JP5116463B2 - プラズマドーピング方法及び装置 - Google Patents
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Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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。
【背景技術】
【０００２】
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１１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１１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Ｂ２Ｈ６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ターボ分子ポンプ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５１より、誘電体窓としての石英板５２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５３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）５４が形成される。試料電極６には、コンデンサ５５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５６から真空容器１内に導入され、排気口１１からターボ分子ポンプ３へ排気される。
【０００３】
この構成のプラズマ処理装置において、ガス導入口５６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５１及び電磁石５３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５４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。
【０００４】
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１２は、その一例を示す装置の概略構成である。図１２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Ｂ２Ｈ６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ターボ分子ポンプ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５５、高周波変流器５８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５８を介して、電流計５９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５７が設けられ、対向電極５７は接地される（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
このようにして不純物イオンが導入された試料９の上に金属配線層を形成した後、所定の酸化雰囲気の中において金属配線層の上に薄い酸化膜を形成し、その後、ＣＶＤ装置等により試料９上にゲート電極を形成すると、例えばＭＯＳトランジスタが得られる。ただし、トランジスタの形成には、プラズマドーピング処理によって不純物イオンを導入した後、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、ＲＴＡ（急速加熱アニール）、Ｓｐｉｋｅ ＲＴＡ（スパイク急速加熱アニール）、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、不純物イオン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。不純物イオンを導入した極薄い層を効果的に加熱するには、不純部イオンを導入する前に、不純物イオン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、既に本件発明者らによって提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許４９１２０６５号明細書
【特許文献２】
特許２７１８９２６号公報
【非特許文献１】
Ｙ．Ｓａｓａｋｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｂ２Ｈ６ Ｐｌａｓｍａ Ｄｏｐｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｉｎ−ｓｉｔｕ Ｈｅ Ｐｒｅ−ａｍｏｒｐｈｙｚａｔｉｏｎ”，２００４ Ｓｙｍｐｏｓｉａ ｏｎ ＶＬＳＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来方法では、高周波電流を制御するために高周波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９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、試料電極に供給される高周波電流は、イオンや電子などの荷電粒子の移動を伴わない、所謂変位電流成分をも含んでいるため、試料に入射するイオンの量を正しく反映しない場合があり、不純物濃度を正確に制御できないという問題があった。
【０００８】
また、特許文献２では、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）放電においても同様の結果が与えられたとされているが、ＥＣＲ放電に代表される高密度プラズマを用いる場合、高周波電流が同じでも、真空容器内に供給されるマイクロ波電力の大きさが異なると、電子密度、プラズマ中のボロンイオン密度が異なる状態でドーピング処理が行われることとなり、同一のドーピング濃度が得られないという問題がある。
【０００９】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング方法及び装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで本発明は、真空容器内にプラズマを発生させ、プラズマ中の不純物を試料の表面
に衝突させて試料の表面に不純物を導入するプラズマドーピング方法であって、ダミー部を含む第１の試料にプラズマドーピングにより不純物を導入する工程と、前記ダミー試料のみに選択的にエネルギーを付与する工程と、前記ダミー試料に導入された前記不純物に対応する第１の物理量を測定する工程と、第１の物理量と基準値とを比較することにより、前記第１の試料に続いてプラズマドーピングが行われる第２の試料の第２の物理量が、あらかじめ決定された所定の値となるように、第２の試料を処理するプラズマドーピングの条件を制御する工程とを含むことを特徴とする。
また、本発明のプラズマドーピング装置は、真空容器と、試料電極と、前記真空容器内にガスを供給するガス供給手段と、前記真空容器内を排気する排気手段と、前記真空容器内の圧力を制御する圧力制御手段と、前記試料にプラズマを供給するプラズマ供給手段と試料電極に電力を供給する試料電極用電源とを備えたプラズマドーピング室と、前記試料にエネルギーを付与するエネルギー供給手段と、前記試料の物理量を測定する物理量測定手段と、測定された前記物理量に基づき格納された処理レシピにおいて、前記試料電極に供給する電力、前記ガスの流量、前記プラズマ供給手段に供給する高周波電力、または処理時間を変化させるソフトウェアと、を備えたことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１実施の形態で用いたプラズマドーピング室の構成を示す断面図
【図２】本発明の第１実施の形態におけるプラズマドーピング装置の全体構成を示す平面図
【図３】本発明の第１実施の形態におけるランプアニール方式の加熱室の構成を示す断面図
【図４】本発明の第１実施の形態におけるレーザーアニール方式の加熱室の構成を示す断面図
【図５】本発明の第１実施の形態におけるシート抵抗測定器の概略構成を示す斜視図
【図６】本発明の第２実施の形態におけるシリコン基板の平面図
【図７】本発明の第２実施の形態におけるランプアニール方式の加熱室の構成を示す断面図
【図８】本発明の第３実施の形態におけるプラズマドーピング装置の全体構成を示す平面図
【図９】本発明の第３実施の形態におけるＸ線分析室の構成を示す断面図
【図１０】本発明の第４実施の形態におけるプラズマドーピング室の構成を示す断面図
【図１１】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
【図１２】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】
【００３５】
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 高周波電源
６ 試料電極
７ 誘電体窓
８ コイル
９ 基板
１０ 高周波電源
１１ 排気口
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に本発明の実施の形態について説明する。
説明に先立ちまず、本発明の概念について説明する。
【００１１】
まず本発明のプラズマドーピング方法は、所定数の試料とともに、ダミー試料にプラズマドーピングにより前記不純物イオンを導入し、このダミー試料に所望のエネルギーを付与することによりダミー試料中の前記不純物イオンの量に対応する物理量を測定可能な状態にし、この物理量が、あらかじめ決定された所定の値となるように試料を処理する条件を制御するようにしている。
【００１１】
この構成により、プラズマドーピング条件に影響を与えることなく、導入された不純物イオンを精度よく測定することができ、この測定値に基づいて処理条件を制御するようにしているため、高精度のプラズマドーピングが可能となる。
【００１２】
本発明のプラズマドーピング方法は、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、試料電極に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の表面に不純物を導入するプラズマドーピング方法であって、所定数の試料を処理するたびに、ダミー試料をプラズマドーピング処理し、プラズマドーピング処理されたダミー試料を加熱し、加熱されたダミー試料のシート抵抗を測定し、測定されたダミー試料のシート抵抗値が所定の値となるように試料を処理する条件を制御することを特徴とする。
この構成により、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング方法を実現することができる。
【００１３】
本発明のプラズマドーピング方法は、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、試料電極に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の表面に不純物を導入するプラズマドーピング方法であって、所定数の試料を処理するたびに、ダミー試料をプラズマドーピング処理し、プラズマドーピング処理されたダミー試料を加熱し、加熱されたダミー試料のシート抵抗を測定し、測定されたダミー試料のシート抵抗値が所定の値となるように試料を処理する条件を制御することを特徴とする。
この構成により、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング方法を実現することができる。
【００１４】
本発明のプラズマドーピング方法において、シート抵抗値が所定の値となるように試料を処理する条件を制御する際に、試料電極に供給する電力を変化させることが望ましい。あるいは、不純物元素を含むガスの流量を変化させてもよい。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。あるいは、処理時間を変化させてもよい。
