WO2006104145A1 - プラズマドーピング方法およびこれに用いられる装置 - Google Patents

プラズマドーピング方法およびこれに用いられる装置 Download PDF

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WO2006104145A1
WO2006104145A1 PCT/JP2006/306290 JP2006306290W WO2006104145A1 WO 2006104145 A1 WO2006104145 A1 WO 2006104145A1 JP 2006306290 W JP2006306290 W JP 2006306290W WO 2006104145 A1 WO2006104145 A1 WO 2006104145A1
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plasma doping
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Yuichiro Sasaki
Katsumi Okashita
Hiroyuki Ito
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
    • H01L21/22—Diffusion of impurity materials, e.g. doping materials, electrode materials, into or out of a semiconductor body, or between semiconductor regions; Interactions between two or more impurities; Redistribution of impurities
    • H01L21/223—Diffusion of impurity materials, e.g. doping materials, electrode materials, into or out of a semiconductor body, or between semiconductor regions; Interactions between two or more impurities; Redistribution of impurities using diffusion into or out of a solid from or into a gaseous phase
    • H01L21/2236—Diffusion of impurity materials, e.g. doping materials, electrode materials, into or out of a semiconductor body, or between semiconductor regions; Interactions between two or more impurities; Redistribution of impurities using diffusion into or out of a solid from or into a gaseous phase from or into a plasma phase
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32412—Plasma immersion ion implantation

Definitions

  • the present invention relates to a plasma doping method and an apparatus used therefor, and particularly to a method for modifying a surface or introducing impurities using plasma in a manufacturing process of a semiconductor or the like. is there.
  • FIG. 8 shows a schematic configuration of a typical plasma processing apparatus used for conventional plasma doping.
  • a sample electrode 6 for placing a sample 9 having a silicon substrate force is provided in a vacuum vessel 1.
  • a gas supply device 2 for supplying a raw material gas containing a desired element, for example, helium gas, in the vacuum vessel 1 and a pump 3 for depressurizing the inside of the vacuum vessel 1 are provided. Can be kept.
  • a microwave mouth wave is radiated from the microwave waveguide 51 into the vacuum chamber 1 through a quartz plate 52 as a dielectric window.
  • a magnetic field microwave plasma (electron cyclotron resonance plasma) 54 is formed in the vacuum chamber 1 by the interaction between the microwave and the DC magnetic field formed from the electromagnet 53.
  • a high frequency power source 10 is connected to the sample electrode 6 via a capacitor 55 so that the potential of the sample electrode 6 can be controlled.
  • the gas supplied from the gas supply device 2 is introduced into the vacuum container 1 from the gas inlet 56 and exhausted from the exhaust outlet 11 to the pump 3.
  • the raw material gas introduced from the gas inlet 56 for example, helium gas
  • a plasma generating means including a microwave waveguide 51 and an electromagnet 53.
  • helium ions in the plasma 54 are introduced to the surface of the sample 9 by the high frequency power source 10.
  • Desired impurities such as boron are added to the surface of the sample 9 thus amorphized. Introduced by means such as on implantation or plasma doping, an activation process described later is performed. Further, after forming a metal wiring layer on the sample 9 into which impurities have been introduced, a thin oxide film is formed on the metal wiring layer in a predetermined oxidation atmosphere, and then a CVD apparatus or the like is formed. Thus, when a gate electrode is formed on the sample 9, for example, a MOS transistor is obtained. However, to form a transistor, it is necessary to carry out an active ion treatment after introducing impurity ions by plasma doping treatment.
  • the activation process is a process in which an impurity-introduced layer is heated using a method such as RTA (Rapid Carothermal Annealing), Spike RTA (Spike Rapid Thermal Annealing), Laser Annealing, or Flash Lamp Annealing. Process to crystallize.
  • RTA Rapid Carothermal Annealing
  • Spike RTA Spike Rapid Thermal Annealing
  • Laser Annealing or Flash Lamp Annealing. Process to crystallize.
  • a shallow active layer can be obtained by effectively heating an extremely thin layer into which impurities are introduced.
  • the absorption rate of the light source power, such as a laser or lamp, in the extremely thin layer to which the impurities are to be introduced is increased.
  • a process to increase is performed. This process is called pre-amorphization.
  • plasma such as the aforementioned He gas is generated, and ions such as generated He are generated by the bias voltage on the substrate.
  • the substrate is accelerated and collided to destroy the crystal structure on the substrate surface and become amorphous, which has already been proposed by the present inventors (Non-patent Document 1).
  • boron When boron is implanted into a silicon crystal by ion implantation, boron is implanted deeply due to the channeling effect.
  • the channeling effect is an effect in which boron is implanted deeply without colliding with silicon atoms along the grain boundaries of the tunnel-like crystal.
  • the preamorphization process is also used to reduce this effect and to implant boron shallowly.
  • the silicon crystal prior to the implantation of boron, the silicon crystal is placed in an amorphous state to disperse the silicon atoms. As a result, boron atoms randomly collide with silicon atoms, and can be implanted shallowly.
  • introduction of impurity ions and preamorphization can be performed simultaneously.
  • This also uses a plasma processing apparatus having the same configuration as the plasma processing apparatus described above.
  • a plasma such as a gas containing a very small amount of BH gas mixed with the above He gas is generated.
  • Non-patent Document 2 ions such as B are accelerated toward the substrate by a bias voltage and injected into the substrate.
  • Non-Patent Document 1 Y. Sasaki et al., "B2H6 Plasma Doping with In-situ He Pre-amorphyzation", 2004 Symposia on VLSI Technology and Circuits
  • Non-Patent Document 2 R. Higaki et al., "Effects of gas phase absorption into Si substrates on plasma doping process", 2003 European Solid State Device Research Conf. (ESSDERC2003), (2003) 231.
  • the conventional method has a problem that the in-plane uniformity of the amorphous layer is poor. Due to the plasma treatment, on the silicon substrate with a diameter of 200mm or 300mm, the dispersion of the plasma is reflected and the amorphous layer is not uniformly formed in the substrate surface.
  • This problem is a new problem that occurs for the first time after amorphization by plasma irradiation. This is a problem that does not occur, for example, in the technique of ion implantation of germanium or silicon ions on the surface of a silicon substrate. This is because in ion implantation, by using a method of scanning a silicon substrate using an ion beam having a smaller cross-sectional area than that of the silicon substrate, it is possible to average variations in the ion beam within the ion beam cross-sectional area. At the same time, variations due to changes in ion beam current over time can be averaged within the silicon substrate surface by the same method. Amorphous layer is a force determined by ion species, acceleration energy, and dose amount. These are averaged with high uniformity within the silicon substrate surface, so it is easy to form an amorphous layer with good in-plane uniformity. It has been known.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a plasma doping method and apparatus excellent in in-plane uniformity of an amorphous layer formed on a sample surface.
  • the plasma doping method of the present invention includes a step of bringing a sample into contact with a plasma in a vacuum vessel and causing ions in the plasma to collide with the surface of the sample to modify the surface of the sample into amorphous.
  • the plasma irradiation time is set such that the standard deviation of the amorphous layer depth in the sample is smaller than the standard deviation of the ion density in the plasma on the sample surface, and the amorphous layer is saturated. It is characterized by being set and executed so that the time is 90% or more of the depth to be processed.
  • the present inventors have found that the in-plane uniformity is improved by a plasma doping method in which impurity ions in plasma collide with the surface of the sample to modify the surface of the sample to be amorphous.
  • a plasma doping method in which impurity ions in plasma collide with the surface of the sample to modify the surface of the sample to be amorphous.
  • the present invention has been made paying attention to this. That is, if the plasma irradiation time is too short, the dispersion of the plasma is transferred to the depth of the amorphous layer on the silicon substrate, and the in-plane uniformity is deteriorated. On the other hand, if the plasma irradiation time is too long, the effect of sputtering the silicon substrate surface with plasma becomes dominant and the in-plane uniformity deteriorates. In the middle, we found that there is an appropriate plasma irradiation time that improves the in-plane uniformity.
  • the ion density distribution in the plasma is transferred to the amorphous layer depth distribution.
