JPH04234111A - 表面処理装置及び方法 - Google Patents
表面処理装置及び方法Info
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- JPH04234111A JPH04234111A JP3181845A JP18184591A JPH04234111A JP H04234111 A JPH04234111 A JP H04234111A JP 3181845 A JP3181845 A JP 3181845A JP 18184591 A JP18184591 A JP 18184591A JP H04234111 A JPH04234111 A JP H04234111A
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- C23C16/509—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges using radio frequency discharges using internal electrodes
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、プラズマ・スパッタ／
エッチングに関連し、更に詳細には、基板で改良型ホロ
ー陰極強化プラズマを使用する、基板表面上に種々のタ
イプの薄膜を成長又は蒸着するため、もしくはそのよう
な表面をエッチングするための高効率且つ低温システム
に関する。 【０００２】 【従来の技術】プラズマ又はＲＩＥエッチングの際にプ
ロセスでホロー陰極電子源を使用すると、被エッチング
表面領域の電子密度の増大によって活性エッチング種の
存在量が大幅に増大するので、エッチングプロセスがよ
り高速又はより低電力レベルで発生することが知られて
いる。例えば、米国特許第４、６３７、８５３号、及び
”ＩＢＭ ＴＤＢ Ｖｏｌ．２８， Ｎｏ．１０， ４
２９４−７ 頁、１９８６年 ３月” が参照される。 ホロー陰極放電現象は、ホーウィッツ（Ｃ．Ｍ． Ｈｏ
ｒｗｉｔｚ）によって、”Ａｐｐｌ． Ｓｕｒｆ． Ｓ
ｃｉｅｎｃｅ２２／２３， ９２５ （１９８５） ”
及び米国特許第４、５２１、２８６号で詳細に説明され
ている。 【０００３】この現象によって、上記と同様の理由から
、薄膜の成長を強化することも可能である。また、それ
を、低処理温度及び高成長速度によって得られる利点を
全てＶＬＳＩテクノロジに供与するために、利用するこ
とができる。例えば、酸化中にさらされる熱が低下する
と、”鳥のくちばし（ｂｉｒｄ’ｓ ｂｅａｋ ）”が
大幅に減少するので、より高密度の回路を製造すること
が可能になる。加えて、他のプラズマシステムと比較し
て、このアプローチは必要な電力が低減されるため、シ
リコン／酸化物界面への損傷が少なくなる。 【０００４】ＶＬＳＩテクノロジにおける膜成長の１つ
の重要な領域は、水素化アモルファスシリコンの生成で
ある。チティック（Ｃｈｉｔｔｉｃｋ）らがグロー放電
成長技術の使用によってギャップ欠陥状態密度を著しく
減少して以来、水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ
：Ｈ）についての研究が徹底的に成された。チティック
（Ｒ．Ｃ． Ｃｈｉｔｔｉｃｋ ）、アレキサンダー（
Ｊ．Ｈ． Ａｌｅｘａｎｄｅｒ）及びスターリング（Ｈ
．Ｆ． Ｓｔｅｒｌｉｎｇ ）による”Ｊ． Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｃｈｅｍ． Ｓｏｃ． １１６， ７７ （１９
６９） ”が参照される。続いて、スピア及びレコンバ
は、これらの膜を置換的にドープすることができた。こ
れに関しては、スピア（Ｗ．Ｅ． Ｓｐｅａｒ）及びレ
コンバ（Ｐ．Ｇ． ＬｅＣｏｍｂｅｒ ）による”Ｓｏ
ｌｉｄＳｔａｔｅ Ｃｏｍｍｕｎ． １７， １１９３
（１９７５） ”が参照される。アモルファスＳｉ：
Ｈは、広領域、低コスト及び低温度処理を必要とするデ
バイス（例えば、太陽電池、ディスプレイ用薄膜トラン
ジスタ、電子写真センサ、光電検出器及び発光ダイオー
ド）で、現在広く使用されている。このテクノロジの包
括的検討としては、例えば、マダン（Ａ． Ｍａｄａｎ
）及びショー（Ｍ．Ｐ． Ｓｈａｗ ）による”アモル
ファス半導体の物理学及び応用（Ｔｈｅ Ｐｈｙｓｉｃ
ｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ａｍｏ
ｒｐｈｏｕｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ、Ａｃａ
ｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ， Ｂｏｓｔｏｎ， １９８８
）”、又はパンコブ（Ｊ．Ｉ． Ｐａｎｋｏｖｅ， ）
版”半導体及び半金属における水素化アモルファスシリ
コン（Ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｅｄ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ
Ｓｉｌｉｃｏｎ， ｉｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ
ｓ ａｎｄ Ｓｅｍｉｍｅｔａｌｓ， Ｖｏｌ． ２１
、Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ， Ｏｒｌａｎｄｏ
， １９８４ ）”が挙げられる。 【０００５】早くも１９８０年、ナイツは、ａ−Ｓｉ：
Ｈの最適成長条件は、約０．５〜１Å／秒という超低速
の成長速度に帰着すると結論した。ナイツ（Ｊ．Ｃ．
Ｋｎｉｇｈｔｓ）による”Ｊ． Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔ．
Ｓｏｌｉｄｓ ３５／３６， １５９ （１９８０）
”、並びにマツダ（Ａ． Ｍａｔｓｕｄａ）及びタナカ
（Ｋ． Ｔａｎａｋａ ）による”Ｊ． Ｎｏｎ−Ｃｒ
ｙｓｔ． Ｓｏｌｉｄｓ ９７／９８， １３６７ （
１９８７） ”が参照される。成長速度を増大するため
の多数の方法が提唱された。例えば、オガワ（Ｋ． Ｏ
ｇａｗａ）、シミズ（Ｉ． Ｓｈｉｍｉｚｕ）及びイノ
ウエ（Ｅ． Ｉｎｏｕｅ）による”Ｊａｐａｎ． Ｊ．
Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ２０， Ｌ６３９ （１９
８１） ”は、シリコン源ガスとして、より高級のシラ
ンを使用することを提唱している。超高周波数のｒｆ（
高周波） グロー放電は、カーティンス（Ｈ． Ｃｕｒ
ｔｉｎｓ）、ワイルシュ（Ｎ． Ｗｙｒｓｃｈ ）、フ
ェイバ（Ｍ． Ｆａｖｒｅ）及びシャー（Ａ．Ｖ． Ｓ
ｈａｈ ）によって、”Ｐｌａｓｍａ Ｃｈｅｍ． Ｐ
ｌａｓｍａ Ｐｒｏｃｅｓｓ ７， ２６７ （１９８
７） ”で論議されている。平行板電極周囲を包囲する
接地メッシュの利用が、ハマサキ（Ｔ． Ｈａｍａｓａ
ｋｉ ）、ウエダ（ Ｍ． Ｕｅｄａ）、チャヤハラ（
Ａ． Ｃｈａｙａｈａｒａ）、ヒロセ（Ｍ． Ｈｉｒｏ
ｓｅ ）及びオサカ（ Ｙ． Ｏｓａｋ）によって、”
Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ４４， ６００
（１９８４）”に記載されている。 また、米国特許第４、６３３、８０９号も参照される。 水素放射線強化ＣＶＤ及びホロー陰極放電については、
シバタ（Ｎ． Ｓｈｉｂａｔａ）、フクダ（Ｋ． Ｆｕ
ｋｕｄａ ）、オウトシ（Ｈ． Ｏｈｔｏｓｈｉ）、ハ
ンナ（Ｊ． Ｈａｎｎａ）、オダ（Ｓ． Ｏｄａ）及び
シミズ（Ｉ． Ｓｈｉｍｉｚｕ）らによる”Ｊａｐａｎ
． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ２６， Ｌ１０
（１９８７）”、並びに上記に引用されたホーウィッツ
（Ｃ．Ｍ． Ｈｏｒｗｉｔｚ）による”Ａｐｐｌ． Ｓ
ｕｒｆ． Ｓｃｉｅｎｃｅ ２２／２３， ９２５ （
１９８５） ”にそれぞれ提言されている。最適なａ−
Ｓｉ：Ｈは通常２００℃から３００℃の温度で蒸着され
るが、ズィーグラー（Ｙ． Ｚｉｅｇｌｅｒ）、カーテ
ィンス（Ｈ． Ｃｕｒｔｉｎｓ）、バウマン（Ｊ． Ｂ
ａｕｍａｎｎ）及びシャー（Ａ． Ｓｈａｈ ）による
”Ｍａｔ．Ｒｅｓ． Ｓｏｃ． Ｓｙｍｐ． Ｐｒｏｃ
． １４９， ８１ （１９８９） ”及びその参照文
献、並びに、ルコフスキー（Ｇ． Ｌｕｃｏｖｓｋｙ
）、デーヴィッドソン（ Ｂ．Ｎ． Ｄａｖｉｄｓｏｎ
）、パーソンズ（Ｇ．Ｎ． Ｐａｒｓｏｎｓ）及びワン
グ（Ｃ． Ｗａｎｇ ）による”Ｊ． ｏｆ Ｎｏｎ−
Ｃｒｙｓｔ． Ｓｏｌｉｄｓ １１４， １５４ （１
９８９） ”で記載されたように、より低い温度での蒸
着も試みられた。低温蒸着の達成を試みた理由は、基板
として感熱材料を使用できるからである。更に、スミス
（Ｚ．Ｅ． Ｓｍｉｔｈ）及びワーグナー（Ｓ． Ｗａ
ｇｎｅｒ ）による”Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｂ ３２
， ５５１０ （１９８５）”で報告された、ａ−Ｓｉ
：Ｈの欠陥が化学平衡反応と関係するという発見は、ス
トリート（Ｒ．Ａ． Ｓｔｒｅｅｔ ）及びウィナー（
Ｋ． Ｗｉｎｅｒ）による”Ｍａｔ． Ｒｅｓ． Ｓｏ
ｃ． Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ． １４９， １３１ （１
９８９） ”で報告された低温（室温から１００℃まで
）蒸着試料の特性研究を刺激した。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】従って、当該技術で望
まれるのは、基板表面に薄膜を蒸着する又は成長させる
ため、もしくは基板表面をエッチングするための高効率
システムを得ることである。特に、例えば、室温でシリ
コン上に水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）
を成長させるためのｒｆ（高周波）グロー放電システム
を得ることである。 【０００７】本発明は、プラズマによる基板表面の膜成
長又は蒸着、もしくはそのような表面のエッチングを強
化する技術によって、スパッタ／エッチングのためのホ
ロー陰極効果デバイス、及びシリコンウェハ上で効率良
く行うための装置設計を先行技術に基づき改良するもの
である。本発明の特定の実施例では、ａ−Ｓｉ：Ｈ蒸着
