(57)【要約】試料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繰り返し性、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。  真空容器内にプラズマを発生させ、プラズマ中のイオンを試料の表面に衝突させて結晶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であって、所定数の試料とともに、ダミー試料をプラズマ照射してアモルファス化処理する工程と、前記プラズマ照射のなされた前記ダミー試料表面に光を照射し、前記ダミー試料表面の光学特性を測定する工程とを含み、前記測定工程で得られた光学特性が所望の値となるように、試料を処理する条件を制御するようにしている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内にプラズマを発生させ、プラズマ中のイオンを試料の表面に衝突させて結晶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であって、
所定数の試料とともに、ダミー試料をプラズマ照射してアモルファス化処理する工程と、
前記プラズマ照射のなされた前記ダミー試料表面に光を照射し、前記ダミー試料表面の光学特性を測定する工程と、
前記測定工程で得られた光学特性が所望の値となるように、前記結晶試料を処理する条件を制御するようにしたプラズマドーピング方法。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記アモルファス化処理する工程は、真空容器内の試料電極に試料を載置し、真空容器内にプラズマを発生させつつ、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結晶試料表面をアモルファスに改質する工程であるプラズマドーピング方法。
【請求項３】
請求項１に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記アモルファス化処理する工程は、真空容器内の試料電極に試料を載置し、ガス供給装置より真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、試料電極に電力を供給することによって真空容器内にプラズマを発生させつつ、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結晶試料表面をアモルファスに改質する工程であるプラズマドーピング方法。
【請求項４】
請求項１に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記アモルファス化処理する工程は、真空容器内の試料電極に試料を載置し、ガス供給装置より真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、プラズマ源に高周波電力を供給することによって真空容器内にプラズマを発生させるとともに、試料電極に電力を供給することによっ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結晶試料表面をアモルファスに改質する工程であるプラズマドーピング方法。
【請求項５】
請求項１に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記測定する工程は、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光学特性にもとづいて、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が所定の値となるように、前記改質する工程の処理条件を制御するプラズマドーピング方法。
【請求項６】
請求項４に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記改質する工程は、プラズマ中のイオンを試料の表面に向かって加速する加速エネルギーを変化させるように前記処理条件を制御する工程を含むプラズマドーピング方法。
【請求項７】
請求項４に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記改質する工程は、試料電極に供給する電力を変化させることでプラズマと試料電極の間に形成した電力の大きさで調整可能な電位差を変化させるように前記処理条件を制御する工程を含むプラズマドーピング方法。
【請求項８】
請求項４に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記改質する工程は、プラズマを照射する時間を変化させるように前記処理条件を制御する工程を含むプラズマドーピング方法。
【請求項９】
請求項４に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記改質する工程は、プラズマ源に供給する高周波電力を変化させるように前記処理条件を制御する工程を含むプラズマドーピング方法。
【請求項１０】
請求項４に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記改質する工程は、真空容器内の圧力を変化させるように前記処理条件を制御する工程を含むプラズマドーピング方法。
【請求項１１】
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であって、
前記試料がシリコンよりなる半導体基板であるプラズマドーピング方法。
【請求項１２】
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１３】
請求項１２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、またはネオンのプラズマであるプラズマドーピング方法。
【請求項１４】
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、不純物を含むプラズマであり、結晶試料表面をアモルファスに改質すると同時に、前記不純物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プラズマドーピング方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記不純物はボロンであるプラズマドーピング方法。
【請求項１６】
請求項１４に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記プラズマはヘリウム希釈されたボロ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１７】
請求項１４に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記不純物はジボランであるプラズマドーピング方法。
【請求項１８】
請求項１４に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記不純物は、砒素、燐、またはアンチモ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１９】
請求項１に記載のプラズマドーピング方法であって、
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プラズマドーピング方法。
【請求項２０】
請求項１乃至１９のいずれかに記載のプラズマドーピング方法であって、
前記アモルファス層の深さを制御することで、導入した不純物イオンの深さを制御するようにしたプラズマドーピング方法。
【請求項２１】
真空容器内にプラズマを発生させ、プラズマ中のイオンを試料の表面に衝突させて結晶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であって、
所定数の試料とともに、ダミー試料をプラズマ照射してアモルファス化処理する工程と、
前記プラズマ照射のなされた前記ダミー試料表面に形成されたアモルファス層の深さを測定する工程と、
前記測定工程で得られたアモルファス層の深さが所望の値となるように、前記結晶試料を処理する条件を制御するようにしたプラズマドーピング方法。
【請求項２２】
真空容器と、試料電極と、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２３】
請求項２２に記載のプラズマドーピング装置であって、
前記プラズマドーピング室に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を備えたプラズマドーピング装置。
【請求項２４】
請求項２２または２３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２５】
請求項２２または２３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、結晶である試料表面にプラズマを用いてイオンを注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。
【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１９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１９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。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。【０００３】  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。【０００４】  プラズマドーピング方法及び装置において、ドーピング量を制御するための方法として、試料電極に供給する高周波電流を測定する方法が提案されている。図２０は、その一例を示す装置の概略構成である。図２０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。コンデンサ５５、高周波変流器５８を介して、試料電極６に電源１０より高周波電力を供給することにより、真空容器１内にプラズマが形成され、プラズマ中のボロンイオンが試料９の表面に導入される。高周波変流器５８を介して、電流計５９で放電時の高周波電流を測定することにより、ドーピングされたボロン濃度を制御することができる。なお、試料電極に対向して、対向電極５７が設けられ、対向電極５７は接地される。【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、不純部を導入する前に、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、既に本件発明者などによって提案されている。【０００７】
【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
【０００８】  また、イオン注入でボロンをシリコ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、広く知られている現象で、ボロンがシリコン原子と衝突することなく、結晶中でトンネルをくぐりぬけるように深くまで注入されてしまう効果である。この効果を低減して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、ボロンの注入前に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、浅く注入できる。【０００９】  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。
【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、繰り返し再現性が悪いという問題があった。このときのシリコンウェハ表面に形成したアモルファス層の深さを測定した結果を図２１に示す。縦軸は、アモルファス層の深さ、横軸はサンプル数である。すなわち、同じ条件でプラズマドーピング処理を行ったにも拘らず、シリコンウェハ表面に形成したアモルファス層の深さのバラツキが大きくなるという問題が発生した。本件発明者らが提案している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、例えばゲルマニウムやシリコンのイオンをイオン注入する従来の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、イオンの加速エネルギーは加速用電極に印加する電圧で制御性、繰り返し性良く得られる。またシリコンウェハに照射するイオン種も分析電磁石で単一な所望のイオン種を繰り返し性良く得られる。さらにイオンのドーズ量もファラデーカップを用いた電気的なドーズ量モニタと時間制御を用いて繰り返し性良く得られる。アモルファス層は、イオン種と加速エネルギー、ドーズ量で決まるので繰り返し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。【００１１】  また、プラズマドーピングで不純物イオンの導入を行う場合には、ボロンの打ち込み深さの繰り返し再現性が悪いという問題もあった。同じ条件でプラズマドーピング処理を行ったにも拘らず、ボロンの打ち込み深さのバラツキが大きくなるという問題が発生した。これは、プラズマドーピングに固有の課題である。プラズマドーピングは、プラズマと基板の間のプラズマシースに発生する電位差でプラズマ中のイオンを加速するが、プラズマの状態はイオン注入における加速用電極に印加する電圧ほどには安定しないし制御性も良くない。なぜなら、プラズマは、プロセスチャンバーの状態によっても変わるので、生産のために繰り返しプラズマドーピングを行うとプロセスチャンバーにボロンなどを含むデポ物が付着していくためにプロセスチャンバーの状態が毎回変わるからである。プラズマの状態が変わるとプラズマシースに発生する電位差も変化するので不純物打ち込み深さの制御性が悪くなる。これは、例えばボロンのイオンをイオン注入する従来の技術では発生しない問題である。