JP4860287B2

JP4860287B2 - ドーピング方法及び電界効果型トランジスタの作製方法

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Publication number: JP4860287B2
Application number: JP2006027923A
Authority: JP
Inventors: 純一肥塚; 直樹鈴木
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2005-02-10
Filing date: 2006-02-06
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2026-02-06
Also published as: JP2006253659A

Description

本明細書に開示する発明は、発生させたイオンの質量分離を行わないイオンドーピング装置によるドーピング方法、及び当該方法を適用した電界効果型トランジスタの作製方法に関するものである。

電界効果型トランジスタなどの半導体素子の作製工程において、絶縁表面を有する基板上に形成された半導体膜、半導体基板などの被処理体にドナー不純物又はアクセプタ不純物を導入する際、イオン注入装置又はイオンドーピング装置が用いられる。イオン注入装置は、質量分離器により不要なイオン種を分離し、所望のイオン種のみを処理室内に配置された被処理体に照射することができる、質量分離型の装置である。そのため、所望のイオン種の正確なドーズ量の制御が可能である。

一方イオンドーピング装置は、質量分離器を備えていないため、イオン源で生成したプラズマから引きだされた、イオンビームに含まれるすべてのイオン（以下、本明細書ではトータルイオンという）が、処理室内に配置された被処理体に照射される、非質量分離型の装置である。そのため、所望のイオン種のみならず不要なイオン種も含むトータルイオンでドーズ量をカウントすることになり、所望のイオン種の正確なドーズ量の制御は困難である。

以下、本明細書では、イオン注入装置とは質量分離器を備えた装置であり、イオンドーピング装置とは質量分離器を備えていない装置であると定義する。

ドナーとしてリンを用いる場合は例えばＰＨ_３（フォスフィン）を水素で希釈したもの、アクセプタとしてホウ素を用いる場合は例えばＢ_２Ｈ_６（ジボラン）を水素で希釈したものが、原料ガスとして用いられる。イオン源において、原料ガスは正イオンと電子に分離、即ち電離され、プラズマが生成する。そしてプラズマからイオンビームが引きだされる。上記のように原料ガスは水素を含むため、生成したプラズマ中には多量の水素イオンが含まれている。この水素イオンは不要なイオン種である。

イオンドーピング装置では、水素イオンを含むトータルイオンでドーズ量をカウントするため、たとえトータルイオンのドーズ量が変化しなくても、プラズマの状態に依存してトータルイオン中の所望のイオン種の割合が変化する。この場合、所望のイオン種のみのドーズ量は変化してしまう。

ところで、電界効果型トランジスタのしきい値電圧Ｖ_ｔｈを制御するために、チャネル領域が形成される部分に不純物としてホウ素を低濃度にドーピングする、いわゆるチャネルドープを行う際、半導体基板又は半導体膜中のホウ素の濃度を精密に制御することが求められる。しかしながら、イオンドーピング装置ではこの精密な制御は困難であるため、チャネルドープ工程のみ、イオン注入装置を用いることがある。

イオンドーピング装置には、マススペクトル測定器を備えているものがあり、それを用いることで所望のイオン種の割合を監視することができる。ただし、チャネルドープのように低濃度にホウ素をドーピングする条件では、ホウ素の化合物のイオン、即ち所望のイオン種は上記マススペクトル測定器によって測定されないという問題がある。

特許文献１に記載の発明は、このような低濃度に不純物をドーピングする条件であっても、イオンドーピング装置に備わっているマススペクトル測定器（Ｅ×Ｂと称する）により、Ｈ_３ ^＋イオンに基づく強いピークが測定されることに注目したものである。即ち、Ｈ_３ ^＋イオンに基づくピークの強度と、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）によって測定された被処理体中のホウ素の濃度との相関関係を見いだして、ホウ素のドーズ量を制御しようとする発明である。

しかしながら、特許文献１に記載の発明を採用しても、低濃度に不純物をドーピングする条件では、被処理体中のホウ素の濃度が安定せず、そのばらつきが依然として小さくないことがわかった。そのため、ホウ素のドーズ量を正確に制御できたとはいえず、上記発明を改良する必要に迫られていた。
特開２００４−３９９３６号公報

本明細書に開示する発明は、特許文献１に記載の発明とは異なる方法により、ドーピング後の被処理体中のドナー不純物又はアクセプタ不純物の濃度を制御し、その濃度のばらつきを小さくすることを目的とする。また、電界効果型トランジスタ、例えば薄膜トランジスタのしきい値電圧について、ばらつきを小さくすると共に、所定の範囲内の値になるように制御することを目的とする。

本明細書に開示する発明は、
マススペクトルから求められたトータルイオン中のドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物のイオンの割合Ｘ（０＜Ｘ＜１）とドーピングがおこなわれた第１の被処理体中の前記ドナー不純物又はアクセプタ不純物のピーク濃度Ｙに関する第１の関係式から、前記イオンの割合Ｘの変化に対応して、前記ピーク濃度Ｙを得るために必要なトータルイオンのドーズ量Ｄ_１を求める過程と、
前記ドーピングの際に使用した原料ガスを用い、トータルイオンのドーズ量を前記過程で求めたＤ_１の値、加速電圧を前記ドーピングの際の所定の値として、イオンドーピング装置によって第２の被処理体に対し前記ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物のイオンをドーピングする過程を有することを特徴とする。

本明細書に開示する他の発明は、
マススペクトルから求められたトータルイオン中のドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物のイオンの割合Ｘ（０＜Ｘ＜１）とドーピングがおこなわれた第１の被処理体中の前記ドナー不純物又はアクセプタ不純物のピーク濃度Ｙに関する第１の関係式、及び前記ドーピングがおこなわれた第１の被処理体を用いて作製された電界効果型トランジスタのしきい値電圧と前記ピーク濃度Ｙに関する第２の関係式から、前記イオンの割合Ｘの変化に対応して、前記しきい値電圧を得るために必要なトータルイオンのドーズ量Ｄ_１を求める過程と、
前記ドーピングの際に使用した原料ガスを用い、トータルイオンのドーズ量を前記過程で求めたＤ_１の値、加速電圧を前記ドーピングの際の所定の値として、イオンドーピング装置によって第２の被処理体に対し前記ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物のイオンをドーピングする過程を有することを特徴とする。

ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物を水素で５％以上４０％以下の第１の濃度に希釈した原料ガスを用いるヘビードープの条件の場合、使用するイオンドーピング装置に備わっているマススペクトル測定器によって、水素イオンに基づくピークの他に上記不純物の化合物のイオンに基づくピークが測定される。上記アクセプタ不純物の化合物とは例えばＢ_２Ｈ_６、上記ドナー不純物の化合物とは例えばＰＨ_３であり、Ｂ_２Ｈ_６の場合の上記不純物の化合物のイオンとして主にＢ_２Ｈ_ｙ ^＋イオン（ｙは正の整数）が挙げられる。上記イオンの割合Ｘが０．１以上になれば、上記第１の濃度は５％以下であってもよい。上記第１の濃度は、原料ガスの流量に対する当該原料ガスに含まれるドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物の流量の比から計算される。後述する第２の濃度についても同様である。流量比は体積比と言い換えられる。

このヘビードープの条件では、上記マススペクトル測定器によって、ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物のイオンに基づくピーク、及び水素イオンに基づくピークが測定される。各ピークは１本に限らず複数本測定されることがある。これらのピーク強度の和に対する上記不純物の化合物のイオンに基づくピーク強度の比から、トータルイオン中の上記不純物の化合物のイオンの割合Ｘ（０＜Ｘ＜１）を求めることができる。例えば、Ｈ^＋イオン、Ｈ_２ ^＋イオン、Ｈ_３ ^＋イオン及びＢ_２Ｈ_ｙ ^＋イオン（ｙは正の整数）に基づくピークが測定され、これらのピークの強度比はそれぞれ１０：５：１００：５０であった場合、Ｂ_２Ｈ_ｙ ^＋イオンの割合Ｘは０．３０である。これは、５０を１０、５、１００及び５０の和である１６５で割った値である。

上記原料ガスに含まれる希釈用のガスとして、水素の代わりにヘリウム、アルゴンなどの希ガスを用いてもよい。

上記ヘビードープの条件では、トータルイオンのドーズ量が一定であっても、トータルイオン中のドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物のイオンの割合Ｘは変化する。これは、イオンドーピング装置のイオン源において生成するプラズマの状態は時間の経過によって変化する、即ちプラズマの状態は長期間にわたって安定しているわけではないことに起因する。

上記イオンの割合Ｘが求められた後、上記化合物を第１の濃度と同じ濃度又は第１の濃度より低い第２の濃度に水素で希釈した原料ガスを用い、所定の加速電圧にて、使用するイオンドーピング装置を変更せずに第１の被処理体に対し上記ドナー不純物又はアクセプタ不純物のドーピングをおこなう。その際に、トータルイオンのドーズ量Ｄ_０（ｃｍ^−２）を測定しておくことが必要である。第２の濃度は５％以上であってもよく、例えば第１の濃度が１５％であれば第２の濃度を７．５％の濃度とすることができる。原料ガスに含まれる希釈用のガスとして、水素の代わりにヘリウム、アルゴンなどの希ガスを用いてもよい。

被処理体とは、絶縁表面を有する基板上に形成された半導体膜、半導体基板など、ドーピングがおこなわれる対象物である。このドーピングは、例えばチャネルドープを目的とし、その場合上記濃度やドーズ量はチャネルドープの条件とする。

その後、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）などの分析法によって、第１の被処理体中のドナー不純物又はアクセプタ不純物のピーク濃度Ｙ（ｃｍ^−３）を分析する。ピーク濃度とは、横軸を被処理体の表面からの深さ、縦軸を上記ドナー不純物又はアクセプタ不純物の濃度として表したプロファイルにおいて、その不純物の濃度の最大値である。ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物のイオンの割合Ｘが得られるプラズマ状態での、第１の被処理体中のドナー不純物又はアクセプタ不純物のピーク濃度Ｙは、Ｘの値によって変化することから、関係式Ｙ＝ａＸ＋ｂ（ａ，ｂは実数）を求め、これを「式１」とする。

「式１」は、イオンドーピング装置により第１の被処理体にドーピングがおこなわれる際のトータルイオンのドーズ量が特定の値、即ちＤ_０においてのみ成り立つ。任意のトータルイオンのドーズ量Ｄ_１（ｃｍ^−２）においては、関係式Ｙ＝（Ｄ_１／Ｄ_０）（ａＸ＋ｂ）を用い、これを「式１’」とする。なお、Ｄ_１／Ｄ_０は、Ｄ_０を分母としＤ_１を分子とした分数を示す。

「式１’」から、ドナー不純物又はアクセプタ不純物のピーク濃度Ｙの所望の値に対応する、トータルイオンのドーズ量Ｄ_１を求めることができる。このドーズ量Ｄ_１は、電子計算機によって求められる。そして、トータルイオンのドーズ量を、求められたＤ_１の値に補正し、他の条件は変更せずに、第２の被処理体にドーピングをおこなえばよい。

一方、上記被処理体に対するドーピングの工程を経て作製された電界効果型トランジスタのしきい値電圧Ｖ_ｔｈ（Ｖ）は、上記ＳＩＭＳなどの分析法により得られたピーク濃度Ｙ又はピーク濃度Ｙの平方根によって変化する。したがって、これらの関係式Ｖ_ｔｈ＝ｃＹ＋ｄ又はＶ_ｔｈ＝ｃＹ^１／２＋ｄ（ｃ，ｄは実数）を求め、これを「式２」とする。

「式１’」を「式２」に代入することによって関係式Ｖ_ｔｈ＝ｃ（Ｄ_１／Ｄ_０）（ａＸ＋ｂ）＋ｄ又はＶ_ｔｈ＝ｃ（Ｄ_１／Ｄ_０）^１／２（ａＸ＋ｂ）^１／２＋ｄが得られ、所望のしきい値電圧Ｖ_ｔｈに対応するトータルイオンのドーズ量Ｄ_１を求めることができる。このドーズ量Ｄ_１もまた、電子計算機によって求められる。