のための新規な高成長速度技術が提供されている。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明は、プラズマ強化
化学気相処理を含み、特に、シリコン、ゲルマニウム、
砒化ガリウム、ガラス、プラスチックのような材料及び
他の適切な材料の基板を使用して、基板表面のような被
加工物上に種々のタイプの薄膜を成長又は蒸着するため
の又はそのような表面をエッチングするための高効率且
つ低温システムを包含するものである。本システムでは
、基板表面で、又は好ましくは隔てられた表面同士の間
でプラズマを発生するために、包囲閉鎖電極を有するホ
ロー陰極効果電子源を使用する。この構成によって、反
応種の密度が基板表面で高められ、且つ集中することが
保証される。これによって、膜の成長速度又はエッチン
グ速度が上昇し、このプロセスは、遙かに低い温度及び
電力レベルで生じることが可能である。 【０００９】本発明の好ましい実施例は、このプロセス
をプラズマ強化化学蒸着（ｐｌａｓｍａ−ｅｎｈａｎｃ
ｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔ
ｉｏｎ 、ＰＥＣＶＤ）システムへ応用するものである
。特に、室温でシリコン上に水素化アモルファスシリコ
ン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）を成長させるためのｒｆグロー放電
システムに応用するものである。実施例は、略同軸的に
配置された電極を備えた管状反応器を含み、この管状反
応器内には、基板表面をホロー陰極効果プラズマ強化化
学蒸着（ｈｏｌｌｏｗ−ｃａｔｈｏｄｅ ｅｆｆｅｃｔ
， ｐｌａｓｍａ−ｅｎｈａｎｃｅｄ， ｃｈｅｍｉｃ
ａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ 、ＨＣ−Ｐ
ＥＣＶＤ）する、又は基板表面を処理するために、一セ
ットの基板が軸方向に間隔を隔てて支持されている。円
筒状電極の同軸配置は、各基板表面で生成したプラズマ
の閉込めを改良すると共にホロー陰極効果を強化し、材
料を化学蒸気から基板上へ低温且つ低圧で蒸着すること
が可能となる。更に詳細には、反応管は、反応管中央部
で基板と電気的に接触すると共に基板を支持するｒｆが
印加された電極の対電極として作用する反応管壁内部に
隣接する円筒状電極を備えた、反応チャンバを画定する
外部石英管から成る。基板は、間隔を隔てたシリコンウ
ェハのセットの形でウェハボートに配置され、シリコン
ウェハ上には、アモルファスシリコンが成長される。ボ
ートは、それを支持するためにパドル（櫂）型をした前
者の電極に取り付けられる。プラズマは、本発明の実施
例ではシランのような反応ガスから生成される。反応ガ
スは、パドル型電極へ接続されたｒｆ電源（１３．５６
ＭＨｚ）によって励起されてプラズマへ分解される。ガ
スは、反応管の一方の端部から管内に入り、電極間を流
れて、他方の端部で吸い出される。電極材料は、結晶性
シリコン混在物の存在によって導電性にされた炭化ケイ
素である。適切な蒸着パラメータ（シラン流速、圧力、
電力及び周波数、並びに基板間隔）を使用することによ
って、ａ−Ｓｉ：Ｈの室温成長が１５Å／秒迄の成長速
度で達成されたにも係わらず、低水素濃度（〜１０％）
が保持されると共に、水素結合はＳｉ−Ｈモノハイドラ
イド構造に保たれた。 【００１０】開示された反応管内で、室温（２３℃）で
デバイス品質アモルファスシリコンを成長させる１つの
例は、以下のパラメータセットを含む。 ＊ ガス ＝ １００％ＳｉＨ４（シラン）＊
圧力 ＝ ２５＜Ｐ＜１００ミリトル（ｍｉｌｌ
ｉｔｏｒｒ ） ＊ 電力 ＝ １０＜Ｐｗ＜１５０ワット（ｗａ
ｔｔｓ ）＊ ガス流速 ＝ １０＜Ｆ＜５０ｓ
ｃｃｍ＊ 温度 ＝ ２３℃ ＊ 成長速度 ＝ １００＜ＧＲ＜１０００Å／
ｍｉｎ 【００１１】このプロセスを用いると、アモル
ファスシリコン膜が、基板上、又は温度が厳密に制限さ
れるデバイス上に形成できるので、このようなデバイス
応用で使用可能な材料の範囲を拡大することができる。 【００１２】本発明の閉鎖電極反応管は、種々のガス及
び材料を用いて多数の応用例で使用され、膜を蒸着又は
成長させる、もしくはパターンをエッチングするために
基板表面処理を改良することができる。 【００１３】 【実施例】図１には、本発明に従う好ましいプラズマ反
応管が示されている。この装置の構造は、その好ましい
構成材料、即ち石英、炭化ケイ素、及びステンレス鋼に
よって便宜上それぞれ識別し得る３つのコンポーネント
・セクションから特に構成されている。これらの好まし
い材料の代わりに、当業者によって適切であると見出さ
れた他の好ましい材料が使用されてもよい。 【００１４】第１に、石英セクションは、反応管の心臓
部である円筒状反応チャンバ１の形を成す。ここでは、
制御されたプラズマ反応が発生する。絶縁性、高温安定
性及び超高純度といった望ましい特性から、石英がこの
構造のために好ましい材料として選択される。 【００１５】第２に、炭化ケイ素陰極セクションは、３
つのコンポーネント、即ち外部管状電極３、内部片持ち
電極４及び第３のコンポーネントであるウェハボート５
から構成される。内部片持ち電極４は、ウェハボートを
保持するためにボートパドル型をしている。これら３つ
の部分は、全て石英チャンバ１内に配置され、製造中高
純度シリコン粉末で充満されるため、望ましい特性、即
ち超高純度、優れた熱安定性、高温での強度（ロードさ
れたウェハボートを支持できるように）及び導電性を備
えるように高純度炭化ケイ素から製造される。材料は陰
極構造の一部なので、導電性は重要である。図１及び図
２は、ウェハボート５の１つの構成を説明している。こ
こでは、図示されるように鉛直に向くようにウェハ１０
がロードされて、ホロー陰極配置の一部を成している。 本発明を説明するために、この鉛直配置について主に論
議するが、図３に示されるような水平に配向されたウェ
ハを有する他のウェハボート配置でも実質的に同一の結
果が得られることは、以下の記載から理解されるであろ
う。また、ここでは円形ウェハが示されているが、プラ
ズマで処理するために反応管中央に配置される被加工物
は、反応管内で実行される特定の目的に適合するように
多くの形状及び形態を取り得ることも理解されるであろ
う。同様に、反応チャンバ１及び包囲電極３は、断面が
円形以外の形状であってもよいが、反応管が長い軸線を
有すると共に電極がそれに平行に配置された円筒状構成
が好ましい。いくつかの応用例では、包囲電極３はチャ
ンバ壁として作用する。 【００１６】図１に示される第３セクションは、ステン
レス鋼セクションであり、３つの部材、即ち二重フラン
ジ付エンドキャップ６、エンドキャップ７及びドア９を
含む。エンドキャップ６及び７は、石英中央セクション
へその対向するフランジエンドでＯリング８によって真
空に密閉されている。ドア９は、同様にエンドキャップ
６へ接合されている。エンドキャップ６のフランジ間に
は、ガス・インプット・ライン１５及び圧力センサ１６
の取付のための設備が設けられている。パドル電極４は
、パドル電極ホルダ１２と、パドル４及びホルダ１２を
接合するクランプ１３とを含む片持ち配置で、ドア９へ
接続されている。陰極として働くパドル電極４への電力
は、ホルダ１２と電力電極１４との間のワイヤ接続を介
して送電される。電力電極１４及びホルダ１２はいずれ
も、テフロン及びセラミックの真空気密のフィードスル
ー（貫通接続部）１１によってドア９から電気的に絶縁
されている。包囲管状電極３は、エンドキャップ７へ支
持されて接続されている。エンドキャップ７は、真空源
即ちチャンバ１を排気するためのポンプ（図示せず）へ
の接続部１７も備えている。 【００１７】電極は、図４及び５に示された２つの回路
構成のいずれかによって接続されたｒｆ発生器１８から
給電される。図４に示されるように、管状電極３及びキ
ャップ７は接地されており、一セットの被加工物即ちウ
ェハ１０が鉛直に取付られた図１及び図２のウェハボー
ト５を含むパドル電極４へ、ｒｆ電圧が印加される。そ
の結果、電極、ボート及びウェハは全て、陰極を形成す
るように働く。図５の構成では、エンドキャップ７は管
状電極３から電気的に絶縁され、且つドア９と共に接地
されており、電極３及びパドル電極４はいずれもｒｆ源
１８へ接続されている。直流電源が適当であるとして使
用されることも考えられる。何方の場合でも、給電され
た電力は、導電性基板によって直接、又は”表皮効果”
によって、各基板又はウェハ表面で電場を形成し、これ
によって、ウェハ間の空間でガスが励起され、強化ホロ
ー陰極効果でプラズマが生成される。 【００１８】プロセス向上に必要な付加的な熱エネルギ
を生成するために加熱炉が備えられるが、このための適
切なデバイスの設備は当業者にとって明らかなので簡単
化のために省略した。 【００１９】図１に示されたシステムを用いて、ウェハ
表面への膜の高効率蒸着又は成長、もしくはウェハ表面
のエッチングが以下の一般的方法で達成される。例えば
多数のシリコン基板等の形のウェハ１０のセットが、反
応チャンバ１のボート５内で電極４上に配置される。ウ
ェハはプラズマとの望ましい反応が形成されるために表
面が露出するように、相互に隔てられている。例えば、
ウェハ表面上に膜を蒸着するために反応管が使用される
とき、蒸着膜の品質及び均一性は、結局、ウェハ間隔と
適切なプロセスパラメータとの関数である。プロセスパ
ラメータとは、反応チャンバ１内の圧力、反応ガスの種
及び流速、並びに、印加電圧の電力及び周波数のような
ものであり、これらは全て、望ましい結果を最適化する
ように調整される。約１０から５００ミリトルの範囲の
圧力、且つチャンバ１を通過する反応ガスが５ｓｃｃｍ
から７５ｓｃｃｍの間の一定流速というように、パラメ
ータの組合せを正しく選択することによって、好ましい
実施例のシステムが最適に作動することは、一般的な例
によって理解されるであろう。反応ガスは、シリコンウ
ェハ表面上にシリコンを蒸着するときはシランであり、
シリコン表面に酸化物を成長させる場合は酸素である。 温度は２３℃（室温）以上であり、供給電力は、通常の
ｒｆ周波数１３．５６ＭＨｚで、１０から３００ワット
の範囲である。ウェハの適切な間隔は、システムの大き
さに依るが、典型的には、長さ３フィート（約０．９メ
ートル）及び直径７インチ（約１８センチメートル）の
チャンバにおいて、約０．１インチ（約０．２５センチ
メートル）のオーダーから最大でも５インチ（約１３セ
ンチメートル）である。 【００２０】本発明の電極構成へｒｆ電力（例えば１３
