JP4416061B2

JP4416061B2 - Doping treatment method

Info

Publication number: JP4416061B2
Application number: JP2000031356A
Authority: JP
Inventors: 舜平山崎; 敏次浜谷; 幸一郎田中
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1996-05-15
Filing date: 2000-02-09
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2017-05-15
Also published as: JP2000235959A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路等を作製する際に使用されるドーピング装置およびドーピング処理方法に関するものである。特に本発明は大面積基板を処理する目的に好ましい構成を有するイオンドーピング装置およびドーピング処理方法に関する。例えば、一部もしくは全部が非晶質成分からなる半導体材料、あるいは、実質的に真性な多結晶の半導体材料に対して、イオンビームを照射することによって、該半導体材料に不純物を付与するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路等の作製において、半導体中にＮ型やＰ型の不純物領域を形成する場合に、Ｎ型やＰ型の導電型を呈せしめる不純物（Ｎ型不純物／Ｐ型不純物）イオンを高い電圧で加速して、照射・注入する方法が知られている。特に、イオンの質量と電荷比を分離する方法はイオン注入法と呼ばれ、半導体集積回路を作製する際に、広く用いられている。
【０００３】
それ以外にも、Ｎ／Ｐ型不純物を有するプラズマを発生させ、このプラズマ中のイオンを高い電圧によって加速し、イオン流として半導体中に注入する方法が知られている。この方法は、イオンドーピング法もしくはプラズマドーピング法と呼ばれる。
【０００４】
イオンドーピング法によるドーピング装置の構造は、イオン注入法によるドーピング装置に比較して簡単である。例えば、Ｐ型不純物として硼素を注入する場合には、硼素化合物であるジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）等の気体において、ＲＦ放電その他の方法によって、プラズマを発生させ、これに高い電圧をかけて、硼素を有するイオンを引き出して、半導体中に照射する。プラズマを発生させるために気相放電をおこなうので、ドーピング装置内の真空度は比較的高い。
【０００５】
現在、比較的大面積の基板に対して均一に不純物を添加するにはイオンドーピング装置が使用されることが多い。イオンドーピング装置は質量分離をおこなわず、大面積のイオンビームが比較的容易に得られるためである。一方、イオン注入装置は質量分離をおこなう必要があるため、ビームの一様性を保ったまま、ビーム面積を大きくすることは難しい。よって、イオン注入装置は、大面積基板には不適当である。
【０００６】
近年、半導体素子プロセスの低温化に関して盛んに研究が進められている。その大きな理由は、安価なガラス等の絶縁基板上に半導体素子を形成する必要が生じたからである。その他にも素子の微小化や素子の多層化に伴う要請もある。
【０００７】
ガラス等の絶縁基板は、従来高温プロセスで使われている石英基板と比較して加工性に富み、大面積化が容易で、なおかつ、安価である等、様々なメリットがある。しかしながら、基板の大面積化に伴い、従来の高温プロセスとは性質の異なる装置を開発しなければならないなど、技術的に越えなければならない困難が多々生じて来ていることも事実である。
【０００８】
大面積基板を処理する必要のあるアクティブマトリクス型液晶ディスプレー等の作製においては、イオン注入法は、この点で不利であり、その欠点を補うという目的で、イオンドーピング法について研究開発がおこなわれている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来のイオンドーピング装置の概要を図１および図２に示す。図１は主としてイオン源およびイオンの加速装置の概要を示す。また、図２はイオンドーピング装置全体の構造を示す。まず、図１にしたがって説明する。イオンはプラズマ空間４において発生する。
【００１０】
すなわち、電極３と網状電極６との間に高周波電源１およびマッチングボックス２によって高周波電力を印加することで、減圧されたプラズマ空間４にプラズマを生じさせる。プラズマを発生させる初期には水素等を雰囲気に導入し、プラズマが安定した後には、ドーピングガスであるジボランやホスフィン（ＰＨ₃）を導入する。
【００１１】
電極３とチャンバーの外壁（網状電極６と同電位）は絶縁体５によって絶縁される。このようにして発生したプラズマからイオン流が取り出されるが、それには、引き出し電極１０および引き出し電源８が用いられる。このようにして引き出されたイオン流は抑制電極１１および抑制電源９によって形状を整えられた後、加速電極１２および加速電源７によって必要とするエネルギーまで加速される。
【００１２】
次に図２（Ａ）について説明する。イオンドーピング装置は大きく分けて、イオン源・加速装置１３、ドーピング室１５、電源装置１４、ガスボックス１９、排気装置２０よりなる。図２では、イオン源・加速装置は、図１のものを横に置いてある。すなわち、図２では、イオン流は左から右に流れる（図１では上から下に流れる）。電源装置１４は主としてイオンの発生・加速に用いられる電源を集約したもので、図１の高周波電源１、マッチングボックス２、加速電源７、引き出し電源８、抑制電源９を含む。
【００１３】
ドーピング室１５には基板ホルダー１７が設けられ、被ドーピング材１６がその上に設置される。基板ホルダーは一般にイオン流と平行な軸にそって回転できるように設計される。イオン源・加速装置１３とドーピング室１５は排気装置２０によって排気される。もちろん、イオン源・加速装置１３とドーピング室１５とが独立の排気装置によって排気されてもよい。
【００１４】
ガスボックス１９からはガスライン１８を経由して、ドーピング室１５にドーピングガスが送られる。図２の装置ではイオン源・加速装置１３と被ドーピング材１６の間にガス供給口が設けられているが、イオン源のプラズマ空間４の近傍に設けることも可能である。ドーピングガスは水素等で希釈して用いられるのが一般的である。
【００１５】
従来のイオンドーピング装置では、処理できる基板（被ドーピング材）の面積はイオン源１３におけるプラズマ空間４の断面積と等しいかそれ以下であった。これはドーピングの均一性によって要求された条件である。図２（Ｂ）は、イオン流に垂直な断面の様子を示す。すなわち、イオン源・加速装置１３はＬ₁およびＬ₂という大きさであるが、ドーピング室１５および被ドーピング材１７はその中におさまる程度の大きさである。そして、Ｌ₁とＬ₂は同程度の大きさである。
【００１６】
したがって、基板がより大きくなるとプラズマ空間４はさらに大きくなることが要求される。しかも、プラズマは２次元的に均一であることが要求される。しかしながら、プラズマ空間は無限に大きくすることは困難である。なぜなら、プラズマの発生が均一でなくなるからである。これは主として分子の平均自由工程がプラズマ空間の断面に比較して十分に小さくなるためである。このため、プラズマ空間の１辺の長さをを０．６ｍ以上とすることは困難である。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、イオン流の断面を線状もしくは長方形とし、かつ、ドーピング中に被ドーピング材を、イオン流の長尺方向に垂直（すなわち、短尺方向）に移動させることを特徴とする。かくすることにより、プラズマは長尺方向の均一性が要求されるのみとなり、大面積の基板の処理が可能となる。プラズマの長尺方向の均一性のみが問題となり、２次元的な均一性が問題とならないのは、被ドーピング材の任意の部分に着目すると、イオン照射が走査によりおこなわれるためである。
【００１８】
本発明では、原理的には基板の１辺の長さはプラズマの長さによって制約されるものの、他の１辺の長さにはドーピング室の大きさ以外の制約要因がない。放電空間の幅が十分に狭ければ、長尺方向の均一性が２ｍ程度保たれたプラズマは容易に発生できる。もちろん、そのときのイオンビームの幅はセンチメートルオーダーでもよい。
【００１９】
したがって、このような線状イオンドーピング装置は、大面積基板、あるいは、多数の基板を同時に処理するのに適している。例えば、最大２ｍ×ｘｍの基板に比較的用意にドーピングをおこなうことができる。ｘはドーピング装置の大きさにより決定される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図３（Ａ）に本発明の実施形態の概念を示す。本発明のイオンドーピング装置も従来と同様、イオン源・加速装置１３、ドーピング室１５、電源装置１４、ガスボックス１９、排気装置２０よりなる。しかしながら、従来のものとは異なって、イオン源・加速装置１３では、断面が線状もしくは長方形となるイオン流を発生する。さらに、基板ホルダー１７がドーピング中に移動するような機構を備えている。イオン流の長尺方向は図の紙面に垂直な方向である。
【００２１】
本発明のイオンドーピング装置では、処理できる基板（被ドーピング材）の形状はイオン源１３におけるプラズマ空間４の断面の形状とは関係がない。ただし、基板の短い方の１辺の長さはプラズマ空間４の長尺方向の長さと等しいかそれ以下であることが要求される。基板の他の１辺の大きさについては、ドーピング室の大きさ以外には制約要因がない。
【００２２】
図３（Ｂ）は、イオン流に垂直な断面の様子を示す。すなわち、イオン源・加速装置１３（Ｌ₁×Ｌ₂）の形状は、ドーピング室１５および被ドーピング材１７の形状に制約されない。イオン流の断面の形状が線状もしくは長方形であるのでＬ₁＜Ｌ₂（＝イオン流の断面の長尺方向の長さ）である。
【００２３】
イオン流が長尺方向に均一であるのみで、短尺方向の均一性を問われないということは、短尺方向にイオン強度、イオン種の分布があっても差し支えないということであり、このことはイオン流から特定の軽イオン（例えば、Ｈ⁺、Ｈ₂ ⁺等）を除去する上で有効である。イオンの分離には磁気的な作用をイオン流に及ぼす必要があったが、その際には、必ず、必要な重いイオンの分布にも影響を与えた。
【００２４】
従来のイオンドーピング装置では２次元での均一性が要求されたので、実質的にイオンを分離することは不可能である。しかしながら、本発明では実施例２に示すように簡単に分離することが可能である。
【００２５】
また、イオン流が長尺方向に均一であるのみで、短尺方向の均一性を問われないということは、イオン流を加速・減速する電極の構造にも有利である。従来のイオンドーピング装置では電極には網状もしくは多孔のものが用いられたが、このような電極では、一部のイオンが電極本体に衝突するので、そのことによる電極の劣化、あるいは電極構成物質の飛散・スパッタリングが問題となる。
【００２６】
これに対し、本発明では、実施例１に示すように、簡単な形状の電極で、かつ、イオン流から離れた位置に設けられるため、上記の問題は解決される。
【００２７】
なお、従来の半導体製造技術では、イオン注入技術が知られているが、その際にはイオン流を電磁的に偏向させて、固定した基板に走査するという技術が知られている。しかしながら、そのような方法は、本発明のようにさまざまな質量／電荷比を有するイオンを同時にドーピングする場合には適切でなく、本発明のようにイオン流は固定とし、基板を移動させる方が好ましい。
【００２８】
なぜならば、電磁的なイオン流の偏向技術では、重いイオンに比較して、軽いイオンの方がはるかに偏向されやすく、したがって、均一に走査することができないからである。わずかに質量数は１つ異なるだけでも、分布が生じるので、本発明の目的とするイオンドーピング技術に適用することは好ましくない。このような電磁的な偏向技術の用いることができるのは、単一イオン種のみをドーピングする場合に限られる。
【００２９】
