JPWO2006106872A1 - プラズマドーピング方法及び装置 - Google Patents

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Abstract

本発明の課題は、試料表面に導入される不純物濃度の均一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である。 本発明のプラズマドーピング装置は、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）により排気口（１１）を介して排気を行い、調圧弁（４）により真空容器（１）内を所定の圧力に保つ。そして、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。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）が設けられている。試料電極（６）の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口（１５）の開口部面積の合計を、試料電極（６）の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口（１５）の開口部面積の合計よりも小さくすることにより、均一性が高まった。

Description

この発明は、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。
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９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９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３１より、誘電体窓としての石英板３２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３３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）３４が形成される。試料電極６には、コンデンサ３５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、ガス吹き出し口３６から真空容器１内に導入され、排気口１１からポンプ３へ排気される。
このような構成のプラズマ処理装置において、ガス導入口３６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３１及び電磁石３３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３４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。
このようにして不純物が導入された試料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。
一方、一般的なプラズマ処理装置の分野では、試料に対向して複数のガス吹き出し口を設けた、誘導結合型プラズマ処理装置が開発されている（例えば、特許文献２参照）。図１０は、前記特許文献２に記載された従来のドライエッチング装置の概略構成を示している。図１０において、真空処理室１の上壁が誘電体から成る上側と下側の第１と第２の天板７、４１にて構成され、かつ第１の天板２上に多重のコイル８が配設されて高周波電源５に接続されている。また、ガス導入経路１３から第１の天板７に向けてプロセスガスを供給するように構成されている。第１の天板７には、ガス導入経路１３に連通するように、内部の１点を通過点とする１又は複数の空洞から成るガス主通路１４が形成され、かつこのガス主通路１４に天板７の底面から到達するようにガス吹き出し穴４２が形成されている。第２の天板４１にはガス吹き出し穴４２と同じ位置にガス吹き出し用の貫通穴４３が形成されている。真空処理室１は排気経路４４にて排気可能に構成され、真空処理室１内の下部には基板ステージ６が配設され、その上に被処理物である基板９を保持するように構成されている。
以上の構成において、基板９の処理時には、基板ステージ６上に基板９を載置し、排気経路４４から真空排気する。真空排気後は、ガス導入経路１３からプラズマ処理に必要なプロセスガスを導入する。プロセスガスは、第１の天板７に設けたガス主経路１４を通って第１の天板７内で均等に拡がり、ガス吹き出し穴４２を通って第１及び第２の天板７、４１間の境界面に一様に到達し、第２の天板４１に設けたガス吹き出し用の貫通穴４３を通って基板９上に均一に分布される。コイル８に高周波電源５から高周波電力を印加することにより、真空処理室１内のガスがコイル８から真空処理室１内に発せられた電磁波により励起され、天板７、４１の下部で生じたプラズマによって真空処理室１内の基板ステージである試料電極６上に載置された基板９が処理される。
米国特許４９１２０６５号明細書 特開２００１−１５４９３号公報
しかしながら、従来の方式では、不純物の導入量（ドーズ量）の試料面内均一性が悪いという問題があった。ガス吹き出し口３６が非等方的に配置されているため、ガス吹き出し口３６に近い部分ではドーズ量が大きく、逆にガス吹き出し口３６から遠い部分ではドーズ量が小さかった。
そこで、特許文献２に示すようなプラズマ処理装置を用いてプラズマドーピングを試みたが、基板の中心部のドーズ量が大きく、基板の周辺部のドーズ量が小さくなる結果となり、均一性が悪かった。
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、試料表面に導入される不純物濃度の均一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。
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、試料の対向面より試料に向けて概ね等方的にガスを吹き出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、真空容器内にプラズマを発生させ、プラズマ中の不純物イオンを試料の表面に衝突させて試料の表面に不純物イオンを導入するプラズマドーピング方法であって、試料の中心部に向けて吹き出すガスの流量を、試料の周辺部に向けて吹き出すガスの流量よりも少なくしたことを特徴とする。
このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性に優れたプラズマドーピング方法を実現できる。
本発明のプラズマドーピング方法において、試料の中心部は、試料の中心を含み、かつ、試料の面積の１／２の面積を有する部分として定義され、試料の周辺部が、試料の中心を含まない残りの部分として定義されることが簡便でわかりやすい。
本願の第１発明のプラズマドーピング方法において、好適には、試料の中心部に向けて吹き出すガスの流量が、試料の周辺部に向けて吹き出すガスの流量の１／２以下であることが望ましい。このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性が更に優れたプラズマドーピング方法を実現できる。
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、試料の対向面より試料が載置された面に向けて概ね等方的にガスを吹き出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、真空容器内にプラズマを発生させ、プラズマ中の不純物イオンを試料の表面に衝突させて試料の表面に不純物イオンを導入するプラズマドーピング方法であって、試料に向けて吹き出すガスの流量を、試料が載置された面における試料の外側に向けて吹き出すガスの流量よりも少なくしたことを特徴とする。
このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性に優れたプラズマドーピング方法を実現できる。
本発明のプラズマドーピング方法において、好適には、試料に向けて吹き出すガスの流量が、試料が載置された面における試料の外側に向けて吹き出すガスの流量の１／２以下であることが望ましい。このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性が更に優れたプラズマドーピング方法を実現できる。
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、試料の対向面より試料に向けて概ね等方的にガスを吹き出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、真空容器内にプラズマを発生させ、プラズマ中の不純物イオンを試料の表面に衝突させて試料の表面に不純物イオンを導入するプラズマドーピング方法であって、試料の中心部に向けて吹き出すガスの流量と、試料の周辺部に向けて吹き出すガスの流量とを、別個の流量制御系にて制御し、かつ、試料の中心部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量を、試料の周辺部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量よりも少なくしたことを特徴とする。
このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性に優れたプラズマドーピング方法を実現できる。
本発明のプラズマドーピング方法において、試料の中心部は、試料の中心を含み、かつ、試料の面積の１／２の面積を有する部分として定義され、試料の周辺部が、試料の中心を含まない残りの部分として定義されることが簡便でわかりやすい。
本発明のプラズマドーピング方法において、好適には、試料の中心部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量が、試料の周辺部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量の１／２以下であることが望ましい。このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性が更に優れたプラズマドーピング方法を実現できる。
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、試料の対向面より試料が載置された面に向けて概ね等方的にガスを吹き出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、真空容器内にプラズマを発生させ、プラズマ中の不純物イオンを試料の表面に衝突させて試料の表面に不純物イオンを導入するプラズマドーピング方法であって、試料の中心部に向けて吹き出すガスの流量と、試料が載置された面における試料の外側に向けて吹き出すガスの流量とを、別個の流量制御系にて制御し、かつ、試料の中心部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量を、試料が載置された面における試料の外側に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量よりも少なくしたことを特徴とする。
このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性に優れたプラズマドーピング方法を実現できる。
本発明のプラズマドーピング方法において、好適には、試料の中心部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量が、試料の周辺部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量の１／２以下であることが望ましい。このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性が更に優れたプラズマドーピング方法を実現できる。
本発明のプラズマドーピング方法において、好適には、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ことが望ましい。このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性を確保しつつ、高速にプラズマドーピングを実施することができる。
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。
このような構成により、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。
