JPH11354462A

JPH11354462A - パルスバイアス酸素負イオン注入方法及び注入装置

Info

Publication number: JPH11354462A
Application number: JP10163461A
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: 1998-06-11
Filing date: 1998-06-11
Publication date: 1999-12-24

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体基板、絶縁体基板または金属基板に酸
素イオンを一定深さに注入して酸化層を作製する場合、
質量分離マグネットなどが不要で走査機構も不要な酸素
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
を酸素プラズマ室の内部に入れ、酸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、
プラズマ中の酸素負イオンＯ⁻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】この発明は、半導体基板、絶
縁体基板、金属基板の中に酸素イオンを注入し基板の表
面近くの一定深さに酸化膜を形成する方法及び装置に関
する。半導体基板の場合は、表面近くに酸化物（絶縁膜
Ｉ）を形成するから、Ｓ／Ｉ／Ｓ構造になる。金属の場
合はＭ／Ｉ／Ｍ構造になる。Ｓｉ基板の場合は特にＳＯ
Ｉ基板と呼ぶ。Ｓｉオンインシュレータ（ＳＯＩ）を略
してそのように呼ぶのである。ＳＯＩ基板でも酸素注入
によるものはＳＩＭＯＸと言う。Ｓｉ基板に限らず、本
発明の酸素注入の対象となるものは、ＳｉＧｅ基板、Ｓ
ｉＣ基板などがある。その場合は酸素注入によって絶縁
層Ｉが中間に生成され基板側にも表面側にも同じ材料の
物質の層が存在する。それだけでなくて、本発明は異種
物質の境界に酸化層を形成する事にも利用する事ができ
る。Ｓｉ基板の上にＧａＡｓをヘテロエピタキシャル成
長させその境界に酸素を打ち込んで酸化層を作る、とい
ったことにも使う事ができる。金属の内部一定厚みに酸
素を注入してＭ／Ｉ／Ｍ構造とすることもできる。さら
に絶縁体／金属の境界に酸素を注入して酸化層を作るた
めにも利用できる。以下に用途を纏めて列挙する。１．Ｓｉ基板Ｓｉ／Ｉ／Ｓｉ基板（ＳＯＩ構造）２．ＳｉＧｅ基板ＳｉＧｅ／Ｉ／ＳｉＧｅ基板（ＳｉＧｅＳＯＩ構造）３．ＳｉＣ基板ＳｉＣ／Ｉ／ＳｉＣ基板（ＳｉＣＳＯＩ構造）４．Ｓｉ基板ＧａＡｓ／Ｉ／Ｓｉ基板（酸化バリア層）５．金属膜ＰＺＴ／高濃度酸素層／金属膜これらは全て酸素正イオンを加速して注入し基板の改質
を行おうとする試みであった。

【０００２】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し劈開も
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Ｓ
ｉ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。Ｓ
ｉ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。

【０００３】

【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、
低消費電力・高速デバイスの作製が可能など、多くの点
で優れている、と言われている。その優位性のため各地
で精力的に研究されている。研究されているが実用的な
レベルまで到達していない。ＳＯＩ基板の製造が難しく
ＳＯＩ基板はＳｉ基板より未だ高価だからである。ＳＯ
Ｉ基板の原理的、物性的、電気的な優位性は、例えば次
の文献に説明されている。

【０００４】Special Issue:"Single-crystal silico
n on non-single-crystal insulators"; edited by G.
W. Cullen, Journal of Crystal Growth, vol.63, No.
3, pp429-590(1983)

【０００５】ＳＯＩ基板には二つの作り方がある。いず
れも正イオンを基板に注入するものである。一つは水素
正イオン注入によるものである。表面酸化膜を有する第
１のＳｉ基板に水素正イオンを打ち込んでＳｉ基板中に
脆弱な多孔質層を作り、第２のＳｉ基板を貼り合わせ、
多孔質層から第１のＳｉ基板を剥離し、露呈したＳｉ面
を研磨して（Ｓｉ／Ｉ／Ｓｉ）構造を得る。水素正イオ
ンはプロトンであり簡単に生成できるからイオン注入自
体は簡単である。ただし多孔質層で第１のＳｉ基板を薄
く切断するという工程は容易でない。とりわけ困難な方
法である。

