JPH06208955A - 半導体製造方法及び半導体製造装置 - Google Patents

半導体製造方法及び半導体製造装置

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JPH06208955A
JPH06208955A JP5303426A JP30342693A JPH06208955A JP H06208955 A JPH06208955 A JP H06208955A JP 5303426 A JP5303426 A JP 5303426A JP 30342693 A JP30342693 A JP 30342693A JP H06208955 A JPH06208955 A JP H06208955A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 大気圧下においてコロナ放電により注入ガス
を分解させて高エネルギーのイオンおよびラジカル状態
とした後、これを基板へ照射することにより、工程が行
われる方法および装置を提供することにある。 【構成】 大気圧下において基板(12)上にRF電源
でコロナ放電を発生させることができる少なくとも1個
以上の電極に反応ガスを供給する工程と、前記コロナ放
電により前記反応ガスをイオンまたはラジカルに分解し
て基板に照射させる工程と、イオンまたはラジカルに分
解された前記反応ガスが前記基板表面で化学的な反応を
起し、または、前記基板表面で拡散されるようにする工
程と、を備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体製造方法および
半導体製造装置の関し、特に大気圧においてコロナ放電
を利用して注入ガスの種類に応じて諸工程を低コスト装
備によってなされるようにした半導体製造方法およびそ
の装置に関する。
【0002】
【従来の技術】図1は従来の水素のプラズマ処理のため
の一例を示す概略図で、供給電源2により真空チャンバ
内に高周波(Radio Friquency )を発生させる一対の陰
極(Cathode )3が真空チャンバ1内の上部に設けら
れ、その下部に、基板4を支持するとともに、一定温度
で前記基板4を加熱する基板保持台5を備えた陽極(An
ode )が設けられている。また真空チャンバ1内には一
対の陰極3間に水素(H)を供給するガス供給システ
ム6が設けられ、真空チャンバ1の側面には工程中に前
記真空チャンバ1内の圧力を適正に維持させる排気シス
テム7が設けられている。
【0003】このように構成された従来の半導体水素化
処理用装置による工程を説明する。
【0004】水素(H)を、基板4の大きさおよび真
空チャンバ1の大きさに比例して10〜500sccmで流
し、基板4温度を250〜350℃以内に維持させると
ともに、排気システム7を調節して反応圧力0.1〜1
Torrの真空度に維持させる。
【0005】このような条件で、RF電源2から0.0
5〜1W/cm2 の電力を供給すると、水素(H)は
プラズマ状態に分離されて基板4上の半導体膜に拡散さ
れ、半導体膜は水素化された。
【0006】この時、前記装置の制御は、基板4表面に
おける水素ラジカル(プラズマ分離)の濃度と基板温度
の水素拡散速度に応じて決定される。
【0007】一方、図2は従来の半導体水素化処理用装
置の他の例を示す縦断面図で、光を用いて水素化処理を
行なう装置である。この装置は、真空チャンバ1内の下
方に設けられて基板4を支持するとともに一定の温度に
保持する基板保持台5と、前記真空チャンバ1の上方に
設けられた石英窓8を通じて基板上部へ光を照射する低
圧水銀灯9と、真空ポンプの駆動により真空チャンバ1
内を一定の真空度で維持させる排気システム7と、前記
真空チャンバ1内にガス(H、Hg)が一定流量で供
給されるように、これを調節するガス供給システム6と
からなっている。
【0008】上述した装置における製造工程では、ガス
供給システム6から水素(H)と水銀(Hg)とを同
時に一定流量で真空チャンバ1内に供給する。そして、
低圧水銀灯9から波長184.9nmおよび254nm
の紫外線(Ultraviolet rays)光を照射することによっ
