JP4326756B2 - ドーピング方法、ドーピング装置の制御システム、およびドーピング装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオンドーピング装置及びそれを用いたドーピング方法であって、特に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のソース及びドレイン領域等の不純物領域の形成に用いる、高精度なイオンドーピング技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の価電子制御用の不純物元素をイオン化し、電界で加速して注入する技術はイオン注入法として知られている。近年、液晶表示装置、発光装置等、大面積の基板に不純物元素を注入することを目的とし、イオンをシャワー状に照射してドーピングすることが行われている。
【０００３】
イオンドーピング（ドーピング）装置は、イオン源に連接するドーピング室を設け、このドーピング室を真空に保持すると共に、このドーピング室に基板を入れてイオン源からのイオン流を基板の表面に照射させる構成である。イオン源はプラズマ室と、プラズマ室で生成したイオンを引き出す引き出し加速電極系と、二次電子の流入を制御する減速電極系とから成っている。電極には一般に多孔電極が使用され、イオンはこの孔を通過してドーピング室へのイオン流を形成する。
【０００４】
イオン源のプラズマ発生方法としては直流放電方式、高周波放電方式、マイクロ波放電方式等がある。また、磁場を印加することによりプラズマをイオン源内部に閉じこめておくことも可能であり、プラズマ室の周囲に永久磁石を配置することによりカプス磁場を形成する場合もある。
【０００５】
このようなドーピング装置では、多くの場合、質量分離を行わない為、プラズマ室で形成されたイオン種（正電荷）は全て引き出し電極による電場で加速され、基板に注入されることになる。イオンを得る為の材料ガスには、水素などの希釈ガスで希釈させた材料ガス（ジボラン（Ｂ2Ｈ6）やフォスフィン（ＰＨ3））を使用することが多い。その結果、目的とする不純物イオン（ボロンイオンやリンイオン）の他に多量の水素イオンが同時に注入されることになる。
【０００６】
例えば、材料ガスとしてジボランを使用した場合には、Ｈ+、Ｈ2 +、Ｈ3 +、ＢＨx +（ｘ：１〜３）、Ｂ2Ｈy +（ｙ：１〜６）等のイオンが生成される。これらのイオン種の存在比率は、材料ガスの希釈割合やプラズマ生成条件により異なる。質量分離することなく電界で加速すると、これらの複数種類のイオンが基板に照射されることになる。
【０００７】
具体的には、水素で５％に希釈したジボランガスを材料ガスとした場合に生成される各イオンについて、Ｅ×Ｂ分離器により測定すると、図８に示すようなスペクトルを測定することができる。なお、この場合には、質量数２０付近にＢ2Ｈｙ+イオンのピークが観測される他、質量数１のＨ+イオンと質量数３のＨ3 +イオンのピークが観測される。
【０００８】
ドーピング装置では、ファラデーカップ電流計を用い、イオン電流をモニターすることにより、ドーズ量を制御している。しかし、ファラデーカップ電流計で測定しているのは、フォスフィンやジボランといった材料ガスから生成される価電子制御用の不純物イオンの他に、希釈ガスから生成される希釈ガスのイオンを加えた全イオンに基づく電流値である。従って、プラズマ室で生成される各イオンの割合が変化すると、注入される不純物イオンの量が変化するという問題を有している。
【０００９】
図９は二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）で測定した質量数１０と１１の元素（ボロン）の酸化シリコン膜中における深さ方向分布を示すグラフであり、ドーピング装置を用いて複数枚の基板を順次ドーピング処理した時の濃度変化を示している。このデータは、同一のドーズ量設定で行っているにもかかわらず、ドーピング回数が増えるに従い、つまりドーピング処理の後半になる程ボロンの濃度が増加している。この結果はドーピング回数が増えるに従い、ボロンを含むイオン種の割合が増加していることを示している。
【００１０】
また、図１０には、同一条件でチャネルドープを行って作製したＴＦＴの正味のしきい値電圧の基板間ばらつきを示している。この場合でも、ドーピング回数が増えるに従い（ドーピング処理基板枚数が増えるに従い）、しきい値電圧がプラス側にシフトする傾向が観測されている。この結果はボロンの注入量が増加していることを意味している。
【００１１】
また、希釈ガスを含む材料ガスにより生成されたイオン種を偏向器により偏向させ、分離することによりイオン種毎に計測する方法が見いだされている。この方法を用いることにより各イオンのドーピング量を制御することが可能となる。なお、このような各イオン濃度の測定方法については、特開２００１−３５７８１３号に開示されている。
【００１２】
しかし、上述したように各イオンを分離させ、各イオンに基づく電流値から濃度を測定し、ドーピング量を制御する場合において、例えばチャネルドープ等のように目的とするイオン種が低濃度である場合には目的とする不純物イオンが検出下限以下となり、検出されないという問題が生じていた。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明では、このような問題点を解決するためにイオンドーピング装置において、イオン種の割合が変化した場合におけるドーピング量を制御するだけでなく、特に低濃度に注入されるイオン種についても、その割合を正確に測定し、高精度にドーピング量を制御することが可能なイオンドーピング方法、ドーピング量を制御する制御システムおよび制御システムを備えたドーピング装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明のドーピング装置では希釈ガスから生成されるイオンおよび材料ガスから生成される特定のイオンを測定することにより、注入されるイオンに含まれる複数のイオン種の割合が途中で変化した場合においても価電子制御用の不純物イオン（一導電型の不純物イオン）のドーピング量を制御することが可能とする。
【００１５】
なお、本発明において、上記測定される特定のイオンとして一導電型の不純物元素を含むイオンではなく、希釈ガスや材料ガスに含まれる不純物イオン以外のイオン（好ましくは、占有比率の高いイオン）を用いることにより、材料ガス濃度が低濃度であるチャネルドープのような場合においてもドーピングされる一導電型の不純物元素を含むイオンのドーピング量を制御することが可能となる。
【００１６】
例えば、希釈ガスに水素を用い、ドーパントにジボランを用いた場合において、希釈ガスから生成される水素イオンをＥ×Ｂ測定器で測定することにより、間接的にドーパントから生成され、注入されるボロンを含むイオン量を間接的に知ることができるので、測定された水素イオン濃度に基づきボロンを含むイオン量を制御することができる。なお、この方法を用いることにより、材料ガスの希釈率が高い場合（注入されるイオン（ボロン）濃度が低濃度の場合）においてもドーピング量を制御することが可能である。
【００１７】
ここで、水素で希釈され、低濃度のジボラン（Ｂ2Ｈ6）を含むガスに用いてドーピングを行う場合において、Ｅ×Ｂ測定器により測定されたスペクトルを図４（Ａ）（Ｂ）に示す。なお、図４において、希釈ガスから生成される水素イオンによるＨ3 +の電流値とＨ2 +の電流値は検出されているが、材料ガスから生成される不純物元素を含むイオンに由来のＢ2Ｈx +の電流値は検出されない。これは、ジボランの濃度が非常に低いためであるが、通常のチャネルドープを行う際に必要とされる程度の濃度である。
【００１８】
本発明では、このように不純物元素を含むイオンを直接的に測定することが困難である場合において、不純物元素を含まないイオン（材料ガスもしくは希釈ガスから生成される不純物元素を含まないイオン）であって、質量分析において充分に検出されるイオンを用いて間接的に不純物元素を含むイオンの濃度を検出することを特徴とする。
【００１９】
具体的には、不純物イオンがボロンである場合において、Ｂ2Ｈx +の電流値ではなく、図４において充分な電流値が得られている水素イオンのうちの特定イオンによる電流値（Ｈ3 +の電流値）を用いて間接的にボロンを含むイオン濃度を検出することを特徴とする。より正確な注入量を制御するには、Ｅ×Ｂ分離器により計測された特定イオン（Ｈ3 +）の電流値とＳＩＭＳ分析による不純物イオン（ボロン）濃度の相関データを予め測定しておくことが必要である。
【００２０】
また、上述したドーピング処理を複数の基板処理毎に連続的に行った場合において、Ｅ×Ｂ分離器により測定された特定イオン（Ｈ3 +）の電流値を図５にそれぞれ示す。なお、図５において、グラフの横軸には、処理した順に付された基板ナンバーを示し、縦軸には、特定イオン（Ｈ3 +）の電流値を示している。すなわち、基板の処理枚数が多くなるにつれて、特定イオン（Ｈ3 +）の電流値が減少する様子が分かる。なお、希釈ガスおよび材料ガスには一定量の不純物（ボロン）が含まれていることから、基板の処理枚数が多くなるにつれて、不純物元素（ボロン）を含むイオンの濃度が増加することが分かる。
