WO2005036626A1 - 接合の形成方法およびこれを用いて形成された被処理物 - Google Patents

接合の形成方法およびこれを用いて形成された被処理物 Download PDF

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WO2005036626A1
WO2005036626A1 PCT/JP2004/015308 JP2004015308W WO2005036626A1 WO 2005036626 A1 WO2005036626 A1 WO 2005036626A1 JP 2004015308 W JP2004015308 W JP 2004015308W WO 2005036626 A1 WO2005036626 A1 WO 2005036626A1
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light
plasma
wavelength
forming
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PCT/JP2004/015308
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Yuichiro Sasaki
Cheng-Guo Jin
Bunji Mizuno
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Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/26—Bombardment with radiation
    • H01L21/263—Bombardment with radiation with high-energy radiation
    • H01L21/268—Bombardment with radiation with high-energy radiation using electromagnetic radiation, e.g. laser radiation

Definitions

  • the present invention relates to a method for forming a junction and an object formed using the same, and more particularly, to a method for forming a junction for forming an electronic element on a semiconductor substrate, and an insulating substrate used for a liquid crystal panel or the like.
  • the present invention relates to a method for forming a bond for forming an electronic element on a substrate having a semiconductor thin film formed on a surface.
  • an SOI (silicon on insulator) substrate in which a silicon thin film is formed on a substrate surface via an insulating film is widely used in various semiconductor devices such as DRAM.
  • glass substrates with a semiconductor thin film formed on the substrate surface are attracting attention in order to reduce the size and speed of liquid crystal panels by integrating liquid crystal drive circuits including thin film transistors (TFTs) in the semiconductor thin film.
  • TFTs thin film transistors
  • a pn junction is used.
  • a method for forming such a pn junction a method has conventionally been used in which a p-type impurity such as boron is introduced into an n-type silicon substrate by ion implantation and then electrically activated by a halogen lamp.
  • plasma doping is expected as a next-generation method capable of efficiently introducing particles with extremely low energy, in addition to ion implantation.
  • Xenon flash lamp light, solid laser light, and excimer laser light all have intensity peaks at shorter wavelengths than halogen lamp light.
  • halogen lamp light there is an intensity peak at 1000-1100 nm.
  • xenon flash lamp light has a peak at a wavelength of 400-500 nm
  • excimer laser light has a peak at a wavelength of 400 nm or less. Since it has an intensity peak at a short wavelength, it is possible for silicon to efficiently absorb light (see Non-Patent Documents 1 and 2). Thereby, light energy can be absorbed in a shallow portion of the substrate surface, and a shallow activation layer can be formed.
  • a method of forming a shallow activation layer using the difference in light absorption coefficient between silicon crystal and amorphous silicon has also been proposed. That is, in the wavelength range of 375 nm or more, amorphous silicon has a larger light absorption coefficient than silicon crystal. Therefore, for example, an amorphous layer is formed in advance on the surface of the silicon substrate before light irradiation, and then the light is irradiated, so that more light energy is absorbed by the amorphous layer, resulting in shallow activation. It is to form a layer.
  • the amorphous layer is formed by ion implantation of germanium or the like (see Non-Patent Documents 1, 2, 3, 4, and 5).
  • Non-Patent Document 1 2 a shallow junction is formed by irradiating light with a short wavelength of 375 nm or more and 800 nm or less to efficiently absorb light energy into the substrate.
  • Non-Patent Document 1 2 it is common to pre-amorphize the substrate surface before introducing the impurities, and then to introduce the impurities.
  • ion implantation of BF 2+ or B + is used for impurity introduction
  • ion implantation of germanium or silicon is used for pre-amorphization.
  • the ion implantation must be performed twice and the process is complicated.
  • the ion implantation of BF 2+ or B + must lower the accelerating voltage to several hundred volts, so that the beam current value was reduced and the throughput was low.
  • the combination of the two ion implantation conditions is diverse, and the methods of boron introduction and electrical activation are often researched and developed separately, so that the wavelength of the electromagnetic wave to be irradiated is different. At present, it has not been possible to determine the proper state of the substrate surface.
  • Non-Patent Document 1 Ext.Abstr. Of IWJT, pp23-26, Tokyo, 2002.
  • Non-Patent Document 2 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers, pp53-54, Kyoto, 2003.
  • Non-Patent Document 3 Ext.Abstr. Of IWJT, pp31-34, Tokyo, 2002.
  • Non-Patent Document 4 Ext.Abstr. Of IWJT, pp27-28, Tokyo, 2002.
  • Non-Patent Document 5 2000 International Conference on Ion Implantation Technology Proceedings, 2000, pp. 175-177.
  • ion implantation of BF 2+ or B + is used to introduce the impurity, and pre-amorphization is used to introduce the impurity.
  • germanium silicon is used, there is a problem that the ion implantation must be performed twice and the process is complicated.
  • the ion implantation of BF 2+ or B + had to reduce the accelerating voltage to several hundred volts, so that the beam current value was reduced and the throughput was low.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a method for forming a junction, which has a simple process, has a high throughput, and can form a shallow junction with high accuracy.
  • an appropriate substrate surface state corresponding to the wavelength of the light (electromagnetic wave) to be irradiated is formed, and thereafter, the impurity is electrically activated by irradiation with light (electromagnetic wave).
  • the present inventors have changed the plasma conditions by changing the conditions of the plasma doping to create a sample in which boron is introduced into the silicon substrate and repeatedly performing evaluation of the optical characteristics of the sample surface using an ellipsometer.
  • the plasma condition and the light irradiated to electrically activate boron can efficiently activate the impurities introduced by absorbing the light efficiently by the sample, and include boron.
  • the present invention has been made focusing on this point.
  • He plasma is irradiated before the electromagnetic wave is irradiated.
  • Irradiation with He plasma significantly increases the absorption of light on the silicon substrate surface for light from 375 nm to 800 nm.
  • Ar plasma may be used instead of He plasma.
  • the same effect can be obtained by plasma containing an element to be an impurity diluted with He or Ar.
  • the method for forming a junction according to the present invention includes the steps of: forming a thin film containing an element that is electrically active in the semiconductor substrate on the surface of the semiconductor substrate; selectively exciting the thin film; Irradiating the semiconductor substrate with light having an intensity peak at a wavelength of 375 nm or more so as to activate the element.
  • the light includes light in a broad sense including electromagnetic waves. It is desirable to use light that does not have a narrow band as laser and energy that does not have straightness as the energy for selective excitation. By doing so, the high light absorptance of the thin film for a wide range of wavelengths can be effectively utilized. On the other hand, in the case of a narrow band such as a laser, only a high absorption rate for a specific wavelength of the thin film can be used.
  • halogen lamps and xenon lamps are desirable because they can irradiate light having a wide range of wavelengths onto a large area at once, and do not have the above-mentioned problems.
  • the thin film containing an element which becomes electrically active in the semiconductor substrate is usually formed by modifying the semiconductor substrate by plasma doping, or by simultaneously modifying the semiconductor substrate by plasma doping. Formed by doping an element that becomes electrically active in the substrate, or by plasma doping Includes those formed by depositing deposits on the surface of a semiconductor substrate.
  • the thin film containing an element that becomes electrically active in the semiconductor substrate may be formed after the surface of the semiconductor substrate is made amorphous by plasma irradiation, or may be made electrically active in the semiconductor substrate. After introducing the element into the semiconductor substrate, the surface of the semiconductor substrate may be amorphized by plasma irradiation to form a thin film containing the element which becomes electrically active in the semiconductor substrate. Further, in the method for forming a junction according to the present invention, the step of irradiating the light may be such that the light absorption of the thin film is ⁇ ( ⁇ ), the absorption is A (%), and the wavelength is 375 nm or more.
  • a is at a wavelength less than 600 nm in 500 nm or more> 2 E 1 9 ⁇ ⁇ 7 . 278, when the wavelength is less than 700 nm in more than 600 nm a> 4 El 4 ⁇ ⁇ 5 ⁇ 5849 , when the wavelength is 700 nm or more and less than 800 nm, those that satisfy at least one of A> 2E1 2 ⁇ ⁇ 4.7773 are included.
