WO2002084724A1

WO2002084724A1 - Procede de traitement de surface et systeme de fabrication d'un dispositif a semi-conducteur

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Publication number: WO2002084724A1
Application number: PCT/JP2002/002863
Authority: WO
Inventors: Michihiko Takase; Akihisa Yoshida; Bunji Mizuno
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2001-04-09
Filing date: 2002-03-25
Publication date: 2002-10-24
Also published as: JPWO2002084724A1; CN1509494A; US20030153101A1

Description

明細表面処理方法および半導体装置の製造装置技術分野

本発明は、原子、分子、化合物および合金等の物質をプラズマ化したプラズマ化物質を半導体基板等の基体へ導入する表面処理方法および半導体装置の製造装置に関する。背景技術

半導体装置を製造するためには、リン、ボロン等の不純物を半導体基板へ少量導入して、 n型および p型の半導体を作製する工程が必要になる。

このような不純物を半導体基板へ導入する手法としては、イオン注入法が広く使用されている。半導体装置の微細化に伴って半導体装置の接合深さは浅くなつているために、イオン注入プロセスにおいては注入するイオンの低エネルギー化が必要とされている。前述したイオン注入法では、入するイオンのエネルギーが低い低エネルギー領域においてスループッ卜が低下するという本質的な問題点がある。

このため、このようなィォン注入法に替わる種々の不純物導入手法が提案されている。その中でも特に、不純物をプラズマ化したプラズマ化不純物を半導体基板等の基体へ導入するプラズマドーピングが盛んに研究されている。その理由は、以下に示すとおりである。プラズマドーピングは、室温において実施することができる室温プロセスであり、従来のイオン注入法と互換性があり、しかも低エネルギ一領域においても高いスル一プットを維持することができ、さらにプラズマドーピングに使用する装置はイオン注入法において使用する装置よりも安価であり、装置が専有する専有面積が小さいからである。：ービングによって、プラズマ化不純物を半導体基板へ導入する際には、プラズマ化不純物を半導体基板へ導入するための量産を開始する前に、ブラズマ化不純物を半導体基板へ試行的に導入し、半導体基板へ導入されたブラズマ化不純物の量を表すドーズ量を二次イオン質量分析法（S I M S ) によって求め、ドーズ量の増減を確認する。そして、求められたドーズ量に基づいて、プラズマ化不純物の半導体基板への導入を開始する時刻からプラズマ化不純物の半導体基板への導入を終了する時刻までの時間を表すド一ビング時間（プラズマ処理時間）を調整し、調整されたドーピング時間に基づいて、プラズマ化不純物を半導体基板へ導入するための量産を開始する。

しかしながら、このような従来のプラズマドーピングにおいては、不純物をプラズマ化するためのプラズマの状態が変動するために、半導体基板へ導入されたプラズマ化不純物の量を表すドーズ量が変動する。このため、プラズマドーピングによって製造された半導体装置において、ソース領域、ドレイン領域およびゲ —ト電極の電気抵抗値にばらつきが生じる。その結果、プラズマドーピングによつて製造された半導体装置のデバイス駆動能力が不均一になるという欠陥が生じ、半導体装置の歩留まりも低下するという問題がある。

この問題を解決するために、不純物をプラズマ化するためのプラズマの状態の変動を観測し、観測したプラズマの状態の変動に基づいて、プラズマを発生させるための複数のパラメータを調整し、プラズマの状態の変動を制御する方法が考えられる。しかしながら、プラズマを発生させるための複数のパラメータのうちの 1つを変更すると、他のパラメ一夕も変わってしまう。不純物をプラズマ化するためのプラズマは、プラズマを発生させるためのパラメ一夕の変更に対して追従 14が乏しい。このため、プラズマを発生させるためのパラメ一夕を調整することによってプラズマの状態の変動を制御することは極めて困難であるという問題がある。

量産を開始する前に、プラズマ化不純物を半導体基板へ試行的に導入し、 S I M Sによって求めたドーズ量を分析し、 S I M Sによって求めたドーズ量の分析結果に基づいてドーピング時間（プラズマ処理時間）を調整することによって、半導体装置の歩留まりを多少なりとも向上させることはできるけれども、 S I M Sによって求めたドーズ量を分析するために相応の時間が必要となるため、半導体装置の製造時間が長くなるという問題がある。

本発明は係る問題を解決するために為されたものであり、その目的は、製造時間を短縮することができる表面処理方法および半導体装置の製造装置を提供するしとに ¾>る。

本発明の他の目的は、歩留まりを向上させることができる表面処理方法および半導体装置の製造装置を提供することにある。発明の開示

本発明に係る表面処理方法は、プラズマによって物質をプラズマ化して第 1プラズマ化物質および第 2プラズマ化物質を生成するプラズマ化工程と、該プラズマによってプラズマ化された該第 1プラズマ化物質の基体への導入を開始する開始工程と、該第 1プラズマ化物質の該基体への導入を終了する終了工程と、該プラズマによってプラズマ化された該第 2プラズマ化物質の状態を該終了工程の前に観測する観測工程と、該観測工程による観測結果に基づいて、該基体へ導入される該第 1プラズマ化物質の総量を表す総ドーズ量が所望の総ドーズ量になるように、該開始工程から該終了工程までの時間を表すプラズマ処理時間を制御する制御工程とを包含することを特徴とし、そのことにより上記目的が達成される。前記観測工程は、前記開始工程の後に実行され、前記観測工程は、前記プラズマによってプラズマ化された前記第 2プラズマ化物質の発光強度を観測し、前記制御工程は、該観測工程によって観測された該発光強度に基づいて、前記プラズマ処理時間と該基体へ導入される該第 1プラズマ化物質の量を表すドーズ量との間の関係を求め、該プラズマ処理時間と該ドーズ量との間の該関係に応じて該終了工程を実行するタイミングを制御してもよい。

