明の１つである薄膜製造
方法を実施するにあたって、基板清浄化工程を省いても
発明の本質を脱するものではない。

第１図は本発明に係わる薄膜製造装置の一実施例を示す
概略構成図である。同図において、１はプラズマ生成室
、２は真空試料室、３は排気系、４はマイクロ波導入窓
、５はマイクロ波導波管、６は基板照射用ガス導入口、
７は反応性ガス導入口、８は磁気コイル、９はプラズマ
流、ｌＯはプラズマ引出し口、１１は試料台、１２は基
板加熱機構、１３は基板、１４はイオンエネルギー制御
用電源、工５はプラズマ輸送管、Ｉ６はプラズマ輸送用
電源、１７はイオンビーム、１８は補助排気系である。

プラズマ生成室１は真空試料室２と空間的に分離され、
電気的に絶縁されている。そして、画室はプラズマ引き
出し口１０を介してつながっている。真空試料室２は排
気系３に接続されており、基板表面を汚染する残留不純
物ガスを排気している。プラズマ生成室１のプラズマ引
き出し口１０と対向する位置にはマイクロ波導入窓４を
介してマイクロ波導波管５が設けられており、プラズマ
生成室１の周囲には磁気コイル８が設けられている。

プラズマ生成室１に基板照射用ガス導入口６よりＨ２ガ
スを導入し、矩形導波管５を介してマイクロ波（例えば
２．４５０Ｈ２）を導入し、磁気コイル８によって直流
磁界がマイクロ波電界に対して直角方向で電子サイクロ
トロン共鳴条件（８７５Ｇａｕｓｓ）の磁界を生じさせ
ると、これらの相互作用によって導入されたガスはプラ
ズマ化される。このように、本実施例ではマイクロ波に
対する電子サイクロトロン共鳴励起によるプラズマ生成
を用いているため、イオン化効率が高く、１０”’Ｔｏ
　ｒ　ｒの低ガス圧でも安定な放電が可能である。磁気
コイル８によって形成される磁力線に沿ってプラズマ引
出し口１０からプラズマ流９が引き出される。プラズマ
引出し口１０は１〜８０　ｍｍφと幅広く変えることが
できる。プラズマ生成室１のプラズマ引出し口１０から
引き出されたプラズマ流９は試料台１１に達するように
配置されている。また、必要に応じて図に示したような
プラズマ輸送管１５を設置し、このプラズマ輸送管１５
の電位を浮動電位もしくは正電位にすることにより、プ
ラズマ流９の広がりを小さくすることができる。試料台
１１はヒータなどの加熱機構１２を内蔵しており、基板
１３を１０００°Ｃまで昇温できるようになっている。

基板１３の方向に達するプラズマ流９に含まれるイオン
のエネルギーを必要に応じて制御するために、例えばプ
ラズマ生成室１と基板１３との間にイオンエネルギー制
御用の電源１４により電圧を印加することによって、基
板１３上に照射されるイオンビーム１７のエネルギーを
２０ｅＶ〜２　ｋｅＶの範囲に制御できる。

また、イオンビーム取り出し口に引出し電極を設けてイ
オンエネルギーを制御してもよい。

ここで、反応性ガス導入ロアより基板表面近傍に膜形成
用の原料ガスとして反応性ガスであるＳｉＨ４を導入す
れば、所要の温度に加熱されたＳｉ基板工３の表面上で
プラズマ生成室１からの流れと反応性ガスとの流れが合
流しＳ　ｉ　Ｈａがプラズマ流９もしくはイオンビーム
１７によって反応性ガスが一部イオン化あるいは励起さ
れた状態となる。この時、一部のＳｉＨ，はプラズマ生
成室ｌに入り、そこでもプラズマ化されるが、量は少な
く、プラズマ生成室１内のＳｉの膜形成は著しく軽減さ
れる。なお、反応性ガス導入ロアの終端部は、第２図に
示すように環状に配列した多数の小孔が設けられており
、この小孔を通じて反応性ガス流１９が基板表面近傍に
向かって均一に導入されるようになっている。

上述した装置において、ガス流量やイオンエネルギー等
を後述するような最適な条件に制御することにより、Ｓ
ｉ基板を清浄化し、また基板上にＳｉ膜を成長させるこ
とができる。