この構成により、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング方法を実現することができる。
【００１５】
本発明のプラズマドーピング方法は、試料がシリコンよりなる半導体基板である場合に、特に有用なプラズマドーピング方法である。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。
【００１６】
本発明のプラズマドーピング方法において、好適には、ダミー試料を加熱する際に、ダミー試料全体を高温炉内に投入することが望ましい。あるいは、ダミー試料の表面にレーザー光を照射してもよい。あるいは、ダミー試料の表面にランプの放射光を照射してもよい。
この構成により、再現性に優れた活性化が行われるため、不純物濃度の制御性をより高めることができる。
【００１７】
また、好適には、ダミー試料を加熱する際に、ダミー試料を不活性ガス雰囲気で加熱することが望ましい。
【００１８】
この構成により、ダミー試料の好ましくない変質、例えば酸化などを抑制できるため、再現性に優れた活性化が行われ、不純物濃度の制御性をより高めることができる。
【００１９】
また、好適には、ダミー試料が、試料のデバイスとしては不要となる部分に設けられた試料の一部分であることが望ましい。
この構成により、３００ｍｍシリコン基板などのような高価な試料を処理する際に、ダミー試料にかかるコストを最小限に抑制することができる。
【００２０】
本発明のプラズマドーピング方法は、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、試料電極に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の表面に不純物を導入するプラズマドーピング方法であって、所定数の試料を処理するたびに、ダミー試料をプラズマドーピング処理し、プラズマドーピング処理されたダミー試料に低エネルギーの電子ビームを照射し、ダミー試料から放射されるＸ線を検出し、検出された所定波長のＸ線量またはＸ線量から算出されたドーズ量が所定の値となるように、試料を処理する条件を制御することを特徴とする。
この構成により、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング方法を実現することができる。
【００２１】
本発明のプラズマドーピング方法は、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、試料電極に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の表面に不純物を導入するプラズマドーピング方法であって、所定数の試料を処理するたびに、ダミー試料をプラズマドーピング処理し、プラズマドーピング処理されたダミー試料に低エネルギーの電子ビームを照射し、ダミー試料から放射されるＸ線を検出し、検出された所定波長のＸ線量またはＸ線量から算出されたドーズ量が所定の値となるように、試料を処理する条件を制御することを特徴とする。
この構成により、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング方法を実現することができる。
【００２２】
本発明のプラズマドーピング方法において、好適には、Ｘ線量またはドーズ量が所定の値となるように試料を処理する条件を制御する際に、試料電極に供給する電力を変化させることが望ましい。あるいは、不純物元素を含むガスの流量を変化させてもよい。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。あるいは、処理時間を変化させてもよい。
この構成により、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング方法を実現することができる。
【００２３】
本発明のプラズマドーピング方法は、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ドーピング方法である。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。
【００２４】
本発明のプラズマドーピング方法において、好適には、電子ビームのエネルギーが２００ｅＶ以上９ｋｅＶ以下であることが望ましい。
この構成により、十分な検出感度を確保しつつ、試料へのダメージを少なくすることができる。
【００２５】
また、好適には、ダミー試料が、試料のデバイスとしては不要となる部分に設けられた試料の一部分であることが望ましい。
この構成により、３００ｍｍシリコン基板などのような高価な試料を処理する際に、ダミー試料にかかるコストを最小限に抑制することができる。
【００２６】
本発明のプラズマドーピング装置は、真空容器、試料電極、真空容器内にガスを供給するガス供給装置、真空容器内を排気する排気装置、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置、及び、試料電極に電力を供給する試料電極用電源を備えたプラズマドーピング室と、試料台、及び、試料加熱装置を備えた加熱室と、試料台、及び、シート抵抗測定器を備えたシート抵抗測定室とから成ることを特徴とする。
この構成により、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング装置を実現することができる。
【００２７】
本発明のプラズマドーピング装置は、真空容器、試料電極、真空容器内にガスを供給するガス供給装置、真空容器内を排気する排気装置、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置、プラズマ源、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、及び、試料電極に電力を供給する試料電極用電源を備えたプラズマドーピング室と、試料台、及び、試料加熱装置を備えた加熱室と、試料台、及び、シート抵抗測定器を備えたシート抵抗測定室とから成ることを特徴とする。
この構成により、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング装置を実現することができる。
【００２８】
本発明のプラズマドーピング装置において、好適には、試料加熱装置が高温炉であることが望ましい。あるいは、レーザー光を放射するレーザーアニール装置であってもよい。あるいは、試料の一部分のみにレーザー光を放射するレーザーアニール装置であってもよい。あるいは、ランプの放射光を放射するランプアニール装置であってもよい。あるいは、試料の一部分のみにランプの放射光を放射するランプアニール装置であってもよい。
この構成により、再現性に優れた活性化が行われるため、不純物濃度の制御性をより高めることができる。
【００２９】
また、好適には、加熱室が、加熱室内に不活性ガスを供給するガス供給装置を備えることが望ましい。
この構成により、ダミー試料の好ましくない変質、例えば酸化などを抑制できるため、再現性に優れた活性化が行われ、不純物濃度の制御性をより高めることができる。
【００３０】
本発明のプラズマドーピング装置は、真空容器、試料電極、真空容器内にガスを供給するガス供給装置、真空容器内を排気する排気装置、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置、及び、試料電極に電力を供給する試料電極用電源を備えたプラズマドーピング室と、試料台、電子線源、及び、Ｘ線検出器を備えたＸ線分析室とから成ることを特徴とする。
この構成により、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング装置を実現することができる。
【００３１】
本発明のプラズマドーピング装置は、真空容器、試料電極、真空容器内にガスを供給するガス供給装置、真空容器内を排気する排気装置、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置、プラズマ源、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、及び、試料電極に電力を供給する試料電極用電源を備えたプラズマドーピング室と、試料台、電子線源、及び、Ｘ線検出器を備えたＸ線分析室とから成ることを特徴とする。
この構成により、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング装置を実現することができる。
【００３２】
本発明のプラズマドーピング装置は、真空容器、試料電極、真空容器内にガスを供給するガス供給装置、真空容器内を排気する排気装置、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置、試料電極に電力を供給する試料電極用電源、電子線源、及び、Ｘ線検出器を備えたことを特徴とする。
この構成により、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング装置を実現することができる。
【００３３】
本発明のプラズマドーピング装置は、真空容器、試料電極、真空容器内にガスを供給するガス供給装置、真空容器内を排気する排気装置、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置、プラズマ源、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、試料電極に電力を供給する試料電極用電源、電子線源、及び、Ｘ線検出器を備えたことを特徴とする。
この構成により、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング装置を実現することができる。
【００３６】
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５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ドーピング装置のプラズマドーピング室の断面図を示す。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、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。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。このようにして、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の表面を非晶質化したり、不純物を導入したりすることができる。なお、ガス供給装置２から供給されたガスは、排気口１１からターボ分子ポンプ３へ排気される。ターボ分子ポンプ３及び排気口１１は、試料電極６の直下に配置されており、また、調圧弁４は、試料電極６の直下で、かつ、ターボ分子ポンプ３の直上に位置する昇降弁である。試料電極６は、４本の支柱１２により、真空容器１に固定されている。
【００３７】
基板９を試料電極６に載置した後、試料電極６の温度を２５℃に保ちながら、真空容器１内を排気口１１から排気しつつ、ガス供給装置２より真空容器１内にヘリウムガスを５０ｓｃｃｍ供給し、調圧弁４を制御して真空容器１内の圧力を１Ｐａに保つ。次に、プラズマ源としてのコイル８に高周波電力を８００Ｗ供給することにより、真空容器１内にプラズマを発生させるとともに、試料電極６の台座に２００Ｗの高周波電力を供給することにより、シリコン基板９の表面の結晶層を非晶質化することができた。
【００３８】
次いで、試料電極６の温度を２５℃に保ちつつ、真空容器１内にヘリウム（Ｈｅ）ガス及びＢ２Ｈ６ガスをそれぞれ１００ｓｃｃｍ、１ｓｃｃｍ供給し、真空容器１内の圧力を
０．５Ｐａに保ちながらコイル８に高周波電力を１０００Ｗ供給することにより、真空容器１内にプラズマを発生させるとともに、試料電極６に２５０Ｗの高周波電力を供給することにより、ボロンを基板９の表面近傍に導入することができた。
