JPH04131380A - プラズマプロセス装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ｌｌ上Ω且王公１ 本発明は、プラズマプロセス装置に関し、より詳しくは
プラズマを利用する工業技術全般、例えば、ＣＶ＝Ｄ、
エツチング、スパッタリングを行なうためのプラズマプ
ロセス装置に関する。

嚢困立肢止 例えばシリコン基板としてアンチモン、ホウ素等のドー
パント濃度の高い基板を形成する方法、またはイオン打
込法等により局所的にドーパント濃度を高くした埋込層
の上にドーパント濃度の低い厚さ約１μｍ以上の単結晶
層を形成する方法としては、現在エピタキシャル成長法
が唯一の方法である。単結晶基板上に単結晶の薄膜を形
成するエピタキシャル成長法においては、真空中で被処
理基板を加熱処理する必要がある。現在デバイスの高集
積化、高性能化に伴ってエピタキシャル成長膜が更に薄
膜化されることが要求されている。

これに伴い、基板とエピタキシャル成長層界面でのドー
ピングプロファイルが急峻であること、つまりドーピン
グ遷移幅が小さいことが必要となってきている。

従来のエピタキシャル成長法としては、例えば「最新Ｌ
ＳＩプロセス技術Ｊ　　（ｐｐ、１９０−２０９：前田
和夫著：工業調査会、　１．９８３）または「シリコン
結晶とドーピングＪ　　（ｐｐ、６５−９５：阿部孝夫
、小切開正彦、谷ロ研二共著：丸善、　１９８６）に記
載されたＣＶＤ法が用いられてきた。

しかしこの方法では１０００℃を超える高温の熱処理に
よって基板からエピタキシャル成長層へドーパントが熱
拡散し、また、常圧もしくは低真空プロセスのために基
板表面に反応物あるいは生成物の停滞層ができ易（、こ
のため水平方向にドーパントの熱拡散を生じる。この結
果、ドーピング遷移幅の縮小が困難であるという問題が
あり、従来の熱ＣＶＤ法では上記した要求を満足するエ
ピタキシャル成長層を形成することは難しい。

これに対し最近では、熱ＣＶＤによらず、マイクロ波を
用いてプラズマを発生させるマイクロ波プラズマ装置、
またこのプラズマに磁界を印加して電子をサイクロトロ
ン運動させる有磁場マイクロ波プラズマ装置、あるいは
電子サイクロトロン共鳴を用いるＥＣＲプラズマ装置の
開発が盛んに行なわれている。これらの装置においては
、高いエネルギあるいは密度を有するイオンとこの衝撃
により輸送される粒子とが得られるという特徴がある。

特にＥＣＲプラズマ装置においでは低ガス圧で活性度の
高いプラズマを生成させることができ、イオンエネルギ
の広範囲な選択が可能であり、また大きなイオン電流が
とれ、イオン流の指向性、均一性に優れる等の利点があ
り、熱ＣＶＤに比べてドーピング遷移幅の縮小化を実現
することが容易であり、高集積半導体素子等の製造に欠
かせないものとしてその研究、開発が進められている。

第５図はＥＣＲを利用するプラズマプロセス装置の構成
を示す模式的断面図である。

この装置は、プラズマ生成室１０にて発生したプラズマ
を反応室１１内の基板１２に導き、プラズマ中の反応に
よって生成した固体物質を基板Ｉ２上に堆積させて成膜
するものである。この際、結晶性の良好なエピタキシャ
ル膜を形成する上で、基板１２の加熱処理が必要不可欠
である。

反応室１１内には試料台１３がプラズマ引圧窓１５と対
向して配設され、基板１２は試料台１３の上部に載置さ
れたサセプタ１４の上面に装着される。サセプタ１４の
下方には渦巻状の金属タングステン１６ａ及びヒータ支
持体１６ｂにより構成された加熱ヒータ１６が石英製の
ベルジャ１８を介して反応室１１から隔離されて配設さ
れており、加熱ヒータＩ６からの放射熱により、基板１
２を加熱処理している。

日が　゛しようとする課題 上記したようなプラズマプロセス装置を用いて基板１２
上に薄膜をエピタキシャル成長させた場合、基板１２は
５００〜８００℃程度まで加熱せねばならないが、加熱
源である金属タングステン１６ａはそれ以上の高温にな
るため、下記の（１）式で示した反応が起こる。