薄膜製造においては、薄膜製造に先立ち基板表面を清浄
化することが高品質の薄膜を製造する上で好ましい。そ
こで、まず第１図の装置を利用した基板清浄工程につい
て次に説明する。基板清浄化工程においては、Ｓｉ基板
を予めＨ２Ｏ２−Ｈ２Ｓ０４溶液を用いた湿式洗浄等に
よって予備洗浄した後（この段階で、基板表面には薄い
酸化膜（ＳｉＯ，、ｘ〜２、が主成分）が形成されてい
る）、基板照射用ガスとしてＨ２か、さらに必要に応じ
てＨ２導入量に対して約２〜５％以上のＳｉＨ，を導入
することにより、基板表面の酸化膜を気体状のＳ　ｉＯ
’ＰＨｚ　Ｏ等に分解、除去して清浄化する。基板がＳ
ｉ単結晶の場合、イオンエネルギー制御用電源１４を利
用してイオンエネルギーを５０〜３００ｅＶの低エネル
ギー域に制御することにより、６５０　’Ｃという低温
下で、清浄性、結晶性を保証する超表面構造を呈した超
清浄面が実現できた。この時、微量に混合するＳｉＨ４
としては、反応性ガス導入ロアから導入しても同様の効
果が得られる。また、この基板清浄化用の基板照射用ガ
スとしては、］１□、Ｈｅ、Ｎｅなどの質量数の小さな
ガスや、５ｉＦｎ　　、　　ＨＣＩ、　　Ｃ１２などの
ようなエツチングガスとして用いられているハロゲンガ
ス、およびハロゲン元素と基板構成元素とのハロゲン化
物のガスの使用が有効である。

特に、基板構成元素を含むハロゲン化物は、化学的なエ
ツチング作用があるため、低いイオンエネルギーでも基
板表面の清浄化が可能であり、基板を損傷することなく
清浄化できる。

基板清浄を終えた後に、薄膜形成をする場合には次に反
応性ガス導入ロアを通じて必要とする膜形成速度が実現
できる量のＳｉＨ４を導入すると共に、イオンエネルギ
ーを約６００ｅＶ以下に制御することによりＳｉ膜が形
成できる。第３図は、本発明によって得られたイオンエ
ネルギー、成長温度とＳｉ膜成長形態との関係（Ｓ　ｉ
　（１１１）基板を使用）を示したものである。第３図
では、■印及び実線より右側でＥｐｉと表示された領域
でＳｉホモエビ膜が成長できることを意味し、・印及び
点線で挟まれＰｏ１ｙと表示された領域で多結晶膜が成
長できることを意味し、Ｏ印及び破線より左側でＡｍｏ
ｒと表示された領域でアモルファス膜が成長できること
を意味している。すなわち、イオンエネルギーを制御す
ることにより４００°ＣでのＳｉホモエビ膜成長が可能
になるばかりでなく、２００°Ｃという低温下での多結
晶膜成長も可能である。この時、清浄化した後、Ｓ　ｉ
　Ｈ４の導入量を制御することにより清浄化から膜形成
までをガスの切り替えなどで中断することなく連続的に
処理できるため、界面に不純物の混入がなく、欠陥の少
ない膜形成が可能である。このように、基板照射用のガ
ス種を変えずに、膜形成用のガス導入量、さらに必要に
応じて基板照射用ガスのイオンエネルギーとを制御する
だけで、基板の清浄化工程から膜形成工程に連続的に移
行できる。なお、基板照射用ガスとして質量数の大きな
Ａｒ。

Ｘｅなどのガスを使用してもよいが、このようなガスを
用いると、基板を損傷するおそれがあり、Ｓ　ｉ　（１
１１）　−７Ｘ　７等の超表面構造を維持した清浄面、
エビ膜を形成するのがやや困難である。このため、基板
照射用ガスとしてはＨ２，Ｈｅ、Ｎｅなどの質量数の小
さなガスや、これらのガスとＳｉＦ、、５ｉＣ１，など
の膜構成元素を含むハロゲン化物ガスとの混合ガスを用
いることが好ましく、この場合には基板に損傷を与える
ことなく基板を清浄化してから、膜形成ができる。また
、選択成長などに対しては、上記のガスにＨＣＩガスと
混合したものなどが有効である。

本発明によれば、プラズマ生成室１へはＨ２のような固
体状の物質を形成しないガスが導入されているため、従
来法のような反応性ガスを直接プラズマ生成室１へ導入
する方法のような、プラズマ生成室１内での膜構成元素
からなる微小片の発生がなく、膜中へのこのような微小
片の混入や、マイクロ波導入窓４への微小片堆積による
入射マイクロ波の吸収、反射に伴うマイクロ波入射強度
の低下の恐れは殆どない。さらに、プラズマ引出し口Ｉ
Ｏの近傍に補助排気系１８を配置することにより、反応
性ガスのプラズマ生成室１内への侵入をより効果的に防
止することが可能であり、前述した微小片の発生はほぼ
完全に防止できる。