前記観測工程は、前記開始工程の前に実行されてもよい。

前記プラズマ化工程によって生成された前記第 2プラズマ化物質は、イオンとラジカルとのいずれかであり、前記観測工程は、発光分光法とレーザ誘起蛍光分析法とのいずれかによつて該イオンと該ラジカルとのいずれかの状態を観測してもよい。

前記プラズマ化工程によって生成された前記第 2プラズマ化物質は、イオンであり、前記観測工程は、 E X Bフィル夕と四重極質量分析 (QMA S ) とのいずれかによつて該イオンの状態を観測してもよい。

前記プラズマ化工程は、チャンパ一の内部において、前記物質をプラズマ化して前記第 1プラズマ化物質および前記第 2プラズマ化物質を生成し、前記観測ェ程は、該チャンバ一の外部から該第 2プラズマ化物質の状態を観測してもよい。前記プラズマ化工程は、チャンパ一の内部において、前記物質をプラズマ化して前記第 1プラズマ化物質および前記第 2プラズマ化物質を生成し、前記観測ェ程は、該チャンパ一の内部において該第 2プラズマ化物質の状態を観測してもよい。

前記基体は、半導体基板であり、前記物質は、不純物であってもよい。

前記第 1プラズマ化物質は、ボロンであってもよい。

前記第 ίプラズマ化物質は、 Β Ηラジカルであってもよい。

本発明に係る半導体装置の製造装置は、チャンバ一内において半導体基板を保持する保持手段と、該チャンパ一内に不純物を含有するソースガスを供給するソースガス供給手段と、該ソ一スガス供給手段によって供給された該ソースガスに含有される該不純物をプラズマ化して第 1プラズマ化不純物および第 2プラズマ化不純物を生成するためのプラズマを該チャンパ一内において発生させるプラズマ源と、該第 1プラズマ化不純物を該半導体基板へ導入する導入手段と、該プラズマによってプラズマ化された該第 2プラズマ化不純物の状態を観測する観測手段と、該観測手段による観測結果に基づいて、該半導体基板へ導入される該第 1 プラズマ化不純物の総量を表す総ドーズ量が所望の総ドーズ量になるように、該第 1プラズマ化不純物の該半導体基板への導入を開始してから該第 1プラズマ化不純物の該半導体基板への導入を終了するまでの時間を表すプラズマ処理時間を制御する制御手段とを具備することを特徴とし、そのことにより上記目的が達成される。

本発明に係る表面処理方法は、プラズマによって物質をプラズマ化して第 1プラズマ化物質および第 2プラズマ化物質を生成するプラズマ化工程と、該プラズマによってプラズマ化された該第 1プラズマ化物質の基体への導入を開始する開始工程と、該プラズマによってプラズマ化された該第 2プラズマ化物質の状態を観測する観測工程と、該観測工程による観測結果に基づいて、該基体へ導入される該第 1プラズマ化物質のドーズレートを取得するドーズレート取得工程と、該ドーズレート取得工程によって取得された該ドーズレートに基づいて、該基体へ導入された該プラズマ化物質の総量を表す総ドーズ量を取得する総ドーズ量取得工程と、該総ドーズ量取得工程によって取得された該総ドーズ量と予め定められた所望の総ドーズ量とに基づいて、該プラズマ化物質の該基体への導入を終了する終了工程とを包含することを特徴とし、そのことにより上記目的が達成される。図面の簡単な説明

図 1は、本実施の形態に係る MO Sトランジスタ製造装置の構成図である。図 2は、本実施の形態に係る MO Sトランジスタ製造装置によって製造される MO S卜ランジス夕の製造方法を説明するための断面図である。

図 3は、本実施の形態に係る MO Sトランジスタ製造装置によって製造される MO Sトランジスタの製造方法を説明するための断面図である。

図 4は、本実施の形態に係る B Hラジカルの発光強度と R F電力とシート抵抗との関係を示すグラフである。図 5は、本実施の形態に係る二次イオン質量分析法（S I M S ) によってポロンの濃度分布を半導体基板の深さに沿って測定した結果を示すグラフである。図 6は、本実施の形態に係るプラズマ処理時間とシート抵抗とボロンのドーズ量との関係を示すグラフである。

図 7は、本実施の形態に係るプラズマ処理時間とボロンのドーズ量との間の関係を発光強度ごとに示すグラフである。

図 8は、本実施の形態に係る表面処理方法の手順を示すフローチヤ一卜である _c 図 9は、本実施の形態に係るプラズマ処理時間とボロンのドーズ量との間の関係を示すグラフである。

図 1 0は、本実施の形態に係る他の表面処理方法の手順を示すフローチャートである。発明を実施するための最良の形態

本実施の形態に係る表面処理方法においては、半導体基板へ導入されるプラズマ化不純物の総量を表す総ドーズ量が所望の総ドーズ量になるように、ドーピング時間（プラズマ処理時間）を制御する。

本実施の形態においては、半導体基板へプラズマ化不純物を導入することによて MO Sトランジスタを製造するための表面処理方法を例に挙げて説明する。図 1は、本実施の形態に係る MO Sトランジスタ製造装置 1の構成図である。 MO Sトランジスタ製造装置 1は、プラズマによって不純物をプラズマ化して生成されたプラズマ化不純物を半導体基板 3へ導入するために設けられたチャンバ一 2 を備えている。チャンパ一 2の中には、 MO Sトランジスタが形成される半導体基板 3を保持する基板保持台 4が設けられている。

図 2は、 MO Sトランジスタが形成される半導体基板 3を説明するための断面図である。 MO Sトランジスタが形成される半導体基板 3は、 P型シリコン基板 1 0を備えている。 P型シリコン基板 1 0の上には、 Nゥエル領域 1 1が P型シリコン基板 10を覆うように形成されている。 Nゥエル領域 11の上の一部には、熱的に成長させたシリコン酸化膜等によって構成されるゲート酸化膜 12が約 3 nmの厚みに形成されている。ゲート酸化膜 12の上には、ゲート電極 13がゲ一卜酸化膜 12と整合するように約 200 nmの厚みに形成されている。ゲート電極 13のゲート長は、約 150 nmである。

