JPH01152721A - 不純物のドーピング方法 - 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
る不純物のドーピングに間するものであり、特に、高精
度に不純物濃度を制御し、かつ試料の表面形状によらず
等方的にドーピングを行う方法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注入し・てドーピ
ングを行う方法としては、イオン源から出たイオンを加
速し、加速前または後の質量分離によっ−６１１種類の
不純物のイオンのみ半導体などの試料に打ち込むイオン
注入装置を用いる方法や、装置として平行平板のＤＣグ
ロー放電プラズマＣＶＤを用い、不純物を含む気体を放
電させ、生じたイオンを陰極上に設けた試料に注入する
方法（第４図）等があった。

第４図において、３０１は真空槽、３０２はガス導入管
、３０３はガス排出管、３０４は陽極、３０５は試料台
となる陰極、３０６は直流電源、３０７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、イオン源から出たイオンを
加速し、加速前または後の質量分離によって、１種類の
不純物のイオンのみ半導体などの試料に打ち込むイオン
注入装置を用いる方法では、装置が複雑で高価であると
いう問題点があった。またこの方法では、ドーピングを
運動方向の指向性の強い、高エネルギー（〉〜１０ｋｅ
Ｖ）のイオンを、高真空の輸送系及び試料室を通して、
イオンの運動方向の強い指向性を保って試料に打ち込む
ことによって行うため、ドーピングされる領域は異方的
に分布する。つまり、第３図の（ｂ）に示すように試料
表面の凹凸によって、ドーピングされない領域ができる
という問題点かあった。

第３図において、２００はドーピングイオン、２０１は
半導体、２０２は不純物ドーピング層、２０３は不純物
堆積層、２５０は中性分子である。

一方、第４図に示すような、装置として平行平板のＤＣ
グロー放電プラズマＣＶＤを用い、不純物を含む気体を
放電させ、生じたイオンを陰極上に設けた試料に注入す
る方法では、直流グロー放電が起こりイオン源として機
能する圧力（０，０１〜１　ｔｏｒｒ）に試料室の圧力
が保たれていることや、印加できる電圧が１００〜８０
０Ｖと低いことから、所望のイオン以外に、プラズマ中
で励起された運動方向の指向性の弱い中性粒子によるド
ーピングが起こるため、ドーピングは等方的に行われる
（第３図の（ｂ））。しかし反面、このプラズマ中で励
起された指向性の弱い中性粒子は、そのドーピング量を
制御することが困難であり、かつ、励起された中性粒子
が試料表面に堆積することが起こることから、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
が困難であるという問題点があった。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−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、ざ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、グロー放電の
陰極降下領域で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、そのことによって生じる電極材料
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。

第３図は、従来例のドーピング方法における、トレンチ
の形成された半導体試料表面付近の模式断面図を示して
いる。

まず（ａ）は従来例のうち、イオン源から出たイオンを
加速し、加速前または後の質量分離によって、１種類の
不純物のイオンのみ、試料に打ち込むイオン注入装置を
用いる場合を示している。運動方向の指向性の強い、高
エネルギー（〉〜１０ｋｅＶ）のイオン２００（・）を
、高真空の輸送系及び試料室を通して、イオンの運動方
向の強い指向性を保って試料に打ち込むことによって行
うため、ドーピングされる領域は異方的に分布し、試料
表面の凹凸によって、ドーピングされない領域ができて
しまう。

つぎに（ｂ）は従来例のうち、装置として平行平板のＤ
Ｃグロー放電プラズマＣＶＤを用い、不純物を含む気体
を放電させ、生じたイオン（・）を陰極上に設けた試料
に注入する場合を示している。

イオン２００以外に、プラズマ中で励起された運動方向
の指向性の弱い中性粒子２５０（○）によるドーピング
が起こるため、ドーピングは等方的に行われている。し
かし、この励起された中性粒子の１及び試料に対するド
ーピング量は、イオンを用いたドーピングのように、試
料に照射する電気量で定量したり、電気的に制御したり
することができない。加えて第３図の（ｈ）に示すよう
に、不純物の堆積層２０１が形成されてしまう。そのた
め、高精度に不純物ドーピング量を制御した、不純物ド
ーピング層の形成が困難である。

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不純物のド
ーピング方法は、イオン源と試料室とを分離した真空装
置内で、１〜１０　ｋ　ｅ　Ｖのエネルギーを有し、試
料へドーピングする不純物を含むイオンを用いてドーピ
ングを行う方法において、前記試料室内の圧力を前記イ
オン源よりも高くするというものである。すなわち本発
明は、ドーピング量の制御が高精度に行えるイオンを、
１〜１ＯｋｅＶのエネルギーに加速し、ドーピングを行
う試料の表面付近で、このイオンの一部あるいは全部を
、気体を構成する分子などの中性粒子と衝突させた後に
、試料に照射・注入するというものである。