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、真空容器内にガスを供給するガス供給装置と、ガス供給装置に接続され、かつ、試料電極に対向して設けられた複数のガス吹き出し口と、真空容器内を排気する排気装置と、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、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装置であって、複数のガス吹き出し口が概ね等方的に配置され、試料電極の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計が、試料電極の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計よりも小さいことを特徴とする。
このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性に優れたプラズマドーピング装置を実現できる。
本発明のプラズマドーピング装置において、好適には、各々のガス吹き出し口の開口面積が概ね等しく、かつ、試料電極の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口の数が、試料電極の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口の数よりも少ないことが望ましい。このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性を確保しつつ、異常放電の抑制が可能となる。
本発明のプラズマドーピング装置において、試料電極の中心部は、試料電極の中心を含み、かつ、試料電極の面積の１／２の面積を有する部分として定義され、試料電極の周辺部が、試料電極の中心を含まない残りの部分として定義されることが簡便でわかりやすい。
本発明のプラズマドーピング装置において、好適には、試料電極の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計が、試料電極の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計の１／２以下であることが望ましい。このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性が更に優れたプラズマドーピング装置を実現できる。
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、真空容器内にガスを供給するガス供給装置と、ガス供給装置に接続され、かつ、試料電極が設けられた面に対向して設けられた複数のガス吹き出し口と、真空容器内を排気する排気装置と、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、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装置であって、複数のガス吹き出し口が概ね等方的に配置され、試料電極に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計が、試料電極が設けられた面における試料電極の外側に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計よりも小さいことを特徴とする。
本発明のプラズマドーピング装置において、好適には、各々のガス吹き出し口の開口面積が概ね等しく、かつ、試料電極に対向して設けられたガス吹き出し口の数が、試料電極が設けられた面における試料電極の外側に対向して設けられたガス吹き出し口の数よりも少ないことが望ましい。このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性を確保しつつ、異常放電の抑制が可能となる。
また、好適には、試料電極に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計が、試料電極が設けられた面における試料電極の外側に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計の１／２以下であることが望ましい。このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性が更に優れたプラズマドーピング装置を実現できる。
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、真空容器内にガスを供給する第１及び第２ガス供給装置と、第１ガス供給装置に接続され、かつ、試料電極の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口と、第２ガス供給装置に接続され、かつ、試料電極の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口と、真空容器内を排気する排気装置と、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、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装置であって、ガス吹き出し口が概ね等方的に配置されていることを特徴とする。
本発明のプラズマドーピング装置において、試料電極の中心部は、試料電極の中心を含み、かつ、試料電極の面積の１／２の面積を有する部分として定義され、試料電極の周辺部が、試料電極の中心を含まない残りの部分として定義されることが簡便でわかりやすい。
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、真空容器内にガスを供給する第１及び第２ガス供給装置と、第１ガス供給装置に接続され、かつ、試料電極に対向して設けられたガス吹き出し口と、第１ガス供給装置に接続され、かつ、試料電極が設けられた面における試料電極の外側に対向して設けられたガス吹き出し口と、真空容器内を排気する排気装置と、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、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装置であって、ガス吹き出し口が概ね等方的に配置されていることを特徴とする。
本発明のプラズマドーピング装置において、好適には、プラズマ源と、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を備えることが望ましい。このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性を確保しつつ、高速にプラズマドーピングを実施することができる。
本発明の第１実施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 本発明の第１実施形態における誘電体窓の構成を示す平面図 本発明の第１実施形態における誘電体窓の構成を示す平面図 本発明の第２実施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 本発明の第２実施形態における誘電体窓の構成を示す平面図 本発明の第２実施形態における誘電体窓の構成を示す平面図 本発明の第３実施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 本発明の第４実施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 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 従来例で用いたドライエッチング装置の構成を示す断面図
符号の説明
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 プラズマ源用高周波電源
６ 試料電極
７ 誘電体窓
８ コイル
９ 基板
１０ 試料電極用高周波電源
１１ 排気口
１２ 支柱
１３ ガス導入経路
１４ ガス主経路
１５ ガス吹き出し口
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
（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３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（図１中には、コイルの断面部が図示されている）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に不純物を導入することができる。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、基板９を載置する略正方形状の台座となり、各辺において支柱１２により真空容器１に固定され、計４本の支柱１２により、真空容器１に固定されている。
ガス供給装置２内に設けられている流量制御装置（マスフローコントローラ）により、不純物原料ガスを含むガスの流量を所定の値に制御する。一般的には、不純物原料ガスをヘリウムで希釈したガス、例えば、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）をヘリウム（Ｈｅ）で０．５％に希釈したガスを不純物原料ガスとして用い、これを第１マスフローコントローラで流量制御する。さらに第２マスフローコントローラでヘリウムの流量制御を行い、第１及び第２マスフローコントローラで流量が制御されたガスをガス供給装置２内で混合した後、配管（ガス導入経路）１３を介してガス主経路１４に導き、さらにガス主経路１４と連通する複数の穴を介して、ガス吹き出し口１５より真空容器１内に混合ガスを導く。複数のガス吹き出し口１５は、試料９の対向面より試料９に向けてガスを吹き出すようになっている。
図２は、誘電体窓７を図１の下側からみた平面図である。この図からわかるとおり、ガス吹き出し口１５は、誘電体窓７の中心に対してほぼ対称に設けられ、試料に向けて概ね等方的にガスを吹き出す構造となっている。つまり、複数のガス吹き出し口１５が概ね等方的に配置されている。また、「試料（電極）の中心部」を、「試料（電極）の中心を含み、かつ、試料（電極）の面積の１／２の面積を有する部分」として定義し、「試料（電極）の周辺部」を、「試料（電極）の中心を含まない残りの部分」として定義すると、試料電極の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口は、内円１６（試料の直径の（１／２）１／２の直径をもつ円）の内側に配置されたガス吹き出し口（１個）と考えられ、また、試料の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口は、外円１７（試料の直径と同一の直径をもつ円）の内側で、かつ、内円１６の外側に配置されたガス吹き出し口（２４個）と考えることができる。このように、各々のガス吹き出し口１５の開口面積が概ね等しく、かつ、試料電極６の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口１５の数が、試料電極６の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口の数よりも少ないような構成とすることにより、試料９の中心部に向けて吹き出すガスの流量を、試料９の周辺部に向けて吹き出すガスの流量よりも少なくすることが可能となる。
試料電極６の温度を２５℃に保ちつつ、真空容器１内にＨｅで希釈されたＢ２Ｈ６ガス、及びＨｅガスを、それぞれ５ｓｃｃｍ、１００ｓｃｃｍ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１３００Ｗ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、プラズマ中のボロンイオンを基板９の表面に衝突させて、ボロンを基板９の表面近傍に導入することができた。このとき、基板９の表面近傍に導入されたボロン濃度（ドーズ量）の面内均一性は±０．８６％と良好であった。
比較のため、各々のガス吹き出し口１５の開口面積が概ね等しく、かつ、試料電極６の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口１５の数が、試料電極６の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口の数と同じになる構成にて実験したところ、ドーズ量は基板９の中心に近いほど大きく、面内均一性は±２．９％であった。
