JPS60224216A - 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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JPS60224216A JP7962484A JP7962484A JPS60224216A JP S60224216 A JPS60224216 A JP S60224216A JP 7962484 A JP7962484 A JP 7962484A JP 7962484 A JP7962484 A JP 7962484A JP S60224216 A JPS60224216 A JP S60224216A
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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、この空間内部の反応空間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i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、抵抗加熱し−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)より流量針(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、13.56MH
z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(1
00’)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)でいるため、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装置としてはまワたく画期的な
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、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(間隔)は例えば2〜10c
+++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反応空間においてのみ
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20〜6
0倍の20〜30%にまで高めたことを特徴としている
さらに本発明においてこの反応空間の周辺部に補助空間
を設け、これにより枠構造による平等電界の乱れを避け
ている。加えてこの補助空間の間隔(第3図(80)、
< 80ゝ〉)はホルダ間の間隔に比べ等しいか狭いも
のである。なぜなら反応空間での平等電界の乱れを避け
つつもプラズマを反応空間のみで起こせしめるためであ
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(±0.6cs+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、加えて反応空間と筒状
空間との間の補助空間の間隔は3〜5cm例えば4cm
とした。かくしてプラズマ反応を反応空間で行わしめ、
加えて被膜の均一化に重要な平等電界を補助空間を設け
ることにより有せしめることができた。
加えて基板例えば10cm X 10cmまたは電極方
向に10〜40cmを有する中15〜120cmの基板
(この場合の最大の反応空間は、上下(40cm) x
前後(120c+++) X左右(120cm )を期
待できる)方向がその温度分布において、100〜40
0℃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ゝ〉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入枠(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 ’>薇挿着し、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つ、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すを利用して1O−1tor
r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=torr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>、< 79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 )、<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、フオスヒン)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発振
器(21)に接続させている。他方の端子(22)は排
気子& (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(1B’>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
6cI11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
化を針っている。
この加熱用のランプ(16)、<16’)が設けられて
いる空間と9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りおよび上方、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)、< 99さらにフード(7′)排気手段(24
’)を経て不要な反応性気体(2B’)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2〜8cya4i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。この補助空間
の間隔(80)、<80’)は基板、ホルダ(5)、<
5’>と隣の基板、ホルダとの間隔よりも等しいか狭く
なっていて、プラズマが反応空間に集束するようにした
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アルを有する)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(5
+++−以内X9”)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6cmの
間隔で配設させんとする時、延べの被形成面は2400
0 cd、これに必要な空間は70cm X 70c麟
X30cm (有効空間60c+n X 60cm X
 20ca+) = 147000cdである。
即ち単位体積当たり16.1%もの面積(24000d
/147000c11)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(13,56MH,zを使用)電界を200W
とし、シランを200cc 7分加え、プラズマCvD
中の圧力を0.1 torrとした特待ることができた
。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pcvo装置の反応容器においては1回の被
膜形成で最大50cm X 50cm 1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CVD
装置においては20cm X 60cmの基板20枚を
1パンチで挿着(ロード)でき、その結果lバンチの延
べの形成面積は20cm X 60cm X 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”(ocm)″、
略伝導度3X10’〜lXl0”(0cm>−’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−’〜1×10=10(
Ωcts )−’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
/分導入した。周波数13.56MHz、出力500L
基板温度は350℃とし、0.1 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20ON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バツチに5インチウニ八120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℃、20−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−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化層プラズマ
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 茗1■ rt j2

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、前記反応性気体を閉じ込める枠構造の内部に一
    対の電極と前記気体をグロー放電またはプラズマ状態に
    せしめる反応空間とを有し、該反応空間に被形成面を有
    する基板またはホルダが配設されて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、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。 3、特許請求の範囲第1項において、枠構造と反応空間
    との間は2〜10cmの間隔の補助空間が設けられたこ
    とを特徴とするプラズマ気相反応装置。
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