(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内で結晶である試料にプラズマを接触させ、プラズマ中のイオンを試料の表面に衝突させて試料の表面をアモルファスに改質する工程を含むプラズマドーピング方法であって、
プラズマドーピング時間範囲を決定する工程（A）と、
前記工程（A）の後に、前記プラズマドーピング時間範囲に含まれる所定のプラズマドーピング時間を用いて、前記試料の表面をアモルファスに改質する工程（B）と、
を備え、
前記工程（A）は、前記試料における面内の複数の箇所において、前記試料面上で前記プラズマ中のイオン密度をそれぞれ求める工程を含み、
前記試料の表面に形成されるアモルファス層の深さが最大となる時間以下であり、アモルファス層の深さが前記最大の深さの９０％になる時間以上である範囲を前記所定のプラズマドーピング時間範囲として決定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】
前記プラズマドーピング時間範囲は２０秒以上、６０秒以下であ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方法。
【請求項３】
前記プラズマドーピング時間範囲は、４０秒以上、６０秒未満であることを特徴とする
請求項１または２に記載のプラズマドーピング方法。
【請求項４】
前記プラズマドーピング時間範囲は２０秒以上、４０秒以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマドーピング方法。
【請求項５】
前記改質する工程は、不純物イオンプラズマを照射し、アモルファスへの改質と不純物イオンの注入とを同時に実行する工程であ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方法。
【請求項６】
前記改質する工程の後、不純物をドーピングする工程を含む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方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載のプラズマドーピング方法であって、
前記試料が半導体基板であるプラズマドーピング方法。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載のプラズマドーピング方法であって、
真空容器内に発生させるプラズマは、希ガスのプラズマであるプラズマドーピング方法。
【請求項９】
請求項８に記載のプラズマドーピング方法であって、
真空容器内に発生させるプラズマは、ヘリウムプラズマであるプラズマドーピング方法。
【請求項１０】
請求項８に記載のプラズマドーピング方法であって、
真空容器内に発生させるプラズマは、ネオンプラズマであるプラズマドーピング方法。
【請求項１１】
請求項１に記載のプラズマドーピング方法であって、
真空容器内に発生させるプラズマは、ボロンを含むプラズマであり、試料表面をアモルファスに改質すると同時に、ボロンを試料表面に導入するプラズマドーピングを行うプラズマドーピング方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載のプラズマドーピング方法であって、
真空容器内に発生させるプラズマは、ジボランを含むプラズマであるプラズマドーピング方法。
【請求項１３】
請求項１に記載のプラズマドーピング方法であって、
真空容器内に発生させるプラズマは、砒素、燐、またはアンチモンを含むプラズマであり、試料表面をアモルファスに改質すると同時に、砒素、燐、またはアンチモンを試料表面に導入するプラズマドーピングを行うプラズマドーピング方法。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれかに記載のプラズマドーピング方法を実行するための装置であって、
真空容器と、試料電極と、前記真空容器内にガスを供給するガス供給手段と、前記真空容器内を排気する排気手段と、前記真空容器内の圧力を制御する圧力制御手段と、前記試料にプラズマを供給するプラズマ供給手段と前記試料電極に電力を供給する試料電極用電源とを備えたプラズマドーピング室と、前記試料に光を照射する光照射部と、前記試料への入射光と反射光の偏光状態を検知する検知部とを備えたプラズマドーピング装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載のプラズマドーピング装置であって、
前記検知部は、前記プラズマドーピング室内に配設されたプラズマドーピング装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載のプラズマドーピング装置であって、