このような結果が得られた原因を考察する。試料電極の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口から噴出したガスは、基板の周辺部よりも外側に拡散して失われるとともに、試料電極の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口から噴出したガスが、基板の周辺部に拡散するのを抑制する。その結果、基板の中心部により多くのボロン系ラジカルが供給され、基板の中心部により多くのボロンが導入されてしまったものと考えられる。
一方、本発明の実施の形態においては、各々のガス吹き出し口１５の開口面積が概ね等しく、かつ、試料電極６の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口１５の数が、試料電極６の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口１５の数よりも少ないように構成したため、試料電極６の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口から噴出したガスは、基板９の周辺部よりも外側に拡散して失われるものの、試料電極６の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口１５から噴出するガス量が少ないために、基板９の中心部と周辺部においてボロン系ラジカルの供給量がうまくバランスされ、基板９面内に均一にボロンを導入することができたものと考えられる。
このような事情は、プラズマドーピングに特有の現象である。ドライエッチングにおいては、イオンアシスト反応を励起するに必要とされるラジカルはごく微量であるため、とくに誘導結合型プラズマ源などの高密度プラズマ源を用いる場合には、ガス吹き出し口の配置が原因で著しくエッチング速度分布の均一性が損なわれることは希である。また、プラズマＣＶＤにおいては、基板を加熱しながら基板上に薄膜を堆積させるため、基板温度が均一であればガス吹き出し口の配置が原因で著しく堆積速度分布の均一性が損なわれることは希である。
様々な実験を行ったところ、プラズマドーピングにおいてドーズ量の均一性を確保するには、試料電極の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計が、試料電極の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計よりも小さいことが必要であることがわかった。このような状態を実現するために、上述の構成では、各々のガス吹き出し口の開口面積が概ね等しく、かつ、試料電極の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口の数が、試料電極の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口の数よりも少ないような構成とした。図３に示すように、試料電極の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口の数が、試料電極の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口の数と等しく、かつ、試料電極の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口の各々の開口面積が、試料電極の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口の各々の開口面積よりも小さいような構成としてもよい。
また、試料電極の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計が、試料電極の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計の１／２以下である場合、すなわち、試料の中心部に向けて吹き出すガスの流量が、試料の周辺部に向けて吹き出すガスの流量の１／２以下である場合に、良好な均一性が得られることを実験的に確かめた。この場合、試料電極の中心部に対向してガス吹き出し口を設けない場合にも、良好な均一性が得られる条件が存在した。
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図４から図６を参照して説明する。
図４に、本発明の実施の形態２において用いたプラズマドーピング装置の断面図を示す。図４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に不純物を導入することができる。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、基板９を載置する略正方形状の台座となり、各辺において支柱１２により真空容器１に固定され、計４本の支柱１２により、真空容器１に固定されている。
ガス供給装置２内に設けられている流量制御装置（マスフローコントローラ）により、不純物原料ガスを含むガスの流量を所定の値に制御する。一般的には、不純物原料ガスをヘリウムで希釈したガス、例えば、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）をヘリウム（Ｈｅ）で０．５％に希釈したガスを不純物原料ガスとして用い、これを第１マスフローコントローラで流量制御する。さらに第２マスフローコントローラでヘリウムの流量制御を行い、第１及び第２マスフローコントローラで流量が制御されたガスをガス供給装置２内で混合した後、配管１３を介してガス主経路１４に導き、さらにガス主経路１４と連通する複数の穴を介して、ガス吹き出し口１５より真空容器１内に混合ガスを導く。複数のガス吹き出し口１５は、試料９の対向面より試料９に向けてガスを吹き出すようになっている。
図５は、誘電体窓７を図４の下側からみた平面図である。この図からわかるとおり、ガス吹き出し口１５は、誘電体窓７の中心に対してほぼ対称に設けられ、試料に向けて概ね等方的にガスを吹き出す構造となっている。つまり、複数のガス吹き出し口１５が概ね等方的に配置されている。また、試料（電極）に対向して設けられたガス吹き出し口は、円１７（試料の直径と同一の直径をもつ円）の内側に配置されたガス吹き出し口（９個）と考えられ、また、試料（電極）の外側に対向して設けられたガス吹き出し口は、円１７（試料の直径と同一の直径をもつ円）の外側に配置されたガス吹き出し口（２４個）と考えることができる。このように、各々のガス吹き出し口１５の開口面積が概ね等しく、かつ、試料電極６に対向して設けられたガス吹き出し口１５の数が、試料電極６の外側に対向して設けられたガス吹き出し口の数よりも少ないような構成とすることにより、試料９に向けて吹き出すガスの流量を、試料９の外側に向けて吹き出すガスの流量よりも少なくすることが可能となる。
試料電極６の温度を２５℃に保ちつつ、真空容器１内にＨｅで希釈されたＢ２Ｈ６ガス、及びＨｅガスを、それぞれ５ｓｃｃｍ、１００ｓｃｃｍ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１３００Ｗ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、プラズマ中のボロンイオンを基板９の表面に衝突させて、ボロンを基板９の表面近傍に導入することができた。このとき、基板９の表面近傍に導入されたボロン濃度（ドーズ量）の面内均一性は±０．７５％と良好であった。
比較のため、各々のガス吹き出し口１５の開口面積が概ね等しく、かつ、試料電極６に対向して設けられたガス吹き出し口１５の数が、試料電極６の外側に対向して設けられたガス吹き出し口の数と同じになる構成にて実験したところ、ドーズ量は基板９の中心に近いほど大きく、面内均一性は±３．４％であった。
様々な実験を行ったところ、プラズマドーピングにおいてドーズ量の均一性を確保するには、試料電極に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計が、試料電極の外側に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計よりも小さいことが必要であることがわかった。このような状態を実現するために、上述の構成では、各々のガス吹き出し口の開口面積が概ね等しく、かつ、試料電極に対向して設けられたガス吹き出し口の数が、試料電極の外側に対向して設けられたガス吹き出し口の数よりも少ないような構成とした。図６に示すように、試料電極に対向して設けられたガス吹き出し口の数が、試料電極の外側に対向して設けられたガス吹き出し口の数と等しく、かつ、試料電極に対向して設けられたガス吹き出し口の各々の開口面積が、試料電極の外側に対向して設けられたガス吹き出し口の各々の開口面積よりも小さいような構成としてもよい。
また、試料電極に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計が、試料電極の外側に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計の１／２以下である場合、すなわち、試料に向けて吹き出すガスの流量が、試料が載置された面における試料の外側に向けて吹き出すガスの流量の１／２以下である場合に、良好な均一性が得られることを実験的に確かめた。この場合、試料電極に対向してガス吹き出し口を設けない場合にも、良好な均一性が得られる条件が存在した。
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図７を参照して説明する。
図７に、本発明の実施の形態３において用いたプラズマドーピング装置の断面図を示す。図７において、真空容器１内に、第１ガス供給装置２及び第２ガス供給装置１８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に不純物を導入することができる。なお、第１ガス供給装置２及び第２ガス供給装置１８から供給されたガスは、排気口１１からポンプ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、基板９を載置する略正方形状の台座となり、各辺において支柱１２により真空容器１に固定され、計４本の支柱１２により、真空容器１に固定されている。
第１ガス供給装置２内に設けられている流量制御装置（マスフローコントローラ）により、不純物原料ガスを含むガスの流量を所定の値に制御する。一般的には、不純物原料ガスをヘリウムで希釈したガス、例えば、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）をヘリウム（Ｈｅ）で０．５％に希釈したガスを不純物原料ガスとして用い、これを第１マスフローコントローラで流量制御する。さらに第２マスフローコントローラでヘリウムの流量制御を行い、第１及び第２マスフローコントローラで流量が制御されたガスをガス供給装置２内で混合した後、配管１３を介してガス主経路１４に導き、さらにガス主経路１４と連通する複数の穴を介して、ガス吹き出し口１５より真空容器１内に混合ガスを導く。複数のガス吹き出し口１５は、試料９の対向面より試料９の周辺部に向けてガスを吹き出すようになっている。
また、第２ガス供給装置１８内に設けられている流量制御装置（マスフローコントローラ）により、不純物原料ガスを含むガスの流量を所定の値に制御する。一般的には、不純物原料ガスをヘリウムで希釈したガス、例えば、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）をヘリウム（Ｈｅ）で０．５％に希釈したガスを不純物原料ガスとして用い、これを第３マスフローコントローラで流量制御する。さらに第４マスフローコントローラでヘリウムの流量制御を行い、第３及び第４マスフローコントローラで流量が制御されたガスを第２ガス供給装置１８内で混合した後、配管１９を介してガス主経路２０に導き、さらにガス主経路２０と連通する複数の穴を介して、ガス吹き出し口２１より真空容器１内に混合ガスを導く。ガス吹き出し口２１は、試料９の対向面より試料９の中心部に向けてガスを吹き出すようになっている。
試料電極６の温度を２５℃に保ちつつ、第１ガス供給装置２より、真空容器１内にＨｅで希釈されたＢ２Ｈ６ガス、及びＨｅガスを、それぞれ１ｓｃｃｍ、５０ｓｃｃｍ供給するとともに、第２ガス供給装置１８より、真空容器１内にＨｅで希釈されたＢ２Ｈ６ガス、及びＨｅガスを、それぞれ４ｓｃｃｍ、５０ｓｃｃｍ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１３００Ｗ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、プラズマ中のボロンイオンを基板９の表面に衝突させて、ボロンを基板９の表面近傍に導入することができた。このとき、基板９の表面近傍に導入されたボロン濃度（ドーズ量）の面内均一性は±０．６８％と良好であった。
