JP2008546178A - 光吸収層の低温プラズマ堆積と高速光学アニーリングを含む半導体接合部形成プロセス - Google Patents

Abstract

ワークピースの半導体材料内に半導体接合部を形成する方法は、半導体材料の選択された領域内にドーパント不純物をイオン注入するステップと、ワークピースを含有したチャンバ内に光吸収体材料前駆物質ガスを導入するステップと、ＲＦソース電流を印加することで、ワークピースの上にあるプロセスゾーンを含む再入経路内にＲＦ発振トロイダルプラズマ電流を生成して、ワークピース上に光吸収体材料の層を堆積させるステップと、ワークピースを任意でアニーリングして、半導体材料内でドーパント不純物を活性化するステップとを備える。
【選択図】 図９

Description

発明の背景

[01]結晶半導体ウェーハ上に形成した高速集積回路は、ソース領域とドレイン領域内に注入したイオン注入ドーパント不純物により形成された極浅の半導体接合を有する。注入したドーパント不純物が高温アニーリングステップによって活性化されることで、注入した原子の大きな割合が結晶半導体格子内で代替物となる。こうしたイオン注入後のアニーリングステップは、ウェーハ容量全体を短時間だけ非常に高温に加熱する（例えば、約１００〜２００℃／秒の上昇率や、５０〜１００℃／秒の初期効果率）強力な照明を採用した急速加熱プロセス（ＲＴＰ）によって行われる。注入した接合部の画成を、半導体ウェーハの注入場所から熱誘導されたドーパント不純物の拡散によって劣化させないために、加熱期間を短くする必要がある。このＲＴＰアプローチは、炉内でウェーハを長期間加熱する旧式のイオン注入後アニール技術にかけての大きな向上である。照明を使用するＲＴＰは、加熱器反応時間が非常に遅い炉アニーリングステップと比べて、熱源（照明フィラメント）の時間反応が短いため効率的である。ＲＴＰ方法の高温かつ短時間の加熱は、注入した不純物の活性化を援助すると同時に、熱による拡散の誘導を最小化する。

[02]向上したアニールは、ウェーハ全体の表面（のみ）を非常に短い時間（例えば数ミリ秒間）だけ非常に高い温度にまで加熱する強力なフラッシュランプを採用したフラッシュランプアニールプロセスによって行う。注入した接合部の画成を、半導体ウェーハの注入場所から熱誘導されたドーパント不純物の拡散によって劣化させないために、加熱期間を短くする必要がある。このフラッシュアプローチは、水の大部分が熱シンクとして機能し、熱いウェーハ表面を急速に冷却することから、ＲＴＰアプローチを改良したものということになる。水の全量をほぼ同じアニール温度に加熱するＲＴＰアニーリングと異なり、フラッシュランプを使用した高速アニールでは熱がウェーハの表面に閉じ込められるためより効率的である。このフラッシュ方法の高温での短期間によって、熱誘導される拡散が最小化する。しかし、ウェーハ全体にかけて均一な熱を達成することは難しい。ウェーハ内における熱の非均一性が大きくなると大量の機械応力が作成され、その結果ウェーハが破壊され、フラッシュランプを使用するアニールの場合には最高動作温度が約１１５０度に規制されてしまう。フラッシュランプアニーリングの表面温度は、１枚のウェーハから次のウェーハ繰り返し可能な方途で制御することが難しいフラッシュランプの強度とパルス期間によって決定される。

[03]ＲＴＰに伴う１つの問題は、装置サイズが６５ナノメートル（ｎｍ）以下に減少すると、ＲＴＰまたはフラッシュ加熱期間が短いにもかかわらず、ＲＴＰまたはフラッシュ加熱により生じた最小の熱拡散が装置サイズに対して著しく大きくなってしまうことである。これ以外にも、注入したドーパント不純物の活性度がＲＴＰまたはフラッシュプロセスの最大温度によって規制されるという問題もある。ＲＴＰプロセスによってウェーハの全容量を、最大温度を超える温度（例えば１１００℃）で加熱すると、極端な場合ウェーハ内に格子欠陥とウェーハ破壊を生じる機械応力が作成される。ウェーハ温度を最大レベルに規制することは（例えば１１００℃）、このような破壊を防げるが、残念なことに、注入された（ドーパント）原子の活性化する比率が規制されてしまう（即ち、半導体結晶格子内で置換する）。ドーパントの活性化を規制することで、シート伝導性と装置速度が規制される。装置サイズが６５ｎｍ未満（例えば４５ｎｍ）に減少すると、この問題はさらに重大となる。

[04]ドーパントの活性化レベルを、ＲＴＰまたはフラッシュアニーリングで達成できるレベルよりも高く上昇させるために、レーザアニーリングがＲＴＰの代わりに導入された。これまで使用されてきたレーザの１つのタイプに、１０．６ミクロンの放出波長を有するＣＯ_２レーザがある。このレーザは、ウェーハ表面全体にかけてラスタ走査されるべき狭い結晶ビームを生産する。ビームをウェーハ表面に対して鋭角に保持することにより、１０．６ミクロンにおける表面反射性を減少させる。ＣＯ_２レーザ波長はシリコンのバンドギャップよりも小さい光子エネルギーと対応するため、シリコンを事前に加熱して、伝導帯に自由キャリアが存在するようし、これにより、自由キャリア吸収を介した１０．６ミクロン光子の吸収が促進されるようにする必要がある。基本的な問題は、１０．６ミクロンにおける吸収が、ドーパント不純物（これはとりわけ局所的な自由キャリア濃度を決定する）によって影響を受けるためにパターン依存型であり、ウェーハ表面が均一に加熱されないことである。また、ウェーハ上の伝導特徴または金属特徴は１０．６ミクロンのレーザ波長において高度の反射性を有するため、伝導性薄膜特徴が存在する場合にはこのプロセスが有効でなくなる可能性がある。

[05]注入後アニールステップは、短い波長パルスレーザ（短い波長はシリコンのバンドギャップよりも大きな光子エネルギーに対応する）を用いて実行されてきた。表面加熱は非常に急速で浅い一方で、こうしたパルスレーザは半導体結晶を融点にまで上昇させるため、加熱対象を、このアプローチの有効性を低下させてしまう極度に浅い深さのみに限定する必要がある。典型的には、加熱する領域の深さは、極浅接合部の深さを超えない（約２００オングストローム）深さである。

[06]前述した問題は、複数の平行ビームがウェーハ直径または半径とほぼ同じ長さを有する狭ライン（例えば幅約３００ミクロン）に沿って集束されるダイオードレーザのアレイを採用することで解決されてきた。このダイオードレーザの波長は約８１０ｎｍである。この波長は、半導体結晶（シリコン）のバンドギャップエネルギーよりも大きな光子エネルギーに対応しているため、レーザエネルギーが原子価と伝導帯の間の電子を励起させ、これにより、吸収されたエネルギーが格子に解放されて格子温度が上昇する。狭レーザビームラインがウェーハ表面全体にかけて横方向に（例えば約３００ｍｍ／秒の速度で）走査されることで、ウェーハ表面上のエンドポイントが非常に短い時間だけ（例えば約１ミリ秒）露光される。このタイプのアニーリングは、Ｄｅａｎ Ｃ．Ｊｅｎｎｉｎｇｓらによる米国特許公報ＵＳ２００３／０１９６９９６Ａ１（２００３年１０月２３日）に開示されている。幅広く薄いビームラインを用いれば、シングルレーザスポットの鉛筆状のビームを用いた場合よりも遥かに急速にウェーハを走査できるため、生産性が、ＲＴＰのものに近づくほどに大幅に高まる。しかし、ＲＴＰとは異なり、ウェーハ表面の小さな部分しか加熱できないため、ウェーハの残りの（殆どの）部分において応力が解放され、ピーク温度が最大ＲＴＰ温度を超えて（例えば約１２５０〜１３００℃にまで）上昇してしまう。さらに、レーザ走査アニール中にウェーハの全容量を事前に加熱して、アニーリング特徴を向上させることもできる。最大事前加熱温度は技術ノード、プロセス条件、半導体材料との適合性などによって決定される。この結果、ドーパントの活性は遥かに高いため、シート抵抗性は低く、装置速度は高い。ウェーハ表面の各領域は、約５０マイクロ秒で約１２５０〜１３００℃の温度範囲に達する。この領域の深さは約１０〜２０ミクロンである。これは、約２００オングストロームの極浅半導体接合部の深さよりもずっと下へ延びている。

[07]ウェーハ表面は、注入した（ドーパント）原子の所望の活性化度を達成するために、最低温度よりも高い温度に加熱する（例えば１２５０℃）必要がある。上昇した温度は、これ以外にも、伝導性や漏出といった接合部の電気特徴を向上させるべく、先行する任意の注入または加熱ステップによって生じた格子の損傷および欠陥をアニール処理するために必要とされる。半導体結晶（例えば結晶または多結晶シリコン）の溶融温度を防止するために、ウェーハ表面を最高温度未満（例えば１３５０℃）に保なければならない。ウェーハ表面全体をこの所望の温度範囲内で均一に加熱するためには、ウェーハ表面の光吸収がウェーハにかけて均一でなければならず、また、レーザビームラインをウェーハにかけて操作しながら、（精密な温度制御を可能にするために）ウェーハ表面の照射部分の表面温度を正確に監視しなければならない。これは、ウェーハ表面の加熱部分による光の放出（通例、レーザ光源とは波長が異なる）を測定することで遂行され、この測定は均一的に正確でなければならない。本明細書で採用している用語「光」は、例えば赤外線、可視、紫外線である光源（例えばレーザ）から放出された、あるいは加熱したウェーハ表面から放出された任意の波長の光または電磁放射を意味する。

[08]問題は、ウェーハ表面上に形成された下の薄膜構造が呈する異なる光吸収特徴と異なる光放射率が、ウェーハ表面上の異なる場所ごとに異なってしまう点である。これにより、ウェーハ表面にかけて均一なアニール温度を得るステップと、ウェーハ表面にかけて均一的に正確な温度測定を得ることが不可能でない場合でも、困難になる。この問題は、レーザ放射を均一的に吸収し、下の半導体ウェーハへ熱を伝導させることができる光吸収層を、ウェーハ表面全体の上にかけて均一に堆積させることで解決できる。このような膜は、レーザアニールステップ中に、損傷または分離することなく、加熱の応力に耐えられなければならず、また、下の層に関連したレーザアニールステップ終了後に選択的に除去することが可能でなければならず、さらに、下の半導体ウェーハあるいは薄膜特徴を汚染もしくは損傷することがあってはならない。さらに、吸収体膜は、下の薄膜特徴の上に優れた段状被覆（高度の正角性）を達成できなければならない。こうした膜の１つの利点に、膜における側方への熱伝導によって光ビーム内の不均一性を覆い隠せることがある。このアプローチが試みられたが、問題に悩まされた。１タイプの吸収体層は、抗反射コーティングを形成する交互の金属層および誘電層とからなっている。このタイプの吸収体材料における異なる層は、レーザビームの強力な熱の下で溶解して一体化し、次のレーザアニールステップでの除去が困難となったり、下の層を金属で汚染させてしまう傾向にある。

[09]本発明で使用したより優れたアプローチでは、プラズマ拡張させた化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ）によって堆積できる吸収体層を採用している。２００３年１０月３日にＬｕｃ Ｖａｎ Ａｕｔｒｙｖｅらに出願され、特許譲受人に譲渡された米国特許出願番号１０／６７９，１８９号、「ＤＳＡプロセスのための吸収体層（Ａｂｓｏｒｂｅｒ Ｌａｙｅｒ ｆｏｒ ＤＳＡ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）」で開示されているように、ＰＥＣＶＤ堆積させる吸収体層はアモルファスカーボンであってもよい。アモルファスカーボンの１つの利点は、プラズマプロセスにおいて、またはラジカルを採用した下流酸化プロセスにおいて、４００℃未満のウェーハ温度で酸化によって、容易かつ（他の材料の下の層に関連して）選択的に除去できることである。別の利点は、一般的にカーボンが半導体プラズマプロセスと適合でき、そのため、過剰な注入ガスが発生しない限り汚染が関与することがないことである。問題は、堆積させた層が、非常に高い温度（例えば５５０℃）で堆積されたのでない限り、レーザアニールステップの高温下ではひび割れや剥離に弱いことである。（こうした堆積層の、高温または高い温度傾度への反応によるひび割れ、剥離、下の層からの分離の傾向、あるいはこれらに対する抵抗のことを、本明細書中では一般的に堆積層の熱特性または熱機械特性と呼んでいる。）さらに、このＰＥＣＶＤ堆積プロセスに伴う熱的負担（budget）（時間および温度）により、ドーパントが後続のレーザアニールステップで溶解し難い、具体的には６５ｎｍ未満の特徴サイズの（例えば特徴サイズ約４５ｎｍの）クラスタを形成した。この問題を、吸収体層材料のＰＥＣＶＤ堆積中にウェーハ温度を低下させる（例えば４００℃に）ことにより解決しようとして２つの問題が生じた。第１の問題は、堆積層の熱特性が、レーザアニーリングステップ中に（ひび割れ、剥離、ウェーハからの分離による）失敗するものであることである。第２の問題は、生産した堆積層が透明であるか、または不十分な光吸収を有するものであることである。これ以外にも、この吸収体層が遭遇する問題として段状被覆に劣ることが挙げられる。ＰＥＣＶＤ５５０℃吸収体層が、下の層または薄膜構造内の前述した段の付近に、６５ｎｍ未満の大きさの非常に大きな空隙を有することができると認めた。

[10]本発明者らは、吸収体層の（例えば剥離やひび割れによる）失敗は、レーザアニールステップ中における１３００℃までの急速な加熱の応力に耐えられる（下の層と堆積した材料との）高品質な化学接着の欠如から生じると感じる。また、堆積層の熱特性を向上させるには、こうした高品質の接着を低いウェーハ温度にて達成するためには、ＰＥＣＶプロセス中に高いイオンエネルギーが必要であると感じる。こうした高いイオンエネルギーは、従来のＰＥＣＶＤリアクタでは容易に得られるものではない。吸収体層またはアモルファスカーボン層による低品質の段状被覆は、従来のＰＥＣＶＤまたはＨＤＰＣＶＤリアクタが、適度なレベルのエネルギーイオン衝撃を設けた中間範囲のイオン化（イオン／ラジカル比）を提供できないために生じるものと感じる。これらの不適切性は、一部に、こうした従来のＰＥＣＶＤおよびＨＤＰＣＶＤリアクタがソース電力結合（プラズマ電極を生成するためのもの）、チャンバ圧力、ウェーハ電圧の幅広い中間範囲内において動作できないために生じる。無論、これとは異なるタイプの従来のＰＥＣＶＤリアクタおよびＨＤＰＣＶＤリアクタは、（プラズマ電子を生成するために）非常に高いまたは非常に低い範囲のいずれかのソース電力結合、チャンバ圧力、ウェーハ電圧にて動作する傾向にある。従来のＰＥＣＶＤリアクタは、比較的高圧な静電結合ＲＦソース電力を採用しているため、不適切なレベルのエネルギーイオン衝撃を用いた（さらに、電圧またはエネルギーを別々に制御しない）非常に低い範囲のイオン化（イオン／ラジカル比）を得る結果となる。これは、不十分なソース電力結合（プラズマ電子を生成するためのもの）と、高圧における中性点との衝突によるイオンエネルギーの減衰が原因である。ウェーハのＲＦバイアスを別に追加したとしても、高圧における中性点との衝突によるイオンエネルギーの減衰によって、電圧およびエネルギー範囲が低い範囲に限定されてしまう。反対に、従来のＨＤＰＣＶＤリアクタは、典型的に誘導結合型ＲＦソース電力を、非常に低圧において採用している。典型的に、このタイプのプラズマソースはプラズマ静電性を開始し、その後、誘導結合型電力モードへ移行するべく高い電力閾値を有するようになる。結合電力がこの閾値を超え、ソースが誘導モードで動作するようになると、ソース電力結合は非常に効率的になり、プラズマ密度は可能な限り最小となり、イオン化（イオン／ラジカル比）の範囲は非常に高くなる。別のＲＦウェーハバイアスが比較的高密度なプラズマに結合することで、非常に低い電気インピーダンス負荷を呈するようになる。この結果、エネルギーイオン衝突を生産するために必要なＲＦバイアス電力が非常に高くなる（＞２ｋＶの場合で＞＞１０ｋＷ）。一般的には、実際のＲＦ送出システム規制（ＲＦ生成器、マッチングネットワーク、供給構造）により、高いエネルギーを得ることはできない。殆ど（例えば〜８０％）のバイアス電力はウェーハ上で熱として消散される。低いウェーハ温度（＜４００℃、またはこれ以下）を維持するために、低圧および適度な速度にて熱を除去することは非常に困難である。最後に、吸収膜または半導体膜を（ＲＦ窓または絶縁体上に）堆積させる際のカーボンの化学的性質と共に使用する場合には、容量結合型ＰＥＣＶＤリアクタと誘導結合型ＨＤＰＣＶＤリアクタは電力結合ドリフト（オン時間）イシューを有する。幅広い中間範囲のソース電力結合およびレベル、ウェーハ電力、チャンバ圧力において動作できる能力により、どのような場合でも幅広い中間範囲内でのイオン化比率と、適度レベルのエネルギーイオン衝突とを提供できるリアクタが必要である（これは、以降で詳述するトロイダルプラズマＣＶＤリアクタとプロセスによって解決される）。吸収膜または半導体膜を堆積させる際のカーボンの化学的性質と共に使用する場合、トロイダルプラズマＣＶＤリアクタは電力結合ドリフトを見せない。これは、トロイダルプラズマＣＶＤリアクタが既に伝導的（金属）であり、非常に薄い膜と、隔離された直流電流の破壊とを有することが原因であるが、これでは多量の堆積物が蓄積せず、堆積物はその場で容易にプラズマ洗浄されてしまう。

[11]従来のＰＥＣＶＤリアクタの１つのタイプは、ＲＦプラズマソース電力が印加される接近して離間した１対の平行板電極を有する容量結合型プラズマリアクタである。このような容量結合型リアクタは、典型的には高いチャンバ圧力（２〜１０トール）で動作する。この高圧と、（電極半径に対して）接近した間隔は、ウェーハ上への堆積速度を最大化し、プロセス領域外部への堆積を最小化するために採用されている。プラズマソース電力は、バルクプラズマ内の両電子と、プラズマシース内のイオンとに結合する。典型的に、電極にかかる電圧は比較的低く（３００ｍｍのウェーハの場合、数ｋＷのソース電力にて１ＫＶｐｐ未満）、プラズマシースは非常に衝突し易いため、典型的にイオンエネルギーは低い。このタイプのリアクタは非常に低いイオン／中性点の存在比率とイオン／ラジカル比率を生産するためイオン束は低く、恐らくこれによって、堆積材料とこれの下の材料との間に必須の高品質の接着を得るために必要なイオンエネルギーレベルまたはウェーハ温度が上昇する。しかし、電極内電圧が低く、衝突シース内でのイオンエネルギーの損失が多いために、高品質の接着に必要なイオンエネルギー分布を生成することは非常に困難である。

