(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドーピングする不純物を含む物質よりも電離エネルギーが高い物質の分量を大にし、シリコンウェーハ表面にドーピングを行うプラズマドーピング方法であって、
ドーピングする不純物を含む物質としてB2H6を、電離エネルギーが高い物質としてHeを用い、
バイアス電圧を印加する時間を変化させることでドーズ量を制御し、
前記B2H6の濃度が０．０２５％以下であることを特徴とするプラズマドーピング方法。
【請求項２】
B2H6とHeの混合ガスを用いて、シリコンウェーハ表面にドーピングを行うプラズマドーピング方法であって、
バイアス電圧を印加する時間を変化させることでドーズ量を制御し、
前記混合ガスにおける前記B2H6の濃度が０．０２５％以下であることを特徴とするプラズマドーピング方法。
【請求項３】
請求項１あるいは２に記載のプラズマドーピング方法であって、
ヘリコン波プラズマ源を用いて前記シリコンウェーハ表面にドーピングを行うプラズマドーピング方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のプラズマドーピング方法であって、
イオン電流密度が １．１mＡ/ｃｍ2以上のプラズマを使用する事を特徴とするプラズマドーピング方法。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかに記載のプラズマドーピング方法であって、
電子温度が６．０ ｅＶ以上のプラズマを使用するプラズマドーピング方法。
【請求項６】
請求項５に記載のプラズマドーピング方法であって、
バイアス電圧が−６０Ｖ以下であるプラズマドーピング方法。
【請求項７】
請求項１に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記ドーピングする不純物を含む物質よりも電離エネルギーが小さい物質のプラズマを先行して発生させ、しかる後に前記ドーピングする不純物を含む物質を放電させるプラズマドーピング方法。
【請求項８】
請求項７に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記電離エネルギーが小さい物質のプラズマはＡｒプラズマであるプラズマドーピング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明はプラズマを用いて、シリコン基板の表面近傍に物質を導入する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５を参照しながら、従来の技術に関して説明する。これはＳＳＤＭ８７で発表された論文からの引用であるが（Extended Abstract of Conference on Solid State Device and Materials, p319  , Tokyo, 1987.  Japan Society of Applied Physics）、プラズマソースに供給するガスとして、0.05 %までHeで希釈したB2H6を使用している。
【０００３】
反応チェンバー１０にシリコンウエーハ２０を導入し、ベース真空度５×10-7 Torr（6.7×10-5 Pa）まで真空にした後、Heをベースとして、0.05 %に希釈したB2H6ガス３０を導入、真空度５×10-4 Torr（0.067 Pa）の状態で、ECRプラズマソース４０に電源を通じて高周波を導入し、プラズマ４５を発生させ、次いでウエーハを載置しているウエーハサセプター５０にRF電源６０から高周波を供給して、前記発生したプラズマ４５と、シリコンウエーハ２０間に一定の電圧、引用例に拠れば７００Vを発生させ、プラズマ中の正に帯電したイオン７０と電子８０の内、正イオン７０を引き込み、ウエーハ表面近傍にドーピングを行う。この場合はB2H6中のB原子がシリコン中で正の電荷（正孔）を供給する源になり、これをドーパントと呼ぶ。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
