JP4443819B2

JP4443819B2 - Plasma doping method

Info

Publication number: JP4443819B2
Application number: JP2002290076A
Authority: JP
Inventors: 智洋奥村; 一郎中山; 文二水野; 雄一朗佐々木
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-10-02
Filing date: 2002-10-02
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2022-10-02
Also published as: CN100511592C; CN101090069A; CN101276748A; CN101090068A; CN100514563C; CN101276748B; CN101086964A; CN101090070A; CN100479101C; CN100511593C; CN101286448A; CN100543937C; JP2004128210A; CN100561670C; CN100511591C; CN101090071A; CN101093801A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、不純物を半導体基板等の固体試料の表面に導入するプラズマドーピング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
不純物を固体試料の表面に導入する技術としては、例えば、特許文献１に示されているように、不純物をイオン化して低エネルギーで固体中に導入するプラズマドーピング法が知られている。
【０００３】
以下、図５を参照しながら従来の不純物導入方法としてのプラズマドーピング法について説明する。
【０００４】
図５は、従来のプラズマドーピング法に用いられるプラズマドーピング装置の概略構成を示している。図５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原料ガス、例えばＢ_２Ｈ_６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１７より、誘電体窓としての石英板７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１８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）１９が形成される。試料電極６には、コンデンサ２０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。
【０００５】
このような構成のプラズマドーピング装置において、ガス供給装置２から導入されたドーピング原料ガス、例えばＢ_２Ｈ_６は、マイクロ波導波管１７及び電磁石１８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１９中のボロン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。
【０００６】
このようにして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。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許４９１２０６５号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開２０００−３０９８６８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の方式では、低濃度ドーピングが安定的に行えず、処理の再現性が悪いという問題点があった。ドーピング原料ガスを用いて低濃度ドーピングを行うには、真空容器内の圧力を下げるとともに、ドーピング原料ガスの分圧を小さくする必要がある。この場合、一般にはドーピング原料ガスを不活性ガスであるヘリウムで希釈する。ヘリウムイオンはスパッタリングイールドが小さいため、試料へのイオン照射ダメージが小さいという利点があるためである。ところが、ヘリウムガスは低圧力では放電が開始しにくいという難点があり、所望の低濃度ドーピング条件で処理することが難しかった。
【００１０】
また、ドーピング原料ガスを用いずに不純物固体を用いて低濃度ドーピングを行うに際しても、真空容器内の圧力を下げる必要がある。不活性ガスとしてアルゴンを用いる場合には、ヘリウムに比べると低圧力でも放電が開始しやすいものの、所望の低濃度ドーピング条件で処理することが難しいことについては、ドーピング原料ガスを用いる場合と同様である。
【００１１】
一方、特許文献２には、アルゴンガスを用いたスパッタリング装置において、着火ステップにおける真空容器内の圧力を高くして着火を確実に行う方法が記されているが、これを、プラズマドーピングのような、不純物に極めて敏感なプロセスにそのまま適用することはできない。
【００１２】
確かに、着火性を改善するには、着火ステップにおける真空容器内の圧力を高くするなどして、着火ステップの放電条件とドーピングステップの放電条件を別条件とすることが有効であるが、圧力などを変化させたときの放電インピーダンスの変化が大きく、高周波電力のインピーダンス整合を行うための整合回路の動作が追従せず、大きな反射電力が発生してしまうという問題点があった。これは、一般に、整合回路は２つの可変インピーダンス素子として可動部をもつ可変コンデンサ（マイクロ波を用いる場合はスタブ）を用いているので、モーターが回転してインピーダンスを変化させるのに秒オーダーの時間を要するということに起因している。反射電力の発生は、処理の再現性を低下させる原因となる。また、ノイズの発生の原因となる場合もあり、機器の誤動作を招くこともあった。或いは、可変コンデンサ（またはスタブ）の回転（運動）が行き過ぎて、プラズマが消滅してしまう場合もあった。
