JP6143440B2 - 半導体装置の製造方法及び基板処理システム - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造方法、基板処理システム、及び基板処理装置に関する。

ウェハの底面に所定の深さ及び濃度まで水素を注入してｎ^＋バッファ層を形成するステップを有するＩＧＢＴの製造方法が知られている。水素は、注入量が次第に減少しエネルギーが次第に増加する連続した複数の別個のステップで注入される。

特表２００３−５３３０４７号公報

近年、ある種の半導体装置においては、高濃度で厚いｎ層を設けることが望まれることがある。ＩＧＢＴはその代表的な例である。ｎ層を形成する処理には、加速器を使用して水素を基板に注入する工程が含まれる場合がある。目的とするｎ層が高濃度で厚いほど水素の注入量が多くなり、加速器を使用する時間は長くなる。加速器は運転コストが比較的高い。そのため、加速器の使用時間が長くなると、結果として得られるデバイスの製造コストも高くなる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、ｎ層を形成するための加速器の使用時間を短くすることができる半導体装置の製造方法、基板処理システム、及び基板処理装置を提供することにある。

本発明のある態様によると、加速器を使用して粒子線を基板に照射する照射工程と、前記基板にｎ層を形成するために、水素を含むプラズマで前記基板を処理するプラズマ処理工程と、を備える半導体装置の製造方法が提供される。

前記加速器は、円形加速器又は線形加速器であってもよい。前記粒子線は軽イオンを含んでもよい。

前記プラズマ処理工程は、１５０℃から６００℃の高温雰囲気で前記基板を前記プラズマにさらすことを含んでもよい。前記プラズマ処理工程は、大気圧環境で前記基板を前記プラズマにさらすことを含んでもよい。

本方法は、前記プラズマ処理工程の後に前記基板をアニールするアニール工程を備えてもよい。

前記照射工程における深さ方向のイオン濃度ピークは、前記プラズマ処理工程における深さ方向の水素濃度ピークよりも深くてもよい。

前記粒子線は電子を含んでもよい。

本発明のある態様によると、粒子線を基板に照射するための加速器を備える粒子線照射装置と、前記基板にｎ層を形成するために、水素を含むプラズマで前記基板を処理するプラズマ処理装置と、を備える基板処理システムが提供される。

本発明のある態様によると、プラズマを大気圧環境で生成する大気圧プラズマ源と、前記プラズマ源に水素を含む原料ガスを供給する気体供給部と、前記プラズマに対し基板を搬送するための搬送部と、を備えることを特徴とする基板処理装置が提供される。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、ｎ層を形成するための加速器の使用時間を短くすることができる。

本発明のある実施の形態に係る製造システムの概略構成を模式的に示す図である。 本発明のある実施の形態に係る粒子線照射装置の概略構成を模式的に示す図である。 本発明のある実施の形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を模式的に示す図である。 本発明のある実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。 図４に示す方法により得られるキャリア濃度分布の一例を示す図である。 図４に示す方法により得られるキャリア濃度分布の他の一例を示す図である。 図４に示す方法により得られるキャリア濃度分布の他の一例を示す図である。

図１は、本発明のある実施の形態に係る製造システム１の概略構成を模式的に示す図である。製造システム１は、半導体基板（以下では単に基板と呼ぶこともある）に水素を導入するために使用される基板処理システムである。製造システム１は、粒子線照射装置２とプラズマ処理装置３とアニール装置４とを備える。製造システム１は、まず粒子線照射装置２で基板を処理し、次にその基板をプラズマ処理装置３で処理し、さらにその基板をアニール装置４で処理する。