【００１２】  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深さと不純物打ち込み深さの繰り返し性、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を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】  そこで本発明の方法は、真空容器内にプラズマを発生させ、プラズマ中のイオンを試料の表面に衝突させて結晶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であって、所定数の試料とともに、ダミー試料をプラズマ照射してアモルファス化処理する工程と、前記プラズマ照射のなされた前記ダミー試料表面に光を照射し、前記ダミー試料表面の光学特性を測定する工程と、前記測定工程で得られた光学特性が所望の値となるように、試料を処理する条件を制御するようにしている。【００１４】  本発明では、プラズマドーピングで不純物イオンの打ち込み深さを制御して、繰り返し性を改善する方法を提案する。つまり、プラズマドーピングで不純物イオンを打ち込むに際し、打ち込みと同時あるいは打ち込みに先立ち、アモルファス化を行う。このとき、本発明者らは、プラズマドーピングで不純物イオンを打ち込むと同時に、シリコン結晶をアモルファス化した場合に、不純物イオンの打ち込み深さとアモルファス層の深さに強い比例関係があることを新たに見出した。そして、アモルファス層の深さを光を用いて測定して、その測定値が所望の値になるようにプラズマドーピング条件を設定する方法でアモルファス層の深さを制御することにより、不純物イオンの打ち込み深さも制御できることを見出した。【００１５】  本発明は、プラズマドーピングにおいてアモルファス層の深さを光を用いて測定して、その測定値が所望の値になるようにプラズマドーピング条件を設定してアモルファス層深さの繰り返し再現性を改善したことに加えて、プラズマドーピングにおいて不純物イオンの打ち込み深さとアモルファス層の深さに強い比例関係があることを利用して、不純物イオンの打ち込み深さの繰り返し再現性を改善したことを特徴とするものである。【００１６】  また本発明の方法は、前記アモルファス化処理する工程が、真空容器内の試料電極に試料を載置し、真空容器内にプラズマを発生させつつ、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結晶である試料表面をアモルファスに改質する工程であるものを含む。【００１７】  また本発明の方法は、前記アモルファス化処理する工程が、真空容器内の試料電極に試料を載置し、ガス供給装置より真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、試料電極に電力を供給することによって真空容器内にプラズマを発生させつつ、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結晶である試料表面をアモルファスに改質する工程であるものを含む。【００１８】  また本発明の方法は、前記アモルファス化処理する工程が、真空容器内の試料電極に試料を載置し、ガス供給装置より真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、プラズマ源に高周波電力を供給することによって真空容器内にプラズマを発生させるとともに、試料電極に電力を供給することによっ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結晶であるものを含む。【００１９】  また本発明の方法は、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���し、その差からダミー試料表面の光学特性にもとづいて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が所定の値となるように、前記改質する工程の処理条件を制御するものを含む。【００２０】  また本発明の方法は、前記改質する工程が、プラズマ中のイオンを試料の表面に向かって加速する加速エネルギーを変化させるように前記処理条件を制御する工程を含むものを含む。【００２１】  また本発明の方法は、前記改質する工程が、試料電極に供給する電力を変化させることでプラズマと試料電極の間に形成した電力の大きさで調整可能な電位差を変化させるように前記処理条件を制御する工程を含むものを含む。【００２２】  また本発明の方法は、前記改質する工程が、プラズマを照射する時間を変化させるように前記処理条件を制御する工程を含むものを含む。【００２３】  また本発明の方法は、前記改質する工程が、プラズマ源に供給する高周波電力を変化させるように前記処理条件を制御する工程を含むものを含む。【００２４】  また本発明の方法は、前記改質する工程は、真空容器内の圧力を変化させるように前記処理条件を制御する工程を含むものを含む。【００２５】  また本発明の方法は、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。【００２６】  また本発明の方法は、真空容器内に発生させるプラズマが、希ガスのプラズマであるものを含む。【００２７】  また本発明の方法は、真空容器内に発生させるプラズマが、ヘリウム、またはネオンのプラズマであるものを含む。【００２８】  また本発明の方法は、真空容器内に発生させるプラズマが、不純物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、不純物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。【００２９】  また本発明の方法は、前記不純物が、ボロンであるものを含む。【００３０】  また本発明の方法は、前記プラズマが、ヘリウム希釈されたボロンを含むプラズマであるものを含む。【００３１】  また本発明の方法は、真空容器内に発生させるプラズマが、ジボランを含むプラズマであるものを含む。【００３２】  また本発明の方法は、真空容器内に発生させるプラズマが、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を含む。【００３３】  また本発明の方法は、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。【００３４】  本発明の方法は、真空容器内にプラズマを発生させ、プラズマ中のイオンを試料の表面に衝突させて結晶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であって、所定数の試料とともに、ダミー試料をプラズマ照射してアモルファス化処理する工程と、前記プラズマ照射のなされた前記ダミー試料表面に形成されたアモルファス層の深さを測定する工程と、前記測定工程で得られたアモルファス層の深さが所望の値となるように、前記結晶試料を処理する条件を制御するようにしたことを特徴とする。【００３５】  また本発明の方法は、アモルファス層の深さを制御すること��、導入した不純物イオンの深さを制御するようにしたものを含む。【００３６】  また本発明の装置は、真空容器と、試料電極と、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ている。【００３７】  また本発明の装置は、前記プラズマドーピング室に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を備えたものを含む。【００３８】  また本発明の装置は、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。【００３９】  また本発明の装置は、前記検知部が、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。【００４０】  なお本発明において光学特性とは、改質により形成されたアモルファス層の深さや、改質の度合いによるアモルファスの度合いの差などに起因する光学的測定結果を示すものとする。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【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におけるランプアニール方式の加熱室の構成を示す断面図
【図４】本発明の実施の形態１におけるレーザーアニール方式の加熱室の構成を示す断面図
【図５】本発明の実施の形態１におけるシート抵抗測定器の概略構成を示す斜視図
【図６】本発明の実施の形態２におけるシリコン基板の平面図
【図７】本発明の実施の形態２におけるランプアニール方式の加熱室の構成を示す断面図
【図８】本発明の実施の形態３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９】本発明の実施の形態３におけるＸ線分析室の構成を示す断面図
【図１０】本発明の実施の形態４におけるプラズマドーピング室の構成を示す断面図
【図１１】本発明の実施の形態５における深さとバイアス電圧との関係を示す図
【図１２】本発明の実施の形態５の方法を示すフローチャート
【図１３】本発明の実施の形態５における深さの測定結果を示す図
【図１４】本発明の実施の形態６における打ち込み深さと電力との関係を示す図
【図１５】本発明の実施の形態６におけるアモルファス層の深さと電力との関係を示す図
【図１６】本発明の実施の形態６におけるボロンの打ち込み深さとアモルファス層の深さとの関係を示す図
【図１７】本発明の実施の形態６の方法を示すフローチャート
【図１８】本発明の実施の形態６における深さの測定結果を示す図
【図１９】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２０】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２１】従来例で用いたプラズマドーピング装置における深さの測定結果を示す図
【符号の説明】
【００４２】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
【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。
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。【００４４】  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に高周波電力を８００Ｗ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の台座に２００Ｗの高周波電力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ことができた。【００４５】  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１４ａ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１４ａ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、試料をアンローダ室１９に移動させ、試料を取り出す。【００４６】  一方、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光学特性と深さをモニタした。同一の処理条件で光学特性と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。【００４７】  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１４ａ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１４ａ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。【００４８】  図３は、ランプアニール方式の加熱室の構成を示す断面図である。図３において、加熱室１７内に設けられた試料台２０上に、ダミー試料２１を載置する。試料加熱装置としてのランプ２２から発せられた赤外線光は、窓２１を通してダミー試料２１の表面に照射される。ランプ２２の一例としては、タングステンハロゲンランプを用いることができる。試料９の温度が１１００℃となるようにランプ光照射条件を設定し、３分間１１００℃に保持する条件にて活性化を行った。【００４９】  加熱室は、図４に示すようなレーザーアニール方式であってもよい。図４において、加熱室１７内に設けられた試料台２４上に、ダミー試料２１を載置する。試料加熱装置としてのレーザー光源２５より発せられたレーザー光は、ミラー２６によりビームの向きが制御され、窓２７を介してダミー試料２１の表面に照射される。【００５０】  あるいは、加熱室は、セラミックスヒーターなどを利用した高温炉であってもよい。ランプやレーザーを用いる場合は、ダミー試料に対してパルス的にエネルギーを与えることにより、ダミー試料のごく表面のみを高温に加熱することもできるが、高温炉を用いる場合は、ダミー試料全体が加熱される。高温炉は安価であるという利点がある。
加熱による活性化処理が施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に移動し、次いでシート抵抗測定室１８に移動させる。【００５１】  図５は、シート抵抗測定室１８内に設けられたシート抵抗測定器の概略構成を示す斜視図である。図５において、ダミー試料２１の表面に、４本の探針２８を直線状に配置し、外側の２本を定電流源２９に接続して、ダミー試料２１に電流を印加したときの内側の２本の探針間の電圧を電圧計３０によって測定する。より正確には、ダミー試料２１に押し当てた外側の２本の探針間に正逆両方に印加した印加電流値Ｉ、およびこのときの内側の２本の探針間の電位差測定値Ｖの平均値を求め、次式によって、ダミー試料のシート抵抗Ｒを算出する。
