WO2004109785A1

WO2004109785A1 - 不純物導入方法、不純物導入装置およびこれを用いて形成された半導体装置

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Publication number: WO2004109785A1
Application number: PCT/JP2004/008281
Authority: WO
Inventors: Bunji Mizuno; Yuichiro Sasaki; Ichiro Nakayama; Hisataka Kanada
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Priority date: 2003-06-09
Filing date: 2004-06-08
Publication date: 2004-12-16
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Abstract

本発明の課題は、基板への不純物導入において高精度の制御が可能な不純物導入方法および不純物導入装置を提供することである。　保持台（４）上に被処理基板（５）を載置し回転駆動軸（１３）で回転させる。真空ポンプ（６）を作動させ後、真空ポンプ（６）によるガス排気を停止させ、計量チャンバー（７）内の一定量のプラズマ発生用の物質（ガス物質）を真空チャンバー（１）内にノズル（１４）を通して導入する。ノズル（１４）には多数のマイクロノズル（１９）が備えられ、プラズマの励起強度に応じて、このマイクロノズル（１９）を通して真空チャンバー（１）内で空間的に不均一なガス流（１５）を生じさせる。そして、電源（３）でプラズマ発生部（２）を駆動させ真空チャンバー（１）内に不均一に導入したガス物質をプラズマ励起し、所定の時間に亘り被処理基板（５）表面をプラズマに曝させる。

Description

不純物導入方法、不純物導入装置およびこれを用いて形成された半導体装置 <技術分野〉

本発明は、不純物導入方法、不純物導入装置およびこれを用いて形成される半導体装置に係り、特に、特にプラズマドーピングにおける不純物導入プロフアイルの制御に関する。

明 <背景技術 >

近年、半導体デバイスの微細化に伴い、浅書い接合を形成する技術が求められている。従来の半導体製造技術では、ボロン（B) 、リン（P) 、ヒ素（A s) 等の各種導電型の不純物を半導体基板表面に、低エネルギーでイオン注入を行う方法が広く用いられている。

このイオン注入の方法を用いて、半導体デバイスの浅い接合が形成されており、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 100 nm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。この技術によれば、ボロン不純物であっても深さ 70 nmの浅い接合が形成できるとされる（例えば非特許文献 1、 2参照）。

(非特許文献 1) プラズマドーピング技術：水野文二著（第 70卷、第 12号、 p。 1458— 1462 (200 1)

(非特許文献 2) 低バイアスプラズマドーピングによってドープされたサブ 0. 1 ミクロン p MO S F E Tの性能： Reliable and enhanced performances of sub - 0. I μ ϊίΐ pMOSFETs doped by low biased Plasma Doping_N Damien Lenoble他、 VLSIシンポジウム、 IEEEZ日本応用物理学会共催、 p. 1 1 0、 2 0 0 0年。現在、半導体デバイスの微細化は急激に進んでおり、その量産製造での設計寸法は 1 0 0 nm以下になろうとしている。その一方で、シリコンウェハ（半導体基板）は 2 0 Omm φ から 3 0 0 mm φ へと大口径化が進んでいる。このような中で、半導体基板表面への不純物導入において以下のように高精度の制御技術が要求されている。.

その第 1は、不純物導入を行う基板表面近傍の深さが 1 0 0 nm以下になる浅い接合の形成を安定的に制御する技術である。そして、その第 2は、上述のように大口径化された基板面内での不純物分布の均一性を制御する技術である。

しかし、上述のイオン注入の方法では、特にボロンの不純物導入において Bィオンあるいは B F₂イオンの加速エネルギーを数 k e Vの低エネルギーにすることは困難となり、将来の不純物導入領域の深さが 1 0 0 nm以下になる浅い接合の形成は難しくなるという問題がある。これに対して、従来のプラズマドーピング方法では、プラズマイオンのエネルギーを 1 0 0 e V以下にすることは容易であり、上述したように深さ 5 0 nm以下の浅い接合を制御することは可能となる力大口径化された基板面内での不純物分布の均一性を制御することが未だ充分ではないという問題がある。

また、半導体デバイス製品のカスタム化が進んできており、その多品種少量生産への対応は必須である。ここで、多品種製品の生産効率を向上させるためには、. 半導体基板表面への不純物導入において基板面内で不純物の導入量を自在に制御できる技術が非常に有効になる。

しかし、上述のイオン注入および従来のプラズマドーピング何れの方法においても、上述したような大口径化された基板面内で不純物の導入量を自在に制御することは難しい。不純物導入における上述したような問題は、半導体デバイスを形成する半導体基板に限らず、液晶表示デバイスを形成する液晶表示基板となるマトリックス基板などの場合にも、同様である。本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、基板への不純物導入において高精度の制御が可能な不純物導入方法および不純物導入装置を提供することを目的とする。

また、不純物導入量を制御し、極めて浅い深さの不純物導入を高精度に実現することを目的とする。

また、本発明は、位置による不純物導入深さあるいは濃度のばらつきを低減し、大面積基板上で均一な深さに不純物導入を行うことを目的とする。

<発明の開示 >

本発明の不純物導入方法は、不純物を含有する物質をプラズマ励起し、励起された前記不純物を基体内に導入する不純物導入方法であって、前記プラズマの分布の少なくとも一部を相殺し得るように、前記基体の表面近傍における前記物質の分布を、調整するようにしたことを特徴とする。すなわち前記基体の表面近傍における前記物質の分布を、前記プラズマの分布に応じて調整する。

