JP5826524B2 - プラズマドーピング装置及びプラズマドーピング方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマドーピング装置及びプラズマドーピング方法に関する。

半導体製造工程において基板表面に不純物注入層を形成するために、イオン注入技術に加えて、プラズマドーピング技術を適用することが試行されている。プラズマドーピング技術による不純物の注入は、低抵抗のごく浅い接合の形成を高スループットで実現する新たな方法として実用化が期待されている。

例えば特許文献１、２には、シリコン基板表面にプラズマを照射してアモルファス層を形成し、そうして得られたアモルファス層に不純物を導入する不純物導入方法が記載されている。導入されるべき不純物は例えばボロンであり、ボロンを含む原料ガスとして例えばジボランガスが使用される。また、特許文献３によれば、ジボランガスをヘリウムガスで低濃度に希釈したガスのプラズマを用いることがドーズ量の面内均一性の向上に有効であるとされている。特許文献４にも、ジボランが混合されたヘリウムガス雰囲気におけるプラズマドーピング方法が記載されている。

国際公開第２００４／０７５２７４号 国際公開第２００５／１１９７４５号 国際公開第２００６／０６４７７２号 特開昭６４−４５１１７号公報

不純物注入工程におけるアモルファス層は、チャネリングの抑制効果がある。つまり、不純物注入前にアモルファス層を形成しておくことで、注入における余分な深さ方向への不純物拡散を抑止することができる。上記のプラズマ照射によるアモルファス層形成は、いわゆるボンバードメント効果を利用している。つまり、大量のヘリウムイオンを衝突させ基板表層に結晶欠陥を生じさせることによりアモルファス層が形成されている。不純物の注入工程は、このアモルファス層形成の後に行われる。

不純物注入後、不純物の電気的活性化のための熱処理が行われる。同工程はプラズマドーピングにおいても通常のイオン注入と同様に行われる。しかしながら、ヘリウムガスを用いるプラズマでのアモルファス化及びドーピングでは、生成されたアモルファス層に密度の偏在が発生する。この密度の偏在により、熱処理による結晶の再生の際に欠陥が発生する。その結果、最終製品として製造されるデバイスの歩留まりの低下、またはデバイス性能の低下を引き起こす。これらの問題が存在するため、上記各文献に記載の不純物導入方法は結局、未だ実用段階に到達していない。

本発明の目的は、上述の結晶欠陥の発生を抑制し、低抵抗のごく浅い接合の形成を高スループットで実現するプラズマドーピング装置及びプラズマドーピング方法を提供することにある。

本発明のある態様は、半導体基板に不純物を添加するためのプラズマドーピング装置である。この装置は、チャンバと、前記チャンバに気体を供給するための気体供給部と、供給された気体のプラズマを前記チャンバに発生させるためのプラズマ源と、を備える。前記気体供給部は、基板に添加されるべき不純物元素を含む原料ガスと、水素ガスと、前記原料ガスを希釈するための希釈ガスと、を含む混合ガスが前記チャンバに供給されるよう構成されている。

この態様によれば、プラズマへの水素の混入によって、プラズマからのイオン衝突に対する基板表層の結晶の自己回復作用が強化される。これにより、プラズマ照射により生じた基板表面アモルファス層におけるアモルファス層の密度の偏在が軽減され、後工程の活性化処理中の欠陥の成長が抑制される。

本発明の別の態様は、不純物元素を有する原料ガスを含む混合ガスを真空環境に供給し、該混合ガスのプラズマを発生させ、該真空環境で基板に該プラズマを照射して前記不純物元素を注入するプラズマドーピング方法である。この方法は、前記プラズマに水素を混入させることにより、該プラズマの照射により生じた基板表面のアモルファス層の密度の偏在を軽減する。

本発明によれば、プラズマドーピングによる不純物注入技術の実用化が促進される。

本発明の一実施形態に係るプラズマドーピング装置の構成を模式的に示す図である。 典型的なプラズマドーピング処理及びアニール処理をしたときの基板の表面粗さとバイアス電圧との関係を示す散布図である。 プラズマドーピング処理による表面粗さの発生メカニズムを説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るシート抵抗の測定結果を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る二次イオン質量分析法による分析結果を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るシート抵抗の測定結果を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るシート抵抗の測定結果を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るシート抵抗の面内均一性の測定結果を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るシート抵抗の測定結果を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るシート抵抗の面内均一性の測定結果を示すグラフである。

図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマドーピング装置１０の構成を模式的に示す図である。プラズマドーピング装置１０は、チャンバ１２と、気体供給部１４と、プラズマ源１６と、基板ホルダ１８と、を含んで構成される。プラズマドーピング装置１０は、これらの構成要素及びその他の要素を制御するための制御装置（図示せず）を備える。

チャンバ１２は、内部に真空環境を提供するための真空容器である。チャンバ１２には、内部を真空排気するための真空ポンプ２０が付設されている。真空ポンプ２０は例えばターボ分子ポンプである。真空ポンプ２０は真空バルブ２２を介してチャンバ１２に接続される。真空バルブ２２は例えばバリアブルコンダクタンスバルブであり、ターボ分子ポンプの吸入口に取り付けられている。ターボ分子ポンプの後段には粗引きポンプ（図示せず）が設けられている。チャンバ１２はアースに接続されている。