MOSトランジスタ製造装置 1には、ソース供給部 5が設けられている。ソ一ス供給部 5は、不純物である B ₂ H₆を含有するソースガスをチャンパ一 2の内部へ供給する。ソース供給部 5には、 B₂H₆を気体状態において封入した図示しない容器と、 B₂H₆を希釈するための Heを気体状態において封入した図示しない容器とが設けられている。ソース供給部 5は、図示しないパルプ等によつて構成された混合器を有している。混合器は、気体状態において各容器にそれぞれ封入された B₂H₆と Heとを任意の割合によつて混合し、気体状態において混合された B₂H₆と Heとを、図示しないバルブによって構成された流量調整装置によって任意の流量に調整して、チヤンパ一 2の内部へ供給する。

MOSトランジスタ製造装置 1は、 ECRプラズマ源 6を備えている。 ECR プラズマ源 6は、ソース供給部 5によってチャンパ一 2の内部へ供給されたソースガスに含有される B₂H₆をプラズマ化して、例えば、 B+、 B₂+、 B₂H₂+等のボロンまたはボロン化合物のイオンまたはラジカル、および H+、 H₂+等の水素のイオンまたはラジカル、および BHラジカルを生成するためのプラズマをチヤンパ一 2内において発生させる。 ECRプラズマ源 6の電力は約 500ワット (W) である。 B₂H₆をプラズマ化するときのチャンパ一 2の内部の真空度は、約 4 X 10— ⁴To r rである。ここで、 lTo r r = 133. 322パスカル (P a) である。

MOSトランジスタ製造装置 1には、プラズマ計測器 7が設けられている。プラズマ計測器 7は、チャンバ一 2の外部に設けられている。プラズマ計測器 7は、 ECRプラズマ源 6によってチャンパ一 2内において発生したプラズマの状態をチャンパ一 2に設けられた観測窓を通して観測する。プラズマ計測器 7は、具体的には、チヤンバ一 2へ供給された B ₂ H ₆をプラズマ化して生成された B Hラジカルの（ΑΙ Π— X I∑)の遷移過程に対応する波長 4 3 3 2オングストローム (A) の発光強度を計測する。

MO Sトランジスタ製造装置 1は、 R F電源 8を備えている。 R F電源 8は、基板保持台 4によって保持された半導体基板 3に、 B ₂H ₆をプラズマ化して生成されたボロンを導入するために、例えば、 3 0 0ワット（W) の R F電力を半導体基板 3に印加する。

図 3は、半導体基板 3に MO S卜ランジス夕を形成する方法を説明するための断面図である。 MO Sトランジスタが形成される半導体基板 3に B ₂ H ₆をブラズマ化して生成されたボロンを導入すると、 Nゥエル領域 1 1におけるゲート酸化膜 1 2の両側にボロンドーピング領域 1 4が形成される。

MO Sトランジスタ製造装置 1には、プラズマ処理時間制御部 9が設けられている。プラズマ処理時間制御部 9は、プラズマ計測器 7によって計測された B H ラジカルの発光強度に基づいて、半導体基板 3へ導入されるボロンの総量を表す総ドーズ量が所望の総ドーズ量になるように、ボロンの半導体基板 3への導入の開始からボロンの半導体基板 3への導入の終了までの時間を表すドーピング時間 (プラズマ処理時間）を制御する。

ここで、プラズマ計測器 7によつて計測された B Hラジカルの発光強度と半導体基板 3へ導入されるボロンの量を表すドーズ量との間の関係を明らかにするために本発明者らが行った実験結果を説明する。図 4は、本実施の形態に係る B H ラジカルの発光強度と R F電力とシート抵抗との関係を示すグラフである。横軸は、 R F電源 8によって半導体基板 3に印加される R F電力を示しており、左側の縦軸は、プラズマ計測器 7によって計測された B Hラジカルの発光強度を示している。右側の縦軸は、ボロンの半導体基板 3への導入を終了し、 1 0 0 0 °C、 1 0秒の条件において活性化熱処理を実施した後における半導体基板 3のシート抵抗を示している。

本実験の条件は、以下に示すとおりである。

半導体基板： 6ィンチ、 N型シリコン基板

ドーピング装置（M〇Sトランジスタ製造装置）：プラズマドーピング装置 (松下電器産業株式会社製）

ドーピング条件ドーピング時間： 100秒

RF電力： 100ヮット以上 300ヮット以下

- ECR電力： 500ワット

ソースガス： B₂H₆ (流量 200 s c cm)

