(57)【要約】【解決手段】プラズマ注入間に、半導体ウエハのようなアークピース上の堆積表面層の形成を制限する方法が、ドーパントガスイオンおよび希釈ガスイオンを形成するために、イオン化のためのプラズマドーピングチェンバーに、ドーパントガスおよび希釈ガスを導入すること、およびドーパントガスイオンおよび希釈ガスイオンをワークピースに向けて加速する工程とを含む。ドーパントガスイオンがワークピースに注入され、希釈ガスイオンがワークピースから堆積表面層を除去する。ドーパントガスおよび希釈ガスの原子質量は堆積表面層の有効な除去を達成するために同様のものである。
2005535131.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズ注入の間に、ワークピース上への堆積表面層の形成を制限する方法であって、
ドーパントガスイオンおよび希釈ガスイオンを形成するために、イオン化のためのプラズマドーピングチェンバーに、ドーパントガスおよび希釈ガスを導入する工程と、
ドーパントガスイオンおよび希釈ガスイオンをワークピースに向けて加速する工程と、
を含み、ドーパントガスイオンはワークピース内に注入され、希釈ガスイオンは堆積表面層をワークピースから除去する、ところの方法。
【請求項２】
ドーパントガスおよび希釈ガスの原子質量がほぼ等しい、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
希釈ガスのドーパントガスに対する比が堆積表面層をその形成のときに、除去するために選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
希釈ガスのドーパントガスに対する比が比較的高い、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
希釈ガスのドーパントガスに対する比が約50である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
ドーパントガスおよび希釈ガスの導入工程が不活性希釈ガスの導入を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
ドーパントガスがヒ化水素であり、希釈ガスがクリプトンまたはキセノンである、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
ドーパントガスがフォスフィンであり、希釈ガスがアルゴンである、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
ドーパントガスがB2H6であり、希釈ガスがネオンである、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
ドーパントガスおよび希釈ガスの導入工程がドーパントガスおよび希釈ガスをプラズマドーピングチェンバーに別個に供給することからなる、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
ドーパントガスおよび希釈ガスの導入工程が導入の前に、ドーパントガスおよび希釈ガスを予め混合することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
希釈ガスが化学的に活性の成分を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
希釈ガスがハロゲン原子を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
希釈ガスがフッ素または塩素を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
希釈ガスがフッ素を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
希釈ガスが不活性ガスとフッ素からなる、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
プラズマドーパント装置であって、
プラズマドーピングチェンバーと、
ワークピースを支持するための、前記プラズマドーピングチェンバー内に位置するプラテンと、
前記プラズマドーパントチェンバー内で、前記プラテンから間隔があけられるアノードと、
ドーパントガスおよび希釈ガスを前記プラズマドーピングチェンバーに導入するための、前記プラズマドーピングチェンバーに連結される処理ガス源と、
プラズマからのイオンをワークピースに向けて加速するために、前記プラテンと前記アノードとの間に、パルスを適用するパルス源と、
を含み、
ドーパントガスイオンおよび希釈ガスイオンを含むプラズマが前記アノードと前記プラテンとの間のプラズマ放電領域で形成され、
ドーパントガスイオンがワークピースに注入され、希釈ガスのイオンがワークピースから堆積表面層を除去する、
ところの装置。
【請求項１８】