  • the method of forming a junction according to the present invention when the light absorption coefficient of the thin film is ⁇ ( ⁇ ), the absorption coefficient is a (cm-1), and the wavelength is 375 nm or more and less than 500 nm, ⁇ > 1E38 ⁇ ⁇ 12 '505, ct> lE24 ⁇ ⁇ 7 when less than 600 nm in wavelength is 500 nm or more. 2684, when the wavelength is less than 700 nm in more than 600 nm ⁇ > 2 ⁇ 9 ⁇ ⁇ 5 ⁇ 5873 , when less than 800nm in wavelength Ka 700 nm or more ct> 1E1 7 ⁇ ⁇ 4. characterized the Mitasuko at least one of 7782.
  • the absorptance is calculated according to the irradiation wavelength from various experimental results, so that annealing can be performed efficiently.
  • the method for forming a junction according to the present invention includes a method wherein the semiconductor substrate is an ⁇ -type silicon substrate and the impurity is boron introduced into the surface of the silicon substrate.
  • the method for forming a bond according to the present invention includes the steps of: introducing polon as an impurity by plasma doping into an n-Si (lOO) substrate and an n-Si (lOO) substrate having a surface inclined at several degrees; and Irradiating the introduced n-Si (100) substrate with a laser beam having a wavelength of 375 nm or more and 800 nm or less to electrically activate the n-Si (100) substrate. of 375 Itaitaiota above, the optical absorptance of relative light below 800 nm is including those which are a> 1E1 9 ⁇ ⁇ 6 ⁇ 833 .
  • the method for forming a bond according to the present invention has an n-Si (100) substrate and a plane inclined several degrees. introducing boron as an impurity into the n-Si (lOO) substrate by plasma doping, and irradiating the boron-introduced n-Si (lOO) substrate with a laser beam of 375 nm or more and 800 nm or less. in the method for forming a joint and a step of electrically activating one, 375 nm or more of the introduced layer of boron is a 1693 light absorption coefficient ⁇ > 1 E 2 4 ⁇ for light below 800 nm including.
  • the method for forming a junction according to the present invention includes a method in which the light absorption coefficient is measured by an ellipsometer with an incident angle of 70 degrees in a three-layer structure of air, a thin film (a layer into which boron is introduced), and a silicon substrate. .
  • the light absorptance is determined by an ellipsometer with a light absorption coefficient of 70 ° and an incident angle of 70 ° in a three-layer structure of air, a thin film (a layer into which boron is introduced) and a silicon substrate.
  • the calculation using A 100x (1—exp (— ⁇ -D) is included.
  • the step of irradiating the solid substrate with He plasma, Ar plasma, He-containing plasma, or Ar-containing plasma before irradiating the electromagnetic wave with the solid-state substrate is performed by irradiating the solid substrate with plasma containing particles to be impurities.
  • a plasma doping process by irradiating a silicon substrate with He plasma and then performing a plasma doping process using boron-containing plasma. After plasma doping without plasma may be irradiated with He plasma to the silicon substrate.
  • the light absorption coefficient can be inspected by measuring with an ellipsometer with an incident angle of 70 degrees in a three-layer structure of air, a layer into which polon is introduced, and a silicon substrate.
  • the light absorptance was measured by measuring the light absorption coefficient and the thickness of the boron-introduced layer with an ellipsometer at an incident angle of 70 degrees in a three-layer structure of air and boron and a silicon substrate.
  • the thickness of the introduced layer is D (cm)
  • A 100x (1—exp (— ⁇ ⁇ D)).
  • n-Si (100) substrate Since the absorption rate is satisfied and boron is efficiently activated, a shallow junction can be efficiently formed. It is also effective to replace the n-Si (100) substrate with a semiconductor thin film formed on an SOI substrate, a strained silicon substrate, or a glass substrate.
  • a semiconductor device manufactured by using the above-described method for forming a junction or an electronic element such as a liquid crystal substrate formed by using the semiconductor device is also effective.
  • ellipsometry and XPS may be used as the optical characteristics of the substrate.
  • the plasma doping step includes: a power supply voltage applied to plasma, a composition of the plasma, and a ratio of a plasma irradiation time including a dopant substance to a plasma irradiation time including no dopant substance. Including the step of controlling at least one of the
  • composition of the plasma is controlled by adjusting the mixing ratio of an impurity substance to be a dopant with other substances, the degree of vacuum, the mixing ratio between other substances, and the like.
  • the plasma doping step may include changing a mixing ratio of an inert substance and a reactive substance as a mixed substance with respect to the impurity substance, thereby forming a region into which the impurity is introduced.
  • Including the step of controlling the optical properties impurities such as arsenic, arsenic, boron, aluminum, antimony, and zinc are used as impurities, inert substances such as helium, argon, xenon, and nitrogen, oxygen, silane, and disilane are used as a mixture of these substances.
  • the optical properties are controlled by changing the mixing ratio of the reactive substances.
  • the plasma doping step may include, in the annealing step, promoting electrical activation of impurities included in the region into which the impurities are introduced, and energy absorption into the substrate.
  • the method includes setting an optical constant of a region in which the impurity is introduced so that the impurity can be suppressed.
  • annealing can be selectively and efficiently realized without increasing the substrate temperature.
  • the energy applied to the anneal may be not only light energy but also an electromagnetic wave in a broad sense.
  • a light source not only a halogen lamp light such as a xenon flash lamp but also a method of irradiating a white light, an all-solid laser light, an excimer laser light, or the like can be applied.
  • Xenon flash lamp light, solid laser light, and excimer laser light all have intensity peaks at shorter wavelengths than halogen lamp light. For example, Has a peak at 1000-1100 nm, while xenon flash lamp light has a peak at 400-500 nm and excimer laser light has a peak at wavelengths below 400 nm.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 Since it has an intensity peak at a short wavelength, it is possible for silicon to efficiently absorb light (see Non-Patent Documents 1 and 2). Thereby, light energy can be absorbed in a shallow portion of the substrate surface, and a shallow activation layer can be formed.
  • the step of introducing impurities does not mean simply introducing impurities, as will be specifically described in the following examples, but can efficiently use energy in a subsequent annealing step centered on light irradiation.
  • impurity introduction step in the present invention refers to the above series of steps.
  • the step of irradiating light can be replaced with the step of irradiating electromagnetic waves.
  • an electromagnetic wave component By adding an electromagnetic wave component, selective annealing in a thin film can be realized more effectively.
  • the thickness and impurity concentration of the substrate surface are adjusted according to the theoretical values based on the wavelength so as to be suitable for the activation of impurities such as boron. Therefore, annealing is efficiently performed.
  • the semiconductor element is configured to be efficiently activated in the region where the impurity exists, so that the impurity element in the semiconductor thin film or in contact with the semiconductor thin film is efficiently diffused into the semiconductor thin film, and the electric activity is reduced. And a junction can be formed efficiently at a shallow position.
  • FIG. 1 is a diagram showing a substrate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a doping apparatus for forming a substrate according to an embodiment of the present invention. is there.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a combination of the optical characteristics of the doping layer and the intensity distribution of light to be irradiated in the example of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing the optical characteristics of the doped layers of the example of the present invention and the comparative example.
  • reference numeral 100 denotes a semiconductor substrate
  • 110 denotes an impurity thin film
  • 200 denotes a vacuum chamber
  • 210 denotes a vacuum pump
  • 230 denotes a vacuum gauge
  • 240 denotes a plasma source
  • 2 denotes a plasma source.
  • 50 is a power supply
  • 260 is a substrate holder
  • 270 is a power supply
  • 280 is a line for supplying a dopant substance
  • 290 is a line for supplying another substance 1
  • 200 is another substance 2
  • 310 is a plasma
  • 400 is a light source
  • 410 is a photometer.
