專利名稱：等離子體摻雜裝置及等離子體摻雜方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請主張基于2010年7月16日申請的日本專利申請第2010-161298號的優(yōu)先權(quán)。其申請的所有內(nèi)容通過參考援用于該說明書中。本發(fā)明涉及一種等離子體摻雜裝置及等離子體摻雜方法。
背景技術(shù)：
在半導體制造工序中為了在基板表面形成雜質(zhì)注入層，除了離子注入技術(shù)之外， 還試行應(yīng)用等離子體摻雜技術(shù)?；诘入x子體摻雜技術(shù)的雜質(zhì)的注入，作為以高生產(chǎn)量實現(xiàn)形成低電阻的極淺接合的新方法，其實用化令人期待。例如在專利文獻1、2中記載有這樣的雜質(zhì)導入方法向硅基板表面照射等離子體來形成非晶層，并且將雜質(zhì)導入至這樣得到的非晶層中。應(yīng)該被導入的雜質(zhì)例如為硼，例如使用二硼烷氣體作為含硼的原料氣體。并且，根據(jù)專利文獻3，使用以氦氣將二硼烷氣體稀釋成低濃度的氣體的等離子體，這對劑量的面內(nèi)均勻性的提高很有效。專利文獻4中也記載有混合了二硼烷的氦氣氣氛中的等離子體摻雜方法。專利文獻1 國際公開第2004/075274號專利文獻2 國際公開第2005/119745號專利文獻3 國際公開第2006/064772號專利文獻4 日本特開昭64-45117號公報雜質(zhì)注入工序中的非晶層有溝道的抑制效果。即，通過在注入雜質(zhì)之前預先形成非晶層，從而能夠抑制注入中的雜質(zhì)過度向深度方向擴散?；谏鲜龅入x子體照射的非晶層的形成利用所謂的沖擊效果。即，通過使大量的氦離子碰撞而在基板表層產(chǎn)生結(jié)晶缺陷來形成非晶層。雜質(zhì)的注入工序在形成該非晶層之后進行。注入雜質(zhì)之后，進行用于電子活化雜質(zhì)的熱處理。該工序在等離子體摻雜中也與一般的離子注入相同地進行。但是，在使用氦氣的等離子體中的非晶化及摻雜中，在生成的非晶層中產(chǎn)生密度不均。由于該密度不均，再生基于熱處理的結(jié)晶時產(chǎn)生缺陷。其結(jié)果，引起作為最終產(chǎn)品而制造的設(shè)備成品率的下降或設(shè)備性能的下降。因為存在這些問題，所以上述各文獻中記載的雜質(zhì)導入方法最終仍未到達實用階段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種抑制上述結(jié)晶缺陷的產(chǎn)生，以高生產(chǎn)量實現(xiàn)形成低電阻的極淺接合的等離子體摻雜裝置及等離子體摻雜方法。本發(fā)明的一方式為用于向半導體基板添加雜質(zhì)的等離子體摻雜裝置。該裝置具備腔室、用于向所述腔室供給氣體的氣體供給部及用于在所述腔室產(chǎn)生已供給的氣體的等離子體的等離子體源。所述氣體供給部構(gòu)成為將混合氣體供給至所述腔室，所述混合氣體包含含有應(yīng)添加至基板的雜質(zhì)元素的原料氣體；氫氣；及用于稀釋所述原料氣體的稀釋氣體。
根據(jù)該方式，能夠通過向等離子體中混入氫來強化基板表層的結(jié)晶相對來自等離子體的離子碰撞的自愈作用。由此，減輕因等離子體照射產(chǎn)生的基板表面非晶層中的非晶層的密度不均，并且抑制后工序的活化處理中的缺陷的生長。本發(fā)明的另一方式為將包含具有雜質(zhì)元素的原料氣體的混合氣體供給至真空環(huán)境中，產(chǎn)生該混合氣體的等離子體，在該真空環(huán)境下向基板照射該等離子體而注入所述雜質(zhì)元素的等離子體摻雜方法。該方法通過在所述等離子體中混入氫來減輕因該等離子體的照射而產(chǎn)生的基板表面的非晶層的密度不均。發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明能夠促進基于等離子體摻雜的雜質(zhì)注入技術(shù)的實用化。


