JPH0658888B2 - Microwave plasma CVD device - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はマイクロ波放電によるプラズマを用い、低温の
下で膜質、界面特性に優れた薄膜を製造するマイクロ波
プラズマCVD 装置に関するものである。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a microwave plasma CVD apparatus for producing a thin film having excellent film quality and interface characteristics at low temperature by using plasma generated by microwave discharge.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

プラズマを用いて固体薄膜を形成する方法としては、高
周波グロー放電によるプラズマCVD 法とマイクロ波放電
を用いたマイクロ波プラズマ CVD法との２つの方法があ
る。There are two methods for forming a solid thin film using plasma: a plasma CVD method using high-frequency glow discharge and a microwave plasma CVD method using microwave discharge.

高周波プラズマCVD 法は、周波数13.56MHzの高周波のグ
ロー放電により原料ガスを分解し、基板上に固体薄膜を
形成する薄膜形成法である。この薄膜形成法によれば25
0℃程度の低温で、しかも大面積化が容易であり、膜の
堆積速度も30nm/min以上が得られる。高周波プラズマCV
D 法により作製した薄膜の膜質は非晶質シリコンのよう
に主たる構造元素が単体の場合には比較的良い。しか
し、窒化シリコン膜や非晶質シリコン・カーバイトのよ
うに薄膜が複数の構成元素からなるアロイ系の場合には
一般に良質な膜を得るのは難しい。それぞれの構成元素
を含む原料ガスの特性は、各々のガス種によって異なっ
ており、分解するのに必要な放電電力も違う。そのよう
な複数のガスを混合し、同一プラズマ中で分解する点に
アロイ系の場合の難しさの原因があると考えられる。The high frequency plasma CVD method is a thin film forming method in which a raw material gas is decomposed by a high frequency glow discharge with a frequency of 13.56 MHz to form a solid thin film on a substrate. According to this thin film forming method, 25
At a low temperature of about 0 ° C, it is easy to increase the area, and a film deposition rate of 30 nm / min or more can be obtained. High frequency plasma CV
The film quality of the thin film produced by the D method is relatively good when the main structural element is a simple substance such as amorphous silicon. However, it is generally difficult to obtain a good quality film when the thin film is an alloy type composed of a plurality of constituent elements such as a silicon nitride film or an amorphous silicon carbide. The characteristics of the raw material gas containing each constituent element are different depending on each gas species, and the discharge power required for decomposition is also different. It is considered that there is a cause of difficulty in the case of alloy system in that such plural gases are mixed and decomposed in the same plasma.

また、マイクロ波を用いたプラズマCVD 法として、最近
電子サイクロトロン共鳴によるマイクロ波放電によって
生成した高密度プラズマにより原料ガスを励起あるいは
分解し、生成したイオン等の活性種を発散磁界の作用を
用いて成膜室に引き出し、低温で薄膜を付着させる。い
わゆるECR プラズマCVD法の研究が活発に行われている
(例えば、特開昭57-133636号公報)。ECRプラズマCVD法
によれば、低温で比較的良質な薄膜が得られ、しかも界
面のダメージは比較的小さいことから、ＩＣにおけるパ
ッシベーション等の低温プロセスへの応用が期待されて
いる。また、非晶質シリコン薄膜トランジスタのゲート
絶縁膜への適用も検討されている。しかし、成膜時の真
空度が10^-3〜10^-2Pa程度と低くしなければならないた
め、大型の排気ポンプを使っても流せる原料ガスの流量
が少なく、一般に成膜速度が小さい。Further, as a plasma CVD method using microwaves, the source gas is excited or decomposed by a high density plasma recently generated by microwave discharge by electron cyclotron resonance, and active species such as generated ions are used by the action of a divergent magnetic field. It is pulled out to the film forming chamber and a thin film is deposited at low temperature. So-called ECR plasma CVD method is actively researched
(For example, JP-A-57-133636). According to the ECR plasma CVD method, a relatively good quality thin film can be obtained at a low temperature, and the damage on the interface is relatively small. Therefore, it is expected to be applied to a low temperature process such as passivation in IC. Further, application of an amorphous silicon thin film transistor to a gate insulating film is also under study. However, since the degree of vacuum at the time of film formation must be as low as about 10 ^-3 to 10 ^-2 Pa, the flow rate of the raw material gas that can be supplied even with a large exhaust pump is small, and the film formation rate is generally low.

