JPS6222424A

JPS6222424A - 堆積膜形成装置

Info

Publication number: JPS6222424A
Application number: JP16113685A
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
Anticipated expiration: 2010-07-31
Also published as: JPH0770484B2

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
、　Ｔｉｅｄｊｅ　、　Ｐｈ７ｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅ
ｖ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　。

Ｖｏｌ、５１　（１９８３）　　ｐ、ｐ、　２００３〜
２００８）　。

［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］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１反応室と、反応室内に設定された基板を加
熱又は冷却する温度制御手段を、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反応室内の原料ガスを
分解する分解手段と、ガス導入手段および分解手段を制
御する制御手段とを具え、分解手段は、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
、反応室に連接したプラズマ室内で発生させたラジカル
種を反応室内に導いて原料ガスを分解する手段とを有し
、制御手段は、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
、光源からの光照射のタイミングおよびラジカル種の反
応室内への導入を制御する手段を有することを特徴とす
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、ｌは反応室、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８を介して連
接したプラズマ室である。７はプラズマ室へ内でプラズ
マ放電を発生させるだめのＲＦもしくはマイクロ波の放
電用電源である。

８．８およびｌＯはプラズマ室４１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
は排気管３０を介してプラズマ室４に接続され、排気装
置９は排気管３１を介して反応室ｌに接続され、排気装
置ｌＯは排気管！２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３
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。

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？間において、２つの排気管３０および３１を連通す
る。　１４は連結管１１に設けられたストップバルブ、
１６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８および分岐管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ｌ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からの原料ガスを例え
ば予め設定した温度に加熱する。１９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ランフ、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。

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）−／
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
１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ｌおよび前室２内の真空度を各々計測する。

３８は反応室１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は薄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、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　　　　　ｊ・れた薄膜の厚さを測定するための
膜厚計であうで、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、　　ＳｉＨ４，Ｓｉ２
Ｈ６。

Ｂ２Ｈ６、ＰＨ３、０１４、ＧＦ４および８１３など）
源である。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
弁８１〜８日、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〜ｅ８
を介して本管７８に供給され、この本管？９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ｆｉ４０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。喜寿
８１〜８８．８１〜８８．９１〜９８および各マスフロ
ーコントローラ５１〜５日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ｉ　！ｇ／　ｌ）１に示すようなシ　４
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１
０６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丙の流量検出
手段からの、各管７１〜７８内を流れるガスの流量の測
定値は、各ユニー／　）１１１〜１１８およびインター
フェイス１０６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ＣＰｔ１１０４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ＣＰＵ　１０４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、反応室１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オよび１５゜ゲートバ
ルブ３を閉じ、ストー／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、排気装置８によって、反応室１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
ｌ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１６を開けて排気装置ｌＯによって前室２
内を１０−７〜１０”丁ｏｒｒ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、
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、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１反応室ｌ
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ＣＰＩＪ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Ｂ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ｌｏ＝Ｔｏｒｒ〜１０
”　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、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ン（Ｓｉ２Ｈ６）
　、水素（Ｈ２）およびアンモニア（ＮＨ３）のン種類
である。ガス温度は１００〜２００°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、Ｓｉ
２Ｈ６、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８０からガス供給管１
８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Ｓｉ２Ｈ６を３
ＳＣＣＭ　　、　Ｎ）Ｉ３を８０ＳＣＣＭ流すものとす
る。またＨ２２０５ＣＣＭを供給管２４からプラズマ室
４に供給し、そこからゲートバルブ５．バリアプルオリ
フィス６を介して反応室１に流入する。

次にステップＳ２５において１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３２６にすすんで光源、例えば低圧水銀
灯の光を反応室１内にｔｌ時　　　　。

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ＦＪＯの方に変更して原料ガス
の中にＮＨ３が泣れこ亥ないようにする。次にステップ
Ｓ２９において、原料ガス原着が定常状態に達したかを
判断し、達していれば、ステップＳ３Ｇにすすんで、光
源光をｔ２時間明対し、さらに、第６図に示すようなタ
イミングで１３時間の間プラズマ室４内にＲＦ又はマイ
クロ波の電源７からパワーを入力して、放電させると同
時に、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に拡散させ、反応
室ｌ内にガス供給源１８より供給された原料ガスを光エ
ネルギーで分解すると共にラジカル種の持つエネルギー
によって分解して基板上に堆積させる。イオン種でなく
、ラジカル種によって原料ガスを分解するので堆積層の
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
。

つぎにステップ５３１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ｔｌ、ｔ２　＊ｔ３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、薄膜
積層数が１００かを判断する。１０ｏ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人の水素化アモルファス窒化シリコンを堆積さ
せ、さらにその上に２０人の水素化アモルファスシリコ
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Ｓ３３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１本発明は堆積する膜の種類を
問わない。

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、原料ガスを直接、反応室ｌに供給するのでなく
、ストップバルブ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ｌ
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！内に直接、エツチング性のガス
を導入し、光源２２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。

［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、光分解することおよびグ
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、３．５．１３・・・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電源またはマイクロ波電源、８．９．１０
・・・排気装置、１１．１２・・・排気管、１４．１５，１１３．２５・・・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、２１・・・ヒータ、２２・・・光源、２３・・・基板搬送機構、３２．３５・・・ガス供給源、３８．３７．３８・・・真空計。３８・・・質量分析計、ｔｏｏ、ｔｏｉ・・・温度計、１０２・・・膜厚計。第３図く＝−←　　　　　←

Claims

【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又は冷却する温度制
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当該反応
室内の原料ガスを分解する分解手段と、前記ガス導入手段および前記分解手段を制御する制御手
段とを具え、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と、前記反応室に連
接したプラズマ室内で発生させ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手段とを有し、前記制御手段は、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、光源からの光照射のタイミングおよびラジカル種の
反応室内への導入を制御する手段を有することを特徴と
する堆積膜形成装置。