JPH0974067A

JPH0974067A - ドーピング方法及びドーピング装置

Info

Publication number: JPH0974067A
Application number: JP22797495A
Authority: JP
Inventors: Takashi Murakami; 隆志村上; Yutaka Inaba; 豊稲葉; Koji Umeda; 浩司梅田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1995-09-05
Filing date: 1995-09-05
Publication date: 1997-03-18

Abstract

(57)【要約】【課題】従来のレーザ光を用いた半導体基板へのドー
ピング方法では、ドーピングする領域の半導体基板を溶
融するため、半導体基板及び半導体基板上に形成したパ
ターンに損傷を与えるという問題があった。また、広範
囲のドーピング、全面ドーピングの場合に処理時間が長
くなるという問題があった。【解決手段】この発明では、ドーピングする半導体基
板を所定温度に設定し、この半導体基板に対して、所定
距離離して平行にレーザ光を照射し、雰囲気中のドーパ
ントガスを励起分解してドーパント原子を発生させ、ド
ーピングを行うため、レーザ光が直接半導体基板に照射
されることはなく、精度の高いドーピングを行うことが
でき、さらに広範囲のドーピングの際のスループットが
向上するという効果がある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体装置の製
造工程である半導体基板の一主面に浅い接合を形成する
際の、不純物ドーピング方法、及びドーピング装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】図９は例えば電気情報通信学会技術報告
ＳＤＭ８９−１１４、『Ｂ₂Ｈ₆を用いたエキシマレーザ
によるシリコンへの浅い接合の形成』に示されたレーザ
ドーピング装置を示す該略図である。図において、１は
レーザ光を発振するＡｒＦエキシマレーザ、２及び３は
ＡｒＦエキシマレーザ１から発振されるレーザ光が通過
する凸レンズ及び凹レンズ、４はレンズ２、３を透過し
たレーザ光をチャンバ５内部に取り込むチャンバの窓、
６はチャンバ５内部に形成されたシリコンの単結晶から
なる半導体基板７を支持するステージ、８、９はそれぞ
れ半導体基板７の一主面にドーピングするドーパント原
子を含むガスのガス導入口とガス排出口である。さら
に、この装置においては、ステージ６上に設置された半
導体基板７の一主面に対するレーザ光の照射方向は垂直
となっている。

【０００３】図９のドーピング装置を用いたドーピング
方法について説明する。チャンバ５内部にガス導入口８
からドーパント原子（ボロン原子）を含むＢ₂Ｈ₆または
ＢＦ₃からなるガスを導入し５Ｔｏｒｒ程度の分圧とな
るようにする。次に、ＡｒＦエキシマレーザ１からレー
ザ光を０．６〜１．２Ｊ／ｃｍ²のパワー密度で半導体
基板７の一主面に対して垂直に照射すると、レーザ光が
照射された部分の半導体基板７の表面から１００Å程度
の深さまでの部分の温度が上昇して溶融する。さらに、
この反応と同時にレーザ光はチャンバ５内部に存在する
Ｂ₂Ｈ₆またはＢＦ₃を熱励起効果及び光励起効果によっ
て分解し、ドーパント原子であるボロン原子を発生させ
る。発生したドーパント原子は溶融した半導体基板７の
シリコン中に液相拡散し、ドーピングされる。

【０００４】また、上述のようなドーピング装置を用い
て、レーザ光の強度を０．０６〜０．１２Ｊ／ｃｍ²程
度に下げた場合のドーピングでは、半導体基板７の表面
のシリコンを溶融することなく、また半導体基板７に対
して加熱していないため、チャンバ５内のＢ₂Ｈ₆または
ＢＦ₃は熱励起効果及び光励起効果によってドーパント
原子に分解するが、半導体基板７上にはＢ原子を含む化
合物が積層される。その後、０．７Ｊ／ｃｍ²程度の強
さのレーザ光を照射することで半導体基板７の温度を上
昇させ、半導体基板７内にボロンを固相拡散（熱拡散）
させることでドーピングを行う。このように、従来では
液相拡散、固相拡散のいずれかの場合も半導体基板７の
加熱とドーパント原子の生成をレーザ光を照射すること
によって行っていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のドーピング方法
では、大規模集積回路等の製造過程において、上記のよ
うにドーピングを行うために、レーザ光を半導体基板に
直接照射し、半導体基板の表面温度を上昇させ、その部
分を溶融し、ドーパント原子を液相拡散させていたた
め、半導体基板上に既に形成されているパターン、例え
ばゲート電極の形状が熱変形したり、レジストパターン
が焼けたり、半導体基板に損傷を与える等の問題があっ
た。また、ドーパント原子を液相拡散させない場合にお
いては、比較的弱いレーザ光によってドーパント原子を
発生させ、ドーパント原子を含む化合物を半導体基板上
に積層し、次に、同じ位置に比較的強いレーザ光を照射
し半導体基板の温度を上昇させることでドーパント原子
を半導体基板内に固相拡散させるという処理を行ってい
た。しかし、ドーパント原子を発生させる際に弱いレー
ザ光を用いると処理時間が長くなり、スループットが低
下する等の問題があった。この発明は上記のような問題
点を解消するためになされたものであり、半導体基板上
に形成済みのパターンを変形させることなく、さらに半
導体基板に損傷を与えることなくドーパント原子をドー
ピングでき、スループットを向上させることができ、ま
た選択的にドーピングを行うことが可能なドーピング方
法及びドーピング装置を得ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明によるドーピン
グ方法は、所定温度に加熱した半導体基板の一主面から
所定距離離してレーザ光を照射する工程、上記半導体基
板の周囲の雰囲気中のドーパント原子を含むドーパント
ガス若しくはイオンまたはラジカルを励起分解してドー
パント原子を生成し、生成したドーパント原子を上記半
導体基板の一主面にドーピングする工程を含むものであ
る。

