JPH01201917A - 半導体集積回路装置における不純物導入方法 - 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〕 本発明は半導体基板に不純物を導入する方法、とくに半
導体基板に形成した溝の側壁および底面に不純物を導入
する方法に関する。

〔従来技術およびその課題〕

半導体メモリとくに１メガビット以上の記憶容量をもつ
ダイナミック・ランダム・アクセス・メモ！Ｊ（ＤＲＡ
Ｍ）のメモリセル構造として、積み一ヒげ容量型、ある
いは例えば特開昭６２−２７２５６１号公報に記載され
ているような半導体基板に垂直に形成した溝の側壁およ
び底面を容量とするいわゆるトレンチキャパシタとの２
つの構造がある。

このトレンチキャパシタを第４図の素子断面図を用いて
説明する。

例えばｎ型の半導体基板１６に溝５２を形成して、この
溝５２の側壁および底面に容量値増加とトレンチキャパ
シタ間分離とを目的として、ｎ型の高不純物濃度を有す
る不純物層４６を形成する。

この高不純物濃度の不純物層４６上の溝５２の側壁およ
び底面に、誘電膜として絶縁膜４８を形成して、さらに
この溝５２の中に不純物を含んだ多結晶シリコン膜５０
を埋め込む。すなわち不純物層４６と絶縁膜４８と多結
晶シリコン膜５ｏとからなる情報保持用のトレンチキャ
パシタを構成する。

このトレンチキャパシタは１６メガビツトＤＲＡＭでは
、溝開口部の大きさが０５μｍ以下、溝深さが５μｍ前
後になるものと予想されている。

溝開口部の大きさに対する溝深さの比すなわちアスペク
ト比が大きくなると、溝の側壁および底面に不純物を導
入することが困難になる。

そこで例えば第３３回半導体集積回路技術シンポジウム
講演論文集（１９８７年１２月３日）の第３１ページか
ら第３６ページに記載されているように、イオン注入装
置を用いて溝の側壁および底面に不純物を導入する方法
が提案されている。

これは溝のアスペクト比に応じて半導体基板を傾げ、さ
らに半導体基板を回転させる回転イオン注入により、溝
の側壁および底面に不純物導入を行なっている。しかし
この回転イオン注入法では溝のアスペクト比が大きくな
るにしたがい、イオンビームと半導体基板表面とのなす
角度が垂直に近づき溝内への不純物導入が困難になる。

そこで例えば電子材料（工業調査会発行）の１９８７年
１２月号の第１０３頁から第１０８頁に記載の、マイク
ロ波電子サイクロトン共鳴（以下ＥＣＲと記す）プラズ
マドーピング法を用いて、溝の側壁および底面に不純物
を導入する方法が提案されている。

このＥＣＲプラズマドーピング法を第５図のＥＣＲプラ
ズマドーピング装置の側面配置を示す説明図を用いて説
明する。

リング状の電磁石５４により真空室２２に共鳴磁場（８
７５ガウス）を作り出す。この電磁石５４は試料電極１
４に向かって徐々に磁界強度が弱くなる発散磁界を構成
している。この磁界下に上部のマイクロ波導波管５８よ
り２．４５　ＧＨｚのマイクロ波を印加する。このとき
真空室２２内では電子のサイクロトン運動により、ガス
分子が活性化され高密度のプラズマが発生する。

ドーピングガスとして例えばアルシン（ＡＳＨ３）とヘ
リウムとの混合ガスを導入して、このプラズマ領域でイ
オン化された砒素を生成する。高周波電源５６による試
料電極１４への高周波電圧の印加と、半導体基板１６に
向かって徐々に磁界強度が弱くなる発散磁界とにより、
イオン化した不純物を半導体基板１６に照射して溝の内
周面に不純物を導入する。

しかしながらＥＣＲプラズマドーピング法では、ＥＣＲ
ンース出ロ６ｏのイオン電流値が２　ｍ　Ａ／ｃｒｊ穆
度であり、現状の６インチ半導体基板では、溝内周面へ
の不純物導入に１枚あたり１００秒程度の時間を要し、
高速処理に対する対応は充分でない。さらに電磁石５４
の発散磁界を用いてイオンを加速しているため、半導体
基板内で導入した不純物濃度に不均一が生じる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は前述の課題を解決することであり、溝の
側壁および底面の内周面への不純物導入を高速処理で、
しかも均一不純物濃度で半導体基板に不純物導入が可能
な不純物導入′方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため本発明の不純物導入方法におい
ては下記の方法を用いる。

プラズマを形成するためのビーム状のプラズマを発生す
るプラズマビーム源とこのプラズマビーム源に対して正
の電圧が印加され、かつプラズマビーム源に対して対向
配置する対向電極とプラズマを薄い板状のプラズマ領域
に整形する手段と対゛面電極に対して負の電圧が印加さ
れかつ板状のプラズマ領域と平行に配置する試料電極と
ドーピングガスを導入するためのガス導入口と排気系と
を備えた真空室内の試料電極上に半導体基板を配置し、
排気系により真空室内を真空排気した後、プラズマビー
ム源と対向電極との間に薄い板状のプラズマ領域を形成
して、ドーピングガスをガス導入口から真空室内に導入
し、さらに半導体基板に所定の電圧を印加することによ
り半導体基板に不純物を導入する。

