JPS6222421A - 堆積膜形成法 - 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】 ［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等の半導
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積層するのに好適
な堆積膜形成法に関するものである。

［従来の技術］ 結晶半導体多層！Ｉ（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
。

一方、最近になって非結晶半導体の分野でも、多層ＥＭ
１ｇｉ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、　　Ａｂｅｌｅｇａｎｄ　Ｔ、
　Ｔｉｅｄｊｅ　、　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ
　Ｌｅｔｔｅｒｓ　。

Ｖｏｌ、５１　（１９８３）　　Ｐ、ｐ、　２００３〜
２００Ｂ’）　−［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、
特に数１０λ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１ｉｓｉ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
成する際に、このイオン種によって薄膜各層間の界面は
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ＮＩｓ膜を作製することは困難である。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、上述従来例の欠点を除去するべくなされたも
ので゛あって、反応室内に２種類以上の原料ガスを導入
し、導入した原料ガスに高エネルギー光を照射して、光
化学反応を起こさせることによって反応室内に設置され
た基板上に薄膜を堆積する方法において、基板上に多層
の薄膜を堆積するように予め設定されたタイミングに従
って２種以上の原料ガスを切り換えて反応室内に導入し
、さらに高エネルギー光の照射のタイミングを制御する
ことを特徴とする。

［実施例］ 第１図は本発明を実施するための堆積膜形成法の構成を
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。

８．９および１０は反応室ｌ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は排気管１１を
介して反応室ｌに接続され、排気装Ｍ８は排気管２０お
よびｉｔを介して反応室ｌに接続され、排気装置ｉ１０
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能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、排気装置９はメカ
ニカルブースタポンプとロータリポンプとの組み合わせ
が好ましい。

１７は排気管ｉｔ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１１
に設けられたストップバルブである。排気管２０は２つ
のバルブ１５．１７間において、排気管１１に連通する
。１４は排気管２０に設けられたストップバルブ、　１
Ｂ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１８を介して反応室１に供給され、またヴエン
トライン８０を介してストップバルブ１４より上流側の
排気管２０に供給される。

１３は供給管１８の３４の途中に各々設けたストップバ
ルブである。

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１！Ｘ２２としては、具体的には１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ＣＯ□レーザなどかある。

７はシステム制御コントローラであって、ガス供給源３
２．光＄１（２２および各バルブを制御する（詳細は後
述する）。

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は真空計であって、反応室ｌおよび前室２内
の真空度を各々計測する。

３９は反応室ｌ内の原料濃度を測定するための質量分析
計、１０１は薄膜を堆積する支持体（基板）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、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（基板）の温度を推定することもできる）　、　１
０２は支持体ＵＳ板）上に堆積された薄膜の厚さを測定
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！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、ＣＨ４、ＣＦ４およびＮＨ３など）
源である。各ガス１Ｉ４１−４８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
方弁８１〜８８．流量制御および流量計測可能な各マス
フローコントローラ５１〜５Ｂおよび各三方弁６１〜Ｃ
８を介して木管７８に供給され、この本管７９において
適宜混合され、供給管１Ｂに供給される。

一方、パージ用ガス源４Ｇからのガスは、管７Ｇおよび
三方弁８１〜８８を介して管７１〜７８に供給され、容
管７１〜７Ｂおよび木管７９を適宜パージする。各弁８
１〜１３８　、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、堆積膜の膜厚、支持体（基板）温度、ガ
ス温度などの入力情報（測定値）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。

第４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７０ツピーデイスクドライ
バ１０３に記憶されており、これがＣＰＵ　１０４内の
内部メモリーに読みこまれる。１０５はＣＰｔ１１０４
からの指令により各バルブを駆動するドライバ、１０Ｂ
はマスフローコントローラインターフェイス、　１１１
〜１１８はインターフェイス１０８を介してＣＰｏ　１
０４からの指令を受け　　　　　杏で各マスフローコン
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７１〜７８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１０Ｂ
を介してｃｐｕ　ｔ。