前記処理ガス源が前記プラズマドーピングチェンバーに連結されるドーパントガス源と、前記プラズマドーピングチェンバーに連結される希釈ガス源とを含む、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記処理ガス源が、前記プラズマドーピングチェンバーに連結される、予め混合したガス源を含み、前記予め混合したガス源は、所望の比で、ドーパントガスと希釈ガスとを含む、請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
プラズマ注入のための方法であって、
ドーパントガスイオンを形成するために、ドーパントガスをイオン化のための第一のチェンバーに導入する工程と、
ドーパントガスがワークピースに注入されるように、ドーパントガスイオンをワークピースに向けて加速する工程と、
希釈ガスイオンを形成するために、希釈ガスをイオン化のための第二のチェンバーに導入する工程と、
希釈ガスイオがワークピースから堆積表面層を除去するように、希釈ガスイオンをワークピースに向けて加速する工程と、
を含む方法。
【請求項２１】
第一および第二のチェンバーが同じチェンバーであり、
ドーパントガスをチェンバーに導入する工程と、希釈ガスをチェンバーに導入する工程が同時に遂行される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
第一および第二のチェンバーが同じチェンバーであり、
希釈ガスをチェンバーに導入する工程が、ドーパントガスをチェンバーに導入する工程の後に遂行される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
希釈ガスを第二のチェンバーに導入する工程が、ドーパントガスを第一のチェンバーに導入する工程の後に遂行される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
第一および第二のチェンバーが同じチェンバーである、請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
第一および第二のチェンバーが異なるチェンバーである、請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークピースへのイオン注入のために使用されるプラズマドーピングシステムに関し、特に、希釈ガススパッタリングによりプラズマ堆積表面層を除去する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマドーピングシステムは、半導体ウエハに浅い接合を形成するために研究された。プラズマドーピングシステムにおいて、半導体ウエハが伝導性プラテン（カソードとして機能し、プラズマドーピングチェンバー内に位置する）上に配置される。イオン化可能なドーパントガスがチェンバー内に導入され、電圧パルスがプラテンとアノードまたはチェンバー壁との間に適用され、ドーパントガスのイオンを含むプラズマを形成する。プラズマはウエハの近傍にプラズマシースを有する。適用されるパルスにより、プラズマ内のイオンがプラズマシースを横切り、ウエハ内に注入される。注入の深さは、ウエハとアノードとの間に適用される電圧に関連する。非常に低いエネルギーが達成される。プラズマドーピングシステムはたとえば、特許文献１（発明者がShengで、1994年10月11日に発行の米国特許明細書）、２（発明者がLiebert等で、2000年2月1日に発行の米国特許明細書）および３（発明者がGoeckner等で、2001年2月6日に発行の米国特許明細書）に説明されている。
【特許文献１】米国特許第5,354,381号明細書
【特許文献２】米国特許第6,020,592号明細書
【特許文献３】米国特許第6,182,604号明細書
【０００３】
上述のプラズマドーピングシステムにおいて、適用される電圧パルスはプラズマを発生させ、正のイオンをプラズマからウエハに向けて加速する。浸式プラズマシステムとして知られる他のタイプのプラズマシステムにおいて、たとえばプラズマドーピングチェンバーの内または外に配置されたアンテナから誘導的に連結されたRFパワーにより、連続プラズマが形成される。アンテナは、RFパワー源に接続されている。間隔をあけて、電圧パルスがプラテンとアノードとの間に適用され、このことにより、プラズマ中の正イオンがウエハに向けて加速される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
