(57)【要約】表面処理方法は、プラズマによって物質をプラズマ化して第１プラズマ化物質および第２プラズマ化物質を生成するプラズマ化工程と、該プラズマによってプラズマ化された該第１プラズマ化物質の基体への導入を開始する開始工程と、該第１プラズマ化物質の該基体への導入を終了する終了工程と、該プラズマによってプラズマ化された該第２プラズマ化物質の状態を該終了工程の前に観測する観測工程と、該観測工程による観測結果に基づいて、該基体へ導入される該第１プラズマ化物質の総量を表す総ドーズ量が所望の総ドーズ量になるように、該開始工程から該終了工程までの時間を表すプラズマ処理時間を制御する制御工程とを包含することを特徴とする。
2002084724.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマによって物質をプラズマ化して第１プラズマ化物質および第２プラズマ化物質を生成するプラズマ化工程と、
該プラズマによってプラズマ化された該第１プラズマ化物質の基体への導入を開始する開始工程と、
該第１プラズマ化物質の該基体への導入を終了する終了工程と、
該プラズマによってプラズマ化された該第２プラズマ化物質の状態を該終了工程の前に観測する観測工程と、
該観測工程による観測結果に基づいて、該基体へ導入される該第１プラズマ化物質の総量を表す総ドーズ量が所望の総ドーズ量になるように、該開始工程から該終了工程までの時間を表すプラズマ処理時間を制御する制御工程とを包含することを特徴とする表面処理方法。
【請求項２】
前記観測工程は、前記開始工程の後に実行され、
前記観測工程は、前記プラズマによってプラズマ化された前記第２プラズマ化物質の発光強度を観測し、
前記制御工程は、該観測工程によって観測された該発光強度に基づいて、前記プラズマ処理時間と該基体へ導入される該第１プラズマ化物質の量を表すドーズ量との間の関係を求め、該プラズマ処理時間と該ドーズ量との間の該関係に応じて該終了工程を実行するタイミングを制御する、請求の範囲１記載の表面処理方法。
【請求項３】
前記観測工程は、前記開始工程の前に実行される、請求の範囲１記載の表面処理方法。
【請求項４】
前記プラズマ化工程によって生成された前記第２プラズマ化物質は、イオンとラジカルとのいずれかであり、
前記観測工程は、発光分光法とレーザ誘起蛍光分析法とのいずれかによって該イオンと該ラジカルとのいずれかの状態を観測する、請求の範囲１記載の表面処理方法。
【請求項５】
前記プラズマ化工程によって生成された前記第２プラズマ化物質は、イオンであり、
前記観測工程は、Ｅ×Ｂフィルタと四重極質量分析（ＱＭＡＳ）とのいずれかによって該イオンの状態を観測する、請求の範囲１記載の表面処理方法。
【請求項６】
前記プラズマ化工程は、チャンバーの内部において、前記物質をプラズマ化して前記第１プラズマ化物質および前記第２プラズマ化物質を生成し、
前記観測工程は、該チャンバーの外部から該第２プラズマ化物質の状態を観測する、請求の範囲１記載の表面処理方法。
【請求項７】
前記プラズマ化工程は、チャンバーの内部において、前記物質をプラズマ化して前記第１プラズマ化物質および前記第２プラズマ化物質を生成し、
前記観測工程は、該チャンバーの内部において該第２プラズマ化物質の状態を観測する、請求の範囲１記載の表面処理方法。
【請求項８】
前記基体は、半導体基板であり、
前記物質は、不純物である、請求の範囲１記載の表面処理方法。
【請求項９】
前記第１プラズマ化物質は、ボロンである、請求の範囲１記載の表面処理方法。
【請求項１０】
前記第２プラズマ化物質は、ＢＨラジカルである、請求の範囲１記載の表面処理方法。
【請求項１１】
チャンバー内において半導体基板を保持する保持手段と、
該チャンバー内に不純物を含有するソースガスを供給するソースガス供給手段と、
該ソースガス供給手段によって供給された該ソースガスに含有される該不純物をプラズマ化して第１プラズマ化不純物および第２プラズマ化不純物を生成するためのプラズマを該チャンバー内において発生させるプラズマ源と、
該第１プラズマ化不純物を該半導体基板へ導入する導入手段と、
該プラズマによってプラズマ化された該第２プラズマ化不純物の状態を観測する観測手段と、
該観測手段による観測結果に基づいて、該半導体基板へ導入される該第１プラズマ化不純物の総量を表す総ドーズ量が所望の総ドーズ量になるように、該第１プラズマ化不純物の該半導体基板への導入を開始してから該第１プラズマ化不純物の該半導体基板への導入を終了するまでの時間を表すプラズマ処理時間を制御する制御手段とを具備することを特徴とする半導体装置の製造装置。
【請求項１２】
プラズマによって物質をプラズマ化して第１プラズマ化物質および第２プラズマ化物質を生成するプラズマ化工程と、
該プラズマによってプラズマ化された該第１プラズマ化物質の基体への導入を開始する開始工程と、
該プラズマによってプラズマ化された該第２プラズマ化物質の状態を観測する観測工程と、
該観測工程による観測結果に基づいて、該基体へ導入される該第１プラズマ化物質のドーズレートを取得するドーズレート取得工程と、
該ドーズレート取得工程によって取得された該ドーズレートに基づいて、該基体へ導入された該プラズマ化物質の総量を表す総ドーズ量を取得する総ドーズ量取得工程と、
該総ドーズ量取得工程によって取得された該総ドーズ量と予め定められた所望の総ドーズ量とに基づいて、該プラズマ化物質の該基体への導入を終了する終了工程とを包含することを特徴とする表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、原子、分子、化合物および合金等の物質をプラズマ化したプラズマ化物質を半導体基板等の基体へ導入する表面処理方法および半導体装置の製造装置に関する。
背景技術
半導体装置を製造するためには、リン、ボロン等の不純物を半導体基板へ少量導入して、ｎ型およびｐ型の半導体を作製する工程が必要になる。