．５６ＭＨｚ）が給電されると、ホロー陰極型グロー放
電が各ウェハの間で生じる。グロー放電現象を完全に理
解するためには、上記のように、”Ａｐｐｌ． Ｓｕｒ
ｆ． Ｓｃｉｅｎｃｅ ２２／２３， ９２５ （１９
８５） ”でホロー陰極放電について詳細に説明されて
いる。本発明で、ウェハ間のホロー陰極効果によって生
成した高密度プラズマは、ウェハ表面で集中する化学活
性種を増大させるので、膜成長、蒸着又はエッチングが
、従来のＰＥＣＶＤデバイスがこの目的のために可能で
あった温度よりも大幅に低い温度で生じることが可能と
なった。特に、膜蒸着について、略円筒状同軸電極配置
は、基板表面で生成したプラズマの閉込めを改良すると
共にホロー陰極効果を強化し、材料を化学蒸気からウェ
ハ上へ低温且つ低圧で蒸着することが可能となる。 【００２１】本発明の応用の特定の例は、水素化アモル
ファスシリコンの生成である。上記で説明したように、
水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）は、例え
ば、太陽電池、ディスプレイ用薄膜トランジスタ、電子
写真センサ、光電検出器及び発光ダイオード等の、広領
域且つ低コストの低温処理を必要とするデバイスで広く
使用される。本発明は、ａ−Ｓｉ：Ｈ蒸着のための新規
な高成長速度技術を提供する。技術を開発するにあたっ
て、室温蒸着膜の特性への影響を研究するために、蒸着
パラメータを計画的に変化させた。注意することは、こ
の蒸着方法の重要な特徴が、得られる水素結合構造の制
御の程度にあることである。 【００２２】改良された技術を使用した、水素化アモル
ファスシリコンの生成を含む本発明の１つの実施例につ
いて、図１に示された同軸電極ＰＥＣＶＤ反応管を参照
して少し詳細に説明する。この実施例では、反応チャン
バ１は、長さ３フィート（約０．９メートル）、直径７
インチ（約１８センチメートル）の石英管から成り、反
応管壁内部の接地された円筒状電極３を含む。円筒状電
極３は、チャンバ中央付近のｒｆ給電されたパドル型電
極４の対電極となる。電極材料は、結晶性シリコン混在
物の存在によって導電性にされた炭化ケイ素である。反
応ガスは反応管の一方の端部に位置する入口１１からチ
ャンバ１内へ入り、１３．５６ＭＨｚのｒｆ電場で励起
されてプラズマに分解される。反応管は、荒引きポンプ
（図示せず）へ連続して接続されたルーツ型送風機によ
って、他方の端部で排気される。 【００２３】このような反応管を使用して、多数のサン
プルを室温でシランから蒸着させた。３シリーズの実験
を遂行した。第１シリーズでは、シランの流速を６ｓｃ
ｃｍと６０ｓｃｃｍ（標準温度及び標準圧力における１
分当たりの立方センチメートルで示した流速）との間で
変化させ、圧力を０．０５トルに、ｒｆ電力を７５ワッ
トにそれぞれ保持した。第２シリーズでは、圧力を０．
０１５トルと０．４トルとの間で系統的に変化させ、シ
ラン流速を１５ｓｃｃｍ、ｒｆ電力を７５Ｗに保持した
。最後に第３シリーズは、一定のシラン流速（１５ｓｃ
ｃｍ）及び一定の圧力（０．０５トル）で、２５Ｗと２
７５Ｗとの間の電力レベル範囲を包含した。光透過測定
のためには石英基板を使用し、赤外吸収測定のためには
、両面研磨シリコンウェハを使用した。 【００２４】蒸着膜の厚さは、Ｔｅｎｃｏｒ Ａｌｐｈ
ａ−Ｓｔｅｐ ２００表面型彫機（プロフィーラ）を用
いて測定した。これらの測定結果は、光透過を用いて測
定された近赤外領域での干渉縞間隔から求めた厚さと一
致した。光透過測定は、Ｖａｒｉａｎ Ｃａｒｙ ２４
００紫外−可視−近赤外分光光度計を用いて行った。
（αｈω）１／２＝Ｂ（ｈω−Ｅｏｐｔ ）のタウクプ
ロット（Ｔａｕｃ ｐｌｏｔｓ）からの遮断は、Ｅｏｐ
ｔ と見なした。赤外透過スペクトルは、Ｐｅｒｋｉｎ
−Ｅｌｍｅｒ ２８３赤外分光計を用いて、２００から
４０００ｃｍ−１の範囲で測定した。膜中の水素濃度は
、ＮＨ ＝１．４ｘ１０２０ｃｍ−２∫α（ω）／ωｄ
ωという式を用いて、スペクトルの２０００〜２１００
ｃｍ−１領域の結合伸縮吸収帯の積分強度から評価した
。ここで、ＮＨ は水素結合の濃度であり、αは吸光係
数である（ファング（Ｃ．Ｊ． Ｆａｎｇ ）、グラン
ツ（ Ｋ．Ｊ． Ｇｒｕｎｔｚ）、リー（Ｌ．Ｌｅｙ）
及びカルドナ（ Ｍ． Ｃａｒｄｏｎａ ）による”Ｊ
． Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔ． Ｓｏｌｉｄｓ ３５／３６
， ２５５ （１９８０）”参照） 。（上記に引用さ
れた”パンコブ版、半導体及び半金属における水素化ア
モルファスシリコン（Ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｅｄ Ａｍ
ｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ， ｉｎ Ｓｅｍｉｃ
ｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ａｎｄ Ｓｅｍｉｍｅｔａｌｓ，
Ｖｏｌ． ２１， Ｐａｒｔ Ｂ 、Ａｃａｄｅｍｉ
ｃ Ｐｒｅｓｓ， Ｏｒｌａｎｄｏ， １９８４ ）”
１１３ 頁及びその参考文献のザンズッキ（Ｐ．Ｊ．
Ｚａｎｚｕｃｃｈｉ）による記載に従って、）Ｓｉ−Ｈ
／Ｓｉ−Ｈ２ 比は、２０００ｃｍ−１及び２１００ｃ
ｍ−１でそれぞれの吸光係数の比として評価した。ラマ
ンスペクトルは、５３８．９ｎｍ励起線を用いて、２ｃ
ｍ−１分解能で後方散乱ジオメトリで測定した。 【００２５】本発明の反応管で達成された改良された結
果は、プラズマの閉込めとホロー陰極効果との組合せか
ら生じたものであると確信される。本発明の同軸閉鎖電
極ＰＥＣＶＤ技術は、従来のダイオードｒｆグロー放電
の２つの平行板電極を包囲する接地メッシュを使用して
得られる効果とほぼ同様の効果を達成したと理論付けら
れる。ハマサキらによって上記引用文献で論ぜられたよ
うに、接地メッシュの使用は、給電された電極面積（Ａ
Ｐ ）の、プラズマと接触する他の表面全ての面積（Ａ
Ｇ ）に対する比率を、大きく増大させる。もし、従来
のダイオードグロー放電の平行電極間の距離（ｈ）が電
極半径（ｒ）とほぼ等しい、即ち、ｒ〜ｈであると簡単
に仮定すると、この比は、ＡＰ ／ＡＧ 〜１／３（Ａ
Ｐ ＝πｒ２ 及びＡＧ ＝πｒ２ ＋２πｒｈなので
）となる。 このようにＡＰ ／ＡＧ 比が向上したことによって、
プラズマ電位（ＶＰ ）が増大し、自己バイアス電位（
ＶＳ ）が減少する。ＶＰ の増大は、ハマサキら及び
チャップマン（Ｂ． Ｃｈａｐｍａｎ）の”グロー放電
プロセス（Ｇｌｏｗ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｐｒｏｃｅ
ｓｓｅｓ， Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ，
Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， １９８０）”によって、プラズマ
閉込めへ結び付けられており、その正味の効果は電力の
増大に等しい。本発明の同軸電極構成（図１）では、電
極縁部から遠く離れており、もし同様の簡単な仮定が成
されたとき、即ち、外部電極（陽極）３の半径（ｒ）が
内部電極４（陰極）の幅（ｌ）にほぼ等しいと仮定した
場合には、ＡＰ ／ＡＧ は〜１／πとなる（この場合
、Ｌを反応チャンバの長さとすると、ＡＧ ＝２πｒＬ
及びＡＰ ＝２ｌＬなので）。高解離度のプラズマ及び
非常に対称的なポテンシャル分布は、このＨＣ−ＰＥＣ
ＶＤシステムの同軸電極構成から得られると推測される
。閉込め効果に加えて、より対称的なポテンシャル分布
はホロー陰極効果を誘引する。ホロー陰極効果は、同様
にバイアスされた２つの電極が対向するときに生じ、低
温で電子の閉込めを強化する”電子反射鏡”を形成する
。 【００２６】薄膜のグロー放電蒸着は、複雑な多工程プ
ロセスである。シランのフラグメンテーションによって
発生した種の中でどの種が主な薄膜前駆体であるか、吸
着した膜前駆体の移動度を制御するのはどの因子か、及
び網状成長反応を起こす脱水素メカイズムは何かについ
て、上記に引用したチティックらによる”Ｊ． Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｃｈｅｍ． Ｓｏｃ． １１６， ７７ （１
９６９） ”及びシバタらによる”Ｊａｐａｎ． Ｊ．
Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ２６， Ｌ１０ （１９８
７）”で重要な論議が成されている。これらの疑問点は
、多くは未解決のまま残されている。従って、新規な蒸
着技術を提供すると共に、蒸着条件が膜品質へ及ぼす影
響を実験的に研究する必要がある。 【００２７】図６は、このような研究から得られた、シ
ランの流速変化が膜特性に与える影響を説明している。 膜特性は、シラン流速に非常に影響され易いことがわか
る。シラン流速が低いとき（６ｓｃｃｍ）、得られたａ
−Ｓｉ：Ｈの品質は劣る。この膜は、高い水素濃度（ｘ
Ｈ 〜０．４）を示し、ジハイドライド水素結合が優勢
（ＳｉＨ／ＳｉＨ２ 比が１より小さい）であった。こ
れはミクロ構造の存在を提言するものである。高水素濃
度は、光バンドギャップを２ｅＶより高く上昇させる。 これらの膜特性は、従来のダイオードｒｆグロー放電を
用いて成長させた低温（＜１５０℃）ａ−Ｓｉ：Ｈ膜と
同様であるが（ズィーグラー（Ｙ． Ｚｉｅｇｌｅｒ）
、カーティンス（Ｈ． Ｃｕｒｔｉｎｓ）、バウマン（
Ｊ． Ｂａｕｍａｎｎ）及びシャー（Ａ． Ｓｈａｈ
）らによる”Ｍａｔ． Ｒｅｓ． Ｓｏｃ． Ｓｙｍｐ
． Ｐｒｏｃ． １４９， ８１ （１９８９） ”及
びその引用文献を参照）、また気相でシラン消耗を生じ
させる蒸着条件にも相当する（即ち、シランのフラグメ
ンテーションの半分の反応時間と比較して、種が反応管
にとどまる時間が長いとき）。シランの流速が１５ｓｃ
ｃｍへ上昇すると、材料品質は著しく改良される。ｘＨ
は〜０．１５まで低下し、優勢な水素結合構造はＳｉ
−Ｈモノハイドライドであり、光ギャップは１．７ｅＶ
へ低下し、蒸着速度は７倍増大する。図６に示される診
断図のセットから、この室温蒸着材料は、高温（＞２０
０℃）デバイス品質のａ−Ｓｉ：Ｈサンプルと区別がつ
かない。しかし、蒸着速度は、モノハイドライド構造が
同様に優勢であることを示す従来のダイオードｒｆグロ
ー放電による蒸着サンプルの蒸着速度よりも遙かに速い
（オガワ、シミズ及びイノウエによる”Ｊａｐａｎ．
Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ２０， Ｌ６３９ （
１９８１） ”参照）。更にシラン流速が増大すると（
６０ｓｃｃｍ）、膜特性（１５ｓｃｃｍで成長したサン
プルに関して、光ギャップが増大、ＳｉＨ／ＳｉＨ２
比が低下すると示されたような）の劣化が起こる。興味
深いことに、シラン流速が１５から６０ｓｃｃｍへ上昇
すると、水素結合構造のモノハイドライドからジハイド
ライドへのこの明言されたシフトが生じたが、膜の総水
素含有量には変化は認められないことがわかる。 【００２８】図７及び図８は、蒸着圧力変化及び電力変
化の影響をそれぞれ示す。図７の主な特徴は、圧力が増
大するにつれて、膜特性がゆっくりと劣化することであ
る（水素含有量及び光バンドギャップの増大、並びにジ
ハイドライドに対するモノハイドライド結合比の減少に
よって示される）。高圧蒸着（〜０．４トル）では、広
範な気相核形成が観察された。成長速度の減退及び膜品
質の劣化は、明らかにこの現象のためである。他方の極
端な圧力条件（〜０．０１トル）では、気相中の種の平
均自由行程が充分大きいので、反応管壁との衝突が優勢
失活メカニズムとなると共に、閉込め効果が失われる。 電力レベルの変化がａ−Ｓｉ：Ｈ膜の特性に及ぼす影響
が図８に示されている。電力が増大するにつれて、膜特
性の間断ない劣化（水素含有量及び光バンドギャップの
増大、並びにＳｉＨ／ＳｉＨ２ 比の減少によって示さ
れる）が観察される。高電力蒸着の結果は、低シラン流
速の結果に匹敵する。高電力レベルでは、シランの消耗
もまた観察された。 【００２９】最後に、図９は、室温蒸着ａ−Ｓｉ：Ｈ同
軸電極ＰＥＣＶＤ膜の構造特性に異なる蒸着条件が及ぼ
す大きな影響を説明すると共に強調している。水素結合
構成は、蒸着条件の影響を非常に受けやすい。シランの
流速を１５から６０ｓｃｃｍへ増大させることによって
、優勢結合構成はモノハイドライドからジハイドライド
へ変化する。蒸着圧力が２倍に増大すると（０．０５か
ら０．１トルへ）、結合構成は、Ｓｉ−Ｈ及びＳｉ−Ｈ
２ が同等量存在するように変化する。一方、ラマン測
定から、６８ｃｍ−１と８０ｃｍ−１との間のＴＯバン
ドの散乱の半値幅を得た。 【００３０】上記の記載から、ｒｆグロー放電プラズマ
を使用する、薄膜蒸着のために改良された同軸閉鎖電極
構成が、提供されたことが理解されるであろう。高成長
速度且つ室温で蒸着されたａ−Ｓｉ：Ｈ膜の構造は、優
勢Ｓｉ−Ｈ結合構成がジハイドライド・モードと一致す
る構造から、モノハイドライド型が多く存在する構造へ
変化される。膜構造と蒸着条件との間の相関が確立され
る。ａ−Ｓｉ：Ｈ膜品質は、蒸着の間のシラン流速に強
く依存するが、反応管の圧力及びｒｆ電力にはあまり影
響されない。結論として、この管状蒸着システムは、２
元性特性を有するので、広領域且つ高処理能力の薄膜生
成のために非常に魅力的であると言える。 【００３１】記載された反応管内で臨界でなく隔てられ
た１つ以上のウェハに、室温（２３℃）でデバイス品質
アモルファスシリコンを成長させるための典型的なプロ
セスは、以下のパラメータセットでシステムを使用して
実行可能であることがわかった。 ＊ ガス ＝ １００％ＳｉＨ４（シラン）＊
圧力 ＝ ２５＜Ｐ＜１００ミリトル＊ 電力
＝ １０＜Ｐｗ＜１５０ワット＊ ガス流速
＝ １０＜Ｆ＜５０ｓｃｃｍ＊ 温度 ＝
２３℃ ＊ 成長速度 ＝ １００＜ＧＲ＜１０００Å／
ｍｉｎ 【００３２】アモルファスシリコン膜は、この
ようなプロセスを使用して、基板又は温度制限が厳密な
デバイス上に形成されるので、このようなデバイス応用
で使用可能な材料の範囲を拡大する。また、本発明の改
良型同軸電極ホロー陰極構成の成長速度は、他のＰＥＣ
ＶＤ構成で可能な速度よりも約１５倍速い。 【００３３】このプロセスの能力の例は、図１０に記載
された表で説明されている。この表は、従来のＰＥＣＶ
Ｄ蒸着処理（３００℃）で得られた膜と、本発明のＨＣ
−ＰＥＣＶＤプロセス（室温）によって生成された膜と
のａ−Ｓｉ：Ｈ膜特性の比較、及び、不活性ガス中での
これらの膜のアニーリングの影響を示す。表は、ＨＣ−
ＰＥＣＶＤ室温蒸着ａ−Ｓｉ：Ｈの電気伝導度へのアニ
ーリングの影響を示す。２０時間アニールした後、ａ−
Ｓｉ：Ｈサンプルの暗伝導度（ｄａｒｋ ｃｏｎｄｕｃ
ｔｉｖｉｔｙ ）は変化しなかったが、光伝導度（ｐｈ
ｏｔｏ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）は３倍に増大した
。加えて、活性化エネルギも０．４３から０．７２ｅＶ
へ増大した。このアニーリングの結果、ＨＣ−ＰＥＣＶ
Ｄ蒸着ａ−Ｓｉ：Ｈの活性化エネルギ及び伝導度は、従
来の３００℃ＰＥＶＤ蒸着ａ−Ｓｉ：Ｈの特性に到達し
たが、蒸着速度は遙かに速くなった、即ち１に対して１
５となった。 【００３４】このＨＣ−ＰＥＣＶＤシステムを用いて低
温において極めて速い成長又は蒸着速度が達成さたので
、多数の応用が可能となった。これらの応用は、低温で
の微結晶ポリシリコン及びエピタキシシリコン、炭化ケ
イ素、窒化ホウ素及びダイヤモンドのような広範なバン
ドギャップの材料の製造を含む。 【００３５】更に、パッシベーション中間膜として使用
するために、高速且つ室温で二酸化ケイ素又は窒化ケイ
素等の絶縁体を蒸着することも応用の１つである。更に
、光電気回路用に低温でバンドギャップを変化するため
のゲルマニウムとの合金アモルファスシリコンは、この
システムのための他の可能なプロセスである。更に、こ
れらの膜は全て、超低温蒸着なので、特定の応用のため
にフォトレジストマスクを介して蒸着することもできる
。 【００３６】開示された同軸閉鎖電極反応管が、膜の蒸
着又は成長もしくはパターンのエッチング等における被
加工物の改良されたプラズマ処理を行うために、種々の
ガス、材料及び構成で多数の応用で使用できることは、
以上の記載から当業者によって認識されるであろう。 【００３７】 【発明の効果】以上説明したように、本発明の同軸閉鎖
電極ＰＥＣＶＤ技術によって、基板表面の膜成長又は蒸
着、もしくは基板表面のエッチング等の表面処理を、高
速度且つ低温で行うことが可能となった。
エッチングに関連し、更に詳細には、基板で改良型ホロ
ー陰極強化プラズマを使用する、基板表面上に種々のタ
イプの薄膜を成長又は蒸着するため、もしくはそのよう
な表面をエッチングするための高効率且つ低温システム
に関する。 【０００２】 【従来の技術】プラズマ又はＲＩＥエッチングの際にプ
ロセスでホロー陰極電子源を使用すると、被エッチング
表面領域の電子密度の増大によって活性エッチング種の
存在量が大幅に増大するので、エッチングプロセスがよ
り高速又はより低電力レベルで発生することが知られて
いる。例えば、米国特許第４、６３７、８５３号、及び
”ＩＢＭ ＴＤＢ Ｖｏｌ．２８， Ｎｏ．１０， ４
２９４−７ 頁、１９８６年 ３月” が参照される。 ホロー陰極放電現象は、ホーウィッツ（Ｃ．Ｍ． Ｈｏ
ｒｗｉｔｚ）によって、”Ａｐｐｌ． Ｓｕｒｆ． Ｓ
ｃｉｅｎｃｅ２２／２３， ９２５ （１９８５） ”
及び米国特許第４、５２１、２８６号で詳細に説明され
ている。 【０００３】この現象によって、上記と同様の理由から
、薄膜の成長を強化することも可能である。また、それ
を、低処理温度及び高成長速度によって得られる利点を
全てＶＬＳＩテクノロジに供与するために、利用するこ
とができる。例えば、酸化中にさらされる熱が低下する
と、”鳥のくちばし（ｂｉｒｄ’ｓ ｂｅａｋ ）”が
大幅に減少するので、より高密度の回路を製造すること
が可能になる。加えて、他のプラズマシステムと比較し
て、このアプローチは必要な電力が低減されるため、シ
リコン／酸化物界面への損傷が少なくなる。 【０００４】ＶＬＳＩテクノロジにおける膜成長の１つ
の重要な領域は、水素化アモルファスシリコンの生成で
ある。チティック（Ｃｈｉｔｔｉｃｋ）らがグロー放電
成長技術の使用によってギャップ欠陥状態密度を著しく
減少して以来、水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ
：Ｈ）についての研究が徹底的に成された。チティック
（Ｒ．Ｃ． Ｃｈｉｔｔｉｃｋ ）、アレキサンダー（
Ｊ．Ｈ． Ａｌｅｘａｎｄｅｒ）及びスターリング（Ｈ
．Ｆ． Ｓｔｅｒｌｉｎｇ ）による”Ｊ． Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｃｈｅｍ． Ｓｏｃ． １１６， ７７ （１９
６９） ”が参照される。続いて、スピア及びレコンバ
は、これらの膜を置換的にドープすることができた。こ
れに関しては、スピア（Ｗ．Ｅ． Ｓｐｅａｒ）及びレ
コンバ（Ｐ．Ｇ． ＬｅＣｏｍｂｅｒ ）による”Ｓｏ
ｌｉｄＳｔａｔｅ Ｃｏｍｍｕｎ． １７， １１９３
（１９７５） ”が参照される。アモルファスＳｉ：
Ｈは、広領域、低コスト及び低温度処理を必要とするデ
バイス（例えば、太陽電池、ディスプレイ用薄膜トラン
ジスタ、電子写真センサ、光電検出器及び発光ダイオー
ド）で、現在広く使用されている。このテクノロジの包
括的検討としては、例えば、マダン（Ａ． Ｍａｄａｎ
）及びショー（Ｍ．Ｐ． Ｓｈａｗ ）による”アモル
ファス半導体の物理学及び応用（Ｔｈｅ Ｐｈｙｓｉｃ
ｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ａｍｏ
ｒｐｈｏｕｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ、Ａｃａ
ｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ， Ｂｏｓｔｏｎ， １９８８
）”、又はパンコブ（Ｊ．Ｉ． Ｐａｎｋｏｖｅ， ）
版”半導体及び半金属における水素化アモルファスシリ
コン（Ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｅｄ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ
Ｓｉｌｉｃｏｎ， ｉｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ
ｓ ａｎｄ Ｓｅｍｉｍｅｔａｌｓ， Ｖｏｌ． ２１
、Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ， Ｏｒｌａｎｄｏ
， １９８４ ）”が挙げられる。 【０００５】早くも１９８０年、ナイツは、ａ−Ｓｉ：
Ｈの最適成長条件は、約０．５〜１Å／秒という超低速
の成長速度に帰着すると結論した。ナイツ（Ｊ．Ｃ．
