JP2009212346A - プラズマドーピング方法及び装置 - Google Patents

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Seikoku Kin
成国 金
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Abstract

【課題】処理基板へ注入する不純物濃度及び結晶状態を制御することができるプラズマドーピング方法及び装置を提供する。
【解決手段】プラズマ放電中に、ある励起波長のレーザを処理基板表面に照射し、処理基板表面の不純物濃度及び結晶状態を、散乱光によって測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子デバイスを作成するため処理基板に不純物を導入するプラズマドーピング方法及び装置に関する。
固体試料の表面に不純物を導入する技術としては、不純物をイオン化して、低エネルギーで固体中に、イオン化した不純物を導入するプラズマドーピング法が知られている（例えば、特許文献１参照）。図１３は、前記特許文献１に記載された従来の不純物導入方法としてのプラズマドーピング法に用いられるプラズマ処理装置の概略構成を示している。図１３において、真空容器２０１内に、シリコン基板よりなる試料２０９を載置するための試料電極２０６が設けられている。真空容器２０１内に所望の元素を含むドーピング原料ガス、例えばＢ２Ｈ６を供給するためのガス供給装置２０２、真空容器２０１内の内部を減圧するポンプ２０３が設けられ、真空容器２０１内を所定の圧力に保つことができる。マイクロ波導波管２１９より、誘電体窓としての石英板２０７を介して、真空容器２０１内にマイクロ波が放射される。このマイクロ波と、電磁石２１４から形成される直流磁場の相互作用により、真空容器２０１内に有磁場マイクロ波プラズマ（電子サイクロトロン共鳴プラズマ）２２０が形成される。試料電極２０６には、コンデンサ２２１を介して高周波電源２１０が接続され、試料電極２０６の電位が制御できるようになっている。なお、ガス供給装置２０２から供給されたガスは、ガス供給口２１１から真空容器２０１内に供給され、排気口２１２からポンプ２０３へ排気される。
このような構成のプラズマ処理装置において、ガス供給口２１１から供給されたドーピング原料ガス、例えばＢ２Ｈ６は、マイクロ波導波管２１９及び電磁石２１４から成るプラズマ発生手段によってプラズマ化され、プラズマ２２０中のボロンイオンが、高周波電源２１０によって試料２０９の表面に導入される。
通常、試料２０９の表面には、熱酸化膜などからなるゲート酸化膜を形成し、この上層にＣＶＤ法等によりゲート電極となる導電性層を形成し、これをパターニングし、ゲート電極のパターンを形成する。このようにしてゲート電極の形成された試料２０９をプラズマドーピング装置にセットし、前述した方法によりゲート電極をマスクとして自己整合的に不純物の導入がなされ、ソース・ドレイン領域を形成することによりＭＯＳトランジスタが得られる。ただし、プラズマドーピング処理によって不純物を導入しただけでは、トランジスタを構成することはできないため、活性化処理を行う必要がある。活性化処理とは、不純物を導入した層を、レーザアニール、又はフラッシュランプアニールなどの方法を用いて加熱し、結晶中で活性な状態にする処理をいう。このとき、不純物を導入した極薄い層を効果的に加熱することにより、浅い活性化層を得ることができる。不純物を導入した極薄い層を効果的に加熱するためには、不純物を導入する前に、不純物を導入しようとする極薄い層における、レーザ又はランプなどの光源から照射される光に対する吸収率を高めておく処理が行われる。この処理はプレアモルファス化と呼ばれるもので、先に示したプラズマ処理装置と同様の構成のプラズマ処理装置において、Ｈｅガスなどのプラズマを発生させ、生じたＨｅなどのイオンをバイアス電圧によって基板に向けて加速して衝突させ、基板表面の結晶構造を破壊して非晶質化（アモルファス化）している（例えば、特許文献４参照）。
一方、従来から真空容器内２０１の試料電極２０６に高周波電源２１０から高周波電力を印加し、真空容器内２０１内でプラズマを発生させ、試料電極２０６と高周波電源２１０の間のある点のインピーダンス又は電圧又は電流をモニタし、プラズマから処理基板２０９に入射するイオン量及びイオン入射エネルギーを算出している（例えば、特許文献２参照）。これらの算出した値から、マイクロ波の投入電力量及び処理時間及び圧力にフィードバックすることにより、所望の不純物量及び不純物深さが得られるようにしている。
また、プラズマ処理装置内の基板上に付着した異物の元素分析を行うために、レーザ光を基板上に照射し、基板からの散乱光の振動数のずれを検出し、検出結果に基づいて物質を特定し、メンテナンスすべき部品を特定し、その寿命を算出している（例えば特許文献３参照）。
米国特許４９１２０６５号公報 特表２００３−５１３４３９号公報 特開２００１−１８５５４５号公報 ＷＯ２００５−０３１８３２公報
しかしながら、従来の方法では、イオン量及びイオン入射エネルギーを間接的に算出しているために、プラズマ内においてドーピング原料ガスとそれ以外のガスのイオン量及びイオン入射エネルギーを分離することができず、算出されたイオン量及びイオン入射エネルギーから得られた不純物量は、処理基板に実際に注入される不純物量とは一致しない場合がある。例えば、図１３のように、ガス供給口２１１よりジボランとヘリウムを真空容器２０１内に供給する場合、真空容器２０１内に発生したプラズマ中には、ボロンイオン、ヘリウムイオン、及び、その他イオンが発生し、インピーダンスと電流と電圧などのモニタでは、その詳細が検出できず、完全にはプロセスを制御することができず、プロセスが変動したときに、処理基板２０９に注入される不純物量を制御できない。
従って、本発明の目的は、前記問題を解決することにあって、処理基板へ注入する不純物濃度を正確に制御できるプラズマドーピング方法及び装置を提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明の第１態様によれば、真空容器内の電極に処理基板を載置し、ドーパント用ガスを前記真空容器内に供給し、前記真空容器内をある一定の圧力に制御し、プラズマを発生させるとともに、前記処理基板に高周波電力を印加して、ドーパントを前記処理基板の表面に注入してプラズマドーピング層を形成するプラズマドーピング方法において、
プラズマ放電中に励起光として、前記処理基板の表面側でかつ前記プラズマドーピング層を形成する第１領域に対して、光吸収が存在する波長を持つ第１レーザ光を、前記処理基板の表面に対して直交する方向に入射させ、
前記処理基板からの第１散乱光を検出器で受光し、
前記検出器で受光された前記第１散乱光を分光器でスペクトル分解し、
前記分光器でのスペクトル分解により、不要な励起波長を除去した後のスペクトルから第１散乱光を演算部で算出するとともに、前記算出した第１散乱光から、前記処理基板の表面の前記プラズマドーピング層の不純物濃度を前記演算部で算出し、
算出した不純物濃度が、設定された不純物濃度となるようにプラズマ処理条件を制御装置でフィードバック制御するプラズマドーピング方法を提供する。
本発明の第２態様によれば、前記第１レーザ光の波長は、前記処理基板に形成される前記プラズマドーピング層の厚み５ｎｍ〜１００ｎｍの吸収係数を持つ励起用レーザ光の波長であり、前記第１レーザ光の波長が１９０ｎｍ〜４２０ｎｍであることを特徴とする第１の態様に記載のプラズマドーピング方法を提供する。
