JP2000012285A

JP2000012285A - パルスバイアス水素負イオン注入方法及び注入装置

Info

Publication number: JP2000012285A
Application number: JP10179838A
Authority: JP
Inventors: Koji Miyake; 浩二三宅; Tsukasa Hayashi; 司林; So Kuwabara; 創桑原
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1998-06-26
Filing date: 1998-06-26
Publication date: 2000-01-14
Anticipated expiration: 2018-06-26
Also published as: JP2920188B1

Abstract

(57)【要約】【課題】質量分離マグネットなどが不要で走査機構も
不要な水素イオン注入方法を提供すること。【解決手段】半導体基板、絶縁体基板または金属基板
を水素プラズマ室の内部に入れ、水素プラズマと接触さ
せ、ウエハに正のバイアス電圧をパルス的に印加して、
プラズマ中の水素負イオンＨ⁻をウエハに注入する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ｓｉなどの半導
体、ＳｉＣ、ガラス、プラスチック等の絶縁体、金属な
どの基板全体に所定深さになるよう水素イオンを注入す
る方法と注入する装置に関する。水素イオン注入にはお
おまかに言って二つの用途がある。水素イオン注入によ
って脆弱な多孔質層（ボイド層）を基板内部に作りここ
で剪断する、というのが一つの用途である。さらに水素
イオンによって対象の物性を向上させるという用途もあ
る。水素注入には様々の用途があるからひとつ一つ説明
する。

【０００２】［１．ＳＯＩ基板の製作のための水素イオ
ン注入］ＳＯＩ基板（silicon on insulator）というの
は広義には絶縁層の上にＳｉ単結晶を持つ基板である。
ＳＯＩ基板には厚い絶縁体基板の上に薄いＳｉを載せた
（Ｓｉ／絶縁基板）ものもある。例えばサファイヤの上
にＳｉ薄膜を形成したものなどである。しかし異種結晶
の上にヘテロ成長させると結晶欠陥が多い。劈開もない
し高価になる。ほとんど利益はない。だからＳＯＩ基板
といえば、全体がＳｉで表面近くに薄い絶縁層とＳｉ単
結晶が存在する（Ｓｉ／絶縁層／Ｓｉ基板）の３層構造
のものが主である。絶縁層はＳｉＯ₂である。つまり
（Ｓｉ／ＳｉＯ₂／Ｓｉ基板）の３層構造である。

【０００３】Ｓｉウエハ−は安価である。高品質のもの
が入手しやすい。ＳＯＩ基板ではＳｉの上にＳｉがある
から格子定数は同一で欠陥は少ない。劈開もあり素子分
離に便利である。これを作るため水素イオン注入して内
部に多孔質層をつくり、他のＳｉウエハ−を貼り付け、
多孔質層から剪断し、表面研磨してＳＯＩとする。これ
についてはさらに後に説明する。

【０００４】［２．単結晶Ｓｉ／ガラス基板製作のため
の水素イオン注入］液晶装置基板はガラスの上にアモル
ファスシリコン（ａ−Ｓｉ）薄膜を堆積させその上に多
数の薄膜トランジスタを作製したものである。これが主
流であるがａ−Ｓｉのキャリヤ移動度が低いので動作が
遅い。現在の最も高機能の液晶装置基板は、ガラス基板
に多結晶シリコン薄膜（ｐ−Ｓｉ）薄膜を形成したもの
である。ａ−Ｓｉより電子移動度が高いのでより高速動
作する。これは例えば

【０００５】糸賀隆志、伊藤政隆、高藤裕、「低温
ポリシリコンＴＦＴ−ＬＣＤ」シャープ技報、第６９
号、Ｐ６４（１９９７）

【０００６】に提案されている。しかしながら未だ満足
できる成果を得ていない。多結晶は結晶粒界が多数存在
する。ために電子散乱が多い。単結晶Ｓｉに比較してな
お電子移動度は低い。多結晶の粒界に多数の粒界準位が
存在するからこれによって散乱されるのである。そこで
水素イオンビ−ムを注入して粒界準位を減らすという試
みも行われる。例えば、

【０００７】特開平８−９７４３２号「薄膜半導体装
置の製造方法」鈴木信明に提案されている。水素イオン
ビ−ムを注入してアニールすると水素が粒界のＳｉを終
端し準位が減少し移動度が上がるということを述べてい
る。

【０００８】しかし多結晶Ｓｉの薄膜には移動度の遅さ
以外にも問題がある。多結晶Ｓｉでは粒界にそって電流
が流れやすいために、ソース・ドレイン間のリーク電流
が大きい。ために複雑なＬＤＤ構造をとらざるを得な
い。このため夢の結晶といわれたＳＯＧ（システムオン
グラス）は全く実現の見込みがない。ＳＯＩを応用し、
Ｓｉに水素注入して多孔質層を作りガラスに貼り付け、
多孔質層からＳｉ基板を剪断しガラス基板上にＳｉ単結
晶薄膜を接着する。これが基板がＳｉでなくガラスにな
っているだけでＳＯＩと良く似たボイドカット法によっ
て作製できる。だからこれもＳｉウエハ−に水素を注入
し、脆弱な層を作り、ガラスに貼り付けて、薄くＳｉ層
を剥離してＳｉ単結晶／酸化物／ガラスの層構造をつく
る。

【０００９】［３．太陽電池の改良］導電性基板の上に
単結晶Ｓｉ薄膜を接着し、その後１０〜２０ｎｍ程度の
薄いＳｉ薄膜をエピタキシャル成長させる。Ｓｉ薄膜を
基板に接着する方法としてＳＯＩと同じボイドカットを
使う。水素正イオンを注入して多孔質層を作りここから
剪断する。基板のほとんどは安価な材料でありほんの表
面の一部だけＳｉ単結晶となる。こうすると安価である
にも拘らず高効率の太陽電池を作る事ができる。必要で
あれば同一基板上に半導体素子、ＴＦＴ素子、光電変換
素子などを混載する事も可能である。これは例えば

【００１０】 A.L. Akishin & G.M. Grigor'eva, "P
ossibilities of increasing the efficiency of solar
silicon elements in implanting H⁺ and He⁺ ions,"
Physics and Chemistry of Materials Treatment 1994
28, (6),p365-368 (1994)によって提案されている。勿
論実用レベルには達していない。

【００１１】［４．ＳｉＣへの水素イオン注入］同様の
ボイドカット法によってＳｉＣの薄膜を作製する方法も
提案されている。ＳｉＣは高温耐熱半導体でＳｉとは別
の用途がある。これもＳＯＩと同じ手法で、水素イオン
注入多孔質層の形成、デラミネーションによりＳｉＣ薄
膜を作製することが提案されている。例えば

【００１２】原徹、柿崎恵男、田中久雄、「Ｈ^＋注
入による薄膜デラミネーション−デラミネーションのＳ
ｉＣへの応用−」第４５回関係連合講演会講演予稿集２
９ａ−Ｋ−２，ｐ８０３（１９９８）もちろんいまだ良
質の基板はできず、デバイスにするという段階でない。
さまざまの夢の試みがなされている。

【００１３】

【従来の技術】絶縁物上に単結晶Ｓｉ半導体層を形成し
たＳｉオンインシュレータ基板（いわゆるＳＯＩ基板）
は、通常のバルクＳｉ基板と比較して高集積化が可能、
高速デバイスの作製が可能、など多くの点で優れている
ことが知られており各地で精力的に研究されている。こ
れらの優位点は例えば以下の文献に詳細が記述されてい
る。

