JPS6222420A - 堆積膜形成装置 - Google Patents

堆積膜形成装置

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JPS6222420A
JPS6222420A JP16113285A JP16113285A JPS6222420A JP S6222420 A JPS6222420 A JP S6222420A JP 16113285 A JP16113285 A JP 16113285A JP 16113285 A JP16113285 A JP 16113285A JP S6222420 A JPS6222420 A JP S6222420A
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高須 克二
Hisanori Tsuda
津田 尚徳
Masafumi Sano
政史 佐野
Yutaka Hirai
裕 平井
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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】 [産業上の利用分野] 本発明は、例えばシリコンおよびゲルマニウム簿の平温
体物質を含有する非結晶半導体と、SiNおよび5i0
2などの絶縁体とを支持体上に多層に端層するのに好適
な堆積膜形成装置に関するものである。
[従来の技術」 結晶半導体多層膜(各層が十分薄く、量子サイズ効果が
出てくるようなものは、一般に、半導体超格子と呼ばれ
る。)を作製する装置としては超高真空を用いた分子ビ
ーム・エピタキシ法を用いたものが良く知られている。
一万、最近になって非結晶半導体の分野でも。
多層薄膜が作製されるようになってきたが、この分野で
は、現在までにグロー放電法を用いた作製法しか報告さ
れていない(例えば、B、  Abelesand T
、 Tiedje 、 Physical Revie
w Latters 。
Vol、51 (1983)  p、p−2003〜2
00B) 。
[発明が解決しようとする問題点」 上述のようなグロー放電法を用いた装置においては、通
常RF放電を用いるので、放電開始時には電源とのマツ
チング不良により放電が不安定になりやすい、従って、
特にfiloλ程度の薄膜を作製するときには、膜厚の
制御が極めて困難となる。
また、放電雰囲気中において薄膜を直接形成するように
なっており、しかも、放電雰囲気中には高いエネルギを
持ったイオン種が多数台まれるので、薄膜を多層形成す
る際K、このイオン種によってg収容層間の界面は荒さ
れてしまう。
このように、従来のグロー放電法では、高品質の非結晶
半導体多層5!j膜を作製することは困難である。
L問題点を解決するための手段] 本発明は、上述従ズ例の欠点を除去するべくなされたも
のであって1反応室と、反応室内に設こされた基板を加
熱する7J[I熱手段と、反応室内に原料ガスを導入す
るための原料ガス導入手段と、反応室内において加熱手
段によって加熱された基板上に堆積膜を形成するように
反応室内の原料ガスを分解する分解手段とを具える。
[実施例] 第1図は本発明にかかる堆積膜形成時置の一実施例の構
成を示す。
第1図において、1は反応室、2は反応室lにゲートバ
ルブ3を介して連接した前室である。4は反応室1にゲ
ートバルブ5およびバリアプルオリフィス6を介して連
接したプラズマ室である。7はプラズマ室4内でプラズ
マ放電を発生させるためのRFもしくはマイクロ波の放
電用電源である。
8.3および10はプラズマ室49反応室1および前室
2から各々排気するための排気装置である。排気装置8
は排2管30を介してプラズマ室4に接続され、排気装
M9は排気管31を介して反応室1に接続され、排気装
M10は排気管12を介して前室2に接続されている。
特に、堆積膜形成時に要求される反応室1内の圧力およ
び反応ガスの流量に応じて排気圏力を調整できるように
、排気装置8はターボ分子ポンプあるいは拡散ポンプと
ロータリポンプとの組み合わせが好ましく、排気装N9
