TWI401727B - An impurity introduction method using an electronic component thereof and a semiconductor manufacturing apparatus - Google Patents

Description

不純物導入方法、使用其之電子元件及半導體製造裝置

本發明係關於不純物導入方法及使用其之電子元件，特別是關於：形成電子元件時之不純物導入及活性化之最佳化方法；及使用該方法之對液晶面板上等電子元件之製造。

近年來，隨著半導體元件的細微化，而要求著形成淺接合之技術。在習知之半導體製造技術方面，係廣泛使用透過低能量將硼(B)、磷(P)、砷(As)等各種導電型不純物，進行離子注入於作為固態基體之半導體基板表面之方法。

使用該離子注入之方法雖可形成淺接合，但利用離子注入所可形成之深度有其界限。例如，硼不純物係難以淺層導入，故在離子注入方面，導入區域之深度係從基體表面起10nm左右為其界限。

然而，在近年來雖提案有各種摻雜方法以作為可進行更淺接合之方法，其中，以電漿摻雜技術為最適於實用化而受到矚目。此電漿摻雜係對含有欲導入不純物之反應氣體進行電漿激發，並進行電漿照射而將不純物導入於上述固態基體表面之技術。然後，導入不純物後，透過退火步驟，使導入之不純物活性化。

通常在退火步驟中，為使用可發出可見光、紅外線、紫外線等廣波長帶域之電磁波的光源。然而，因來自基板表面之光反射率高，故導入不純物之層的光吸收率低，而有活性化效率偏低的問題。

近年來，提案有：藉由對半導體基板進行Ge離子注入，以使預先非晶質化之後，再利用離子注入將不純物導入，於其上方形成光吸收係數高之吸收層，同時藉由形成氧化膜作為該吸收層之一部分，而調整反射率之方法。(例如，參照專利文獻1)

[專利文獻1]美國專利第6303476號

上述方法係對離子注入層進行實施者。雖形成氧化膜以降低反射率，但為降低薄片電阻而在退火步驟中需要照射大能量。特別是在雷射退火方面，因一次可照射之面積小，故有難以降低薄片電阻之問題。特別在形成較不純物導入深度更前淺之淺接合之情況、或形成對淺接合更淺接觸之情況下，若欲提高退火所造成的活性化率而提高載體密度的話，則需要大能量。此係不純物之擴散長度延伸增加，而使形成細微且淺之不純物導入區域變得困難。

本發明係鑑於前述事項而完成者，其目的為：在降低反射率，將能量有效導入不純物所導入之層的同時，降低不純物所導入之層的薄片電阻。

本發明者等係透過最佳地組合摻雜條件與反射防止膜，而發現與習知相較之下，可大幅降低退火時所照射之光的反射率，並於退火時將能量有效導入至不純物導入層，以降低不純物導入層之電阻。

本發明之不純物導入方法，係包含：利用電漿摻雜方法將不純物導入固態基體之步驟；形成具有降低來自固態基板之光的反射率功能的光反射防止膜之步驟；及透過光照射進行退火之步驟。

藉此方法，可降低退火時所照射光之反射率，將能量有效導入不純物所導入之層，以降低不純物所導入之層的電阻。

又，本發明之不純物導入方法，係利用電漿摻雜方法將不純物導入固態基體之步驟，其中，進一步包含：測量上述不純物所導入區域之光學特性與厚度之步驟；及對應於所測量之光學特性與厚度，選擇光反射防止膜之步驟。

藉此方法，測量預先導入不純物之區域的光學特性，對應於該光學特性而形成最佳光反射防止膜，並可進行退火，高精度地降低反射率，將能量及光有效導入不純物所導入之層，以進行活性化，而可以降低不純物所導入之層的電阻。

又，本發明之不純物導入方法，係包含上述選擇步驟為以在上述退火步驟中所使用之光的對上述不純物所導入區域之吸收率為最大之方式，選擇上述光反射防止膜者。

藉此方法，因以對不純物所導入區域之吸收率為最大之方式，選擇上述光反射防止膜，故可更有效測量不純物之活性化，以最小限度的能量並藉由活性化，而抑制擴散長度之延伸，將不純物之導入深度維持在淺處，提高退火所造成之活性化，透過提高載體密度，利用低電阻，可形成細微且淺的不純物導入區域。

