JPH03122996A

JPH03122996A - プラズマ装置

Info

Publication number: JPH03122996A
Application number: JP1259517A
Authority: JP
Inventors: Kyoichi Komachi; 小町　恭一
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-10-04
Filing date: 1989-10-04
Publication date: 1991-05-24

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】星！上皇利ユ玉１本発明は化合物半導体の薄膜形成工程等に利用されるプ
ラズマ装置に関する。

従来Ω肢歪ＧａＡｓに代表される化合物半導体は、発光デバイスや
ＦＥＴ等の材料として今日の産業界において極めて利用
価値が大きいものとなっている。

そして、近年においては、ＧａＡｓ等の化合物半導体を
Ｓｉ基板上に気相成長させる気相成長（Ｃｈｅｍｉｃａ
ｌ　Ｖａｐｏｒ　ｐｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　；　ＣＶ　Ｄ
　）法の研究開発が活発になされている。

上記ＣＶＤ法により製造される化合物半導体は、半導体
基板としての機能性に富んでいるＳｉ基板を使用し、そ
の上に、高性能の化合物半導体を製造することができる
。すなわち、液相成長法等で形成される所謂バルク結晶
に比べ、強度的に優れ、安価かつ大径化が可能であると
いう特徴を有している。

しかし、前記Ｓｉ基板とＧａＡｓ等の化合物とはその熱
膨張係数が躍なるため、高温下で上記気相成長法を適用
して前記化合物半導体を製造した場合、前記熱膨張係数
の差に起因する残留応力が発生し、製造された半導体に
所謂「反り」が生じるという欠点がある。

そこで、前記残留応力の発生を低減する方策として、成
長速度を余り落すことなく低温でもって前記Ｓｉ基板上
にＧａＡｓ膜等の薄膜を形成するのにプラズマＣＶＤ装
置の利用が検討されてきている。

第２図はこの種のプラズマＣＶＤ装置の一例として従来
から一般に使用されている電子サイクロトロン共鳴（Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ　Ｒｅ５ｏｎａｎ
ｃｅ　：ＥＣＲ）プラズマＣＶＤ装置を模式的に示した
断面図である。

該ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置は、プラズマ生成室７１と
、該プラズマ生成室７１の下部に接続されて該プラズマ
生成室７１に連通している試料室７２と、プラズマ生成
室７１の周囲に配設されて直流電源が供給される励磁コ
イル７３と、マイクロ波をプラズマ生成室７１に導入す
る導波管７４とを主要部として構成されている。

上記ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置においては、まず、減圧
下、励磁コイル７３に直流電源が印加されて所定の磁場
が形成されると共に、マイクロ波が矢印Ｚに示す如く、
導波管７４から導入窓７５を経てプラズマ生成室７１に
導入される。そして、共振器構造のプラズマ生成室７１
内でマイクロ波の定在波が形成される一方、プラズマ生
成室７１の土壁部に設けられた第１の注入配管７６から
第１の反応ガスが該プラズマ生成室７１に導入されてプ
ラズマ８２が生成される。そしてこの後、プラズマ８２
は引出窓７７から加速されて発散磁界を形成すると共に
、試料室７２の側壁に設けられた第２の注入配管７８か
ら該試料室７２に導入される第２の反応ガスと反応し、
試料台７９に載置されたＳｉ基板８０の表面に薄膜が形
成される。

そして、例えば、Ｓｉ基板８０上にＧａＡＳ膜（薄膜）
を形成する場合においては、第１の反応ガスとしてＨｚ
、又はＨｚとＡ　ｓ　Ｈｘとの混合物を使用し、第２の
反応ガスとして（ＣＨｓ）ｓ　Ｇａ（トリメチルガリウ
ム）等の有機金属ガリウムを使用する例や、第１の反応
ガスとしてＨｚを使用し、第２の反応ガスとして上記有
機金属ガリウム及び（Ｃｉ　Ｈｓｌｓ　Ａｓ　（トリエ
チル砒素）等の有機金属砒素を使用する例（８西、近藤
：電子情報通信学会技術報告、８７［２７７］　ｐ、７
７〜ｐ、８４（１９８７１：　　Ｔａｎａｋａ、　　Ｋ
ｕｎｉｔｓｕｇｕ、Ｓｕｅｍｕｎｅ、１ｌｏｎｄａ、に
ａｎ、Ｙａｍａｎｉｓｈｉ　：　Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙ
ｓ、、６４［１］　ｐ、２７７８〜ｐ、２７８０、（１
９８８１参照）が知られている。

