JPWO2005031832A1 - 不純物導入方法、不純物導入装置およびこれらを用いて形成した電子素子 - Google Patents
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Abstract
Description
このイオン注入方法を用いて、浅い接合をもつ半導体デバイスが形成されており、浅い接合を形成できるとはいうものの、イオン注入で形成できる深さには限界がある。例えば、ボロン不純物は浅く導入することが難しく、イオン注入では、導入領域の深さは基体表面から100nm程度が限界であった。
そこで、近年、更に浅い接合を可能にする手法として種々のドーピング方法が提案され、その中でプラズマドーピング技術が実用化に適するものとして注目されてきている。このプラズマドーピングは、導入すべき不純物を含有した反応ガスをプラズマ励起し、上記固体基体表面にプラズマ照射して不純物を導入する技術である。そして、不純物導入後、アニール工程により、導入された不純物の活性化がなされる。
通常、アニール工程では、可視光、赤外線、紫外線などの広い波長帯域の電磁波を発することのできる光源が用いられている。しかしながら、活性化に有効な波長は、不純物の導入される固体基体自体の結晶状態によって異なり、実際は狭い領域であることが多い。不要な波長の光照射を行うことにより、基板温度が上昇し、特性劣化の原因となることがある。
近年、固体基体表面に導入された不純物の量を光学的測定によって測定する方法が提案されている(例えば特許文献1参照)。この方法は、光学測定でラジカルの量を測るものであり、電流量を検出することによりドーピング量を測定することができる。
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、基板温度の上昇を招くことなく、不純物の電気的な活性化を実現するための不純物導入技術を提供することを目的とする。
本発明は、シリコン基板への半導体装置の形成あるいは液晶パネル製造などに際し、単結晶シリコン又は多結晶シリコンに対して、不純物導入工程でできる格子欠陥の物性を光学的に測定し、続く工程に最適となるように不純物導入工程における条件を制御することを目的とする。
そこで、本発明では、固体基体表面に不純物を導入する工程と、前記不純物の導入された領域の光学的特性を測定する工程と、前記測定結果に基づき、前記不純物の導入された領域の光学的特性にあわせて、アニール条件を選定する工程と、選定された前記アニール条件に基づいて前記不純物の導入された領域をアニールする工程とを含む。
この方法により、あらかじめ不純物の導入された領域の光学的特性を測定し、この光学的特性に応じて最適なアニールを実現することができ、高精度かつ高効率に不純物領域を形成することができる。
但し、不純物を導入する工程とは、単に不純物の導入のみならず、引き続き実施される光照射を中心とするアニール工程において、効率良くエネルギーが吸収されるべく、アニール工程に最適な光学的特性となるように表面状態を制御する工程を含むものとする。この光学的特性の制御は、プラズマを形成する不純物物質と、これらに対する混合物質としての、不活性物質あるいは反応性物質の混合比を変化させることによって、前記プラズマの組成を制御し、不純物の導入された領域の光学的特性を制御するものを含む。すなわち不純物物質と、窒素、希ガスなどの不活性物質、酸素、シラン、ジシランなどの反応性物質の供給と同時に,またはそれと逐次的に固体基体表面に供給され、アニール工程に最適な光学的特性を形成する工程を含む。本発明における「不純物導入方法」とはアニール工程を含む上記一連の工程を指すものとする。
また本発明では、前記不純物を導入する工程が、プラズマドーピング工程を含む。
この方法によれば、浅い領域に不純物を導入することができる。
また本発明では、前記不純物を導入する工程が、イオン注入工程を含む。
この方法によれば、引き続き実施する光照射を中心としたアニール工程の高効率化をはかるとともに、高精度のプラズマドーピングを実現することができる。
また本発明では、上記不純物導入方法においては、前記測定する工程は、前記アニール工程に先立ち実行される。
この方法により、アニール前に不純物の導入された領域の状態を検知し、その上でアニール条件を選択することができ、最適な活性化状態を得ることができる。
また本発明では、上記不純物導入方法において、前記測定する工程は、前記アニール工程と並行して実行される。
この方法により、アニール中に不純物の導入された領域の状態を検知し、その上でアニール条件を選択することができ、最適な活性化状態を得ることができる。
また本発明では、上記不純物導入方法において、前記アニール工程は複数回に分割され、前記測定する工程は、前記アニール工程の合間に実行される。
この方法により、アニール工程を複数回に分け、アニール中に不純物の導入された領域の状態を検知し、その上でアニール条件を選択しているため、最適な活性化状態を得ることができる。
また本発明では、上記不純物導入方法において、前記アニール条件を選定する工程は、前記アニール工程中の、不純物導入領域の光学的特性の変化に追随して前記アニール条件を順次変化させる工程を含む。
この方法により、アニールによる不純物の導入された領域の変化を検知し、その上でアニール条件を選択しているため、より最適な活性化状態を得ることができる。
また本発明では、上記不純物導入方法において、前記不純物導入工程は複数回に分割され、前記測定する工程は、前記不純物導入工程の合間に実行される。
この方法により、不純物導入工程間で実行されるため、不純物導入工程におけるチャンバー内の状況により正確な測定ができ、高精度の不純物導入を実現することができる。また、一旦不純物導入を停止する必要があるが、この例は常圧プラズマを用いたドーピングなどにも有効である。
また本発明では、上記不純物導入方法において、固体基体表面に不純物を導入する工程と、前記不純物の導入された領域の光学的特性を測定する工程と、前記測定結果にもとづき、アニール条件に合わせて光学的特性を調整する工程と、前記不純物の導入された領域をアニールする工程とを含む。
この方法により、アニール条件に制約がある場合にも有効である。
また本発明では、上記不純物導入方法において、前記不純物の導入された領域の光学定数をモニターしつつ、前記光学定数がプラズマドーピング工程後に実施する光照射に適合するようにプラズマドーピング条件を制御する。
この方法によれば、より高精度の深さ及びドーズ量をもつ不純物領域を形成することができる。ここで光学定数としては、光吸収係数の他、反射率なども適用可能である。
また本発明では、上記不純物導入方法において、前記測定する工程がエリプソメトリを用いた工程である。
また本発明では、前記測定する工程が不純物導入層の厚さと光定数(屈折率nと消衰係数k)の両方を求めるエリプソメトリ解析工程を含む。
また本発明では、エリプソメトリ解析工程が、K−K(Kramers−Kronig)アナライシス、Tauc−Lorentzアナライシス、Cody−Lorentzアナライシス、Forouhi−Bloomerアナライシス、MDFアナライシス、バンドアナライシス、4配位(Tetrahedral)アナライシス、Drudeアナライシス、Lorentzアナライシスのいずれかの屈折率波長分散モデルを使った解析工程を含む。上記の屈折率波長分散モデルを用いることで、吸収特性を扱えるので特に望ましい。
また本発明では、上記不純物導入方法において、前記測定する工程がXPSを用いた工程であるものを含む。
また本発明では、上記不純物導入方法において、前記アニール工程は電磁波を照射する工程である。
また本発明では、上記不純物導入方法において、前記アニール工程は光照射工程である。
また本発明では、上記不純物導入方法において、前記不純物を導入する工程は、前記不純物の導入された領域の光吸収係数が、5E4cm−1を越えるように不純物を導入する工程である。
これにより、光吸収性が高く高効率のアニール条件を選択することができる。
また本発明では、上記不純物導入方法において、前記プラズマドーピング工程は、プラズマに印加する電源電圧、プラズマの組成、ドーパント物質を含むプラズマ照射の時間とドーパント物質を含まないプラズマ照射の時間の比の少なくとも1つを制御する工程を含む。
この方法により、効率よい制御が可能となる。ここでプラズマの組成とはドーパントとなる不純物物質とその他の物質との混合比、真空度、その他の物質間の混合比等を調整して制御される。
また本発明では、上記不純物導入方法において、プラズマドーピング工程は、不純物物質、これらに対する混合物質としての、不活性物質と、反応性物質との混合比を変化させることによって、不純物の導入された領域の光学的特性を制御する工程を含む。ここでは、不純物物質としての砒素、燐、ホウ素、アルミニウム、アンチモン、インジウムなどの物質、これらに対する混合物質としての、ヘリウム、アルゴン、キセノンなどの不活性物質、窒素、酸素、シラン、ジシランなどの反応性物質の混合比を変化させることによって、光学的特性を制御する。
