(57)【要約】【課題】ドーピング濃度の制御性、再現性に優れたプラズマドーピング方法及び装置を提供する。【解決手段】真空容器１内にガス供給装置２より所定のガスを導入しつつポンプ３で排気を行い、真空容器１内を所定の圧力に保ちながら、高周波電源５により高周波電力をコイル８に印加すると、真空容器１内にプラズマが発生し、試料電極６上に載置された基板９に対してプラズマドーピングを行うことができる。このとき、試料電極に供給する高周波電力の進行波Ｐｆ及び反射Ｐｒを高速でサンプリングすることにより、制御性、再現性を高める。【選択図】　図１
2004128208.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ発生装置を備えた真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、プラズマ発生装置に高周波電力を供給することにより、真空容器内にプラズマを発生させ、真空容器内の試料電極に高周波電力を供給して、試料電極に載置された試料または試料表面の膜中に不純物を導入するプラズマドーピング方法であって、
プラズマ発生装置または試料電極に供給する高周波電力の進行波をＰｆ、反射波をＰｒとしたとき、Ｐｆ−Ｐｒの値を１ｍｓｅｃ乃至１００ｍｓｅｃ間隔でサンプリングし、Ｐｆ−Ｐｒを時間で積分した値が予め設定した値に達した時点で、高周波電力の供給を停止すること
を特徴とするプラズマドーピング方法。
【請求項２】
プラズマドーピング処理の途中において、プラズマを発生させたままの状態でガス種、ガス流量、圧力、高周波電力の大きさのうち少なくとも一つの制御パラメータを変化させること
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３】
Ｐｆ−Ｐｒの値をサンプリングする間隔が、１ｍｓｅｃ乃至１０ｍｓｅｃ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４】
試料がシリコンよりなる半導体基板であり、不純物が砒素、燐、ボロン、アルミニウムまたはアンチモンであること
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５】
真空容器と、真空容器内にガスを供給するガス供給装置と、真空容器内を排気する排気装置と、真空容器内を所定の圧力に制御する調圧弁と、真空容器内に試料を載置する試料電極と、プラズマ発生装置と、プラズマ発生装置に高周波電力を供給する高周波電源と、試料電極に高周波電力を供給する高周波電源と、プラズマ発生装置または試料電極に供給する高周波電力の進行波をＰｆ、反射波をＰｒとしたとき、Ｐｆ−Ｐｒの値を１ｍｓｅｃ乃至１００ｍｓｅｃ間隔でサンプリングするサンプラーと、Ｐｆ−Ｐｒを時間で積分した値が予め設定した値に達した時点で高周波電力の供給を停止する制御装置とを備えたこと
を特徴とするプラズマドーピング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、不純物を半導体基板等の固体試料の表面に導入するプラズマドーピング方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
不純物を固体試料の表面に導入する技術としては、例えば、特許文献１に示されているように、不純物をイオン化して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。
【０００３】
以下、図５を参照しながら従来の不純物導入方法としてのプラズマドーピング法について説明する。
【０００４】
図５は、従来のプラズマドーピング法に用いられるプラズマドーピング装置の概略構成を示している。図５において、真空容器１内に、シリコン基板よりなる試料９を載置するための試料電極６が設けられている。真空容器１内に所望の元素を含むドーピング原料ガス、例えばＢ２Ｈ６を供給するためのガス供給装置２、真空容器１内の内部を減圧するポンプ３が設けられ、真空容器１内を所定の圧力に保つことができる。マイクロ波導波管１５より、誘電体窓としての石英板７を介して、真空容器１内にマイクロ波が放射される。このマイクロ波と、電磁石１６から形成される直流磁場の相互作用により、真空容器１内に有磁場マイクロ波プラズマ（電子サイクロトロン共鳴プラズマ）１７が形成される。試料電極６には、コンデンサ１８を介して高周波電源１０が接続され、試料電極６の電位が制御できるようになっている。
