JP2014127572A - プラズマドーピング装置、およびプラズマドーピング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被処理基板に安定にドーピングを行いドーズ量の面内均一性を高める。
【解決手段】プラズマドーピング装置３１に備えられるプラズマ発生機構３９は、プラズマ励起用のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生器３５と、マイクロ波発生器により発生させたマイクロ波を処理容器３２内へ透過させる誘電体窓３６と、複数のスロットが設けられており、マイクロ波を誘電体窓に放射するラジアルラインスロットアンテナ３７とを含む。制御部２８は、保持台３４上に被処理基板Ｗを載置させた状態で、処理容器内にガス供給部３３によってドーピングガスおよびプラズマ励起用のガスを供給し、ガス供給部によるドーピングガスおよびプラズマ励起用のガスを供給した後にプラズマ発生機構によりプラズマを発生させて被処理基板Ｗにドーピングを行い、被処理基板Ｗの注入されるドーパントの濃度が１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２未満となるよう制御する。
【選択図】図２

Description

この発明は、プラズマドーピング装置、およびプラズマドーピング方法に関するものである。

ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）やＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタ等の半導体素子は、被処理基板となる半導体基板（ウェハ）に対して、ドーピング、エッチング、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、スパッタリング等の処理を施して製造される。

ここで、被処理基板にドーピングを行う際に、低濃度のドーピングが求められる場合がある。被処理基板に対する低濃度のドーピングに関する技術が、特開２００４−１２８２０９号公報（特許文献１）に開示されている。

特許文献１においては、低濃度ドーピングを行うには、真空容器内の圧力を下げるとともに、ドーピングガスの分圧を小さくする必要があるとの記載がある。また、特許文献１には、試料へのイオン照射ダメージが小さいヘリウム（Ｈｅ）を希釈ガスとして用いた場合、低圧では放電が開始しにくいという点が記載されている。そして、特許文献１においては、このような課題を解決するプラズマドーピング方法について、真空容器内の試料電極に試料を載置する第一のステップと、真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を第一の圧力に制御しながら、プラズマ源に高周波電極を供給することにより、真空容器内にプラズマを発生させる第二のステップと、プラズマを発生させたままの状態で、真空容器内を第一の圧力よりも低い第二の圧力に制御する第三のステップとを含むこととしている。なお、特許文献１においては、希釈ガスとしてヘリウムを用い、プラズマ源として誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ））を利用することとしている。

特開２００４−１２８２０９号公報

特許文献１によると、希釈ガスとしてヘリウムを用い、ＩＣＰ、すなわち、誘導結合により生成したプラズマによってドーピングを行う際に、真空容器内を高い圧力としてプラズマを発生させ、その後、ドーピングガスを処理容器内に供給し、真空容器内を低い圧力としてドーピングを行うこととしている。しかし、このような工程では、以下の問題が生ずるおそれがある。

すなわち、このような特許文献１に開示の工程によると、真空容器内において誘導結合により生成したプラズマを発生させてから供給されるドーピングガスが真空容器内に均一に供給されるまでに、少なくとも数秒程度の時間を要する。逆に言えば、誘導結合によるプラズマを発生させた状態において、ドーピングガスを供給してから少なくとも数秒間は、真空容器内において、ドーピングガスの濃度が不均一な状態となる。この数秒の間にも、発生させたＩＣＰによる被処理基板に対するドーピングが進行することとなる。ドーピングガスの濃度が不均一な状態でのドーピングは、被処理基板の面内におけるドーズ量の不均一を発生させる要因となる。特に、比較的低濃度のドーピングを行う場合、ドーピング時間そのものが短時間となることも相まって、被処理基板に対する面内不均一なドーピングの傾向が、より顕著となる。

また、特許文献１に開示されるようにヘリウムを希釈ガスとして用いたドーピングにおいては、低圧で放電を開始することが困難であるという欠点がある。したがって、ヘリウムを希釈ガスとして用いたドーピングを行う場合には、少なくとも放電の開始時において真空容器内の圧力を高くする必要がある。このような高圧のプロセス条件、具体的には、高圧での放電の開始を前提としたドーピングは、工程上の制約を受け、好ましくないものである、すなわち、例えば、特許文献１のように、放電を開始させる圧力とドーピングを行う圧力とを変更しなければならない状態が発生し、プロセスの煩雑化を招くことになる。また、希釈ガスの選択の余地がなく、ドーピングにおけるプロセス設計の自由度の観点からも問題がある。

さらに、特許文献１においては、低濃度のドーピングとして、１．０×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２オーダーのドーピングを行っているが、ドーズ量をさらに少なくすることが求められる場合がある。具体的には、１．０×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２オーダーの低濃度のドーピングが要求される場合がある。このようなさらなる低濃度のドーピングを行う場合、上記した種々の問題がより顕著となり、特許文献１に開示の技術においては、対応することが困難となる。

この発明の一つの局面においては、プラズマドーピング装置は、被処理基板にドーパントを注入してドーピングを行う。プラズマドーピング装置は、その内部で被処理基板にドーパントを注入させる処理容器と、処理容器内にドーピングガスおよびプラズマ励起用の不活性ガスを供給するガス供給部と、処理容器内に配置され、その上で被処理基板を保持する保持台と、マイクロ波を用いて処理容器内にプラズマを発生させるプラズマ発生機構と、処理容器内の圧力を調整する圧力調整機構と、プラズマドーピング装置を制御する制御部とを備える。プラズマ発生機構は、プラズマ励起用のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生器と、マイクロ波発生器により発生させたマイクロ波を処理容器内へ透過させる誘電体窓と、複数のスロットが設けられており、マイクロ波を誘電体窓に放射するラジアルラインスロットアンテナとを含む。制御部は、保持台上に被処理基板を載置させた状態で、処理容器内にガス供給部によってドーピングガスおよびプラズマ励起用のガスを供給し、ガス供給部によるドーピングガスおよびプラズマ励起用のガスを供給した後にプラズマ発生機構によりプラズマを発生させて被処理基板にドーピングを行い、被処理基板の注入されるドーパントの濃度が１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２未満となるよう制御する。

このような構成によると、被処理基板に注入されるドーパントの濃度が１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２未満である低濃度のドーピングを行うに際し、ラジアルラインスロットアンテナ（Ｒａｄｉａｌ Ｌｉｎｅ Ｓｌｏｔ Ａｎｔｅｎｎａ）を用いてマイクロ波によりプラズマを生成しているため、低電子温度および高電子密度の状態でドーピングを行うことができる。そうすると、ドーピングにおける被処理基板に対するプラズマダメージを低減することができると共に、低濃度のドーピングを効率的に行うことができる。また、ラジアルラインスロットアンテナを用いたマイクロ波によれば、低圧から高圧まで幅広い圧力環境下でプラズマを発生させることができるため、特に希釈ガスやプラズマ励起用のガスの種類にこだわる必要はなく、かつ、ドーピングガスを処理容器内に供給した状態でプラズマを発生させてからドーピングを行うことができる。そうすると、プラズマを発生させる前からドーピングガスを処理容器内に供給することができ、ドーピングガスが処理容器内で均一に供給されている状態でドーピングを行うことができるため、被処理基板におけるドーズ量の面内均一性を高くすることができる。したがって、このようなプラズマドーピング装置は、被処理基板に対する安定したドーピングを行うことができると共に、被処理基板に対するドーズ量の面内均一性を高めることができる。

また、被処理基板に注入されるドーパントのドーズ量を計測するドーズ量計測機構を備え、制御部は、ドーズ量計測機構により被処理基板に注入されるドーパントのドーズ量が所望の量に達したと判断すれば、被処理基板に対するドーピングを停止するよう制御するよう構成してもよい。

また、ドーズ量計測機構は、処理容器内にある元素の発光強度を計測する発光強度計測装置を含み、発光強度測定装置により測定した処理容器内にある元素の発光強度を基に、ドーパントのドーズ量が所望の値に達したと判断するよう構成してもよい。