【００１４】 Special Issue:"Single-crystal silic
on on non-single-crystal insulators"; edited by G.
W.Cullen, Journal of Crystal Growth, vol.63, No.3,
pp429-590(1983)

【００１５】ＳＯＩ基板の作製方法として二つの方法が
ある。一つは直接に酸素イオンを注入し酸化珪素層を作
る方法（ＳＩＭＯＸ）である。もう一つは水素イオン注
入によるボイドカット法あるいはスマートカット法とよ
ばれる貼り合わせ作製法である。本発明は水素イオンの
ウエハ−への注入法に関するので、スマートカット法の
改良を与えることができる。

【００１６】スマートカット法によるＳＯＩ基板の作製
方法は例えば、特願平８−２６４３８６号に詳述されている。その
他にもたくさんの文献がある。簡単に説明する。第１の
Ｓｉ基板の表面を酸化しＳｉＯ_２膜を作る。おおよそ１
００ｋｅＶ程度の水素イオンを１×１０^１４／ｃｍ^２以
上注入し、０．２μｍ〜０．５μｍ程度の深さにポロシ
ティの大きい多孔質層を形成する。その後熱処理によっ
て、表面のＳｉ層の注入ダメージを回復する。第１のＳ
ｉ基板を貼り合わせる。絶縁層は第２のＳｉウエハ−に
形成しておいてもよい。その後垂直方向に剪断力を加え
る事によって前記多孔質層で第１基板を切断する。その
後、表面を研磨する。こうしてＳＯＩ基板を作製する。

【００１７】注入ガスとしては水素の他に、希ガス、窒
素ガスでもよいが、水素が最も好まれる。それは質量が
軽いため、低エネルギーでも深くまで注入でき、またＳ
ｉ表面層に与えるダメージが小さいためである。

【００１８】この水素イオン注入法として、Ｂ、Ｐなど
の不純物をＳｉ基板に注入するイオン注入装置を使用す
るのが最も一般的である。図１に典型的なイオン注入装
置による水素イオン注入方法を示す。

【００１９】プラズマ励起は、熱フィラメント、マイク
ロ波、高周波などによって行う。これはフィラメント励
起による装置である。真空に引く事のできるチャンバ１
にはフィラメント２が設けられる。絶縁物５を通ってフ
ィラメント２の端子が外部に取り出される。端子の両端
には直流のフィラメント電源３が接続される。チャンバ
１にはガス入口４がありここから水素ガスが供給され
る。チャンバ１とフィラメント２の間にはア−ク電源６
（Ｖａｋ）が接続される。加速電源７（Ｖａｃｃ）がア
−ク電源６の負極とアースの間に設けられる。チャンバ
１の電位は、Ｖａｃｃ＋Ｖａｋである。

【００２０】チャンバ１の出口８の外側には、開口部の
軸線を共通にするように有孔の電極が３枚設けられる。
加速電極９、減速電極１０、接地電極１１である。加速
電極９には抵抗１３を介して加速電源７の正極が接続さ
れる。減速電源１０には減速電源１２が接続される。チ
ャンバ出口８、電極９、１０、１１の開口の延長上に
は、４分円弧の質量分離マグネット１４が設置される。
チャンバ１から出たイオンビ−ム１５は、入口１６から
質量分離マグネット１４に入り磁場によって彎曲した軌
道を描いて出口１７から出る。質量、エネルギーで軌道
を調整してあるから、一原子イオンＨ^＋は中央軌跡２６
を経てスリット板１８を通る。しかし２原子イオンＨ_２
^＋は偏奇軌跡２７を描いて、質量分離マグネット１４の
壁やスリットに当たって消滅する。一原子水素正イオン
Ｈ^＋はスリット板１８を通り、対向電極１９、２０と可
変電源２１からなる走査機構２２によって左右に走査さ
れる。走査ビーム２３はサセプタ２５の上のＳｉウエハ
−２４に注入される。

【００２１】水素プラズマ中に正イオンは何種類もでき
る。複数種の水素正イオンが注入されると複数の水素注
入層ができる。これは困る。一種類の水素正イオンだけ
を選んで注入しなければならない。そのためには質量分
離する必要がある。質量分離するためにはビームを細く
しなければならない。ウエハ−直径よりずっと細いビー
ムにする必要がある。ウエハ−直径より小さいビームだ
からウエハ−全面に一挙に注入できない。ビームを振る
走査機構が不可欠である。質量分離と走査機構の存在が
様々の問題を引き起こす。

【００２２】イオン注入装置によって、水素イオンビ−
ムを質量分離、走査し、注入する方法は、従来の不純物
イオン注入装置と同様の構成である。容易に推測がつく
が、装置構成が非常に複雑高価である。特に嵩高いマグ
ネットがあるため設置面積も広くなる。またビームを走
査して注入するため、ウエハ１枚当たりの処理時間が非
常に長い。ためにスループットが低い。その結果、ＳＯ
Ｉ基板１枚当たりの単価は非常に高くなる。このこと
が、ＳＯＩ基板の優秀性が広く認められているにも拘ら
ず普及しない原因となっている。

【００２３】また近年、水素プラズマ中に基板をさら
し、基板に負のパルス電圧を周期的に印加する事によっ
て水素イオンを基板全面に注入する方法も提案されてい
る。この方法は以下の文献に詳述されている。 "Ion-cut silicon-on-insulator fabrication with
plasma immersion ion implantation": edited by Xian
g Lu, S.Sundar Kumar Iyer et.al, Appl.Phys.Lett.71
(19), 1997

【００２４】図９にこれを示す。プラズマ室２００には
原料ガス入口２０２から水素ガスが供給される。マグネ
トロン（図示しない）で発生し導波管２０３を伝搬した
マイクロ波２０４がプラズマ室２００に供給される。プ
ラズマ室２００の内部にはＳｉウエハ−２０７がサセプ
タ２０８の上に戴置される。サセプタ２０８は軸２０９
によって支持される。軸２０９は負バイアス電源２２０
によって負にバイアスされる。プラズマ２０６にウエハ
−２０７が接触している。ウエハ−を負にバイアスする
と水素正イオンＨ^＋、Ｈ_２ ^＋がウエハ−の全面に一挙に
注入される。

【００２５】この方法は質量分離がなく簡単な構造にな
っている。しかしそれは決して利益でない。質量分離機
構を含んでいないためにプラズマ中の正イオン
（Ｈ_２ ^＋、Ｈ ^＋）を全てウエハ−に引き込んでしまう。
質量の異なる二種類のイオンが注入され、ポロシティの
大きい多孔質層が二重に形成されてしまう。これではウ
エハ−を綺麗にスマートカットできない。分子（Ｈ_２）
と原子（Ｈ）では質量が２倍違うので、同じ加速エネル
ギーを与えると、軽いＨ^＋が重いＨ_２ ^＋の約２倍深くま
で注入されるからである。Ｈ_２ ^＋によって一層目が、Ｈ
^＋によって２層目の多孔質層ができる。

【００２６】一原子イオンＨ^＋で形成される２層目でカ
ットするのは良くない。他のウエハ−を貼り付けてＳＯ
Ｉ基板を作ったとき、１層目がＳＯＩ基板に残るからで
ある。より表面に近い１層目（Ｈ_２ ^＋で作られる多孔質
層）でウエハ全面にわたって剥離できれば問題はない
が、２層目で剥離される部分が存在するとこれは表面欠
陥となる。これは歩留まりを大きく低下させるので望ま
しくない。