４に入力される。

１０７は光源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光源２２が
制御される。１０９は支持体（基板）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
、ＣＰＵ１０４からの指令に基づいて支持体（７１！；
板）の温度を制御する。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Ｓ１において１反応室ｌ内を真空にする
。これは１次のようにして行う、ストップバルブ１３，
１５．ゲートバルブ３を閉じ、ス）ｙプバルブ１４．ス
ロットルバルブ１７を開き、排気装Ｍ８によって１反応
室１内を１０″″’Ｔｏｒｒ程度の真空度にする。なお
、このとき、反応室ｌ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
！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上部の蓋を閉じ、ス
トップバルブ１Ｂを開けて排気装ａｔｔｏによって前室
２内を１０−７〜１０４Ｔｏｒｒ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ｌ内に搬送し、同室ｌ内の
基板ホルダ上に載置し、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１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２０Ｇ−４００℃に設定する（温度計ｌｏｔ
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、反応室１内に原料ガスを供
給する。すなわち、ストップバルブ１３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ｉ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きる
。

次にステップＳ５において、反応室ｌ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ｓ６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ｌ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８によって排気されているので、反
応室ｌ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、光照射が所定時間行われた
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（これはガス
供給源３２における各ガスのラインの最下流の三方弁を
ヴエントライン３０偏に切換えることによって行う）、
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、ガス圧カ、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
に薄膜堆積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１０
人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ＳｌＧにおいて薄膜堆積後の基板をとり出
す、すなわち、反応室１内を再び１Ｏ−７Ｔｏｒｒ〜１
Ｇ”Ｔｏｒｒ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　　　　　　　
、ｒ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。量子サイズ
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１ｏｏ層積層するもの
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ｌ内の所定の位置に
Ｍき、加熱する過程（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１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ラン（５ｉｚＨも）
　、水素（Ｈ２）およびアンモ冊７（ＮＨ３）の３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８図に従って説明すΔ、まず、５ｉｚ
Ｈ６＊　　Ｈ２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側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流量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、側光ｊｆｓｉ２
）（ｔ、　ｔｔＯ，５；ＣＣＮ　、　　Ｈ２ｔｒＡＯ９
ｃｃＮ、　ＮＨ３を５０ＳＣＣＭ流すものとする。

次にステップＳ２５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Ｓ２Ｂにすすんで光源、例えば低圧水銀
灯の光を反応室ｌ内にｔ１時間だけ照射し、ステップＳ
２７において基板上に２０人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９
ｏの方に変更して原料ガスの中にＮＨ，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９３Ｇにすすんで、光源光を１２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１．．
１２の値は、予め単１’Ｍ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）　、　２０Ａに達したならば、ステップＳ３
２にすすみ、薄膜積層数が１００かを判断する。１００
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、さらにその上に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、ブ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自
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、ガス混合、
温度ｒＩ４ｒｒ１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、例として水素化アモルファスシリコンおよび
水素化アモル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、３種類
以上の異なる堆積膜を積層する場合あるいは非結晶半導
体、絶縁体および金属からなる多ＭＨを作製する場合の
手順も上記同様であって、本発明は堆積する膜の種類を
問わない。

なお、反応に使用しないガスは、同じ流量でヴエントラ
イン８０に流すので、ガス切換時のガス流量変動を少な
くすることができ、良質な界面を持つ多層薄膜は得られ
る。

［発明の効果１ 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制御性良く堆積することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施するための堆ａＳｙｆｊ成法の構
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図および第８図は本発明による膜堆積手順の例を示
す図である。 ｌ・・・反応室、 ２・・・前室、 ３・・・ゲートバルブ、 ７・・・ＲＦ定電源たはマイクロ波電源、８．９．１０
・・・排気装置、 １１．１２．２０・・・排気管、 １３．１４，１５．１６・・・ストップバルブ、１７・
・・スロットルバルブ。 １８・・・原料ガス供給管、 ２２・・・光源、 ２３・・・基板搬送機構、 ３２・・・ガス供給源、 ３５　、２８・・・真空計。 ３Ｂ・・・質量分析計、 １０１・・・温度計、 １０２・・・膜厚計。 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 反応室内に２種類以上の原料ガスを導入し、導入した原
   料ガスに高エネルギー光を照射して、光化学反応を起こ
   させることによって前記反応室内に設置された基板上に
   薄膜を堆積する方法において、 前記基板上に多層の薄膜を堆積するように予め設定され
   たタイミングに従って２種以上の原料ガスを切り換えて
   前記反応室内に導入し、さらに前記高エネルギー光の照
   射のタイミングを制御することを特徴とする堆積膜形成
   法。