JP2009267203A

JP2009267203A - プラズマドーピング装置

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Publication number: JP2009267203A
Application number: JP2008116835A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Okashita; 勝己岡下; Yuichiro Sasaki; 雄一朗佐々木; Bunji Mizuno; 文二水野
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-04-28
Filing date: 2008-04-28
Publication date: 2009-11-12
Also published as: US20090266298A1

Abstract

【課題】工場で連続してプラズマを放電して製品を処理するうえで、長期間に渡り高いスループットを保ったまま、製品の不良率を低下することができるプラズマドーピング装置を提供する。
【解決手段】試料電極と対向する前記真空容器の上壁に、電子線導入管と連通しかつ電子線を真空容器内に基板に向けて導入しかつプラズマの電子線導入管への侵入を防止するプラズマ侵入防止兼電子線導入穴を備え、電子線導入穴の直径Ｄがデバイ長をλ_ｄ、シースの厚さをＳ_ｄとして、Ｄ≦２λ_ｄ＋２Ｓ_ｄを満たすようにする。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法において使用され、特に、不純物を半導体基板等の固体試料の表面に導入するプラズマドーピング装置に関するものである。

不純物を固体試料の表面に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５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部分断面図を示している。図５において、真空容器１内に、ガス供給装置２から所定のガスを導入しつつ、排気装置としてのターボ分子ポンプ３により排気を行い、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。高周波電源５により１３．５６ＭＨｚの高周波電力を試料電極６に対向した誘電体窓７の近傍に設けられたコイル８に供給することにより、真空容器１内に誘導結合型プラズマを発生させることができる。試料電極６上に、試料としてのシリコン基板９を載置する。また、試料電極６に高周波電力を供給するための高周波電源１０が設けられており、これは、試料としての基板９がプラズマに対して負の電位を持つように、試料電極６の電位を制御する電圧源として機能する。

このようにして、プラズマ中のイオンを試料であるシリコン基板９の表面に向かって加速し衝突させてシリコン基板９に不純物を導入することができる。なお、ガス供給装置２から供給されたガスは、排気口１１からポンプ３へ排気される。ターボ分子ポンプ３及び排気口１１は、試料電極６の直下に配置されている。試料電極６は、基板９を載置する略円形状の台座である。

さらに、前記特許文献１に記載されたプラズマ処理装置には、基板９の表面に導入された不純物濃度（ドーズ量）を算出するための、電子線照射装置１２、Ｘ線分析器１３、Ｘ線検出器１４、および、電子線１５を真空容器１内に導入するための電子線導入穴１６、Ｘ線１７を透過するためのＸ線透過窓１８が備えられている。電子線１５を電子線照射装置１２から電子線導入穴１６を通して真空容器１内に導入し、基板９に照射すると、基板９からＸ線１７が放出される。基板９から放出されたＸ線１７の線量をＸ線透過窓１８を通してＸ線分析器１３、Ｘ線検出器１４から成る検出器を用いて検出することにより、基板９の表面に導入された不純物濃度（ドーズ量）を測定することができる。このように、不純物の導入を行う真空容器１と同じ真空容器内でプラズマドーピング後の基板９のドーズ量を測定することで、製品の不良率を低下させ、装置の設置面積を少なくすることができる。なお、１９は試料電極６を真空容器１に固定するための支柱である。

国際公開ＷＯ／２００６／０９８１０９号公報（特願2005-047598号）

しかしながら、工場で連続してプラズマを放電して製品を処理するうえで、前記特許文献１の従来のプラズマ処理装置を用いて長期に渡り繰り返しプラズマドーピングを実施すると、ドーズ量の測定に要する時間が著しく長くなり、生産のスループットが低下するという問題点があった。

前記従来の問題に鑑み、本発明の目的は、プラズマドーピングを行う真空容器にドーズ量を検査する測定器を備えており、工場で連続してプラズマを放電して製品を処理するうえで、長期間に渡り高いスループットを保ったまま、製品の不良率を低下することができるプラズマドーピング装置を提供することである。

前記の目的を達成するために、本発明者らは、従来のプラズマドーピング装置で長期間に渡り高いスループットを保ったまま、製品の良好な良品率を維持できない理由を検討した結果、次のような知見を得るに至った。

なお、本発明者らは、プラズマドーピングの長期に渡る再現性を検討する中で本発明の解決すべき課題を見出した。これにより、従来は顕在化しにくかった問題が認識し易くなったものである。

前記特許文献１の従来のプラズマドーピング装置を用いて長期に渡り繰り返しプラズマドーピング処理を行うと、誘電体窓７に設けられた電子線１５を真空容器１内に導入するための電子線導入穴１６から電子線照射装置１２の内部にプラズマＰが侵入し（図７Ｂ参照）、プラズマ中に含まれる不純物を含んだ膜が電子線照射装置１２の内部に形成されてしまう。このことを図６を参照して詳しく説明する。図６は、従来のプラズマドーピング装置の電子線照射装置１２と電子線導入穴１６の詳細を説明するための部分断面図である。図６において、電子線照射装置１２の内部には、電子を発生させるフィラメント１２Ａ、発生した電子を加速する加速器１２Ｂが備えられている。従来のプラズマドーピング装置では、電子線導入穴１６の直径が非常に大きい（後述するように約４０ｍｍ）ので、電子線導入穴１６を通して電子線照射装置１２の中にプラズマが侵入してしまう。それによって、不純物を含む膜が、電子線照射装置１２の中にあるフィラメント１２Ａや加速器１２Ｂに付着する。このことが原因で、フィラメント１２Ａから放出される電子が、不純物を含む膜によって阻害され、電子の放出数が減少することで、電子線１５の強度が減衰してしまう。前記特許文献１の従来のプラズマドーピング装置において、ドーズ量の測定に要する時間が著しく長くなり、生産のスループットが低下してしまう原因は、このことが原因であることが分かってきた。

