JPS6222423A - 堆積膜形成装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は１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５ｉ
０２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めろ。

［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、　　Ａｂｅｌｅｓａｎｄ　Ｔ、　Ｔｉ
ｅｄｊｅ　、　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅ
ｔｔｅｒｓ　。

Ｖｏｌ、５１　（１９８３）　　ｐ−ｐ、　２００３〜
２００６）。

［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１０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、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］ を加熱または冷却する温度制御手段と、反応室内に７２
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、反応室内において温度制御手段によって所定温度に
制御された基板上に薄膜を堆積するように少なくとも１
種類の光を反応室内に照射して原料ガスを分解する光源
と、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、原料ガス種の切り換えおよび光
源からの光照射のタイミングを制御する手段とを具える
。

［実施例］ 第１図は本発明にかかる堆積膜形成装置の一実施例の構
成を示す。

第１図において、ｌｔ４反応室、２は反応室１にゲート
バルブ３を介して連接した前室である。

４．５および６は反応室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５は排気管７を介し
て反応室１に接続され、排気装置６は排気管８を介して
前室２にｔ１ｃ続され、排気装置４は排気管１７および
７を介して反応室１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４お
よび５の一方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、他方はメカ
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。

１２は排気管７に設けられたスロットルバルブ。

１０はバルブ１２よりも下流側になるように排気管７に
設けられたストップバルブ、排気管１７は２つのバルブ
１０．１２間において、排気管７に連通している。９は
排気管１７に設けられたストップバルブ。

１１は排気管８に設けられたストップバルブである。

１３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に供給される。１４は供
給管１８の途中に設けたストップバルブである。

１５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。光源１５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、エキジャ
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。

１６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。

１９および２０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。

２１は反応室１内の原料濃度を測定するための質量分析
計である。２３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１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）、２４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１に供給するためのガス供給
源１３を示す。

第２図において、４０はパージ用ガス（Ｎ２．）。

４１〜４日は原料ガス（例えば、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６
。

Ｂ２Ｈ６、ｐ）！３．　ＣＨ４，ＣＦ４およびＮＨ３な
ど）源である。各ガス源４１〜４８からのガスは容管７
１〜７８を介し、さらに当該各管７１〜７日に設けた各
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〜
８８を介して木管７９に供給され、この本管７９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、容
管７１〜７８および木管７８を適宜パージする。答弁６
１〜ｅｅ、ａｔ〜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９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　１０４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、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ＣＰＵ　１０
４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アル、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７１〜７
８６内を流れるガスの流量の測定値は、各ユニット１１
１〜１１８およびインターフェイス１０Ｂを介してＣＰ
Ｕ　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ＣＰＵ　１０４からの指令に基づいて光源１５が
制御される。１０８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、ＣＰｏ
　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　４８Ｂ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、反応室！内を真空にする
。これは１次のようにして行う、ストー／プバルブｌＯ
を閉じ、ストー／プバルブ９およびスロットルバルブ１
２を開き、排気装置４によって、反応室１内を１Ｏ−７
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１
６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１１を開けて排気装置６によって前室２内
を１０−７〜１０″″６ＴＯｒＴ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ＩＢによ
って基板を前室２から反応室１内に搬送し、同室１内の
基板ホルダ上に＃＆置し、再び基板搬送機構１６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２３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ｌ内に原料ガスを供
給する。すなわち、ストップバルブ１４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１３か
ら反応室１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１３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Ｓ８にすすんで、光源１５
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４または５によって排気されているので、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Ｓ９におい
て反応室１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ｌθ人程度の薄
い膜でも制御性良く且つ表面を荒らすことなく基板上に
堆積させることができる。

次にステップＳＩＯ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
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１８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
アゞルフ・Ｎり計と水素化７　　　　　　（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！内の所定の位置に
置き、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、反応室１内に原料ガスを
供給する。使用する原料ガスはジシラ７（５ｉ２Ｈ６）
　、　水素（Ｎ２　）およびアンモニア（ＮＨ３）　０
３種類である。ガス温度は１００〜２ｏ。

°Ｃ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、Ｓｉ２Ｈ６、Ｎ２およびＮ１（３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、例えば５ｉ２）１６を０．５ＳＣＣＭ　　、　　Ｎ
２　をＩＯＳＣＣＭ　、　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１内にｔＩ　ｈ間だけ照射し、ステップ
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９
０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３２９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５３０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２０λ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、ステップＳ３２にす
すみ、Ｑ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、ステー、プＳ３２において薄膜積層数が１００
に達したならば、ステップＳ３３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ヲ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。

前記実施例中、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の多層薄膜を作製する際に、第
８図に示したように反応ガスの一部、ここではＳｉ２Ｈ
６とＨ２を、連続的に濠した場合について説明したが：
ｉｔｖ、ｉｆ！’ｔ〆、これらの反応ガスをも断続的に
流して混合ガスの流れを制御することができることは言
うまでもない。

また、光入射窓上にも膜が堆積して、光の透過率を下げ
るようなことがあるが、そのような場合には、いったん
基板を前室２に退避させてからエツチング性のガス、例
えばＣＦ４などを反応質ｌ　　　　　。

に導入し、光［１５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渣である。

［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、 ４．５．６・・・排気装置、 ７．８・・・排気管、 ９．１０，１１．１４・・・ストップバルブ、１２・・
・スロットルバルブ、 １３・・・ガス供給源、 １５・・・光源。 １６・・・基板搬送機構、 １８・・・反応ガス供給管、 １９．２０・・・真空計、 ２１・・・質量分析計、 ２３・・・温度計、 ２４・・・膜厚計。 第３図　　　　　　　　（

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 反応室と、 該反応室内に設定された基板を加熱または冷却する温度
   制御手段と、 前記反応室内に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前記温度制御手段によって所定温
   度に制御された基板上に薄膜を堆積するように少なくと
   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
   する光源と、 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、原料ガス種の切り換えおよび光源か
   らの光照射のタイミングを制御する手段とを具えたこと
   を特徴とする堆積膜形成装置。