(57)【要約】【課題】試料表面に導入される不純物濃度の均一性に優れたプラズマドーピング方法や、従来よりも早い処理速度を実現できるプラズマドーピング方法及び装置を提供する。【解決手段】真空容器１内に、ガス供給源２から所定の原料ガスを加熱または電磁波照射で分解させた後、真空容器１内に導入する。導入された分解ガスは、排気装置としてのターボ分子ポンプ及びドライポンプ４により排気し、圧力調整装置３により真空容器１内を所定の圧力に保つ。高周波電源５によりの高周波電力を試料電極６に対向した誘電体窓８の近傍に設けられたコイル７に供給することにより、真空容器１内に誘導結合型プラズマを発生させる。試料電極１１に高周波電力を印加し、試料としての基板（１２）の電位を制御して基板にプラズマドーピング処理を行う。原料ガスを分解した状態で真空容器１に導入することにより、プラズマ密度分布が不均一な場合でも、試料上に均一にラジカルやイオンを導入でき試料の均一性を向上させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内の試料台に被処理基板を載置して、前記被処理基板に不純物を導入して不純物導入層を形成するプラズマドーピング方法であって、
前記不純物を含む原料ガスの結合エネルギーよりも大きなエネルギーを照射することによって、前記原料ガスを分解し、分解ガスを生成する工程（ａ）と、
前記分解ガスを含むプラズマを前記真空容器内に発生させるとともに、前記試料台からなる電極に電力を供給することにより、前記被処理基板に前記不純物を導入して前記不純物導入層を形成する工程（ｂ）と、
を有するプラズマドーピング方法。
【請求項２】
前記工程（ａ）は、加熱または電磁波照射の少なくとも一方を用いて前記原料ガスにエネルギーを照射する工程である請求項１記載のプラズマドーピング方法。
【請求項３】
前記工程（ｂ）は、前記工程（ａ）で生成された前記分解ガスを前記真空容器内に供給することで、実行される請求項１記載のプラズマドーピング方法。
【請求項４】
前記工程（ａ）と前記工程（ｂ）とを同時に行う請求項１記載のプラズマドーピング方法。
【請求項５】
前記電磁波は、１００nm以上且つ３６０ｎｍ以下の波長を有する光であることを特徴とする請求項２記載のプラズマドーピング方法。
【請求項６】
前記工程（ａ）は、前記原料ガスを１００℃以上で且つ６００℃以下に加熱する工程を含む請求項１記載のプラズマドーピング方法。
【請求項７】
前記工程（ａ）は、前記原料ガスを前記真空容器に供給するに先立ち、前記電磁波を前記原料ガスに、照射する工程を含む請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のプラズマドーピング方法。
【請求項８】
前記工程（ａ）は、前記電磁波を、前記真空容器内に照射する請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のプラズマドーピング方法。
【請求項９】
希ガスで希釈した前記原料ガスの濃度が０．００１％以上で且つ１％以下であることを特徴とする請求項１記載のプラズマドーピング方法。
【請求項１０】
希ガスで希釈した前記原料ガスの濃度が０．００１％以上で且つ０.１％以下である請求項１記載のプラズマドーピング方法。
【請求項１１】
前記不純物となる原料ガスとしてＢｘＨｙ（ｘ、ｙは自然数）で構成される原料ガスを使用した請求項１乃至１０のいずれかに記載のプラズマドーピング方法。
【請求項１２】
前記不純物となる原料ガスとしてＰｘＨｙ（ｘ、ｙは自然数）で構成される原料ガスを使用した請求項１乃至１０のいずれかに記載のプラズマドーピング方法。
【請求項１３】
前記不純物として砒素、リン、ボロンのいずれかを含むことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のプラズマドーピング方法。
【請求項１４】
前記被処理基板がシリコンからなる半導体基板である請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載のプラズマドーピング方法。
【請求項１５】
真空容器と、真空容器内に不純物を含む原料ガスを供給するガス供給装置と、前記原料ガスを分解するガス分解装置と、真空容器内を排気する排気装置と、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、前記ガス分解装置によって分解された原料ガスをプラズマ化するプラズマ生成装置とを備え、
被処理基板に前記不純物を導入して不純物導入層を形成するプラズマドーピング装置。
【請求項１６】
前記ガス分解装置は、前記真空容器内で、加熱または電磁波照射の少なくとも一方を用いて前記原料ガスにエネルギーを照射する装置である請求項１５記載のプラズマドーピング装置。
【請求項１７】
前記ガス分解装置は、前記原料ガスにエネルギーを照射するガス分解部を具備し、前記原料ガスを分解した分解ガスを前記ガス供給装置から前記前記真空容器へ供給する請求項１５または１６に記載のプラズマドーピング装置。
【請求項１８】
前記ガス分解装置は、前記ガス供給装置によって前記真空容器内に供給するまでの間で、前記原料ガスが通る部分で加熱を行う分解通路部を備えた請求項１６または１７に記載のプラズマドーピング装置。
【請求項１９】
前記ガス分解部は、前記ガス供給装置によって前記真空容器内に供給するまでの間で、前記原料ガスが通る部分を１００℃以上６００℃以下に加熱する加熱源を備えた加熱部である請求項１７に記載のプラズマドーピング装置。
【請求項２０】
前記ガス分解部は、前記ガス供給装置のガス供給部から前記真空容器までの間で、前記原料ガスが通過する部分に１００nm以上且つ３６０ｎｍ以下の波長の光を照射する紫外線レーザもしくは紫外線ランプである請求項１７に記載のプラズマドーピング装置。
【請求項２１】
