JPWO2006049076A1 - プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置 - Google Patents

プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置 Download PDF

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Abstract

非晶質化処理の均一性を高めることが可能なプラズマ処理方法および装置を提供する。真空容器１内に、ガス供給装置２からガス導入口１１を介して所定のガスを導入しつつ、排気装置としてのターボ分子ポンプ３により排気口１２を介して排気を行い、調圧弁４により真空容器１内を所定の圧力に保つ。高周波電源５により１３．５６ＭＨｚの高周波電力を試料電極６に対向した誘電体窓７の近傍に設けられたコイル８に供給することにより、真空容器１内に誘導結合型プラズマを発生させる。試料電極６に高周波電力を供給するための高周波電源１０が設けられており、これは、試料電極６の電位を制御する電圧源として機能する。試料電極６の構成を工夫することにより、シリコン基板９の表面の結晶層を均一に非晶質化することができた。

Description

本発明は、プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置に係り、特に試料の表面層に対し均一にプラズマを供給する方法および装置に関するものである。
不純物を固体試料の表面に導入する技術としては、不純物をイオン化して低エネルギーで固体中に導入するプラズマドーピング法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
図１２は、前記特許文献１に記載された従来の不純物導入方法としてのプラズマドーピング法に用いられるプラズマ処理装置の概略構成を示している。図１２において、真空容器４１内に、シリコン基板よりなる試料４２を載置するための試料電極４３が設けられている。真空容器４１内に所望の元素を含むドーピング原料ガス、例えばＢ２Ｈ６を供給す
るためのガス供給装置４４、真空容器４１内の内部を減圧するポンプ４５が設けられ、真空容器４１内を所定の圧力に保つことができる。マイクロ波導波管４６より、誘電体窓としての石英板４７を介して、真空容器４１内にマイクロ波が放射される。このマイクロ波と、電磁石４８から形成される直流磁場の相互作用により、真空容器４１内に有磁場マイクロ波プラズマ（電子サイクロトロン共鳴プラズマ）４９が形成される。試料電極４３には、コンデンサ５０を介して高周波電源５１が接続され、試料電極４３の電位が制御できるようになっている。なお、ガス供給装置４４から供給されたガスは、ガス導入口５２から真空容器４１内に導入され、排気口５３からポンプ４５へ排気される。
この構成のプラズマ処理装置において、ガス導入口５２から導入されたドーピング原料ガス、例えばＢ２Ｈ６は、マイクロ波導波管４６及び電磁石４８から成るプラズマ発生手段によってプラズマ化され、プラズマ４９中のボロンイオンが高周波電源５１によって試料４２の表面に供給される。
ところで、Ｂ２Ｈ６よりなるドーピング原料ガスのように、シリコン基板等の試料に供給されると電気的に活性となる不純物を含むガスは、一般に、人体に有害であったり、反応性が高く、危険性が高いという問題がある。
また、プラズマドーピング法は、ドーピング原料ガスに含まれている物質の全てが試料に導入される。Ｂ２Ｈ６よりなるドーピング原料ガスを例にとって説明すると、試料に導入されたときに有効な不純物はボロンのみであるが、水素も同時に試料中に導入される。
水素が試料中に導入されると、エピタキシャル成長等、引き続き行なわれる熱処理時に試料において格子欠陥が生じるという問題がある。
そこで、試料に導入されると電気的に活性となる不純物を含む不純物固体を真空容器内に配置すると共に、真空容器内において希ガスのプラズマを発生させ、不活性ガスのイオンにより不純物固体をスパッタリングすることにより、不純物固体から不純物を分離させ、分離された不純物を試料に供給する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。図１３は、前記特許文献２に記載された従来の不純物導入方法としてのプラズマドーピング法に用いられるプラズマドーピング装置の概略構成を示している。図１３において、真空容器４１内に、シリコン基板よりなる試料４２を載置するための試料電極４３が設けられている。真空容器４１内に不活性ガスを供給するためのガス供給装置４４、真空容器４１内の内部を減圧するポンプ４５が設けられ、真空容器４１内を所定の圧力に保つことができる。そして、マイクロ波導波管４６より、誘電体窓としての石英板４７を介して、真空容器４１内にマイクロ波が放射される。このマイクロ波と、電磁石４８から形成される直流磁場の相互作用により、真空容器４１内に有磁場マイクロ波プラズマ（電子サイクロトロン共鳴プラズマ）４９が形成される。試料電極４３には、コンデンサ５０を介して高周波電源５１が接続され、試料電極４３の電位が制御できるようになっている。また、不純物元素例えばボロンを含む不純物固体５４が、固体保持台５５上に設けられ、固体保持台５５の電位が、コンデンサ５６を介して接続された高周波電源５７によって制御される。なお、ガス供給装置４４から供給されたガスは、ガス導入口５２から真空容器４１内に導入され、排気口５３からポンプ４５へ排気される。
このような構成のプラズマドーピング装置において、ガス導入口１１から導入された不活性ガス、例えばアルゴン（Ａｒ）は、マイクロ波導波管４６及び電磁石４８から成るプラズマ発生手段によってプラズマ化され、不純物固体５４からスパッタリングによりプラズマ中に飛び出した不純物元素の一部がイオン化され、試料４２の表面に導入される。
通常、試料４２の表面に酸化シリコン膜からなるゲート酸化膜を形成し、この上層にＣＶＤ法等によりゲート電極となる導電性層を形成し、これをパターニングし、ゲート電極のパターンを形成する。このようにしてゲート電極の形成された試料４２をプラズマドーピング装置にセットし、前述した方法によりゲート電極をマスクとして自己整合的に不純物の導入がなされ、ソース・ドレイン領域を形成することによりＭＯＳトランジスタが得られる。ただし、プラズマドーピング処理によって不純物を導入した後、活性化処理を行う必要がある。活性化処理とは、不純物を導入した層を、レーザーアニール、フラッシュランプアニールなどの方法を用いて加熱し、結晶中で活性な状態にする処理をいう。このとき、不純物を導入した極薄い層を効果的に加熱することにより、浅い活性化層を得ることができる。不純物を導入した極薄い層を効果的に加熱するには、不純物を導入する前に、不純物を導入しようとする極薄い層における、レーザー、ランプなどの光源から照射される光に対する吸収率を高めておく処理が行われる。この処理はプレアモルファス化と呼ばれるもので、先に示したプラズマ処理装置と同様の構成のプラズマ処理装置において、Ｈｅガスなどのプラズマを発生させ、生じたＨｅなどのイオンをバイアス電圧によって基板に向けて加速して衝突させ、基板表面の結晶構造を破壊して非晶質化するものであり、既に本件発明者らによって提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
米国特許４９１２０６５号公報 特開平０９−１１５８５１号公報 Ｙ．Ｓａｓａｋｉ ｅｔ ａｌ．，"Ｂ２Ｈ６ Ｐｌａｓｍａ Ｄｏｐｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｉｎ−ｓｉｔｕ Ｈｅ Ｐｒｅ−ａｍｏｒｐｈｙｚａｔｉｏｎ"，２００４ Ｓｙｍｐｏｓｉａ ｏｎ ＶＬＳＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ
ところで、近年の半導体装置の微細化および高集積化に伴い、不純物導入層は浅くかつ微細に形成する必要があり、極めて高精度の深さおよび不純物濃度の制御が必要となっている。このような状況の中で、従来の方式では、試料内、特に大口径化が進む中でウェハ面内で均一な不純物導入層を形成するのは困難であるという問題があった。これは不純物を含むプラズマをウェハ面内に均一な分布を持つように形成するのが困難であるのみならず、前述したプレアモルファス化工程において、試料の表面を高精度に均一な深さで非晶質化するのは極めて困難であった。
図１０は、図１２に示す従来のプラズマドーピング装置において、図１２の上から下に向けてｘ軸をとったときの、直径２００ｍｍのシリコン基板を非晶質化した際の非晶質層の厚さを測定した結果である。図１０から明らかなように、非晶質層の厚さは、試料としての基板の外周端付近、とくに基板の外周端から１０ｍｍ以内の領域で極度に高くなっている。なお、非晶質層の厚さは、エリプソメトリ法によって測定した単結晶シリコン基板上のアモルファスシリコン層の厚さである。
また非晶質層の厚さだけでなく、非晶質層を形成した後、この非晶質層表面に不純物プラズマを供給し、プラズマドーピングを行なう場合にも、同様に基板の外周端近傍で不純物濃度が高く形成されていることがわかった。
これらはいずれも、基板の外周端においてエッジ効果により、プラズマ集中が起り、これによって基板の外周端のエッジ近傍でエネルギー集中が起ってプラズマ濃度が高い状態で基板表面に到達しているものと考えられる。
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、プラズマ処理の均一性を高めることを目的とする。
また本発明は、非晶質化処理の均一性を高めることが可能な非晶質化方法および装置を提供することを目的とする。
さらにまた本発明は、不純物導入量の試料面内均一性を高めることが可能な不純物導入方法および装置を提供することを目的とする。
そこで本発明のプラズマ処理方法は、試料の表面でイオンシースの厚さが均一になるように調整しつつ、前記試料の表面にプラズマを照射することを特徴とする。
この構成により、試料に入射するプラズマの入射エネルギーが試料の外周端付近を含む全面に渡って均一化されるため、プラズマ処理の均一性を高めることが可能となる。特に表面のみでなく、表面からの深さを考慮する必要のある非晶質化処理、ドーピング処理などに対して、微細領域に高精度の処理を行う必要がある場合に、面内での均一性だけでなく深さ方向を含む３次元での制御が可能となる。
この構成による作用を以下に詳述する。
すなわち、プラズマポテンシャル（プラズマの電位）がＶＳであるプラズマ中に電位ＶＰの導体を挿入した場合、ＶＰ＜ＶＳの場合は導体周辺では負の電界が形成され、イオンを引き寄せ電子を追い返すため（イオン密度）＞（電子密度）となり、イオンだけによって構成される電荷層を生じる。逆にＶＰ＞ＶＳの場合は電子だけによる電荷層が生じる。
この電荷層をシース（Ｓｈｅａｔｈ）と呼び、電子によるものを電子シース、イオンによるものをイオンシースと呼ぶ。
一方、導体の代わりに絶縁体をプラズマ中に挿入すると、絶縁体−プラズマ間には直流電流が流れ得ないので、単位時間に飛来する電子とイオンの数は等しくなければならない。しかし、一般に電子の速度はイオンの速度に比べて十分に速いので、電子がイオンに比べてより多く絶縁体表面に到達する。したがって、表面では電子が過剰となり、表面付近に負の電界を形成し、電子電流とイオン電流が等しくなるところまで帯電が進行する。このようにして生じた負の電位をフローティングポテンシャルという。また、この場合に表面にはイオンシースが形成される。
電極に高周波電力を印加することにより、シースの電位降下ＶＳＨを大きくする（制御する）ことができる。電子の移動度はイオンの移動度よりもはるかに大きいため、印加電圧が正のときは大きな電子電流が流れ込むのに対して、印加電圧が負の時は小さなイオン電流が流れる。電極（または基板表面）は直流的にはフローティングであるから、正味の電流（電流の直流成分）がゼロになったところで定常状態となる。したがって、電極（または基板表面）が負電位に自己バイアスされることになる。一般に、自己バイアス電圧をＶＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）、高周波電圧の瞬間最大値と最小値との差をＶＰＰ（Ｐｅａｋ ｔｏ Ｐｅａｋ Ｖｏｌｔａｇｅ）と呼ぶ。電極に印加する高周波電力を大きくすると、ＶＤＣ及びＶＰＰは増加する。
本発明においては、例えば基板と台座の間の単位面積当たりの静電容量が、誘電体リングを介したプラズマと台座の間の静電容量よりも少しだけ大きくし、基板中央部と基板周辺部のイオンシースの厚さの差を緩和する。
このようにして、基板と台座の間の単位面積当たりの静電容量と、誘電体リングを介したプラズマと台座の間の静電容量との差を小さくし、プレアモルファス化処理の均一性を高めることができる
上記構成によれば、物理現象主体の処理を均一化するために、フォーカスリング（誘電体リング）等を用いることによって、基板周辺部の過剰なイオン密度を低減させたり、あるいは、基板周辺部と基板の他の場所のイオンシースの厚さを均一化させるものである。
また、本発明のプラズマ処理方法は、前記試料の表面を非晶質化する方法であるものを含む。
試料表面から所定の深さまでプラズマを導入し、このプラズマの導入された領域を非晶質化する非晶質化処理は、ドーピングの前処理あるいはドーピング中に実行される場合、不純物の導入深さを高精度に制御することができる。
また、本発明のプラズマ処理方法は、前記試料の表面に不純物を導入する方法であるものを含む。
不純物の導入すなわちドーピング処理は特に、前記試料の面内分布およびその位置での不純物のエネルギー状態で決定されるため、高精度の均一性を得ることができる。
また、本発明のプラズマ処理方法は、真空容器内の試料電極に試料を載置し、前記真空容器内に原料ガスを供給しつつ真空容器内を排気し、プラズマ源に高周波電力を供給することにより真空容器内にプラズマを発生させ、前記試料の外周端を囲むように、試料の表面とほぼ同じ高さの表面をもつ導体リングを配置した状態で、前記試料の表面にプラズマを照射する方法であるものを含む。
この構成により、試料の外周端へのプラズマの集中を回避することができるため、前記試料の表面での面内分布を均一にすることができる。
例えば、本発明の非晶質化方法は、真空容器内の試料電極に試料を載置し、ガス供給装置より真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、プラズマ源に高周波電力を供給することにより真空容器内にプラズマを発生させるとともに、試料電極に電圧を供給することによって、試料の表面の結晶層を非晶質化するに際し、試料の外周端より外側に、試料の表面とほぼ同じ高さの位置に表面をもつ導体リングを配置した状態で非晶質化することを特徴とする。
この構成により、試料の外周端付近におけるシース領域の等電位線のゆがみが緩和され、試料に入射するイオンの入射エネルギーが試料の外周端付近を含む全面に渡って均一化されるため、非晶質化処理の均一性を高めることが可能となる。
また本発明のプラズマ処理方法は、前記試料の外周端と導体リングの内周端との距離が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であるものを含む。
