JP5252613B2 - イオン注入装置およびイオン注入方法 - Google Patents

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Description

本発明は、イオン注入装置およびイオン注入方法に関する。
従来、半導体装置等の製造において、半導体基板または半導体層等に不純物を添加する方法として、イオン注入技術が広く使われている。従来のイオン注入技術では、所望の原子分子を所望の濃度で半導体基板や半導体層等の被処理体に注入するために、正に帯電したイオンビームを被処理体の所望部分に照射していた。このため、正に帯電したイオンが被処理体に照射され、さらにその被処理体から２次電子が放出されるため、被処理体に大量のチャージアップが発生し、チャージアップダメージが発生していた。たとえば、ゲート絶縁膜上のポリシリコンゲート電極層に不純物をドープするために該ポリシリコン層にイオン照射を行うと、該ポリシリコン層から大量の２次電子が放出されてポリシリコン層表面に正電荷が蓄積され、これに注入されたイオンの正電荷が加わって、ゲート絶縁膜上には大量の負電荷が堆積する。一方、ｎウエルにｐ型ソースドレイン領域形成のためにイオン注入を行うと、同様の理由でｎウエル表面に大量の正電荷が堆積し、ゲート絶縁膜の破壊をもたらす。従って、ｐチャンネルＭＯＳトランジスタに不良が頻発することが多かった。
一方、特許文献１等では、複数の排気ポートを備えた処理室、当該処理室内に配置され、被処理体を保持する保持台、複数のガス放出孔を備え、被処理体に対向する位置に設けられたシャワープレート、及び、マイクロ波アンテナを有するイオン注入装置が提案されている。
特開２００５−１９６９９４号公報
特許文献１は、被処理体に生じるチャージアップダメージ、特に、ｐチャンネルＭＯＳトランジスタ不良の問題について指摘していない。
そこで、本発明の技術的課題は、チャージアップダメージの発生しない原子分子注入技術を提供することであり、本発明はチャージアップダメージの発生しにくいイオン注入装置およびイオン注入方法を提供することを目的とする。
請求項１によれば、減圧可能な処理室と、該処理室内にプラズマを励起する手段と、前記処理室内に設けられ被処理基板を保持する保持台と、前記処理室内において前記保持台に対向する位置に設けられ、前記プラズマを前記保持台の方向へ透過しうる部分を有する導体部材と、前記保持台に保持される前記被処理基板に基板バイアス用ＲＦ電力を印加する手段とを含み、前記導体部材は前記ＲＦ電力の周波数に対して電気的に接地されていることを特徴とするイオン注入装置が得られる。
請求項２によれば、前記プラズマを励起する手段が、前記処理装置内にプラズマ励起用電力を供給する手段と前記処理装置内にプラズマ励起用ガスを供給する手段とを含むことを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置が得られる。
請求項３によれば、前記プラズマ励起用ガスが前記被処理基板に注入されるべきイオン源のガスを含むことを特徴とする請求項２に記載のイオン注入装置が得られる。
請求項４によれば、前記プラズマ励起用電力の周波数がマイクロ波領域であることを特徴とする請求項２または３に記載のイオン注入装置が得られる。
請求項５によれば、前記処理装置内にプラズマ励起用電力を供給する手段が、マイクロ波源と平板状アンテナと該マイクロ波源から該アンテナにマイクロ波を伝達する手段とを含み、前記アンテナは前記保持台に対向する位置に誘電体板を介して設置され、前記アンテナから放射されたマイクロ波が前記誘電体板を透過して前記処理室内の前記プラズマ励起用ガスを照射してプラズマを発生させるように構成されていることを特徴とする請求項２乃至４のどれか一つに記載のイオン注入装置が得られる。
請求項６によれば、前記プラズマ励起用ガスを供給する手段が、ガス導入ポートと前記誘電体板内を通過して前記プラズマ励起用ガスを前記処理室内に放出する複数のガス通路とを含み、前記プラズマ励起用ガスが前記誘電体板から前記処理室内に放出される空間またはその近傍で前記プラズマが発生するように構成されていることを特徴とする請求項２乃至５のどれか一つに記載のイオン注入装置が得られる。
請求項７によれば、前記処理室内において、前記導体部材の前記保持台とは反対側の空間における前記プラズマの電子密度が、前記プラズマ励起用電力の角周波数をω、真空の誘電率をε0、電子質量をｍ、素電荷をe、としたときに、ω２ｍε0/ｅ２で規定されるカットオフ密度よりも高いことを特徴とする請求項２乃至５のどれか一つに記載のイオン注入装置が得られる。
請求項８によれば、前記プラズマ励起用ガスがフッ化物ガスを含み、前記処理室内の圧力を、前記導体部材の前記保持台とは反対側の処理室空間における前記プラズマの電子密度が前記マイクロ波の角周波数をω、真空の誘電率をε0、電子の質量をｍ、素電荷をe、としたときに、ω２ｍε0/ｅ２で規定されるカットオフ密度よりも高い密度に維持されるような圧力としたことを特徴とする請求項４または６に記載のイオン注入装置が得られる。
請求項９によれば、前記処理室内において、前記導体部材の前記保持台とは反対側の空間であって、前記プラズマが前記誘電体板の前記導電部材側にプラズマシースを介して接している位置でのプラズマの電子密度が、前記アンテナに供給するマイクロ波の角周波数をω、真空の誘電率をε0、電子質量をｍ、素電荷をe、としたときに、前記電子密度がω２ｍε0/ｅ２で規定されるカットオフ密度よりも高いことを特徴とする請求項６に記載のイオン注入装置が得られる。
請求項１０によれば、下記数１
Figure 0005252613
（ただし、ｎは前記処理室内において前記プラズマが前記誘電体板の前記導電部材側にプラズマシースを介して接している位置でのプラズマの電子密度、ε0は真空の誘電率、ｍは電子の質量を、eは素電荷）で規定されるプラズマ角振動数をωpeとし、前記アンテナに供給するマイクロ波の角周波数をωとしたときに、下記数２