又，本發明之不純物導入方法，係在上述導入不純物步驟之前，再包含：利用電漿使上述固態基體表面進行非晶質化之步驟。

根據此方法，在透過電漿摻雜以導入不純物之步驟前，利用電漿進行非晶質化之步驟，藉此可更提高不純物所導入區域之光吸收率。此時，亦可藉由形成光反射防止膜，降低退火時所照射光之反射率，並將能量有效導入不純物所導入之層，以降低不純物所導入之層的電阻。另外，因為經非晶質化之區域的光學特性異於其他區域，故僅該經非晶質化之區域可選擇性地提高能量之吸收率，使載體濃度高之不純物導入區域可能形成於更淺的區域。

又，本發明之不純物導入方法，係包含有折射率、衰減係數、吸收係數、反射率、穿透率、吸收率中之任一者作為上述光學特性。

例如，測量不純物所導入之區域的反射率與穿透率，並以使該等之和為最小之方式，選擇光反射防止膜，藉此可得更多的光吸收。又，最好選擇可使不純物所導入之區域進行選擇性活性化之反射防止膜。

又，在本發明之不純物導入方法中，係包含使用結晶矽作為上述固態基體。

此方法在對結晶矽基板進行電漿摻雜之情況下，光反射防止膜之效果係屬有效，而可有效應用於半導體製程。又，對SOI構造(結晶矽/氧化膜/結晶矽)基板、應變矽基板、與聚矽基板亦屬有效。

又，本發明之不純物導入方法，係含有上述光反射防止膜具有較不純物所導入區域之折射率低之折射率的透光性膜者。

根據此方法，利用具有較上述不純物所導入區域之折射率低之折射率的透光性膜的干涉，可以降低反射率。而由與裝置製程之整合性及容易使用度考量的話，以在Si之裝置製程所廣泛使用之SiO₂ 、Si₃ N₄ 等之透光性膜為佳。關於SiO₂ 、Si₃ N₄ ，亦可調整組成，藉此可更高精密度地調整光學特性。

又，本發明之不純物導入方法，係含有上述光反射防止膜為介電質多層膜者。

在SiO₂ 單層之情況下，反射率有其界限，而根據此方法則可利用將兩種折射率相異之介電質膜交互層合之介電質多層膜的干涉，且因層合數越多，則反射率越小，故可將反射率抑制至更小。

又，本發明之不純物導入方法之特徵在於，係使用含波長500nm以上之波長的光進行退火。

波長500nm以上的光係因吸收係數小，光可進入至深層位置，而除反射防止膜之外，不純物所導入之層亦容易引發多重散射，反射率與穿透率為最小之反射防止膜的厚度係強烈受到不純物所導入之層之物性值的影響。根據此方法的話，在利用電漿進行預先非晶質化之步驟與電漿摻雜步驟中，藉由控制不純物所導入之層的物性值，則可較習知大幅降低反射率。

又，本發明之方法係包含將上述反射率設為最小，且利用計算求取在不純物導入層中最佳光反射防止膜之厚度。又，使用多層膜計算軟體進行計算即可。因為膜數目越多，則計算越顯複雜，故若使用多層膜計算軟體，則可提高計算效率。該計算係使用稱為「Optas－Film」之計算軟體。其他的透鏡設計軟體可使用例如稱為「Code V」之軟體。

又，本發明之不純物導入方法，係包含形成上述光反射防止膜之步驟為使用電漿CVD、濺鍍或離子鍍膜之任何一種方法者。

進而在形成SiO₂ 膜作為反射防止膜時，有熱氧化方法，但製程溫度成為900℃以上，則所導入之不純物將擴散較深。根據此方法的話，藉由使用可將製程溫度壓低(至600℃以下)之電漿CVD法、濺鍍法或離子鍍膜法之任何一種方法，可抑制不純物之擴散，高精密度地控制不純物擴散長度。

又，本發明之不純物導入方法，係包含將上述不純物所導入區域之光學特性的測量結果反饋(feedback)給光反射防止膜之厚度之步驟。

透過不純物之摻雜製程，不純物所導入區域之光學特性變得不同，反射率縮小之反射防止膜之厚度(或光學特性)不同，因此根據此方法的話，藉由將上述不純物所導入區域之光學特性的測量結果反饋給光反射防止膜之厚度，而可形成最佳的反射防止膜。

又，在本發明之不純物導入方法中，係包含將上述不純物所導入區域之光學特性的測量結果反饋給電漿摻雜製程之步驟。

根據此方法的話，在不純物所導入區域之光學特性的測量結果偏離設定值之情況下，藉由進行追加之電漿摻雜製程，而可使不純物所導入區域之光學特性與設定值一致，藉此可得最適於退火條件之表面，並可得有效率且沒有不均勻之不純物導入區域。

