JP2004158621A - ドーピング方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大きなドーピング速度で、深さの浅い、また、格子欠陥の発生が少ない不純物注入層を制御性良く形成することができるドーピング方法およびその装置を提供する。
【解決手段】ドーピング装置１０は、処理室１２と、ガス供給系１４と、ＲＦプラズマ源１６と、パルスレーザ源１８とを有する。処理室１２には、ドーピング対象の材料である基板Ｗが電極２２に保持された状態で配置される。電極２２は、ＤＣバイアス電源２４によって低い負電圧が印加される。ボロンイオンを含むプラズマの存在下、基板のＷの注入層形成箇所にパルスレーザを照射することで基板Ｗの表層部分が溶解され、さらに、負のバイアス電圧が印加された基板Ｗにボロンイオンが吸引され、溶解した部分に拡散してボロンイオン注入層が形成される。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料の性質を制御するために不純物をその材料に注入する技術であるドーピング方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
材料の性質を制御するために不純物を材料に注入する操作は周知のようにドーピングと呼ばれる。
【０００３】
ドーピング技術には各種の方法があり、半導体の場合を例にとると、半導体を形成する過程で成長途中の材料にドーピングする方法と、形成した半導体にドーピングする方法に大別することができ、この、形成した半導体にドーピングする方法には、イオン注入（イオンインプランテーション）によるドーピング法、プラズマドーピング法、レーザドーピング法等がある。
【０００４】
このうち、レーザドーピング法では、熱化学反応あるいは光化学反応により前駆体（プリカーサー）ガスを分解して生成した不純物ガスの雰囲気下、エキシマレーザ等の短波長の紫外線領域のレーザ光をウエハに照射する。このとき、不純物ガスがウエハの表面に単分子層吸着するとともに、レーザが照射されたウエハ部分の吸着した不純物ガスが熱分解し、ウエハの溶解した領域に不純物のドーピングが行われる。
【０００５】
この方法によれば、基板の温度を上げることなく、ドーピングと活性化を同時に行うことができる。但し、この場合、不純物ガスの単分子膜層吸着速度、言い換えれば気相における不純物ガスの拡散がドーピングの律速段階となり、実用上十分な生産性を確保することができない。
【０００６】
このため、上記のレーザドーピング法に変えて、不純物を含む薄膜をウエハ上に予め形成し、この薄膜をレーザで溶融して不純物をウエハ内に拡散させる、固相拡散方法が、より実用的である。
【０００７】
ところで、レーザドーピング法の場合、必要に応じて不純物を注入した後にレーザアニーリングを引き続き行うときには、僅かな時間ではあるがプロセス温度が１０００℃近くに上がることを避けることはできない。
【０００８】
上記の不具合を改善する方法として、不純物ガスのプラズマ雰囲気中にレーザを照射する方法が提案されている。これにより、ウエハ表面に吸着した不純物だけでなくプラズマ中の不純物イオンまでがウエハ中に取り込まれるため、より短い時間でドーピングを行うことができ、熱的影響を回避することができるとされている（特許文献１参照。）。
【０００９】
【特許文献１】
特開平６−２３２０６８号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来のレーザドーピング法については、実用的な処理速度を実現するために不純物を含む薄膜をウエハの表面に形成する方法の場合、処理がその分煩雑となる。また、この場合、ドーピング機構がウエハの表面に形成した薄膜中に含ませた不純物をウエハに形成した溶解部分（液相）に拡散させる方式であるため、拡散量の制御を自由に行うことができず、また、レーザのエネルギの一部が薄膜に吸収される等の理由により不純物の注入制御が必ずしも容易ではなく、制御の応答性や自由度に欠けるきらいがある。一方、不純物ガスのプラズマ雰囲気中にレーザを照射する方法の場合、ドーピング時間が必ずしも十分に短い時間ではなく、また、基本的には気相の拡散で注入されるため、不純物の注入制御が必ずしも容易ではないものと考えられる。