Ｒ＝Ｖ／Ｉ【００５２】  アモルファス層の光学特性と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、プラズマドーピング処理されたダミー試料のアモルファス層の光学特性と深さが所定の値となるように試料を処理する条件を制御した。具体的には、ダミー試料のアモルファス層の深さが、所望の値よりも小さかった場合には、次の２５枚の試料を処理する条件において、試料電極に供給する電力を大きくする。あるいは、プラズマ源に供給する高周波電力を小さくする。あるいは、処理時間を長くする。【００５３】  逆に、ダミー試料のアモルファス層の深さが、所望の値よりも大きかった場合には、次の２５枚の試料を処理する条件において、試料電極に供給する電力を小さくする。あるいは、プラズマ源に供給する高周波電力を大きくする。あるいは、処理時間を短くする。【００５４】  試料電極に供給する電力、プラズマ源に供給する高周波電力、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。
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た。【００５５】  また、試料電極に供給する電力、プラズマ源に供給する高周波電力、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表面の光学特性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。
このような構成により、試料表面に形成される表面の光学特性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た。【００５６】（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について、図６から図７を参照して説明する。
実施の形態１では、ダミー試料として、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場合について例示した。しかし、このような構成だと、３００ｍｍシリコン基板などのような高価な試料を処理する際に、ダミー試料にかかるコストが高くなるという欠点がある。コストを抑制するために、例えば試料を１００枚処理するたびにダミー試料を処理するなどして、ダミー試料を投入する頻度を下げる方法が考えられるが、アモルファス層深さの制御性が損なわれるという別の欠点が生じる。【００５７】  こうした問題を解決する方法として、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ような構成とすることが考えられる。このような構成により、３００ｍｍシリコン基板などのような高価な試料を処理する際に、ダミー試料にかかるコストを最小限に抑制することができる。また、全部の試料の一部にダミー試料を準備しておけば、アモルファス層深さの制御性が極めて高くなる。つまり、１枚ごとに処理条件を微調整することが可能となる。【００５８】  図６に、実施の形態２において用いた試料及びダミー試料としてのシリコン基板の平面図を示す。試料９には、後に分断されて半導体素子となるチップ部３１が多数設けられており、チップ部３１はレジスト等により、不純物を導入するための開口が準備されている。一般に、半導体基板は円形であるのに対し、素子は四角である。このため、基板の周辺部にはチップ部を設けることができない部分が存在している。この部分の一部を、ダミー試料３２として利用することができる。ダミー試料３２には、レジストパターン等は形成されておらず、ダミー試料３２全体にアモルファス化及びプラズマドーピング処理が施される。【００５９】このような基板を用いて、非晶質化及びプラズマドーピング処理を行った後、図７に示すような加熱室１７にて、部分的な加熱処理を行う。図７において、加熱室１７内に設けられた試料台２０上に、試料９を載置する。試料加熱装置としてのランプ２２から発せられた赤外線光は、窓２１を通して試料９の表面の一部に照射される。このとき、ランプ光がダミー試料のみに照射されるよう、マスク３３で試料９を覆っておく。フラッシュランプ等の技術を用いることにより、チップ部をほとんど加熱することなく、ダミー試料のごく表面のみを１０００℃以上に加熱することができる。もちろん、部分的な加熱処理を行う方法として、レーザーアニール法を用いることもできる。この場合、図４のような構成の加熱室を利用して、ミラー２６によってダミー試料のみにレーザーが照射されるようにすればよい。【００６０】  なお、ダミー試料は不活性ガス雰囲気で加熱することが望ましい。そうすることで、ダミー試料の好ましくない変質、例えば酸化などを抑制できるため、再現性に優れた活性化が行われ、不純物濃度の制御性をより高めることができる。このような処理を行うためには、加熱室に、加熱室内に不活性ガスを供給するガス供給装置を備える構成とすることが望ましい。あるいは、真空中で加熱しても同様の効果が得られる。【００６１】（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図８から図９を参照して説明する。
アモルファス化およびプラズマドーピングを行うプラズマドーピング装置のプラズマドーピング室については、既に本発明の実施の形態１において説明した図１と同じであるので、ここでは説明を省略する。【００６２】  図８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８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１４ａ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１４ａ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、プラズマドーピング室１６に試料を移動させ、アモルファス化処理及びプラズマドーピング処理を行う。次に、試料をプラズマドーピング室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。【００６３】  一方、アモルファス化処理によるアモルファス層の深さを正確に制御するために、ダミー試料を用いてエリプソメトリにより入射光と反射光の偏光状態の差をモニタした。同一の処理条件でアモルファス層の深さおよび表面状態が変化する原因としては、真空容器内壁へのガスや堆積物の付着、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及びドーピング処理を施した。【００６４】  まず、図８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１４ａ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１４ａ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、プラズマドーピング室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及びプラズマドーピング処理を行う。次に、ダミー試料をプラズマドーピング室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Ｘ線分析室３４に移動させる。【００６５】  図９は、エリプソメトリを行うための検査室３４の構成を示す断面図である。図９において、検査室３４内に設けられた試料台３５上に、ダミー試料２１を載置する。光源３６から照射された光ビーム３７は、ダミー試料２１の表面３ｎｍ〜１００ｎｍほどの深さで改質処理によりアモルファス化されたアモルファス層にあたる。ここで直線偏光を入射すると、反射光は楕円偏光となり、楕円偏光の位相角Δと、楕円の振幅強度比とから求められる正接を測定し、このアモルファス層の膜厚および複屈折率を、アナライザ３９、ディテクタ４０から成る検出器を用いて検出することにより、ダミー試料の表面のアモルファス層の深さおよび表面状態を知ることができる。【００６６】  なお、このエリプソメトリ法によれば、アモルファス層の深さおよび表面状態（光学特性）を検出することが可能である。【００６７】  アモルファス層の深さおよび表面状態を検出するとともに必要に応じてドーズ量を計測されたダミー試料は、図８において再び第２トランスファ室１４ｂに移動し、次いでアンローダ室１９に移動させ、装置から取り出す。
所望のアモルファス層の深さを得るには、エリプソメトリで測定された測定値が所望の値となっていることが必要である。そこで、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、プラズマドーピング処理されたダミー試料に直線偏光を照射し、ダミー試料から放射される反射光を検出し、検出されたアモルファス層の深さおよび表面状態が所定の値となるように試料を処理する条件を制御した。【００６８】  具体的には、ダミー試料のアモルファス層の深さが、所望の値よりも大きかった場合には、次の２５枚の試料を処理する条件において、試料電極に供給する電力を小さくする。あるいは、プラズマ源に供給する高周波電力を大きくする。あるいは、処理時間を短くする。
逆に、ダミー試料のアモルファス層の深さが、所望の値よりも小さかった場合には、次の２５枚の試料を処理する条件において、試料電極に供給する電力を大きくする。あるいは、プラズマ源に供給する高周波電力を小さくする。あるいは、処理時間を長くする。【００６９】  試料電極に供給する電力、プラズマ源に供給する高周波電力、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、ドーピング条件において、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、偏光状態、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。
このような構成により、試料表面に導入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た。【００７０】（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４について、図１０を参照して説明する。
図１０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プラズマドーピング室の断面図を示す。図１０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。【００７１】  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。【００７２】  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。
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に高周波電力を８００Ｗ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２００Ｗの高周波電力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ことができた。【００７３】  次いで、試料電極６の温度を２５℃に保ちつつ、真空容器１内にヘリウム（Ｈｅ）ガス及びＢ２Ｈ６ガスをそれぞれ１００ｓｃｃｍ、１ｓｃｃｍ供給し、真空容器１内の圧力を０．５Ｐａに保ちながらコイル８に高周波電力を１０００Ｗ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に２５０Ｗの高周波電力を供給することにより、ボロンを基板９の表面近傍に導入することができた。
プラズマドーピング室には、エリプソメトリを行うことによりアモルファス層の深さを測定するためのアナライザ３９、ディテクタ４０から成る検出器が備えられている。その動作については、本発明の実施の形態３で述べたので、ここでは説明を省略する。また、同様にドーズ量（不純物濃度）を算出するために試料から放射されるＸ線を測定する装置として、アナライザ３９、ディテクタ４０から成る検出器を具備するようにしてもよい。【００７４】  このようにして測定された偏光状態から算出されたアモルファス層の深さが所定の値となるように試料をアモルファス化処理する条件を制御することにより、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レアモルファス化処理方法ひいては制御性のよい、プラズマドーピング方法を実現することができる。一般に、試料の表面にはアモルファス化及び不純物導入を行う部分がレジスト等により開口されているが、アモルファス層の深さ、Ｘ線量またはＸ線量から算出されたドーズ量を測定しやすいように、広めの開口部を設けておく（開口部がダミー試料となる）。【００７５】  そして、アモルファス層の深さが、所望の値よりも大きかった場合には、次の所定枚数の試料を処理する条件において、試料電極に供給する電力を小さくする。あるいは、プラズマ源に供給する高周波電力を大きくする。あるいは、処理時間を短くする。【００７６】  逆に、アモルファス層の深さが、所望の値よりも小さかった場合には、次の所定枚数の試料を処理する条件において、試料電極に供給する電力を大きくする。あるいは、プラズマ源に供給する高周波電力を小さくする。あるいは、処理時間を長くする。
試料電極に供給する電力、プラズマ源に供給する高周波電力、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、ドーピング条件において、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。【００７７】  このようにして、再現性に優れたプラズマドーピング処理を実現することができる。
このように、エリプソメトリによる検出器、電子線源及びＸ線検出器が、真空容器内の試料電極に載置された試料に向けて光を照射する構成となっていることで、アモルファス層の深さを測定するための特別な処理室が不要となり、生産性を高めることが可能となる。【００７８】  以上述べた方法は、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ような構成である。このような構成により、３００ｍｍシリコン基板などのような高価な試料を処理する際に、ダミー試料にかかるコストを最小限に抑制することができる。また、全部の試料の一部にダミー試料を準備しておけば、不純物濃度の制御性が極めて高くなる。つまり、１枚ごとに処理条件を微調整することが可能となる。【００７９】  なお、レジストを形成していない基板をダミー試料として用いてもよいことは、いうまでもない。