製造システム１において処理される半導体基板は、最終的にいわゆる縦型の半導体デバイスが形成される基板（例えばウェハ）である。縦型のデバイスとは一般に、基板の一方の表面（以下、前面ともいう）と他方の表面（以下、背面ともいう）との間で縦方向に電流経路を有するデバイスであり、典型的には電力制御の用途で使用される。こうした縦型デバイスには例えばＩＧＢＴや電力制御用のダイオードなどがある。なお本実施形態に係る水素導入方法は任意の半導体基板に適用することが可能であり、上述の特定のデバイスの製造工程での使用には限られない。

製造システム１における水素導入処理に先立って、半導体基板の前面には通例、配線を含む素子構造が既に形成されている。製造システム１において基板を処理することにより、詳しくは後述するが、基板の背面側のある深さ範囲にｎ層が形成される。

図２は、本発明のある実施の形態に係る粒子線照射装置２の概略構成を模式的に示す図である。粒子線照射装置２は、加速器１０を使用して粒子線Ｂを基板Ｗに照射するよう構成されている。粒子線照射装置２は、粒子線源としての加速器１０と、粒子線Ｂの照射のために基板Ｗを保持し搬送する基板搬送装置１２と、加速器１０から出射された粒子線Ｂを基板搬送装置１２へと導くビーム輸送ダクト１４と、を備える。後述するように、粒子線Ｂは水素イオンを含む。

加速器１０は、荷電粒子を加速し、荷電粒子線を出射する。本実施形態では加速器１０はサイクロトロンである。基板搬送装置１２は、搬送プレート１６に搭載されている基板Ｗに粒子線Ｂを照射するための照射チャンバ１８と、照射チャンバ１８において搬送プレート１６を移動する移動機構２０と、を備える。搬送プレート１６は、複数の基板Ｗを搭載する。移動機構２０は、一つの搬送プレート１６に搭載されている全ての基板Ｗに粒子線Ｂを順次照射するよう搬送プレート１６を移動する。移動機構２０は、照射処理済みの搬送プレート１６を照射チャンバ１８から搬出し、次の搬送プレート１６を照射チャンバ１８に搬入する。また、ビーム輸送ダクト１４の途中には、内部を真空に維持する真空ポンプやビームの方向を補正する電磁コイル等が設けられている。

図３は、本発明のある実施の形態に係るプラズマ処理装置３の概略構成を模式的に示す図である。プラズマ処理装置３は、プラズマＰを大気圧環境で生成する大気圧プラズマ源（以下では単にプラズマ源と呼ぶ）３０と、プラズマ源３０に水素を含む原料ガスを供給する気体供給部３２と、プラズマＰに対し基板Ｗを搬送するための搬送部３４と、を備える。

プラズマ源３０は、気体供給部３２から供給された原料ガスのプラズマＰを生成するためのプラズマ放電管を備える。このプラズマＰは、搬送部３４に保持された基板Ｗの幅方向に延びるライン状のプラズマである。プラズマ源３０は搬送部３４の搬送コンベア４８を横断するように設置されており、プラズマＰが延びる長手方向は基板Ｗの搬送方向に垂直である。プラズマ源３０は、基板Ｗの全幅にわたる範囲にプラズマＰを生成する。

プラズマ源３０は、プラズマ放電管に電力を供給するための電源３６に接続されている。プラズマ源３０を冷却するための冷却系３８が設けられており、冷却系３８はプラズマ源３０に冷却水を循環させるよう構成されている。また、プラズマ源３０は、プラズマＰと基板Ｗとの距離を調整するための調整機構４０を備える。調整機構４０は、プラズマ源３０の高さを調整するために設けられており、例えばネジ式の高さ調整機構である。

気体供給部３２は、プラズマ源３０と搬送部３４上の基板Ｗとの間の空間に原料ガスを供給する。気体供給部３２は、水素ガス源４２と希釈ガス源４４とを備える。希釈ガスは例えばアルゴンである。また、気体供給部３２は、水素ガスと希釈ガスとを所望の濃度で混合した原料ガスをプラズマ源３０に供給するための供給配管系４６を備える。なお、プラズマ処理装置３は、供給された原料ガスを適切に排気するための排気装置（図示せず）を備えてもよい。このような排気装置は、プラズマ処理装置３における水素濃度を安全な範囲に維持することに役立つ。

