CN102339737A - 等离子体掺杂装置及等离子体掺杂方法 - Google Patents

等离子体掺杂装置及等离子体掺杂方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的等离子体掺杂装置及等离子体掺杂方法，有助于基于等离子体掺杂的杂质注入的实用化。用于向半导体基板(W)添加杂质的等离子体掺杂装置(10)具备：腔室(12)；气体供给部(14)，用于向腔室(12)供给气体；及等离子体源(16)，用于在腔室(12)产生所供给的气体的等离子体。包括含有应添加到基板(W)的杂质元素的原料气体、氢气及用于稀释原料气体的稀释气体的混合气体供给至腔室(12)。

Description

等离子体掺杂装置及等离子体掺杂方法
技术领域
本申请主张基于2010年7月16日申请的日本专利申请第2010-161298号的优先权。其申请的所有内容通过参考援用于该说明书中。
本发明涉及一种等离子体掺杂装置及等离子体掺杂方法。
背景技术
在半导体制造工序中为了在基板表面形成杂质注入层，除了离子注入技术之外，还试行应用等离子体掺杂技术。基于等离子体掺杂技术的杂质的注入，作为以高生产量实现形成低电阻的极浅接合的新方法，其实用化令人期待。
例如在专利文献1、2中记载有这样的杂质导入方法：向硅基板表面照射等离子体来形成非晶层，并且将杂质导入至这样得到的非晶层中。应该被导入的杂质例如为硼，例如使用二硼烷气体作为含硼的原料气体。并且，根据专利文献3，使用以氦气将二硼烷气体稀释成低浓度的气体的等离子体，这对剂量的面内均匀性的提高很有效。专利文献4中也记载有混合了二硼烷的氦气气氛中的等离子体掺杂方法。
专利文献1：国际公开第2004/075274号
专利文献2：国际公开第2005/119745号
专利文献3：国际公开第2006/064772号
专利文献4：日本特开昭64-45117号公报
杂质注入工序中的非晶层有沟道的抑制效果。即，通过在注入杂质之前预先形成非晶层，从而能够抑制注入中的杂质过度向深度方向扩散。基于上述等离子体照射的非晶层的形成利用所谓的冲击效果。即，通过使大量的氦离子碰撞而在基板表层产生结晶缺陷来形成非晶层。杂质的注入工序在形成该非晶层之后进行。
注入杂质之后，进行用于电子活化杂质的热处理。该工序在等离子体掺杂中也与一般的离子注入相同地进行。但是，在使用氦气的等离子体中的非晶化及掺杂中，在生成的非晶层中产生密度不均。由于该密度不均，再生基于热处理的结晶时产生缺陷。其结果，引起作为最终产品而制造的设备成品率的下降或设备性能的下降。因为存在这些问题，所以上述各文献中记载的杂质导入方法最终仍未到达实用阶段。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抑制上述结晶缺陷的产生，以高生产量实现形成低电阻的极浅接合的等离子体掺杂装置及等离子体掺杂方法。
本发明的一方式为用于向半导体基板添加杂质的等离子体掺杂装置。该装置具备腔室、用于向所述腔室供给气体的气体供给部及用于在所述腔室产生已供给的气体的等离子体的等离子体源。所述气体供给部构成为将混合气体供给至所述腔室，所述混合气体包含：含有应添加至基板的杂质元素的原料气体；氢气；及用于稀释所述原料气体的稀释气体。
根据该方式，能够通过向等离子体中混入氢来强化基板表层的结晶相对来自等离子体的离子碰撞的自愈作用。由此，减轻因等离子体照射产生的基板表面非晶层中的非晶层的密度不均，并且抑制后工序的活化处理中的缺陷的生长。
本发明的另一方式为将包含具有杂质元素的原料气体的混合气体供给至真空环境中，产生该混合气体的等离子体，在该真空环境下向基板照射该等离子体而注入所述杂质元素的等离子体掺杂方法。该方法通过在所述等离子体中混入氢来减轻因该等离子体的照射而产生的基板表面的非晶层的密度不均。
发明的效果
根据本发明能够促进基于等离子体掺杂的杂质注入技术的实用化。
附图说明
图1是示意地表示本发明的一实施方式所涉及的等离子体掺杂装置的构成的图。