【００１１】
ところで、半導体デバイスに対する、小型化、微細化の要求は尽きることがなく、この要求に応えるためには、ドーピングして形成するウエハ表面の不純物注入層の深さを極力浅くすること、すなわち、ｐｎ接合深さを浅く形成する（ｓｈａｌｌｏｗ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）ことが必要であり、不純物注入層の深さを浅く形成することが難しいイオン注入によるドーピング法やプラズマドーピング法は、この意味において必ずしも適当ではない。また、レーザドーピング法についても、必ずしも満足のいくものではなく、さらに、レーザドーピング法の場合、前記したように必要に応じて不純物を注入した後にレーザアニーリングを引き続き行うときには、プロセス温度が１０００℃近くに上がるため、たかだか１０ｓｅｃ程度の加熱でも不純物の拡散がウエハの深部にまで達してしまうおそれがある。
【００１２】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、大きなドーピング速度で、深さの浅い、また、格子欠陥の発生が少ない不純物注入層を制御性良く形成することができるドーピング方法およびその装置を提供することを目的とする。
【００１３】
また、本発明は、必要に応じて行うときのアニーリング処理を簡易に施すことができるドーピング方法およびその装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るドーピング方法は、不純物のイオンを含むプラズマ中に該不純物が注入される材料を配置し、該材料の該不純物を注入する部位にレーザを照射するとともに、該材料に負のバイアス電圧を印加して該不純物を該材料に注入することを特徴とする。
【００１５】
ここで、半導体技術の場合においてドーパントと称される上記の不純物は、この不純物を構成する元素を含む前駆体物質が、熱分解あるいは光分解によって生成されることは、前記のように周知である。本発明では、プラズマ中の不純物のイオンは、プラズマによって生成されるものが大半であるが、レーザによる光分解よって生成されるものも含んでよい。
【００１６】
これにより、不純物の気相中の移動が、主に、バイアス電位が印加された材料へのイオンの吸引作用によって行われるため、前記したように気相拡散が律速段階となるレーザドーピング法に比べて、大きなドーピング速度を実現することができる。また、前記したように不純物を含む薄膜をあらかじめ材料上に形成しておくレーザドーピング法のような煩雑さや制御の難しさがない。
【００１７】
また、レーザにより溶解した材料の表層部分に不純物の注入を行い、かつ、このとき、バイアス電位を適正な低い値に制御することにより、不純物のイオンが材料に衝突するエネルギを低くすることで、プラズマドーピング法に比べて、深さの浅い、また、格子欠陥の発生が少ない不純物注入層を形成することができる。
【００１８】
また、プラズマおよびバイアス電圧の制御と、レーザの制御とを相互に独立して行うことができ、自由度の高い制御性を以って不純物注入層を所望の条件に形成することができる。
【００１９】
この場合、前記バイアス電圧の絶対値が１００Ｖ以下であると、材料に不純物イオンが衝突したときにスパッタ現象の発生を回避することができ、格子欠陥の発生がより少ない不純物注入層を形成することができる。また、不純物イオンがレーザにより溶解した部分よりさらに深部の材料の固相部分まで拡散して不純物注入層の深さが深くなることを回避することができる。
【００２０】
また、この場合、前記レーザとしてパルスレーザを用い、該パルスレーザおよび前記バイアス電圧を同期させると、イオンの衝突による材料の温度の上昇を緩和することができ、より低温のプロセスで不純物注入層を形成することができる。
【００２１】