プラズマ注入のための使用されるドーパントガス種は、注入処理の間に、分解し、ウエハ上に堆積表面層を形成する。ドーパントガス種の例として、AsH3、PH3およびB2H6がある。たとえば、ヒ化水素（AsH3）はAs、AsHおよびAsH2に分解し、それらは注入対象のウエハの表面に堆積する。こられ堆積表面層は、ドーズ量の反復性を悪くし、ドーズ量の一様性を低下させ、測定上の問題を生じさせる。したがって、プラズマ注入に対して十分な処理制御をなすために、これら層の形成を防止、または制限する方法および装置の必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の態様にしたがって、プラズマ注入の間に、ワークピース上に、堆積表面層が形成されることを制限する方法が提供される。本方法は、ドーパントガスイオンおよび希釈ガスイオンを形成するために、イオン化のためのプラズマドーピングチェンバーに、ドーパントガスおよび希釈ガスを導入する工程と、ドーパントガスイオンおよび希釈ガスイオンをワークピースに向けて加速する工程と、を含む。ドーパントガスイオンはワークピース内に注入され、希釈ガスイオンは、ワークピースから堆積表面層を除去する。ワークピースは半導体ウエハであってもよい。
【０００６】
ドーパントガスおよび希釈ガスの原子質量は、堆積表面層の有効な除去を達成するために同様となっている。希釈ガスの、ドーパントガスに対する比は、堆積表面層をその形成のときに、除去するために選択される。ある実施例では、高い比の希釈ガスが利用される。またある実施例では、不活性希釈ガスが利用される。一実施例として、ドーパントガスはヒ化水素であってもよく、希釈ガスはクリプトンまたはキセノンであってもよい。この実施例では、希釈ガスのドーパントガスに対する比は約50である。他の実施例では、ドーパントガスはフォスフィンであってもよく、希釈ガスはアルゴンであってもよい。さらに、他の実施例では、ドーパントガスはB2H6であってもよく、希釈ガスはネオンであってもよい。ある実施例では、希釈ガスは化学的に活性な成分（ハロゲンのようなもの）を含み得る。他の実施例では、化学的に活性な成分はフッ素または塩素である。一実施例として、希釈ガスは不活性ガスおよびフッ素であってもよい。
【０００７】
ある実施例では、ドーパントガスおよび希釈ガスはプラズマドーピングチェンバーに別個に導入される。他の実施例では、ドーパントガスおよび希釈ガスは、プラズマドーピングチェンバーへの導入前に、予め混合される。
【０００８】
本発明の他の態様にしたがって、プラズマドーピング装置が提供される。プラズマドーピング装置は、プラズマドーピングチェンバー、ワークピースを支持する、プラズマドーピングチェンバー内に位置するプラテン、プラズマドーピングチェンバー内でプラテンから間隔があけられるアノード、プラズマドーピングチェンバーに連結される処理ガス源、およびパルス源を含む。処理ガス源はドーパントガスおよび希釈ガスをプラズマドーピングチェンバーに導入され、ここで、ドーパントガスイオンおよび希釈ガスイオを含むプラズマがアノードとプラテンとの間のプラズマ放電領域に形成される。パルス源はイオンをワークピースに向けて加速するために、プラテンとアノードとの間にパルスを適用する。ドーパントガスイオンはワークピースへと注入され、希釈ガスイオンはワークピースから堆積表面層を除去する。
【０００９】
本発明の他の態様にしたがって、プラズマ注入方法が提供される。本方法は、ドーパントガスイオンを形成するために、ドーパントガスをイオン化のための第一のチェンバーに導入すること、ドーパントガスイオンをワークピースに向けて加速すること（ここでドーパントガスがワークピースに注入される）、希釈ガスを第二のチェンバーに導入し、希釈ガスイオンをワークピースに向けて加速することを含み、希釈ガスイオはワークピースから堆積表面層を除去する。第一および第二のチャンバーは同じチェンバーであるとき、ドーパントガスをチェンバーに導入することと、希釈ガスをチェンバーに導入することが、同時または連続して達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の最良の理解のために、ここに添付される図面が参照される。
【００１１】
本発明の実施に適したプラズマドーピングシステムの例が図１に略示されている。プラズマドーピングチェンバー10が囲まれた容積を画定する。チェンバー10内に配置されたプラテン14が半導体ウエハ20のようなワークピースを保持する表面を提供する。ウエハ20はたとえば、プラテン14の平坦面の周囲で留め付けられている。一実施例では、プラテンは、ウエハ20を支持するための、電気伝導性表面を有する。他の実施例では、プラテンはウエハ20との連結用の伝導性ピン（図示せず）を含む。ウエハ20およびプラテン14はプラズマドーピングシステムにおいてカソードとして機能する。
【００１２】
アノード24がプラテン14に対して間隔があけられて、チェンバー10内に配置される。アノード24は矢印25により示さているように、プラテン14に対して垂直な方向に移動可能である。アノードは典型的に、チェンバー10の電気伝導性壁部に接続されている（いずれもアースされていてもよい）。他の例では、プラテン14はアースされ、アノード24に、パルスが印加される。
【００１３】
アノード24がアースされる場合、ウエア20（プラテン14を介して）は高電圧パルス源30に接続される。パルス源30は典型的に、振幅が約100から5,000ボルトの範囲内で、持続時間が約1から50ミリ秒の範囲内で、パルス繰り返しレートが100Hzから2kHzの範囲内にあるパルスを提供する。パルスパラメータ値は例示であり、他の値も利用できることは理解されよう。