  • the depth of the amorphous layer where the ion density force S is small becomes shallow and the portion where the ion density is high becomes deep.
  • the ion density is small! In the part, the depth of the amorphous layer continues to increase smoothly. After that, if plasma irradiation is further continued, the depth of the amorphous layer will eventually be close to saturation even in a portion where the ion density is low, and it will be difficult to deepen.
  • the depth of the amorphous layer in the portion where the ion density is high is less changed with time, and therefore the depth of the amorphous layer in the portion where the ion density is low is that the ion density is large! /, The difference becomes smaller by adding to the depth of the portion.
  • the plasma doping method of the present invention includes a step of measuring a relation between an irradiation time of the plasma and a depth of the generated amorphous layer for a predetermined number of the samples, and a depth of the amorphous layer.
  • the irradiation time that is uniform in the sample is defined as the plasma processing time.
  • the plasma doping method of the present invention is a step of measuring the depth of the amorphous layer by ellipsometry, wherein the standard deviation ⁇ of the depth is 1.3% or less.
  • the plasma irradiation time to be the plasma irradiation time is included.
  • the plasma doping method of the present invention includes a method in which the plasma irradiation time is 20 seconds to 60 seconds.
  • the plasma doping method of the present invention includes a method in which the plasma irradiation time is 30 seconds to 50 seconds.
  • the modifying step includes a step of irradiating an impurity ion plasma to perform amorphization and impurity ion implantation simultaneously.
  • the plasma doping method of the present invention includes a method including a step of doping impurities after the modifying step.
  • the plasma doping method of the present invention detects the difference between the polarization states of incident light and reflected light by irradiating light onto the surface of the dummy sample that has been subjected to the above-described process force plasma doping treatment, and the differential force thereof.
  • the plasma doping method of the present invention includes a method in which the sample is a semiconductor substrate made of silicon.
  • the plasma doping method of the present invention includes one in which the plasma generated in the vacuum vessel is a rare gas plasma.
  • the plasma generated in the vacuum vessel is: Including helium plasma.
  • helium has the smallest atomic radius among the noble gases, so atoms are implanted deep into the silicon substrate with a small acceleration voltage, so the plasma irradiation device requires a small power source, and thus a smaller size. It is desirable because a deeper amorphous layer can be formed with the equipment.
  • the plasma doping method of the present invention includes one in which the plasma generated in the vacuum vessel is neon plasma.
  • the atomic radius next to helium is small, and the apparatus can be miniaturized in the same manner.
  • the plasma generated in the vacuum vessel is a plasma containing boron, and boron is introduced into the sample surface at the same time that the crystal sample surface is modified to amorphous. Includes those that perform plasma doping.
  • the plasma doping method of the present invention includes one in which the plasma generated in the vacuum vessel is a plasma containing diborane.
  • the plasma generated in the vacuum vessel is a plasma containing arsenic, phosphorus, or antimony, and at the same time the surface of the sample, which is a crystal, is modified to amorphous, Including those that perform plasma doping to introduce phosphorus or antimony into the sample surface.
  • the plasma doping method of the present invention includes a method in which the dummy sample is a part of a sample provided in a portion that is not necessary as a sample device.
  • the plasma doping method of the present invention includes a step of bringing a plasma into contact with a sample in a vacuum vessel, and causing ions in the plasma to collide with the surface of the sample to modify the surface of the sample into amorphous.
  • a doping method is characterized in that the plasma irradiation time is set to be long enough that the depth of the partial amorphous layer having a low ion density in the plasma on the substrate surface reaches a maximum value.
  • the portion of the sample surface where the ion density in the plasma is high has a short amorphous layer depth and reaches the maximum value in time, and the portion of the sample surface where the ion density in the plasma is low is amorphous.
  • the depth of the layer reaches its maximum value in a long time
  • the plasma irradiation time has a maximum value of 90 when the depth of the amorphous layer in the portion where the ion density is small changes the plasma irradiation time. It is set and executed so that the time becomes a depth of more than%. With this configuration, it is possible to make the substrate surface uniform.
  • an apparatus for performing the plasma doping method of the present invention exhausts the inside of the vacuum container, a sample electrode, a gas supply means for supplying a gas into the vacuum container, and the vacuum container.
  • a plasma doping chamber comprising: an exhaust means; a pressure control means for controlling the pressure in the vacuum vessel; a plasma supply means for supplying plasma to the sample; and a power supply for a sample electrode for supplying power to the sample electrode; And a light irradiating unit for irradiating the sample with light, and a detecting unit for detecting the polarization state of incident light and reflected light on the sample.
  • the plasma doping apparatus of the present invention includes the one in which the detection unit is disposed in the plasma doping chamber.
  • the detection unit includes a detector disposed in an inspection chamber provided independently of the plasma doping chamber.
  • in-plane uniformity in a plasma doping method in which impurity ions in plasma collide with the surface of the sample to modify the surface of the sample to be amorphous. Therefore, it is found that there is an appropriate plasma irradiation time to improve the quality, and the in-plane uniformity is controlled by the plasma irradiation time, so that the depth control can be easily performed.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a plasma doping chamber used in Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view showing the overall configuration of the plasma doping apparatus in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between bias power and amorphous layer depth in Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between bias application time and amorphous layer depth in Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the bias application time and the in-plane uniformity of the amorphous layer depth in Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing the in-plane distribution of the depth of the amorphous layer when the bias application time is changed in Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between bias application time and amorphous layer depth in Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing the configuration of the plasma doping apparatus used in the conventional example
  • Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • the time is increased, while the effect of sputtering the silicon substrate surface with plasma is dominant. It is characterized by the fact that the plasma irradiation time is kept so that the in-plane uniformity is not deteriorated and the bias power condition is adjusted based on this time to perform plasma doping at the desired depth. To do.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of the plasma irradiation chamber of the plasma doping apparatus used in Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1 while introducing a predetermined gas from the gas supply device 2 into the vacuum vessel 1, exhaust is performed by the turbo molecular pump 3 as an exhaust device, and the inside of the vacuum vessel 1 is maintained at a predetermined pressure by the pressure regulating valve 4. be able to.
  • the turbo molecular pump 3 as an exhaust device
  • the inside of the vacuum vessel 1 is maintained at a predetermined pressure by the pressure regulating valve 4.
  • the pressure regulating valve 4 4. be able to.
  • a silicon substrate 9 as a sample is placed on the sample electrode 6.
  • a high frequency power source 10 for supplying high frequency power to the sample electrode 6 Functions as a voltage source for controlling the potential of the sample electrode 6 so that has a negative potential with respect to the plasma. In this way, ions in the plasma can be accelerated and collided against the surface of the sample to amorphize the surface of the sample or introduce impurities.
  • the gas supplied from the gas supply device 2 is exhausted from the exhaust port 11 to the pump 3.
  • the turbo molecular pump 3 and the exhaust port 11 are arranged immediately below the sample electrode 6, and the pressure regulating valve 4 is a lift valve located immediately below the sample electrode 6 and directly above the turbo molecular pump 3. It is.
  • the sample electrode 6 is fixed to the vacuum vessel 1 by four columns 12.
  • the vacuum vessel 1 is evacuated from the gas supply device 2 while evacuating the vacuum container 1 from the exhaust port 11 while keeping the temperature of the sample electrode 6 at 25 ° C.
  • high-frequency power source power SP, 1500 W, 900 W in this case
  • BP bias power
  • FIG. 2 is a plan view showing the overall configuration of the plasma doping apparatus.
  • the loader chamber 13 is evacuated to a vacuum state.
  • the gate 15 provided between the first transfer chamber 14 a and the loader chamber 13 is opened, and the transfer arm A in the first transfer chamber 14 is operated to move the sample into the first transfer chamber 14.
  • the gate 15 is appropriately opened and closed, and the sample is moved to the plasma irradiation chamber 16 by operating the transfer arm A, and the amorphization process is performed as described above.
  • the sample is moved from the plasma irradiation chamber 16 to the second transfer chamber 14b, the sample is further moved to the unloader chamber 19, and the sample is taken out.
  • the depth of the amorphous layer is monitored using a dummy sample.
