(57)【要約】【課題】  厚さが均一で高い結晶性を持つ膜を効率よく形成することができる半導体製造装置及び半導体製造方法を提供する。【解決手段】  対向する電極１２，１４間の一端１０から原料ガスを供給し他端１１から排出するとともに電極１２，１４間に電圧を印加してグロー放電を起こし、原料ガスの化学的反応により、電極１２，１４間に配置した基板６上に膜を形成する。電極１２，１４間の電界強度は、一端１０側では相対的に弱く、他端１１側では相対的に強くなるようにする。例えば、電極１２，１４を傾けて配置する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する電極間の一端から原料ガスを供給し他端から排出するとともに前記電極間に電圧を印加してグロー放電を起こし、前記原料ガスの化学的反応により、前記電極間に配置した基板上に膜を形成する、半導体製造装置において、
前記電極間の電界強度は、前記一端側では相対的に弱く、前記他端側では相対的に強くなるようにしたことを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２】
前記電極は、互いに対向するそれぞれの対向面が非平行に配置され、
前記対向面間の距離は、
前記電極間の前記一端において相対的に大きく、
前記電極間の前記他端において相対的に小さいことを特徴とする、請求項１に記載の半導体製造装置。
【請求項３】
前記電極の少なくとも一方は、前記電極間を前記原料ガスが流れる方向に分割されかつ他方の前記電極に対向する複数の電極要素を含むことを特徴とする、請求項１に記載の半導体製造装置。
【請求項４】
対向する電極間に基板を配置する第１の工程と、
前記電極間の一端から原料ガスを供給し他端から排出するとともに前記電極間に電圧を印加してグロー放電を起こし、前記原料ガスの化学的反応により、前記基板上に膜を形成する第２の工程とを備えた、半導体製造方法において、
前記第２の工程の工程において、前記電極間の電界強度は、前記一端側では相対的に弱く、前記他端側では相対的に強くすることを特徴とする、半導体製造方法。
【請求項５】
前記第２の工程において、
前記電極は、互いに対向するそれぞれの対向面が非平行に配置され、
前記対向面間の距離は、
前記電極間の前記一端において相対的に大きく、
前記電極間の前記他端において相対的に小さいことを特徴とする、請求項４に記載の半導体製造方法。
【請求項６】
前記電極の少なくとも一方は、前記電極間を前記原料ガスが流れる方向に分割されかつ他方の前記電極に対向する複数の電極要素を含むことを特徴とする、請求項４に記載の半導体製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体製造装置及び半導体製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、プラズマＣＶＤ法により薄膜を形成する方式として、ダイレクト型とリモート型とが提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、対向する平行平板電極間に基板を配置し、原料ガスを導入しながら電極間に高周波電圧を印加してグロー放電を起こし、基板上に薄膜を形成するダイレクト型の構成が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、ノズル体内でグロー放電により処理ガスをプラズマ化し、プラズマ化した処理ガスをノズル体の吹き出し口から被処理物に吹き付けるリモート型の構成が開示されている。
【特許文献１】特許第２７１９１８４号公報（第１図、第２図）
【特許文献２】特開２００２−１５１４２０号公報（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ポリシリコンのように結晶性の膜を形成する場合、特許文献２のようなリモート型の構成においては、低温での結晶化に必要な水素ラジカルの生成効率が悪く、結晶化には高温（６００〜１３００℃）での熱処理が必要になる。そのため、低温でかつ高速での成膜が必要な太陽電池やＬＣＤの製造には適さない。
【０００６】
