CN101356625A - 等离子体掺杂方法以及装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种向试料表面导入的杂质浓度的再现性优良的等离子体掺杂方法以及装置。在真空容器(1)内，通过设于对置电极(3)的气体喷出孔(5)向载置在试料电极(6)上的基板(7)喷出气体，通过作为排气装置的涡轮分子泵(8)进行排气，利用调压阀(9)将真空容器(1)内保持为规定的压力，同时将对置电极(3)与试料电极(6)之间的距离相对于对置电极(3)的面积充分减小到等离子体不会向外扩散的程度，使对置电极(3)与试料电极(6)之间产生容量耦合型等离子体，进行等离子体掺杂。作为气体，使用含有乙硼烷或磷化氢等杂质的低浓度气体。

Description

等离子体掺杂方法以及装置
技术领域
本发明涉及在试料表面导入杂质的等离子体掺杂方法以及装置。
背景技术
例如在制造MOS晶体管时，在作为试料的硅基板表面形成薄的氧化膜，然后再由CVD装置等在试料上形成栅电极。之后，将该栅电极作为掩模，如上所述，通过等离子体掺杂方法导入杂质。通过杂质的导入，例如在形成有源漏极区域的试料上形成金属配线层，得到MOS晶体管。
作为将杂质导入固体试料表面的技术，公知有将杂质离子化，用低能量导入固体中的等离子体掺杂方法(例如，参照专利文献1)。图5表示在所述专利文献1中记载的作为以往杂质导入方法中使用的等离子体处理装置的概略构成。在图5中，在真空容器101内设有用于承载由硅基板构成的试料107的试料电极106。设有向真空容器101内供应含有期望元素的掺杂原料气体、例如供应B2H6的气体供应装置102；对真空容器101内的内部进行降压的泵108，可以将真空容器101内保持为规定的压力。利用微波导波管121经过作为电介质窗口的石英板122，向真空容器101内放射微波。通过该微波与由电磁铁123形成的直流磁场的相互作用，在真空容器101内形成有磁场微波等离子体(电子回旋加速器共鸣等离子体)124。试料电极106经过电容器125与高频电源112连接，能够控制试料电极106的电位。并且，以往的电极与石英板122之间的距离，为200mm～300mm。
在如此构成的等离子体处理装置中，被导入的掺杂原料气体例如B2H6，通过由微波导波管121以及电磁铁123构成的等离子体产生装置被等离子体化，等离子体124中的硼离子在高频电源112作用下被导入试料107的表面。
作为在进行等离子体掺杂时使用的等离子体处理装置的形态，除了使用所述电子回旋加速器共鸣等离子体源以外，还公知有使用螺旋形波(helicon wave)等离子体源(例如参照专利文献2)，感应耦合型等离子体源(例如参照专利文献3)，平行平板型等离子体源(例如参照专利文献4)。
专利文献1：美国专利4912065号公报
专利文献2：日本特开2002-170782号公报
专利文献3：日本特开2004-47695号公报
专利文献4：日本特表2002-522899号公报
但是，在这些现有方式中，存在着杂质导入量(剂量)的再现性差的问题。
本发明人根据各种实验结果，发现了该再现性降低的原因是由于等离子体中的硼系原子团密度的增加。随着等离子体掺杂处理的进行，真空容器的内壁面上逐渐堆积含有硼的薄膜(硼系薄膜)。伴随其堆积膜厚的增加，在使用B2H6做掺杂原料气体的情况下，认为因为真空容器的内壁面上的硼系原子团的吸附概率逐渐减少，所以等离子体中的硼系原子团的密度逐渐增加。另外，等离子体中的离子被等离子体与真空容器内壁的电位差加速，利用通过撞击堆积于真空容器的内壁面的硼系薄膜而产生的溅射，向等离子体中供应的含硼粒子的量逐渐增加。因此，剂量逐渐增加。增加的程度非常大，数百次重复实施等离子体掺杂处理后的剂量，甚至为刚利用水以及有机溶剂清洗真空容器内壁后的等离子体掺杂处理时导入的剂量的约3.3～6.7倍。
另外，伴随等离子体的产生或停止的真空容器内壁面的温度变动，也使内壁面上的硼系原子团的吸附概率产生变化。这也成为剂量的变动要因。
发明内容
本发明鉴于所述现有的问题点，目的在于提供一种等离子体掺杂方法以及装置，能够高精度控制导入试料表面的杂质量，可得到再现性优良的杂质浓度。
根据本发明的第一实施方式，提供一种等离子体掺杂方法，
在真空容器内的试料电极上载置试料，
一边向所述真空容器内供应等离子体掺杂用气体，一边使所述真空容器内排气，将所述真空容器内控制为等离子体掺杂用压力，同时使所述真空容器内的所述试料的表面与对置电极的表面之间产生等离子体，向所述试料电极供电(例如，高频或脉冲电)，
在设所述试料表面中与所述对置电极相对一侧的表面的面积为S，所述试料电极与所述对置电极的距离为G时，在满足下式(1)
[式1]
0.1 ( S / &pi; ) < G < 0.4 ( S / &pi; ) - - - ( 1 )
的状态下，进行向所述试料的表面导入杂质的等离子体掺杂处理。
通过这样的构成，可以实现被导入试料表面的杂质浓度的再现性优良的等离子体掺杂方法。
另外，根据本发明的第二方式，提供第一方式中所述的等离子体掺杂方法，其中向与所述试料电极相对配置的所述对置电极供应高频电力。
根据该构成，可以防止生成的等离子体附着于对置电极。
根据本发明的第三方式，提供第二方式中所述的等离子体掺杂方法，在所述真空容器内的所述试料电极上载置所述试料后、向所述试料电极供电之前，
将所述真空容器内的压力保持为高于所述等离子体掺杂用压力的等离子体产生用压力，同时向所述对置电极供应高频电力，使所述真空容器内的所述试料表面与所述对置电极的表面之间产生等离子体，所述等离子体产生后，使所述真空容器内的压力逐渐降低至所述等离子体掺杂用压力，在达到所述等离子体掺杂用压力后，向所述试料电极供电。