この発明の他の局面においては、プラズマドーピング装置は、被処理基板にドーパントを注入してドーピングを行う。プラズマドーピング装置は、その内部で被処理基板にドーパントを注入させる処理容器と、処理容器内にドーピングガスおよびプラズマ励起用の不活性ガスを供給するガス供給部と、処理容器内に配置され、その上で被処理基板を保持する保持台と、マイクロ波を用いて処理容器内にプラズマを発生させるプラズマ発生機構と、処理容器内の圧力を調整する圧力調整機構と、被処理基板に注入されるドーパントのドーズ量を計測するドーズ量計測機構と、プラズマドーピング装置を制御する制御部とを備える。プラズマ発生機構は、プラズマ励起用のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生器と、マイクロ波発生器により発生させたマイクロ波を処理容器内へ透過させる誘電体窓と、複数のスロットが設けられており、マイクロ波を誘電体窓に放射するラジアルラインスロットアンテナとを含む。制御部は、保持台上に被処理基板を載置させた状態で、処理容器内にガス供給部によってドーピングガスおよびプラズマ励起用のガスを供給し、ガス供給部によるドーピングガスおよびプラズマ励起用のガスを供給した後にプラズマ発生機構によりプラズマを発生させて被処理基板にドーピングを行い、ドーズ量計測機構により計測されたドーズ量が所定の値に達すれば、ドーピングを停止するよう制御する。

また、ドーズ量計測機構は、処理容器内にある元素の発光強度を計測する発光強度計測装置を含むよう構成してもよい。

また、制御部は、処理容器内の圧力を１００ｍＴｏｒｒ以上１５０ｍＴｏｒｒ以下としてドーピングを行うよう圧力調整機構を制御するよう構成してもよい。

また、プラズマ励起用のガスは、Ｈｅ、およびＡｒのうちの少なくともいずれか一つを含むよう構成してもよい。

また、ドーピングガスは、Ｂ_２Ｈ_６およびＢＦ_３のうちの少なくともいずれか一方を含むよう構成してもよい。

この発明のさらに他の局面においては、プラズマドーピング方法は、被処理基板にドーパントを注入してドーピングを行う。プラズマドーピング方法は、処理容器内に配置された保持台上に被処理基板を保持させる工程と、処理容器内にドーピングガスおよびプラズマ励起用のガスを供給するガス供給工程と、ガス供給工程の後に、処理容器内にプラズマ励起用のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生器、マイクロ波発生器により発生させたマイクロ波を処理容器内へ透過させる誘電体窓、および複数のスロットが設けられており、マイクロ波を誘電体窓に放射するラジアルラインスロットアンテナを用いて処理容器内にプラズマを発生させて、被処理基板の注入されるドーパントの濃度が１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２未満となるよう被処理基板にドーピングを行うドーピング工程とを含む。

また、被処理基板に注入されるドーパントのドーズ量を計測し、被処理基板に注入されるドーパントのドーズ量が所望の量に達したと判断すれば、被処理基板に対するドーピングを停止するよう制御する停止工程を含むよう構成してもよい。

また、停止工程は、処理容器内にある元素の発光強度を計測し、測定した処理容器内にある元素の発光強度を基に、ドーパントのドーズ量が所望の値に達したと判断するよう構成してもよい。

この発明のさらに他の局面においては、プラズマドーピング方法は、被処理基板にドーパントを注入してドーピングを行う。プラズマドーピング方法は、処理容器内に配置された保持台上に被処理基板を保持させる工程と、処理容器内にドーピングガスおよびプラズマ励起用のガスを供給するガス供給工程と、ガス供給工程の後に、処理容器内にプラズマ励起用のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生器、マイクロ波発生器により発生させたマイクロ波を処理容器内へ透過させる誘電体窓、および複数のスロットが設けられており、マイクロ波を誘電体窓に放射するラジアルラインスロットアンテナを用いて処理容器内にプラズマを発生させて、被処理基板にドーピングを行うドーピング工程と、ドーピング工程により被処理基板に注入されるドーパントのドーズ量を計測するドーズ量計測工程とを含む。

また、ドーズ量計測工程は、計測した処理容器内にある元素の発光強度を基に、ドーズ量を計測するよう構成してもよい。

また、処理容器内の圧力を１００ｍＴｏｒｒ以上１５０ｍＴｏｒｒ以下としてドーピング工程を行うよう構成してもよい。

また、プラズマ励起用のガスは、Ｈｅ、およびＡｒのうちの少なくともいずれか一つを含むよう構成してもよい。

また、ドーピングガスは、Ｂ_２Ｈ_６およびＢＦ_３のうちの少なくともいずれか一方を含むよう構成してもよい。

このような構成によると、このようなプラズマドーピング装置は、被処理基板に対する安定したドーピングを行うことができると共に、被処理基板に対するドーズ量の面内均一性を高めることができる。

この発明の一実施形態に係るプラズマドーピング方法およびプラズマドーピング装置によって製造される半導体素子の一例であるＦｉｎＦＥＴ（Ｆｉｎ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｅｒ）型半導体素子の一部を示す概略斜視図である。 この発明の一実施形態に係るプラズマドーピング装置の要部を示す概略断面図である。 図２に示すプラズマドーピング装置に含まれるスロットアンテナ板を、図２中の矢印ＩＩＩの方向から見た概略図である。 この発明の一実施形態に係るプラズマドーピング方法の概略的な工程を示すフローチャートである。 ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマの場合、および誘導結合により生成したプラズマの場合の電子温度と誘電体窓の下面から下方側への距離との関係を示すグラフである。 ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマの場合、および誘導結合により生成したプラズマの場合の電子密度と誘電体窓の下面から下方側への距離との関係を示すグラフである。 ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマの場合の供給する電力（Ｗ）と電子密度（ｃｍ^−３）との関係を示すグラフである。 誘導結合により生成したプラズマの場合の供給する電力（Ｗ）と電子密度（ｃｍ^−３）との関係を示すグラフである。 誘導結合により生成したプラズマによりエッチングを行った場合のシリコン基板の一部を拡大して示すＴＥＭ写真である。 ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマによりエッチングを行った場合のシリコン基板の一部を拡大して示すＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真である。 ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマによりドーピングを行った場合のホウ素のドーズ量とドーピング時間との関係を表すグラフであり、バイアス電力を印加しなかった場合を示す。 ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマによりドーピングを行った場合のホウ素のドーズ量とドーピング時間との関係を表すグラフであり、バイアス電力を６００Ｗ印加した場合を示す。 ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマによりドーピングを行った場合において、処理容器内におけるホウ素の発光強度の時間積分値とドーピング時間との関係を表すグラフである。 ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマによりドーピングを行った場合において、ドーピング時間とアルゴンの発光強度とホウ素の発光強度との関係を表すグラフである。 ホウ素の発光強度の積分値とホウ素のドーズ量との関係を示すグラフである。 ホウ素の発光強度の積分値に対するアルゴンの発光強度の積分値の比とホウ素のドーズ量との関係を示すグラフである。 この発明の他の実施形態に係るプラズマドーピング装置の要部を示す概略断面図である。

以下、この発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。まず、この発明の一実施形態に係るプラズマドーピング方法およびプラズマドーピング装置によって製造される半導体素子の構成について簡単に説明する。