このような不純物を半導体基板へ導入する手法としては、イオン注入法が広く使用されている。半導体装置の微細化に伴って半導体装置の接合深さは浅くなっているために、イオン注入プロセスにおいては注入するイオンの低エネルギー化が必要とされている。前述したイオン注入法では、注入するイオンのエネルギーが低い低エネルギー領域においてスループットが低下するという本質的な問題点がある。
このため、このようなイオン注入法に替わる種々の不純物導入手法が提案されている。その中でも特に、不純物をプラズマ化したプラズマ化不純物を半導体基板等の基体へ導入するプラズマドーピングが盛んに研究されている。その理由は、以下に示すとおりである。プラズマドーピングは、室温において実施することができる室温プロセスであり、従来のイオン注入法と互換性があり、しかも低エネルギー領域においても高いスループットを維持することができ、さらにプラズマドーピングに使用する装置はイオン注入法において使用する装置よりも安価であり、装置が専有する専有面積が小さいからである。
プラズマドーピングによって、プラズマ化不純物を半導体基板へ導入する際には、プラズマ化不純物を半導体基板へ導入するための量産を開始する前に、プラズマ化不純物を半導体基板へ試行的に導入し、半導体基板へ導入されたプラズマ化不純物の量を表すドーズ量を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって求め、ドーズ量の増減を確認する。そして、求められたドーズ量に基づいて、プラズマ化不純物の半導体基板への導入を開始する時刻からプラズマ化不純物の半導体基板への導入を終了する時刻までの時間を表すドーピング時間（プラズマ処理時間）を調整し、調整されたドーピング時間に基づいて、プラズマ化不純物を半導体基板へ導入するための量産を開始する。
しかしながら、このような従来のプラズマドーピングにおいては、不純物をプラズマ化するためのプラズマの状態が変動するために、半導体基板へ導入されたプラズマ化不純物の量を表すドーズ量が変動する。このため、プラズマドーピングによって製造された半導体装置において、ソース領域、ドレイン領域およびゲート電極の電気抵抗値にばらつきが生じる。その結果、プラズマドーピングによって製造された半導体装置のデバイス駆動能力が不均一になるという欠陥が生じ、半導体装置の歩留まりも低下するという問題がある。
この問題を解決するために、不純物をプラズマ化するためのプラズマの状態の変動を観測し、観測したプラズマの状態の変動に基づいて、プラズマを発生させるための複数のパラメータを調整し、プラズマの状態の変動を制御する方法が考えられる。しかしながら、プラズマを発生させるための複数のパラメータのうちの１つを変更すると、他のパラメータも変わってしまう。不純物をプラズマ化するためのプラズマは、プラズマを発生させるためのパラメータの変更に対して追従性が乏しい。このため、プラズマを発生させるためのパラメータを調整することによってプラズマの状態の変動を制御することは極めて困難であるという問題がある。
量産を開始する前に、プラズマ化不純物を半導体基板へ試行的に導入し、ＳＩＭＳによって求めたドーズ量を分析し、ＳＩＭＳによって求めたドーズ量の分析結果に基づいてドーピング時間（プラズマ処理時間）を調整することによって、半導体装置の歩留まりを多少なりとも向上させることはできるけれども、ＳＩＭＳによって求めたドーズ量を分析するために相応の時間が必要となるため、半導体装置の製造時間が長くなるという問題がある。
本発明は係る問題を解決するために為されたものであり、その目的は、製造時間を短縮することができる表面処理方法および半導体装置の製造装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、歩留まりを向上させることができる表面処理方法および半導体装置の製造装置を提供することにある。
発明の開示
本発明に係る表面処理方法は、プラズマによって物質をプラズマ化して第１プラズマ化物質および第２プラズマ化物質を生成するプラズマ化工程と、該プラズマによってプラズマ化された該第１プラズマ化物質の基体への導入を開始する開始工程と、該第１プラズマ化物質の該基体への導入を終了する終了工程と、該プラズマによってプラズマ化された該第２プラズマ化物質の状態を該終了工程の前に観測する観測工程と、該観測工程による観測結果に基づいて、該基体へ導入される該第１プラズマ化物質の総量を表す総ドーズ量が所望の総ドーズ量になるように、該開始工程から該終了工程までの時間を表すプラズマ処理時間を制御する制御工程とを包含することを特徴とし、そのことにより上記目的が達成される。
前記観測工程は、前記開始工程の後に実行され、前記観測工程は、前記プラズマによってプラズマ化された前記第２プラズマ化物質の発光強度を観測し、前記制御工程は、該観測工程によって観測された該発光強度に基づいて、前記プラズマ処理時間と該基体へ導入される該第１プラズマ化物質の量を表すドーズ量との間の関係を求め、該プラズマ処理時間と該ドーズ量との間の該関係に応じて該終了工程を実行するタイミングを制御してもよい。
前記観測工程は、前記開始工程の前に実行されてもよい。
前記プラズマ化工程によって生成された前記第２プラズマ化物質は、イオンとラジカルとのいずれかであり、前記観測工程は、発光分光法とレーザ誘起蛍光分析法とのいずれかによって該イオンと該ラジカルとのいずれかの状態を観測してもよい。
前記プラズマ化工程によって生成された前記第２プラズマ化物質は、イオンであり、前記観測工程は、Ｅ×Ｂフィルタと四重極質量分析（ＱＭＡＳ）とのいずれかによって該イオンの状態を観測してもよい。
前記プラズマ化工程は、チャンバーの内部において、前記物質をプラズマ化して前記第１プラズマ化物質および前記第２プラズマ化物質を生成し、前記観測工程は、該チャンバーの外部から該第２プラズマ化物質の状態を観測してもよい。
