JP5102615B2

JP5102615B2 - プラズマ処理方法及び装置

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Publication number: JP5102615B2
Application number: JP2007511238A
Authority: JP
Inventors: 智洋奥村; 雄一朗佐々木; 勝巳岡下; 裕之伊藤; 文二水野; 成国金; 一郎中山
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Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
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Publication date: 2012-12-19
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Description

本発明は、プラズマ処理方法及び方法に関するものであり、とくに、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方法及び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８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概略構成を示している。図８において、真空容器１内に、シリコン基板よりなる試料９を載置するための試料電極６が設けられている。真空容器１内に所望の元素を含むドーピング原料ガス、例えばＢ _２Ｈ _６を供給するためのガス供給装置２、真空容器１内の内部を減圧するポンプ３が設けられ、真空容器１内を所定の圧力に保つことができる。マイクロ波導波管４１より、誘電体窓としての石英板４２を介して、真空容器１内にマイクロ波が放射される。このマイクロ波と、電磁石４３から形成される直流磁場の相互作用により、真空容器１内に有磁場マイクロ波プラズマ（電子サイクロトロン共鳴プラズマ）４４が形成される。試料電極６には、コンデンサ４５を介して高周波電源１０が接続され、試料電極６の電位が制御できるようになっている。なお、ガス供給装置２から供給されたガスは、ガス導入口４６から真空容器１内に導入され、排気口１１からポンプ３へ排気される。

この構成のプラズマ処理装置において、ガス導入口４６から導入されたドーピング原料ガス、例えばＢ₂Ｈ₆は、マイクロ波導波管４１及び電磁石４３から成るプラズマ発生手段によってプラズマ化され、プラズマ４４中のボロンイオンが高周波電源１０によって試料９の表面に導入される。

プラズマドーピング方法及び装置において、ドーピング量を制御するための方法として、試料電極に供給する高周波電流を測定する方法が提案されている。図９は、その一例を示す装置の概略構成である。図９において、真空容器１内に、シリコン基板よりなる試料９を載置するための試料電極６が設けられている。真空容器１内に所望の元素を含むドーピングガス例えばＢ _２Ｈ _６を供給するためのガス供給装置２、真空容器１内の内部を減圧するポンプ３が設けられ、真空容器１内を所定の圧力に保つことができる。

コンデンサ４５、高周波変流器４７を介して、試料電極６に電源１０より高周波電力を供給することにより、真空容器１内にプラズマが形成され、プラズマ中のボロンイオンが試料９の表面に導入される。高周波変流器４７を介して、電流計４８で放電時の高周波電流を測定することにより、ドーピングされたボロン濃度を制御することができる。なお、試料電極に対向して、対向電極３０が設けられ、対向電極３０は接地される（例えば、特許文献２参照）。

また、他のドーピング量制御方法として、ファラデーカップを用いる方法が提案されている。図１０は、その一例を示す装置の概略構成である。図１０において、プラズマドーピングチェンバー４９が包囲される体積５０を画成する。チェンバー４９内に配置されたプラテン５１が半導体ウエハ５２のようなワークピースを保持するための表面を与える。たとえば、ウエハ５２はプラテン５１の平坦面へその周縁でクランプされている。プラテン５１はウエハ５２を支持しかつ電気的結合をウエハ５２に与える。アノード５３がプラテン５１に関して間隔をあけてチェンバー４９内に配置されている。アノード５３はプラテン５１に垂直に矢印５４で示される方向に移動可能である。典型的に、アノード５３はチェンバー４９の電気的導体の壁に接続され、それら両方は接地されている。ウエハ５２およびアノード５３は高電圧発生器５５に接続され、その結果ウエハ５２はカソードとして機能する。典型的にパルス発生器５５は、範囲が約１００から５０００ボルト、間隔が約１から５０マイクロ秒、およびパルス繰返し率が約１００Ｈｚから２ｋＨｚのパルスを与える。チェンバー４９の包囲された体積５０は制御可能バルブ５６を通じて真空ポンプ５７へ結合されている。ガスソース５８が質量流量制御器５９を通じてチェンバー４９へ結合されている。チェンバー４９内に配置された圧力センサ６０はチェンバー圧力を示す信号を制御器６１へ与える。制御器６１は検知されたチェンバー圧力を所望の圧力入力と比較し、制御信号をバルブ５６に与える。制御信号はチェンバー圧力と所望の圧力との間の差を最小化するようにバルブ５６を制御する。真空ポンプ５７、バルブ５６、圧力センサ６０および制御器６１は閉ループ圧力制御システムを構成する。典型的に、圧力は約１ｍＴｏｒｒから５００ｍＴｏｒｒの範囲に制御されるが、この範囲に限定されない。ガスソース５８はワークピース内に注入するための所望のドーパントを含むイオン化可能なガスを供給する。イオン化可能なガスの例として、ＢＦ₃、Ｎ₂、Ａｒ、ＰＦ₅およびＢ₂
Ｈ₆が含まれる。質量流量制御器５９はガスがチェンバー４９に供給されるときのレート
を調整する。図１０に示される構成は、一定のガス流量および一定の圧力において処理ガスの連続流を与える。圧力およびガス流量は好適には反復可能な結果を与えるよう調整される。

作動時、ウエハ５２はプラテン５１上に配置される。その後、圧力制御システム、質量流量制御器５９およびガスソース５８はチェンバー４９内に所望の圧力およびガス流量を生成する。例として、チェンバー４９は１０ｍＴｏｒｒの圧力でＢＦ₃ガスとともに動作する。パルス発生器５５はウエハ５２に対し高電圧パルスの連続を印加し、ウエハ５２とアノード５３との間にプラズマ６２を形成させる。周知技術のように、プラズマ６２はガスソース５８からのイオン化可能なガスの正イオンを含む。プラズマ６２はさらにプラテン５１の近傍にプラズマシース６３を含む。高電圧パルスの間、アノード５３とプラテン５１との間に存在する電場は正イオンをプラズマ６２からプラズマシース６３を横切ってプラテン５１方向へ加速する。加速されたイオンは不純物材料の領域を形成するべくウエア５２内に注入される。パルス電圧はウエハ５２内の所望の深さに正イオンを注入するように選択される。パルスの数およびパルス間隔はウエハ５２に不純物材料の所望のドーズ量を与えるよう選択される。パルス当りの電流は、パルス電圧、ガス圧力および種並びに電極の可変位置の関数である。たとえば、カソードからアノードまでの間隔は異なる電圧に対して調節され得る。

ウエハ５２内に注入されたイオンドーズ量を測定するために一つ以上のファラデーカップがプラテン５１に隣接して配置される。図１０において、ファラデーカップ６４および６５がウエハ５２の周辺の周囲に等しく間隔をあけて配置される。各ファラデーカップはプラズマ６２に面した入口６６を有する導体エンクロージャーから成る。好適には各ファラデーカップは実際にできるだけウエハ５２に近く配置され、プラズマ６２からプラテン５１方向へ加速される正イオンのサンプルを遮る。ファラデーカップはドーズ量プロセッサまたは他のドーズ量モニタリング回路に電気的に接続されている。周知技術のように、入口６６を通って各ファラデーカップに入る正イオンはファラデーカップに接続された電気回路内に電流を生成する。電流は単位時間あたりに受け取った正イオンの数、すなわちイオン電流を示す。ファラデーカップ６４および６５によって受け取られたイオン電流は単位時間当りにウエハ５２内に注入されるイオンの数と一定の関係を有することが仮定されている。プラズマ６２の均一性およびプラテン５１方向へのイオン加速の均一性に依存して、各ファラデーカップによって受け取られる単位面積当りのイオン電流は実質的にウエハ５２内に注入される単位面積当りのイオン電流と等しいか、またはその一定の部分である。各ファラデーカップの電流出力はウエハ５２内に注入されたイオン電流を表すので、ファラデーカップ６４および６５はウエハ５２内に注入されたイオンドーズ量の測定を与える。ファラデーカップ６４および６５はウエハ５２およびプラテン５１の周辺付近でガードリング６７内に配置されてもよい。イオン電流を表す電気信号はファラデーカップからドーズ量プロセッサ６８に供給される（例えば、特許文献３参照）。