比較のため、第１ガス供給装置２と第２ガス供給装置から供給するガスに含まれる不純物原料ガスの濃度が等しくなる条件、すなわち、試料の中心部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量が、試料の周辺部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量と同じになる条件にて実験したところ、ドーズ量は基板９の中心に近いほど大きく、面内均一性は±２．７％であった。
様々な実験を行ったところ、プラズマドーピングにおいてドーズ量の均一性を確保するには、ガス吹き出し口１５、２１は、誘電体窓７の中心に対してほぼ対称に設けられ、試料に向けて概ね等方的にガスを吹き出す構造となっていること、つまり、複数のガス吹き出し口１５、２１が概ね等方的に配置されていることが必要で、また、「試料（電極）の中心部」を、「試料（電極）の中心を含み、かつ、試料（電極）の面積の１／２の面積を有する部分」として定義し、「試料（電極）の周辺部」を、「試料（電極）の中心を含まない残りの部分」として定義すると、試料の中心部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量を、試料の周辺部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量よりも少なくすることが必要であることがわかった。
また、試料の中心部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量を、試料の周辺部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量の１／２以下とした場合に、良好な均一性が得られることを実験的に確かめた。
（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４について、図８を参照して説明する。
図８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断面図を示す。図８において、真空容器１内に、第１ガス供給装置２及び第２ガス供給装置１８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に不純物を導入することができる。なお、第１ガス供給装置２及び第２ガス供給装置１８から供給されたガスは、排気口１１からポンプ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、基板９を載置する略正方形状の台座となり、各辺において支柱１２により真空容器１に固定され、計４本の支柱１２により、真空容器１に固定されている。
第１ガス供給装置２内に設けられている流量制御装置（マスフローコントローラ）により、不純物原料ガスを含むガスの流量を所定の値に制御する。一般的には、不純物原料ガスをヘリウムで希釈したガス、例えば、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）をヘリウム（Ｈｅ）で０．５％に希釈したガスを不純物原料ガスとして用い、これを第１マスフローコントローラで流量制御する。さらに第２マスフローコントローラでヘリウムの流量制御を行い、第１及び第２マスフローコントローラで流量が制御されたガスをガス供給装置２内で混合した後、配管１３を介してガス主経路１４に導き、さらにガス主経路１４と連通する複数の穴を介して、ガス吹き出し口１５より真空容器１内に混合ガスを導く。複数のガス吹き出し口１５は、試料９の対向面より試料９に向けてガスを吹き出すようになっている。
また、第２ガス供給装置１８内に設けられている流量制御装置（マスフローコントローラ）により、不純物原料ガスを含むガスの流量を所定の値に制御する。一般的には、不純物原料ガスをヘリウムで希釈したガス、例えば、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）をヘリウム（Ｈｅ）で０．５％に希釈したガスを不純物原料ガスとして用い、これを第３マスフローコントローラで流量制御する。さらに第４マスフローコントローラでヘリウムの流量制御を行い、第３及び第４マスフローコントローラで流量が制御されたガスを第２ガス供給装置１８内で混合した後、配管１９を介してガス主経路２０に導き、さらにガス主経路２０と連通する複数の穴を介して、ガス吹き出し口２１より真空容器１内に混合ガスを導く。ガス吹き出し口２１は、試料９の対向面より試料９が載置された面における試料の外側に向けてガスを吹き出すようになっている。
試料電極６の温度を２５℃に保ちつつ、第１ガス供給装置２より、真空容器１内にＨｅで希釈されたＢ２Ｈ６ガス、及びＨｅガスを、それぞれ１ｓｃｃｍ、５０ｓｃｃｍ供給するとともに、第２ガス供給装置１８より、真空容器１内にＨｅで希釈されたＢ２Ｈ６ガス、及びＨｅガスを、それぞれ４ｓｃｃｍ、５０ｓｃｃｍ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１３００Ｗ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、プラズマ中のボロンイオンを基板９の表面に衝突させて、ボロンを基板９の表面近傍に導入することができた。このとき、基板９の表面近傍に導入されたボロン濃度（ドーズ量）の面内均一性は±０．７２％と良好であった。
比較のため、第１ガス供給装置２と第２ガス供給装置から供給するガスに含まれる不純物原料ガスの濃度が等しくなる条件、すなわち、試料に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量が、試料が載置された面における試料の外側に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量と同じになる条件にて実験したところ、ドーズ量は基板９の中心に近いほど大きく、面内均一性は±２．８％であった。
様々な実験を行ったところ、プラズマドーピングにおいてドーズ量の均一性を確保するには、ガス吹き出し口１５、２１は、誘電体窓７の中心に対してほぼ対称に設けられ、試料に向けて概ね等方的にガスを吹き出す構造となっていること、つまり、複数のガス吹き出し口１５、２１が概ね等方的に配置されていることが必要で、また、試料に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量を、試料が載置された面における試料の外側に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量よりも少なくすることが必要であることがわかった。
また、試料に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量を、試料が載置された面における試料の外側に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量の１／２以下とした場合に、良好な均一性が得られることを実験的に確かめた。
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。
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、平行平板型プラズマ源を用いてもよい。
しかし、誘導結合型プラズマ源を用いることは、試料（電極）の対向面に容易にガス吹き出し口を形成できることに繋がり、装置構成上好ましい。
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。
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。このような構成により、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。
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、２００５年３月３０日出願の日本特許出願、出願番号２００５−０９９１０３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。
本発明のプラズマドーピング方法及び装置は、試料表面に導入される不純物濃度の均一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できる。
この発明は、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。
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９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９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３１より、誘電体窓としての石英板３２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３３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）３４が形成される。試料電極６には、コンデンサ３５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、ガス吹き出し口３６から真空容器１内に導入され、排気口１１からポンプ３へ排気される。
このような構成のプラズマ処理装置において、ガス導入口３６から導入されたドーピング原料ガス、例えばＢ2 Ｈ6は、マイクロ波導波管３１及び電磁石３３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３４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。
このようにして不純物が導入された試料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。
一方、一般的なプラズマ処理装置の分野では、試料に対向して複数のガス吹き出し口を設けた、誘導結合型プラズマ処理装置が開発されている（例えば、特許文献２参照）。図１０は、前記特許文献２に記載された従来のドライエッチング装置の概略構成を示している。図１０において、真空処理室１の上壁が誘電体から成る上側と下側の第１と第２の天板７、４１にて構成され、かつ第１の天板２上に多重のコイル８が配設されて高周波電源５に接続されている。また、ガス導入経路１３から第１の天板７に向けてプロセスガスを供給するように構成されている。第１の天板７には、ガス導入経路１３に連通するように、内部の１点を通過点とする１又は複数の空洞から成るガス主通路１４が形成され、かつこのガス主通路１４に天板７の底面から到達するようにガス吹き出し穴４２が形成されている。第２の天板４１にはガス吹き出し穴４２と同じ位置にガス吹き出し用の貫通穴４３が形成されている。真空処理室１は排気経路４４にて排気可能に構成され、真空処理室１内の下部には基板ステージ６が配設され、その上に被処理物である基板９を保持するように構成されている。
以上の構成において、基板９の処理時には、基板ステージ６上に基板９を載置し、排気経路４４から真空排気する。真空排気後は、ガス導入経路１３からプラズマ処理に必要なプロセスガスを導入する。プロセスガスは、第１の天板７に設けたガス主経路１４を通って第１の天板７内で均等に拡がり、ガス吹き出し穴４２を通って第１及び第２の天板７、４１間の境界面に一様に到達し、第２の天板４１に設けたガス吹き出し用の貫通穴４３を通って基板９上に均一に分布される。コイル８に高周波電源５から高周波電力を印加することにより、真空処理室１内のガスがコイル８から真空処理室１内に発せられた電磁波により励起され、天板７、４１の下部で生じたプラズマによって真空処理室１内の基板ステージである試料電極６上に載置された基板９が処理される。
米国特許４９１２０６５号明細書 特開２００１−１５４９３号公報
しかしながら、従来の方式では、不純物の導入量（ドーズ量）の試料面内均一性が悪いという問題があった。ガス吹き出し口３６が非等方的に配置されているため、ガス吹き出し口３６に近い部分ではドーズ量が大きく、逆にガス吹き出し口３６から遠い部分ではドーズ量が小さかった。
そこで、特許文献２に示すようなプラズマ処理装置を用いてプラズマドーピングを試みたが、基板の中心部のドーズ量が大きく、基板の周辺部のドーズ量が小さくなる結果となり、均一性が悪かった。
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、試料表面に導入される不純物濃度の均一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。