【００２１】
すなわち、本発明は、実際に複数の基板を連続的にドーピング処理する場合において、ドーピング処理の直前にＥ×Ｂ分離器による特定イオンの電流量の測定を行い、その測定結果に基づき、その後のドーピングにおけるドーピング条件を決定し、処理する方法、また、測定結果をドーピング条件に反映させるためのプログラム、およびそのプログラムを搭載したドーピング装置であり、本発明を用いることにより注入される不純物元素の濃度を一定にすることができるので、安定した閾値電圧の制御を行うことができる。
【００２２】
なお、本発明の構成は、被処理体に質量分離せずに一導電型の不純物元素を含む複数種のイオンを同時に注入するドーピング方法であって、前記複数種のイオンのうち存在比率が最大のイオンを選択して、当該イオン電流を測定し、前記存在比率が最大のイオンのイオン電流と、注入される前記一導電型の不純物元素の濃度を関連づける換算データとを対比して、前記被処理体に注入される前記一導電型の不純物元素の濃度が一定となるようにドーズ量を制御することを特徴とするドーピング方法である。
【００２３】
また、本発明の別の構成において、被処理体に質量分離せずに一導電型の不純物元素を含むイオン、および特定のイオンを含む複数種のイオンを同時に注入するドーピング方法であって、前記複数種のイオンのうち特定のイオンを選択して、当該イオン電流を測定し、前記特定のイオンのイオン電流と、注入される一導電型の不純物元素の濃度を関連づける換算データとを対比して、前記被処理体に注入される前記一導電型の不純物元素の濃度が一定となるようにドーズ量を制御することを特徴とするドーピング方法である。
【００２４】
なお、上記各構成において、前記一導電型の不純物元素はボロンであり、前記特定のイオンとして水素イオンを用いることを特徴とするドーピング方法である。また、前記水素イオンとして、Ｈ+、Ｈ2 +、またはＨ3 +のいずれか一であることを特徴とする。
【００２５】
また、本発明の別の構成は、一定の比率のもとに一導電型の不純物元素を含むイオンと特定のイオンとを含む複数のイオンを生成する手段、および前記複数のイオンからなるイオンビームを放出する手段を含むドーズ量制御系と、前記イオンビームのイオン電流値を測定し、得られたモニター信号を制御手段に入力するイオン検出器と、所定のドーズ量とするための設定データを制御手段に入力する入力手段と、前記モニター信号から実際のドーズ量を求める換算データを前記制御手段に入力する記憶手段と、入力された前記モニター信号および前記換算データにもとづくデータ処理を行い、前記所定のドーズ量とするための制御信号を前記ドーズ量制御系に入力する前記制御手段とを備え、前記イオンビームに含まれる特定のイオンのイオン電流値を質量分離器を有する前記イオン検出器により測定することを特徴とするドーピング装置の制御システムである。
【００２６】
また、本発明の別の構成は、一定の比率のもとに一導電型の不純物元素を含むイオンとその他のイオンとを含む複数のイオンを生成する手段、および前記複数のイオンからなるイオンビームを放出する手段を含むドーズ量制御系と、前記イオンビームのイオン電流値を測定し、得られたモニター信号を制御手段に入力するイオン検出器と、所定のドーズ量とするための設定データを制御手段に入力する入力手段と、前記モニター信号から実際のドーズ量を求める換算データを前記制御手段に入力する記憶手段と、入力された前記モニター信号および前記換算データにもとづくデータ処理を行い、前記所定のドーズ量とするための制御信号を前記ドーズ量制御系に入力する前記制御手段とを備え、前記イオンビームにおいて存在比率が最大のイオンのイオン電流値を質量分離器を有する前記イオン検出器により測定することを特徴とするドーピング装置の制御システムである。
【００２７】
なお、上記各構成において、前記イオン検出器は、被処理体が備えられた位置における前記イオンビームに含まれる全イオンに基づく第１のイオン電流値を測定する第１のイオン検出器、およびモニター位置における前記イオンビームに含まれる全イオンに基づく第２のイオン電流値を測定する第２のイオン検出器とを含むことを特徴とするドーピング装置の制御システムである。
【００２８】
また、上記制御システムを備えたことを特徴とするドーピング装置も本発明に含めるものとする。
【００２９】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
本実施の形態においては、本発明のドーピング装置におけるドーズ量の制御方法について図１および図２を用いて説明する。なお、ここでは、イオン種割合が非常に小さい１％Ｂ2Ｈ6水素希釈ガスを用いて、低濃度のボロン注入を行う場合について説明する。
【００３０】
本発明のドーピング装置は、図１に示すようにイオン源から引き出されるイオンビームに含まれるイオンのイオン電流を測定するイオン検出器１０１と、イオン検出器１０１により測定されたモニター信号が入力される制御手段１０２と、目標のドーズ量とするための設定データを制御手段１０２に入力する入力手段１０３と、イオン検出器で測定されたデータからドーズ量を換算するためのデータ（検量線）が予め記憶され、この換算データを制御手段１０２に入力する記憶手段１０４と、これら入力されたデータに基づく制御信号が制御手段１０２から入力されるドーズ量制御系１０５とで構成される制御システムを備えている。なお、制御手段１０２から入力される制御信号は、ドーピングされるドーズ量（不純物量）の制御に関連する放電条件、加速電圧、材料ガスまたは希釈ガス等の流量、および圧力等のパラメータを制御するものである。
【００３１】
なお、上記各手段においてなされる具体的な構成について図２に詳細に説明する。
【００３２】
はじめに、ドーピング装置に投入される基板の枚数、および基板に注入したい不純物量（ドーズ量（設定値））が順次、入力手段１０３によって入力され、制御手段１０２に読み込まれる。なお、この時のドーズ量は、不純物イオンのみではなくその他含まれる全てのイオンを含むドーズ量である。
【００３３】
次に、イオン検出器１０１により、ドーピングの際に基板が配置される処理位置における測定値（イオン電流値）、およびモニター位置における測定値（イオン電流値）の測定を行う。なお、基板が配置される位置におけるイオン電流値は、複数箇所の測定により得られた値の平均値または中央値をイオン電流値として用いる。そして、これらの値（処理位置における測定値、モニター位置における測定値）から、変換値（α）が以下の式（１）により算出される。
【００３４】
【式１】
α＝処理位置における測定値／モニター位置における測定値
【００３５】
さらにＥ×Ｂ測定による特定イオンの検出を行う。具体的には、Ｅ×Ｂ分離検出器を用いてドーピングの際に注入される複数のイオンのうち、特定のイオンのみの測定を行う。なお、ここでいうＥ×Ｂ分離検出器とは、Ｅ×Ｂ分離器にイオン電流を測定するためのイオン検出器が取り付けられたもののことをいう。また、本実施の形態のような低濃度の場合には不純物（ボロン）を含むイオン（Ｂ2Ｈy +）の電流値を測定することができない。そこで、最も大きな電流値が得られるＨ3 +イオンを特定のイオンとして、そのイオン電流値を求めることとする。測定は、処理基板の交換中もしくは、処理中に行うことができる。
【００３６】
なお、ここでは、図２に示す記憶手段１０２が有する検量線（ＳＩＭＳ分析による不純物イオン（Ｂ2Ｈy +）濃度と特定イオン（Ｈ3 +）の電流値との相関データＡ）を用いることによって特定イオンの電流値から不純物イオンの濃度（Ｃ）を求めることができる。なお、データＡは、ドーピング処理を行う前に予め測定し、記憶手段１０２に記憶しておく必要がある。ここでは、目標不純物濃度（ｆ（ａ））に対する特定イオンの電流値（ａ）、および測定された特定イオン電流値（Ｂ）に対する不純物濃度（ｆ（ｂ））を求めることができる。
【００３７】
なお、データＡから求められた目標不純物濃度（ｆ（ａ））、および不純物濃度（ｆ（ｂ））により変換値（β）が以下の式（２）により算出される。
【００３８】
【式２】
β＝不純物濃度（ｆ（ｂ））／目標不純物濃度（ｆ（ａ））
【００３９】
次に、初めに入力手段１０３から入力され、制御手段１０２に読み込まれたドーズ量（Ｄ）でドーピングが開始される。
【００４０】
次に、モニター位置でのイオン電流値（ｉ（ｔ））が測定される。なお、イオン電流の測定に用いるイオン検出器としては、ファラデーカップ計測計を用いることができる。なお、イオン検出器で測定されたイオン電流値（ｉ（ｔ））から次式（３）によってモニター位置におけるドーズ量（Ｑ（ｔ））が計算される。
【００４１】
【式３】
Ｑ（ｔ）＝∫（ｉ（ｔ）ｄｔ/ｑ）
（ｑ＝電気素量）
【００４２】
さらに、ここで求めたドーズ量（Ｑ（ｔ））を先に求めた変換値（α、β）と共に式（４）に用いることにより、実際の基板に対するドーズ量（実際のドーズ量：ｄ）を求めることができる。
【００４３】
【式４】
実際のドーズ量（ｄ）＝α×β×Ｑ（ｔ）
【００４４】
なお、測定されたイオン電流値は、制御手段１０２に入力され、式（１）〜式（３）に基づくデータ処理がなされ、新たになデータ（実際のドーズ量：ｄ）として蓄積される。
【００４５】