【００２７】また上記文献では、この問題を解決するた
めに、ガス流量、投入電力などを最適化してプラズマ状
態をコントロールし、プラズマ中の正イオン比率をＨ_２
^＋／Ｈ^＋＝９０：１０として、Ｈ_２ ^＋をより高い割合で
注入しするようにしている。一原子イオンＨ^＋が少ない
ので２層目が薄くなり、１層目で剥離しやすくなるよう
に工夫を凝らしている。

【００２８】しかしなおＨ^＋を完全に除去する事ができ
ない。そのために２層目で剥離する危険性がある。従来
の方法では、プラズマ中の分子イオン／原子イオンのど
ちらか一方を、他方が無視できる程度まで優先的に生成
するのは困難である。またプラズマパラメータが少しで
もずれると、上記の正イオン比率Ｈ_２ ^＋：Ｈ^＋が変動す
る惧れがある。特に生産装置での安定性という点で重大
な懸念がある。また、分子イオンＨ_２ ^＋を優先的に注入
して多孔質層を形成しようとした場合、Ｈ_２ ^＋は、Ｈ^＋
に比べ約２倍の電圧を印加しなければ、必要とする深さ
まで注入する事ができない。そのため、パルス電圧を印
加する電源の技術的困難性が倍加し、価格も大幅に高く
なる。やはりどうしても質量分離機構が不可欠というこ
とになる。

【００２９】

【発明が解決しようとする課題】上記の第１の方法の本
質的な問題は質量分離を必要とする点にある。プラズマ
中の水素正イオンの種類には、前述のようにＨ^＋、Ｈ_２
^＋のイオンが存在する。このうちいずれか１種類を独占
的に注入しなければ多孔質層が多層に形成されてしま
う。１種類のイオンビ−ムだけを選ぶために図１のイオ
ン注入装置では、質量分離系を設けている。大きいマグ
ネットのために装置は大型、高価とならざるをえない。
太いビームは質量分離できないのでイオンビ−ム径を絞
る。イオンビ−ムを絞るので広いウエハ−の全面に一挙
にイオン注入できない。そのため走査機構を設け、ウエ
ハ全面にわたって、ビームを走査しなければならない。
また水素プラズマ中に基板をさらし、基板に負のパルス
電圧を印加する事によって水素イオンを注入する方法
（図９）はプラズマパラメータをコントロールすること
によって問題を解決しようとしているが不完全である。
複数種類の水素正イオンが注入されるという問題が残っ
ている。

【００３０】水素の生成イオン種を一種に限定した半導
体、金属、絶縁体基板への水素イオン注入方法、装置を
提供する事が本発明の第１の目的である。生成イオン種
を一種に限定し、質量分離を不要とし、安価で小面積に
設置できる水素イオン注入装置を提供することが本発明
の第２の目的である。生成イオンを一種に絞る事によっ
て走査を不要としスループットの高い水素イオン注入装
置を提供することが本発明の第３の目的である。水素正
イオンには、上述のようにＨ^＋、Ｈ_２ ^＋など複数種のイ
オン種が存在し、何れか１種を８０％以上独占的に生成
することは、極めて困難である。かといって質量分離を
すると装置は大型で高価額のものにある。スループット
も低い。そこで本発明はその途を取らない。

【００３１】

【課題を解決するための手段】本発明は、正イオンでな
く、水素負イオンＨ⁻を用いる。水素負イオンとしては
Ｈ−の他に安定なものは存在しない。Ｈ_２ ⁻のような分
子負イオンは発生しても寿命が数ｎｓ〜数十ｎｓと短
い。すぐに解離しＨとＨ⁻になる。だから水素負イオン
といえば１００％Ｈ⁻である。水素負イオンでのＨ⁻の
独占性については例えば次の文献に書かれている。「イオン源工学」石川順三著アイオニクス社出版
ｐｐ．３４−３５

【００３２】本発明は負イオンにおけるＨ⁻の優れた独
占性を活用する。Ｓｉ、誘電体基板、ガラスなど対象と
なる基板をプラズマ室においてプラズマに接触させ、対
象基板・サセプタに正電圧をパルス的に印加することに
よって一原子の水素負イオンＨ⁻を基板に一括して注入
する。始めからプラズマに基板を接触させておき基板の
全体に一挙に水素イオンを注入するのである。プラズマ
と基板の間には薄いシースと呼ばれるポテンシャルの不
連続層が存在し、シースに加速電圧がかかりここでＨ⁻
が加速される。

【００３３】他に水素負イオンがないから質量分離が不
要である。基板をプラズマ室において初めから基板をプ
ラズマに接触させるからビーム走査が不可能であるし不
要になる。一挙に全体に注入するからスループットが高
い。これが本発明の骨子である。

【００３４】水素負イオンには初めから一原子一価イオ
ンＨ⁻しか存在しないので質量分離が不要である。大き
く重い質量分離マグネットは不要になる。これによって
装置が小型になる。装置据え付け面積も少なくなる。マ
グネットが無いのでより安価になる。

【００３５】質量分離が不要であるから細いイオンビ−
ムにする必要がない。直接にプラズマ中に基板をおいて
プラズマに接触させておき正電圧をパルス的に印加して
基板に水素負イオンを注入するのである。ビーム走査し
ないから走査機構の分だけ装置が安価になる。また走査
機構が不要でその分走査距離が不要になるから据え付け
面積をさらに削減できる。一挙にイオン注入できるから
注入時間が大幅に短縮できる。ためにスループットが大
いに向上する。ボイドカット法によるＳｉＳＯＩ基板な
どの製造コストを引き下げる事ができる。

【００３６】水素負イオンビームを用いる本発明にも問
題はある。水素負イオンをどうして大量に生成するか？
と言う事が問題である。そもそも従来技術が全て水素の
正イオンを注入していたのは、正イオンが生成し易いか
らである。負イオンはなかなかできない。電気的中性の
条件から、プラズマ中でも、正イオン数＝電子数＋負イ
オン数である。プラズマ中で負イオンはかならず正イオ
ンより少ない。しかも負イオンも電子も負の荷電粒子で
あるからイオン源を負にして負イオンを引き出したとき
電子も同時にでてくるという問題がある。電子が基板に
注入されるとイオン電流がそれだけ無駄になるし、電子
によって基板が加熱されるという問題がある。イオン注
入装置において現在でも殆ど正イオンを対象にしている
のは正イオンのほうが作りやすいし電子が混ざらないか
らである。

【００３７】負イオン生成の問題はいくつかの工夫によ
って解決できる。ひとつは、プラズマ中の中性を保持し
つつ電子を急激に消滅させることによって負イオンを一
時的に増大させる手法である。一価イオンに換算する
と、電子数＋負イオン数＝正イオン数であるから、電子
数を一時的に０に近づける事によって、負イオン数を正
イオン数に近づける事が可能である。プラズマが点灯し
ているときプラズマ励起手段を遮断すると、電子温度が
急激に下がり、低エネルギー電子が増える。

【００３８】低エネルギー電子は衝突結合の断面積が大
きいから中性原子、分子と衝突し易くなる。中性水素原
子に衝突するとこれに捕獲され一価のＨ⁻になる。中性
水素分子に衝突すると、分子を分裂させ二つの原子にし
電荷を与えて中性原子と負イオンＨ⁻になる。このよう
にプラズマが消滅する際、電子が急速に減少し負イオン
が増える。もちろんこれは一時的なものでその後正イオ
ンも負イオンも減少し始める。その短い間だけ基板（ウ
エハ−）・サセプタにバイアス電圧を印加して負イオン
をウエハ−に注入するようにする。