又，本發明之電子元件係使用上述不純物導入方法所形成。

接著說明有關於本發明之實施形態。

(實施形態1) (不純物之摻雜)

首先，說明關於本實施形態所使用之電漿摻雜裝置與不純物摻雜之製程。本實施形態所使用之摻雜裝置係如圖1所示，具備有真空室200、在此真空室200內激發電漿之電漿源220，針對載置於基板支撐架260之作為被處理基體之固態基體100的表面，進行電漿摻雜。

然後，在該真空室200中，連接有真空泵240，並設置有用以真空測量之真空計230，將電源250連接至電漿源220，而可調整用以生成電漿之電壓。又，在基板支撐架260上另外連接有異於上述電源之用以施加獨自電位能之電源270。

又，在真空室200中，設置有用以導入該等氣體之氣體導入機構。此氣體導入機構係由供給作為摻雜物質之第一物質(此時為B₂ H₆ )的第一管線280；及供給其他物質之第二物質(此時為He)的第二管線290；所構成。

接著說明關於使用該摻雜裝置之不純物導入方法。

首先，將作為第一物質之摻雜物質供給至真空室200中。於此導入不同於摻雜物質之其他物質作為載體氣體。在本實施形態中，與摻雜物質不同性質之氣體，例如可選擇稀有氣體等之在矽中無法展現電活性之物質。例如He。將此作為其他之第二物質而選擇He。透過上述第一、第二管線280、290所構成之氣體導入管線將氣體導入，使在真空室200內之固態基體100表面發生電漿210。

藉由此電漿210與固態基體100之電位能差，使電漿中之帶電粒子聚集，以進行不純物摻雜。同時電漿中之電中性物質係黏附或吸附在固態基體100的表面附近。此處之不純物導入層110之狀態係藉由基底之固態基體100的狀態及電漿所具有之能量而決定，可為黏附狀態或吸附狀態。

藉此不純物摻雜步驟，可使不純物導入層110形成於固態基體100表面。為了測量此不純物導入層之物性(折射率n、衰減係數k及厚度d)，而將光源120與測光器130設置在真空室200內。

然後，利用計算機140演算透過測光器130所測得之光學特性，在該計算結果偏離設定值之情況下，透過傳送至控制電路340，將數據作為反饋資訊送至控制器350，藉此使電漿摻雜裝置調整電漿條件，進行追加之電漿摻雜製程，以使不純物所導入區域之光學特性與設定值一致。此處作為所調整之電漿條件，係施加於電漿之電源電壓、或電壓施加時間及施加時序、摻雜物質與其他物質之混合比、真空度、其他物質問之混合比、含摻雜物質之電漿照射時間與未含摻雜物質之電漿照射時間帶之比等，使該等參數變化，以抑制不純物導入層之物性。

根據此方法的話，可形成高精密度地控制具有期望之不純物濃度之不純物導入層。

(反射防止膜之形成)

接下來要說明關於作為反射防止膜之氧化矽膜之形成方法。在本實施形態中，係使用離子鍍膜法形成氧化矽膜。此處所使用之離子鍍膜裝置係如圖2所示，在真空室400內具備有基板支撐台410，並具有：相對向於由該基板支撐台410所支撐的基板420而設置之蒸發物質430；及對由該蒸發物質430所蒸發出之氣體狀態蒸發物質進行電漿化用之RF線圈480；所構成者。然後，供給熱量給該蒸發物質430並使其蒸發之蒸發用電源440，與供給電壓至RF線圈用之高頻電源460，為透過校正箱450而形成。此處之470係加熱用直流電源，而真空室中安裝有真空計490。

於此，在形成氧化矽膜之情況下，使用氧化矽粒作為蒸發物質。該蒸發物質430係藉由利用蒸發用電源440所驅動之電子槍(未圖示)而蒸發。另外，為了支撐作為基板420之固態基體，在真空室400內具備有基板支撐台410，將利用電漿摻雜方法而導入不純物之固態基體420載置於此基板支撐台410。然後，使用蒸發用電源440，將電子槍對準蒸發物質430(SiO₂ 粒)使SiO₂ 蒸發。蒸發粒子係透過利用高頻電源460、校正箱450、RF線圈480而產生之電漿以進行離子化，藉由基板支撐台410對維持在負電位之固態基體420進行加速衝擊，以形成緻密且黏附力強之氧化矽膜。

