JPS63234519A - 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り、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
ヨーロピアン　フォトポルティック　ソーラー　エナジ
ー　コンファレンス）　　（Ｌｅｘｅｍｂｅｒｇ）　５
ｅｐｔ、　１９７７、　　ｐ８９７−９０９１を用いる
方法や、（２）：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４図］などがある。第３，４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、１０は真空槽、１１は高岡波電極、１２はマツチ
ングボックス、１３は高周波発振器、１４は直流電源、
１５はガス導入管、１６はガス排出管、１７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しドーピング
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
を経て不純物の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、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，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（
〜１０−３ｔｏｒｒ以下）に保つために差動排気等の複
雑な機構を用いねばならず、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大きくすると沿面放電等に
よる放電の不均一性や不安定性が生じ一様で高精度のド
ーピングが困難となり、さらに放電電極がイオン源の内
部に直接イオンに曝されて設けられていることからセル
フバイアスに＝　６− より加速されたイオンによって放電電極がスパッタリン
グされて生じる電極材料等の不純物により試料が汚染さ
れるなどの問題点があった。（２）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（１〜０．
０１ｔｏｒｒ　）に保たれていることや印加できる電圧
が１００〜１０００Ｖと低いことから所望のイオン以外
の中性粒子等が試料表面に堆積することが起こり、半導
体中の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性のため、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、さらに放電電極が直接イオンに曝されて
設けられていることからセルフバイアスにより加速され
たイオンによって放電電極がスパッタリングされて生じ
る電極材料等の不純物により試料が汚染されるなどの問
題点があった。

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、絶縁物で形成された
面を有する第１の真空槽と、前記第１の真空槽の絶縁物
で形成された面に沿って前記真空槽の外部に設けられた
高周波電極及び前記高周波電極の外部に設けられた磁場
発生部から構成される放電室、第２の真空槽とその内部
に設けられた基板台から構成される基板室を備えてなる
ものである。すなわち本発明は、絶縁物で形成された面
を有する第１の真空槽の絶縁物で形成された面に沿って
前記真空槽の外部に高周波電極を配し、さらにこの高周
波電極の外部に磁場発生部を配したものをイオン源とし
て用い、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第２の真空槽に設けるというもので
ある。

作用 放電室を絶縁物で形成された面を有する真空槽で構成す
ることにより、たと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などを絶縁物
で形成された面に沿って真空槽の外部に設けることが可
能となり、また真空槽の高周波電力供給に必要な面以外
の部分を絶縁物でない安価で強度のある材料で構成する
ことも可能となる。この高周波電極の長尺方向に得られ
る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、高周波電極の長尺方向に関して一様なドー
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、たと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。また放電室を構成する真空槽
の外部に高周波電極を設けることにより、セルフバイア
スによって加速されたイオンが高周波電極をスパッタリ
ングすることがなくなるため、ドーピング或はプラズマ
処理される半導体の特性に悪影響をもたらす不純物イオ
ンや粒子による汚染が防げる。そして磁場発生源を配す
ることで放電室内に印加された磁場によって電子の閉じ
込め及び旋回運動の励起を行い、高周波電極によって供
給される電力を有効に用いて、たとえば１０−３〜１０
→ｔｏｒｒの気体圧力下でも安定かつ一様に放電させる
。この１０−３〜１０−４ｔｏｒｒの気体圧力下でイオ
ンの平均自由行程はイオン種やエネルギーによって異な
るが、放電室から基板台までの距離（約１０ｃｍ）と同
程度或はそれ以上となるために、放電室内に設けた第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この試料に
照射する。装置内の圧力が１０−３〜１０−’ｔｏｒｒ
以下にできること及び放電用の高周波電極と加速用の導
電性バイアス部電極を分離していることがら、圧力が高
いことや直流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引き起こすことなく、１０００ｅｖ
以上に荷電粒子を加速する。加えて装置内の圧力が１０
−３〜１０−’ｔｏｒｒ以下にできることから、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。