前記した知見に基づき、本発明者らは、工場で連続してプラズマを放電して製品を処理するうえで、長期に渡り繰り返しプラズマドーピング処理をした場合でも、ドーズ量の測定に要する時間を短く維持して長期間に渡り高いスループットを保ったまま、製品の不良率を低下することができるプラズマドーピング装置を発明するに至った。

前記目的を達成するため、本発明は、以下のように構成している。

本発明の第１態様によれば、真空容器と、前記真空容器内に配置され基板を載置する試料電極と、前記試料電極に高周波電力を印加する高周波電源と、前記真空容器内を排気するガス排気装置と、前記真空容器内にガスを供給するガス供給装置と、前記真空容器内で前記基板にプラズマを直接照射するプラズマ照射装置と、前記基板に電子線を前記基板に向けて照射する電子線照射装置と、前記真空容器に配置されて前記電子線照射装置から照射された電子線を前記基板に向けて輸送する電子線導入管と、前記基板から放出されるＸ線を測定する検査装置とを備えるプラズマドーピング装置であって、
前記試料電極と対向する前記真空容器の上壁に、前記電子線導入管と連通しかつ前記電子線を前記真空容器内に前記基板に向けて導入するプラズマ侵入防止兼電子線導入穴を備え、前記電子線導入穴の直径Ｄがデバイ長をλ_ｄ、シースの厚さをＳ_ｄとして、Ｄ≦２λ_ｄ＋２Ｓ_ｄを満たすことを特徴とするプラズマドーピング装置を提供する。

これにより、工場で連続してプラズマを放電して製品を処理するうえで、長期に渡ってドーズ量の測定に要する時間を短く維持できるという特段の効果を奏する。

また、本発明の第２態様によれば、前記電子線導入穴の直径Ｄが０．０５ｍｍ以上、５ｍｍ以下である、ことを特徴とする第１態様に記載のプラズマドーピング装置を提供する。

前記電子線導入穴の直径Ｄが０．０５ｍｍ未満であれば、低エネルギーの電子線を通過させること自体が困難となり、ドーズ量の測定自体が困難になってしまう。一方で、前記電子線導入穴の直径Ｄが５ｍｍより大きければ、前記電子線導入穴から電子線照射装置の内部にプラズマが侵入してしまい、電子線導入穴や、電子線照射装置の内部に不純物を含む膜が付着するという問題が生じる。これに対して、前記電子線導入穴の直径Ｄが０．０５ｍｍ以上、５ｍｍ以下であれば、低エネルギーの電子線を通過させることが容易であるとともに、電子線導入穴の中にプラズマが侵入せず、電子線導入穴や電子線照射装置の内部に不純物を含む膜が付着しないので望ましい。これにより、広範囲のプラズマ条件に対して、工場で連続してプラズマを放電して製品を処理するうえで、長期に渡ってドーズ量の測定に要する時間を短く維持できるという特段の効果を奏する。

また、本発明の第３態様によれば、前記真空容器に設けられかつ前記Ｘ線を前記真空容器の外に透過するＸ線透過窓の内壁面に、前記Ｘ線透過窓を開閉するシャッターを備えることを特徴とする第１態様に記載のプラズマドーピング装置を提供する。

これにより、プラズマを発生させている間、シャッターでＸ線透過窓を覆う閉鎖位置に位置させることができて、不純物を含む膜がＸ線透過窓に形成されず、不純物を含む膜によってＸ線の線量が減衰することが防止でき、さらに長期に渡ってドーズ量の測定に要する時間を短く維持できるという特段の効果を奏する。

また、本発明の第４態様によれば、前記電子線導入管が外側管と内側管の二重構造であるとともに、前記外側管が金属で構成されている前記電子線導入管を備え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装置を提供する。

これにより、電子線導入管の内側と外側で材質を変えることができるので、フィラメントから基板の間の電位を材質によって制御し易くなる結果、電子線の強度を低下させることなく輸送し易くなるので望ましい。また、電子線導入管周辺に設置された高周波電源整合装置や、コイル等から発生する電磁波によって発生する電子線導入管内の電界の変化を低減できる結果、電子線の強度を低下させることなく基板に照射できるという特段の効果を奏する。

また、本発明の第５態様によれば、前記電子線導入管の前記外側管の金属がステンレス銅であることを特徴とする第４態様に記載のプラズマドーピング装置を提供する。

これにより、電子線導入管周辺に設置された高周波電源整合装置や、コイル等から発生する電磁波によって発生する電子線導入管内の電界の変化を低減できると共に、ガスによる腐食を防止できるのでさらに望ましい。

また、本発明の第６態様によれば、前記電子線導入管の前記内側管が絶縁体であることを特徴とする第４態様に記載のプラズマドーピング装置を提供する。

この構成にすることで、外側の金属の成分が真空容器内に混入することを防ぐことができ、金属汚染を低下できるのでさらに望ましい。

また、本発明の第７態様によれば、前記電子線の加速エネルギーは５０ｅＶ以上、１０ｋｅＶ以下であることを特徴とする特徴とする第１態様に記載のプラズマドーピング装置を提供する。

前記電子線の加速エネルギーが５０ｅＶ未満であれば、基板の表面に対して垂直に電子線を照射することが難しく、放出されるＸ線の強度が極めて小さくなるので十分な検出感度が得られないという不具合が生じる。一方で、前記電子線の加速エネルギーが１０ｋｅＶより大きければ、測定したい領域よりも深い領域から放出されるＸ線の強度が多くなり、実際に測定したい浅い領域から放出されるＸ線の強度が相対的に小さくなるので、実際に測定したい浅い領域を正確に評価することが困難となるという問題が生じる。