以上述べ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、真空容器の形状、プラズマ源の方式及び配置、プラズマの条件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。【００８０】  例えば、コイル８を平面状としてもよく、あるいは、ヘリコン波プラズマ源、磁気中性ループプラズマ源、有磁場マイクロ波プラズマ源（電子サイクロトロン共鳴プラズマ源）を用いてもよいし、図９に示した平行平板型プラズマ源を用いてもよい。
また、ヘリウム以外の不活性ガスを用いてもよく、ネオン、アルゴン、クリプトンまたはキセノン（ゼノン）のうち少なくともひとつのガスを用いることができる。これらの不活性ガスは、試料への悪影響が他のガスよりも小さいという利点がある。
また、例えばヘリウムにジボランを混合したガスプラズマを用いて、アモルファス化と同時にボロンのドーピングを行った場合にも適用される。こうすることで、２つの工程を１つに工程を減らすことができ、生産性を向上できるので望ましい。
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。しかし、本発明は、試料がシリコンよりなる半導体基板である場合に、とくに有用なプラズマドーピング方法である。また、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、とくに有用である。このような構成により、超微細なシリコン半導体デバイスを製造することができる。【００８１】  また、ドーピング処理中にプラズマの発光分光分析を行ったり、質量分析を行うなどして気相状態をモニタリングし、どのパラメータを変えるべきかの判断に用いてもよい。例えば、気相状態に格別の変化が無いにもかかわらずシート抵抗値が変化したのであれば、ガス流量やプラズマ源に供給する高周波電力を変化させるのではなく、試料電極に供給する電力を変化させればよい。逆に、気相状態に変化が認められたのであれば、試料電極に供給する電力を変化させるのではなく、ガス流量やプラズマ源に供給する高周波電力を変化させればよい。【００８２】  また、アモルファス化とドーピング処理を同一のプラズマ処理室で連続的に処理する場合を例示したが、別々のプラズマ処理室を用意して別個に処理してもよい。
また、加熱室とシート抵抗測定室を別個に設ける場合を例示したが、シート抵抗測定器を加熱室内に設けてもよい。
また、装置全体の構成にもさまざまなバリエーションが考えられることはいうまでもない。【００８３】（実施の形態５）
次に本発明の実施の形態５について、図１１、図１２、図１３を参照して説明する。なお、これは実施の形態１をさらに詳細に説明したものである。そこで、ダミー試料の移動などは実施の形態１と同様である。【００８４】  ヘリウムガスプラズマを用いて２００ｍｍのシリコン基板にプラズマドーピングを行った。プラズマドーピングは、プラズマ照射室１６の真空容器１内で行った。プラズマ源に供給する高周波電力を１５００Ｗ、真空容器１の圧力を０．９Ｐａ、プラズマ照射する処理時間を７秒とした。そして、試料電極に供給する電力を３０Ｗから３００Ｗの範囲で変化させた。試料電極に供給する電力を変えることでプラズマとシリコン基板の間に発生するバイアス電圧を変えることができる。試料電極に供給する電力が大きいとバイアス電圧は大きくなり、小さいと小さくなる。試料電極に供給する電力を３０Ｗから３００Ｗの範囲で変化させることでバイアス電圧は３０Ｖから２００Ｖまで変化した。【００８５】  このようにしてダミー試料にプラズマドーピング処理をした後、検査室１７に移動させてエリプソメトリを用いてアモルファス層の深さを測定した。このような実験の結果、バイアス電圧とアモルファス層の深さの関係は、図１１のようになることがわかった。【００８６】  バイアス電圧とアモルファス層の深さは、非常に良い比例関係にある。バイアス電圧を１Ｖ変えることでアモルファス層の深さを約０．１ｎｍ変化させられることが了解できる。バイアス電圧を１Ｖ変えるためには、試料電極に供給する電力を約１．５Ｗ変えれば良い。すなわち、試料電極に供給する電力を変えることで、アモルファス層の深さを０．１ｎｍ単位の非常に高い精度で制御できることが了解できる。【００８７】  図１２は、上記のようにあらかじめ実験的に求めておいた試料電極に供給する電力とアモルファス層の深さの関係と、エリプソメトリによる検査を組み合わせることで、アモルファス層の深さの繰り返し再現性を改善する方法を示すフローチャートである。エリプソメトリによる検査で、アモルファス層の深さが設定した所定の閾値の範囲内であれば、試料電極に供給する電力はそのままとする。閾値よりも深い場合には、試料電極に供給する電力は小さく設定し直す。閾値よりも浅い場合には、試料電極に供給する電力は大きく設定し直す。【００８８】  すなわち、図１２に示すように、まずヘリウムガスプラズマ照射を行い（ステップ１０１、ウェハを装置から取り出し（ステップ１０２）、エリプソメトリによる検査で、アモルファス層の深さを測定する（ステップ１０３）。
この測定ステップ１０３において測定されたアモルファス層の深さが設定した所定の閾値の範囲内であるか否かを判断し（ステップ１０４）、所定の閾値の範囲内であれば、試料電極に供給する電力はそのままとする（ステップ１０５）。
所定の閾値の範囲内でないと判断されると、閾値よりも大きいか否かを判断する（ステップ１０６）。この判断ステップで閾値よりも大きいと判断されると、試料電極に供給する電力は小さく設定し直す（ステップ１０７）。一方判断ステップ２０６で閾値よりも小さいと判断されると、試料電極に供給する電力は大きく設定し直す（ステップ１０８）。【００８９】  このようにプラズマドーピング処理によるアモルファス層の形成とエリプソメトリによる検査、および検査結果のフィードバックを繰り返した結果を図１３に示す。１００枚のシリコン基板をプラズマドーピング処理し、１回のプラズマドーピング処理毎に１回のエリプソメトリによる検査、および検査結果のフィードバックを実施した。１００回のプラズマドーピング処理中に、２回のバイアス電圧の変更、すなわち試料電極に供給する電力の変更を行った。１回は、アモルファス層の深さが閾値よりも深かったので、バイアス電圧を２Ｖ小さくした。【００９０】  すなわち、試料電極に供給する電力を３Ｗ小さくした。もう１回は、アモルファス層の深さが閾値よりも浅かったので、バイアス電圧を２Ｖ大きくした。すなわち、試料電極に供給する電力を３Ｗ大きくした。その結果、１００枚繰り返してアモルファス層を形成した場合の平均値は９．６ｎｍであり、最大値と最小値の差は０．６ｎｍ以下であった。ばらつきは１σで１％以下に相当した。これは非常に高い繰り返し再現性であり、本発明の有効性を示している。【００９１】  また、検査結果を処理条件にフィードバックする方法は、他の一般的な技術にも広く用いられているが、本発明では、試料電極に供給する電力とアモルファス層の深さに非常に強い比例関係があることと、さらには試料電極に供給する電力を１．５Ｗと現実的に使える程度に十分大きな値で変えてもアモルファス層の深さを０．１ｎｍ単位と非常に細かい精度で可変に制御できることを組み合わせて用いたことに大きな特徴がある。
（実施の形態６）
次に本発明の実施の形態６について、図１４、図１５、図１６、図１７、図１８を参照して説明する。ダミー試料の移動などは実施の形態１と同様である。
ジボランとヘリウムの混合ガスプラズマを用いて２００ｍｍのシリコン基板にプラズマドーピングを行った。混合比は、ジボランガス濃度を０．０２５％、ヘリウムガス濃度を９９．９７５％とした。プラズマドーピングは、プラズマ照射室１６の真空容器１内で行った。プラズマ源に供給する高周波電力を１５００Ｗ、真空容器１の圧力を０．９Ｐａ、プラズマ照射する処理時間を３０秒とした。【００９２】  そして、試料電極に供給する電力を０Ｗから２００Ｗの範囲で変化させた。この条件では、プラズマドーピングによってボロンのシリコン基板への打ち込みと、シリコン基板表面のシリコン結晶をアモルファス化することが同時に行える。なお、試料電極に供給する電力がゼロであってもシリコン基板とプラズマの間に自然にできる電位差でプラズマ中のイオンはシリコン基板に衝突、打ち込まれる。試料電極に供給する電力を変えて、ダミー試料にプラズマドーピング処理をした後、検査室１７に移動させてエリプソメトリを用いてアモルファス層の深さを測定した。その後、図示しないＳＩＭＳ測定装置でシリコン基板中のボロンの深さプロファイルを測定した。【００９３】  このような実験の結果、試料電極に供給する電力とボロンの打ち込み深さの関係は図１４のようになることがわかった。なお、ボロンの打ち込み深さは、ＳＩＭＳで測定したプロファイルでボロン濃度が１×１０１８ｃｍ−３となる深さとした。これは、半導体プロセスにおける浅い接合形成の分野で一般的に広く用いられるボロンの打ち込み深さの決め方である。ボロンの打ち込み深さは、試料電極に供給する電力と１対１の対応であり、試料電極に供給する電力を変えることで制御できる。一方、試料電極に供給する電力とアモルファス層の深さの関係は図１５のようになることがわかった。アモルファス層の深さも試料電極に供給する電力を変えることで制御できる。【００９４】  さらに、アモルファス層の深さとボロンの打ち込み深さの関係は、図１６のようになることがわかった。図１６はアモルファス層の深さを測定すると、ボロンの打ち込み深さが特定できることを示している。通常、ボロンの打ち込み深さはＳＩＭＳを用いて測定せざるを得ない。ＳＩＭＳは１回の測定で数時間を要するし、破壊検査である。ＳＩＭＳでボロンの打ち込み深さを検査する場合を想定すると、検査に長い時間がかかることから、検査中に多くの製品がプラズマドーピング処理されてしまう。その製品のボロンの打ち込み深さが深いことは検査が終了するまでわからないため、もっと短時間で検査できることが求められる。【００９５】  これに対して、図１６を参照するとボロンの打ち込み深さは、アモルファス層の深さを測定すると特定できるので、ＳＩＭＳではなく、エリプソメトリを用いて光学的な測定で検査できることが了解できる。これは本発明に固有の新しい考え方である。この考え方を用いて、ボロンの打ち込み深さの繰り返し再現性を改善する方法を図１７にフローチャートを示す。【００９６】  あらかじめ実験的に準備した図１６を用いて、プラズマドーピング処理後に短時間で検査して検査結果をプラズマドーピング条件にフィードバックする方法である。検査はエリプソメトリを用いる。エリプソメトリによる検査で、アモルファス層の深さが設定した所定の閾値の範囲内であれば、試料電極に供給する電力はそのままとする。閾値よりも深い場合には、試料電極に供給する電力は小さく設定し直す。閾値よりも浅い場合には、試料電極に供給する電力は大きく設定し直す。【００９７】  すなわち、図１７に示すように、まずヘリウムガスプラズマ照射を行い（ステップ２０１、ウェハを装置から取り出し（ステップ２０２）、エリプソメトリによる検査で、アモルファス層の深さを測定する（ステップ２０３）。
この測定ステップ２０３において測定されたアモルファス層の深さが設定した所定の閾値の範囲内であるか否かを判断し（ステップ２０４）、所定の閾値の範囲内であれば、試料電極に供給する電力はそのままとする（ステップ２０５）。
所定の閾値の範囲内でないと判断されると、閾値よりも大きいか否かを判断する（ステップ２０６）。この判断ステップで閾値よりも大きいと判断されると、試料電極に供給する電力は小さく設定し直す（ステップ２０７）。一方判断ステップ２０６で閾値よりも小さいと判断されると、試料電極に供給する電力は大きく設定し直す（ステップ２０８）。【００９８】  このようにプラズマドーピング処理によるアモルファス層の形成とエリプソメトリによる検査、および検査結果のフィードバックを繰り返した結果を図１８に示す。１００枚のシリコン基板をプラズマドーピング処理し、１回のプラズマドーピング処理毎に１回のエリプソメトリによる検査、および検査結果のフィードバックを実施した。【００９９】  １００回のプラズマドーピング処理中に、２回のバイアス電圧の変更、すなわち試料電極に供給する電力の変更を行った。１回は、アモルファス層の深さが閾値よりも深かったので、バイアス電圧を２Ｖ小さくした。すなわち、試料電極に供給する電力を３Ｗ小さくした。もう１回は、アモルファス層の深さが閾値よりも浅かったので、バイアス電圧を２Ｖ大きくした。【０１００】  すなわち、試料電極に供給する電力を３Ｗ大きくした。その結果、１００枚繰り返してアモルファス層の形成とボロンの打ち込みを同時に行った場合のボロンの打ち込み深さの平均値は９．６ｎｍであり、最大値と最小値の差は０．６ｎｍ以下であった。ばらつきは１σで１％以下に相当する。これは非常に高い繰り返し再現性であり、本発明の有効性を示している。【０１０１】  また、検査結果を処理条件にフィードバックする方法は、他の一般的な技術にも広く用いられているが、本発明では、本発明者らが新たに開発したアモルファス層の形成とボロンの打ち込みを同時に行えるプラズマドーピングにおいて、アモルファス層の深さとボロンの打ち込み深さは１対１の関係にあることを新たに見出し、これを利用したことに大きな特徴がある。さらには、この新規発見と、試料電極に供給する電力でアモルファス層の深さとボロンの打ち込み深さを制御できること、エリプソメトリのような光学的な測定で短時間でアモルファス層の深さを測定できることを組み合わせて用いたことに特徴がある。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】  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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年8月7日(2007.8.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内にプラズマを発生させ、プラズマ中の不純物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して不純物を導入するプラズマドーピング方法であって、
ダミー部を含む第１の試料にプラズマドーピングにより不純物を導入する工程と、
前記ダミー部に導入された前記不純物に対応する第１の光学特性を測定する工程と、