【０００６】もう一つは酸素正イオンによるものであ
る。これはもっと簡単でＳｉ基板のある深さに酸素正イ
オンを打ち込むものである。酸素イオンが酸化シリコン
（ＳｉＯ₂）をつくるから（Ｓｉ／Ｉ／Ｓｉ）構造とな
る。これをＳＩＭＯＸ（Separated by IMplanted OXyge
n）という。ＳＯＩ基板の製造方法として最も普及して
いるのが、この酸素イオン注入によって埋め込み酸化層
を形成するＳＩＭＯＸ法である。Ｓｉ基板上のＳＯＩ構
造がもっとも良く知られている。

【０００７】しかしＳｉＧｅやＳｉＣなど半導体につい
ても基板半ばに酸化層を形成する、という試みが細々な
がらもなされている。石川由加里、柴田典禅、深津晋「低エネルギー酸素イ
オン注入によるＳｉＧｅＳＯＩ構造の作製」春季応用物
理学会、講演予稿集２９ａ−Ｋ−１ｐ８０３（１９９
８）ＳｉＧｅは混晶半導体である。Ｓｉそのものでない。こ
れをＳＯＩ（silicon oninsulator）と呼ぶのはおかし
い。しかし上記の論文の報告者はＳｉＧｅＳＯＩという
言い方をしている。これにならってここではＳｉＧｅＳ
ＯＩという。金属と強誘電体の境界に酸化層を作製する
方法については例えば特開平９−２３２５１７号「誘電体素子及び誘電体素
子の製造方法」がある。金属電極の上に強誘電体ＰＺＴ
を形成しその上から酸素正イオンビ−ムを１５０ｋｅＶ
で注入して金属とＰＺＴの間に酸化膜を作る。さらに酸
素正イオンビ−ムを１２０ｋｅＶに加速し、ＰＺＴの表
面に酸化層を形成する。さらに酸化層の上に電極金属を
付ける。つまり金属／酸化層／ＰＺＴ／酸化層／金属と
いうような積層構造を提案している。ＰＺＴ膜の疲労を
防止するということが目的である。電界を掛けることに
よって強誘電体のＰＺＴを分極させるが次第に分極率が
減少して行く。これは電極近傍での酸素濃度低下に原因
がある。酸素濃度を十分に確保するために電極／ＰＺＴ
の界面に高濃度酸素を注入する。本発明はこのように半
導体、金属、絶縁体など広く基板や膜に酸素イオンビ−
ムを注入して、ある一定深さに局在的な酸化層を製造す
る方法と装置の改良に関する。ＳｉＳＯＩ基板への用途
がもっとも重要である。以下ではＳｉのＳＯＩ基板（Ｓ
ＩＭＯＸ）を例にして従来技術の問題を説明する。

【０００８】典型的なＳＩＭＯＸ製造プロセスを以下に
述べる。約４５０℃〜７５０℃にＳｉ基板を加熱する。
２０ｋｅＶ〜２２０ｋｅＶの間のエネルギーの酸素正イ
オン（Ｏ^＋）を基板に注入する。酸素イオン（Ｏ^＋）は
Ｓｉ基板の表面から一定深さまで進入してそこに留ま
る。加速エネルギーによって注入深さを制御する。表面
はＳｉのままである。ＳＩＭＯＸプロセスでの典型的な
ドーズ量はおよそ２×１０^１７個（原子）／ｃｍ^２以上
である。さらに酸素とアルゴン雰囲気で、１１５０℃〜
１４００℃の温度で基板を熱処理（アニール）する。雰
囲気の酸素は基板からの酸素原子の抜けを防ぐ。この熱
処理によって、注入された酸素原子は付近のＳｉ原子と
反応し、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）の埋め込み層を形
成する。これによって（Ｓｉ／ＳｉＯ_２／Ｓｉ）の３層
構造ができる。ＳＯＩ基板である。