前記プラズマ化工程は、チャンバーの内部において、前記物質をプラズマ化して前記第１プラズマ化物質および前記第２プラズマ化物質を生成し、前記観測工程は、該チャンバーの内部において該第２プラズマ化物質の状態を観測してもよい。
前記基体は、半導体基板であり、前記物質は、不純物であってもよい。
前記第１プラズマ化物質は、ボロンであってもよい。
前記第２プラズマ化物質は、ＢＨラジカルであってもよい。
本発明に係る半導体装置の製造装置は、チャンバー内において半導体基板を保持する保持手段と、該チャンバー内に不純物を含有するソースガスを供給するソースガス供給手段と、該ソースガス供給手段によって供給された該ソースガスに含有される該不純物をプラズマ化して第１プラズマ化不純物および第２プラズマ化不純物を生成するためのプラズマを該チャンバー内において発生させるプラズマ源と、該第１プラズマ化不純物を該半導体基板へ導入する導入手段と、該プラズマによってプラズマ化された該第２プラズマ化不純物の状態を観測する観測手段と、該観測手段による観測結果に基づいて、該半導体基板へ導入される該第１プラズマ化不純物の総量を表す総ドーズ量が所望の総ドーズ量になるように、該第１プラズマ化不純物の該半導体基板への導入を開始してから該第１プラズマ化不純物の該半導体基板への導入を終了するまでの時間を表すプラズマ処理時間を制御する制御手段とを具備することを特徴とし、そのことにより上記目的が達成される。
本発明に係る表面処理方法は、プラズマによって物質をプラズマ化して第１プラズマ化物質および第２プラズマ化物質を生成するプラズマ化工程と、該プラズマによってプラズマ化された該第１プラズマ化物質の基体への導入を開始する開始工程と、該プラズマによってプラズマ化された該第２プラズマ化物質の状態を観測する観測工程と、該観測工程による観測結果に基づいて、該基体へ導入される該第１プラズマ化物質のドーズレートを取得するドーズレート取得工程と、該ドーズレート取得工程によって取得された該ドーズレートに基づいて、該基体へ導入された該プラズマ化物質の総量を表す総ドーズ量を取得する総ドーズ量取得工程と、該総ドーズ量取得工程によって取得された該総ドーズ量と予め定められた所望の総ドーズ量とに基づいて、該プラズマ化物質の該基体への導入を終了する終了工程とを包含することを特徴とし、そのことにより上記目的が達成される。
発明を実施するための最良の形態
本実施の形態に係る表面処理方法においては、半導体基板へ導入されるプラズマ化不純物の総量を表す総ドーズ量が所望の総ドーズ量になるように、ドーピング時間（プラズマ処理時間）を制御する。
本実施の形態においては、半導体基板へプラズマ化不純物を導入することによてＭＯＳトランジスタを製造するための表面処理方法を例に挙げて説明する。図１は、本実施の形態に係るＭＯＳトランジスタ製造装置１の構成図である。ＭＯＳトランジスタ製造装置１は、プラズマによって不純物をプラズマ化して生成されたプラズマ化不純物を半導体基板３へ導入するために設けられたチャンバー２を備えている。チャンバー２の中には、ＭＯＳトランジスタが形成される半導体基板３を保持する基板保持台４が設けられている。
図２は、ＭＯＳトランジスタが形成される半導体基板３を説明するための断面図である。ＭＯＳトランジスタが形成される半導体基板３は、Ｐ型シリコン基板１０を備えている。Ｐ型シリコン基板１０の上には、Ｎウエル領域１１がＰ型シリコン基板１０を覆うように形成されている。Ｎウエル領域１１の上の一部には、熱的に成長させたシリコン酸化膜等によって構成されるゲート酸化膜１２が約３ｎｍの厚みに形成されている。ゲート酸化膜１２の上には、ゲート電極１３がゲート酸化膜１２と整合するように約２００ｎｍの厚みに形成されている。ゲート電極１３のゲート長は、約１５０ｎｍである。
ＭＯＳトランジスタ製造装置１には、ソース供給部５が設けられている。ソース供給部５は、不純物であるＢ２Ｈ６を含有するソースガスをチャンバー２の内部へ供給する。ソース供給部５には、Ｂ２Ｈ６を気体状態において封入した図示しない容器と、Ｂ２Ｈ６を希釈するためのＨｅを気体状態において封入した図示しない容器とが設けられている。ソース供給部５は、図示しないバルブ等によって構成された混合器を有している。混合器は、気体状態において各容器にそれぞれ封入されたＢ２Ｈ６とＨｅとを任意の割合によって混合し、気体状態において混合されたＢ２Ｈ６とＨｅとを、図示しないバルブによって構成された流量調整装置によって任意の流量に調整して、チャンバー２の内部へ供給する。
ＭＯＳトランジスタ製造装置１は、ＥＣＲプラズマ源６を備えている。ＥＣＲプラズマ源６は、ソース供給部５によってチャンバー２の内部へ供給されたソースガスに含有されるＢ２Ｈ６をプラズマ化して、例えば、Ｂ＋、Ｂ２＋、Ｂ２Ｈ２＋等のボロンまたはボロン化合物のイオンまたはラジカル、およびＨ＋、Ｈ２＋等の水素のイオンまたはラジカル、およびＢＨラジカルを生成するためのプラズマをチャンバー２内において発生させる。ＥＣＲプラズマ源６の電力は約５００ワット（Ｗ）である。Ｂ２Ｈ６をプラズマ化するときのチャンバー２の内部の真空度は、約４×１０−４Ｔｏｒｒである。ここで、１Ｔｏｒｒ＝１３３．３２２パスカル（Ｐａ）である。
ＭＯＳトランジスタ製造装置１には、プラズマ計測器７が設けられている。プラズマ計測器７は、チャンバー２の外部に設けられている。プラズマ計測器７は、ＥＣＲプラズマ源６によってチャンバー２内において発生したプラズマの状態をチャンバー２に設けられた観測窓を通して観測する。プラズマ計測器７は、具体的には、チャンバー２へ供給されたＢ２Ｈ６をプラズマ化して生成されたＢＨラジカルの（ＡｌＩＩ−ＸｌΣ）の遷移過程に対応する波長４３３２オングストローム（Å）の発光強度を計測する。
ＭＯＳトランジスタ製造装置１は、ＲＦ電源８を備えている。ＲＦ電源８は、基板保持台４によって保持された半導体基板３に、Ｂ２Ｈ６をプラズマ化して生成されたボロンを導入するために、例えば、３００ワット（Ｗ）のＲＦ電力を半導体基板３に印加する。