前記ガス分解部は、前記真空容器の前記ガス供給装置の原料ガス導入口上に配設された紫外線レーザもしくは紫外線ランプである請求項１７記載のプラズマドーピング装置。
【請求項２２】
前記ガス分解部は、紫外線レーザもしくは紫外線ランプと、前記紫外線レーザもしくは紫外線ランプによる光を、前記真空容器の前記ガス供給装置の原料ガス導入口近傍に集光させる集光装置とを含む請求項１７記載のプラズマドーピング装置。
【請求項２３】
前記ガス供給装置は、前記被処理基板と対向するように配設され、前記ガス分解装置で分解された原料ガスを前記真空容器内に供給するガス吹き出し穴を具備し、前記ガス吹き出し穴と前記被処理基板との間隔を１ｃｍ以上で且つ１０ｃｍ以下にした請求項１６記載のプラズマドーピング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、試料に不純物をドーピングするプラズマ処理方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
不純物を固体試料の表面に導入する技術として、不純物をイオン及びラジカルにして堆積または、低エネルギーで固体中に導入するプラズマドーピング法が知られている（例えば、特許文献１参照）。図７は、前記特許文献１に記載されたプラズマドーピング法に用いられるプラズマ処理装置の概略構成を示している。このプラズマ処理装置は、図７に示すように、真空容器１内に配設された試料電極１１に、シリコン基板よりなる試料１２を設置し、この真空容器１内に所望の元素を含む原料ガスを供給することにより、真空容器１内でプラズマを生成し、この試料１２に、プラズマドーピングを行うものである。
【０００３】
このプラズマ処理装置では、真空容器１内に所望の元素を含む原料ガス、例えばＢ２Ｈ６が、ガス供給源２から、真空容器１の内部に導入される。真空容器１には、ターボ分子ポンプ及びドライポンプ４が設けられ、真空容器１内は圧力調整装置３によって所定の圧力に保つことができる。高周波電源５から高周波電力は、マッチング回路６を介し、コイル７に導入する。コイル７に導入された高周波電力は、誘電体窓としての石英天板８を介して、真空容器１内に電磁波を導入し、誘導結合型プラズマを生成する。試料電極１１には、マッチング回路１０を介して高周波電源９が接続され、試料１２の電位が制御できるようになっている。
【０００４】
このような構成のプラズマ処理装置において、ガス導入口１３から導入された原料ガス、例えばＢ２ Ｈ６は、コイル７から成るプラズマ発生手段によってプラズマ化されるが、このときプラズマによって、原料ガスが分解され、ボロン（B）イオン、ボロン（B）ラジカルなどが生成される。このＢイオンが高周波電源９によって試料１２の表面に導入される。なお、試料１２や壁などと反応しなかった残りのガスは、ターボ分子ポンプ及びドライポンプ４で排気される。
【０００５】
このようにして試料１２としてのシリコン基板（被処理基板１２）表面に薄い酸化膜を形成し、その後、ＣＶＤ装置等により被処理基板上にゲート電極を形成する。こののち、このゲート電極をマスクとして、前述したようにプラズマドーピング方法によって不純物を導入する。このように、不純物の導入によって、例えばソースドレイン領域の形成された被処理基板に金属配線層を形成し、ＭＯＳトランジスタが得られる。
【０００６】
プラズマドーピング処理の面内分布の制御にとって、原料ガスの供給方法は重要である。また、プラズマドーピングに限らず、他のプラズマ処理においても、処理の面内分布の制御にとって、ガスの供給方法は重要である。このため、これまでにも様々な工夫がなされてきた。
【０００７】
一般的なプラズマ処理装置の分野では、試料に対向して複数のガス吹き出し口を設けた、誘導結合型プラズマ処理装置が開発されている（例えば、特許文献２参照）。図８は、前記特許文献２に記載されたドライエッチング装置の概略構成を示している。図８において、真空容器１の上壁が誘電体から成る上側と下側の第１と第２の天板８１、８２にて構成され、かつ第１の天板８１上に多重のコイル７が配設されて高周波電源５に接続されている。また、ガス導入経路２１から第１の天板８１に向けてプロセスガスを供給するように構成されている。第１の天板８１には、ガス導入経路２１に連通するように、内部の１点を通過点とする又は複数の空洞から成るガス主通路２２が形成され、かつこのガス主通路２２に第２の天板８２の底面から到達するようにガス吹き出し穴２３が形成されている。第２の天板８２にはガス吹き出し穴２３と同じ位置にガス吹き出し用の貫通穴２４が形成されている。真空容器１はターボ分子ポンプ及びドライポンプ４にて排気され、真空容器１内の下部には基板ステージ１１が配設され、その上に被処理体である試料１２を保持するように構成されている。
【０００８】
この構成において、試料１２の処理時には、基板ステージ１１上に試料１２を載置し、排気経路４から真空排気する。真空排気後は、ガス導入経路２１からプラズマ処理に必要なプロセスガスを導入する。プロセスガスは、第１の天板８１に設けたガス主経路６２を通って第１の天板８１内で均等に拡がり、ガス吹き出し穴２３を通って第１及び第２の天板８１、８２間の境界面に一様に到達し、第２の天板８２に設けたガス吹き出し用の貫通穴２４を通って試料１２上に均一に分布される。コイル７に高周波電源５から高周波電力を印加することにより、真空容器１内のガスがコイル７から真空容器１内に発せられた電磁波により励起され、第１及び第２の天板８１、８２の下部で生じたプラズマによって真空容器１内の基板ステージ１１上に載置された試料１２が処理される。
【０００９】
【特許文献１】ＷＯ０４／０７５２７４号パンフレット
【特許文献２】特開２００１−１５４９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来の方式（特許文献１に記載のプラズマドーピング装置）では、不純物の導入量（ドーズ量）の試料面内の均一性が悪いという問題があった。ガス吹き出し口１３が非等方的に配置されているため、ガス吹き出し口１３に近い部分ではドーズ量が大きく、逆にガス吹き出し口１３から遠い部分ではドーズ量が小さかった。