「式１」を求める際に使用したイオンドーピング装置において、トータルイオンのドーズ量をＤ_１の値になるように補正し、半導体膜又は半導体基板に対しドーピングをおこない、この半導体膜又は半導体基板を用いて電界効果型トランジスタを作製する。上記ドーピングの際、ドーズ量以外の条件は、ＳＩＭＳなどの分析法により分析される第１の被処理体にドーピングをおこなったときの条件と同じにする。

ところで、ヘビードープの条件とチャネルドープの条件とを比較すると、原料ガス中のドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物、例えばＢ_２Ｈ_６の濃度はヘビードープの条件よりもチャネルドープの条件の方が低く、更にチャネルドープの条件のトータルイオンのドーズ量を低くする。そのため、同一のイオンドーピング装置を用い、ヘビードープの条件で装置のイオン源に原料ガスを導入しプラズマを生成させ、引き続きチャネルドープの条件でドーピングをおこなう際、導入される原料ガス中の上記不純物の化合物の濃度、トータルイオンのドーズ量などの条件を変更すると共に、変更後の条件に安定させることが重要である。

しかしながら、トータルイオンのドーズ量に比べて、原料ガス中のドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物の濃度は、安定するまでに非常に時間がかかるという問題がある。その問題を解決するために、次に説明する処理工程を採用することができる。

チャネルドープの条件でドーピングをおこなう前に、原料ガスの供給を停止し、イオンドーピング装置のイオン源に導入するガスをその原料ガス中に含まれていた希釈用のガスに切り替える。例えば、Ｂ_２Ｈ_６を水素で希釈したものを原料ガスとして用いていた場合は水素（Ｈ_２濃度１００％が好ましい）に切り替え、Ｂ_２Ｈ_６をアルゴンで希釈したものを原料ガスとして用いていた場合はアルゴン（Ａｒ濃度１００％が好ましい）に切り替える。そして、イオン源においてプラズマを生成させ、引き出されたイオンビームをダミー基板に照射する第１のプラズマ処理を所定の時間おこなう。ダミー基板に用いる基板は、ガラス基板、シリコン基板などであり、真空排気系が接続された処理室（チャンバー）内のステージ上に配置される。

その後、希釈用のガスの供給を停止し、上記真空排気系で処理室内を排気する。それから、ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物を上記ヘビードープの条件より低い濃度に希釈した原料ガスを上記イオン源に供給し、この原料ガスを用いたチャネルドープの条件で、ダミー基板にイオンビームを照射する第２のプラズマ処理を所定の時間おこなう。

第１のプラズマ処理をおこなわない場合、原料ガス中の上記不純物の化合物の濃度を安定させるために、第２のプラズマ処理を２時間程度おこなう必要がある。第１のプラズマ処理をおこなうことによって、第１のプラズマ処理に要する時間と第２のプラズマ処理に要する時間の合計を２時間よりも短くすることができる。

第２のプラズマ処理が終了したら、ステージ上のダミー基板を、ＳＩＭＳなどの分析法による分析がおこなわれる第１の被処理体に交換し、第２のプラズマ処理をおこなったときの条件のまま、その被処理体にドーピングをおこなう。

第１のプラズマ処理をおこなった場合、第１のプラズマ処理をおこなわず第２のプラズマ処理のみをおこなった場合に比べて、ドーピング後の被処理体中のドナー不純物又はアクセプタ不純物の濃度のばらつきを小さくすることができ、その結果被処理体のシート抵抗のばらつきを小さくすることができる。

本明細書に開示する発明により、次の効果が得られる。
１）電界効果型トランジスタを作製する際に、イオンドーピング装置を用いた場合であっても、目的のしきい値電圧が得られる。
２）作製された電界効果型トランジスタのしきい値電圧のばらつきを小さくすることができる。
３）イオンドーピング装置を用いてドーピングした被処理体中におけるドナー不純物又はアクセプタ不純物のピーク濃度のばらつきを小さくすることができる。
４）チャネルドープのような低濃度にドーピングする場合でも、イオン注入装置が不要になるため、電界効果型トランジスタの製造コストを下げることができる。
５）イオンドーピング装置に導入する原料ガス中の上記ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物の濃度を、第１の濃度からそれよりも低い第２の濃度に変更する際に、変更後の第２の濃度に安定させることが容易になる。

（実施の形態１）
本明細書に開示する発明に使用するイオンドーピング装置について、図１を用いて以下にその一例を説明する。

図１はイオンドーピング装置の概略図を示している。ガス導入口１０１には、水素又は希ガス（ヘリウム、アルゴンなど）で希釈されたＢ_２Ｈ_６などの原料ガス、水素、及び希ガスを供給しうるガス供給系１０２が接続されている。ガス供給系１０２からイオン源１０３のプラズマ生成部１０４に、原料ガス、水素、又は希ガスが導入され、プラズマ生成部１０４内でプラズマが生成する。イオン源１０３は、更に、放電発生手段１０６と、引き出し電極、加速電極、減速電極、接地電極を有する電極部１０７とを備えている。電極部１０７は引き出し電極系とも称され、上記４つの電極それぞれにはイオンビーム１０８が通過できる複数の穴が開けられている。図１に記載したＶ_ＥＸＴは引き出し電圧、Ｖ_ＡＣＣは加速電圧、Ｖ_ＤＥＣは減速電圧を意味する。

図１に示す放電発生手段１０６は、タングステンに代表される２０００℃以上の高温に耐えられる高融点材料でなるフィラメントであり、プラズマ生成部１０４内に露出するように設けられている。フィラメントの数は、図１に示す１本に限定されず複数本とすることができる。このフィラメントに直流電源１０５から電圧を印加し、直流放電を発生させることにより、プラズマ生成部１０４内に導入されたガスを電離させてプラズマを生成させる。上記のようなフィラメントに代えて、高周波（ＲＦ）電源に接続された、平板電極又は特定形状のアンテナを用い、高周波放電を発生させることによりプラズマを生成させる方式でもよい。