図３は、半導体基板３にＭＯＳトランジスタを形成する方法を説明するための断面図である。ＭＯＳトランジスタが形成される半導体基板３にＢ２Ｈ６をプラズマ化して生成されたボロンを導入すると、Ｎウェル領域１１におけるゲート酸化膜１２の両側にボロンドーピング領域１４が形成される。
ＭＯＳトランジスタ製造装置１には、プラズマ処理時間制御部９が設けられている。プラズマ処理時間制御部９は、プラズマ計測器７によって計測されたＢＨラジカルの発光強度に基づいて、半導体基板３へ導入されるボロンの総量を表す総ドーズ量が所望の総ドーズ量になるように、ボロンの半導体基板３への導入の開始からボロンの半導体基板３への導入の終了までの時間を表すドーピング時間（プラズマ処理時間）を制御する。
ここで、プラズマ計測器７によって計測されたＢＨラジカルの発光強度と半導体基板３へ導入されるボロンの量を表すドーズ量との間の関係を明らかにするために本発明者らが行った実験結果を説明する。図４は、本実施の形態に係るＢＨラジカルの発光強度とＲＦ電力とシート抵抗との関係を示すグラフである。横軸は、ＲＦ電源８によって半導体基板３に印加されるＲＦ電力を示しており、左側の縦軸は、プラズマ計測器７によって計測されたＢＨラジカルの発光強度を示している。右側の縦軸は、ボロンの半導体基板３への導入を終了し、１０００℃、１０秒の条件において活性化熱処理を実施した後における半導体基板３のシート抵抗を示している。
本実験の条件は、以下に示すとおりである。
半導体基板：６インチ、Ｎ型シリコン基板
ドーピング装置（ＭＯＳトランジスタ製造装置）：プラズマドーピング装置
（松下電器産業株式会社製）
ドーピング条件  ドーピング時間：１００秒
ＲＦ電力：１００ワット以上３００ワット以下
ＥＣＲ電力：５００ワット
ソースガス：Ｂ２Ｈ６（流量２００ｓｃｃｍ）
チャンバー真空度：１×１０−４Ｔｏｒｒ以上２×１０−３以下
活性化熱処理：ＲＴＡ  １０００℃、１０秒または１１００℃、９０分
シート抵抗測定方法：４端針法
ＳＩＭＳ測定  一次イオン種：Ｏ２＋
二次イオン種：Ｐｏｓｉｔｉｖｅ
一次イオンエネルギー：３ｋｅＶ
発光分析：ＢＨラジカルの（ＡｌＩＩ−ＸｌΣ）の遷移過程に対応する波長４３３２オングストローム（Å）の発光強度を計測する。
図４に示すように、半導体基板３に印加するＲＦ電力を１００ワットから３００ワットに増加させると、ＢＨラジカルの（ＡｌＩＩ−ＸｌΣ）の遷移過程に対応する波長４３３２オングストローム（Å）の発光強度は増大する。ＲＦ電力を１００ワットから３００ワットに増加させると、ボロンの半導体基板３への導入を終了し、活性化熱処理を実施した後における半導体基板３のシート抵抗は減少する。半導体基板３のシート抵抗が減少しているということは、半導体基板３へ導入されたボロンの量を表すドーズ量が増大していることを意味している。従って、図４に示す実験結果は、半導体基板３へ導入されたボロンのドーズ量が増大すると、ＢＨラジカルの発光強度が増大することを意味している。
図５は、ボロンの濃度分布を半導体基板３の深さ方向に沿って二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって測定した結果を示すグラフである。実験条件は、前述した実験条件と同様である。横軸は、ボロンが導入された半導体基板３の深さを示しており、縦軸は、半導体基板３へ導入されたボロンの濃度を示している。ボロンを半導体基板３へ導入するために半導体基板３に印加するＲＦ電力が１００ワットのときは、半導体基板３へ導入されたボロンのドーズ量は４×１０１５ｃｍ−２になっており、ＲＦ電力が３００ワットのときは、ドーズ量はＲＦ電力が１００ワットのときのドーズ量よりも多い７×１０１５ｃｍ−２になっている。このように、半導体基板３に印加するＲＦ電力が増加すると、半導体基板３へ導入されるボロンのドーズ量が増大する。図４を参照して前述したように半導体基板３に印加するＲＦ電力を増加させると、ＢＨラジカルの発光強度が増大する。従って、半導体基板３へ導入されたボロンのドーズ量が増加すると、ＢＨラジカルの発光強度が増大するというボロンのドーズ量とＢＨラジカルの発光強度との間の関係が存在することが、図５に示す実験結果によっても裏付けられる。
図６は、プラズマ処理時間とシート抵抗とボロンのドーズ量との関係を示すグラフである。実験条件は、ドーピング時間を可変にしている点を除いて、前述した実験条件と同様である。横軸は、ボロンの半導体基板３への導入の開始からボロンの半導体基板３への導入の終了までの時間を表すドーピング時間（プラズマ処理時間）を示しており、左側の縦軸は、ボロンの半導体基板３への導入を終了し、１１００℃、９０分の条件において活性化熱処理を実施した後における半導体基板３のシート抵抗を示している。右側の縦軸は、半導体基板３へ導入されたボロンの量を表すドーズ量を示している。図６に示すように、ドーピング時間（プラズマ処理時間）を長くすると、半導体基板３のシート抵抗は減少する。ドーピング時間（プラズマ処理時間）を長くすると、半導体基板３へ導入されたボロンのドーズ量は増大する。このように、ボロンの半導体基板３への導入の開始からボロンの半導体基板３への導入の終了までの時間を表すドーピング時間（プラズマ処理時間）を長くすると、半導体基板３へ導入されるボロンのドーズ量は増大する。
図７は、本実施の形態に係る半導体基板３に導入されたボロンの量を表すドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係をＢＨラジカルの発光強度ごとに示すグラフである。横軸は、プラズマ化されたボロンの半導体基板３への導入を開始する時刻からボロンの半導体基板３への導入を終了する時刻までの時間を表すプラズマ処理時間を示しており、縦軸は、半導体基板３へ導入されたボロンの量を表すドーズ量を示している。