日が　？しよ　と　る課題上記した従来のプラズマ装置においては、プラズマ生成
室７１の内周面８１がステンレス鋼で形成されているた
め、プラズマの生成過程において該内周面８１がスパッ
タされると、ステンレス鋼の構成成分であるＦｅ、Ｃｒ
、Ｎｉ等の金属元素がＳｉ基板８０上の薄膜中に不純物
として混入し、半導体素子としての電気的特性を損なう
という課題があった。

また、例えば有機金属ガリウム又は／及び有機金属砒素
を試料室７２内で分解してＧａＡｓ膜を形成する場合に
おいては、これら有機金属ガリウム又は／及び有機金属
砒素の分解により生成する炭素成分（Ｃ）が前記ＧａＡ
ｓ膜中に混入し、膜質が低下するという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑み、高純度の半導体デバイ
スを製造することができるプラズマ装置を提供すること
を目的としている。

課　を”するための上記目的を達成するために本発明に係るプラズマ装置は
、試料室と、プラズマ生成室と、該プラズマ生成室と前
記試料室とを連通させるガス通流部とを備え、前記ガス
通流部の断面積が前記プラズマ生成室の断面積よりも小
さく形成され、かつ前記プラズマ生成室の内面側が耐熱
性材料で覆われていることを特徴としている。

さらに、上記プラズマ装置において、原料を試料室に分
子線として供給するクヌーセンセルを具備していること
を特徴としている。

■ 化合物半導体中への炭素成分（Ｃ）の混入を阻止する方
法としては、固体原料を加熱して原料を気化させ、成膜
原料を分子線として基板上に供給する方法が考えられる
。

しかし、前記分子線を高効率で生成するためにはその雰
囲気を１０−８Ｔｏｒｒ以下の高真空に設定する必要が
ある。

一方、１０−’Ｔｏｒｒ以下の高真空においては、安定
したプラズマの生成がなされない。

本発明に係るプラズマ装置によれば、ガス通流部の断面
積が前記プラズマ生成室の断面積よりも小さく形成され
ているので、略真空下においてはプラズマ生成室と試料
室との間には差圧が形成される。すなわち、試料室の圧
力はプラズマ生成室の圧力よりも高真空に設定される。

つまり、試料室の圧力を分子線が効率よく基板に供給さ
れる圧力、例えば１０−’Ｔｏｒｒに設定しても、プラ
ズマ生成室内の圧力は安定したプラズマの生成が可能な
１０−４〜１０−”Ｔｏｒｒの圧力に保持することが可
能となる。したがって、安定したプラズマを生成させる
ことが可能となると共に、原料を分子線として基板上に
効率よく供給することが可能となる。

しかも、プラズマ生成室の内面側が耐熱性材料で覆われ
ているので、該プラズマ生成室の内周面がスパッタされ
ることがなく、金属元素の製品への混入が防止される。

また、クヌーセンセルが上記プラズマ装置に具備される
ことにより、原料が分子線として基板に効率よく供給さ
れる。

！施困以下、本発明に係る実施例を図面に基づき詳説する。

第１図は本発明に係るプラズマ装置の一実施例としての
ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を模式的に示した断面図であ
る。

該ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置においては、試料室１の下
方に、プラズマ生成室２が配設され、該プラズマ生成室
２と試料室ｌとが短管３により接続されている。プラズ
マ生成室２の下方には、導波管４が連設され、プラズマ
生成室２の周囲には直流電源（図示せず）が供給される
励磁コイル５が配設され、試料室ｌの上方には、排気系
（図示せず）が接続されている。

試料室ｌは、略円筒形状に形成されると共に、上部壁６
の略中央部には排気系（図示せず）に接続される第１の
孔７が形成され、下部壁８の略中央部には第２の孔９が
形成されている０本実施例においては、試料室１の内径
は約５０−０ｍｍψに設定されている。また、前記第２
の孔９に対向する上方位置には試料台ｌＯが配設され、
静電吸着手段（図示せず）によって試料１１が試料台ｌ
Ｏの下面に固着されるように構成されている。

また、試料室ｌの側壁１２近傍であって、下部壁８には
クヌーセンセル１３が傾斜状に突設されている。クヌー
センセル１３は、セルに収容した固体源１４を所定温度
に加熱して蒸発させ、分子線を生成するものである。そ
して、本実施例においては、クヌーセンセル１３の上部
に形成されている小孔１５から前記分子線が射出され、
矢印へ方向に示す如く、試料１１に到達するように構成
されている。

尚５、前記固体源としては、主として周期表ＩＩ　ｂ族
、ＩＩＩ　ｂ族に属する高純度の固体元素、具体的には
Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ　（ＩＩｂ族）、、ｌ、Ｇａ。

