JP2013171637A

JP2013171637A - イオン注入装置

Info

Publication number: JP2013171637A
Application number: JP2012033230A
Authority: JP
Inventors: Michio Ishikawa; 道夫石川; Tsutomu Nishibashi; 勉西橋; Yukihiro Furukawa; 幸弘古川; Noboru Yamaguchi; 昇山口; Makoto Miura; 真三浦; Genji Sakata; 現示酒田; Hidekazu Yokoo; 秀和横尾
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2012-02-17
Filing date: 2012-02-17
Publication date: 2013-09-02

Abstract

【課題】イオン注入時に処理対象物の周縁部からその側面まで含む領域が処理ガスの活性種で成膜されることを効果的に防止することができる簡単な構成のイオン注入装置を提供する。
【解決手段】本発明のイオン注入装置ＩＭは、メッシュ電極３により内部がプラズマ発生室１ａとシリコン基板Ｗが配置されるプラズマ処理室１ｂとに区画される真空チャンバ１と、プラズマ発生室に不純物原子を含む処理ガスを導入してプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、プラズマ発生室に発生させたプラズマ中で電離した処理ガスのイオンを引き出して加速する、所定の電位を持った電力をメッシュ電極に投入する電源Ｅ２とを備える。メッシュ電極と処理対象物との間に配置されて処理対象物の周縁部のみを遮蔽する遮蔽手段８を更に有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、結晶太陽電池用のシリコン基板やパワーデバイス用の半導体基板等の処理対象物に不純物を注入して不純物拡散層を形成するイオン注入装置に関する。

例えば、太陽電池として、多結晶、単結晶シリコン基板を用いた結晶シリコン太陽電池が知られている。このものでは、太陽光を受光する受光面と、受光面と対向する裏面との間で光電変換機能を発現するｐ型の結晶シリコンからなる基板を備える。基板の一方の主面側には高濃度のｐ型シリコン層 (ｐ^＋層)が形成され、他方の主面側にはｎ型シリコン層(ｎ層)が形成され、ｐ^＋層とｎ層の間には、ｐ^十層よりも低濃度のｐ型シリコン層(ｐ層)が形成される。そして、上記基板に光が照射されると、ｐ層において励起された電子、正孔のうち、電子がｎ層に接続された電極に、正孔がｐ^＋に接続された電極に夫々捕捉されて電流が流れる。

ここで、上記種の結晶シリコン太陽電池の製造においては、基板上にＰＯＣｌ_３からなる膜を成膜し、その後にアニール処理を行うことが一般的に行われている(例えば、非特許文献１参照)。このアニール処理は、シリコン基板の表面から深さ（基板の厚さ）方向にリン（Ｐ）を拡散させることで、シリコン基板の表面に不純物拡散層たる低抵抗層を形成するために行われるものであるが、シリコン基板の周縁部からその側面までリンが成膜されていると、アニール処理時、リンがシリコン基板の内部まで拡散され、このシリコン基板の周縁部からその側面まで含む領域にも低抵抗層が形成されて表裏が互いに電気的に繋がってしまう。その結果、表裏でＰＩＮ接合の太陽電池を形成しているつもりが端面で短絡を生じるという問題がある。

このような問題を解決するため、従来では、レーザー光を用いた所謂エッジカット法により、基板の周縁部を切り離すことが一般に行われている。このような方法では、基板の周縁部が光電変換に寄与しない無駄な領域となるばかりか、製造工程が増加してコストアップを招来する。そこで、本発明者らは、次の結晶太陽電池の製造方法を提案している。

即ち、イオン注入装置を用いて単結晶又は多結晶シリコン基板の一方の主面側にリンイオンを注入し、このリンイオンの注入時、シリコン基板の周縁部からその側面まで含む領域が、リンラジカルにより成膜され得ることを考慮して、このシリコン基板を所定温度で加熱し、上記領域に成膜されたリンラジカルを蒸発させて除去し、その後、シリコン基板の表面から深さ方向にリン（Ｐ）を拡散させるアニール処理を行う。これによれば、アニール処理を施してもシリコン基板の周縁部からその側面まで含む領域に低抵抗層が形成されることを効果的に防止できる。然し、この方法でも、リンラジカルを除去する加熱処理する工程を必要とするため、生産性を向上させるのには限界がある。