また、この場合、前記不純物を前記材料にドーピングした後、前記バイアス電圧の電圧源を停止し、レーザ照射を引き続き行うと、簡易な操作でアニーリングを行うことができる。このとき、さらにプラズマを停止すると、より好適である。
【００２２】
また、この場合、前記レーザが、紫外線領域の短波長レーザであると、レーザのエネルギが効率的に材料に吸収され、これにより、溶解部分の深さを好適に浅く制御することができる。
【００２３】
また、この場合、前記材料が半導体デバイス材料であると、浅い接合（ｓｈａｌｌｏｗ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を好適に形成することができる。
【００２４】
また、上記のドーピング方法を好適に実現するために、本発明に係るドーピング装置は、処理室と、該処理室内に設けられ、材料が配置されるとともに、該材料に負バイアス電圧を印加するバイアス電圧印加部と、該処理室にプラズマを供給するプラズマ源と、該処理室にレーザを供給するレーザ源と、該処理室に該材料に注入される不純物の前駆体ガスを供給するガス源とを備えてなることを特徴とする。
【００２５】
また、この場合、前記バイアス電圧印加部は、前記材料に１００Ｖ以下の負バイアス電圧を印加するように構成されてなることを特徴とする。
【００２６】
また、この場合、前記レーザ源がパルスレーザ源であり、該パルスレーザ源および前記バイアス電圧印加部が同期されるように構成されてなることを特徴とする。
【００２７】
また、この場合、前記レーザ源は、光源および石英レンズを含む集光光学系を有し、前記処理室は、前記レーザが投入される石英ウインドウを有し、該石英ウインドウがレンズ状に形成されて該石英レンズを兼ねていると、部品点数が少なくて済む。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明に係るドーピング方法およびその装置の好適な実施の形態（以下、本実施の形態例という。）について、図を参照して、以下に説明する。
【００２９】
まず、本実施の形態例に係るドーピング装置について、図１を参照して説明する。
【００３０】
本実施の形態例に係るドーピング装置１０は、処理室１２と、ガス供給系１４と、ＲＦプラズマ源１６と、パルスレーザ源１８とを有する。
【００３１】
処理室１２は、天井にレンズ状に形成された石英ウインドウ２０を有する。この石英ウインドウ２０の役割に付いては、後述する。処理室１２には、ドーピング対象の材料である基板Ｗが電極２２に保持された状態で配置される。電極２２は、ＤＣバイアス電源２４によって数十〜数百Ｖ程度の低い負電圧が印加される。この電極２２およびＤＣバイアス電源２４はバイアス電圧印加部を構成する。また、電極２２は、基板Ｗを保持した状態で駆動部２６に付勢されて基板Ｗの向きを三次元的に移動できるように構成される。また、処理室１２には、排気調整を行なうための排気系２８が接続される。
【００３２】
ガス供給系１４は、キャリアガスおよびドーパントの前駆体ガスを処理室に供給する。キャリアガスは、例えばＡｒ（アルゴン）を用いる。一方、目的に応じてドーパントの種類が適宜選択され、ドーパントの種類に応じて前駆体ガスが適宜選択される。例えば、Ｐ型ドーパントとしてボロン（以下、Ｂと表記する。）を用いる場合、前駆体ガスとしてＢ_２Ｈ_６が使用される。また、例えば、Ｎ型ドーパントとしてりん（Ｐ）を用いる場合、前駆体ガスとしてＰＨ_３が使用される。
【００３３】
ＲＦプラズマ源１６は、ＲＦ電源１６ａと誘導コイル１６ｂを有し、誘導コイル１６ｂと接地された処理室１２との間にＡｒのプラズマを生成する。
【００３４】
パルスレーザ源１８は、光源３０と、集光光学系を有する。光源３０は、好適には、紫外線領域の短波長パルスレーザを生成する。このようなレーザとしては、例えば、波長が２００〜３００ｎｍのエキシマレーザがある。集光光学系として、ミラー３２と石英レンズを有する。但し、本装置では、処理室１２の石英ウインドウ２０がレーザを処理室１２に透過、導入させるための窓と石英レンズの役割を兼ねており、これにより部品点数が削減される。ミラー３２の角度を変えることにより、基板Ｗに対するレーザの照射位置を変えることができる。