【００３９】
図２は、プラズマドーピング装置の全体構成を示す平面図である。図２において、ローダ室１３内に試料を載置した後、ローダ室１３を排気して真空状態にする。第１トランスファ室１４ａとローダ室１３の間に設けたゲート１５を開き、第１トランスファ室１４内の搬送アームＡを操作して、試料を第１トランスファ室１４内に移動させる。次いで、同様にゲート１５を適切に開閉するとともに、搬送アームＡを操作して、プラズマドーピング室１６に試料を移動させ、前述のように非晶質化処理及びプラズマドーピング処理を行う。次に、試料をプラズマドーピング室１６から第２トランスファ室１４ｂに移動させ、さらに、試料をアンローダ室１９に移動させ、試料を取り出す。
【００４０】
一方、不純物濃度を正確に制御するために、ダミー試料を用いて不純物濃度をモニタした。同一の処理条件で不純物濃度が変化する原因としては、真空容器内壁へのガスや堆積物の付着、高周波電源の特性変化などがあり、容易には特定できない。さて、ここでは、ダミー試料を、２５枚の試料を処理するたびに投入した。ダミー試料としては、デバイスを形成するための試料とほぼ同じ大きさの単結晶シリコン基板を用いた。ダミー試料にはレジストなどのパターニングは施さず、試料表面の全体に非晶質化及びドーピング処理を施した。まず、図２において、ローダ室１３内にダミー試料を載置した後、ローダ室１３を排気して真空状態にする。第１トランスファ室１４ａとローダ室１３の間に設けたゲート１５を開き、第１トランスファ室１４内の搬送アームＡを操作して、ダミー試料を第１トランスファ室１４内に移動させる。次いで、同様にゲート１５を適切に開閉するとともに、搬送アームＡを操作して、プラズマドーピング室１６にダミー試料を移動させ、その直前に試料を処理した条件にて非晶質化処理及びプラズマドーピング処理を行う。次に、ダミー試料をプラズマドーピング室１６から第２トランスファ室１４ｂに移動させ、さらに、ダミー試料を加熱室１７に移動させる。
【００４１】
図３は、ランプアニール方式の加熱室の構成を示す断面図である。図３において、加熱室１７内に設けられた試料台２０上に、ダミー試料２１を載置する。試料加熱装置としてのランプ２３から発せられた赤外線光は、窓２２を通してダミー試料２１の表面に照射される。ランプ２３の一例としては、タングステンハロゲンランプを用いることができる。試料９の温度が１１００℃となるようにランプ光照射条件を設定し、３分間１１００℃に保持する条件にて活性化を行った。
【００４２】
加熱室は、図４に示すようなレーザーアニール方式であってもよい。図４において、加熱室１７内に設けられた試料台２４上に、ダミー試料２１を載置する。試料加熱装置としてのレーザー光源２５より発せられたレーザー光は、ミラー２６によりビームの向きが制御され、窓２７を介してダミー試料２１の表面に照射される。
【００４３】
あるいは、加熱室は、セラミックスヒーターなどを利用した高温炉であってもよい。ランプやレーザーを用いる場合は、ダミー試料に対してパルス的にエネルギーを与えることにより、ダミー試料のごく表面のみを高温に加熱することもできるが、高温炉を用いる場合は、ダミー試料全体が加熱される。高温炉は安価であるという利点がある。
加熱による活性化処理が施されたダミー試料は、図２において再び第２トランスファ室１４ｂに移動し、次いでシート抵抗測定室１８に移動させる。
【００４４】
図５は、シート抵抗測定室１８内に設けられたシート抵抗測定器の概略構成を示す斜視図である。図５において、ダミー試料２１の表面に、４本の探針２８を直線状に配置し、外側の２本を定電流源２９に接続して、ダミー試料２１に電流を印加したときの内側の２本の探針間の電圧を電圧計３０によって測定する。より正確には、ダミー試料２１に押し当てた外側の２本の探針間に正逆両方に印加した印加電流値Ｉ、およびこのときの内側の２本の探針間の電位差測定値Ｖの平均値を求め、次式によって、ダミー試料のシート抵抗Ｒを算出する。
Ｒ＝Ｖ／Ｉ
【００４５】
所望の不純物濃度を得るには、所定の加熱処理によって活性化された場合のシート抵抗値が所望の値となっていることが必要である。そこで、２５枚の試料を処理するたびに、ダミー試料をプラズマドーピング処理し、プラズマドーピング処理されたダミー試料を加熱し、加熱されたダミー試料のシート抵抗を測定し、測定されたダミー試料のシート抵抗値が所定の値となるように試料を処理する条件を制御した。具体的には、ダミー試料のシート抵抗値が、所望の値よりも小さかった場合には、次の２５枚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。
【００４６】
逆に、ダミー試料のシート抵抗値が、所望の値よりも大きかった場合には、次の２５枚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。
【００４７】
試料電極に供給する電力、不純物元素を含むガスの流量、プラズマ源に供給する高周波電力、あるいは、処理時間をどのように変化させるかについては、標準的な非晶質化条件、ドーピング条件において、これらの各制御パラメータを変化させた場合にシート抵抗値がどの程度変化するかをあらかじめ実験的に求めておけばよい。これらの各制御パラメータを変化させるには、図示していない装置の制御系に格納されている処理レシピが自動的に書き換わるようなソフトウエアを構築しておけばよい。
この構成により、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング方法を実現することができた。
【００４８】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について、図６から図７を参照して説明する。
実施の形態１では、ダミー試料として、デバイスを形成するための試料とほぼ同じ大きさの単結晶シリコン基板を用いた場合について例示した。しかし、この構成の場合、３００ｍｍシリコン基板などのような高価な試料を処理する際に、ダミー試料にかかるコストが高くなるという欠点がある。コストを抑制するために、例えば試料を１００枚処理するたびにダミー試料を処理するなどして、ダミー試料を投入する頻度を下げる方法が考えられるが、不純物濃度の制御性が損なわれるという別の欠点が生じる。
【００４９】
こうした問題を解決する方法として、ダミー試料が、試料のデバイスとしては不要となる部分に設けられた試料の一部分であるような構成とすることが考えられる。この構成により、３００ｍｍシリコン基板などのような高価な試料を処理する際に、ダミー試料にかかるコストを最小限に抑制することができる。また、全部の試料の一部にダミー試料を準備しておけば、不純物濃度の制御性が極めて高くなる。つまり、１枚ごとに処理条件を微調整することが可能となる。
【００５０】
図６に、実施の形態２において用いた試料及びダミー試料としてのシリコン基板の平面図を示す。試料９には、後に分断されて半導体素子となるチップ部３１が多数設けられており、チップ部３１はレジスト等により、不純物を導入するための開口が準備されている。一般に、半導体基板は円形であるのに対し、素子は四角である。このため、基板の周辺部にはチップ部を設けることができない部分が存在している。この部分の一部を、ダミー試料３２として利用することができる。ダミー試料３２には、レジスト等は形成されておらず、ダミー試料３２全体に非晶質化及びプラズマドーピング処理が施される。
【００５１】
このような基板を用いて、非晶質化及びプラズマドーピング処理を行った後、図７に示すような加熱室１７にて、部分的な加熱処理を行う。図７において、加熱室１７内に設けられた試料台２０上に、試料９を載置する。試料加熱装置としてのランプ２３から発せられた赤外線光は、窓２２を通して試料９の表面の一部に照射される。このとき、ランプ光がダミー試料のみに照射されるよう、マスク３３で試料９を覆っておく。フラッシュランプ等の技術を用いることにより、チップ部をほとんど加熱することなく、ダミー試料のごく表面のみを１０００℃以上に加熱することができる。もちろん、部分的な加熱処理を行う方法として、レーザーアニール法を用いることもできる。この場合、図４のような構成の加熱室を利用して、ミラー２６によってダミー試料のみにレーザーが照射されるようにすればよい。
【００５２】
なお、ダミー試料は不活性ガス雰囲気で加熱することが望ましい。そうすることで、ダミー試料の好ましくない変質、例えば酸化などを抑制できるため、再現性に優れた活性化が行われ、不純物濃度の制御性をより高めることができる。このような処理を行うためには、加熱室に、加熱室内に不活性ガスを供給するためのガス供給装置を備える構成とすることが望ましい。あるいは、真空中で加熱しても同様の効果が得られる。
【００５３】
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図８から図９を参照して説明する。
プラズマドーピング装置のプラズマドーピング室については、既に本発明の実施の形態１において説明した図１と同じであるので、ここでは説明を省略する。
図８は、プラズマドーピング装置の全体構成を示す平面図である。図８において、ローダ室１３内に試料を載置した後、ローダ室１３を排気して真空状態にする。第１トランスファ室１４ａとローダ室１３の間に設けたゲート１５を開き、第１トランスファ室１４内の搬送アームＡを操作して、試料を第１トランスファ室１４内に移動させる。次いで、同様にゲート１５を適切に開閉するとともに、搬送アームＡを操作して、プラズマドーピング室１６に試料を移動させ、非晶質化処理及びプラズマドーピング処理を行う。次に、試料をプラズマドーピング室１６から第２トランスファ室１４ｂに移動させ、さらに、試料をアンローダ室１９に移動させ、試料を取り出す。
【００５４】
一方、不純物濃度を正確に制御するために、ダミー試料を用いて不純物濃度をモニタした。同一の処理条件で不純物濃度が変化する原因としては、真空容器内壁へのガスや堆積物の付着、高周波電源の特性変化などがあり、容易には特定できない。さて、ここでは、ダミー試料を、２５枚の試料を処理するたびに投入した。ダミー試料としては、デバイスを形成するための試料とほぼ同じ大きさの単結晶シリコン基板を用いた。ダミー試料にはレジストなどのパターニングは施さず、試料表面の全体に非晶質化及びドーピング処理を施した。
【００５５】
まず、図８において、ローダ室１３内にダミー試料を載置した後、ローダ室１３を排気して真空状態にする。第１トランスファ室１４ａとローダ室１３の間に設けたゲート１５を開き、第１トランスファ室１４内の搬送アームＡを操作して、ダミー試料を第１トランスファ室１４内に移動させる。次いで、同様にゲート１５を適切に開閉するとともに、搬送アームＡを操作して、プラズマドーピング室１６にダミー試料を移動させ、その直前に試料を処理した条件にて非晶質化処理及びプラズマドーピング処理を行う。
【００５６】
次に、ダミー試料をプラズマドーピング室１６から第２トランスファ室１４ｂに移動させ、さらに、ダミー試料をＸ線分析室３４に移動させる。
図９は、Ｘ線分析室３４の構成を示す断面図である。図９において、Ｘ線分析室３４内に設けられた試料台３５上に、ダミー試料２１を載置する。電子線源３６から照射された電子ビーム３７は、ダミー試料２１の表面１０ｎｍ〜１００ｎｍほどの深さにドーピングされた不純物元素を励起する。例えば、電子ビームによって不純物としてのボロン元素のＫ核電子が原子の外に飛び出る。すると、Ｌ核電子がＫ核に落ちて緩和される過程において、Ｌ核とＫ核のエネルギー準位差に相当するエネルギーをもった特性Ｘ線３８が放射される。ボロンの場合、特性Ｘ線３８の波長はおよそ６５オングストロームである。この特性Ｘ線３８の線量を、アナライザ３９、ディテクタ４０から成る検出器を用いて検出することにより、ダミー試料の表面にドーピングされたボロンなどの不純物濃度（ドーズ量）を知ることができる。
【００５７】