【０００９】ＳＩＭＯＸは、酸素イオンを直接にある深
さに注入しこれをＳｉＯ_２に変えることによりそれより
浅い部分のＳｉを活性なＳｉ層として利用しようとする
ものである。基板側のＳｉも表面のＳｉ層も元は同じＳ
ｉ基板の一部だから結晶構造は初めから整合している。
内部酸化膜によってＳｉ基板を水平に二分するからsepa
rated by oxygenという。酸素注入の目的は内部酸化膜
を形成することである。単純なＳＯＩ基板製造法であ
る。

【００１０】表面側Ｓｉがイオン注入によって乱れるの
でアニールによって結晶性を回復する。アニールについ
て次の文献に提案がなされる。特開平８−４６１６１号「ＳＯＩ基板及びその製造方
法」Ｓｉ基板に酸素正イオンビームを打ち込んでアニールし
一定深さに酸化層を作る。通常はＡｒ、酸素雰囲気でア
ニールする。ところがこの発明は水素雰囲気でアニール
するものである。

【００１１】酸素イオンのイオン注入法としては、従来
Ｂ、ＰなどのドーパントをＳｉ基板に注入するのに使わ
れた通常のイオン注入装置を使用することが多い。ドー
ズ量や加速エネルギーなどにおいてＳｉウエハプロセス
でのドーパント注入とあまりかわらないからである。ド
ーピング用のイオン注入装置は高価で大型の装置であ
る。高価な装置を利用せざるを得ない事がＳＯＩ基板を
コスト高のものにしている。

【００１２】本発明は酸素イオン注入を問題にする。従
来は、マイクロ波或いは高周波などの交流、或いは直流
放電によって酸素プラズマを生成し、引出電極系に適当
な電圧を印加することによって、酸素正イオンを引き出
す。この酸素イオンを磁場或いは電界によって質量分離
してＯ_２ ^＋（酸素分子１価の正イオン）などを除去して
Ｏ^＋（酸素原子１価の正イオン）のみを抽出し、基板に
照射する。一般的にイオンビーム径は基板より小さい。
細いビームなので一挙に基板にビーム照射できない。そ
のため電界或いは磁界による走査系でビームを走査し、
基板全体に均一に照射する。

【００１３】図１に典型的なイオン注入装置による酸素
正イオン注入装置を示す。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がありここから酸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（Ｖａ
ｋ）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。

【００１４】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Ｏ^＋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Ｏ_２
^＋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。一原子酸素正イオンＯ
^＋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。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】酸素イオン注入のため
の図１に示す装置は、従来の不純物イオン注入装置と同
じである。Ｓｉウエハ−にＢをｐ型ドーパントとして、
あるいはＰをｎ型ドーパントとして注入するための大型
の装置を使っている。ドーパント注入用であるからイオ
ン注入装置の装置構成が非常に複雑になる。また高価な
装置になる。設置面積も広く必要である。装置が高額で
あるというだけではない。細いビームを走査してイオン
注入するため、ウエハ１枚あたりの処理時間が非常に長
くなる。つまりスループットが低い。

【００１６】そのような結果、ＳＯＩ基板１枚あたりの
単価は非常に高くなる。このため、ＳＯＩ基板の優秀性
が広く認められているにもかかわらずＳＯＩ基板は普及
しない。これが現状である。ＳｉＳＯＩだけでなく、そ
の他の金属、強誘電体、などのＳＯＩも量産規模にはほ
ど遠い。長い研究の歴史にも拘らずいまだ研究開発の段
階に留まっている。ＳＯＩは未だ高コスト基板という難
点を克服できない。