【０００７】また、この発明によるドーピング方法は、
少なくとも半導体基板の一主面の一部をフッ化水素処理
する工程、上記フッ化水素処理した半導体基板の一主面
を超純水でリンスして水素終端する工程、上記水素終端
した半導体基板の一主面に対して所定のイオン若しくは
ラジカルを反応させ水素終端を切る工程、レーザ光を半
導体基板の一主面から所定距離離して照射する工程、上
記半導体基板の周囲の雰囲気中のドーパント原子を含む
ドーパントガス若しくはイオンまたはラジカルを励起分
解してドーパント原子を生成し、生成したドーパント原
子を上記半導体基板の一主面に積層する工程、上記半導
体基板を加熱し、上記半導体基板の一主面に積層された
ドーパント原子を半導体基板内に熱拡散させてドーピン
グする工程を含むものである。

【０００８】さらに、この発明によるドーピング方法
は、所定温度に加熱した半導体基板の一主面から所定距
離離してレーザ光を照射する工程、上記半導体基板の周
囲の雰囲気中のドーパント原子を含むドーパントガス若
しくはイオンまたはラジカルと窒素化合物を励起分解し
てドーパント原子及び窒素原子を生成し、生成したドー
パント原子及び窒素原子を上記半導体基板の一主面にド
ーピングする工程を含むものである。

【０００９】また、この発明によるドーピング方法は、
半導体基板の一主面上に所望のマスクパターンを形成す
る工程、レーザ光を半導体基板の一主面から所定距離離
してレーザ光を照射する工程、上記半導体基板の周囲の
雰囲気中のドーパント原子を含むドーパントガス若しく
はイオン、ラジカルを励起分解してドーパント原子を生
成し、生成したドーパント原子を上記半導体基板の一主
面上に積層する工程、マスクパターンと上記マスクパタ
ーン上に積層されたドーパント原子を同時に除去する工
程、半導体基板を加熱し、半導体基板の一主面に積層さ
れたドーパント原子を半導体基板内に拡散させる工程を
含むものである。

【００１０】また、この発明によるドーピング方法は、
上記のような手段に加え、レーザ光を半導体基板の一主
面に対して平行に照射するものとする。

【００１１】さらに、この発明によるドーピング方法
は、上記のような手段に加え、ドーパント原子をドーピ
ングする際に半導体基板を回転させるものとする。

【００１２】また、この発明によるドーピング方法は、
上記のような手段に加え、半導体基板の周囲の所定位置
に配置された反射板によってレーザ光を反射させ、光路
長を長くし、上記半導体基板の一主面に、レーザ光によ
ってドーパントガス、若しくはドーパント原子を含むイ
オン、若しくはラジカルを励起分解させて生じるドーピ
ング原子をドーピングするものとする。

【００１３】さらに、この発明によるドーピング方法
は、半導体基板の一主面を水素終端し、レーザ光を半導
体基板の一主面に照射し、水素終端を切るとともに、チ
ャンバ内の酸素ガスを励起分解し、酸素原子を発生さ
せ、水素終端が切れた部分に酸素原子を結合させ、シリ
コン酸化膜を形成し、このシリコン酸化膜を不純物ドー
ピングの際にマスクとして用い、ドーピングを行うもの
である。

【００１４】また、この発明によるドーピング装置は、
少なくとも内部に半導体基板を設置するステージを備え
たチャンバ、上記チャンバ内にドーパントガスを導入、
排出するガス導入口及びガス排出口、上記半導体基板の
一主面に対して平行にレーザ光を照射するエキシマレー
ザ、上記エキシマレーザから発振するレーザ光を吸収す
る反射防止板を備えたものとする。

【００１５】さらに、この発明によるドーピング装置
は、少なくとも内部に半導体基板を設置するステージを
備えたチャンバ、上記チャンバ内にドーパントガスを導
入、排出するガス導入口及びガス排出口、上記半導体基
板の一主面に対して平行にレーザ光を照射するエキシマ
レーザ、上記エキシマレーザから発振するレーザ光を半
導体基板の一主面に対して平行に反射させる反射板を備
えたものとする。

【００１６】また、この発明によるドーピング装置は、
少なくとも内部に半導体基板を設置するステージを備え
たチャンバ、上記チャンバ内にドーパントガスを導入、
排出するガス導入口及びガス排出口、上記ステージ上に
設置された半導体基板の一主面に対して垂直にレーザ光
を照射するエキシマレーザ、上記エキシマレーザから発
振するレーザ光の光路上に設置したマスクを備えたもの
とする。

【００１７】さらに、この発明によるドーピング装置
は、少なくとも内部に半導体基板を設置するステージを
備えたチャンバ、上記チャンバ内にドーパントガスを導
入、排出するガス導入口及びガス排出口、上記ステージ
上に設置された半導体基板の一主面の任意の領域に対し
て垂直にレーザ光を照射するレーザビーム走査機構を備
えたものとする。

【００１８】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．図１はこの発明を実施する際に用いるド
ーピング装置を概略的に示す図であり、ドーピング装置
の側面の断面図である。図において、１０は半導体基板
７を設置するステージ６の高さを調整し、ステージ６を
回転させる調整機構、１１はエキシマレーザ１から発振
し、チャンバの窓４から入射し、半導体基板７の一主面
の近傍を透過して、このレーザ光が照射されるチャンバ
５の内壁に設けられた反射防止板である。また、この発
明においてドーピング装置の構成要素であるレンズ２、
３は複数個のレーザ光調整用レンズを指すものであり、
その他、従来の技術の説明に用いた図に付した符号と同
一符号は同一若しくは相当部分を示すものである。