この構成により、基板搬送時のマージン確保と処理の均一性確保が両立できる。
また本発明のプラズマ処理方法は、試料の表面の高さと導体リングの高さの差が０．００１ｍｍ以上１ｍｍ以下であるものを含む。
この構成により、処理の均一性をより高めることが可能となる。
また本発明のプラズマ処理方法は、試料電極が、試料に近い側から第１誘電体層、静電吸着電極、第２誘電体層、台座の層構造をなしており、かつ、台座から第１誘電体層、静電吸着電極、第２誘電体層が突出しており、導体リングと台座との間に第３誘電体層が設けられている状態で、台座に電圧を印加するものを含む。また、この場合、第１誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε１、ｄ１、第２誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε２、ｄ２、第３誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε３、ｄ３としたとき、Ｃａ＝１／（ｄ１／ε１＋ｄ２／ε２）がＣｂ＝ε３／ｄ３の０．５倍以上２倍以下であるものを含む。
この構成により、台座と基板と、台座と導体リングとの間の静電容量をほぼ同程度にすることができる。ここで両者の静電容量は同程度であるのが望ましく、０．５倍に満たないと導体リング表面におけるイオンシース厚が大きくなりすぎて、試料のエッジにおけるシース電界強度が試料の中央部におけるシース電界強度よりも小さくなり、試料のエッジにおける処理速度が低くなることがある。一方２倍を越えると導体リング表面におけるイオンシース厚が小さくなりすぎて、試料のエッジにおけるシース電界強度が試料の中央部におけるシース電界強度よりも大きくなり、試料のエッジにおける処理速度が高くなることがある。なお、試料の誘電率や厚さによって若干の変動はあるが、上記条件を満たすように構成することにより均一に処理するための条件を満たすようにすることができる。
また、本発明のプラズマ処理方法は、試料電極が、試料に近い側から第１誘電体層、静電吸着電極、第２誘電体層、台座の層構造をなしており、かつ、台座から第１誘電体層、静電吸着電極、第２誘電体層が突出しており、導体リングと台座との間に第３誘電体層が設けられている状態で、静電吸着電極に電圧を印加してもよい。そして、第１誘電体層の比誘電率及び厚さをそれぞれε１、ｄ１、第２誘電体の比誘電率及び厚さをそれぞれε２、ｄ２、第３誘電体の比誘電率及び厚さをそれぞれε３、ｄ３、試料がプラズマにさらされる面の面積をＳ１、導体リングがプラズマにさらされる面の面積をＳ２としたとき、Ｃｃ＝ε１／ｄ１がＣｄ＝１／（ｄ２×Ｓ２／ε２×Ｓ１＋ｄ３／ε３）の０．５倍以上２倍以下であることを特徴とするものを含む。
この構成により、同様に試料電極と基板と、試料電極と導体リングとの間の静電容量をほぼ同程度にすることができる。ここで両者の静電容量は同程度であるのが望ましく、０．５倍に満たないと導体リング表面のシース厚が大きくなりすぎて、試料のエッジにおけるシース電界強度が試料の中央部におけるシース電界強度よりも小さくなり、試料のエッジにおける処理速度が低くなることがある。一方２倍を越えると導体リング表面におけるイオンシース厚が小さくなりすぎて、試料のエッジにおけるシース電界強度が試料の中央部におけるシース電界強度よりも大きくなり、試料のエッジにおける処理速度が高くなることがある。なお、試料の誘電率や厚さによって若干の変動はあるが、上記条件を満たすように構成することにより均一に処理するための条件を満たすようにすることができる。
また本願のプラズマ処理方法は、試料の外周端より外側に、試料の表面よりも１ｍｍ以上高い位置に表面をもつフォーカスリングを配置した状態でプラズマ処理するようにしたものを含む。
この構成により、試料の外周端付近におけるフォーカスリングにプラズマを集中させることにより、シース領域の等電位線のゆがみが緩和され、試料に入射するイオンあるいはプラズマの入射エネルギーが試料の外周端付近を含む全面に渡って均一化されるため、非晶質化処理の均一性を高めることが可能となる。
また本願のプラズマ処理方法は、試料の外周端とフォーカスリングの内周端との距離が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であるものを含む。
この構成により、基板搬送時のマージン確保と処理の均一性確保が両立できる。ここでこの距離が１ｍｍにみたないと、基板搬送が難しく、１０ｍｍを越えると等電位線のゆがみ緩和効果を得るのが難しくなる。
また本願のプラズマ処理方法は、試料の表面の高さとフォーカスリングの高さの差が１ｍｍ以上１５ｍｍ以下であるものを含む。
この構成により、処理の均一性をより高めることが可能となる。
また本願のプラズマ処理方法は、真空容器内の試料を載置するための段差部が設けられたトレー上に、前記試料を載置し、前記真空容器内に原料ガスを供給しつつ真空容器内を排気し、プラズマ源に高周波電力を供給することにより真空容器内にプラズマを発生させ、
前記段差部の外側におけるトレーの表面の高さが、試料の表面とほぼ同じ高さに位置するように調整しつつプラズマを前記試料の表面に照射するようにしたものを含む。
この構成により、試料の外周端付近におけるシース領域の等電位線のゆがみが緩和され、試料に入射するイオンの入射エネルギーが試料の外周端付近を含む全面に渡って均一化されるため、非晶質化処理の均一性を高めることが可能となる。
また本願のプラズマ処理方法は、試料の外周端と段差部の内周端との距離が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であるものを含む。
この構成により、基板搬送時のマージン確保と処理の均一性確保が両立できる。
また本願のプラズマ処理方法は、試料の表面の高さと段差部の外側におけるトレーの表面の高さの差が０．００１ｍｍ以上１ｍｍ以下であるものを含む。
この構成により、処理の均一性をより高めることが可能となる。
また本願のプラズマ処理方法は、試料がシリコン基板であり、トレーがシリコン製であるものを含む。
この構成により、基板の汚染を最小限に抑えることができる。
また本願のプラズマ処理方法はトレーを試料電極に押しつけた状態でプラズマ処理するものを含む。
この構成により、試料電極を介して基板上の熱が効率よく放出されるようにすることができ基板の温度をより精密に制御することが可能となる。
また本願のプラズマ処理方法は、プラズマを発生させる工程と、プラズマを停止させるとともに真空容器内の圧力を、プラズマを発生させる工程よりも高くした工程とを交互に繰り返すようにしたものを含む。
この構成とすることにより、プラズマを発生させる工程によって基板に蓄積された熱を、プラズマを停止させるとともに真空容器内の圧力を、プラズマを発生させる工程よりも高くする工程において、試料電極側に逃がすことが可能となり、基板の温度をより精密に制御することが可能となる。
この場合、プラズマを停止させるとともに真空容器内の圧力を、プラズマを発生させるステップよりも高くする工程における真空容器内の圧力が、１００Ｐａ以上１０００Ｐａ以下であることがさらに望ましい。
この構成により、基板の温度をより精密に制御することが可能となる。
本発明のプラズマ処理装置は、真空容器と、前記真空容器内に配置され、試料を載置する試料電極と、前記真空容器内にガスを供給するガス供給装置と、前記真空容器内を排気する排気装置と、前記真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、プラズマ源と、プラズマ源に高周波電力を供給する高周波電源と、前記試料電極に電圧を供給する電圧源とを備え、前記試料の表面でプラズマが均一なエネルギー状態をもつように調整しつつ、前記試料の表面にプラズマを照射するように、前記試料電極の周縁に補助部材を配したことを特徴とする。
また、本発明のプラズマ処理装置は、前記プラズマは前記試料の表面を非晶質化するように調整されたプラズマであるものを含む。
本発明のプラズマ処理装置は、前記プラズマは前記試料の表面に不純物を導入するように調整されるものを含む。
本発明のプラズマ処理装置は、前記試料電極は前記試料を載置する突出部を具備しており、前記補助部材は、前記試料の外周端を囲むように、試料の表面とほぼ同じ高さの表面を持つように配置した導体リングであるものを含む。
この構成により、試料の外周端付近におけるシース領域の等電位線のゆがみが緩和され、試料に入射するイオンの入射エネルギーが試料の外周端付近を含む全面に渡って均一化されるため、非晶質化処理の均一性を高めることが可能となる。
本発明のプラズマ処理装置は、前記試料の外周端と導体リングの内周端との距離が２ｍｍ以上１１ｍｍ以下であるものを含む。
この構成により、基板搬送時のマージン確保と処理の均一性確保が両立できる。
本発明のプラズマ処理装置は、試料電極の表面の高さと導体リングの高さの差が０．００１ｍｍ以上２ｍｍ以下であるものを含む。
この構成により、処理の均一性をより高めることが可能となる。
本発明のプラズマ処理装置は、試料電極が、試料に近い側から第１誘電体層、静電吸着電極、第２誘電体層、台座の層構造をなしており、かつ、台座から第１誘電体層、静電吸着電極、第２誘電体層が突出しており、導体リングと台座との間に第３誘電体層が設けられている状態で、台座に電圧を印加するものを含む。
また本発明のプラズマ処理装置は、第１誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε１、ｄ１、第２誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε２、ｄ２、第３誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε３、ｄ３としたとき、Ｃａ＝１／（ｄ１／ε１＋ｄ２／ε２）がＣｂ＝ε３／ｄ３の０．５倍以上２倍以下であるものを含む。
この構成により、基板の温度を精密に制御しつつ、処理の均一性を高めることが可能となる。
また本発明のプラズマ処理装置、試料電極が、試料に近い側から第１誘電体層、静電吸着電極、第２誘電体層、台座の層構造をなしており、かつ、台座から第１誘電体層、静電吸着電極、第２誘電体層が突出しており、導体リングと台座との間に第３誘電体層が設けられている状態で、静電吸着電極に電圧を印加するものを含む。
本発明のプラズマ処理装置は、第１誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε１、ｄ１、第２誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε２、ｄ２、第３誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε３、ｄ３としたとき、Ｃｃ＝ε１／ｄ１がＣｄ＝１／（ｄ２／ε２＋ｄ３／ε３）の０．５倍以上２倍以下であるものを含む。
この構成により、基板の温度を精密に制御しつつ、処理の均一性を高めることが可能となる。
本発明のプラズマ処理装置は、前記試料電極が突出部を具備しており、試料電極の突出部の表面よりも１ｍｍ以上高い位置に表面をもつようにフォーカスリングを配置したものを含む。
この構成により、試料の外周端付近におけるシース領域の等電位線のゆがみが緩和され、試料に入射するプラズマあるいはイオンの入射エネルギーが試料の外周端付近を含む全面に渡って均一化されるため、非晶質化処理の均一性を高めることが可能となる。
本発明のプラズマ処理装置は、試料の外周端とフォーカスリングの内周端との距離が２ｍｍ以上１１ｍｍ以下であるものを含む。
この構成により、基板搬送時のマージン確保と処理の均一性確保を両立することができる。
本発明のプラズマ処理装置は、試料の表面の高さとフォーカスリングの高さの差が２ｍｍ以上１６ｍｍ以下であるものを含む。
この構成により、処理の均一性をより高めることが可能となる。
以上説明してきたように、本発明のプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置によれば、処理の均一性を高め、高精度で信頼性の高いプラズマ処理を実現することができる。
また、特に、不純物導入層を形成するに際し、非晶質化処理の均一性を高めることが可能となる。
さらにまた、不純物プラズマを用いたプラズマドーピングにおいても供給される不純物量を高精度に制御することができる。
以下本発明の実施の形態について、説明するが、説明に先立ち、本発明の原理について図面を参照しつつ詳細に説明する。
本発明のプラズマ処理方法は、試料の表面でイオンシースの厚さが均一になるように調整しつつ、前記試料の表面にプラズマを照射するものであり、この構成による作用を以下に詳述する。
すなわち、前述したように、プラズマポテンシャル（プラズマの電位）がＶＳであるプラズマ中に電位ＶＰの導体を挿入した場合、ＶＰ＜ＶＳの場合は導体周辺では負の電界が形成され、イオンを引き寄せ電子を追い返すため（イオン密度）＞（電子密度）となり、イオンだけによって構成される電荷層を生じる。逆にＶＰ＞ＶＳの場合は電子だけによる電荷層が生じる。
一方、導体の代わりに絶縁体をプラズマ中に挿入すると、絶縁体−プラズマ間には直流電流が流れ得ないので、単位時間に飛来する電子とイオンの数は等しくなければならない。しかし、一般に電子の速度はイオンの速度に比べて断然速いので、電子がイオンに比べてより多く絶縁体表面に到達する。したがって、表面では電子が過剰となり、表面付近に負の電界を形成し、電子電流とイオン電流が等しくなるところまで帯電が進行する。このようにして負の電位であるフローティングポテンシャルが生じるとともに、この場合に表面にはイオンシースが形成される。
電極に高周波電力を印加することにより、シースの電位降下ＶＳＨを大きくする（制御する）ことができる。電極（または基板表面）の電流−電圧特性の一例を図１に示す。図１からわかるように、電子の移動度はイオンの移動度よりもはるかに大きいため、印加電圧が正のときは大きな電子電流が流れ込むのに対して、印加電圧が負の時は小さなイオン電流が流れる。電極（または基板表面）は直流的にはフローティングであるから、正味の電流（電流の直流成分）がゼロになったところで定常状態となる。したがって、電極（または基板表面）が負電位に自己バイアスされることになる。電極に印加する高周波電力を大きくすると、自己バイアス電圧ＶＤＣ及び高周波電圧の瞬間最大値と最小値との差ＶＰＰは増加する。
図２に誘電体リングを設けない場合（図８に相当）における基板近傍のシースの様子を示す。Ｂ−１は、イオンシースとバルクプラズマの境界を示す。基板９には台座１６から、第２誘電体層１５、静電吸着電極１４、第１誘電体層１３を介して高周波電圧が印加される。したがって、基板９とプラズマ間に高周波電流が流れる。一方、誘電体リング１９（一般に、比誘電率が４程度の石英ガラスが用いられ、また、第１誘電体層１３と第２誘電体層１５の厚さを合計した厚さにほぼ等しい厚さを有しているため、単位面積当たりの静電容量は極めて小さい）を介して、台座１６とプラズマ間にも高周波電流が流れる。