  • an optimal state for activation can be obtained.
  • This is not only an optical measurement of the impurities themselves, but also a physical change in the crystal state of the thin film itself, such as damage due to energy at the time of introduction, and a thin film chemistry such as formation of an oxide layer and a nitride layer. It means to measure optically as the state of "composite layer" including the change of the target.
  • an impurity thin film 110 mainly composed of impurity atoms that can become a carrier by being electrically activated in the substrate is formed. Have been.
  • the impurity thin film 110 is composed of an amorphous thin film and contains a large amount of lattice defects.
  • This state can be obtained, for example, by introducing impurities into the semiconductor substrate using particles having an energy (several 10 eV or more) sufficiently higher than the binding energy of the lattice.
  • particles having an energy (several 10 eV or more) sufficiently higher than the binding energy of the lattice are used, the semiconductor substrate or the semiconductor thin film formed on the semiconductor substrate is formed. Crystalline or non-crystalline material The physical properties of the semiconductor thin film are changed by the formation of lattice defects in the formed lattice or by the impurity substance itself, and an impurity thin film 110 having physical properties different from those of the original semiconductor substrate or semiconductor thin film is formed.
  • a lattice defect has been introduced into the semiconductor substrate 100 itself, and the state has changed from the original physical properties.
  • a plasma doping apparatus that also serves as a plasma CVD apparatus used in the present embodiment will be described. As shown in FIG. 2, the doping apparatus used in the present embodiment conducts impurities to a semiconductor substrate 100 to form an impurity thin film 110.
  • a light source 400 and a photometer 41 as measuring means for measuring the optical characteristics of the semiconductor substrate 100 on which the impurity thin film 110 into which impurities are introduced are formed.
  • control means for controlling the doping condition based on the optical characteristics obtained by the measuring means, wherein the doping condition is feedback-controlled so that an optimum surface state can be obtained.
  • the plasma doping apparatus includes a vacuum chamber 200 and a plasma source 240 for generating plasma in the vacuum chamber 200, and is mounted on a substrate holder 260, This is to perform plasma driving on the surface of a semiconductor substrate 1 • 0 as a base.
  • a vacuum pump 210 is connected to the vacuum chamber 200, and a vacuum gauge 230 for measuring vacuum is installed.
  • a power source 250 is connected to the plasma source 240. Has been continued.
  • a power source 270 for applying a unique electric potential to the substrate holder 260 is separately connected to the power source described above.
  • the vacuum chamber 200 is provided with a gas introduction mechanism for introducing these gases.
  • the gas introduction mechanism includes a first line 280 for supplying a first substance as a dopant substance, and a second line 290 for supplying a second substance that is another substance (in this case, H e), comprising a third line 300 (in this case A r) supplying another third substance.
  • the vacuum chamber is adjusted to a predetermined pressure, and plasma is generated by supplying a gas in a usual manner to perform doping.
  • a dopant substance as a first substance is supplied to the vacuum chamber 200.
  • a dopant substance and another substance different from the dopant substance are introduced as a carrier gas or as a material having a specific function.
  • a gas having a property different from that of the dopant substance for example, a rare gas or the like (having a different mass) and being electrically inactive in silicon is selected. Examples, H e Ya A r Dearu. He was selected as the other second substance, and Ar was selected as the other third substance.
  • a gas is introduced from the gas introduction line composed of the first to third lines 280, 290, and 300 described above, and plasma is generated on the surface of the solid substrate 100 in the vacuum chamber 200. 3 1 0 is generated.
  • the electrically neutral substance in the plasma adheres or is occluded near the surface of the solid substrate 100.
  • the state of the surface is determined by the state of the semiconductor substrate 100 as the base and the energy of the plasma, and may be in an adhered state or occluded.
  • it is absorbed by the semiconductor substrate 100 and adheres to the surface of the semiconductor substrate 100 as an amorphous impurity thin film.
  • the impurity introduction layer described in the above embodiment is obtained.
  • a light source 400 and a photometer 4100 are provided in the vacuum chamber 200 in order to measure the physical properties of the impurity introduction layer. Then, the optical characteristics measured by the photometer 130 are calculated by the computer 320, the calculation result is sent to the control circuit 340, and data is sent to the controller 350 as feedback information.
  • the equipment adjusts the plasma conditions and controls the physical properties of the impurity-doped layer.
  • the plasma conditions adjusted here include the power supply voltage applied to the plasma, or the voltage application time and application timing, the mixing ratio between the dopant substance and other substances, the degree of vacuum, the mixing ratio between other substances, and the dopant substance.
  • Plasma irradiation time including It is the ratio of the time period of plasma irradiation not including the dopant substance, and changes these parameters to control the physical properties of the impurity-introduced layer.
  • an impurity thin film layer is formed on the surface of the semiconductor substrate 100.
  • an impurity thin film 110 serving as an impurity introduction layer is formed on the surface of the semiconductor substrate 100.
  • a carrier gas ions in the plasma of the carrier gas also penetrate into the surface of the semiconductor thin film to mix impurities while oscillating the crystal, forming a mixed layer of the amorphous semiconductor layer and the boron layer. It is formed. Thereafter, when the concentration of impurities such as boron on the surface of the mixed layer exceeds the saturation amount that can be contained in the mixed layer, an amorphous boron thin film (impurity thin film) is formed.
  • FIG. 3 is an example of an embodiment of the present invention, and shows a light intensity distribution of light to be irradiated and a distribution of an absorption coefficient of light to be irradiated by a substrate.
  • the irradiation light was a xenon flash lamp light.
  • This xenon flash lamp light has an intensity peak at a wavelength around 470 nm as shown by the curve a.
  • the light having an intensity peak at a wavelength of 375 nm or more and 800 nm or less is exemplified.
  • the curve shown by PD-1 in the figure is the light absorption coefficient after n-Si (lOO) substrate is plasma-doped with boron.
  • the introduction of boron into PD-1 is performed by irradiating a plasma containing boron diluted with He onto an n-Si (lOO) substrate to perform plasma doping. Dove time is 60 seconds. Similar results have been obtained with 7-second and 30-second doving. Assuming that the wavelength is ⁇ ( ⁇ ) and the absorption coefficient is a (cm-l), the absorption coefficient of light in the layer into which boron is introduced in PD-1 is ⁇ > when the wavelength is 375 nm or more and less than 500 nm. 1 ⁇ 38 ⁇ ⁇ 12 5.
  • the ⁇ > 1 ⁇ 24 ⁇ ⁇ 7 ⁇ 268 4 When less than 600 nm in wavelength is 500 nm or more, when the wave length is less than 700 nm in more than 600 nm ⁇ > 2 ⁇ 19 ⁇ ⁇ 5 ⁇ 5873, wavelength 700 When it was not less than nm and less than 800 nm, ⁇ > 1E17 ⁇ ⁇ 4 ⁇ 7782 .
  • FIG. 3 it can be understood that the absorption coefficient of the xenon flash lamp light is higher after the plasma doping of PD-1 than that of the n-Si (100) substrate.
  • the curve shown by PD-2 in the figure is the light absorption coefficient when plasma doping is performed under conditions different from those of PD-1. The doping time is 30 seconds. PD-2 had an even higher absorption coefficient than n-Si (lOO) substrate and: PD-1.
  • FIG. 4 shows an example of an embodiment of the present invention, and shows a distribution of an absorption coefficient of light that a substrate to be irradiated should have when the light to be irradiated is a laser.
  • the difference between the light absorption coefficient of the doping layer and the light absorption coefficient of the n-Si (lOO) substrate is compared with that of light having an intensity distribution with respect to the wavelength. It needs to be larger.
  • PD-3 is a curve of the light absorption coefficient of the doping layer, which was created to adjust the doping conditions to be compatible with lasers with wavelengths of 500-550 nm.