根据本发明的第四方式，提供第二方式中所述的等离子体掺杂方法，在所述真空容器内的所述试料电极上载置所述试料后、向所述试料电极供电之前，
向所述真空容器内，供应与稀释所述等离子体掺杂用气体的杂质原料气体的稀释气体相比在低压下更容易放电的等离子体产生用气体，将所述真空容器内的压力保持为等离子体产生用压力，同时向所述对置电极供应高频电力，由此使所述真空容器内的所述试料表面与所述对置电极表面之间产生等离子体，在所述等离子体产生后，将向所述真空容器内供应的气体切换为所述等离子体掺杂用气体，在所述真空容器内切换为所述等离子体掺杂用气体后，向所述试料电极供电。
根据本发明的第五方式，提供第二方式中所述的等离子体掺杂方法，在所述真空容器内的所述试料电极上载置所述试料后、向所述试料电极供电之前，
为使所述试料电极与所述对置电极的距离G大于所述式(1)的范围，使所述试料电极与所述对置电极相对移动，在使所述试料电极离开所述对置电极的状态下，一边向所述真空容器内供应等离子体掺杂用气体，一边使所述真空容器内排气，将所述真空容器内控制为等离子体掺杂用压力，同时向所述对置电极供应高频电力，由此使所述真空容器内的所述试料表面与所述对置电极表面之间产生等离子体，在所述等离子体产生后，使所述试料电极与所述对置电极相对移动，在所述距离G返回到满足所述式
(1)的状态后，向所述试料电极供电。
根据本发明的第六方式，提供第一～第五中任意一个方式中所述的等离子体掺杂方法，被导入所述真空容器内的所述气体中的杂质原料气体的浓度为1％以下。
另外，根据本发明的第七方式，提供第一～第五中任意一个方式中所述的等离子体掺杂方法，被导入所述真空容器内的所述气体中的杂质原料气体的浓度为0.1％以下。
根据本发明的第八方式，提供第一～第七中任意一个方式中所述的等离子体掺杂方法，被导入所述真空容器内的所述气体，是用稀有气体稀释了杂质原料气体的混合气体。另外，根据本发明的第九方式，提供第八方式中所述的等离子体掺杂方法，所述稀有气体为He。
通过该构成，可同时实现剂量的精密控制与低溅射性，同时能够实现再现性优良的等离子体掺杂方法。
另外，根据本发明的第十或第十一方式，提供第一～第九中任意一个方式中所述的等离子体掺杂方法，所述气体中的杂质原料气体为BxHy(x、y为自然数)或PxHy(x、y为自然数)。
根据该构成，可以避免将不期望的杂质导入试料表面。
根据本发明的第十二方式，提供第一～第十一中任意一个方式中所述的等离子体掺杂方法，通过设于所述对置电极的气体喷出孔向所述试料的表面喷出所述气体，同时进行所述等离子体掺杂处理。
根据该构成，能够实现被导入试料表面的杂质浓度再现性更加优良的等离子体掺杂方法。
另外，根据本发明的第十三方式，提供第一～第十二中任意一个方式中所述的等离子体掺杂方法，在所述对置电极的表面由硅或硅氧化物构成的状态下，进行所述等离子体掺杂处理。
根据该构成，可以避免将不期望的杂质导入试料表面。
另外，根据本发明的第十四方式，提供第一～第十三中任意一个方式中所述的等离子体掺杂方法，在所述试料是由硅构成的半导体基板的状态下，进行所述等离子体掺杂处理。另外，根据本发明的第十五方式，提供第一～第十四中任意一个方式中所述的等离子体掺杂方法，包含于所述气体中的杂质气体中的杂质是砷、磷或硼。作为杂质，除此之外也可以适用铝或锑等。
根据本发明的第十六方式，提供一种等离子体掺杂装置，具备：
真空容器；
在所述真空容器内配置的试料电极；
向所述真空容器内供应气体的气体供应装置；
与所述试料电极大致平行相对的对置电极；
使所述真空容器内排气的排气装置；
控制所述真空容器内的压力的压力控制装置；
向所述试料电极供电的电源，
并且在设所述试料电极的与所述对置电极相对一侧的表面且要配置所述试料的配置区域的面积为S，设所述试料电极与所述对置电极的距离为G时，满足下式(2)
[式2]
0.1 ( S / &pi; ) < G < 0.4 ( S / &pi; ) - - - ( 2 ) .
根据该构成，可以实现被导入试料表面的杂质浓度的再现性优良的等离子体掺杂装置。
另外，根据本发明的第十七方式，提供第十六方式中所述的等离子体掺杂装置，还具备向所述对置电极供应高频电力的高频电源。
根据该构成，可以防止生成的等离子体附着于对置电极。
根据本发明的第十八方式，提供第十七方式中所述的等离子体掺杂装置，所述压力控制装置可以进行压力控制，以使所述真空容器内的压力在所述等离子体掺杂用压力和高于所述等离子体掺杂用压力的等离子体产生用压力之间进行切换，
在所述真空容器内的所述试料电极上载置所述试料后、向所述试料电极供电之前，利用所述压力控制装置将所述真空容器内的压力保持为高于所述等离子体掺杂用压力的所述等离子体产生用压力，同时从所述高频电源向所述对置电极供应高频电力，使所述真空容器内的所述试料表面与所述对置电极表面之间产生等离子体，在所述等离子体产生后，利用所述压力控制装置使所述真空容器内的压力逐渐降低至所述等离子体掺杂用压力，在达到所述等离子体掺杂用压力后，从所述电源向所述试料电极供电。
根据本发明的第十九实施方式，提供第十七方式中所述的等离子体掺杂装置，所述气体供应装置能够向所述真空容器内切换供应如下两种气体，一是所述等离子体掺杂用气体，二是与稀释所述等离子体掺杂用气体的杂质原料气体的稀释气体相比在低压下更容易放电的等离子体产生用气体，
在所述真空容器内的所述试料电极上载置所述试料后、向所述试料电极供电之前，利用所述气体供应装置向所述真空容器内供应与稀释所述等离子体掺杂用气体的杂质原料气体的稀释气体相比在低压下更容易放电的等离子体产生用气体，利用所述压力控制装置将所述真空容器内的压力保持为等离子体掺杂用压力，同时从所述高频电源向所述对置电极供应高频电力，由此使所述真空容器内的所述试料表面与所述对置电极表面之间产生等离子体，在所述等离子体产生后，将向所述真空容器内供应的气体切换为所述等离子体掺杂用气体，在所述真空容器内切换为所述等离子体掺杂用气体后，向所述试料电极供电。