Ｗ＋３Ｈ２ｏ−４ｗａｓ　＋３Ｈ２・・・（１）つまり
高温部では金属タングステン１６ａが残留水蒸気と反応
して酸化されて蒸気となる。この蒸気がベルジャ１８や
加熱ヒータ１６を構成するセラミック製のヒータ支持体
１６ｂに接すると冷却されて、下記の（２）式で示した
還元反応が起こりベルジャ１８やヒータ支持体１６ｂに
タングステンが付着する。

ＷＯｓ　＋３Ｈｚ　−ＩＷ＋３Ｈａ　Ｏ・・・（２）こ
れが繰り返されると加熱ヒータ１６は絶縁不良となり、
効果的な加熱処理が不可能となるといった課題があった
。

また、上記したプラズマプロセス装置においてはエピタ
キシャル成長工程中に基板１２側面から随時放熱が起こ
っているため基板１２の周辺部が中央部よりも低温とな
り、均一な温度分布とならず、膜質や膜厚にムラが生じ
る原因となるといった課題もあった。

更に加熱ヒータ１６の補修等、加熱源側の処理をする際
には反応室１１を大気に開放せねばならず、大気中の水
分等が装置内面に吸着され、後のエピタキシャル成長膜
形成工程において膜の汚染を生じる原因となったり、真
空度の低下の原因となったりするといった課題もあった
。

本発明は上記した課題に鑑み発明されたものであって、
エピタキシャル成長膜形成工程の加熱処理時において均
一で且つ安定な加熱がなされ、エピタキシャル成長膜の
汚染を防止することによりエピタキシャル成長膜の膜質
を向上させることができるプラズマプロセス装置を提供
することを目的としている。

課　を解゛するための　Ｆｌ 上記目的を達成するために本発明に係るプラズマプロセ
ス装置は、励磁コイルが周設されたプラズマ生成室と、
試料加熱源を有した試料台が内装された反応室とを備え
たＥＣＲプラズマプロセス装置において、前記加熱源が
ランプにより構成されていることを特徴とし、 また、上記プラズマプロセス装置において、試料台の内
側であって試料の側方外周近傍位置に加熱ランプが配設
されていることを特徴とし、さらには反応室と加熱源側
とがベルジャを介して隔離される一方、前記加熱源側の
底部が装置本体に対して着脱自在に構成されていること
を特徴としている。

作囲 上記した構成によれば、励磁コイルが周設されたプラズ
マ生成室と、試料加熱源を有した試料台が内装された反
応室とを備えたＥＣＲプラズマプロセス装置において、
前記加熱源がランプにより構成されているので、従来の
もののように加熱源としてのタングステンがベルジャや
ヒータ支持体に付着するといったことは起こらず、常に
安定した効率的な加熱処理が可能となる。

また、基板を裏面より加熱するランプに加え、試料台の
内側であって試料の側方外周近傍位置に加熱ランプが配
設されている場合には、放熱されやすい基板周辺部に対
しても十分な加熱が可能となり、基板に対してより均一
な加熱が実現される。

さらに、反応室と加熱源側とがベルジャを介して隔離さ
れる一方、前記加熱源側の底部が装置本体に対して着脱
自在に構成されている場合には、ランプの交換等加熱部
の処理を行なう際に、反応室を大気に開放する必要が無
く、大気中の水分等が反応室内面に吸着されることが無
くなり、後のエピタキシャル成長工程において膜の汚染
を生しる物質の混入や、真空度の低下を招くことがなく
なる。

罠血廻 以下、本発明に係るプラズマプロセス装置の実施例を図
面に基づいて説明する。

第１図は実施例に係るプラズマプロセス装置の構成を示
す概略断面図である。

図中２０はステンレス鋼製のプラズマ生成室であって、
工業用周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波に対してＴＥ
ＩＩ３モードの定在波を形成する円筒形空洞共振器とし
て機能する。プラズマ生成室２ｏは上部壁中央に円形の
石英ガラス板２１等の誘電体で気密に閉鎖されたマイク
ロ波導入窓２２を備え、また下部壁中央部にはマイクロ
波導入窓２２と対向する位置にプラズマ引出窓２３を備
え、さらにプラズマ生成室２０の周囲には励磁コイル２
４がプラズマ生成室２０と同心円状に周設されている。

マイクロ波導波管２５はマイクロ波導入窓２２に一端が
接続され、他端部が高周波発振器（図示せず）に接続さ
れ、この高周波発振器で発せられた工業用周波数２．４
５ＧＨｚのマイクロ波を前記石英ガラス板２１を通じて
プラズマ生成室２０内へ導入する。