実施例 以下図面に基づいて本発明を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。放電室Ａの真空槽２０
はステンレス等の安価で強度があり加工のしやすい材料
で構成される。この真空槽２０において容量結合型高周
波グロー放電用電極２１−ａ及び２１−ｂと接する面と
その近傍の面２２−ａ及び２２−ｂは、ガラス・石英・
セラミックス等の高周波を透過する絶縁物で構成されて
いる。この容量結合型高周波グロー放電用電極２１−ａ
及び２１−ｂは導電性のよい銅・ニッケル等の金属を用
い、真空槽２０の絶縁物で構成される面に沿って真空槽
２０の外部に設ける。容量結合型高周波グロー放電用電
極２１−ａをマツチングボックス２３を介して高周波発
振器２４と接続し、容量結合型高周波グロー放電用電極
２１−すを接地して真空槽２０内に高周波電力の供給を
行う。さらに容量結合型高周波グロー放電用電極２１−
ａ及び２１−ｂの外部に配した電磁石２５−ａ及び２５
−ｂにより印加される磁場によって、電子の旋回運動（
電子サイクロトロン運動）の励起と電子の閉じ込めを行
うことにより高周波電力を有効に用いて、１０−３〜１
０−４ｔｏｒｒの比較的低い圧力で真空槽２０内にプラ
ズマを安定に発生させる。この磁場の強度は真空槽２ｏ
内に於て５０〜２００ガウス程度でよく、磁場発生源と
して永久磁石を用いてもよい。導電性のステンレス・ア
ルミニウム・チタン・タンタル等で作られ、開口部２６
を有する第１の導電性バイアス部電極２７−ａは、セラ
ミックス・テフロン・アクリル・塩化ビニル・石英等で
作られた絶縁フランジ２８−ａ及び２８−ｂを介して放
電室Ａと基板室Ｂの間に設ける。開口部２６には導電性
のモリブデン・ステンレス・アルミニウム・チタン・タ
ンタル等で作られた金網２９を設けている。導電性のス
テンレス・アルミニウム・チタン・タンタル等で作られ
た第２の導電性バイアス部電極２７−ｂを真空槽２０内
の第１の導電性バイアス部電極２７−ａと放電により生
じるプラズマ２０を挟んで対向する位置に設ける。第２
の導電性バイアス部電極２７−ｂはセラミックス・テフ
ロン・アクリル・塩化ビニル・石英等で作られた絶縁フ
ランジ３１を介して真空槽２０に取り付けられている。

第１の導電性バイアス部電極２７−ａ及び第２の導電性
バイアス部電極２７−ｂは、直流高圧電源３２に接続さ
れ、所望の電圧を印加することにより、放電室Ａ内の荷
電粒子を基板室Ｂへ押し出し加速を行う。放電室Ａへの
材料ガスの導入は、ガス導入管３３によって行う。

基板室Ｂはガス排出管３４に接続され、１０−３〜１０
−６ｔｏｒｒの圧力に保たれる真空室である。基板室Ｂ
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３５を設け、基板台３５上に半導体基
板等の試料３６を置く。試料３６はヒーター３７により
加熱を行い不純物のド−ピング或はプラズマ処理の効率
を上げる。真空槽２０内に於て、容量結合型高周波グロ
ー放電用電極２１−ａ及び２１−ｂの長尺方向（第２図
参照）に関して一様に生じるプラズマがら引き出された
、開口部２６の長尺方向に関して一様な荷電粒子密度で
、かつ第１の導電性バイアス部電極２７−ａと基板台３
５との電位差に応じた運動エネルギーを有する荷電粒子
ビーム３８は、基板台３５上の試料３６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を試料３６
に対して行う。さらに基板台３５を荷電粒子ビーム３８
の照射面の長尺方向く第２図参照）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均一な不純物
のドーピング或はプラズマ処理を行う。