  • the absorption coefficient is smaller than this curve, the boron after laser aerial diffused deeply. In other words, more than 375 nm of the layer formed by introducing boron, electricity without moving large depth distribution of boron only when the absorption coefficient of light with respect to light below 800 nm is alpha> 1 is E 2 4 ⁇ '7 ⁇ 1693 could be activated. If the absorption coefficient is smaller than the curve shown by PD-3 in the figure, the percentage of the energy absorbed by the silicon substrate under the doping layer, because the laser energy cannot be absorbed sufficiently by the surface doping layer. I think that was because it was high.
  • the diffusion depth of boron in the example will be described with reference to Table 1.
  • the diffusion depth of boron is defined as the depth at which the boron concentration becomes 1E18 cm-3, and is expressed by Xj.
  • the difference between Xj after doping and Xj after light irradiation is defined as AXj.
  • Example A is a combination of plasma doping of PD-1 and a process of irradiating light having a peak of intensity at a wavelength of 375 nm or more and 800 nm or less and having an intensity distribution with respect to the wavelength.
  • AXj is several nm to 4 nm or less.
  • the average value of AXj at this time is set to 1, and AXj of other samples is normalized and described.
  • Example B is a combination of plasma doping of PD-3 and a step of irradiating a laser beam of 375 nm to 800 nm. AXj at this time is equivalent to that of Example A, and the ratio is
  • AXj ratio 1.0 0.9 10 By performing plasma doping as described above, a doping layer having a higher light absorption coefficient than n-Si (lOO) can be easily formed in one process. Also, by appropriately selecting the optical characteristics of the doping layer and the light to be irradiated, boron can be electrically activated with little change in Xj, and a high-performance shallow junction can be formed. Here, the optical characteristics of the doping layer can be easily adjusted by changing the plasma doping conditions.
  • the comparative example is a combination of the plasma doping of PD-1 and a laser having an intensity peak at a wavelength of 375 nm to 800 nm.
  • the energy of light absorbed by the PD layer is about an order of magnitude lower than that of PD-2.
  • n-Si (lOO) absorbs light at a higher rate. Since n-Si (100) has a small light absorption coefficient, light energy reaches a deep range. In other words, boron diffuses deeply. Therefore, when AXj is compared, the value of Example A is 1 and the value of Comparative Example is about 10. In other words, it is clear that boron diffuses up to one order of magnitude in the comparative example compared to the example, and the intended shallow junction cannot be formed.
  • the depth is reduced by forming a boron diffusion layer on the n-Si (100) substrate!
  • the method for forming an n-junction has been described, it is not limited to the n-Si (100) substrate, but may be tilted several degrees, and it is also possible to change the impurity and the conductivity type. Not even. Furthermore, since the formation of a junction in a compound semiconductor can be realized while suppressing a rise in temperature, a shift in the junction level can be reduced, and a highly reliable pn junction can be realized.
  • the impurity is electrically activated by irradiating the electromagnetic wave. Since the process is simple, the throughput is high, and a shallow junction can be easily formed, it is effective for forming a fine semiconductor integrated circuit.

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Abstract

本発明の課題は、工程が簡単でスループットが高く、浅い接合を高精度に形成することができる接合の形成方法を提供することである。　照射する電磁波の波長に対応した適切な基板表面の状態を形成し、この後に、電磁波を照射して不純物を電気的に活性化させ、不純物薄膜内で励起エネルギーが効率よく吸収されるようにすることにより、浅い接合を効率よく形成することができる。

Description

明 細 書 接合の形成方法およぴこれを用いて形成された被処理物 <技術分野 >
本発明は、 接合の形成方法およびこれを用いて形成された被処理物に係り、 特 に、 半導体基板上に電子素子を形成するための接合の形成方法、 液晶パネルなど に用いられる絶縁性基板表面に半導体薄膜を形成した基板に、 電子素子を形成す るための接合を形成する方法に関する。
<背景技術 >
例えば半導体基板に、 素子領域を形成するに際しては多数の P n接合が用いら れる。また、基板表面に絶縁膜を介してシリコン薄膜を形成した S O I (silicon on insulator) 基板は D R AMなど種々の半導体装置に広く用いられている。 また基 板表面に半導体薄膜を形成したガラス基板は、 この半導体薄膜中に薄膜トランジ スタ （T F T ) を含む液晶の駆動回路を集積化することにより液晶パネルの小型 化、 高速化を企図して注目されている。
このように種々の半導体デバイスを形成するに際し、 p n接合が用いられる。 このような p n接合の形成方法としては、 従来、 n型シリコン基板にイオン注入 でボロンなどの p型不純物を導入した後、 ハロゲンランプで電気的に活性化する 方法が用いられている。
例えば、 p型不純物であるボロンの導入方法としては、 イオン注入の他に、 極 低エネルギーで効率よく粒子を導入できる次世代の方法としてプラズマドーピン グが期待されている。
導入されたボロンイオンなどのイオンを電気的に活性化させる方法としては、 ハロゲンランプ光の他、 キセノンフラッシュランプ光、 全固体レーザー光、 ェキ シマレーザー光を照射する方法などが研究開発されている。
キセノンフラッシュランプ光、 固体レーザー光、 エキシマレーザー光は、 いず れもハロゲンランプ光よりも短波長に強度のピークを持っている。 例え 、 従来 のタングステンハロゲンランプ光の場合は 1000- 1100 nmに強度のピークを持つ のに対して、 キセノンフラッシュランプ光は 400-500 nm、 エキシマレーザー光 は 400 nm以下の波長でピークを持つ。 短波長で強度のピークを持っため、 シリ コンに効率よく光を吸収させることができる （非特許文献 1、 2参照） 。 これに より、 基板表面の浅い部分で光のエネルギーを吸収させて浅い活性化層を形成す ることができる。
また、 シリコン結晶とアモルファスシリ コンの光の吸収係数の差を利用して浅 い活性化層を形成する方法も提案されている。 つまり、 375 nm以上の波長範囲 では、 シリコン結晶と比較してアモルファスシリコンの方が光の吸収係数が大き い。 そこで、 例えば、 光を照射する前のシリ コン基板表面にあらかじめァモルフ ァス層を形成しておき、 その後に光を照射することでアモルファス層により多く の光のエネルギーを吸収させて、 浅い活性化層を形成するというものである。 ァ モルファス層の形成は、 ゲルマユウムなどをィォン注入することで形成されてい る （非特許文献 1、 2、 3、 4、 5参照） 。
これらの研究成果により、 375 nm以上、 800 nm以下の短波長の光を照射して 効率よく光のエネルギーを基板に吸収させて浅い接合を形成した結果が報告され ている （非特許文献 1、 2参照） 。 これらの報告では、 不純物の導入に先立ち、 基板表面のプレアモルファス化を行い、 その後に不純物の導入をするのが一般的 である。 ここで、 不純物の導入には BF2+や B+のイオン注入が、 プレアモルファ ス化にはゲルマニウムやシリコンのイオン注入が用いられている。 つまり、 2回 のイオン注入を行う必要があり工程が複雑であるという課題があった。 また、 浅 い接合を形成するためには、 BF2+や B+のイオン注入は加速電圧を数百 Vまで下 げなければならないため、 ビーム電流値が低下しスループットが低いという問題 もあった。 さらには、 2回のイオン注入条件の組合せが多様であることや、 ボロ ンの導入と電気的活性化の方法はそれぞれ個別に研究開発されることが多いこと から、 照射する電磁波の波長にあった適切な基板表面の状態を把握するには至つ ていないのが現状である。
(非特許文献 1 ) Ext. Abstr. of IWJT, pp23-26, Tokyo, 2002.
(非特許文献 2 ) Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers, pp53-54, Kyoto, 2003.
(非特許文献 3 ) Ext. Abstr. of IWJT, pp31-34, Tokyo, 2002. (非特許文献 4 ) Ext. Abstr. of IWJT, pp27-28, Tokyo, 2002.