圖1是示意地表示本發(fā)明的一實施方式所涉及的等離子體摻雜裝置的構(gòu)成的圖。圖2是表示進行典型的等離子體摻雜處理及退火處理時的基板的表面粗糙度與偏置電壓之間的關(guān)系的分布圖。圖3是用于說明基于等離子體摻雜處理的表面粗糙度的產(chǎn)生機理的圖。圖4是表示本發(fā)明的一實施方式所涉及的薄膜電阻的測定結(jié)果的圖表。圖5是表示本發(fā)明的一實施方式所涉及的基于二次離子質(zhì)量分析法的分析結(jié)果的圖表。圖6是表示本發(fā)明的一實施方式所涉及的薄膜電阻的測定結(jié)果的圖表。圖7是表示本發(fā)明的一實施方式所涉及的薄膜電阻的測定結(jié)果的圖表。圖8是表示本發(fā)明的一實施方式所涉及的薄膜電阻的面內(nèi)均勻性的測定結(jié)果的圖表。圖9是表示本發(fā)明的一實施方式所涉及的薄膜電阻的測定結(jié)果的圖表。圖10是表示本發(fā)明的一實施方式所涉及的薄膜電阻的面內(nèi)均勻性的測定結(jié)果的圖表。圖中10-等離子體摻雜裝置，12-腔室，14-氣體供給部，16-等離子體源。
具體實施例方式圖1是示意地表示本發(fā)明的一實施方式所涉及的等離子體摻雜裝置10的構(gòu)成的圖。等離子體摻雜裝置10包含腔室12、氣體供給部14、等離子體源16及基板座18而構(gòu)成。 等離子體摻雜裝置10具備用于控制這些構(gòu)成要件及其他要件的控制裝置(未圖示)。腔室12為用于向內(nèi)部提供真空環(huán)境的真空容器。腔室12中附設(shè)有用于對內(nèi)部進行真空排氣的真空泵20。真空泵20例如為渦輪分子泵。真空泵20通過真空閥22連接于腔室12。真空閥22例如為變導閥，安裝于渦輪分子泵的吸入口。渦輪分子泵的后段設(shè)有粗抽泵(未圖示)。腔室12連接于地線。真空泵20及真空閥22構(gòu)成用于將腔室12的內(nèi)部控制成所希望的真空度的自動壓力調(diào)整系統(tǒng)(APC)。該自動壓力調(diào)整系統(tǒng)進一步包含用于測定腔室12的壓力的壓力傳感器(未圖示)及用于根據(jù)壓力測定值控制真空閥22 (及真空泵20)的壓力控制器(未圖示)。腔室12內(nèi)的真空環(huán)境通過自動壓力調(diào)整系統(tǒng)例如保持在優(yōu)選于等離子體摻雜處理的工藝氣體壓力范圍。氣體供給部14為了向腔室12供給工藝氣體而設(shè)置。氣體供給部14包含單一或多個氣體源及用于將其氣體源連接于腔室12并將氣體導入至腔室12的配管系統(tǒng)。該配管系統(tǒng)也可包含用于控制供給至腔室12的氣體流量的質(zhì)流控制器。當氣體供給部14具有單一的氣體源時，將多種氣體預先混合為所希望的比率的工藝氣體也可貯存于其氣體源。在圖示的實施例中，氣體供給部14具備雜質(zhì)氣體源M及載氣源觀。氣體供給部 14具備用于控制從雜質(zhì)氣體源M供給的雜質(zhì)氣體的流量的第1質(zhì)流控制器沈和用于控制從載氣源觀供給的載氣的流量的第2質(zhì)流控制器30。雜質(zhì)氣體為包含應(yīng)該添加到基板W的所希望的雜質(zhì)的原料氣體或用稀釋氣體稀釋該原料氣體的氣體。原料氣體按照所希望的雜質(zhì)選擇。原料氣體分子中包含雜質(zhì)元素。 注入至基板W的雜質(zhì)例如為硼(B)、磷(P)、砷(As)時，原料氣體例如分別使用&H6、PH3、AsH3 等。在一實施例中，雜質(zhì)也可以為硼、磷、砷、鎵、鍺及碳中的至少一種。用于稀釋原料氣體的稀釋氣體例如為氫、氬、氦、氖、氙中的任一種?；蛘咭部晒餐褂眠@些當中的多種作為稀釋氣體。稀釋氣體也可作為用于改善原料氣體的等離子體的點火性的輔助氣體而使用。在一實施例中，使用IH6氣體作為原料氣體時，為了避免氣體源中的硼的粉末化，用氫氣稀釋成20%以下來使用。從載氣源觀供給的載氣與稀釋氣體相同， 例如為氫、氬、氦、氖、氙中的任一種。并且，也可以共同使用這些當中的多種作為載氣。氣體供給部14通過由第1質(zhì)流控制器沈控制雜質(zhì)氣體的流量且由第2質(zhì)流控制器30控制載氣的流量來以所希望的流量比將混合氣體供給至腔室12。