なお、この低エネルギー電子ビーム励起Ｘ線分析法によれば、原子番号４〜９５の多岐に渡る元素を検出することが可能である。なお、電子ビームのエネルギーは、２００ｅＶ以上９ｋｅＶ以下とすることが好ましい。２００ｅＶ未満である場合、十分な検出感度が得られない恐れがある。逆に９ｋｅＶより大きい場合、ダミー試料が割れたり、ダミー試料の表面が蒸発してＸ線分析室の内壁にダミー試料を構成する物質が付着したりするなどの不都合が生じる恐れがある。
【００５８】
ドーズ量を計測されたダミー試料は、図８において再び第２トランスファ室１４ｂに移動し、次いでアンローダ室１９に移動させ、装置から取り出す。
所望の不純物濃度を得るには、Ｘ線量またはＸ線量から算出されたドーズ量が所望の値となっていることが必要である。そこで、２５枚の試料を処理するたびに、ダミー試料をプラズマドーピング処理し、プラズマドーピング処理されたダミー試料に低エネルギーの電子ビームを照射し、ダミー試料から放射されるＸ線を検出し、検出された所定波長のＸ線量またはＸ線量から算出されたドーズ量が所定の値となるように試料を処理する条件を制御した。具体的には、ダミー試料のＸ線量またはドーズ量が、所望の値よりも大きかった場合には、次の２５枚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。
【００５９】
逆に、ダミー試料のＸ線量またはドーズ量が、所望の値よりも小さかった場合には、次の２５枚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。
【００６０】
試料電極に供給する電力、不純物元素を含むガスの流量、プラズマ源に供給する高周波電力、あるいは、処理時間をどのように変化させるかについては、標準的な非晶質化条件、ドーピング条件において、これらの各制御パラメータを変化させた場合にＸ線量またはドーズ量がどの程度変化するかをあらかじめ実験的に求めておけばよい。これらの各制御パラメータを変化させるには、図示していない装置の制御系に格納されている処理レシピが自動的に書き換わるようなソフトウエアを構築しておけばよい。
この構成により、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング方法を実現することができた。
【００６１】
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４について、図１０を参照して説明する。
図１０に、本発明の実施の形態４において用いたプラズマドーピング装置のプラズマドーピング室の断面図を示す。図１０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、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。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。
【００６２】
このようにして、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の表面を非晶質化したり、不純物を導入したりすることができる。なお、ガス供給装置２から供給されたガスは、排気口１１からターボ分子ポンプ３へ排気される。ターボ分子ポンプ３及び排気口１１は、試料電極６の直下に配置されており、また、調圧弁４は、試料電極６の直下で、かつ、ターボ分子ポンプ３の直上に位置する昇降弁である。試料電極６は、４本の支柱１２により、真空容器１に固定されている。
【００６３】
基板９を試料電極６に載置した後、試料電極６の温度を２５℃に保ちながら、真空容器１内を排気口１１から排気しつつ、ガス供給装置２より真空容器１内にヘリウムガスを５０ｓｃｃｍ供給し、調圧弁４を制御して真空容器１内の圧力を１Ｐａに保つ。次に、プラズマ源としてのコイル８に高周波電力を８００Ｗ供給することにより、真空容器１内にプラズマを発生させるとともに、試料電極６の台座に２００Ｗの高周波電力を供給することにより、シリコン基板９の表面の結晶層を非晶質化することができた。
【００６４】
次いで、試料電極６の温度を２５℃に保ちつつ、真空容器１内にヘリウム（Ｈｅ）ガス及びＢ２Ｈ６ガスをそれぞれ１００ｓｃｃｍ、１ｓｃｃｍ供給し、真空容器１内の圧力を０．５Ｐａに保ちながらコイル８に高周波電力を１０００Ｗ供給することにより、真空容器１内にプラズマを発生させるとともに、試料電極６に２５０Ｗの高周波電力を供給することにより、ボロンを基板９の表面近傍に導入することができた。
【００６５】
プラズマドーピング室には、ドーズ量（不純物濃度）を算出するために試料から放射されるＸ線を測定する装置として、アナライザ３９、ディテクタ４０から成る検出器が備えられている。その動作については、本発明の実施の形態３で述べたので、ここでは説明を省略する。
【００６６】
このようにして測定されたＸ線量またはＸ線量から算出されたドーズ量が所定の値となるように試料を非晶質化処理する条件を制御することにより、試料表面に形成される非晶質層の厚さの制御性に優れたプラズマドーピング方法を実現することができる。
【００６７】
一般に、試料の表面には非晶質化及び不純物導入を行う部分がレジスト等により開口されているが、Ｘ線量またはＸ線量から算出されたドーズ量を測定しやすいように、広めの開口部を設けておく（開口部がダミー試料となる）。そして、Ｘ線量またはドーズ量が、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。
【００６８】
逆に、Ｘ線量またはドーズ量が、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。
【００６９】
試料電極に供給する電力、ガスの流量、プラズマ源に供給する高周波電力、あるいは、処理時間をどのように変化させるかについては、標準的な非晶質化条件、ドーピング条件において、これらの各制御パラメータを変化させた場合にＸ線量またはドーズ量がどの程度変化するかをあらかじめ実験的に求めておけばよい。これらの各制御パラメータを変化させるには、図示していない装置の制御系に格納されている処理レシピが自動的に書き換わるようなソフトウエアを構築しておけばよい。
【００７０】
このようにして、再現性に優れたプラズマドーピング処理を実現することができる。このように、電子線源及びＸ線検出器が、真空容器内の試料電極に載置された試料に向けて低エネルギーの電子ビームを照射する構成となっていることで、ドーズ量を測定するための特別な処理室が不要となり、生産性を高めることが可能となる。
【００７１】
以上述べた方法は、ダミー試料が、試料のデバイスとしては不要となる部分に設けられた試料の一部分であるような構成である。この構成により、３００ｍｍシリコン基板などのような高価な試料を処理する際に、ダミー試料にかかるコストを最小限に抑制することができる。また、全部の試料の一部にダミー試料を準備しておけば、不純物濃度の制御性が極めて高くなる。つまり、１枚ごとに処理条件を微調整することが可能となる。
【００７２】
なお、レジストを形成していない基板をダミー試料として用いてもよいことは、いうまでもない。
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。
【００７３】
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９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。
【００７４】
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ドーピング方法である。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。
【００７５】
また、ドーピング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シート抵抗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。
【００７６】
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する場合を例示したが、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、加熱室とシート抵抗測定室を別個に設ける場合を例示したが、シート抵抗測定器を加熱室内に設けてもよい。
また、装置全体の構成にもさまざまなバリエーションが考えられることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明の非晶質化方法及び装置は、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング方法及び装置を提供できる。したがって、半導体の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の製造や、各種材料の表面改質等の用途にも適用可能である。
【０００１】
本発明は、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。
【背景技術】
【０００２】
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１１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１１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Ｂ２Ｈ６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ターボ分子ポンプ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５１より、誘電体窓としての石英板５２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５３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）５４が形成される。試料電極６には、コンデンサ５５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５６から真空容器１内に導入され、排気口１１からターボ分子ポンプ３へ排気される。
【０００３】
この構成のプラズマ処理装置において、ガス導入口５６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５１及び電磁石５３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５４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。
【０００４】
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１２は、その一例を示す装置の概略構成である。図１２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Ｂ２Ｈ６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ターボ分子ポンプ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５５、高周波変流器５８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５８を介して、電流計５９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５７が設けられ、対向電極５７は接地される（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