これに対して、前記電子線の加速エネルギーが５０ｅＶ以上、１０ｋｅＶ以下であれば、測定したい基板の浅い領域から放出されるＸ線の強度も十分に大きく、測定したくない基板の深い領域から放出されるＸ線の強度を抑制できるので正確な測定を行うことができるので望ましい。

本発明によると、プラズマドーピングを行う真空容器にドーズ量を検査する測定器を備えており、工場で連続してプラズマを放電して製品を処理するうえで、長期に渡り高いスループットを保ったまま、製品の不良率を低下することができるプラズマドーピング装置を提供することが可能となる。

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。

（実施形態）
以下、本発明の実施形態にかかるプラズマドーピング装置について、図１Ａから図１Ｃ、図２を参照して説明する。

図１Ａ及び図１Ｂに、それぞれ、本発明の１つの実施形態において用いたプラズマドーピング装置の部分断面図を示す。図１Ａは、後述するシャッター３９が閉鎖位置に位置している場合、図１Ｂは、後述するシャッター３９が開放位置に位置している場合を、それぞれ示している。

図１Ａ及び図１Ｂにおいて、真空室を構成する真空容器２１内に、ガス供給装置２２から原料ガスである例えばＨｅで希釈されたＢ_２Ｈ_６を導入しつつ、排気装置の一例としてのターボ分子ポンプ２３により排気を行い、調圧弁２４により真空容器２１内を所定の圧力に保つことができる。高周波電源２５により１３．５６ＭＨｚの高周波電力を、試料電極２６に対向し、かつ真空容器２１の上壁の一例としての天板２７の近傍でかつ真空容器２１の外部に設けられたコイル２８に供給することにより、真空容器２１内にプラズマを発生させることができる。高周波電源２５とコイル２８とにより、プラズマ照射装置の一例を構成している。真空容器２１の底面に絶縁体を介して配置された試料電極２６上には、試料の一例としてのシリコン基板２９を載置する。また、試料電極２６に高周波電力を供給するための高周波電源３０が真空容器２１の外部に設けられており、これは、試料の一例としての基板２９がプラズマに対して負の電位を持つように、試料電極２６の電位を制御する電圧源として機能する。制御装置１０００は、ガス供給装置２２とターボ分子ポンプ２３と調圧弁２４と高周波電源２５と後述する電子線照射装置３１とＸ線分析器３２とＸ線検出器３３とシャッター開閉駆動装置３９Ｄと接続して、それぞれの動作を制御している。なお、コイル２８の形状は、図１Ａなどに示すように平板型に限定されるものではなく、図７Ａに示すようにドーム型でもよい。

このような構成により、制御装置１０００での制御の下に、プラズマをシリコン基板２９に直接接触させながら、プラズマ中のイオンを試料の一例としてのシリコン基板２９の表面に向かって加速し衝突させて基板２９の表面に不純物、例えばボロンを導入することができる。また、プラズマをシリコン基板２９に直接接触させるので、イオンと共にガスやラジカルの形態からも基板２９の表面に不純物、例えばボロンを導入することができる。なお、本発明の前記実施形態のプラズマドーピング装置の特徴の一つは、イオンシャワー装置のようにプラズマ中からイオンだけを抜き出してガスやラジカルからイオンを分離したり、イオン注入装置のようにプラズマ中に存在する複数の種類のイオンから所望のイオンのみを質量分析器を用いて分離したりせずに、プラズマを直接、基板２９に照射することである。これにより、プラズマ中に存在する全ての不純物原子をイオンだけでなく、ガスやラジカルという形態から基板２９に導入できるので、非常に効率良く、基板２９に対する不純物の導入ができるので、スループットが極めて速くなるという特段の効果がある。

さらに、本発明の前記実施形態において用いたプラズマドーピング装置には、基板２９の表面に導入された不純物、例えばボロンのドーズ量を測定するための、電子線照射装置３１、Ｘ線分析器３２、およびＸ線検出器３３を備えている。図１Ｃに、電子線照射装置３１の内部の部分断面図を示す。電子線照射装置３１は、真空容器２１の天板２７の外面でかつ真空容器２１の外部に設けられたコイル２８の頂点（最上部分）よりも上側に、真空容器２１のケーシング２１ａの上面に配置されて、高周波電源２５の整合装置やコイル２８等から発生する電磁波によって発生する電界が、電子線照射装置３１の動作に影響しないようにするのが好ましい。電子線照射装置３１の内部には、電子を発生させるフィラメント３１Ａと、フィラメント３１Ａから発生した電子を加速する加速器３１Ｂとが備えられている。電子線照射装置３１内のフィラメント３１Ａから発生した電子は、加速器３１Ｂの電極に電圧を加えることで加速され、電子線３４となる。電子線３４は、電子線導入管３５の内部を通過する。電子線導入管３５は、天板２７に貫通して形成された電子線導入穴３６と連通している。この電子線導入穴３６は、電子線導入管３５から輸送されてきた前記電子線３４を、前記真空容器２１内に前記基板２９に向けて導入し、かつ、前記真空容器２１内のプラズマの前記電子線導入管３５への侵入を防止する機能を有するものである。電子線導入管３５及び電子線導入穴３６は、それぞれ、試料電極２６に載置された基板２９の表面に対して垂直方向の軸線沿いに配置されている。よって、電子線照射装置３１から照射された電子線３４が、電子線導入管３５及び電子線導入穴３６を貫通して、真空容器２１内に入り、試料電極２６に載置された基板２９の表面に対して垂直方向沿いに、基板２９に照射されるようにしている。電子線導入管３５は例えばステンレス銅で形成されており、そのために、静電遮蔽の原理によって、電子線導入管３５の周辺に設置された高周波電源２５の整合装置やコイル２８等から発生する電磁波によって発生する電子線導入管３５内の電界の変化を低減できる。すなわち、電子線導入管３５は、電磁波によって発生する電子線導入管３５内の電界の変化を低減できかつ原料ガスに対する耐性のある材料で構成するのが好ましい。この結果、電子線導入管３５は、電子線３４を電磁波の変化から保護する役割を果たしている。また、ステンレス銅は、ガス供給装置２２から供給される原料ガスに接触したとしても腐食し難いので、より望ましい。この電子線３４をシリコン基板２９に照射すると、シリコン基板２９の表面に導入された不純物元素が励起される。例えば、電子ビームによって不純物としてのボロン元素のＫ核電子が原子の外に飛び出る。すると、Ｌ核電子がＫ核に落ちて緩和される過程において、Ｌ核とＫ核のエネルギー準位差に相当するエネルギーを持ったＸ線３７が放射される。ボロンの場合、Ｘ線３７の波長はおよそ６５オングストロームである。このＸ線３７の線量を、真空容器２１の側壁に設けられたＸ線透過窓３８を通してＸ線分析器３２とＸ線検出器３３とで構成する検出器を用いて検出することにより、シリコン基板２９の表面に導入されたドーズ量を測定することができる。尚、本実施形態では、電子線３４の加速エネルギーを５００ｅＶとした。