本発明の第３態様によれば、前記プラズマ放電中に励起光として、前記処理基板の表面側でかつ前記プラズマドーピング層を形成する前記第１領域よりも深い第２領域に対して、光吸収が存在する波長でかつ前記第１レーザ光の波長よりも大きな波長の第２レーザ光を、前記処理基板の表面に対して直交する方向に入射させ、
前記処理基板からの第２散乱光を検出器で受光し、
前記検出器で受光された前記第２散乱光を分光器でスペクトル分解し、
前記分光器でのスペクトル分解により、不要な励起波長を除去した後のスペクトルから第２散乱光を前記演算部で算出するとともに、前記算出した第２散乱光と前記第１散乱光との差分から、前記処理基板の表面付近のアモルファス層の膜質又は膜厚を前記演算部で算出し、
前記算出したアモルファス層の膜質又は膜厚が、設定されたアモルファス層の膜質又は膜厚となるようにプラズマ処理条件を前記制御装置で制御する、第１又は２の態様に記載のプラズマドーピング方法を提供する。
本発明の第４態様によれば、前記第２レーザ光は、前記処理基板の表面のプラズマドーピング層よりも１００ｎｍを超えた深い前記第２領域に光吸収が存在する波長を持つリファレンス光として使用でき、前記第２レーザ光の波長は、４２０ｎｍ〜１１００ｎｍであることを特徴とする第３の態様に記載のプラズマドーピング方法を提供する。
本発明の第５態様によれば、前記第２レーザ光の波長は、前記第１レーザ光の吸収係数の１００分の１以下の吸収係数を持つ波長であることを特徴とする第３又は４の態様に記載のプラズマドーピング方法を提供する。
本発明の第６態様によれば、前記レーザ光は、前記処理基板のスクライブライン内の検出パターン上に照射することを特徴とする第１〜５のいずれか１つの態様に記載のプラズマドーピング方法を提供する。
本発明の第７態様によれば、真空容器と、
前記真空容器内に配置されかつ処理基板を載置する電極と、
ドーパント用ガスを前記真空容器内に供給するドーパント用ガス供給装置と、
前記真空容器内をある一定の圧力に維持する圧力制御装置と、
前記真空容器内にプラズマを発生させるプラズマ発生装置と、
前記処理基板に高周波電力を印加する高周波電力印加装置と、
プラズマ放電中に励起光として、前記処理基板の表面側でかつ前記プラズマドーピング層を形成する第１領域に対して、光吸収が存在する波長を持つ第１レーザ光を、前記処理基板の表面に対して直交する方向に入射させる第１レーザ光出射装置と、
前記処理基板の前記表面に直交する方向に前記処理基板から散乱する第１散乱光を受光する検出器と、
前記検出器で受光された第１散乱光をスペクトル分解する分光器と、
前記分光器でのスペクトル分解により、不要な励起波長を除去した後のスペクトルから第１散乱光を算出するとともに、前記算出した第１散乱光から、前記処理基板の表面のプラズマドーピング層の不純物濃度を算出する演算部と、
前記演算部で算出した不純物濃度が、設定された不純物濃度となるようにプラズマ処理条件をフィードバック制御する制御装置とを備えるプラズマドーピング装置を提供する。
本発明の第８態様によれば、前記第１レーザ光の波長は、前記処理基板に形成される前記プラズマドーピング層の厚み５ｎｍ〜１００ｎｍの吸収係数を持つ励起用レーザ光の波長であり、前記第１レーザ光の波長が１９０ｎｍ〜４２０ｎｍであることを特徴とする第７の態様に記載のプラズマドーピング装置を提供する。
本発明の第９態様によれば、前記プラズマ放電中に励起光として、前記処理基板の表面側でかつ前記プラズマドーピング層を形成する前記第１領域よりも深い第２領域に対して、光吸収が存在する波長でかつ前記第１レーザ光の波長よりも大きな波長の第２レーザ光を、前記処理基板の表面に対して直交する方向に入射させる第２レーザ光出射装置をさらに備えて、
前記検出器は、前記処理基板からの第２散乱光を受光し、
前記分光器は、前記検出器で受光された前記第２散乱光をスペクトル分解し、
前記演算部は、前記分光器でのスペクトル分解により、不要な励起波長を除去した後のスペクトルから第２散乱光を算出するとともに、前記算出した第２散乱光と前記第１散乱光との差分から、前記処理基板の表面付近のアモルファス層の膜質又は膜厚を算出し、
前記制御装置は、前記算出したアモルファス層の膜質又は膜厚が、設定されたアモルファス層の膜質又は膜厚となるようにプラズマ処理条件を制御する、第７又は８の態様に記載のプラズマドーピング装置を提供する。
本発明の第１０態様によれば、前記第２レーザ光は、前記処理基板の表面のプラズマドーピング層よりも１００ｎｍを超えた深い前記第２領域に光吸収が存在する波長を持つリファレンス光として使用でき、前記第２レーザ光の波長は、４２０ｎｍ〜１１００ｎｍであることを特徴とする第９の態様に記載のプラズマドーピング装置を提供する。
本発明の第１１態様によれば、前記第２レーザ光の波長は、前記第１レーザ光の吸収係数の１００分の１以下の吸収係数を持つ波長であることを特徴とする第９又は１０の態様に記載のプラズマドーピング装置を提供する。
処理基板の極表面を直接モニタすることによって、処理基板の表面から１０ｎｍ〜１００ｎｍの深さの不純物濃度を、プラズマドーピング処理中にリアルタイムに、かつ、より正確に測定することができ、測定結果を基に、プラズマドーピング処理条件、例えば、プラズマ発生用高周波電源から印加される高周波電力、又は、プラズマドーピング処理時間、又は、真空容器内へのガス流量若しくは真空容器内の圧力などに、制御装置により、正しくフィードバックすることができて、不純物濃度を正確に制御して、所望の不純物濃度を正確に得ることができる。
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態にかかるプラズマドーピング方法及び装置について、図１及び図２を参照して説明する。
図１に、本発明の第１実施形態において用いるプラズマドーピング装置の断面図及び平面図を示す。図１において、真空室９００を内部に形成しかつ接地された真空容器１内に、ドーパント用ガス供給装置の一例としてのガス供給装置２から真空容器１の側壁のガス供給口１１を介して所定のガスを供給しつつ、排気装置の一例としてのターボ分子ポンプ３により真空容器１の底面の排気口１２を介して真空容器１内の排気を行い、排気口１２を開閉する調圧弁４により真空容器１内を所定の圧力に保つことができる。このターボ分子ポンプ３と調圧弁４と後述する制御装置９０の圧力制御部とにより、圧力制御装置を構成している。プラズマ発生用高周波電源５により、一例として１３．５６ＭＨｚの高周波電力を、試料電極６に対向して真空容器１の上部に設けられた誘電体窓７の外側の上面近傍に設けられたコイル８に供給することにより、誘導結合型プラズマを、真空容器１内の真空容器１の試料電極６の上方空間及びその周辺に発生させることができる。このプラズマ発生用高周波電源５とコイル８とにより、プラズマ発生装置を構成している。真空容器１内に絶縁体６０を介して配置された試料電極６上に、試料の一例としてのシリコン基板９を載置する。プラズマドーピング処理の処理時間により、所望のドーズ量（シート抵抗Ｒｓ）を得ることができる。図６では、処理時間に対するドーズ量（シート抵抗Ｒｓ）の関係を示している。すなわち、図６のグラフより、所望のドーズ量を得るためのプラズマドーピング処理の処理時間がわかる。