【００３９】わずかな間だけ注入するのであるから繰り
返し繰り返し積み重ねる必要がある。それでプラズマ点
灯消灯をパルス的に行いそれから一定時間遅れてウエハ
−・サセプタに正電圧バイアスをパルス的に印加する。
１回あたりの負イオン注入がわずかであっても繰り返し
て注入すればやがて所望のドーズ量に達する。この方法
を、仮に「消灯後正パルス法」と呼ぶ。

【００４０】消灯後正パルス法の他にもう一つ負イオン
を高密度に生成する方法がある。プラズマ中の電子温度
はかなり高くエネルギーは数十ｅＶもある。これでは中
性原子と結合しにくい。０．１ｅＶ〜０．０１ｅＶ程度
の低速電子は中性原子と結合して負イオンを作りやす
い。そこで電子エネルギーを０．１ｅＶ程度以下に下げ
て、中性原子、中性分子との衝突結合の断面積を増やす
方法である。これは「エネルギーフィルタ法」と呼ばれ
ている。これらは時間的、空間的に負イオン密度を高め
そこから負イオンを取り出すものである。これは先ほど
述べた、消灯後正パルス法と併用することもできる。

【００４１】さらにＣｓの仕事関数の低い事を利用した
負イオン生成法もある。これはよく知られた方法であ
る。負にバイアスしたターゲットにＣｓを付着させてお
き中性原子分子を当てるとＣｓの電子が中性原子、分子
に移動して負イオンを作るというものである。Ｃｓは正
イオンになるがターゲットから電子がやってくるのでま
た中性に戻る。Ｃｓが電子を手放し易い（仕事関数が低
い）ことを巧みに使ったものでＲｂなどでも代用でき
る。これも先述の消灯後正パルス法と併用できる。

【００４２】プラズマの生成法自体は、フィラメントに
よるア−ク放電、平行平板電極間の高周波放電、直流放
電、マイクロ波放電、スパッタ負イオン生成など幾つも
の方法がある。これら励起手段に対応してイオン源がそ
の種類だけ存在する。本発明はその何れにも適用できる
ものである。さらに原料ガスは水素ガスが最も適する
が、これに限らない。水素＋希ガスを使う事もできる。
希ガスはヘリウム、アルゴンなどであるが、これらはプ
ラズマ状態で安定であり、希ガスと水素の衝突によって
水素負イオンを生成することができる。ために負イオン
密度をより高くすることができる。さらに水素を含む気
体、ＳｉＨ_４、ＣＨ_４などの気体を原料ガスとすること
もできる。ＳｉＨ_４を使うと、Ｈ⁻以外にＳｉ_ｘＨ_ｙ ⁻
イオンもできるがこれは極めて重く基板の表面近くに注
入されるだけである。研磨によって簡単に除去できる。

【００４３】

【発明の実施の形態】本発明は、プラズマに接触するよ
うに置かれたウエハ−に正電圧を印加し、水素負イオン
Ｈ⁻を、Ｓｉ基板、ガラス基板、誘電体基板などに注入
することに特徴がある。水素負イオンは殆どがＨ⁻であ
る。そのため質量分離は不要である。質量分離のためビ
ームを絞る必要がないから走査装置も不要である。装置
は単純化、小型化されスループットも上がる。作りにく
い負イオンをどのようにして作るか？という事が問題に
なる。負イオン生成について述べる。

【００４４】［１．消灯後正バイアス法］プラズマ点灯
をパルス的に行いプラズマ消灯直後に基板（ウエハ−）
にパルス的に正の電圧を印加することによって負イオン
を注入する方法である。プラズマ生成手段をオンするこ
とによって、プラズマ生成室内に水素を含むプラズマを
生成する。次にプラズマ生成手段をオフする。プラズマ
中の電子の温度は、数μｓｅｃ以内に、数１０ｅＶから
数ｅＶまで急速に低下する。一方、この期間、電子およ
び、正・負イオン密度は殆ど変化しない。プラズマ中で
は低エネルギー電子が支配的となる。この低速電子と水
素分子が解離性付着を起こすことによって水素負イオン
が生成される確率が急激に高くなる。ｅ⁻＋Ｈ_２→Ｈ⁻
＋Ｈ。ｅ⁻＋Ｈ→Ｈ⁻の式によって簡明に表現できる。
このような付着によって、負イオン密度はプラズマ生成
手段オフ直後から急激に上昇する。さらに２０〜３０μ
ｓｅｃまで経過すると、電子は軽いために、急速に拡散
し、消滅して密度が低下する。一方で、正・負イオンは
質量が大きいため、殆ど消滅しない。このため電子密度
が極端に少なく、正負イオンでプラズマが維持される特
異な（電子が殆ど無い）プラズマが形成される。この現
象は、例えば次の文献に述べてある。

【００４５】”パルス変調プラズマ”寒川誠二、応用
物理第６６巻第６号、ｐ５５０−５５８（１９９７）

【００４６】(10) M.B.Hopkins, M.Bacal & W.G.Graha
m,”Enhanced volume production of negative ions in
the post dischagrge of a multicusp hydrogen disch
arge",J.Appl.Phys.70(4),p2009-2014(1991)"

【００４７】は塩素やアルゴンのプラズマについて述
べたものである。(10)は水素プラズマについて調べたも
のである。本発明者はこれを巧みに利用する。プラズマ
消灯後僅かな間負イオン密度の高い状態が出現する。本
発明は、この特異なプラズマ（正イオン数＝負イオン
数）が形成される瞬間に、基板・サセプタに正のパルス
電圧を印加する。これによって、水素負イオン（Ｈ⁻）
をＳｉ基板に全面の注入する。

【００４８】［２．エネルギーフィルタ法］プラズマ室
を２つに分離し、第１プラズマ室では原料ガスを導きこ
れを励起しプラズマ生成を行う。第２プラズマ室にはウ
エハとサセプタを設ける。二つのプラズマ室の間には磁
場によるエネルギーフィルタを設ける。第１プラズマ室
では旺盛なプラズマ生成が行われ電子のエネルギーが高
い。エネルギーフィルタは高エネルギーの電子の通過を
防ぐ。第２プラズマ室は低エネルギーの電子が多く存在
する。低エネルギー電子は中性分子、原子との衝突結合
の断面積が大きい。低エネルギー電子は中性原子に結び
ついてこれを負イオンＨ⁻化する。そのようにして低エ
ネルギーの電子が少なくなると第１プラズマ室から低エ
ネルギー電子が入ってくる。エネルギーフィルタは、電
子エネルギーに対して選択性あるものである。中性原
子、分子は自由に通過を許すものとする。それは数十ガ
ウス程度の磁場を形成することによってなされる。その
ような磁場は永久磁石を対向させることによって発生さ
せる事ができる。あるいは平行な複数の導体棒に電流を
流す事によって磁場を発生させることができる。

【００４９】［３．Ｃｓ法］負イオン源として既に広く
使われている方法である。Ｃｓは金属表面に吸着される
と金属表面の仕事関数を下げる作用がある。仕事関数が
下がるので電子がより放出されやすくなる。そこでこの
金属を負にバイアスすると金属は電子の放出体として機
能する。水素分子、水素正イオンが、Ｃｓに当たると電
子が水素分子などに与えられ水素負イオンになる。Ｃｓ
は蒸発源に固体の状態で収容しておき加熱気化して金属
表面に導く。Ｃｓの他にルビジウムＲｂ、カリウムＫ、
バリウムＢａなどをも利用できる。