曲線２１におけるＢＨラジカルの発光強度は曲線２２における発光強度よりも大きく、曲線２２におけるＢＨラジカルの発光強度は曲線２３における発光強度よりも大きい。図７においては簡潔に説明するために、ＢＨラジカルの３段階の発光強度に対して３つの曲線２１、曲線２２および曲線２３をグラフ化している。しかしながら、実際には、連続的に変化するＢＨラジカルの発光強度に応じて、３つよりも多くの曲線が存在する。
前述したように、プラズマ処理時間を長くすると、ドーズ量が増大する。ドーズ量が増大する速度は、図７に示すように、ソースガスに含有されるＢ２Ｈ６をプラズマ化するためのプラズマの状態を表すＢＨラジカルの発光強度に応じて異なっている。ＢＨラジカルのある発光強度においては、半導体基板３へ導入されたボロンのドーズ量は、プラズマ処理時間の経過に応じて曲線２１に示すように変化する。時刻Ｔ１においてボロンが半導体基板３へ導入され始めると、ボロンのドーズ量は時刻Ｔ１５まで所定の割合で増加し、ドーズ量ＤＭに達する。ドーズ量がドーズ量ＤＭを超えると、プラズマ処理時間に対するドーズ量の増加の割合が低下し、時刻Ｔ１６において所望の総ドーズ量ＤＴに到達する。
ＢＨラジカルの他の発光強度においては、ボロンのドーズ量は、プラズマ処理時間の経過に応じて曲線２２に示すように変化する。時刻Ｔ１においてボロンが半導体基板３へ導入され始めると、ボロンのドーズ量は前述した曲線２１における増加の割合よりも小さい割合で増加し、前述した曲線２１がドーズ量ＤＭに到達する時刻Ｔ１５よりも後の時刻Ｔ１３においてドーズ量ＤＭに到達する。曲線２２におけるドーズ量がドーズ量ＤＭを超えると、前述した曲線２１と同様にプラズマ処理時間の経過に対するドーズ量の増加の割合が低下し、曲線２１が所望のドーズ量ＤＴに到達する時刻Ｔ１６よりも後の時刻Ｔ１４において所望の総ドーズ量ＤＴに到達する。
ＢＨラジカルのさらに他の発光強度においては、ボロンのドーズ量は曲線２３に示すように変化する。時刻Ｔ１においてボロンが半導体基板３へ導入され始めると、ボロンのドーズ量は前述した曲線２２の増加の割合よりもさらに小さい割合で増加し、前述した曲線２２がドーズ量ＤＭに到達する時刻Ｔ１３よりもさらに後の時刻Ｔ１１においてドーズ量ＤＭに到達する。曲線２３のドーズ量がドーズ量ＤＭを超えると、前述した曲線２１および曲線２２と同様にプラズマ処理時間の経過に対するドーズ量の増加の割合が低下し、曲線２２が所望のドーズ量ＤＴに到達する時刻Ｔ１４よりもさらに後の時刻Ｔ１２において所望の総ドーズ量ＤＴに到達する。
このように、ボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係は、ＢＨラジカルの発光強度に応じて異なっている。プラズマ処理時間制御部９には、図示しない記憶部が設けられており、記憶部には、ＢＨラジカルの発光強度に応じて異なるボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係が予め記録されている。
以下、本実施の形態に係るＭＯＳトランジスタ製造装置１の動作を説明する。図８は、本実施の形態に係る表面処理方法の手順を示すフローチャートである。図９は、本実施の形態に係る表面処理方法におけるプラズマ処理時間とドーズ量との間の関係を示すグラフである。前述した図７と同様に、横軸はプラズマ処理時間を示しており、縦軸はドーズ量を示している。
まず、Ｐ型シリコン基板１０上にＮウエル領域１１、ゲート酸化膜１２およびゲート電極１３が形成された図２に示す半導体基板３をチャンバー２の内部に設けられた基板保持台４の上に載置する。ソース供給部５に設けられた混合器は、気体状態において各容器にそれぞれ封入されたＢ２Ｈ６とＨｅとを任意の割合によって混合し、気体状態において混合されたＢ２Ｈ６とＨｅとによって構成されるソースガスを、図示しないバルブによって構成された流量調整装置によって流量約２００ｓｃｃｍに調整して、チャンバー２の内部へ供給する（ステップＳ１）。
ＥＣＲプラズマ源６は、真空度が約４×１０−４Ｔｏｒｒのチャンバー２内において約５００ワット（Ｗ）の電力によってプラズマを発生させる。ＥＣＲプラズマ源６によってプラズマが発生すると、チャンバー２の内部へ供給されたソースガスに含有されるＢ２Ｈ６がプラズマ化されて、例えば、Ｂ＋、Ｂ２＋、Ｂ２Ｈ２＋等のボロンまたはボロン化合物のイオンまたはラジカル、およびＨ＋、Ｈ２＋等の水素のイオンまたはラジカル、およびＢＨラジカルが生成される（ステップＳ２）。
次に、ＲＦ電源８は、チャンバー２の内部に設けられた基板保持台４によって保持された半導体基板３に約３００ワット（Ｗ）のＲＦ電力を印加し始める。ＲＦ電源８によって約３００ワット（Ｗ）のＲＦ電力を印加され始めた半導体基板３には、約７００ボルト（Ｖ）の自己バイアスが発生する。半導体基板３に約７００ポルト（Ｖ）の自己バイアスが発生すると、ステップＳ２において生成されたボロンが、図９に示す時刻Ｔ１において、約７００エレクトロンボルト（ｅＶ）の加速エネルギーによって半導体基板３へ導入され始める。ここで、ＢＨラジカルは、前述したさらに他の発光強度によって発光しているものとし、ボロンの半導体基板３への導入を終了する時刻は、図７を参照して前述した曲線２３に従って時刻Ｔ１２に設定されているものとして説明する。従って、プラズマ化されたボロンの半導体基板３への導入を開始する時刻からボロンの半導体基板３への導入を終了する時刻までの時間を表すプラズマ処理時間は、（時刻Ｔ１２−時刻Ｔ１）に設定されている（ステップＳ３）。
その後、図９に示す時刻Ｔ２において、プラズマ計測器７は、ＢＨラジカルの（ＡｌＩＩ−ＸｌΣ）の遷移過程に対応する波長４３３２オングストローム（Å）の発光強度を計測する（ステップＳ４）。
そして、プラズマ処理時間制御部９は、プラズマ計測器７によって時刻Ｔ２において計測されたＢＨラジカルの発光強度に基づいて、計測された発光強度におけるボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係を図示しない記憶部から得る（ステップＳ５）。