プラズマ生成部１０４内で生成したプラズマから、イオンビーム１０８が引き出されそして加速されて、処理室１０９内に設けられたステージ１１０上の基板１１１に照射される。ステージ１１０は、基板１１１と共に所定の方向に動かせる構造のものであり、大型基板に対応できるようになっている。

処理室１０９には、マススペクトル測定器１１３及びドーズ量測定手段１１４が、ステージ１１０の後方（下方）に設けられている。ステージ１１０は上述のように可動であるため、ステージ１１０にさえぎられずに、イオンビーム１０８をマススペクトル測定器１１３及びドーズ量測定手段１１４に入射させることは可能である。また、処理室１０９には、ターボ分子ポンプなどの公知の真空ポンプを用いた真空排気系１１２が接続されている。処理室１０９にロードロック室を直接又は間接に接続させ、そのロードロック室と処理室１０９との間で、基板１１１を自動的に搬送できる手段を設けてもよい。

次に、図１に示すイオンドーピング装置を用いて、前述した「式１」「式１’」「式２」を導出する過程の具体例を、以下に示す。

プラズマ生成部１０４に導入する原料ガスとしてＢ_２Ｈ_６を水素で５％の濃度に希釈したものを用い、トータルイオンのドーズ量を２．０×１０^１６ｃｍ^−２、加速電圧を８０ｋＶに調整する。これらの値は、ヘビードープの条件に該当する。この条件において、トータルイオン中のホウ素の化合物のイオンの割合Ｘを、マススペクトル測定器１１３による測定結果から求める。

図２は、マススペクトル測定器１１３による測定結果、即ちマススペクトルを表すグラフであり、横軸はイオンの質量、縦軸は強度を表している。質量の小さい方から順に、Ｈ^＋イオン、Ｈ_２ ^＋イオン、Ｈ_３ ^＋イオン、及びＢ_２Ｈ_ｙ ^＋イオン（ｙは正の整数）に基づくピークがそれぞれ測定される。これらのピークの他に、ＢＨ_ｘ ^＋イオン（ｘは正の整数）に基づくピークが測定される場合がある。しかし、ＢＨ_ｘ ^＋イオンの量はＢ_２Ｈ_ｙ ^＋イオンの量に比べて極めて少ないため、ＢＨ_ｘ ^＋イオンに基づくピークは、Ｂ_２Ｈ_ｙ ^＋イオンに基づくピークに比べて非常に小さく、定量に適さない。図２に示す結果から、Ｂ_２Ｈ_ｙ ^＋イオンの割合Ｘを計算すると０．１７４となる。

図３は比較例として示す、マススペクトル測定器１１３による測定結果（マススペクトル）を表すグラフである。原料ガスとしてＢ_２Ｈ_６を水素で１％の濃度に希釈したものを用い、トータルイオンのドーズ量は１．３×１０^１４ｃｍ^−２、加速電圧は２５ｋＶである。これらの値はチャネルドープの条件に該当する。この条件では、図３から明らかなように、Ｈ_２ ^＋イオンに基づくピーク及びＨ_３ ^＋イオンに基づくピークが測定されるのみで、図２では顕著に見られたＢ_２Ｈ_ｙ ^＋イオンに基づくピークはほとんど判別できない。そのため、図３に示す結果から、Ｂ_２Ｈ_ｙ ^＋イオンの割合Ｘを正確に求めることはできない。

トータルイオン中のＢ_２Ｈ_ｙ ^＋イオンの量は、原料ガス中のＢ_２Ｈ_６の濃度への依存性が大きいため、Ｂ_２Ｈ_ｙ ^＋イオンの割合Ｘを高い精度で求めることは、原料ガス中のＢ_２Ｈ_６の濃度が１％では不可能であり、５％以上の濃度であれば充分可能である。但し、Ｂ_２Ｈ_６は危険なガスなので、通常はＢ_２Ｈ_６の濃度が４０％を超えるものを原料ガスとして使用することはない。また、原料ガス中のＢ_２Ｈ_６の濃度は必ず５％以上でなければならないわけではなく、マススペクトルから求められるＢ_２Ｈ_ｙ ^＋イオンの割合Ｘが０．１以上例えば０．１７４以上になれば、５％以下であってもよい。

図４及び図５は、図２と同じ条件で測定した結果（マススペクトル）を表すグラフであり、図４に示す結果からＢ_２Ｈ_ｙ ^＋イオンの割合Ｘを計算すると０．２９２となり、図５に示す結果からＢ_２Ｈ_ｙ ^＋イオンの割合Ｘを計算すると０．３７４となる。更に、マススペクトル測定器による測定を複数回おこなうことで、様々なＢ_２Ｈ_ｙ ^＋イオンの割合Ｘを求めたところ、Ｘの値は０．１〜０．４の範囲で変化する結果となった。

図２、図４及び図５は、互いに１週間以上異なる日に測定した結果である。一方、同日に複数回マススペクトル測定器１１３により測定しても、Ｂ_２Ｈ_ｙ ^＋イオンの割合Ｘは変化しない結果となった。この結果は、同日ではイオンドーピング装置のプラズマ生成部１０４内で生成するプラズマの状態は変化しないが、１週間以上経過するとプラズマの状態は変化することを示している。

次に、原料ガスを、Ｂ_２Ｈ_６を水素で１％の濃度に希釈したものに変更すると共に、トータルイオンのドーズ量を１．３×１０^１４ｃｍ^−２、加速電圧を２５ｋＶに変更し、ステージ１１０上に基板１１１としてシリコンを主成分とする半導体膜が形成されたガラス基板を配置し、その半導体膜に対しドーピングをおこなう。このドーピング工程では、Ｂ_２Ｈ_ｙ ^＋イオンの割合Ｘを与えたプラズマの状態が維持されている。ドーピングをおこなった後、本実施の形態ではＳＩＭＳによってその半導体膜中のホウ素のピーク濃度Ｙ（ｃｍ^−３）を分析する。