图2是表示进行典型的等离子体掺杂处理及退火处理时的基板的表面粗糙度与偏置电压之间的关系的分布图。
图3是用于说明基于等离子体掺杂处理的表面粗糙度的产生机理的图。
图4是表示本发明的一实施方式所涉及的薄膜电阻的测定结果的图表。
图5是表示本发明的一实施方式所涉及的基于二次离子质量分析法的分析结果的图表。
图6是表示本发明的一实施方式所涉及的薄膜电阻的测定结果的图表。
图7是表示本发明的一实施方式所涉及的薄膜电阻的测定结果的图表。
图8是表示本发明的一实施方式所涉及的薄膜电阻的面内均匀性的测定结果的图表。
图9是表示本发明的一实施方式所涉及的薄膜电阻的测定结果的图表。
图10是表示本发明的一实施方式所涉及的薄膜电阻的面内均匀性的测定结果的图表。
图中：10-等离子体掺杂装置，12-腔室，14-气体供给部，16-等离子体源。
具体实施方式
图1是示意地表示本发明的一实施方式所涉及的等离子体掺杂装置10的构成的图。等离子体掺杂装置10包含腔室12、气体供给部14、等离子体源16及基板座18而构成。等离子体掺杂装置10具备用于控制这些构成要件及其他要件的控制装置(未图示)。
腔室12为用于向内部提供真空环境的真空容器。腔室12中附设有用于对内部进行真空排气的真空泵20。真空泵20例如为涡轮分子泵。真空泵20通过真空阀22连接于腔室12。真空阀22例如为变导阀，安装于涡轮分子泵的吸入口。涡轮分子泵的后段设有粗抽泵(未图示)。腔室12连接于地线。
真空泵20及真空阀22构成用于将腔室12的内部控制成所希望的真空度的自动压力调整系统(APC)。该自动压力调整系统进一步包含用于测定腔室12的压力的压力传感器(未图示)及用于根据压力测定值控制真空阀22(及真空泵20)的压力控制器(未图示)。腔室12内的真空环境通过自动压力调整系统例如保持在优选于等离子体掺杂处理的工艺气体压力范围。
气体供给部14为了向腔室12供给工艺气体而设置。气体供给部14包含单一或多个气体源及用于将其气体源连接于腔室12并将气体导入至腔室12的配管系统。该配管系统也可包含用于控制供给至腔室12的气体流量的质流控制器。当气体供给部14具有单一的气体源时，将多种气体预先混合为所希望的比率的工艺气体也可贮存于其气体源。
在图示的实施例中，气体供给部14具备杂质气体源24及载气源28。气体供给部14具备用于控制从杂质气体源24供给的杂质气体的流量的第1质流控制器26和用于控制从载气源28供给的载气的流量的第2质流控制器30。
杂质气体为包含应该添加到基板W的所希望的杂质的原料气体或用稀释气体稀释该原料气体的气体。原料气体按照所希望的杂质选择。原料气体分子中包含杂质元素。注入至基板W的杂质例如为硼(B)、磷(P)、砷(As)时，原料气体例如分别使用B2H6、PH3、AsH3等。在一实施例中，杂质也可以为硼、磷、砷、镓、锗及碳中的至少一种。
用于稀释原料气体的稀释气体例如为氢、氩、氦、氖、氙中的任一种。或者也可共同使用这些当中的多种作为稀释气体。稀释气体也可作为用于改善原料气体的等离子体的点火性的辅助气体而使用。在一实施例中，使用B2H6气体作为原料气体时，为了避免气体源中的硼的粉末化，用氢气稀释成20％以下来使用。从载气源28供给的载气与稀释气体相同，例如为氢、氩、氦、氖、氙中的任一种。并且，也可以共同使用这些当中的多种作为载气。
气体供给部14通过由第1质流控制器26控制杂质气体的流量且由第2质流控制器30控制载气的流量来以所希望的流量比将混合气体供给至腔室12。如后所述，在本发明的一实施方式中，混合气体包含原料气体、氢气及稀释气体。因此，贮存于杂质气体源24及载气源28中的至少一方的气体包含氢气。或者，气体供给部14也可具备用于向腔室12供给氢气的氢供给系统。这样，以包含原料气体、氢气及稀释气体的混合气体供给至腔室12的方式构成气体供给部14。
等离子体源16使从气体供给部14供给至腔室12的气体产生等离子体。等离子体源16与腔室12接触并设置于其外部。在一实施例中，等离子体源16是被称作ICP(电感耦合型等离子体)的等离子体产生方式的等离子体源。等离子体源16包含高频电源32、等离子体产生用线圈34及绝缘体36。高频电源32例如为13.56MHz的交流电源，向等离子体产生用线圈34供给电力。等离子体产生用线圈34安装于与腔室12的基板座18对置的一面(图示的例子中为上面)。在安装有线圈34的腔室12的一面设有由电介质材料构成的作为法兰的绝缘体36。