図１は、この発明の一実施形態に係るプラズマドーピング方法およびプラズマドーピング装置によって製造される半導体素子の一例であるＦｉｎＦＥＴ型半導体素子の一部を示す概略斜視図である。図１を参照して、この発明の一実施形態に係るプラズマドーピング方法およびプラズマドーピング装置によって製造されるＦｉｎＦＥＴ型半導体素子１１には、シリコン基板１２の主表面１３から上方向に長く突出したフィン１４が形成されている。フィン１４の延びる方向は、図１中の矢印Ｉで示す方向である。フィン１４の部分は、ＦｉｎＦＥＴ型半導体素子１１の横方向である矢印Ｉの方向から見ると、略矩形状である。フィン１４の一部を覆うようにして、フィン１４の延びる方向と直交する方向に延びるゲート１５が形成されている。フィン１４のうち、形成されたゲート１５の手前側にソース１６が形成されることになり、奥側にドレイン１７が形成されることになる。このようなフィン１４の形状、すなわち、シリコン基板１２の主表面１３から上方向に突出した部分の表面に対して、マイクロ波を用いて発生させたプラズマによるドーピングが行われる。

なお、図１において図示はしないが、半導体素子の製造工程によっては、プラズマドーピングが行われる前の段階で、フォトレジスト層が形成される場合もある。フォトレジスト層は、所定の間隔を開けてフィン１４の側方側、例えば、図１中の紙面左右方向に位置する部分に形成される。フォトレジスト層は、フィン１４と同じ方向に延び、シリコン基板１２の主表面１３から上方向に長く突出するようにして形成される。

図２は、この発明の一実施形態に係るプラズマドーピング装置の要部を示す概略断面図である。また、図３は、図２に示すプラズマドーピング装置に含まれるスロットアンテナを下方側、すなわち、図２中の矢印ＩＩＩの方向から見た図である。なお、図２において、理解の容易の観点から、部材の一部のハッチングを省略している。また、この実施形態においては、図２における紙面上下方向を、プラズマドーピング装置における上下方向としている。

図２および図３を参照して、プラズマドーピング装置３１は、その内部で被処理基板Ｗにプラズマドーピングを行う処理容器３２と、処理容器３２内にプラズマ励起用のガスや、ドーピングガスを供給するガス供給部３３と、その上で被処理基板Ｗを保持する円板状の保持台３４と、マイクロ波を用いて処理容器３２内にプラズマを発生させるプラズマ発生機構３９と、処理容器３２内の圧力を調整する圧力調整機構と、保持台３４に交流のバイアス電力を供給するバイアス電力供給機構と、プラズマドーピング装置３１全体の動作を制御する制御部２８とを備える。制御部２８は、ガス供給部３３におけるガス流量、処理容器３２内の圧力、保持台３４に供給されるバイアス電力等、プラズマドーピング装置３１全体の制御を行う。

処理容器３２は、保持台３４の下方側に位置する底部４１と、底部４１の外周から上方向に延びる側壁４２とを含む。側壁４２は、略円筒状である。処理容器３２の底部４１には、その一部を貫通するように排気用の排気孔４３が設けられている。処理容器３２の上部側は開口しており、処理容器３２の上部側に配置される蓋部４４、後述する誘電体窓３６、および誘電体窓３６と蓋部４４との間に介在するシール部材としてのＯリング４５によって、処理容器３２は密封可能に構成されている。

ガス供給部３３は、被処理基板Ｗの中央に向かってガスを吹付ける第一のガス供給部４６と、被処理基板Ｗの外側からガスを吹付ける第二のガス供給部４７とを含む。第一のガス供給部４６においてガスを供給するガス供給孔３０は、誘電体窓３６の径方向中央であって、保持台３４と対向する対向面となる誘電体窓３６の下面４８よりも誘電体窓３６の内方側に後退した位置に設けられている。第一のガス供給部４６は、第一のガス供給部４６に接続されたガス供給系４９により流量等を調整しながらプラズマ励起用の不活性ガスやドーピングガスを供給する。第二のガス供給部４７は、側壁４２の上部側の一部において、処理容器３２内にプラズマ励起用の不活性ガスやドーピングガスを供給する複数のガス供給孔５０を設けることにより形成されている。複数のガス供給孔５０は、周方向に等しい間隔を開けて設けられている。第一のガス供給部４６および第二のガス供給部４７には、同じガス供給源から同じ種類のプラズマ励起用の不活性ガスやドーピングガスが供給される。なお、要求や制御内容等に応じて、第一のガス供給部４６および第二のガス供給部４７から別のガスを供給することもでき、それらの流量比等を調整することもできる。なお、以下の説明において、第一のガス供給部４６から供給されるガスをセンターガス、第二のガス供給部４７から供給されるガスをエッジガスという場合がある。

保持台３４には、ＲＦ（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）バイアス用の高周波電源５８がマッチングユニット５９を介して保持台３４内の電極に電気的に接続されている。この高周波電源５８は、例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波を所定の電力（バイアスパワー）で出力可能である。マッチングユニット５９は、高周波電源５８側のインピーダンスと、主に電極、プラズマ、処理容器３２といった負荷側のインピーダンスとの間で整合をとるための整合器を収容しており、この整合器の中に自己バイアス生成用のブロッキングコンデンサが含まれている。なお、プラズマドーピング時において、この保持台３４へのバイアス電圧の供給は、必要に応じて適宜変更される。制御部２８は、バイアス電力供給機構として、保持台３４に供給される交流のバイアス電力を制御する。

保持台３４は、静電チャック（図示せず）によりその上に被処理基板Ｗを保持可能である。また、保持台３４は、加熱のためのヒータ（図示せず）等を備え、保持台３４の内部に設けられた温度調整機構２９により所望の温度に設定可能である。保持台３４は、底部４１の下方側から垂直上方に延びる絶縁性の筒状支持部５１に支持されている。上記した排気孔４３は、筒状支持部５１の外周に沿って処理容器３２の底部４１の一部を貫通するように設けられている。環状の排気孔４３の下方側には排気管（図示せず）を介して排気装置（図示せず）が接続されている。排気装置は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有している。排気装置により、処理容器３２内を所定の圧力まで減圧することができる。制御部２８は、圧力調整機構として、排気装置による排気の制御等により、処理容器３２内の圧力を調整する。

プラズマ発生機構３９は処理容器３２外に設けられており、プラズマ励起用のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生器３５を含む。また、プラズマ発生機構３９は、保持台３４と対向する位置に配置され、マイクロ波発生器３５により発生させたマイクロ波を処理容器３２内に導入する誘電体窓３６を含む。また、プラズマ発生機構３９には、誘電体窓３６の上方側に配置され、マイクロ波を誘電体窓３６に放射する複数のスロットが設けられたスロットアンテナ３７が含まれる。また、プラズマ発生機構３９は、スロットアンテナ３７の上方側に配置され、後述する同軸導波管５６から導入されたマイクロ波を径方向に伝播する誘電体部材３８を含んでもよい。

マッチング５３を有するマイクロ波発生器３５は、モード変換器５４および導波管５５を介して、マイクロ波を導入する同軸導波管５６の上部に接続されている。例えば、マイクロ波発生器３５で発生させたＴＥモードのマイクロ波は、導波管５５を通り、モード変換器５４によりＴＥＭモードへ変換され、同軸導波管５６を伝播する。マイクロ波発生器３５において発生させるマイクロ波の周波数としては、例えば、２．４５ＧＨｚが選択される。

誘電体窓３６は、略円板状であって、誘電体で構成されている。誘電体窓３６の下面４８の一部には、導入されたマイクロ波による定在波の発生を容易にするためのテーパ状に凹んだ環状の凹部５７が設けられている。この凹部５７により、誘電体窓３６の下部側にマイクロ波によるプラズマを効率的に生成することができる。なお、誘電体窓３６の具体的な材質としては、石英やアルミナ等が挙げられる。

スロットアンテナ３７は、薄板状であって、円板状である。複数のスロット４０については、図３に示すように、それぞれ所定の間隔を開けて直交するように２つのスロット４０が一対となるように設けられている。一対をなしたスロット４０が周方向に所定の間隔を開けて設けられている。また、径方向においても、複数の一対のスロット４０が所定の間隔を開けて設けられている。