如后所述，在本發(fā)明的一實施方式中，混合氣體包含原料氣體、氫氣及稀釋氣體。因此，貯存于雜質(zhì)氣體源M 及載氣源觀中的至少一方的氣體包含氫氣。或者，氣體供給部14也可具備用于向腔室12 供給氫氣的氫供給系統(tǒng)。這樣，以包含原料氣體、氫氣及稀釋氣體的混合氣體供給至腔室12 的方式構(gòu)成氣體供給部14。等離子體源16使從氣體供給部14供給至腔室12的氣體產(chǎn)生等離子體。等離子體源16與腔室12接觸并設(shè)置于其外部。在一實施例中，等離子體源16是被稱作ICP(電感耦合型等離子體)的等離子體產(chǎn)生方式的等離子體源。等離子體源16包含高頻電源32、 等離子體產(chǎn)生用線圈34及絕緣體36。高頻電源32例如為13. 56MHz的交流電源，向等離子體產(chǎn)生用線圈34供給電力。等離子體產(chǎn)生用線圈34安裝于與腔室12的基板座18對置的一面(圖示的例子中為上面)。在安裝有線圈34的腔室12的一面設(shè)有由電介質(zhì)材料構(gòu)成的作為法蘭的絕緣體36?；遄?8為了保持進行等離子體摻雜處理的基板W而設(shè)置于腔室12的內(nèi)部。基板W為半導體基板，例如為將硅作為主材料的基板?；遄?8也可以為了保持基板W而例如具備靜電卡盤或其他固定構(gòu)件。在一實施例中，基板座18具有可控制溫度的基板接觸部，基板W載置于該基板接觸部且通過靜電吸附而固定。這樣，基板W控制為對于等離子體摻雜處理優(yōu)選的基板溫度。并且，基板座18上連接有偏置電源38。偏置電源38向基板W供給用于朝向保持于基板座18的基板W吸引等離子體中的離子的電位。偏置電源38為直流電源、脈沖電源或交流電源。在圖示的實施例中，偏置電源38為交流電源。此時，與等離子體產(chǎn)生用的高頻電源32相比，使用低頻率(例如IMHz以下)的交流電源。因此，以下也有將偏置電源38稱為低頻電源的情況。在等離子體摻雜裝置10中，例如如以下所述那樣執(zhí)行等離子體摻雜處理。首先， 腔室12通過真空泵20排氣成所希望的真空度，應(yīng)該處理的基板W搬入至腔室12。基板W 保持于基板座18。以所希望的流量比混合的工藝氣體通過氣體供給部14供給至腔室12。 此時，通過自動壓力調(diào)整系統(tǒng)繼續(xù)調(diào)解真空度。從高頻電源32向等離子體產(chǎn)生用線圈34 通電而產(chǎn)生磁場。磁場經(jīng)絕緣體36進入腔室12并產(chǎn)生工藝氣體的等離子體。使用偏置電源38在保持于基板座18的基板W產(chǎn)生電位。存在于等離子體中的離子朝向基板W加速，雜質(zhì)注入到基板W的表層區(qū)域。來自高頻電源32及偏置電源38的供電在預定的終止條件成立時停止。氣體的供給也被停止。將處理完的基板W從腔室12搬出ο另外，也可以在等離子體的點火之后開始向腔室12供給原料氣體。此時，首先，先行開始載氣的供給，使載氣產(chǎn)生等離子體之后，原料氣體供給至腔室12。并且，終止等離子體摻雜處理時，也可以首先先行停止原料氣體的供給，在此基礎(chǔ)上停止供電及載氣供給來使等離子體消失。對已進行等離子體摻雜處理的基板W進行作為等離子體摻雜的后工序的熱處理。 該熱處理是用于恢復因等離子體摻雜處理而產(chǎn)生在基板W上的結(jié)晶缺陷，并對已注入的雜質(zhì)進行電子活化的處理。熱處理例如為快速熱退火處理(RTA)、激光退火或閃光燈退火，通過未圖示的退火裝置進行。在一實施例中，退火裝置也可作為等離子體摻雜裝置的后工序而連結(jié)且作為連續(xù)地處理基板的在線式的基板處理系統(tǒng)而構(gòu)成。另外，在圖示的實施例中， 等離子體摻雜裝置獨立于其他工序而設(shè)置且作為每次搬入搬出基板的離線式的處理裝置而構(gòu)成。圖2是表示已進行典型的等離子體摻雜處理及退火處理時的基板的表面粗糙度與偏置電壓之間的關(guān)系的分布圖。表示由本發(fā)明人進行的測定結(jié)果。圖2中以Δ標記表示的測定結(jié)果為用原子力顯微鏡(AFM)測定300mm硅晶片的中心附近500nm角內(nèi)的均方根粗糙度的結(jié)果。