JP5102495B2 - プラズマドーピング方法 - Google Patents
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Description
しかしながら、プラズマドーピング法を用いると、極浅で低抵抗のソース・ドレインエクステンション電極が形成できることはわかったにも係らず、その特性を制御するドーズ量の制御方法は開発されていなかった。これまでにはプラズマドーピングする時間を変化させることで、ドーズ量を変化させる方法が採られていたが、これでは制御の精度が不十分であり、実用的ではなかった。
しかしながら、0.05%程度の低濃度にしたとき、ドーズ量を制御しやすいとの報告はなされているものの、これはガス濃度を一定にしつつ、時間を変化させてドーズ量を変えるものであった。B2H6ガス濃度を低濃度にした方が、時間変化に対するボロンのドーズ量変化が小さくなるのでドーズ量を制御し易いという内容のものであった。ドーズ量の制御精度を高める上で進歩したものであったが、基本的にはプラズマドーピングする時間を変化させることで、ドーズ量を変化させる従来の方法を進歩させたものであった。ここで、ドーズ量の変化とガス濃度との関係についての考察については何らなされていなかった。
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、高精度にドーズ量を制御することができ、浅い不純物領域を形成することのできるプラズマドーピング方法を提供することを目的とする。
さらにまた、本発明は、ドーズ量の面内均一性が高く、高精度にドーズ量を制御することができるプラズマドーピング方法を提供することを目的とする。
また本発明は、上記プラズマドーピング方法において、前記プラズマドーピングする工程は、前記不純物を含むガスを第1の濃度に設定してプラズマドーピングする第1のドーピング工程と、前記第1のドーピング工程の後に、前記不純物を含むガスを前記第1の濃度よりも低い第2の濃度に設定してプラズマドーピングする第2のドーピング工程と、
を含むことを特徴とする。
また本発明は、基板に不純物を含むガスのプラズマを照射し、前記基板の表面に不純物領域を形成するプラズマドーピング方法であって、前記基板に導入される前記不純物のドーズ量がプラズマドーピング時間の変化によらずほぼ一定となるプラズマドーピング時間範囲を決定する工程と、前記プラズマドーピング時間範囲を決定する工程の後に、前記プラズマドーピング時間範囲に含まれる所定のプラズマドーピング時間を用いて、前記不純物を前記基板にプラズマドーピングする工程と、を備え、前記プラズマドーピングする工程は、前記不純物を含むガスを第1の濃度に設定してプラズマドーピングする第1のドーピング工程と、前記第1のドーピング工程の後に、前記不純物を含むガスを前記第1の濃度よりも低い第2の濃度に設定してプラズマドーピングする第2のドーピング工程と、を含むことを特徴とする。
また本発明は、上記プラズマドーピング方法において、前記不純物を含むガスのプラズマは、ボロン原子と水素原子からなる分子(BnHm)とHeの混合ガスプラズマよりなることを特徴とする。
また本発明は、上記プラズマドーピング方法において、前記不純物を含むガスのプラズマは、B2H6とHeの混合ガスプラズマよりなることを特徴とする。
また本発明は、上記プラズマドーピング方法において、前記B 2 H 6 とHeの混合ガスプラズマ中のB 2 H 6 ガス濃度は、0.01%以上且つ1%以下であることを特徴とする。
また本発明は、上記プラズマドーピング方法において、前記B 2 H 6 とHeの混合ガスプラズマ中のB 2 H 6 ガス濃度は、0.025%以上且つ0.6%以下であることを特徴とする。
また本発明は、上記プラズマドーピング方法において、前記不純物を含むガスのプラズマは、BF 3 とHeの混合ガスプラズマよりなることを特徴とする。
また本発明は、基板に不純物を含むガスのプラズマを照射し、前記基板の表面に不純物領域を形成するプラズマドーピング方法であって、前記基板に導入される前記不純物のドーズ量がプラズマドーピング時間の変化によらずほぼ一定となるプラズマドーピング時間範囲を決定する工程と、前記プラズマドーピング時間範囲を決定する工程の後に、前記プラズマドーピング時間範囲に含まれる所定のプラズマドーピング時間を用いて、前記不純物を前記基板にプラズマドーピングする工程と、を備え、前記不純物を含むガスのプラズマは、BF 3 とHeの混合ガスプラズマよりなることを特徴とする。