【００１７】どうして装置が高価であり大型であるのか
？何故スループットが低いのか？これを説明する。酸素
プラズマ中の酸素正イオンは様々の形態を取る。一原子
イオンＯ^＋だけでない。Ｏ^＋、Ｏ_２ ^＋（２原子イオン）
またはこの他にＯ_３ ^＋（３原子イオン）、多価イオンＯ
^＋＋など数種類のイオンが酸素プラズマ中に存在する。
このうちいずれか１種類を独占的に注入しなければ埋め
込み酸化膜層が多層に形成されてしまう。イオンビ−ム
の質量Ｍ、加速エネルギーＥによって注入深さが異な
る。同じ１価のイオンであれば加速エネルギーは同一で
ある。速度は質量の逆数の平方根に比例する。速度の大
きい質量の小さいイオンはより深くまで到達する。質量
の大きいイオンは浅瀬で止まってしまう。

【００１８】一価イオンであって質量の異なるものがＭ
種あると、注入深さのピークがＭ個できてしまう。注入
深さを一定値にしないとＳＯＩ基板の酸化膜が二重、三
重にできる。酸化膜より表面側のＳｉ膜が薄くなりすぎ
る。またＯ_２ ^＋、Ｏ_３ ^＋のように原子量の大きいイオン
が多量に注入された表面のＳｉ層は結晶欠陥が急激に増
大してしまうことが知られている。そのようなものはＳ
ＯＩ基板として使用できない。それで一原子の一価イオ
ンＯ^＋だけを独占的に注入するということがぜひとも必
要である。はじめから例えばＯ^＋だけを選択的に生成で
きるプラズマ生成装置があれば好都合である。しかしそ
れがない。

【００１９】プラズマの生成方法にはマイクロ波放電、
高周波放電、直流放電など様々ある。が、酸素正イオン
Ｏ^＋、Ｏ_２ ^＋、Ｏ_３ ^＋、Ｏ^＋＋のうち何れか１種類を独
占的に生成できる方法は筆者の知る限り未だ見つかって
いない。電子密度・電子温度を厳密にコントロールした
プラズマでも、Ｏ^＋／Ｏ_２ ^＋比率は、８０／２０〜２０
／８０である。この範囲を越えるプラズマを生成するこ
とはできない。酸素プラズマ中には１原子イオンと２原
子イオンが必ず混在する。このためイオンビ−ムによる
イオン注入装置では必ず質量分離系を設ける。

【００２０】それは図１の質量分離マグネット１４に当
たる装置である。質量分離装置によって、ビーム中から
例えばＯ^＋以外のイオンを除去し、基板に照射してい
る。質量分離マグネットは重く大きく嵩高い磁石であ
る。大面積のビームを磁石で曲げようとすると口径が大
きい強力な磁束密度を発生できる磁石が必要になる。生
産機械ではとても使えない。大面積イオンビ−ムをマグ
ネットでは質量分離できない。そこでビームを絞って細
いビームにしてマグネットによる質量分離を行う。ビー
ムが細いと言っても高速ビームでありこれを曲げるのだ
から、強い磁場が必要でマグネット自体は大きいもので
ある。

【００２１】細いビームであるから、ウエハ−の面積よ
りもずっと狭い。一度でウエハ−にイオン注入できな
い。それでどうしても質量分離装置の後に走査装置を設
けざるをえない。走査装置は交番磁場や交番電界を利用
する。磁界、電界でイオンビ−ムを左右前後に振りウエ
ハ−の全面に注入する。図１では交番電界による走査機
構を示す。走査装置自体もかなりスペースを取る装置で
ある。ビーム曲げ角が小さいと距離を長く取らなければ
ならない。

【００２２】質量分離マグネットのために大型化し、重
量も増え、据え付け面積も広くなる。装置が高価になる
のは質量分離マグネットが一つの原因である。また質量
分離のため走査しなければならず、走査装置のためにコ
ストはさらに上がる。ビーム走査には時間がかかるので
スループットが低下する。このように従来の酸素イオン
ビ−ム注入装置によるＳＯＩ基板の製造法はイオン種を
１種に限ることができないため、装置が大がかり、高価
額、低スループットという問題を持つ。いかなるプラズ
マ生成法もこれを解決できないでいる。