本発明のイオンドーピング装置には、従来のイオン技術において公知であるイオン集束装置やイオン質量分離装置を付加してもよい。
【００３０】
さらに、本発明のような線状イオンドーピング技術において、イオンの質量分離が容易であるという特徴は、その後のアニール処理においても有利となる場合がある。一般にイオンドーピングをおこなうと、イオンの被照射物への入射に伴う被照射物の原子格子の損傷や結晶格子の非晶質化等が生じる。また、ドーパントは、ただ半導体材料に打ち込むだけではキャリアとして働かない。これらの不都合を解消するためのいくつかの工程が、ドーピング後に必要である。
【００３１】
上記工程で、最も一般的な方法は熱アニールあるいは光アニールである。これらのアニールによりドーパントを半導体材料格子に結合させることができる。ただし、光アニールの場合には、その光が前記格子損傷箇所等に届かなければならない。
【００３２】
また、前記アニールで解消仕切れない準位（不結合手）を消すための、水素を添加する工程もかなり一般的に行われている。該工程を以下水素化と呼ぶ。水素は３５０℃程度の温度で容易に半導体材料内に進入し、上記準位を消す働きをする。
【００３３】
いずれにせよ、これらのドーピング後の工程を設けることは、工程数を増やし、コストやスループットの面でよくない。熱アニールと水素化をドーピング時に同時にやってしまうことにより、あるいは、それらの工程の一部をドーピング時におこなうことにより、アニール工程・水素化工程の省略もしくは処理時間の短縮、ないしは処理温度等の低減等を図ることができる。
【００３４】
水素とドーパントを同時に半導体材料に添加することは比較的容易である。すなわち、水素で希釈したドーパントを水素ごとイオン化して、ドーピングをすればよい。例えば、水素で希釈した、フォスフィン（ＰＨ₃）を用いて図１や図２に示すドーピング装置でイオンの注入をおこなえば、燐を含むイオン（例えば、ＰＨ₃ ⁺やＰＨ₂ ⁺等）と同時に水素イオン（例えば、Ｈ₂ ⁺やＨ⁺）も注入される。
【００３５】
しかしながら、水素は、燐・硼素等のドーパントを含むイオンに対してあまりにも軽く、加速されやすいため基板奥深くまで入ってしまう。一方、ドーパントを含むイオンは比較的浅い部分にとどまるので、該水素がドーパント起因の欠陥を修復するには、熱アニール等で水素を移動させなければならない。
【００３６】
ところで、線状イオンビームを用いると、上述のように、質量分離器をイオン流の途中において所望のイオンのみ基板に照射することが可能となる。この思想をより発展させると、以下のような新規なドーピング方法も可能となる。すなわち、異なる質量のイオンを分離したのち、それぞれを異なる電圧で加速し、これらのビームを半導体材料に照射することにより、これらのイオンをほぼ同じ深さに打ち込むというドーピング方法である。
【００３７】
例えば、水素を主成分とするイオン（軽イオン）と、ドーパントを含むイオン（重イオン）に分離し、後者のみを加速することにより、前者と後者の侵入深さをほぼ同じとすることにより、前者の存在によって、ドーパントに対するアニール工程や水素化工程の一部もしくは全部を同時におこなうことが可能となる。
【００３８】
すなわち、水素イオンビームの半導体材料への入射速度を、ドーパントを含むイオンビームの半導体材料への入射速度に近づけることにより、半導体膜中での水素の分布とドーパントの分布が近づく。このとき、イオンの入射エネルギー（衝突により熱エネルギーに転化する）と、水素の供給により、ドーパントが直ちに活性化される。この効果により、後のドーパント活性化工程が不要となる。
【００３９】
侵入深さを調整するためにはそれぞれのイオンビームの入射角を変えてもよい。すなわち、入射角が小さいと侵入深さも小さくなる。入射角の変更には磁気的・電気的効果を用いればよい。あまりに入射角が小さいと、基板にイオンが入らず反射してしまう。入射角は４０゜以上あればまず問題はない。
【００４０】
上記の目的には、質量分離装置は、イオンビーム発生装置と加速装置の間に設けられるとよい。また、質量分離のためには、イオンビームの長尺方向に平行な磁場を該イオンビームに印加する装置を用いればよい。
半導体材料に対しては、先にドーパントを含むイオンが注入された後に、水素を主成分とするイオンが注入されるようにしてもよいし、その逆となるようにしてもよい。
【００４１】
本発明のイオンドーピング装置と線状レーザー光を利用するレーザーアニール装置を同一チャンバー内に設けることも有効である。すなわち、本発明が線状イオン流により基板を走査しつつドーピングする工程を特色とすることと、他の発明である線状レーザー光を用いたレーザーアニール法が、同様な機構を必要とすること、および、両装置を用いる工程が連続することに着目すれば、両者を別個の装置とするより、同一の装置に組み込むことは非常に効果的である。
【００４２】
例えば、特開平７−２８３１５１号には、多チャンバー真空処理装置において、イオンドーピングチャンバーとレーザーアニールチャンバーとを有するものが開示されている。従来のイオンドーピング装置は面状の断面を有するイオン流の一括照射を基本とし、場合によっては、基板を回転させる必要があっったので、イオンドーピングチャンバーとレーザーアニールチャンバーとを一体化させるという思想はなかった。
【００４３】
しかしながら、本発明のように、イオンドーピング装置も線状レーザーアニール装置と同様な搬送機構によって基板を移動しつつドーピングをおこなうという場合には、イオンドーピングチャンバーとレーザーアニールチャンバーを別に設ける必要はなく、むしろ、一体化した方が量産性の面で有利である。すなわち、イオン流の断面の長手方向とレーザー光の断面の長手方向とを平行に配置し、この間を基板を、上記方向に垂直に移動させればよい。かくすることによりイオンドーピング工程とレーザーアニール工程を連続的におこなえる。
【００４４】
線状イオン処理装置に線状レーザーアニール装置を組み合わせることは、２つの工程を同時におこなうことによる工程数の短縮の効果に加えて、基板の汚染の可能性を低減する効果をも有する。
【００４５】
さらに、本発明のイオンドーピング装置を用いると以下のような特色を有するドーピング処理をおこなうことが可能となる。すなわち、本発明によるドーピング処理方法の第１は、線状のイオンビームを発生する過程と、該イオンビームを質量分離し、少なくとも２つのイオンビームに分離する過程と、前記イオンビームをそれぞれ異なる電圧で加速する過程と、前記イオンビームをそれぞれ異なる角度で基板に照射する過程とを有する。
【００４６】
本発明によるドーピング処理方法の第２は、線状のイオンビームを発生する過程と、該イオンビームを少なくとも２種類のイオンビームに質量分離する過程と、前記イオンビームの一つを他の一つとは異なる加速電圧で加速する過程と、前記線状に加工されたイオンビームの線方向と概略直角方向に基板を移動させつつ、前記イオンビームの少なくとも二つを照射することを特徴とする。
【００４７】
本発明によるドーピング処理方法の第３は、水素を含む線状のイオンビームを発生する過程と、該イオンビームを水素を主成分とするものと、そうでないものとに質量分離する過程と、前記イオンビームのうち、水素を主成分とするイオンビームおよびそうでないものに、それぞれのイオンビームの基板への侵入深さが概略等しくなるようなエネルギー、入射角度等を付与する過程と、前記線状に加工されたイオンビームの線方向と概略直角方向に基板を移動させつつ、前記イオンビームを照射することを特徴とする。
以下に実施例を示し、より詳細に本発明を説明する。
【００４８】
【実施例】
〔実施例１〕図４に本実施例を示す。図４（Ａ）は本実施例のイオン源・加速装置の構成の概略を示し、図４（Ｂ）は本実施例のイオン源・加速装置の電極の概略の形状を示す。まず、図４（Ａ）にしたがって説明する。
【００４９】
長方形状の断面を有するプラズマ空間２４では、プラズマ発生電極２３、２６に高周波電源２１より高周波電力を印加して、プラズマが発生する。このプラズマは引き出し電極３０および引き出し電源２８によって引き出され、さらに抑制電極３１、抑制電源２９によって形状・分布を整えた後、加速電極３２、加速電源２７によって、必要とするエネルギーまで加速される。なお、プラズマの長尺方向の均一性が十分であれば、抑制電極３１は設けなくてもよい。
【００５０】
プラズマ発生電極２３、２６、引き出し電極３０、抑制電極３１、加速電極３２の形状は、図４（Ｂ）に示される。すなわち、引き出し電極３０、抑制電極３１、加速電極３２は空洞型であり、イオン流はその中央部を流れる。したがって、イオンが電極と衝突することがない。
【００５１】
本実施例ではプラズマ発生用電極２３と２６の間隔を１〜１０ｃｍ、長さを５０〜１５０ｃｍ、引き出し電極３０、抑制電極３１、加速電極３２の空洞部の断面の短尺方向の長さを１〜１５ｃｍ、長尺方向の長さを５０〜１７０ｃｍとするとよい。
【００５２】
なお、イオンドーピング装置全体の構成は図３で示されたものと同様にするとよい。
本実施例では、イオンの質量分離がおこなわれずに導入されるので、例えば、ドーピングガスとして、水素で希釈したホスフィンを用いた場合には、重いイオン（ＰＨ₃ ⁺、ＰＨ₂ ⁺等）も軽いイオン（例えば、Ｈ⁺、Ｈ₂ ⁺等）も同じ面密度で導入される。同様なことは硼素やアンチモンの注入においても生じる。
【００５３】
このことは、再結晶化の際に低温で結晶化するという利点がある。すなわち、材料中のＳｉ−Ｈ結合同士が、水素分子を離脱するような縮合過程を経て、Ｓｉ−Ｓｉ結合を形成するためである。この点で、積極的に水素分子の注入を防止するという実施例２もしくは３と異なる。
【００５４】
ただし、本実施例では、イオンの質量や半径によって進入深さが異なるという面に注意しなければならない。一般に軽い水素系イオンははるかに深い部分に集中する。この点を改善する実施例は後述する。（実施例５〜７）
【００５５】
〔実施例２〕本実施例は、実施例１で示したイオンドーピング装置のイオン源・イオン加速装置において、質量分離装置を設けた例を示す。本実施例を図５を用いて説明する。図５（Ａ）は本実施例のイオン源・加速装置の構成の概略を示す。まず、図５（Ａ）にしたがって説明する。長方形状の断面を有するプラズマ空間２４では、プラズマ発生電極２３、２６に高周波電源２１より高周波電力を印加して、プラズマが発生する。
【００５６】
このプラズマは引き出し電極３０および引き出し電源２８によって引き出され、加速電源２７によって加速される。次に、イオン流は互いに逆方向の磁場３４、３５および、その間のスリット３６を通過する。磁場３４によって、イオンは横向きの力を受け、このため、軽いイオン（例えば、Ｈ⁺、Ｈ₂ ⁺等、図の点線）は重いイオン（例えば、ＢＨ₃ ⁺、ＢＨ₂ ⁺、ＰＨ₃ ⁺、ＰＨ₂ ⁺等、図の細線）より左側に曲げられ、スリット３６を通過することができない。すなわち、スリット３６は質量分離用に設けられたものである。
【００５７】
図５（Ｂ）には、スリットに進入する前のイオンの分布の概念図を示す。縦軸はイオン密度（イオン強度）であり、横軸はイオン流の断面の短尺方向である。イオンはプラズマの分布を反映し、ガウス分布に近い形状であるが、磁場３４によって、軽いイオンが左に移動する。図５（Ｃ）には、スリットを通過した後のイオンの分布を示す。スリット３６によって、イオン流のうち、左側の軽いイオンのピークが削られる。この結果、イオン流の質量分離をおこなうことができる。
【００５８】
なお、スリット３６を通過したイオン流も、その短尺方向の分布は磁場３４の影響を強く受けており、プラズマ空間での分布とは異なるが、上述したように、イオン流を移動してドーピングするために何ら問題はない。
【００５９】
スリット３６を通過したイオン流は、磁場３４とは逆向きの磁場３５によって、右向きの力を受け、軌道が修正される。イオンが磁場３４で受ける力と磁場３５で受ける力は、向きが逆で大きさが等しいので、結局、イオン流は以前の流れと並行になる。
【００６０】
その後、抑制電極３１、抑制電源２９によって形状・分布を整えた後、加速電極３２、加速電源３３によって、必要とするエネルギーまで加速される。なお、プラズマの長尺方向の均一性が十分であれば、抑制電極３１は設けなくてもよい。また、本実施例のような磁場を印加する装置およびスリットは抑制電極と加速電極の間でも、また、加速電極と被ドーピング材の間に置かれてもよい。