〔実施例〕

以下図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図ｊａｌおよび第１図（ｂ）は本発明における不純
物導入に用いる装置を示し、第１図（ａｌは装置要部断
面の側面配置を示す説明図、第１図（ｂｌは装置要部断
面の平面配置を示す説明図である。

第２図は本発明の不純物導入に用いるプラズマビーム源
を示す断面図である。

以下第１図（ａ）、第１図（ｂ）および第２図を交互に
参照して説明する。

真空室２２の壁面にビーム状のプラズマを発生するプラ
ズマビーム源１０と永久磁石４４とを設け、さらにプラ
ズマビーム源１０に対して正の電圧が印加され、かつプ
ラズマビーム源１０と対向配置する水冷された対向電極
１２を設ける。このプラズマビーム源１０と対向電極１
２どの間にプラズマを発生させる。対向電極１２の裏面
には対向電極用永久磁石（図示せず）を配置して、この
対向電極用永久磁石と真空室２２外に設けた複数の集束
コイル２６との磁界により発生したプラズマを、対向電
極１２に集束させる。

さらにプラズマビーム源１０の出口と真空室２２との間
に、磁石の同極を対向配置した一対の永久磁石４４の反
撥磁界によりプラズマの厚さを圧縮して、広がりをもつ
薄い板状に整形した破線２０で示す高密度のプラズマ領
域１８を形成する。

すなわちプラズマを薄い板状に整形する手段としては、
真空室２２外に設ける複数の集束コイル２６と、プラズ
マビーム源１０の出口と真空室２２の入口との間に設け
る一対の永久磁石４４とから構成する。

なおこの集束コイル２６は真空室２２内に配置しても良
い。半導体基板１６は薄い板状のプラズマ領域１８とほ
ぼ平行に配置する試料電極１４上に載置する。このとき
試料電極１４は対向電極１２に対して負電圧を印加する
。この試料電極１４に印加する電圧は、プラズマビーム
源１０と対向電極１２との間に印加する電圧とは独立に
制御する。

ビーム状のプラズマを発生するプラズマビーム源１０は
第２図に示すように、水冷ボックス４０の中心部を貫通
してガス導入口を兼ねるタンクルパイプからなる補助陰
極６２と、円板状のランタンへキサボロイド（ＬａＢ６
　）からなる主陰極６４と、タングステンからなる円板
状の熱板６６と、モリブデンからなる外筒４２およびキ
ャンプ６８と、中間電極６０とから構成する。

プラズマの発生はまず真空室２２内の圧力を排気系２４
により真空度１０　　Ｔｏｒｒ程度に真空排気した後、
補助陰極６２を通して不活性ガス例えばアルゴンを導入
して、補助陰極６２と対向電極１２との間で導入した不
活性ガスを放電させる。

このとき真空室２２内の圧力ば１０　　Ｔｏｒｒ〜１０
、Ｔｏｒｒに保持する。

この放電により主陰極６４のランタンへキサボロイドが
ボンバードされることにより、主陰極６４が加熱され高
温になると、次に主陰極６４と対向電極１２との間の放
電に移行する。

このとき中間電極６０では磁界によりプラズマを細く絞
り込み中間電極６０の開口部を内径数ｕ程度としている
ため、真空室２２は高真空であるにもかかわらず主陰極
６４の近傍は、低真空に保持される。このため高温の主
陰極６４かも多量の熱電子が放出され続け、大放電電流
が維持される。

この熱電子放出源としては、円板状の主陰極のかわりに
コイル状のランタンへキサボロイドなどを用いても良い
。

第１図（ａ）および第１図（ｂｌに示す複数の集束コイ
ル２６と、対向電極１２の裏面に配置する対向電極用永
久磁石（図示せず）と、プラズマビーム源１０出口に配
置する永久磁石４４とにより形成される磁場の作用で、
プラズマビーム源１０と対向電極１２との間に高密度で
広がりをもつ板状のプラズマ領域１８が形成される。

半導体基板に形成した溝の内周面への不純物の導入は、
ガス導入口２８から真空室２２内にドーピングガスとし
て例えばｎ型の不純物であれば不活性ガス希釈のアルシ
ン（ＡｓＨ３）、フオスフイン（ＰＨ３）など、ｐ型の
不純物であれば不活性ガス希釈のジボラ′”＜　（”ｆ
３２＝　ｍｓ　’）などを導入する。

このドーピングガスはプラズマ領域１８でイオン化され
不純物イオンとなる。この不純物イオンは対向電極１２
に対して所定の負電圧が印加された試料電極１４上の半
導体基板１６に衝突して、溝の側壁および底面に不純物
が導入される。