搬送部３４は、複数の基板ＷをプラズマＰへと順次搬送するための搬送コンベア４８を備える。搬送部３４には、基板Ｗの搬送速度を調整するための搬送制御部５０が設けられている。また、搬送部３４は、基板Ｗを所望の温度に加熱するためのヒータ５２を備える。ヒータ５２は搬送コンベア４８の下方に設けられている。なお、ヒータ５２とは異なる任意の加熱装置によってプラズマ処理中に基板Ｗに高温雰囲気が提供されてもよい。

このようにして、プラズマ処理装置３は、水素を含むプラズマＰで基板Ｗを処理するよう構成されている。原料ガスのプラズマＰが基板Ｗ上方の非真空環境で生成され、基板ＷがプラズマＰにさらされる。プラズマＰから基板Ｗに水素が導入される。したがって、プラズマ処理装置３は真空機器を要しないので、比較的低コストに装置を構成することができる。

図１を参照して既に述べたように、製造システム１はアニール装置４を備える。アニール装置４は、プラズマ処理装置３によるプラズマ処理がなされた基板Ｗをアニールする。アニール処理によって基板Ｗの水素導入層が電気的に活性化される。こうして基板Ｗにｎ層を形成することができる。なおアニール装置４としては公知の適切な任意のアニール装置を用いることができる。

ところで、水素を用いて半導体基板にｎ層を形成する典型的な手法は、基板への水素イオン注入とそれに続いて行われるアニール処理とからなる。この場合一般に、アニール処理で所定のキャリア（例えば電子）濃度に達するように水素イオン注入の処理時間が設定される。処理時間を長くするほどキャリア濃度が高くなる傾向がある。そのため、厚く濃度の高いｎ層を形成するためには、長い処理時間が必要になる。

水素イオン源の１つとして上述のようにサイクロトロンがある。ところが、サイクロトロンは運転コストが比較的高い。したがって、厚く濃度の高いｎ層を形成する場合にはとりわけ、サイクロトロンの運転コストがデバイスの製造コストに大きく影響する。よって、ｎ層を形成するための製造工程において、サイクロトロンの運転時間を短くすることが望まれる。

水素を用いて半導体基板にｎ層を形成するためには、目的とする深さ範囲に水素と格子欠陥の両方を有することが必要であると考えられている。本発明者の知見によると、サイクロトロンを使用して水素イオンビームを基板に照射するとき、目的の深さ範囲に水素と格子欠陥とが導入される。水素イオン一個あたりに複数の格子欠陥が形成される。そのため、ある基準量に到達するまでの所要時間は、格子欠陥のほうが水素よりも短い。

したがって、既存の水素イオン注入から欠陥形成処理を切り分けることにより、サイクロトロンの使用時間を短くすることが可能となる。すなわち、格子欠陥の形成のためにサイクロトロンを使用し、その後、サイクロトロンを使用せずに追加的に水素を基板に導入することで、サイクロトロンの使用時間を短くすることができる。

図４は、本発明のある実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。この方法は、基板Ｗにｎ層を形成するための方法である。図４に示されるように、この方法は、照射工程（Ｓ１０）と、プラズマ処理工程（Ｓ１２）と、アニール工程（Ｓ１４）と、を含む。

照射工程（Ｓ１０）においては、粒子線照射装置２（図１及び図２参照）が使用される。粒子線照射装置２は、加速器１０を用いて粒子線Ｂを基板Ｗに照射し、基板Ｗの内部に格子欠陥を形成する。本実施形態では、粒子線Ｂは水素イオンビームである。したがって、加速器１０は水素イオンを加速し、水素イオンビームを基板Ｗに照射する。このとき、基板Ｗの背面に水素イオンビームが照射されるように基板Ｗは保持されている。