【００１４】
チェンバー10の囲まれた容積12は制御可能な弁32により、真空ポンプ34へと連結されている。プロセスガス源36が質量流量制御器38を介してチェンバー10に連結されている。チェンバー10内に配置された圧力センサー44が制御器46にチェンバー圧を示す信号を与える。制御器46は検知されたチェンバー圧を所望の圧力入力と比較し、制御信号を弁32に与える。制御信号は、チェンバー圧と所望の圧力との間の違いを最小となるように、圧力32を制御する。真空ポンプ34、弁32、圧力センサー44および制御器46は閉ループ圧力制御システムを構成する。圧力は典型的に、約1ミリトルから500ミリトルの範囲に制御はされるが、この範囲に限定されない。ガス源36はワークピースへの注入用の所望のドーパントを含むイオン化可能なガスを供給する。イオン化可能なガスの例として、BF3、N2、PH3、AsH3、B2H6、Ne、Ar、KrおよびXeがある。質量流量制御器38は、ガスがチェンバー10に供給される比を調整する。図１に図示された構成は、一定のガス流速でかつ一定の圧力をもつ処理ガスを連続流で与えている。圧力および流速は好適に、繰り返し可能な結果を与えるように調整される。
【００１５】
プラズマドーピングシステムは中空カソードパルス源56に接続された中空のカソード54を含むことができる。一実施例では、中空カソード54は、アノード24とプラテン14との間の間隔を取り囲む伝導性の中空シリンダーからなる。中空カソードの使用に関する他の詳細は、ここに参考文献として組み込まれる特許文献５に示されている。
【特許文献５】米国特許第6,182,604号明細書
【００１６】
ひとつ以上のファラデーカップを、ウエハ20に注入されるイオンドーズ量を測定するためにプラテン14の近傍に配置することができる。図１の実施例では、環状ファラデーカップ50、52がウエハ20のまわりに配置されている。ファラデーカップは、ドーズ量プロセッサ70またはドーズ量モニター回路に電気的に接続されている。プラズマドーピングシステムは、プラテン14を取り囲むガードリング66を有することができる。ガードリング66は、ウエハ60の縁の近傍に注入されたイオン分布の一様性を改良するためにバイアスをかけることができる。
【００１７】
動作中、ウエハ20はプラテン14上に配置される。圧力制御システム、質量流量制御器38およびガス源36はチェンバー10内に、所望の圧力およびガス流速を形成する。パルス源30はウエハ20に連続して高電圧パルスを適用し、ウエハ20とアノード24との間のプラズマ放電領域44にプラズマ40の形成を行う。従来技術では、プラズマ40はガス源36からのイオン化可能なガスの正イオンを含む。プラズマ40はウエハ20の近傍、典型的にはその表面にプラズマシース42を含む。高電圧パルスの間、アノード24とプラテン14との間にある電場は、プラズマシース42を通ったプラズマ40からの正イオンをプラテン14へと加速する。加速されたイオンは、ウエハ20に注入され、不純物の領域を形成する。パルス電圧は、ウエハ20に所望の深さにして正イオンを注入するために選択される。パルスの数およびパルス持続時間は、ウエハ20に不純物の所望のドーズ量が形成されるように選択される。パルス当たりの電流は、パルス電圧、ガス圧、種および電極の種々の位置の関数となる。
【００１８】
上述したように、プラズマ注入に対して使用されたドーパントガス種は、注入処理の間に分解し、ウエハ20上に堆積した表面層を形成する。ドーパントガス種の例として、AsH3（ヒ化水素）、PH3（フォスフィン）およびB2H6がある。たとえば、ヒ化水素は分解してAs、AsHおよびAsH2（ウエハ20の表面に堆積し得る）となる。これら堆積表面層は、ドーズ量の反復性を悪くし、ドーズ量の一様性を低下させ、測定上の問題を生じさせる。
【００１９】
堆積表面層の形成は、プラズマチェンバー10に、ドーパントガスとともに希釈ガスを導入することにより減少または除去することができる。希釈ガス分子はイオン化されて、ウエハの表面に衝突し、形成された堆積表面層をスパッタリングする。
【００２０】
ドーパントガスおよび希釈ガスをプラズマドーピングチェンバー10に導入するガス供給システムの実施例が図２および図３に示されている。図２において、ドーパントガス源100が質量流量制御器102を介してプラズマドーピングチェンバー10に連結され、希釈ガス願110が質量流量制御器112を介してプラズマドーピングチェンバー10に連結されている。したがって、ドーパントガスの供給および希釈ガスの供給は別個に制御される。図３の実施例では、予め混合したガス源120が質量流量制御器122を介してプラズマドーピングチェンバー10に連結されている。予め混合したガス源120は所望の比で、ドーパントガスと希釈ガスとを含む。
【００２１】