Ｋｎｉｇｈｔｓ）による”Ｊ． Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔ．
Ｓｏｌｉｄｓ ３５／３６， １５９ （１９８０）
”、並びにマツダ（Ａ． Ｍａｔｓｕｄａ）及びタナカ
（Ｋ． Ｔａｎａｋａ ）による”Ｊ． Ｎｏｎ−Ｃｒ
ｙｓｔ． Ｓｏｌｉｄｓ ９７／９８， １３６７ （
１９８７） ”が参照される。成長速度を増大するため
の多数の方法が提唱された。例えば、オガワ（Ｋ． Ｏ
ｇａｗａ）、シミズ（Ｉ． Ｓｈｉｍｉｚｕ）及びイノ
ウエ（Ｅ． Ｉｎｏｕｅ）による”Ｊａｐａｎ． Ｊ．
Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ２０， Ｌ６３９ （１９
８１） ”は、シリコン源ガスとして、より高級のシラ
ンを使用することを提唱している。超高周波数のｒｆ（
高周波） グロー放電は、カーティンス（Ｈ． Ｃｕｒ
ｔｉｎｓ）、ワイルシュ（Ｎ． Ｗｙｒｓｃｈ ）、フ
ェイバ（Ｍ． Ｆａｖｒｅ）及びシャー（Ａ．Ｖ． Ｓ
ｈａｈ ）によって、”Ｐｌａｓｍａ Ｃｈｅｍ． Ｐ
ｌａｓｍａ Ｐｒｏｃｅｓｓ ７， ２６７ （１９８
７） ”で論議されている。平行板電極周囲を包囲する
接地メッシュの利用が、ハマサキ（Ｔ． Ｈａｍａｓａ
ｋｉ ）、ウエダ（ Ｍ． Ｕｅｄａ）、チャヤハラ（
Ａ． Ｃｈａｙａｈａｒａ）、ヒロセ（Ｍ． Ｈｉｒｏ
ｓｅ ）及びオサカ（ Ｙ． Ｏｓａｋ）によって、”
Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ４４， ６００
（１９８４）”に記載されている。 また、米国特許第４、６３３、８０９号も参照される。 水素放射線強化ＣＶＤ及びホロー陰極放電については、
シバタ（Ｎ． Ｓｈｉｂａｔａ）、フクダ（Ｋ． Ｆｕ
ｋｕｄａ ）、オウトシ（Ｈ． Ｏｈｔｏｓｈｉ）、ハ
ンナ（Ｊ． Ｈａｎｎａ）、オダ（Ｓ． Ｏｄａ）及び
シミズ（Ｉ． Ｓｈｉｍｉｚｕ）らによる”Ｊａｐａｎ
． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ２６， Ｌ１０
（１９８７）”、並びに上記に引用されたホーウィッツ
（Ｃ．Ｍ． Ｈｏｒｗｉｔｚ）による”Ａｐｐｌ． Ｓ
ｕｒｆ． Ｓｃｉｅｎｃｅ ２２／２３， ９２５ （
１９８５） ”にそれぞれ提言されている。最適なａ−
Ｓｉ：Ｈは通常２００℃から３００℃の温度で蒸着され
るが、ズィーグラー（Ｙ． Ｚｉｅｇｌｅｒ）、カーテ
ィンス（Ｈ． Ｃｕｒｔｉｎｓ）、バウマン（Ｊ． Ｂ
ａｕｍａｎｎ）及びシャー（Ａ． Ｓｈａｈ ）による
”Ｍａｔ．Ｒｅｓ． Ｓｏｃ． Ｓｙｍｐ． Ｐｒｏｃ
． １４９， ８１ （１９８９） ”及びその参照文
献、並びに、ルコフスキー（Ｇ． Ｌｕｃｏｖｓｋｙ
）、デーヴィッドソン（ Ｂ．Ｎ． Ｄａｖｉｄｓｏｎ
）、パーソンズ（Ｇ．Ｎ． Ｐａｒｓｏｎｓ）及びワン
グ（Ｃ． Ｗａｎｇ ）による”Ｊ． ｏｆ Ｎｏｎ−
Ｃｒｙｓｔ． Ｓｏｌｉｄｓ １１４， １５４ （１
９８９） ”で記載されたように、より低い温度での蒸
着も試みられた。低温蒸着の達成を試みた理由は、基板
として感熱材料を使用できるからである。更に、スミス
（Ｚ．Ｅ． Ｓｍｉｔｈ）及びワーグナー（Ｓ． Ｗａ
ｇｎｅｒ ）による”Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｂ ３２
， ５５１０ （１９８５）”で報告された、ａ−Ｓｉ
：Ｈの欠陥が化学平衡反応と関係するという発見は、ス
トリート（Ｒ．Ａ． Ｓｔｒｅｅｔ ）及びウィナー（
Ｋ． Ｗｉｎｅｒ）による”Ｍａｔ． Ｒｅｓ． Ｓｏ
ｃ． Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ． １４９， １３１ （１
９８９） ”で報告された低温（室温から１００℃まで
）蒸着試料の特性研究を刺激した。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】従って、当該技術で望
まれるのは、基板表面に薄膜を蒸着する又は成長させる
ため、もしくは基板表面をエッチングするための高効率
システムを得ることである。特に、例えば、室温でシリ
コン上に水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）
を成長させるためのｒｆ（高周波）グロー放電システム
を得ることである。 【０００７】本発明は、プラズマによる基板表面の膜成
長又は蒸着、もしくはそのような表面のエッチングを強
化する技術によって、スパッタ／エッチングのためのホ
ロー陰極効果デバイス、及びシリコンウェハ上で効率良
く行うための装置設計を先行技術に基づき改良するもの
である。本発明の特定の実施例では、ａ−Ｓｉ：Ｈ蒸着
のための新規な高成長速度技術が提供されている。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明は、プラズマ強化
化学気相処理を含み、特に、シリコン、ゲルマニウム、
砒化ガリウム、ガラス、プラスチックのような材料及び
他の適切な材料の基板を使用して、基板表面のような被
加工物上に種々のタイプの薄膜を成長又は蒸着するため
の又はそのような表面をエッチングするための高効率且
つ低温システムを包含するものである。本システムでは
、基板表面で、又は好ましくは隔てられた表面同士の間
でプラズマを発生するために、包囲閉鎖電極を有するホ
ロー陰極効果電子源を使用する。この構成によって、反
応種の密度が基板表面で高められ、且つ集中することが
保証される。これによって、膜の成長速度又はエッチン
グ速度が上昇し、このプロセスは、遙かに低い温度及び
電力レベルで生じることが可能である。 【０００９】本発明の好ましい実施例は、このプロセス
をプラズマ強化化学蒸着（ｐｌａｓｍａ−ｅｎｈａｎｃ
ｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔ
ｉｏｎ 、ＰＥＣＶＤ）システムへ応用するものである
。特に、室温でシリコン上に水素化アモルファスシリコ
ン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）を成長させるためのｒｆグロー放電
システムに応用するものである。実施例は、略同軸的に
配置された電極を備えた管状反応器を含み、この管状反
応器内には、基板表面をホロー陰極効果プラズマ強化化
学蒸着（ｈｏｌｌｏｗ−ｃａｔｈｏｄｅ ｅｆｆｅｃｔ
， ｐｌａｓｍａ−ｅｎｈａｎｃｅｄ， ｃｈｅｍｉｃ
ａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ 、ＨＣ−Ｐ
ＥＣＶＤ）する、又は基板表面を処理するために、一セ
ットの基板が軸方向に間隔を隔てて支持されている。円
筒状電極の同軸配置は、各基板表面で生成したプラズマ
の閉込めを改良すると共にホロー陰極効果を強化し、材
料を化学蒸気から基板上へ低温且つ低圧で蒸着すること
が可能となる。更に詳細には、反応管は、反応管中央部
で基板と電気的に接触すると共に基板を支持するｒｆが
印加された電極の対電極として作用する反応管壁内部に
隣接する円筒状電極を備えた、反応チャンバを画定する
外部石英管から成る。基板は、間隔を隔てたシリコンウ
ェハのセットの形でウェハボートに配置され、シリコン
ウェハ上には、アモルファスシリコンが成長される。ボ
ートは、それを支持するためにパドル（櫂）型をした前
者の電極に取り付けられる。プラズマは、本発明の実施
例ではシランのような反応ガスから生成される。反応ガ
スは、パドル型電極へ接続されたｒｆ電源（１３．５６
ＭＨｚ）によって励起されてプラズマへ分解される。ガ
スは、反応管の一方の端部から管内に入り、電極間を流
れて、他方の端部で吸い出される。電極材料は、結晶性
シリコン混在物の存在によって導電性にされた炭化ケイ
素である。適切な蒸着パラメータ（シラン流速、圧力、
電力及び周波数、並びに基板間隔）を使用することによ
って、ａ−Ｓｉ：Ｈの室温成長が１５Å／秒迄の成長速
度で達成されたにも係わらず、低水素濃度（〜１０％）
が保持されると共に、水素結合はＳｉ−Ｈモノハイドラ
イド構造に保たれた。 【００１０】開示された反応管内で、室温（２３℃）で
デバイス品質アモルファスシリコンを成長させる１つの
例は、以下のパラメータセットを含む。 ＊ ガス ＝ １００％ＳｉＨ４（シラン）＊
圧力 ＝ ２５＜Ｐ＜１００ミリトル（ｍｉｌｌ
ｉｔｏｒｒ ） ＊ 電力 ＝ １０＜Ｐｗ＜１５０ワット（ｗａ
ｔｔｓ ）＊ ガス流速 ＝ １０＜Ｆ＜５０ｓ
ｃｃｍ＊ 温度 ＝ ２３℃ ＊ 成長速度 ＝ １００＜ＧＲ＜１０００Å／
ｍｉｎ 【００１１】このプロセスを用いると、アモル
ファスシリコン膜が、基板上、又は温度が厳密に制限さ
れるデバイス上に形成できるので、このようなデバイス
応用で使用可能な材料の範囲を拡大することができる。 【００１２】本発明の閉鎖電極反応管は、種々のガス及
び材料を用いて多数の応用例で使用され、膜を蒸着又は
成長させる、もしくはパターンをエッチングするために
基板表面処理を改良することができる。 【００１３】 【実施例】図１には、本発明に従う好ましいプラズマ反
応管が示されている。この装置の構造は、その好ましい
構成材料、即ち石英、炭化ケイ素、及びステンレス鋼に
よって便宜上それぞれ識別し得る３つのコンポーネント
・セクションから特に構成されている。これらの好まし
い材料の代わりに、当業者によって適切であると見出さ
れた他の好ましい材料が使用されてもよい。 【００１４】第１に、石英セクションは、反応管の心臓
部である円筒状反応チャンバ１の形を成す。ここでは、
制御されたプラズマ反応が発生する。絶縁性、高温安定
性及び超高純度といった望ましい特性から、石英がこの
構造のために好ましい材料として選択される。 【００１５】第２に、炭化ケイ素陰極セクションは、３
つのコンポーネント、即ち外部管状電極３、内部片持ち
電極４及び第３のコンポーネントであるウェハボート５
から構成される。内部片持ち電極４は、ウェハボートを
保持するためにボートパドル型をしている。これら３つ
の部分は、全て石英チャンバ１内に配置され、製造中高
純度シリコン粉末で充満されるため、望ましい特性、即
ち超高純度、優れた熱安定性、高温での強度（ロードさ
れたウェハボートを支持できるように）及び導電性を備
えるように高純度炭化ケイ素から製造される。材料は陰
極構造の一部なので、導電性は重要である。図１及び図
２は、ウェハボート５の１つの構成を説明している。こ
こでは、図示されるように鉛直に向くようにウェハ１０
