JPS63157416A - プラズマ処理装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、半導体工業における半導体素子製造等に用い
るプラズマ処理装置に関するものであリ、特に大面積の
半導体素子や半導体薄膜等への不純物注入、大面積の半
導体薄膜形成やエツチング等に用いるプラズマ処理装置
に関するものである。

従来の技術 半導体薄膜等に不純物をイオンの形で所望の量及び深さ
に注入してドーピングを行う方法或は薄膜形成或はエツ
チングの方法としては、（１）：イオン源として直流グ
ロー放電を用い、質量分離部を有さずイオン加速部を経
てイオンを半導体基板等に注入する簡易型イオン注入装
置［第３図、ｊ。

Ｃ，Ｍｕｌｌｅｒ、　ｅｔ　ａｌ、　：　Ｐｒｏｃ、　
Ｅｕｒｏｐｅａｎ　Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　５ｏｌ
ａｒ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｃｏｎｆ、　（プロシーディング
ヨー！１ピアン　フォトポルティック　ソーラー　エナ
ジー　コンファレンス〉（１、ｅｘｅｍｂｅｒｇ）　５
ｅｐｔ、　　１９７７、　　ｐ８９７−９０９］を用い
る方法や、（２〉：イオン源として絶縁性筒状管内に高
周波と静磁場を重畳させて発生するプラズマを用い、質
量分離部を有さずイオンを注入、ドーピングを行うイオ
ンドープ装置［第４図］、（３）：基板室内に容量結合
型高周波電極をもうけて高周波グロー放電による化学的
気相反応を起こすプラズマＣＶＤ装置の高周波電極に直
流電圧を印加させる方法［第５図］などがある。第３．
４．５図において、１は放電室、２は直流グロー放電用
アノード電極、３は放電用直流電源、４は加速用電極、
５は加速用直流電源、６はガス導入管、７は絶縁体、８
はガス排出管、９は基板台、Ａは放電室、Ｂは基板室、
１１は絶縁性筒状管、１２は高周波電極、１３は電磁石
、１４はマツチングボックス、１５は高周波発振器、１
６−ａは第１の導電性バイアス部、１Ｇ−すは第２の導
電性バイアス部、１７−ａは第１の直流電源、１７−ｂ
は第２の直流電源、１８はガス導入管、・１９はガス排
出管、２０は基板台、２１は試料、２２は真空容器、２
３は高周波電極、２４はマツチングボックス、２５は高
周波発振器、２６は直流電源、２７はガス導入管、２８
はガス排出管、２９は試料である。

発明が解決しようとする問題点 不純物をイオンの形で半導体薄膜等に注入ｌ、２ドーピ
ングを行う従来の技術において、（１）のイオン源とし
て直流グロー放電を用い、質量分離部を有さすイオン加
速部を経てイオンを半導体基板等に注入する第３図の簡
易型イオン注入装置は１、直流グロー放電が起こりイオ
ン源として機能する圧力（１〜０．０１ｔｏｒｒ）にイ
オン源の圧力を保ちさらに基板室をイオンの平均自由行
程がイオン源から基板までの距離以上になる圧力（〜１
　（Ｉ３ｔｏｒｒ以下）に保つため差動排気等を用いね
ばならづ″、また大面積の試料への不純物の注入のため
に放電電極を太き（すると電極の沿面放電等による放電
の不均一性や不安定性、さらに放電電極がイオン源の内
部にイオンに対し直接さらされて設けていることからプ
ラズマのセルフバイアスにより加速されたイオンによっ
て電極がスパッタリングされて発生する不純物による試
料の汚染等の問題があった４、（２）のイオン源として
絶縁性筒状管内（τ高周波と静磁場を重畳させて発生す
るプラズマを用い、質量分離部を有さすイオンを注入、
ドーピングを行うイオンドープ装置による第４図に示す
装置の方法は、比較的大口径の筒状管内で安定に放電が
行え、かつ放電時の圧力が１０−３〜１Ｏ−４ｔｏｒｒ
と低いことから差動排気等を要せずに簡素な構造でドー
ピングを行うことができるが、例えば口径１３０ｗ＋ｍ
の絶縁管を用い、３インチの単結晶シリコンウェハーに
リンを注入した場合、９００℃・３０分の熱処理後のウ
ェハー内のシート抵抗（注入されたリンの量に関゛係す
る）のばらつきσ（Ｒｓ）／Ｒｓ　（Ｒｓ　：シート抵
抗の平均値、σ（Ｒｓ）：シート抵抗の標準偏差）が２
０％程度であるため、大面積の試料に対して一襟に不純
物を注入することが困難であった。（３）の基板室内に
容量結合型高周波電極をもうけて高周波グロ・−放電に
よる化学的気相反応を起こすプラズマＣＶＤ装置の高周
波電極に直流電圧を印加させる第５図に示す装置の方法
は、基板室の圧力が直流グロー放電が起こりイオン源と
して機能する圧力（１〜Ｏ，Ｏ１ｔｏｒｒ）に保たれて
いることや印加出来る電圧が１００〜１０００Ｖと低い
ことから所望のイオン以外の中性粒子等の試料表面への
堆積が起こり、不純物の濃度を規定した高精度の不純物
のドーピングが困難であった。さらに放電電極と加速電
極の一致による放電の不安定さのため、大面積の試料に
極めて一様な不純物のドーピング或はプラズマ処理等を
行うことが困難であり、さらに放電電極がイオン源の内
部にイオンに対し直接さらされて設けていることからプ
ラズマのセルフバイアスにより加速されたイオンによっ
て電極がスパッタリングされて発生する不純物による試
料の汚染等の問題があった。