如此一來，則不致使固態基體之溫度上升，可控制性良好地形成期望之膜厚的氧化矽膜。

(反射防止膜之最佳化)

接著，使用圖3所示之示意圖，說明為了降低反射率而利用計算求取最佳光反射防止膜之方法。首先，在不純物導入層110上形成反射防止膜500，以入射角度Φ(Φ＝0°，垂直入射)將波長λ之光射入基板。輸入各層之物性值至多層膜計算軟體，求取因多重散射所造成之反射率R與穿透率T。吸收率A以下式求出。

A＝1－R－T (1)在圖4至圖6中，表示當不純物導入層分別為電漿摻雜層(設為PD層)與離子注入層(設為I/I層)之情況，及反射防止膜為SiO₂ 膜、波長300nm之情況時，反射率R、穿透率T與吸收率A之對氧化矽膜厚依存性之計算結果。此處之反射率係相當於相對全入射光量之反射光量的比，穿透率係相當於相對全入射光量之穿透不純物導入層之光量的比，吸收率係相當於相對全入射光量之吸收至不純物導入層之光量的比。

以PD層為例，如圖4所示般，相對於未形成氧化矽膜時之反射率為55%，而氧化矽膜形成為40nm厚度時之反射率為降低至28%。另一方面，如圖6所示般，在未形成氧化矽膜與氧化矽膜形成為40nm厚度之情況下，吸收率由30%上升至48%。另外，由於反射率R、穿透率T與吸收率A係氧化矽膜厚度之週期構造，故即使將氧化矽膜厚度設定為40nm、140nm、240nm…(100nm之週期)，亦可得相同數值之反射率R、穿透率T與吸收率A。

在I/I層中，以氧化矽膜厚度45nm可得反射率之最小值36%，在PD層中，氧化矽膜厚度40nm則可得反射率之最小值28%，可知組合PD層與氧化矽膜係可最有效地抑制反射率。

圖7為將I/I層與PD層之最佳SiO₂ 厚度(反射率最小之SiO₂ 層厚度)之差描繪至波長軸者。在300－1100nm之波長範圍內，確認到PD層與I/I層之最佳SiO₂ 厚度之差。

如此則可調整反射防止膜之厚度，將反射率R決定為最小值T。

又，在決定反射防止膜厚度時，亦可調整膜質、光學特性。

如此形成所決定之反射防止膜，以對應計算出上述最佳反射防止膜時之光照射條件的條件，進行退火，藉此可形成容易為淺層且薄片電阻低之不純物導入區域。

(退火)

圖8表示在利用波長530nm雷射進行退火之情況下，未形成氧化矽膜之電漿摻雜樣本與形成85nm氧化矽膜之電漿摻雜樣本的薄片電阻對雷射能量密度之曲線。透過形成氧化矽膜，可將為了得到相同薄片電阻720Ω/sq所必需之雷射能量密度降低330mJ/cm² (相當於23%)。另外，透過附有氧化矽膜，可利用相同雷射能量密度1300mJ/cm² ，將薄片電阻從7710Ω/sq降低至583Ω/sq。

(實施形態2)

接著，說明關於在本實施形態中，於利用離子注入而導入不純物之前，將固態基體非晶質化後，導入不純物之方法。

利用離子注入進行不純物導入且進行退火時，通常為了提高吸收率而利用Ge離子注入進行非晶質化後，再利用離子注入來導入不純物。此處，進行利用He電漿進行非晶質化之層(當作He_PA層)與利用Ge離子注入進行非晶質化之層(當作Ge_PAI層)的比較計算。

將Ge_PAI層與He_PA層之最佳SiO₂ 厚度(反射率最小之SiO₂ 層厚度)之差描繪至波長軸。其結果示於圖9。由該圖明顯確認到在500－1100nm之波長範圍內，He_PA層與Ge_PAI層之最佳SiO₂ 厚度之差。

此係因He_PA層與Ge_PAI層之物性值之差異所致，但任一情況下，均可藉由形成最佳氧化矽膜之膜厚，而形成經高精密度控制薄片電阻及接合深度之高可靠性的膜。

又，使用以He電漿進行非晶質化之層(當作He_PA層)，藉此可形成容易為淺層且薄片電阻低之不純物導入區域。

另外，在上述實施形態中，於導入不純物之前，進行非晶質化，然而，亦可於不純物導入後，照射非活性電漿以進行非晶質化。又，亦可在導入不純物之同時，照射非活性電漿以進行非晶質化。

