(57)【要約】プラズマドーピング方法は、ドーパントの重いハロゲン化合物のガスから成るドーパントガスをプラズマチャンバーへ供給するステップを有する。前記ドーパントの重いハロゲン化合物のガスを用いて前記プラズマスチャンバー内にプラズマを形成し、前記プラズマが所望のドーパントイオン及びプリカーサードーパント分子の重いフラグメントを生成する。前記所望のドーパントイオンが所望のイオンエネルギーを有して基板に衝突するように、前記プラズマスチャンバー内の前記基板にバイアスをかけることにより、前記所望のドーパントイオン及びプリカーサードーパント分子の前記重いフラグメントを、前記基板に注入し、前記所望のドーパントイオンにより、前記基板内の注入プロファイルを実質的に決定するように、前記イオンエネルギー及び前記ドーパントの重いハロゲン化合物の組成の内の少なくとも１つを選択する。
2011529275.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドーパントの重いハロゲン化合物のガスをプラズマチャンバーへ供給するステップと、
前記ドーパントの重いハロゲン化合物のガスを用いて前記プラズマスチャンバー内にプラズマを形成するステップであって、前記プラズマが所望のドーパントイオン及びプリカーサードーパント分子の重いフラグメントを生成する、ステップと、
前記所望のドーパントイオンが所望のイオンエネルギーを有して基板に衝突するように、前記プラズマスチャンバー内の前記基板にバイアスをかけることにより、前記所望のドーパントイオン及びプリカーサードーパント分子の前記重いフラグメントを、前記基板に注入するステップであって、前記所望のドーパントイオンにより、前記基板内の注入プロファイルを実質的に決定するように、前記イオンエネルギー及び前記ドーパントの重いハロゲン化合物の組成の内の少なくとも１つを選択する、ステップと、を有するプラズマドーピング方法。
【請求項２】
前記ドーパントの重いハロゲン化合物のガスは、ドーパントのヨウ素化合物のガスを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ドーパントの重いハロゲン化合物のガスは、BI３Ｐ型ドーパントガス原料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ドーパントの重いハロゲン化合物のガスは、PI３及びAsI３Ｎ型ドーパントガス原料から成るグループから選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ドーパントの重いハロゲン化合物のガスは、ドーパントの臭素化合物のガスを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
プリカーサードーパント分子の重いフラグメントを、前記所望のドーパントイオンの投影飛程の２０％より大きい前記投影飛程に注入することを防ぐように、前記イオンエネルギー及びドーパントの重いハロゲン化合物のガスの前記組成の内の少なくとも１つを選択する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
プリカーサードーパント分子の前記重いフラグメントの投影飛程が、前記基板の表面層の厚さより小さいように、前記イオンエネルギー及びドーパントの重いハロゲン化合物のガスの前記組成の内の少なくとも１つを選択する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
プラズマドーピング中の物理スパッタリング及び化学エッチングにより引き起こされるエッチングを、プラズマドーピング中に生じるデポジションにより少なくとも部分的に補償するように、前記イオンエネルギー及びドーパントの重いハロゲン化合物のガスの前記組成の内の少なくとも１つを選択する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
少なくとも１つのプリカーサードーパント分子の前記重いフラグメントに対する所望のドーパントイオンの所定の比率を得るように、前記イオンエネルギー及びドーパントの重いハロゲン化合物のガスの前記組成の内の少なくとも１つを選択する、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
GeI４ガスを前記プラズマチャンバーへ供給するステップと、
前記GeI４ガスを用いて前記プラズマスチャンバー内にプラズマを形成するステップであって、前記プラズマが、前記基板に注入する状態でプレアモルファス化及びストレインの内の少なくとも１つを引き起こす種を創生する、ステップと、をさらに有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記プラズマが希釈ガスイオンをさらに生成する、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記基板に注入される希釈ガスイオンの数を減少するように、前記ドーパントの重いハロゲン化合物の前記組成を選択する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
