(57)【要約】  不純物を含むガスからなるプラズマに基板をさらすことによって、前記基板の表面部に前記不純物をドーピングして不純物領域を形成する。前記プラズマによる前記基板上における堆積レートが０ｎｍ／分よりも大きく且つ５ｎｍ／分以下となる時間範囲内に含まれる所定のプラズマドーピング時間を用いる。
2009084130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不純物を含むガスからなるプラズマに基板をさらすことによって、前記基板の表面部に前記不純物をドーピングして不純物領域を形成する半導体装置の製造方法において、
前記プラズマによる前記基板上における堆積レートが０ｎｍ／分よりも大きく且つ５ｎｍ／分以下となる時間範囲内に含まれる所定のプラズマドーピング時間を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記時間範囲内では、前記プラズマによる前記基板上における堆積レートが０ｎｍ／分よりも大きく且つ２ｎｍ／分以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記時間範囲は５０秒以上で且つ２００秒以下の範囲であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記時間範囲内では、前記基板にドーピングされる前記不純物のドーズ量の時間変化率が略一定であり、その関係を用いて当該ドーズ量が所望値となるように前記所定のプラズマドーピング時間を決定することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体装置の製造方法において、
前記基板にドーピングされる前記不純物のドーズ量をＤ（ｃｍ-2）、プラズマドーピング時間をｔ（秒）として、Ｄ＝Ａ×ｔB （但しＡ及びＢは係数）と表したとき、前記時間範囲内では、前記係数Ｂが１．３以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体装置の製造方法において、
前記時間範囲内では、前記係数Ｂは０．４よりも大きいことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記基板の表面部に前記不純物をドーピングする前に、
前記不純物を含むガスからなるプラズマにダミー基板をさらすことにより、前記ダミー基板の表面部に前記不純物をドーピングし、前記ダミー基板における面内の複数の箇所について、当該各箇所にドーピングされた前記不純物のドーズ量の時間変化率が略一定となる時間範囲をそれぞれ求め、それらの時間範囲のうち最も長い時間を含む時間範囲内から前記所定のプラズマドーピング時間を決定することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、プラズマドーピングによって不純物を基板に注入して半導体領域を形成する半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の高集積化、高機能化及び高速化に伴って、半導体装置の微細化への要求がますます高まっている。それに伴い、基板に不純物を注入して形成する半導体領域の極浅化への要求も高まっている。そこで、不純物を基板中に注入する技術として従来から広く使用されているイオン注入技術と比べて、不純物を極浅に注入した半導体領域を形成し易い技術としてプラズマドーピングが注目されている。プラズマドーピングでは、基板をプラズマに直接さらすことにより、プラズマ中の不純物を当該プラズマから引き出すことなく基板に注入することができる。これにより、プラズマ中の不純物イオンだけではなく、プラズマ中のラジカルやガス構成原子又は分子（以下、単にガスという）という電気的に中性の不純物をも、大量に且つ低いエネルギーで基板に注入できる。従って、プラズマドーピングの特徴として、
１．不純物の基板への注入レートが極めて大きいので、イオン注入と比べてスループットが非常に高いこと
２．不純物の注入エネルギーを極めて低くできるので、不純物を極浅に注入し易いことが広く知られている。【０００３】
プラズマドーピングの第１の特徴である、注入レートが極めて大きいという性質を利用することによって、ポリシリコンゲートへの不純物注入を極めて高いスループットで行うことができる（非特許文献１参照）。【０００４】
また、前記の第１の特徴に加えて、プラズマドーピングの第２の特徴である、注入エネルギーを極めて低くできるという性質を組み合わせて応用することによって、ゲートよりも格段に薄い領域であるソース・ドレインのエクステンション領域を低抵抗で形成できることが報告されている（非特許文献２及び３参照）。【０００５】
さらに、最近では、ソース・ドレインのエクステンション領域の極浅化及び低抵抗化に加えて、プラズマドーピングによる極浅不純物領域形成を実用化する上で従来大きな課題とされていた不純物ドーズ量の均一性を、ソース・ドレインのエクステンション領域に要求されている水準にまで高精度化できる技術が提案されている（非特許文献４、特許文献１及び２参照）。【０００６】
また、プラズマドーピングによる極浅不純物領域形成を実用化する上での別の大きな課題であるドーズ量の制御性に関して、ラジカルやガスという電気的に中性の不純物が基板上に堆積することを抑制する技術が開示されている（特許文献３参照）。特許文献３には、ファラデーカップによって不純物イオンの注入量だけを測定すれば、ドーズ量を特定でき、それによってドーズ量の制御性を高めることができると記載されている。【０００７】
また、プラズマドーピングにおいて、ラジカルやガスという電気的に中性の不純物を積極的に利用する技術として、絶縁性基板上に半導体薄膜を形成した後、当該半導体薄膜中で電気的に活性化されてキャリアとなり得る不純物原子を主成分とする不純物薄膜を、当該半導体薄膜に接するように形成する技術が開示されている（特許文献４参照）。
【非特許文献１】Shu Qin 、Allen Mc Teer 、Device Performance Evaluation of PMOS Devices Fabricated by B2H6 PIII/PLAD Process on Poly-Si Gate Doping、International Workshop on Junction Technology 、p68 、(2006年)
【非特許文献２】Y.Sasaki他、B2H6 Plasma Doping with “In-situ He Pre-amorphization”、Symp. on VLSI Tech、p180、(2004年)
【非特許文献３】Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 237 p41-45、(2005年)
【非特許文献４】IIT(2006)524_AIP866
【非特許文献５】D.Lenoble 、SEMICONDUCTOR FABTECH-30th EDITION
【特許文献１】国際公開番号第06/064772号パンフレット
【特許文献２】国際公開番号第06/121131号パンフレット
【特許文献３】米国特許出願公開第2006/0099830号明細書
【特許文献４】国際公開番号第05/034221号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、非特許文献１に開示されている従来の半導体装置の製造方法によると、スループットは極めて高いものの、基板の極浅領域に注入したドーズ量の基板面内均一性を、ソース・ドレインのエクステンション領域に要求される水準にまで高精度化することは困難であるという問題点がある。【０００９】
また、非特許文献２及び３に開示されている従来の半導体装置の製造方法によると、ソース・ドレインのエクステンション領域を極めて浅く且つ低抵抗に形成できるが、やはりドーズ量の基板面内均一性を高精度化することが困難であるという問題点がある。【００１０】
それに対して、ドーズ量の基板面内均一性の問題を解決する技術が、非特許文献４並びに特許文献１及び２において提案されている。しかるに、これらの技術は、ドーズ量の基板面内均一性を向上させることはできるのの、当該均一性向上効果の得られるドーズ量の範囲が極めて狭いので、半導体デバイスの種類に応じて要求される様々な水準のシート抵抗を、当該要求に応じて実現することが困難であるという問題点がある。実際には、生産ロット毎に要求されるシート抵抗は異なるので、当該要求に応じて、得られるシート抵抗の水準の調整に時間を要してしまう非特許文献４並びに特許文献１及び２に開示されている方法を用いた場合には、生産性が低下してしまうという問題点がある。【００１１】
また、特許文献３に開示されている方法によると、ラジカルやガスという電気的に中性の不純物が基板上に堆積することを抑制することによって、抑制しなかった場合と比較すると、ファラデーカップを用いて電気的にドーズ量を測定した際の測定精度は向上する。しかし、このファラデーカップを用いたドーズ量の測定値は、ドーズ量の同定方法として広く知られたＳＩＭＳ（secondary ion mass spectrometry ）を用いたドーズ量の測定値とは異なってしまう。すなわち、特許文献３にも記載されているように、ファラデーカップは、基板に注入された不純物のうち電気的に活性なイオンのみを測定する一方、ＳＩＭＳでは、基板に注入された不純物のうちイオンだけではなく電気的に中性な不純物をも測定するからである。従って、ファラデーカップによるドーズ量の測定値と、ＳＩＭＳによるドーズ量の測定値とが異なるということは、特許文献３の技術を用いたとしても、ファラデーカップによってドーズ量を高精度に測定することはできないということを意味している。【００１２】
また、特許文献４に開示されている方法は、プラズマドーピングにおいてラジカルやガスという電気的に中性の不純物が基板上に堆積する現象を利用したものであるが、特許文献４にはドーズ量の制御についての開示はなく、ましてや、特許文献４に開示されている方法によって、ドーズ量を高精度で測定することはできない。【００１３】
以上のように、ドーズ量の制御性という問題は、電気的に測定可能な不純物イオンだけではなく、電気的に測定不可能なラジカルやガスという電気的に中性の不純物をも基板に注入するというプラズマドーピングの原理に由来する問題であって、プラズマドーピングという技術をソース・ドレインのエクステンション領域の形成に使用する上で、長年に渡り解決できていない問題、いわゆる「歴史的な障害」として指摘されている（非特許文献５参照）。【００１４】
前記に鑑み、本発明は、半導体装置製造に用いられるプラズマドーピングにおいて、生産性やドーズ量の基板面内均一性を損なうことなく、また、ドーズ量の高精度測定を要することなく、高精度で制御可能なドーズ量の範囲を従来と比して格段に拡大できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記の目的を達成するために、本願発明者らは、プレーナ型デバイスにおけるソース・ドレインのエクステンション領域をプラズマドーピングを用いて形成する際に、生産性とドーズ量の基板面内均一性と制御可能なドーズ量範囲の大きさとがトレードオフの関係にある理由を検討した結果、次のような知見を得るに至った。【００１６】
図１（ａ）〜（ｈ）は、プレーナ型デバイスにおけるソース・ドレインのエクステンション領域をプラズマドーピングを用いて形成する方法の各工程を示す要部断面図である。【００１７】
まず、図１（ａ）に示すように、シリコン基板１の表面に酸化シリコン膜２を介してｎ型のシリコン層３を貼り合わせることによって形成されたＳＯＩ（silicon on insulator）基板を用意し、当該ＳＯＩ基板表面にゲート絶縁膜として酸化シリコン膜４を形成する。【００１８】
次に、図１（ｂ）に示すように、酸化シリコン膜４の上に、ゲート電極となる多結晶シリコン層５Ａを形成した後、図１（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィにより、多結晶シリコン層５Ａの上にゲート電極形成領域を覆うマスクＲを形成する。その後、図１（ｄ）に示すように、マスクＲを用いて多結晶シリコン層５Ａをパターニングし、ゲート電極５を形成する。このとき、ゲート電極５の外側の酸化シリコン膜４がエッチングにより除去される。続いて、図１（ｅ）に示すように、ゲート電極５をマスクとして、プラズマドーピングにより、ボロンをシリコン層３に導入し、ドーズ量が１×１０15ｃｍ-2程度の浅いｐ型の不純物領域６を形成する。【００１９】
その後、図１（ｆ）に示すように、例えば、ＬＰＣＶＤ（low pressure chemical vapor deposition）法により、基板全面に亘って酸化シリコン膜７を形成した後、異方性エッチングにより、酸化シリコン膜７に対してエッチングバックを行う。これにより、図1（ｇ）に示すように、ゲート電極５の側壁にのみ酸化シリコン膜７が残存する。【００２０】
次に、図１（ｈ）に示すように、酸化シリコン膜７とゲート電極５とをマスクとして、イオン注入により、ボロンをシリコン層３に注入し、ソース・ドレイン領域となるｐ型の不純物領域８を形成する。その後、熱処理を行って、注入されたボロンイオンの活性化を行う。【００２１】
以上に説明した工程によって、ｐ型の不純物領域８からなるソース・ドレイン領域の内側に浅いｐ型の不純物領域６からなるエクステンション領域が形成されたＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field effect tranjistor）を形成することができる。【００２２】
尚、図１（ｅ）に示す、浅いｐ型の不純物領域６を形成する工程においては、例えば図２に示す、特許文献２に開示されたプラズマドーピング装置等を用いてプラズマドーピングが実施される
図２に示すプラズマドーピング装置は、真空容器１０１と、真空容器内にガスを供給するガス供給装置１０２と、真空容器１０１内からガスを排気する排気装置としてのターボ分子ポンプ１０３と、真空容器１０１内の圧力を制御する圧力制御装置としての調圧弁１０４と、被処理基板（基板）１０９が設置される試料台を兼ねる試料電極１０６と、試料電極１０６と対向する真空容器１０１の天井部となる誘電体窓１０７の近傍に設けられたプラズマ源（ガスを放電によってプラズマ化するプラズマ生成装置）としてのコイル１０８と、コイル１０８に例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給する高周波電源１０５と、試料電極１０６に電圧を供給する電圧源としての高周波電源１１０と、試料電極１０６を冷却する冷却水供給ユニット１１１と、試料電極１０６に供給される電圧をモニターするＶｄｃモニタ１１７とから構成されている。プラズマを発生させるために必要なガスは、ガス供給装置１０２からガス導入経路１１３及び誘電体窓１０７内部のガス主経路１１４を通じてガス吹き出し口１１５から真空容器１０１内に供給される。また、真空容器１０１内の真空度は、ガス供給装置１０２、ターボ分子ポンプ１０３、調圧弁１０４及びドライポンプ１１２によって制御される。さらに、真空容器１０１内の試料電極１０６に対しては、高周波電源１１０からマッチングボックス１１６を通じて電力が供給される。これにより、試料台を兼ねる試料電極１０６上に載置された被処理基板１０９に電力が供給される。【００２３】
図２に示すようなプラズマドーピング装置を用いて、特許文献１や特許文献２に開示された方法によってプレーナ型デバイスのソース・ドレインのエクステンション領域を形成した場合における、ソース・ドレインのエクステンション領域のシート抵抗とプラズマドーピング時間との関係を図３に示す。尚、図３中に記載した「狙いとするシート抵抗の値」は、デバイス構造から要請されるもので、各デバイスによって異なる任意の値であるが、これを製造する方法としては、下記の比較例１及び比較例２の２通りの方法がある。【００２４】
まず、比較例１及び比較例２のそれぞれの特徴を説明する。比較例１及び比較例２では共に、プラズマドーピング時間が増加するに従って、注入される不純物のドーズ量が増加するので、シート抵抗が低下する。そして、シート抵抗の減少の割合は、プラズマドーピング時間が短い時期（初期）には極めて大きいが、プラズマドーピング時間が長くなるに従って、シート抵抗の減少の割合は低下していき、ついにはほとんど一定となる。比較例１及び比較例２において、これらのことは共通である。但し、比較例１及び比較例２のそれぞれのプラズマドーピング条件は相対的には以下のような関係にある。すなわち、比較例１の条件による注入ドーズ量は比較例２と比べて大きい。より具体的には、比較例１の条件における、不純物を含むガスの濃度、当該ガスの流量、及び当該ガスの圧力のうちの少なくとも１つは比較例２の条件と比べて大きい。これにより、あるプラズマドーピング時間で比べた場合、比較例１の条件によるシート抵抗は比較例２と比べて小さくなる。【００２５】
さて、比較例１で狙いのシート抵抗を実現するためには、プラズマドーピング時間を短くし、言い換えると、ドーピング処理の初期においてプラズマを消滅させ、所定量以上の量の不純物が注入されないようにする。ところが、プラズマドーピング時間を短くした場合には、基板面内のドーズ量には大きなばらつきがある。このことは、図３において、シート抵抗とプラズマドーピング時間との関係を表す帯の幅（破線を挟む実線の幅：以下同じ）が、プラズマドーピング時間が長くなるに従って小さくなり、ある時間以降はほぼ一定の幅になることに対応している。すなわち、基板面内のシート抵抗の均一性は、プラズマドーピング時間が短い間（初期）は悪く、プラズマドーピング時間が長くなるに従って良くなる。また、比較例１の条件を用いてプラズマドーピングを繰り返し実施した場合に各基板の面内のある点で取得できる、シート抵抗とプラズマドーピング時間との関係を表す帯の幅も、図３に示す帯の幅と同様になる。すなわち、基板面内のシート抵抗の再現性も、プラズマドーピング時間が短い間（初期）は悪く、プラズマドーピング時間が長くなるに従って良くなる。【００２６】
このような現象が起きる理由は、均一性と再現性とで共通である。以下、その理由について説明する。本願発明者らは、プラズマドーピング時間が長くなるに従って、シート抵抗が低下してある水準でほぼ一定になり、その一定になる水準は不純物ガス濃度が主要因となって決まることを見出した。具体的には、プラズマドーピング装置のソースパワー、チャンバー内圧力、ガス流量などの条件は、基板面内の各箇所で僅かに違っていたり、或いは、プラズマドーピングの繰り返し処理中に各処理で僅かに違っていたりする。特に、プラズマドーピング時間が短い間（つまりドーピング処理の初期）には、これらの違いに起因してシート抵抗が基板の面内や各基板間で大きく異なる。ところが、プラズマドーピング時間が長くなると、不純物ガス濃度に固有のシート抵抗になるように、基板に注入される不純物の量と、基板からスパッタリングされる不純物の量とが釣り合って平衡状態に達する。従って、不純物ガス濃度の基板面内分布を、狙いのシート抵抗が得られるように管理しておけば、プラズマドーピング時間が小さい間（初期）には他のパラメータのばらつきによって基板面内で狙いのシート抵抗よりもシート抵抗が高くなっている箇所においては、プラズマドーピング時間が長くなるに従って、基板面内で平均的なシート抵抗を持つ箇所と比較して、より早い割合でシート抵抗が低下する。一方、プラズマドーピング時間が小さい間（初期）には他のパラメータのばらつきによって基板面内で狙いのシート抵抗よりもシート抵抗が低くなっている箇所においては、プラズマドーピング時間が長くなるに従って、基板面内で平均的なシート抵抗を持つ箇所と比較して、より遅い割合でシート抵抗が低下する。このように、プラズマドーピング時間がある一定時間以上に達すると、基板面内の各箇所のシート抵抗は平均的なシート抵抗に極めて近くなるので、面内均一性が良くなる。【００２７】
このメカニズムは、再現性についても同様に当てはまる。プラズマドーピングを繰り返し行う場合、基板面内のある点に着目して、不純物ガス濃度の再現性を、狙いのシート抵抗が得られるように管理しておけば、プラズマドーピング時間が小さい間（初期）には他のパラメータのばらつきによって基板間で狙いのシート抵抗よりもシート抵抗が高くなっている基板においては、プラズマドーピング時間が長くなるに従って、基板間で平均的なシート抵抗を持つ基板と比較して、より早い割合でシート抵抗が低下する。一方、プラズマドーピング時間が小さい間（初期）には他のパラメータのばらつきによって基板間で狙いのシート抵抗よりもシート抵抗が低くなっている基板においては、プラズマドーピング時間が長くなるに従って、基板間で平均的なシート抵抗を持つ基板と比較して、より遅い割合でシート抵抗が低下する。このように、プラズマドーピング時間がある一定時間以上に達すると、各基板のシート抵抗は平均的なシート抵抗に極めて近くなるので、再現性が良くなる。【００２８】
以上に述べたメカニズムによると、比較例１で図３に示す狙いのシート抵抗Ａを得ようとすると、プラズマドーピング時間が小さい間（初期）に不純物注入を停止しなければならないので、均一性及び再現性を向上させることは困難である。これは、狙いのシート抵抗Ｂを得ようとした場合にも同様であり、プラズマドーピング時間が小さい間（初期）に不純物注入を停止しなければならないので、均一性及び再現性を向上させることは困難である。【００２９】
また、比較例２で図３に示す狙いのシート抵抗Ａを得ようとすると、プラズマドーピング時間を一定時間以上に設定できるので、均一性及び再現性を所望のレベルまで向上させることができる一方、狙いのシート抵抗Ｂを得ようとしても、比較例２により得られるシート抵抗はシート抵抗Ｂの水準までは低下しないので、これを得ることは不可能である。尚、デバイス設計上、同じプロセスチャンバーで狙いとするシート抵抗の水準が異なるプロセスを連続して処理したいという要望があるので、同じプロセスチャンバーで例えば図３に示すシート抵抗Ａ及びシート抵抗Ｂを得ることができる方法を実現することは重要であり、これが実現できないことは実用上極めて大きな問題となる。【００３０】
前述の知見に基づき、本願発明者らは、均一性及び再現性の向上と制御可能なドーズ量範囲の拡大との間のトレードオフの関係を打開して、制御可能なドーズ量範囲を格段に拡大することができると共に均一性及び再現性を向上させることができる半導体装置の製造方法を発明するに至った。【００３１】
本発明は、後述するように、適度なデポジションレート（堆積レート）となるようにプラズマドーピング条件を選択すると、プラズマドーピング時の基板上面においてドーピングの影響とデポジションの影響とスパッタリングの影響とが平衡状態を保つ時間範囲が存在するという性質をプレーナー型デバイスやフィン型デバイスに適用する方法である。具体的には、この時間範囲では、注入ドーズ量の時間増加率がゼロよりも大きく且つプラズマドーピング時間の大小によらず一定となること、つまり、シート抵抗の時間減少率がゼロよりも小で且つプラズマドーピング時間の大小によらず一定になることを本願発明者らは新たに見出し、「堆積レートが０ｎｍ／分よりも大きく且つ５ｎｍ／分以下となる時間範囲内に含まれる所定のプラズマドーピング時間を用いる」ことを特徴とする本発明を想到した。すなわち、プラズマによる基板上における堆積レートが０ｎｍ／分よりも大きく且つ５ｎｍ／分以下となるようにプラズマドーピング条件を選択することによって、注入ドーズ量の時間増加率がゼロよりも大きく且つプラズマドーピング時間の大小によらず一定となる時間範囲を得ることができる。【００３２】
尚、この所定のプラズマドーピング時間の決定は例えば次のように行うことができる。すなわち、ダミー基板における面内の複数の箇所について、当該各箇所にドーピングされる不純物のドーズ量の時間変化率が略一定となる時間範囲をそれぞれ求め、それらの時間範囲のうち最も長い時間を含む時間範囲内から前記の所定のプラズマドーピング時間を決定する。【００３３】
ところで、特許文献４に開示されている方法（堆積レートは３０秒間で１０ｎｍつまり２０ｎｍ／分）のように、堆積レートが５ｎｍ／分よりも大きくなると、つまり、堆積レートが大きくなり過ぎると、基板上においては注入現象ではなく、ほぼ堆積現象のみが見られるようになるので、ドーズ量の制御自体が不可能になる。さらに、基板の表面に、望ましくない不純物を主成分とする膜が許容範囲を超えて厚く形成されてしまうので、基板の表面に形成したレジストが剥離し難くなったり、半導体中の不純物量が固溶限界を超えてしまうことにより半導体デバイスの特性が低下したりする等の不具合が発生してしまう。ここで、不純物を主成分とする膜とは、例えばＢ2 Ｈ6 を含むプラズマに基板をさらした場合には、基板上にボロンが堆積して形成された膜である。【００３４】
一方、堆積レートがゼロ以下、言い換えると、エッチングレートがゼロ以上である場合には、注入ドーズ量が時間に関わらず一定になってしまい、プラズマドーピング時間の増加に対して注入ドーズ量が増加する度合いが極端に小さくなってしまうので、制御可能なドーズ量範囲が極端に小さくなるという不具合が発生してしまう。これは、本願発明者らが、特許文献１のプラズマドーピング方法を検討した結果、新たに得た知見である。すなわち、本願発明者らは、後述するエッチングレートの測定により、特許文献１のプラズマドーピング方法においてはエッチングレートがゼロ以上あり、このため、プラズマドーピング時に、不純物の注入現象によるドーズ量の増加と、不純物が基板表面からスパッタリングされる現象によるドーズ量の減少とが釣り合い、全体としてのドーズ量が時間経過に対してほぼ一定になる時間帯が現れることを新たに見出した。本発明は、この知見を発案の出発点としており、プラズマドーピング時のエッチングレートがゼロ以上である場合には全体としてのドーズ量が時間経過に対してほぼ一定になる時間帯が現れるという知見は重要なものである。【００３５】
次に、ドーズ量の制御性を広範囲に亘って高精度化することについて特に優れた効果を奏する本発明の方法について、プラズマドーピング時間と注入ドーズ量との関係を示す図４（ａ）〜（ｄ）を参照しながら説明する。【００３６】
本発明の方法において、プラズマドーピングの初期（以下、初期領域Ａと称する）には、単位時間当たりに基板に導入されるドーズ量が大きいので、シート抵抗の時間に対する低下率は大きい。具体的には、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、下記（式１）
Ｄｏｓｅ＝Ａ×（Ｔｉｍｅ）B   ・・・（式１）
（但しＤｏｓｅはドーズ量、Ｔｉｍｅは時間、Ａ及びＢは係数）に従ってドーズ量が急激に増加する。また、ドーズ量の時間増加率は下記（式２）
ｄＤ／ｄＴ＝Ａ×Ｂ×（Ｔｉｍｅ）B-1   ・・・（式２）
で表されるが、この値も大きくなる。これは、初期領域Ａには基板の表面に注入され又は付着している不純物の量が少ないので、プラズマドーピングによって不純物が注入されたり、付着したりし易いことが原因であると考えられる。この初期領域Ａでは、注入現象と堆積現象とが優勢であり、スパッタリング現象は起きている可能性はあるものの、ドーズ量の推移からはその影響は見受けられない。【００３７】
しかし、ある程度時間が経過すると、図４（ａ）及び（ｃ）に示すように、下記（式３）
Ｄｏｓｅ＝Ａ×（Ｔｉｍｅ）＋Ｂ  ・・・  （式３）
（但しＤｏｓｅはドーズ量、Ｔｉｍｅは時間、Ａ及びＢは係数）に従って、単位時間当たりに導入されるドーズ量が初期領域Ａと比べて小さくなり、従って、シート抵抗の時間に対する低下率も初期領域Ａと比べて小さくなる。しかも、この時間領域（以下、プロセス領域Ｂと称する）においては、図４（ａ）及び（ｃ）に示すように、単位時間当たりに導入されるドーズ量が下記（式４）
ｄＤ／ｄＴ＝Ａ（定数）  ・・・（式４）
に従って一定（実験ではほぼ一定）になるという特徴がある。その理由は、プロセス領域Ｂにおいては、基板の表面に注入され又は付着している不純物の量が初期領域Ａと比べて多くなっているために注入現象及び堆積現象が初期領域Ａと比べて抑制されていると共に、基板表面に付着した不純物が取れ易いためにスパッタリング現象の影響が大きくなっているからであると考えられる。尚、プロセス領域Ｂにおいては、注入現象及び堆積現象がスパッタリング現象よりも優勢になった水準で釣り合いが取れている。本発明では、このプロセス領域Ｂに含まれる時間から、狙いとするドーズ量に応じてプラズマドーピング時間を適切に選択することによって、広範囲に亘ってドーズ量を高精度且つ簡単に調整できるという顕著な効果を奏する。【００３８】
その後、さらにある程度時間が経過すると、図４（ａ）及び（ｄ）に示すように、下記（式５）
Ｄｏｓｅ＝Ａ×ｅｘｐ（Ｂ×Ｔｉｍｅ）  ・・・  （式５）
（但しＤｏｓｅはドーズ量、Ｔｉｍｅは時間、Ａ及びＢは係数）に従って、単位時間当たりに導入されるドーズ量が、本発明のプロセスウィンドウの時間領域であるプロセス領域Ｂと比べて極めて大きくなり、従って、シート抵抗の時間に対する低下率もプロセス領域Ｂと比べて大きくなる。また、ドーズ量の時間増加率は、下記（式６）
ｄＤ／ｄＴ＝Ａ×Ｂ×ｅｘｐ（Ｂ×Ｔｉｍｅ）  ・・・  （式６）
で表されるように、極めて大きくなる。この時間領域（以下、堆積領域Ｃと称する）では、注入不純物量が注入層及び基板表面で含み得る飽和量を超えてしまい、不純物を主成分とする堆積物が形成され始めると考えられる。尚、堆積領域Ｃで基板上に堆積された堆積物中の不純物の一部については、活性化熱処理において外方拡散してしまうので、堆積領域Ｃでの注入不純物量の全てがシート抵抗の低減に寄与するわけではない。【００３９】
以上のように、本発明によると、プロセス領域Ｂに含まれる時間から、狙いとするドーズ量に応じてプラズマドーピング時間を適切に選択することによって、広範囲に亘ってドーズ量を高精度且つ簡単に調整できるという顕著な効果を奏する。【００４０】
次に、ドーズ量の基板面内均一性を向上させることについて特に優れた効果を奏する本発明の方法について説明する。【００４１】