第１の光学特性と基準値とを比較することにより、前記第１の試料に続いてプラズマドーピングが行われる第２の試料の第２の光学特性が、あらかじめ決定された所定の値となるように、第２の試料を処理するプラズマドーピングの条件を制御する工程とを含むプラズマドーピング方法。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記ダミー部が、前記試料のデバイスとしては不要となる部分に設けられたプラズマドーピング方法。
【請求項３】
請求項１に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記真空容器内の試料電極に前記試料を載置し、ガス供給装置より真空容器内にガスを供給しつつ前記真空容器内を排気し、前記真空容器内を所定の圧力に制御しながら、前記試料電極に電力を供給することによって前記真空容器内に前記プラズマを発生させるプラズマドーピング方法。
【請求項４】
請求項３に記載のプラズマドーピング方法であって、
プラズマ源に高周波電力を供給することによって前記真空容器内に前記プラズマを発生させるプラズマドーピング方法。
【請求項５】
請求項１に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記光学特性を測定する工程は、前記ダミー部をエリプソメトリで測定する工程であ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、
前記エリプソメトリで測定する工程は、前記プラズマドーピング処理された前記ダミー部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、アモルファス層の深さを算出する工程を有す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、
前記プラズマドーピングの条件を制御する工程は、前記ダミー部のアモルファス層の深さを算出した後、
算出されたアモルファス層の深さが所定の値となるように、
前記第２の試料を載置する試料電極に供給する電力を変化させる工程を含むプラズマドーピング方法。
【請求項８】
請求項１に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記プラズマドーピングの条件を制御する工程は、前記ダミー部のアモルファス層の深さを算出した後、
算出されたアモルファス層の深さが所定の値となるように、
前記プラズマを照射する時間を変化させる工程を含むプラズマドーピング方法。
【請求項９】
請求項１に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記プラズマドーピングの条件を制御する工程は、前記ダミー部のアモルファス層の深さを算出した後、
算出されたアモルファス層の深さが所定の値となるように、
前記プラズマを発生させるプラズマ源に供給する高周波電力を変化させる工程を含むプラズマドーピング方法。
【請求項１０】
請求項１に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記プラズマドーピングの条件を制御する工程は、請求項４記載の前記ダミー部のアモルファス層の深さを算出した後、
算出されたアモルファス層の深さが所定の値となるように、
前記真空容器内の圧力を変化させる工程を含む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、
前記プラズマドーピングの条件を制御する工程は、請求項４記載の前記ダミー部のアモルファス層の深さを算出した後、
算出されたアモルファス層の深さが所定の値となるように、
前記プラズマ中の前記不純物を前記試料の表面に向かって加速する加速エネルギーを変化させる工程を含むプラズマドーピング方法。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれかに記載のプラズマドーピング方法であって、
前記第１の試料及び前記第２の試料がシリコンよりなる半導体基板であるプラズマドーピング方法。
【請求項１３】
請求項１乃至１１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１４】
請求項１３に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記真空容器内に発生させるプラズマは、ヘリウム、またはネオンのプラズマであるプラズマドーピング方法。
【請求項１５】
請求項１乃至１１に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記不純物はボロンであるプラズマドーピング方法。
【請求項１６】
請求項１乃至１１に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記プラズマはヘリウム希釈されたボロ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１７】
請求項１乃至１１に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記不純物はジボランであるプラズマドーピング方法。
【請求項１８】
請求項１乃至１１に記載のプラズマドーピング方法であって、
前記不純物は、砒素、燐、またはアンチモ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１９】
真空容器と、試料を載置する試料電極と、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前記試料からの反射光の偏光状態を検知する光学測定部とを備えたプラズマドーピング装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載のプラズマドーピング装置であって、
前記プラズマドーピング室に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を備えたプラズマドーピング装置。
【請求項２１】
請求項１９または２０に記載のプラズマドーピング装置であって、
前記光学測定部は、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２２】
請求項１９または２１に記載のプラズマドーピング装置であって、
前記光学測定部は、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。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶である試料表面にプラズマを用いてイオンを注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。
【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１９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１９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。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。
【０００３】
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。
【０００４】
プラズマドーピング方法及び装置において、ドーピング量を制御するための方法として、試料電極に供給する高周波電流を測定する方法が提案されている。図２０は、その一例を示す装置の概略構成である。図２０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。コンデンサ５５、高周波変流器５８を介して、試料電極６に電源１０より高周波電力を供給することにより、真空容器１内にプラズマが形成され、プラズマ中のボロンイオンが試料９の表面に導入される。高周波変流器５８を介して、電流計５９で放電時の高周波電流を測定することにより、ドーピングされたボロン濃度を制御することができる。なお、試料電極に対向して、対向電極５７が設けられ、対向電極５７は接地される。
【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、既に本件発明者などによって提案されている。
【０００７】
【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
【０００８】
また、イオン注入でボロンをシリコ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、広く知られている現象で、ボロンがシリコン原子と衝突することなく、結晶中でトンネルをくぐりぬけるように深くまで注入されてしまう効果である。この効果を低減して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、ボロンの注入前に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、浅く注入できる。
【０００９】
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。
【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、繰り返し再現性が悪いという問題があった。このときのシリコンウェハ表面に形成したアモルファス層の深さを測定した結果を図２１に示す。縦軸は、アモルファス層の深さ、横軸はサンプル数である。すなわち、同じ条件でプラズマドーピング処理を行ったにも拘らず、シリコンウェハ表面に形成したアモルファス層の深さのバラツキが大きくなるという問題が発生した。本件発明者らが提案している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、例えばゲルマニウムやシリコンのイオンをイオン注入する従来の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、イオンの加速エネルギーは加速用電極に印加する電圧で制御性、繰り返し性良く得られる。またシリコンウェハに照射するイオン種も分析電磁石で単一な所望のイオン種を繰り返し性良く得られる。さらにイオンのドーズ量もファラデーカップを用いた電気的なドーズ量モニタと時間制御を用いて繰り返し性良く得られる。アモルファス層は、イオン種と加速エネルギー、ドーズ量で決まるので繰り返し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。
【００１１】
また、プラズマドーピングで不純物イオンの導入を行う場合には、ボロンの打ち込み深さの繰り返し再現性が悪いという問題もあった。同じ条件でプラズマドーピング処理を行ったにも拘らず、ボロンの打ち込み深さのバラツキが大きくなるという問題が発生した。これは、プラズマドーピングに固有の課題である。プラズマドーピングは、プラズマと基板の間のプラズマシースに発生する電位差でプラズマ中のイオンを加速するが、プラズマの状態はイオン注入における加速用電極に印加する電圧ほどには安定しないし制御性も良くない。なぜなら、プラズマは、プロセスチャンバーの状態によっても変わるので、生産のために繰り返しプラズマドーピングを行うとプロセスチャンバーにボロンなどを含むデポ物が付着していくためにプロセスチャンバーの状態が毎回変わるからである。プラズマの状態が変わるとプラズマシースに発生する電位差も変化するので不純物打ち込み深さの制御性が悪くなる。これは、例えばボロンのイオンをイオン注入する従来の技術では発生しない問題である。
【００１２】
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深さと不純物打ち込み深さの繰り返し性、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を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
そこで本発明の方法は、真空容器内にプラズマを発生させ、プラズマ中の不純物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して不純物を導入するプラズマドーピング方法であって、ダミー部を含む第１の試料にプラズマドーピングにより不純物を導入する工程と、前記ダミー部に導入された前記不純物に対応する第１の光学特性を測定する工程と、第１の光学特性と基準値とを比較することにより、前記第１の試料に続いてプラズマドーピングが行われる第２の試料の第２の光学特性が、あらかじめ決定された所定の値となるように、第２の試料を処理するプラズマドーピングの条件を制御する工程とを含む。ここで基準値は（図１７における）閾値範囲に相当する。
また、本発明では、真空容器内にプラズマを発生させ、プラズマ中のイオンを試料の表面に衝突させて結晶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であって、所定数の試料とともに、ダミー試料をプラズマ照射してアモルファス化処理する工程と、前記プラズマ照射のなされた前記ダミー試料表面に光を照射し、前記ダミー試料表面の光学特性を測定する工程と、前記測定工程で得られた光学特性が所望の値となるように、試料を処理する条件を制御するようにしている。
【００１４】
本発明では、プラズマドーピングで不純物イオンの打ち込み深さを制御して、繰り返し性を改善する方法を提案する。つまり、プラズマドーピングで不純物イオンを打ち込むに際し、打ち込みと同時あるいは打ち込みに先立ち、アモルファス化を行う。このとき、本発明者らは、プラズマドーピングで不純物イオンを打ち込むと同時に、シリコン結晶をアモルファス化した場合に、不純物イオンの打ち込み深さとアモルファス層の深さに強い比例関係があることを新たに見出した。そして、アモルファス層の深さを光を用いて測定して、その測定値が所望の値になるようにプラズマドーピング条件を設定する方法でアモルファス層の深さを制御することにより、不純物イオンの打ち込み深さも制御できることを見出した。
【００１５】
本発明は、プラズマドーピングにおいてアモルファス層の深さを光を用いて測定して、その測定値が所望の値になるようにプラズマドーピング条件を設定してアモルファス層深さの繰り返し再現性を改善したことに加えて、プラズマドーピングにおいて不純物イオンの打ち込み深さとアモルファス層の深さに強い比例関係があることを利用して、不純物イオンの打ち込み深さの繰り返し再現性を改善したことを特徴とするものである。