作為測定對象的硅晶片使用以氦氣稀釋成IOOOppm的IH6氣體來進行等離子體摻雜。劑量為1.5Xl(^at0mS/Cm2。退火條件為在氮氣氛中1150°C、30秒。將測定結(jié)果的傾向用點劃線示于圖2。并且，圖2所示的虛線范圍M為通過公知的低能(300eV)離子注入而成為相同的劑量(1.5X1015atOmS/Cm2)時的均方根粗糙度。目前，在該范圍M內(nèi)進行設(shè)備制造。因此， 若通過其他手法注入雜質(zhì)時的均方根粗糙度在該范圍M內(nèi)，則可評價為其手法沒有問題。如圖2所示，若等離子體摻雜中的偏置電壓較低時，則退火處理后的基板表面粗糙度為與注入低能離子時相同的級別。但是，可知在等離子體摻雜時，與注入低能離子時相比退火處理后的基板表面粗糙度有隨著提高偏置電壓變得更差的傾向。認為這是由于基于大量的氦離子的沖擊效果而殘留結(jié)晶缺陷的結(jié)果。圖3是用于說明基于等離子體摻雜處理的表面粗糙度的產(chǎn)生機理的圖。圖3中示出基于本發(fā)明人們的考察的表面粗糙度產(chǎn)生機理。圖3中示出從基板W的初始狀態(tài)100經(jīng)等離子體摻雜處理102及退火處理104到表面粗糙狀態(tài)106。在初始狀態(tài)100中，以結(jié)晶狀態(tài)排列有構(gòu)成基板W的原子(例如硅原子)108。在等離子體摻雜處理102中，大量的離子110被拉到基板表面而碰撞。如上述那樣，在用氦氣稀釋原料氣體時，大量的氦離子從等離子體朝向基板W加速并與基板原子108 碰撞?；逶?08因碰撞而散亂，在基板W的表面形成密度略低于結(jié)晶層114的非晶層 112(用虛線表示)。非晶層112的密度分布不均勻。如圖示，可認為非晶層112的密度分布中有局部性疏密不均。通過退火處理104對基板W供給熱。退火初期被拉至存在于非晶層112下的最初的結(jié)晶層114，非晶層112內(nèi)的基板原子108在上下方向上重新排列。暫時上下排列的基板原子108被限制，變得難以向左右方向移動。因此，非晶層112中在上下方向上基板原子 108的數(shù)量較少的位置變凹，在上下方向上基板原子108的數(shù)量較多的位置變凸。如此，如狀態(tài)106所示，可以認為非晶層112中的密度不均以基板表面的凹凸即表面粗糙方式顯示出。越加大外加于基板的偏置電壓，產(chǎn)生在表面的結(jié)晶缺陷也就越變大。由于通過退火處理而雜質(zhì)被活化，所以基板表面的薄膜電阻比退火處理之前更加下降。但是，如圖3所示，作為缺陷殘留于基板表面的結(jié)果，薄膜電阻不會下降至通過雜質(zhì)的活化而本應(yīng)下降的水準。如此一來，可能產(chǎn)生作為最終產(chǎn)品的設(shè)備的動作速度下降或因歐姆加熱引起的能量損失。缺陷恰巧重疊在與設(shè)備門的接觸部時，最壞的情況下，該設(shè)備有可能不動作。在制造工序中采用等離子體摻雜時的設(shè)備的成品率下降令人擔憂。電路線寬因細微化的進展而越變窄，則因缺陷引起的它們的影響就越變大。說到底等離子體摻雜被視為離子注入的替代技術(shù)是因為，能夠一并注入的面積的大型化即使為低能量也比較容易實現(xiàn)，且期待以高生產(chǎn)量形成較淺結(jié)合。通過使用由氦氣稀釋成極低濃度的原料氣體，所注入的雜質(zhì)的濺射和注入被平衡化，可使雜質(zhì)注入量的均勻性及再現(xiàn)性良好。由于注入的雜質(zhì)的擴散在非晶層與結(jié)晶的邊界停滯，所以對決定半導體性能的要件即劑量輪廓線的陡峭性也能夠得到優(yōu)異的結(jié)果。因此，為了促進具有這樣的優(yōu)點的基于等離子體摻雜的雜質(zhì)注入技術(shù)的實用化， 會要求抑制進行雜質(zhì)活化處理之后的基板表面缺陷的技術(shù)。不用說其技術(shù)內(nèi)容，連那樣的抑制對策的必要性也尚未被周知。例如，在上述記載的專利文獻中，連進行退火處理之后在基板表面產(chǎn)生不容忽視的粗糙這種情況本身也尚未提及。缺陷起因于大量的輔助氣體離子，所以可以考慮抑制該輔助氣體離子的幾個簡單的方法。