すなわち、プラズマ自体の分布すなわち、結果的に生じるプラズマの分布（ィオンやラジカル、中性粒子などの分布）を相殺する形でプラズマ自体の分布に応じて調整するものである。実際には、シミュレーションを行うかあるいは実際の不純物導入結果に基づいて基体表面近傍の物質分布を調整する。プラズマの分布の少なくとも一部を相殺するとは、本来のプラズマの分布を変えるような物質分布を与えるということを意味し、本来のプラズマの分布に依存しないプラズマ分布を生起するような物質分布を意味するものとする。従ってここでは、本来のプラズマの分布を相殺して均一にするものだけでなく、本来のプラズマの分布をさらに拡大するようなものも一部は相殺されているとみなすものとする。

あるいは、本発明の不純物導入方法は、前記基体表面近傍に.おける前記物質の分布が、前記プラズマ分布に応じた分布をもつように調整して前記物質をチャンバー内に供給する工程と、前記物質が前記基体表面で平衡状態となつた後に前記物質のプラズマを発生させる工程とを含む。

通常のプラズマ発生装置では、高周波あるいはマイク口波等のプラズマ励起のための電力は空間的均一性に限界をもつ。そこで本発明の不純物導入方法では、プラズマ励起される物質の分布を制御することにより、この空間的均一性の度合いに依存することのない不純物分布を得ることのできる方法を提案する。

例えば、この不均一性を相殺するようにプラズマ励起される物質を供給する。これにより、基体表面から極めて浅い領域に非常に均一性が高い不純物導入が可能になる。そして、半導体基板あるいは液晶表示基板のように大口径化された基体であっても、不純物分布の均一性を制御することが容易になる。

なお本発明は、不純物導入においてプロファイルを高精度に制御することを可能にするもので、基体表面で物質を平衡状態にしたのちプラズマ励起する点、プラズマ励起の電力分布等によつて結果的に生じるプラズマの分布（イオンゃラジカル、中性粒子の分布）を相殺するように、基体表面の物質を調整する点、基体表面でプラズマが段階的に分布を生じるように基体表面の物質を調整するもの、あるいはこれらの組み合わせを含み、これらの方法により、所望のプロファイルのプラズマドーピングを可能にするものである。

また、本発明の、不純物を含有する物質をプラズマ励起し、励起された前記不純物を基体内に導入する不純物導入方法では、基体を配置するチャンバ一内において、空間的に任意の分布を持つように前記物質を供給し、この空間分布を有する前記物質をプラズマ励起して不純物導入を行う。

このようにすると、基体内に、不純物分布の異なる領域を 1回の不純物導入処理で自在に形成できる。従って、半導体集積回路の形成においては、マスク合わせのマージンが不要となり、より微細化、高集積化が可能となる。また、種々の異なる性能を持つ半導体装置を 1枚の基板内に作りこむことが可能になる。そして、半導体デバイス製品の多品種少量生産への対応が迅速になると共に、多品種製品の生産効率が向上する。ここで不純物プロファイルとは、面内の不純物分布に加え、深さ方向での不純物の分布を含むものとする。

また、本発明では、前記物質の供給を停止させた状態でプラズマを発生させる。前記物質の供給および排出を停止させた状態でプラズマを発生させる。前記基体を配置したチャンバ一内に供給した前記物質が前記基体表面で平衡状態となった後にプラズマを発生させる。あるいは、前記物質の流速が換算速度で 1 0 O m e

V以下となったのち、プラズマを発生させる等の手段を取る。これにより、供給する物質の上記チャンバ一内での流れを準静的に、安定化することができる。この安定した物質をプラズマ励起することで、基体表面での不純物分布は更に向上するようになる。このように、物質の流れによって生じる変動成分が低減され、プラズマによる乱れのみに抑制される。流速を換算速度で 1 0 O m e V以下とするとレヽうことはほぼ室温の状態に近づいているとレ、うことであり、プラズマ化に際して大きく分布変動を生じることなく、プラズマ化前の分布を維持することができる。

また、本発明では、チャンバ一内への上記物質を一定量供給してからプラズマを発生させる。ここで、供給する前記物質の一定量は前記基体に導入する不純物量に応じて決める。

このようにすることで、基体表面への不純物導入量が所望の設定量になるように制御できる。また極めて浅い導入も高精度に制御することができ、極めて浅い接合を高精度に形成することも可能となる。

また、本発明では、前記基体を配置したチャンバ一内への前記物質の供給はマイク口ノズルを通して行う。ここで、前記物質は不純物を含有する気体である。あるいは、不純物を含有する微粒子、微細液滴であってもよい。微細な開口径をもつマイクロノズルを、多数配列し、各マイクロノズルを独立して制御することにより流量を変化させることができる。

これにより、基体を配置するチャンバ一内における物質の空間的分布を高精度に制御できるようになり、基体表面の不純物量の制御およびその空間的分布の自在な制御が更に促進される。

また、本発明の不純物導入装置は、不純物を含有する物質をプラズマ励起し、励起された前記物質より前記不純物を基体内に導入する不純物導入装置であって、前記基体を配置するチャンバ一と、前記チャンバ一内へ前記物質を一定量供給する手段と、前記チャンバ一内を真空排気する手段と、前記一定量の物質をプラズマにするプラズマ発生手段とを備えた構成になっている。そして、前記物質を一定量供給する手段は、前記物質を計量し貯蔵する機構を有し、この機構は、貯蔵容器の容積、圧力、温度を制御し前記物質を一定量に保持するようになっている。更に、上記貯蔵の容器は、上記基体に導入する不純物量に対応する量の物質が収納されるようになっている。

この構成により、大口径の半導体基板あるいは液晶表示基板である基体への不純物導入が短時間で枚葉処理できる。このために、半導体デバイスあるいは液晶表示デバイスの量産能力が向上し、生産コスト低減が可能になる。なお、前記物質は、気体、微粒子あるいは微細液滴である。

例えば気体としては、 B ₂H₆、 B F ₃、 A s H₃、 P H₃のいずれかを含む。また微粒子あるいは固体としては、 B、 A s、 P、 S b、 I n、 A 1のいずれかを用いることができる。ここで液滴とはこれらの微粒子や気体を溶解もしくは混濁させたものをいう。またこの他濡れる様に表面を覆う場合もある。