また、他のドーピング量制御方法として、試料電極に供給される電流から変位電流に相当するキャパシタ電流を減じる方法が提案されている。図１１において、プラズマドーピングチャンバ４９は密閉体積５０を画成する。チャンバ４９内に配置されたプラテン５１は半導体ウエハ５２のような被処理基体を保持するための面を与える。半導体ウエハは可能なターゲットタイプのほんの一例である。

例えば、ツール用金属、自動車部品、スタンプダイス及びプラスチック内への注入が可能である。例えばウエハ５２は、その周囲においてプラテン５１の平坦面へ締付けられる。プラテン５１はウエハ５２を支持しウエハ５２へ電気的接続を与える。アノード５３はプラテン（カソード）５１と離隔されてチャンバ４９内に配置される。アノード５３は矢印５４で示される方向にプラテン５１に対して垂直に移動可能である。典型的に、アノード５３はチャンバ４９の電気的に導体の壁へ接続され、その両方は接地されている。

したがって、カソード５１及びウエハ５２は高電圧パルス生成器５５へ接続される。典型的に、パルス生成器５５は、約１００から１０，０００ボルトの範囲で、約１から１００マイクロ秒の時間間隔のパルスを約５０Ｈｚから５ｋＨｚのパルス繰り返し率で与える。チャンバ４９の密閉体積５０は制御可能バルブ５６を通じて真空ポンプ５７に結合される。ガスソース５８は質量流量制御器５９を通じてチャンバ４９へ結合される。チャンバ４９内に配置された圧力センサ６０はチャンバ圧力を示す信号を制御器６１へ与える。制御器６１は感知されたチャンバ圧力をインプットされた所望の圧力と比較し制御信号をバルブ５６へ与える。制御信号はチャンバ圧力と所望の圧力との間の差を最小化するためにバルブ５６を制御する。真空ポンプ５７、バルブ５６、圧力センサ６０及び制御器６１は閉ループ圧力制御装置を構成する。

典型的に、圧力は約１ｍＴｏｒｒから約５００ｍＴｏｒｒの範囲で制御されるが、この範囲に限定されない。ガスソース５８は被処理基体中への注入用の所望のドーパントを含むイオン性ガスを供給する。イオン性ガスの例として、ＢＦ₃、Ｎ₂、Ａｒ、ＰＦ₅およびＢ₂Ｈ₆が含まれる。質量流量制御器５９はガスがチャンバ４９に供給されるところの速度を調整する。図１１に示される構成は一定のガス流量及び一定の圧力で処理ガスの連続流を与える。好適には圧力及びガス流量は反復可能な結果を与えるべく調整される。

動作中、ウエハ５２はプラテン５１上に載置される。その後、圧力制御システム、質量流量制御器５９及びガスソース５８がチャンバ４９内に所望の圧力及びガス流量を生成するよう設定される。例として、チャンバ４９は１０ｍＴｏｒｒの圧力でＢＦ _３ガスによって動作する。パルス生成器５５はウエハ５２に連続の高電圧パルスを印加し、ウエハ５２とアノード５３との間にプラズマ６２を形成する。技術的に周知のように、プラズマ６２はガスソース５８からのイオン性ガスの正イオンを含む。さらにプラズマ６２はプラテン５１付近のプラズマシース６３を含む。高電圧パルス中にアノード５３とプラテン５１との間に存在する電場はプラズマ６２からプラズマシース６３を横切ってプラテン５１方向へ正イオンを加速する。プラテン５１及びウエハ５２上へのイオン衝突によって生成される二次電子は、シース６３を横切ってプラズマ中に逆に加速される。加速されたイオンは不純物材料の領域を形成するべくウエハ５２内に注入される。パルス電圧はウエハ５２内に所望の深さまで正イオンを注入するべく選択される。パルスの数及びパルス間隔はウエハ５２内へ所望のドーズ量の不純物材料（正イオン）を与えるよう選択される。パルス当りの電流はパルス電圧、ガス圧力及びガス種並びに電極の位置の関数である。例えば、カソードからアノードまでの間隔は異なる電圧に対して調節される。

プラズマドーピング装置において、パルス電流はウエハに分配されるイオン電流を示すパルス電流信号を与えるべく測定される。プラズマドーピング装置を流れるパルス電流は、イオン電流、二次電子電流及び変位電流の和である。パルス電流の変位電流成分を表す補償信号が生成される。補償信号はウエハに分配されるイオン電流を表すイオン電流信号を与えるべくパルス電流信号から減算される。そのために、一次キャパシタを構成するチャンバ壁を含むアノード及びカソードのプラズマ装置電極と同じ若しくはほぼ同じ容量を好適に有する二次キャパシタを使用する。同じ若しくは類似の電圧パルスを二次キャパシタへ印加することによって、一次キャパシタ内の一次変位電流と同じ若しくは非常に近い二次変位電流が生成される。上記したように、一次電流はイオン電流、二次電子電流及び一次変位電流の和である。したがって、一次電流から二次変位電流（実質的に一次変位電流と等しい）を減算することにより、イオン電流及び二次電子電流の正確な測定が得られる。二次キャパシタはプラズマ装置の容量と一致するよう変化する可変キャパシタである。

図１１に示されるように、プラズマドーピング装置のアノード５３及びチャンバ壁４９から成る完全なアノード構造物及びプラテン（カソード）５１は一次キャパシタＣ１を構成すると考えられる。好適には二次キャパシタＣ２は一次キャパシタＣ１の容量と同じ若しくは類似の容量を有するよう選択される。効果的に、一次キャパシタＣ１及び二次キャパシタＣ２は並列に接続される。

この図から明らかなように、パルスソース５５からの高電圧パルスはキャパシタＣ１及びＣ２の両方に印加される。一次キャパシタＣ１を流れる電流を測定しこの測定値をドーズプロセッサ６８へ出力するべく第１電流測定デバイス６９が与えられる。二次キャパシタＣ２を流れる電流を測定するべく第２電流測定デバイス７０が与えられる。電流測定デバイス７０の出力もまたドーズプロセッサ６８へ与えられる。電流測定デバイス６９、７０は同じタイプのデバイス若しくは異なるタイプのデバイスである。パルスの間に各キャパシタを流れる電流を測定するためにピアソンコイルが使用される。

しかし、現在多くの異なるタイプの電流測定デバイスが利用可能である。これらのデバイスのいずれかひとつが電流を測定するために使用される。動作中、パルスが２つのキャパシタに印加される際、一次電流が一次キャパシタＣ１内に生成され、一次電流の一次変位電流成分と実質的に同一若しくは少なくとも非常に近似する二次変位電流が二次キャパシタＣ２内に生成される。二次変位電流を一次電流から減算することにより、イオン電流及びターゲットに分配されている二次電子電流から正確な測定が得られる。これらの電流の正確な測定はより良いプロセス制御及び反復性を生じさせる（例えば、特許文献４参照）。

なお、例えばＭＯＳトランジスタの形成に際しては、不純物の導入に先立ち、所定の酸化雰囲気の中において試料の表面に薄い酸化膜を形成し、その後、ＣＶＤ装置等によりゲート電極を形成する。そして、このゲート電極をマスクとして上記不純物の導入を行うことによりＭＯＳトランジスタが得られる。ただし、プラズマドーピング処理によって不純物を導入しただけでは、トランジスタを構成することはできないため、活性化処理を行う必要がある。活性化処理とは、不純物を導入した層を、レーザーアニール、フラッシュランプアニールなどの方法を用いて加熱し、再結晶化する処理をいう。このとき、不純物を導入した極薄い層を効果的に加熱することにより、浅い活性化層を得ることができる。不純物を導入した極薄い層を効果的に加熱するには、不純部を導入する前に、不純物を導入しようとする極薄い層における、レーザー、ランプなどの光源から照射される光に対する吸収率を高めておく処理が行われる。この処理はプレアモルファス化と呼ばれるもので、先に示したプラズマ処理装置と同様の構成のプラズマ処理装置において、Ｈｅガスなどのプラズマを発生させ、生じたＨｅなどのイオンをバイアス電圧によって基板に向けて加速して衝突させ、基板表面の結晶構造を破壊して非晶質化するものであり、既に本件発明者などによって提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