(非特許文默 5 ) 2000 International Conference on Ion Implantation Technology Proceedings, 2000, pp. 175-177. く発明の開示 >
シリコン基板などの固体基体に不純物を導入した後、 電磁波を照射して電気的 に活性化させる接合の形成方法において、 不純物の導入には BF2+や B+のイオン 注入が、 プレアモルファス化にはゲルマ二ゥムゃシリコンのィオン注入が用いら れているが、 2回のイオン注入を行う必要があり工程が複雑であるという課題が あった。 また、 浅い接合を形成するためには、 BF2+や B+のイオン注入は加速電 圧を数百 Vまで下げなくてはならないので、 ビーム電流値が低下しスループット が低いという課題もあった。 さらには、 2回のイオン注入条件の組合せが多様で あることなどから、 照射する電磁波の波長にあった適切な基板表面の状態を把握 するには至っておらず、 照射する電磁波に適応した基板表面の作成方法も確立さ れていないという課題があった。
このような状況のなかで、 工程が簡単で従来のイオン注入と比べてスループッ トが高く、 照射する電磁波の波長に適応した適切な基板表面の状態を作る方法が 求められていた。
本発明は、 前記実情に鑑みてなされたもので、 工程が簡単でスループットが高 く、 浅い接合を高精度に形成することができる接合の形成方法を提供することを 目的とする。
そこで本発明の方法では、 照射する光 （電磁波） の波長に対応した適切な基板 表面の状態を形成し、 この後に、 光 （電磁波） を照射して不純物を電気的に活性 化させるものである。
本発明者らは、 プラズマドーピングで条件を変えてボロンをシリコン基板に導 入する試料の作成と、 エリプソメータを用いた試料表面の光学特性の評価を繰り 返す実験から、プラズマ条件を変えることで、試料表面の光の吸収係数、反射率、 吸収率、 ドーピング層の厚さなどを調整できることを発見した。 さらに、 プラズ マ条件とボロンを電気的に活性化させるために照射する光には、 試料が光を効率 よく吸収して導入した不純物を高い割合で電気的に活性化でき、 このボロンを含 む層が選択的に励起され、 層内でボロンが良好に活性化されるようにし、 不純物 がシリコン基板の深く位置まで拡散するのを抑制するための適切な組合せがある ことを理論的にも見出した。 本発明はこの点に着目してなされたものである。 本発明では、 あるいは、 シリコンの固体基体に不純物を導入した後、 電磁波を 照射して電気的に活性化させる接合の形成方法において、 電磁波を照射する前に Heプラズマを照射することを特徴とする。 Heプラズマを照射することで、 375 nm以上、 800 nm以下の光に対するシリコン基板表面の光の吸収率が大幅に向上 するためである。 Heプラズマの代わりに、 Arプラズマを用いても良い。または、 Heや Arで希釈した不純物となるべき元素を含むプラズマでも同様の効果を得る ことができる。
すなわち、 本発明の接合の形成方法は、 半導体基板表面に前記半導体基板中で 電気的に活性になる元素を含む薄膜を形成する工程と、 前記薄膜を選択的に励起 し、 前記薄膜内で、 前記元素を活性化するように、 前記半導体基板に、 375nm以 上の波長に強度のピークを持つ光を照射する工程とを含む。
ここで光としては電磁波を含めた広義での光を含むものとする。 選択的に励起 するためのエネルギーとしてはレーザのように狭帯域のものではなく、 また直進 性を持たない光を用いるのが望ましい。 このようにすることで、 前記薄膜が有す る広い範囲の波長に対する高い光の吸収率を有効に活用できるからである。 これ に対して、 レーザのように狭帯域のものでは前記薄膜が有する特定の波長に対す る高い吸収率しか利用できない。
さらに、 レーザーは、 一般的に、 その出力の限界から小さい面積にしか照射す ることができない。 そのため、例えば 1 cmx l cm以上のような比較的大きな面積 に照射して製品を処理したい場合には、 スキャンするなどの方法が取られる。 こ れにより、スループットが制限されるという製造上の短所にも対応が必要となる。 それに対して、 ハロゲンランプやキセノンランプでは広い範囲の波長からなる光 を大面積に一度に照射できるので上記のような課題はなく、 望ましい。
なおこの半導体基板中で電気的に活性になる元素を含む薄膜は、 通常前記半導 体基板をプラズマドーピングにより改質して形成する、 または、 前記半導体基板 をプラズマドーピングにより改質すると同時に前記半導体基板中で電気的に活性 になる元素をドーピングして形成する、 または、 プラズマドーピングにより前記 半導体基板の表面に堆積物を堆積させて形成するものを含む。
例えば、 前記半導体基板中で電気的に活性になる元素を含む薄膜は、 プラズマ 照射により半導体基板の表面をアモルファス化した後に形成されるようにしても よいし、 半導体基板中で電気的に活性になる元素を半導体基板に導入した後にプ ラズマ照射により半導体基板の表面をァモルファス化して前記半導体基板中で電 気的に活性になる元素を含む薄膜を形成するようにしてもよい。 また本発明の接合の形成方法は、 前記光を照射する工程が、 前記薄膜の光の吸 収率が、 波長を λ (ηηι)とし、 吸収率を A ( % )として、 波長が 375 nm以上で 500nm未満のときは A> 7E32λ·12316、 波長が 500 nm以上で 600 nm未満の ときは A〉 2 E 1 9 λ·7.278、波長が 600 nm以上で 700 nm未満のときは A> 4 El 4λ·5·5849、波長が 700nm以上で 800 nm未満のときは A> 2E1 2λ·4.7773の少な くとも 1つを満たすものを含む。
また本発明の接合の形成方法は、 前記薄膜の光の吸収係数が、 波長を λ (ηηι) とし、吸収係数を a (cm-1 )として、波長が 375 nm以上で 500 nm未満のときは α> 1E38λ·12'505、 波長が 500 nm以上で 600 nm未満のときは ct> lE24 λ·7.2684、波長が 600 nm以上で 700 nm未満のときは α> 2 Εΐ9λ·5·5873、波長カ 700 nm以上で 800nm未満のときは ct> 1E1 7λ·4.7782の少なくとも 1つを満たすこ とを特徴とする。
これらの方法では、 種々の実験結果から、 照射する波長に応じて吸収率を算出 するようにしているため、 効率よくァニールを行うことができる。
また、 本発明の接合の形成方法は、 前記半導体基板が、 η型シリコン基板であ り、前記不純物が、前記シリコン基板表面に導入されたボロンであるものを含む。 また、 本発明の接合の形成方法は、 n-Si(lOO)基板及び数度傾けた面を保有する n-Si(lOO)基板にプラズマドーピングによりポロンを不純物として導入する工程 と、 前記ボロンの導入された n-Si(100)基板に、 375 nm以上 800 nm以下のレー ザ一光を照射して電気的に活性化させる工程とを含む接合の形成方法において、 前記ボロンの導入された層の 375 ηηι以上、 800 nm以下の光に対する光の吸収 率が A> 1E1 9λ·6·833であるものを含む。
また、 本発明の接合の形成方法は、 n-Si(100)基板及び数度傾けた面を保有する n-Si(lOO)基板にプラズマドーピングによりボロンを不純物として導入する工程 と、 前記ボロンの導入された n-Si(lOO)基板に、 375 nm以上 800 nm以下のレー ザ一光を照射して電気的に活性化させる工程とを含む接合の形成方法において、 前記ボロンの導入された層の 375 nm以上、 800 nm以下の光に対する光の吸収 係数が α> 1 E 2 4 λ 1693であるものを含む。
また、 本発明の接合の形成方法は、 前記不純物導入工程が、 He で希釈したポ ロンを含むプラズマを n-Si(100)基板及び数度傾けた面を保有する n-Si(lOO)基板 に照射してプラズマドーピングするものを含む。
また、 本発明の接合の形成方法は、 前記光の吸収係数は、 空気、 薄膜 （ボロン を導入した層） 、 シリ コン基板の 3層構造において入射角 70度としてエリプソ メータで測定するものを含む。
また、 本発明の接合の形成方法は、 前記光の吸収率が、 空気、 薄膜 （ボロンを 導入した層） 、 シリ コン基板の 3層構造で入射角 70度としてエリプソメータで 光の吸収係数とポロンを導入した層の厚さを測定した後、 ポロンを導入した層の 厚さを D ( cm )として、 A= 100x( 1— exp (— α - D》を用いて算出するものを含む。 さらには、 本発明では電磁波を照射する前に Heプラズマ、 Arプラズマ、 He を含むプラズマ、 Arを含むプラズマを固体基体に照射する工程と不純物となるベ き粒子を含むプラズマを固体基体に照射してプラズマドーピングする工程を組み 合わせた工程を経ることを特徴とする。 例えば、 He プラズマをシリコン基板に 照射した後にボロンを含むプラズマでプラズマドーピングをすることも望ましい。 または、 ボロンを含むプラズマでプラズマドーピングした後に、 He プラズマを シリコン基板に照射してもよい。