て、水銀(Hg)が励起された水銀(Hg)状態とな
り、これにより水素(H)がラジカル(Radical )に
分解される。この水素ラジカルは、半導体膜に拡散され
て、半導体膜を水素化する。
【0009】ここで、前記装置は半導体の表面の水素
(H)ラジカル濃度と、薄膜内部へ水素(H)が拡
散される速度を決める基板温度とに応じて制御され、基
板表面における水素(H)濃度は真空チャンバ1内の
水素(H)および水銀(Hg)の分圧により決められ
る。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の水素化処理用装置および方法は次のような問
題点がある。 1. 共に真空チャンバ1内で工程が進行されるので、
かならず排気システム7が必要である。 2. これにより、設備が高価である真空チャンバ1お
よび排気システム7を設置しなければならないので、施
設のコストが高い。 3. 真空状態において工程が進行されるので、基板の
処理時間が長くなる。 4. 図1のような装置を用いた工程が大気圧下での処
理工程の間で行われる場合、真空チャンバ内をその都度
真空にする必要が生じるので生産性はさらに低下する。 5. 図2のような装置は、水銀(Hg)を使用するの
で、公害の発生原因となる。 6. 大形の基板を製造する場合、低圧水銀灯9の光を
透過する石英窓8の大きさも大型化しなければならな
い。 7. 低圧水銀灯9は広い面積を均一に照射することが
できないので、良質の半導体製造が難しい。
【0011】本発明の目的は、上記問題点を解消するた
めのもので、大気圧下においてコロナ放電を利用して注
入ガスを放電により分解させて高エネルギーのイオンお
よびラジカル状態とした後、これを基板へ照射すること
により、工程が行われる方法および装置を提供すること
にある。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、RF電源によって基板12上に大気圧
下でコロナ放電を発生させることができる少なくとも1
個以上の電極14に反応ガスを供給する工程と、前記コ
ロナ放電により前記反応ガスをイオンまたはラジカルに
分解して前記基板に照射させる工程と、イオンまたはラ
ジカルに分解された前記反応ガスが前記基板表面で化学
的な反応を起し、または、前記基板内で拡散されるよう
にする工程とを備えている。
【0013】また、大気圧下において印加されるRF電
源13によりコロナ放電を起す、基板保持台11上部に
設けられた少なくとも1個以上の電極14と、前記電極
の上方へ反応ガスを供給するガス供給システム15と、
前記基板保持台11および電極14の周囲に設けられ
て、外部空気によって基板12が汚染されるのを防止す
る排気システム21とを備えている。
【0014】前記構成によれば、RF電源によって基板
12上に大気圧下でコロナ放電を起すことができる少な
くとも1個以上の電極に反応ガスを供給する工程と、前
記コロナ放電により前記反応ガスをイオンまたはラジカ
ルに分解して前記基板に照射させる工程と、イオンまた
はラジカルに分解された前記反応ガスが前記基板表面で
化学的な反応を起し、または、前記基板内で拡散される
ようにする工程とを備えた半導体製造方法が提供され
る。
【0015】また、本発明の他の態様によれば、大気圧
下の基板上方に設けられて印加されるRF電源でコロナ
放電を発生させる少なくとも1個以上の電極と、前記電
極の上方に反応ガスを供給するガス供給システムと、前
記基板保持台および電極の周囲に設けられて、外部空気
によって基板が汚染されるのを防止する排気システム
と、からなる半導体製造装置が提供される。
【0016】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図3乃至図6に基
づいて詳述する。
【0017】図3は本発明の半導体処理装置を説明する
ための概略図であり、図4は本発明の電極間距離と放電
開始圧との関係を示すグラフであり、図6は本発明の半
導体処理装置の一実施例を示す縦断面図および横断面図
である。
【0018】本発明は、大気圧下の基板保持台11上に
載置されたRF電源13でコロナ放電を起す電極14