また本発明は、上記プラズマドーピング方法において、前記プラズマドーピング時間範囲を決定する工程は、前記基板における面内の複数の箇所において、前記基板に導入される前記不純物のドーズ量がプラズマドーピング時間の変化によらずほぼ一定となるプラズマドーピング時間範囲をそれぞれ求める工程を含み、前記それぞれのプラズマドーピング時間範囲の内で一番遅いプラズマドーピング時間範囲に合わせて、前記所定のプラズマドーピング時間を決定することを特徴とする。
また本発明は、上記プラズマドーピング方法において、前記基板の直径は200mm以上であり、前記基板の面内における前記不純物のドーズ量の1σで表される均一性が2.5%以下となるように、前記所定のプラズマドーピング時間を決定することを特徴とする。
また本発明は、上記プラズマドーピング方法において、前記基板の直径は300mm以上であることを特徴とする。
また本発明は、上記プラズマドーピング方法において、前記基板は、シリコン基板であることを特徴とする。
この構成によれば、不純物イオンを含むガスプラズマの濃度が、時間依存性を持たずドーズ量が一定となる時間範囲に設定されており、さらにドーピング時間が、基板面内のドーズ量が少ない部分のドーズ量が、ドーズ量が飽和した部分のドーズ量に追いつく程度に設定されているため、面内均一性を高めるように、ドーズ量を正確に制御することができる。実際には、面内の各ポイントで、飽和する時間帯を測定し、ドーピング終了点をその時間帯の開始点のうちもっとも遅い時間に設定するようにしている。これにより、基板面内のドーズ量が少ない部分のドーズ量は、ドーズ量が飽和した部分のドーズ量に追いつくことにより、良好な面内均一性を得ることができる。
この構成により、前記不純物イオンの前記基板表面へのドーピングと、前記基板表面からのスパッタリングとが飽和状態となるようにガスプラズマの濃度を設定することにより、一定となるドーズ量の水準を変化させることができるため、安定して高精度に不純物濃度が制御された不純物領域を形成することができる。
この構成により、ガスプラズマの濃度を所望の範囲に設定することができる。
特に、不純物原子を含むガスの濃度を変えることで前記不純物イオンを含むガスプラズマの濃度を簡単に且つ正確に変えることができるという利点がある。具体的な手段は、不純物原子を含むガスと希釈ガスを混合して用いるようにしておき、マスフローコントローラを用いてそれぞれのガスの流量を変えてそれぞれのガスの混合比を変えることで前記不純物イオンを含むガスプラズマの濃度を簡単に且つ正確に変えることができる。
この構成により、前記不純物イオンの前記基板表面へのドーピングと、前記基板表面からのスパッタリングとが飽和状態となるようにガスプラズマの濃度を設定することにより、時間変化によらずドーズ量を正確に制御することができるため、安定して高精度に不純物濃度が制御された不純物領域を形成することができる。
種々の実験を重ねた結果、BnHmガス濃度を小さくしていった際、時間の変化によらずドーズ量がほぼ一定となる領域が存在することを発見した。ボロンの基板表面へのドーピングと、基板表面からのスパッタリングとが飽和状態となるようにBnHmガス濃度を設定することにより、時間変化によらずドーズ量を正確に制御することができるため、安定して高精度に不純物のドーズ量を制御された不純物領域を形成することができる。
種々の実験の結果、B2H6とHeの混合ガスプラズマを用いた場合に、B2H6ガス濃度を小さくしていった際、時間の変化によらずドーズ量がほぼ一定となる領域が存在することを発見し、この事実に着目してなされたものである。ボロンの基板表面へのドーピングと、基板表面からのスパッタリングとが飽和状態となるようにB2H6ガスの濃度を設定することにより、時間変化によらずドーズ量を正確に制御することができるため、安定して高精度に不純物濃度が制御された不純物領域を形成することができる。