  • causes of depth changes under the same processing conditions include deposits on the inner wall of the vacuum vessel, temperature changes on the inner wall of the vacuum vessel, and changes in the characteristics of the high-frequency power supply, and cannot be easily identified.
  • a dummy sample was added every time 25 samples were processed.
  • a single crystal silicon substrate having the same size as the sample for forming a device was used.
  • the dummy sample has a resist No patterning was applied, and the entire sample surface was amorphized.
  • the loader chamber 13 is evacuated to a vacuum state.
  • the gate 15 provided between the first transfer chamber 14 a and the loader chamber 13 is opened, and the transfer arm A in the first transfer chamber 14 is operated to move the dummy sample into the first transfer chamber 14.
  • the gate 15 is appropriately opened and closed, the transfer arm A is operated, the dummy sample is moved to the plasma irradiation chamber 16, and the amorphization process is performed under the condition that the sample is processed immediately before.
  • the dummy sample is also moved to the second transfer chamber 14b by the plasma irradiation chamber 16 and the dummy sample is further moved to the inspection chamber 17.
  • the dummy sample whose amorphous layer depth has been measured in the examination room is moved again to the second transfer chamber 14b in FIG. Further, it is moved to the unloader chamber 19 and taken out.
  • the dummy sample is subjected to plasma doping treatment every time 25 samples are processed, and the depth of the amorphous layer of the dummy sample subjected to plasma irradiation treatment
  • the processing conditions and processing time of the sample were controlled such that the variation in the depth and the variation in depth were below the predetermined value. Specifically, first, by changing the power to the bias and measuring the relationship with the depth and determining the noise power, the processing time is changed for the bias power to change the amorphous layer of the dummy sample. The processing time is determined so that the variation in the depth of the sample becomes a predetermined value or less.
  • the bias power BP supplied to the sample electrode, the high-frequency power SP supplied to the plasma source, or how to change the processing time is determined under standard amorphization conditions. What is necessary is to determine experimentally how much the depth of the amorphous layer will change when this is changed. In order to change each of these control parameters, it is only necessary to construct software that automatically stores the processing recipe stored in the control system of the apparatus as shown in the figure.
  • FIG. 3 shows the results.
  • a 200 mm, p-type substrate was used.
  • the pressure was 0.9 Pa, and the time 5 during which the noise was applied was 20 seconds.
  • the SP was investigated by changing the two levels of 1500W and 900W.
  • the change in the depth of the amorphous layer was investigated by changing the bias power in the range of 50W to 300W.
  • the depth is expressed as an average value measured at three locations in the center of the wafer surface by ellipso.
  • the depth of the amorphous layer can be controlled by changing the noise even in the plasma doping apparatus A which is another process chamber.
  • the noise For the convenience of experiments, only three levels of noise have been acquired, so it is not a stage that can be expressed with an accurate approximation formula.
  • Depth is strongly proportional to the bias.
  • Fig. 4 the horizontal axis represents the bias application time, and the vertical axis represents the amorphous layer depth.
  • the substrate was a 200 mm, p-type.
  • the pressure was 0.9 Pa, SP was 1500 W, and BP was 150 W.
  • change the depth of the amorphous layer by changing the bias application time in the range of 7 to 60 seconds, and measure the in-plane uniformity.
  • the standard deviation of the constant sliding depth was also calculated.
  • the depth of the amorphous layer is within the wafer plane.
  • the average value measured by ellipso at 81 locations was used, and the standard deviation of the depth was evaluated at 81 locations excluding the substrate edge of 5 mm.
  • the depth of the amorphous layer increased as the bias application time increased, and saturated in about 40 seconds.
  • saturation occurred in about 25 seconds. From this, it can be seen that the depth saturation time differs depending on the plasma conditions.
  • the amorphous layer depth is about 16.5 nm in 60 seconds, and is saturated at this point. At 80 seconds, the amorphous layer depth is about 16. lnm, strictly speaking, the amorphous layer depth is slightly smaller. This is thought to be due to sputtering, but details are unknown. By the way, assuming that the depth of the amorphous layer when saturated is 16.5 nm, 90% of that is 14.85 nm, and when taking a margin from 14.85 nm, the time to reach 15 nm is 20 seconds.
  • the uniformity of 1.3% or less can be obtained by setting it to 20 seconds or longer.
  • very good uniformity can be obtained by setting the plasma irradiation time so that the depth becomes 90% or more of the maximum depth.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the bias application time and the in-plane uniformity. From Fig. 5, it can be seen that there is an optimal bias application time to achieve a good level of in-plane uniformity. Under this condition, it is 40 seconds. The in-plane uniformity at this time was 0.98% at 1 ⁇ .
  • the in-plane uniformity was evaluated by dividing the standard deviation of the depth by the average of the depth.
  • the bias application time is 40 seconds or less, as shown in Fig. 4, the standard deviation of the depth does not change so much in the range of 0.16nm force to 0.19nm.
  • the average of the depth increases with the bias application time. To increase. As a result, the in-plane uniformity improves as the bias application time increases.
  • Figure 6 shows the change in the in-plane distribution of the amorphous layer depth when the bias application time is changed. You can see how the amorphous layer, which was initially shallow, deepens over the entire wafer surface. At 60 seconds, features that are not noticeable at 40 seconds or less are observed. That is, the depth on the lower right side of the drawing is shallow. This direction is a part where sputtering occurs more easily than other parts in the substrate surface due to the structure of the apparatus. At 60 seconds after saturation, the characteristics of such a portion where sputtering is likely to occur are likely to appear.
  • the pressure was 0.9 Pa and the source power was 1500 W.
  • An n-type substrate with a diameter of 300 mm was used as the silicon substrate.
  • the ion density of the B H ZHe plasma used in the process of amorphizing the silicon substrate surface was measured. The standard deviation of this ion density is
  • the 1 ⁇ was 9.63%.
  • a Langmuir probe was used to measure the ion density. This is because a tungsten needle is placed in the plasma and the amount of electrons and ions in the plasma that jump into the needle when the positive and negative voltages are periodically applied to the needle is measured. Measure the ion density.
  • the standard deviation of the depth of the amorphous layer is 3 at 1 ⁇ when the plasma irradiation time is 7 seconds:
  • the depth of the amorphous layer obtained at this time is 7 seconds: 6. 37 nml 4 seconds: 7. 96 30 seconds: 9. 90 nm 60 seconds: 10. 70 nm 80 For seconds: 1 0. 10 nm.
  • the ion density of the plasma is lower at the end portion where the density is higher at the center of the substrate.
  • the depth of the amorphous layer is usually shallower at the edge where the center of the substrate is deeper. In this way, the depth of the amorphous layer is a shape in which the shape of the ion density is transferred, but it can be seen that the uniformity of the variation can be made more uniform by adjusting the plasma doping time. .
  • the time adjustment method is good by adjusting the time to a depth (in this case, 9.63 nm) of 90% or more of the depth at which the amorphous layer is saturated (in this case, 10.70 nm). Uniform uniformity can be obtained.
  • a CVR plasma doping apparatus Using a CVR plasma doping apparatus, the relationship between processing time and amorphous layer depth was measured. The results are shown in Fig. 7.
  • the horizontal axis represents the bias application time
  • the vertical axis represents the amorphous layer depth.
  • the substrate was a 200 mm, p-type.
  • the pressure was 0.9 Pa
  • SP was 1500 W
  • BP was 60 W.
  • the change in the depth of the amorphous layer was measured by changing the bias application time in the range of 7 to 100 seconds. It can be understood that the plasma doping apparatus made by CVR is saturated (having the maximum value) in about 30 seconds and the depth of the amorphous layer becomes shallow after that. There is also a tendency to eventually become constant. Thus, there are two stages of saturation. The time with the maximum value at the beginning and the time that becomes constant with respect to the time change.
  • the meaning of saturation described in the first and second embodiments describes the maximum time for the first time in FIG. Here, it is around 30 seconds.