Ｉｎ（Ｉｌｌｂ族）が使用される。

また、プラズマ生成室２は、略円筒形状に形成されると
共に、該プラズマ生成室ｌの上部壁略中央部には第３の
孔（プラズマ引出窓）１６が形成され、かつその下部壁
略中央部にはマイクロ波を導入するための第４の孔１７
が形成されている。

本実施例では、プラズマ生成室２は、内径的８４ｍｍφ
、長さ約１３０ｍｍに形成されている。また。

プラズマ生成室２の上下端には夫々第１及び第２の鍔部
１８．１９が形成されており、これら鍔部１８．１９に
よりそれぞれ短管３と導波管４とに接続されている。

短管３は、第２の孔９と略同−内径を有する略円筒形状
に形成され、その上下端には夫々第３及び第４の鍔部２
０．２１が形成されている。そして、試料室１の下端に
形成された第５の鍔部２２と前記第３の鍔部２０とが、
また第４の鍔部２１と第１の鍔部１８とが、夫々ボルト
等の固着具（図示せず）により固着され、短管３を介し
て試料室１とプラズマ生成室２とが連通されている。

また、導波管４は、その内径がプラズマ生成室２の内径
と略同−内径に設定され、導入窓２３を拘持する保持部
材２４を介してボルト等の固着具（図示せず）によりプ
ラズマ生成室２に固着されている。すなわち、導入窓２
３は保持部材２４と導波管４とで挟持されている。

励磁コイル５は、直流電源が供給されると所定の磁場を
発生する。これによりマイクロ波発振器（図示せず）か
らプラズマ生成室２に導入されるマイクロ波角周波数ω
と電子サイクロトロン角周波数ω。とが、プラズマ生成
室１において等しくなるような磁場が形成され、電子に
共鳴運動を行なわせるように構成されている。この共鳴
を起こさせるための条件、すなわち、ＥＣＲ条件は、古
典力学的方程式を解くことにより容易に求められ、次式
で示される。

ω＝ω。＝ｅＢ／ｍ・・・・・・・・・■ここで、ｅは
電子の電荷（＝１．ｆ３Ｘ１０−”Ｃ１，Ｂは磁束密度
（Ｔ）、ｍは電子の質量（＝９．１ｘｌｏ−”　ｋｇ）
である、マイクロ波の角周波数ωは、本実施例では２．
４５ＧＨｚに設定されており、前記０式よりＥＣＲ条件
を満たす磁束密度Ｂは８．７５ＸＩＯ−”Ｔである。

２５は石英等の耐熱性材料で形成されたプラズマ流通管
であって、このプラズマ流通管２５は、プラズマ生成室
２と略同−内径に形成されて該プラズマ生成室２に内設
されたインナーペルジャー部２６と、その断面積が前記
プラズマ生成室２の断面積よりも小さく形成されたガス
通流部２７とために設けられている０本実施例ではガス
通流部２７は、その内径が２５ｍｍに形成されている（
プラズマ生成室２の内径は前述したように８４ｍｍであ
る）、また、該ガス通流部２７の側壁２８にはガス導入
配管２９が接続されている。

ガス導入配管２９をガス通流部２７に接続した場合、ガ
ス導入配管２９をプラズマ生成室２に接続する場合に比
べて、ｌ）プラズマ生成室２内の圧力差がなくなり、均
一なプラズマを発生させることができる、２）プラズマ
生成室２内壁への付着物が少ない、という利点がある。

以上のように構成されたＥＣＲプラズマＣＶＤ装置にお
いて、試料（Ｓｉ基板）１１へのＧａＡｓ膜の形成は以
下の如く行なわれる。

まず、クヌーセンセル１３に金属Ｇａを入れた後、排気
系を操作して試料室１及びプラズマ生成室２の内部をｌ
　Ｘ　Ｉ　Ｏ−”Ｔｏｒｒ以下の圧力に減圧しその後ｔ
ＨｇとＡ　ｓ　Ｈｓとの混合ガス（ＡｓＨ−：　Ｈａ　
＝１０　：　９０）をガス導入配管２９からプラズマ生
成室２に導入する。

次いで、前記金属Ｇａの分子線が試料室１に安定して供
給可能となるように、試料室ｌの圧力を２　Ｘ　１０−
’Ｔｏｒｒに設定する。この時、プラズマ生成室２の圧
力は、ガス通流部２７の断面積がプラズマ生成室２の断
面積よりも小さく形成されているため、試料室１の圧力
よりも高（なりプラズマが安定して生成可能な５　Ｘ　
１０−”Ｔｏｒｒ程度に保持される。