【００１３】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、安定して低濃度ドーピングが可能で、再現性に優れたプラズマドーピング方法を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本願の第１発明のプラズマドーピング方法は、プラズマ発生装置を備えた真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、２つの可変インピーダンス素子として可動部をもたないトロイダルコアを備えたプラズマ発生装置用整合回路を介してプラズマ発生装置に高周波電力を供給することにより、真空容器内にプラズマを発生させ、真空容器内の試料電極に載置された試料または試料表面の膜中に不純物を導入するプラズマドーピング方法であって、プラズマを発生させたままの状態でガス種、ガス流量、圧力、高周波電力の大きさのうち少なくとも一つの制御パラメータを変化させると共に、前記ガス種を、ヘリウム以外の不活性ガスを含むガスからヘリウムを含むガスに変化させることを特徴とする。
【００１５】
本願の第２発明のプラズマドーピング方法は、プラズマ発生装置を備えた真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、プラズマ発生装置用整合回路を介してプラズマ発生装置に高周波電力を供給することにより、真空容器内にプラズマを発生させ、真空容器内の試料電極に載置された試料または試料表面の膜中に不純物を導入するプラズマドーピング方法であって、プラズマを発生させたままの状態でガス種、ガス流量、圧力、高周波電力の大きさのうち少なくとも一つの制御パラメータを変化させると共に、前記ガス種を、ヘリウム以外の不活性ガスを含むガスからヘリウムを含むガスに変化させ、かつ、制御パラメータの変化を１秒乃至５秒かけて行うことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施形態について、図１乃至図３を参照して説明する。
【００１７】
図１に、本発明の第１実施形態において用いたプラズマドーピング装置の断面図を示す。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ちながら、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プラズマ発生装置としてのコイル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が発生し、試料電極６上に載置された試料としてのシリコン基板９に対してプラズマドーピング処理を行うことができる。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、試料としての基板がプラズマに対して負の電位をもつように、試料電極６の電位を制御することができるようになっている。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。なお、誘電体窓７の主成分は石英ガラスである。また、高周波電源５とコイル８の間にプラズマ発生装置用整合回路１３が設けられている。
【００１８】
図２にプラズマ発生装置用整合回路１３の詳細図を示す。高周波電力が供給されると、センサー１４からの信号に応じて、演算１５は制御電圧をトロイダルコア１６に出力する。すると、トロイダルコア１６の透磁率が変化するため、高周波系のインダクタンスが変化し、望ましい整合状態へと移行することができる。整合に要する時間は１ｍｓｅｃ以下である。これは、このプラズマ発生装置用整合回路１３が、可動部をもたず、電気的な信号のみでインピーダンスを可変できるトロイダルコア１６を用いているためである。
【００１９】
基板９を試料電極６に載置した後、試料電極６の温度を１０℃に保ちつつ、真空容器１内にヘリウムガスを５０ｓｃｃｍ、ドーピング原料ガスとしてのジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）ガスを３ｓｃｃｍ供給し、真空容器１内の圧力を第一の圧力＝２Ｐａに制御しながら、プラズマ源としてのコイル８に高周波電力を１５０Ｗ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た。高周波電力の供給を開始してから０．１秒後に、プラズマを発生させたままの状態で、真空容器１内を第一の圧力（２Ｐａ）よりも低い第二の圧力＝１Ｐａにするために調圧弁を制御し、０．０７秒後に高周波電力を８００Ｗまで高めるとともに、試料電極に２００Ｗ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。この処理のタイムチャートを図３に示す。このような処理を１００回連続して行ったところ、ドーピング濃度の平均値は２．５×１０¹³ａｔｍ／ｃｍ²であり、そのばらつきは±１．４％であった。
【００２０】
比較のため、従来の可変コンデンサを用いた整合回路で同様の条件で処理したところ、制御パラメータである圧力及び高周波電力を変化させたタイミングで大きな反射波が生じ、この反射波がばらつくために、１００回連続して処理を行った際のドーピング濃度の平均値は２．４×１０¹³ａｔｍ／ｃｍ²であり、そのばらつきは±２．８％と大きかった。図３には、本実施形態と従来例における反射波の様子も示してある。
【００２１】
このように、プラズマの着火を、ドーピングステップにおける圧力よりも高い圧力で行うことにより、安定した着火を実現することが可能となり、試料へのイオン照射ダメージが小さいヘリウム主体のプラズマを用いて、安定して低濃度ドーピングを行えるようになった。また、プラズマを着火させるステップにおいて、プラズマ源に供給する高周波電力を小さくしたことで、着火ステップにおける試料への悪影響を少なくすることができた。更に、２つの可変インピーダンス素子として可動部をもたないトロイダルコアを備えたプラズマ発生装置用整合回路を用いたため、制御パラメータを変化させても大きな反射波が生じず、再現性に優れた処理が行えた。
【００２２】
以上述べた本発明の第１実施形態において、プラズマを着火させるステップにおいてヘリウム以外の不活性ガスを供給してもよい。この場合、ヘリウム以外の不活性ガスは、一般にヘリウムよりも着火下限圧力が低いので、より低圧力にてプラズマの着火が行えるという利点がある。
【００２３】
また、プラズマを着火させるステップにおいて、真空容器内にドーピング原料ガスを供給しないようにしてもよい。この場合も、着火ステップにおける試料への悪影響を少なくすることができるという利点がある。
【００２４】
次に、本発明の第２実施形態について、図４を参照して説明する。
【００２５】
本発明の第２実施形態において用いたプラズマドーピング装置は、図１及び図２と同様の構成であるため、ここでは説明を省略する。
【００２６】