Figure 0005252613
ただし、（ｃは真空中の光速度）で規定されるマイクロ波の侵入深さに比べ、前記誘電体板と前記導電部材と間の距離の方が長いことを特徴とする請求項６または９に記載のイオン注入装置が得られる。
請求項１１によれば、下記数３
Figure 0005252613
（ただし、ｎは前記処理室内において前記プラズマが前記誘電体板の前記導電部材側にプラズマシースを介して接している位置でのプラズマの電子密度、ε0は真空の誘電率、ｍは電子の質量を、eは素電荷）で規定されるプラズマ角振動数をωpeとし、前記アンテナに供給するマイクロ波の角周波数をωとしたときに、下記数４
Figure 0005252613
（ただし、ｃは真空中の光速度）で規定されるマイクロ波の侵入深さに比べ、前記誘電体板と前記導電部材と間の距離の方が3倍以上長いことを特徴とする請求項６、９または１０に記載のイオン注入装置が得られる。
請求項１２によれば、前記アンテナがラジアルラインスロットアンテナであることを特徴とする請求項５乃至１１の一に記載のイオン注入装置が得られる。
請求項１３によれば、前記導電部材が直流的に電気的に接地されていることを特徴とする請求項１乃至１２の一に記載のイオン注入装置が得られる。
請求項１４によれば、前記処理室内壁のうち少なくとも前記プラズマが接する部分と、前記導電部材の表面が金属酸化物および金属窒化物の少なくとも一方で被覆されていることを特徴とする請求項１から請求項１３の一に記載のイオン注入装置が得られる。
請求項１５によれば、前記導電部材は、その内部に温度制御用の媒体を流す手段を有していることを特徴とする請求項１から請求項１４の一に記載のイオン注入装置が得られる。
請求項１６によれば、前記ＲＦ電力の周波数の周期が、前記被処理基板表面に形成されるプラズマシースに前記プラズマから流出する注入原子イオンまたは注入分子イオンが前記被処理基板に到達する時間に比べて長いことを特徴とする請求項１から請求項１５の一に記載のイオン注入装置が得られる。
請求項１７によれば、前記複数のガス通路のガス放出部分に多孔質セラミックス部材が設けられ、前記多孔質セラミックス部材からプラズマ励起ガスを処理室内に導入することを特徴とする請求項６および９乃至１６の一に記載のイオン注入装置が得られる。
請求項１８によれば、前記複数のガス通路のガス放出孔の径が前記誘電体板と前記プラズマの間に形成されるシース厚の２倍以下であり、前記ガス放出孔からプラズマ励起ガスを処理室内に導入することを特徴とする請求項６および9乃至１７の一に記載のイオン注入装置が得られる。
請求項１９によれば、前記保持台を冷却する手段をさらに含むことを特徴とする請求項１から請求項１８の一に記載のイオン注入装置が得られる。
請求項２０によれば、前記保持台はその内部に冷却用の媒体を流す手段を有していることを特徴とする請求項１から請求項１９の一に記載のイオン注入装置が得られる。
請求項２１によれば、請求項１から請求項２０の一に記載のイオン注入装置を用いてイオン注入を行うことを特徴とするイオン注入方法が得られる。
請求項２２によれば、前記ＲＦ電力をパルスで印加することで、複数回に分けてイオン注入を行うことを特徴とする請求項２１に記載のイオン注入方法が得られる。
請求項２３によれば、前記パルスは所定の幅と間隔とを有し、前記パルス間隔は、前記プラズマに存在する単位体積のイオン電荷総数に対する電子数の割合の逆数と、前記被処理基板の２次電子放出係数と、前記パルス幅との積よりも長い時間であることを特徴とする請求項２２に記載のイオン注入方法が得られる。
請求項２４によれば、プラズマ励起ガスが、注入すべきイオンの原子のフッ化物のガス、または注入すべきイオンの原子のフッ化物のガスを希ガスで希釈した混合ガスであることを特徴とする請求項２１から請求項２３の一に記載のイオン注入方法が得られる。
請求項２５によれば、プラズマ励起ガスが、BF３、PF3、およびAsF3から選ばれるガス、またはBF３、PF3、およびAsF3から選ばれるガスをAr、Kr、およびXeから選ればれる少なくとも一種の希ガスで希釈した混合ガスであることを特徴とする請求項２１から請求項２４の一に記載のイオン注入方法が得られる。
請求項２６によれば、前記被処理基板はシリコンを含み、前記被処理基板をシリコンのフッ化物が前記処理室の圧力において揮発する温度よりも低い温度に冷却することを特徴とする請求項２４または２５に記載のイオン注入方法が得られる。
請求項２７によれば、請求項１から請求項２０の一に記載のイオン注入装置を用いて製造した半導体装置が得られる。
請求項２８によれば、請求項２１から請求項２６の一に記載のイオン注入方法を用いて製造した半導体装置が得られる。
請求項２９によれば、請求項２１から請求項２６の一に記載のイオン注入方法によってイオン注入を行う工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法が得られる。
本発明によれば、チャージアップダメージの発生しにくいイオン注入装置およびイオン注入方法が得られる。特に、本発明では、ｐチャンネルＭＯＳトランジスタ製造に伴う不良を大幅に低下させ、歩留まりを改善できる。
発明の実施の形態
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。
（実施例１）
図1に、本発明の実施例1によるマイクロ波プラズマイオン注入装置が示されている。図示されたマイクロ波プラズマイオン注入装置は、複数の排気ポート１０１を介して排気される処理室１０２を有し、前記処理室１０２中には被処理基板１０３を保持する保持台１０４が配置されている。処理室１０２は、Ａｌ合金（ＺｒおよびＭｇを添加したＡｌ）からなる壁部材で形成されている。壁の内面のうち特にプラズマに曝される部分は、プラズマから大量のイオンが照射されて損傷を受けるため、強固な保護膜が形成されていることが望ましい。本実施例においては、非水溶液を用いた陽極酸化によって形成された厚みが０．５μｍの緻密な無孔質のＡｌ２Ｏ３保護膜で壁面を被覆した。保護膜はこれに限られることは無く、例えばＹ２Ｏ３の溶射膜またはゾルゲル法による膜でも良いし、Ａｌ２Ｏ３保護膜の上にさらにＹ２Ｏ３膜を形成する構成でも良い。