また、試料電極６には、高周波電力を供給するための、高周波電力印加装置の一例としての高周波電力印加用高周波電源１０が接続されており、試料電極６に載置される試料の一例としての処理基板９が、プラズマに対して負の電位を持つように、制御装置９０により高周波電力印加用高周波電源１０を駆動制御して、試料電極６の電位を制御することができるようになっている。
制御装置９０は、ガス供給装置２とターボ分子ポンプ３と調圧弁４と高周波電源５と高周波電源１０と後述する温度調整装置６Ａとモニタリング装置８０とをそれぞれ動作制御して、プラズマドーピング方法を実施できるように構成している。なお、モニタリング装置８０においては、後述する信号増幅装置１８と演算部２９と比較判定部３０とレーザ発振器１４，１４Ａ，１４Ｂと制御装置９０とはそれぞれ接続されており、それぞれの動作を制御可能としている。
処理基板９を試料電極６に載置した後、試料電極６の温度を、試料電極６に内蔵された温度調整装置６Ａで例えば１０℃に保ちながら、真空容器１を排気口１２からターボ分子ポンプ３により排気しつつ、ガス供給装置２からガス供給口１１を介して真空容器１に、例えば、ヘリウムガスを５０ｓｃｃｍ供給するとともに、ドーピング原料ガス（ドーパント用ガス）の一例としてのジボラン（Ｂ２Ｈ６）ガスを３ｓｃｃｍ供給し、調圧弁４を制御装置９０で制御して真空容器１の圧力を例えば３Ｐａに保つ。シリコン半導体で用いられるドーピング原料ガスの一例として、ジボランの例を挙げたが、ｎ型半導体用ドーピング原料ガスであるアルシン、ホスフィン、三フッ化ヒ素、五フッ化ヒ素、三塩化ヒ素、五塩化ヒ素、三塩化リン、五塩化リン、三フッ化リン、五フッ化リン、若しくは、オキシ塩化リンなどを用いてもよいし、又は、ｐ型半導体用ドーピング原料ガスであるジボラン、三塩化ホウ素、三フッ化ホウ素、又は、三臭化ホウ素などを用いてもよい。
次に、処理基板９の表面付近の不純物濃度をモニタするためのモニタリング装置８０について説明する。
図２は、モニタリング装置８０の概略図を示している。モニタリング装置８０は、レーザ光８１を処理基板９に対して、処理基板９の表面に対して直交する方向に照射する光学系８４と、処理基板９からの散乱光（処理基板９の表面に直交する方向に処理基板９から放射する放射光）８２を検出する検出光学系８５と、検出光学系８５で検出した光を増幅する信号増幅装置１８と、検出光学系８５で検出しかつ信号増幅装置１８で増幅されたレーザ光から検出スペクトルを演算する演算部２９とより構成している。なお、図２では、レーザ光８１を処理基板９の表面に対して直交する方向に照射するように図示すると、レーザ光８１と散乱光８２とが重なってしまい見づらくなるため、わかりやすくするためにレーザ光８１と散乱光８２とを処理基板９の表面に対して傾斜して図示している。しかしながら、実際には、レーザ光８１を処理基板９の表面に対して直交する方向に照射し、散乱光８２は処理基板９の表面に対して直交する方向に放出される。以後の図でも、同様に図示している。
レーザ光８１を処理基板９に照射する光学系８４は、レーザ光８１を出射するレーザ発振器１４と、レーザ発振器１４から出射されたレーザ光８１を波長分離する波長分離板１９と、レーザ発振器１４から出射されかつ波長分離板１９を透過したレーザ光８１を処理基板９に集光する集光レンズ１５とより構成されている。なお、光学系８４からのレーザ光８１は、所定波長に対して透過率の高い前記誘電体窓７を通過する。ここで、レーザ発振器１４と波長分離板１９と集光レンズ１５とより、レーザ光出射装置の一例を構成している。レーザ発振器１４と集光レンズ１５及び波長分離板１９は、真空容器１の上部の誘電体窓７の外側に設け、集光レンズ１５と波長分離板１９と誘電体窓７とを透過してレーザ光８１を、真空容器１内の処理基板９に照射する。処理基板９の表面側の測定領域９ａの範囲（大きさ）については、集光レンズ１５のＮＡ（開口数）を変更することによって、任意に変えることができるが、不純物層（プラズマドーピング層）内とする。プラズマドーピング層は、処理基板９の表面から最大でも１００ｎｍ程度の深さの層とする。一例として、レーザ光８１のレーザ波長において、処理基板９が、例えばシリコンで形成されている場合、シリコンが５〜１００ｎｍの吸収係数を持つレーザ波長のレーザ光８１を出射可能な紫外レーザを、レーザ発振器１４として用いるのが好ましい。レーザ光８１の前記範囲（５〜１００ｎｍ）のレーザ波長が処理基板９の測定領域９ａで吸収されるため、処理基板９の表面から１００ｎｍを超える深さの領域へは、レーザ光８１は、ほとんど到達できない。処理基板９の表面からの深さが５〜１００ｎｍの処理基板９の測定領域９ａで吸収されたレーザ光８１は、励起光として働き、その一部は、ラマン散乱光８２として処理基板９の表面から放出されることになる。１つの実例として、処理基板９がシリコンであり、不純物の深さが２０ｎｍである場合には、処理基板９の表面からの吸収深さを２０ｎｍと設定している。なお、ラマン散乱光とは、以下のような意味である。ある波長の光を物質に当てるとき、同じ波長の光が散乱（レイリー散乱）するが、一部の散乱光は、その物質を構成する分子の振動に応じて、波長が変化して散乱することを、「ラマン散乱」と呼び、そのように波長が変化して散乱する光を「ラマン散乱光」と呼んでいる。処理基板９の表面からの前記吸収深さは、レーザ光８１の、ある波長の光吸収係数の逆数である。ここで、図７は、シリコンの光吸収係数と波長との関係を示すグラフであって、シリコンの光吸収係数の波長依存性を示している。図７のシリコンの光吸収係数と波長との関係から、一例として、処理基板９の測定領域９ａを、処理基板９の表面からの吸収深さ２０ｎｍと設定する場合には、吸収深さ２０ｎｍに相当する発光波長３５２ｎｍ以下のレーザ光８１を選択すればよい。一例として、レーザ波長を２４８ｎｍに設定して、エキシマレーザの波長と同じとして、エキシマレーザが使用できるようにしている（図７参照）。すなわち、前記レーザ光８１は、例えば、１ｅ１８ｃｍ−３の濃度に達する深さをプラズマドーピング深さと定義するとき、所望の深さと同等程度の吸収係数を持つ波長の光を用いる。吸収深さは、前記したように、ある波長の光吸収係数の逆数であるため、プラズマドーピング法によって形成する不純物層（プラズマドーピング層）の深さと同等の光吸収係数（言い換えれば、逆数が不純物層（プラズマドーピング層）の深さとなるような光吸収係数）を持つ発光波長以下のレーザ光８１を選択するのが好ましい。
処理基板９からの散乱光８２を検出する検出光学系８５は、プリズム又は回折格子を有する分光器１６と、散乱光を波長毎に検出する検出器１７とより構成されている。なお、処理基板９からの散乱光８２は、真空容器１の上部の誘電体窓７を通過したのち検出光学系８５に入る。レーザ光８１が照射された処理基板９の測定領域９ａから放出した散乱光８２は、誘電体窓７を通過し、集光レンズ１５及び波長分離板１９を透過して、分光器１６のプリズム又は回折格子によってスペクトル分解して波長分離される。分光器１６により波長分離した光を、波長毎に検出器１７で検出し、検出器１７で検出した光を信号増幅装置１８で増幅し、検出しかつ増幅されたレーザ光のうちの不要なスペクトルを演算部２９で演算により除去することによって、不純物濃度を制御するために必要なスペクトルとして、図３及び図４のような散乱光８２の発光スペクトル（言い換えれば、検出スペクトル）を得ることができる。