【００６１】
本実施例のように、軽い水素系イオンを除去する場合には、実施例１で述べたような再結晶化における水素離脱縮合反応が起こりにくい。この問題を解決するには、目的とする不純物のドーピング工程の前もしくは後に、同程度の深さになるような水素のみのドーピングをおこなえばよい。
【００６２】
〔実施例３〕本実施例は、簡易型の質量分析装置を有するイオンドーピング装置のイオン源・イオン加速装置において、イオン流の集束装置を設けた例を示す。本実施例を図６を用いて説明する。図６（Ａ）は本実施例のイオン源・加速装置の構成の概略を示す。まず、図６（Ａ）および同図（Ｂ）にしたがって説明する。なお、図６（Ａ）は、イオン流の断面の長手方向より見た図を、また、図６（Ｂ）は、イオン流の断面の長手方向に垂直な面より見た図を示す。
【００６３】
本実施例のイオン源は、実施例１や同２とは異なり、誘導励起型のプラズマ発生方法を採用する。その目的のためにガスライン５８の一部に石英管を使用し、その周囲を誘導コイル４３を巻きつける。コイル４３は高周波電源４１に接続される。なお、コイルの一端は接地される。実施例１や同２ではイオンの下流で接地した。これに対し、本実施例ではイオン流の上流で接地する。
【００６４】
このようにすることのメリットは、特に細管での誘導励起のような場合にはガスライン５８を接地準位近辺で使用できることである。ガスラインを実施例１や同２のようにイオンの中流に設ける場合には、ガスラインの電位はそれほど問題ならないが、本実施例のような装置においてイオンの下流を接地した場合には、ガスライン近辺は１００ｋＶにも達する高電位となり、ガス配管やガズボンベに導電性の材料を使用するので、ガスボックス等までも厳重に絶縁する必要がある。
【００６５】
本実施例のようにイオンの上流を接地することにより、逆に下流が（負の）高電位となるが、下流にある物体は外部と連絡するものが少ないので、絶縁は大して問題とならない。
【００６６】
誘導コイル４３によって生じたプラズマは加速室４４に導入される。加速室への導入口は図６（Ｂ）に示すように、特徴的な形状を有せしめる。ここで、細管から大容量の反応室にガスが導入されることにより、プラズマおよびドーピングガスの圧力・密度は急激に低下する。
【００６７】
このことは本実施例のようにイオン流を集束する場合には好ましい。一般に、誘導コイル部分のガスライン５８の圧力は加速室４４の圧力の１／５〜１／１００となるようにすればよい。プラズマを生じさせるには１０^-4Ｔｏｒｒ以上の圧力が必要である。
【００６８】
しかしながら、圧力の高い空間では気体分子やイオンの平均自由行程が小さくなり、イオンを高エネルギーに加速する上で不利である。また、本実施例のようにイオン流を集束する場合には、イオンの衝突による散乱により、集束度が低下する。
【００６９】
本実施例のように、加速室４４の圧力を、プラズマ源（誘導コイル４３の近傍）より大幅に低下させると上記の問題は解決できる。なお、イオン流の集束効果を有効にするためには、集束装置から被ドーピング物までの距離が、平均自由行程以下であるような圧力とすることが好ましい。
【００７０】
このようにして加速室に導入されたプラズマは引き出し電極５０（および引き出し電源４８）によって引き出され、加速電極５２（および加速電源４７）によって加速される。この引き出し電極５０と加速電極５２の間にはイオン流の集束用のコイル５１を設ける。コイル５１は通常のソレノイドとは異なった形状とする。
【００７１】
すなわち、イオン流を集束させる方向には、下流になるほど径を小さくする。一方、それに垂直な方向では径を変化させない。かくすることにより、イオン流を１方向に集束させることができる。コイル５１は同様な形状を有する中空の永久磁石によっても代替できる。
【００７２】
以上は、原理的にはｚピンチ法と称されるプラズマ閉じ込めもしくはプラズマ集束技術であるが、それ以外にも、イオン流の自身の発生する磁場によって集束させる自己集束法を用いることもできる。その際には、多段の加速電極を設け、下流ほど電極径を小さくすればよい。また、自己集束法を用いるには、イオン流とは逆向きに電子流を流すと、電流量が増加し、かつ、イオン間の反発が電子により遮蔽される（シールド効果）ので、より集束する上で効果的である。
【００７３】
次に、イオン流は互いに逆向きの磁場５４、５５および、その間のスリット５６を通過する。磁場５４により、イオンは左向きの力を受ける。このため、軽いイオン（図の点線）は重いイオン（図の細線）より左側に曲げられ、スリット５６を通過することができない。このことは実施例２と同じであるが、本実施例ではイオン流の集束をおこなうため、より顕著な効果が得られる。
【００７４】
図６（Ｃ）には、加速電極５２を通過したイオンの分布の概念図を示す。縦軸はイオン密度（イオン強度）であり、横軸はイオン流の断面の短尺方向である。イオンはプラズマの分布を反映し、ガウス分布に近い形状であるが、軽いイオンの方が重いイオンよりもより強く集束され、中央に集まる。
【００７５】
このような分布のイオン流が磁場５４を通過すると、実施例２と同様に軽いイオンが左に移動する。図６（Ｄ）は、スリットに進入する前のイオンの分布の概念図を示す。図６（Ｅ）には、スリットを通過した後のイオンの分布を示す。スリット５６によって、イオン流のうち、左側の軽いイオンのピークが削られる。この結果、イオン流の質量分離をおこなうことができる。本実施例で特徴的なことは、軽いイオンはより集積度が高いため、このスリットによる分離の効果が顕著に現れる。
【００７６】
スリット５６を通過したイオン流は、磁場５５によって右向きの力を受け、軌道が修正される。イオンが磁場５４で受ける力と磁場５５で受ける力は、向きが逆で大きさが等しいので、結局、イオン流は以前の流れと並行になる。
このようにして、線状の断面を有するイオン流を得ることができる。
【００７７】
〔実施例４〕本実施例は、本発明のイオンドーピング装置と線状レーザー光を利用するレーザーアニール装置を同一チャンバー内に設けた装置に関する。すなわち、本発明が線状イオン流により基板を走査しつつドーピングする工程を特色とすることと、他の発明である線状レーザー光を用いたレーザーアニール法が、同様な機構を必要とすることに着目したものである。
【００７８】
例えば、特開平７−２８３１５１には、多チャンバー真空処理装置において、イオンドーピングチャンバーとレーザーアニールチャンバーとを有するものが開示されている。従来のイオンドーピング装置は面状の断面を有するイオン流の一括照射を基本とし、場合によっては、基板を回転させる必要があっったので、イオンドーピングチャンバーとレーザーアニールチャンバーとを一体化させるという思想はなかった。
【００７９】
しかしながら、本発明のように、イオンドーピング装置も線状レーザーアニール装置と同様な搬送機構によって基板を移動しつつドーピングをおこなうという場合には、イオンドーピングチャンバーとレーザーアニールチャンバーを別に設ける必要はなく、むしろ、一体化した方が量産性の面で有利である。すなわち、イオン流の断面の長手方向とレーザー光の断面の長手方向とを平行に配置し、この間を基板を、上記方向に垂直に移動させればよい。かくすることによりイオンドーピング工程とレーザーアニール工程を連続的におこなえる。
【００８０】
本実施例を図７を用いて説明する。図７（Ａ）は本実施例の装置の断面の概念図であり、また、図７（Ｂ）は本実施例の装置を上（イオン流の導入方向もしくはレーザー光の導入方向）より見た概念図である。
【００８１】
本発明のイオンドーピング兼レーザーアニール装置は、他の実施例のイオンドーピング装置と同様、イオン源・加速装置６３、ドーピング室６５、電源装置６４、ガスボックス６９、排気装置７０よりなる。しかしながら、それに加えて、レーザー装置６１、光学系６２を有する。また、予備室６８も有する。もちろん、ドーピング室６５にはレーザー光を導入するための窓７３を設ける。レーザー光導入用の窓７３はイオン流導入のための窓７２と平行に設けられる。
【００８２】
基板６６は基板ホルダー６７に保持され、基板ホルダー６７は搬送機構７１によって、ドーピング室６５を少なくとも１方向に移動する。基板ホルダー６７にはヒーター等を設けてもよい。イオン流の長尺方向は図の紙面に垂直な方向である。
【００８３】
〔実施例５〕本実施例では、イオン形成手段をもつ装置と、イオンを加速する手段をもつ装置に関しては、図４に示す装置と同様な構成のものを用いる。図８には本実施例で使用するイオンドーピング装置の概念図を示す。ドーパントガスは高周波電源８１より高周波電力の印加されたプラズマ発生電極８２、８３によりイオン化される。このイオンは引き出し電極８４により引き出される。
【００８４】
さらに、本実施例のドーピング装置は、イオンビームに磁場を加える手段８５を備えている。その結果、軽イオン（水素を主成分とするイオン）は大きく偏向する。一方、重イオン（ドーパントを含むイオン）の偏向はわずかである。本実施例の装置では、重イオンの通過路には抑制電極８６、加速電極８７を設け、該イオンビームが選択的に加速され、基板に照射される。しかしながら、軽イオンに関しては、通路に加速電極が設けられていないので、引き出し電極８４により加速されたエネルギーのまま図示しないステージ上の基板８８に照射される。
【００８５】
本実施例では、イオンビームは滝のようにカーテン状をなして、基板８８に照射される。基板全体にまんべんなくドーパントがゆき渡るように、基板８８を走査させながら、ドーピングを行う。ドーズ量は基板の走査速度と、イオン電流値で制御する。このときの走査の方向はドーパントにより形成される該カーテン面に対して概略垂直とする。
【００８６】
本装置が形成するイオンの滝は幅２ｍである。本装置はリンまたはボロンをドーパントとして、半導体材料に添加する目的で使用する。上記イオンにはＰＨ_y ⁺またはＢ２Ｈ_x ⁺イオンの他に多量のＨ₂ ⁺イオンが含まれている。本実施例では濃度５％程度に水素で希釈した半導体用ＰＨ₃もしくはＢ₂Ｈ₆ガスを使用した。
【００８７】
このイオン流に垂直かつイオンのカーテン面を含む方向に磁場を形成することにより、該イオン流に対して垂直方向の力を該イオン流に加える。これは、ローレンツ力と呼ばれるものである。運動方程式 M a = q v Bから、イオンの上記磁場 Bに起因する加速度 aはイオン質量 Mに反比例し、イオンの電荷 qに比例することが容易に判る。なお、磁場入射前のイオン流の方向の、磁場入射後のイオン速度成分 vはイオンの質量 Mに依存する。
【００８８】
本実施例の場合は、加速されるイオンの大多数が電荷１のものなので、前述の加速度はイオンの質量のみに依存すると考えて良い。本実施例に使用するガスに含まれるイオン、Ｈ₂ ⁺イオンの分子量は２、ＰＨ_y ⁺イオンの分子量は３４程度、Ｂ₂Ｈ_x ⁺イオンの分子量は２４〜２６程度、である。また、上記速度成分 vの質量依存を考慮に入れると、Ｈ₂ ⁺イオンは、ドーパントを含むイオンと比較して１０〜１００倍の加速度を、該イオン流の垂直方向にうけることがわかる。よって、磁場をイオン流に加えることでイオン流の質量分離ができる。
【００８９】
ドーパントを含むイオン流の向きを殆ど変えることなく、Ｈ₂ ⁺イオンの流れのみを適当に変えるには、引き出し電圧を１〜１０ k V 程度とし、図８に示した磁場の方向に０. １から１０テスラ程度、好ましくは０. ５から２テスラ程度の磁場を加えるとよかった。
【００９０】
磁場を形成する場所は引出電極の直後とする。イオンの運動エネルギーがまだ小さいうちにイオンを曲げれば、少ないエネルギーでイオンを大きく曲げることが可能だからである。引き出し電極８４直後で曲げられたＨ₂ ⁺イオンは抑制電極８６、加速電極８７の中を通過することなくステージ上の基板８８に達する。この様にすると、基板入射時のＨ₂ ⁺イオンの速度を抑えることができる。
【００９１】
基板に達したときのＨ₂ ⁺イオンの入射角は５０゜程度であった。前記角度は、イオンが基板内に入るのに充分な角度であった。一方、ドーパントを含むイオン流は上記磁場の影響を殆ど受けることなく、抑制電極、加速電極の中を通過後、基板に照射された。入射角はほぼ９０°であった。
