(57)【要約】【課題】基板表面に堆積させた不純物のラジカルの厚さ（量）を比較的高精度に測定し、その結果に基づいて所望量の不純物のラジカルに含まれる元素を基板に導入することができるプラズマドーピング装置及びプラズマドーピング方法を提供する。【解決手段】プラズマ生成室１２と、プラズマ生成室１２に連通して設けられて処理対象である基板Ｓを保持するステージ３１が設けられた処理室１３と、を備え、プラズマ生成室１２で生成されたプラズマ中の不純物のラジカルに含まれる元素を基板に導入するプラズマドーピング装置１０であって、ラジカルの生成量を測定する測定手段５０を備える構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ生成室と、
該プラズマ生成室に連通して設けられて処理対象である基板を保持するステージが設けられた処理室と、を備え、
前記プラズマ生成室で生成されたプラズマ中の不純物のラジカルに含まれる元素を前記基板に導入するプラズマドーピング装置であって、
前記ラジカルの生成量を測定する測定手段を備えることを特徴とするプラズマドーピング装置。
【請求項２】
前記測定手段は、水晶振動子を備え、該水晶振動子上に堆積したラジカルの量から前記ラジカルの生成量を求めることを特徴とする請求項１に記載のプラズマドーピング装置。
【請求項３】
前記水晶振動子が、前記プラズマ生成室と前記ステージに載置された前記基板との間の空間を遮らない第１の領域に設けられていることを特徴とする請求項２に記載のプラズマドーピング装置。
【請求項４】
前記水晶振動子が、前記第１の領域と、前記プラズマ生成室と前記ステージに載置された前記基板との間の空間を遮る第２の領域との間を移動可能に設けられていることを特徴とする請求項３に記載のプラズマドーピング装置。
【請求項５】
プラズマ生成室と、該プラズマ生成室に連通して設けられて処理対象である基板を保持するステージが設けられた処理室と、前記プラズマ生成室で生成されたプラズマ中の不純物のラジカルの生成量を測定する測定手段と、を備えるプラズマドーピング装置を用いたプラズマドーピング方法であって、
前記プラズマ中の不純物のラジカルを前記基板上に堆積させる堆積工程と、堆積されたラジカルにイオンを照射して不純物を前記基板表面に導入する導入工程と、を備え、
前記堆積工程では、前記測定手段の測定結果に基づいて前記ラジカルの堆積量を制御することを特徴とするプラズマドーピング方法。
【請求項６】
前記測定手段が、前記プラズマ生成室と前記ステージに載置された前記基板との間の空間を遮らない第１の領域と、前記空間を遮る第２の領域との間を移動可能に設けられた水晶振動子を備えるものであり、
前記第１の領域と前記第２の領域とで前記水晶振動子上への前記ラジカルの堆積速度を測定し、これらの測定結果から、前記第１の領域と前記第２の領域との前記ラジカルの堆積速度の比率を求める測定工程を備え、
前記堆積工程では、前記水晶振動子を前記第１の領域に配置した状態で、前記基板上に前記ラジカルを堆積させることを特徴とする請求項５に記載のプラズマドーピング方法。
【請求項７】
前記測定工程では、前記第２の領域の複数箇所で前記水晶振動子上への前記ラジカルの堆積速度を測定することを特徴とする請求項６に記載のプラズマドーピング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ中の不純物を基板に導入するプラズマドーピング装置及びプラズマドーピング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体中のキャリア濃度をコントロールするための不純物導入方法として、ビームライン型のイオン注入技術が用いられてきた。しかしながら、近年の半導体の微細化等に伴い、例えば、５ｋｅＶ以下の低エネルギー領域における生産性の向上、また３次元構造物に対する不純物の均一注入等の要望が高まり、イオン注入技術ではこのような要望に対応することが難しかった。
【０００３】
このような問題を解決する手段として、プラズマ中に基板を直接さらすことによって基板に不純物を導入するプラズマドーピング技術が開発されている。
