JPH0639707B2

JPH0639707B2 - 薄膜形成装置

Info

Publication number: JPH0639707B2
Application number: JP11968187A
Authority: JP
Inventors: 孝浩中東; 靖典安東; 潔緒方
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1987-05-15
Filing date: 1987-05-15
Publication date: 1994-05-25
Anticipated expiration: 2009-05-25
Also published as: JPS63286570A

Description

【発明の詳細な説明】 (ア)技術分野この発明は、形成した薄膜の結晶配向を制御することが
できる薄膜形成装置に関する。

(イ)従来技術基板の上に薄膜を形成する方法として、蒸着法、イオン
プレーテイング、スパツタ法などが頻繁に用いられる。

いずれも物理的蒸着法(Physical Vapor Deposition PV
D)と総称されるもののうちのひとつの手法である。

基板は半導体基板であつたり、誘電体基板であつたりす
る。単結晶である事もあり、多結晶である事もあり、ア
モルフアスである事もある。

蒸着は最も簡単な方法で、主に金属の薄膜を形成するた
めに用いられる。抵抗ヒータのるつぼに金属材料を入
れ、真空に引き、ヒータるつぼに通電して、金属材料を
蒸発させる。又は、るつぼに金属材料を入れ、電子ビー
ム加熱して蒸発させる。蒸発した材料は、加熱した基板
に当つて、ここに推積する。

蒸着に於て、材料は中性の分子状態で飛ぶ。イオン化さ
れない。電子も存在しない。

イオンプレーテイングも、金属材料を加熱して蒸発させ
る。それだけでなく、これをガスの放電によつてイオン
化する。イオン化した金属粒子が基板の上に推積し薄膜
となる。イオン化するためのガスとして不活性ガスを使
うと、その金属の薄膜ができる。窒素ガス又は酸素ガス
を用いて金属をイオン化する場合、その金属の窒化物又
は、酸化物の薄膜を作る事ができる。

スパツタリングは、金属に限らず酸化物材料に対しても
用いる事のできる方法である。真空にした後、アルゴン
ガスを導入し、陽極と陰極の間に数百ボルトの電圧をか
け、グロー放電させる。アルゴンガスが正にイオン化し
て、陰極に衝突する。陰極から、金属や化合物が飛散す
る。飛散したものが基板の上へ推積する。

これらは、いずれも物理的蒸着法PVDである。

これに対し化学的蒸着法CVDと呼びうるものもある。薄
膜を形成するために、薄膜の構成材料を含む化合物をガ
ス状にして、基板の上に通すものである。

熱CVD法は、基板を加熱しておき、この熱によつて、基
板上で化学反応を起こさせて、薄膜を形成させるもので
ある。材料は、塩化物や水素化物などガスになりうる状
態で供給される。基板は、結晶化温度より高くしておく
必要がある。材料を含むガスだけでは流量が不足する場
合、水素ガスをキヤリヤガスとして加える事もある。

プラズマCVD法は、アノードとカソードの間に高周波電
界又は直流電界をかけて、薄膜材料を含むガスを通し、
圧力を0.1〜10Torr程度に保ち、グロー放電を起こさせ
るものである。

グロー放電によつて、プラズマが作り出される。プラズ
マは正に帯電したイオンと、電子との集合である。

プラズマの他に、化学的活性のあるラジカルが多数発生
する。ラジカルは電気的に中性である。それゆえ、中性
種とよぶこともある。

プラズマCVD装置内に、シランSiH₄ガスを導入すると、
多様なイオンやラジカルングが生ずる。

イオンとしては、 SiH₂ ⁺ SiH₃ ⁺ Si₂H₂ ⁺ Si₂H₄ ⁺ などがあるし、ラジカルとしては、 Si^＊ SiH^＊Ｈ^＊ H₂ ^＊ SiH₂ ^＊ SiH₃ ^＊などがある。

プラズマCVD法のグロー放電を使つてアモルフアスSi膜
が作られる。この場合、直流放電であれば、カソード側
に正イオンが偏在する。薄膜の形成はカソード側に基板
を置いた場合の方が速い。しかし、アノード側でも薄膜
形成が行なわれる。