図６は、ＳＩＭＳにより分析したホウ素の濃度の深さ方向分布であり、横軸は深さ（ｎｍ）、縦軸はホウ素の濃度（ｃｍ^−３）を表す。図６において、表面から深さ２０ｎｍ付近までの範囲は、測定上の問題により実際のホウ素の濃度分布を反映していない。そのため、２０ｎｍよりも深い領域におけるホウ素の濃度の最大値をピーク濃度Ｙとする。

図７は、横軸をトータルイオン中のＢ_２Ｈ_ｙ ^＋イオンの割合Ｘ、縦軸をホウ素のピーク濃度Ｙとし、Ｘの値に対応するＹの値をプロットした結果である。また、この結果から、ＸとＹの関係を直線近似したところ、関係式Ｙ＝３．１×１０^１８Ｘ−２．５×１０^１７が導出される。これは「式１」に該当する。また、「式１」より関係式Ｙ＝（Ｄ_１／（１．３×１０^１４））（３．１×１０^１８Ｘ−２．５×１０^１７）が得られ、これが「式１’」に該当する。Ｄ_１は、任意のトータルイオンのドーズ量である。

次に、原料ガス中のＢ_２Ｈ_６の濃度、トータルイオンのドーズ量、及び加速電圧を、変更後と同じ条件にしてチャネルドープをおこなったシリコンを主成分とする半導体膜を活性層（チャネル形成領域）として用い、チャネル長Ｌ、チャネル幅Ｗ、ＬＤＤ長を所定の大きさとし、ゲート絶縁膜を所定の厚さとするＮチャネル型薄膜トランジスタを作製し、そのしきい値電圧Ｖ_ｔｈ（Ｖ）を測定する。ＬＤＤ長とは、ＬＤＤ領域におけるチャネル長と同じ方向の長さのことである。なお、必ずしもＬＤＤ領域を設ける必要はない。本実施の形態では、チャネル長を１μｍ、チャネル幅を２０μｍ、ＬＤＤ長を０．２μｍ、ゲート絶縁膜の厚さを４０ｎｍとする。また、ゲート絶縁膜として、ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ膜（ｘ＞ｙ＞０）を用いる。酸化珪素膜をゲート絶縁膜として用いてもよい。

図８は、縦軸をＮチャネル型薄膜トランジスタのしきい値電圧Ｖ_ｔｈとし、横軸をそのＮチャネル型薄膜トランジスタの活性層であるシリコンを主成分とする半導体膜中のホウ素のピーク濃度Ｙとし、Ｙに対応するＶ_ｔｈの値をプロットした結果である。この結果から、Ｖ_ｔｈとＹの関係を直線近似したところ、関係式Ｖ_ｔｈ＝２．１×１０^−１８Ｙ−０．１１が導出される。これは「式２」に該当する。

図９は、縦軸をＮチャネル型薄膜トランジスタのしきい値電圧Ｖ_ｔｈとし、横軸をそのＮチャネル型薄膜トランジスタの活性層であるシリコンを主成分とする半導体膜中のホウ素のピーク濃度Ｙの平方根とし、Ｙの平方根に対応するＶ_ｔｈの値をプロットした結果である。この結果から、Ｖ_ｔｈとＹの平方根との関係を直線近似したところ、関係式Ｖ_ｔｈ＝３．７×１０^−９Ｙ^１／２−１．７が導出される。これも「式２」に該当する。図９に示す関係式の相関係数は、図８に示す関係式の相関係数とそれほど変わらない結果となった。

ところで、メタルと酸化物と半導体が積層されたＭＯＳ構造において、当該半導体表面の導電型が反転するしきい値電圧は、当該半導体がＰ型である場合は当該半導体中のアクセプタ不純物の濃度（ｃｍ^−３）の平方根に比例することが知られている。Ｎ型である場合は、当該半導体中のドナー不純物の濃度（ｃｍ^−３）の平方根に比例する。このことを考慮すると、図９から導出される関係式を「式２」として選択するのが望ましい。しかし、図８から導出された関係式と図９から導出された関係式とを比較すると、ホウ素のピーク濃度Ｙが高い範囲、例えば５×１０^１７ｃｍ^−３以上では、両者に大きな違いはない。

以上により、「式１」「式１’」「式２」それぞれに該当する関係式が得られる。

（実施の形態２）
チャネルドープ工程にイオンドーピング装置を用いて、Ｎチャネル型薄膜トランジスタを作製する場合、そのＮチャネル型薄膜トランジスタのしきい値電圧Ｖ_ｔｈを、所望の値（本実施の形態では＋１．０Ｖとする）に近づけるために必要な、チャネルドープをおこなう際のトータルイオンのドーズ量を求める過程を、以下に示す。

本明細書の実施の形態１で得られた「式２」より、＋１．０Ｖのしきい値電圧を得るために必要な、シリコンを主成分とする半導体膜（活性層として用いられる）中のホウ素のピーク濃度Ｙは、５．３×１０^１７ｃｍ^−３である。

Ｂ_２Ｈ_ｙ ^＋イオンの割合Ｘが０．３０のとき、実施の形態１で得られた「式１’」に、Ｘ＝０．３０及びＹ＝５．３×１０^１７ｃｍ^−３を適用して計算すると、Ｄ_１＝１．０×１０^１４ｃｍ^−２が導出される。この結果から、Ｎチャネル型薄膜トランジスタのしきい値電圧Ｖ_ｔｈを＋１．０Ｖにするために必要な、チャネルドープをおこなう際のトータルイオンのドーズ量Ｄ_１は、１．０×１０^１４ｃｍ^−２であることがわかる。なお、チャネルドープ工程において使用する原料ガスは、実施の形態１において、「式１」「式１’」「式２」を導出する際に使用した、Ｂ_２Ｈ_６を水素で１％の濃度に希釈したものとする。

Ｘ＝０．３０を例として計算したが、所望のしきい値電圧を得るために必要なトータルイオンのドーズ量Ｄ_１は、Ｂ_２Ｈ_ｙ ^＋イオンの割合Ｘによって変化する。そのため、Ｂ_２Ｈ_ｙ ^＋イオンの割合Ｘが変化するにしたがって、トータルイオンのドーズ量を補正することによって、しきい値電圧を目標とする値に近づけることができる。