励磁コイル２４は直流電源（図示せず）に接続されてお
り、この直流を源からの通流によってマイクロ波導入に
よる電子サイクロトロン共鳴条件を成立させる８、７５
Ｘ　１Ｏ−２Ｔの磁束密度をプラズマ生成室２０内へ与
えると共に、反応室２６側へ向けて磁束密度が低くなる
発散磁界を形成し、プラズマ生成室２０内に生成された
プラズマをプラズマ引出窓２３を通じて反応室２６側へ
導入する。

反応室２６の一側壁にはゲート弁２７を介して排気口２
８．２９が設けられ、排気口２８にはターボ分子ポンプ
３０が接続され、排気口２９には油回転ポンプ３１が接
続されている。また他側壁にはゲート弁３２を介してロ
ードロック室３３が接続されており、ロードロック室３
３はゲート弁３７を介してクライオポンプ（図示せず）
に接続されており、このクライオポンプによりロードロ
ック室３３の排気をすることができるようになっている
。

一方、反応室２６の内部にはプラズマ引出窓２３と対向
させて側面に開口部を持つ円筒形の試料台３４が配設さ
れている。試料台３４上には透明石英製の凹形サセプタ
３５が着脱可能に載置されており、このサセプタ３５の
中央部にはプラズマ引出窓２３と対向するように基板３
６が装着されている６また。サセプタ３５の中央部には
基板３６の外径よりもやや小さい径の孔が形成されてお
り、後述の下方ランプ３９ａで直接基板３６を加熱する
ことができ、加熱効率を上げることができるようになっ
ている。

試料台３４はモータ３８ａ、真空中への回転導入機構３
８ｂ、ビニオンギア３８ｃ、３８ｄ、ベアリング３８ｅ
によって構成される基板回転機構３８により、基板３６
の中心を中心とする水平面内で基板３６を載置した状態
で回転駆動されるようになっている。

サセプタ３５の下方には、基板３６の下面より基板３６
を加熱するための加熱ヒータ３９が配設され、加熱ヒー
タ３９は基板３６と平行に配設されたランプ３９ａと透
明アルミナ磁気製のヒータ支持体３９ｂとを備えている
。ヒータ支持体３９ｂの下方と上方側方にはステンレス
類の水冷ジャケット４０．４２が配設され、ヒータ支持
体３９ｂを冷却している。また水冷ジャケット４０はヒ
ータ支持体３９ｂと一体化が図られていてもよく、この
場合は水冷ジャケット６０をＡｌ２Ｏ３等のセラミック
製とし、第４図に示した如く構成されていてもよい。加
熱ヒータ３９で基板３６を加熱する際、基板３６の下方
に配設されたランプ３９ａのみの加熱では基板３６に加
えられた熱は基板３６とサセプタ３５の接点から放熱す
るため、基板３６の周辺部はその中心部よりも温度が下
がり易くなる。このため基板３６の周辺部に形成される
膜は中心部のそれよりも膜質が悪くなる。従つて均一な
膜質を得るためには基板３６の周辺部を強く加熱する必
要がある。そこで第１図及び第２図に示したように加熱
ヒータ３９として基板３６の側方外周部に円弧状のラン
プ３９ｃを配置して基板３６を均一な温度に加熱できる
ようにしており、このことにより膜質の均一化を図るこ
とができる。また、第３図に示したように水冷ジャケッ
ト４２にはランプ挿入孔４３が形成されており、このラ
ンプ挿入孔４３内においてランプ３９ａ、３９ｃとリー
ド線４４との接続が行なわれており、ランプ支持部４１
が水冷ジャケット４２の中に位置することになるので、
ランプ３９ａ、３９Ｃとリード線４４との接続部の冷却
が可能となり、ランプシール部が高温となるのを防ぐこ
とができ、ランプ３９ａ、３９ｃの寿命を延ばすことが
できる。