また本発明では、上記不純物導入方法において、前記プラズマドーピング工程は、前記アニール工程において、前記不純物の導入された領域に含まれる不純物の電気的活性化を促進するとともに、前記固体基体へのエネルギー吸収を抑制し得るように、前記不純物の導入された領域の光学定数を設定する。
この方法により、基体温度を上昇させることなく選択的に効率よくアニールを実現することができる。
また本発明では、上記不純物導入方法において、固体基体表面に不純物を導入するプラズマドーピング手段と、前記不純物の導入された領域の光学的特性を測定する測定手段と、前記不純物の導入された領域をアニールするアニール手段とを具備している。
これにより、容易に表面状態の検出が可能となる。
また本発明では、上記不純物導入方法において、前記測定手段の測定結果に基づき、前記プラズマドーピング手段を制御するドーピング制御手段を含む。
また本発明では、上記不純物導入方法において、前記測定手段の測定結果に基づき、前記アニール手段を調整するアニール制御手段を含む。
また本発明では、上記不純物導入方法において、前記測定手段の測定結果を、前記アニール制御手段または不純物導入制御手段のいずれかにフィードバックするフィードバック機構を含む。
また本発明では、前記フィードバック機構が測定結果のフィードバックをその場(In−situ)で行うものを含む。
また本発明では、前記フィードバック機構が、高速に抜き取り検査を実施して、不良の場合は追加ドープ、あるいはアニール条件緩和などの追加プロセスを実行するものを含む。
また本発明では、上記不純物導入方法または不純物導入装置を使用して不純物導入して電子素子が形成される。
図2は、不純物導入層の厚さと光吸収係数を求める方法を説明するために使う分光エリプソメータの構成図であり、
図3は、エリプソメトリで測定した不純物導入層の光吸収係数を示す図であり、
図4は、本発明の第2の実施の形態におけるプラズマドーピング方法を応用した本願発明に使用した装置の断面構造図であり、
図5は、サンプルPD−1(バイアス電圧30V,プロセス時間60s)とPD−2(バイアス電圧60V,プロセス時間60s)及び比較として結晶シリコン基板の吸収係数のスペクトルを示す図であり、
図6は、本発明の実施例3の不純物導入方法における光吸収係数の プロセス時間(a)、波長(b)への依存性を示す図であり、
図7は、本発明の実施例6の白色光源と、波長選別用のフィルターを用いたアニール装置の説明図であり、
図8は、本発明の実施例7の不純物導入層を窒化又は酸化した際の特別な効果を説明する為の固体基体の断面模式図であり、
図9は、本発明の実施例8のアニール装置の装置概念図であり、
図10は、不純物導入層をアニールする際に時間変化に応じた波長の光を照射する例を説明するためのグラフである。
なお、図中の符号、100は固体基体、110は不純物導入層、120は光源、130は測光器、200は真空チャンバー、210は真空ポンプ、230は真空計、240はプラズマ源、250は電源、260は基板ホルダ、270は電源、280は第1のライン、290は第2のライン、200は第3のライン、310はプラズマ、320は計算機、340は制御回路、350は制御器、500は基板ホルダー、510は白色光源、520はフィルター、530は選別された光、600は窒化した膜、610は酸化した膜、700はレーザ光源、710は変調フィルター、720は変調された光である。
本発明は、大別して3つの実施の形態を与える。その第1は、固体基体に導入される不純物の状態を、光学的測定によって検知する点である。これは単に、不純物そのものの光学的測定のみならず、固体基体自体の結晶状態、導入時のエネルギーによるダメージなどの固体基体の結晶状態の物理的変化、酸化層窒化層の生成など固体基体の化学的変化をも含めた″複合的な層″の状態として、光学的に測定することを意味する。第2はこの検知された不純物の状態によってアニール条件を最適化する点、第3は、アニール条件にあわせて、不純物の導入を制御する点である。
すなわち本発明の方法では、不純物の状態を把握した後、不純物の導入に対してフィードバック制御を行い、更に不純物導入の品質を向上する。また、例えば、本発明の中心的な応用分野である、半導体装置や液晶ディスプレイにおいては、固体基体に不純物導入を行った後に基体に何らかの方法でエネルギーを与え半導体中の不純物を電気的に活性化する。この工程において最良の結果を導き出す為に不純物導入中の工程を制御する。
(実施の形態1)
本実施の形態1では、固体基体に対し、格子の結合エネルギーよりも十分高いエネルギー(数10eV以上)の粒子を用いて不純物導入を行う方法について説明する。この固体基体に不純物導入を行う際、格子の結合エネルギーよりも十分高いエネルギー(数10eV以上)の粒子を用いる場合には、固体基体を形成する結晶もしくは非結晶物質を構成する格子に対する格子欠陥の形成や不純物物質自体が固体基体の物性を変化させ、固体基体100とは異なる物性をもつ不純物の導入された領域(新たな第2の層)110が形成される。
また、熱的平衡状態を変化させる場合など、比較的導入エネルギーの小さい不純物導入工程では、不純物導入工程が固体基体の物性を変化させるのに続き固体基体表面のごく近傍に、主に不純物物質そのものからなる新たな(第2の)層110が形成される。
そこで、エリプソメトリを用い、図1に示すように、光源120を用いて固体基体100表面に光を照射し、測光器130で光を測定する。
図2の分光エリプソメータの構成図を使って、不純物導入層の厚さと光吸収係数をエリプソメトリで測定する方法を説明する。
この分光エリプソメータは、図2に示すように、Xe光源20と、この光源から出力されるXe光を偏光して試料11としての基板に照射する偏光子21と、試料11からの反射光を検出する検光子22と、分光器23と、ディテクター24とを具備している。ここでは、Xe光源20から出力されるXe光を偏光子21により直線偏光に変えて、基板面に垂直な方向に対して角度θ0で基板に入射せしめられる。本測定ではθ0=70°固定で測定したが、角度を45°から90度の間に変化させても測定可能である。入射光の直線偏光の軸は、p方向(光軸に垂直な面と入射光及び反射光を含む面との交線の方向)と、s方向(光軸に垂直な面内でp方向に垂直な方向)に対して傾いている。楕円偏光として反射される光のp成分とs成分との間の振幅反射率比をΨ、上記p成分とs成分との間の位相差をΔとする。エリプソメトリでは、楕円偏光として反射される光を検光子22を経た後分光器23に入射させて、分光しながら、ディテクター24によりΨ,Δを測定するように構成されている。
上記のΨ,Δのエリプソメトリ測定結果から、不純物導入層の厚さだけではなく光定数(屈折率nと消衰係数k)も未知のパラメータとして、最小2乗法により求める方法を説明する。不純物導入層をPD層と指称し、Air/PD層/c−Siの3層モデルを使った。光係数は基本的に波長依存性がある為、波長を変えて測定すると、測定波長の数だけ未知のパラメータが増えることになり、求めることが出来ない。このような場合は、光係数のスペクトルを波長に依存しない定数を含む近似式で表し、その定数を未知のパラメータとすることにより、光係数のスペクトルも求めることができる。
屈折率波長分散モデルとしては種々の例が提案されているが、PD層の強い吸収特性を扱うために、本実施形態ではK−K(Kramers−Kronig)アナライシス方法を使った。屈折率波長分散モデルとして、Tauc−Lorentzアナライシス、Cody−Lorentzアナライシス、Forouhi−Bloomerアナライシス、MDFアナライシス、バンドアナライシス、4配位(Tetrahedral)アナライシス、Drudeアナライシス、Lorentzアナライシス方法等を使用しても上記解析が可能である。
次にK−K(Kramers−Kronig)アナライシス方法の特徴に関して説明する。
測定波長範囲内に薄膜層の光の吸収帯が有る場合は、次のKramers−Kronigの関係式から導き出される複素屈折率の分散式(式1)を用いて、屈折率だけではなく消衰定数を求めることが出来る。
ここでPはコーシー積分の主値、ωは周波数である。
この関係式は消衰係数が既知であるならば、屈折率を消衰係数から推定できることを示している。測定波長範囲内に光の吸収帯がある場合、その波長領域の消衰係数スペクトルをローレンツ型の式(式2)で近似する。
ここでEはPhoton Energy(eV)であり、波長λ(nm)とは、次式(3)に示す関係にある。
式(2)から(1)のKramers−Kronigの関係式により積分することによって、屈折率の次の式(4)を導くことが出来る。
ここでf(E)は式(2)の積分値でC5は積分定数となる。
このKK−Analysisにおいては、C1、C2、C3、C4、C5がパラメータとなり初期値になる。C5は積分定数で屈折率を表すパラメータの一つですので、PD層の大体の屈折率を初期値にする。C1は大体の消衰係数、つまり、消衰係数スペクトルのピークの消衰係数の値が初期値になる。