なお、一般に静電吸着用に用いられている第１及び第２誘電体層は、セラミックス製であり、その比誘電率は４よりも大きく、典型的には８〜１２程度である。また、基板９の表面と誘電体リング１９の表面の高さが同じ場合、基板９の厚さの分だけ、誘電体リング１９の厚さは、第１誘電体層１３の厚さと第２誘電体層１５の厚さの合計よりも厚くなる。以上述べたことから、基板９と台座１６の間の単位面積当たりの静電容量は、誘電体リング１９を介したプラズマと台座１６の間の静電容量よりも大きくなる。
その結果、プラズマと基板９間に流れる単位面積当たりの電流は、誘電体リング１９を介してプラズマと台座間に流れる単位面積当たりの電流よりもはるかに大きいものとなる。したがって、基板９の周辺部を除く部分においては、図２のようにイオンシース厚が大きくなり、イオンシースにおける電圧降下が大きくなる。
図２より、基板周辺部において、イオンシースとバルクプラズマの境界Ｂ−１が、基板中央部よりも近くなっていることがわかる。基板９の電位は中央部と周辺部で一致するから、結局、基板周辺部のイオンシースにおける電界強度は、基板中央部のイオンシースにおける電界強度よりもはるかに高くなる。このことが、基板周辺部における基板９に入射するイオンのエネルギーが、基板中央部における基板９に入射するイオンのエネルギーよりも大きくなるという現象に繋がり、基板周辺部のプレアモルファス化処理速度が、基板中央部のプレアモルファス化処理速度よりも大きくなるという結果を引き起こしているものと考えられる。
本発明においては、図３のイオンシースとバルクプラズマの境界Ｃ−１が示すように、基板中央部と基板周辺部のイオンシースの厚さの差が緩和される。図３は、基板９と台座１６の間の単位面積当たりの静電容量が、誘電体リング１９を介したプラズマと台座１６の間の静電容量よりも少しだけ大きい場合を示している。
一方、図４は、基板９と台座１６の間の単位面積当たりの静電容量が、誘電体リング１９を介したプラズマと台座１６の間の静電容量よりも少しだけ小さい場合を示している。
このように、基板９と台座１６の間の単位面積当たりの静電容量と、誘電体リング１９を介したプラズマと台座１６の間の静電容量との差を小さくすることが、プレアモルファス化処理の均一性を高めるのに重要であることを、我々は実験的に見いだすとともに、適切なモデルを提示することができた。
このように、本発明で用いているフォーカスリングは、ドライエッチング技術におけるフォーカスリングと構造上の類似はあるものの、導入による効果は全く異なる。プレアモルファス化処理は、プラズマ中の不活性ガスイオン（化学反応性をほとんど有しない）を基板表面に衝突させることにより行われる。このとき、基板を構成する元素はほとんど揮発せず、エッチングなどの化学反応はほとんど起きない（基板表面のアモルファス化が起きる）。また、プラズマドーピング処理は、プラズマ中のＢなどのシリコンとの化学反応性をほとんど有しないイオンを基板表面に衝突させることにより行われる。このとき、基板を構成する元素はほとんど揮発せず、エッチングなどの化学反応はほとんど起きない（基板中にＢイオンなどが残存する）。これらは、いずれも物理的な現象であり、ドライエッチング技術のような化学反応主体の現象ではない。
本発明は、このような物理現象主体の処理を均一化するために、フォーカスリング（誘電体リング）等を用いることによって、基板周辺部の過剰なイオン密度を低減させたり、あるいは、基板周辺部と基板の他の場所のイオンシースの厚さを均一化させるものである。したがって、本発明で用いた導体リングやフォーカスリング等は、従来のドライエッチング技術において用いられたフォーカスリング等とは目的及び効果の面で大きく異なるものである。
これに対し、ドライエッチング技術においては、所謂ローディング効果が生じ、基板周辺部のエッチング速度が高くなる傾向がある。基板周辺部近傍においては、エッチング反応生成物の濃度が基板の他の場所の近傍に比べて小さくなるため、逆にエッチャント（反応性のハロゲンラジカルに代表されるエッチング反応種）の濃度が基板の他の場所の近傍に比べて高くなる（ローディング効果）。このことが、基板周辺部のエッチング速度が高くなる理由である。これを防止する目的で、従来からフォーカスリングが利用されている。フォーカスリングを導入することにより、基板周辺部から発生するエッチング反応生成物が基板周辺部近傍に滞留しやすくなり、基板周辺部近傍のエッチング反応生成物の濃度と、基板の他の場所の近傍におけるエッチング反応生成物の濃度がほぼ等しくなる。したがって、基板周辺部近傍のエッチャント濃度と、基板の他の場所の近傍におけるエッチャント濃度がほぼ等しくなり、エッチング速度分布が均一化されるという効果を奏する。
このように、ドライエッチング技術において用いられていたフォーカスリングは、化学反応主体のエッチング反応を均一化するために、反応性の粒子濃度分布の均一化を図るためのものであり、作用効果がまったく異なる。
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図５乃至図８を参照して説明する。
本実施の形態では、不純物の導入に先立ち、基板の表面層の不純物を導入すべき領域にプラズマを照射することにより、非晶質化するに際し、試料としての単結晶シリコン基板の外周端を囲むように導電リングを配した状態で、非晶質化処理を行なうようにしたことを特徴とするものである。
図５に、本発明の実施の形態１の非晶質化方法で用いられる非晶質化装置の断面図を示す。この非晶質化装置は、図５に示すように、真空容器１と、真空容器１内を排気する排気装置としてのターボ分子ポンプ３と、真空容器１内の圧力を制御する調圧弁４と、試料電極６に対向した誘電体窓７の近傍に設けられたプラズマ源としてのコイル８と、コイル８に１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給する高周波電源５と、試料電極６に電圧を供給する電圧源としての高周波電源１０とで構成されている。ここで１１はガス導入口であり、１２は排気口である。
図５において、真空容器１内に、ガス供給装置２から所定のガスを導入しつつ、排気装置としてのターボ分子ポンプ３により排気を行い、調圧弁４により真空容器１内を所定の圧力に保つことができる。そして高周波電源５により１３．５６ＭＨｚの高周波電力を試料電極６に対向した誘電体窓７の近傍に設けられたコイル８に供給することにより、真空容器１内に誘導結合型プラズマを発生させることができる。また、試料電極６に高周波電力を供給するための高周波電源１０が設けられており、これは、試料としての基板９がプラズマに対して負の電位をもつように、試料電極６の電位を制御する電圧源として機能する。なお、ガス供給装置２から供給されたガスは、ガス導入口１１から真空容器１内に導入される。また、真空容器１内のガスは、排気口１２からポンプ３へ排気される。
図６は、試料電極６上にシリコン基板９が載置されている部分を拡大表示した詳細断面図である。図６において、試料電極６は、試料としてのシリコン基板９に近い側から第１誘電体層１３と、静電吸着電極１４と、第２誘電体層１５と、台座１６の層構造をなしており、かつ、台座１６から第１誘電体層１３、静電吸着電極１４、第２誘電体層１５が突出している。そして突出している部分の周辺に、リング状の第３誘電体層１７、導体リング１８が設けられており、導体リング１８と台座１６との間に第３誘電体層１７が設けられている。なお、導体リング１８は、試料としてのシリコン基板９の外周端より外側に配置され、シリコン基板９の表面とほぼ同じ高さの位置に表面をもつように構成されている。静電吸着電極１４には直流電圧が印加され、シリコン基板９は試料電極６の突出部の表面である第１誘電体層１３に吸着されることによりシリコン基板９の温度が精密に制御されるようになっている。
まず非晶質化処理に先立ち、試料としてのシリコン基板表面に、ゲート電極を形成する。すなわち、単結晶シリコン基板の表面に酸化シリコン膜からなるゲート酸化膜を形成し、この上層にＣＶＤ法等によりゲート電極となる導電性層を形成し、これをパターニングし、ゲート電極のパターンを形成する。
このようにしてゲート電極の形成されたシリコン基板９を試料電極６に載置した後、試料電極６の温度を２５℃に保ちながら、真空容器１内を排気口１２から排気しつつ、ガス導入口１１より真空容器１内にヘリウムガスを５０ｓｃｃｍ供給し、調圧弁４を制御して真空容器１内の圧力を１Ｐａに保つ。
次に、プラズマ源としてのコイル８に高周波電力を８００Ｗ供給することにより、真空容器１内にプラズマを発生させるとともに、試料電極６の台座１６に２００Ｗの高周波電力を供給することにより、シリコン基板９の表面の結晶層を非晶質化することができた。
図７は、図５または図６の左から右に向かう方向にｘ軸をとったときの、直径２００ｍｍのシリコン基板を非晶質化した際の非晶質層の厚さを測定した結果である。図７から明らかなように、非晶質層の厚さが基板の外周端付近の領域で極度に高くなることはなく、均一性は±１．５９％へと大きく向上した。ちなみに導電リングを配置しない従来の構造の非晶質化処理装置を用いた場合は非晶質層の厚さの測定位置に対するばらつきは±３．２６％であった。これは、基板９の外周端付近におけるシース領域の等電位線のゆがみが緩和され、基板９に入射するイオンの入射エネルギーが基板９の外周端付近を含む全面に渡って均一化されたためであると考えられる。
なお、第１誘電体層１３の比誘電率および厚さをそれぞれε１、ｄ１、第２誘電体層１５の比誘電率および厚さをそれぞれε２、ｄ２、第３誘電体層１７の比誘電率および厚さをそれぞれε３、ｄ３としたとき、基板９と台座１６の間の単位面積あたりの静電容量は、Ｃａ＝１／（ｄ１／ε１＋ｄ２／ε２）、導体リング１８と台座１６の間の単位面積あたりの静電容量は、Ｃｂ＝ε３／ｄ３と表わすことができる。本実施の形態においては、Ｃａ＝１．２Ｃｂとなるように、各誘電体層の比誘電率および厚さを選定した。このように導電リングと台座１６との間の単位面積あたりの静電容量Ｃａ、Ｃｂは同程度とするのが望ましい。ＣａとＣｂが大きく異なる場合は、静電容量の大きい方の単位面積あたりの高周波インピーダンスが小さくなり、基板９と導体リング１８に流入するイオン電流密度（単位面積あたりのイオン電流）が大きく異なることとなり、非晶質化処理の均一性を損なう原因となる。我々の実験によれば、ＣａがＣｂの０．５倍以上２倍以下である場合に、良好な面内均一性を確保することができた。
比較のため、図８のように、導体リングを設けることなく板９の周辺に誘電体リング１９を配置した構成において同様の実験を行ったところ、従来例と同様に、非晶質層の厚さが基板の外周端付近の領域で極度に高くなり、均一性は±３．３１％であった。
なお、本実施の形態においては、基板９の外周端と導体リング１８の内周端との距離Ａを１．５ｍｍとしたが、Ａは１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが望ましい。Ａが１ｍｍ未満であると、基板搬送時に搬送誤差によって導体リング１８に基板９が乗り上げる恐れがあり、搬送マージンの確保が十分でない点において好ましくない。また、Ａが１０ｍｍよりも大きいと、基板９の外周端付近の領域における非晶質層の厚さの極度な上昇が生じる場合があり、好ましくない。基板９の直径（代表長さ）は、試料電極６の突出部の直径（代表長さ）よりも約１ｍｍ大きく設計されるのが通常であるから、試料電極６の突出部の外周端と導体リング１８の内周端との距離は、２ｍｍ以上１１ｍｍ以下であることが望ましい。
また、本実施の形態においては、基板９の表面の高さと導体リング１８の高さの差Ｂを、０．３ｍｍとしたが、Ｂは０．００１ｍｍ以上１ｍｍ以下であることが望ましい。Ｂを０．００１ｍｍとすることは設計上困難であり、また、Ｂが１ｍｍより大きいと、基板９の外周端付近の領域における非晶質層の厚さの極度な低下または上昇が生じる場合があり、好ましくない。基板の厚さは約１ｍｍであるから、試料電極６の突出部の表面の高さと導体リング１８の高さの差は、０．００１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが望ましい。
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施の形態においては、実施の形態１において用いたものと同様の非晶質化装置を用いた。ただし、イオンエネルギーを制御するための高周波電圧を、図８における台座１６に印加するのではなく、静電吸着電極１４に印加した。この場合においても、処理の均一性の向上を確認することができた。
なおここで第１誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε１、ｄ１、第２誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε２、ｄ２、第３誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε３、ｄ３とし、静電吸着電極の面積をＳ１、導電リングの表面積をＳ２としたとき、静電吸着電極と試料間のキャパシタンスは、ε１×Ｓ１／ｄ１となり、静電吸着電極と導体リング間のキャパシタンスは、１／（ｄ２／ε２×Ｓ１＋ｄ３／ε３×Ｓ２）となる。
したがって、試料に流れ込むＲＦ電流と、導体リングに流れ込むＲＦ電流の比は、ε１×Ｓ１／ｄ１：１／（ｄ２／ε２×Ｓ１＋ｄ３／ε３×Ｓ２）となる。
単位面積当たりでは、各々をＳ１、Ｓ２で割ればよいため、ε１／ｄ１：１／（ｄ２×Ｓ２／ε２×Ｓ１＋ｄ３／ε３）となる。
本実施の形態においては、Ｃｃ＝１．１Ｃｄとなるように、各誘電体層の比誘電率および厚さを選定した。ＣｃとＣｄが大きく異なる場合は、静電容量の大きい方の単位面積あたりの高周波インピーダンスが小さくなり、基板と導体リングに流入するイオン電流密度（単位面積あたりのイオン電流）が大きく異なることとなり、非晶質化処理の均一性を損なう原因となる。我々の実験によれば、ＣｃがＣｄの０．５倍以上２倍以下である場合に、良好な面内均一性を確保することができた。
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について、図９を参照して説明する。
本実施の形態においては、実施の形態１において用いたものと同様の非晶質化装置を用いた。ただし、試料電極６の構造は、図９に示す詳細断面図のような構成とした。図９において、試料電極６は、試料としての基板９に近い側から第１誘電体層１３、静電吸着電極１４、第２誘電体層１５、台座１６の層構造をなしており、かつ、台座１６から第１誘電体層１３、静電吸着電極１４、第２誘電体層１５が突出している。突出している部分の周辺に、誘電体リング１９が設けられ、誘電体リング１９の上に誘電体製のフォーカスリング２０が設けられている。基板９の外周端とフォーカスリングの内周端との距離Ｃは６ｍｍである。また、フォーカスリング２０は、試料としての基板９の外周端より外側に配置され、基板９の表面よりも７ｍｍ高い位置に表面をもっている。すなわち、試料としての基板９の表面の高さとフォーカスリング２０の高さの差Ｄは、７ｍｍである。また、基板９を試料電極６の突出部の表面である第１誘電体層１３に吸着させることにより基板の温度を精密に制御するため、静電吸着電極１４には直流電圧が印加される。