特許文献１には、ダイレクト型の構成で、アモルファスシリコンの薄膜を形成する技術が開示されているが、この方法でポリシリコンの薄膜を形成しようとすると、低温での結晶化には大過剰の水素、もしくは高温が必要であるため、薄膜形成は困難である。特に、特許文献１では、Ｈｅで大過剰希釈して安定化し成膜していることから、高速で結晶膜を得ることは難しい。
【０００７】
また、例えば図１に示すように、平行平板電極２，４間に配置した基板６上に成膜すると、矢印９で示した原料ガスの流れ方向に対して入口１ａ側で膜７は厚く、出口１ｂ側に行くにつれて薄くなるという膜厚分布となる。
【０００８】
これは、膜７の原料ガス（例えばシラン）がプラズマ８中に入ると直ちに分解され、入口１ａ付近で直ちに膜７となり、次第に膜７の原料が枯渇していくためである。このような方法で結晶膜を作製した場合、入口１ａ付近の厚い部分はアモルファス（堆積速度が速くなる、もしくは水素ラジカルの割合が少ないので結晶化しない）となり、基板６を処理中に動かさないバッチ処理では均一な結晶膜の生成が困難である。
【０００９】
原料ガスが入口１ａ付近で分解され直ちに膜７となるのを防ぐために、電極２，４間の電界強度を弱くすると、膜７は薄く均一に付くが、結晶化しない。結晶化には電界強度の閾値を越える必要があり、電界強度がこの閾値より小さくなるためである。
【００１０】
原料ガスの流れを速くして原料ガスの分解を抑える方法も考えられるが、この場合は効率が低下する。
【００１１】
電極２，４に対して基板６を相対的に移動させる方法も考えられるが、入口１ａ付近で急激に原料ガスが分解されることには違いがなく、そのような不均質な膜を引き延ばして成膜していることになるため、高い結晶性を持つ膜の高速成膜は困難となる。
【００１２】
本発明は、かかる実情に鑑み、厚さが均一で高い結晶性を持つ膜を効率よく形成することができる半導体製造装置及び半導体製造方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成した半導体製造装置を提供する。
【００１４】
半導体製造装置は、対向する電極間の一端から原料ガスを供給し他端から排出するとともに前記電極間に電圧を印加してグロー放電を起こし、前記原料ガスの化学的反応により、前記電極間に配置した基板上に膜を形成するタイプのものである。前記電極間の電界強度は、前記一端側では相対的に弱く、前記他端側では相対的に強くなるようにする。
【００１５】
上記構成において、原料ガスは、電極間を流れる間、グロー放電によりプラズマ化し、化学的反応の生成物が基板上に堆積し、膜が形成される。電極間の一端側、すなわち原料ガスの流れの上流側において、原料ガス中の反応成分が多くても、電極間の電界強度が弱いため、堆積速度（反応速度）が遅くなる。これにより、原料ガスの流れの上流側において、膜厚の増大を抑えつつ、高い結晶性の膜を形成することができる。
【００１６】
一方、電極間の他端側、すなわち原料ガスの流れの下流側において、原料ガス中に残っている反応成分が少なくなるため、そのままでは堆積速度が低下するが、電極間の電界強度が強いため化学的反応が促進されるので、堆積速度の低下を防止することができる。これにより、原料ガスの流れの下流側において、膜厚の減少を防止しつつ、高い結晶性の膜を形成することができる。
【００１７】
上記構成によれば、電極間の電界強度を調節することにより原料ガスの消費を制御し、厚さが均一で高い結晶性を持つ膜を効率よく形成することができる。
【００１８】
具体的には、例えば以下のように構成する。
【００１９】
好ましくは、前記電極は、互いに対向するそれぞれの対向面が非平行に配置される。前記対向面間の距離は、前記電極間の前記一端において相対的に大きく、前記電極間の前記他端において相対的に小さい。
【００２０】
この場合、電極間に電圧を印加するだけで、対向面間の距離に応じて電界強度が変化し、電極間の電界強度が、一端側で相対的に弱く、他端側で相対的に強くなる。したがって、構成を簡単にすることができる。
【００２１】
より好ましくは、前記電極は、それぞれの前記対向面が平面である。
【００２２】
この場合、例えば電極を傾けるなどして、簡単な構成で、電極間の一端側と他端側とで電界強度を変えることができる。
【００２３】
好ましくは、前記電極の少なくとも一方は、前記電極間を前記原料ガスが流れる方向に分割されかつ他方の前記電極に対向する複数の電極要素を含む。
【００２４】