水素イオンビーム照射の結果、基板Ｗに格子欠陥が形成されるとともに、いくらかの水素が基板Ｗに注入される。この注入量は、ｎ層を形成するための水素イオンの必要量に満たない量でよいので、既存の方法に比べて水素イオンビームの照射時間を短くすることができる。

また、水素イオンビームの照射によってある程度の水素イオンを基板Ｗに注入することができるので、次に行う水素含有プラズマ処理の所要時間を短くすることもできる。

プラズマ処理工程（Ｓ１２）においては、プラズマ処理装置３（図１及び図３参照）が使用される。水素イオンビームに照射された基板Ｗが粒子線照射装置２からプラズマ処理装置３へと、作業者によって又は適切な搬送手段によって、搬送される。プラズマ処理装置３は大気圧環境で水素を含むプラズマＰを生成する。プラズマＰは基板Ｗの上方で基板Ｗに隣接する空間に生成される。基板Ｗはその背面をプラズマＰに露出させている。基板ＷはプラズマＰにさらされながらプラズマＰの下方を移動する。こうして、ｎ層を形成するための水素イオンの必要量を満たすように、プラズマＰから基板Ｗの背面側に水素イオンが注入される。

このように大気圧環境で基板ＷにプラズマＰを接触させて水素を注入することは、処理後の基板Ｗの表面の荒れを低減するために有効である。真空環境で行う一般的なプラズマ処理を用いる場合には、放電痕や熱ダメージなどによって、基板Ｗの表面の荒れが比較的大きくなりうる。

プラズマ処理工程（Ｓ１２）においては、基板Ｗは、ヒータ５２によって１５０℃から６００℃（好ましくは３００℃から５００℃、より好ましくは３５０℃から４５０℃）の範囲から選択される温度に加熱された状態でプラズマＰにさらされる。この温度範囲の下限は水素導入層の活性化をもたらすよう定められている。温度範囲の上限は基板Ｗの前面に既に形成されている素子構造への損傷防止を保証するように（例えば配線に使用される金属（例えばアルミニウム）の融点より低温に）定められている。このような高温雰囲気でのプラズマ処理は、基板Ｗの浅い部分でのキャリア濃度を高くするのに役立つ。なお基板Ｗは室温でプラズマ処理されてもよい。

アニール工程（Ｓ１４）においては、アニール装置４（図１参照）が使用される。水素含有プラズマによって処理された基板Ｗがプラズマ処理装置３からアニール装置４へと、作業者によって又は適切な搬送手段によって、搬送される。アニール装置４は、欠陥／水素導入層を活性化するための熱処理を基板Ｗに施す。プラズマ処理後のアニール処理は、基板Ｗの深い部分でのキャリア濃度を高くするのに役立つ。このようにして、基板Ｗの背面側に、比較的厚みのあるｎ層を形成することができる。例えば、基板Ｗの背面から最大深さ１μｍないし５０μｍの深さ範囲にｎ層が形成される。このｎ層は例えば、ＩＧＢＴのｎ^＋層に適する。

なお、プラズマ処理工程（Ｓ１２）を経た基板Ｗの表層部分には上述のように水素が導入されている。よって、アニール工程（Ｓ１４）を経て形成されたｎ層は水素を含み得る。しかし、水素はアニール工程（Ｓ１４）によって基板Ｗから除去される場合もある。したがって、アニール工程（Ｓ１４）を経て形成されたｎ層は水素を含まないこともあり得る。

図５は、図４に示す方法により得られるキャリア濃度分布の一例を示す図である。図５の縦軸はキャリア濃度を示し、横軸は基板Ｗの背面からの深さを示す。よって、図５において横軸に沿って右に行くにつれて背面から前面に近づくことを表す。照射工程（Ｓ１０）による水素イオン注入を破線Ａで示し、水素含有プラズマ処理工程（Ｓ１２）を実線Ｂで示し、アニール工程（Ｓ１４）を経て本方法により得られたｎ層のキャリア濃度分布を一点鎖線Ｃで示す。