【００５０】［実施例１（プラズマ消灯直後負イオン増
加利用）］図２によって実施例１を説明する。原料ガス
入口２９を有するチャンバ３０は高周波励起プラズマ発
生装置である。チャンバ３０内部下方にサセプタ電極３
１が、上方に対向電極３２が設けられる。サセプタ電極
３１はシャフト３３によって支持される。シャフト３３
は絶縁物３４によってチャンバ３０から絶縁される。平
行平板電極３１、３２の一方の電極３２は配線３７、マ
ッチングボックス３８、配線３９、第１スイッチ４０を
介して１３．５６ＭＨｚの高周波電源４１に接続され
る。高周波電源４１は第１トリガ回路４５によってトリ
ガされ周期的にオン／オフされる。

【００５１】平行平板電極３１、３２の他方のサセプタ
電極３１にはＳｉ基板５８が積載される。サセプタ電極
３１につづくシャフト３３は絶縁物３４を介してチャン
バ３０に支持される。シャフト３３は配線４２、第２ス
イッチ４３を介して正バイアス電源４４の正極に接続さ
れる。正バイアス電源であって負バイアス電源ではな
い。ここに注意すべきである。第２スイッチ４３は第２
トリガ回路４６によって周期的にオンオフする。

【００５２】タイミング調整回路４７は、第１、第２ト
リガ回路４５、４６を図３のように一定の時間差をもっ
てオンオフする。プラズマを点灯する第１スイッチを短
くパルス的にオンオフしその直後にサセプタ電極３１、
ウエハ−５８に正のバイアス電圧を印加する第２スイッ
チ４３を短くオンオフする。その意味は以下のようであ
る。

【００５３】プラズマ生成チャンバ３０内に水素ガスを
導入する。第１トリガ回路４５が第１スイッチ４０をオ
ン（パルス立ち上がり４８）にする。対向電極３２、サ
セプタ電極３１に高周波電圧が印加される。電極間でグ
ロー放電が起こり水素プラズマが生成される。電子は数
１０ｅＶ程度の運動エネルギーをもつ。これが図３の高
周波オン４９でのプラズマ点灯状態である。

【００５４】第１トリガ回路４５がオフ（立ち下がり５
０）となると、第１スイッチ４０が切れる。プラズマは
消滅に向かう。電子温度が下がりプラズマ中の数１０ｅ
Ｖ程度の高エネルギー電子は数μｓｅｃ内に急速に消滅
する。瞬間的に電子はエネルギーを失い数ｅＶ程度の低
いエネルギーになる。エネルギーが低いと速度が遅いの
で水素原子との衝突断面積が著しく増える。つまり水素
に衝突し易くなる。この低エネルギー電子が水素分子に
解離性付着し、Ｈ⁻が生成される。そのためにＨ⁻密度
はトリガ回路４５がオフ５０となった直後から急減に上
昇し始める。ガス圧を高く、また投入マイクロ波電力を
高め電界を強めることによって、Ｈ⁻がより優先的に生
成される。それによって、負イオンの殆ど全てが一原子
一価のＨ ⁻になる。プラズマ容器や生成条件によるため
一概には言えないが、数１０μｓｅｃ〜１００ｍｓｅｃ
の間にＨ⁻密度はピーク値を取る。そのとき負イオン数
は正イオンの数に匹敵するぐらい多くなっている。その
後壁面との衝突などによってＨ⁻は徐々に減少する。

【００５５】第１トリガ回路４５がオフとなってからオ
ンとなるまでの間、より好ましくは、電子密度が極端に
低下する、第１トリガ回路４５がオフ（５１）してから
１０μｓｅｃ以降からオンとなるまでの間に第２トリガ
回路４６をオンする（５３）。オン５４時には、Ｓｉ基
板に２０〜２２０ｋＶの正のバイアス電圧がパルス的に
印加される。ウエハ−は正のバイアス電圧が印加されプ
ラズマ５７中の負イオンがウエハ−５８に引き寄せられ
る。加速されてウエハ−の内部奥深くまで進入する。プ
ラズマ５７の広がりはウエハ−５８よりも大きいので、
水素負イオンは全面に同等分だけ注入される。だから走
査する必要はない。すぐに負イオンは減少するが正のバ
イアス電圧はすぐに解除（立ち下がり５５）するから無
駄な時間は少ない。

【００５６】すぐに次の回のプラズマ点灯（立ち上がり
４８）を行い、プラズマを立ち上げ、これを消して負イ
オン濃度を高め、正のバイアス電圧を印加する（立ち上
がり５３）。このような繰り返しによって少しづつ負イ
オンＨ⁻をウエハ−に注入する。

【００５７】この実施例ではスイッチ４０、４３とし
て、半導体スイッチを用いている。この場合は、デユー
ティ１％、繰り返し周波数は数Ｈｚ〜１０ｋＨｚまで印
加可能であることを確認している。またスイッチング手
段としてサイラトロン等を用いる事も可能である。

【００５８】実施例１の主点は、プラズマをオン／オフ
させ、オフ期間中にＨ⁻を多量に生成し、タイミング良
く正のバイアス電圧を印加してＨ⁻をＳｉ基板に注入す
る事である。プラズマ消灯直後の負イオンの増大現象を
巧みに利用するものである。

【００５９】ここでは高周波励起の装置を用いたがこれ
に限らない。プラズマ生成手段としては高周波プラズマ
以外にもマイクロ波プラズマでも直流放電プラズマでも
良い。何れの場合も周期的にプラズマ生成手段をオンオ
フしオフになった直後の負イオン増加時にタイミングを
合わせてウエハ−に正のバイアス電圧を印加する。

【００６０】［実施例２（エネルギーフィルタによって
低エネルギー電子を通す）］水素負イオンを多量に生成
する方法はいくつかあるが、とくに核融合開発における
中性粒子入射装置（NBI:Neutral Beam Injection）用水
素負イオン源の開発において多くの成果が上げられてい
る。実施例２はこれを応用したものである。水素負イオ
ン源の構造、作用などは以下の文献に述べられている。 (11) 「イオン源工学」石川順三著アイオニクス社
出版ｐｐ４８６−４９２プラズマ室内に水素ガスを導入
し、プラズマ室に設けられた熱フィラメントを通電加熱
することによって熱電子を発生させる。概ね４０Ｖ〜１
００Ｖの直流電圧を、熱フィラメントを負極、プラズマ
室壁を正極として接続し、直流放電によって水素プラズ
マを生成する。プラズマ生成室外側にはＮ極とＳ極が交
互に配列されるように永久磁石を配置する。多極（カス
プ磁場）磁界を形成して効率よくプラズマを閉じ込め
る。

【００６１】プラズマ室は、磁場によって、第１プラズ
マ室と第２プラズマ室に分けられる。平行な複数の導体
棒に電流を流す事によって、数１０ガウスの程度の弱い
磁界を形成する。これは、エネルギーフィルタと呼ばれ
る。エネルギーフィルタは、第１プラズマ室内で生成さ
れた数１０ｅＶ程度の高エネルギー電子が第２プラズマ
室内に多量に進入しないようにする。

【００６２】第２プラズマ室には、１ｅＶ〜０．１ｅＶ
程度の低エネルギー電子を多く含むプラズマが生成され
る。水素分子の解離性電子付着によってＨ⁻が多量に生
成される。