高周波放電であつても、カソードとアノードの区別が実
質的に生ずる。高周波電極の方が負に自己バイアスされ
るからカソードとなる。

この場合、Si膜の形成はアノードでもカソードでも同じ
ように行われる。

プラズマCVD法による薄膜の形成の機構には、未だ不明
な事が多い。分つている事が少いという事もできる。

前述のイオンは薄膜の形成に対して無効である。

基板の上に推積し、薄膜の一部となるのは、中性ラジカ
ルである。Si膜の形成にとつて最も重要ラジカルはSiH₃
であるといわれている。

一般に、グロー放電領域に於て、イオンよりも、中性ラ
ジカルの方が数量的に優勢である。ラジカルは、電子を
失う事によらず、電子が高いレベルへ遷移することによ
つて生ずる励起状態である。中性分子に高速の電子が衝
突する。非弾性散乱によつて、電子が散乱されるが、低
速の電子になつている。

このエネルギー損失により、中性分子が励起され中性の
ラジカルとなる。

プラズマCVD法は、SiN、SiO₂、アモルフアスシリコンａ
−Siなどの薄膜形成に使われる。

プラズマCVD法の利点は、基板加熱温度が低いという事
である。熱CVDは熱によつて材料分子を励起しなければ
ならないから、基板を高温に加熱しなければならない。

プラズマCVDは、高速の電子によつて材料分子を励起す
るので、基板加熱温度が低くてもよい。という長所があ
る。

しかし、プラズマCVD法による薄膜は、熱CVDのものより
膜質が劣る。

この他に、ECR-CVD(Electron Cyclotron Resonance CVD
がある。これは、N₂、O₂、Arガスなどを、マイクロ波と
磁界とによつて励起し加速するものである。

マイクロ波の周波数と、磁界によつてきまる電子のサイ
クロトロン周波数とを一致させると、電子はマイクロ波
のエネルギーを有効に吸収することができる。電子はサ
イクロトロン運動をし、エネルギーを吸収しながら、軌
道半径を大きくし、螺旋状に進行する。この電子が反応
用ガスSiH₄などのイオンを加速する。

このイオンが基板に当つて、基板上に推積される事にな
る。この方法は、プラズマCVD法に比べて、より高い真
空度で行なう事ができるので、不純物の少い、良質の薄
膜ができる。また、基板加熱温度をより低くできる。

(ウ)従来技術の問題点これらのCVD法によつて形成されるものは、多結晶の薄
膜である。多結晶の薄膜であつて、結晶粒界の方向が多
様である。それは基板が多結晶であつたり、アモルフア
スであつたりするし、成長速度も速いので当然の事であ
る。

しかし、結晶粒界の状態が、薄膜の物理的、化学的な性
質に影響する。

結晶配向の揃つているものの方が物理的化学的に安定な
事が多い。

そこで、結晶配向を制御できる方法が望まれる。さら
に、プラズマCVD法に於て、プラズマ中には、正イオ
ン、電子、中性ラジカルが多く含まれる。これら全てが
基板の表面に接触することになる。基板が、アノード又
はカソードのいずれかに設けられているから、これは当
然の事である。

薄膜がどのように形成されるかというメカニズムは、明
確でないが、正イオンは薄膜の推積に対してあまり有効
でない、と考えられている。

カソードに於て、正イオンが電子によつて中和され、か
つ、同時に、必要な化学反応を起こす、という確率が小
さいからであろうと考えられる。

たとえば、直流のグロー放電に於て、カソードの近傍
に、正イオンの多い暗部が生ずる。この部分で正イオン
濃度が高いので、電極間の電圧降下は、ほぼこの部分に
偏在する。この暗部の正イオン濃度はほぼ不変であり、
化学反応に寄与しない。

推積反応に寄与するのは、ラジカルであると考えられて
いる。であるとすれば、基板へ照射するのはラジカルだ
けであつてもよいはずである。またエネルギーの大きな
イオンの照射は欠陥を発生し、膜質の低下を招く。

もしもラジカルだけを基板へ照射するとすれば、従来の
プラズマCVD法のように、電極に基板を設ける、という
必要がない、むしろ、電極でない方がよい。

従来の薄膜形成装置に於ては、中性ラジカルだけを基板
へ選択的に当てるようにしたものがなかつた。

さらに、薄膜中の結晶配向を揃える、というのに適した
方法もなかつた。多結晶であつても、結晶配向の揃つて
いるものの方が、物理的、化学的に安定している、とい
うような物質がある。

