JPS63157868A - 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）　５ｅｐｔ、
　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
有さすイオンを注入、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は絶縁膜筒状管、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、１６−ａは第１の導電性バイアス部、１６−ｂは第
２の導電性バイアス部、１７−ａは第１の直流電源、１
７−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
、２３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，ＯＩｔｏｒｒ）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（〜１Ｏ−３
ｔｏｒｒ以下）に保つため差動排気等を用いねばならず
、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。（２）の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による第４図の方法は、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
１０−３〜１０−’ｔｏｒｒと低いことがら差動排気等
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１３’　Ｏｍｍ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、９
００℃・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、（７（Ｒ８）：シ
ート抵抗の標準偏差）が２０％程度であるため、大面積
の試料に対して一様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
第５図の方法は、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，０１ｔｏｒｒ
）に保たれていることや印加出来る電圧が１００〜１ｏ
ｏｏｖ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−〇　− 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、少なくとも所定の面
積で向かい合った平行平面を有して形成される絶縁性真
空槽と、前記絶縁性真空槽の向かい合った平行平面に沿
って前記絶縁性真空槽の外側に設けられた高周波電極及
び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てなるものである。すなわち本
発明は、イオン源を少なくとも所定の面積で向かい合っ
た平行平面を有して形成される絶縁性真空槽と、前記絶
縁性真空槽の向かい合った平行平面に沿って絶縁性真空
槽の外側に高周波電極を配しさらに磁場発生源を配した
ものを用い、前記絶縁性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 放電室を少なくとも所定の面積で向かい合った平行平面
を有して形成される絶縁性真空槽にすることにより大面
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
ー放電用電極を真空槽の向かい合った平行平面に沿って
設けることが可能となり、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、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。また絶縁性真空槽の外
部に高周波電極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く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
が防げ、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ＩＱ−３〜１０−’ｔｏｒｒの気体圧力で
も安定かつ一様に放電させる。この１０−３〜１０−’
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
１０ｃｍ）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
−３〜１０−’ｔｏｒｒ以下であ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（、
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１０−３〜１０−’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。

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、
少なくとも所定の面積で向かい合った平行平面を有して
形成される絶縁性真空槽として絶縁性の矩形管を用いて
いる。放電室Ｃの絶縁性矩形管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、絶縁性矩形管３１の外部に設ける。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
を接地して絶縁性矩形管３１内に高周波電力の供給を行
う。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３５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（ＩＱ−３
〜１０−’ｔｏｒｒ　）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矩形管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矩形管３
１内に於て５０〜２００ガウス程度で良く、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・銅等で作られ、開口部３６を有する第
１の導電性バイアス部３７−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３８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３９を経て、絶縁性矩形管３１
内の第１の導電性バイアス部３７−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３７−ｂのガス導入
口４０より行う。前記第１の導電性バイアス部３７−ａ
及び第２の導電性バイアス部３７−ｂは各々直流高電圧
電源４１−ａ及び４１−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４２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４３を設け、基板台４３上に
半導体基板等の試料４４を置く。試料４４はヒーター４
５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。絶縁性矩形管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（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３６の長尺方向（第２図参照）に関して一様で
第１の導電性バイアス部３７−ａと基板台４３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４６は
、基板台４３上の半導体基板等の試料４４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
４４に対して行う。さらに基板台４３を荷電粒子ビーム
４６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、少なくとも所定の面積で向かい合った平行平面
を有して形成される絶縁性真空槽として絶縁性の矩形管
を用いている。絶縁性矩形管３１で構成される放電室Ｃ
内部に、容量結合型平行平板高周波グロー放電用電極３
２及び電磁石３５により印加される高周波電力及び静磁
場によって１０−８〜１０−’ｔｏｒｒ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の導電性バイアス部３７−ａ
及び第２の導電性バイアス部３７−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（設けられた第１の導電性バイアス部３７−ａの開
口部３６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４３上の半導体基板等の試料４４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４３を荷電粒子ビーム４６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３９から行い、第１の導電性バイアス部３７−
ａは絶縁フランジ３８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４３が第２の真空槽Ｅと
基板台４３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、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、放電室として少なくとも所定の面積で向かい
合った平行平面を有して形成される絶縁性真空槽を用い
、高周波と静磁場を重畳させることにより、１０−ｓ〜
１Ｏ−４ｔｏｒｒ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
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。さらに放電室の外部に高周波電極を設
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
く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と、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となるという点で、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＝　１７＝ 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
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
周波発振器、３５・・・電磁石、３６・・・開口部、３
７−ａ・・・第１の導電性バイアス部、３７−ｂ・・・
第２の導電性バイアス部、３８・・・絶縁フランジ、３
９・・・ガス導入管、４０・・・ガス導入口、４１−ａ
・・・直流高電圧電源、４１−ｂ・・・直流高電圧電源
、４２・・・ガス排出管、４３・・・基板台、４４・・
・試料、４５・・・ヒーター、４６・・・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　はが１名第１図 α「ａ■ｈへ４５　ヒーター 第２図 Ｃ放電室 第３図 第４図 第５図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガス導入管に接続され、少なくとも所定の面積で
   向かい合った平行平面を有して形成される絶縁性真空槽
   と、前記絶縁性真空槽の向かい合った平行平面に沿って
   前記絶縁性真空槽の外側に設けられた高周波電極及び磁
   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項記載のプラズマ処理装置。
3. （３）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。