根据本发明的第二十方式，提供第十七方式中所述的等离子体掺杂装置，还具备距离调整用驱动装置，其使所述试料电极相对于所述对置电极相对移动，
在所述真空容器内的所述试料电极上载置所述试料后、向所述试料电极供电之前，利用所述距离调整用驱动装置，为使所述试料电极与所述对置电极的距离G大于所述式的范围，使所述试料电极与所述对置电极相对移动，在使所述试料电极离开所述对置电极的状态下，一边向所述真空容器内供应等离子体掺杂用气体，一边使所述真空容器内排气，将所述真空容器内控制为等离子体掺杂用压力，同时从所述高频电源向所述对置电极供应高频电力，使所述真空容器内的所述试料表面与所述对置电极表面之间产生等离子体，在所述等离子体产生后，利用所述距离调整用驱动装置使所述试料电极与所述对置电极相对移动，在所述距离G返回到满足所述式的状态后，向所述试料电极供电。
进而，根据本发明的第二十一方式，提供第十六～第二十中任意一个方式中所述的等离子体掺杂装置，所述气体供应装置构成为从设于所述对置电极的气体喷出孔供应气体。
根据该构成，能够实现被导入试料表面的杂质浓度的再现性更加优良的等离子体掺杂装置。
另外，根据本发明的第二十二方式，提供第十六～第二十一中任意一个方式中所述的等离子体掺杂装置，所述对置电极的表面由硅或硅氧化物构成。
根据该种构成，可以避免将不期望的杂质导入试料表面。
根据本发明的第二十三方式，提供一种等离子体掺杂方法，在真空容器内的试料电极上载置试料，
为使与所述试料电极相对的对置电极和所述试料电极的距离G大于等离子体掺杂处理用的距离，使所述试料电极与所述对置电极相对移动，在使所述试料电极离开所述对置电极的状态下，一边向所述真空容器内供应等离子体掺杂用气体，一边使所述真空容器内排气，将所述真空容器内控制为等离子体掺杂用压力，同时通过向所述对置电极供应高频电力，由此使所述真空容器内的所述试料表面与所述对置电极表面之间产生等离子体，
在所述等离子体产生后，使所述试料电极与所述对置电极相对移动，在所述距离G返回到所述等离子体掺杂处理用的距离后，向所述试料电极供电，
在设所述试料表面中的与所述对置电极相对一侧的表面的面积为S时，在将所述试料电极与所述对置电极之间的距离G维持在所述等离子体掺杂处理用的距离的状态下，进行向所述试料表面导入杂质的等离子体掺杂处理。
附图说明
本发明的这些以及其它目的和特征，从关于附图的优选实施方式的以下的叙述中可以明确。在该图中，
图1A是表示用于本发明第一实施方式的等离子体掺杂装置的构成的剖面图；
图1B是表示用于本发明第一实施方式的等离子体掺杂装置的试料电极的构成的放大剖面图；
图2是在本发明第一实施方式中，表示处理片数与表面电阻的关系与现有例的比较的图表；
图3是表示用于本发明第一实施方式变形例的等离子体掺杂装置的构成的剖面图；
图4是表示用于本发明第一实施方式的其他变形例的等离子体掺杂装置的构成的剖面图；
图5是表示用于现有例的等离子体掺杂装置的构成的剖面图。
具体实施方式
在继续本发明的叙述之前，关于附图中的相同构件采用相同参考符号。
以下，关于本发明的实施方式，参照附图进行详细说明。
(第一实施方式)
以下，关于本发明的第一实施方式，参照图1A到图2说明。
本发明的第一实施方式的等离子体掺杂装置，如图1A以及图1B的剖面图所示，具备：真空容器(真空室)1；配置于真空容器1内的试料电极6；向真空容器1内供应等离子体掺杂用的气体的气体供应装置2；配置在真空容器1内且与试料电极6大致平行对置的对置电极3；作为在真空容器1内排气的排气装置的一例的涡轮泵8；作为控制真空容器1内压力的压力控制装置的一例的调压阀9；向试料电极6供应高频电力的作为电源的一例的试料电极用高频电源12，其特征在于，相对于在试料电极6的与对置电极3相对一侧的表面且应该配置作为试料一例的基板(更具体来说是硅基板)7的配置区域的面积S，将试料电极6与对置电极3之间的距离G决定到充分小的程度，以能够防止在试料电极6与对置电极3之间产生的等离子体向试料电极6与对置电极3之间的空间外侧扩散，且能够使在试料电极6与对置电极3之间产生的等离子体大致封闭在试料电极6与对置电极3之间的空间。并且，此处，试料电极6的面积中不包括试料电极6的侧面部的面积，意思是基板载置面的面积(没有被图1B的绝缘构件6B覆盖的露出部的面积)。试料电极6在图1A中被简化为用长方形剖面图示。作为试料电极6的一个例子，如图1B的剖面图所示，包括具有作为上端面的基板载置面的小径的上部以及具有直径大于上部的突出部的下部，构成为向上凸的形状。在图1B中，6B由绝缘体构成，是覆盖试料电极6上部的基板载置面以外部分的绝缘构件。6C是接地且与后述的支柱10连结的铝环。在该图1B中，作为一个例子，基板7大于作为试料电极6上端面的基板载置面，并且，小于试料电极6下部的突出部分。
即，在图1A中，在该等离子体掺杂装置的真空容器1内，从气体供应装置2将规定的气体(等离子体掺杂用的气体)导入在对置电极3内设置的气体存积处4，通过在对置电极3上设置的多个气体喷出孔5，向载置于试料电极6上的作为试料的一例的基板7喷出气体。对置电极3的表面(图1A的下面)，被配置为与试料电极6的表面(图1A的上面)大致平行相对。