はメカニカルブー°スタボンブとロータリポンプとの組
み合わせが好ましい。
13は排気管30に設けられたゲートバルブ、 17は
排気管31に設けられたスロットルバルブ、15はバル
ブ17よりも下流側になるように排気管31に設けられ
たストップバルブ、11は連結管であって、ゲートバル
ブ13と排気装置8との間および2つのバルブ15.1
7間において、2つの排気管30および31を連通する
。!4はM結管11に設けられたストップバルブ、1B
は排気管12に設けられたストップバルブである。
32は原料ガスの供給源であって、ここからの原料ガス
は供給管88よび分岐管33を介してプラズマ室4に供
給され、また供給管18および分岐管34を介して反応
室1に供給される。 21は供給管18の途中に取付け
たヒータであって、ガス供給源32か牛 らの原料ガスを例えば予め設定した温度に加熱する。1
9および20は分岐管33および34の途中に各々設け
たストップパルプである。
22は反応室1に導入された反応ガスを光分解するため
の光源であり、反応室1に具えられた窓からその中に光
を入射する。光lI22としては、具体的には、例えば
、低圧水銀灯、Xeランプ。
Xe−Hgランプ、エキシマレーザ、アルゴンレーザ、
 Nd−YAGレーザおよびC02レーザなどがある。
35はプラズマを発生させるための反応ガスの供給源で
あって、ここからの反応ガスは供給管24を介してプラ
ズマ室4に供給される。供給管24の途中にはスト−7
プバルブ25が取付けられている。23は油圧などによ
って駆動される基板搬送機構であって、前室2と反応室
lとの間において基板を搬送する。
35.38および37は真空計であって、プラズマ室4
、反応室1および前室2内の真空度を各々計測する。
38は反応室l内の原料濃度を測定するための質量分析
計、100は反応室1に供給される原料ガスの温度を測
定する温度計である。101は6N膜を堆積する支持体
の温度を測定する温度計であって、具体的には、反応室
1内に配置された支持体ホルダ(図示せず)に取付けた
熱電対から構成される(これは1例えば、支持体ホルダ
の温度を測定することによってこれに支持した支持体の
温度を推定することもできる) 、 102は支持体上
に堆積された薄膜の厚さを8II足するための膜厚計で
あって、具体的には、例えばエリプソメータ等からなる
第2図は原料ガスを反応室1に供給するためのガス供給
源を示す。
第2図において、40はパージ用ガス(N2)。
41−48は原料ガス(例えば、SiH4,Si2H6
゜B2H6、PH3* CHa  * CFaおよびN
H3など)[である、各ガス源41〜48からのガスは
容管71〜78を介し、さらに当該各管71〜78に設
けた各三方5′F81〜8B、 yt量制御および流量
計側可1把な各マスフローコントローラ51〜5日およ
び各三方弁61〜68を介して木管79に供給され、こ
の本管7Bにおいて適宜混合され、供給管18に供給さ
れる。
一方、パージ用ガス源40からのガスは、管70および
三方弁81〜88を介して管71〜78に供給され、6
管71〜78および木管79を適宜パージする。6弁6
1〜88.81〜88.91〜98および各マスフロー
コントローラ51〜58は後述するシステム制御コント
ローラによって制御されている。
第3図はシステム制御コントローラによる制御の種類と
制御のための入力情報を示す概念図である0図示される
ように、原料ガスの反応室内濃度、原料ガスの流量、各
室内の真空度、塩m膜の膜厚、支持体(基板)温度、ガ
ス温度などの入力情報(′Is定領)に基づいてシステ
ム制御コントローラによってバルブ開閉シーケンス制御
、ガス圧制御、ガス流量制御、光源/プラズマ制御、温
度制御(基板/ガス〕を行う。
i4図はシステム制御コントローラの一構成例を示す、
第7図、第8図、第9図に示すようなシステム全体の動
作の手順は予め外部記憶装置としてのフロッピーディス
クドライバ103に記憶されており、これがCPU 1
04内の内部メモリーに読みこまれる。105はCPU
 104からの指令により各バルブを駆動するドライバ