マイクロ波発生器３５により発生させたマイクロ波は、同軸導波管５６を通って伝播される。マイクロ波は、内部に冷媒を循環させる循環路６０を有し誘電体部材３８等の温度調整を行う冷却ジャケット５２とスロットアンテナ３７との間に挟まれた領域を径方向外側に向かって放射状に広がり、スロットアンテナ３７に設けられた複数のスロット４０から誘電体窓３６に放射される。誘電体窓３６を透過したマイクロ波は、誘電体窓３６の直下に電界を生じさせ、処理容器３２内にプラズマを生成させる。

プラズマドーピング装置３１においてマイクロ波プラズマを発生させた場合、誘電体窓３６の下面４８の直下、具体的には、誘電体窓３６の下面４８の数ｃｍ程度下に位置する領域においては、いわゆるプラズマ生成領域が形成される。そして、その鉛直方向下側に位置する領域には、プラズマ生成領域で生成されたプラズマが拡散するいわゆるプラズマ拡散領域が形成される。

次に、このようなプラズマドーピング装置を用いて、被処理基板Ｗに対してプラズマドーピングを行う方法について説明する。図４は、この発明の一実施形態に係るプラズマドーピング方法の概略的な工程を示すフローチャートである。

図４を参照して、まず、被処理基板Ｗを処理容器３２内に搬入（図４（Ａ））し、保持台３４の上に保持させる。なお、被処理基板Ｗとしては、直径が３００ｍｍのシリコン基板が用いられる。次に、ガス供給部３３により処理容器３２内にドーピングガスおよびプラズマ励起用のガスを共に供給すると共に、制御部２８による圧力調整機構の調整により処理容器３２内の圧力を所望の圧力に調整する（図４（Ｂ））。その後、マイクロ波発生器３５に電力を投入し、マイクロ波プラズマを生成させ、プラズマドーピング処理を行う（図４（Ｃ））。その後、所望のドーズ量、具体的には、処理基板Ｗの注入されるドーパントの濃度が１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２未満の所定の濃度となるドーズ量までドーピングを行った後、プラズマを停止し、被処理基板Ｗを処理容器３２外へ搬出する（図４（Ｄ））。このようにして、被処理基板Ｗに対して、ラジアルラインスロットアンテナを用いたマイクロ波プラズマによるドーピング処理を行う。

なお、具体的なプロセス条件としては、処理容器３２内の圧力を１００ｍＴｏｒｒ以上１５０ｍＴｏｒｒの範囲、例えば、１５０ｍＴｏｒｒの圧力とするよう調整する。また、ドーピングガスとしては、水素（Ｈ_２）とジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）との混合ガスを用い、混合割合としては、Ｂ_２Ｈ_６がＨ_２の０．７％となるよう混合されたものが用いられる。そして、この混合ガスとプラズマ励起用のガスであるアルゴン（Ａｒ）ガスについて、流量比が混合ガス：Ａｒガス＝１ｓｃｃｍ：１９９９ｓｃｃｍとなるようにして、ガス供給部３３により処理容器３２内にガスを供給する。この場合、全体のガスに対するホウ素（Ｂ）の流量比としては、０．７％／２０００＝０．０００３５％となる。また、マイクロ波発生器３５において、投入される電力は、３ｋＷ（３０００Ｗ）が採用される。なお、この場合、ドーピングによりホウ素（ボロン（Ｂ））が注入される。

このようにして、被処理基板Ｗに対して、プラズマドーピングを行う。すなわち、この発明の一実施形態に係るプラズマドーピング装置３１は、その内部で被処理基板Ｗにドーパントを注入させる処理容器３２と、処理容器３２内にドーピングガスおよびプラズマ励起用の不活性ガスを供給するガス供給部３３と、処理容器３２内に配置され、その上で被処理基板Ｗを保持する保持台３４と、マイクロ波を用いて処理容器３２内にプラズマを発生させるプラズマ発生機構３９と、処理容器３２内の圧力を調整する圧力調整機構と、プラズマドーピング装置３１を制御する制御部２８とを備える。プラズマ発生機構３９は、プラズマ励起用のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生器３５と、マイクロ波発生器３５により発生させたマイクロ波を処理容器３２内へ透過させる誘電体窓３６と、複数のスロット４０が設けられており、マイクロ波を誘電体窓３６に放射するラジアルラインスロットアンテナ３７とを含む。制御部２８は、保持台３４上に被処理基板Ｗを載置させた状態で、処理容器３２内にガス供給部３３によってドーピングガスおよびプラズマ励起用のガスを供給し、ガス供給部３３によるドーピングガスおよびプラズマ励起用のガスを供給した後にプラズマ発生機構３９によりプラズマを発生させて被処理基板Ｗにドーピングを行い、被処理基板Ｗの注入されるドーパントの濃度が１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２未満となるよう制御する。

また、この発明の一実施形態に係るプラズマドーピング方法は、処理容器３２内に配置された保持台３４上に被処理基板Ｗを保持させる工程と、処理容器３２内にドーピングガスおよびプラズマ励起用のガスを供給するガス供給工程と、ガス供給工程の後に、処理容器３２内にプラズマ励起用のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生器３５、マイクロ波発生器３５により発生させたマイクロ波を処理容器３２内へ透過させる誘電体窓３６、および複数のスロット４０が設けられており、マイクロ波を誘電体窓３６に放射するラジアルラインスロットアンテナ３７を用いて処理容器３２内にプラズマを発生させて、被処理基板Ｗの注入されるドーパントの濃度が１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２未満となるよう被処理基板Ｗにドーピングを行うドーピング工程とを含む。

このような構成によると、被処理基板Ｗに注入されるドーパントの濃度が１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２未満である低濃度のドーピングを行うに際し、ラジアルラインスロットアンテナ３７を用いてマイクロ波によりプラズマを生成しているため、低電子温度および高電子密度の状態でドーピングを行うことができる。そうすると、ドーピングにおける被処理基板Ｗに対するプラズマダメージを低減することができると共に、低濃度のドーピングを効率的に行うことができる。また、ラジアルラインスロットアンテナ３７を用いたマイクロ波によれば、低圧から高圧まで幅広い圧力環境下でプラズマを発生させることができるため、特に希釈ガスやプラズマ励起用のガスの種類にこだわる必要はなく、かつ、ドーピングガスを処理容器３２内に供給した状態でプラズマを発生させてからドーピングを行うことができる。そうすると、プラズマを発生させる前からドーピングガスを処理容器３２内に供給することができ、ドーピングガスが処理容器３２内で均一に供給されている状態でドーピングを行うことができるため、被処理基板Ｗにおけるドーズ量の面内均一性を高くすることができる。したがって、このようなプラズマドーピング装置３１およびプラズマドーピング方法は、被処理基板Ｗに対する安定したドーピングを行うことができると共に、被処理基板Ｗに対するドーズ量の面内均一性を高めることができる。

これについて、説明する。図５は、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマの場合、および誘導結合により生成したプラズマの場合の電子密度と誘電体窓の下面から下方側への距離との関係を示すグラフである。図５において、縦軸は、電子密度（ｃｍ^−３）を示し、横軸は、誘電体窓の下面からの下方側への距離（ｍｍ）を示す。図６は、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマの場合、および誘導結合により生成したプラズマの場合の電子温度と誘電体窓の下面から下方側への距離との関係を示すグラフである。図６において、縦軸は、電子温度（ｅＶ）を示し、横軸は、誘電体窓の下面からの下方側への距離（ｍｍ）を示す。なお、プラズマの電子密度、およびプラズマの電子温度の計測に際しては、ラングミュアプローブ法により行っている。この場合、プロセス条件としては、ガス流量をＡｒ／Ｎ_２＝４００／４０ｓｃｃｍ、圧力を９０ｍＴｏｒｒとしている。また、供給する電力としては、ＩＣＰの場合、１５００Ｗとし、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマの場合、２０００Ｗとしている。図５および図６、後述する図７および図８において、黒菱形印は、誘導結合により生成したプラズマの場合を示し、黒三角印は、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマの場合を示す。

