JPS62206825A - プラズマ化学気相成長の薄膜成長速度モニタ−方法 - 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〉 本発明は高周波プラズマ化学気相成長装置（以下！５−
　ＣＶ　Ｄ装置と云う。）により、作製される半導体等
の薄膜の成長速度を成長中にモニターするための方法に
関する。

〈従来技術〉 近来、アモルファス半導体薄膜等の作製方法としてｐ−
ＣＶＤ方法が多いに注目され現在の生産方法の主流を占
めるに至っている。この方法の概略を示したのが第１図
である。反応容器ｌ内に、例えば対向するようにアノー
ド（接地電位）電極８とカソード電極（励起電極）６が
設置され、通常基板７はアノード電極８に支持されてい
る。この基板７はヒーター９と例えば基板温度調節用サ
ーモ・カップル１１の出力により所定の温度となるよう
に常時調整されである。充分高真空に達した反応容器１
にガスボンベ４より流量計５を通して正確に流Ｗｉ調整
された半導体用ガス等を導入し、調圧弁！２と圧力計ｌ
Ｏにより所定の圧力に保持される。この系に、例えば　
１３．５６ＭＨｚの高周波電力を電源２とマッヂングボ
ックス３を通して供給することによりグロー放電が開始
推持され、放電パワーは常時パワーメータによりモニタ
ーされている。

上記のような系における薄膜の成長メカニズムは以下の
ように考えることができる。

（１）　　高周波パワーにより形成された電界により気
体中に少量存在する自由電子が加速され速度エネルギー
を得る。

（２）このうち充分なエネルギーを持った速度電子が原
子や分子を常態では不安定なイオン種やラジカル種に解
離する。

（３）こうして生成された活性種が拡散輸送され基板表
面に到達する。

（４）最後に基板表面での複雑は表面反応を通して半導
体薄膜が形成される。

上述のような複雑な過程を経て形成されていく半導体薄
膜等の成長速度というものは放電中のガス流量、ガス圧
力、放電電力（及びその周波数）あるいは基板温度とい
った制御だけでは不充分であり、その他の重要な因子と
して反応容器の形状、アノード、カソード電極の形状及
びその表面状態等が考えられる。これらは膜を成長させ
ること自体あるいは装置のメンテナンス等により変化す
るファクターとなり、薄膜成長過程への不安定要素であ
る。

従来このような系の診断法としてＯＥＳ法、Ｃａｒｓ法
、ＬＩＦ法等があり、成長メカニズムの研究がなされて
来たが、いずれも大がかりなシステムであり、コスト的
にも高価なものである。

〈発明の目的〉 上記のような問題に監み、かかる不安定要素によって敏
感に変化する測定可能量として、カソード電極（励起電
極）にかかるプラズマ自身による自己バイアス電圧であ
ることに気づき本発明を完成した。

〈発明の構成ン 即ち、本発明は一方が励起電極となる少なくとも２つ以
上の電極を有する高周波プラズマ化学気相成長装置の当
該励起電極に設置した高周波用電圧計により自己バイア
スを測定することにより薄膜の成長速度の変化を読み取
ることを特徴とするプラズマ化学気相成長の薄膜成長速
度モニター方法を提供する。

カソード電極にかかる自己バイアスを第２図を用いて簡
単に説明する。第２図はプラズマ空間における平均ｄａ
電位分布でありこのような非対称性が発生するのはプラ
ズマ中に存在する電子とイオンの移動度の差（４桁程度
の差がある）に起因する。又、図中カソード電極表面の
電圧Ｖｃとアノード電極（基板）表面の電圧Ｖａとの間
にほの関係が成立つ。

ここで　Ｓａニゲローが接する接地（アノード）電位側
の面積 ＳＣニゲローが接するカソード（励起）電極側の面積 であり、カソードにかかる自己バイアスＶ　５ｅ１４は
次式で与えられる。

Ｖｓｅｌｆ　＝Ｖｃ　−Ｖａ 以上よりこの自己バイアスは反応容器の形状、アノード
、カソード電極の形状及びその表面状態（成長した薄膜
等によるものも含む）によって変化するものであること
が示された。従って、この自己バイアスをモニターする
ことにより従来の作製方法の不安定要素を取り除きより
安定した気相成長方法となることが期待できる。

自己バイアスは高周波チョップ用コイルと抵抗及びコン
デンサーを組合せた回路をマツチボックスと励起電極の
間に第１図の１３に示すように導入することにより測定
できる。電圧は直列抵抗の両端から電圧計により測定で
きる。