米国特許第４９１２０６５号明細書特許第２７１８９２６号公報特表２００３−５１５９４５号公報特表２００３−５１３４３９号公報Ｙ．Ｓａｓａｋｉｅｔａｌ．，"Ｂ２Ｈ６ＰｌａｓｍａＤｏｐｉｎｇｗｉｔｈＩｎ−ｓｉｔｕＨｅＰｒｅ−ａｍｏｒｐｈｙｚａｔｉｏｎ"，２００４ＳｙｍｐｏｓｉａｏｎＶＬＳＩＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＣｉｒｃｕｉｔｓ

しかしながら、従来の方式では、高周波電流を制御するために高周波またはパルス電力の大きさを変えると、電子密度、プラズマ中のボロンイオン密度と、基板に到達するイオンのエネルギーが全て変化してしまい、制御性が悪いという問題があった。
また、特許文献３に示した従来の方式では、ファラデーカップの表面状態が経時的に変化することに起因して、イオン検出感度が変化してしまうため、正確な不純物濃度制御を行うことができないという問題があった。

また、特許文献４に示した従来の方式では、Ｃ１とＣ２の静電容量を同一にするのが容易ではないという問題がある。仮に同一にすることができたとしても、Ｃ１およびＣ２に電荷が充電される過程の時定数を決める重要な要素である、Ｃ１およびＣ２の直列抵抗値を一致させるのが容易ではなく、Ｃ１およびＣ２が同一であってもパルス幅によっては充電電流に相違が生じることがあり、正確な不純物濃度制御が行えないという問題があった。また、電流センサを２つ要するという点で装置構成が複雑になってしまうという問題があった。

また、Ｈｅプラズマを用いた非晶質化処理においては、試料表面に形成される非晶質化層の厚さを正確に制御する方法が未だ提案されていない。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、試料表面に入射するイオン電流を正確にモニタリングすることのできるプラズマ処理方法及び装置を提供することを目的としており、とくに、試料表面に導入される不純物濃度や非晶質層の厚さの制御性に優れたプラズマ処理方法及び装置を提供することを目的としている。

本発明のプラズマ処理方法は、真空容器内の試料電極に試料を載置し、ガス供給装置より真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、試料電極用整合回路を介して試料電極に高周波電力を供給することによって真空容器内にプラズマを発生させつつ、プラズマ中のイオンを試料の表面に向かって加速し衝突させて試料を処理するプラズマ処理方法であって、プラズマが発生しない条件で試料電極に高周波電圧を供給して、試料電極用整合回路と試料電極との間に設けた高周波センサにより試料電極に供給される高周波電圧Ｖ０及び電流Ｉ０を測定するステップと、プラズマを発生させて試料をプラズマ処理している際に高周波センサにより試料電極に供給される高周波電圧Ｖ１及び電流Ｉ１を測定するステップと、試料電極に流れる電荷移動にもとづく実質的な高周波電流をＩｒ＝Ｉ１−Ｉ０×Ｖ１／Ｖ０として求めるステップと、前記高周波電流Ｉｒにもとづき処理条件を制御するステップとを有し、前記Ｖ０、Ｉ０、Ｖ１、Ｉ１を測定するステップは、電圧及び電流をサンプリングして波形を取得するステップと、測定された高周波電圧波形及び電流波形をフーリエ変換して基本波成分Ｖ０１、Ｉ０１、Ｖ１１、Ｉ１１と高調波成分Ｖ０ｎ、Ｉ０ｎ、Ｖ１ｎ、Ｉ１ｎ（ｎは２、３、・・・で第ｎ次高調波を表す）とに分解するステップとを含み、Ｉｒ＝Σ（Ｉ１ｎ−Ｉ０ｎ×Ｖ１ｎ／Ｖ０ｎ）としてＩｒを求める（Σはｎ：１以上を加算）ステップである。
また、本発明のプラズマ処理方法は、真空容器内の試料電極に試料を載置し、ガス供給装置より真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、試料電極用整合回路を介して試料電極に高周波電力を供給することによって真空容器内にプラズマを発生させつつ、プラズマ中のイオンを試料の表面に向かって加速し衝突させて試料を処理するプラズマ処理方法であって、プラズマが発生しない条件で試料電極に高周波電圧を供給して、試料電極用整合回路と試料電極との間に設けた高周波センサにより試料電極に供給される高周波電圧Ｖ０及び電流Ｉ０を測定するステップと、プラズマを発生させて試料をプラズマ処理している際に高周波センサにより試料電極に供給される高周波電圧Ｖ１及び電流Ｉ１を測定するステップと、試料電極に流れる電荷移動にもとづく実質的な高周波電流をＩｒ＝Ｉ１−Ｉ０×Ｖ１／Ｖ０として求めるステップと、前記高周波電流Ｉｒにもとづき処理条件を制御するステップとを有し、前記Ｖ０、Ｉ０、Ｖ１、Ｉ１を測定するステップは、電圧及び電流をサンプリングして波形を取得するステップと、測定された高周波電圧波形及び電流波形をフーリエ変換して基本波成分Ｖ０１、Ｉ０１、Ｖ１１、Ｉ１１と高調波成分Ｖ０ｎ、Ｉ０ｎ、Ｖ１ｎ、Ｉ１ｎ（ｎは２、３、・・・で第ｎ次高調波を表す）とに分解するステップとを含み、Ｉｒ＝Ｉ１１−Ｉ０１×Ｖ１１／Ｖ０１＋ΣＩ１ｎとしてＩｒを求める（Σはｎ：２以上を加算）ステップである。
また、本発明においては、前記処理条件を制御するステップは、前記高周波電流Ｉｒが所定の値となるように処理条件を制御するステップとを有する。また、本発明においては、前記処理条件を制御するステップは、前記試料電極に供給する高周波電力を変化させるステップである。
また、本発明においては、前記処理条件を制御するステップは、前記ガスの流量を変化させるステップである。
また、本発明においては、前記処理条件を制御するステップは、試料を処理している間Ｉｒを時間積分した値が所定の値となった時点で処理を終了するステップを含む。
また、本発明においては、前記プラズマは、プラズマ源に高周波電力を供給することによって前記真空容器内に発生せしめられるものである。また、本発明においては、前記処理条件を制御するステップは、プラズマ源に供給する高周波電力を変化させるステップである。
また、本発明においては、前記波形を取得するステップで取得されたサンプリング周波数が試料電極に供給する高周波電圧の基本周波数の第３次高調波を測定するに十分な周波数であり、前記高周波電流Ｉｒを求めるに際して少なくとも第３次高調波までを考慮するものである。
また、本発明においては、前記波形を取得するステップで取得されたサンプリング周波数が試料電極に供給する高周波電圧の基本周波数の第５次高調波を測定するに十分な周波数であり、前記高周波電流Ｉｒを求めるに際して少なくとも第５次高調波までを考慮するものである。
また、本発明は、真空容器と、試料電極と、真空容器内にガスを供給するガス供給装置と、真空容器内を排気する排気装置と、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、試料電極に高周波電力を供給する試料電極用高周波電源と、試料電極のインピーダンス整合を図る試料電極用整合回路と、試料電極用整合回路と試料電極との間に設けられた高周波センサと、高周波センサの測定値をもとに試料電極に流れる電荷移動にもとづく実質的な高周波電流を算出する演算装置とを備えたプラズマ処理装置であって、前記高周波センサが、電圧及び電流をサンプリングするサンプラ部を備え、演算部が、測定された高周波電圧波形及び電流波形をフーリエ変換して基本波成分Ｖ０１、Ｉ０１、Ｖ１１、Ｉ１１と高調波成分Ｖ０ｎ、Ｉ０ｎ、Ｖ１ｎ、Ｉ１ｎ（ｎは２、３、・・・で第ｎ次高調波を表す）とに分解する分解部と、試料電極に流れる電荷移動にもとづく実質的な高周波電流Ｉｒを、Ｉｒ＝Σ（Ｉ１ｎ−Ｉ０ｎ×Ｖ１ｎ／Ｖ０ｎ）として求める（Σはｎ：１以上を加算）加算部とを備える。
また、本発明は、真空容器と、試料電極と、真空容器内にガスを供給するガス供給装置と、真空容器内を排気する排気装置と、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、試料電極に高周波電力を供給する試料電極用高周波電源と、試料電極のインピーダンス整合を図る試料電極用整合回路と、試料電極用整合回路と試料電極との間に設けられた高周波センサと、高周波センサの測定値をもとに試料電極に流れる電荷移動にもとづく実質的な高周波電流を算出する演算装置とを備えたプラズマ処理装置であって、前記高周波センサが、電圧及び電流をサンプリングするサンプラ部を備え、演算部が、測定された高周波電圧波形及び電流波形をフーリエ変換して基本波成分Ｖ０１、Ｉ０１、Ｖ１１、Ｉ１１と高調波成分Ｖ０ｎ、Ｉ０ｎ、Ｖ１ｎ、Ｉ１ｎ（ｎは２、３、・・・で第ｎ次高調波を表す）とに分解する分解部と、試料電極に流れる電荷移動にもとづく実質的な高周波電流Ｉｒを、Ｉｒ＝Ｉ１１−Ｉ０１×Ｖ１１／Ｖ０１＋ΣＩ１ｎとして求める（Σはｎ：２以上を加算）加算部とを備える。
また、本発明のプラズマ処理装置においては、さらにプラズマ源と、プラズマ源に高周波電力を供給するプラズマ源用高周波電源とを備える。
また、本発明のプラズマ処理装置においては、サンプリング周波数が試料電極に供給する高周波電圧の基本周波数の第３次高調波を測定するに十分な周波数であり、前記高周波電流Ｉｒを求めるに際して少なくとも第３次高調波までを考慮する。
また、本発明のプラズマ処理装置においては、サンプリング周波数が試料電極に供給する高周波電圧の基本周波数の第５次高調波を測定するに十分な周波数であり、前記高周波電流Ｉｒを求めるに際して少なくとも第５次高調波までを考慮する。