次に、プラズマ処理時間制御部９は、ステップＳ５において得たボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係に基づいて、ボロンの半導体基板３への導入を終了する設定された時刻が適切であるか否かを判断する（ステップＳ６）。ボロンの半導体基板３への導入を終了する時刻が適切でないと判断したときは（ステップＳ６においてＮＯ）、プラズマ処理時間制御部９は、半導体基板３へ導入されるボロンの総量を表す総ドーズ量が所望の総ドーズ量ＤＴになるように、ボロンの半導体基板３への導入を終了する時刻を変更する（ステップＳ７）。
例えば、Ｂ２Ｈ６をプラズマ化するためのプラズマの状態が時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの間において変動したために、ステップＳ５において得られたボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係が本来従うべき曲線２３に従っておらず、図７に示す曲線２２に従っているときは、プラズマ処理時間制御部９は、図７に示す点Ｐ２から点Ｐ１へプラズマ処理時間軸に沿って曲線２２を図９に示すように平行移動する。そして、プラズマ処理時間制御部９は、ボロンの半導体基板３への導入を終了する時刻を、時刻Ｔ１２から、平行移動した曲線２２が所望の総ドーズ量ＤＴに到達する点Ｐ４における時刻Ｔ２１に変更する。このように、プラズマ処理時間制御部９は、ボロンの半導体基板３への導入を終了する時刻を時刻Ｔ１２から時刻Ｔ１２よりも前の時刻Ｔ２１に変更する。即ち、プラズマ処理時間制御部９は、プラズマ計測器７による計測結果に基づいてボロンの総ドーズ量が所望の総ドーズ量ＤＴになるように、プラズマ処理時間を制御する。
ボロンの半導体基板３への導入を終了する時刻が適切であると判断したとき（ステップＳ６においてＹＥＳ）、または、ボロンの半導体基板３への導入を終了する時刻を変更したとき（ステップＳ７）は、プラズマ計測器７は、時刻Ｔ２１よりも前の時刻Ｔ３において、ＢＨラジカルの（ＡｌＩＩ−ＸｌΣ）の遷移過程に対応する波長４３３２オングストローム（Å）の発光強度を計測する（ステップＳ８）。
次に、プラズマ処理時間制御部９は、時刻Ｔ３においてプラズマ計測器７によって計測されたＢＨラジカルの発光強度に基づいて、計測された発光強度におけるボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係を図示しない記憶部から得る（ステップＳ９）。
次に、プラズマ処理時間制御部９は、ステップＳ９において得たボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係に基づいて、ボロンの半導体基板３への導入を終了する時刻が適切であるか否かを判断する（ステップＳ１０）。ボロンの半導体基板３への導入を終了する時刻が適切でないと判断したときは（ステップＳ１０においてＮＯ）、プラズマ処理時間制御部９は、半導体基板３へ導入されるボロンの総量を表す総ドーズ量が所望の総ドーズ量ＤＴになるように、ボロンの半導体基板３への導入を終了する時刻を変更する（ステップＳ１１）。
例えば、時刻Ｔ２においてＢＨラジカルの発光強度を計測した後、プラズマの状態が時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの間において変動したために、ステップＳ９において得られたボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係が、本来従うべき曲線２３に従っておらず、曲線２２に従っているときは、プラズマ処理時間制御部９は、図７に示す点Ｐ６から点Ｐ５へ横軸に沿って曲線２１を図９に示すように平行移動する。そして、プラズマ処理時間制御部９は、ボロンの半導体基板３への導入を終了する時刻を、時刻Ｔ２１から、平行移動した曲線２１が所望のドーズ量ＤＴに到達する点Ｐ７における時刻Ｔ２２にさらに変更する。このように、プラズマ処理時間制御部９は、ボロンの半導体基板３への導入を終了する時刻を、時刻Ｔ２１から時刻Ｔ２１よりもさらに前の時刻Ｔ２２にさらに変更する。
ボロンの半導体基板３への導入を終了する時刻が適切であると判断したとき（ステップＳ１０においてＹＥＳ）、または、ボロンの半導体基板３への導入を終了する時刻を変更したとき（ステップＳ１１）は、半導体基板３へ導入されたボロンの総量を表す総ドーズ量が所望の総ドーズ量ＤＴに到達する時刻においてボロンの半導体基板への導入を終了する（Ｓ１２）。例えば、Ｓ１１において変更した時刻Ｔ２２において、ＲＦ電源８による半導体基板３へのＲＦ電力の印加を終了し、ＥＣＲプラズマ源６によるプラズマの発生を終了することによって、ボロンの半導体基板３への導入を終了する。
以上のように本実施の形態によれば、プラズマ計測器７によって計測されたＢＨラジカルの（ＡｌＩＩ−ＸｌΣ）の遷移過程に対応する波長４３３２オングストローム（Å）の発光強度に基づいて、プラズマ処理時間制御部９は、計測された発光強度におけるボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係を得、得られたドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係に応じて、半導体基板３へ導入されるボロンの総量を表す総ドーズ量が所望の総ドーズ量ＤＴになるように、ボロンの半導体基板３への導入を終了する時刻を変更する。
このため、Ｂ２Ｈ６をプラズマ化するためのプラズマの状態が変動した場合であっても、半導体基板３へ導入されるボロンの総量を表す総ドーズ量が所望の総ドーズ量ＤＴになる。従って、プラズマドーピングによって製造された半導体装置において、ソース領域、ドレイン領域およびゲート電極の電気抵抗値のばらつきをなくすことができる。その結果、プラズマドーピングによって製造された半導体装置のデバイス駆動能力を均一にすることができ、半導体装置の歩留まりも向上する。
