JPS63248120A - 薄膜形成方法及びその装置 - 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〕 本発明はマイクロ波放電によるプラズマを用いて低温で
膜質や界面特性がよい特にアロイ系薄膜を形成する形成
方法及びその装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、半導体及び絶縁体薄膜を低温で形成する場合、高
周波プラズマＣＶＤ法が広く採用されているにも関わら
ず、プラズマＣＶＤ法における成膜の反応プロセスはい
まなお不明な点が多い。これは、原料ガスをプラズマ中
の電子との衝突により分解するが、この反応を起こさせ
る電子のエネルギーの大きさが小さなものから大きなも
のまで広く分布しており、プラズマ中での反応生成物質
の種類が多く、成膜に関する反応が複雑であるためであ
る。

プラズマＣＶＤ法では一般に得られる膜質は成膜条件に
大きく依存し、最適条件から僅かにずれるだけで膜質が
悪くなるため再現性が悪い。従って、プラズマＣＶＤ装
置において再現性を良くすることは難しい。これは成膜
反応が複雑なことに起因していると考えられる。

このプラズマＣＶＤ法では、非晶質シリコンのように主
たる構成元素が単体の場合、比較的よい膜質の膜を得る
ことができる。しかし、主たる構成元素が複数からなる
アロイ系の薄膜については必ずしも良質な膜が得られて
いない。例えば、非晶質炭化シリコンにおいては、炭素
とシリコンの２種類の原子で膜が構成される。プラズマ
ＣＶＤ法では炭素原子を含むガスとシリコン原子を含む
ガスを混合し、この混合ガスを高周波プラズマ中で分解
させ成膜している。しかし、炭素系の活性種とシリコン
系の活性種の化学的活性度が異なっているため、それぞ
れの活性種にとって良質な膜を形成する条件が異なる。

その結果、得られる膜質が良くなるとは限らない。実際
、非晶質シリコンと同等の膜質の炭化シリコンは得られ
ていない。炭素の割合が増加するに従い、膜質は悪化す
る。これはプラズマ中での反応が複雑で、成膜を支配し
ている反応種の制御が十分に行われていないためと考え
られる。

また、プラズマＣＶＤ法では基板表面がプラズマにさら
されているため、プラズマ中に存在する一部の高エネル
ギー粒子による損傷が発生する。これによる影響は下地
との界面特性の悪さとして指摘されている。特に、電界
効果型薄膜トランジスタや太陽電池等の界面が重要なデ
バイスの特性においてこの影響が現れている。

このようなプラズマＣＶＤ法の欠点を除去すると共に、
新しい成膜法として、活性種のもつエネルギーにより化
学反応を起こし薄膜を形成する方法が研究開発されてい
る。現時点では、必ずしも活性種の定義が確定していな
いが、ここでは外部から何等かの方法でエネルギーを加
えることにより分解あるいは内部のエネルギー状態が高
くなった電気的に中性な原子あるいは分子で、その中間
的な状態が準安定状態となり、その寿命が比較的長いも
のと考え、励起種と呼ばれているものと同一の意味で用
いている。

この活性種を用いた成膜法の特長は単一の大きさのエネ
ルギーで成膜反応を起こしている点にある。これは、活
性種の持つエネルギーを利用して原料ガスを分解したり
、化学反応を起こしたりすることにより成膜しているが
、活性種は準安定状態となるエネルギーレベルに励起さ
れたもの以外寿命が非常に短く、活性化空間の外に輸送
することができない。従って、活性種は準安定状態のエ
ネルギーレベルに相当する大きさのエネルギーの大きさ
しか持っていない。従って、膜形成反応はプラズマＣＶ
Ｄ法に比べて単純で制御しやすい。さらにプラズマＣＶ
Ｄ法のように高いエネルギーを持つ粒子が存在しないた
め、いわゆるプラズマダメージが発生せず、界面特性が
良くなる。