[12]従来のＰＥＣＶＤリアクタの別タイプは、誘導アンテナにＲＦソース電力が印加される誘導結合型高プラズマ密度ＣＶＤ（ＨＰＤＣＶＤ）リアクタである。誘導結合プラズマモードの維持に必要で、高いプラズマ密度を生産する高い最小誘導電場のために、このリアクタは、低いチャンバ圧力（例えば５〜１ミリトール）と高いプラズマソース電力レベルで動作する必要がある。誘導結合モードに耐えるためには大量のＲＦソース電力が必要であり、また、ＲＦ誘導型電場はバルクプラズマ内の電子と直接結合するため、このリアクタ内で生産されるイオン化の度数（イオン／中性点密度の比率）は非常に高い値（上述した静電リアクタのものよりも４または５桁大きい）の範囲内に閉じ込められる。これは、プラズマシースを横切る変位によって、またはプラズマシース発振を介して、ＲＦ電場が電子とより低い効率性で間接的に結合する静電結合プラズマとは反対である。その結果、プラズマ密度と伝導性が非常に高まり、（ウェーハ電圧が高い伝導プラズマを介してロードされるため）実用的なバイアス電力レベルにて高いウェーハ電圧を生成することが困難となる。この結果、ウェーハに過剰量のＲＦバイアス電力を印加しない限り高いイオンエネルギーを得ることが不可能となる。これはウェーハを過剰に加熱し、また恐らくは、下の半導体結晶格子内における極浅接合部の境界を（熱拡散によって）破壊してしまう。典型的に、３００ｍｍのウェーハの場合において、ピークトゥピークで１〜２ｋＶのウェーハ電圧は約１０ｋＷのＲＦバイアス電力を必要とする。極浅接合部の境界を維持するためにウェーハを冷却することは高いバイアス電力、（１〜２ｋＶよりも）さらに高いバイアス電圧では困難であるため、最高の膜特性にはより高い電力が必要となる。ＲＦ電力送出システム＞１０ｋＷは非常に降下であり、利用可能性も制限されている。

[13]ＨＤＰＣＶＤリアクタに伴う別の問題は、チャンバシーリング内に大型の非伝導性ウィンドウを提供し、これを介してコイルアンテナからプラズマソース電力を誘導結合しなければならない点である。これにより、伝導シャワーヘッドを直接ウェーハに載せて使用することができなくなるため、ウェーハにおけるガス分布の均一性と、ウェーハ上のＲＦバイアスグラウンド基準の均一性とが規制される。さらに、ウェーハ上に非絶縁材料を堆積させるためにリアクタを採用している場合には、処理中に同じ材料が誘電性ウィンドウ上にも蓄積して、ＲＦ電力に対する伝導性シールドまたは半導体減衰器が作成されるため、チャンバ内へのソース電力の結合を効率的に低減するか、あるいは遮断することさえも可能である。ＨＤＰＣＶＤリアクタの誘電性ウィンドウのような非伝導表面の温度は効率的に制御できないため、処理中および処理後におけるリアクタ内部の堆積がさらに困難にとなる。両タイプのリアクタに関連する問題は、プラズマソース電力が、チャンバ内の任意の利用可能な伝導性表面からの基準戻りを探すことで、プロセス制御が、チャンバ表面上に副産物が堆積したことによる電気的変化によって妨害される。誘電材料と金属材料の両方がチャンバ表面を構成している状態では、処理後に堆積したプラズマ副産物を除去することが困難であるか、あるいはチャンバ部品の過剰な疲労を招く。これは、使い捨て型のシールドまたはプロセスキットを採用し、チャンバ表面上への堆積を防止することによって回避できる。しかし、こうした使い捨て型のシールドでは、優れたＲＦグラウンド基準を提供することも、任意の精密性による熱制御を行うこともできない。

[14]要するに、従来のリアクタは、狭い低チャンバ圧力ウィンドウ（ＨＤＰＣＶＤリアクタの場合）、または狭い高チャンバ圧力ウィンドウ（容量結合型リアクタの場合）に閉じ込めに閉じ込められる。いずれのチャンバも、シースが高度に衝突型であるか（容量結合型リアクタの場合）、またはプラズマが高度な伝導性を有する（ＨＤＰＣＶＤリアクタの場合）ために、高いイオンエネルギーを達成できない。また、狭い高イオン化度領域（ＨＤＰＣＶＤリアクタ）か、狭い低イオン化度領域（容量結合型リアクタ）のいずれかに結合している。さらに、いずれのタイプのリアクタも、非絶縁材料の堆積に使用する場合には常にパフォーマンスにおける幅広い逸脱の影響を受け易い。これは、容量結合型リアクタ内の電極境界にかけて、または誘電結合型リアクタの誘電ウィンドウ上に蓄積した非絶縁材料によってＲＦソース電力のチャンバ内への結合が歪んでしまうためである。このような、レーザアニーリングステップ中の機械的失敗または分離の影響を受けることのない、下の層（半導体格子を含む）とのこうした高品質の接着を有する光吸収体層を形成するためには、非常に低温にて実施できる（例えば最大７００度の室内温度）堆積プロセスが必要である。このプロセスは、幅広いソース電力ウィンドウ、中間範囲内にある幅広いイオン化度、幅広いイオンエネルギーウィンドウを設けた幅広いウェーハ電圧（バイアス電力）ウィンドウ、幅広いウェーハ温度ウィンドウを有する必要がある。

発明の概要

[15]ワークピースの半導体材料内に半導体接合部を形成する方法は、半導体材料の選択された領域内にドーパント不純物をイオン注入するステップと、ワークピースを含有したチャンバ内に光吸収体材料前駆物質ガスを導入するステップと、ＲＦソース電流を印加することで、ワークピースの上にあるプロセスゾーンを含む再入経路内にＲＦ発振トロイダルプラズマ電流を生成して、ワークピース上に光吸収体材料の層を堆積させるステップと、ワークピースを光学的にアニーリングして、半導体材料内でドーパント不純物を活性化するステップとを備える。

発明の詳細な説明

序論
[53]背景の説明において上述した全ての問題は、トロイダルのソースプラズマリアクタを採用した低温ＰＥＣＶＤプロセスによって、アモルファスカーボン光吸収体層を堆積させることで解決される。トロイダルソースは、ＨＤＰＣＶＤリアクタや容量結合したＰＥＣＶＤリアクタとは違い、幅広いイオンエネルギーで動作させることができる。これにより、適度のイオン束を、適度（または高い）イオンエネルギー共に維持することができるため、堆積した層とこれの下の基板または薄膜との間に高品質の接着がウェーハ温度の上昇なしに確立される。実際、ウェーハ温度は室温程度であってもよい（チャンバ温度は、注入した極浅接合への任意の衝撃、例えば、注入プロセス中に形成されたアモルファス層の再結晶化、ドーパントクラスタ形成、熱拡散を最小化する）。その結果、このプロセスで形成された吸収体層が、ウェーハからの分離やひび割れを生じることなく、レーザビーム露光と厳しい加熱とに耐えられるようになる。トロイダルプラズマソースリアクタを動作するバイアス力またはバイアス圧力の範囲が広いので、堆積した層の応力を、引張レベルから圧縮レベルまでの非常に幅広い範囲の中から選択できるようになる。さらに、トロイダルプラズマソースリアクタを動作するソース電力の範囲が広いため、例えば優れた段状被覆に高度の正角性を保証するために、堆積した層の正角性を精密に制御することが可能になる。トロイダルのソースプラズマリアクタは、チャンバ圧力よりも遥かに幅広い範囲（例えば１０〜８０ミリトール）にかけて動作することができるため、イオン密度とプラズマシースの衝突性を遥かに幅広い範囲にかけて制御することができる。高いイオン密度は必要ないため、比較的少量のバイアス力で、高いウェーハ電圧と高いイオンエネルギーを維持することができる（例えば、３００ｍｍウェーハの場合、たった７ｋＷのバイアス力で７ｋＶのウェーハ電圧を維持できる）。トロイダルのプラズマソースリアクタは、誘電体アンテナからのＲＦ電力をチャンバ内に結合するための誘電体窓を必要としないため（また、非常に薄い誘電体「直流破壊」があればよい）、導電性シャワーヘッドをシーリングに配置することができる。この特徴は、ウェーハにかけてのプロセスガス分布の最高の均一性と、高均一な低インピーダンスＲＦ基準グラウンドとを提供する。導電結合に誘電体窓は必要ないので、チャンバ全体を金属製にすることができ、したがってチャンバ全体を熱制御することが可能となるため、処理中の堆積が調節され、処理後のチャンバ表面高温洗浄が促進される。トロイダルプラズマソースは低電位のプラズマを生成し、また、トロイダルプラズマ電流はチャンバ表面を介したグラウンドリターンを必要としないことから、プロセス領域からドリフト電流を生じさせる電位は低いため、処理ゾーンの外のチャンバ表面上には堆積が殆どまたは全くない。トロイダルプラズマリアクタに誘電体窓の必要性がないことによる別の利点は、チャンバ内面上に蓄積した非絶縁体材料からの悪影響が生じることなく、ウェーハ上に非絶縁材料を堆積させるためにリアクタを採用できることである。

[54]本発明は、ナイフ刃状光ビームに一直線化および集束させた１アレイの連続波（ＣＷ）ダイオードレーザを使用した、半導体ウェーハにおける極浅接合のダイナミックな表面アニーリングに関する。ナイフ刃状光ビームは高度に強力であり、ウェーハにかけてこれの長さを横切って走査される。少容量であるために急速に冷却し、いつでも瞬時に加熱される、ビーム周囲の極度に局所化された範囲内において、温度が（シリコンのほぼ融点にまで）少しの間だけ上昇される。この技術は、２００３年１０月２３日発行の、Ｄｅａｎ Ｃ． Ｊｅｎｎｉｎｇｓらによる米国特許出願公報ＵＳ２００３／０１９６９９６ Ａ１（これ以降、公報Ａと呼ぶ）に説明されている。極度に小さい特徴サイズ（例えば４５ｎｍ）では、３次元位相幾何学的特徴が存在しているため、ウェーハを均一に加熱することは難しい。これらの特徴は、異なる材料を備えるか、または異なる光学性質を有している。こうした特徴により熱吸収が不均一となってしまう。さらに、こうした特徴は表面放出をも不均一にしてしまうため、表面温度を正確に監視することが不可能になる。

[55]過去にも、これらの問題は、ウェーハ全体（後に除去される）にかけて光吸収体層を堆積させることにより検討されてきた。この吸収体層は、複素屈折率の高度の虚数成分を有する（ｎ＋ｉｋの「ｋ」値。この場合「ｎ」は屈折率、「ｋ」は消光係数である）。十分に厚い吸収体層がこれとウェーハの間にある膜による放出性の変化と、これの次元位相幾何学的特徴とを覆い隠すことにより、ウェーハにかけてレーザ吸収および熱吸収の均一性（さらに、表面放出性の大きさと均一性）が促進される。問題は、光吸収体層が、下にある層から剥離または分離することなく、ダイナミックな表面（レーザ）アニーリング中における融点に近い温度に耐えなければならない点である。こうした剥離や分離を防止するためには、高温にて吸収体層を堆積させて、吸収体層特徴とこれの下のウェーハ特徴との間の高品質な接着を達成する。この高温はさらに、良質な膜構造、光学特性および電気特性を提供する役割も果たす。これに伴う問題は、ウェーハ温度が、ひび割れ、剥離、分離の影響を受けない高品質の吸収体層を達成するために十分高くなった場合に、このウェーハ温度により、既存のアモルファスシリコン層の再結晶化、または、極浅接合が拡散することでこれの画成が劣化し、ウェーハ上の回路特徴が劣化することのうちいずれかの望ましくない影響が生じる。より低温の従来のＣＶＤ吸収体層はまた、著しく減少した「Ｋ」値を有するため、これよりも高い温度のＣＶＤ吸収体層と同じ純吸収、および下の層の吸収特徴に対する耐性を達成するには遥かに厚い膜が必要である。

[56]これらの問題は、本発明に従って、２００４年１０月１４日発行のＨｉｒｏｊｉ Ｈａｎａｗａらによる米国特許出願公報２００４／０２００４１７号（これ以降、公報Ｂと呼ぶ）に記載されているトロイダルプラズマソース低温ＣＶＤプロセスを使用した低温化学気相堆積プロセスにて吸収体層を堆積させることで克服される。このプロセスは、公報Ｂで詳述されている独特なトロイダルソースプラズマリアクタを採用している。このプロセスは、例えば３００未満、さらには室温と同じ温度といった非常に低い温度で実施される。そのため、ウェーハ上に既に形成されている極浅接合特徴上への悪影響（例えば、熱拡散、ドーパント移動、再結晶化）は殆どまたは全くない。吸収体層をアモルファスカーボンにする場合には、カーボンを含有したプロセスガスを採用する。レーザビームから吸収体層への熱の吸収を拡張するために、ボロン、３価リン、ヒ素、シリコン、ゲルマニウムのような不純性をドーピングすることによって、堆積させたアモルファスカーボン層をより不伝導性にする。これは、やはり公報Ｂに記載のトロイダルソースプラズマ浸入イオン（Ｐ３ｉ）プロセスを使用したイオン注入ステップによって、または（あるいは）ＣＶＤ低温堆積プロセス中にプロセスガス混合物中にボロンを組み込むことによっても実施できる。例えば高い誘電定数を得るべく、吸収体層の誘電定数または屈折率を調整または制御するために堆積させたアモルファスカーボン吸収体層内への他の不純物（例えば窒素）のイオン注入を採用することもできる。代替として、これ以外の不純物（例えば窒素、水素、酸素、フッ素）を、これらをＣＶＤ低温堆積処理中に処理ガス混合物質に含めることによって組み合わせてもよい。

[57]熱特性、即ち、ダイナミック表面レーザアニーリングステップ中に生じる低温堆積させた吸収体層の剥離、ひび割れ、分離への耐性は、堆積させた層を圧縮応力をかけた層にすることで拡張される。これは、公報Ｂで説明しているように、低温プラズマＣＶＤプロセスにおいて、ＲＦプラズマバイアス電力またはバイアス電圧を比較的高レベルに上昇させることで遂行される。比較的高い正角性を用いた吸収体層を堆積させることで、先にウェーハ上に形成した全ての３次元マイクロ回路特徴にかけて優れた段状被覆が得られる。これは、公報Ｂに説明されているとおり、低温プラズマＣＶＤプロセスにおいてプラズマＲＦ源電力を比較的高レベルに設定することによって遂行される。堆積させた膜の粘着性は、洗浄プロセス中にウェーハを事前処置して、表面酸化物や他の汚染物質を除去することで拡張できる。或る事前処置プロセスは、プラズマソース電力またはバイアス電力によって生成された水素プラズマを使用する。洗浄率を拡張するためにバイアス電圧を追加してもよい。水素イオンおよび／またはラジカルが酸化物または汚染物質の薄膜をエッチングすると考えられている。別の事前処置プロセスでは、プラズマソース電力やバイアス電力によって生成された窒素および／または酸素プラズマを使用する。洗浄率を拡張するためにバイアス電圧を追加してもよい。窒素イオンおよび／または酸素イオンおよび／またはラジカルは、有機汚染物の薄膜をエッチングすると考えられている。この事前処置プロセスに続いて、水素プラズマ事前処置プロセスを行って酸化を除去することもできる。別の事前処置プロセスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノンのような不活性ガスプラズマを使用して、表面酸化または汚染物質をスパッタ洗浄する。代替として、湿式事前処置プロセスを使用して、膜堆積の前に、（接着を拡張するために）ウェーハ表面を洗浄することができる。

[58]高い吸収、または、レーザ光ビームの放射の波長にある、あるいは温度測定高温計の波長にある複素屈折率の消光係数もしくは虚数部分を有するために、吸収体層膜の光学特性をプロセス変数で調整することができる。こうしたプロセス変数には、吸収体層内の不純物（例えば窒素）の濃度、吸収体層内のドーパント（例えばボロン）の濃度、ウェーハ温度、プロセスガス圧力、（Ｃ含有ガス、不純物含有ガス、また、ヘリウムや水素やアルゴンのような希釈ガスの）ガス流量、ＲＦバイアス電圧または電力、ＲＦプラズマソース電力、プロセス時間、層の厚さが含まれる。こうした不純物の濃度を層の深さで等級付けすることによって、さらなる吸収体層特性の拡張が得られる。これは、上で参照したＰ３ｉプロセスによって注入したイオンの注入深さプロフィールを調整したり、あるいは、プロセスガス内のこうした不純物の濃度を上昇傾斜させたり、公報Ｂに記述の低温ＣＶＤプロセス中にＲＦバイアス電圧または電力、ＲＦプラズマソース電力または電圧を変更することで遂行される。吸収体層の特性のさらなる拡張は、吸収体層を堆積させたウェーハを硬化させることで得られる。硬化には、熱（温度における時間）または紫外線露光、あるいはこれらの組み合わせが含まれる。これによって、吸収、複素屈折率の消光係数あるいは虚数成分がさらに増加または安定化される。

[59]公報Ｂのものと同一のトロイダルソースプラズマチャンバを採用して、公報Ｂの低温ＣＶＤプロセスを使用した吸収体層の堆積と、吸収体層内の不純物を注入する任意のＰ３ｉイオン注入プロセス（公報Ｂに記載のとおり）との両方を実行できるようにすることで、ウェーハをチャンバ間で搬送させる必要がなくなる。さらに、上記と同じツールか、または公報Ｂのトロイダルソースプラズマリアクタを用いたプラットホームに、公報Ａのプロセスチャンバ（レーザビームダイナミック表面アニール（ＤＳＡ）プロセスを実行する）を組み込むことによって、ウェーハが吸収体層（例えばアモルファスカーボン）でコーティングされ、選択した不純物および／またはドーパントのＰ３ｉイオン注入によって吸収体層を拡張でき、次に、同じ１つのツール内において、公報ＡのＤＳＡレーザ光源を使用してウェーハにレーザアニールプロセスを施せるようにすることが好ましい。これはウェーハの汚染の危険を低減する。またさらに、同一のツールやプラットホーム上に、同じトロイダルプラズマソースチャンバあるいは第２（専用の）トロイダルソースプラズマチャンバ（公報Ｂに記載のものと同タイプ）、もしくは別タイプのプラズマチャンバを組み込んで、レーザアニールＤＳＡプロセスの完了後に吸収体層を取り除くことができるようにすることも可能である。