図５および図６を参照して、電子温度については、誘導結合により生成したプラズマの場合、図５における測定範囲において、誘電体窓の下面からの距離にほとんど変わりなく、およそ２．０ｅＶ以上の電子温度を有する。このような電子温度は、比較的高いものであり、プラズマ処理時において、被処理基板にダメージを与えるおそれがある。これに対し、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマの場合、図５における測定範囲において、誘電体窓の下面からの距離にほとんど変わりなく、およそ１．５ｅＶ程度の電子温度を有する。このようないわゆる低電子温度であれば、プラズマ処理時において、被処理基板にダメージを与えることなく、プラズマ処理を行うことができる。すなわち、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマの場合、電子温度については、一般的な特徴として誘電体窓の直下を除き、誘電体窓の下面からの距離にさほど依存せずに、比較的低い電子温度で、プラズマ処理を行うことができる。

また、電子密度については、誘導結合により生成したプラズマの場合、誘電体窓の下面から離れるにつれ、電子密度が高くなり、下面の距離が５０ｍｍのときにピークに達する。その後、誘電体窓の下面から離れるにつれ、徐々に減少している。これに対し、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマの場合、誘電体窓の下面からの距離が離れるにつれ、電子密度が徐々に減少していく。ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマの場合、誘電体窓の下面付近において生成されたプラズマが、処理容器内において拡散していくことが把握できる。したがって、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマの場合、求められる処理効率に応じて、誘電体窓の下面からの距離を調整し、プラズマ処理を行えばよい。なお、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマの場合、電子密度については、上記した１５０ｍｍまでの範囲においては、少なくとも２．０×１０^１１ｃｍ^−３程度を有するため、効率的な処理を行う上で、問題のないレベルである。

図７は、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマの場合、および誘導結合により生成したプラズマの場合の供給する電力（Ｗ）と電子密度（ｃｍ^−３）との関係を示すグラフである。縦軸は、電子密度（ｃｍ^−３）を示し、横軸は、供給電力（Ｗ）を示す。図８は、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマの場合、および誘導結合により生成したプラズマの場合の供給する電力（Ｗ）と電子温度（ｅＶ）との関係を示すグラフである。縦軸は、電子温度（ｅＶ）を示し、横軸は、供給電力（Ｗ）を示す。なお、これらについても、ラングミュアプローブ方式を採用し、誘電体窓の下面から下方側に１００ｍｍの位置に、プローブを位置させて計測している。また、プロセス条件として、Ｎ_２ガスを用い、圧力を２０ｍＴｏｒｒとしている。

図７および図８を参照して、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマの電子温度の方が、誘導結合により生成したプラズマの電子温度よりも低くなることが示される。具体的には、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマの場合、供給電力を１３００Ｗ〜３０００Ｗまで推移させたときに、電子温度は、およそ１．３〜１．６ｅＶの間を推移している。これに対し、誘導結合により生成したプラズマの場合、供給電力を７００Ｗ〜２０００Ｗまで推移させたときに、電子温度は、およそ２．３〜２．５ｅＶの間を推移している。すなわち、どのような供給電力を採用したとしても、誘導結合により生成したプラズマの場合、電子温度は、少なくとも２．０ｅＶよりも小さくはならない。これに対し、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマの場合、供給電力を多少大小させても、電子温度は１．５ｅＶ程度となる。

一方、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマの電子密度も、誘導結合により生成したプラズマの電子密度のいずれも、供給するマイクロ波電力の値が大きくなれば、高くなる。しかし、同じ供給電力で比較した際に、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマの電子密度の方が、誘導結合により生成したプラズマの電子密度よりも高い。例えば、２０００Ｗの電力を供給したとき、誘導結合により生成したプラズマの電子密度は、約５．０×１０^１０（ｃｍ^−３）であるのに対し、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマの電子密度は、約１．２×１０^１１（ｃｍ^−３）である。

ここで、プラズマ処理時におけるシリコン基板に対するダメージについて、説明する。プラズマ処理時においては、ドーピングを行う場合とエッチングを行う場合とで、シリコン基板と他の層との界面における反応系は同等であると考えられる。したがって、ここでは、誘導結合により生成したプラズマによりエッチングを行った場合と、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマによりエッチングを行った場合を用いて説明する。

図９は、誘導結合により生成したプラズマによりエッチングを行った場合のシリコン基板の一部を拡大して示すＴＥＭ写真である。図１０は、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマによりエッチングを行った場合のシリコン基板の一部を拡大して示すＴＥＭ写真である。図９および図１０において、上層がカーボン層６１、下層がシリコン基板６２となり、カーボン層６１とシリコン基板６２との間の酸化膜層６３が、エッチングの行われた領域である。

図９を参照して、誘導結合により生成したプラズマによりエッチングを行った場合については、シリコン基板６２内において、領域６４に示すように、多少の結晶欠陥が見られる。また、シリコン基板６２側とカーボン層６１側においてそれぞれ領域６５、６６に示すプラズマによるダメージ層が形成されている。すなわち、プラズマによるダメージが発生していることが把握できる。この図９に示されるＴＥＭ写真から、誘導結合により生成したプラズマによるエッチングと同等に、誘導結合により生成したプラズマによるドーピングにおいても、プラズマによるダメージが発生していると推察される。

これに対し、図１０を参照して、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマによりエッチングを行った場合、カーボン層６７、シリコン基板６８、酸化膜層６９において、結晶欠陥、およびダメージ層が見られない。すなわち、プラズマによるダメージが発生していないことが把握できる。この図１０に示されるＴＥＭ写真から、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマによるエッチングと同等に、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマによるドーピングにおいても、プラズマによるダメージが発生していると推察される。

ここで、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマによりドーピングを行った場合のホウ素のドーズ量とドーピング時間との関係を表すグラフを、図１１および図１２に示す。図１１および図１２において、縦軸はそれぞれ、ホウ素のドーズ量（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）を示し、横軸はそれぞれ、ドーピング時間（秒）を示す。なお、図１１に示す場合のプロセス条件としては、圧力を１５０ｍＴｏｒｒとし、流量比を混合ガス（Ｂ_２Ｈ_６の含有量がＨｅの０．７％）：Ｈｅガス＝１ｓｃｃｍ：９９９ｓｃｃｍとし、供給電力を３ｋＷとし、第一のガス供給部（センターガス）と第二のガス供給部（エッジガス）との供給割合を、２０：８０とし、バイアス電力を０Ｗ、すなわち、バイアス電力を印加しない条件としている。また、図１２に示す場合のプロセス条件としては、圧力を６０ｍＴｏｒｒとし、流量比を混合ガス（Ｂ_２Ｈ_６の含有量がＨｅの０．７％）：Ｈｅガス＝０．５ｓｃｃｍ：４９９ｓｃｃｍとし、供給電力を３ｋＷとし、第一のガス供給部（センターガス）と第二のガス供給部（エッジガス）との供給割合を、３０：７０とし、バイアス電力を６００Ｗとしている。なお、ドーズ量の測定についてはいずれも、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ−ｍｉｃｒｏｐｒｏｂｅ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）（二次イオン質量分析計）により行っている。また、ドーズ量の値は、直径３００ｍｍの円板状の被処理基板Ｗにおける中央部、すなわち、被処理基板Ｗの中心における値である。

図１１を参照して、バイアス電力を印加しなかった場合、ドーピング時間が２０秒であっても、ドーズ量は、約４．０×１０^１２（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）であり、ドーピング時間が６０秒に達した時に、ドーズ量が、約１．１×１０^１３（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）となる。すなわち、ドーピング時間を６０秒以内の範囲において選択することにより、低濃度のドーピング、具体的には、１．０×１０^１２（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）オーダーのドーピングを行うことができる。

