JPH0349217A - 半導体基体用プラズマドーピング装置 - 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〕 この発明は半導体基体に不純物を導入する装置に係り、
特にプラズマドーピングされた不純物を活性化するプラ
ズマドーピング！装置に関する。

〔従来の技術〕

半導体基体に不純物をドープして基体と不純物濃度の異
なる半導体領域を形成する方法として固相拡散法や気相
拡散法などの熱拡散法が知られているが、これらは８０
０℃〜１２００℃の高温度下で拡散を行うものであり、
そのため設備が複雑で高価であり、またその保守が厄介
である。また熱拡散法は半導体基体の不純物の面内均一
性に間ねがあり、しかもｌ　ｐｍ以下の浅い拡散層の形
成が困難である。また、前記のような高温度の熱処理は
、半導体基体中に格子欠陥を先じさせたり重金属元素が
基体中に拡散してキャリアのライフタイムを低下させる
等の問題を生ずる。この問題の解決には、拡散工程にお
ける処理＠度を下げればよいが、８００℃以下ではドー
ピングする不純物元素の拡散係数が低下するので経済性
が低く、再現性も悪化してしまう。

イオン注入法はこのような半導体ウェハ面内の不純物濃
度の不均一性や高温度処理に伴う種々の問題点を解決で
きるもので、広く半導体装置の製造プロセスに利用され
るに至っているが、非常な高エネルギで半導体に不純物
を打ち込むので、半導体表面に損傷を与えてしまう問題
が本質的にあり、また打ち込まれたそのママの状態では
不純物の電気的活性度が低いので、半導体表面のダメー
ジを回復しかつ不純物を活性化するため８００℃〜１２
５０℃の高温熱処理を必要とし、高温熱処理を完全にな
くすことができないという問題がある。

このような従来の不純物導入方法の問題点を解決するた
めζこ本発明者らは先に％開１１８５９−２１８７２７
号公報に２いてプラズマドーピング法による不純物導入
方法を開示した。この方法は半導体基体に導入するべき
不純物元素を含むドーピングガスを水素で稀釈してふん
い気ガスとし、これをグロー放電によりプラズマ化し、
このプラズマによりてドーピングガスを分解して半導体
基体表面に不純物を導入する手法である。この方法は２
００℃程度の低温度においても不純物を導入することが
できるので、ブレーナ素子やＭＯ８ＩＣでは酸化膜汚染
や接合深さの変動、さらに高熱による格子欠陥が生じな
い。さらにプラズマドーピング装置が極めて単純な構造
のものを用いることができる特徴がある。才だ不純物を
導入する際の工ふルギも小さいために、半導体基体表面
の格子欠陥の発生も少ない。このプラズマドーピング法
はイオン注入法とは異なり、半導体基体表面でドープし
た不純物濃度が高く（約１０２２原子／ｄ）、深さ方向
に濃度が急減するプロファイルを示し、濃度分布も約０
．２ｐｍと極めて浅い。このため浅い接合や浅いオーミ
ックコンタクト層の形成に有効に使用することができる
。

さらに不出願人は先に、このプラズマドーピング方法を
用いて半導体基体中に導入された不純物を活性化するた
めの装置を、冥願昭６３−１８３４１号にて提案してい
る。第４図にその装置の構成を示す。この装置は密閉容
器ｌ、対向電極２である網目状電極２人および平板状電
極２Ｂ、半導体基体３、真空排気系４．ドーピングガス
を稀釈したふんい気ガス５．ガスの圧力と流量を調整す
るための調整回路６．グロー放電用直流電源７Ａ、半導
体加熱用電源７Ｂ、グロー放電時のガス圧力を調整する
ための真空バルブ８．真空計９．およびタングステンフ
ィラメントを石英ガラス管に封じ込んだ多数個の棒状の
赤外線ランプ１０．該ランプ用電源１１．該ランプから
発生する赤外線を反射させる反射板１２から構成されて
いる。

