JP2012178474A - 不純物導入方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 基板表面にアモルファス層を確実に良好に形成でき、所望の不純物導入を行うことができる不純物導入方法を提供する。
【解決手段】 不純物導入方法は、シリコン単結晶基板の表面にネオンからなるプラズマを照射してアモルファス層を形成する第１工程と、アモルファス層に不純物を導入する第２工程とを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は不純物導入方法に関する。

従来より、半導体集積回路では大規模集積化が進んでおり、半導体集積回路を構成する各半導体装置では微細化が進んでいる。半導体装置の一つであるＭＩＳＦＩＴ（Metal Insulator Silicon Field Effect Transistor）では、ゲート電極のサイドウォール形成前に予めゲート電極の領域をマスクとしてイオン注入を行うことによりソース・ドレインに浅いエクステンション領域を設けることが行われている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載されたイオン注入では、プラズマにヘリウムからなるプラズマを照射する工程と、プラズマ照射によりアモルファス化された基板表面に不純物を導入する工程とを行うことで、浅い（２０ｎｍ程度）エクステンション領域を形成している。

特許第４３８７３５５号公報

しかしながら、かかるヘリウムからなるプラズマを照射した場合には、アモルファス層が形成されない領域ができてしまい、基板表面に均一にアモルファス層を形成することができない場合があるという問題がある。このようにアモルファス層が形成されないと、その後のイオン注入による不純物粒子が基板表面近傍に導入されにくく、所望のエクステンション領域を形成することができない。

そこで、本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、基板表面にアモルファス層を確実に良好に形成でき、所望の不純物導入を行うことができる不純物導入方法を提供しようとするものである。

本発明の不純物導入方法は、シリコン単結晶基板の表面にネオンからなるプラズマを照射してアモルファス層を形成する第１工程と、アモルファス層に不純物を導入する第２工程とを含むことを特徴とする。

ネオンからなるプラズマを照射してアモルファス層を形成することで、基板表面に浅いアモルファス層を確実にかつ良好に形成することができ、その後の第２工程により不純物を基板表面近傍に導入しやすい。

前記第２工程が、不純物を含むガスのプラズマを形成して、該プラズマ中の不純物のラジカルを前記アモルファス層に堆積させる堆積工程と、堆積されたラジカルにイオンを照射して不純物を該アモルファス層表面に導入する導入工程とを備えたことが好ましい。このように不純物のラジカルを堆積させてからイオンを照射することで、より不純物を基板表面近傍に導入しやすい。

本発明の好ましい実施形態としては、前記第１工程では、シリコン単結晶基板の表面にネオンからなるプラズマを誘導結合型放電により形成し照射してアモルファス層を形成することが挙げられる。

前記誘導結合型放電の放電圧力が０．０１〜３Ｐａであることが好ましい。この範囲であることで、所望の密度のプラズマを発生させ、生じたイオンを基板まで到達させることが可能である。

前記第１工程では、前記シリコン単結晶基板に負の直流パルス電圧（周波数１００Ｈｚ〜１ＭＨｚ）を印加することか、前記シリコン単結晶基板に１００Ｈｚ〜１４ＭＨｚの交流電圧を印加することが好ましい。前記シリコン単結晶基板に負の直流パルス電圧（周波数１００Ｈｚ〜１ＭＨｚ）を印加することか、前記シリコン単結晶基板に１００Ｈｚ〜１４ＭＨｚの交流電圧を印加することで、基板近傍でのプラズマ密度を過度に上昇させることがないので、バイアス電圧を所望の値まで上昇させることができる。

本発明の不純物導入方法によれば、基板表面にアモルファス層を形成して所望の不純物導入を行うことができるという優れた効果を奏し得る。

本発明の一実施の形態に係る不純物導入装置の構成を模式的に示す断面図である。 実験例１の結果を示すＳＴＥＭ像である。 参考例１の結果を示すＳＴＥＭ像である。 参考例２の結果を示すＳＴＥＭ像である。 参考例３の結果を示すＳＴＥＭ像である。 参考例４の結果を示すＳＴＥＭ像である。 実験例２及び参考例５の結果を示すグラフである。