【０００４】
例えば、半導体装置の一つであるＭＩＳＦＥＴ（Metal Insulator Silicon Field Effect Transistor）では、そのゲート長が短くなるとトランジスタのオフ動作時に漏れ電流が流れる短チャネル効果が起こることが知られており、この短チャネル効果を抑制するために、ソース／ドレイン領域よりも浅いエクステンション領域を形成することが知られている。このようなエクステンション領域を形成する際に、例えば、導入したい不純物を含むプラズマに基板を晒し、この基板にバイアス電圧を印加することで、基板内に不純物を導入するプラズマドーピング方法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１２８２１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に記載のプラズマドーピング方法では、プラズマ中のラジカルが基板表面に堆積すると同時に、バイアス電位によって加速されたイオンが基板に照射されている。ここで、プラズマドーピング方法を用いて基板内に不純物を均一に導入するためには、ラジカルを基板表面に均一に堆積させると共に、イオンを基板に対して均一に照射する必要がある。すなわち、基板表面で均一なラジカルの面内分布と均一なイオンの面内分布とを得る必要がある。
【０００７】
基板表面で均一なイオンの面内分布が得られるように、例えば磁場によってプラズマを制御することが可能である。しかしながら、ラジカルとイオンとで電荷の有無等が相違し、プラズマ中にラジカルがイオンより多く存在することから、基板表面で均一なイオンの面内分布が得られるように制御されたプラズマでは、基板表面で均一なラジカルの面内分布が得られず、基板表面にラジカルを均一に堆積させることができない。結果として、上記特許文献１記載のプラズマドーピング方法では基板表面で均一なラジカルの面内分布と均一なイオンの面内分布を同時に確保することができないため、基板内に不純物を均一に導入することができないという問題があった。
【０００８】
またキャリア濃度は半導体の電気特性に対して影響の大きいパラメータである。このため、基板に導入される不純物の濃度はできるだけ高精度にコントロールされていることが望ましい。例えば、ビームライン型のイオン注入技術を用いる場合、不純物が荷電粒子で基板に照射されるため、その電荷量を測定することにより基板に導入した不純物量を高精度にコントロールすることができる。これに対し、プラズマドーピング技術を用いる場合、不純物が電荷粒子と電荷を持たないラジカルという形態で基板に導入されるため、電荷量による不純物量の制御は極めて難しい。
【０００９】
このような問題を解決するために、プラズマ中の不純物のラジカルを基板表面に堆積させた後、この堆積されたラジカルにイオンを照射することで、基板の内部に不純物を導入するようにしたプラズマドーピング方法がある。このようなプラズマドーピング方法を用いることで、基板内に不純物を均一に導入することができ、また基板表面に堆積させた不純物のラジカルの厚さが正確に分かれば、基板内に導入する不純物量を高精度にコントロールすることもできる。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、基板表面に堆積させた不純物のラジカルの厚さ（量）を比較的高精度に測定し、その結果に基づいて所望量の不純物のラジカルに含まれる元素を基板に導入することができるプラズマドーピング装置及びプラズマドーピング方法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】
【００１１】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、プラズマ生成室と、該プラズマ生成室に連通して設けられて処理対象である基板を保持するステージが設けられた処理室と、を備え、前記プラズマ生成室で生成されたプラズマ中の不純物のラジカルに含まれる元素を前記基板に導入するプラズマドーピング装置であって、前記ラジカルの生成量を測定する測定手段を備えることを特徴とするプラズマドーピング装置にある。