"COMPARISON OF DIFFERENT TECHNIQUES FOR EDGE ISOLATION" A.Hauser, G. Hahn

本発明は、以上の点に鑑み、イオン注入時に処理対象物の周縁部からその側面まで含む領域が処理ガスの活性種で成膜されることを効果的に防止することができる簡単な構成のイオン注入装置を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、処理対象物に不純物を注入して不純物拡散層を形成するイオン注入装置は、メッシュ電極により内部がプラズマ発生室と処理対象物が配置されるプラズマ処理室とに区画される真空チャンバと、プラズマ発生室に不純物原子を含む処理ガスを導入してプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、プラズマ発生室に発生させたプラズマ中で電離した処理ガスのイオンを引き出して加速する、所定の電位を持った電力をメッシュ電極に投入する電源とを備え、前記メッシュ電極と処理対象物との間に配置されて処理対象物の周縁部のみを遮蔽する遮蔽手段を更に有することを特徴とする。

本発明によれば、処理対象物を単結晶又は多結晶シリコン基板、不純物をリンとし、このシリコン基板の一方の面側にリンを注入する場合を例に説明すると、プラズマ発生手段によりプラズマ発生室にリン原子を含む処理ガスを導入してプラズマを形成し、メッシュ電極に負の電位を持った電力と投入すると、プラズマ中で電離したリン原子または分子の正イオンがメッシュ電極によって引き出され、メッシュ電極に対向配置されたシリコン基板に向けて加速されて所定の注入エネルギーで注入される。このとき、プラズマ中の処理ガスの活性種もメッシュ電極の開口を通ってシリコン基板表面に付着、堆積するが、本発明では、遮蔽手段を設けたため、シリコン基板の周縁部からその側面まで含む領域が活性種で成膜されることが効果的に防止される。これにより、シリコン基板表面に低抵抗層を形成するために、本発明のイオン注入装置を用いてリンイオンを注入すれば、リンラジカルを除去する加熱処理する工程が不要となり、生産性を向上させることができ、コストダウンも図ることが可能になる。また、遮蔽手段を設けるだけで、上記領域が活性種で成膜されることが効果的に防止される構成が実現できる。

本発明において、前記処理対象物と遮蔽手段とを非接触でこれらの間隔を１ｍｍ以下としておけば、本発明者の実験では、シリコン基板の周縁部からその側面まで含む領域にリンラジカルが付着、堆積することが確実に防止されることが確認された。なお、遮蔽手段を処理対象物の周縁部表面に接触させて配置してもよい。

ところで、メッシュ電極と処理対処物との間に遮蔽手段を配置してイオン注入するとき、遮蔽手段にリンイオン等の正イオンが衝突してこの遮蔽手段がスパッタリングされる場合があり、このように遮蔽手段がスパッタリングされると、遮蔽手段を構成する材料の原子が処理対象物中に取り込まれる虞がある。そこで、遮蔽手段は、炭素、シリコン、炭化シリコンまたはこれの合成材料で構成されるようにしておけば、これらはシリコン基板の半導体特性に余り影響を及ぼさない材料であるため、処理対象物を単結晶又は多結晶シリコン基板とし、不純物拡散層たる低抵抗層を形成するような場合でも、スパッタリングによる影響を限りなく小さくすることができ、有利である。

なお、上記用途の場合、遮蔽手段をアルミナや窒化アルミで構成することもできるが、遮蔽手段が絶縁性材料である場合、イオン注入時に遮蔽手段表面にリンイオン等の正イオンがチャージアップし、このチャージアップした正イオンの影響で、注入すべき正イオンの軌道が変えられて処理対象物に効果的に注入できない虞がある。このような場合には、遮蔽手段の表面を導電性の材料で覆うと共にアース接地しておく必要がある。

本発明の実施形態のイオン注入装置の模式的断面図。本発明の効果を示す実験結果のグラフ。

以下、図面を参照して、処理対象物を半導体仕様のｐ型シリコン基板（以下、「シリコン基板Ｗ」という）、処理ガスをＰＨ_３とし、シリコン基板Ｗの一方の面にリンからなる不純物を注入して低抵抗層（不純物拡散層）を形成する場合を例に本発明の実施形態のイオン注入装置を説明する。以下においては、図１を基準に、プラズマ発生室からプラズマ処理室に向かう方向を下とし、上、右、左といった方向を示す用語を用いるものとする。

図１を参照して、ＩＭは、本実施形態のイオン注入装置である。イオン注入装置ＩＭは、真空ポンプＶＰが接続される真空チャンバ１を備え、真空チャンバ１は、上面が開口した有底筒状の下側チャンバ１１と、下側チャンバ１１上に絶縁体２を介して設置され、下側チャンバ１１より小径で下面が開口した上側チャンバ１２とで構成されている。真空チャンバ１内には、絶縁体２で支持させてメッシュ電極３が設けられ、電気的に浮遊電位のメッシュ電極３により、上側のプラズマ発生室１ａと下側のプラズマ処理室１ｂとに区画されている。

