JPS60224215A - プラズマ気相反応装置 - Google Patents

プラズマ気相反応装置

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JPS60224215A JP7962384A JP7962384A JPS60224215A JP S60224215 A JPS60224215 A JP S60224215A JP 7962384 A JP7962384 A JP 7962384A JP 7962384 A JP7962384 A JP 7962384A JP S60224215 A JPS60224215 A JP S60224215A
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reactive gas
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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。

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0反応性式体は供給系(10)
の(33)、< 34 )、< 35 )より流量針(
52)、バルブ(51)を経由C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.
56MH2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(8
6)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す、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(2B’)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、0.5〜1人/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太き
(したいわゆφ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抽
油のプラズマを因めてしまう。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6c11(±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
「基盤の目」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ヶ加えて基
板例えば10cs X 10cs+または電極方向に1
0〜40cm+を有す葛巾15〜120cmの基板(こ
の場合の最大の反応空間は、上下(40cm) x前後
(120cm) X左右(120ca+ )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、逆に見掛は上の反応容
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、新たに枠および糸ルダ、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。
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)2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’>(2
9)を動作させる。この予備室のバルブ(18)を閉と
しターボ分子ポンプ(19’)を利用して1O−1to
rr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1O−1torr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(
51)、流量針(52) とキャリアガス(37)、反
応性気体(33)、< 34 >、< 35>、< 3
6 )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、流量針によ
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
(801〜2mmφ)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ツ
チングトランス(25)および発振器(21)に接続さ
せゼいる。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す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ツ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
(28)圧力調整バルブ(18’)を経てターボ真空ポ
ンプ(19)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(
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。
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5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式するこ
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(
24’)を経て不要な反応性気体(28’)が排気され
る。枠構造の内部は部上空間(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4(80入前後方向(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1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%のロフ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(5IIIIl1
以内)(9H>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(10
0)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+ X 60cm+を20枚6c
mの間隔で配設させんとする時、延べの被形成面は24
000 cd、これに必要な空間は70cm x 7Q
c顛X30cs+ (有効空間60cm X 60c+
w X 20cm+) = 147000cjである。
即ち単位体積当たり16.1%もの面積(24000c
d/147000cd)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図に示された如き返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7りが被形成面にテーバを有し
ているため若干付着するという欠点はあるが、シリコン
ウェ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3人/秒
を高周波(13,56MHzを使用)電界を200−と
し、シランを200cc 7分加え、プラズマCVD中
の圧力をQ、 l torr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、5人/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50c+w X 50c+111枚のみ(
この場合もシランの量は200cc 7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C
VD装置においては20cm X 60cmの基板20
枚を1バツチで挿着(ロード)でき、その結果1バツチ
の延べの形成面積は20cn+ X 60cm X 2
0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つすらとフレイクが
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 x 10’S 〜7 x 10’(QCIII
)’、暗転導度3 x 10−8〜1 x 10”(9
cm)I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3X10−’〜1×101°く9
cm)″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1
00 cc/分、アンモニアを(35)より500cc
Z分導入した。周波数13.56MHz、出力50ON
、基板温度は350℃とし、Q、 l torrとして
1バツチで5インチウェハを120枚ロードできた。こ
こに500〜5000人の厚さに被膜形成速度185人
/分で形成させることができた。
被膜の均一性において、ロフト内、ロフト間において±
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 7分として(34)より
、また過酸化窒素を(35)より300cc 7分導入
し、同時に(33)より窒素を200cc 7分導入し
た。
高周波電力は200何とした。基板温度は100〜40
0℃において可能であるが、250℃で形成させたとす
ると、1バフチに5インチウェハ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。
実施例に 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2
50℃、2囲において0.4μの厚さに1〜2人/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CV
D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−半導体一絶縁体−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ツ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代用プラズマ
エツ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、この意味でエツ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装置の部上空間を構成
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。 特許出願人

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.1気圧以下の減圧状態に保持された反応容器と、該
    反応容器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、前記反応性気体をグロー放電またはプラズマ状
    態にせしめる反応空間を発生させる一対の電極と、前記
    グロー放電またはプラズマ状態を筒状空間に閉じ込める
    枠構造は絶縁物により設けられたことを特徴とするプラ
    ズマ気相反応装置。 2、特許請求の範囲第1項において、前記反応空間が立
    方体または直方体構造を有することを特徴とするプラズ
    マ気相反応装置。 3、特許請求の範囲第1項において、反応空間内に前記
    反応性気体の流れまたは電界に平行または概略平行に配
    設された基板またはホルダは互いに一定の間隔または概
    略一定の間隔を有して設けられたことを特徴とするプラ
    ズマ気相反応装置。 4、特許請求の範囲第1項において、一対をなす電極は
    筒状空間に対し対称型を有し、いずれの電極も接地レベ
    ルより浮いて設けられたことを特徴とするプラズマ気相
    反応装置。
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