例如可以考慮如下方法(1)減小作為輔助氣體使用的元素的原子量；或⑵減小注入能；或(3)縮減輔助氣體量。但是，任何一個手法都未必一定具有現(xiàn)實性。例如，雖然原子量小于被看作是比較良好的輔助氣體的氦的氣體局限于氫，但僅將氫氣作為輔助氣體時，均勻性、再現(xiàn)性、陡峭性卻不在實用級別上。并且，根據(jù)應(yīng)制造的設(shè)備性能決定注入深度，由此決定注入能，所以注入能事實上不是可調(diào)整的參數(shù)。當縮減輔助氣體量時，原料氣體濃度升高，所以均勻性、再現(xiàn)性、陡峭性依然劣化。本發(fā)明人在這樣的狀況下專心致志于研究及實驗的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了能夠保持良好的均勻性、再現(xiàn)性、陡峭性的同時抑制退火處理后的缺陷的有效方法。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了通過將適量的氫混入等離子體中，減輕因碰撞粒子引起的沖擊效果甚至是非晶層的密度不均，并且在退火處理后得到良好的均勻性、再現(xiàn)性、陡峭性。通過向等離子體中混入適量的氫，強化基板表層的結(jié)晶相對于來自等離子體的離子碰撞的自愈作用。也就是說，通過等離子體自由基化或離子化的氫進入因氦的沖擊而被破壞的基板原子(例如硅)之間的結(jié)合，瞬間地在硅與氫之間生成結(jié)合。該結(jié)合的結(jié)合力
7較弱，最終因氦的沖擊而被破壞。但是，通過該硅-氫之間結(jié)合的存在，結(jié)晶的破壞需要比未混入氫時更多的能量。因此，在相同能量中結(jié)晶的破壞程度變得比較弱。因此，減輕因等離子體照射而產(chǎn)生的基板表面非晶層中的密度不均，且抑制后工序的活化處理中的缺陷生長。在本發(fā)明的一實施方式中，包含含有所希望的雜質(zhì)元素的原料氣體、氫氣及用于稀釋原料氣體的稀釋氣體的混合氣體供給至腔室12。該混合氣體也可包含稀釋成低濃度的原料氣體和濃度高于原料氣體的氫氣，并且剩余部分實際上也可以是稀釋氣體。稀釋氣體例如為氦氣，氦氣的濃度也可以高于氫氣。在一實施例中，原料氣體的濃度為以下。在一實施例中氫氣的濃度為以上。在一實施例中，等離子體摻雜裝置10也可以構(gòu)成為如下使用通過氦氣或其他稀釋氣體稀釋成1 <%以下的低濃度的雜質(zhì)原料氣體，并且在基于等離子體照射的雜質(zhì)注入時氫混入等離子體中。或者，在一實施例中，等離子體摻雜裝置10還可以構(gòu)成為如下使用通過氫氣或者其他稀釋氣體稀釋成以下的低濃度的雜質(zhì)原料氣體，并且在基于等離子體照射的雜質(zhì)注入時氦混入等離子體中。如此通過使氫和氦同時存在于等離子體中，能夠使基于氦的結(jié)晶結(jié)構(gòu)的破壞和基于氫的結(jié)晶恢復并存。由此，減輕非晶層的密度不均。用于規(guī)定優(yōu)選的氫氣濃度的1個觀點是考慮基于氫氣的結(jié)晶恢復作用與基于稀釋氣體的沖擊效果的平衡的觀點，而氫氣濃度的優(yōu)選范圍可實驗性地進行決定。參考圖4至圖6，對本發(fā)明的一實施方式所涉及的基于等離子體摻雜的測定結(jié)果進行說明。在該實施例中，使用以流量比氫氣為7%、IH6氣體為0.2%、氦氣為剩余的約 93%的混合氣體，通過圖1所示的等離子體摻雜裝置10而在基板上進行了等離子體摻雜。 所使用的基板為300mm直徑的N型半導體用晶片。劑量為1. 3X K^atoms/cm2。之后，通過退火裝置進行1150°C、30秒的退火處理。另外，該1150°C、30秒的退火處理為對注入的雜質(zhì)的活化充分的退火。經(jīng)驗上來看，如果是1050°C以上且5秒以上的退火，則能夠評價為對注入的雜質(zhì)的活化非常充分。因此，以下說明的測定結(jié)果可預測在作為等離子體摻雜的后工序進行1050°C以上且5秒以上的退火時也可得到同等良好的結(jié)果。圖4是表示本發(fā)明的一實施方式所涉及的薄膜電阻的測定結(jié)果的圖表。薄膜電阻值通過四端測定法測定。