JPH04116172A - Method of directly building up active species on distantly placed substrate - Google Patents
Method of directly building up active species on distantly placed substrateInfo
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- JPH04116172A JPH04116172A JP23045590A JP23045590A JPH04116172A JP H04116172 A JPH04116172 A JP H04116172A JP 23045590 A JP23045590 A JP 23045590A JP 23045590 A JP23045590 A JP 23045590A JP H04116172 A JPH04116172 A JP H04116172A
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
光１Ｂグ虜Ｊ１
本発明は一般的に、減圧処理室にガスを導入する導管の
開口端の近傍で堆積前駆物質ガスの活性種を発生させる
ことによって材料薄膜を堆積させる方法に係る。より特
定的には本発明は、遠方に配置された基板の表面に材料
薄膜を直接堆積させるために所望の励起種を高密度で発
生させる方法に係る。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention generally relates to a process for depositing thin films of material by generating active species of a deposition precursor gas near the open end of a conduit that introduces gas into a vacuum processing chamber. related to the method of More particularly, the present invention relates to a method for generating a high density of desired excited species for the direct deposition of thin films of material onto the surface of a remotely located substrate.
本文中で使用される「堆積前駆物質ガス」なる用語は、
外部エネルギ源によって（プラズマから）活性化されて
活性化前駆物質種を発生し、遠方に配置された基板の表
面に堆積させたい堆積種を優先的に形成するためにニオ
・ルギ移動を生じる気体状前駆物質を意味する。この定
義を考慮に入れると、本発明は最も広義には、活性化領
域に流れる比較的高い割合の堆積前駆物質ガスから活性
種のプラズマを発生させ、プラズマから離間して配置さ
れた基板に高流量の活性種を供給し得る方法に係る。As used herein, the term "deposition precursor gas" refers to
A gas that is activated (from a plasma) by an external energy source to generate activated precursor species and undergo nitro-rugi migration to preferentially form the deposited species desired to be deposited on the surface of a remotely located substrate. means a precursor substance. With this definition in mind, the present invention in its broadest sense involves generating a plasma of active species from a relatively high percentage of deposition precursor gases flowing into an activation region and depositing a high concentration of active species on a substrate spaced apart from the plasma. The present invention relates to a method capable of supplying a flow rate of active species.
ル甥！畳り粗
アモルファスシリコン合金材料の分野の高名な研究者達
は、高品質アモルファスシリコン合金材料の成長速度に
は固有の限界があるという説を支持している。ここでは
高品質アモルファスシリコン合金材料を、禁制帯バンド
ギャップの電子欠陥状態が低密度であるためドーピング
即ち不純物原子の添加によって優れた電気的特性値（例
えは、高い光導電率、低い暗導電率が）が得られる材料
であると定義する。Le nephew! Renowned researchers in the field of coarse amorphous silicon alloy materials support the theory that there is an inherent limit to the growth rate of high quality amorphous silicon alloy materials. Here, high-quality amorphous silicon alloy materials are manufactured with excellent electrical properties (e.g., high photoconductivity, low dark conductivity, ) is defined as the material obtained.
１９８７年にＸｅｒｏｘ ＰＡＲＣのＴｓａｉ、Ｓｈａ
ｗ、Ｗａｃｋｅｒ及びＫｎｉｇｈｔｓは、Ｍａｔｅｒｉ
ａｌｓ Ｒｅ５ｅａｒｃｈ ５ｏｃｉｅｔ Ｓ ｍ
。Tsai, Sha of Xerox PARC in 1987
w, Wacker and Knights, Materi
als Research 5ociet S m
.
ｓｉｕｍ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎ ｓ、Ｖｏｌ、９５．
ｐ、２１９に’Ｆｉ１ｍ （：ｒｏｗｔｈＭｅｃｈａｎ
ｉｓｍｓ ｏｆ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ５ｉｌｉ
ｃｏｎ ｉｎ Ｄｉｏｄｅ ａｎｄＴｒｉｏｄｅ
に１０１１１ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ
」という標題の論文を発表した。これらの研究者達は、
アモルファスシリコンの堆積において、（ａ）化学的蒸
着（ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ））法によるものと、（ｂ）物理的蒸着（
ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉ
ｔｉｏｎ））法によるものとを区別した。前者では、コ
ンホーマルステップカバレージを生じる表面反応によっ
て処理速度が限定されまた５ｉＨｚのごとき粘着係数の
低いプラズマ堆積種が発生する。後者では、表面反応に
よる速度の限定がな（、ＳｉＨ２及びＳｉＨのごとき粘
着係数の高いプラズマ堆積種が発生する。sium Proceedings, Vol. 95.
'Fi1m on p, 219 (:rowthMechan
isms of Amorphous 5ili
Con in Diode and Triode
10111 Discharge Systems
published a paper entitled ``. These researchers
In the deposition of amorphous silicon, (a) chemical vapor deposition (CVD) is used.
(b) physical vapor deposition (
PVD (Physical Vapor Deposit)
tion)) method. The former limits process speeds due to surface reactions that result in conformal step coverage and generates plasma deposited species with low adhesion coefficients, such as 5 iHz. In the latter case, plasma deposition species with high adhesive coefficients such as SiH2 and SiH are generated without rate limitations due to surface reactions.
ＰＶＤ法ではステップカバレージが少なく柱状形態が多
いので電子欠陥密度の高い薄膜が形成されるというのが
彼等の見解である。Their opinion is that the PVD method produces a thin film with a high density of electron defects because of its low step coverage and many columnar morphology.
Ｘｅｒｏｘ ＰＡＲＣの論文は、ＣＶＤタイプの方法を
使用すると高品質の非柱状アモルファスシリコン合金材
料が低速で堆積され、ＰＶＤタイプの方法を使用すると
低品質の柱状アモルファスシリコン合金材料が高速で堆
積されると記載している。この論文の著者等は、（トラ
イオード堆積装置を使用し）基板をプラズマからより遠
くに移動させることによって（粘着係数がより低く）ラ
イフタイムがより長い種が優先的に堆積されることを知
見し、その理由は高い粘着係数の種が気相衝突によって
除去されるからであると説明している。デバイス品質の
アモルファスシリコンの堆積に適合するプラズマ条件下
では、Ｓ ｉ Ｉｔ ｓフリーラジカル種が優勢なフリ
ーラジカルまたは主要な物質輻送種を構成することは従
来から知られていた。有効粘着係数とは、物質輸送種が
薄膜成長に貢献する確率であると定義できる。従って、
アモルファスシリコン薄膜の堆積に関与する複雑な詰反
応（例えは混入（ｉｎｃｏｒｐ。The Xerox PARC paper states that using CVD-type methods, high-quality non-columnar amorphous silicon alloy materials are deposited at low speeds, and using PVD-type methods, low-quality columnar amorphous silicon alloy materials are deposited at high speeds. It is listed. The authors of this paper found that by moving the substrate farther from the plasma (using a triode deposition device) species with longer lifetimes (lower sticking coefficient) were preferentially deposited. explain that the reason is that species with high sticking coefficients are removed by gas-phase collisions. It has long been known that under plasma conditions compatible with the deposition of device-quality amorphous silicon, S i It s free radical species constitute the predominant free radical or primary material delivery species. The effective adhesion coefficient can be defined as the probability that a mass transport species will contribute to thin film growth. Therefore,
The complex interpolation reactions (e.g. incorp.) involved in the deposition of amorphous silicon thin films.
ｒａｔｉｏｎ）、解離、再放出（ｒｅ−ｅｍｉｓｓｉｏ
ｎ）、エツチング、水素除去、等）の正味効果は有効粘
着係数によッテ示さレル。Ｘｅｒｏｘ ＰＡＲＣハ、Ｐ
ＶＤ法及［ＣＶＤ法の夫々にはｌａｒ見的な違いを有す
る物質輸送種が関与するという結論を与えている。ＰＶ
Ｄ成長はＳ ｉ Ｉｆ ２及び５ｉｌｌに支配され、Ｃ
ＶＤ成長はＳ ｉ Ｉｆ ３に支配される。ration), dissociation, re-emission
(n), etching, hydrogen removal, etc.) is indicated by the effective adhesion coefficient. Xerox PARC
The conclusion is that the VD and CVD methods each involve mass transport species that have largish differences. PV
D growth is dominated by S i If 2 and 5ill, C
VD growth is dominated by S i If 3.
この論文では、［プラズマ堆積によって良質のａＳｉ
：Ｈを成長させる速度には限界があると考えられる１１
．」と記載され、また、「アモルファスシリコンのプラ
ズマ堆積において材料の高品質と高堆積速度とは両立で
きないと考えられる３９．」と記載されている。In this paper, [high-quality aSi by plasma deposition]
:There is thought to be a limit to the speed at which H can grow11
．． '', and ``High material quality and high deposition rate are considered to be incompatible in plasma deposition of amorphous silicon39.''.
本発明の発明者等が本明細書において示す結果は、Ｘｅ
ｒｏｘ ＰＡＲＣグループ及びこの分野の他の研究者達
が到達したこの結論が誤りであることを証明する。発明
者等は特に、アモルファスシリコン合金材料の高堆積速
度と高品質との間に基本的な両立不能性などは全く存在
しないことを証明する。The results shown herein by the inventors of the present invention are
This conclusion reached by the ROX PARC group and other researchers in this field is proven to be incorrect. In particular, the inventors demonstrate that there is no fundamental incompatibility between high deposition rates and high quality of amorphous silicon alloy materials.
発明者等は実際、本発明の新しい処理方法を使用するこ
とによって、ある種の条件下では堆積アモルファスシリ
コン合金材料の電子的品質が向上しこれに対応してその
堆積速度も増加することを実験によって立証した。The inventors have indeed experimentally demonstrated that by using the new processing method of the present invention, under certain conditions the electronic quality of deposited amorphous silicon alloy material is improved and its deposition rate is correspondingly increased. It was proved by.
ａ、ｃ、電力の増加と相対的な堆積薄膜材料の品質低下
の問題は、ｒ、ｆ、エネルギによって発生する比較的低
い電力レベルで処理するときには（ある程度まで）制御
できる。しかしながら、堆積速度を１０人／秒から１２
人／秒または２０人／秒まで増加させることができても
商業的には意味がない。従って研究名達は最近、種々の
３膜材料の堆積速度をほぼ１桁改良するために、（精巧
な電子サイクロトロン共振スキームを含む）マイクロ波
周波数の利用を試みた。マイクロ波を発生する高エネル
ギグロー放電を使用すると、プラズマを形成する気体状
前駆物資がより有効に解離され、堆積速度が増加する。The problem of quality degradation of deposited thin film materials relative to increases in a, c, power can be controlled (to a certain extent) when processing at relatively low power levels produced by r, f, energies. However, it is possible to increase the deposition rate from 10 persons/second to 12 persons/second.
It is not commercially meaningful to be able to increase it to persons/second or even 20 persons/second. Researchers have therefore recently attempted to exploit microwave frequencies (including sophisticated electron cyclotron resonance schemes) to improve the deposition rates of various three-film materials by almost an order of magnitude. The use of high-energy glow discharges that generate microwaves more effectively dissociates the gaseous precursors that form the plasma, increasing the deposition rate.
堆積速度の増加によってマイクロ波堆積法の経済性は大
幅に向上するが、同時にその代償として堆積薄膜の品質
が低下する。例えば、マイクロ波堆積された最良シリコ
ン合金材↑゛１は、ｒ、ｆ堆積された対応する最良材料
よりもほぼ１桁上の欠陥密度を有する。即ち、量の代償
として質が犠牲になる。The increased deposition rate greatly improves the economics of microwave deposition, but at the expense of decreasing the quality of the deposited film. For example, the best microwave deposited silicon alloy material ↑゛1 has a defect density nearly an order of magnitude higher than the corresponding best material deposited r,f. In other words, quality is sacrificed in exchange for quantity.
本発明の出願人は既に、米国特許第４５０４５１８号、
第４，５１７，２２３号及び４，７０１，３４３号にお
いて、マイクロ波エネルギを用いて高品質薄膜を堆積さ
せる低圧方法を開示した。これらの米国特許の記載内容
は本発明に含まれるものとする。本発明に到達するまで
はこの低圧マイクロ波堆積方法が比較的高品質の絶縁性
、誘電性または硬質の薄膜を堆積させる最も効率的で最
も経済的な方法であった。The applicant of the present invention has already filed US Pat. No. 4,504,518;
No. 4,517,223 and No. 4,701,343, a low pressure method for depositing high quality thin films using microwave energy was disclosed. The contents of these US patents are included in the present invention. Until the arrival of the present invention, this low pressure microwave deposition method has been the most efficient and most economical method for depositing relatively high quality insulating, dielectric or hard thin films.
本発明では特に、所与の気体状前駆物質混合物を、「修
正パッシェン曲線」の実質的に極小点でポリマーの形成
を伴うことなくグロー放電堆積が開始されプラズマが有
効に維持されるような低圧条件（ｒ＋４ｉｍｅ）で処理
する。このことは即ち、特定の気体状前駆物質混合物を
、所与の容量のプラズマを維持するために最適の電カー
圧カー開ロロ径条件で処理することを意味する。本文中
に開示された本発明の方法によって高エネルギプラズマ
を得ることか可能であり、該プラズマ中ではプロセスガ
スが完全に解離しており、また、該プラズマの堆積速度
はｒｆ、プラズマの堆積速度に比較してがなり増加して
いる。これらの２つの特徴は、処理のために供給される
電力が最小であるにもかかわらす得られる。このような
最適の電力−圧力条件で処理するとその結果として気相
重合及び粉末形成も阻止される。低圧及び低電力を使用
するにもかかわらず、マイクロ波グロー放電法で報告さ
れた最高品質の材料が堆積される。マイクロ波クロー放
電法の欠点はプラズマ内部に発生した特定活性種の制御
ができないことである。更に、前述のＸｅｒｏｘＰＡＲ
Ｃグルーズによってづ１き出された結論を正しいとする
ならば、高堆積速度で高品質シリコンを得ることは不可
能である。In particular, the present invention uses a given gaseous precursor mixture at a low pressure such that glow discharge deposition is initiated without polymer formation and a plasma is effectively maintained at substantially the minimum point of the "modified Paschen curve". Process with the condition (r+4ime). This means that a particular gaseous precursor mixture is treated at optimal Kerr pressure and Kerr diameter conditions to maintain a given volume of plasma. It is possible to obtain a high-energy plasma by the method of the present invention disclosed herein, in which the process gas is completely dissociated, and the deposition rate of the plasma is RF, the deposition rate of the plasma is has increased compared to . These two features are obtained even though the power supplied for processing is minimal. Treatment at these optimal power-pressure conditions also results in inhibition of gas phase polymerization and powder formation. Despite using low pressure and power, the highest quality materials reported with the microwave glow discharge method are deposited. A drawback of the microwave claw discharge method is that it is not possible to control specific active species generated inside the plasma. Furthermore, the aforementioned XeroxPAR
If the conclusion drawn by C. Gruze is correct, it is impossible to obtain high quality silicon at high deposition rates.
ｒ、ｆプラズマグロー放電堆積法とマイクロ波発生クロ
ー放電堆積法によって与えられた改良との優劣を論じる
ときには主として２つの点に留意する必要がある。即ち
、
（１）これらの双方のプラズマ法においては材料品質が
堆積速度の増加と相対的に低下する、及び、（２）グロ
ー放電プラズマにおいては可能な最高品質の薄膜材料を
堆積させる種だけが発生するように気相化学の動力学（
ｋｉｎｅｔｉｃｓ）を制御するのは不可能である。Two main points need to be kept in mind when discussing the advantages and disadvantages of r,f plasma glow discharge deposition and the improvements provided by microwave generated claw discharge deposition. That is, (1) in both of these plasma methods, material quality decreases relative to increasing deposition rate, and (2) in glow discharge plasmas, only the species that deposit the highest quality thin film material possible are used. The kinetics of gas phase chemistry as it occurs (
kinetics) is impossible to control.
本文中で使用される「遠隔プラズマ励起ｊなる用語は、
真空室内部の１つの領域で気体状前駆物質混合物から所
望種のプラズマを形成させ、この所望種のプラズマを前
記室のプラズマ形成場所から遠方の領域に案内するプロ
セスを意味する。特に、遠隔プラズマ励起の分野で最も
高名な学者の２人であるＤｒｓ、 Ｃ，Ｌｕｃｏｖｓｋ
ｙ及び１． Ｓｈｉｍｉｚｕの業績について考察する。The term “remote plasma excitation” used in this text is
Refers to the process of forming a plasma of a desired species from a gaseous precursor mixture in one region within a vacuum chamber and directing this plasma of the desired species to a region of the chamber remote from the plasma formation location. In particular, Drs. C. Lucovsk, two of the most renowned scholars in the field of remote plasma excitation.
y and 1. Let's consider Shimizu's achievements.
Ｎｏｒｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａ ５ｔａｔｅ Ｕｎｉ
ｖｅｒ−ｓｉｔｙＩ７）Ｄｒ、 Ｌｕｃｏｖｓｋｙ及び
Ｔｏｋｙｏ Ｉｎ５ｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏ
ｌｏｇＹのＤｒ、 Ｓｌ＋１ｍ１ｚｕが研究の目的とし
たものは、エネルギギャップに低密度の局在欠陥状態を
有し、ずぐれた光導電率（明／暗導電率比）を有し、荷
電キャリヤのライフタイムが長いという特性をもつシリ
コン合金薄膜を得るために、シリコンベースのプラズマ
から予め選択した特定のフリーラジカル種を堆積させる
方法の開発であった。North Carolina 5tate Uni
ver-city I7) Dr. Lucovsky and Tokyo Institute of Technology
The object of study by Dr. Sl+1m1zu of logY has a low density of localized defect states in the energy gap, has an excellent photoconductivity (bright/dark conductivity ratio), and has a very low charge carrier life. The goal was to develop a method for depositing specific preselected free radical species from a silicon-based plasma in order to obtain silicon alloy thin films with the characteristic of long times.
前述のごとき現行の適当な商業用ｒ、ｆ、技術及びマイ
クロ波技術の特徴を「直接１’ＥｃＶＤ法」という呼称
で示すことができる。本文中て使用される「直接ＰＥＣ
ＶＤ（ｄｉｒｅｃｔ ｐｌａｓｍａ ｅｎｈａｎｃｅｄ
ｃｈｅ＋ｎ１ｃａｌ ｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏ
ｎ）Ｊなる用語は、所望の堆積種を特に含有する気体状
前駆物質混合物を励起用またはフラグメンテーション用
エネルギ源に直接暴露し、これによって生じたプラズマ
中の堆積種を、該プラズマに対して最も近くに配置され
た基板に堆積させる方法を意味する。The characteristics of the current commercial r, f, and microwave technologies as described above can be designated by the designation "direct 1'EcVD method". “Direct PEC” used in the text
VD (direct plasma enhanced)
che+n1cal vapor deposition position
n) The term J refers to the direct exposure of a gaseous precursor mixture specifically containing the desired deposition species to an excitation or fragmentation energy source, thereby bringing the deposition species in the resulting plasma into the most Refers to a method of depositing on a nearby substrate.
本文中で使用される「活性種」なる用語は、原子、分子
、フリーラジカル、イオンまたは励起ｒｌｉ性粒子粒子
ｅｕｔｒａｌ）のごとき内部エネルギを保有する微視的
対象を意味する。遠隔プラズマ法の場合には、この定義
をＤｒ、 Ｌｕｃｏｖｓｋｙによる同じ用語の使用と対
比させる必要がある。彼は、ヘリウムガスを電磁場に暴
露させると準安定の励起状態または非基底状態のヘリウ
ム（Ｈｅ４）が発生すると主張する。As used herein, the term "active species" refers to microscopic objects that possess internal energy, such as atoms, molecules, free radicals, ions or excited particles (particles). In the case of remote plasma methods, it is necessary to contrast this definition with the use of the same term by Dr. Lucovsky. He claims that exposing helium gas to an electromagnetic field generates a metastable excited or non-ground state of helium (He4).
対照的に本発明の発明者等は、（実験的に観察された１
膜堆積速度の磁場依存性に基づいて）活性種が実際にヘ
リウムイオンであると確信している。In contrast, the inventors of the present invention (experimentally observed 1
We are confident that the active species (based on the magnetic field dependence of the film deposition rate) are indeed helium ions.
しかしながら、このような活性種の種類及びキャラクタ
リゼーションは本発明方法の臨界的な処理条件ではない
。従って、「活性種」なる用語は、上述のごとき活性種
を包括すると理解されたい。However, the type and characterization of such active species is not a critical processing condition of the method of the invention. Accordingly, the term "active species" should be understood to include active species as described above.
また、本文中で使用される「活性化領域」または［活性
種の雲（ｐｌｕｍｅ ｏｆ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ５ｐ
ｅｃｉｅｓ）」なる用語は、真空室内部で電磁場によっ
て発生する活性種の数が壁掛、衝突などで消滅する活性
種の数を上回っている場所の容積を意味することに注目
されたい。Also, as used in the text, "activated region" or [plume of activated species]
It is noted that the term "ecieties" refers to the volume within the vacuum chamber where the number of active species generated by the electromagnetic field exceeds the number of active species that are annihilated by wall hanging, collisions, etc.
高電力直接プラズマ励起の欠点を是正するために、前述
の２人の研究者のグループ（Ｎｏｒｔｈ Ｃａｒ。In order to correct the shortcomings of high-power direct plasma excitation, a group of the two aforementioned researchers (North Car.
１ｉｎａ ５ｔａｔｅ ＩＪｎｉｖｅｒｓｉｔｙのＧ
、Ｌｕｃｏｖｓｋｙ他及びＴｏｋｙ。1ina 5tate IJuniversity's G
, Lucovsky et al. and Tokyo.
Ｉｎ５ｔｉｔｕｔｅ ｏｒ ’ｒｃｃｈｎｏｌｏｇｙの
１． Ｓｔ＋１ｍ１ｚｕ他）は人′Ｊプラズマ領域から
遠方で堆積種が形成される間接（ｎｏｎ−ｄｉｒｅｃｔ
）プラズマ励起法の開発に着手した。1 of In5titude or 'rcchnology. St+1m1zu et al.) are non-direct deposits where deposited species are formed far from the human plasma region.
) Began developing a plasma excitation method.
このような間接法では、（１）少なくとも一部か構造的
に閉じ込められた（壁で包囲された）活性化領域の内部
で第１気体状前駆物質（典型的には貴ガス）を活性種に
励起し、（２）活性化された準安定様を、構造的に閉じ
込められた活性化領域から「ｌ・リフト」させることに
よって堆積領域に移動させし、（３〉活性種と堆積前駆
物質ガスとを下流で衝突させ、活性種と堆積前駆物質ガ
スとの衝突及び相互作用によって所望の堆積種を形成さ
せ、（４）この堆積種の材料薄膜を、この堆積種の平均
自由工程以内の距離に配置された基板に堆積させる。In such indirect methods, (1) a first gaseous precursor (typically a noble gas) is activated as an active species within an at least partially structurally confined (walled) activation region; (2) move the activated metastable species into the deposition region by “l-lift” from the structurally confined activation region, and (3) move the activated species and deposition precursors into the deposition region. (4) forming a thin film of material of the deposited species within a mean free path of the deposited species; Deposit on a substrate located at a distance.
Ｌｕｃｏｖｓｋｙ他は（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｎ
−ＣｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＳｏｌｉｄｓ、１２ｔｈ Ｉ
ＣＡＬＳ、Ｐｒａｇｕｅ、１９８７年所収のＬｕｃｏｖ
ｓｋｙ＆ Ｔｓｕの論文ｒＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ Ｂ
ｅｔＩＩＩｅｅｎ Ｄｉｒｅｃｔ ＡｎｄＲｅｍｏｔｅ
Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＪＩ照）、構
造的に閉じ込められた活性化領域でｒ、ｆニオ・ルギ（
１３，５６ＭＨｚ）を使用して（ヘリウムのフリーラジ
カルＨｅ＊のごとき）励起ヘリウム原子を発生させて行
なうアモルファスシリコン：水素材料薄膜の堆積方法を
教示している。この活性化領域は加熱基板から１０ｃｍ
以上離間している。励起ヘリウムフリーラジカルがプラ
ズマ領域から基板の近値に移動し、ここで、（９０％ア
ルゴンで希釈された）中性シランガスと相互作用する。Lucovsky et al. (Journal of Non
-Crystalline Solids, 12th I
Lucov from CALS, Prague, 1987
sky &Tsu's paper Differences B
etIIIeen Direct And Remote
Plasma Enhanced CVJI), structurally confined activation region with r, f nio-rugi (
13,56 MHz) to generate excited helium atoms (such as the helium free radical He*) for the deposition of thin films of amorphous silicon:hydrogen material. This activation area is 10cm from the heated substrate.
or more apart. Excited helium free radicals move from the plasma region to the vicinity of the substrate, where they interact with neutral silane gas (diluted with 90% argon).
このシランガスは、「シャワーへッドコガスリングによ
って加熱基板の上方から導入される。 Ｄｒ、 Ｌｕｃ
ｏｖｓｋｙの主張によれば、Ｈｅ”原子がＳ山と衝突し
、次式で示される反応によってシランの堆積フリーラジ
カル種が得られる。This silane gas is introduced from above the heating substrate by means of a shower head gas ring. Dr. Luc
Ovsky claims that He'' atoms collide with the S-mountain, resulting in a deposited free radical species of silane through the following reaction:
［Ｈｅｖコ＋５ＩＨ４−−−ＳＩＬ ＋ Ｈ言い替える
と、ヘリウム準安定様及びシラン中性粒子の熱力学及び
衝突動力学は、正確にｓ山の形成に有利なエネルギを有
する。その後のｓ山フリーラジカルと加熱基板との反応
が、最高の電子的品■のアモルファスシリコン合金材料
を与えると考えられる。ヘリウムに代替して貴ガス原子
、アルゴンをｒ、ｆプラズマ活性化準安定様として使用
することもできる。しがしながらＭａＬｓｕｄａ他によ
って報告され、Ｌｕｃｏｖｓｋｙによって確認されてい
るように、アルゴンはシランの異なるフラグメンテーシ
ョンを開女台さぜ、Ｓ ｉ ＩＩ ２とシランとのプラ
ズマ重合を生起してジシラン、トリシランなどを形成す
る。その結果、シリコン合金薄膜の堆積と同時に多量の
粉末ポリシランが形成される。[Hevco+5IH4--SIL+H In other words, the thermodynamics and collisional dynamics of helium metastable-like and silane neutral particles have energies that favor precisely the formation of s mountains. The subsequent reaction of the S-mountain free radicals with the heated substrate is believed to provide an amorphous silicon alloy material of the highest quality for electronic applications. Instead of helium, a noble gas atom, argon, can also be used as a metastable material for r, f plasma activation. However, as reported by MaLsuda et al. and confirmed by Lucovsky, argon induces different fragmentation of silanes and causes plasma polymerization of S i II 2 and silanes to form disilanes, trisilanes, etc. form. As a result, a large amount of powdered polysilane is formed simultaneously with the deposition of the silicon alloy thin film.
これらの遠隔プラズマ励起法は、酸化シリコン（ＳｉＯ
ｘ）及び窒化シリコン（ＳｉＮｘ）の誘電性または絶縁
性の材料薄膜の堆積にも使用されてきた。堆積された誘
電性薄膜において、活性種のプラズマは典型的には、堆
積すべき薄膜の所望の組成に基づいてＨｅ中に約２０％
の０２またはＮ２を含有する。これらの活性種は、ｒ、
ｆ、プラズマによって励起され、励起状態の（０２，Ｈ
ｅ）享または（Ｎ２１１ｅ戸準安定種を発生させる。次
いでこれらの活性化準安定種は、以下の不平衡式で示す
ように５ｉｌｌ＋（またはその他のシリコン含有ガス）
と相互作用する。These remote plasma excitation methods are based on silicon oxide (SiO
It has also been used for the deposition of dielectric or insulating material thin films of silicon nitride (SiNx) and silicon nitride (SiNx). In deposited dielectric thin films, the plasma of active species is typically about 20% He based on the desired composition of the thin film to be deposited.
02 or N2. These active species are r,
f, excited by the plasma and in the excited state (02,H
e) Generate N211e metastable species. These activated metastable species then react with 5ill+ (or other silicon-containing gas) as shown in the following unbalanced equation:
interact with
（０２Ｈｅ）＊＋ＳｉＨ，−−−５ｉ０２Ｉｆ 、
（Ｎ＋Ｈｅ）木→−５ｉ１１．−−−Ｓｉ、Ｎ。(02He)*+SiH, ---5i02If,
(N+He) wood→-5i11. ---Si, N.
その結果、酸化シリコンまたは窒化シリコンの材オ“４
薄膜が加熱基板に堆積する。As a result, silicon oxide or silicon nitride material "4"
A thin film is deposited on the heated substrate.
上述の誘電性材料薄膜及び半導体合金材料薄膜はいずれ
も実質的に同じ堆積条件下で作製される。Both the dielectric material thin film and the semiconductor alloy material thin film described above are made under substantially the same deposition conditions.
より詳細には、エネルギ伝達ガスは約１００〜１０００
ＳＣＣＨの流量で処理室に導入される。気体状シラン前
駆物質は流量約５〜２５ＳＣＣＭで処理室に導入される
。処理室内の堆積圧力は約３００ｍｔｏｒｒ〜１ ｔｏ
ｒｒに維持される。印加される「、ｆ、電力は約５〜５
０ｗａｔｔに維持される。基板温度は約４０″Ｃ〜４０
０ ’Ｃに維持される。これらの処理パラメータ、特に
第１導管におけるニオ・ルギ伝達ガスの流星及び処理室
のバックグラウンド圧力の双方は以下の２つの要件に基
づいて決定される。即ち、
（１）構造的に閉じ込められた活性化領域へのシランガ
スの逆拡散を実質的に最小に抑制する必要がある。及び
、
（２）構造的に閉じ込められた活性化領域からエネルギ
伝達ガスによって許容される密度の活性種が抽出されて
シランガス分散リングに案内される必要がある。More specifically, the energy transfer gas is about 100 to 1000
It is introduced into the processing chamber at a flow rate of SCCH. The gaseous silane precursor is introduced into the process chamber at a flow rate of about 5-25 SCCM. The deposition pressure in the processing chamber is approximately 300 mtorr to 1 to
maintained at rr. The applied “, f, power is approximately 5-5
It is maintained at 0 watt. The substrate temperature is approximately 40″C~40
maintained at 0'C. These process parameters, particularly both the Nio-Lugi transfer gas meteorite in the first conduit and the background pressure of the process chamber, are determined based on two requirements: (1) It is necessary to substantially minimize the back-diffusion of silane gas into the structurally confined activation region. and (2) an acceptable density of active species must be extracted from the structurally confined activation region by the energy transfer gas and guided to the silane gas distribution ring.
極めて注目すべきは、上述の好ましい流量及びバックグ
ラウンド圧力を選択すると、基板を衝突領域即ち、例え
ば準安定Ｈｅ種、準安定０２種及びＳ ｉ Ｉｔ ＝分
子の衝突が生じる領域から約５ｃｍ離間して配置したと
きに、二分子衝突のために１ｍｍの数分の１の平均自由
行程が確保されることである。しかしながら、選択され
た空間配ｒでは、材料が基板に堆積する前に前記準安定
種とシラン分子との間で複数の局在的な衝突が生じる。Quite notably, the selection of the preferred flow rates and background pressures described above allows the substrate to be spaced approximately 5 cm from the collision region, i.e., the region where collisions of, e.g., metastable He species, metastable 02 species, and S i It = molecules occur. When placed in the same position, a mean free path of a fraction of 1 mm is ensured for bimolecular collisions. However, at the selected spatial configuration, multiple localized collisions occur between the metastable species and the silane molecules before the material is deposited on the substrate.
従って、所望の単一種でなく異なる多数の種を含有する
前駆物質流から材料薄膜が堆積される。更に、多重衝突
は、所望の単一種が高密度で基板に堆積することの妨害
になる。このため、所望のフリーラジカル種の到着率が
極めて低い値に留まることがあっても不思議ではない。Thus, a thin film of material is deposited from a precursor stream containing multiple different species rather than the desired single species. Moreover, multiple bombardments prevent the desired single species from being deposited at high density on the substrate. Therefore, it is not surprising that the arrival rate of desired free radical species may remain extremely low.
次にＤｒ、 Ｓｈｉｍｉｚｕの研究を考察する。Ｍａｔ
ｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈ Ｓｙ＋ｎｐｏｓｉｕｍ
Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、 Ｖｏｌｕｍｅ ９５１９
８７、 ｐｐ、２２５〜２３５に発表された５ｈｉｂａ
ｔａ、Ｆｕｋｕｄａ、０ｈＬｏｓｈｉ、 ｌ１ａｎｎａ
、Ｏｄａ及びＳｌ＋１ｍ１ｚｕ著の論文ｒＧｒｏｗＬｈ
Ｏｆ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ＾ｎｄ Ｃｒｙｓｔ
ａｌｌｉｎｅ ５ｉｌｉｃｏｎ Ｂｙ ＨＲＣＶ
Ｄ（ｌｌｙｄｒｏｇｅｎ Ｒａｄｉｃａｌ Ｅｎｈａｎ
ｃｅｄ ＣＶＤ） Ｊには半直接プラズマ励起を行なう
修正方法が記載されている。Ｓｈｉｍｉｚｕ他はこの論
文で、Ｓｉベース合金の新規な製造方法を提案している
。Ｓｈｉｍｉｚｕ他の方法が堆積前駆物質ガスを直接及
び遠隔の双方から活性化する「ハイブリッド励起」であ
ると認めることは重要である。直接励起は電磁場に直接
暴露することによって生起され、遠隔励起は部分的に励
起された堆積種とエネルギ伝達ガスの活性化準安定種と
の相互作用の産物として生じる。記載された＋１Ｒ−Ｃ
ＶＤ技術の重要な作用は、堆積前駆物質ガスがエネルギ
伝達ガスの活性種によって衝撃されて二次的にＳｉＦｎ
ｌｌｍ（ｎ＋ｍは４未満〉を形成することである。Next, we will consider the research of Dr. Shimizu. Mat
erialsResearch Sy+nposium
Proceedings, Volume 9519
5hiba published in 87, pp. 225-235.
ta, Fukuda, OhLoshi, l1anna
, the paper rGrowLh by Oda and Sl+1m1zu
Of Amorphous ＾nd Cryst
alline 5ilicon By HRCV
D (llydrogen Radical Enhan
ced CVD) J describes a modified method of performing semi-direct plasma excitation. In this paper, Shimizu et al. propose a new method for manufacturing Si-based alloys. It is important to recognize that the Shimizu et al. method is a "hybrid excitation" in which the deposition precursor gas is activated both directly and remotely. Direct excitation is produced by direct exposure to an electromagnetic field, and remote excitation occurs as the product of interaction between partially excited deposited species and activated metastable species of the energy transfer gas. +1R-C written
An important effect of the VD technique is that the deposition precursor gas is bombarded by the active species of the energy transfer gas and secondarily deposits SiFn.
llm (n+m is less than 4).