【０００５】
このような構成のプラズマドーピング装置において、ガス供給装置２から導入されたドーピング原料ガス、例えばＢ２Ｈ６は、マイクロ波導波管１５及び電磁石１６から成るプラズマ発生手段によってプラズマ化され、プラズマ１７中のボロンイオンが高周波電源１０によって試料９の表面に導入される。
【０００６】
このようにして不純物が導入された試料９の上に金属配線層を形成した後、所定の酸化雰囲気の中において金属配線層の上に薄い酸化膜を形成し、その後、ＣＶＤ装置等により試料９上にゲート電極を形成すると、例えばＭＯＳトランジスタが得られる。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許４９１２０６５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の方式では、ドーピング濃度の制御性、再現性が悪いという問題点があった。
【０００９】
マイクロ波や高周波電力を供給すると、高周波電源とプラズマ発生装置または試料電極との間に設けられた整合回路が動作しはじめるが、整合回路が動作して反射波を十分に抑制するまでには、一般に数百ｍｓｅｃ乃至数ｓｅｃを要する。しかも、この時間が処理ごとにばらついてしまうため、所望のドーピング濃度を得るための制御性、再現性が悪かった。
【００１０】
とくに、ドーピング濃度が１×１０１１／ｃｍ２乃至１×１０１５／ｃｍ２である低濃度ドーピングを行う場合は、処理時間が数ｓｅｃ乃至十数ｓｅｃと短いため、反射波のばらつきの影響が大きい。
【００１１】
また、プラズマドーピング処理の途中において、プラズマを発生させたままの状態でガス種、ガス流量、圧力、高周波電力の大きさのうち少なくとも一つの制御パラメータを変化させる場合には、制御パラメータを変化させたタイミングで大きな反射波が生じやすく、そのばらつきも大きいため、ドーピング濃度の制御性、再現性が悪くなる。
【００１２】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、ドーピング濃度の制御性、再現性に優れたプラズマドーピング方法及び装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本願の第１発明のプラズマドーピング方法は、プラズマ発生装置を備えた真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、プラズマ発生装置に高周波電力を供給することにより、真空容器内にプラズマを発生させ、真空容器内の試料電極に高周波電力を供給して、試料電極に載置された試料または試料表面の膜中に不純物を導入するプラズマドーピング方法であって、プラズマ発生装置または試料電極に供給する高周波電力の進行波をＰｆ、反射波をＰｒとしたとき、Ｐｆ−Ｐｒの値を１ｍｓｅｃ乃至１００ｍｓｅｃ間隔でサンプリングし、Ｐｆ−Ｐｒを時間で積分した値が予め設定した値に達した時点で、高周波電力の供給を停止することを特徴とする。
【００１４】
本願の第１発明のプラズマドーピング方法は、プラズマドーピング処理の途中において、プラズマを発生させたままの状態でガス種、ガス流量、圧力、高周波電力の大きさのうち少なくとも一つの制御パラメータを変化させる場合にとくに有効である。
【００１５】
本願の第１発明のプラズマドーピング方法において、好適には、Ｐｆ−Ｐｒの値をサンプリングする間隔が、１ｍｓｅｃ乃至１０ｍｓｅｃであることが望ましい。
【００１６】
本願の第１発明のプラズマドーピング方法は、試料がシリコンよりなる半導体基板であり、不純物が砒素、燐、ボロン、アルミニウムまたはアンチモンである場合にとくに有効である。
【００１７】
本願の第２発明のプラズマドーピング装置は、真空容器と、真空容器内にガスを供給するガス供給装置と、真空容器内を排気する排気装置と、真空容器内を所定の圧力に制御する調圧弁と、真空容器内に試料を載置する試料電極と、プラズマ発生装置と、プラズマ発生装置に高周波電力を供給する高周波電源と、試料電極に高周波電力を供給する高周波電源と、プラズマ発生装置または試料電極に供給する高周波電力の進行波をＰｆ、反射波をＰｒとしたとき、Ｐｆ−Ｐｒの値を１ｍｓｅｃ乃至１００ｍｓｅｃ間隔でサンプリングするサンプラーと、Ｐｆ−Ｐｒを時間で積分した値が予め設定した値に達した時点で高周波電力の供給を停止する制御装置とを備えたことを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施形態について、図１乃至図３を参照して説明する。