【００９２】
上記のイオン加速方法により、Ｈ₂ ⁺イオンの速度を極力抑え、かつ、ドーパントを所望の深さに打ち込むことが可能となった。等電界中では、イオンは軽ければ軽いほど、電荷が高ければ高いほど加速されやすい。よって、イオン流を質量分離しなければ、イオンは軽イオンほど高速で基板に打ち込まれる。すなわち、軽イオンほど基板深く打ち込まれてしまう。
【００９３】
ところが、本実施例の方法をとると、本実施例では軽イオンに該当するＨ₂ ⁺イオンの基板入射時の速度と、重イオンに該当するドーパントを含むイオンの基板入射時の速度とを、同程度もしくは軽イオンの速度を重イオンのものよりも遅くできた。
【００９４】
この様な速度コントロールすることにより、Ｈ₂ ⁺イオンとドーパントを含むイオンの基板中での深さ方向の分布を似通わせることができる。この結果、Ｈ₂ ⁺イオンのもつ運動エネルギーの解放による熱を、より直接的にドーパントに作用させることができるようになった。該熱は、ドーパントを含むイオンの打ち込みにより形成された格子欠陥の修復と、ドーパントの活性化に使われた。さらに、該熱と多量の水素が、格子の不結合手の終端に使われた。
【００９５】
一般的に言って、ドーピングによるダメージは半導体材料の特性を著しくおとしめるものであるから、何らかの補修を加えなければならない。従来は、熱を加えたり、光を照射するといったアニール手段で上記ダメージの回復を図っていた。あるいは、格子欠陥部分を終端する目的で水素を該ダメージ部分に添加しアニールにより水素を格子欠陥に結合させる手段も効果的であった。
【００９６】
ところで、先に述べた通り、質量分離を行わずに全てのイオンを垂直に入射させると、重イオンの入射速度Ｖαと軽イオンの入射速度Ｖβには、Ｖα＜＜Ｖβという関係があるので、比較的軽い水素イオンは半導体膜深くに分布する（図１０（Ｂ））のに対し、比較的重いイオンは該膜の浅い部分に分布する（図１０（Ａ））。
【００９７】
すなわち、前者の中心深さｄ₂と後者の中心深さｄ₁の間には、ｄ₁＜＜ｄ₂という関係が生じる。よって、水素イオンの分布とドーパントによる格子欠陥の分布にずれが生じ、該水素イオンが該欠陥修復に効率よく使用されない。
【００９８】
ところが、本実施例に示した方法でイオンの質量分離を行い、入射速度を概略等しくすると、該水素イオンの侵入深さ（図１０（Ｄ））とドーパントの分布（図１０（Ｃ））が近づきあるいは一致し、その結果著しく上記ダメージの修復効果が向上した。前記修復効果は、該水素イオンの格子欠陥の終端効果と、該水素イオンとドーパントを含むイオンとが膜中で運動エネルギーを失うことにより生じる熱アニール効果である。
【００９９】
本効果は従来行われてきたドーピング後の処理（前段に述べたもの）と同程度のものであった。該効果は、プラズマ中の水素イオンの濃度が高ければ高いほど上がるが、スループットを考慮すると該水素イオンのプラズマ中の濃度は５０〜９０％が適当であった。
【０１００】
イオンを照射しながら基板を走査させるとき、本実施例では、最初にＨ₂ ⁺イオンが基板に打ち込まれてから、ＰＨ_y ⁺またはＢ₂Ｈ_x ⁺イオン等のドーパントを含むイオンが打ち込まれるように、基板走査の方向を決定した。Ｈ₂ ⁺イオンは半導体膜を構成する主な原子と比較して小さくかつ軽いので半導体材料の格子をあまり壊すことなく、基板に打ち込まれ、該Ｈ₂ ⁺イオンが失う運動エネルギーにより基板温度が上昇する。
【０１０１】
その後、重いドーパントを含むイオンが打ち込まれる。このときにできる格子欠陥の修復とドーパントの活性化に上昇した基板温度と水素が使われる。かくして、ドーピングと同時にアニールおよび水素化をおこなうことができた。
【０１０２】
〔実施例６〕本実施例では、実施例５と全く同様の装置を用い、基板の走査方向のみ変更した。すなわち、イオンを照射しながら基板を走査させるとき、まず、ＰＨ_y ⁺またはＢ₂Ｈ_x ⁺イオン等のドーパントを含むイオンが基板に打ち込まれてから、Ｈ₂ ⁺イオンが打ち込まれるように、基板を走査した。
【０１０３】
重いドーパントを含むイオンは半導体膜を構成する主な原子と比較して同程度に重いので、半導体の特性を著しくおとしめるほどの影響を半導体材料の格子に与える。その後Ｈ₂ ⁺イオンが基板に打ち込まれ、該Ｈ₂ ⁺イオンが失う運動エネルギーにより基板温度が上昇する。このときの温度と水素の供給により、格子欠陥を修復し、ドーパントを活性化させる。
【０１０４】
本実施例は実施例５とほぼ同程度の格子欠陥修復とドーパントの活性化の効果があった。本実施例は、水素イオンとドーパントを含むイオンとの基板に打ち込まれる順序が、本発明の諸効果に影響しないことを示すものである。
【０１０５】
〔実施例７〕図９に本実施例で使用するイオンドーピング装置の概念図を示す。実施例５、６で述べたドーピング装置と異なる点は、イオン流に磁場を加えている領域にさらなる電場を与える手段を有している点である。前記手段も実施例１、２の装置と同様に、該イオン流の質量分離を可能とする。異なる点は、理想的には全くドーパントを含むイオンの流れを曲げることなく質量分離ができる点である。本質量分離器はＥ×Ｂ分離器と呼ばれる。
【０１０６】
ドーパントガスは高周波電源９１より高周波電力の印加されたプラズマ発生電極９２、９３によりイオン化される。このイオンは引き出し電極９４により引き出される。
【０１０７】
さらに、イオンビームに磁場を加える手段９５および電極９６により、イオンは質量分離され、軽イオン（水素を主成分とするイオン）は大きく偏向する。一方、重イオン（ドーパントを含むイオン）の偏向はわずかである。本実施例の装置では、重イオンの通過路には抑制電極９７、加速電極９８を設け、該イオンビームが選択的に加速され、基板に照射される。しかしながら、軽イオンに関しては、通路に加速電極が設けられていないので、引き出し電極９４により加速されたエネルギーのまま図示しないステージ上の基板９９に照射される。
【０１０８】
本実施例でも、イオンは、滝のようにカーテン状をなして基板９９に照射される。基板全体にまんべんなくドーパントが行き渡るように、基板を走査させながら、ドーピングを行う。ドーズ量は基板の走査速度と、イオン電流値で制御する。このときの走査の方向はドーパントにより形成される該カーテン面に対して概略垂直とする。
【０１０９】
本装置が形成するイオンの滝は幅２ｍである。本装置はリンまたはボロンをドーパントとして、半導体材料に添加する目的で使用する。上記イオンにはＰＨ_y ⁺またはＢ₂Ｈ_x ⁺イオンの他に多量のＨ₂ ⁺イオンが含まれている。本実施例では濃度５％程度に水素で希釈した半導体用ＰＨ₃もしくはＢ₂Ｈ₆ガスを使用した。
【０１１０】
このイオン流に垂直かつイオンのカーテン面を含む方向に磁場を形成することにより、該イオン流に対して垂直方向の力を該イオン流に加える。これはローレンツ力と呼ばれるものである。運動方程式 F = q v B - q E から、イオン流が受ける横向きの力 F がわかる。イオン流を曲げないためには Fを０とすればよい。
【０１１１】
なお、磁場入射前のイオン流の方向の、磁場入射後のイオン速度成分v はイオンの質量 Mに依存するので、ドーパントを含むイオンの速度v を前述の運動方程式に代入し、力 Fが０となるように磁場Ｂと電場Ｅを調節すればよい。このとき、水素イオンは、ドーパントを含むイオンの速度v とは異なる速度を持っているので、０でない力 Fを受ける。よって、本装置により、質量分離ができることが判る。
【０１１２】
Ｈ₂ ⁺イオンの流れを適当に変えるには、引き出し電圧を１〜１０ k V 程度とし、図９に示した磁場の方向に０. １から１０テスラ程度、好ましくは０. ５から２テスラ程度の磁場を加えるとよかった。
【０１１３】
磁場を形成する場所は引出電極９４の直後とする。イオンの運動エネルギーがまだ小さいうちにイオンを曲げれば、少ないエネルギーでイオンを大きく曲げることが可能だからである。引き出し電極９４直後で曲げられたＨ₂ ⁺イオンは抑制電極９７、加速電極９８の中を通過することなくステージ上の基板に達する。この様にすると、基板入射時のＨ₂ ⁺イオンの速度を抑えることができる。
【０１１４】
基板に達したときのＨ₂ ⁺イオンの入射角は４５゜程度であった。前記角度は、イオンが基板内に入るのに充分な角度であった。一方、ドーパントを含むイオン流は上記Ｅ×Ｂ分離器の影響を殆ど受けることなく、抑制電極９７、加速電極９８の中を通過後、基板に照射された。
【０１１５】
上記のイオン加速方法は実施例５、６で示した方法と同様の効果をもたらした。本実施例の実施例５、６に勝る点は、ドーパントを含むイオンがほぼまっすぐに基板に到達するため引き出し電極９４、抑制電極９７、加速電極９８を小さくすることができることである。しかし、Ｅ×Ｂ分離器は構造がやや複雑であるため設計保守の面で実施例５、６のほうが優れている。なお、本実施例は実施例５、６で示したような基板の走査方向によらず、効果的であった。
【０１１６】
【発明の効果】
本発明によって、大面積の処理が可能なイオンドーピング装置が得られる。また、アニール工程・水素化工程を必要としない、もしくは、それらの工程の処理時間を短縮し、あるいは、処理温度を低減することも可能となる。本発明によってもたらされる効果は上述の通りである。このように本発明は工業上、有益なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のイオンドーピング装置のイオン源・加速装置の概略を示す図。
【図２】従来のイオンドーピング装置の構成の概略を示す図。
【図３】本発明のイオンドーピング装置の構成の概略を示す図。
【図４】実施例１のイオンドーピング装置のイオン源・加速装置の概略と電極の形状の概略を示す図。
【図５】実施例２のイオンドーピング装置のイオン源・加速装置の概略と動作原理等を示す図。
【図６】実施例３のイオンドーピング装置のイオン源・加速装置の概略と動作原理等を示す図。
【図７】実施例４のイオンドーピング装置の構成の概略を示す図。
【図８】実施例５および６のイオンドーピング装置のイオン源・加速装置の概略を示す図。
【図９】実施例７のイオンドーピング装置のイオン源・加速装置の概略を示す図。
【図１０】イオンの入射速度と侵入深さの関係を示す図。
【符号の説明】
１、２１高周波電源
２マッチングボックス
３、２３プラズマ発生用電極
４、２４プラズマ空間
５絶縁体
６、２６プラズマ発生用電極
７、２７、３３加速電源
８、２８引き出し電源
９、２９抑制電源
１０、３０引き出し電極
１１、３１抑制電極
１２、３２加速電極
１３イオン源・加速装置
１４電源装置
１５ドーピング室
１６被ドーピング材
１７基板ホルダー
１８ガスライン
１９ガスボックス
２０排気装置
３４、３５磁場
３６スリット[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a doping apparatus and a doping processing method used when manufacturing a semiconductor integrated circuit or the like. In particular, the present invention relates to an ion doping apparatus and a doping processing method having a preferable configuration for the purpose of processing a large area substrate. For example, by irradiating an ion beam to a semiconductor material that is partly or entirely made of an amorphous component, or a substantially intrinsic polycrystalline semiconductor material, an impurity is added to the semiconductor material. is there.