本発明の不純物導入方法について説明する。

本発明の不純物導入方法は、シリコン単結晶基板の表面にネオンからなるプラズマを照射してアモルファス層を形成する第１工程と、形成されたアモルファス層に不純物を導入する第２工程とを含むものである。

第１工程においてプラズマを照射してアモルファス層を形成することで、浅い（１０〜４０ｎｍ程度、本実施形態では２０ｎｍ程度）アモルファス層を形成でき、不純物導入時のイオンがこのアモルファス層に留まるので、チャネリング現象を抑制でき、かつ、活性化アニールの際の異常拡散を抑制できる。その結果、急峻な深さプロファイルを持った不純物注入領域を形成することができる。なお、導入とは、所望の不純物である粒子を基板表面に浸透、付着、又はドープさせることをいう。

第１工程で用いられるプラズマは、ネオンからなるプラズマである。希ガスとしてヘリウムや水素は従来から用いられてきたが、ネオンは用いられていなかった。本発明の発明者らは、ネオンからなるプラズマによりアモルファス層を形成することで、シリコン単結晶基板そのものへのダメージがヘリウムやアルゴンからなるプラズマを用いた場合よりも少なく、かつ、ヘリウムやアルゴンからなるプラズマを用いた場合よりもアモルファス層を確実に形成することができることを見出したものである。

即ち、ヘリウムのプラズマの場合、ヘリウム原子がネオン原子に比べて軽いために基板表面にダメージを与えてしまうことはあっても、基板の表面を非結晶化することができない場合がある。

また、アルゴンのプラズマの場合、アルゴン原子がネオン原子に比べて重いので、アルゴン原子を基板の所望の深さまで到達させて基板をアモルファス化させるためには、基板に印加するＲＦ電力を大きくして基板への印加電圧を高くする必要がある。このため、異常放電が発生して基板にダメージが生じてしまい、アモルファス層を形成できない場合がある。他方で、異常放電を抑制するためには、電圧を印加する基板載置台（後述する）とグラウンド間の絶縁距離を十分に短く保持することが考えられるが、装置の製造コストが上昇してしまう。また、ＲＦ電力を大きくしなければならないので、プラズマ処理装置によってはこのような出力パワーを出力することができず所望のプラズマを形成することができない場合がある。さらに、基板載置台において基板を保持する基板保持機構としては一般的に静電チャックが用いられるが、このようにＲＦ電力を大きくしなければならない場合には、この静電チャックに印加する電圧も高くなるために静電チャック及び電極としての基板載置台が高電圧印加時に破壊されないようにする必要があり、この場合も製造コストが高くなってしまう。

これに対し、ネオンからなるプラズマをシリコン単結晶基板に照射すると、ネオン原子はヘリウム原子よりも質量が重いために十分にシリコン結晶をアモルファス化することができ、また、ネオン原子はアルゴン原子に比べて基板内に深く侵入することができるので、所定のエクステンション領域を形成するためのアモルファス領域を形成することができる。そして、このようにアモルファス領域を形成することができるため、深さ方向に対して急峻なプロファイルのエクステンション領域を形成することができ、リーク電流を減少させることができる。また、ネオンは、取扱いも容易である。従って、本実施形態で説明するようにネオンからなるプラズマを用いてアモルファス化を行うことが好ましい。

この場合、ネオンガスの流量としては、１０〜１０００ｓｃｃｍである。この範囲であることで、ＩＣＰ放電プラズマを安定して形成することができる。ネオンガスの流量が１０００ｓｃｃｍよりも多いと、チャンバ内部の圧力が高くなりすぎて所望の基板電圧が得られないという問題があり、また、１０ｓｃｃｍよりも少ないとプラズマによって加熱されたチャンバ内部に設置された治具からの放出ガスからイオンが生じて基板に導入されてしまうという問題がある。

また、形成されるプラズマとしては、容量結合型プラズマ、誘導結合型（ＩＣＰ）プラズマ、マイクロ波励起表面波プラズマ、電子サイクロトン鏡面プラズマ等が挙げられるが、このうち誘電結合型プラズマが好ましい。誘電結合型プラズマによれば、基板へのダメージを抑制しながら浅いアモルファス層を確実に形成することができるからである。このＩＣＰプラズマでも、特に磁気中性線放電（ＮＬＤ）によるＩＣＰプラズマを用いることが好ましい。このようにＮＬＤプラズマを用いることで、さらに面内均一性を高め、かつより基板へのダメージを抑制しながら浅いアモルファス層を確実に形成することができるからである。