チャンバ一真空度： 1 X 10— ⁴To r r以上 2 X 10_³以下

活性化熱処理： RTA 1000。C、 10秒または 1100 、 90分シート抵抗測定方法： 4端針法

S IMS測定一次イオン種： 0^{2 +}

二次ィオン種： P 0 s i t i v e

一次イオンエネルギー： 3 k e V

発光分析： BHラジカルの（ΑΙΠ— Χ1Σ)の遷移過程に対応する波長 4332 オングストローム（A) の発光強度を計測する。

図 4に示すように、半導体基板 3に印加する RF電力を 100ヮットから 30 0ヮットに増加させると、 BHラジカルの（ΑΙΠ— Χ1Σ)の遷移過程に対応する波長 4332オングストローム（A) の発光強度は増大する。 RF電力を 100 ワットから 300ヮッ卜に増加させると、ボロンの半導体基板 3への導入を終了し、活性化熱処理を実施した後における半導体基板 3のシート抵抗は減少する。半導体基板 3のシ一ト抵抗が減少しているということは、半導体基板 3へ導入されたポロンの量を表すドーズ量が増大していることを意味している。従って、図 4に示す実験結果は、半導体基板 3へ導入されたボロンのドーズ量が増大すると、 BHラジカルの発光強度が増大することを意味している。図 5は、ボロンの濃度分布を半導体基板 3の深さ方向に沿って二次イオン質量分析法（S I M S ) によって測定した結果を示すグラフである。実験条件は、前述した実験条件と同様である。横軸は、ボロンが導入された半導体基板 3の深さを示しており、縦軸は、半導体基板 3へ導入されたボロンの濃度を示している。ボロンを半導体基板 3へ導入するために半導体基板 3に印加する R F電力が 1 0 0ヮットのときは、半導体基板 3へ導入されたボロンのドーズ量は 4 X 1 0 ^{1 5} c m— ²になっており、 R F電力が 3 0 0ワットのときは、ドーズ量は R F電力が 1 0 0ヮットのときのドーズ量よりも多い 7 X 1 0 ^{1 5} c m一²になっている。このように、半導体基板 3に印加する R F電力が増加すると、半導体基板 3へ導入されるボロンのド一ズ量が増大する。図 4を参照して前述したように半導体基板 3に印加する R F電力を増加させると、 B Hラジカルの発光強度が増大する。従って、半導体基板 3へ導入されたボロンのドーズ量が増加すると、 B Hラジカルの発光強度が増大するというボロンのド一ズ量と B Hラジカルの発光強度との間の関係が存在することが、図 5に示す実験結果によっても裏付けられる。図 6は、プラズマ処理時間とシート抵抗とボロンのドーズ量との関係を示すグラフである。実験条件は、ドーピング時間を可変にしている点を除いて、前述した実験条件と同様である。横軸は、ボロンの半導体基板 3への導入の開始からボロンの半導体基板 3への導入の終了までの時間を表すドーピング時間 (プラズマ処理時間）を示しており、左側の縦軸は、ボロンの半導体基板 3への導入を終了し、 1 1 0 0 °C、 9 0分の条件において活性ィ匕熱処理を実施した後における半導体基板 3のシート抵抗を示している。右側の縦軸は、半導体基板 3へ導入されたボロンの量を表すドーズ量を示している。図 6に示すように、ドーピング時間 (プラズマ処理時間）を長くすると、半導体基板 3のシート抵抗は減少する。ド —ピング時間（プラズマ処理時間）を長くすると、半導体基板 3へ導入されたポロンのドーズ量は増大する。このように、ボロンの半導体基板 3への導入の開始からポロンの半導体基板 3への導入の終了までの時間を表すド一ピング時間（プラズマ処理時間）を長くすると、半導体基板 3へ導入されるボロンのドーズ量は増大する。

図 7は、本実施の形態に係る半導体基板 3に導入されたボロンの量を表すドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係を B Hラジカルの発光強度ごとに示すダラフである。横軸は、プラズマ化されたボロンの半導体基板 3への導入を開始する時刻からボロンの半導体基板 3への導入を終了する時刻までの時間を表すプラズマ処理時間を示しており、縦軸は、半導体基板 3へ導入されたボロンの量を表すドーズ量を示している。

曲線 2 1における B Hラジカルの発光強度は曲線 2 2における発光強度よりも大きく、曲線 2 2における B Hラジカルの発光強度は曲線 2 3における発光強度よりも大きい。図 7においては簡潔に説明するために、 B Hラジカルの 3段階の発光強度に対して 3つの曲線 2 1、曲線 2 2および曲線 2 3をグラフ化している。しかしながら、実際には、連続的に変化する B Hラジカルの発光強度に応じて、 3つよりも多くの曲線が存在する。

前述したように、プラズマ処理時間を長くすると、ドーズ量が増大する。ドーズ量が増大する速度は、図 7に示すように、ソースガスに含有される B ₂H₆をプラズマ化するためのプラズマの状態を表す B Hラジカルの発光強度に応じて異なっている。 B Hラジカルのある発光強度においては、半導体基板 3へ導入されたボロンのドーズ量は、プラズマ処理時間の経過に応じて曲線 2 1に示すように変化する。時刻 T 1においてボロンが半導体基板 3へ導入され始めると、ボロンのドーズ量は時刻 T 1 5まで所定の割合で増加し、ドーズ量 D Mに達する。ドーズ量がドーズ量 DMを超えると、プラズマ処理時間に対するドーズ量の増加の割合が低下し、時刻 T 1 6において所望の総ドーズ量 D Tに到達する。

B Hラジカルの他の発光強度においては、ボロンのドーズ量は、プラズマ処理時間の経過に応じて曲線 2 2に示すように変化する。時刻 T 1においてボロンが半導体基板 3へ導入され始めると、ボロンのドーズ量は前述した曲線 2 1における増加の割合よりも小さい割合で増加し、前述した曲線 2 1がドーズ量 DMに到達する時刻 T 1 5よりも後の時刻 T 1 3においてドーズ量 DMに到達する。曲線 2 2におけるドーズ量がドーズ量 DMを超えると、前述した曲線 2 1と同様にプラズマ処理時間の経過に対するドーズ量の増加の割合が低下し、曲線 2 1が所望のドーズ量 D Tに到達する時刻 T 1 6よりも後の時刻 T 1 4において所望の総ド —ズ量 D Tに到達する。

B Hラジカルのさらに他の発光強度においては、ボロンのドーズ量は曲線 2 3 に示すように変化する。時刻 T 1においてボロンが半導体基板 3へ導入され始めると、ボロンのドーズ量は前述した曲線 2 2の増加の割合よりもさらに小さい割合で増加し、前述した曲線 2 2がドーズ量 D Mに到達する時刻 T 1 3よりもさらに後の時刻 T l 1においてドーズ量 D Mに到達する。曲線 2 3のドーズ量がドーズ量 DMを超えると、前述した曲線 2 1および曲線 2 2と同様にプラズマ処理時間の経過に対するドーズ量の増加の割合が低下し、曲線 2 2が所望のドーズ量 D Tに到達する時刻 T 1 4よりもさらに後の時刻 T 1 2において所望の総ド一ズ量 D Tに到達する。