次に、活性種を用いた成膜例について述べる。

まず、希ガスを励起した活性種ＣＶＤ法がある。

Ａｒ、　Ｋｒ、　Ｘｅ等の希ガスは比較的高いエネルギ
ーの安定状態があり、その励起状態における寿命も比較
的長い。そこで、直流グロー放電により、Ａｒ分子を励
起し、励起状態のＡｒをＳｉＨ４に作用させ、その活性
種の持つエネルギーによってＳ　ｉ　ＩＩ　４ガスを分
解し、非晶質シリコンを成膜した例がある（アプライド
・フィジクス・レターズ、　（ＡｐｐＬ、Ｐｈｙｓ、Ｌ
ｅｔｔ。

４６、５８４．１９８５））。

また、水素原子の励起状態を利用した成膜例もある（ジ
ャーナル・オブ・ノンクリスタライン・ソリッズ、　（
Ｊ、　Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔ、　５ｏｌｉｄｓ、　７７／
７８．７９３゜１９８５））。この方法は、ＳｉＦ、と
Ｈ，をそれぞれ別々にマイクロ波放電により分解・励起
し、活性種同士を反応させることにより、非晶質シリコ
ンを成膜している。ここでは水素の活性種はＴ＆　Ｉ漠
を助ける働きをしている。

また１本発明の対象物であるアロイ系薄膜を活性種を用
いて堆積した例もある（特開昭６１−１９３４２６号）
。この従来例に用いた成膜装置を第２図に示す。すなわ
ち、第２図において、　ＳｉＦ４ガスをパイプ２１に通
して活性化空間２２に導入する。活性化空間２２中にお
いて電気炉２３により１１００℃に保持した固体シリコ
ン２４と反応させシリコンの活性種であるＳｉＦ２を生
成する。また、　ＣＨ４ガスをパイプ２５に通して第２
の活性化空間２６に導入しマイクロ波プラズマ発生装置
２７によりマイクロ波放電させ炭素の活性種を生成する
。２９はガス圧力計である。これら２種類の活性種をそ
れぞれ別々にガス導入管２８ａ、　２８ｂを通じて成膜
空間３０に導入し、化学反応により炭化シリコンを基板
３１上に成膜するものである。

プラズマダメージのない活性種を利用した成膜法は、比
較的成膜反応がプラズマＣＶＤ法に比較して単純なため
、アロイ系半導体のように構成元素が多種類になり成膜
条件が多少変わっても得られる膜質はあまり変わらず、
再現性がよい。しかも、高エネルギー粒子が存在しない
ため、界面特性もよい。

〔発明が解決しようとする問題点〕

活性種を用いた薄１漠の形成方法において、従来例のよ
うに活性種を生成する空間と成膜する空間とを離れた位
置におくと、活性種を活性化空間から成膜空間に輸送す
る必要がある。従来、この活性種の輸送にはガス導入管
が用いられているが、輸送するのに時間がかかる。この
ため、活性種の寿命は０６１秒以上、より好ましくは１
秒以上、最適には１０秒以上が必要とされている。しか
し、・一般に活性種の寿命は通常数ミリ秒程度であると
いわれており、この方法で利用できるような例えば１０
秒以上の長い寿命を持つ活性種はむしろ例外的で、　Ｓ
ｉＦ２等ごく少数しか知られていない。通常の原料ガス
を励起することにより生成できる多くの活性種は成膜空
間に到達する前に死滅し、成膜に寄与できない。つまり
、従来の方法では特定の原料ガスを特定な方法で励起す
ることでしか得られない寿命が非常に長い活性種しか使
用できなかった。しかも、活性種を用いた成膜方法にお
いては得られる膜質は成膜条件に余り依存せず、反応を
引き起こす励起種の種類により支配される。従って、こ
の従来法のように使用できる活性種が特定されると、得
られる膜質も自ずから決まってしまい、膜質の改善が難
しかった。