作用 ドーピングをイオンによって行うことから、ドーピング
量の制ｔＨが容易であり、所望の量の不純物のドーピン
グを高精度に行うことができる。試料室内の圧力を高く
することにより、試料へドーピングする不純物を含むイ
オンを、試料の表面付近で、中性粒子と衝突させる。こ
れによって、イオンの運動方向がランダムに変わり、イ
オン流の指向性が小さくなるため、等方的にイオンが試
料へ注入される。また、イオンと中性分子との衝突にお
ける平均自由行程は、イオンによる中性分子の分極の影
響から、因子（１＋Ｓ／Ｔ；）：　　（Ｓは分子の種類
に関係した定数ＩＴｉはイオンのエネルギー〕に、逆比
例する。このことから、イオンのエネルギーをｌ〜ｌ　
Ｏｋ　ｅ　Ｖとすることにより、ドーピングを行えるイ
オンのエネルギー範囲であるが、従来のイオン注入で用
いる高エネルギーイオンに比べて平均自由行程は短くな
る。そのため、気体を試料に吹き付けるなどの簡易な方
法で試料室内の狭い領域の圧力を高めることによって、
中性粒子と衝突させることができる。さらに、イオン源
と試料室とを分離した真空装置を用いることから、放電
電極と加速電極の一致によるイオン源の放電の不安定性
という問題点がない。

実施例 本発明に関して図面を用いてさらにくわしく説明する。

第１図は、本発明に係る不純物のドーピング方法におい
て、ドーピングを行う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。

イオン源Ａの真空槽１００は、石英・ガラス・セラミッ
クス等の絶縁体で作られた筒状管で構成される。容量結
合型高周波グロー放電用電極１０１−ａ及び１０１−ｂ
は、導電性のよい銅・ニッケル等の金属を用い、真空槽
１００の面に沿って、真空槽１００の外部に設ける。容
量結合型高周波グロー放電用電極１０１−ａを、マツチ
ングボックス１０２を介して、１３．５６ＭＨｚの高周
波発振器１０３と接続し、客層結合型高周波グロー放電
用電極１０１−ｂを接地して、真空槽１００内に高周波
電力の供給を行う。ざらに、容量結合型高周波グロー放
重用電極１０１−ａ及び１０１−ｂの、外部に配した電
磁石１０４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。

これにより、高周波電力を有効に用い、１０−３〜１０
−’Ｔｏ　ｒ　ｒの比較的低い圧力で、真空槽１００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１００内に於て１０〜２００ガウス程度でよい。こ
の値は、１３．５６ＭＨｚの周波数で電子サイクロトロ
ン共鳴が起こる磁場強度（４，８Ｇａｕｓｓ）の、約２
〜４０倍の強きである。なお発明者らは、イオン源Ａの
圧力が５〜ｌ　ＯＸ　１０−’Ｔｏ　ｒ　ｒのときが、
試料台に照射するイオン電流が大きく、イオン源の放電
も安定することを確認している。高周波電極１０１−ａ
及び１０１−ｂは、テフロン等の絶縁体１０５で覆われ
、その外部に接する導電性の鋼・アルミ・ステンレス等
で作られたメツシュ１０６と、絶縁されて設けられる。