また、プラズマを発生させるタイミングは、基体表面近傍における不純物濃度のプロファイルをシミュレーションし、この結果に基づいて、行うようにしてもよい。さらにまた不純物濃度のプロファイルのシミュレーシヨンに代えて、気体、微粒子または微細液滴の流速、気体分子数、圧力の群から選ばれる少なくとも 1つを測定し、その標準偏差が 2 %未満に到達した状態でプラズマを発生させるようにしてもよい。

なお本発明は、不純物導入においてプロフアイルを高精度に制御することを可能にするもので、基体表面で物質を平衡状態にしたのちプラズマ励起する点、プラズマ励起の電力分布等によつて結果的に生じるプラズマの分布（ィオンゃラジカル、中性粒子の分布）を相殺するように、基体表面の物質を調整する点、基体表面でプラズマが段階的に分布を生じるように基体表面の物質を調整するもの、あるいはこれらの組み合わせを含み、これらの方法により、所望のプロファイルのプラズマドーピングを可能にするものである。 <図面の簡単な説明 >

図 1は、本発明の第 1の実施の形態における不純物導入装置の模式的な断面図である。

図 2は、本発明の第 1の実施の形態における不純物導入方法を説明するための不純物導入装置の本体部の模式的な断面図である。図 3は、本発明の第 1の実施の形態における不純物導入装置の駆動タイミングを示す図である。

図 4は、本発明の第 2の実施の形態における不純物導入装置の駆動タイミングを示す図である。

図 5は、本発明の第 3の実施の形態における不純物導入装置の本体部の模式的な断面図である。

図 6は、本発明の第 4の実施の形態における別の不純物導入装置の模式的な断面図である。

図 7は、本発明の第 5の実施の形態における不純物導入方法を説明するための不純物導入装置の本体部の模式的な断面図である。

図 8は、本発明の第 5の実施の形態の説明図であり、（a ) はプラズマ強度を示す図、（b ) は供給した物質（ドーパント）分布を示す図、（c ) はプラズマ分布を示す図である。

図 9は、本発明の第 6の実施の形態における不純物導入方法を説明するための不純物導入装置の本体部の模式的な断面図である。

図 1 0は、本発明の第 6の実施の形態における不純物分布を示すシリコンウェハ基板の平面図である。

図 1 1は、本発明の第 6の実施の形態で形成した MO S F E Tの特性を示すグラフである。

図 1 2は、本発明の第 7の実施の形態における不純物導入方法を説明するための不純物導入装置の本体部の模式的な断面図である。

図 1 3は、本発明の第 7の実施の形態における不純物分布を示すグラフである。図 1 4は、本発明第 8の実施の形態の説明図であり、（a ) はプラズマ強度を示す図、（b ) は供給した物質（ドーパント）分布を示す図、（c ) はプラズマ分布を示す図である。なお、図中の符号 1は真空チャンバ一、 2はプラズマ発生部、 3は電源、 4は保持台、 5は被処理基板、 6は真空ポンプ、 7 a , 7 bは計量チャンバ一、 8 , 1 4はノズル、 9は供給装置、 1 0はマスフローコントローラー、 1 1は圧カレギユレータ、 1 2はプラズマ、 1 3は回転駆動軸、 1 5はガス流、 1 6は高周波電源、 1 7は対向電極、 1 8はガス導入管、 1 9はマイクロノズル、 20は偏向プラズマ、 P l、 P 2は圧力計、 T 1、 T 2は温度計である。 <発明を実施するための最良の形態 >

(第 1の実施の形態）

以下、本発明の第 1の実施の形態ついて図 1と図 2を用いて説明する。この不純物導入装置は、基体の表面近傍における物質の分布を調整することにより、不純物導入プロフアイルを調整できるように構成されたことを特徴とする。図 1 は本発明の不純物導入装置を模式的に示した断面図であり、図 2は本発明の不純物導入方法を説明するための上記装置の本体部である。

この装置は、図 1に示すように、真空チャンバ一 1、プラズマ発生部 2とその電力供給用の電源 3とを備え、真空チャンバ一 1内には保持台 4が設けられ被処理基板 5が載置される。そして、真空チャンバ一 1の真空度を調節する真空ボンプ 6が設けられる。このようにして不純物導入装置の本体部が構成されるが、この装置は枚葉型でしかも急速処理を可能にするために、全体の容積とくに真空チヤンバー 1の容積が必要最小限になるように構成することが重要である。ここで、プラズマ発生部 2はヘリコン波プラズマ源、 ECR (E l e c t r o n C y c l o t r o n R e s o n a n c e) プラズマ源等であり、応答速度の高いプラズマ発生源が好ましい。このようなプラズマ源により、被処理基板 5に導入するための不純物を含有する物質、ここではガスをプラズマ励起する。

上記不純物を含有するガス物質の供給系では、計量チャンバ一 7 a， 7 bが設けられ、上記ガス物質は、計量チャンバ一 7 aあるいは 7 bを通して真空チャンバー 1にノズル 8から一定量供給される。ここで、計量チャンバ一 7 a， 7 bは一定量のガス物質を貯蔵するように構成されている。この貯蔵量は計量チャンバ一 7 a， 7 bの容積、ガス温度、ガス圧力で決定され、それぞれ温度計 T l、 Τ 2および圧力計 Ρ 1、 Ρ 2でモニターされ図示しないがそれぞれの温度制御部、圧力制御部でガス温度、圧力が安定的に制御されている。なお、この計量チャンバーは更に必要に応じて増設する。そして、上記計量チャンバ一^■のガス供給は、供給装置 9からマスフローコントローラー 1 0を通して行うカ^ 計量チャンバ一 7 a, 7 bへ供給するガス分量は圧力レギユレータ 10での圧力制御により厳密に規定することができる。ここで、ガスは、 B₂H₆、 B F₃、 A s H₃、 PH₃、あるいはこれらを不活性ガス希釈したものである。