  • the depth of the amorphous layer tends to be constant after that. If silicon scraping due to force sputtering does not become a problem, it can be used even when it finally becomes constant with time and becomes saturated. However, there are actually cases where silicon scraping due to sputtering becomes a problem, and it is better to use the saturation time that has the maximum in-plane uniformity first. Therefore, it is preferable to use the saturation time with the maximum value first.
  • a silicon substrate having a diameter of 200 mm or more preferably a substrate having a diameter of 300 mm or more, having an amorphous layer uniformly formed by plasma doping so that the uniformity is 1.3% or less.
  • the reason is that it is well known that the use of a substrate with a large force diameter increases the number of semiconductor chips that can be manufactured in a single process, which is also an economically advantageous force.
  • the plasma doping method and apparatus of the present invention can provide a plasma doping method and apparatus excellent in controllability of the implantation depth of impurities introduced into the sample surface or the depth of the amorphous layer. Therefore, it can also be applied to applications such as semiconductor impurity doping, manufacturing thin film transistors used in liquid crystals, and surface modification of various materials.

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Abstract

　試料表面に形成されるアモルファス層の面内均一性に優れたプラズマドーピング方法及び装置を提供する。 　真空容器内にプラズマを発生させ、プラズマ中の不純物イオンを試料の表面に衝突させて試料の表面をアモルファスに改質するプラズマドーピング方法であって、面内均一性が良くなるようにプラズマ照射時間を調整するようにしている。プラズマ照射時間が短か過ぎるとプラズマのばらつきがシリコン基板上のアモルファス層の深さに転写されて面内均一性が悪くなる。一方、プラズマ照射時間が長すぎるとシリコン基板表面をプラズマでスパッタする効果が支配的になり面内均一性が悪くなる。その中間に面内均一性が良くなる適切なプラズマ照射時間が存在することを見出し、この時間内においてプラズマドーピングを実行するようにしたものである。

Description

明 細 書
プラズマドーピング方法およびこれに用いられる装置
技術分野
[0001] 本発明は、プラズマドーピング方法およびこれに用いられる装置にかかり、特に半 導体等の製造プロセスにお 、てプラズマを用いて表面を改質したり不純物を導入し たりする方法に関するものである。
背景技術
[0002] プラズマを照射して結晶である試料表面をアモルファスに改質する技術としては、 ヘリウムのプラズマを用いたプラズマドーピング方法が開示されて ヽる（非特許文献 1 参照)。図 8は、従来のプラズマドーピングのために用いられる典型的なプラズマ処理 装置の概略構成を示している。図 8において、真空容器 1内に、シリコン基板力もなる 試料 9を載置するための試料電極 6が設けられている。真空容器 1内に所望の元素 を含む原料ガス、例えばヘリウムガスを供給するためのガス供給装置 2、真空容器 1 内の内部を減圧するポンプ 3が設けられ、真空容器 1内を所定の圧力に保つことがで きる。
[0003] マイクロ波導波管 51より、誘電体窓としての石英板 52を介して、真空容器 1内にマ イク口波が放射される。このマイクロ波と、電磁石 53から形成される直流磁場の相互 作用により、真空容器 1内に有磁場マイクロ波プラズマ (電子サイクロトロン共鳴ブラ ズマ） 54が形成される。試料電極 6には、コンデンサ 55を介して高周波電源 10が接 続され、試料電極 6の電位が制御できるようになつている。なお、ガス供給装置 2から 供給されたガスは、ガス導入口 56から真空容器 1内に導入され、排気口 11からボン プ 3へ排気される。
[0004] このような構成のプラズマ処理装置にぉ 、て、ガス導入口 56から導入された原料ガ ス、例えばヘリウムガスは、マイクロ波導波管 51及び電磁石 53から成るプラズマ発生 手段によってプラズマ化され、プラズマ 54中のヘリウムイオンが高周波電源 10によつ て試料 9の表面に導入される。
[0005] このようにしてアモルファス化された試料 9の表面にボロンなどの所望の不純物をィ オン注入やプラズマドーピングなどの手段で導入し、後述する活性化処理を行う。さ らに不純物が導入された試料 9の上に金属配線層を形成した後、所定の酸化雰囲 気の中において金属配線層の上に薄い酸ィ匕膜を形成し、その後、 CVD装置等によ り試料 9上にゲート電極を形成すると、例えば MOSトランジスタが得られる。ただし、ト ランジスタの形成には、プラズマドーピング処理によって不純物イオンを導入した後、 活性ィ匕処理を行う必要がある。活性化処理とは、不純物を導入した層を、 RTA (急速 カロ熱ァニール）、 Spike RTA (スパイク急速力卩熱ァニール）、レーザーァニール、フ ラッシュランプアニールなどの方法を用いて加熱し、再結晶化する処理を 、う。
[0006] このとき、不純物を導入した極薄い層を効果的に加熱することにより、浅い活性ィ匕 層を得ることができる。不純物を導入した極薄い層を効果的に加熱するには、不純部 を導入する前に、不純物を導入しょうとする極薄い層における、レーザー、ランプなど の光源力 照射される光に対する吸収率を高めておく処理が行われる。この処理は プレアモルファス化と呼ばれるもので、先に示したプラズマ処理装置と同様の構成の プラズマ処理装置において、前述の Heガスなどのプラズマを発生させ、生じた Heな どのイオンをバイアス電圧によって基板に向けて加速して衝突させ、基板表面の結 晶構造を破壊してアモルファス化するものであり、既に本発明者らによって提案され ている (非特許文献 1)。
[0007] また、イオン注入によってボロンをシリコン結晶中に注入するときは、チャネリング効 果によりボロンが深くまで注入されてしまう。チャネリング効果とは、ボロンがトンネル 状になった結晶の粒界に沿ってシリコン原子と衝突せずに深くまで注入されてしまう 効果である。この効果を低減し、ボロンを浅く注入したい場合にもプレアモルファス化 の処理は用いられる。すなわち、ボロンの注入に先立ち、シリコンの結晶をァモルファ ス状態にしておくことで、シリコン原子の配置をばらばらにしておく。これにより、ボロン 原子はランダムにシリコン原子と衝突することになり、浅く注入することができる。
[0008] さらに、不純物イオンの導入とプレアモルファス化を同時に行うことができる。これも 先に示したプラズマ処理装置と同様の構成のプラズマ処理装置を用いる。前述の He ガスに極微量の B Hガスを混合したガスなどのプラズマを発生させ、生じた Heなどの
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イオンをバイアス電圧によって基板に向けて加速して衝突させ、基板表面の結晶構 造を破壊してアモルファス化すると同時に、 Bなどのイオンをバイアス電圧によって基 板に向けて加速して基板中に注入するものである（非特許文献 2)。
[0009] 非特許文献 1 :Y. Sasaki et al. , "B2H6 Plasma Doping with In - situ He Pre― amorphyzation" , 2004 Symposia on VLSI Technology and Circuits
非特許文献 2 : R. Higaki et al. , "Effects of gas phase absorption into Si substr ates on plasma doping process", 2003 European Solid State Device Research Conf. ( ESSDERC2003), (2003) 231.
