JPH0732127B2 - プラズマ気相反応装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はプラズマ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
よりプラズマ化した反応性気体を閉じ込める筒状空間を
設け、この空間内部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
体をグロー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（被膜になった反応生成物
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CVD装置に関する。

本発明はかかる目的のため枠構造に構成するフードおよ
び枠を絶縁物で設けたプラズマCVD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ャリアガスが
他の網目状または多孔状の電極を通り、排気手段にいた
っ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（基板保持用冶具ともいう）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、さらにプラズマ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ック
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た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（16）
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
がフレークとなっ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
ヒータが入っている）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／秒程度であった。

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装置としてはまったく画期的な発
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産装置に関する。

本発明は第１図に示した従来例とはまったく逆に、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、絶縁物の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
板が林立した筒状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。

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
そって配向せしめた。

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）を絶縁物（一般
には石英ガラス）とし、加えてこの筒状空間より外部に
電界が局部的に放散されることを防ぎ、さらにまたはこ
の空間内に平等電界を乱す可能性を有する導体が局部的
に存在しないようにしたことである。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15〜12
0cmの基板（この場合の最大の反応空間は、上下（40c
m）×前後（120cm）×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（ロードロック方
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、チャンバ内壁に不要の
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っ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を有する。

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
気体にとっ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
をせめしたことを特徴としている。

以下に図面に従って本発明を説明する。

実施例１ 第２図に従っ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、プ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（5
1）、流量計（52）とキャリアガス（37）、反応性気体
（33），（34），（35），（36）よりなっている。反応
性気体として珪化物気体、ゲルマニューム化物気体のご
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、フォスヒン）
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。また蒸発にはこのバブラ（3
6）の電子恒温槽による温度制御を行った。

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マンチ
ングトランス（25）および発振器（21）に接続させてい
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一対の電
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ッ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（2
8）圧力調整バルブ（18′）を経てターボ真空ポンプ（1
9）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（2
8）に至る。筒状空間（101）は外側の枠（基板支持体と
もいう）（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をとって互いに裏面を接して配設され
ており、基板が枠によってかこまれた構造になってい
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ッキされた
放物面の反射鏡を有して設けられ、筒状空間の均熱化を
計っている。

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′）
によってしきられ、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枠（３），
（３′）および上方、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図と対応しているが、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）の表面にそって流れ
（９），（９′）さらにフード（７′）排気手段（2
4′）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。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
ィングポテンシァルを有する）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％のロット間ばらつきを考慮しても保持させる
ことができた。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った。

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（80），
（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型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った。

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、延べの被形成面は24000cm²、これに必要な空
間は70cm×70cm×30cm（有効空間60cm×60cm×20cm）＝
147000cm³である。

即ち単位体積当たり16.1％もの面積（24000cm²/147000c
m³）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っ
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図は本発明の他の実施例を示す。

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ャリ
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
排気口側に向かって若干狭くなり、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）が反応空間の周辺
部に設けられ、基板（５）、ホルダ（50）が枠構造より
電気的にフローティングとされている。

この構造においてはフレークが被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冶具を付けることなく挿着で
きるいう点では実施例１より優れたものであった。

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３Å／秒を
高周波（13.56MHzを使用）電界を200Wとし、シランを20
0cc/分加え、プラズマCVD中の圧力を0.1torrとした時得
ることができた。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200cc/分を必要とする）のロードが可能で
あった。他方、本発明のプラズマCVD装置においては20c
m×60cmの基板20枚を１バッチで挿着（ロード）でき、
その結果１バッ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倍の多量生産
が可能になった。

さらに重要なことは、従来は１〜２回のCVD作業を行う
と、チャンバの内壁には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った。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回になっても、
反応容器の内壁にはうっすらとフレイクが観察されるの
みであった。このため装置のダウンタイムを少なくで
き、加えて被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、十分なディ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500cc/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バッチで５インチウエハを120枚ロードでき
た。ここに500〜5000Å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、ロット内、ロット間において±
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100cc/分として（34）より、また過酸化窒素
を（35）より300cc/分導入し、同時に（33）より窒素を
200cc/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バッ
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った
く観察することができなかった。

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、珪化モリブデンを作製した。即ち実施例１において
バブラー（36）に塩化モリブデ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デンと珪素とを所定の比、例え
ば1:2にしてプラズマCVDを行った。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、本発明のプラズマ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
リブデン、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、マルチチャンバ
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ッ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ッチ化用プラズマエ
ッチング装置は本発明方法とはまったく思想を異にす
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
設してもので、この意味でエッ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)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１気圧以下の減圧状態に保持可能な反応空
   間と、該反応空間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、一対の電極間に、前記電極に対してフ
   ローティングポテンシャルを有せしめて複数の基板を保
   持する手段を有し、前記複数の基板をかこむ構造の移動
   可能な絶縁性の基板支持体が設けられており、前記一対
   の各々の電極に印加する電圧を接地レベルに対して互い
   に対称に設置することを特徴とするプラズマ気相反応装
   置。