前記検知部は、前記プラズマドーピング室と独立して設けられた検査室内に配設されたプラズマドーピング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、プラズマドーピング方法およびこれに用いられる装置にかかり、特に半導体等の製造プロセスにおいてプラズマを用いて表面を改質したり不純物を導入したりする方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  プラズマを照射して結晶である試料表面をアモルファスに改質する技術としては、ヘリウムのプラズマを用いたプラズマドーピング方法が開示されている（非特許文献１参照）。図８は、従来のプラズマドーピングのために用いられる典型的なプラズマ処理装置の概略構成を示している。図８において、真空容器１内に、シリコン基板からなる試料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原料ガス、例えばヘリウムガス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。【０００３】  マイクロ波導波管５１より、誘電体窓としての石英板５２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５３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）５４が形成される。試料電極６には、コンデンサ５５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。なお、ガス供給装置２から供給されたガスは、ガス導入口５６から真空容器１内に導入され、排気口１１からポンプ３へ排気される。【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５６から導入された原料ガス、例えばヘリウムガスは、マイクロ波導波管５１及び電磁石５３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５４中のヘリウム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。【０００５】  このようにしてアモルファス化された試料９の表面にボロンなどの所望の不純物をイオン注入やプラズマドーピングなどの手段で導入し、後述する活性化処理を行う。さらに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。ただし、トランジスタの形成には、プラズマドーピング処理によって不純物イオンを導入した後、活性化処理を行う必要がある。活性化処理とは、不純物を導入した層を、ＲＴＡ（急速加熱アニール）、Ｓｐｉｋｅ  ＲＴＡ（スパイク急速加熱アニール）、レーザーアニール、フラッシュランプアニールなどの方法を用いて加熱し、再結晶化する処理をいう。【０００６】  このとき、不純物を導入した極薄い層を効果的に加熱することにより、浅い活性化層を得ることができる。不純物を導入した極薄い層を効果的に加熱するには、不純物を導入する前に、不純物を導入しようとする極薄い層における、レーザー、ランプなどの光源から照射される光に対する吸収率を高めておく処理が行われる。この処理はプレアモルファス化と呼ばれるもので、先に示したプラズマ処理装置と同様の構成のプラズマ処理装置において、前述のＨｅガスなどのプラズマを発生させ、生じたＨｅなどのイオンをバイアス電圧によって基板に向けて加速して衝突させ、基板表面の結晶構造を破壊してアモルファス化するものであり、既に本発明者らによって提案されている（非特許文献１）。【０００７】  また、イオン注入によってボロンをシリ���ン結晶中に注入するときは、チャネリング効果によりボロンが深くまで注入されてしまう。チャネリング効果とは、ボロンがトンネル状になった結晶の粒界に沿ってシリコン原子と衝突せずに深くまで注入されてしまう効果である。この効果を低減し、ボロンを浅く注入したい場合にもプレアモルファス化の処理は用いられる。すなわち、ボロンの注入に先立ち、シリコンの結晶をアモルファス状態にしておくことで、シリコン原子の配置をばらばらにしておく。これにより、ボロン原子はランダムにシリコン原子と衝突することになり、浅く注入することができる。【０００８】  さらに、不純物イオンの導入とプレアモルファス化を同時に行うことができる。これも先に示したプラズマ処理装置と同様の構成のプラズマ処理装置を用いる。前述のＨｅガスに極微量のB2H6ガスを混合したガスなどのプラズマを発生させ、生じたＨｅなどのイオンをバイアス電圧によって基板に向けて加速して衝突させ、基板表面の結晶構造を破壊してアモルファス化すると同時に、Bなどのイオンをバイアス電圧によって基板に向けて加速して基板中に注入するものである（非特許文献２）。【０００９】
【非特許文献１】Ｙ．Ｓａｓａｋｉ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｂ２Ｈ６  Ｐｌａｓｍａ  Ｄｏｐｉｎｇ  ｗｉｔｈ  Ｉｎ−ｓｉｔｕ  Ｈｅ  Ｐｒｅ−ａｍｏｒｐｈｙｚａｔｉｏｎ”，２００４  Ｓｙｍｐｏｓｉａ  ｏｎ  ＶＬＳＩ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ａｎｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ
【非特許文献２】Ｒ．  Ｈｉｇａｋｉ  ｅｔ  ａｌ．，“Effects of gas phase absorption into Si substrates on plasma doping process”，2003 European Solid State Device Research Conf. (ESSDERC2003), (2003) 231.