処理室１０２を均一に排気するため、処理室１０２は保持台１０４の周囲にリング状の空間を規定しており、複数の排気ポート１０１はそのリング状空間に連通するように等間隔で、被処理基板１０３に対して軸対称になるように配列されている。この排気ポート１０１の配列により、処理室１０２のガスを排気ポート１０１から均一に排気することができる。
処理室１０２の上部開口上には、保持台１０４の処理基板１０３に対向するように、比誘電率が９．８で、かつ低マイクロ波誘電損失（誘電損失が1×10-4以下）である誘電体のアルミナよりなり、多数（２３０個）の開口部、即ちガス放出孔１０５が形成された板状のシャワープレート１０６がシールリング１０７を介して取り付けられている。更に、シャワープレート１０６の外側、即ち、シャワープレート１０６に対して保持台１０４とは反対側に、アルミナよりなるカバープレート１０８が、別のシールリング１０９を介して取り付けられている。これらシャワープレート１０６およびカバープレート１０８が処理室１０２の外壁の一部をなしていると言うことができる。
シャワープレート１０６の上面と、カバープレート１０８との間には、プラズマ励起ガス供給ポート１１７から、シャワープレート１０６内に開けられた連通する供給孔１１８を介して供給されたプラズマ励起ガスを充填する空間１１０が形成されている。換言すると、前記カバープレート１０８において、前記カバープレート１０８の前記シャワープレート１０６側の面の、ガス放出孔１０５に対応する位置にそれぞれが繋がるように溝が設けられ、前記シャワープレート１０６と前記カバープレート１０８の間に前記空間１１０が形成される。前記ガス放出孔１０５は前記空間１１０に繋がるように配置されている。ガス放出孔１０５の処理室１０２側への出口には、多孔質セラミックス層１２４が設けられている。この多孔質セラミックス層１２４は、処理室１０２にプラズマ励起ガスを導入する際に、広い面積からガスが放出されるために、ガス流速を低減し、ガス流れを乱すことなく、均一な流れを実現することができる。なお、本実施例においては、シャワープレート１０６の被処理基板１０３に対向する面の、外周部を除く全面に多孔質セラミックス層１２４を設けたが、ガス放出孔１０５の出口のみに局部的にこれを設けることでも、ガス流速の低減は可能である。
前記カバープレート１０８の上面には、マイクロ波を放射するための、スロットが多数開いたラジアルラインスロットアンテナのスロット板１１１、マイクロ波を径方向に伝播させるための遅波板１１２、マイクロ波をアンテナへ導入するための同軸導波管１１３が設置されている。また、遅波板１１２は、前記スロット板１１１と金属板１２３により挟みこまれている。前記金属板１２３には冷却用流路１１４が設けられている。前記スロット板１１１から放射されたマイクロ波は、カバープレート１０８およびシャワープレート１０６を透過して処理室１０２上部空間に導入され、前記多孔質セラミックス１２４層から放出されたプラズマ励起ガスを該上部空間で電離させることで、前記多孔質セラミックス層１２４の直下数ミリメートルの領域で高密度プラズマを生成する。生成されたプラズマは拡散により被処理基板１０３へ到達する。
シャワープレート１０６は、直径４００ｍｍ、外周部の厚さは３５ｍｍである。直径１５５ｍｍから直径１６５ｍｍの間はテーパが形成され、直径１５５ｍｍ以内の領域のシャワープレート厚さは２５ｍｍとなっている。この例の場合、テーパの角度は４５°であるが、この値に限られることはなく、またテーパの角は丸みをつけて電界集中を抑える構造にするのが望ましい。また、シャワープレート１０６が高密度プラズマに晒されることで流れ込む熱流は、スロット板１１１、遅波板１１２、及び金属板１１３を介して冷却用流路１１４に流されている水等の冷媒により排熱される。
図１に示されたプラズマイオン注入装置では、処理室１０２内部にグランドプレート１１５が設けられている。グランドプレート１１５は、シャワープレート１０６と被処理基板１０３を載置する保持台１０４との間に配置され、アルミニウム合金等の導体からなり、シャワープレート１０６直下で生成されたプラズマが被処理基板１０３へ拡散移動できるような透過窓１２１を有し、電気的に接地されている。図２にグランドプレート１１５の平面形状、特に透過窓の形状を示す。透過窓１２１は、図２(a)の２０１に示すように格子状部材で区画されたマトリックス状としても良いし、図２(b)の２０２に示すようにリング状でも良い。透過窓１２１の開口面積の割合を変化させることで、プラズマの透過率を制御することが可能である。グランドプレート１１５の役割は、処理室１０２内部に固定電位を与えることであるが、更に温度制御機能、特に冷却機能を有しても良い。
イオン注入を行う際には被処理基板１０３へ到達するイオンにエネルギーを与えることが必要であるから、前記保持台１０４内部に設置された電極にＲＦ電源１２２を、コンデンサを介して接続して、ＲＦ電力を印加することで自己バイアス電圧を被処理基板１０３上に発生させる。この時、グランドプレート１１５は、被処理基板１０３用電極にRF電力を印加した際のグランド面となるため、時間平均のプラズマ電位を殆ど上昇させることなく、被処理基板１０３表面に負のセルフバイアスを発生させることが可能となる。
プラズマ電位が上昇すると、処理室１０２内壁へ照射されるイオンエネルギーが増加してしまい、コンタミネーションの原因となる。
グランドプレート１１５は、ＲＦ周波数に対して高周波的に接地されていればプラズマ電位の上昇を防ぐことができるので、直流的には必ずしも接地されている必要は無い。従って、例えば、グランドプレート１１５に負のＤＣ電位を印加してイオンによる2次電子放出により、プラズマに電子を供給する手段として用いても良い。