【００１６】
また本発明の方法は、前記アモルファス化処理する工程が、真空容器内の試料電極に試料を載置し、真空容器内にプラズマを発生させつつ、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結晶である試料表面をアモルファスに改質する工程であるものを含む。
【００１７】
また本発明の方法は、前記アモルファス化処理する工程が、真空容器内の試料電極に試料を載置し、ガス供給装置より真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、試料電極に電力を供給することによって真空容器内にプラズマを発生させつつ、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結晶である試料表面をアモルファスに改質する工程であるものを含む。
【００１８】
また本発明の方法は、前記アモルファス化処理する工程が、真空容器内の試料電極に試料を載置し、ガス供給装置より真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、プラズマ源に高周波電力を供給することによって真空容器内にプラズマを発生させるとともに、試料電極に電力を供給することによっ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結晶試料表面をアモルファスに改質する工程であるものを含む。
【００１９】
また本発明の方法は、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光学特性にもとづいて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が所定の値となるように、前記改質する工程の処理条件を制御するものを含む。
【００２０】
また本発明の方法は、前記改質する工程が、プラズマ中のイオンを試料の表面に向かって加速する加速エネルギーを変化させるように前記処理条件を制御する工程を含むものを含む。
【００２１】
また本発明の方法は、前記改質する工程が、試料電極に供給する電力を変化させることでプラズマと試料電極の間に形成した電力の大きさで調整可能な電位差を変化させるように前記処理条件を制御する工程を含むものを含む。
【００２２】
また本発明の方法は、前記改質する工程が、プラズマを照射する時間を変化させるように前記処理条件を制御する工程を含むものを含む。
【００２３】
また本発明の方法は、前記改質する工程が、プラズマ源に供給する高周波電力を変化させるように前記処理条件を制御する工程を含むものを含む。
【００２４】
また本発明の方法は、前記改質する工程は、真空容器内の圧力を変化させるように前記処理条件を制御する工程を含むものを含む。
【００２５】
また本発明の方法は、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。
【００２６】
また本発明の方法は、真空容器内に発生させるプラズマが、希ガスのプラズマであるものを含む。
【００２７】
また本発明の方法は、真空容器内に発生させるプラズマが、ヘリウム、またはネオンのプラズマであるものを含む。
【００２８】
また本発明の方法は、真空容器内に発生させるプラズマが、不純物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、不純物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。
【００２９】
また本発明の方法は、前記不純物が、ボロンであるものを含む。
【００３０】
また本発明の方法は、前記プラズマが、ヘリウム希釈されたボロンを含むプラズマであるものを含む。
【００３１】
また本発明の方法は、真空容器内に発生させるプラズマが、ジボランを含むプラズマであるものを含む。
【００３２】
また本発明の方法は、真空容器内に発生させるプラズマが、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を含む。
【００３３】
また本発明の方法は、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。
【００３４】
本発明の方法は、真空容器内にプラズマを発生させ、プラズマ中のイオンを試料の表面に衝突させて結晶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であって、所定数の試料とともに、ダミー試料をプラズマ照射してアモルファス化処理する工程と、前記プラズマ照射のなされた前記ダミー試料表面に形成されたアモルファス層の深さを測定する工程と、前記測定工程で得られたアモルファス層の深さが所望の値となるように、前記結晶試料を処理する条件を制御するようにしたことを特徴とする。
【００３５】
また本発明の方法は、アモルファス層の深さを制御することで、導入した不純物イオンの深さを制御するようにしたものを含む。
【００３６】
また本発明の装置は、真空容器と、試料電極と、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ている。
【００３７】
また本発明の装置は、前記プラズマドーピング室に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を備えたものを含む。
【００３８】
また本発明の装置は、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。
【００３９】
また本発明の装置は、前記検知部が、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。
【００４０】
なお本発明において光学特性とは、改質により形成されたアモルファス層の深さや、改質の度合いによるアモルファスの度合いの差などに起因する光学的測定結果を示すものとする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
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。
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。
【００４２】
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に高周波電力を８００Ｗ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の台座に２００Ｗの高周波電力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ことができた。
【００４３】
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１４ａ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１４ａ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、試料をアンローダ室１９に移動させ、試料を取り出す。
【００４４】
一方、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光学特性と深さをモニタした。同一の処理条件で光学特性と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。
【００４５】
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１４ａ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１４ａ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。
【００４６】
図３は、ランプアニール方式の加熱室の構成を示す断面図である。図３において、加熱室１７内に設けられた試料台２０上に、ダミー試料２１を載置する。試料加熱装置としてのランプ２２から発せられた赤外線光は、窓２１を通してダミー試料２１の表面に照射される。ランプ２２の一例としては、タングステンハロゲンランプを用いることができる。試料９の温度が１１００℃となるようにランプ光照射条件を設定し、３分間１１００℃に保持する条件にて活性化を行った。
【００４７】
加熱室は、図４に示すようなレーザーアニール方式であってもよい。図４において、加熱室１７内に設けられた試料台２４上に、ダミー試料２１を載置する。試料加熱装置としてのレーザー光源２５より発せられたレーザー光は、ミラー２６によりビームの向きが制御され、窓２７を介してダミー試料２１の表面に照射される。
【００４８】
あるいは、加熱室は、セラミックスヒーターなどを利用した高温炉であってもよい。ランプやレーザーを用いる場合は、ダミー試料に対してパルス的にエネルギーを与えることにより、ダミー試料のごく表面のみを高温に加熱することもできるが、高温炉を用いる場合は、ダミー試料全体が加熱される。高温炉は安価であるという利点がある。
加熱による活性化処理が施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に移動し、次いでシート抵抗測定室１８に移動させる。
【００４９】
図５は、シート抵抗測定室１８内に設けられたシート抵抗測定器の概略構成を示す斜視図である。図５において、ダミー試料２１の表面に、４本の探針２８を直線状に配置し、外側の２本を定電流源２９に接続して、ダミー試料２１に電流を印加したときの内側の２本の探針間の電圧を電圧計３０によって測定する。より正確には、ダミー試料２１に押し当てた外側の２本の探針間に正逆両方に印加した印加電流値Ｉ、およびこのときの内側の２本の探針間の電位差測定値Ｖの平均値を求め、次式によって、ダミー試料のシート抵抗Ｒを算出する。
Ｒ＝Ｖ／Ｉ
【００５０】
アモルファス層の光学特性と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、プラズマドーピング処理されたダミー試料のアモルファス層の光学特性と深さが所定の値となるように試料を処理する条件を制御した。具体的には、ダミー試料のアモルファス層の深さが、所望の値よりも小さかった場合には、次の２５枚の試料を処理する条件において、試料電極に供給する電力を大きくする。あるいは、プラズマ源に供給する高周波電力を小さくする。あるいは、処理時間を長くする。
【００５１】
逆に、ダミー試料のアモルファス層の深さが、所望の値よりも大きかった場合には、次の２５枚の試料を処理する条件において、試料電極に供給する電力を小さくする。あるいは、プラズマ源に供給する高周波電力を大きくする。あるいは、処理時間を短くする。
【００５２】
試料電極に供給する電力、プラズマ源に供給する高周波電力、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。
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た。
【００５３】
また、試料電極に供給する電力、プラズマ源に供給する高周波電力、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表面の光学特性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。
このような構成により、試料表面に形成される表面の光学特性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た。
【００５４】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について、図６から図７を参照して説明する。
実施の形態１では、ダミー試料として、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場合について例示した。しかし、このような構成だと、３００ｍｍシリコン基板などのような高価な試料を処理する際に、ダミー試料にかかるコストが高くなるという欠点がある。コストを抑制するために、例えば試料を１００枚処理するたびにダミー試料を処理するなどして、ダミー試料を投入する頻度を下げる方法が考えられるが、アモルファス層深さの制御性が損なわれるという別の欠点が生じる。
【００５５】
こうした問題を解決する方法として、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ような構成とすることが考えられる。このような構成により、３００ｍｍシリコン基板などのような高価な試料を処理する際に、ダミー試料にかかるコストを最小限に抑制することができる。また、全部の試料の一部にダミー試料を準備しておけば、アモルファス層深さの制御性が極めて高くなる。つまり、１枚ごとに処理条件を微調整することが可能となる。
【００５６】
図６に、実施の形態２において用いた試料及びダミー試料としてのシリコン基板の平面図を示す。試料９には、後に分断されて半導体素子となるチップ部３１が多数設けられており、チップ部３１はレジスト等により、不純物を導入するための開口が準備されている。一般に、半導体基板は円形であるのに対し、素子は四角である。このため、基板の周辺部にはチップ部を設けることができない部分が存在している。この部分の一部を、ダミー試料３２として利用することができる。ダミー試料３２には、レジストパターン等は形成されておらず、ダミー試料３２全体にアモルファス化及びプラズマドーピング処理が施される。
【００５７】
このような基板を用いて、非晶質化及びプラズマドーピング処理を行った後、図７に示すような加熱室１７にて、部分的な加熱処理を行う。図７において、加熱室１７内に設けられた試料台２０上に、試料９を載置する。試料加熱装置としてのランプ２２から発せられた赤外線光は、窓２１を通して試料９の表面の一部に照射される。このとき、ランプ光がダミー試料のみに照射されるよう、マスク３３で試料９を覆っておく。フラッシュランプ等の技術を用いることにより、チップ部をほとんど加熱することなく、ダミー試料のごく表面のみを１０００℃以上に加熱することができる。もちろん、部分的な加熱処理を行う方法として、レーザーアニール法を用いることもできる。この場合、図４のような構成の加熱室を利用して、ミラー２６によってダミー試料のみにレーザーが照射されるようにすればよい。