この電子線３４を、電子線導入管３５と電子線導入穴３６を通して真空容器２１内に導入し、シリコン基板２９に照射する。

ここで、本発明の前記実施形態の特徴としては、電子線導入穴３６の直径の大きさを一定の数値範囲内に設定することである。以下に、この特徴を詳しく説明する。なお、本実施形態の具体的な１つの例では、電子線導入穴３６の直径を５ｍｍとしている。また、このときの天板２７の厚さは５ｃｍ、天板２７から真空容器２１のケーシング２１ａの上面までの高さは１０ｃｍである。

図２に示すように、本発明の効果を奏する条件は、電子線導入穴３６の直径をＤ、電子線導入穴３６の内側側面からのシースの厚さをＳ_ｄ、プラズマのデバイ長をλ_ｄとしたとき、電子線導入穴の直径Ｄが以下の式１

を満たすことである。

この理由を以下で詳しく説明する。

そもそも、電子線導入穴３６の中にプラズマが侵入しなければ、電子線３４を照射する電子線照射装置３１の内部に不純物を含んだ膜が堆積することはないので、本発明の効果を奏することができる。そこで、本発明の効果を奏する条件としては、電子線導入穴３６の中にプラズマが侵入しない条件である。電子線導入穴３６の中にプラズマが侵入するための必要条件は、図２に示すように、イオンを中心にして、その周囲にデバイ長の２倍の長さを確保することと、さらにその周囲にシースの厚さＳ_ｄの２倍の長さを確保することである。

このことを、図２を用いてさらに詳しく説明する。図２は、電子線導入穴３６の中にプラズマが侵入する為の必要条件の一つを説明する図である。プラズマ中では、電子とイオンが電気的に中性を保とうとしている。デバイ長λ_ｄとは、異符号の荷電子粒子群が電気的に中性と見なせる最小の距離である。すなわち、プラズマ中のイオンと電子は、クーロン力によって、イオンの正電荷と、電子の負電荷が引き合う力と、熱運動によって離れようとする力が釣り合ったとき、正負の２つの電荷の持つ相対的距離の平均値がデバイ長λ_ｄとなる。従って、孤立したイオンが電子線導入穴３６のちょうど中心にあった場合でも、イオンを中心として半径λ_ｄの空間、すなわちデバイ長λ_ｄの２倍の空間がなければ、プラズマを中性に保つことができなくなり、プラズマを維持することができない。つまり、少なくとも直径Ｄが２λ_ｄの空間がなければ、異符号の荷電子粒子群が電気的に中性に成り得ないので、プラズマを維持することができない。また、プラズマ中に絶縁体または導体を挿入すると、挿入した絶縁体または導体とプラズマの間にシースと呼ばれる電荷層が発生する。ここでは、プラズマを維持するためには、少なくとも直径Ｄが２λ_ｄの空間に加えて、さらに少なくともシースの２倍の空間が必要であることを説明する。まず、絶縁体とプラズマの間の場合、絶縁体とプラズマ間には直流電流が流れ得ないので、単位時間に飛来する電子とイオンの数は等しくなければならない。しかし、電子の速度はイオンの速度に比べて断然速いので、電子がイオンに比べてより多く絶縁体表面に到達する。従って、表面では電子が過剰となり、表面付近に負の電界を形成し、電子電流とイオン電流が等しくなるところまで帯電が進行する。一方、導体とプラズマの間の場合は導体の電位がプラズマの電位よりも高い場合と低い場合で事情が異なる。導体の電位がプラズマの電位よりも高い場合には、電子を引き寄せイオンを追い返すので、電子だけによる電荷層を形成する。一方、導体の電位がプラズマの電位よりも低い場合には、イオンを引き寄せ電子を追い返すので、イオンだけによる電荷層を形成する。以上のように、電子線導入穴のような対向した壁面が絶縁体であっても導体であっても、壁面とプラズマの間には電子とイオンの拡散速度の違いが原因（電子の方がイオンよりも断然拡散速度が速い）で電位差が生じる。これによる電界の影響を無くして、プラズマを維持するためには、壁面とプラズマとの間にある空間が必要となる。よく知られているように、その空間のことをシースという。すなわち、プラズマ中の電荷を中性に維持する空間（少なくとも直径Ｄが２λ_ｄの空間）に加えて、シースを形成する空間（少なくとも直径Ｄが２Ｓ_ｄの空間）がなければ、壁面とプラズマの間に生じる電位差の影響をプラズマ中に持ち込まないように遮蔽することができないので、プラズマを維持することができなくなる。従って、図２に示すように、プラズマを維持するためには、少なくとも直径Ｄが２λ_ｄの空間に加えて、少なくとも直径Ｄが２Ｓ_ｄの空間を確保できることが必要条件となる。