また、「式１’」を「式２」に代入して、関係式Ｖ_ｔｈ＝２．１×１０^−１８（Ｄ_１／（１．３×１０^１４））（３．１×１０^１８Ｘ−２．５×１０^１７）−０．１１又はＶ_ｔｈ＝３．７×１０^−９（Ｄ_１／（１．３×１０^１４））^１／２（３．１×１０^１８Ｘ−２．５×１０^１７）^１／２−１．７が求められる。この関係式を用い、Ｘ及びＶ_ｔｈの値を特定することで、Ｄ_１を導出することができる。

イオンドーピング装置には、装置の制御をおこなえる電子計算機が付属していることがある。この電子計算機に、「式１’」及び「式２」、又は「式１’」を「式２」に代入して求めた上記関係式を記憶させ、目的のしきい値電圧Ｖ_ｔｈを入力すると、そのしきい値電圧を得るのに必要なトータルイオンのドーズ量Ｄ_１を計算できるようにしてもよい。また、この電子計算機からの出力信号によって、トータルイオンのドーズ量が計算値になるように自動的に補正できるようにしてもよい。

上記電子計算機は、マススペクトル測定器に接続され、このマススペクトル測定器による測定結果に基づきトータルイオン中の所望のイオン種（本実施の形態の場合はＢ_２Ｈ_ｙ ^＋）の割合Ｘを計算することができる。そして、計算されたＸの値に応じて、必要なトータルイオンのドーズ量Ｄ_１の計算結果は変化するようになっている。

所望のしきい値電圧とは＋１．０Ｖに限らない。Ｎチャネル型薄膜トランジスタの場合、所望のしきい値電圧を＋０．３Ｖ〜＋１．５Ｖ、好ましくは＋０．５Ｖ〜＋１．０Ｖの範囲の値とすることによって、電気特性が優れ、高い歩留まりを達成することができる。

（実施の形態３）
イオンドーピング装置を用いて、シリコンを主成分とする半導体膜に対してチャネルドープをおこなった後、ＳＩＭＳによる分析結果から得られるその半導体膜中のホウ素のピーク濃度を、所望の値（本実施の形態では４．４×１０^１７ｃｍ^−３とする）に近づけるために必要な、ドーピングの際のトータルイオンのドーズ量を求める過程を、以下に示す。

Ｂ_２Ｈ_ｙ ^＋イオンの割合Ｘが０．３０のとき、実施の形態１で得られた「式１’」に、Ｙ＝４．４×１０^１７ｃｍ^−３を適用して計算すると、Ｄ_１＝８．４×１０^１３ｃｍ^−２が導出される。この結果から、シリコンを主成分とする半導体膜中のホウ素のピーク濃度を４．４×１０^１７ｃｍ^−３とするために必要なトータルイオンのドーズ量Ｄ_１は、８．４×１０^１３ｃｍ^−２であることがわかる。なお、チャネルドープ工程において使用する原料ガスは、実施の形態１において、「式１」「式１’」を導出する際に使用した、Ｂ_２Ｈ_６を水素で１％の濃度に希釈したものとする。

Ｘ＝０．３０を例として計算したが、所望のホウ素のピーク濃度を得るために必要なトータルイオンのドーズ量Ｄ_１は、Ｂ_２Ｈ_ｙ ^＋イオンの割合Ｘによって変化する。そのため、Ｂ_２Ｈ_ｙ ^＋イオンの割合Ｘが変化するにしたがって、トータルイオンのドーズ量Ｄ_１を補正することによって、シリコンを主成分とする半導体膜中のホウ素のピーク濃度を所望の値に近づけることができる。

イオンドーピング装置に付属する電子計算機に、「式１’」を記憶させ、所望のホウ素のピーク濃度Ｙを入力すると、その濃度を得るのに必要なトータルイオンのドーズ量Ｄ_１を計算できるようにしてもよい。また、この電子計算機からの出力信号によって、トータルイオンのドーズ量が計算値になるように自動的に補正できるようにしてもよい。

本実施の形態にて説明した過程に基づいて、ホウ素のピーク濃度を４．４×１０^１７ｃｍ^−３とするために必要なトータルイオンのドーズ量を補正しながらチャネルドープをおこなうことによって、試料を１０個作製した。そして、その作製した試料について、ＳＩＭＳによってホウ素のピーク濃度を分析した。チャネルドープ工程の際、使用する原料ガスはＢ_２Ｈ_６を水素で１％の濃度に希釈したものとし、加速電圧を２５ｋＶとする。その結果、ホウ素のピーク濃度が３×１０^１７ｃｍ^−３以上４×１０^１７ｃｍ^−３未満の範囲にある試料は３つ、４×１０^１７ｃｍ^−３以上５×１０^１７ｃｍ^−３未満の範囲にある試料は６つ、５×１０^１７ｃｍ^−３以上６×１０^１７ｃｍ^−３未満の範囲にある試料は１つであった。

一方、従来の方法により、イオンドーピング装置を用いてシリコンを主成分とする半導体膜に対してチャネルドープをおこなうことによって、試料を１０個作製し、ＳＩＭＳによってホウ素のピーク濃度を分析した。チャネルドープ工程の際、使用する原料ガスはＢ_２Ｈ_６を水素で１％の濃度に希釈したものとし、加速電圧を２５ｋＶとする。また、トータルイオンのドーズ量を１×１０^１４ｃｍ^−２に固定する。その結果、ホウ素のピーク濃度が２×１０^１７ｃｍ^−３以上３×１０^１７ｃｍ^−３未満の範囲にある試料は３つ、３×１０^１７ｃｍ^−３以上４×１０^１７ｃｍ^−３未満の範囲にある試料は３つ、５×１０^１７ｃｍ^−３以上６×１０^１７ｃｍ^−３未満の範囲にある試料は２つ、６×１０^１７ｃｍ^−３以上７×１０^１７ｃｍ^−３未満の範囲にある試料は１つ、８×１０^１７ｃｍ^−３以上９×１０^１７ｃｍ^−３未満の範囲にある試料は１つであった。