【００１９】
図１に、本発明の第１実施形態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。図１において、真空容器１内に、ガス供給装置２から所定のガスを導入しつつ、排気装置としてのターボ分子ポンプ３により排気を行い、調圧弁４により真空容器１内を所定の圧力に保ちながら、高周波電源５により１３．５６ＭＨｚの高周波電力を試料電極６に対向した誘電体窓７の近傍に設けられたプラズマ発生装置としてのコイル８に供給することにより、真空容器１内に誘導結合型プラズマが発生し、試料電極６上に載置された試料としてのシリコン基板９に対してプラズマドーピング処理を行うことができる。また、試料電極６に高周波電力を供給するための高周波電源１０が設けられており、試料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６の電位を制御することができるようになっている。ターボ分子ポンプ３及び排気口１１は、試料電極６の直下に配置されており、また、調圧弁４は、試料電極６の直下で、かつ、ターボ分子ポンプ３の直上に位置する昇降弁である。試料電極６は、４本の支柱１２により、真空容器１に固定されている。なお、誘電体窓７の主成分は石英ガラスである。また、試料電極に供給する高周波電力の進行波をＰｆ、反射波をＰｒとしたとき、Ｐｆ−Ｐｒの値を１ｍｓｅｃ乃至１００ｍｓｅｃ間隔でサンプリングすることができるサンプラー１３と、Ｐｆ−Ｐｒを時間で積分した値が予め設定した値に達した時点で高周波電力の供給を停止することができる制御装置１４が設けられている。
【００２０】
基板９を試料電極６に載置した後、試料電極６の温度を１０℃に保ちつつ、真空容器１内にヘリウムガスを５０ｓｃｃｍ、ドーピング原料ガスとしてのジボラン（Ｂ２Ｈ６）ガスを３ｓｃｃｍ供給し、真空容器１内の圧力を第一の圧力＝２Ｐａに制御しながら、プラズマ源としてのコイル８に高周波電力を１５０Ｗ供給することにより、真空容器１内にプラズマを発生させた。高周波電力の供給を開始してから１．０秒後に、プラズマを発生させたままの状態で、真空容器１内を第一の圧力（２Ｐａ）よりも低い第二の圧力＝１Ｐａにするために調圧弁を制御し、０．８秒後に高周波電力を８００Ｗまで高めるとともに、試料電極に２００Ｗの高周波電力を供給することにより、ボロンを基板９の表面近傍に導入した。この処理のタイムチャートを図２に示す。試料電極に供給する高周波電力の進行波をＰｆ、反射波をＰｒとしたとき、Ｐｆ−Ｐｒの値を８０ｍｓｅｃ間隔でサンプリングし、Ｐｆ−Ｐｒを時間で積分した値が予め設定した値に達した時点で、高周波電力の供給を停止した。すなわち、図２の斜線で示された値が、１４００Ｗ・ｓｅｃとなった時点で、プラズマ発生装置及び試料電極への高周波電力の供給を停止した。
【００２１】
このような処理を１００回連続して行ったところ、ドーピング濃度の平均値は３．５×１０１３ａｔｍ／ｃｍ２であり、そのばらつきは±１．２％であった。
【００２２】
次いで、Ｐｆ−Ｐｒの値をサンプリングする間隔を変化させ、ドーピング濃度のばらつきを調べた。各サンプリング間隔に対して、処理を１００回連続して行った場合のドーピング濃度ばらつきを示すグラフを、図３に示す。サンプリング間隔が１００ｍｓｅｃ以下になると、ばらつきが急激に小さくなり、±１．５％未満にまで低減できることがわかる。また、サンプリング間隔が１０ｍｓｅｃ以下になると、さらにばらつきは小さく、±０．５％未満にまで減少した。
【００２３】
このように、再現性に優れた処理が行えたのは、同一ガス種、同一ガス流量、同一圧力のもとでは、ドーピング濃度が試料電極に印加する高周波電力と処理時間のそれぞれに比例することを利用し、Ｐｆ−Ｐｒを時間で積分した値が予め設定した値に達した時点で、高周波電力の供給を停止したためである。つまり、Ｐｒの発生状況にばらつきが生じても、試料電極に供給される実効的な電力Ｐｆ−Ｐｒをサンプリングすることで、より正確なドーピング量を把握できるようになったといえる。