【００２３】酸素の生成イオン種を一種に限定できる半
導体、金属、絶縁体基板への酸素イオン注入方法、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
種を一種にしぼり質量分離を不要とし、安価で小面積に
設置できる酸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酸素イオン注入装
置を提供することが本発明の第３の目的である。

【００２４】

【課題を解決するための手段】酸素正イオンには、上述
のように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。本発
明はその途を取らない。本発明は、正イオンでなく、酸
素負イオンを用いる。酸素負イオンとしてはＯ ⁻、の他
にＯ_２ ⁻、Ｏ_３ ⁻、Ｏ_５ ⁻などが知られている。しかし
これらの複数原子のマイナスイオンは極めて発生しにく
い。酸素負イオンの場合、プラズマパラメータを適当に
選ぶ事によって、Ｏ⁻を９０％以上にまで高めることが
可能である。酸素のマイナスイオンは殆どＯ⁻である。
負イオンにおけるＯ⁻の優れた独占性を活用するのが本
発明の骨子である。

【００２５】酸素グロー放電における酸素イオンの生成
については文献に述べられる。 S.V.Krishna Kumar, "Mass spectrometric diagnosti
cs of Plasma-Negativeions in an oxygen glow discha
rge", S.V.Krishna Kumar Journal GeologicalSociety
of India, vol.27, pp144-153(1986) グロー放電において、ガス圧を上げる、また放電電流を
上げる、電界を強くすることなどによって、Ｏ⁻の比率
を９０％以上にまで高めることが可能である。最適条件
では、ＱＭＳ（Quadrupole Mass Spectroscopy）で他の
イオン種が検出不可能なレベルにまで高めることができ
る。

【００２６】本発明は酸素プラズマから負イオンを抽出
してＳｉ基板に注入する。一原子一価イオンＯ⁻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。

【００２７】質量分離が不要であるとビームを絞る必要
もない。大面積のビームを発生させそのままウエハ−に
イオン注入すれば良い。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。Ｓ
ＯＩ基板の製造コストを引き下げる事ができる。

【００２８】良い事ばかりのようにみえる。しかし問題
はある。酸素負イオンをどうして生成するか？と言う事
が問題である。そもそも従来技術が全て酸素の正イオン
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。ドーパントとしてボ
ロンやリンをＳｉにドープする場合もこれらは正イオン
の形で生成され質量分離し、走査してウエハ−に注入さ
れる。これらドーパントも正イオンで注入するからここ
で述べたものと同じ問題があり依然解決されていない。

【００２９】そもそもプラズマというのは電子、イオ
ン、中性ラジカル、中性分子、原子の集合であり、電子
電荷とイオン電荷が打ち消しあって全体として中性にな
るはずで、イオンはほとんどが正イオンなのである。正
イオンと負イオンの数の差が電子数である。そうだとし
てみると負イオンを生成するのはずいぶんと難しいもの
である。

【００３０】本発明者は、その難しい負イオン生成の問
題を解決した。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。

【００３１】低エネルギー電子は衝突の断面積が大きい
から中性原子、分子と衝突し易くなる。中性酸素原子に
衝突すると一価のＯ⁻になる。中性酸素分子に衝突する
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Ｏ⁻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。負イオン
数が正イオン数に拮抗するようになる。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。その短い間だけウエハ−を正の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。プラズ
マを消滅させた直後に正のバイアス電圧を印加して負イ
オンを注入するのである。

【００３２】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
−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
灯後正バイアス法と呼ぶ。

【００３３】消灯後正バイア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。電子エネルギーを下
げて、中性原子、中性分子との衝突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。

【００３４】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。負のバイアス電圧を印加したターゲットに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つくるというものであ
る。

【００３５】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。本発明はその何れにも適用できるもので
ある。

【００３６】グロー放電による場合は、に述べたよう
に、ガス圧を上げる、放電電流を上げる、電圧を上げる
などグロー放電の条件を限定することによって酸素負イ
オンを生成する事ができる。