本発明のプラズマ処理方法は、真空容器内の試料電極に試料を載置し、ガス供給装置より真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、試料電極用整合回路を介して試料電極に高周波電力を供給することによって真空容器内にプラズマを発生させつつ、プラズマ中のイオンを試料の表面に向かって加速し衝突させて試料を処理するプラズマ処理方法であって、プラズマが発生しない条件で試料電極に高周波電圧を供給して、試料電極用整合回路と試料電極との間に設けた高周波センサにより試料電極に供給される高周波電圧Ｖ０及び電流Ｉ０を測定するステップと、プラズマを発生させて試料をプラズマ処理している際に高周波センサにより試料電極に供給される高周波電圧Ｖ１及び電流Ｉ１を測定するステップと、試料電極に流れる電荷移動にもとづく実質的な高周波電流をＩｒ＝Ｉ１−Ｉ０×Ｖ１／Ｖ０として求めるステップと、前記Ｉｒにもとづき処理条件を制御するステップとを有することを特徴とする。
この構成により、試料表面に入射するイオン電流を正確にモニタリングできるプラズマ処理方法を提供することができ、とくに、試料表面に導入される不純物濃度や非晶質層の厚さの制御性に優れたプラズマ処理方法を提供することができる。また、非晶質層の厚さによって不純物の導入深さを制御することができるため、不純物導入領域の深さを高精度に制御することができる。なおここで制御される処理条件については後述する。

本発明のプラズマ処理方法は、真空容器内の試料電極に試料を載置し、ガス供給装置より真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、試料電極用整合回路を介して試料電極に高周波電力を供給することによって真空容器内にプラズマを発生させつつ、プラズマ中のイオンを試料の表面に向かって加速し衝突させて試料を処理するプラズマ処理方法であって、プラズマが発生しない条件で試料電極に高周波電圧を供給して、試料電極用整合回路と試料電極との間に設けた高周波センサにより試料電極に供給される高周波電圧Ｖ０及び電流Ｉ０を測定するステップと、プラズマを発生させて試料をプラズマ処理している際に高周波センサにより試料電極に供給される高周波電圧Ｖ１及び電流Ｉ１を測定するステップと、試料電極に流れる電荷移動にもとづく実質的な高周波電流をＩｒ＝Ｉ１−Ｉ０×Ｖ１／Ｖ０として求めるステップと、Ｉｒが所定の値となるように処理条件を制御するステップとを有することを特徴とする。

この構成により、試料表面に入射するイオン電流を正確にモニタリングできるプラズマ処理方法を提供することができ、とくに、試料表面に導入される不純物濃度や非晶質層の厚さの制御性に優れたプラズマ処理方法を提供することができる。

本発明のプラズマ処理方法は、真空容器内の試料電極に試料を載置し、ガス供給装置より真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、プラズマ源に高周波電力を供給することによって真空容器内にプラズマを発生させるとともに、試料電極用整合回路を介して試料電極に高周波電力を供給することによってプラズマ中のイオンを試料の表面に向かって加速し衝突させて試料を処理するプラズマ処理方法であって、プラズマが発生しない条件で試料電極に高周波電圧を供給して、試料電極用整合回路と試料電極との間に設けた高周波センサにより試料電極に供給される高周波電圧Ｖ０及び電流Ｉ０を測定するステップと、プラズマを発生させて試料をプラズマ処理している際に高周波センサにより試料電極に供給される高周波電圧Ｖ１及び電流Ｉ１を測定するステップと、試料電極に流れる電荷移動にもとづく実質的な高周波電流をＩｒ＝Ｉ１−Ｉ０×Ｖ１／Ｖ０として求めるステップと、Ｉｒが所定の値となるように処理条件を制御するステップとを有することを特徴とする。

また、本発明のプラズマ処理方法において、好適には、Ｉｒが所定の値となるように処理条件を制御するステップにおいて、試料電極に供給する高周波電力を変化させることが望ましい。あるいは、所定のガス流量を変化させてもよく、あるいは、プラズマ源に供給する高周波電力を変化させてもよい。
この構成により、簡便なプロセス制御性を実現できる。

本発明のプラズマ処理方法は、真空容器内の試料電極に試料を載置し、ガス供給装置より真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、試料電極用整合回路を介して試料電極に高周波電力を供給することによって真空容器内にプラズマを発生させつつ、プラズマ中のイオンを試料の表面に向かって加速し衝突させて試料を処理するプラズマ処理方法であって、プラズマが発生しない条件で試料電極に高周波電圧を供給して、試料電極用整合回路と試料電極との間に設けた高周波センサにより試料電極に供給される高周波電圧Ｖ０及び電流Ｉ０を測定するステップと、プラズマを発生させて試料をプラズマ処理している際に高周波センサにより試料電極に供給される高周波電圧Ｖ１及び電流Ｉ１を測定するステップと、試料電極に流れる電荷移動にもとづく実質的な高周波電流をＩｒ＝Ｉ１−Ｉ０×Ｖ１／Ｖ０として求めるステップと、試料を処理している間Ｉｒを時間積分した値が所定の値となった時点で処理を終了するステップとを有することを特徴とする。

本発明のプラズマ処理方法は、真空容器内の試料電極に試料を載置し、ガス供給装置より真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、プラズマ源に高周波電力を供給することによって真空容器内にプラズマを発生させるとともに、試料電極用整合回路を介して試料電極に高周波電力を供給することによってプラズマ中のイオンを試料の表面に向かって加速し衝突させて試料を処理するプラズマ処理方法であって、プラズマが発生しない条件で試料電極に高周波電圧を供給して、試料電極用整合回路と試料電極との間に設けた高周波センサにより試料電極に供給される高周波電圧Ｖ０及び電流Ｉ０を測定するステップと、プラズマを発生させて試料をプラズマ処理している際に高周波センサにより試料電極に供給される高周波電圧Ｖ１及び電流Ｉ１を測定するステップと、試料電極に流れる電荷移動にもとづく実質的な高周波電流をＩｒ＝Ｉ１−Ｉ０×Ｖ１／Ｖ０として求めるステップと、試料を処理している間Ｉｒを時間積分した値が所定の値となった時点で処理を終了するステップとを有することを特徴とする。

本発明のプラズマ処理方法は、プラズマ処理方法が、試料表面に不純物を導入するプラズマドーピング方法である場合にとくに格別の効果を奏し、試料表面に導入される不純物濃度や非晶質層の厚さの制御性に優れたプラズマ処理方法を提供することができる。

本発明のプラズマ処理方法において、好適には、Ｖ０及びＩ０を測定するステップは、当該試料とは別のダミー試料を用いて予備的に測定するステップであることが望ましい。この構成により、本来プラズマが発生しないはずのＶ０及びＩ０を測定するステップにおいて、誤ってプラズマが発生してしまった場合の試料へのダメージを避けることができる。