真空ポンプ２０及び真空バルブ２２は、チャンバ１２の内部を所望の真空度に制御するための自動圧力調整システム（ＡＰＣ）を構成する。この自動圧力調整システムは、チャンバ１２の圧力を測定するための圧力センサ（図示せず）、及び圧力測定値に基づき真空バルブ２２（及び真空ポンプ２０）を制御するための圧力コントローラ（図示せず）をさらに含む。自動圧力調整システムにより、チャンバ１２内の真空環境は例えば、プラズマドーピング処理に好ましいプロセスガス圧力範囲に保持される。

気体供給部１４は、チャンバ１２にプロセスガスを供給するために設けられている。気体供給部１４は、単一のまたは複数のガス源と、そのガス源をチャンバ１２に接続しガスをチャンバ１２に導入するための配管系統と、を含む。この配管系統は、チャンバ１２に供給するガス流量を制御するためのマスフローコントローラを含んでもよい。気体供給部１４が単一のガス源をもつ場合には、複数種類のガスを所望の比率に予め混合したプロセスガスがそのガス源に蓄えられていてもよい。

図示の実施例においては、気体供給部１４は、不純物ガス源２４及びキャリアガス源２８を備える。気体供給部１４は、不純物ガス源２４から供給される不純物ガスの流量を制御するための第１マスフローコントローラ２６と、キャリアガス源２８から供給されるキャリアガスの流量を制御するための第２マスフローコントローラ３０と、を備える。

不純物ガスは、基板Ｗに添加されるべき所望の不純物を含む原料ガス、またはこの原料ガスを希釈ガスで薄めたガスである。原料ガスは所望の不純物に合わせて選択される。原料ガスの分子には不純物元素が含まれる。基板Ｗに注入する不純物が例えばボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）である場合にはそれぞれ、原料ガスは例えばＢ_２Ｈ_６、ＰＨ_３、ＡｓＨ_３等が使用される。一実施例においては、不純物は、ボロン、リン、ヒ素、ガリウム、ゲルマニウム、及び炭素のうち少なくとも１種であってもよい。

原料ガスを希釈するための希釈ガスは例えば、水素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、キセノンのいずれかである。あるいは、これらのうち複数種が希釈ガスとして併用されてもよい。希釈ガスは原料ガスのプラズマの着火性を改善するためのアシストガスとして使用されてもよい。一実施例においては、原料ガスとしてＢ_２Ｈ_６ガスを使用する場合には、ガス源でのボロンの粉末化を避けるために、水素ガスで２０％以下に希釈して使用される。キャリアガス源２８から供給されるキャリアガスは、希釈ガスと同様に、例えば、水素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、キセノンのいずれかである。また、これらのうち複数種がキャリアガスとして併用されてもよい。

気体供給部１４は、第１マスフローコントローラ２６により不純物ガスの流量を制御し、第２マスフローコントローラ３０によりキャリアガスの流量を制御することにより、所望の流量比で混合ガスをチャンバ１２に供給する。後述するように本発明の一実施形態においては、混合ガスは、原料ガス、水素ガス、及び希釈ガスを含む。そのために、不純物ガス源２４及びキャリアガス源２８の少なくとも一方に蓄えられているガスは水素ガスを含む。あるいは、気体供給部１４はチャンバ１２に水素ガスを供給するための水素供給系統を備えてもよい。このようにして、原料ガス、水素ガス、及び希釈ガスを含む混合ガスがチャンバ１２に供給されるように気体供給部１４は構成されている。

プラズマ源１６は、気体供給部１４からチャンバ１２に供給されたガスにプラズマを発生させる。プラズマ源１６はチャンバ１２に接してその外部に設置されている。一実施例においてはプラズマ源１６はＩＣＰ（誘導結合型プラズマ）と呼ばれるプラズマ発生方式のプラズマ源である。プラズマ源１６は、高周波電源３２、プラズマ発生用コイル３４、及びインシュレータ３６を含む。高周波電源３２は例えば１３．５６ＭＨｚの交流電源であり、プラズマ発生用コイル３４に電力を供給する。プラズマ発生用コイル３４はチャンバ１２の基板ホルダ１８に対向する一面（図示の例では上面）に取り付けられている。コイル３４が取り付けられているチャンバ１２の一面には、誘電体の材料で構成されたフランジであるインシュレータ３６が設けられている。

基板ホルダ１８は、プラズマドーピング処理がなされる基板Ｗを保持するためにチャンバ１２の内部に設けられている。基板Ｗは半導体基板であり、例えばシリコンを主材料とする基板である。基板ホルダ１８は、基板Ｗを保持するために例えば静電チャックまたはその他の固定手段を備えてもよい。一実施例においては、基板ホルダ１８は、温度が制御される基板接触部を有し、この基板接触部に基板Ｗが載置され静電吸着により固定される。こうして基板Ｗは、プラズマドーピング処理に好ましい基板温度に管理される。

また、基板ホルダ１８にはバイアス電源３８が接続されている。バイアス電源３８は、基板ホルダ１８に保持された基板Ｗに向けてプラズマ中のイオンを引きつけるための電位を基板Ｗに与える。バイアス電源３８は直流電源、パルス電源、または交流電源である。図示の実施例ではバイアス電源３８は交流電源である。この場合、プラズマ発生用の高周波電源３２よりは低周波数（例えば１ＭＨｚ以下）の交流電源が使用される。よって、以下ではバイアス電源３８を低周波電源と称する場合もある。