基板座18为了保持进行等离子体掺杂处理的基板W而设置于腔室12的内部。基板W为半导体基板，例如为将硅作为主材料的基板。基板座18也可以为了保持基板W而例如具备静电卡盘或其他固定构件。在一实施例中，基板座18具有可控制温度的基板接触部，基板W载置于该基板接触部且通过静电吸附而固定。这样，基板W控制为对于等离子体掺杂处理优选的基板温度。
并且，基板座18上连接有偏置电源38。偏置电源38向基板W供给用于朝向保持于基板座18的基板W吸引等离子体中的离子的电位。偏置电源38为直流电源、脉冲电源或交流电源。在图示的实施例中，偏置电源38为交流电源。此时，与等离子体产生用的高频电源32相比，使用低频率(例如1MHz以下)的交流电源。因此，以下也有将偏置电源38称为低频电源的情况。
在等离子体掺杂装置10中，例如如以下所述那样执行等离子体掺杂处理。首先，腔室12通过真空泵20排气成所希望的真空度，应该处理的基板W搬入至腔室12。基板W保持于基板座18。以所希望的流量比混合的工艺气体通过气体供给部14供给至腔室12。此时，通过自动压力调整系统继续调解真空度。从高频电源32向等离子体产生用线圈34通电而产生磁场。磁场经绝缘体36进入腔室12并产生工艺气体的等离子体。
使用偏置电源38在保持于基板座18的基板W产生电位。存在于等离子体中的离子朝向基板W加速，杂质注入到基板W的表层区域。来自高频电源32及偏置电源38的供电在预定的终止条件成立时停止。气体的供给也被停止。将处理完的基板W从腔室12搬出。
另外，也可以在等离子体的点火之后开始向腔室12供给原料气体。此时，首先，先行开始载气的供给，使载气产生等离子体之后，原料气体供给至腔室12。并且，终止等离子体掺杂处理时，也可以首先先行停止原料气体的供给，在此基础上停止供电及载气供给来使等离子体消失。
对已进行等离子体掺杂处理的基板W进行作为等离子体掺杂的后工序的热处理。该热处理是用于恢复因等离子体掺杂处理而产生在基板W上的结晶缺陷，并对已注入的杂质进行电子活化的处理。热处理例如为快速热退火处理(RTA)、激光退火或闪光灯退火，通过未图示的退火装置进行。在一实施例中，退火装置也可作为等离子体掺杂装置的后工序而连结且作为连续地处理基板的在线式的基板处理系统而构成。另外，在图示的实施例中，等离子体掺杂装置独立于其他工序而设置且作为每次搬入搬出基板的离线式的处理装置而构成。
图2是表示已进行典型的等离子体掺杂处理及退火处理时的基板的表面粗糙度与偏置电压之间的关系的分布图。表示由本发明人进行的测定结果。图2中以△标记表示的测定结果为用原子力显微镜(AFM)测定300mm硅晶片的中心附近500nm角内的均方根粗糙度的结果。作为测定对象的硅晶片使用以氦气稀释成1000ppm的B2H6气体来进行等离子体掺杂。剂量为1.5×1015atoms/cm2。退火条件为在氮气氛中1150℃、30秒。将测定结果的倾向用点划线示于图2。
并且，图2所示的虚线范围M为通过公知的低能(300eV)离子注入而成为相同的剂量(1.5×1015atoms/cm2)时的均方根粗糙度。目前，在该范围M内进行设备制造。因此，若通过其他手法注入杂质时的均方根粗糙度在该范围M内，则可评价为其手法没有问题。
如图2所示，若等离子体掺杂中的偏置电压较低时，则退火处理后的基板表面粗糙度为与注入低能离子时相同的级别。但是，可知在等离子体掺杂时，与注入低能离子时相比退火处理后的基板表面粗糙度有随着提高偏置电压变得更差的倾向。认为这是由于基于大量的氦离子的冲击效果而残留结晶缺陷的结果。
图3是用于说明基于等离子体掺杂处理的表面粗糙度的产生机理的图。图3中示出基于本发明人们的考察的表面粗糙度产生机理。图3中示出从基板W的初始状态100经等离子体掺杂处理102及退火处理104到表面粗糙状态106。在初始状态100中，以结晶状态排列有构成基板W的原子(例如硅原子)108。