基板９を試料電極６に載置した後、試料電極６の温度を１０℃に保ちつつ、真空容器１内にヘリウムガスを５０ｓｃｃｍ、ドーピング原料ガスとしてのジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）ガスを３ｓｃｃｍ供給し、真空容器１内の圧力を第一の圧力＝２Ｐａに制御しながら、プラズマ源としてのコイル８に高周波電力を２００Ｗ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た。高周波電力の供給を開始してから０．５秒後に、プラズマを発生させたままの状態で、真空容器１内を第一の圧力（２Ｐａ）よりも低い第二の圧力＝１Ｐａにするために調圧弁の開度を徐々に大きくするとともに、高周波電力を８００Ｗまで徐々に高めた。このように、制御パラメータを２．０秒かけてゆっくりと変化させた後、試料電極に２００Ｗ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。この処理のタイムチャートを図４に示す。このような処理を１００回連続して行ったところ、ドーピング濃度の平均値は２．５×１０¹³ａｔｍ／ｃｍ²であり、そのばらつきは±０．９％であった。
【００２７】
このように、プラズマの着火を、ドーピングプロセスにおける圧力よりも高い圧力で行うことにより、安定した着火を実現することが可能となり、試料へのイオン照射ダメージが小さいヘリウム主体のプラズマを用いて、安定して低濃度ドーピングを行えるようになった。また、プラズマを着火させるステップにおいて、プラズマ源に供給する高周波電力を小さくしたことで、着火ステップにおける試料への悪影響を少なくすることができた。更に、２つの可変インピーダンス素子として可動部をもたないトロイダルコアを備えたプラズマ発生装置用整合回路を用いたため、制御パラメータを変化させても大きな反射波が生じず、再現性に優れた処理が行えた。また、制御パラメータを２．０秒かけてゆっくりと変化させたため、インピーダンスの変化がゆるやかになり、生じる反射波を本発明の第１実施形態よりも更に小さくすることができ、再現性が高まった。
【００２８】
以上述べた本発明の第１実施形態において、プラズマを着火させるステップにおいてヘリウム以外の不活性ガスを供給してもよい。この場合、ヘリウム以外の不活性ガスは、一般にヘリウムよりも着火下限圧力が低いので、より低圧力にてプラズマの着火が行えるという利点がある。
【００２９】
また、プラズマを着火させるステップにおいて、真空容器内にドーピング原料ガスを供給しないようにしてもよい。この場合も、着火ステップにおける試料への悪影響を少なくすることができるという利点がある。
【００３０】
また、制御パラメータの変化を２秒かけて行う場合を例示したが、制御パラメータの変化は１秒乃至５秒かけて行うことが好ましい。制御パラメータの変化が１秒未満で行われると、可動部をもたないトロイダルコアを備えたプラズマ発生装置用整合回路を用いず、可変コンデンサを備えたプラズマ発生装置用整合回路を用いた場合、大きな反射波が生じることがある。制御パラメータの変化が５秒より長い時間をかけて行われると、処理タクトの悪化を招き、生産性が低下する。
【００３１】
以上述べた本発明の実施形態においては、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。
【００３２】
例えば、コイルを平面状としてもよいし、ヘリコン波プラズマを用いてもよく、或いは、磁気中性ループプラズマを用いることも可能である。
【００３３】
また、真空容器内にドーピング原料ガスを供給せず、固体状の不純物から発生させたドーピング原料により試料または試料表面の膜中に不純物を導入してもよい。
【００３４】
また、プラズマを発生させたままの状態で変化させる制御パラメータが、ガス種、ガス流量、圧力、高周波電力の大きさのうち少なくとも一つの制御パラメータである場合に本発明はとくに有効である。
【００３５】
また、プラズマを発生させたままの状態で、圧力を第一の圧力から第二の圧力へ変化させる場合、第一の圧力よりも第二の圧力の方が低いことが好ましく、更に着火を確実に行うとともに、低濃度ドーピングを実現するためには、第一の圧力が１乃至１０Ｐａであり、第二の圧力が０．０１乃至１Ｐａであることが望ましい。更に、第一の圧力が２乃至５Ｐａであり、第二の圧力が０．０１乃至０．５Ｐａであることが望ましい。
【００３６】
また、ヘリウム以外の不活性ガスを用いる場合、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望ましい。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。
【００３７】
また、着火ステップにおけるプラズマ源に供給する高周波電力を小さくする場合、着火を確実に行うとともに、着火ステップにおける試料への悪影響を抑制して、低濃度ドーピングを実現するためには、着火ステップにおいてプラズマ源に供給する高周波電力が、ドーピングステップにおいてプラズマ源に供給する高周波電力の１／１００乃至１／２であることが望ましい。更に、着火ステップにおいてプラズマ源に供給する高周波電力が、ドーピングステップにおいてプラズマ源に供給する高周波電力の１／２０乃至１／５であることが望ましい。
【００３８】
また、真空容器内にドーピング原料ガスを供給する場合、低濃度ドーピングを実現するためには、ドーピング原料ガスの分圧が、ドーピングステップにおける真空容器内の圧力の１／１０００乃至１／５であることが望ましい。更に、ドーピング原料ガスの分圧が、ドーピングステップにおける真空容器内の圧力の１／１００乃至１／１０であることが望ましい。
【００３９】
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。
【００４０】
また、不純物がボロンである場合について例示したが、試料がシリコンよりなる半導体基板である場合、とくに不純物が砒素、燐、ボロン、アルミニウムまたはアンチモンである場合に本発明は有効である。これは、トランジスタ部分に浅い接合を形成することができるからである。
【００４１】
また、本発明は、ドーピング濃度が低濃度である場合に有効であり、とくに、１×１０¹¹／ｃｍ²乃至１×１０¹⁷／ｃｍ²を狙いとしたプラズマドーピング方法として有効である。また、１×１０¹¹／ｃｍ²乃至１×１０¹⁴／ｃｍ²を狙いとしたプラズマドーピング方法として、とくに格別の効果を奏する。
【００４２】