【００６３】図４に実施例２をより具体的に示す。エネ
ルギーフィルタによって低エネルギー電子を増やし負イ
オン生成を促進する。熱フィラメントプラズマ生成装置
を例にするが、そのほかの励起方法であっても適用する
ことができる。プラズマ室６１はガス入口、ガス排出口
（図示しない）を有する。入口から水素ガス、アルゴン
ガスなどが導入される。フィラメント６４は導入端子６
２を通りフィラメント電源６５に接続される。フィラメ
ント６４とプラズマ室６１の間にはア−ク電源６６、第
１スイッチ６７が接続される。フィラメント６４は加熱
され熱電子を放出する。熱電子はプラズマ室６１の壁に
向かって流れア−ク放電を引き起こす。ア−ク放電によ
ってガスが励起されプラズマとなる。

【００６４】プラズマ室６１の中間部に複数の導体棒６
９が平行に設けられる。これには同方向に電流を流す。
導体棒６９の周りに数１０ガウス〜１００ガウス程度の
磁場を生ずる。この弱い磁場の障壁を、高いエネルギー
の電子は通り抜けることができない。低エネルギーの電
子はこれを通り抜けることができる。だから導体棒６９
が作る磁場は低エネルギー電子だけを選択透過させるエ
ネルギーフィルタとなっている。

【００６５】プラズマ室６１は導体棒６９によって上下
に分割される。上方は熱フィラメントによって水素プラ
ズマを励起する部分である。第１プラズマ室６８と呼
ぶ。下方は負イオンを生成する部分である。第２プラズ
マ室７０と呼ぶ。ここにはウエハ−７２を戴置したサセ
プタ７３がある。サセプタ７３はシャフト７４を介し外
部回路につながる。シャフト７４は第２スイッチ７６、
正バイアス電源７７につながる。タイミング調整回路７
８によって第１スイッチ６７、第２スイッチ７６は図３
のようなタイミングに従ってパルス的に開閉する。

【００６６】正バイアス電圧はＳｉウエハ−への必要な
水素の注入深さによって適当に決める。２０ｋｅＶ〜２
２０ｋｅＶの程度の注入深さとする事が多い。タイミン
グ調整回路７８はスイッチ７６をオンオフする。スイッ
チ７６が閉じたときウエハ−は正電圧にバイアスされる
から水素負イオンが奥深く注入される。広がりあるプラ
ズマの中にウエハ−があるから一挙に全面に水素負イオ
ンを注入できる。大面積のプラズマであるから質量分
離、ビーム走査は不要である。

【００６７】プラズマ室６１の下半外壁には、永久磁石
７１が多数設けられる。ＮＳの極が隣接磁石間で反転す
るような配列になっている。隣接磁石間でカスプ磁場を
生成し荷電粒子をプラズマ室の中央部に閉じ込める作用
がある。

【００６８】その動作は次のようである。水素ガスをガ
ス入口から導入する。フィラメントによって熱電子放出
されア−ク放電が起こる。これによってガスがプラズマ
に励起される。このプラズマは正イオン、電子、中性原
子、分子を含む。電子が多く負イオンは少ない。電子エ
ネルギーは高くて１０ｅＶ程度もある。高速の電子であ
るから中性原子と衝突しにくい。

【００６９】導体棒６９が作る磁場Ｂ（数十ガウス〜百
ガウス）が第１、第２プラズマ室６８、７０の境界にあ
る。荷電粒子、特に高速の電子はこの磁場障壁を抜ける
ことができない。中性原子、分子は磁場Ｂを通り抜ける
ことができる。軽い電子でもエネルギーが低いもの（約
１ｅＶ以下）は導体棒６９の磁場Ｂを通り抜けることが
できる。低エネルギーの電子は磁場にとらえられてサイ
クロトロン運動するがやがて磁場の影響を離脱する。

【００７０】第２プラズマ室７０には低エネルギーの電
子が存在するからこれが中性水素分子に解離性付着す
る。これによって水素負イオンができる。低エネルギー
の電子は殆ど全て中性原子、分子に付着して消滅する。
そのとき負イオン密度が最も高くなる。丁度そのときに
ウエハ−７２、サセプタ７３に正のバイアス電圧を印加
して負イオンを強力に静電力によって引きつける。

【００７１】実施例２では、第１プラズマ室６８にのみ
水素ガスを供給しているが、これにかぎらない。一般に
水素ガス圧が高い方が負イオン生成効率が高い。負イオ
ン生成効率を高めるため第２プラズマ室７０にも水素ガ
スを供給しても良い。また第１プラズマ室には水素ガス
を与えず、第２プラズマ室７０のみに水素ガスを供給し
ても良い。

【００７２】正バイアスがオフ５６であるときウエハ−
は正イオンにさらされているがそれは差し支えない。正
イオンが単に接触するだけではウエハ−内部に取り込ま
れない。この実施例ではタイミング調整回路７８によっ
て、プラズマ励起を間欠的に行い、消灯後僅かな時間を
おいて、ウエハ−７２に正電圧をパルス的に印加する。
負イオン密度が高くなった時に、ウエハ−を正電圧にバ
イアスして負イオンをウエハ−に効果的に注入する。

【００７３】［実施例３（エネルギーフィルタによって
低エネルギー電子を通す）］図５は第３の実施例を示
す。これはエネルギーフィルタの部分を導体棒でなく、
永久磁石８１〜８４によって置き換えたものである。カ
スプ磁場を作る永久磁石７１とは別に、プラズマ室６１
の中間高さに同一方向を向いた永久磁石８１〜８４を設
ける。異極が対向する永久磁石８１、８２間と永久磁石
８３、８４間に一方向に向かう磁束密度Ｂが生ずる。こ
れは高速電子を遮断する作用がありエネルギーフィルタ
として機能する。図４の導体棒に電流を流すのと同じ作
用がある。下半部の永久磁石７１はカスプ磁場を生成す
るためのものである。ウエハ−７２を間欠的に正電源に
よってバイアスすることによって負イオンを注入する点
は変わらない。全面一挙注入であるから質量分離やビー
ム走査が不要である。

【００７４】［実施例４（ＥＣＲプラズマ装置）］図
４、図５も熱フィラメントプラズマ装置であったが、図
６に示すものはＥＣＲマイクロ波プラズマ装置である。
カスプ磁場による閉じ込めの代わりに、ＥＣＲコイルの
縦磁場を用いている。

【００７５】マグネトロン８５で発生したマイクロ波８
７は導波管８６を伝搬する。マイクロ波８７は誘電体窓
８８を通り、プラズマ室８９にはガス入口（図示しな
い）とガス出口（図示しない）がありマイクロ波によっ
てガスをプラズマに励起する。プラズマ室８９の周囲に
はコイル９０が設置される。コイル９０はプラズマ室８
９内部のプラズマ９１に縦磁場９２を生ずる。電子はコ
イル磁場によってサイクロトロン運動する。サイクロト
ロン周波数とマイクロ波周波数が同一の領域でマイクロ
波の共鳴吸収（ＥＣＲ）が起こる。そこでプラズマ密度
が高くなる。プラズマ室８９の内部に、サセプタ９３に
よって支持されるウエハ−９４が設けられる。プラズマ
９１とウエハ−９４の全面が接触する。スイッチ９７、
正バイアス電源９８がサセプタ９３に接続される。タイ
ミング調整回路９９がスイッチ９７を周期的に開閉す
る。また適当な時間差でマグネトロン８５もオンオフす
る。オンオフのタイミングは図３に示すものと同じであ
る。