プラズマドーピング装置１０においては、例えば以下に述べるようにプラズマドーピング処理が実行される。まず、真空ポンプ２０により所望の真空度にチャンバ１２が排気され、処理されるべき基板Ｗがチャンバ１２へと搬入される。基板Ｗは基板ホルダ１８に保持される。気体供給部１４により所望の流量比で混合されたプロセスガスがチャンバ１２に供給される。このとき自動圧力調整システムにより継続して真空度が調節されている。高周波電源３２からプラズマ発生用コイル３４に通電して磁界を発生させる。磁界はインシュレータ３６を通過してチャンバ１２に進入し、プロセスガスのプラズマを発生させる。

バイアス電源３８を使用して、基板ホルダ１８に保持されている基板Ｗに電位を発生させる。プラズマに存在するイオンが基板Ｗに向けて加速され、基板Ｗの表層領域に不純物が注入される。所定の終了条件が成立したときに高周波電源３２及びバイアス電源３８からの給電は停止される。ガスの供給も停止される。処理済みの基板Ｗはチャンバ１２から搬出される。

なお、原料ガスのチャンバ１２への供給開始はプラズマの着火後であってもよい。この場合、まずキャリアガスの供給が先行して開始され、キャリアガスにプラズマを発生させてから、原料ガスがチャンバ１２に供給される。また、プラズマドーピング処理を終了する際においても、まず原料ガスの供給を先行して停止し、そのうえで給電及びキャリアガス供給を停止してプラズマを消滅させるようにしてもよい。

プラズマドーピング処理がされた基板Ｗに対しては、プラズマドーピングの後工程である熱処理が行われる。この熱処理は、プラズマドーピング処理によって基板Ｗに生じた結晶欠陥を回復し、注入された不純物を電気的に活性化するための処理である。熱処理は例えば急熱アニール処理（ＲＴＡ）、レーザーアニール、またはフラッシュランプアニールであり、図示しないアニール装置により行われる。一実施例においては、アニール装置がプラズマドーピング装置の後工程として連結され連続的に基板が処理されるインライン型の基板処理システムとして構成されていてもよい。なお図示の実施例においては、プラズマドーピング装置は他の工程から独立して設置されその都度基板が搬入出されるオフライン型の処理装置として構成されている。

図２は、典型的なプラズマドーピング処理及びアニール処理をしたときの基板の表面粗さとバイアス電圧との関係を示す散布図である。本発明者による測定結果を示す。図２に△印で示す測定結果は、３００ｍｍシリコンウエハの中心付近５００ｎｍ角内での自乗平均粗さを原子力間顕微鏡（ＡＦＭ）で測定したものである。測定対象のシリコンウエハは、ヘリウムガスで１０００ｐｐｍに希釈されたＢ_２Ｈ_６ガスを使用してプラズマドーピングを行っている。ドーズ量は１．５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２である。アニール条件は、窒素雰囲気で１１５０℃、３０秒である。測定結果の傾向を図２に一点鎖線で示す。

また図２に示す点線の範囲Ｍは、公知の低エネルギ（３００ｅＶ）のイオン注入で同一のドーズ量（１．５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）としたときの自乗平均粗さである。現在のデバイス作製はこの範囲Ｍで行われている。よって、他の手法で不純物を注入したときの自乗平均粗さが当該範囲Ｍにあれば、その手法に問題がないと評価することができる。

図２に示されるように、プラズマドーピングにおけるバイアス電圧が低い場合であれば、アニール処理後の基板表面粗さが低エネルギイオン注入の場合と同レベルである。しかし、プラズマドーピングの場合、バイアス電圧を高くするにつれて、アニール処理後の基板表面粗さは低エネルギイオン注入の場合よりも悪くなっていく傾向があることがわかる。これは、大量のヘリウムイオンによるボンバードメント効果により結晶の欠陥が残留した結果と考えられる。

図３は、プラズマドーピング処理による表面粗さの発生メカニズムを説明するための図である。図３には、本発明者の考察による表面粗さ発生メカニズムを示す。図３には、基板Ｗの初期状態１００から、プラズマドーピング処理１０２及びアニール処理１０４を経て表面荒れ状態１０６までを示す。初期状態１００においては、基板Ｗを構成する原子（例えばシリコン原子）１０８が結晶状態で配列されている。

プラズマドーピング処理１０２においては、大量のイオン１１０が基板表面に引き寄せられて衝突する。上述のように原料ガスをヘリウムガスで希釈している場合には、プラズマから大量のヘリウムイオンが基板Ｗに向けて加速され基板原子１０８に衝突する。基板原子１０８は衝突により散乱され、基板Ｗの表面に結晶層１１４よりも若干密度の低いアモルファス層１１２（破線で示す）が形成される。アモルファス層１１２の密度分布は均一ではない。図示のように、アモルファス層１１２の密度分布には局所的な疎密の偏在があると考えられる。

アニール処理１０４により基板Ｗに熱が与えられる。アニールの初期にアモルファス層１１２の下に存在する元々の結晶層１１４に引き寄せられ、上下方向にアモルファス層１１２内の基板原子１０８が再配列される。一旦上下に配列された基板原子１０８は拘束され、左右方向には移動しにくくなる。よって、アモルファス層１１２において上下方向に基板原子１０８の数が少ない位置は凹となり、上下方向に基板原子１０８の数が多い位置は凸となる。こうして、状態１０６に示すように、アモルファス層１１２における密度の偏在が基板表面の凹凸すなわち表面荒れとして現れたと考えられる。基板に印加するバイアス電圧を大きくするほど表面に生じる結晶の欠陥も大きくなることになる。