一方、磁界を用いずにマイクロ波の電界だけで放電させ
て成膜するマイクロ波プラズマCVD 法がある。この方法
は、キャビティ内にマイクロ波を導き、マイクロ波放電
を起こすことにより成膜するものである。更に、詳しく
述べると、原料の混合ガスを直接キャビティに導入し、
マイクロ波放電により直接原料ガスを分解し、分解生成
物を成膜質に運搬し試料基板上に成膜する方法である。
また、ECR 法と同様にキャビティには励起用ガスを導入
し、マイクロ波放電により励起ガスを原子あるいは分子
の励起状態に励起し、この励起種を成膜室に導き、成膜
室には別に原料ガスを導入して励起種と混合し、励起種
の持つエネルギーにより原料ガスを分解成膜する方法で
ある。この法の特徴は、磁界を用いていないため、キャ
ビティを複数個並べて大面積化ができることである。こ
の法により得られる膜の膜室は、励起種を利用する方法
では良くなりつつあるが、現在のところ堆積速度が遅い
欠点がある。On the other hand, there is a microwave plasma CVD method in which a film is formed by discharging only an electric field of microwaves without using a magnetic field. In this method, a microwave is introduced into the cavity to generate a microwave discharge to form a film. More specifically, the mixed gas of the raw materials is directly introduced into the cavity,
In this method, the raw material gas is directly decomposed by microwave discharge and the decomposition product is transported to the film-forming material to form a film on the sample substrate.
Also, as in the ECR method, an exciting gas is introduced into the cavity, and the excited gas is excited to an atomic or molecular excited state by microwave discharge, and this excited species is introduced into the film forming chamber, which is separately stored in the film forming chamber. In this method, a raw material gas is introduced and mixed with an excited species, and the raw material gas is decomposed into a film by the energy of the excited species. The characteristic of this method is that a large number of cavities can be arranged to increase the area because no magnetic field is used. Although the film chamber of the film obtained by this method is improving by the method using the excited species, there is a defect that the deposition rate is slow at present.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

液晶ディスプレイ用の薄膜トランジスタ、太陽電池、イ
メージセンサ等の薄膜の積層構造からなるデバイスの特
性は、各デバイスを構成する各薄膜の膜質とともに各層
間の界面特性に支配される場合が多い。従って、下地に
ダメージを与えないように薄膜を形成することが重要で
ある。また、当然膜質もよいものでなければならない。
さらに事業化、量産化を考えると、スループットの点か
ら薄膜の堆積速度も速い必要がある。それと同時に、50
cm角以上の大面積成膜が必要である。The characteristics of a device having a thin film laminated structure such as a thin film transistor for a liquid crystal display, a solar cell, and an image sensor are often governed by the film quality of each thin film forming each device as well as the interfacial characteristics between layers. Therefore, it is important to form a thin film so as not to damage the base. Also, of course, the film quality must be good.
Further, in consideration of commercialization and mass production, the deposition rate of the thin film needs to be high from the viewpoint of throughput. At the same time, 50
Large-area film formation of cm square or more is required.

従来の装置では、窒化膜やシリコンカーバイトのように
多元素からなるアロイ系薄膜を高速に、しかも界面の特
性が良く良質な薄膜を堆積させることができなかった。In the conventional apparatus, it was not possible to deposit a high-quality alloy thin film composed of multiple elements such as a nitride film or silicon carbide at high speed and with good interface characteristics.

本発明は、膜質が良く、しかも界面特性も良いアロイ系
薄膜を高速に堆積しうる成膜装置を実現することを目的
としている。An object of the present invention is to realize a film forming apparatus capable of depositing an alloy thin film having good film quality and good interface characteristics at high speed.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明は、各々異なる原料ガスを導入するガス導入口を
備え、各々別個のマイクロ波源が接続された複数の互い
に近接して配置されたキャビティと、 基板ホルダーを内臓し、前記キャビティに窓を通して連
通し、各々の前記キャビティ内で分解されたガスの分解
生成種を受入れてその混合室を形成する成膜室とを有す
ることを特徴とするマイクロ波プラズマＣＶＤ装置であ
る。The present invention has a plurality of cavities, each of which has a gas inlet for introducing a different source gas and is connected to a separate microwave source, and which are arranged in close proximity to each other. The microwave plasma CVD apparatus is characterized in that it has a film forming chamber that receives a decomposition product of the gas decomposed in each of the cavities and forms a mixing chamber thereof.