【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、従来の方式では、アモルファス層の面内均一性が悪いという問題があった。プラズマ処理のために、直径２００ｍｍあるいは３００ｍｍのシリコン基板上では、プラズマの分布ばらつきが反映されて基板面内でアモルファス層が均一に形成されないという問題が生じている。【００１１】  この問題は、プラズマ照射によるアモルファス化ではじめて発生した新しい課題である。これは、例えばシリコン基板表面にゲルマニウムやシリコンのイオンをイオン注入する技術では発生しない問題である。なぜなら、イオン注入では、シリコン基板よりも断面積の小さいイオンビームを用いて、シリコン基板上をスキャンする方法を用いることで、イオンビーム断面積内のイオンビームのばらつきを平均化することができると同時に、同じ方法でイオンビーム電流量の経時変化によるばらつきをもシリコン基板面内で平均化することができる。アモルファス層は、イオン種と加速エネルギー、ドーズ量で決まるが、これらはシリコン基板面内で非常に均一性良く平均化されるので、面内均一性良くアモルファス層を形成することが容易であることが知られている。【００１２】  一方、プラズマドーピングにおいては、プラズマをスキャンすることは困難であり、プラズマ自体の均一化は難しい状況にあった。【００１３】  本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、試料表面に形成されるアモルファス層の面内均一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する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
そこで本発明は、真空容器内で結晶である試料にプラズマを接触させ、プラズマ中のイオンを試料の表面に衝突させて試料の表面をアモルファスに改質する工程を含むプラズマドーピング方法であって、プラズマドーピング時間範囲を決定する工程（A）と、前記工程（A）の後に、前記プラズマドーピング時間範囲に含まれる所定のプラズマドーピング時間を用いて、前記試料の表面をアモルファスに改質する工程（B）と、を備え、前記工程（A）は、前記試料における面内の複数の箇所において、前記試料面上で前記プラズマ中のイオン密度をそれぞれ求める工程を含み、前記試料の表面に形成されるアモルファス層の深さが最大となる時間以下であり、アモルファス層の深さが前記最大の深さの９０％になる時間以上である範囲を前記所定のプラズマドーピング時間範囲として決定することを特徴とする。
【００１５】
また本発明は、上記プラズマドーピング方法において、前記プラズマドーピング時間範囲は２０秒以上、６０秒以下であることを特徴とする。
【００１６】 また本発明は、上記プラズマドーピング方法において、前記プラズマドーピング時間範囲は、４０秒以上、６０秒未満であることを特徴とする。【００１７】
また本発明は、上記プラズマドーピング方法において、前記プラズマドーピング時間範囲は２０秒以上、４０秒以下であることを特徴とする。
【００１８】 また、本発明のプラズマドーピング方法は、真空容器内で、試料にプラズマを接触させ、プラズマ中のイオンを試料の表面に衝突させて試料の表面をアモルファスに改質する工程を含むプラズマドーピング方法であって、前記プラズマの照射時間を、前記試料表面におけるプラズマ中のイオン密度の標準偏差よりも、前記試料内のアモルファス層深さの標準偏差が小さくなり、かつアモルファス層が飽和する深さの９０％以上の深さになる時間になるように設定して実行されることを特徴とする。【００１９】  本発明者らは種々の実験結果から、プラズマ中の不純物イオンを試料の表面に衝突させて試料の表面をアモルファスに改質するプラズマドーピング方法において、面内均一性が良くなる適切なプラズマ照射時間が存在することを発見した。本発明はこれに着目してなされたものである。すなわち、プラズマ照射時間が短か過ぎるとプラズマのばらつきがシリコン基板上のアモルファス層の深さに転写されて面内均一性が悪くなる。一方、プラズマ照射時間が長すぎるとシリコン基板表面をプラズマでスパッタする効果が支配的になり面内均一性が悪くなる。その中間に面内均一性が良くなる適切なプラズマ照射時間が存在することを見出した。【００２０】  通常のプラズマドーピングにおいては、プラズマ中のイオン密度の分布がアモルファス層深さの分布に転写される。プラズマを照射し始めた最初のころは、イオン密度が小さい部分のアモルファス層の深さは浅くなり、イオン密度が大きい部分では深くなる。ところが、プラズマ照射をそのまま続けると、イオン密度が大きい部分ではアモルファス層の深さが早期に飽和し始めてやがてある深さ以上は深くなりにくくなる。一方で、イオン密度が小さい部分では未だ順調にアモルファス層の深さは深くなり続ける。