本発明の方法におけるプラズマドーピングの初期（初期領域Ａ）においては、単位時間当たりに導入されるドーズ量の増加率が大きいので、シート抵抗の基板面内でのばらつき、及びシート抵抗の基板間でのばらつきは共に大きい。すなわち、基板面内においても、また、基板間においても、基板面内又は基板間における平均的なシート抵抗よりもシート抵抗が高い箇所又は基板が存在すると共に、平均的なシート抵抗よりもシート抵抗が低い箇所又は基板も存在する。【００４２】
平均的なシート抵抗よりもシート抵抗が高い箇所又は基板においては、不純物が半導体基板に注入される影響と不純物が半導体基板の表面に堆積される影響との合計と、スパッタリングによって不純物が半導体基板から離脱する影響とを比較すると、前者が大きく、しかもその差については、シート抵抗が平均的なシート抵抗に近い箇所又は基板よりも大きい。従って、平均的なシート抵抗よりもシート抵抗が高い箇所又は基板においては、シート抵抗が平均的なシート抵抗に近い箇所又は基板と比べて、より大きい時間減少率でシート抵抗が低くなる方向に、注入現象と堆積現象とスパッタリング現象とが混在した反応が進んでいく。この反応は、平均的なシート抵抗と同一水準のシート抵抗に達するまで進む。【００４３】
逆に、平均的なシート抵抗よりもシート抵抗が低い箇所又は基板においては、不純物が半導体基板に注入される影響と不純物が半導体基板の表面に堆積される影響との合計と、スパッタリングによって不純物が半導体基板から離脱する影響とを比較すると、前者が大きくはなるものの、その差については、シート抵抗が平均的なシート抵抗に近い箇所又は基板よりも小さい。従って、平均的なシート抵抗よりもシート抵抗が低い箇所又は基板においては、シート抵抗が平均的なシート抵抗に近い箇所又は基板と比べて、より小さい時間減少率でシート抵抗が低くなる方向に、注入現象と堆積現象とスパッタリング現象とが混在した反応が進んでいく。この反応は、平均的なシート抵抗と同一水準のシート抵抗に達するまで進む。【００４４】
一方、シート抵抗が平均的なシート抵抗に近い箇所又は基板においては、不純物が半導体基板に注入される影響と不純物が半導体基板の表面に堆積される影響との合計と、スパッタリングによって不純物が半導体基板から離脱する影響とを比較すると、前者が大きく、その値は一定になるので、シート抵抗はプラズマドーピング時間の増加に伴って一定の割合で減少する。すなわち、平均的な時間減少率でシート抵抗が低くなる方向に、注入現象と堆積現象とスパッタリング現象とが混在した反応が進んでいく。【００４５】
以上に述べた、シート抵抗の状態によって分類した３種類の箇所又は基板のいずれについても、シート抵抗の時間変化は狙いとするシート抵抗を目指す減少直線に収束し始め、ある時間の経過後には均一性及び再現性が極めて良好な状態を得ることができる。この時間領域が前述のプロセス領域Ｂである。一方、プロセス領域Ｂの時間帯を経過した後、プラズマドーピング時間に対してドーズ量が急激に変化する堆積領域Ｃにおいては、不純物が基板表面に堆積する現象が極めて優勢になるので、良好な均一性及び再現性を得ることはできなくなる。【００４６】
以下、本発明のメカニズムをさらに分かり易く説明する。本願発明者らは、基板面内の複数の箇所におけるシート抵抗の時間変化を詳細に検討した結果、本発明でプロセス領域Ｂとした時間領域では、基板面内の複数の箇所でドーズ量の時間変化率がほぼ一定であり、しかもそれらの時間変化率がほぼ同じであることを新たに見出した。これは、本発明でプロセス領域Ｂとした時間領域では、ドーズ量の時間変化率が、基板面内におけるプラズマ密度、圧力、ガス濃度等のばらつきに対して極めて鈍感であることを意味している。すなわち、本発明は、プラズマドーピングの初期には急激に増加するドーズ量が、その後は比較的緩やかに増加すること、また、この緩やかに増加するドーズ量の時間変化率が基板面内におけるプラズマ密度、圧力、ガス濃度等のパラメータのばらつきに対して極めて鈍感であることに新たに着目したものであって、初期領域Ａとそれに続くプロセス領域Ｂとを比較した場合に後者のドーズ量の時間変化率の方が小さいことを利用するものである。これにより、プロセス領域Ｂでは、シート抵抗の時間変化は基板面内においても基板間においても狙いとするシート抵抗を目指す減少直線に収束し始め、ある時間の経過後には均一性及び再現性が極めて良好な状態を得ることができる。その後、堆積領域Ｃでは、基板表面での不純物の堆積率が基板面内におけるプラズマ密度、圧力、ガス濃度等のばらつきに対して敏感になるので、基板面内でのドーズ量のばらつきが大きくなってしまう。【００４７】
尚、本発明において、ドーズ量の時間変化率がプラズマドーピング時間の大小に関わらず一定となるプラズマドーピング時間の範囲では、不純物のドーズ量Ｄ（ｃｍ-2）、プラズマドーピング時間をｔ（秒）として、Ｄ＝Ａ×ｔB （但しＡ及びＢは係数）と表したとき、係数Ｂが１．３以下であることがさらに望ましい。その理由について、図５（ａ）〜（ｆ）及び図６（ａ）、（ｂ）を参照しながら説明する。ここで、一般的なプラズマドーピング時間のプロセスウィンドウとしては長い時間と考えられる３０秒間以上に亘る連続的なドーピング現象の挙動について説明する。すなわち、少なくとも３０秒間以上続く現象を１つの現象と捉えて、その現象を利用することによって効果が得られるのかどうかについて説明する。図５（ａ）〜（ｆ）及び図６（ａ）、（ｂ）に示すように、プラズマドーピングの初期（つまりプラズマドーピング時間が小さい初期領域Ａ）においては、係数Ｂは１．３よりも大きい。さらに、３０秒間以上に亘って連続的に続く現象として初期領域Ａとプロセス領域Ｂとに分けると、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、初期領域Ａにおいては、Ｄ＝Ａ×ｔB で表したドーズ量Ｄと実際のドーズ量との間の相関係数Ｒ2 の値も小さいので、ドーズ量をＤ＝Ａ×ｔB で表すことは困難である。それに対して、プラズマドーピング時間が増加するに従って係数Ｂは小さくなり、Ｄ＝Ａ×ｔB で表したドーズ量Ｄと実際のドーズ量との間の相関係数Ｒ2 も１に近くなっていく。そして、係数Ｂが１．３以下になる時間領域、つまりプロセス領域Ｂに達すると、Ｄ＝Ａ×ｔB で表したドーズ量Ｄと実際のドーズ量との間の相関係数Ｒ2 は極めて１に近くなると同時に、ドーズ量が時間に対して線形に変化していると見なせるようになる。すなわち、係数Ｂが１．３以下であると、言い換えると、プラズマドーピング時間が４３秒以上になると、プラズマドーピング時間によってドーズ量を容易に且つ高精度に制御することが可能となるのである。【００４８】
また、本発明において、係数Ｂは０．４よりも大きいことがさらに望ましい。その理由について、図７（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、従来の特許文献１に開示された従来の方法においても、ドーズ量が時間に対して線形に変化する時間領域が存在する。しかしながら、特許文献１の方法では係数Ｂが０．４以下であるため、ドーズ量の時間変化率が極めて小さく（具体的には１．５×１０13ｃｍ-2／秒以下）なってしまう。従って、プラズマドーピング時間のみによって制御可能なドーズ量の範囲が極めて狭くなるという実用上の問題が生じる。それに対して、本発明において、係数Ｂを０．４よりも大きくすることにより、プラズマドーピング時間のみによって制御可能なドーズ量の範囲を格段に拡大できるという効果が得られる。
【発明の効果】
【００４９】
本発明によると、不純物を含むガスからなるプラズマによる基板表面への堆積レートが適度に正（つまり基板のエッチングレートが負）であるプラズマドーピング条件を用いてプラズマドーピング処理を行う際にプラズマドーピング時間を適切に選定することによって、基板をほとんどエッチングすることなく基板内部に不純物を注入することができる。また、プラズマドーピング時間のみを調節することにより、不純物ドーズ量の良好な均一性及び再現性を確保しながら、広い範囲のドーズ量を簡単に制御することが可能となる。さらに、これらの効果を、生産性の低下なく、また、ドーズ量の高精度測定を要することなく、奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１（ａ）〜（ｈ）は、プレーナ型デバイスにおけるソース・ドレインのエクステンション領域をプラズマドーピングを用いて形成する方法の各工程を示す要部断面図である。
【図２】図２は従来のプラズマドーピング装置の断面図である。
【図３】図３は、従来のプラズマドーピング方法によってプレーナ型デバイスのソース・ドレインのエクステンション領域を形成した場合における、ソース・ドレインのエクステンション領域のシート抵抗とプラズマドーピング時間との関係を示す図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｄ）は、本発明のプラズマドーピング方法におけるプラズマドーピング時間と注入ドーズ量との関係を示す図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｆ）は、本発明のプラズマドーピング方法において不純物のドーズ量Ｄ（ｃｍ-2）、プラズマドーピング時間をｔ（秒）として、Ｄ＝Ａ×ｔB （但しＡ及びＢは係数）と表したとき、係数Ｂが１．３以下であることが望ましい理由を説明するための図である。
【図６】図６（ａ）及び（ｂ）は、本発明のプラズマドーピング方法において不純物のドーズ量Ｄ（ｃｍ-2）、プラズマドーピング時間をｔ（秒）として、Ｄ＝Ａ×ｔB （但しＡ及びＢは係数）と表したとき、係数Ｂが１．３以下であることが望ましい理由を説明するための図である。
【図７】図７（ａ）〜（ｃ）は、本発明のプラズマドーピング方法において不純物のドーズ量Ｄ（ｃｍ-2）、プラズマドーピング時間をｔ（秒）として、Ｄ＝Ａ×ｔB （但しＡ及びＢは係数）と表したとき、係数Ｂが０．４よりも大きいことが望ましい理由を説明するための図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるプラズマドーピング処理に用いられるプラズマドーピング処理装置の概略構成を示す断面図である。
【図９】図９は、図８に示すプラズマドーピング処理装置におけるガス供給口及びその周辺部の詳細を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法における真空容器内のコンディショニング処理のフロー図である。
【図１１】図１１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるプラズマドーピング処理によって得られた、プラズマドーピング時間の変化に対するシート抵抗の推移及びその均一性の推移を示す図である。
【図１２】図１２は、図１１中のプロセス領域Ｂにおけるプラズマドーピング時間の変化に対するシート抵抗の推移を示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるプラズマドーピング処理によって得られた、プラズマドーピング時間の変化に対するシート抵抗の推移を示す図である。
【図１４】図１４は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるプラズマドーピング処理によって得られた、シート抵抗とドーズ量との関係を示す図である。
【図１５】図１５は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるプラズマドーピング処理によって得られた、プラズマドーピング時間の変化に対するドーズ量の推移を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるプラズマドーピング処理によって得られた、プラズマドーピング時間に対するドーズ量（ボロンのドーズ量）及びシート抵抗の均一性のそれぞれの推移を示す図である。
【図１７】図１７は、図１６中のプロセス領域Ｂにおけるプラズマドーピング時間の変化に対するドーズ量の推移を示す図である。
【図１８】図１８は、図１７に示すプラズマドーピング時間の変化に対するドーズ量の推移を対数軸を用いて示した図である。
【図１９】図１９は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理を、１枚の被処理基板に対するプラズマドーピング時間を６０秒として繰り返し実施した場合におけるシート抵抗の再現性を示す図である。
【図２０】図２０は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理を、１枚の被処理基板に対するプラズマドーピング時間を６０秒として繰り返し実施した場合におけるシート抵抗の均一性を示す図である。
【図２１】図２１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理を、プラマドーピング時間を６０秒として実施した場合に得られる、典型的なシート抵抗の基板面内分布の一例を示す図である。
【図２２】図２２は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理を、１枚の被処理基板に対するプラズマドーピング時間を１２０秒として繰り返し実施した場合におけるシート抵抗の再現性を示す図である。
【図２３】図２３は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理を、１枚の被処理基板に対するプラズマドーピング時間を１２０秒として繰り返し実施した場合におけるシート抵抗の均一性を示す図である。
【図２４】図２４は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理を、プラマドーピング時間を１２０秒として実施した場合に得られる、典型的なシート抵抗の基板面内分布の一例を示す図である。
【図２５】図２５は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理における初期領域Ａでのプラズマドーピング時間に対するドーズ量の変化を示した図である。
【図２６】図２６は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理におけるプロセス領域Ｂでのプラズマドーピング時間に対するドーズ量の変化を示した図である。
【図２７】図２７（ａ）〜（ｈ）は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理における初期領域Ａとプロセス領域Ｂとの境界を決定する方法を説明するための図である。
【図２８】図２８（ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理における初期領域Ａとプロセス領域Ｂとの境界を決定する方法を説明するための図である。
【図２９】図２９は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理における初期領域Ａとプロセス領域Ｂとの境界を決定する方法を説明するための図である。
【図３０】図３０は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理における堆積領域Ｃでのプラズマドーピング時間に対するドーズ量の変化を示した図である。
【図３１】図３１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理を評価するために本願発明者らが用いた、エッチング速度の測定方法のフロー図である。
【図３２】図３２は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理を評価するために、パターン付マスクを設けた測定用基板の表面（プラズマドーピング処理前）の段差を接触式段差測定器を用いて測定した結果を示す図である。
【図３３】図３３は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理を評価するために、パターン付マスクを除去した設けた測定用基板の表面（プラズマドーピング処理後）の段差を接触式段差測定器を用いて測定した結果を示す図である。
【図３４】図３４は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理を実施した場合のシリコン基板のエッチング速度と、特許文献１に開示された従来のプラズマドーピング処理を実施した場合のシリコン基板のエッチング速度とを比較して示した図である。
【図３５】図３５は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理において、導入不純物であるボロンをシリコン基板の内部に確実に導入できていること説明するための図である。
【図３６】図３６は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理において、導入不純物であるボロンをシリコン基板の内部に確実に導入できていること説明するための図である。
【図３７】図３７は、比較例１に係るプラズマドーピング処理で使用したプラズマドーピング処理装置の概略構成を示す断面図である。
【図３８】図３８は、比較例１に係るプラズマドーピング処理によって得られた、プラズマドーピング時間の変化に対するシート抵抗の推移及びシート抵抗の均一性の推移を示す図である。
【図３９】図３９は、図３８中のプラズマドーピング時間が６０秒から２００秒までの間におけるプラズマドーピング時間に対するシート抵抗値の推移を拡大して示した図である。
【図４０】図４０は、比較例１に係るプラズマドーピング処理によって得られた、プラズマドーピング時間の変化に対するドーズ量の推移及びシート抵抗の均一性の推移を示す図である。
【図４１】図４１は、図４０中のプラズマドーピング時間が６０秒から２００秒までの間におけるプラズマドーピング時間に対するドーズ量の推移を拡大して示した図である。
【図４２】図４２は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理、及び比較例１に係るプラズマドーピング処理のそれぞれにおけるプラズマドーピング時間に対するドーズ量の推移を比較して示した図である。
【図４３】図４３は、比較例１のプラズマドーピング処理条件でプラズマドーピング処理が行われたシリコン基板に対して段差測定を実施した結果を示す図である。
【図４４】図４４は、比較例２に係るプラズマドーピング処理によって得られた、プラズマドーピング時間の変化に対するシート抵抗の推移及びシート抵抗の均一性の推移を示す図である。
【図４５】図４５は、図４４中のプラズマドーピング時間が６０秒から４００秒までの間におけるプラズマドーピング時間に対するシート抵抗値の推移を拡大して示した図である。
【図４６】図４６は、比較例２に係るプラズマドーピング処理によって得られた、プラズマドーピング時間の変化に対するドーズ量の推移及びシート抵抗の均一性の推移を示す図である。
【図４７】図４７は、図４６中のプラズマドーピング時間が６０秒から４００秒までの間におけるプラズマドーピング時間に対するドーズ量の推移を拡大して示した図である。
【図４８】図４８は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理、及び比較例２に係るプラズマドーピング処理のそれぞれにおけるプラズマドーピング時間に対するドーズ量の推移を比較して示した図である。
【図４９】図４９は、比較例２のプラズマドーピング処理条件でプラズマドーピング処理が行われたシリコン基板に対して段差測定を実施した結果を示す図である。
【図５０】図５０は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理、比較例１に係るプラズマドーピング処理、及び比較例２に係るプラズマドーピング処理のそれぞれにおけるプラズマドーピング時間に対するドーズ量の推移を比較して示した図である。
【符号の説明】
【００５１】
１    シリコン基板
２    酸化シリコン膜
３    シリコン層
４    酸化シリコン膜
５Ａ  多結晶シリコン層
５    ゲート電極
６    不純物領域
７    酸化シリコン膜
８    不純物領域
Ｒ    マスク
１０１    真空容器
１０２    ガス供給装置
１０３    ターボ分子ポンプ
１０４    調圧弁
１０５    高周波電源
１０６    試料電極
１０７    誘電体窓
１０８    コイル
１０９    被処理基板
１１０    高周波電源
１１１    冷却水供給ユニット
１１２    ドライポンプ
１１３    ガス導入経路
１１４    ガス主経路
１１５    ガス吹き出し口
１１６    マッチングボックス
１１７    Ｖｄｃモニタ
２０１    真空容器
２０２    真空排気口
２０３    試料電極
２０４    天板
２０５    ガス供給装置
２０６    ガス供給口
２０７    高周波電源
２０８    コイル
２０９    試料
２１０    高周波電源
２２０    中央ガス供給口
２２１    周辺方向ガス供給口
２２２ａ  第１ガス導入配管
２２２ｂ  第２ガス導入配管
２２６    覗き窓
２２７    センサー
２２８    ガス分岐配管
２２９    ガス導入配管
２３１    真空容器
２３２    真空排気口
２３３    試料電極
２３４    天板
２３５    コイル
２３６    高周波電源
２３７    ガス供給配管
２３８    ガス分岐配管
２３９    ガス供給口
２４０    試料
２４１    高周波電源
２４２    ガス供給装置
【発明を実施するための最良の形態】
【００５２】
（実施形態）
以下、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。尚、本実施形態に係る半導体装置の製造方法は、不純物を含むガスからなるプラズマに基板をさらすことによって、前記基板の表面部に前記不純物をドーピングして不純物領域を形成するものであって、その基本的な工程は、例えば前述の図１（ａ）〜（ｈ）に示す工程と同様である。【００５３】
図８は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるプラズマドーピング処理（例えば図１（ｅ）に示す浅いｐ型の不純物領域６を形成する工程）に用いられるプラズマドーピング処理装置の概略構成を示す断面図である。【００５４】
図８に示すように、真空容器２０１内には、例えばシリコン基板等の試料２０９を載置する為の試料電極２０３が設けられており、当該試料電極２０３には高周波電源２１０が接続されている。真空容器２０１の上壁には誘電体からなる天板２０４が設けられており、当該天板２０４の上面には多重のコイル２０８が配設されており、当該コイル２０８には高周波電源２０７が接続されている。また、天板２０４の中央部には、当該天板２０４と同じ誘電体を使用したガス供給口２０６が設置されている。このガス供給口２０６には、所望の元素を含む不純物供給ガスである例えばＢ2 Ｈ6 と希釈用ガスである例えばＨｅとを供給する為のガス供給装置２０５が接続されている。尚、真空容器２０１の底部には、真空容器２０１内を減圧及び調圧することができる真空排気口２０２が設けられている。【００５５】
ここで、高周波電源２０７よりコイル２０８に高周波電力を供給し、当該コイル２０８の周囲に磁界を発生させ、その磁界が前記の誘電体からなる天板２０４を介して真空容器２０１内に伝波し、それによって真空容器２０１内の所望の不純物を含むガスが励起されてプラズマ状態（イオン、ラジカル、中性分子等）となる。さらに、高周波電源２１０より試料電極２０３に高周波電力を供給することによって、試料電極２０３の電位を制御することができる。この電位はプラズマに対して負の電位となる。このプラズマに対する負の電位によって、プラズマ中の所望の不純物である例えばボロンのイオンを試料２０９の表面に注入することができる。【００５６】
図９は、図８に示すプラズマドーピング処理装置におけるガス供給口２０６及びその周辺部の詳細を示す図である。【００５７】
図９に示すように、ガス供給装置２０５よりガス導入配管２２９を通じて供給されたガスは、ガス分岐配管２２８において２系統に分岐される。ガス分岐配管２２８において分岐されたガス配管のうち一方のガス配管（第１ガス導入配管２２２ａ）は中央ガス供給口２２０に通じており、中央ガス供給口２２０からは真空容器２０１内の試料２０９の中央部に向けて垂直にガスが供給される。また、ガス分岐配管２０８において分岐されたガス配管のうち他方のガス配管（第２ガス導入配管２２２ｂ）は周辺方向ガス供給口２２１に通じており、周辺方向ガス供給口２２１からは真空容器２０１内の試料２０９の中央部から周辺部に向かうようにガスが供給される。尚、ガス供給口２０６における中央ガス供給口２２０の上側には覗き窓２２６を介してセンサー２２７が設けられている。【００５８】
次に、前述のプラズマドーピング処理装置においてプラズマドーピングを実施できる状態に設定する処理であるコンディショニングについて説明する。ここで、後述するプラズマドーピング処理条件において、所望の不純物を含むＢ2 Ｈ6 ガスは真空容器２０１内に質量濃度で０．７３％のみ存在しており、残りのガスは希釈ガスであるＨｅである。この様な条件において、真空容器２０１内へ供給されるＢ2 Ｈ6 のプラズマ状態で生成されるボロンイオンが、試料２０９にどのように注入されるかによってドーズ量は大きく変わってしまう。まず、真空容器２０１の内壁や天板２０４等のプラズマにさらされる部分から、メンテナンス等によって、ボロンを含む堆積物を除去する。続いて、プラズマドーピング処理を実施すると、プラズマ状態の粒子（イオン、ラジカル、中性分子等）は、プラズマにさらされる真空容器２０１の内壁や天板２０４に打ち込まれたり、堆積したりして、消費されていく。ここで、Ｂ2 Ｈ6を含むガスを真空容器２０１内でプラズマ状態にした場合、プラズマ中のボロンイオンが真空容器２０１の内壁や天板２０４へ打ち込まれて消費される。或いは、プラズマ中のボロンイオンは、真空容器２０１の内壁や天板２０４に、ボロンを含む生成物として堆積し、その結果、試料２０９に必要なボロンイオンの量が減少してしまう。その後、真空容器２０１の内壁や天板２０４における前述したボロンを含む生成物である堆積物の厚さはプラズマドーピング処理を重ねるに従い厚くなっていく。ここで、前述したように、プラズマ状態の粒子は、プラズマにさらされる真空容器２０１の内壁や天板２０４へ打ち込まれる。その結果、真空容器２０１の内壁や天板２０４に堆積しているボロンを含む生成物がスパッタリングされ、再度プラズマ中にボロンが供給されることとなる。従って、ある時間が経過すると、真空容器２０１内や天板２０４で消費されるボロンの量と、真空容器２０１や天板２０４からスパッタリングによってプラズマ中に供給される量とがほぼつりあう状態となる。このような状態にすることを本願ではコンディショニングと称する。【００５９】
図１０は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法における真空容器内のコンディショニング処理のフロー図である。【００６０】
まず、ステップＳ１１において、真空容器内の部品を洗浄し、ボロンを含む堆積物や、汚染源となる可能性のある異物が存在しない状態にする。【００６１】
次に、ステップＳ１２において、洗浄の完了した部品を真空容器内に取り付け、真空容器内を真空状態とし、リークがないことを確認する。【００６２】
次に、ステップＳ１３において、シリコンよりなるダミー基板を真空容器内の試料電極上に載置し、処理条件Ｉ（ソースパワー５００Ｗ、バイアス電圧２５０Ｖ、圧力０．３５Ｐａ、Ｂ2 Ｈ6濃度０．７３％、処理時間６０秒：以下同じ）を用いてプラズマドーピング処理を５００回行う。ここで、処理条件Ｉを用いた１回の処理に要する時間は６０秒である。【００６３】
次に、ステップＳ１４において、シート抵抗測定用のシリコン基板を真空容器内の試料電極上に載置し、処理条件Ｉを用いてプラズマドーピング処理を行った後、当該シリコン基板を真空容器外へ搬出する。この処理は複数の基板に対して行うことが望ましい。【００６４】
次に、ステップＳ１５において、プラズマドーピング処理を行ったシリコン基板に１０７５℃、２０秒の熱処理を行い、ボロンを活性化した後、四探針法を用いてシート抵抗の測定及びその均一性の確認を行う。【００６５】
次に、ステップＳ１６において、シリコンよりなるダミー基板を真空容器内の試料電極上に載置し、処理条件Ｉを用いてプラズマドーピング処理を１００回行う。ここで、処理条件Ｉを用いた１回の処理に要する時間は６０秒である。【００６６】
次に、ステップＳ１７において、シート抵抗測定用のシリコン基板を真空容器内の試料電極上に載置し、処理条件Ｉを用いてプラズマドーピング処理を行った後、当該シリコン基板を真空容器外へ搬出する。この処理は複数の基板に対して行うことが望ましい。【００６７】
次に、ステップＳ１８において、プラズマドーピング処理を行ったシリコン基板に１０７５℃、２０秒の熱処理を行い、ボロンを活性化した後、四探針法を用いてシート抵抗の測定及びその均一性の確認を行う。【００６８】
ステップＳ１８以降については、（ａ）シート抵抗の再現性及び良好な均一性のどちらか一方でも得られなかった場合と、（ｂ）シート抵抗の再現性及び良好な均一性が共に得られた場合との２つの場合に分けて処理を進める。【００６９】
まず、前記の（ａ）シート抵抗の再現性及び良好な均一性のどちらか一方でも得られなかった場合にはステップＳ３１６に戻る。また、前記の（ｂ）シート抵抗の再現性及び良好な均一性が共に得られた場合には、ステップＳ１９において、コンディショニング処理を終了させる。ここで、コンディショニングが終了したということは、プラズマドーピング処理を行える状態になったことを意味する。すなわち、製品となる基板に対してプラズマドーピング処理を開始することができる。【００７０】