実験結果から、B2H6とHeの混合ガスプラズマのB2H6ガス濃度を0.1%程度としたとき、時間変化に依存することなくドーズ量がほぼ一定となる領域が存在することを発見した。
実験結果から、バイアス電圧VDCが60V以下であるとき、時間変化に依存することなくドーズ量がほぼ一定となる領域が存在することを発見した。
実験結果から、ソースパワーが1500W程度であるとき、時間変化に依存することなくドーズ量がほぼ一定となる領域が存在することを発見した。
実験結果から、B2H6とHeの混合ガスプラズマを用いた場合だけでなく、BF3とHeの混合ガスプラズマを用いた場合も同様に、実験の結果、BF3ガス濃度を小さくしていった際、時間の変化によらずドーズ量がほぼ一定となる領域が存在する。従って、安定して高精度に不純物のドーズ量を制御された不純物領域を形成することができる。
種々の実験の結果、シリコン基板へのドーピングに際し、B2H6とHeの混合ガスプラズマを用いた場合に、B2H6ガス濃度を小さくしていった際、時間の変化によらずドーズ量がほぼ一定となる領域が存在することを発見した。またBmHnとHeの混合ガスプラズマを用いた場合にも同様の結果を得ることができた。
この構成により、時間の変化に依存することなく、ドーズ量が一定となる時間をプロセスウインドウとすることでドーズ量を正確に制御することができる。
レーザー光は光のエネルギー密度が高いため、高効率の活性化が可能となる。
フラッシュランプは安価であるため、低コスト化が可能となる。
タングステンハロゲンランプを用いた熱処理は、すでに実用化されており、信頼性良く活性化できる。
また、上記プラズマドーピングにおいて、プラズマが接している反応容器の内壁を加熱した状態でプラズマドーピングを行う。
また面内均一性に優れた不純物領域を形成することができる。
(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1に記載の装置をプラズマドーピング装置A(PD装置―A)とする。
本実施の形態では、不純物の導入に際し、導入すべき不純物イオンを含むガスプラズマの濃度が、前記不純物イオンのドーピングと、シリコン基板(シリコンウェハ)表面のスパッタリングとが飽和状態となるように設定する。これにより、時間変化によらずドーズ量を正確に制御することができ、安定して高精度に不純物濃度を制御された不純物領域を形成することができる。また面内均一性に優れた不純物領域を形成することができる。
この不純物導入装置すなわちプロセスチャンバーは、反応容器15と、反応容器15内を排気する排気装置としてのターボ分子ポンプ6と、反応容器15内の圧力を制御する圧力制御装置としての調圧弁7と、下部電極14に対向した誘電体窓の近傍に設けられたプラズマ源としてのコイルおよびアンテナ3と、このコイルまたはアンテナ3に13.56MHzの高周波電力を供給する高周波電源12と、下部電極14に電圧を供給する電圧源としての高周波電源1とで構成されており、試料台を兼ねる下部電極14上に被処理基板(基板)13を設置し、プラズマ照射を行なうものである。
なお、ここではコイルを用いて誘導結合型プラズマを発生させる場合を示したが、コイルに代えてアンテナを用いてもよく、ヘリコン波プラズマ、表面波プラズマ、電子サイクロトロン共鳴プラズマなどを発生させてもよい。
以下、本発明の実施の形態2について、図2を参照して説明する。
図2に記載の装置をプラズマドーピング装置B(PD装置―B)とする。
図2に、本発明の実施の形態2において用いる不純物導入装置の概略平面図を示す。図2において、不純物導入装置は、ヘリコンプラズマ装置を用いたもので、この装置においてもマスフローコントローラ(図示せず)を介してB2H6/HeガスおよびHeガスが供給されるようになっている。
そしてこの装置でも、マスフローコントローラを高精度に制御することにより、B2H6/Heの混合比が制御され、時間依存性なしにドーズ量が一定となるように、ガスプラズマ濃度を制御できるようになっている。
図2で示した実施の形態2で説明したPD装置―Bを用いて200mmのシリコン基板について、ボロンのドーズ量とプラズマドーピング時間とを変化させプラズマドーピングを行った。
図3に、このときのボロンのドーズ量とプラズマドーピング時間との関係を測定した結果を示す。縦軸はドーズ量、横軸はプラズマドーピング時間である。