圖4的縱軸為薄膜電阻的測定值Rs，且橫軸為作為注入能的低頻電源38的瓦數(shù)。用·標記將使用了上述的流量比的混合氣體及退火條件時的薄膜電阻值示于圖4，用實線表示其傾向。作為比較例，用 標記表示將稀釋氣體僅設(shè)為氦時的測定值，且用Δ標記表示將稀釋氣體僅設(shè)為氫氣時的測定值。這2個比較例除了稀釋氣體以外，以與實施例相同的條件處理并測定。用虛線表示比較例的測定結(jié)果的傾向。使用包含氦及氫雙方的氣體時，與僅包含任意一方的情況相比，雖然劑量為與約 1.5Xl(^at0mS/Cm2幾乎相同，但是得到了薄膜電阻值大大降低這樣的令人驚訝的結(jié)果。僅使用氦的比較例中的薄膜電阻測定值為約120Ω/ □，僅使用氫的比較例中的薄膜電阻測定值為約100Ω/ □，與此相對，本實施例中的薄膜電阻測定值為約70Ω/ 口。薄膜電阻值根據(jù)等離子體摻雜條件及退火條件而發(fā)生變動。但是，在混入氫時薄膜電阻值變小這樣的大小關(guān)系應(yīng)該不會因為這些處理條件而發(fā)生變化。另外，僅使用氫的比較例的薄膜電阻小于僅使用氦的比較例的薄膜電阻，這是因為氫的原子量較小且沖擊效果也較小。根據(jù)本實施例，薄膜電阻值遍及從100W左右的低能到1000W左右的高能的廣泛的注入能量范圍而保持在低級別。順便說一下，將基板設(shè)為硅時，100W中的雜質(zhì)濃度降低至 5X1018atoms/cm3的距基板表面的深度為約2nm，IOOOff中為約18nm。并且，在比較例中，均顯現(xiàn)出隨著提高注入能薄膜電阻也變大的傾向，與此相對，在本實施例中，隨著注入能的提高而薄膜電阻減小。如圖2所示，可推測如下在典型的等離子體摻雜中隨著提高注入能， 退火后的表面粗糙度也變大，與此相對，在本實施例中，即使是高能也能夠得到與低能相同的級別以下的表面粗糙度?；跉涞慕Y(jié)晶的自愈功能對本實施例的良好的結(jié)果起作用。即，可以認為通過在等離子體中混入氫，并通過硅氫之間結(jié)合來抑制因氦離子的碰撞引起的硅原子的散亂。僅使用氦的比較例中基于大量的氦離子的沖擊效果的影響逐步變得顯著。但是，各個氦離子的碰撞能即使是1000W左右的高能，實際上也沒有那么大。通過氫原子所持有的結(jié)合能抑制硅原子的散亂，并形成整體上比較高密度的非晶層。由此，可以認為本實施例中退火后的薄膜電阻及表面粗糙度變得較低。另外，根據(jù)相同的理由，可以考慮還可以與氦一同使用或者代替氦使用原子量大于氦的稀釋氣體(例如氬、氙、氖等)。即，原子量越大沖擊效果就越變大，但是因為能夠通過混入氫來減輕沖擊效果，所以可采用原子量較大的稀釋氣體。圖5是表示本發(fā)明的一實施方式所涉及的基于2次離子質(zhì)量分析法(SIMS)的分析結(jié)果的圖表。圖5所示的圖表A至F分別為以除了下述的使用氣體組成、劑量、注入能點以外的上述共同的等離子體摻雜條件及退火條件處理的基板的分析結(jié)果。雜質(zhì)劑量為以 SIMS分析的換算劑量。圖表 A(實施例)混合氣體、1. 28X1015atoms/cm2,300ff圖表 B (實施例)混合氣體、1. 56X1015atoms/cm2,800ff圖表 C 氫稀釋、1. 24X1015atoms/cm2,300ff圖表 D 氫稀釋、1. 29X1015atoms/cm2,800ff圖表 E 氦稀釋、1. 13X1015atoms/cm2,300ff圖表 F 氦稀釋、1. 14X1015atoms/cm2,800ff圖表A及圖表B的混合氣體為以流量比氫氣為7%、B2H6氣體為0. 2%、氦氣為剩余的約93%的混合氣體。圖表C及圖表D作為比較例，僅用氫氣稀釋IH6氣體。圖表E及圖表 F作為比較例，僅用氦氣稀釋IH6氣體。并且，圖表A、C及E是注入能較低的情況(300W)， 圖表B、D及F是注入能較高的情況(800W)。SIMS分析結(jié)果為了特定劑量輪廓線的陡峭性而使用。在此，定義從劑量為 5X1019atoms/cm3的距基板表面的深度到劑量為5X 1018atomS/Cm3的深度的深度差作為表示陡峭性的指標。在圖5中，用范圍G表示從5X1019atomS/Cm3到5X 1018atoms/cm3的劑量。該范圍G中的深度變化量表示陡峭性。表示數(shù)值越小陡峭性就越良好。因此，從圖5所示的SIMS分析結(jié)果得到的陡峭性為如下。圖表A(實施例、低能)1.9nm圖表B(實施例、高能)2.5nm圖表C(氫稀釋、低能)2.7nm