ここで、プラズマドーピング方法で処理基板９に形成する不純物深さが数ｎｍ〜２５０ｎｍのため、その吸収深さに相当する１５０〜４２０ｎｍの間のある発光波長を、前記レーザ光８１のレーザ発光波長として選択してもよい。また、レーザ発光波長をパルスにするため、その周波数成分のみの信号を取り出すことにより、前記レーザ発振器１４とは別の例のレーザ光出射装置とすることもできる。このような構成の場合には、ノイズ成分及びプラズマ放電の影響を除去することができる。この場合、パルス生成方法としては、レーザ発振器１４への入力電流をパルス発生させることによって生成することができる。ここで、パルス生成方法としては、定期的に遮光する遮光板を用いても良い。パルス周期は、レーザ光８１のレーザ発光波長、プラズマ発生用高周波電源５の周波数、プラズマドーピング装置を使用する地域で供給される電力周波数（日本の西部であれば６０Ｈｚ）、及び、その他プラズマドーピング装置で使用されている機器の発信周波数以外の周波数を用いなければならない。なお、信号成分が十分大きいときは、前記パルスを生成しなくともよい。
図３には、ヘリウムガスでのプラズマ放電中に測定したラマン散乱のスペクトル例をグラフで示す。図３のグラフの縦軸は強度、横軸はラマンシフトである。この図３に示すように、時間の経過とともに、シリコンの単結晶のみのピーク（結晶シリコンのピーク）５２１ｃｍ−１とアモルファスのシリコンのピーク４７０ｃｍ−１とが出現していることがわかる。
また、さらにジボランを真空容器１内に供給した場合、図４に示すように、前記スペクトルとは別の波長のピーク（フォノンとして不純物のピーク）１０５ｃｍ−１が現れたことがわかる。なお、図４のグラフも、縦軸は強度、横軸はラマンシフトである。
これらのことから、シリコンの結晶状態は、５２１ｃｍ−１のピーク及び４７０ｃｍ−１のピークでそれぞれ検出し、不純物の状態は１０５ｃｍ−１付近のピークで検出できることがわかる。
プラズマドーピング処理を実施していくと、処理基板９に不純物を注入するため、図８に示すように、不純物の濃度を示す不純物信号のラマン強度（縦軸参照）が、処理時間（横軸参照）により、徐々に増加する。
よって、この第１実施形態では、不純物の濃度を制御することを目的としているため、シリコンの結晶状態を表す５２１ｃｍ−１のピーク及び４７０ｃｍ−１のピークは不要なスペクトルとして演算部２９での演算時に除去し、不純物の濃度状態を表す１０５ｃｍ−１付近のピークのみを抽出し、かつ、抽出されたピークと、図８に示す不純物信号のピークの大きさの処理時間の依存性とを考慮して、制御装置９０でプラズマドーピング処理のプロセスを制御することができる。具体的には、抽出されたピークと前記不純物信号のピークの大きさの処理時間の依存性とを考慮して、制御装置９０により、プラズマドーピング処理条件、例えば、プラズマ発生用高周波電源５から印加される高周波電力、又は、プラズマドーピング処理時間、又は、真空容器１内へのガス流量若しくは真空容器１内の圧力などをフィードバック制御することにより、所望の（設定された）不純物濃度が正確に得ることができる。この場合、フィードバック制御の一例としては、抽出されたピークの強度が、所望の強度よりも小さい場合には、その差分を演算部２９で算出し、算出された差分の強度に対応するプラズマドーピング処理時間を、前記抽出されたピークと前記不純物信号のピークの大きさの処理時間の依存性の関係から演算部２９で算出し、算出されたプラズマドーピング処理時間だけ、ドーピング処理時間を延長すればよい。フィードバック制御時にプラズマドーピング処理条件を制御するとき、プラズマドーピング処理時間を制御するのが最も制御しやすい。
次に、第１実施形態のプラズマドーピング装置を使用してのプラズマドーピング方法について、図１１Ａのフローチャートを参照しながら説明する。以下の動作、基本的に、制御装置９０の制御の下で実施することができる。
まず、ステップＳ１において、処理基板９を試料電極６に載置したのち、制御装置９０の制御の下に、ガス供給装置２から真空容器１の側壁のガス供給口１１を介して所定のガスを真空容器１内に供給しつつ、ターボ分子ポンプ３により真空容器１の底面の排気口１２を介して真空容器１内の排気を行い、排気口１２を開閉する調圧弁４により真空容器１内を所定の圧力に保つ。
次いで、ステップＳ２において、制御装置９０の制御の下に、レーザ発振器１４から出射されたレーザ光８１は、波長分離板１９で下向きに屈折し、集光レンズ１５で集光されつつ誘電体窓７を透過して真空容器１内の処理基板９に照射される。そして、レーザ光８１が照射された処理基板９の測定領域９ａから放出した散乱光８２は、誘電体窓７を通過し、集光レンズ１５及び波長分離板１９を透過して、分光器１６のプリズム又は回折格子によって波長分離される。分光器１６により波長分離した光を、波長毎に検出器１７で検出し、検出結果に基づいて散乱光８２の不要なスペクトルを演算部２９で除去して、不純物信号の強度を意味するラマン強度を演算部２９で求める。演算部２９で求められた不純物信号の強度を、放電開始前の不純物信号の強度として、一時的に比較判定部３０に記憶しておく。
次いで、ステップＳ３において、制御装置９０の制御の下に、プラズマ発生用高周波電源５により、一例として１３．５６ＭＨｚの高周波電力をコイル８に供給することにより、誘導結合型プラズマを、真空容器１内の真空容器１の試料電極６の上方空間及びその周辺に発生させる。また、このとき、制御装置９０により高周波電力印加用高周波電源１０を駆動制御して、試料電極６の電位を制御して、処理基板９が、プラズマに対して負の電位を持つようにする。これにより、プラズマドーピングを開始する。すなわち、図５のように、プラズマ中のボロンイオンが、高周波電源１０によって試料９の表面に導入される。
次いで、ステップＳ４において、レーザ光８１が照射された処理基板９の測定領域９ａから放出した散乱光８２は、誘電体窓７を通過し、集光レンズ１５及び波長分離板１９を透過して、分光器１６のプリズム又は回折格子によって波長分離される。分光器１６により波長分離した光を、波長毎に検出器１７で検出し、検出結果に基づいて散乱光８２の不要なスペクトルを演算部２９で除去して、不純物信号の強度を意味するラマン強度を、演算部２９で求める。演算部２９で求められた不純物信号の強度が、ステップＳ２で一時的に記憶されていた放電開始前の不純物信号の強度の１０倍以上であるか否かを比較判定部３０で判定する。ここで、放電開始前の不純物信号の強度の１０倍以上であるか否かを比較判定部３０で判定するとしたが、これは一例であり、例えば１０倍となるときが、ドーズ量が１０１５程度になるときに相当する。このステップＳ４で求められた不純物信号の強度が、ステップＳ２で一時的に記憶されていた放電開始前の不純物信号の強度の１０倍以上となるまで、次のステップには進まずに、ドーピング処理を継続しておく。このとき、演算部２９で求められた不純物信号の強度（前記抽出されたピーク）と前記不純物信号のピークの大きさの処理時間の依存性（図８参照）とを考慮して、制御装置９０により、プラズマドーピング処理条件、例えば、プラズマ発生用高周波電源５から印加される高周波電力、又は、プラズマドーピング処理時間、又は、真空容器１内へのガス流量若しくは真空容器１内の圧力などをフィードバック制御する。
このステップＳ４で求められた不純物信号の強度が、ステップＳ２で一時的に記憶されていた放電開始前の不純物信号の強度の１０倍以上となると、所望の（設定された）不純物濃度が得られたとして、次のステップＳ５に進む。
次いで、ステップＳ５において、制御装置９０の制御の下に、プラズマ発生用高周波電
源５及び高周波電力印加用高周波電源１０をオフにして、プラズマ放電を終了して、プラズマドーピングを終了する。