両者の結果を比較すると、従来の方法よりも本実施の形態に従う方が、ホウ素のピーク濃度のばらつきを小さくでき、所望のホウ素のピーク濃度に近い値が得られることが明らかである。

（実施の形態４）
本明細書の実施の形態１において、使用する原料ガスをＢ_２Ｈ_６の濃度が５％のものから１％のものに変更する際におこなう工程について、以下に説明する。

図１に示すイオンドーピング装置のプラズマ生成部１０４への原料ガス（Ｂ_２Ｈ_６を水素で５％に希釈したもの）の供給を止め、供給するガスを水素に切り替える。そして、水素プラズマを生成させ、電極部１０７を通して引き出されたイオンビーム１０８を処理室１０９内のステージ１１０上に配置されたダミー基板に照射するダミー処理を１時間おこなう。ダミー基板は、ガラス基板、シリコン基板のいずれでもよい。その際、ドーズ量を３×１０^１５ｃｍ^−２、加速電圧を５０ｋＶに設定する。

その後、プラズマ生成部１０４への水素の供給を止め、真空排気系１１２により、処理室１０９内を１時間にわたって排気する。引き続き、Ｂ_２Ｈ_６を水素で１％に希釈した原料ガスをプラズマ生成部１０４へ供給し、プラズマを生成させ、電極部１０７を通して引き出されたイオンビーム１０８を上記ダミー基板に照射するダミー処理を３０分間おこなう。その際、トータルイオンのドーズ量を１．３×１０^１４ｃｍ^−２、加速電圧を２５ｋＶに設定する。

その後、ステージ１１０上のダミー基板を、シリコンを主成分とする半導体膜が形成されたガラス基板に交換する。原料ガス、トータルイオンのドーズ量及び加速電圧などの条件を変更することなく、その半導体膜にドーピングをおこなう。

本実施の形態においては、実際に半導体膜にドーピングをおこなう前の、ダミー処理に要する時間は１時間３０分で済む。

本明細書に開示する発明を適用して、薄膜トランジスタを作製する工程について、以下に説明する。

図１０（Ａ）に示すように、絶縁表面を有する基板９０１上に下地層９０２を形成する。下地層９０２は、複数の膜からなり、酸素を含む窒化珪素膜、窒素を含む酸化珪素膜、酸化珪素膜、窒化珪素膜のいずれか２つ以上を有する構造とすることができる。基板９０１と下地層９０２の間に、又は下地層９０２を構成するいずれか２つの膜の間に、融点が２０００℃以上の高融点金属（例えばタングステン）を主成分とする膜、その高融点金属の化合物を主成分とする膜の一方又は両方を更に設けることができる。

下地層９０２上にシリコンを主成分とする半導体膜、例えば結晶性又は非晶質シリコン膜を形成し、フォトリソグラフィー工程により、この半導体膜から所定形状のパターン９０３を形成する。

パターン９０３に対して、図１に示すようなイオンドーピング装置を用い、チャネルドープをおこなう。チャネルドープをおこなう際、使用する原料ガスはＢ_２Ｈ_６を水素で１％の濃度に希釈したものであり、加速電圧は２５ｋＶとする。そして、トータルイオンのドーズ量は、本明細書の実施の形態２又は実施の形態３にしたがって求められた値に設定される。トータルイオンのドーズ量を設定する際に、本明細書に開示する発明を適用することで、所望のホウ素のピーク濃度、及び所望のしきい値電圧を容易に得ることができる。

上記チャネルドープをパターン９０３を形成する前の半導体膜に対しておこなった後、フォトリソグラフィー工程によりパターン９０３を形成してもよい。

その後、図１０（Ｂ）に示すように、パターン９０３を覆うようにゲート絶縁膜９０４を形成する。更に、ゲート絶縁膜９０４上に導電層を形成する。この導電層は、複数の膜からなり、チタン、ニオブ、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、アルミニウム、銅などの金属膜を有する構造とすることができ、その金属膜に加えて導電性の金属窒化物膜を有する構造とすることができる。更に、フォトリソグラフィー工程により、この導電層から所定形状のゲート電極９０５を形成する。

次に、イオンドーピング装置を用い、ゲート電極９０５をマスクとして、パターン９０３の斜線で示す部分にリンをドーピングする。このとき、使用する原料ガスはＰＨ_３を水素で５％の濃度に希釈したものであり、トータルイオンのドーズ量は２．５×１０^１３ｃｍ^−２、加速電圧は８０ｋＶとする。このドーピングの際に、本明細書に開示する発明を適用して、トータルイオンのドーズ量を、パターン９０３中のリンのピーク濃度が所望の値になるように設定することができる。

ゲート電極９０５の少なくとも側面を覆うように且つゲート絶縁膜９０４上に、サイドウォールを形成するための絶縁層を形成する。この絶縁層は、酸化珪素膜、窒素を含む酸化珪素膜の一方又は両方を有する構造とすることができる。そして、この絶縁層に対し、異方性エッチングをおこなうことによって、図１０（Ｃ）に示すサイドウォール９０６を選択的に形成する。

ゲート電極９０５及びサイドウォール９０６をマスクとして、再びリンをドーピングする。このとき、使用する原料ガスはＰＨ_３を水素で５％の濃度に希釈したものであり、トータルイオンのドーズ量は３．０×１０^１５ｃｍ^−２、加速電圧は２０ｋＶとする。その結果、パターン９０３における、サイドウォール９０６と重なる領域にはリンのドーピングが妨げられるため、ソース領域（ドレイン領域）９０７及びドレイン領域（ソース領域）９０８、並びにＬＤＤ領域（低濃度不純物領域）９０９及びＬＤＤ領域（低濃度不純物領域）９１０がパターン９０３に形成される。パターン９０３におけるゲート電極９０５の下部でＬＤＤ領域（低濃度不純物領域）９０９とＬＤＤ領域（低濃度不純物領域）９１０に挟まれた領域は、チャネル形成領域である。