在等离子体掺杂处理102中，大量的离子110被拉到基板表面而碰撞。如上述那样，在用氦气稀释原料气体时，大量的氦离子从等离子体朝向基板W加速并与基板原子108碰撞。基板原子108因碰撞而散乱，在基板W的表面形成密度略低于结晶层114的非晶层112(用虚线表示)。非晶层112的密度分布不均匀。如图示，可认为非晶层112的密度分布中有局部性疏密不均。
通过退火处理104对基板W供给热。退火初期被拉至存在于非晶层112下的最初的结晶层114，非晶层112内的基板原子108在上下方向上重新排列。暂时上下排列的基板原子108被限制，变得难以向左右方向移动。因此，非晶层112中在上下方向上基板原子108的数量较少的位置变凹，在上下方向上基板原子108的数量较多的位置变凸。如此，如状态106所示，可以认为非晶层112中的密度不均以基板表面的凹凸即表面粗糙方式显示出。越加大外加于基板的偏置电压，产生在表面的结晶缺陷也就越变大。
由于通过退火处理而杂质被活化，所以基板表面的薄膜电阻比退火处理之前更加下降。但是，如图3所示，作为缺陷残留于基板表面的结果，薄膜电阻不会下降至通过杂质的活化而本应下降的水准。如此一来，可能产生作为最终产品的设备的动作速度下降或因欧姆加热引起的能量损失。缺陷恰巧重叠在与设备门的接触部时，最坏的情况下，该设备有可能不动作。在制造工序中采用等离子体掺杂时的设备的成品率下降令人担忧。电路线宽因细微化的进展而越变窄，则因缺陷引起的它们的影响就越变大。
说到底等离子体掺杂被视为离子注入的替代技术是因为，能够一并注入的面积的大型化即使为低能量也比较容易实现，且期待以高生产量形成较浅结合。通过使用由氦气稀释成极低浓度的原料气体，所注入的杂质的溅射和注入被平衡化，可使杂质注入量的均匀性及再现性良好。由于注入的杂质的扩散在非晶层与结晶的边界停滞，所以对决定半导体性能的要件即剂量轮廓线的陡峭性也能够得到优异的结果。
因此，为了促进具有这样的优点的基于等离子体掺杂的杂质注入技术的实用化，会要求抑制进行杂质活化处理之后的基板表面缺陷的技术。不用说其技术内容，连那样的抑制对策的必要性也尚未被周知。例如，在上述记载的专利文献中，连进行退火处理之后在基板表面产生不容忽视的粗糙这种情况本身也尚未提及。
缺陷起因于大量的辅助气体离子，所以可以考虑抑制该辅助气体离子的几个简单的方法。例如可以考虑如下方法：(1)减小作为辅助气体使用的元素的原子量；或(2)减小注入能；或(3)缩减辅助气体量。但是，任何一个手法都未必一定具有现实性。例如，虽然原子量小于被看作是比较良好的辅助气体的氦的气体局限于氢，但仅将氢气作为辅助气体时，均匀性、再现性、陡峭性却不在实用级别上。并且，根据应制造的设备性能决定注入深度，由此决定注入能，所以注入能事实上不是可调整的参数。当缩减辅助气体量时，原料气体浓度升高，所以均匀性、再现性、陡峭性依然劣化。
本发明人在这样的状况下专心致志于研究及实验的结果，发现了能够保持良好的均匀性、再现性、陡峭性的同时抑制退火处理后的缺陷的有效方法。本发明人发现了通过将适量的氢混入等离子体中，减轻因碰撞粒子引起的冲击效果甚至是非晶层的密度不均，并且在退火处理后得到良好的均匀性、再现性、陡峭性。
通过向等离子体中混入适量的氢，强化基板表层的结晶相对于来自等离子体的离子碰撞的自愈作用。也就是说，通过等离子体自由基化或离子化的氢进入因氦的冲击而被破坏的基板原子(例如硅)之间的结合，瞬间地在硅与氢之间生成结合。该结合的结合力较弱，最终因氦的冲击而被破坏。但是，通过该硅-氢之间结合的存在，结晶的破坏需要比未混入氢时更多的能量。因此，在相同能量中结晶的破坏程度变得比较弱。因此，减轻因等离子体照射而产生的基板表面非晶层中的密度不均，且抑制后工序的活化处理中的缺陷生长。
在本发明的一实施方式中，包含含有所希望的杂质元素的原料气体、氢气及用于稀释原料气体的稀释气体的混合气体供给至腔室12。该混合气体也可包含稀释成低浓度的原料气体和浓度高于原料气体的氢气，并且剩余部分实际上也可以是稀释气体。稀释气体例如为氦气，氦气的浓度也可以高于氢气。在一实施例中，原料气体的浓度为1％以下。在一实施例中氢气的浓度为1％以上。