[60]完全に組み込まれたプロセスには、次に示す、所与のウェーハに以下の順序で使用されるチャンバが必要である。極浅接合（ＵＳＪ）ソース／ドレイン構造を形成するべくドーパントを注入するためのプラズマ浸入イオン注入（Ｐ３ｉ）チャンバ；画成するＵＳＪ構造、またはパターン化したフォトレジストを除去するためのレジストストリップチャンバ；レジストストリップ洗浄後の湿式洗浄チャンバ；アモルファスカーボン吸収体層を形成する、低温ＣＶＤプロセスを実行するためのトロイダルソースまたはＰ３ｉプラズマリアクタ；ＤＳＡマルチレーザ光源と走査機器とを含有したチャンバ；吸収体層を除去するためのカーボンストリップチャンバ；ウェーハストリップ洗浄後の湿式洗浄チャンバ。これらチャンバの少なくとも２またはこれ以上を共通のプラットホーム上に組み込むことで、ウェーハの扱いが低減し、汚染が低減し、生産性が増加する。

[61]吸収体層はアモルファスカーボンであることが好ましいが、これ以外の適切な材料の選択も可能である。膜厚さとおよび吸収、または、吸収層のレーザ光ビームの放射の波長における複合屈折率の消光係数もしくは虚数成分の積は、ウェーハ上の全ての３次元トロイダル特徴およびマイクロ回路構造上に膜を堆積させ、膜の下にある材料の光特性が吸収体層に要求される大きさまで覆い隠されるのに十分でなければならない。吸収体層光特性は、レーザビームからの熱の吸収を最大化するように選択される。吸収体層熱または熱機械特性が、プロセス温度が融点付近であるにもかかわらず、吸収体層が、ＤＳＡレーザアニーリング中における剥離、ひび割れ、下にあるウェーハからの分離に耐性を有するようになるように選択される。

[62]吸収体層は、先に述べた３次元表面トロイダル特徴がウェーハ上に存在する場合でも、レーザビームからの均一な吸収を最大化する。吸収体層は優れた熱導体であるため、したがって、ウェーハの局所的に放射された範囲にかけて均一な熱分布を提供する。吸収体層の均一な表面はウェーハの表面放出性を均一にするので、ウェーハ温度の正確な測定を連続的に行うことができるようになり、優れたプロセス制御が得られる。

[63]光吸収の大きさまたは均一性を向上させ、ウェーハ全体の、またウェーハ毎の温度変化を低減するために、上述した吸収体層を、例えばＲＴＡ（急速加熱アニール）または「スパイク」アニール、またはフラッシュランプアニールといった、より従来のアニーリング技術に有利に使用することもできる。こうした層を使用すれば、下にある層の、３次元幾何学効果を含む変化を覆い隠すことができる。この場合は、吸収体層の堆積／注入を、フィラメントまたはアーク／ガス放出光源が生産した波長のスペクトルにかかる望ましい光特性に合わせる。本発明の熱吸収体層は、３次元マイクロ回路トロイダル特徴を有する半導体ウェーハのＲＴＡアニーリングにも使用できる。この場合には、吸収体層光特性をＲＴＡ光源に適合させる。こうした装置には、シリコン・オン・インシュレータや誘電性構造上のポリシリコンといった高反射性構造が含まれる。

レーザ熱束アニーリング光源
[64]上で参照したダイナミックな表面アニール光源はＣＷダイオードレーザを使用し、このＣＷダイオードレーザは、細く長い放射のラインとしてウェーハを衝打する非常に強力な光ビームを生産する。次に、このラインがウェーハ表面にかけて、ラインビームの長い寸法に対して垂直な方向に走査される。光源の一実施形態を図１の略直交図に図示する。２次元走査を行うガントリ構造１１０は、１対の固定平行レール１１２、１１４を含んでいる。２本の平行なガントリビーム１１６、１１８は設定距離で離間して相互に固定され、固定されたレール１１２、１１４の上に支持され、図示にはないモータおよび駆動機構により、ローラ、ソース、ボールベアリング上で固定レール１１２、１１４に沿って滑動するように制御されている。ビームソース１２０は、例えばビーム１１６、１１８の下に垂下される形でガントリビーム１１６、１１８上に滑動可能に支持され、また、これらに沿って滑動するべく、図示にはないモータおよび駆動機構によって制御される。シリコンウェーハ４０または別の基板がガントリ構造１１０の下に静止状態にて支持されている。ビームソース１２０には、下方に向いたファン型のビーム１２４を生産するためのレーザ光源および光学部品が含まれ、このファン型ビーム１２４は、固定レール１１２、１１４とほぼ平行に、便宜上遅速方向と呼ばれる方向へ延びるラインビーム１２６としてウェーハ４０を衝打する。ここでは図示していないが、ガントリ構造はさらにＺ軸ステージを含み、このＺ軸ステージは、レーザ光源および光学部品をファン型ビーム１２４と平行する方向へ移動させ、ビームソース１２０とウェーハ４０の間の距離を制御可能に変化させることで、ウェーハ４０上へのラインビーム１２６の集束を制御する。ラインビーム１２６の例示的な寸法には、例示的な電力密度４００ｋＷ／ｃｍ^２の場合で長さ１ｃｍ、幅１００ミクロンが含まれる。代替として、ビームソースとこれに伴う光学部品を静止固定し、ウェーハを、２次元走査を行うステージ上に支持してもよい。

[65]典型的な動作では、ラインビーム１２６をこれの長い寸法に対して垂直に、便宜上高速方向と呼ばれる方向へ走査するために、ガントリビーム１１６、１１８は固定したレール１１２、１１４に沿った特定位置に設定され、また、ビームソース１２０はガントリビーム１１６、１１８に沿って均一の速度で移動される。これによって、ラインビーム１２６がウェーハ４０をこれの１側部から他側部に向かって走査して、ウェーハ４０の１ｃｍのスワスを照射する。ラインビーム１２６は、ウェーハの特定範囲がラインビーム１２６の光放射に瞬時のみ露光されるように十分狭く、高速方向への走査速度は十分速いが、ラインビームのピークにおける強度は表面領域を非常に高い温度に加熱するのに十分なものである。しかしながら、ウェーハ４０のより深い部分は著しく加熱されるわけではなく、この部分はさらに、表面領域を急速に冷却するための熱シンクとして機能する。高速走査が完了すると、ガントリビーム１１６、１１８が固定レール１１２、１１４に沿って新たな位置へと移動されることで、ラインビーム１２６が遅速軸に沿って延びるその長い寸法に沿って移動することができる。次に、高速走査を実行して、ウェーハ４０の隣接するスワスを照射する。ウェーハ４０全体の加熱プロセスが完了するまで、高速走査と遅速走査を、恐らくはビームソース１２０の蛇行路において交互に繰り返す。図２、図３で直交的に図示している光学部品ビームソース１２０の１例は、図４の端部平面図に一方のみが図示されている２つのレーザバースタック１３２から発せられた約８１０ｎｍのレーザ放射を受光する。各レーザバースタック１３２は、一般的にＧａＡｓ半導体構造内の垂直ｐ−ｎ接合に対応し、約１ｃｍの長さで側方へ延び、約０．９ｍｍの間隔で離間した１４本の平行バー１３４を含んでいる。典型的には、バー１３４間には水冷却層が配設されている。各バー１３４の内部には４９個のエミッタ１３６が形成されており、これらエミッタ１３６の各々は、直交方向への異なる発散角度を有した各ビームを放出する別々のＧａＡｓラスタを構成している。図示されたバー１３４は、これの長い寸法が複数のエミッタ１３６へ延び、遅速軸に沿って整列し、また、短い寸法が高速軸に沿って整列した１ミクロン未満のｐ−ｎ堆積層に対応する形で位置決めされている。ソースサイズを高速軸に沿って小さく設けることで、高速軸に沿った効率的な一直線化が得られる。発散角度は、高速軸に沿って大きく、遅速軸に沿って比較的小さい。

[66]図２、図３に戻ると、レーザ光を高速軸に沿った狭いビームに一直線化するために、２アレイの円筒形レンズレット１４０がレーザバー１３４に沿って位置決めされる。これらのレンズレット１４０を、接着剤を用いて、バー１３４と整列し、放射範囲１３６へ延びる形でレーザスタック１３２に接着することができる。２つのバースタック１３２から放出された２組のビームが従来の光学部品１４２に入力される。次に、ソースビーム１５８が１組の円筒形レンズ１６２、１６４、１６６を通過すると、ソースビーム１５８が、これが１次元ライトパイプ１７０に入る前に、遅速軸に沿うが実質的に高速軸と一直線化した有限集合角度にて、遅速軸に沿って集束する。図５の直交図により明白に図示しているライトパイプ１７０は、バースタック１３２内で遅速軸上において離間している複数のエミッタ１３６によって導入された、遅速軸に沿ったビーム構造を低減するためのビームホモジナイザとして機能する。ライトパイプ１７０は、総内部屈折を生産するのに十分高い屈折率を有する光学ガラスの矩形スラブ１７２として実現される。これは、遅速軸に沿って短い寸法を有し、高速軸に沿って長い寸法を有する。入力面１７６上の遅速軸に沿って集中するソースビーム１５８の軸１７４に沿ってかなりの距離で延びている矩形スラブ１７２は、スラブ１７２の頂面および底面から数回内部反射されることで、遅速軸に沿った表面組織の多くが除去され、また、出力面１７８から出る際にビームが遅速軸に沿って均質化される。しかし、ソースビーム１５８は高速軸に沿って上手く一直線化されており、スラブは、ソースビーム１５８がスラブ１７２の側面上で内部反射されないが、高速軸に沿った一直線化を維持できるよう十分に幅広い。入口アパーチャーおよび出口アパーチャーと、ビームの集中および発散とを制御するために、ライトパイプ１７０はこれの軸方向に沿って先細りしている。１次元ライトパイプは代替として、ソースビームが間を通過するスラブ１７２の上方面と下方面に一般的に対応している２つの平行な反射面として実現することができる。

[67]ライトパイプ１７０によって出力されたソースビームは一般的に均一である。図６の略図にてさらに図示しているように、さらなるアナモルフィレックレンズの組１８０、１８２は、遅速軸内で出力ビームを拡張し、また、ウェーハ４０上に望ましいラインビーム１２６を投射する一般的に球状のレンズを含んでいる。アナモルフィック光学部品１８０は、長さが限られた狭いラインビームを生産するために、２次元においてソースビームを形作っている。高速軸の方向において、出力光学部品は、ライトパイプ１７０の出力部にてソースの無限共役を有し（しかし、システムを有限ソース共役を用いて設計することが可能）、ウェーハ４０の画像平面にて有限共役を有しており、一方、遅速軸の方向において、出力光学部品はライトパイプ１７０の出力部におけるソースにて有限共役を有し、画像平面にて有限共役を有する。さらに、遅速軸の方向において、レーザバーの複数のレーザダイオードからの不均一な放射が均質化される。ライトパイプ１７０の均質化能力は、ライトパイプ１７０を横切って光が反射される回数に大きく依存する。この回数は、ライトパイプ１７０の長さ、もしあれば先細りの方向、入口アパーチャー１７６と出口アパーチャー１７８のサイズ、ならびにライトパイプ１７０内への打出し角度によって決定される。さらなるアナモルフィック光学部品は、ソースビームを、ウェーハ４０の表面上にある望ましい寸法のラインビーム内に集束させる。

[68]図７、図８は、ライトパイプ１７０といくつかの関連した光学部品を示す、高速軸と遅速軸のそれぞれに沿って垂直方向に配列された側面図である。高速軸の方向においては、レーザバー１３２からのビームは上手く一直線化され、ライトパイプ１７０またはアナモルフィックレンズによって影響を受けない。この一方で、遅速軸の方向においては、入力アナモルフィック光学部品１６２、１６４、１６６が、ビームを集めてライトパイプ１７０の入力端部内に集中させる。このビームは、遅速軸に沿ってかなり均一な強度で、しかし、かなりの発散をもってライトパイプ１７０から出る。出力アナモルフィック光学部品１８０、１８２は出力ビームを遅速軸に沿って拡張および一直線化させる。

[69]ウェーハのピーク温度を調節または制御するために、ウェーハ４０の図示した部分の温度を高温計システムによって定期的に監視する。この高温計システムは、ラインビーム１２６の近隣におけるウェーハ４０の図示の範囲から放出される熱放射を、図３に概略的に示した高温計１６１とは反対方向に向けるためにウェーハ上にレーザソース光を集束させる場合と同じ光学部品を使用する。高温計１６１は、フォトダイオードのような光学検出器１６３、レーザ光源（例えば８１０ｎｍ）の波長を遮断する光ファイバ１６５を含む。高温計フィルタ１６５は、当該の温度にて急速に変化するプランキアン（Ｐｌａｎｋｉａｎ）黒体放射曲線の領域内で中心決めされた狭い通過域フィルタであることが好ましい。例えば、高温計通過域を９５０ｎｍにて中心決めすることができ、この場合、検出器１６３はシリコンフォトダイオードである。一般的に、光学部品は相互的であるため、反対方向においては、ラインビーム１２６上の、またはこれに非常に近いウェーハ４０の小さい範囲のみを検出し、この画像を遥かに大きな範囲に光学的に拡張する。制御装置１６７は、検出器１６３の出力部を使用してレーザアレイ１３２への給電を制御する。フィルタ（図示せず）をレーザ例１３２の前に配置して、これが高温計波長（例えば９５０ｎｍ）にて有する全ての放射を遮断することができる。

[70]以下で説明している本発明の特徴は、他のレーザタイプに採用することもできる：ＣＯ_２ガスレーザ；任意で周波数を２倍にすることが可能なネオジウムＹＡＧレーザ（ネオジウム：イットリウム・アルミニウム・ガーネット）；Ｅビームまたは電子放出による励起を用いたエキシマレーザ（最大で、基底状態が本質的に反発的２原子の地点にまで分子の電子移動に作用を及ぼす紫外線（１２６〜５５８ｎｍ）において放射を行う希ガスハライドまたは希ガス金属蒸気レーザ；ダイオードレーザ（シミュレートされた放射を使用してコヒーレントな光出力を形成するように設計された発光ダイオード）。

トロイダルソースプラズマリアクタの低温ＣＶＤプロセス：
[71]図９は、低温ＣＶＤプロセスの実施に用いるトロイダルソースプラズマリアクタを描写している。プラズマリアクタは円筒形の側壁１０、シーリング１２、ウェーハ接触／冷却静電チャック１４を有する。チャック１４と側壁１０の間にポンプアニュラス１６が画成されている。ガス分配板１８（または「シャワーヘッド」）からプロセスガスが導入されて、シーリング１２の大部分を形成する。任意で、プロセスガスを側部射出ノズル２０または他の手段によって導入してもよい。図９のリアクタは、側壁１０の対抗する両側部を介して（または、図１には示していないシーリング１２の開口部を介して）リアクタの内部に結合した外部再入管２２を構成している再入ＲＦトロイダルプラズマソースを有する。絶縁リング２３は、再入管２２に沿って直流破壊を提供する。トロイダルプラズマソースはさらに、再入管２２の環状部分を包囲する磁気透過性のトロイダルコア２６を含んでいてもよいＲＦ電力アプリケータ２４と、コア２６の一部に巻着した伝導コイル２８と、任意のインピーダンスマッチ回路３２を介して伝導コイルに結合したＲＦプラズマソース電力生成器３０とを含む。第２外部再入管２２’は第１管２２を横切っており、側壁１０の対向する両側を介して（または、図１には示していないシーリング１２の開口部を介して）リアクタの内部に結合している。絶縁リング２３’は、第２再入管２２’に沿って直流破壊を提供する。第２ＲＦ電力アプリケータ２４’は、再入管２２’の環状部分を包囲する磁気透過性のトロイダルコア２６’と、コア２６’の一部の周囲に巻着した伝導性コイル２８’と、任意のインピーダンスマッチ回路３２’を介して伝導性コイルに結合したＲＦプラズマソース電力生成器３０’とを含んでいる。プロセスガス供給部３４はガス分配板１８（またはガスインジェクタ２０）に結合している。半導体ウェーハまたはワークピース４０は、チャック１４の頂部上に配置されている。処理領域４２がウェーハ４０とシーリング１２（ガス分配板１８を含む）の間に画成されている。トロイダルプラズマ電流が再入管２２と処理領域４２を通って延びた閉鎖型トロイダル経路に沿って、ＲＦプラズマソース電力生成器３０の周波数にて振動する。

[72]ＲＦバイアス電力生成器４４が、インピーダンスマッチ回路４６を介してチャック１４にＲＦバイアス電力または電圧を印加する。隔離キャパシタ５０によってＲＦバイアス電力生成器４４より隔離されているチャッキング電圧源４８からチャック１４に直流チャッキング電圧が印加される。ウェーハ冷却を採用していない場合、ＲＦバイアス電力生成器４４からウェーハ４０へ送出されたＲＦ電力は、生成器４４から印加されたＲＦプラズマバイアス電力のレベルおよび期間に応じて、ウェーハ４０を４００℃を超える温度にまで加熱することができる。バイアス電力生成器４４からのＲＦ電力の約８０％またはこれ以上がウェーハ４０内に熱として消散されると考えられる。ウェーハ支持ペデスタル１４は、絶縁性または半絶縁性の頂層あるいはパック（ｐｕｃｋ）６０を有する静電チャックである。パック６０の内部において金属（例えばモリブデン）ワイヤメッシュまたは金属層６２が陰極（または電極）を形成しており、この陰極に直流チャッキング電流およびＲＦバイパス電圧が印加される。パック６０は高度絶縁層６６上に存在している金属層６４上に支持されている。金属基層６８をグラウンドに接続してもよい。チャッキング電圧源４８から電極６２へ直流電圧を印加することにより、ウェーハ４０がチャック１４上に静電的に保持される。これにより、ウェーハ４０の底面内には、これと対抗する（引力のある）画像電荷が誘導される。対向する２つの電荷層の間の効果的な隙間は、半導体層６０内における上方電荷移動の結果最小となるため、チャックとウェーハ４０の間の引力が、印加された比較的小さなチャッキング圧力について非常に大きくなる。そのため、パック半絶縁体層６０は、望ましい電荷移動性を有する材料で形成されるので、材料は完全な絶縁体にはならない。ＲＦバイアス電力生成器４４からのＲＦバイアス電力または電圧を、電極６２あるいは金属層６４に印加して、半導体絶縁パック層６０を介したＲＦ結合を行うことができる。金属層６４を冷却することでパック６０から熱を除去する。このために、冷却ポンプ７２、熱シンク、または冷却源７４に結合した金属層６４内に内部冷却剤流路７０が提供されている。任意で、熱シンク７４は、所望であればやはり熱を金属層６４に与えられる熱交換器であってもよい。非常に高いチャッキング力を維持することにより、ウェーハ４０とパック６０の間に非常に高い熱伝達係数を実現できる。研磨面６０ａを提供することで力を拡張できる。