、108はマスフローコントローラインターフェイス、
111〜1184fインターフエイス10Bを介してC
PU 104からの指令を受けて各マスフローコントロ
ーラを制御する制御ユニットである。なお、各マスフロ
ーコントローラ51〜58内の流量検出手段からの、各
管71〜7B内を流れるガスの流量の測定値は、各ユニ
ット111−118およびインターフェイス106を介
してCPIJ 104に入力される。
10?は光源制御インターフェイスであって、これを介
してのCPU104からの指令に基づいて光源22が制
御される。108はプラズマ制御インターフェイスであ
って、これを介してのCPU 104からの指令に基づ
いて電源7が制御される。109は支持体ホルダに設け
た抵抗ヒータまたはIR光源からなる温度制御装置であ
って、CPU 104からの指令に基づいて支持体(基
板)の温度を制御する。
ヒータ21も同様にCPU104によって制御される。
各要素の接続は例えばIEEE 488バスによって行
われる。
以上のような構成において、まず光分解法を用いた単層
膜の堆積について第7図を参照して説明する。
まず、ステップSlにおいて1反応室l内およびプラズ
マ室4内を真空にする。これは、次のようにして行う、
ストップバルブ19.20.25および15゜ゲートバ
ルブ3を閉じ、ストップバルブ14.スロットルバルブ
17.ゲートバルブ6および13.バリアプルオリフィ
ス5を開き、排気装M8によって、反応室l内およびプ
ラズマ室4内を10=Torr程度の真空度にする。な
お、このとき1反応室1内をヒータによってベーキング
してもよい。
次にステップS2において支持体としての基板を反応室
1内にセットする。すなわち、まず、前室2上部の蓋を
開けて、大気圧下の前室2内において、基板搬送機構2
3上に基板を載置し、ついで前室2上部の着を閉じ、ス
トップバルブ1Bを開けて排気装置10によって前室2
内をto−7〜10−’Torr程度の真空度にする。
ついでゲートバルブ3を開けて、基板搬送機構23によ
って基板を前室2から反応室1内に搬送し、同室l内の
基板ホルダ上にM、置し、再び基板搬送機構23を前室
2内に戻し、ゲートバルブ3を閉じる。
次にステップS3において反応室l内の基板を所定温度
に加熱する。なお、基板温度は通常100〜500℃、
好ましくは200〜40G ”Oに設定する(温度計1
01の測定値を参照して温度制御する)。
次にステップS4において1反応室l内に原料ガスを供
給する。すなわち、ス)−/ブバルブ20を開けて、必
要とする少なくとも一種類の原料ガスをガス供給源32
から反応室l内に供給する。この際、ガス種の選択およ
びガス流量はガス供給源32における該当するバルブの
制御ならびに該当するマスフローコントローラの制御お
よび流量検出値を参照することによって行うことがでさ
、また、ガス温度は必要に応じて温度計100の測定値
を参照して、ヒータ21を制御することによって行うこ
とができる。
次にステップS5において1反応室1内に供給される原
料ガスの流量(または圧力)が定常状態に達したかを判
断し、達した時点でステップSOにすすんで、光源22
を動作させ、所定強度の光を反応室l内に照射して、反
応室1内の反応ガスを光分解する。このとき、反応室1
は排気装置8または9によって排気されているので1反
応室1内の圧力は、原料ガスの供給量と排気量との差に
保たれる。
次にステップS7において、光照射が所定時間性われた
か否かを判断し、所定時間終了したときに、ステップS
8にすすんで光照射を止め、ついでステップS8におい
て反応室l内への原料ガス供給を停止する。この一連の
動作を図示すると第5図のようになる。光照射によって
分解され、基板上に堆積する薄膜の膜厚はガスの種類、
ガス流量、ガス圧力、基板温度、光源の種類、光強度お
よび光照射時間に依存し、経験的に知られる量であるの
で、それらのパラメータを予めシステム制御コントロー
ラのCPu内のメモリに入力しておくことによって、所
望の膜厚の薄膜を作成することができる。特にg脱塩8
1量が光照射時間にほぼ比例するので、他の条件を変え