以上をまとめると、電子線導入穴３６のような対向した壁面を２つ持つ空間内でプラズマを維持するには、対向する壁面間の長さがデバイ長λ_ｄの２倍の長さに加えて、シースの厚さＳ_ｄの２倍の長さを持つことが必要である。対向する壁面間の長さが、これ以下になると、プラズマを維持することができない。

従って、使用するプラズマに応じて式１を満たすように、つまり、プラズマが維持できる必要条件を満たさないように電子線導入穴３６の直径Ｄを設定することで、電子線導入穴３６の内部ではプラズマを維持することができなくなるので、電子線照射装置３１や、電子線導入管３６の内側に不純物を含んだ膜が付着することを防止することが可能となり、本発明の効果を奏することができる。

次に、電子線導入穴３６の直径Ｄの具体的な数値を限定する。

シースの厚さＳ_d、デバイ長λ_ｄは、使用するプラズマに対応した異なる値をとる。本発明のプラズマドーピング装置を用いて、プラズマドーピングを実施するときの真空容器２１の内壁から１ｃｍ離れた部分の典型的なプラズマ密度は１Ｅ６ｃｍ^−３から１Ｅ８ｃｍ^−３の範囲であり、電子温度は１ｅＶから１０ｅＶの範囲である。シースの厚さＳ_d、デバイ長λ_ｄは、プラズマ密度と電子温度、イオンの質量、電子の質量に影響を受け、プラズマ密度をＮe、電子温度をｋＴ_e、イオンの質量をｍ_ｉ、電子の質量をｍ_ｅとすると以下の関係式が成り立つ。

本実施形態で使用する典型的なプラズマ（プラズマ密度が１Ｅ６ｃｍ^−３から１Ｅ８ｃｍ^−３の範囲で、電子温度は１ｅＶから１０ｅＶの範囲）の場合、シースの厚さＳ_ｄは式３より、１．９４ｍｍから６１．３ｍｍであり、デバイ長λ_ｄは０．７４ｍｍから２３．５ｍｍである。このとき、式１で等号が成り立つ電子線導入穴３６の直径Ｄの最小の値は５．４ｍｍである。従って、直径Ｄが５ｍｍ以下であれば、前記に記した理由から電子線導入穴３６の中にプラズマＰは侵入し得ないので（図７Ａ参照）、電子線照射装置３１の内側に不純物を含んだ膜が付着することを防止することが可能となり、広範囲のプラズマに対して、長期に渡ってドーズ量の測定に要する時間を短く維持できるという特段の効果がある。

また、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、Ｘ線透過窓３８の内壁面側にはシャッター３９を備えている。シャッター３９は、モータなどの回転装置又はシリンダなどのシャッター開閉駆動装置３９Ｄを利用して、Ｘ線透過窓３８を閉鎖する閉鎖位置（図１Ａ参照）と、Ｘ線透過窓３８を露出させる開放位置（図１Ｂ参照）との間で移動可能でかつＸ線遮蔽機能を有する蓋部材で構成されている。シャッター３９は、プラズマを発生させている間、Ｘ線透過窓３８を覆う閉鎖位置に位置するように配置する。これによって、不純物を含む膜がＸ線透過窓３８に形成されず、不純物を含む膜によってＸ線の線量が減衰することが防止できる。一方、図１Ｂに示すように、Ｘ線を基板に照射してドーズ量を測定している間は、シャッター３９はＸ線透過窓３８を覆う閉鎖位置から開放位置に移動する。これにより、基板２９から発生したＸ線３７を、不純物を含む膜で減衰させたり、シャッター３９で遮断することなく、Ｘ線透過窓３８を通過させてＸ線分析器３２を通じてＸ線検出器３３で検出することが可能となる。これにより、さらに長期に渡ってドーズ量の測定に要する時間を短く維持できるという効果がある。

このような装置構成において、繰り返し製品を生産した際のスループットの変化を調べた。スループットは以下に説明する工程Ｓ１Ａから工程Ｓ４Ａに要する時間の合計とした。

（工程Ｓ１Ａ）まず、不純物導入前のシリコン基板２９を真空容器２１内の試料電極２６に載置する。

（工程Ｓ２Ａ）次に、プラズマドーピングを実施してシリコン基板に不純物を導入する。すなわち、制御装置１０００の制御の下に、真空容器２１内に、ガス供給装置２２から原料ガスである例えばＨｅで希釈されたＢ_２Ｈ_６を導入しつつターボ分子ポンプ２３により排気を行い、調圧弁２４により真空容器２１内を所定の圧力に保ったのち、高周波電源２５により１３．５６ＭＨｚの高周波電力をコイル２８に供給することにより、真空容器２１内にプラズマを発生させるとともに、試料電極２６に高周波電源３０から高周波電力を供給して、試料電極２６上の基板２９がプラズマに対して負の電位を持つように、試料電極２６の電位を制御する。このようにしてプラズマドーピングを実施してシリコン基板に不純物を導入するときの放電条件は、一例として、真空容器２１内に導入する前記原料ガス（プロセスガス）が例えばＢ_２Ｈ_６をＨｅで希釈した混合ガスであり、前記原料ガス中におけるＢ_２Ｈ_６の濃度が例えば３質量％であり、真空容器２１内の前記所定の圧力が例えば１Ｐａであり、コイル２８に供給する前記高周波電力が例えば１０００Ｗである。また、一例として、プラズマドーピングの放電時間は６０秒とする。このとき、Ｘ線透過窓３８の内壁面に設けたシャッター３９は閉鎖位置に位置してＸ線透過窓３８を閉じておく。