B2H6とHeの混合ガスプラズマ(B2H6/Heプラズマ)をシリコン基板に照射してバイアスをかけると、ボロンのドーピングとスパッタリングが飽和する(釣り合う)時間があることがわかった。さらに、本実施の形態では、その飽和する時間が比較的長く安定して使用し易いことがわかった。すなわち、プラズマ照射を開始すると、最初はドーズ量が増加するが、その後、時間の変化によらずドーズ量はほとんど一定となる時間が続き、さらに時間を増加させるとドーズ量は減少する。時間の変化によらずドーズ量がほとんど一定となる時間をプロセスウインドウとすることでドーズ量を正確に制御できる。また、面内均一性も得ることができた。
次に、本発明の実施例2として前記図1で示したPD装置―Aを用いて300mmのシリコン基板に対してボロンのドーズ量とプラズマドーピング時間とを変化させプラズマドーピングを行った。
図7は、プラズマドーピング時間とボロンドーズ量、面内均一性の関係を測定した結果を示す図である。ボロンのドーズ量は、30秒程度で時間の変化に対して飽和を始めていることがわかる。また、ボロンドーズ量の面内均一性は、ドーズ量が飽和してさらに30秒程度経過した時間、すなわちプラズマドーピング時間が60秒のときにもっとも良好な値を示した。
つまり、ドーズ量制御について十分であっても、さらに面内均一性を確保しようとすると、プラズマドーピング時間をより最適に設定する必要がある場合もある。
また、反応容器中の不純物を含むガスの濃度を調整するに際し、ガスの供給量を調整して濃度そのものを直接調整する方法だけでなく、反応容器内壁の温度を下げて、所定の不純物を析出させることにより、当該不純物の濃度を低下させたり、反応容器内壁の温度を上げて、所定の不純物の析出を抑制することにより、当該不純物の濃度を維持したり、反応容器内壁温度の調整により、ドーズ量を調整することも可能である。また、フィードバック機能を備えることにより、反応容器内壁の温度制御をしながら濃度制御を行うことも可能である。
まず、不純物元素を含むガスの濃度が高い状態でプラズマドーピングを行うことにより、処理の初期における単位時間当たりのドーズ量を高くする。
次いで不純物元素を含むガスの濃度が低い状態でプラズマドーピングを行う。そして、ドーズ量が時間依存性を持たず一定となる時間範囲でプラズマドーピング処理を停止する。このような手順で処理することにより、初期から不純物元素を含むガスの濃度が低い状態で処理した場合と比較して、総処理時間の短縮を図ることが可能となる。
この場合も、反応容器内壁の温度を最初上げておき、最大限に不純物を含むガスの濃度を高めておき、続いて反応容器内壁の温度を下げ、不純物の内壁への析出を促進し、ガスの濃度を下げる方法も有効である。
2 マッチングボックス
3 コイル
4 マスフローコントローラ
5 マスフローコントローラ
6 ターボ分子ポンプ
7 調圧弁
8 ドライポンプ
9 冷却水供給ユニット
10 VDCモニター
11 マッチングボックス
12 高周波電源
13 試料(被処理基板)
14 下部電極
15 反応容器
21 高周波電源
23 コイル
33 試料
34 試料台
35 反応容器
Claims (13)
- 基板に不純物を含むガスのプラズマを照射し、前記基板の表面に不純物領域を形成する
プラズマドーピング方法であって、
前記基板に導入される前記不純物のドーズ量がプラズマドーピング時間の変化によらずほぼ一定となるプラズマドーピング時間範囲を決定する工程と、
前記プラズマドーピング時間範囲を決定する工程の後に、前記プラズマドーピング時間範囲に含まれる所定のプラズマドーピング時間を用いて、前記不純物を前記基板にプラズマドーピングする工程と、を備えるとともに、
前記プラズマドーピングする工程の前に、前記不純物を含むガスの濃度と前記一定となるドーズ量との関係を複数の前記濃度に対して求めることにより、前記プラズマドーピングする工程に用いる前記不純物を含むガスの濃度を決定する工程を備えたことを特徴とするプラズマドーピング方法。 - 前記プラズマドーピングする工程は、前記不純物を含むガスを第1の濃度に設定してプラズマドーピングする第1のドーピング工程と、前記第1のドーピング工程の後に、前記不純物を含むガスを前記第1の濃度よりも低い第2の濃度に設定してプラズマドーピングする第2のドーピング工程と、