アニール処理により不純物が活性化されるので、基板表面のシート抵抗はアニール処理前よりも低下する。ところが、図３に示すように基板表面に欠陥が残留する結果として、不純物の活性化により本来低下するはずの水準まではシート抵抗は下がらない。そうすると、最終製品であるデバイスの動作速度の低下やオーム加熱によるエネルギ損失が生じ得る。デバイスのゲートとの接触部にちょうど欠陥が重なった場合には、最悪の場合、そのデバイスが動作しないおそれがある。プラズマドーピングを製造工程に採用したときのデバイスの歩留まり低下が懸念される。微細化の進展により回路線幅が狭くなるほど欠陥によるこれらの影響は大きくなる。

そもそもプラズマドーピングがイオン注入の代替技術と目されてきたのは、一括して注入することのできる面積の大型化が低エネルギであっても比較的容易であり、高スループットで浅い結合を形成することが期待されたからである。ヘリウムガスで極めて低濃度に希釈された原料ガスを使用することにより、注入される不純物のスパッタリングと注入とが平衡化され、不純物の注入量の均一性及び再現性を良好とすることができる。注入された不純物の拡散がアモルファス層と結晶との境界で止まるため、半導体の性能を決める要素であるドーズプロファイルの急峻性についても優れた結果を得ることができる。

よって、こうした利点を持つプラズマドーピングによる不純物注入技術の実用化を促進するために、不純物の活性化処理をした後における基板表面の欠陥を抑制する技術が求められるであろう。その技術の内容はおろか、そのような抑制対策の必要性すら未だ知られていない。例えば上掲の特許文献においてはアニール処理をした後において基板表面に無視できない荒れが生じること自体何ら言及されていない。

欠陥は大量のアシストガスイオンに起因しているから、これを抑制するいくつかの単純な方法が考えられる。例えば、（１）アシストガスとして使用する元素の原子量を小さくするとか、（２）注入エネルギを小さくするとか、（３）アシストガス量を減らすといったことが考えられる。しかし、いずれの手法も必ずしも現実的ではない。例えば、アシストガスとして比較的良好とされているヘリウムよりも原子量の小さいガスは水素に限られるにもかかわらず、水素ガスのみをアシストガスとした場合には均一性、再現性、急峻性が実用レベルにない。また、製造すべきデバイス性能により注入深さが決定され、これにより注入エネルギが決定されるので、注入エネルギは事実上調整可能なパラメータではない。アシストガス量を減らした場合には原料ガス濃度が高まるので、やはり均一性、再現性、急峻性が劣化する。

本発明者は斯かる状況のもとで研究及び実験に鋭意取り組んだところ、良好な均一性、再現性、急峻性を保ちつつアニール処理後の欠陥を抑制することのできる有効な方法を発見した。本発明者は、プラズマに適量の水素を混入することにより、衝突粒子によるボンバードメント効果ひいてはアモルファス層の密度の偏在が軽減され、アニール処理後において良好な均一性、再現性、急峻性を得られることを見出した。

プラズマへの適量の水素の混入によって、プラズマからのイオン衝突に対する基板表層の結晶の自己回復作用が強化される。つまり、ヘリウムのボンバードメントにより破壊される基板原子（例えばシリコン）同士の結合にプラズマによりラジカル化またはイオン化された水素が入り込み、瞬間的にシリコンと水素間に結合が生成される。この結合の結合力は弱く、結局はヘリウムのボンバードメントにより破壊される。しかしながら、このシリコン−水素間結合の存在によって、水素を混入しない場合よりも多くのエネルギーが結晶の破壊に必要となる。このため、同一エネルギーでは、結晶の破壊度合いは比較的弱くなる。したがって、プラズマ照射により生じた基板表面アモルファス層における密度の偏在が軽減され、後工程の活性化処理中の欠陥の成長が抑制される。

本発明の一実施形態においては、所望の不純物元素を含む原料ガスと、水素ガスと、原料ガスを希釈するための希釈ガスと、を含む混合ガスがチャンバ１２に供給される。この混合ガスは、低濃度に希釈された原料ガスと、原料ガスよりも高濃度の水素ガスと、を含んでもよく、残部が実質的に希釈ガスであってもよい。希釈ガスは例えばヘリウムガスであり、ヘリウムガスは水素ガスよりも高濃度であってもよい。一実施例においては、原料ガス濃度は１％以下である。一実施例においては、水素ガス濃度は１％以上である。

一実施例においては、プラズマドーピング装置１０は、ヘリウムガスまたはその他の希釈ガスによって１％以下の低濃度に希釈された不純物原料ガスを使用し、プラズマ照射による不純物注入時にプラズマに水素が混入されているように構成されていてもよい。あるいは、一実施例においては、プラズマドーピング装置１０は、水素ガスまたはその他の希釈ガスによって１％以下の低濃度に希釈された不純物原料ガスを使用し、プラズマ照射による不純物注入時にプラズマにヘリウムが混入されているように構成されていてもよい。

このようにして水素とヘリウムとをプラズマに同時に存在させることにより、ヘリウムによる結晶構造の破壊と水素による結晶回復とを併存させることができる。これにより、アモルファス層の密度の偏在が軽減される。好ましい水素ガス濃度を定めるための１つの観点は水素ガスによる結晶回復作用と希釈ガスによるボンバードメント効果とのバランスを考慮することであり、水素ガス濃度の好ましい範囲は実験的に決めることが可能である。