（工程Ｓ３Ａ）次に、電子線照射装置３１から電子線３４をシリコン基板２９に照射して、シリコン基板２９から放出されるＸ線３７の線量をＸ線検出器３３で検出することで、ドーズ量を測定する。一例として、このときの電子線３４の加速エネルギーは５００ｅＶである。電子線３４を照射するとき、Ｘ線透過窓３８に設けたシャッター３９を開放位置に位置してＸ線透過窓３８を開いておく。

（工程Ｓ４Ａ）次に、シリコン基板２９を真空容器２１から搬出する。このとき、制御装置１０００の制御の下に、ガス供給装置２２とターボ分子ポンプ２３と高周波電源２５と高周波電源３０などの装置の駆動をそれぞれ停止しておく。

以上の工程Ｓ１Ａから工程Ｓ４Ａを１サイクルとして、繰り返し実施したときのスループットの変化を測定した。尚、本実施形態では、工程Ｓ２Ａでのプラズマドーピングの放電時間は一定とした。また、工程Ｓ１Ａ及び工程Ｓ４Ａにおけるシリコン基板２９の搬入及び搬出に要する時間は一定である。

図３Ａは、前記工程Ｓ１Ａから工程Ｓ４Ａを繰り返した際の、横軸をプラズマドーピングの処理回数（工程Ｓ１Ａから工程Ｓ４Ａを１サイクルとしたサイクルの繰り返し回数）としてスループットの変化を表した図である。本実施形態では、プラズマドーピングを繰り返しても、スループットが低下しない。ここで、シリコン基板２９を真空容器２１内に搬入する工程Ｓ１Ａと、プラズマドーピングでシリコン基板２９に不純物を導入する工程Ｓ２Ａ、シリコン基板２９を搬出する工程Ｓ４Ａに要する時間は一定である。また、図４Ａに示すように、プラズマドーピングの繰り返しサイクル数が増加した場合でも工程Ｓ２Ａに要する時間は初期と変わらずに一定である。このように、工程Ｓ１Ａから工程Ｓ４Ａの全ての工程に要する時間はプラズマドーピングの繰り返しサイクル数が増加しても一定なので、本実施形態ではプラズマドーピングを繰り返しても、スループットが低下しないことが確認された。

すなわち、本発明の前記実施形態にかかるプラズマドーピング装置を用いてプラズマドーピングを実施すれば、長期間（例えば、数週間又は１ヶ月程度）に渡り高いスループットを保ったまま、製品の不良率を低下することができることができるという特段の効果を得ることができる。

（比較例）
以下、比較例に係るプラズマドーピング装置について、図面を参照しながら説明する。

図５に、比較例のプラズマドーピング装置（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）の部分断面図を示す。図５において、真空容器１内に、ガス供給装置２から所定のガスを導入しつつ、排気装置としてのターボ分子ポンプ３により排気を行い、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。高周波電源５により１３．５６ＭＨｚの高周波電力を試料電極６に対向した天板７の近傍に設けられたコイル８に供給することにより、真空容器１内に誘導結合型プラズマを発生させることができる。試料電極６上に、試料としてのシリコン基板９を載置する。また、試料電極６に高周波電力を供給するための高周波電源１０が設けられており、これは、試料としての基板９がプラズマに対して負の電位を持つように、試料電極６の電位を制御する電圧源として機能する。

このようにして、プラズマ中のイオンをシリコン基板９の表面に向かって加速し衝突させてシリコン基板９に不純物を導入することができる。なお、ガス供給装置２から供給されたガスは、排気口１１からポンプ３へ排気される。ターボ分子ポンプ３及び排気口１１は、試料電極６の直下に配置されている。試料電極６は、基板９を載置する略円形状の台座である。

さらに、基板９の表面に導入されたドーズ量を算出するための、電子線照射装置１２、Ｘ線分析器１３、Ｘ線検出器１４、および、電子線１５を真空容器１内に導入するための電子線導入穴１６、Ｘ線１７を透過するためのＸ線透過窓１８が備えられている。電子線１５を電子線照射装置１２から電子線導入穴１６を通して真空容器１内に導入し、基板９に照射すると、基板９からＸ線１７が放出される。基板９から放出されたＸ線１７の線量をＸ線透過窓１８を通してＸ線分析器１３、Ｘ線検出器１４から成る検出器を用いて検出することにより、基板９の表面に導入されたドーズ量を測定する。比較例の装置構成において、電子線導入穴１６の直径は約４０ｍｍとした。