ＩＣＰプラズマ放電時の放電圧力は、０．０１〜３Ｐａであることが好ましい。この範囲であると、所望の密度のプラズマを発生させ、生じたイオンを基板まで到達させることが可能である。また、３Ｐａよりも大きいと、基板近傍でのプラズマ密度が過度に上昇し、バイアス電圧を所望の値まで上昇させることができなくなってしまうという問題があり、０．０１Ｐａ未満であると、チャンバ内雰囲気が低圧すぎてプラズマが発生しないという問題がある。

また、基板に電荷する電圧は、負の直流パルス電圧（周波数１００Ｈｚ〜１ＭＨｚ）か、１００Ｈｚ〜１４ＭＨｚの交流電圧であることが好ましい。この範囲であると、基板近傍でのプラズマ密度を過度に上昇させることがないので、バイアス電圧を所望の値まで上昇させることができる。また、この範囲を超えると、基板近傍でのプラズマ密度が過度に上昇し、バイアス電圧を所望の値まで上昇させることができなくなってしまうという問題があり、この範囲未満であると、チャンバ内雰囲気が低圧すぎてプラズマが発生しないという問題がある。

第２工程では、形成されたアモルファス層に不純物を導入する。第２工程は、好ましくは、不純物を含むガスのプラズマを形成して、該プラズマ中の不純物のラジカルをアモルファス層に堆積させる堆積工程と、堆積されたラジカルにイオンを照射して不純物をアモルファス層表面に導入する導入工程とを備える。不純物の導入方法として、例えばイオンのみを導入することも挙げられるが、本実施形態のように、不純物を含むプラズマを形成してラジカルをアモルファス層に堆積させ、堆積させたラジカルに対してイオンを照射して不純物の導入を行うことで、以下のような効果を得ることができる。

即ち、ラジカルを堆積させる工程とイオンを照射する工程を別々に備えることで、ラジカルの面内分布とイオンの面内分布とを独立に制御することができ、これにより、ラジカルの面内分布を改善し、均一に堆積させたラジカルに均一にイオンを照射することで、均一に基板に対して不純物を導入することができる。

なお、第１工程を行いながら、第２工程を行うことも可能である。

本発明の不純物導入方法を実施する不純物導入装置について、ＮＬＤ装置を例にとって説明する。図１は、磁気中性線放電（ＮＬＤ）装置の概略の構成を模式的に示したものである。

ＮＬＤ装置１は、真空チャンバ１１を有する。真空チャンバ１１は、その上部に円筒状壁１１ａにより画成されたプラズマ発生部１２を備えると共に、その下部に、基板Ｓが載置される載置部を備えた基板電極部１３である。

円筒状壁１１ａは誘電体からなる。このような誘電体としては、例えば石英が挙げられる。円筒状壁１１ａの外側には、三つの磁場コイル２１、２２及び２３が配置されている。この３つの磁場コイル２１、２２及び２３により、プラズマ発生部１２内には、詳細は以下説明するように環状の磁気中性線２８が形成される。

磁場コイル２１、２２及び２３と円筒状壁１１ａの外側との間には、プラズマ発生用の高周波アンテナコイル２５が配置されている。この高周波アンテナコイル２５は、高周波電源２６にコンデンサ２７を介して接続されている。磁場コイル２１、２２及び２３によって形成された磁気中性線２８に沿って高周波アンテナコイル２５により高周波電圧を加えて、この磁気中性線で放電プラズマを発生させることができる。

真空チャンバ１１の底面には、電極３１が設けられている。電極３１の上面には、基板Ｓが載置される。即ち、電極３１は電極として機能すると共に基板載置台としても機能する。電極３１には、ブロッキングコンデンサ３２を介して別の高周波電源３３が接続されており、電極３１に高周波電源３３からバイアス電位を印加できるように構成している。また、基板電極部１３を構成する真空チャンバ１１の側壁には、排気管３４が設けられ、ターボ分子ポンプなどの真空排気手段（図示せず）が設けられている。