そしてその後、さらにプラズマ照射を続けると、イオン密度が小さい部分でもやがてアモルファス層の深さが飽和に近くなり、深くなり難くなる。  この段階では、イオン密度が大きい部分のアモルファス層の深さは、時間に対して変化が小さくなっており、従って、イオン密度が小さい部分のアモルファス層の深さは、イオン密度が大きい部分の深さに追いついてその差が小さくなる。  このメカニズムからも、周辺データからも、飽和に近い方が良いことはあきらかである。【００２１】  また、本発明のプラズマドーピング方法は、所定数の前記試料に対し、前記プラズマの照射時間と生成されるアモルファス層の深さとの関係を測定する工程と、前記アモルファス層の深さが前記試料内で均一である照射時間をプラズマ処理時間とする。【００２２】  また、本発明のプラズマドーピング方法は、前記測定する工程が、エリプソメトリによりアモルファス層の深さを測定する工程であって、前記深さの標準偏差σが１．３％以下となるプラズマ照射時間をプラズマ照射時間となるようにしたものを含む。【００２３】  また、本発明のプラズマドーピング方法は、前記プラズマ照射時間を２０秒から６０秒としたものを含む。  この構成により、均一なアモルファス層の深さを得ることができる。【００２４】  また、本発明のプラズマドーピング方法は、前記プラズマ照射時間を３０秒から５０秒としたものを含む。  この構成により���さらに均一なアモルファス層の深さを得ることができる。【００２５】  また、本発明のプラズマドーピング方法は、前記改質する工程が、不純物イオンプラズマを照射し、アモルファス化と不純物イオンの注入とを同時に実行する工程であるものを含む。【００２６】  また、本発明のプラズマドーピング方法は、前記改質する工程の後、不純物をドーピングする工程を含むものを含む。【００２７】  また、本発明のプラズマドーピング方法は、前記測定する工程が、プラズマドーピング処理されたダミー試料表面に光を照射して入射光と反射光の偏光状態の差を検出し、その差からダミー試料表面のアモルファス層の深さを算出する工程と、算出されたアモルファス層の深さのばらつきの標準偏差が所定の値となるように、前記改質する工程の処理時間を制御するものを含む。【００２８】  また、本発明のプラズマドーピング方法は、前記試料がシリコンよりなる半導体基板であるものを含む。【００２９】  また、本発明のプラズマドーピング方法は、真空容器内に発生させるプラズマは、希ガスのプラズマであるものを含む。【００３０】  また、本発明のプラズマドーピング方法は、真空容器内に発生させるプラズマは、ヘリウムプラズマであるものを含む。  この構成により、ヘリウムは、希ガスの中で原子半径が最も小さいので、小さい加速電圧でシリコン基板の深くまで原子が注入されるので、プラズマ照射装置の電源が小さくて済む、したがってより小型の装置でより深いアモルファス層を形成できるので望ましい。 【００３１】  また、本発明のプラズマドーピング方法は、真空容器内に発生させるプラズマは、ネオンプラズマであるものを含む。  この構成により、本発明によればヘリウムの次に原子半径が小さく同様に装置の小型化が可能である。【００３２】  また、本発明のプラズマドーピング方法は、真空容器内に発生させるプラズマは、ボロンを含むプラズマであり、結晶である試料表面をアモルファスに改質すると同時に、ボロンを試料表面に導入するプラズマドーピングを行うものであるものを含む。【００３３】  また、本発明のプラズマドーピング方法は、真空容器内に発生させるプラズマは、ジボランを含むプラズマであるものを含む。【００３４】  また、本発明のプラズマドーピング方法は、真空容器内に発生させるプラズマは、砒素、燐、またはアンチモンを含むプラズマであり、結晶である試料表面をアモルファスに改質すると同時に、砒素、燐、またはアンチモンを試料表面に導入するプラズマドーピングを行うものであるものを含む。【００３５】  また、本発明のプラズマドーピング方法は、ダミー試料が、試料のデバイスとしては不要となる部分に設けられた試料の一部分であるものを含む。【００３６】  また、本発明のプラズマドーピング方法は、真空容器内で、試料にプラズマを接触させ、プラズマ中のイオンを試料の表面に衝突させて試料の表面をアモルファスに改質する工程を含むプラズマドーピング方法であって、基板面上で前記プラズマ中のイオン密度が小さい部分アモルファス層の深さが最大値付近に達する程度にプラズマの照射時間を長く設定するようにしたことを特徴とする。【００３７】  この構成により、前記試料表面におけるプラズマ中のイオン密度が大きい部分はアモルファス層の深さが短い時間で最大値に達し、前記試料表面におけるプラズマ中のイオン密度が小さい部分はアモルファス層の深さが長い時間で最大値に達するが、イオン密度が小さい部分のアモルファス層の深さが最大値付近に達する程度にプラズマの照射時間を長く設定することにより、前記イオン密度が大きい部分と小さい部分のアモルファス層の深さの差が小さくなり、試料表面でのアモルファス層の深さの均一化を測ることができる。