自己バイアス電圧は、RF周波数が低い方が、シースインピーダンスが増加し、大きな電圧が発生する。ゆえに、例えば１ＭＨｚ程度以下の比較的低い周波数にすることが望ましい。
本実施例では、ＲＦ電源１２２から周波数４００ｋＨｚのＲＦ電力を被処理基板１０３に印加した。また、被処理基板１０３の温度制御（特に、冷却）を行うために、保持台１０４には温度制御用の媒体を流す流路１１６が設けられ、また被処理基板１０３を保持固定するために図示しない静電チャック電極が保持台１０４に設けられている。
図１の例では、保持台１０４は被処理基板１０３用の電極を兼ねるため導体で構成され、その周辺を覆うように（この例では被処理基板１０３の周辺をも覆うように）リング状絶縁部材１２５を設けて、処理室１０２の壁部材の一部としている。これを導電体で構成しても良いが、高エネルギーのイオンが照射され消耗が激しくなり、被処理基板１０３へのコンタミネーションや再現性の悪化の原因となる。よって、耐プラズマ性に優れたＡｌ２Ｏ３やイットリア等のセラミックで構成するか、あるいは、そのようなセラミックの膜で表面が被覆された絶縁部材または導電部材で構成するのが好ましい。あるいは被処理基板１０３と同じ材料、たとえばシリコン等、を構成部材としてあるいは被覆部材として用いるのが好ましい。
また、図１のようなリング状絶縁部材１２５を設置せず、図９に示すように、保持台９０２自体を、被処理基板９０３およびＲＦ電極９０１と同じ径の絶縁部材とし、処理室の壁部材（図示せず）に直接結合させても良い。なお、この場合にはＲＦ電極９０１が保持台側面部に露出しないように、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３等の耐プラズマ性に優れたセラミックスを溶射する等の方策を行い、例えば、厚さ１μｍの絶縁保護層９０４を形成することが好ましい。
また、図１０に示すように、保持台１００２を耐プラズマ性に優れたＡｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３等のセラミックスとし、ＲＦ電極１００１を処理基板１００３と同じ径、もしくは、小さくすることで、高エネルギーイオンが照射される領域を実質的に処理基板１００３のみに限定することも有効である。
さらに、図１１に示すように、保持台１１０２を処理基板１１０３よりも小さい径でＲＦ電極１００１とは同じ径の絶縁部材から構成しても良い。この場合においてもＲＦ電極１００１が側面部に露出しないように、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３等の耐プラズマ性に優れたセラミックスを溶射する等の方策を行い、例えば厚さ１μｍの保護層１１０４を保持台側面部に形成することが好ましい。なお、図１０、図１１の保持台１００２、１１０２は処理室の壁部材（図示せず）に直接結合させて用いる。
ここで、図１に戻ると、グランドプレート１１５は、プラズマの熱負荷による過大な温度上昇を防ぐために、熱伝導率が高く、抵抗率の低い材質で構成するのが望ましい。本実施例においては、Ａｌ合金（ＺｒおよびＭｇを含有するＡｌ）を用いた。グランドプレート１１５のプラズマに曝される表面は、プラズマから大量のイオンが照射されるため、強固な保護膜が形成されていることが望ましい。本実施例においては、非水溶液を用いた陽極酸化により、厚みが０．５μｍのＡｌ２Ｏ３保護膜を形成した。保護膜はこれに限られることは無く、例えばＹ２Ｏ３の溶射膜またはゾル・ゲル法による塗布膜でも良いし、Ａｌ２Ｏ３保護膜の上にさらにＹ２Ｏ３の溶射膜またはゾルゲル塗布膜を形成する方法でも良い。
また、グランドプレート１１５表面でのイオンと電子の再結合により発生する熱流を速やかに除去し、グランドプレート１１５を正確に温度制御する（特に、冷却する）ためにグランドプレート１１５の内部に温度制御用の媒体を流すことが望ましい。本実施例においては、グランドプレート１１５内部に媒体流路１２０を設けて媒体（特に、冷却用媒体、例えば熱容量の大きいＨｅガス、水、その他の冷媒）を流すことにより、１５０℃に温度制御を行った。グランドプレート１１５を正確に温度制御することで、その周辺空間や被処理基板１０３の温度上昇を抑制する効果もある。
グランドプレート１１５に保護膜を形成すると最表面は絶縁体となるが、その厚さがグランドプレート１１５とプラズマとの間に形成されるシース厚に比べて十分薄ければ、プラズマとグランドプレート１１５の導体部分とに形成されるシースインピーダンスは保護膜が無い場合と比べて殆ど増加しないため、ＲＦ電力に対するグランドとしてグランドプレート１１５は充分に機能する。これを以下に詳述する。
プラズマに接している物体表面に形成されるシースの厚みdは下記数５で与えられる。
Figure 0005252613
ここで、V0はプラズマと物体の電位差（単位はV）、Teは電子温度（単位はeV）であり、λDは下記数６で与えられるデバイ長である。
Figure 0005252613
ここでneはプラズマの電子密度である。この式より、１０１２ｃｍ−３のプラズマを励起するとシース厚は、図３に示すとおり、約４０μｍとなる。プラズマ電位を上昇させずにウェーハに効率的にセルフバイアスを発生させるには、グランドプレート１１５とプラズマとの間のRF電力周波数におけるインピーダンスを下げる必要がある。このインピーダンスＺ（インピーダンスの絶対値とする）は、グランドプレート１１５とプラズマとの間の容量をＣとして、Ｚ＝１/（２πｆＣ）で与えられる（ｆは電力周波数）。よって、ＺはＣに逆比例するから、Ｃをできるだけ大きくすれば良い。
シース厚をｄ、保護膜厚をｔ、保護膜の比誘電率をεｓとすると、グランドプレート１１５とプラズマとの間の容量Ｃは、下記数７となる。
Figure 0005252613