基板９を試料電極６に載置した後、試料電極６の温度を２５℃に保ちながら、真空容器１内を排気口１２から排気しつつ、ガス導入口１１より真空容器１内にヘリウムガスを５０ｓｃｃｍ供給し、調圧弁４を制御して真空容器１内の圧力を１Ｐａに保つ。次に、プラズマ源としてのコイル８に高周波電力を８００Ｗ供給することにより、真空容器１内にプラズマを発生させるとともに、試料電極６の台座１６に２００Ｗの高周波電力を供給することにより、シリコン基板９の表面の結晶層を均一に非晶質化することができた。
このように、非晶質層の厚さが基板の外周端付近の領域で極度に高くなることはなく、均一性が大きく向上したのは、基板９の外周端付近におけるシース領域の等電位線のゆがみが緩和され、基板９に入射するイオンの入射エネルギーが基板９の外周端付近を含む全面に渡って均一化されたためであると考えられる。
なお、試料としての基板９の外周端とフォーカスリング２０の内周端との距離Ｃは、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが望ましい。１ｍｍ未満である場合、基板９の外周端における非晶質層の厚さが小さくなりすぎる場合があり、好ましくない。逆に１０ｍｍより大きい場合、基板９の外周端における非晶質層の厚さの極度な上昇が生じることがあり、好ましくない。基板９の直径（代表長さ）は、試料電極６の突出部の直径（代表長さ）よりも約１ｍｍ大きく設計されるのが通常であるから、試料電極６の突出部の外周端とフォーカスリング２０の内周端との距離は、２ｍｍ以上１１ｍｍ以下であることが望ましいといえる。
また、試料としての基板９の表面の高さとフォーカスリング２０の高さの差Ｄは、１ｍｍ以上１５ｍｍ以下であることが好ましい。１ｍｍ未満である場合、基板９の外周端における非晶質層の厚さの極度な上昇が生じることがあり、好ましくない。逆に１５ｍｍより大きい場合、基板９の外周端における非晶質層の厚さが小さくなりすぎる場合があり、好ましくない。基板の厚さは約１ｍｍであるから、試料電極６の突出部の表面の高さとフォーカスリング２０の高さの差は、２ｍｍ以上１６ｍｍ以下であることが望ましいといえる。
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４について、図１０を参照して説明する。
本実施の形態においては、試料電極６上に、試料としてのシリコン基板９の外形に符合する凹部を備えたシリコン製のトレー２１を設け、シリコン基板９がその表面とほぼ同じ高さのリング状表面をもつようにしたことを特徴とするものである。
実施の形態１において用いたものと同様の非晶質化装置を用いた。ただし、試料電極６の構造は、図１０に示す詳細断面図に示す構成とした。図１０において、試料電極６上に、シリコン製トレー２１に搭載された基板９を載置する。トレー２１は、常時試料電極６上に設けておいてもよいし、大気中で基板９をトレー２１上に載置して、試料基板６まで搬送するようにしてもよい。
前者の場合、搬送系の構成が簡単になるという利点がある。後者の場合、トレー２１の消耗に伴ってトレー２１を交換する際に、真空容器１を大気開放する必要がないという利点がある。また、トレーの内側に試料を載置すべく段差部が設けられており、段差部の外側におけるトレーの表面の高さが、試料の表面とほぼ同じ高さに位置するよう、構成されている。
基板９を載せたトレー２１を試料電極６に載置した後、試料電極６の温度を１５℃に保ちながら、真空容器１内を排気口１２から排気しつつ、ガス導入口１１より真空容器１内にヘリウムガスを５０ｓｃｃｍ供給し、調圧弁４を制御して真空容器１内の圧力を１Ｐａに保つ。次に、プラズマ源としてのコイル８に高周波電力を８００Ｗ供給することにより、真空容器１内にプラズマを発生させるとともに、試料電極６に２００Ｗの高周波電力を供給することにより、シリコン基板９の表面の結晶層を均一に非晶質化することができた。
このように、非晶質層の厚さが基板の外周端付近の領域で極度に高くなることはなく、均一性が大きく向上したのは、基板９の外周端付近におけるシース領域の等電位線のゆがみが緩和され、基板９に入射するイオンの入射エネルギーが基板９の外周端付近を含む全面に渡って均一化されたためであると考えられる。
本実施の形態においては、試料としての基板９の外周端と段差部の内周端との距離Ｅを１ｍｍとしたが、Ｅは１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。Ｅが１ｍｍ未満であると、基板搬送時に搬送誤差によってトレー２１の段差部の外側に基板９が乗り上げる恐れがあり、搬送マージンの確保が十分でない点において好ましくない。また、Ｅが１０ｍｍよりも大きいと、基板９の外周端付近の領域における非晶質層の厚さの極度な上昇が生じる場合があり、好ましくない。
また、本実施の形態においては、試料としての基板９の表面の高さと段差部の外側におけるトレー２１の表面の高さの差Ｆを０．４ｍｍとしたが、Ｆは０．００１ｍｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。Ｆを０．００１ｍｍとすることは設計上困難であり、また、Ｆが１ｍｍより大きいと、基板９の外周端付近の領域における非晶質層の厚さの極度な低下または上昇が生じる場合があり、好ましくない。
また、試料がシリコン基板であり、トレーがシリコン製である場合を例示したが、この構成により、基板の汚染を最小限に抑えることができる。
また、図１１に変形例を示すように、トレー２１をクランプリング２２で試料電極に押しつけた状態で非晶質化することも可能である。この構成により、トレー２１と試料電極６との熱伝導が向上し、基板９の温度をより精密に制御することが可能となる。
また、プラズマを発生させる工程と、プラズマを停止させるとともに真空容器内の圧力を、プラズマを発生させる工程よりも高くする工程とを交互に繰り返してもよい。この構成とすることにより、プラズマを発生させる工程によって基板９に蓄積された熱を、プラズマを停止させるとともに真空容器内の圧力を、プラズマを発生させる工程よりも高くする工程において、基板９とトレー２１間、および、トレー２１と試料電極６間に流れ込んだガスを通じた熱伝達によって、試料電極６側に逃がすことが可能となり、基板９の温度をより精密に制御することが可能となる。
この場合、プラズマを停止させるとともに真空容器内の圧力を、プラズマを発生させる工程よりも高くする工程における真空容器内の圧力が、１００Ｐａ以上１０００Ｐａ以下であることが好ましい。１００Ｐａ未満だと、熱を逃がす効果が小さく、基板９の温度を下げるのに時間がかかりすぎる。逆に１０００Ｐａより大きいと、圧力の増加／減少に時間がかかりすぎる。
以上述べた本発明の実施の形態においては、本発明の適用範囲のうち、真空容器の形状、プラズマ源の方式および配置等に関して様々なバリエーションのうちの一部を例示したに過ぎない。本発明の適用にあたり、ここで例示した以外にも様々なバリエーションが考えられることは、いうまでもない。
例えば、コイル８を平面状としてもよく、あるいは、ヘリコン波プラズマ源、磁気中性ループプラズマ源、有磁場マイクロ波プラズマ源（電子サイクロトロン共鳴プラズマ源）を用いてもよいし、平行平板型プラズマ源を用いてもよい。
また、ヘリウム以外の不活性ガスを用いてもよく、ネオン、アルゴン、クリプトンまたはキセノン（ゼノン）のうち少なくともひとつのガスを用いることができる。これらの不活性ガスは、試料への悪影響が他のガスよりも小さいという利点がある。
また、試料が単結晶シリコン基板である場合を例示したが、多結晶シリコン基板、ＧａＡｓなどの化合物半導体基板など、他の様々な材質の試料を処理するに際して、本発明を適用することができる。
本発明の非晶質化方法および装置は、非晶質化処理の均一性を高めることが可能であり、半導体の不純物ドーピング工程をはじめ、液晶などで用いられる薄膜トランジスタの製造や、各種材料の表面改質等の用途にも適用できる。
本発明の非晶質化装置の原理を示す説明図 本発明の非晶質化装置の原理を示す説明図 本発明の非晶質化装置の原理を示す説明図 本発明の非晶質化装置の原理を示す説明図 本発明の実施の形態１で用いた非晶質化装置の構成を示す断面図 本発明の実施の形態１における試料電極の詳細断面図 本発明の実施の形態１における非晶質層の厚さを測定した結果を示すグラフ 本発明の実施の形態１における試料電極の詳細断面図 本発明の実施の形態３における試料電極の詳細断面図 本発明の実施の形態４における試料電極の詳細断面図 本発明の実施の形態４における試料電極の詳細断面図 従来例で用いたプラズマドーピング装置の構成を示す断面図 従来例で用いたプラズマドーピング装置の構成を示す断面図 従来例における非晶質層の厚さを測定した結果を示すグラフ
符号の説明
１ 真空容器
２ ガス供給装置
３ ターボ分子ポンプ
４ 調圧弁
５ 高周波電源
６ 試料電極
７ 誘電体窓
８ コイル
９ 基板
１０ 高周波電源
１１ ガス導入口
１２ 排気口
【０００４】
［００１１］
ところで、近年の半導体装置の微細化および高集積化に伴い、不純物導入層は浅くかつ微細に形成する必要があり、極めて高精度の深さおよび不純物濃度の制御が必要となっている。このような状況の中で、従来の方式では、試料内、特に大口径化が進む中でウェハ面内で均一な不純物導入層を形成するのは困難であるという問題があった。これは不純物を含むプラズマをウェハ面内に均一な分布を持つように形成するのが困難であるのみならず、前述したプレアモルファス化工程において、試料の表面を高精度に均一な深さで非晶質化するのは極めて困難であった。
［００１２］
図１０は、図１２に示す従来のプラズマドーピング装置において、図１２の上から下に向けてｘ軸をとったときの、直径２００ｍｍのシリコン基板を非晶質化した際の非晶質層の厚さを測定した結果である。図１０から明らかなように、非晶質層の厚さは、試料としての基板の外周端付近、とくに基板の外周端から１０ｍｍ以内の領域で極度に高くなっている。なお、非晶質層の厚さは、エリプソメトリ法によって測定した単結晶シリコン基板上のアモルファスシリコン層の厚さである。
［００１３］
また非晶質層の厚さだけでなく、非晶質層を形成した後、この非晶質層表面に不純物プラズマを供給し、プラズマドーピングを行なう場合にも、同様に基板の外周端近傍で不純物濃度が高く形成されていることがわかった。
［００１４］
これらはいずれも、基板の外周端においてエッジ効果により、プラズマ集中が起り、これによって基板の外周端のエッジ近傍でエネルギー集中が起ってプラズマ濃度が高い状態で基板表面に到達しているものと考えられる。
［００１５］
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、プラズマ処理の均一性を高めることを目的とする。
［００１６］
また本発明は、非晶質化処理の均一性を高めることが可能な非晶質化方法および装置を提供することを目的とする。
［００１７］
さらにまた本発明は、不純物導入量の試料面内均一性を高めることが可能な不純物導入方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
［００１８］
そこで本発明のプラズマ処理方法は、試料の表面でイオンシースの厚さが均一になるように調整しつつ、前記試料の表面にプラズマを照射することを特徴とする。
すなわち、真空容器内の試料電極に試料を載置し、前記真空容器内に原料ガスを供給しつつ真空容器内を排気し、プラズマ源に高周波電力を供給することにより真空容器内にプラズマを発生させ、前記試料の外周端を囲むように、導体リングを配置した状態で、試料の表面でイオンシースの厚さが均一になるように調整しつつ、前記試料の表面にプラズマを照射する。
本発明は、プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置に係り、特に試料の表面層に対し均一にプラズマを供給する方法および装置に関するものである。
不純物を固体試料の表面に導入する技術としては、不純物をイオン化して低エネルギーで固体中に導入するプラズマドーピング法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
図１２は、前記特許文献１に記載された従来の不純物導入方法としてのプラズマドーピング法に用いられるプラズマ処理装置の概略構成を示している。図１２において、真空容器４１内に、シリコン基板よりなる試料４２を載置するための試料電極４３が設けられている。真空容器４１内に所望の元素を含むドーピング原料ガス、例えばＢ２Ｈ６を供給するためのガス供給装置４４、真空容器４１内の内部を減圧するポンプ４５が設けられ、真空容器４１内を所定の圧力に保つことができる。マイクロ波導波管４６より、誘電体窓としての石英板４７を介して、真空容器４１内にマイクロ波が放射される。このマイクロ波と、電磁石４８から形成される直流磁場の相互作用により、真空容器４１内に有磁場マイクロ波プラズマ（電子サイクロトロン共鳴プラズマ）４９が形成される。試料電極４３には、コンデンサ５０を介して高周波電源５１が接続され、試料電極４３の電位が制御できるようになっている。なお、ガス供給装置４４から供給されたガスは、ガス導入口５２から真空容器４１内に導入され、排気口５３からポンプ４５へ排気される。
この構成のプラズマ処理装置において、ガス導入口５２から導入されたドーピング原料ガス、例えばＢ２Ｈ６は、マイクロ波導波管４６及び電磁石４８から成るプラズマ発生手段によってプラズマ化され、プラズマ４９中のボロンイオンが高周波電源５１によって試料４２の表面に供給される。
ところで、Ｂ２Ｈ６よりなるドーピング原料ガスのように、シリコン基板等の試料に供給されると電気的に活性となる不純物を含むガスは、一般に、人体に有害であったり、反応性が高く、危険性が高いという問題がある。
また、プラズマドーピング法は、ドーピング原料ガスに含まれている物質の全てが試料に導入される。Ｂ２Ｈ６よりなるドーピング原料ガスを例にとって説明すると、試料に導入されたときに有効な不純物はボロンのみであるが、水素も同時に試料中に導入される。
水素が試料中に導入されると、エピタキシャル成長等、引き続き行なわれる熱処理時に試料において格子欠陥が生じるという問題がある。
そこで、試料に導入されると電気的に活性となる不純物を含む不純物固体を真空容器内に配置すると共に、真空容器内において希ガスのプラズマを発生させ、不活性ガスのイオンにより不純物固体をスパッタリングすることにより、不純物固体から不純物を分離させ、分離された不純物を試料に供給する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。図１３は、前記特許文献２に記載された従来の不純物導入方法としてのプラズマドーピング法に用いられるプラズマドーピング装置の概略構成を示している。図１３において、真空容器４１内に、シリコン基板よりなる試料４２を載置するための試料電極４３が設けられている。真空容器４１内に不活性ガスを供給するためのガス供給装置４４、真空容器４１内の内部を減圧するポンプ４５が設けられ、真空容器４１内を所定の圧力に保つことができる。そして、マイクロ波導波管４６より、誘電体窓としての石英板４７を介して、真空容器４１内にマイクロ波が放射される。このマイクロ波と、電磁石４８から形成される直流磁場の相互作用により、真空容器４１内に有磁場マイクロ波プラズマ（電子サイクロトロン共鳴プラズマ）４９が形成される。試料電極４３には、コンデンサ５０を介して高周波電源５１が接続され、試料電極４３の電位が制御できるようになっている。また、不純物元素例えばボロンを含む不純物固体５４が、固体保持台５５上に設けられ、固体保持台５５の電位が、コンデンサ５６を介して接続された高周波電源５７によって制御される。なお、ガス供給装置４４から供給されたガスは、ガス導入口５２から真空容器４１内