Ｓｈｉ＋ｎ１ｚｕ他の装置は複数の同軸管を含み、内側
管でＳｉＦ、が輸送され外側管で水素ガスとアルゴンガ
スとが輸送される。水素ガスはマイクロ波エネルギ源に
直接暴露されて原子水素に変換される。Another device includes a plurality of coaxial tubes, with inner tubes transporting SiF and outer tubes transporting hydrogen and argon gases. Hydrogen gas is converted to atomic hydrogen by direct exposure to a microwave energy source.
装置の第２の相互接続部分はステンレススチール製の堆
積室であり、加熱された基板が室内に配置されている。The second interconnected part of the apparatus is a stainless steel deposition chamber in which a heated substrate is placed.
まず内側管でＳｉＦ、をマイクロ波エネルギに直接暴露
し、次に内側管の末端で水素プラズマに暴露して堆積種
を発生させる。典型的な堆積パラメータはＳｉＦ、流４
５ＳＣＣＭ、＾「流７６ＳＣＣＭ、ｌｈ流１１０５ＣＣ
、電力は２．４５［：ｌｌｚで４４０＋ｌ１ａｔｔ及び
バックグラウンド圧力３００ｍｔｏｒｒである。Ｓｈｉ
ｍｉｚｕ他が、内側管の出口の場所及び出口がら基板ま
での距離が堆積速度及び堆積薄膜品質を決定する重要な
要因であると知見したことは意外ではない。更に、Ｓｈ
＋ｎ ｉ ｚ ｕ他は、堆積前駆物質ガスの無視できる
数のイオン種が存在すると報告しており、従って、堆積
前駆物質ガスのフリーラジカル種が堆積種を形成すると
結論した。最後に、Ｓｈｉｍｉｚｕ他によって得られた
堆積速度が５０人／秒以下であることに注目されたい。The SiF is first exposed directly to microwave energy in the inner tube and then exposed to hydrogen plasma at the end of the inner tube to generate the deposited species. Typical deposition parameters are SiF, stream 4
5SCCM, ^ ``Flow 76SCCM, lh flow 1105CC
, the power is 440+l1att at 2.45[:llz and the background pressure is 300 mtorr. Shi
It is not surprising that Mizu et al. found that the location of the exit of the inner tube and the distance from the exit to the substrate are important factors in determining deposition rate and deposited film quality. Furthermore, Sh
reported the existence of a negligible number of ionic species of the deposition precursor gas, and therefore concluded that free radical species of the deposition precursor gas form the deposition species. Finally, it is noted that the deposition rates obtained by Shimizu et al. are less than 50 people/second.
しかしながらこの比較的高い堆積速度は堆積前駆物質ガ
スの直接励起に因るものである。However, this relatively high deposition rate is due to direct excitation of the deposition precursor gas.
このような直接励起は堆積速度を劇的に向上させるが、
その代償として堆積種の性質を制御する能力、従って電
子的に高品質の薄膜を維持する能力は喪失する。Although such direct excitation dramatically increases the deposition rate,
The trade-off is the loss of the ability to control the nature of the deposited species, and thus the ability to maintain electronically high quality thin films.
Ｄｒｓ、 Ｌｕｃｏｖｓｋｙ及びＳｈｉｍｉｚｕの大規
模な研究にもかかわらず、高品質薄膜を比較的高い堆積
速度で堆積させるという目標はまだ達成されていない。Despite extensive research by Drs, Lucovsky and Shimizu, the goal of depositing high quality thin films at relatively high deposition rates has not yet been achieved.
実際、これまで開発された純正な遠隔プラズマ励起法で
は、欠陥状態数的１０’ ”−１０” ７０ｍ−／ｅＶ
の程度の欠陥状π密度特性を有する真性アモルファスシ
リコン合金材ｆｌの堆積速度は約１人／秒未満である。In fact, in the genuine remote plasma excitation method developed so far, the number of defect states is 10'"-10" 70m-/eV
The deposition rate of an intrinsic amorphous silicon alloy material fl having a defect-like π density characteristic of the order of magnitude is less than about 1 person/second.
上述の記載で本発明の出願人は、これまでの研究名達が
臨界パラメータであると考えていたパラメータ（即ち堆
積前駆物質ガス（例えは５ｉｆｔ、）及びエネルギ伝達
ガス（例えば１１ｅ）の流量、処理室のバックグラウン
ド圧力、及び、活性化領域（エネルギ伝達ガスが活性化
される領域）から基板までの距Ｍ）の選択が誤りであり
、彼等のパラメータが実際には遠隔励起法における高品
質薄膜材料の高速堆積を妨害していたと説明した。基板
から活性化領域を離間させた堆積法は、シランのごとき
堆積プレカーン種が活性種のプラズマに逆拡散すること
を阻止するためにはたしかに有効であるが、（１）その
「ドリフトゾーン」の長さ、（２）処理室内部に存在す
るバックグラウンド圧力、及び、（３）ｔＭｍ的に閉じ
込められた活性化領域、の３つの原因によって、プラズ
マ領域から活性化領域までの距離の増加に伴ってＩＩｅ
寧種の密度が急激に減少する。In the above description, the applicant of the present invention has identified parameters that previous researchers considered to be critical parameters, namely the flow rates of the deposition precursor gas (e.g., 5ift) and the energy transfer gas (e.g., 11e); The background pressure of the process chamber and the distance M from the activation region (the region where the energy transfer gas is activated) to the substrate are incorrectly selected and their parameters are actually too high for the remote excitation method. It was explained that the quality was hindering the fast deposition of thin film materials. Deposition methods that distance the active region from the substrate are certainly effective in preventing deposited pre-kernel species, such as silane, from diffusing back into the plasma of active species, but (1) their "drift zone" (2) background pressure existing inside the processing chamber, and (3) activation region confined in tMm as the distance from the plasma region to the activation region increases. teIIe
The density of Ning species decreases rapidly.
この方法において、逆拡散を所望通りに除去するために
は長い距離が必要であり、その結果として、堆積前駆物
質ガスを１００％消耗（衝突）させるために十分な数の
活性種が衝突領域に到達できない。In this method, long distances are required for the desired removal of back-diffusion, resulting in a sufficient number of active species in the collision region for 100% depletion (collision) of the deposition precursor gas. Unreachable.
［ドリフトゾーンＪの長さ及び構造的に閉じ込められた
活性化領域は必然的に、過剰数のＨｅ＊−Ｈｅ＊衝突及
びＨｅト壁衝突を生じさせ、この衝突の結果として、堆
積前駆物質ガスとの相互作用に有効な準安定Ｈｅの数が
減少する。このため、エネルギ伝達ガスの活性種と堆積
前駆物質ガスとの衝突数が減少し、これに対応して有効
な堆積種の数が減少し、従って薄膜堆積速度が低下する
。[The length of the drift zone J and the structurally confined activation region necessarily give rise to an excessive number of He*-He* collisions and He-wall collisions, which as a result of the deposition precursor gas The number of metastable He available for interaction with is reduced. This reduces the number of collisions between the active species of the energy transfer gas and the deposition precursor gas, resulting in a corresponding reduction in the number of available deposition species and thus a reduction in the thin film deposition rate.
遠隔プラズマＣＶＤに関する研究を更に進める途中で本
発明の発明者等は一第２導管、即ち堆積前駆物質ガス（
例えばＳｉＨ＜）を堆積種（例えば５ｉＨ３）に活性化
するために衝突領域に導入する導管の開口端が時間の経
過に伴って狭搾することに注目した。In the course of further research on remote plasma CVD, the inventors of the present invention discovered that the first and second conduits, namely the deposition precursor gas (
It has been noted that the open end of the conduit introducing the impingement zone to activate the deposited species (eg, 5iH3) narrows over time.
開口狭搾の原因は、開口内部に堆積種が堆積またはその
他の形態でＮ積されるためであり、その結果として、第
２導管の開口近傍の内部狭搾通路て前記堆積前駆物質ガ
ス流の抵抗が生じる。Aperture constriction is caused by deposition or other accumulation of deposition species within the aperture, with the result that an internal constriction passageway near the aperture of the second conduit restricts the flow of said deposition precursor gas. Resistance arises.
本発明の発明者等は、第２導管の開口狭搾の進行に伴っ
て所望の堆積種の堆積速度が事実上増加し、く内壁に付
加的材料を堆積させて）該開口狭搾を更に進行させると
堆積速度の増加が継続するという意外な知見を得た。実
際、第２導管の狭搾開口で粘性堆積前駆物質ガス流の通
過が阻止され、これにより火責的に遷音速に到達するま
で堆積速度が増加を続ける。同時に、本発明の発明者等
は、前記開口の近傍に形成された活性化前駆物資種の雲
に対する基板の距離を種々に変更し、（狭搾開口を通る
堆積前駆物質ガスの流星に基ついて）高品質薄膜の堆積
に最適な基板とプラズマとの間の距離を決定した。The inventors of the present invention have discovered that as the aperture constriction of the second conduit progresses, the deposition rate of the desired deposited species increases in effect, and that the aperture constriction is further increased by depositing additional material on the inner wall of the second conduit. We obtained the surprising finding that the deposition rate continues to increase as the process progresses. In fact, the constricted opening of the second conduit prevents the passage of the viscous deposition precursor gas flow, which causes the deposition rate to continue to increase until transonic speeds are reached. At the same time, the inventors of the present invention varied the distance of the substrate to the cloud of activated precursor species formed in the vicinity of the aperture (based on the meteorization of deposited precursor gas through the constricted aperture). ) determined the optimal substrate-to-plasma distance for the deposition of high-quality thin films.
ここで発明者等は、高品質薄膜を高堆積速度で堆積させ
るために必ずしもＲＩＩＣＶＤ法を使用しなくてもよい
と推測した。減圧処理室に存在するバックグラウンド圧
力と処理室に堆積前駆物質ガスを導入する導管の狭搾開
口の近傍の圧力との間にかなりの圧力差を成立させるこ
とができれば、修正パッシェン曲線（第３図）の左側か
ら極小点に向かって移動し、（シランのごとき）堆積前
駆物質ガスからプラズマを容易に発生及び維持できるよ
うになる。パッシェン曲線の極小点に向かってシフトす
るので、エネルギ伝達ガス（Ｈｅ）が、（Ｈｅとシラン
との衝突によって発生する）かなり大きい容量の一次プ
ラズマを発生させる十分なエネルギを堆積前駆物質ガス
（シラン）に与えることができ、その結果として堆積速
度が増加する。しかしながら、このようにな活性化堆積
種を必ずしも遠隔励起法によって発生させなくてもよい
。即ち、発明者等の結論では、所望の堆積種を得るため
の適当量の種相互間及び種と壁との間の衝突を与えるよ
うに基板とプラズマとの間の距離を変更できる直接励起
法によって同し結果を得ることか可能である。The inventors have now surmised that it is not necessary to use the RIICVD method to deposit high quality thin films at high deposition rates. If a significant pressure difference can be established between the background pressure present in the vacuum processing chamber and the pressure in the vicinity of the constriction opening of the conduit introducing the deposition precursor gas into the processing chamber, the modified Paschen curve (third moving from the left side of the figure (Fig. As the Paschen curve shifts towards the minimum point, the energy transfer gas (He) is able to transfer sufficient energy to the deposition precursor gas (silane) to generate a fairly large volume primary plasma (generated by collisions between He and silane). ), resulting in an increased deposition rate. However, such activated deposited species need not necessarily be generated by remote excitation. That is, the inventors have concluded that a direct excitation method in which the distance between the substrate and the plasma can be varied to provide an appropriate amount of species-to-species and species-to-wall collisions to obtain the desired deposited species. It is possible to obtain the same result by
この結論に基づいて発明者等は、活性化前駆物質柱の雲
と基板との間に維持された距離及び環境（圧力、磁場、
壁等）が適切に選択されている限り、（遷音速で導入さ
れたシランガスから）高密度の活性化堆積種を生成する
ためにマイクロ波エネルギ源によって堆積前駆物質ガス
を直接励起できることを知見した。この方法で、高品質
薄膜材料を高い堆積速度で堆積し得る。Based on this conclusion, the inventors determined that the distance and environment (pressure, magnetic field,
We have found that the deposition precursor gas can be directly excited by a microwave energy source to produce a high density of activated deposition species (from silane gas introduced at transonic speed), as long as the walls (e.g. walls, etc.) are appropriately selected. . In this way, high quality thin film materials can be deposited at high deposition rates.
より詳細には、活性化前駆物質種の雲に対して基板が接
近しているはと、堆積された薄膜材料の品質が低下する
。逆に、活性化前駆物質柱の雲から基板が遠くなるほど
堆積薄膜材料の品質が向上する。発明化等はこの理由の
１つが、（少なくとも堆積前駆物質ガスがシランの場合
）所望の堆積種が不要な別の種よりも寿命が長く、従っ
て所望の種は基板に堆積する前に再結合またはその他の
消滅を生じないからであると推定した。更に、基板とプ
ラズマとの間の距離をより長い値に選択すると、寿命の
短い不要な種に対して、これらの種が相互間でもしくは
チャンバ壁と衝突するに十分な時間、または基板に堆積
されるべき所望の堆積種を形成すべく再結合するために
十分な時間が与えられる。More specifically, the proximity of the substrate to the cloud of activated precursor species reduces the quality of the deposited thin film material. Conversely, the further the substrate is from the cloud of activated precursor columns, the better the quality of the deposited thin film material. One reason for this is that the desired deposited species (at least when the deposition precursor gas is silane) has a longer lifetime than another undesired species, and thus the desired species may recombine before being deposited on the substrate. It is presumed that this is because it does not cause any other extinction. In addition, choosing a longer distance between the substrate and the plasma can provide short-lived unwanted species with sufficient time for these species to collide with each other or with the chamber walls, or to deposit on the substrate. Sufficient time is allowed for recombination to form the desired deposited species to be deposited.
結局、本発明に開示された方法は、堆積速度の大幅な促
進、堆積材料の品質の改良、ガス利用効率の向上（エネ
ルギ伝達ガスが不要になる）を達成し、材料品質を犠牲
にしないで高電力マイクロ波エネルギを使用し得る。In conclusion, the method disclosed in the present invention achieves a significant acceleration of deposition rate, improved quality of deposited material, increased gas utilization efficiency (eliminating the need for energy transfer gas), and without sacrificing material quality. High power microwave energy may be used.
先１へ１１
本発明は、励起された堆積前駆物質ガスから高流量の活
性堆積種を発生させる方法を開示している。本発明方法
は、
処理室を準備する段階と、
該処理室の内部を大気圧より低圧のバックグラウンド圧
力に維持する段階と、
導管に形成された少なくとも１つの開口を介して、前記
導管の前記開口近傍の圧力と前記室内のバックグラウン
ド圧力との間にがなりの圧力差を生じさせる圧力の堆積
前駆物質ガスを前記処理室の内部に導入する段階と、
前記堆積前駆物質ガスを活性化領域で活性化して高密度
雲状の活性化前駆物質種を形成させる段階と、
前記処理室の内部で前記活性化領域から離間させて基板
を作動的に配置する段階と、
構造的な閉じ込めを用いることなく前記雲が実質的に明
確な境界に限定されるように前記導管の前記開口近傍に
前記堆積前駆物質ガス流を成立させる段階とを含むこと
を特徴とする比較的高い堆積速度で高品質薄膜を堆積さ
せる方法を提供する。Next 11 The present invention discloses a method for generating high flow rates of active deposition species from an excited deposition precursor gas. The method of the invention includes the steps of: preparing a processing chamber; maintaining the interior of the processing chamber at a background pressure below atmospheric pressure; introducing a deposition precursor gas into the interior of the processing chamber at a pressure that creates a pressure difference between the pressure near the opening and the background pressure within the chamber; and introducing the deposition precursor gas into an activation region. activating the substrate to form a dense cloud of activated precursor species; operatively positioning a substrate within the processing chamber and spaced from the activation region; and using structural confinement. establishing said deposition precursor gas flow proximate said opening of said conduit such that said cloud is confined to substantially defined boundaries without having a relatively high deposition rate and high quality. A method of depositing a thin film is provided.