図５は、照射工程（Ｓ１０）による水素イオン注入と水素含有プラズマ処理工程（Ｓ１２）とで注入深さを揃えた場合に得られるｎ層のキャリア濃度分布を概念的に例示する。つまり、照射工程（Ｓ１０）により基板Ｗに導入された水素イオン濃度がピークをとる深さが、プラズマ処理工程（Ｓ１２）により基板Ｗに導入された水素イオン濃度がピークをとる深さに合わせてある。したがって、結果として得られるキャリア濃度のピークも同様の深さに現れる。また、基板Ｗの背面側の表層部分において深さ方向に厚みをもつキャリア濃度分布が得られることがわかる。

図６は、図４に示す方法により得られるキャリア濃度分布の他の一例を概念的に表す図である。図５とは異なり、図６においては、照射工程（Ｓ１０）における深さ方向の水素濃度ピークＰＡが、プラズマ処理工程（Ｓ１２）における深さ方向の水素濃度ピークＰＢよりも深くなっている。このようにすると、より大きな厚さをもつキャリア濃度分布を得ることができるので、特に厚いｎ層を形成することができる。

図７は、図４に示す方法により得られるキャリア濃度分布の他の一例を概念的に表す図である。図７には、得られたｎ層のキャリア濃度分布を示す。図示されるように、基板Ｗの背面から深さ方向に単調に減少する濃度分布を得ることができる。すなわち、基板Ｗの背面においてキャリア濃度が最大であり、背面から深さが増すにつれてキャリア濃度が減少する分布が得られる。このような単調減少の分布を得られる要因の１つは、プラズマ処理が基板の表面処理であり、深い領域よりも浅い領域への作用が大きいことにあると考えられる。

本実施形態によると、サイクロトロンの運転時間を例えば半減させることができる。一例として、上述の典型的な水素イオン注入においてサイクロトロンの運転時間がおよそ４分であった場合に、それと同様のｎ層を形成するために要する本方法の水素イオンビーム照射工程（Ｓ１０）の所要時間はおよそ２分で充分である。新たに追加したプラズマ処理工程（Ｓ１２）に要するコストはサイクロトロンの運転コストの１／１０以下であると見積もられるので、コスト面での影響は軽微である。このようにして、本実施形態によると、厚く濃度の高いｎ層の形成におけるサイクロトロンの運転コストを半減させることができる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

上述の実施形態では、ｎ層を基板に新たに形成する処理について説明したが、本実施形態に係る方法は、既にｎ層が形成されている基板に適用することもできる。このようにすれば、既にｎ層が形成された基板のキャリアの濃度を増大させることも可能である。したがって、ある実施形態に係る半導体装置の製造方法は、既にｎ層が形成されている基板に加速器を使用して粒子線を照射する照射工程と、水素を含むプラズマで前記基板を処理するプラズマ処理工程と、を備えてもよい。

上述の実施形態では、水素イオンビームを利用することにより基板Ｗの欠陥形成処理中にもいくらかの水素イオンを注入しているが、水素イオン以外のイオンを使用することにより欠陥形成処理と水素導入処理とを完全に分離することも可能である。この場合、粒子線Ｂは、ネオンよりも軽い軽イオンを含んでもよい。軽イオンには例えばヘリウムイオンがある。よって、例えば、照射工程（Ｓ１０）においては、基板Ｗの内部に格子欠陥を形成するために、加速器１０を用いてヘリウムイオンビームが基板Ｗに照射されてもよい。この場合、ヘリウムイオンのほうが水素イオンよりも重いため、イオン一個あたりの欠陥生成率が大きくなり、欠陥形成処理の所要時間を短くすることができる。