また、好適には、Ｖ０、Ｉ０、Ｖ１、Ｉ１を測定するに際して、電圧及び電流をサンプリングして波形を取得するステップと、測定された高周波電圧波形及び電流波形をフーリエ変換して基本波成分Ｖ０１、Ｉ０１、Ｖ１１、Ｉ１１と高調波成分Ｖ０ｎ、Ｉ０ｎ、Ｖ１ｎ、Ｉ１ｎ（ｎは２、３、・・・で第ｎ次高調波を表す）とに分解するステップと、Ｉｒ＝Σ（Ｉ１ｎ−Ｉ０ｎ×Ｖ１ｎ／Ｖ０ｎ）としてＩｒを求める（Σはｎ：１以上を加算）ことが望ましい。

あるいは、Ｖ０、Ｉ０、Ｖ１、Ｉ１を測定するに際して、電圧及び電流をサンプリングして波形を取得するステップと、測定された高周波電圧波形及び電流波形をフーリエ変換して基本波成分Ｖ０１、Ｉ０１、Ｖ１１、Ｉ１１と高調波成分Ｖ０ｎ、Ｉ０ｎ、Ｖ１ｎ、Ｉ１ｎ（ｎは２、３、・・・で第ｎ次高調波を表す）とに分解するステップと、Ｉｒ＝Ｉ１１−Ｉ０１×Ｖ１１／Ｖ０１＋ΣＩ１ｎとしてＩｒを求める（Σはｎ：２以上を加算）ようにしてもよい。

この構成により、試料表面に入射するイオン電流をより正確にモニタリングできるプラズマ処理方法を提供することができる。

また、この場合、好適には、サンプリング周波数が試料電極に供給する高周波電圧の基本周波数の第３次高調波を測定するに十分な周波数であり、Ｉｒを求めるに際して少なくとも第３次高調波までを考慮することが望ましい。より好ましくは、サンプリング周波数が試料電極に供給する高周波電圧の基本周波数の第５次高調波を測定するに十分な周波数であり、Ｉｒを求めるに際して少なくとも第５次高調波までを考慮することが望ましい。

本発明のプラズマ処理装置は、真空容器と、試料電極と、真空容器内にガスを供給するガス供給装置と、真空容器内を排気する排気装置と、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、試料電極に高周波電力を供給する試料電極用高周波電源と、試料電極のインピーダンス整合を図る試料電極用整合回路と、試料電極用整合回路と試料電極との間に設けられた高周波センサと、高周波センサの測定値をもとに試料電極に流れる電荷移動にもとづく実質的な高周波電流を算出する演算装置とを備える。

この構成により、試料表面に入射するイオン電流を正確にモニタリングできるプラズマ処理装置を提供することができ、とくに、試料表面に導入される不純物濃度や非晶質層の厚さの制御性に優れたプラズマ処理装置を提供することができる。

本発明のプラズマ処理装置は、真空容器と、試料電極と、真空容器内にガスを供給するガス供給装置と、真空容器内を排気する排気装置と、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、プラズマ源と、プラズマ源に高周波電力を供給するプラズマ源用高周波電源と、試料電極に高周波電力を供給する試料電極用高周波電源と、試料電極のインピーダンス整合を図る試料電極用整合回路と、試料電極用整合回路と試料電極との間に設けられた高周波センサと、高周波センサの測定値をもとに試料電極に流れる電荷移動にもとづく実質的な高周波電流を算出する演算装置とを備えることを特徴とする。

本発明のプラズマ処理装置において、好適には、高周波センサが、電圧及び電流をサンプリングするサンプラ部を備え、演算部が、測定された高周波電圧波形及び電流波形をフーリエ変換して基本波成分Ｖ０１、Ｉ０１、Ｖ１１、Ｉ１１と高調波成分Ｖ０ｎ、Ｉ０ｎ、Ｖ１ｎ、Ｉ１ｎ（ｎは２、３、・・・で第ｎ次高調波を表す）とに分解する分解部と、試料電極に流れる電荷移動にもとづく実質的な高周波電流Ｉｒを、Ｉｒ＝Σ（Ｉ１ｎ−Ｉ０ｎ×Ｖ１ｎ／Ｖ０ｎ）として求める（Σはｎ：１以上を加算）加算部とを備えることが望ましい。あるいは、高周波センサが、電圧及び電流をサンプリングするサンプラ部を備え、演算部が、測定された高周波電圧波形及び電流波形をフーリエ変換して基本波成分Ｖ０１、Ｉ０１、Ｖ１１、Ｉ１１と高調波成分Ｖ０ｎ、Ｉ０ｎ、Ｖ１ｎ、Ｉ１ｎ（ｎは２、３、・・・で第ｎ次高調波を表す）とに分解する分解部と、試料電極に流れる電荷移動にもとづく実質的な高周波電流Ｉｒを、Ｉｒ＝Ｉ１１−Ｉ０１×Ｖ１１／Ｖ０１＋ΣＩ１ｎとして求める（Σはｎ：２以上を加算）加算部とを備える構成としてもよい。

この構成により、試料表面に入射するイオン電流をより正確にモニタリングできるプラズマ処理装置を提供することができる。

この場合、好適には、サンプリング周波数が試料電極に供給する高周波電圧の基本周波数の第３次高調波を測定するに十分な周波数であり、Ｉｒを求めるに際して少なくとも第３次高調波までを考慮することが望ましい。より好ましくは、サンプリング周波数が試料電極に供給する高周波電圧の基本周波数の第５次高調波を測定するに十分な周波数であり、Ｉｒを求めるに際して少なくとも第５次高調波までを考慮することが望ましい。

なお、本発明においては、試料電極に流れる電荷移動にもとづく実質的な高周波電流をＩｒ＝Ｉ１−Ｉ０×Ｖ１／Ｖ０として求め、試料を処理している間、この高周波電流が所定の値となるように制御するとともに、試料を処理している間Ｉｒを時間積分した値が所定の値となった時点で処理を終了することにより、より高精度の制御が可能となる。

以上のように、本発明のプラズマ処理方法及び装置によれば、試料表面に入射するイオン電流を正確にモニタリングできるプラズマ処理方法及び装置を提供することができ、とくに、試料表面に導入される不純物濃度や非晶質層の厚さの制御性に優れたプラズマ処理方法及び装置を提供することが可能となる。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図１から図６を参照して説明する。
図１に、本発明の実施の形態１において用いたプラズマ処理装置の断面図を示す。図１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、圧力制御装置としての調圧弁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。プラズマ源用高周波電源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（図１中には、コイルの断面部が図示されている）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試料電極用高周波電源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もつように、試料電極６の電位を制御する電圧源として機能する。真空容器１内のガスは、排気口１１からポンプ３へ排気される。試料電極６は、基板９を載置する略正方形状の台座であり、各辺において支柱１２により真空容器１に固定され、計４本の支柱１２により、真空容器１に固定されている。

試料電極６へ供給される高周波電力は、試料電極のインピーダンス整合を図るための試料電極用整合回路１３を介して、試料電極用高周波電源１０より供給されるが、試料電極用整合回路１３と試料電極６の間に高周波センサ１４が設けられている。高周波センサ１４の測定値をもとに試料電極６に流れる電荷移動にもとづく実質的な高周波電流を算出する演算装置１５が設けられており、演算装置１５は、試料電極６に流れる電荷移動にもとづく実質的な高周波電流が所定の値となるように、試料電極用高周波電源１０の出力を制御できるよう構成されている。

図２は、試料電極６、試料電極用整合回路１３及び高周波センサ１４の詳細な構成図である。基板９を試料電極６の表面に吸着させることにより基板の温度を精密に制御するため、ペデスタル１６に水またはガルデンなどの冷媒が流されるとともに、静電吸着電極１７及び１８には、直流電源１９より極性の異なる高圧直流電圧が印加される。
試料電極用整合回路１３は、可変コンデンサ２０及び２１とコイル２２を備え、試料電極用整合回路１３の高周波入力側から試料電極側をみたインピーダンスが、試料電極用高周波電源１０と試料電極用整合回路１３を接続するための接続ケーブルの特性インピーダンスに等しくなるよう、インピーダンス整合を図るためのものである。