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。容量結合型高
周波グロー放電用電極２１−ａ及び２１−ｂと電磁石２
５−ａ及び２５−ｂと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−’ｔｏｒｒの比較的
低い圧力で、真空槽２０内の容量結合型高周波グロー放
電用電極２１−ａ及び２１−ｂの長尺方向に関して一様
なプラズマを安定に発生させる。直流電圧を印加した第
１の導電性バイアス部電極２７−ａ及び第２の導電性バ
イアス部電極２７−ｂによって、容量結合型高周波グロ
ー放電用電極２１−ａ及び２１−ｂ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電極２７−ａの開口
部２６を通して、このプラズマから荷電粒子ビーム３８
を基板室Ｂに引出し、可動の基板台３５上の半導体基板
等の試料３６に対して所望の量の不純物のドーピング或
はプラズマ処理を行う。さらに基板台３５を荷電粒子ビ
ーム３８の照射面の長尺方向に対してほぼ垂直に走査す
ることによって、大面積の試料に極めて均一な不純物の
ドーピング或はプラズマ処理を行う。放電室Ａへの材料
ガスの導入は、ガス導入管３３によって行い、開口部２
６を有する第１の導電性バイアス部電極２７−ａは、絶
縁フランジ２８−ａ及び２８−ｂによって放電室Ａと基
板室Ｂの間に固定される。さらに基板室Ｂばゲートバル
ブ４０及び４１を介して他の真空槽Ｃや伯のプラズマ処
理装置りと接続されている。基板台３５が他の真空槽Ｃ
や他のプラズマ処理装置りと基板室Ｂとの間を搬送する
ことにより、試料４４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、他の不純物のドーピ
ング或はプラズマ処理、試料の出し入れ等を放電室Ａ及
び基板室Ｂの真空を破らずに行う。

発明の効果 本発明は、放電室として絶縁物で形成された面を有する
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の比較的低い圧力で、容
量結合型高周波グロー放電用電極の長尺方向に関して一
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
半導体等の試料に対して照射することから、例えば試料
を載せた基板台を荷電粒子ビームの照射面に対して垂直
に走査することによって、大面積の試料に極めて均一な
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。さらに、高周波電極を真空槽の絶縁物で構成さ
れる面に沿って真空槽の外部に設けることによって、セ
ルフバイアスによって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なくなるため、ドーピング或
はプラズマ処理される半導体の特性に悪影響をもたらす
不純物イオンや粒子による汚染が防げ、極めて高純度な
不純物のドーピング或はプラズマ処理などを行うことが
可能となる。また、装置内の圧力が１０−３〜１０−’
ｔｏｒｒ以下にできること及び放電用の高周波電極と加
速用の導電性バイアス部電極を分離することが可能なこ
とから、圧力が高いことや直流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引き起こすことな
く、１０００ｅＶ以上に荷電粒子を加速し、不純物のド
ーピング或はプラズマ処理など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。加えて真空槽の高周波電力供給に必要な面板
外の部分を絶縁物でない安価で強度のある材料で構成す
ることが可能となる。