基板に表面層を形成するステップと、
ドーパントの重いハロゲン化合物のガスをプラズマチャンバーへ供給するステップと、
前記ドーパントの重いハロゲン化合物のガスを用いて前記プラズマスチャンバー内にプラズマを形成するステップであって、前記プラズマが所望のドーパントイオン及びプリカーサードーパント分子の重いフラグメントを生成する、ステップと、
前記所望のドーパントイオンが所望のイオンエネルギーを有して基板に衝突するように、前記プラズマスチャンバー内の前記基板にバイアスをかけることにより、前記所望のドーパントイオンを、前記基板に所望の投影飛程に注入するステップであって、プリカーサードーパント分子の前記重いフラグメントを、前記基板の表面に形成された前記表面層の中にある投影飛程に注入するように、前記イオンエネルギー及び前記ドーパントの重いハロゲン化合物の組成の内の少なくとも１つを選択する、ステップと、を有するプラズマドーピング方法。
【請求項１４】
前記表面層は酸化層を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ドーパントの重いハロゲン化合物のガスは、ドーパントのヨウ素化合物のガスを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記ドーパントの重いハロゲン化合物のガスは、ドーパントの臭素化合物のガスを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
プリカーサードーパント分子の前記重いフラグメントの投影飛程が、前記表面層の厚さより小さい、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
プラズマドーピング中の物理スパッタリング及び化学エッチングにより引き起こされるエッチングを、プラズマドーピング中に生じるデポジションにより少なくとも部分的に補償するように、前記イオンエネルギー及びドーパントの重いハロゲン化合物のガスの前記組成の内の少なくとも１つを選択する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
少なくとも１つのプリカーサードーパント分子の前記重いフラグメントに対する所望のドーパントイオンの所定の比率を得るように、前記イオンエネルギー及びドーパントの重いハロゲン化合物のガスの前記組成の内の少なくとも１つを選択する、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記プラズマが希釈ガスイオンをさらに生成する、請求項１３に記載の方法。
【請求項２１】
前記基板に注入される希釈ガスイオンの数を減少するように、前記ドーパントの重いハロゲン化合物の前記組成を選択する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
ドーパントのイオン及びドーパントの重いハロゲン化合物のイオンを生成するステップと、
前記ドーパントのイオン及び前記ドーパントの重いハロゲン化合物のイオンを加速するステップと、
加速した前記ドーパントのイオン及び前記ドーパントの重いハロゲン化合物のイオンを基板に向けることにより、前記加速したドーパントのイオン及びドーパントの重いハロゲン化合物のイオンを、前記基板に所望のイオンエネルギーを有して注入するステップであって、所望のドーパントのイオンにより、前記基板内の注入プロファイルを実質的に決定するように、前記イオンエネルギー及び前記ドーパントの重いハロゲン化合物の組成の内の少なくとも１つを選択する、ステップと、を有するイオン注入方法。
【請求項２３】
前記ドーパントの重いハロゲン化合物のガスは、ドーパントのヨウ素化合物のガスを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記ドーパントの重いハロゲン化合物のガスは、ドーパントの臭素化合物のガスを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
少なくとも１つのプリカーサードーパント分子の重いフラグメントに対する所望のドーパントイオンの所定の比率を得るように、前記イオンエネルギー及びドーパントの重いハロゲン化合物のガスの前記組成の内の少なくとも１つを選択する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
所望のドーパントのイオン及び所望のドーパントの重いハロゲン化合物のイオンを選択するステップと、
選択したドーパントのイオン及びドーパントの重いハロゲン化合物のイオンのみを加速するステップと、をさらに有する、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン注入に関し、特に、プラズマドーピング方法のイオン注入に関する。
【０００２】