図４乃至図６を参照して、本発明の一実施形態に係るプラズマドーピングによる測定結果を説明する。この実施例においては、流量比で水素ガスを７％、Ｂ_２Ｈ_６ガスを０．２％、ヘリウムガスを残余の約９３％とする混合ガスを用いて図１に示すプラズマドーピング装置１０により基板にプラズマドーピングをした。使用した基板は３００ｍｍ径のＮ型の半導体用ウエハである。ドーズ量は１．３×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２である。その後アニール装置により１１５０℃、３０秒のアニール処理を行った。

なお、この１１５０℃、３０秒のアニール処理は、注入された不純物の活性化に十分なアニールである。経験的に見て、１０５０℃以上かつ５秒以上のアニールであれば、注入された不純物の活性化に十分であると評価することができる。よって、以下に説明する測定結果は、プラズマドーピングの後工程として１０５０℃以上かつ５秒以上のアニールをしたときにも同等の良好な結果が得られると予測される。

図４は、本発明の一実施形態に係るシート抵抗の測定結果を示すグラフである。シート抵抗値Ｒｓ（Ω／□）は、四端子測定法により測定した。図４の縦軸はシート抵抗の測定値Ｒｓであり、横軸は注入エネルギである低周波電源３８のワット数である。上述の流量比の混合ガス及びアニール条件を使用したときのシート抵抗値を図４に■印で示し、その傾向を実線で示す。比較例として、希釈ガスをヘリウムのみとしたときの測定値を◆印で示し、希釈ガスを水素ガスのみとしたときの測定値を△印で示す。これら２つの比較例は希釈ガスを除いて実施例と同一の条件で処理され測定されている。比較例の測定結果の傾向を破線で示す。

ヘリウム及び水素の双方を含むガスを使用したときに、いずれか一方のみの場合に比べて、ドーズ量が約１．５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２とほぼ同じであるにもかかわらず、シート抵抗値が大きく下がるという驚くべき結果が得られた。ヘリウムのみの比較例におけるシート抵抗測定値は約１２０Ω／□であり、水素のみの比較例におけるシート抵抗測定値は約１００Ω／□であるのに対して、本実施例におけるシート抵抗測定値は約７０Ω／□である。プラズマドーピング条件及びアニール条件によってシート抵抗値は変動する。しかし、水素を混入したときにシート抵抗値が小さくなるという大小関係は、これら処理条件によって変化しないであろう。なおヘリウムのみの比較例よりも水素のみの比較例のほうがシート抵抗が小さいのは、水素のほうが原子量が小さくボンバードメント効果も小さいからである。

本実施例によれば、１００Ｗ程度の低エネルギから１０００Ｗ程度の高エネルギまでの広い注入エネルギ範囲にわたってシート抵抗値は低レベルに保たれている。ちなみに、基板をシリコンとした場合、１００Wでの不純物濃度が５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３にまで落ちる基板表面からの深さは約２ｎｍであり、１０００Ｗでは約１８ｎｍである。また、比較例においてはいずれも注入エネルギを高くするにつれてシート抵抗も大きくなる傾向が見られるのに対して、本実施例においては注入エネルギが高くなるにつれてシート抵抗は減少している。図２に示すように典型的なプラズマドーピングにおいては注入エネルギを高くするにつれてアニール後の表面粗さも大きくなるのに対して、本実施例では高エネルギであっても低エネルギと同レベル以下の表面粗さが得られると推測される。

本実施例の良好な結果には、水素による結晶の自己回復機能が関与している。つまり、プラズマに水素が混入されていることにより、ヘリウムイオンの衝突によるシリコン原子の散乱がシリコン水素間結合によって抑制されていると考えられる。ヘリウムのみの比較例では大量のヘリウムイオンによるボンバードメント効果の影響が顕在化している。しかし、１つ１つのヘリウムイオンの衝突エネルギは、１０００Ｗ程度の高エネルギであっても実際にはそれほど大きくはない。水素原子のもつ結合エネルギによってシリコン原子の散乱が抑制され、全体的に比較的高密度のアモルファス層が形成される。これにより、本実施例ではアニール後のシート抵抗及び表面粗さが低くなったと考えられる。

なお、同様の理由により、ヘリウムよりも原子量の大きい希釈ガス（例えばアルゴン、キセノン、ネオン等）を、ヘリウムとともにまたはヘリウムに代えて使用することも可能となると考えられる。つまり、原子量が大きいほどボンバードメント効果が大きくなるが、水素を混入させることによりボンバードメント効果を軽減することができるので、原子量の大きい希釈ガスを採用することが可能となる。

図５は、本発明の一実施形態に係る二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）による分析結果を示すグラフである。図５に示すグラフＡないしＦはそれぞれ下記の使用ガス組成、ドーズ量、注入エネルギである点を除いて上述の共通のプラズマドーピング条件及びアニール条件で処理された基板の分析結果である。不純物ドーズ量は、ＳＩＭＳ分析での換算ドーズ量である。

グラフＡ（実施例） 混合ガス、１．２８×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２、３００Ｗ
グラフＢ（実施例） 混合ガス、１．５６×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２、８００Ｗ
グラフＣ 水素希釈、１．２４×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２、３００Ｗ
グラフＤ 水素希釈、１．２９×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２、８００Ｗ
グラフＥ ヘリウム希釈、１．１３×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２、３００Ｗ
グラフＦ ヘリウム希釈、１．１４×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２、８００Ｗ