また、本発明は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマを用いる場合にも有効ではあるが、ＥＣＲプラズマを用いない場合にとくに有効である。ＥＣＲプラズマは低圧力でもプラズマが着火しやすいという利点があるが、試料付近の直流磁界が大きいため、電子とイオンの荷電分離が生じやすく、ドーピング量の均一性が劣るという欠点があるためである。つまり、本発明をＥＣＲプラズマを用いず、他の高密度プラズマ源を用いたプラズマドーピング方法に適用することにより、均一性に優れた低濃度ドーピングを実現することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本願の第１発明のプラズマドーピング方法によれば、プラズマ発生装置を備えた真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、２つの可変インピーダンス素子として可動部をもたないトロイダルコアを備えたプラズマ発生装置用整合回路を介してプラズマ発生装置に高周波電力を供給することにより、真空容器内にプラズマを発生させ、真空容器内の試料電極に載置された試料または試料表面の膜中に不純物を導入するプラズマドーピング方法であって、プラズマを発生させたままの状態でガス種、ガス流量、圧力、高周波電力の大きさのうち少なくとも一つの制御パラメータを変化させると共に、前記ガス種を、ヘリウム以外の不活性ガスを含むガスからヘリウムを含むガスに変化させるため、安定して低濃度ドーピングが可能で、再現性に優れたプラズマドーピング方法を提供することができる。
【００４４】
また、本願の第２発明のプラズマドーピング方法によれば、プラズマ発生装置を備えた真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、プラズマ発生装置用整合回路を介してプラズマ発生装置に高周波電力を供給することにより、真空容器内にプラズマを発生させ、真空容器内の試料電極に載置された試料または試料表面の膜中に不純物を導入するプラズマドーピング方法であって、プラズマを発生させたままの状態でガス種、ガス流量、圧力、高周波電力の大きさのうち少なくとも一つの制御パラメータを変化させると共に、前記ガス種を、ヘリウム以外の不活性ガスを含むガスからヘリウムを含むガスに変化させ、かつ、制御パラメータの変化を１秒乃至５秒かけて行うため、安定して低濃度ドーピングが可能で、再現性に優れたプラズマドーピング方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態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２】本発明の実施形態で用いた整合回路の詳細図
【図３】本発明の第１実施形態におけるタイムチャート
【図４】本発明の第２実施形態におけるタイムチャート
【図５】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
【符号の説明】
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
１２支柱
１３プラズマ発生装置用整合回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma doping how introducing impurities into the surface of a solid sample such as a semiconductor substrate.
[0002]
[Prior art]
As a technique for introducing impurities into the surface of a solid sample, for example, as shown in Patent Document 1, a plasma doping method is known in which impurities are ionized and introduced into a solid with low energy.
[0003]
Hereinafter, a plasma doping method as a conventional impurity introduction method will be described with reference to FIG.
[0004]
FIG. 5 shows a schematic configuration of a plasma doping apparatus used in a conventional plasma doping method. In FIG. 5, a sample electrode 6 for placing a sample 9 made of a silicon substrate is provided in the vacuum vessel 1. A gas supply device 2 for supplying a doping source gas containing a desired element, for example, B ₂ H _6, and a pump 3 for decompressing the inside of the vacuum vessel 1 are provided in the vacuum vessel 1. Can be kept at a pressure of. Microwaves are radiated from the microwave waveguide 17 into the vacuum chamber 1 through the quartz plate 7 as a dielectric window. A magnetic field microwave plasma (electron cyclotron resonance plasma) 19 is formed in the vacuum chamber 1 by the interaction between the microwave and a DC magnetic field formed from the electromagnet 18. A high frequency power source 10 is connected to the sample electrode 6 via a capacitor 20 so that the potential of the sample electrode 6 can be controlled.