【００１９】上記のようなドーピング装置を用いて、大
規模集積回路内に形成するＭＯＳトランジスタのソース
／ドレイン領域の拡散層形成におけるドーパント原子の
ドーピング方法について説明する。例えばシリコンの単
結晶からなる半導体基板７をステージ６上にセットし、
チャンバ５の内部にガス導入口８からＢ₂Ｈ₆ガスを分圧
５Ｔｏｒｒとなるように導入し、次に、ＡｒＦエキシマ
レーザからチャンバ５内の半導体基板７の一主面に平行
となる位置を通過するレーザ光を発振させる。このとき
のチャンバ５内に導入したドーパントガスＢ₂Ｈ₆は波長
１９３ｎｍのレーザ光を照射されると、このレーザ光を
吸収し、励起され分解する。この１９３ｎｍのレーザ光
に対するＢ₂Ｈ₆の吸収係数は０．００１５０〜０．００
３０４ｃｍ^-1Ｔｏｒｒ^-1であり、ドーパントガスの分圧
５Ｔｏｒｒ、光路長４０ｍｍに対して３．０〜５．９％
の吸収となる。

【００２０】このドーパントガスに含まれる分子がレー
ザ光を吸収し、励起分解反応することにより、半導体基
板７の表面にドーパント原子（ボロン原子）の高濃度領
域が形成される。このときにランプを用いて半導体基板
７の上方から半導体基板７を４００〜１１００℃の温度
に加熱しておくことで、励起分解して生じたドーパント
原子が半導体基板７の表面から内部へ拡散させることが
できる。また、別の加熱方法として、半導体基板７を設
置するステージ６内部にヒータを内臓しておき、所定温
度に加熱しても良い、このときにステージ６の平面を半
導体基板７と同じ形状となるように形成することで効率
良く加熱することができ、またステージ６の平面の大き
さを半導体基板７の平面の面積以下の大きさとすること
で、ステージ６そのものにドーパント原子がドーピング
されることを抑制することが可能となる。さらに、反射
した光の一部が半導体基板に照射されて半導体基板にダ
メージを与えることを防ぐことができる。

【００２１】このときのドーピングによる拡散層の深さ
は、半導体基板７の温度が高いと拡散速度が大きくなる
ため深くなり、温度が低いと拡散が遅いために浅くな
る。また、加熱時間にも依存し、長時間加熱した状態に
保つとドーパント原子が深くドーピングされる。このと
きに従来のように半導体基板７の表面のシリコンを溶融
させることなく低温でのドーパント原子のドーピングが
可能となるため、半導体基板７内にドーピングされたド
ーパント原子の熱拡散が抑制でき、半導体基板７の表面
からの拡散層の深さが０．１μｍ程度の浅い接合を形成
することが可能である。また、半導体基板７の温度を４
００℃以下とした場合においては、半導体基板７の温度
が低いため、レーザ光によって励起分解したドーパント
原子は拡散することなく半導体基板７の表面に純粋なボ
ロン原子からなる層として積層される。このドーパント
原子の積層後、半導体基板７の温度をランプを用いて上
昇させることで半導体基板７の内部に熱拡散させ、ドー
パント原子のドーピングを行い、拡散層を形成すること
が可能となる。さらに、ドーピングの前に、半導体基板
７上のドーピングが不要な領域に、あらかじめシリコン
酸化膜、シリコン窒化膜等のマスクとなり得る膜をパタ
ーン形成しておくことで、選択的にドーピングすること
が可能となる。

【００２２】また、チャンバ５内において、半導体基板
７の近傍でドーパントガスに吸収されなかったレーザ光
は、チャンバ５内の光路上に設けられた反射防止板１１
に吸収させることで、レーザ光の局部的な照射によるチ
ャンバ５の損傷を抑制することが可能となる。このとき
に、レーザ光の光強度をモニタする機能を持つ反射防止
板１１をＡｒＦエキシマレーザ１に対向する位置に設置
することで光強度を調整することが可能になり、これに
よってドーパント原子のドーピング量の調整を精度良く
行うことが可能となる。また、ドーパント原子であるボ
ロン原子が半導体基板７中を非常に拡散し易い性質を持
っていることを考慮し、このボロン原子の熱拡散防止の
ために、窒素原子をあらかじめ拡散層にドーピングして
おくことで、ドーパント原子の拡散を抑えることがで
き、寸法精度の良い素子の形成が可能となる。さらに、
ドーパント原子のドーピングの際に調整機構１０を駆動
させ、半導体基板７を回転させることで、半導体基板７
の表面にドーパント原子を均一にドーピングすることが
でき、短時間で広範囲にドーピングすることが可能にな
る。これに加え、半導体基板７上に平行に照射されるレ
ーザ光をレンズ及びコリメータレンズを介して照射する
ことで、レーザ光の幅を広げることができ、より高スル
ープットで広範囲のドーピングが可能になる。

【００２３】実施の形態２．図２は、また別の実施の形
態によるドーピング装置を示す図であり、半導体基板７
の一主面に対して平行な断面図を示している。図におい
て符号１２ａ〜１２ｅはレーザ光を反射させる反射板で
あり、符号１３はＡｒＦエキシマレーザ１から発振する
レーザ光の光路を示しており、その他、既に説明した符
号と同一符号は同一、若しくは相当部分を示すものであ
る。