本発明の目的は成膜に寄与する活性種を選択し、得られ
る膜質を制御し、高品質な薄膜を形成する方法及びその
装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は複数の原料ガスをそれぞれ別個独立した活性化
空間内でマイクロ波のエネルギーにより分解し、生成さ
れる活性種をそれぞれ別々に成膜空間に輸送し、該成膜
空間内で前記活性種の持つエネルギーにより化学反応を
起こし、前記成膜空間に設置された鋸板上に薄膜を堆積
させる薄膜形成方法において、それぞれの前記活性化空
間毎に前記基板との距離を変化させ、輸送途中に不必要
な活性種を死滅させて必要な活性種のみを前記基板に輸
送し薄膜形成を行う薄膜形成方法及び、複数のマイクロ
波源から出力されるマイクロ波を別個独立に導入する複
数のキャビティと、Ｍ記キャビティに窓を介して連通し
、その内部空間に基板を保持する成膜室とを有し、複数
の前記キャビティにそれぞれ異なった原料ガスを導くと
ともにそれぞれ異なる大きさのマイクロ波のエネルギー
を導入することにより各前記キャビティ内でプラズマを
発生させ、各前記ガスを分解励起し、分解された活性種
を前記窓を通して前記成し室に導き、前記成膜室に設置
された前記基板上に薄１１りを成膜する薄膜形成装置に
おいて、前記キャビティ毎に該キャビティと１１１■記
基板との間の距離を、特定の活性種のみが選択されて前
記鋸板に到達するのに必要な距離に調節する機構を有す
ることを特徴とする薄膜形成’ＪＡｍである。

〔作用〕

本発明の薄膜形成方法について詳細に説明する。

前述したように、活性種を用いた薄膜形成方法では、膜
質を向上させるには成１肱に寄与する活性種の種類を制
御することが必要である。マイクロ波放電を用いて活性
種を生成する方法では得られる活性種の密度は大きいと
いう利点がある反面、特定の活性種だけを選択的に励起
することが難しい。従って、活性化空間から膜を形成す
る基板表面にまで輸送する過程で何等かの方法で活性種
を選択しなければならない。そこで、本発明では活性種
のｈ命に注目し、この輸送中に不必要な活性種を死滅さ
せ、必要な活性種のみを基板に輸送するものである。活
性種を死滅させるには、活性種自身の寿命時間の短さに
より行う方法と、雰囲気ガスとの衝突により反応あるい
は再結合させることにより励起種のエネルギーを奪う方
法が考えられる。これらは共に、活性化空間から基板表
面までの距離を変えることにより実現できる。輸送距離
を長くすることにより、この輸送時間が長くなるため、
短い寿命の活性種は死滅する。例えば、原料ガスがＧｅ
１４の場合、プラズマにより分解すると、　ＧｅＨ，ｖ
　Ｇｅ１２１　Ｇｅ１（などの活性種が形成される。

このＧｅを含む活性種のうち、ＧｅＨ，は非常に寿命が
長いが、　Ｇｅｌ＋、以外の活性種は化学的に活性であ
り。

しかも寿命は数百マイクロ秒と比較的短い。従って、距
離を長くすることにより選択的にＧａ１ｌ、のみを基板
まで輸送できる。逆に、距離を短くすれば。

全ての活性種が利用できる。また、輸送距離が長くなる
ほど雰囲気ガスとの衝突回数も増え、反応性が高い活性
種は雰囲気ガスと反応あるいは再結合してしまい、鋸板
に到達できなくなる。このように、活性化空間と基板と
の距離を変えることにより、活性種が選択でき、得られ
る膜質も制御できる。