本発明によれば、 光の吸収係数は、 空気、 ポロンを導入した層、 シリコン基板 の 3層構造で入射角 70度としてエリプソメータで測定して検査できる。 また、 光の吸収率は、 空気、 ボロンを導入した層、 シリコン基板の 3層構造で入射角 70 度としてエリプソメータで光の吸収係数とボロンを導入した層の厚さを測定した 後、 ボロンを導入した層の厚さを D ( cm )として、 A= 100x( 1— exp(— α■ D )) を用いて算出することができる。
この吸収率を満たし、 効率よくボロンが活性化されるようにしているため、 浅 い接合を効率よく形成することができる。 また、 n-Si(lOO)基板を SOI基板、 歪みシリコン基板、 ガラス基板上に形成さ れた半導体薄膜に置き換えても有効である。
さらに上記接合の形成方法を用いて製造した半導体装置あるいはこれを用いて 形成した液晶基板などの電子素子も有効である。
また本発明では、 上記接合の形成方法において、 基板の光学的特性はエリプソ メ トリ、 XPSを用いてもよい。
また本発明では、 上記接合の形成方法において、 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、 上記基板の製造方法において、 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、 反応性物質の混合 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、 憐、 ホウ素、 アルミニウム、 アンチモン、 ィンジゥムなどの物質、 これらに対する混合物質としての、 へリウ ム、 アルゴン、 キセノン、 窒素などの不活性物質、 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。 また本発明の接合の形成方法は、 前記プラズマドーピング工程が、 前記ァニー 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、 前記基板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ものを含む。
この方法により、 基板温度を上昇させることなく選択的に効率よくァニールを 実現することができる。
なおここで、 ァニ—ルに照射するエネルギーは光エネルギーのみならず、 広義 での電磁波であればよい。 光源としては、 キセノンフラッシュランプなどのハロ ゲンランプ光のみならず、 白色光、 全固体レーザ光、 エキシマレーザ光等を照射 する方法も適用可能である。 キセノンフラッシュランプ光、 固体レーザー光、 エキシマレーザー光は、 いず れもハロゲンランプ光よりも短波長に強度のピークを持っている。 例えば、 従来
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は 1000-1100 nmに強度のピークを持つ のに対して、 キセノンフラッシュランプ光は 400-500 nm、 エキシマレーザー光 は 400 nm以下の波長でピークを持つ。 短波長で強度のピークを持っため、 シリ コンに効率よく光を吸収させることができる （非特許文献 1、 2参照） 。 これに より、 基板表面の浅い部分で光のエネルギーを吸収させて浅い活性化層を形成す ることができる。
伹し、 不純物を導入する工程とは、 以下実施例で具体的に説明する通り、 単に 不純物を導入するという事では無く、 引き続き実施される光照射を中心とするァ ニール工程において、 効率良くエネルギーが吸収される様に、 不純物物質、 希ガ ス、 窒素などの不活性物質、 酸素、 シラン、 ジシランなどの反応性物質を組み合 わせて同時に、 あるいは逐次的に供給され、 ァニール工程に最適な光学的特性を 形成する。 本発明における 「不純物導入工程」 とは上記一連の工程を指す。
またこの発明において光を照射する工程は、 電磁波を照射する工程に置き換え ることもでき、 電磁波成分の追加により、 より有効に薄膜内での選択的なァニー ノレを実現することができる。
以上説明してきたように、 本発明では、 基板表面の状態を、 ボロンなどの不純 物の活性化に適したように、 波長に基づく理論値に従って、 厚さ、 不純物濃度な どを調整しているため、 効率よくァニールがなされる。 すなわち、 その不純物の 存在する領域で効率よく活性化されるように構成されるため、 半導体薄膜中もし くは半導体薄膜に接した不純物元素が半導体薄膜中に効率的に拡散し、 電気的な 活性化をはかることができ、 浅い位置で効率よく接合を形成することができる。 従って工程が簡単でスループットが高く、 照射する電磁波の波長に対応した適 切な基板表面の状態を作った後に、 電磁波を照射して不純物を電気的に活性化さ せる接合の形成方法を提供することが可能となる。
<図面の簡単な説明〉
図 1は、 本発明の実施の形態の基板を示す図である。
図 2は、 本発明実施の形態の基板を形成するためのドーピング装置を示す図で ある。
図 3は、 本発明実施例のドーピング層の光学特性と照射する光の強度分布の組 み合わせ例を示す図である。
図 4は、 本発明実施例と比較例のドーピング層の光学特性を示す図である。 なお、 図中の符号 1 0 0は半導体基板、 1 1 0は不純物薄膜、 2 0 0は真空チ ヤンバ、 2 1 0は真空ポンプ、 2 3 0は真空計、 2 4 0はプラズマ源、 2 5 0は 電源、 2 6 0は基板ホルダ、 2 7 0は電源、 2 8 0はドーパント物質を供給する ライン、 2 9 0はその他の物質 1を供給するライン、 2 0 0はその他の物質 2を 供給するライン、 3 1 0はプラズマ、 4 0 0は光源、 4 1 0は測光器である。
<発明を実施するための最良の形態 >
次に、 本発明の実施の形態について説明する。
ここでは、 不純物の導入された薄膜を有する基板の状態を、 光学的測定によつ て検知することにより、 活性化に最適な状態にすることができる。 これは単に、 不純物そのものの光学的測定のみならず、 薄膜自体の結晶状態、 導入時のエネル ギ一によるダメージなどの薄膜の結晶状態の物理的変化、 酸化層、 窒化層の生成 など薄膜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。 (実施の形態 1 )
本実施の形態 1では、基板の基本構成を説明する。図 1に示すように、 n-Si(lOO) 基板 1 0 0上に、 基板中で電気的に活性化されることでキヤリアとなり得る不純 物原子を主成分とする不純物薄膜 1 1 0が形成されている。
すなわち、 不純物薄膜 1 1 0は、 アモルファス薄膜で構成され、 多量の格子欠 陥を含むものとなっている。
この状態は、 例えば、 半導体基板に対し、 格子の結合エネルギーよりも十分高 いエネルギー （数 1 0 e V以上） の粒子を用いて不純物導入を行うことによって 得られる。 半導体薄膜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 1 0 e V以上） の粒子を用いる場合には、 半導体基板あるい は半導体基板上に形成された半導体薄膜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によって、 あるいは不純物物質自体によって 半導体薄膜の物性が変化せしめられ、 本来の半導体基板あるいは半導体薄膜とは 異なる物性をもつ不純物薄膜 1 1 0が形成される。 またここでは、 半導体基板 1 0 0自体に格子欠陥が導入されて本来の物性から変化した状態となっている。 まず、 本実施の形態で用いられるプラズマ C V D装置を兼ねたプラズマドーピ ング装置について説明する。 本実施の形態で用いられるドーピング装置は、 図 2 に示すように、 半導体基板 1 0 0に対して不純物を導^^し不純物薄膜 1 1 0を形 成するものである。
ここでは後述するように表面に不純物の導入された不純物薄膜 1 1 0の形成さ れた半導体基板 1 0 0の光学的特性を測定する測定手段としての光源 4 0 0およ び測光器 4 1 0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 ビ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 2 0 0と、 この真空チ ヤンバ 2 0 0内にプラズマを生起するプラズマ源 2 4 0とを具備し、 基板ホルダ 2 6 0に載置された、 被処理基体としての半導体基板 1◦ 0の表面にプラズマド 一ビングを行うものである。
