JPS6222422A

JPS6222422A - 堆積膜形成装置

Info

Publication number: JPS6222422A
Application number: JP16113485A
Authority: JP
Inventors: Hisanori Tsuda; 津田　尚徳; Katsuji Takasu; 高須　克二; Masafumi Sano; 政史佐野; Yutaka Hirai; 裕平井
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1985-07-23
Filing date: 1985-07-23
Publication date: 1987-01-30

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１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
な堆積膜形成装置に関するものである。［従来の技術］結品半導体多層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、Ａｂｅｌｅｓａｎｄτ、　Ｔｉｅｄ
ｊｅ　、　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔ
ｅｒｓ　。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ｌＯ人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、ＦＩｇ！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
半導体多層薄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、反応室と、反応室内に２種類以上の原料ガ
スを導入するための原料ガス導入手段と１反応室内にお
いて基板上に薄膜を堆積するように少なくとも原料ガス
を分解するのに必要なエネルギーを反応室に導入する分
解エネルギー導入手段と１反応室内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
従ってガス導入手段および分解エネルギー導入手段を制
御する制御手段とを具えたことを特徴とする。［実施例１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ｌＯ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９は排気管１１を
介して反応室ｌに接続され、排気装ｆｌＢは排気管２０
および１１を介して反応室！に接続され、排気装置ｌＯ
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ｌ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１１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ｖ１１に連通ずる
。１４は排気管２０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１８を介して反応室ｌに供給され。またヴエントライン９０を介してストップバルブ！４よ
り上流側の排気管２０に供給される。１３は供給管！８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ｌに導入された反応ガスを光分解するため
の光源であり１反応室１に具えられた窓からその中に光
を入射する。光源２２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
ＣＯ２レーザなどがある。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．光源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１ど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１および前室２内
の真空度を各々計測する。３９は反応室１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ｌ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）　、　１０２は支持体（基
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ｌ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、５ｉ）１４　、　Ｓｉ
２Ｈ６。Ｂ、Ｈ６，ＰＨ３，ＣＨ４，ＣＦ４およびＮＨ３など）
源である。各ガス源４１〜４８からのガスは６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５１〜５８および各三方弁６１〜６８
を介して木管７８に供給され、この木管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８１〜８日を介して管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〜Ｅｉ８，８１〜８８．９１〜９８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、ｊＸ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ａｇの膜厚、支持体（基板）温度、
ガス温度などの入力情報（０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ｇＩ（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ＣＰＩＪ　１０４内
の内部メモリーに読みこまれる。１０５はＣＰＵ　１０
４からの指令により各バルブを駆動するドライバ、１０
Ｂ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　　　　　１フエイス１０８を介し
てＣＰＵ　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７１〜７８内を流れるガスの流量の測定値は、各
二二ッ）　１１１〜１１８およびインターフェイス１０
Ｂを介してＣＰＵ　１０４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ＣＰＵ１０４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、
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。各要素の接続は例えばＩＥＥＥ　４８
Ｂ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Ｓｔにおいて、反応室１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１３，
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を開き、排気装置８によって、反応
室ｌ内を１０−７〒ｏｒｒ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！ｔＭし、ついで前室２上部の蓋を閉じ、
ストップバルブ１６を開けて排気装置１０によって前室
２内をｌｏ−７〜ｌＯ→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ｌ内に搬送し、同室１内の
基板ホルダ上にａ２１Ｌ、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２００〜４００℃に設定する（温度計１０１
の測定値を参照して温度制御する）。次にステー、プＳ４において、反応室！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！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Ｓθ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ｌ
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１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９０側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１Ｇ−７Ｔｏｒｒ〜１
０′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を大気圧にもど
して、塩８１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′ｔＩｉ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１００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
置き、加熱する過程（ステップ９２１〜５２３）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ラン（５ｉｚＨら）
　、水素（Ｈ２）およびアンモニア（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図に従って説明する。まず、　Ｓｉ
２Ｈ６、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９０からガス供給
管１８偏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、例えばＳｉ２Ｈ６
をＱ、５ＳＣＣＮ　、　　Ｈ２を１０９００Ｍ、　ＮＨ
３を５０ＳＣＧＭ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１例えば低圧水
銀灯の光を反応室１内に１．時間だけ照射し、ステー、
ブＳ２７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
３０の方に変更して原料ガスの中にＮＨ３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Ｓ３０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ｔＩ
　＋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、ステー２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、ステップ３３３にすすんで反応室ｌ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、
温度調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、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、絶縁体および全屈からなる多層膜を作製する場合の
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９０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塩ｍ膜形成装置の構成
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。１・・・反応室、２・・・前室、３・・・ゲートバルブ、７・・・ＲＦｔ源ま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、３９・・・質量分析計。＋０１・・・温度計、１０２・・・膜厚計。を第３図

Claims

【特許請求の範囲】反応室と、該反応室内に２種類以上の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基板上に薄膜を堆積するように少
なくとも原料ガスを分解するのに必要なエネルギーを当
該反応室に導入する分解エネルギー導入手段と、前記反応室内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前記ガス導入手
段および前記分解エネルギー導入手段を制御する制御手
段とを具えたことを特徴とする堆積膜形成装置。