本発明の名称は、構成上の目的のためだけであり、本出願に記載された主題を限定するものとして、解釈すべきではない。
【背景技術】
【０００３】
イオン注入は、基板材料の組成を変えるために、数十年、半導体及び他の産業において用いられてきた。特に、ビームライン及びクラスタービームのイオン注入システムは、半導体産業において、今日、広く用いられている。ビームライン及びクラスタービームのイオン注入システムは、電界でイオンを加速してから、所望の質量対電荷比を有するイオンを選択する。それから、選択したイオンを基板に注入することにより、基板に所望のドーパント材料をドーピングする。これらのイオン注入システムは、優れたプロセス制御、優れたウエハ間（run-to-run）の均一性を有し、最先端の半導体基板の全表面にわたって高度に均一なドーピングを提供する。
【０００４】
近年、基板をドーピングするために、プラズマドーピングが用いられている。プラズマドーピングは、時々、PLAD又はプラズマ液浸イオン注入（PIII）と呼ばれる。プラズマドーピングシステムは、最先端の電子及び光学装置のドーピング要件を満たすように開発された。プラズマドーピングシステムは、従来のビームライン及びクラスタービームのイオン注入システムとは基本的に異なる。プラズマドーピングシステムは、基板をドーパントイオンを含むプラズマ内に液浸してから、基板に一連の負電圧パルスをバイアスをかける。基板上の負のバイアスが、電子を基板の表面から反発することにより、正イオンのシースを創生する。プラズマシース内の電界がイオンを基板の方へ加速することにより、イオンを基板の表面に注入する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
明細書における「一実施形態」の言及は、実施形態に関連して記載した特定の機能、構造又は特徴を、少なくとも１つの本発明の実施形態に含むことを意味する。明細書の様々な箇所で「一実施形態で」の表現が現れても、必ずしも、全て、同じ実施形態を言及しているものではない。
【０００６】
なお、本発明の方法の個々のステップは、本発明が使用可能である限り、任意の順序で及び／又は同時に実行することができる。さらに、本発明の装置及び方法は、本発明が使用可能である限り、任意の数の又は全ての記載した実施形態を含むことができる。
【０００７】
添付図面に示すように、その例示的実施形態を参照して、本教示を以下に詳細に説明する。本教示を様々な実施形態及び実施例に関連して説明するが、本教示をそのような実施形態に限定する意図はない。逆に、当業者に理解されるように、本教示は、様々な代替、変更及び均等を含む。本明細書の教示にアクセスする当業者は、本明細書に記載されるように本開示の範囲内にある、使用の他の分野のみならず、追加の実施、変更及び実施形態を認める。例えば、プラズマドーピングに関連して、本発明のいくつかの実施形態を記載しているけれども、当業者は、従来のビームラインイオン注入のような任意の種類のイオン注入で、本発明の方法を用いることができることを、理解する。
【０００８】
ULSI回路の使用可能な表面積を増加するために、デバイススケーリングをサブ６５nm寸法に拡張するのみならず、三次元デバイス構造を今や開発している。例えば、DRAMで用いる三次元トレンチコンデンサ並びにフィン型FET（二重ゲート又は三重ゲート）及びリセスチャネルアレイトランジスタ（RCAT）のような垂直チャネルトランジスタを用いる多数の種類のデバイスを最先端のシステム用に開発している。これらの三次元デバイスの多くは、基板内のイオン注入プロファイルの非常に精密な制御を必要とする。さらに、多数の他の種類の最新の電子及び光学デバイス並びにナノテクノロジー微細構造は、基板内のイオン注入ドーパントプロファイルの深さの非常に精密な制御を必要とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
プラズマドーピングは、イオン注入ドーパントプロファイルの深さの非常に精密な制御を必要とする適用に、特に有用である。プラズマドーピングでは、基板に負電圧パルスを印加することにより、プラズマ内に存在するイオン化種を取り出し注入する。基板内のドーパントプロファイルの制御は、基板の表面に入る前の、特定のイオンエネルギー分布のみならず、各イオン種の相対存在度に依存する。プラズマドーピングイオン注入プロファイルは、本来、個々のイオンプロファイルの各々が特定のイオンエネルギー分布を有する多くの個々のイオン注入プロファイルの組み合わせである。組み合わせたイオン注入プロファイルは、基板の表面に入る個々のイオンプロファイルの各々におけるイオンの相対数を反映する。
【００１０】
イオン注入ドーパントプロファイルは、プラズマドーピングプロセスによって生じるデポジション（deposition）及びエッチングの制御にも依存する。例えば、プラズマドーピング中に、物理的スパッタリング及び化学エッチングにより生じる基板の表面の意図していないいくらかのエッチングがある。意図していないいくらかのデポジション（deposition）もある。さらに、多数のイオン種の存在、イオン間の衝突、プラズマシースの不均一性、二次電子放射の存在、寄生インピーダンスにより形成される変位電流及び非理想のバイアスパルスの適用のような多くの要因による重要なイオン注入エネルギー分布が存在し得る。