一般的に、希釈ガスパラメータは、ウエハ20上での、堆積表面層の形成を制限するように選択される。ドーパントガスおよび希釈ガスの原子質量は、堆積表面層の有効な除去を達成するために同様のものとすることができる。さらに、希釈ガスの比は、希釈ガスのドーパントガスとの比は、堆積表面層を、その層の形成のときに、除去するように選択される。他の実施例では、高い比をもつ希釈ガスが利用される。高い比は、希釈ガスがドーパントガスよりも効率よくイオン化されないことから利用され、高い比の希釈ガスが、堆積表面層を所望に除去するために必要である。また、他の実施例では、不活性な希釈ガスが使用される。
【００２２】
一実施例として、ドーパントガスはヒ化水素ガスであってもよく、希釈ガスはクリプトンまたはキセノンであってもよい。この実施例では、希釈ガスのドーパントガスに対する比は約50である。その結果、プラズマドーピングチェンバー10内のガスは、98%の希釈ガスと、2%のドーパントガスとなる。他の実施例では、ドーパントガスはフォスフィンガスで、希釈ガスはアルゴンである。この実施例では、希釈ガスのドーパントガスに対する比も約50である。他の実施例としては、ドーパントガスはB2H6、希釈ガスがネオンである。
【００２３】
上記実施例において、希釈ガスは不活性ガスで、堆積表面層は物理的スパッタリングにより除去される。他の実施例では、希釈ガスの成分は化学的な活性特性をもつてもよい。特に、希釈ガスの成分が、堆積表面層の結合を弱くし、スパッタリングに必要なエネルギーを減少させ、化学的に強化されたスパッタリングを実行するように、選択される。ある実施例では、フッ素原子または塩素原子をもつガスを含むハロゲンガスが利用される。ひとつの例として、希釈ガスが上述した不活性ガスとフッ素との混合物である。不活性ガスとフッ素との混合物は物理的スパッタリングと化学的強化スパッタリングとの組み合わせを達成する。希釈ガスの化学的に活性な成分は、基板上に安定した固体表面層を形成しない種であるべきである。
【００２４】
堆積表面層の減少または除去のプロセスは、上述のように、プラズマ注入と同時に、プラズマドーパントチェンバーに希釈ガスを導入し、堆積表面層をその層の形成のときに、除去することである。他の実施例として、堆積表面層はプラズマ注入に続いて、除去することができる。たとえば、プラズマ注入は、希釈ガスを使うことなく所望のドーパントガスを利用することで実施できる。プラズマ注入の完了に続き、プラズマドーピングチェンバーは、ドーパントガスが排気され、希釈ガスがプラズマドーピングチェンバーに導入される。希釈ガスは、プラズマの形成のためにイオン化され、希釈ガスは、堆積表面層を除去するために、ウエハへ向けて加速される。この実施例では、堆積表面層は、その形成後に除去される。上記の希釈ガスはこの実施例でも使用することができる。この実施例において、「希釈ガス」は、ドーパントガスを希釈しないが、堆積表面層を除去するための使用されるガスである。他の実施例では、プラズマ注入と、希釈ガススパッタリングによる堆積表面層の除去が異なる処理チェンバーにおいて実行される。
【００２５】
希釈ガスによる堆積表面層の減少はいくつかの技術により測定された。X線光電子スペクトロスコピー（XRS）がアルゴン希釈ガスとともに、このガスなしで、リンの表面濃度を数値化するために使用されてきた。測定はウエハにある二つの深さに対してなされ、シリコン内のより深いリンの量（注入された部分）を顕著に変更することなく、表面のリンの優先した除去を示した。このことは、アルゴン希釈ガスとともに、およびこのガスなしで、リン注入深さのプロファイルを示す二次イオン質量スペクトロスコピー（SIMS）によっても確認された。このプロファイルはウエハ表面（アルゴン希釈ガスを伴う注入は比較的程度の表面のリン濃度を示した）を除きほぼ同一である。同様のSIMSが、キセノンの希釈ガスとともに、またはこのガスなしでのヒ素の注入に対して行われ、リンの場合と同様の結果となった。さらに、水素ガスでの希釈はこの効果を達成されず、リンの注入に対して、アルゴンからキセノンへの切り換えは堆積の増加効果を示した。このことは希釈ガス種の質量依存効率を示す。
【００２６】
本発明の好適実施例を示しながら説明してきたが、当業者には、特許請求の範囲により画定される発明の思想から逸脱することなく、種々の変更、修正がなし得ることは分かるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１はプラズマドーピングシステムの簡単化した略示ブロック図である。
【図２】図２は第一の実施例にしたがあったガス供給システムのブロック図である。
【図３】図３は第二の実施例にしたがあったガス供給システムのブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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2005535131.tif 000009
2005535131.tif 000010
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