前記した第１実施形態によれば、処理基板９の極表面を直接モニタすることによって、処理基板９の表面から５ｎｍ〜１００ｎｍの深さの不純物濃度を、プラズマドーピング処理中にリアルタイムに、かつ、より正確に測定することができ、測定結果を基に、プラズマドーピング処理条件、例えば、プラズマ発生用高周波電源５から印加される高周波電力、又は、プラズマドーピング処理時間、又は、真空容器１内へのガス流量若しくは真空容器１内の圧力などに、制御装置９０により、正しくフィードバックすることができて、不純物濃度を正確に制御して、所望の（設定された）不純物濃度を正確に得ることができる。なお、処理基板９の極表面を直接モニタするため、真空容器１の壁から放出される不純物量をも考慮することができ、より正確な制御が可能となる。
（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態について、図１及び図１２を参照して説明する。
第２実施形態において用いるプラズマドーピング装置の基本的な構造は、図１に示す第１実施形態において用いるプラズマドーピング装置と同様であるため、主として異なる点について説明する。最も大きな相違点は、波長の異なるレーザ光８１Ａ，８１Ｂ（すなわち、長波長レーザ光８１Ａと短波長レーザ光８１Ｂ）を発振する２つのレーザ発振器１４Ａ，１４Ｂを備えて、短波長レーザ光８１Ｂで第１実施形態と同様な検出を行う一方、処理基板９の表面から浅い領域（測定領域）９ａからの短波長の散乱光（処理基板９の表面に直交する方向に処理基板９から放射する短波長の放射光）８２Ｂには、処理基板９の表面の結晶状態の情報が入っているが、他の情報に埋もれてしまっているため、処理基板９の表面から深い領域９ｇからの長波長の散乱光（処理基板９の表面に直交する方向に処理基板９から放射する長波長の放射光）８２Ａをリファレンス信号として使用し、浅い領域（測定領域）９ａからの短波長の散乱光８２Ｂと、深い領域９ｇからの長波長の散乱光８２Ａとの差分を演算して処理基板９の表面の結晶状態の情報（アモルファス状態）を取り出すことにより、処理基板９の測定領域９ａでの不純物濃度に加えて、結晶状態を検出できるようにしたことである。ここでも、第１実施形態と同様に、プラズマドーピング層は、処理基板９の表面から最大でも１００ｎｍ程度の深さの層とする。
モニタリング装置８０は、第１実施形態では、処理基板９の表面付近の不純物濃度をモニタしていたが、この第２実施形態では、不純物濃度及び結晶状態をモニタするために使用する。
モニタリング装置８０としては、光学系８４Ａと検出光学系８５と信号増幅装置１８と演算部２９とより構成しているが、構造的に大きく異なるのは光学系８４Ａである。
具体的には、光学系８４Ａは、図１２に示すように、２種類の波長のレーザ光８１Ａ，８１Ｂ（長波長の発光波長を持つレーザ光８１Ａと短波長の発光波長を持つレーザ光８１Ｂ）を照射するためのものであり、２種類の波長のレーザ光８１Ａ，８１Ｂをそれぞれ出射するレーザ光出射装置の一例としてのレーザ発振器１４Ａ，１４Ｂと、集光レンズ１５と、波長分離板１９とより構成されている。なお、光学系８４Ａからのレーザ光８１Ａ，８１Ｂは、それぞれの所定波長に対して透過率の高い誘電体窓７をそれぞれ通過する。レーザ発振器１４Ａ，１４Ｂと集光レンズ１５及び波長分離板１９は、真空容器１の上部の誘電体窓７の外側に設け、波長分離板１９及び集光レンズ１５及び誘電体窓７を通じてレーザ光８１Ａ，８１Ｂを、真空容器１内の処理基板９に、それぞれ処理基板９の表面に対して直交する方向に照射する。処理基板９の表面側の測定領域９ａの範囲（大きさ）については、集光レンズ１５のＮＡ（開口数）を変更することによって、任意に変えることができる。
以下に説明するように、レーザ光８１Ｂの短波長の発光波長は、第１実施形態のレーザ光８１と同様である。
一例として、レーザ光８１Ｂの短波長の発光波長において、処理基板９が、例えばシリコンで形成されている場合、シリコンが５〜１００ｎｍの吸収係数を持つレーザ波長のレーザ光８１Ｂを出射可能な紫外レーザを、レーザ発振器１４Ｂとして用いるのが好ましい。短波長の発光波長を持つレーザ光８１Ｂの前記範囲（５〜１００ｎｍ）のレーザ波長が処理基板９の測定領域９ａで吸収されるため、処理基板９の表面から１００ｎｍを超える深さの領域９ｇ（図１０参照）へはレーザ光８１Ｂは、ほとんど到達できない。処理基板９の表面からの深さが５〜１００ｎｍの処理基板９の測定領域９ａで吸収されたレーザ光８１Ｂは、励起光として働き、それらの一部は、ラマン散乱光として処理基板９の表面から散乱光８２Ｂとして放出されることになる。１つの実例として、処理基板９がシリコンであり、不純物の深さが２０ｎｍである場合には、処理基板９の表面からの吸収深さを２０ｎｍと設定している。
ここで、第１実施形態で説明したように、短波長のレーザ光８１Ｂによれば、図３に示すように、シリコンの結晶状態は、５２１ｃｍ−１のピーク及び４７０ｃｍ−１のピークでそれぞれ検出する一方、不純物の状態は１０５ｃｍ−１付近のピークで検出することができる。
また、プラズマドーピング処理を実施していくと、処理基板９に不純物を注入するため、図８に示すように、結晶状態を示すアモルファス信号のラマン強度（縦軸参照）が、処理時間（横軸参照）により、徐々に増加するとともに、不純物の濃度を示す不純物信号のラマン強度（縦軸参照）も、処理時間（横軸参照）により、徐々に増加する。
よって、この第２実施形態では、不純物の濃度及びシリコンの結晶状態を制御することを目的としているため、不純物の濃度を制御するときは第１実施形態と同様な処理を行う一方、シリコンの結晶状態を制御するときは、不純物の状態を表す１０５ｃｍ−１付近のピークは不要なスペクトルとして演算部２９での演算時に除去し、シリコンの結晶状態を表す５２１ｃｍ−１のピーク及び４７０ｃｍ−１のピークのみを抽出し、かつ、抽出されたピークと、図８に示すアモルファス信号のピークの大きさの処理時間の依存性とを考慮して、制御装置９０でプラズマドーピング処理のプロセスを制御することができる。具体的には、抽出されたピークと前記アモルファス信号のピークの大きさの処理時間の依存性とを考慮して、制御装置９０により、プラズマドーピング処理条件、例えば、プラズマ発生用高周波電源５から印加される高周波電力、又は、プラズマドーピング処理時間、又は、真空容器１内へのガス流量若しくは真空容器１内の圧力などをフィードバック制御することにより、所望の（設定された）結晶状態を正確に得ることができる。この場合、フィードバック制御の一例としては、抽出されたピークの強度が、所望の強度よりも小さい場合には、その差分を演算部２９で算出し、算出された差分の強度に対応するプラズマドーピング処理時間を、前記抽出されたピークと前記アモルファス信号のピークの大きさの処理時間の依存性の関係から演算部２９で算出し、算出されたプラズマドーピング処理時間だけ、ドーピング処理時間を延長すればよい。フィードバック制御時にプラズマドーピング処理条件を制御するとき、プラズマドーピング処理時間を制御するのが最も制御しやすい。
また、この第２実施形態においては、前記短波長レーザ光８１Ｂによる処理基板９の表面の不純物濃度及び結晶状態の変化を確認するため、処理基板９の表面から２０μｍ以上の深さの測定領域９ａを測定するために、光吸収が２μｍ以上の波長を持つレーザ光８１Ａを使用し、そのレーザ光８１Ａを処理基板９に照射する。そして、処理基板９からの散乱光８２Ａを検出器１７で検出して、検出した光をリファレンス光（リファレンス信号）とすることができる。