導管内の堆積前駆物質ガスの流量は、パッシェン曲線の
実質的な極小点に対応する電カー圧カー開ロロ径条件で
堆積前駆物質ガスからプラズマを発生させるために十分
な圧力を開口近傍の堆積前駆物質ガスに与えるように選
択される。前記堆積前駆物質ガスに高圧を与える絞り部
を開口近傍に形成するために導管口径に比較して開口口
径を縮小してもよい。例えば開口口径の縮小によって開
口近傍での堆積前駆物質ガスの滞留時間が延長されるの
で、その結果として開口近傍の堆積前駆物質ガスの圧力
も増加する。水ジャケットのごとき冷却機構を導管に配
備してもよい。開口近傍の導管の表面の劣化を抑制する
ために黒鉛スリーブのごとき保護スリーブを配備しても
よい。材料を基板に堆積させるために高密度の活性化前
駆物質種を使用する。The flow rate of the deposition precursor gas in the conduit is sufficient to generate a plasma from the deposition precursor gas at an electric pressure Kerr open diameter condition corresponding to a substantial minimum point on the Paschen curve. selected to provide a precursor gas. The aperture diameter may be reduced compared to the conduit diameter to form a constriction near the aperture that applies a high pressure to the deposition precursor gas. For example, reducing the aperture diameter increases the residence time of the deposition precursor gas in the vicinity of the aperture, thereby increasing the pressure of the deposition precursor gas in the vicinity of the aperture. A cooling mechanism such as a water jacket may be provided in the conduit. A protective sleeve, such as a graphite sleeve, may be provided to inhibit deterioration of the surface of the conduit near the opening. A high density of activated precursor species is used to deposit the material onto the substrate.
堆積前駆物質ガスを活性化するためにｒ、ｆ、またはマ
イクロ波周波数のいずれを使用してもよい。Either r, f, or microwave frequencies may be used to activate the deposition precursor gas.
マイクロ波エネルギを使用するときは、導管の開口を通
る堆積前駆物質ガスを放射マイクロ波アプリケータを用
いて活性化する。または、活性種が土として導管の外部
で発生するように導管をマイクロ波不透過の材ｆ■から
形成してもよい。When using microwave energy, the deposition precursor gas passing through the conduit opening is activated using a radiating microwave applicator. Alternatively, the conduit may be formed from a microwave-impermeable material so that the active species are generated outside the conduit as soil.
前述のごとく、活性種の雲を形成するために電磁場が印
加される。処理室のバックグラウンド圧力と第１導管の
前記開口近傍の堆積前駆物質ガスの圧力との間に存在す
る圧力差を制御することによって雪の容量を制御するこ
とが可能である。As mentioned above, an electromagnetic field is applied to form a cloud of active species. It is possible to control the snow volume by controlling the pressure difference that exists between the background pressure of the processing chamber and the pressure of the deposition precursor gas near said opening of the first conduit.
処理室内部のバックグラウンド圧力は好ましくは５０ｔ
ｏｒｒ未満の範囲に維持される。約１１０３ＣＣ以上の
流量の堆積前駆物質ガスを導管及び処理室に導入するの
が好ましい。この方法では、所与のガスのパッシェン曲
線の極小点における圧力の１７２の圧力の等圧線を導管
の開口近傍て維持する。導管を通る堆積前駆物質ガスの
流星は、処理室に存在するバックグラウンド圧力に対し
て、堆積前駆物質ガスの活性種がその熱速度と少なくと
もほぼ同じ桁の速度を得るように選択される。その結果
、遠方に配置された基板に向かって移動するように、活
性化堆積種に対して方向性速度が与えられる。The background pressure inside the processing chamber is preferably 50t.
maintained within a range less than orr. Preferably, a flow rate of about 1103 cc or more of deposition precursor gas is introduced into the conduit and processing chamber. In this method, a 172 pressure isobar of the pressure at the minimum point of the Paschen curve for a given gas is maintained near the opening of the conduit. The meteorization of the deposition precursor gas through the conduit is selected such that, relative to the background pressure present in the processing chamber, the active species of the deposition precursor gas obtain a velocity at least about the same order of magnitude as its thermal velocity. As a result, a directional velocity is imparted to the activated deposited species to move toward the remotely located substrate.
かかる速度を極めて効率的に与えるためには、導管を通
る堆積前駆物質ガス流が実質的に遷音速（絞りモードで
作動するように音速に近い速度）になることが必要であ
る。In order to provide such velocities very efficiently, it is necessary that the deposition precursor gas flow through the conduit be substantially transonic (velocity close to sonic, such as operating in a throttle mode).
本発明の上記及びその他の目的、利点及び特徴は、特許
請求の範囲の記載、図面及び図面に基づく以下の記載よ
り明らかにされるであろう。The above and other objects, advantages, and features of the present invention will become apparent from the claims, the drawings, and the following description based on the drawings.
詳細な説明
ｌ Ａ【ｋ【
図面、特に第１図を参照する。第１図は、反応装置の一
部破断斜視図であり、装置全体を参照符号１０で示す、
装置１０は、その内部に導入された堆積前駆物質ガスか
ら活性化前駆物質種の雲を発生させる機能を果たすよう
に設計されている。活性化前駆物質種は、相互作用性ド
リフトゾーンを通って案内され、ドリフトゾーンて前記
活性種が互いに衝突し所望の堆積種を形成する。堆積種
はその後、雲から離間して作動的に配置された基板に、
例えばシリコン、ゲルマニウム、炭素及びその組み合わ
せから成る比較的高品質の薄膜層を堆積させる。DETAILED DESCRIPTION lA[k] Reference is made to the drawings, in particular to FIG. FIG. 1 is a partially cutaway perspective view of a reactor, the entire device being designated by the reference numeral 10.
Apparatus 10 is designed to function to generate a cloud of activated precursor species from a deposition precursor gas introduced therein. The activated precursor species are guided through an interactive drift zone where the activated species collide with each other to form the desired deposited species. The deposited species are then deposited onto a substrate operatively positioned away from the cloud.
A relatively high quality thin film layer of, for example, silicon, germanium, carbon and combinations thereof is deposited.
第１図の装置１０は、はぼ直方体の形状の中空の真空室
１２を有する。処理室１２は、処理室の内部に基板を出
し入れするためのドア１４として機能する回動自在な前
面１４を有する。ドア１４の内周に、（図示しない）１
つ以上の真空シールリングと１つ以上のラッチ例えばラ
ッチ１６ 、１８とが配備され、これらのラッチは、処
理室外部の環境条件と処理室内部の真空条件との間の気
密閉鎖を確保するためにシールリングを圧縮するように
設計されている。The apparatus 10 of FIG. 1 has a hollow vacuum chamber 12 in the shape of a rectangular parallelepiped. The processing chamber 12 has a rotatable front surface 14 that functions as a door 14 for taking substrates into and out of the processing chamber. 1 (not shown) on the inner circumference of the door 14
One or more vacuum sealing rings and one or more latches, such as latches 16, 18, are provided to ensure a gas-tight closure between the environmental conditions outside the processing chamber and the vacuum conditions inside the processing chamber. Designed to compress the seal ring.
真空室１２は更に、強力真空ポンプ２２に接続ずべく設
計された吐出ボート２０を底面１２Ｃに有しており、該
ポンプの機能は、
（１）使用済み反応物質を中空内部から排出する、及び
、
（２）前記処理室１２の内部を大気圧辺下の適当な圧力
に維持する
ことである。より詳細に後述するごとく、処理室内部で
高速の堆積処理が開始され且つ持続されるようにバック
グラウンド圧力を慎重に選択する必要がある。The vacuum chamber 12 further has a discharge boat 20 on the bottom surface 12C designed to be connected to a high-power vacuum pump 22, the functions of which are: (1) evacuation of spent reactants from the hollow interior; (2) Maintaining the inside of the processing chamber 12 at an appropriate pressure below atmospheric pressure. As discussed in more detail below, the background pressure must be carefully selected to initiate and sustain a fast deposition process within the process chamber.
装置１０は更に、側壁１２ａから真空室１２の内部に延
びる口径ｃｌ（ｄは好ましくは約０．５〜３．０ｃｍ）
の細長い第１導管２４を少なくとも１つ有する。中空導
管２４は、遠位端２４ａに開口２６を備えた部分を少な
くとも１つ有する。導管２４及びその遠位端２４ａ及び
開口２６は夫々、堆積前駆物質ガスを（図示しない）ソ
ースから前記真空室１２の内部まで、好ましくは該堆積
前駆物質ガスから活性種を生じさせるように設計された
装置に直ぐ隣接の場所まで輸送及び導入するように構成
されている。第１図の好ましい実施例において、活性化
装置はより詳細に後述する放射マイクロ波アプリケータ
２８の形状である。The apparatus 10 further includes a diameter cl (d is preferably about 0.5 to 3.0 cm) extending from the side wall 12a into the interior of the vacuum chamber 12.
The first conduit 24 has at least one elongated first conduit 24 . Hollow conduit 24 has at least one portion with an opening 26 at distal end 24a. Conduit 24 and its distal end 24a and opening 26 are each designed to direct a deposition precursor gas from a source (not shown) to the interior of the vacuum chamber 12, preferably to generate active species from the deposition precursor gas. The equipment is configured to be transported and introduced into the immediate vicinity of the equipment. In the preferred embodiment of FIG. 1, the activation device is in the form of a radiating microwave applicator 28, which will be described in more detail below.
好ましい１つの実施Ｂ様ては、第１導管２４か、非限定
的に主としてシリコン含有ガス、ゲルマニウム含有ガス
、酸素含有ガス、炭素含有ガス、窒素含有ガス、ｎ−ド
ーパント含有ガス、ｐ−ドーパント含有ガス及びそれら
の組み合わせから成るクループから選択された堆積前駆
物質ガスを導入するように設計されている。好ましい堆
積前駆物質ガスの非限定例は、Ｓ ｉ ＩＩ ４、ＳＩ
Ｆ、、Ｓ＋Ｊ６、Ｇｅ１ｌ−１Ｇｅ２１１６、ＧｅＦ４
、Ｃし、Ｃ２Ｉ＋ ６及びその組み合わせである。また
は、堆積前駆物質ガスが、ＮＦ３、ＣＦ、、フルオロカ
ーボン、クロロカーホン及びその組み合わせのごときエ
ッチャント前駆物音ガスでもよい。In one preferred embodiment B, the first conduit 24 is primarily, but not limited to, a silicon-containing gas, a germanium-containing gas, an oxygen-containing gas, a carbon-containing gas, a nitrogen-containing gas, an n-dopant-containing gas, a p-dopant-containing gas. It is designed to introduce a deposition precursor gas selected from a group of gases and combinations thereof. Non-limiting examples of preferred deposition precursor gases include S i II 4, SI
F,,S+J6,Gel-1Ge2116,GeF4
, C, C2I+6 and combinations thereof. Alternatively, the deposition precursor gas may be an etchant precursor gas such as NF3, CF, fluorocarbons, chlorocarbons, and combinations thereof.
使用される堆債前駆物貰ガスの組成にかかわりなく、導
管２４の遠位端に形成された開口２６は、（ＳＣＣＭ、
５ｔａｎｄａｒｄ Ｃｕｂｉｃ Ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ
ｓ ｐｅｒ Ｍｉｎｕｔｅ即ち標準ｃ ＋ｎ ’ ７分
で測定された）選択流量の稚苗前駆物質ガスを送出でき
ることが必要である。流量は、前記開口２６の近傍の堆
積前駆物質ガスに、修正パッシェン曲線の実質的な極小
点の電カー圧力開ロロ径条件で堆積前駆物質ガスの活性
化を開始させる十分な圧力を与えるように選択される（
パッシェン曲線の詳細は第３図に基づいて後述する）。Regardless of the composition of the precursor gas used, the opening 26 formed in the distal end of the conduit 24 is
5standard Cubic Centimeter
It is necessary to be able to deliver a selected flow rate of seedling precursor gas (measured at standard c + n' 7 minutes). The flow rate is such as to provide sufficient pressure to the deposition precursor gas in the vicinity of said opening 26 to initiate activation of the deposition precursor gas at the electric pressure open Rolo diameter condition of the substantial minimum point of the modified Paschen curve. Selected (
Details of the Paschen curve will be described later based on FIG. 3).
導管２４は更に、前記開口２６の近傍でその口径を縮小
する手段を含む。この口径縮小手段の１つの例は、第２
図に示すような単なるオーバーコート２３０から形成さ
れる。このように堆積前駆物質ガスの流路を狭くするこ
とによって堆積前駆物質ガスの局部的高圧を与える導管
２４の「絞り状態」を開口２６の「近傍」に生じさせる
０本文中で使用される開口の「近傍」なる用語は、開口
を通るガスが絞り状態によって生じた遷音速の効果を感
知できるように、絞り状態が開口に十分近接して生じる
ことを意味する。本文中で使用される「絞り状態」なる
用語は、導管２４内の開口２６を通る堆積前駆物質ガス
の速度が実質的に遷音速に達する状態を意味する。−船
釣に絞り状態とは、均一口径の導管において該導管を通
るガスの速度が遷音速に達したときに圧縮ガス（または
流体）中で生じる状態を意味する。この状態のとき、堆
積前駆物質ガスの流量増加は速度増加でなく圧力増加を
誘発する。絞りモードとはこの状態の定義であり、パッ
シェン曲線の実質的な極小点で処理するための圧力増加
もまさにこの状態の結果として得られる。この局在的高
圧は遠位端２４ａの近傍で導管を流れる堆積前駆物質ガ
スのプラズマを発生させ、独立的に制御可能なパワーレ
ベルに維持できるような十分な圧力ゾーンを形成させる
。変更態様では、通過するプラズマ堆積ガスの流量を調
節しこれによって前記遠位端２４ａの近傍の圧力を調節
するために、選択的に収縮または弛緩し得るソレノイド
のごとき電磁デバイスを使用して導管２４の遠位端２４
ａの内圧を容易に制御てきるように構成する。Conduit 24 further includes means for reducing its diameter in the vicinity of said opening 26. One example of this aperture reduction means is the second
It is formed from a simple overcoat 230 as shown. The opening used in this text creates a "throttled state" of the conduit 24 "in the vicinity" of the opening 26, thus creating a locally high pressure of the deposition precursor gas by narrowing the flow path of the deposition precursor gas. The term "near" means that the constriction condition occurs sufficiently close to the aperture so that the gas passing through the aperture can sense the transonic effects caused by the constriction condition. As used herein, the term "throttled condition" refers to a condition in which the velocity of the deposition precursor gas through the opening 26 in the conduit 24 reaches a substantially transonic velocity. - Throttle condition in boat fishing means the condition that occurs in a compressed gas (or fluid) in a uniform diameter conduit when the velocity of the gas through the conduit reaches transonic speed. In this condition, an increase in the flow rate of the deposition precursor gas induces an increase in pressure rather than an increase in velocity. The throttling mode is the definition of this state, and the pressure increase for processing at the virtual minimum point of the Paschen curve is also a result of this state. This localized high pressure generates a plasma of deposition precursor gas flowing through the conduit in the vicinity of distal end 24a, creating a pressure zone sufficient to maintain independently controllable power levels. In a variation, an electromagnetic device such as a solenoid that can be selectively contracted or relaxed is used to adjust the flow rate of plasma deposition gas therethrough and thereby the pressure proximate the distal end 24a. distal end 24 of
The structure is such that the internal pressure of a can be easily controlled.
導管２４はまた、第２図のコイル２３５のごとく、遠位
端２４ａの直ぐ近くに印加磁場を与え得るコイルによっ
て包囲されていてもよい。印加磁場は、導管２４の開口
２６の直ぐ近くに生じるプラズマゾーンの堆積前駆物質
ガスの活性種の滞留時間を延長すべく励起され得る。以
下の記載からより明らかなように、コイル２３５によっ
て成立する磁場は導管の開口の直ぐ近くでマイクロ波ア
プリケータによって生じたイオン化種の滞留時間を延長
させるが、この磁場が活性種の雲の有意な空間的閉じ込
めを行なうことはない。Conduit 24 may also be surrounded by a coil, such as coil 235 in FIG. 2, that can provide an applied magnetic field in the immediate vicinity of distal end 24a. The applied magnetic field may be excited to extend the residence time of the active species of the deposition precursor gas in the plasma zone that occurs in the immediate vicinity of the opening 26 of the conduit 24 . As will be more apparent from the discussion below, the magnetic field established by coil 235 increases the residence time of ionized species produced by the microwave applicator in the immediate vicinity of the conduit opening; There is no spatial confinement.
次に第２図を更に詳細に説明する。第２図は第１図に関
して説明した導管２４の好ましい実施例を示す。第２図
の導管２２４はステンレススチールのごときマイクロ波
不透過性材料または同様のマイクロ波反射性金属から製
造されている。第１図の実施例と同様に、導管２２４は
、遠位端２２４ａに開口２２６を備えた少なくとも１つ
の部分を有する。不透過性導管２２４はまた、導管周囲
を包囲して同心的に配置された外側冷却ジャケット２２
８を有し、該ジャケットは水のごとき冷媒か容易に内部
循環するように設計されている。従って、冷却ジャケッ
ト２２８は、例えばマイクロ波エネルギまたはｒ、ｆ。Next, FIG. 2 will be explained in more detail. FIG. 2 shows a preferred embodiment of conduit 24 as described with respect to FIG. Conduit 224 in FIG. 2 is fabricated from a microwave opaque material such as stainless steel or a similar microwave reflective metal. Similar to the embodiment of FIG. 1, conduit 224 has at least one section with an opening 226 at distal end 224a. The impermeable conduit 224 also includes an outer cooling jacket 22 disposed concentrically around the conduit.
8, the jacket is designed to allow easy internal circulation of a refrigerant such as water. Thus, the cooling jacket 228 may be exposed to, for example, microwave energy or r,f.