在一实施例中，等离子体掺杂装置10也可以构成为如下：使用通过氦气或其他稀释气体稀释成1％以下的低浓度的杂质原料气体，并且在基于等离子体照射的杂质注入时氢混入等离子体中。或者，在一实施例中，等离子体掺杂装置10还可以构成为如下：使用通过氢气或者其他稀释气体稀释成1％以下的低浓度的杂质原料气体，并且在基于等离子体照射的杂质注入时氦混入等离子体中。
如此通过使氢和氦同时存在于等离子体中，能够使基于氦的结晶结构的破坏和基于氢的结晶恢复并存。由此，减轻非晶层的密度不均。用于规定优选的氢气浓度的1个观点是考虑基于氢气的结晶恢复作用与基于稀释气体的冲击效果的平衡的观点，而氢气浓度的优选范围可实验性地进行决定。
参考图4至图6，对本发明的一实施方式所涉及的基于等离子体掺杂的测定结果进行说明。在该实施例中，使用以流量比氢气为7％、B2H6气体为0.2％、氦气为剩余的约93％的混合气体，通过图1所示的等离子体掺杂装置10而在基板上进行了等离子体掺杂。所使用的基板为300mm直径的N型半导体用晶片。剂量为1.3×1015atoms/cm2。之后，通过退火装置进行1150℃、30秒的退火处理。
另外，该1150℃、30秒的退火处理为对注入的杂质的活化充分的退火。经验上来看，如果是1050℃以上且5秒以上的退火，则能够评价为对注入的杂质的活化非常充分。因此，以下说明的测定结果可预测在作为等离子体掺杂的后工序进行1050℃以上且5秒以上的退火时也可得到同等良好的结果。
图4是表示本发明的一实施方式所涉及的薄膜电阻的测定结果的图表。薄膜电阻值Rs(Ω/□)通过四端测定法测定。图4的纵轴为薄膜电阻的测定值Rs，且横轴为作为注入能的低频电源38的瓦数。用■标记将使用了上述的流量比的混合气体及退火条件时的薄膜电阻值示于图4，用实线表示其倾向。作为比较例，用◆标记表示将稀释气体仅设为氦时的测定值，且用△标记表示将稀释气体仅设为氢气时的测定值。这2个比较例除了稀释气体以外，以与实施例相同的条件处理并测定。用虚线表示比较例的测定结果的倾向。
使用包含氦及氢双方的气体时，与仅包含任意一方的情况相比，虽然剂量为与约1.5×1015atoms/cm2几乎相同，但是得到了薄膜电阻值大大降低这样的令人惊讶的结果。仅使用氦的比较例中的薄膜电阻测定值为约120Ω/□，仅使用氢的比较例中的薄膜电阻测定值为约100Ω/□，与此相对，本实施例中的薄膜电阻测定值为约70Ω/□。薄膜电阻值根据等离子体掺杂条件及退火条件而发生变动。但是，在混入氢时薄膜电阻值变小这样的大小关系应该不会因为这些处理条件而发生变化。另外，仅使用氢的比较例的薄膜电阻小于仅使用氦的比较例的薄膜电阻，这是因为氢的原子量较小且冲击效果也较小。
根据本实施例，薄膜电阻值遍及从100W左右的低能到1000W左右的高能的广泛的注入能量范围而保持在低级别。顺便说一下，将基板设为硅时，100W中的杂质浓度降低至5×1018atoms/cm3的距基板表面的深度为约2nm，1000W中为约18nm。并且，在比较例中，均显现出随着提高注入能薄膜电阻也变大的倾向，与此相对，在本实施例中，随着注入能的提高而薄膜电阻减小。如图2所示，可推测如下：在典型的等离子体掺杂中随着提高注入能，退火后的表面粗糙度也变大，与此相对，在本实施例中，即使是高能也能够得到与低能相同的级别以下的表面粗糙度。
基于氢的结晶的自愈功能对本实施例的良好的结果起作用。即，可以认为：通过在等离子体中混入氢，并通过硅氢之间结合来抑制因氦离子的碰撞引起的硅原子的散乱。仅使用氦的比较例中基于大量的氦离子的冲击效果的影响逐步变得显著。但是，各个氦离子的碰撞能即使是1000W左右的高能，实际上也没有那么大。通过氢原子所持有的结合能抑制硅原子的散乱，并形成整体上比较高密度的非晶层。由此，可以认为本实施例中退火后的薄膜电阻及表面粗糙度变得较低。