本実施例において、ｄ＝４０μｍ、ｔ＝０．５μｍ、εｓ=９であるから、Ｃの減少分はたかだか１％程度となり、保護膜形成によるプラズマ電位の上昇はほぼ無視できる。また、上式より、数μｍの保護膜が形成されても、電位上昇はほぼ無視できることが分かる。
図１に示されたシャワープレート１０６の直下には、ラジアルラインスロットアンテナ１１１から供給された周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波により、低電子温度で高密度なプラズマが生成される。
プラズマ中へのマイクロ波の侵入を防ぐために、２．４５ＧＨｚの周波数に対応するカットオフ密度ω２ｍε0/ｅ２=７．５×１０１０ｃｍ−３以上になるようにマイクロ波パワーを設定することが望ましい。ここで、マイクロ波の角周波数をω、真空の誘電率をε0、電子の質量をｍ、素電荷をe、とする。このことにより、表面波モードのプラズマが安定して励起されることとなる。さらには、前記グランドプレート１１５のマイクロ波電界による加熱を防ぎ、より安定したプラズマ励起を行うためには、プラズマ中のマイクロ波電界をなるべく弱くすることが望ましい。
マイクロ波電界がプラズマへ侵入する深さは、真空中の光速度をｃ、電子密度をｎ、としたときに下記数８で規定されるプラズマ角振動数をωpeにより、下記数９で規定されるマイクロ波のプラズマ内への侵入長で特徴付けられる。
Figure 0005252613
Figure 0005252613
プラズマ角振動数は、電子密度の０．５乗に比例して増加するため、電子密度を大きくすることで、前記侵入長は短くなり、グランドプレート１１５の異常加熱を防止でき、さらに安定にプラズマを維持することが可能となる。すなわち、シャワープレート１０６とグランドプレート１１５との距離が、前記侵入長より長い方が良い。とくに、前記距離が３倍以上長ければ、グランドプレート１１５に到達するマイクロ波のパワーは、投入パワーの１％以下になるので、より安定したプラズマ維持が可能となる。
本実施例においては、シャワープレート１０６とグランドプレート１１５の距離を５０ｍｍと設定している。このことより、電子密度が１．８×１０１１ｃｍ−３以上のプラズマを励起すればよい。
以下、イオン注入方法について、順次説明をする。例えば、ＭＯＳトランジスタのソース/ドレイン領域へのイオン注入は、ｐ＋層を形成する場合はＢＦ２＋、ｎ＋層を形成する場合はＡｓＦ２＋またはＰＦ２＋等のイオンを、プラズマを励起することで形成し、ウェーハ（被処理基板１０３）表面に発生させたセルフバイアス電圧により加速させて、ウェーハに打ち込む。このために、プラズマ励起ガス供給ポート１１７から処理室１０２へ導入するプラズマ励起ガスとして、フッ化物ガスＢＦ３、ＡｓＦ３、ＰＦ３を用いる。例えば、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）のような水素化物ガスを用いることは、プラズマを励起した際にＨ＋イオンのような軽いイオンが形成され、ウェーハの深い領域まで打ち込まれてしまい大量の欠陥を形成してしまうために好ましくない。
なお、フッ化物ガスのみでプラズマ励起を行っても良いが、フッ化物ガスでプラズマを励起するとＦ−イオンが生成されるために電子の少ないプラズマとなるので、Ａｒイオンで希釈することが電子を発生させるためには有効である。ただし、その場合は注入後のアニール処理で打ち込まれたＡｒを確実に脱離させることが必要となる。
フッ化物ガスが加わると上記の説明のようにプラズマの電子密度が下がってしまい、電子密度がカットオフ密度以下になってしまう現象が見られる。たとえば、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波のパワーを１．６ｋＷ／ｃｍ２としＡｒとＮＦ３ガスとの混合ガスの総流量を２００ｓｃｃｍとしてプラズマ励起をした場合、シャワープレートの７５ｍｍ下でのプラズマ密度を測定すると、上記混合ガス中のＮＦ３ガスの割合が０~１０％程度であれば電子密度は７．５×１０１０ｃｍ−３より高い密度を維持するが、チャンバーの圧力が４００ｍＴｏｒｒの場合は１０％を超えると、圧力が３００ｍＴｏｒｒの場合は約２０％を超えると、電子密度は７．５×１０１０ｃｍ−３のカットオフ密度以下となってしまい、チャンバーのプラズマ励起が不安定になって、マイクロ波がプラズマで反射されずに透過して処理基板へ到達し、基板にダメージを与えてしまう。然るに、処理室内の圧力を１００ｍＴｏｒｒ程度に下げれば、フッ化物ガスの割合が８０％程度まで、処理室内の圧力を５０ｍＴｏｒｒに下げれば、フッ化物ガスの割合が１００％まで、としても電子密度はほとんど下がらずカットオフ密度以上に維持できることが確認された。
また、マイクロ波のパワーを１．６ｋＷ／ｃｍ２以上としＮＦ３ガス１００％、圧力１００ｍＴｏｒｒでプラズマ励起をした場合、シャワープレートの７５ｍｍ下でのプラズマを測定すると、電子密度は確実にカットオフ密度よりも高くなり（パワーが２．５ｋＷで１．４×１０１１ｃｍ−３程度）、かつ電子温度も低くなり（パワーが２．５ｋＷで１．３ｅＶ程度）、安定したプラズマ励起、チャージアップダメージのないイオン注入が可能であることを確認した。
なお、ＢＦ３等のフッ化物ガスでプラズマを励起すると、Ｆラジカルが発生し、そのＦラジカルと被処理基板のＳｉとが反応してＳｉＦ４が形成され、ＳｉＦ４は常温であれば揮発してしまうので、結果として、被処理基板であるシリコンウェーハがエッチングされてしまうことになる。ＳｉＦ４の揮発温度は圧力が７６ｍＴｏｒｒのときマイナス１６０℃であるので、処理室内の圧力が７６ｍＴｏｒｒ程度であれば、被処理基板の温度を−１６０℃以下にすればこのエッチングを抑えることができる。圧力がこれ以下であっても、液体窒素（−１９６℃）の温度であれば揮発温度以下であるので、液体窒素で基板を冷やせば、ラジカルによるエッチングを抑えることができる。従って、処理台１０４の温度制御媒体流路１１６に液体窒素を流すのが好ましい。