また、プラズマ発生部１２を画成する真空チャンバ１１の天板１４は、円筒状壁１１ａの上部フランジに密封固着され、対向電極を形成している。天板１４のプラズマ発生部１２側の面には、基板Ｓに対向するようにシャワープレート１５が設けられている。シャワープレート１５には、図示していないが、真空チャンバ１１内ヘエッチングガスを導入するためのガス導入手段が接続されている。

かかるＮＬＤ装置１では、シャワープレート１５からガスをプラズマ発生部１２内に導入すると共に、磁場コイル２１及び２３に同一方向に電流を流し、かつ、磁場コイル２２に逆方向の電流を流すと、プラズマ発生部１２には環状の磁気中性線２８が形成される。この磁気中性線２８は、磁場コイル２１、２２及び２３に流れる電流の大きさを変化させることで、その水平方向の広がりを調整することができる。

これと共に、高周波アンテナコイル２５に高周波電源２６から高周波電力を供給すると、環状の磁気中性線２８に沿ってプラズマが発生する。この場合に、磁場コイル２１、２２及び２３を流れる電流の大きさを調整して磁気中性線２８の広がりを調整することでプラズマの広がりも調整することができる。

かかる装置を用いた本発明の不純物導入方法について説明する。

初めに、第１工程を行う。基板Ｓを電極３１上に載置し、所望の真空度（本実施形態では４×１０^−４Ｐａ程度）となるまで排気する。次いで、ネオンからなるガスを上述のように１０〜１０００、好ましくは１０〜２００ｓｃｃｍで導入し、放電圧力：０．０１〜３Ｐａ（好ましくは０．２〜１．５Ｐａ）、アンテナパワー：５０〜４００Ｗ、バイアス電力：３０〜８０００Ｗ、磁場コイル２１及び２３の電流：１〜３０Ａ、磁場コイル２２の電流：１〜３０Ａというプラズマ形成条件で、ネオンからなるプラズマを形成する。好ましくは、アンテナパワーが１００〜３００Ｗで、かつ、磁場コイル２１及び２３の電流：１〜１５Ａ、磁場コイル２２の電流：１〜２０Ａであることで、この場合にはより所望の均一なプラズマを形成することができる。

この形成されたプラズマを所定時間（例えば５秒）基板に照射させて第１工程を終了し、次いで第２工程を行う。

初めに、基板Ｓはそのままで真空チャンバ１１内を再度排気した後、不純物であるＢ（ボロン）を含んだジボランガスとアルゴンガスとを３０〜８００ｓｃｃｍで導入し（混合比はジボランガス：アルゴンガスが１：１０〜３０００）、圧力：０．１〜２０Ｐａ、アンテナパワー３０〜２０００Ｗ、磁場コイル２１及び２３の電流：１〜３０Ａ、磁場コイル２２の電流：１〜３０Ａというプラズマ形成条件で、ラジカルを堆積させるためのプラズマを形成する。

このようにしてプラズマが形成されると、基板Ｓの表面にはボロンラジカルが堆積される（堆積工程）。そして、この状態でジボランガスの供給を停止し、アルゴンガスの供給とアンテナコイルへの高周波電力の印加を続けた状態で、バイアス電圧を印加する。これにより、プラズマ中のアルゴンイオンが基板に引きつけられ、基板Ｓの表面に堆積したボロンラジカルと衝突することで、ボロンラジカルがアモルファス層内に導入される（導入工程）。

即ち、この導入工程においても、アルゴンイオンの面内分布が均一になるようにアルゴンイオンを調整する。この堆積工程においては、アルゴンイオンの形成条件は、アルゴンガスを１０〜５０００ｓｃｃｍで導入し、圧力：０．０１〜７Ｐａ、アンテナパワー：２０〜３０００Ｗ、バイアス電力：１０〜３０００Ｖ、磁場コイル２１及び２３の電流：１〜３０Ａ、磁場コイル２２の電流：１〜３０Ａである。