に導入され、排気口５３からポンプ４５へ排気される。
このような構成のプラズマドーピング装置において、ガス導入口１１から導入された不活性ガス、例えばアルゴン（Ａｒ）は、マイクロ波導波管４６及び電磁石４８から成るプラズマ発生手段によってプラズマ化され、不純物固体５４からスパッタリングによりプラズマ中に飛び出した不純物元素の一部がイオン化され、試料４２の表面に導入される。
通常、試料４２の表面に酸化シリコン膜からなるゲート酸化膜を形成し、この上層にＣＶＤ法等によりゲート電極となる導電性層を形成し、これをパターニングし、ゲート電極のパターンを形成する。このようにしてゲート電極の形成された試料４２をプラズマドーピング装置にセットし、前述した方法によりゲート電極をマスクとして自己整合的に不純物の導入がなされ、ソース・ドレイン領域を形成することによりＭＯＳトランジスタが得られる。ただし、プラズマドーピング処理によって不純物を導入した後、活性化処理を行う必要がある。活性化処理とは、不純物を導入した層を、レーザーアニール、フラッシュランプアニールなどの方法を用いて加熱し、結晶中で活性な状態にする処理をいう。このとき、不純物を導入した極薄い層を効果的に加熱することにより、浅い活性化層を得ることができる。不純物を導入した極薄い層を効果的に加熱するには、不純物を導入する前に、不純物を導入しようとする極薄い層における、レーザー、ランプなどの光源から照射される光に対する吸収率を高めておく処理が行われる。この処理はプレアモルファス化と呼ばれるもので、先に示したプラズマ処理装置と同様の構成のプラズマ処理装置において、Ｈｅガスなどのプラズマを発生させ、生じたＨｅなどのイオンをバイアス電圧によって基板に向けて加速して衝突させ、基板表面の結晶構造を破壊して非晶質化するものであり、既に本件発明者らによって提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
米国特許４９１２０６５号公報 特開平０９−１１５８５１号公報 Ｙ．Ｓａｓａｋｉ ｅｔ ａｌ．，"Ｂ２Ｈ６ Ｐｌａｓｍａ Ｄｏｐｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｉｎ−ｓｉｔｕ Ｈｅ Ｐｒｅ−ａｍｏｒｐｈｙｚａｔｉｏｎ"，２００４ Ｓｙｍｐｏｓｉａ ｏｎ ＶＬＳＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ
ところで、近年の半導体装置の微細化および高集積化に伴い、不純物導入層は浅くかつ微細に形成する必要があり、極めて高精度の深さおよび不純物濃度の制御が必要となっている。このような状況の中で、従来の方式では、試料内、特に大口径化が進む中でウェハ面内で均一な不純物導入層を形成するのは困難であるという問題があった。これは不純物を含むプラズマをウェハ面内に均一な分布を持つように形成するのが困難であるのみならず、前述したプレアモルファス化工程において、試料の表面を高精度に均一な深さで非晶質化するのは極めて困難であった。
図１０は、図１２に示す従来のプラズマドーピング装置において、図１２の上から下に向けてｘ軸をとったときの、直径２００ｍｍのシリコン基板を非晶質化した際の非晶質層の厚さを測定した結果である。図１０から明らかなように、非晶質層の厚さは、試料としての基板の外周端付近、とくに基板の外周端から１０ｍｍ以内の領域で極度に高くなっている。なお、非晶質層の厚さは、エリプソメトリ法によって測定した単結晶シリコン基板上のアモルファスシリコン層の厚さである。
また非晶質層の厚さだけでなく、非晶質層を形成した後、この非晶質層表面に不純物プラズマを供給し、プラズマドーピングを行なう場合にも、同様に基板の外周端近傍で不純物濃度が高く形成されていることがわかった。
これらはいずれも、基板の外周端においてエッジ効果により、プラズマ集中が起り、これによって基板の外周端のエッジ近傍でエネルギー集中が起ってプラズマ濃度が高い状態で基板表面に到達しているものと考えられる。
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、プラズマ処理の均一性を高め
ることを目的とする。
また本発明は、非晶質化処理の均一性を高めることが可能な非晶質化方法および装置を提供することを目的とする。
さらにまた本発明は、不純物導入量の試料面内均一性を高めることが可能な不純物導入方法および装置を提供することを目的とする。
そこで本発明のプラズマ処理方法は、試料の表面でイオンシースの厚さが均一になるように調整しつつ、前記試料の表面にプラズマを照射することを特徴とする。すなわち、真空容器内の試料電極に試料を載置し、前記真空容器内に原料ガスを供給しつつ真空容器内を排気し、プラズマ源に高周波電力を供給することにより真空容器内にプラズマを発生させ、前記試料の外周端を囲むように、導体リングを配置した状態で、試料の表面でイオンシースの厚さが均一になるように調整しつつ、前記試料の表面にプラズマを照射する。
この構成により、試料に入射するプラズマの入射エネルギーが試料の外周端付近を含む全面に渡って均一化されるため、プラズマ処理の均一性を高めることが可能となる。特に表面のみでなく、表面からの深さを考慮する必要のある非晶質化処理、ドーピング処理などに対して、微細領域に高精度の処理を行う必要がある場合に、面内での均一性だけでなく深さ方向を含む３次元での制御が可能となる。
この構成による作用を以下に詳述する。
すなわち、プラズマポテンシャル（プラズマの電位）がＶＳであるプラズマ中に電位ＶＰの導体を挿入した場合、ＶＰ＜ＶＳの場合は導体周辺では負の電界が形成され、イオンを引き寄せ電子を追い返すため（イオン密度）＞（電子密度）となり、イオンだけによって構成される電荷層を生じる。逆にＶＰ＞ＶＳの場合は電子だけによる電荷層が生じる。この電荷層をシース（Ｓｈｅａｔｈ）と呼び、電子によるものを電子シース、イオンによるものをイオンシースと呼ぶ。
一方、導体の代わりに絶縁体をプラズマ中に挿入すると、絶縁体−プラズマ間には直流電流が流れ得ないので、単位時間に飛来する電子とイオンの数は等しくなければならない。しかし、一般に電子の速度はイオンの速度に比べて十分に速いので、電子がイオンに比べてより多く絶縁体表面に到達する。したがって、表面では電子が過剰となり、表面付近に負の電界を形成し、電子電流とイオン電流が等しくなるところまで帯電が進行する。このようにして生じた負の電位をフローティングポテンシャルという。また、この場合に表面にはイオンシースが形成される。
電極に高周波電力を印加することにより、シースの電位降下ＶＳＨを大きくする（制御する）ことができる。電子の移動度はイオンの移動度よりもはるかに大きいため、印加電圧が正のときは大きな電子電流が流れ込むのに対して、印加電圧が負の時は小さなイオン電流が流れる。電極（または基板表面）は直流的にはフローティングであるから、正味の電流（電流の直流成分）がゼロになったところで定常状態となる。したがって、電極（ま
たは基板表面）が負電位に自己バイアスされることになる。一般に、自己バイアス電圧をＶＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）、高周波電圧の瞬間最大値と最小値との差をＶＰＰ（Ｐｅａｋ ｔｏ Ｐｅａｋ Ｖｏｌｔａｇｅ）と呼ぶ。電極に印加する高周波電力を大きくすると、ＶＤＣ及びＶＰＰは増加する。
本発明においては、例えば基板と台座の間の単位面積当たりの静電容量が、誘電体リングを介したプラズマと台座の間の静電容量よりも少しだけ大きくし、基板中央部と基板周辺部のイオンシースの厚さの差を緩和する。
このようにして、基板と台座の間の単位面積当たりの静電容量と、誘電体リングを介したプラズマと台座の間の静電容量との差を小さくし、プレアモルファス化処理の均一性を高めることができる
上記構成によれば、物理現象主体の処理を均一化するために、フォーカスリング（誘電体リング）等を用いることによって、基板周辺部の過剰なイオン密度を低減させたり、あるいは、基板周辺部と基板の他の場所のイオンシースの厚さを均一化させるものである。
また、本発明のプラズマ処理方法は、前記試料の表面を非晶質化する方法であるものを含む。
試料表面から所定の深さまでプラズマを導入し、このプラズマの導入された領域を非晶質化する非晶質化処理は、ドーピングの前処理あるいはドーピング中に実行される場合、不純物の導入深さを高精度に制御することができる。
また、本発明のプラズマ処理方法は、前記試料の表面に不純物を導入する方法であるものを含む。
不純物の導入すなわちドーピング処理は特に、前記試料の面内分布およびその位置での不純物のエネルギー状態で決定されるため、高精度の均一性を得ることができる。
また、本発明のプラズマ処理方法は、真空容器内の試料電極に試料を載置し、前記真空容器内に原料ガスを供給しつつ真空容器内を排気し、プラズマ源に高周波電力を供給することにより真空容器内にプラズマを発生させ、前記試料の外周端を囲むように、試料の表面とほぼ同じ高さの表面をもつ導体リングを配置した状態で、前記試料の表面にプラズマを照射する方法であるものを含む。
この構成により、試料の外周端へのプラズマの集中を回避することができるため、前記試料の表面での面内分布を均一にすることができる。
例えば、本発明の非晶質化方法は、真空容器内の試料電極に試料を載置し、ガス供給装置より真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、プラズマ源に高周波電力を供給することにより真空容器内にプラズマを発生させるとともに、試料電極に電圧を供給することによって、試料の表面の結晶層を非晶質化するに際し、試料の外周端より外側に、試料の表面とほぼ同じ高さの位置に表面をもつ導体リングを配置した状態で非晶質化することを特徴とする。
この構成により、試料の外周端付近におけるシース領域の等電位線のゆがみが緩和され、試料に入射するイオンの入射エネルギーが試料の外周端付近を含む全面に渡って均一化されるため、非晶質化処理の均一性を高めることが可能となる。
また本発明のプラズマ処理方法は、前記試料の外周端と導体リングの内周端との距離が
１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であるものを含む。
この構成により、基板搬送時のマージン確保と処理の均一性確保が両立できる。
また本発明のプラズマ処理方法は、試料の表面の高さと導体リングの高さの差が０．００１ｍｍ以上１ｍｍ以下であるものを含む。
この構成により、処理の均一性をより高めることが可能となる。
また本発明のプラズマ処理方法は、試料電極が、試料に近い側から第１誘電体層、静電吸着電極、第２誘電体層、台座の層構造をなしており、かつ、台座から第１誘電体層、静電吸着電極、第２誘電体層が突出しており、導体リングと台座との間に第３誘電体層が設けられている状態で、台座に電圧を印加するものを含む。また、この場合、第１誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε１、ｄ１、第２誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε２、ｄ２、第３誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε３、ｄ３としたとき、Ｃａ＝１／（ｄ１／ε１＋ｄ２／ε２）がＣｂ＝ε３／ｄ３の０．５倍以上２倍以下であるものを含む。
この構成により、台座と基板と、台座と導体リングとの間の静電容量をほぼ同程度にすることができる。ここで両者の静電容量は同程度であるのが望ましく、０．５倍に満たないと導体リング表面におけるイオンシース厚が大きくなりすぎて、試料のエッジにおけるシース電界強度が試料の中央部におけるシース電界強度よりも小さくなり、試料のエッジにおける処理速度が低くなることがある。一方２倍を越えると導体リング表面におけるイオンシース厚が小さくなりすぎて、試料のエッジにおけるシース電界強度が試料の中央部におけるシース電界強度よりも大きくなり、試料のエッジにおける処理速度が高くなることがある。なお、試料の誘電率や厚さによって若干の変動はあるが、上記条件を満たすように構成することにより均一に処理するための条件を満たすようにすることができる。
また、本発明のプラズマ処理方法は、試料電極が、試料に近い側から第１誘電体層、静電吸着電極、第２誘電体層、台座の層構造をなしており、かつ、台座から第１誘電体層、静電吸着電極、第２誘電体層が突出しており、導体リングと台座との間に第３誘電体層が設けられている状態で、静電吸着電極に電圧を印加してもよい。そして、第１誘電体層の比誘電率及び厚さをそれぞれε１、ｄ１、第２誘電体の比誘電率及び厚さをそれぞれε２、ｄ２、第３誘電体の比誘電率及び厚さをそれぞれε３、ｄ３、試料がプラズマにさらされる面の面積をＳ１、導体リングがプラズマにさらされる面の面積をＳ２としたとき、Ｃｃ＝ε１／ｄ１がＣｄ＝１／（ｄ２×Ｓ２／ε２×Ｓ１＋ｄ３／ε３）の０．５倍以上２倍以下であることを特徴とするものを含む。
この構成により、同様に試料電極と基板と、試料電極と導体リングとの間の静電容量をほぼ同程度にすることができる。ここで両者の静電容量は同程度であるのが望ましく、０．５倍に満たないと導体リング表面のシース厚が大きくなりすぎて、試料のエッジにおけるシース電界強度が試料の中央部におけるシース電界強度よりも小さくなり、試料のエッジにおける処理速度が低くなることがある。一方２倍を越えると導体リング表面におけるイオンシース厚が小さくなりすぎて、試料のエッジにおけるシース電界強度が試料の中央部におけるシース電界強度よりも大きくなり、試料のエッジにおける処理速度が高くなることがある。なお、試料の誘電率や厚さによって若干の変動はあるが、上記条件を満たすように構成することにより均一に処理するための条件を満たすようにすることができる。
また本願のプラズマ処理方法は、試料の外周端より外側に、試料の表面よりも１ｍｍ以上高い位置に表面をもつフォーカスリングを配置した状態でプラズマ処理するようにした
ものを含む。
この構成により、試料の外周端付近におけるフォーカスリングにプラズマを集中させることにより、シース領域の等電位線のゆがみが緩和され、試料に入射するイオンあるいはプラズマの入射エネルギーが試料の外周端付近を含む全面に渡って均一化されるため、非晶質化処理の均一性を高めることが可能となる。
また本願のプラズマ処理方法は、試料の外周端とフォーカスリングの内周端との距離が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であるものを含む。