另外，从气体供应装置2供应至真空容器1内的气体，经由排气口1a，被作为排气装置一例的涡轮分子泵8从真空容器1内排气，通过作为压力控制装置的一例的调压阀9调整排气口1a的开口程度，由此可以将真空容器1内保持为规定压力(等离子体掺杂用的压力)。并且，涡轮分子泵8以及排气口1a被配置于试料电极6的正下方，另外，调压阀9是位于试料电极6的正下方，并且位于涡轮分子泵8正上方的升降阀。进一步，试料电极6被4根绝缘性支柱10固定于真空容器1内的中间部。通过对置电极用高频电源11向对置电极3供应60MHz的高频电力，可以使对置电极3与试料电极6之间产生容量结合型等离子体。另外，设有用于向试料电极6供应1.6MHz高频电力的试料电极用高频电源12，该试料电极用高频电源12为了使作为试料的一例的基板7相对于等离子体具有负电位，作为控制试料电极6电位的偏压电压发挥作用。即使代替试料电极用高频电源12，使用脉冲电源向试料电极6供应脉冲电力，也能够控制基板7的电位。绝缘体13用于使对置电极3与接地的真空容器1直流绝缘。如此，可以使等离子体中的离子向作为试料一例的基板7表面加速碰撞，能够处理作为试料一例的基板7的表面。通过使用含有乙硼烷或磷化氢的气体作为等离子体掺杂用气体，可以进行等离子体掺杂处理。
在进行等离子体掺杂处理时，通过图1A中在气体供应装置2内设置的流量控制装置(质量流控制器)(例如，后述的图3的第一～第三质量流控制器31、32、33)，将含有杂质原料气体的气体流量控制为规定值。一般来说，将用氦稀释后的气体作为杂质原料气体，例如，将用氦(He)将乙硼烷(B2H6)稀释到0.5％的气体作为杂质原料气体使用，用第一质量流控制器(例如，后述的图3的第一质量流控制器31)对其进行流量控制。进一步用第二质量流控制器(例如，后述的图3的第二质量流控制器32)进行氦的流量控制，将被第一以及第二质量流控制器控制了流量的气体在气体供应装置2内混合后，通过配管2p将混合气体导向气体存积处4。从气体存积处4被调整到期望浓度的杂质原料气体，经由多个气体喷出孔5被供应至真空容器1内的对置电极3与试料电极6之间。
另外，图1A的80是用于控制等离子体掺杂处理的控制装置，分别控制气体供应装置2、涡轮分子泵8、调压阀9、对置电极用高频电源11、试料电极用高频电源12等的动作，进行规定的等离子体掺杂处理。
作为一个实例，使用的基板7是硅基板，为圆形(一部分有缺口)，直径是300mm。还有，作为一个例子，关于试料电极6与对置电极3的距离G为25mm时的等离子体掺杂处理，进行以下说明。
在如前所述利用等离子体处理装置进行等离子体掺杂时，首先，用水以及有机溶剂清洗包括对置电极3表面的真空容器1的内壁。
接着，在试料电极6上放置基板7。
接着，作为一例将试料电极6的温度保持处于25℃，作为一例从气体供应装置2向真空容器1内分别以5sccm、100sccm供应由He稀释了的B2H6气体以及He气体，通过调压阀9将真空容器1内的压力保持为0.8Pa，同时通过从对置电极用高频电源11向对置电极3供应1600W的高频电力，使真空容器1内的对置电极3与试料电极6上的基板7之间产生等离子体，并且通过从试料电极用高频电源12向试料电极6供应140W的高频电力50秒钟，使等离子体中的硼离子碰撞基板7的表面，能够将硼导入基板7的表面附近。然后，从真空容器1取出基板7，测定了活性化后的表面电阻(与剂量相关的量)。
在同样条件下，连续对基板7进行等离子体掺杂处理，活性化后的表面电阻，如图2中的曲线a所示，在开始的数片时下降，之后大致变为一定。
还有，表面电阻大致变为一定后，表面电阻的变动幅度很小。
为了比较，如现有例那样，利用感应耦合型等离子体源(并且，该现有例的电介质的石英板与电极之间的距离为200mm～300mm)进行同样的处理，结果如图2中的曲线b所示，在开始的数十片时缓慢下降，成为逐渐接近一定值的结果。
还有，在现有例中，表面电阻大致变为一定后的表面电阻的变动幅度比较大，是本第一实施方式中的变动幅度的数倍。
此处，关于呈现如此不同的原因进行说明。
在现有例中，从刚清洗完真空容器1的内壁后，在连续重复进行等离子体掺杂处理的过程中，在真空容器1的内壁面逐渐堆积含硼的薄膜。认为产生该现象的原因是：等离子体中生成的硼系原子团(中性粒子)吸附于真空容器的内壁面，同时在等离子体电位(＝约10～40V左右)与真空容器内壁的电位(通常，真空容器内壁是电介体，因此浮动电位＝约5～20V)的电位差作用下被加速的硼系离子碰撞到真空容器的内壁面，在热能量或离子碰撞的能量作用下，含硼的薄膜成长。伴随该堆积膜厚的增加，在使用B2H6做掺杂原料气体的情况下，认为因为真空容器的内壁面上的硼系原子团的吸附概率逐渐减少，所以等离子体中的硼系原子团的密度增加。另外，等离子体中的离子被所述电位差加速，撞击在真空容器的内壁面堆积的硼系薄膜，利用由此产生溅射，向等离子体中供应的含硼粒子的量逐渐增加。因此，剂量逐渐增加，活性化后的表面电阻逐渐下降。另外，伴随等离子体的产生或停止，真空容器内壁面的温度产生变动，这也使内壁面上的硼系原子团的吸附概率产生变化，使活性化后的表面电阻大幅变动。
另一方面，在本第一实施方式中，与放置有作为基板7的例子的直径300mm晶片的试料电极6的面积相比，试料电极6与对置电极3的距离G很小，为25mm，成为所谓的狭缝放电，还有，采用从在对置电极3上设置的气体喷出孔5向基板7的表面喷出气体并同时进行处理的方式。此时，真空容器1的内壁面(除去对置电极3的表面)的表面状态对等离子体中的硼系原子团密度或硼离子密度带来的影响显著变小。其原因主要包括以下4个方面。
(1)因为是狭缝放电，所以等离子体主要只在对置电极3与基板7之间产生，所以真空容器1的内壁面(除去对置电极3的表面)极不容易吸附硼系原子团，含硼的薄膜不容易堆积。
(2)真空容器1的内壁面(除去对置电极3的表面)相对于基板7的相对面积小于现有例，因此真空容器1的内壁面的影响变小。
(3)因为向对置电极3施加高频电力，所以在对置电极3的表面产生自偏压电压，极不容易吸附硼系原子团，对置电极3的表面状态就算连续不断地重复实施掺杂处理也几乎不产生变化。