[73]低温化学気相堆積プロセスは、ウェーハにＲＦバイアス電力または電圧を結合させて熱を除去（または提供）するためと、ウェーハ温度を所望のレベルまたは閾値未満に維持するためとの両方の役割を果たす静電ウェーハチャックを採用するのが好ましい。より好ましくは、静電チャックは図９を参照してすぐ上で書いたタイプのものであり、これはＤｏｕｇｌａｓ Ａ．Ｂｕｃｈｂｅｒｇｅｒ，Ｊｒらによって２００４年８月２６日に出願された米国特許出願番号１０／９２９，１０４号、表題「無ガス式高圧接触力ウェーハ接触／冷却静電チャック（ＧＡＳＬＥＳＳ ＨＩＧＨ ＶＯＬＴＡＧＥ ＨＩＧＨ ＣＯＮＴＡＣＴ ＦＯＲＣＥ ＷＡＦＥＲ ＣＯＮＴＡＣＴ−ＣＯＯＬＩＮＧ ＥＬＥＣＴＲＯＳＴＡＴＩＣ ＣＨＵＣＫ）」でさらに詳細に説明されている。前述した（高熱伝達係数を用いた）静電チャックを使用することで、所望であれば、ウェーハ温度を２００℃未満、さらには１００℃未満に維持しながら、ソース電力をより高いレベル（即ち、トロイダルソース５ｋＷ）にて、また、バイアス電力をより高いレベル（即ち１０ｋＷ）にて動作できるようになる。これに加えて、高いウェーハ温度を必要としなくとも、チャンバ圧力が、欠陥（例えば細片状の剥げ落ち）を持ったＣＶＤ層を防止するのに十分に低い約５〜２００ミリトールの範囲内に維持される。この低いチャンバ圧力によって、ワークピースを加熱せずに高品質の膜を堆積させるのに必要なプラズマイオン密度および／またはイオンエネルギーを弱化させてしまう過剰なイオンの再結合が防止される。プロセス領域内で通常のプラズマイオン密度を維持することで、ウェーハを加熱する必要が全くなくなるため、ＰＥＣＶＤリアクタとは異なり、非常に低い温度（１００℃未満）で高品質のＣＶＤ膜を堆積させられるようになる。プラズマ密度が非常に高くなく、プラズマソース電力レベルを高くする必要がないことで、ＨＤＰＣＶＤリアクタとは異なり、過剰なバイアス電力レベルを要さずに、動作範囲の幅広いバイアス電圧が許容される。

[74]所望であればトロイダルソースリアクタ内で低いソース電力レベルにてＣＶＤ反応を実施できるという事実は、ソース電力を最小レベルから最大レベルにまで（例えばトロイダルソース毎に約５ｋＷ）変化できる大型の窓を意味する。この窓は、ＣＶＤ堆積させた層を、非正角（０．１正角比）と正角（＞０．５正角比）の間で変化できるよう十分に大きく作られている。同時に、ウェーハに印加されたプラズマバイアス電力または電圧を、堆積層内の引張応力のための低いレベル（例えば５００ワット）と堆積層内の圧縮応力に対する高いレベル（例えば３ｋＷ以上）の間で変化することにより、ＣＶＤ堆積させた層の応力レベルを変化させることが可能である。その結果、ソースおよびバイアス電力レベルをそれぞれ調整することで、各プラズマＣＶＤ堆積層の正角性と応力を、正角または非正角のいずれかであり、引張または圧縮応力のいずれかを有する異なる層に独立的に調整できるようになる。非正角膜は、ディープトレンチ充填や、フォトレジスト上への除去可能な層の作成に有効である。正角層は、エッチング停止層および不動層に有効である。圧縮応力を用いた層はこれの下に在る、または隣接したＰチャネルＭＯＳＦＥＴにおけるキャリア移動性を拡張し、一方、引張応力を用いた層は、これの下に在る、または隣接したＮチャネルＭＯＳＦＥＴにおけるキャリア移動性を拡張する。トロイダルソースプラズマリアクタの独自のリアクタ構造の結果、図９のトロイダルソースプラズマの低い最小プラズマソース電力と、リアクタがソース電力として提供する制御可能性の高いプラズマイオン密度とが増加する。プラズマソース電力は、内部においてトロイダルＲＦプラズマが循環（振動）する外部再入導管内へ、電力アプリケータを介して印加されるため、ソース電力密度が非常に低くなる。この特徴によって、ＨＤＰＣＶＤプラズマリアクタとは異なり（誘導結合への移行）、ウェーハ表面におけるプラズマイオン密度が高度に制御可能となり、プラズマソース電力と共に過剰に増加することがない。さらに、ＲＦソース電力アプリケータによる外部再入導管内のプロセスガスへの高度に効率的な結合により、プラズマ点火のための最小プラズマソース電力を従来のリアクタ（ＨＤＰＣＶＤリアクタなど）のものよりも遥かに小さくする。この低温ＣＶＤプロセスによって、装置構造を破壊することなく装置温度が長い時間にかけて４００度を超えられない場合に、（例えば）６５ｎｍまたは４５ｎｍの、あるいはこれよりも小型の装置についてプラズマＣＶＤプロセスを提供する問題が解決する。またこれによって、下に在るフォトレジストを引き裂いたり破壊することなく、フォトレジスト層上にプラズマＣＶＤ堆積を堆積させられるようにもなる。この可能性により、ｎｍサイズの設計規則に特に適し、装置上のフォトレジストマスキングを引き裂くことなく実施が可能な、以下で説明する完全に新しいプロセスクラスが開始される。

[75]ＣＶＤ後イオン注入プロセスを、低温ＣＶＤプロセスの実行に使用したのと同じトロイダルソースリアクタに実施することができる。ＣＶＤ後イオン注入プロセスには、アモルファスまたは多結晶ＣＶＤ堆積層とこれの基層との間の粘着を拡張するプロセス、化学量論の比率を越えてＣＶＤ層内の種の比率を上昇させるプロセス、プラズマＣＶＤプロセスと適合しない種をＣＶＤ層内に注入するプロセス、または層の特定の材料品質、例えば誘電定数や応力を変える種をＣＶＤ層内に注入するプロセスが含まれる。

[76]低温プラズマＣＶＤプロセスは、シリコン膜、窒化シリコン膜、シリコン−水素膜、シリコン−窒素−水素膜のＣＶＤ形成、また、酸素あるいはフッ素をさらに含有している前述した膜のバージョンのＣＶＤ形成に有効である。これらの膜は、ＣＶＤプロセスが非常に低温で実施されるにもかかわらず、ひび割れ、剥離、細片状の剥げ落ち、その他を生じることのない優れた品質と優れた熱特性を見せる。ＣＭＯＳ装置への適用のために、選択的なエッチング、フォトレジストマスキングおよび除去を可能にするべく、高い非正角性を使用して、不動態化層が、それぞれ圧縮および引張応力によってＰおよびＮチャネル装置上に堆積され、また、全ての装置上にゼロ（ニュートラル）応力のエッチング停止層を高い正角性で堆積させることができる。低温プラズマＣＶＤプロセスもカーボン膜のＣＶＤ形成に有効である。

[77]図１０に、図９のトロイダルリアクタを採用する低温プラズマＣＶＤプロセスを図示する。このプロセスでは、トロイダルプラズマ化学気相堆積プロセスにおいてカーボンまたはカーボン含有層を堆積させる。堆積させた層は、プロセスの実証法に応じて、例えばアモルファスカーボン材料、ポリマーカーボン材料、グラファイトカーボン材料のいくつかの属性と、幅広い電気および光学特性とを有していてもよい。本明細書の後の部分では、堆積した材料の特性のプロセス制御について説明している。任意の第１ステップ（図１０のブロック６１０５）は、ウェーハ上の金属汚染を防ぐまたは最小化するために、チャンバの内面を不動態化層でコーティングするものである。不動態化層は、例えば堆積させるＣＶＤ膜と同じ材料（例えば、カーボンを含有した材料）であってもよい。チャンバ内面上の不動態化コーティングは、上述した実施形態と同様に、適切なプロセスガス混合物（例えばプロピレンのようなカーボン含有ガス）を導入し、プラズマソース電力を印加してトロイダルＲＦプラズマ電流を生成することにより実施される。このステップは、内部チャンバ面上に適切な厚さの不動態化材料が堆積するまで実施される。次に、ウェーハ支持ペデスタル上に生産ワークピースまたは半導体ウェーハが配置される（図１０のブロック６１０７）。カーボン、および（任意で）その他の種、例えば水素や窒素を含有するプロセスガスが導入される（ブロック６１０９）。チャンバ圧力は低または適度レベル、例えば約５〜２００ミリトールに維持される（図１０のブロック６１１１）。再入トロイダルプラズマ電流はトロイダルソースリアクタ内で生成される（ブロック６１１３）。ＲＦプラズマソース電力（例えば、１００ワット〜５ｋＷ）（図１０のブロック６１１３−１）を、各外部再入導管２２、２２’内に結合させ、０〜１０ｋワットのＲＦプラズマバイアス電力を印加することで、トロイダルプラズマ電流が生産される（図１０のブロック６１１３−２）。ソース電力は、プラズマイオンの生産に非常に有効な約１０ＭＨｚ（例えば１３．５６ＭＨｚ）のＨＦ周波数にあることが好ましい。バイアス電力は、約１ＭＨｚ（例えば２ＭＨｚ）のＬＦ周波数にあることが好ましく、これは所与量のバイアス電力のための比較的大きなプラズマシース電圧の生産に非常に有効である。ＲＦ生成器１８０によって送出されるソース電力の大きさを調整することで、望ましい正角性でウェーハ上に膜を化学気相堆積させることができる（ブロック６１１５）。ＲＦ生成器１６２によって送出されるバイアス電力または電圧の大きさが、堆積膜が望ましい応力、圧縮、引張を有するように調整される（図１０のブロック６１１７）。前述したプロセスは、望ましい堆積膜厚さに達するまで実施される。この後、特定の任意のＣＶＤ後イオン注入プロセスを実行することができる（図１０のブロック６１１９）。

[78]図１１Ａは、印加したＲＦソース電力の関数（水平軸）としての堆積層の正角比（垂直軸）のグラフである。図１１Ｂに示すように、ＣＶＤプロセスで基層または基板６１２３上に堆積させた層６１２１の正角比は、層６１２１（基層６１２３の垂直面６１２３ａ上に堆積させたもの）の垂直区間６１２１ａの厚さＣの、層６１２１（基層６１２３の水平区間６１２３ｂ上に堆積させたもの）の水平区間６１２１ｂの厚さＤに対する比率Ｃ／Ｄである。０．５を超える正角比は正角性の高いＣＶＤ堆積膜を指し示す。約０．１の正角比は非正角なＣＶＤ堆積膜を指し示す。図１１Ａは、図９のトロイダルソースリアクタの幅広いソース電力窓が、非正角（約１００ワットのソース電力）から高度な正角（約１ｋＷソース電力）までの正角比範囲にわたる様子を図示している。図１１Ａは、同じトロイダルソースリアクタを、正角、非正角の両方の膜のプラズマＣＶＤ堆積に使用できることを示している。図１２は、印加したソース電力の関数（水平軸）としての、ＣＶＤ堆積速度（垂直軸）を図示したグラフである。ゼロから最大１００ワットまでのＲＦソース電力の場合、図９のトロイダルソースリアクタ内でプラズマは点火されず、堆積速度はゼロである。約２ＭＨｚにおける約５ｋＶの一定のバイアス電圧を伴う約１３．５６ＭＨｚの約１００ワットのソース電力にて開始することにより、堆積速度が約５００オングストローム／分（１００ワットのソース電力）にて開始し、約１０００オングストローム／分に達する（約２ｋＷのソース電力）。これの利点は、堆積速度が十分に低いため、高速の堆積速度（例えば５０００オングストローム／分）を形成してしまうであろう欠陥を加熱またはアニーリングによって硬化させる必要なく、高品質で欠陥のないＣＶＤ膜が形成されることである。そのため、トロイダルプラズマリアクタ（図９）のソース電力を、ウェーハを加熱することなく、非正角および正角の間（即ち２００ワット〜２ｋＷ）の正角比の切り替えに必要な範囲内のどこにおいても変化することができるので、ウェーハを低処理温度、即ち２００℃未満、さらには１００℃に保つことが可能である。トロイダルプラズマリアクタソース電力を、過剰なＣＶＤ堆積速度を生じることなく（高度の正角性を得るために）このように増加させられるという事実は、ウェーハ１２０の上に在るプロセス領域内でのイオン密度の過剰な増加を防止するトロイダルソースリアクタの構造によって起こる。こうした過剰なイオン密度の一部は、各プラズマソース電力アプリケータ（即ち、それぞれの再入導管２２、２２’を包囲する各コア２６、２６’および対応する一次巻線２８、２８’）が、側壁１０とシーリング１２によって画成されており、ウェーハ４０の上に在るプロセス領域４２から離れている、再入導管２２、２２’のリアクタチャンバの外側にある１区間に対してプラズマソース電力を印加するため防止される。好都合なことに、図９のトロイダルプラズマリアクタのソース電力を用いた、プラズマイオン密度の低く、従って高度に制御可能な上昇には、プラズマ点火のための非常に低い最小ソース電力（例えば、僅か１００ワット）が付随するため、正角性範囲全体にわたる幅広いソース電力窓が得られる。このプラズマ点火のための最小ソース電力レベルは、図９のトロイダルソースリアクタがＨＦ周波数にてトロイダルＲＦプラズマ電流を生成する効率的な方法を用いた結果得られるものである。

[79]図９のトロイダルプラズマリアクタの別の特徴は、リアクタを動作するのに用いる幅広いＲＦプラズマバイアス（シース）電圧（例えば０〜１０ｋＶ）である。この特徴の１つの態様を図１３のグラフに図示している。ここで、バイアス電圧動作範囲（図１３の水平軸）は、ＣＶＤ堆積膜内における引張応力（＋１ギガパスカル）から圧縮応力（−１ギガパスカル）までの応力の範囲（図１３のグラフの垂直軸）にわたる。こうしたＣＶＤ後イオン注入処置については、本明細書中の以降の部分において説明する。例えば２ＭＨｚのＲＦソースのように低周波（ＬＦ）のプラズマバイアスソースを使用することで、大きな範囲のＲＦプラズマバイアス（シース）電圧が得られる。このような低周波数はウェーハ表面上のプラズマシースを横切る高インピーダンスへ遷移し、これ比例してシース電圧が上昇する。比較的少量のプラズマバイアス電力（５ｋＷ）は、ウェーハ表面にて非常に大きなシース電圧（１０ｋＶ）を生産することができる。このような比較的低いバイアス電力レベルによってウェーハ上の加熱負荷が低下し、ウェーハ支持ペデスタル上の熱および電場負荷が低下する。当然ながら、図９のトロイダルソースリアクタは、プラズマの点火または持続にこうした大きなシース電圧を必要とせず、所望であれば、プラズマを消滅させることなく、バイアス電力を５ｋＷよりもさらに低いゼロにまで低下することができる。図１１Ａに図示した正角性の選択（非正角と高度な正角の間における選択）と、図１３に図示した応力選択（引張力と圧縮力の間における選択）は、図９のトロイダルソースリアクタの非常に幅広いソース電力とバイアス電力動作窓を使用して独立的に実行される。その結果、図９のトロイダルソースリアクタが、図１０の、異なる層を多様な応力（引張力、ゼロ、または圧縮）および多様な正角比（非正角性または高度な正角性）で堆積させる低温ＣＶＤプロセスを実行する。

[80]図１４は、プロセスガス内に前駆物質ガスを含めることで堆積層内に添加物種を含める図１０のプロセスの変化形を描写する。第１ステップは、カーボン材料前駆体ガス（例えば、炭化水素、フッ化炭素、過フッ化炭化水素、またはその他のカーボン含有ガス）をチャンバ内に導入することである（図１４のブロック６１３２）。このプロセスガスはまた、例えば不活性ガスのような、堆積（カーボン）層内に追加する必要なくトロイダルプラズマＣＶＤプロセスを拡張する種を含んでいてもよい。望ましい添加物種の前駆物質ガス（ＣＶＤ堆積させたカーボン層内に導入されるもの）がチャンバ内に導入される（図１４のブロック６１３３）。添加物種は、例えばカーボンの前駆物質（Ｂ_２Ｈ_６）、窒素や水素や硫黄（Ｈ_２Ｓ）、あるいは別の望ましい種であってもよい。また、ＣＶＤ堆積させたカーボン層内に含めるために、添加物種前駆物質ガスに、２つの（またはこれ以上の）異なる添加物種のための前駆物質ガスを含めることができる。次に、図１０のステップ６１１１、６１１３、さらに（任意で）６１１５、６１１７を実行することにより、チャンバ内でトロイダルプラズマＣＶＤプロセスが実施される（ブロック６１３４）。カーボン前駆物質プロセスガスと添加物（例えばカーボン）前駆物質ガスとの相対的なガス流速度により、ＣＶＤ堆積させたカーボン層中の添加物種の比率が決定される。図１５は図１４のプロセスの変化形を図示している。この変化形では、トロイダルプラズマＣＶＤプロセスを開始する（ブロック６１３５）以前に最初に、カーボン材料前駆物質ガスのみを導入する（ブロック６１３２）。添加物種なしのカーボン層を所望の閾値厚さに堆積させるために（ブロック６１３５）、トロイダルプラズマＣＶＤプロセスを添加物種前駆物質ガスなしで十分な時間だけ実施する。プロセスのこの時点では、トロイダルソースＣＶＤプロセスを継続しながら、添加物種前駆物質ガスがチャンバ内に導入されることで（ブロック６１３６）、望ましいカーボン含有層の残りの（上方）部分にも添加物種が含まれるようになる。