【００７６】マグネトロン８５をパルス駆動する。プラ
ズマがそれに応じて点灯する。プラズマが消えた後の負
イオン密度の上昇に合わせてウエハ−９４とサセプタ９
３を正電位にバイアスする。これによって水素負イオン
Ｈ⁻がＳｉウエハ−に注入される。全面でプラズマに接
触しているから、一挙に全面に水素負イオンが注入され
る。一種類の負イオンしか発生しないから質量分離の必
要はない。ビームを絞らないから走査機構も不要であ
る。

【００７７】［実施例５］図７に実施例５を示す。セ
シウムを利用したスパッタ型負イオン源を用いたもので
ある。セシウム利用スパッタ型負イオン源については例
えば次の文献に説明されている。 (12)富岡哲生、辻博司、豊田啓孝、後藤康仁、石川順
三、「ＲＦプラズマスパッタ型負重イオン源からの酸素
及びフッ素負イオン引き出し特性」Ｐｒｏｃ．ＢＥＡ
ＭＳ１９９５ＴＯＫＹＯ、ｐｐ１９１−１９４

【００７８】プラズマ生成室１００内の上方には導電性
ターゲット１０１が設けられる。ターゲット１０１の軸
は絶縁物１０２を経て外部に引き出され、負バイアス電
源１０３に接続される。ガス入口１０４から原料ガスが
供給される。プラズマ生成室１００内部には数ターンの
高周波コイル１０５が設置される。高周波コイル１０５
の端子は絶縁物１０６を経て外部へ取り出される。その
一端はマッチングボックス１０７、第１スイッチ１０８
を経て高周波電源１０９に接続される。高周波電源１０
９の一端は接地される。コイル１０５の他端は接地され
ている。プラズマ生成室１００の下方には、サセプタ１
１０、ウエハ−１１１が設けられる。軸１１２は絶縁物
１１３を通って外部に延長する。軸１１２、サセプタ１
１０、ウエハ−１１１は、第２スイッチ１１４、正バイ
アス電源１１５に接続される。正バイアス電源１１５
は、２０ｋｅＶ〜２２０ｋｅＶの間の加速エネルギーを
水素イオンに与える。タイミング調整回路１１６が第
１、第２スイッチ１０８、１１４を図３のようなタイミ
ングでパルス的に開閉する。

【００７９】プラズマ生成室１００の外部にオーブン１
１７がある。この内部にセシウムＣｓ１１８が収容され
る。周りのヒ−タ１１９によってオーブンを加熱するこ
とができる。オーブン１１７の上にはパイプがついてお
りパイプ先端のノズル１２１はターゲット１０１の下面
に向かって設けられる。ヒ−タ１１９によってＣｓを加
熱すると蒸気が発生し、ノズル１２１から噴出しターゲ
ット１０１の表面に付着する。プラズマ生成室１００に
はガス排出口１２２がありここから内部を真空に引くこ
とができるようになっている。以上の構成においてその
動作を述べる。

【００８０】ターゲット１０１には３００Ｖ〜８００Ｖ
程度の負電圧が印加されている。オーブン１１７からセ
シウム蒸気が生じターゲット１０１に付着している。プ
ラズマ生成室１００にアルゴンＡｒ、キセノンＸｅなど
のスパッタガスと水素ガスの混合ガスを導入する。水素
分子の一部はターゲットのセシウム層の上に吸着され
る。第１スイッチ１０８を閉じ高周波コイル１０５に高
周波電圧を印加する。高周波によってガス中の電子が上
下に振動し原子に当たって電離するから、混合ガス（Ｘ
ｅ＋Ｈ）のプラズマが生成される。プラズマというのは
電子、正イオン、中性ラジカル、中性分子などの集合で
ある。

【００８１】ターゲット１０１には負電圧が印加されて
いるから混合ガスのうち不活性ガスの正イオン、例えば
Ｘｅ^＋イオンがターゲットに引き寄せられる。不活性ガ
ス正イオンはターゲットの水素分子に当たりこれをスパ
ッタリングする。水素分子はＣｓから電子を取り分解し
て一原子負イオンＨ⁻になる。Ｃｓを使うので負イオン
濃度が高くなる。これだけでも水素負イオンを生成でき
るが本発明は、実施例１で述べたような工夫をする。タ
イミング調整回路１１６によって、高周波コイルへのパ
ルス的な電力供給の直後にウエハ−１１１を正電圧にバ
イアスする。

【００８２】高周波をコイル１０５に通すと高周波で電
子が強く運動しプラズマができる。高周波を切ると電子
が運動エネルギーを失い、中性水素分子との衝突の確率
が増える。そして殆どの低速電子が中性水素と結合し、
負イオンとなる。特にＣｓの添加量を調整することによ
って、Ｈ⁻を独占的に生成する事が可能である。丁度そ
のときにウエハ−に正のバイアス電圧を印加することに
よって効率よく負イオンをウエハ−へ注入する。

【００８３】この方法は、後でＳｉ基板上のＣｓ或いは
浅く注入されたＣｓを除去しなければならないという問
題がある。しかし負イオンの生成効率を高めるという点
で利点がある。放電オフ期間（図３の５１）中に基板
（Ｓｉウエハ−）に水素負イオンが注入されるが、プラ
ズマは全体的に中性を保とうとするので、正イオンがプ
ラズマ生成室壁面などに衝突する。この正イオンがセシ
ウム被覆ターゲットに当たり、さらに負イオン濃度を上
げることができる。結局負バイアス電源１０３から電子
を与えるので負イオンをより高濃度で生成できる。

【００８４】図８に本発明により水素負イオンをＳｉ基
板に注入し、水素の多孔質膜を作り他のＳｉを付けて多
孔質膜からＳｉを剥離して、ＳＯＩ基板を作製する行程
を示す。簡単に説明すると、第１のＳｉ基板の表面を酸
化しＳｉＯ_２膜を作る（１）。次に水素負イオンを注入
し、ポロシティの大きい多孔質層を形成する（２）。そ
の後熱処理によって、表面のＳｉ層の注入ダメージを回
復する（３）。第１のＳｉ基板を貼り合わせる（４）。
その後垂直方向に剪断力を加える事によって前記多孔質
層で第１基板を切断する（５）。その後、表面を研磨す
る（６）。こうしてＳＯＩ基板を作製する。

【００８５】

【発明の効果】半導体、金属、絶縁体などの基板に水素
負イオンを注入する事によって所定深さに水素を埋め込
む。プラズマに半導体、金属、絶縁体など上記の基板の
全体が接触した状態でイオンを注入するから一括して全
面に注入できる。水素負イオンはプラズマパラメータを
調整する事によってＨ⁻のみ独占的に生成する事が可能
である。上記の基板に正のパルスバイアス電圧を周期的
に印加することによってＨ⁻のみを安定的に、短時間で
実用量を注入する事ができる。質量分離系などを設ける
必要はない。質量分離の大がかりな装置が不要であるか
ら装置価格は低下する。据え付けに必要な面積も節減で
きる。質量分離しないからビームを細くする必要がな
く、走査が不要になる。走査せず一挙に注入できるので
スループットが向上する。

【００８６】さらにプラズマ生成手段を周期的にオン／
オフさせ、オフ期間に基板に正のバイアスパルスを印加
する。電子の過剰照射による基板過熱及びパルスバイア
ス電源の大容量化を回避する事が可能になる。安価、安
定、小設置面積のイオン注入装置を提供する事ができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来例にかかる水素正イオンをＳｉウエハ−に
注入する装置の概略断面図。