がロードされて、ホロー陰極配置の一部を成している。 本発明を説明するために、この鉛直配置について主に論
議するが、図３に示されるような水平に配向されたウェ
ハを有する他のウェハボート配置でも実質的に同一の結
果が得られることは、以下の記載から理解されるであろ
う。また、ここでは円形ウェハが示されているが、プラ
ズマで処理するために反応管中央に配置される被加工物
は、反応管内で実行される特定の目的に適合するように
多くの形状及び形態を取り得ることも理解されるであろ
う。同様に、反応チャンバ１及び包囲電極３は、断面が
円形以外の形状であってもよいが、反応管が長い軸線を
有すると共に電極がそれに平行に配置された円筒状構成
が好ましい。いくつかの応用例では、包囲電極３はチャ
ンバ壁として作用する。 【００１６】図１に示される第３セクションは、ステン
レス鋼セクションであり、３つの部材、即ち二重フラン
ジ付エンドキャップ６、エンドキャップ７及びドア９を
含む。エンドキャップ６及び７は、石英中央セクション
へその対向するフランジエンドでＯリング８によって真
空に密閉されている。ドア９は、同様にエンドキャップ
６へ接合されている。エンドキャップ６のフランジ間に
は、ガス・インプット・ライン１５及び圧力センサ１６
の取付のための設備が設けられている。パドル電極４は
、パドル電極ホルダ１２と、パドル４及びホルダ１２を
接合するクランプ１３とを含む片持ち配置で、ドア９へ
接続されている。陰極として働くパドル電極４への電力
は、ホルダ１２と電力電極１４との間のワイヤ接続を介
して送電される。電力電極１４及びホルダ１２はいずれ
も、テフロン及びセラミックの真空気密のフィードスル
ー（貫通接続部）１１によってドア９から電気的に絶縁
されている。包囲管状電極３は、エンドキャップ７へ支
持されて接続されている。エンドキャップ７は、真空源
即ちチャンバ１を排気するためのポンプ（図示せず）へ
の接続部１７も備えている。 【００１７】電極は、図４及び５に示された２つの回路
構成のいずれかによって接続されたｒｆ発生器１８から
給電される。図４に示されるように、管状電極３及びキ
ャップ７は接地されており、一セットの被加工物即ちウ
ェハ１０が鉛直に取付られた図１及び図２のウェハボー
ト５を含むパドル電極４へ、ｒｆ電圧が印加される。そ
の結果、電極、ボート及びウェハは全て、陰極を形成す
るように働く。図５の構成では、エンドキャップ７は管
状電極３から電気的に絶縁され、且つドア９と共に接地
されており、電極３及びパドル電極４はいずれもｒｆ源
１８へ接続されている。直流電源が適当であるとして使
用されることも考えられる。何方の場合でも、給電され
た電力は、導電性基板によって直接、又は”表皮効果”
によって、各基板又はウェハ表面で電場を形成し、これ
によって、ウェハ間の空間でガスが励起され、強化ホロ
ー陰極効果でプラズマが生成される。 【００１８】プロセス向上に必要な付加的な熱エネルギ
を生成するために加熱炉が備えられるが、このための適
切なデバイスの設備は当業者にとって明らかなので簡単
化のために省略した。 【００１９】図１に示されたシステムを用いて、ウェハ
表面への膜の高効率蒸着又は成長、もしくはウェハ表面
のエッチングが以下の一般的方法で達成される。例えば
多数のシリコン基板等の形のウェハ１０のセットが、反
応チャンバ１のボート５内で電極４上に配置される。ウ
ェハはプラズマとの望ましい反応が形成されるために表
面が露出するように、相互に隔てられている。例えば、
ウェハ表面上に膜を蒸着するために反応管が使用される
とき、蒸着膜の品質及び均一性は、結局、ウェハ間隔と
適切なプロセスパラメータとの関数である。プロセスパ
ラメータとは、反応チャンバ１内の圧力、反応ガスの種
及び流速、並びに、印加電圧の電力及び周波数のような
ものであり、これらは全て、望ましい結果を最適化する
ように調整される。約１０から５００ミリトルの範囲の
圧力、且つチャンバ１を通過する反応ガスが５ｓｃｃｍ
から７５ｓｃｃｍの間の一定流速というように、パラメ
ータの組合せを正しく選択することによって、好ましい
実施例のシステムが最適に作動することは、一般的な例
によって理解されるであろう。反応ガスは、シリコンウ
ェハ表面上にシリコンを蒸着するときはシランであり、
シリコン表面に酸化物を成長させる場合は酸素である。 温度は２３℃（室温）以上であり、供給電力は、通常の
ｒｆ周波数１３．５６ＭＨｚで、１０から３００ワット
の範囲である。ウェハの適切な間隔は、システムの大き
さに依るが、典型的には、長さ３フィート（約０．９メ
ートル）及び直径７インチ（約１８センチメートル）の
チャンバにおいて、約０．１インチ（約０．２５センチ
メートル）のオーダーから最大でも５インチ（約１３セ
ンチメートル）である。 【００２０】本発明の電極構成へｒｆ電力（例えば１３
．５６ＭＨｚ）が給電されると、ホロー陰極型グロー放
電が各ウェハの間で生じる。グロー放電現象を完全に理
解するためには、上記のように、”Ａｐｐｌ． Ｓｕｒ
ｆ． Ｓｃｉｅｎｃｅ ２２／２３， ９２５ （１９
８５） ”でホロー陰極放電について詳細に説明されて
いる。本発明で、ウェハ間のホロー陰極効果によって生
成した高密度プラズマは、ウェハ表面で集中する化学活
性種を増大させるので、膜成長、蒸着又はエッチングが
、従来のＰＥＣＶＤデバイスがこの目的のために可能で
あった温度よりも大幅に低い温度で生じることが可能と
なった。特に、膜蒸着について、略円筒状同軸電極配置
は、基板表面で生成したプラズマの閉込めを改良すると
共にホロー陰極効果を強化し、材料を化学蒸気からウェ
ハ上へ低温且つ低圧で蒸着することが可能となる。 【００２１】本発明の応用の特定の例は、水素化アモル
ファスシリコンの生成である。上記で説明したように、
水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）は、例え
ば、太陽電池、ディスプレイ用薄膜トランジスタ、電子
写真センサ、光電検出器及び発光ダイオード等の、広領
域且つ低コストの低温処理を必要とするデバイスで広く
使用される。本発明は、ａ−Ｓｉ：Ｈ蒸着のための新規
な高成長速度技術を提供する。技術を開発するにあたっ
て、室温蒸着膜の特性への影響を研究するために、蒸着
パラメータを計画的に変化させた。注意することは、こ
の蒸着方法の重要な特徴が、得られる水素結合構造の制
御の程度にあることである。 【００２２】改良された技術を使用した、水素化アモル
ファスシリコンの生成を含む本発明の１つの実施例につ
いて、図１に示された同軸電極ＰＥＣＶＤ反応管を参照
して少し詳細に説明する。この実施例では、反応チャン
バ１は、長さ３フィート（約０．９メートル）、直径７
インチ（約１８センチメートル）の石英管から成り、反
応管壁内部の接地された円筒状電極３を含む。円筒状電
極３は、チャンバ中央付近のｒｆ給電されたパドル型電
極４の対電極となる。電極材料は、結晶性シリコン混在
物の存在によって導電性にされた炭化ケイ素である。反
応ガスは反応管の一方の端部に位置する入口１１からチ
ャンバ１内へ入り、１３．５６ＭＨｚのｒｆ電場で励起
されてプラズマに分解される。反応管は、荒引きポンプ
（図示せず）へ連続して接続されたルーツ型送風機によ
って、他方の端部で排気される。 【００２３】このような反応管を使用して、多数のサン
プルを室温でシランから蒸着させた。３シリーズの実験
を遂行した。第１シリーズでは、シランの流速を６ｓｃ
ｃｍと６０ｓｃｃｍ（標準温度及び標準圧力における１
分当たりの立方センチメートルで示した流速）との間で
変化させ、圧力を０．０５トルに、ｒｆ電力を７５ワッ
トにそれぞれ保持した。第２シリーズでは、圧力を０．
０１５トルと０．４トルとの間で系統的に変化させ、シ
ラン流速を１５ｓｃｃｍ、ｒｆ電力を７５Ｗに保持した
。最後に第３シリーズは、一定のシラン流速（１５ｓｃ
ｃｍ）及び一定の圧力（０．０５トル）で、２５Ｗと２
７５Ｗとの間の電力レベル範囲を包含した。光透過測定
のためには石英基板を使用し、赤外吸収測定のためには
、両面研磨シリコンウェハを使用した。 【００２４】蒸着膜の厚さは、Ｔｅｎｃｏｒ Ａｌｐｈ
ａ−Ｓｔｅｐ ２００表面型彫機（プロフィーラ）を用
いて測定した。これらの測定結果は、光透過を用いて測
定された近赤外領域での干渉縞間隔から求めた厚さと一
致した。光透過測定は、Ｖａｒｉａｎ Ｃａｒｙ ２４
００紫外−可視−近赤外分光光度計を用いて行った。
（αｈω）１／２＝Ｂ（ｈω−Ｅｏｐｔ ）のタウクプ
ロット（Ｔａｕｃ ｐｌｏｔｓ）からの遮断は、Ｅｏｐ
ｔ と見なした。赤外透過スペクトルは、Ｐｅｒｋｉｎ
−Ｅｌｍｅｒ ２８３赤外分光計を用いて、２００から
４０００ｃｍ−１の範囲で測定した。膜中の水素濃度は
、ＮＨ ＝１．４ｘ１０２０ｃｍ−２∫α（ω）／ωｄ
ωという式を用いて、スペクトルの２０００〜２１００
ｃｍ−１領域の結合伸縮吸収帯の積分強度から評価した
。ここで、ＮＨ は水素結合の濃度であり、αは吸光係
数である（ファング（Ｃ．Ｊ． Ｆａｎｇ ）、グラン
ツ（ Ｋ．Ｊ． Ｇｒｕｎｔｚ）、リー（Ｌ．Ｌｅｙ）
及びカルドナ（ Ｍ． Ｃａｒｄｏｎａ ）による”Ｊ
． Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔ． Ｓｏｌｉｄｓ ３５／３６
， ２５５ （１９８０）”参照） 。（上記に引用さ
れた”パンコブ版、半導体及び半金属における水素化ア
モルファスシリコン（Ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｅｄ Ａｍ
ｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ， ｉｎ Ｓｅｍｉｃ
ｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ａｎｄ Ｓｅｍｉｍｅｔａｌｓ，
Ｖｏｌ． ２１， Ｐａｒｔ Ｂ 、Ａｃａｄｅｍｉ
ｃ Ｐｒｅｓｓ， Ｏｒｌａｎｄｏ， １９８４ ）”
１１３ 頁及びその参考文献のザンズッキ（Ｐ．Ｊ．
Ｚａｎｚｕｃｃｈｉ）による記載に従って、）Ｓｉ−Ｈ
／Ｓｉ−Ｈ２ 比は、２０００ｃｍ−１及び２１００ｃ
ｍ−１でそれぞれの吸光係数の比として評価した。ラマ
ンスペクトルは、５３８．９ｎｍ励起線を用いて、２ｃ
ｍ−１分解能で後方散乱ジオメトリで測定した。 【００２５】本発明の反応管で達成された改良された結
果は、プラズマの閉込めとホロー陰極効果との組合せか
ら生じたものであると確信される。本発明の同軸閉鎖電
極ＰＥＣＶＤ技術は、従来のダイオードｒｆグロー放電
の２つの平行板電極を包囲する接地メッシュを使用して