(4)基板7的表面上的气流，因为是从基板7的中心朝向周边的单方向，所以真空容器1的内壁面的影响不容易波及基板7。
本发明人进一步调查了作为试料电极6与对置电极3的距离的优选范围。在设基板7的表面(与对置电极3相对的一侧的表面，或是试料电极6的与对置电极3相对的一侧的表面并且应配置基板7的配置区域)的面积为S，基板7为圆形的情况下，其半径为(S/π)-1/2。在设试料电极6与对置电极3的距离为G时，在满足下式(3)
[式3]
0.1 ( S / &pi; ) < G < 0.4 ( S / &pi; ) - - - ( 3 )
的状态下，即，在电极间距离G处于基板7的半径的0.1倍到0.4倍的范围时，能够得到良好的杂质浓度再现性。在电极间距离G过小时(小于半径的0.1倍时)，不能在适合实施等离子体掺杂的压力区域(3Pa以下)产生等离子体。相反，在电极间距离G过大时(大于半径的0.4倍时)，如现有例那样，从刚进行湿式清洗后到活性化后的表面电阻稳定之前需要几十片。并且，表面电阻大致变为一定后的表面电阻的变动幅度也变大。
如此，通过高频电源11向对置电极3供应高频电力而产生狭缝放电，在确保工艺的再现性方面极为重要，这在等离子体掺杂中是十分显著的现象。在绝缘膜的干式蚀刻中，由于氟化碳系的薄膜在真空容器的内壁堆积引起的蚀刻特性的变动成为问题时，有时会采用狭缝放电，但是导入真空容器内的混合气体中的氟化碳系气体的浓度为数％左右，堆积膜的影响比较小。另一方面，在等离子体掺杂中，导入真空容器内的惰性气体中的杂质原料气体的浓度为1％以下(尤其在想要高精度控制剂量时，为0.1％以下)，堆积膜的影响变得比较大。在惰性气体中的杂质原料气体的浓度超过1％时，无法得到所谓自我调节(self-regulation)效果，产生不能正确控制剂量的问题，因此令惰性气体中的杂质原料气体的浓度为1％以下。另外，导入真空容器内的惰性气体中的杂质原料气体的浓度，至少需要为0.001％以上。如果小于此，为了得到所需的剂量就需要极长时间的处理。
还有，通过利用本发明，有活用发光分光法、质量分析法等in-situ监控技术的剂量监控、剂量控制等精度提高的优点。这是因为，公知的是处理一片基板时的剂量随着处理时间的经过而饱和、即所谓的自我调节现象中的饱和剂量，依存于导入真空容器内的混合气体中的杂质原料气体的浓度，根据本发明，与真空容器内壁的状态无关，通过in-situ监控，能够比较容易得到与通过等离子体中的杂质原料气体的分解或电离而产生的离子或原子团等粒子相关的测定量。
并且，在专利文献4中所述的等离子体掺杂装置中，由于与试料相对设置的对置电极(正极)是接地电位，所以当进行等离子体掺杂处理时，在对置电极堆积含有硼的薄膜。另外，关于对置电极(正极)与试料电极(负极)间的距离(缝隙)，只记载了“对于不同的电压能够调节”。
在上述的本发明的第一实施方式中，只是例示了本发明的适用范围中，关于真空容器1的形状、电极3、6的构造以及配置等各种变化中的一部分。在适用本发明时，自然也可以考虑此处例示以外的各种变化。
另外，例示了向对置电极3供应60MHz的高频电力，向试料电极6供应1.6MHz的高频电力的情况，这些频率只不过是一个例子。向对置电极3供应的高频电力的频率，大致适合10MHz以上100MHz以下。当向对置电极3供应的高频电力的频率低于10MHz时，不能得到足够的等离子体密度。相反，当向对置电极3供应的高频电力的频率高于100MHz时，不能得到足够的自偏压电压，变得容易在对置电极3表面堆积含有杂质的薄膜。
还有，向试料电极6供应的高频电力的频率，大致适合300kHz以上20MHz以下。向试料电极6供应的高频电力的频率如果低于300kHz，则不能简单取得高频的整合。相反，向试料电极6供应的高频电力的频率如果高于20MHz，则施加于试料电极6的电压容易产生面内分布，掺杂处理的平均性受损。
另外，如果对置电极3的表面由硅或硅氧化物构成，则可以避免将对于基板7的一例的硅基板来说不优选的杂质导入基板7的表面。
另外，尤其在基板7是由硅构成的半导体基板时，通过使用砷、磷或硼作为杂质，可以用于细微晶体管的制造。另外，还可以使用化合物半导体作为基板7。作为杂质，也可以使用铝或锑等。
另外，通过分别组装公知的加热器以及冷却装置，分别进行真空容器1的内壁的温度控制、对置电极3以及试料电极6的温度控制，通过更加精密地控制真空容器1内壁、对置电极3、基板7的表面上的杂质原子团的吸附概率，由此可以进一步提高再现性。
还有，作为导入真空容器1内的等离子体掺杂用气体，例示了使用了由He稀释了B2H6的混合气体的情况，但一般情况下，可以使用由稀有气体稀释了杂质原料气体的混合气体。作为杂质原料气体，可以使用BxHy(x、y为自然数)或PxHy(x、y为自然数)等。这些气体具有的优点是，除了B或P以外，只包含就算作为杂质混入基板影响也小的H。也可以使用其它的含B的气体，例如BF3、BCl3、BBr3等。也可以使用其它含有P的气体，例如PF3、PF5、PCl3、PCl5、POCl3等。另外，作为稀有气体可以使用He、Ne、Ar、Kr、Xe等，但He最合适。这是由于以下原因。即为了避免将不期望的杂质导入试料表面，并且同时实现剂量的精密控制与低溅射性，能够实现再现性优良的等离子体掺杂方法。通过使用由稀有气体稀释了杂质原料气体的混合气体，可以使由形成于容器内壁的含有硼等杂质的膜引起的剂量变化变得极小，因此通过控制气体喷出的分布，能够更精密地控制剂量的分布，容易确保剂量的面内平均性。次于He的优选的稀有气体是Ne。Ne与He相比，虽然有溅射率略高的缺点，但是有在低压下容易放电的优点。
并且，本发明不限于第一实施方式，可以以其它各种方式实施。