これは、目的によつて、物質によつて異なる。全くラン
ダムの方が望ましいという場合もある。

(エ)目的材料を含むガスをプラズマ状にした場合、正イオン、電
子、中性ラジカルが生ずるが、この内、任意のエネルギ
ーを持つてイオンラジカルを基板へ選択的に照射でき、
また、入射角度を可変とした薄膜形成装置を提供する事
が本発明の目的である。

基板の上へ推積した薄膜の結晶配向を制御する事のでき
る薄膜形成装置を提供する事が本発明の第２の目的であ
る。

(オ)構成第１図によつて本発明の装置を説明する。

真空チヤンバ１の中に、プラズマ発生用電極２と、マニ
ピユレータ１１とが設けられる。これらの中間にはプラ
ズマ制御用メツシユ電極３が設けられる。

真空チヤンバ１の中は、真空排気装置２０によつて真空
に引かれる。

プラズマ発生電極２は、プラズマを発生するための電極
である。装置の外に置かれたガスボンベ７から、バルブ
１２を経て、プラズマ発生電極２へガスが送給される。

このガスは、薄膜を構成する元素の単体、水素化物、塩
化物などと、キヤリヤガスなどである。

プラズマ発生電極は、簡単に書いているが、ここにアノ
ード、カソードの区別があり、高周波電源８か又は直流
のバイアス電源９がアノード、カソード間に印加されて
いる。

直流バイアス電源には、正電源と負電源がある。つま
り、高周波電源、直流正電源と、直流負電源がある。

３つの電源のうちひとつが択一的に使用される。どれを
使用するかという事は、原料のガスの性質と、形成すべ
き薄膜の性質による。

プラズマ発生電極２で、正イオン、電子、中性ラジカル
が発生する。

プラズマ発生電極２の上方には、プラズマ制御用メツシ
ユ電極３が設けられる。この電極３にも、バイアス電源
１９が与えられている。正電位を与える事もできるし、
負電位を与える事もできる。また接地する事もできる。

プラズマ制御用メツシユ電極３に関し、プラズマの発生
用電極２と反対側には、マニピユレータ１１がある。

マニピユレータ１１は、基板ホルダ５を把持する事がで
きる。また、基板ホルダ５の背面に当る位置に基板加熱
用ヒータ６が設けてある。

基板ホルダ５、ヒータ６の部分は、換向機構１３によつ
て、マニピユレータ１１の主軸に対して任意の角度に換
向できるようになつている。マニピユレータの主軸は昇
降、回転する事ができる。つまり、基板ホルダ５は、回
転、昇降、換向できることになる。

基板ホルダ５は取外し取付け自在である。半導体などの
基板１０を基板ホルダ５に取付けてから、基板ホルダ５
を真空チヤンバ１に入れて、マニピユレータ１１の先端
に取付ける。

基板ホルダ５の前面には、プラズマ遮断用メツシユ電極
４が設けられる。この電極４は、基板ホルダ５や基板加
熱用ヒータ６とともに換向機構１３によつて自在に換向
できる。

プラズマ遮断用メツシユ電極４と、マニピユレータ１１
とは電気的に接続されており、これらはバイアス電源２
９によつて、直流の正電圧、負電圧を印加できる。又、
接地する事もできるようになつている。

(カ)作用基板ホルダ５に基板１０を固定する。これを真空チヤン
バ１の中のマニピユレータ１１にセツトする。真空チヤ
ンバ１を真空に引く。この時の真空度は10^-5〜10^-7Torr
程度まで引くことにする。

基板ホルダ５の換向角を適当に設定する。

ボンベ７から、材料元素を含むガスを導入する。プラズ
マ発生電極２に於て、このガスの一部が電離される。

プラズマが発生している時の真空度は0.1〜10Torr程度
である。

プラズマ制御用メツシユ電極３には、正電圧、又は負電
圧（或は０電圧）が印加される。これにより、イオン、
電子などが加速されたり、減速されたりする。

基板加熱用ヒータ６に通電し基板を加熱する。

プラズマ遮断面メツシユ電極４の電圧も適当に設定す
る。

これを負電圧にすれば、プラズマの中の正イオンを引き
つける事ができる。正電圧にすれば正イオンを排除する
事ができる。

中性のラジカルの流れは、電極の電圧によつて制御する
ことができない。ところがラジカルは濃度の相異もある
し、平均自由行程も長いので、電極３、４を通つて基板
１０の上へ飛んでゆく。