次に、本発明の薄膜形成装置について説明する。

第１図は第２の発明の薄膜形成装置の一実施例を示す断
面図である。本発明の薄膜形成装置は。

成膜室１３と活性化空間であるキャビティ５．６からな
る。キャビティの数はこの実施例では２つであるが３つ
以上でもよい。第１図において、２つのマイクロ波発生
源を用い、導波管１及び２よりマイクロ波電力をそれぞ
れ独立に入射させる。２つのマイクロ波電源は図示され
ていないが、例えば周波数２．４５ＧＨｚのマグネトロ
ンを用いることができ、マグネトロンにより発生したマ
イクロ波電力はアイソレータ、マイクロ波電力計及び整
合器を通じて導波管１と２に導かれている。各マイクロ
波電力は石英製マイクロ波導入窓３及び４を通して、各
キャビティ５，６に導かれる。マイクロ波導入窓３，４
は真空シール性をもち、かつマイクロ波が透過するよう
な性質を持つ他の材料、例えばアルミナのようなセラミ
ックでもよい。このキャビティ５，６はマイクロ波のエ
ネルギーにより加熱されるため、冷却水により冷却でき
るようになっている。ここで用いたキャビティは直方体
である。

直方体のキャビティを用いることにより２つのキャビテ
ィを近づけてｇ！：を置することができ、成膜室での分
解生成種の混合が容易になる利点があるが、キャビティ
の形状は内部でマイクロ波の定在波が生じる限りどのよ
うな形状でもよい。キャビティ５．６において、原料ガ
ス導入口９．１０より２種類の原料ガスを導入し、マイ
クロ波のエネルギーによりプラズマを発生させ、原料ガ
スを分解し、活性種を生成する。キャビティ５とキャビ
ティ６に導入されるマイクロ波電力の大きさは独立して
変えられる。活性種は各キャビティ５，６に設けられて
いる開孔１１．１２を通して成膜室１３に導かれる。成
膜室１３には基板ホルダー１４の上に試料基板１５が固
定されており、基板ホルダー１４が内蔵されているヒー
ターにより加熱することにより間接的に試料基板１５の
温度を上げられるようになっている。試料基板１５とキ
ャビティ５の間隔はスペーサ７の高さを選ぶことにより
変え、また、基板ホルダー１４は支持棒８の長さを調節
することにより上下に可動できるようになっており、キ
ャビティ５，６と試料基板１５の距離を相対的に変化さ
せ、輸送中に不必要な活性種を死滅させて必要な活性種
のみを基板１５に輸送するようになっている。２つのキ
ャビティ５，６内で生成した活性種は成膜室１３におい
て混合され、ラジカル反応及び表面化学反応により試料
基板１５の表面に固定薄膜を形成する。不用のガスは排
気口１６から排気ポンプにより排気される。

基板ホルダー１４の加熱方法は本実施例では基板ホルダ
−１４の内部に組み込まれているヒーターにより直接加
熱しているが、基板ホルダーの近くに設けられたヒータ
ーやランプからの輻射熱により間接的に加熱してもよい
。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。第１図は本発明の薄膜形成装置の一実施例の断面図で
ある。

まず、薄膜半導体である非晶質シリコンゲルマニウムを
堆積させる例について述べる。第１図において、成膜室
１３を排気口１６からターボ分子ポンプを用いて真空度
１０−’Ｐａ以下にまで排気した後、京料ガスとして水
素希釈５％ＧｅＨ４ガスを原料ガス導入口９からキャビ
ティ５に、同じく水素希釈２５％ＳｉＨ，ガスをガス導
入口１０からキャビティ６に導入する。キャビティは直
方体で、内寸が５５ｍｍＸ２３０ｍｍＸ１９０ｍｍであ
る。図示されていないが本実施例で用いられたマイクロ
波発生源は定格ｓｏｏｗと１．３ＫＶの発振周波数２．
４５ＧＨｚのマグネトロンを用いている６各マイクロ波
電力は導波管１，２を通じてキャビティ５，６に導入さ
れる。マイクロ波導入窓３，４として厚さ１■の石英板
を用いている。成１１ケ条件は、水素希釈５％Ｇａ１１
４ガスを流量３００３ＣＣ阿、同じく水素希釈２５％Ｓ
ｉＨ４ガスを流＋ｆ　２００ＳＣＣＭ、マイクロ波電力
はそれぞれ２００す、５００Ｗを投入した。このとき真
空度は５０Ｐａであった。成ｊ摸室１３には基板ホルダ
ー１４に基板１５が固定されており、基板ホルダー内に
内蔵されているヒーターにより基板１５が２６０℃に加
熱されている。基板ホルダー１４は支持棒８の長さを調
節することにより上下に２０ＣＩＩ＋程度動かすことが
できる。本実施例では、キャビティ６と基板１５の距離
を８ａｌｌに固定した。また、キャビティ５と試料基板
１５との距離は適当な高さのスペーサ７を挿入し調節す
る。本実施例では、この距離を８０から３０個まで変化
させた。この結果、距離が８国の場合に得られる非晶質
シリコンゲルマニウムの膜は、光学的バンドギャップが
１　、４ｅＶで、ＡＭＪの光を照射したときの光導電率
がｔｏ−７（Ω・ａｎ）−”であり、余り膜質はよくな
い。ところが、距離を１５ａｍと長くし、化学的に活性
なＧｅの活性種を除去したところ、光学バンドギャップ
は余り変化しなかったが、同じ条件で測定した光導電率
の大きさがｓ　Ｘ　１０−’　（Ω・口）−１と非常に
大きな値を示し、膜質が改善されたのが確認できた。