この構成により、基板搬送時のマージン確保と処理の均一性確保が両立できる。ここでこの距離が１ｍｍにみたないと、基板搬送が難しく、１０ｍｍを越えると等電位線のゆがみ緩和効果を得るのが難しくなる。
また本願のプラズマ処理方法は、試料の表面の高さとフォーカスリングの高さの差が１ｍｍ以上１５ｍｍ以下であるものを含む。
この構成により、処理の均一性をより高めることが可能となる。
また本願のプラズマ処理方法は、真空容器内の試料を載置するための段差部が設けられたトレー上に、前記試料を載置し、前記真空容器内に原料ガスを供給しつつ真空容器内を排気し、プラズマ源に高周波電力を供給することにより真空容器内にプラズマを発生させ、
前記段差部の外側におけるトレーの表面の高さが、試料の表面とほぼ同じ高さに位置するように調整しつつプラズマを前記試料の表面に照射するようにしたものを含む。
この構成により、試料の外周端付近におけるシース領域の等電位線のゆがみが緩和され、試料に入射するイオンの入射エネルギーが試料の外周端付近を含む全面に渡って均一化されるため、非晶質化処理の均一性を高めることが可能となる。
また本願のプラズマ処理方法は、試料の外周端と段差部の内周端との距離が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であるものを含む。
この構成により、基板搬送時のマージン確保と処理の均一性確保が両立できる。
また本願のプラズマ処理方法は、試料の表面の高さと段差部の外側におけるトレーの表面の高さの差が０．００１ｍｍ以上１ｍｍ以下であるものを含む。
この構成により、処理の均一性をより高めることが可能となる。
また本願のプラズマ処理方法は、試料がシリコン基板であり、トレーがシリコン製であるものを含む。
この構成により、基板の汚染を最小限に抑えることができる。
また本願のプラズマ処理方法はトレーを試料電極に押しつけた状態でプラズマ処理するものを含む。
この構成により、試料電極を介して基板上の熱が効率よく放出されるようにすることができ基板の温度をより精密に制御することが可能となる。
また本願のプラズマ処理方法は、プラズマを発生させる工程と、プラズマを停止させるとともに真空容器内の圧力を、プラズマを発生させる工程よりも高くした工程とを交互に繰り返すようにしたものを含む。
この構成とすることにより、プラズマを発生させる工程によって基板に蓄積された熱を、プラズマを停止させるとともに真空容器内の圧力を、プラズマを発生させる工程よりも高くする工程において、試料電極側に逃がすことが可能となり、基板の温度をより精密に制御することが可能となる。
この場合、プラズマを停止させるとともに真空容器内の圧力を、プラズマを発生させるステップよりも高くする工程における真空容器内の圧力が、１００Ｐａ以上１０００Ｐａ以下であることがさらに望ましい。
この構成により、基板の温度をより精密に制御することが可能となる。
本発明のプラズマ処理装置は、真空容器と、前記真空容器内に配置され、試料を載置する試料電極と、前記真空容器内にガスを供給するガス供給装置と、前記真空容器内を排気する排気装置と、前記真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、プラズマ源と、プラズマ源に高周波電力を供給する高周波電源と、前記試料電極に電圧を供給する電圧源とを備え、前記試料の表面でプラズマが均一なエネルギー状態をもつように調整しつつ、前記試料の表面にプラズマを照射するように、前記試料電極の周縁に補助部材を配したことを特徴とする。
また、本発明のプラズマ処理装置は、前記プラズマは前記試料の表面を非晶質化するように調整されたプラズマであるものを含む。
本発明のプラズマ処理装置は、前記プラズマは前記試料の表面に不純物を導入するように調整されるものを含む。
本発明のプラズマ処理装置は、前記試料電極は前記試料を載置する突出部を具備しており、前記補助部材は、前記試料の外周端を囲むように、試料の表面とほぼ同じ高さの表面を持つように配置した導体リングであるものを含む。
この構成により、試料の外周端付近におけるシース領域の等電位線のゆがみが緩和され、試料に入射するイオンの入射エネルギーが試料の外周端付近を含む全面に渡って均一化されるため、非晶質化処理の均一性を高めることが可能となる。
本発明のプラズマ処理装置は、前記試料の外周端と導体リングの内周端との距離が２ｍｍ以上１１ｍｍ以下であるものを含む。
この構成により、基板搬送時のマージン確保と処理の均一性確保が両立できる。
本発明のプラズマ処理装置は、試料電極の表面の高さと導体リングの高さの差が０．００１ｍｍ以上２ｍｍ以下であるものを含む。
この構成により、処理の均一性をより高めることが可能となる。
本発明のプラズマ処理装置は、試料電極が、試料に近い側から第１誘電体層、静電吸着電極、第２誘電体層、台座の層構造をなしており、かつ、台座から第１誘電体層、静電吸着電極、第２誘電体層が突出しており、導体リングと台座との間に第３誘電体層が設けら
れている状態で、台座に電圧を印加するものを含む。
また本発明のプラズマ処理装置は、第１誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε１、ｄ１、第２誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε２、ｄ２、第３誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε３、ｄ３としたとき、Ｃａ＝１／（ｄ１／ε１＋ｄ２／ε２）がＣｂ＝ε３／ｄ３の０．５倍以上２倍以下であるものを含む。
この構成により、基板の温度を精密に制御しつつ、処理の均一性を高めることが可能となる。
また本発明のプラズマ処理装置は、試料電極が、試料に近い側から第１誘電体層、静電吸着電極、第２誘電体層、台座の層構造をなしており、かつ、台座から第１誘電体層、静電吸着電極、第２誘電体層が突出しており、導体リングと台座との間に第３誘電体層が設けられている状態で、静電吸着電極に電圧を印加するものを含む。
本発明のプラズマ処理装置は、第１誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε１、ｄ１、第２誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε２、ｄ２、第３誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε３、ｄ３としたとき、Ｃｃ＝ε１／ｄ１がＣｄ＝１／（ｄ２／ε２＋ｄ３／ε３）の０．５倍以上２倍以下であるものを含む。
この構成により、基板の温度を精密に制御しつつ、処理の均一性を高めることが可能となる。
本発明のプラズマ処理装置は、前記試料電極が突出部を具備しており、試料電極の突出部の表面よりも１ｍｍ以上高い位置に表面をもつようにフォーカスリングを配置したものを含む。
この構成により、試料の外周端付近におけるシース領域の等電位線のゆがみが緩和され、試料に入射するプラズマあるいはイオンの入射エネルギーが試料の外周端付近を含む全面に渡って均一化されるため、非晶質化処理の均一性を高めることが可能となる。
本発明のプラズマ処理装置は、試料の外周端とフォーカスリングの内周端との距離が２ｍｍ以上１１ｍｍ以下であるものを含む。
この構成により、基板搬送時のマージン確保と処理の均一性確保を両立することができる。
本発明のプラズマ処理装置は、試料の表面の高さとフォーカスリングの高さの差が２ｍｍ以上１６ｍｍ以下であるものを含む。
この構成により、処理の均一性をより高めることが可能となる。
以上説明してきたように、本発明のプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置によれば、処理の均一性を高め、高精度で信頼性の高いプラズマ処理を実現することができる。
また、特に、不純物導入層を形成するに際し、非晶質化処理の均一性を高めることが可能となる。
さらにまた、不純物プラズマを用いたプラズマドーピングにおいても供給される不純物
量を高精度に制御することができる。
以下本発明の実施の形態について、説明するが、説明に先立ち、本発明の原理について図面を参照しつつ詳細に説明する。
本発明のプラズマ処理方法は、試料の表面でイオンシースの厚さが均一になるように調整しつつ、前記試料の表面にプラズマを照射するものであり、この構成による作用を以下に詳述する。
すなわち、前述したように、プラズマポテンシャル（プラズマの電位）がＶＳであるプラズマ中に電位ＶＰの導体を挿入した場合、ＶＰ＜ＶＳの場合は導体周辺では負の電界が形成され、イオンを引き寄せ電子を追い返すため（イオン密度）＞（電子密度）となり、イオンだけによって構成される電荷層を生じる。逆にＶＰ＞ＶＳの場合は電子だけによる電荷層が生じる。
一方、導体の代わりに絶縁体をプラズマ中に挿入すると、絶縁体−プラズマ間には直流電流が流れ得ないので、単位時間に飛来する電子とイオンの数は等しくなければならない。しかし、一般に電子の速度はイオンの速度に比べて断然速いので、電子がイオンに比べてより多く絶縁体表面に到達する。したがって、表面では電子が過剰となり、表面付近に負の電界を形成し、電子電流とイオン電流が等しくなるところまで帯電が進行する。このようにして負の電位であるフローティングポテンシャルが生じるとともに、この場合に表面にはイオンシースが形成される。
電極に高周波電力を印加することにより、シースの電位降下ＶＳＨを大きくする（制御する）ことができる。電極（または基板表面）の電流-電圧特性の一例を図１に示す。図
１からわかるように、電子の移動度はイオンの移動度よりもはるかに大きいため、印加電圧が正のときは大きな電子電流が流れ込むのに対して、印加電圧が負の時は小さなイオン電流が流れる。電極（または基板表面）は直流的にはフローティングであるから、正味の電流（電流の直流成分）がゼロになったところで定常状態となる。したがって、電極（または基板表面）が負電位に自己バイアスされることになる。電極に印加する高周波電力を大きくすると、自己バイアス電圧ＶＤＣ及び高周波電圧の瞬間最大値と最小値との差ＶＰＰは増加する。
図２に誘電体リングを設けない場合（図８に相当）における基板近傍のシースの様子を示す。Ｂ−１は、イオンシースとバルクプラズマの境界を示す。基板９には台座１６から、第２誘電体層１５、静電吸着電極１４、第１誘電体層１３を介して高周波電圧が印加される。したがって、基板９とプラズマ間に高周波電流が流れる。一方、誘電体リング１９（一般に、比誘電率が４程度の石英ガラスが用いられ、また、第１誘電体層１３と第２誘電体層１５の厚さを合計した厚さにほぼ等しい厚さを有しているため、単位面積当たりの静電容量は極めて小さい）を介して、台座１６とプラズマ間にも高周波電流が流れる。
なお、一般に静電吸着用に用いられている第１及び第２誘電体層は、セラミックス製であり、その比誘電率は４よりも大きく、典型的には８〜１２程度である。また、基板９の表面と誘電体リング１９の表面の高さが同じ場合、基板９の厚さの分だけ、誘電体リング１９の厚さは、第１誘電体層１３の厚さと第２誘電体層１５の厚さの合計よりも厚くなる。以上述べたことから、基板９と台座１６の間の単位面積当たりの静電容量は、誘電体リング１９を介したプラズマと台座１６の間の静電容量よりも大きくなる。
その結果、プラズマと基板９間に流れる単位面積当たりの電流は、誘電体リング１９を
介してプラズマと台座間に流れる単位面積当たりの電流よりもはるかに大きいものとなる。したがって、基板９の周辺部を除く部分においては、図２のようにイオンシース厚が大きくなり、イオンシースにおける電圧降下が大きくなる。
図２より、基板周辺部において、イオンシースとバルクプラズマの境界Ｂ−１が、基板中央部よりも近くなっていることがわかる。基板９の電位は中央部と周辺部で一致するから、結局、基板周辺部のイオンシースにおける電界強度は、基板中央部のイオンシースにおける電界強度よりもはるかに高くなる。このことが、基板周辺部における基板９に入射するイオンのエネルギーが、基板中央部における基板９に入射するイオンのエネルギーよりも大きくなるという現象に繋がり、基板周辺部のプレアモルファス化処理速度が、基板中央部のプレアモルファス化処理速度よりも大きくなるという結果を引き起こしているものと考えられる。
本発明においては、図３のイオンシースとバルクプラズマの境界Ｃ−１が示すように、基板中央部と基板周辺部のイオンシースの厚さの差が緩和される。図３は、基板９と台座１６の間の単位面積当たりの静電容量が、誘電体リング１９を介したプラズマと台座１６の間の静電容量よりも少しだけ大きい場合を示している。
一方、図４は、基板９と台座１６の間の単位面積当たりの静電容量が、誘電体リング１９を介したプラズマと台座１６の間の静電容量よりも少しだけ小さい場合を示している。
このように、基板９と台座１６の間の単位面積当たりの静電容量と、誘電体リング１９を介したプラズマと台座１６の間の静電容量との差を小さくすることが、プレアモルファス化処理の均一性を高めるのに重要であることを、我々は実験的に見いだすとともに、適切なモデルを提示することができた。
このように、本発明で用いているフォーカスリングは、ドライエッチング技術におけるフォーカスリングと構造上の類似はあるものの、導入による効果は全く異なる。プレアモルファス化処理は、プラズマ中の不活性ガスイオン（化学反応性をほとんど有しない）を基板表面に衝突させることにより行われる。このとき、基板を構成する元素はほとんど揮発せず、エッチングなどの化学反応はほとんど起きない（基板表面のアモルファス化が起きる）。また、プラズマドーピング処理は、プラズマ中のＢなどのシリコンとの化学反応性をほとんど有しないイオンを基板表面に衝突させることにより行われる。このとき、基板を構成する元素はほとんど揮発せず、エッチングなどの化学反応はほとんど起きない（基板中にＢイオンなどが残存する）。これらは、いずれも物理的な現象であり、ドライエッチング技術のような化学反応主体の現象ではない。
本発明は、このような物理現象主体の処理を均一化するために、フォーカスリング（誘電体リング）等を用いることによって、基板周辺部の過剰なイオン密度を低減させたり、あるいは、基板周辺部と基板の他の場所のイオンシースの厚さを均一化させるものである。したがって、本発明で用いた導体リングやフォーカスリング等は、従来のドライエッチング技術において用いられたフォーカスリング等とは目的及び効果の面で大きく異なるものである。
これに対し、ドライエッチング技術においては、所謂ローディング効果が生じ、基板周辺部のエッチング速度が高くなる傾向がある。基板周辺部近傍においては、エッチング反応生成物の濃度が基板の他の場所の近傍に比べて小さくなるため、逆にエッチャント（反応性のハロゲンラジカルに代表されるエッチング反応種）の濃度が基板の他の場所の近傍に比べて高くなる（ローディング効果）。このことが、基板周辺部のエッチング速度が高くなる理由である。これを防止する目的で、従来からフォーカスリングが利用されている
。フォーカスリングを導入することにより、基板周辺部から発生するエッチング反応生成物が基板周辺部近傍に滞留しやすくなり、基板周辺部近傍のエッチング反応生成物の濃度と、基板の他の場所の近傍におけるエッチング反応生成物の濃度がほぼ等しくなる。したがって、基板周辺部近傍のエッチャント濃度と、基板の他の場所の近傍におけるエッチャント濃度がほぼ等しくなり、エッチング速度分布が均一化されるという効果を奏する。