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、試料の対向面より試料に向けて概ね等方的にガスを吹き出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、真空容器内にプラズマを発生させ、プラズマ中の不純物イオンを試料の表面に衝突させて試料の表面に不純物イオンを導入するプラズマドーピング方法であって、試料の中心部に向けて吹き出すガスの流量を、試料の周辺部に向けて吹き出すガスの流量よりも少なくしたことを特徴とする。
このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性に優れたプラズマドーピング方法を実現できる。
本発明のプラズマドーピング方法において、試料の中心部は、試料の中心を含み、かつ、試料の面積の１／２の面積を有する部分として定義され、試料の周辺部が、試料の中心を含まない残りの部分として定義されることが簡便でわかりやすい。
本願の第1発明のプラズマドーピング方法において、好適には、試料の中心部に向けて吹き出すガスの流量が、試料の周辺部に向けて吹き出すガスの流量の１／２以下であることが望ましい。このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性が更に優れたプラズマドーピング方法を実現できる。
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、試料の対向面より試料が載置された面に向けて概ね等方的にガスを吹き出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、真空容器内にプラズマを発生させ、プラズマ中の不純物イオンを試料の表面に衝突させて試料の表面に不純物イオンを導入するプラズマドーピング方法であって、試料に向けて吹き出すガスの流量を、試料が載置された面における試料の外側に向けて吹き出すガスの流量よりも少なくしたことを特徴とする。
このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性に優れたプラズマドーピング方法を実現できる。
本発明のプラズマドーピング方法において、好適には、試料に向けて吹き出すガスの流量が、試料が載置された面における試料の外側に向けて吹き出すガスの流量の１／２以下であることが望ましい。このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性が更に優れたプラズマドーピング方法を実現できる。
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、試料の対向面より試料に向けて概ね等方的にガスを吹き出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、真空容器内にプラズマを発生させ、プラズマ中の不純物イオンを試料の表面に衝突させて試料の表面に不純物イオンを導入するプラズマドーピング方法であって、試料の中心部に向けて吹き出すガスの流量と、試料の周辺部に向けて吹き出すガスの流量とを、別個の流量制御系にて制御し、かつ、試料の中心部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量を、試料の周辺部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量よりも少なくしたことを特徴とする。
このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性に優れたプラズマドーピング方法を実現できる。
本発明のプラズマドーピング方法において、試料の中心部は、試料の中心を含み、かつ、試料の面積の１／２の面積を有する部分として定義され、試料の周辺部が、試料の中心を含まない残りの部分として定義されることが簡便でわかりやすい。
本発明のプラズマドーピング方法において、好適には、試料の中心部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量が、試料の周辺部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量の１／２以下であることが望ましい。このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性が更に優れたプラズマドーピング方法を実現できる。
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、試料の対向面より試料が載置された面に向けて概ね等方的にガスを吹き出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、真空容器内にプラズマを発生させ、プラズマ中の不純物イオンを試料の表面に衝突させて試料の表面に不純物イオンを導入するプラズマドーピング方法であって、試料の中心部に向けて吹き出すガスの流量と、試料が載置された面における試料の外側に向けて吹き出すガスの流量とを、別個の流量制御系にて制御し、かつ、試料の中心部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量を、試料が載置された面における試料の外側に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量よりも少なくしたことを特徴とする。
このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性に優れたプラズマドーピング方法を実現できる。
本発明のプラズマドーピング方法において、好適には、試料の中心部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量が、試料の周辺部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量の１／２以下であることが望ましい。このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性が更に優れたプラズマドーピング方法を実現できる。
本発明のプラズマドーピング方法において、好適には、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ことが望ましい。このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性を確保しつつ、高速にプラズマドーピングを実施することができる。
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。
このような構成により、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。
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、真空容器内にガスを供給するガス供給装置と、ガス供給装置に接続され、かつ、試料電極に対向して設けられた複数のガス吹き出し口と、真空容器内を排気する排気装置と、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、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装置であって、複数のガス吹き出し口が概ね等方的に配置され、試料電極の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計が、試料電極の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計よりも小さいことを特徴とする。
このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性に優れたプラズマドーピング装置を実現できる。
本発明のプラズマドーピング装置において、好適には、各々のガス吹き出し口の開口面積が概ね等しく、かつ、試料電極の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口の数が、試料電極の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口の数よりも少ないことが望ましい。このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性を確保しつつ、異常放電の抑制が可能となる。
本発明のプラズマドーピング装置において、試料電極の中心部は、試料電極の中心を含み、かつ、試料電極の面積の１／２の面積を有する部分として定義され、試料電極の周辺部が、試料電極の中心を含まない残りの部分として定義されることが簡便でわかりやすい。
本発明のプラズマドーピング装置において、好適には、試料電極の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計が、試料電極の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計の１／２以下であることが望ましい。このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性が更に優れたプラズマドーピング装置を実現できる。
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、真空容器内にガスを供給するガス供給装置と、ガス供給装置に接続され、かつ、試料電極が設けられた面に対向して設けられた複数のガス吹き出し口と、真空容器内を排気する排気装置と、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、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装置であって、複数のガス吹き出し口が概ね等方的に配置され、試料電極に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計が、試料電極が設けられた面における試料電極の外側に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計よりも小さいことを特徴とする。
本発明のプラズマドーピング装置において、好適には、各々のガス吹き出し口の開口面積が概ね等しく、かつ、試料電極に対向して設けられたガス吹き出し口の数が、試料電極が設けられた面における試料電極の外側に対向して設けられたガス吹き出し口の数よりも少ないことが望ましい。このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性を確保しつつ、異常放電の抑制が可能となる。
また、好適には、試料電極に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計が、試料電極が設けられた面における試料電極の外側に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計の１／２以下であることが望ましい。このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性が更に優れたプラズマドーピング装置を実現できる。
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、真空容器内にガスを供給する第1及び第２ガス供給装置と、第1ガス供給装置に接続され、かつ、試料電極の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口と、第２ガス供給装置に接続され、かつ、試料電極の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口と、真空容器内を排気する排気装置と、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、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装置であって、ガス吹き出し口が概ね等方的に配置されていることを特徴とする。
本発明のプラズマドーピング装置において、試料電極の中心部は、試料電極の中心を含み、かつ、試料電極の面積の１／２の面積を有する部分として定義され、試料電極の周辺部が、試料電極の中心を含まない残りの部分として定義されることが簡便でわかりやすい。