本実施例は非晶質シリコンゲルマニウムの形成であるが
、原料ガスを変えればいろいろな膜を形成でき、活性化
空間と基板の距離を選べば］良質の改善も可能である。

例えば、　ＳｉＨ４ガスだけを使えば非晶質シリコン膜
が堆積する。窒化シリコン膜を堆積させたいならば例え
ば５ｉ）１．とＮ１１．やＮ２を。

酸化膜ならば例えば５ｉｎ４とＮ２０を、非晶質シリコ
ンルカーバイトならば例えばＳｉＦ４とＣ，Ｈ６を用い
ればよい。

〔発明の効果〕

このように本発明によれば、成膜に寄与する活性種を選
択することができ、得られる膜質を向上できる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の薄膜形成装置の一実施例を示す断面図
、第２図は従来方法を実施するための薄膜形成装置の模
式図である。 １．２・・・導波管　　　　　　３，４・・・マイクロ
波導入窓５．６・・・キャビティ　　　　７・・・スペ
ーサ８・・・支持棒　　　　　　９，１ｏ・・・原料ガ
ス導入口１１．１２・・・開孔　　　　　　１３・・・
成膜室１４・・・基板ホルダー　　　１５・・・基板１
６・・・排気口

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の原料ガスをそれぞれ別個独立した活性化空
   間内でマイクロ波のエネルギーにより分解し、生成され
   る活性種をそれぞれ別々に成膜空間に輸送し、該成膜空
   間内で前記活性種の持つエネルギーにより化学反応を起
   こし、前記成膜空間に設置された基板上に薄膜を堆積さ
   せる薄膜形成方法において、それぞれの前記活性化空間
   毎に前記基板との距離を変化させ、輸送途中に不必要な
   活性種を死滅させて必要な活性種のみを前記基板に輸送
   し薄膜形成を行うことを特徴とする薄膜形成方法。
2. （２）複数のマイクロ波源から出力されるマイクロ波を
   別個独立に導入する複数のキャビティと、前記キャビテ
   ィに窓を介して連通し、その内部空間に基板を保持する
   成膜室とを有し、複数の前記キャビティにそれぞれ異な
   った原料ガスを導くとともにそれぞれ異なる大きさのマ
   イクロ波のエネルギーを導入することにより各前記キャ
   ビティ内でプラズマを発生させ、各前記ガスを分解励起
   し、分解された活性種を前記窓を通して前記成膜室に導
   き、前記成膜室に設置された前記基板上に薄膜を成膜す
   る薄膜形成装置において、前記キャビティ毎に該キャビ
   ティと前記基板との間の距離を、特定の活性種のみが選
   択されて前記基板に到達するのに必要な距離に調節する
   機構を有することを特徴とする薄膜形成装置。