【００１２】
本発明の第２の態様は、前記測定手段は、水晶振動子を備え、該水晶振動子上に堆積したラジカルの量から前記ラジカルの生成量を求めることを特徴とする第１の態様のプラズマドーピング装置にある。
【００１３】
本発明の第３の態様は、前記水晶振動子が、前記プラズマ生成室と前記ステージに載置された前記基板との間の空間を遮らない第１の領域に設けられていることを特徴とする第２の態様のプラズマドーピング装置にある。
【００１４】
本発明の第４の態様は、前記水晶振動子が、前記第１の領域と、前記プラズマ生成室と前記ステージに載置された前記基板との間の空間を遮る第２の領域との間を移動可能に設けられていることを特徴とする第３の態様のプラズマドーピング装置にある。
【００１５】
本発明の第５の態様は、プラズマ生成室と、該プラズマ生成室に連通して設けられて処理対象である基板を保持するステージが設けられた処理室と、前記プラズマ生成室で生成されたプラズマ中の不純物のラジカルの生成量を測定する測定手段と、を備えるプラズマドーピング装置を用いたプラズマドーピング方法であって、前記プラズマ中の不純物のラジカルを前記基板上に堆積させる堆積工程と、堆積されたラジカルにイオンを照射して不純物を前記基板表面に導入する導入工程と、を備え、前記堆積工程では、前記測定手段の測定結果に基づいて前記ラジカルの堆積量を制御することを特徴とするプラズマドーピング方法にある。
【００１６】
本発明の第６の態様は、前記測定手段が、前記プラズマ生成室と前記ステージに載置された前記基板との間の空間を遮らない第１の領域と、前記空間を遮る第２の領域との間を移動可能に設けられた水晶振動子を備えるものであり、前記第１の領域と前記第２の領域とで前記水晶振動子上への前記ラジカルの堆積速度を測定し、これらの測定結果から、前記第１の領域と前記第２の領域との前記ラジカルの堆積速度の比率を求める測定工程を備え、前記堆積工程では、前記水晶振動子を前記第１の領域に配置した状態で、前記基板上に前記ラジカルを堆積させることを特徴とする第５の態様のプラズマドーピング方法にある。
【００１７】
本発明の第７の態様は、前記測定工程では、前記第２の領域の複数箇所で前記水晶振動子上への前記ラジカルの堆積速度を測定することを特徴とする第６の態様のプラズマドーピング方法にある。
【発明の効果】
【００１８】
かかる本発明によれば、プラズマ中の不純物のラジカルを基板表面に堆積させる際に、測定手段によってラジカルの堆積量（膜厚）を測定することができる。したがって、基板上に所望の膜厚でラジカルを堆積させて、基板内に導入する不純物量を高精度にコントロールすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】一実施形態に係るプラズマドーピング装置を模式的に示す断面図である。
【図２】一実施形態に係る測定工程を説明するフローチャートである。
【図３】一実施形態に係るプラズマドーピング装置を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
本実施形態に係るプラズマドーピング装置は、磁気中性線放電（ＮＬＤ）型のプラズマドーピング装置であり、プラズマ中の不純物に含まれる元素を基板に導入するものである。図１に示すように、プラズマドーピング装置１０は、真空チャンバ１１を有する。真空チャンバ１１は、その上部に円筒状のプラズマ生成室１２と、プラズマ生成室１２の下部に設けられる基板処理室１３とを備えている。
【００２１】
プラズマ生成室１２は、円筒状の壁部材１４と、壁部材１４の上部の開口を塞ぐ天板１５とで画成されている。壁部材１４は、例えば、石英等の誘電体からなる。天板１５は、図示しない絶縁体を介して壁部材１４の上部に固着されている。天板１５の内側の面には、シャワープレート１６が設けられている。シャワープレート１６には、図示しないが、プラズマ生成室１２内ヘドーピングガスを導入するためのガス導入手段が接続されている。
【００２２】