この装着によれば、プラズマドーピングにより、平板状
電極２Ｂにｌ！ｌ！＆された半導体基体３中に所定の不
純物を導入した後、網目状電極２人の網目を通して、赤
外線ランプｌＯから赤外ｌ１ｉｉ８照射することにより
、半導体基体３の表面のみを短時間に加熱し、不純物を
電気的に活性にすることができる。

〔発明が解決しようとするａＭ〕

しかしながら前述の公報で開示したプラズマドーピング
による不純物の導入方法においては、導入された不純物
の全濃度は確かに高濃度ではあるが、このうち電気的に
活性な不純物濃度は約１０′６原子／−であり、充分な
半導体特性を得ることができないという問題がある。そ
のために本発明者らが特開昭５９−２１８７２８号公報
で開示したようＣへプラズマドーピング法で所定の不純
物を半導体基体中にドープしたのち、さらにアルゴンプ
ラズマを用いて、導入された不純物の活性化を図ること
が行われる。しかしながらこの方法では全体の工程が二
工程となるために不純物導入に長時間を要し、能率的な
方法とは言えない問題が生ずる。

菫た、笑願昭６３−１８３４１号に提案した前記第４図
の構成の場合、半導体基体を加熱する光源である赤外線
ランプの管球表面にもドーピングする不純物が被着し、
光源の光量が減少する。そのため、数回のプラズマドー
ピングを行う毎に、光源の管球を取り外して洗浄する必
要が生じ、装置のメンテナンスが煩雑になるという問題
がある。

この発明は上述の点に鑑みてなされ、その目的は、半導
体基体の不純物の導入された表面層を短時間加熱するの
みで半導体基体表面の浅い部分（こ電気的に活性な不純
物の高濃度領域を形成可能で、かつｆｃｌｌのメンテナ
ンスが容易な半導体基体用プラズマドーピング装置を提
供することにある。

ＣＩ’ｌ１題を解決するための手段〕 上記の目的を連取するために、本発明によれば、密閉容
器内に対向電極を備え、ドーピングガスを稀釈したふん
い気ガスを密閉容器内に満たし、前記対向電極に所定の
電圧を印加して、ふんい気ガス内にプラズマを発生させ
る半導体基体用プラズマドーピング装置において、前記
対向電極の一方の電極を、通電加熱により光を発生し眩
光を他方の電極に載置された半導体基体に照射する抵抗
細線にて形成するものとする。なお、抵抗細線にて形成
された対向電極に対し、半導体基体とは反対側に、光を
反射する反射板を設けることが望ましい。

不純物元素を含むドーピングガスとしては、フォスフイ
ン（ＰＨ３）−アルシン（ＡｓＨｓ）’ＩＦのような無
機系ガスや、％棟の不純物元素を含む有機金属化合物ガ
スが用いられる。ドーピングガスの稀釈はヘリウムガス
、アルゴンガス、水素ガス、窒素ガス等を用いてなされ
る。ふんい気ガスは数Ｔｏｒｒの圧力で密閉容器内に満
たされる。対向眠極間に例えば直流電圧が印加されると
、グロー放電により上記ふんい気はプラズマ化される。

このプラズマはドーピングガスを分解し、分解によりて
生じた不純物原子は基体内部に拡散する。半導体基体と
しては、結晶質、非晶質のシリコン、ゲルマニウム等が
用いられる。不純物の導入された基体表面層の加熱は、
一方の対向電極を形成する抵抗細線９例えばタングステ
ン細線を通電加熱することによって発生する光照射によ
りて行われる。

〔作用〕

抵抗細線電極による光照射は短時間性われる。

元は半導体基体中で吸収されるので表面層に近い根元強
度は強く、従りて光照射によって表面層の温度が最も高
く刀口熱される。この表面層の温度上昇によつて、表面
層内の導入不純物は、単結晶の場合は、格子間位置から
基体の原子の位置へ置換し、活性化される。また上記活
性化は短時間に起こるので光照射は短時間でよく、温度
上昇による結晶欠陥の発生を防止できる。また、光照射
は抵抗細線にて形成された一方の対向電極自体からなさ
れ、例え抵抗細線に不純物が付層しても放電の際にこの
不純物は除去されるので、赤外線ランプを用いる場合の
ような管球表面の汚染１こよる光量不足が生じることは
ない。