問題点を解決するための手段 以上の問題点を解決するために本発明に係るプラズマ処
理装置は、ガス導入管に接続された絶縁性の真空槽と、
前記絶縁性の真空槽の内部に設けられた高周波電極及び
前記Ｐ！縁性の真空槽の内部に磁場を印加するために設
けられた磁場発生源から構成される放電室、ガス排出管
と接続された接地電位の高真空室とその内部に設けられ
た可動の基板台及び加熱源から構成される基板室、前記
基板室及び前記放電室と絶縁を保ち前記基板台と前記放
電室との間に第１の直流電源と接続して設けられた第１
の導電性バイアス部、及び第１の直流電源又は第２の直
流電源と接続して前記第１の導電性バイアス部と対向す
る位置に放電により生じるプラズマを挟んで設けられた
第２の導電性バイアス部を備え、前記高周波電極に絶縁
性の表面被覆を設けてなるものである。すなわち本発明
は、イオン源を絶縁性の真空槽と、前記Ｍ！！縁性の真
空槽の内部に絶縁性の表面被覆を施した高周波電極を配
しさらに前記絶縁性の真空槽の内部に磁場を印加するた
めに設けられた磁場発生源を配したものを用い、前記絶
縁性の真空槽の内部に荷電粒子を引き出して所望のエネ
ルギーに加速する第１の導電性バイアス部及び荷電粒子
を第１の導電性バイアス部側に押し出す第２の導電性バ
イアス部を第１の導電性バイアス部と対向する位置に放
電により生じるプラズマを挟んで設け、さらに不純物の
ドーピング或はプラズマ処理を行う試料を載せる基板台
を可動にするというものである。