【００３８】  また、本発明のプラズマドーピング方法は、前記プラズマの照射時間が、前記イオン密度が小さい部分のアモルファス層の深さが前記プラズマの照射時間を変化させたときの最大値の９０％以上の深さになる時間になるように設定して実行される。  この構成により、基板面内の均一化を図ることができる。【００３９】  また、本発明のプラズマドーピング方法を実行するための装置は、真空容器と、試料電極と、前記真空容器内にガスを供給するガス供給手段と、前記真空容器内を排気する排気手段と、前記真空容器内の圧力を制御する圧力制御手段と、前記試料にプラズマを供給するプラズマ供給手段と前記試料電極に電力を供給する試料電極用電源とを備えたプラズマドーピング室と、前記試料に光を照射する光照射部と、前記試料への入射光と反射光の偏光状態を検知する検知部とを具備している。【００４０】  また、本発明のプラズマドーピング装置は、前記検知部が、前記プラズマドーピング室内に配設されたものを含む。【００４１】  また、本発明のプラズマドーピング装置は、前記検知部は、前記プラズマドーピング室と独立して設けられた検査室内に配設されたものを含む。
【発明の効果】
【００４２】  以上説明してきたように、本発明によれば、プラズマ中の不純物イオンを試料の表面に衝突させて試料の表面をアモルファスに改質するプラズマドーピング方法において、面内均一性が良くなる適切なプラズマ照射時間が存在することを発見し、プラズマ照射時間によって面内均一性を制御するようにしているため、容易に深さ制御を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】  以下本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。  （実施の形態１）  以下、本発明の実施の形態１について、図１から図５を参照して説明する。  本発明の方法は、プラズマのばらつきがシリコン基板上のアモルファス層の深さに転写されて面内均一性が悪くならない程度に時間を長くする一方、シリコン基板表面をプラズマでスパッタする効果が支配的になり面内均一性が悪くならない程度にとどめるべく、プラズマ照射時間を行いこれにもとづき、バイアスパワー条件を調整し、所望の深さのプラズマドーピングを行うようにしたことを特徴とする。【００４４】  図１に、本発明の実施の形態１において用いたプラズマドーピング装置のプラズマ照射室の断面図を示す。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の高周波電力を試料電極６に対向した誘電体窓７の近傍に設けられたコイル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を発生させることができる。試料電極６上に、試料としてのシリコン基板９を載置する。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、これは、試料としての基板９がプラズマに対して負の電位をもつように、試料電極６の電位を制御する電圧源として機能する。このようにして、プラズマ中のイオンを試料の表面に向かって加速し衝突させて試料の表面をアモルファス化したり、不純物を導入したりすることができる。なお、ガス供給装置２から供給されたガスは、排気口１１からポンプ３へ排気される。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。【００４５】  基板９を試料電極６に載置した後、試料電極６の温度を２５℃に保ちながら、真空容器１内を排気口１１から排気しつつ、ガス供給装置２より真空容器１内にヘリウムガスを５０ｓｃｃｍ供給し、調圧弁４を制御して真空容器１内の圧力を１Ｐａに保つ。次に、プラズマ源としてのコイル８に高周波電力（ソースパワーＳＰここでは１５００Ｗ、９００Ｗ）を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るとともに、試料電極６の台座１６に高周波電力（バイアスパワーＢＰここでは５０〜３００Ｗ）を供給することにより、シリコン基板９の表面の結晶層をアモルファス化する。【００４６】  図２は、プラズマドーピング装置の全体構成を示す平面図である。図２において、ローダ室１３内に試料を載置した後、ローダ室１３を排気して真空状態にする。第１トランスファ室１４ａとローダ室１３の間に設けたゲート１５を開き、第１トランスファ室１４内の搬送アームＡを操作して、試料を第１トランスファ室１４内に移動させる。次いで、同様にゲート１５を適切に開閉するとともに、搬送アームＡを操作して、プラズマ照射室１６に試料を移動させ、前述のようにアモルファス化処理を行う。次に、試料をプラ���マ照射室１６から第２トランスファ室１４ｂに移動させ、さらに、試料をアンローダ室１９に移動させ、試料を取り出す。