また、図１２を参照して、バイアス電力を６００Ｗ印加した場合、ドーピング時間が５秒であれば、ドーズ量は、約３．３×１０^１２（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）であり、１６秒に達すると、ドーズ量が、約９．７×１０^１２（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）となる。すなわち、バイアス電力を６００Ｗ印加した場合においては、ドーピング時間を１６秒以内の範囲において選択することにより、１．０×１０^１２（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）オーダーのドーピングを行うことができる。

なお、ドーピングによる面内均一性については、以下の通りである。図１２の場合において、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマによりドーピングを行った円板状の被処理基板Ｗの中心から１４５ｍｍの位置における端部のドーズ量を上記と同様に、すなわち、円板状の被処理基板Ｗの中央部と同様に測定した。

ドーピング時間が１０秒の場合、中央部のドーズ量は、６．０４×１０^１２（ｃｍ^−３）であり、被処理基板Ｗの中心から１４５ｍｍの位置における端部のドーズ量は、５．２９×１０^１２（ｃｍ^−３）であった。また、ドーピング時間が１６秒の場合、中央部のドーズ量は、９．６７×１０^１２（ｃｍ^−３）であり、被処理基板Ｗの中心から１４５ｍｍの位置における端部のドーズ量は、８．０９×１０^１２（ｃｍ^−３）であった。すなわち、被処理基板Ｗの中央部と端部においてドーズ量の差がほとんどなかった。これにより、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマにより、ドーピングにおける高い面内均一性を確保できていることが把握できる。

ここで、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマによりドーピングを行った場合において、処理容器内におけるホウ素の発光強度の時間積分値とドーピング時間との関係を表すグラフを、図１３に示す。図１３中、縦軸は、ホウ素の発光強度の時間積分値を示し、横軸は、ドーピング時間（秒）を示す。ホウ素の発光強度の時間積分値については、ＯＥＳ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）計測により行った。すなわち、ホウ素の発光を示す波長である２４９ｎｍ〜２５０ｎｍの発光ピーク値を計測し、時間で積分したものを用いた。ＯＥＳ計測については、計測器を処理容器３２内に挿入しリアルタイムで行った。なお、図１３においては、ドーピングガスとして供給される混合ガスのうち、Ａｒに対するＢ_２Ｈ_６／Ｈ_２の流量比が１ｓｃｃｍであるものを白丸で示し、Ａｒに対するＢ_２Ｈ_６／Ｈ_２の流量比が２ｓｃｃｍであるものを黒丸で示し、Ａｒに対するＢ_２Ｈ_６／Ｈ_２の流量比が３ｓｃｃｍであるものを白三角印で示している。

図１３を参照して、いずれの流量比の場合にもホウ素の発光強度の時間積分値とドーピング時間とがほぼ比例関係を有することが把握できる。すなわち、ドーピング時間が経過するにつれ、ホウ素の発光強度の時間積分値が線形に増加することが把握できる。また、混合ガスすなわち、Ｂ_２Ｈ_６／Ｈ_２ガスの流量比が多いと、短時間でホウ素の発光強度の時間積分値が増加することも把握できる。したがって、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマによりドーピングを行う場合、ドーピング時間を管理することにより、ある程度、ドーズ量を調整することができる。すなわち、ドーピング時間を調整して、ドーパントの濃度を制御することができる。

また、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマによりドーピングを行った場合において、ドーピング時間とアルゴンの発光強度とホウ素の発光強度との関係を表すグラフを、図１４に示す。図１４において、左側縦軸は、アルゴンの発光強度を示し、右側縦軸は、ホウ素の発光強度を示し、横軸は、ドーピング時間（秒）を示す。なお、これらの発光強度の測定についても、ＯＥＳ分析により行っている。プロセス条件としては、圧力を１５０ｍＴｏｒｒとし、流量比を混合ガス（Ｂ_２Ｈ_６の含有量がＨ_２の０．７％）：Ａｒガス＝２ｓｃｃｍ：９９８ｓｃｃｍとし、第一のガス供給部（センターガス）と第二のガス供給部（エッジガス）との供給割合を、２０：８０とし、供給電力を３ｋＷとし、バイアス電力を０Ｗ（すなわち、バイアス電力を印加しない条件）としている。なお、アルゴンの発光強度の代表的な基準のピークについては、４０４．４ｎｍとしている。また、図１４中においては、時間を１０秒、２０秒、４０秒、６０秒とした場合のそれぞれについて、プロットしている。図１４中、左軸で示す１０秒後の値が２．０×１０^４未満のものが、アルゴンの発光強度の代表的なピークである４０４．４ｎｍを示すものであり、上から順に細い実線で示す１０秒、細い点線で示す２０秒、細い一点鎖線で示す４０秒、細い二点鎖線で示す６０秒の場合を示す。また、図１４中、右軸で示す１０秒後の値が２．０×１０^３以上のものが、ホウ素の発光強度の代表的なピークである２４９．８ｎｍを示すものであり、上から順に太い実線で示す１０秒、太い点線で示す２０秒、太い一点鎖線で示す４０秒、太い二点鎖線で示す６０秒の場合を示す。

図１４を参照して、ホウ素およびアルゴンのいずれにおいても、プラズマを発生させた際に発光強度が上昇し、３秒程度でほぼ最大となり、その後、６０秒に至るまで一定の値となる。この現象について考察すると、以下の通りである。すなわち、例えば、誘導結合により発生させたプラズマにおいては、ＯＥＳ計測により計測された処理容器内におけるボロンおよびアルゴンの発光強度について、プラズマが安定しない場合やプラズマ中の高エネルギーイオンが処理容器内に多く照射された場合、処理容器の内壁に吸着したプロセスガスの成分がプラズマ照射により再度励起ガスとしてプラズマ中に放出されるため、安定せずに時間の経過とともに不安定に増加傾向を示すものである。しかし、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマにおいては、このような不安定に増加する傾向が見られないことから、処理容器内において、安定してプラズマが発生していることが把握できる。

図１５は、ホウ素の発光強度の積分値とホウ素のドーズ量との関係を示すグラフである。図１５において、縦軸は、ホウ素の発光強度の積分値を示し、横軸は、ホウ素のドーズ量（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）を示す。このドーズ量については、後述する図１６に示す場合も同様に、ＳＩＭＳにより計測したものである。また、図１５および後述する図１６において、点７０ａは、ドーピング時間が１０秒の場合、点７０ｂは、ドーピング時間が２０秒の場合、点７０ｃは、ドーピング時間が４０秒の場合を示す。

図１５を参照して、ホウ素の発光強度の積分値とホウ素のドーズ量との関係については、ほぼ比例関係を有することが把握できる。すなわち、ドーズ量が増加するにつれ、ホウ素の発光強度の時間積分値が増加し、線形に増加する相関関係を有することが把握できる。

また、ホウ素の発光強度の積分値に対するアルゴンの発光強度の積分値の比、すなわち、ホウ素の発光強度の積分値をアルゴンの発光強度の積分値で規格化したものについては、以下の通りである。図１６は、ホウ素の発光強度の積分値に対するアルゴンの発光強度の積分値の比とホウ素のドーズ量との関係を示すグラフである。図１６において、縦軸は、ホウ素の発光強度の積分値に対するアルゴンの発光強度の積分値の比を示し、横軸は、ホウ素のドーズ量（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）を示す。

図１６を参照して、ホウ素の発光強度の積分値に対するアルゴンの発光強度の積分値の比とホウ素のドーズ量との関係についても、ほぼ比例関係を有することが把握できる。すなわち、ホウ素の発光強度の場合と同様に、ドーズ量が増加するにつれ、ホウ素の発光強度の積分値に対するアルゴンの発光強度の積分値の比も増加し、線形に増加する相関関係を有することが把握できる。この規格化した値については、以下の場合に有効に利用することができる。すなわち、上記した場合においては、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマにより被処理基板Ｗへドーピングを行う際に、バイアス電力を付与しなかった場合、元素としてのシリコンの発光強度がほとんど無視できるレベルであり、ホウ素の波長と大きく異なるものとなっている。しかし、バイアス電力を付与した場合、シリコンの発光強度が大きくなり、シリコンの発光強度の波長とホウ素の発光強度の波長とが重なることになる。このような場合、アルゴンの発光強度の積分値により規格化した値を用いれば、シリコンの影響を小さくすることができ、より正確なドーズ量の調整を行うことができると考えられる。