〔作用〕[Action]

本発明は、複数の構成元素からなるアロイ系薄膜を形成
する場合、各元素を含むガスをそれぞれ独立したキャビ
ティに導入し、それぞれ適切な大きさのマイクロ波電力
により各ガスを分解し、それぞれの分解生成種を成膜室
に輸送し、成膜室で分解生成種を混合し、ラジカル反応
により基板上にアロイ系薄膜を形成するマイクロ波プラ
ズマCVD 装置である。以下、各ガスをそれぞれ別に分解
励起し、成膜室で薄膜を堆積させる利点について述べ
る。The present invention, when forming an alloy thin film composed of a plurality of constituent elements, each gas containing each element is introduced into each independent cavity, each gas is decomposed by microwave power of an appropriate size, and each This is a microwave plasma CVD device that transports the decomposition products to the film formation chamber, mixes the decomposition products in the film formation chamber, and forms an alloy thin film on the substrate by radical reaction. Hereinafter, advantages of separately decomposing and exciting each gas and depositing a thin film in the film forming chamber will be described.

一般に薄膜形成に用いられる原料ガスはSiH₄，CH₄，N
H₃，N₂など多くの種類があり、その物理的、化学的性質
は多種多様である。例えば、SiH₄は結合エネルギーが比
較的小さく、放電により分解し易いが、N₂は結合エネル
ギーが大きく分解しにくい。もし、SiH₄とN₂の混合ガス
を分解して窒化シリコンを作る場合には、N₂が分解する
ような大きな放電電力で形成する必要があるが、この放
電電力の大きさはSiH₄の分解に適している値からはずれ
ている。SiH₄とN₂をそれぞれ別の放電により分解するな
らば、各々のガスを最適な放電電力で分解できる。従っ
て、成膜の自由度が増え、成膜条件の最適化により良い
膜室の膜が得られるようになる。Generally, the source gas used for thin film formation is SiH ₄ , CH ₄ , N
There are many types such as H ₃ and N ₂ , and their physical and chemical properties are diverse. For example, SiH ₄ has a relatively small binding energy and is easily decomposed by discharge, but N ₂ has a large binding energy and is difficult to decompose. If the decomposing a mixed gas of SiH ₄ and N ₂ making silicon nitride, it is necessary to form a large discharge power, such as N ₂ is decomposed, the magnitude of the discharge power of SiH ₄ The value deviates from the value suitable for decomposition. If SiH ₄ and N ₂ are decomposed by separate discharges, each gas can be decomposed with optimum discharge power. Therefore, the degree of freedom in film formation is increased, and a film in a good film chamber can be obtained by optimizing film formation conditions.

また、堆積速度については、各原料ガスを総てマイクロ
波放電により分解しているため、堆積速度は高周波放電
プラズマCVD 法と同程度あるいはそれ以上の大きさが得
られる。これらは一部のガスを励起しその励起種によっ
て他のガスを分解成膜する方法との大きな差である。ま
た、成膜時の真空度は通常のプラズマCVD 法と同じであ
るため、排気ポンプの能力によってガス流量が制限され
るようなことはない。Regarding the deposition rate, all the source gases are decomposed by microwave discharge, so that the deposition rate can be as high as or higher than that of the high frequency discharge plasma CVD method. These are large differences from the method of exciting a part of gas and decomposing and forming another gas by the excited species. In addition, since the degree of vacuum during film formation is the same as that of the ordinary plasma CVD method, the gas flow rate is not limited by the capacity of the exhaust pump.

もう一つの本発明成膜装置の特徴は、プラズマ発生室と
成膜室とを分離することにより、プラズマ発生部と成膜
部とを空間的に分離することにより、大きなマイクロ波
電力によりプラズマを発生させても、成長薄膜にはプラ
ズマダメージは発生しない点にある。従って、膜質がよ
く、界面特性もよくなる。Another feature of the film forming apparatus of the present invention is that the plasma generating chamber and the film forming chamber are separated from each other, and the plasma generating unit and the film forming unit are spatially separated from each other. Even if it is generated, plasma damage does not occur in the grown thin film. Therefore, the film quality is good and the interface characteristics are also good.

また、従来のECR 法のように磁界を用いないため、キャ
ビティを複数個並べ、大面積化することも容易である。In addition, unlike the conventional ECR method, since no magnetic field is used, it is easy to line up multiple cavities and increase the area.

〔実施例〕〔Example〕

以下に本発明のマイクロ波プラズマCVD 装置の実施例に
ついて述べる。Examples of the microwave plasma CVD apparatus of the present invention will be described below.