【図２】高周波励起によって水素プラズマを生成し、高
周波電力遮断後の一時的な負イオン増加時に正のバイア
ス電圧を印加しＳｉウエハ−に水素負イオンを注入する
ようにした本発明の第１の実施例にかかる装置の断面
図。

【図３】図２の第１の実施例において、高周波電力を供
給するタイミングとウエハ−に正のバイアス電圧を印加
するタイミングを示すパルス波形図。

【図４】ＥＣＲプラズマ法を用い導体棒電流によってチ
ャンバ中間に磁場を生成してプラズマを二分し負イオン
生成率を上げウエハ−に水素負イオンを注入するように
した本発明の第２の実施例にかかる装置の断面図。

【図５】ＥＣＲプラズマ法を用い永久磁石磁場によって
チャンバ中間に磁場を形成しプラズマを二分して負イオ
ン生成率を上げウエハ−に水素負イオンを注入するよう
にした本発明の第３の実施例にかかる装置の断面図。

【図６】ＥＣＲプラズマ法を用いて、ウエハ−に水素負
イオンを注入するようにした本発明の第４の実施例にか
かる装置の断面図。

【図７】スパッタ型負イオン源を用いてウエハ−に水素
負イオンを注入するようにした本発明の第５の実施例を
示す断面図。

【図８】水素負イオンをＳｉ基板に注入して水素の多孔
質層を作り他のＳｉを付けて、多孔質層からＳｉを剥離
してＳＯＩ基板を作製する工程を示す図。

【図９】全面に水素正イオンを一挙に注入する従来例に
かかる方法を説明する断面図。

【符号の説明】

１チャンバ２フィラメント３フィラメント電源４ガス入口５絶縁物６ア−ク電源７加速電源８出口９加速電極１０減速電極１１接地電極１２減速電源１３抵抗１４質量分離マグネット１５水素正イオンビ−ム１６入口１７出口１８スリット板１９電極２０電極２１可変電源２２走査機構２３走査ビーム２４ウエハ− ２５サセプタ２６中央軌跡２７偏奇軌跡２９ガス入口３０チャンバ３１サセプタ電極３２対向電極３３シャフト３４絶縁物３５軸３６絶縁物３７配線３８マッチングボックス３９配線４０第１スイッチ４１高周波電源４２配線４３第２スイッチ４４正バイアス電源４５第１トリガ回路４６第２トリガ回路４７タイミング調整回路４８立ち上がり４９オン５０立ち下がり５１オフ５２消灯時５３立ち上がり５４オン５５立ち下がり５６オフ６１プラズマ室６４フィラメント６５フィラメント電源６６ア−ク電源６７第１スイッチ６８第１プラズマ室６９導体棒７０第２プラズマ室７１永久磁石７２ウエハ− ７３サセプタ７４軸７５絶縁物７６スイッチ７７正バイアス電源７８タイミング調整回路８１〜８４永久磁石８５マグネトロン８６導波管８７マイクロ波８８誘電体窓８９プラズマ室９０コイル９１プラズマ９２縦磁場９３サセプタ９４ウエハ− ９５軸９６絶縁物９７スイッチ９８正バイアス電源９９タイミング調整回路１００プラズマ生成室１０１ターゲット１０２絶縁物１０３負バイアス電源１０４ガス入口１０５コイル１０６絶縁物１０７マッチングボックス１０８第１スイッチ１０９高周波電源１１０サセプタ１１１ウエハ− １１２軸１１３絶縁物１１４第２スイッチ１１５正バイアス電源１１６タイミング調整回路１１７オーブン１１８セシウム固体１１９ヒ−タ１２０パイプ１２１ノズル１２２ガス排出口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者桑原創京都府京都市右京区梅津高畝町47番地日新電機株式会社内Ｆターム(参考） 4K029 AA02 AA06 BA32 CA10 CA13 DE02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板、絶縁体基板或いは金属基板
の所定の深さに水素イオンを注入する方法であって、プ
ラズマ生成手段によって水素を含むプラズマを発生し、
半導体基板、絶縁体基板或いは金属基板を水素プラズマ
中にさらし、基板に正のパルス電圧を印加することによ
ってプラズマ中の水素負イオンを基板中に所定深さまで
注入することを特徴とするパルスバイアス水素負イオン
注入方法。
【請求項２】プラズマを生成するプラズマ室内の中間
部に電子を捕獲するための磁場を形成し、磁場の一方の
側の第１プラズマ室ではプラズマ生成手段によってプラ
ズマを生成し、第２プラズマ室には半導体基板、絶縁体
基板又は金属基板を設け、磁場によって妨げられ高エネ
ルギー電子が第２プラズマ室に移動しないようにし、第
２プラズマ室で電子と中性原子、分子の衝突を促進し水
素負イオン濃度を高めるようにすることを特徴とする請
求項１に記載のパルスバイアス水素負イオン注入方法。
【請求項３】高周波コイルに高周波を加える事により
プラズマを生成する手段を備えたプラズマ室にＣｓを供
給し、プラズマ室内に設置された導電性ターゲットの表
面にＣｓを堆積させ、このターゲットに負電圧を印加す
る事によって、ターゲットを正イオンでスパッタし、水
素負イオン濃度の高い水素プラズマを生成することを特
徴とする請求項１に記載のパルスバイアス水素負イオン
注入方法。
【請求項４】プラズマ生成手段を周期的にオン／オフ
し、プラズマ生成手段がオフに切り替わってから１０μ
ｓｅｃから再びオンになるまでの期間に半導体基板、絶
縁体基板または金属基板に正のパルス電圧を印加するこ
とを特徴とする請求項１、２又は３に記載のパルスバイ
アス水素負イオン注入方法。
【請求項５】真空に引くことができプラズマを生成す
る空間であるプラズマ室と、プラズマ室内にプラズマを
発生するプラズマ発生手段と、プラズマ室に水素原子を
含むガスを導入するガス導入口と、プラズマ室からガス
を排出するガス排気装置と、プラズマ室内に設けられ半
導体基板、絶縁体基板又は金属基板を戴置するためのサ
セプタと、サセプタに正電圧バイアスを印加する正バイ
アス電源と、正バイアス電源とサセプタの間に設けられ
るスイッチと、スイッチを周期的にオンオフし、基板に
パルス的に正電圧バイアスを印加する機構とを含むこと
を特徴とするパルスバイアス水素負イオン注入装置。
【請求項６】プラズマ室内に磁界を形成するための磁
場形成手段を、プラズマ室内或いは外に設け、プラズマ
室を二つに分離し、磁場によってエネルギーの高い電子
の透過を防ぎ、一方のプラズマ室ではプラズマ生成を行
い、他方のプラズマ室にはサセプタと基板を設けた事を
特徴とする請求項５に記載のパルスバイアス水素負イオ
ン注入装置。
【請求項７】高周波コイルに高周波を加える事により
プラズマを生成する手段を備えたプラズマ室に設けられ
た導電性のターゲットと、ターゲットに負電圧を印加す
る負バイアス電源と、Ｃｓ、Ｒｂ、Ｋなどの蒸気を生成
するオーブンと、オーブンで発生した蒸気をターゲット
に導くノズルとを設けた事を特徴とする請求項５に記載
のパルスバイアス水素負イオン注入装置。
【請求項８】プラズマ生成手段をオンオフする機構
と、プラズマ生成オンオフと、サセプタの正バイアスの
オンオフのタイミングを決めるタイミング調整回路とを
設け、プラズマ生成手段がオフになった直後にサセプタ
に正のバイアス電圧を印加ことを特徴とする請求項５、
６又は７に記載のパルスバイアス水素負イオン注入装
置。