【００１１】
さらに、プラズマドーピングリアクターは、典型的に、ドーピング中のリアクターに存在する望ましくないイオン種を有し、望ましいドーパントイオンと共に、いくつかの望ましくないイオン種の共同注入という結果をもたらす。プラズマドーピング中のリアクターに存在する望ましくないイオン種の１つの種類は、ドーパントガス原料のフラグメント（fragment）のイオン化によって生じる。ドーパントガス原料のイオン化フラグメントの存在により、望ましいドーパントイオンと共に、ドーパントガス原料のイオン化フラグメントの基板への共同注入という結果をもたらす。
【００１２】
Ｐ型ドーピング用の一般的なドーパントガス原料はBF３である。ドーパントガス原料BF３は、イオン化されると、x及びyが１より大きいBｘFｙのフラグメントになる。典型的に、BF３ドーパントガス分子は、イオン化し、B＋原子イオン並びにBF＋、BF２＋及びBF３＋分子フラグメントのイオンを形成する。BF＋、BF２＋及びBF３＋分子フラグメントのイオンは、基板の表面近くで注入する比較的重量のイオン種である。プラズマドーピングリアクター内に形成されるプラズマは、典型的にホウ素イオン及びその全ての分子フラグメントのイオンを含む。
【００１３】
BF３をイオン化する際、BF２＋イオンは典型的に主要な分子フラグメントのイオンである。BF３ドーパントガス分子から形成される特定の分子フラグメントのイオンの比率は、プラズマ状態で変化する。基板に到達する全イオン束に対するBF２＋イオンの比率を、プラズマ状態を適切に選択することにより、約９０％まで増加することができる。しかしながら、典型的に常にプラズマチャンバ内にいくつかのB＋イオンが存在する。B＋イオン及びBF２＋イオンの比率は、プラズマ注入の接合深さを制御するため、重要である。
【００１４】
多くのプラズマドーピングプロセス用の必要な接合深さを維持するために、イオン注入エネルギーを、基板に到達するBF２＋イオンの比率により制限しなければならない。例えば、L.Godetの博士論文、ナンテス大学（University of Nantes）、２００６年を参照されたい。従って、プラズマチャンバ内のBF２＋イオンの比率を、プラズマドーピング装置で現在成就される９０％レベルを超えて増加することが、非常に望ましい。同様に、他のプラズマドーピングプロセスで、望ましい注入イオンの比率を増加することが、非常に望ましい。
【００１５】
プラズマドーピングの間、プラズマチャンバ内に存在する別の種類の望ましくないイオン種は、He原子のような希釈ガス原子のイオン化、及び、ドーパントガス原料内に存在するH２ガス分子のHフラグメントのような希釈ガス分子のフラグメントのイオン化により生じる。He及びHのようなイオン化した希釈ガス原子及び分子のフラグメントの存在により、望ましいドーパントイオンと共に、望ましくない種の基板への共同注入という結果をもたらす。
【００１６】
イオン化した希釈ガス原子及び希釈ガス分子のフラグメントは、比較的軽量のイオン種であるため、プラズマドーピングされる基板に比較的深く注入する傾向にある。例えば、Ｐ型プラズマドーピング用の一般的なドーパントガスは、H２又はHe希釈ガスとのB２H６混合物である。H２又はHe希釈ガスを有するB２H６混合物を用いてのプラズマドーピングにより、イオン化したHフラグメント又はイオン化したHe原子の形成という結果をもたらし、それらはホウ素と共にシリコン基板の中に深く大量に共同注入される。これらのイオン化したHフラグメント又はイオン化したHe原子の投影飛程は、望ましいホウ素イオンのドーパントイオンの投影飛程の１０倍にまで高くすることができる。
【００１７】
同様に、BF３は別の一般的なＰ型ドーパントガスである。BF３を用いてのプラズマドーピングにより、ホウ素と共に共同注入されるF及びBF２＋イオンの形成という結果をもたらす。ポリシリコンへのBF２＋ビームラインイオン注入の間のFの共同注入により、Fバブルを創生することができることが見出された。さらに、ポリシリコンへのBF２＋ビームラインイオン注入の間のFの共同注入により、ホウ素の拡散及びホウ素の活性化を減少することが見出された。
【００１８】
本発明の側面は、添付の図面とともに以下の説明を参照することにより、より良く理解できる。これらの図の同一又は類似の要素は、同一の参照番号により示すことができる。これらの類似の要素についての詳細な説明は、繰返さない。図面は必ずしも縮尺するというわけではない。以下に説明する図面は、例示の目的のためだけであることを、当業者は理解する。図面は、決して、本教示の範囲を限定することを意図するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ】４．５keVに等しいイオン注入エネルギーを有するポリシリコンへのホウ素イオン注入のための、アニール前後のホウ素及びフッ素の二次イオン質量分析計（SIMS）の解析プロファイルを例示する図である。