一方、C2、C3は消衰係数スペクトルのピークのE(eV)と関係があり、C2はピークのE(eV)の2倍、C3はピークのE(eV)の2乗を大体の初期値とすることが出来る。C4は、吸収帯のエネルギーバンド幅と関係があり、初期値としては、消衰係数スペクトルのピークの裾で消衰係数が最も小さくなるE(eV)の値を用いることが出来る。
以上のように、KK−Analysisを用いる場合は、測定対象物質である薄膜の物性を加味して、その吸収スペクトル、つまり消衰係数スペクトルを想像して、初期値を設定することにより、解析を行うことが可能となる。
KK−Analysisモデルは、他のモデルと比較して、パラメータの設定が難しく、フィッティング計算も困難で、パラメータの設定によっては、全くフィッティングしない事もある。従って、KK−Analysisモデルは、ある程度測定解析に慣れて、モデルの特性を理解した上で使う必要がある。
上記の方法でPD層の厚さと光係数(屈折率nと消衰係数k)を求めた後、光の吸収係数は以下の式(5)により算出される。
α=4πk/λ (5)
この不純物導入層110の光学的特性を現したスペクトルを図3に示す。
この図から明らかなように、エリプソメトリを用いた測定の結果から考えると波長300nmから600nmの間の光に対し、光吸収係数が高くなっている。
そこで、後続工程では、波長300nmから600nmの間の光を照射することにより、効率よく活性化がなされ、より小さな照射エネルギーで不純物が効率よく活性化される。
このように、本実施の形態では、不純物の導入された固体基体の表面状態を測定し、この測定結果に基づき、続く工程の主要因を決定する。
ところで、半導体産業や、液晶産業では、不純物を導入した後、形成された不純物導入層110に、電磁波を照射して電気的に活性化する。これは固体基体の主たる構成要素であるシリコンの結晶が、格子の結合エネルギーよりも十分高いエネルギーの不純物を導入する工程で破壊され、格子欠陥が導入された状態の不純物導入層(不純物の導入された領域)が存在する状態を、後続工程で電磁波を照射することによって、格子欠陥を回復し、電気的に活性な状態に変化させることを意味する。
このとき、不純物層の状態は、固体基体を構成する物質と不純物物質の物性の関係に依存するが、例えば、シリコンであれば、シリコンの格子位置に不純物物質が置換する形で入り込み、結晶化が促進され、電気的に活性な状態となる。
そこでこの様な過程を実現するために、例えば、可視光の照射にあたって、効率良く不純物の電気的活性化を図る。ここでは、不純物導入層の光吸収スペクトルを分析し、その結果に基づいて適切な波長の光を照射することが望ましい。また、表面に固体基体100と不純物導入層110とが混在している場合には、固体基体自体の光吸収スペクトルを分析し、固体基体100の光吸収係数が小さく、不純物導入層110の光吸収係数が大きくなるような波長帯域を選択し、この波長帯域で光照射を行うようにすれば、固体基体100の温度上昇を抑制しつつ、不純物導入層の活性化を行うことができる。
前述の通り、本実施の形態では、エリプソメトリを利用した光学測定を用いているため、これによって光吸収係数を算出することができる。特にサイズの小さな微細デバイスを形成する際には固体基体中で発生する拡散現象が微細化を妨げる大きな要因になるため、特定の波長の光だけを照射するのは固体基体に無駄なエネルギーを与えないという意味で拡散を防止することができ、微細デバイス形成に有効である。特に多数回の不純物導入工程を含む場合には多数回の熱処理工程を経なければならない場合が多いが、本発明によれば、特定の波長の光のみを照射することにより、不要な拡散長の伸びを抑制することができる。
なお、光学的特性の測定方法としてはエリプソメトリに限定されることなくXPSなども適宜選択可能である。
(実施の形態2)
次に、この方法を用いて、不純物のドーピング方法として、プラズマドーピングを用いた方法について説明する。
まず、本実施の形態で用いられるプラズマドーピング装置と不純物ドーピングの制御装置について説明し、次に何種類かの制御方法を詳述する。本実施の形態で用いられるドーピング装置は、図4に示すように、固体基体100上の不純物の導入された領域の光学的特性を測定する測定手段としての光源120および測光器130と、この測定手段によって得られた光学的特性に基づいて、ドーピング条件を制御する制御手段とを具備し、最適な表面状態を得ることができるようにドーピング条件をフィードバック制御するものである。
すなわちこのプラズマドーピング装置は、真空チャンバー200と、この真空チャンバー200内にプラズマを生起するプラズマ源240とを具備し、基板ホルダ260に載置された、被処理基体としての固体基体100の表面にプラズマドーピングを行うものである。
そして、この真空チャンバー200には、真空ポンプ210が接続され、真空測定の為の真空計230が設置されており、プラズマ源240には電源250が接続されている。また、基板ホルダー260には、独自の電気的ポテンシャルを印加するための、電源270が、前述の電源とは別途接続されている。
また真空チャンバー200にはこれらのガスを導入するためのガス導入機構が設置されている。このガス導入機構は、ドーパント物質としての第1の物質を供給する第1のライン280、その他の物質である第2の物質を供給する第2のライン290(この場合はHe)、その他の第3の物質を供給する第3のライン300(この場合はAr)で構成される。
また、制御手段は、測光器で測定した光学的特性を演算する計算機320と、この演算結果に基づいて制御条件を決定する制御回路340と、制御回路の出力に基づいてプラズマドーピング装置のドーピング条件を、フィードバック制御する制御器350とを具備している。
次にこ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。
ここでは、ドーピング源としてガスを利用する場合について説明する。
まず、真空チャンバー200に第1の物質としてのドーパント物質を供給する。ここでは、ドーパント物質とこれとは異なるその他の物質をキャリアガスとして又は特定の機能を保有する材料として導入する。本実施の形態では、ドーパント物質とは異なる性質のガス、例えば、希ガスなどで(質量が異なり)、電気的にはシリコンの中で活性にならない物質を選択した。例として、HeやArである。これをその他の第2の物質としてHeを、その他の第3の物質としてArを選択した。さて、前述の第1乃至第3のライン280、290、300で構成されるガス導入ラインからガスを導入し、真空チャンバー200内の固体基体100表面でプラズマ310を発生させる。
このプラズマ310と固体基体100との電気的ポテンシャル差によって、プラズマ中の荷電粒子が引き寄せられて、不純物ドーピングが行われる。同時にプラズマ中の電気的中性物質はこの固体基体100表面付近に付着もしくは吸蔵される。ここで不純物導入層110の状態は、下地である固体基体100の状態および、プラズマのもつエネルギーによって決まり、付着状態であっても良いし吸蔵されていてもよい。
この不純物ドーピング工程によって、前記実施の形態で説明した不純物導入層110が固体基体100表面に形成される。この不純物導入層の物性を測定するために、真空チャンバー200には光源120と測光器130が配設されている。そして測光器130で測定した光学的特性を計算機320で演算し、この演算結果を制御回路340に送り、フィードバック情報として制御器350へデータを送ることによって、プラズマドーピング装置はプラズマ条件を調整し、不純物導入層の物性を制御する。
ここで調整されるプラズマ条件としては、プラズマに印加する電源電圧、あるいは電圧印加時間及び印加タイミング、ドーパント物質とその他の物質の混合比、真空度、その他の物質間の混合比、ドーパント物質を含むプラズマ照射の時間とドーパント物質を含まないプラズマ照射の時間帯の比などであり、これらのパラメータを変化させ、不純物導入層の物性を制御する。
以下、本発明の実施例として、このパラメータを変化する例について順次説明する。ここでは電力、ガスの混合方法について詳述する。
まず、実施例1として電力を変化させる方法について説明する。
プラズマの密度や基板に到達する荷電粒子(主に正に荷電したイオン)のエネルギーは、プラズマを発生させるために供給する電力と、基板ホルダーに接続した電源によって、決定されることがわかっている。ここでは、主に基板ホルダー260に接続した電源270の電力を変化させた例を述べる。
先ず、プラズマを発生させるための電源250から1000Wの電力を供給する。これにより発生したプラズマ310を効率良く基板に到達させるために、基板ホルダー260に電力を供給する。先ず100Wを供給してプラズマドーピングを開始した。このとき、最終的に必要な不純物導入層の厚みを15nmと設定する。