【００４７】  本実施の形態では、アモルファス層の特性を正確に制御するために、ダミー試料を用いてアモルファス層の深さをモニタした。同一の処理条件で深さが変化する原因としては、真空容器内壁への堆積物の付着、真空容器内壁の温度変化、高周波電源の特性変化などがあり、容易には特定できない。さて、ここでは、ダミー試料を、２５枚の試料を処理するたびに投入した。ダミー試料としては、デバイスを形成するための試料とほぼ同じ大きさの単結晶シリコン基板を用いた。ダミー試料にはレジストなどのパターニングは施さず、試料表面の全体にアモルファス化処理を施した。【００４８】  まず、図２において、ローダ室１３内にダミー試料を載置した後、ローダ室１３を排気して真空状態にする。第１トランスファ室１４ａとローダ室１３の間に設けたゲート１５を開き、第１トランスファ室１４内の搬送アームＡを操作して、ダミー試料を第１トランスファ室１４内に移動させる。次いで、同様にゲート１５を適切に開閉するとともに、搬送アームＡを操作して、プラズマ照射室１６にダミー試料を移動させ、その直前に試料を処理した条件にてアモルファス化処理を行う。次に、ダミー試料をプラズマ照射室１６から第２トランスファ室１４ｂに移動させ、さらに、ダミー試料を検査室１７に移動させる。検査室でアモルファス層の深さなどが測定されたダミー試料は、図２において再び第２トランスファ室１４ｂに移動させる。さらに、アンローダ室１９に移動させ、取り出す。【００４９】  アモルファス層の深さが繰り返し性良く所望の値を得るために、２５枚の試料を処理するたびに、ダミー試料をプラズマドーピング処理し、プラズマ照射処理されたダミー試料のアモルファス層の深さが所定の値および深さのばらつきが所定の値以下となるように試料を処理する条件および処理時間を制御した。具体的には、まず、バイアスに電力を変化させて深さとの関係を測定し、バイアス電力を決定した後、そのバイアス電力において処理時間を変化させてダミー試料のアモルファス層の深さのばらつきが所定の値以下となるように処理時間を決定する。【００５０】  試料電極に供給するバイアス電力ＢＰ、プラズマ源に供給する高周波電力ＳＰ、あるいは、処理時間をどのように変化させるかについては、標準的なアモルファス化条件において、これらの各制御パラメータを変化させた場合にアモルファス層の深さがどの程度変化するかをあらかじめ実験的に求めておけばよい。これらの各制御パラメータを変化させるには、図示していない装置の制御系に格納されている処理レシピが自動的に書き換わるようなソフトウエアを構築しておけばよい。【００５１】  このような構成により、試料表面に形成されるアモルファス層の深さの制御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。
【実施例１】
【００５２】（バイアスによるアモルファス層の深さ制御）  まず、上記装置において、バイアス電力とアモルファス層深さの関係を測定した。その結果を図３に示す。基板は、200mm, p型を用いた。圧力0.9Pa, バイアスを印加した時間５は20秒で処理した。SPは1500Wと900Wの２水準で変えて調べた。そして、バイアス電力を50Wから300Wの範囲で変化させてアモルファス層の深さの変化を調べた。ここでは、深さはウェハ面内中央部の３箇所をエリプソで測定した平均値で表示した。【００５３】  なお、別のプロセスチャンバーであるプラズマドーピング装置Aでも、アモルファス層深さはバイアスを変えることで制御できることが確認できた。実験の都合上、バイアスは３水準しか取得していないため、正確な近似式で表現できる段階ではないが、CVR社製プラズマドーピング装置やプラズマドーピング装置Bによる実験結果でも、アモルファス層の深さはバイアスに対して良好な比例関係にあることがわかっている。【００５４】  そこで、プラズマドーピング装置Aでも比例関係にあると仮定すると、SPが900Wのときは深さとバイアスの関係は式１で表される。また、SPが1500Wのときは、式２で表すことができる。ただし、Tは深さ(nm)、WはBP(W)である。【００５５】T = 0.0623・W + 6.6632 （式１）T = 0.0529・W + 6.3999 （式２）【００５６】  この結果から、以下のことがわかる。バイアス電力を2W変えると約0.1nm深さが変化する。つまり、0.1nmの精度で深さを制御できる可能性が高い。また、式１、式２によると、バイアス電力を印加しなくても、或いは10Wのような非常に小さいBPでも、6nm程度のアモルファス層ができることになる。【００５７】  そこで、6nm程度以下の浅いアモルファス層を制御性良く作りたい場合には、Neを混合するなどの工夫が必要になる可能性がある。一方、図３で示したように8nm以上、25nm以下のアモルファス層をHeだけで形成することができる。