【００１１】
そこで、特許文献２に示すようなプラズマ処理装置を用いてプラズマドーピングを試みたが、試料の中心部のドーズ量が大きく、試料の周辺部のドーズ量が小さくなる結果となり、均一性が悪かった。
【００１２】
この原因は、生成したプラズマの試料直上の密度分布が不均一であることと考えられる。プラズマの密度分布は、真空容器中心部が最も高く、周辺部にいくに従い低くなっている。特許文献２のように試料上部から面内均等にＢ２Ｈ６ガスが導入されても、中心部では、プラズマ密度が高いためＢ２Ｈ６ガスの効率よく分解され、試料１２と反応する確率の高いＢラジカルやＢイオンが多く生成され、試料１２との反応が多く試料中心部のドーズ量が大きくなる。周辺部では、プラズマ密度が低いためＢ２Ｈ６ガスの分解が弱く、試料１２と反応する確率の低いＢＨ２ラジカル、ＢＨラジカルやＢＨ２イオン、ＢＨイオンが多く生成され、試料１２との反応が少なくドーズ量が小さくなると考えられる。
【００１３】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、試料表面に導入される不純物濃度の均一性を向上することの可能なプラズマドーピング方法及び装置を提供することを目的とする。
また、処理速度の向上を実現することのできるプラズマドーピング方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、真空容器内の試料台に被処理基板を載置して、前記被処理基板に不純物を導入して不純物導入層を形成するプラズマドーピング方法であって、前記不純物を含む原料ガスの結合エネルギーよりも大きなエネルギーを照射することによって、前記原料ガスを分解し、分解ガスを生成する工程（ａ）と、前記分解ガスを含むプラズマを前記真空容器内に発生させるとともに、前記試料台からなる電極に電力を供給することにより、前記被処理基板に前記不純物を導入して前記不純物導入層を形成する工程（ｂ）と、を有することを特徴とする。
この方法により、原料ガスの分解を促進することができ、プラズマ密度の高い真空容器中心部のみならず周辺部においても原料ガスをより反応性の高いラジカルとして供給することができる。このため、プラズマ密度の高い中心部でも、プラズマ密度の低い周辺部でも原料ガスを完全に分解したラジカルやイオンの状態で試料に導入でき、ドーズ量の面内均一性を高めることができる。このため、プラズマの密度分布に依存することなく、不純物濃度の均一性に優れたプラズマドーピング方法を提供することができる。なお、試料台からなる電極には高周波電力を供給するのが望ましいが、直流のパルス電力であってもよい。なお、原料ガスの分解によって生成される分解ガスには、原料ガスより分子数の小さいガスやラジカル、イオンのほか、分解されなかった原料ガスも含まれる。
【００１５】
また本発明は上記プラズマドーピング方法において、前記工程（ａ）は、加熱または電磁波照射の少なくとも一方を用いて前記原料ガスにエネルギーを照射する工程である。
【００１６】
また本発明は上記プラズマドーピング方法において、前記工程（ｂ）は、前記工程（ａ）で生成された前記分解ガスを前記真空容器内に供給することで、実行される。
【００１７】
また本発明は上記プラズマドーピング方法において、前記工程（ａ）と前記工程（ｂ）とを同時に行うことを特徴とする。
【００１８】
また本発明は上記プラズマドーピング方法において、前記電磁波は、１００nm以上且つ３６０ｎｍ以下の波長を有する光であること特徴とする。
【００１９】
また本発明は上記プラズマドーピング方法において、前記工程（ａ）は、前記原料ガスを１００℃以上で且つ６００℃以下に加熱する工程を含むことを特徴とする。
【００２０】
また本発明は上記プラズマドーピング方法において、前記工程（ａ）は、前記原料ガスを前記真空容器に供給するに先立ち、前記電磁波を前記原料ガスに、照射する工程を含むことを特徴とする。
【００２１】
また本発明は上記プラズマドーピング方法において、前記工程（ａ）は、前記電磁波を、前記真空容器内に照射することを特徴とする。
【００２２】
また本発明は上記プラズマドーピング方法において、希ガスで希釈した前記原料ガスの濃度が０．００１％以上で且つ１％以下であることを特徴とする。
【００２３】
また本発明は上記プラズマドーピング方法において、希ガスで希釈した前記原料ガスの濃度が０．００１％以上で且つ０.１％以下であることを特徴とする。
この方法により、原料ガスを分解してから真空容器内に導入するまでの部分で、生成されたラジカルがガス経路内で堆積することを低減させることができ、原料ガスを効率よくドーピングに使用することできる。
【００２４】
また本発明は上記プラズマドーピング方法において、前記不純物となる原料ガスとしてＢｘＨｙ（ｘ、ｙは自然数）で構成される原料ガスを使用したことを特徴とする。
この方法により、原料ガスの分解を促進することができ、プラズマ密度の高い真空容器中心部のみならず周辺部においても原料ガスであるＢ２Ｈ６ガスをより反応性の高いＢラジカルとして導入することができる。このため、プラズマ密度の高い中心部でも、プラズマ密度の低い周辺部でも原料ガスを完全に分解したＢラジカルやＢイオンの状態で試料に導入することができ、ドーズ量の面内均一性を高めることができる。このため、不純物濃度の均一性に優れたプラズマドーピング方法を提供できる。
【００２５】
また本発明は上記プラズマドーピング方法において、前記不純物となる原料ガスとしてＰｘＨｙ（ｘ、ｙは自然数）で構成される原料ガスを使用したことを特徴とする。
【００２６】
また本発明は上記プラズマドーピング方法において、前記不純物として砒素、リン、ボロンのいずれかを含むことを特徴とする。
【００２７】
また本発明は上記プラズマドーピング方法において、前記被処理基板がシリコンからなる半導体基板であることを特徴とする。