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0010] しかしながら、従来の方式では、アモルファス層の面内均一性が悪いという問題が あった。プラズマ処理のために、直径 200mmあるいは 300mmのシリコン基板上で は、プラズマの分布ばらつきが反映されて基板面内でアモルファス層が均一に形成 されな 、と!/、う問題が生じて!/、る。
[0011] この問題は、プラズマ照射によるアモルファス化ではじめて発生した新しい課題で ある。これは、例えばシリコン基板表面にゲルマニウムやシリコンのイオンをイオン注 入する技術では発生しない問題である。なぜなら、イオン注入では、シリコン基板より も断面積の小さいイオンビームを用いて、シリコン基板上をスキャンする方法を用いる ことで、イオンビーム断面積内のイオンビームのばらつきを平均化することができると 同時に、同じ方法でイオンビーム電流量の経時変化によるばらつきをもシリコン基板 面内で平均化することができる。アモルファス層は、イオン種と加速エネルギー、ドー ズ量で決まる力 これらはシリコン基板面内で非常に均一性良く平均化されるので、 面内均一性良くアモルファス層を形成することが容易であることが知られている。
[0012] 一方、プラズマドーピングにおいては、プラズマをスキャンすることは困難であり、プ ラズマ自体の均一化は難 、状況にあった。
[0013] 本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、試料表面に形成されるアモルファス 層の面内均一性に優れたプラズマドーピング方法及び装置を提供することを目的と する。 課題を解決するための手段
[0014] そこで本発明のプラズマドーピング方法は、真空容器内で、試料にプラズマを接触 させ、プラズマ中のイオンを試料の表面に衝突させて試料の表面をァモルファスに改 質する工程を含むプラズマドーピング方法であって、前記プラズマの照射時間を、前 記試料表面におけるプラズマ中のイオン密度の標準偏差よりも、前記試料内のァモ ルファス層深さの標準偏差が小さくなり、かつアモルファス層が飽和する深さの 90% 以上の深さになる時間になるように設定して実行されることを特徴とする。
[0015] 本発明者らは種々の実験結果から、プラズマ中の不純物イオンを試料の表面に衝 突させて試料の表面をアモルファスに改質するプラズマドーピング方法にぉ 、て、面 内均一性が良くなる適切なプラズマ照射時間が存在することを発見した。本発明はこ れに着目してなされたものである。すなわち、プラズマ照射時間が短か過ぎるとブラ ズマのばらつきがシリコン基板上のアモルファス層の深さに転写されて面内均一性が 悪くなる。一方、プラズマ照射時間が長すぎるとシリコン基板表面をプラズマでスパッ タする効果が支配的になり面内均一性が悪くなる。その中間に面内均一性が良くな る適切なプラズマ照射時間が存在することを見出した。
[0016] 通常のプラズマドーピングにおいては、プラズマ中のイオン密度の分布がァモルフ ァス層深さの分布に転写される。プラズマを照射し始めた最初のころは、イオン密度 力 S小さい部分のアモルファス層の深さは浅くなり、イオン密度が大きい部分では深く なる。ところが、プラズマ照射をそのまま続けると、イオン密度が大きい部分ではァモ ルファス層の深さが早期に飽和し始めてやがてある深さ以上は深くなりにくくなる。一 方で、イオン密度が小さ!、部分では未だ順調にアモルファス層の深さは深くなり続け る。そしてその後、さらにプラズマ照射を続けると、イオン密度が小さい部分でもやが てアモルファス層の深さが飽和に近くなり、深くなり難くなる。
この段階では、イオン密度が大きい部分のアモルファス層の深さは、時間に対して 変化が小さくなつており、従って、イオン密度が小さい部分のアモルファス層の深さは 、イオン密度が大き!/、部分の深さに追 、っ 、てその差が小さくなる。
このメカニズムからも、周辺データ力もも、飽和に近い方が良いことはあきらかである [0017] また、本発明のプラズマドーピング方法は、所定数の前記試料に対し、前記プラズ マの照射時間と生成されるアモルファス層の深さとの関係を測定する工程と、前記ァ モルファス層の深さが前記試料内で均一である照射時間をプラズマ処理時間とする
[0018] また、本発明のプラズマドーピング方法は、前記測定する工程力 エリプソメトリによ りアモルファス層の深さを測定する工程であって、前記深さの標準偏差 σが 1. 3% 以下となるプラズマ照射時間をプラズマ照射時間となるようにしたものを含む。
[0019] また、本発明のプラズマドーピング方法は、前記プラズマ照射時間を 20秒から 60 秒としたものを含む。
この構成により、均一なァモノレファス層の深さを得ることができる。
[0020] また、本発明のプラズマドーピング方法は、前記プラズマ照射時間を 30秒から 50 秒としたものを含む。
この構成により、さらに均一なアモルファス層の深さを得ることができる。
[0021] また、本発明のプラズマドーピング方法は、前記改質する工程が、不純物イオンプ ラズマを照射し、アモルファス化と不純物イオンの注入とを同時に実行する工程であ るものを含む。
[0022] また、本発明のプラズマドーピング方法は、前記改質する工程の後、不純物をドー ビングする工程を含むものを含む。
[0023] また、本発明のプラズマドーピング方法は、前記測定する工程力 プラズマドーピン グ処理されたダミー試料表面に光を照射して入射光と反射光の偏光状態の差を検 出し、その差力 ダミー試料表面のアモルファス層の深さを算出する工程と、算出さ れたアモルファス層の深さのばらつきの標準偏差が所定の値となるように、前記改質 する工程の処理時間を制御するものを含む。
[0024] また、本発明のプラズマドーピング方法は、前記試料がシリコンよりなる半導体基板 であるものを含む。
[0025] また、本発明のプラズマドーピング方法は、真空容器内に発生させるプラズマは、 希ガスのプラズマであるものを含む。
[0026] また、本発明のプラズマドーピング方法は、真空容器内に発生させるプラズマは、 ヘリウムプラズマであるものを含む。
この構成により、ヘリウムは、希ガスの中で原子半径が最も小さいので、小さい加速 電圧でシリコン基板の深くまで原子が注入されるので、プラズマ照射装置の電源が小 さくて済む、したがってより小型の装置でより深いアモルファス層を形成できるので望 ましい。
[0027] また、本発明のプラズマドーピング方法は、真空容器内に発生させるプラズマは、 ネオンプラズマであるものを含む。
この構成により、本発明によればヘリウムの次に原子半径が小さく同様に装置の小 型化が可能である。
[0028] また、本発明のプラズマドーピング方法は、真空容器内に発生させるプラズマは、 ボロンを含むプラズマであり、結晶である試料表面をアモルファスに改質すると同時 に、ボロンを試料表面に導入するプラズマドーピングを行うものであるものを含む。
[0029] また、本発明のプラズマドーピング方法は、真空容器内に発生させるプラズマは、 ジボランを含むプラズマであるものを含む。
[0030] また、本発明のプラズマドーピング方法は、真空容器内に発生させるプラズマは、 砒素、燐、またはアンチモンを含むプラズマであり、結晶である試料表面をァモルファ スに改質すると同時に、砒素、燐、またはアンチモンを試料表面に導入するプラズマ ドーピングを行うものであるものを含む。
[0031] また、本発明のプラズマドーピング方法は、ダミー試料が、試料のデバイスとしては 不要となる部分に設けられた試料の一部分であるものを含む。
[0032] また、本発明のプラズマドーピング方法は、真空容器内で、試料にプラズマを接触 させ、プラズマ中のイオンを試料の表面に衝突させて試料の表面をァモルファスに改 質する工程を含むプラズマドーピング方法であって、基板面上で前記プラズマ中のィ オン密度が小さい部分アモルファス層の深さが最大値付近に達する程度にプラズマ の照射時間を長く設定するようにしたことを特徴とする。
[0033] この構成により、前記試料表面におけるプラズマ中のイオン密度が大きい部分はァ モルファス層の深さが短 、時間で最大値に達し、前記試料表面におけるプラズマ中 のイオン密度が小さい部分はアモルファス層の深さが長い時間で最大値に達するが 、イオン密度が小さい部分のアモルファス層の深さが最大値付近に達する程度にプ ラズマの照射時間を長く設定することにより、前記イオン密度が大きい部分と小さい 部分のアモルファス層の深さの差が小さくなり、試料表面でのアモルファス層の深さ の均一化を測ることができる。