[81]図１６は、図１０のプロセスの別の変化形を図示しており、この変化形では、ブロック６１１９のＣＶＤ後ウェーハ処置工程中にイオン注入ステップを実行する。図１６のプロセスでは、チャンバ内にカーボン材料前駆物質プロセスガスが導入され（ブロック６１３２）、ウェーハ上でトロイダルプラズマＣＶＤプロセスを実施する。その後、ウェーハ上でイオン注入プロセスを実行する（ブロック６１３７）。このプロセスでは、ＣＶＤ堆積させたカーボン含有層内に所望の種を注入する。この所望の種は、ＣＶＤ堆積させたカーボン含有層内に特定の望ましい特性を生産するために、（カーボンと同様に）化学的に活性な添加物種（１またはこれ以上）であってもよい。この所望の種はイオン衝撃（例えば不活性種）であってもよい。このイオン衝撃は、ＣＶＤ堆積させたカーボン含有層の性質をイオン衝撃の損傷によって変更させる。いずれの場合にも、注入した種のイオン注入深さプロフィールを設定することで、注入した種をＣＶＤ堆積させたカーボン含有層内に閉じ込める。例えば、イオン注入深さプロフィールまたは分布では、ＣＶＤ堆積させたカーボン含有層内の中間（例えば中央）深さ、またはこれの付近にピーク値が設定されている。あるいは、添加物を含んでいないカーボン層が基層（またはシリコンウェーハ層）に接触しており、この基層の上に、添加物種を含有したカーボン層が接触していることが望ましい場合は、イオン注入深さプロフィールをＣＶＤカーボン含有層内の上方深さにて中心決めすることで、閾値深さ未満のイオン注入が殆どまたは全く生じないようにしてもよい。このオプションの結果を図１７に図示する。図１７では、下に在る層６１４０、添加物種を含有せず、閾値厚さを有する底部カーボン含有層６１３９、この上に在る添加物種を含むカーボン含有層６１３８を描写している。図１７の層状構造は、図１５の２位相型のトロイダルプラズマＣＶＤプロセスによっても実現される。図１８は、図１６のブロック６１３７のステップのためのイオン注入深さプロフィールを描写している。本質的には、イオン注入は下にある（例えばウェーハの）表面よりもずっと上の深さに閉じ込められる。これは、図１８に示すようにイオン分布ピークを底面から移動させて、（任意で）カーボン含有底層（図１７の層６１３９）を未注入のまま残すことで遂行される。

[82]図１９は、図１４、図１５、図１６のプロセスのうちのいずれかがどのように、図１４、図１５、図１６のトロイダルプラズマＣＶＤプロセスの前後に実行できるチャンバストリップまたは洗浄ステップ６１４１とチャンバシーズニングＣＶＤ堆積ステップ６１４２を組み込むことで修正されるかを描いている。図１９では、ストリップステップとシーズニングステップが、トロイダルプラズマＣＶＤプロセス以前に実行されている状態を描写している。まず、図９でリアクタチャンバ内にウェーハを導入する前に、このチャンバ内にプロセスガスが導入され（図１９のブロック６１４１）、このプロセスガスは、露光されたチャンバ内表面から堆積層をストリップすることが可能な種を含有している。図１４、図１５、図１６のプロセスにおいて、チャンバ内表面上に堆積させた材料は主にカーボンからなるため、ブロック６１４１のステップで使用した洗浄またはストリッププロセスガスは例えば主に酸素からなっていてもよい。これ以外または追加の洗浄ガス種には例えばフッ素が含まれる。次に、チャンバ内からストリップまたは洗浄プロセスガスを除去し、図９のリアクタの露光されたチャンバ内表面上にシーズニング層を堆積させる（図１９のブロック６１４２）。ブロック６１４２のステップは、上述したのもの同じトロイダルプラズマＣＶＤプロセスを使用して実施する。詳細には、カーボン前駆物質ガスをシーズニング層前駆物質ガスとしてチャンバ内に導入して、チャンバ内にトロイダルプラズマを生成させる。これにより、露光したチャンバ内表面上にカーボン含有シーズニング層がＣＶＤ堆積される。このシーズニング層の硬度または耐久性を拡張することが望ましい場合には、シーズニング層前駆物質ガスの種としてフッ素を導入する。例えば、シーズニング層前駆物質ガスはフッ化炭素ガスまたは過フッ化炭化水素ガスを含んでいてもよい。シーズニング層前駆物質ガスの主要成分は炭化水素ガスであってもよい。チャンバ内表面上でシーズニング層が所望の厚さに到達したら、ウェーハをチャンバ内に導入し（図１９のブロック６１４３）、図１０、図１４、図１５、図１６のトロイダルプラズマＣＶＤプロセスを実施する（図１９のブロック６１４４）。

トロイダルソースＣＶＤプロセスによるカーボン膜の堆積
[83]本発明は、特定の光特性（紫外線、赤外線、可視波長、即ち「光学」波長）や、特定の電気特性（例えば、光特性が特に重要でない場合）、例えば伝導性や複合誘電率を持ったカーボンベースの膜の堆積に有効である。こうした膜の電気特性と光特性の両方を、具体的な必要性に応じて調整する。本発明はまた、カーボンベース膜のような膜の堆積にも有効であり、この場合には、次の堆積させたカーボンベース膜層をストリップできるステップと、シリコンあるいは下に在るその他の層に関連した選択性とが必要となる。さらに本発明は、空隙のない間隙重点用途のための、正角性制御を必要とする場合の、カーボンベース膜のような膜の堆積にも有効である。本発明はまた、応力制御が必要な場合の、カーボンベース膜のような膜の堆積にも有効である。

[84]図１のトロイダルプラズマソースリアクタを使用して、電気および光特性の異なるカーボン膜をウェーハ上に堆積させることができる。図１のガス分配板１８を介して（または側部ノズル２０を介して）プロセスガスを導入する。プロセスガスは、本明細書で先に挙げた炭化水素ガスから選択した１つ（または複数）の炭化水素ガスである。チャンバ内でこのようなガスから生成したＲＦトロイダルプラズマ電流が、ウェーハ表面上に炭化水素を含有したカーボン材料を堆積させる。本質的に、この膜は極微量の水素原子を含む純粋なカーボンである。しかし、一般的には、接着した水素原子の比率が重要であるため、堆積膜は水素添加したカーボンとなる。堆積膜の電気伝導性は、絶縁性と半導性の間の範囲内で設定できる。選択した波長帯域の堆積層の光特性は、高度に吸収的と透明の間の範囲内で設定できる。誘電率は、低から高までの範囲の大きさを持った「実」（即ち、「実」成分に関連した少量の「虚」成分を有する）として選択することができる。誘電率は、低から高までの範囲の大きさを持った「実」成分に関連した著しい「虚」成分を有するように選択できる。これらの電気および光特性は、以下の動作の１つ、またはいくつかあるいは全ての組み合わせのいずれかによって制御される。

（１）水面におけるイオン衝撃エネルギーの調整、
（２）水温度の調整、
（３）プロセスガスの炭化水素ガス種の選択（ガスの水素-炭素比の選択）、
（４）水素によるプロセスガスの希釈、
（５）ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノンといった不活性ガスによるプロセスガスの希釈、
（６）ウェーハ表面へのカーボン含有ラジカル種の束に関連した、ウェーハ表面におけるエネルギーイオン束（カーボン含有のもの、またはこれ以外のもの）の調整、
（７）プロセスガスへの、（ａ）半導性拡張種、（ｂ）抵抗性拡張種のうち１つの前駆物質添加ガスの追加、
（８）堆積させたカーボン膜への、（ａ）半導性拡張種、（ｂ）抵抗性拡張種のうち１つの注入。

[85]ウェーハ表面におけるイオン衝撃エネルギーの調整は、ＲＦバイアス電力、ＲＦバイアス電圧またはウェーハ電圧、および／またはチャンバ圧力を調整することで行うことができ、一方、ウェーハ表面におけるエネルギーイオン束の調整は、ＲＦプラズマソース電力および／またはチャンバ圧力および／または希釈ガスの流れを調整することで行うことができる。

[86]エネルギーイオン束の調整：一定のバイアス電圧と一定の圧力において、ＲＦプラズマソース電力を増加させることでウェーハ表面におけるエネルギーイオン束が増加する。ウェーハ表面におけるラジカル束もソース電力とともに増加する。しかし、低圧力から中圧力（即ち、１〜数百ミリトールの圧力）にて、ウェーハにおけるラジカル束に対するエネルギーイオン束の比率は、典型的には依然として増加する（しかし、まだ全体からすると遥かに低い）。圧力を減少させながら、一定のバイアス電圧にてＲＦプラズマソース電力を増加させることで、ウェーハにおけるラジカル束に対するエネルギーイオン束の比率がさらに増加する。一定のソース電力とバイアス電圧にて、プロセスガスをアルゴンまたはキセノンで希釈することによってウェーハ表面におけるエネルギーイオンの束が増加する一方で、ヘリウムまたはネオンで希釈することで、ウェーハ表面におけるエネルギーイオンの束は減少する傾向にある。この効果は、プロセスガスの流れ速度に対する希釈ガスの流れ速度の比率が増加するに従って強化される。低圧力から中圧力（即ち、１〜数百ミリトール圧力）にて、一定のＲＦプラズマソース電力とバイアス電圧にて増加する圧力によってエネルギーイオン束を増加させる。

[87]イオンエネルギー調整：一定のＲＦプラズマソース電力にて、ＲＦバイアス電力または電圧を増加させることで、ウェーハ表面におけるイオン衝撃エネルギーが増加する。一定のＲＦプラズマソース電力とＲＦバイアス電圧にて、また、低圧力〜中圧力（即ち、１〜数百ミリトールの圧力）にて、圧力を増加することによりイオンエネルギーが低下するが、この影響は必ずしも大きくはない。一定のＲＦプラズマソース電力とＲＦバイアス電力、および低圧力〜中圧力（即ち１〜数百ミリトールの圧力）において、圧力を増加させることでイオンエネルギーが低下し、この場合、より高いプラズマイオンおよび電子密度により生じた負荷効果によってバイアス電圧（一定のバイアス電力）が低下するため、これによる影響は大きい。

[88]プロセスガスの炭化水素ガス種を選択する（ガスの炭化水素比を選択する）ことにより、堆積させた材料の光および電気特性が影響を受ける。ガスの炭化水素比を減少させることで、典型的に、Ｃ：Ｈ接着が減少し、Ｃ：Ｃ接着が増加し、これにより光吸収が増加し（透明性は減少する）、伝導性が増加する。またこれにより、誘電率の「実」成分に対する「虚」成分が増加する傾向にある。例えば、Ｃ_３Ｈ_６は、ＣＨ_４よりも光吸収および／または伝導性の高い堆積層を生産でき、また、Ｃ_４Ｈ_６は、Ｃ_３Ｈ_６よりも光吸収および／または伝導性の高い堆積層を提供できる。プロセスガス（１または複数）を水素で希釈することにより、堆積層の光および電気特性が影響を受ける。典型的には、水素希釈を低減することで、Ｃ：Ｈ接着が減少し、Ｃ：Ｃ接着が増加し、これにより、光吸収が増加し（透明性は減少する）、伝導性が増加する。さらに、誘電率の「実」成分に対する「虚」成分も増加する傾向にある。堆積させたカーボン材料の光吸収を調整する前述したステップに加えて、ボロン、窒素、硫黄といった堆積材料に特性の添加材料を含めることで光吸収が拡張される。これらの材料のいずれかを、プロセスガス内にＢ_２Ｈ_６、Ｎ_２、Ｈ_２Ｓのような前駆物質ガスをそれぞれ含めることで追加できる。プロセスガス中にボロン、窒素、硫黄のような材料を追加することにより、堆積させたカーボン材料の熱安定性が実質的に向上するため、失敗なく高温（＞１４００℃）にまで急速に加熱することが可能となる。

[89]材料の添加により、堆積させた材料の光吸収、熱安定性、および／または伝導性、および／または誘電率を拡張できる。添加ガス中のボロン、窒素、硫黄に対する水素の比率によって堆積層の特性に影響が及ぶ。典型的には、ガス中の水素対他の要素の比率を低減することで、典型的にＣ：Ｈ接着が低下し、Ｃ：Ｃ接着が増加し、これにより光吸収が増加し（透明性は低下する）、伝導性が増加する。さらに、誘電率の「実」成分に対する「虚」成分が増加する傾向にある。より高い光吸収または伝導性の場合には、Ｂ_５Ｈ_９（Ｂ_２Ｈ_６と比較）またはＮ_２（ＮＨ_３と比較）によって、吸収または伝導性がより高い度数にまで増加する。典型的に、Ｂ_２Ｈ_６は、反応性が高いため安全性の理由から希釈（ガスボトル内で）する必要があり、また、ヘリウム、アルゴン、水素、窒素で希釈したものが市販されている。典型的に、水素で希釈したＢ_２Ｈ_６は、ヘリウム希釈したＢ_２Ｈ_６よりも光吸収と伝導性の拡張性が高い。アルゴン希釈したＢ_２Ｈ_６は、ヘリウム希釈または水素希釈したＢ_２Ｈ_６よりもさらに拡張性の高い光吸収と電気伝導性を提供できる。窒素希釈したＢ_２Ｈ_６も、ヘリウム希釈または水素希釈したＢ_２Ｈ_６よりも拡張性の高い光吸収および電気伝導性を提供でき、さらに以下で説明しているようにこれの相乗効果的な恩典をも提供することができる。Ｂ_５Ｈ_９の場合には希釈は不要であり、Ｂ_２Ｈ_６よりもＢ対Ｈ比率が高いため、ヘリウムまたは水素で希釈したＢ_２Ｈ_６よりも高い光吸収および伝導性の拡張を提供できる。上述の伝導性を増加させる要素は、「実」成分に関連する誘電性の「虚」成分を上昇させる傾向にもある。代替として、上述したＣＶＤイオン注入後のステップを、吸収性拡張種（Ｂ、Ｎ、Ｓ）を用い、これらを堆積させたカーボン層中に注入することで実行してもよい。このＣＶＤ後の注入ステップを、例えば図１のトロイダルプラズマソースリアクタを使用して、プラズマ浸潤イオン注入によって実施した場合には、上述と同じプロセスガスを採用することができる（例えばＢ_２Ｈ_６、Ｎ_２、Ｈ_２Ｓ）。

[90]基礎のアモルファスカーボン前駆物質炭化水素ガス（即ちＣ_３Ｈ_６）に、（ａ）ボロン（即ちＢ_２Ｈ_６）と（ｂ）Ｎ_２またはその他の窒素形式とを添加することには相乗作用的利点がある。堆積させたカーボン層の熱安定性（即ち熱特性）が４５０℃、および特にこれよりも高い温度にて向上する。詳細には、堆積させたアモルファスカーボン層は、堆積層の層間分離や剥離などを生じることなく少なくともシリコンの融点にまでレーザ加熱することができる。（ボロンおよび窒素添加に伴う）この特徴は、相関分離または剥離を防止するために典型的に必要な閾値ウェーハ電圧または閾値イオンエネルギーを低減する。前述した、炭化水素ガス中でボロン添加物と窒素添加物を組み合わせる上で堆積層の熱特性を向上させる特徴は、上述の方法によって制御される、具体的な電気特性を有したアモルファスカーボン層を堆積させる場合に採用できる。この特徴はさらに、光吸収体でないカーボン層を堆積させる場合にも採用できる。堆積させたカーボン層の特性の調整は次の事項に基づくと考えられる：（１）カーボン層内の接着した水素原子の特性の調整、即ち、堆積させたカーボン層内における総原子接着のうちＣ：Ｈ接着の比率、（２）Ｃ：Ｃ鎖の長さ、（３）カーボン原子の接着ハイブリダイゼーション、および、異なる接着、即ちｓｐ^３：ｓｐ^２：ｓｐ^１の相対濃度。さらに、ウェーハ表面にてイオンエネルギーを増加させ、ウェーハ表面にてエネルギーイオン束を増加させ、ウェーハ温度を上昇させることで、（１）より多くのＣ：Ｃ鎖を破壊する効果と（より短い鎖を生産するため）、（２）より多くのＣ：Ｈ接着を破壊し（Ｃ：Ｈ接着の存在を減少させるため）、より多くのＣ：Ｃ接着を形成する効果と、（３）カーボン原子の接着ハイブリダイゼーションと、異なる接着、即ちｓｐ^３：ｓｐ^２：ｓｐ^１の相対濃度とを変更する効果とを有すると考えられる。リアクタチャンバ内のプロセスガス中における水素含有量を減少させることで、堆積させたカーボン層内で形成されたＣ：Ｈ接着の個数が減少する。

[91]Ｃ：Ｃ鎖の長さを短くすることで、堆積材料の状態が柔軟ポリマーから硬質アモルファスカーボンへと変化する。堆積カーボン層内のＣ：Ｈ接着の個数を減少させることで、伝導性が比較的絶縁性から半導性へと変化し、一方、光特性が比較的透明性から比較的不透明性へと変化する。そのため、トロイダルプラズマＣＶＤプロセスにおいて、堆積させたカーボン層の伝導性を絶縁性と半導性の間の範囲のどこにでも設定でき、一方、同層の光特性を透明と不透明の間の範囲のどこにでも設定できる。

[92]イオン衝撃によってＣ：Ｃ接着および／またはＣ：Ｈを減少あるいは破壊させるには、非常に高いイオンエネルギー（例えば約１００ｅＶ〜１ｋｅＶ）が必要である。低いウェーハ温度（１００℃未満）では、ポリマーカーボン（ポリマー鎖の長いもの）が形成される傾向にある。ウェーハ温度が低い場合でも、ポリマー鎖の長さはイオン衝撃によって減少される。代替として、Ｃ：Ｃ鎖長さを短く保つために、（例えば、４００℃まで）トロイダルプラズマＣＶＤプロセス中にウェーハ温度が上昇する。堆積させた（高いＲＦバイアス電力を要する）カーボン層の光特性と電気特性を修正するために必要な非常に高いイオンエネルギーは、カーボン層と、これの下にあるウェーハまたはウェーハ上に事前に形成した薄膜構造との粘着性を拡張する効果を有する。この薄膜構造は、堆積させたカーボン層とこれの下の材料との間に高品質の原子接着を形成することで形成されている。さらに、堆積させたカーボン層内に圧縮応力が生成されたことで熱応力（例えば非常な高温）によって誘導された機械の故障や分離に対する堆積膜の抵抗性も拡張される。また、膜の機械的硬性も増加する。高いバイアス電圧（即ち＞１ｋＶ）を印加することで、堆積させた炭素材料の熱安定性が実質的に向上し、故障することなく高温（＞１４００℃）にまで急速に加熱できるようになる。トロイダルプラズマＣＶＤプロセス中におけるウェーハの加熱に加え、堆積させたカーボン層の光吸収を拡張する別の方法もある。この方法では、ＣＶＤプロセス完了後にウェーハを約４００℃にまで加熱する。このステップによって、Ｃ：Ｈ接着を破壊し、堆積させたカーボン層内で多くのＣ：Ｃ接着を形成し、炭素原子の接着ハイブリダイゼーションと、異なる炭素、即ちｓｐ^３：ｓｐ^２：ｓｐ^１の相対濃度とを変更する機構と同一の機構によって光吸収が拡張されると考えられる。