本発明の不純物導入装置は、不純物を含有する物質をプラズマ励起し不純物を基板にドーピングするものであるが、反応ガスを連続的に反応チャンバ一に供給しプラズマ生成する R I E (R e a c t i v e I o n E t c h i n g) のようなドライエッチングあるいは CVD (C h em i c a l Va p o r D e ρ o s i t i o n) と異なり、本発明の不純物導入装置では、基板への不純物導入量（ドーズ量）に対応した一定量のガスを高精度にプラズマ化できるものである。この構成により、極めて浅い深さの不純物導入が可能となり、高精度に不純物の導入深さの制御が可能となる。

また、大口径の半導体基板である基体への不純物導入が急速処理で可能になり、短時間で枚葉処理できるようになる。このために、高精度で信頼性の高い半導体デバイスを生産性よく形成することが可能となる。また液晶表示基板に用いた場合には、液晶表示デバイスの量産能力が向上し、生産コストの低減が可能となる。図 1に示した不純物導入装置において、保持台 4を導電体で構成し保持台 4に直流（DC) 電源あるいは高周波電源である RF電源を取り付けてもよレ、。ここで、 RF電源は周波数が 100 kHz〜l 0MHzの高周波電源である。これらの電源により生成したプラズマと被処理基板 5との間に数 e V〜 1 k e V範囲の DC電位を形成できるようになる。また、保持台 4を回転できるような機構を取り付けてもよい。この回転機構で被処理基板 5に水平面上で例えば 10 r p m程度の回転を加えることで、被処理基板 5面内での不純物ドーズ量の均一性が更に向上する。

また、不純物を含有する物質としては、上述したような常温 ·常圧で気体であるもの以外に、 B、 A s、 P、 S b、 I n、 A l、 S iの微粒子のような固体、上記不純物を含有する液体あるいは、固体微粒子を液体で囲んだものなどを用いてもよい。但し、この場合には、図 1で示した供給系は少し異なったものになる力不純物を含有する物質が一定量供給できるようになっていることが必要である。

次に、本発明の不純物導入方法を図 2および図 3に基づいて説明する。ここで、図 1に示した部位と同一部位は同一符号で示す。図 3 ( a ) 乃至（c ) はそれぞれ真空ポンプ 6、ガス供給用の供給ノズル 8、プラズマ励起用の電源 3の駆動状態を示すタイミングチャートである。図 2に示すように、保持台 4上に例えば被処理基板 5として 3 0 Ο πιπι φ径のシリコンウェハを載置し静電吸着により固定させる。そして、真空ポンプ 6を作動させ真空チャンバ一 1内の真空度を 1 0 "³ P a程度にした後、真空ポンプ 6によるガス排気を停止させる。

このような状態にした後、計量チャンバ一 7 a、 7 b内の上述した一定量のガス物質を真空チャンバ一 1内にノズル 8を通して供給する。ここで、真空ポンプ 6は停止状態であるために、真空チャンバ一 1に流入するガス物質の流速は時間と共に低下していく。そして、被処理基板 5の表面近傍あるいは真空チャンバ一 1内での上記ガス物質の流れが平衡状態になり準静的な状態に安定した時点で、電源 3によりプラズマ発生部 2を駆動させて真空チャンバ一 1内に充満するガス物質をプラズマ励起する（区間 P ：図 3参照）。ここで、実際に測定する、あるいはシミュレーションにより、このガス物質の流速が所定の値（換算値： 1 0 0 m e V) 以下になる時点で、プラズマ発生部 2を駆動させて真空チャンバ一 1内に充満するガス物質をプラズマ励起する。

このようにして、均一の空間分布を有するプラズマ 1 2を生成させ、所定の時間（例えば 1分間）に亘り被処理基板 5表面をプラズマ 1 2に曝させる。ここで、ブラズマ 1 2は電子温度とイオン温度とが極端に異なる熱非平衡ブラズマであり、通常、イオン温度は数十度となりその熱運動エネルギーは小さいものである。上述した被処理基板 5へのプラズマ照射により、導入する不純物を含有する物質が、被処理基板 5表面あるいはその内部に、吸着形態あるいは低エネルギー（上述した数 e V〜l k e V)イオン注入形態で導入される。ここで、吸着形態では、上記被処理基板 5表面に、上記物質が物理吸着すると共に、主に、上記プラズマ励起で生成する上記物質の中性ラジカルのような活性種が化学吸着する。また、ィォン注入形態では、上記物質中の不純物材料をィォン化にしたものが、一部は熱運動で表面内に注入される（伹し、上述したように熱運動エネルギーは小さくその量は僅かである）と共に、主に、プラズマ 1 2と被処理基板 5表面に生じるイオンシースあるいは所謂セルフバイアスのような D C電圧で加速されて注入される。

この後、図 1では示さなかったがマルチチャンバ一構成の別チャンバ一内で R T A (急速熱処理）を施す。このようにして、本発明の不純物導入方法では、被処理基板 5表面近傍に均一で浅い不純物導入を行うことができる。また、一定量のガス物質を真空チャンバ一 1内に供給するために、基体表面への不純物導入量が所望の設定量になるように制御できる。

(第 2の実施の形態）

前記第 1の実施の形態では、図 3にタイミングチャートを示したように、不純物となる物質を供給しながらプラズマ励起を行ったが、本実施の形態ではプラズマ励起のタイミングを変え、図 4にタイミングチャートを示すように、不純物の供給を停止した後、プラズマ励起を行うようにしたものである。