引用例に於いて、B2H6をHeで希釈する目的は、人体に対して、極めて危険性の高い毒性をもつB2H6をできるだけ希釈して安全性を高め様とする試みであるが、B2H6の分圧が低下するに従って、プラズマ中に於けるBを含むイオンの密度が低下し、ドーピング効率を著しく低下させていた。
【０００５】
又、希釈の目的で使用したHeは原子半径が小さく、シリコンに導入しても後の熱処理で容易に外部に拡散除去する事が可能な為採用されているが、電離エネルギーが高い為、プラズマの発生や維持を行う際に、プラズマの状態が不安定になる要因となる場合があった。
【０００６】
さらにドーパントの注入量の制御性にも課題があった。
【０００７】
そこで、人体に対して極めて危険性の高い毒性をもつB2H6をできるだけ希釈して安全性を高め、ドーピング効率を低下させることなく、安定してプラズマの発生や維持を行うことができ、さらにドーパント注入量の制御を容易に行えるプラズマドーピング方法の提供が求められていた。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
また本発明は、ドーピングする不純物を含む物質よりも電離エネルギーが高い物質の分量を大にし、シリコンウェーハ表面にドーピングを行うプラズマドーピング方法であって、ドーピングする不純物を含む物質としてB2H6を、電離エネルギーが高い物質としてHeを用い、バイアス電圧を印加する時間を変化させることでドーズ量を制御し、前記B2H6の濃度が０．０２５％以下であることを特徴とするプラズマドーピング方法とする。
この構成により、イオン電流密度と電子温度が大きいプラズマを用いたプラズマドーピングが可能となり、バイアス電圧の絶対値が小さい場合にも工業的に要求されるようなスループットを確保しながら容易にドーズ量の制御を行うことが可能となる。具体的には、ドーピングする不純物を含む物質としてB2H6ガスを、電離エネルギーが高い物質としてHeを用い、B2H6の濃度が０．０２５％以下であることを特徴とするプラズマドーピング方法とする。上記の配合により、ある一定の圧力においてB2H6を含むプラズマとしてより大きなイオン電流密度と電子温度のプラズマを得ることができる。つまり、B2H6の濃度が低くなるに従ってイオン電流密度と電子温度は大きくなるが、B2H6の濃度が0.05 %未満ではほぼ飽和に達するので望ましい。
【０００９】
プラズマドーピング方法において、ドーピングする不純物を含む物質よりも電離エネルギーが小さい物質のプラズマを先行して発生させ、しかる後にドーピングする不純物を含む物質を放電させる事を特徴とするプラズマドーピング方法とする。この理由は、電離エネルギーが小さい物質のプラズマを先行して発生させずにドーピングする不純物を含む物質を放電させた場合よりも、ドーピングする不純物を含むプラズマの発生時にプラズマの状態が安定するからである。さらに、電離エネルギーが小さい物質のプラズマを先行して発生させなかった場合よりも低い圧力でドーピングする不純物を含む物質を放電させてプラズマドーピングすることが可能となり、デポジションが起き難いプラズマドーピングが可能となるからである。具体的には、ドーピングする不純物を含む物質としてB2H6とBF3、B10H14の少なくとも一つを、電離エネルギーが小さい物質としてAr, H, N, O, Kr, Xe, Cl, H2, NO, N2, O2, CO, CO2, H2O, SF6, Br2, Cl2の群から選ばれる少なくとも一つを用いる事を特徴とするプラズマドーピング方法とする。
【００１０】
ドーピングする不純物を含む物質としてB2H6ガスを、電離エネルギーが高い物質としてHeを用い、B2H6の濃度が0.05 %未満であることを特徴とするプラズマに対し、ドーピングする不純物を含む物質よりも電離エネルギーが小さい物質のプラズマを先行して発生させ、しかる後にドーピングする不純物を含む物質を放電させる方法を用いて発生させると、0.9 Pa程度の圧力でイオン電流密度が1.1 mＡ/ｃｍ2以上で電子温度が6.0 ｅＶ以上のプラズマを安定して得ることができる。このようなプラズマを用いてバイアス電圧を印加する時間を変化させることでドーズ量を制御する事を特徴とするプラズマドーピング方法とするのが望ましい。この理由は、バイアス電圧の絶対値が小さい場合でも工業的に要求されるようなスループットを確保しながら容易にドーズ量の制御ができ、さらにデポジションが起き難くなるからである。