【図１Ｂ】２０keVに等しいイオン注入エネルギーを有するポリシリコンへのホウ素イオン注入のための、アニール前後のホウ素及びフッ素の二次イオン質量分析計の解析プロファイルを例示する図である。
【図２】プラズマドーピング半導体用に用いることができるヨウ素及び臭素化合物ガスの特性の表を示す図である。
【図３】ドーパントハロゲン及びドーパント水素の結合の結合エンタルピー値の表を示す図である。
【図４】BI３P型ドーパントガス原料を用いて生成したイオンに対する、シミュレートしたイオンのシリコンへの投影飛程の表を示す図である。
【図５】本発明によりプラズマドーピングを行うことができるプラズマドーピングシステムを例示する図である。
【図６】BI３ドーパントガス原料を用いて、０．５keVのイオン注入エネルギーに対してシミュレートした、シリコン基板内の深さの関数としてのホウ素の濃度のプラズマドーパントプロファイルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１Ａは、４．５keVに等しいイオン注入エネルギーを有するポリシリコンへのホウ素イオン注入及び２０keVに等しいイオン注入エネルギーを有するポリシリコンへのBF２＋イオン注入のための、アニール前後のホウ素の二次イオン質量分析計（SIMS）の解析プロファイル１００を例示する。SIMS解析プロファイル１００は、オングストローム単位の基板の表面からの深さの関数としての、検出された二次イオンの強度及び１立方センチメートル当たりの原子数のホウ素の較正された濃度を示す。
【００２１】
注入中のSIMSのSIMS解析プロファイル１００は、B＋４．５keV 及びBF２＋２０keVの注入のための類似の退行プロファイルを示す。アニール後に、SIMS解析プロファイル１００は、界面の近くで、より低いホウ素の濃度であり、その結果、BF２＋２０keV注入の場合、界面の近くで、ホウ素の拡散及び活性化を減少している。
【００２２】
図１Ｂは、２０keVに等しいイオン注入エネルギーを有するポリシリコンへのBF２＋イオン注入のための、アニール前後のホウ素及びフッ素の二次イオン質量分析計（SIMS）の解析プロファイル１５０を例示する。SIMS解析プロファイル１５０は、オングストローム単位の基板の表面からの深さの関数としての、検出された二次イオンの強度及び１立方センチメートル当たりの原子数のホウ素及びフッ素の較正された濃度を示す。SIMS解析プロファイル１５０は、BF２＋２０keV注入の場合、アニール後にゲート酸化物内にかなりの割合のFが残っていることを示す。BF２＋２０keV注入の場合、アニール後にゲート酸化物内にかなりの割合のFが残っていることにより、その結果のデバイスの寿命を著しく縮小し、及び／又は、デバイスの性能を著しく減少する。
【００２３】
従って、BF３及びB２H６のような一般的なドーパントガス原料を用いる最先端のプラズマドーピングリアクターにより、プラズマチャンバー内にほぼ単一種のイオンを生成するために、バルクプラズマ組成及びプラズマシース内の衝突を最適化することはできない。さらに、ガス原子及び希釈ガス分子のフラグメントのイオン化により生成したイオン種により、望ましい注入種と共に望ましくない種の共同注入を引き起こす。共同注入により、ドーパントイオンのプラズマドーピングされる基板のバルクへの取り込みを制限することができる。また、共同注入により、基板内にH、He及びFイオンのような望ましくないイオンの存在をもたらし、基板内にバブル及び空洞を形成することができ、アニール後に未処理の欠陥の源となり得る。また、共同注入により、イオン注入処理後の間に、基板内にバブル及び空洞を形成することができる。結果として生じるバブル及び空洞により、基板材料の適切な再結晶化を妨げることができ、プラズマドーピングプロセスを半導体製造プロセスに統合するための障害を創生することになり得る。さらに、共同注入により、多くのプラズマドーピングプロセス用のプロセスウィンドウを制限することになり得る。
【００２４】
望ましいドーパントイオンと共に望ましくない種の基板への共同注入をもたらす望ましくないイオン種の生成は、プラズマドーピングシステムが典型的に質量分析機能を有していないため、プラズマドーピングシステムにおいてモニターすることは難しい。その結果、プラズマドーピングシステムにおいて、望ましくない種の基板への共同注入を除去することは難しい。対照的に、望ましくない種の基板への共同注入をもたらす望ましくないイオン種のモニターは、典型的にスペクトル分析器を有する従来のビームラインイオン注入システムにおいては、通常、より容易である。その結果、従来のビームラインイオン注入システムにおいて、望ましくない種の基板への共同注入を除去することは、より難しくない。
【００２５】