9
圖表D(氫稀釋、高能)3.9nm圖表E(氦稀釋、低能)1.9nm圖表F(氦稀釋、高能)3.4nm僅用氫氣稀釋時陡峭性較差。僅用氫時陡峭性差，這可以認為是因為基于氫的沖擊效果的非晶層的厚度極薄。雜質(zhì)摻雜至超過非晶層的深度，非晶層不發(fā)揮作為擴散的抑制層的功能。與此相對，在本實施例及氦稀釋的情況下，非晶層比氫時變得更深，因為摻雜局限在其深度范圍內(nèi)，所以可得到極為良好的陡峭性。并且，陡峭性在高能時比低能時更加下降，但是可知本實施例的陡峭性的下降最小。對此，也可以認為是基于氫的結(jié)晶的自愈功能在起作用。根據(jù)本實施例，能夠在廣泛的注入能范圍中實現(xiàn)優(yōu)異的陡峭性。也可以說用于定義陡峭性的范圍G表示雜質(zhì)層的厚度。因此，如圖5所示，本實施例所涉及的等離子體摻雜方法在低能的情況下適合于在基板上形成約IOnm以內(nèi)厚度的雜質(zhì)層，而在高能的情況下適合于在基板上形成約15nm以內(nèi)厚度的雜質(zhì)層。本實施例所涉及的等離子體摻雜方法適合于通過調(diào)整處理條件而在基板上形成約30nm以內(nèi)厚度的雜質(zhì)層。圖6是表示本發(fā)明的一實施方式所涉及的薄膜電阻的測定結(jié)果的圖表。圖6表示使用本實施例所涉及的混合氣體并處理多片晶片時的薄膜電阻值Rs(Q/ 口 )的均勻性及再現(xiàn)性。處理1000片的晶片時的晶片內(nèi)的均勻性平均為2. 8% (1σ)，再現(xiàn)性為1.8% (1σ)，非常良好。在如本實施例那樣混入氫的情況下，與使用僅用氦氣稀釋成低濃度的原料氣體的情況相同，也能夠得到良好的均勻性和再現(xiàn)性。圖7是表示本發(fā)明的一實施方式所涉及的薄膜電阻的測定結(jié)果的圖表。與圖4所示的測定結(jié)果相同，通過四端測定法，對已進行硼的等離子體摻雜及退火處理的試樣測定了薄膜電阻值Rs(Q/D)。圖示的標繪表示一枚基板整個面的平均薄膜電阻值。圖7的縱軸為薄膜電阻的測定值Rs。圖7的橫軸為氫氣相對于為了等離子體摻雜而被供給的混合氣體的總流量的流量比。圖7所示的測定結(jié)果為對從氫氣的微量(例如)混入至約30% 的流量比的范圍、和作為比較例對不含氦(即，僅僅是氫氣與雜質(zhì)氣體的混合氣體，即氫氣流量比為約100% )進行試驗的結(jié)果。圖7的左側(cè)表示改變IH6氣體的流量比的情況。B2H6氣體流量比在從約0. 1 %到約0. 3%的范圍內(nèi)變化。圖7的右側(cè)表示使偏置電源38的輸出LF在從135W至800W的范圍內(nèi)變化的情況。各測定結(jié)果中共同的等離子體摻雜條件是用于產(chǎn)生等離子體的高頻電源32的功率為1500W、處理中的氣體壓力為0. 7Pa、混合氣體的總流量為300sCCm。除氫氣及B2H6氣體以外的混合氣體的剩余部分為氦氣。退火條件是氧添加率為1%、設(shè)定溫度為 1150°C、處理時間為30秒。如圖7的左側(cè)所示，可知處于如下傾向在氫氣流量比為30%左右為止的試驗范圍中，若使B2H6氣體流量比恒定，則薄膜電阻值由氫氣的微量混入(例如)大大降低， 薄膜電阻值通過進一步的氫氣混入降落至最低級別。例如，用□標記表示的氣體流量比0. 的標繪在約12%的氫氣流量比下薄膜電阻值到達最低等級。在本試驗范圍中，未觀察到朝向氫氣流量比為約100%的薄膜電阻值的增加?？深A測薄膜電阻值從超過本試驗范圍的某一氫氣流量比開始朝向氫氣流量比為約100%的薄膜電阻值增加。