この場合、電極間の電界強度が、一端側で相対的に弱く、他端側で相対的に強くなるようにすることができる。例えば、電極要素ごとに個別に適宜な値の電圧を印加したり、一方の電極の各電極要素と他方の電極との間隔を適宜に設定したりするなどにより、電界強度をきめ細かく調整して、基板上により良好な膜が形成されるようにすることができる。
【００２５】
また、本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成した半導体製造方法を提供する。
【００２６】
半導体製造方法は、対向する電極間に基板を配置する第１の工程と、前記電極間の一端から原料ガスを供給し他端から排出するとともに前記電極間に電圧を印加してグロー放電を起こし、前記原料ガスの化学的反応により、前記基板上に膜を形成する第２の工程とを備えたタイプものである。前記第２の工程の工程において、前記電極間の電界強度は、前記一端側では相対的に弱く、前記他端側では相対的に強くする。
【００２７】
上記第２の工程において、原料ガスは、電極間を流れる間、グロー放電によりプラズマ化し、化学的反応の生成物が基板上に堆積し、膜が形成される。電極間の一端側、すなわち原料ガスの流れの上流側において、原料ガス中の反応成分が多くても、電極間の電界強度が弱いため、堆積速度（反応速度）が遅くなる。これにより、原料ガスの流れの上流側において、膜厚の増大を抑えつつ、高い結晶性の膜を形成することができる。
【００２８】
一方、電極間の他端側、すなわち原料ガスの流れの下流側において、原料ガス中に残っている反応成分が少なくなるため、そのままでは堆積速度が低下するが、電極間の電界強度が強いため化学的反応が促進されるので、堆積速度の低下を防止することができる。これにより、原料ガスの流れの下流側において、膜厚の減少を防止しつつ、高い結晶性の膜を形成することができる。
【００２９】
上記方法によれば、電極間の電界強度を調節することにより原料ガスの消費を制御し、厚さが均一で高い結晶性を持つ膜を効率よく形成することができる。
【００３０】
好ましくは、前記第２の工程において、前記電極は、互いに対向するそれぞれの対向面が非平行に配置される、前記対向面間の距離は、前記電極間の前記一端において相対的に大きく、前記電極間の前記他端において相対的に小さい。
【００３１】
この場合、電極間に電圧を印加するだけで、対向面間の距離に応じて電界強度が変化し、電極間の電界強度が、一端側で相対的に弱く、他端側で相対的に強くなる。したがって、構成を簡単にすることができる。
【００３２】
より好ましくは、前記電極は、それぞれの前記対向面が平面である。
【００３３】
この場合、例えば電極を傾けるなどして、簡単な構成で、電極間の一端側と他端側とで電界強度を変えることができる。
【００３４】
好ましくは、前記電極の少なくとも一方は、前記電極間を前記原料ガスが流れる方向に分割されかつ他方の前記電極に対向する複数の電極要素を含む。
【００３５】
この場合、電極間の電界強度が、一端側で相対的に弱く、他端側で相対的に強くなるようにすることができる。例えば、電極要素ごとに個別に適宜な値の電圧を印加したり、一方の電極の各電極要素と他方の電極との間隔を適宜に設定したりするなどにより、電界強度をきめ細かく調整して、基板上により良好な膜が形成されるようにすることができる。
【００３６】
本発明の半導体製造は、例えば略常圧（大気圧近傍）で実施される。なお、本発明において略常圧とは、１．０１３×１０４〜５０．６６３×１０４Ｐａの範囲を言い、圧力調整の容易化や装置構成の簡便化を考慮すると、１．３３３×１０４〜１０．６６４×１０４Ｐａが好ましく、９．３３１×１０４〜１０．３９７×１０４Ｐａがより好ましい。
【発明の効果】
【００３７】
本発明の半導体製造装置及び半導体製造方法は、原料ガスの消費を制御して、厚さが均一で高い結晶性を持つ膜を効率よく形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明の実施の形態として実施例を、図２〜図５を参照しながら説明する。図中、同一の符号を付した部分は同一物を表わす。
【００３９】
まず、第１実施例について、図２及び図５を参照しながら説明する。
【００４０】
図２は、半導体製造装置の要部を模式的に示した構成図である。一対の電極１２，１４を対向するように配置し、電極１２，１４間に基板６を配置する。例えば、一方の電極１２上に基板６を載置する。矢印１９で示すように、電極１２，１４間に、一端１０から原料ガスを供給し、他端１１から排出する。