本発明の一側面は、望ましくないイオン種の生成及びその結果生じる望ましくない種の基板への共同注入を軽減するための方法及び装置に関する。特に、本発明の方法は、置換されないドーパントイオンの基板への注入を増加又は最大化し、基板へ共同注入されるランダムなフラグメントの存在を縮小又は除去する。本発明の方法は、デュアルポリゲートイオン注入プロセス、多くの種類のソース−ドレインイオン注入プロセス、極浅接合イオン注入プロセス、染色層イオン注入プロセス及び材料変更のために用いる多くの種類のイオン注入プロセスのような多数のイオン注入プロセスに適用することができる。
【００２６】
本発明の一実施形態による方法は、望ましいドーパントイオンの生成を最大化し、従って、置換されないドーパントイオンの基板への注入を最大化する特定のドーパントガスを用いる。これらのガスも、望ましくないイオン種の生成及びその結果生じる望ましくない種の基板への共同注入を軽減する。また、いくつかの実施形態では、プラズマドーピングプロファイルの深さをもっと精密に制御するために、これらのガスを用いることができる。さらに、いくつかの実施形態では、プラズマドーピングの間に生じるエッチングとデポジション（deposition）とのバランスを取るために、これらのガスを用いることができる。
【００２７】
本発明の特定の実施形態では、望ましいドーパントイオンの生成を最大化し、プラズマドーピングプロファイルの深さ及びドーピングプロファイルをもっと精密に制御し、且つ、プラズマドーピングの間に生じるエッチングとデポジション（deposition）とのバランスを取るために、重いハロゲン化合物をＮ型又はＰ型ドーパントガス原料に組み入れる。一実施形態では、Ｎ型又はＰ型ドーパントガス原料のヨウ素及び臭素化合物をドーパントガス原料として用いる。例えば、一実施形態では、プラズマドーピングが結果として生じるドーパントプロファイルを厳格に制御することを可能にするために、BI３をＰ型ドーパントガス原料として用いる。別の実施形態では、GeI４ガス原料をプレアモルファス化物質として用いる。さらに別の実施形態では、GeI４ガス原料をストレイン（strain）を創生するために用いる。
【００２８】
図２は、プラズマドーピング半導体用に用いることができるヨウ素及び臭素化合物ガスの特性の表２００を示す。BI３、PI３、P２I４、AsI３、(AsI２)２、PB r３及びAsBr３ガスに対する特性を示す。ヨウ素及び臭素原子は、ホウ素及びゲルマニウムのようないくつかの通常用いるドーパント原子と共に化合物を形成することができる比較的重い原子である。ヨウ素及び臭素化合物は、その蒸気圧が比較的高く、従って、すぐにプラズマチャンバー内に送ることができるため、プラズマドーピングシステムで用いるのに特に適している。例えば、BI３の蒸気圧は約４０４°Kで１００Torrである。BI３の比較的高い蒸気圧により、ドーパントガスを低温度でプラズマチャンバーに送ることを可能にし、このことにより、プラズマドーピング装置でのプロセスガス配送システムを単純にする。比較するに、ホウ素の固体ソースは、B＋イオンを基板に与えるために、２０００℃より高温度に加熱しなければならないが、これは、プラズマドーピングシステムでBI３をプラズマチャンバーに送るよりも、もっと難しく費用がかかる。
【００２９】
本発明の別の側面は、プラズマドーピングされる基板をプラズマにさらす際に生じる、望ましくないエッチングと望ましくないデポジション（deposition）とのバランスを取ることに関する。本発明の本実施形態で、イオンの物理スパッタリング及び化学エッチングにより引き起こされるエッチングを、プラズマ内のイオンから生じるデポジション（deposition）により補償する又は少なくとも部分的に補償するように、ドーピングガス内の少なくとも１つの特定の種類の重いハロゲン化合物、及び、基板に衝突するイオンのエネルギーを選択する。例えば、本発明の一実施形態で、イオンの物理スパッタリング及び化学エッチングにより引き起こされるエッチングを、基板の表面に接触するプラズマ内のイオンから生じるデポジション（deposition）により少なくとも部分的に補償するように、特定の種類のヨウ素及び臭素化合物ガスを、基板のバイアス電圧のようなプラズマドーピングパラメータと組み合わせて選択する。
【００３０】
図３は、ドーパント−ハロゲン及びドーパント−水素の結合の結合エンタルピー値の表３００を示す。結合エンタルピーは、１モルの結合が壊れる際のエンタルピー変化である。表３００の結合エンタルピー値は、kj/モル単位の特定の結合の結合解離エンタルピーの平均値である。
【００３１】
表３００は、ドーパント−ヨウ素の結合エンタルピー値がドーパント−フッ素及びドーパント−水素の結合エンタルピー値より顕著に低いことを示す。顕著に低いドーパント−ヨウ素の結合エンタルピー値は、ドーパント−ヨウ素の結合の力が比較的弱いことをもたらすヨウ素の比較的低い反応度による。比較的低いドーパント−ヨウ素の結合エンタルピー値は、ヨウ化物注入プリカーサー（precursors）を有するドーパントガスが、フッ素及び水素注入プリカーサー（precursors）を有するドーパントガスと比較して、プラズマ内でもっと現実に解離することを示す。従って、ヨウ化物注入プリカーサ（precursors）を有するドーパントガスを用いる場合、より高濃度の置換されないB＋、P＋、As＋及びGe＋イオンが基板へより深く注入される。