高周波センサ１４は、高周波電力が流れる高周波接続ライン２３、高周波電圧を検知するための電圧センサ２４、コンデンサ２５、高周波電流を検知するための電流センサ２６及び２７、電流計測器２８、電圧計測器２９を備える。電圧センサ２４は、高周波接続ライン２３と静電的にカップリングし、高周波接続ライン２３と電圧センサ２４の間のキャパシタンスとコンデンサ２５のキャパシタンスの和に応じた微小電流を、コンデンサ２５を介して接地電位部へ通過させる。つまり、高周波接続ライン２３と電圧センサ２４の間のキャパシタンスとコンデンサ２５のキャパシタンスを適切に設定することにより、高周波接続ライン２３の電位に比例した電圧を電圧計測器２９に導くことができる。

一方、電流センサ２６及び２７には、高周波接続ライン２３に流れる高周波電流に比例した電圧が、電磁誘導により生じる。ここで、図２のように電流センサ２６及び２７を、高周波接続ライン２３を挟んで向かい合うように配置するとともに、互いに生じる誘導電圧が同じ位相になるように接続することにより、高周波接続ライン２３に流れる高周波電流以外の外乱に基づく誘導電圧をキャンセルすることができ、電流計測器２８において高精度な電流測定が可能となる。なお、電流計測器２８及び電圧計測器２９はサンプラ部を備えており、検知された高周波電流及び高周波電圧は、所定の周期でサンプリングされ、デジタルデータに変換されて演算装置１５へ送られる。

図３は、プラズマを発生させたときの、電流センサによって測定された高周波電流波形の一例である。プラズマ中には多量の電子及びイオンが存在しているが、電子はイオンに比べてはるかに質量が小さいため、プラズマに接している固体表面の電位が正の場合、速やかに、かつ、多量に固体表面に入射する。一方、イオンは質量が大きいため、電子よりも遅く、かつ、少量しか固体表面に入射しない。したがって、プラズマに接している固体表面は、電力負荷としては強い非線形性を示し、たとえ正弦波電圧で駆動したとしても、電流波形は正弦波とはならず、大きく歪むこととなる。このことは、言い換えれば、プラズマが発生しているときに試料電極に流れる高周波電流は、多くの高調波成分を含んでいることを意味する。

図４は、プラズマを発生させたときの、電流センサによって測定された電流波形をフーリエ変換して、基本波成分Ｉ１１と高調波成分Ｉ１ｎ（ｎは２、３、・・・で第ｎ次高調波を表す）とに分解したものである。ここでは、第５次高調波Ｉ１５までを測定した。

ここで、プラズマを発生させたときの試料電極に流れる高周波電流は、試料電極に流れる電荷移動にもとづく実質的な高周波電流（プラズマから試料に流れ込む電子電流及びイオン電流にもとづく電流）とは一致しないことに注意しなければならない。なぜなら、試料や試料電極と真空容器などとの間に存在するキャパシタンスに、電荷移動にもとづかない変位電流が流れ、電流センサによって測定された高周波電流は、実質的な電流と変位電流の和となるからである。

そこで、プラズマが発生しない条件で試料電極に高周波電圧を供給して、試料電極用整合回路と試料電極との間に設けた高周波センサにより試料電極に供給される高周波電圧Ｖ０及び電流Ｉ０を測定するとともに、プラズマを発生させて試料をプラズマ処理している際に高周波センサにより試料電極に供給される高周波電圧Ｖ１及び電流Ｉ１を測定することにより、実質的な電流と変位電流を分離することを考案した。すなわち、Ｖ０、Ｉ０、Ｖ１、Ｉ１を測定するに際して、電圧及び電流をサンプリングして波形を取得し、演算装置に備えられた分解部において、測定された高周波電圧波形及び電流波形をフーリエ変換して基本波成分Ｖ０１、Ｉ０１、Ｖ１１、Ｉ１１と高調波成分Ｖ０ｎ、Ｉ０ｎ、Ｖ１ｎ、Ｉ１ｎ（ｎは２、３、・・・で第ｎ次高調波を表す）とに分解し、演算装置に備えられた加算部において、実質的な高周波電流：Ｉｒ＝Σ（Ｉ１ｎ−Ｉ０ｎ×Ｖ１ｎ／Ｖ０ｎ）としてＩｒを求める（Σはｎ：１以上を加算）ことができる。これは、プラズマが発生しているときの変位電流の所定周波数成分は、プラズマが発生しているときの電圧の所定周波数成分とプラズマが発生していないときの電圧の所定周波数成分の比に、プラズマが発生していないときの電流の所定周波数成分を乗じたものに等しいという考えに基づいている。

なお、Ｖ０及びＩ０を測定するステップにおいて、当該試料とは別のダミー試料を用いて予備的に測定することも可能である。Ｖ０及びＩ０は、真空容器を大気開放して、真空容器のウェットメンテナンスを行ったり、消耗部品の交換を行ったりした際に測定し直すことが望ましい。これは、ウェットメンテナンスや消耗部品の交換によって、試料や試料電極と真空容器などとの間に存在するキャパシタンスが微妙に変化するためである。あるいは、堆積性のガスを用いた場合には、所定数の試料を処理するごとに、Ｖ０及びＩ０を測定し直すことが望ましい。これは、試料電極の周辺部に堆積物が付着した場合に、試料や試料電極と真空容器などとの間に存在するキャパシタンスが微妙に変化するためである。

試料や試料電極と真空容器などとの間に存在するキャパシタンスが非線形性を持たないと仮定すると、変位電流は電圧に比例し、かつ、試料電極に供給される高周波電圧が正弦波であれば、変位電流は基本波成分Ｉ０１のみを有する。したがって、Ｖ０、Ｉ０、Ｖ１、Ｉ１を測定するに際して、電圧及び電流をサンプリングして波形を取得し、演算装置に備えられた分解部において、測定された高周波電圧波形及び電流波形をフーリエ変換して基本波成分Ｖ０１、Ｉ０１、Ｖ１１、Ｉ１１と高調波成分Ｖ０ｎ、Ｉ０ｎ、Ｖ１ｎ、Ｉ１ｎ（ｎは２、３、・・・で第ｎ次高調波を表す）とに分解し、演算装置に備えられた加算部において、実質的な高周波電流：Ｉｒ＝Ｉ１１−Ｉ０１×Ｖ１１／Ｖ０１＋ΣＩ１ｎとしてＩｒを求める（Σはｎ：２以上を加算）ことによっても、相当の確からしさをもって実質的な高周波電流を算出することができる。

このとき、サンプリング周波数が試料電極に供給する高周波電圧の基本周波数の第３次高調波を測定するに十分な周波数であり、Ｉｒを求めるに際して少なくとも第３次高調波までを考慮することが望ましい。より好ましくは、サンプリング周波数が試料電極に供給する高周波電圧の基本周波数の第５次高調波を測定するに十分な周波数であり、Ｉｒを求めるに際して少なくとも第５次高調波までを考慮することが望ましい。いうまでもなく、できるだけ高次の高調波までを考慮した方が正確さは増すが、より高次の高調波を測定するには、より高度なサンプリング機能が必要となり、装置価格の増大や演算時間の増加をもたらすという欠点がある。我々の実験によれば、電流波形歪みの少ないプロセスであれば第３次高調波までを考慮すれば十分であり、電流波形歪みの比較的大きなプロセスにおいても、第５次高調波までを考慮すれば十分である。

このようにして、Ｉｒの周波数領域における波形を求めたものを、図５に示す。そして、再びこれを時間領域の波形に変換すると、図６のような実質的な高周波電流の波形が得られる。このとき、斜線で塗られた部分の、電流がゼロの直線よりも上の領域は、主として電子電流に対応し、電流がゼロの直線よりも下の領域は、主として正イオン電流に対応する、実質的な電荷量である。正確に云えば、上の領域においては、負イオン電流もわずかながら含んでおり、また、電子の熱速度がイオンよりはるかに高いために、下の領域にも電子電流はわずかに含まれているが、これらは主となる粒子種による電流と比べて著しく小さいため、簡単のために無視することもできる。