【００４１】
電極１２，１４は、平板状であり、互いに対向するそれぞれの対向面が平面である。電極１２，１４は傾けて配置され、対向面は非平行となり、原料ガスの入口である一端１０の間隔１７が相対的に大きく、ガスの出口である他端１１の間隔１８が相対的に小さい。これによって、電極１２，１４の間隔は、矢印１９で示す原料ガスの流れ方向（図において左から右）に、下流側ほど小さくなっている。電極１２，１４の対向面は、それぞれ同電位であり、電極１２，１４間の電界強度は、電極１２，１４間の間隔に応じて、原料ガスの流れの下流側ほど強くなる。
【００４２】
電極１２，１４間に原料ガスを流しながら、電極１２，１４間に高周波のパルス電圧を印加し、電極１２，１４でグロー放電を起こす。これにより、原料ガスは、プラズマ化され、化学的反応による生成物が基板６上に堆積していく。原料ガスの流れの上流側では、電極１２，１４の間隔が大きく、電界強度が弱いため、堆積速度は遅くなる。これによって、一端１０側すなわち原料ガスの入口側で急激に堆積が起こって膜厚が一気に増大することを防ぎ、良好な結晶膜を形成することができる。
【００４３】
一方、原料ガスの流れの下流側ほど、原料ガスから反応成分が減ってゆくため、そのままでは生成物の堆積速度が低下する。しかし、原料ガスの流れの下流側ほど、電極１２，１４の間隔が小さくなり電界強度が強くなるので、化学的反応がより促進され、堆積速度の低下を防止することができる。これによって、他端１１側すなわち原料ガスの出口側での膜厚の減少を防止しつつ、良好な結晶膜を形成することができる。
【００４４】
したがって、電極１２，１４を傾けることにより電極１２，１４間の電界強度を直線状に調節して原料ガスの消費を制御し、厚さが均一で高い結晶性を持つ膜を、基板６上に効率よく形成することができる。
【００４５】
具体的には、たとえば以下のように構成する。
【００４６】
電極１２，１４の原料ガスの流れ方向の寸法１６は２０ｍｍである。電極１２，１４の一端１０において、基板６と電極１４との間隔１７は３ｍｍ以下、他端１１において、基板６と電極１４との間隔１８は０．５ｍｍ以上、電極１２，１４の紙面垂直方向の寸法は、１０ｍｍ〜１００ｍｍである。一方の電極１４を他方の電極１２に対して平行状態から傾ける角度は、１°以上６°以下、好ましくは３°程度である。角度が１°より小さいと、膜厚が不均一になる。角度が６°を越えると、原料ガスの流れが下流側で速くなることなどにより、良好な膜が形成されなくなる。電極１２，１４の紙面垂直方向の寸法は、基板６の大きさに応じて適宜に選択する。例えば、基板６よりも若干大きくし、直径２００ｍｍのウェハーの場合には、２００ｍｍ＋αとする。
【００４７】
一例を挙げると、原料ガスの入口側の間隔１７は２ｍｍ、原料ガスの出口側の間隔１８は１ｍｍである。使用したガス種、配合、流量は、電極１２，１４の紙面垂直方向の寸法が３０ｍｍの場合、シラン２ｓｃｃｍ、水素１０００ｓｃｃｍである。
【００４８】
大気圧から数Ｔｏｒｒ近辺までの雰囲気において、厚さが均一で高い結晶性を持つ膜を形成することができた。膜の結晶性は、大気圧近辺の方が良好であった。
【００４９】
図５は、上記の条件で基板６上に形成された膜のラマンスペクトルを示すグラフである。５２０ｃｍ−１にシャープなピークを持つことから、膜が結晶化し、ポリシリコンとなっていることが分かる。
【００５０】
このポリシリコン膜は、干渉式膜厚計を用いて膜厚を測定し、平均値からのばらつきを％で示すと、膜厚分布の偏差（ばらつき幅）は１０％以内であった。すなわち、原料ガスの入口側の膜厚が１００ｎｍなら、出口側の膜厚は９０ｎｍになる。
【００５１】
比較例として、同じ寸法・形状の電極を平行に配置し、同じ条件で成膜した場合、膜厚分布の偏差は８０％にも達した。すなわち、原料ガスの入口側の膜厚が１００ｎｍなら、出口側の膜厚は２０ｎｍになる。
【００５２】
次に、第２実施例について、図３を参照しながら、第１実施例との相違点を中心に説明する。
【００５３】
図３は、半導体製造装置の要部を模式的に示した構成図である。一方の電極２２は、他方の電極１２に対向する複数の電極要素２３〜２６に分割されている。各電極要素２３〜２６は、電極１２との間隔が原料ガスの流れの下流側ほど小さくなるように配置されている。すなわち、電極１２，２２を傾けることなく、原料ガスの入口２０側の間隔を相対的に大きく、出口２１側の間隔を相対的に小さくしている。