また、本実施の形態によれば、プラズマを発生させるためのパラメータは変更することなく、プラズマを発生させるためのパラメータと関係のないドーピング時間（プラズマ処理時間）を変更する。このため、複数のパラメータのうちの１つを変更すると他のパラメータも変わってしまい、プラズマはプラズマを発生させるためのパラメータの変更に対して追従性が乏しいために、プラズマを発生させるためのパラメータを調整することによってプラズマの状態の変動を制御することは極めて困難であるという前述した問題を解決することができる。
なお、本実施の形態においてはＭＯＳトランジスタを製造するための表面処理方法を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明に係る表面処理方法は、プラズマによって原子、分子、化合物および合金等の物質をプラズマ化したプラズマ化物質を基体へ導入する表面処理方法であれば、ＭＯＳトランジスタ等の半導体装置の製造のみならず、適当な元素等を基体に導入することによって基体に特定の性質を付与したり、特定の性質を向上させる様々な分野に適用することができる。
このような特定の性質には、例えば、耐磨耗性、潤滑性、離型性および耐食性等の機械的性質、電気伝導性、電磁波遮蔽性および磁気特性等の電気的磁気的性質、光吸収性、光反射性、光沢性および着色性等の光学的性質、耐熱性、熱伝導性等の熱的性質等が含まれる。例えば、本発明は、軸受け部材の摩擦係数を低下させるために、摩擦係数を低下させる物質を軸受け部材の表面に導入する表面処理方法に対しても適用することができる。
また、本実施の形態においては、ボロンの半導体基板３への導入を開始する時刻Ｔ１の後に、ステップＳ２において生成されたＢＨラジカルの発光強度を計測する例を示したが、本発明はこれに限定されない。時刻Ｔ１の前にステップＳ２において生成されたＢＨラジカルの発光強度を測定し、測定したＢＨラジカルの発光強度におけるボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係を得、得られたドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係に基づいて、ボロンの半導体基板３への導入を開始する時刻と導入を終了する時刻とを設定してもよい。
また、本実施の形態においては、混合されたＢ２Ｈ６とＨｅとを気体状態においてチャンバー２の内部へ供給する例を示したが、本発明はこれに限定されない。液体状態のＢ２Ｈ６とＨｅとをチャンバー２の内部へ供給した後、チャンバー２の内部において気化してもよい。
さらに、プラズマ源としてＥＣＲプラズマ源を使用した例を示したが、ＩＣＰ型プラズマ源、並行平板型プラズマ源を使用してもよい。
ＢＨラジカルの発光強度を計測する発光分光法によってＢＨラジカルを観測する例を示したが、ボロンまたはボロン化合物のイオンまたはラジカルを観測してもよい。また、発光分光法の替わりにレーザ誘起蛍光分析法またはＥ×Ｂフィルタまたは四重極質量分析（ＱＭＡＳ）のいずれかによってボロンまたはボロン化合物のイオンまたはラジカルを観測してもよい。
プラズマ計測器７をチャンバー２の外部に設ける例を示したが、プラズマ計測器７はチャンバー２の内部に設けてもよい。
プラズマ計測器７によってＢＨラジカルの発光強度を計測する回数が２回である例を示したが、発光強度を計測する回数は１回でもよく、３回以上であってもよい。
図１０は、本実施の形態に係る他の表面処理方法の手順を示すフローチャートである。図８を参照して前述した本実施の形態に係る表面処理方法の手順を示すフローチャートにおける構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。これらの構成要素の詳細な説明は省略する。
まず、図２に示す半導体基板３をチャンバー２の内部に設けられた基板保持台４の上に載置する。そして、Ｂ２Ｈ６とＨｅとによって構成されるソースガスを、チャンバー２の内部へ供給する（ステップＳ１）。
ＥＣＲプラズマ源６は、チャンバー２内においてプラズマを発生させる。プラズマが発生すると、ソースガスに含有されるＢ２Ｈ６がプラズマ化されて、例えば、Ｂ＋、Ｂ２＋、Ｂ２Ｈ２＋等のボロンまたはボロン化合物のイオンまたはラジカル、およびＨ＋、Ｈ２＋等の水素のイオンまたはラジカル、およびＢＨラジカルが生成される（ステップＳ２）。
次に、ＲＦ電源８は、基板保持台４によって保持された半導体基板３にＲＦ電力を印加し始める。ＲＦ電力を印加され始めた半導体基板３には、自己バイアスが発生する。半導体基板３に自己バイアスが発生すると、ステップＳ２において生成されたボロンが、半導体基板３へ導入され始める（ステップＳ３）。
その後、プラズマ計測器７は、ＢＨラジカルの（ＡｌＩＩ−ＸｌΣ）の遷移過程に対応する波長４３３２オングストローム（Å）の発光強度を計測する（ステップＳ４）。
そして、プラズマ処理時間制御部９は、ステップＳ４において計測されたＢＨラジカルの発光強度に基づいて、計測された発光強度におけるボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係を図示しない記憶部から読み出し、読み出したボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係に基づいて、半導体基板３に導入されるボロンのドーズレートを求める（ステップＳ２１）。
さらに、プラズマ計測器７は、ＢＨラジカルの（ＡｌＩＩ−ＸｌΣ）の遷移過程に対応する波長４３３２オングストローム（Å）の発光強度を計測する（ステップＳ２２）。