ここでは、ドーパント物質B2H6を用いその他の物質としてHeを用いた。B2H6を2SCCM導入、Heを10SCCM導入する。真空度は1Paであった。先ず、電源250から100W供給している状態で5秒間ドーピングを実施した。
この状態で図1及び図4に示すように、測光器130で不純物導入層の光学定数(光吸収係数)を測定した。その結果、不純物導入層の厚みは計算機320で計算した結果、12nmであることが分かった。
そして、制御回路340では、自前に測定した測定結果に基づいて作成したデータベースに基づいて、不純物導入層の厚みを15nmとするための条件を算出する。そしてこの算出結果に基づいて制御器350は電源250からの電力の供給を115Wに増大し3秒間プラズマドーピングを実施した。
そして、不純物導入層の厚みが所定の15nmに達したのを測光器130を通じて確認し、電源250をオフにして、プラズマ310を消し、プロセスを終了した。
[実施例2]
図5にK−K(Kramers−Kronig)アナライシスの解析方法を使って求めたサンプルPD−1(バイアス電圧30V、プロセス時間60s)とPD−2(バイアス電圧60V、プロセス時間60s)及び比較として結晶シリコン基板の吸収係数のスペクトルを示す。この場合、波長範囲400−800nm内、同じプラズマドーピング時間60秒で、バイアス電源電圧を上げることによって、PD層の光吸収係数が高くなった。この結果は、例えば400−800nm内の波長を出すアニール方法を用いる場合はPD−2の方が適していることを示している。つまり、このエリプソ測定結果はアニールの最適化にフィードバックすることが出来、上記のK−K(Kramers−Kronig)アナライシスの解析方法を使ったエリプソメトリ測定の有効性を示している。
[実施例3]
次に、実施例3として、不純物導入工程におけるガスの混合方法を制御する例について説明する。
不純物導入層110を形成する際、例えば固体基体100として、シリコン基板を利用すると、ドーパント物質や、その他の物質により結晶格子が乱されてアモルファス状態になる。このアモルファスの状態を所望の状態にすることが、引き続き実行する工程で重要な役割を果たす。
この例では、ドーパント物質としてBF3をその他の物質として、HeとArを使用した。ここでは、ドーパント物質であるBFの量を一定にして、不純物導入層110の厚みを変化させる。
先ず、Arを導入して、5秒間プラズマを発生させ、不純物導入層110の一部を形成する。測光器で測定すると不純物導入層110の厚みは5nmであった。このドーピングされた不純物導入層110に対して、BF3を導入して5秒間ガス吸着させた後、電力を供給して、BF3プラズマを発生させ、3秒間ドーピングを続行する。同時にHeを導入して、比較的低電力である100Wでも20nmの厚みになるように設定をする。所定のドーパント量になった後BF3の供給を停止する。測光器で計測をしながら、Heプラズマ照射を継続し、不純物導入層の光学的厚みが5秒後に20nmに達したことを確認して、プラズマを停止し、プロセスを終了した。
[実施例4]
次に、実施例4としてドーパント物質を含むプラズマ照射の時間とドーパント物質を含まないプラズマ照射の時間との比を調整する例について説明する。ここでは、単純化して説明するために、固体基体の光学的な特性、特にドーピングの後に引き続き実施される光照射などのアニールの際に大きな光吸収係数を持つ不純物導入層110を形成する例について説明する。例えば、図4に示すプラズマドーピング装置を使用した際、必要なドーパント量のプラズマドーピングによって形成される不純物導入層110の光吸収係数がアニールに対して不十分な場合が一般的に想定される。
その際、ドーパント量には変動を与えることなく、光吸収係数のみを大きな値となるように調整し、アニールの所定の光吸収係数を設定する為にその他の第2の物質を導入するための第2のライン290より希ガス、例えば、Arを導入し、ドーパントとは別のプラズマを形成して固体基体に照射する。一例であるが、固体基体100に対して、Arのプラズマを5秒間照射し、不純物導入層110を形成する。その際に光吸収係数は引き続き行うアニールに対して十分大きな値になるよう、プラズマ照射時間やその他のプラズマパラメータを調節する。その後、例えば、B2H6をHeで0.5%に希釈したガスをドーパント物質導用の第1のライン280から導入し、プラズマを発生させ、15秒間プラズマを照射した。
先ず、Arプラズマついで、ドーパントプラズマにより、複合的に形成された不純物導入層110の光学物性は測光器130を介して測定し、一連の制御系を経て所定の光学的特性、ここでは光吸収係数を得、プロセスを終了した。図6(a)はAr照射時の光吸収係数の増加の時間的依存を定性的に表したものであるが、約5秒間で光吸収係数が5E4 cm−1より増加したことを確認してドーパントプロセスに移行した。
この方法によっても、効率よいアニールを実現することが可能となる。
[実施例5]
次に、実施例5について説明する。この例は前記実施例1乃至4と同様フィードバック制御により不純物導入層110の光学的特性を制御するものであるが、固体基体100として液晶基板を使用した場合について説明する。この場合はガラスもしくは石英ガラス基板上に多結晶シリコン膜を堆積して、この多結晶シリコン膜にTFTを形成するための、不純物を導入する。このようなガラス基板上に堆積した多結晶シリコン膜は薄膜であるため、不純物を導入する際に形成される不純物導入層110の厚みが薄膜の大半を占める場合もあり得る。
測光器130で測定した光学定数から光吸収係数を抽出した。液晶のデバイス形成では、ドーパント物質導入後レーザを照射し、電気的に活性化する方法がとられる。このため、このレーザ光の吸収が効率的に行われるように、不純物導入層を調整し、光吸収係数を制御する。
この例では図4に示した不純物ドーピング装置を用い、測光器130によって不純物導入層の光学的特性を測定し、測定結果をフィードバックしながらドーピング量を調整する。測光器130による測定結果に従ってドーパント物質の供給を停止し、不純物導入プロセスを終了した。
この方法によっても、効率よく活性化がなされ、ガラス基板の温度上昇も少なく、そりや歪、クラックなどの発生を抑制することができ、歩留まりが向上した。
この方法は、固体基体として他の物質、例えばシリコン基板を使用した際にも同様により良く制御することができる。
[実施例6]
次に、本発明の実施例6について説明する。
この例では、前記実施の形態1に示したように、不純物の導入された不純物導入層110の光学的特性を測定し、その結果に応じてアニール条件を調整し、基板温度を上昇することなく、不純物導入層の活性化をはかる。
ここでは、既に述べた方法によって作成した、不純物導入層110の形成された固体基体100に特定の波長を含む電磁波を照射してアニールするもので、不純物導入層の電気的活性化に特に有効に寄与するような、電磁波のエネルギーを使用し、他の領域(固体基体)へのエネルギー供給を抑制し、固体基体100の温度上昇を抑制する。
実施の形態1と同様に、固体基体100表面に形成された不純物導入層110に、光源120から光を照射し、測光器130で光を測定する。この不純物導入層110の光学的特性を現したスペクトルを図6(b)に示す。図6(b)はエリプソメトリを利用して測定したものであるが、この測定結果に基づき、続く工程であるアニール工程の主要因を決定する。
単結晶シリコン基板に、実施の形態2に示した方法に従って、プラズマドーピングを用いて、ボロンをドーピングした。
このとき形成された不純物導入層110を含む固体基体100の光学的測定を同様にして行った結果、図6(b)に示すように600nm付近にピークを持つスペクトルが観測された。この場合には、600nm付近で発光するレーザ光を用いるか、白色光光源であっても、例えば、ピークは幾分ブロードなので、580nmから620nm付近の波長以外をカットするフィルターを用いて、アニールに有効な波長の光のみを不純物導入層を有する基板に照射するのが有効である。
そこでこの例では、フィルターを用いて波長制御を行う例について説明する。このアニール装置は図7に示すように、基板ホルダ500と、白色光源510と白色光源からの特定波長の光530のみを透過させるように着脱自在に配設されたフィルタ520とを具備してなる。
この例では、不純物導入層110が形成された固体基体100を基板ホルダー500に設置し、白色光源もしくはフィルタを介して調整された波長の光が当該固体基体の表面に形成された不純物導入層に照射され、適切なアニールがなされる。
すなわち図6に示した波長スペクトルにピークを形成する様な特定の波長を含む光源が設置され、かつ当該基板をアニールするのに適した波長(例えば波長スペクトルのピークを含む特性)のみを透過する特性のフィルター520を設置する。この装置において、100Wの強さの光源から、この場合は白色光源510を照射し、フィルター520によって、580nmから620nmの間に選別された光が照射される。この様にフィルタリングされた光530のエネルギーは当該基板の不純物導入層110で有効に吸収されて、減衰し、固体基体100に吸収されるエネルギー量は非常に少ない。