ずに光照射時間を変えることによって、数10λ程度の
薄い膜でも制御性良く基板上に堆積させることができる
次にステップS10において薄膜堆積後の基板をとり出
す、すなわち1反応室1内を再び1O−7Torr〜1
O−6Torr程度の真空度にし、その後ゲートバルブ
3を開けて基板搬送機構23により基板を前室2に戻し
、ゲートバルブ3を閉じ、この後、前室2を大気圧にも
どして、堆積膜のついた基板をとり出す。
次に第8図を参照して基板上に非結晶半導体多層膜を堆
積する手順について述べる。ここでは、例として水素化
アモルファスシリコンと水素化アモルファス窒化シリコ
ンとを交互に基板に積層する場合を考える0gL子サイ
ズ効果を実現させるために、それぞれの層の厚さを20
人にするものとし、各50層ずつ計100層meするも
のとし、基板はシリコンウェハーを用いるものとする。
第8図に示すように、基板を反応室1内の所定の位置に
鐙き、)H1熱する過程(ステップS21〜523)は
上述と同様である。
次にステップS24において、反応室l内に原料ガスを
供給する。使用する原料ガスはジシ5 ン(Si2H6
) +水素(H2)およびアンモニア(NH3)の2種
類である。ガス温度は100〜°200℃とする。なお
、原料ガスの制御を第6図に従って説明する。まず、5
i2h 、およびNH3をそれぞれのラインの最下流の
三方弁の開閉によってベントライン30からガス供給管
18偶に流れるようにして、これらを混合させてゆく、
このとき、ガスの混合比はそれぞれのラインのマスフロ
ーコントローラによって[ftを制御することによって
可変とすることができる。ここでは、例えばS iz 
H6を0.5!JGCN 、  H2をIOSCCM、
 NH3を50SCCM流すものとする。
次にステップ525において、反応室1内に供給される
原料ガスの流量が定常状態に達したかを判断し、達した
時点でステップ32Bにすすんで光源1例えば低圧水銀
灯の光を反応室l内に11時間だけ照射し、ステップ5
27において基板上に20λの水素化アモスファス窒化
シリコンが堆積し  □たかを膜厚計の測定値に基づい
て判断する。20人堆積したならば、ステップS28に
すすみ、NH3のラインの最下流の三方弁をベントライ
ン90の方に変更して原料ガスの中にN1(3が流れこ
まないようにする0次にステップS29において、原料
ガス流量が定常状態に達したかを判断し、達していれば
、ステップ330にすすんで、光源光をt2時間照射し
、ステップS31にすすんで、基板上に20人の水素化
アモルファスシリコンが堆積したかを判断する(上記の
t+ 、t2の値は、予め単層膜を作製しておき、その
光照射時間と堆積した膜厚とから比例計算によって求め
ることができる)、20人に達したならば、ステップS
32にすすみ、薄膜積層数が100かを判断する。10
0であればステップS33にすすみ、100でなければ
ステップS24に戻り、20人の水素化アモスファス窒
化シリコンを堆積゛させ、さらにその1に20人の水素
化アモスファスシリコンを堆積させる。
そして、ステップS32において薄膜積層数が100に
達したならば、ステップ333にすすんで反応室1内へ
の原料ガスの供給を停止する0次にステップS34にす
すんで、前述と同様にして、薄膜堆積後の基板をとり出
す(第6図参照)。
以上のように、基板上に所望の非結晶半導体多層膜を目
動的に作製することができる。
本発明の特長の一つは、流量コントロール、ガス温合、
温度m節および上記の一連の操作をすべてシステム制御
コントローラによって自動的に行う点にあり、多層膜の
各層の厚さも正確に制御できることである。
ここでは1例として水素化アモスファスシリコンおよび
水素化アモスファス窒化シリコンを用いた多層膜の作製
をあげたが、さらに多種類のガスを用いる場合あるいは
3種類以上の異なる堆積膜を8N層する場合の手続きも
上記同様である。
次に、第9図を参照して、光分解ではなく、プラズマ室
4内で発生させたラジカル種を用いて、反応室l内の原
料ガスを分解し、基板上に、非結晶半導体薄膜を堆積さ