另外，根据相同的理由，可以考虑还可以与氦一同使用或者代替氦使用原子量大于氦的稀释气体(例如氩、氙、氖等)。即，原子量越大冲击效果就越变大，但是因为能够通过混入氢来减轻冲击效果，所以可采用原子量较大的稀释气体。
图5是表示本发明的一实施方式所涉及的基于2次离子质量分析法(SIMS)的分析结果的图表。图5所示的图表A至F分别为以除了下述的使用气体组成、剂量、注入能点以外的上述共同的等离子体掺杂条件及退火条件处理的基板的分析结果。杂质剂量为以SIMS分析的换算剂量。
图表A(实施例)混合气体、1.28×1015atoms/cm2、300W
图表B(实施例)混合气体、1.56×1015atoms/cm2、800W
图表C氢稀释、1.24×1015atoms/cm2、300W
图表D氢稀释、1.29×1015atoms/cm2、800W
图表E氦稀释、1.13×1015atoms/cm2、300W
图表F氦稀释、1.14×1015atoms/cm2、800W
图表A及图表B的混合气体为以流量比氢气为7％、B2H6气体为0.2％、氦气为剩余的约93％的混合气体。图表C及图表D作为比较例，仅用氢气稀释B2H6气体。图表E及图表F作为比较例，仅用氦气稀释B2H6气体。并且，图表A、C及E是注入能较低的情况(300W)，图表B、D及F是注入能较高的情况(800W)。
SIMS分析结果为了特定剂量轮廓线的陡峭性而使用。在此，定义从剂量为5×1019atoms/cm3的距基板表面的深度到剂量为5×1018atoms/cm3的深度的深度差作为表示陡峭性的指标。在图5中，用范围G表示从5×1019atoms/cm3到5×1018atoms/cm3的剂量。该范围G中的深度变化量表示陡峭性。表示数值越小陡峭性就越良好。
因此，从图5所示的SIMS分析结果得到的陡峭性为如下。
图表A(实施例、低能)1.9nm
图表B(实施例、高能)2.5nm
图表C(氢稀释、低能)2.7nm
图表D(氢稀释、高能)3.9nm
图表E(氦稀释、低能)1.9nm
图表F(氦稀释、高能)3.4nm
仅用氢气稀释时陡峭性较差。仅用氢时陡峭性差，这可以认为是因为基于氢的冲击效果的非晶层的厚度极薄。杂质掺杂至超过非晶层的深度，非晶层不发挥作为扩散的抑制层的功能。与此相对，在本实施例及氦稀释的情况下，非晶层比氢时变得更深，因为掺杂局限在其深度范围内，所以可得到极为良好的陡峭性。
并且，陡峭性在高能时比低能时更加下降，但是可知本实施例的陡峭性的下降最小。对此，也可以认为是基于氢的结晶的自愈功能在起作用。根据本实施例，能够在广泛的注入能范围中实现优异的陡峭性。
也可以说用于定义陡峭性的范围G表示杂质层的厚度。因此，如图5所示，本实施例所涉及的等离子体掺杂方法在低能的情况下适合于在基板上形成约10nm以内厚度的杂质层，而在高能的情况下适合于在基板上形成约15nm以内厚度的杂质层。本实施例所涉及的等离子体掺杂方法适合于通过调整处理条件而在基板上形成约30nm以内厚度的杂质层。
图6是表示本发明的一实施方式所涉及的薄膜电阻的测定结果的图表。图6表示使用本实施例所涉及的混合气体并处理多片晶片时的薄膜电阻值Rs(Ω/□)的均匀性及再现性。处理1000片的晶片时的晶片内的均匀性平均为2.8％(1σ)，再现性为1.8％(1σ)，非常良好。在如本实施例那样混入氢的情况下，与使用仅用氦气稀释成低浓度的原料气体的情况相同，也能够得到良好的均匀性和再现性。
图7是表示本发明的一实施方式所涉及的薄膜电阻的测定结果的图表。与图4所示的测定结果相同，通过四端测定法，对已进行硼的等离子体掺杂及退火处理的试样测定了薄膜电阻值Rs(Ω/□)。图示的标绘表示一枚基板整个面的平均薄膜电阻值。图7的纵轴为薄膜电阻的测定值Rs。图7的横轴为氢气相对于为了等离子体掺杂而被供给的混合气体的总流量的流量比。图7所示的测定结果为对从氢气的微量(例如1％)混入至约30％的流量比的范围、和作为比较例对不含氦(即，仅仅是氢气与杂质气体的混合气体，即氢气流量比为约100％)进行试验的结果。