[0034] また、本発明のプラズマドーピング方法は、前記プラズマの照射時間が、前記ィォ ン密度が小さい部分のアモルファス層の深さが前記プラズマの照射時間を変化させ たときの最大値の 90%以上の深さになる時間になるように設定して実行される。 この構成により、基板面内の均一化を図ることができる。
[0035] また、本発明のプラズマドーピング方法を実行するための装置は、真空容器と、試 料電極と、前記真空容器内にガスを供給するガス供給手段と、前記真空容器内を排 気する排気手段と、前記真空容器内の圧力を制御する圧力制御手段と、前記試料 にプラズマを供給するプラズマ供給手段と前記試料電極に電力を供給する試料電 極用電源とを備えたプラズマドーピング室と、前記試料に光を照射する光照射部と、 前記試料への入射光と反射光の偏光状態を検知する検知部とを具備している。
[0036] また、本発明のプラズマドーピング装置は、前記検知部が、前記プラズマドーピング 室内に配設されたものを含む。
[0037] また、本発明のプラズマドーピング装置は、前記検知部は、前記プラズマドーピング 室と独立して設けられた検査室内に配設されたものを含む。
発明の効果
[0038] 以上説明してきたように、本発明によれば、プラズマ中の不純物イオンを試料の表 面に衝突させて試料の表面をアモルファスに改質するプラズマドーピング方法にお いて、面内均一性が良くなる適切なプラズマ照射時間が存在することを発見し、ブラ ズマ照射時間によって面内均一性を制御するようにして 、るため、容易に深さ制御を 行うことができる。
図面の簡単な説明
[0039] [図 1]本発明の実施の形態 1で用いたプラズマドーピング室の構成を示す断面図
[図 2]本発明の実施の形態 1におけるプラズマドーピング装置の全体構成を示す平面 図 [図 3]本発明の実施の形態 1におけるバイアス電力とアモルファス層の深さとの関係を 示す図
[図 4]本発明の実施の形態 1におけるバイアス印加時間とアモルファス層の深さとの 関係を示す図
[図 5]本発明の実施の形態 1におけるバイアス印加時間とアモルファス層の深さの面 内均一性との関係を示す図
[図 6]本発明の実施の形態 1におけるバイアス印加時間を変えたときのアモルファス 層の深さの面内分布を示す図
[図 7]本発明の実施の形態 3におけるバイアス印加時間とアモルファス層の深さとの 関係を示す図
[図 8]従来例で用いたプラズマドーピング装置の構成を示す断面図
発明を実施するための最良の形態
[0040] 以下本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
(実施の形態 1)
以下、本発明の実施の形態 1について、図 1から図 5を参照して説明する。 本発明の方法は、プラズマのばらつきがシリコン基板上のアモルファス層の深さに 転写されて面内均一性が悪くならない程度に時間を長くする一方、シリコン基板表面 をプラズマでスパッタする効果が支配的になり面内均一性が悪くならない程度にとど めるベぐプラズマ照射時間を行いこれにもとづき、バイアスパワー条件を調整し、所 望の深さのプラズマドーピングを行うようにしたことを特徴とする。
[0041] 図 1に、本発明の実施の形態 1において用いたプラズマドーピング装置のプラズマ 照射室の断面図を示す。図 1において、真空容器 1内に、ガス供給装置 2から所定の ガスを導入しつつ、排気装置としてのターボ分子ポンプ 3により排気を行い、調圧弁 4 により真空容器 1内を所定の圧力に保つことができる。高周波電源 5により 13. 56M Hzの高周波電力を試料電極 6に対向した誘電体窓 7の近傍に設けられたコイル 8に 供給することにより、真空容器 1内に誘導結合型プラズマを発生させることができる。 試料電極 6上に、試料としてのシリコン基板 9を載置する。また、試料電極 6に高周波 電力を供給するための高周波電源 10が設けられており、これは、試料としての基板 9 がプラズマに対して負の電位をもつように、試料電極 6の電位を制御する電圧源とし て機能する。このようにして、プラズマ中のイオンを試料の表面に向力つて加速し衝 突させて試料の表面をアモルファス化したり、不純物を導入したりすることができる。 なお、ガス供給装置 2から供給されたガスは、排気口 11からポンプ 3へ排気される。タ ーボ分子ポンプ 3及び排気口 11は、試料電極 6の直下に配置されており、また、調 圧弁 4は、試料電極 6の直下で、かつ、ターボ分子ポンプ 3の直上に位置する昇降弁 である。試料電極 6は、 4本の支柱 12により、真空容器 1に固定されている。
[0042] 基板 9を試料電極 6に載置した後、試料電極 6の温度を 25°Cに保ちながら、真空容 器 1内を排気口 11から排気しつつ、ガス供給装置 2より真空容器 1内にヘリウムガス を 50SCcm供給し、調圧弁 4を制御して真空容器 1内の圧力を lPaに保つ。次に、プ ラズマ源としてのコイル 8に高周波電力（ソースパワー SPここでは 1500W、 900W) を供給することにより、真空容器 1内にプラズマを発生させるとともに、試料電極 6の 台座 16に高周波電力（バイアスパワー BPここでは 50〜300W)を供給することにより 、シリコン基板 9の表面の結晶層をアモルファス化する。
[0043] 図 2は、プラズマドーピング装置の全体構成を示す平面図である。図 2において、口 ーダ室 13内に試料を載置した後、ローダ室 13を排気して真空状態にする。第 1トラ ンスファ室 14aとローダ室 13の間に設けたゲート 15を開き、第 1トランスファ室 14内の 搬送アーム Aを操作して、試料を第 1トランスファ室 14内に移動させる。次いで、同様 にゲート 15を適切に開閉するとともに、搬送アーム Aを操作して、プラズマ照射室 16 に試料を移動させ、前述のようにアモルファス化処理を行う。次に、試料をプラズマ照 射室 16から第 2トランスファ室 14bに移動させ、さらに、試料をアンローダ室 19に移 動させ、試料を取り出す。
[0044] 本実施の形態では、アモルファス層の特性を正確に制御するために、ダミー試料を 用 、てアモルファス層の深さをモニタした。同一の処理条件で深さが変化する原因と しては、真空容器内壁への堆積物の付着、真空容器内壁の温度変化、高周波電源 の特性変化などがあり、容易には特定できない。さて、ここでは、ダミー試料を、 25枚 の試料を処理するたびに投入した。ダミー試料としては、デバイスを形成するための 試料とほぼ同じ大きさの単結晶シリコン基板を用いた。ダミー試料にはレジストなどの パター-ングは施さず、試料表面の全体にアモルファス化処理を施した。
[0045] まず、図 2において、ローダ室 13内にダミー試料を載置した後、ローダ室 13を排気 して真空状態にする。第 1トランスファ室 14aとローダ室 13の間に設けたゲート 15を 開き、第 1トランスファ室 14内の搬送アーム Aを操作して、ダミー試料を第 1トランスフ ァ室 14内に移動させる。次いで、同様にゲート 15を適切に開閉するとともに、搬送ァ ーム Aを操作して、プラズマ照射室 16にダミー試料を移動させ、その直前に試料を 処理した条件にてアモルファス化処理を行う。次に、ダミー試料をプラズマ照射室 16 力も第 2トランスファ室 14bに移動させ、さらに、ダミー試料を検査室 17に移動させる 。検査室でアモルファス層の深さなどが測定されたダミー試料は、図 2において再び 第 2トランスファ室 14bに移動させる。さらに、アンローダ室 19に移動させ、取り出す。
[0046] アモルファス層の深さが繰り返し性良く所望の値を得るために、 25枚の試料を処理 するたびに、ダミー試料をプラズマドーピング処理し、プラズマ照射処理されたダミー 試料のアモルファス層の深さが所定の値および深さのばらつきが所定の値以下とな るように試料を処理する条件および処理時間を制御した。具体的には、まず、バイァ スに電力を変化させて深さとの関係を測定し、ノィァス電力を決定した後、そのバイ ァス電力にお 、て処理時間を変化させてダミー試料のアモルファス層の深さのばら つきが所定の値以下となるように処理時間を決定する。
[0047] 試料電極に供給するバイアス電力 BP、プラズマ源に供給する高周波電力 SP、ある いは、処理時間をどのように変化させるかについては、標準的なアモルファス化条件 において、これらの各制御パラメータを変化させた場合にアモルファス層の深さがど の程度変化するかをあら力じめ実験的に求めておけばよい。これらの各制御パラメ一 タを変化させるには、図示して 、な 、装置の制御系に格納されて 、る処理レシピが 自動的に書き換わるようなソフトウェアを構築しておけばよい。
[0048] このような構成により、試料表面に形成されるアモルファス層の深さの制御性に優 れたプラズマドーピング方法を実現することができる。