グラフＡ及びグラフＢの混合ガスは、流量比で水素ガスを７％、Ｂ_２Ｈ_６ガスを０．２％、ヘリウムガスを残余の約９３％とする混合ガスである。グラフＣ及びグラフＤは比較例として、水素ガスのみでＢ_２Ｈ_６ガスを希釈したものである。グラフＥ及びグラフＦは比較例として、ヘリウムガスのみでＢ_２Ｈ_６ガスを希釈したものである。また、グラフＡ、Ｃ、Ｅは注入エネルギが低い場合であり（３００Ｗ）、グラフＢ、Ｄ、Ｆは注入エネルギが高い場合である（８００Ｗ）。

ＳＩＭＳ分析結果はドーズプロファイルの急峻性を特定するために使用される。ここでは、ドーズ量が５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３となる基板表面からの深さからドーズ量が５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３となる深さまでの深さ差を急峻性を表す指標として定義する。図５においては、５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３から５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３までのドーズ量を範囲Ｇで示している。この範囲Ｇにおける深さ変化量が急峻性を示す。数値が小さいほど急峻性が良好であることを表す。

よって、図５に示すＳＩＭＳ分析結果から得られる急峻性は以下のとおりである。
グラフＡ（実施例、低エネルギ） １．９ｎｍ
グラフＢ（実施例、高エネルギ） ２．５ｎｍ
グラフＣ（水素希釈、低エネルギ） ２．７ｎｍ
グラフＤ（水素希釈、高エネルギ） ３．９ｎｍ
グラフＥ（ヘリウム希釈、低エネルギ） １．９ｎｍ
グラフＦ（ヘリウム希釈、高エネルギ） ３．４ｎｍ

水素ガスのみで希釈した場合には急峻性が悪い。水素のみの場合に急峻性が悪いのは、水素のボンバードメント効果によるアモルファス層の厚さが極めて薄いからと考えられる。アモルファス層を超える深さまで不純物がドーピングされることになり、アモルファス層が拡散のストッパ層として機能していない。これに対して本実施例及びヘリウム希釈の場合にはアモルファス層が水素の場合よりも深くなり、その深さ範囲にドーピングが収まるために、極めて良好な急峻性が得られる。

また、高エネルギの場合には低エネルギの場合よりも急峻性が低下しているが、本実施例の急峻性の低下が最も小さいこともわかる。これについても水素による結晶の自己回復機能が関与していると考えられる。本実施例によれば、広範な注入エネルギ範囲で優れた急峻性が実現される。

急峻性を定義するための範囲Ｇは不純物層の厚さを表しているとも言える。よって、図５に示されるように、本実施例にかかるプラズマドーピング方法は低エネルギの場合に約１０ｎｍ以内の厚さの不純物層を基板に形成するために好適であり、高エネルギの場合に約１５ｎｍ以内の厚さの不純物層を基板に形成するために好適である。本実施例にかかるプラズマドーピング方法は、処理条件を調整することにより、約３０ｎｍ以内の厚さの不純物層を基板に形成するために好適である。

図６は、本発明の一実施形態に係るシート抵抗の測定結果を示すグラフである。図６は本実施例に係る混合ガスを使用し多数枚のウエハを処理したときのシート抵抗値Ｒｓ（Ω／□）の均一性及び再現性を示す。１０００枚のウエハを処理したときのウエハ内の均一性は平均２．８％（１σ）であり、再現性は１．８％（１σ）と良好であった。本実施例のように水素を混入した場合においても、ヘリウムガスのみで低濃度に希釈された原料ガスを使用する場合と同様に良好な均一性及び再現性を得ることができる。

図７は、本発明の一実施形態に係るシート抵抗の測定結果を示すグラフである。図４に示す測定結果と同様に、ボロンのプラズマドーピング及びアニール処理をした試料に対し、四端子測定法によりシート抵抗値Ｒｓ（Ω／□）を測定した。図に示すプロットは、一枚の基板全面の平均シート抵抗値を表す。図７の縦軸はシート抵抗の測定値Ｒｓである。図７の横軸は、プラズマドーピングのために供給される混合ガスの全流量に対する水素ガスの流量比である。図７に示す測定結果は、水素ガスの微量（例えば１％）の混入から約３０％の流量比までの範囲と、比較例としてヘリウム非含有（つまり水素ガスと不純物ガスのみの混合ガス、即ち水素ガス流量比約１００％）とを試験したものである。

図７の左側にはＢ_２Ｈ_６ガスの流量比を変化させた場合を示す。Ｂ_２Ｈ_６ガス流量比は約０．１％から約０．３％の範囲で変化させている。図７の右側にはバイアス電源３８の出力ＬＦを１３５Ｗから８００Ｗの範囲で変化させた場合を示す。各測定結果に共通するプラズマドーピングの条件は、プラズマ発生のための高周波電源３２のパワーが１５００Ｗ、処理中のガス圧が０．７Ｐａ、混合ガスの全流量が３００ｓｃｃｍである。水素ガス及びＢ_２Ｈ_６ガスを除く混合ガスの残部はヘリウムガスである。アニールの条件は、酸素添加率１％、設定温度１１５０℃、処理時間３０秒である。