この導体メツシュ１０６は接地され、高周波電力を遮蔽
する。導体メツシュ１０６の代わりに、イオン源Ａを被
うようなステンレス等でできた密閉容器を用いても良い
。密閉容器を用いろと、高周波電力の遮蔽だけでなく、
イオン源を形成する石英・ガラス・セラミックス等の絶
縁体で作られた筒状管が万一破損したときの安全性を高
める。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、第１の電極となる導体
メツシュ１０７−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性フランジ１０
８の開口部１０９に設けられる。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の電
極となる導体板１０７−ｂを、真空槽１００内の導体メ
ツシュ１０７−ａと、放電により生じるプラズマ１１０
を挟んで対向する位置に設ける。導体板１０７−ｂは、
セラミックス・テフロン・石英等で作られた絶縁棒１１
１により、真空槽１００に固定されている。第１の電極
１０７−ａ及び導体板１０７−ｂは、直流高圧電源１１
２に接続され、所望の電圧を印加することにより、イオ
ン源Ａ内の荷電粒子を試料室りへ押し出し、加速を行う
。ＳｉやＧ　ａ　Ａ　ｓ等の半導体にドーピングする不
純物を含む、ＰＨ３，Ｂ２Ｈ６，ＡＳＨ３，Ｓ　ｉＨ４
等の材料ガスは、ガス導入管１１３からイオン源Ａに導
入される。試料室Ｂはガス排出管１１４に接続され、１
０−’　〜ｌ　０−２Ｔ　ｏ　ｒ　ｒの圧力に保たれる
。試料室Ｂ内には導電性のステンレス・アルミニウム・
銅等で作られた試料台１１５を設け、試料台１１５上に
トレンチ（溝）やトランジスターのゲートなどのパター
ンが形成されたＳｉやＧａ、　Ａ　ｓ等の半導体試料１
１６を置く。試料１１６はヒーター１１７により加熱を
行い不純物のドーピング或はエツチング等のプラズマ処
理の効率をＥげる。真空槽１００内に−様に生じるプラ
ズマ１１０から引き出された、開口部１０９に間して−
様な＠重粒子密度で、かつ第１の電極１ｏ７−ａと試料
台１１５との電位差に応じた運動エネルギーを有するイ
オン流１１８は、試料台１１５上の試料１１６に照射す
る。このイオン流１１８の運動方向の指向性を弱めるた
め、試料室Ｂの試料台１１５を囲むように、第２のガス
導入管１１９を設け、試料１１６の表面に、材料ガスま
たはＨｅ　＋　　Ａ　ｒ　＋　　Ｎ　ｅ　＋　　Ｘ　ｅ
等の不活性ガスを吹き付けることを行う。吹き付ける気
体を材料ガスとした場合には、ガス導入管１１３を省き
、第２のガス導入管１１９により、イオン源Ａへの材料
ガスの導入を行ってもよい。第２のガス導入管１１９か
ら吹き付けられる気体によって、試料台１１５上の試料
１１６の表面付近は、局所的に圧力が高くなり、イオン
１２０が気体を構成する中性分子１２１と、？Ｕ突する
。このことによって、イオンの運動方向がランダムに変
わり、イオン流１１９の運動方向の指向性が弱まる（第
２図参照）。試料１１６への不純物のドーピングは、こ
のイオン流１１９によって行われる。励起された指向性
の弱い中性粒子と異なり、イオン流１１９の！ｌイ射量
は、高周波電力・照射時間によって高精度に制御できる
。なお発明者らは、試料室Ｂの圧力が１０−３〜１Ｏ−
２Ｔｏｒｒの範囲にある場合、試料台１１５と第１の電
極１０７−ａとの間に放電を生じず、かつ等方向なドー
ピングが行えることを確認した。

以上のように、第１の電極１０７−ａと試料台ｌ】５と
の電位差にほぼ応じた運動エネルギーを有し、試料の表
面付近におけるイオンと中性分子との弾性衝突によって
、運動方向の指向性が弱まったイオン流１１９により、
所望の量の不純物のドーピングを試料１１６に対して、
試料１１６の表面形状によらず等方向に行う。

第２図は、本発明に係る不純物のドーピングを行った場
合に、トレンチの形成された半導体試料表面付近の模式
断面図を示している。を示している。ドーピングをイオ
ン２００（・）によって行うことから、ドーピング量の
高い精度での制御が容易である。さらに試料表面付近で
の中性粒子２５０（○）などとの衝突によって、イオン
の運動方向が等方向になっていることから、試料１１６
表面の凹凸によらない、均一な不純物のドーピングが行
われ、均一な不純物ドーピング層２０２を形成できてい
る。

発明の効果 本発明により得られる効果は、以下のようにまとめられ
る。

まず第１に、ドーピングをイオンによって行うことから
、ドーピング量の制御が容易であり、所望の量の不純物
のドーピングを高精度に行うことができる。

第２に、一部あるいは全部のイオンの運動方向を、中性
粒子との衝突によって、試料表面付近で等方向にするこ
とから、試料の表面形状によらず、均一な不純物のドー
ピングを行うことが可能となる。

そして第３に、イオンのエネルギーを１〜１０ｋｅＶと
することから、ドーピングを行えるイオンのエネルギー
範囲であるが、イオンが短い領域を通過するだけで中性
粒子と衝突するため、気体を試料表面に吹き付ける等の
簡易な方法で、試料室内の狭い領域の圧力を高めること
によって、中性粒子と衝突させることが可能である。

以北の効果は、実施例からも明らかなように、用いる真
空装置として、少なくとも真空槽内に導入した気体に、
周波数ｆの高周波電力及び磁場を供給して放電を行うイ
オン源と、試料台を備えて前記イオン源と接続された試
料室からなり、磁場の強度を周波数［の電子サイクロト
ロン共鳴を与える磁場強度の１．５倍以上としたプラズ
マ処理装置を用いることによっても同様に得られる。