【００２４】この実施の形態２と実施の形態１の相違点
は、実施の形態１ではチャンバ５内のレーザ光をチャン
バの窓４に対向する位置に設けた反射防止板１１で吸収
していたが、この実施の形態２ではチャンバ５内に反射
板１２ａないし１２ｅを設置し、チャンバ５内でレーザ
光を反射させた点である。この反射板１２ａないし１２
ｅの角度を調整し、この反射板１２ａないし１２ｅに入
射したレーザ光が反射し、半導体基板７の一主面の近傍
を通過し、且つ一主面に対して平行に反射するように設
定することで、チャンバ５内部でのレーザ光の光路長を
長くする。このような反射板１２ａないし１２ｅを用い
る場合は、同じ量のドーパント原子を同じ処理時間で発
生させるのに小さい光強度で効率良く処理することが可
能となる。さらに、反射したレーザ光が半導体基板７上
を透過するように反射板角度を調整することで半導体基
板７上にある光路長を効率良く大きくすることが可能と
なる。実施の形態１の説明に示したように、レーザ光の
照射によってチャンバ５内部に導入されているドーパン
トガスＢ₂Ｈ₆又はＢＦ₃はレーザ光を吸収し、励起分解
してドーパント原子（ボロン原子）が生じる。このとき
に、本実施の形態ではレーザ光の光路長が長いため、短
時間でかつ小さなレーザ光強度で効率良くドーパント原
子を発生させることができる。このときの半導体基板７
の温度が４００℃未満の場合はドーパント原子からなる
層またはシリコン原子とドーパント原子の化合物層は半
導体基板７上に積層され、その後の半導体基板の加熱に
よってドーパント原子が熱拡散し、拡散層が形成され、
４００〜１１００℃の場合はドーパント原子は半導体基
板７上に積層されずに半導体基板７内部に拡散し、拡散
層が形成される。

【００２５】また、半導体基板７の全面に、若しくは一
部をシリコン酸化膜やシリコン窒化膜でマスクした半導
体基板７の表面に選択的に、均一濃度のドーピングを行
う場合では、レーザ光が及ぶ範囲が平均的になるように
調整し、半導体基板７の一主面上でのドーパント原子の
発生率を均一とすることで、適切なドーピングを実現で
きる。このときに、ステージに連動されている調整機構
１０でステージ６の高さを調整し、さらに調整機構１０
の軸部分を回転させることによって、半導体基板７を回
転させ、さらにドーピングの均一性を高めることがで
き、また、広範囲のドーピングを短時間で行うことが可
能になる。

【００２６】また、逆に半導体基板７の一主面に部分的
に高濃度な拡散層を形成する場合では、反射板１２ａな
いし１２ｅの角度を調整し、高濃度の拡散層とする領域
上をレーザ光が通過する回数が多くなるように設定する
ことで、拡散層のドーパント原子の濃度を調整すること
が可能となる。この実施の形態２においても実施の形態
１の場合と同様に半導体基板７に直接レーザ光を照射す
ることがないため、低温でのドーピングを実現でき、半
導体基板７上にパターニングされた導電層等が変形する
ことがなく、レジストパターンが焼け焦げることも抑制
できる。さらに、チャンバ内でのレーザ光の光路長を長
くしているため、比較的弱いレーザ光強度でもドーパン
ト原子の生成量が一定値に達するまでに要する時間は短
く、スループットの向上が可能となる。また、ドーパン
ト原子であるボロン原子が半導体基板７中を非常に拡散
しやすい性質を持っていることを考慮し、このボロンの
熱拡散防止のために、窒素原子をあらかじめ拡散層にド
ーピングしておくことで、ドーパント原子の拡散を抑え
ることができ、寸法精度の良い素子の形成が可能とな
る。

【００２７】実施の形態３．図３は、この発明第三の実
施の形態を示す図であり、半導体基板７へのドーパント
原子の選択的なドーピング方法を示すフロー図である。
図において、１４はドーパント原子のドーピングを行わ
ない領域上に形成されたレジストパターン、１５はドー
パント原子が積層されて形成されたドーパント原子層、
１６はドーパント原子層１５からドーパント原子が半導
体基板７の一主面から所定距離の深さまで拡散して形成
された拡散層をそれぞれ示している。その他、既に説明
に用いた符号と同一符号は同一、若しくは同等部分を示
すものである。この発明によるドーピング方法の特徴
は、レジストパターンをドーピングを行わない領域にま
ず形成し、レジストパターンが形成されていない領域に
選択的にドーピングを行うという点にある。

【００２８】この発明によるドーピング方法は、まず、
図３（ａ）に示すように、写真製版装置等を用いて半導
体基板７上のドーピングを必要としない領域上にレジス
トパターン１４を形成する。その後、半導体基板７を実
施の形態１、２のいずれかに示したドーピング装置内の
ステージ上に設置し、ドーパントガスの導入口８から例
えばドーパントガス（Ｂ₂Ｈ₆）を導入し、ＡｒＦエキシ
マレーザ１からレーザ光を照射し、ドーパントガスがこ
のレーザ光を吸収することでドーパント原子と水素分子
に励起分解する。このとき生じたドーパント原子（ボロ
ン原子）は、レジストに影響を与えない程度の温度、１
５０℃以下の温度としておき、この温度の範囲で、比較
的高い基板温度の場合は半導体基板７の表面のシリコン
と結合してＳｉＢ₆からなるドーパント原子層１５が形
成され、また、この場合よりもさらに比較的低い基板温
度が低い場合は励起分解したドーパント原子が半導体基
板７表面及びレジストパターン１４上に積層され純粋な
ボロン原子からなるドーパント原子層１５が図３（ｂ）
に示すように形成される。

【００２９】その後、メガソニック洗浄処理を行うか、
若しくは、まず湿式レジスト除去処理を行ない、半導体
基板７上に形成したレジストパターン１４を除去して図
３（ｂ）で示すレジストパターン１４の部分を空洞化さ
せる。その後、高圧の水流を用いて空洞化した部分の上
層に形成されているドーパント原子層１５のみを取り去
り、図３（ｃ）に示すような状態とする。次に、半導体
基板７をステージ６内部に形成したヒータによって、１
０００℃程度に加熱するか、チャンバ５内から取り出
し、あらかじめ１０００℃に加熱してあったホットプレ
ートに載せて３０秒程度の加熱を行うか、若しくはチャ
ンバ５の内部に設置した加熱用ランプによって半導体基
板７を１０００℃の温度で３０秒間加熱するか、あらか
じめ８００〜９００℃程度の温度に加熱した炉の中に３
０分間程度置きアニールすることで、ドーパント原子層
１５からドーパント原子（ボロン原子）を半導体基板７
内に熱拡散させ、ドーピングを行い、図３（ｄ）に示す
ように拡散層１６を形成する。