【００５４】
各電極要素２３〜２６は、共通の電源に並列に接続され、電極１２に対向するそれぞれの対向面が同電位となる。電極１２，２２間の間隔が段階的に変化するので、電極１２，２２間の電界強度は、階段状に変化し、原料ガスの流れの下流側ほど、強くなる。
【００５５】
第２実施例は、電極１２と電極要素２３〜２６との間隔を変えることにより、電極１２，２２間の電界強度を略ステップ状に調節して原料ガスの消費を制御し、厚さが均一で高い結晶性を持つ膜を、基板６上に効率よく形成することができる。
【００５６】
次に、第３実施例について図４を参照しながら、第１及び第２実施例との相違点を中心に説明する。
【００５７】
図４は、半導体製造装置の要部を模式的に示した構成図である。一方の電極３２は、第２の実施形態と同様に、他方の電極１２に対向する複数の電極要素３３〜３６に分割されている。ただし、第２実施例とは異なり、各電極要素３３〜３６は、他方の電極１２との間隔がすべて同じである。また、各電極要素３３〜３６の電位が異なり、原料ガスの流れの下流側ほど、他方の電極１２との電位差が大きくなるようにする。
【００５８】
例えば、各電極要素３３〜３６は、それぞれ、容量がＣ１〜Ｃ４のコンデンサを介して、共通の電源と並列に接続し、電圧パルスを印加する。例えば、Ｃ１＞Ｃ２＞Ｃ３＞Ｃ４のように容量を変え（Ｃ４＝０でもよい）、電荷を制限する。各電極要素３３〜３６と電極１２との間の分圧を変えることにより、電界強度が原料ガスの流れの下流側ほど強くなるようにする。このようにインピーダンスを変え、共通の電源を用いる代わりに、電極要素３３〜３６ごとに別個の電源を用いるようにしてもよい。このとき、電源の印加電圧を電極要素３３〜３６に応じて順に高くすればよい。
【００５９】
第３実施例は、電極１２と電極要素３３〜３６との間隔を変えることなく、電極１２，３２間の電界強度を略ステップ状に調節して原料ガスの消費を制御し、厚さが均一で高い結晶性を持つ膜を、基板６上に効率よく形成することができる。
【００６０】
以上に説明したように、種々の態様で電極間の電界強度を原料ガスの流れ方向に調節することにより、原料ガスの消費を制御して、厚さが均一で高い結晶性を持つ膜を効率よく形成することができる。
【００６１】
なお、本発明の半導体製造装置及び製造方法は、上記実施例に限定されるものではなく、種々変更を加えることが可能である。
【００６２】
例えば、本発明は、種々の結晶膜に適用可能である。特に、ポリシリコンのように、速く堆積すると結晶性が悪くなり、さらに速くするとアモルファスになってしまい、結晶化率と堆積速度の関係が非常にシビアな結晶膜には、顕著な効果が期待できる。
【００６３】
また、本発明は、バッチ処理のみならず、スキャン処理にも適用可能である。すなわち、電極に対して基板を固定したバッチ処理で、厚さが均一で高い結晶性を持つ膜を形成することができるので、電極に対して基板を移動させるスキャン処理においても、厚さが均一で高い結晶性を持つ膜を形成することができる。
【００６４】
また、基板の大きさに応じて、電極の寸法、原料ガスの投入量、電極間の電界強度分布などを適宜に調整することにより、厚さが均一で高い結晶性を持つ膜を形成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】プラズマ成膜装置の説明図である。（従来例）
【図２】プラズマ成膜装置の要部構成図である。（実施例１）
【図３】プラズマ成膜装置の要部構成図である。（実施例２）
【図４】プラズマ成膜装置の要部構成図である。（実施例３）
【図５】ラマンスペクトルを示すグラフである。（実施例１）
【符号の説明】
【００６６】
６  基板
１０  一端
１１  他端
１２  電極
１４  電極
２２  電極
２３〜２６  電極要素
３２  電極
３３〜３６  電極要素
【図１】
2005286024.tif 000003
【図２】
2005286024.tif 000004
【図３】
2005286024.tif 000005
【図４】
2005286024.tif 000006
【図５】
2005286024.tif 000007