図７の左側に示されるように、水素ガス流量比が３０％程度までの試験範囲においては、Ｂ_２Ｈ_６ガス流量比を一定とすると、水素ガスの微量混入（例えば１％）から大きくシート抵抗値は低減され、更なる水素ガス混入によってシート抵抗値は最低レベルへと落ち着いていく傾向にあることがわかる。例えば、□印で示されるＢ_２Ｈ_６ガス流量比０．１％のプロットは、約１２％の水素ガス流量比でシート抵抗値が最低レベルに到達している。本試験範囲においては水素ガス流量比約１００％のシート抵抗値に向けての増加は観察されていない。本試験範囲を超えるある水素ガス流量比から水素ガス流量比約１００％のシート抵抗値に向けてシート抵抗値が増加すると予測される。

上述のようにシート抵抗値は、アニール処理後の基板表面荒れの程度を表す指標であり、水素ガス混入による結晶回復作用を表す指標でもある。シート抵抗値が小さいほど表面荒れは小さく、結晶回復作用は大きい。したがって、図７に示す測定結果によれば、水素ガスによる結晶回復作用を重視する場合には、プラズマドーピングのための水素ガス流量比の好ましい範囲は約３０％以下の範囲である。プラズマドーピングのためのプロセスガスの組成は、全流量に対するＢ_２Ｈ_６ガス流量比が約０．１％乃至約０．３％の範囲にあり、かつ水素ガス流量比は当該全流量の約３０％以下であることが好ましい。

また、シート抵抗値の最低点への低下傾向は、Ｂ_２Ｈ_６ガス流量比に応じていくらか異なることもわかる。Ｂ_２Ｈ_６ガス流量比が大きいほど、シート抵抗値が最低点に到達する水素ガス流量比も大きくなっている。シート抵抗値が最低点に到達する値が水素ガス流量比の最適値とみなすことができる。上記の通り、Ｂ_２Ｈ_６ガス流量比０．１％の場合には水素ガス流量比の最適値は約１２％である。また、Ｂ_２Ｈ_６ガス流量比０．１６６７％の場合には水素ガス流量比の最適値は約１５％である。Ｂ_２Ｈ_６ガス流量比０．２５％の場合には水素ガス流量比の最適値は約２０％である。

よって、一実施例においては、不純物ガス（例えばＢ_２Ｈ_６ガス）の流量比に応じて水素ガスの流量比が選択されることが好ましい。不純物ガス流量比が大きいほど水素ガス流量比を大きくすることが好ましい。そのために例えば、使用される不純物ガスの流量比範囲（例えば約０．１％から約０．３％の範囲）を複数に区分し、区分ごと（例えば０．０５％の幅の区分ごと）に水素ガス流量比が設定されていてもよい。この場合、不純物ガス流量比の大きい区分ほど、水素ガス流量比は大きな値が設定される。このようにして、結晶回復作用を重視する水素ガス流量比を選択することができる。最終的に製造するデバイスにおいてシート抵抗値（表面荒れ）を小さくすることが重要である場合に有効である。

一方、図７の右側に示されるように、バイアス電源３８のワット数ＬＦの違いによっては、水素ガス流量比最適値の傾向に顕著な違いは観察されない。よって、プラズマドーピングのために基板に印加するバイアス電圧が水素ガス流量比の最適値に与える影響はないと考えられる。

図８は、本発明の一実施形態に係るシート抵抗の面内均一性の測定結果を示すグラフである。図８に示す測定結果は、図７の測定をした基板についてシート抵抗の面内均一性（１σ）を評価したものである。図８の縦軸はシート抵抗値Ｒｓの面内均一性である。図８の横軸は、プラズマドーピングのために供給される混合ガスの全流量に対する水素ガスの流量比である。図７の左側にはＢ_２Ｈ_６ガスの流量比を変化させた場合を示し、図７の右側にはバイアス電源３８の出力ＬＦを１３５Ｗから８００Ｗの範囲で変化させた場合を示す。

図８の左側に示されるように、不純物ガス流量比によって水素ガス流量比最適値に顕著な傾向の違いは観察されない。また、図８の右側に示されるように、バイアス電源３８のワット数ＬＦの違いによっても顕著な傾向の違いは観察されない。均一性については、不純物ガス流量比及びバイアス電圧にかかわらず、水素ガス流量比の最適値は約５％であることがわかる。

均一性が５％以内である場合には、製造されるデバイスの歩留まりへの影響が実質的にないとの知見がある。図８によれば、均一性が５％以内となる水素ガス流量比の範囲は、約２０％以下である。よって、処理の均一性を重視する場合には、プラズマドーピングのための水素ガス流量比の好ましい範囲は約２０％以下の範囲である。プラズマドーピングのためのプロセスガス全流量に対するＢ_２Ｈ_６ガス流量比が約０．１％乃至約０．３％の範囲にあり、かつ水素ガス流量比は当該全流量の約２０％以下であることが好ましい。

また、図８によれば、水素ガスを微量混入した段階（例えば１％）で均一性は４％以内と低い水準にある。水素ガス流量比が約１０％を超えると、均一性はその水準を超える。よって、プラズマドーピングのための水素ガス流量比は、より好ましくは約１０％以下である。プラズマドーピングのためのプロセスガス全流量に対するＢ_２Ｈ_６ガス流量比が約０．１％乃至約０．３％の範囲にあり、かつ水素ガス流量比は当該全流量の約１０％以下であることが好ましい。