このような装置構成において、繰り返し製品を生産した際のスループットの変化を調べた。スループットは以下に説明する工程Ｓ１Ｂから工程Ｓ４Ｂに要する時間の合計とした。

（工程Ｓ１Ｂ）まず、不純物導入前のシリコン基板９を真空容器１内の試料電極６に載置する。

（工程Ｓ２Ｂ）次に、プラズマドーピングを実施してシリコン基板９に不純物を導入する。このときのプラズマの放電条件は、真空容器１内に導入する前記原料ガス（プロセスガス）が例えばＢ_２Ｈ_６をＨｅで希釈した混合ガスであり、前記原料ガス中おけるＢ_２Ｈ_６の濃度が例えば３質量％であり、真空容器１内の前記所定の圧力が例えば１Ｐａであり、コイル８に供給する高周波電力が例えば１０００Ｗである。また、プラズマドーピングの放電時間は６０秒とし、本発明の前記実施形態でスループットを調べた場合と同じとした。またシリコン基板９に導入されるドーズ量も本発明の前記実施形態と同じにした。

（工程Ｓ３Ｂ）次に、電子線１５をシリコン基板９に照射して、シリコン基板９から放出されるＸ線１７の線量を測定することで、ドーズ量を測定する。このときの電子線１５の加速エネルギーは５００ｅＶとし、本発明の前記実施形態と同じとした。

（工程Ｓ４Ｂ）次に、シリコン基板９を真空容器１から搬出する。

これらの工程Ｓ１Ｂから工程Ｓ４Ｂを１サイクルとして、繰り返し実施したときのスループットの変化を調べた。

尚、本比較例では、工程Ｓ２Ｂでのプラズマドーピングの放電時間は一定とした。また、工程Ｓ１Ｂ、工程Ｓ４Ｂにおけるシリコン基板の搬入及び搬出に要する時間は、一定である。

図３Ｂは、前記工程Ｓ１Ｂから工程Ｓ４Ｂを繰り返した際の、横軸をプラズマドーピングの実施回数（工程Ｓ１Ｂから工程Ｓ４Ｂを１サイクルとしたサイクルの繰り返し回数）としてスループットの変化を表した図である。本比較例では、プラズマドーピングを繰り返すと、スループットが著しく低下した。なお、シリコン基板９を真空容器１内に搬入する工程Ｓ１Ｂと、プラズマドーピングでシリコン基板９に不純物を導入する工程Ｓ２Ｂ、シリコン基板９を搬出する工程Ｓ４Ｂに要する時間は一定である。そこで、スループットが低下する原因を調べた結果、ドーズ量の測定を行う工程Ｓ２Ｂに要する時間が繰り返しプラズマドーピングを行うと著しく長くなるためであることが分かった。図４Ｂに、プラズマドーピングの繰り返しサイクル数と、工程Ｓ２Ｂに要する時間の関係を示す。工程Ｓ２Ｂに要する時間が長くなる原因は、電子線導入穴１６から電子線照射装置１２の内部にプラズマＰが侵入することで（図７Ｂ参照）、不純物を含む膜が電子線照射装置１２の中にあるフィラメントや加速器に付着したことが原因である。これによって、フィラメントから放出される電子が不純物を含む膜によって阻害され、電子の放出数が減少することで、電子線１５の強度が減衰したため、シリコン基板９から放出されるＸ線１７の時間あたりの線量が低下し、ドーズ量の定量に要する時間が長くなる。さらに、Ｘ線透過窓１７の内壁面にも不純物を含む膜が形成されていた。これにより、不純物を含む膜でＸ線１７が減衰されて、Ｘ線検出器１４に届くＸ線１７の線量が低下したことも、スループットが低下した原因の１つである。

本比較例では、プラズマドーピングを繰り返すと最終的には製品が生産できなくなった。これは、プラズマドーピングを繰り返すと、前記の理由によりシリコン基板９から放出されるＸ線１７の線量が低下し続け、最終的にＸ線検出器１４で検出できる線量の下限値を下回ったためである。

すなわち、本比較例の装置を用いてプラズマドーピングを実施すると、本発明の前記実施形態のプラズマドーピング装置と比較して、短期間（例えば、数時間）でスループットが低下してしまうという不具合を生じる。そして、最終的には製品を生産することができなくなるという著しい問題がある。

（変形例）
なお、本発明は上記前記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。

例えば、前記電子線導入管３５が、図１Ｃに示すように、外側管３５Ａと内側管３５Ｂの二重構造であるとともに、前記外側管３５Ａが金属、例えば、ステンレス銅である一方、前記内側管３５Ｂが絶縁体であるように構成してもよい。

これにより、電子線導入管３５の内側と外側で材質を変えることができるので、フィラメント３１Ａから基板２９の間の電位を材質によって制御し易くすることができる結果、電子線３４の強度を低下させることなく電子線３４を輸送し易くなるので望ましい。また、電子線導入管３５の周辺に設置された高周波電源２５の高周波電源整合装置やコイル２８等から発生する電磁波によって発生する電子線導入管３５内の電界の変化を低減できる結果、電子線３４の強度を低下させることなく、基板２９に照射できるという特段の効果を奏する。また、前記電子線導入管３５の前記外側管３５Ａの金属がステンレス銅であれば、前記した電子線導入管３５内の電界の変化を低減できると共に、ガス供給装置２２から供給される原料ガスによる腐食を防止できるので、さらに望ましい。また、前記電子線導入管３５の前記内側管３５Ｂが絶縁体であれば、外側管３５Ａの金属の成分が真空容器２１内に混入することを防ぐことができ、金属汚染を低下できるので、さらに望ましい。