以下、前述のコンディショニングが完了したプラズマドーピング処理装置（図８に示すプラズマドーピング処理装置）を使用して、本実施形態のプラズマドーピング処理を行う際のプロセス条件について説明する。まず、高周波電源２０７よりコイル２０８に供給する電力（ソースパワー）は５００Ｗである。また、ガス供給装置２０５よりガス供給口２０６を通じて真空容器２０１内に供給される、所望の元素を含むドーピング原料ガスのガス全体に占める質量濃度は０．７３％である。また、高周波電源２１０より試料電極２０３の電位（バイアス電圧）が２５０Ｖとなる電力が供給されている。また、真空排気口２０２によって調圧される真空容器２０１内の圧力は０．３５Ｐａである。【００７１】
尚、前述の条件は、本願発明者らが、シリコンよりなる試料２０９のエッチング速度の測定に用いる後述するフローを使用して、プラズマによる試料２０９に対するエッチング速度が−０．５８ｎｍ／分（つまり堆積速度が０．５８ｎｍ／分）になるように予め調整を行ったものである。ここで、前述のエッチング速度は０ｎｍ／分よりも小さく且つ−５．０ｎｍ／分以上（より好ましくは−２．０ｎｍ／分以上）であってもよい。まず、前述のエッチング速度が０ｎｍ／分よりも小さいことの必要性について説明する。このエッチング速度が０ｎｍ／分以上であると、後述する比較例１又は比較例２のように、ドーズ量の制御可能範囲が小さくなるという問題点がある。次に、前述のエッチング速度が−５．０ｎｍ／分以上であることの必要性について説明する。エッチング速度がー５．０ｎｍ／分よりも小さくなると、言いかけると、デポジションレート（堆積速度）が５．０ｎｍ／分よりも大きくなると、基板の表面に望ましくない絶縁体膜が許容範囲を超えて厚く形成されてしまうため、デバイスに悪影響が発生してしまう。また、この場合には、基板の表面に形成したレジストパターンの表面に、望ましくない絶縁体膜が許容範囲を超えて厚く形成されてしまい、それによってレジスト剥離が困難になるという不具合が発生してしまう。尚、これらの不具合をより確実に防止するためには、前述のエッチング速度が−２．０ｎｍ／分以上であることが好ましい。ここで、絶縁体膜とは、例えば高濃度のＢ2 Ｈ6 を含むプラズマに基板をさらした場合には、ボロンが堆積して形成された膜である。【００７２】
以下、本実施形態のプラズマドーピング処理により得られた結果について説明する。【００７３】
図１１は、様々なプラズマドーピング時間で本実施形態のプラズマドーピング処理を行った複数の試料に対して１０７５℃、２０秒の熱処理を行い、各試料に導入した不純物を活性化させた後に、四探針法を使用して各試料表面のシート抵抗を測定することにより、プラズマドーピング時間の変化に対するシート抵抗の推移及びその均一性の推移を調べた結果を示している。尚、均一性の評価には１σ（±１σ内に試料の７５％が含まれることを意味する平均値からのずれ（平均値のパーセントで表示））を用いており、この値が小さいほど、均一性が高いと言える。図１１に示すように、プラズマドーピング時間が０秒から４５秒程度までの間では、シート抵抗の低下が激しいため、例えば極僅かなプラズマドーピング条件のパラメータのズレがシート抵抗に大きい影響を及ぼす結果、シート抵抗がバラツキやすくなってしまう。従って、前記の時間帯では、シート抵抗の再現性の確保が困難である。また、プラズマドーピング時間が２００秒程度以上になると、時間に対するシート抵抗の変化が再び大きくなり、その結果、均一性が急激に悪化してしまう。従って、２００秒程度以上のプラズマドーピング時間では、プラズマドーピング処理後の基板面内でデバイス特性にバラツキが発生するため、生産時に歩留まりが低下するので、この時間帯をプラズマドーピング時間として使用することはできない。一方、図１１に示すように、プラズマドーピング時間が４５秒程度から２００秒程度までの間においては、シート抵抗の低下が緩やかであり、均一性も良好であることが確認できる。この時間領域が、前述のプロセス領域Ｂ（プラズマドーピング時間のプロセスウィンドウ）となる。図１２は、図１１中のプロセス領域Ｂ（シート抵抗の低下が急激ではなく、均一性が良好である、プラズマドーピング時間が５０秒から２００秒までの間）におけるプラズマドーピング時間の変化に対するシート抵抗の推移を示している。このプロセス領域Ｂでのシート抵抗の推移は、下記（式ａ）
Ｒｓ＝−５２．２０１×Ｌｎ（Ｔｉｍｅ）＋４６７．９６  ・・・  （式ａ）
（但し、Ｒｓはシート抵抗であり、Ｔｉｍｅはプラズマドーピング時間であり、Ｌｎは自然対数である）を用いて時間の関数として表すことができる。尚、Ｒ2 ＝０．９９８である。ここで、Ｒ2 ＝０．９９８とは以下のことを意味する。すなわち、Ｒ2 は統計学で広く知られている決定係数であり、相関係数の二乗である。このＲ2 を評価することによって、図１２における５０秒から２００秒までのプロセス領域Ｂを含むプロセス領域Ｂ近傍の時間範囲（４５秒から２００秒まで）で得られた１１個のシート抵抗（黒丸で示す１１個のデータ）の分散のうち、プラズマドーピング時間（Ｔｉｍｅ）によって説明（決定）される部分の割合を評価することができる。Ｒ2 は０以上で且つ１以下の数値をとり、仮にＲ2 ＝０であるとすると、（式ａ）によってプラズマドーピング時間（Ｔｉｍｅ）の差異を考慮しても、４５秒から２００秒までの時間範囲で得られた１１個のシート抵抗の分散が少しも減少しないこと、つまり、プラズマドーピング時間（Ｔｉｍｅ）がシート抵抗Ｒｓを全く決定していないことになる。一方、仮にＲ2 ＝１であるとすると、前述の４５秒から２００秒までの時間範囲における全てのプラズマドーピング時間（Ｔｉｍｅ）に対して（式ａ）が正確に成り立つこと、つまり、（式ａ）で表されるプラズマドーピング時間（Ｔｉｍｅ）の対数式によってシート抵抗Ｒｓが完全に決定されることになる。ここで、図１２に示すＲ2 の評価結果は０．９９８と１に極めて近いことから、前述の４５秒から２００秒までの時間範囲で得られた１１個のシート抵抗は、プラズマドーピング時間（Ｔｉｍｅ）によって極めて良く説明（決定）されているということが分かる。従って、５０秒から２００秒までのプロセス領域Ｂを含むプロセス領域Ｂ近傍の時間範囲（４５秒から２００秒まで）においては、（式ａ）を用いることによってシート抵抗Ｒｓを極めて高精度で予測することができると共に、プラズマドーピング時間（Ｔｉｍｅ）を調整するだけでシート抵抗Ｒｓを極めて高精度で調整することができる。【００７４】
次に、５０秒から２００秒までの間のプラズマドーピング時間とシート抵抗との関係と、当該プラズマドーピング時間とドーズ量との関係とについて説明する。【００７５】
図１３は、本実施形態のプラズマドーピング処理により得られた、プラズマドーピング時間に対するシート抵抗の関係を示している。図１３に示す、プラズマドーピング時間に対するシート抵抗の関係は下記（式ｆ）
Ｒｓ＝−４６．０８３×Ｌｎ（Ｔｉｍｅ）＋４４０．２８  ・・・  （式ｆ）
（但し、Ｒｓはシート抵抗であり、Ｔｉｍｅはプラズマドーピング時間であり、Ｌｎは自然対数である）で表すことができる。尚、Ｒ2 ＝０．９８６１である。ここで、（式ｆ）のＲ2 の評価結果は０．９８６１と１に極めて近いことから、前述の５０秒から２００秒までの時間範囲で得られた４個のシート抵抗（図中黒丸）は、プラズマドーピング時間（Ｔｉｍｅ）によって極めて良く説明（決定）されているということが分かる。すなわち、シート抵抗Ｒｓが、（式ｆ）で表されるプラズマドーピング時間（Ｔｉｍｅ）の対数式によって完全に決定されていることが分かる。【００７６】
図１４は、図１３に示すシート抵抗と、図１３中に黒丸で示したシート抵抗の値を有する４試料についてＳＩＭＳ測定によって得られたドーズ量との関係を示している。図１４に示す、ドーズ量に対するシート抵抗の関係は下記（式ｇ）
Ｒｓ＝−４６．８９×Ｌｎ（Ｄｏｓｅ）＋１９０３．９  ・・・  （式ｇ）
（但し、Ｒｓはシート抵抗であり、Ｄｏｓｅはドーズ量であり、Ｌｎは自然対数である）で表すことができる。尚、Ｒ2 ＝０．９９１１である。ここで、（式ｇ）のＲ2 の評価結果は０．９９１１と１に極めて近いことから、前述の５０秒から２００秒までの時間範囲で得られた４個のシート抵抗（図中黒丸）は、ドーズ量によって極めて良く説明（決定）されているということが分かる。すなわち、シート抵抗Ｒｓが、（式ｇ）で表されるドーズ量（Ｄｏｓｅ）の対数式によって完全に決定されていることが分かる。【００７７】
ここで、前記の（式ｆ）及び（式ｇ）、並びに下記計算式ｉから計算式ｘiiiまでの計算を用いて、プラズマドーピング時間（Ｔｉｍｅ）によってドーズ量を表すことができる。【００７８】
まず、（式ｆ）のＲｓに（式ｇ）を代入することにより、下記計算式ｉを得ることができる。【００７９】
計算式ｉ：−４６．０８３×Ｌｎ（Ｔｉｍｅ）＋４４０．２８
＝−４６．８９×Ｌｎ（Ｄｏｓｅ）＋１９０３．９
次に、計算式ｉの左辺及び右辺を整理して、Ｄｏｓｅを求める下記計算式ii及び計算式iii を得ることができる。【００８０】
計算式ii：−４６．８９×Ｌｎ（Ｄｏｓｅ）
＝−４６．０８３×Ｌｎ（Ｔｉｍｅ）−１４６３．６２
計算式iii ：Ｌｎ（Ｄｏｓｅ）＝０．９８３×Ｌｎ（Ｔｉｍｅ）＋３１．２１４
次に、計算式iii の左辺及び右辺を全て自然対数の形で表すことにより、下記計算式iv及び計算式ｖを得ることができる。ここで、右辺の第二項のｅは自然対数の底である。【００８１】
計算式iv：Ｌｎ（Ｄｏｓｅ）
＝０．９８３×Ｌｎ（Ｔｉｍｅ）＋３１．２１４Ｌｎ（ｅ）
計算式ｖ：Ｌｎ（Ｄｏｓｅ）＝Ｌｎ（Ｔｉｍｅ）0.983＋Ｌｎ（ｅ31.214）
次に、計算式ｖの右辺を変換することにより、下記計算式vi及び計算式vii を得ることができる。【００８２】
計算式vi：Ｌｎ（Ｄｏｓｅ）＝Ｌｎ（（Ｔｉｍｅ）0.983×ｅ31.214）
計算式vii ：Ｄｏｓｅ＝（Ｔｉｍｅ）0.983×ｅ31.214
次に、計算式vii に、自然対数の底ｅの値約２．７１８を代入することにより、下記計算式viii及び計算式ixを得ることができる。【００８３】
計算式viii：Ｄｏｓｅ＝（Ｔｉｍｅ）0.983×３．５８６×１０13
計算式ix：Ｄｏｓｅ＝３．５８６×１０13×（Ｔｉｍｅ）0.983
次に、計算式ixのＴｉｍｅの指数を分解することにより、下記計算式ｘを得ることができる。【００８４】
計算式ｘ：Ｄｏｓｅ＝３．５８６×１０13×（Ｔｉｍｅ）／（Ｔｉｍｅ）0.017
図１５は、本実施形態のプラズマドーピング処理により得られた、プラズマドーピング時間に対するドーズ量（図１４に示すドーズ量）の関係を示している。図１５に示す、プラズマドーピング時間に対するドーズ量の関係は下記（式ｈ）
Ｄｏｓｅ＝３．２×１０13×（Ｔｉｍｅ）＋９．１×１０13
（但し、Ｄｏｓｅはドーズ量であり、Ｔｉｍｅはプラズマドーピング時間である）で表すことができる。尚、Ｒ2 ＝０．９９８１である。ここで、（式ｈ）のＲ2 の評価結果は０．９９８１と１に極めて近いことから、前述の５０秒から２００秒までの時間範囲で得られた４個のシート抵抗（図中黒丸）は、プラズマドーピング時間（Ｔｉｍｅ）によって極めて良く説明（決定）されているということが分かる。【００８５】
一方、前記の計算式ｘのＴｉｍｅに６０（秒）を代入すると、下記計算式xiを得ることができる。【００８６】
計算式xi：Ｄｏｓｅ＝３．５８６×１０13×６０／（６０）0.017
＝２．００×１０15
ここで、計算式xiはプラズマドーピング時間が５０秒から２００秒までの間において成り立つ関係式である。尚、図１５に示す結果からは、プラズマドーピング時間が６０秒の場合のドーズ量は１．９２×１０15（ｃｍ-2）である。これを計算式xiの結果と比較すると、計算式xiの結果の方が８．０×１０13（ｃｍ-2）多いことが分かる。【００８７】
また、前記の計算式ｘのＴｉｍｅに２００（秒）を代入すると、下記計算式xii を得ることができる。【００８８】
計算式xii ：Ｄｏｓｅ＝３．５８６×１０13×２００／（２００）0.017
＝６．５５×１０15
ここで、前記の計算式xii はプラズマドーピング時間５０秒から２００秒までの間において成り立つ関係式である。尚、図１５に示す結果からは、プラズマドーピング時間が２００秒の場合のドーズ量は６．５０×１０15（ｃｍ-2）である。これを計算式xii の結果と比較すると、計算式xii の結果の方が５．０×１０13（ｃｍ-2）多いことが分かる。【００８９】
すなわち、ドーズ量のオーダーが１０15（ｃｍ-2）であるのに対して、前記計算式xiの結果と図１５に示す値との差も、前記計算式xii の結果と図１５に示す値との差も共に１０13（ｃｍ-2）のオーダーであり、ドーズ量のオーダーと比べて二桁も小さい。従って、ドーズ量の大きさに鑑みると、計算式xi及び計算式xii のそれぞれの結果と図１５に示す値とは共に同程度の値と言える。ここで、その値を仮にＺとすると、前記の計算式ｘを下記計算式xiiiのように変換することができる。【００９０】
計算式xiii：Ｄｏｓｅ＝３．５８６×１０13×（Ｔｉｍｅ）＋Ｚ
すなわち、ドーズ量とプラズマドーピング時間との間の正比例の関係が良く説明（決定）されていることが分かる。これは、図１５に示す、プラズマドーピング時間とドーズ量との関係が、プラズマドーピング時間のみによって説明（決定）できる正比例の関係であることを支持している。【００９１】
図１６は、本実施形態のプラズマドーピング処理を行った試料について、プラズマドーピング時間に対するドーズ量（ボロンのドーズ量）及びシート抵抗の均一性（１σ）のそれぞれの推移を調べた結果を示している。図１６に示すように、プラズマドーピング時間が０秒から４５秒程度までの間では、ドーズ量の増加が激しいため、例えば極僅かなプラズマドーピング条件のパラメータのズレがドーズ量に大きい影響を及ぼす結果、ドーズ量がバラツキやすくなってしまう。従って、前記の時間帯では、ドーズ量の再現性の確保が困難である。また、プラズマドーピング時間が２００秒程度以上になると、時間に対するドーズ量の変化が再び大きくなり、その結果、均一性が急激に悪化してしまう。従って、２００秒程度以上のプラズマドーピング時間では、プラズマドーピング処理後の基板面内でデバイス特性にバラツキが発生するため、生産時に歩留まりが低下するので、この時間帯をプラズマドーピング時間として使用することはできない。一方、図１６に示すように、プラズマドーピング時間が４５秒程度から２００秒程度までの間においては、ドーズ量の増大が緩やかであり、均一性も良好であることが確認できる。この時間領域が、前述のプロセス領域Ｂ（プラズマドーピング時間のプロセスウィンドウ）となる。図１７は、図１６中のプロセス領域Ｂ（ドーズ量の増加が緩やかで、シート抵抗の均一性が良好である、プラズマドーピング時間が５０秒から２００秒までの間）におけるプラズマドーピング時間の変化に対するドーズ量の推移を示している。このプロセス領域Ｂでのドーズ量の推移は、下記（式ｂ）
Ｄｏｓｅ＝３．４×１０13×Ｔｉｍｅ＋２．１×１０13  ・・・  （式ｂ）
（但し、Ｄｏｓｅはドーズ量であり、Ｔｉｍｅはプラズマドーピング時間である）を用いて時間の関数として表すことができる。尚、Ｒ2 ＝０．９９９である。ここで、図１７に示すＲ2 の評価結果は０．９９９と１に極めて近いことから、前述の４５秒から２００秒までの時間範囲で得られた１１個のドーズ量は、プラズマドーピング時間（Ｔｉｍｅ）によって極めて良く説明（決定）されているということが分かる。従って、５０秒から２００秒までのプロセス領域Ｂを含むプロセス領域Ｂ近傍の時間範囲（４５秒から２００秒まで）においては、式（ｂ）を用いることによってドーズ量Ｄｏｓｅを極めて高精度で予測することができると共に、プラズマドーピング時間（Ｔｉｍｅ）を調整するだけでドーズ量Ｄｏｓｅを極めて高精度で調整することができる。さらに、（式ｂ）を参照すると、ドーズ量がプラズマドーピング時間（Ｔｉｍｅ）に対して比例関係を有していることが分かる。これにより、プラズマドーピング時間によってドーズ量を正確に制御することが容易になるという効果が得られる。これは、本発明において、プラズマドーピング時間のプロセスウィンドウであるプロセス領域Ｂとして、プラズマドーピングの初期におけるドーズ量が急激に変化する時間領域ではなく、その後のドーズ量が安定して変化する時間領域を適切に選定したことによる顕著な効果であり、特に、注入深さが１５ｎｍ以下の極浅接合を形成するためのプラズマドーピングにおいて、従来技術によっては得られない本発明に特有の格別な効果である。その理由は、注入深さが１５ｎｍ以下の極浅領域に不純物を注入する場合にドーズ量を制御し易くするためには、基板表面における相互作用を制御する必要があることに本願発明者らが初めて着目し、それを本発明で利用しているからである。具体的には、本願発明者らは、前述の効果を得るためには、基板表面に堆積される不純物の量と、基板表面から基板内部に注入される不純物の量とのバランスにおいて、基板表面に堆積される不純物の量が優勢に（多く）なるようにプラズマドーピング条件を設定する必要があることを初めて見出したのである。本発明においては、基板表面に堆積される不純物の量と、基板表面から基板内部に注入される不純物の量とのバランスにおいて、基板表面に堆積される不純物の量が優勢に（多く）なるようにプラズマドーピング条件を設定することによって、極浅領域への不純物注入方法において顕著な効果が得られた。尚、注入深さが１５ｎｍを上回る領域、一般的には注入深さが２０ｎｍ以上の深い領域への従来の不純物注入方法においては、基板内部に注入される不純物の量のみを考慮しても、ある程度良好なドーズ量の制御性が得られていた。この場合、基板表面に堆積される不純物の量と、基板表面から基板内部に注入される不純物の量とのバランスは考慮されていなかった。また、注入深さが１５ｎｍ以下の極浅領域への従来の不純物注入方法においても、基板表面に堆積される不純物の量と、基板表面から基板内部に注入される不純物の量とのバランスを考慮しておらず、本発明のように、基板表面に堆積される不純物の量が優勢に（多く）なるようにプラズマドーピング条件を設定することもされていなかったので、ドーズ量を本��明のように高精度で制御することはできなかった。さらに、プラズマによって基板表面がエッチングされる状態にプラズマドーピング条件を設定した場合には、本発明のように、ドーズ量の時間変化率を一定とすることはできず、ドーズ量自体が時間に対して一定となってしまうので、高精度制御可能なドーズ量の範囲を本発明のように拡大することはできない。【００９２】
ところで、図１１と図１６とを比較すると、ドーズ量が増加するとシート抵抗が減少し、ドーズ量が減少するとシート抵抗が増加していることが分かる。また、図１６においてドーズ量が急激に増加しているプラズマドーピング時間の範囲（０秒から４５秒までの間）では、図１１に示すように、シート抵抗が急激に低下している。このように、ドーズ量とシート抵抗との間には、極めて密接な反比例的な関係がある。その関係は、前述のプラズマドーピング時間とシート抵抗との関係、及び前述のプラズマドーピング時間とドーズ量との関係からも明らかである。よって、ドーズ量の時間に対する推移と、シート抵抗の時間に対する推移とについては、いずれか一方を説明すれば、もう一方についても説明したことになる。そこで、以下の説明において、本発明の再現性及び安定性に関してはシート抵抗を用いて説明する。【００９３】
図１８は、図１７に示すプラズマドーピング時間の変化に対するドーズ量の推移を対数軸を用いて示したものである。図１８に示すように、本発明のように、基板表面に堆積される不純物の量が優勢に（多く）なるようにプラズマドーピング条件を設定した場合、ドーズ量が急激に変化する初期領域Ａと、本発明におけるプラズマドーピング時間のプロセスウィンドウであるプロセス領域Ｂと、ドーズ量が再び急激に変化する堆積領域Ｃとの３領域に分かれる。尚、ドーズ量の時間変化が図１８に示す場合よりも緩やかになる場合（例えばプロセス領域Ｂでドーズ量が略一定となり、その後、ドーズ量が減少するような場合）には、プラズマドーピング条件の設定において、例えば圧力を下げたり、不純物供給ガスの濃度を上げたり、又は、ソースパワーを下げたりすればよい。一方、ドーズ量の時間変化が図１８に示す場合よりも急激になる場合（例えばプロセス領域Ｂでドーズ量の時間増加率が増大するような場合）には、プラズマドーピング条件の設定において、例えば圧力を上げたり、不純物供給ガスの濃度を下げたり、又は、ソースパワーを上げたりすればよい。【００９４】
図１９は、本実施形態のプラズマドーピング処理を、１枚の被処理基板に対するプラズマドーピング時間を６０秒として繰り返し実施した場合におけるシート抵抗の再現性を示している。尚、１万を超える試料から抽出した測定試料の数は２９である。図１９に示すように、プラズマドーピング時間を６０秒とした場合のシート抵抗の平均値は２５５．６Ω／□であり、再現性は１σで１．０５％と非常に安定している。【００９５】
図２０は、本実施形態のプラズマドーピング処理を、１枚の被処理基板に対するプラズマドーピング時間を６０秒として繰り返し実施した場合におけるシート抵抗の均一性の推移を示している。図２０に示すように、全ての測定結果について均一性は１σで１．５％以下であり、均一性についても良好な結果が得られている。尚、本実施形態のプラズマドーピング処理のプラズマドーピング条件で得られたドーズ量は約２．３×１０15ｃｍ-2である。図２１は、本実施形態のプラズマドーピング処理をプラマドーピング時間を６０秒として実施した場合に得られる、典型的なシート抵抗の基板面内分布の一例を示している。【００９６】
図２２は、本実施形態のプラズマドーピング処理を、１枚の被処理基板に対するプラズマドーピング時間を１２０秒として繰り返し実施した場合におけるシート抵抗の再現性を示している。尚、１万を超える試料から抽出した測定試料の数は３２である。図２２に示すように、プラズマドーピング時間を１２０秒とした場合のシート抵抗の平均値は２１５．８Ω／□であり、再現性は１σで０．８３％と非常に安定している。【００９７】
図２３は、本実施形態のプラズマドーピング処理を、１枚の被処理基板に対するプラズマドーピング時間を１２０秒として繰り返し実施した場合におけるシート抵抗の均一性の推移を示している。図２３に示すように、全ての測定結果について均一性は１σで１．０％以下であり、均一性についても良好な結果が得られている。尚、本実施形態のプラズマドーピング処理のプラズマドーピング条件で得られたドーズ量は約４．３×１０15ｃｍ-2である。図２４は、本実施形態のプラズマドーピング処理を、プラマドーピング時間を１２０秒として実施した場合に得られる、典型的なシート抵抗の基板面内分布の一例を示している。【００９８】
以上に説明したように、本実施形態によると、プラズマドーピング時間が５０秒から２００秒までの間においてシート抵抗の再現性と良好な均一性とを確保した状態で、約２．３×１０15ｃｍ-2から約６．２×１０15ｃｍ-2までの広い範囲に亘るドーズ量の制御を、プラズマドーピング時間の調整のみによって安定して行うことができる。【００９９】
すなわち、本実施形態によると、不純物を含むガスからなるプラズマによる基板表面への堆積レートが適度に正（つまり基板のエッチングレートが負）であるプラズマドーピング条件を用いてプラズマドーピング処理を行う際にプラズマドーピング時間を適切に選定することによって、基板をほとんどエッチングすることなく基板内部に不純物を注入することができる。また、プラズマドーピング時間のみを調節することにより、不純物ドーズ量の良好な均一性及び再現性を確保しながら、広い範囲のドーズ量を簡単に制御することが可能となる。さらに、これらの効果を、生産性の低下なく、また、ドーズ量の高精度測定を要することなく、奏することができる。【０１００】
［初期領域Ａとプロセス領域Ｂとの境界、及びプロセス領域Ｂと堆積領域Ｃとの境界について）］
前述したように、本実施形態のプラズマドーピング方法において、プラズマドーピング時間に対するドーズ量の変化の態様は、以下の３つの時間領域に分けられる。【０１０１】
第１の領域は、プラズマドーピング時間に対してドーズ量が急激に変化する時間領域である初期領域Ａ、第２の領域は、本実施形態のプラズマドーピング時間のプロセスウィンドウとなるプロセス領域Ｂ、第３の領域は、プロセス領域Ｂの経過後、再び、プラズマドーピング時間に対してドーズ量が急激に変化する時間領域である堆積領域Ｃである。【０１０２】
はじめに、プラズマドーピング時間に対してドーズ量が急激に変化する時間領域である初期領域Ａと、本実施形態のプラズマドーピング時間のプロセスウィンドウとなるプロセス領域Ｂとの境界について説明する。後述するように、初期領域Ａでは、単位時間当たりにドーズ量が変化する割合であるドーズ量の時間変化率が一定ではない。一方、プロセス領域Ｂでは、ドーズ量の時間変化率が一定である。すなわち、初期領域Ａとプロセス領域Ｂとの境界は、初期領域Ａでのドーズ量の時間変化率がほぼ一定となるときとして定義することができる。以下、初期領域Ａ及びプロセス領域Ｂのそれぞれのドーズ量の時間変化率について詳しく説明する。【０１０３】
まず、初期領域Ａのドーズ量の時間変化率について説明する。図２５は、本実施形態の初期領域Ａでのプラズマドーピング時間に対するドーズ量の変化を示した図である。本実施形態において、初期領域Ａでのドーズ量とプラズマドーピング時間との関係は下記の関係式
Ｄｏｓｅ＝２．３×１０12×（Ｔｉｍｅ）1.7 
（但し、Ｄｏｓｅはドーズ量であり、Ｔｉｍｅはプラズマドーピング時間である）のように表すことができる。このドーズ量とプラズマドーピング時間との関係式は、Ａ及びＢを係数とする下記の（式１０）で表すことができる。【０１０４】
Ｄｏｓｅ＝Ａ×（Ｔｉｍｅ）B   ・・・  （式１０）
このとき、ドーズ量の時間変化率は、（式１０）をプラズマドーピング時間によって微分することにより、下記の（式１１）のように表すことができる。【０１０５】
ｄＤ／ｄＴ＝Ａ×Ｂ×（Ｔｉｍｅ）B-1   ・・・  （式１１）
このように、初期領域Ａでのドーズ量の時間変化率はプラズマドーピング時間の関数として表すことができる。すなわち、初期領域Ａでのドーズ量の時間変化率は、プラズマドーピング時間に対して一定ではない。【０１０６】
次に、プロセス領域Ｂのドーズ量の時間変化率について説明する。図２６は、本実施形態のプロセス領域Ｂでのプラズマドーピング時間に対するドーズ量の変化を示した図である。本実施形態において、プロセス領域Ｂでのドーズ量とプラズマドーピング時間との関係は下記の関係式
Ｄｏｓｅ＝３．２×１０13×（Ｔｉｍｅ）＋９．１×１０13
（但し、Ｄｏｓｅはドーズ量であり、Ｔｉｍｅはプラズマドーピング時間である）のように表すことができる。この関係式は、Ｍ及びＮを係数とする下記（式１２）で表すことができる。【０１０７】
Ｄｏｓｅ＝Ｍ×（Ｔｉｍｅ）＋Ｎ  ・・・  （式１２）
このとき、ドーズ量の時間変化率は、（式１２）をプラズマドーピング時間によって微分することにより、下記の（式１３）のように表すことができる。【０１０８】
ｄＤ／ｄＴ＝Ｍ  ・・・  （式１３）
このように、プロセス領域Ｂでのドーズ量の時間変化率は一定の係数で表すことができる。すなわち、プロセス領域Ｂでのドーズ量の時間変化率は、プラズマドーピング時間に対して一定である。【０１０９】
続いて、初期領域Ａとプロセス領域Ｂとの境界を決定する方法について説明する。【０１１０】
初期領域Ａとプロセス領域Ｂとの境界は、初期領域Ａでのドーズ量の時間変化率がほぼ一定となるときである。ここで、ドーズ量の時間変化率がほぼ一定になるとは、初期領域Ａでのドーズ量の時間変化率を表す（式１１）の右辺が時間によらずほぼ一定になることである。すなわち、（式１１）をプラズマドーピング時間によって微分することにより得られる下記（式１４）において、ｄ2 Ｄ／ｄＴ2 の値がほぼ０になればよい。【０１１１】
ｄ2 Ｄ／ｄＴ2 ＝Ａ×Ｂ×（Ｂ−１）×（Ｔｉｍｅ）B-2   ・・・  （式１４）
ここで、（式１４）のｄ2 Ｄ／ｄＴ2 がほぼ０となる係数Ｂの値を求める。（式１４）はプラズマドーピング時間の関数であるため、ｄ2 Ｄ／ｄＴ2 がほぼ０となる係数Ｂの値は、プラズマドーピング時間に依存して変化する。従って、ここでは、プラズマドーピング時間が２０秒から８００秒までの範囲に限定して、ｄ2 Ｄ／ｄＴ2 がほぼ０となる係数Ｂの値を求めた。図２７（ａ）〜（ｈ）は（式１４）の係数Ａを１として、プラズマドーピング時間を２０秒、５０秒、１００秒、８００秒としたときの、係数Ｂに対するｄＤ／ｄＴ及びｄ2 Ｄ／ｄＴ2 のそれぞれの変化を示した図である。図２７（ａ）及び（ｂ）に示すように、プラズマドーピング時間を２０秒としたときは、係数Ｂを１．３以下にすることによって、ｄ2 Ｄ／ｄＴ2 の値をほぼ０にできることがわかる。同様に、図２７（ｃ）及び（ｄ）に示すように、プラズマドーピング時間を５０秒としたときは、係数Ｂを１．３以下にすることによって、図２７（ｅ）及び（ｆ）に示すように、プラズマドーピング時間を１００秒としたときは、係数Ｂを１．４以下にすることによって、図２７（ｇ）及び（ｈ）に示すように、プラズマドーピング時間を８００秒としたときは、係数Ｂを１．５以下にすることによって、ｄ2 Ｄ／ｄＴ2 の値をほぼ０にできることがわかる。まとめると、プラズマドーピング時間が２０秒から８００秒までの範囲において、係数Ｂの値が１．３以下であれば、ｄ2 Ｄ／ｄＴ2 の値をほぼ０にすることができる。従って、初期領域Ａでのドーズ量とプラズマドーピング時間との関係を表した（式１０）において、係数Ｂが１．３以下となるとき、初期領域Ａでのドーズ量の時間変化率がほぼ一定となることが分かる。【０１１２】