そして、入力手段１０３から入力されたドーズ量（Ｄ）と、イオン検出器１０１による測定データおよび記憶手段１０４により入力される換算データに基づき算出された実際のドーズ量（ｄ）が制御手段１０２において比較され、その結果、実際のドーズ量（ｄ）が目標のドーズ量（Ｄ）に到達している場合には、ドーピングが終了するように制御手段１０２からドーピング装置のドーズ量制御系１０５へ信号が入力され、処理中の基板に対するドーピングが終了する。しかし、実際のドーズ量（ｄ）が目標のドーズ量（Ｄ）に到達していない場合には、そのままドーピング処理が継続されることになる。そして、最終的に目標のドーズ量（Ｄ）に到達した場合に当該基板の処理が終了する。なお、ここでいうドーズ量制御系１０５は、被処理体にドーピングされるドーズ量を制御する上で関係するイオン源、ガス供給系、及びこれらを制御する電源等を含み、これらの放電条件、加速電圧、流量および圧力等をパラメータとするものである。
【００４６】
そして、一枚の基板のドーピングが終了すると、次の基板の処理が行われる。具体的には、先に示した処理位置（複数）におけるイオン電流値の測定から再び開始される。処理の方法は、先に説明した方法で同様に行われる。なお、Ｎ枚全て基板に同様の処理が繰り返され、Ｎ枚目が終了したところで、一連のドーピング処理が終了する。
【００４７】
なお、本発明は、図２で示した場合のみならず、図３で示した方法で処理することも可能である。
【００４８】
すなわち、一枚の基板のドーピング処理が終了した後、次の基板のドーピング処理がＥ×Ｂ測定による特定イオン（Ｈ3 +）の電流値の測定から再び開始される。処理の方法は、図２において説明した方法で同様に行われる。なお、Ｎ枚全て基板に同様の処理が繰り返され、Ｎ枚目が終了したところで、一連のドーピング処理が終了する点は、同様である。
【００４９】
以上のように、測定可能な特定イオンの電流値から不純物濃度を測定し、ドーズ量を制御する方法は、スループットを考慮してＥ×Ｂ測定を短時間で終了させたい場合に特定の質量を有するイオンのピーク周辺のみを測定すれば済むために短時間で終了させることができるという利点も有している。
【００５０】
（実施の形態２）
本実施の形態２では、実施の形態１で示した場合と異なり、Ｅ×Ｂ測定により得られた特定イオン電流値から基板に注入される不純物濃度を求めることにより、ドーズ量を制御する方法について図４を用いて説明する。
【００５１】
なお、変換値（α）を求めるまでの方法は、実施の形態１と同様なので省略する。但し、ここでは不純物イオンのみのドーズ量（Ｄ’）が入力手段１０３により入力され、制御手段１０２に読み込まれる。なお、この時のドーズ量は不純物イオンのみのドーズ量である。
【００５２】
変換値（α）が算出されたところで、ドーピングが開始される。なお、本実施の形態２においてもイオン種割合が非常に小さい１％Ｂ2Ｈ6水素希釈ガスを用いて、低濃度ボロンが注入される。
【００５３】
次に、Ｅ×Ｂ測定による特定イオンの電流値（ｉ（ｔ））が測定される。測定は、Ｅ×Ｂ測定器に備えられたイオン検出器１０１により、処理中に行われる。
【００５４】
次に、所定の条件でドーピングが開始される（例えば、１５ｋＶ ５０ｎＡ／ｃｍ2）。
【００５５】
そして、イオン検出器１０１により、モニター位置での特定イオンの電流値（ｉ（ｔ））が測定される。なお、ここでは、図４に示す記憶手段１０４が有する検量線（ＳＩＭＳ分析による不純物イオン（Ｂ2Ｈy +）の電流値（ｊ）と特定イオン（Ｈ3 +）の電流値（ｉ（ｔ））との相関データＢ）により、測定された特定イオンの電流値（ｉ（ｔ））に対応する不純物イオンの電流値（ｇ（ｉ（ｔ）））を求めることができる。なお、データＢは、ドーピング処理を行う前に予め測定し、記憶手段１０４に記憶しておく必要がある。
【００５６】
ここで求めた不純物イオンの電流値（ｇ（ｉ（ｔ）））を実施の形態１において説明した式（３）で積算することにより、モニター位置におけるドーズ量（Ｑ’（ｔ））を求めることができる。
【００５７】
さらに、ここで求めたドーズ量（Ｑ’（ｔ））を先に求めた変換値（α）と共に以下に示す式（５）に用いることにより、実際の基板に対するドーズ量（実際のドーズ量：ｄ’）を求めることができる。
【００５８】
【式５】
実際のドーズ量（ｄ’）＝α×Ｑ’（ｔ）
【００５９】
なお、測定されたイオン電流値は、制御手段１０２に入力され、式（３）〜式（５）に基づくデータ処理がなされ、新たになデータ（実際のドーズ量：ｄ’）として蓄積される。
【００６０】
そして、入力手段１０３から入力されたドーズ量（Ｄ’）と、イオン検出器１０１による測定データ及び記憶手段１０４により入力される換算データに基づき算出された実際のドーズ量（ｄ’）が制御手段１０２において比較され、その結果、実際のドーズ量（ｄ’）が目標のドーズ量（Ｄ’）に到達している場合には、ドーピングが終了するように制御手段１０２からドーピング装置のドーズ量制御系１０５へ信号が入力され、処理中の基板に対するドーピングが終了する。しかし、実際のドーズ量（ｄ’）が目標のドーズ量（Ｄ’）に到達していない場合には、そのままドーピング処理が継続されることになる。そして、最終的に目標のドーズ量（Ｄ’）に到達した場合に当該基板の処理が終了する。なお、ここでいうドーズ量制御系１０５は、被処理体にドーピングされるドーズ量を制御する上で関係するイオン源、ガス供給系、及びこれらを制御する電源等を含むものとする。
【００６１】
そして、一枚の基板のドーピング処理が終了した後、次の基板の処理としてＥ×Ｂ測定による特定イオン（Ｈ3 +）の電流値の測定から再び開始される。処理の方法は、先に説明した方法で同様に行われる。なお、Ｎ枚全て基板に同様の処理が繰り返され、Ｎ枚目が終了したところで、一連のドーピング処理が終了する。
【００６２】
なお、実施の形態１において図１で示したように処理することも可能である。すなわち、一枚の基板のドーピングが終了した後、次の基板の処理において、処理位置（複数）におけるイオン電流値の測定から再び開始することも可能である。
【００６３】
なお、本実施の形態１や２において、処理中にＥ×Ｂ測定を行うときには、処理基板の外側にＥ×Ｂ測定器を設置する必要がある。但し、基板走査型の注入装置の場合には基板真下付近（縦型のイオン源の場合）や基板背後（縦型のイオン源の場合）にＥ×Ｂ測定器を設置することができる。
【００６４】
（実施の形態３）
本実施の形態３においては、本発明のドーピング装置の一形態について説明する。図７に示すドーピング装置は、イオン源７０１、そのイオン流出口に基板を配設することが可能なドーピング室７０２、ロードロック室７０３、待機室７０４、搬送室７０５を有し、これらの室はゲートバルブ７１０ａ〜７１０ｃを介して連結されている。また、搬送室７０５は、ダブルアームを有する搬送手段を有しており、その他の室にも搬送手段及び基板保持手段が備えられている（図示せず）。また、排気手段７０８により、ドーピング室７０２、搬送室７０３、待機室７０４等は真空排気が可能となっている。排気手段７０８は、ドライポンプ、メカニカルブースターポンプ、ターボ分子ポンプなどを適宜組み合わせて用いる。
【００６５】
ドーピング室７０２は基板を保持してイオンドーピングを行う場所である。イオン流出口より大面積の基板を処理する場合は、ステージ７０７で走査することにより基板に全面へのイオンドーピング処理を可能とする。このような場合、イオン流を断面形状が長方形又は線形として、基板に照射する形態とすれば装置が大型化するのを防ぐことができる。なお、図７において、基板が水平に配置され、イオンビームが基板に対して垂直方向に照射される構成を示しているが、パーティクルを減らすために、基板を垂直に配置し、イオンビームが水平方向に照射される構造としてもよい。
【００６６】
イオン源７０１は、通常のイオン源と同じく、価電子制御を目的とした不純物元素を含む材料ガスを供給するガス供給系７１９、プラズマを形成するためのフィラメント７１１が備えられている。なお、ここでは図示しないが、カソードであるフィラメントに対応したアノードも設置されている。図７の構成はフィラメントを用いた直流放電型のプラズマを示しているが、容量結合型のアンテナや、誘導結合型のアンテナや、高周波型のアンテナを採用しても良い。
【００６７】
引き出し電極系としては引き出し電極７１２、加速電極７１３、抑制電極７１４、接地電極７１５が備えられ、これらの電極には多数の開口が設けられその開口をイオンが通過する。イオンの加速は引き出し電圧（Ｖｅｘ）が印加される引き出し電極７１２と、加速電圧（Ｖａｃ）が印加される加速電極７１３により行い、抑制電極７１４では発散するイオンを捕集してイオン流の方向性を高めている。引き出し電圧（Ｖｅｘ）に１〜２０ｋＶを印加して、加速電圧（Ｖａｃ）を変化させることにより１０〜１００ｋｅＶのエネルギーでイオンを加速することができる。
【００６８】
ドーピング用のガスはＰＨ3、Ｂ2Ｈ6などであり、水素や不活性ガスで０．１〜２０％程度に希釈したものを用いる。ＰＨ3の場合、ＰＨx +、Ｐ2Ｈx +、Ｈx +などがイオン種として生成され、質量分離をしない場合はこれらのイオンが引き出し電極系により加速され基板が設置されたドーピング室７０２に引き出される。イオンは４枚の電極によりほぼ直線的に引き出され基板に照射される。