[0002]
[Prior art]
In the manufacture of a semiconductor integrated circuit or the like, when an N-type or P-type impurity region is formed in a semiconductor, impurity (N-type impurity / P-type impurity) ions exhibiting an N-type or P-type conductivity type are applied with a high voltage. There is known a method of irradiating and injecting by acceleration. In particular, a method for separating the mass and charge ratio of ions is called an ion implantation method, and is widely used when manufacturing semiconductor integrated circuits.
[0003]
In addition, there is known a method of generating a plasma having N / P type impurities, accelerating ions in the plasma with a high voltage, and injecting the ions into a semiconductor as an ion stream. This method is called an ion doping method or a plasma doping method.
[0004]
The structure of a doping apparatus using an ion doping method is simpler than that of a doping apparatus using an ion implantation method. For example, when boron is implanted as a P-type impurity, a boron compound diborane (B₂H₆In a gas such as), plasma is generated by RF discharge or other methods, a high voltage is applied to the plasma, boron ions are extracted, and the semiconductor is irradiated. Since vapor phase discharge is performed to generate plasma, the degree of vacuum in the doping apparatus is relatively high.
[0005]
Currently, an ion doping apparatus is often used to uniformly add impurities to a substrate having a relatively large area. This is because the ion doping apparatus does not perform mass separation and a large area ion beam can be obtained relatively easily. On the other hand, since the ion implantation apparatus needs to perform mass separation, it is difficult to increase the beam area while maintaining the uniformity of the beam. Therefore, the ion implantation apparatus is not suitable for a large area substrate.
[0006]
In recent years, active research has been conducted on lowering the temperature of semiconductor device processes. This is because a semiconductor element has to be formed on an inexpensive insulating substrate such as glass. In addition, there is a demand accompanying miniaturization of elements and multilayering of elements.
[0007]
Insulating substrates such as glass have various merits such as high workability compared to quartz substrates conventionally used in high-temperature processes, easy area enlargement, and low cost. However, it is also true that with the increase in the area of the substrate, there are many difficulties that have to be overcome technically, such as the development of an apparatus having different properties from the conventional high-temperature process.
[0008]
In the production of active matrix type liquid crystal displays that need to process large-area substrates, the ion implantation method is disadvantageous in this respect, and research and development has been conducted on the ion doping method for the purpose of compensating for the disadvantages. Yes.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
An outline of a conventional ion doping apparatus is shown in FIGS. FIG. 1 mainly shows an outline of an ion source and an ion accelerator. FIG. 2 shows the entire structure of the ion doping apparatus. First, it demonstrates according to FIG. Ions are generated in the plasma space 4.
[0010]
That is, plasma is generated in the decompressed plasma space 4 by applying high-frequency power between the electrode 3 and the mesh electrode 6 by the high-frequency power source 1 and the matching box 2. In the initial stage of plasma generation, hydrogen or the like is introduced into the atmosphere, and after the plasma is stabilized, doping gases such as diborane and phosphine (PH_Three).
[0011]
The electrode 3 and the outer wall of the chamber (the same potential as the mesh electrode 6) are insulated by the insulator 5. An ion flow is extracted from the plasma generated in this manner, and an extraction electrode 10 and an extraction power source 8 are used for that purpose. The ion flow thus extracted is shaped by the suppression electrode 11 and the suppression power source 9 and then accelerated to the required energy by the acceleration electrode 12 and the acceleration power source 7.
[0012]
Next, FIG. 2A will be described. The ion doping apparatus is roughly divided into an ion source / acceleration apparatus 13, a doping chamber 15, a power supply apparatus 14, a gas box 19, and an exhaust apparatus 20. In FIG. 2, the ion source / accelerator shown in FIG. That is, in FIG. 2, the ion flow flows from left to right (in FIG. 1, it flows from top to bottom). The power supply device 14 is a collection of power supplies mainly used for generating and accelerating ions, and includes the high frequency power supply 1, matching box 2, acceleration power supply 7, extraction power supply 8, and suppression power supply 9 of FIG. 1.
[0013]
A substrate holder 17 is provided in the doping chamber 15, and a material to be doped 16 is placed thereon. The substrate holder is generally designed so that it can rotate along an axis parallel to the ion flow. The ion source / accelerator 13 and the doping chamber 15 are exhausted by the exhaust device 20. Of course, the ion source / accelerator 13 and the doping chamber 15 may be exhausted by an independent exhaust device.
[0014]
A doping gas is sent from the gas box 19 to the doping chamber 15 via the gas line 18. In the apparatus of FIG. 2, a gas supply port is provided between the ion source / accelerator 13 and the material 16 to be doped, but it may be provided in the vicinity of the plasma space 4 of the ion source. In general, the doping gas is diluted with hydrogen or the like.
[0015]
In the conventional ion doping apparatus, the area of the substrate (the material to be doped) that can be processed is equal to or less than the cross-sectional area of the plasma space 4 in the ion source 13. This is a condition required by the uniformity of doping. FIG. 2B shows a state of a cross section perpendicular to the ion flow. That is, the ion source / accelerator 13 is L₁And L₂However, the doping chamber 15 and the material to be doped 17 are large enough to be contained therein. And L₁And L₂Are about the same size.
[0016]
Therefore, the plasma space 4 is required to be further increased as the substrate becomes larger. In addition, the plasma is required to be two-dimensionally uniform. However, it is difficult to make the plasma space infinitely large. This is because the generation of plasma is not uniform. This is mainly because the mean free path of molecules is sufficiently small compared to the cross section of the plasma space. For this reason, it is difficult to set the length of one side of the plasma space to 0.6 m or more.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is characterized in that the cross section of the ion flow is linear or rectangular, and the material to be doped is moved perpendicularly to the long direction of the ion flow (that is, the short direction) during doping. In this way, the plasma is only required to be uniform in the longitudinal direction, and a large area substrate can be processed. The reason why only the uniformity of the plasma in the longitudinal direction is a problem and the two-dimensional uniformity is not a problem is that ion irradiation is performed by scanning when attention is paid to an arbitrary portion of the material to be doped.
[0018]
In the present invention, in principle, the length of one side of the substrate is limited by the length of the plasma, but the length of the other side has no limiting factor other than the size of the doping chamber. If the width of the discharge space is sufficiently narrow, plasma in which the uniformity in the longitudinal direction is maintained at about 2 m can be easily generated. Of course, the width of the ion beam at that time may be on the centimeter order.
[0019]
Therefore, such a linear ion doping apparatus is suitable for processing a large area substrate or a large number of substrates simultaneously. For example, it is possible to relatively easily dope a substrate having a maximum of 2 m × xm. x is determined by the size of the doping apparatus.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 3A shows the concept of the embodiment of the present invention. The ion doping apparatus of the present invention also includes an ion source / accelerator 13, a doping chamber 15, a power supply device 14, a gas box 19, and an exhaust device 20 as in the prior art. However, unlike the conventional one, the ion source / accelerator 13 generates an ion flow whose cross section is linear or rectangular. Further, a mechanism for moving the substrate holder 17 during doping is provided. The longitudinal direction of the ion flow is a direction perpendicular to the drawing sheet.
[0021]
In the ion doping apparatus of the present invention, the shape of the substrate (the material to be doped) that can be processed is not related to the shape of the cross section of the plasma space 4 in the ion source 13. However, the length of one side of the shorter side of the substrate is required to be equal to or shorter than the length of the plasma space 4 in the longitudinal direction. As for the size of the other side of the substrate, there is no limiting factor other than the size of the doping chamber.
[0022]
FIG. 3B shows a state of a cross section perpendicular to the ion flow. That is, the ion source / accelerator 13 (L₁× L₂) Is not limited by the shapes of the doping chamber 15 and the material 17 to be doped. Since the cross-sectional shape of the ion flow is linear or rectangular, L₁<L₂(= The length in the longitudinal direction of the cross section of the ion flow).
[0023]
The fact that the ion flow is only uniform in the long direction and the uniformity in the short direction is not questioned means that there is no problem even if there is an ion intensity and ion species distribution in the short direction. Specific light ions (eg, H⁺, H₂ ⁺Etc.). In order to separate ions, it was necessary to have a magnetic effect on the ion flow, but this always affected the distribution of necessary heavy ions.
[0024]
Since the conventional ion doping apparatus requires two-dimensional uniformity, it is substantially impossible to separate ions. However, in the present invention, as shown in the second embodiment, it can be easily separated.
[0025]
Further, the fact that the ion flow is only uniform in the long direction and the uniformity in the short direction is not questioned is advantageous for the structure of the electrode that accelerates and decelerates the ion flow. In a conventional ion doping apparatus, a net-like or porous electrode is used. However, in such an electrode, some ions collide with the electrode body. Scattering / sputtering becomes a problem.
[0026]
On the other hand, in the present invention, as shown in the first embodiment, since the electrode has a simple shape and is provided at a position away from the ion flow, the above problem is solved.
[0027]
In addition, as a conventional semiconductor manufacturing technique, an ion implantation technique is known. At this time, a technique is known in which an ion flow is electromagnetically deflected and scanned onto a fixed substrate. However, such a method is not suitable when simultaneously doping ions having various mass / charge ratios as in the present invention, and it is better to fix the ion flow and move the substrate as in the present invention. preferable.
[0028]
This is because in the electromagnetic ion flow deflection technique, light ions are much easier to deflect than heavy ions, and therefore cannot be scanned uniformly. Even if the mass number is slightly different from one another, the distribution is generated, so that it is not preferable to apply it to the ion doping technique of the present invention. Such an electromagnetic deflection technique can be used only when doping only a single ion species.
[0029]
The ion doping apparatus of the present invention may be added with an ion focusing apparatus or ion mass separation apparatus known in the conventional ion technology.
[0030]
Furthermore, in the linear ion doping technique as in the present invention, the feature that the mass separation of ions is easy may be advantageous in the subsequent annealing treatment. In general, when ion doping is performed, damage to the atomic lattice of the irradiated object or amorphization of the crystal lattice due to the incidence of ions on the irradiated object occurs. Also, dopants do not work as carriers simply by being implanted into a semiconductor material. Several steps to eliminate these disadvantages are necessary after doping.
[0031]
In the above process, the most common method is thermal annealing or optical annealing. These anneals can bond the dopant to the semiconductor material lattice. However, in the case of light annealing, the light must reach the lattice damage site.