例如，在第一实施方式中，例示了从气体供应装置2分别以5sccm、100sccm供应被He稀释了的B2H6气体以及He气体，通过调压阀9将真空容器1内的压力保持为0.8Pa，同时从对置电极用高频电源11向对置电极3供应1600W的高频电力，使真空容器1内的对置电极3与试料电极6上的基板7之间产生等离子体的情况，但在He气体的分压高的状态下，在低压下有时难以产生等离子体。此时，作为本发明的第一实施方式的变形例，适当采用如下方法有效果。
第一方法是使压力变化的方法。首先，通过调压阀9将真空容器1内的压力保持为高于等离子体掺杂用压力的、1Pa以上(典型为10Pa)的等离子体产生用压力，同时从对置电极用高频电源11向对置电极3供应高频电力，使在真空容器1内的对置电极3与试料电极6上的基板7之间产生等离子体。此时，试料电极用高频电源12不向试料电极6供应高频电力。等离子体产生后，调整调压阀9，使真空容器1内的压力逐渐降低至1Pa以下(典型为0.8Pa)的等离子体掺杂用压力。使用ECR(电子回旋加速器共鸣等离子体源)或ICP(感应耦合型等离子体源)等所谓高密度等离子体源时也可以考虑相同顺序，但是，在本发明的第一实施方式的变形例相关的装置构成中，由于等离子体的体积与使用高密度等离子体源的情况相比明显小，因此为了使产生的等离子体不消失，有必要利用调压阀9更缓慢地降低压力。但是，如果使压力的降低过于缓慢，则不仅处理所需的总时间延长，而且也有基板7产生污染的可能。因此，优选使用调压阀9在3秒～15秒左右降低压力。真空容器1内的压力降低至等离子体掺杂用压力后，从试料电极用高频电源12向试料电极6供应高频电力。
第二方法是使气体种类变化的方法。如图3所示，作为一个例子，气体供应装置2由被控制装置80控制动作的第一～第三质量流控制器31、32、33以及被控制装置80控制动作的第一～第三阀34、35、36以及第一～第三储气瓶(Bombe)37、38、39构成。第一储气瓶37中收纳有被He稀释了的B2H6气体，第二储气瓶38中收纳有He气体，第三储气瓶39中收纳有Ne气体。而且，首先使第一以及第二阀34、35关闭，打开第三阀38，从第三储气瓶39经由第三阀38及第三质量流控制器33以及配管2p，向真空容器1内供应作为相比于He在低压下更容易放电的等离子体产生用气体的一例的Ne气体。来自第三储气瓶39的Ne气体的流量，被第三质量流控制器33保持为一定。此时的Ne气体的流量，预先设定为与之后向试料电极6供应高频电力的步骤中的气体流量大致相同。通过调压阀9将真空容器1内的压力保持为0.8Pa，同时从对置电极用高频电源11向对置电极3供应高频电力，由此在真空容器1内的对置电极3与试料电极6上的基板7之间产生等离子体。此时，不向试料电极6供应高频电力。在产生等离子体后，打开第一以及第二阀34、35，关闭第三阀38，从第一以及第二储气瓶37、38经由第一以及第二阀34、35以及第一以及第二质量流控制器31、32以及配管2p，将向真空容器1内供应的气体改变为He和B2H6气体的混合气体。这些气体的流量被第一以及第二质量流控制器31、32保持为一定。在切换气体种类后，从试料电极用高频电源12向试料电极6供应高频电力。在使用ECR(电子回旋加速器共鸣等离子体源)或ICP(感应耦合型等离子体源)等所谓高密度等离子体源时也可以考虑同样的顺序，但是，在本发明的装置构成中，等离子体的体积与使用高密度等离子体源时相比明显小，因此为了使产生的等离子体不消失，最好更加缓慢地使气体种类变化。但是，如果使气体种类的变化过于缓慢，不仅处理所需的总时间延长，而且也有基板7产生污染的可能。因此，优选在3秒～15秒左右使气体种类变化。为了缓慢使气体种类变化，打开第一以及第二阀34、35的瞬间，预先使第一以及第二质量流控制器31、32的流量设定值为零或极微量(10sccm以下)，控制流量逐渐增加。另外，在打开第一以及第二阀34、35后，在第三阀36打开的状态下使第三质量流控制器33的流量设定值逐渐下降，在第三质量流控制器33的流量设定值变为零或极微量(10sccm以下)之后，关闭第三阀36。
第三方法是使试料电极6与对置电极3之间的距离G变化的方法。作为第一实施方式的其他变形例，为了使试料电极6与对置电极3相对移动来控制试料电极6与对置电极3之间的距离G，例如如图4所示，在真空容器1内在真空容器1的底面与试料电极6之间设置作为距离调整用驱动装置(例如试料电极升降用驱动装置)的一例的(在使对置电极升降时，在真空容器1内在真空容器1的上面与对置电极3之间作为距离调整用驱动装置(例如对置电极升降用驱动装置)的一例的)波纹管40，设置用于向波纹管40供应使波纹管40伸缩的流体的流体供应装置40a，在控制装置80的动作控制下，通过流体供应装置40a的驱动，试料电极6(或对置电极3)通过波纹管40在真空容器1内升降自如。此时，调压阀9以及泵8被设于真空容器1的侧面(未图示)。在该种装置构成中，首先通过流体供应装置40a的驱动使试料电极6下降(或使对置电极3上升)，在距离G为大于等离子体掺杂处理用距离的等离子体发生用距离例如为80mm的状态下，从气体供应装置2向真空容器1内供应由He稀释了的B2H6气体以及He气体，通过利用调压阀9将真空容器1内的压力保持为0.8Pa，同时通过从对置电极用高频电源11向对置电极3供应高频电力，由此在真空容器1内的对置电极3与试料电极6上的基板7之间产生等离子体。此时，不向试料电极6供应高频电力。在等离子体产生后，通过流体供应装置40a的驱动使试料电极6上升(或使对置电极3下降)，使距离G变化为25mm。另外，等离子体的产生，可以从设于真空容器1的窗口由检测器自动检测等离子体发光。此时，可以根据检测器的检测信号来驱动流体供应装置40a。简单地也可以预先设定产生等离子体的足够的时间，在经过该等离子体产生预定时间后，假定等离子体已经产生，驱动流体供应装置40a。在距离G变为25mm后，使流体供应装置40a的驱动停止，从试料电极用高频电源12向试料电极6供应高频电力。当距离G的变化变得过急时，产生的等离子体有消失的危险。相反，当距离G的变化过于缓慢时，不仅处理所需的总时间延长，而且也有基板7产生污染的可能。因此，优选在3秒～15秒左右使距离G变化。在该变形例中，例示了在开始产生等离子体的步骤中的距离G为80mm的情况，优选在满足以下式(4)