図 4 ( a ) に真空ポンプのタイミングチャートを示す。すなわち、上述したように、真空チャンバ一 1内の真空度を 1 0—³ P a程度にした後、ガス排気を停止する（図 4 ( b ) ) 。そして、計量チャンバ一 7 a、 7 b内の上述した一定量のガス物質を真空チャンバ一 1内にノズル 8を通して供給した後、図示しないが電磁バルブで上記供給も停止する。

この後、プラズマ発生部 2を駆動させてプラズマ 1 2を生成させる（図 4 ( c ) )。後は上述したのと同様にして、区間 Pの間、被処理基板 5表面部に不純物導入することになる。このような方法では、必ずしも計量チャンバ一 7 a、 7 bは必要でない。図 1で示した供給装置 9から直接に真空チャンバ一 1へガス物質を導入しても、マスフローコントローラー 1 0でガス物質の分量を厳密に規定できるためである。

この場合も、上述したように真空チャンバ一 1内での上記ガス物質の流れが平衡状態になり準静的な状態に安定した時点で、ガス物質をプラズマ励起する。 (第 3の実施の形態）

次に、本発明の第 3の実施の形態について図 5を参照しつつ説明する。

この実施の形態は、前記第 1および第 2の実施の形態と異なり、真空チャンバ一 1内に導入する不純物含有ガスに意図的に所定の空間分布をもたせ、被処理基板 5への不純物ドーズ量の均一性を向上させることを特徴とする。図 5は本発明の不純物導入装置の本体部の模式的な断面図である。ここで、第 1の実施の形態における部位と同様の部位は同一符号で示す。

この装置では、多数の噴出口を有するノズル 1 4が計量チャンバに接続され、ノズル 1 4からの不純物を含有するガスの噴出量に分布を持たせるように調整されたことを特徴とする。

図 5において、第 1の実施の形態で説明したのと同様に、真空チャンバ一 1、プラズマ発生部 2とその電力供給用の電源 3が設けられ、真空チャンバ一 1内には保持台 4が設けられ被処理基板 5が載置される。ここで、保持台 4には回転駆動軸 1 3が取り付けられ、矢印の方向に回転するようになっている。

また、真空チャンバ一 1の真空度を調節する真空ポンプ 6が設けられる。そして、図 5に示すように上述した計量チャンバ一 7には多数の噴出口を有するノズル 1 4が接続され、このノズル 1 4は真空チャンバ一 1内に挿入されている。ここでノズル 1 4は管状のものでもよいし、平面的な広がりを有するものであってもよい。ここで、噴出口は口径が / オーダーのマイクロノズルの集合体で構成されるとよい。そして、計量チャンバ 7からのガスの導入において、図 5に矢印の分布で示すように空間的に不均一なガス流 1 5が生成できるようになっている。

このようにノズルからのガスの供給量を制御することにより、位置等の諸条件に起因するプラズマのばらつきを相殺し、均一な分布を形成することも可能である。

(第 4の実施の形態) 次に、本発明の第 4の実施の形態の不純物導入装置を説明する。この不純物導入装置は、図 6に示すように、ヘリコン波プラズマ、 E C Rプラズマ生成と異なり、平行平板電極に周波数 1 3 . 5 6 MH zの高周波を印加してプラズマ生成するものである。図 5において、第 1の実施の形態で説明したのと同様に、真空チヤンバー 1内には保持台 4が設けられ被処理基板 5が載置される。ここで、導電体から成る保持台 4には高周波電源 1 6が取り付けられ平行平板電極の一電極となる。そして、対向電極 1 7、真空チャンバ一 1の真空度を調節する真空ポンプ 6が設けられている。

上述した対向電極 1 7には多数の噴出口が設けられ、ガス導入管 1 8を通して計量チャンバ一 7に接続している。ここで、噴出口は口径が 1 0 x mオーダーのマイクロノズルの集合体で構成される。そして、計量チャンバ一 7から真空チヤンバー 1へのガス物質導入において、図 6に示すように空間的に不均一なガス流 1 5が生成できるようになつている。この例では、電極を構成する保持台 4および対向電極 1 7の周縁部近傍では中心部に比べ電界が弱いため、周縁部のガス流 1 5がより高濃度となるように調整することにより、プラズマ分布は基板面内で均一となる。

なお、平行平板電極に並行する磁界を永久磁石等で付加するようにしてもよく、この場合でも高密度プラズマを容易に生成することができる。図 6に示す磁界がそれを表しており、同様に高周波による電界も示している。

(第 5の実施の形態）

次に、図 7と図 8を参照して第 5の実施の形態について説明する。この場合でも第 1の実施の形態で説明した方法を基本とするが、本実施の形態では、上述したようにガス物質の導入に空間分布を持たせた点を特徴とする。通常、プラズマ励起に用いる高周波あるいはマイクロ波の電磁エネルギー密度は空間的分布を有し必ずしも一様ではない等の理由からから、生成するプラズマには空間分布が生じる。

そこで、この実施の形態では、上記理由によって生じるプラズマの空間分布（以下、これをプラズマ分布と呼称する）を相殺するようにガス物質の供給に空間分布を持たせる。ここで、上記のプラズマ分布は周知のプラズマ発光分光測定、ファラディ力ップあるいはラングミュア一プローブ等で計測できる。

図 7に示すように、保持台 4上に例えば被処理基板 5を载置し静電吸着により固定させ回転駆動軸 1 3で回転させる。例えば 2 0 r p mで水平に回転させる。そして、真空ポンプ 6を作動させ、真空チャンバ一 1内の真空度を 1 0 _³ P a程度にした後、真空ポンプ 6によるガス排気を停止させる。このような状態にした後、計量チヤンバー 7内の上述した一定量のブラズマ発生用の物質を真空チヤンバー 1内にノズル 1 4を通して導入する。ここで、ノズル 1 4には多数のマイクロノズノレ 1 9が備えられ、このマイクロノズル 1 9を通して真空チャンバ一 1内で空間的に不均一なガス流 1 5が生じる。そして、被処理基板 5の表面近傍あるいは真空チャンバ一 1内での上記プラズマ発生用の物質の流れが平衡状態になり準静的な状態に安定した時点で、電源 3によりプラズマ発生部 2を駆動させて真空チャンバ一 1内に充満するプラズマ発生用の物質（ガス物質）をプラズマ励起する。