このようにして、固体基体全体の温度は殆ど上昇することなく、不純物導入層110のみにエネルギーが吸収され、特定の領域に限定された不純物アニール層を形成することができる。この方法は、微細化された範囲領域に配置されるMOSトランジスタなどの形成に非常に有効である。
なお、この基板ホルダー500には、冷却機構(図示せず)を設けることができ、更に基板を冷却することも可能である。しかしながら、本発明によれば、不純物導入層110に有効にエネルギーが吸収されるため、あまり必要ではない。
更に、図4に示したドーピング装置で使用したものと同様の機構で光源120と測光器130を図7に示したアニール装置にも設置して不純物導入層110の光学的特性を測定することにより、光照射時の物性の変化が測定できる。このようにして、光照射による状態変化を計測することができる。
なお、前記実施例では、白色光源とフィルタとによって所望の波長の光を照射するようにしたが、この例では、白色光源510に代えて適切な波長を有する(この場合は例えば600nm)レーザ光源550を利用することも可能である。
又、逆に工業的に安価に入手可能なレーザ光源の波長に合わせて、所望の光学的特性をもつように不純物導入層を設計することも可能になる。
[実施例7]
次に、本発明の実施例7として、プラズマドーピングに際し、混合物質として、窒素、酸素を混入させる方法について説明する。先ず、図4に示したドーピング装置を用いて、例えば、固体基体に対して、実施の形態2で述べた方法による不純物ドーピングにより、不純物導入層110を10nm形成する。
この後、その他の物質である第2の物質を導入する第2のライン290より窒素もしくは窒素を含むガスを導入し、プラズマを発生させ、不純物導入層110の上部を約3nm窒化する。
このようにして、窒化の状況を不純物導入層110と窒化された層600(図8参照)をも含む光学定数の測定によって、すなわち、図4の装置に設けた光源120と測光器130及び計算機320、制御回路340、制御器350を用いて、引き続き実施する光照射などのアニール時に適合する光学的特性に制御することができる。
ここで述べた光学的特性の適合とは、基本的には実施例1で述べたものと同様であるが、アニールに際して不純物導入層110を窒化された層610で被覆しておくことにより、アニール工程で使用する光の吸収性を高めることができる。また、これにより、更に、アニール時に空気中の酸素や水分が関与して発生する酸化を防止することができ、不純物導入層と110と窒化された層600の総合的な光学的特性が安定するという効果も付随する。
又、第3のライン300よりその他の第3の物質として酸素もしくは酸素を含むガスを導入して、図8(c)に記したように、不純物導入層110の表面を酸化することが可能である。この際にも図4の装置に設けた光源120と測光器130及び計算機320、制御回路340、制御器350を用いて、不純物導入層110と酸化された層610の光学的特性を、引き続き行う光照射などのアニール時に用いる光の波長に適合した光学的特性となるように制御することが可能である。アニール時に酸化を防止することは困難であるが、アニール時の雰囲気を真空や不活性ガスを用いるなどの措置により、このような表面酸化層の導入も適用可能である。
ここでは不純物導入層110を直接窒化酸化する例を述べたが、その他の第2の物質を供給する第2のライン290及びその他の第3の物質を供給する第3のライン300より、例えば、SiH4と酸素を夫々導入するなどの方法により、シリコン酸化膜やその他の膜を所謂CVD技術で堆積しても良い。このようにすれば、不純物導入層の物性とは全く関係のない薄膜をも堆積することが可能であり、多様な光学的特性を得ることができる。その堆積時にも上述の制御システムを動作させて制御することが肝要である。
[実施例8]
次に、アニール工程中の、不純物導入領域の光学的特性の変化に追随してアニール条件を順次変化させる方法について説明する。
ここでは図9に示すように、光源としてレーザ光源700を使用し、この光路に波長を変化させることのできる変調フィルタ710を用い、測光器130で測定された不純物導入層110の状態に追随して、変調された光720を固体基体100表面の不純物導入層110に照射する。
特に固体基体100に接して、固体基体とは異なる状態の不純物導入層110を形成し、この不純物導入層の保護や光学的特性の制御の為に薄い窒化膜や酸化膜などを形成した後に、光などの電磁波を照射してアニールする際には、前記実施例で述べた様に十分な注意を払う事によって、先ず中心的な波長をもつレーザ特有の波長に合わせて、アニールに最適の不純物導入層を形成することが可能であるのはいうまでもないが更に、アニール工程において最良の結果を得るためには光照射によって変化する不純物導入層の状態に追随してアニール条件を変化させるのが望ましい。
図10は光照射時間によって光吸収係数が変化する状態を示す。つまり、光照射前に曲線aで表された光吸収特性が、光照射10n秒後には曲線bに、100n秒後には曲線cに変化する様子を示している。
これは、アニール時間中に光吸収の中心が次第にずれて行くことを示している。白色光を用いて行うアニールの特徴は全ての波長の光が含まれているため、この光吸収の変化に自然に対応できるが、その為に必要でない波長の光を全て照射しなければならないことになる。このため、実施例5で説明したとおり基板全体のもしくは固体基体表面近傍の温度が上昇するなどの弊害が生じることになる。
そこで、先ず、中心となる波長、この場合では600nm付近のレーザを使用する。このアニール装置は図9に示すように、中心となる波長のレーザ光源700を設置し、その光路に設けられた変調フィルタ710で波長を時間的に変化させるものである。
すなわちレーザ光700を照射してアニールを行いながら、測定用の光源120から入射する光を測光器で測定し、図10に示すように光吸収係数が変化する様子を捉えて、変調フィルター710を作動させて照射する(変調された)光720の周波数を変化させる。この結果、アニール時間帯の間常に光吸収の最適な波長の光が固体基体100の表面に接した不純物導入層110に照射され、アニール効率を最大にすることができる。このことは、照射されたエネルギーが殆ど、不純物導入層以外の部分に吸収されないことを示すものであり、本発明の主たる応用分野である、半導体産業に於いては「浅い接合」を形成するために、最もエネルギー効率が高く、しかも出来上がりの接合の深さを極めて浅くできる理想的な方法ということができる。
[実施例9]
次に、本発明の実施例9について説明する。
前記実施例8は形成した不純物導入層の光学的特性に加えアニール中の光学的特性の変化にも追随して光の波長を変調する方法について説明したが、この実施例では、工業的に容易に入手できるレーザの波長にあわせてドーピング層である、不純物導入層を形成する。具体的には既に実施例7で説明したものもこの考え方に属するものである。
すなわち、既に図6を参照して説明したとおり、不純物導入層の形成によって、光吸収係数の高い波長の範囲を設定して不純物導入層を形成することができる。この方法はプラズマドーピング方法を用いる場合には実施例3で説明したように、いくつかのパラメータを変化させて、プラズマの条件を変化させ、使用するレーザの波長付近に光吸収係数が大きい不純物導入層を形成する。
この方法では、プラズマドーピング中にプラズマを発生させている途中(所謂InSituの状態)に常時、固体基体100(図4参照)の表面を観測し、プラズマのパラメータを実施例4の如く変化させて最終的に所定の光学的特性(ここでは光吸収係数をとりあげた)を得ることができる。
また、一定時間、例えば5秒間固体基体100の表面にドーピングを行い、一旦プラズマ照射を止め、光源120からの光を測定して、光学的特性を求め、その結果をフィードバックして、実施例3で説明したプラズマのパラメータを変化させ、更に例えば次の5秒間プラズマでドーピングを行い不純物導入層110を形成する。これを繰り返して、選定したレーザ光の波長に適合する様不純物導入層の光学的特性を設定することができる。
また、前記実施の形態では、不純物導入工程と、アニール工程とは別の装置で行ったが、同一の装置で行うようにしてもよい。
また、アニール工程に際し、不純物導入層の光学的特性の調整を常圧プラズマによる薄膜形成により実現することも可能である。すなわち、不純物導入層の光学的特性を測定し、アニールの進行による不純物導入層自体の光学的特性変化を補償するように、不純物導入層の物性変化に追随して、表面に薄膜形成をおこなうことにより、アニール条件に適合するように不純物導入層への光吸収性を高めることができる。
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、2003年9月24日出願の日本特許出願No.2003−331330、
2004年3月9日出願の日本特許出願No.2004−065317、
に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