プラズマ生成室１２の外側、つまり壁部材１４の外側には、リング状の三つの磁場コイル２１（２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ）が配置されている。これら３つの磁場コイル２１に所定の向きで電流を供給することで、後述するようにプラズマ生成室１２内には環状の磁気中性線（ＮＬ）２２が形成される。
【００２３】
磁場コイル２１と壁部材１４との間には、ループ状のアンテナコイル２３が設けられている。このアンテナコイル２３は、プラズマ生成室１２内に形成された磁気中性線２２に近接して設けられており、コンデンサ２４を介して高周波電源２５に接続されている。高周波電源２５からコンデンサ２４を介してアンテナコイル２３に高周波電力を供給することで、プラズマ生成室１２内にプラズマが生成される。
【００２４】
基板処理室１３には、処理対象である基板Ｓが載置されるステージ３１がプラズマ生成室１２に対向して設けられている。ステージ３１には、ブロッキングコンデンサ３２を介して高周波電源３３に接続されており、高周波電源３３からバイアス電位が印加されるようになっている。一方、プラズマ生成室１２を画成する天板１５は、上述のようにステージ３１の対向電極として機能するように構成されている。なお基板処理室１３には、排気口３４を介してターボ分子ポンプなどの真空排気手段（図示せず）が接続されている。
【００２５】
このような構成のＮＬＤ型のプラズマドーピング装置１０では、磁場コイル２１Ａ，２１Ｃに同一方向に電流を流し、かつ、磁場コイル２１Ｂに逆方向の電流を流すことで、プラズマ生成室１２に環状の磁気中性線２２が形成される。またシャワープレート１６からプラズマ生成室１２内にガスを導入すると共に、アンテナコイル２３に高周波電源２５から高周波電力を供給することで、環状の磁気中性線２２に沿ってプラズマが高密度に生成される。その際、磁場コイル２１に供給する電流の大きさを調整して磁気中性線２２の広がりを調整することで、プラズマの広がりを調整することができる。
【００２６】
またプラズマドーピング装置１０は、このようにプラズマ生成室１２で生成されたプラズマ中の不純物のラジカルの量を測定する測定手段としての膜厚センサ５０を備えている。プラズマドーピング装置１０では、基板Ｓの表面にラジカルを堆積させて薄膜を形成した後、ラジカルの薄膜にイオンを照射することによって不純物に含まれる元素を基板Ｓに導入させている。そして膜厚センサ５０は、基板Ｓ上に堆積されたラジカルの量（膜厚）を検出する。本実施形態では、膜厚センサ５０は水晶振動子５１を備え、後述するように、この水晶振動子５１上へのラジカルの堆積に伴う共振周波数の変化に基づいて基板Ｓ上に堆積されたラジカルの膜厚を検出している。また、この水晶振動子５１は、基板Ｓよりも外側の領域（第１の領域）をホームポジションとしてステージ３１の表面（基板Ｓの表面）に沿って直線移動可能に設けられている。
【００２７】
以下、このようなプラズマドーピング装置１０を用いた本発明のプラズマドーピング方法を、シリコン基板内へのボロンラジカルの導入を一例として説明する。
【００２８】
まずは図１に示すプラズマドーピング装置１０のステージ３１上にシリコン基板である基板Ｓを載置し、図示しない真空排気手段を駆動させて排気口３４から真空チャンバ１１内、すなわちプラズマ生成室１２及び基板処理室１３内を所望の真空度まで真空引きする。
【００２９】
次いで、シャワープレート１６を介して図示しないガス導入手段からプラズマ生成室１２内にｐ型不純物であるボロン（Ｂ）を含むジボラン（Ｂ２Ｈ６）ガスと、希ガスであるアルゴン（Ａｒ）ガスとを供給する。これと同時に、上下の磁場コイル２１Ａ，２１Ｃに同一方向の電流を流すと共に、中間の磁場コイル２１Ｂに逆方向の電流を流す。これにより、プラズマ生成室１２内に磁気中性線２２が形成される。さらに、高周波電源２５からアンテナコイル２３に高周波電力を印加することにより、磁気中性線２２に沿って比較的高密度にプラズマが生成される。なお磁気中性線２２の形成位置及び大きさは、磁場コイル２１に供給する電流の大きさによって調整することができる。
【００３０】