【００２４】
以上述べた本発明の実施形態においては、試料電極に供給する高周波電力の進行波をＰｆ、反射波をＰｒとしたとき、Ｐｆ−Ｐｒの値をサンプリングする場合を例示したが、プラズマ発生装置に供給する高周波電力の進行波をＰｆ、反射波をＰｒとしたとき、Ｐｆ−Ｐｒの値をサンプリングしてもよい。この場合のプラズマドーピング装置の構成例を図４に示す。図４において、真空容器１内に、ガス供給装置２から所定のガスを導入しつつ、排気装置としてのターボ分子ポンプ３により排気を行い、調圧弁４により真空容器１内を所定の圧力に保ちながら、高周波電源５により１３．５６ＭＨｚの高周波電力を試料電極６に対向した誘電体窓７の近傍に設けられたプラズマ発生装置としてのコイル８に供給することにより、真空容器１内に誘導結合型プラズマが発生し、試料電極６上に載置された試料としてのシリコン基板９に対してプラズマドーピング処理を行うことができる。また、試料電極６に高周波電力を供給するための高周波電源１０が設けられており、試料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６の電位を制御することができるようになっている。ターボ分子ポンプ３及び排気口１１は、試料電極６の直下に配置されており、また、調圧弁４は、試料電極６の直下で、かつ、ターボ分子ポンプ３の直上に位置する昇降弁である。試料電極６は、４本の支柱１２により、真空容器１に固定されている。なお、誘電体窓７の主成分は石英ガラスである。また、プラズマ発生装置としてのコイルに供給する高周波電力の進行波をＰｆ、反射波をＰｒとしたとき、Ｐｆ−Ｐｒの値を１ｍｓｅｃ乃至１００ｍｓｅｃ間隔でサンプリングすることができるサンプラー１３と、Ｐｆ−Ｐｒを時間で積分した値が予め設定した値に達した時点で高周波電力の供給を停止することができる制御装置１４が設けられている。この場合、同一ガス種、同一ガス流量、同一圧力のもとでは、ドーピング濃度がプラズマ発生装置に印加する高周波電力と処理時間のそれぞれに比例することを利用し、Ｐｆ−Ｐｒを時間で積分した値が予め設定した値に達した時点で、高周波電力の供給を停止することにより、Ｐｒの発生状況にばらつきが生じても、より正確なドーピング量を得ることができるようになる。
【００２５】
以上述べた本発明の実施形態においては、本発明の適用範囲のうち、真空容器の形状、プラズマ源の方式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。
【００２６】
例えば、コイルを平面状としてもよいし、ヘリコン波プラズマを用いてもよく、あるいは、磁気中性ループプラズマを用いることも可能である。
【００２７】
また、真空容器内にドーピング原料ガスを供給せず、固体状の不純物から発生させたドーピング原料により試料または試料表面の膜中に不純物を導入してもよい。
【００２８】
また、本発明は、プラズマドーピング処理の途中において、プラズマを発生させたままの状態でガス種、ガス流量、圧力、高周波電力の大きさのうち少なくとも一つの制御パラメータを変化させる場合にとくに有効である。これは、制御パラメータを変化させるタイミングで反射波が生じやすいためである。
【００２９】
また、試料がシリコンよりなる半導体基板である場合を例示したが、他の様々な材質の試料を処理するに際して、本発明を適用することができる。
【００３０】
また、不純物がボロンである場合について例示したが、試料がシリコンよりなる半導体基板である場合、とくに不純物が砒素、燐、ボロン、アルミニウムまたはアンチモンである場合に本発明は有効である。これは、トランジスタ部分に浅い接合を形成することができるからである。
【００３１】
また、本発明は、ドーピング濃度が低濃度である場合に有効であり、とくに、１×１０１１／ｃｍ２乃至１×１０１７／ｃｍ２を狙いとしたプラズマドーピング方法として有効である。また、１×１０１１／ｃｍ２乃至１×１０１４／ｃｍ２を狙いとしたプラズマドーピング方法として、とくに格別の効果を奏する。これは、処理時間が数ｓｅｃ乃至十数ｓｅｃと短いため、反射波のばらつきの影響が大きくなるためである。
【００３２】