[0005]
In the plasma doping apparatus having such a configuration, the doping source gas introduced from the gas supply apparatus 2, for example, B ₂ H _6, is converted into plasma by the plasma generating means including the microwave waveguide 17 and the electromagnet 18, and the plasma 19 Boron ions are introduced into the surface of the sample 9 by the high frequency power source 10.
[0006]
After forming the metal wiring layer on the sample 9 into which impurities are introduced in this way, a thin oxide film is formed on the metal wiring layer in a predetermined oxidizing atmosphere, and then the sample 9 is formed by a CVD apparatus or the like. When a gate electrode is formed thereon, for example, a MOS transistor is obtained.
[0007]
[Patent Document 1]
US Pat. No. 4,912,065 [0008]
[Patent Document 2]
JP 2000-309868 A
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional method has a problem that low-concentration doping cannot be stably performed and the reproducibility of processing is poor. In order to perform low-concentration doping using a doping source gas, it is necessary to lower the pressure in the vacuum vessel and reduce the partial pressure of the doping source gas. In this case, the doping source gas is generally diluted with helium, which is an inert gas. This is because helium ions have an advantage that the ion irradiation damage to the sample is small because the sputtering yield is small. However, helium gas has a drawback that discharge is difficult to start at a low pressure, and it has been difficult to process under desired low-concentration doping conditions.
[0010]
Also, when performing low concentration doping using impurity solids without using a doping source gas, it is necessary to lower the pressure in the vacuum vessel. When argon is used as an inert gas, discharge is likely to start even at a lower pressure than helium, but it is difficult to process under the desired low concentration doping conditions as in the case of using a doping source gas. is there.
[0011]
On the other hand, Patent Document 2 describes a method of reliably performing ignition by increasing the pressure in a vacuum vessel in an ignition step in a sputtering apparatus using argon gas. It cannot be directly applied to a process extremely sensitive to impurities.
[0012]
Certainly, in order to improve the ignitability, it is effective to make the discharge condition of the ignition step different from the discharge condition of the doping step by increasing the pressure in the vacuum vessel in the ignition step. There is a problem that the change in the discharge impedance is large when the above is changed, and the operation of the matching circuit for impedance matching of the high frequency power does not follow, and a large reflected power is generated. This is because the matching circuit generally uses a variable capacitor having a movable part as two variable impedance elements (a stub in the case of using a microwave), so that the time required for the motor to rotate to change the impedance is on the order of seconds. This is because it requires The generation of reflected power causes a reduction in process reproducibility. In addition, noise may be generated, and the device may malfunction. Alternatively, the plasma may be extinguished due to excessive rotation (movement) of the variable capacitor (or stub).
[0013]
The present invention is the light of the conventional problems, can be stably lightly doped, and its object is to provide a superior plasma doping how reproducibility.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The plasma doping method of the first invention of the present application includes a toroidal core having no movable part as two variable impedance elements by exhausting the inside of the vacuum container while supplying gas into the vacuum container equipped with the plasma generating device. By supplying high-frequency power to the plasma generator through the matching circuit for the plasma generator, plasma is generated in the vacuum vessel, and impurities are contained in the sample placed on the sample electrode in the vacuum vessel or the film on the sample surface A plasma doping method in which at least one control parameter among a gas type, a gas flow rate, a pressure, and a magnitude of high-frequency power is changed while the plasma is generated, and the gas type is changed to helium. A gas containing an inert gas other than the above is changed to a gas containing helium .