ここで、長波長の発光波長を持つレーザ光８１Ａの選択方法において、処理基板９の不純物の影響を除くために、前記測定領域９ａの吸収係数の１０００倍程度の吸収係数を持つ、すなわち、前記短波長レーザ光８１Ｂの波長が持つ吸収係数に対して、１００分の１以下の吸収係数を持つ波長を選択すればよい。その理由は、長波長の発光波長を持つレーザ光８１Ａを用いたときのラマン散乱信号のＳＮ比程度と表面のプラズマドーピング方法で生成した不純物の信号及びアモルファス化の信号が同等であるため、これを明確に区別する必要があるためである。１つの実例として、不純物深さが２０ｎｍである場合には、長波長レーザ発振器１４Ａから発振される長波長の発光波長を持つレーザ光８１Ａの発光波長は２μｍ（４．８Ｅ−３ｃｍ−１）であり、図７より長波長レーザ光８１Ａの発光波長は６２１ｎｍ以上であればよい。ここでは、６３３ｎｍの発光波長のＨｅ−Ｎｅレーザ発振器を長波長レーザ発振器１４Ａとして選択して用いている。
例えば、この長波長の発光波長を持つレーザ光８１Ｂをモニタリング装置８０でモニタリングすることによって、放電中の変動要因をモニタリングすることができ、前記短波長のレーザ光８１Ｂのラマンスペクトルとの単結晶シリコンのピークを、レーザ光８１Ｂのスペクトルから演算部２９で除去することによって、処理基板９の極表面の、より正確なラマン散乱スペクトルを得ることができる。
リファレンス信号のみを取り出す方法として、短波長レーザ発振器１４Ｂにおいて生成したパルスと異なる周波数のパルスを生成することで、短波長のレーザ光８１Ｂの検出器１７と同じ検出器１７で検出しても、信号を互いに分離することができる。このパルス周期は、短波長のレーザ光８１Ｂのレーザ発光波長、プラズマ発生用高周波電源５の周波数、プラズマドーピング装置を使用する地域で供給される電力周波数（日本の西部であれば６０Ｈｚ）、その他プラズマドーピング装置で使用されている機器の発信周波数、及び、前記短波長レーザ発振器１４Ｂのパルス周波数以外の周波数を用いなければならない。
演算部２９は、前記ラマンシフトと強度とのグラフで現れた波長のピーク変化を検出し、演算部２９により、所定の変化量が検出したときに、制御装置９０により、コイル８に印加しているプラズマ発生用高周波電源５の高周波電力又は処理時間又は試料電極６に印加している高周波電力印加用高周波電源１０の高周波電力を変化させるようにしている。
例えば、アモルファスのシリコンのピークを表す４７０ｃｍ−１のピークが現れたことを演算部２９で検出したとき、アモルファスのシリコンのピークを表す４７０ｃｍ−１の強度とシリコンの単結晶のみのピーク（結晶シリコンのピーク）を表す５２１ｃｍ−１の強度の比から吸収深さを演算部２９で演算し、ピーク比が、設定値以上の強度で上昇していると比較判定部３０により判定したとき、処理基板９においてアモルファス層がこれ以上深い領域まで進行しないように、処理基板９に試料電極６を介して高周波電力印加用高周波電源１０から印加している高周波電力を下げるように、制御装置９０によって高周波電力印加用高周波電源１０を制御することができる。また、４７０ｃｍ−１の強度と５２１ｃｍ−１の強度の比が、ある設定値以上の強度に達したと比較判定部３０により判定したとき、制御装置９０により、プラズマ発生用高周波電源５及び高周波電力印加用高周波電源１０を停止させることにより、放電時間を停止することもできる。
また、図１０に示すように、プラズマ放電の変動による誤動作を防止するために、処理基板９の表面から十分に深い（例えば、処理基板９の表面のプラズマドーピング層よりも１００ｎｍを超えた深さの）領域９ｇの散乱光８２Ａを検出光学系８５で検出することによって、プラズマ放電の変動をモニタし、プラズマドーピング層のスペクトル値に変動分を演算部２９により積算させる。前記処理基板９の表面から十分に深い領域９ｇの光吸収係数は１００ｎｍ以下であり、そのときのレーザ波長は４２０ｎｍ〜１１００ｎｍである。レーザ波長が１１００ｎｍを超えると、シリコン基板の場合には通過してしまうので、使用できない。
リファレンス信号としては、次のような使い方もできる。十分に深い領域９ｇの散乱光８２Ａを使って、散乱光８２Ａの結晶情報（結晶状態を示す信号）を演算部２９で除いて、プラズマドーピング処理時のアモルファス状態及びドーピング状態のみのスペクトルを演算部２９で演算することができる。
次に、第２実施形態のプラズマドーピング装置を使用してのプラズマドーピング方法について、図１１Ｂのフローチャートを参照しながら説明する。以下の動作、基本的に、制御装置９０の制御の下で実施することができる。なお、不純物濃度の検出は、第１実施形態のフローチャートと同じであるため、ここでは、結晶状態の検出についてのみ、説明する。
まず、ステップＳ１１において、処理基板９を試料電極６に載置したのち、制御装置９０の制御の下に、ガス供給装置２から真空容器１の側壁のガス供給口１１を介して所定のガスを真空容器１内に供給しつつ、ターボ分子ポンプ３により真空容器１の底面の排気口１２を介して真空容器１内の排気を行い、排気口１２を開閉する調圧弁４により真空容器１内を所定の圧力に保つ。
次いで、ステップＳ１２において、制御装置９０の制御の下に、レーザ発振器１４Ａ，１４Ｂから出射されたレーザ光８１Ａ，８１Ｂは、それぞれ、波長分離板１９で下向きに屈折し、集光レンズ１５で集光されつつ誘電体窓７を透過して真空容器１内の処理基板９に照射される。そして、レーザ光８１Ａ，８１Ｂがそれぞれ照射された処理基板９の測定領域９ａから放出した散乱光８２Ａ，８２Ｂは、誘電体窓７を通過し、集光レンズ１５及び波長分離板１９を透過して、分光器１６のプリズム又は回折格子によって波長分離される。分光器１６により波長分離した光を、波長毎に検出器１７で検出する。ここで、散乱光８２Ａはリファレンス信号として使用し、散乱光８２Ａと散乱光８２Ｂとの差分を演算部２９で求めて、アモルファス信号の強度を意味するラマン強度を演算部２９で求める。演算部２９で求められたアモルファス信号の強度を、放電開始前のアモルファス信号の強度として、一時的に比較判定部３０に記憶しておく。
次いで、ステップＳ１３において、制御装置９０の制御の下に、プラズマ発生用高周波電源５により、一例として１３．５６ＭＨｚの高周波電力をコイル８に供給することにより、誘導結合型プラズマを、真空容器１内の真空容器１の試料電極６の上方空間及びその周辺に発生させる。また、このとき、制御装置９０により高周波電力印加用高周波電源１０を駆動制御して、試料電極６の電位を制御して、処理基板９が、プラズマに対して負の電位を持つようにする。これにより、プラズマドーピングを開始する。
次いで、ステップＳ１４において、レーザ光８１Ａ，８１Ｂが照射された処理基板９の測定領域９ａから放出した散乱光８２Ａ，８２Ｂは、誘電体窓７を通過し、集光レンズ１５及び波長分離板１９を透過して、分光器１６のプリズム又は回折格子によって波長分離される。分光器１６により波長分離した光を、波長毎に検出器１７で検出し、検出結果に基づいて散乱光８２Ａ，８２Ｂの差分を演算部２９で求めて、アモルファス信号の強度を意味するラマン強度を演算部２９で求める。演算部２９で求められたアモルファス信号の強度が、ステップＳ１２で一時的に記憶されていた放電開始前のアモルファス信号の強度の１０倍以上であるか否かを比較判定部３０で判定する。このステップＳ１４で求められたアモルファス信号の強度が、ステップＳ１２で一時的に記憶されていた放電開始前のアモルファス信号の強度の１０倍以上となるまで、次のステップには進まずに、ドーピング処理を継続しておく。このステップＳ１４で求められたアモルファス信号の強度が、ステップＳ１２で一時的に記憶されていた放電開始前のアモルファス信号の強度の１０倍以上となると、所望の（設定された）不結晶状態が得られたとして、次のステップＳ１５に進む。