このように、ボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係は、 B Hラジカルの発光強度に応じて異なっている。プラズマ処理時間制御部 9には、図示しない記憶部が設けられており、記憶部には、 B Hラジカルの発光強度に応じて異なるボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係が予め記録されている。以下、本実施の形態に係る MO Sトランジスタ製造装置 1の動作を説明する。図 8は、本実施の形態に係る表面処理方法の手順を示すフローチヤ一トである。図 9は、本実施の形態に係る表面処理方法におけるプラズマ処理時間とドーズ量との間の関係を示すグラフである。前述した図 7と同様に、横軸はプラズマ処理時間を示しており、縦軸はドーズ量を示している。

まず、 P型シリコン基板 1 0上に Nゥエル領域 1 1、ゲート酸化膜 1 2およびゲート電極 1 3が形成された図 2に示す半導体基板 3をチヤンパー 2の内部に設けられた基板保持台 4の上に載置する。ソース供給部 5に設けられた混合器は、気体状態において各容器にそれぞれ封入された B ₂H₆と H e,とを任意の割合によって混合し、気体状態において混合された B₂H₆と Heとによって構成されるソースガスを、図示しないパルプによって構成された流量調整装置によって流量約 200 s c cmに調整して、チャンパ一 2の内部へ供給する（ステップ S

1)

ECRプラズマ源 6は、真空度が約 4 X 10_⁴To r rのチャンパ一 2内において約 500ワット（W) の電力によってプラズマを発生させる。 ECRブラズマ源 6によってプラズマが発生すると、チヤンパ一 2の内部へ供給されたソ一スガスに含有される B₂H₆がプラズマ化されて、例えば、 B+、 B₂+、 B₂H₂ ⁺ 等のボロンまたはボロン化合物のイオンまたはラジカル、および H+、 H₂+等の水素のイオンまたはラジカル、および BHラジカルが生成される（ステップ S

2) 。

次に、 RF電源 8は、チャンパ一 2の内部に設けられた基板保持台 4によって保持された半導体基板 3に約 300ワット（W) の RF電力を印加し始める。 R F電源 8によって約 3.00ワット（W) の RF電力を印加され始めた半導体基板 3には、約 700ポルト（V) の自己バイアスが発生する。半導体基板 3に約 7 00ポルト（V) の自己バイアスが発生すると、ステップ S 2において生成されたボロンが、図 9に示す時刻 T 1において、約 700エレクトロンポルト（e V) の加速エネルギーによって半導体基板 3へ導入され始める。ここで、 BHラジカルは、前述したさらに他の発光強度によって発光しているものとし、ボロンの半導体基板 3への導入を終了する時刻は、図 7を参照して前述した曲線 23に従って時刻 T 12に設定されているものとして説明する。従って、プラズマ化されたボロンの半導体基板 3への導入を開始する時刻からボロンの半導体基板 3への導入を終了する時刻までの時間を表すプラズマ処理時間は、（時刻 T12—時刻 T1) に設定されている（ステップ S 3) 。その後、図 9に示す時刻 T 2において、プラズマ計測器 7は、 Β Ηラジカルの (ΑΙ Π— XI∑)の遷移過程に対応する波長 4 3 3 2オングストローム（Α) の発光強度を計測する（ステップ S 4 ) 。

そして、プラズマ処理時間制御部 9は、プラズマ計測器 7によって時刻 Τ 2において計測された Β Ηラジカルの発光強度に基づいて、計測された発光強度におけるボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係を図示しない記憶部から得る（ステップ S 5 ) 。

次に、プラズマ処理時間制御部 9は、ステップ S 5において得たボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係に基づいて、ボロンの半導体基板 3への導入を終了する設定された時刻が適切であるか否かを判断する（ステップ S 6 ) 。ボロンの半導体基板 3への導入を終了する時刻が適切でないと判断したときは (ステップ S 6において N O) 、プラズマ処理時間制御部 9は、半導体基板 3へ導入されるボロンの総量を表す総ドーズ量が所望の総ドーズ量 D Tになるように、ボロンの半導体基板 3への導入を終了する時刻を変更する（ステップ S 7 ) 。例えば、 B ₂ H ₆をプラズマ化するためのブラズマの状態が時刻 T 1から時刻

T 2までの間において変動したために、ステップ S 5において得られたボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係が本来従うべき曲線 2 3に従っておらず、図 7に示す曲線 2 2に従っているときは、プラズマ処理時間制御部 9は、図 7に示す点 P 2から点 P 1へプラズマ処理時間軸に沿って曲線 2 2を図 9に示すように平行移動する。そして、プラズマ処理時間制御部 9は、ボロンの半導体基板 3への導入を終了する時刻を、時刻 T 1 2から、平行移動した曲線 2 2が所望の総ドーズ量 D Tに到達する点 P 4における時刻 T 2 1に変更する。このように、プラズマ処理時間制御部 9は、ボロンの半導体基板 3への導入を終了する時刻を時刻 T 1 2から時刻 T 1 2よりも前の時刻 T 2 1に変更する。即ち、プラズマ処理時間制御部 9は、プラズマ計測器 7による計測結果に基づいてボロンの総ド一ズ量が所望の総ド一ズ量 D Tになるように、プラズマ処理時間を制御する。ボロンの半導体基板 3への導入を終了する時刻が適切であると判断したとき (ステップ S 6において Y E S ) 、または、ボロンの半導体基板 3への導入を終了する時刻を変更したとき（ステップ S 7 ) は、プラズマ計測器 7は、時刻 T 2 1よりも前の時刻 T 3において、 B Hラジカルの（Α1 Π— Χ1 Σ)の遷移過程に対応する波長 4 3 3 2オングストローム（A) の発光強度を計測する（ステップ S 8 ) 。