次に、本実施形態の初期領域Ａにおいて、初期領域Ａのドーズ量の時間変化率を表した（式１０）の係数Ｂが１．３以下になる時間帯を求める。図２８（ａ）は、プラズマドーピング時間を２０秒としてその前後１０秒間を含む時間帯におけるドーズ量の時間変化を示した図である。このとき、ドーズ量とプラズマドーピング時間との関係を表した式は、Ｄｏｓｅ＝９×１０11×（Ｔｉｍｅ）2.03となる。すなわち、この場合、係数Ｂは２．０３である。同様に、図２８（ｂ）はプラズマドーピング時間を３０秒として、図２８（ｃ）はプラズマドーピング時間を４０秒として、図２８（ｄ）はプラズマドーピング時間を５０秒として、それぞれその前後１０秒間を含む時間帯におけるドーズ量の時間変化を表した図である。ドーズ量とプラズマドーピング時間との関係を表した式は、プラズマドーピング時間が３０秒±１０秒では、Ｄｏｓｅ＝２×１０12×（Ｔｉｍｅ）1.72、プラズマドーピング時間が４０秒±１０秒では、Ｄｏｓｅ＝６×１０12×（Ｔｉｍｅ）1.46、プラズマドーピング時間が５０秒±１０秒では、Ｄｏｓｅ＝３×１０13×（Ｔｉｍｅ）1.00となり、係数Ｂの値は、プラズマドーピング時間が３０秒±１０秒では１．７２、プラズマドーピング時間が４０秒±１０秒では１．４６、プラズマドーピング時間が５０秒±１０秒では１．００である。【０１１３】
まとめると、プラズマドーピング時間に対する係数Ｂの変化の様子は、図２９のように表すことができる。前述したように、初期領域Ａとプロセス領域Ｂとの境界は、初期領域Ａでのドーズ量の時間変化率がほぼ一定となる時、つまり、係数Ｂの値が１．３以下となる時であり、図２９より、係数Ｂが１．３以下になるプラズマドーピング時間は４３秒以降であることが分かる。従って、本実施形態での、初期領域Ａとプロセス領域Ｂとの境界は、プラズマドーピング時間が４３秒の時である。尚、プロセス領域Ｂのドーズ量とプラズマドーピング時間との関係式を前記の（式１０）の形式で表すこともできる。すなわち、不純物イオンのドーズ量Ｄｏｓｅ（ｃｍ-2）をプラズマドーピング時間Ｔｉｍｅ（秒）を用いて、Ｄｏｓｅ＝Ａ×（Ｔｉｍｅ）B で表したときの係数Ｂの値が１．３以下であるとき、前述のように、ドーズ量の時間変化率がプラズマドーピング時間の変化によらず一定となり、この時間範囲内でプラズマドーピングを行うことによって、前述の本発明特有の効果を得ることができるのである。【０１１４】
次に、本実施形態のプラズマドーピング時間のプロセスウィンドウとなるプロセス領域Ｂと、当該プロセス領域Ｂの経過後、再び、プラズマドーピング時間に対してドーズ量が急激に変化する時間領域である堆積領域Ｃとの境界について説明する。【０１１５】
図３０は、本実施形態の堆積領域Ｃでのプラズマドーピング時間に対するドーズ量の変化を示した図である。図３０において、プラズマドーピング時間が２００秒の時のドーズ量は、プロセス領域Ｂのドーズ量とプラズマドーピング時間との関係式であるＤｏｓｅ＝３．２×１０13×（Ｔｉｍｅ）＋９．１×１０13で表される直線上にあるが、プラズマドーピング時間が２５０秒になると、当該直線よりもドーズ量が僅かに大きくなる。また、プラズマドーピング時間が４００秒を超えると、明らかにドーズ量は前記直線を外れて大きく増加していく。従って、プラズマドーピング時間が４００秒よりも大きいときは、堆積領域Ｃであることは明らかであるが、本実施形態では、十分なマージンを考慮して、プラズマドーピング時間が２００秒よりも大きい時を堆積領域Ｃとする。【０１１６】
以上に説明したように、本実施形態のプラズマドーピング方法において、プラズマドーピング時間に対するドーズ量の変化の態様は、それぞれ以下の時間範囲を有する３つの領域に分けられる。【０１１７】
まず、初期領域Ａは、ドーズ量をプラズマドーピング時間の関数として、Ｄｏｓｅ＝Ａ×（Ｔｉｍｅ）B と表したときの係数Ｂの値が１．３よりも大きくなる時間範囲であり、本実施形態では、プラズマドーピング時間が０秒から４３秒までの範囲である。【０１１８】
次に、本実施形態のプラズマドーピング時間であるプロセスウィンドウとなるプロセス領域Ｂは、ドーズ量をプラズマドーピング時間の関数として、Ｄｏｓｅ＝Ａ×（Ｔｉｍｅ）B と表したときの係数Ｂの値が１．３以下となる時間範囲であり、本実施形態では、プラズマドーピング時間が４３秒以上で且つ２００秒以下の範囲である。【０１１９】
最後に、堆積領域Ｃは、プロセス領域Ｂの経過後、再び、プラズマドーピング時間に対してドーズ量が大きく増加する時間領域であり、本実施形態では、プラズマドーピング時間が２００秒よりも大きいときである。【０１２０】
［エッチング速度の測定方法］
以下、本願発明者らが、図８に示すプラズマドーピング処理装置を使用して、前述のプラズマドーピング処理条件（図１０のフローのステップＳ１３で説明した処理条件Ｉ）における試料２０９（具体的にはシリコン基板）のエッチング速度（つまり堆積レート）を測定（確認）した結果について説明する。図３１は、本願発明者らが用いた、エッチング速度の測定方法のフロー図である。【０１２１】
まず、ステップＳ２１において、シリコン基板表面上にパターン付マスクを設けた測定用基板を準備する。【０１２２】
次に、ステップＳ２２において、測定用基板を公知の方法によって真空容器２１０内に投入し、試料電極２０３上に載置し、当該測定用基板に対してプラズマドーピング処理を行う。ここで、プラズマドーピング処理は、プラズマドーピング時間６０秒を１回の処理単位として、Ｘ回実施する。【０１２３】
次に、ステップＳ２３において、複数回のプラズマドーピング処理を行った測定用基板を公知の方法により真空容器２０１から取り出し、当該測定用基板上のパターン付マスクを公知の方法によって除去する。【０１２４】
次に、ステップＳ２４において、パターン付マスクを除去した測定用基板に対して、公知の接触式段差測定器を用いて、当該測定用基板表面上の段差Ｙを測定する。【０１２５】
次に、ステップＳ２５において、接触式段差測定器による段差Ｙの測定結果とプラズマドーピング処理回数Ｘとを用いて、エッチング速度（＝Ｙ／Ｘ）を算出する。【０１２６】
これらのステップＳ２１〜Ｓ２５によってエッチング速度を求めることができ、プラズマドーピング処理において試料がエッチングされているのか否か、又はデポ量（堆積量）が多すぎないかどうかの確認を行うことができる。【０１２７】
以上に述べたエッチング速度測定フローを使用すると共に図８に示すプラズマドーピング処理装置を使用して、前記のプラズマドーピング処理条件における試料２０９（具体的にはシリコン基板）のエッチング速度（つまり堆積レート）を測定（確認）した結果は次の通りである。【０１２８】
図３２は、パターン付マスクを設けた測定用基板の表面（プラズマドーピング処理を行う前）の段差Ｙを接触式段差測定器を用いて測定した結果を示している。図３２に示すように、測定用基板つまりシリコン基板の表面は平坦であり、当該表面上には必要十分な高さを持つマスクが設けられている。【０１２９】
次に、図３３は、図３１に示すエッチング速度測定フローのステップＳ２４における公知の接触式段差測定器を用いた段差Ｙの測定結果を示している。尚、図３２及び図３３において、横軸は測定用基板の表面上での位置（基準は任意）を示している。また、図３２において、縦軸の基準（高さ０ｎｍ）は、マスクが形成されていない箇所のシリコン基板表面の高さであり、図３３において、縦軸の基準（高さ０ｎｍ）は、マスクが除去された箇所のシリコン基板表面の高さである。さらに、図３３に示す測定結果は、ステップＳ２２でのプラズマドーピング処理回数Ｘが１０回である場合に得られたものである。図３３においては、測定用基板表面の段差が接触式段差測定器の測定限界程度の小ささであるために、測定結果に当該測定器のノイズの影響が大きく現れており、測定結果が大きく振れている。そこで、図３３においては、測定基板表面上の段差を、その振れの大きい測定結果の平均値として求めて示している。図３３に示すように、前記のプラズマドーピング処理条件におけるシリコン基板（マスクが形成されていなかった箇所のシリコン基板表面）のエッチング量は−５．８ｎｍであった。従って、前記のプラズマドーピング処理条件における当該シリコン基板のエッチング速度は−０．５８ｎｍ／ｍｉｎと算出される。ここで、算出されたエッチング速度が−（負）となっていることについて説明する。図３３に示すように、測定用基板表面上に形成されたマスクの幅は約５００μｍである。このマスクの幅は、測定用基板表面上のどの場所でもほぼ同じである。それに対して、マスク同士の間に位置するシリコン基板表面の露出部分の幅には様々な寸法のものがある。例えば、図３３に示す測定結果の場合、座標（基板位置）が約１２５０μｍから約１５５０μｍまでの間の約３００μｍ幅において段差が＋（正）になっている。この幅についてはマスクの幅ではありえないため、この部分はシリコン基板表面が露出していた箇所（マスクが形成されていなかった箇所）であることが容易に判断できる。従って、前記のプラズマドーピング処理条件においては、シリコン基板表面がエッチングされて凹型の段差が形成されたのではなく、シリコン基板表面にデポ物（堆積物）が堆積して凸型の段差が形成されたことが分かる。すなわち、エッチング速度は−（負）となっている。【０１３０】
図３４は、本実施形態のプラズマドーピング処理を実施した場合のシリコン基板のエッチング速度と、特許文献１に開示された従来のプラズマドーピング処理を実施した場合のシリコン基板のエッチング速度とを比較して示したものである。尚、従来法でのエッチング速度の測定についても、前述の図３１に示すエッチング速度測定フローを使用している。図３４に示すように、従来法では、試料であるシリコン基板の表面に所望の不純物を導入する際に、当該基板表面は若干エッチングされているのに対して、本実施形態では、試料２０９であるシリコン基板の表面に所望の不純物を導入する際に、当該基板表面は殆どエッチングされていない。尚、従来のプラズマドーピング処理を行った結果（シート抵抗やドーズ量等）については後述する（比較例１及び比較例２参照）。【０１３１】
ここまで、本実施形態のプラズマドーピング処理条件でプラズマドーピング処理を行った場合、試料２０９の表面にデポ物が０．５８ｎｍ／ｍｉｎの速度で堆積することを説明してきた。次に、本実施形態のプラズマドーピング処理において、導入不純物であるボロンを試料２０９であるシリコン基板の内部に確実に導入できていることについて説明する。図３５は、図８に示すプラズマドーピング処理装置を使用して、前記のプラズマドーピング処理条件で試料２０９に対してプラズマドーピングを行った後、不純物活性化処理を行う前に、当該試料２０９に導入されたボロンのＳＩＭＳ測定を行った結果を示している。図３５において、横軸の深さが０ｎｍの箇所が試料２０９の表面に該当し、深さの数値は試料表面に対して垂直下向き方向における試料表面からの距離を示している。図３５に示すように、ボロン濃度が５．０×１０18（ｃｍ-3）となる深さは６．７ｎｍである。従って、プラズマドーピングされたボロンは試料２０９の表面にデポ物としてのみ存在しているのではなく、試料２０９の内部に注入されていることが分かる。さらに、図３６は、プラズマドーピング処理条件となるパラメータの１つである試料電極２０３の電位（バイアス電位）を４００Ｖ、５００Ｖ、６２５Ｖのそれぞれに設定してプラズマドーピング処理を行った試料に対してボロンのＳＩＭＳ測定を行った結果を示している。尚、図３６において、図３５に示す結果（バイアス電位は２５０Ｖ）を合わせて示している。図３６に示すように、いずれの条件でプラズマドーピング処理を行った試料についても、ボロンがシリコン基板の内部に注入されていることが分かる。しかも、プラズマドーピング処理中における試料電極２０３の電位（バイアス電位）を制御することによって、ボロンの注入深さを制御することも可能であることが分かる。【０１３２】
（比較例１）
図３７は、比較例１に係るプラズマドーピング処理で使用したプラズマドーピング処理装置の概略構成を示す断面図である。【０１３３】
図３７に示すように、比較例１のプラズマドーピング処理装置の真空容器２３１内には、シリコン基板よりなる試料２４０を載置する為の試料電極２３３が設けられており、当該試料電極２３３には高周波電源２４１が接続されている。真空容器２３１の上壁には、誘電体からなる天板２３４が設けられており、当該天板２３４の上面には多重のコイル２３５が配設されており、当該コイル２３５には高周波電源２３６が接続されている。また、比較例１のプラズマドーピング処理装置は、所望の元素を含む不純物ガスであるＢ2 Ｈ6 と、希釈用ガスであるＨｅとを供給する為のガス供給装置２４２をさらに備え、ガス供給装置２４２から供給されたガスは、ガス供給配管２３７、及び天板２３４内に設けられたガス分岐配管２３８を通って、ガス供給口２３９から真空容器２３１内に供給される。さらに、比較例１のプラズマドーピング処理装置は、真空容器２３１内を減圧し且つ調圧することができる真空排気口２３２を備えている。【０１３４】
ここで、高周波電源２３６よりコイル２３５に高周波電力を供給すると、コイル２３５の周囲に磁界が発生し、その磁界は、誘電体からなる天板２３４を介して真空容器２３１内を伝波し、真空容器２３１内の所望の不純物を含むガスを励起させてプラズマ状態（イオン、ラジカル、中性分子等）にする。さらに、高周波電源２４１から試料電極２３３に高周波電力を供給することにより、試料電極２３３の電位を制御することができる。この電位はプラズマに対して負の電位となる。このプラズマに対する負の電位によって、プラズマ中のボロンイオンを試料２４０の表面に注入することができる。【０１３５】
次に、比較例１において、図３７に示すプラズマドーピング処理装置を使用してプラズマドーピング処理を行う際のプロセス条件について説明する。まず、高周波電源２３６よりコイル２３５に供給する電力は２０００Ｗである。また、ガス供給装置２４２からガス供給配管２３７、ガス分岐配管２３８、及びガス供給口２３９を通じて真空容器２３１内に供給されている、所望の元素を含むドーピング原料ガスのガス全体に占める質量濃度は０．０５％である。また、高周波電源２４１より試料電極２３３に供給される電力は１３５Ｗである。また、真空排気口２３２によって調圧される真空容器２３１内の圧力は０．９Ｐａである。【０１３６】
以下、比較例１に係るプラズマドーピング処理を実施した結果について説明する。【０１３７】
図３８は、図３７に示すプラズマドーピング処理装置を使用して、前記のプラズマドーピング処理条件で試料２４０に対してプラズマドーピング処理を行い、公知の方法により熱処理を行って試料２４０に導入した不純物を活性化させた後、公知の四短針法を使用してシート抵抗を測定し、プラズマドーピング時間の変化に対するシート抵抗の推移及びシート抵抗の均一性の推移を調べた結果を示している。図３８に示すように、比較例１に係るプラズマドーピング処理の効果として、６０秒程度以降、シート抵抗はほとんど低下しなくなっており、また、均一性についても良好な状態が保たれている。図３９は、図３８中のプラズマドーピング時間が６０秒から２００秒までの間におけるプラズマドーピング時間に対するシート抵抗値の推移を拡大して示したものである。図３９に示すシート抵抗値の推移については、下記（式ｃ）
Ｒｓ＝−４９．２６９×Ｌｎ（Ｔｉｍｅ）＋４２５．２２  ・・・  （式ｃ）
（但し、Ｒｓはシート抵抗であり、Ｔｉｍｅはプラズマドーピング時間であり、Ｌｎは自然対数である）を用いて時間の関数として表すことができる。尚、Ｒ2 ＝０．９９７８である。【０１３８】
図４０は、図３７に示すプラズマドーピング処理装置を使用して、前記のプラズマドーピング処理条件で試料２４０に対してプラズマドーピング処理を行った結果である、プラズマドーピング時間に対するドーズ量の推移及びシート抵抗の均一性の推移を示している。また、図４１は、図４０中のプラズマドーピング時間が６０秒から２００秒までの間におけるプラズマドーピング時間に対するドーズ量の推移を拡大して示したものである。図４１に示すドーズ量の推移については、下記（式ｄ）
Ｄｏｓｅ＝５．４×１０13×Ｔｉｍｅ＋９．５×１０14  ・・・  （式ｄ）
（但し、Ｄｏｓｅはドーズ量であり、Ｔｉｍｅはプラズマドーピング時間である）を用いて時間の関数として表すことができる。尚、Ｒ2 ＝０．９９である。【０１３９】
シート抵抗とドーズ量との関係については、前述のように、一方について説明すれば、他方についても説明したと同様の関係にあるため、以下、ドーズ量を使用して説明する。（式ｄ）はプラズマドーピング時間のみの関数であり、また、プラズマドーピング時間とドーズ量とは極めて正比例的な関係にあることが分かる。ここで、（式ｄ）と、前述の実施形態中の（式ｂ）とを比較すると、比較例１のドーズ量の時間変化率は前述の実施形態の時間変化率よりも一桁小さい量でしかなく、（式ｄ）で表される、プラズマドーピング時間と正比例の関係を有するドーズ量は、最低でも９．５×１０14ｃｍ-2になってしまい、当該ドーズ量以下の試料を作成することができない。従って、比較例１においては、（式ｄ）に示すように、プラズマドーピング時間が６０秒から２００秒までの間、プラズマドーピング時間に対するドーズ量の変化量はほぼ一定であるものの、その変化量は極めて小さいと言える。具体的には、プラズマドーピング時間が６０秒から２００秒までの間、ドーズ量の変化は約１．２×１０15ｃｍ-2から約２．０×１０15ｃｍ-2までの小さい範囲にすぎず、前述のように、ドーズ量が９．５×１０14ｃｍ-2以下の低不純物濃度の試料を作成することはできない。図４２は、前述の実施形態及び本比較例１のそれぞれにおけるプラズマドーピング時間に対するドーズ量の推移を比較して示した図である。図４２に示すように、プラズマドーピング時間に対する比較例１のドーズ量制御可能範囲は前述の実施形態と比べて極めて小さい。【０１４０】
以下、前記の比較例１のプラズマドーピング処理条件でのシリコン基板のエッチング速度を、前述した図３１に示すエッチング速度測定フローに従って測定した結果について説明する。【０１４１】
図４３は、前記の比較例１のプラズマドーピング処理条件でプラズマドーピング処理が行われたシリコン基板に対して、図３１に示すエッチング速度測定フローのステップＳ２４における公知の接触式段差測定器による測定を実施した結果を示している。尚、尚、図４３において、横軸は測定用基板の表面上での位置（基準は任意）を示している。また、図４３において、縦軸の基準（高さ０ｎｍ）は、マスクが除去された箇所のシリコン基板表面の高さである。さらに、図４３に示す測定結果は、ステップＳ２２でのプラズマドーピング処理回数Ｘが２５回である場合に得られたものである。図４３に示す測定結果から、比較例１のプラズマドーピング処理条件におけるシリコン基板のエッチング速度は＋１．３２ｎｍ／ｍｉｎと算出される。【０１４２】
ここで、算出されたエッチング速度が＋（正）となっていることについて説明する。図４３に示すように、測定用基板であるシリコン基板表面のマスクの幅は約５００μｍである。このマスクの幅は、測定用基板表面上のどの場所でもほぼ同じである。それに対して、マスク同士の間に位置するシリコン基板表面の露出部分の幅には様々な寸法のものがある。例えば、図４３に示す測定結果の場合、座標（基板位置）が約３００μｍから約１４００μｍまでの間の約１１００μｍ幅において段差が−（負）になっている。この幅についてはマスクの幅ではありえないため、この部分はシリコン基板表面が露出していた箇所（マスクが形成されていなかった箇所）であることが容易に判断できる。従って、前記の比較例１のプラズマドーピング処理条件においては、シリコン基板表面がエッチングされて凹型の段差が形成されたことが分かる。すなわち、エッチング速度は＋（正）となっている。【０１４３】
（比較例２）
図３７は、比較例２に係るプラズマドーピング処理で使用したプラズマドーピング処理装置の概略構成を示す断面図である。【０１４４】
図３７に示すように、比較例２のプラズマドーピング処理装置の真空容器２３１内には、シリコン基板よりなる試料２４０を載置する為の試料電極２３３が設けられており、当該試料電極２３３には高周波電源２４１が接続されている。真空容器２３１の上壁には、誘電体からなる天板２３４が設けられており、当該天板２３４の上面には多重のコイル２３５が配設されており、当該コイル２３５には高周波電源２３６が接続されている。また、比較例２のプラズマドーピング処理装置は、所望の元素を含む不純物ガスであるＢ2 Ｈ6 と、希釈用ガスであるＨｅとを供給する為のガス供給装置２４２をさらに備え、ガス供給装置２４２から供給されたガスは、ガス供給配管２３７、及び天板２３４内に設けられたガス分岐配管２３８を通って、ガス供給口２３９から真空容器２３１内に供給される。さらに、比較例２のプラズマドーピング処理装置は、真空容器２３１内を減圧し且つ調圧することができる真空排気口２３２を備えている。【０１４５】
ここで、高周波電源２３６よりコイル２３５に高周波電力を供給すると、コイル２３５の周囲に磁界が発生し、その磁界は、誘電体からなる天板２３４を介して真空容器２３１内を伝波し、真空容器２３１内の所望の不純物を含むガスを励起させてプラズマ状態（イオン、ラジカル、中性分子等）にする。さらに、高周波電源２４１から試料電極２３３に高周波電力を供給することにより、試料電極２３３の電位を制御することができる。この電位はプラズマに対して負の電位となる。このプラズマに対する負の電位によって、プラズマ中のボロンイオンを試料２４０の表面に注入することができる。【０１４６】
次に、比較例２において、図３７に示すプラズマドーピング処理装置を使用してプラズマドーピング処理を行う際のプロセス条件について説明する。まず、高周波電源２３６よりコイル２３５に供給する電力は１５００Ｗである。また、ガス供給装置２４２からガス供給配管２３７、ガス分岐配管２３８、及びガス供給口２３９を通じて真空容器２３１内に供給されている、所望の元素を含むドーピング原料ガスのガス全体に占める質量濃度は０．０５％である。また、高周波電源２４１より試料電極２３３に供給される電力は１３５Ｗである。また、真空排気口２３２によって調圧される真空容器２３１内の圧力は０．９Ｐａである。【０１４７】
以下、比較例２に係るプラズマドーピング処理を実施した結果について説明する。【０１４８】
図４４は、図３７に示すプラズマドーピング処理装置を使用して、前記のプラズマドーピング処理条件で試料２４０に対してプラズマドーピング処理を行い、公知の方法により熱処理を行って試料２４０に導入した不純物を活性化させた後、公知の四短針法を使用してシート抵抗を測定し、プラズマドーピング時間の変化に対するシート抵抗の推移及びシート抵抗の均一性の推移を調べた結果を示している。図４４に示すように、比較例２に係るプラズマドーピング処理の効果として、６０秒程度以降、シート抵抗はほとんど低下しなくなっており、また、均一性についても良好な状態が保たれている。図４５は、図４４中のプラズマドーピング時間が６０秒から４００秒までの間におけるプラズマドーピング時間に対するシート抵抗値の推移を拡大して示したものである。図４５に示すシート抵抗値の推移については、下記（式ｅ）
Ｒｓ＝−４０．６５２×Ｌｎ（Ｔｉｍｅ）＋３６２．５８  ・・・  （式ｅ）
（但し、Ｒｓはシート抵抗であり、Ｔｉｍｅはプラズマドーピング時間であり、Ｌｎは自然対数である）を用いて時間の関数として表すことができる。尚、Ｒ2 ＝０．９８０８である。【０１４９】
図４６は、図３７に示すプラズマドーピング処理装置を使用して、前記のプラズマドーピング処理条件で試料２４０に対してプラズマドーピング処理を行った結果である、プラズマドーピング時間に対するドーズ量の推移及びシート抵抗の均一性の推移を示している。また、図４７は、図４６中のプラズマドーピング時間が６０秒から４００秒までの間におけるプラズマドーピング時間に対するドーズ量の推移を拡大して示したものである。図４７に示すドーズ量の推移については、下記（式ｆ）
Ｄｏｓｅ＝５．０×１０13×Ｔｉｍｅ＋１．０×１０15  ・・・  （式ｆ）
（但し、Ｄｏｓｅはドーズ量であり、Ｔｉｍｅはプラズマドーピング時間である）を用いて時間の関数として表すことができる。尚、Ｒ2 ＝０．９３５９である。【０１５０】
シート抵抗とドーズ量との関係については、前述のように、一方について説明すれば、他方についても説明したと同様の関係にあるため、以下、ドーズ量を使用して説明する。（式ｄ）はプラズマドーピング時間のみの関数であり、また、プラズマドーピング時間とドーズ量とは極めて正比例的な関係にあることが分かる。ここで、（式ｆ）と、前述の実施形態中の（式ｂ）とを比較すると、比較例２のドーズ量の時間変化率は前述の実施形態の時間変化率よりも一桁小さい量でしかなく、（式ｆ）で表される、プラズマドーピング時間と正比例の関係を有するドーズ量は、最低でも１．０×１０15ｃｍ-2になってしまい、当該ドーズ量以下の試料を作成することができない。従って、比較例２においては、（式ｆ）に示すように、プラズマドーピング時間が６０秒から２００秒までの間、プラズマドーピング時間に対するドーズ量の変化量はほぼ一定であるものの、その変化量は極めて小さいと言える。具体的には、プラズマドーピング時間が６０秒から４００秒までの間、ドーズ量の変化は約１．５×１０15ｃｍ-2から約３．２×１０15ｃｍ-2までの小さい範囲にすぎず、前述のように、ドーズ量が１．０×１０15ｃｍ-2以下の低不純物濃度の試料を作成することはできない。さらに、プラズマドーピング時間が６０秒から２００秒までの間については、ドーズ量の変化は約１．５×１０15ｃｍ-2から約２．６×１０15ｃｍ-2までのより小さい範囲に過ぎない。図４８は、前述の実施形態及び本比較例２のそれぞれにおけるプラズマドーピング時間に対するドーズ量の推移を比較して示した図である。図４８に示すように、プラズマドーピング時間に対する比較例２のドーズ量制御可能範囲は前述の実施形態と比べて極めて小さい。【０１５１】
以下、前記の比較例２のプラズマドーピング処理条件でのシリコン基板のエッチング速度を、前述した図３１に示すエッチング速度測定フローに従って測定した結果について説明する。【０１５２】
図４９は、前記の比較例２のプラズマドーピング処理条件でプラズマドーピング処理が行われたシリコン基板に対して、図３１に示すエッチング速度測定フローのステップＳ２４における公知の接触式段差測定器による測定を実施した結果を示している。尚、尚、図４９において、横軸は測定用基板の表面上での位置（基準は任意）を示している。また、図４９において、縦軸の基準（高さ０ｎｍ）は、マスクが除去された箇所のシリコン基板表面の高さである。さらに、図４９に示す測定結果は、ステップＳ２２でのプラズマドーピング処理回数Ｘが２５回である場合に得られたものである。図４９に示す測定結果から、比較例２のプラズマドーピング処理条件におけるシリコン基板のエッチング速度は＋０．５６ｎｍ／ｍｉｎと算出される。【０１５３】
ここで、算出されたエッチング速度が＋（正）となっていることについて説明する。図４９に示すように、測定用基板であるシリコン基板表面のマスクの幅は約５００μｍである。このマスクの幅は、測定用基板表面上のどの場所でもほぼ同じである。それに対して、マスク同士の間に位置するシリコン基板表面の露出部分の幅には様々な寸法のものがある。例えば、図４９に示す測定結果の場合、座標（基板位置）が約１４００μｍから約１８００μｍまでの間の約４００μｍ幅において段差が−（負）になっている。この幅についてはマスクの幅ではありえないため、この部分はシリコン基板表面が露出していた箇所（マスクが形成されていなかった箇所）であることが容易に判断できる。従って、前記の比較例２のプラズマドーピング処理条件においては、シリコン基板表面がエッチングされて凹型の段差が形成されたことが分かる。すなわち、エッチング速度は＋（正）となっている。【０１５４】
図５０は、前述の実施形態、比較例１及び比較例２のそれぞれにおけるプラズマドーピング時間に対するドーズ量の推移を比較して示した図である。図５０に示すように、前述の実施形態においては、プラズマドーピング時間によって制御可能なドーズ量の範囲が大きいのに対して、比較例１及び比較例２においては、プラズマドーピング時間によって制御可能なドーズ量の範囲が小さい。すなわち、本発明を用いることによって、広範囲に亘るドーズ量をプラズマドーピング時間によって制御することができることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【０１５５】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、プラズマドーピングによって不純物を基板に注入して半導体領域を形成する半導体装置の製造方法に適用した場合、生産性やドーズ量の基板面内均一性を損なうことなく、また、ドーズ量の高精度測定を要することなく、高精度で制御可能なドーズ量の範囲を従来と比して格段に拡大できるという効果が得られ、非常に有用である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年2月3日(2009.2.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不純物を含むガスからなるプラズマに基板をさらすことによって、前記基板の表面部に前記不純物をドーピングして不純物領域を形成する半導体装置の製造方法において、
前記プラズマによる前記基板上における堆積レートが０ｎｍ／分よりも大きく且つ５ｎｍ／分以下となる時間範囲内に含まれる所定のプラズマドーピング時間を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記時間範囲内では、前記プラズマによる前記基板上における堆積レートが０ｎｍ／分よりも大きく且つ２ｎｍ／分以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記時間範囲は５０秒以上で且つ２００秒以下の範囲であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記時間範囲内では、前記基板にドーピングされる前記不純物のドーズ量の時間変化率が略一定であり、その関係を用いて当該ドーズ量が所望値となるように前記所定のプラズマドーピング時間を決定することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体装置の製造方法において、
前記基板にドーピングされる前記不純物のドーズ量をＤ（ｃｍ-2）、プラズマドーピング時間をｔ（秒）として、Ｄ＝Ａ×ｔB （但しＡ及びＢは係数）と表したとき、前記時間範囲内では、前記係数Ｂが１．３以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体装置の製造方法において、