電磁場によって前記導管の前記遠位端で生じた高エネル
ギ活性種によって強烈な熱が発生するにもかかわらず、
前記導管２２４を均一の比較的低い温度に維持し得る。Despite the intense heat generated by the high energy activated species generated at the distal end of the conduit by the electromagnetic field;
The conduit 224 may be maintained at a uniform, relatively low temperature.
冷媒は水以外の流体、例えば主として、シリコーン油、
フレオン、窒素、水素、ヘリウム及び当業者に公知のそ
の他の冷媒から成るグループから選択されてもよい。Refrigerants are fluids other than water, such as silicone oil,
It may be selected from the group consisting of freon, nitrogen, hydrogen, helium and other refrigerants known to those skilled in the art.
冷却ジャケット２２８が必要になるより詳細な理由は、
前記導管の遠位端の前記開口２２６の近傍で発生され維
持される強力な活性化領域によって熱が発生するからで
ある。導管２２４の前記開口２２６がら流出する堆積前
駆物質ガスが、放射マイクロ波アプリケータから与えら
れたマイクロ波エネルギによって生じる強力な電磁場の
作用を受けることに注目されたい０強力な電磁場は堆積
前駆物質ガスを解離させる。次に、解離種の化学反応が
生じて熱が放出され、その結果として、極度の温度上昇
が生じ、また、堆積前駆物質ガスの活性種の高反応性プ
ラズマが形成される。従って、導管２２４の遠位端２２
４ａは導管製造材料を溶融させる十分な温度に達する。The more detailed reason why the cooling jacket 228 is necessary is as follows.
Heat is generated by the strong activation region generated and maintained near the opening 226 at the distal end of the conduit. It is noted that the deposition precursor gas exiting said opening 226 of conduit 224 is subjected to the action of a strong electromagnetic field created by microwave energy applied from a radiating microwave applicator. dissociate. A chemical reaction of the dissociated species then occurs and heat is released, resulting in an extreme temperature increase and the formation of a highly reactive plasma of active species of the deposition precursor gas. Thus, distal end 22 of conduit 224
4a reaches a temperature sufficient to melt the conduit manufacturing material.
冷却ジャケット２２８が存在しなければ、該材料は極高
温状態によって分解し、真空室の内部汚染源となる。汚
染物質は最終的に基板に汚染材料を堆積させてプラズマ
活性化法の質を低下させる。Without the cooling jacket 228, the material would decompose due to the extremely high temperature conditions and become a source of internal contamination of the vacuum chamber. The contaminants ultimately degrade the quality of the plasma activation process by depositing contaminant materials on the substrate.
第２図の導管２２４はまたその遠位端２２４ａに、耐高
温性、耐スパツタ性の比較的強い材料から成る保護オー
バーコート２３０を備える。この保護オーバーコート２
３０は導管２２４の遠位端２２４ａの製造材料を、堆積
前駆物質ガスの高温、高エネルギ活性種によるスパッタ
リングに起因する劣化から保護するように設計されてい
る。The conduit 224 of FIG. 2 also includes a protective overcoat 230 at its distal end 224a comprised of a relatively strong material that is resistant to high temperatures and resistant to spatter. This protective overcoat 2
30 is designed to protect the material of manufacture of the distal end 224a of the conduit 224 from degradation due to sputtering by high temperature, high energy active species of the deposition precursor gas.
詳細に後述するごとく、堆積前駆物質ガスの活性化前駆
物質種が導管２２４の開口の近傍で等圧線状の雲２３１
を形成することに注目されたい、この雲２３１は活性種
の活性化領域を包含する。同じく詳細に後述するごとく
、活性種の雲の輪郭は、導管の内部に流れるガスと処理
室の内部に存在するバックグラウンド圧力との間の圧力
差によって規定される。保護オーバーコート２３０の製
造材料としては黒鉛を使用するのが好ましい、（本発明
ではかなりの圧力差によって生じさせたプラズマを構造
的な壁を存在させずに閉じ込めるが、この閉じ込めに対
して黒鉛オーバーコートが影響を与えないことを理解さ
れたい、構造的な閉じ込めかないことを、ガスが導管の
開口がら真空室の内部に導入される場所の下流の閉じ込
めと定義する）。As described in more detail below, activated precursor species of the deposition precursor gas form an isobaric cloud 231 near the opening of conduit 224.
Note that this cloud 231 forms an active region of active species. As also discussed in more detail below, the contour of the active species cloud is defined by the pressure difference between the gas flowing inside the conduit and the background pressure existing inside the process chamber. Preferably, graphite is used as the material of manufacture for the protective overcoat 230 (the present invention confines the plasma generated by a significant pressure difference without the presence of structural walls; It should be understood that the coat has no effect; no structural confinement is defined as confinement downstream of where the gas is introduced into the interior of the vacuum chamber through the opening of the conduit).
黒鉛は高温処理及び高温スパッタリングに極めて耐性で
あるだけでなく、装置１０を半導体合金材料の堆積に使
用したときに堆積された半導体薄膜の所望特性値に対し
ても実質的に電気的に無害である。Not only is graphite extremely resistant to high temperature processing and high temperature sputtering, but it is also substantially electrically harmless to the desired properties of the deposited semiconductor thin film when the apparatus 10 is used to deposit semiconductor alloy materials. be.
上述のごとく、特に第２図に基づいて詳細に説明したよ
うに、導管２２４は、内部に流れている好ましい堆積ガ
スを活性化手段２３２の中空内部に導入するように設計
されている。該活性化手段は前記開口２２６の直ぐ近く
に配置されている。同心的に配置された冷却ジャケット
２２８で包囲された導管２２４は、前記活性化手段２３
２の側壁２３３に形成された開口２３４に接触しないで
近接している。活性化手段２３２の側壁２３３と、同心
配置された導管及び冷却ジャケットの周囲との間にスパ
ーキングまたはその他の電気的結合を阻止する適当な絶
縁スペースを維持しながら好ましい堆積ガスを活性化手
段２３２の内部に直接導入し易くするために、好ましく
は円形（同等の効果を与える別の形状でもよい）の開口
２３４の口径は、冷却シャケ・ント２２８の外径を約１
７４〜１インチ上回る大きさである。As mentioned above and explained in more detail with particular reference to FIG. 2, the conduit 224 is designed to introduce the preferred deposition gas flowing therein into the hollow interior of the activation means 232. The activation means is located in close proximity to the opening 226. A conduit 224 surrounded by a concentrically arranged cooling jacket 228 is connected to the activation means 23.
The opening 234 formed in the side wall 233 of No. 2 is close to, but not in contact with, the opening 234 . Activating means 232 for activating the preferred deposition gas while maintaining adequate insulating spacing to prevent sparking or other electrical coupling between the sidewall 233 of activating means 232 and the surroundings of the concentrically disposed conduits and cooling jackets. The diameter of the aperture 234, which is preferably circular (other shapes providing an equivalent effect may be used), is approximately 1 mm larger than the outer diameter of the cooling shaft 228.
74 to 1 inch larger.
第２図の実施例の検討によって容易に理解されるように
、導管２２４及び冷却ジャケラ１〜２２８は実際には活
性化手段２３２の内部まで延びていない、その理由は、
導管２２４及び冷却ジャケラ１〜２２８がマイクロ波エ
ネルギ不透過性材料から製造されており且つ導管２２４
が中空の矩形アプリケータの内部に配置されているなら
ば、マイクロ波エネルギが該材料に吸収されるからであ
る。しかしながら、導管２２４は（第２図で）放射マイ
クロ波アプリケータ２３２の側壁２３３の外部て該側壁
に近接して配置されているので、
（１）アプリケータ製造材料である不透過性材料かプラ
ズマ結合を妨害しない、また、
（２）堆積前駆物質ガスの活性種は前記導管２２４の遠
位端に形成された開口２２６の外部で主として発生する
。As will be readily understood by considering the embodiment of FIG. 2, the conduits 224 and the cooling jackets 1-228 do not actually extend into the interior of the activation means 232 because:
Conduit 224 and cooling jackets 1-228 are made of microwave energy impervious material and conduit 224
If the material is placed inside a hollow rectangular applicator, the microwave energy will be absorbed by the material. However, since the conduit 224 (in FIG. 2) is located outside and in close proximity to the sidewall 233 of the radiating microwave applicator 232, it is possible to avoid (1) using the impermeable material of which the applicator is made or the plasma (2) the active species of the deposition precursor gas is generated primarily outside the opening 226 formed at the distal end of the conduit 224;
更に、保護オーバーコート２３０が備えられているジＧ
４（４
ため、該導管表面の材料の−ｈ＝ｋＬが阻止される。マ
イクロ波エネルギをプラズマ内部に有効に結合させるた
めに導管２２４を約１７２インチの長さだけ導波管の内
部に移動させ得ることに注目されたい。Additionally, the jacket is provided with a protective overcoat 230.
4 (4), so that −h=kL of the material on the surface of the conduit is blocked.To effectively couple the microwave energy into the interior of the plasma, conduit 224 is moved approximately 172 inches into the interior of the waveguide. Please note that it can be done.
再び第１図を参照すると、堆積装置１０は更に、マイク
ロ波アプリケータ２８を含む、該アプリケータは第１導
管２４を流れるエネルギ伝達ガスに２．４５（：ｌｌｚ
で電磁エネルギを配給するように設計されている。アプ
リケータ２８は放射マイクロ波アプリケータとして図示
されているが、主としてマイクロ波エネルギ、ｒ、ｒ、
エネルギ、低周波ａ、ｅ、エネルギまたは高強度パルス
化レーザの形状の光エネルギから成るグループから選択
された任意のエネルギを配給するアプリケータを選択し
得る。しかしながら前述のごとく、マイクロ波エネルギ
が活性種の高密度大容量プラズマを最も効率的に発生さ
せることができるので、アプリケータ２８がマイクロ波
アプリケータ、好ましくは周波数２．４５ＧＨｚで少な
くとも１．０キロワツトのマイクロ波電力、好ましくは
５キロワツト以上のマイクロ波電力を送出するように設
計された（遅波アプリケータと対照的な）放射マイクロ
波アプリケータであるのが好ましい。Referring again to FIG. 1, the deposition apparatus 10 further includes a microwave applicator 28 that directs the energy transfer gas flowing through the first conduit 24 to a
designed to distribute electromagnetic energy. Although applicator 28 is illustrated as a radiating microwave applicator, it primarily emits microwave energy, r, r,
The applicator may be selected to deliver any energy selected from the group consisting of energy, low frequency a, e, energy or light energy in the form of a high intensity pulsed laser. However, as previously discussed, applicator 28 is a microwave applicator, preferably at least 1.0 kilowatts at a frequency of 2.45 GHz, since microwave energy is most efficient at generating a high density, large volume plasma of active species. It is preferably a radiating microwave applicator (as opposed to a slow wave applicator) designed to deliver microwave power of 5 kilowatts, preferably 5 kilowatts or more.
第１図から明らかなように、アプリケータ２８は、導管
２４から処理室に導入された堆積前駆物質ガスに（図示
しない）マグネトロンからのマイクロ波エネルギを与え
るように設計されたほぼ細長い直方体の形状の中空導波
管構造である。前記導波管アプリケータ２８はマイクロ
波透過窓２９を介して前記処理室１２に入る。この窓は
処理室の底面１２ｃに真空シールされている。真空シー
ルされたこの種の窓２９は、出願人に譲渡された１９８
８年４月８日出願の米国特許出願筒１７９，６１７号に
十分に開示されている。該特許出願の記載内容は本発明
に含まれるものとする。マイクロ波アプリケータ２８は
窓２９の上部内側プレーｈ２９ａに載置されている。導
波管構造は好ましくは、真空室の外部では銅から成り真
空室の内部ではニッケルから成る。1, the applicator 28 has a generally elongated rectangular shape designed to impart microwave energy from a magnetron (not shown) to the deposition precursor gas introduced into the process chamber through the conduit 24. It has a hollow waveguide structure. The waveguide applicator 28 enters the processing chamber 12 through a microwave transparent window 29 . This window is vacuum sealed to the bottom surface 12c of the processing chamber. A vacuum-sealed window 29 of this type is available in the 198
It is fully disclosed in US patent application Ser. No. 179,617, filed Apr. 8, 1998. The contents of the patent application shall be included in the present invention. The microwave applicator 28 is mounted on the upper inner play h29a of the window 29. The waveguide structure preferably consists of copper outside the vacuum chamber and nickel inside the vacuum chamber.
導入されたマイクロ波エネルギを導入された堆積前駆物
質ガスに結合させる機能を達成するために、導管２４は
、堆積前駆物質ガスを受容すべく導波管２８の側面３２
に形成された開口３０に延びている。To accomplish the function of coupling the introduced microwave energy to the introduced deposition precursor gas, the conduit 24 connects the side 32 of the waveguide 28 to receive the deposition precursor gas.
It extends into an opening 30 formed in the.
開口３０の機能及び構造は、第２図に基づいて説明した
ものと同じである。即ち、開口３０は導管２４を容易に
挿通させ、該導管内部で運ばれる堆積前駆物質ガスを導
管２４の遠位端２４ａの近傍に形成された活性化領域３
４に送り、活性種の雲を前記アプリケータ２８の内部か
ら放出させる。The function and structure of the aperture 30 are the same as described on the basis of FIG. That is, the aperture 30 facilitates passage of the conduit 24 and directs the deposition precursor gas carried within the conduit to the activation region 3 formed proximate the distal end 24a of the conduit 24.
4 to cause a cloud of active species to be released from within the applicator 28.
放射マイクロ波アプリケータ２８は更に、開口３０が形
成されている面３２の対向面３５に形成された切欠き部
３６を有する。活性種の雲が、マイクロ波アプリケータ
の材料を過度に劣化させずに等圧Ｍ（第２図の２３１８
〜Ｃ）に従って膨張するように、切欠き部３６は開口３
０の口径よりも好ましくは約２インチ大きい口径を有し
ている。従って、アプリケータの切欠き部３６は、堆積
前駆物質ガスをアプリケータ２８の内部から逃がす手段
を与えるため設けられていることが理解されよう。マイ
クロ波アプリケータ２８は更に、使用されなかったマイ
クロ波エネルギが真空室１２の内部に逃げるのを阻止す
るために末端閉鎖板４０を有する。アプリケータ２８の
面３５の切欠き３６の最大寸法は、（１）開口が小さい
ほど材料の腐食が多いかまたは活性種の損失が多いがマ
イクロ波エネルギの閉じ込めがよいという条件と、（２
）開口が大きいほど材料の腐食が少ないがまたは活性種
の損失が少ないがマイクロ波エネルギが処理室にリーク
し易いという条件を折り合わせるように決定される。切
欠き部３６は更に、マイクロ波吸収性または反射性の遮
蔽またはその他のマイクロ波エネルギが処理室に侵入す
ることを阻止する手段を有する。このことは、第１導管
内部のエネルギ伝達ガスの圧力がバックグラウンド圧力
の５倍に近い値（必要最小値）のときに特に重要になる
。The radiating microwave applicator 28 further has a cutout 36 formed in a face 35 opposite the face 32 in which the aperture 30 is formed. The cloud of active species can be maintained at an isobaric M (2318 in Figure 2) without unduly degrading the material of the microwave applicator.
~C), the notch 36 expands according to the opening 3.
The diameter is preferably about 2 inches larger than the diameter of 0. It will therefore be appreciated that applicator cutout 36 is provided to provide a means for escape of deposition precursor gas from the interior of applicator 28. Microwave applicator 28 further includes an end closure plate 40 to prevent unused microwave energy from escaping into the interior of vacuum chamber 12 . The maximum dimension of the notch 36 in the face 35 of the applicator 28 is determined by the following conditions: (1) the smaller the opening, the more corrosion of the material or the loss of active species, but the better the confinement of the microwave energy;
) The larger the opening is, the less corrosion of the material or loss of active species is determined, but it is determined to compromise the condition that microwave energy is more likely to leak into the processing chamber. Cutout 36 further includes a microwave absorbing or reflective shield or other means for preventing microwave energy from entering the processing chamber. This is particularly important when the pressure of the energy transfer gas inside the first conduit is close to five times the background pressure (the required minimum value).
堆積装置１０は更に、処理室の内部に作動的に配置され
その上に堆積される薄膜材料が活性種の雲３４中に存在
する高エネルギ電子に直接暴露されないように少なくと
も導管２４の遠位端２４ａから十分な距離だけ離間して
遠隔に配置されたほぼ平坦な基板５０を少なくとも１つ
含む、装置１０は更に、基板５０を加熱するか及び／ま
たは電気的もしくは磁気的バイアスを与えるように設計
された手段５２を含むのが好ましい、しかしながら、熱
またはバイアスの使用は本発明の実施に必須ではないと
理解されたい、好ましい実施例では、基板５０が導管２
４と実質的に軸合わせして配置され活性化領域３４で発
生した活性種の流れが基板に堆積すべく基板に案内され
る。The deposition apparatus 10 is further operatively disposed within the process chamber such that at least the distal end of the conduit 24 is configured such that the thin film material to be deposited thereon is not directly exposed to the high energy electrons present in the active species cloud 34. Apparatus 10 is further configured to include at least one substantially planar substrate 50 remotely located a sufficient distance from 24a to heat and/or apply an electrical or magnetic bias to substrate 50. It is to be understood, however, that the use of heat or bias is not essential to the practice of the invention; in the preferred embodiment, the substrate 50 is connected to the conduit 2.