【００２８】
また本発明は、真空容器と、真空容器内に不純物を含む原料ガスを供給するガス供給装置と、前記原料ガスを分解するガス分解装置と、真空容器内を排気する排気装置と、真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、前記ガス分解装置によって分解された原料ガスをプラズマ化するプラズマ生成装置とを備え、被処理基板に前記不純物を導入して不純物導入層を形成することを特徴とする。
この構成により、ガス分解装置によって原料ガスの分解を促進することができ、プラズマ密度の高い真空容器中心部のみならず周辺部においても原料ガスをより反応性の高いラジカルとして原料ガス供給することができる。このため、プラズマ密度の高い中心部でも、プラズマ密度の低い周辺部でも原料ガスを完全に分解したラジカルやイオンの状態で試料に導入でき、ドーズ量の面内均一性を高めることができる。このため、プラズマの密度分布に依存することなく、不純物濃度の均一性に優れたプラズマドーピングを実現することができる。
【００２９】
また本発明は上記プラズマドーピング装置において、前記ガス分解装置は、前記真空容器内で、加熱または電磁波照射の少なくとも一方を用いて前記原料ガスにエネルギーを照射する装置であることを特徴とする。
【００３０】
また本発明は上記プラズマドーピング装置において、前記ガス分解装置は、前記原料ガスにエネルギーを照射するガス分解部を具備し、前記原料ガスを分解した分解ガスを前記ガス供給装置から前記前記真空容器に供給することを特徴とする。
【００３１】
また本発明は上記プラズマドーピング装置において、前記ガス分解装置は、前記ガス供給装置によって前記真空容器内に供給するまでの間で、前記原料ガスが通る部分で加熱を行う分解通路部を備えたことを特徴とする。
【００３２】
また本発明は上記プラズマドーピング装置において、前記ガス分解部は、前記ガス供給装置によって前記真空容器内に供給するまでの間で、前記原料ガスが通る部分を１００℃以上６００℃以下に加熱する加熱源を備えた加熱部であることを特徴とする。
【００３３】
また本発明は上記プラズマドーピング装置において、前記ガス分解部は、前記ガス供給装置のガス供給部から前記真空容器までの間で、前記原料ガスが通る部分に１００nm以上且つ３６０ｎｍ以下の波長の光を照射する紫外線レーザもしくは紫外線ランプを備えたことを特徴とする。
【００３４】
また本発明は上記プラズマドーピング装置において、前記ガス分解部は、前記真空容器の前記ガス供給装置の原料ガス導入口上に配設された紫外線レーザもしくは紫外線ランプを含むことを特徴とする。
この構成により、原料ガスの分解が真空容器導入の直前であり、ガス経路内での堆積を避けることができ、原料ガスを効率よくドーピングに使用することできる。
また、前記真空容器内の原料ガス導入口近傍に紫外線レーザもしくは紫外線ランプによる光を集光させて照射することが望ましい。
この構成により、より効率よく分解ガスを真空容器に導入することができる。
【００３５】
また本発明は上記プラズマドーピング装置において、前記ガス分解部は、紫外線レーザもしくは紫外線ランプと、前記紫外線レーザもしくは紫外線ランプによる光を、前記真空容器の前記ガス供給装置の原料ガス導入口近傍に集光させる集光装置とを含むことを特徴とする。
【００３６】
また本発明は上記プラズマドーピング装置において、前記ガス供給装置は、前記被処理基板と対向するように配設され、前記分解装置で分解された原料ガスを前記真空容器内に供給するガス吹き出し穴を具備し、前記ガス吹き出し穴と前記被処理基板との間隔を１ｃｍ以上で且つ１０ｃｍ以下にしたことを特徴とする。
この構成により、原料ガスを効率よくプロセスに使用することできるため、優れた面内均一性を保ったまま処理速度を向上させることができるプラズマドーピング装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１のプラズマドーピング方法について、図１及び図２を参照して説明する。
この方法では、原料ガスを前記真空容器に供給するに先立ち、電磁波照射により、前記原料ガスの結合エネルギーよりも大きなエネルギーを照射することによって、不純物を含む原料ガスを分解し、分解された原料ガス（分解ガス）を加熱用ヒータで加熱しながら搬送し、真空容器内でプラズマ化し、分解ガスを含むプラズマを前記真空容器内に発生させるとともに、試料台からなる電極に電力を供給することにより、被処理基板に不純物を導入して不純物導入層を形成するものである。
【００３８】
図１に、本発明の実施の形態１において用いられるプラズマドーピング装置の断面図を示す。この装置では、図1に示すように、ガス分解装置として、原料ガスを真空容器１内に供給するまでの間で、原料ガスが通る部分すなわちガス導入経路２１でガス分解部としての紫外線照射を行う紫外線照射装置１５と分解通路部としての加熱用ヒータ１４によって原料ガスを分解し、分解された原料ガス（分解ガス）を真空容器１に供給するようにしたことを特徴とする。
【００３９】
すなわちこのプラズマドーピング装置では、真空容器１内に、ガス供給装置の一部としてのガス供給源２から所定のガスを導入し、排気装置としてのターボ分子ポンプ及びドライポンプ４により排気を行い、圧力制御装置としての圧力調整装置３の調圧弁により真空容器１内を所定の圧力に保つことができる。高周波電源５により１３．５６ＭＨｚの高周波電力を、マッチング回路６を介してコイル７に供給する。これにより、誘電体窓としての第１及び第２の天板８１、８２を介して、真空容器１内に電磁波を導入し、真空容器１内に誘導結合型プラズマを発生させることができる。試料電極１１上に、試料１２としてのシリコン基板を載置する。また、試料電極１１に高周波電力を供給するための高周波電源９が設けられており、これは、試料１２としての基板がプラズマに対して負の電位をもつように、試料電極１１の電位を制御する電圧源として機能する。高周波電源５、マッチング回路６、コイル７、試料電極１１及び高周波電源９によりプラズマ生成装置が構成されている。このようにして、プラズマ中で生成されたイオンを基板の表面に向かって加速させ、表面を処理することができる。ガスとしてジボランやホスフィンを含むガスを用いることにより、プラズマドーピング処理を行うことが可能である。