【００３０】この熱拡散の際に、ドーパント原子層１５
が薄く形成されている場合は、ドーパント原子がすべて
半導体基板７内に吸収されてしまうが、ドーパント原子
層１５が半導体基板内に拡散させる量よりも多くのドー
パント原子から成っており、さらに、熱処理の時間が短
かい場合、非常に浅い拡散層を形成する場合では、熱拡
散後においてもドーパント原子層１５が残るため、これ
をフッ化アンモニウム水溶液中に浸すことで除去し、そ
の後、洗浄することで図３（ｅ）に示す拡散層１６を備
えた半導体基板７を形成することが可能になる。また、
ドーパント原子であるボロン原子が半導体基板７中を非
常に拡散し易い性質を持っていることを考慮し、このボ
ロン原子の熱拡散防止のために、窒素原子をあらかじめ
拡散層にドーピングしておくことで、ドーパント原子の
拡散を抑えることができ、寸法精度の良い素子の形成が
可能となる。さらに、レーザ光を半導体基板の一主面に
対して平行に照射しているために、広範囲のドーピング
の場合もスループットを向上させることができる。

【００３１】実施の形態４．図４は、この発明の実施の
形態４を示すドーピング装置であり、この装置の構造は
実施の形態１ないし３において用いるドーピング装置に
プラズマ生成室１７を付加した構造となっている。ま
た、この図４に付した符号は、既に説明に用いた符号と
同一符号は同一、若しくは相当部分を示すものである。
この図４に示したドーピング装置を用いて、深さ０．１
μｍ程度の浅い拡散層を形成する工程について説明す
る。

【００３２】まず、ドーピングしようとする半導体基板
７をチャンバ５内のステージ６に載せる。次に実施の形
態１ないし３と同様に、ガス導入口８からプラズマ生成
室１７内にドーパントガス（Ｂ₂Ｈ₆またはＢＦ₃）を導
入し、プラズマ生成室１７内に満たす。プラズマ生成室
１７内ではプラズマ放電を行うことによりボロン（ボロ
ン原子）を含んだイオン、またはラジカルが発生する。
発生したイオンやラジカルは、空間的に接続されている
チャンバ５の内部に導入され、その後は、実施の形態１
ないし３のいずれかと同様に、半導体基板７の一主面に
平行にＡｒＦエキシマレーザ１から発振するレーザ光を
照射し、レーザ光がドーパント原子（ボロン原子）を含
むイオン若しくはラジカルと反応してドーパント原子が
発生し、このドーパント原子が半導体基板７の一主面に
積層される。

【００３３】ドーパント原子を含むイオンやラジカルは
レーザ光に対する反応性が非常に高いためにドーパント
原子の発生率が高く、ドーピングに要する時間の短縮が
行え、スループットが向上する、または弱い光強度のレ
ーザを用いてもドーパント原子を十分に発生させること
が可能となる効果がある。ドーパント原子を発生させた
ときの半導体基板７の温度が４００°Ｃ以上の温度であ
る場合は雰囲気中のドーパント原子が半導体基板７内部
に直接拡散し、拡散層が形成される。また、４００°Ｃ
よりも低い温度の場合は半導体基板７の一主面上にドー
パント原子層が形成され、その後、半導体基板７を加熱
することでドーパント原子層中のドーパント原子（ボロ
ン原子）を半導体基板７に拡散させ、拡散層を形成する
ことが可能となる。また、ドーピング装置に半導体基板
７を設置する前に、あらかじめシリコン酸化膜やシリコ
ン窒化膜でドーピングをしない領域にマスクをかけてお
き、その後、ドーパント原子のドーピングを行うことで
マスクを形成していない領域に対して、選択的なドーピ
ングを行うことも可能であり、ＭＯＳトタンジスタのソ
ース／ドレイン領域の形成等に用いることが可能であ
る。また、ドーパント原子であるボロン原子が半導体基
板７中を非常に拡散し易い性質を持っていることを考慮
し、このボロン原子の熱拡散防止のために、窒素化合物
からなるガスをチャンバ５内に導入し、レーザ光を照射
することで窒素原子を生成し、半導体基板７にドーピン
グする等して、窒素原子をドーピングすることで、ドー
パント原子の拡散を抑えることができ、寸法精度の良い
素子の形成が可能となる。

【００３４】実施の形態５．図５は、この発明の実施の
形態５のドーピング方法を示す工程図である。この図５
において、符号１８は半導体基板７の表面に対してフッ
化水素処理し、超純水でリンスすることによって水素終
端した水素終端部を示すものであり、符号１９は水素終
端から離脱した水素を示している。また、符号２０は半
導体基板７の一主面に対して平行に照射されるレーザ
光、２１は半導体基板７上にドーパント原子が積層さ
れ、若しくは吸着されて形成されるドーパント原子層を
示しており、その他、既に説明に用いた符号と同一符号
は同一、若しくは相当部分を示すものである。次に、こ
のドーピング方法を図面を参照して説明する。