[0032]
In addition, a process of adding hydrogen for eliminating levels (bond bonds) that cannot be resolved by annealing is also generally performed. This process is hereinafter referred to as hydrogenation. Hydrogen easily enters the semiconductor material at a temperature of about 350 ° C. and functions to erase the level.
[0033]
In any case, providing these post-doping steps increases the number of steps and is not good in terms of cost and throughput. By performing thermal annealing and hydrogenation at the same time as doping, or by performing some of these processes during doping, the annealing process and hydrogenation process can be omitted or the processing time can be reduced, or the processing temperature can be reduced. Etc. can be achieved.
[0034]
It is relatively easy to add hydrogen and dopant to the semiconductor material simultaneously. That is, the dopant diluted with hydrogen may be ionized together with hydrogen to perform doping. For example, phosphine (PH_Three1 is implanted using the doping apparatus shown in FIGS. 1 and 2, ions containing phosphorus (for example, PH_Three ⁺And PH₂ ⁺Etc.) and hydrogen ions (for example, H₂ ⁺And H⁺) Is also injected.
[0035]
However, since hydrogen is too light for ions containing dopants such as phosphorus and boron and is easily accelerated, it enters deep into the substrate. On the other hand, since ions containing the dopant remain in a relatively shallow portion, in order for the hydrogen to repair the defect caused by the dopant, the hydrogen must be moved by thermal annealing or the like.
[0036]
By the way, when a linear ion beam is used, as described above, it is possible to irradiate the substrate with only desired ions in the middle of the ion separator. If this idea is further developed, the following new doping method will be possible. That is, a method of doping in which ions having different masses are separated, accelerated at different voltages, and irradiated with a semiconductor material to implant these ions to substantially the same depth.
[0037]
For example, by separating the ions mainly composed of hydrogen (light ions) and ions containing dopants (heavy ions) and accelerating only the latter, the penetration depth of the former and the latter is substantially the same, Due to the presence of the former, it is possible to perform part or all of the annealing step and the hydrogenation step for the dopant at the same time.
[0038]
That is, by making the incident speed of the hydrogen ion beam to the semiconductor material closer to the incident speed of the ion beam containing the dopant to the semiconductor material, the distribution of hydrogen and the distribution of the dopant in the semiconductor film become closer. At this time, the dopant is immediately activated by the incident energy of ions (converted into thermal energy by collision) and the supply of hydrogen. This effect eliminates the subsequent dopant activation step.
[0039]
In order to adjust the penetration depth, the incident angle of each ion beam may be changed. That is, when the incident angle is small, the penetration depth is also small. Magnetic and electrical effects may be used to change the incident angle. If the incident angle is too small, ions do not enter the substrate and are reflected. There is no problem if the incident angle is 40 ° or more.
[0040]
For the above purpose, the mass separator may be provided between the ion beam generator and the accelerator. For mass separation, a device that applies a magnetic field parallel to the longitudinal direction of the ion beam to the ion beam may be used.
For semiconductor materials, ions containing dopants may be implanted first, followed by ions containing hydrogen as a main component, or vice versa.
[0041]
It is also effective to provide the ion doping apparatus of the present invention and a laser annealing apparatus using linear laser light in the same chamber. That is, the present invention features a step of doping while scanning a substrate with a linear ion stream, and the laser annealing method using a linear laser beam according to another invention requires a similar mechanism. In view of the fact that the steps using both apparatuses are continuous, it is very effective to incorporate both in the same apparatus rather than separate apparatuses.
[0042]
For example, JP-A-7-283151 discloses a multi-chamber vacuum processing apparatus having an ion doping chamber and a laser annealing chamber. The conventional ion doping apparatus is based on collective irradiation of an ion stream having a planar cross section, and in some cases, it is necessary to rotate the substrate, so that the idea of integrating the ion doping chamber and the laser annealing chamber is integrated. There was no.
[0043]
However, as in the present invention, when the ion doping apparatus performs doping while moving the substrate by the same transport mechanism as the linear laser annealing apparatus, it is not necessary to separately provide an ion doping chamber and a laser annealing chamber, Rather, the integration is more advantageous in terms of mass productivity. That is, the longitudinal direction of the cross section of the ion flow and the longitudinal direction of the cross section of the laser beam are arranged in parallel, and the substrate may be moved perpendicularly to the above direction therebetween. Thus, the ion doping process and the laser annealing process can be continuously performed.
[0044]
Combining a linear laser annealing apparatus with a linear ion processing apparatus has an effect of reducing the possibility of substrate contamination in addition to the effect of shortening the number of processes by simultaneously performing two processes.
[0045]
Furthermore, when the ion doping apparatus of the present invention is used, a doping process having the following features can be performed. That is, a first doping method according to the present invention includes a step of generating a linear ion beam, a step of mass-separating the ion beam and separating the ion beam into at least two ion beams, and the ion beam having different voltages. And a process of irradiating the substrate with the ion beam at different angles.
[0046]
A second doping method according to the present invention includes a step of generating a linear ion beam, a step of mass-separating the ion beam into at least two types of ion beams, and one of the ion beams as another one. And accelerating at different acceleration voltages, and irradiating at least two of the ion beams while moving the substrate in a direction substantially perpendicular to the linear direction of the ion beam processed into a linear shape.
[0047]
A third doping method according to the present invention includes a step of generating a linear ion beam containing hydrogen, a step of mass-separating the ion beam into a main component of hydrogen and a non-substance of the ion beam, Among the ion beams, a process of imparting energy, an incident angle, etc. so that the penetration depth of each ion beam into the substrate is approximately equal to an ion beam mainly composed of hydrogen and the other, and the linear The ion beam is irradiated while the substrate is moved in a direction substantially perpendicular to the linear direction of the ion beam processed into a shape.
The following examples illustrate the invention in more detail.
[0048]
【Example】
Example 1 FIG. 4 shows this example. FIG. 4A shows an outline of the configuration of the ion source / accelerator of this embodiment, and FIG. 4B shows the outline of the electrodes of the ion source / accelerator of this embodiment. First, a description will be given with reference to FIG.
[0049]
In the plasma space 24 having a rectangular cross section, plasma is generated by applying high frequency power from the high frequency power source 21 to the plasma generating electrodes 23 and 26. This plasma is extracted by the extraction electrode 30 and the extraction power source 28, and after the shape and distribution are adjusted by the suppression electrode 31 and the suppression power source 29, the plasma is accelerated to the required energy by the acceleration electrode 32 and the acceleration power source 27. Note that the suppression electrode 31 may not be provided if the uniformity in the longitudinal direction of the plasma is sufficient.
[0050]
The shapes of the plasma generation electrodes 23 and 26, the extraction electrode 30, the suppression electrode 31, and the acceleration electrode 32 are shown in FIG. That is, the extraction electrode 30, the suppression electrode 31, and the acceleration electrode 32 are hollow, and the ion flow flows through the center thereof. Therefore, ions do not collide with the electrodes.
[0051]
In this embodiment, the distance between the plasma generating electrodes 23 and 26 is 1 to 10 cm, the length is 50 to 150 cm, and the length in the short direction of the cross section of the cavity of the extraction electrode 30, the suppression electrode 31, and the acceleration electrode 32 is 1 to 10. The length in the longitudinal direction is preferably 15 cm and 50 to 170 cm.
[0052]
The overall configuration of the ion doping apparatus may be the same as that shown in FIG.
In this embodiment, since ions are introduced without mass separation, for example, when phosphine diluted with hydrogen is used as a doping gas, heavy ions (PH_Three ⁺, PH₂ ⁺Etc.) also lighter ions (eg H⁺, H₂ ⁺Etc.) is also introduced with the same surface density. The same thing happens when boron or antimony is implanted.
[0053]
This has the advantage of crystallization at a low temperature during recrystallization. That is, this is because Si—H bonds in the material form Si—Si bonds through a condensation process in which hydrogen molecules are separated. This is different from Example 2 or 3 in which hydrogen molecule injection is positively prevented.
[0054]
However, in this embodiment, attention must be paid to the aspect that the penetration depth varies depending on the mass and radius of the ions. In general, light hydrogen ions are concentrated in a much deeper part. An embodiment for improving this point will be described later. (Examples 5-7)
[0055]
[Embodiment 2] This embodiment shows an example in which a mass separation device is provided in the ion source / ion accelerator of the ion doping apparatus shown in Embodiment 1. This embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 5A schematically shows the configuration of the ion source / accelerator of this embodiment. First, a description will be given with reference to FIG. In the plasma space 24 having a rectangular cross section, plasma is generated by applying high frequency power from the high frequency power source 21 to the plasma generating electrodes 23 and 26.
[0056]
This plasma is extracted by the extraction electrode 30 and the extraction power source 28 and accelerated by the acceleration power source 27. Next, the ion flow passes through magnetic fields 34 and 35 in opposite directions and a slit 36 therebetween. The magnetic field 34 causes the ions to receive a lateral force, and thus light ions (eg, H⁺, H₂ ⁺Etc., dotted lines in the figure) are heavy ions (for example, BH_Three ⁺, BH₂ ⁺, PH_Three ⁺, PH₂ ⁺Etc., the thin line in the figure) is bent to the left side and cannot pass through the slit 36. That is, the slit 36 is provided for mass separation.
[0057]
FIG. 5B shows a conceptual diagram of ion distribution before entering the slit. The vertical axis represents the ion density (ionic strength), and the horizontal axis represents the short direction of the cross section of the ion flow. The ions reflect the plasma distribution and have a shape close to a Gaussian distribution, but light ions move to the left by the magnetic field 34. FIG. 5C shows the distribution of ions after passing through the slit. The slit 36 removes the light ion peak on the left side of the ion flow. As a result, mass separation of the ion flow can be performed.
[0058]
Note that the ion flow that has passed through the slit 36 is also affected by the magnetic field 34 in the short direction distribution, and is different from the distribution in the plasma space, but as described above, the ion flow is moved and doped. There is no problem for it.
[0059]
The ion flow that has passed through the slit 36 receives a rightward force by a magnetic field 35 that is opposite to the magnetic field 34, and the trajectory is corrected. Since the force received by the magnetic field 34 and the force received by the magnetic field 35 are opposite in direction and equal in magnitude, the ion flow is eventually parallel to the previous flow.
[0060]
Thereafter, the shape and distribution are adjusted by the suppression electrode 31 and the suppression power source 29, and then accelerated to the required energy by the acceleration electrode 32 and the acceleration power source 33. Note that the suppression electrode 31 may not be provided if the uniformity in the longitudinal direction of the plasma is sufficient. Further, the apparatus and slit for applying a magnetic field as in this embodiment may be placed between the suppression electrode and the acceleration electrode, or between the acceleration electrode and the material to be doped.
[0061]
When light hydrogen-based ions are removed as in this example, the hydrogen elimination condensation reaction in recrystallization as described in Example 1 is unlikely to occur. In order to solve this problem, it is only necessary to dope only with hydrogen so as to have the same depth before or after the target impurity doping step.
[0062]
Embodiment 3 This embodiment shows an example in which an ion flow focusing device is provided in an ion source / ion accelerator of an ion doping apparatus having a simple mass spectrometer. This embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6A schematically shows the configuration of the ion source / accelerator of this embodiment. First, a description will be given according to FIG. 6A and FIG. 6A is a diagram viewed from the longitudinal direction of the cross section of the ion flow, and FIG. 6B is a diagram viewed from a plane perpendicular to the longitudinal direction of the cross section of the ion flow.