イオンや電子が基板１０へ飛ぶのを遮断しようとする
と、プラズマ遮断用メツシユ電極４と、マニピユレータ
１１の先端の電位とをＯＶにする。こうすると、正イオ
ンも電子もカツトされて、基板１０に到達しない。中性
のラジカルは、これら電界の作用を受けないので、基板
１０へ向つて進行する、というわけである。

ラジカルだけが基板の近くに存在する事になる。こうし
て、ラジカルの基板近傍での化学反応が起こる。反応生
成物が基板の上に推積する。

(キ)実施例Ｉチヤンバ内を５×10^-6Torr以下まで真空排気した。成膜
ガスとして、SiH₄100％のガスを30〜150sccM、チヤンバ
内へ流した。ガス圧は0.1〜1Torrであつた。基板温度は
300℃とした。

プラズマ発生用電極２に５〜150Ｗの高周波電力を印加
した。

プラズマ制御用メツシユ電極３には、−150Ｖ〜＋150Ｖ
の範囲でバイアス電圧を印加した。

基板に対する材料の流れの方向を変えるため、換向機構
によつて、基板ホルダの角度を変えた。

こうして、基板の上に、シリコンの薄膜を形成する事が
できた。

換向角を変える事により、形成膜の結晶配向を任意に制
御することができた。

(ク)実施例II 基板の上に、本発明の方法を使つてTiN薄膜を形成させ
た。反応性ガスはTiCl₄と、NH₃又はN₂ガスである。

イオンラジカルの流れの方向と、基板のなす角を、θ
＝90゜の場合と、θ＝45゜の場合について行なつた。

この薄膜をＸ線回折によつて構造解析した。第２図にそ
の結果を示す。

横軸が回折角２Θである。縦軸が回折強度である。

回折強度の単位は任意目盛である。

θ＝45゜とθ＝95゜との場合を比較するため、回折強度の
０レベルをずらしてある。

θ＝90゜つまり垂直入射の場合、TiNに、ピークがある。
TiN(200)に弱いピークがある。

θ＝45゜、つまり斜め入射の場合、TiN(111)に強い回折
のピークがある。TiN(200)にはピークが出ていない。

θ＝45゜とθ＝90゜の場合を比べると、θ＝45゜ではTiN(1
11)が強く出ているという事が分る。

これは結晶配向が、θ＝45゜とθ＝90゜の場合で相異す
る、という事である。

どちらの薄膜が望ましいか、という事は目的による。し
かし、イオンラジカルの基板への入射角によつて、結
晶配向が異なつてくる、という事が分る。

(ケ)効果プラズマCVD法に於ては、中性ラジカル、電子、イオン
を分離するという事ができなかつたが、本発明では、中
性ラジカルのみを基板に当てるという事が可能になる。

また、薄膜の結晶配向を制御する事ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の薄膜形成装置の略縦断面図。第２図は本発明の装置を用いて、TiN薄膜を形成し、Ｘ
線回折により、回折強度を測定した結果を示すグラフ。
基板に対するイオンラジカルの入射角を45゜と90゜とし
た。１……真空チヤンバ２……プラズマ発生用電極３……プラズマ制御用メツシユ電極４……プラズマ遮断用メツシユ電極５……基板ホルダ６……基板加熱用ヒータ７……ガスボンベ８……高周波電源９……バイアス電源 10……基板 11……マニピユレータ 13……換向機構

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空に排気する事のできる真空チヤンバ１
と、真空チヤンバ１の中に設けられ薄膜の構成元素を含
むガスをプラズマにするプラズマ発生用電極２と、プラ
ズマ発生用電極２に電圧を与える高周波電源と直流バイ
アス電源と、基板ホルダ５を保持するためのマニピユレ
ータ１１と、基板を加熱するための基板加熱ヒータ６
と、マニピユレータ１１に設けられ基板ホルダの方向を
変える事のできる換向機構と、基板の直前に設けられる
プラズマ遮断用メツシユ電極４と、マニピユレータ１１
とプラズマ発生用電極２との間に設けられるプラズマ制
御用メツシユ電極３と、プラズマ制御用メツシユ電極３
に直流バイアス電圧を印加するためのバイアス電源と、
プラズマ遮断用メツシユ電極４と基板ホルダ５に直流バ
イアス電圧を印加するためのバイアス電源とより構成さ
れる事を特徴とする薄膜形成装置。