前記時間範囲内では、前記係数Ｂは０．４よりも大きいことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記基板の表面部に前記不純物をドーピングする前に、
前記不純物を含むガスからなるプラズマにダミー基板をさらすことにより、前記ダミー基板の表面部に前記不純物をドーピングし、前記ダミー基板における面内の複数の箇所について、当該各箇所にドーピングされた前記不純物のドーズ量の時間変化率が略一定となる時間範囲をそれぞれ求め、それらの時間範囲のうち最も長い時間を含む時間範囲内から前記所定のプラズマドーピング時間を決定することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、プラズマドーピングによって不純物を基板に注入して半導体領域を形成する半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の高集積化、高機能化及び高速化に伴って、半導体装置の微細化への要求がますます高まっている。それに伴い、基板に不純物を注入して形成する半導体領域の極浅化への要求も高まっている。そこで、不純物を基板中に注入する技術として従来から広く使用されているイオン注入技術と比べて、不純物を極浅に注入した半導体領域を形成し易い技術としてプラズマドーピングが注目されている。プラズマドーピングでは、基板をプラズマに直接さらすことにより、プラズマ中の不純物を当該プラズマから引き出すことなく基板に注入することができる。これにより、プラズマ中の不純物イオンだけではなく、プラズマ中のラジカルやガス構成原子又は分子（以下、単にガスという）という電気的に中性の不純物をも、大量に且つ低いエネルギーで基板に注入できる。従って、プラズマドーピングの特徴として、
１．不純物の基板への注入レートが極めて大きいので、イオン注入と比べてスループットが非常に高いこと
２．不純物の注入エネルギーを極めて低くできるので、不純物を極浅に注入し易いことが広く知られている。
【０００３】
プラズマドーピングの第１の特徴である、注入レートが極めて大きいという性質を利用することによって、ポリシリコンゲートへの不純物注入を極めて高いスループットで行うことができる（非特許文献１参照）。
【０００４】
また、前記の第１の特徴に加えて、プラズマドーピングの第２の特徴である、注入エネルギーを極めて低くできるという性質を組み合わせて応用することによって、ゲートよりも格段に薄い領域であるソース・ドレインのエクステンション領域を低抵抗で形成できることが報告されている（非特許文献２及び３参照）。
【０００５】
さらに、最近では、ソース・ドレインのエクステンション領域の極浅化及び低抵抗化に加えて、プラズマドーピングによる極浅不純物領域形成を実用化する上で従来大きな課題とされていた不純物ドーズ量の均一性を、ソース・ドレインのエクステンション領域に要求されている水準にまで高精度化できる技術が提案されている（非特許文献４、特許文献１及び２参照）。
【０００６】
また、プラズマドーピングによる極浅不純物領域形成を実用化する上での別の大きな課題であるドーズ量の制御性に関して、ラジカルやガスという電気的に中性の不純物が基板上に堆積することを抑制する技術が開示されている（特許文献３参照）。特許文献３には、ファラデーカップによって不純物イオンの注入量だけを測定すれば、ドーズ量を特定でき、それによってドーズ量の制御性を高めることができると記載されている。
【０００７】
また、プラズマドーピングにおいて、ラジカルやガスという電気的に中性の不純物を積極的に利用する技術として、絶縁性基板上に半導体薄膜を形成した後、当該半導体薄膜中で電気的に活性化されてキャリアとなり得る不純物原子を主成分とする不純物薄膜を、当該半導体薄膜に接するように形成する技術が開示されている（特許文献４参照）。
【非特許文献１】Shu Qin 、Allen Mc Teer 、Device Performance Evaluation of PMOS Devices Fabricated by B2H6 PIII/PLAD Process on Poly-Si Gate Doping、International Workshop on Junction Technology 、p68 、(2006年)
【非特許文献２】Y.Sasaki他、B2H6 Plasma Doping with “In-situ He Pre-amorphization”、Symp. on VLSI Tech、p180、(2004年)
【非特許文献３】Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 237 p41-45、(2005年)
【非特許文献４】IIT(2006)524_AIP866
【非特許文献５】D.Lenoble 、SEMICONDUCTOR FABTECH-30th EDITION
【特許文献１】国際公開番号第06/064772号パンフレット
【特許文献２】国際公開番号第06/121131号パンフレット
【特許文献３】米国特許出願公開第2006/0099830号明細書
【特許文献４】国際公開番号第05/034221号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、非特許文献１に開示されている従来の半導体装置の製造方法によると、スループットは極めて高いものの、基板の極浅領域に注入したドーズ量の基板面内均一性を、ソース・ドレインのエクステンション領域に要求される水準にまで高精度化することは困難であるという問題点がある。
【０００９】
また、非特許文献２及び３に開示されている従来の半導体装置の製造方法によると、ソース・ドレインのエクステンション領域を極めて浅く且つ低抵抗に形成できるが、やはりドーズ量の基板面内均一性を高精度化することが困難であるという問題点がある。
【００１０】
それに対して、ドーズ量の基板面内均一性の問題を解決する技術が、非特許文献４並びに特許文献１及び２において提案されている。しかるに、これらの技術は、ドーズ量の基板面内均一性を向上させることはできるのの、当該均一性向上効果の得られるドーズ量の範囲が極めて狭いので、半導体デバイスの種類に応じて要求される様々な水準のシート抵抗を、当該要求に応じて実現することが困難であるという問題点がある。実際には、生産ロット毎に要求されるシート抵抗は異なるので、当該要求に応じて、得られるシート抵抗の水準の調整に時間を要してしまう非特許文献４並びに特許文献１及び２に開示されている方法を用いた場合には、生産性が低下してしまうという問題点がある。
【００１１】
また、特許文献３に開示されている方法によると、ラジカルやガスという電気的に中性の不純物が基板上に堆積することを抑制することによって、抑制しなかった場合と比較すると、ファラデーカップを用いて電気的にドーズ量を測定した際の測定精度は向上する。しかし、このファラデーカップを用いたドーズ量の測定値は、ドーズ量の同定方法として広く知られたＳＩＭＳ（secondary ion mass spectrometry ）を用いたドーズ量の測定値とは異なってしまう。すなわち、特許文献３にも記載されているように、ファラデーカップは、基板に注入された不純物のうち電気的に活性なイオンのみを測定する一方、ＳＩＭＳでは、基板に注入された不純物のうちイオンだけではなく電気的に中性な不純物をも測定するからである。従って、ファラデーカップによるドーズ量の測定値と、ＳＩＭＳによるドーズ量の測定値とが異なるということは、特許文献３の技術を用いたとしても、ファラデーカップによってドーズ量を高精度に測定することはできないということを意味している。
【００１２】
また、特許文献４に開示されている方法は、プラズマドーピングにおいてラジカルやガスという電気的に中性の不純物が基板上に堆積する現象を利用したものであるが、特許文献４にはドーズ量の制御についての開示はなく、ましてや、特許文献４に開示されている方法によって、ドーズ量を高精度で測定することはできない。
【００１３】
以上のように、ドーズ量の制御性という問題は、電気的に測定可能な不純物イオンだけではなく、電気的に測定不可能なラジカルやガスという電気的に中性の不純物をも基板に注入するというプラズマドーピングの原理に由来する問題であって、プラズマドーピングという技術をソース・ドレインのエクステンション領域の形成に使用する上で、長年に渡り解決できていない問題、いわゆる「歴史的な障害」として指摘されている（非特許文献５参照）。
【００１４】
前記に鑑み、本発明は、半導体装置製造に用いられるプラズマドーピングにおいて、生産性やドーズ量の基板面内均一性を損なうことなく、また、ドーズ量の高精度測定を要することなく、高精度で制御可能なドーズ量の範囲を従来と比して格段に拡大できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記の目的を達成するために、本願発明者らは、プレーナ型デバイスにおけるソース・ドレインのエクステンション領域をプラズマドーピングを用いて形成する際に、生産性とドーズ量の基板面内均一性と制御可能なドーズ量範囲の大きさとがトレードオフの関係にある理由を検討した結果、次のような知見を得るに至った。
【００１６】
図１（ａ）〜（ｈ）は、プレーナ型デバイスにおけるソース・ドレインのエクステンション領域をプラズマドーピングを用いて形成する方法の各工程を示す要部断面図である。
【００１７】
まず、図１（ａ）に示すように、シリコン基板１の表面に酸化シリコン膜２を介してｎ型のシリコン層３を貼り合わせることによって形成されたＳＯＩ（silicon on insulator）基板を用意し、当該ＳＯＩ基板表面にゲート絶縁膜として酸化シリコン膜４を形成する。
【００１８】
次に、図１（ｂ）に示すように、酸化シリコン膜４の上に、ゲート電極となる多結晶シリコン層５Ａを形成した後、図１（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィにより、多結晶シリコン層５Ａの上にゲート電極形成領域を覆うマスクＲを形成する。その後、図１（ｄ）に示すように、マスクＲを用いて多結晶シリコン層５Ａをパターニングし、ゲート電極５を形成する。このとき、ゲート電極５の外側の酸化シリコン膜４がエッチングにより除去される。続いて、図１（ｅ）に示すように、ゲート電極５をマスクとして、プラズマドーピングにより、ボロンをシリコン層３に導入し、ドーズ量が１×１０15ｃｍ-2程度の浅いｐ型の不純物領域６を形成する。
【００１９】
その後、図１（ｆ）に示すように、例えば、ＬＰＣＶＤ（low pressure chemical vapor deposition）法により、基板全面に亘って酸化シリコン膜７を形成した後、異方性エッチングにより、酸化シリコン膜７に対してエッチングバックを行う。これにより、図1（ｇ）に示すように、ゲート電極５の側壁にのみ酸化シリコン膜７が残存する。
【００２０】
次に、図１（ｈ）に示すように、酸化シリコン膜７とゲート電極５とをマスクとして、イオン注入により、ボロンをシリコン層３に注入し、ソース・ドレイン領域となるｐ型の不純物領域８を形成する。その後、熱処理を行って、注入されたボロンイオンの活性化を行う。
【００２１】
以上に説明した工程によって、ｐ型の不純物領域８からなるソース・ドレイン領域の内側に浅いｐ型の不純物領域６からなるエクステンション領域が形成されたＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field effect tranjistor）を形成することができる。
【００２２】
尚、図１（ｅ）に示す、浅いｐ型の不純物領域６を形成する工程においては、例えば図２に示す、特許文献２に開示されたプラズマドーピング装置等を用いてプラズマドーピングが実施される
図２に示すプラズマドーピング装置は、真空容器１０１と、真空容器内にガスを供給するガス供給装置１０２と、真空容器１０１内からガスを排気する排気装置としてのターボ分子ポンプ１０３と、真空容器１０１内の圧力を制御する圧力制御装置としての調圧弁１０４と、被処理基板（基板）１０９が設置される試料台を兼ねる試料電極１０６と、試料電極１０６と対向する真空容器１０１の天井部となる誘電体窓１０７の近傍に設けられたプラズマ源（ガスを放電によってプラズマ化するプラズマ生成装置）としてのコイル１０８と、コイル１０８に例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給する高周波電源１０５と、試料電極１０６に電圧を供給する電圧源としての高周波電源１１０と、試料電極１０６を冷却する冷却水供給ユニット１１１と、試料電極１０６に供給される電圧をモニターするＶｄｃモニタ１１７とから構成されている。プラズマを発生させるために必要なガスは、ガス供給装置１０２からガス導入経路１１３及び誘電体窓１０７内部のガス主経路１１４を通じてガス吹き出し口１１５から真空容器１０１内に供給される。また、真空容器１０１内の真空度は、ガス供給装置１０２、ターボ分子ポンプ１０３、調圧弁１０４及びドライポンプ１１２によって制御される。さらに、真空容器１０１内の試料電極１０６に対しては、高周波電源１１０からマッチングボックス１１６を通じて電力が供給される。これにより、試料台を兼ねる試料電極１０６上に載置された被処理基板１０９に電力が供給される。
【００２３】
図２に示すようなプラズマドーピング装置を用いて、特許文献１や特許文献２に開示された方法によってプレーナ型デバイスのソース・ドレインのエクステンション領域を形成した場合における、ソース・ドレインのエクステンション領域のシート抵抗とプラズマドーピング時間との関係を図３に示す。尚、図３中に記載した「狙いとするシート抵抗の値」は、デバイス構造から要請されるもので、各デバイスによって異なる任意の値であるが、これを製造する方法としては、下記の比較例１及び比較例２の２通りの方法がある。
【００２４】
まず、比較例１及び比較例２のそれぞれの特徴を説明する。比較例１及び比較例２では共に、プラズマドーピング時間が増加するに従って、注入される不純物のドーズ量が増加するので、シート抵抗が低下する。そして、シート抵抗の減少の割合は、プラズマドーピング時間が短い時期（初期）には極めて大きいが、プラズマドーピング時間が長くなるに従って、シート抵抗の減少の割合は低下していき、ついにはほとんど一定となる。比較例１及び比較例２において、これらのことは共通である。但し、比較例１及び比較例２のそれぞれのプラズマドーピング条件は相対的には以下のような関係にある。すなわち、比較例１の条件による注入ドーズ量は比較例２と比べて大きい。より具体的には、比較例１の条件における、不純物を含むガスの濃度、当該ガスの流量、及び当該ガスの圧力のうちの少なくとも１つは比較例２の条件と比べて大きい。これにより、あるプラズマドーピング時間で比べた場合、比較例１の条件によるシート抵抗は比較例２と比べて小さくなる。
【００２５】
さて、比較例１で狙いのシート抵抗を実現するためには、プラズマドーピング時間を短くし、言い換えると、ドーピング処理の初期においてプラズマを消滅させ、所定量以上の量の不純物が注入されないようにする。ところが、プラズマドーピング時間を短くした場合には、基板面内のドーズ量には大きなばらつきがある。このことは、図３において、シート抵抗とプラズマドーピング時間との関係を表す帯の幅（破線を挟む実線の幅：以下同じ）が、プラズマドーピング時間が長くなるに従って小さくなり、ある時間以降はほぼ一定の幅になることに対応している。すなわち、基板面内のシート抵抗の均一性は、プラズマドーピング時間が短い間（初期）は悪く、プラズマドーピング時間が長くなるに従って良くなる。また、比較例１の条件を用いてプラズマドーピングを繰り返し実施した場合に各基板の面内のある点で取得できる、シート抵抗とプラズマドーピング時間との関係を表す帯の幅も、図３に示す帯の幅と同様になる。すなわち、基板面内のシート抵抗の再現性も、プラズマドーピング時間が短い間（初期）は悪く、プラズマドーピング時間が長くなるに従って良くなる。
【００２６】
このような現象が起きる理由は、均一性と再現性とで共通である。以下、その理由について説明する。本願発明者らは、プラズマドーピング時間が長くなるに従って、シート抵抗が低下してある水準でほぼ一定になり、その一定になる水準は不純物ガス濃度が主要因となって決まることを見出した。具体的には、プラズマドーピング装置のソースパワー、チャンバー内圧力、ガス流量などの条件は、基板面内の各箇所で僅かに違っていたり、或いは、プラズマドーピングの繰り返し処理中に各処理で僅かに違っていたりする。特に、プラズマドーピング時間が短い間（つまりドーピング処理の初期）には、これらの違いに起因してシート抵抗が基板の面内や各基板間で大きく異なる。ところが、プラズマドーピング時間が長くなると、不純物ガス濃度に固有のシート抵抗になるように、基板に注入される不純物の量と、基板からスパッタリングされる不純物の量とが釣り合って平衡状態に達する。従って、不純物ガス濃度の基板面内分布を、狙いのシート抵抗が得られるように管理しておけば、プラズマドーピング時間が小さい間（初期）には他のパラメータのばらつきによって基板面内で狙いのシート抵抗よりもシート抵抗が高くなっている箇所においては、プラズマドーピング時間が長くなるに従って、基板面内で平均的なシート抵抗を持つ箇所と比較して、より早い割合でシート抵抗が低下する。一方、プラズマドーピング時間が小さい間（初期）には他のパラメータのばらつきによって基板面内で狙いのシート抵抗よりもシート抵抗が低くなっている箇所においては、プラズマドーピング時間が長くなるに従って、基板面内で平均的なシート抵抗を持つ箇所と比較して、より遅い割合でシート抵抗が低下する。このように、プラズマドーピング時間がある一定時間以上に達すると、基板面内の各箇所のシート抵抗は平均的なシート抵抗に極めて近くなるので、面内均一性が良くなる。
【００２７】
このメカニズムは、再現性についても同様に当てはまる。プラズマドーピングを繰り返し行う場合、基板面内のある点に着目して、不純物ガス濃度の再現性を、狙いのシート抵抗が得られるように管理しておけば、プラズマドーピング時間が小さい間（初期）には他のパラメータのばらつきによって基板間で狙いのシート抵抗よりもシート抵抗が高くなっている基板においては、プラズマドーピング時間が長くなるに従って、基板間で平均的なシート抵抗を持つ基板と比較して、より早い割合でシート抵抗が低下する。一方、プラズマドーピング時間が小さい間（初期）には他のパラメータのばらつきによって基板間で狙いのシート抵抗よりもシート抵抗が低くなっている基板においては、プラズマドーピング時間が長くなるに従って、基板間で平均的なシート抵抗を持つ基板と比較して、より遅い割合でシート抵抗が低下する。このように、プラズマドーピング時間がある一定時間以上に達すると、各基板のシート抵抗は平均的なシート抵抗に極めて近くなるので、再現性が良くなる。
【００２８】
以上に述べたメカニズムによると、比較例１で図３に示す狙いのシート抵抗Ａを得ようとすると、プラズマドーピング時間が小さい間（初期）に不純物注入を停止しなければならないので、均一性及び再現性を向上させることは困難である。これは、狙いのシート抵抗Ｂを得ようとした場合にも同様であり、プラズマドーピング時間が小さい間（初期）に不純物注入を停止しなければならないので、均一性及び再現性を向上させることは困難である。
【００２９】
また、比較例２で図３に示す狙いのシート抵抗Ａを得ようとすると、プラズマドーピング時間を一定時間以上に設定できるので、均一性及び再現性を所望のレベルまで向上させることができる一方、狙いのシート抵抗Ｂを得ようとしても、比較例２により得られるシート抵抗はシート抵抗Ｂの水準までは低下しないので、これを得ることは不可能である。尚、デバイス設計上、同じプロセスチャンバーで狙いとするシート抵抗の水準が異なるプロセスを連続して処理したいという要望があるので、同じプロセスチャンバーで例えば図３に示すシート抵抗Ａ及びシート抵抗Ｂを得ることができる方法を実現することは重要であり、これが実現できないことは実用上極めて大きな問題となる。
【００３０】
前述の知見に基づき、本願発明者らは、均一性及び再現性の向上と制御可能なドーズ量範囲の拡大との間のトレードオフの関係を打開して、制御可能なドーズ量範囲を格段に拡大することができると共に均一性及び再現性を向上させることができる半導体装置の製造方法を発明するに至った。
【００３１】
本発明は、後述するように、適度なデポジションレート（堆積レート）となるようにプラズマドーピング条件を選択すると、プラズマドーピング時の基板上面においてドーピングの影響とデポジションの影響とスパッタリングの影響とが平衡状態を保つ時間範囲が存在するという性質をプレーナー型デバイスやフィン型デバイスに適用する方法である。具体的には、この時間範囲では、注入ドーズ量の時間増加率がゼロよりも大きく且つプラズマドーピング時間の大小によらず一定となること、つまり、シート抵抗の時間減少率がゼロよりも小で且つプラズマドーピング時間の大小によらず一定になることを本願発明者らは新たに見出し、「堆積レートが０ｎｍ／分よりも大きく且つ５ｎｍ／分以下となる時間範囲内に含まれる所定のプラズマドーピング時間を用いる」ことを特徴とする本発明を想到した。すなわち、プラズマによる基板上における堆積レートが０ｎｍ／分よりも大きく且つ５ｎｍ／分以下となるようにプラズマドーピング条件を選択することによって、注入ドーズ量の時間増加率がゼロよりも大きく且つプラズマドーピング時間の大小によらず一定となる時間範囲を得ることができる。
【００３２】
尚、この所定のプラズマドーピング時間の決定は例えば次のように行うことができる。すなわち、ダミー基板における面内の複数の箇所について、当該各箇所にドーピングされる不純物のドーズ量の時間変化率が略一定となる時間範囲をそれぞれ求め、それらの時間範囲のうち最も長い時間を含む時間範囲内から前記の所定のプラズマドーピング時間を決定する。
【００３３】
ところで、特許文献４に開示されている方法（堆積レートは３０秒間で１０ｎｍつまり２０ｎｍ／分）のように、堆積レートが５ｎｍ／分よりも大きくなると、つまり、堆積レートが大きくなり過ぎると、基板上においては注入現象ではなく、ほぼ堆積現象のみが見られるようになるので、ドーズ量の制御自体が不可能になる。さらに、基板の表面に、望ましくない不純物を主成分とする膜が許容範囲を超えて厚く形成されてしまうので、基板の表面に形成したレジストが剥離し難くなったり、半導体中の不純物量が固溶限界を超えてしまうことにより半導体デバイスの特性が低下したりする等の不具合が発生してしまう。ここで、不純物を主成分とする膜とは、例えばＢ2 Ｈ6 を含むプラズマに基板をさらした場合には、基板上にボロンが堆積して形成された膜である。
【００３４】
一方、堆積レートがゼロ以下、言い換えると、エッチングレートがゼロ以上である場合には、注入ドーズ量が時間に関わらず一定になってしまい、プラズマドーピング時間の増加に対して注入ドーズ量が増加する度合いが極端に小さくなってしまうので、制御可能なドーズ量範囲が極端に小さくなるという不具合が発生してしまう。これは、本願発明者らが、特許文献１のプラズマドーピング方法を検討した結果、新たに得た知見である。すなわち、本願発明者らは、後述するエッチングレートの測定により、特許文献１のプラズマドーピング方法においてはエッチングレートがゼロ以上あり、このため、プラズマドーピング時に、不純物の注入現象によるドーズ量の増加と、不純物が基板表面からスパッタリングされる現象によるドーズ量の減少とが釣り合い、全体としてのドーズ量が時間経過に対してほぼ一定になる時間帯が現れることを新たに見出した。本発明は、この知見を発案の出発点としており、プラズマドーピング時のエッチングレートがゼロ以上である場合には全体としてのドーズ量が時間経過に対してほぼ一定になる時間帯が現れるという知見は重要なものである。
【００３５】
次に、ドーズ量の制御性を広範囲に亘って高精度化することについて特に優れた効果を奏する本発明の方法について、プラズマドーピング時間と注入ドーズ量との関係を示す図４（ａ）〜（ｄ）を参照しながら説明する。
【００３６】
本発明の方法において、プラズマドーピングの初期（以下、初期領域Ａと称する）には、単位時間当たりに基板に導入されるドーズ量が大きいので、シート抵抗の時間に対する低下率は大きい。具体的には、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、下記（式１）
Ｄｏｓｅ＝Ａ×（Ｔｉｍｅ）B   ・・・（式１）
（但しＤｏｓｅはドーズ量、Ｔｉｍｅは時間、Ａ及びＢは係数）に従ってドーズ量が急激に増加する。また、ドーズ量の時間増加率は下記（式２）
ｄＤ／ｄＴ＝Ａ×Ｂ×（Ｔｉｍｅ）B-1   ・・・（式２）
で表されるが、この値も大きくなる。これは、初期領域Ａには基板の表面に注入され又は付着している不純物の量が少ないので、プラズマドーピングによって不純物が注入されたり、付着したりし易いことが原因であると考えられる。この初期領域Ａでは、注入現象と堆積現象とが優勢であり、スパッタリング現象は起きている可能性はあるものの、ドーズ量の推移からはその影響は見受けられない。
【００３７】
しかし、ある程度時間が経過すると、図４（ａ）及び（ｃ）に示すように、下記（式３）
Ｄｏｓｅ＝Ａ×（Ｔｉｍｅ）＋Ｂ  ・・・  （式３）
（但しＤｏｓｅはドーズ量、Ｔｉｍｅは時間、Ａ及びＢは係数）に従って、単位時間当たりに導入されるドーズ量が初期領域Ａと比べて小さくなり、従って、シート抵抗の時間に対する低下率も初期領域Ａと比べて小さくなる。しかも、この時間領域（以下、プロセス領域Ｂと称する）においては、図４（ａ）及び（ｃ）に示すように、単位時間当たりに導入されるドーズ量が下記（式４）
ｄＤ／ｄＴ＝Ａ（定数）  ・・・（式４）
に従って一定（実験ではほぼ一定）になるという特徴がある。その理由は、プロセス領域Ｂにおいては、基板の表面に注入され又は付着している不純物の量が初期領域Ａと比べて多くなっているために注入現象及び堆積現象が初期領域Ａと比べて抑制されていると共に、基板表面に付着した不純物が取れ易いためにスパッタリング現象の影響が大きくなっているからであると考えられる。尚、プロセス領域Ｂにおいては、注入現象及び堆積現象がスパッタリング現象よりも優勢になった水準で釣り合いが取れている。本発明では、このプロセス領域Ｂに含まれる時間から、狙いとするドーズ量に応じてプラズマドーピング時間を適切に選択することによって、広範囲に亘ってドーズ量を高精度且つ簡単に調整できるという顕著な効果を奏する。
【００３８】
その後、さらにある程度時間が経過すると、図４（ａ）及び（ｄ）に示すように、下記（式５）
Ｄｏｓｅ＝Ａ×ｅｘｐ（Ｂ×Ｔｉｍｅ）  ・・・  （式５）
（但しＤｏｓｅはドーズ量、Ｔｉｍｅは時間、Ａ及びＢは係数）に従って、単位時間当たりに導入されるドーズ量が、本発明のプロセスウィンドウの時間領域であるプロセス領域Ｂと比べて極めて大きくなり、従って、シート抵抗の時間に対する低下率もプロセス領域Ｂと比べて大きくなる。また、ドーズ量の時間増加率は、下記（式６）
ｄＤ／ｄＴ＝Ａ×Ｂ×ｅｘｐ（Ｂ×Ｔｉｍｅ）  ・・・  （式６）
で表されるように、極めて大きくなる。この時間領域（以下、堆積領域Ｃと称する）では、注入不純物量が注入層及び基板表面で含み得る飽和量を超えてしまい、不純物を主成分とする堆積物が形成され始めると考えられる。尚、堆積領域Ｃで基板上に堆積された堆積物中の不純物の一部については、活性化熱処理において外方拡散してしまうので、堆積領域Ｃでの注入不純物量の全てがシート抵抗の低減に寄与するわけではない。
【００３９】
以上のように、本発明によると、プロセス領域Ｂに含まれる時間から、狙いとするドーズ量に応じてプラズマドーピング時間を適切に選択することによって、広範囲に亘ってドーズ量を高精度且つ簡単に調整できるという顕著な効果を奏する。
【００４０】
次に、ドーズ量の基板面内均一性を向上させることについて特に優れた効果を奏する本発明の方法について説明する。
【００４１】
本発明の方法におけるプラズマドーピングの初期（初期領域Ａ）においては、単位時間当たりに導入されるドーズ量の増加率が大きいので、シート抵抗の基板面内でのばらつき、及びシート抵抗の基板間でのばらつきは共に大きい。すなわち、基板面内においても、また、基板間においても、基板面内又は基板間における平均的なシート抵抗よりもシート抵抗が高い箇所又は基板が存在すると共に、平均的なシート抵抗よりもシート抵抗が低い箇所又は基板も存在する。
【００４２】
平均的なシート抵抗よりもシート抵抗が高い箇所又は基板においては、不純物が半導体基板に注入される影響と不純物が半導体基板の表面に堆積される影響との合計と、スパッタリングによって不純物が半導体基板から離脱する影響とを比較すると、前者が大きく、しかもその差については、シート抵抗が平均的なシート抵抗に近い箇所又は基板よりも大きい。従って、平均的なシート抵抗よりもシート抵抗が高い箇所又は基板においては、シート抵抗が平均的なシート抵抗に近い箇所又は基板と比べて、より大きい時間減少率でシート抵抗が低くなる方向に、注入現象と堆積現象とスパッタリング現象とが混在した反応が進んでいく。この反応は、平均的なシート抵抗と同一水準のシート抵抗に達するまで進む。
【００４３】
逆に、平均的なシート抵抗よりもシート抵抗が低い箇所又は基板においては、不純物が半導体基板に注入される影響と不純物が半導体基板の表面に堆積される影響との合計と、スパッタリングによって不純物が半導体基板から離脱する影響とを比較すると、前者が大きくはなるものの、その差については、シート抵抗が平均的なシート抵抗に近い箇所又は基板よりも小さい。従って、平均的なシート抵抗よりもシート抵抗が低い箇所又は基板においては、シート抵抗が平均的なシート抵抗に近い箇所又は基板と比べて、より小さい時間減少率でシート抵抗が低くなる方向に、注入現象と堆積現象とスパッタリング現象とが混在した反応が進んでいく。この反応は、平均的なシート抵抗と同一水準のシート抵抗に達するまで進む。
【００４４】