次に、プラズマ処理時間制御部 9は、時刻 T 3においてプラズマ計測器 7によつて計測された B Hラジカルの発光強度に基づいて、計測された発光強度におけるボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係を図示しない記憶部から得る（ステップ S 9 ) 。

次に、プラズマ処理時間制御部 9は、ステップ S 9において得たボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係に基づいて、ボロンの半導体基板 3への導入を終了する時刻が適切であるか否かを判断する（ステップ S 1 0 ) 。ボロンの半導体基板 3への導入を終了する時刻が適切でないと判断したときは（ステップ S 1 0において N O) 、プラズマ処理時間制御部 9は、半導体基板 3へ導入されるボロンの総量を表す総ドーズ量が所望の総ドーズ量 D Tになるように、ボロンの半導体基板 3への導入を終了する時刻を変更する（ステップ S 1 1 ) 。

例えば、時刻 T 2において B Hラジカルの発光強度を計測した後、プラズマの状態が時刻 T 2から時刻 T 3までの間において変動したために、ステップ S 9において得られたボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係が、本来従うべき曲線 2 3に従っておらず、曲線 2 2に従っているときは、プラズマ処理時間制御部 9は、図 7に示す点 P 6から点 P 5へ横軸に沿って曲線 2 1を図 9に示すように平行移動する。そして、プラズマ処理時間制御部 9は、ボロンの半導体基板 3への導入を終了する時刻を、時刻 T 2 1から、平行移動した曲線 2 1が所望のド一ズ量 D Tに到達する点 P 7における時刻 T 2 2にさらに変更する。このように、プラズマ処理時間制御部 9は、ボロンの半導体基板 3への導入を終了する時刻を、時刻 T 2 1から時刻 Τ 2 1よりもさらに前の時刻 Τ 2 2にさらに変更する。

ボロンの半導体基板 3への導入を終了する時刻が適切であると判断したとき (ステップ S 1 0において Y E S ) 、または、ボロンの半導体基板 3への導入を終了する時刻を変更したとき（ステップ S I 1 ) は、半導体基板 3へ導入されたポ口ンの総量を表す総ドーズ量が所望の総ドーズ量 D Tに到達する時刻においてボロンの半導体基板への導入を終了する（S 1 2 ) 。例えば、 S 1 1において変更した時刻 T 2 2において、 R F電源 8による半導体基板 3への R F電力の印加を終了し、 E C Rプラズマ源 6によるプラズマの発生を終了することによって、ボロンの半導体基板 3への導入を終了する。

以上のように本実施の形態によれば、プラズマ計測器 7によって計測された B Hラジカルの（ΑΙ Π— X I∑)の遷移過程に対応する波長 4 3 3 2オングスト口一ム（A) の発光強度に基づいて、プラズマ処理時間制御部 9は、計測された発光強度におけるボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係を得、得られたドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係に応じて、半導体基板 3へ導入されるポ口ンの総量を表す総ドーズ量が所望の総ドーズ量 D Tになるように、ボロンの半導体基板 3への導入を終了する時刻を変更する。

このため、 B ₂H ₆をプラズマ化するためのプラズマの状態が変動した場合であっても、半導体基板 3へ導入されるポ口ンの総量を表す総ドーズ量が所望の総ドーズ量 D Tになる。従って、プラズマドーピングによって製造された半導体装置において、ソ一ス領域、ドレイン領域およびゲート電極の電気抵抗値のばらつきをなくすことができる。その結果、プラズマドーピングによって製造された半導体装置のデバイス駆動能力を均一にすることができ、半導体装置の歩留まりも向上する。

また、本実施の形態によれば、プラズマを発生させるためのパラメータは変更することなく、プラズマを発生させるためのパラメ一夕と関係のないドーピング時間（プラズマ処理時間）を変更する。このため、複数のパラメータのうちの 1 つを変更すると他のパラメータも変わってしまい、プラズマはプラズマを発生させるためのパラメータの変更に対して追従性が乏しいために、プラズマを発生させるためのパラメータを調整することによってプラズマの状態の変動を制御することは極めて困難であるという前述した問題を解決することができる。

なお、本実施の形態においては MO Sトランジスタを製造するための表面処理方法を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明に係る表面処理方法は、プラズマによって原子、分子、化合物および合金等の物質をプラズマ化したプラズマ化物質を基体へ導入する表面処理方法であれば、 MO Sトランジス夕等の半導体装置の製造のみならず、適当な元素等を基体に導入することによって基体に特定の性質を付与したり、特定の性質を向上させる様々な分野に適用することができる。

このような特定の性質には、例えば、耐磨耗性、潤滑性、離型性および耐食性等の機械的性質、電気伝導性、電磁波遮蔽性および磁気特性等の電気的磁気的性質、光吸収性、光反射性、光沢性および着色性等の光学的性質、耐熱性、熱伝導性等の熱的性質等が含まれる。例えば、本発明は、軸受け部材の摩擦係数を低下させるために、摩擦係数を低下させる物質を軸受け部材の表面に導入する表面処理方法に対しても適用することができる。

また、本実施の形態においては、ボロンの半導体基板 3への導入を開始する時刻 T 1の後に、ステップ S 2において生成された B Hラジカルの発光強度を計測する例を示したが、本発明はこれに限定されない。時刻 T 1の前にステップ S 2 において生成された B Hラジカルの発光強度を測定し、測定した B Hラジカルの発光強度におけるボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係を得、得られたドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係に基づいて、ボロンの半導体基板 3への導入を開始する時刻と導入を終了する時刻とを設定してもよい。

また、本実施の形態においては、混合された B ₂H ₆と H eとを気体状態においてチヤンパー 2の内部へ供給する例を示したが、本発明はこれに限定されない。液体状態の B ₂H₆と H eとをチヤンパ一 2の内部へ供給した後、チヤンパ一 2 の内部において気化してもよい。

