JPS6055615A - 薄膜形成装置 - Google Patents

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】 く技術分野〉 本発明は電子材料となる薄膜を形成する装置に関し、特
に気体原料を基板に噴射して薄膜を成膜させる装置に関
する。

〈従来技術〉 近年の目覚しい電子工業の発展を支えている電子材料は
、はとんど薄膜材料からなっていると言っても過言では
なく、それは薄膜形成方法の進展に負うところが大きい
。その中でもプラＸ゛マｃＶＤ法（ＰＣＶＤ）はＬＳＩ
用パッシベーション膜となる窒化ケイ素膜、薄膜太陽電
池や薄膜トランジヌタ等への利用が進められている水素
化アモルファスシリコン膜（ａ−３ｉ：Ｈ）等の形成に
利用されている。ＰＣＶＤ法では、原料ガスがプラズマ
中の電子との衝突によって分解、励起されるため低温に
おいて有効な化学反応を進行させることができ、従来形
成不能であった新材料やＣＶＤ法等では高温でしかでき
なかった薄膜を比較的低温で形成できるという特長があ
る。

しかしながら上記ＰＣＶＤ法では原料ガスの利用効率が
問題となっている。例えばモノシラン（ＳＩＨ４）ガス
を原料として用いるａ−５ｉ：Ｈ膜形成の場合には、成
膜に使われるＳｉＨ４は全体の１０％程度だと言われて
いる。従って原料ガスの利用効率を高めることは、成膜
速度を増大させるためにも、原料コストを下げるために
もきわめて重要な課題となっている。

また薄膜を形成するＰＣＶＤ装置は従来においては平行
平板電極に高周波電力を印加する方式のものが使われて
いるが、このタイプの装置では成膜条件の制御性に関し
て問題がある。即ち形成さく３） れた膜の膜質は、プラズマ中の活性種の種類及び量、電
極間のセルフバイアス、成膜速度等に大きく左右される
が、これらは投入電力、ガス圧力。

ガス流量等に複雑に依存し、膜質制御を難しくしている
。寸たＰＣＶＤ法では、主として基板は陰極電極側にお
かれ、イオンソース内で加速された正イオンの入射を受
けているが、その量は中性活性種の入射茄°に比べて少
なく、膜質に及ぼす影響にはあまり注意がはられれてい
ない。その−因はイオン量及びそのエネルギーを独立に
制御できないためと考えられる。尚蒸着による薄膜形成
においては数％以下のイオンの存在が膜の付着性、結晶
性に大きな影響を与えることが知られており、膜質を制
御する上で、イオンを有効に利用することがきわめて重
要であることを示唆している。

〈発明の目的〉 本発明は以」二のような従来の薄膜形成装置の欠点を除
去し、原料ガスの利用率を高めると共に膜質制御が行い
易い薄膜形成装置を提供する。

・；〈）７”Ｖ″１　＞ 一ζノ　（４） 本発明は原料ガスをガス分解室において分解し、ガス分
解室より高真空に保たれた薄膜堆積室内の基板に向けて
ノズルを油して分解ガスを噴出し、基板に薄膜を形成さ
せる装置である。

第１図を用いて、モノシラン（Ｓ　ｉ　Ｈ４）全原料と
した水素化アモルファスシリコン作製に本発明を適用し
た実施例を説明する。

本実施例では１３．５６　Ｍｔｌｚの高周波放電によっ
て原料ガスの分解を行なっており、石英製のガス分解室
１にはコイ／Ｉ／２がまかれて、高周波電源３より電力
が供給される。グロー放電によるガス分解は容昂結合方
式によっても可能であるが、電極からの不純物の混入を
避けるためには、ガス分解室外に電極を設ける必要があ
る。直流グロー放電は同じ理由から好ましくない。本実
施例のマイクロ波放電は高密度のプラズマ生成が可能で
ちゃ、高いガス温度を得ることができることからガス分
解法としては適している。寸だ紫外光によるガス分解方
法も適用できる。

−１−記ガス分解室１には圧力を測定するダイアフラム
ゲージ４が取り付けられているガス分解室１へ導入され
る原料ガスはモノシラン又は水素、アルゴン等によるモ
ノシランの希釈ガスであり、ボンベ５よりマスフローコ
ントローラ６によって流量を制御されながらガス分解室
１に導かれる。尚水素化アモルファスシリコン膜ニホロ
ン（Ｂ）、　！Ｊン（Ｐ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、
酸素（０）等の不純物を添加する場合、あるいは、窒化
シリコン（５ｉＮｘ）。