またプラズマが生成される際、ステージ３１には負のバイパス電位が印加されていないため、プラズマ中のイオン（Ａｒ＋，ＢｘＨｙ＋）は基板Ｓ側に引き込まれない。したがって、基板Ｓの表面にはボロンラジカルが堆積されて薄膜が形成される。基板Ｓの表面に形成されたボロンラジカルの薄膜が所定厚さとなると、アルゴンガスの供給を継続したままジボランガスの供給及びアンテナコイル２３への高周波電力供給を一旦停止し、真空チャンバ１１内のジボランガスをアルゴンガスに置換する。置換に必要な時間は、例えば、排気速度、真空チャンバ１１の容積等によって決まるが、真空チャンバ１１内のジボランガスの濃度が０．１％以下になるまで真空チャンバ１１へのアルゴンガスの供給を継続することが好ましい。置換終了後、アンテナコイル２３への高周波電力供給を再開すると共に、高周波電源３３からステージ３１に負のバイアス電位を印加する。これにより、プラズマ中のアルゴンイオン（Ａｒ＋）が基板Ｓ側に引き寄せられる。基板Ｓ側に引き寄せられたアルゴンイオンが、基板Ｓの表面に堆積したボロンラジカルの薄膜に衝突することで、ラジカルに含まれる元素（ボロン）が基板Ｓ内に押し込まれる。
【００３１】
その後、図示しない公知のアニール装置において熱処理を行うことで、基板Ｓ内に導入された元素が活性化する。その結果、基板Ｓ内にｐ型不純物拡散層が形成される。
【００３２】
このように本実施形態では、基板Ｓの表面にボロンラジカルを堆積させる堆積工程と、基板Ｓの表面にアルゴンイオンを照射する照射工程とが分離されている。このため、各工程で磁場コイル２１に流す電流値を調整することにより、基板Ｓの表面でのボロンラジカルの内面分布と、アルゴンイオンの面内分布とを独立して制御することができる。これにより、基板Ｓの内部に不純物（ラジカルに含まれる元素）を略均一に導入することができる。
【００３３】
ところで、基板Ｓ内に押し込まれる不純物の量は、基板Ｓの表面に堆積されたボロンラジカルの膜厚に依存する。したがって、基板Ｓの表面に堆積されたボロンラジカルの膜厚を高精度に制御することで、所望量の不純物を基板Ｓに対して導入することができる。本発明では、堆積工程において、膜厚センサ５０によって基板Ｓの表面に堆積したボロンラジカルの膜厚を比較的正確に検出することができる。したがって、照射工程において基板Ｓの内部に所望量の不純物（ボロン）を導入することができる。
【００３４】
また本実施形態では、堆積工程後に真空チャンバ１１内のジボランガスをアルゴンガスに置換している。これにより照射工程においてボロンラジカルの膜厚に衝突するイオンのエネルギーが均一化される。したがって、基板Ｓに対する不純物の導入量をさらに高精度に制御することができる。
【００３５】
ここで堆積工程において、膜厚センサ５０を構成する水晶振動子５１は、プラズマ生成室１２と基板Ｓとの間の空間を遮らない第１の領域に配置された状態で、基板Ｓに堆積されるボロンラジカルの膜厚を検出する。このため、本実施形態では、堆積工程を実施する前に、第１の領域と、プラズマ生成室１２とステージ３１に載置された基板Ｓとの間の空間を遮る第２の領域とで、水晶振動子５１上へのラジカルの堆積速度（デポジションレート）を測定し、これらの測定結果から、第１の領域と第２の領域とのラジカルの堆積速度の比率を求める測定工程を実施している。また本実施形態では、この測定工程において、第２の領域、つまり基板Ｓに対向する領域の複数箇所でデポジションレートを測定し、その結果に基づいてプラズマ生成条件を調整することで、基板Ｓ上に堆積するボロンラジカルの膜厚の面内分布の均一化を図っている。
【００３６】
測定工程では、図２に示すように、まずステップＳ１でプラズマ生成条件を設定し、設定したプラズマ生成条件で、基板Ｓに対向する領域（第２の領域）におけるデポジションレートを測定する（ステップＳ２）。具体的には、図３に示すように、基板Ｓに対向する領域の複数箇所、例えば、測定位置Ｐ１〜Ｐ３に移動させ、それぞれの測定位置で所定時間（例えば、５秒間）だけボロンラジカルを水晶振動子５１上に堆積させて堆積量を測定する。次に、これら各測定位置Ｐ１〜Ｐ３で測定した堆積量のバラツキが所定範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ３）。ここで、堆積量のバラツキが所定範囲を超えている場合には（ステップＳ３：ＮＯ）、ステップＳ１に戻りプラズマ生成条件を調整する。一方、堆積量のバラツキが所定範囲内（例えば、１％以内）である場合には（ステップＳ３：ＹＥＳ）、ステップＳ４に進む。ステップＳ４では、各測定位置Ｐ１〜Ｐ３における堆積量の平均値から基板Ｓ上でのデポジションレートを算出する。