本発明を実施例を用いて説明する。

〈実施例〉 本発明の実施例の１つを第３図を用いて説明する。

第３図は、第１図のようなｐ−ＣＶ　Ｄ装置を用いてア
モルファスシリコン薄膜を成長させたもので実験条件（
ガスに１圧力、放電パワー及び周波数、基板温度）を全
て同一、成長時間も全て２０分間としアノード側の膜を
成長させるべき基板だけを入れ替えてその膜厚（すなわ
ち成長速度）を基板全面にわたって評価したものである
。

第３図（１）の結果はカソード系に付着していた膜を化
学エツチングにより取り除いた直後の成長結果で、アモ
ルファスシリコン膜厚は０．３μ〜０．５５μまで分布
し、この時、本発明の測定システムで追跡した自己バイ
アス電圧は〜−８Ｖから〜−１５Ｖまで変化していくこ
とがわかった。

第３図（２）および第３図（３）は（１）の付着後アノ
ード側にある基板だけを入れ替えて、カソードはそのま
まで（つまりカソード電極上等に付若した膜は取り除か
ずに）、引き続き同じ条件でアノード側基板上にアモル
ファスシリコンを成長させた結果を示すものである。カ
ソードのエツチング後２回目（２０分〜４０分）の膜成
長時にはアモルファスシリコン膜厚はまだ０．２５〜０
．４５μと変化したが、カソード系のエツチング後（第
１図）３回目の第３図（３）のデータは基板上の膜厚は
約０１１７μ程度とほぼ一定で、本発明の測定システム
で追跡した自己バイアスも約−２０Ｖで安定しているこ
とを示している。これ以後約１０００時間は安定した膜
厚の薄膜が形成されたが、その後は同条件でも自己バイ
アス電圧が減少し始め、成長速度も増大することを確認
した。

以上の実験事実は以下のように考えることができる。つ
まり本発明のシステムで追跡したカソード電極にかかる
自己バイアスが増大することは、このバイアスにより加
速される電子エネルギーの増大を招きカソード電極付近
でより多くの活性種を発生させることを色味（７ている
。つまり同一条件（同一パワー）でもより多くのパワー
がカソード付近で消費されたことになりアノード電極に
保持された基板に到達する活性種の減少を招き成長速度
が遅くなる。しかしながらある程度カソード電極上に膜
が成長するとかなりの期間プラズマは安定した状態を保
ち自己バイアスも一定値を示１．ている。従って、この
自己バイアスが一定である以上反応容器内のクリーニン
グ等のメンテナンスは不要であり装置は安定したアモル
ファスシリコン膜を作製していることが自己バイアスを
モニターすることにより簡便に知ることができることか
わかる。

〈発明の効果〉 以上、詳説した如〈従来ｒ）−ＣＶ　Ｄ装置で制御され
ていたパラメータ以外に本提案の制御方法を採用するこ
とにより簡便かつ安価に半導体薄膜の成長速度を成長中
にモニターすることができ、従来の不安定要因も検出可
能なプラズマ化学気相成〈図の簡単な説明〉 第１図は従来および本発明に用いられるｐ−ＣＶＤ装置
の模式図、第２図はプラズマ空間中に形成される平均的
なりＣ電位分布を示す図、および第３図は、本発明実施
例の測定結果を示す図であり、第３図（１）はカソード
エツチング後１回目のアモルファスンリコン模成長時の
測定結果を示し、第３図（２）および（３）はアノード
側基板のみを取り換えて、その他は連続使用した場合の
実験結果を示す。第３図中のＡ列は基板上に堆積された
ａ−９ｉの膜厚、Ｂ列は成長時間、０列は発明に基づく
自己バイアスモニター例を示す。

図中の番号は以下の通り： １・・・反応容器、　　　　　　　２・・・高周波電源
、３・・・マッヂングボックス、　　４・・・ガスボン
ベ、５・・・ガス流量計、　　　　　　６・・・カソー
ド電極、７・・・基板、　８・・・アノード電極、　　
９・・化−ター、１０・・・圧力計、１１・・・基板温
度調節用サーモカップル、１２・・・調圧弁。

第１１ 第２図 励　　　　　　　　橙。

極　　　　　　　−イ立 、イ閏す　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　イ阿り第３図 （Ｂ）　　　　　　（Ｃ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、一方が励起電極となる少なくとも２つ以上の電極を
   有する高周波プラズマ化学気相成長装置の当該励起電極
   に設置した高周波用電圧計により自己バイアスを測定す
   ることにより薄膜の成長速度の変化を読み取ることを特
   徴とするプラズマ化学気相成長の薄膜成長速度モニター
   方法。