【００３２】
BIXドーパントガスを用いる際のBIX＋のような望ましくないヨウ素置換種がプラズマチャンバー内で生成される。しかしながら、これらのヨウ素置換種は、比較的高質量のため、比較的小さい投影飛程で基板内に注入される。本発明の一実施形態では、酸化揮散ステップのようなその後の処理ステップの間に除去することができる酸化層のような表面層のみにヨウ素置換種を注入するように、イオン注入のエネルギーを調整する。
【００３３】
図４は、BI３P型ドーパントガス原料を用いて生成したイオンに対する、シミュレートしたイオンのシリコンへの投影飛程の表４００を示す。シミュレートしたイオンの投影飛程をオングストロームで表わす。BI３P型ドーパントガス原料は、プラズマチャンバー内でBI＋、BI２＋及びBI３＋イオンにイオン化する。０．５keVから１０keVまでにわたるイオン注入エネルギーでのホウ素イオンB＋並びにヨウ化ホウ素化合物イオンBI＋、BI２＋及びBI３＋に対してデータを示す。シミュレーションは、産業界で周知のシミュレーションプログラムであるTRIMを用いて行った。
【００３４】
表４００は、ヨウ化ホウ素化合物イオンBI＋、BI２＋及びBI３＋が、ホウ素イオンの投影飛程よりもっと小さい投影飛程でシリコン表面に注入されることを示す。例えば、５keVのイオン注入エネルギーでは、ホウ素イオンは２１２オングストロームの投影飛程に注入されるのに対し、ヨウ化ホウ素化合物イオンBI＋、BI２＋及びBI３＋は、それぞれ、２９オングストローム、１９オングストローム及び１５オングストロームの投影飛程に注入される。従って、最も深く入り込むヨウ化ホウ素化合物イオンであるBI＋イオンは、ホウ素イオンの投影飛程の１４％より小さい。
【００３５】
従って、結果として生じるドーパントプロファイルは、ほぼホウ素イオンにより決定され、希釈フラグメントイオン又はドーパント原料ガスのフラグメントイオンから形成される望ましくないイオン種により、顕著な程度に決定されることはない。特に、ヨウ化ホウ素化合物イオンBI＋、BI２＋及びBI３＋は、基板の表面に非常に近いドーパントプロファイルに寄与するのみである。本発明のいくつかの実施形態では、これらのヨウ化ホウ素化合物イオンを捕捉するために、酸化物又は窒化物層のような表面層をプラズマドーピングの前に堆積させることができる。その後の処理ステップで、表面層を除去することができる。従って、ホウ素イオンの注入エネルギーにより、そのようなイオン注入のための接合深さを完全に制御する。
【００３６】
図５は、本発明によりプラズマドーピングを行うことができるプラズマドーピングシステム５００を例示する。プラズマドーピングシステム５００はプラズマ源５０１を含む。類似のプラズマドーピングシステムは、発明の名称「導電性トップセクションを有する無線周波数プラズマ源（RF Plasma Source with Conductive Top Section）」の２００４年１２月２０日に出願され、現在の譲受人に譲渡された、米国特許出願番号１０／９０５，１７２号に記載されている。米国特許出願番号１０／９０５，１７２号の全明細書は、参照することにより本明細書に組み込まれる。プラズマドーピングシステム５００内に示すプラズマ源５０１は、高度に均一なイオン束を与えることができ、二次電子放射により生成する熱も効率的に放散することができるため、プラズマドーピングの適用に良く適合している。
【００３７】
プラズマドーピングシステム５００は、外部ガス源５０４により供給されるドーパントガス原料を含むプラズマチャンバー５０２を有し、外部ガス源５０４を比例弁５０６を介してプラズマチャンバー５０２に連結する。プラズマチャンバー５０２内の排気口５１０をプラズマチャンバー５０２からガスを抜く真空ポンプ５１２に連結する。排気弁５１４は排気口５１０を介して排気コンダクタンスを制御する。ガス圧コントローラー５１６を、比例弁５０６、圧力計５０８及び排気弁５１４に電気的に接続する。ガス圧コントローラー５１６は、圧力計５０８に応答するフィードバックループで排気コンダクタンス及びプロセスガス流速を制御することにより、プラズマチャンバー５０２内の所望の圧力を維持する。排気コンダクタンスを排気弁５１４を用いて制御する。プロセスガス流速を比例弁５０６を用いて制御する。
【００３８】
プラズマチャンバー５０２は、概して水平方向に延びる誘電材料から形成される第１のセクション５２０を含むチャンバートップ５１８を有する。チャンバートップ５１８の第２のセクション５２２は、第１のセクション５２０から概して垂直方向に高さを延ばす誘電材料から形成される。第１及び第２のセクション５２０、５２２を、本明細書において、一般的に、時々、誘電体窓と呼ぶ。チャンバートップ５１８の蓋５２４は、第２のセクション５２２にわたって水平方向に長さを延ばす導電材料から形成される。いくつかの動作モードでは、図５に示すように、蓋５２４は高周波接地（RF ground）及び直流接地（DC ground）される。