そして、 この真空チャンバ 2 0 0には、 真空ポンプ 2 1 0が接続され、 真空測 定の為の真空計 2 3 0が設置されており、 プラズマ源 2 4 0には電源 2 5 0が接 続されている。 また、 基板ホルダ 2 6 0には、 独自の電気的ポテンシャルを印加 するための、 電源 2 7 0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 2 0 0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 2 8 0、 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 2 9 0 (この場合は H e ) 、 その他の第 3の物質を供給する第 3のライン 3 0 0 (この場合は A r ) で構成される。
また、 必要に応じて、 測光器 4 1 0で測定した光学的特性を演算する計算機 3 2 0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 3 4 0と、 制御回 路 3 4 0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、 ブイ一 ドバック制御する制御器 3 5 0とを具備した制御装置を具備するように形成して あよい。
まず、 真空チャンバを所定の圧力に調整し、 通常の方法でガスを供給すること によりプラズマを生成し、 ドーピングを行う。
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 2 0 0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ヤリァガスとして 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 はシリコン中で活性にならない物質を選択した。 例として、 H eゃA rでぁる。 これをその他の第 2の物質として H eを、 その他の第 3の物質として A rを選択 した。 さて、 前述の第 1乃至第 3のライン 2 8 0、 2 9 0、 3 0 0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 2 0 0内の固体基体 1 0 0表面 でプラズマ 3 1 0を発生させる。
このプラズマ 3 1 0と半導体基板 1 0 0表面との電気的ポテンシャル差によつ 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 1 0 0表面付近に付着もしくは 吸蔵される。ここでは表面の状態は、下地である半導体基板 1 0 0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。 ここでは半導体基板 1 0 0に吸蔵されるとともにアモルファスの 不純物薄膜として半導体基板 1 0 0の表面に付着する。
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
1 1 0が半導体基板 1 0 0表面に形成される。 望ましくは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 2 0 0には光源 4 0 0と測光器 4 1 0が配設 されている。そして測光器 1 3 0で測定した光学的特性を計算機 3 2 0で演算し、 この演算結果を制御回路 3 4 0に送り、 フィードバック情報として制御器 3 5 0 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。
半導体基板 1 0 0に対して十分に低い電気的ポテンシャル差、 例えば 2 0 e V でドーピングを行うことにより、 半導体基板 1 0 0の表面に不純物薄膜層が形成 される。
—方、 半導体基板 1 0 0に対して十分に高い電気的ポテンシャル差、 例えば 2 0 0 e Vでドーピングを行うことにより、 不純物を大量に含むプラズマが直接半 導体薄膜に接しているときは、 十分高いエネルギーを帯びたィオンが半導体薄膜 表面に侵入し、 半導体基板 1 0 0の表面に不純物導入層である不純物薄膜 1 1 0 が形成される。 またキャリアガスを使用している場合にはキャリアガスのプラズ マ中のイオンも半導体薄膜表面に浸入し、 結晶を壌しながら不純物を混入させて いき、 アモルファス半導体層とボロン層との混合層が形成される。 その後、 混合 層表面で不純物例えばボロンの濃度が混合層内で含み得る飽和量を超えるとァモ ルファスのボロン薄膜 （不純物薄膜） が形成される。
図 3は本発明の実施の形態の一例であり、 照射する光が有する光の強度分布と 照射される基板が有する光の吸収係数の分布を示したものである。 照射する光は キセノンフラッシュランプ光を示した。 このキセノンフラッシュランプ光は、 曲 線 aで示すように、 470 nm付近の波長に強度のピークをもっている。ここでは、 375 nm以上 800 nm以下の波長に強度のピークを持つ光として例示した。
図中の PD- 1で示した曲線は、 n-Si(lOO)基板にボロンをプラズマドーピングし た後の光の吸収係数である。 PD- 1におけるボロンの導入は、 Heで希釈したポロ ンを含むプラズマを n-Si(lOO)基板に照射してプラズマドーピングしたものであ る。 ドービング時間は 60秒である。 7秒や 30秒のドービングでも同様の結果を 得ている。 PD- 1のボロンを導入した層の光の吸収係数は、 波長を λ ( ηιη )とし、 吸収係数を a ( cm- l )とすると、波長が 375 nm以上で 500 nm未満のときは α> 1 Ε38λ·12 5。5、 波長が 500 nm以上で 600 nm未満のときは α> 1 Ε24λ·7·2684、 波 長が 600 nm以上で 700 nm未満のときは α> 2 Ε 19λ·5·5873、波長が 700 nm以上 で 800 nm未満のときは α> 1 E 1 7 λ·4·7782であった。 図 3から明らかなように n-Si(100)基板に比べて PD-1のプラズマドーピング後の方がキセノンフラッシュ ランプ光に対する光の吸収係数が高いことが了解できる。 図中の PD-2で示した曲線は、: PD-1とは異なる条件でプラズマドーピングした ときの光の吸収係数である。 ドーピング時間は 30秒である。 PD-2は、 n-Si(lOO) 基板や: PD-1と比較して吸収係数はさらに高い値であった。
図 4は本発明の実施の形態の一例であり、 照射する光がレーザーの場合に照射 される基板が有するべき光の吸収係数の分布を示したものである。 照射する光が レーザーのように単一の波長からなる場合には、 波長に対して強度分布をもつ光 と比較して、ドーピング層と n-Si(lOO)基板の光の吸収係数の差をより大きくして おくことが必要である。 PD-3はドーピング条件を調整して 500-550 nmの波長の レーザーに適応するように作成したドーピング層の光の吸収係数の曲線である。 この曲線よりも吸収係数が小さい場合には、 レーザーァエール後のボロンは深く まで拡散した。 つまり、 ボロンを導入した層の 375 nm以上、 800 nm以下の光 に対する光の吸収係数が α> 1 E 2 4 λ'7·1693である場合にのみボロンの深さ分布 を大きく動かさずに電気的に活性化させることができた。 図中の PD-3で示した 曲線よりも吸収係数が小さい場合には、 表面のドーピング層でレーザーのェネル ギーを十分に吸収しきれずに、 ドーピング層の下のシリコン基板でエネルギーを 吸収する割合が高かったためであろうと考えている。
表 1を用いて、 実施例のボロンの拡散深さを説明する。 ボロンの拡散深さは、 ボロン濃度が 1E18 cm-3 となる深さとし、 Xjで表記することとする。 そして、 ドーピング後の Xjと光を照射した後の Xjの差を AXjとする。実施例 Aは、 PD-1 のプラズマドーピングと、 375 nm以上 800 nm以下の波長に強度のピークを持 ち、 且つ、 波長に対して強度分布を持つ光を照射した工程の組み合わせである。 このとき、 AXjは数 nmから 4 nm以下である。 このときの AXjの平均値を 1と して他のサンプルの AXjを規格化して説明する。 実施例 Bは、 PD-3のプラズマ ドーピングと、 375 nm以上 800 nm以下のレーザー光を照射した工程の組み合 わせである。 このときの AXjは実施例 Aと同等で、 その比は 0.9である。