この範囲であることで所望のアルゴンイオンを形成でき、ボロンラジカルがアモルファス層内に効率よく導入される。

以上のようにして得られた基板ＳをＮＬＤ装置１から搬出し、アニールすることにより、基板Ｓに導入された不純物が異常拡散することなく活性化し、好ましい厚さ（１０〜４０ｎｍ、最も好ましくは１５〜２０ｎｍ）の浅いエクステンション層を形成することが可能である。

以下、本発明の実施形態にかかる実験例について説明する。

以下のプロセス条件で第１工程を行い、基板の断面をＳＴＥＭ（走査透過型電子顕微鏡）により観察した。

（実験例１のプロセス条件）
ネオンガス流量：１５０ｓｃｃｍ、圧力：１Ｐａ、アンテナパワー：２００Ｗ、バイアス電力：２０００Ｗ、磁場コイル２１及び２３の電流：９Ａ、磁場コイル２２の電流：７Ａ、照射時間：１６秒

図２に実験例１のＳＴＥＭ像を示す。図２中、白く見える部分がアモルファス層である。単結晶シリコン基板上に結晶基板とは異なるアモルファス層がその厚み方向、面方向において均一に形成されており、その厚みは２１．２ｎｍであった。

また、比較例として以下の参考例１〜３の条件で第１工程のみを行い、その断面をＳＴＥＭ（走査透過型電子顕微鏡）により断面を観察した。

（参考例１のプロセス条件）
ヘリウムガス流量：１５０ｓｃｃｍ、圧力：１Ｐａ、アンテナパワー：２００Ｗ、バイアス電力：２０００Ｗ、磁場コイル２１及び２３の電流：９Ａ、磁場コイル２２の電流：７Ａ、照射時間：１６秒

（参考例２のプロセス条件）
ヘリウムガス流量：３５０ｓｃｃｍ、圧力：２Ｐａ、アンテナパワー：８０Ｗ、バイアス電力：１０００Ｗ、磁場コイル２１及び２３の電流：９Ａ、磁場コイル２２の電流：７Ａ、照射時間：４．５９秒

（参考例３のプロセス条件）
ヘリウムガ流量：３５０ｓｃｃｍ、圧力：２Ｐａ、アンテナパワー：８０Ｗ、バイアス電力：１２００Ｗ、磁場コイル２１及び２３の電流：９Ａ、磁場コイル２２の電流：７Ａ、照射時間：３．６８秒

図３に参考例１のＳＴＥＭ像を、図４に参考例２のＳＴＥＭ像を、図５に参考例３のＳＴＥＭ像を示す。図３〜図５の各ＳＴＥＭ像では、どれも結晶シリコン基板とアモルファス層との境界が、図２に示すＳＴＥＭ像とは異なりはっきりしていない。つまり、これらの場合には、アモルファス層が形成されていない箇所があるため、結晶シリコン基板とアモルファス層との境界がはっきりしていない。従って、参考例１〜３から、ヘリウムガスのプラズマを用いてアモルファスシリコンを形成しようとしても、アモルファスシリコンを均質に確実に形成することができなかった。

（参考例４のプロセス条件）
アルゴンガス流量：１５０ｓｃｃｍ、圧力：５Ｐａ、アンテナパワー：３００Ｗ、バイアス電力：５０２Ｗ、磁場コイル２１及び２３の電流：９Ａ、磁場コイル２２の電流：７Ａ、照射時間：１６秒

図６に参考例４の場合のＳＴＥＭ像を示す。図６に示すように、表面のごく近く（〜１ｎｍ未満）においてはアモルファス層が均一に形成されているが、それ以外の部分では結晶シリコン基板とアモルファス層との違いははっきりしていない。このようにアルゴンガスのプラズマを用いると、アモルファスシリコンを均質に形成することができなかった。

また、アルゴンガスを用いる場合には、バイアス電力を上昇させても、ネオンガスに比べてバイアス電圧が上昇しにくかった。従って、参考例４では図６に示すように膜厚は約６ｎｍ程度であり、例えばネオンガスを用いて照射した場合の２０ｎｍの膜厚のアモルファス層を形成するには、実験例１のネオンガスを用いた場合に比べて約１．５倍のバイアス電圧を印加しなければならないことが分かった。このバイアス電圧を上昇させるためには、上記した条件中のバイアス電力を大幅に上昇させなければならなく、異常放電が発生しやすいため好ましくない。このように、ネオンガスを用いることで、アルゴンガスに比べて低バイアス電力で所望のプロセスを行うことが可能である。