[式4]
0.4 S &pi; < G < S &pi; - - - ( 4 )
的状态下产生等离子体。在距离G过小时(小于半径的0.4倍时)，会出现不能产生等离子体的情况，相反，在距离G过大时(大于半径的1.0倍时)，真空容器1的容积变得过大，泵排气能力不足。
还有，也可以组合使用上述三个方法中的两个以上的方法。
并且，在使用ICP(感应耦合型等离子体源)的情况下，与试料电极6相对的电介体窗口与试料电极6的距离G在满足以下式(5)
[式5]
0.1 S &pi; < G < 0.4 S &pi; - - - ( 5 )
的状态下进行处理，这对减少从刚湿式清洗后到活性化后的表面电阻稳定之前的需要的片数是有效的。
并且，在所述变形例中，也可以在真空容器1内在真空容器1的底面与试料电极6之间设置作为试料电极升降用驱动装置的一例的波纹管40，并且在使对置电极升降时，在真空容器1内在真空容器1的上面与对置电极3之间设置作为对置电极升降用驱动装置的一例的波纹管40，通过使试料电极6与对置电极3这双方移动，使试料电极6与对置电极3相对移动，控制试料电极6与对置电极3的距离G。
另外，将本发明适用于ECR(电子回旋加速器共鸣等离子体源)或ICP(感应耦合型等离子体源)等时，代替将试料电极与所述对置电极之间的距离设为G，也可以将对置电极与电介板或包括气体喷出孔的面之间的距离设为G。
还有，在本发明中，用电极间距离来说明距离G，但是严格来说有必要作为基板与电极间距离来定义。但是，基板与该距离相比极其小，因此在实施方式以及实施例中不考虑基板的厚度，作为电极间距离来说明距离G，这没有任何问题。
并且，通过适当组合所述各种实施方式中的任意实施方式，能够发挥各自具备的效果。
工业实用性
根据本发明，能够提供向试料表面导入的杂质浓度的再现性优良的等离子体掺杂方法以及装置。因而，以半导体装置中的杂质掺杂工序为首，也能够适用于在液晶等中使用的薄膜晶体管的制造。
本发明参照附图对优选的实施方式进行了充分的叙述，但是对于熟悉该技术的人来说很清楚各种变形以及修正。这些变形以及修正，只要不超出权利要求限定的本发明范围，应该理解为包含于其中。

Claims (23)

1.一种等离子体掺杂方法，
在真空容器(1)内的试料电极(6)上载置试料(7)，
一边向所述真空容器内供应等离子体掺杂用气体，一边使所述真空容器内排气，将所述真空容器内控制为等离子体掺杂用压力，同时使所述真空容器内的所述试料的表面与对置电极的表面之间产生等离子体，向所述试料电极供电，
在设所述试料表面中与所述对置电极相对一侧的表面的面积为S，所述试料电极与所述对置电极的距离为G时，在满足下式(1)
[式1]
0.1 ( S / &pi; ) < G < 0.4 ( S / &pi; ) - - - ( 1 )
的状态下，进行向所述试料的表面导入杂质的等离子体掺杂处理。
2.如权利要求1所述的等离子体掺杂方法，
向与所述试料电极相对配置的所述对置电极供应高频电力。
3.如权利要求2所述的等离子体掺杂方法，
在所述真空容器内的所述试料电极上载置所述试料后、向所述试料电极供电之前，
将所述真空容器内的压力保持为高于所述等离子体掺杂用压力的等离子体产生用压力，同时向所述对置电极供应高频电力，使所述真空容器内的所述试料表面与所述对置电极的表面之间产生等离子体，所述等离子体产生后，使所述真空容器内的压力逐渐降低至所述等离子体掺杂用压力，在达到所述等离子体掺杂用压力后，向所述试料电极供电。
4.如权利要求2所述的等离子体掺杂方法，
在所述真空容器内的所述试料电极上载置所述试料后、向所述试料电极供电之前，
向所述真空容器内，供应与稀释所述等离子体掺杂用气体的杂质原料气体的稀释气体相比在低压下更容易放电的等离子体产生用气体，将所述真空容器内的压力保持为等离子体产生用压力，同时向所述对置电极供应高频电力，由此使所述真空容器内的所述试料表面与所述对置电极表面之间产生等离子体，在所述等离子体产生后，将向所述真空容器内供应的气体切换为所述等离子体掺杂用气体，在所述真空容器内切换为所述等离子体掺杂用气体后，向所述试料电极供电。
5.如权利要求2所述的等离子体掺杂方法，
在所述真空容器内的所述试料电极上载置所述试料后、向所述试料电极供电之前，
为使所述试料电极与所述对置电极的距离G大于所述式(1)的范围，使所述试料电极与所述对置电极相对移动，在使所述试料电极离开所述对置电极的状态下，一边向所述真空容器内供应等离子体掺杂用气体，一边使所述真空容器内排气，将所述真空容器内控制为等离子体掺杂用压力，同时向所述对置电极供应高频电力，由此使所述真空容器内的所述试料表面与所述对置电极表面之间产生等离子体，在所述等离子体产生后，使所述试料电极与所述对置电极相对移动，在所述距离G返回到满足所述式(1)的状态后，向所述试料电极供电。
6.如权利要求1～5中任意一项所述的等离子体掺杂方法，
被导入所述真空容器内的所述气体中的杂质原料气体的浓度为1％以下。
7.如权利要求1～5中任意一项所述的等离子体掺杂方法，
被导入所述真空容器内的所述气体中的杂质原料气体的浓度为0.1％以下。
8.如权利要求1～5中任意一项所述的等离子体掺杂方法，