前述のように真空室２２内の真空度か１０’ｌ’ｏｒｒ
　〜１０　　Ｔｏｒｒと高真空であるため、不純物−イ
オンの平均自由行程が大きくなり、大きなアスペクト比
を有する溝の側壁および底面に不純物が導入される。

このとき半導体基板１６に衝突する不純物イオンの加速
電圧とは独立にプラズマ状態は、プラズマビーム源１０
と対向電極１２との間に印加する電圧で制御することが
できる。

プラズマビーム源１０からの多量の熱電子放出と、プラ
ズマビーム源１０の出口に配置した永久磁石４４の反撥
磁界によりプラズマを圧縮して高密度でしかも均一なプ
ラズマ領域１８を形成しているため、半導体基板１６上
で５　ｍ　Ａ　／　ｃｉ〜１００ｍＡ／ｉという高いイ
オン電流値と均一なイオン電流分布が得られる。このた
め半導体基板への不純物導入処理が、基板内にて均一な
不純物濃度でしかも従来例のＥＣＲプラズマドーピング
法に比べ１０倍以上の高速で可能となる。

溝開口部の大きさおよび溝深さの溝形状に応じて、試料
電極１４に印加する電圧と、真空室２２の真空度を変え
ることにより、溝の底面および側壁に均一に不純物を導
入することができる。また不純物濃度は処理時間、ドー
ピングガス流量、不活性ガスによるドーピングガス希釈
度などにより制御することができる。

また通常のイオン注入法と異なり、試料電極１４に印加
する電圧を極めて低くしても不純物導入が可能であり、
試料基板にプラズマ照射損傷を与えることなく不純物を
導入することができる。

第３図は不純物導入のための装置の他の実施例における
装置要部断面の平面配置を示す説明図である。

プラズマ領域１８は垂直方向に広がりをもつ板状に整形
する。半導体基板１６はプラズマ領域１８と平行にかつ
このプラズマ領域１８を挾むように垂直に配置する複数
の試料電極１４上に載置することにより、同時に複数枚
の半導体基板１６への不純物導入処理を行なう。またプ
ラズマ領域は水平に広がりをもつ板状に整形して、この
プラズマ領域の上下にそれぞれ試料電極を配置しても良
い。

以上半導体基板に形成した溝の側壁および底面に不純物
を導入する例で説明したが、厳密なイオン注入量を必要
としない例えばＭＯＳトランジスタにおけるソースドレ
イン領域形成、あるいはＭＯＳトランジスタにおける多
結晶シリコンからなるゲート電極への不純物導入、ある
いはバイポーラトランジスタにおけるエミッタ領域形成
などにも、本発明の不純物導入方法は適用することが可
能である。

〔発明の効果〕

以上の説明で明らかなように、高密度でしかも均一なイ
オン電流分布をもつ薄い板状のプラズマ領域と平行に半
導体基板を配置することにより、半導体基板への不純物
導入が高速処理でそのうえ均一な不純物濃度で可能とな
る。

また半導体基板に印加する電圧が極めて低くても不純物
導入が可能であり、半導体基板にプラズマ照射損傷を与
えることなく不純物を導入することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明における不純物導入に用いる装置
要部断面の側面配置を示す説明図、第１図（ｂｌは本発
明における不純物導入に用いる装置要部断面の平面配置
を示す説明図、第２図は本発明における不純物導入に用
いるプラズマビーム源を示す断面図、第３図は本発明に
おける不純物導入に用いる他の装置要部断面の平面配置
を示す説明図、第４図はトレンチキャパシタを説明する
ための断面図、第５図は従来例におけるＥＣＲプラズマ
ドーピング装置を示す説明図である。 １０・・・・プラズマビーム源、 １２・・・・対向電極、 １４　・・・・試料電極、 １６・・・・半導体基板、 １８・・・・・プラズマ領域、 ２２・・・・・・真空室。 第１図 （Ｑ） １０．７ラズマヒ゛−へ匁東 １２　　対向客侍 １４、式む電極 〕６　＋４伴↓仮 １８　　＞ラス′７４負域 ２２、真空室 第２図 第３図 第４図 只フ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　プラズマを形成するためのビーム状のプラズマを発生
   させるプラズマビーム源と該プラズマビーム源に対して
   正の電圧が印加されかつ前記プラズマビーム源に対して
   対向配置する対向電極と前記プラズマを薄い板状のプラ
   ズマ領域に整形する手段と前記対向電極に対して負の電
   圧が印加されかつ前記プラズマ領域と平行に配置する試
   料電極とドーピングガスを導入するためのガス導入口と
   排気系とを備えた真空室内の前記試料電極上に半導体基
   板を配置して、前記排気系により前記真空室内を真空排
   気後、前記プラズマビーム源と対向電極との間に板状の
   プラズマ領域を形成し、前記ガス導入口からドーピング
   ガスを前記真空室内に導入して、さらに前記半導体基板
   に所定の電圧を印加することにより前記半導体基板に不
   純物を導入することを特徴とする半導体集積回路装置に
   おける不純物導入方法。