一方、１．ＯｋＷの電力に設定されたマイクロ波をマイ
クロ波発振器（図示せず）から導波管４を介してプラズ
マ生成室２に導入すると共に、励磁コイル５に直流電源
を供給して、プラズマ生成室２内にＥＣＲ条件（前記０
式）を満足する磁場を生じさせる。そしてプラズマ生成
室２内でサイクロトロン共鳴運動をしている高エネルギ
電子と原料ガスとを衝突させ、この原料ガスを分解して
イオン化し、プラズマ３０を生成させる。生成したこの
プラズマ３０は第３の孔（プラズマ引出窓）１６からガ
ス通流部２７を通過し、発散磁界により矢印Ｂ方向に加
速されて試料室１内に導かれる。

他方、クヌーセンセル１３の温度を９００℃に設定し、
金属Ｇａを蒸発させてＧａの分子線を生成し、矢印Ａ方
向に該分子線を導（、そして、プラズマ３０と前記分子
線とを試料上で反応させ、試料１１の表面にＧａＡｓ膜
を形成する。試料（基板）温度は４００℃に設定し、成
膜速度は１．２μｍ／時であった。

上記薄膜形成工程に８いて、プラズマ流通路２５が耐熱
性材料で覆われているので、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ等の金属
成分や、炭素成分が膜中に混入することがなく、試料１
１の表面には良質のＧａＡｓ膜を形成することができる
。また、不純物の混入が防止されるため、同一成膜速度
でＧａＡｓ膜を形成する場合においても、従来と比べ表
面のモホロジーが向上し、またキャリア濃度を小さくす
ることができる。

尚、本発明は上記実施例に限定されることはな（要旨を
逸脱しない範囲において変更可能なことはいうまでもな
い、上記実施例においては試料温度を４００℃に設定し
た場合について詳説したが、試料温度を３００℃に設定
してＧａＡｓ膜を形成した場合においても良質の化合物
半導体が得られることが確認された。したがって、より
低温での製造プロセスの実用化が可能となり、さらに信
頼性の高い高品質の製品を製造することが可能となる。

また、上記実施例においてはＨ２とＡ　ｓ　Ｈｓの混合
物をプラズマ化することにより、ＧａＡｓ膜の形成を行
なっているが、Ｈ２のみをプラズマ化し、Ａ　ｓ　Ｈｓ
を熱分解して試料室１に導入するか、クヌーセンセル１
３により分子線として金属Ａｓを試料室ｌに供給するこ
とにより、ＧａＡｓ膜を形成してもよい。

また、ガス導入配管２９の配設箇所についてもガス通流
部２７の側壁２８に限定されることはな（、プラズマ生
成室２に接続してもよい。

及豆Ω激呈以上詳述したように本発明に係るプラズマ装置は、試料
室と、プラズマ生成室と、該プラズマ生成室と前記試料
室とを連通させるガス通流部とを備え、前記ガス通流部
の断面積が前記プラズマ生成室の断面積よりも小さく形
成されているので。

前記試料室の圧力は前記プラズマ生成室の圧力よりも高
真空に設定され、安定したプラズマの生成と、効率のよ
い分子線の供給が可能となり、膜質が向上する。

また、前記プラズマ生成室の内面側が耐熱性材料で覆わ
れているので、製品中に金属成分が混入することがなく
、製品である半導体デバイスの電気的特性の向上を図る
ことができる。

さらに、原料を試料室に分子線として供給するクヌーセ
ンセルを具備することにより、安定したした分子線を効
率よく試料室に供給することができ、従来のように有機
金属を使用しなくてすみ、製品中に炭素成分が混入する
ことなく信頼性の優れた高品質の半導体デバイスを得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るプラズマ装置の一実施例を模式的
に示した断面図、第２図は従来例のプラズマ装置を模式
的に示した断面図である。１・・・試料室、２・・・プラズマ生成室、１３・・・
クヌーセンセル、２７・・・ガス通流部。第１図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）試料室と、プラズマ生成室と、該プラズマ生成室
と前記試料室とを連通させるガス通流部とを備え、前記ガス通流部の断面積が前記プラズマ生成室の断面積
よりも小さく形成され、かつ、前記プラズマ生成室の内
面側が耐熱性材料で覆われていることを特徴とするプラ
ズマ装置。
（２）原料を試料室に分子線として供給するクヌーセン
セルを具備していることを特徴とする請求項１記載のプ
ラズマ装置。