基体表面のごく近傍に、主に不純物物質そのものからなる新たな(第2の)層110が形成される。
そこで、エリプソメトリを用い、図1に示すように、光源120を用いて固体基体100表面に光を照射し、測光器130で光を測定する。
図2の分光エリプソメータの構成図を使って、不純物導入層の厚さと光吸収係数をエリプソメトリで測定する方法を説明する。
この分光エリプソメータは、図2に示すように、Xe光源20と、この光源から出力されるXe光を偏光して試料11としての基板に照射する偏光子21と、試料11からの反射光を検出する検光子22と、分光器23と、ディテクター24とを具備している。ここでは、Xe光源20から出力されるXe光を偏光子21により直線偏光に変えて、基板面に垂直な方向に対して角度θ0で基板に入射せしめられる。本測定ではθ0=70°固定で測定したが、角度を45°から90度の間に変化させても測定可能である。入射光の直線偏光の軸は、p方向(光軸に垂直な面と入射光及び反射光を含む面との交線の方向)と、s方向(光軸に垂直な面内でp方向に垂直な方向)に対して傾いている。楕円偏光として反射される光のp成分とs成分との間の振幅反射率比をΨ、上記p成分とs成分との間の位相差をΔとする。エリプソメトリでは、楕円偏光として反射される光を検光子22を経た後分光器23に入射させて、分光しながら、ディテクター24によりΨ,Δを測定するように構成されている。
上記のΨ,Δのエリプソメトリ測定結果から、不純物導入層の厚さだけではなく光学定数(屈折率nと消衰係数k)も未知のパラメータとして、最小2乗法により求める方法を説明する。不純物導入層をPD層と指称し、Air/PD層/c−Siの3層モデルを使った。光学定数は基本的に波長依存性がある為、波長を変えて測定すると、測定波長の数だけ未知のパラメータが増えることになり、求めることが出来ない。このような場合は、光学定数のスペクトルを波長に依存しない定数を含む近似式で表し、その定数を未知のパラメータとすることにより、光学定数のスペクトルも求めることができる。
屈折率波長分散モデルとしては種々の例が提案されているが、PD層の強い吸収特性を扱うために、本実施形態ではK−K(Kramers−Kronig)アナライシス方法を使
ここでf(E)は式(2)の積分値でC5は積分定数となる。
このKK−Analysisにおいては、C1、C2、C3、C4、C5がパラメータとなり初期値になる。C5は積分定数で屈折率を表すパラメータの一つですので、PD層の大体の屈折率を初期値にする。C1は大体の消衰係数、つまり、消衰係数スペクトルのピークの消衰係数の値が初期値になる。
一方、C2、C3は消衰係数スペクトルのピークのE(eV)と関係があり、C2はピークのE(eV)の2倍、C3はピークのE(eV)の2乗を大体の初期値とすることが出来る。C4は、吸収帯のエネルギーバンド幅と関係があり、初期値としては、消衰係数スペクトルのピークの裾で消衰係数が最も小さくなるE(eV)の値を用いることが出来る。
以上のように、KK−Analysisを用いる場合は、測定対象物質である薄膜の物性を加味して、その吸収スペクトル、つまり消衰係数スペクトルを想像して、初期値を設定することにより、解析を行うことが可能となる。
KK−Analysisモデルは、他のモデルと比較して、パラメータの設定が難しく、フィッティング計算も困難で、パラメータの設定によっては、全くフィッティングしない事もある。従って、KK−Analysisモデルは、ある程度測定解析に慣れて、モデルの特性を理解した上で使う必要がある。
上記の方法でPD層の厚さと光学定数(屈折率nと消衰係数k)を求めた後、光の吸収係数は以下の式(5)により算出される。
α=4πk/λ (5)
この不純物導入層110の光学的特性を現したスペクトルを図3に示す。
この図から明らかなように、エリプソメトリを用いた測定の結果から考えると波長300nmから600nmの間の光に対し、光吸収係数が高くなっている。
そこで、後続工程では、波長300nmから600nmの間の光を照射することにより、効率よく活性化がなされ、より小さな照射エネルギーで不純物が効率よく活性化される。
この方法により、あらかじめ不純物の導入された領域の光学的特性を測定し、この光学的特性に応じて最適なアニールを実現することができ、高精度かつ高効率に不純物領域を形成することができる。
この方法によれば、浅い領域に不純物を導入することができる。
この方法によれば、引き続き実施する光照射を中心としたアニール工程の高効率化をはかるとともに、高精度のプラズマドーピングを実現することができる。
この方法により、アニール前に不純物の導入された領域の状態を検知し、その上でアニール条件を選択することができ、最適な活性化状態を得ることができる。
この方法により、アニール中に不純物の導入された領域の状態を検知し、その上でアニール条件を選択することができ、最適な活性化状態を得ることができる。
この方法により、アニール工程を複数回に分け、アニール中に不純物の導入された領域の状態を検知し、その上でアニール条件を選択しているため、最適な活性化状態を得ることができる。
この方法により、アニールによる不純物の導入された領域の変化を検知し、その上でアニール条件を選択しているため、より最適な活性化状態を得ることができる。
この方法により、不純物導入工程間で実行されるため、不純物導入工程におけるチャンバー内の状況により正確な測定ができ、高精度の不純物導入を実現することができる。また、一旦不純物導入を停止する必要があるが、この例は常圧プラズマを用いたドーピングなどにも有効である。
この方法により、アニール条件に制約がある場合にも有効である。
この方法によれば、より高精度の深さ及びドーズ量をもつ不純物領域を形成することができる。ここで光学定数としては、光吸収係数の他、反射率なども適用可能である。
また本発明では、前記測定する工程が不純物導入層の厚さと光学定数(屈折率nと消衰係数k)の両方を求めるエリプソメトリ解析工程を含む。
また本発明では、上記不純物導入方法において、前記アニ−ル工程は電磁波を照射する工程である。
また本発明では、上記不純物導入方法において、前記アニ−ル工程は光照射工程である。
これにより、光吸収性が高く高効率のアニール条件を選択することができる。
この方法により、効率よい制御が可能となる。ここでプラズマの組成とはドーパントとなる不純物物質とその他の物質との混合比、真空度、その他の物質間の混合比等を調整して制御される。
この方法により、基体温度を上昇させることなく選択的に効率よくアニールを実現することができる。
これにより、容易に表面状態の検出が可能となる。
また本発明では、前記フィードバック機構が、高速に抜き取り検査を実施して、不良の場合は追加ドープ、あるいはアニール条件緩和などの追加プロセスを実行するものを含む。
図2は、不純物導入層の厚さと光吸収係数を求める方法を説明するために使う分光エリプソメータの構成図であり、
図3は、エリプソメトリで測定した不純物導入層の光吸収係数を示す図であり、
図4は、本発明の第2の実施の形態におけるプラズマドーピング方法を応用した本願発明に使用した装置の断面構造図であり、
図5は、サンプルPD-1(バイアス電圧30V, プロセス時間60s)とPD-2(バイアス電圧60V, プロセス時間60s)及び比較として結晶シリコン基板の吸収係数のスペクトルを示す図であり、
図6は、本発明の実施例3の不純物導入方法における光吸収係数の プロセス時間(a)、波長(b)への依存性を示す図であり、
図7は、本発明の実施例6の白色光源と、波長選別用のフィルターを用いたアニール装置の説明図であり、
図8は、本発明の実施例7の不純物導入層を窒化又は酸化した際の特別な効果を説明する為の固体基体の断面模式図であり、
図9は、本発明の実施例8のアニール装置の装置概念図であり、
図10は、不純物導入層をアニールする際に時間変化に応じた波長の光を照射する例を説明するためのグラフである。
なお、図中の符号、100は固体基体、110は不純物導入層、120は光源、130は測光器、200は真空チャンバー、210は真空ポンプ、230は真空計、240はプラズマ源、250は電源、260は基板ホルダ、270は電源、280は第1のライン、290は第2のライン、200は第3のライン、310はプラズマ、320は計算機、340は制御回路、350は制御器、500は基板ホルダー、510は白色光源、520はフィルター、530は選別された光、600は窒化した膜、610は酸化した膜、700はレーザ光源、710は変調フィルター、720は変調された光である。
本発明は、大別して3つの実施の形態を与える。その第1は、固体基体に導入される不純物の状態を、光学的測定によって検知する点である。これは単に、不純物そのものの光学的測定のみならず、固体基体自体の結晶状態、導入時のエネルギーによるダメージなどの固体基体の結晶状態の物理的変化、酸化層窒化層の生成など固体基体の化学的変化をも含めた"複合的な層"の状態として、光学的に測定することを意味する。第2はこの検知された不純物の状態によってアニ−ル条件を最適化する点、第3は、アニ−ル条件にあわせて、不純物の導入を制御する点である。