このようにして不純物イオンが導入された試料９の上に金属配線層を形成した後、所定の酸化雰囲気の中において金属配線層の上に薄い酸化膜を形成し、その後、ＣＶＤ装置等により試料９上にゲート電極を形成すると、例えばＭＯＳトランジスタが得られる。ただし、トランジスタの形成には、プラズマドーピング処理によって不純物イオンを導入した後、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、ＲＴＡ（急速加熱アニール）、Ｓｐｉｋｅ ＲＴＡ（スパイク急速加熱アニール）、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、不純物イオン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。不純物イオンを導入した極薄い層を効果的に加熱するには、不純部イオンを導入する前に、不純物イオン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、既に本件発明者らによって提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許４９１２０６５号明細書
【特許文献２】
特許２７１８９２６号公報
【非特許文献１】
Ｙ．Ｓａｓａｋｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｂ２Ｈ６ Ｐｌａｓｍａ Ｄｏｐｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｉｎ−ｓｉｔｕ Ｈｅ Ｐｒｅ−ａｍｏｒｐｈｙｚａｔｉｏｎ”，２００４ Ｓｙｍｐｏｓｉａ ｏｎ ＶＬＳＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来方法では、高周波電流を制御するために高周波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９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、試料電極に供給される高周波電流は、イオンや電子などの荷電粒子の移動を伴わない、所謂変位電流成分をも含んでいるため、試料に入射するイオンの量を正しく反映しない場合があり、不純物濃度を正確に制御できないという問題があった。
【０００８】
また、特許文献２では、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）放電においても同様の結果が与えられたとされているが、ＥＣＲ放電に代表される高密度プラズマを用いる場合、高周波電流が同じでも、真空容器内に供給されるマイクロ波電力の大きさが異なると、電子密度、プラズマ中のボロンイオン密度が異なる状態でドーピング処理が行われることとなり、同一のドーピング濃度が得られないという問題がある。
【０００９】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング方法及び装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで本発明は、真空容器内にプラズマを発生させ、プラズマ中の不純物を試料の表面
に衝突させて試料の表面に不純物を導入するプラズマドーピング方法であって、ダミー部を含む第１の試料にプラズマドーピングにより不純物を導入する工程と、前記ダミー試料のみに選択的にエネルギーを付与する工程と、前記ダミー試料に導入された前記不純物に対応する第１の物理量を測定する工程と、第１の物理量と基準値とを比較することにより、前記第１の試料に続いてプラズマドーピングが行われる第２の試料の第２の物理量が、あらかじめ決定された所定の値となるように、第２の試料を処理するプラズマドーピングの条件を制御する工程とを含むことを特徴とする。
また、本発明のプラズマドーピング装置は、真空容器と、試料電極と、前記真空容器内にガスを供給するガス供給手段と、前記真空容器内を排気する排気手段と、前記真空容器内の圧力を制御する圧力制御手段と、前記試料にプラズマを供給するプラズマ供給手段と試料電極に電力を供給する試料電極用電源とを備えたプラズマドーピング室と、前記試料にエネルギーを付与するエネルギー供給手段と、前記試料の物理量を測定する物理量測定手段と、測定された前記物理量に基づき格納された処理レシピにおいて、前記試料電極に供給する電力、前記ガスの流量、前記プラズマ供給手段に供給する高周波電力、または処理時間を変化させるソフトウェアと、を備えたことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１実施の形態で用いたプラズマドーピング室の構成を示す断面図
【図２】本発明の第１実施の形態におけるプラズマドーピング装置の全体構成を示す平面図
【図３】本発明の第１実施の形態におけるランプアニール方式の加熱室の構成を示す断面図
【図４】本発明の第１実施の形態におけるレーザーアニール方式の加熱室の構成を示す断面図
【図５】本発明の第１実施の形態におけるシート抵抗測定器の概略構成を示す斜視図
【図６】本発明の第２実施の形態におけるシリコン基板の平面図
【図７】本発明の第２実施の形態におけるランプアニール方式の加熱室の構成を示す断面図
【図８】本発明の第３実施の形態におけるプラズマドーピング装置の全体構成を示す平面図
【図９】本発明の第３実施の形態におけるＸ線分析室の構成を示す断面図
【図１０】本発明の第４実施の形態におけるプラズマドーピング室の構成を示す断面図
【図１１】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
【図１２】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】
【００３５】
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 高周波電源
６ 試料電極
７ 誘電体窓
８ コイル
９ 基板
１０ 高周波電源
１１ 排気口
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に本発明の実施の形態について説明する。
説明に先立ちまず、本発明の概念について説明する。
【００１１】
まず本発明のプラズマドーピング方法は、所定数の試料とともに、ダミー試料にプラズマドーピングにより前記不純物イオンを導入し、このダミー試料に所望のエネルギーを付与することによりダミー試料中の前記不純物イオンの量に対応する物理量を測定可能な状態にし、この物理量が、あらかじめ決定された所定の値となるように試料を処理する条件を制御するようにしている。
【００１１】
この構成により、プラズマドーピング条件に影響を与えることなく、導入された不純物イオンを精度よく測定することができ、この測定値に基づいて処理条件を制御するようにしているため、高精度のプラズマドーピングが可能となる。
【００１２】
本発明のプラズマドーピング方法は、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、試料電極に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の表面に不純物を導入するプラズマドーピング方法であって、所定数の試料を処理するたびに、ダミー試料をプラズマドーピング処理し、プラズマドーピング処理されたダミー試料を加熱し、加熱されたダミー試料のシート抵抗を測定し、測定されたダミー試料のシート抵抗値が所定の値となるように試料を処理する条件を制御することを特徴とする。
この構成により、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング方法を実現することができる。
【００１３】
本発明のプラズマドーピング方法は、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、試料電極に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の表面に不純物を導入するプラズマドーピング方法であって、所定数の試料を処理するたびに、ダミー試料をプラズマドーピング処理し、プラズマドーピング処理されたダミー試料を加熱し、加熱されたダミー試料のシート抵抗を測定し、測定されたダミー試料のシート抵抗値が所定の値となるように試料を処理する条件を制御することを特徴とする。
この構成により、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング方法を実現することができる。
【００１４】
本発明のプラズマドーピング方法において、シート抵抗値が所定の値となるように試料を処理する条件を制御する際に、試料電極に供給する電力を変化させることが望ましい。あるいは、不純物元素を含むガスの流量を変化させてもよい。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。あるいは、処理時間を変化させてもよい。
この構成により、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング方法を実現することができる。
【００１５】
本発明のプラズマドーピング方法は、試料がシリコンよりなる半導体基板である場合に、特に有用なプラズマドーピング方法である。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。
【００１６】
本発明のプラズマドーピング方法において、好適には、ダミー試料を加熱する際に、ダミー試料全体を高温炉内に投入することが望ましい。あるいは、ダミー試料の表面にレーザー光を照射してもよい。あるいは、ダミー試料の表面にランプの放射光を照射してもよい。
この構成により、再現性に優れた活性化が行われるため、不純物濃度の制御性をより高めることができる。
【００１７】
また、好適には、ダミー試料を加熱する際に、ダミー試料を不活性ガス雰囲気で加熱することが望ましい。
【００１８】
この構成により、ダミー試料の好ましくない変質、例えば酸化などを抑制できるため、再現性に優れた活性化が行われ、不純物濃度の制御性をより高めることができる。
【００１９】
また、好適には、ダミー試料が、試料のデバイスとしては不要となる部分に設けられた試料の一部分であることが望ましい。
この構成により、３００ｍｍシリコン基板などのような高価な試料を処理する際に、ダミー試料にかかるコストを最小限に抑制することができる。
【００２０】
本発明のプラズマドーピング方法は、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、試料電極に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の表面に不純物を導入するプラズマドーピング方法であって、所定数の試料を処理するたびに、ダミー試料をプラズマドーピング処理し、プラズマドーピング処理されたダミー試料に低エネルギーの電子ビームを照射し、ダミー試料から放射されるＸ線を検出し、検出された所定波長のＸ線量またはＸ線量から算出されたドーズ量が所定の値となるように、試料を処理する条件を制御することを特徴とする。
この構成により、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング方法を実現することができる。
【００２１】
本発明のプラズマドーピング方法は、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、試料電極に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の表面に不純物を導入するプラズマドーピング方法であって、所定数の試料を処理するたびに、ダミー試料をプラズマドーピング処理し、プラズマドーピング処理されたダミー試料に低エネルギーの電子ビームを照射し、ダミー試料から放射されるＸ線を検出し、検出された所定波長のＸ線量またはＸ線量から算出されたドーズ量が所定の値となるように、試料を処理する条件を制御することを特徴とする。
この構成により、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング方法を実現することができる。
【００２２】