【００３７】
次いでステップＳ５では、水晶振動子５１を第１の領域、つまり基板Ｓよりも外側の領域（ホームポジションＰ０）に移動させて保持し、再び所定時間だけボロンラジカルを水晶振動子５１上に堆積させて堆積量を測定する。そして、その結果からホームポジションＰ０におけるデポジションレートを算出する（ステップＳ６）。
【００３８】
その後、ステップＳ４で算出された結果と、ステップＳ６で算出された結果とから、ホームポジションＰ０と、基板Ｓに対向する位置Ｐ１とにおけるデポジションレートの比率（補正係数）を算出する（ステップＳ７）。
【００３９】
このようにデポジションレートの比率（補正係数）を求めておくことで、堆積工程において、ホームポジションＰ０に配置された水晶振動子５１上に堆積したボロンラジカルの量（膜厚）に基づいて、基板Ｓ上に堆積したボロンラジカルの膜厚を求めることができる。つまり膜厚センサ５０の検出結果に基づいて、堆積工程において基板Ｓ上に堆積するボロンラジカルの膜厚を高精度に制御することができる。したがって、照射工程においてボロンラジカルに含まれる元素を基板Ｓの内部に所望量だけ導入させることができる。
【００４０】
このような測定工程は、所定のタイミングで実施すればよく、堆積工程前に毎回行うようにしてもよいが、例えば、デポジションレートの低下等によりプラズマ生成条件の変更が必要となった場合に実施するようにしてもよい。
【００４１】
また基板Ｓ内に導入されるボロンラジカルの面内分布はできるだけ均一であることが好ましい。そのためには、基板Ｓの表面に堆積させたボロンラジカルの膜厚のバラツキを所定範囲内とする必要がある。すなわち基板Ｓの表面に堆積させたボロンラジカルの膜厚の面内分布を均一化する必要がある。基板Ｓ上に堆積したボロンラジカルの膜厚の面内分布は、磁気中性線２２の広がり、つまりプラズマ中のラジカルの分布を変化させることで調整することができる。なお磁気中性線２２の広がりは、例えば、上述のように磁場コイル２１に流れる電流値等のデポジション条件を変化させることによって調整することができる。
【００４２】
このようなプラズマ生成条件の調整を行う際、従来は、プラズマドーピング装置１０によって基板Ｓ上に実際にボロンラジカルを堆積させ、基板Ｓを装置から取り出して断面ＳＥＭを観察することにより、基板Ｓ上に堆積したボロンラジカルの膜厚の面内分布を確認していた。このため、プラズマ生成条件の調整は煩雑な作業であった。
【００４３】
これに対し本実施形態では、上述のように測定工程において水晶振動子５１を移動させて基板Ｓ上の複数箇所におけるボロンラジカルの膜厚を測定することで、基板Ｓ上に堆積したボロンラジカルの膜厚の面内分布を容易に確認することができる。したがって、プラズマ生成条件を極めて容易に調整することができる。
【００４４】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、勿論、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能なものである。
【符号の説明】
【００４５】
１０  プラズマドーピング装置
１１  真空チャンバ
１２  プラズマ生成室
１３  基板処理室
１４  壁部材
１５  天板
１６  シャワープレート
２１  磁場コイル
２２  磁気中性線
２３  アンテナコイル
２４  コンデンサ
２５  高周波電源
３１  ステージ
３２  ブロッキングコンデンサ
３３  高周波電源
３４  排気口
５０  膜厚センサ（測定手段）
５１  水晶振動子
Ｓ  基板
【図１】
2012178475.tif 000003
【図２】
2012178475.tif 000004
【図３】
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