【００６９】
また、ドーピング室７０２には、注入されたイオン電流値を測定するためのイオン検出器が備えられている。具体的には、モニター位置におけるイオン電流値を測定するためのイオン検出器７２０、実際の基板に注入されるドーズ量を測定するための処理位置測定用のイオン検出器７２１、及びＥ×Ｂ分離検出器７２２である。なお、Ｅ×Ｂ分離検出器７２２は、Ｅ×Ｂ分離器とイオン検出器が一体となっており、Ｅ×Ｂ分離器で分離されたイオン電流値のみをイオン検出器で測定することができる。
【００７０】
なお、図７で示すドーピング室７０２に配置されたモニター位置におけるイオン電流値を測定するためのイオン検出器７２０、処理位置測定用のイオン検出器７２１、及びＥ×Ｂ分離検出器７２２の位置関係について図８に示す。
【００７１】
なお、図８は、図７で示すドーピング室７０２に備えられた基板を上面から見た図である。図７におけるｘ−ｘ’は、図７に示すｘ−ｘ’に対応している。また、図８では、図７と同じ符号を用いているので適宜参照すればよい。
【００７２】
図８において、基板７０５及びステージ７０７と重ならない位置にモニター位置におけるイオン電流値を測定するためのイオン検出器７２０が配置されている。
【００７３】
また、基板７０５の中央に複数のイオン検出器が配置されている。なお、複数のイオン検出器により測定されたイオン電流値の平均値、または中央値が本発明のドーピング装置における処理位置でのイオン電流値となる。
【００７４】
なお、処理位置測定用のイオン検出器の配置方法は、図８に示す縦方向の配置に限られることはなく、横方向に配置したり、中央で交差するように配置することもできる。
【００７５】
さらに、Ｅ×Ｂ分離検出器７２２も基板７０５及びステージ７０７と重ならない位置に配置されている。
【００７６】
以上のような構成により、イオン源で生成される各種イオンの存在比率の変動を抑え、再現性の高いドーピング処理が可能となり、高精度の不純物元素の濃度制御をすることができる。
【００７７】
このようなドーピング装置７０２を用いたドーピング方法を図７で示す構成の装置に基づいて説明する。
【００７８】
まず、イオン源７０１の内部、およびドーピング室７０２の内部の不純物を除去するために高真空に排気する。
【００７９】
ドーピング処理すべき基板（被処理体）は、ロードロック室７０３から搬送された後、順に待機室７０４に搬入される。そして、ドーピング処理の準備が完了したところで搬送手段７０６によりドーピング室に搬入され、ステージ上の所定の位置に配置される。なお、搬送手段７０６は、ダブルアーム構造を有しており、先に処理した基板がドーピング室に入っている場合には一方のアームで基板の取り出しを行い、他方のアームでドーピング室７０２への搬送を行う。
【００８０】
基板がドーピング室７０２内に搬入されると、ガス供給系７１９により所定の材料ガスを供給する。リンをドーピングする場合には、水素で希釈されたフォスフィンガスを用い、ボロンをドーピングする場合には水素で希釈されたジボランを用いる。材料ガスの供給量及び、排気手段の排気速度を調節することによりイオン源７０１及びドーピング室７０２内の圧力を一定に保った状態でフィラメントの直流電力を印加する。これによりイオン源７０１内にプラズマが生成する。プラズマにより材料ガスが分解され、複数のイオン種が生成する。生成されたイオン種は引き出し電極７１２や加速電極７１３に所定の直流電圧を印加することによりエネルギーを得て加速され、ステージ７０７にセットされた基板に照射されドーピング処理が行われる。
【００８１】
ドーピング時には、イオン検出器によりドーズ量を知るためのイオン電流値の測定が行われる。なお、イオン検出器には、所定のモニター位置におけるイオン電流値を測定するためのイオン検出器７２０が備えられている。
【００８２】
また、ドーピング時におけるイオンビームに含まれる特定イオンのイオン電流値は、Ｅ×Ｂ分離器と一体形成されたイオン検出器（Ｅ×Ｂ分離検出器）７２２により測定される。
【００８３】
なお、ドーピングされる基板位置におけるドーズ量を知るために、予め基板位置（処理位置）に備えられたイオン検出器７２１により、イオン電流値を測定しておく必要がある。
【００８４】
このようにして、ドーピング前、またはドーピング中に各イオン検出器（７２０〜７２２）により測定されたイオン電流値に基づくモニター信号は、制御手段７２５に送られる。そして、制御手段７２５では、モニター信号の他、入力手段７２６および記憶手段７２７により入力されたデータをもとに実施の形態１や２において説明したデータ処理が行われ、ドーピング処理の継続の有無が決定される。
【００８５】
なお、制御手段７２５においてドーピング処理の終了が決定されると、終了に基づく制御信号がドーピング装置のドーズ量制御系７２９に送られ、ドーピング処理が終了する。また、制御手段７２５においてドーピング処理の継続が決定されると、継続に基づく制御信号がドーピング装置のドーズ量制御系７２９に送られ、ドーピング処理は継続される。
【００８６】
なお、ドーズ量制御系７２９によりドーピングが終了する場合には、フィラメントへの電力の印加、及び材料ガスの供給の停止や、イオンの照射停止などが行われる。
【００８７】
そして、ドーピングされた基板は搬送手段によりドーピング室７０２から回収され、一連の処理が終わる。
【００８８】
このようなプロセスにより、イオン検出器（７２０〜７２１）で測定されたデータをフィードバックさせてドーピングを行うことができるので、高精度なイオンドーピング処理を実現することができる。
【００８９】
また、以上のような方法を用いてドーピングを行うことにより、例えばＴＦＴのしきい値電圧を制御するためのチャネルドープを行う場合に、半導体膜に対してドーピングされる不純物濃度が１×１０15〜５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度の低濃度の場合においても充分なドーズ量の制御が可能となる。
【発明の効果】
本発明の構成を採用することにより、ドーズ量を正確に測定することができ、さらに測定データをもとにドーズ量を制御することができるので、安定したドーピングを行うことができる。なお、この様な制御システムを備えたドーピング装置を用いてＴＦＴを作製することで、安定したトランジスタ特性の実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のドーピング方法について説明する図。
【図２】 本発明のドーピング方法について説明する図。
【図３】 本発明のドーピング方法について説明する図。
【図４】 本発明のドーピング方法について説明する図。
【図５】 Ｅ×Ｂ測定により得られた結果を示す図。
【図６】 Ｅ×Ｂ測定により得られた結果を示す図。
【図７】 本発明に用いるドーピング装置について説明する図。
【図８】 本発明に用いるドーピング装置について説明する図。
【図９】 従来技術について説明する図。
【図１０】 従来技術について説明する図。
【図１１】 従来技術について説明する図。
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオンドーピング装置及びそれを用いたドーピング方法であって、特に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のソース及びドレイン領域等の不純物領域の形成に用いる、高精度なイオンドーピング技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の価電子制御用の不純物元素をイオン化し、電界で加速して注入する技術はイオン注入法として知られている。近年、液晶表示装置、発光装置等、大面積の基板に不純物元素を注入することを目的とし、イオンをシャワー状に照射してドーピングすることが行われている。
【０００３】
イオンドーピング（ドーピング）装置は、イオン源に連接するドーピング室を設け、このドーピング室を真空に保持すると共に、このドーピング室に基板を入れてイオン源からのイオン流を基板の表面に照射させる構成である。イオン源はプラズマ室と、プラズマ室で生成したイオンを引き出す引き出し加速電極系と、二次電子の流入を制御する減速電極系とから成っている。電極には一般に多孔電極が使用され、イオンはこの孔を通過してドーピング室へのイオン流を形成する。
【０００４】
イオン源のプラズマ発生方法としては直流放電方式、高周波放電方式、マイクロ波放電方式等がある。また、磁場を印加することによりプラズマをイオン源内部に閉じこめておくことも可能であり、プラズマ室の周囲に永久磁石を配置することによりカプス磁場を形成する場合もある。
【０００５】
このようなドーピング装置では、多くの場合、質量分離を行わない為、プラズマ室で形成されたイオン種（正電荷）は全て引き出し電極による電場で加速され、基板に注入されることになる。イオンを得る為の材料ガスには、水素などの希釈ガスで希釈させた材料ガス（ジボラン（Ｂ2Ｈ6）やフォスフィン（ＰＨ3））を使用することが多い。その結果、目的とする不純物イオン（ボロンイオンやリンイオン）の他に多量の水素イオンが同時に注入されることになる。
【０００６】