さらに、プラズマ源として ECRプラズマ源を使用した例を示したが、 I CP 型プラズマ源、並行平板型プラズマ源を使用してもよい。

BHラジカルの発光強度を計測する発光分光法によって BHラジカルを観測する例を示したが、ボロンまたはボロン化合物のイオンまたはラジカルを観測してもよい。また、発光分光法の替わりにレーザ誘起蛍光分析法または EXBフィル夕または四重極質量分析（QMAS) のいずれかによつてボロンまたはボロン化合物のイオンまたはラジカルを観測してもよい。

プラズマ計測器 7をチヤンバー 2の外部に設ける例を示したが、プラズマ計測器 7はチヤンバー 2の内部に設けてもよい。

プラズマ計測器 7によって BHラジカルの発光強度を計測する回数が 2回である例を示したが、発光強度を計測する回数は 1回でもよく、 3回以上であってもよい。

図 10は、本実施の形態に係る他の表面処理方法の手順を示すフロ一チャートである。図 8を参照して前述した本実施の形態に係る表面処理方法の手順を示すフローチャートにおける構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。これらの構成要素の詳細な説明は省略する。

まず、図 2に示す半導体基板 3をチャンパ一 2の内部に設けられた基板保持台

4の上に載置する。そして、 B₂H₆と Heとによって構成されるソースガスを、チャンバ一 2の内部へ供給する（ステップ S 1) 。

ECRプラズマ源 6は、チャンパ一 2内においてプラズマを発生させる。ブラズマが発生すると、ソースガスに含有される B₂H₆がプラズマ化されて、例えば、 B+、 B₂+、 B₂H₂ ⁺等のボロンまたはボロン化合物のイオンまたはラジカル、および H+、 H₂ ⁺等の水素のイオンまたはラジカル、および BHラジカルが生成される（ステップ S 2) 。

次に、 RF電源 8は、基板保持台 4によって保持された半導体基板 3に RF電力を印加し始める。 RF電力を印加され始めた半導体基板 3には、自己バイアスが発生する。半導体基板 3に自己バイアスが発生すると、ステップ S 2において生成されたボロンが、半導体基板 3へ導入され始める（ステップ S 3) 。

その後、プラズマ計測器 7は、 BHラジカルの（Α1Π— Χ1Σ)の遷移過程に対応する波長 4332オングストローム（A) の発光強度を計測する（ステップ S

4) 。

そして、プラズマ処理時間制御部 9は、ステップ S 4において計測された BH ラジカルの発光強度に基づいて、計測された発光強度におけるボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係を図示しない記憶部から読み出し、読み出したボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係に基づいて、半導体基板 3に導入されるボロンのド一ズレートを求める（ステップ S 21) 。

さらに、プラズマ計測器 7は、 BHラジカルの（Α1Π— Χ1Σ)の遷移過程に対応する波長 4332オングストローム（A) の発光強度を計測する（ステップ S 22) 。

次に、プラズマ処理時間制御部 9は、ステップ S 22において今回計測した B Hラジカルの発光強度が、前回計測した BHラジカルの発光強度に対して 5 %以上変動しているか否かを判断する（ステップ S 23) 。ステップ S 22において今回計測した B Hラジカルの発光強度が前回計測した B Hラジカルの発光強度に対して 5 %以上変動していると判断したときは（ステップ S 23において YE

5) 、プラズマ処理時間制御部 9は、ステップ S 22において今回計測した BH ラジカルの発光強度に基づいて、今回計測された発光強度におけるボロンのド一ズ量とプラズマ処理時間との間の関係を図示しない記憶部から読み出す（ステツプ S 24) 。

そして、今回計測された発光強度におけるボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係を図示しない記憶部から読み出したとき（ステップ S 2 4 ) 、または、ステップ S 2 2において今回計測した B Hラジカルの発光強度が前回計測した B Hラジカルの発光強度に対して 5 %以上変動していないと判断したときは (ステップ S 2 3において N〇）、プラズマ処理時間制御部 9は、ステップ S 2 4において読み出されたボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係に基づいて、半導体基板 3に導入されるボロンのドーズレートを求める（ステップ S 2 5 ) 。

このように、ステップ S 2 2において今回計測した B Hラジカルの発光強度の前回計測した B Hラジカルの発光強度に対する変動率が 5 %よりも小さいときは、ボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係を図示しない記憶部から読み出すステップ S 2 4を省略し、記憶部から前回読み出したボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係を使用して半導体基板 3に導入されるボロンのドーズレ一トを求める。

次に、プラズマ処理時間制御部 9は、 B Hラジカルの発光強度を計測する毎に求めたボロンのドーズレートに基づいて、半導体基板 3へ導入されたボロンの総量を表す総ドーズ量を求める（ステップ S 2 6 ) 。

その後、プラズマ処理時間制御部 9は、ステップ S 2 6において求めた総ドーズ量と予め定められた所望の総ドーズ量との間の差が 1 %以下になつたか否かを判断する（ステップ S 2 7 ) 。ステップ S 2 6において求めた総ドーズ量と予め定められた所望の総ドーズ量との間の差が未だ 1 %以下になっていないと判断したときは（ステップ S 2 7において N O) 、ステップ S 2 2へ戻り、 B Hラジカルの発光強度の観測を繰り返す。ステップ S 2 6において求めた総ドーズ量と予め定められた所望の総ドーズ量との間の差が 1 %以下になったと判断したときは (ステップ S 2 7において Y E S ) 、ボロンの半導体基板 3への導入を終了する (ステップ S 2 8 ) 。