均一性を重視する場合に更に好ましい水素ガス流量比の範囲は、約３％以上約５％以下である。プラズマドーピングのためのプロセスガス全流量に対するＢ_２Ｈ_６ガス流量比が約０．１％乃至約０．３％の範囲にあり、かつ水素ガス流量比は当該全流量の約３％以上約５％以下であることが好ましい。こうして、均一性を重視する水素ガス流量比を選択することができる。最終的に製造するデバイスにおいて均一性を高めることが重要である場合に有効である。

水素ガスは可燃性ガスであるから、慎重な取り扱いが求められる。プラズマドーピング処理後のガス廃棄のために、爆発限界（例えば体積比で４％）よりも低濃度に希釈ガス（例えば窒素ガス）で希釈され保管されることが好ましい。よって、そうした希釈のための作業負担及びコストを考慮すると、水素ガス流量比は小さいことが好ましい。プラズマドーピングのための水素ガス流量比が爆発限界（例えば体積比で４％）以下である場合には、プラズマドーピング処理後のガス廃棄の際に更なる希釈を要しない。したがって、ガスの取り扱いを容易にするためには、プラズマドーピングのための水素ガス流量比は４％以下とすることが好ましい。

図９は、本発明の一実施形態に係るシート抵抗の測定結果を示すグラフである。図９は、図７とは異なり、ＰＨ_３ガスを使用するリンのプラズマドーピングについての測定結果を示す。水素ガス流量比の試験範囲は約１５％までである。それ以外の処理条件については図７と同様である。図９の上側にはバイアス出力ＬＦを５００Ｗとした場合を示し、図９の下側にはバイアス出力ＬＦを８００Ｗとした場合を示す。それぞれについてＰＨ_３ガスの流量比を０．１％とした場合と０．３％とした場合とが示されている。

同様に考察すると、図９によれば、水素ガスによる結晶回復作用を重視する場合には、プラズマドーピングのための水素ガス流量比の好ましい範囲は例えば約１０％以下の範囲である。プラズマドーピングのためのプロセスガス全流量に対するＰＨ_３ガス流量比が約０．１％乃至約０．３％の範囲にあり、かつ水素ガス流量比は当該全流量の約１０％以下であることが好ましい。

ボロンの場合と同様にリンの場合においても、不純物ガス流量比が大きいほど、シート抵抗値が最低レベルに到達する水素ガス流量比は大きくなっている。ＰＨ_３ガス流量比０．１％の場合には水素ガス流量比の最適値は約４％である。ＰＨ_３ガス流量比０．３％の場合には水素ガス流量比の最適値は約７％である。こうした傾向は、ヒ素についても共通すると予測される。

図１０は、本発明の一実施形態に係るシート抵抗の面内均一性の測定結果を示すグラフである。図１０に示す測定結果は、図９の測定をした基板についてシート抵抗の面内均一性（１σ）を評価したものである。不純物ガス流量比及びバイアス電圧にかかわらず、図８に示すボロンの場合と同様に、均一性を重視する場合の水素ガス流量比の最適値は約５％であることがわかる。均一性を重視する場合の水素ガス流量比の最適値は、注入する不純物元素に依存しないと考えられる。よって、均一性を重視する場合の水素ガス流量比の好ましい範囲は、ボロンとリンとで共通である。例えば、プラズマドーピングのためのプロセスガス全流量に対するＰＨ_３ガス流量比が約０．１％乃至約０．３％の範囲にあり、かつ水素ガス流量比は当該全流量の約３％以上約５％以下であることが好ましい。ヒ素についても水素ガス流量比の好ましい範囲は共通であると予測される。

１０ プラズマドーピング装置、 １２ チャンバ、 １４ 気体供給部、 １６ プラズマ源。

Claims (5)

1. 半導体基板に不純物を添加するためのプラズマドーピング装置であって、
   チャンバと、
   前記チャンバに気体を供給するための気体供給部と、
   供給された気体のプラズマを前記チャンバに発生させるためのプラズマ源と、を備え、
   前記気体供給部は、基板に添加されるべき不純物元素を含む原料ガスと、水素ガスと、前記原料ガスを希釈するための希釈ガスと、を含む混合ガスが前記チャンバに供給されるよう構成され、前記水素ガスの前記混合ガスに対する流量比が１０％以下であり、かつ前記原料ガスの前記混合ガスに対する流量比が０．１％乃至０．３％の範囲にあり、かつ前記原料ガスはＢ _２ Ｈ _６ であることを特徴とするプラズマドーピング装置。
2. 前記混合ガスは、低濃度に希釈された前記原料ガスと、該原料ガスよりも高濃度の前記水素ガスと、を含み、残部が実質的に前記希釈ガスである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装置。
3. 前記希釈ガスはヘリウムガスであり、該ヘリウムガスは前記水素ガスよりも高濃度であることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマドーピング装置。
4. 前記水素ガスの前記混合ガスに対する流量比が３％乃至５％であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のプラズマドーピング装置。
5. 不純物元素を有する原料ガスを含む混合ガスを真空環境に供給し、該混合ガスのプラズマを発生させ、該真空環境で基板に該プラズマを照射して前記不純物元素を注入するプラズマドーピング方法であって、
   前記プラズマに水素を混入させることにより、該プラズマの照射により生じた基板表面のアモルファス層の密度の偏在を軽減し、
   前記水素の前記混合ガスに対する流量比が１０％以下であり、かつ前記原料ガスの前記混合ガスに対する流量比が０．１％乃至０．３％の範囲にあり、かつ前記原料ガスはＢ _２ Ｈ _６ であることを特徴とするプラズマドーピング方法。
   

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