を、図3(a)に示すように、一対設けて一方の電極1
4を接地させ、他方の電極14はRF電源13と連結す
る。
【0019】または図3(b)に示すように、基板12
上方に1個の電極14を設けて前記電極14をRF電源
13と連結し、基板12が載置される基板保持台11は
接地される。したがってRF電源13を印加すれば、電
極14間または電極14と基板保持台11間にコロナ放
電が発生する。
【0020】コロナ放電が起った状態で、ガス供給シス
テム15により反応ガス、例えばH、O、H、S
iH、SiF、Si、GeH、GeF
Ge、He、Ar、O、CF、SF、CH
、NF、CCl、Cl、CCl、WF
、2MoCl、Cr〔CCH(CH
、Al(Cのいずれかのガスを、電極14
上部に供給することにより、電極14間に励起された電
子が反応ガスの分子を高エネルギーのイオンとラジカル
状態にする。
【0021】このようにコロナ放電により生成された高
エネルギーのイオンおよびラジカルは、基板に照射され
て半導体表面において化学的反応を起しまたは半導体内
に拡散される。
【0022】上述の工程は大気圧下において行われる
が、前記工程進行時に基板12が反応ガス以外の他のガ
ス(空気)から汚染されることを防止するために、前記
電極14の周囲を覆うための別の窒素(N)ガスを供
給するのが望ましい。
【0023】上記工程および装置の基本原理は、図3に
示すように、単一の種類の上述の反応ガスを一定流量で
供給するガス供給システム15と、コロナ放電を起すR
F電力を印加する電源13と、これに連結された少なく
とも1個以上の電極14と、基板12を支持しながら、
一定温度で加熱する基板保持台11とから構成される。
この時使用電極14はW、Taのような高融点金属であ
り、コロナ放電時に前記電極の流出により汚染を防止す
るために、電極表面をMgOまたはSiO等のような
金属酸化膜で表面処理する。また、印加される電源は、
アーク放電を防止し、コロナ放電が持続して発生するよ
うに、100KHz以上の高周波電源を使用する。
【0024】各電極間の距離(d)、電極と基板間の
距離(d)により決められる電界(field )は1KV
/mm以上、例えばd、d=5mmである場合、5
KV以上印加の可能な電源を使用する。
【0025】図4は、図3(b)である場合の、電極間
距離(d)に対する放電開始電圧(Vi)の依存性を
示す。ここで、電極の径φ1、φ2、φ3が1mm、2
mm、4mmである場合、前記グラフのように、放電開
始電圧(Vi)はdのLog函数と比例関係にあるこ
とがわかる。また電極の径が減少するにしたがって放電
開始電圧が減少することがわかる。
【0026】図3(a)に示すような装置において、溶
融されたSiOで封止したタングステン(W)線を電
極材として用い、電極間距離(d)が2mmとなるよ
うにして水素(H)雰囲気で水素をガス供給システム
15により200sccm供給した。この時、電源13とし
ては周波数80KHzの高周波電源を使用し、電圧を印
加すると約6KVの電圧において放電が開始された。
【0027】図5は、LPCVDによりシリコンウェー
ハ(基板)上に非晶質シリコン膜を3000Aで形成し
た後本発明により基板12を350℃で加熱し、8KV
電圧で30分間処理することにより、非晶質シリコン膜
内に水素(H)を分布させた状態を分析した結果を示
すグラフである。
【0028】このグラフから、表面の水素(H)濃度
が初期の水素濃度に比べて8倍以上にまで増加したこと
がわかる。
【0029】また、非晶質シリコン膜の深さに対して水
素濃度はエラー函数(crror function)を示すので、水
素の高基板温度に応じた拡散により水素化される。
【0030】以下、本発明の一実施例を図6を参照して
さらに詳述する。
【0031】本発明は大面積の絶縁基板上に形成された
半導体薄膜を大気圧下において連続処理ができるように
構成されている。
【0032】コロナ放電を起す電極14は第1電極(1
4a)と第2電極(14b)とからなり、第1電極(1
4a)はW、Nb、Ta、Moのいずれかの金属であ
る。
【0033】前記第1電極(14a)の表面にはTa
、Nb、SiO、NgOのいずれかの金属