[93]水素・カーボン前駆物質ガスに不活性希釈ガスを添加することで、膜の電気および光特性を修正できる。例えばヘリウムまたはネオンを添加することで膜の透明性（さらに絶縁性）が高まり、一方、アルゴンまたはキセノンを添加することで膜の不透明性（および半導性）が高まる。一定のＲＦソース電力およびＲＦバイアス電圧を得る場合には、ヘリウムの添加によりイオン束が減少し、一方アルゴンまたはキセノンの添加によりイオン束が増加すると考えられる。エネルギーイオン束の増加により、膜の光透明性と電気抵抗性が減少する傾向にある。上述した、伝導性を増加させる要素はさらに、誘電率の「虚」成分を「実」成分に対して増加させる傾向にある。一定のＲＦソース電力にてＲＦバイアス電圧を増加すると、イオンのイオンエネルギーがウェーハ表面にぶつかり、これによって膜の光透明性と電気抵抗性が減少する傾向にある。またこれにより、誘電率の「実」成分に対する「虚」成分が増加する傾向にある。一定のＲＦバイアス電圧にてＲＦソース電力を増加させると、ウェーハ表面へのエネルギーイオン束が増加し、これにより膜の光透明性と電気抵抗性が減少する傾向にある。また、これによって誘電率の「実」成分に対する「虚」成分が増加する傾向にもある。一定のＲＦソース電力とＲＦバイアス電圧にてガス圧力を増加させることで、ウェーハ表面へのエネルギーイオン束が増加し、これにより膜の光透明性と電気抵抗性が減少する傾向にある。さらに、誘電率の「虚」成分を「実」成分に対して増加させる傾向にもある。

[94]堆積させたカーボン層の正角性は、ＲＦプラズマソース電力を調整することで調整される。ソース電力の調整によって行う堆積層の正角性の調整については、本明細書中で上述したとおりである。堆積させたカーボン層の応力の調整は、ＲＦプラズマバイアス電力を調整して行う。バイアス電力の調整による堆積層の応力の調整については、本明細書中で上述したとおりである。

フッ化炭素膜：
[95]水素・カーボンガスの代わりに、本明細書中で先に挙げたフッ化炭素ガスのうちの１つから選択されたフッ化炭素プロセスガスをＣＶＤプロセスガスとして採用して、ウェーハ上にフッ素含有カーボン層を堆積させることができる。こうした層は、波長の広い帯域幅にかけて透明である傾向にある。フッ素含有カーボン層は、堆積させたカーボン層における誘電定数が非常に低いことが望ましい場合に有効である。さらに、透明なカーボン層が望ましい場合にも有効である。また、高度な絶縁性を持ったカーボン膜が望ましい場合にも有効である。またさらに、「実」成分に対して小さい「虚」成分を有する、より低い誘電率が望ましい場合にも有効である。フッ化炭素膜の場合に好ましいフッ化炭素ガスはＣ_４Ｆ_６またはＣ_３Ｆ_６である。好ましいフッ化炭素ガスには、これ以外にもＣ_２Ｆ_４、Ｃ_２Ｆ_６、Ｃ_３Ｆ_８、Ｃ_４Ｆ_８およびＣ_５Ｆ_８が含まれる。このプロセスは、過フッ化炭化水素膜の堆積にも使用できる。過フッ化炭化水素膜には、ＣＨ_２Ｆ_２のような過フッ化炭化水素ガスを使用できる。代替として、このプロセスを、炭化水素材料とフッ化炭素材料を組み合わせた膜の堆積に使用してもよく、この場合には、適切な炭化水素ガスとフッ化炭素ガスを組み合わせてプロセスガスとして使用できる。このようなフッ素含有膜はアモルファスまたはポリマーであってもよい。またこのようなフッ素含有膜は、フッ素含有量に応じて透明である傾向にある。こうした膜は、フッ素含有量に応じて誘電定数が非常に低くあってもよい。フッ化炭素（または過フッ化炭化水素）と炭化水素の両方を含有した膜は、水素とフッ素の相対容量に応じて、透明性と吸収性の間で変化することができる。

[96]フッ素含有カーボン膜の比率は、水素含有カーボン層について上述した方法と類似の方法で、カーボン−カーボン鎖の長さを制御し、カーボン膜内のＦ：Ｃ接着の比率およびタイプを制御することによって制御できる。この比率は、以下の動作の１つ、またはいくつかあるいは全ての組み合わせによって制御される：
（１）ウェーハ表面におけるイオン衝撃エネルギーの調整、
（２）ウェーハ温度の調整、
（３）プロセスガスのフッ素−炭素ガス種の選択（同ガスのフッ素−炭素比の選択）、
（４）フッ素によるプロセスガスの希釈、
（５）ヘリウム、ネオン、アルゴンまたはキセノンのような不活性ガスによるプロセスガスの希釈、
（６）ウェーハ表面へのカーボン含有ラジカル種の束に対する、ウェーハ表面におけるエネルギーイオンの束（カーボン含有のもの、またはこれ以外のもの）の調整、
（７）プロセスガスへの、（ａ）半伝導性拡張種、（ｂ）抵抗性拡張種のうちいずれか一方の前駆物質添加ガスの添加、
（８）堆積させたカーボン層への、（ａ）半導性拡張種種、（ｂ）抵抗性拡張種のうちいずれか一方の注入。

[97]ウェーハ表面におけるイオン衝撃エネルギーの調整は、ＲＦバイアス電力、ウェーハ電圧および／またはチャンバ圧力の調整によって行うことができ、一方、ウェーハ表面におけるエネルギーイオンの束の調整は、ＲＦプラズマソース電力、および／またはチャンバ圧力、および／または希釈ガスの流れの調整によって行うことができる。

[98]エネルギーイオン束の調整：一定のバイアス電圧と一定の圧力において、ＲＦプラズマソース電力を増加させることでウェーハ表面におけるエネルギーイオン束が増加する。ウェーハ表面におけるラジカル束もソース電力とともに増加する。しかし、低圧力から中圧力（即ち、１〜数百ミリトールの圧力）にて、ウェーハにおけるラジカル束に対するエネルギーイオン束の比率は、典型的には依然として増加する（しかし、まだ全体からすると遥かに低い）。圧力を降下させながら、一定のバイアス電圧にてＲＦプラズマソース電力を増加させることで、ウェーハにおけるラジカル束に対するエネルギーイオン束の比率がさらに増加する。一定のソース電力とバイアス電圧にて、プロセスガスをアルゴンまたはキセノンで希釈することによってウェーハ表面におけるエネルギーイオンの束が増加する一方で、ヘリウムまたはネオンで希釈することで、ウェーハ表面におけるエネルギーイオンの束は減少する傾向にある。この影響は、プロセスガス流量に対する希釈ガス流量比の比率が高まるにつれ強調される。低から中程度の圧力（即ち、１〜数百ミリトールの圧力）にて、一定のＲＦプラズマソース電力とバイアス電圧を増加させると、ウェーハ表面におけるエネルギーイオンの束が増加する。

[99]イオンエネルギー調整：一定のＲＦプラズマソース電力にて、ＲＦバイアス電力または電圧を増加させることで、ウェーハ表面におけるイオン衝撃エネルギーが増加する。一定のＲＦプラズマソース電力とＲＦバイアス電圧にて、また、低圧力〜中圧力（即ち、１〜数百ミリトールの圧力）にて、圧力を増加することによりイオンエネルギーが低下するが、この影響は必ずしも大きくはない。一定のＲＦプラズマソース電力とＲＦバイアス電力、および低圧力〜中圧力（即ち１〜数百ミリトールの圧力）において、圧力を増加させることでイオンエネルギーが低下する。この場合、より高いプラズマイオンおよび電子密度により生じた負荷効果によってバイアス電圧（一定のバイアス電力）が降下するため、これによる影響はより大きい。堆積させたフッ化炭素層の正角性は、ＲＦプラズマソース電力を調整することで調整する。ソース電力の調整によって行う堆積層の正角性の調整については本明細書中で上述したとおりである。堆積させたフッ化炭素層の応力はＲＦプラズマバイアス電力の調整によって調整する。バイアス電力の調整による堆積層応力の調整については本明細書中で上述したとおりである。

[100]フッ化炭素ガスと水素−カーボンガスの組み合わせをプロセスガスとして使用して、フッ素と水素の両方を所望の比率で含有したカーボン層を形成することができる。この比率は、堆積させたカーボン層内に所望の伝導性または吸収を実現するためにも使用できる。すぐ上の部分で、Ｃ：Ｆ堆積材料とＣ：Ｈ堆積材料のそれぞれにおけるＣ：Ｈ接着、Ｃ：Ｆ接着の比率の規制について説明した同様の方法は、Ｃ：Ｆ＋Ｃ：Ｈを組み合わせた堆積カーボン材料内でＣ：Ｈ接着とＣ：Ｆ接着の比率を制御するためにも使用できる。水素とフッ素の両方を含有したカーボン層は、トロイダルソースを使用したプラズマプロセスにおいて、炭化水素ガスにフッ素を含有した非フッ化炭素ガスを添加することによっても形成できる。例えば、炭化水素ガスにＦ_２、またはＢＦ_３、またはＳｉＦ_４、またはＮＦ_３を添加してもよい。これとは反対に、トロイダルソースを使用したプラズマプロセスにおいて、フッ化炭素ガスに水素を含有した非炭化水素ガスを添加することによっても、水素とフッ素の両方を含有したカーボン層を形成できる。例えば、フッ化炭素ガスにＨ_２、またはＢ_２Ｈ_６、またはＳｉＨ_４、またはＮＨ_３を添加できる。

光吸収体層の低温堆積：
[101]アモルファスカーボン層（ＡＣＬ）であってもよい光吸収体層（ＯＡＬ）は、上述したトロイダルプラズマソース低温ＣＶＤプロセスを使用して堆積させることができる。ＯＡＬがＡＣＬで在る場合には、チャンバ内に導入するプロセスガスはカーボン前駆物質ガスである。カーボンに不純物材料を添加することで、好みの波長（例えば８１０ｎｍ）のアモルファスカーボン材料における吸収を拡張できることが発見された。アモルファスカーボンを８１０ｎｍの波長で不透明化するこのような不純物材料の一例にはボロンがある。こういった場合、プロセスガスは、（例えば）プロピレンのようなカーボン前駆物質ガスと、ボロン前駆物質ガス（例えばＢ_２Ｈ_６）と、水素のようなＢ_２Ｈ_６のための希釈ガスとからなる。希釈ガスにヘリウムを使用することもできるが、水素の存在下の場合の方がアモルファスカーボン層の光学品質を最大に拡張できることがわかっている。

[102]図２０は、光吸収体層（ＯＡＬ）を形成するための図９のトロイダルプラズマソースリアクタの低温ＣＶＤステップと、これに続く、図１〜図８の光源のダイナミック表面アニール（ＤＳＡ）プロセスのような高速光アニールステップとを含む、接合部形成プロセスのブロック図である。第１ステップ（図２０のブロック２０５）は、結晶シリコンのようなドーパント不純物を半導体材料内にイオン注入するものである。６５ｎｍ未満の装置形状の場合、このドーパントイオン注入ステップは、内部のドーパント不純物領域が数百オングストロームを超えない極浅接合部を画成する。ドーパント注入ステップ２０５は、従来のビームライン注入装置を用いて、あるいは、より好ましくは、トロイダルソースリアクタのタイプを採用したプラズマ浸入イオン注入（Ｐ３ｉ）プロセスを使用して実施できる。このトロイダルソースリアクタのタイプは図９で描写しており、また、２００４年１０月１４日公開のＨｉｒｏｊｉ Ｈａｎａｗａらによる米国特許出願公報２００４／０２００４１７号において説明されている。次のステップ（図２０のブロック２１０）は、ウェーハ上に光吸収体層を形成するために、図９のトロイダルプラズマソースリアクタ内で低温化学気相堆積プロセスを実施するものである。ブロック２０１のＣＶＤプロセスは次のステップからなる。まず、図９のリアクタの静電チャックの上にウェーハを置く（ブロック２１１）。リアクタチャンバ内にプロセスガスを導入する（ブロック２１２）。プロセスガスは、ＯＡＬの材料のための前駆物質からなる。例えば、ＯＡＬがアモルファスカーボンである場合には、プロセスガスはカーボンのための前駆物質である（またはこれを含む）。このようなカーボン前駆物質ガスについては本明細書中の前の部分において説明されており、メタン、アセチレン、エチレン、エタン、プロピレン、プロパン、エチルアセチレン、１，３−ブタジエン、１−ブタン、ｎ−ブタン、ペンタン、ヘキサン、トルエン、メチルベンゼンまたは１−ブチン、あるいはこれ以外の好適なカーボン前駆物質を含む、先に挙げたカーボン含有ガスのうちのいずれか１つ（または任意の組み合わせ）であってもよい。次のステップ（ブロック２１３）では、図９の再入管内にトロイダルプラズマ電流を生成するために、ＲＦ生成器３０、３０’によりＲＦプラズマソース電力を印加する。静電チャックにチャッキング電圧を印加してウェーハを留め、ウェーハと静電チャックの間に緊密な電気および熱結合を提供する。生成器３０、３０’のＲＦソース電力レベルを、堆積膜内に所望の正角性度数を実現するように設定する（ブロック２１４）。ＲＦ生成器４４によってＲＦバイアス電圧をウェーハに印加することができ、これの電力または電圧レベルは、堆積層内で所望の応力レベルが実現されるように調整できる（図２０のブロック２１５）。このステップでは、堆積層内の圧縮応力を増加させることで、堆積層の密度の増加が可能である。これには、図１３を参照して本明細書中で前に説明したように、バイアス電力または電圧を増加させることが必要である。堆積させたＯＡＬに含まれるとＯＡＬの光特性を拡張させる種のための前駆物質である添加ガスをチャンバ内に導入することが好ましい（ブロック２１６）。典型的には、この光特性は、ＤＳＡ光源の波長（例えば８１０ｎｍ）における吸収あるいは不透明性である。ＯＡＬがアモルファスカーボンである場合には、拡張種は例えばボロンや、窒素、水素、また本明細書中で前に参照したこれ以外の例であってもよい。堆積プロセスステップの完了後、ウェーハを、典型的には、チャッキング電圧をゼロまたはデチャック電圧に設定することでデチャックし、次に、リフトピンがウェーハを静電チャックから上昇させ、その後ＲＦソースおよび／またはバイアス電力がオフになる。

[103]ブロック２１６の吸収性拡張ステップは、ウェーハを非常に短時間だけ（僅か数秒間、あるいはほんの１分間）適度な高温（例えば４５０℃）に加熱することからなっていてもよい（ブロック２１６ａ）。いくつかのプロセス例において、ＯＡＬの堆積後に別々のリアクタ内で実施されるこの加熱ステップは、光ｋ値（消光係数）を約０．３〜０．３６にまで上昇させる。ＯＡＬを約０．２５〜１ミクロンの厚さに堆積させる。ブロック２１０のＯＡＬ堆積プロセスが完了すると、ダイナミック表面アニーリング（ＤＳＡ）プロセスを実行する（図２０のブロック２３０）。ＤＳＡチャンバ内にウェーハを置き（ブロック２３２）、図１〜図８の具体的な波長（例えば８１０ｎｍ）の光源により、ＣＷダイオードレーザのアレイからの光をウェーハ上の細い線に集束させる（ブロック２３４）。この光ラインがウェーハ全体にかけて横方向に走査する（ブロック２３６）。このステップにおけるウェーハの急速な加熱については、本明細書中の先の部分で説明しているとおりである。ブロック２３０のＤＳＡステップが完了すると、ＯＡＬがウェーハからストリップされる（ブロック２４０）。このステップは、加熱したウェーハ支持部と酸素ガス（ラジカル）ソースとからなる従来のストリップチャンバを採用できる。しかし、このストリップチャンバは、内部に酸素および／または窒素ガスからなるプロセスガスが導入され、プラズマソース電力を用いてプラズマが生成される、図９に図示したタイプのトロイダルソースプラズマリアクタであることが好ましい。ウェーハは、（加熱したウェーハチャックまたはプラズマ加熱を用いて）加熱する、および／または、バイアスすることにより、ＯＡＬまたはアモルファスカーボン層の除去を向上することができる。

[104]光吸収性拡張種をＣＶＤ後のイオン注入ステップによってＯＡＬ内に入れることができる。これは、ＣＶＤ堆積プロセス中に光吸収性拡張種をプロセスガス内に含めることでＯＡＬ内に入れるステップ２１６のステップとは異なる。このような場合には、図２０のプロセスを図２１に示すように修正する。即ち、光吸収性拡張種（例えばボロン）をＯＡＬに注入するＣＶＤ後イオン注入ステップ２２０を、ブロック２１０の低温ＯＡＬ ＣＶＤステップ完了後、およびブロック２３０のＤＳＡステップの前に実行する。例えば、従来のビームラインイオン注入装置を使用できる。あるいは、Ｐ３ｉトロイダルソースプラズマリアクタ（図９）を、上で参照したＨａｎａｗａらによる公開特許に説明されている方法で採用することが好ましい。このステップを図２２に描画する。同図では、ウェーハ２５１の上に、ドーパント注入領域を含む薄膜構造２５２を設けている。ウェーハ２５１と薄膜構造２５２は、ブロック２１０のステップにて形成したアモルファスカーボンＯＡＬ２５３でカバーされている。ブロック２２０のＣＶＤ後イオン注入ステップは、図２２に表すようにＯＡＬ２５３内にイオン（例えばボロンイオン）を加速させることで実行する。事前に形成した極浅接合部内にボロンが導入されることを防止するために、ボロンのイオン注入深さプロフィールをＯＡＬ２５３の底部よりもずっと上に設けることが必要である。図２３Ａは、ドーパント注入領域２５１ａ、薄膜構造２５２、ＯＡＬ２５３を有する半導体（シリコン）層またはウェーハ２５１を描いている。図２３Ｂは、ＯＡＬ２５３内に設けた光吸収性拡張種のイオン注入濃度深さプロフィールを描いている。注入したイオン（ボロン）の濃度は深さと共に下方へ勾配し、ＯＡＬ底層２５３ａは未注入のままで、ＯＡＬ２５３の底部よりも上のほぼゼロに達する。この特徴には２つの利点がある。１つは、同プロフィールの下にある半導体層２５１のイオン注入吸収性拡張種による汚染を、未注入底部ＯＡＬ層２５３ａによって防止できることである。もう１つの利点は、底部ＯＡＬ層２５３ａを純粋に維持することで、ＯＡＬとこれの下に在る材料の間の粘着／接着の品質と強度を拡張できることである。図２３Ｂは、傾斜した、または勾配を成した注入プロフィールを描いているが、イオン注入プロフィールに鋭い角度を持たせることで、ＯＡＬ２５３の全体の注入（上方）領域が注入した種の（勾配と比較して）ほぼ均一な分布を深さの関数として有するようにすることができる。