【００５８】
なお、ダミー試料は不活性ガス雰囲気で加熱することが望ましい。そうすることで、ダミー試料の好ましくない変質、例えば酸化などを抑制できるため、再現性に優れた活性化が行われ、不純物濃度の制御性をより高めることができる。このような処理を行うためには、加熱室に、加熱室内に不活性ガスを供給するガス供給装置を備える構成とすることが望ましい。あるいは、真空中で加熱しても同様の効果が得られる。
【００５９】
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図８から図９を参照して説明する。
アモルファス化およびプラズマドーピングを行うプラズマドーピング装置のプラズマドーピング室については、既に本発明の実施の形態１において説明した図１と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【００６０】
図８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８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１４ａ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１４ａ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、プラズマドーピング室１６に試料を移動させ、アモルファス化処理及びプラズマドーピング処理を行う。次に、試料をプラズマドーピング室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。
【００６１】
一方、アモルファス化処理によるアモルファス層の深さを正確に制御するために、ダミー試料を用いてエリプソメトリにより入射光と反射光の偏光状態の差をモニタした。同一の処理条件でアモルファス層の深さおよび表面状態が変化する原因としては、真空容器内壁へのガスや堆積物の付着、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及びドーピング処理を施した。
【００６２】
まず、図８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１４ａ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１４ａ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、プラズマドーピング室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及びプラズマドーピング処理を行う。次に、ダミー試料をプラズマドーピング室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Ｘ線分析室３４に移動させる。
【００６３】
図９は、エリプソメトリを行うための検査室３４の構成を示す断面図である。図９において、検査室３４内に設けられた試料台３５上に、ダミー試料２１を載置する。光源３６から照射された光ビーム３７は、ダミー試料２１の表面３ｎｍ〜１００ｎｍほどの深さで改質処理によりアモルファス化されたアモルファス層にあたる。ここで直線偏光を入射すると、反射光は楕円偏光となり、楕円偏光の位相角Δと、楕円の振幅強度比とから求められる正接を測定し、このアモルファス層の膜厚および複屈折率を、アナライザ３９、ディテクタ４０から成る検出器を用いて検出することにより、ダミー試料の表面のアモルファス層の深さおよび表面状態を知ることができる。
【００６４】
なお、このエリプソメトリ法によれば、アモルファス層の深さおよび表面状態（光学特性）を検出することが可能である。
【００６５】
アモルファス層の深さおよび表面状態を検出するとともに必要に応じてドーズ量を計測されたダミー試料は、図８において再び第２トランスファ室１４ｂに移動し、次いでアンローダ室１９に移動させ、装置から取り出す。
所望のアモルファス層の深さを得るには、エリプソメトリで測定された測定値が所望の値となっていることが必要である。そこで、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、プラズマドーピング処理されたダミー試料に直線偏光を照射し、ダミー試料から放射される反射光を検出し、検出されたアモルファス層の深さおよび表面状態が所定の値となるように試料を処理する条件を制御した。
【００６６】
具体的には、ダミー試料のアモルファス層の深さが、所望の値よりも大きかった場合には、次の２５枚の試料を処理する条件において、試料電極に供給する電力を小さくする。あるいは、プラズマ源に供給する高周波電力を大きくする。あるいは、処理時間を短くする。
逆に、ダミー試料のアモルファス層の深さが、所望の値よりも小さかった場合には、次の２５枚の試料を処理する条件において、試料電極に供給する電力を大きくする。あるいは、プラズマ源に供給する高周波電力を小さくする。あるいは、処理時間を長くする。
【００６７】
試料電極に供給する電力、プラズマ源に供給する高周波電力、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、ドーピング条件において、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、偏光状態、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。
このような構成により、試料表面に導入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た。
【００６８】
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４について、図１０を参照して説明する。
図１０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プラズマドーピング室の断面図を示す。図１０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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
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に高周波電力を８００Ｗ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２００Ｗの高周波電力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ことができた。
【００７１】
次いで、試料電極６の温度を２５℃に保ちつつ、真空容器１内にヘリウム（Ｈｅ）ガス及びＢ2Ｈ6ガスをそれぞれ１００ｓｃｃｍ、１ｓｃｃｍ供給し、真空容器１内の圧力を０．５Ｐａに保ちながらコイル８に高周波電力を１０００Ｗ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に２５０Ｗの高周波電力を供給することにより、ボロンを基板９の表面近傍に導入することができた。
プラズマドーピング室には、エリプソメトリを行うことによりアモルファス層の深さを測定するためのアナライザ３９、ディテクタ４０から成る検出器が備えられている。その動作については、本発明の実施の形態３で述べたので、ここでは説明を省略する。また、同様にドーズ量（不純物濃度）を算出するために試料から放射されるＸ線を測定する装置として、アナライザ３９、ディテクタ４０から成る検出器を具備するようにしてもよい。
【００７２】
このようにして測定された偏光状態から算出されたアモルファス層の深さが所定の値となるように試料をアモルファス化処理する条件を制御することにより、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レアモルファス化処理方法ひいては制御性のよい、プラズマドーピング方法を実現することができる。一般に、試料の表面にはアモルファス化及び不純物導入を行う部分がレジスト等により開口されているが、アモルファス層の深さ、Ｘ線量またはＸ線量から算出されたドーズ量を測定しやすいように、広めの開口部を設けておく（開口部がダミー試料となる）。
【００７３】
そして、アモルファス層の深さが、所望の値よりも大きかった場合には、次の所定枚数の試料を処理する条件において、試料電極に供給する電力を小さくする。あるいは、プラズマ源に供給する高周波電力を大きくする。あるいは、処理時間を短くする。
【００７４】
逆に、アモルファス層の深さが、所望の値よりも小さかった場合には、次の所定枚数の試料を処理する条件において、試料電極に供給する電力を大きくする。あるいは、プラズマ源に供給する高周波電力を小さくする。あるいは、処理時間を長くする。
試料電極に供給する電力、プラズマ源に供給する高周波電力、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、ドーピング条件において、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。
【００７５】
このようにして、再現性に優れたプラズマドーピング処理を実現することができる。
このように、エリプソメトリによる検出器、電子線源及びＸ線検出器が、真空容器内の試料電極に載置された試料に向けて光を照射する構成となっていることで、アモルファス層の深さを測定するための特別な処理室が不要となり、生産性を高めることが可能となる。
【００７６】
以上述べた方法は、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ような構成である。このような構成により、３００ｍｍシリコン基板などのような高価な試料を処理する際に、ダミー試料にかかるコストを最小限に抑制することができる。また、全部の試料の一部にダミー試料を準備しておけば、不純物濃度の制御性が極めて高くなる。つまり、１枚ごとに処理条件を微調整することが可能となる。
【００７７】
なお、レジストを形成していない基板をダミー試料として用いてもよいことは、いうまでもない。
以上述べ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、真空容器の形状、プラズマ源の方式及び配置、プラズマの条件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。
【００７８】
例えば、コイル８を平面状としてもよく、あるいは、ヘリコン波プラズマ源、磁気中性ループプラズマ源、有磁場マイクロ波プラズマ源（電子サイクロトロン共鳴プラズマ源）を用いてもよいし、図９に示した平行平板型プラズマ源を用いてもよい。
また、ヘリウム以外の不活性ガスを用いてもよく、ネオン、アルゴン、クリプトンまたはキセノン（ゼノン）のうち少なくともひとつのガスを用いることができる。これらの不活性ガスは、試料への悪影響が他のガスよりも小さいという利点がある。
また、例えばヘリウムにジボランを混合したガスプラズマを用いて、アモルファス化と同時にボロンのドーピングを行った場合にも適用される。こうすることで、２つの工程を１つに工程を減らすことができ、生産性を向上できるので望ましい。
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。しかし、本発明は、試料がシリコンよりなる半導体基板である場合に、とくに有用なプラズマドーピング方法である。また、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、とくに有用である。このような構成により、超微細なシリコン半導体デバイスを製造することができる。
【００７９】
また、ドーピング処理中にプラズマの発光分光分析を行ったり、質量分析を行うなどして気相状態をモニタリングし、どのパラメータを変えるべきかの判断に用いてもよい。例えば、気相状態に格別の変化が無いにもかかわらずシート抵抗値が変化したのであれば、ガス流量やプラズマ源に供給する高周波電力を変化させるのではなく、試料電極に供給する電力を変化させればよい。逆に、気相状態に変化が認められたのであれば、試料電極に供給する電力を変化させるのではなく、ガス流量やプラズマ源に供給する高周波電力を変化させればよい。
【００８０】
また、アモルファス化とドーピング処理を同一のプラズマ処理室で連続的に処理する場合を例示したが、別々のプラズマ処理室を用意して別個に処理してもよい。
また、加熱室とシート抵抗測定室を別個に設ける場合を例示したが、シート抵抗測定器を加熱室内に設けてもよい。
また、装置全体の構成にもさまざまなバリエーションが考えられることはいうまでもない。
【００８１】
（実施の形態５）
次に本発明の実施の形態５について、図１１、図１２、図１３を参照して説明する。なお、これは実施の形態１をさらに詳細に説明したものである。そこで、ダミー試料の移動などは実施の形態１と同様である。
【００８２】
ヘリウムガスプラズマを用いて２００ｍｍのシリコン基板にプラズマドーピングを行った。プラズマドーピングは、プラズマ照射室１６の真空容器１内で行った。プラズマ源に供給する高周波電力を１５００W、真空容器１の圧力を０．９Pa、プラズマ照射する処理時間を７秒とした。そして、試料電極に供給する電力を３０Wから３００Wの範囲で変化させた。試料電極に供給する電力を変えることでプラズマとシリコン基板の間に発生するバイアス電圧を変えることができる。試料電極に供給する電力が大きいとバイアス電圧は大きくなり、小さいと小さくなる。試料電極に供給する電力を３０Wから３００Wの範囲で変化させることでバイアス電圧は３０Vから２００Vまで変化した。
【００８３】
このようにしてダミー試料にプラズマドーピング処理をした後、検査室１７に移動させてエリプソメトリを用いてアモルファス層の深さを測定した。このような実験の結果、バイアス電圧とアモルファス層の深さの関係は、図１１のようになることがわかった。
【００８４】
バイアス電圧とアモルファス層の深さは、非常に良い比例関係にある。バイアス電圧を１Ｖ変えることでアモルファス層の深さを約０．１ｎｍ変化させられることが了解できる。バイアス電圧を１Ｖ変えるためには、試料電極に供給する電力を約１．５Ｗ変えれば良い。すなわち、試料電極に供給する電力を変えることで、アモルファス層の深さを０．１ｎｍ単位の非常に高い精度で制御できることが了解できる。