【００４０】
図２に誘電体窓の石英天板の構成を示す断面図及び上面図を示す。ここで、石英天板は、ガス分解装置の一部を構成している。図１に示されたガス供給源２から供給された原料ガスは、ガス導入経路２１から第１及び第２の天板８１、８２に導入され、石英天板中の分解通路部としてのガス主通路２２を通る。ガス主通路２２は、第１及び第２の天板８１、８２の中心から等間隔で放射状に設けられ、かつ等間隔で設けられたガス噴射部２３に開口するように形成されている。そしてこのガス主通路２２に導入されたガスは、石英天板上に設置されたガス分解装置の一部としての加熱用ヒータ１４で加熱されるように構成されている。この熱によりガス導入通路２１ならびにガス主通路２２内の原料ガスを、熱分解し、分子数の少ないラジカル(たとえば、ＢＨラジカルなど)などの反応しやすい状態に変化させる。さらに、第１の天板８１上部に設置したガス分解装置の一部としての紫外線照射装置１５により、ガス導入通路２１ならびにガス主通路２２内の原料ガスに、電磁波としての紫外線を照射し、光のエネルギーにより原料ガスを分解し、分子状・原子状ラジカルなどの反応性の高い状態に変化させる。原料ガスの分解によって生成されたラジカルを含む分解ガスは、ガス吹き出し穴２３から真空容器１に導入される。導入されたラジカルは、プラズマにてさらに分解、励起され、さらに反応性の高い原子状のイオンやラジカルになり、基板（試料１２）に到達する。そして真空容器の内壁には、インナーチャンバ１Ｓが設けてあり、メンテナンスしやすいような構成になっている。原料ガスの分解によって生成される分解ガスには、原料ガスより分子数の小さいガスやラジカル、イオンのほか、分解されなかった原料ガスも含まれる。
【００４１】
プラズマドーピング処理を行う場合、ガス供給源２内に設けられている流量制御装置（マスフローコントローラ）により、不純物の原料ガスを含むガスの流量を所定の値に制御する。一般的には、不純物原料ガスをヘリウムで希釈したガス、例えば、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）をヘリウム（Ｈｅ）で０．０５％に希釈したガスを不純物原料ガスとして用い、マスフローコントローラで流量制御する。
【００４２】
このように本発明では、Ｈｅで低濃度に希釈することにより、ガス導入路２１及びガス主経路２２内で分解された原料ガスがガス経路内で堆積するのを抑制するという利点もある。
【００４３】
また本発明では、ガス導入経路２１を介してガス主経路２２に導き、第１の天板８１上に設置した加熱用ヒータ１４により第１の天板８１全体を加熱し、ガス導入路２１及びガス主経路２２内のＢ２Ｈ６ガスを分解させる。さらにまたこの加熱用ヒータ１４は、分解された原料ガスがガス導入路２１及びガス主経路２２内壁での堆積を抑制し、均一な不純物濃度のガス供給を実現するという効果もある。
【００４４】
なお、本実施の形態では、Ｈｅガスで希釈したＢ２Ｈ６ガスの濃度を０．０５％としたが、０．００１％以上で且つ１％以下、特に望ましくは０．００１％以上で且つ０.１％以下である。上記構成とすることにより、原料ガスを分解してから真空容器内に導入するまでの部分で、生成されたラジカルがガス経路内で堆積することを低減させることができ、原料ガスを効率よくドーピングに使用することできる。
【００４５】
なお、Ｂ２Ｈ６ガスの活性化エネルギーは、約２５ｋｃａｌ／ｍｏｌであり、室温でもゆっくりガスの分解が始まるが、より効率良いガスの分解を促すため、１００℃以上で且つ６００℃以下に加熱させることが望ましい。
【００４６】
さらにガス主経路２２上に設置した紫外線照射装置１５により紫外線をＢ２Ｈ６ガスに照射しＢ２Ｈ６ガスを分解させる。Ｂ−Ｈの結合は、約３．４ｅＶであり、これは波長３６０ｎｍの紫外線により分解可能なエネルギーである。このため、ガスを分解する為の紫外線照射装置１５は、１００ｎｍ以上３６０ｎｍ以下の波長を有する光を照射するものであることが望ましい。このように紫外線照射を行うことによって原料ガスであるＢ２Ｈ６の分解を行うことで、真空容器１に導入する直前に、Ｂ２Ｈ６ガスをより反応性の高いＢラジカルとして分解してから導入することが可能となる。なお、高エネルギーの電磁波照射を行うためには短波長であることが望ましいが、１００ｎｍ以下となると大気中の酸素や石英天板・窓などで遮断されてしまうことになるため、１００ｎｍ以上であることが望ましい。
【００４７】
原料ガスを分解するのに照射する電磁波としては、上記の他、波長が１７２ｎｍのＸｅ２エキシマランプなどの紫外線ランプや紫外線レーザ、また、紫外線以外にもマイクロ波などを用いてもよい。真空容器１内に分解したラジカルやガスを導入し、圧力を０．７Ｐａに保ちながらコイル７に高周波電力を２０００Ｗ印加することで、プラズマを生成する。
【００４８】
この生成されたプラズマによって、分解された原料ガスはさらに分解せしめられると共に励起され、基板（試料１２）表面に到達するときには、完全に分解されたＢラジカルやＢイオンなどが支配的である非常に反応性の高い状態となる。プラズマ中では原子状ラジカル（たとえばＢラジカル）や原子状イオン（例えばＢイオン）が支配的となり、分子状ラジカル（たとえばＢＨやＢＨ２ラジカルなど）、分子状イオン（たとえばＢＨやＢＨ２イオンなど）がほとんど存在しないため、ラジカルやイオン分布も均一となる。
【００４９】
また、イオンを基板（試料１２）の表面に向かって加速させるため、試料台１１にマッチング回路を介して接続された高周波電源９により、バイアス電力を１５０Ｗ印加し、プラズマ照射時間を５秒から１２０秒でドーピングを実施した。ここで、上記で説明したプロセスフローと原料ガスの分解状態を図３に示す。