実施例 1
[0049] (バイアスによるアモルファス層の深さ制御）
まず、上記装置において、バイアス電力とアモルファス層深さの関係を測定した。そ の結果を図 3に示す。基板は、 200mm, p型を用いた。圧力 0.9Pa,ノ ィァスを印加し た時間 5は 20秒で処理した。 SPは 1500Wと 900Wの 2水準で変えて調べた。そして、バ ィァス電力を 50Wから 300Wの範囲で変化させてアモルファス層の深さの変化を調べ た。ここでは、深さはウェハ面内中央部の 3箇所をエリプソで測定した平均値で表示 した。
[0050] なお、別のプロセスチャンバ一であるプラズマドーピング装置 Aでも、アモルファス層 深さはノ ィァスを変えることで制御できることが確認できた。実験の都合上、ノィァス は 3水準しか取得していないため、正確な近似式で表現できる段階ではないが、 CV R社製プラズマドーピング装置やプラズマドーピング装置 Bによる実験結果でも、ァモ ルファス層の深さはバイアスに対して良好な比例関係にあることがわ力つている。
[0051] そこで、プラズマドーピング装置 Aでも比例関係にあると仮定すると、 SPが 900Wのと きは深さとバイアスの関係は式 1で表される。また、 SPが 1500Wのときは、式 2で表す ことができる。ただし、 Tは深さ (nm)、 Wは BP(W)である。
[0052] T = 0.0623 -W + 6.6632 (式 1)
T = 0.0529-W + 6.3999 (式 2)
[0053] この結果から、以下のことがわかる。バイアス電力を 2W変えると約 O.lnm深さが変化 する。つまり、 0.1應の精度で深さを制御できる可能性が高い。また、式 1、式 2による と、バイアス電力を印加しなくても、或いは 10Wのような非常に小さい BPでも、 6nm程 度のアモルファス層ができることになる。
[0054] そこで、 6nm程度以下の浅いアモルファス層を制御性良く作りたい場合には、 Neを 混合するなどの工夫が必要になる可能性がある。一方、図 3で示したように 8應以上 、 25nm以下のアモルファス層を Heだけで形成することができる。
[0055] (プロセス時間とアモルファス層深さ、面内均一性の関係 @ 200mm)
次にプラズマドーピング装置 Aを用 、て処理時間とアモルファス層の深さとの関係を 測定した。その結果を図 4に示す。図 4では横軸はバイアス印加時間、縦軸はァモル ファス層深さを示す。ここでも基板は、 200mm, p型を用いた。圧力は 0.9Pa, SPは 1500 W, BPは 150Wでおこなった。そして、バイアスを印加した時間を 7秒から 60秒の範囲 で変化させてアモルファス層の深さの変化を測定し、また、面内均一性の変化を測 定すべぐ深さの標準偏差も算出した。ここではアモルファス層の深さはウェハ面内の
81箇所をエリプソで測定した平均値とし、深さの標準偏差は基板端部 5mmを除く 81 箇所で評価した。
[0056] この結果、アモルファス層の深さは、バイアス印加時間の増加に従って増加し、 40 秒程度で飽和することがわ力つた。 CVR製 PD装置を用いて別の条件でおこなった場 合は、 25秒程度で飽和した。これより、深さが飽和する時間は、プラズマの条件により 異なることがわかる。
[0057] また、図 4を参照すると、 60秒でアモルファス層深さは約 16. 5nmであり、この時点 で飽和していることがわかる。 80秒では、アモルファス層深さは約 16. lnmであり、 厳密には少しアモルファス層の深さは小さくなる。これはスパッタによるものだと考えら れるが詳細は不明である。ところで、飽和したときのアモルファス層の深さを 16. 5nm とすると、その 90%は 14. 85nmであり、 14. 85nmから余裕を見て、 15nmとなる時 間とすると 20秒である。
ここで、図 5を参照すると、確かに 20秒以上とすることで、 1. 3%以下の均一性を得 られている。つまり、深さの最大値の 90%以上となる深さになるようにプラズマ照射時 間を設定してやることで非常に良い均一性が得られることがわかる。
[0058] プラズマドーピング装置 Aを用いた今回の実験では飽和時間は 60秒付近であった 力 もう少し短い時間で飽和するプラズマ条件がある可能性が高い。したがってそれ ぞれの装置にっ 、てあら力じめ飽和時間を実験で確認しておき、その時間を処理時 間とすればよい。
[0059] アモルファス層深さの均一性は、バイアス印加時間が 40秒までは 1 σで 0.2nm以下 であった。ところが、 60秒まで長い時間続けると 1 σで 0.23nmとばらつきが大きくなつ た。図 5はバイアス印加時間と面内均一性の関係を示す図である。図 5から、面内均 一性を良い水準にするためには最適なバイアス印加時間があることがわかる。今回 の条件では、それは 40秒である。このときの面内均一性は 1 σで 0.98%であった。
[0060] 面内均一性は、深さの標準偏差を深さの平均で除したもので評価した。バイアス印 加時間が 40秒以下では、図 4で示したように、深さの標準偏差が 0.16nm力 0.19nm の範囲でそれほど変わらない。その一方で、深さの平均はバイアス印加時間とともに 増加する。この結果、面内均一性はバイアス印加時間の増加に従って良くなつていく
。しかし、バイアス印加時間が 40秒を超えると、深さのばらつきの標準偏差が悪くなる 一方で、深さの平均がほとんど増加しない。この結果、面内均一性が悪くなつた。
[0061] 次に、 40秒を超えたときに深さのばらつきの標準偏差が悪くなる原因について考察 する。図 6は、バイアス印加時間を変えたときのアモルファス層深さの面内分布の変 化である。ウェハ全面にわたって最初浅力つたアモルファス層が深くなつていく様子 が理解できる。 60秒のときには、 40秒以下では顕著に見られない特徴が認められる。 すなわち、図面右下側の深さが浅くなつているという特徴である。この方向は、装置の 構成上、基板面内の他の部分よりもスパッタリングが起こり易い部分である。飽和を超 えた 60秒のときには、このようなスパッタリングが起こり易い部分の特徴が発現しやす い。
[0062] (実施の形態 2)
次に、プラズマのイオン密度のばらつきと基板内のアモルファス層の深さのばらつき との関係について測定する。
[0063] 図 1に示したものと同様の装置を用い、 B Hと Heの混合ガスを用いて、ボロンのシリ
2 6
コンへの導入（注入）を行った。 B Hと Heのガス混合比は 0. 05%と 99. 95%である
2 6
。圧力は 0. 9Pa、ソースパワーは 1500Wとした。シリコン基板は直径 300mmの n型 基板を用いた。このとき、シリコン基板表面をアモルファス化するプロセスにおいて、 使用した B H ZHeプラズマのイオン密度を測定した。このイオン密度の標準偏差は、
2 6
1 σで 9. 63%であった。イオン密度の測定に際してはラングミュラープローブを用い た。これは、 タングステンの針をプラズマ中に入れて、針にプラスとマイナスの電圧を 周期的に掛けたときにプラズマ中の電子とイオンが針に飛び込んでくる量を測定す ることにより、プラズマ中のイオン密度を測定する。
[0064] 一方、アモルファス層の深さの標準偏差は、プラズマ照射時間 7秒の場合： 1 σで 3
. 74%、プラズマ照射時間 14秒の場合： 1 σで 2. 87%、プラズマ照射時間 60秒の 場合： 1 σで 1. 42%であった。
[0065] また、このときに得られる、アモルファス層の深さは、 7秒の場合： 6. 37nml4秒の 場合： 7. 96 30秒の場合： 9. 90nm 60秒の場合： 10. 70nm 80秒の場合： 1 0. 10nmであった。
[0066] ちなみにプラズマのイオン密度は、基板中央が密度が高ぐ端部の方が密度が低く なっている。 これに対し、アモルファス層の深さは、通常、基板中央が深ぐ端部の方 が浅くなつた。このようにアモルファス層の深さは、イオン密度の形が転写された形に なっているが、そのばらつきの均一性は、プラズマドーピング時間を調整することで、 より均一にすることができることがわかる。
[0067] また、時間の調整の仕方は、アモルファス層が飽和する深さ（ここでは 10. 70nm) の 90%以上の深さ（ここでは 9. 63nm)になる時間に調整することで、良好な均一性 を得ることができる。
[0068] (実施の形態 3)