また、前記電子線照射装置３１から照射される電子線３４の加速エネルギーは、５０ｅＶ以上、１０ｋｅＶ以下であるようにするのが好ましい。前記電子線３４の加速エネルギーが５０ｅＶ未満であれば、基板２９の表面に対して垂直に電子線３４を照射することが難しく、放出されるＸ線３７の強度が極めて小さくなるので、十分な検出感度が得られないという不具合が生じる。一方で、前記電子線３４の加速エネルギーが１０ｋｅＶより大きければ、測定したい領域よりも深い領域から放出されるＸ線３７の強度が多くなり、実際に測定したい浅い領域から放出されるＸ線３７の強度が相対的に小さくなるので、実際に測定したい浅い領域を正確に評価することが困難となるという問題が生じる。これに対して、前記電子線３４の加速エネルギーが、５０ｅＶ以上、１０ｋｅＶ以下であれば、測定したい基板２９の浅い領域から放出されるＸ線３７の強度も十分に大きく、測定したくない基板２９の深い領域から放出されるＸ線３７の強度を抑制できるので、正確な測定を行うことができて望ましい。

なお、上記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。

本発明にかかるプラズマドーピング装置は、プラズマドーピングを行う真空容器にドーズ量を検査する測定器を備えており、工場で連続してプラズマを放電して製品を処理するうえで、長期間に渡り高いスループットを保ったまま、製品の不良率を低下することができ、半導体装置及びその製造方法において、特に、不純物を半導体基板等の固体試料の表面に導入するときに有用なものである。

本発明の１つの実施形態にかかるプラズマドーピング装置において、シャッターが閉鎖位置に位置している場合の部分断面図。本発明の前記実施形態にかかるプラズマドーピング装置において、シャッターが開放位置に位置している場合の部分断面図。本発明の前記実施形態にかかるプラズマドーピング装置の電子線照射装置の内部の部分断面図。本発明の前記実施形態にかかるプラズマドーピング装置において、電子線導入穴の直径をＤ、電子線導入穴の内側側面からのシースの厚さをＳ_ｄ、プラズマのデバイ長をλ_ｄとしたとき、本発明の効果を奏する条件としての電子線導入穴の直径Ｄを説明するための説明図。本発明の前記実施形態にかかるプラズマドーピング装置において、工程Ｓ１Ａから工程Ｓ４Ａを繰り返した際の、横軸をプラズマドーピングの処理回数（工程Ｓ１Ａから工程Ｓ４Ａを１サイクルとしたサイクルの繰り返し回数）としてスループットの変化を表した図。比較例において、工程Ｓ１Ｂから工程Ｓ４Ｂを繰り返した際の、横軸をプラズマドーピングの実施回数（工程Ｓ１Ｂから工程Ｓ４Ｂを１サイクルとしたサイクルの繰り返し回数）としてスループットの変化を表した図。本発明の前記実施形態にかかるプラズマドーピング装置において、プラズマドーピングの繰り返しサイクル数が増加した場合でも工程Ｓ２Ａに要する時間は初期と変わらずに一定であることを示す図。比較例において、プラズマドーピングの繰り返しサイクル数と、工程Ｓ２Ｂに要する時間の関係を示す図。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部分断面図。従来のプラズマドーピング装置の電子線照射装置と電子線導入穴の詳細を説明するための部分断面図。本発明の前記実施形態にかかるプラズマドーピング装置において、電子線導入穴から電子線照射装置の内部にプラズマが侵入しない状態を説明するための説明図比較例において、電子線導入穴から電子線照射装置の内部にプラズマが侵入する状態を説明するための説明図

符号の説明

２１真空容器
２１ａ真空容器のケーシング
２２ガス供給装置
２３ターボ分子ポンプ
２４調圧弁
２５プラズマ発生用高周波電源
２６試料電極
２７天板
２８コイル
２９シリコン基板
３０試料電極用高周波電源
３１電子線照射装置
３１Ａフィラメント
３１Ｂ加速器
３２Ｘ線分析器
３３Ｘ線検出器
３４電子線
３５電子線導入管
３６電子線導入穴
３７Ｘ線
３８Ｘ線透過窓
３９シャッター
３９Ｄシャッター開閉駆動装置
１０００制御装置。

Claims

真空容器と、前記真空容器内に配置され基板を載置する試料電極と、前記試料電極に高周波電力を印加する高周波電源と、前記真空容器内を排気するガス排気装置と、前記真空容器内にガスを供給するガス供給装置と、前記真空容器内で前記基板にプラズマを直接照射するプラズマ照射装置と、前記基板に電子線を前記基板に向けて照射する電子線照射装置と、前記真空容器に配置されて前記電子線照射装置から照射された電子線を前記基板に向けて輸送する電子線導入管と、前記基板から放出されるＸ線を測定する検査装置とを備えるプラズマドーピング装置であって、
前記試料電極と対向する前記真空容器の上壁に、前記電子線導入管と連通しかつ前記電子線を前記真空容器内に前記基板に向けて導入するプラズマ侵入防止兼電子線導入穴を備え、前記電子線導入穴の直径Ｄがデバイ長をλ_ｄ、シースの厚さをＳ_ｄとして、Ｄ≦２λ_ｄ＋２Ｓ_ｄを満たすことを特徴とするプラズマドーピング装置。
前記電子線導入穴の直径Ｄが０．０５ｍｍ以上、５ｍｍ以下である、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装置。
前記真空容器に設けられかつ前記Ｘ線を前記真空容器の外に透過するＸ線透過窓の内壁面に、前記Ｘ線透過窓を開閉するシャッターを備え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装置。
前記電子線導入管が外側管と内側管の二重構造であるとともに、前記外側管が金属で構成されている前記電子線導入管を備え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装置。
前記電子線導入管の前記外側管の金属がステンレス銅であることを特徴とする請求項４に記載のプラズマドーピング装置。
前記電子線導入管の前記内側管が絶縁体であることを特徴とする請求項４に記載のプラズマドーピング装置。
前記電子線の加速エネルギーが５０ｅＶ以上、１０ｋｅＶ以下であることを特徴とする特徴とする請求項１に記載のプラズマドーピング装置。