【００３９】
無線周波数アンテナを、チャンバートップ５１８の第１のセクション５２０及び第２のセクション５２２の内の少なくとも１つに近接して位置付ける。図５のプラズマ源５０１は、互いに電気的に絶縁される２つの離れた無線周波数アンテナを例示する。しかしながら、他の実施形態では、２つの離れた無線周波数アンテナを電気的に接続する。図５に示す実施形態では、複数の巻数を有する平面コイル無線周波数アンテナ５２６（時々、平面アンテナ又は水平アンテナと呼ばれる）を、チャンバートップ５１８の第１のセクション５２０に隣接して位置付ける。さらに、複数の巻数を有するヘリカルコイル無線周波数アンテナ５２８（時々、ヘリカルアンテナ又は垂直アンテナと呼ばれる）は、チャンバートップ５１８の第２のセクション５２２を包囲する。
【００４０】
無線周波数電源のような無線周波数源５３０を、平面コイル無線周波数アンテナ５２６及びヘリカルコイル無線周波数アンテナ５２６の内の少なくとも１つに電気的に接続する。多くの実施形態で、無線周波数源５３０から無線周波数アンテナ５２６、５２８へ送られる電力を最大化するために、無線周波数源５３０の出力インピーダンスと無線周波数アンテナ５２６、５２８のインピーダンスを整合させるインピーダンス整合回路網５３２により、無線周波数源５３０を無線周波数アンテナ５２６、５２８に連結する。インピーダンス整合回路網５３２の出力から平面コイル無線周波数アンテナ５２６及びヘリカルコイル無線周波数アンテナ５２６への破線は、インピーダンス整合回路網５３２の出力から平面コイル無線周波数アンテナ５２６及びヘリカルコイル無線周波数アンテナ５２６のいずれか又は両方への電気的接続をすることができることを示す。
【００４１】
プラテン５４４を、プロセスチャンバー内で、プラズマ源５０１のトップセクション５１８からある高さの下に位置付ける。プラテン５４４はプラズマドーピングのための基板５４６を保持する。基板５４６をプラテン５４４に電気的に接続する。バイアス電圧電源５４８をプラテン５４４に電気的に接続する。プラテン５４４を温度制御する。プラズマ内のドーパントイオンをプラズマから取り出し基板５４６に衝突させるように、バイアス電圧電源５４８を用いてプラテン５４４及び基板５４６にバイアスをかける。バイアス電圧電源５４８を、直流電源、パルス電源又は無線周波数電源にすることができる。バイアス電圧電源５４８はプラズマドーピングのために基板５４６にバイアスをかける。
【００４２】
図６は、BI３ドーパントガス原料を用いて、０．５keVのイオン注入エネルギーに対してシミュレートした、シリコン基板内の深さの関数としてのホウ素の濃度のプラズマドーパントプロファイル６００を示す。プラズマドーパントプロファイル６００は、本発明の方法を用いて、超短接合を非常に精密に注入することができることを示す。図６のプロファイル６００及び図４の表４００を共に参照するに、０．５keVのエネルギーでドーパントガス原料としてBI３を用いて、ホウ素イオンをシリコンに注入することにより、ホウ素イオンが３４オングストロームの投影飛程に注入される結果となる。
【００４３】
対照的に、ヨウ化ホウ素化合物イオンBI＋、BI２＋及びBI３＋は、それぞれ、非常に浅い注入である、７オングストローム、５オングストローム及び４オングストロームの投影飛程に注入される。シリコン基板の表面は、典型的に、７オングストロームの厚さより大きい二酸化シリコン層又は他の表面層を有する。従って、Ｐ型ドーパントガス原料としてBI３を用いて、ホウ素の超短接合をシリコンに注入することにより、ほぼホウ素原子のみにより形成される接合を生じる。
【００４４】
本発明によるプラズマドーピング方法を、従来のビームラインイオン注入と共に用いることができることを、当業者は理解する。例えば、従来のビームラインイオン注入において、ドーパントガス原料BI３を用いることにより、ホウ素の超短接合を達成することができる。ほとんどBI＋又はBI２＋を生成するために、従来のイオン源を最適化することができる。それから、イオン源からイオンビームを取り出すことができ、基板の表面に向けることができる。ビームライン技術でＰ型ドーパントとしてBI＋又はBI２＋を用いることにより、ドリフトモードでさえ高電流を維持しながら非常に浅い接合を提供することができる。さらに、従来のビームラインイオン注入システムを用いることにより、顕著なエネルギー汚染をせずに、イオン注入の高スループット率も提供する。
【００４５】
均等物
様々な実施形態及び実施例と関連して本教示を説明したが、本教示をそのような実施形態に限定することを意図するものではない。それとは逆に、当業者により理解されるように、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、つくることのできる、様々な代替、変更及び均等を本教示は含む。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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