本実施の形態1では、固体基体に対し、格子の結合エネルギーよりも十分高いエネルギー(数10eV以上)の粒子を用いて不純物導入を行う方法について説明する。この固体基体に不純物導入を行う際、格子の結合エネルギーよりも十分高いエネルギー(数10eV以上)の粒子を用いる場合には、固体基体を形成する結晶もしくは非結晶物質を構成する格子に対する格子欠陥の形成や不純物物質自体が固体基体の物性を変化させ、固体基体100とは異なる物性をもつ不純物の導入された領域(新たな第2の層)110が形成される。
そこで、エリプソメトリを用い、図1に示すように、光源120を用いて固体基体100表面に光を照射し、測光器130で光を測定する。
この分光エリプソメータは、図2に示すように、Xe光源20と、この光源から出力されるXe光を偏光して試料11としての基板に照射する偏光子21と、試料11からの反射光を検出する検光子22と、分光器23と、ディテクタ-24とを具備している。
測定波長範囲内に薄膜層の光の吸収帯が有る場合は、次のKramers-Kronigの関係式から導き出される複素屈折率の分散式(式1)を用いて、屈折率だけではなく消衰定数を求めることが出来る。
この関係式は消衰係数が既知であるならば、屈折率を消衰係数から推定できることを示している。測定波長範囲内に光の吸収帯がある場合、その波長領域の消衰係数スペクトルをローレンツ型の式(式2)で近似する。
このKK‐Analysisにおいては、C1、C2、C3、C4、C5がパラメータとなり初期値になる。C5は積分定数で屈折率を表すパラメータの一つですので、PD層の大体の屈折率を初期値にする。C1は大体の消衰係数、つまり、消衰係数スペクトルのピークの消衰係数の値が初期値になる。
α=4πk/λ (5)
この図から明らかなように、エリプソメトリを用いた測定の結果から考えると波長300nmから600nmの間の光に対し、光吸収係数が高くなっている。
このように、本実施の形態では、不純物の導入された固体基体の表面状態を測定し、この測定結果に基づき、続く工程の主要因を決定する。
次に、この方法を用いて、不純物のドーピング方法として、プラズマドーピングを用いた方法について説明する。
まず、本実施の形態で用いられるプラズマドーピング装置と不純物ドーピングの制御装置について説明し、次に何種類かの制御方法を詳述する。本実施の形態で用いられるドーピング装置は、図4に示すように、固体基体100上の不純物の導入された領域の光学的特性を測定する測定手段としての光源120および測光器130と、この測定手段によって得られた光学的特性に基づいて、ドーピング条件を制御する制御手段とを具備し、最適な表面状態を得ることができるようにドーピング条件をフィードバック制御するものである。
ここでは、ドーピング源としてガスを利用する場合について説明する。
まず、真空チャンバー200に第1の物質としてのドーパント物質を供給する。ここでは、ドーパント物質とこれとは異なるその他の物質をキャリアガスとして又は特定の機能を保有する材料として導入する。本実施の形態では、ドーパント物質とは異なる性質のガス、例えば、希ガスなどで(質量が異なり)、電気的にはシリコンの中で活性にならない物質を選択した。例として、HeやArである。これをその他の第2の物質としてHeを、その他の第3の物質としてArを選択した。さて、前述の第1乃至第3のライン280、290、300で構成されるガス導入ラインからガスを導入し、真空チャンバー200内の固体基体100表面でプラズマ310を発生させる。
<実施例>
実施例1
まず、実施例1として電力を変化させる方法について説明する。
プラズマの密度や基板に到達する荷電粒子(主に正に荷電したイオン)のエネルギーは、プラズマを発生させるために供給する電力と、基板ホルダーに接続した電源によって、決定されることがわかっている。ここでは、主に基板ホルダー260に接続した電源270の電力を変化させた例を述べる。
この状態で図1及び図4に示すように、測光器130で不純物導入層の光学定数(光吸収係数)を測定した。その結果、不純物導入層の厚みは計算機320で計算した結果、12nmであることが分かった。
図5にK-K(Kramers-Kronig)アナライシスの解析方法を使って求めたサンプルPD-1(バイアス電圧30V、プロセス時間60s)とPD-2(バイアス電圧60V、プロセス時間60s)及び比較として結晶シリコン基板の吸収係数のスペクトルを示す。この場合、波長範囲400−800nm内、同じプラズマドーピング時間60秒で、バイアス電源電圧を上げることによって、PD層の光吸収係数が高くなった。この結果は、例えば400−800nm内の波長を出すアニール方法を用いる場合はPD−2の方が適していることを示している。つまり、このエリプソ測定結果はアニールの最適化にフィードバックすることが出来、上記のK-K(Kramers- Kronig)アナライシスの解析方法を使ったエリプソメトリ測定の有効性を示している。
次に、実施例3として、不純物導入工程におけるガスの混合方法を制御する例について説明する。
不純物導入層110を形成する際、例えば固体基体100として、シリコン基板を利用すると、ドーパント物質や、その他の物質により結晶格子が乱されてアモルファス状態になる。このアモルファスの状態を所望の状態にすることが、引き続き実行する工程で重要な役割を果たす。
先ず、Arを導入して、5秒間プラズマを発生させ、不純物導入層110の一部を形成する。測光器で測定すると不純物導入層110の厚みは5nmであった。このドーピングされた不純物導入層110に対して、BF3を導入して5秒間ガス吸着させた後、電力を供給して、BF3プラズマを発生させ、3秒間ドーピングを続行する。同時にHeを導入して、比較的低電力である100Wでも20nmの厚みになるように設定をする。所定のドーパント量になった後BF3の供給を停止する。測光器で計測をしながら、Heプラズマ照射を継続し、不純物導入層の光学的厚みが5秒後に20nmに達したことを確認して、プラズマを停止し、プロセスを終了した。
次に、実施例4としてドーパント物質を含むプラズマ照射の時間とドーパント物質を含まないプラズマ照射の時間との比を調整する例について説明する。ここでは、単純化して説明するために、固体基体の光学的な特性、特にドーピングの後に引き続き実施される光照射などのアニールの際に大きな光吸収係数を持つ不純物導入層110を形成する例について説明する。例えば、図4に示すプラズマドーピング装置を使用した際、必要なドーパント量のプラズマドーピングによって形成される不純物導入層110の光吸収係数がアニールに対して不十分な場合が一般的に想定される。
この方法によっても、効率よいアニ−ルを実現することが可能となる。
次に、実施例5について説明する。この例は前記実施例1乃至4と同様フィードバック制御により不純物導入層110の光学的特性を制御するものであるが、固体基体100として液晶基板を使用した場合について説明する。この場合はガラスもしくは石英ガラス基板上に多結晶シリコン膜を堆積して、この多結晶シリコン膜にTFTを形成するための、不純物を導入する。このようなガラス基板上に堆積した多結晶シリコン膜は薄膜であるため、不純物を導入する際に形成される不純物導入層110の厚みが薄膜の大半を占める場合もあり得る。
この方法は、固体基体として他の物質、例えばシリコン基板を使用した際にも同様により良く制御することができる。
次に、本発明の実施例6について説明する。
この例では、前記実施の形態1に示したように、不純物の導入された不純物導入層110の光学的特性を測定し、その結果に応じてアニ−ル条件を調整し、基板温度を上昇することなく、不純物導入層の活性化をはかる。
このとき形成された不純物導入層110を含む固体基体100の光学的測定を同様にして行った結果、図6(b)に示すように600nm付近にピークを持つスペクトルが観測された。この場合には、600nm付近で発光するレーザ光を用いるか、白色光光源であっても、例えば、ピークは幾分ブロードなので、580nmから620nm付近の波長以外をカットするフィルターを用いて、アニールに有効な波長の光のみを不純物導入層を有する基板に照射するのが有効である。
次に、本発明の実施例7として、プラズマドーピングに際し、混合物質として、窒素、酸素を混入させる方法について説明する。先ず、図4に示したドーピング装置を用いて、例えば、固体基体に対して、実施の形態2で述べた方法による不純物ドーピングにより、不純物導入層110を10nm形成する。
このようにして、窒化の状況を不純物導入層110と窒化された層600(図8参照)をも含む光学定数の測定によって、すなわち、図4の装置に設けた光源120と測光器130及び計算機320、制御回路340、制御器350を用いて、引き続き実施する光照射などのアニール時に適合する光学的特性に制御することができる。