また反応室２６と加熱ヒータ３９側とはステンレス鋼製
のベルジャ支持体６１の上に配設された４５により隔離
される一方、加熱ヒータ３９側の底部４６は装置本体５
５に対して着脱自在に構成されており、反応室２６を大
気に開放することなく加熱ヒータ３９や水冷ジャケット
４０．４２を装置本体５５側から引出し、手入れできる
ようになっている。加熱ヒータ３９等の取り出しの際に
は、圧力差によりベルジャ４Ｓが破損することのないよ
うに、反応室２６内を１０’　Ｐａ程度にまでＮ２パー
ジしておくにのようにすれば大気中の水蒸気等が反応室
２６内面に吸着するのを防止することができ、反応室２
６内汚染の軽減、高真空を達成することができ、膜質の
低下の原因を除くことができる。また反応室２６は真空
状態のままなので加熱ヒータ３９側の処理終了後に再度
真空排気を行なわなければならないといった手間と時間
の無駄を省くこともできる。

さらにランプ３９ａ、３９ｃの下方及び側方にあたるヒ
ータ支持体３９ｂ、水冷ジャケット４２及びベルジャ４
５の表面には金蒸着による反射板４７が形成されており
、外方へ逃げる熱を反射させて基板３６に対する加熱効
率を上げることができるようになっている。

また反応室２６側および加熱ヒータ３９側を真空排気す
る際に、両側の圧力差によるベルジャ４５の破損を防ぐ
ためには、反応室２６と加熱ヒータ３９側との間の仕切
弁４８を開いて両側にそれぞれ接続された油回転ポンプ
３１．４９で真空排気し、両側の圧力が排気口２９．５
０に対して分子流を形成するまで低くなった際、仕切弁
４８を閉し、反応室２６側はターボ分子ポンプ３０で、
加熱ヒータ３９側は更に油回転ポンプ４９で排気を行な
うようにするとよい。

上記のようなプラズマプロセス装置を用いて基板３６上
にエピタキシャル成長膜を形成する場合、従来のように
ベルジャ４５に金属タングステン１６ａの蒸発成分が付
着することも無く、ランプ３９ａ、３９Ｃにより安定的
に、しかも均一に基板３６を加熱することができる。ま
た、ランプ３９ａ等を交換しても反応室２６は大気にさ
らされることは無く、反応室２６の真空状態を保つこと
ができ、基板３６への汚染物質の混入を防止することが
できる。従って、膜質が向上した均一な膜厚を備えた高
質なエピタキシャル成長膜を形成することができる。

光亙二里！ 以上の説明により明らかなように、本発明に係るプラズ
マプロセス装置にあっては、加熱源としてランプを用い
ているので、より安定的に基板の加熱を行なうことがで
きる。

また、ランプが基板の下方及び側方に配設されている場
合には、加熱源が原因となる容器内の汚染を防止するこ
とができると共に、基板に対してより均一で安定な加熱
を行なうことが可能となる。更に反応室と加熱源側とが
隔離される一方、加熱源側の底部が装置本体に対して着
脱自在に構成されている場合には、大気中の水蒸気が原
因となるような反応室内の汚染を防止しながら、容易に
加熱源側のランプ等の補修、交換を行なうことができる
。従ってエピタキシャル成長膜も汚染されることなく均
一な膜質及び膜厚を備えた高質なものを形成することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るＥＣＲプラズマプロセス装置の実
施例を示す概略断面図、第２図は加熱ランプとその周囲
の水冷装置を示す部分平面図、第３図（ａ）（ｂ）はラ
ンプシール部の構成を示す正面図及び断面図、第４図は
加熱源の水冷装置の別の実施例を示す断面図、第５図は
従来のプラズマプロセス装置を示す概略断面図である。 ２０・・・プラズマ生成室 ２４・・・励磁コイル ２６・・・反応室 ３４・・・試料台 ３９・・・加熱ヒータ（加熱源） ３９ａ・・・ランプ（加熱源） ３９ｂ・・・ヒータ支持体（加熱源） ３９ｃ・・・ランプ（加熱源） ４５・・・ベルジャ ４６・・・底部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）励磁コイルが周設されたプラズマ生成室と、試料
   加熱源を有した試料台が内装された反応室とを備えた電
   子サイクロトロン共鳴励起（以下ＥＣＲと記す）プラズ
   マプロセス装置において、前記加熱源がランプにより構
   成されていることを特徴とするプラズマプロセス装置。
2. （２）試料台の内側であって試料の側方外周近傍位置に
   加熱ランプが配設されている請求項１記載のプラズマプ
   ロセス装置。
3. （３）反応室と加熱源側とがベルジャを介して隔離され
   る一方、前記加熱源側の底部が装置本体に対して着脱自
   在に構成されていることを特徴とするプラズマプロセス
   装置。