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、真空容器内にガスを供給する第1及び第２ガス供給装置と、第1ガス供給装置に接続され、かつ、試料電極に対向して設けられたガス吹き出し口と、第1ガス供給装置に接続され、かつ、試料電極が設けられた面における試料電極の外側に対向して設けられたガス吹き出し口と、真空容器内を排気する排気装置と、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、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装置であって、ガス吹き出し口が概ね等方的に配置されていることを特徴とする。
本発明のプラズマドーピング装置において、好適には、プラズマ源と、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を備えることが望ましい。このような構成により、試料表面に導入される不純物濃度の均一性を確保しつつ、高速にプラズマドーピングを実施することができる。
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
（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３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（図１中には、コイルの断面部が図示されている）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に不純物を導入することができる。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、基板９を載置する略正方形状の台座となり、各辺において支柱１２により真空容器１に固定され、計４本の支柱１２により、真空容器１に固定されている。
ガス供給装置２内に設けられている流量制御装置（マスフローコントローラ）により、不純物原料ガスを含むガスの流量を所定の値に制御する。一般的には、不純物原料ガスをヘリウムで希釈したガス、例えば、ジボラン（Ｂ2Ｈ6）をヘリウム（Ｈｅ）で０．５％に希釈したガスを不純物原料ガスとして用い、これを第1マスフローコントローラで流量制御する。さらに第２マスフローコントローラでヘリウムの流量制御を行い、第1及び第２マスフローコントローラで流量が制御されたガスをガス供給装置２内で混合した後、配管（ガス導入経路）１３を介してガス主経路１４に導き、さらにガス主経路１４と連通する複数の穴を介して、ガス吹き出し口１５より真空容器１内に混合ガスを導く。複数のガス吹き出し口１５は、試料９の対向面より試料９に向けてガスを吹き出すようになっている。
図２は、誘電体窓７を図１の下側からみた平面図である。この図からわかるとおり、ガス吹き出し口１５は、誘電体窓７の中心に対してほぼ対称に設けられ、試料に向けて概ね等方的にガスを吹き出す構造となっている。つまり、複数のガス吹き出し口１５が概ね等方的に配置されている。また、「試料（電極）の中心部」を、「試料（電極）の中心を含み、かつ、試料（電極）の面積の１／２の面積を有する部分」として定義し、「試料（電極）の周辺部」を、「試料（電極）の中心を含まない残りの部分」として定義すると、試料電極の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口は、内円１６（試料の直径の（１／２）1/2の直径をもつ円）の内側に配置されたガス吹き出し口（１個）と考えられ、また、試料の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口は、外円１７（試料の直径と同一の直径をもつ円）の内側で、かつ、内円１６の外側に配置されたガス吹き出し口（２４個）と考えることができる。このように、各々のガス吹き出し口１５の開口面積が概ね等しく、かつ、試料電極６の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口１５の数が、試料電極６の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口の数よりも少ないような構成とすることにより、試料９の中心部に向けて吹き出すガスの流量を、試料９の周辺部に向けて吹き出すガスの流量よりも少なくすることが可能となる。
試料電極６の温度を２５℃に保ちつつ、真空容器１内にＨｅで希釈されたＢ2Ｈ6ガス、及びＨｅガスを、それぞれ５ｓｃｃｍ、１００ｓｃｃｍ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１３００Ｗ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、プラズマ中のボロンイオンを基板９の表面に衝突させて、ボロンを基板９の表面近傍に導入することができた。このとき、基板９の表面近傍に導入されたボロン濃度（ドーズ量）の面内均一性は±０．８６％と良好であった。
比較のため、各々のガス吹き出し口１５の開口面積が概ね等しく、かつ、試料電極６の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口１５の数が、試料電極６の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口の数と同じになる構成にて実験したところ、ドーズ量は基板９の中心に近いほど大きく、面内均一性は±２．９％であった。
このような結果が得られた原因を考察する。試料電極の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口から噴出したガスは、基板の周辺部よりも外側に拡散して失われるとともに、試料電極の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口から噴出したガスが、基板の周辺部に拡散するのを抑制する。その結果、基板の中心部により多くのボロン系ラジカルが供給され、基板の中心部により多くのボロンが導入されてしまったものと考えられる。
一方、本発明の実施の形態においては、各々のガス吹き出し口１５の開口面積が概ね等しく、かつ、試料電極６の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口１５の数が、試料電極６の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口１５の数よりも少ないように構成したため、試料電極６の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口から噴出したガスは、基板９の周辺部よりも外側に拡散して失われるものの、試料電極６の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口１５から噴出するガス量が少ないために、基板９の中心部と周辺部においてボロン系ラジカルの供給量がうまくバランスされ、基板９面内に均一にボロンを導入することができたものと考えられる。
このような事情は、プラズマドーピングに特有の現象である。ドライエッチングにおいては、イオンアシスト反応を励起するに必要とされるラジカルはごく微量であるため、とくに誘導結合型プラズマ源などの高密度プラズマ源を用いる場合には、ガス吹き出し口の配置が原因で著しくエッチング速度分布の均一性が損なわれることは希である。また、プラズマＣＶＤにおいては、基板を加熱しながら基板上に薄膜を堆積させるため、基板温度が均一であればガス吹き出し口の配置が原因で著しく堆積速度分布の均一性が損なわれることは希である。
様々な実験を行ったところ、プラズマドーピングにおいてドーズ量の均一性を確保するには、試料電極の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計が、試料電極の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計よりも小さいことが必要であることがわかった。このような状態を実現するために、上述の構成では、各々のガス吹き出し口の開口面積が概ね等しく、かつ、試料電極の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口の数が、試料電極の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口の数よりも少ないような構成とした。図３に示すように、試料電極の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口の数が、試料電極の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口の数と等しく、かつ、試料電極の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口の各々の開口面積が、試料電極の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口の各々の開口面積よりも小さいような構成としてもよい。
また、試料電極の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計が、試料電極の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計の１／２以下である場合、すなわち、試料の中心部に向けて吹き出すガスの流量が、試料の周辺部に向けて吹き出すガスの流量の１／２以下である場合に、良好な均一性が得られることを実験的に確かめた。この場合、試料電極の中心部に対向してガス吹き出し口を設けない場合にも、良好な均一性が得られる条件が存在した。
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図４から図６を参照して説明する。
図４に、本発明の実施の形態２において用いたプラズマドーピング装置の断面図を示す。図４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に不純物を導入することができる。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、基板９を載置する略正方形状の台座となり、各辺において支柱１２により真空容器１に固定され、計４本の支柱１２により、真空容器１に固定されている。
ガス供給装置２内に設けられている流量制御装置（マスフローコントローラ）により、不純物原料ガスを含むガスの流量を所定の値に制御する。一般的には、不純物原料ガスをヘリウムで希釈したガス、例えば、ジボラン（Ｂ2Ｈ6）をヘリウム（Ｈｅ）で０．５％に希釈したガスを不純物原料ガスとして用い、これを第1マスフローコントローラで流量制御する。さらに第２マスフローコントローラでヘリウムの流量制御を行い、第1及び第２マスフローコントローラで流量が制御されたガスをガス供給装置２内で混合した後、配管１３を介してガス主経路１４に導き、さらにガス主経路１４と連通する複数の穴を介して、ガス吹き出し口１５より真空容器１内に混合ガスを導く。複数のガス吹き出し口１５は、試料９の対向面より試料９に向けてガスを吹き出すようになっている。
図５は、誘電体窓７を図４の下側からみた平面図である。この図からわかるとおり、ガス吹き出し口１５は、誘電体窓７の中心に対してほぼ対称に設けられ、試料に向けて概ね等方的にガスを吹き出す構造となっている。つまり、複数のガス吹き出し口１５が概ね等方的に配置されている。また、試料（電極）に対向して設けられたガス吹き出し口は、円１７（試料の直径と同一の直径をもつ円）の内側に配置されたガス吹き出し口（９個）と考えられ、また、試料（電極）の外側に対向して設けられたガス吹き出し口は、円１７（試料の直径と同一の直径をもつ円）の外側に配置されたガス吹き出し口（２４個）と考えることができる。このように、各々のガス吹き出し口１５の開口面積が概ね等しく、かつ、試料電極６に対向して設けられたガス吹き出し口１５の数が、試料電極６の外側に対向して設けられたガス吹き出し口の数よりも少ないような構成とすることにより、試料９に向けて吹き出すガスの流量を、試料９の外側に向けて吹き出すガスの流量よりも少なくすることが可能となる。
試料電極６の温度を２５℃に保ちつつ、真空容器１内にＨｅで希釈されたＢ2Ｈ6ガス、及びＨｅガスを、それぞれ５ｓｃｃｍ、１００ｓｃｃｍ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１３００Ｗ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、プラズマ中のボロンイオンを基板９の表面に衝突させて、ボロンを基板９の表面近傍に導入することができた。このとき、基板９の表面近傍に導入されたボロン濃度（ドーズ量）の面内均一性は±０．７５％と良好であった。