作用 放電室を絶縁性の真空槽にし例えば大面積にわたり放電
が一様な容量結合型平行平板高周波グロー放電用電極を
設けることにより、高周波電極の長尺方向に一様なプラ
ズマ得られ、この一様なプラズマから荷電粒子等を基板
室内に引き出すことにより、電極の長尺方向に関して一
様な不純物のドーピング或はプラズマ処理を行う。さら
に試料を載せた基板台を可動にすることにより、例えば
荷電粒子ビームの照射面の長尺方向に対して垂直に基板
台を移動させることにより、大面積にわたり一様な不純
物のドーピング或はプラズマ処理を行う。また高周波電
極表面に被覆を設けることにより、プラズマのセルフバ
イアスにより加速されたイオンが高周波電極をスパッタ
リングすることが無（なるため高周波電極がスパッタリ
ングされて発生する金属等の不純物イオンによる汚染を
防いで高周波電力を供給することが可能となり、さらに
磁場発生源を配することで放電室内に印加された磁場に
よる電子の閉じ込め及び旋回運動の励起を行い、高周波
によって供給されるエネルギーを有効に用いて例えば１
０−３〜１０−’ｔｏｒｒの気体圧力でも安定かつ一様
に放電させる。このＩＱ−３〜１０−’ｔｏｒｒの気体
圧力下でイオンの平均自由行程はイオン種によって異な
るが、放電室から基板台までの距離（約１０ｃｔａ）と
同程度あるいはそれ以上となるために放電室に配した第
１の導電性バイアス部及び第２の導電性バイアス部とい
う簡素な構造で荷電粒子の押し出し及び加速を行い、基
板台上の半導体等の試料まで荷電粒子を輸送し、前記試
料に照射する。さらに装置内の圧力が１０−”　１０−
’ｔｏｒｒ以下であること及び放電用の高周波Ｔｔ極と
加速用の導電性バイアス部電極を分離し、イオン源を絶
縁性にしていることから、圧力が高いことや電圧が高い
ことによる沿面放電やなだれ放電等の異常な放電を起こ
すことなく、かつ放電電極と加、速電極の一致による放
電の不安定さを引き起こすことなく１ｋｅＶ以上に荷電
粒子を加速する。そして装置内の圧力が１０−ｓ〜１０
−’ｔｏｒｒ以下であることから所望のイオン以夕）の
中性粒子等の試料表面への堆積がな（、不純物の濃度を
規定した高精度の不純物のドーピング或はプラズマ処理
を行う。

実施例 以下図面に基づいて本発明についてさらに詳しく説明す
る。

第１図は本発明に係るプラズマ処理装置の第１実施例の
概略構成図を示したものである。本実施例においては、
絶縁性の真空槽として耐圧の優れた絶縁性の筒状管を用
いている。放電室Ｃの絶縁性筒状管３１はセラミックス
や石英ガラス等を用い、容量結合型平行平板高周波グロ
ー放電用電極３２には導電性の良い銅・ニッケル等の金
属を用い、絶縁性筒状管３１の内部に設ける。容量結合
型平行平板高周波グロー放電用電極３２の一方はマツチ
ングボックス３３を介して高周波発振器３４と接続し、
他方を接地して絶縁性筒状管３１内に高周波電力の供給
を行う。この高周波電極の表面には石英・セラミックス
等の絶縁体による被覆３５が施されている。さらに容量
結合型平行平板高周波グロー放電用電極３２の外部に配
した電磁石３６により印加される磁場によって電子の旋
回運動（サイクロトロン運動）の励起と閉じ込めを行う
ことにより、比較的低い圧力（１０−’〜１０−’ｔｏ
ｒｒ　）で高周波電力を有効に放電のために用いること
によって絶縁性筒状管３１内にプラズマを安定に発生さ
せる。この磁場の強度は絶縁性筒状管３１内に於て５０
〜２００ガウス程度で良（、磁場発生源として永久磁石
等を用いても良い。導電性のステンレス・アルミニウム
・鋼等で作られ、開口部３７を有する第１の導電性バイ
アス部３８−ａは、セラミックス・石英ガラス塩化ビニ
ル等で作られた絶縁フランジ３９を介して放電室Ｃと基
板室りの間に設ける。放電室Ｃへの材料ガスの導入はガ
ス導入管４０を経て、絶縁性筒状管３１内の第１の導電
性バイアス部３８−ａと対向した位置に設けられた第２
の導電性バイアス部３ｓ−ｂのガス導入口４１より行う
。前記第１の導電性バイアス部３８−ａ及び第２の導電
性バイアス部３８−ｂは各々直流高電圧電源４２−ａ及
び４２−ｂに接続され、所望の電圧を印加することによ
り、放電室Ｃ内の荷電粒子を基板室りへ押し出し加速を
行う。基板室りはガス排出管４３に接続され、１０−’
〜１０−’ｔｏｒｒの圧力に保たれる。

基板室り内には導電性のステンレス・アルミニウム・銅
等で作られた可動の基板台４４を設け、基板台４４上に
半導体基板等の試料４５を置く。試料４５はヒーター４
６により加熱を行い、不純物のドーピング或はプラズマ
処理の効率を上げる。