4, a stream of active species generated in the activation region 34 is directed to the substrate for deposition thereon.
前述のごとく、基板５０は開口２６、導管２４及び堆積
前駆物質ガスの活性種の雲３４の末端から所与の距離だ
け離間して作動的に配置されることに注目されたい、開
口２６から基板５０までの間隔は、活性種の間で所望数
の相互衝突が生じるような適正な値に選択される。従っ
て、以後参照符号６５で示し相互作用性方向性ドリフト
ゾーンと呼ぶこの領域の長さは、活性種の平均自由行程
、処理室のバックグラウンド圧力、導管内の堆積前駆物
質ガスの流量、活性化領域で活性種に与えられるエネル
ギ、及び、使用される特定の堆積前駆物質ガスに依存す
る。出願人等は、このドリフトゾーンの最適長さの１つ
の例は導管の開口から約１２ｃｍであると決定した。し
かしながら、その他の技術を使用し、堆積薄膜の品質に
有意な影響を与えることなく基板を導管に対してより接
近させてもまたはより離間させてもよい０例えば、基板
と導管との間に「エアブレーキ」６７を介在させてもよ
い、このエアブレーキ６７はドリフトゾーンを通過する
ときに活性種を構造的に閉じ込める機能を果たす、勿論
、エアブレーキを形成する壁及び円周の長さは円周の掻
く一部の程度から活性種を完全に包囲する円筒状部材を
形成するような全周までの広い範囲から選択できる。包
囲の程度が増加すると、圧力が増加し活性種間の衝突の
数も増加しその結果として堆積材料の品質が変化する。Note that the substrate 50 is operatively disposed a predetermined distance from the aperture 26, the conduit 24, and the end of the cloud of active species of deposition precursor gas 34, as previously described. The spacing up to 50 is selected to be a suitable value such that the desired number of mutual collisions between active species occurs. Therefore, the length of this region, hereinafter designated by reference numeral 65 and referred to as the interactive directional drift zone, is determined by the mean free path of the active species, the background pressure of the process chamber, the flow rate of the deposition precursor gas in the conduit, the activation It depends on the energy imparted to the active species in the region and on the particular deposition precursor gas used. Applicants have determined that one example of an optimal length for this drift zone is approximately 12 cm from the conduit opening. However, other techniques may be used to move the substrate closer or further apart from the conduit without significantly affecting the quality of the deposited film. An air brake 67 may be interposed. This air brake 67 serves to structurally confine the active species when passing through the drift zone. Of course, the length of the wall and circumference forming the air brake is circular. It can be selected from a wide range from a portion of the periphery to the entire periphery that forms a cylindrical member that completely surrounds the active species. As the degree of encapsulation increases, the pressure increases and so does the number of collisions between active species, resulting in a change in the quality of the deposited material.
ここでいくつか所見を述べる０本発明の発明者等は本発
明のメカニズムを細部まで完全に理解しているのではな
い、エアブレーキを使用して活性種のドリフトゾーン通
過速度を減速したときと、これに対応するようにドリフ
トゾーンの長さを延長させたときとの両方の場合で、得
られた堆積種が同一であるか否かはまだ確認されてない
、その理由は、エアブレーキが活性種−壁間の衝突数及
び活性種相互間の衝突数を必然的に増加させるからであ
る０本発明の発明者等は、基板を活性種の雲の範囲から
遠隔に維持することは必須要因であると確信している。I would like to make some observations here. The inventors of the present invention do not fully understand the mechanism of the present invention in detail. , it has not yet been confirmed whether the deposited species obtained in both cases are the same when the length of the drift zone is correspondingly increased, because the air brake The inventors of the present invention believe that it is essential to maintain the substrate remote from the range of the cloud of active species, since this inevitably increases the number of active species-wall collisions and the number of collisions between active species. I'm sure this is a factor.
実際、基板が活性種の雪の範囲の内部に配置されている
と、堆積材料の形態は柱状且つ多孔質になり材料特性が
かなり低下する。In fact, if the substrate is placed inside the confines of the active species snow, the morphology of the deposited material becomes columnar and porous and the material properties are considerably reduced.
これは、Ｔｓａｉ Ｆｔ ５ｈａ−他が、Ｍａｔｅｒｉ
ａｌ Ｒｅ５ｅａｒｃｈＳｏｃ工ｅｔ Ｓ ｍ ｏｓ
ｉｕｍ、 Ｐｒｏｃ、 Ｖｏｌ、 ９５．１９８７に所
収の論文’Ｆｉ１ｍ Ｇｒｏｗｔｈ Ｍｅｃｈａｎｉｓ
ｍ ｏｆ 八ｍｏｒｐｈｏｕｓＳｉｌｉｃｏｎ ａｎｄ
Ｄｉｏｄｅ ａｎｄ Ｔｒｉｏｄｅ Ｇｌｏｗ Ｄｉ
ｓｃｈａｒｇｅＳｙｓｔｅｍｓＪで報告したアモルファ
スシリコン材料の成長メカニズムと一致する。しかしな
がら、詳細に前述し且つより詳細に後述するごとく、本
発明の発明者等は、第４図で与えられたデータによって
、堆積速度及び電力の増加にかかわりなく少なくとも同
一品質の材料を得るのが可能であることを証明した。こ
れはプラズマ法による薄膜の堆積において重要な且つ革
命的な知見である。ここで報告したデータによって本発
明の発明者等は、材料を極めて高速で堆積させ、しかも
極めて低速で堆積させた材料と少なくとも同等の電子的
、光学的及びその他の所望特性を得ることが可能である
と確信した。This is what Tsai Ft 5ha et al.
alRe5earchSoc Engineering et S m os
Paper 'Fi1m Growth Mechanis' included in ium, Proc, Vol, 95.1987
m of 8morphousSilicon and
Diode and Triode Glow Di
This is consistent with the growth mechanism of amorphous silicon materials reported in scharge Systems J. However, as discussed above in detail and in more detail below, the data provided in FIG. proved that it is possible. This is an important and revolutionary finding in thin film deposition by plasma method. The data reported here allows the inventors of the present invention to deposit materials at very high speeds and yet obtain electronic, optical, and other desired properties that are at least equivalent to materials deposited at very low speeds. I was convinced that there was.
■００本発明方法
本発明方法の実施に関与する臨界的パラメータを詳細に
説明する前に、基板を遠隔配置して直接励起を行なう本
発明の「新規な」直接励起法が当業者によって従来から
使用されている直接励起法とどのように違うのかという
重要な疑問に答えておきたい、その答は、以後の部分で
更に詳しく説明するように、本発明では導管の開口近傍
の圧力と真空室内のバックグラウンド圧力との間のかな
りの圧力差を利用するということにある０本発明の業績
をＤｒｓ、 Ｋｎｉｇｈｔｓ ＆ Ｔｓａｉの業績及び
本発明の発明者等の目に触れたその他の研究者の発表済
みの業績すべてと区別するものはこの圧力差の利用であ
る０本発明によって活性種の高速流を発生させるために
必要な圧力差はすべてのパラメータを考慮して決定され
る必要があるので、残念ながらその数値を与えることは
できない。しかしながら、本発明方法は以下の２つの点
で従来の直接励起法とは明らかに違っている。00 Method of the Invention Before describing in detail the critical parameters involved in carrying out the method of the invention, it will be appreciated by those skilled in the art that the "novel" direct excitation method of the invention, in which the substrate is located remotely and direct excitation is performed, is known. We would like to answer the important question of how this differs from the direct excitation method in use. The work of Drs. What distinguishes it from all previous works is the use of this pressure difference. Since the pressure difference required to generate a high-velocity flow of active species according to the present invention has to be determined taking into account all parameters, Unfortunately I can't give you that number. However, the method of the present invention is clearly different from the conventional direct excitation method in the following two points.
本発明の直接励起法では圧力差が存在するので、（コア
部で約１０ｔｏｒｒの）活性種の雲は、構造的、電気的
または磁気的閉じ込めを伴わずに基板から離間した集団
（ｖｏｌｕＩ６ｅ）として維持され得る。これと極めて
対照的に、別のすべての直接励起または遠隔励起法では
プラズマ領域と堆積領域とが実質的に等しい圧力に維持
されているので、堆積前駆物質ガスの活性種のプラズマ
を構造的、電気的及び／または磁気的に基板から分離す
る必要がある。Due to the presence of a pressure difference in the direct excitation method of the present invention, the cloud of active species (approximately 10 torr in the core) is produced as a volume isolated from the substrate without structural, electrical or magnetic confinement. can be maintained. In sharp contrast, all other direct or remote excitation methods maintain the plasma region and the deposition region at substantially equal pressures so that the plasma of active species of the deposition precursor gas can be structurally and It must be electrically and/or magnetically separated from the substrate.
本発明と従来技術との第２の違いは、処理室の内部に堆
積前駆物質ガスを導入する導管が絞り状態を維持してい
ることである。この絞り状態によって堆積前駆物質ガス
に遷音速が与えられる。A second difference between the present invention and the prior art is that the conduit introducing the deposition precursor gas into the interior of the process chamber remains constricted. This constriction imparts a transonic velocity to the deposition precursor gas.
本発明方法によれば、処理が真空室即ち第１図に概略的
に示すタイプの処理室において行なわれる。真空室をま
ずバックグラウンド圧力まで減圧する。また、導管内の
堆積前駆物質ガスに実質的にて音速の流量を与える。上
記の２つの条件が得られると、引き続いて堆積前駆物質
ガスの活性種のプラズマが発生し維持される。このプラ
ズマは、パッシェン曲線の実質的に極小点で発生するよ
うに制御されている。従って、ポンプの選択が極めて重
要になる。ポンプは、絶えず導入される堆積前駆物質ガ
スが高流量であるにもかかわらず処理室を低いバックグ
ラウンド圧力に維持すべく十分に強力な減圧を行なう必
要がある。バックグラウンド圧力を所与の値に限定しな
くてもよいが、好ましい実施態様では、ポンプが、処理
室のバックグラウンド圧力を約５ＱＬｏｒｒ未満、好ま
しくは約０．０１ｍｔｏｒｒ〜１０−フｔｏｒｒの範囲
に減圧し維持する。According to the method of the invention, processing is carried out in a vacuum chamber, ie a processing chamber of the type schematically shown in FIG. The vacuum chamber is first depressurized to background pressure. It also provides a substantially sonic flow rate to the deposition precursor gas within the conduit. Once the above two conditions are achieved, a plasma of active species of the deposition precursor gas is subsequently generated and maintained. This plasma is controlled so that it is generated substantially at the minimum point of the Paschen curve. Therefore, pump selection becomes extremely important. The pump must provide a sufficiently strong vacuum to maintain a low background pressure in the process chamber despite the high flow rate of the continuously introduced deposition precursor gas. Although the background pressure need not be limited to a given value, in preferred embodiments the pump reduces the background pressure in the process chamber to less than about 5 QLorr, preferably in the range of about 0.01 mtorr to 10-ftorr. Depressurize and maintain.
これらの処理条件が与えられると、外側スペースにすで
に高真空が存在するので、この装置は、宇宙ステーショ
ンのような物体に酸化シリコンの放射線ハードコーティ
ングを高い堆積速度で「スプレー」することも可能であ
ろう。例えば、シリコン及び酸素含有ガスが可撓性導管
によって導入され、これらのシリコン及び酸素前駆物質
を励起して酸化シリコン薄膜を堆積するためにＸバンド
マイクロ波が可撓性導波管に沿って搬送され得る。Given these processing conditions and the high vacuum already present in outer space, the device could also "spray" radioactive hard coatings of silicon oxide onto objects like space stations at high deposition rates. Probably. For example, silicon and oxygen-containing gases are introduced through a flexible conduit, and X-band microwaves are carried along the flexible waveguide to excite these silicon and oxygen precursors to deposit a silicon oxide thin film. can be done.
従って、（活性化前駆物質柱の高流量を得るために）各
パラメータを個別に制御できることが理解されよう、第
一に、活性化前駆物資様の高密度雲を与えるようにマイ
クロ波アプリケータのパワーを制御し得る。第二に、構
造的、電気的または磁気的閉じ込めが全く存在せずまた
堆積前駆物質ガス流が遷音速なので、基板にｆｆ’ｌ達
する前の活性種と壁との衝突による所望の活性種の損失
を実質的に阻止して所望の活性種がそのライフタイム以
内に前記基板領域に有効に搬送されるように制御し得る
。第三に、所望の活性種を基板に堆積させる反応をｆ＆
適に発生させるように、バックグラウンド圧力、パワー
レベル及び基板−関口距離を個別に選択し得る。It will therefore be appreciated that each parameter can be controlled individually (to obtain a high flow rate of the activated precursor column); firstly, the microwave applicator can be Can control power. Second, because there is no structural, electrical, or magnetic confinement and the deposition precursor gas flow is transonic, the desired active species is removed by collisions with the walls before reaching the substrate. Effective delivery of the desired active species to the substrate region within its lifetime can be controlled to substantially prevent loss. Third, the reaction that deposits the desired active species onto the substrate is f&
The background pressure, power level and substrate-to-sekiguchi distance can be individually selected to appropriately generate the pressure.
詳細に説明したように、堆積前駆物質ガスは特に真空処
理室の内部に導入される。この導入は好ましくはその遠
位端に少なくとも１つの開口を有する導管によって行な
われる。間口の典型的な寸法は口径的０．２５〜３．０
ｃｍであり、ソレノイド操作される開口縮小構造及び／
または保護オーバーコートを備え得る。これらの素子に
関しては本文で十分に説明した。As described in detail, the deposition precursor gas is specifically introduced into the interior of the vacuum processing chamber. This introduction preferably takes place by means of a conduit having at least one opening at its distal end. Typical dimensions of frontage are 0.25 to 3.0 caliber
cm, solenoid operated aperture reduction structure and/or
or may be provided with a protective overcoat. These elements have been fully explained in the text.
堆積前駆物質ガスは主要前駆物質に加えて、多数の希釈
ガスまたはドーパン１へガスを含有し得る。The deposition precursor gas may contain a number of diluent gases or dopant gases in addition to the main precursor.
これらのガスの非限定例としては、ＮＨｌ、窒素、Ｎｌ
＋、、水素、酸素、ヘリウム、ＣＩ（、、ＰＨ３、Ｐｌ
ｕｓ、ＢＦ、、Ｂ２Ｈｓ、ＢＨ，、アルゴン及びそれら
の組み合わせがある。希釈またはドーパントガスの機能
は、堆積薄膜に混入させたい元素のソースを提供するこ
とである。例えば、離間して配置された基板にシリコン
：ゲルマニウム合金材料薄膜を堆積させる場合には、堆
積前駆物質ガス流にＢＦ、のごときｐ形ドーパントを少
量添加して薄膜をややｐ形にする。Non-limiting examples of these gases include NHL, nitrogen, Nl
+,, hydrogen, oxygen, helium, CI (,, PH3, Pl
us, BF, B2Hs, BH, argon and combinations thereof. The function of the diluent or dopant gas is to provide a source of the elements desired to be incorporated into the deposited film. For example, when depositing a thin film of a silicon:germanium alloy material on a spaced apart substrate, a small amount of a p-type dopant, such as BF, is added to the deposition precursor gas stream to render the film somewhat p-type.
または、絶縁性ＳｉＯｘ材料を堆積させる場合には、堆
積前駆物質ガス流に酸素を少量含有させる必要があろう
。堆積前駆物質ガスはその組成にかかわりなく前記導管
から活性化手段の直ぐ近くの一点に送出され、例えば、
前記のごとき放射マイクロ波アプリケータの内部に直接
配給されることが重要である。Alternatively, when depositing insulating SiOx materials, it may be necessary to include small amounts of oxygen in the deposition precursor gas stream. The deposition precursor gas, regardless of its composition, is delivered from said conduit to a point in the immediate vicinity of the activation means, e.g.
It is important that it is delivered directly inside the radiating microwave applicator as described above.
活性化エネルギはａ、ｅ、エネルギ、ｒ、ｆ 、エネル
ギ、マイクロ波エネルギ、光活性化エネルギ及びその組
み合わせから成るグループからｊｘ択できるが、好まし
い実施態様では、活性化エイ・ルギがマイクロ波エネル
ギであり、活性化手段が、前記のごとく真空室の内部に
延びる放射マイクロ波導波管のごとき放射マイクロ波ア
プリケータである。放射マイクロ波アプリケータは、周
波数２．４５ＧＨｚで約０．５〜１０キロワツトのマイ
クロ波電力を与えるように設計されている。堆積前駆物
質ガスは導管の開口からマイクロ波アプリケータの側壁
に設やすられた開口を介して前記アプリケータの中空内
部（こ配置された活性化領域に配給される。活性化類１
或とは、処理室内部のエネルギ伝達ガスの活性種力く形
成される領域であると定義できる。導管を出る高流量堆
積前駆物質ガスによって、処理室内部のバックグラウン
ド圧力に対する圧力が導管の開口の近傍に発生し、この
圧力はまた一連の同心的等圧線を生じさせ、堆積前駆物
質ガスの活性種の雲は構造的、電気的または磁気的閉じ
込めを要せずに集団として維持される。Although the activation energy can be selected from the group consisting of a, e, energy, r, f, energy, microwave energy, photoactivation energy, and combinations thereof, in a preferred embodiment, the activation energy is microwave energy. and the activation means is a radiating microwave applicator, such as a radiating microwave waveguide, extending into the interior of the vacuum chamber as described above. The radiating microwave applicator is designed to provide approximately 0.5 to 10 kilowatts of microwave power at a frequency of 2.45 GHz. Deposition precursor gas is delivered from the opening of the conduit through an opening provided in the side wall of the microwave applicator to the hollow interior of said applicator (activation area located here).