【００５８】（プロセス時間とアモルファス層深さ、面内均一性の関係＠200mm）  次にプラズマドーピング装置Aを用いて処理時間とアモルファス層の深さとの関係を測定した。その結果を図４に示す。図４では横軸はバイアス印加時間、縦軸はアモルファス層深さを示す。ここでも基板は、200mm, p型を用いた。圧力は0.9Pa, SPは1500W, BPは150Wでおこなった。そして、バイアスを印加した時間を7秒から60秒の範囲で変化させてアモルファス層の深さの変化を測定し、また、面内均一性の変化を測定すべく、深さの標準偏差も算出した。ここではアモルファス層の深さはウェハ面内の８１箇所をエリプソで測定した平均値とし、深さの標準偏差は基板端部5mmを除く８１箇所で評価した。【００５９】  この結果、アモルファス層の深さは、バイアス印加時間の増加に従って増加し、40秒程度で飽和することがわかった。CVR製PD装置を用いて別の条件でおこなった場合は、25秒程度で飽和した。これより、深さが飽和する時間は、プラズマの条件により異なることがわかる。【００６０】  また、図４を参照すると、６０秒でアモルファス層深さは約１６．５ｎｍであり、この時点で飽和していることがわかる。８０秒では、アモルファス層深さは約１６．１ｎｍであり、厳密には少しアモルファス層の深さは小さくなる。これはスパッタによるものだと考えられるが詳細は不明である。ところで、飽��したときのアモルファス層の深さを１６．５ｎｍとすると、その９０％は１４．８５ｎｍであり、１４．８５ｎｍから余裕を見て、１５ｎｍとなる時間とすると２０秒である。  ここで、図５を参照すると、確かに２０秒以上とすることで、１．３％以下の均一性を得られている。つまり、深さの最大値の９０％以上となる深さになるようにプラズマ照射時間を設定してやることで非常に良い均一性が得られることがわかる。【００６１】  プラズマドーピング装置Aを用いた今回の実験では飽和時間は６０秒付近であったが、もう少し短い時間で飽和するプラズマ条件がある可能性が高い。したがってそれぞれの装置についてあらかじめ飽和時間を実験で確認しておき、その時間を処理時間とすればよい。【００６２】  アモルファス層深さの均一性は、バイアス印加時間が40秒までは１σで0.2nm以下であった。ところが、60秒まで長い時間続けると１σで0.23nmとばらつきが大きくなった。図５はバイアス印加時間と面内均一性の関係を示す図である。図５から、面内均一性を良い水準にするためには最適なバイアス印加時間があることがわかる。今回の条件では、それは40秒である。このときの面内均一性は１σで0.98%であった。【００６３】  面内均一性は、深さの標準偏差を深さの平均で除したもので評価した。バイアス印加時間が40秒以下では、図４で示したように、深さの標準偏差が0.16nmから0.19nmの範囲でそれほど変わらない。その一方で、深さの平均はバイアス印加時間とともに増加する。この結果、面内均一性はバイアス印加時間の増加に従って良くなっていく。しかし、バイアス印加時間が40秒を超えると、深さのばらつきの標準偏差が悪くなる一方で、深さの平均がほとんど増加しない。この結果、面内均一性が悪くなった。【００６４】  次に、40秒を超えたときに深さのばらつきの標準偏差が悪くなる原因について考察する。図６は、バイアス印加時間を変えたときのアモルファス層深さの面内分布の変化である。ウェハ全面にわたって最初浅かったアモルファス層が深くなっていく様子が理解できる。60秒のときには、40秒以下では顕著に見られない特徴が認められる。すなわち、図面右下側の深さが浅くなっているという特徴である。この方向は、装置の構成上、基板面内の他の部分よりもスパッタリングが起こり易い部分である。飽和を超えた６０秒のときには、このようなスパッタリングが起こり易い部分の特徴が発現しやすい。【００６５】（実施の形態２）  次に、プラズマのイオン密度のばらつきと基板内のアモルファス層の深さのばらつきとの関係について測定する。【００６６】  図１に示したものと同様の装置を用い、B2H6とHeの混合ガスを用いて、ボロンのシリコンへの導入（注入）を行った。B2H6とHeのガス混合比は０．０５％と９９．９５％である。圧力は０．９Pa、ソースパワーは１５００Wとした。シリコン基板は直径３００ｍｍのｎ型基板を用いた。このとき、シリコン基板表面をアモルファス化するプロセスにおいて、使用したB2H6／Heプラズマのイオン密度を測定した。このイオン密度の標準偏差は、１σで９．６３％であった。イオン密度の測定に際してはラングミュラープローブを用いた。これは、 タングステンの針をプラズマ中に入れて、針にプラスとマイナスの電圧を 周期的に掛け��ときにプラズマ中の電子とイオンが針に飛び込んでくる量を 測定することにより、プラズマ 中のイオン密度を測定する。【００６７】  一方、アモルファス層の深さの標準偏差は、プラズマ照射時間７秒の場合：１σで３．７４％、プラズマ照射時間１４秒の場合：１σで２．