例えば、このガス物質の流速が所定の値（換算値： l O O m e V) 以下になる時点で、プラズマ発生部を駆動させて真空チャンバ一 1内に不均一に導入したガス物質をプラズマ励起する。このプラズマ励起で電磁エネルギー密度の低い空間には多量のガス物質が存在し、電磁エネルギー密度の高い空間には少量のガス物質が存在するように上記ガス流 1 5を調整する。そして、所定の時間（例えば 1 分間）に亘り被処理基板 5表面をプラズマに曝させる。後は、第 1の実施の形態で説明したのと同様の処理を行う。

この結果について図 8に基づいて説明すると、図 8 ( a ) に示すように、ブラズマ励起に用いる高周波あるいはマイクロ波の電磁エネルギー密度の空間的分布等からプラズマ分布が生じる。すなわち、プラズマ分布は、回転する被処理基板 5からみると、通常では、同心円状の分布形状になる。そこで、このプラズマ励起の電力分布等によって結果的に生じるプラズマの分布（イオンやラジカル、中性粒子の分布）を相殺するように、図 8 ( b ) に示すプラズマ発生用の物質（ガス物質）の空間分布を持たせる。ここで空間分布は、被処理基板 5表面近傍でのものであってもよいし、真空チヤンバー 1内のものであってもよい。このようなガス物質の空間分布は、いわゆる熱運動を加味したガス流のシミュレーションあるいは試行実験から求める。ここで、この場合も、回転する被処理基板 5からみたガス物質の空間分布を示している。このような空間分布を有するガス物質をプラズマ励起すると、図 8 ( c ) に示すように、被処理基板 5からみると一様な空間分布を有するプラズマが生成され、この被処理基板 5は均一なプラズマに曝されるようになる。このようにして、被処理基板 5面内で均一な不純物導入が可能になる。また、上述したようなマイクロノズルを通したガス物質の供給は、基体を配置するチャンバ一内における物質の空間的分布を高精度に制御できるようになる。

第 1の実施の形態で述べたように、被処理基板 5へのプラズマ照射により導入される不純物は、吸着形態あるいは低エネルギ一のィォン注入形態で導入される。ここで、吸着形態では、中性ラジカルのような活性種が化学吸着する。また、ィオン注入形態では、上記物質のイオン化にしたものが、プラズマと被処理基板 5 表面に生じるイオンシースあるいは所謂セルフバイアスのような D C電圧で加速されて注入される。図 8 ( a ) 乃至（c ) に示す結果は、ガス物質の空間分布を制御することで、吸着形態での不純物導入も調整できることを示している。

(第 6の実施の形態）

次に、第 6の実施の形態の不純物導入方法について説明する。この実施の形態は、第 3の実施の形態と異なり、真空チャンバ一 1内に導入するガス物質に意図的に所定の空間分布をもたせ、被処理基板 5への不純物ドーズ量が面内で不均一になるように制御する場合である。この場合の不純物導入装置は第 2の実施の形態で説明したものと同様のものを用いればよい。

図 9に示す不純物導入装置の本体部において、真空チャンバ一 1内に保持台 4 上に例えば被処理基板 5を載置し静電吸着により固定させる。そして、図に示すように真空チャンバ一 1の左下端部の位置に設けられた真空ポンプ 6を作動させる。また、真空チャンバ一 1へのガス物質は、真空チャンバ一 1の右上端部に設置したノズル 8を通して計量チャンバ一 7から導入する。このようにして真空チャンバ一 1内で右上から左下へのガス物質の流れを形成した後、電源 3によりプラズマ発生部 2を駆動させて真空チャンバ一 1内に不均一に導入したガス物質をプラズマ励起する。

このようにして、図 9の斜線で模式的に示すように右から左に向かってプラズマ密度が低くなる偏向プラズマ 2 0が生成される。そして、所定の時間（例えば 1 0秒間）に亘り被処理基板 5表面を偏向プラズマ 2 0に曝させる。後は、第 1 の実施の形態で説明したのと同様の処理を行う。

この結果について図 1 0を参照して説明する。図 9はボロン不純物を 3 0 0 m ιη φ のシリコンウェハ（被処理基板 5 ) に導入した後のシリコンウェハ面内の不純物分布である。被処理基板 5にはシート抵抗分布が示されている。図 1 0の矢印の方向にシート抵抗が高くなる。ここで、図 1 0に示す被処理基板 5の上部は図 9において右手側に対応し、図 1 0に示す被処理基板 5の下部は図 9において右手側に対応する。このように、真空チャンバ一 1内でガス物質の空間分布を持たせることで、被処理基板 5面内で所望の不均一性を有する不純物導入が可能になる。

図 1 1は、図 1 0に示すような不均一性を有する不純物導入を行い、 M O S F Ε Τ用のチャネルドープを行った後のトランジスタ特性であり、ゲート電圧が一定の場合のドレイン電流とドレイン電圧の関係を示している。ここで、図中の X、 Υはそれぞれ図 1 0に示す Χ、Υ位置の半導体チップの M O S F Ε Τに対応する。このように、被処理基板 5への一度の不純物導入で特性の異なる M O S F E Tを有する半導体チップを多数個製造することが可能になる。