[0063]
Unlike the first and second embodiments, the ion source of the present embodiment employs an induction excitation type plasma generation method. For this purpose, a quartz tube is used as a part of the gas line 58, and the induction coil 43 is wound around the quartz tube. The coil 43 is connected to the high frequency power supply 41. One end of the coil is grounded. In Examples 1 and 2, it was grounded downstream of the ions. On the other hand, in this embodiment, grounding is performed upstream of the ion flow.
[0064]
The advantage of doing this is that the gas line 58 can be used in the vicinity of the ground level, particularly in the case of inductive excitation in a narrow tube. When the gas line is provided in the middle stream of ions as in the first and second embodiments, the potential of the gas line is not so much of a problem. In the vicinity of the line, the potential reaches as high as 100 kV, and since a conductive material is used for the gas pipe and the gas pipe, it is necessary to strictly insulate even the gas box and the like.
[0065]
By grounding the upstream side of ions as in this embodiment, the downstream side becomes a (negative) high potential, but since there are few objects in the downstream that communicate with the outside, insulation is not a big problem.
[0066]
Plasma generated by the induction coil 43 is introduced into the acceleration chamber 44. The inlet to the acceleration chamber has a characteristic shape as shown in FIG. Here, the pressure and density of the plasma and the doping gas are rapidly reduced by introducing the gas from the narrow tube into the large-capacity reaction chamber.
[0067]
This is preferable when the ion flow is focused as in this embodiment. In general, the pressure of the gas line 58 in the induction coil portion may be 1/5 to 1/100 of the pressure of the acceleration chamber 44. 10 to generate plasma^-FourA pressure higher than Torr is required.
[0068]
However, in a high-pressure space, the mean free path of gas molecules and ions is small, which is disadvantageous for accelerating ions to high energy. Further, when the ion flow is focused as in the present embodiment, the focusing degree is lowered due to scattering caused by collision of ions.
[0069]
As in this embodiment, the above problem can be solved by reducing the pressure in the acceleration chamber 44 significantly from the plasma source (in the vicinity of the induction coil 43). In order to make the ion flow focusing effect effective, it is preferable to set the pressure so that the distance from the focusing device to the object to be doped is equal to or less than the mean free path.
[0070]
The plasma thus introduced into the acceleration chamber is extracted by the extraction electrode 50 (and the extraction power supply 48) and accelerated by the acceleration electrode 52 (and the acceleration power supply 47). A coil 51 for focusing the ion flow is provided between the extraction electrode 50 and the acceleration electrode 52. The coil 51 has a shape different from that of a normal solenoid.
[0071]
That is, in the direction in which the ion flow is focused, the diameter is reduced toward the downstream. On the other hand, the diameter is not changed in the direction perpendicular thereto. In this way, the ion flow can be focused in one direction. The coil 51 can be replaced by a hollow permanent magnet having a similar shape.
[0072]
The above is a plasma confinement or plasma focusing technique called the z-pinch method in principle, but in addition to this, a self-focusing method for focusing by a magnetic field generated by the ion flow itself can also be used. In that case, a multistage acceleration electrode may be provided, and the electrode diameter may be reduced toward the downstream. Also, in order to use the self-focusing method, if an electron flow is made in the direction opposite to the ion flow, the amount of current increases and the repulsion between ions is shielded by electrons (shield effect), so that focusing is performed more. Effective above.
[0073]
Next, the ion flow passes through magnetic fields 54 and 55 opposite to each other and a slit 56 therebetween. Due to the magnetic field 54, the ions receive a leftward force. For this reason, light ions (dotted line in the figure) are bent to the left from heavy ions (thin line in the figure) and cannot pass through the slit 56. This is the same as in the second embodiment, but in this embodiment, the ion flow is focused, so that a more remarkable effect can be obtained.
[0074]
FIG. 6C shows a conceptual diagram of the distribution of ions that have passed through the acceleration electrode 52. The vertical axis represents the ion density (ionic strength), and the horizontal axis represents the short direction of the cross section of the ion flow. The ions reflect the distribution of the plasma and have a shape close to a Gaussian distribution, but light ions are more strongly focused and gathered in the center than heavy ions.
[0075]
When the ion flow having such a distribution passes through the magnetic field 54, light ions move to the left as in the second embodiment. FIG. 6D shows a conceptual diagram of the distribution of ions before entering the slit. FIG. 6E shows the distribution of ions after passing through the slit. The slit 56 removes the light ion peak on the left side of the ion flow. As a result, mass separation of the ion flow can be performed. What is characteristic in this embodiment is that light ions have a higher degree of integration, so that the effect of separation by the slits appears remarkably.
[0076]
The ion flow that has passed through the slit 56 receives a rightward force by the magnetic field 55, and the trajectory is corrected. Since the force received by the magnetic field 54 and the force received by the magnetic field 55 are opposite in direction and equal in magnitude, the ion flow is eventually parallel to the previous flow.
In this way, an ion stream having a linear cross section can be obtained.
[0077]
[Embodiment 4] This embodiment relates to an apparatus in which the ion doping apparatus of the present invention and a laser annealing apparatus using linear laser light are provided in the same chamber. That is, the present invention features a step of doping while scanning a substrate with a linear ion stream, and the laser annealing method using a linear laser beam according to another invention requires a similar mechanism. Is focused on.
[0078]
For example, Japanese Patent Laid-Open No. 7-283151 discloses a multi-chamber vacuum processing apparatus having an ion doping chamber and a laser annealing chamber. The conventional ion doping apparatus is based on collective irradiation of an ion stream having a planar cross section, and in some cases, it is necessary to rotate the substrate, so that the idea of integrating the ion doping chamber and the laser annealing chamber is integrated. There was no.
[0079]
However, as in the present invention, when the ion doping apparatus performs doping while moving the substrate by the same transport mechanism as the linear laser annealing apparatus, it is not necessary to separately provide an ion doping chamber and a laser annealing chamber, Rather, the integration is more advantageous in terms of mass productivity. That is, the longitudinal direction of the cross section of the ion flow and the longitudinal direction of the cross section of the laser beam are arranged in parallel, and the substrate may be moved perpendicularly to the above direction therebetween. Thus, the ion doping process and the laser annealing process can be continuously performed.
[0080]
This embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7A is a conceptual diagram of a cross section of the apparatus of this embodiment, and FIG. 7B is a view of the apparatus of this embodiment as viewed from above (introduction direction of ion current or introduction direction of laser light). It is a conceptual diagram.
[0081]
The ion doping and laser annealing apparatus of the present invention comprises an ion source / accelerator 63, a doping chamber 65, a power supply device 64, a gas box 69, and an exhaust device 70, as in the ion doping device of the other embodiments. However, in addition to this, the laser device 61 and the optical system 62 are provided. It also has a spare chamber 68. Of course, the doping chamber 65 is provided with a window 73 for introducing laser light. The laser beam introduction window 73 is provided in parallel with the ion flow introduction window 72.
[0082]
The substrate 66 is held by the substrate holder 67, and the substrate holder 67 is moved in the doping chamber 65 in at least one direction by the transport mechanism 71. The substrate holder 67 may be provided with a heater or the like. The longitudinal direction of the ion flow is a direction perpendicular to the drawing sheet.
[0083]
[Embodiment 5] In this embodiment, an apparatus having ion forming means and an apparatus having means for accelerating ions have the same configuration as the apparatus shown in FIG. FIG. 8 shows a conceptual diagram of an ion doping apparatus used in this embodiment. The dopant gas is ionized by the plasma generating electrodes 82 and 83 to which the high frequency power is applied from the high frequency power source 81. These ions are extracted by the extraction electrode 84.
[0084]
Further, the doping apparatus of this embodiment includes means 85 for applying a magnetic field to the ion beam. As a result, light ions (ions mainly composed of hydrogen) are largely deflected. On the other hand, the deflection of heavy ions (ions containing dopants) is slight. In the apparatus of the present embodiment, a suppression electrode 86 and an acceleration electrode 87 are provided in the heavy ion passage, and the ion beam is selectively accelerated and irradiated onto the substrate. However, light ions are not provided with an accelerating electrode in the passage, so that the energy accelerated by the extraction electrode 84 is irradiated to the substrate 88 on the stage (not shown).
[0085]
In this embodiment, the ion beam is applied to the substrate 88 in the form of a curtain like a waterfall. Doping is performed while scanning the substrate 88 so that the dopant is evenly distributed over the entire substrate. The dose is controlled by the scanning speed of the substrate and the ion current value. The scanning direction at this time is approximately perpendicular to the curtain surface formed by the dopant.
[0086]
The ion waterfall formed by this device is 2 m wide. This apparatus is used for the purpose of adding phosphorus or boron as a dopant to a semiconductor material. The above ions have PH_y ⁺Or B2H_x ⁺A large amount of H in addition to ions₂ ⁺Contains ions. In this example, PH for semiconductors diluted with hydrogen to a concentration of about 5%_ThreeOr B₂H₆Gas was used.
[0087]
By forming a magnetic field in a direction perpendicular to the ion flow and including the ion curtain surface, a force perpendicular to the ion flow is applied to the ion flow. This is called Lorentz force. From the equation of motion M a = q v B, it is easy to see that the acceleration a due to the magnetic field B of the ion is inversely proportional to the ion mass M and proportional to the charge q of the ion. Note that the ion velocity component v after the magnetic field incidence in the direction of the ion flow before the magnetic field incidence depends on the ion mass M.
[0088]
In the case of this embodiment, since the majority of ions to be accelerated have a charge of 1, it can be considered that the aforementioned acceleration depends only on the mass of the ions. Ions contained in the gas used in this example, H₂ ⁺The molecular weight of ions is 2, PH_y ⁺The molecular weight of ions is about 34, B₂H_x ⁺The molecular weight of the ions is about 24-26. Also, taking into account the mass dependence of the velocity component v, H₂ ⁺It can be seen that the ions are 10 to 100 times more accelerated in the vertical direction of the ion flow than the ions containing the dopant. Therefore, mass separation of the ion flow can be performed by applying a magnetic field to the ion flow.
[0089]
Without changing the direction of the ion stream containing the dopant,₂ ⁺In order to appropriately change only the flow of ions, the extraction voltage is set to about 1 to 10 kV, and the magnetic field shown in FIG. 8 has a magnetic field of about 0.1 to 10 Tesla, preferably about 0.5 to 2 Tesla. It was good to add.
[0090]
The place where the magnetic field is formed is immediately after the extraction electrode. This is because if the ions are bent while the kinetic energy of the ions is still small, the ions can be bent greatly with less energy. H bent right after the extraction electrode 84₂ ⁺The ions reach the substrate 88 on the stage without passing through the suppression electrode 86 and the acceleration electrode 87. In this way, H at the time of substrate incidence₂ ⁺The speed of ions can be suppressed.
[0091]
H when it reaches the substrate₂ ⁺The incident angle of ions was about 50 °. The angle was sufficient to allow ions to enter the substrate. On the other hand, the ion stream containing the dopant was hardly affected by the magnetic field, and was irradiated to the substrate after passing through the suppression electrode and the acceleration electrode. The incident angle was approximately 90 °.
[0092]
By the above ion acceleration method, H₂ ⁺It has become possible to suppress the ion velocity as much as possible and to implant the dopant to a desired depth. In an isoelectric field, the lighter the ions and the higher the charge, the easier it is to accelerate. Therefore, if the ion stream is not mass-separated, the ions are driven into the substrate as fast as light ions. That is, the lighter ions are implanted deeper into the substrate.
[0093]
However, when the method of this embodiment is taken, in this embodiment, H corresponding to a light ion is used.₂ ⁺The speed at the time of ion incidence on the substrate and the speed at the time of ion incidence of the ion containing a dopant corresponding to heavy ions were comparable or lighter than that of heavy ions.