[0015]
In the plasma doping method of the second invention of the present application, the vacuum vessel is evacuated while supplying the gas into the vacuum vessel equipped with the plasma generator, and the high frequency power is supplied to the plasma generator via the matching circuit for the plasma generator. In this plasma doping method, plasma is generated in a vacuum vessel, and impurities are introduced into a sample placed on a sample electrode in the vacuum vessel or a film on the sample surface. gas species in the state, the gas flow rate, pressure, Rutotomoni changing at least one control parameter of the magnitude of the high-frequency power, the gas species is changed from a gas containing an inert gas other than helium gas containing helium In addition, the control parameter is changed over 1 to 5 seconds.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
[0017]
FIG. 1 shows a cross-sectional view of the plasma doping apparatus used in the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, while introducing a predetermined gas from a gas supply device 2 into a vacuum vessel 1, exhaust is performed by a turbo molecular pump 3 as an exhaust device, and the inside of the vacuum vessel 1 is maintained at a predetermined pressure by a pressure regulating valve 4. However, by supplying high frequency power of 13.56 MHz from the high frequency power source 5 to the coil 8 as a plasma generator provided in the vicinity of the dielectric window 7 facing the sample electrode 6, inductive coupling type is provided in the vacuum vessel 1. Plasma is generated, and a plasma doping process can be performed on the silicon substrate 9 as a sample placed on the sample electrode 6. In addition, a high frequency power source 10 for supplying high frequency power to the sample electrode 6 is provided, and the potential of the sample electrode 6 can be controlled so that the substrate as a sample has a negative potential with respect to plasma. It is like that. The turbo molecular pump 3 and the exhaust port 11 are disposed immediately below the sample electrode 6, and the pressure regulating valve 4 is a lift valve positioned directly below the sample electrode 6 and directly above the turbo molecular pump 3. . The sample electrode 6 is fixed to the vacuum vessel 1 by four support columns 12. The main component of the dielectric window 7 is quartz glass. A matching circuit 13 for plasma generator is provided between the high frequency power source 5 and the coil 8.
[0018]
FIG. 2 shows a detailed view of the matching circuit 13 for the plasma generator. When the high frequency power is supplied, the operation 15 outputs a control voltage to the toroidal core 16 in accordance with a signal from the sensor 14. Then, since the magnetic permeability of the toroidal core 16 changes, the inductance of the high frequency system changes, and a desired matching state can be achieved. The time required for matching is 1 msec or less. This is because the plasma generator matching circuit 13 uses a toroidal core 16 that does not have a movable part and whose impedance can be varied only by an electrical signal.
[0019]
After the substrate 9 is placed on the sample electrode 6, while maintaining the temperature of the sample electrode 6 at 10 ° C., 50 sccm of helium gas and 3 sccm of diborane (B ₂ H ₆ ) gas as a doping source gas are supplied into the vacuum chamber 1. Then, plasma was generated in the vacuum container 1 by supplying 150 W of high frequency power to the coil 8 as a plasma source while controlling the pressure in the vacuum container 1 to the first pressure = 2 Pa. To make the second pressure = 1 Pa lower than the first pressure (2 Pa) in the vacuum chamber 1 with plasma generated 0.1 seconds after the start of the supply of the high frequency power Boron could be introduced in the vicinity of the surface of the substrate 9 by controlling the pressure regulating valve and increasing the high frequency power to 800 W after 0.07 seconds and supplying 200 W high frequency power to the sample electrode. A time chart of this processing is shown in FIG. When such treatment was continuously performed 100 times, the average value of the doping concentration was 2.5 × 10 ¹³ atm / cm ² and the variation was ± 1.4%.
[0020]
For comparison, when a matching circuit using a conventional variable capacitor is processed under the same conditions, a large reflected wave is generated at the timing when the pressure and high-frequency power, which are control parameters, are changed, and this reflected wave varies. The average value of the doping concentration when the treatment was performed 100 times continuously was 2.4 × 10 ¹³ atm / cm ² , and the variation was as large as ± 2.8%. FIG. 3 also shows reflected waves in the present embodiment and the conventional example.
[0021]
In this way, by performing plasma ignition at a pressure higher than the pressure in the doping step, it becomes possible to realize stable ignition and stable using a helium-based plasma with small ion irradiation damage to the sample. As a result, low concentration doping can be performed. Further, in the step of igniting the plasma, by reducing the high-frequency power supplied to the plasma source, adverse effects on the sample in the ignition step could be reduced. Furthermore, because the matching circuit for the plasma generator with the toroidal core that has no moving parts is used as two variable impedance elements, large reflected waves are not generated even if the control parameters are changed, and processing with excellent reproducibility is achieved. I did it.
[0022]
In the first embodiment of the present invention described above, an inert gas other than helium may be supplied in the step of igniting plasma. In this case, since an inert gas other than helium generally has a lower ignition lower pressure than helium, there is an advantage that plasma can be ignited at a lower pressure.
[0023]
Further, in the step of igniting the plasma, the doping source gas may not be supplied into the vacuum vessel. Also in this case, there is an advantage that adverse effects on the sample in the ignition step can be reduced.
[0024]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0025]
Since the plasma doping apparatus used in the second embodiment of the present invention has the same configuration as that shown in FIGS. 1 and 2, description thereof is omitted here.