【００５０】
本実施の形態のプラズマドーピング方法を用いて、ガス供給を行うことにより、原料ガス分解装置を用いない、従来のプラズマドーピング方法と比べ、基板に供給されるラジカルやイオンが単一種になることにより、基板表面でのラジカルやイオンの反応も基板面内で均等に起こり、不純物濃度の均一性に優れたプラズマドーピング方法を実現することができる。
【００５１】
また、原料ガスが分解されたラジカル状態で供給できるためプラズマでの分解工程が少なく、ラジカルなど面内均一に拡散する距離が短くても基板面内を均一にすることができる。そのため、ガス吹き出し穴２３の配置を考慮すれば、ガス吹き出し穴２３と試料１２との間隔を１０ｃｍ以内にしても、試料中心部でも周辺部でも完全に原料ガスが分解した状態で試料に到達するため、基板面内で均一にラジカル、イオンを供給することができ、処理速度を従来のプラズマドーピング方法の２倍以上とすることができる。
【００５２】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図４を参照して説明する。
図４に、本発明の実施の形態２において用いたプラズマドーピング装置の断面図を示す。本実施の形態では、真空容器の外に、原料ガスを分解するガス分解部としての前加熱用ヒータ３４を配したことを特徴とする。すなわち、ガス供給源２から真空容器1の内壁に到達する前、すなわちガス供給部の前方に、ガス供給部に導入される前の原料ガスを加熱して分解するガス分解装置の一部として、加熱源を備えた加熱部の前加熱用ヒータ３４を配置したことを特徴とする。他の構成については、紫外線照射装置１５が設置されていないことを除いて、既に説明した実施の形態１において用いたプラズマ処理装置と同様であるので、ここでは説明を省略する。但し、実施の形態１において用いたプラズマ処理装置と同様に、紫外線照射装置１５を設けてもよい。
【００５３】
プラズマドーピング処理を行う場合、ガス供給源２内に設けられている流量制御装置（マスフローコントローラ）により、不純物の原料ガスを含むガスの流量を所定の値に制御する。一般的には、不純物原料ガスをヘリウムで希釈したガス、例えば、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）をヘリウム（Ｈｅ）で０．０５％に希釈したガスを不純物原料ガスとして用い、これをマスフローコントローラで流量制御する。
【００５４】
本実施の形態では、ガス導入経路２１を介してガス主経路２２に導く際、ニクロム線コイルで構成された前加熱用ヒータ３４で配管を３００℃で加熱して、原料ガスを分解させてから、ガス主経路２２に導入する。そしてさらに第１の天板８１上に設置した加熱用ヒータ１４により第１の天板８１全体が加熱され、この分解されて供給された原料ガスは、ガス導入路２１及びガス主経路２２内で分解が促進され、より小さい分子、原子となる。このようにして、真空容器１に導入する直前には、Ｂ２Ｈ６ガスを、より反応性の高い分子数の少ないラジカル(たとえば、ＢＨラジカルなど)に分解してから導入することが可能となる。
【００５５】
真空容器１内に分解したラジカルやガスを導入し、圧力を０．７Ｐａに保ちながらコイル７に高周波電力を２０００Ｗ印加することで、プラズマを生成する。この生成されたプラズマによって、分解ガスはさらに分解、励起され、基板（試料１２）表面に到達するときには、すべての原料ガスが、完全に分解されたＢラジカルやＢイオンなどの非常に反応性の高い状態となる。プラズマ中では原子状ラジカル（たとえばＢラジカル）や原子状イオン（例えばＢイオン）が支配的となり、分子状ラジカル（たとえばＢＨやＢＨ２ラジカルなど）、分子状イオン（たとえばＢＨやＢＨ２イオンなど）がほとんど存在しないため、ラジカルやイオン分布が均一となる。また、イオンを基板１２の表面に向かって加速させるため、バイアス電力を１５０Ｗ印加し、プラズマ照射時間を５秒から１２０秒で実施の形態１と同様の方法によってドーピングを実施した。
【００５６】
このように、ガス供給部の上流部で、前加熱用ヒータによって原料ガスを一旦分解して、この分解ガスをガス供給部でさらに加熱用ヒータで分解して、プラズマ化するようにしているため、より均一なプラズマ分布を得る事が可能となる。
すなわち、この分解ガスを供給することにより、さらに原料ガスの分解を確実にすることができるため、従来のプラズマドーピング方法と比べ、基板（試料１２）に供給されるラジカルやイオンが単一種になることにより、基板表面でのラジカルやイオンの反応も基板面内で均等に起こり、不純物濃度の均一性に優れたプラズマドーピング方法を実現できる。
【００５７】
なお、前加熱用ヒータ３４は、加熱用ヒータ１４に比べて、より大きなエネルギー照射を行うようにしてもよく、これにより、周辺環境に大きな影響を与えることなく、より確実な原料ガスの分解を行うことができる。そして、加熱用ヒータ１４は、ガス主経路２２の近傍に配されるため、試料に影響を与える影響を少なくするように、前加熱用ヒータよりも低温となるような処理条件を選ぶようにしてもよい。この加熱用ヒータ１４による加熱処理は、１００℃以上で且つ６００℃以下の範囲で適宜選択するようにすればよい。
【００５８】
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図５を参照して説明する。