ある実施形態においては、粒子線Ｂは、電子を含んでもよい。照射工程（Ｓ１０）においては、基板Ｗの内部に格子欠陥を形成するために、加速器１０を用いて電子線が基板Ｗに照射されてもよい。この場合、加速器１０を電子線照射装置と呼ぶこともできる。電子線は基板Ｗの（フィルムやプラスチックなどの）包装を開封することなく照射することができるので、基板Ｗの取り扱いが容易となり便利である。

ある実施形態においては、粒子線Ｂは、中性子を含んでもよい。照射工程（Ｓ１０）においては、基板Ｗの内部に格子欠陥を形成するために、加速器１０を用いて中性子線が基板Ｗに照射されてもよい。この場合、粒子線照射装置２は、加速器１０から出射された荷電粒子線を受けて中性子線を発生させるターゲットをビーム輸送ダクト１４の上流に備えてもよい。

加速器１０はサイクロトロンには限られない。加速器１０は、サイクロトロン以外の円形加速器（例えばシンクロトロン）であってもよい。あるいは、加速器１０は、加速粒子が線形に加速される線形加速器（例えばタンデグラフ、タンデムなど）であってもよい。よって、粒子線照射装置２は、高エネルギーイオン注入装置であってもよい。

１ 製造システム、 ２ 粒子線照射装置、 ３ プラズマ処理装置、 ４ アニール装置、 １０ 加速器、 ３０ プラズマ源、 ３２ 気体供給部、 ３４ 搬送部。

Claims (10)

1. 格子欠陥の形成のために加速器を使用して水素イオンを含む粒子線を基板に照射する照射工程であって、前記基板にｎ層を形成するための水素イオンの必要量に満たない量の水素イオンが前記基板に注入される照射工程と、
   前記基板にｎ層を形成するために、前記基板に追加的に水素が導入されるよう水素を含むプラズマで、前記照射工程により前記粒子線が照射された前記基板を処理するプラズマ処理工程と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記加速器は、円形加速器又は線形加速器であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記プラズマ処理工程は、１５０℃から６００℃の高温雰囲気で前記基板を前記プラズマにさらすことを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記プラズマ処理工程は、大気圧環境で前記基板を前記プラズマにさらすことを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 前記照射工程における深さ方向の水素濃度ピークは、前記プラズマ処理工程における深さ方向の水素濃度ピークよりも深いことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の方法。
6. 格子欠陥の形成のために加速器を使用して、イオン（水素イオンを除く）、電子、または中性子を含む粒子線を基板に照射する照射工程と、
   前記基板にｎ層を形成するために、前記基板に水素が導入されるよう水素を含むプラズマで、前記照射工程により前記粒子線が照射された前記基板を処理するプラズマ処理工程と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 前記プラズマ処理工程の後に前記基板をアニールするアニール工程を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の方法。
8. 格子欠陥の形成のために水素イオンを含む粒子線を基板に照射し、前記基板にｎ層を形成するための水素イオンの必要量に満たない量の水素イオンを前記基板に注入するための加速器を備える粒子線照射装置と、
   前記基板にｎ層を形成するために、前記基板に追加的に水素が導入されるよう水素を含むプラズマで、前記加速器により前記粒子線が照射された前記基板を処理するプラズマ処理装置と、を備えることを特徴とする基板処理システム。
9. 格子欠陥の形成のためにイオン（水素イオンを除く）、電子、または中性子を含む粒子線を基板に照射するための加速器を備える粒子線照射装置と、
   前記基板にｎ層を形成するために、前記基板に水素が導入されるよう水素を含むプラズマで、前記加速器により前記粒子線が照射された前記基板を処理するプラズマ処理装置と、を備えることを特徴とする基板処理システム。
10. 前記水素を含むプラズマで処理された前記基板をアニールするアニール装置をさらに備えることを特徴とする請求項８または９に記載の基板処理システム。

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