本発明のプラズマドーピング方法において、好適には、Ｘ線量またはドーズ量が所定の値となるように試料を処理する条件を制御する際に、試料電極に供給する電力を変化させることが望ましい。あるいは、不純物元素を含むガスの流量を変化させてもよい。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。あるいは、処理時間を変化させてもよい。
この構成により、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング方法を実現することができる。
【００２３】
本発明のプラズマドーピング方法は、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ドーピング方法である。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。
【００２４】
本発明のプラズマドーピング方法において、好適には、電子ビームのエネルギーが２００ｅＶ以上９ｋｅＶ以下であることが望ましい。
この構成により、十分な検出感度を確保しつつ、試料へのダメージを少なくすることができる。
【００２５】
また、好適には、ダミー試料が、試料のデバイスとしては不要となる部分に設けられた試料の一部分であることが望ましい。
この構成により、３００ｍｍシリコン基板などのような高価な試料を処理する際に、ダミー試料にかかるコストを最小限に抑制することができる。
【００２６】
本発明のプラズマドーピング装置は、真空容器、試料電極、真空容器内にガスを供給するガス供給装置、真空容器内を排気する排気装置、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置、及び、試料電極に電力を供給する試料電極用電源を備えたプラズマドーピング室と、試料台、及び、試料加熱装置を備えた加熱室と、試料台、及び、シート抵抗測定器を備えたシート抵抗測定室とから成ることを特徴とする。
この構成により、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング装置を実現することができる。
【００２７】
本発明のプラズマドーピング装置は、真空容器、試料電極、真空容器内にガスを供給するガス供給装置、真空容器内を排気する排気装置、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置、プラズマ源、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、及び、試料電極に電力を供給する試料電極用電源を備えたプラズマドーピング室と、試料台、及び、試料加熱装置を備えた加熱室と、試料台、及び、シート抵抗測定器を備えたシート抵抗測定室とから成ることを特徴とする。
この構成により、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング装置を実現することができる。
【００２８】
本発明のプラズマドーピング装置において、好適には、試料加熱装置が高温炉であることが望ましい。あるいは、レーザー光を放射するレーザーアニール装置であってもよい。あるいは、試料の一部分のみにレーザー光を放射するレーザーアニール装置であってもよい。あるいは、ランプの放射光を放射するランプアニール装置であってもよい。あるいは、試料の一部分のみにランプの放射光を放射するランプアニール装置であってもよい。
この構成により、再現性に優れた活性化が行われるため、不純物濃度の制御性をより高めることができる。
【００２９】
また、好適には、加熱室が、加熱室内に不活性ガスを供給するガス供給装置を備えることが望ましい。
この構成により、ダミー試料の好ましくない変質、例えば酸化などを抑制できるため、再現性に優れた活性化が行われ、不純物濃度の制御性をより高めることができる。
【００３０】
本発明のプラズマドーピング装置は、真空容器、試料電極、真空容器内にガスを供給するガス供給装置、真空容器内を排気する排気装置、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置、及び、試料電極に電力を供給する試料電極用電源を備えたプラズマドーピング室と、試料台、電子線源、及び、Ｘ線検出器を備えたＸ線分析室とから成ることを特徴とする。
この構成により、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング装置を実現することができる。
【００３１】
本発明のプラズマドーピング装置は、真空容器、試料電極、真空容器内にガスを供給するガス供給装置、真空容器内を排気する排気装置、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置、プラズマ源、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、及び、試料電極に電力を供給する試料電極用電源を備えたプラズマドーピング室と、試料台、電子線源、及び、Ｘ線検出器を備えたＸ線分析室とから成ることを特徴とする。
この構成により、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング装置を実現することができる。
【００３２】
本発明のプラズマドーピング装置は、真空容器、試料電極、真空容器内にガスを供給するガス供給装置、真空容器内を排気する排気装置、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置、試料電極に電力を供給する試料電極用電源、電子線源、及び、Ｘ線検出器を備えたことを特徴とする。
この構成により、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング装置を実現することができる。
【００３３】
本発明のプラズマドーピング装置は、真空容器、試料電極、真空容器内にガスを供給するガス供給装置、真空容器内を排気する排気装置、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置、プラズマ源、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、試料電極に電力を供給する試料電極用電源、電子線源、及び、Ｘ線検出器を備えたことを特徴とする。
この構成により、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング装置を実現することができる。
【００３６】
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５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ドーピング装置のプラズマドーピング室の断面図を示す。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、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。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。このようにして、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の表面を非晶質化したり、不純物を導入したりすることができる。なお、ガス供給装置２から供給されたガスは、排気口１１からターボ分子ポンプ３へ排気される。ターボ分子ポンプ３及び排気口１１は、試料電極６の直下に配置されており、また、調圧弁４は、試料電極６の直下で、かつ、ターボ分子ポンプ３の直上に位置する昇降弁である。試料電極６は、４本の支柱１２により、真空容器１に固定されている。
【００３７】
基板９を試料電極６に載置した後、試料電極６の温度を２５℃に保ちながら、真空容器１内を排気口１１から排気しつつ、ガス供給装置２より真空容器１内にヘリウムガスを５０ｓｃｃｍ供給し、調圧弁４を制御して真空容器１内の圧力を１Ｐａに保つ。次に、プラズマ源としてのコイル８に高周波電力を８００Ｗ供給することにより、真空容器１内にプラズマを発生させるとともに、試料電極６の台座に２００Ｗの高周波電力を供給することにより、シリコン基板９の表面の結晶層を非晶質化することができた。
【００３８】
次いで、試料電極６の温度を２５℃に保ちつつ、真空容器１内にヘリウム（Ｈｅ）ガス及びＢ２Ｈ６ガスをそれぞれ１００ｓｃｃｍ、１ｓｃｃｍ供給し、真空容器１内の圧力を
０．５Ｐａに保ちながらコイル８に高周波電力を１０００Ｗ供給することにより、真空容器１内にプラズマを発生させるとともに、試料電極６に２５０Ｗの高周波電力を供給することにより、ボロンを基板９の表面近傍に導入することができた。
【００３９】
図２は、プラズマドーピング装置の全体構成を示す平面図である。図２において、ローダ室１３内に試料を載置した後、ローダ室１３を排気して真空状態にする。第１トランスファ室１４ａとローダ室１３の間に設けたゲート１５を開き、第１トランスファ室１４内の搬送アームＡを操作して、試料を第１トランスファ室１４内に移動させる。次いで、同様にゲート１５を適切に開閉するとともに、搬送アームＡを操作して、プラズマドーピング室１６に試料を移動させ、前述のように非晶質化処理及びプラズマドーピング処理を行う。次に、試料をプラズマドーピング室１６から第２トランスファ室１４ｂに移動させ、さらに、試料をアンローダ室１９に移動させ、試料を取り出す。
【００４０】
一方、不純物濃度を正確に制御するために、ダミー試料を用いて不純物濃度をモニタした。同一の処理条件で不純物濃度が変化する原因としては、真空容器内壁へのガスや堆積物の付着、高周波電源の特性変化などがあり、容易には特定できない。さて、ここでは、ダミー試料を、２５枚の試料を処理するたびに投入した。ダミー試料としては、デバイスを形成するための試料とほぼ同じ大きさの単結晶シリコン基板を用いた。ダミー試料にはレジストなどのパターニングは施さず、試料表面の全体に非晶質化及びドーピング処理を施した。まず、図２において、ローダ室１３内にダミー試料を載置した後、ローダ室１３を排気して真空状態にする。第１トランスファ室１４ａとローダ室１３の間に設けたゲート１５を開き、第１トランスファ室１４内の搬送アームＡを操作して、ダミー試料を第１トランスファ室１４内に移動させる。次いで、同様にゲート１５を適切に開閉するとともに、搬送アームＡを操作して、プラズマドーピング室１６にダミー試料を移動させ、その直前に試料を処理した条件にて非晶質化処理及びプラズマドーピング処理を行う。次に、ダミー試料をプラズマドーピング室１６から第２トランスファ室１４ｂに移動させ、さらに、ダミー試料を加熱室１７に移動させる。
【００４１】
図３は、ランプアニール方式の加熱室の構成を示す断面図である。図３において、加熱室１７内に設けられた試料台２０上に、ダミー試料２１を載置する。試料加熱装置としてのランプ２３から発せられた赤外線光は、窓２２を通してダミー試料２１の表面に照射される。ランプ２３の一例としては、タングステンハロゲンランプを用いることができる。試料９の温度が１１００℃となるようにランプ光照射条件を設定し、３分間１１００℃に保持する条件にて活性化を行った。
【００４２】
加熱室は、図４に示すようなレーザーアニール方式であってもよい。図４において、加熱室１７内に設けられた試料台２４上に、ダミー試料２１を載置する。試料加熱装置としてのレーザー光源２５より発せられたレーザー光は、ミラー２６によりビームの向きが制御され、窓２７を介してダミー試料２１の表面に照射される。
【００４３】
あるいは、加熱室は、セラミックスヒーターなどを利用した高温炉であってもよい。ランプやレーザーを用いる場合は、ダミー試料に対してパルス的にエネルギーを与えることにより、ダミー試料のごく表面のみを高温に加熱することもできるが、高温炉を用いる場合は、ダミー試料全体が加熱される。高温炉は安価であるという利点がある。
加熱による活性化処理が施されたダミー試料は、図２において再び第２トランスファ室１４ｂに移動し、次いでシート抵抗測定室１８に移動させる。
【００４４】