Alternatively, it can be defined as a region within the processing chamber where active species of the energy transfer gas are actively formed. The high flow rate of the deposition precursor gas exiting the conduit creates a pressure near the opening of the conduit relative to the background pressure inside the process chamber, which also creates a series of concentric isobars that cause the active species of the deposition precursor gas to clouds are maintained collectively without the need for structural, electrical or magnetic confinement.
堆積前駆物質ガスは、約１１００５ＣＣ以上、好ましく
は約１００〜２０００ＳＣＣＨの流量で導管から室内に
配給されるのが好ましい。このような流量のとき、処理
室内部のバックグラウンド圧力（約５０ｔｏｒｒ未満、
好ましくは０．１〜１０ｍｔｏｒｒ）に対し導管の開口
近傍の堆積前駆物質ガスの圧力（この圧力は約１０〜３
０ｔｏｒｒ）は約５倍以上の圧力差を維持することが可
能である。所与の任意の等圧線内部の圧力は導管の開口
から遠くなるほど減少することは明らかであろう。従っ
て、所与の任意の電力において圧力によって決定される
活性化領域の境界をパッシェン曲線から知ることができ
る。Preferably, the deposition precursor gas is delivered into the chamber from the conduit at a flow rate of about 11005 SCCH or more, preferably about 100-2000 SCCH. At such flow rates, the background pressure inside the processing chamber (less than about 50 torr,
The pressure of the deposition precursor gas near the opening of the conduit (preferably 0.1-10 mtorr) (this pressure is about 10-3 mtorr)
0 torr), it is possible to maintain a pressure difference of about 5 times or more. It will be clear that the pressure within any given isobar decreases with distance from the opening of the conduit. Therefore, the boundaries of the activation region determined by pressure at any given power can be known from the Paschen curve.
更に、第３図の検討から明らかなように、所与の容量の
雲の内部の堆積前駆物質ガスの活性種の圧力は、該活性
種からプラズマを発生させるために必要な電力レベルを
決定する。このため、第３図では、種々の容量のプラズ
マを発生及び維持する一連の個別のパッシェン曲線（番
号１〜４）を示す。Furthermore, as is apparent from a consideration of FIG. 3, the pressure of the active species of the deposited precursor gas within a given volume of cloud determines the power level required to generate a plasma from the active species. . To this end, FIG. 3 shows a series of individual Paschen curves (numbered 1-4) for generating and maintaining plasmas of various capacities.
所与の等圧線内部のエネルギ伝達ガスの活性種の圧力が
第３図の横軸にｌ−Ｈｇ（１ｍｍ Ｈｇ＝ １ｔｏｒｒ
）でプロットされ、印加される電界が縦軸にｖｏｌｔｓ
／ｃｍでプロットされている。各パッシェン曲線は所与
の容量の雲に特有である。例えば曲線１は、はぼ球形の
雲に必要な圧力／電力条件を示す、容量は直径（Ｌ）を
２．５４ｃｍとして計算される。パッシェン曲線の極小
点で処理することによって、曲線からの逸脱またはプラ
ズマの消滅を伴うことなく少々の圧力の変動に適応する
ことが可能である。The pressure of the active species of the energy transfer gas inside a given isobar line is expressed as l-Hg (1 mm Hg = 1 torr) on the horizontal axis in Figure 3.
), and the applied electric field is plotted on the vertical axis with volts
/cm. Each Paschen curve is specific to a cloud of a given volume. For example, curve 1 shows the pressure/power conditions required for a spherical cloud; the capacity is calculated using a diameter (L) of 2.54 cm. By working at the minimum point of the Paschen curve, it is possible to accommodate small pressure fluctuations without deviation from the curve or extinction of the plasma.
例えば、〈最も有効な処理条件である）パッシェン曲線
１の実質的に極小点で処理するためには、約１０Ｌｏｒ
ｒの圧力と電力測定による約４０ｖｏｌｔｓ／Ｃｍの電
界とが必要である。処理の圧力−電力条件を正しく選択
するためには、適正な雲容量及び／または開口口径をパ
ッシェン曲線の個別的な連続体から選択する必要がある
ことに留意されたい。この容量を選択すると、第２図か
ら明らかなように、活性種の雲２３１は複数の等圧線２
３１ａ〜２３１ｃから形成されている。処理室に導入さ
れる堆積前駆物質ガスの圧力は、開口２２６の口部の導
入点から所与の径方向距離でバックグラウンド圧力と実
質的に等しくなる０例えば、内側等圧線からバックグラ
ウンド圧力までに圧力が１０ｔｏｒｒ低下しなければな
らない。圧力差が十分に小さくなると、雲の境界が形成
され、活性種の密度が活性種のバックグラウンド密度と
融合する。For example, in order to process at substantially the minimum point of Paschen curve 1 (which is the most effective processing condition), approximately 10Lor
A pressure of r and an electric field of approximately 40 volts/Cm with power measurements are required. Note that in order to correctly select the pressure-power conditions of the process, the appropriate cloud volume and/or aperture diameter must be selected from a discrete continuum of Paschen curves. When this capacity is selected, as is clear from FIG.
31a to 231c. The pressure of the deposition precursor gas introduced into the processing chamber is substantially equal to the background pressure at a given radial distance from the point of introduction at the mouth of the opening 226, e.g., from the inner isobars to the background pressure. The pressure must drop by 10 torr. When the pressure difference becomes small enough, a cloud boundary forms and the density of active species merges with the background density of active species.
処理室を減圧し、放射マイクロ波アプリケータによって
マイクロ波エネルギの電磁場を作用させ、十分な流量の
堆積前駆物質ガスを導入した後に、活性化領域内に滞留
する高密度堆積前駆物質ガスから活性種のプラズマが発
生する。堆積前駆物質ガスの活性種は第１図に示す相互
作用性方向性ドリフトゾーン６５に案内される。堆積前
駆物質ガスの活性種にある方向性速度を与え、導管から
排出される高流量の堆積前駆物質ガスを処理室内部のバ
ックグラウンド圧力と相対的にドリフトゾーンに移動さ
せる。流量によって堆積前駆物質ガスに与えられる速度
は少なくとも最初は遷音速である。After depressurizing the process chamber, applying an electromagnetic field of microwave energy by a radiating microwave applicator, and introducing a sufficient flow rate of the deposition precursor gas, active species are removed from the dense deposition precursor gas that resides within the activation region. plasma is generated. The active species of the deposition precursor gas are guided into the interactive directional drift zone 65 shown in FIG. A directional velocity is imparted to the active species of the deposition precursor gas to move a high flow rate of the deposition precursor gas exiting the conduit to the drift zone relative to the background pressure inside the process chamber. The velocity imparted to the deposition precursor gas by the flow rate is at least initially transonic.
ドリフトゾーンでは、堆積前駆物質ガスの活性種が互い
に（または任意に配備したエアブレーキの壁と）衝突し
、高品質（低欠陥密度）のアモルファスシリコン合金材
料を得るための所望の堆積種であると文献に報告されて
いるＳｉＨ２、ＳｉＨ及びＳｉのごとき不要な活性化前
駆物質種に比較して大きい割合のＳｉＨ，を発生する。In the drift zone, the active species of the deposition precursor gas collide with each other (or with the optionally deployed air brake wall) and are the desired deposition species to obtain a high quality (low defect density) amorphous silicon alloy material. and generate a large proportion of SiH, compared to unwanted activated precursor species such as SiH2, SiH, and Si reported in the literature.
本発明の発明者等の推測によれば、ドリフトゾーンが短
かすぎるときは、活性種の間で十分な数の衝突が生じな
いので基板の表面に前記のごとき不要な種が堆積する。According to the speculations of the inventors of the present invention, when the drift zone is too short, a sufficient number of collisions between the active species will not occur, resulting in the accumulation of unnecessary species on the surface of the substrate.
このため基板をプラズマ領域から離間して配置しなけれ
ばならない。しかしながら、基板とプラズマ領域との間
の適正距離は以下のごとき種々の要因に左右される。Therefore, the substrate must be placed apart from the plasma region. However, the appropriate distance between the substrate and the plasma region depends on various factors, such as:
（１）導管内の堆積前駆物質ガス流と処理室内部のバッ
クグラウンド圧力との間の圧力差、（２）堆積前駆物質
ガスの組成、
（３）所要の堆積ＦＷ膜の品質、
（４）プラズマに与えられる電力量、従って個々の種の
励起の程度、及び、
（５）活性種が基板表面に到達するまでの経過時間。(1) the pressure difference between the deposition precursor gas flow in the conduit and the background pressure inside the process chamber; (2) the composition of the deposition precursor gas; (3) the desired quality of the deposited FW film; (4) (5) the amount of power applied to the plasma and thus the degree of excitation of the individual species; and (5) the elapsed time until the active species reach the substrate surface.
要因（５）に関しては、例えば活性種の進路の周囲にエ
アブレーキを組み込んで活性種とエアブレーキ壁との衝
突を確保することによって通過時間を調節できることに
注目されたい、限定要因は、基板がプラズマと直接接触
しないことである。Regarding factor (5), it should be noted that the transit time can be adjusted by, for example, incorporating an air brake around the path of the active species to ensure collision between the active species and the air brake wall; the limiting factor is that the substrate Avoid direct contact with plasma.
発生する衝突の数に関しては当業界でよく知られている
ように、励起された堆積種の平均自由行程の長さは、種
の拡散が生じる真空室内部に存在するバックグラウンド
圧力に直接左右される。例えば、処理室内部のバックグ
ラウンド圧力が比較的高く、例えば約１ｔｏｒｒのとき
、励起された堆積種の平均自由行程は極めて短い値（１
ｍｍ以下のオーダ）であろう。逆に、真空室のバックグ
ラウンド圧力が実質的に大気圧以下のレベル、例えば約
１ｍｔｏｒｒに維持されているときは、励起された堆積
種の平均自由行程はがなり長く５〜１０ｃｍのオーダで
あろう、従って、励起された堆積種を堆積させるべき基
板の寸法は、平均自由行程の長さを決定する際、従って
真空室に維持すべきバックグラウンド圧力を決定する際
の重要な要因の１つであることが理解されよう。With respect to the number of collisions that occur, as is well known in the art, the mean free path length of the excited deposited species is directly dependent on the background pressure present inside the vacuum chamber in which diffusion of the species occurs. Ru. For example, when the background pressure inside the processing chamber is relatively high, e.g., about 1 torr, the mean free path of the excited deposited species is a very short value (1 torr).
(on the order of mm or less). Conversely, when the background pressure in the vacuum chamber is maintained at a level substantially below atmospheric pressure, e.g., about 1 mtorr, the mean free path of the excited deposited species is much longer, on the order of 5-10 cm. The dimensions of the substrate on which the wax and therefore the excited deposition species are to be deposited are one of the important factors in determining the mean free path length and therefore the background pressure that should be maintained in the vacuum chamber. It will be understood that
また、真空室のバックグラウンド圧力が決定され、堆積
速度が選択された後で、堆積前駆物質ガスの活性種の所
望容量の雲を発生させるために重要なその他のパラメー
タの各々が同様に決定されることも明らかであろう。上
述のごとく経験的には、励起された堆積種を表面積約１
００平方ｅ１ｍの基板に均一に堆積させるためには、導
管内の堆積前駆物質ガスの流量が、堆積前駆物質ガスと
真空室のバックグラウンド圧力との間に約５倍以上の圧
力差を生じさせるに十分な値でなければならない。Additionally, after the background pressure of the vacuum chamber has been determined and the deposition rate selected, each of the other parameters important to generating a cloud of the desired volume of active species of deposition precursor gas are determined as well. It is also clear that As mentioned above, empirically, the excited deposited species can be deposited on a surface area of about 1
For uniform deposition on a substrate of 0.00 square meters, the flow rate of the deposition precursor gas in the conduit creates a pressure difference of approximately 5 times or more between the deposition precursor gas and the background pressure of the vacuum chamber. must be of sufficient value.
従って、必要な平均自由行程の長さを知って、バックグ
ラウンド圧力を選択し得る。このバックグラウンド圧力
は、バックグラウンド圧力と第１導管内部のガス流との
間に著しい圧力差を維持するために処理室に導入される
べき堆積前駆物質ガスの可能な流量範囲を規定する。こ
のバックグラウンド圧力はまた、この流量の堆積前駆物
質ガスに遷音速を与える開口口径を決定する。Therefore, the background pressure can be selected knowing the required mean free path length. This background pressure defines a range of possible flow rates of deposition precursor gas that must be introduced into the processing chamber to maintain a significant pressure difference between the background pressure and the gas flow inside the first conduit. This background pressure also determines the aperture diameter that imparts transonic velocity to the deposition precursor gas at this flow rate.
所与のバックグラウンド圧力に対して堆積前駆物質ガス
の使用可能な流量範囲を決定し、次に、第３図のパッシ
ェン曲線に基づいて、所与の容量の活性種に対して最適
の電力／圧力条件を決定することが可能である。所与の
電力／圧力／開口口径条件で、活性種を形成するために
励起される堆積前駆物質ガスの割合の概数を決定し得る
。処理室内部のバックグラウンド圧力と導管内部の実質
的に遷音速の流量の堆積前駆物質ガスとの間に適正な圧
力差を維持することによって、堆積前駆物質ガスの活性
種に活性種固有の熱速度よりも大きい速度を与えること
ができ、これによって活性種に方向性モーメントを与え
ることが可能である。このモーメントは前記活性種を実
質的に均一に且つ系統的に基板に案内する。Determine the usable flow rate range of the deposition precursor gas for a given background pressure, and then determine the optimal power/power for a given volume of active species based on the Paschen curve of Figure 3. It is possible to determine pressure conditions. For a given power/pressure/aperture aperture condition, an approximate number of fractions of the deposition precursor gas that are excited to form active species can be determined. By maintaining a proper pressure differential between the background pressure inside the processing chamber and the substantially transonic flow rate of the deposition precursor gas inside the conduit, the active species in the deposition precursor gas are protected from the inherent heat of the active species. It is possible to impart a velocity greater than the velocity, thereby imparting a directional moment to the active species. This moment guides the active species substantially uniformly and systematically to the substrate.
最後に、上述のごとく十分に低いバックグラウンド圧力
を維持することによって、基板の露出表面に堆積する前
の励起活性種間の衝突数（平均自由行程）を最適にする
ことが可能である。本発明の原理はまた、従来のＲＰＥ
ＣＶＤ装置で作製された薄膜で観察された薄膜の品質欠
陥を実質的に除去した。その理由の１つは、不要な堆積
種の形成が阻止されたことにある。Finally, by maintaining a sufficiently low background pressure as described above, it is possible to optimize the number of collisions (mean free path) between excited active species before being deposited on the exposed surface of the substrate. The principles of the invention also apply to conventional RPE
Thin film quality defects observed in thin films produced by CVD equipment were substantially eliminated. One reason for this is that the formation of unwanted deposited species is prevented.
本発明の重要性を正しい視点で理解するために、発明者
等は、本発明で開示した原理を利用して、（１）２４０
人／秒という高速で高品質アモルファスシリコン合金材
料を堆積しくこれはｒ、ｆ 、ＲＥＣＶＤ法を２桁上回
る速度であり、またマイクロ波ＲＥＣＶＤ法の２乗倍以
上の速度である）、（２）光導電率が５桁以上向上した
シリコン合金材料を堆積し、（３）欠陥状態密度約１０
目欠陥７ｃｍ−３／ｅＶを特徴とするシリコン合金材料
を堆積した。また、公表されている文献と直接対比させ
ながら、堆積された材料の品質が実際にその堆積速度に
伴って改良されてし）ることを証明した。更に、発明者
等は、堆積前駆物資ガスを励起するためにより多くのパ
ワーを結合させることができ且つ導波管または黒鉛材料
のスノ（・ンタ量を減少させることができれば材料の品
質がいっそう改良されると確信している。In order to understand the importance of the present invention from the correct perspective, the inventors utilized the principles disclosed in the present invention to (1) 240
Deposits high-quality amorphous silicon alloy material at high speeds of up to 1 person/sec, which is two orders of magnitude faster than the r,f, RECVD method, and more than twice as fast as the microwave RECVD method), (2) A silicon alloy material with improved photoconductivity of more than 5 orders of magnitude is deposited, and (3) the defect state density is approximately 10.
A silicon alloy material characterized by an eye defect of 7 cm-3/eV was deposited. We have also demonstrated, in direct comparison to published literature, that the quality of the deposited material actually improves with its deposition rate. In addition, the inventors believe that the quality of the material will further improve if more power can be coupled to excite the deposition precursor gas and the amount of dust in the waveguide or graphite material can be reduced. I am confident that it will be done.