イオン注入は、正電荷を持ったイオンが被処理基板のイオン注入領域に打ち込まれ、負電荷を持った２次電子がたたき出されるため、イオン注入領域は正に帯電する。ソース/ドレイン領域形成のためのイオン打ち込みであると、イオンドーズ量としては１×１０１５〜５×１０１５ｃｍ−２のイオンを打ち込む必要がある。１回のイオン衝撃で１０個程度の２次電子が放出されるので、１×１０１6〜５×１０１6ｃｍ−２の正電荷が蓄積される。
イオン注入によりゲート絶縁膜に発生する電界強度を低減させるために、イオンドーズを１０００回に分けて行った。すなわち、マイクロ波プラズマを励起しながら、被処理基板のＲＦ電力をパルスで印加した。ＲＦ電力がオンになった時だけセルフバイアス電圧が発生し、イオン注入がおこなわれる。ＲＦ電力がオフの時は、プラズマ中の電子により帯電を除去する。トータルで５×１０１５ｃｍ−２のドーズを行うので、１回のドーズ量は５×１０１２ｃｍ−２となる。注入エネルギーは１．５ｋｅＶ、すなわちＲＦ印加時に発生するセルフバイアス電圧を１．５ｋＶと設定した。この場合、ＢのＳｉ中での飛程は数ｎｍ以下となり、極浅ｐ＋/ｎジャンクションの形成が可能となる。ただし、このようなエネルギー領域でイオンをＳｉに入射させると、イオン１個に対して１０個程度の２次電子が放出されるため、トータルのプラズマイオン入射による電荷注入量の約１０倍の量、正に帯電してしまう。一方、ＡｒとＢＦ３でプラズマを励起した結果、Ｆ−イオンと電子の割合は、電子が１０％程度であった。よって、１回のパルスでウェーハ上に正に帯電した電荷を電子で中和するには、パルス間隔をパルス幅の約１００倍にする必要がある。１分間で１枚のウェーハを処理するとして、基板バイアスを印加するパルス幅を０．６ｍｓとし、電子により中和させる時間を５０．４ｍｓとした。すなわち、４００ｋＨｚのＲＦ電力を５０．４ｍｓおきに０．６ｍｓのパルスで印加した。ウェーハに照射されるイオンのうち、約１/３がＢＦ２＋であったから（残りはＡｒ＋）、必要なイオン電流密度Ｊは、下記数１０と設定した。
Figure 0005252613

電流密度はプラズマ密度に比例するので、プラズマ励起用のマイクロ波電力でプラズマの密度を変化させることで制御した。ＲＦ印加時間に対し、非印加時間が約１００倍あるので、帯電させることなくイオン注入を行うことが可能となった。必要なイオン電流密度Ｊは、より一般的には、下記数１１のように与えられる。
Figure 0005252613
ここで、Ｄはドーズ量、eは素電荷、αはプラズマイオン中の注入イオンの割合、Ｎはパルス回数、Δtはパルス幅である。なお、ここでは注入イオンが一価に電離しているとしたが、多価イオンが存在する場合は、素電荷eに価数を掛けて、それぞれの価数のイオンについて電流密度を求めて足し合わせた値を電流密度として設定すれば良い。
（実施例２）
図４乃至図８を参照して、本発明の実施例２として、本発明のイオン注入方法を用いてデバイスを製造した例を説明する。なお、実施例１と重複する部分は説明を省略する。
図４は、本発明のイオン注入方法を用いて製造したＰＭOＳトランジスタ４００を示す。図５から図８を用いて、作成工程を示す。図５は、ゲート電極５１１をゲート絶縁膜５１２上に形成した時点での断面図である。ゲート電極５１１はポリシリコンである。まず、ｐ型シリコン基板４０１のｎウエル５１３にライトドープトドレイン領域を形成するためのＢF２＋を本発明によるプラズマイオン注入で打ち込んだ。Ａｒに希釈したＢＦ３ガスを図１の処理室１０２に導入し、プラズマを励起した。基板バイアスを印加するパルス幅を０．６ｍｓとし、電子により中和させる時間を５０．４ｍｓとし、ドーズ量を２×１０１４ｃｍ−２とした。よって、イオン電流は、下記数１２と設定した。
Figure 0005252613
基板バイアスは０．７ｋＶとした。ＲＦ電源１２２のＲＦ電力の周波数は４００ｋＨｚとしているため、その周期はＢF２＋はシース通過時間よりも長いため、ＢF２＋はＲＦ周波数に完全に追随するため、最大エネルギーは基板バイアスの倍の１．４ｋＶとなり、効率的にイオンエネルギーを得ることができた。なお、処理台１０４の温度制御媒体流路１１６には液体窒素を流した。その結果、図５の５０１で示すような、深さ方向５ｎｍ程度の領域までＢＦ２＋が打ち込まれた。その後、６００℃３０分の活性化アニールを行い、図６の６０１で示すような、キャリア濃度が１０１９ｃｍ−３のｐ型高濃度層が形成された。同時にこのアニールにより、打ち込まれたＦとＡｒを脱離させた。その後、図７に示すように、ゲート電極５１１の側壁にＳｉＯ２でサイドウォール７１１を形成した後、高濃度ソース/ドレイン層を形成するため、再度ライトドープトドレイン層形成時と同様な方法で、ドーズ量５×１０１５ｃｍ−２をイオン注入した。ただし、イオン電流は、
下記数１３と設定し、基板バイアスは、１．６ｋＶとした。
Figure 0005252613
この場合も、ＢF２＋はＲＦ周波数に完全に追随するため、最大エネルギーは基板バイアスの倍の３．２ｋＶとなり、効率的にイオンエネルギーを得ることができた。この結果、図７の７０１で示すように、深さ方向８ｎｍ程度の領域にＢＦ２＋イオンを打ち込んだ。その後、６００℃３０分の活性化アニールを行い、図８の８０１で示すような、キャリア濃度が２×１０２０ｃｍ−３のｐ型高濃度ソース/ドレイン層が形成された。その後、図４に示す通り、ソースドレイン８０１のコンタクト用シリサイド形成、層間絶縁膜４１１形成、コンタクト開口、配線４１２形成を行い、ＰＭＯＳトランジスタ４００を作成した。イオン注入の際にチャージアップダメージを完全に除去したため、低リーク電流で高移動度のトランジスタが実現できた。