酸化膜が塗布されている。第2電極(14b)は表面を
金属酸化膜で処理されている。
【0034】第1電極(14a)の外側には空間部を有
する第2電極(14b)が設けられて、少なくとも1個
以上の放電室16を備えている。
【0035】前記放電室16はチューブ状をなし、X軸
方向に長く形成されている。この時第1電極(14a)
の形状は線または棒状となり、その径は1mm以上にな
っている。
【0036】また、前記第1電極(14a)と第2電極
(14b)間、すなわち、放電室16の内部への反応ガ
スの注入はガス供給システム15により一定流量を供給
するようになっている。
【0037】前記放電室16の上部には拡散器17が設
けられている。前記放電質16の上部に拡散器17を設
ける理由は、放電室16に反応ガスをより均一に供給す
るためである。
【0038】また、RF電源13としては交流電源を使
用するが、80KHzで最大20KVまで印加すること
ができるようになっており、前記RF電源13は第1電
極(14a)および第2電極(14b)の両端に連結さ
れている。
【0039】前記放電室16で分解された高エネルギー
のイオンおよびラジカルが、放電室16下部に拡管され
たスリット状のノズルを通過することができるようにな
っている。
【0040】基板保持台11の上部に設けられたタイミ
ングベルト18に基板12が載置されて基板保持台11
に移送された後、一定温度で加熱された状態で、工程が
行われるようになっている。
【0041】この時、各工程の進行は、反応ガスの流
量、放電電圧、ベルト移送速度、基板保持台の加熱温度
により制御される。
【0042】また、装置において反応ガスが流出される
ことを防止し、外部の空気によって装置が汚染されるこ
とを防止するために、窒素(N)ガスが基板12の外
側に供給されるようになっている。
【0043】前記窒素ガスは、第2電極(14b)に形
成された窒素供給口19を通じて窒素供給システム20
から供給されるので、反応ガスの流出および基板の汚染
を防止することが可能となる。
【0044】また、反応ガスを外部へ排出する排気シス
テム21は、タイミングベルト18の外側と上部とに設
けられている。未反応ガスを大気に強制排出する前に酸
素を利用して酸化させて排気することにより、大気を汚
染させないようにしている。
【0045】以下、反応ガスの種類に応じて基板の製造
工程が相異することを、実施例を参照して説明する。実施例1 ウェーハ不純物のドーピング方法 本発明で用いた水素(H)ガスの代わりに、半導体不
純物ドーピング用ガスである3価または5価の元素を含
むフォスフィン(PH)、ジボラン(B)、ア
ルシン(AsH)ガス等を、ガス供給システム15と
拡散器17を通過させて放電室16に供給し、前記反応
ガスをコロナ放電を利用して分解して基板12表面の半
導体薄膜に拡散させることにより、n型またはp型の半
導体を製作する。
【0046】大気圧下において、高エネルギーで分解さ
れた3価または5価の元素を基板12に照射することに
より、高温で拡散させてイオン注入を行なう従来の半導
体ドーピング方法と比べて、半導体膜を含む大面積の基
板の不純物のドーピング処理を大量に行なうことができ
る。実施例2 表面洗浄および高分子膜除去工程 本発明で用いた水素(H)ガスの代わりに酸素ガスを
用いれば、放電により分解された高エネルギーの酸素イ
オンおよび酸素ラジカルが基板12の表面に照射され
る。これにより、高エネルギーの酸素イオンおよび酸素
ラジカルは基板12の表面に残っている有機物と反応し
て酸化され、除去される。
【0047】特に、このような方法は、フォトレジスト
膜を除去するためのアッシング(Ashing)工程において
大気圧下で高エネルギーの酸素イオンおよび酸素ラジカ
ルを用いることより、従来技術であるドライ‐エッチ
(Dry-Etoh)または紫外線−アッシング(UV-Ashing )
処理に比べて量産が可能である。実施例3 半導体膜の形成方法 本発明で用いた水素(H)ガスの代わりにシラン系ガ
ス(SiH、Si、SiF)を用いてコロナ
放電を利用して分解させた後、これを加熱基板12上に
照射することにより、基板温度に応じて非晶質シリコン