メッシュ電極３，３は、２００ｍｍφ〜３００ｍｍφとなるように導電性の板に３ｍｍφ程度の穴を５ｍｍピッチでメッシュ状に開けたものであり、本実施形態では、２枚のメッシュ電極３，３を所定間隔で上下に配置して構成され、プラズマ電位を安定させる役割を果たす。また、メッシュ電極３，３は、直流電源Ｅ１に接続され、負の電位を持つ直流電力が投入されてプラズマ中の正イオンを引き出してシリコン基板Ｗに向けて加速する役割を果たす。なお、メッシュ電極３，３の構成は、上記各役割を果たすものであれば、上記のものに限定されるものではなく、例えば、導電性の材料を格子状に組み付けて構成してもよい。

上側チャンバ１２上壁は、高周波導入するための石英製の導入窓１２ａで構成され、導入窓１２ａの上面には、同心に配置した一対のリング状の永久磁石４ａ，４ｂと、永久磁石４ａ，４ｂの周囲に配置した高周波導入用のコイル５とが設けられ、コイル５が高周波電源Ｅ２に接続されている。また、導入窓１２ａには、この導入窓１２ａを貫通してプラズマ発生室１ａに通じるガス導入管６が設けられ、流量制御された処理ガスがプラズマ発生室１ａに導入できるようにしている。そして、プラズマ発生室１ａ内に不純物たるリンを含む処理ガスを導入し、高周波電源Ｅ２からコイル５に高周波電力を投入すると、プラズマ発生室内１ａ内にＩＣＰ放電によりプラズマＰが発生する。この場合、上記各部品が、本実施形態のプラズマ発生手段を構成する。

下側チャンバ１１により区画されるプラズマ処理室１ｂ内には、シリコン基板Ｗをメッシュ電極３，３に対向する姿勢で保持するステージ７が設けられている。この場合、ステージ７はアース接地されている。また、プラズマ処理室１ｂには、メッシュ電極３，３とシリコン基板Ｗとの間に配置されてシリコン基板Ｗの周縁部Ｗｒのみを遮蔽する遮蔽手段たる環状部材８が設けられている。環状部材８は、炭素、シリコン、炭化シリコンまたはこれの合成材料製の板材で構成され、下側チャンバ１１の底面に立設した複数本の支持軸８１，８１の上端でシリコン基板Ｗに平行に支持されている。この場合、シリコン基板Ｗの上面と環状部材８の下面との間の間隔Ｇは１ｍｍ以下に設定される。環状部材８の下面をシリコン基板Ｗの上面に接触させて配置してもよい。

なお、シリコン基板Ｗの周縁部Ｗｒとは、図１中、一点鎖線で囲んで示す拡大図のように、シリコン基板Ｗの端面から所定距離だけ径方向内側へ入った部分をいい、遮蔽すべき周縁部Ｗｒの大きさは、ステージ７にシリコン基板Ｗを設置するときのこのシリコン基板Ｗの位置決め精度等を考慮して適宜設定される。本実施形態では、シリコン基板Ｗの端面から０．５ｍｍ程度径方向内側に入った部分をいう。

上記実施形態によれば、プラズマ発生室１ａにリン原子を含む処理ガスたるＰＨ_３を導入してプラズマを形成し、メッシュ電極３，３に負の電位を持った直流電力と投入すると、プラズマ中で電離したリン原子または分子の正イオン（Ｐ^＋、ＰＨ^＋、ＰＨ_２ ^＋、ＰＨ_３ ^＋）がメッシュ電極３によって引き出され、ステージ７上のシリコン基板Ｗに向けて加速されて所定の注入エネルギーで注入される。これにより、シリコン基板Ｗの上面に不純物拡散層としての低抵抗層が形成される。

ここで、遮蔽手段のない従来例のイオン注入装置では、プラズマ中の処理ガスの活性種（ＰＨ＊、ＰＨ_２＊やＰＨ_３＊）がメッシュ電極３，３の各開口を通ってシリコン基板Ｗ上面に付着、堆積し、このとき、シリコン基板Ｗの周縁部からその側面まで含む領域にまで活性種で成膜される。それに対して、上記実施形態では、シリコン基板Ｗの周縁部Ｗｒのみを遮蔽する遮蔽手段として環状部材８を設けたため、シリコン基板Ｗの周縁部Ｗｒからその側面まで含む領域が活性種で成膜されることが効果的に防止される。これにより、本実施形態のイオン注入装置を低抵抗層の形成に適用すれば、リンラジカルを除去する加熱処理する工程が不要となり、生産性を向上させることができ、コストダウンも図ることが可能となる。また、環状部材８を設けるだけで、上記領域が活性種で成膜されることが効果的に防止される構成が実現できる。