炭化シリコン（Ｓ、ｉ　Ｃｘ　）、シリコンゲルマニウ
ム合金（５ｉＧｅｘ　）等の化合物を形成する場合には
、それぞれジボラン（Ｂ２Ｈ６）、フォスフイン（ＰＨ
３）。

メタン（ＣＨ４）、アンモニア（ＮＨ３）、窒素（Ｎ２
）。

酸素（０□）、ゲルマン（ＧｅＨ４）等のガスをシラン
と同様にガス分解室１へ導けばよい。

ガス分解室１で高周波グロー放電によって分解′　され
たガスは、ノズ）Ｖ７を通じて成膜室８へ噴出される。

第１図では１個のノズルを用いているが複数個のノズル
を設けることも可能である。このとき成膜室８側に設置
されたフィラメント９を通電加熱し、また陽極１０との
間に電圧を印加することによってフィラメンｌ−９より
引き出された市：子ビームをガス流に放則し、Ｉｌｉ’
ｔ　ｆｌ、ｌガスをイオン化する。さらにノズル７とこ
のノズル７にｚ１向する基板ホルダー１１の間に電圧を
印加することによって、基板ホルダー１１に装着された
基板１３に入射するイオンの；１１（動エネルギーを制
御する。このように一部イオン化され加能されたガス流
は基板１３に創案して薄膜を形成する。本装置’７ｆで
はフィラメンｌ−９と陽稀（１０の間には５００ｖまで
の電圧が印加でき、この間に５００　ｍＡまでの電流（
イオン化？ｌ￥流）を流することかできる。１だ加速電
圧は５ＫＶｔで印加することができる。基板ホルダー１
１は内蔵のヒータ１２によって５００℃まで層温できる
。成膜室８には真空度を測定するダイアフラムゲージ１
４がＩＩＱり伺けられている。

’ｊ　ｋ　成Ｉｌｌ室８にｄ、マスフローコントローラ
１５を通じてガス１６を導入することができる。このガ
スラインによって導入されるガスはいくつかの利用法を
持つ。まず、希ガス等の化学的に不活性なガスを導入す
ることによって成ｊ１ヴ！室８の真空度（７） を他条件とは独立に制御し、ノズ／Ｉ／７より噴射され
るガスの平均自由行程長を制御できる。またアンモニア
、酸素等のガスを導入することによって、分解されたモ
ノシランガスとの反応を生起せしめ、基板上にＳ　ｉＮ
ｘ、Ｓ　ｉＯｘ等の化合物薄膜を形成することができる
。

油拡散ポンプ、メカニカルブースタ、油回転ポンプよシ
なる真空排気系１７が、膜室排気口での排気速度を制御
するコンダククンヌバルブ１８を介して成膜室８に結合
されている。本実施例においては成膜室８及びガス分解
室１を油拡散ポンプで１×１０″ＴｏｒＴ以下の高真空
に排気した後、原料ガスを導入し、メカニカルブースタ
及び油回転ポンプによって排気し、成膜を開始する。こ
の排気系の成膜室出口での実効排気速度は１６０１廓で
あり、ガス流量１１０５ＣＣにおりても成膜室を１×１
Ｏ−３Ｔｏｒで程度の圧力に保持できる。

成膜室８の圧力Ｐ　（Ｔｏｒｒ　）とノズル−基板間φ
距離ｊ？（ｃ＋ｎ）は成膜の動作におシてきわめて重必
なパラメータである。すなわち分解室１より成（８） 膜室８へ導入されたガス勺イの）［４均自山行程長λ（
ｃｒｉ　）が圧力Ｐに反比例するために、λが４と等し
くなる圧力Ｐｃ（Ｔｏｒｒ）より高真空領域ではガス流
は残留ガスと衝突することなく基板に入ルｊするのに対
し、低真空側では残留ガスとの衝突によって運動エネル
ギーを減じたり、残留カヌとの反応後基板に入射する。

Ｐｃとｅの間にはほぼ次の関係が成り立つと考えられる
。

Ｐｃｅ：　２　Ｘ　１０　’　Ｔｏｒｒ　・Ｃｍ　（１
１式本実施例では■）が］　Ｘ　］　０　”Ｔｏｒｒよ
り大きいことから、−１−記高真空領域での動作にはｌ
を２ｃｍ程度以下に保つ必要がある。この場合、大面積
の成膜は不可能である。−１−記高真空領域の動作にお
いて大面積成膜を行うためには、１Ｏ−４Ｔｏｒｒ台以
下の高真空が必要であり、大排気邦の油拡散ポンプ、タ
ーボモレキュラーポンプにょる真空排気が必要となる〇 本実施例ではガスの分解に高周波放電を用いるため、ガ
ス分解室】の圧力Ｐｇ（Ｔｏｒｙ’）は０．］Ｔｏｒｒ
〜１０Ｔｏｒｖ程度でなければならない。このガス圧力
では原料ガスの平均自由行程長はｌｏ’ｃ１１から１Ｏ
−２ｃ１ｎと考えられ、本実施例で用いる直径１が程度
のノズル７を流れるガス流は流体とみなし得る。この流
体を非粘性圧縮性流体と仮定するならノズル７を流れる
ガス流量Ｆ（ＳＣＣＭ）はノズルの最小断面積Ｓｍ１ｎ
（ｃ４）とＰｇ及びガス分解室でのガスの温度Ｔｇ（’
Ｋ）を用いて以下のように表わされる。