例えば、材料ガスとしてジボランを使用した場合には、Ｈ+、Ｈ2 +、Ｈ3 +、ＢＨx +（ｘ：１〜３）、Ｂ2Ｈy +（ｙ：１〜６）等のイオンが生成される。これらのイオン種の存在比率は、材料ガスの希釈割合やプラズマ生成条件により異なる。質量分離することなく電界で加速すると、これらの複数種類のイオンが基板に照射されることになる。
【０００７】
具体的には、水素で５％に希釈したジボランガスを材料ガスとした場合に生成される各イオンについて、Ｅ×Ｂ分離器により測定すると、図８に示すようなスペクトルを測定することができる。なお、この場合には、質量数２０付近にＢ2Ｈｙ+イオンのピークが観測される他、質量数１のＨ+イオンと質量数３のＨ3 +イオンのピークが観測される。
【０００８】
ドーピング装置では、ファラデーカップ電流計を用い、イオン電流をモニターすることにより、ドーズ量を制御している。しかし、ファラデーカップ電流計で測定しているのは、フォスフィンやジボランといった材料ガスから生成される価電子制御用の不純物イオンの他に、希釈ガスから生成される希釈ガスのイオンを加えた全イオンに基づく電流値である。従って、プラズマ室で生成される各イオンの割合が変化すると、注入される不純物イオンの量が変化するという問題を有している。
【０００９】
図９は二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）で測定した質量数１０と１１の元素（ボロン）の酸化シリコン膜中における深さ方向分布を示すグラフであり、ドーピング装置を用いて複数枚の基板を順次ドーピング処理した時の濃度変化を示している。このデータは、同一のドーズ量設定で行っているにもかかわらず、ドーピング回数が増えるに従い、つまりドーピング処理の後半になる程ボロンの濃度が増加している。この結果はドーピング回数が増えるに従い、ボロンを含むイオン種の割合が増加していることを示している。
【００１０】
また、図１０には、同一条件でチャネルドープを行って作製したＴＦＴの正味のしきい値電圧の基板間ばらつきを示している。この場合でも、ドーピング回数が増えるに従い（ドーピング処理基板枚数が増えるに従い）、しきい値電圧がプラス側にシフトする傾向が観測されている。この結果はボロンの注入量が増加していることを意味している。
【００１１】
また、希釈ガスを含む材料ガスにより生成されたイオン種を偏向器により偏向させ、分離することによりイオン種毎に計測する方法が見いだされている。この方法を用いることにより各イオンのドーピング量を制御することが可能となる。なお、このような各イオン濃度の測定方法については、特開２００１−３５７８１３号に開示されている。
【００１２】
しかし、上述したように各イオンを分離させ、各イオンに基づく電流値から濃度を測定し、ドーピング量を制御する場合において、例えばチャネルドープ等のように目的とするイオン種が低濃度である場合には目的とする不純物イオンが検出下限以下となり、検出されないという問題が生じていた。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明では、このような問題点を解決するためにイオンドーピング装置において、イオン種の割合が変化した場合におけるドーピング量を制御するだけでなく、特に低濃度に注入されるイオン種についても、その割合を正確に測定し、高精度にドーピング量を制御することが可能なイオンドーピング方法、ドーピング量を制御する制御システムおよび制御システムを備えたドーピング装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明のドーピング装置では希釈ガスから生成されるイオンおよび材料ガスから生成される特定のイオンを測定することにより、注入されるイオンに含まれる複数のイオン種の割合が途中で変化した場合においても価電子制御用の不純物イオン（一導電型の不純物イオン）のドーピング量を制御することが可能とする。
【００１５】
なお、本発明において、上記測定される特定のイオンとして一導電型の不純物元素を含むイオンではなく、希釈ガスや材料ガスに含まれる不純物イオン以外のイオン（好ましくは、占有比率の高いイオン）を用いることにより、材料ガス濃度が低濃度であるチャネルドープのような場合においてもドーピングされる一導電型の不純物元素を含むイオンのドーピング量を制御することが可能となる。
【００１６】
例えば、希釈ガスに水素を用い、ドーパントにジボランを用いた場合において、希釈ガスから生成される水素イオンをＥ×Ｂ測定器で測定することにより、間接的にドーパントから生成され、注入されるボロンを含むイオン量を間接的に知ることができるので、測定された水素イオン濃度に基づきボロンを含むイオン量を制御することができる。なお、この方法を用いることにより、材料ガスの希釈率が高い場合（注入されるイオン（ボロン）濃度が低濃度の場合）においてもドーピング量を制御することが可能である。
【００１７】
ここで、水素で希釈され、低濃度のジボラン（Ｂ2Ｈ6）を含むガスに用いてドーピングを行う場合において、Ｅ×Ｂ測定器により測定されたスペクトルを図４（Ａ）（Ｂ）に示す。なお、図４において、希釈ガスから生成される水素イオンによるＨ3 +の電流値とＨ2 +の電流値は検出されているが、材料ガスから生成される不純物元素を含むイオンに由来のＢ2Ｈx +の電流値は検出されない。これは、ジボランの濃度が非常に低いためであるが、通常のチャネルドープを行う際に必要とされる程度の濃度である。
【００１８】
本発明では、このように不純物元素を含むイオンを直接的に測定することが困難である場合において、不純物元素を含まないイオン（材料ガスもしくは希釈ガスから生成される不純物元素を含まないイオン）であって、質量分析において充分に検出されるイオンを用いて間接的に不純物元素を含むイオンの濃度を検出することを特徴とする。
【００１９】
具体的には、不純物イオンがボロンである場合において、Ｂ2Ｈx +の電流値ではなく、図４において充分な電流値が得られている水素イオンのうちの特定イオンによる電流値（Ｈ3 +の電流値）を用いて間接的にボロンを含むイオン濃度を検出することを特徴とする。より正確な注入量を制御するには、Ｅ×Ｂ分離器により計測された特定イオン（Ｈ3 +）の電流値とＳＩＭＳ分析による不純物イオン（ボロン）濃度の相関データを予め測定しておくことが必要である。
【００２０】
また、上述したドーピング処理を複数の基板処理毎に連続的に行った場合において、Ｅ×Ｂ分離器により測定された特定イオン（Ｈ3 +）の電流値を図５にそれぞれ示す。なお、図５において、グラフの横軸には、処理した順に付された基板ナンバーを示し、縦軸には、特定イオン（Ｈ3 +）の電流値を示している。すなわち、基板の処理枚数が多くなるにつれて、特定イオン（Ｈ3 +）の電流値が減少する様子が分かる。なお、希釈ガスおよび材料ガスには一定量の不純物（ボロン）が含まれていることから、基板の処理枚数が多くなるにつれて、不純物元素（ボロン）を含むイオンの濃度が増加することが分かる。
【００２１】
すなわち、本発明は、実際に複数の基板を連続的にドーピング処理する場合において、ドーピング処理の直前にＥ×Ｂ分離器による特定イオンの電流量の測定を行い、その測定結果に基づき、その後のドーピングにおけるドーピング条件を決定し、処理する方法、また、測定結果をドーピング条件に反映させるためのプログラム、およびそのプログラムを搭載したドーピング装置であり、本発明を用いることにより注入される不純物元素の濃度を一定にすることができるので、安定した閾値電圧の制御を行うことができる。
【００２２】
なお、本発明の構成は、被処理体に質量分離せずに一導電型の不純物元素を含む複数種のイオンを同時に注入するドーピング方法であって、前記複数種のイオンのうち存在比率が最大のイオンを選択して、当該イオン電流を測定し、前記存在比率が最大のイオンのイオン電流と、注入される前記一導電型の不純物元素の濃度を関連づける換算データとを対比して、前記被処理体に注入される前記一導電型の不純物元素の濃度が一定となるようにドーズ量を制御することを特徴とするドーピング方法である。
【００２３】
また、本発明の別の構成において、被処理体に質量分離せずに一導電型の不純物元素を含むイオン、および特定のイオンを含む複数種のイオンを同時に注入するドーピング方法であって、前記複数種のイオンのうち特定のイオンを選択して、当該イオン電流を測定し、前記特定のイオンのイオン電流と、注入される一導電型の不純物元素の濃度を関連づける換算データとを対比して、前記被処理体に注入される前記一導電型の不純物元素の濃度が一定となるようにドーズ量を制御することを特徴とするドーピング方法である。
【００２４】
なお、上記各構成において、前記一導電型の不純物元素はボロンであり、前記特定のイオンとして水素イオンを用いることを特徴とするドーピング方法である。また、前記水素イオンとして、Ｈ+、Ｈ2 +、またはＨ3 +のいずれか一であることを特徴とする。
【００２５】
