JPH0831425B2

JPH0831425B2 - プラズマ気相反応方法

Info

Publication number: JPH0831425B2
Application number: JP29597494A
Authority: JP
Inventors: 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1994-11-07
Filing date: 1994-11-07
Publication date: 1996-03-27
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: JPH07263364A

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CVD （化学蒸
着）装置に関する。本発明は反応容器内にフ−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−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−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−ドおよび枠を
絶縁物で設けたプラズマCVD 装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、プラズマCVD 装置としては、図１
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−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（2
3）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。

【０００３】さらに基板（５）に供給する熱は抵抗加熱
シ−タ（16）で行い、このヒ−タカバ−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−クとなって基板表面に落下し、ピンホ
−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−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。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】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
−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−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。

【０００５】

【課題を解決するための手段】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。本発明は上
記目的のため、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−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−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。

【０００６】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−ドロック方式をとらしめた。さらに本発明は、図２
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。

【０００７】本発明は図１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。

【０００８】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
−クとなり、基板の被形成面上に落ち付着してピンホ−
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−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15〜120cm の基板（この
場合の最大の反応空間は、上下（40cm）×前後（120 c
m）×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。

【０００９】かくの如くに本発明は連続製造方式（ロ−
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−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−ド、排気フ−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 反応をせしめた
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。

【００１０】

【実施例】実施例１図２に従って本発明のプラズマCVD 装置を示す。図２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−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−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−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−ト弁（43）を開け、予め
タ−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。

【００１１】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（1
1）を具備する。反応性気体を供給するド−ピング系（1
0）はバルブ（51）、流量計（52）とキャリアガス（3
7）、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−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−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−（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（36）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（2
7）より供給ガイド（フ−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。

【００１２】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−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。

【００１３】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（28）圧力調整バルブ（18')を経てタ−ボ真空
ポンプ（19）に至る。

【００１４】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
（28）に至る。筒状空間（101 ）は外側の枠（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いる。

【００１５】この基板の加熱は上側の赤外線ランプ（1
6）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)(1
6')が設けられている空間と, 反応容器内の反応室とは
フ−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−バ−ホ−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。

【００１６】図３は図２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−ド（７)(７')は縦断面図の約半分を示している。
これらの図番等は図２と対応しているが、フ−ド（７）
に対し供給口（27）より供給された気体は供給手段（2
4）の穴（８）より基板（５）の表面にそって流れ（９)
(９')さらにフ−ド（７) 排気手段（24')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−
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−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。

【００１７】さらに図３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24000 cm²、これに必要な空間は70cm×70cm
×30cm（有効空間60cm×60cm×20cm）＝147000cm²であ
る。即ち単位体積当たり16.1％もの面積（24000cm²／14
7000cm² ）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
も従来の図１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
くして図２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。

【００１８】実施例２図４は本発明の他の実施例を示す。図４は実施例１の図
２に対応して図面の概要を示したものである。その他は
図２および実施例１と同様である。図４において、枠構
造はフ−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−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−ティン
グとされている。この構造においてはフレ−クが被形成
面にテ−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。

【００１９】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200cc ／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、図１に示した従来の平行平板型の電極方式における
1.5 Å／秒の２倍を有せしめることができる。従来のPC
VD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−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20cm×60cmの基板20枚を１
バッチで挿着（ロ−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。

【００２０】さらに重要なことは、従来は１〜２回のCV
D 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−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、0.5
μ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−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。

【００２１】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。

【００２２】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、図１の場合においてジシ
ランを（34）より100 cc／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−ドできた。ここに500 〜5000Åの厚
さに被膜形成速度185 Å／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。

【００２３】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−トして被膜の均一性を0.5 μ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−クはまったく観察することができな
かった。

【００２４】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−（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0.4 μ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。

【００２５】

【発明の効果】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
置として図２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。しかし図２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】

【図１】従来のプラズマCVD 装置の概要を示す。

【図２】本発明のプラズマCVD 装置の概要を示す。

【図３】図２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。

【図４】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。

【符号の説明】

１予備室２反応容器２１発振器２２端子２５マッチングトランス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の電極に挟まれかつ前記電極に対し
フローティングポテンシャルを有せしめて基板を配設
し、前記一対の電極はマッチングコイルの一端および他
端と連結し、マッチングコイルの中点を接地レベルに置
くことで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で、反応性気体
をプラズマ化することを特徴とするプラズマ気相反応方
法。