８７％、プラズマ照射時間６０秒の場合：１σで１．４２％であった。【００６８】  また、このときに得られる、アモルファス層の深さは、７秒の場合：６．３７ｎｍ１４秒の場合：７．９６ｎｍ、３０秒の場合：９．９０ｎｍ、６０秒の場合：１０．７０ｎｍ、８０秒の場合：１０．１０ｎｍであった。【００６９】  ちなみにプラズマのイオン密度は、基板中央が密度が高く、端部の方が密度が低くなっている。 これに対し、アモルファス層の深さは、通常、基板中央が深く、端部の方が浅くなった。このようにアモルファス層の深さは、イオン密度の形が転写された形になっているが、そのばらつきの均一性は、プラズマドーピング時間を調整することで、より均一にすることができることがわかる。【００７０】  また、時間の調整の仕方は、アモルファス層が飽和する深さ（ここでは１０．７０ｎｍ）の９０％以上の深さ（ここでは９．６３ｎｍ）になる時間に調整することで、良好な均一性を得ることができる。【００７１】（実施の形態３）  CVR製プラズマドーピング装置を用いて処理時間とアモルファス層の深さとの関係を測定した。その結果を図７に示す。図７では横軸はバイアス印加時間、縦軸はアモルファス層深さを示す。ここでも基板は、200mm, p型を用いた。圧力は0.9Pa, SPは1500W, BPは60Wでおこなった。そして、バイアスを印加した時間を7秒から100秒の範囲で変化させてアモルファス層の深さの変化を測定した。CVR製プラズマドーピング装置では３０秒付近で一旦アモルファス層の深さは飽和（最大値をもつ）し、その後、浅くなることが了解できる。最終的に一定になる傾向も認められる。このように飽和には２段階ある。最初に最大値を持つ時間と、最終的に時間変化に対して一定になる時間である。【００７２】  なお、実施の形態１、２で説明した飽和すると言う意味は、図７で最初に最大となる時間について述べている。ここでは、３０秒付近のことである。アモルファス層の深さは、その後一定になる傾向にあるが、スパッタによるシリコンの削れが問題にならない場合には、最終的に時間変化に対して一定になって飽和した時間でも使うことができる。ただし、スパッタによるシリコンの削れが問題になる場合が実際にはほとんであるし、面内均一性も最初に最大値を持つ方の飽和時間を使う方が良いものが得られる。よって、最初に最大値を持つ方の飽和時間を使う方が望ましい。【００７３】  また、ここでは、CVR製プラズマドーピング装置を用いた例についてのみ説明したが、プラズマドーピング装置AやBなどの他の装置を用いても程度の差はあれ同様の結果を得ることができる。【００７４】  なお、プラズマドーピングで均一性が１．３％以下になるように 均一に形成したアモルファス層を有する直径２００ｍｍ以上の シリコン基板、望ましくは直径３００ｍｍ以上の基板においては特に有効である。その理由は、よく知られていることであるが、直径の大きな基板を用いた方が、１回の処理で製造できる半導体チップの数が多くなるので、経済的に有利となるからである。なお、ここで、レジストパターンが付いている場合は、レジストが付いている部分を 除いたシリコン基板が表面に出ている部分のアモルファス層の均一性とする。
【産業上の利用可能性】
【００７５】  本発明のプラズマドーピング方法及び装置は、試料表面に導入される不純物の打ち込み深さ、またはアモルファス層の深さの制御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ができることから、半導体の不純物ドーピング工程をはじめ、液晶などで用いられる薄膜トランジスタの製造や、各種材料の表面改質等の用途にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【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室の構成を示す断面図
【図２】本発明の実施の形態1におけるプラズマドーピング装置の全体構成を示す平面図
【図３】本発明の実施の形態1におけるバイアス電力とアモルファス層の深さとの関係を示す図
【図４】本発明の実施の形態1におけるバイアス印加時間とアモルファス層の深さとの関係を示す図
【図５】本発明の実施の形態1におけるバイアス印加時間とアモルファス層の深さの面内均一性との関係を示す図
【図６】本発明の実施の形態1におけるバイアス印加時間を変えたときのアモルファス層の深さの面内分布を示す図
【図７】本発明の実施の形態３におけるバイアス印加時間とアモルファス層の深さとの関係を示す図
【図８】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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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