比較のため、各々のガス吹き出し口１５の開口面積が概ね等しく、かつ、試料電極６に対向して設けられたガス吹き出し口１５の数が、試料電極６の外側に対向して設けられたガス吹き出し口の数と同じになる構成にて実験したところ、ドーズ量は基板９の中心に近いほど大きく、面内均一性は±３．４％であった。
様々な実験を行ったところ、プラズマドーピングにおいてドーズ量の均一性を確保するには、試料電極に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計が、試料電極の外側に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計よりも小さいことが必要であることがわかった。このような状態を実現するために、上述の構成では、各々のガス吹き出し口の開口面積が概ね等しく、かつ、試料電極に対向して設けられたガス吹き出し口の数が、試料電極の外側に対向して設けられたガス吹き出し口の数よりも少ないような構成とした。図６に示すように、試料電極に対向して設けられたガス吹き出し口の数が、試料電極の外側に対向して設けられたガス吹き出し口の数と等しく、かつ、試料電極に対向して設けられたガス吹き出し口の各々の開口面積が、試料電極の外側に対向して設けられたガス吹き出し口の各々の開口面積よりも小さいような構成としてもよい。
また、試料電極に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計が、試料電極の外側に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計の１／２以下である場合、すなわち、試料に向けて吹き出すガスの流量が、試料が載置された面における試料の外側に向けて吹き出すガスの流量の１／２以下である場合に、良好な均一性が得られることを実験的に確かめた。この場合、試料電極に対向してガス吹き出し口を設けない場合にも、良好な均一性が得られる条件が存在した。
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図７を参照して説明する。
図７に、本発明の実施の形態３において用いたプラズマドーピング装置の断面図を示す。図７において、真空容器１内に、第1ガス供給装置２及び第２ガス供給装置１８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に不純物を導入することができる。なお、第1ガス供給装置２及び第２ガス供給装置１８から供給されたガスは、排気口１１からポンプ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、基板９を載置する略正方形状の台座となり、各辺において支柱１２により真空容器１に固定され、計４本の支柱１２により、真空容器１に固定されている。
第1ガス供給装置２内に設けられている流量制御装置（マスフローコントローラ）により、不純物原料ガスを含むガスの流量を所定の値に制御する。一般的には、不純物原料ガスをヘリウムで希釈したガス、例えば、ジボラン（Ｂ2Ｈ6）をヘリウム（Ｈｅ）で０．５％に希釈したガスを不純物原料ガスとして用い、これを第1マスフローコントローラで流量制御する。さらに第２マスフローコントローラでヘリウムの流量制御を行い、第1及び第２マスフローコントローラで流量が制御されたガスをガス供給装置２内で混合した後、配管１３を介してガス主経路１４に導き、さらにガス主経路１４と連通する複数の穴を介して、ガス吹き出し口１５より真空容器１内に混合ガスを導く。複数のガス吹き出し口１５は、試料９の対向面より試料９の周辺部に向けてガスを吹き出すようになっている。
また、第２ガス供給装置１８内に設けられている流量制御装置（マスフローコントローラ）により、不純物原料ガスを含むガスの流量を所定の値に制御する。一般的には、不純物原料ガスをヘリウムで希釈したガス、例えば、ジボラン（Ｂ2Ｈ6）をヘリウム（Ｈｅ）で０．５％に希釈したガスを不純物原料ガスとして用い、これを第３マスフローコントローラで流量制御する。さらに第４マスフローコントローラでヘリウムの流量制御を行い、第３及び第４マスフローコントローラで流量が制御されたガスを第２ガス供給装置１８内で混合した後、配管１９を介してガス主経路２０に導き、さらにガス主経路２０と連通する複数の穴を介して、ガス吹き出し口２１より真空容器１内に混合ガスを導く。ガス吹き出し口２１は、試料９の対向面より試料９の中心部に向けてガスを吹き出すようになっている。
試料電極６の温度を２５℃に保ちつつ、第1ガス供給装置２より、真空容器１内にＨｅで希釈されたＢ2Ｈ6ガス、及びＨｅガスを、それぞれ１ｓｃｃｍ、５０ｓｃｃｍ供給するとともに、第２ガス供給装置１８より、真空容器１内にＨｅで希釈されたＢ2Ｈ6ガス、及びＨｅガスを、それぞれ４ｓｃｃｍ、５０ｓｃｃｍ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１３００Ｗ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、プラズマ中のボロンイオンを基板９の表面に衝突させて、ボロンを基板９の表面近傍に導入することができた。このとき、基板９の表面近傍に導入されたボロン濃度（ドーズ量）の面内均一性は±０．６８％と良好であった。
比較のため、第1ガス供給装置２と第２ガス供給装置から供給するガスに含まれる不純物原料ガスの濃度が等しくなる条件、すなわち、試料の中心部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量が、試料の周辺部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量と同じになる条件にて実験したところ、ドーズ量は基板９の中心に近いほど大きく、面内均一性は±２．７％であった。
様々な実験を行ったところ、プラズマドーピングにおいてドーズ量の均一性を確保するには、ガス吹き出し口１５、２１は、誘電体窓７の中心に対してほぼ対称に設けられ、試料に向けて概ね等方的にガスを吹き出す構造となっていること、つまり、複数のガス吹き出し口１５、２１が概ね等方的に配置されていることが必要で、また、「試料（電極）の中心部」を、「試料（電極）の中心を含み、かつ、試料（電極）の面積の１／２の面積を有する部分」として定義し、「試料（電極）の周辺部」を、「試料（電極）の中心を含まない残りの部分」として定義すると、試料の中心部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量を、試料の周辺部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量よりも少なくすることが必要であることがわかった。
また、試料の中心部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量を、試料の周辺部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量の１／２以下とした場合に、良好な均一性が得られることを実験的に確かめた。
（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４について、図８を参照して説明する。
図８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断面図を示す。図８において、真空容器１内に、第1ガス供給装置２及び第２ガス供給装置１８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に不純物を導入することができる。なお、第１ガス供給装置２及び第２ガス供給装置１８から供給されたガスは、排気口１１からポンプ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、基板９を載置する略正方形状の台座となり、各辺において支柱１２により真空容器１に固定され、計４本の支柱１２により、真空容器１に固定されている。
第1ガス供給装置２内に設けられている流量制御装置（マスフローコントローラ）により、不純物原料ガスを含むガスの流量を所定の値に制御する。一般的には、不純物原料ガスをヘリウムで希釈したガス、例えば、ジボラン（Ｂ2Ｈ6）をヘリウム（Ｈｅ）で０．５％に希釈したガスを不純物原料ガスとして用い、これを第1マスフローコントローラで流量制御する。さらに第２マスフローコントローラでヘリウムの流量制御を行い、第1及び第２マスフローコントローラで流量が制御されたガスをガス供給装置２内で混合した後、配管１３を介してガス主経路１４に導き、さらにガス主経路１４と連通する複数の穴を介して、ガス吹き出し口１５より真空容器１内に混合ガスを導く。複数のガス吹き出し口１５は、試料９の対向面より試料９に向けてガスを吹き出すようになっている。
また、第２ガス供給装置１８内に設けられている流量制御装置（マスフローコントローラ）により、不純物原料ガスを含むガスの流量を所定の値に制御する。一般的には、不純物原料ガスをヘリウムで希釈したガス、例えば、ジボラン（Ｂ2Ｈ6）をヘリウム（Ｈｅ）で０．５％に希釈したガスを不純物原料ガスとして用い、これを第３マスフローコントローラで流量制御する。さらに第４マスフローコントローラでヘリウムの流量制御を行い、第３及び第４マスフローコントローラで流量が制御されたガスを第２ガス供給装置１８内で混合した後、配管１９を介してガス主経路２０に導き、さらにガス主経路２０と連通する複数の穴を介して、ガス吹き出し口２１より真空容器１内に混合ガスを導く。ガス吹き出し口２１は、試料９の対向面より試料９が載置された面における試料の外側に向けてガスを吹き出すようになっている。
試料電極６の温度を２５℃に保ちつつ、第1ガス供給装置２より、真空容器１内にＨｅで希釈されたＢ2Ｈ6ガス、及びＨｅガスを、それぞれ１ｓｃｃｍ、５０ｓｃｃｍ供給するとともに、第２ガス供給装置１８より、真空容器１内にＨｅで希釈されたＢ2Ｈ6ガス、及びＨｅガスを、それぞれ４ｓｃｃｍ、５０ｓｃｃｍ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１３００Ｗ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、プラズマ中のボロンイオンを基板９の表面に衝突させて、ボロンを基板９の表面近傍に導入することができた。このとき、基板９の表面近傍に導入されたボロン濃度（ドーズ量）の面内均一性は±０．７２％と良好であった。
比較のため、第1ガス供給装置２と第２ガス供給装置から供給するガスに含まれる不純物原料ガスの濃度が等しくなる条件、すなわち、試料に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量が、試料が載置された面における試料の外側に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量と同じになる条件にて実験したところ、ドーズ量は基板９の中心に近いほど大きく、面内均一性は±２．８％であった。
様々な実験を行ったところ、プラズマドーピングにおいてドーズ量の均一性を確保するには、ガス吹き出し口１５、２１は、誘電体窓７の中心に対してほぼ対称に設けられ、試料に向けて概ね等方的にガスを吹き出す構造となっていること、つまり、複数のガス吹き出し口１５、２１が概ね等方的に配置されていることが必要で、また、試料に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量を、試料が載置された面における試料の外側に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量よりも少なくすることが必要であることがわかった。
また、試料に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量を、試料が載置された面における試料の外側に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量の１／２以下とした場合に、良好な均一性が得られることを実験的に確かめた。
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。
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、平行平板型プラズマ源を用いてもよい。
しかし、誘導結合型プラズマ源を用いることは、試料（電極）の対向面に容易にガス吹き出し口を形成できることに繋がり、装置構成上好ましい。
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。
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。このような構成により、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。