更に、環状部材８は、炭素、シリコン、炭化シリコンまたはこれの合成材料で構成したため、これらは抵抗が小さく且つシリコン基板Ｗの半導体特性に余り影響を及ぼさない材料であり、シリコン基板Ｗに低抵抗層を形成するような場合でも、スパッタリングによる影響を限りなく小さくすることができ、有利である。環状部材８をアルミナや窒化アルミで構成することもできるが、イオン注入時に遮蔽手段表面に正イオンがチャージアップすると、このチャージアップした正イオンの影響で、注入すべき正イオンの軌道が変えられてシリコン基板Ｗに効果的に注入できない虞がある。このような場合には、表面を導電性の材料で覆うと共にアース接地しておく必要がある。

以上の効果を確認するため、次の実験を行った。即ち、図１に示すイオン注入装置ＩＭを用い、高周波電源の周波数を１３．５６ＭＨｚ、処理ガスをＰＨ_３とし、リン：５Ｅ１５Ｄｏｓe／ｃｍ^２のビーム量でシリコン基板Ｗの一方の面にリンからなる不純物を注入した。この場合の注入エネルギーが３ｋｅＶとなるようにし、注入開始時のシリコン基板Ｗの温度は室温とした。また、遮蔽手段を厚さが１ｍｍのグラファイト製の環状部材８とし、シリコン基板Ｗの２ｍｍ程度の周縁部が環状部材８で覆わるようにした。

図２は、シリコン基板Ｗの上面と環状部材８の下面との間の間隔Ｇを０．３ｍｍ、０．６ｍｍ、１ｍｍに夫々設定し、上記条件でイオン注入し、その後、シリコン基板Ｗを８５０℃、３０分の条件でアニール処理を施し、１％ＨＦにて表面酸化膜を除去した後、シリコン基板Ｗのリン注入面のシート抵抗を４探針方で測定した結果を示す。なお、図２中、Ｘ軸のマスク端とは環状部材８の内端をいい、マスク端からの距離とは、マスク端の直下のシリコン基板の位置を起点とし、径方向外方への距離Ｄをいう（図１参照）。また、シリコン基板中央部のシート抵抗は５０〜５５Ω／□であった。

上記によれば、間隔Ｇが０．３ｍｍの場合、距離Ｄが０．２ｍｍより大きくなると、シート抵抗が高くなり、０．３ｍｍより大きくなると、十分な遮蔽効果（＞３００Ω／□）が得られていることが判る。また、間隔Ｇが０．６ｍｍの場合、距離Ｄが０．３ｍｍより大きくなると、シート抵抗が高くなり、０．４ｍｍより大きくなると、十分な遮蔽効果（＞３００Ω／□）が得られていることが判る。更に、間隔Ｇが１ｍｍの場合、距離Ｄが０．４ｍｍより大きくなると、シート抵抗が次第に高くなり、０．５ｍｍより大きくならないと、十分な遮蔽効果（＞３００Ω／□）が得られないことが判る。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではない。上記実施形態では、ｐ型シリコン基板にリンを注入するものを例に説明したが、太陽電池や所謂パワーデバイスの製造工程において、ボロンやセレンなどの不純物をＳｉＣやＧａＮなどの半導体基板表面に注入して低抵抗層を形成する工程にも利用できる。また、上記実施形態では、ＩＣＰ放電を利用したものを例に説明したが、プラズマを発生させる方式は上記に限定されるものではなく、他のものにも広く適用できる。更に、上記実施形態では、不純物拡散層として低抵抗層を形成するものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、シリコン基板の周縁部に不純物拡散層が形成されないようにするものに広く適用することができる。

ＩＭ…イオン注入装置、１…真空チャンバ、１ａ…プラズマ発生室、１ｂ…プラズマ処理室、１２ａ…導入窓（プラズマ発生手段）、４…永久磁石（プラズマ発生手段）、５…コイル（プラズマ発生手段）、６…ガス導入管（プラズマ発生手段）、３…メッシュ電極、８…環状部材（遮蔽手段）、Ｗ…シリコン基板（処理対象物）、Ｅ１、Ｅ２…電源。

Claims

処理対象物に不純物を注入して不純物拡散層を形成するイオン注入装置であって、
メッシュ電極により内部がプラズマ発生室と処理対象物が配置されるプラズマ処理室とに区画される真空チャンバと、プラズマ発生室に不純物原子を含む処理ガスを導入してプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、プラズマ発生室に発生させたプラズマ中で電離した処理ガスのイオンを引き出して加速する、所定の電位を持った電力をメッシュ電極に投入する電源とを備え、
前記メッシュ電極と処理対象物との間に配置されて処理対象物の周縁部のみを遮蔽する遮蔽手段を更に有することを特徴とするイオン注入装置。
前記遮蔽手段は、炭素、シリコン、炭化シリコンまたはこれの合成材料で構成されることを特徴とする請求項１記載のイオン注入装置。