次に第４図について詳細に説明する。第４図は、光導電
率（単位（ｏｈ＋ｎ−ａｍ）−’）を縦軸にプロットし
、堆積速度（単位人／秒）を横軸にプロットしたグラフ
である。（グラフにプロットしたサンプル全部が実質的
に等しい暗導電率を示したことに留意されたい）。第４
図のグラフにブロワＩ・されたデータは、第１図に示す
装置を使用し、上記に詳述した直接励起による遠隔基板
への堆積方法によってアモルファスシリコン合金材料を
堆積させたときに得られたものである。この直接励起に
よる遠隔基板への堆積方法が、導管の開口近傍に存在す
る圧力と真空室内部に存在するバックグラウンド圧力と
の間の有意な圧力差を要するものであることはこれまで
の記載を読んで既に理解されているであろう。Next, FIG. 4 will be explained in detail. FIG. 4 is a graph in which the photoconductivity (in (oh+n-am)-') is plotted on the vertical axis and the deposition rate (in people/second) is plotted on the horizontal axis. (Note that all of the samples plotted on the graph showed substantially equal dark conductivity). Fourth
The data shown in the graph in Figure 1 was obtained using the apparatus shown in Figure 1 when depositing amorphous silicon alloy material by the direct excitation remote substrate deposition method detailed above. It is something. It has been previously described that this direct excitation deposition method on a remote substrate requires a significant pressure difference between the pressure existing near the opening of the conduit and the background pressure existing inside the vacuum chamber. You should have read it and already understood it.
第４図に示す２つのグラフは、第１図に示した遠隔基板
への直接励起装置における２つの堆積速度増加方法を示
している。グラフＡは第１の堆積速度増加方法、即ち堆
積前駆物質ガスを活性化するために導入される電力（マ
イクロ波電力）を一定の値に維持し、導管の開口から処
理室に導入される堆積前駆物質ガス（シラン）の流量を
増加させた場合である。堆積前駆物質ガスの流量増加に
伴って堆積速度が増加することは明らかであろう。ここ
では、当業界の他の研究者が示唆しているように、堆積
されたアモルファスシリコン材料の品質は堆積速度の増
加に対応して低下する。このことはグラフＡが証明して
いる。グラフＡにおいて、堆積されたシリコン材料は毎
秒１２０人の堆積速度で約４．５Ｘ １０−’（ｏｈｍ
−ｃｍ）−’の光導ＴＬ率を示すが、毎秒約２４０人の
堆積速度では光導電率が約４．５ｘ １０−’・（ｏｈ
ｍ−ａｍ）相に低下する。The two graphs shown in FIG. 4 illustrate two methods of increasing deposition rate in the remote substrate direct excitation apparatus shown in FIG. Graph A shows a first method of increasing the deposition rate, i.e., maintaining a constant value of the power introduced to activate the deposition precursor gas (microwave power) and depositing the deposition gas introduced into the processing chamber through the opening of the conduit. This is the case when the flow rate of the precursor gas (silane) is increased. It will be apparent that the deposition rate increases with increasing flow rate of the deposition precursor gas. Here, as suggested by other researchers in the industry, the quality of the deposited amorphous silicon material decreases correspondingly with increasing deposition rate. Graph A proves this. In graph A, the deposited silicon material is approximately 4.5X 10-' (ohm
-cm)-', but at a deposition rate of about 240 people per second, the photoconductivity is about 4.5x 10-' (oh
m-am) phase.
本発明で知見された共同効果は第４図のグラフＢで示す
結果によって証明される。グラフＢは第２の堆積速度増
加方法、即ち堆積前駆物質ガスの流量を一定の値に維持
しながら堆積前駆物質ガス（シラン）を活性化するため
の供給電力（マイクロ波電力）を増加させる方法を示す
。他の研究者たちの結果と九ぶ丼墨−昨ぶよ、堆積前駆
物資ガスを活性化させるための供給電力を増加させたと
きは、堆積されたアモルファスシリコン材料の品質は堆
積速度の増加に対応して改良された。特に毎秒約９５人
の堆積速度で堆積されたシリコン材料は約３ｘ １０−
’（ｏｈｍ−ｃｍ）−’の光導電率を示したが、毎秒約
１８５人の堆積速度の光導電率は約２．５Ｘ １０−５
（ｏｌｏ−５（ｏｈ ’まで上昇した。更に重要なこと
には、グラフＢの勾配から明らかなようにこのアモルフ
ァスシリコン材料はまだ最高品質には到達しておらず、
堆積前駆物質ガスを励起するための供給電力を更に増加
しこれによって堆積速度を更に促進すると、材料の品質
改良がさらに進行する。但し現状では、電力供給源自体
に限界があるので、より多くの電力の供給ができないこ
とを理解されたい。The synergistic effect found in the present invention is evidenced by the results shown in graph B of FIG. Graph B shows a second method of increasing the deposition rate, i.e. increasing the supplied power (microwave power) to activate the deposition precursor gas (silane) while maintaining the flow rate of the deposition precursor gas at a constant value. shows. The results of other researchers and Kubudon Sumi-Years showed that when increasing the supplied power to activate the deposition precursor gas, the quality of the deposited amorphous silicon material corresponds to the increase in the deposition rate. It has been improved. In particular, silicon material deposited at a deposition rate of about 95 people per second is about 3x 10-
showed a photoconductivity of '(ohm-cm)-', but the photoconductivity for a deposition rate of about 185 people per second is about 2.5X 10-5
(olo-5(oh').More importantly, as is clear from the slope of graph B, this amorphous silicon material has not yet reached its highest quality.
Further increases in the power supply to excite the deposition precursor gases, thereby further accelerating the deposition rate, further improve material quality. However, it should be understood that at present, the power supply source itself has its limits, so it is not possible to supply more power.
ｆＬｆ＆に指摘しておきたいことは、本文に説明した本
発明の実験結果とＸｅｒｏｘ ＰＡＲＣによって得られ
た実験結果とは必ずしも矛盾しないが、結果から引き出
された結論が対立していることである。言い替えると、
本発明の発明者等とＸｅｒｏｘ ＰＡＲＣとの見解は、
５ｉＨｚのごとき所望の堆積種がＳ ｉ ｔｌ ２のご
とき不要な堆積種よりも低い粘着係数を有するという点
で一致する。しかしながら、Ｘｅｒｏｘ ＰＡＲＣはそ
の他の重要な特性、例えば所望の種及び不要な種のライ
フタイムを考慮しない。本発明の発明者等は、所望の種
と不要な種との平均自由行程を制御することによって高
い堆積速度で高品質薄膜を堆積させ得るという見解を展
開したが、Ｘｅｒｏｘ ＰＡＲＣの研究者達はこの制御
に想到することができなかった。従って、本発明の発明
者等はＸｅｒｏｘ ＰＡＲＣの実験結果を是認するが、
高品賞材料の堆積と高堆積速度との間に根本的な不適合
性が存在するという見解には同意できない。What I would like to point out to fLf& is that although the experimental results of the present invention described in the text and the experimental results obtained by Xerox PARC are not necessarily contradictory, the conclusions drawn from the results are contradictory. In other words,
The views of the inventors of the present invention and Xerox PARC are as follows:
It is agreed that the desired deposited species, such as 5 iHz, have a lower sticking coefficient than the unwanted deposited species, such as S i tl 2. However, Xerox PARC does not consider other important characteristics, such as the lifetime of desired and unwanted species. Although the inventors of the present invention developed the idea that high quality thin films could be deposited at high deposition rates by controlling the mean free path of desired and unwanted species, researchers at Xerox PARC I was unable to come up with this control. Therefore, although the inventors of the present invention endorse the experimental results of Xerox PARC,
We disagree with the view that there is a fundamental incompatibility between the deposition of high-quality materials and high deposition rates.
明細書を終わるにあたって、本発明の方法において維持
すべき「臨界」圧力差及び本発明方法の使用によって可
能になった「臨界」堆積速度ががなり任意に選択された
ことを理解されたい。この圧力差は、バックグラウンド
圧力、基板の寸法、導管開口の寸法、供給電力へＬ使用
ガスの種類、等のパラメータに左右されるので、普遍的
な値を計算することはできない。フレイムでは、実質的
に普遍的な適正値である「約５倍」という数値を選択し
た。しかしながら発明者等の意図としては、本発明は本
文中で説明した広義の理論によって限定されるべきであ
り特定の数値によって限定されるべきではない。To conclude the specification, it should be understood that the "critical" pressure differential to be maintained in the method of the present invention and the "critical" deposition rate enabled by use of the method of the present invention were chosen arbitrarily. It is not possible to calculate a universal value for this pressure difference, since it depends on parameters such as background pressure, dimensions of the substrate, dimensions of the conduit opening, type of gas used to supply power, etc. For Flame, we chose a value of "approximately 5 times", which is essentially a universally appropriate value. It is the inventors' intention, however, that this invention be limited by the broad theory set forth herein, and not by the specific numerical values.
以上の記載は本発明の詳細な説明するものであり、その
実施を制約するものではない。本発明の範囲は特許請求
の範囲及びその等価の概念によって限定される。The above description is a detailed explanation of the present invention and is not intended to limit its implementation. The scope of the invention is limited by the claims and their equivalents.
第１図は本発明の真空室の内部を示す一部破断斜視図で
あり、堆積前駆物質ガスの活性化前駆物質種の雲が遠隔
配置された基板の表面に案内されることを示す説明図、
第２図は堆積前駆物質ガスを処理室に導入する導管の位
置をマイクロ波アプリケータに対する相対位置で示す一
部破断した拡大側面断面図、第３図は横軸に圧力、縦軸
に電力をプロットした活性種の雪の種々の容量に対する
修正パッシェン曲線のグラフであり、このパッシェン曲
線は＾、Ｄ、 ＭａｃＤｏｎａｌｄ ＆ Ｓ、Ｃ，Ｂｒ
ｏｕ＋ｎのｄ■ｊｊｉ１工Ｒｅｖｉｅｗ、 Ｖｏｌ、７
５． ｐ、４１１（１９４９）の論文に基づいており、
第４図は縦軸に光導電率（（ｏｈｍ−ｃｍ）伺）、横軸
に堆積速度（入／秒）をプロットしたアモルファスシリ
コン薄膜の堆積グラフであり、グラフＢは、堆積前駆物
質ガスのガス流量を一定にしてマイクロ波電力を増加さ
せたときのグラフ、グラフＡはマイクロ波電力を一定に
して堆積前駆物質ガスの流量を増加したときのグラフで
ある。
１０・・・・・反応装置、１２・・・・・処理室、１４
・・・・ドア、１６．１８・・・・・・ラッチ、２０・
・・５吐出ボート、２２．、、。
ポンプ、２４・・・・・・導管、２６・・・・開口、２
８・・・・・・マイクロ波アプリケータ。
ＦＩＧ−１
ＦＩＧ−２FIG. 1 is a partially cut-away perspective view of the interior of the vacuum chamber of the present invention, illustrating that a cloud of activated precursor species of a deposition precursor gas is directed to the surface of a remotely located substrate; ,
Figure 2 is an enlarged side cross-sectional view showing the location of the conduit introducing the deposition precursor gas into the process chamber relative to the microwave applicator; Figure 3 shows pressure on the horizontal axis and power on the vertical axis; Graph of the modified Paschen curve for various volumes of active species snow plotted, which Paschen curve is ^, D, MacDonald & S, C, Br.
ou+n's dJji1 Review, Vol, 7
5. Based on the paper in p. 411 (1949),
Figure 4 is a deposition graph of an amorphous silicon thin film, with the photoconductivity ((ohm-cm)) plotted on the vertical axis and the deposition rate (in/sec) plotted on the horizontal axis. Graph A is a graph when the gas flow rate is held constant and the microwave power is increased. Graph A is a graph when the microwave power is held constant and the flow rate of the deposition precursor gas is increased. 10... Reactor, 12... Processing chamber, 14
...Door, 16.18 ...Latch, 20.
...5 discharge boat, 22. ,,. Pump, 24... Conduit, 26... Opening, 2
8...Microwave applicator. FIG-1 FIG-2
Claims (13)
力に維持する段階と、 導管に形成された少なくとも１つの開口を介して前記処
理室の内部に堆積前駆物質ガスを導入する段階と、 前記堆積前駆物質ガスを活性化領域で活性化して高密度
雲状の活性化前駆物質種を形成させる段階と、 前記処理室の内部で前記雲から離間させて基板を作動的
に配置する段階と、 前記導管の前記開口近傍に実質的に遷音速の前記堆積前
駆物質ガス流を成立させる段階とを含むことを特徴とす
る比較的高い堆積速度で高品質薄膜を堆積させる方法。(1) preparing a processing chamber; maintaining the interior of the processing chamber at a background pressure below atmospheric pressure; and depositing into the interior of the processing chamber via at least one opening formed in a conduit. introducing a precursor gas; activating the deposited precursor gas in an activation region to form a dense cloud of activated precursor species; and separating the deposited precursor gas from the cloud within the processing chamber. operatively positioning a substrate; and establishing a substantially transonic flow of the deposition precursor gas near the opening of the conduit. How to deposit.
える絞り部を前記開口の近傍に形成するために、前記導
管の口径に比較して前記開口の口径を縮小する段階を含
むことを特徴とする請求項１に記載の方法。(2) further comprising reducing the diameter of the opening relative to the diameter of the conduit to form a constriction proximate the opening that provides a dense cloud of the activated precursor species; A method according to claim 1, characterized in that:
を増加させるべく、前記開口近傍で前記堆積前駆物質ガ
スの滞留時間を延長する段階を含むことを特徴とする請
求項１に記載の方法。3. The method of claim 1, further comprising extending the residence time of the deposition precursor gas near the aperture to increase the energy of the cloud of activated precursor species. Method.
介して冷媒を循環させる段階を含むことを特徴とする請
求項１に記載の方法。4. The method of claim 1, further comprising the step of circulating refrigerant through tubes disposed concentrically around the conduit.
制する手段を配備する段階を含むことを特徴とする請求
項１に記載の方法。5. The method of claim 1, further comprising the step of providing means for inhibiting deterioration of the conduit surface near the opening.
ム含有ガス、炭素含有ガス、窒素含有ガス、酸素含有ガ
ス、ｐ−ドーパント含有ガス、ｎ−ドーパント含有ガス
及びその組み合わせから成るグループから前記堆積前駆
物質ガスを選択する段階を含むことを特徴とする請求項
１に記載の方法。(6) The deposition precursor gas is further selected from the group consisting primarily of silicon-containing gases, germanium-containing gases, carbon-containing gases, nitrogen-containing gases, oxygen-containing gases, p-dopant-containing gases, n-dopant-containing gases, and combinations thereof. 2. The method of claim 1, including the step of selecting.
にマイクロ波エネルギを使用する段階を含むことを特徴
とする請求項２に記載の方法。7. The method of claim 2, further comprising the step of using microwave energy to activate the deposition precursor gas.
スを活性化するために、前記導管の開口部を前記活性化
領域の近傍に作動的に配置する手段を含むことを特徴と
する請求項７に記載の方法。8. The method further comprising means for operatively positioning the conduit opening proximate the activation region for activating the deposition precursor gas downstream of the constriction. The method described in Section 7.
管の外部で発生するように前記導管をマイクロ波不透過
性材料から形成する段階を含むことを特徴とする請求項
８に記載の方法。9. The method of claim 8, further comprising the step of forming the conduit from a microwave opaque material such that the activated precursor species occurs primarily external to the conduit.
前記開口近傍の前記導管の内圧の少なくとも約１／５に
維持する段階を含み、これにより、前記堆積前駆物質ガ
スの活性化前駆物質種によって等圧線状の雲が形成され
ることを特徴とする請求項１に記載の方法。(10) further comprising maintaining a background pressure in the process chamber at least about one-fifth of the internal pressure in the conduit proximate the opening, such that an activated precursor species of the deposition precursor gas creates an isobars. 2. A method according to claim 1, characterized in that a cloud of .
前記開口近傍の導管の内圧との間に存在する圧力差を制
御することによって活性化前駆物質種の前記雲の容量を
制御する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の
方法。(11) further comprising controlling the volume of the cloud of activated precursor species by controlling the pressure differential that exists between the background pressure of the processing chamber and the internal pressure of the conduit proximate the opening; A method according to claim 1, characterized in that:
約５０ｔｏｒｒ未満に維持する段階を含むことを特徴と
する請求項１に記載の方法。12. The method of claim 1, further comprising the step of maintaining a background pressure in the process chamber below about 50 torr.
駆物質ガスのパッシェン曲線の実質的な極小点が生じる
圧力の約１／２に等しい等圧線を維持する段階を含むこ
とを特徴とする請求項１に記載の方法。(13) The method further comprises maintaining an isobars near the opening of the conduit equal to about 1/2 of the pressure at which a substantial minimum point of the Paschen curve for a given deposition precursor gas occurs. The method according to claim 1.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2230455A JPH0819530B2 (en) | 1990-08-31 | 1990-08-31 | Method for forming thin film at high speed and thin film forming apparatus |
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| JP2230455A JPH0819530B2 (en) | 1990-08-31 | 1990-08-31 | Method for forming thin film at high speed and thin film forming apparatus |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04116172A true JPH04116172A (en) | 1992-04-16 |
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| JP (1) | JPH0819530B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 1990-08-31 JP JP2230455A patent/JPH0819530B2/en not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JPH0819530B2 (en) | 1996-02-28 |
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