【００３５】まず、半導体基板７のドーピングをしない
領域上にレジストパターン１４を形成し、その後、フッ
化水素処理を行い、超純水でリンスする。これによっ
て、半導体基板の一主面の、レジストパターン１４が形
成されていない領域を水素終端し、水素終端部１８を形
成する。その後、図４に示したプラズマ生成室１７を備
えたドーピング装置に、この半導体基板７を設置する。
このときの半導体基板７の温度は１５０°Ｃ以下とし、
パターニングしたレジストパターン１４の形状、組成に
影響を与えないように設定する。次に、ガス導入口８か
らプラズマ生成室１７にアルゴンガスを導入し、プラズ
マ放電を行うことによってアルゴンイオン、若しくはラ
ジカルを発生させる。ここで発生したアルゴンイオン若
しくはラジカルが空間的に接続された状態にあるチャン
バ５内に導入され、半導体基板７上に到達すると、水素
終端部１８と反応し、水素終端の水素１９は切り離さ
れ、半導体基板７の水素終端部１８はダングリングボン
ドに変化する。この状態を図５（ａ）に示す。水素終端
部１８の水素１９が切除され、ダングリングボンドで覆
われた面は、ダングリングボンドで覆われていないレジ
ストパターン１４の表面と比較して、非常にドーパント
原子（ボロン原子）を吸着し易い状態となっている。

【００３６】次に、アルゴンガスを含む雰囲気をガス排
出口９から排出し、その後、ガス導入口８からドーパン
ト原子を含むドーパントガス（Ｂ₂Ｈ₆若しくはＢＦ₃）
を導入し、チャンバ５の内部にドーパントガスを充満さ
せる。その後、ＡｒＦエキシマレーザ１からレーザ光を
発振させ、半導体基板７の一主面に対して平行に照射
し、例えばＢ₂Ｈ₆若しくはＢＦ₃を励起分解することで
ドーパント原子（ボロン原子）を発生させる。このドー
パント原子はダングリングボンドをその表面に有する半
導体基板７に選択的に結合し、短時間の処理でドーピン
グ領域上に対して高い選択性を持ってドーパント原子層
２１を形成することが可能となる。この状態を図５
（ｂ）に示す。その後、レジストパターン１４を除去し
（図５（ｃ））、半導体基板７を加熱することによって
ドーパント原子層２１内のドーパント原子を半導体基板
７内部に拡散させ、拡散層１６を形成することができる
（図５（ｄ））。

【００３７】このドーピングの際のドーパント原子層２
１はレジストパターンが形成されていない部分に集中的
に積層形成され、レジストパターン１４上には、ほとん
どドーパント原子は積層されないか、レジストパターン
１４が形成されていない領域に比べて非常に薄い層が形
成されるかのいずれかの状態となり、レジストパターン
１４上にドーパント原子層２１が形成された場合におい
ても、レジスト上の層が薄いために、実施の形態３と同
様に、リフトオフ処理を行うことによって、容易にレジ
ストパターン１４とその上層に積層された層を除去する
ことが可能となる。また、ドーパント原子であるボロン
原子が半導体基板７中を非常に拡散し易い性質を持って
いることを考慮し、このボロン原子の熱拡散防止のため
に、拡散層に窒素原子をドーピングすることで、ドーパ
ント原子の拡散を抑えることができ、寸法精度の良い素
子の形成が可能となる。

【００３８】さらに、ドーパント原子であるボロン原子
が半導体基板７中において拡散し易い性質を持っている
ことを考慮し、このボロン原子の熱拡散防止のために、
窒素原子をあらかじめ拡散層にドーピングしておくと、
その後の熱処理工程におけるボロン原子の拡散を抑える
ことができ、微細加工に必要な０．１μｍ程度の浅い接
合が形成でき、寸法精度の良い素子の形成が可能とな
る。

【００３９】窒素原子を拡散層１６にドーピングする方
法としては、ドーパントガスをチャンバ内に導入する際
に、ＮＨ₃ガス（アンモニアガス）を混入させておき、
ドーパント原子のドーピングと同時に半導体基板７の表
面にドーピングするという方法がある。さらに、別の方
法として、ドーパント原子のドーピングと窒素原子のド
ーピングを別々の工程で行っても、その後の熱処理工程
におけるドーパント原子の熱拡散を抑制することが可能
となる。

【００４０】実施の形態６．次に、別の発明の実施の形
態について説明する。この発明は、半導体基板の一主面
に対して、選択的に不純物をドーピングする際の半導体
基板上に形成するシリコン酸化膜からなるマスクの形成
に特徴がある。図６はこの発明のドーピング方法を示す
工程図である。まず、単結晶シリコンからなる半導体基
板７の一主面をフッ化水素処理し、その後、超純水でリ
ンスすることで図６（ａ）に示すように半導体基板７の
一主面を水素終端面２２とする。

【００４１】その後、実施の形態４の説明に用いた図４
に示すドーピング装置のチャンバ５内部に酸素ガスを導
入し、ドーピング装置内の調整機構１０によって半導体
基板７の一主面のレーザ光に対する角度を調整し、半導
体基板の一主面の不純物のドーピングを必要としない領
域に対してレーザ光２３を垂直に照射し、水素終端面２
２の水素終端を部分的に切除する（図６（ｂ））。さら
に、この水素終端の切除とともに、レーザ光２３の照射
により、チャンバ５内部の酸素分子がこの光を吸収し、
励起分解して酸素原子が生成される。生成された酸素原
子は水素終端を切除され、ダングリングボンドとなって
いる半導体基板７の一主面に結合し、シリコン酸化膜２
４となる（図６（ｃ））。

【００４２】次に、チャンバ５内の酸素ガスをガス排出
口９から排出し、その後、ガス導入口８からアルゴンガ
スを導入し、プラズマ生成室１７内でプラズマを発生さ
せ、アルゴンイオン、ラジカルを生成する。ここで生成
されたアルゴンイオン、ラジカルはチャンバ５内部に移
動し、半導体基板７の一主面の水素終端面２２に到達す
ると、水素終端と反応して水素を半導体基板７の表面か
ら切り離し、シリコン酸化膜２４が形成されていない領
域はダングリングボンドが形成され、他の物質が結合し
易い状態となる。