図６の電流がゼロの直線よりも上の領域と下の領域の面積は、概ね等しくなる。よって、そのいずれか、または両方を、電流値の時間積分として求めることによって、基本波の１周期あたりの、試料に入射する荷電粒子数を見積もることが可能となる。
したがって、実質的な高周波電流またはその時間積分値が所定の値となるように処理条件を制御することにより、試料表面に入射するイオン電流を正確にモニタリングできるプラズマ処理方法及び装置を提供することができ、とくに、試料表面に導入される不純物濃度や非晶質層の厚さの制御性に優れたプラズマ処理方法及び装置を提供することが可能となる。

例えば、ヘリウムガスをプラズマ化する条件では、単結晶または多結晶シリコン基板９の表面の結晶層を非晶質化することが可能である。このプロセスにおいて、所望の非晶質層の深さを得るには、実質的な高周波電流またはその時間積分値が所望の値となっていることが必要である。そこで、実質的な高周波電流またはその時間積分値が、所望の値よりも大きかった場合には、次の所定枚数の試料を処理する条件において、試料電極に供給する電力を小さくする。あるいは、不純物元素を含むガスの流量を少なくする。あるいは、プラズマ源に供給する高周波電力を小さくする。あるいは、処理時間を短くする。

逆に、実質的な高周波電流またはその時間積分値が、所望の値よりも小さかった場合には、次の所定枚数の試料を処理する条件において、試料電極に供給する電力を大きくする。あるいは、不純物元素を含むガスの流量を多くする。あるいは、プラズマ源に供給する高周波電力を大きくする。あるいは、処理時間を長くする。
あるいは、実質的な高周波電流の時間積分値が所定の値となった時点で非晶質化処理を停止する（処理を終了する）ようにしてもよい。

また、ヘリウムガスとジボランガスの混合ガスを用いてプラズマ化する条件では、シリコン基板９の表面に不純物としてのボロンをドーピングすることが可能である。このプロセスにおいて、所望のドーズ量（不純物濃度）を得るには、実質的な高周波電流またはその時間積分値が所望の値となっていることが必要である。そこで、実質的な高周波電流またはその時間積分値が、所望の値よりも大きかった場合には、次の所定枚数の試料を処理する条件において、試料電極に供給する電力を小さくする。あるいは、不純物元素を含むガスの流量を少なくする。あるいは、プラズマ源に供給する高周波電力を小さくする。あるいは、処理時間を短くする。

逆に、実質的な高周波電流またはその時間積分値が、所望の値よりも小さかった場合には、次の所定枚数の試料を処理する条件において、試料電極に供給する電力を大きくする。あるいは、不純物元素を含むガスの流量を多くする。あるいは、プラズマ源に供給する高周波電力を大きくする。あるいは、処理時間を長くする。
あるいは、実質的な高周波電流の時間積分値が所定の値となった時点でドーピング処理を停止する（処理を終了する）ようにしてもよい。

また、高周波電圧波形及び電流波形をフーリエ変換して実質的な高周波電流Ｉｒを求める場合を例示したが、試料電極に流れる電荷移動にもとづく実質的な高周波電流をＩｒ＝Ｉ１−Ｉ０×Ｖ１／Ｖ０として求めてもよい。波形の歪みが少ない場合はこのような方法が、演算時間の短縮や演算回路構成の簡略化に有効となる。

以上述べた本発明の実施形態においては、本発明の適用範囲のうち、真空容器の形状、プラズマ源の方式及び配置等に関して様々なバリエーションのうちの一部を例示したに過ぎない。本発明の適用にあたり、ここで例示した以外にも様々なバリエーションが考えられることは、いうまでもない。

例えば、コイル８を平面状としてもよく、あるいは、ヘリコン波プラズマ源、磁気中性ループプラズマ源、有磁場マイクロ波プラズマ源（電子サイクロトロン共鳴プラズマ源）を用いてもよいし、図７に示した平行平板型プラズマ源を用いてもよい。

また、ヘリウム以外の不活性ガスを用いてもよく、ネオン、アルゴン、クリプトンまたはキセノン（ゼノン）のうち少なくともひとつのガスを用いることができる。これらの不活性ガスは、試料への悪影響が他のガスよりも小さいという利点がある。

また、試料がシリコンよりなる半導体基板である場合を例示したが、他の様々な材質の試料を処理するに際して、本発明を適用することができる。しかし、本発明は、試料がシリコンよりなる半導体基板である場合に、とくに有用なプラズマ処理方法である。また、不純物が砒素、燐、ボロン、アルミニウムまたはアンチモンである場合に、とくに有用である。この構成により、超微細なシリコン半導体デバイスを製造することができる。

また、プラズマ処理中にプラズマの発光分光分析を行ったり、質量分析を行うなどして気相状態をモニタリングし、どのパラメータを変えるべきかの判断に用いてもよい。例えば、気相状態に格別の変化が無いにもかかわらず実質的な高周波電流またはその積分値が変化したのであれば、ガス流量やプラズマ源に供給する高周波電力を変化させるのではなく、試料電極に供給する電力を変化させればよい。逆に、気相状態に変化が認められたのであれば、試料電極に供給する電力を変化させるのではなく、ガス流量やプラズマ源に供給する高周波電力を変化させればよい。

また、非晶質化とドーピング処理を同一のプラズマ処理室で連続的に処理してもよいし、別々のプラズマ処理室を用意して別個に処理してもよい。

また、ペデスタルに高周波電力を供給する場合を例示したが、静電吸着電極に高周波電力を供給してもよい。静電吸着には、本発明の実施の形態で説明したような双極型と、静電吸着電極が１つのみである単極型とがある。単極型静電吸着電極に高周波電力を供給する場合には、高周波センサを試料電極用整合回路と静電吸着電極の間に配置すればよい。双極型静電吸着電極に高周波電力を供給する場合には、高周波センサを、試料電極用整合回路と、どちらか一方または双方の静電吸着電極の間に配置すればよい。高周波センサを試料電極用整合回路とどちらか一方の静電吸着電極の間に配置する場合には、高周波センサで得られた電流値を２倍することにより、試料電極に流れる電流値を算出することができる。高周波センサを試料電極用整合回路と双方の静電吸着電極の間に配置する場合には、各々の高周波センサで得られた電流値の和を求めることにより、試料電極に流れる電流値を算出することができる。

また、非晶質化処理とプラズマドーピング処理を例示したが、イオンを用いるプラズマ処理、例えばドライエッチングやプラズマＣＶＤなどについても適用可能である。

本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、2005年4月4日出願の日本特許出願、出願番号2005-107775に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

本発明のプラズマ処理方法及び装置は、プラズマ処理の再現性を高めることが可能であり、ＬＳＩなどの半導体装置における不純物ドーピング工程をはじめ、液晶などで用いられる薄膜トランジスタなど、基体上に形成された半導体薄膜への半導体装置の製造や、各種材料の表面改質等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１で用いたプラズマ処理装置の構成を示す断面図本発明の実施の形態１における試料電極、試料電極用整合回路及び高周波センサの詳細な構成図電流センサによって測定された高周波電流波形を示す図電流センサによって測定された電流波形をフーリエ変換したものの説明図実質的な高周波電流の周波数領域における波形を示す図実質的な高周波電流の波形を示す図本発明の他の実施の形態で用いたプラズマ処理装置の構成を示す断面図従来例で用いたプラズマドーピング装置の構成を示す断面図従来例で用いたプラズマドーピング装置の構成を示す断面図従来例で用いたプラズマドーピング装置の構成を示す断面図従来例で用いたプラズマドーピング装置の構成を示す断面図

符号の説明

１真空容器
２ガス供給装置
３ターボ分子ポンプ
４調圧弁
５プラズマ源用高周波電源
６試料電極
７誘電体窓
８コイル
９基板
１０試料電極用高周波電源
１１排気口
１２支柱
１３試料電極用整合回路
１４高周波センサ
１５演算装置