また、本発明の別の構成は、一定の比率のもとに一導電型の不純物元素を含むイオンと特定のイオンとを含む複数のイオンを生成する手段、および前記複数のイオンからなるイオンビームを放出する手段を含むドーズ量制御系と、前記イオンビームのイオン電流値を測定し、得られたモニター信号を制御手段に入力するイオン検出器と、所定のドーズ量とするための設定データを制御手段に入力する入力手段と、前記モニター信号から実際のドーズ量を求める換算データを前記制御手段に入力する記憶手段と、入力された前記モニター信号および前記換算データにもとづくデータ処理を行い、前記所定のドーズ量とするための制御信号を前記ドーズ量制御系に入力する前記制御手段とを備え、前記イオンビームに含まれる特定のイオンのイオン電流値を質量分離器を有する前記イオン検出器により測定することを特徴とするドーピング装置の制御システムである。
【００２６】
また、本発明の別の構成は、一定の比率のもとに一導電型の不純物元素を含むイオンとその他のイオンとを含む複数のイオンを生成する手段、および前記複数のイオンからなるイオンビームを放出する手段を含むドーズ量制御系と、前記イオンビームのイオン電流値を測定し、得られたモニター信号を制御手段に入力するイオン検出器と、所定のドーズ量とするための設定データを制御手段に入力する入力手段と、前記モニター信号から実際のドーズ量を求める換算データを前記制御手段に入力する記憶手段と、入力された前記モニター信号および前記換算データにもとづくデータ処理を行い、前記所定のドーズ量とするための制御信号を前記ドーズ量制御系に入力する前記制御手段とを備え、前記イオンビームにおいて存在比率が最大のイオンのイオン電流値を質量分離器を有する前記イオン検出器により測定することを特徴とするドーピング装置の制御システムである。
【００２７】
なお、上記各構成において、前記イオン検出器は、被処理体が備えられた位置における前記イオンビームに含まれる全イオンに基づく第１のイオン電流値を測定する第１のイオン検出器、およびモニター位置における前記イオンビームに含まれる全イオンに基づく第２のイオン電流値を測定する第２のイオン検出器とを含むことを特徴とするドーピング装置の制御システムである。
【００２８】
また、上記制御システムを備えたことを特徴とするドーピング装置も本発明に含めるものとする。
【００２９】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
本実施の形態においては、本発明のドーピング装置におけるドーズ量の制御方法について図１および図２を用いて説明する。なお、ここでは、イオン種割合が非常に小さい１％Ｂ2Ｈ6水素希釈ガスを用いて、低濃度のボロン注入を行う場合について説明する。
【００３０】
本発明のドーピング装置は、図１に示すようにイオン源から引き出されるイオンビームに含まれるイオンのイオン電流を測定するイオン検出器１０１と、イオン検出器１０１により測定されたモニター信号が入力される制御手段１０２と、目標のドーズ量とするための設定データを制御手段１０２に入力する入力手段１０３と、イオン検出器で測定されたデータからドーズ量を換算するためのデータ（検量線）が予め記憶され、この換算データを制御手段１０２に入力する記憶手段１０４と、これら入力されたデータに基づく制御信号が制御手段１０２から入力されるドーズ量制御系１０５とで構成される制御システムを備えている。なお、制御手段１０２から入力される制御信号は、ドーピングされるドーズ量（不純物量）の制御に関連する放電条件、加速電圧、材料ガスまたは希釈ガス等の流量、および圧力等のパラメータを制御するものである。
【００３１】
なお、上記各手段においてなされる具体的な構成について図２に詳細に説明する。
【００３２】
はじめに、ドーピング装置に投入される基板の枚数、および基板に注入したい不純物量（ドーズ量（設定値））が順次、入力手段１０３によって入力され、制御手段１０２に読み込まれる。なお、この時のドーズ量は、不純物イオンのみではなくその他含まれる全てのイオンを含むドーズ量である。
【００３３】
次に、イオン検出器１０１により、ドーピングの際に基板が配置される処理位置における測定値（イオン電流値）、およびモニター位置における測定値（イオン電流値）の測定を行う。なお、基板が配置される位置におけるイオン電流値は、複数箇所の測定により得られた値の平均値または中央値をイオン電流値として用いる。そして、これらの値（処理位置における測定値、モニター位置における測定値）から、変換値（α）が以下の式（１）により算出される。
【００３４】
【式１】
α＝処理位置における測定値／モニター位置における測定値
【００３５】
さらにＥ×Ｂ測定による特定イオンの検出を行う。具体的には、Ｅ×Ｂ分離検出器を用いてドーピングの際に注入される複数のイオンのうち、特定のイオンのみの測定を行う。なお、ここでいうＥ×Ｂ分離検出器とは、Ｅ×Ｂ分離器にイオン電流を測定するためのイオン検出器が取り付けられたもののことをいう。また、本実施の形態のような低濃度の場合には不純物（ボロン）を含むイオン（Ｂ2Ｈy +）の電流値を測定することができない。そこで、最も大きな電流値が得られるＨ3 +イオンを特定のイオンとして、そのイオン電流値を求めることとする。測定は、処理基板の交換中もしくは、処理中に行うことができる。
【００３６】
なお、ここでは、図２に示す記憶手段１０２が有する検量線（ＳＩＭＳ分析による不純物イオン（Ｂ2Ｈy +）濃度と特定イオン（Ｈ3 +）の電流値との相関データＡ）を用いることによって特定イオンの電流値から不純物イオンの濃度（Ｃ）を求めることができる。なお、データＡは、ドーピング処理を行う前に予め測定し、記憶手段１０２に記憶しておく必要がある。ここでは、目標不純物濃度（ｆ（ａ））に対する特定イオンの電流値（ａ）、および測定された特定イオン電流値（Ｂ）に対する不純物濃度（ｆ（ｂ））を求めることができる。
【００３７】
なお、データＡから求められた目標不純物濃度（ｆ（ａ））、および不純物濃度（ｆ（ｂ））により変換値（β）が以下の式（２）により算出される。
【００３８】
【式２】
β＝不純物濃度（ｆ（ｂ））／目標不純物濃度（ｆ（ａ））
【００３９】
次に、初めに入力手段１０３から入力され、制御手段１０２に読み込まれたドーズ量（Ｄ）でドーピングが開始される。
【００４０】
次に、モニター位置でのイオン電流値（ｉ（ｔ））が測定される。なお、イオン電流の測定に用いるイオン検出器としては、ファラデーカップ計測計を用いることができる。なお、イオン検出器で測定されたイオン電流値（ｉ（ｔ））から次式（３）によってモニター位置におけるドーズ量（Ｑ（ｔ））が計算される。
【００４１】
【式３】
Ｑ（ｔ）＝∫（ｉ（ｔ）ｄｔ/ｑ）
（ｑ＝電気素量）
【００４２】
さらに、ここで求めたドーズ量（Ｑ（ｔ））を先に求めた変換値（α、β）と共に式（４）に用いることにより、実際の基板に対するドーズ量（実際のドーズ量：ｄ）を求めることができる。
【００４３】
【式４】
実際のドーズ量（ｄ）＝α×β×Ｑ（ｔ）
【００４４】
なお、測定されたイオン電流値は、制御手段１０２に入力され、式（１）〜式（３）に基づくデータ処理がなされ、新たになデータ（実際のドーズ量：ｄ）として蓄積される。
【００４５】
そして、入力手段１０３から入力されたドーズ量（Ｄ）と、イオン検出器１０１による測定データおよび記憶手段１０４により入力される換算データに基づき算出された実際のドーズ量（ｄ）が制御手段１０２において比較され、その結果、実際のドーズ量（ｄ）が目標のドーズ量（Ｄ）に到達している場合には、ドーピングが終了するように制御手段１０２からドーピング装置のドーズ量制御系１０５へ信号が入力され、処理中の基板に対するドーピングが終了する。しかし、実際のドーズ量（ｄ）が目標のドーズ量（Ｄ）に到達していない場合には、そのままドーピング処理が継続されることになる。そして、最終的に目標のドーズ量（Ｄ）に到達した場合に当該基板の処理が終了する。なお、ここでいうドーズ量制御系１０５は、被処理体にドーピングされるドーズ量を制御する上で関係するイオン源、ガス供給系、及びこれらを制御する電源等を含み、これらの放電条件、加速電圧、流量および圧力等をパラメータとするものである。
【００４６】
そして、一枚の基板のドーピングが終了すると、次の基板の処理が行われる。具体的には、先に示した処理位置（複数）におけるイオン電流値の測定から再び開始される。処理の方法は、先に説明した方法で同様に行われる。なお、Ｎ枚全て基板に同様の処理が繰り返され、Ｎ枚目が終了したところで、一連のドーピング処理が終了する。
【００４７】
なお、本発明は、図２で示した場合のみならず、図３で示した方法で処理することも可能である。
【００４８】
すなわち、一枚の基板のドーピング処理が終了した後、次の基板のドーピング処理がＥ×Ｂ測定による特定イオン（Ｈ3 +）の電流値の測定から再び開始される。処理の方法は、図２において説明した方法で同様に行われる。なお、Ｎ枚全て基板に同様の処理が繰り返され、Ｎ枚目が終了したところで、一連のドーピング処理が終了する点は、同様である。
【００４９】
以上のように、測定可能な特定イオンの電流値から不純物濃度を測定し、ドーズ量を制御する方法は、スループットを考慮してＥ×Ｂ測定を短時間で終了させたい場合に特定の質量を有するイオンのピーク周辺のみを測定すれば済むために短時間で終了させることができるという利点も有している。
【００５０】
（実施の形態２）