図５は、シート抵抗測定室１８内に設けられたシート抵抗測定器の概略構成を示す斜視図である。図５において、ダミー試料２１の表面に、４本の探針２８を直線状に配置し、外側の２本を定電流源２９に接続して、ダミー試料２１に電流を印加したときの内側の２本の探針間の電圧を電圧計３０によって測定する。より正確には、ダミー試料２１に押し当てた外側の２本の探針間に正逆両方に印加した印加電流値Ｉ、およびこのときの内側の２本の探針間の電位差測定値Ｖの平均値を求め、次式によって、ダミー試料のシート抵抗Ｒを算出する。
Ｒ＝Ｖ／Ｉ
【００４５】
所望の不純物濃度を得るには、所定の加熱処理によって活性化された場合のシート抵抗値が所望の値となっていることが必要である。そこで、２５枚の試料を処理するたびに、ダミー試料をプラズマドーピング処理し、プラズマドーピング処理されたダミー試料を加熱し、加熱されたダミー試料のシート抵抗を測定し、測定されたダミー試料のシート抵抗値が所定の値となるように試料を処理する条件を制御した。具体的には、ダミー試料のシート抵抗値が、所望の値よりも小さかった場合には、次の２５枚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。
【００４６】
逆に、ダミー試料のシート抵抗値が、所望の値よりも大きかった場合には、次の２５枚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。
【００４７】
試料電極に供給する電力、不純物元素を含むガスの流量、プラズマ源に供給する高周波電力、あるいは、処理時間をどのように変化させるかについては、標準的な非晶質化条件、ドーピング条件において、これらの各制御パラメータを変化させた場合にシート抵抗値がどの程度変化するかをあらかじめ実験的に求めておけばよい。これらの各制御パラメータを変化させるには、図示していない装置の制御系に格納されている処理レシピが自動的に書き換わるようなソフトウエアを構築しておけばよい。
この構成により、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング方法を実現することができた。
【００４８】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について、図６から図７を参照して説明する。
実施の形態１では、ダミー試料として、デバイスを形成するための試料とほぼ同じ大きさの単結晶シリコン基板を用いた場合について例示した。しかし、この構成の場合、３００ｍｍシリコン基板などのような高価な試料を処理する際に、ダミー試料にかかるコストが高くなるという欠点がある。コストを抑制するために、例えば試料を１００枚処理するたびにダミー試料を処理するなどして、ダミー試料を投入する頻度を下げる方法が考えられるが、不純物濃度の制御性が損なわれるという別の欠点が生じる。
【００４９】
こうした問題を解決する方法として、ダミー試料が、試料のデバイスとしては不要となる部分に設けられた試料の一部分であるような構成とすることが考えられる。この構成により、３００ｍｍシリコン基板などのような高価な試料を処理する際に、ダミー試料にかかるコストを最小限に抑制することができる。また、全部の試料の一部にダミー試料を準備しておけば、不純物濃度の制御性が極めて高くなる。つまり、１枚ごとに処理条件を微調整することが可能となる。
【００５０】
図６に、実施の形態２において用いた試料及びダミー試料としてのシリコン基板の平面図を示す。試料９には、後に分断されて半導体素子となるチップ部３１が多数設けられており、チップ部３１はレジスト等により、不純物を導入するための開口が準備されている。一般に、半導体基板は円形であるのに対し、素子は四角である。このため、基板の周辺部にはチップ部を設けることができない部分が存在している。この部分の一部を、ダミー試料３２として利用することができる。ダミー試料３２には、レジスト等は形成されておらず、ダミー試料３２全体に非晶質化及びプラズマドーピング処理が施される。
【００５１】
このような基板を用いて、非晶質化及びプラズマドーピング処理を行った後、図７に示すような加熱室１７にて、部分的な加熱処理を行う。図７において、加熱室１７内に設けられた試料台２０上に、試料９を載置する。試料加熱装置としてのランプ２３から発せられた赤外線光は、窓２２を通して試料９の表面の一部に照射される。このとき、ランプ光がダミー試料のみに照射されるよう、マスク３３で試料９を覆っておく。フラッシュランプ等の技術を用いることにより、チップ部をほとんど加熱することなく、ダミー試料のごく表面のみを１０００℃以上に加熱することができる。もちろん、部分的な加熱処理を行う方法として、レーザーアニール法を用いることもできる。この場合、図４のような構成の加熱室を利用して、ミラー２６によってダミー試料のみにレーザーが照射されるようにすればよい。
【００５２】
なお、ダミー試料は不活性ガス雰囲気で加熱することが望ましい。そうすることで、ダミー試料の好ましくない変質、例えば酸化などを抑制できるため、再現性に優れた活性化が行われ、不純物濃度の制御性をより高めることができる。このような処理を行うためには、加熱室に、加熱室内に不活性ガスを供給するためのガス供給装置を備える構成とすることが望ましい。あるいは、真空中で加熱しても同様の効果が得られる。
【００５３】
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図８から図９を参照して説明する。
プラズマドーピング装置のプラズマドーピング室については、既に本発明の実施の形態１において説明した図１と同じであるので、ここでは説明を省略する。
図８は、プラズマドーピング装置の全体構成を示す平面図である。図８において、ローダ室１３内に試料を載置した後、ローダ室１３を排気して真空状態にする。第１トランスファ室１４ａとローダ室１３の間に設けたゲート１５を開き、第１トランスファ室１４内の搬送アームＡを操作して、試料を第１トランスファ室１４内に移動させる。次いで、同様にゲート１５を適切に開閉するとともに、搬送アームＡを操作して、プラズマドーピング室１６に試料を移動させ、非晶質化処理及びプラズマドーピング処理を行う。次に、試料をプラズマドーピング室１６から第２トランスファ室１４ｂに移動させ、さらに、試料をアンローダ室１９に移動させ、試料を取り出す。
【００５４】
一方、不純物濃度を正確に制御するために、ダミー試料を用いて不純物濃度をモニタした。同一の処理条件で不純物濃度が変化する原因としては、真空容器内壁へのガスや堆積物の付着、高周波電源の特性変化などがあり、容易には特定できない。さて、ここでは、ダミー試料を、２５枚の試料を処理するたびに投入した。ダミー試料としては、デバイスを形成するための試料とほぼ同じ大きさの単結晶シリコン基板を用いた。ダミー試料にはレジストなどのパターニングは施さず、試料表面の全体に非晶質化及びドーピング処理を施した。
【００５５】
まず、図８において、ローダ室１３内にダミー試料を載置した後、ローダ室１３を排気して真空状態にする。第１トランスファ室１４ａとローダ室１３の間に設けたゲート１５を開き、第１トランスファ室１４内の搬送アームＡを操作して、ダミー試料を第１トランスファ室１４内に移動させる。次いで、同様にゲート１５を適切に開閉するとともに、搬送アームＡを操作して、プラズマドーピング室１６にダミー試料を移動させ、その直前に試料を処理した条件にて非晶質化処理及びプラズマドーピング処理を行う。
【００５６】
次に、ダミー試料をプラズマドーピング室１６から第２トランスファ室１４ｂに移動させ、さらに、ダミー試料をＸ線分析室３４に移動させる。
図９は、Ｘ線分析室３４の構成を示す断面図である。図９において、Ｘ線分析室３４内に設けられた試料台３５上に、ダミー試料２１を載置する。電子線源３６から照射された電子ビーム３７は、ダミー試料２１の表面１０ｎｍ〜１００ｎｍほどの深さにドーピングされた不純物元素を励起する。例えば、電子ビームによって不純物としてのボロン元素のＫ核電子が原子の外に飛び出る。すると、Ｌ核電子がＫ核に落ちて緩和される過程において、Ｌ核とＫ核のエネルギー準位差に相当するエネルギーをもった特性Ｘ線３８が放射される。ボロンの場合、特性Ｘ線３８の波長はおよそ６５オングストロームである。この特性Ｘ線３８の線量を、アナライザ３９、ディテクタ４０から成る検出器を用いて検出することにより、ダミー試料の表面にドーピングされたボロンなどの不純物濃度（ドーズ量）を知ることができる。
【００５７】
なお、この低エネルギー電子ビーム励起Ｘ線分析法によれば、原子番号４〜９５の多岐に渡る元素を検出することが可能である。なお、電子ビームのエネルギーは、２００ｅＶ以上９ｋｅＶ以下とすることが好ましい。２００ｅＶ未満である場合、十分な検出感度が得られない恐れがある。逆に９ｋｅＶより大きい場合、ダミー試料が割れたり、ダミー試料の表面が蒸発してＸ線分析室の内壁にダミー試料を構成する物質が付着したりするなどの不都合が生じる恐れがある。
【００５８】
ドーズ量を計測されたダミー試料は、図８において再び第２トランスファ室１４ｂに移動し、次いでアンローダ室１９に移動させ、装置から取り出す。
所望の不純物濃度を得るには、Ｘ線量またはＸ線量から算出されたドーズ量が所望の値となっていることが必要である。そこで、２５枚の試料を処理するたびに、ダミー試料をプラズマドーピング処理し、プラズマドーピング処理されたダミー試料に低エネルギーの電子ビームを照射し、ダミー試料から放射されるＸ線を検出し、検出された所定波長のＸ線量またはＸ線量から算出されたドーズ量が所定の値となるように試料を処理する条件を制御した。具体的には、ダミー試料のＸ線量またはドーズ量が、所望の値よりも大きかった場合には、次の２５枚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。
【００５９】
逆に、ダミー試料のＸ線量またはドーズ量が、所望の値よりも小さかった場合には、次の２５枚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。
【００６０】
試料電極に供給する電力、不純物元素を含むガスの流量、プラズマ源に供給する高周波電力、あるいは、処理時間をどのように変化させるかについては、標準的な非晶質化条件、ドーピング条件において、これらの各制御パラメータを変化させた場合にＸ線量またはドーズ量がどの程度変化するかをあらかじめ実験的に求めておけばよい。これらの各制御パラメータを変化させるには、図示していない装置の制御系に格納されている処理レシピが自動的に書き換わるようなソフトウエアを構築しておけばよい。
この構成により、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング方法を実現することができた。
【００６１】
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４について、図１０を参照して説明する。
図１０に、本発明の実施の形態４において用いたプラズマドーピング装置のプラズマドーピング室の断面図を示す。図１０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、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。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。
【００６２】
このようにして、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の表面を非晶質化したり、不純物を導入したりすることができる。なお、ガス供給装置２から供給されたガスは、排気口１１からターボ分子ポンプ３へ排気される。ターボ分子ポンプ３及び排気口１１は、試料電極６の直下に配置されており、また、調圧弁４は、試料電極６の直下で、かつ、ターボ分子ポンプ３の直上に位置する昇降弁である。試料電極６は、４本の支柱１２により、真空容器１に固定されている。
【００６３】