(表 1 )
実施例 A 実施例 B 比較例
AXjの比 1.0 0.9 10 上記のようにプラズマドーピングをすることで n-Si(lOO)と比べて光の吸収係 数の高いドーピング層を 1つの工程で簡単につくることができる。 また、 ドーピ ング層の光学特性と照射する光を適切に選択することで、 Xjをほとんど変化させ ずにボロンを電気的に活性化することができ、 高性能の浅い接合を形成できる。 ここで、 プラズマドーピング条件を変えることでドーピング層の光学特性を容易 に調整することができる。
次に比較例について説明する。
表 1を用いて、 実施例と比較例のボロンの拡散深さの違いを説明する。 プラズ マドーピングでボロンを導入した後のドーピング層の光の吸収係数が PD-1であ るサンプルに、 375 nm以上 800 nm以下の波長に強度のピークを持つレーザー を照射した。つまり、比較例は PD-1のプラズマドーピングと 375 nm以上 800 nm 以下の波長に強度のピークを持つレーザーの組み合わせである。 PD-1 のプラズ マドーピングした試料では、 PD層で吸収する光のエネルギーは PD-2と比較して 1桁程度小さい。 故に、 PD層より深い基板で、 ここでは、 例えば n-Si(lOO)で光 を吸収する割合が高くなる。 n-Si(100)は光の吸収係数が小さいので、 深い範囲ま で光のエネルギーが届くことになる。 つまり、 ボロンは深くまで拡散することに なる。 そこで、 AXjを比べると、 実施例 Aが 1に対して、 比較例が 10程度とな る。 つまり、 比較例は実施例と比べてボロンが 1桁溁くまで拡散してしまい、 目 的である浅い接合の形成が出来ないことは明らかである。
なお、 前記実施の形態では、 n-Si(100)基板にボロン拡散層を形成することによ り浅い！） n接合を形成する方法について説明したが、 n-Si(100)基板に限定される ことなく数度傾けたものでもよいし、 また不純物についても導電型についても変 更可能であることはいうまでもない。 さらには化合物半導体における接合の形成 においても温度上昇を抑制しつつ実現可能であるため、 接合レベルのずれを低減 し、 信頼性の高い p n接合を実現することが可能となる。 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 10月 9日出願の 3本特許出願 Να2003-350368、
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 >
以上説明してきたように、 本発明によれば、 照射する電磁波の波長に対応した 適切な基板表面の状態を作った後に、 電磁波を照射して不純物を電気的に活性化 させるようにしているため、 工程が簡単でスループットが高く、 浅い接合が容易 に形成可能であることから、 微細な半導体集積回路の形成に有効である。

Claims

請 求 の 範 囲
1. 半導体基板表面に前記半導体基板中で電気的に活性になる元素を含む 薄膜を形成する工程と、
前記薄膜を選択的に励起し、 前記薄膜内で、 前記元素を活性化するように、 前 記半導体基板に、 375nm以上の波長に強度のピークを持つ光を照射する工程とを 含む接合の形成方法。 '
2. 前記光を照射する工程は、
前記薄膜の光の吸収率が、 波長を X (nm).とし、 吸収率を A ( % )として、 波 長が 375 nm以上で 500 nm未満のときは A〉 7 E 32
Figure imgf000017_0001
波長が 500 nm以 上で 600 nm未満のときは A> 2 E 1 9 λ·7·278、 波長が 600 nm以上で 700 nm未 満のときは Α> 4Ε14λ·5·5849、 波長が 700 nm以上で 800 nm未満のときは A> 2E1 2λ·4.7773の少なくとも 1つを満たす工程である請求の範囲第 1項に記載の 接合の形成方法。
3 · 前記光を照射する工程は、
前記薄膜の光の吸収係数が、波長を λ(ηιη)とし、吸収係数を a(cm-l)として、 波長が 375 nm以上で 500 nm未満のときは α> 1Ε38入 · 2.505、 波長が 500 nm 以上で 600 nm未満のときは α> ΐΕ24λ·7·2684、 波長が 600 nm以上で 700 nm 未満のときは α> 2Εΐ9λ·5'5873、波長が 700 nm以上で 800 nm未満のときは α> 1E1 7λ·4.7782の少なくとも 1つを満たす工程である請求の範囲第 1項に記載の 接合の形成方法。
4. 前記半導体基板は、 Ν型のシリ コン基板であり、
前記不純物は、 前記シリ コン基板表面に供給されるボロンであることを特徴と する請求の範囲第 1項乃至第 3項のいずれかに記載の接合の形成方法。
375 nm以上 800 nm以下の波長に強度のピークを持つ光がキセノン フラッシュランプ光であることを特徴とする請求の範囲第 1項乃至第 4項のいず れかに記載の接合の形成方法。
6 . n-Si(lOO)基板及び数度傾けた面を保有する n-Si(lOO)基板にプラズマ ドーピングによりボロンを不純物として導入する工程と、
前記ボ口ンの導入された n-Si(lOO)基板に、 375 nm以上 800 nm以下のレーザ 一光を照射して電気的に活性化させる工程とを含む接合の形成方法において、 ' 前記ボロンの導入された層の 375 nm以上、 800 nm以下の光に対する光の吸 収率が A> 1 E 1 9 λ·6·833であることを特徴とする請求の範囲第 1項乃至第 5項の いずれかに記載の接合の形成方法。
7 . n-Si(100)基板及び数度傾けた面を保有する n-Si(100)基板にプラズマ ドーピングによりボロンを不純物として導入する工程と、
前記ボロンの導入された n-Si(100)基板に、 375 nm以上 800 nm以下のレーザ 一光を照射して電気的に活性化させる工程とを含む接合の形成方法において、 前記ボロンの導入された層の 375 nm以上、 800 nm以下の光に対する光の吸 収係数が α> 1 E 2 4 λ-7·ΐ693であることを特徴とする請求の範囲第 1項乃至第 6 項のいずれかに接合の形成方法。
8 . 前記不純物導入工程は、 He で希釈したボロンを含むプラズマを n-Si(100)基板及び数度傾けた面を保有する n-Si(100)基板に照射してプラズマド 一ビングすることを特徴とする請求の範囲第 1項乃至第 7項のいずれかに記載の 接合の形成方法。
9 . 前記光の吸収係数は、 空気、 前記薄膜、 前記半導体基板の 3層構造に おいて入射角 70度としてエリプソメータで測定することを特徴とする請求の範 囲第 3乃項至第 8項のいずれかに記載の接合の形成方法。
1 0 . 前記光の吸収率は、 空気、 前記薄膜、 前記半導体基板の 3層構造で 入射角 70度としてエリプソメータで光の吸収係数とボロンを導入した層の厚さ を測定した後、ボロンを導入した層の厚さを D ( cm )として、 A= 100x( 1— exp (— α - D ))を用いて算出することを特徴とする請求の範囲第 2項， 第 4項乃至第 8項 のいずれかに記載の接合の形成方法。
1 1 . 固体基体に不純物を導入した後、 電磁波を照射して電気的に活性化 させる接合の形成方法において、
前記光照射に先立ち、 Heプラズマ、 Arプラズマ、 Heを含むプラズマ、 Arを 含むプラズマのいずれかを照射することを特徴とする接合の形成方法。
1 2 . 半導体基板に不純物を導入した後、 電磁波を照射して電気的に活性 化させる接合の形成方法において、
前記光照射に先立ち、 Heプラズマ、 A プラズマ、 Heを含むプラズマ、 Arを 含むプラズマのレ、ずれかを前記半導体基板に照射する工程と不純物となるべき粒 子を含むブラズマを固体基体に照射してプラズマドービングする工程を組み合わ せた工程を経ることを特徴とする請求の範囲第 1項乃至第 1 1項のいずれかに記 載の接合の形成方法。
1 3 . 前記基板は、表面にシリコン薄膜を形成した SOI基板である請求の 範囲第 1項乃至第 1 2項のいずれかに記載の接合の形成方法。
1 4 . 前記基板は、 表面にシリコン薄膜を形成した歪みシリコン基板であ る請求の範囲第 1項乃至第 1 2項のいずれかに記載の接合の形成方法。
1 5 . 前記基板は、 表面にポリシリコン薄膜を形成したガラス基板である 請求の範囲第 1項乃至第 1 2項のいずれかに記載の接合の形成方法。
1 6 . 請求の範囲第 1項乃至第 1 5項のいずれかに記載の接合の形成方法 を用いて形成された被処理物。
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