次に、アニ−ル工程中の、不純物導入領域の光学的特性の変化に追随してアニ−ル条件を順次変化させる方法について説明する。
ここでは図9に示すように、光源としてレーザ光源700を使用し、この光路に波長を変化させることのできる変調フィルタ710を用い、測光器130で測定された不純物導入層110の状態に追随して、変調された光720を固体基体100表面の不純物導入層110に照射する。
次に、本発明の実施例9について説明する。
前記実施例8は形成した不純物導入層の光学的特性に加えアニール中の光学的特性の変化にも追随して光の波長を変調する方法について説明したが、この実施例では、工業的に容易に入手できるレーザの波長にあわせてドーピング層である、不純物導入層を形成する。具体的には既に実施例7で説明したものもこの考え方に属するものである。
また、一定時間、例えば5秒間固体基体100の表面にドーピングを行い、一旦プラズマ照射を止め、光源120からの光を測定して、光学的特性を求め、その結果をフィードバックして、実施例3で説明したプラズマのパラメータを変化させ、更に例えば次の5秒間プラズマでドーピングを行い不純物導入層110を形成する。これを繰り返して、選定したレーザ光の波長に適合する様不純物導入層の光学的特性を設定することができる。
また、アニール工程に際し、不純物導入層の光学的特性の調整を常圧プラズマによる薄膜形成により実現することも可能である。すなわち、不純物導入層の光学的特性を測定し、アニールの進行による不純物導入層自体の光学的特性変化を補償するように、不純物導入層の物性変化に追随して、表面に薄膜形成をおこなうことにより、アニール条件に適合するように不純物導入層への光吸収性を高めることができる。
本出願は、2003年9月24日出願の日本特許出願No.2003-331330、2004年
3月9日出願の日本特許出願No.2004-065317、に基づくものであり、その
内容はここに参照として取り込まれる。
Claims (31)
- 固体基体表面に不純物を導入する工程と、
前記不純物の導入された領域の光学的特性を測定する工程と
前記測定結果に基づき、前記不純物の導入された領域の光学的特性にあわせて、アニール条件を選定する工程と、
選定された前記アニール条件に基づいて前記不純物の導入された領域をアニールする工程とを含む不純物導入方法。 - 請求の範囲第1項の不純物導入方法であって、
前記不純物を導入する工程が、プラズマドーピング工程を含む不純物導入方法。 - 請求の範囲第1項の不純物導入方法工程であって、
前記不純物を導入する工程が、イオン注入工程を含む不純物導入方法。 - 請求の範囲第1項乃至第3項のいずれかに記載の不純物導入方法であって、
前記測定する工程は、前記アニール工程に先立ち実行される不純物導入方法。 - 請求の範囲第1項乃至第3項のいずれかに記載の不純物導入方法であって、
前記測定する工程は、前記アニール工程と並行して実行される不純物導入方法。 - 請求の範囲第1項乃至第3項のいずれかに記載の不純物導入方法であって、
前記アニール工程は複数回に分割され、前記測定する工程は、前記アニール工程の合間に実行される不純物導入方法。 - 請求の範囲第1項乃至第6項のいずれかに記載の不純物導入方法であって、
前記アニール条件を選定する工程は、前記アニール工程中の、不純物導入領域の光学的特性の変化に追随して前記アニール条件を順次変化させる工程を含む不純物導入方法。 - 請求の範囲第1項乃至第3項のいずれかに記載の不純物導入方法であって、
前記不純物導入工程は複数回に分割され、前記測定する工程は、前記不純物導入工程の合間に実行される不純物導入方法。 - 固体基体表面に不純物を導入する工程と、
前記不純物の導入された領域の光学的特性を測定する工程と、
前記測定結果にもとづき、アニール条件に合わせて光学的特性を調整する工程と、
前記不純物の導入された領域をアニールする工程とを含む不純物導入方法。 - 請求の範囲第1項乃至第9項のいずれかに記載の不純物導入方法であって、
前記不純物の導入された領域の光学定数をモニターしつつ、前記光学定数がプラズマドーピング工程後に実施する光照射に適合するようにプラズマドーピング条件を制御する不純物導入方法。 - 請求の範囲第1項乃至第9項のいずれかに記載の不純物導入方法であって、
前記不純物の導入された領域の光学定数をモニターしつつ、前記光学定数がイオン注入後に実施する光照射に適合するようにイオン注入工程を制御する不純物導入方法。 - 請求の範囲第1項乃至第11項のいずれかに記載の不純物導入方法であって、
前記測定する工程がエリプソメトリを用いた工程である不純物導入方法。 - 請求の範囲第12項に記載不純物導入方法であって、
エリプソメトリを用いた工程が、不純物導入層の厚さと光定数(屈折率nと消衰係数k)の両方を求めるエリプソメトリ解析工程を含む不純物導入方法。 - 請求の範囲第13項に記載不純物導入方法であって、
前記エリプソメトリ解析工程は、K−K(Kramers−Kronig)アナライシス、Tauc−Lorentzアナライシス、Cody−Lorentzアナライシス、Forouhi−Bloomerアナライシス、MDFアナライシス、バンドアナライシス、4配位(Tetrahedral)アナライシス、Drudeアナライシス、Lorentzアナライシスのいずれかを用いた屈折率波長分散モデルを用いた解析工程を含む不純物導入方法。 - 請求の範囲第1項乃至第12項のいずれかに記載の不純物導入方法であって、
前記アニール工程は電磁波を照射する工程である不純物導入方法。 - 請求の範囲第15項に記載の不純物導入方法であって、
前記アニール工程は光照射工程である不純物導入方法。 - 請求の範囲第16項に記載の不純物導入方法であって、
前記不純物を導入する工程は、前記不純物の導入された領域の光吸収係数が、5E4 cm−1を越えるように不純物を導入する工程である不純物導入方法。 - 請求の範囲第2項乃至第17項の不純物導入方法であって、
前記プラズマドーピング工程は、プラズマに印加する電源電圧、プラズマの組成、ドーパント物質を含むプラズマ照射の時間とドーパント物質を含まないプラズマ照射の時間の比の少なくとも1つを制御する工程を含む不純物導入方法。 - 請求の範囲第18項に記載の不純物導入方法であって、
前記プラズマドーピング工程は、プラズマを形成する不純物物質と、これらに対する混合物質としての、不活性物質あるいは反応性物質の混合比を変化させることによって、前記プラズマの組成を制御し、不純物の導入された領域の光学的特性を制御する工程を含む不純物導入方法。 - 請求の範囲第2項乃至第17項のいずれかに記載の不純物導入方法であって、
前記プラズマドーピング工程は、前記アニール工程において、前記不純物の導入された領域に含まれる不純物の電気的活性化を促進するとともに、前記固体基体へのエネルギー吸収を抑制し得るように、前記不純物の導入された領域の光学定数を設定する不純物導入方法。 - 固体基体表面に不純物を導入する不純物導入手段と、
前記不純物の導入された領域の光学的特性を測定する測定手段と
前記不純物の導入された領域をアニールするアニール手段とを具備した不純物導入装置。 - 請求の範囲第21項に記載の不純物導入装置であって、
前記不純物導入手段は固体基体表面に不純物を導入するプラズマドーピング手段である不純物導入装置。 - 請求の範囲第21項に記載の不純物導入装置であって、
前記不純物導入手段は固体基体表面に不純物を導入するイオン注入手段である不純物導入装置。 - 請求の範囲第22項に記載の不純物導入装置であって、
前記測定手段の測定結果に基づき、前記プラズマドーピング手段を制御するドーピング制御手段を含む不純物導入装置。 - 請求の範囲第23項に記載の不純物導入装置であって、
前記測定手段の測定結果に基づき、前記イオン注入手段を制御するドーピング制御手段を含む不純物導入装置。 - 請求の範囲第20項から第25項のいずれかに記載の不純物導入装置であって、
前記測定手段の測定結果に基づき、前記アニール手段を調整するアニール制御手段を含む不純物導入装置。 - 請求の範囲第21項乃至第26項のいずれかに記載の不純物導入装置であって、
前記測定手段の測定結果を、前記アニール制御手段または不純物導入制御手段のいずれかにフィードバックするフィードバック機構を含む不純物導入装置。 - 請求の範囲第27項に記載の不純物導入装置であって、
前記フィードバック機構は測定結果のフィードバックをその場(In−situ)で行う不純物導入装置。 - 請求の範囲第28項に記載の不純物導入装置であって、
前記フィードバック機構は、高速に抜き取り検査を実施して、不良の場合は追加ドープ、あるいはアニール条件緩和などの追加プロセスを実行する不純物導入装置。 - 請求の範囲第1項乃至第20項のいずれかに記載の不純物導入方法を用いて不純物導入して形成された電子素子。
- 請求の範囲第21項乃至第29項のいずれかに記載の不純物導入装置を用いて不純物導入して形成された電子素子。
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