以上のように本発明は、極めて簡単な装置構成及び方法
で、例えばトレンチ（溝）やＭＯＳトランジスターのゲ
ートのような試料の凹凸によらず、等方向で高精度に制
御された不純物ドーピング層を得ることが可能となると
いう点て、きわめて有用性の高いものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る不純物のドーピング方法の第１実
施例を行うプラズマ処理装置の概略構成断面図、第２図
は本発明に係る不純物のドーピング方法の試料表面付近
の模式断面図、第３図は従来例のドーピング方法におけ
る、トレンチの形成された半導体試料表面付近の・模式
断面図、第４図は従来例のうち、装置として平行平板の
ＤＣグロー放電プラズマＣＶＤを用い、不純物を含む気
体を放電させ生じたイオンを陰極上に設けた試ト１に注
入する方法の概略構成図である。 Ａ・・・イオン源、Ｂ・・・試料室、１００・・・真空
槽、１０１−ａ・・・容量結合型高周波グロー放電用電
極、１０１−ｂ・・・容量結合型高周波グロー放電用電
極、１０２・・・マツチングボックス、１０３・・・高
周波発振器、１０４・・・電磁石、１０５・・・絶縁体
、１０６・・・導電性のメツシュ、１０７−ａ・・・第
１の電極、１０７−ｂ・・・第２の電極、１０８・・・
絶縁性フランジ、１０９・・・開口部、１１０・・・プ
ラズマ、１１１・・・絶縁棒、１１２・・・直流高圧電
源、１１３・・・ガス導入管、１１４・・・ガス排出管
、１１５・・・試料台、１１６・・・試料、１１７・・
・ヒーター、１１８・・・イオン流、１１９・・・第２
のガス導入管、１２０・・・イオン、１２１・・・中性
分子代理人の氏名　弁理士　中尾俊男　はか１名ｔｏｏ
−−−真空槽 １０／−ａ−、／θ／−ｂ−ｅ、氏 １０３−一一宛妻り暮 ｌθ４−一一近禿ａ石 １０５−−−把球倦 ／／ｚ−電源 ／／６−−−諒ｌ呼 第３図

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. （１）イオン源と試料室とを分離した真空装置内で、１
   〜１０ｋｅＶのエネルギーを有し、試料へドーピングす
   る不純物を含むイオンを用いてドーピングを行う方法に
   おいて、前記試料室内の圧力を前記イオン源よりも高く
   することを特徴とする不純物のドーピング方法。
2. （２）真空装置は、真空槽内に導入した気体に、周波数
   ｆの高周波電力及び磁場を供給して放電を行うイオン源
   と、試料台を備えて前記イオン源と接続された試料室を
   有し、前記磁場の強度を、周波数ｆの電子サイクロトロ
   ン共鳴を与える磁場強度の１．５倍以上としたプラズマ
   処理装置とすることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の不純物のドーピング方法。
3. （３）イオン源の圧力を１０＾−＾４〜１０＾−＾３Ｔ
   ｏｒｒとし、試料室の圧力を１０＾−＾４〜１０＾−＾
   ２Ｔｏｒｒとすることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の不純物のドーピング方法。
4. （４）試料台上に設けられた試料に、気体を吹き付ける
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の不純物の
   ドーピング方法。
5. （５）試料に吹き付ける気体として、前記試料にドーピ
   ングする不純物を含む気体を用いることを特徴とする特
   許請求の範囲第４項記載の不純物のドーピング方法。
6. （６）試料に吹き付ける気体として、不活性気体を用い
   ることを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の不純物
   のドーピング方法。
7. （７）試料として、段差が５０ｎｍ以上の凹凸が形成さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   不純物のドーピング方法。
8. （８）試料として、少なくともＳｉを構成元素に含んで
   いる半導体を有することを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の不純物のドーピング方法。
9. （９）試料へドーピングする不純物として、少なくとも
   ホウ素、リン、ヒ素の何れかが含まれていることを特徴
   とする特許請求の範囲第８項記載の不純物のドーピング
   方法。
10. （１０）試料へドーピングする不純物のイオンとして、
    少なくともＢ＿２Ｈ＿６、ＢＣｌ＿３、ＢＦ＿３、ＰＨ
    ＿３、ＰＣｌ＿３、ＡｓＨ＿３、ＡｓＣｌ＿３の何れか
    の気体の、放電により生ずるイオンを用いることを特徴
    とする特許請求の範囲第８項記載の不純物のドーピング
    方法。
11. （１１）試料を、イオンの照射中に加熱することを特徴
    とする特許請求の範囲第１項記載の不純物のドーピング
    方法。
12. （１２）試料を、イオンの照射後に加熱することを特徴
    とする特許請求の範囲第１項記載の不純物のドーピング
    方法。