【００３７】

【発明の実施の形態】本発明は、酸素負イオンＯ⁻をＳ
ｉ基板に注入することに特徴がある。酸素負イオンは殆
どがＯ⁻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。

【００３８】［１．消灯後正バイアス法］プラズマ点灯
をパルス的に行い消灯直後にウエハ−を正のバイアス電
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。

【００３９】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酸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。この低速電子と酸素分子
が解離性付着を起こすことによって酸素負イオンが生成
される確率が急激に高くなる。ｅ⁻＋Ｏ_２→Ｏ⁻＋Ｏ。
ｅ⁻＋Ｏ→Ｏ⁻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２０〜３０μｓｅｃ
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。

【００４０】”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）

【００４１】M.B.Hopkins, M.Bacal & W.G.Graham,”
Enhanced volume production of negative ions in the
post dischagrge of a multicusp hydrogen discharg
e", J.Appl.Phys.70(4),p2009-2014(1991)"

【００４２】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。は水素プラズマについて調べたもの
である。酸素について調べた文献は発見できなかった。
しかし本発明者が実験したところでは同様の減少が酸素
プラズマについても起こる。以上の文献はそれ以上の事
は書いていない。本発明者はこれを巧みに利用する。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、Ｓｉ基板に正のパルスを印加
する。これによって、酸素負イオン（Ｏ⁻）をＳｉ基板
に注入する。

【００４３】［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
子との衝突断面積が大きいからこれを負イオン化する。
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のある
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。それは数百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。

【００４４】［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。酸素分子、酸素正イオンが、Ｃｓに当たると電
子が酸素分子などに与えられ酸素負イオンになる。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。

【００４５】［４．グロー放電法］平行平板電極間に高
周波を印加すると、適当な圧力、ガス種においてグロー
放電が発生する。プラズマがこれによって生ずるが、圧
力を高く、電界を強くすることによって負イオンの率を
高めることができる。これは先述のにも記載されてい
る。

【００４６】［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。

【００４７】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。

【００４８】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。

【００４９】プラズマ生成チャンバ３０内に酸素ガスを
導入する。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
ー放電が起こり酸素プラズマが生成される。電子は数１
０ｅＶ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。

【００５０】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
で酸素原子との衝突断面積が著しく増える。つまり酸素
に衝突し易くなる。この低エネルギー電子が酸素分子に
解離性付着し、Ｏ⁻が生成される。そのためにＯ⁻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、Ｏ⁻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Ｏ ⁻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Ｏ⁻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Ｏ⁻は徐々に減少する。

【００５１】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（５２）してから１０
μｓｅｃ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、酸素
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。

【００５２】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Ｏ⁻をウエハ−に注入する。

【００５３】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。

【００５４】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Ｏ⁻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Ｏ⁻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。

【００５５】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。

【００５６】［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）］図４に実施例２を示す。こ
れは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。ＥＣＲ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６２、ガス排
出口６３を有する。マグネトロン６４はマイクロ波６６
を発生する。マイクロ波６６は導波管６５を通り誘電体
窓７９を通過してプラズマ室６１に入る。コイル６７は
ＥＣＲ条件を満たす磁場を発生する。つまりマイクロ波
が２．４５ＧＨｚであれば８７５ガウスの磁束密度がで
きるようにする。そこで電子はマイクロ波を共鳴吸収す
る。

【００５７】プラズマ室６１は中間部において、複数の
導体棒６９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。

【００５８】プラズマ室６１は導体棒６９によって上下
に分割される。上方はマイクロ波を共鳴吸収する部分で
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はスイッチ７６、正バイアス電源７７につなが
る。

【００５９】正バイアス電圧はＳｉウエハ−への必要な
酸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
から酸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酸素負イオ
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。

【００６０】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。

【００６１】その動作は次のようである。酸素ガスを入
口６２から導入する。誘電体窓７９を通してマイクロ波
６６をプラズマ室６１に導入する。電子はマイクロ波を
共鳴吸収し高密度の酸素プラズマを第１プラズマ室６８
に生成する。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。