また、Ｓｉ膜形成の際に、ＳｉＨ，、Ｓｉ２Ｈ６等の反
応性ガス中へ微量のＡｓＨ，やＰＨ，等のドーパントと
成りうる元素を含むガスを同時に導入することにより、
Ｓｉドーピング膜の形成が可能である。

さらに、反応性ガスとしてＧｅＨ＜を用いることにより
Ｇｅ膜の形成が可能であり、また、反応性ガスとしてＴ
ＭＧ等のＧａ系有機金属化合物ガスとＡｓＨ，やＰＨ３
等との混合ガスを用いることにより、ＧａＡｓやＧａＰ
等の化合物膜の形成が可能である。

〔効果〕

以上の実施例で明らかなように、本発明により、基板を
清浄化して高品質結晶膜を低温で提供することが可能で
ある。

本発明は、単結晶基板上へのエピタキシャル膜成長を始
めとして、多結晶膜成長、あるいは、多結晶、非晶質基
板上への多結晶膜成長等を、特に低温で実現する上で非
常に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる薄膜製造装置の一実施例を示す
概略構成図、第２図は第１図の反応性ガス導入口の終端
部の詳細図、第３図は本発明の薄膜製造装置を用いた５
ｉ（１１１）基板上へのＳｉ膜成長における、イオンエ
ネルギー、成長温度とＳｉ膜成長形態との関係図である
。Ｉ・・・プラズマ生成室、２・・・真空試料室、３・・
・排気系、４・・・マイクロ波導入窓、５・・・マイク
ロ波導波管、６・・・基板照射用ガス導入口、７・・・
反応性ガス導入口、８・・・磁気コイル、９・・・プラ
ズマ流、１０・・・プラズマ引出し口、１１・・・試料
台、１２・・・基板加熱機構、１３・・・基板、１４・
・・イオンエネルギー制御用電源、１５・・・プラズマ
輸送管、１６・・・プラズマ輸送用電源、１７・・・イ
オンビーム、１８・・・補助排気系、１９・・・反応性
ガス流。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）プラズマ生成室に基板照射用ガスを導入し前記プ
ラズマ生成室にマイクロ波を導入し、電子サイクロトロ
ン共鳴条件の磁界によって前記基板照射用ガスをプラズ
マ化してイオン化粒子を生成する工程と、前記プラズマ
生成室に設けられたプラズマ引き出し口から基板表面近
傍に前記イオン化粒子を導入する工程と、反応性ガスを
前記基板表面近傍に導入して前記基板表面近傍で前記反
応性ガスと前記イオン化粒子を合流させ前記反応性ガス
をイオン化又は励起させることにより薄膜を形成する工
程とを含むことを特徴とする薄膜製造方法。
（２）プラズマ生成室に基板照射用ガスを導入し前記プ
ラズマ生成室にマイクロ波を導入し、電子サイクロトロ
ン共鳴条件の磁界によって前記基板照射用ガスをプラズ
マ化してイオン化粒子を生成する工程と、前記プラズマ
生成室に設けられたプラズマ引き出し口から基板表面近
傍に前記イオン化粒子を導入する工程と、反応性ガスを
前記基板表面近傍に導入して前記基板表面近傍で前記反
応性ガスと前記イオン化粒子を合流させ前記反応性ガス
をイオン化又は励起させて前記基板を清浄化する工程と
、その後前記反応性ガスの流量を変化させ清浄化された
基板上に薄膜を形成する工程とを含むことを特徴とする
薄膜製造方法。
（３）前記プラズマ生成室から前記基板表面近傍に前記
イオン化を導入する際にイオン化粒子のエネルギーを制
御することを特徴とする請求項第１項又は第２項記載の
薄膜製造方法。
（４）基板照射用ガスが導入されるプラズマ生成室と、
前記プラズマ生成室のプラズマ引き出し口を介してつな
がっている試料室と、前記試料室内に配置された基板の
近傍に反応性ガス導入部分を設け、前記プラズマ生成室
で生成したイオン化粉子のエネルギを制御するイオン化
エネルギ制御部を設けたことを特徴とする薄膜製造装置
。