または結晶質シリコン膜を形成する。
【0048】従来、半導体膜の形成装置は高価の真空設
備であるが、本発明は大気圧下における連続形成工程が
可能であるので生産性が向上する。実施例4 絶縁膜の形成方法 本発明で用いた水素(H)ガスの代わりにシラン系ガ
スおよび酸化性ガス(O、NO等)または窒化膜用
ガス(NH等)を混合して使用することにより、シリ
コン酸化膜、シリコン窒化膜の形成が可能である。
【0049】またシラン系ガスの代わりに、各種金属が
含まれた反応ガス、例えばWF、2MoCl、Cr
〔CCH(CH、Al(C
のいずれかのガスを、酸化性ガスまたは窒化膜用ガスと
混合して反応させることにより、基板表面に金属酸化膜
や金属窒化膜が形成される。実施例5 乾式触刻方法 本発明で用いた水素(H)ガスの代わりに、CF
NF、CH、SF、CCl等、乾式触
刻時に使用される反応ガスをコロナ放電を利用して分解
させた後に基板に照射することにより、基板表面の金属
膜、半導体膜、絶縁膜の乾式触刻が可能である。
【0050】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
1個の装置で大気圧下において多種の反応ガスを選択的
に供給し、これをコロナ放電を利用して分解させた後、
基板表面に照射して化学的な反応または拡散が起るよう
にしたので、大面積の基板に対する処理能力を向上させ
ることができる。さらに、前記装置を大気圧状態で処理
される各種工程に連結する場合には、これらの工程を連
続して行なうことができるので、半導体を一括して大量
生産することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の半導体水素化処理用装置の一例を示す縦
断面図である。
【図2】従来の半導体水素化処理用装置の他の例を示す
縦断面図である。
【図3】本発明の半導体処理装置を説明するための概略
図である。
【図4】本発明による電極間の距離と放電の開始電圧と
の関係を示すグラフである。
【図5】本発明により非晶質シリコン膜が形成されたシ
リコンウェーハを水素化処理して水素分布を分析したグ
ラフである。
【図6】本発明の半導体処理装置の一実施例を示す断面
図で、(a)は縦断面図であり、(b)は横断面図であ
る。
【符号の説明】
11 基板保持台 12 基板 13 電源 14 電源 14a 第1電極 14b 第2電極 15 ガス供給システム 16 放電室 17 拡散器 18 タイミングベルト 19 窒素供給口 20 窒素供給システム 21 排気システム

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】大気圧下において基板(12)上にRF電
    源でコロナ放電を発生させることができる少なくとも1
    個以上の電極(14)に、反応ガスを供給する工程と、 前記コロナ放電により前記反応ガスをイオンまたはラジ
    カルに分解して前記基板に照射させる工程と、 イオンまたはラジカルに分解された前記反応ガスが前記
    基板表面で化学的な反応を起し、または、前記基板内で
    拡散されるようにする工程と、 を備えることを特徴とするコロナ放電を利用した半導体
    製造方法。
  2. 【請求項2】前記電極(14)間に供給される反応ガス
    の外側に、反応ガスの流出防止および空気を汚染防止の
    ために、窒素(N)ガスを基板(12)の外側に供給
    する工程を備えていることを特徴とする請求項1記載の
    半導体製造方法。
  3. 【請求項3】反応ガスを水素(H)とし、コロナ放電
    により生成された水素イオンおよび水素ラジカルを基板
    に照射して半導体膜の内部へ拡散させることを特徴とす
    る請求項1記載の半導体製造方法。
  4. 【請求項4】反応ガスを酸素(O)とし、コロナ放電
    により生成された酸素イオンおよび酸素ラジカルを基板
    に照射して反応させることにより酸化膜を形成するか、
    または基板表面の物質を酸化して気体状態にして除去す
    ることを特徴とする請求項1記載の半導体製造方法。
  5. 【請求項5】反応ガスをSiH、SiF、Si