これらの実験例１及び参考例１〜４から、同じ希ガスであっても、ネオンガスを用いてプラズマを形成した場合でのみ良好にアモルファス層を形成できることが分かった。

（実施例１）
実験例１と同等の条件でアモルファス層を形成後、以下の条件で第２工程を行って浅い結合層を基板上に形成した。浅い結合層を形成した基板に対してＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）により分析を行った。

第２工程の堆積工程及び導入工程におけるプロセス条件は以下の通りである。

（堆積工程）
１０％Ｈｅ希釈ジボランガス流量：６．１４ｓｃｃｍ、アルゴンガス流量：３８．８５ｓｃｃｍ、ジボランガス濃度：１．３６％、圧力：０．１Ｐａ、アンテナパワー：３００Ｗ、磁場コイル２１及び２３の電流：９．４Ａ、磁場コイル２２の電流：７．３Ａ

（導入工程）
アルゴンガス流量：３８．８５ｓｃｃｍ、圧力：０．１Ｐａ、アンテナパワー：３００Ｗ、バイアスパワー：５３０Ｗ、バイアス電圧：１．５Ｖ、磁場コイル２１及び２３の電流：９．４Ａ、磁場コイル２２の電流：７．６Ａ

（比較例１）
また、比較例１として第１工程を行わずに、第２工程のみを行って浅いエクステンション層を基板上に形成した。浅いエクステンション層を形成した基板に対してＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）により分析を行い、基板表面からの深さに対するボロン濃度を調べた。

実施例１及び比較例１の結果を図７に示す。図７に示すように、実施例１の場合は界面急峻性が１．９ｎｍ／ｄｅｃａｄｅであるのに対し、比較例１の場合は界面急峻性が２．９ｎｍ／ｄｅｃａｄｅであった。このように、第１工程を行った実施例１の場合では、比較例１に比べて界面急峻性の向上が見られた。

従って、実施例１に示すように、ネオンガスによるプラズマを形成して基板に照射して均質なアモルファス層を形成することで、界面急峻性が向上し、より好ましい結合層が形成されていることが分かった。

以上のように、本発明によれば、ネオンガスによるプラズマを形成して基板に照射して均質なアモルファス層を形成することで、界面急峻性が向上し、より好ましい結合層が形成されていることが分かった。

１ ＮＬＤ装置
１１ 真空チャンバ
１２ プラズマ発生部
１３ 基板電極部
１４ 天板
１５ シャワープレート
２１、２２、２３ 磁場コイル
２４ 磁気中性線
２５ 高周波アンテナコイル
２６ 高周波電源
２７ コンデンサ
２８ 磁気中性線
３１ 電極
３２ ブロッキングコンデンサ
３３ 高周波電源

Claims (6)

1. シリコン単結晶基板の表面にネオンからなるプラズマを照射してアモルファス層を形成する第１工程と、
   アモルファス層に不純物を導入する第２工程とを含むことを特徴とする不純物導入方法。
2. 前記第２工程が、
   不純物を含むガスのプラズマを形成して、該プラズマ中の不純物のラジカルを前記アモルファス層に堆積させる堆積工程と、
   堆積されたラジカルにイオンを照射して不純物を該アモルファス層表面に導入する導入工程とを備えたことを特徴とする請求項１記載の不純物導入方法。
3. 前記第１工程では、シリコン単結晶基板の表面にネオンからなるプラズマを誘導結合型放電により形成し照射してアモルファス層を形成することを特徴とする請求項１又は２記載の不純物導入方法。
4. 前記誘導結合型放電の放電圧力が０．０１〜３Ｐａであることを特徴とする請求項３記載の不純物導入方法。
5. 前記第１工程では、前記シリコン単結晶基板に負の直流パルス電圧（周波数１００Ｈｚ〜１ＭＨｚ）を印加することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の不純物導入方法。
6. 前記第１工程では、前記シリコン単結晶基板に１００Ｈｚ〜１４ＭＨｚの交流電圧を印加することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の不純物導入方法。