図５に、本発明の実施の形態３において用いたプラズマドーピング装置の断面図を示す。前記実施の形態１及び２では、真空容器１の外、すなわち真空容器に原料ガスを供給するに先立ち、エネルギー照射を行い、原料ガスを分解するようにしているが、本実施の形態では、真空容器１すなわちプラズマチャンバー内のプラズマ及び原料ガスに紫外線照射部１５によるエネルギー照射がなされ、原料ガスの分解がなされるようにしたことを特徴とする。すなわち本実施の形態３では、図５に示すようにガス導入通路２１及びガス主通路２２部分、ガス吹き穴２３の近傍部分を避け、紫外線照射部１５を配し、プラズマによるガス分解の弱い部分の真空容器１内にエネルギー照射を行い、原料ガスを分解するようにしたものである。すなわち、プラズマ密度が小さくなりやすい領域である、ガス吹き穴２３間の中間位置に紫外線照射部１５を配し、このプラズマ密度が小さい領域において特にエネルギー照射がなされ原料ガスの分解が助けられるようにしている。これにより、原料ガスの分解される部分が均一になる。実施の形態５において用いたプラズマ処理装置の構成の大半は、既に説明した実施の形態１において用いたプラズマ処理装置と同様であるので、ここでは説明を省略する。なお、ガス種や装置構成においていろいろなガス分布やプラズマ分布を生じることがあるが、その状況に応じて、紫外線照射部を調整することで、不純物プラズマの均一化を図ることが重要である。例えば、ガス吹き穴２３間の中間位置など、原料ガスの分布が小さい領域に、紫外線照射部１５を配し、原料ガスの分布が小さい領域において特にエネルギー照射がなされ原料ガスの分解が助けられるようにしてもよい。また、ガス吹き穴２３の部分を避けて紫外線照射部１５を配することにより、ガス主通路２２内での分解ガスの付着を防止するという効果を奏功する場合もある。
【００５９】
プラズマドーピング処理を行う場合、ガス供給源２内に設けられているマスフローコントローラにより、不純物の原料ガスを含むガスの流量を所定の値に制御する。一般的には、不純物原料ガスをヘリウムで希釈したガス、例えば、Ｂ２Ｈ６をＨｅで０．５％に希釈したガスを不純物原料ガスとして用い、これをマスフローコントローラで流量制御する。そしてこの原料ガスを、ガス導入経路２１を介してガス主経路２２に導入する。このとき、プラズマの均一性を考慮して原料ガスの分解の弱いところ(例えば、ガス吹き穴２３近傍以外の部分)にエネルギー照射を行いつつ、真空容器１内に原料ガスを導入して分解するとともに、真空容器１内では圧力を０．７Ｐａに保ちながらコイル７に高周波電力を２０００Ｗ印加することで、プラズマを生成する。
【００６０】
このとき、原料ガスの分解を促進させるために、石英天板８上に設定した紫外線照射装置１５（紫外線もしくはそれ以下の波長のレーザがのぞましい）により、紫外線が原料ガスに照射される。紫外線によって分解された原料ガスは、プラズマによって、さらに分解、励起され、基板（試料１２）表面に到達するときには、すべての原料ガスが、完全に分解されたＢラジカルやＢイオンなどの非常に反応性の高い状態となる。プラズマ中では原子状ラジカル（たとえばＢラジカル）や原子状イオン（例えばＢイオン）となり、分布も均一となる。また、イオンを基板の表面に向かって加速させるため、バイアス電力を１５０Ｗ印加し、プラズマ照射時間を５秒から１２０秒でドーピングを実施した。
【００６１】
このようにして、プラズマと紫外線で原料ガスの分解が促進され、プラズマの分解の弱い部分では、紫外線によって原料ガスの分解が促進されるため、極めて効率よく、均一なＢラジカルＢイオンを生成し、分布も均一となる。したがって、面内均一性に優れた不純物導入領域を形成することが可能となる。
なお、紫外線照射装置には、所望の領域に光を集光するための集光手段を付加するようにしてもよい。例えば光源である紫外線照射装置１５の近傍に、ガス吹き穴２３間領域に集光するようなレンズなどの集光手段を配設し、原料ガスの供給量の少ない領域で原料ガスの分解を促進するようにしてもよい。
また前記実施の形態では、ガス吹き出し穴近傍を避け紫外線が照射されるように構成したが、必ずしもガス吹き出し穴近傍などガス供給部の間の領域に限定されることなく、試料の上部で紫外線照射がなされるように構成すればよい。
【００６２】
（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４について、図６を参照して説明する。
図６に、本発明の実施の形態４において用いたプラズマドーピング装置の断面図を示す。前記実施の形態３では、試料に対して上部方向からエネルギー照射を行うようにしたが、本実施の形態では、横方向から真空容器内に電磁波を照射しながらプラズマ照射を行うようにしたことを特徴とする。
【００６３】
本実施の形態では、図６に示すように、紫外線照射装置１５が真空容器内のプラズマ生成領域の近傍に配されており、窓１６を介して、真空容器１内部の原料ガスに紫外線照射が可能となるように構成されている。他は、前記実施の形態３のプラズマドーピング装置と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００６４】
プラズマドーピング処理を行う場合、ガス供給源２内に設けられているマスフローコントローラにより、不純物の原料ガスを含むガスの流量を所定の値に制御する。本実施の形態においても、不純物原料ガスをヘリウムで希釈したガス、例えば、Ｂ２Ｈ６をＨｅで０．５％に希釈したガスを不純物原料ガスとして用い、これをマスフローコントローラで流量制御する。そしてガス導入経路２１を介してガス主経路２２を介して、ガス主経路２２に導入することにより、真空容器１内に原料ガスを導入し、圧力を０．７Ｐａに保ちながらコイル７に高周波電力を２０００Ｗ印加することで、プラズマを生成する。
【００６５】
このとき、プラズマ中に供給された原料ガスは、真空容器１の側壁に設定された窓１６の外側に設置された紫外線照射装置１５（紫外線もしくはそれ以下の波長のレーザがのぞましい）により紫外線エネルギーの供給を受けながら、プラズマによる解離と紫外線による解離とを繰り返す。プラズマと紫外線によって、原料ガスは効率よく分解や励起を繰り返し、基板表面に到達するときには、すべての原料ガスが、完全に分解されたＢラジカルやＢイオンなどの非常に反応性の高い状態となる。
【００６６】