上に説明した実施例に本発明は限定されず、被処理体はシリコン基板のほか、イオン注入の必要な他の半導体の基板または他の材料でもよく、イオン源のガスも注入に必要なイオンを生じるものでよく、プラズマ励起用ガスもＡｒに限らず他の希ガスまたはその他のガスを用いることが出来る。また、上記の例ではイオン源ガスをプラズマ励起用ガスと併用して、またはプラズマ励起用ガスと一緒にガス供給ポート１１７からシャワープレート１０６を介して処理室１０２へ導入したが、イオン源ガスをプラズマ励起用ガスとは別の経路で処理室１０２へ導入するようにしてもよい。
以上、本発明を実施例によって説明したが、本発明は実施例の構成、数字に限定されるものではない。例えば、マイクロ波の周波数は２．４５ＧＨｚに限られず、例えば９１５ＭＨｚでもよいし、プラズマ励起ガスもＡｒとフッ化物（ＢＦ３やＡｓＦ３等）との混合ガスに限らず、フッ化物（ＢＦ３やＡｓＦ３等の一つ又は複数）ガスのみとしてもよい。
要は、減圧可能な処理室と、該処理室内にプラズマを励起する手段と、前記処理室内に設けられ被処理基板を保持する保持台と、前記処理室内において前記保持台に対向する位置に設けられ、前記プラズマを前記保持台の方向へ透過しうる部分を有する導体部材と、前記保持台に保持される前記被処理基板に基板バイアス用ＲＦ電力を印加する手段とを含み、前記導電部材は前記ＲＦ電力の周波数に対して電気的に接地されていることが本発明の特徴である。
そして、好ましくは前記プラズマを励起する手段が、マイクロ波源からのマイクロ波を均一に放射するＲＬＳＡアンテナと、プラズマ励起用ガスを処理室内に均一に放出するシャワープレートとを含み、処理室内の圧力を１００ｍＴｏｒｒ程度以下として確実にカットオフ密度を超える電子密度をプラズマ中に確保し、基板には４００ｋＨｚ程度のＲＦバイアス電力を間歇的に供給して非印加時にプラズマ中の電子による中和を行い、グランドプレートは基板バイアスのＲＦ電力の周波数において接地されてプラズマ電位を上昇させずに確実に基板に１ｋＶ〜５ｋｖ程度のセルフバイアスを発生させることが肝要である。
産業上の利用の可能性
本発明に係るチャージアップダメージの発生しにくいイオン注入装置およびイオン注入方法は、実施例のＰＭＯＳトランジスタに限らず他の半導体装置、ＬＳＩ、その他イオン注入を必要とする電子装置の製造に用いることが出来る。
本発明の実施の形態によるイオン注入装置を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態によるイオン注入装置の要部を示す平面図である。 プラズマ密度とデバイ長、シース厚との関係を示す表である。 本発明の実施の形態によるイオン注入方法を用いて形成された半導体装置を示す概略断面図である。 図４の半導体装置を形成する工程を説明するための概略断面図である。 図４の半導体装置を形成する工程を説明するための概略断面図である。 図４の半導体装置を形成する工程を説明するための概略断面図である。 図４の半導体装置を形成する工程を説明するための概略断面図である。 本発明の実施の形態によるイオン注入装置の他の要部を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態によるイオン注入装置の他の要部を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態によるイオン注入装置の他の要部を示す概略断面図である。
符号の説明
１０１ 排気ポート
１０２ 処理室
１０３ 被処理基板
１０４ 保持台
１０５ ガス放出孔
１０６ シャワープレート
１０７ シールリング
１０８ カバープレート
１０９ シールリング
１１７ プラズマ励起ガス供給ポート
１１８ 供給孔
１１０ 空間
１１１ スロット板
１１２ 遅波板
１１３ 同軸導波管
１２３ 金属板
１１４ 冷却用流路
１１５ グランドプレート
１２０ 媒体流路
１２１ 透過窓
１２２ ＲＦ電源
１２４ 多孔質セラミックス層
１２５ リング状絶縁部材

Claims (25)

  1. 減圧可能な処理室と、該処理室内にプラズマを励起する手段と、前記処理室内に設けられ被処理基板を保持する保持台と、前記処理室内において前記保持台に対向する位置に設けられ、前記プラズマを前記保持台の方向へ透過しうる部分を有する導体部材と、前記保持台に保持される前記被処理基板に基板バイアス用ＲＦ電力を印加する手段とを含み、前記導体部材は前記ＲＦ電力の周波数に対して電気的に接地されており、前記プラズマを励起する手段が、前記処理装置内にプラズマ励起用電力を供給する手段と前記処理装置内にプラズマ励起用ガスを供給する手段とを含み、前記プラズマ励起用電力の周波数がマイクロ波領域であることを特徴とするイオン注入装置。
  2. 前記プラズマ励起用ガスが前記被処理基板に注入されるべきイオン源のガスを含むことを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
  3. 前記処理装置内にプラズマ励起用電力を供給する手段が、マイクロ波源と平板状アンテナと該マイクロ波源から該アンテナにマイクロ波を伝達する手段とを含み、前記アンテナは前記保持台に対向する位置に誘電体板を介して設置され、前記アンテナから放射されたマイクロ波が前記誘電体板を透過して前記処理室内の前記プラズマ励起用ガスを照射してプラズマを発生させるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至２のどれか一つに記載のイオン注入装置。
  4. 前記プラズマ励起用ガスを供給する手段が、ガス導入ポートと前記誘電体板内を通過して前記プラズマ励起用ガスを前記処理室内に放出する複数のガス通路とを含み、前記プラズマ励起用ガスが前記誘電体板から前記処理室内に放出される空間またはその近傍で前記プラズマが発生するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のどれか一つに記載のイオン注入装置。
  5. 前記処理室内において、前記導体部材の前記保持台とは反対側の空間における前記プラズマの電子密度が、前記プラズマ励起用電力の角周波数をω、真空の誘電率をε0、電子質量をｍ、素電荷をe、としたときに、ω２ｍε0/ｅ２規定されるカットオフ密度よりも高いことを特徴とする請求項１乃至３のどれか一つに記載のイオン注入装置。