【００３５】
上記のように構成したドーピング装置１０を用いた本実施の形態例に係るドーピング方法について、ウエハにＢの注入層を形成する場合を例にとって説明する。
【００３６】
ＲＦプラズマ源１６により、例えば数ｍＴｏｒｒの圧力に保持した処理室１２内にＡｒプラズマを形成する。このＡｒプラズマ中にＢ_２Ｈ_６ガスを導入すると、電子やイオンとの衝突でＢイオンが生成される。
【００３７】
そして、Ｂイオンを含むプラズマの存在下、レーザ受光方向に姿勢を向けた基板のＷの注入層形成箇所に例えばパルス幅が数ｎｓ（ナノ秒）のパルスレーザを照射する。このとき、好ましくは、図示しない同期手段により、レーザ照射と同期して基板Ｗに負のバイアス電圧をパルス状に印加する。
【００３８】
これにより、パルスレーザ照射の１ショットごとに基板Ｗの表層部分が溶解され、溶解部が形成される。そして、負のバイアス電圧がレーザのパルスと同期してパルス状に印加された基板ＷにＢイオンが吸引され、溶解部に注入される。このとき、先のショットによる熱エネルギは次のショットまでに拡散消失してしまうため、各パルスは常に基板Ｗの表面のみに照射されることになる。また、パルスレーザのショットにバイアス電圧の印加が同期されているため、バイアス電圧を常時印加する場合に比べて基板Ｗの温度上昇が緩和され、低いプロセス温度で処理することができる。レーザ照射を例えば数〜数千ショット行うことにより、ショット数に応じて注入されるドーパントの密度が増える。
【００３９】
このとき、基板には深さの浅い溶解部が形成される。また、負のバイアス電圧を好ましくは１００Ｖ以下とすることにより、処理室内における基板表面へのＢイオンの移動が速い速度で行われるとともに、プラズマドーピング法のような高い負のバイアス電圧を基板に印加していないため、Ｂイオンの基板Ｗへの衝突エネルギが過大ではなく、基板Ｗの損傷が小さい。また、前記したパルスレーザの作用により、基板Ｗに注入されたＢイオンは、深さの浅い溶解部に均一に拡散し、その下の固相にまで拡散することはない。すなわち、基板Ｗの表層と深部との間に急峻なドーパントの密度分布を形成することができる。
【００４０】
この場合、レーザのパルス幅や繰り返し周波数を適宜変えることによって照射エネルギを変えると、注入層の深さを容易に制御することができて好適である。また、注入層の深さを深くするためには、波長がエキシマレーザより長い全固体レーザを用いると好適である。
【００４１】
また、Ｂイオンを基板Ｗの溶解部に注入した後、バイアス電圧を停止し、レーザの波長を長波長に変えて低エネルギ密度の照射を行うと、注入層を容易にアニーリングすることができる。このとき、レーザの波長を変える代わりに光学系で焦点をぼかす方法を用いてもよい。あるいは、レーザ出力を小さくすることにより、Ｂイオンの注入とアニーリングを同時に行うことができる。なお、バイアス電圧とともにプラズマ源および前駆体ガスの導入も停止すると、無用であり、かつ、アニーリングを阻害するおそれもあるイオン注入を、より確実に回避することができて好適である。
【００４２】
また、レーザの照射と基板Ｗへの負電圧の印加とは、必要に応じて相互に独立して制御することができるため、所望の条件に自在に処理することができる。
【００４３】
また、バイアス電圧印加部に電界に直交する磁界を印加する磁石をさらに設けてマグネトロン型とすると、ドーピング速度をより大きくすることができる。
【００４４】
なお、本実施の形態例に係るドーピング方法において、パルスレーザを用いることなく、ＣＷレーザを用いて照射時間を制御する方法を排除するものではない。
【００４５】
本実施の形態例に係るドーピング方法およびその装置を用いて、基板にソースードレイン領域（エクステンション）およびコンタクト領域を形成する例について、図２および図３を参照して概略説明する。
【００４６】
まず、基板４０にＳｉＯ_２層４２を形成した後、ＳｉＯ_２層４２にポリシリコンをパターニングしてポリシリコンゲート４４を形成する（図２（ａ））。
【００４７】