基板９を試料電極６に載置した後、試料電極６の温度を２５℃に保ちながら、真空容器１内を排気口１１から排気しつつ、ガス供給装置２より真空容器１内にヘリウムガスを５０ｓｃｃｍ供給し、調圧弁４を制御して真空容器１内の圧力を１Ｐａに保つ。次に、プラズマ源としてのコイル８に高周波電力を８００Ｗ供給することにより、真空容器１内にプラズマを発生させるとともに、試料電極６の台座に２００Ｗの高周波電力を供給することにより、シリコン基板９の表面の結晶層を非晶質化することができた。
【００６４】
次いで、試料電極６の温度を２５℃に保ちつつ、真空容器１内にヘリウム（Ｈｅ）ガス及びＢ２Ｈ６ガスをそれぞれ１００ｓｃｃｍ、１ｓｃｃｍ供給し、真空容器１内の圧力を０．５Ｐａに保ちながらコイル８に高周波電力を１０００Ｗ供給することにより、真空容器１内にプラズマを発生させるとともに、試料電極６に２５０Ｗの高周波電力を供給することにより、ボロンを基板９の表面近傍に導入することができた。
【００６５】
プラズマドーピング室には、ドーズ量（不純物濃度）を算出するために試料から放射されるＸ線を測定する装置として、アナライザ３９、ディテクタ４０から成る検出器が備えられている。その動作については、本発明の実施の形態３で述べたので、ここでは説明を省略する。
【００６６】
このようにして測定されたＸ線量またはＸ線量から算出されたドーズ量が所定の値となるように試料を非晶質化処理する条件を制御することにより、試料表面に形成される非晶質層の厚さの制御性に優れたプラズマドーピング方法を実現することができる。
【００６７】
一般に、試料の表面には非晶質化及び不純物導入を行う部分がレジスト等により開口されているが、Ｘ線量またはＸ線量から算出されたドーズ量を測定しやすいように、広めの開口部を設けておく（開口部がダミー試料となる）。そして、Ｘ線量またはドーズ量が、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。
【００６８】
逆に、Ｘ線量またはドーズ量が、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。
【００６９】
試料電極に供給する電力、ガスの流量、プラズマ源に供給する高周波電力、あるいは、処理時間をどのように変化させるかについては、標準的な非晶質化条件、ドーピング条件において、これらの各制御パラメータを変化させた場合にＸ線量またはドーズ量がどの程度変化するかをあらかじめ実験的に求めておけばよい。これらの各制御パラメータを変化させるには、図示していない装置の制御系に格納されている処理レシピが自動的に書き換わるようなソフトウエアを構築しておけばよい。
【００７０】
このようにして、再現性に優れたプラズマドーピング処理を実現することができる。このように、電子線源及びＸ線検出器が、真空容器内の試料電極に載置された試料に向けて低エネルギーの電子ビームを照射する構成となっていることで、ドーズ量を測定するための特別な処理室が不要となり、生産性を高めることが可能となる。
【００７１】
以上述べた方法は、ダミー試料が、試料のデバイスとしては不要となる部分に設けられた試料の一部分であるような構成である。この構成により、３００ｍｍシリコン基板などのような高価な試料を処理する際に、ダミー試料にかかるコストを最小限に抑制することができる。また、全部の試料の一部にダミー試料を準備しておけば、不純物濃度の制御性が極めて高くなる。つまり、１枚ごとに処理条件を微調整することが可能となる。
【００７２】
なお、レジストを形成していない基板をダミー試料として用いてもよいことは、いうまでもない。
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。
【００７３】
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９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。
【００７４】
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ドーピング方法である。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。
【００７５】
また、ドーピング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シート抵抗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。
【００７６】
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する場合を例示したが、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、加熱室とシート抵抗測定室を別個に設ける場合を例示したが、シート抵抗測定器を加熱室内に設けてもよい。
また、装置全体の構成にもさまざまなバリエーションが考えられることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明の非晶質化方法及び装置は、試料表面に導入される不純物濃度の制御性に優れたプラズマドーピング方法及び装置を提供できる。したがって、半導体の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の製造や、各種材料の表面改質等の用途にも適用可能である。
Claims (24)
- 真空容器内にプラズマを発生させ、プラズマ中の不純物を試料の表面に衝突させて試料の表面に不純物を導入するプラズマドーピング方法であって、
ダミー部を含む第１の試料にプラズマドーピングにより不純物を導入する工程と、
前記ダミー試料のみに選択的にエネルギーを付与する工程と、
前記ダミー試料に導入された前記不純物に対応する第１の物理量を測定する工程と、
第１の物理量と基準値とを比較することにより、前記第１の試料に続いてプラズマドーピングが行われる第２の試料の第２の物理量が、あらかじめ決定された所定の値となるように、第２の試料を処理するプラズマドーピングの条件を制御する工程とを含むプラズマドーピング方法。 - 請求項１に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記ダミー試料が、前記試料のデバイスとしては不要となる部分に設けられたことを特徴とするプラズマドーピング方法。 - 請求項１又は２に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記ダミー試料にエネルギーを付与する工程は、前記ダミー試料の表面にレーザー光を照射する工程を含むプラズマドーピング方法。 - 請求項１乃至３のいずれかに記載のプラズマドーピング方法であって、
前記ダミー試料にエネルギーを付与する工程は、不活性ガス雰囲気で行うことを含むプラズマドーピング方法。 - 請求項１に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記物理量を測定する工程は、前記ダミー試料のシート抵抗を測定する工程であることを特徴とするプラズマドーピング方法。 - 請求項１に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記試料を処理する条件を制御する工程は、
前記物理量を測定する工程において前記不純物が導入されたダミー試料に低エネルギーの電子ビームを照射して前記ダミー試料から放射されるＸ線を検出する工程と、
検出された所定波長のＸ線量またはＸ線量から算出されたドーズ量が所定の値となるように前記第２の試料へのプラズマドーピング処理条件を設定する工程を含むプラズマドーピング方法。 - 請求項６に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記電子ビームのエネルギーが２００ｅＶ以上９ｋｅＶ以下であるプラズマドーピング方法。 - 請求項１又は６記載のプラズマドーピング方法であって、
前記試料を処理する条件を制御する工程は、前記不純物を導入する際に前記試料電極に供給する電力を変化させる工程を含むプラズマドーピング方法。 - 請求項１または６に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記試料を処理する条件を制御する工程は、前記不純物を導入する際の不純物元素を含むガスの流量を変化させる工程を含むプラズマドーピング方法。 - 請求項１または６に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記試料を処理する条件を制御する工程は、前記真空容器内に前記プラズマを発生させる際のプラズマ源に供給する高周波電力を変化させることを特徴とするプラズマドーピング方法。 - 請求項１または６に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記試料を処理する条件を制御する工程は、前記プラズマドーピングする際の処理時間を変化させることを特徴とするプラズマドーピング方法。 - 請求項１乃至８のいずれかに記載のプラズマドーピング方法であって、
前記試料がシリコンよりなる半導体基板であるプラズマドーピング方法。 - 請求項１乃至９のいずれかに記載のプラズマドーピング方法であって、
前記不純物が砒素、燐、ボロン、アルミニウム、アンチモンのいずれかであるプラズマドーピング方法。 - 請求項１に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記ダミー試料にエネルギーを付与する工程は、ダミー試料の表面にランプの放射光を照射する工程を含むプラズマドーピング方法。 - 真空容器と、試料電極と、前記真空容器内にガスを供給するガス供給手段と、前記真空容器内を排気する排気手段と、前記真空容器内の圧力を制御する圧力制御手段と、前記試料にプラズマを供給するプラズマ供給手段と試料電極に電力を供給する試料電極用電源とを備えたプラズマドーピング室と、前記試料にエネルギーを付与するエネルギー供給手段と、前記試料の物理量を測定する物理量測定手段と、測定された前記物理量に基づき格納された処理レシピにおいて、前記試料電極に供給する電力、前記ガスの流量、前記プラズマ供給手段に供給する高周波電力、または処理時間を変化させるソフトウェアと、を備えたプラズマドーピング装置。
- 請求項１５に記載のプラズマドーピング装置であって、
前記プラズマ供給手段が、さらにプラズマ源と、前記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ドーピング装置。 - 請求項１５または１６に記載のプラズマドーピング装置であって、
前記エネルギー供給手段は、加熱手段であり、
前記物理量測定手段はシート抵抗測定手段であるプラズマドーピング装置。 - 請求項１５または１６に記載のプラズマドーピング装置であって、
前記エネルギー供給手段は、前記試料に電子線を供給する電子線源であり、
前記物理量測定手段はＸ線検出器を備えたＸ線分析手段であるプラズマドーピング装置。 - 請求項１７に記載のプラズマドーピング装置であって、
前記加熱手段が高温炉であるプラズマドーピング装置。 - 請求項１７に記載のプラズマドーピング装置であって、
前記加熱手段が、レーザー光を放射するレーザーアニール装置であるプラズマドーピング装置。 - 請求項１７に記載のプラズマドーピング装置であって、
前記加熱手段が、前記試料の一部分のみにレーザー光を放射するレーザーアニール装置であるプラズマドーピング装置。 - 請求項１７に記載のプラズマドーピング装置であって、
前記加熱手段が、ランプの放射光を放射するランプアニール装置であるプラズマドーピング装置。 - 請求項２２に記載のプラズマドーピング装置であって、
前記加熱手段が試料の一部分のみにランプの放射光を放射するランプアニール装置であるプラズマドーピング装置。 - 請求項１７に記載のプラズマドーピング装置であって、
前記加熱手段が、加熱室内に不活性ガスを供給するガス供給手段を備えたプラズマドーピング装置。
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