    のいずれかのシラン系ガスとし、コロナ放電により生
    成されたシリコン(Si)を含む酸素ラジカルおよび酸
    素イオンを基板に照射することにより、基板表面に非晶
    質シリコンまたは多結晶シリコンを形成することを特徴
    とする請求項1記載の半導体製造方法。
  6. 【請求項6】反応ガスとしてGe系ガス(GeH、G
    eF、Ge)を用い、基板表面に非晶質ゲルマ
    ニウムまたは多結晶ゲルマニウムを形成することを特徴
    とする請求項1記載の半導体製造方法。
  7. 【請求項7】反応ガスをHe、Arのいずれかの不活性
    ガスとし、基板付近にシラン系ガスを供給することによ
    り、前記ガスを互いに反応させて基板表面に非晶質シリ
    コンまたは多結晶シリコンを形成することを特徴とする
    請求項1記載の半導体製造方法。
  8. 【請求項8】反応ガスを酸素(O)を含むガスまたは窒
    素(N)を含むガスとし、基板表面にシリコン酸化膜
    またはシリコン窒化膜を形成することを特徴とする請求
    項1記載の半導体製造方法。
  9. 【請求項9】反応ガスとして、F元素を含むCF、S
    、CH、NFのいずれかを用いるか、また
    はCl元素を含むCCl、Cl、CClのい
    ずれかを用いることとし、コロナ放電により生成された
    イオンおよびラジカルを基板の表面の物質と反応させて
    基板表面の物質を触刻することを特徴とする請求項1記
    載の半導体製造方法。
  10. 【請求項10】反応ガスをWF、2MoCl、Cr
    〔CCH(CH、Al(C
    のいずれかのガスとし、これらをコロナ放電により分解
    することにより、基板表面にW、Mo、Cr、Alのい
    ずれかの金属を蒸着させることを特徴とする請求項1記
    載の半導体製造方法。
  11. 【請求項11】大気圧下において印加されるRF電源
    (13)によりコロナ放電を起す、基板保持台(11)
    上部に設けられた少なくとも1個以上の電極(14)
    と、 前記電極の上方へ反応ガスを供給するガス供給システム
    (15)と、 前記基板保持台(11)および電極(14)の周囲に設
    けられて、外部空気によって基板(12)が汚染される
    のを防止する排気システム(21)と、 を備えたことを特徴とする半導体製造装置。
  12. 【請求項12】前記電極(12)が第1電極(14a)
    と第2電極(14b)とを有し、この第1電極(14
    a)および第2電極(14b)が放電室を構成すること
    を特徴とする請求項11記載の半導体製造装置。
  13. 【請求項13】前記第1電極(14a)をW、Nb、T
    a、Moのいずれかの金属で形成することを特徴とする
    請求項12記載の半導体製造装置。
  14. 【請求項14】前記第2電極(14b)の表面に金属酸
    化膜が設けられたことを特徴とする請求項12記載の半
    導体製造装置。
  15. 【請求項15】前記第1電極(14a)の表面がTa
    、Nb、SiO、NgOのいずれかの金属
    酸化膜で覆われたことを特徴とする請求項12または1
    3記載の半導体製造装置。
  16. 【請求項16】第1電極(14a)を第2電極(14
    b)が囲むようにこれらの電極が配置され、これらの電
    極の間の空間が放電室を構成していることを特徴とする
    請求項12記載の半導体製造装置。
  17. 【請求項17】前記ガス供給システム(15)が、放電
    室(16)の上部に、より均一に供給ガスを分散するた
    めの拡散器(17)を備えることを特徴とする請求項1
    6記載の半導体製造装置。
  18. 【請求項18】基板保持台(11)の上部にタイミング
    ベルト(18)を設け、このタイミングベルト(18)
    により、基板(12)を連続して移送することができる
    ようにしたことを特徴とする請求項11記載の半導体製
    造装置。
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