次いで、ステップＳ１５において、制御装置９０の制御の下に、プラズマ発生用高周波電源５及び高周波電力印加用高周波電源１０をオフにして、プラズマ放電を終了して、プラズマドーピングを終了する。
１つの実例では、ステップＳ１のガス供給及び排気工程では、圧力が３Ｐａ、Ｈｅ流量が７ｓｃｃｍ、Ｂ２Ｈ６流量が３ｓｃｃｍ、（Ｖ・ｐ／Ｑ）が６．７ｓ、排気がオン、高周波電力（ＩＣＰ／ＢＩＡＳ）が０／０（Ｗ）である。次いで、ステップＳ２のレーザ照射工程では、圧力が３Ｐａ、Ｈｅ流量が７ｓｃｃｍ、Ｂ２Ｈ６流量が３ｓｃｃｍ、（Ｖ・ｐ／Ｑ）は６．７ｓ、排気がオン、高周波電力（ＩＣＰ／ＢＩＡＳ）（すなわち、プラズマ発生用高周波電源５からの高周波電力／高周波電力印加用高周波電源１０からの高周波電力）が８００／２００（Ｗ）である。ただし、真空容器９の真空室の体積をＶ（Ｌ：リットル）、上記真空容器９内の圧力をｐ（Ｔｏｒｒ）、供給される上記ガスの流量をＱ（Ｔｏｒｒ・Ｌ／ｓ）とする。
前記した第２実施形態によれば、処理基板９の極表面を直接モニタすることによって、処理基板９の表面から５ｎｍ〜１００ｎｍの深さの不純物濃度及び結晶状態を、プラズマドーピング処理中にリアルタイムに、かつ、より正確に測定することができ、測定結果を基に、プラズマドーピング処理条件、例えば、プラズマ発生用高周波電源５から印加される高周波電力、又は、プラズマドーピング処理時間、又は、真空容器１内へのガス流量若しくは真空容器１内の圧力などに、制御装置９０により、正しくフィードバックすることができて、不純物濃度及び結晶状態を正確に制御して、所望の（設定された）不純物濃度及び結晶状態を正確に得ることができる。なお、処理基板９の極表面を直接モニタするため、真空容器１の壁から放出される不純物量をも考慮することができ、より正確な制御が可能となる。
以上述べた本発明の様々な実施形態においては、本発明の適用範囲のうち、真空容器（真空室）１の形状、プラズマ発生用高周波電源５の方式及び配置等に関して、様々なバリエーションのうちの一部を例示したに過ぎない。本発明の適用にあたり、ここで例示した以外にも様々なバリエーションが考えられることは、いうまでもない。
例えば、コイル８は、円錐形状の立体的な形状に限られず、平面形状としてもよく、あるいは、ヘリコン波プラズマ源、磁気中性ループプラズマ源、有磁場マイクロ波プラズマ源（電子サイクロトロン共鳴プラズマ源）、又は、平行平板型プラズマ源を用いてもよい。
また、ヘリウムガスに代えて、ヘリウム以外の不活性ガスを用いてもよく、ネオン、アルゴン、クリプトン又はキセノン（ゼノン）のうち少なくとも１つのガスを用いることができる。これらの不活性ガスは、試料への悪影響が他のガスよりも小さいという利点がある。
また、試料９が、シリコンよりなる半導体基板である場合を例示したが、他の様々な材質の試料を処理するに際して、本発明を適用することができる。
また、不純物がボロンである場合について例示したが、試料がシリコンよりなる半導体基板である場合、特に不純物が、砒素、燐、ボロン、アルミニウム、又はアンチモンである場合に本発明は有効である。これは、トランジスタ部分に、浅い接合を形成することができるからである。
また、プラズマ放電中にレーザ光を試料に照射する場合を例示したが、プラズマ放電をしていないときにもレーザ光を試料に照射することもできる。
また、本発明は、ドーピング濃度が低濃度である場合に有効であり、特に、１×１０１１／ｃｍ２〜１×１０１７／ｃｍ２を狙いとしたプラズマドーピング方法及び装置として有効である。また、１×１０１１／ｃｍ２〜１×１０１４／ｃｍ２を狙いとしたプラズマドーピング方法及び装置として、特に格別の効果を奏する。ドーピング濃度が１×１０１７／ｃｍ２よりも大きい場合には、従来のイオンインプラで可能であるのに対して、ドーピング濃度が１×１０１７／ｃｍ２以下を必要するデバイスには従来の方法では対応できなかったが、本発明によれば、対応することが可能となる。
通常、処理基板９には、レジストで覆われているパターンが存在しており、不純物の信号及びアモルファス層の信号に混じって、レジストの信号も検出される。そのために、図９のように、半導体基板を切断するための空き領域（例えば、切断時の切り代である、スクライブラインの領域）９ｃに、任意の検出パターンを設け、できるだけ処理基板の信号、不純物の信号、アモルファス層の信号以外の信号が入らないようにすることもできる。
また、第１実施形態のレーザ光８１又は第２実施形態の第１レーザ光８１Ｂとして、５〜１００ｎｍの吸収係数を持つレーザ波長のレーザ光を例示しているが、これに限られず、処理基板９に形成されるプラズマドーピング層の厚み５ｎｍ〜１００ｎｍの吸収係数を持ち、波長が１９０ｎｍ〜４２０ｎｍであるレーザ光でも使用することができる。１９０ｎｍ〜４２０ｎｍとする理由は、この範囲ならば、エキシマレーザを使用することができるからである。
また、処理基板９の大きさが大きく複数の測定点で測定したい場合には、モニタリング装置８０を複数個配置して、各測定点に対してそれぞれのモニタリング装置８０で不純物濃度、又は、不純物濃度及び結晶状態を検出して、フィードバック制御するようにしてもよい。
なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
本発明のプラズマドーピング方法及び装置は、ドーピング濃度をはじめとする処理の安定性を高めることが可能であり、半導体の不純物ドーピング工程をはじめ、液晶などで用いられる薄膜トランジスタの製造や、各種材料の表面改質等の用途にも適用できる。また、結晶性の回復及び不純物の活性化時に用いられるアニール装置にも適用できる。
本発明の第１及び第２実施形態によるプラズマドーピング装置の構成図 本発明の第１実施形態によるレーザ発振装置及びレーザ受信装置の構成図 本発明の第１実施形態によるプラズマドーピング処理における、ヘリウムガスでのプラズマ放電中に取得したラマン散乱スペクトル（５２１ｃｍ−１付近にシリコンのピーク、４７０ｃｍ−１付近にアモルファスのピークが見られる）を示すグラフ 本発明の第１実施形態によるプラズマドーピング処理における、ヘリウムガスでのプラズマ放電中でかつジボランを供給したときに取得したラマン散乱スペクトル（１０５ｃｍ−１付近にドーピング（不純物）のピークが見られる）を示すグラフ 本発明の第１実施形態によるプラズマドーピング処理における、プラズマドーピング処理中の処理基板の表面状態を説明するための説明図 本発明の第１実施形態によるプラズマドーピング処理における、シート抵抗のプラズマドーピング処理時間の依存性を示すグラフ シリコンの光吸収係数の波長依存性を示すグラフ 不純物信号及びアモルファス信号のピークの大きさの処理時間依存性を示すグラフ 処理基板上のレーザ照射部分の詳細図 本発明の第２実施形態において、処理基板の表面付近の短波長レーザ及び長波長レーザの深さ方向の入り込みを説明するための説明図 本発明の第１実施形態によるプラズマドーピング処理における、処理基板上の不純物濃度を検出するためのフローチャート 本発明の第２実施形態によるプラズマドーピング処理における、処理基板のアモルファス深さを検出するためのフローチャート 本発明の第２実施形態によるレーザ発振装置及びレーザ受信装置の構成図 従来のプラズマドーピング装置の構成図