(第 7の実施の形態）

次に、上記第 7の実施の形態の別の不純物導入方法について説明する。この場合の不純物導入装置は図 7で示した第 3の実施の形態で説明したものと同様のものである。但し、この場合には、回転駆動軸 1 3はなく被処理基板 5は回転させない。図 1 1に示す不純物導入装置の本体部において、真空チャンバ一 1内に保持台 4上に例えば被処理基板 5を載置し静電吸着により固定させる。そして、真空ポンプ 6を作動させ真空チャンバ一 1内の真空度を 1 0—³ P a程度にした後、真空ポンプ 6によるガス排気を停止させる。

そして、計量チャンバ一 7内のプラズマ発生用の物質（ガス物質）を真空チヤンバー 1内にノズル 1 4を通して導入する。ここで、ノズル 1 4には多数のマイクロノズル 1 9が備えられ、このマイクロノズノレ 1 9を通して真空チャンバ一 1 内で空間的に不均一なガス流 1 5が生じる。そして、電源 3によりプラズマ発生部 2を駆動させて真空チャンバ一 1内に不均一に導入したガス物質をプラズマ励起し、所定の時間（例えば 1 0秒間）に亘り被処理基板 5表面をプラズマに曝させる。後は、第 1の実施の形態で説明したのと同様の処理を行う。

この結果、図 1 3に示すように、ステップ形状のプラズマ密度を有するプラズマが真空チャンバ一 1内に生成される。すなわち、被処理基板 5の左側から右側にかけて階段状に低下するプラズマを生成できるようになる。この場合のマイク口ノズルを通したガス物質の供給は、基体を配置するチヤンバー内における物質の空間的分布を高精度に制御できるようになる。そして、基体表面の不純物量の制御およびその分布の自在な制御が更に促進される。

このために、図 1 0に示した場合よりも高い精度で不均一性のある不純物導入をすることが可能になる。そして、 MO S F E Tのチャネルドープ以外にもソース- ドレイン領域となる拡散層の形成、ゥエル層の形成が高い精度で実現できる。本発明の第 7の実施の形態では、半導体基板表面への不純物導入において基板面内で不純物の導入量を自在に制御することが容易になるために、同一基板内に、不純物分布の異なる領域を 1回の不純物導入処理で自在に形成することができる。従って、半導体集積回路の形成においては、マスク合わせのマージンが不要となり、より微細化、高集積化が可能となる。また、多品種少量生産の半導体デバイス製品への対応が迅速になる。また、半導体装置の試作において、 1枚のシリコンウェハに異なる多数の条件で不純物導入した半導体チップを形成できるために、半導体装置製造の最適化が迅速になる。そして、半導体装置の製造において顧客ニーズへの対応の迅速化をはかることが可能となる。

(第 8の実施の形態) 以上の実施の形態では、半導体デバイスを形成する半導体基板を被処理基板として説明してきたが、本発明は、被処理基板が液晶表示デバイスを形成するマトリックス基板の場合でも全く同様に適用される。前記第 1の実施の形態で用いたのと同様の不純物導入装置を用いて実現されるが、大面積基板の場合、真空チヤンバー内でプラズマの励起電力には分布ができ易く、図 14 (a)に示すように、特に端部が低くなり易い。そこでこの場合には、本発明の第 8の実施の形態として図 14 (b) に示すように、ガスの供給量を端部で高めるようにし、結果として図 14 (c) に示すように、均一なプラズマ密度を実現することができる。従つて大面積基板を形成することが可能となる。

また、本発明は、上記の実施の形態に限定されることなく、本発明の技術思想の範囲内において、実施の形態は適宜に変更可能である。例えば、第 3、第 7の実施の形態においては、真空チャンバ一 1内に計量チャンバ一 7から一定量のプラズマ発生用の物質（ガス物質）を導入してそれをプラズマ励起する場合について記載しているが、計量チャンバ一 7を通さずに供給装置 9からマスフローコントローラー 10を通してガス物質を導入しても同様な効果が生じる。この場合には、真空ポンプ 6を作動させガス物質を排気しながらプラズマ励起を行ってもよい。この場合の不純物ドープ量は、マスフローコントローラー 10から積算して求めたガス物質の総導入量により制御できる。また、本発明の不純物導入装置の特徴は、急速処理が可能なことである。そこで、プラズマ発生部 2は I CP ( I n d u c t i v e C o u l e d P l a s ma) のように高密度プラズマを生成するものにしてもよい。但し、この場合においても、前述したように高速な応答ができるようにする必要がある。

なお、前記実施の形態では、減圧下で不純物を導入する方法について説明した力常圧下で導入することも可能である。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つて明らかである。

本出願は、 2003年 6月 9日出願の日本特許出願 Ν 2003-164249、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。ぐ産業上の利用可能性〉

以上のように本発明は、不純物を含有する物質をプラズマ励起し、励起された上記物質より不純物を基体内に導入する不純物導入方法であって、基体を配置したチャンバ一内における物質の空間分布を、プラズマ分布に応じて調整する。あるいは、本発明の不純物導入方法は、上記基体表面近傍における物質の分布力プラズマ分布に応じた分布をもつように調整して上記物質をチャンバ一内に供給する工程と、上記物質が基体表面で平衡状態となつた後にプラズマを発生させる工程とを含んでいる。

このために、本発明は、高周波あるいはマイクロ波等のプラズマ励起のための電力などの空間的均一性が悪くても、基体表面から極めて浅い領域に非常に均一性の高い不純物導入が可能を可能にするという効果を有する不純物導入方法を提供することができるものである。

Claims

請求の範囲

1 . 導入すべき不純物を含有する物質をプラズマ励起し、励起された前記物質から前記不純物のプラズマを基体内に導入する不純物導入方法であって、前記プラズマの分布の少なくとも一部を相殺し得るように、前記基体表面近傍における前記物質の分布を調整するようにしたことを特徴とする不純物導入方法。