图7的左侧表示改变B2H6气体的流量比的情况。B2H6气体流量比在从约0.1％到约0.3％的范围内变化。图7的右侧表示使偏置电源38的输出LF在从135W至800W的范围内变化的情况。各测定结果中共同的等离子体掺杂条件是用于产生等离子体的高频电源32的功率为1500W、处理中的气体压力为0.7Pa、混合气体的总流量为300sccm。除氢气及B2H6气体以外的混合气体的剩余部分为氦气。退火条件是氧添加率为1％、设定温度为1150℃、处理时间为30秒。
如图7的左侧所示，可知处于如下倾向：在氢气流量比为30％左右为止的试验范围中，若使B2H6气体流量比恒定，则薄膜电阻值由氢气的微量混入(例如1％)大大降低，薄膜电阻值通过进一步的氢气混入降落至最低级别。例如，用□标记表示的B2H6气体流量比0.1％的标绘在约12％的氢气流量比下薄膜电阻值到达最低等级。在本试验范围中，未观察到朝向氢气流量比为约100％的薄膜电阻值的增加。可预测薄膜电阻值从超过本试验范围的某一氢气流量比开始朝向氢气流量比为约100％的薄膜电阻值增加。
如上所述，薄膜电阻值为表示退火处理后的基板表面粗糙的程度的指标，也是表示基于氢气混入的结晶恢复作用的指标。薄膜电阻值越小表面粗糙就越小，结晶恢复作用就越大。因此，根据图7所示的测定结果，当重视基于氢气的结晶恢复作用时，用于等离子体掺杂的氢气流量比的优选范围是约30％以下的范围。用于等离子体掺杂的工艺气体的组成优选B2H6气体流量比相对于总流量在约0.1％至约0.3％的范围，并且氢气流量比为该总流量的约30％以下。
并且，还可知薄膜电阻值向最低点的下降倾向，根据B2H6气体流量比多少有些不同。B2H6气体流量比越大，薄膜电阻值到达最低点的氢气流量比就会越大。可将薄膜电阻值到达最低点的值当作是氢气流量比的最佳值。如上所述，B2H6气体流量比为0.1％时氢气流量比的最佳值为约12％。并且，B2H6气体流量比为0.1667％时氢气流量比的最佳值为约15％。B2H6气体流量比为0.25％时氢气流量比的最佳值为约20％。
因此，在一实施例中，优选按照杂质气体(例如B2H6气体)的流量比选择氢气的流量比。杂质气体流量比越大越增大氢气流量比。因此，例如可以将使用的杂质气体的流量比范围(例如约0.1％至约0.3％的范围)划分成多个，且按划分区域(例如按0.05％的宽度的划分区域)设定氢气流量比。此时，越是杂质气体流量比大的划分区域，氢气流量比就设定为越大的值。如此，能够选择重视结晶恢复作用的氢气流量比。在最终制造的设备中减少薄膜电阻值(表面粗糙)在重要的情况下有效。
另一方面，如图7的右侧所示，根据偏置电源38的瓦数LF的差异，未观察到氢气流量比最佳值的倾向上的显著差异。因此，可以认为为了等离子体掺杂而外加于基板上的偏置电压没有给氢气流量比的最佳值带来影响。
图8是表示本发明的一实施方式所涉及的薄膜电阻的面内均匀性的测定结果的图表。图8所示的测定结果是对图7的已测定的基板评价薄膜电阻的面内均匀性(1σ)的结果。图8的纵轴为薄膜电阻值Rs的面内均匀性。图8的横轴为氢气相对于为了等离子体掺杂而供给的混合气体的总流量的流量比。图7的左侧表示使B2H6气体的流量比变化的情况，图7的右侧表示使偏置电源38的输出LF在从135W至800W的范围内变化的情况。
如图8的左侧所示，根据杂质气体流量比在氢气流量比最佳值上没有观察到显著的倾向的差异。并且，如图8的右侧所示，根据偏置电源38的瓦数LF的差异也未观察到显著的倾向差异。关于均匀性，可知与杂质气体流量比及偏置电压无关，氢气流量比的最佳值为约5％。
均匀性为5％以内时，有实际上没有对所制造的设备的成品率的影响的见解。根据图8，均匀性成为5％以内的氢气流量比的范围为约20％以下。因此，重视处理的均匀性时，用于等离子体掺杂的氢气流量比的优选范围为约20％以下的范围。优选B2H6气体流量比相对于用于等离子体掺杂的工艺气体总流量处于约0.1％至约0.3％的范围，且氢气流量比为该总流量的约20％以下。
并且，根据图8，在微量混入氢气的阶段(例如1％)中均匀性处于4％以内的低水准。若氢气流量比超过约10％，则均匀性超过其水准。因此，用于等离子体掺杂的氢气流量比更加优选为约10％以下。优选B2H6气体流量比相对于用于等离子体掺杂的工艺气体总流量处于约0.1％至约0.3％的范围，且氢气流量比为该总流量的约10％以下。