CVR製プラズマドーピング装置を用 、て処理時間とアモルファス層の深さとの関係 を測定した。その結果を図 7に示す。図 7では横軸はバイアス印加時間、縦軸はァモ ルファス層深さを示す。ここでも基板は、 200mm, p型を用いた。圧力は 0.9Pa, SPは 15 00W, BPは 60Wでおこなった。そして、バイアスを印加した時間を 7秒から 100秒の範 囲で変化させてアモルファス層の深さの変化を測定した。 CVR製プラズマドーピング 装置では 30秒付近でー且アモルファス層の深さは飽和（最大値をもつ）し、その後、 浅くなることが了解できる。最終的に一定になる傾向も認められる。このように飽和に は 2段階ある。最初に最大値を持つ時間と、最終的に時間変化に対して一定になる 時間である。
[0069] なお、実施の形態 1、 2で説明した飽和すると言う意味は、図 7で最初に最大となる 時間について述べている。ここでは、 30秒付近のことである。アモルファス層の深さ は、その後一定になる傾向にある力 スパッタによるシリコンの削れが問題にならない 場合には、最終的に時間変化に対して一定になって飽和した時間でも使うことができ る。ただし、スパッタによるシリコンの削れが問題になる場合が実際にはほとんである し、面内均一性も最初に最大値を持つ方の飽和時間を使う方が良いものが得られる 。よって、最初に最大値を持つ方の飽和時間を使う方が望ましい。
[0070] また、ここでは、 CVR製プラズマドーピング装置を用いた例にっ 、てのみ説明した 力 プラズマドーピング装置 Aや Bなどの他の装置を用いても程度の差はあれ同様の 結果を得ることができる。
[0071] なお、プラズマドーピングで均一性が 1. 3%以下になるように均一に形成したァモ ルファス層を有する直径 200mm以上のシリコン基板、望ましくは直径 300mm以上 の基板においては特に有効である。その理由は、よく知られていることである力 直径 の大きな基板を用いた方が、 1回の処理で製造できる半導体チップの数が多くなるの で、経済的に有利となる力もである。なお、ここで、レジストパターンが付いている場合 は、レジストが付いている部分を除いたシリコン基板が表面に出ている部分のァモル ファス層の均一性とする。
産業上の利用可能性
[0072] 本発明のプラズマドーピング方法及び装置は、試料表面に導入される不純物の打 ち込み深さ、またはアモルファス層の深さの制御性に優れたプラズマドーピング方法 及び装置を提供することができることから、半導体の不純物ドーピング工程をはじめ、 液晶などで用いられる薄膜トランジスタの製造や、各種材料の表面改質等の用途に も適用可能である。

Claims

請求の範囲
[1] 真空容器内で、試料にプラズマを接触させ、プラズマ中のイオンを試料の表面に衝 突させて試料の表面をアモルファスに改質する工程を含むプラズマドーピング方法 であって、
前記プラズマの照射時間を、前記試料表面におけるプラズマ中のイオン密度の標 準偏差よりも、前記試料内のアモルファス層深さの標準偏差力 、さくなり、かつァモ ルファス層が飽和する深さの 90%以上の深さになる時間になるように設定して実行さ れるプラズマドーピング方法。
[2] 請求項 1に記載のプラズマドーピング方法であって、
所定数の前記試料に対し、前記プラズマの照射時間と生成されるアモルファス層の 深さとの関係を測定する工程と、
前記アモルファス層の深さが前記試料内で均一である照射時間をプラズマ処理時 間とするプラズマドーピング方法。
[3] 請求項 2に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記測定する工程は、エリプソメトリによりアモルファス層の深さを測定する工程で あって、
前記深さの標準偏差 σが 1. 3%以下となるプラズマ照射時間をプラズマ照射時間 となるようにしたプラズマドーピング方法。
[4] 請求項 1に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記プラズマ照射時間を 20秒力も 60秒としたプラズマドーピング方法。
[5] 請求項 4に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記プラズマ照射時間を 30秒から 50秒としたプラズマドーピング方法。
[6] 請求項 1に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記改質する工程は、不純物イオンプラズマを照射し、アモルファス化と不純物ィ オンの注入とを同時に実行する工程であるプラズマドーピング方法。
[7] 請求項 1に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記改質する工程の後、不純物をドーピングする工程を含むプラズマドーピング方 法。
[8] 請求項 3に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記測定する工程は、プラズマドーピング処理されたダミー試料表面に光を照射し て入射光と反射光の偏光状態の差を検出し、その差力 ダミー試料表面のァモルフ ァス層の深さを算出する工程と、
算出されたアモルファス層の深さのばらつきの標準偏差が所定の値となるように、 前記改質する工程の処理時間を制御するプラズマドーピング方法。
[9] 請求項 1乃至 8の 、ずれかに記載のプラズマドーピング方法であって、
前記試料がシリコンよりなる半導体基板であるプラズマドーピング方法。
[10] 請求項 1乃至 9の 、ずれかに記載のプラズマドーピング方法であって、
真空容器内に発生させるプラズマは、希ガスのプラズマであるプラズマドーピング 方法。
[11] 請求項 10に記載のプラズマドーピング方法であって、
真空容器内に発生させるプラズマは、ヘリウムプラズマであるプラズマドーピング方 法。
[12] 請求項 10に記載のプラズマドーピング方法であって、
真空容器内に発生させるプラズマは、ネオンプラズマであるプラズマドーピング方 法。
[13] 請求項 1に記載のプラズマドーピング方法であって、
真空容器内に発生させるプラズマは、ボロンを含むプラズマであり、結晶である試 料表面をアモルファスに改質すると同時に、ボロンを試料表面に導入するプラズマド 一ビングを行うものであるプラズマドーピング方法。
[14] 請求項 13に記載のプラズマドーピング方法であって、
真空容器内に発生させるプラズマは、ジボランを含むプラズマであるプラズマドーピ ング方法。
[15] 請求項 1に記載のプラズマドーピング方法であって、
真空容器内に発生させるプラズマは、砒素、燐、またはアンチモンを含むプラズマ であり、結晶である試料表面をアモルファスに改質すると同時に、砒素、燐、またはァ ンチモンを試料表面に導入するプラズマドーピングを行うものであるプラズマドーピン グ方法。
[16] 請求項 8に記載のプラズマドーピング方法であって、
ダミー試料力 試料のデバイスとしては不要となる部分に設けられた試料の一部分 であるプラズマドーピング方法。
[17] 請求項 1乃至 16のいずれかに記載のプラズマドーピング方法を実行するための装 置であって、
真空容器と、試料電極と、前記真空容器内にガスを供給するガス供給手段と、前記 真空容器内を排気する排気手段と、前記真空容器内の圧力を制御する圧力制御手 段と、前記試料にプラズマを供給するプラズマ供給手段と前記試料電極に電力を供 給する試料電極用電源とを備えたプラズマドーピング室と、前記試料に光を照射する 光照射部と、前記試料への入射光と反射光の偏光状態を検知する検知部とを備え たプラズマドーピング装置。
[18] 請求項 17に記載のプラズマドーピング装置であって、
前記検知部は、前記プラズマドーピング室内に配設されたプラズマドーピング装置
[19] 請求項 18に記載のプラズマドーピング装置であって、
前記検知部は、前記プラズマドーピング室と独立して設けられた検査室内に配設さ れたプラズマドーピング装置。
[20] 真空容器内で、試料にプラズマを接触させ、プラズマ中のイオンを試料の表面に衝 突させて試料の表面をアモルファスに改質する工程を含むプラズマドーピング方法 であって、 基板面上で前記プラズマ中のイオン密度が小さ!、部分のアモルファス層 の深さが最大値付近に達する程度にプラズマの照射時間を長く設定するようにした プラズマドーピング方法。
[21] 請求項 20に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記プラズマの照射時間は、前記イオン密度が小さ 、部分のアモルファス層の深さ が前記プラズマの照射時間を変化させたときの最大値の 90%以上の深さになる時間 になるように設定して実行されるプラズマドーピング方法。
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