を含む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。 - 基板に不純物を含むガスのプラズマを照射し、前記基板の表面に不純物領域を形成する
プラズマドーピング方法であって、
前記基板に導入される前記不純物のドーズ量がプラズマドーピング時間の変化によらずほぼ一定となるプラズマドーピング時間範囲を決定する工程と、
前記プラズマドーピング時間範囲を決定する工程の後に、前記プラズマドーピング時間範囲に含まれる所定のプラズマドーピング時間を用いて、前記不純物を前記基板にプラズマドーピングする工程と、を備え、
前記プラズマドーピングする工程は、前記不純物を含むガスを第1の濃度に設定してプラズマドーピングする第1のドーピング工程と、前記第1のドーピング工程の後に、前記不純物を含むガスを前記第1の濃度よりも低い第2の濃度に設定してプラズマドーピングする第2のドーピング工程と、
を含むことを特徴とするプラズマドーピング方法。 - 前記不純物を含むガスのプラズマは、ボロン原子と水素原子からなる分子(BnHm)とHeの混合ガスプラズマよりなることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のプラズマドーピング方法。
- 前記不純物を含むガスのプラズマは、B 2 H 6 とHeの混合ガスプラズマよりな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方法。
- 前記B 2 H 6 とHeの混合ガスプラズマ中のB 2 H 6 ガス濃度は、0.01%以上且つ1%以下であることを特徴とする請求項5に記載のプラズマドーピング方法。
- 前記B 2 H 6 とHeの混合ガスプラズマ中のB 2 H 6 ガス濃度は、0.025%以上且つ0.6%以下であることを特徴とする請求項6に記載のプラズマドーピング方法。
- 前記不純物を含むガスのプラズマは、BF 3 とHeの混合ガスプラズマよりなることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のプラズマドーピング方法。
- 基板に不純物を含むガスのプラズマを照射し、前記基板の表面に不純物領域を形成する
プラズマドーピング方法であって、
前記基板に導入される前記不純物のドーズ量がプラズマドーピング時間の変化によらずほぼ一定となるプラズマドーピング時間範囲を決定する工程と、
前記プラズマドーピング時間範囲を決定する工程の後に、前記プラズマドーピング時間範囲に含まれる所定のプラズマドーピング時間を用いて、前記不純物を前記基板にプラズマドーピングする工程と、を備え、
前記不純物を含むガスのプラズマは、BF 3 とHeの混合ガスプラズマよりなることを特徴とするプラズマドーピング方法。 - 前記プラズマドーピング時間範囲を決定する工程は、前記基板における面内の複数の箇所において、前記基板に導入される前記不純物のドーズ量がプラズマドーピング時間の変化によらずほぼ一定となるプラズマドーピング時間範囲をそれぞれ求める工程を含み、
前記それぞれのプラズマドーピング時間範囲の内で一番遅いプラズマドーピング時間範囲に合わせて、前記所定のプラズマドーピング時間を決定することを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載のプラズマドーピング方法。 - 前記基板の直径は200mm以上であり、
前記基板の面内における前記不純物のドーズ量の1σで表される均一性が2.5%以下となるように、前記所定のプラズマドーピング時間を決定することを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載のプラズマドーピング方法。 - 前記基板の直径は300mm以上であることを特徴とする請求項1から11のいずれか1項に記載のプラズマドーピング方法。
- 前記基板は、シリコン基板であることを特徴とする請求項1から12のいずれか1項に記載のプラズマドーピング方法。
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