一方、シート抵抗が平均的なシート抵抗に近い箇所又は基板においては、不純物が半導体基板に注入される影響と不純物が半導体基板の表面に堆積される影響との合計と、スパッタリングによって不純物が半導体基板から離脱する影響とを比較すると、前者が大きく、その値は一定になるので、シート抵抗はプラズマドーピング時間の増加に伴って一定の割合で減少する。すなわち、平均的な時間減少率でシート抵抗が低くなる方向に、注入現象と堆積現象とスパッタリング現象とが混在した反応が進んでいく。
【００４５】
以上に述べた、シート抵抗の状態によって分類した３種類の箇所又は基板のいずれについても、シート抵抗の時間変化は狙いとするシート抵抗を目指す減少直線に収束し始め、ある時間の経過後には均一性及び再現性が極めて良好な状態を得ることができる。この時間領域が前述のプロセス領域Ｂである。一方、プロセス領域Ｂの時間帯を経過した後、プラズマドーピング時間に対してドーズ量が急激に変化する堆積領域Ｃにおいては、不純物が基板表面に堆積する現象が極めて優勢になるので、良好な均一性及び再現性を得ることはできなくなる。
【００４６】
以下、本発明のメカニズムをさらに分かり易く説明する。本願発明者らは、基板面内の複数の箇所におけるシート抵抗の時間変化を詳細に検討した結果、本発明でプロセス領域Ｂとした時間領域では、基板面内の複数の箇所でドーズ量の時間変化率がほぼ一定であり、しかもそれらの時間変化率がほぼ同じであることを新たに見出した。これは、本発明でプロセス領域Ｂとした時間領域では、ドーズ量の時間変化率が、基板面内におけるプラズマ密度、圧力、ガス濃度等のばらつきに対して極めて鈍感であることを意味している。すなわち、本発明は、プラズマドーピングの初期には急激に増加するドーズ量が、その後は比較的緩やかに増加すること、また、この緩やかに増加するドーズ量の時間変化率が基板面内におけるプラズマ密度、圧力、ガス濃度等のパラメータのばらつきに対して極めて鈍感であることに新たに着目したものであって、初期領域Ａとそれに続くプロセス領域Ｂとを比較した場合に後者のドーズ量の時間変化率の方が小さいことを利用するものである。これにより、プロセス領域Ｂでは、シート抵抗の時間変化は基板面内においても基板間においても狙いとするシート抵抗を目指す減少直線に収束し始め、ある時間の経過後には均一性及び再現性が極めて良好な状態を得ることができる。その後、堆積領域Ｃでは、基板表面での不純物の堆積率が基板面内におけるプラズマ密度、圧力、ガス濃度等のばらつきに対して敏感になるので、基板面内でのドーズ量のばらつきが大きくなってしまう。
【００４７】
尚、本発明において、ドーズ量の時間変化率がプラズマドーピング時間の大小に関わらず一定となるプラズマドーピング時間の範囲では、不純物のドーズ量Ｄ（ｃｍ-2）、プラズマドーピング時間をｔ（秒）として、Ｄ＝Ａ×ｔB （但しＡ及びＢは係数）と表したとき、係数Ｂが１．３以下であることがさらに望ましい。その理由について、図５（ａ）〜（ｆ）及び図６（ａ）、（ｂ）を参照しながら説明する。ここで、一般的なプラズマドーピング時間のプロセスウィンドウとしては長い時間と考えられる３０秒間以上に亘る連続的なドーピング現象の挙動について説明する。すなわち、少なくとも３０秒間以上続く現象を１つの現象と捉えて、その現象を利用することによって効果が得られるのかどうかについて説明する。図５（ａ）〜（ｆ）及び図６（ａ）、（ｂ）に示すように、プラズマドーピングの初期（つまりプラズマドーピング時間が小さい初期領域Ａ）においては、係数Ｂは１．３よりも大きい。さらに、３０秒間以上に亘って連続的に続く現象として初期領域Ａとプロセス領域Ｂとに分けると、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、初期領域Ａにおいては、Ｄ＝Ａ×ｔB で表したドーズ量Ｄと実際のドーズ量との間の相関係数Ｒ2 の値も小さいので、ドーズ量をＤ＝Ａ×ｔB で表すことは困難である。それに対して、プラズマドーピング時間が増加するに従って係数Ｂは小さくなり、Ｄ＝Ａ×ｔB で表したドーズ量Ｄと実際のドーズ量との間の相関係数Ｒ2 も１に近くなっていく。そして、係数Ｂが１．３以下になる時間領域、つまりプロセス領域Ｂに達すると、Ｄ＝Ａ×ｔB で表したドーズ量Ｄと実際のドーズ量との間の相関係数Ｒ2 は極めて１に近くなると同時に、ドーズ量が時間に対して線形に変化していると見なせるようになる。すなわち、係数Ｂが１．３以下であると、言い換えると、プラズマドーピング時間が４３秒以上になると、プラズマドーピング時間によってドーズ量を容易に且つ高精度に制御することが可能となるのである。
【００４８】
また、本発明において、係数Ｂは０．４よりも大きいことがさらに望ましい。その理由について、図７（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、従来の特許文献１に開示された従来の方法においても、ドーズ量が時間に対して線形に変化する時間領域が存在する。しかしながら、特許文献１の方法では係数Ｂが０．４以下であるため、ドーズ量の時間変化率が極めて小さく（具体的には１．５×１０13ｃｍ-2／秒以下）なってしまう。従って、プラズマドーピング時間のみによって制御可能なドーズ量の範囲が極めて狭くなるという実用上の問題が生じる。それに対して、本発明において、係数Ｂを０．４よりも大きくすることにより、プラズマドーピング時間のみによって制御可能なドーズ量の範囲を格段に拡大できるという効果が得られる。
【発明の効果】
【００４９】
本発明によると、不純物を含むガスからなるプラズマによる基板表面への堆積レートが適度に正（つまり基板のエッチングレートが負）であるプラズマドーピング条件を用いてプラズマドーピング処理を行う際にプラズマドーピング時間を適切に選定することによって、基板をほとんどエッチングすることなく基板内部に不純物を注入することができる。また、プラズマドーピング時間のみを調節することにより、不純物ドーズ量の良好な均一性及び再現性を確保しながら、広い範囲のドーズ量を簡単に制御することが可能となる。さらに、これらの効果を、生産性の低下なく、また、ドーズ量の高精度測定を要することなく、奏することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
（実施形態）
以下、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。尚、本実施形態に係る半導体装置の製造方法は、不純物を含むガスからなるプラズマに基板をさらすことによって、前記基板の表面部に前記不純物をドーピングして不純物領域を形成するものであって、その基本的な工程は、例えば前述の図１（ａ）〜（ｈ）に示す工程と同様である。
【００５１】
図８は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるプラズマドーピング処理（例えば図１（ｅ）に示す浅いｐ型の不純物領域６を形成する工程）に用いられるプラズマドーピング処理装置の概略構成を示す断面図である。
【００５２】
図８に示すように、真空容器２０１内には、例えばシリコン基板等の試料２０９を載置する為の試料電極２０３が設けられており、当該試料電極２０３には高周波電源２１０が接続されている。真空容器２０１の上壁には誘電体からなる天板２０４が設けられており、当該天板２０４の上面には多重のコイル２０８が配設されており、当該コイル２０８には高周波電源２０７が接続されている。また、天板２０４の中央部には、当該天板２０４と同じ誘電体を使用したガス供給口２０６が設置されている。このガス供給口２０６には、所望の元素を含む不純物供給ガスである例えばＢ2 Ｈ6 と希釈用ガスである例えばＨｅとを供給する為のガス供給装置２０５が接続されている。尚、真空容器２０１の底部には、真空容器２０１内を減圧及び調圧することができる真空排気口２０２が設けられている。
【００５３】
ここで、高周波電源２０７よりコイル２０８に高周波電力を供給し、当該コイル２０８の周囲に磁界を発生させ、その磁界が前記の誘電体からなる天板２０４を介して真空容器２０１内に伝波し、それによって真空容器２０１内の所望の不純物を含むガスが励起されてプラズマ状態（イオン、ラジカル、中性分子等）となる。さらに、高周波電源２１０より試料電極２０３に高周波電力を供給することによって、試料電極２０３の電位を制御することができる。この電位はプラズマに対して負の電位となる。このプラズマに対する負の電位によって、プラズマ中の所望の不純物である例えばボロンのイオンを試料２０９の表面に注入することができる。
【００５４】
図９は、図８に示すプラズマドーピング処理装置におけるガス供給口２０６及びその周辺部の詳細を示す図である。
【００５５】
図９に示すように、ガス供給装置２０５よりガス導入配管２２９を通じて供給されたガスは、ガス分岐配管２２８において２系統に分岐される。ガス分岐配管２２８において分岐されたガス配管のうち一方のガス配管（第１ガス導入配管２２２ａ）は中央ガス供給口２２０に通じており、中央ガス供給口２２０からは真空容器２０１内の試料２０９の中央部に向けて垂直にガスが供給される。また、ガス分岐配管２２８において分岐されたガス配管のうち他方のガス配管（第２ガス導入配管２２２ｂ）は周辺方向ガス供給口２２１に通じており、周辺方向ガス供給口２２１からは真空容器２０１内の試料２０９の中央部から周辺部に向かうようにガスが供給される。尚、ガス供給口２０６における中央ガス供給口２２０の上側には覗き窓２２６を介してセンサー２２７が設けられている。
【００５６】
次に、前述のプラズマドーピング処理装置においてプラズマドーピングを実施できる状態に設定する処理であるコンディショニングについて説明する。ここで、後述するプラズマドーピング処理条件において、所望の不純物を含むＢ2 Ｈ6 ガスは真空容器２０１内に質量濃度で０．７３％のみ存在しており、残りのガスは希釈ガスであるＨｅである。この様な条件において、真空容器２０１内へ供給されるＢ2 Ｈ6 のプラズマ状態で生成されるボロンイオンが、試料２０９にどのように注入されるかによってドーズ量は大きく変わってしまう。まず、真空容器２０１の内壁や天板２０４等のプラズマにさらされる部分から、メンテナンス等によって、ボロンを含む堆積物を除去する。続いて、プラズマドーピング処理を実施すると、プラズマ状態の粒子（イオン、ラジカル、中性分子等）は、プラズマにさらされる真空容器２０１の内壁や天板２０４に打ち込まれたり、堆積したりして、消費されていく。ここで、Ｂ2 Ｈ6を含むガスを真空容器２０１内でプラズマ状態にした場合、プラズマ中のボロンイオンが真空容器２０１の内壁や天板２０４へ打ち込まれて消費される。或いは、プラズマ中のボロンイオンは、真空容器２０１の内壁や天板２０４に、ボロンを含む生成物として堆積し、その結果、試料２０９に必要なボロンイオンの量が減少してしまう。その後、真空容器２０１の内壁や天板２０４における前述したボロンを含む生成物である堆積物の厚さはプラズマドーピング処理を重ねるに従い厚くなっていく。ここで、前述したように、プラズマ状態の粒子は、プラズマにさらされる真空容器２０１の内壁や天板２０４へ打ち込まれる。その結果、真空容器２０１の内壁や天板２０４に堆積しているボロンを含む生成物がスパッタリングされ、再度プラズマ中にボロンが供給されることとなる。従って、ある時間が経過すると、真空容器２０１内や天板２０４で消費されるボロンの量と、真空容器２０１や天板２０４からスパッタリングによってプラズマ中に供給される量とがほぼつりあう状態となる。このような状態にすることを本願ではコンディショニングと称する。
【００５７】
図１０は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法における真空容器内のコンディショニング処理のフロー図である。
【００５８】
まず、ステップＳ１１において、真空容器内の部品を洗浄し、ボロンを含む堆積物や、汚染源となる可能性のある異物が存在しない状態にする。
【００５９】
次に、ステップＳ１２において、洗浄の完了した部品を真空容器内に取り付け、真空容器内を真空状態とし、リークがないことを確認する。
【００６０】
次に、ステップＳ１３において、シリコンよりなるダミー基板を真空容器内の試料電極上に載置し、処理条件Ｉ（ソースパワー５００Ｗ、バイアス電圧２５０Ｖ、圧力０．３５Ｐａ、Ｂ2 Ｈ6濃度０．７３％、処理時間６０秒：以下同じ）を用いてプラズマドーピング処理を５００回行う。ここで、処理条件Ｉを用いた１回の処理に要する時間は６０秒である。
【００６１】
次に、ステップＳ１４において、シート抵抗測定用のシリコン基板を真空容器内の試料電極上に載置し、処理条件Ｉを用いてプラズマドーピング処理を行った後、当該シリコン基板を真空容器外へ搬出する。この処理は複数の基板に対して行うことが望ましい。
【００６２】
次に、ステップＳ１５において、プラズマドーピング処理を行ったシリコン基板に１０７５℃、２０秒の熱処理を行い、ボロンを活性化した後、四探針法を用いてシート抵抗の測定及びその均一性の確認を行う。
【００６３】
次に、ステップＳ１６において、シリコンよりなるダミー基板を真空容器内の試料電極上に載置し、処理条件Ｉを用いてプラズマドーピング処理を１００回行う。ここで、処理条件Ｉを用いた１回の処理に要する時間は６０秒である。
【００６４】
次に、ステップＳ１７において、シート抵抗測定用のシリコン基板を真空容器内の試料電極上に載置し、処理条件Ｉを用いてプラズマドーピング処理を行った後、当該シリコン基板を真空容器外へ搬出する。この処理は複数の基板に対して行うことが望ましい。
【００６５】
次に、ステップＳ１８において、プラズマドーピング処理を行ったシリコン基板に１０７５℃、２０秒の熱処理を行い、ボロンを活性化した後、四探針法を用いてシート抵抗の測定及びその均一性の確認を行う。
【００６６】
ステップＳ１８以降については、（ａ）シート抵抗の再現性及び良好な均一性のどちらか一方でも得られなかった場合と、（ｂ）シート抵抗の再現性及び良好な均一性が共に得られた場合との２つの場合に分けて処理を進める。
【００６７】
まず、前記の（ａ）シート抵抗の再現性及び良好な均一性のどちらか一方でも得られなかった場合にはステップＳ１６に戻る。また、前記の（ｂ）シート抵抗の再現性及び良好な均一性が共に得られた場合には、ステップＳ１９において、コンディショニング処理を終了させる。ここで、コンディショニングが終了したということは、プラズマドーピング処理を行える状態になったことを意味する。すなわち、製品となる基板に対してプラズマドーピング処理を開始することができる。
【００６８】
以下、前述のコンディショニングが完了したプラズマドーピング処理装置（図８に示すプラズマドーピング処理装置）を使用して、本実施形態のプラズマドーピング処理を行う際のプロセス条件について説明する。まず、高周波電源２０７よりコイル２０８に供給する電力（ソースパワー）は５００Ｗである。また、ガス供給装置２０５よりガス供給口２０６を通じて真空容器２０１内に供給される、所望の元素を含むドーピング原料ガスのガス全体に占める質量濃度は０．７３％である。また、高周波電源２１０より試料電極２０３の電位（バイアス電圧）が２５０Ｖとなる電力が供給されている。また、真空排気口２０２によって調圧される真空容器２０１内の圧力は０．３５Ｐａである。
【００６９】
尚、前述の条件は、本願発明者らが、シリコンよりなる試料２０９のエッチング速度の測定に用いる後述するフローを使用して、プラズマによる試料２０９に対するエッチング速度が−０．５８ｎｍ／分（つまり堆積速度が０．５８ｎｍ／分）になるように予め調整を行ったものである。ここで、前述のエッチング速度は０ｎｍ／分よりも小さく且つ−５．０ｎｍ／分以上（より好ましくは−２．０ｎｍ／分以上）であってもよい。まず、前述のエッチング速度が０ｎｍ／分よりも小さいことの必要性について説明する。このエッチング速度が０ｎｍ／分以上であると、後述する比較例１又は比較例２のように、ドーズ量の制御可能範囲が小さくなるという問題点がある。次に、前述のエッチング速度が−５．０ｎｍ／分以上であることの必要性について説明する。エッチング速度がー５．０ｎｍ／分よりも小さくなると、言いかえると、デポジションレート（堆積速度）が５．０ｎｍ／分よりも大きくなると、基板の表面に望ましくない絶縁体膜が許容範囲を超えて厚く形成されてしまうため、デバイスに悪影響が発生してしまう。また、この場合には、基板の表面に形成したレジストパターンの表面に、望ましくない絶縁体膜が許容範囲を超えて厚く形成されてしまい、それによってレジスト剥離が困難になるという不具合が発生してしまう。尚、これらの不具合をより確実に防止するためには、前述のエッチング速度が−２．０ｎｍ／分以上であることが好ましい。ここで、絶縁体膜とは、例えば高濃度のＢ2 Ｈ6 を含むプラズマに基板をさらした場合には、ボロンが堆積して形成された膜である。
【００７０】
以下、本実施形態のプラズマドーピング処理により得られた結果について説明する。
【００７１】
図１１は、様々なプラズマドーピング時間で本実施形態のプラズマドーピング処理を行った複数の試料に対して１０７５℃、２０秒の熱処理を行い、各試料に導入した不純物を活性化させた後に、四探針法を使用して各試料表面のシート抵抗を測定することにより、プラズマドーピング時間の変化に対するシート抵抗の推移及びその均一性の推移を調べた結果を示している。尚、均一性の評価には１σ（±１σ内に試料の７５％が含まれることを意味する平均値からのずれ（平均値のパーセントで表示））を用いており、この値が小さいほど、均一性が高いと言える。図１１に示すように、プラズマドーピング時間が０秒から４５秒程度までの間では、シート抵抗の低下が激しいため、例えば極僅かなプラズマドーピング条件のパラメータのズレがシート抵抗に大きい影響を及ぼす結果、シート抵抗がバラツキやすくなってしまう。従って、前記の時間帯では、シート抵抗の再現性の確保が困難である。また、プラズマドーピング時間が２００秒程度以上になると、時間に対するシート抵抗の変化が再び大きくなり、その結果、均一性が急激に悪化してしまう。従って、２００秒程度以上のプラズマドーピング時間では、プラズマドーピング処理後の基板面内でデバイス特性にバラツキが発生するため、生産時に歩留まりが低下するので、この時間帯をプラズマドーピング時間として使用することはできない。一方、図１１に示すように、プラズマドーピング時間が４５秒程度から２００秒程度までの間においては、シート抵抗の低下が緩やかであり、均一性も良好であることが確認できる。この時間領域が、前述のプロセス領域Ｂ（プラズマドーピング時間のプロセスウィンドウ）となる。図１２は、図１１中のプロセス領域Ｂ（シート抵抗の低下が急激ではなく、均一性が良好である、プラズマドーピング時間が５０秒から２００秒までの間）におけるプラズマドーピング時間の変化に対するシート抵抗の推移を示している。このプロセス領域Ｂでのシート抵抗の推移は、下記（式ａ）
Ｒｓ＝−５２．２０１×Ｌｎ（Ｔｉｍｅ）＋４６７．９６  ・・・  （式ａ）
（但し、Ｒｓはシート抵抗であり、Ｔｉｍｅはプラズマドーピング時間であり、Ｌｎは自然対数である）を用いて時間の関数として表すことができる。尚、Ｒ2 ＝０．９９８である。ここで、Ｒ2 ＝０．９９８とは以下のことを意味する。すなわち、Ｒ2 は統計学で広く知られている決定係数であり、相関係数の二乗である。このＲ2 を評価することによって、図１２における５０秒から２００秒までのプロセス領域Ｂを含むプロセス領域Ｂ近傍の時間範囲（４５秒から２００秒まで）で得られた１１個のシート抵抗（黒丸で示す１１個のデータ）の分散のうち、プラズマドーピング時間（Ｔｉｍｅ）によって説明（決定）される部分の割合を評価することができる。Ｒ2 は０以上で且つ１以下の数値をとり、仮にＲ2 ＝０であるとすると、（式ａ）によってプラズマドーピング時間（Ｔｉｍｅ）の差異を考慮しても、４５秒から２００秒までの時間範囲で得られた１１個のシート抵抗の分散が少しも減少しないこと、つまり、プラズマドーピング時間（Ｔｉｍｅ）がシート抵抗Ｒｓを全く決定していないことになる。一方、仮にＲ2 ＝１であるとすると、前述の４５秒から２００秒までの時間範囲における全てのプラズマドーピング時間（Ｔｉｍｅ）に対して（式ａ）が正確に成り立つこと、つまり、（式ａ）で表されるプラズマドーピング時間（Ｔｉｍｅ）の対数式によってシート抵抗Ｒｓが完全に決定されることになる。ここで、図１２に示すＲ2 の評価結果は０．９９８と１に極めて近いことから、前述の４５秒から２００秒までの時間範囲で得られた１１個のシート抵抗は、プラズマドーピング時間（Ｔｉｍｅ）によって極めて良く説明（決定）されているということが分かる。従って、５０秒から２００秒までのプロセス領域Ｂを含むプロセス領域Ｂ近傍の時間範囲（４５秒から２００秒まで）においては、（式ａ）を用いることによってシート抵抗Ｒｓを極めて高精度で予測することができると共に、プラズマドーピング時間（Ｔｉｍｅ）を調整するだけでシート抵抗Ｒｓを極めて高精度で調整することができる。
【００７２】
次に、５０秒から２００秒までの間のプラズマドーピング時間とシート抵抗との関係と、当該プラズマドーピング時間とドーズ量との関係とについて説明する。
【００７３】
図１３は、本実施形態のプラズマドーピング処理により得られた、プラズマドーピング時間に対するシート抵抗の関係を示している。図１３に示す、プラズマドーピング時間に対するシート抵抗の関係は下記（式ｆ）
Ｒｓ＝−４６．０８３×Ｌｎ（Ｔｉｍｅ）＋４４０．２８  ・・・  （式ｆ）
（但し、Ｒｓはシート抵抗であり、Ｔｉｍｅはプラズマドーピング時間であり、Ｌｎは自然対数である）で表すことができる。尚、Ｒ2 ＝０．９８６１である。ここで、（式ｆ）のＲ2 の評価結果は０．９８６１と１に極めて近いことから、前述の５０秒から２００秒までの時間範囲で得られた４個のシート抵抗（図中黒丸）は、プラズマドーピング時間（Ｔｉｍｅ）によって極めて良く説明（決定）されているということが分かる。すなわち、シート抵抗Ｒｓが、（式ｆ）で表されるプラズマドーピング時間（Ｔｉｍｅ）の対数式によって完全に決定されていることが分かる。
【００７４】
図１４は、図１３に示すシート抵抗と、図１３中に黒丸で示したシート抵抗の値を有する４試料についてＳＩＭＳ測定によって得られたドーズ量との関係を示している。図１４に示す、ドーズ量に対するシート抵抗の関係は下記（式ｇ）
Ｒｓ＝−４６．８９×Ｌｎ（Ｄｏｓｅ）＋１９０３．９  ・・・  （式ｇ）
（但し、Ｒｓはシート抵抗であり、Ｄｏｓｅはドーズ量であり、Ｌｎは自然対数である）で表すことができる。尚、Ｒ2 ＝０．９９１１である。ここで、（式ｇ）のＲ2 の評価結果は０．９９１１と１に極めて近いことから、前述の５０秒から２００秒までの時間範囲で得られた４個のシート抵抗（図中黒丸）は、ドーズ量によって極めて良く説明（決定）されているということが分かる。すなわち、シート抵抗Ｒｓが、（式ｇ）で表されるドーズ量（Ｄｏｓｅ）の対数式によって完全に決定されていることが分かる。
【００７５】
ここで、前記の（式ｆ）及び（式ｇ）、並びに下記計算式ｉから計算式ｘiiiまでの計算を用いて、プラズマドーピング時間（Ｔｉｍｅ）によってドーズ量を表すことができる。
【００７６】
まず、（式ｆ）のＲｓに（式ｇ）を代入することにより、下記計算式ｉを得ることができる。
【００７７】
計算式ｉ：−４６．０８３×Ｌｎ（Ｔｉｍｅ）＋４４０．２８
＝−４６．８９×Ｌｎ（Ｄｏｓｅ）＋１９０３．９
次に、計算式ｉの左辺及び右辺を整理して、Ｄｏｓｅを求める下記計算式ii及び計算式iii を得ることができる。
【００７８】
計算式ii：−４６．８９×Ｌｎ（Ｄｏｓｅ）
＝−４６．０８３×Ｌｎ（Ｔｉｍｅ）−１４６３．６２
計算式iii ：Ｌｎ（Ｄｏｓｅ）＝０．９８３×Ｌｎ（Ｔｉｍｅ）＋３１．２１４
次に、計算式iii の左辺及び右辺を全て自然対数の形で表すことにより、下記計算式iv及び計算式ｖを得ることができる。ここで、右辺の第二項のｅは自然対数の底である。
【００７９】
計算式iv：Ｌｎ（Ｄｏｓｅ）
＝０．９８３×Ｌｎ（Ｔｉｍｅ）＋３１．２１４Ｌｎ（ｅ）
計算式ｖ：Ｌｎ（Ｄｏｓｅ）＝Ｌｎ（Ｔｉｍｅ）0.983＋Ｌｎ（ｅ31.214）
次に、計算式ｖの右辺を変換することにより、下記計算式vi及び計算式vii を得ることができる。
【００８０】
計算式vi：Ｌｎ（Ｄｏｓｅ）＝Ｌｎ（（Ｔｉｍｅ）0.983×ｅ31.214）
計算式vii ：Ｄｏｓｅ＝（Ｔｉｍｅ）0.983×ｅ31.214
次に、計算式vii に、自然対数の底ｅの値約２．７１８を代入することにより、下記計算式viii及び計算式ixを得ることができる。
【００８１】
計算式viii：Ｄｏｓｅ＝（Ｔｉｍｅ）0.983×３．５８６×１０13
計算式ix：Ｄｏｓｅ＝３．５８６×１０13×（Ｔｉｍｅ）0.983
次に、計算式ixのＴｉｍｅの指数を分解することにより、下記計算式ｘを得ることができる。
【００８２】
計算式ｘ：Ｄｏｓｅ＝３．５８６×１０13×（Ｔｉｍｅ）／（Ｔｉｍｅ）0.017
図１５は、本実施形態のプラズマドーピング処理により得られた、プラズマドーピング時間に対するドーズ量（図１４に示すドーズ量）の関係を示している。図１５に示す、プラズマドーピング時間に対するドーズ量の関係は下記（式ｈ）
Ｄｏｓｅ＝３．２×１０13×（Ｔｉｍｅ）＋９．１×１０13
（但し、Ｄｏｓｅはドーズ量であり、Ｔｉｍｅはプラズマドーピング時間である）で表すことができる。尚、Ｒ2 ＝０．９９８１である。ここで、（式ｈ）のＲ2 の評価結果は０．９９８１と１に極めて近いことから、前述の５０秒から２００秒までの時間範囲で得られた４個のシート抵抗（図中黒丸）は、プラズマドーピング時間（Ｔｉｍｅ）によって極めて良く説明（決定）されているということが分かる。
【００８３】
一方、前記の計算式ｘのＴｉｍｅに６０（秒）を代入すると、下記計算式xiを得ることができる。
【００８４】
計算式xi：Ｄｏｓｅ＝３．５８６×１０13×６０／（６０）0.017
＝２．００×１０15
ここで、計算式xiはプラズマドーピング時間が５０秒から２００秒までの間において成り立つ関係式である。尚、図１５に示す結果からは、プラズマドーピング時間が６０秒の場合のドーズ量は１．９２×１０15（ｃｍ-2）である。これを計算式xiの結果と比較すると、計算式xiの結果の方が８．０×１０13（ｃｍ-2）多いことが分かる。
【００８５】
また、前記の計算式ｘのＴｉｍｅに２００（秒）を代入すると、下記計算式xii を得ることができる。
【００８６】
計算式xii ：Ｄｏｓｅ＝３．５８６×１０13×２００／（２００）0.017
＝６．５５×１０15
ここで、前記の計算式xii はプラズマドーピング時間５０秒から２００秒までの間において成り立つ関係式である。尚、図１５に示す結果からは、プラズマドーピング時間が２００秒の場合のドーズ量は６．５０×１０15（ｃｍ-2）である。これを計算式xii の結果と比較すると、計算式xii の結果の方が５．０×１０13（ｃｍ-2）多いことが分かる。
【００８７】
すなわち、ドーズ量のオーダーが１０15（ｃｍ-2）であるのに対して、前記計算式xiの結果と図１５に示す値との差も、前記計算式xii の結果と図１５に示す値との差も共に１０13（ｃｍ-2）のオーダーであり、ドーズ量のオーダーと比べて二桁も小さい。従って、ドーズ量の大きさに鑑みると、計算式xi及び計算式xii のそれぞれの結果と図１５に示す値とは共に同程度の値と言える。ここで、その値を仮にＺとすると、前記の計算式ｘを下記計算式xiiiのように変換することができる。
【００８８】
計算式xiii：Ｄｏｓｅ＝３．５８６×１０13×（Ｔｉｍｅ）＋Ｚ
すなわち、ドーズ量とプラズマドーピング時間との間の正比例の関係が良く説明（決定）されていることが分かる。これは、図１５に示す、プラズマドーピング時間とドーズ量との関係が、プラズマドーピング時間のみによって説明（決定）できる正比例の関係であることを支持している。
【００８９】
図１６は、本実施形態のプラズマドーピング処理を行った試料について、プラズマドーピング時間に対するドーズ量（ボロンのドーズ量）及びシート抵抗の均一性（１σ）のそれぞれの推移を調べた結果を示している。図１６に示すように、プラズマドーピング時間が０秒から４５秒程度までの間では、ドーズ量の増加が激しいため、例えば極僅かなプラズマドーピング条件のパラメータのズレがドーズ量に大きい影響を及ぼす結果、ドーズ量がバラツキやすくなってしまう。従って、前記の時間帯では、ドーズ量の再現性の確保が困難である。また、プラズマドーピング時間が２００秒程度以上になると、時間に対するドーズ量の変化が再び大きくなり、その結果、均一性が急激に悪化してしまう。従って、２００秒程度以上のプラズマドーピング時間では、プラズマドーピング処理後の基板面内でデバイス特性にバラツキが発生するため、生産時に歩留まりが低下するので、この時間帯をプラズマドーピング時間として使用することはできない。一方、図１６に示すように、プラズマドーピング時間が４５秒程度から２００秒程度までの間においては、ドーズ量の増大が緩やかであり、均一性も良好であることが確認できる。この時間領域が、前述のプロセス領域Ｂ（プラズマドーピング時間のプロセスウィンドウ）となる。図１７は、図１６中のプロセス領域Ｂ（ドーズ量の増加が緩やかで、シート抵抗の均一性が良好である、プラズマドーピング時間が５０秒から２００秒までの間）におけるプラズマドーピング時間の変化に対するドーズ量の推移を示している。このプロセス領域Ｂでのドーズ量の推移は、下記（式ｂ）
Ｄｏｓｅ＝３．４×１０13×Ｔｉｍｅ＋２．１×１０13  ・・・  （式ｂ）