本実施の形態２では、実施の形態１で示した場合と異なり、Ｅ×Ｂ測定により得られた特定イオン電流値から基板に注入される不純物濃度を求めることにより、ドーズ量を制御する方法について図４を用いて説明する。
【００５１】
なお、変換値（α）を求めるまでの方法は、実施の形態１と同様なので省略する。但し、ここでは不純物イオンのみのドーズ量（Ｄ’）が入力手段１０３により入力され、制御手段１０２に読み込まれる。なお、この時のドーズ量は不純物イオンのみのドーズ量である。
【００５２】
変換値（α）が算出されたところで、ドーピングが開始される。なお、本実施の形態２においてもイオン種割合が非常に小さい１％Ｂ2Ｈ6水素希釈ガスを用いて、低濃度ボロンが注入される。
【００５３】
次に、Ｅ×Ｂ測定による特定イオンの電流値（ｉ（ｔ））が測定される。測定は、Ｅ×Ｂ測定器に備えられたイオン検出器１０１により、処理中に行われる。
【００５４】
次に、所定の条件でドーピングが開始される（例えば、１５ｋＶ ５０ｎＡ／ｃｍ2）。
【００５５】
そして、イオン検出器１０１により、モニター位置での特定イオンの電流値（ｉ（ｔ））が測定される。なお、ここでは、図４に示す記憶手段１０４が有する検量線（ＳＩＭＳ分析による不純物イオン（Ｂ2Ｈy +）の電流値（ｊ）と特定イオン（Ｈ3 +）の電流値（ｉ（ｔ））との相関データＢ）により、測定された特定イオンの電流値（ｉ（ｔ））に対応する不純物イオンの電流値（ｇ（ｉ（ｔ）））を求めることができる。なお、データＢは、ドーピング処理を行う前に予め測定し、記憶手段１０４に記憶しておく必要がある。
【００５６】
ここで求めた不純物イオンの電流値（ｇ（ｉ（ｔ）））を実施の形態１において説明した式（３）で積算することにより、モニター位置におけるドーズ量（Ｑ’（ｔ））を求めることができる。
【００５７】
さらに、ここで求めたドーズ量（Ｑ’（ｔ））を先に求めた変換値（α）と共に以下に示す式（５）に用いることにより、実際の基板に対するドーズ量（実際のドーズ量：ｄ’）を求めることができる。
【００５８】
【式５】
実際のドーズ量（ｄ’）＝α×Ｑ’（ｔ）
【００５９】
なお、測定されたイオン電流値は、制御手段１０２に入力され、式（３）〜式（５）に基づくデータ処理がなされ、新たになデータ（実際のドーズ量：ｄ’）として蓄積される。
【００６０】
そして、入力手段１０３から入力されたドーズ量（Ｄ’）と、イオン検出器１０１による測定データ及び記憶手段１０４により入力される換算データに基づき算出された実際のドーズ量（ｄ’）が制御手段１０２において比較され、その結果、実際のドーズ量（ｄ’）が目標のドーズ量（Ｄ’）に到達している場合には、ドーピングが終了するように制御手段１０２からドーピング装置のドーズ量制御系１０５へ信号が入力され、処理中の基板に対するドーピングが終了する。しかし、実際のドーズ量（ｄ’）が目標のドーズ量（Ｄ’）に到達していない場合には、そのままドーピング処理が継続されることになる。そして、最終的に目標のドーズ量（Ｄ’）に到達した場合に当該基板の処理が終了する。なお、ここでいうドーズ量制御系１０５は、被処理体にドーピングされるドーズ量を制御する上で関係するイオン源、ガス供給系、及びこれらを制御する電源等を含むものとする。
【００６１】
そして、一枚の基板のドーピング処理が終了した後、次の基板の処理としてＥ×Ｂ測定による特定イオン（Ｈ3 +）の電流値の測定から再び開始される。処理の方法は、先に説明した方法で同様に行われる。なお、Ｎ枚全て基板に同様の処理が繰り返され、Ｎ枚目が終了したところで、一連のドーピング処理が終了する。
【００６２】
なお、実施の形態１において図１で示したように処理することも可能である。すなわち、一枚の基板のドーピングが終了した後、次の基板の処理において、処理位置（複数）におけるイオン電流値の測定から再び開始することも可能である。
【００６３】
なお、本実施の形態１や２において、処理中にＥ×Ｂ測定を行うときには、処理基板の外側にＥ×Ｂ測定器を設置する必要がある。但し、基板走査型の注入装置の場合には基板真下付近（縦型のイオン源の場合）や基板背後（縦型のイオン源の場合）にＥ×Ｂ測定器を設置することができる。
【００６４】
（実施の形態３）
本実施の形態３においては、本発明のドーピング装置の一形態について説明する。図７に示すドーピング装置は、イオン源７０１、そのイオン流出口に基板を配設することが可能なドーピング室７０２、ロードロック室７０３、待機室７０４、搬送室７０５を有し、これらの室はゲートバルブ７１０ａ〜７１０ｃを介して連結されている。また、搬送室７０５は、ダブルアームを有する搬送手段を有しており、その他の室にも搬送手段及び基板保持手段が備えられている（図示せず）。また、排気手段７０８により、ドーピング室７０２、搬送室７０３、待機室７０４等は真空排気が可能となっている。排気手段７０８は、ドライポンプ、メカニカルブースターポンプ、ターボ分子ポンプなどを適宜組み合わせて用いる。
【００６５】
ドーピング室７０２は基板を保持してイオンドーピングを行う場所である。イオン流出口より大面積の基板を処理する場合は、ステージ７０７で走査することにより基板に全面へのイオンドーピング処理を可能とする。このような場合、イオン流を断面形状が長方形又は線形として、基板に照射する形態とすれば装置が大型化するのを防ぐことができる。なお、図７において、基板が水平に配置され、イオンビームが基板に対して垂直方向に照射される構成を示しているが、パーティクルを減らすために、基板を垂直に配置し、イオンビームが水平方向に照射される構造としてもよい。
【００６６】
イオン源７０１は、通常のイオン源と同じく、価電子制御を目的とした不純物元素を含む材料ガスを供給するガス供給系７１９、プラズマを形成するためのフィラメント７１１が備えられている。なお、ここでは図示しないが、カソードであるフィラメントに対応したアノードも設置されている。図７の構成はフィラメントを用いた直流放電型のプラズマを示しているが、容量結合型のアンテナや、誘導結合型のアンテナや、高周波型のアンテナを採用しても良い。
【００６７】
引き出し電極系としては引き出し電極７１２、加速電極７１３、抑制電極７１４、接地電極７１５が備えられ、これらの電極には多数の開口が設けられその開口をイオンが通過する。イオンの加速は引き出し電圧（Ｖｅｘ）が印加される引き出し電極７１２と、加速電圧（Ｖａｃ）が印加される加速電極７１３により行い、抑制電極７１４では発散するイオンを捕集してイオン流の方向性を高めている。引き出し電圧（Ｖｅｘ）に１〜２０ｋＶを印加して、加速電圧（Ｖａｃ）を変化させることにより１０〜１００ｋｅＶのエネルギーでイオンを加速することができる。
【００６８】
ドーピング用のガスはＰＨ3、Ｂ2Ｈ6などであり、水素や不活性ガスで０．１〜２０％程度に希釈したものを用いる。ＰＨ3の場合、ＰＨx +、Ｐ2Ｈx +、Ｈx +などがイオン種として生成され、質量分離をしない場合はこれらのイオンが引き出し電極系により加速され基板が設置されたドーピング室７０２に引き出される。イオンは４枚の電極によりほぼ直線的に引き出され基板に照射される。
【００６９】
また、ドーピング室７０２には、注入されたイオン電流値を測定するためのイオン検出器が備えられている。具体的には、モニター位置におけるイオン電流値を測定するためのイオン検出器７２０、実際の基板に注入されるドーズ量を測定するための処理位置測定用のイオン検出器７２１、及びＥ×Ｂ分離検出器７２２である。なお、Ｅ×Ｂ分離検出器７２２は、Ｅ×Ｂ分離器とイオン検出器が一体となっており、Ｅ×Ｂ分離器で分離されたイオン電流値のみをイオン検出器で測定することができる。
【００７０】
なお、図７で示すドーピング室７０２に配置されたモニター位置におけるイオン電流値を測定するためのイオン検出器７２０、処理位置測定用のイオン検出器７２１、及びＥ×Ｂ分離検出器７２２の位置関係について図８に示す。
【００７１】
なお、図８は、図７で示すドーピング室７０２に備えられた基板を上面から見た図である。図７におけるｘ−ｘ’は、図７に示すｘ−ｘ’に対応している。また、図８では、図７と同じ符号を用いているので適宜参照すればよい。
【００７２】
図８において、基板７０５及びステージ７０７と重ならない位置にモニター位置におけるイオン電流値を測定するためのイオン検出器７２０が配置されている。
【００７３】
また、基板７０５の中央に複数のイオン検出器が配置されている。なお、複数のイオン検出器により測定されたイオン電流値の平均値、または中央値が本発明のドーピング装置における処理位置でのイオン電流値となる。
【００７４】
なお、処理位置測定用のイオン検出器の配置方法は、図８に示す縦方向の配置に限られることはなく、横方向に配置したり、中央で交差するように配置することもできる。
【００７５】
さらに、Ｅ×Ｂ分離検出器７２２も基板７０５及びステージ７０７と重ならない位置に配置されている。
【００７６】
以上のような構成により、イオン源で生成される各種イオンの存在比率の変動を抑え、再現性の高いドーピング処理が可能となり、高精度の不純物元素の濃度制御をすることができる。
【００７７】
このようなドーピング装置７０２を用いたドーピング方法を図７で示す構成の装置に基づいて説明する。
【００７８】
まず、イオン源７０１の内部、およびドーピング室７０２の内部の不純物を除去するために高真空に排気する。