符号の説明
１ 真空容器
２ ガス供給装置
３ ターボ分子ポンプ
４ 調圧弁
５ プラズマ発生用高周波電源
６ 試料電極
６Ａ 温度調整装置
７ 誘電体窓
８ コイル
９ 基板
９ａ 測定領域
１０ 高周波電力印加用高周波電源
１１ ガス供給口
１２ 排気口
１３ モニタリング装置
１４，１４Ａ，１４Ｂ レーザ発振器
１５ 集光レンズ
１６ 分光器
１７ ディテクタ
１８ 信号増幅装置
１９ 波長分離板
２９ 演算部
３０ 比較判定部
８０ モニタリング装置
８１ レーザ光
８１Ａ レーザ光（長波長）
８１Ｂ レーザ光（短波長）
８２ 散乱光
８２Ａ 散乱後のレーザ光（長波長の散乱光）
８２Ｂ 散乱後のレーザ光（短波長の散乱光）
８４，８４Ａ 光学系
８５ 検出光学系
９０ 制御装置

Claims (11)

  1. 真空容器内の電極に処理基板を載置し、ドーパント用ガスを前記真空容器内に供給し、前記真空容器内をある一定の圧力に制御し、プラズマを発生させるとともに、前記処理基板に高周波電力を印加して、ドーパントを前記処理基板の表面に注入してプラズマドーピング層を形成するプラズマドーピング方法において、
    プラズマ放電中に励起光として、前記処理基板の表面側でかつ前記プラズマドーピング層を形成する第１領域に対して、光吸収が存在する波長を持つ第１レーザ光を、前記処理基板の表面に対して直交する方向に入射させ、
    前記処理基板からの第１散乱光を検出器で受光し、
    前記検出器で受光された前記第１散乱光を分光器でスペクトル分解し、
    前記分光器でのスペクトル分解により、不要な励起波長を除去した後のスペクトルから第１散乱光を演算部で算出するとともに、前記算出した第１散乱光から、前記処理基板の表面の前記プラズマドーピング層の不純物濃度を前記演算部で算出し、
    算出した不純物濃度が、設定された不純物濃度となるようにプラズマ処理条件を制御装置でフィードバック制御するプラズマドーピング方法。
  2. 前記第１レーザ光の波長は、前記処理基板に形成される前記プラズマドーピング層の厚み５ｎｍ〜１００ｎｍの吸収係数を持つ励起用レーザ光の波長であり、前記第１レーザ光の波長が１９０ｎｍ〜４２０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマドーピング方法。
  3. 前記プラズマ放電中に励起光として、前記処理基板の表面側でかつ前記プラズマドーピング層を形成する前記第１領域よりも深い第２領域に対して、光吸収が存在する波長でかつ前記第１レーザ光の波長よりも大きな波長の第２レーザ光を、前記処理基板の表面に対して直交する方向に入射させ、
    前記処理基板からの第２散乱光を検出器で受光し、
    前記検出器で受光された前記第２散乱光を分光器でスペクトル分解し、
    前記分光器でのスペクトル分解により、不要な励起波長を除去した後のスペクトルから第２散乱光を前記演算部で算出するとともに、前記算出した第２散乱光と前記第１散乱光との差分から、前記処理基板の表面付近のアモルファス層の膜質又は膜厚を前記演算部で算出し、
    前記算出したアモルファス層の膜質又は膜厚が、設定されたアモルファス層の膜質又は膜厚となるようにプラズマ処理条件を前記制御装置で制御する、請求項１又は２に記載のプラズマドーピング方法。
  4. 前記第２レーザ光は、前記処理基板の表面のプラズマドーピング層よりも１００ｎｍを超えた深い前記第２領域に光吸収が存在する波長を持つリファレンス光として使用でき、前記第２レーザ光の波長は、４２０ｎｍ〜１１００ｎｍであることを特徴とする請求項３に記載のプラズマドーピング方法。
  5. 前記第２レーザ光の波長は、前記第１レーザ光の吸収係数の１００分の１以下の吸収係数を持つ波長であることを特徴とする請求項３又は４に記載のプラズマドーピング方法。
  6. 前記レーザ光は、前記処理基板のスクライブライン内の検出パターン上に照射することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のプラズマドーピング方法。
  7. 真空容器と、
    前記真空容器内に配置されかつ処理基板を載置する電極と、
    ドーパント用ガスを前記真空容器内に供給するドーパント用ガス供給装置と、
    前記真空容器内をある一定の圧力に維持する圧力制御装置と、
    前記真空容器内にプラズマを発生させるプラズマ発生装置と、
    前記処理基板に高周波電力を印加する高周波電力印加装置と、
    プラズマ放電中に励起光として、前記処理基板の表面側でかつ前記プラズマドーピング層を形成する第１領域に対して、光吸収が存在する波長を持つ第１レーザ光を、前記処理基板の表面に対して直交する方向に入射させる第１レーザ光出射装置と、
    前記処理基板の前記表面に直交する方向に前記処理基板から散乱する第１散乱光を受光する検出器と、
    前記検出器で受光された第１散乱光をスペクトル分解する分光器と、
    前記分光器でのスペクトル分解により、不要な励起波長を除去した後のスペクトルから第１散乱光を算出するとともに、前記算出した第１散乱光から、前記処理基板の表面のプラズマドーピング層の不純物濃度を算出する演算部と、
    前記演算部で算出した不純物濃度が、設定された不純物濃度となるようにプラズマ処理条件をフィードバック制御する制御装置とを備えるプラズマドーピング装置。
  8. 前記第１レーザ光の波長は、前記処理基板に形成される前記プラズマドーピング層の厚み５ｎｍ〜１００ｎｍの吸収係数を持つ励起用レーザ光の波長であり、前記第１レーザ光の波長が１９０ｎｍ〜４２０ｎｍであることを特徴とする請求項７に記載のプラズマドーピング装置。
  9. 前記プラズマ放電中に励起光として、前記処理基板の表面側でかつ前記プラズマドーピング層を形成する前記第１領域よりも深い第２領域に対して、光吸収が存在する波長でかつ前記第１レーザ光の波長よりも大きな波長の第２レーザ光を、前記処理基板の表面に対して直交する方向に入射させる第２レーザ光出射装置をさらに備えて、
    前記検出器は、前記処理基板からの第２散乱光を受光し、
    前記分光器は、前記検出器で受光された前記第２散乱光をスペクトル分解し、
    前記演算部は、前記分光器でのスペクトル分解により、不要な励起波長を除去した後のスペクトルから第２散乱光を算出するとともに、前記算出した第２散乱光と前記第１散乱光との差分から、前記処理基板の表面付近のアモルファス層の膜質又は膜厚を算出し、
    前記制御装置は、前記算出したアモルファス層の膜質又は膜厚が、設定されたアモルファス層の膜質又は膜厚となるようにプラズマ処理条件を制御する、請求項７又は８に記載のプラズマドーピング装置。
  10. 前記第２レーザ光は、前記処理基板の表面のプラズマドーピング層よりも１００ｎｍを超えた深い前記第２領域に光吸収が存在する波長を持つリファレンス光として使用でき、前記第２レーザ光の波長は、４２０ｎｍ〜１１００ｎｍであることを特徴とする請求項９に記載のプラズマドーピング装置。
  11. 前記第２レーザ光の波長は、前記第１レーザ光の吸収係数の１００分の１以下の吸収係数を持つ波長であることを特徴とする請求項９又は１０に記載のプラズマドーピング装置。
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