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、2005年3月30日出願の日本特許出願、出願番号2005-099103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。
本発明のプラズマドーピング方法及び装置は、試料表面に導入される不純物濃度の均一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できる。
本発明の第１実施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 本発明の第１実施形態における誘電体窓の構成を示す平面図 本発明の第１実施形態における誘電体窓の構成を示す平面図 本発明の第２実施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 本発明の第２実施形態における誘電体窓の構成を示す平面図 本発明の第２実施形態における誘電体窓の構成を示す平面図 本発明の第３実施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 本発明の第４実施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 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 従来例で用いたドライエッチング装置の構成を示す断面図
符号の説明
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 プラズマ源用高周波電源
６ 試料電極
７ 誘電体窓
８ コイル
９ 基板
１０ 試料電極用高周波電源
１１ 排気口
１２ 支柱
１３ ガス導入経路
１４ ガス主経路
１５ ガス吹き出し口

Claims (24)

  1. 真空容器内の試料電極に試料を載置し、試料の対向面より試料に向けて概ね等方的にガスを吹き出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、真空容器内にプラズマを発生させ、プラズマ中の不純物イオンを試料の表面に衝突させて試料の表面に不純物イオンを導入するプラズマドーピング方法であって、
    前記試料の中心部に向けて吹き出すガスの流量を、試料の周辺部に向けて吹き出すガスの流量よりも少なくしたことを特徴とするプラズマドーピング方法。
  2. 前記試料の中心部が、試料の中心を含み、かつ、試料の面積の１／２の面積を有する部分として定義され、試料の周辺部が、試料の中心を含まない残りの部分として定義されることを特徴とする、請求項１記載のプラズマドーピング方法。
  3. 前記試料の中心部に向けて吹き出すガスの流量が、試料の周辺部に向けて吹き出すガスの流量の１／２以下であることを特徴とする、請求項１記載のプラズマドーピング方法。
  4. 真空容器内の試料電極に試料を載置し、試料の対向面より試料が載置された面に向けて概ね等方的にガスを吹き出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、真空容器内にプラズマを発生させ、プラズマ中の不純物イオンを試料の表面に衝突させて試料の表面に不純物イオンを導入するプラズマドーピング方法であって、試料に向けて吹き出すガスの流量を、試料が載置された面における試料の外側に向けて吹き出すガスの流量よりも少なくしたことを特徴とするプラズマドーピング方法。
  5. 前記試料に向けて吹き出すガスの流量が、試料が載置された面における試料の外側に向けて吹き出すガスの流量の１／２以下であることを特徴とする、請求項４記載のプラズマドーピング方法。
  6. 真空容器内の試料電極に試料を載置し、試料の対向面より試料に向けて概ね等方的にガスを吹き出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、真空容器内にプラズマを発生させ、プラズマ中の不純物イオンを試料の表面に衝突させて試料の表面に不純物イオンを導入するプラズマドーピング方法であって、試料の中心部に向けて吹き出すガスの流量と、試料の周辺部に向けて吹き出すガスの流量とを、別個の流量制御系にて制御し、かつ、試料の中心部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量を、試料の周辺部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量よりも少なくしたことを特徴とするプラズマドーピング方法。
  7. 前記試料の中心部が、試料の中心を含み、かつ、試料の面積の１／２の面積を有する部分として定義され、試料の周辺部が、試料の中心を含まない残りの部分として定義されることを特徴とする、請求項６記載のプラズマドーピング方法。
  8. 試料の中心部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量が、試料の周辺部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量の１／２以下であることを特徴とする、請求項６記載のプラズマドーピング方法。
  9. 真空容器内の試料電極に試料を載置し、試料の対向面より試料が載置された面に向けて概ね等方的にガスを吹き出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、真空容器内にプラズマを発生させ、プラズマ中の不純物イオンを試料の表面に衝突させて試料の表面に不純物イオンを導入するプラズマドーピング方法であって、試料の中心部に向けて吹き出すガスの流量と、試料が載置された面における試料の外側に向けて吹き出すガスの流量とを、別個の流量制御系にて制御し、かつ、試料の中心部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量を、試料が載置された面における試料の外側に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量よりも少なくしたことを特徴とするプラズマドーピング方法。
  10. 前記試料の中心部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量が、試料の周辺部に向けて吹き出すガスに含まれる不純物原料ガスの流量の１／２以下であることを特徴とする、請求項９記載のプラズマドーピング方法。
  11. 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ことを特徴とする、請求項１、４、６または９のいずれかに記載のプラズマドーピング方法。
  12. 前記試料がシリコンよりなる半導体基板であることを特徴とする、請求項１、４、６または９記載のプラズマドーピング方法。
  13. 前記不純物が砒素、燐、ボロン、アルミニウムまたはアンチモンであることを特徴とする、請求項１、４、６または９のいずれかに記載のプラズマドーピング方法。
  14. 真空容器と、試料電極と、真空容器内にガスを供給するガス供給装置と、ガス供給装置に接続され、かつ、試料電極に対向して設けられた複数のガス吹き出し口と、真空容器内を排気する排気装置と、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、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装置であって、複数のガス吹き出し口が概ね等方的に配置され、試料電極の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計が、試料電極の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計よりも小さいことを特徴とするプラズマドーピング装置。
  15. 各々のガス吹き出し口の開口面積が概ね等しく、かつ、試料電極の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口の数が、試料電極の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口の数よりも少ないことを特徴とする、請求項１４記載のプラズマドーピング装置。
  16. 前記試料電極の中心部が、試料電極の中心を含み、かつ、試料電極の面積の１／２の面積を有する部分として定義され、試料電極の周辺部が、試料電極の中心を含まない残りの部分として定義されることを特徴とする、請求項１４記載のプラズマドーピング装置。
  17. 前記試料電極の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計が、試料電極の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計の１／２以下であることを特徴とする、請求項１４記載のプラズマドーピング装置。
  18. 真空容器と、試料電極と、真空容器内にガスを供給するガス供給装置と、ガス供給装置に接続され、かつ、試料電極が設けられた面に対向して設けられた複数のガス吹き出し口と、真空容器内を排気する排気装置と、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、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装置であって、複数のガス吹き出し口が概ね等方的に配置され、試料電極に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計が、試料電極が設けられた面における試料電極の外側に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計よりも小さいことを特徴とするプラズマドーピング装置。
  19. 各々のガス吹き出し口の開口面積が概ね等しく、かつ、試料電極に対向して設けられたガス吹き出し口の数が、試料電極が設けられた面における試料電極の外側に対向して設けられたガス吹き出し口の数よりも少ないことを特徴とする、請求項１８記載のプラズマドーピング装置。
  20. 前記試料電極に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計が、試料電極が設けられた面における試料電極の外側に対向して設けられたガス吹き出し口の開口部面積の合計の１／２以下であることを特徴とする、請求項１８記載のプラズマドーピング装置。
  21. 真空容器と、試料電極と、真空容器内にガスを供給する第１及び第２ガス供給装置と、第１ガス供給装置に接続され、かつ、試料電極の中心部に対向して設けられたガス吹き出し口と、第２ガス供給装置に接続され、かつ、試料電極の周辺部に対向して設けられたガス吹き出し口と、真空容器内を排気する排気装置と、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、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装置であって、ガス吹き出し口が概ね等方的に配置されていることを特徴とするプラズマドーピング装置。
  22. 前記試料電極の中心部が、試料電極の中心を含み、かつ、試料電極の面積の１／２の面積を有する部分として定義され、試料電極の周辺部が、試料電極の中心を含まない残りの部分として定義されることを特徴とする、請求項２１記載のプラズマドーピング装置。
  23. 真空容器と、試料電極と、真空容器内にガスを供給する第１及び第２ガス供給装置と、
    第１ガス供給装置に接続され、かつ、試料電極に対向して設けられたガス吹き出し口と、
    第１ガス供給装置に接続され、かつ、試料電極が設けられた面における試料電極の外側に
    対向して設けられたガス吹き出し口と、真空容器内を排気する排気装置と、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、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装置であって、ガス吹き出し口が概ね等方的に配置されていることを特徴とするプラズマドーピング装置。
  24. プラズマ源と、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を備えたことを特徴とする、請求項１４、１８、２１または２３のいずれか記載のプラズマドーピング装置。
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