（但し、Ｄｏｓｅはドーズ量であり、Ｔｉｍｅはプラズマドーピング時間である）を用いて時間の関数として表すことができる。尚、Ｒ2 ＝０．９９９である。ここで、図１７に示すＲ2 の評価結果は０．９９９と１に極めて近いことから、前述の４５秒から２００秒までの時間範囲で得られた１１個のドーズ量は、プラズマドーピング時間（Ｔｉｍｅ）によって極めて良く説明（決定）されているということが分かる。従って、５０秒から２００秒までのプロセス領域Ｂを含むプロセス領域Ｂ近傍の時間範囲（４５秒から２００秒まで）においては、式（ｂ）を用いることによってドーズ量Ｄｏｓｅを極めて高精度で予測することができると共に、プラズマドーピング時間（Ｔｉｍｅ）を調整するだけでドーズ量Ｄｏｓｅを極めて高精度で調整することができる。さらに、（式ｂ）を参照すると、ドーズ量がプラズマドーピング時間（Ｔｉｍｅ）に対して比例関係を有していることが分かる。これにより、プラズマドーピング時間によってドーズ量を正確に制御することが容易になるという効果が得られる。これは、本発明において、プラズマドーピング時間のプロセスウィンドウであるプロセス領域Ｂとして、プラズマドーピングの初期におけるドーズ量が急激に変化する時間領域ではなく、その後のドーズ量が安定して変化する時間領域を適切に選定したことによる顕著な効果であり、特に、注入深さが１５ｎｍ以下の極浅接合を形成するためのプラズマドーピングにおいて、従来技術によっては得られない本発明に特有の格別な効果である。その理由は、注入深さが１５ｎｍ以下の極浅領域に不純物を注入する場合にドーズ量を制御し易くするためには、基板表面における相互作用を制御する必要があることに本願発明者らが初めて着目し、それを本発明で利用しているからである。具体的には、本願発明者らは、前述の効果を得るためには、基板表面に堆積される不純物の量と、基板表面から基板内部に注入される不純物の量とのバランスにおいて、基板表面に堆積される不純物の量が優勢に（多く）なるようにプラズマドーピング条件を設定する必要があることを初めて見出したのである。本発明においては、基板表面に堆積される不純物の量と、基板表面から基板内部に注入される不純物の量とのバランスにおいて、基板表面に堆積される不純物の量が優勢に（多く）なるようにプラズマドーピング条件を設定することによって、極浅領域への不純物注入方法において顕著な効果が得られた。尚、注入深さが１５ｎｍを上回る領域、一般的には注入深さが２０ｎｍ以上の深い領域への従来の不純物注入方法においては、基板内部に注入される不純物の量のみを考慮しても、ある程度良好なドーズ量の制御性が得られていた。この場合、基板表面に堆積される不純物の量と、基板表面から基板内部に注入される不純物の量とのバランスは考慮されていなかった。また、注入深さが１５ｎｍ以下の極浅領域への従来の不純物注入方法においても、基板表面に堆積される不純物の量と、基板表面から基板内部に注入される不純物の量とのバランスを考慮しておらず、本発明のように、基板表面に堆積される不純物の量が優勢に（多く）なるようにプラズマドーピング条件を設定することもされていなかったので、ドーズ量を本��明のように高精度で制御することはできなかった。さらに、プラズマによって基板表面がエッチングされる状態にプラズマドーピング条件を設定した場合には、本発明のように、ドーズ量の時間変化率を一定とすることはできず、ドーズ量自体が時間に対して一定となってしまうので、高精度制御可能なドーズ量の範囲を本発明のように拡大することはできない。
【００９０】
ところで、図１１と図１６とを比較すると、ドーズ量が増加するとシート抵抗が減少し、ドーズ量が減少するとシート抵抗が増加していることが分かる。また、図１６においてドーズ量が急激に増加しているプラズマドーピング時間の範囲（０秒から４５秒までの間）では、図１１に示すように、シート抵抗が急激に低下している。このように、ドーズ量とシート抵抗との間には、極めて密接な反比例的な関係がある。その関係は、前述のプラズマドーピング時間とシート抵抗との関係、及び前述のプラズマドーピング時間とドーズ量との関係からも明らかである。よって、ドーズ量の時間に対する推移と、シート抵抗の時間に対する推移とについては、いずれか一方を説明すれば、もう一方についても説明したことになる。そこで、以下の説明において、本発明の再現性及び安定性に関してはシート抵抗を用いて説明する。
【００９１】
図１８は、図１７に示すプラズマドーピング時間の変化に対するドーズ量の推移を対数軸を用いて示したものである。図１８に示すように、本発明のように、基板表面に堆積される不純物の量が優勢に（多く）なるようにプラズマドーピング条件を設定した場合、ドーズ量が急激に変化する初期領域Ａと、本発明におけるプラズマドーピング時間のプロセスウィンドウであるプロセス領域Ｂと、ドーズ量が再び急激に変化する堆積領域Ｃとの３領域に分かれる。尚、ドーズ量の時間変化が図１８に示す場合よりも緩やかになる場合（例えばプロセス領域Ｂでドーズ量が略一定となり、その後、ドーズ量が減少するような場合）には、プラズマドーピング条件の設定において、例えば圧力を下げたり、不純物供給ガスの濃度を上げたり、又は、ソースパワーを下げたりすればよい。一方、ドーズ量の時間変化が図１８に示す場合よりも急激になる場合（例えばプロセス領域Ｂでドーズ量の時間増加率が増大するような場合）には、プラズマドーピング条件の設定において、例えば圧力を上げたり、不純物供給ガスの濃度を下げたり、又は、ソースパワーを上げたりすればよい。
【００９２】
図１９は、本実施形態のプラズマドーピング処理を、１枚の被処理基板に対するプラズマドーピング時間を６０秒として繰り返し実施した場合におけるシート抵抗の再現性を示している。尚、１万を超える試料から抽出した測定試料の数は２９である。図１９に示すように、プラズマドーピング時間を６０秒とした場合のシート抵抗の平均値は２５５．６Ω／□であり、再現性は１σで１．０５％と非常に安定している。
【００９３】
図２０は、本実施形態のプラズマドーピング処理を、１枚の被処理基板に対するプラズマドーピング時間を６０秒として繰り返し実施した場合におけるシート抵抗の均一性の推移を示している。図２０に示すように、全ての測定結果について均一性は１σで１．５％以下であり、均一性についても良好な結果が得られている。尚、本実施形態のプラズマドーピング処理のプラズマドーピング条件で得られたドーズ量は約２．３×１０15ｃｍ-2である。図２１は、本実施形態のプラズマドーピング処理をプラマドーピング時間を６０秒として実施した場合に得られる、典型的なシート抵抗の基板面内分布の一例を示している。
【００９４】
図２２は、本実施形態のプラズマドーピング処理を、１枚の被処理基板に対するプラズマドーピング時間を１２０秒として繰り返し実施した場合におけるシート抵抗の再現性を示している。尚、１万を超える試料から抽出した測定試料の数は３２である。図２２に示すように、プラズマドーピング時間を１２０秒とした場合のシート抵抗の平均値は２１５．８Ω／□であり、再現性は１σで０．８３％と非常に安定している。
【００９５】
図２３は、本実施形態のプラズマドーピング処理を、１枚の被処理基板に対するプラズマドーピング時間を１２０秒として繰り返し実施した場合におけるシート抵抗の均一性の推移を示している。図２３に示すように、全ての測定結果について均一性は１σで１．０％以下であり、均一性についても良好な結果が得られている。尚、本実施形態のプラズマドーピング処理のプラズマドーピング条件で得られたドーズ量は約４．３×１０15ｃｍ-2である。図２４は、本実施形態のプラズマドーピング処理を、プラマドーピング時間を１２０秒として実施した場合に得られる、典型的なシート抵抗の基板面内分布の一例を示している。
【００９６】
以上に説明したように、本実施形態によると、プラズマドーピング時間が５０秒から２００秒までの間においてシート抵抗の再現性と良好な均一性とを確保した状態で、約２．３×１０15ｃｍ-2から約６．２×１０15ｃｍ-2までの広い範囲に亘るドーズ量の制御を、プラズマドーピング時間の調整のみによって安定して行うことができる。
【００９７】
すなわち、本実施形態によると、不純物を含むガスからなるプラズマによる基板表面への堆積レートが適度に正（つまり基板のエッチングレートが負）であるプラズマドーピング条件を用いてプラズマドーピング処理を行う際にプラズマドーピング時間を適切に選定することによって、基板をほとんどエッチングすることなく基板内部に不純物を注入することができる。また、プラズマドーピング時間のみを調節することにより、不純物ドーズ量の良好な均一性及び再現性を確保しながら、広い範囲のドーズ量を簡単に制御することが可能となる。さらに、これらの効果を、生産性の低下なく、また、ドーズ量の高精度測定を要することなく、奏することができる。
【００９８】
［初期領域Ａとプロセス領域Ｂとの境界、及びプロセス領域Ｂと堆積領域Ｃとの境界について）］
前述したように、本実施形態のプラズマドーピング方法において、プラズマドーピング時間に対するドーズ量の変化の態様は、以下の３つの時間領域に分けられる。
【００９９】
第１の領域は、プラズマドーピング時間に対してドーズ量が急激に変化する時間領域である初期領域Ａ、第２の領域は、本実施形態のプラズマドーピング時間のプロセスウィンドウとなるプロセス領域Ｂ、第３の領域は、プロセス領域Ｂの経過後、再び、プラズマドーピング時間に対してドーズ量が急激に変化する時間領域である堆積領域Ｃである。
【０１００】
はじめに、プラズマドーピング時間に対してドーズ量が急激に変化する時間領域である初期領域Ａと、本実施形態のプラズマドーピング時間のプロセスウィンドウとなるプロセス領域Ｂとの境界について説明する。後述するように、初期領域Ａでは、単位時間当たりにドーズ量が変化する割合であるドーズ量の時間変化率が一定ではない。一方、プロセス領域Ｂでは、ドーズ量の時間変化率が一定である。すなわち、初期領域Ａとプロセス領域Ｂとの境界は、初期領域Ａでのドーズ量の時間変化率がほぼ一定となるときとして定義することができる。以下、初期領域Ａ及びプロセス領域Ｂのそれぞれのドーズ量の時間変化率について詳しく説明する。
【０１０１】
まず、初期領域Ａのドーズ量の時間変化率について説明する。図２５は、本実施形態の初期領域Ａでのプラズマドーピング時間に対するドーズ量の変化を示した図である。本実施形態において、初期領域Ａでのドーズ量とプラズマドーピング時間との関係は下記の関係式
Ｄｏｓｅ＝２．３×１０12×（Ｔｉｍｅ）1.7 
（但し、Ｄｏｓｅはドーズ量であり、Ｔｉｍｅはプラズマドーピング時間である）のように表すことができる。このドーズ量とプラズマドーピング時間との関係式は、Ａ及びＢを係数とする下記の（式１０）で表すことができる。
【０１０２】
Ｄｏｓｅ＝Ａ×（Ｔｉｍｅ）B   ・・・  （式１０）
このとき、ドーズ量の時間変化率は、（式１０）をプラズマドーピング時間によって微分することにより、下記の（式１１）のように表すことができる。
【０１０３】
ｄＤ／ｄＴ＝Ａ×Ｂ×（Ｔｉｍｅ）B-1   ・・・  （式１１）
このように、初期領域Ａでのドーズ量の時間変化率はプラズマドーピング時間の関数として表すことができる。すなわち、初期領域Ａでのドーズ量の時間変化率は、プラズマドーピング時間に対して一定ではない。
【０１０４】
次に、プロセス領域Ｂのドーズ量の時間変化率について説明する。図２６は、本実施形態のプロセス領域Ｂでのプラズマドーピング時間に対するドーズ量の変化を示した図である。本実施形態において、プロセス領域Ｂでのドーズ量とプラズマドーピング時間との関係は下記の関係式
Ｄｏｓｅ＝３．２×１０13×（Ｔｉｍｅ）＋９．１×１０13
（但し、Ｄｏｓｅはドーズ量であり、Ｔｉｍｅはプラズマドーピング時間である）のように表すことができる。この関係式は、Ｍ及びＮを係数とする下記（式１２）で表すことができる。
【０１０５】
Ｄｏｓｅ＝Ｍ×（Ｔｉｍｅ）＋Ｎ  ・・・  （式１２）
このとき、ドーズ量の時間変化率は、（式１２）をプラズマドーピング時間によって微分することにより、下記の（式１３）のように表すことができる。
【０１０６】
ｄＤ／ｄＴ＝Ｍ  ・・・  （式１３）
このように、プロセス領域Ｂでのドーズ量の時間変化率は一定の係数で表すことができる。すなわち、プロセス領域Ｂでのドーズ量の時間変化率は、プラズマドーピング時間に対して一定である。
【０１０７】
続いて、初期領域Ａとプロセス領域Ｂとの境界を決定する方法について説明する。
【０１０８】
初期領域Ａとプロセス領域Ｂとの境界は、初期領域Ａでのドーズ量の時間変化率がほぼ一定となるときである。ここで、ドーズ量の時間変化率がほぼ一定になるとは、初期領域Ａでのドーズ量の時間変化率を表す（式１１）の右辺が時間によらずほぼ一定になることである。すなわち、（式１１）をプラズマドーピング時間によって微分することにより得られる下記（式１４）において、ｄ2 Ｄ／ｄＴ2 の値がほぼ０になればよい。
【０１０９】
ｄ2 Ｄ／ｄＴ2 ＝Ａ×Ｂ×（Ｂ−１）×（Ｔｉｍｅ）B-2   ・・・  （式１４）
ここで、（式１４）のｄ2 Ｄ／ｄＴ2 がほぼ０となる係数Ｂの値を求める。（式１４）はプラズマドーピング時間の関数であるため、ｄ2 Ｄ／ｄＴ2 がほぼ０となる係数Ｂの値は、プラズマドーピング時間に依存して変化する。従って、ここでは、プラズマドーピング時間が２０秒から８００秒までの範囲に限定して、ｄ2 Ｄ／ｄＴ2 がほぼ０となる係数Ｂの値を求めた。図２７（ａ）〜（ｈ）は（式１４）の係数Ａを１として、プラズマドーピング時間を２０秒、５０秒、１００秒、８００秒としたときの、係数Ｂに対するｄＤ／ｄＴ及びｄ2 Ｄ／ｄＴ2 のそれぞれの変化を示した図である。図２７（ａ）及び（ｂ）に示すように、プラズマドーピング時間を２０秒としたときは、係数Ｂを１．３以下にすることによって、ｄ2 Ｄ／ｄＴ2 の値をほぼ０にできることがわかる。同様に、図２７（ｃ）及び（ｄ）に示すように、プラズマドーピング時間を５０秒としたときは、係数Ｂを１．３以下にすることによって、図２７（ｅ）及び（ｆ）に示すように、プラズマドーピング時間を１００秒としたときは、係数Ｂを１．４以下にすることによって、図２７（ｇ）及び（ｈ）に示すように、プラズマドーピング時間を８００秒としたときは、係数Ｂを１．５以下にすることによって、ｄ2 Ｄ／ｄＴ2 の値をほぼ０にできることがわかる。まとめると、プラズマドーピング時間が２０秒から８００秒までの範囲において、係数Ｂの値が１．３以下であれば、ｄ2 Ｄ／ｄＴ2 の値をほぼ０にすることができる。従って、初期領域Ａでのドーズ量とプラズマドーピング時間との関係を表した（式１０）において、係数Ｂが１．３以下となるとき、初期領域Ａでのドーズ量の時間変化率がほぼ一定となることが分かる。
【０１１０】
次に、本実施形態の初期領域Ａにおいて、初期領域Ａのドーズ量の時間変化率を表した（式１０）の係数Ｂが１．３以下になる時間帯を求める。図２８（ａ）は、プラズマドーピング時間を２０秒としてその前後１０秒間を含む時間帯におけるドーズ量の時間変化を示した図である。このとき、ドーズ量とプラズマドーピング時間との関係を表した式は、Ｄｏｓｅ＝９×１０11×（Ｔｉｍｅ）2.03となる。すなわち、この場合、係数Ｂは２．０３である。同様に、図２８（ｂ）はプラズマドーピング時間を３０秒として、図２８（ｃ）はプラズマドーピング時間を４０秒として、図２８（ｄ）はプラズマドーピング時間を５０秒として、それぞれその前後１０秒間を含む時間帯におけるドーズ量の時間変化を表した図である。ドーズ量とプラズマドーピング時間との関係を表した式は、プラズマドーピング時間が３０秒±１０秒では、Ｄｏｓｅ＝２×１０12×（Ｔｉｍｅ）1.72、プラズマドーピング時間が４０秒±１０秒では、Ｄｏｓｅ＝６×１０12×（Ｔｉｍｅ）1.46、プラズマドーピング時間が５０秒±１０秒では、Ｄｏｓｅ＝３×１０13×（Ｔｉｍｅ）1.00となり、係数Ｂの値は、プラズマドーピング時間が３０秒±１０秒では１．７２、プラズマドーピング時間が４０秒±１０秒では１．４６、プラズマドーピング時間が５０秒±１０秒では１．００である。
【０１１１】
まとめると、プラズマドーピング時間に対する係数Ｂの変化の様子は、図２９のように表すことができる。前述したように、初期領域Ａとプロセス領域Ｂとの境界は、初期領域Ａでのドーズ量の時間変化率がほぼ一定となる時、つまり、係数Ｂの値が１．３以下となる時であり、図２９より、係数Ｂが１．３以下になるプラズマドーピング時間は４３秒以降であることが分かる。従って、本実施形態での、初期領域Ａとプロセス領域Ｂとの境界は、プラズマドーピング時間が４３秒の時である。尚、プロセス領域Ｂのドーズ量とプラズマドーピング時間との関係式を前記の（式１０）の形式で表すこともできる。すなわち、不純物イオンのドーズ量Ｄｏｓｅ（ｃｍ-2）をプラズマドーピング時間Ｔｉｍｅ（秒）を用いて、Ｄｏｓｅ＝Ａ×（Ｔｉｍｅ）B で表したときの係数Ｂの値が１．３以下であるとき、前述のように、ドーズ量の時間変化率がプラズマドーピング時間の変化によらず一定となり、この時間範囲内でプラズマドーピングを行うことによって、前述の本発明特有の効果を得ることができるのである。
【０１１２】
次に、本実施形態のプラズマドーピング時間のプロセスウィンドウとなるプロセス領域Ｂと、当該プロセス領域Ｂの経過後、再び、プラズマドーピング時間に対してドーズ量が急激に変化する時間領域である堆積領域Ｃとの境界について説明する。
【０１１３】
図３０は、本実施形態の堆積領域Ｃでのプラズマドーピング時間に対するドーズ量の変化を示した図である。図３０において、プラズマドーピング時間が２００秒の時のドーズ量は、プロセス領域Ｂのドーズ量とプラズマドーピング時間との関係式であるＤｏｓｅ＝３．２×１０13×（Ｔｉｍｅ）＋９．１×１０13で表される直線上にあるが、プラズマドーピング時間が２５０秒になると、当該直線よりもドーズ量が僅かに大きくなる。また、プラズマドーピング時間が４００秒を超えると、明らかにドーズ量は前記直線を外れて大きく増加していく。従って、プラズマドーピング時間が４００秒よりも大きいときは、堆積領域Ｃであることは明らかであるが、本実施形態では、十分なマージンを考慮して、プラズマドーピング時間が２００秒よりも大きい時を堆積領域Ｃとする。
【０１１４】
以上に説明したように、本実施形態のプラズマドーピング方法において、プラズマドーピング時間に対するドーズ量の変化の態様は、それぞれ以下の時間範囲を有する３つの領域に分けられる。
【０１１５】
まず、初期領域Ａは、ドーズ量をプラズマドーピング時間の関数として、Ｄｏｓｅ＝Ａ×（Ｔｉｍｅ）B と表したときの係数Ｂの値が１．３よりも大きくなる時間範囲であり、本実施形態では、プラズマドーピング時間が０秒から４３秒までの範囲である。
【０１１６】
次に、本実施形態のプラズマドーピング時間であるプロセスウィンドウとなるプロセス領域Ｂは、ドーズ量をプラズマドーピング時間の関数として、Ｄｏｓｅ＝Ａ×（Ｔｉｍｅ）B と表したときの係数Ｂの値が１．３以下となる時間範囲であり、本実施形態では、プラズマドーピング時間が４３秒以上で且つ２００秒以下の範囲である。
【０１１７】
最後に、堆積領域Ｃは、プロセス領域Ｂの経過後、再び、プラズマドーピング時間に対してドーズ量が大きく増加する時間領域であり、本実施形態では、プラズマドーピング時間が２００秒よりも大きいときである。
【０１１８】
［エッチング速度の測定方法］
以下、本願発明者らが、図８に示すプラズマドーピング処理装置を使用して、前述のプラズマドーピング処理条件（図１０のフローのステップＳ１３で説明した処理条件Ｉ）における試料２０９（具体的にはシリコン基板）のエッチング速度（つまり堆積レート）を測定（確認）した結果について説明する。図３１は、本願発明者らが用いた、エッチング速度の測定方法のフロー図である。
【０１１９】
まず、ステップＳ２１において、シリコン基板表面上にパターン付マスクを設けた測定用基板を準備する。
【０１２０】
次に、ステップＳ２２において、測定用基板を公知の方法によって真空容器２１０内に投入し、試料電極２０３上に載置し、当該測定用基板に対してプラズマドーピング処理を行う。ここで、プラズマドーピング処理は、プラズマドーピング時間６０秒を１回の処理単位として、Ｘ回実施する。
【０１２１】
次に、ステップＳ２３において、複数回のプラズマドーピング処理を行った測定用基板を公知の方法により真空容器２０１から取り出し、当該測定用基板上のパターン付マスクを公知の方法によって除去する。
【０１２２】
次に、ステップＳ２４において、パターン付マスクを除去した測定用基板に対して、公知の接触式段差測定器を用いて、当該測定用基板表面上の段差Ｙを測定する。
【０１２３】
次に、ステップＳ２５において、接触式段差測定器による段差Ｙの測定結果とプラズマドーピング処理回数Ｘとを用いて、エッチング速度（＝Ｙ／Ｘ）を算出する。
【０１２４】
これらのステップＳ２１〜Ｓ２５によってエッチング速度を求めることができ、プラズマドーピング処理において試料がエッチングされているのか否か、又はデポ量（堆積量）が多すぎないかどうかの確認を行うことができる。
【０１２５】
以上に述べたエッチング速度測定フローを使用すると共に図８に示すプラズマドーピング処理装置を使用して、前記のプラズマドーピング処理条件における試料２０９（具体的にはシリコン基板）のエッチング速度（つまり堆積レート）を測定（確認）した結果は次の通りである。
【０１２６】
図３２は、パターン付マスクを設けた測定用基板の表面（プラズマドーピング処理を行う前）の段差Ｙを接触式段差測定器を用いて測定した結果を示している。図３２に示すように、測定用基板つまりシリコン基板の表面は平坦であり、当該表面上には必要十分な高さを持つマスクが設けられている。
【０１２７】
次に、図３３は、図３１に示すエッチング速度測定フローのステップＳ２４における公知の接触式段差測定器を用いた段差Ｙの測定結果を示している。尚、図３２及び図３３において、横軸は測定用基板の表面上での位置（基準は任意）を示している。また、図３２において、縦軸の基準（高さ０ｎｍ）は、マスクが形成されていない箇所のシリコン基板表面の高さであり、図３３において、縦軸の基準（高さ０ｎｍ）は、マスクが除去された箇所のシリコン基板表面の高さである。さらに、図３３に示す測定結果は、ステップＳ２２でのプラズマドーピング処理回数Ｘが１０回である場合に得られたものである。図３３においては、測定用基板表面の段差が接触式段差測定器の測定限界程度の小ささであるために、測定結果に当該測定器のノイズの影響が大きく現れており、測定結果が大きく振れている。そこで、図３３においては、測定基板表面上の段差を、その振れの大きい測定結果の平均値として求めて示している。図３３に示すように、前記のプラズマドーピング処理条件におけるシリコン基板（マスクが形成されていなかった箇所のシリコン基板表面）のエッチング量は−５．８ｎｍであった。従って、前記のプラズマドーピング処理条件における当該シリコン基板のエッチング速度は−０．５８ｎｍ／ｍｉｎと算出される。ここで、算出されたエッチング速度が−（負）となっていることについて説明する。図３３に示すように、測定用基板表面上に形成されたマスクの幅は約５００μｍである。このマスクの幅は、測定用基板表面上のどの場所でもほぼ同じである。それに対して、マスク同士の間に位置するシリコン基板表面の露出部分の幅には様々な寸法のものがある。例えば、図３３に示す測定結果の場合、座標（基板位置）が約１２５０μｍから約１５５０μｍまでの間の約３００μｍ幅において段差が＋（正）になっている。この幅についてはマスクの幅ではありえないため、この部分はシリコン基板表面が露出していた箇所（マスクが形成されていなかった箇所）であることが容易に判断できる。従って、前記のプラズマドーピング処理条件においては、シリコン基板表面がエッチングされて凹型の段差が形成されたのではなく、シリコン基板表面にデポ物（堆積物）が堆積して凸型の段差が形成されたことが分かる。すなわち、エッチング速度は−（負）となっている。
【０１２８】
図３４は、本実施形態のプラズマドーピング処理を実施した場合のシリコン基板のエッチング速度と、特許文献１に開示された従来のプラズマドーピング処理を実施した場合のシリコン基板のエッチング速度とを比較して示したものである。尚、従来法でのエッチング速度の測定についても、前述の図３１に示すエッチング速度測定フローを使用している。図３４に示すように、従来法では、試料であるシリコン基板の表面に所望の不純物を導入する際に、当該基板表面は若干エッチングされているのに対して、本実施形態では、試料２０９であるシリコン基板の表面に所望の不純物を導入する際に、当該基板表面は殆どエッチングされていない。尚、従来のプラズマドーピング処理を行った結果（シート抵抗やドーズ量等）については後述する（比較例１及び比較例２参照）。
【０１２９】
ここまで、本実施形態のプラズマドーピング処理条件でプラズマドーピング処理を行った場合、試料２０９の表面にデポ物が０．５８ｎｍ／ｍｉｎの速度で堆積することを説明してきた。次に、本実施形態のプラズマドーピング処理において、導入不純物であるボロンを試料２０９であるシリコン基板の内部に確実に導入できていることについて説明する。図３５は、図８に示すプラズマドーピング処理装置を使用して、前記のプラズマドーピング処理条件で試料２０９に対してプラズマドーピングを行った後、不純物活性化処理を行う前に、当該試料２０９に導入されたボロンのＳＩＭＳ測定を行った結果を示している。図３５において、横軸の深さが０ｎｍの箇所が試料２０９の表面に該当し、深さの数値は試料表面に対して垂直下向き方向における試料表面からの距離を示している。図３５に示すように、ボロン濃度が５．０×１０18（ｃｍ-3）となる深さは６．７ｎｍである。従って、プラズマドーピングされたボロンは試料２０９の表面にデポ物としてのみ存在しているのではなく、試料２０９の内部に注入されていることが分かる。さらに、図３６は、プラズマドーピング処理条件となるパラメータの１つである試料電極２０３の電位（バイアス電位）を４００Ｖ、５００Ｖ、６２５Ｖのそれぞれに設定してプラズマドーピング処理を行った試料に対してボロンのＳＩＭＳ測定を行った結果を示している。尚、図３６において、図３５に示す結果（バイアス電位は２５０Ｖ）を合わせて示している。図３６に示すように、いずれの条件でプラズマドーピング処理を行った試料についても、ボロンがシリコン基板の内部に注入されていることが分かる。しかも、プラズマドーピング処理中における試料電極２０３の電位（バイアス電位）を制御することによって、ボロンの注入深さを制御することも可能であることが分かる。
【０１３０】
（比較例１）
図３７は、比較例１に係るプラズマドーピング処理で使用したプラズマドーピング処理装置の概略構成を示す断面図である。
【０１３１】
図３７に示すように、比較例１のプラズマドーピング処理装置の真空容器２３１内には、シリコン基板よりなる試料２４０を載置する為の試料電極２３３が設けられており、当該試料電極２３３には高周波電源２４１が接続されている。真空容器２３１の上壁には、誘電体からなる天板２３４が設けられており、当該天板２３４の上面には多重のコイル２３５が配設されており、当該コイル２３５には高周波電源２３６が接続されている。また、比較例１のプラズマドーピング処理装置は、所望の元素を含む不純物ガスであるＢ2 Ｈ6 と、希釈用ガスであるＨｅとを供給する為のガス供給装置２４２をさらに備え、ガス供給装置２４２から供給されたガスは、ガス供給配管２３７、及び天板２３４内に設けられたガス分岐配管２３８を通って、ガス供給口２３９から真空容器２３１内に供給される。さらに、比較例１のプラズマドーピング処理装置は、真空容器２３１内を減圧し且つ調圧することができる真空排気口２３２を備えている。
【０１３２】
ここで、高周波電源２３６よりコイル２３５に高周波電力を供給すると、コイル２３５の周囲に磁界が発生し、その磁界は、誘電体からなる天板２３４を介して真空容器２３１内を伝波し、真空容器２３１内の所望の不純物を含むガスを励起させてプラズマ状態（イオン、ラジカル、中性分子等）にする。さらに、高周波電源２４１から試料電極２３３に高周波電力を供給することにより、試料電極２３３の電位を制御することができる。この電位はプラズマに対して負の電位となる。このプラズマに対する負の電位によって、プラズマ中のボロンイオンを試料２４０の表面に注入することができる。
【０１３３】
次に、比較例１において、図３７に示すプラズマドーピング処理装置を使用してプラズマドーピング処理を行う際のプロセス条件について説明する。まず、高周波電源２３６よりコイル２３５に供給する電力は２０００Ｗである。また、ガス供給装置２４２からガス供給配管２３７、ガス分岐配管２３８、及びガス供給口２３９を通じて真空容器２３１内に供給されている、所望の元素を含むドーピング原料ガスのガス全体に占める質量濃度は０．０５％である。また、高周波電源２４１より試料電極２３３に供給される電力は１３５Ｗである。また、真空排気口２３２によって調圧される真空容器２３１内の圧力は０．９Ｐａである。
【０１３４】
以下、比較例１に係るプラズマドーピング処理を実施した結果について説明する。
【０１３５】
図３８は、図３７に示すプラズマドーピング処理装置を使用して、前記のプラズマドーピング処理条件で試料２４０に対してプラズマドーピング処理を行い、公知の方法により熱処理を行って試料２４０に導入した不純物を活性化させた後、公知の四短針法を使用してシート抵抗を測定し、プラズマドーピング時間の変化に対するシート抵抗の推移及びシート抵抗の均一性の推移を調べた結果を示している。図３８に示すように、比較例１に係るプラズマドーピング処理の効果として、６０秒程度以降、シート抵抗はほとんど低下しなくなっており、また、均一性についても良好な状態が保たれている。図３９は、図３８中のプラズマドーピング時間が６０秒から２００秒までの間におけるプラズマドーピング時間に対するシート抵抗値の推移を拡大して示したものである。図３９に示すシート抵抗値の推移については、下記（式ｃ）
Ｒｓ＝−４９．２６９×Ｌｎ（Ｔｉｍｅ）＋４２５．２２  ・・・  （式ｃ）
（但し、Ｒｓはシート抵抗であり、Ｔｉｍｅはプラズマドーピング時間であり、Ｌｎは自然対数である）を用いて時間の関数として表すことができる。尚、Ｒ2 ＝０．９９７８である。
【０１３６】
図４０は、図３７に示すプラズマドーピング処理装置を使用して、前記のプラズマドーピング処理条件で試料２４０に対してプラズマドーピング処理を行った結果である、プラズマドーピング時間に対するドーズ量の推移及びシート抵抗の均一性の推移を示している。また、図４１は、図４０中のプラズマドーピング時間が６０秒から２００秒までの間におけるプラズマドーピング時間に対するドーズ量の推移を拡大して示したものである。図４１に示すドーズ量の推移については、下記（式ｄ）