〔実施例〕

次にこの発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の実施例１こ用いた装置の構成を示すも
ので、＠４図と同一の部材には同一の符号を付し、その
説明を省略する。

対向電極加の一方の電極は、抵抗細線により形成された
抵抗細線電極２Ｃとなりでいる。この抵抗細線電極２Ｃ
は抵抗細線加熱用電源７Ｃ４こより通ＩＪＬ　７１１１
熱され、赤外線を発生する。１２Ａは反射板であって、
抵抗細線電極２Ｃから発生した赤外線のうち、半導体基
体３とは反対側に向りて照射されたものを、半導体基体
３側に反射する。

以上の構成において半導体基体３に不純物を導入する具
体的な手順は次の通りである。

まず、真空排気系４により密閉容器ｌ内を排気し、約ｌ
Ｘｌ０Ｔｏｒｒの真空にしたのち、真空バルブ８を絞り
、真空排気系４の排気速度を下げると同時に密閉容器Ｉ
Ｉこふんい気ガスを調整回路６を通して導入し、公知の
方法で電極２Ｂ、２Ｃ間に電圧を印加してグロー放電を
発生させると電極２Ｂ上に配置した半導体基体３にその
不純物を含む半導体領域が形成される。次いで、密閉容
器１内を再び排気しｔ約ｌＸ１０ＴＯｒｒの真空にした
のち、抵抗細線電極２Ｃを抵抗細線加熱用電源７Ｃによ
り通電加熱し、赤外線を発生させる。発生した赤外線は
半導体基体３の表面に均等に照射され、この照射赤外線
により該基体３の表面温度が上昇する。その結果、先に
導入した不純物原子が半導体基体の格子間位置から格子
位置に該基体原子と置換して入り、電気的に活性化した
不純物原子の濃度が増加する。

第２図はシリコン単結晶基体３にホウ素原子を導入した
場合のホウ素の濃度分布を示すプロファイル線図である
。この場合不純物は下記の電性で導入された。

半導体基体：シリコン単結晶、ｎ型、比抵抗約１００Ω
ｃｍ、＠面仕上げ 基体温度：２００℃ ふんい気ガス：水累で１ｏｏｏ　ｐｐｍに稀釈したジボ
ラン グロー放電時の圧カニ　４　Ｔ□ｒｒ 放電パワー：　Ｄ　Ｃ９００Ｖ　、　２　ｍＡ／ｃｓ（
電極間距離：５０１ｍ 放電時間：６０秒 赤外線照射時間：２０秒、４０秒 第２図において曲線１３は、赤外線照射前のホウ素濃度
分布を示し、このときの電気的に活性化したホウ素濃度
分布を曲線１４１こ示す。曲線１５は抵抗細線電極２Ｃ
を通電７ＪＯ熱して半導体基体３にｍ秒間赤外線を照射
した場合で、曲線１６は初秒間赤外線を照射した場合の
電気的に活性化したホウ素濃度分布である。このように
赤外線の照射時間の増加とともに基体３表面の温度が上
昇するため、電気的に活性化したホウ素濃度は増加する
。上記の場合に２いて曲線１３に示すホウ素全濃度分布
は、二次イオン質量分析法（５ｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｉｏ
ｎ　ＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙｅ　Ｓ　Ｉ　Ｍ
Ｓ　）を用いて測定された。また電気的に活性な不純ｔ
ｔｌＪｉａ度は拡がり抵抗法で測定された。ざらに、抵
抗細線電極２Ｃを通τ加熱して基体３異而に赤外線を照
射する時間がか秒と４０秒のときの該基体表面の最高ｍ
匣はそれぞれ９００℃と１】００℃であることが熱電対
（０，２１１φ。