ここでδはガスの定圧比熱Ｃｐと定積比熱Ｃｖの比Ｃｐ
／Ｃｖであり、Ｐｓ　＝７６０Ｔｏｒ「、　Ｔｓ＝２７
３°にはそれぞれ標準状態でのガス圧力、温度である。

まだＭはガスの分子量、Ｒはガス定数である。ここで成
膜室の圧力はガス分解室圧力に比べ】ケタ以」−低いと
してｊｊｌ、視しだ。たとえば内径１關のノズルではＰ
ｇ＝ＩＴｎｒｒ、Ｔｇ＝２９３°Ｉ（（１２７３°Ｋ）
に対してＦ　＝　１３ＳＣＣＭ　（６ＳＣＣＭ　）であ
る。ただしδ−５／３　、　Ｍ＝　２８どした。

ノズ）ｖ７の形状は成膜室８内でのカスビームの振舞い
に大きく影響する。ノズ）Ｖ長Ｄ　（ｃｍ）とノズル内
径Ｌ　（ｃｍ）の比１で−１）／Ｔ−がＲ〈〈１の場合
には、ビームの拡がりが人きく　、１１’７束されたカ
ス流を形成することができないのに対して、Ｒ〉〉１の
場合には収束されたガス流を形）戊できるが、ノズル内
壁とガス流の相互作用が強くなり好１しくない。

本実施例ではＲ−３Ａ〜２程度を用いている。

本実施例において、内径１關、１〈さ】關のノズルを用
い、ノズルより５印の位置に４インチシリコン基板を設
置し、モノシフンノｆス流量５５ＣＣＭ。

ガス分解室圧力０．８Ｔｏｒｊ、成膜室圧力２Ｘ１０−
”Ｔｏｒｅ、基板温度２２０８Ｃで水素化アモルファス
シリコン薄膜の成膜を行なったところ、基板上での平均
成膜速度７　Ａ／秒を実現することができた。

これはソースガスの約１５％が基板に堆積したことに相
当し、通常のＰＣＶＤ法に比べ原料ガスの高い利用効率
が得られた。

前記作製条件を用いて成膜する際、フィラメント９と陽
極１０の間に３００Ｖの電圧を印加し、この間に１００
　ｍＡのイオン化電流を流しノズル−基板間に３ＫＶの
加速電圧を印加した。第２図はイオン化及び加速を行な
った場合（曲線ａ）と行なわなかった場合（曲線ｂ）で
の２０００　ｃｍ　’付近の赤外吸収スペクトルの比較
を示す。曲線すにみられるように、イオン化と加速を行
なわなかった場合には２１００　ｃｍ　’付近のＳｉＨ
２結合による吸収が強いのに対し、イオン化と加速を行
なった曲線ａの場合には吸収が全体的に弱くなるととも
にＳｉＨ２結合が減少している。一般に、水素化アモル
ファスシリコン膜においては、欠陥の少ない高品質膜は
ＳｉＨ２，ＳｉＨ３といった高次結合が少なくＳｉＨ結
合が支配的である。

また第３図は２０００ｃｍ’の赤外吸収よりめ２１００
ｃ＋Ｉ＋’イ′：１近のピークのしめる割合）の加速電
圧依存性を示したものである１、仙の成膜条件如：上述
のものと同一である。加速電圧ＩＫＶにおいて水素結合
：１ｎ°が減少し、同時に５ｉ１１２結合率も減少して
おり、加速電圧によってハラ別１の結合水素量及びＳｉ
Ｈ２結合率を制御することができる。

」−述のように、イオンの介在による占（板表面の化学
反応の活性化、イオン加速による基４ＪＶ、へ入射する
イオンのエネルギーの増加に伴う表面での活性種のマイ
グレーション効果等によってＳｉ同志の結合を多くする
ことができ、欠陥が少なく過剰な水素を含まない良質の
水素化アモルファヌシリコン膜を形成することができる
。