【００７９】
ドーピング処理すべき基板（被処理体）は、ロードロック室７０３から搬送された後、順に待機室７０４に搬入される。そして、ドーピング処理の準備が完了したところで搬送手段７０６によりドーピング室に搬入され、ステージ上の所定の位置に配置される。なお、搬送手段７０６は、ダブルアーム構造を有しており、先に処理した基板がドーピング室に入っている場合には一方のアームで基板の取り出しを行い、他方のアームでドーピング室７０２への搬送を行う。
【００８０】
基板がドーピング室７０２内に搬入されると、ガス供給系７１９により所定の材料ガスを供給する。リンをドーピングする場合には、水素で希釈されたフォスフィンガスを用い、ボロンをドーピングする場合には水素で希釈されたジボランを用いる。材料ガスの供給量及び、排気手段の排気速度を調節することによりイオン源７０１及びドーピング室７０２内の圧力を一定に保った状態でフィラメントの直流電力を印加する。これによりイオン源７０１内にプラズマが生成する。プラズマにより材料ガスが分解され、複数のイオン種が生成する。生成されたイオン種は引き出し電極７１２や加速電極７１３に所定の直流電圧を印加することによりエネルギーを得て加速され、ステージ７０７にセットされた基板に照射されドーピング処理が行われる。
【００８１】
ドーピング時には、イオン検出器によりドーズ量を知るためのイオン電流値の測定が行われる。なお、イオン検出器には、所定のモニター位置におけるイオン電流値を測定するためのイオン検出器７２０が備えられている。
【００８２】
また、ドーピング時におけるイオンビームに含まれる特定イオンのイオン電流値は、Ｅ×Ｂ分離器と一体形成されたイオン検出器（Ｅ×Ｂ分離検出器）７２２により測定される。
【００８３】
なお、ドーピングされる基板位置におけるドーズ量を知るために、予め基板位置（処理位置）に備えられたイオン検出器７２１により、イオン電流値を測定しておく必要がある。
【００８４】
このようにして、ドーピング前、またはドーピング中に各イオン検出器（７２０〜７２２）により測定されたイオン電流値に基づくモニター信号は、制御手段７２５に送られる。そして、制御手段７２５では、モニター信号の他、入力手段７２６および記憶手段７２７により入力されたデータをもとに実施の形態１や２において説明したデータ処理が行われ、ドーピング処理の継続の有無が決定される。
【００８５】
なお、制御手段７２５においてドーピング処理の終了が決定されると、終了に基づく制御信号がドーピング装置のドーズ量制御系７２９に送られ、ドーピング処理が終了する。また、制御手段７２５においてドーピング処理の継続が決定されると、継続に基づく制御信号がドーピング装置のドーズ量制御系７２９に送られ、ドーピング処理は継続される。
【００８６】
なお、ドーズ量制御系７２９によりドーピングが終了する場合には、フィラメントへの電力の印加、及び材料ガスの供給の停止や、イオンの照射停止などが行われる。
【００８７】
そして、ドーピングされた基板は搬送手段によりドーピング室７０２から回収され、一連の処理が終わる。
【００８８】
このようなプロセスにより、イオン検出器（７２０〜７２１）で測定されたデータをフィードバックさせてドーピングを行うことができるので、高精度なイオンドーピング処理を実現することができる。
【００８９】
また、以上のような方法を用いてドーピングを行うことにより、例えばＴＦＴのしきい値電圧を制御するためのチャネルドープを行う場合に、半導体膜に対してドーピングされる不純物濃度が１×１０15〜５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度の低濃度の場合においても充分なドーズ量の制御が可能となる。
【発明の効果】
本発明の構成を採用することにより、ドーズ量を正確に測定することができ、さらに測定データをもとにドーズ量を制御することができるので、安定したドーピングを行うことができる。なお、この様な制御システムを備えたドーピング装置を用いてＴＦＴを作製することで、安定したトランジスタ特性の実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のドーピング方法について説明する図。
【図２】 本発明のドーピング方法について説明する図。
【図３】 本発明のドーピング方法について説明する図。
【図４】 本発明のドーピング方法について説明する図。
【図５】 Ｅ×Ｂ測定により得られた結果を示す図。
【図６】 Ｅ×Ｂ測定により得られた結果を示す図。
【図７】 本発明に用いるドーピング装置について説明する図。
【図８】 本発明に用いるドーピング装置について説明する図。
【図９】 従来技術について説明する図。
【図１０】 従来技術について説明する図。
【図１１】 従来技術について説明する図。
Claims (12)
- 被処理体に質量分離せずに一導電型の不純物元素を含む複数種のイオンを同時に注入するドーピング方法であって、
前記複数種のイオンのうち存在比率が最大のイオンを選択して、当該イオン電流を測定し、
前記存在比率が最大のイオンのイオン電流と、注入される前記一導電型の不純物元素の濃度を関連づける換算データとを対比して、
前記被処理体に注入される前記一導電型の不純物元素の濃度が一定となるようにドーズ量を制御することを特徴とするドーピング方法。 - 請求項１において、
前記一導電型の不純物元素はボロンであり、前記存在比率が最大のイオンとして水素イオンを用いることを特徴とするドーピング方法。 - 被処理体に質量分離せずに一導電型の不純物元素を含むイオン、および特定のイオンを含む複数種のイオンを同時に注入するドーピング方法であって、
前記複数種のイオンのうち特定のイオンを選択して、当該イオン電流を測定し、
前記特定のイオンのイオン電流と、注入される一導電型の不純物元素の濃度を関連づける換算データとを対比して、
前記被処理体に注入される前記一導電型の不純物元素の濃度が一定となるようにドーズ量を制御することを特徴とするドーピング方法。 - 請求項３において、
前記一導電型の不純物元素はボロンであり、前記特定イオンとして水素イオンを用いることを特徴とするドーピング方法。 - 請求項２または請求項４において、前記水素イオンは、Ｈ+、Ｈ2 +、またはＨ3 +のいずれか一であることを特徴とするドーピング方法。
- 一定の比率のもとに一導電型の不純物元素を含むイオンと特定のイオンとを含む複数のイオンを生成する手段、および前記複数のイオンからなるイオンビームを放出する手段を含むドーズ量制御系と、
前記イオンビームのイオン電流値を測定し、得られたモニター信号を制御手段に入力するイオン検出器と、
所定のドーズ量とするための設定データを制御手段に入力する入力手段と、
前記モニター信号から実際のドーズ量を求める換算データを前記制御手段に入力する記憶手段と、
入力された前記モニター信号および前記換算データにもとづくデータ処理を行い、前記所定のドーズ量とするための制御信号を前記ドーズ量制御系に入力する前記制御手段とを備え、
前記イオンビームに含まれる特定のイオンのイオン電流値を質量分離器を有する前記イオン検出器により測定することを特徴とするドーピング装置の制御システム。 - 請求項６において、
前記一導電型の不純物元素はボロンであり、前記特定のイオンとして水素イオンを用いることを特徴とするドーピング装置の制御システム。 - 一定の比率のもとに一導電型の不純物元素を含むイオンとその他のイオンとを含む複数のイオンを生成する手段、および前記複数のイオンからなるイオンビームを放出する手段を含むドーズ量制御系と、
前記イオンビームのイオン電流値を測定し、得られたモニター信号を制御手段に入力するイオン検出器と、
所定のドーズ量とするための設定データを制御手段に入力する入力手段と、
前記モニター信号から実際のドーズ量を求める換算データを前記制御手段に入力する記憶手段と、
入力された前記モニター信号および前記換算データにもとづくデータ処理を行い、前記所定のドーズ量とするための制御信号を前記ドーズ量制御系に入力する前記制御手段とを備え、
前記イオンビームにおいて存在比率が最大のイオンのイオン電流値を質量分離器を有する前記イオン検出器により測定することを特徴とするドーピング装置の制御システム。 - 請求項８において、
前記一導電型の不純物元素はボロンであり、前記存在比率が最大のイオンとして水素イオンを用いることを特徴とするドーピング装置の制御システム。 - 請求項７または請求項９において、前記水素イオンは、Ｈ+、Ｈ2 +、またはＨ3 +のいずれか一であることを特徴とするドーピング装置の制御システム。
- 請求項６乃至請求項１０のいずれか一において、
前記イオン検出器は、
被処理体が備えられた位置における前記イオンビームに含まれる全イオンに基づく第１のイオン電流値を測定する第１のイオン検出器、およびモニター位置における前記イオンビームに含まれる全イオンに基づく第２のイオン電流値を測定する第２のイオン検出器とを含むことを特徴とするドーピング装置の制御システム。 - 請求項６乃至請求項１１のいずれか一に記載の制御システムを備えたことを特徴とするドーピング装置。
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