【００４３】その後、チャンバ５内及びプラズマ生成室
１７内のアルゴンガスを排出し、ドーパントガス（Ｂ₂
Ｈ₆ガス）を導入する。次に、ＡｒＦエキシマレーザ１
からレーザ光が照射された場合に、このレーザ光の光路
が半導体基板７の一主面に対して平行となるように調整
機構１０で半導体基板７の角度を調整し、さらに、半導
体基板７の一主面から所定距離離し、一主面に対して平
行にレーザ光２５を照射する。このレーザ光２５がドー
パントガスのＢ₂Ｈ₆分子に照射されると、この分子は光
を吸収し、励起分解し、ドーパント原子（ボロン原子）
が生成される。このドーパント原子は半導体基板７の一
主面のダングリングボンドとなっている部分に結合し、
ドーパント原子層２６が形成される（図６（ｄ））。

【００４４】次に、半導体基板７をステージ６内部に形
成したヒーターによって、１０００℃程度に加熱する
か、チャンバ５内から取り出し、あらかじめ１０００℃
に加熱してあったホットプレートに載せて３０秒程度の
加熱を行うか、若しくはチャンバ５の内部に設置した加
熱用ランプによって半導体基板７を１０００℃の温度で
３０秒間加熱するか、あらかじめ８００〜９００℃程度
の温度に加熱してあった炉の中に３０分間程度置きアニ
ールすることで、ドーパント原子層２６からドーパント
原子（ボロン原子）を半導体基板７内に熱拡散させ、ド
ーピングを行い、拡散層を選択的に形成することが可能
となる。

【００４５】実施の形態７．また、半導体基板７の一主
面上に選択的に拡散層を形成する別の方法について説明
する。まず、図７に示すように、実施の形態６と同様
に、水素終端した半導体基板７の一主面がＡｒＦエキシ
マレーザ１から照射されるレーザ光の光路に対して垂直
となるように設置する。次に、ＡｒＦエキシマレーザ１
と半導体基板７の一主面との間に、ドーパント原子のド
ーピングを行う領域を抜いたマスク２７を設置し、この
マスク２７を介して、半導体基板７表面の任意の領域に
対してレーザ光の選択的な照射を行う。このときにチャ
ンバ５内にドーパント原子を含む、ドーパントガス（Ｂ
₂Ｈ₆ガス）を導入した状態としておくことで、このＢ₂
Ｈ₆分子にレーザ光が照射された場合に、Ｂ₂Ｈ₆分子が
レーザ光を吸収して励起分解し、ドーパント原子（ボロ
ン原子）が生成される。

【００４６】このドーパント原子の生成と同時に、半導
体基板７の表面の、レーザ光が照射された部分は温度が
上昇し、ドーパント原子を吸収し易い状態となる。ま
た、ドーピングを行おうとする領域上でドーパント原子
を発生させるため、半導体基板７の一主面に選択的にド
ーパント原子をドーピングすることが可能となる。

【００４７】また、図７に示したレンズ２、３、マスク
２７の代わりに、図８に示すように、レーザ光を微小ス
ポットに絞り、走査することが可能なレーザビーム走査
機構２８を設けることでも、少ない処理工程で半導体基
板７に対して選択的なドーピングが可能となる。また、
レーザビーム走査機構２８により、レーザ光を照射する
領域を任意に変化させることで、半導体基板７に対して
選択的なドーピングを行うことが可能となる。

【００４８】さらに、図７、図８に示した装置を用い
て、半導体基板７上に、二酸化シリコンからなる任意の
形状の膜を形成することが可能である。シリコン酸化膜
は、ドーパント原子の全面ドーピングを行う際に、あら
かじめドーピングを必要としない領域上に酸化膜を形成
しておくことで、この酸化膜が形成されていない領域に
対して、選択的にドーピングすることが可能となるとい
う効果がある。

【００４９】また、一般的に、酸化膜の形成の際には、
半導体基板を炉に入れるなどして、高温酸化処理する方
法が用いられるが、このように、半導体基板全体を加熱
する場合は部分的な加熱よりも時間的にも、エネルギー
的にも効率が悪く、既にパターンを形成済みの半導体基
板には、パターン変形の恐れがあるためこの方法を用い
ることができないという問題があった。

【００５０】図７、図８に示したドーピング装置を用い
たシリコン酸化膜の形成方法では、ＡｒＦエキシマレー
ザ１から発振するレーザ光がチャンバ５内の半導体基板
７の一主面に垂直に照射されるように半導体基板７の位
置を調整し、チャンバ５内に酸素ガスを導入し、マスク
２７を介してレーザ光を照射するか、レーザビーム走査
機構２８で任意の形状に調整したレーザ光を照射する。
半導体基板７表面のレーザ光が照射された領域は、その
温度が上昇するため、雰囲気中の酸素と反応して、シリ
コン酸化膜に変化する。このように、選択ドーピングの
際のマスクとなるシリコン酸化膜を形成することで、酸
化膜以外の領域を無駄に加熱することがないため、あら
かじめ形成済みのパターンの寸法制度の悪化を抑制する
ことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態によるドーピング装置
を示す図。

【図２】この発明の実施の形態によるドーピング装置
を示す図。

【図３】この発明の実施の形態によるドーピング方法
を示す図。

【図４】この発明の実施の形態によるドーピング装置
を示す図。

【図５】この発明の実施の形態によるドーピング方法
を示す図。

【図６】この発明の実施の形態によるドーピング方法
を示す図。

【図７】この発明の実施の形態によるドーピング装置
を示す図。

【図８】この発明の実施の形態によるドーピング装置
を示す図。

【図９】従来の技術によるドーピング装置を示す図。

【符号の説明】

１．ＡｒＦエキシマレーザ２、３．レンズ４．チャンバの窓５．チャンバ６．ステージ７．半導体基板８．ガス導入口９．ガス排出口１０．調整機構１１．反射防止板１２ａ〜１２ｅ．反射板１３．レーザ光１４．レジストパターン１５．ドーパント
原子層１６．拡散層１７．プラズマ生
成室１８．水素終端部１９．水素２０．レーザ光２１、２６．ドー
パント原子層２２．水素終端面２３、２５．レー
ザ光２４．シリコン酸化膜２７．マスク２８．レーザビーム走査機構