Claims

真空容器内の試料電極に試料を載置し、ガス供給装置より真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、試料電極用整合回路を介して試料電極に高周波電力を供給することによって真空容器内にプラズマを発生させつつ、プラズマ中のイオンを試料の表面に向かって加速し衝突させて試料を処理するプラズマ処理方法であって、
プラズマが発生しない条件で試料電極に高周波電圧を供給して、試料電極用整合回路と試料電極との間に設けた高周波センサにより試料電極に供給される高周波電圧Ｖ０及び電流Ｉ０を測定するステップと、
プラズマを発生させて試料をプラズマ処理している際に高周波センサにより試料電極に供給される高周波電圧Ｖ１及び電流Ｉ１を測定するステップと、
試料電極に流れる電荷移動にもとづく実質的な高周波電流をＩｒ＝Ｉ１−Ｉ０×Ｖ１／Ｖ０として求めるステップと、
前記高周波電流Ｉｒにもとづき処理条件を制御するステップとを有し、
前記Ｖ０、Ｉ０、Ｖ１、Ｉ１を測定するステップは、電圧及び電流をサンプリングして波形を取得するステップと、測定された高周波電圧波形及び電流波形をフーリエ変換して基本波成分Ｖ０１、Ｉ０１、Ｖ１１、Ｉ１１と高調波成分Ｖ０ｎ、Ｉ０ｎ、Ｖ１ｎ、Ｉ１ｎ（ｎは２、３、・・・で第ｎ次高調波を表す）とに分解するステップとを含み、Ｉｒ＝Σ（Ｉ１ｎ−Ｉ０ｎ×Ｖ１ｎ／Ｖ０ｎ）としてＩｒを求める（Σはｎ：１以上を加算）ステップであるプラズマ処理方法。
真空容器内の試料電極に試料を載置し、ガス供給装置より真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、試料電極用整合回路を介して試料電極に高周波電力を供給することによって真空容器内にプラズマを発生させつつ、プラズマ中のイオンを試料の表面に向かって加速し衝突させて試料を処理するプラズマ処理方法であって、
プラズマが発生しない条件で試料電極に高周波電圧を供給して、試料電極用整合回路と試料電極との間に設けた高周波センサにより試料電極に供給される高周波電圧Ｖ０及び電流Ｉ０を測定するステップと、
プラズマを発生させて試料をプラズマ処理している際に高周波センサにより試料電極に供給される高周波電圧Ｖ１及び電流Ｉ１を測定するステップと、
試料電極に流れる電荷移動にもとづく実質的な高周波電流をＩｒ＝Ｉ１−Ｉ０×Ｖ１／Ｖ０として求めるステップと、
前記高周波電流Ｉｒにもとづき処理条件を制御するステップとを有し、
前記Ｖ０、Ｉ０、Ｖ１、Ｉ１を測定するステップは、電圧及び電流をサンプリングして波形を取得するステップと、測定された高周波電圧波形及び電流波形をフーリエ変換して基本波成分Ｖ０１、Ｉ０１、Ｖ１１、Ｉ１１と高調波成分Ｖ０ｎ、Ｉ０ｎ、Ｖ１ｎ、Ｉ１ｎ（ｎは２、３、・・・で第ｎ次高調波を表す）とに分解するステップとを含み、Ｉｒ＝Ｉ１１−Ｉ０１×Ｖ１１／Ｖ０１＋ΣＩ１ｎとしてＩｒを求める（Σはｎ：２以上を加算）ステップであるプラズマ処理方法。
請求項１または２に記載のプラズマ処理方法であって、
前記処理条件を制御するステップは、前記高周波電流Ｉｒが所定の値となるように処理条件を制御するステップとを有するプラズマ処理方法。
請求項１乃至３のいずれかに記載のプラズマ処理方法であって、
前記処理条件を制御するステップは、
前記試料電極に供給する高周波電力を変化させるステップであるプラズマ処理方法。
請求項１乃至３のいずれかに記載のプラズマ処理方法であって、
前記処理条件を制御するステップは、
前記ガスの流量を変化させるステップであるプラズマ処理方法。
請求項１乃至５のいずれかに記載のプラズマ処理方法であって、
前記処理条件を制御するステップは、
試料を処理している間Ｉｒを時間積分した値が所定の値となった時点で処理を終了するステップを含むプラズマ処理方法。
請求項１乃至６のいずれかに記載のプラズマ処理方法であって、
前記プラズマは、プラズマ源に高周波電力を供給することによって前記真空容器内に発生せしめられるものであるプラズマ処理方法。
請求項７に記載のプラズマ処理方法であって、
前記処理条件を制御するステップは、プラズマ源に供給する高周波電力を変化させるステップであるプラズマ処理方法。
請求項１乃至８のいずれかに記載のプラズマ処理方法であって、
前記波形を取得するステップで取得されたサンプリング周波数が試料電極に供給する高周波電圧の基本周波数の第３次高調波を測定するに十分な周波数であり、前記高周波電流Ｉｒを求めるに際して少なくとも第３次高調波までを考慮するものであるプラズマ処理方法。
請求項１乃至８のいずれかに記載のプラズマ処理方法であって、
前記波形を取得するステップで取得されたサンプリング周波数が試料電極に供給する高周波電圧の基本周波数の第５次高調波を測定するに十分な周波数であり、前記高周波電流Ｉｒを求めるに際して少なくとも第５次高調波までを考慮するものであるプラズマ処理方法。
真空容器と、試料電極と、真空容器内にガスを供給するガス供給装置と、真空容器内を排気する排気装置と、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、試料電極に高周波電力を供給する試料電極用高周波電源と、試料電極のインピーダンス整合を図る試料電極用整合回路と、試料電極用整合回路と試料電極との間に設けられた高周波センサと、高周波センサの測定値をもとに試料電極に流れる電荷移動にもとづく実質的な高周波電流を算出する演算装置とを備えたプラズマ処理装置であって、
前記高周波センサが、電圧及び電流をサンプリングするサンプラ部を備え、演算部が、測定された高周波電圧波形及び電流波形をフーリエ変換して基本波成分Ｖ０１、Ｉ０１、Ｖ１１、Ｉ１１と高調波成分Ｖ０ｎ、Ｉ０ｎ、Ｖ１ｎ、Ｉ１ｎ（ｎは２、３、・・・で第ｎ次高調波を表す）とに分解する分解部と、試料電極に流れる電荷移動にもとづく実質的な高周波電流Ｉｒを、Ｉｒ＝Σ（Ｉ１ｎ−Ｉ０ｎ×Ｖ１ｎ／Ｖ０ｎ）として求める（Σはｎ：１以上を加算）加算部とを備えたプラズマ処理装置。
真空容器と、試料電極と、真空容器内にガスを供給するガス供給装置と、真空容器内を排気する排気装置と、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、試料電極に高周波電力を供給する試料電極用高周波電源と、試料電極のインピーダンス整合を図る試料電極用整合回路と、試料電極用整合回路と試料電極との間に設けられた高周波センサと、高周波センサの測定値をもとに試料電極に流れる電荷移動にもとづく実質的な高周波電流を算出する演算装置とを備えたプラズマ処理装置であって、
前記高周波センサが、電圧及び電流をサンプリングするサンプラ部を備え、演算部が、測定された高周波電圧波形及び電流波形をフーリエ変換して基本波成分Ｖ０１、Ｉ０１、Ｖ１１、Ｉ１１と高調波成分Ｖ０ｎ、Ｉ０ｎ、Ｖ１ｎ、Ｉ１ｎ（ｎは２、３、・・・で第ｎ次高調波を表す）とに分解する分解部と、試料電極に流れる電荷移動にもとづく実質的な高周波電流Ｉｒを、Ｉｒ＝Ｉ１１−Ｉ０１×Ｖ１１／Ｖ０１＋ΣＩ１ｎとして求める（Σはｎ：２以上を加算）加算部とを備えたプラズマ処理装置。
請求項１１または１２に記載のプラズマ処理装置であって、
さらにプラズマ源と、プラズマ源に高周波電力を供給するプラズマ源用高周波電源とを備えたプラズマ処理装置。
請求項１１乃至１３のいずれかに記載のプラズマ処理装置であって、
サンプリング周波数が試料電極に供給する高周波電圧の基本周波数の第３次高調波を測定するに十分な周波数であり、前記高周波電流Ｉｒを求めるに際して少なくとも第３次高調波までを考慮するプラズマ処理装置。
請求項１１乃至１３のいずれかに記載のプラズマ処理装置であって、
サンプリング周波数が試料電極に供給する高周波電圧の基本周波数の第５次高調波を測定するに十分な周波数であり、前記高周波電流Ｉｒを求めるに際して少なくとも第５次高調波までを考慮するプラズマ処理装置。