このようにして、ガス吹き出し口２３から供給されたＢ２Ｈ６ガスは、プラズマ中で、紫外線エネルギーを供給されながら、原子状ラジカル（たとえばＢラジカル）や原子状イオン（例えばＢイオン）となり、分布も均一となる。また、ここでもイオンを基板１２の表面に向かって加速させるため、バイアス電力を１５０Ｗ印加し、プラズマ照射時間を５秒から１２０秒でドーピングを実施した。
【００６７】
このように横方向から電磁波を導入することで、試料１２には余分のエネルギーを与えることなく、原料ガスだけにエネルギーを与えることができるため、試料１２に与えるダメージが少ないという利点がある。また本実施の形態においては、真空容器１内で原料ガスが分解され、その直後にプラズマ化されるため、極めて効率よく、均一なＢラジカルＢイオンを生成し、分布も均一となる。したがって、面内均一性に優れた不純物導入領域を形成することが可能となる。
なお、前記実施の形態においては、紫外線照射装置１５には、所望の領域に光を集光するための集光手段を付加するようにしてもよい。例えば光源である紫外線照射装置１５の近傍に、ガス吹き穴２３の近傍に集光するようなレンズなどの集光手段を配設し、真空容器1に入ったところで原料ガスの分解を促進するようにしてもよい。このように所望の領域に集光するための集光手段を設けることにより、より原料ガスの分解を効率よく促進することができる。
【００６８】
以上説明してきた本発明の実施の形態においては、本発明の適用範囲のうち、真空容器１の形状、電極の構造及び配置等に関して様々なバリエーションのうちの一部を例示したに過ぎない。本発明の適用にあたり、ここで例示した以外にも様々なバリエーションが考えられることは、いうまでもない。
【００６９】
また、特に、被処理基板（試料１２）がシリコンよりなる半導体基板である場合、不純物として砒素、燐、ボロンなどを用いることで、微細トランジスタの製造に利用することができる。さらにまた、被処理基板の材料によって、アルミニウムまたはアンチモンなども有効である。
【００７０】
さらにまた、ドーピング処理時に真空容器１内に導入されるガスとしてＢ２Ｈ６をＨｅで希釈した混合ガスを用いる場合を例示したが、一般的には、不純物を含むガスを希ガスで希釈した混合ガスを用いることができる。不純物を含むガスとしては、ＢｘＨｙ（ｘ、ｙは自然数）またはＰｘＨｙ（ｘ、ｙは自然数）などを用いることができる。これらのガスは、ＢやＰの他に、不純物として基板に混入しても影響が少ないＨを含むだけであるという利点がある。他のＢを含むガス、例えば、ＢＦ３、ＢＣｌ３、ＢＢｒ３なども用いることは可能である。他のＰを含むガス、例えば、ＰＦ３、ＰＦ５、ＰＣｌ３、ＰＣｌ５、ＰＯＣｌ３なども利用可能である。また、希ガスとしてＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅなどを用いることができるが、Ｈｅが最も適している。何故なら、好ましくない不純物を被処理基板表面に導入することを回避するとともに、ドーズ量の精密な制御と低スパッタ性の両立を図りつつ、再現性に優れたプラズマドーピング方法を実現できるからである。不純物を含むガスを希ガスで希釈した混合ガスを用いることにより、真空容器１内壁に形成されたボロンなどの不純物を含む膜に起因するドーズ量の変化を極めて小さくできるため、ガス噴出の分布を制御することによってドーズ量の分布をより精密に制御でき、ドーズ量の面内均一性の確保が容易となる。Ｈｅの次に好ましい希ガスはＮｅである。ＮｅはＨｅよりも若干スパッタレートが高いという難点があるものの、低圧で放電しやすいという利点がある。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明のプラズマドーピング方法及び装置において、原料ガスを加熱または電磁波照射によって分解し真空容器内に導入することによって、試料表面に導入される不純物濃度の均一性に優れたプラズマドーピング方法及び装置を実現することができる。また、本発明により原料ガス導入部と試料の間隔を狭くしても、面内均一性を維持することができる。そのため、不純物濃度の優れた均一性を維持しながら処理速度を向上させたプラズマドーピング方法及び装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の実施の形態１で用いたプラズマドーピング装置構成を示す断面図
【図２】本発明の実施の形態１における誘電体の構成を示す断面図及び上面図
【図３】本発明の実施の形態１におけるプロセスフローと原料ガスの状態を示す表図
【図４】本発明の実施の形態２で用いたプラズマドーピング装置構成を示す断面図
【図５】本発明の実施の形態３で用いたプラズマドーピング装置構成を示す断面図
【図６】本発明の実施の形態４で用いたプラズマドーピング装置構成を示す断面図
【図７】従来例で用いたプラズマドーピング装置の構成を示す断面図
【図８】従来例で用いたドライエッチング装置の構成を示す断面図
【符号の説明】
【００７３】
１  真空容器
１S  インナーチャンバー
２  ガス供給源
２１  ガス導入経路
２２  ガス主通路
２３  ガス吹き出し穴
３  圧力調整装置
４  ターボ分子ポンプ及びドライポンプ
５  高周波電源
６  マッチング回路
７  コイル
８  石英天板
８１  第１の天板
８２  弟２の天板
９  高周波電源
１０  マッチング回路
１１  試料台
１２  試料
１３  ガス導入口
１４  加熱用ヒータ
１５  紫外線照射装置
１６  窓
３４  前加熱用ヒータ
【図１】
2008159802.tif 000003
【図２】
2008159802.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2008159802.tif 000007
【図６】
2008159802.tif 000008
【図７】
2008159802.tif 000009
【図８】
2008159802.tif 000010