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定温度に加熱した半導体基板の一主面
から所定距離離してレーザ光を照射する工程、上記半導
体基板の周囲の雰囲気中のドーパント原子を含むドーパ
ントガス若しくはイオンまたはラジカルを励起分解して
ドーパント原子を生成し、生成したドーパント原子を上
記半導体基板の一主面にドーピングする工程を含むドー
ピング方法。
【請求項２】少なくとも半導体基板の一主面の一部を
フッ化水素処理する工程、上記フッ化水素処理した半導
体基板の一主面を超純水でリンスして水素終端する工
程、上記水素終端した半導体基板の一主面に対して所定
のイオン若しくはラジカルを反応させ水素終端を切る工
程、上記半導体基板の一主面から所定距離離してレーザ
光を照射する工程、上記半導体基板の周囲の雰囲気中の
ドーパント原子を含むドーパントガス若しくはイオンま
たはラジカルを励起分解してドーパント原子を生成し、
生成したドーパント原子を上記半導体基板の一主面に積
層する工程、上記半導体基板を加熱し、一主面に積層さ
れたドーパント原子を上記半導体基板内に熱拡散させて
ドーピングする工程を含むドーピング方法。
【請求項３】所定温度に加熱した半導体基板の一主面
から所定距離離してレーザ光を照射する工程、上記半導
体基板の周囲の雰囲気中のドーパント原子を含むドーパ
ントガス若しくはイオンまたはラジカルと窒素化合物を
励起分解してドーパント原子及び窒素原子を生成し、生
成したドーパント原子及び窒素原子を上記半導体基板の
一主面にドーピングする工程を含むドーピング方法。
【請求項４】半導体基板の一主面上に所望のマスクパ
ターンを形成する工程、上記半導体基板の一主面から所
定距離離してレーザ光を照射する工程、上記半導体基板
の周囲の雰囲気中のドーパント原子を含むドーパントガ
ス若しくはイオンまたはラジカルを励起分解してドーパ
ント原子を生成し、生成したドーパント原子を上記半導
体基板の一主面上に積層する工程、上記マスクパターン
と上記マスクパターン上に積層されたドーパント原子を
同時に除去する工程、上記半導体基板を加熱し、一主面
に積層されたドーパント原子を上記半導体基板内に拡散
させる工程を含むドーピング方法。
【請求項５】レーザ光は半導体基板の一主面に対して
平行に照射することを特徴とする請求項１ないし４のい
ずれか一項記載のドーピング方法。
【請求項６】半導体基板はドーパント原子をドーピン
グする際に回転させることを特徴とする請求項１ないし
５のいずれか一項記載のドーピング方法。
【請求項７】半導体基板の周囲の所定位置に配置され
た反射板によってレーザ光を反射させ、光路長を長く
し、上記半導体基板の一主面に、レーザ光によってドー
パントガス、若しくはドーパント原子を含むイオン若し
くはラジカルを励起分解させて生じるドーパント原子を
多数ドーピングすることを特徴とする請求項１ないし６
のいずれか一項記載のドーピング方法。
【請求項８】少なくとも半導体基板の一主面の一部を
フッ化水素処理する工程、上記フッ化水素処理した半導
体基板の一主面を超純水でリンスして水素終端する工
程、上記半導体基板を設置したチャンバ内に酸素ガスを
導入する工程、半導体基板の一主面にレーザ光を照射
し、半導体基板上の水素終端を切るとともにチャンバ内
の酸素ガスを励起分解し、酸素原子を発生させる工程、
上記半導体基板上の水素終端が切れた領域に酸素原子を
結合させ、シリコン酸化膜を形成する工程、上記シリコ
ン酸化膜をマスクにし、半導体基板の一主面にドーパン
ト原子をドーピングする工程を含むドーピング方法。
【請求項９】少なくとも内部に半導体基板を設置する
ステージを備えたチャンバ、上記チャンバ内にドーパン
トガスを導入、排出するガス導入口及びガス排出口、上
記ステージ上に設置された半導体基板の一主面に対して
平行にレーザ光を照射するエキシマレーザ、上記エキシ
マレーザから発振するレーザ光を吸収する反射防止板を
備えたことを特徴とするドーピング装置。
【請求項１０】少なくとも内部に半導体基板を設置す
るステージを備えたチャンバ、上記チャンバ内にドーパ
ントガスを導入、排出するガス導入口及びガス排出口、
上記ステージ上に設置された半導体基板の一主面に対し
て平行にレーザ光を照射するエキシマレーザ、上記エキ
シマレーザから発振するレーザ光を半導体基板の一主面
に対して平行に反射させる反射板を備えたこと特徴とす
るドーピング装置。
【請求項１１】少なくとも内部に半導体基板を設置す
るステージを備えたチャンバ、上記チャンバ内にドーパ
ントガスを導入、排出するガス導入口及びガス排出口、
上記ステージ上に設置された半導体基板の一主面に対し
て垂直にレーザ光を照射するエキシマレーザ、上記エキ
シマレーザから発振するレーザ光の光路上に設置したマ
スクを備えたことを特徴とするドーピング装置。
【請求項１２】少なくとも内部に半導体基板を設置す
るステージを備えたチャンバ、上記チャンバ内にドーパ
ントガスを導入、排出するガス導入口及びガス排出口、
上記ステージ上に設置された半導体基板の一主面の任意
の領域に対して垂直にレーザ光を照射するレーザビーム
走査機構を備えたことを特徴とするドーピング装置。