[105]吸収性拡張種のイオン注入に頼ることなく、屈折率の消光係数または虚部分に勾配を設けることができる。例えば、ＣＶＤ堆積ステップ中にＯＡＬに添加された吸収体拡張種の濃度深さプロフィールを勾配させてもよい。これは、図２０のプロセスを、ブロック２１６のステップにて添加した吸収体拡張種の比率をＣＶＤ堆積ステップ中に時間を追うごとに勾配または階段状になるステップを含むように修正することで行う。代替としては、特定のプロセスパラメータ（例えばバイアス電力）を、ＣＶＤ堆積ステップ中に、時間を追うごとに傾斜または階段状になるようにしてもよい。これらの修正を図２４に描いているが、同図では、ブロック２１０のＣＶＤ堆積プロセスが２つのステップのうちいずれか一方（または両方）にて終了している。第１ステップ（図２４のブロック２６１）では、ブロック２１０のＣＶＤ堆積ステップ中に、吸収性拡張ガス前駆物質種（例えばＢ_２Ｈ_６）のチャンバ内へのガスの流量を時間を追うごとに勾配させる。その他のステップ（図２４のブロック２６２）では、ブロック２１０のＣＶＤ堆積ステップ中に、特定のプロセスパラメータ（バイアス電力または電圧）を時間を追うごとに勾配させる。バイアス電力または電圧の勾配によってＯＡＬ２５３の圧縮応力の深さ分布が勾配し、これにより密度の深さ分布も勾配する。この密度がバイアス電圧の吸収、そして勾配に影響することで、ＯＡＬ内の深さの関数としてのＯＡＬの吸収特徴を勾配させる傾向にある。図２５は、プロセスガス中における吸収性拡張種前駆物質ガスの部分が、底部ＯＡＬ層の最小厚さＴから、時間を追うごとに（またはＣＶＤ層の厚さにかけて）上方へ勾配する様子を図示したグラフである。図２６は、ブロック２１０のＣＶＤ堆積プロセス中に、時間を追うごとにウェーハバイアス電圧を上昇させる様子を図示したグラフである。最小の層厚さＴに達するまでバイアス電圧を印加しない。この次の特徴には２つの利点がある。第１は、下にある層が露光されて非保護状態にある際に、堆積開始時においてウェーハバイアス電圧を除去することで、下にある半導体層への不純物が誤って注入されることが防止される。第２に、底部ＯＡＬ層上にバイアス電圧がないため、ＯＡＬ／ウェーハの界面における応力が最小化し、この界面にかけての接着が補助され、ＯＡＬ除去後に下の層に応力の履歴を残すことを防止できる。図２７は、ＯＡＬ２５３と、この下の層２５１、２５２の立面図を描写する。ＯＡＬ２５３は、純粋で応力のない底層２５３ａと、圧縮応力および不純濃度を有する上方部分とを含んでおり、この不純濃度は高さと共に増加する。

[106]図２０のプロセスは、ＯＡＬ２５３内に抗反射コーティングを形成することで光吸収を拡張するように修正できる。この特徴は、前述した吸収性拡張プロセスステップのいずれかと組み合わせて、またはこれらの代わりに採用できる。この修正を図２８に図示しており、同図では、ＣＶＤプロセス２１０が、交互の高いｋ値（不透明）と低いｋ値（透明）がＯＡＬ内で連続的な副層を形成するブロック２１７のステップにて終了している。用語「ｋ」は、ＤＳＡ光源の波長（例えば８１０ｎｍ）における屈折率の虚部分である消光係数を意味する。図２８では、ブロック２１０のＯＡＬ堆積ステップは、図１〜図８のＤＳＡ光源の波長にある交互の高いｋ値と低いｋ値のＯＡＬの連続した副層を形成するブロック２１７のステップを含む。このステップは、次のステップのうちいずれか１つを含むことができる：（ａ）吸収性拡張添加ガスの流れをチャンバへ進ませる（オン、オフを切り替える）ステップ（図２８のブロック２１７ａ）、（ｂ）吸収性拡張添加ガス種（例えばボロン含有ガス）と透明性拡添加ガス種（例えばフッ素含有添加ガス）の間で添加ガス含有量を交互に変えるステップ（図２８のブロック２１７ｂ）、（ｃ）高いｋ材料の形成を促進する値と、低いｋ値の形成を促進する値との間でＣＶＤプロセスパラメータを交互に変えるステップ（図２８のブロック２１７ｃ）。

[107]図２９Ａは、リアクタチャンバ内における全体的なプロセスガスの（添加物）吸収性拡張種前駆物質ガスの部分成分を、時間の関数として図示したグラフである。この部分成分は、図２８のブロック２１７ａのステップに従い、時間を追って上下に段状化またはパルスされる。これは、不透明層（１または複数）の厚さを定義する「オン」時間と、これよりも不透明度の低い（あるいはほぼ透明）な層（１または複数）の厚さを定義する「オフ」時間とを用いて、添加ガスの流量をパルスすることで行われる。パルスの数によって、抗反射コーティング内に交互に設ける不透明層と非不透明層の数が決定する。一般的に、これらの光厚さはＤＳＡ光源の１／４波長に対応する。図２９Ｂは、図２８のブロック２１７ｂのステップに従って、吸収性拡張種前駆物質（例えばボロン含有ガス）と透明性拡張種前駆物質（例えばフッ素含有ガス）の間で交互に変わる、リアクタチャンバ内における全体的なプロセスガスの添加ガス部分成分を時間の関数として図示したグラフである。吸収性拡張添加ガスの流れのオン時間はＯＡＬの抗反射区間の不透明層の厚さを決定し、一方、透明性拡張添加ガスの流れのオン時間はＯＡＬの抗反射区間における透明層の厚さを決定する。図２９Ｃは、堆積させた材料の吸収に時間の関数として影響する、選択したプロセスパラメータ（例えばＲＦバイアス電力）の値を図示したグラフである。図２９Ｃでは、図２８のブロック２１７ｃのステップに従って、プロセスパラメータ値を低い値と高い値の間でパルスする。このステップは、ブロック２１７ａまたは２１７ｂのいずれかのステップと組み合わせることができる。バイアス電力の場合、高い値が、堆積させた材料内でより多くの圧縮応力を生産するため密度が高まり、吸収性または消光係数ｋが拡張される。一方、低い値はより小さいｋを有する副層を形成する。これ以外のプロセスパラメータは、堆積させた材料の光吸収特徴に影響を及ぼす傾向にあり、これらのパラメータに対しても同様の方法でパルスプロセスを行い、この影響を拡張させることができる。こうした追加のプロセスパラメータは、チャンバ圧力、ウェーハ温度、ソース電力、さらに、基本の堆積材料前駆物質ガス（例えば、アモルファスカーボンＯＡＬの場合にはカーボン含有ガス）のガス流量を含んでいてもよい。

[108]前述したステップのいずれかによって形成された抗反射区間を含むＯＡＬを図３０に描画する。このＯＡＬはアモルファスカーボン層であってもよく、また、低温ＣＶＤプロセスによってウェーハ２５１とこれの薄膜構造２５２の上に形成される。図２８のブロック２１７のステップがＣＶＤプロセスの少なくとも一部の最中に実施されることで、ＯＡＬ２５３の区間２５３ａが交互に変わる不透明層と非不透明層２５３ａ−１、２５３ａ−２、２５３ａ−３、２５３ａ−４からなる。交互に変わる層２５３ａ−１〜２５３ａ−４が適切な厚さのものである場合には（例えばＤＳＡ光源の１／４波長）、区間２５３はＯＡＬ内の抗反射コーティングである。代替として、図３０にＯＡＬ２５３の内部成分として示した抗反射区間２５３ａを、ＯＡＬ２５３の残り部分を被覆する表面コーティングにすることもできる。

[109]前述した例は、内部において光吸収性が最大化されるＯＡＬに関するものであったが、上述した低温ＣＶＤプロセスを使用して、光源の波長にある吸収性の低いＯＡＬまたはアモルファスカーボン層を形成することもできる。これは、例えば、ボロン、またはこれ以外の吸収性を拡張する不純物をＯＡＬに含めない、または付加しないことで遂行できる。純粋なアモルファスカーボンＯＡＬの場合、低温ＣＶＤプロセスは、図３のＧａＡｓダイオードレーザアレイ３２の波長（８１０ｎｍ）にある比較的透明な層を形成する。これよりも高い透明性（または不透明性／吸収性の低い）が望ましい場合には、透明性拡張不純物（例えばフッ素）を、ＣＶＤプロセス、あるいはＣＶＤ後イオン注入ステップに適切な前駆物質（例えばフッ素含有のもの）ガスを含めることによってＯＡＬに添加すればよい。

[110]図３１は、図２０、図２１、図２４、図２８のいずれか１つのブロック２３０のステップを実施するために、ウェーハ上にＤＳＡプロセスを実行する半導体ウェーハ４０とＤＳＡ光源２６０（図１〜図８のもの）を描画する。図３１に示すように、ウェーハ４０は、前述の低温ＣＶＤプロセスにて堆積させたＯＡＬ層２５３でコーティングされている。ＯＡＬ２５３は、上述した特徴、例えば、ＣＶＤ処理中またはＣＶＤ後イオン注入プロセス中に導入された吸収性拡張不純物のようなアモルファスカーボン基礎材料および吸収性拡張特徴、抗反射区間またはコーティング、および／または拡張された密度のいずれか１つ、または多数、あるいは全部を有している。図３１のＤＳＡ光源は、レーザバーのアレイ１３２、マイクロレンズレットのアレイ１４０、任意のインターリーバ１４２、任意の偏光マルチプレクサ１５２、一連のレンズ１６２、１６４、１６６、均質化ライトパイプ１７０、高速軸集束光学部品１８０、１８２、ポリメータ１６１を含んでおり、これらは全て図１〜図８を参照して先に説明したものである。図３１の図は光源高速軸に沿っている。ビームはウェーハ４０に関連し、光源遅速軸（高速軸を横断、またはこれに対して垂直）に沿って移動する。

[111]図３２は、ウェーハ内で半導体接合部（極浅接合部）をアニーリングするための統合型システムの一実施形態を図示する。この図３２の統合型システムは１つのプラットホーム上に設けられた「ツイン」構成であり、異なるツールの対を統合するための共通のウェーハハンドリングロボットまたは機構３１０を上に有している。詳細には、ロボットウェーハハンドラ３１０が、一対の入力ウェーハポート３１５ａ／出力ウェーハポート３１５ｂと、図９を参照して上述したタイプの１対のトロイダルプラズマソース低温ＣＶＤリアクタチャンバ３２０ａ、３２０ｂと、それぞれが図１〜図８を参照して上述したタイプの完全な光源を含む１対のＤＳＡチャンバ３２５ａ、３２５ｂと、１対の光吸収体層ストリップチャンバ３３０ａ、３３０ｂと接触している。図３３は統合型システムの別の実施形態を図示しており、この実施形態では、統合型システムは半導体接合部を形成およびアニーリングし、図２０〜図２９を参照して上述した全てのステップおよびプロセスを実行できる。図３３の統合型システムはまた、ウェーハ入力ポート／出力ポートか工場界面３５５、３５５’を設けたウェーハハンドラ３５０を有する。次のツールまたはリアクタチャンバはウェーハハンドラ３５０に結合している：イオン注入前ウェーハ洗浄チャンバ３６０、極浅接合ドーパントイオン注入リアクタ３６５、イオン注入後抵抗ストリップチャンバ３６７、光吸収体層の低温ＣＶＤ形成を実施するための、図９に図示したタイプのトロイダルプラズマソースリアクタ３７０、リアクタ３７０内のウェーハ上に堆積させたＯＡＬに光吸収性拡張不純物または添加物を注入するためのＣＶＤ後イオン注入リアクタ３７５、図３１のＤＳＡ光源２６０を含むＤＳＡチャンバ３８０、ＤＳＡ後ＯＡＬ除去プロセスを実行するＯＡＬストリップチャンバ３８５。イオン注入後レジストストリップチャンバ３６７またはＯＡＬストリップチャンバ３８５の後に湿式チャンバを使用してもよい。

[112]注入前ウェーハ洗浄リアクタ３６０は従来の洗浄リアクタであるが、これ以外の、図９に図示した、プラズマ生成中に洗浄ガス（例えば水素含有、酸素含有、フッ素含有、窒素含有のもの、またはヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノンといった不活性ガス）が導入されるタイプのトロイダルソースプラズマリアクタであってもよい。ドーパントイオン注入リアクタ３６５は、従来のイオンビーム注入装置か、またはＰ３ｉリアクタであってもよい。このようなＰ３ｉリアクタは、図９に図示したタイプの、ヒロジ・ハナワ等による公開特許を参照して本明細書中で先に述べたＰ３ｉ接合部形成プロセスを実施するためのトロイダルソースリアクタであってもよい。ＣＶＤ後イオン注入リアクタ３７５は、従来のイオンビーム注入装置か、またはＰ３ｉリアクタであってもよい。このようなＰ３ｉリアクタは、図９に図示したタイプの、先に参照したヒロジ・ハナワ等による公開特許を参照して本明細書中で先に述べたＰ３ｉプロセスを実施するトロイダルソースリアクタであってもよい。しかし、この場合には、注入する種は、例えばボロン含有ガスのような光吸収性拡張種前駆物質ガスである。ＯＡＬストリップリアクタ３８５は、ウェーハからＯＡＬ材料を除去する従来のリアクタであってもよい。ＯＡＬがアモルファスカーボンである場合には、ストリップチャンバ３８５に酸素および／または窒素ガスを採用し、このガスでウェーハの加熱および／またはバイアスを行うことで除去プロセスを促進することができる。しかし、ＯＡＬストリップリアクタ３８５は、図９に図示した、酸素および／または窒素含有ガス、水素含有ガス、フッ素含有ガスを導入し、プラズマソース電力を用いてプラズマを生成するタイプのトロイダルプラズマソースリアクタであってもよい。また、ＯＡＬまたはアモルファスカーボン層の除去を向上するために、ウェーハを（加熱したウェーハチャックまたはプラズマ加熱を用いて）加熱および／またはバイアスすることもできる。例えば、トロイダルプラズマソースストリップリアクタ内で、２５０℃に加熱した静電チャック上にウェーハを置く。この第１ステップでは、Ｏ_２、Ｈ_２、Ｎ_２、ＮＦ_３のガス混合物がトロイダルプラズマソースリアクタ内に流入する。２つのトロイダルプラズマソースのそれぞれに２ｋＷのＲＦトロイダルソース電力を印加する。静電チャックに５００ＶのＲＦバイアス電圧を印加する。第２ステップにおいてアモルファスカーボン層を部分的にストリップすると、Ｏ_２、Ｈ_２、Ｎ_２のガス混合物がトロイダルプラズマソースリアクタ内に流入する。２つのトロイダルプラズマソースのそれぞれに１ｋＷのＲＦトロイダルソース電力を印加する。静電チャックに５０ＶのＲＦバイアス電圧を印加する。アモルファスカーボン層の除去が完了するまでこの第２ステップを実施する。任意で、プラズマ内のカーボン（またはこの下にある材料）の有無に対応した光放出ラインエンドポイント信号を監視し、任意でストリッププロセスの終了を誘導することもできる。例えば、励起したＣＯの放出ラインを使用して、プラズマ内のカーボン副産物の存在を表すことができる。ＣＯ放出ライン信号が消滅すればカーボン層は除去されている。さらに、上述のＯＡＬ層を除去するストリッププロセスを、チャンバ洗浄プロセスとしてＯＡＬ堆積リアクタ（カーボンＯＡＬ層を堆積させるために採用したリアクタ）内に採用することで、ウェーハの除去後、あるいはウェーハをチャンバ内に導入する前に、チャンバ表面上に堆積したカーボンおよびその他の材料を除去することができる。より一般的には、任意のカーボン含有層（特定の光または電気特徴を有するか否かは関係ない）を堆積させるために使用するトロイダルプラズマリアクタについては、ウェーハ導入前、またはウェーハをチャンバから除去する前に、上述の２ステップ式のカーボンストリッププロセスをチャンバ洗浄プロセスとして採用することができる。例えば、このカーボンストリッププロセスを、上述した図１９のブロック６１４１のチャンバ洗浄ステップとして採用することも可能である。