【００８５】
図１２は、上記のようにあらかじめ実験的に求めておいた試料電極に供給する電力とアモルファス層の深さの関係と、エリプソメトリによる検査を組み合わせることで、アモルファス層の深さの繰り返し再現性を改善する方法を示すフローチャートである。エリプソメトリによる検査で、アモルファス層の深さが設定した所定の閾値の範囲内であれば、試料電極に供給する電力はそのままとする。閾値よりも深い場合には、試料電極に供給する電力は小さく設定し直す。閾値よりも浅い場合には、試料電極に供給する電力は大きく設定し直す。
【００８６】
すなわち、図１２に対応図面を示すように、まずヘリウムガスプラズマ照射を行い（ステップ１０１、ウェハを装置から取り出し（ステップ１０２）、エリプソメトリによる検査で、アモルファス層の深さを測定する（ステップ１０３）。
この測定ステップ１０３において測定されたアモルファス層の深さが設定した所定の閾値の範囲内であるか否かを判断し（ステップ１０４）、所定の閾値の範囲内であれば、試料電極に供給する電力はそのままとする（ステップ１０５）。
所定の閾値の範囲内でないと判断されると、閾値よりも大きいか否かを判断する（ステップ１０６）。この判断ステップで閾値よりも大きいと判断されると、試料電極に供給する電力は小さく設定し直す（ステップ１０７）。一方判断ステップ１０６で閾値よりも小さいと判断されると、試料電極に供給する電力は大きく設定し直す（ステップ１０８）。
【００８７】
このようにプラズマドーピング処理によるアモルファス層の形成とエリプソメトリによる検査、および検査結果のフィードバックを繰り返した結果を図１３に示す。１００枚のシリコン基板をプラズマドーピング処理し、１回のプラズマドーピング処理毎に１回のエリプソメトリによる検査、および検査結果のフィードバックを実施した。１００回のプラズマドーピング処理中に、２回のバイアス電圧の変更、すなわち試料電極に供給する電力の変更を行った。１回は、アモルファス層の深さが閾値よりも深かったので、バイアス電圧を２V小さくした。
【００８８】
すなわち、試料電極に供給する電力を３W小さくした。もう１回は、アモルファス層の
深さが閾値よりも浅かったので、バイアス電圧を２V大きくした。すなわち、試料電極に
供給する電力を３W大きくした。その結果、１００枚繰り返してアモルファス層を形成し
た場合の平均値は９．６ｎｍであり、最大値と最小値の差は０．６ｎｍ以下であった。ばらつきは１σで１％以下に相当した。これは非常に高い繰り返し再現性であり、本発明の有効性を示している。
【００８９】
また、検査結果を処理条件にフィードバックする方法は、他の一般的な技術にも広く用いられているが、本発明では、試料電極に供給する電力とアモルファス層の深さに非常に強い比例関係があることと、さらには試料電極に供給する電力を１．５Wと現実的に使える程度に十分大きな値で変えてもアモルファス層の深さを０．１ｎｍ単位と非常に細かい精度で可変に制御できることを組み合わせて用いたことに大きな特徴がある。
（実施の形態６）
次に本発明の実施の形態６について、図１４、図１５、図１６、図１７、図１８を参照して説明する。ダミー試料の移動などは実施の形態１と同様である。
ジボランとヘリウムの混合ガスプラズマを用いて２００ｍｍのシリコン基板にプラズマドーピングを行った。混合比は、ジボランガス濃度を０．０２５％、ヘリウムガス濃度を９９．９７５％とした。プラズマドーピングは、プラズマ照射室１６の真空容器１内で行った。プラズマ源に供給する高周波電力を１５００W、真空容器１の圧力を０．９Pa、プラズマ照射する処理時間を３０秒とした。
【００９０】
そして、試料電極に供給する電力を０Wから２００Wの範囲で変化させた。この条件では、プラズマドーピングによってボロンのシリコン基板への打ち込みと、シリコン基板表面のシリコン結晶をアモルファス化することが同時に行える。なお、試料電極に供給する電力がゼロであってもシリコン基板とプラズマの間に自然にできる電位差でプラズマ中のイオンはシリコン基板に衝突、打ち込まれる。試料電極に供給する電力を変えて、ダミー試料にプラズマドーピング処理をした後、検査室１７に移動させてエリプソメトリを用いてアモルファス層の深さを測定した。その後、図示しないSIMS測定装置でシリコン基板中のボロンの深さプロファイルを測定した。
【００９１】
このような実験の結果、試料電極に供給する電力とボロンの打ち込み深さの関係は図１４のようになることがわかった。なお、ボロンの打ち込み深さは、SIMSで測定したプロファイルでボロン濃度が１×１０18ｃｍ-3となる深さとした。これは、半導体プロセス
における浅い接合形成の分野で一般的に広く用いられるボロンの打ち込み深さの決め方である。ボロンの打ち込み深さは、試料電極に供給する電力と１対１の対応であり、試料電極に供給する電力を変えることで制御できる。一方、試料電極に供給する電力とアモルファス層の深さの関係は図１５のようになることがわかった。アモルファス層の深さも試料電極に供給する電力を変えることで制御できる。
【００９２】
さらに、アモルファス層の深さとボロンの打ち込み深さの関係は、図１６のようになることがわかった。図１６はアモルファス層の深さを測定すると、ボロンの打ち込み深さが特定できることを示している。通常、ボロンの打ち込み深さはSIMSを用いて測定せざるを得ない。SIMSは1回の測定で数時間を要するし、破壊検査である。SIMSでボロンの打ち込み深さを検査する場合を想定すると、検査に長い時間がかかることから、検査中に多くの製品がプラズマドーピング処理されてしまう。その製品のボロンの打ち込み深さが深いことは検査が終了するまでわからないため、もっと短時間で検査できることが求められる。
【００９３】
これに対して、図１６を参照するとボロンの打ち込み深さは、アモルファス層の深さを測定すると特定できるので、SIMSではなく、エリプソメトリを用いて光学的な測定で検査できることが了解できる。これは本発明に固有の新しい考え方である。この考え方を用いて、ボロンの打ち込み深さの繰り返し再現性を改善する方法を図１７にフローチャートを示す。
【００９４】
あらかじめ実験的に準備した図１６を用いて、プラズマドーピング処理後に短時間で検査して検査結果をプラズマドーピング条件にフィードバックする方法である。検査はエリプソメトリを用いる。エリプソメトリによる検査で、アモルファス層の深さが設定した所定の閾値の範囲内であれば、試料電極に供給する電力はそのままとする。閾値よりも深い場合には、試料電極に供給する電力は小さく設定し直す。閾値よりも浅い場合には、試料電極に供給する電力は大きく設定し直す。
【００９５】
すなわち、図１７に示すように、まずヘリウムガスプラズマ照射を行い（ステップ２０１、ウェハを装置から取り出し（ステップ２０２）、エリプソメトリによる検査で、アモルファス層の深さを測定する（ステップ２０３）。
この測定ステップ２０３において測定されたアモルファス層の深さが設定した所定の閾値の範囲内であるか否かを判断し（ステップ２０４）、所定の閾値の範囲内であれば、試料電極に供給する電力はそのままとする（ステップ２０５）。
所定の閾値の範囲内でないと判断されると、閾値よりも大きいか否かを判断する（ステップ２０６）。この判断ステップで閾値よりも大きいと判断されると、試料電極に供給する電力は小さく設定し直す（ステップ２０７）。一方判断ステップ２０６で閾値よりも小さいと判断されると、試料電極に供給する電力は大きく設定し直す（ステップ２０８）。
【００９６】
このようにプラズマドーピング処理によるアモルファス層の形成とエリプソメトリによる検査、および検査結果のフィードバックを繰り返した結果を図１８に示す。１００枚のシリコン基板をプラズマドーピング処理し、１回のプラズマドーピング処理毎に１回のエリプソメトリによる検査、および検査結果のフィードバックを実施した。
【００９７】
１００回のプラズマドーピング処理中に、２回のバイアス電圧の変更、すなわち試料電極に供給する電力の変更を行った。１回は、アモルファス層の深さが閾値よりも深かったので、バイアス電圧を２V小さくした。すなわち、試料電極に供給する電力を３W小さくした。もう１回は、アモルファス層の深さが閾値よりも浅かったので、バイアス電圧を２V大きくした。
【００９８】
すなわち、試料電極に供給する電力を３W大きくした。その結果、１００枚繰り返して
アモルファス層の形成とボロンの打ち込みを同時に行った場合のボロンの打ち込み深さの平均値は９．６ｎｍであり、最大値と最小値の差は０．６ｎｍ以下であった。ばらつきは１σで１％以下に相当する。これは非常に高い繰り返し再現性であり、本発明の有効性を示している。
【００９９】
また、検査結果を処理条件にフィードバックする方法は、他の一般的な技術にも広く用いられているが、本発明では、本発明者らが新たに開発したアモルファス層の形成とボロンの打ち込みを同時に行えるプラズマドーピングにおいて、アモルファス層の深さとボロンの打ち込み深さは１対１の関係にあることを新たに見出し、これを利用したことに大きな特徴がある。さらには、この新規発見と、試料電極に供給する電力でアモルファス層の深さとボロンの打ち込み深さを制御できること、エリプソメトリのような光学的な測定で短時間でアモルファス層の深さを測定できることを組み合わせて用いたことに特徴がある。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
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】
【０１０１】
【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におけるランプアニール方式の加熱室の構成を示す断面図
【図４】本発明の実施の形態１におけるレーザーアニール方式の加熱室の構成を示す断面図
【図５】本発明の実施の形態１におけるシート抵抗測定器の概略構成を示す斜視図
【図６】本発明の実施の形態２におけるシリコン基板の平面図
【図７】本発明の実施の形態２におけるランプアニール方式の加熱室の構成を示す断面図
【図８】本発明の実施の形態３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９】本発明の実施の形態３におけるＸ線分析室の構成を示す断面図
【図１０】本発明の実施の形態４におけるプラズマドーピング室の構成を示す断面図
【図１１】本発明の実施の形態５における深さとバイアス電圧との関係を示す図
【図１２】本発明の実施の形態５の方法を示すフローチャート
【図１３】本発明の実施の形態５における深さの測定結果を示す図
【図１４】本発明の実施の形態６における打ち込み深さと電力との関係を示す図
【図１５】本発明の実施の形態６におけるアモルファス層の深さと電力との関係を示す図
【図１６】本発明の実施の形態６におけるボロンの打ち込み深さとアモルファス層の深さとの関係を示す図
【図１７】本発明の実施の形態６の方法を示すフローチャート
【図１８】本発明の実施の形態６における深さの測定結果を示す図
【図１９】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２０】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２１】従来例で用いたプラズマドーピング装置における深さの測定結果を示す図
【符号の説明】
【０１０２】
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
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2006106858.tif 000023
【図２】
2006106858.tif 000024
【図３】
2006106858.tif 000025
【図４】
2006106858.tif 000026
【図５】
2006106858.tif 000027
【図６】
2006106858.tif 000028
【図７】
2006106858.tif 000029
【図８】
2006106858.tif 000030
【図９】
2006106858.tif 000031
【図１０】
2006106858.tif 000032
【図１１】
2006106858.tif 000033
【図１２】
2006106858.tif 000034
【図１３】
2006106858.tif 000035
【図１４】
2006106858.tif 000036
【図１５】
2006106858.tif 000037
【図１６】
2006106858.tif 000038
【図１７】
2006106858.tif 000039
【図１８】
2006106858.tif 000040
【図１９】
2006106858.tif 000041
【図２０】
2006106858.tif 000042
【図２１】
2006106858.tif 000043
【手続補正４】
【補正対象書類名】要約書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【要約】
試料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繰り返し性、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。
真空容器内にプラズマを発生させ、プラズマ中のイオンを試料の表面に衝突させて結晶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であって、所定数の試料とともに、ダミー試料をプラズマ照射してアモルファス化処理する工程と、前記プラズマ照射のなされた前記ダミー試料表面に光を照射し、前記ダミー試料表面の光学特性を測定する工程とを含み、前記測定工程で得られた光学特性が所望の値となるように、試料を処理する条件を制御するようにしている。
【手続補正書】
【提出日】平成19年12月25日(2007.12.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】手続補正書
【補正対象項目名】手続補正４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【国際調査報告】
2006106858.tif 000044
2006106858.tif 000045
2006106858.tif 000046
2006106858.tif 000047