せる手順について述べる。
基板を反応室1内に定置し、−堆積させる膜に応じて適
当な混合比を持った原料ガスを反応室1内に供給し、反
応室l内に供給されるガスが定常状態に達したかを判断
する工程(ステップ341〜S45〕は前述と同様であ
る。
ステップS45において反応室1内に供給される原料ガ
スが定常状態に達したならば、ステップ54Bにすすん
でプラズマ室4内で発生したラジカル種をゲートバルブ
5およびバリアプルオリフィス6を通して反応室1内に
拡散させる。なお、プラズマ室4内においてプラズマを
発生させるには、プラズマ室4に、例えばAr、H2)
CF4などの反応ガスを、ガス供給管24を通して送り
こみ、プラズマ室4内にRFまたはマイクロ波の電源7
からパワーを供給し、プラズマ室4内で放電させる。
これによってプラズマ室4内で発生した長寿命のラジカ
ル種をゲートバルブ5およびバリアプルオリフィスBを
通して反応室lに拡散させることができる。この際、イ
オン種はプラズマ室4内の放電極に吸引され、したがっ
て、中性のラジカル種のみをとり出すことができる。そ
して、反応室l内にガス供給管18から供給された原料
ガスはラジカル種の持つエネルギで分解され、基板上に
堆積される。イオン種でなく、ラジカル種によろて原料
ガスを分解するので、堆積膜の表面を荒らすことがない
、ラジカル種の流れはゲートバルブ5およびバリアプル
オリフィス6を用いて調節する。
次にステップS47において基板上に所定厚の堆積膜が
形成されたかを判断する。所定厚に堆積膜が形成された
ときは、ステップ348において反応室1内への原料ガ
スおよびラジカル種の供給を停止し、ステップS49に
すすんで、前記同様に基板をとり出す。
なお、前述の光源光とプラズマ室4内の放電とを併用す
ることもできる。
前記実施例中、光分解によって基板上に堆積膜を作成す
る際に、!!X料ガスを直接1反応室1に供給するので
なく、ストー/プバルブ19.プラズマ室4、ゲートバ
ルブ5.バリアプルオリフィス6を通して供給すること
により、当該原料ガスの流れを層流にして均一なものに
することもできる。
また、反応室lの光入射窓上にも膜が堆積して、光の透
過率を下げるようなことがあっても、そのような場合に
は、プラズマ室4内でエツチング性の反応ガスを放電さ
せることにより、放電生成物をゲートバルブ5およびバ
リアプルオリフィスを通して反応室1に流入させて、窓
の内面をエツチングすることも可能であるし、また、反
応室1内に直接、エツチング性のガスを導入し、光源2
2を用いた光エツチング反応を起こさせて窓の内面をエ
ツチングすることも可能である。
また、前記実施例中、水素化アモルファスシリコンと水
素アモルファス窒化シリコンの多層薄膜を作製する際に
、i6図に示したように反応ガスの一部、すなわちここ
では5i2HbとH2とを連続的に流し、NH3だけを
Nr&i的に流した場合について説明したが、すべての
反応ガスを断続的に流し、混合ガスの流れを制御するこ
とができるのは言うまでもない、さらに本発明では、非
結晶半導体、 絶縁体および金属からなる多層膜を作製
することもでき、本発明は、堆積する膜の種類を問わな
い。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、支持体上に非結
晶半導体多層薄膜を作成するに際して、原料ガスをグロ
ー放電中で分解するのでなく、光分解することまたはグ
ロー放電からとり出したラジカル種を用いて分解するこ
とによって、多層膜の各層間の界面を荒らすことなく高
品質の膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明にかかる堆積膜形成装置の一実施例の構
成を示す図、 第2図は原料ガスの供給源の構成を示す図、第3図はシ
ステム制御コントローラによる制御の種類と制御のため
の入力情報とを示す概念図\ 第4図はシステム制御コントローラの一構成例を示す図
、 第5図および第6図は原料ガスの供給と光照射との関係
を示す図、 第7図、第8図および第9図は本発明による膜堆積手順