得られる効果とほぼ同様の効果を達成したと理論付けら
れる。ハマサキらによって上記引用文献で論ぜられたよ
うに、接地メッシュの使用は、給電された電極面積（Ａ
Ｐ ）の、プラズマと接触する他の表面全ての面積（Ａ
Ｇ ）に対する比率を、大きく増大させる。もし、従来
のダイオードグロー放電の平行電極間の距離（ｈ）が電
極半径（ｒ）とほぼ等しい、即ち、ｒ〜ｈであると簡単
に仮定すると、この比は、ＡＰ ／ＡＧ 〜１／３（Ａ
Ｐ ＝πｒ２ 及びＡＧ ＝πｒ２ ＋２πｒｈなので
）となる。 このようにＡＰ ／ＡＧ 比が向上したことによって、
プラズマ電位（ＶＰ ）が増大し、自己バイアス電位（
ＶＳ ）が減少する。ＶＰ の増大は、ハマサキら及び
チャップマン（Ｂ． Ｃｈａｐｍａｎ）の”グロー放電
プロセス（Ｇｌｏｗ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｐｒｏｃｅ
ｓｓｅｓ， Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ，
Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， １９８０）”によって、プラズマ
閉込めへ結び付けられており、その正味の効果は電力の
増大に等しい。本発明の同軸電極構成（図１）では、電
極縁部から遠く離れており、もし同様の簡単な仮定が成
されたとき、即ち、外部電極（陽極）３の半径（ｒ）が
内部電極４（陰極）の幅（ｌ）にほぼ等しいと仮定した
場合には、ＡＰ ／ＡＧ は〜１／πとなる（この場合
、Ｌを反応チャンバの長さとすると、ＡＧ ＝２πｒＬ
及びＡＰ ＝２ｌＬなので）。高解離度のプラズマ及び
非常に対称的なポテンシャル分布は、このＨＣ−ＰＥＣ
ＶＤシステムの同軸電極構成から得られると推測される
。閉込め効果に加えて、より対称的なポテンシャル分布
はホロー陰極効果を誘引する。ホロー陰極効果は、同様
にバイアスされた２つの電極が対向するときに生じ、低
温で電子の閉込めを強化する”電子反射鏡”を形成する
。 【００２６】薄膜のグロー放電蒸着は、複雑な多工程プ
ロセスである。シランのフラグメンテーションによって
発生した種の中でどの種が主な薄膜前駆体であるか、吸
着した膜前駆体の移動度を制御するのはどの因子か、及
び網状成長反応を起こす脱水素メカイズムは何かについ
て、上記に引用したチティックらによる”Ｊ． Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｃｈｅｍ． Ｓｏｃ． １１６， ７７ （１
９６９） ”及びシバタらによる”Ｊａｐａｎ． Ｊ．
Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ２６， Ｌ１０ （１９８
７）”で重要な論議が成されている。これらの疑問点は
、多くは未解決のまま残されている。従って、新規な蒸
着技術を提供すると共に、蒸着条件が膜品質へ及ぼす影
響を実験的に研究する必要がある。 【００２７】図６は、このような研究から得られた、シ
ランの流速変化が膜特性に与える影響を説明している。 膜特性は、シラン流速に非常に影響され易いことがわか
る。シラン流速が低いとき（６ｓｃｃｍ）、得られたａ
−Ｓｉ：Ｈの品質は劣る。この膜は、高い水素濃度（ｘ
Ｈ 〜０．４）を示し、ジハイドライド水素結合が優勢
（ＳｉＨ／ＳｉＨ２ 比が１より小さい）であった。こ
れはミクロ構造の存在を提言するものである。高水素濃
度は、光バンドギャップを２ｅＶより高く上昇させる。 これらの膜特性は、従来のダイオードｒｆグロー放電を
用いて成長させた低温（＜１５０℃）ａ−Ｓｉ：Ｈ膜と
同様であるが（ズィーグラー（Ｙ． Ｚｉｅｇｌｅｒ）
、カーティンス（Ｈ． Ｃｕｒｔｉｎｓ）、バウマン（
Ｊ． Ｂａｕｍａｎｎ）及びシャー（Ａ． Ｓｈａｈ
）らによる”Ｍａｔ． Ｒｅｓ． Ｓｏｃ． Ｓｙｍｐ
． Ｐｒｏｃ． １４９， ８１ （１９８９） ”及
びその引用文献を参照）、また気相でシラン消耗を生じ
させる蒸着条件にも相当する（即ち、シランのフラグメ
ンテーションの半分の反応時間と比較して、種が反応管
にとどまる時間が長いとき）。シランの流速が１５ｓｃ
ｃｍへ上昇すると、材料品質は著しく改良される。ｘＨ
は〜０．１５まで低下し、優勢な水素結合構造はＳｉ
−Ｈモノハイドライドであり、光ギャップは１．７ｅＶ
へ低下し、蒸着速度は７倍増大する。図６に示される診
断図のセットから、この室温蒸着材料は、高温（＞２０
０℃）デバイス品質のａ−Ｓｉ：Ｈサンプルと区別がつ
かない。しかし、蒸着速度は、モノハイドライド構造が
同様に優勢であることを示す従来のダイオードｒｆグロ
ー放電による蒸着サンプルの蒸着速度よりも遙かに速い
（オガワ、シミズ及びイノウエによる”Ｊａｐａｎ．
Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ２０， Ｌ６３９ （
１９８１） ”参照）。更にシラン流速が増大すると（
６０ｓｃｃｍ）、膜特性（１５ｓｃｃｍで成長したサン
プルに関して、光ギャップが増大、ＳｉＨ／ＳｉＨ２
比が低下すると示されたような）の劣化が起こる。興味
深いことに、シラン流速が１５から６０ｓｃｃｍへ上昇
すると、水素結合構造のモノハイドライドからジハイド
ライドへのこの明言されたシフトが生じたが、膜の総水
素含有量には変化は認められないことがわかる。 【００２８】図７及び図８は、蒸着圧力変化及び電力変
化の影響をそれぞれ示す。図７の主な特徴は、圧力が増
大するにつれて、膜特性がゆっくりと劣化することであ
る（水素含有量及び光バンドギャップの増大、並びにジ
ハイドライドに対するモノハイドライド結合比の減少に
よって示される）。高圧蒸着（〜０．４トル）では、広
範な気相核形成が観察された。成長速度の減退及び膜品
質の劣化は、明らかにこの現象のためである。他方の極
端な圧力条件（〜０．０１トル）では、気相中の種の平
均自由行程が充分大きいので、反応管壁との衝突が優勢
失活メカニズムとなると共に、閉込め効果が失われる。 電力レベルの変化がａ−Ｓｉ：Ｈ膜の特性に及ぼす影響
が図８に示されている。電力が増大するにつれて、膜特
性の間断ない劣化（水素含有量及び光バンドギャップの
増大、並びにＳｉＨ／ＳｉＨ２ 比の減少によって示さ
れる）が観察される。高電力蒸着の結果は、低シラン流
速の結果に匹敵する。高電力レベルでは、シランの消耗
もまた観察された。 【００２９】最後に、図９は、室温蒸着ａ−Ｓｉ：Ｈ同
軸電極ＰＥＣＶＤ膜の構造特性に異なる蒸着条件が及ぼ
す大きな影響を説明すると共に強調している。水素結合
構成は、蒸着条件の影響を非常に受けやすい。シランの
流速を１５から６０ｓｃｃｍへ増大させることによって
、優勢結合構成はモノハイドライドからジハイドライド
へ変化する。蒸着圧力が２倍に増大すると（０．０５か
ら０．１トルへ）、結合構成は、Ｓｉ−Ｈ及びＳｉ−Ｈ
２ が同等量存在するように変化する。一方、ラマン測
定から、６８ｃｍ−１と８０ｃｍ−１との間のＴＯバン
ドの散乱の半値幅を得た。 【００３０】上記の記載から、ｒｆグロー放電プラズマ
を使用する、薄膜蒸着のために改良された同軸閉鎖電極
構成が、提供されたことが理解されるであろう。高成長
速度且つ室温で蒸着されたａ−Ｓｉ：Ｈ膜の構造は、優
勢Ｓｉ−Ｈ結合構成がジハイドライド・モードと一致す
る構造から、モノハイドライド型が多く存在する構造へ
変化される。膜構造と蒸着条件との間の相関が確立され
る。ａ−Ｓｉ：Ｈ膜品質は、蒸着の間のシラン流速に強
く依存するが、反応管の圧力及びｒｆ電力にはあまり影
響されない。結論として、この管状蒸着システムは、２
元性特性を有するので、広領域且つ高処理能力の薄膜生
成のために非常に魅力的であると言える。 【００３１】記載された反応管内で臨界でなく隔てられ
た１つ以上のウェハに、室温（２３℃）でデバイス品質
アモルファスシリコンを成長させるための典型的なプロ
セスは、以下のパラメータセットでシステムを使用して
実行可能であることがわかった。 ＊ ガス ＝ １００％ＳｉＨ４（シラン）＊
圧力 ＝ ２５＜Ｐ＜１００ミリトル＊ 電力
＝ １０＜Ｐｗ＜１５０ワット＊ ガス流速
＝ １０＜Ｆ＜５０ｓｃｃｍ＊ 温度 ＝
２３℃ ＊ 成長速度 ＝ １００＜ＧＲ＜１０００Å／
ｍｉｎ 【００３２】アモルファスシリコン膜は、この
ようなプロセスを使用して、基板又は温度制限が厳密な
デバイス上に形成されるので、このようなデバイス応用
で使用可能な材料の範囲を拡大する。また、本発明の改
良型同軸電極ホロー陰極構成の成長速度は、他のＰＥＣ
ＶＤ構成で可能な速度よりも約１５倍速い。 【００３３】このプロセスの能力の例は、図１０に記載
された表で説明されている。この表は、従来のＰＥＣＶ
Ｄ蒸着処理（３００℃）で得られた膜と、本発明のＨＣ
−ＰＥＣＶＤプロセス（室温）によって生成された膜と
のａ−Ｓｉ：Ｈ膜特性の比較、及び、不活性ガス中での
これらの膜のアニーリングの影響を示す。表は、ＨＣ−
ＰＥＣＶＤ室温蒸着ａ−Ｓｉ：Ｈの電気伝導度へのアニ
ーリングの影響を示す。２０時間アニールした後、ａ−
Ｓｉ：Ｈサンプルの暗伝導度（ｄａｒｋ ｃｏｎｄｕｃ
ｔｉｖｉｔｙ ）は変化しなかったが、光伝導度（ｐｈ
ｏｔｏ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）は３倍に増大した
。加えて、活性化エネルギも０．４３から０．７２ｅＶ
へ増大した。このアニーリングの結果、ＨＣ−ＰＥＣＶ
Ｄ蒸着ａ−Ｓｉ：Ｈの活性化エネルギ及び伝導度は、従
来の３００℃ＰＥＶＤ蒸着ａ−Ｓｉ：Ｈの特性に到達し
たが、蒸着速度は遙かに速くなった、即ち１に対して１
５となった。 【００３４】このＨＣ−ＰＥＣＶＤシステムを用いて低
温において極めて速い成長又は蒸着速度が達成さたので
、多数の応用が可能となった。これらの応用は、低温で
の微結晶ポリシリコン及びエピタキシシリコン、炭化ケ
イ素、窒化ホウ素及びダイヤモンドのような広範なバン
ドギャップの材料の製造を含む。 【００３５】更に、パッシベーション中間膜として使用
するために、高速且つ室温で二酸化ケイ素又は窒化ケイ
素等の絶縁体を蒸着することも応用の１つである。更に
、光電気回路用に低温でバンドギャップを変化するため
のゲルマニウムとの合金アモルファスシリコンは、この
システムのための他の可能なプロセスである。更に、こ
れらの膜は全て、超低温蒸着なので、特定の応用のため
にフォトレジストマスクを介して蒸着することもできる
。 【００３６】開示された同軸閉鎖電極反応管が、膜の蒸
着又は成長もしくはパターンのエッチング等における被
加工物の改良されたプラズマ処理を行うために、種々の
ガス、材料及び構成で多数の応用で使用できることは、