なお、上記したホウ素の発光強度とドーズ量との相関関係等を踏まえ、プラズマドーピング装置３１は、被処理基板Ｗに注入されるドーパントのドーズ量を計測するドーズ量計測機構を備え、制御部２８は、ドーズ量計測機構により被処理基板Ｗに注入されるドーパントのドーズ量が所望の量に達したと判断すれば、被処理基板Ｗに対するドーピングを停止するよう制御するよう構成してもよい。

この場合、ドーズ量を計測するドーズ量計測機構は、処理容器３２内にある元素、例えば、ホウ素やアルゴンの発光強度を計測する発光強度計測装置を含むこととしてもよい。この場合、発光強度計測装置により計測した処理容器３２内にある元素の発光強度を基に、ドーパントのドーズ量が所望の値に達したと判断するよう構成する。また、プラズマドーピング方法において、被処理基板Ｗに注入されるドーパントのドーズ量を計測し、被処理基板Ｗに注入されるドーパントのドーズ量が所望の量に達したと判断すれば、被処理基板Ｗに対するドーピングを停止するよう制御する停止工程を含むよう構成してもよい。

ここで、ドーズ量（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）については、ドーピングガス中に含まれるホウ素のフラックス（ａｔｏｍｓ／秒・ｃｍ^２）×ドーピング時間（秒）によって算出されるが、ドーズ量は、ドーズ／発光強度の積分値を除した値であるｋとした定数×ホウ素の発光強度×ドーピング時間（秒）で算出される。

なお、ドーパントのドーズ量の測定については、元素の発光強度の測定に限られず、他の手法を用いることとしてもよい。

ここで、ドーパントの濃度が１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２未満といった低濃度のドーピングが求められる場合に限られず、ラジアルラインスロットアンテナを用いて生成したマイクロ波プラズマによりドーピングを行う場合、ドーピングにおけるドーズ量については、以下において、要求される値に容易に近づけることができる。

図１７は、この発明の他の実施形態に係るプラズマドーピング装置の要部を示す概略断面図である。図１７は、図２に示す断面に相当する。図１７に示すプラズマドーピング装置７１のうち、図２に示すプラズマドーピング装置３１と同様の構成のものについては、同一の符号を付し、それらの説明を省略する。

図１７を参照して、プラズマドーピング装置７１には、処理容器３２内において配置されることが可能な図示しないプローブを有し、処理容器３２内に存在する元素の発光強度を計測する発光強度計測装置７２が設けられている。なお、発光強度計測装置７２は、処理容器３２内に存在する元素について、時間の経過に伴って累積される発光強度の積分値も計測することができる。

すなわち、この発明の他の実施形態に係るプラズマドーピング装置７１は、その内部で被処理基板Ｗにドーパントを注入させる処理容器３２と、処理容器３２内にドーピングガスおよびプラズマ励起用の不活性ガスを供給するガス供給部３３と、処理容器３２内に配置され、その上で被処理基板Ｗを保持する保持台３４と、マイクロ波を用いて処理容器３２内にプラズマを発生させるプラズマ発生機構３９と、処理容器３２内の圧力を調整する圧力調整機構と、被処理基板Ｗに注入されるドーパントのドーズ量を計測するドーズ量計測機構７２と、プラズマドーピング装置７１を制御する制御部２８とを備える。プラズマ発生機構３９は、プラズマ励起用のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生器３５と、マイクロ波発生器３５により発生させたマイクロ波を処理容器３２内へ透過させる誘電体窓３６と、複数のスロット４０が設けられており、マイクロ波を誘電体窓３６に放射するラジアルラインスロットアンテナ３７とを含む。制御部２８は、保持台３４上に被処理基板Ｗを載置させた状態で、処理容器３２内にガス供給部３３によってドーピングガスおよびプラズマ励起用のガスを供給し、ガス供給部３３によるドーピングガスおよびプラズマ励起用のガスを供給した後にプラズマ発生機構３９によりプラズマを発生させて被処理基板Ｗにドーピングを行い、ドーズ量計測機構７２により計測されたドーズ量が所定の値に達すれば、ドーピングを停止するよう制御する。

また、この発明の他の実施形態に係るプラズマドーピング方法は、処理容器３２内に配置された保持台３４上に被処理基板Ｗを保持させる工程と、処理容器３２内にドーピングガスおよびプラズマ励起用のガスを供給するガス供給工程と、ガス供給工程の後に、処理容器３２内にプラズマ励起用のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生器３５、マイクロ波発生器３５により発生させたマイクロ波を処理容器３２内へ透過させる誘電体窓３６、および複数のスロット４０が設けられており、マイクロ波を誘電体窓３６に放射するラジアルラインスロットアンテナ３７を用いて処理容器３２内にプラズマを発生させて、被処理基板Ｗにドーピングを行うドーピング工程と、ドーピング工程により被処理基板Ｗに注入されるドーパントのドーズ量を計測するドーズ量計測工程とを含む。

このようなプラズマドーピング装置によると、被処理基板に対する安定したドーピングを行うことができると共に、被処理基板に対するドーズ量の面内均一性を高めることができ、さらに任意のドーズ量をより正確にドーピングすることができる。

なお、上記の実施の形態においては、プラズマドーピング方法およびプラズマドーピング装置によって製造される半導体素子を、ＦｉｎＦＥＴ型半導体素子としたが、これに限らず、例えば、ＭＯＳ型半導体素子を製造する場合におけるドーピングを行う際にも、有効に利用される。

なお、上記の実施の形態においては、ドーピングガスとしてＢ_２Ｈ_６を用いることとしたが、これに限らず、Ｂ_２Ｈ_３を用いることにしてもよい。すなわち、ドーピングガスは、Ｂ_２Ｈ_６およびＢＦ_３のうちの少なくともいずれか一方を含むよう構成してもよい。さらに、ドーパントとしてヒ素やリン、フッ素等の他の元素のドーピングを行う場合、例えば、ＰＨ_３、ＡｓＨ_３、ＧｅＨ_４、ＣＨ_４、ＮＨ_３、ＮＦ_３、Ｎ_２、ＨＦ、およびＳｉＨ_４からなる群から選択される少なくとも一種のガスを含むよう構成してもよい。

また、上記の実施の形態においては、プラズマ励起用の不活性ガスは、Ｈｅを用いることとしたが、これに限らず、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅからなる群から選択される少なくとも一種のガスを含むよう構成してもよい。

なお、上記の実施の形態においては、被処理基板としてシリコン基板を用いることとしたが、これに限らず、例えば、層間膜におけるドーピングを行う際にも、十分に適用できるものである。

なお、上記の実施の形態において、プラズマドーピング装置は、誘電体部材を含む構成としたが、これに限らず、誘電体部材を含まない構成としてもよい。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

１１ ＦｉｎＦＥＴ型半導体素子、１２，６２，６８ シリコン基板、１３ 主表面、１４ フィン、１５ ゲート、１６ ソース、１７ ドレイン、２８ 制御部、２９ 温度調整機構、３１，７１ プラズマドーピング装置、３２ 処理容器、３３，４６，４７ ガス供給部、３４ 保持台、３５ マイクロ波発生器、３６ 誘電体窓、３７ スロットアンテナ、３８ 誘電体部材、３９ プラズマ発生機構、４０ スロット、４１ 底部、４２ 側壁、４３ 排気孔、４４ 蓋部、４５ Ｏリング、４８ 下面、４９ ガス供給系、３０，５０ ガス供給孔、５１ 筒状支持部、５２ 冷却ジャケット、５３ マッチング、５４ モード変換器、５５ 導波管、５６ 同軸導波管、５７ 凹部、５８ 高周波電源、５９ マッチングユニット、６０ 循環路、６１，６７ カーボン層、６３，６９ 酸化膜層、６４，６５，６６ 領域、７０ａ，７０ｂ，７０ｃ 点、７２ 発光強度計測装置。