【００１１】
また、プラズマ発生時の圧力を変えて行う場合に同様の効果を得るためには、プラズマドーピングを行う際に、ドーピングする不純物を含む物質としてB2H6を用い、これを希釈するHeとの希釈度をｎ％とした際に、プラズマ発生時の圧力をP  Pa  として、B2H6の希釈度がｎ＝０．０４／P  となる関係を中心として、その上下プラスマイナス２５％の範囲でドーピングする事、即ちPに依存して、希釈度  １．２５ｎ％から０．７５ｎ％の範囲でドーピングする事を特徴とするプラズマドーピング方法とすることが望ましい。
【００１２】
（作用）
人体に対して極めて危険性の高い毒性をもつB2H6をできるだけ希釈して安全性を高めることができる。また、ある一定の圧力においてドーピングする不純物を含むプラズマとしてより大きなイオン電流密度と電子温度のプラズマを得ることができる。さらに、プラズマの発生時にプラズマの状態を安定させることができる。又、電離エネルギーが小さい物質のプラズマを先行して発生させなかった場合よりも低い圧力で、ドーピングする不純物を含む物質を放電させてプラズマドーピングすることが可能となり、デポジションが起き難いプラズマドーピングが可能となる。バイアス電圧の絶対値が小さい場合でも工業的に要求されるようなスループットを確保しながら容易にドーズ量制御ができる不純物ドーピング方法を提供できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を以下で説明する。
【００１４】
先ず、図１により、本発明に用いた装置の説明をする。
【００１５】
装置はプラズマを発生させるための高周波電源１０１と放電の調整を行うマッチングボックス１０２を介して、コイル及びアンテナ１０３から高周波が供給される。必要なガスはマスフローコントローラ１０４及び１０５を介して供給される。反応チェンバー１１５内の真空度は前記マスフローコントローラ１０４及び１０５、ターボ分子ポンプ１０６、コンダクタンスポンプ１０７、ドライポンプ１０８によって制御される。反応チェンバー１１５に対しては、RFもしくはDC電源１１０から、マッチングボックス１１１を介して電力が供給される。反応チェンバー１１５内に設置した、被処理体１１３はサセプタ１１４に載置され、前記電力が供給される。
【００１６】
（圧力）
B2H6ガス濃度が0.625 %、Heガス濃度が99.375 %の混合ガスを用いてヘリコン波プラズマを発生させる実験を行った。ヘリコン波のソースパワーを1500 Wとし、圧力を変化させてB2H6とHeの混合プラズマが得られる圧力範囲を調べた。圧力が2.25 Pa以上のときに放電が可能であり、B2H6とHeの混合プラズマを得ることができた。一方、それ以下の圧力では放電を起こすことができなかった。
【００１７】
次に、プロセスチャンバー内にArガスを導入してソースパワーを印加し、放電させてArプラズマを発生させた後、Heガスを導入すると同時にArガスの供給を止めてHeプラズマを発生させ、その後、B2H6ガスを導入してHeとB2H6の混合プラズマを発生させる実験を行った。実験は圧力を変化させて行い、HeとB2H6の混合プラズマが得られる圧力範囲を調べた。圧力が0.8 Pa以上のときに安定して放電が可能であった。
【００１８】
同様に、B2H6ガス濃度が0.025 %、Heガス濃度が99.975 %の混合ガスを用いてヘリコン波のソースパワーを1500 Wとして実験を行った。装置の関係上2.6 Pa以上の圧力では実験していないが、圧力が2.6 Pa以下のときには放電を起こすことはできなかった。これに対してプロセスチャンバー内にArガスを導入してソースパワーを印加して放電させてArプラズマを発生させた後、Heガスを導入すると同時にArガスの供給を止めてHeプラズマを発生させ、その後、B2H6ガスを導入してHeとB2H6の混合プラズマを発生させる実験を行った。この場合には圧力が0.8 Pa以上のときに安定して放電が可能であった。
【００１９】