[0026]
After the substrate 9 is placed on the sample electrode 6, while maintaining the temperature of the sample electrode 6 at 10 ° C., 50 sccm of helium gas and 3 sccm of diborane (B ₂ H ₆ ) gas as a doping source gas are supplied into the vacuum chamber 1. Then, while controlling the pressure in the vacuum container 1 to the first pressure = 2 Pa, 200 W of high-frequency power was supplied to the coil 8 as a plasma source to generate plasma in the vacuum container 1. 0.5 second after the start of the supply of the high-frequency power, in order to make the second pressure = 1 Pa lower than the first pressure (2 Pa) in the vacuum chamber 1 while the plasma is still generated. The opening of the pressure regulating valve was gradually increased, and the high frequency power was gradually increased to 800W. Thus, after slowly changing the control parameter over 2.0 seconds, boron was able to be introduced in the vicinity of the surface of the substrate 9 by supplying high-frequency power of 200 W to the sample electrode. A time chart of this processing is shown in FIG. When such treatment was continuously performed 100 times, the average value of the doping concentration was 2.5 × 10 ¹³ atm / cm ² and the variation was ± 0.9%.
[0027]
In this way, it is possible to realize stable ignition by performing plasma ignition at a pressure higher than that in the doping process, and stable using a plasma mainly composed of helium with little ion irradiation damage to the sample. As a result, low concentration doping can be performed. Further, in the step of igniting the plasma, by reducing the high-frequency power supplied to the plasma source, adverse effects on the sample in the ignition step could be reduced. Furthermore, because the matching circuit for the plasma generator with the toroidal core that has no moving parts is used as two variable impedance elements, large reflected waves are not generated even if the control parameters are changed, and processing with excellent reproducibility is achieved. I did it. In addition, since the control parameter was changed slowly over 2.0 seconds, the change in impedance became gradual, and the generated reflected wave could be made smaller than in the first embodiment of the present invention, thereby improving reproducibility. .
[0028]
In the first embodiment of the present invention described above, an inert gas other than helium may be supplied in the step of igniting plasma. In this case, since an inert gas other than helium generally has a lower ignition lower pressure than helium, there is an advantage that plasma can be ignited at a lower pressure.
[0029]
Further, in the step of igniting the plasma, the doping source gas may not be supplied into the vacuum vessel. Also in this case, there is an advantage that adverse effects on the sample in the ignition step can be reduced.
[0030]
Moreover, although the case where the change of the control parameter is performed over 2 seconds is illustrated, the change of the control parameter is preferably performed over 1 second to 5 seconds. When the control parameter is changed in less than 1 second, when the matching circuit for the plasma generator with the variable capacitor is used without using the matching circuit for the plasma generator with the toroidal core having no moving part, Large reflected waves may occur. When the change of the control parameter is performed over a time longer than 5 seconds, the processing tact is deteriorated and the productivity is lowered.
[0031]
In the embodiment of the present invention described above, only a part of various variations regarding the shape of the vacuum vessel, the method and arrangement of the plasma source, and the like are only illustrated in the application range of the present invention. It goes without saying that various variations other than those exemplified here can be considered in applying the present invention.
[0032]
For example, the coil may be planar, helicon wave plasma may be used, or magnetic neutral loop plasma may be used.
[0033]
Alternatively, the doping source gas may not be supplied into the vacuum vessel, but the impurities may be introduced into the sample or the film on the sample surface by the doping source generated from the solid impurities.
[0034]
In addition, the present invention is particularly effective when the control parameter to be changed in a state where plasma is generated is at least one of the gas type, gas flow rate, pressure, and high-frequency power.
[0035]
Further, when the pressure is changed from the first pressure to the second pressure while the plasma is still generated, the second pressure is preferably lower than the first pressure, and further ignition is ensured. In order to achieve low concentration doping, it is desirable that the first pressure is 1 to 10 Pa and the second pressure is 0.01 to 1 Pa. Furthermore, it is desirable that the first pressure is 2 to 5 Pa and the second pressure is 0.01 to 0.5 Pa.
[0036]
In addition, when using an inert gas other than helium, it is desirable to use at least one of neon, argon, krypton, or xenon (zenon). These inert gases have the advantage that the adverse effect on the sample is smaller than other gases.
[0037]
In addition, when reducing the high-frequency power supplied to the plasma source in the ignition step, it is possible to perform ignition reliably and suppress adverse effects on the sample in the ignition step, thereby realizing low concentration doping. The high frequency power supplied to the source is preferably 1/100 to 1/2 of the high frequency power supplied to the plasma source in the doping step. Furthermore, it is desirable that the high frequency power supplied to the plasma source in the ignition step is 1/20 to 1/5 of the high frequency power supplied to the plasma source in the doping step.
[0038]
In addition, when the doping source gas is supplied into the vacuum vessel, the partial pressure of the doping source gas is 1/1000 to 1/5 of the pressure in the vacuum vessel in the doping step in order to realize low concentration doping. It is desirable. Furthermore, it is desirable that the partial pressure of the doping source gas is 1/100 to 1/10 of the pressure in the vacuum vessel in the doping step.