絶縁性筒状管３１内の容量結合型平行平板高周波グロー
放電用電極３２の長尺方向く第２図参照）に関して一様
に生じるプラズマより引き出され、開口部３７の長尺方
向く第２図参照）に関して一様で第１の導電性バイアス
部３８−ａと基板台４４との電位差に応じた運動エネル
ギーを得た荷電粒子ビーム４７は、基板台４４上の半導
体基板等の試料４５に照射し、所望の量の不純物のドー
ピング或はプラズマ処理等を試料４５に対して行う。さ
らに基板台４４を荷電粒子ビーム４７の照射面の長尺方
向に対して垂直に走査することによって、大面積の試料
に極めて一様な不純物のドーピング或はプラズマ処理等
を行う。

第２図は本発明に係るプラズマ処理装置の第２実施例の
外観及び透視概略図を示したものである。本実施例にお
いても、絶縁性の真空槽として絶縁性の筒状管を用いて
いる。絶縁性筒、状管３１で構成される放電室Ｃ内部に
、絶縁性の被覆を施した容量結合型平行平板高周波グロ
ー放電用電極３２及び電磁石３６により印加される高周
波電力及び静磁場によって１０−３〜１０−４ｔｏｒｒ
の圧力下で容量結合型平行平板高周波グロー放電用電極
３２の長尺方向に一様なプラズマを安定に発生させる。

このプラズマから直流電圧を印加した第１の導電性ノく
イアス部３８−ａ及び第２の導電性バイアス部３８−ｂ
によって、容量結合型平行平板高周波グロー放電用電極
３２の長尺方向に細長く設けられた第１の導電性バイア
ス部３８−ａの開口部３７より一様な荷電粒子ビームを
押し出し、基板室り内の可動の基板台４４上の半導体基
板等の試料４５に対して所望の量の不純物のドーピング
或はプラズマ処理等を行う。さらに基板台４４を荷電粒
子ビーム４７の照射面の長尺方向に対して垂直に走査す
ることによって、大面積の試料に極めて一様な不純物の
ドーピング或はプラズマ処理等を行う。放電室Ｃへの材
料ガスの導入はガス導入管４０から行い、第１の導電性
バイアス部３８−ａは絶縁７ランジ３９を介して基板室
りに対して固定される。さらに基板室りはゲートバルブ
５０を介して第２の真空槽Ｅと接続され、基板台４４が
第２の真空槽Ｅと基板室りとの間を搬送することにより
、試料４５に対する不純物のドーピング或はプラズマ処
理等の前処理や後処理・試料の出し入れ等を、放電室Ｃ
及び基板室りの真空を破らずに行う。