[0094]
By controlling the speed like this,₂ ⁺The distribution in the depth direction in the substrate of ions including ions and dopants can be made similar. As a result, H₂ ⁺Heat due to the release of kinetic energy of ions can be applied to dopants more directly. The heat was used to repair lattice defects formed by the implantation of ions containing the dopant and to activate the dopant. In addition, the heat and a large amount of hydrogen were used to terminate the dangling bonds of the lattice.
[0095]
Generally speaking, damage due to doping significantly reduces the properties of the semiconductor material, and some repairs must be made. Conventionally, the above damage has been recovered by annealing means such as applying heat or irradiating light. Alternatively, a means for adding hydrogen to the damaged portion and terminating the bond to the lattice defect by annealing for the purpose of terminating the lattice defect portion is also effective.
[0096]
By the way, as described above, when all ions are incident vertically without mass separation, the incident velocity Vα of heavy ions and the incident velocity Vβ of light ions have a relationship of Vα << Vβ. Relatively light hydrogen ions are distributed deep in the semiconductor film (FIG. 10B), whereas relatively heavy ions are distributed in a shallow portion of the film (FIG. 10A).
[0097]
That is, the former center depth d₂And the latter center depth d₁In between, d₁<< d₂The relationship arises. Therefore, a deviation occurs between the distribution of hydrogen ions and the distribution of lattice defects due to the dopant, and the hydrogen ions are not efficiently used for repairing the defects.
[0098]
However, when mass separation of ions is performed by the method shown in this embodiment and the incident velocities are approximately equal, the penetration depth of the hydrogen ions (FIG. 10D) and the dopant distribution (FIG. 10C) are obtained. As a result, the effect of repairing the damage was significantly improved. The repair effect is a termination effect of lattice defects of the hydrogen ions and a thermal annealing effect caused by the loss of kinetic energy in the film by the hydrogen ions and ions containing the dopant.
[0099]
This effect was almost the same as the treatment after doping (described in the previous stage) which has been conventionally performed. The effect increases as the concentration of hydrogen ions in the plasma increases. However, considering the throughput, the concentration of hydrogen ions in the plasma is appropriately 50 to 90%.
[0100]
In the present embodiment, when the substrate is scanned while irradiating ions,₂ ⁺After ions are implanted into the substrate, PH_y ⁺Or B₂H_x ⁺The direction of substrate scanning was determined so that ions containing a dopant such as ions were implanted. H₂ ⁺Since ions are small and light compared to the main atoms constituting the semiconductor film, the ions are implanted into the substrate without damaging the lattice of the semiconductor material.₂ ⁺The substrate temperature rises due to the kinetic energy lost by the ions.
[0101]
Thereafter, ions containing heavy dopants are implanted. The elevated substrate temperature and hydrogen are used to repair lattice defects and dopant activation that can occur at this time. Thus, annealing and hydrogenation could be performed simultaneously with doping.
[0102]
[Example 6] In this example, the same apparatus as in Example 5 was used, and only the scanning direction of the substrate was changed. That is, when scanning the substrate while irradiating ions, first, PH_y ⁺Or B₂H_x ⁺After ions including dopants such as ions are implanted into the substrate, H₂ ⁺The substrate was scanned so that ions were implanted.
[0103]
Since ions containing heavy dopants are as heavy as the main atoms constituting the semiconductor film, they have an influence on the lattice of the semiconductor material that significantly reduces the characteristics of the semiconductor. Then H₂ ⁺Ions are implanted into the substrate and the H₂ ⁺The substrate temperature rises due to the kinetic energy lost by the ions. By supplying the temperature and hydrogen at this time, lattice defects are repaired and the dopant is activated.
[0104]
In this example, the effects of repairing lattice defects and activating dopants were almost the same as those in Example 5. This example shows that the order in which hydrogen ions and ions containing a dopant are implanted into a substrate does not affect the various effects of the present invention.
[0105]
Example 7 FIG. 9 is a conceptual diagram of an ion doping apparatus used in this example. The difference from the doping apparatus described in the fifth and sixth embodiments is that a means for applying a further electric field to a region where a magnetic field is applied to the ion flow is provided. The means also enables mass separation of the ion stream, as in the apparatuses of Examples 1 and 2. The difference is that, ideally, mass separation can be performed without bending the flow of ions including dopants at all. This mass separator is called an E × B separator.
[0106]
The dopant gas is ionized by the plasma generating electrodes 92 and 93 to which the high frequency power is applied from the high frequency power source 91. These ions are extracted by the extraction electrode 94.
[0107]
Further, the ions are mass-separated by means 95 and an electrode 96 for applying a magnetic field to the ion beam, and light ions (ions mainly composed of hydrogen) are largely deflected. On the other hand, the deflection of heavy ions (ions containing dopants) is slight. In the apparatus of the present embodiment, a suppression electrode 97 and an acceleration electrode 98 are provided in the heavy ion passage, and the ion beam is selectively accelerated and irradiated onto the substrate. However, light ions are not provided with an accelerating electrode in the passage, so that the energy accelerated by the extraction electrode 94 is irradiated onto the substrate 99 on the stage (not shown).
[0108]
Also in this embodiment, ions are irradiated onto the substrate 99 in a curtain shape like a waterfall. Doping is performed while scanning the substrate so that the dopant is evenly distributed throughout the substrate. The dose is controlled by the scanning speed of the substrate and the ion current value. The scanning direction at this time is approximately perpendicular to the curtain surface formed by the dopant.
[0109]
The ion waterfall formed by this device is 2 m wide. This apparatus is used for the purpose of adding phosphorus or boron as a dopant to a semiconductor material. The above ions have PH_y ⁺Or B₂H_x ⁺A large amount of H in addition to ions₂ ⁺Contains ions. In this example, PH for semiconductors diluted with hydrogen to a concentration of about 5%_ThreeOr B₂H₆Gas was used.
[0110]
By forming a magnetic field in a direction perpendicular to the ion flow and including the ion curtain surface, a force perpendicular to the ion flow is applied to the ion flow. This is called Lorentz force. From the equation of motion F = q v B-q E, we can see the lateral force F experienced by the ion flow. In order not to bend the ion flow, F should be zero.
[0111]
In addition, since the ion velocity component v after the magnetic field incidence in the direction of the ion flow before the magnetic field incidence depends on the mass M of the ions, the velocity v of the ion containing the dopant is substituted into the above equation of motion, and the force F is 0 The magnetic field B and the electric field E may be adjusted so that At this time, since the hydrogen ion has a velocity different from the velocity v of the ion including the dopant, it receives a force F that is not zero. Therefore, it turns out that mass separation is possible with this apparatus.
[0112]
H₂ ⁺In order to appropriately change the ion flow, the extraction voltage is set to about 1 to 10 kV, and a magnetic field of about 0.1 to 10 Tesla, preferably about 0.5 to 2 Tesla is applied in the direction of the magnetic field shown in FIG. It was good to add.
[0113]
The place where the magnetic field is formed is immediately after the extraction electrode 94. This is because if the ions are bent while the kinetic energy of the ions is still small, the ions can be bent greatly with less energy. H bent right after the extraction electrode 94₂ ⁺The ions reach the substrate on the stage without passing through the suppression electrode 97 and the acceleration electrode 98. In this way, H at the time of substrate incidence₂ ⁺The speed of ions can be suppressed.
[0114]
H when it reaches the substrate₂ ⁺The incident angle of ions was about 45 °. The angle was sufficient to allow ions to enter the substrate. On the other hand, the ion stream containing the dopant was irradiated to the substrate after passing through the suppression electrode 97 and the acceleration electrode 98 with almost no influence of the E × B separator.
[0115]
The ion acceleration method described above produced the same effects as the methods shown in Examples 5 and 6. The advantage of the present embodiment over Embodiments 5 and 6 is that the extraction electrode 94, the suppression electrode 97, and the acceleration electrode 98 can be made smaller because ions containing the dopant reach the substrate almost straight. However, since the structure of the E × B separator is somewhat complicated, the fifth and sixth embodiments are superior in terms of design maintenance. This example was effective irrespective of the substrate scanning direction as shown in Examples 5 and 6.
[0116]
【The invention's effect】
According to the present invention, an ion doping apparatus capable of processing a large area can be obtained. Further, it is possible to eliminate the annealing process and the hydrogenation process, shorten the processing time of these processes, or reduce the processing temperature. The effects brought about by the present invention are as described above. Thus, the present invention is industrially useful.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an outline of an ion source / accelerator of a conventional ion doping apparatus.
FIG. 2 is a diagram schematically showing the configuration of a conventional ion doping apparatus.
FIG. 3 is a diagram schematically showing the configuration of an ion doping apparatus according to the present invention.
4 is a diagram showing an outline of an ion source / acceleration apparatus and an outline of an electrode shape of the ion doping apparatus of Embodiment 1. FIG.
FIG. 5 is a diagram illustrating an outline, an operation principle, and the like of an ion source / accelerator of an ion doping apparatus according to a second embodiment.
FIG. 6 is a diagram illustrating an outline, an operation principle, and the like of an ion source / accelerator of an ion doping apparatus according to a third embodiment.
7 is a schematic diagram showing the configuration of an ion doping apparatus according to Embodiment 4. FIG.
FIG. 8 is a diagram showing an outline of an ion source / accelerator of the ion doping apparatus of Examples 5 and 6.
FIG. 9 is a diagram schematically showing an ion source / accelerator of an ion doping apparatus according to a seventh embodiment.
FIG. 10 is a diagram showing the relationship between ion incidence speed and penetration depth.
[Explanation of symbols]
1,21 High frequency power supply
2 Matching box
3, 23 Electrode for plasma generation
4, 24 Plasma space
5 Insulator
6, 26 Electrode for plasma generation
7, 27, 33 Acceleration power supply
8, 28 Drawer power supply
9, 29 Suppressed power supply
10, 30 Lead electrode
11, 31 Suppression electrode
12, 32 Accelerating electrode
13 Ion source / accelerator
14 Power supply
15 Doping chamber
16 Material to be doped
17 Substrate holder
18 Gas line
19 Gas box
20 Exhaust device
34, 35 magnetic field
36 slits

Claims

A plasma space for generating plasma;
An extraction electrode for extracting an ion stream having a linear or rectangular cross section from the plasma generated in the plasma space;
An apparatus for focusing the ion stream extracted from the extraction electrode in the short direction of the cross section and not focusing in the long direction;
A first device arranged on the downstream side of the device for focusing the ion flow and bending the focused ion flow in the short direction of the cross section by applying a magnetic field in the long direction of the cross section of the focused ion flow . A device for applying a magnetic field;
A slit for blocking a portion of the first is disposed on the downstream side of the apparatus for applying a magnetic field, the first short direction of the cross-section of the bent ion current by a magnetic field,
A device that applies a second magnetic field that is disposed downstream of the slit and that gives an ion flow that passes through the slit and has a force that is opposite in direction and equal in magnitude to the force received by the first magnetic field. ,
The apparatus for focusing ion flows is a doping apparatus characterized in that it comprises multi-stage accelerating electrodes whose diameter decreases in the downstream direction in the focusing direction and does not change in the direction perpendicular to the focusing direction.

In claim 1,
The doping apparatus according to claim 1, wherein the extraction electrode has one linear or rectangular cavity.

3. The doping apparatus according to claim 2, wherein the length of the cavity of the extraction electrode in the short direction is 1 to 15 cm and the length in the long direction is 50 to 170 cm.

In any one of Claims 1 thru | or 3,
The doping apparatus characterized in that the cross section of the ion flow accelerated by the acceleration electrode is linear or rectangular.

In any one of Claims 1 thru | or 4,
A doping apparatus comprising means for moving the substrate in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the cross section of the ion flow accelerated by the acceleration electrode.