プロセス例：
[113]以下は光吸収体層堆積に用いるカーボン前駆物質のリストの一部である：


Ｃ Ｈ
メタン １ ４

アセチレン ２ ２
エチレン ２ ４
エタン ２ ６

プロピレン ３ ６
プロパン ３ ８

１−ブチン
エチル
アセチレン ４ ６ Ｅ
１，３−ブタジエン ４ ６
１−ブテン ４ ８
ｎ−ブタン ４ １０

ペンタン ５ １２

ヘキサン ６ １４
メチル
ベンゼン
（Ｃ_６Ｈ_５Ｃ
トルエン ７ ８ Ｈ_３

[114]他の前駆物質、例えばフッ化炭素を使用することもできるが、これは炭化水素と比較した場合に、レーザ光ビームの波長において放射の吸収に劣る（即ち、複素屈折率の消光係数または虚部分）傾向にある。そのため、フッ化炭素は、より透明性が高いか、吸収／不透明性が低い層、あるいは層の一部を堆積させることが望ましい場合に有効である。好ましいフッ化炭素ガスはＣ_４Ｆ_６またはＣ_３Ｆ_６である。これ以外のフッ化炭素ガスにはＣ_２Ｆ_４、Ｃ_２Ｆ_６、Ｃ_３Ｆ_８、Ｃ_４Ｆ_８、Ｃ_５Ｆ_８が含まれる。光特性をさらに拡張する不純物の例にはＢ_２Ｈ_６、ＢＦ_３、Ｂ_５Ｈ_９、ＰＨ_３、ＰＦ_３、ＡｓＨ_３、ＡｓＦ_５、ＳｉＨ_４、ＳｉＦ_４、ＧｅＨ_４、ＧｅＦ_４があり、一般的に水素化物はドーパントフッ化物よりも優れた吸収を提供する。一例では、３００ｍｍのシリコンウェーハ上で、Ｃ_３Ｈ_６をＣ−前駆物質ガスとして６００ｓｃｃｍの流量にて使用し、Ｂ−前駆物質Ｂ_２Ｈ_６を２０ｓｃｃｍの流量にて使用し、Ｈ_２を１８０ｓｃｃｍの流量にて使用し、希釈ガスＡｒ２００ｓｃｃｍをプロセスチャンバ圧力１５ミリトールにて使用する。交差トロイダル構成の２本の再入管のそれぞれに、２ＫＷのＲＦトロイダルソース電力（周波数約１２〜１４ＭＨｚ）を印加する。ＲＦバイアス電力（周波数１〜３ＭＨｚ）を数秒後にピークトゥピークでゼロから７ＫＶにまで急勾配させるには約８ＫｗのＲＦバイアス電力が必要である。静電ウェーハチャックを−２０〜＋４０℃の範囲内に維持し、ウェーハ温度を約８０〜１４０℃に維持する。１分間のプロセス時間で、膜厚さは約０．２５ミクロンとなり、「ｋ」値は約８００ｎｍのレーザ波長にて約０．３６となる。膜厚さは堆積時間に対して直線的であり、３分間で約０．７５ミクロンを作造する。Ｈ_２、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ_２で希釈したＢ−前駆物質Ｂ_２Ｈ_６（最大１０〜２０％）はＨ_２、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ_２で希釈した状態で普通に入手できる。希釈してあるのは、反応性が高いために１００％での有用性が得られないためである。Ｈ_２またはＨｅ希釈が最も好ましいが、ＡｒまたはＮ_２希釈も使用できる。これ以外のボロン前駆物質の使用も可能である。ボロンを用いない場合には、上記の例の条件は、約８００ｎｍのレーザ波長における約０．１８の「ｋ」値の膜を作造する。ボロンの代わりにＮ_２を添加してもよい。Ｎ_２を用い、ボロンを用いない場合には、上述の例の条件にて、約８００ｎｍのレーザ波長にて約０．２５の「ｋ」値を持った膜を作造する。別の用途においてこれよりも低い「ｋ」値の膜が望ましい場合には、Ｈ_２を添加することができる。２００〜４００ｓｃｃｍで、Ｈ_２を添加し、ボロンまたはＮ_２を用いない場合には、上述の例の条件で、約８００ｎｍのレーザ波長にて約０．０４の「ｋ」値の膜を作造できる。代替として、またはこれに加えて、フッ素含有ガスを添加して「ｋ」値の低い膜を作造することもできる。

[115]レーザアニーリングまたは従来のアニーリングを施した場合にも、熱特性を向上させ、ひび割れや剥離を防止することができるよう、トポグラフィにかけての優れた段状被覆、無空隙、膜応力の制御を提供しながら、アモルファスカーボン膜を、幅広い範囲にかけて「ｋ」値を制御することによって（吸収、あるいは複素屈折率の消光係数または虚部分）堆積させることができる。チャックまたはウェーハ温度をさらに低くすることで、「ｋ」値やその他の膜特性を犠牲にすることなく堆積速度を加速することができる。４５０℃で数秒間硬化させると「ｋ」値が約０．３６に上昇する。層がレーザを効率的に吸収することで、吸収体層の完全性を維持しながら、ドープしたシリコンを活性化することが可能である。吸収体層を破損することなくウェーハ表面を溶融温度にまで上げることができる。次に、アニール後、吸収体層を従来の方法（フォトレジスト・ストリップ／洗浄プロセスと同じ方法）でストリップして洗浄できる。代替として、酸素または酸素／窒素混合物を使用して、上述したトロイダルプラズマソースを有する同一または別のプラズマチャンバ内でストリッププロセスを実行してもよい。

[116]この堆積プロセスはマルチステップ式（図２４、図２８を参照して上述したとおり）であってもよい。上述した先の段落の例では、最初のボロンを含まない層が堆積するまでボロン前駆物質の導入を故意に遅らせて、ウェーハの潜在的なドーピングを防止することができる。例えば３秒間の遅延により作造できるボロンを含まない層の厚さは約１００〜１５０オングストロームである。最初のソース／電力のみの堆積プロセスが終了するまで、バイアス電圧の導入を故意に遅らせることができる。これにより、ウェーハ表面内への堆積前駆物質の注入を防ぐ。これらは別々または合わせて使用できる。一実施形態では、ボロン前駆物質の導入とバイアス電圧のオン切り替えとを３秒間遅らせた後にボロン前駆物質を添加し、その後、さらに３秒間遅らせるとバイアス電圧が勾配または急上昇（ｓｔｅｐｐｅｄ ｏｎ）する。これにより、ボロンあるいはカーボンが堆積する、または注入される確率が低下する。代替として、最初の３秒間の遅延の後にＮ_２を（ボロンの代わりに）添加し、さらに３秒間遅らせてバイアス電圧を急上昇（ｓｔｅｐｐｅｄ ｏｎ）させる。さらに別の実施形態では、最初の３秒間の遅延の後に（ボロンではなく）Ｎ_２を添加し、さらに３秒間遅らせるとバイアス電圧が急上昇し、その後、６０秒後にボロン前駆物質がオンにされ（Ｎ_２の有無に関係なく）、この状態がプロセスの残りの部分にかけて続く。アモルファスカーボン膜を光吸収体として、好みの波長（例えば８１０ｎｍ）にて堆積させる低温のトロイダルプラズマＣＶＤプロセスの場合には、基礎アモルファスカーボン前駆物質炭化水素ガス（即ちＣ_３Ｈ_６）に対して（１）ボロン（即ちＢ_２Ｈ_６）、（２）Ｎ_２または他の形態の窒素を添加することによる相互作用的な恩典が得られる。堆積させたカーボン層の熱安定性は４５０℃、特にこれよりも高い温度にて向上する。詳細には、堆積層の層間分離や剥離などを生じることなく、堆積させたアモルファスカーボン層をレーザによってシリコンの融点、またはこれよりも上の温度にまで加熱することができる。この特徴によって、典型的に層間分離や薄利を防止するために必要な閾値ウェーハ電圧または閾値イオンエネルギーが事実上低下する。炭化水素ガス中でボロン添加物質と窒素添加物質を組み合わせる前述の特徴を、光吸収アモルファスカーボン層を堆積させる場合に採用することができ、また、光吸収体ではないカーボン層を堆積させる場合にも採用できる。別の例では、交差トロイダル構成の２本の再入管のそれぞれに１ＫＷのＲＦトロイダルソース電力（約１２〜１４ＭＨｚの周波数で）を印加してプラズマを開始させるために、３００ｍｍのシリコンウェーハ上に、８００ｓｃｃｍの流量と３０ミリトールの圧力でＡｒを自己導入させている。プラズマ開始ステップの次に、スロットル弁を調整してチャンバ圧力を１５ミリトールにまで降下させ、このチャンバ圧力を堆積プロセスの残り部分にかけても維持する。次に、Ａｒの流れを２００ｓｃｃｍに低減し、Ｃ前駆物質ガスとしてＣ_３Ｈ_６を６００ｓｃｃｍの流量にて導入し、トロイダルソース電力レベルを管１本につき２ｋＷにまで３秒間上昇させることで、最初の界面層を堆積させる。（残りの堆積プロセスについても、トロイダルソース電力レベルを管１本につき２ｋＷに維持する。）その後、Ｎ_２を３３３ｓｃｃｍの流量で導入し、この数秒後に、約８ＫＷのＲＦバイアス電力を要し、ＲＦバイアス電圧（周波数１〜３ＭＨｚ）をピークトゥピークでゼロまたは低い初期値から７ＫＶにまで急勾配させる。約４０秒後に、Ｂ_２Ｈ_６を２０ｓｃｃｍの流量で、１８０ｓｃｃｍの流量水素希釈ガスと共に導入し、Ｎ_２の流れを（任意で）断絶する。このステップを１４０秒間かけて行う。全実行中、静電ウェーハチャックを−２０〜＋４０℃の範囲内に維持し、ウェーハ温度を約８０〜１４０℃に維持する。約３分間の合計プロセス時間について、膜厚さは約０．７５ミクロンであり、「ｋ」値は約８００ｎｍのレーザ波長にて約０．３６である。この膜は優れた熱安定性と正角性を有し、注入による下に在るウェーハ面の損傷は最小である。またこの膜は、先述のトロイダルストリップチャンバまたは従来の下流ラジカルストリッププロセスチャンバのいずれかの内部にて、ウェーハ温度２５０℃で、窒素と酸素の混合物を１０％未満のＣＦ_４窒素と共に使用し、（アニールの有無に関係なく）ストリップ可能である。ＣＦ_４またはこれに代わる窒素ソースを、ボロンを含有した最初の頂層のストリップ後に停止し（フッ素あるいは水素がボロンの除去を助ける）、その後は、従来の窒素および酸素によって、下のウェーハ面への損傷を最小に抑えながら残りの膜厚さを有効に除去することができる。

[117]本発明を、好ましい実施形態を参照しながら詳細に説明したが、本発明の真の精神および範囲から逸脱しない限り、これに応用および変更を加えられることが理解される。

ダイナミックな表面アニーリング機器を図示する。 図１の機器の光学部品の頂面図である。 図２に関連した立面図である。 図１の機器に採用したレーザアレイの分断断面図である。 図１の機器の均質化を行うライトパイプの斜視図である。 図５のライトパイプの斜視側面図であり、この場合、ライトパイプはコリメートレンズと集束レンズを設けている。 図６に関連した側面図である。 図６に関連した頂面図である。 低温ＣＶＤプロセスを実施するためにを採用されたトロイダルソースプラズマリアクタを描いている。 図９のリアクタ内で実行される一般的な低温ＣＶＤプロセスを描画するブロック図である。 図１０の低温プロセスによって堆積させた、ソース電力の関数としての層の正角性を図示したグラフである。 アスペクト比の高い開口部と堆積した層の断面図であり、正角性の定義を図示している。 ＣＶＤ堆積速度をプラズマソース電力の関数として描画したグラフである。 堆積層の応力をバイアス電力レベルの関数として図示したグラフである。 図１０のプロセスの実施形態を図示したブロック図である。 図１０のプロセスの別の実施形態を図示したブロック図である。 図１０のプロセスのさらに別の実施形態のブロック図である。 図１５または図１６のいずれかのプロセスによって形成された薄膜構造の断面図である。 図１５または図１６いずれかのプロセスによって注入したイオンの密度を水面以下の深さの関数として描画したグラフである。 図１０のプロセスのさらに別の実施形態を図示したブロック図である。 極浅接合部を形成するプロセスのブロック図である。 図２０のプロセスの代替実施形態のブロック図である。 図２１のプロセスによって形成された薄膜構造の断面図である。 図２１のプロセスによって形成された薄膜構造の断面図である。 図２３Ａの薄膜構造における深さの関数としての、イオン注入した種の濃度のグラフである。 図２０のプロセスの代替実施形態のブロック図である。 図２４のプロセスにおける時間の関数としての添加ガス流量のグラフである。 図２４のプロセスにおける時間の関数としてのＲＦウェーハバイアス電圧のグラフである。 プロセス２４のプロセスによって形成された薄膜構造の断面図である。 図２０のプロセスの別の代替実施形態のブロック図である。 ２つの異なる添加ガスの比率を図２４のプロセスにおける時間の関数として図示したグラフである。 図２４の別バージョンのプロセスにおける単一の添加ガスの比率を図示したグラフである。 ウェーハＲＦバイアス電力を、図２４のさらに別バージョンのプロセスにおける時間関数として図示している。 図２４のプロセスによって形成した多層堆積型コーティングを有する薄膜構造を描いている。 半導体ウェーハ内の極浅接合部をアニーリングする動作を図示している。 本発明に従ってウェーハを処置するための統合型システム ウェーハ表面に極浅接合部を形成するために必要な全てのステップを実行する統合型システムである。

符号の説明

１０…円筒形の側壁、１２…シーリング、１４…ウェーハ接触型の冷却静電チャック、１６…ポンプアニュール、１８…ガス分配板、２０…側部注入ノズル、２２…外部再入管、２４…ＲＦ電力アプリケータ、２６…磁気透過性トロイダルコア、２８…伝導コイル、３０…ＲＦプラズマソース電力生成器、３２…光インピーダンス整合回路、３４…プロセスガス供給部、４０…シリコンウェーハ、４２…プロセス領域、４４…ＲＦバイアス電力生成器、４６…インピーダンス整合回路、４８…チャッキング電圧源、５０…隔離キャパシタ、６０…半導体性頂層またはパック、７０…内部冷却剤通路、１１０…ガントリ構造、１１２、１１４…固定された平行レール、１１６、１１８…平行なガントリビーム、１２０…ビームソース、１２４…ファン型ビーム、１２６…ラインビーム、１３２…レーザバースタック、１３４…平行バー、１３６…エミッタ、１４２…従来の光学部品、１５８…ソースビーム、１６３…検出器、１６２、１６４、１６６…円筒形レンズ、１６５…光フィルタ、１７０…１次元ライトパイプ、１７２…スラブ、１７８…出力面、１８０、１８２…アナモルフィック光学部品、２５１…ウェーハ、２５２…薄膜構造、２５３…アモルファスカーボンＯＡＬ、３１０…共通のウェーハハンドリングロボット、３１５ａ、３１５ｂ…入力／出力ウェーハポート、３２０ａ、３２０ｂ…トロイダルプラズマソース低温ＣＶＤリアクタチャンバ、３２５ａ、３２５ｂ…ＤＳＡチャンバ、３３０ａ、３３０ｂ…光吸収体層ストリップチャンバ、３５０…ウェーハハンドラ、３６０…事前イオン注入ウェーハ洗浄チャンバ、３７０…トロイダルプラズマソースリアクタ、３８０…ＤＳＡチャンバ。

Claims (20)

1. ワークピースの半導体材料内に半導体接合部を形成する方法であって、
   前記半導体材料の選択された領域内にドーパント不純物をイオン注入するステップと、
   前記ワークピースを含有したチャンバ内に光吸収体材料前駆物質ガスを導入するステップと、
   ＲＦソース電流を印加することで、前記ワークピースの上にあるプロセスゾーンを含む再入経路内にＲＦ発振トロイダルプラズマ電流を生成して、前記ワークピース上に光吸収体材料の層を堆積させるステップと、
   前記ワークピースを光学的にアニーリングして、前記半導体材料内でドーパント不純物を活性化するステップと、
   を備える方法。
2. 前記ＲＦソース電流の印加するステップが、ＲＦソース電流を前記再入経路の外部に結合させる工程を備える、請求項１に記載の方法。
3. 前記ワークピースを２００℃未満に維持するステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。
4. 前記ワークピースの温度が、１００℃未満である、請求項３に記載の方法。
5. 前記ワークピースにバイアス電力または電圧を印加するステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。
6. 前記光吸収体材料がアモルファスカーボンを備え、前記前駆物質ガスがカーボン含有ガスを備える、請求項５に記載の方法。
7. 光吸収層内に吸収性拡張種を含むステップをさらに備える、請求項６に記載の方法。
8. 前記光吸収層内に前記吸収性拡張種を含む前記ステップが、前記光吸収体材料の堆積中に前記光吸収体材料前駆物質ガスに光吸収拡張種前駆物質ガスを添加する工程を備える、請求項７に記載の方法。
9. 前記光吸収層内に前記吸収性拡張種を含む前記ステップが、前記光吸収体層の堆積後に前記光吸収層内に前記光吸収性拡張種をイオン注入する工程を備える、請求項７に記載の方法。
10. 前記ワークピースを光学的にアニーリングする前記ステップが、レーザのアレイからの光を前記ワークピースの頂面上のラインビームに集束させ、前記ラインビームを、前記頂面にかけて、前記ラインビームを横切る方向に走査させる工程を備える、請求項７に記載の方法。
11. 前記レーザのアレイが所定の波長の放射線を放出し、
    前記吸収性拡張種が、所定の波長にある前記光吸収体材料の不透明性を増加させる、請求項１０に記載の方法。
12. 光吸収層内で所定の応力レベルを実現するために、前記バイアス電力または電圧を調整するステップをさらに備える、請求項５に記載の方法。
13. 前記所定の応力レベルが圧縮応力に対応する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記光吸収層内で所望の度数の正角性（conformality）を実現するために、前記ＲＦソース電力のレベルを調整するステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。
15. 前記調整するステップが、前記光吸収層の段状被覆を得るために、前記ＲＦソース電力を十分に高いレベル、高度の正角性に設定する工程を備える、請求項１４に記載の方法。
16. 前記光吸収性拡張種がボロン、窒素、水素のうち１つを備える、請求項１１に記載の方法。
17. 前記光吸収体層内の応力レベルを等級付けできるようにするために、前記バイアス電力または電圧を、時間を追うごとに開始値から最大値にまで増加させるステップをさらに備える、請求項５に記載の方法。
18. 前記光吸収体層の深さにかけて前記吸収特徴を変化させるために、前記チャンバ内における前記光吸収性拡張前駆物質ガスの比率を時間を追うごとに変更するステップをさらに備える、請求項８に記載の方法。
19. 前記光吸収性拡張前駆物質ガスの比率を時間を追うごとに変更するステップが、
    （ａ）前記吸収体層の深さにかけて前記吸収特徴を等級付けできるようにするために、前記比率を勾配させる工程と、
    （ｂ）高い不透明性と低い不透明性の副層を交互に有する吸収体層内に抗反射コーティングを形成するために前記比率を切り替える工程と、
    のうちいずれか一方を備える、請求項１８に記載の方法。
20. 光吸収体層の不透明性を深さにかけて変化させるために、深さにかけて変化するイオン注入深さプロフィールを提供するステップをさらに備える、請求項９に記載の方法。

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