発明の効果 本発明は、放電室として絶縁性の真空槽を用い、高周波
と静磁場を重畳させることにより、１０″３〜１０−’
ｔｏｒｒと比較的低い圧力下で高周波グロー放電用電極
の長尺方向に一様なプラズマを安定に発生させることが
可能となる。また一様なプラズマから極めて一様な荷電
粒子ビームを開口部より半導体基板等の試料に対して照
射すること及び試料を載せた基板台を荷電粒子ビームの
照射面の長尺方向に対して垂直に走査することによって
、大面積の試料に極めて一様な不純物のドーピング或は
プラズマ処理等を行うことが可能となる。さらに放電室
の内部に設けられた高周波電極に絶縁性の被覆を施すこ
とによりプラズマのセルフバイアスにより加速されたイ
オンが高周波電極がスパッタリングされて発生する金属
等の不純物イオンによる汚染が無くなり、極めて高純度
の不純物のドーピング或はプラズマ処理等を行うことが
可能となる。そして装置内の圧力が１０−３〜１０−’
ｔｏｒｒ以下であることから所望のイオン以外の中性粒
子等の試料表面への堆積がなく、不純物の濃度を規定し
た高精度の不純物のドーピング或はプラズマ処理を行う
ことが可能となる。以上の効果は、ガス導入管を基板室
に接続すること、ガス排出管を放電室に接続するこ七、
第１の導電性バイアス部及び前記第２の導電性バイアス
部の放電により生じる荷電粒子にさらされる側に隔壁或
は表面被覆を設けること、基板室をゲートバルブを介し
て第２の真空槽或は第２のプラズマ処理装置と接続し、
基板台を基板室と第２の真空槽或は第２のプラズマ処理
装置間を搬送させることによっても同様に得られる。本
発明によるプラズマ処理装置は、例えば長尺のイメージ
センサ−や大面積の薄膜トランジスターアレイ等の大型
半導体素子製造における高純度の不純物のドーピング或
はプラズマ処理等を高精度に一括して行うことが可能で
なるという点で極めて有用性の高いものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るプラズマ処理装置の第１実施例の
概略構成図、第２図は本発明に係るプラズマ処理装置の
第２実施例の外観及び透視概略図、第３図は従来の技術
のうちイオン源として直流グロー放電を用い、質量分離
部を有さすイオン力Ｕ速部を経てイオンを半導体基板等
に注入する簡易型イオン注入装置のｖ１略構成図、第４
図は従来の技術のうちイオン源として絶縁性筒状管内に
高周波と静磁場を重畳させて発生するプラズマを用い、
質量分離部を有さすイオンを注入、ドーピングを行うイ
オンドープ装置の概略構成図、第５図は従来の技術のう
ち基板室内に容量結合型高周波電極をもうけて高周波グ
ロー放電による化学的気相反応を起こすプラズマＣＶＤ
装置の高周波電極に直流電圧を印加させる方法の概略構
成図である。 Ｃ・・・放電室、Ｄ・・・基板室、３１・・・絶縁性矩
形管、３２・・・容量結合型平行平板高周波グロー放電
用電極、３３・・・マツチングボックス、３４・・・高
眉波発撮器、３５・・・絶縁性の被覆、３６・・・電磁
石、３７・・・開口部、３８−ａ・・・第１の導電性バ
イアス部、３８−ｂ・・・第２の導電性バイアス部、３
９・・・絶縁フランジ、４０・・・ガス導入管、４１・
・・ガス導入口、４２−ａ−・・直流高電圧ＴＬ源、４
２−ｂ・・・直流高電圧電源、４３・・・ガス排出管、
４４・・・基板台、４５・・・試料、４６・・・ヒータ
ー、４７・・・荷電粒子ビーム、Ｅ・・・真空槽、５０
・・・ゲートバルブ。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　ほか１名第１図 ４てて３１１２８７４ｇ　ヒーター 第２図 第３図 第４図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガス導入管に接続された絶縁性の真空槽と、前記
   絶縁性の真空槽の内部に設けられた高周波電極及び前記
   絶縁性の真空槽の内部に磁場を印加するために設けられ
   た磁場発生源から構成される放電室、ガス排出管と接続
   された接地電位の高真空室とその内部に設けられた可動
   の基板台及び加熱源から構成される基板室、前記基板室
   及び前記放電室と絶縁を保ち前記基板台と前記放電室と
   の間に第１の直流電源と接続して設けられた第１の導電
   性バイアス部、及び第１の直流電源又は第２の直流電源
   と接続して前記第１の導電性バイアス部と対向する位置
   に放電により生じるプラズマを挟んで設けられた第２の
   導電性バイアス部を備え、前記高周波電極に絶縁性の表
   面被覆を設けてなることを特徴とするプラズマ処理装置
   。
2. （２）ガス導入管を基板室に接続することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載のプラズマ処理装置。
3. （３）ガス排出管を放電室に接続することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項又は第２項記載のプラズマ処理装
   置。
4. （４）第１の導電性バイアス部及び第２の導電性バイア
   ス部の放電により生じる荷電粒子にさらされる側に、隔
   壁或は表面被覆を設けることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項又は第２項又は第３項記載のプラズマ処理装置
   。
5. （５）基板室をゲートバルブを介して第２の真空槽或は
   第２のプラズマ処理装置と接続し、基板台を前記基板室
   と第２の真空槽或は第２のプラズマ処理装置間を搬送さ
   せることを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項
   又は第３項又は第４項記載のプラズマ処理装置。