(產業上之可利用性)

本發明之形成反射防止膜並含有退火步驟之不純物導入及活性化方法，係有效於淺層且低電阻之接合形成、活性化能量之降低、退火溫度之低溫化，亦有效於細微電子元件或在液晶基板上所形成之薄膜電晶體等之半導體裝置之形成。

100．．．固態基體

110．．．不純物導入層

120．．．光源

130．．．測光器

140．．．計算機

200．．．真空室

210．．．表示電漿之矩形

220．．．電漿源

230．．．真空計

240．．．真空泵

250．．．電源

260．．．基板支撐架

270．．．電源

280．．．摻雜物質導入口(第一管線)

290．．．其他物質1導入口(第二管線)

340．．．控制電路

350．．．控制器

400．．．真空室

410．．．基板支撐台

420．．．基板

430．．．蒸發物質

440．．．蒸發用電源

450．．．校正箱

460．．．高頻電源

470．．．加速用直流電源

480．．．RF線圈

490．．．真空計

500．．．反射防止膜

圖1係表示本發明之電漿摻雜裝置之圖。

圖2係表示離子鍍膜裝置之圖。

圖3係表示光反射防止膜之示意圖。

圖4係表示不純物導入層分別為電漿摻雜層與離子注入層之情況，及反射防止膜為SiO₂ 膜、波長300nm之情況時，反射率R之氧化矽膜厚依存性之計算結果圖。

圖5係表示不純物導入層分別為電漿摻雜層與離子注入層之情況，及反射防止膜為SiO₂ 膜、波長300nm之情況時，穿透率T之氧化矽膜厚依存性之計算結果圖。

圖6係表示不純物導入層分別為電漿摻雜層與離子注入層之情況，及反射防止膜為SiO₂ 膜、波長300nm之情況時，吸收率A之氧化矽膜厚依存性之圖。

圖7係表示I/I層與PD層之最佳SiO₂ 厚度(反射率最小之SiO₂ 層之厚度)之差對波長的曲線圖。

圖8係表示在利用波長530nm雷射進行退火之情況下，未形成氧化矽膜之電漿摻雜樣本與形成85nm氧化矽膜之電漿摻雜樣本的薄片電阻對雷射能量密度之曲線圖。

圖9係表示Ge_PAI層與He_PA層之最佳SiO₂ 厚度(反射率最小之SiO₂ 層之厚度)之差對波長的曲線圖。

Claims (12)

1. 一種不純物導入方法，其包含下述步驟：測量不純物導入區域之光學特性與厚度；基於所測量之光學特性與厚度，選擇光反射防止膜；利用電漿摻雜法將不純物導入固態基體，以形成不純物導入區域；在該固態基體表面上，形成具有降低光反射功能的光反射防止膜；及透過光照射進行退火。
2. 如申請專利範圍第1項之不純物導入方法，其中，在選擇步驟中係選擇該光反射防止膜，以使進行退火步驟中所使用之光進入不純物導入區域的吸收率為最大。
3. 如申請專利範圍第1項之不純物導入方法，其又包含之步驟為：在導入不純物步驟之前，利用電漿使固態基體表面變成非晶質結構。
4. 如申請專利範圍第1項之不純物導入方法，其中，該光學特性係包含折射率、表減係數、吸收係數、反射率、穿透率、吸收率中之任一者。
5. 如申請專利範圍第1項之不純物導入方法，其中，該固態基體係結晶矽基板。
6. 如申請專利範圍第1項之不純物導入方法，其中，該光反射防止膜係一具有折射率較該不純物導入區域之折射率低的透光性膜。
7. 如申請專利範圍第1項之不純物導入方法，其中，該 光反射防止膜係介電質多層膜。
8. 如申請專利範圍第1項之不純物導入方法，其中，進行退火步驟時係使用具有波長500nm或以上的光。
9. 如申請專利範圍第1項之不純物導入方法，其又包含之步驟為：將測量步驟中所獲得之測量結果反饋(feedback)給光反射防止膜之厚度。
10. 如申請專利範圍第1項之不純物導入方法，其又包含之步驟為：將測量步驟中所獲得之測量結果反饋給電漿摻雜步驟。
11. 一種電子元件，其係使用申請專利範圍第1項之不純物導入方法而形成。
12. 一種半導體製造裝置，其包含一電漿摻雜裝置，以實現申請專利範圍第1項之不純物導入方法。