Ｄｏｓｅ＝５．４×１０13×Ｔｉｍｅ＋９．５×１０14  ・・・  （式ｄ）
（但し、Ｄｏｓｅはドーズ量であり、Ｔｉｍｅはプラズマドーピング時間である）を用いて時間の関数として表すことができる。尚、Ｒ2 ＝０．９９である。
【０１３７】
シート抵抗とドーズ量との関係については、前述のように、一方について説明すれば、他方についても説明したと同様の関係にあるため、以下、ドーズ量を使用して説明する。（式ｄ）はプラズマドーピング時間のみの関数であり、また、プラズマドーピング時間とドーズ量とは極めて正比例的な関係にあることが分かる。ここで、（式ｄ）と、前述の実施形態中の（式ｂ）とを比較すると、比較例１のドーズ量の時間変化率は前述の実施形態の時間変化率よりも一桁小さい量でしかなく、（式ｄ）で表される、プラズマドーピング時間と正比例の関係を有するドーズ量は、最低でも９．５×１０14ｃｍ-2になってしまい、当該ドーズ量以下の試料を作成することができない。従って、比較例１においては、（式ｄ）に示すように、プラズマドーピング時間が６０秒から２００秒までの間、プラズマドーピング時間に対するドーズ量の変化量はほぼ一定であるものの、その変化量は極めて小さいと言える。具体的には、プラズマドーピング時間が６０秒から２００秒までの間、ドーズ量の変化は約１．２×１０15ｃｍ-2から約２．０×１０15ｃｍ-2までの小さい範囲にすぎず、前述のように、ドーズ量が９．５×１０14ｃｍ-2以下の低不純物濃度の試料を作成することはできない。図４２は、前述の実施形態及び本比較例１のそれぞれにおけるプラズマドーピング時間に対するドーズ量の推移を比較して示した図である。図４２に示すように、プラズマドーピング時間に対する比較例１のドーズ量制御可能範囲は前述の実施形態と比べて極めて小さい。
【０１３８】
以下、前記の比較例１のプラズマドーピング処理条件でのシリコン基板のエッチング速度を、前述した図３１に示すエッチング速度測定フローに従って測定した結果について説明する。
【０１３９】
図４３は、前記の比較例１のプラズマドーピング処理条件でプラズマドーピング処理が行われたシリコン基板に対して、図３１に示すエッチング速度測定フローのステップＳ２４における公知の接触式段差測定器による測定を実施した結果を示している。尚、尚、図４３において、横軸は測定用基板の表面上での位置（基準は任意）を示している。また、図４３において、縦軸の基準（高さ０ｎｍ）は、マスクが除去された箇所のシリコン基板表面の高さである。さらに、図４３に示す測定結果は、ステップＳ２２でのプラズマドーピング処理回数Ｘが２５回である場合に得られたものである。図４３に示す測定結果から、比較例１のプラズマドーピング処理条件におけるシリコン基板のエッチング速度は＋１．３２ｎｍ／ｍｉｎと算出される。
【０１４０】
ここで、算出されたエッチング速度が＋（正）となっていることについて説明する。図４３に示すように、測定用基板であるシリコン基板表面のマスクの幅は約５００μｍである。このマスクの幅は、測定用基板表面上のどの場所でもほぼ同じである。それに対して、マスク同士の間に位置するシリコン基板表面の露出部分の幅には様々な寸法のものがある。例えば、図４３に示す測定結果の場合、座標（基板位置）が約３００μｍから約１４００μｍまでの間の約１１００μｍ幅において段差が−（負）になっている。この幅についてはマスクの幅ではありえないため、この部分はシリコン基板表面が露出していた箇所（マスクが形成されていなかった箇所）であることが容易に判断できる。従って、前記の比較例１のプラズマドーピング処理条件においては、シリコン基板表面がエッチングされて凹型の段差が形成されたことが分かる。すなわち、エッチング速度は＋（正）となっている。
【０１４１】
（比較例２）
図３７は、比較例２に係るプラズマドーピング処理で使用したプラズマドーピング処理装置の概略構成を示す断面図である。
【０１４２】
図３７に示すように、比較例２のプラズマドーピング処理装置の真空容器２３１内には、シリコン基板よりなる試料２４０を載置する為の試料電極２３３が設けられており、当該試料電極２３３には高周波電源２４１が接続されている。真空容器２３１の上壁には、誘電体からなる天板２３４が設けられており、当該天板２３４の上面には多重のコイル２３５が配設されており、当該コイル２３５には高周波電源２３６が接続されている。また、比較例２のプラズマドーピング処理装置は、所望の元素を含む不純物ガスであるＢ2 Ｈ6 と、希釈用ガスであるＨｅとを供給する為のガス供給装置２４２をさらに備え、ガス供給装置２４２から供給されたガスは、ガス供給配管２３７、及び天板２３４内に設けられたガス分岐配管２３８を通って、ガス供給口２３９から真空容器２３１内に供給される。さらに、比較例２のプラズマドーピング処理装置は、真空容器２３１内を減圧し且つ調圧することができる真空排気口２３２を備えている。
【０１４３】
ここで、高周波電源２３６よりコイル２３５に高周波電力を供給すると、コイル２３５の周囲に磁界が発生し、その磁界は、誘電体からなる天板２３４を介して真空容器２３１内を伝波し、真空容器２３１内の所望の不純物を含むガスを励起させてプラズマ状態（イオン、ラジカル、中性分子等）にする。さらに、高周波電源２４１から試料電極２３３に高周波電力を供給することにより、試料電極２３３の電位を制御することができる。この電位はプラズマに対して負の電位となる。このプラズマに対する負の電位によって、プラズマ中のボロンイオンを試料２４０の表面に注入することができる。
【０１４４】
次に、比較例２において、図３７に示すプラズマドーピング処理装置を使用してプラズマドーピング処理を行う際のプロセス条件について説明する。まず、高周波電源２３６よりコイル２３５に供給する電力は１５００Ｗである。また、ガス供給装置２４２からガス供給配管２３７、ガス分岐配管２３８、及びガス供給口２３９を通じて真空容器２３１内に供給されている、所望の元素を含むドーピング原料ガスのガス全体に占める質量濃度は０．０５％である。また、高周波電源２４１より試料電極２３３に供給される電力は１３５Ｗである。また、真空排気口２３２によって調圧される真空容器２３１内の圧力は０．９Ｐａである。
【０１４５】
以下、比較例２に係るプラズマドーピング処理を実施した結果について説明する。
【０１４６】
図４４は、図３７に示すプラズマドーピング処理装置を使用して、前記のプラズマドーピング処理条件で試料２４０に対してプラズマドーピング処理を行い、公知の方法により熱処理を行って試料２４０に導入した不純物を活性化させた後、公知の四短針法を使用してシート抵抗を測定し、プラズマドーピング時間の変化に対するシート抵抗の推移及びシート抵抗の均一性の推移を調べた結果を示している。図４４に示すように、比較例２に係るプラズマドーピング処理の効果として、６０秒程度以降、シート抵抗はほとんど低下しなくなっており、また、均一性についても良好な状態が保たれている。図４５は、図４４中のプラズマドーピング時間が６０秒から４００秒までの間におけるプラズマドーピング時間に対するシート抵抗値の推移を拡大して示したものである。図４５に示すシート抵抗値の推移については、下記（式ｅ）
Ｒｓ＝−４０．６５２×Ｌｎ（Ｔｉｍｅ）＋３６２．５８  ・・・  （式ｅ）
（但し、Ｒｓはシート抵抗であり、Ｔｉｍｅはプラズマドーピング時間であり、Ｌｎは自然対数である）を用いて時間の関数として表すことができる。尚、Ｒ2 ＝０．９８０８である。
【０１４７】
図４６は、図３７に示すプラズマドーピング処理装置を使用して、前記のプラズマドーピング処理条件で試料２４０に対してプラズマドーピング処理を行った結果である、プラズマドーピング時間に対するドーズ量の推移及びシート抵抗の均一性の推移を示している。また、図４７は、図４６中のプラズマドーピング時間が６０秒から４００秒までの間におけるプラズマドーピング時間に対するドーズ量の推移を拡大して示したものである。図４７に示すドーズ量の推移については、下記（式ｆ）
Ｄｏｓｅ＝５．０×１０13×Ｔｉｍｅ＋１．０×１０15  ・・・  （式ｆ）
（但し、Ｄｏｓｅはドーズ量であり、Ｔｉｍｅはプラズマドーピング時間である）を用いて時間の関数として表すことができる。尚、Ｒ2 ＝０．９３５９である。
【０１４８】
シート抵抗とドーズ量との関係については、前述のように、一方について説明すれば、他方についても説明したと同様の関係にあるため、以下、ドーズ量を使用して説明する。（式ｄ）はプラズマドーピング時間のみの関数であり、また、プラズマドーピング時間とドーズ量とは極めて正比例的な関係にあることが分かる。ここで、（式ｆ）と、前述の実施形態中の（式ｂ）とを比較すると、比較例２のドーズ量の時間変化率は前述の実施形態の時間変化率よりも一桁小さい量でしかなく、（式ｆ）で表される、プラズマドーピング時間と正比例の関係を有するドーズ量は、最低でも１．０×１０15ｃｍ-2になってしまい、当該ドーズ量以下の試料を作成することができない。従って、比較例２においては、（式ｆ）に示すように、プラズマドーピング時間が６０秒から２００秒までの間、プラズマドーピング時間に対するドーズ量の変化量はほぼ一定であるものの、その変化量は極めて小さいと言える。具体的には、プラズマドーピング時間が６０秒から４００秒までの間、ドーズ量の変化は約１．５×１０15ｃｍ-2から約３．２×１０15ｃｍ-2までの小さい範囲にすぎず、前述のように、ドーズ量が１．０×１０15ｃｍ-2以下の低不純物濃度の試料を作成することはできない。さらに、プラズマドーピング時間が６０秒から２００秒までの間については、ドーズ量の変化は約１．５×１０15ｃｍ-2から約２．６×１０15ｃｍ-2までのより小さい範囲に過ぎない。図４８は、前述の実施形態及び本比較例２のそれぞれにおけるプラズマドーピング時間に対するドーズ量の推移を比較して示した図である。図４８に示すように、プラズマドーピング時間に対する比較例２のドーズ量制御可能範囲は前述の実施形態と比べて極めて小さい。
【０１４９】
以下、前記の比較例２のプラズマドーピング処理条件でのシリコン基板のエッチング速度を、前述した図３１に示すエッチング速度測定フローに従って測定した結果について説明する。
【０１５０】
図４９は、前記の比較例２のプラズマドーピング処理条件でプラズマドーピング処理が行われたシリコン基板に対して、図３１に示すエッチング速度測定フローのステップＳ２４における公知の接触式段差測定器による測定を実施した結果を示している。尚、尚、図４９において、横軸は測定用基板の表面上での位置（基準は任意）を示している。また、図４９において、縦軸の基準（高さ０ｎｍ）は、マスクが除去された箇所のシリコン基板表面の高さである。さらに、図４９に示す測定結果は、ステップＳ２２でのプラズマドーピング処理回数Ｘが２５回である場合に得られたものである。図４９に示す測定結果から、比較例２のプラズマドーピング処理条件におけるシリコン基板のエッチング速度は＋０．５６ｎｍ／ｍｉｎと算出される。
【０１５１】
ここで、算出されたエッチング速度が＋（正）となっていることについて説明する。図４９に示すように、測定用基板であるシリコン基板表面のマスクの幅は約５００μｍである。このマスクの幅は、測定用基板表面上のどの場所でもほぼ同じである。それに対して、マスク同士の間に位置するシリコン基板表面の露出部分の幅には様々な寸法のものがある。例えば、図４９に示す測定結果の場合、座標（基板位置）が約１４００μｍから約１８００μｍまでの間の約４００μｍ幅において段差が−（負）になっている。この幅についてはマスクの幅ではありえないため、この部分はシリコン基板表面が露出していた箇所（マスクが形成されていなかった箇所）であることが容易に判断できる。従って、前記の比較例２のプラズマドーピング処理条件においては、シリコン基板表面がエッチングされて凹型の段差が形成されたことが分かる。すなわち、エッチング速度は＋（正）となっている。
【０１５２】
図５０は、前述の実施形態、比較例１及び比較例２のそれぞれにおけるプラズマドーピング時間に対するドーズ量の推移を比較して示した図である。図５０に示すように、前述の実施形態においては、プラズマドーピング時間によって制御可能なドーズ量の範囲が大きいのに対して、比較例１及び比較例２においては、プラズマドーピング時間によって制御可能なドーズ量の範囲が小さい。すなわち、本発明を用いることによって、広範囲に亘るドーズ量をプラズマドーピング時間によって制御することができることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【０１５３】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、プラズマドーピングによって不純物を基板に注入して半導体領域を形成する半導体装置の製造方法に適用した場合、生産性やドーズ量の基板面内均一性を損なうことなく、また、ドーズ量の高精度測定を要することなく、高精度で制御可能なドーズ量の範囲を従来と比して格段に拡大できるという効果が得られ、非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１５４】
【図１】図１（ａ）〜（ｈ）は、プレーナ型デバイスにおけるソース・ドレインのエクステンション領域をプラズマドーピングを用いて形成する方法の各工程を示す要部断面図である。
【図２】図２は従来のプラズマドーピング装置の断面図である。
【図３】図３は、従来のプラズマドーピング方法によってプレーナ型デバイスのソース・ドレインのエクステンション領域を形成した場合における、ソース・ドレインのエクステンション領域のシート抵抗とプラズマドーピング時間との関係を示す図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｄ）は、本発明のプラズマドーピング方法におけるプラズマドーピング時間と注入ドーズ量との関係を示す図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｆ）は、本発明のプラズマドーピング方法において不純物のドーズ量Ｄ（ｃｍ-2）、プラズマドーピング時間をｔ（秒）として、Ｄ＝Ａ×ｔB （但しＡ及びＢは係数）と表したとき、係数Ｂが１．３以下であることが望ましい理由を説明するための図である。
【図６】図６（ａ）及び（ｂ）は、本発明のプラズマドーピング方法において不純物のドーズ量Ｄ（ｃｍ-2）、プラズマドーピング時間をｔ（秒）として、Ｄ＝Ａ×ｔB （但しＡ及びＢは係数）と表したとき、係数Ｂが１．３以下であることが望ましい理由を説明するための図である。
【図７】図７（ａ）〜（ｃ）は、本発明のプラズマドーピング方法において不純物のドーズ量Ｄ（ｃｍ-2）、プラズマドーピング時間をｔ（秒）として、Ｄ＝Ａ×ｔB （但しＡ及びＢは係数）と表したとき、係数Ｂが０．４よりも大きいことが望ましい理由を説明するための図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるプラズマドーピング処理に用いられるプラズマドーピング処理装置の概略構成を示す断面図である。
【図９】図９は、図８に示すプラズマドーピング処理装置におけるガス供給口及びその周辺部の詳細を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法における真空容器内のコンディショニング処理のフロー図である。
【図１１】図１１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるプラズマドーピング処理によって得られた、プラズマドーピング時間の変化に対するシート抵抗の推移及びその均一性の推移を示す図である。
【図１２】図１２は、図１１中のプロセス領域Ｂにおけるプラズマドーピング時間の変化に対するシート抵抗の推移を示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるプラズマドーピング処理によって得られた、プラズマドーピング時間の変化に対するシート抵抗の推移を示す図である。
【図１４】図１４は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるプラズマドーピング処理によって得られた、シート抵抗とドーズ量との関係を示す図である。
【図１５】図１５は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるプラズマドーピング処理によって得られた、プラズマドーピング時間の変化に対するドーズ量の推移を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるプラズマドーピング処理によって得られた、プラズマドーピング時間に対するドーズ量（ボロンのドーズ量）及びシート抵抗の均一性のそれぞれの推移を示す図である。
【図１７】図１７は、図１６中のプロセス領域Ｂにおけるプラズマドーピング時間の変化に対するドーズ量の推移を示す図である。
【図１８】図１８は、図１７に示すプラズマドーピング時間の変化に対するドーズ量の推移を対数軸を用いて示した図である。
【図１９】図１９は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理を、１枚の被処理基板に対するプラズマドーピング時間を６０秒として繰り返し実施した場合におけるシート抵抗の再現性を示す図である。
【図２０】図２０は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理を、１枚の被処理基板に対するプラズマドーピング時間を６０秒として繰り返し実施した場合におけるシート抵抗の均一性を示す図である。
【図２１】図２１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理を、プラマドーピング時間を６０秒として実施した場合に得られる、典型的なシート抵抗の基板面内分布の一例を示す図である。
【図２２】図２２は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理を、１枚の被処理基板に対するプラズマドーピング時間を１２０秒として繰り返し実施した場合におけるシート抵抗の再現性を示す図である。
【図２３】図２３は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理を、１枚の被処理基板に対するプラズマドーピング時間を１２０秒として繰り返し実施した場合におけるシート抵抗の均一性を示す図である。
【図２４】図２４は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理を、プラマドーピング時間を１２０秒として実施した場合に得られる、典型的なシート抵抗の基板面内分布の一例を示す図である。
【図２５】図２５は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理における初期領域Ａでのプラズマドーピング時間に対するドーズ量の変化を示した図である。
【図２６】図２６は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理におけるプロセス領域Ｂでのプラズマドーピング時間に対するドーズ量の変化を示した図である。
【図２７】図２７（ａ）〜（ｈ）は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理における初期領域Ａとプロセス領域Ｂとの境界を決定する方法を説明するための図である。
【図２８】図２８（ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理における初期領域Ａとプロセス領域Ｂとの境界を決定する方法を説明するための図である。
【図２９】図２９は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理における初期領域Ａとプロセス領域Ｂとの境界を決定する方法を説明するための図である。
【図３０】図３０は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理における堆積領域Ｃでのプラズマドーピング時間に対するドーズ量の変化を示した図である。
【図３１】図３１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理を評価するために本願発明者らが用いた、エッチング速度の測定方法のフロー図である。
【図３２】図３２は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理を評価するために、パターン付マスクを設けた測定用基板の表面（プラズマドーピング処理前）の段差を接触式段差測定器を用いて測定した結果を示す図である。
【図３３】図３３は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理を評価するために、パターン付マスクを除去した設けた測定用基板の表面（プラズマドーピング処理後）の段差を接触式段差測定器を用いて測定した結果を示す図である。
【図３４】図３４は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理を実施した場合のシリコン基板のエッチング速度と、特許文献１に開示された従来のプラズマドーピング処理を実施した場合のシリコン基板のエッチング速度とを比較して示した図である。
【図３５】図３５は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理において、導入不純物であるボロンをシリコン基板の内部に確実に導入できていること説明するための図である。
【図３６】図３６は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理において、導入不純物であるボロンをシリコン基板の内部に確実に導入できていること説明するための図である。
【図３７】図３７は、比較例１に係るプラズマドーピング処理で使用したプラズマドーピング処理装置の概略構成を示す断面図である。
【図３８】図３８は、比較例１に係るプラズマドーピング処理によって得られた、プラズマドーピング時間の変化に対するシート抵抗の推移及びシート抵抗の均一性の推移を示す図である。
【図３９】図３９は、図３８中のプラズマドーピング時間が６０秒から２００秒までの間におけるプラズマドーピング時間に対するシート抵抗値の推移を拡大して示した図である。
【図４０】図４０は、比較例１に係るプラズマドーピング処理によって得られた、プラズマドーピング時間の変化に対するドーズ量の推移及びシート抵抗の均一性の推移を示す図である。
【図４１】図４１は、図４０中のプラズマドーピング時間が６０秒から２００秒までの間におけるプラズマドーピング時間に対するドーズ量の推移を拡大して示した図である。
【図４２】図４２は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理、及び比較例１に係るプラズマドーピング処理のそれぞれにおけるプラズマドーピング時間に対するドーズ量の推移を比較して示した図である。
【図４３】図４３は、比較例１のプラズマドーピング処理条件でプラズマドーピング処理が行われたシリコン基板に対して段差測定を実施した結果を示す図である。
【図４４】図４４は、比較例２に係るプラズマドーピング処理によって得られた、プラズマドーピング時間の変化に対するシート抵抗の推移及びシート抵抗の均一性の推移を示す図である。
【図４５】図４５は、図４４中のプラズマドーピング時間が６０秒から４００秒までの間におけるプラズマドーピング時間に対するシート抵抗値の推移を拡大して示した図である。
【図４６】図４６は、比較例２に係るプラズマドーピング処理によって得られた、プラズマドーピング時間の変化に対するドーズ量の推移及びシート抵抗の均一性の推移を示す図である。
【図４７】図４７は、図４６中のプラズマドーピング時間が６０秒から４００秒までの間におけるプラズマドーピング時間に対するドーズ量の推移を拡大して示した図である。
【図４８】図４８は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理、及び比較例２に係るプラズマドーピング処理のそれぞれにおけるプラズマドーピング時間に対するドーズ量の推移を比較して示した図である。
【図４９】図４９は、比較例２のプラズマドーピング処理条件でプラズマドーピング処理が行われたシリコン基板に対して段差測定を実施した結果を示す図である。
【図５０】図５０は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法のプラズマドーピング処理、比較例１に係るプラズマドーピング処理、及び比較例２に係るプラズマドーピング処理のそれぞれにおけるプラズマドーピング時間に対するドーズ量の推移を比較して示した図である。
【符号の説明】
【０１５５】
１    シリコン基板
２    酸化シリコン膜
３    シリコン層
４    酸化シリコン膜
５Ａ  多結晶シリコン層
５    ゲート電極
６    不純物領域
７    酸化シリコン膜
８    不純物領域
Ｒ    マスク
１０１    真空容器
１０２    ガス供給装置
１０３    ターボ分子ポンプ
１０４    調圧弁
１０５    高周波電源
１０６    試料電極
１０７    誘電体窓
１０８    コイル
１０９    被処理基板
１１０    高周波電源
１１１    冷却水供給ユニット
１１２    ドライポンプ
１１３    ガス導入経路
１１４    ガス主経路
１１５    ガス吹き出し口
１１６    マッチングボックス
１１７    Ｖｄｃモニタ
２０１    真空容器
２０２    真空排気口
２０３    試料電極
２０４    天板
２０５    ガス供給装置
２０６    ガス供給口
２０７    高周波電源
２０８    コイル
２０９    試料
２１０    高周波電源
２２０    中央ガス供給口
２２１    周辺方向ガス供給口
２２２ａ  第１ガス導入配管
２２２ｂ  第２ガス導入配管
２２６    覗き窓
２２７    センサー
２２８    ガス分岐配管
２２９    ガス導入配管
２３１    真空容器
２３２    真空排気口
２３３    試料電極
２３４    天板
２３５    コイル
２３６    高周波電源
２３７    ガス供給配管
２３８    ガス分岐配管
２３９    ガス供給口
２４０    試料
２４１    高周波電源
２４２    ガス供給装置
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2009084130.tif 000053
【図２】
2009084130.tif 000054
【図３】
2009084130.tif 000055
【図４】
2009084130.tif 000056
【図５】
2009084130.tif 000057
【図６】
2009084130.tif 000058
【図７】
2009084130.tif 000059
【図８】
2009084130.tif 000060
【図９】
2009084130.tif 000061
【図１０】
2009084130.tif 000062
【図１１】
2009084130.tif 000063
【図１２】
2009084130.tif 000064
【図１３】
2009084130.tif 000065
【図１４】
2009084130.tif 000066
【図１５】
2009084130.tif 000067
【図１６】
2009084130.tif 000068
【図１７】
2009084130.tif 000069
【図１８】
2009084130.tif 000070
【図１９】
2009084130.tif 000071
【図２０】
2009084130.tif 000072
【図２１】
2009084130.tif 000073
【図２２】
2009084130.tif 000074
【図２３】
2009084130.tif 000075
【図２４】
2009084130.tif 000076
【図２５】
2009084130.tif 000077
【図２６】
2009084130.tif 000078
【図２７】
2009084130.tif 000079
【図２８】
2009084130.tif 000080
【図２９】
2009084130.tif 000081
【図３０】
2009084130.tif 000082
【図３１】
2009084130.tif 000083
【図３２】
2009084130.tif 000084
【図３３】
2009084130.tif 000085
【図３４】
2009084130.tif 000086
【図３５】
2009084130.tif 000087
【図３６】
2009084130.tif 000088
【図３７】
2009084130.tif 000089
【図３８】
2009084130.tif 000090
【図３９】
2009084130.tif 000091
【図４０】
2009084130.tif 000092
【図４１】
2009084130.tif 000093
【図４２】
2009084130.tif 000094
【図４３】
2009084130.tif 000095
【図４４】
2009084130.tif 000096
【図４５】
2009084130.tif 000097
【図４６】
2009084130.tif 000098
【図４７】
2009084130.tif 000099
【図４８】
2009084130.tif 000100
【図４９】
2009084130.tif 000101
【図５０】
2009084130.tif 000102
【国際調査報告】
2009084130.tif 000103
2009084130.tif 000104
2009084130.tif 000105
2009084130.tif 000106
2009084130.tif 000107