第１図は本実施例のマイクロ波プラズマCVD 装置の断面
図である。第１図において、13は成膜室で、内部に基板
ホルダー14が設置されている。5,6 はそれぞれ窓12を通
して成膜室13に連通させたキャビティである。このキャ
ビティ5，6には各々マイクロ波源から出力されるマイク
ロ波がそれぞれ独立に導入される。本実施例では２つの
マイクロ波源を用いている。FIG. 1 is a sectional view of the microwave plasma CVD apparatus of this embodiment. In FIG. 1, 13 is a film forming chamber in which a substrate holder 14 is installed. Numerals 5 and 6 are cavities communicating with the film forming chamber 13 through the windows 12, respectively. Microwaves output from the microwave source are independently introduced into the cavities 5 and 6, respectively. In this embodiment, two microwave sources are used.

２つのマイクロ波電源は図示されていないが、例えば周
波数2.45GHzのマグネトロンを用いることができ、マグ
ネトロンにより発生したマイクロ波電力はアイソレー
タ、マイクロ波電力計及び整合器を通じて導波管１と２
に導かれている。本実施例で用いたマイクロ波源は定格
1.3KWと500W のものを用いた。各マイクロ波電力は石英
製マイクロ波導入窓３および４を通して、各キャビティ
5,6 に導かれる。一方、このキャビティ5，6はマイクロ
波のエネルギーにより加熱されるため、冷却水導入口７
から導入された冷却水により冷却され、冷却水は冷却水
排気口８から排出される。ここで用いたキャビティは直
方体で、内寸が55×230×190である。直方体のキャビテ
ィを用いることにより２つのキャビティを近づけて設置
することができ、成膜室での分解生成種の混合が容易に
なる利点がある。キャビティ5，6において、原料ガス導
入口9,10より２種類の原料ガスを導入し、マイクロ波の
エネルギーによりプラズマを発生させ、原料ガスを分解
し、分解種を生成する。キャビティ５とキャビティ６に
導入されるマイクロ波電力の大きさは独立して変えられ
る。分解種は各キャビティ5，6に設けられている窓11，
12を通して成膜室13に導かれる。成膜室13には基板ホル
ダー14の上に試料基板15が固定されており、基板ホルダ
ー14を内臓されているヒータにより加熱することにより
間接的に試料基板15の温度を上げられるようになってい
る。成膜室13は原料ガス分解種の混合室となり、２つの
キャビティ内で生成した分解種は成膜室13において混合
され、ラジカル反応及び表面化学反応により試料基板表
面に固体薄膜を形成する。不用のガスは排気口16から排
気ポンプにより排気される。基板ホルダー８お加熱方法
は、本実施例では基板ホルダー８の内部に組み込まれて
いるヒータにより直接加熱しているが、基板ホルダーの
近くに設けられたヒータやランプから輻射熱により間接
的に加熱してもよい。Although two microwave power supplies are not shown, for example, a magnetron having a frequency of 2.45 GHz can be used, and the microwave power generated by the magnetron is guided through the isolator, the microwave power meter and the matching device to the waveguides 1 and 2.
Have been led to. The microwave source used in this example is rated
The ones of 1.3KW and 500W were used. Each microwave power is transmitted through the quartz microwave introduction windows 3 and 4 to each cavity.
Guided by 5,6. On the other hand, since the cavities 5 and 6 are heated by the energy of microwaves, the cooling water inlet 7
The cooling water is cooled by the cooling water introduced from, and the cooling water is discharged from the cooling water exhaust port 8. The cavity used here is a rectangular parallelepiped with internal dimensions of 55 × 230 × 190. By using the rectangular parallelepiped cavity, the two cavities can be installed close to each other, and there is an advantage that the decomposition product species can be easily mixed in the film forming chamber. In the cavities 5 and 6, two kinds of raw material gases are introduced from the raw material gas introduction ports 9 and 10, plasma is generated by the energy of microwaves, the raw material gas is decomposed, and decomposed species are generated. The magnitude of the microwave power introduced into the cavities 5 and 6 can be changed independently. The decomposing species are windows 11 provided in the cavities 5 and 6,
It is led to the film forming chamber 13 through 12. A sample substrate 15 is fixed on a substrate holder 14 in the film forming chamber 13, and the temperature of the sample substrate 15 can be indirectly raised by heating the substrate holder 14 with a built-in heater. There is. The film forming chamber 13 becomes a mixing chamber for the raw material gas decomposition species, and the decomposition species generated in the two cavities are mixed in the film forming chamber 13 to form a solid thin film on the surface of the sample substrate by radical reaction and surface chemical reaction. The unnecessary gas is exhausted from the exhaust port 16 by an exhaust pump. The substrate holder 8 is heated directly by the heater built into the substrate holder 8 in the present embodiment, but is indirectly heated by radiant heat from a heater or lamp provided near the substrate holder. May be.