上記のように、ドーピングする不純物を含む物質としてB2H6ガスを用い、電離エネルギーが小さい物質としてArガスを用いて、ドーピングする不純物を含む物質よりも電離エネルギーが小さい物質のプラズマを先行して発生させ、しかる後にドーピングする不純物を含む物質を放電させる事で、電離エネルギーが小さい物質を先行して放電させなかった場合よりも低い圧力でHeとB2H6の混合プラズマを発生させることができた。
【００２０】
（イオン電流密度）
図２はB2H6ガスとHeガスの混合比を変えてヘリコン波プラズマを発生させたときのイオン電流密度の変化である。圧力は0.9 Paで行った。B2H6ガス濃度を低下させていくと、イオン電流密度はB2H6ガス濃度が1 %以下のときに階段状に大きくなった。B2H6ガス濃度が5 %と2.6 %のときのイオン電流密度は1.1 mA/cm2未満であるのに対して、0.29 %と0.025 %のときは1.1 mA/cm2以上であることが了解できる。
【００２１】
（電子温度）
図３はB2H6ガスとHeガスの混合比を変えたときの電子温度の変化である。条件は前節と同じである。B2H6ガス濃度の低下に従って電子温度は上昇した。そしてB2H6ガス濃度が0.025 %でほぼ飽和した。電子温度は、B2H6ガス濃度が0.29 %以上では6.0 eV未満であるのに対して、0.025 %では6.0 eV以上であることが了解できる。
【００２２】
（ドーズ量の制御性）
B2H6ガス濃度が0.025 %、0.29 %のB2H6とHeの混合プラズマを用いてn-Si(100)ウエーハにプラズマドーピングを行った。バイアス電圧は−60 V、圧力は0.8 Paとした。プラズマドーピング後、1100℃で3分間のアニール処理を行った。その後、四探針法でシート抵抗を測定した。またB2H6ガス濃度0.025 %で作成した試料は、プラズマドーピング後のボロンのドーズ量をSIMSで測定した。
【００２３】
図４はバイアス電圧印加時間とシート抵抗の関係である。B2H6ガス濃度を0.29 %としたときは、バイアス電圧印加時間を3秒、7秒、30秒と変えてもシート抵抗は約400 Ohms/squ. でほとんど変化しなかった。一方、B2H6ガス濃度を0.025 %としたときは、バイアス電圧印加時間を1、3、7、30秒と変えることでシート抵抗を1020、460、350、290 Ohms/squ. と変えることができた。また、プラズマドーピング後のボロンドーズ量は2.2E14、6.0E14、6.5E14、8.0E14 atoms/cm2と可変であった。なお、ボロン濃度が1E18 atoms/cm3となる深さは4〜6 nm以下であった。このようにバイアス電圧印加時間を変化させることで30秒以下、または15秒以下程度の時間範囲内でドーズ量を制御できることが了解できる。これにより工業的に要求されるようなスループットを確保しながら容易にドーズ量の制御ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】プラズマドーピング装置を示す図
【図２】イオン電流密度のB2H6ガス濃度依存性を示す図
【図３】電子温度のB2H6ガス濃度依存性を示す図
【図４】バイアス電圧印加時間とシート抵抗の関係を示す図
【図５】従来例のプラズマドーピング装置を示す図
【符号の説明】
１０  反応チェンバー
２０  シリコウエーハ
３０  B2H6ガス
４０  ECRプラズマソース
４５  プラズマ
５０  ウエーハサセプター
６０  RF電源
１０１  高周波電源
１０２  マッチングボックス
１０３  コイルおよびアンテナ
１０４  マスフローコントローラ
１０５  マスフローコントローラ
１０６  ターボ分子ポンプ
１０７  コンダクタンスバルブ
１０８  ドライポンプ
１０９  サークレータ
１１０  ＤＣ電源
１１１  マッチングボックス
１１２  高周波電源
１１３  被処理体
１１４  サセプタ
１１５  反応チャンバー
【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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