  6. 前記プラズマ励起用ガスがフッ化物ガスを含み、前記処理室内の圧力を、前記導体部材の前記保持台とは反対側の処理室空間における前記プラズマの電子密度が前記マイクロ波の角周波数をω、真空の誘電率をε0、電子の質量をｍ、素電荷をe、としたときにω２ｍε0/ｅ２で規定されるカットオフ密度よりも高い密度に維持されるような圧力としたことを特徴とする請求項１乃至４のどれか一つに記載のイオン注入装置。
  7. 前記処理室内において、前記導体部材の前記保持台とは反対側の空間であって、前記プラズマが前記誘電体板の前記導体部材側にプラズマシースを介して接している位置でのプラズマの電子密度が、前記アンテナに供給するマイクロ波の角周波数をω、真空の誘電率をε0、電子質量をｍ、素電荷をe、としたときに、前記電子密度がω２ｍε0/ｅ２で規定されるカットオフ密度よりも高いことを特徴とする請求項４に記載のイオン注入装置。
  8. 下記数１（ただし、ｎは前記処理室内において前記プラズマが前記誘電体板の前記導体部材側にプラズマシースを介して接している位置でのプラズマの電子密度、ε0は真空の誘電率、ｍは電子の質量を、eは素電荷）で規定されるプラズマ角振動数をωpeとし、前記アンテナに供給するマイクロ波の角周波数をωとしたときに、
    下記数２（ただし、ｃは真空中の光速度）で規定されるマイクロ波の侵入深さに比べ、前記誘電体板と前記導体部材と間の距離の方が長いことを特徴とする請求項４または７に記載のイオン注入装置。
    Figure 0005252613
    Figure 0005252613
  9. 下記数３（ただし、ｎは前記処理室内において前記プラズマが前記誘電体板の前記導体部材側にプラズマシースを介して接している位置でのプラズマの電子密度、ε0は真空の誘電率、ｍは電子の質量を、eは素電荷）で規定されるプラズマ角振動数をωpeとし、前記アンテナに供給するマイクロ波の角周波数をωとしたときに、下記数４（ただし、ｃは真空中の光速度）で規定されるマイクロ波の侵入深さに比べ、前記誘電体板と前記導体部材と間の距離の方が3倍以上長いことを特徴とする請求項４、７または８に記載のイオン注入装置。
    Figure 0005252613
    Figure 0005252613
  10. 前記アンテナがラジアルラインスロットアンテナであることを特徴とする請求項３乃至９の一に記載のイオン注入装置。
  11. 前記導体部材が直流的に電気的に接地されていることを特徴とする請求項１乃至１０の一に記載のイオン注入装置。
  12. 前記処理室内壁のうち少なくとも前記プラズマが接する部分と、前記導体部材の表面が金属酸化物および金属窒化物の少なくとも一方で被覆されていることを特徴とする請求項１から請求項１１の一に記載のイオン注入装置。
  13. 前記導体部材は、その内部に温度制御用の媒体を流す手段を有していることを特徴とする請求項１から請求項１２の一に記載のイオン注入装置。
  14. 前記ＲＦ電力の周波数の周期が、前記被処理基板表面に形成されるプラズマシースに前記プラズマから流出する注入原子イオンまたは注入分子イオンが前記被処理基板に到達する時間に比べて長いことを特徴とする請求項１から請求項１３の一に記載のイオン注入装置。
  15. 前記複数のガス通路のガス放出部分に多孔質セラミックス部材が設けられ、前記多孔質セラミックス部材からプラズマ励起ガスを処理室内に導入することを特徴とする請求項４および７乃至１４の一に記載のイオン注入装置。
  16. 前記複数のガス通路のガス放出孔の径が前記誘電体板と前記プラズマの間に形成されるシース厚の２倍以下であり、前記ガス放出孔からプラズマ励起ガスを処理室内に導入することを特徴とする請求項４および７乃至１５の一に記載のイオン注入装置。
  17. 前記保持台を冷却する手段をさらに含むことを特徴とする請求項１から請求項１６の一に記載のイオン注入装置。
  18. 前記保持台はその内部に冷却用の媒体を流す手段を有していることを特徴とする請求項１から請求項１７の一に記載のイオン注入装置。
  19. 請求項１から請求項１８の一に記載のイオン注入装置を用いてイオン注入を行うことを特徴とするイオン注入方法。
  20. 前記ＲＦ電力をパルスで印加することで、複数回に分けてイオン注入を行うことを特徴とする請求項１９に記載のイオン注入方法。
  21. 前記パルスは所定の幅と間隔とを有し、前記パルス間隔は、前記プラズマに存在する単位体積のイオン電荷総数に対する電子数の割合の逆数と、前記被処理基板の２次電子放出係数と、前記パルス幅との積よりも長い時間であることを特徴とする請求項２０に記載のイオン注入方法。
  22. プラズマ励起ガスが、注入すべきイオンの原子のフッ化物のガス、または注入すべきイオンの原子のフッ化物のガスを希ガスで希釈した混合ガスであることを特徴とする請求項１９から請求項２１の一に記載のイオン注入方法。
  23. プラズマ励起ガスが、BF３、PF3、およびAsF3から選ばれるガス、またはBF３、PF3、およびAsF3から選ばれるガスをAr、Kr、およびXeから選ばれる少なくとも一種の希ガスで希釈した混合ガスであることを特徴とする請求項１９から請求項２２の一に記載のイオン注入方法。
  24. 前記被処理基板はシリコンを含み、前記被処理基板をシリコンのフッ化物が前記処理室の圧力において揮発する温度よりも低い温度に冷却することを特徴とする請求項２２または２３に記載のイオン注入方法。
  25. 請求項１９から請求項２４の一に記載のイオン注入方法によってイオン注入を行う工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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