〈他の実施例〉 また本発明におけるガス分解室はイオンを利用した薄膜
形成法であるクラスタイオンビーム法（Ｉ　ＣＢ　）の
ビームソースとしても利用可能である。ＩＣＢ法は、ノ
ズルを有するるつぼに原料の固体を入れ、これを加熱溶
融し、その蒸気をノズルより高真空中へ噴出させ蒸気流
とし、（この時蒸気は断熱膨張によって過冷却状態とな
シ５００から２０００個の原子が緩く結合したクラスタ
を形成すると言われている。）さらにこの蒸気流の一部
をイオン化し加速し、基板上に入射させることによって
薄膜を堆積する方法である。しかしながらＩＣＢ法では
るつぼを１０００℃から２０００℃といった高温に加熱
する必要があシ、耐熱材料の利用、熱遮蔽及び冷却機構
設置＼装置設計には相当高度な技術を必要とする。しか
も高温部分の消耗が激しくなることは避けられない。ま
たるつぼが高温となることから、るつぼに帰因する不純
物の膜中への混入も重要な問題となってくる。従って高
温加熱によらずクラヌタビームを形成することが可能と
なれば装置の単純化、長寿命化、不純物除去など得られ
る利点はきわめて大きい。クラヌタビームは高温ガスを
ノズルを通じて高真空中へ噴出させることによって形成
されるが、原料ガスをプラズマ放電によって分解した場
合にも、プラズマ中の高エネルギー電子とガス分子の衝
突によって、ガス分子は大きな運動エネルギーを得るこ
とから、晴０価的に高温カスをイ１することができクラ
スタビーノ、が形成される。従って本発明におけるノズ
ルを有する原料ガス分解室はＩＣＢ法における固体イオ
ンソースに代わるものとして、ガスソースによるクラス
フビーム形成装置として利用することができる。

〈効　果〉 以」−のように本発明はガス分解室と薄膜堆積室を分１
ｔｌ１１シ、両者をノズルを介して結ぶことによって、
ガス分解プロセスと成膜プロセスを分離し、成膜パラメ
ータの自由度を拡大するとともに、原料ガスの噴出流を
利用することによって原料の利用効果を向」ニさせるこ
とができる。捷だガス分解室より噴出したガス流をイオ
ン化し、さらに電界によって加速することでガス流中の
イオン量並びにその基板への人４．１エネルギーを制御
することによって膜物性をコントロールすることが可能
となる。これによって従来の！Ｉ’！！　；省力法より
高品質の薄膜を効率よく成ｌｌｌ５’！することが＋’
ｉ）能となる。また本装置において薄膜堆積室を高真空
に保つことによって、ＩＣＢ法におけるビームソースと
して機能させることも可能である。このように本発明は
薄膜形成法としてすぐれた特長を持ち、工業的利用価値
はきわめて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による一実施例を示す構成図、第２図は
同美施例を適用した薄膜の特性図、第３図は同実施例を
適用した薄膜の膜中におけるＨ、／ＳｉとＳｉＨ２／（
ＳｉＨ＋５ｉＨ２）との加速電圧依存性を示す図である
。 １：ガス分解室、　３：高周波電源、　７：ノズル、　
８：成膜室、　９：フィラメント、１０：陽極、１３：
基板。 代理人　弁理士　福　士　愛　彦（他２名）第　ｌ　図 ｔｅｏｏ　ｗｏｏ　ｚｔｏｏ　ｚｚｏ。 ＠瓢（ｇｌｌｒ’） 第２　図 古Ｊ１電工ＩＫ品 第３し」

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　原料ガスを基板上に導いて薄膜を形成する装置に
   おいて、原料ガスを予め分解するガス分解室と、該ガス
   分解室とノズルを介して隔てられた薄膜堆積室と、該薄
   膜堆積室内にノズル噴射口と対向させて配置された基板
   ホルダと、ガス分解室及び薄膜堆積室内の圧力を制御す
   る圧力制御装置とを備え、分解された原料ガスをノズル
   から薄膜堆積室内に噴射して基板上に成膜することを特
   徴とする薄膜形成装置。 Ｔｏｒ　ｒ以下に保つことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の薄膜形成装置。 ３　前記薄膜堆積室はノズル噴射口に近接して配置され
   たフィラメント及び加速電極を備えてなり、ノズルより
   噴出したガヌビームに電子ビームを対照して少なくとも
   ガヌの一部をイオン化すると共に、ノズルと基板間に電
   界をかけてイオンを加速することを特徴とする特許請求
   範囲第１項の薄膜形成装置。 ４　前記ガス分解室はＩＣＨのビームソーヌであシ、薄
   膜堆積室はＩＣＢ反応室であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の薄膜形成装置。