白金−白金ロジウム）を用いた実験で確認された。

第３図はンリコン単結晶基体３に不純物としてリンを導
入した場合のリンの濃度分布を示すプロファイル線図で
ある。この場合不純物は下記条件で導入された。

半導体基体：シリコン単結晶、Ｐ型、比抵抗的ｉｏｏΩ
ｃｍ　、鏡面仕上げ 基体温度：２００°Ｃ ドーパント不純物ガス：水累でｌｏｏｏｐｐｍ　　に稀
釈したフォスフイン グロー放電時の圧カニ　４　Ｔｏｒｒ 放電パワー：　Ｄ　Ｃ９０（ｌ　Ｖ　＊　２　ｍＡ／ｃ
ｍ電極間距１１１ｉ　：　５０ｍ１ｍ 放電時間：６０秒 赤外線照射時間：２０秒、　４０秒 第３図において曲１１１１７は赤外線照射前のリン濃度
分布であり、このときの電気的に活性なリン濃度分布は
曲９１８で示される。曲＠１９は赤外線照射時間が（９
）秒１曲線２１は赤外線照射時間が荀秒の場合の電気的
に活性なリンの濃度分布である。

〔発明の効果〕

この発明によれば、密閉容器内に対向電極を備え、ドー
ピングガスを稀釈したふんい気ガスを密閉容器内に満た
し、前記対向電極に所定の電圧を印刀口して、ふんい気
ガス内にプラズマを発生させる半導体基体用プラズマド
ーピング装置において、前記対向電極の一方の電極を、
通電過熱により光を発生し該光を他方の電極に載置され
た半導体基体に照射する抵抗細線にて形成するものとし
た。

よってこの装置を用いると、光照射による加熱効果が半
導体基体に対して平均的ζこ小さくその結果結晶欠陥を
生じさせることなくプラズマドーピングにより導入され
た基体表面層の不純物を電気的に活性化することができ
る。

また不純物の活性化は短時間の光照射により達成される
ので、不純物導入の全工程を短時間で行うことができる
。さらに光照射による不純物活性化の過程が短時間に達
成されるため、半導体基体表面層の不純物領域が拡散で
拡がることがないので、プラズマドーピングで得られた
不純物領域をそのま望維持することができ、極めて浅い
領域に不純物を導入できるというプラズマドーピングの
長所がそのまま生かされる。光照射は抵抗細線から成る
電極目体を発光体として行うため、赤外線ランプを用い
る場合のようにランプの管球表面の汚染による光量不足
は主じない。よって再現性良く不純物の活性化が可能と
なるとともに、メンテナンス性が向上するという効果も
奏せられる。

従って本発明は放射線検出累子に通用し−た場合はｐｎ
接合層のような放射線１こ対して不感層となる領域を薄
くできるばかりでなく、ＭＯ８ＩＣデバイスや三次元デ
バイスなどの拡散層などの形成に際して有効に利用でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例に係るプラズマド−ピング装
置の構成図、第２図はこの発明の実施例に係るホウ素の
濃度分布を示すプロファイル線図、第３図はこの発明の
実施例に係るリンの濃度分布を示すプロファイル線図、
第４図は本出願人が先に出願した装置の構成図である。 ｌ・・・密閉容器、２．２０・・・対向電極、２Ａ・・
・網目状電極、２Ｂ・・・平板状電極、２Ｃ・・・抵抗
細線電極、３・・・半導体基体、４・・・真空排気系、
５・・・ふんい気ガス、６・・・ガス圧、ガス流量調整
回路、７Ａ・・・グロー放電用直流電源、７Ｂ・・・基
体加熱用電源、７Ｃ・・・抵抗細線加熱用電源、８・・
・真空バルブ、９・・・真空計、１０・・・赤外線ラン
プ、１１・・・ランプ用電ビ 術 口 暮４不表雨カ゛脅費拒駒雀（入） 第３　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）密閉容器内に対向電極を備え、ドーピングガスを稀
   釈したふんい気ガスを密閉容器内に満たし、前記対向電
   極に所定の電圧を印加して、ふんい気ガス内にプラズマ
   を発生させる半導体基体用プラズマドーピング装置にお
   いて、前記対向電極の一方の電極を、通電加熱により光
   を発生し該光を他方の電極に載置された半導体基体に照
   射する抵抗細線にて形成したことを特徴とする半導体基
   体用プラズマドーピング装置。