以上の記載から当業者によって認識されるであろう。 【００３７】 【発明の効果】以上説明したように、本発明の同軸閉鎖
電極ＰＥＣＶＤ技術によって、基板表面の膜成長又は蒸
着、もしくは基板表面のエッチング等の表面処理を、高
速度且つ低温で行うことが可能となった。
【図１】本発明に従うプラズマ反応管の好ましい形式の
線図である。
線図である。
【図２】図１の線２−２についての断面線図であり、図
示されるウェハと共に配置されてホロー陰極配置の一部
を成すウェハボートの１つの構成を説明している。
示されるウェハと共に配置されてホロー陰極配置の一部
を成すウェハボートの１つの構成を説明している。
【図３】図示されるウェハと共に配置されてホロー陰極
配置の一部を成すウェハボートのもう１つの構成を示す
、図１と同様の説明図である。
配置の一部を成すウェハボートのもう１つの構成を示す
、図１と同様の説明図である。
【図４】ｒｆ電源を図１の陰極配置へ接続するための１
つの回路構成の略図である。
つの回路構成の略図である。
【図５】ｒｆ電源を本発明の陰極配置へ接続するための
、図４の回路構成に代わる回路構成の略図である。
、図４の回路構成に代わる回路構成の略図である。
【図６】反応チャンバ内のシランガスの流速変化が、ウ
ェハ上に生成される膜の特性へ与える影響を説明する。
ェハ上に生成される膜の特性へ与える影響を説明する。
【図７】蒸着圧力の変化が、ウェハ上に生成される膜の
特性へ与える影響を示す。
特性へ与える影響を示す。
【図８】蒸着電力の変化が、ウェハ上に生成される膜の
特性へ与える影響を示す。
特性へ与える影響を示す。
【図９】本発明の同軸電極ＨＣ−ＰＥＣＶＤプロセスに
よって生成した室温蒸着ａ−Ｓｉ：Ｈ膜の構造特性に対
して、種々の蒸着条件が与える著しい影響を説明してい
る。
よって生成した室温蒸着ａ−Ｓｉ：Ｈ膜の構造特性に対
して、種々の蒸着条件が与える著しい影響を説明してい
る。
【図１０】従来のＰＥＣＶＤ蒸着処理（３００℃）から
得られた膜と、本発明のＨＣ−ＰＥＣＶＤプロセス（室
温）によって生成した膜との、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜特性の比
較、及びこれらの膜の不活性ガス中でのアニーリングの
影響を示す表である。
得られた膜と、本発明のＨＣ−ＰＥＣＶＤプロセス（室
温）によって生成した膜との、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜特性の比
較、及びこれらの膜の不活性ガス中でのアニーリングの
影響を示す表である。
１ 円筒状反応チャンバ
３ 管状電極
４ パドル型電極
５ ウェハボート
６ 二重フランジ付エンドキャップ７ エ
ンドキャップ ８ Ｏリング ９ ドア １０ ウェハ １２ 電極ホルダ １３ クランプ １４ 電力電極 １８ ｒｆ発生器
ンドキャップ ８ Ｏリング ９ ドア １０ ウェハ １２ 電極ホルダ １３ クランプ １４ 電力電極 １８ ｒｆ発生器
Claims (25)
- 【請求項１】 反応チャンバ内でプラズマ強化化学気
相処理を用いて、エッチングもしくは膜成長又は蒸着な
どによって、被加工物の表面を処理するための装置であ
って、前記チャンバ内に配置された第１電極と、前記第
１電極で、処理されるべき表面を有する被加工物を支持
するための支持手段と、前記第１電極及び前記被加工物
支持手段を包囲すると共に、前記第１電極に関して閉鎖
電極として作用する第２電極と、前記第１及び第２電極
間に反応ガス源を供給するための手段と、前記支持手段
上に支持された被加工物の表面で、ホロー陰極効果で閉
じ込められたプラズマを前記反応ガスから生成するため
に、前記第１及び第２電極へ電力を供給するための手段
であって、これによって、前記表面をエッチングする、
もしくは前記表面へ膜を蒸着又は成長させる手段と、を
含む表面処理装置。 - 【請求項２】 前記支持手段上の被加工物を更に含む
とともに、前記被加工物が、前記第１電極と電気的に接
触すると共に前記プラズマをその間に収容するために相
互に隔てられた複数のウェハを含む請求項１記載の表面
処理装置。 - 【請求項３】 前記反応チャンバが長い軸線を有し、
前記第１電極が、前記チャンバの軸線と平行に延長する
軸線を有する細長い部材を含み、前記ウェハが前記第１
電極の軸線に関して垂直に配置される請求項２記載の表
面処理装置。 - 【請求項４】 前記第２電極と、前記ウェハを含む前
記第１電極とが同軸上に配列される請求項３記載の表面
処理装置。 - 【請求項５】 前記反応チャンバが長い軸線を有し、
前記第１電極が、前記チャンバの軸線と平行に延長する
軸線を有する細長い部材を含み、前記ウェハが前記第１
電極の軸線に関して平行に配置される請求項２記載の表
面処理装置。 - 【請求項６】 前記ウェハは、シリコン、ゲルマニウ
ム、砒化ガリウム、プラスチック及びガラスから成るグ
ループから選択された材料で形成される請求項２記載の
表面処理装置。 - 【請求項７】 前記反応チャンバが、固い包囲壁と、
前記壁の内部を真空密閉するために前記壁の各端部に設
けられた密閉手段とを含み、前記第１電極が、前記密閉
手段の１つに支持されると共に前記チャンバ内へ延長す
る細長い部材を含み、前記被加工物を支持するための手
段が前記細長い部材上に取付られている請求項１記載の
表面処理装置。 - 【請求項８】 前記第２電極は、前記第１電極を支持
する前記密閉手段と反対の密閉手段上に支持される請求
項７記載の表面処理装置。 - 【請求項９】 前記反応チャンバが、固い包囲壁と、
前記壁の内部を真空密閉するために前記壁の各端部に設
けられた密閉手段とを含み、前記固い包囲壁が前記第２
電極を含む請求項１記載の表面処理装置。 - 【請求項１０】 前記反応チャンバが、固い包囲壁と
、前記包囲壁の内部を真空密閉するために前記壁の各端
部に設けられた密閉手段とを含み、前記密閉手段の１つ
が、エンド部材と、前記壁及び前記エンド部材の間に密
閉して配置された二重フランジ付部材とを含み、前記電
極間に反応ガス源を供給する前記手段が、前記反応チャ
ンバへ前記反応ガス源を送込むための手段を前記二重フ
ランジ付部材内に含む請求項１記載の表面処理装置。 - 【請求項１１】 前記チャンバの内部圧力を感知する
ための手段を前記二重フランジ付部材内に更に含む請求
項１０記載の表面処理装置。 - 【請求項１２】 前記反応チャンバが、固い包囲壁と
、前記壁の内部を真空密閉するために前記壁の各端部に
設けられた手段とを含み、前記壁が石英管を含み、前記
密閉手段がステンレス鋼エンドキャップを含む請求項１
記載の表面処理装置。 - 【請求項１３】 前記第１及び第２電極が炭化ケイ素
から成る請求項１記載の表面処理装置。 - 【請求項１４】 前記電極へ電力を供給するための前
記手段がｒｆエネルギ源を含む請求項１記載の表面処理
装置。 - 【請求項１５】 前記第２電極を接地するための手段
を更に含む請求項１４記載の表面処理装置。 - 【請求項１６】 前記電極間に反応ガス源を供給する
ための前記手段が、前記チャンバを通るガス流を生成す
るための手段を含む請求項１記載の表面処理装置。 - 【請求項１７】 前記チャンバの内部を加熱するため
の手段を更に含む請求項１記載の表面処理装置。 - 【請求項１８】 反応チャンバ内でプラズマ強化化学
気相処理を用いて、エッチングもしくは膜成長又は蒸着
などによって、被加工物の表面を処理するための方法で
あって、前記反応チャンバ内に第１電極を配置する工程
と、被加工物を前記第１電極で支持する工程と、前記被
加工物の表面に反応ガス源を供給する工程と、前記被加
工物の表面でホロー陰極効果でプラズマを生成するため
に、前記反応ガスを励起するように前記第１電極へ電力
を供給する工程と、前記被加工物の表面領域に前記プラ
ズマを閉じ込めるために前記第１電極と前記被加工物と
を包囲する第２電極を配置することによって、前記表面
をエッチングするもしくは前記表面に膜を蒸着又は成長
させる工程と、を含む表面処理方法。 - 【請求項１９】 前記被加工物の表面に水素化アモル
ファスシリコンを蒸着するために、前記反応ガスがシラ
ンを含み、前記反応チャンバ内の圧力が２５から１００
ミリトルの範囲であり、１０から５０ｓｃｃｍの範囲の
速度でガスが供給される請求項１８記載の表面処理方法
。 - 【請求項２０】 前記被加工物が、前記第１電極と電
気的に接触するシリコンウェハを含む請求項１９記載の
表面処理方法。 - 【請求項２１】 前記チャンバが室温に保持される請
求項１９記載の表面処理方法。 - 【請求項２２】 前記電力が１０から１５０ワットの
範囲である請求項１９記載の表面処理方法。 - 【請求項２３】 複数の隔てられた被加工物を前記第
１電極で支持する工程と、被加工物表面でのプラズマ反
応を最適化するために、被加工物間隔に関して前記反応
チャンバ内の圧力を調整する工程とを更に含む請求項１
８記載の表面処理方法。 - 【請求項２４】 複数の隔てられた被加工物を前記第
１電極で支持する工程と、被加工物表面でのプラズマ反
応を最適化するために、被加工物間隔に関して前記被加
工物表面への前記反応ガス源の流速を調整する工程とを
更に含む請求項１８記載の表面処理方法。 - 【請求項２５】 複数の隔てられた被加工物を前記第
１電極で支持する工程と、被加工物表面でのプラズマ反
応を最適化するために被加工物間隔に関して供給電力を
調整する工程とを更に含む請求項１８記載の表面処理方
法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/593,141 US5133986A (en) | 1990-10-05 | 1990-10-05 | Plasma enhanced chemical vapor processing system using hollow cathode effect |
| US593141 | 1990-10-05 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3181845A Pending JPH04234111A (ja) | 1990-10-05 | 1991-06-26 | 表面処理装置及び方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5133986A (ja) |
| EP (1) | EP0478984A1 (ja) |
| JP (1) | JPH04234111A (ja) |
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