次に、この実施例であるマイクロ波プラズマCVD 装置を
用いて窒化シリコン膜を形成した例について述べる。原
料ガスには窒素ガスと水素希釈10％シランを用いた。真
空度0.05Torr、窒素ガス流量100SCCM、10％シラン流量5
0SCCM、基板温度250℃、キャビティに導入する2.45GHz
のマイクロ波電力は窒素ガスに対して600W、シランに対
して50Ｗである。この条件では窒化シリコン膜の堆積速
度は50nm/minであった。得られた窒化シリコンのSiとＮ
の原子数比を測定するとほぼ化学量論的組成である1.3
であった。Next, an example of forming a silicon nitride film by using the microwave plasma CVD apparatus according to this embodiment will be described. Nitrogen gas and hydrogen-diluted 10% silane were used as raw material gases. Vacuum degree 0.05 Torr, nitrogen gas flow rate 100 SCCM, 10% silane flow rate 5
0SCCM, substrate temperature 250 ℃, 2.45GHz introduced into cavity
The microwave power is 600 W for nitrogen gas and 50 W for silane. Under this condition, the deposition rate of the silicon nitride film was 50 nm / min. Si and N of the obtained silicon nitride
The atomic number ratio of is approximately stoichiometric 1.3
Met.

また、活性層であるアモルファスシリコンを高周波プラ
ズマCVD 法で、ゲート絶縁膜である窒化シリコン膜を本
発明の装置により試作したところ、電界効果移動度が0.
7cm2/V・sceとなり、また特性のドリフトが見られないこ
とから、本装置により得られる薄膜の膜質は良質であ
り、界面特性に優れていた。In addition, when a prototype of a silicon nitride film, which is a gate insulating film, was formed by using the high-frequency plasma CVD method on amorphous silicon, which is an active layer, and the field-effect mobility was 0.
Since it was 7 cm2 / V · sce and no drift of characteristics was observed, the film quality of the thin film obtained by this device was good and the interface characteristics were excellent.

本実施例では原料ガスを分解するキャビティは２つであ
ったが、３つ以上でも良い。また分解するガスは、必ず
しも原料ガスに限らず、例えば水素のように成膜を助け
るようなガスを利用しても良い、キャビティの形状は直
方体に限らず、円柱状でも良い。In this embodiment, the number of cavities for decomposing the raw material gas is two, but it may be three or more. The gas to be decomposed is not necessarily limited to the raw material gas, but a gas such as hydrogen that assists film formation may be used. The shape of the cavity is not limited to a rectangular parallelepiped and may be a columnar shape.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上のように本発明のマイクロ波プラズマ CVD装置によ
れば、薄膜を高速に堆積し、しかも界面準位の少ない界
面を形成できる効果を有するものである。As described above, according to the microwave plasma CVD apparatus of the present invention, it is possible to deposit a thin film at a high speed and form an interface having a small number of interface states.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第１図は本発明の実施例を示す断面図である。 1,2……導波管、3,4……マイクロ波導入窓 5,6……キャビティ、9,10……原料ガス導入口 11,12……窓、13……成膜室 14……基板ホルダー、15……試料基板 FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of the present invention. 1,2 …… Waveguide, 3,4 …… Microwave introduction window 5,6 …… Cavity, 9, 10 …… Source gas introduction port 11, 12 …… Window, 13 …… Deposition chamber 14 …… Substrate holder, 15 ... Sample substrate

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】各々異なる原料ガスを導入するガス導入口
を備え、各々別個のマイクロ波源が接続された複数の互
いに近接して配置されたキャビティと、 基板ホルダーを内蔵し、前記キャビティに窓を通して連
通し、各々の前記キャビティ内で分解されたガスの分解
生成種を受入れてその混合室を形成する成膜室とを有す
ることを特徴とするマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。1. A plurality of cavities, each of which has a gas introduction port for introducing a different source gas and is connected to a separate microwave source, are arranged in close proximity to each other, and a substrate holder is built in, and a window is passed through the cavity. A microwave plasma CVD apparatus which is in communication with each other and has a film forming chamber that receives a decomposition product of a gas decomposed in each cavity and forms a mixing chamber thereof.