【００６２】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。

【００６３】第２プラズマ室７０ではＥＣＲ条件が満た
されないから新たにプラズマが増えない。第１プラズマ
室６８からの移動分しか存在しない。しかしそこには低
エネルギーの電子が存在するからこれが中性酸素分子に
解離性付着する。これによって酸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−、サセプタを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。

【００６４】実施例２では、第１プラズマ室６８にのみ
酸素ガスを供給しているが、これにかぎらない。一般に
酸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にも酸素ガ
スを供給しても良い。また第１プラズマ室には酸素ガス
を与えず、第２プラズマ室７０のみに酸素ガスを供給し
ても良い。

【００６５】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。

【００６６】この実施例ではマイクロ波は連続発振して
おり、プラズマを一時的に消すということはしていな
い。しかしマグネトロンを間欠発振させ図３のようにプ
ラズマを点灯消灯させるようにしても良い。その場合は
オフ時に低速電子が増えるから、図３のようにタイミン
グを合わせてサセプタとウエハ−に正のバイアス電圧を
印加するようにすれば一層良い。

【００６７】［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２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。

【００６８】［実施例４（ＥＣＲプラズマ装置）］図
４、図５もＥＣＲプラズマ装置であったが、図６に示す
ものも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。

【００６９】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。

【００７０】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。これによって酸素負イオン
Ｏ⁻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、一挙に全面に酸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。

【００７１】［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。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．ＢＥＡＭＳ
１９９５ＴＯＫＹＯ、ｐｐ１９１−１９４

【００７２】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。

【００７３】プラズマ生成室１００の下方には、サセプ
タ１１０、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１１０、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１１
５は、２０ｋｅＶ〜２２０ｋｅＶの間の加速エネルギー
を酸素イオンに与える。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。

【００７４】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いて
その動作を述べる。

【００７５】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
のスパッタガスと酸素ガスの混合ガスを導入する。酸素
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。

【００７６】第１スイッチ１０８を閉じ高周波コイル１
０５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（Ｘｅ＋Ｏ）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。

【００７７】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酸素分子に当たりこれをスパ
ッタリングする。酸素分子はＣｓから電子を取り分解し
て一原子負イオンＯ⁻になる。Ｃｓを使うので負イオン
濃度が高くなる。これだけでも酸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。

【００７８】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、中性酸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酸素と結合し、
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、Ｏ⁻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。

【００７９】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−）に酸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。

【００８０】

【発明の効果】Ｓｉ基板に酸素負イオンを注入する事に
よって所定深さに埋め込み、酸化膜を形成する。プラズ
マにＳｉ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。酸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Ｏ⁻のみ独占的に生
成する事が可能である。Ｓｉ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Ｏ⁻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。

【００８１】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Ｓｉ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】従来例にかかる酸素正イオンを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酸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−に酸素負イオンを注入する
ようにした本発明の第１の実施例に掛かる装置の断面
図。

【図３】図４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−に酸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−に酸素負イオンを注入するよう
にした本発明の第３の実施例に掛かる装置の断面図。

【図６】ＥＣＲプラズマ法をもちいて、ウエハ−に酸素
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
掛かる装置の断面図。

【図７】スパッタ型負イオン源を用いてウエハ−に酸素
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。

【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酸素正イオンビ−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６２ガス入口６３ガス排出口６４マグネトロン６５導波管６６マイクロ波６７コイル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７９誘電体窓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 (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 21/265 ＦＺ

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
に酸素イオンを注入し所定の深さに酸化層を形成する方
法であって、プラズマ生成手段によって酸素を含むプラ
ズマを発生し、半導体基板、絶縁体基板或いは金属基板
を酸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酸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
ス酸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酸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、酸
素負イオン濃度の高い酸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酸素負イオン
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
アス酸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、プラズマ室に酸素原子を
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、Ｓｉウ
エハ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酸素負イオン注入装
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、プラズマ室正内或いは外に設け、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酸素負イ
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
のパルスバイアス酸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酸素負イオン注入装
置。