ついで、本実施の形態例に係るドーピング方法およびその装置を用いて、ＳｉＯ_２層４２を介して基板４０の表面にＢ等のイオンを注入して、イオン拡散領域４６を形成する（図２（ｂ））。これにより、イオン拡散領域４６を所望の浅い深さに形成することができる。なお、このとき、通常のフォトリソグラフィによりレジストパターンを作製し、ＴａあるいはＷをスパッタ等の方法で成膜し、レジストを除去してＴａあるいはＷのマスクを形成した後、イオン注入を行う。
【００４８】
ついで、ＣＶＤ法により、ポリシリコンゲート４４およびその周辺領域にＳｉＯ_２層４８を形成する（図２（ｃ））。
【００４９】
ついで、ＳｉＯ_２層４８をエッチバックして、ポリシリコンゲート４４の側壁にスペーサ部４８ａのみ残してＳｉＯ_２層４８を除去する（図２（ｄ））。
【００５０】
ついで、イオン拡散領域４６のうち、ポリシリコンゲート４４に近接する部位４６ａ、４６ｂを残してその両側にさらに再度、本実施の形態例に係るドーピング方法およびその装置を用いてＢ等のイオンを注入して、深さの深いコンタクト領域４６ｃ、４６ｄを部位４６ａ、４６ｂに接合して形成する。そして、さらに、スパッタ法により、Ｔｉ膜５０を形成する（図２（ｅ））。
【００５１】
ついで、ポリシリコンゲート４４の表層部分およびコンタクト領域４６ｃ、４６ｄの表層部分をシリサイド化して、ＴｉＳｉ_２部５２ａ〜５２ｃを形成する（図３（ａ））。このＴｉＳｉ_２部５２ａ〜５２ｃは、外部Ａｌ電極とのオーミック接触をとる部分である。
【００５２】
最後に、Ｔｉ膜５０をウエット法により除去して、部位４６ａ、４６ｂをソースおよびドレインとする半導体トランジスタ５４が完成する（図３（ｂ））。半導体トランジスタ５４は、浅い接合が形成されており、素子の小型化、細密化が実現される。
【００５３】
なお、本実施の形態例に係るドーピング方法およびその装置は、上記のような半導体デバイスの注入層を形成する場合のみでなく、金属等の料に不純物を注入して材料の改質を行う場合にも好適に適用することができる。また、本実施の形態例に係るドーピング装置において、石英ウインドウを平板とし、レンズを含む集光光学系を処理室の外に設けてもよい。
【００５４】
【発明の効果】
本発明に係るドーピング方法によれば、不純物のイオンを含むプラズマ中に不純物が注入される材料を配置し、材料の不純物を注入する部位にレーザを照射するとともに、材料に負のバイアス電圧を印加して不純物を材料に注入するため、大きなドーピング速度を実現することができ、また、レーザドーピング法のような煩雑さや制御の難しさがなく、また、深さの浅い、また、格子欠陥の発生が少ない不純物注入層を自由度の高い制御性を以って不純物注入層を所望の条件に形成することができる。
【００５５】
また、本発明に係るドーピング方法によれば、バイアス電圧の絶対値が１００Ｖ以下であるため、格子欠陥の発生がより少ない不純物注入層を形成することができ、また、不純物注入層の深さが深くなることを回避することができる。
【００５６】
また、本発明に係るドーピング方法によれば、レーザとしてパルスレーザを用い、パルスレーザおよびバイアス電圧を同期させるため、より低温のプロセスで不純物注入層を形成することができる。
【００５７】
また、本発明に係るドーピング方法によれば、不純物を前記材料に注入した後、バイアス電圧の電圧源を停止し、レーザ照射を引き続き行うため、簡易な操作でアニーリングを行うことができる。
【００５８】
また、本発明に係るドーピング方法によれば、レーザが、紫外線領域の短波長レーザであるため、レーザのエネルギが効率的に材料に吸収され、また、溶解部分の深さを好適に浅く制御することができる。
【００５９】
また、本発明に係るドーピング方法によれば、材料が半導体デバイス材料であるため、浅い接合を好適に形成することができる。
【００６０】
また、本発明に係るドーピング装置によれば、処理室と、処理室内に設けられ、材料が配置されるとともに、材料に負バイアス電圧を印加するバイアス電圧印加部と、処理室にプラズマを供給するプラズマ源と、処理室にレーザを供給するレーザ源と、処理室に該材料に注入される不純物の前駆体ガスを供給するガス源とを備えてなるため、上記した本発明に係るドーピング方法の効果を好適に発揮することができる。