以上の効果は、基板室及び放電室との間に基板室及び放
電室と電気的に絶縁され第１の直流電源と接続して設け
られた開口部を有する第１の導電性バイアス部を備える
こと、第１の直流電源又は第２の直流電源と接続して第
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
たプラズマを挟んで基板室及び放電室と電気的に絶縁さ
れて設けられた第２の導電性バイアス部を前記放電室内
に備えること、第１の導電性バイアス部の開口部に導電
性網或は導電性多孔板を設けること、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
荷電粒子に曝される側に表面被覆を設けること、基板台
に直流電圧を印加すること、基板台を可動とすること、
基板台を加熱する加熱源を備えること、ガス導入管を放
電室に接続すること、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と、ガス排出管を
前記基板室に接続すること、基板室をゲートバルブを介
して他の真空槽或は他のプラズマ処理装置と接続し、基
板台を基板室との真空槽或はプラズマ処理装置との間を
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、たと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
マ処理を高精度に均一性よく一括して行うことが可能に
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の概略構成図、第４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。 Ａ・・・放電室、Ｂ・・・基板室、２０・・・真空槽、
２１−ａ・・・容量結合型高周波グロー放電用電極、２
１−ｂ・・・容量結合型高周波グロー放電用電極、２２
−ａ・・・絶縁面、２２−ｂ・・・絶縁面、２３・・・
マツチングボックス、２４・・・高周波発振器、２５−
ａ・・・電磁石、２５−ｂ・・・電磁石、２６・・・開
口部、２７　　ａ・・・第１の導電性バイアス部電極、
２７−ｂ・・・第２の導電性バイアス部電極、２８−ａ
・・・絶縁フランジ、２８−ｂ・・・絶縁フランジ、２
９・・・金網、３０・・・プラズマ、３２・・・直流高
圧電源、３３・・・ガス導入管、３４・・・ガス排出管
、３５・・・基板台、３６・・・試料、３７・・・ヒー
ター、３８・・・荷電粒子ビーム、Ｃ・・・真空槽、Ｄ
・・・プラズマ処理装置、４０・・・ゲートバルブ、４
１・・・ゲートバルブ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）ガス導入管に接続され、絶縁物で形成された面を
   有する第１の真空槽と、前記第１の真空槽の絶縁物で形
   成された面に沿って前記真空槽の外部に設けられた高周
   波電極及び前記高周波電極の外部に設けられた磁場発生
   部から構成される放電室、第２の真空槽とその内部に設
   けられた基板台から構成される基板室を備えてなること
   を特徴とするプラズマ処理装置。 （２）基板室及び放電室との間に前記基板室及び前記放
   電室と電気的に絶縁され第１の直流電源と接続して設け
   られた開口部を有する第１の導電性バイアス部を備えて
   な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）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
   生じたプラズマを挟んで前記基板室及び前記放電室と電
   気的に絶縁されて設けられた第２の導電性バイアス部を
   前記放電室内に備えてな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）第１の導電性バイアス部の開口部に導電性網或は
   導電性多孔板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）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曝される側に表
   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項又は第４項記載のプラズマ処理装
   置。 （６）基板台に直流電圧を印加することを特徴とする特
   許請求の範囲第１項又は第２項又は第３項又は第４項ま
   たは第５項記載のプラズマ処理装置。 （７）前記基板台を可動とすることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項又は第２項又は第３項又は第４項又は第
   ５項又は第６項記載のプラズマ処理装置。 （８）基板台を加熱する加熱源を備えてなることを特徴
   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項又は第５項又は第６項又は第７項記載のプラズマ
   処理装置。（９）ガス導入管を前記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項又は第
   ３項又は第４項又は第５項又は第６項又は第７項又は第
   ８項記載のプラズマ処理装置。 （１０）ガス導入管を前記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項又は第２項又は第３項又は
   第４項又は第５項又は第６項又は第７項又は第８項又は
   第９項記載のプラズマ処理装置。 （１１）ガス排出管を前記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項又は第３項又は
   第４項又は第５項又は第６項又は第７項又は第８項又は
   第９項又は第１０項記載のプラズマ処理装置。 （１２）ガス排出管を前記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項又は第２項又は第３項又は
   第４項又は第５項又は第６項又は第７項又は第８項又は
   第９項又は第１０項又は第１１項記載のプラズマ処理装
   置。 （１３）基板室をゲートバルブを介して他の真空槽或は
   他のプラズマ処理装置と接続し、基板台を前記基板室と
   前記他の真空槽或は他のプラズマ処理装置との間を搬送
   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項又は第５項又は第６項又は第７
   項又は第８項又は第９項又は第１０項又は第１１項又は
   第１２項記載のプラズマ処理装置。