なお本実施の形態においては半導体基板をシリコン（S i ) によって構成した例を示したが、本発明はこれに限定されない。半導体基板は、 S i _ (：、 Ge、 S i— Ge、 S i—Ge— C、 GaAs、 I nP、 ZnS e、 CdFeまたは I nSbによって構成してもよい。また、不純物にボロン（B) を使用した例を示したが、不純物には、 N、 P、 As、 Sb、 B i、 A l、 Ga、 I n、 T l、 C、 S i、 Ge、 Sn、 Pb、〇、 S、 S e、 Te、 F、 C l、 B r、 I、 Cu、 A gまたは Auを使用してもよい。さらに、観測工程において BHラジカルの発光強度を観測する例を示したが、 BHラジカルの発光強度の替わりに前述した不純物として使用する各元素の原子、分子、化合物のイオンまたはラジカルの発光強度を観測してもよい。産業上の利用可能性

以上のように本発明によれば、製造時間を短縮することができる表面処理方法および半導体装置の製造装置を提供することができる。

また本発明によれば、歩留まりを向上させることができる表面処理方法および半導体装置の製造装置を提供することができる。

Claims

請求の範囲

1 . プラズマによって物質をプラズマ化して第 1プラズマ化物質および第 2ブラズマ化物質を生成するブラズマ化工程と、

該プラズマによってプラズマ化された該第 1プラズマ化物質の基体への導入を開始する開始工程と、

該第 1プラズマ化物質の該基体への導入を終了する終了工程と、

該プラズマによってプラズマ化された該第 2プラズマ化物質の状態を該終了ェ程の前に観測する観測工程と、

該観測工程による観測結果に基づいて、該基体へ導入される該第 1プラズマ化物質の総量を表す総ド一ズ量が所望の総ドーズ量になるように、該開始工程から該終了工程までの時間を表すプラズマ処理時間を制御する制御工程とを包含することを特徴とする表面処理方法。

2 . 前記観測工程は、前記開始工程の後に実行され、

前記観測工程は、前記プラズマによってプラズマ化された前記第 2プラズマ化物質の発光強度'を観測し、

前記制御工程は、該観測工程によって観測された該発光強度に基づいて、前記プラズマ処理時間と該基体へ導入される該第 1プラズマ化物質の量を表すド一ズ量との間の関係を求め、該プラズマ処理時間と該ドーズ量との間の該関係に応じて該終了工程を実行するタイミングを制御する、請求の範囲 1記載の表面処理方法。

3 . 前記観測工程ば、前記開始工程の前に実行される、請求の範囲 1記載の表面処理方法。

4. 前記プラズマ化工程によって生成された前記第 2プラズマ化物質は、イオンとラジカルとのいずれかであり、

前記観測工程は、発光分光法とレーザ誘起蛍光分析法とのいずれかによって該イオンと該ラジカルとのいずれかの状態を観測する、請求の範囲 1記載の表面処理方法。

5 . 前記プラズマ化工程によって生成された前記第 2プラズマ化物質は、イオンであり、

前記観測工程は、 E X Bフィル夕と四重極質量分析（QMA S ) とのいずれかによって該イオンの状態を観測する、請求の範囲 1記載の表面処理方法。

6 . 前記プラズマ化工程は、チャンバ一の内部において、前記物質をプラズマ化して前記第 1プラズマ化物質および前記第 2プラズマ化物質を生成し、

前記観測工程は、該チヤンパーの外部から該第 2プラズマ化物質の状態を観測する、請求の範囲 1記載の表面処理方法。

7 . 前記プラズマ化工程は、チャンパ一の内部において、前記物質をプラズマ化して前記第 1プラズマ化物質および前記第 2プラズマ化物質を生成し、

前記観測工程は、該チヤンパーの内部において該第 2プラズマ化物質の状態を観測する、請求の範囲 1記載の表面処理方法。

8 . 前記基体は、半導体基板であり、

前記物質は、不純物である、請求の範囲 1記載の表面処理方法。

9 . 前記第 1プラズマ化物質は、ボロンである、請求の範囲 1記載の表面処理方法。

1 0 . 前記第 2プラズマ化物質は、 B Hラジカルである、請求の範囲 1記載の表面処理方法。

1 1 . チャンパ一内において半導体基板を保持する保持手段と、

該チャンパ一内に不純物を含有するソースガスを供給するソースガス供給手段と、

該ソースガス供給手段によって供給された該ソ一スガスに含有される該不純物をプラズマ化して第 1プラズマ化不純物および第 2プラズマ化不純物を生成するためのプラズマを該チャンパ一内において発生させるプラズマ源と、

該第 1プラズマ化不純物を該半導体基板へ導入する導入手段と、

該プラズマによってプラズマ化された該第 2プラズマ化不純物の状態を観測する観測手段と、

該観測手段による観測結果に基づいて、該半導体基板へ導入される該第 1ブラズマ化不純物の総量を表す総ドーズ量が所望の総ドーズ量になるように、該第 1 プラズマ化不純物の該半導体基板への導入を開始してから該第 1プラズマ化不純物の該半導体基板への導入を終了するまでの時間を表すプラズマ処理時間を制御する制御手段とを具備することを特徴とする半導体装置の製造装置。

1 2 . プラズマによって物質をプラズマ化して第 1プラズマ化物質および第 2プラズマ化物質を生成するブラズマ化工程と、

該プラズマによってプラズマ化された該第 2プラズマ化物質の状態を観測する観測工程と、

該観測工程による観測結果に基づいて、該基体へ導入される該第 1プラズマ化物質のドーズレートを取得するドーズレ一ト取得工程と、

該ドーズレート取得工程によって取得された該ドーズレートに基づいて、該基体へ導入された該プラズマ化物質の総量を表す総ドーズ量を取得する総ドーズ量取得工程と、，

該総ドーズ量取得工程によって取得された該総ドーズ量と予め定められた所望の総ドーズ量とに基づいて、該プラズマ化物質の該基体への導入を終了する終了工程とを包含することを特徴とする表面処理方法。