[0039]
Further, although the case where the sample is a semiconductor substrate made of silicon has been exemplified, the present invention can be applied when processing samples of various other materials.
[0040]
Further, although the case where the impurity is boron is illustrated, the present invention is effective when the sample is a semiconductor substrate made of silicon, particularly when the impurity is arsenic, phosphorus, boron, aluminum, or antimony. This is because a shallow junction can be formed in the transistor portion.
[0041]
The present invention is effective when the doping concentration is low, and is particularly effective as a plasma doping method aiming at 1 × 10 ¹¹ / cm ^{2 to} 1 × 10 ¹⁷ / cm ² . In addition, as a plasma doping method aiming at 1 × 10 ¹¹ / cm ^{2 to} 1 × 10 ¹⁴ / cm ² , there is a particular effect.
[0042]
The present invention is also effective when using electron cyclotron resonance (ECR) plasma, but is particularly effective when not using ECR plasma. The ECR plasma has an advantage that the plasma is easily ignited even at a low pressure. However, since the DC magnetic field in the vicinity of the sample is large, charge separation between electrons and ions is likely to occur and the uniformity of the doping amount is inferior. . That is, by applying the present invention to a plasma doping method using another high-density plasma source without using ECR plasma, low-concentration doping with excellent uniformity can be realized.
[0043]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the plasma doping method of the first invention of the present application, the inside of the vacuum vessel is exhausted while supplying the gas into the vacuum vessel equipped with the plasma generating device, and two variable impedance elements are obtained. Plasma is generated in the vacuum vessel by supplying high-frequency power to the plasma generator through a matching circuit for the plasma generator equipped with a toroidal core having no moving parts, and placed on the sample electrode in the vacuum vessel A doping method for introducing impurities into a sample or a film on a sample surface, wherein at least one control parameter is selected from among a gas type, a gas flow rate, a pressure, and a magnitude of high-frequency power while the plasma is generated with varying the, the gas species, for changing from a gas containing an inert gas other than helium gas containing helium, stable Can lightly doped Te is, it is possible to provide an excellent plasma doping method reproducibility.
[0044]
Further, according to the plasma doping method of the second invention of the present application, the inside of the vacuum vessel is exhausted while supplying the gas into the vacuum vessel equipped with the plasma generator, and the plasma generator is connected to the plasma generator via the matching circuit for the plasma generator. A plasma doping method in which plasma is generated in a vacuum vessel by supplying high-frequency power, and impurities are introduced into a sample placed on a sample electrode in the vacuum vessel or a film on the sample surface. gas species in a state obtained by the gas flow rate, pressure, Rutotomoni changing at least one control parameter of the magnitude of the high-frequency power, the gas species, including helium from gas containing an inert gas other than helium It is changed to a gas, and, for performing the change of the control parameter over 1 second to 5 seconds, can stably lightly doped, flop with excellent reproducibility It is possible to provide a Zuma doping methods.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a plasma doping apparatus used in an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a detailed view of a matching circuit used in an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a time chart according to the second embodiment of the present invention. FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of a plasma doping apparatus used in a conventional example.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vacuum container 2 Gas supply apparatus 3 Turbo molecular pump 4 Pressure regulation valve 5 High frequency power supply 6 Sample electrode 7 Dielectric window 8 Coil 9 Substrate 10 High frequency power supply 11 Exhaust port 12 Strut 13 Matching circuit for plasma generator

Claims

While supplying gas into a vacuum vessel equipped with a plasma generator, the inside of the vacuum vessel is evacuated, and plasma is generated via a matching circuit for a plasma generator equipped with a toroidal core having no movable part as two variable impedance elements. A plasma doping method in which plasma is generated in a vacuum vessel by supplying high-frequency power to an apparatus, and impurities are introduced into a sample placed on a sample electrode in the vacuum vessel or a film on a sample surface,
At least one control parameter among the gas type, gas flow rate, pressure and magnitude of the high frequency power is changed while the plasma is generated, and the gas type is changed from a gas containing an inert gas other than helium to helium. A plasma doping method, wherein the gas is changed to a gas containing hydrogen .

Plasma is generated in the vacuum vessel by exhausting the vacuum vessel while supplying gas into the vacuum vessel equipped with the plasma generator, and supplying high frequency power to the plasma generator via the plasma generator matching circuit A plasma doping method for introducing impurities into a sample placed on a sample electrode in a vacuum vessel or a film on a sample surface,
Gas species in a state in which plasma is being generated, the gas flow rate, pressure, Rutotomoni changing at least one control parameter of the magnitude of the high-frequency power, the gas species from a gas containing an inert gas other than helium A plasma doping method characterized by changing to a gas containing helium and changing a control parameter over 1 to 5 seconds.