重视均匀性时进一步优选的氢气流量比的范围为约3％以上约5％以下。优选B2H6气体流量比相对于用于等离子体掺杂的工艺气体总流量处于约0.1％至约0.3％的范围，且氢气流量比为该总流量的约3％以上约5％以下。这样，能够选择重视均匀性的氢气流量比。在最终制造的设备中提高均匀性重要的情况下有效。
由于氢气为可燃性气体，所以要求慎重的操作。为了等离子体掺杂处理后的气体废弃，优选用稀释气体(例如氮气)稀释成低于爆炸极限(例如体积比为4％)的浓度来保管。因此，若考虑这样的用于稀释的工作负担及成本，则优选氢气流量比较小。用于等离子体掺杂的氢气流量比为爆炸极限(例如体积比为4％)以下时，等离子体掺杂处理后的气体废弃时不需要进一步的稀释。因此，为了使气体的操作较为容易，优选用于等离子体掺杂的氢气流量比为4％以下。
图9是表示本发明的一实施方式所涉及的薄膜电阻的测定结果的图表。图9与图7不同，表示使用PH3气体的关于磷的等离子体掺杂的测定结果。氢气流量比的试验范围最大约15％。关于除此之外的处理条件与图7相同。图9的上侧表示将偏置输出LF设为500W时的情况，图9的下侧表示将偏置输出LF设为800W时的情况。表示有对每一个将PH3气体的流量比设为0.1％的情况和设为0.3％的情况。
相同地进行研究，若根据图9，当重视基于氢气的结晶恢复作用时，用于等离子体掺杂的氢气流量比的优选范围例如为约10％以下的范围。优选PH3气体流量比相对于用于等离子体掺杂的工艺气体总流量处于约0.1％至约0.3％的范围，且氢气流量比为该总流量的约10％以下。
与硼的情况相同，在磷的情况下，杂质气体流量比越大，薄膜电阻值到达最低等级的氢气流量比就越变大。PH3气体流量比为0.1％时，氢气流量比的最佳值为约4％。PH3气体流量比为0.3％时，氢气流量比的最佳值为约7％。可预测这样的倾向对于砷也是共同的。
图10是表示本发明的一实施方式所涉及的薄膜电阻的面内均匀性的测定结果的图表。图10所示的测定结果是对图9已测定的基板评价薄膜电阻的面内均匀性(1σ)的结果。可知，无论杂质气体流量比及偏置电压，与图8所示的硼的情况相同，重视均匀性时的氢气流量比的最佳值为约5％。可以认为重视均匀性时的氢气流量比的最佳值不依赖于所注入的杂质元素。因此，重视均匀性时的氢气流量比的优选范围在硼和磷中是共同的。例如，优选PH3气体流量比相对于用于等离子体掺杂的工艺气体总流量处于约0.1％至约0.3％的范围，且氢气流量比为该总流量的约3％以上约5％以下。可预测氢气流量比的优选范围对于砷是共同的。

Claims (6)

1.一种等离子体掺杂装置，用于向半导体基板添加杂质，其特征在于，具备：
腔室；
气体供给部，用于向所述腔室供给气体；及
等离子体源，用于在所述腔室产生已供给的气体的等离子体，
所述气体供给部构成为将混合气体供给至所述腔室，所述混合气体包含：含有应添加至基板的杂质元素的原料气体；氢气；及用于稀释所述原料气体的稀释气体。
2.如权利要求1所述的等离子体掺杂装置，其特征在于，
所述混合气体包含稀释为低浓度的所述原料气体、和浓度高于该原料气体的所述氢气，剩余部分实际上为所述稀释气体。
3.如权利要求1或2所述的等离子体掺杂装置，其特征在于，
所述稀释气体为氦气，该氦气的浓度高于所述氢气。
4.如权利要求1至3中任一项所述的等离子体掺杂装置，其特征在于，
所述氢气相对于所述混合气体的流量比为20％以下。
5.如权利要求1至4中任一项所述的等离子体掺杂装置，其特征在于，
所述氢气相对于所述混合气体的流量比为3％～5％。
6.一种等离子体掺杂方法，将包含具有杂质元素的原料气体的混合气体供给至真空环境，产生该混合气体的等离子体，在该真空环境下向基板照射该等离子体来注入所述杂质元素，其特征在于，
通过在所述等离子体中混入氢来减轻因该等离子体的照射而产生的基板表面的非晶层的密度不均。
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