また、プラズマ発生装置または試料電極に供給する高周波電力の進行波をＰｆ、反射波をＰｒとしたとき、Ｐｆ−Ｐｒの値をサンプリングする間隔は、１ｍｓｅｃ乃至１００ｍｓｅｃであることが望ましい。サンプリング間隔を１ｍｓｅｃよりも小さくするには、極めて高性能のサンプラーが必要となり、また、制御装置に高い演算能力が要求されるため、装置コストの上昇を招く。サンプリング間隔を１００ｍｓｅｃより大きくすると、十分な再現性が得られない。
【００３３】
プラズマ発生装置または試料電極に供給する高周波電力の進行波をＰｆ、反射波をＰｒとしたとき、Ｐｆ−Ｐｒの値をサンプリングする間隔は、１ｍｓｅｃ乃至１０ｍｓｅｃであることがさらに望ましい。サンプリング間隔を１０ｍｓｅｃ以下にすると、優れた再現性が得られる。
【００３４】
また、Ｐｆ−Ｐｒの値をサンプリングするにあたり、Ｐｆ及びＰｒの値をそれぞれサンプリングしてその差を計算または回路的に演算を加えてもよいし、Ｐｆは設定値に等しいと仮定して、Ｐｒのみをサンプリングして、Ｐｆ−Ｐｒの値を計算してもよい。
【００３５】
また、Ｐｆ−Ｐｒの値を時間で積分するにあたり、サンプリング値とサンプリング値の間を直線で補間してもよいし、階段状に変化したものとして積分値を計算してもよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本願の第１発明のプラズマドーピング方法によれば、プラズマ発生装置を備えた真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、プラズマ発生装置に高周波電力を供給することにより、真空容器内にプラズマを発生させ、真空容器内の試料電極に高周波電力を供給して、試料電極に載置された試料または試料表面の膜中に不純物を導入するプラズマドーピング方法であって、プラズマ発生装置または試料電極に供給する高周波電力の進行波をＰｆ、反射波をＰｒとしたとき、Ｐｆ−Ｐｒの値を１ｍｓｅｃ乃至１００ｍｓｅｃ間隔でサンプリングし、Ｐｆ−Ｐｒを時間で積分した値が予め設定した値に達した時点で、高周波電力の供給を停止するため、ドーピング濃度の制御性、再現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。
【００３７】
また、本願の第２発明のプラズマドーピング装置によれば、真空容器と、真空容器内にガスを供給するガス供給装置と、真空容器内を排気する排気装置と、真空容器内を所定の圧力に制御する調圧弁と、真空容器内に試料を載置する試料電極と、プラズマ発生装置と、プラズマ発生装置に高周波電力を供給する高周波電源と、試料電極に高周波電力を供給する高周波電源と、プラズマ発生装置または試料電極に供給する高周波電力の進行波をＰｆ、反射波をＰｒとしたとき、Ｐｆ−Ｐｒの値を１ｍｓｅｃ乃至１００ｍｓｅｃ間隔でサンプリングするサンプラーと、Ｐｆ−Ｐｒを時間で積分した値が予め設定した値に達した時点で高周波電力の供給を停止する制御装置とを備えるため、ドーピング濃度の制御性、再現性に優れたプラズマドーピング装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態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２】本発明の第１実施形態におけるタイムチャート
【図３】ドーピング濃度ばらつきを示すグラフ
【図４】本発明の実施形態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５】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
【符号の説明】
１　真空容器
２　ガス供給装置
３　ターボ分子ポンプ
４　調圧弁
５　高周波電源
６　試料電極
７　誘電体窓
８　コイル
９　基板
１０　高周波電源
１１　排気口
１２　支柱
１３　サンプラー
１４　制御装置
【図１】
2004128208.tif 000003
【図２】
2004128208.tif 000004
【図３】
2004128208.tif 000005
【図４】
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【図５】
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