このように、ドライエッチング技術において用いられていたフォーカスリングは、化学反応主体のエッチング反応を均一化するために、反応性の粒子濃度分布の均一化を図るためのものであり、作用効果がまったく異なる。
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図５乃至図８を参照して説明する。
本実施の形態では、不純物の導入に先立ち、基板の表面層の不純物を導入すべき領域にプラズマを照射することにより、非晶質化するに際し、試料としての単結晶シリコン基板の外周端を囲むように導電リングを配した状態で、非晶質化処理を行なうようにしたことを特徴とするものである。
図５に、本発明の実施の形態１の非晶質化方法で用いられる非晶質化装置の断面図を示す。この非晶質化装置は、図５に示すように、真空容器１と、真空容器１内を排気する排気装置としてのターボ分子ポンプ３と、真空容器１内の圧力を制御する調圧弁４と、試料電極６に対向した誘電体窓７の近傍に設けられたプラズマ源としてのコイル８と、コイル８に１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給する高周波電源５と、試料電極６に電圧を供給する電圧源としての高周波電源１０とで構成されている。ここで１１はガス導入口であり、１２は排気口である。
図５において、真空容器１内に、ガス供給装置２から所定のガスを導入しつつ、排気装置としてのターボ分子ポンプ３により排気を行い、調圧弁４により真空容器１内を所定の圧力に保つことができる。そして高周波電源５により１３．５６ＭＨｚの高周波電力を試料電極６に対向した誘電体窓７の近傍に設けられたコイル８に供給することにより、真空容器１内に誘導結合型プラズマを発生させることができる。また、試料電極６に高周波電力を供給するための高周波電源１０が設けられており、これは、試料としての基板９がプラズマに対して負の電位をもつように、試料電極６の電位を制御する電圧源として機能する。なお、ガス供給装置２から供給されたガスは、ガス導入口１１から真空容器１内に導入される。また、真空容器１内のガスは、排気口１２からポンプ３へ排気される。
図６は、試料電極６上にシリコン基板９が載置されている部分を拡大表示した詳細断面図である。図６において、試料電極６は、試料としてのシリコン基板９に近い側から第１誘電体層１３と、静電吸着電極１４と、第２誘電体層１５と、台座１６の層構造をなしており、かつ、台座１６から第１誘電体層１３、静電吸着電極１４、第２誘電体層１５が突出している。そして突出している部分の周辺に、リング状の第３誘電体層１７、導体リング１８が設けられており、導体リング１８と台座１６との間に第３誘電体層１７が設けられている。なお、導体リング１８は、試料としてのシリコン基板９の外周端より外側に配置され、シリコン基板９の表面とほぼ同じ高さの位置に表面をもつように構成されている。静電吸着電極１４には直流電圧が印加され、シリコン基板９は試料電極６の突出部の表面である第１誘電体層１３に吸着されることによりシリコン基板９の温度が精密に制御されるようになっている。
まず非晶質化処理に先立ち、試料としてのシリコン基板表面に、ゲート電極を形成する。すなわち、単結晶シリコン基板の表面に酸化シリコン膜からなるゲート酸化膜を形成し
、この上層にＣＶＤ法等によりゲート電極となる導電性層を形成し、これをパターニングし、ゲート電極のパターンを形成する。
このようにしてゲート電極の形成されたシリコン基板９を試料電極６に載置した後、試料電極６の温度を２５℃に保ちながら、真空容器１内を排気口１２から排気しつつ、ガス導入口１１より真空容器１内にヘリウムガスを５０ｓｃｃｍ供給し、調圧弁４を制御して真空容器１内の圧力を１Ｐａに保つ。
次に、プラズマ源としてのコイル８に高周波電力を８００Ｗ供給することにより、真空容器１内にプラズマを発生させるとともに、試料電極６の台座１６に２００Ｗの高周波電力を供給することにより、シリコン基板９の表面の結晶層を非晶質化することができた。
図７は、図５または図６の左から右に向かう方向にｘ軸をとったときの、直径２００ｍｍのシリコン基板を非晶質化した際の非晶質層の厚さを測定した結果である。図７から明らかなように、非晶質層の厚さが基板の外周端付近の領域で極度に高くなることはなく、均一性は±１．５９％へと大きく向上した。ちなみに導電リングを配置しない従来の構造の非晶質化処理装置を用いた場合は非晶質層の厚さの測定位置に対するばらつきは±３．２６％であった。これは、基板９の外周端付近におけるシース領域の等電位線のゆがみが緩和され、基板９に入射するイオンの入射エネルギーが基板９の外周端付近を含む全面に渡って均一化されたためであると考えられる。
なお、第１誘電体層１３の比誘電率および厚さをそれぞれε１、ｄ１、第２誘電体層１５の比誘電率および厚さをそれぞれε２、ｄ２、第３誘電体層１７の比誘電率および厚さをそれぞれε３、ｄ３としたとき、基板９と台座１６の間の単位面積あたりの静電容量は、Ｃａ＝１／（ｄ１／ε１＋ｄ２／ε２）、導体リング１８と台座１６の間の単位面積あたりの静電容量は、Ｃｂ＝ε３／ｄ３と表わすことができる。本実施の形態においては、Ｃａ＝１．２Ｃｂとなるように、各誘電体層の比誘電率および厚さを選定した。このように導電リングと台座１６との間の単位面積あたりの静電容量Ｃａ、Ｃｂは同程度とするのが望ましい。ＣａとＣｂが大きく異なる場合は、静電容量の大きい方の単位面積あたりの高周波インピーダンスが小さくなり、基板９と導体リング１８に流入するイオン電流密度（単位面積あたりのイオン電流）が大きく異なることとなり、非晶質化処理の均一性を損なう原因となる。我々の実験によれば、ＣａがＣｂの０．５倍以上２倍以下である場合に、良好な面内均一性を確保することができた。
比較のため、図８のように、導体リングを設けることなく板９の周辺に誘電体リング１９を配置した構成において同様の実験を行ったところ、従来例と同様に、非晶質層の厚さが基板の外周端付近の領域で極度に高くなり、均一性は±３．３１％であった。
なお、本実施の形態においては、基板９の外周端と導体リング１８の内周端との距離Ａを１．５ｍｍとしたが、Ａは１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが望ましい。Ａが１ｍｍ未満であると、基板搬送時に搬送誤差によって導体リング１８に基板９が乗り上げる恐れがあり、搬送マージンの確保が十分でない点において好ましくない。また、Ａが１０ｍｍよりも大きいと、基板９の外周端付近の領域における非晶質層の厚さの極度な上昇が生じる場合があり、好ましくない。基板９の直径（代表長さ）は、試料電極６の突出部の直径（代表長さ）よりも約１ｍｍ大きく設計されるのが通常であるから、試料電極６の突出部の外周端と導体リング１８の内周端との距離は、２ｍｍ以上１１ｍｍ以下であることが望ましい。
また、本実施の形態においては、基板９の表面の高さと導体リング１８の高さの差Ｂを
、０．３ｍｍとしたが、Ｂは０．００１ｍｍ以上１ｍｍ以下であることが望ましい。Ｂを０．００１ｍｍとすることは設計上困難であり、また、Ｂが１ｍｍより大きいと、基板９の外周端付近の領域における非晶質層の厚さの極度な低下または上昇が生じる場合があり、好ましくない。基板の厚さは約１ｍｍであるから、試料電極６の突出部の表面の高さと導体リング１８の高さの差は、０．００１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが望ましい。
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施の形態においては、実施の形態１において用いたものと同様の非晶質化装置を用いた。ただし、イオンエネルギーを制御するための高周波電圧を、図８における台座１６に印加するのではなく、静電吸着電極１４に印加した。この場合においても、処理の均一性の向上を確認することができた。
なおここで第１誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε１、ｄ１、第２誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε２、ｄ２、第３誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε３、ｄ３とし、静電吸着電極の面積をＳ１、導電リングの表面積をＳ２としたとき、静電吸着電極と試料間のキャパシタンスは、ε１×Ｓ１／ｄ１となり、静電吸着電極と導体リング間のキャパシタンスは、１／（ｄ２／ε２×Ｓ１＋ｄ３／ε３×Ｓ２）となる。
したがって、試料に流れ込むＲＦ電流と、導体リングに流れ込むＲＦ電流の比は、ε１×Ｓ１／ｄ１：１／（ｄ２／ε２×Ｓ１＋ｄ３／ε３×Ｓ２）となる。
単位面積当たりでは、各々をＳ１、Ｓ２で割ればよいため、ε１／ｄ１：１／（ｄ２×Ｓ２／ε２×Ｓ１＋ｄ３／ε３）となる。
本実施の形態においては、Ｃｃ＝１．１Ｃｄとなるように、各誘電体層の比誘電率および厚さを選定した。ＣｃとＣｄが大きく異なる場合は、静電容量の大きい方の単位面積あたりの高周波インピーダンスが小さくなり、基板と導体リングに流入するイオン電流密度（単位面積あたりのイオン電流）が大きく異なることとなり、非晶質化処理の均一性を損なう原因となる。我々の実験によれば、ＣｃがＣｄの０．５倍以上２倍以下である場合に、良好な面内均一性を確保することができた。
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について、図９を参照して説明する。
本実施の形態においては、実施の形態１において用いたものと同様の非晶質化装置を用いた。ただし、試料電極６の構造は、図９に示す詳細断面図のような構成とした。図９において、試料電極６は、試料としての基板９に近い側から第１誘電体層１３、静電吸着電極１４、第２誘電体層１５、台座１６の層構造をなしており、かつ、台座１６から第１誘電体層１３、静電吸着電極１４、第２誘電体層１５が突出している。突出している部分の周辺に、誘電体リング１９が設けられ、誘電体リング１９の上に誘電体製のフォーカスリング２０が設けられている。基板９の外周端とフォーカスリングの内周端との距離Ｃは６ｍｍである。また、フォーカスリング２０は、試料としての基板９の外周端より外側に配置され、基板９の表面よりも７ｍｍ高い位置に表面をもっている。すなわち、試料としての基板９の表面の高さとフォーカスリング２０の高さの差Ｄは、７ｍｍである。また、基板９を試料電極６の突出部の表面である第１誘電体層１３に吸着させることにより基板の温度を精密に制御するため、静電吸着電極１４には直流電圧が印加される。
基板９を試料電極６に載置した後、試料電極６の温度を２５℃に保ちながら、真空容器
１内を排気口１２から排気しつつ、ガス導入口１１より真空容器１内にヘリウムガスを５０ｓｃｃｍ供給し、調圧弁４を制御して真空容器１内の圧力を１Ｐａに保つ。次に、プラズマ源としてのコイル８に高周波電力を８００Ｗ供給することにより、真空容器１内にプラズマを発生させるとともに、試料電極６の台座１６に２００Ｗの高周波電力を供給することにより、シリコン基板９の表面の結晶層を均一に非晶質化することができた。
このように、非晶質層の厚さが基板の外周端付近の領域で極度に高くなることはなく、均一性が大きく向上したのは、基板９の外周端付近におけるシース領域の等電位線のゆがみが緩和され、基板９に入射するイオンの入射エネルギーが基板９の外周端付近を含む全面に渡って均一化されたためであると考えられる。
なお、試料としての基板９の外周端とフォーカスリング２０の内周端との距離Ｃは、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが望ましい。１ｍｍ未満である場合、基板９の外周端における非晶質層の厚さが小さくなりすぎる場合があり、好ましくない。逆に１０ｍｍより大きい場合、基板９の外周端における非晶質層の厚さの極度な上昇が生じることがあり、好ましくない。基板９の直径（代表長さ）は、試料電極６の突出部の直径（代表長さ）よりも約１ｍｍ大きく設計されるのが通常であるから、試料電極６の突出部の外周端とフォーカスリング２０の内周端との距離は、２ｍｍ以上１１ｍｍ以下であることが望ましいといえる。
また、試料としての基板９の表面の高さとフォーカスリング２０の高さの差Ｄは、１ｍｍ以上１５ｍｍ以下であることが好ましい。１ｍｍ未満である場合、基板９の外周端における非晶質層の厚さの極度な上昇が生じることがあり、好ましくない。逆に１５ｍｍより大きい場合、基板９の外周端における非晶質層の厚さが小さくなりすぎる場合があり、好ましくない。基板の厚さは約１ｍｍであるから、試料電極６の突出部の表面の高さとフォーカスリング２０の高さの差は、２ｍｍ以上１６ｍｍ以下であることが望ましいといえる。
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４について、図１０を参照して説明する。
本実施の形態においては、試料電極６上に、試料としてのシリコン基板９の外形に符合する凹部を備えたシリコン製のトレー２１を設け、シリコン基板９がその表面とほぼ同じ高さのリング状表面をもつようにしたことを特徴とするものである。
実施の形態１において用いたものと同様の非晶質化装置を用いた。ただし、試料電極６の構造は、図１０に示す詳細断面図に示す構成とした。図１０において、試料電極６上に、シリコン製トレー２１に搭載された基板９を載置する。トレー２１は、常時試料電極６上に設けておいてもよいし、大気中で基板９をトレー２１上に載置して、試料基板６まで搬送するようにしてもよい。
前者の場合、搬送系の構成が簡単になるという利点がある。後者の場合、トレー２１の消耗に伴ってトレー２１を交換する際に、真空容器１を大気開放する必要がないという利点がある。また、トレーの内側に試料を載置すべく段差部が設けられており、段差部の外側におけるトレーの表面の高さが、試料の表面とほぼ同じ高さに位置するよう、構成されている。
基板９を載せたトレー２１を試料電極６に載置した後、試料電極６の温度を１５℃に保ちながら、真空容器１内を排気口１２から排気しつつ、ガス導入口１１より真空容器１内にヘリウムガスを５０ｓｃｃｍ供給し、調圧弁４を制御して真空容器１内の圧力を１Ｐａ
に保つ。次に、プラズマ源としてのコイル８に高周波電力を８００Ｗ供給することにより、真空容器１内にプラズマを発生させるとともに、試料電極６に２００Ｗの高周波電力を供給することにより、シリコン基板９の表面の結晶層を均一に非晶質化することができた。
このように、非晶質層の厚さが基板の外周端付近の領域で極度に高くなることはなく、均一性が大きく向上したのは、基板９の外周端付近におけるシース領域の等電位線のゆがみが緩和され、基板９に入射するイオンの入射エネルギーが基板９の外周端付近を含む全面に渡って均一化されたためであると考えられる。