次に、プラズマ処理時間制御部９は、ステップＳ２２において今回計測したＢＨラジカルの発光強度が、前回計測したＢＨラジカルの発光強度に対して５％以上変動しているか否かを判断する（ステップＳ２３）。ステップＳ２２において今回計測したＢＨラジカルの発光強度が前回計測したＢＨラジカルの発光強度に対して５％以上変動していると判断したときは（ステップＳ２３においてＹＥＳ）、プラズマ処理時間制御部９は、ステップＳ２２において今回計測したＢＨラジカルの発光強度に基づいて、今回計測された発光強度におけるボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係を図示しない記憶部から読み出す（ステップＳ２４）。
そして、今回計測された発光強度におけるボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係を図示しない記憶部から読み出したとき（ステップＳ２４）、または、ステップＳ２２において今回計測したＢＨラジカルの発光強度が前回計測したＢＨラジカルの発光強度に対して５％以上変動していないと判断したときは（ステップＳ２３においてＮＯ）、プラズマ処理時間制御部９は、ステップＳ２４において読み出されたボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係に基づいて、半導体基板３に導入されるボロンのドーズレートを求める（ステップＳ２５）。
このように、ステップＳ２２において今回計測したＢＨラジカルの発光強度の前回計測したＢＨラジカルの発光強度に対する変動率が５％よりも小さいときは、ボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係を図示しない記憶部から読み出すステップＳ２４を省略し、記憶部から前回読み出したボロンのドーズ量とプラズマ処理時間との間の関係を使用して半導体基板３に導入されるボロンのドーズレートを求める。
次に、プラズマ処理時間制御部９は、ＢＨラジカルの発光強度を計測する毎に求めたボロンのドーズレートに基づいて、半導体基板３へ導入されたボロンの総量を表す総ドーズ量を求める（ステップＳ２６）。
その後、プラズマ処理時間制御部９は、ステップＳ２６において求めた総ドーズ量と予め定められた所望の総ドーズ量との間の差が１％以下になったか否かを判断する（ステップＳ２７）。ステップＳ２６において求めた総ドーズ量と予め定められた所望の総ドーズ量との間の差が未だ１％以下になっていないと判断したときは（ステップＳ２７においてＮＯ）、ステップＳ２２へ戻り、ＢＨラジカルの発光強度の観測を繰り返す。ステップＳ２６において求めた総ドーズ量と予め定められた所望の総ドーズ量との間の差が１％以下になったと判断したときは（ステップＳ２７においてＹＥＳ）、ボロンの半導体基板３への導入を終了する（ステップＳ２８）。
なお本実施の形態においては半導体基板をシリコン（Ｓｉ）によって構成した例を示したが、本発明はこれに限定されない。半導体基板は、Ｓｉ−Ｃ、Ｇｅ、Ｓｉ−Ｇｅ、Ｓｉ−Ｇｅ−Ｃ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＺｎＳｅ、ＣｄＦｅまたはＩｎＳｂによって構成してもよい。また、不純物にボロン（Ｂ）を使用した例を示したが、不純物には、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ｃｕ、ＡｇまたはＡｕを使用してもよい。さらに、観測工程においてＢＨラジカルの発光強度を観測する例を示したが、ＢＨラジカルの発光強度の替わりに前述した不純物として使用する各元素の原子、分子、化合物のイオンまたはラジカルの発光強度を観測してもよい。
産業上の利用可能性
以上のように本発明によれば、製造時間を短縮することができる表面処理方法および半導体装置の製造装置を提供することができる。
また本発明によれば、歩留まりを向上させることができる表面処理方法および半導体装置の製造装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本実施の形態に係るＭＯＳトランジスタ製造装置の構成図である。
図２は、本実施の形態に係るＭＯＳトランジスタ製造装置によって製造されるＭＯＳトランジスタの製造方法を説明するための断面図である。
図３は、本実施の形態に係るＭＯＳトランジスタ製造装置によって製造されるＭＯＳトランジスタの製造方法を説明するための断面図である。
図４は、本実施の形態に係るＢＨラジカルの発光強度とＲＦ電力とシート抵抗との関係を示すグラフである。
図５は、本実施の形態に係る二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によってボロンの濃度分布を半導体基板の深さに沿って測定した結果を示すグラフである。
図６は、本実施の形態に係るプラズマ処理時間とシート抵抗とボロンのドーズ量との関係を示すグラフである。
図７は、本実施の形態に係るプラズマ処理時間とボロンのドーズ量との間の関係を発光強度ごとに示すグラフである。
図８は、本実施の形態に係る表面処理方法の手順を示すフローチャートである。
図９は、本実施の形態に係るプラズマ処理時間とボロンのドーズ量との間の関係を示すグラフである。
図１０は、本実施の形態に係る他の表面処理方法の手順を示すフローチャートである。
【図１】
2002084724.tif 000003
【図２】
2002084724.tif 000004
【図３】
2002084724.tif 000005
【図４】
2002084724.tif 000006
【図５】
2002084724.tif 000007
【図６】
2002084724.tif 000008
【図７】
2002084724.tif 000009
【図８】
2002084724.tif 000010
【図９】
2002084724.tif 000011
【図１０】
2002084724.tif 000012
【国際調査報告】
2002084724.tif 000013
2002084724.tif 000014
2002084724.tif 000015
2002084724.tif 000016