次に、図１０（Ｄ）に示すように、層間絶縁層９１１を形成する。層間絶縁層９１１は複数の膜からなり、酸素を含む窒化珪素膜、窒素を含む酸化珪素膜、酸化珪素膜、窒化珪素膜のいずれか２つ以上を有する構造とすることができる。

層間絶縁層９１１及びゲート絶縁膜９０４に異方性エッチングをおこない、ソース領域（ドレイン領域）９０７及びドレイン領域（ソース領域）９０８の一部を露呈させるコンタクトホールを開孔する。その後、層間絶縁層９１１上に配線９１２及び配線９１３を形成する。配線９１２及び配線９１３は、金属を主成分とする膜又は導電性を示す金属化合物膜を有する複数の膜からなる構成とすることができる。配線９１２及び配線９１３それぞれは、コンタクトホールを介して、ソース領域（ドレイン領域）９０７及びドレイン領域（ソース領域）９０８のいずれか一方と電気的に接続している。

以上説明した工程により、チャネル長、チャネル幅、ＬＤＤ長を所定の大きさとし、ゲート絶縁膜を所定の厚さとするＮチャネル型薄膜トランジスタを作製することができる。

イオンドーピング装置の概略図。マススペクトル測定器による測定結果を表す図。比較例として示すマススペクトル測定器による測定結果を表す図。マススペクトル測定器による測定結果を表す図。マススペクトル測定器による測定結果を表す図。ＳＩＭＳにより分析したホウ素の濃度の深さ方向分布を表す図。ヘビードープの条件でのトータルイオン中のＢ_２Ｈ_ｙ ^＋イオンの割合とチャネルドープの条件でのホウ素のピーク濃度との関係を表す図。Ｎチャネル型薄膜トランジスタのしきい値電圧と活性層中のホウ素のピーク濃度との関係を表す図。Ｎチャネル型薄膜トランジスタのしきい値電圧と活性層中のホウ素のピーク濃度の平方根との関係を表す図。薄膜トランジスタの作製工程を示す図。

符号の説明

１０１ガス導入口
１０２ガス供給系
１０３イオン源
１０４プラズマ生成部
１０５電源
１０６放電発生手段
１０７電極部
１０８イオンビーム
１０９処理室
１１０ステージ
１１１基板
１１２真空排気系
１１３マススペクトル測定器
１１４ドーズ量測定手段
９０１基板
９０２下地層
９０３パターン
９０４ゲート絶縁膜
９０５ゲート電極
９０６サイドウォール
９０７ソース領域（ドレイン領域）
９０８ドレイン領域（ソース領域）
９０９ＬＤＤ領域（低濃度不純物領域）
９１０ＬＤＤ領域（低濃度不純物領域）
９１１層間絶縁層
９１２配線
９１３配線

Claims

マススペクトルから求められたトータルイオン中のドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物のイオンの割合Ｘ（０＜Ｘ＜１）とドーピングがおこなわれた第１の被処理体中の前記ドナー不純物又はアクセプタ不純物のピーク濃度Ｙに関する第１の関係式から、前記イオンの割合Ｘの変化に対応して、前記ピーク濃度Ｙを得るために必要なトータルイオンのドーズ量Ｄ_１を求める過程と、第１の原料ガスを用い、トータルイオンのドーズ量を前記過程で求めたＤ_１の値、加速電圧を所定の値として、イオンドーピング装置によって第２の被処理体に対し前記ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物のイオンをドーピングする過程を有し、前記第１の関係式は、前記イオンドーピング装置において、前記ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物が水素又は希ガスでなる希釈用のガスで５％以上４０％以下の第１の濃度に希釈された第２の原料ガスを用いてプラズマを生成させ、前記マススペクトルから前記イオンの割合Ｘを求め、前記化合物が前記第１の濃度と同じ濃度又はそれより低い第２の濃度に前記希釈用のガスで希釈された前記第１の原料ガスを用い、トータルイオンのドーズ量をＤ_０、加速電圧を前記所定の値として、前記イオンドーピング装置によって前記第１の被処理体に対し前記ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物のイオンをドーピングし、前記第１の被処理体中の前記ピーク濃度Ｙを分析することによって、ａ及びｂを実数としたとき、Ｙ＝（Ｄ_１／Ｄ_０）（ａＸ＋ｂ）として得られることを特徴とすることを特徴とするドーピング方法。
マススペクトルから求められたトータルイオン中のドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物のイオンの割合Ｘ（０＜Ｘ＜１）とドーピングがおこなわれた被処理体中の前記ドナー不純物又はアクセプタ不純物のピーク濃度Ｙに関する第１の関係式から、前記イオンの割合Ｘの変化に対応して、前記ピーク濃度Ｙを得るために必要なトータルイオンのドーズ量Ｄ_１を求める過程と、第１の原料ガスを用い、トータルイオンのドーズ量を前記過程で求めたＤ_１の値、加速電圧を所定の値として、イオンドーピング装置によって絶縁表面を有する基板上に形成された半導体膜又は半導体基板に対し前記ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物のイオンをドーピングする過程を有し、前記第１の関係式は、前記イオンドーピング装置において、前記ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物が水素又は希ガスでなる希釈用のガスで５％以上４０％以下の第１の濃度に希釈された第２の原料ガスを用いてプラズマを生成させ、前記マススペクトルから前記イオンの割合Ｘを求め、前記化合物が前記第１の濃度と同じ濃度又はそれより低い第２の濃度に前記希釈用のガスで希釈された前記第１の原料ガスを用い、トータルイオンのドーズ量をＤ_０、加速電圧を前記所定の値として、前記イオンドーピング装置によって前記被処理体に対し前記ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物のイオンをドーピングし、前記被処理体中の前記ピーク濃度Ｙを分析することによって、ａ及びｂを実数としたとき、Ｙ＝（Ｄ_１／Ｄ_０）（ａＸ＋ｂ）として得られることを特徴とする電界効果型トランジスタの作製方法。