被导入所述真空容器内的所述气体，是用稀有气体稀释了杂质原料气体的混合气体。
9.如权利要求8所述的等离子体掺杂方法，
所述稀有气体为He。
10.如权利要求1～5中任意一项所述的等离子体掺杂方法，
所述气体中的杂质原料气体为BxHy(x、y为自然数)。
11.如权利要求1～5中任意一项所述的等离子体掺杂方法，
所述气体中的杂质原料气体为PxHy(x、y为自然数)。
12.如权利要求1～5中任意一项所述的等离子体掺杂方法，
通过设于所述对置电极的气体喷出孔(5)向所述试料的表面喷出所述气体，同时进行所述等离子体掺杂处理。
13.如权利要求1～5中任意一项所述的等离子体掺杂方法，
在所述对置电极的表面由硅或硅氧化物构成的状态下，进行所述等离子体掺杂处理。
14.如权利要求1～5中任意一项所述的等离子体掺杂方法，
在所述试料是由硅构成的半导体基板的状态下，进行所述等离子体掺杂处理。
15.如权利要求1～5中任意一项所述的等离子体掺杂方法，
包含于所述气体中的杂质气体中的杂质是砷、磷或硼。
16.一种等离子体掺杂装置，具备：
真空容器(1)；
在所述真空容器内配置的试料电极(6)；
向所述真空容器内供应气体的气体供应装置(2)；
与所述试料电极大致平行相对的对置电极(3)；
使所述真空容器内排气的排气装置(8)；
控制所述真空容器内的压力的压力控制装置(9)；
向所述试料电极供电的电源(12)，
并且在设所述试料电极的与所述对置电极相对一侧的表面且要配置所述试料的配置区域的面积为S，设所述试料电极与所述对置电极的距离为G时，满足下式(2)
[式2]
0.1 ( S / &pi; ) < G < 0.4 ( S / &pi; ) - - - ( 2 )
17.如权利要求16所述的等离子体掺杂装置，还具备向所述对置电极供应高频电力的高频电源(11)。
18.如权利要求17所述的等离子体掺杂装置，
所述压力控制装置可以进行压力控制，以使所述真空容器内的压力在所述等离子体掺杂用压力和高于所述等离子体掺杂用压力的等离子体产生用压力之间进行切换，
在所述真空容器内的所述试料电极上载置所述试料后、向所述试料电极供电之前，利用所述压力控制装置将所述真空容器内的压力保持为高于所述等离子体掺杂用压力的所述等离子体产生用压力，同时从所述高频电源向所述对置电极供应高频电力，使所述真空容器内的所述试料表面与所述对置电极表面之间产生等离子体，在所述等离子体产生后，利用所述压力控制装置使所述真空容器内的压力逐渐降低至所述等离子体掺杂用压力，在达到所述等离子体掺杂用压力后，从所述电源向所述试料电极供电。
19.如权利要求17所述的等离子体掺杂装置，
所述气体供应装置能够向所述真空容器内切换供应如下两种气体，一是所述等离子体掺杂用气体，二是与稀释所述等离子体掺杂用气体的杂质原料气体的稀释气体相比在低压下更容易放电的等离子体产生用气体，
在所述真空容器内的所述试料电极上载置所述试料后、向所述试料电极供电之前，利用所述气体供应装置向所述真空容器内供应与稀释所述等离子体掺杂用气体的杂质原料气体的稀释气体相比在低压下更容易放电的等离子体产生用气体，利用所述压力控制装置将所述真空容器内的压力保持为等离子体掺杂用压力，同时从所述高频电源向所述对置电极供应高频电力，由此使所述真空容器内的所述试料表面与所述对置电极表面之间产生等离子体，在所述等离子体产生后，将向所述真空容器内供应的气体切换为所述等离子体掺杂用气体，在所述真空容器内切换为所述等离子体掺杂用气体后，向所述试料电极供电。
20.如权利要求17所述的等离子体掺杂装置，
还具备距离调整用驱动装置(40，40a)，其使所述试料电极相对于所述对置电极相对移动，
在所述真空容器内的所述试料电极上载置所述试料后、向所述试料电极供电之前，利用所述距离调整用驱动装置，为使所述试料电极与所述对置电极的距离G大于所述式(2)的范围，使所述试料电极与所述对置电极相对移动，在使所述试料电极离开所述对置电极的状态下，一边向所述真空容器内供应等离子体掺杂用气体，一边使所述真空容器内排气，将所述真空容器内控制为等离子体掺杂用压力，同时从所述高频电源向所述对置电极供应高频电力，使所述真空容器内的所述试料表面与所述对置电极表面之间产生等离子体，在所述等离子体产生后，利用所述距离调整用驱动装置使所述试料电极与所述对置电极相对移动，在所述距离G返回到满足所述式(2)的状态后，向所述试料电极供电。
21.如权利要求16或17所述的等离子体掺杂装置，
所述气体供应装置构成为从设于所述对置电极的气体喷出孔(5)供应气体。
22.如权利要求16或17所述的等离子体掺杂装置，
所述对置电极的表面由硅或硅氧化物构成。
23.一种等离子体掺杂方法，
在真空容器(1)内的试料电极(6)上载置试料(7)，
为使与所述试料电极相对的对置电极和所述试料电极的距离G大于等离子体掺杂处理用的距离，使所述试料电极与所述对置电极相对移动，在使所述试料电极离开所述对置电极的状态下，一边向所述真空容器内供应等离子体掺杂用气体，一边使所述真空容器内排气，将所述真空容器内控制为等离子体掺杂用压力，同时通过向所述对置电极供应高频电力，由此使所述真空容器内的所述试料表面与所述对置电极表面之间产生等离子体，
在所述等离子体产生后，使所述试料电极与所述对置电极相对移动，在所述距离G返回到所述等离子体掺杂处理用的距离后，向所述试料电极供电，
在设所述试料表面中的与所述对置电极相对一侧的表面的面积为S时，在将所述试料电极与所述对置电极之间的距离G维持在所述等离子体掺杂处理用的距离的状态下，进行向所述试料表面导入杂质的等离子体掺杂处理。
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