Claims (16)

1. 被処理基板にドーパントを注入してドーピングを行うプラズマドーピング装置であって、
   その内部で被処理基板にドーパントを注入させる処理容器と、
   前記処理容器内にドーピングガスおよびプラズマ励起用の不活性ガスを供給するガス供給部と、
   前記処理容器内に配置され、その上で前記被処理基板を保持する保持台と、
   マイクロ波を用いて前記処理容器内にプラズマを発生させるプラズマ発生機構と、
   前記処理容器内の圧力を調整する圧力調整機構と、
   前記プラズマドーピング装置を制御する制御部とを備え、
   前記プラズマ発生機構は、プラズマ励起用のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生器と、前記マイクロ波発生器により発生させたマイクロ波を前記処理容器内へ透過させる誘電体窓と、複数のスロットが設けられており、前記マイクロ波を前記誘電体窓に放射するラジアルラインスロットアンテナとを含み、
   前記制御部は、前記保持台上に前記被処理基板を載置させた状態で、前記処理容器内にガス供給部によってドーピングガスおよびプラズマ励起用のガスを供給し、前記ガス供給部による前記ドーピングガスおよび前記プラズマ励起用のガスを供給した後に前記プラズマ発生機構によりプラズマを発生させて前記被処理基板にドーピングを行い、前記被処理基板の注入されるドーパントの濃度が１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２未満となるよう制御する、プラズマドーピング装置。
2. 前記被処理基板に注入されるドーパントのドーズ量を計測するドーズ量計測機構を備え、
   前記制御部は、前記ドーズ量計測機構により前記被処理基板に注入されるドーパントのドーズ量が所望の量に達したと判断すれば、前記被処理基板に対するドーピングを停止するよう制御する、請求項１に記載のプラズマドーピング装置。
3. 前記ドーズ量計測機構は、前記処理容器内にある元素の発光強度を計測する発光強度計測装置を含み、前記発光強度測定装置により測定した前記処理容器内にある元素の発光強度を基に、ドーパントのドーズ量が前記所望の値に達したと判断する、請求項２に記載のプラズマドーピング装置。
4. 被処理基板にドーパントを注入してドーピングを行うプラズマドーピング装置であって、
   その内部で被処理基板にドーパントを注入させる処理容器と、
   前記処理容器内にドーピングガスおよびプラズマ励起用の不活性ガスを供給するガス供給部と、
   前記処理容器内に配置され、その上で前記被処理基板を保持する保持台と、
   マイクロ波を用いて前記処理容器内にプラズマを発生させるプラズマ発生機構と、
   前記処理容器内の圧力を調整する圧力調整機構と、
   前記被処理基板に注入されるドーパントのドーズ量を計測するドーズ量計測機構と、
   前記プラズマドーピング装置を制御する制御部とを備え、
   前記プラズマ発生機構は、プラズマ励起用のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生器と、前記マイクロ波発生器により発生させたマイクロ波を前記処理容器内へ透過させる誘電体窓と、複数のスロットが設けられており、前記マイクロ波を前記誘電体窓に放射するラジアルラインスロットアンテナとを含み、
   前記制御部は、前記保持台上に前記被処理基板を載置させた状態で、前記処理容器内にガス供給部によってドーピングガスおよびプラズマ励起用のガスを供給し、前記ガス供給部による前記ドーピングガスおよび前記プラズマ励起用のガスを供給した後に前記プラズマ発生機構によりプラズマを発生させて前記被処理基板にドーピングを行い、前記ドーズ量計測機構により計測されたドーズ量が所定の値に達すれば、前記ドーピングを停止するよう制御する、プラズマドーピング装置。
5. 前記ドーズ量計測機構は、前記処理容器内にある元素の発光強度を計測する発光強度計測装置を含む、請求項４に記載のプラズマドーピング装置。
6. 前記制御部は、前記処理容器内の圧力を１００ｍＴｏｒｒ以上１５０ｍＴｏｒｒ以下として前記ドーピングを行うよう前記圧力調整機構を制御する、請求項１〜５のいずれかに記載のプラズマドーピング装置。
7. 前記プラズマ励起用のガスは、Ｈｅ、およびＡｒのうちの少なくともいずれか一つを含む、請求項１〜６のいずれかに記載のプラズマドーピング装置。
8. 前記ドーピングガスは、Ｂ_２Ｈ_６およびＢＦ_３のうちの少なくともいずれか一方を含む、請求項１〜７のいずれかに記載のプラズマドーピング装置。
9. 被処理基板にドーパントを注入してドーピングを行うプラズマドーピング方法であって、
   処理容器内に配置された保持台上に被処理基板を保持させる工程と、
   前記処理容器内にドーピングガスおよびプラズマ励起用のガスを供給するガス供給工程と、
   前記ガス供給工程の後に、前記処理容器内にプラズマ励起用のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生器、前記マイクロ波発生器により発生させたマイクロ波を前記処理容器内へ透過させる誘電体窓、および複数のスロットが設けられており、前記マイクロ波を前記誘電体窓に放射するラジアルラインスロットアンテナを用いて前記処理容器内にプラズマを発生させて、前記被処理基板の注入されるドーパントの濃度が１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２未満となるよう前記被処理基板にドーピングを行うドーピング工程とを含む、プラズマドーピング方法。
10. 前記被処理基板に注入されるドーパントのドーズ量を計測し、前記被処理基板に注入されるドーパントのドーズ量が所望の量に達したと判断すれば、前記被処理基板に対するドーピングを停止するよう制御する停止工程を含む、請求項９に記載のプラズマドーピング方法。
11. 前記停止工程は、前記処理容器内にある元素の発光強度を計測し、
    測定した前記処理容器内にある元素の発光強度を基に、ドーパントのドーズ量が前記所望の値に達したと判断する、請求項１０に記載のプラズマドーピング方法。
12. 被処理基板にドーパントを注入してドーピングを行うプラズマドーピング方法であって、
    処理容器内に配置された保持台上に被処理基板を保持させる工程と、
    前記処理容器内にドーピングガスおよびプラズマ励起用のガスを供給するガス供給工程と、
    前記ガス供給工程の後に、前記処理容器内にプラズマ励起用のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生器、前記マイクロ波発生器により発生させたマイクロ波を前記処理容器内へ透過させる誘電体窓、および複数のスロットが設けられており、前記マイクロ波を前記誘電体窓に放射するラジアルラインスロットアンテナを用いて前記処理容器内にプラズマを発生させて、前記被処理基板にドーピングを行うドーピング工程と、
    前記ドーピング工程により前記被処理基板に注入されるドーパントのドーズ量を計測するドーズ量計測工程とを含む、プラズマドーピング方法。
13. 前記ドーズ量計測工程は、計測した前記処理容器内にある元素の発光強度を基に、前記ドーズ量を計測する、請求項１２に記載のプラズマドーピング方法。
14. 前記処理容器内の圧力を１００ｍＴｏｒｒ以上１５０ｍＴｏｒｒ以下として前記ドーピング工程を行う、請求項９〜１３のいずれかに記載のプラズマドーピング方法。
15. 前記プラズマ励起用のガスは、Ｈｅ、およびＡｒのうちの少なくともいずれか一つを含む、請求項９〜１４のいずれかに記載のプラズマドーピング方法。
16. 前記ドーピングガスは、Ｂ_２Ｈ_６およびＢＦ_３のうちの少なくともいずれか一方を含む、請求項９〜１５のいずれかに記載のプラズマドーピング方法。