【００６１】
また、本発明に係るドーピング装置によれば、レーザ源は、光源および石英レンズを含む集光光学系を有し、処理室は、レーザが投入される石英ウインドウを有し、石英ウインドウがレンズ状に形成されて石英レンズを兼ねているため、部品点数が少なくて済む。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態例に係るドーピング装置の概略構成を示す図である。
【図２】本実施の形態例に係るドーピング方法を適用して半導体トランジスタを形成する工程を説明するためのものであり、（ａ）のＳｉＯ_２層にポリシリコンゲートを形成する工程から、（ｂ）の本実施の形態例に係るドーピング方法によるイオン拡散領域を形成する工程を経て、（ｅ）のＴｉ膜を形成する工程までを示す。
【図３】本実施の形態例に係るドーピング方法を適用して半導体トランジスタを形成する工程を説明するためのものであり、（ａ）のＴｉＳｉ_２部を形成する工程から（ｂ）の半導体トランジスタ５４が完成する工程までを示す。
【符号の説明】
Ｗ 基板
１０ ドーピング装置
１２ 処理室
１４ 供給系
１６ ＲＦプラズマ源
１６ａ ＲＦ電源
１６ｂ 誘導コイル
１８ パルスレーザ源
２０ 石英ウインドウ
２２ 電極
２４ ＤＣバイアス電源
３０ 光源
３２ ミラー
４０，Ｗ 基板
４２，４８ ＳｉＯ_２層
４４ ポリシリコンゲート
４６ イオン拡散領域
４６ａ、４６ｂ 部位
４６ｃ、４６ｄ コンタクト領域
４８ａ スペーサ部
５０ Ｔｉ膜
５２ａ〜５２ｃ ＴｉＳｉ_２部
５４ 半導体トランジスタ

Claims (10)

1. 不純物のイオンを含むプラズマ中に該不純物が注入される材料を配置し、該材料の該不純物を注入する部位にレーザを照射するとともに、該材料に負のバイアス電圧を印加して該不純物を該材料に注入することを特徴とするドーピング方法。
2. 前記バイアス電圧の絶対値が１００Ｖ以下であることを特徴とする請求項１記載のドーピング方法。
3. 前記レーザとしてパルスレーザを用い、該パルスレーザおよび前記バイアス電圧を同期させることを特徴とする請求項２記載のドーピング方法。
4. 前記不純物を前記材料に注入した後、前記バイアス電圧の電圧源を停止し、レーザ照射を引き続き行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のドーピング方法。
5. 前記レーザが、紫外線領域の短波長レーザであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のドーピング方法。
6. 前記材料が半導体デバイス材料であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のドーピング方法。
7. 処理室と、該処理室内に設けられ、材料が配置されるとともに、該材料に負バイアス電圧を印加するバイアス電圧印加部と、該処理室にプラズマを供給するプラズマ源と、該処理室にレーザを供給するレーザ源と、該処理室に該材料に注入される不純物の前駆体ガスを供給するガス源とを備えてなるドーピング装置。
8. 前記バイアス電圧印加部は、前記材料に１００Ｖ以下の負バイアス電圧を印加するように構成されてなることを特徴とする請求項７記載のドーピング装置。
9. 前記レーザ源がパルスレーザ源であり、該パルスレーザ源および前記バイアス電圧印加部が同期されるように構成されてなることを特徴とする請求項７または８に記載のドーピング装置。
10. 前記レーザ源が光源および石英レンズを含む集光光学系を有し、
    前記処理室は、前記レーザが投入される石英ウインドウを有し、
    該石英ウインドウがレンズ状に形成されて該石英レンズを兼ねていることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載のドーピング装置。

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