本実施の形態においては、試料としての基板９の外周端と段差部の内周端との距離Ｅを１ｍｍとしたが、Ｅは１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。Ｅが１ｍｍ未満であると、基板搬送時に搬送誤差によってトレー２１の段差部の外側に基板９が乗り上げる恐れがあり、搬送マージンの確保が十分でない点において好ましくない。また、Ｅが１０ｍｍよりも大きいと、基板９の外周端付近の領域における非晶質層の厚さの極度な上昇が生じる場合があり、好ましくない。
また、本実施の形態においては、試料としての基板９の表面の高さと段差部の外側におけるトレー２１の表面の高さの差Ｆを０．４ｍｍとしたが、Ｆは０．００１ｍｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。Ｆを０．００１ｍｍとすることは設計上困難であり、また、Ｆが１ｍｍより大きいと、基板９の外周端付近の領域における非晶質層の厚さの極度な低下または上昇が生じる場合があり、好ましくない。
また、試料がシリコン基板であり、トレーがシリコン製である場合を例示したが、この構成により、基板の汚染を最小限に抑えることができる。
また、図１１に変形例を示すように、トレー２１をクランプリング２２で試料電極に押しつけた状態で非晶質化することも可能である。この構成により、トレー２１と試料電極６との熱伝導が向上し、基板９の温度をより精密に制御することが可能となる。
また、プラズマを発生させる工程と、プラズマを停止させるとともに真空容器内の圧力を、プラズマを発生させる工程よりも高くする工程とを交互に繰り返してもよい。この構成とすることにより、プラズマを発生させる工程によって基板９に蓄積された熱を、プラズマを停止させるとともに真空容器内の圧力を、プラズマを発生させる工程よりも高くする工程において、基板９とトレー２１間、および、トレー２１と試料電極６間に流れ込んだガスを通じた熱伝達によって、試料電極６側に逃がすことが可能となり、基板９の温度をより精密に制御することが可能となる。
この場合、プラズマを停止させるとともに真空容器内の圧力を、プラズマを発生させる工程よりも高くする工程における真空容器内の圧力が、１００Ｐａ以上１０００Ｐａ以下であることが好ましい。１００Ｐａ未満だと、熱を逃がす効果が小さく、基板９の温度を下げるのに時間がかかりすぎる。逆に１０００Ｐａより大きいと、圧力の増加／減少に時間がかかりすぎる。
以上述べた本発明の実施の形態においては、本発明の適用範囲のうち、真空容器の形状、プラズマ源の方式および配置等に関して様々なバリエーションのうちの一部を例示したに過ぎない。本発明の適用にあたり、ここで例示した以外にも様々なバリエーションが考えられることは、いうまでもない。
例えば、コイル８を平面状としてもよく、あるいは、ヘリコン波プラズマ源、磁気中性
ループプラズマ源、有磁場マイクロ波プラズマ源（電子サイクロトロン共鳴プラズマ源）を用いてもよいし、平行平板型プラズマ源を用いてもよい。
また、ヘリウム以外の不活性ガスを用いてもよく、ネオン、アルゴン、クリプトンまたはキセノン（ゼノン）のうち少なくともひとつのガスを用いることができる。これらの不活性ガスは、試料への悪影響が他のガスよりも小さいという利点がある。
また、試料が単結晶シリコン基板である場合を例示したが、多結晶シリコン基板、ＧａＡｓなどの化合物半導体基板など、他の様々な材質の試料を処理するに際して、本発明を適用することができる。
本発明の非晶質化方法および装置は、非晶質化処理の均一性を高めることが可能であり、半導体の不純物ドーピング工程をはじめ、液晶などで用いられる薄膜トランジスタの製造や、各種材料の表面改質等の用途にも適用できる。
本発明の非晶質化装置の原理を示す説明図 本発明の非晶質化装置の原理を示す説明図 本発明の非晶質化装置の原理を示す説明図 本発明の非晶質化装置の原理を示す説明図 本発明の実施の形態１で用いた非晶質化装置の構成を示す断面図 本発明の実施の形態１における試料電極の詳細断面図 本発明の実施の形態１における非晶質層の厚さを測定した結果を示すグラフ 本発明の実施の形態１における試料電極の詳細断面図 本発明の実施の形態３における試料電極の詳細断面図 本発明の実施の形態４における試料電極の詳細断面図 本発明の実施の形態４における試料電極の詳細断面図 従来例で用いたプラズマドーピング装置の構成を示す断面図 従来例で用いたプラズマドーピング装置の構成を示す断面図 従来例における非晶質層の厚さを測定した結果を示すグラフ
符号の説明
１ 真空容器
２ ガス供給装置
３ ターボ分子ポンプ
４ 調圧弁
５ 高周波電源
６ 試料電極
７ 誘電体窓
８ コイル
９ 基板
１０ 高周波電源
１１ ガス導入口
１２ 排気口

Claims (33)

  1. 試料の表面でイオンシースの厚さが均一になるように調整しつつ、前記試料の表面にプラズマを照射するプラズマ処理方法。
  2. 請求項１に記載のプラズマ処理方法であって、
    前記プラズマは前記試料の表面を非晶質化するように調整されるプラズマ処理方法。
  3. 請求項１に記載のプラズマ処理方法であって、
    前記プラズマは前記試料の表面に不純物を導入するように調整されるプラズマ処理方法。
  4. 請求項１乃至３のいずれかに記載のプラズマ処理方法であって、
    真空容器内の試料電極に試料を載置し、前記真空容器内に原料ガスを供給しつつ真空容器内を排気し、プラズマ源に高周波電力を供給することにより真空容器内にプラズマを発生させ、
    前記試料の外周端を囲むように、試料の表面とほぼ同じ高さの表面をもつ導体リングを配置した状態で、前記試料の表面にプラズマを照射するプラズマ処理方法。
  5. 請求項４記載のプラズマ処理方法であって、
    前記試料の外周端と前記導体リングの内周端との距離が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であるプラズマ処理方法。
  6. 請求項４記載のプラズマ処理方法であって、
    前記試料の表面の高さと前記導体リングの高さの差が０．００１ｍｍ以上１ｍｍ以下であるプラズマ処理方法。
  7. 請求項４記載のプラズマ処理方法であって、
    前記試料電極が、前記試料に近い側から第１誘電体層、静電吸着電極、第２誘電体層、台座の層構造をなしており、かつ、台座から第１誘電体層、静電吸着電極、第２誘電体層が突出しており、導体リングと台座との間に第３誘電体層が設けられている状態で、台座に電圧を印加するようにしたプラズマ処理方法。
  8. 請求項７記載のプラズマ処理方法であって、
    第１誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε１、ｄ１、第２誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε２、ｄ２、第３誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε３、ｄ３としたとき、Ｃａ＝１／（ｄ１／ε１＋ｄ２／ε２）がＣｂ＝ε３／ｄ３の０．５倍以上２倍以下であるプラズマ処理方法。
  9. 請求項４記載のプラズマ処理方法であって、
    前記試料電極が、試料に近い側から第１誘電体層、静電吸着電極、第２誘電体層、台座の層構造をなしており、かつ、台座から第１誘電体層、静電吸着電極、第２誘電体層が突出しており、導体リングと台座との間に第３誘電体層が設けられている状態で、静電吸着電極に電圧を印加するプラズマ処理方法。
  10. 請求項９記載のプラズマ処理方法であって、
    第１誘電体の比誘電率及び厚さをそれぞれε１、ｄ１、第２誘電体の比誘電率及び厚さをそれぞれε２、ｄ２、第３誘電体の比誘電率及び厚さをそれぞれε３、ｄ３、試料がプラズマにさらされる面の面積をＳ１、導体リングがプラズマにさらされる面の面積をＳ２としたとき、Ｃｃ＝ε１／ｄ１がＣｄ＝１／（ｄ２×Ｓ２／ε２×Ｓ１＋ｄ３／ε３）の０．５倍以上２倍以下であるプラズマ処理方法。
  11. 請求項１乃至３のいずれかに記載のプラズマ処理方法であって、
    真空容器内の試料電極に試料を載置し、前記真空容器内に原料ガスを供給しつつ真空容器内を排気し、プラズマ源に高周波電力を供給することにより真空容器内にプラズマを発生させ、
    前記試料の外周端より外側に、試料の表面よりも１ｍｍ以上高い位置に表面をもつフォーカスリングを配置した状態でプラズマ処理するようにしたプラズマ処理方法。
  12. 請求項１１記載のプラズマ処理方法であって、
    前記試料の外周端と前記フォーカスリングの内周端との距離が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であるプラズマ処理方法。
  13. 請求項１１または１２に記載のプラズマ処理方法であって、
    試料の表面の高さとフォーカスリングの高さの差が１ｍｍ以上１５ｍｍ以下であるプラズマ処理方法。
  14. 請求項１乃至３のいずれかに記載のプラズマ処理方法であって、
    真空容器内の試料を載置するための段差部が設けられたトレー上に、前記試料を載置し、前記真空容器内に原料ガスを供給しつつ真空容器内を排気し、プラズマ源に高周波電力を供給することにより真空容器内にプラズマを発生させ、
    前記段差部の外側におけるトレーの表面の高さが、試料の表面とほぼ同じ高さに位置するように調整しつつプラズマを前記試料の表面に照射するようにしたプラズマ処理方法。
  15. 請求項１４記載のプラズマ処理方法であって、
    前記試料の外周端と前記段差部の内周端との距離が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であるプラズマ処理方法。
  16. 請求項１４または１５に記載のプラズマ処理方法であって、
    試料の表面の高さと段差部の外側における前記トレーの表面の高さの差が０．００１ｍｍ以上１ｍｍ以下であるプラズマ処理方法。
  17. 請求項１４乃至１６のいずれかに記載のプラズマ処理方法であって、
    試料がシリコン基板であり、トレーがシリコン製であるプラズマ処理方法。
  18. 請求項１４乃至１７のいずれかに記載のプラズマ処理方法であって、
    前記トレーを試料電極に押しつけた状態でプラズマ処理するプラズマ処理方法。
  19. 請求項１４乃至１８のいずれかに記載のプラズマ処理方法であって、
    プラズマを発生させる工程と、前記プラズマの発生を停止させる工程を交互に繰り返し、
    前記プラズマを停止させる工程では、前記真空容器内の圧力が、プラズマを発生させる工程におけるよりも高くなるようにしたプラズマ処理方法。
  20. 請求項１９に記載のプラズマ処理方法であって、
    前記プラズマを停止させる工程では、プラズマを発生させる工程における前記真空容器内の圧力との差が、１００Ｐａ以上１０００Ｐａ以下であるプラズマ処理方法。
  21. 真空容器と、
    前記真空容器内に配置され、試料を載置する試料電極と、
    前記真空容器内にガスを供給するガス供給装置と、
    前記真空容器内を排気する排気装置と、
    前記真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、
    プラズマ源と、プラズマ源に高周波電力を供給する高周波電源と、
    前記試料電極に電圧を供給する電圧源とを備え、
    前記試料の表面でプラズマが均一なエネルギー状態をもつように調整しつつ、前記試料の表面にプラズマを照射するように、前記試料電極の周縁に補助部材を配したプラズマ処理装置。
  22. 請求項２１に記載のプラズマ処理装置であって、
    前記プラズマは前記試料の表面を非晶質化するように調整されたプラズマであるプラズマ処理装置。
  23. 請求項２１に記載のプラズマ処理装置であって、
    前記プラズマは前記試料の表面に不純物を導入するように調整されるプラズマ処理装置。
  24. 請求項２１乃至２３のいずれかに記載のプラズマ処理装置であって、
    前記試料電極は前記試料を載置する突出部を具備しており、
    前記補助部材は、前記試料の外周端を囲むように、試料の表面とほぼ同じ高さの表面を持つように配置した導体リングであるプラズマ処理装置。
  25. 請求項２４に記載のプラズマ処理装置であって、
    前記試料の外周端と前記導体リングの内周端との距離が２ｍｍ以上１１ｍｍ以下であるプラズマ処理装置。
  26. 請求項２４または２５に記載のプラズマ処理装置であって、
    前記試料の表面の高さと前記導体リングの高さの差が０．００１ｍｍ以上２ｍｍ以下であるプラズマ処理装置。
  27. 請求項２１乃至２６のいずれかに記載のプラズマ処理装置であって、
    前記試料電極が、前記試料に近い側から第１誘電体層、静電吸着電極、第２誘電体層、台座の層構造をなしており、かつ、台座から第１誘電体層、静電吸着電極、第２誘電体層が突出しており、導体リングと台座との間に第３誘電体層が設けられ、台座に電圧を印加するよう構成されているプラズマ処理装置。
  28. 請求項２７に記載のプラズマ処理装置であって、
    前記第１誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε１、ｄ１、第２誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε２、ｄ２、第３誘電体層の比誘電率および厚さをそれぞれε３、ｄ３としたとき、Ｃａ＝１／（ｄ１／ε１＋ｄ２／ε２）がＣｂ＝ε３／ｄ３の０．５倍以上２倍以下であることを特徴とするプラズマ処理装置。
  29. 請求項２１乃至２６のいずれかに記載のプラズマ処理装置であって、
    前記試料電極が、試料に近い側から第１誘電体層、静電吸着電極、第２誘電体層、台座の層構造をなしており、かつ、台座から第１誘電体層、静電吸着電極、第２誘電体層が突出しており、導体リングと台座との間に第３誘電体層が設けられ、静電吸着電極に電圧を印加するよう構成されているプラズマ処理装置。
  30. 請求項２９に記載のプラズマ処理装置であって、
    前記第１誘電体層の比誘電率及び厚さをそれぞれε１、ｄ１、第２誘電体層の比誘電率及び厚さをそれぞれε２、ｄ２、第３誘電体の比誘電率及び厚さをそれぞれε３、ｄ３、試料がプラズマにさらされる面の面積をＳ１、導体リングがプラズマにさらされる面の面積をＳ２としたとき、Ｃｃ＝ε１／ｄ１がＣｄ＝１／（ｄ２×Ｓ２／ε２×Ｓ１＋ｄ３／ε３）の０．５倍以上２倍以下であるプラズマ処理装置。
  31. 請求項２１乃至２３のいずれかに記載のプラズマ処理装置であって、
    前記試料電極は前記試料を載置する突出部を具備しており、
    前記補助部材は、前記試料電極に載置される前記試料の表面よりも１ｍｍ以上高い位置に表面を持つように、前記試料を囲むように配置されたフォーカスリングであるプラズマ処理装置。
  32. 請求項３１に記載のプラズマ処理装置であって、
    前記試料の外周端と前記フォーカスリングの内周端との距離が２ｍｍ以上１１ｍｍ以下であるプラズマ処理装置。
  33. 請求項３０に記載のプラズマ処理装置であって、
    前記試料の表面の高さと前記フォーカスリングの高さの差が２ｍｍ以上１６ｍｍ以下であるプラズマ処理装置。
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