2 . 請求の範囲第 1項に記載の不純物導入方法であって、

前記基体表面近傍における前記物質の分布が、前記プラズマの分布の少なくとも一部を相殺しうるように調整して前記物質を前記基体を配置したチヤンバー内に供給する工程と、

前記物質が前記基体表面で平衡状態となった後にブラズマを発生させる工程とを含む不純物導入方法。

3 . 請求の範囲第 2項に記載の不純物導入方法であって、

前記物質を供給する工程は、前記基体に導入される前記不純物が均一となるように調整される不純物導入方法。

4 . 請求の範囲第 2項に記載の不純物導入方法であって、

前記物質を供給する工程は、前記基体に導入される不純物が所定の分布をもつように調整される不純物導入方法。

5 . 請求の範囲第 1項乃至第 4項のいずれかに記載の不純物導入方法であつて、

前記物質の供給を停止させた状態でプラズマを発生させることを特徴とする不純物導入方法。

6 . 請求の範囲第 1項乃至第 4項のいずれかに記載の不純物導入方法であつて、

前記物質の供給および排出を停止させた状態でプラズマを発生させることを特徴とする不純物導入方法。

7 . 不純物を含有する物質をプラズマ励起し、励起された前記物質より前記不純物を基体内に導入する不純物導入方法であって、前記基体を配置したチャンバ一内への前記物質の供給を停止させた状態でブラズマを発生させることを特徴とする不純物導入方法。

8 . 不純物を含有する物質をプラズマ励起し、励起された前記物質より前記不純物を基体内に導入する不純物導入方法であって、

前記基体を配置したチャンバ一内への前記物質の供給およびその排出を停止させた状態でプラズマを発生させることを特徴とする不純物導入方法。

9 . 不純物を含有する物質をプラズマ励起し、励起された前記物質より前記不純物を基体内に導入する不純物導入方法であって、

前記基体を配置したチャンバ一内に供給した前記物質が前記基体表面で平衡状態となつた後にブラズマを発生させることを特徴とする不純物導入方法。

1 0 . 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つて、

前記物質の流速が換算速度で 1 0 O m e V以下となったのち、プラズマを発生させることを特徴とする不純物導入方法。

1 1 . 請求の範囲第 1項乃至第 1 0項のいずれかに記載の不純物導入方法であって、

前記基体を配置したチャンパ一内に前記物質を一定量供給した後にプラズマを発生させることを特徴とする不純物導入方法。

1 2 . 請求の範囲第 1 1項に記載の不純物導入方法であって、

供給する前記物質の一定量は前記基体に導入する不純物量に応じて決定されることをすることを特徴とする不純物導入方法。

1 3 . 請求の範囲第 1項乃至第 1 2項のいずれかに記載の不純物導入方法であって、

前記基体を配置したチヤンバー内への前記物質の供給はマイクロノズルを介して、前記不純物の分布を調整しつつ行うことを特徴とする不純物導入方法。

1 4 . 請求の範囲第 1項乃至第 1 3項のいずれかに記載の不純物導入方法であって、

前記物質は、気体である不純物導入方法。

1 5，請求の範囲第 1 4項に記載の不純物導入方法であって、前記気体は、 B ₂ H₆、 B F ₃、 A s H₃、 P H₃のいずれかを含む不純物導入方法。

1 6 . 請求の範囲第 1項乃至第 1 3項のいずれかに記載の不純物導入方法であって、

前記物質は、微粒子である不純物導入方法。

1 7 . 請求の範囲第 1項乃至第 1 3項のいずれかに記載の不純物導入方法であって、

前記物質は、微細液滴である不純物導入方法。

1 8 . 請求の範囲第 1 6項または第 1 7項に記載の不純物導入方法であって、前記微粒子は、 B、 A s、 P、 S b , I n , A 1のいずれかを含む不純物導入方法。

1 9 . 不純物を含有する物質をプラズマ励起し、励起された前記物質より前記不純物を基体内に導入する不純物導入装置であって、

前記基体を配置するチャンバ一と、

前記チャンバ一内へ前記物質を供給する手段と、

前記チャンバ一内を真空排気する手段と、

前記物質を平衡状態に維持しつつ、ブラズマ化するブラズマ発生手段とを備えていることを特徴とする不純物導入装置。

2 0 . 請求の範囲第 1 9項に記載の不純物導入装置であって、

前記物質を供給する手段は、前記物質を計量し貯蔵する機構を有していることを特徴とする不純物導入装置。

2 1 . 請求の範囲第 2 0項に記載の不純物導入装置であって、

前記物質を計量し貯蔵する機構は、貯蔵容器の容積、圧力、温度を制御し前記物質を一定量に保持することを特徴とする不純物導入装置。

2 2 . 請求の範囲第 2 0項乃至第 2 1項に記載の不純物導入装置であって、前記物質を計量し貯蔵するための容器は、前記基体に導入する不純物量に対応した量の物質が貯蔵できるようになっていることを特徴とする不純物導入装置。

2 3 . 請求の範囲第 1 9項乃至第 2 2項のいずれかに記載の不純物導入装置であって、前記物質は、気体、微粒子あるいは微細液滴である不純物導入装置。

2 4 . 請求の範囲第 1項乃至第 1 8項のいずれかに記載の不純物導入方法において、

前記物質の挙動をシミュレーションする工程を含み、

前記シミュレーション結果に基づいて、前記プラズマを発生させるタイミングを調整するようにした不純物導入方法。

2 5 . 請求の範囲第 1項乃至第 1 8項、第 2 4項のいずれかに記載の不純物導入方法または請求の範囲第 1 5項乃至第 2 3項のいずれかに記載の不純物導入装置を用いて形成される半導体装置であって、

前記不純物の導入によって形成された素子領域をもつ半導体装置。

2 6 . 請求の範囲第 2 5項に記載の半導体装置であって、

前記素子領域は複数の異なる不純物プロファイルをもつ不純物導入領域を含むことを特徴とする半導体装置。