の例を示す図である。 !・・・反応室。 2・・・前室、 3.5.13・・・ゲートバルブ、 4・・・プラズマ室、 6・・・バリアプルオリフィス、 7・・・RF定電源たはマイクロ波電源、8.9.10
・・・排気装置。 11.12・・・排気管、 14.15.18・・・ストップバルブ、      
          ′17・・・スロットルバルブ、 18.24・・・反応ガス供給管、 19.20・・・ストップバルブ、 32.35・・・ガス供給源、 21・・・ヒータ、 22・・・光源、 23・・・基板搬送機構、 32.35・・・ガス供給源、 3B、37.38・・・真空計、 39・・・質量分析計、 100.101・・・温度計、 102・・・膜厚計。 第3図 第5図 −0間 第6図  −昨明

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)反応室と、 該反応室内に設置された基板を加熱する加熱手段と、 該反応室内に原料ガスを導入するための原料ガス導入手
    段と、 前記反応室内において前記加熱手段によって加熱された
    前記基板上に堆積膜を形成するように当該反応室内の原
    料ガスを分解する分解手段とを具えたことを特徴とする
    堆積膜形成装置。 2)特許請求の範囲第1項記載の堆積膜形成装置におい
    て、 前記ガス導入手段は、2種類以上のガスを交互にかつ断
    続的に前記反応室に導入する手段を有することを特徴と
    する堆積膜形成装置。 3)特許請求の範囲第1項記載の堆積膜形成装置におい
    て、 前記分解手段は、少なくとも1種類の光を前記反応室内
    に照射して原料ガスを分解する 光源を有することを特徴とする堆積膜形成装置。 4)特許請求の範囲第1項記載の堆積膜形成装置におい
    て、 前記反応室は、基板を導入するための前室を連接し、該
    前室との間に基板を搬送する搬送機構を有することを特
    徴とする堆積膜形成装置。 5)特許請求の範囲第1項記載の堆積膜形成装置におい
    て、 前記分解手段は、前記反応室に連通したプラズマ室を有
    し、該プラズマ室内で発生したラジカル種を前記反応室
    内に導いて原料ガスを分解することを特徴とする堆積膜
    形成装置。 6)特許請求の範囲第1項記載の堆積膜形成装置におい
    て、 前記原料ガス導入手段および前記分解手段は、システム
    制御コントローラによって予め設定されたタイミングに
    従って制御されることを特徴とする堆積膜形成装置。 7)特許請求の範囲第6項記載の堆積膜形成装置におい
    て、 前記反応室は当該反応室内のガスの質量を分析する質量
    分析手段を接続し、前記コントローラは前記質量分析手
    段の分析値に基づいて前記原料ガス導入手段および前記
    分解手段を制御することを特徴とする堆積膜形成装置。 8)特許請求の範囲第6項記載の堆積膜形成装置におい
    て、 前記反応室は当該反応室内の真空度を測定する真空度測
    定手段を接続し、前記コントローラは前記真空度測定手
    段の測定値に基づいて前記原料ガス導入手段および前記
    分解手段を制御することを特徴とする堆積膜形成装置。 9)特許請求の範囲第8項記載の堆積膜形成装置におい
    て、 前記反応室は当該反応室内において基板に堆積した膜の
    厚さを測定する膜厚測定手段を有し、前記コントローラ
    は前記膜厚測定手段の測定値に基づいて前記原料ガス導
    入手段および前記分解手段を制御することを特徴とする
    堆積膜形成装置。 10)特許請求の範囲第1項〜第9項のいずれかに記載
    の堆積膜形成装置において、 前記原料ガス導入手段は前記反応室内に導入する原料ガ
    スを加熱する加熱手段を有することを特徴とする堆積膜
    形成装置。
JP60161132A 1985-07-23 1985-07-23 堆積膜形成装置 Expired - Lifetime JP2564482B2 (ja)

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