如上所述，薄膜電阻值為表示退火處理后的基板表面粗糙的程度的指標，也是表示基于氫氣混入的結(jié)晶恢復作用的指標。薄膜電阻值越小表面粗糙就越小，結(jié)晶恢復作用就越大。因此，根據(jù)圖7所示的測定結(jié)果，當重視基于氫氣的結(jié)晶恢復作用時，用于等離子體摻雜的氫氣流量比的優(yōu)選范圍是約30%以下的范圍。用于等離子體摻雜的工藝氣體的組成優(yōu)選IH6氣體流量比相對于總流量在約0. 至約0. 3%的范圍，并且氫氣流量比為該總流量的約30%以下。并且，還可知薄膜電阻值向最低點的下降傾向，根據(jù)IH6氣體流量比多少有些不同。IH6氣體流量比越大，薄膜電阻值到達最低點的氫氣流量比就會越大。可將薄膜電阻值到達最低點的值當作是氫氣流量比的最佳值。如上所述，B2H6氣體流量比為0. 時氫氣流量比的最佳值為約12%。并且，B2H6氣體流量比為0. 1667%時氫氣流量比的最佳值為約 15%。IH6氣體流量比為0. 25%時氫氣流量比的最佳值為約20%。因此，在一實施例中，優(yōu)選按照雜質(zhì)氣體(例如IH6氣體)的流量比選擇氫氣的流量比。雜質(zhì)氣體流量比越大越增大氫氣流量比。因此，例如可以將使用的雜質(zhì)氣體的流量比范圍(例如約0. 至約0.3%的范圍)劃分成多個，且按劃分區(qū)域(例如按0. 05%的寬度的劃分區(qū)域)設(shè)定氫氣流量比。此時，越是雜質(zhì)氣體流量比大的劃分區(qū)域，氫氣流量比就設(shè)定為越大的值。如此，能夠選擇重視結(jié)晶恢復作用的氫氣流量比。在最終制造的設(shè)備中減少薄膜電阻值(表面粗糙)在重要的情況下有效。另一方面，如圖7的右側(cè)所示，根據(jù)偏置電源38的瓦數(shù)LF的差異，未觀察到氫氣流量比最佳值的傾向上的顯著差異。因此，可以認為為了等離子體摻雜而外加于基板上的偏置電壓沒有給氫氣流量比的最佳值帶來影響。圖8是表示本發(fā)明的一實施方式所涉及的薄膜電阻的面內(nèi)均勻性的測定結(jié)果的圖表。圖8所示的測定結(jié)果是對圖7的已測定的基板評價薄膜電阻的面內(nèi)均勻性(1 σ )的結(jié)果。圖8的縱軸為薄膜電阻值Rs的面內(nèi)均勻性。圖8的橫軸為氫氣相對于為了等離子體摻雜而供給的混合氣體的總流量的流量比。圖7的左側(cè)表示使IH6氣體的流量比變化的情況，圖7的右側(cè)表示使偏置電源38的輸出LF在從135W至800W的范圍內(nèi)變化的情況。如圖8的左側(cè)所示，根據(jù)雜質(zhì)氣體流量比在氫氣流量比最佳值上沒有觀察到顯著的傾向的差異。并且，如圖8的右側(cè)所示，根據(jù)偏置電源38的瓦數(shù)LF的差異也未觀察到顯著的傾向差異。關(guān)于均勻性，可知與雜質(zhì)氣體流量比及偏置電壓無關(guān)，氫氣流量比的最佳值為約5%。均勻性為5%以內(nèi)時，有實際上沒有對所制造的設(shè)備的成品率的影響的見解。根據(jù)圖8，均勻性成為5%以內(nèi)的氫氣流量比的范圍為約20%以下。因此，重視處理的均勻性時，用于等離子體摻雜的氫氣流量比的優(yōu)選范圍為約20%以下的范圍。優(yōu)選IH6氣體流量比相對于用于等離子體摻雜的工藝氣體總流量處于約0. 至約0.3%的范圍，且氫氣流量比為該總流量的約20%以下。并且，根據(jù)圖8，在微量混入氫氣的階段(例如1%)中均勻性處于4%以內(nèi)的低水準。若氫氣流量比超過約10%，則均勻性超過其水準。因此，用于等離子體摻雜的氫氣流量比更加優(yōu)選為約10%以下。優(yōu)選IH6氣體流量比相對于用于等離子體摻雜的工藝氣體總流量處于約0. 至約0.3%的范圍，且氫氣流量比為該總流量的約10%以下。重視均勻性時進一步優(yōu)選的氫氣流量比的范圍為約3%以上約5%以下。優(yōu)選IH6氣體流量比相對于用于等離子體摻雜的工藝氣體總流量處于約0. 至約0. 3%的范圍， 且氫氣流量比為該總流量的約3%以上約5%以下。這樣，能夠選擇重視均勻性的氫氣流量比。在最終制造的設(shè)備中提高均勻性重要的情況下有效。由于氫氣為可燃性氣體，所以要求慎重的操作。為了等離子體摻雜處理后的氣體廢棄，優(yōu)選用稀釋氣體(例如氮氣)稀釋成低于爆炸極限(例如體積比為4%)的濃度來保管。因此，若考慮這樣的用于稀釋的工作負擔及成本，則優(yōu)選氫氣流量比較小。用于等離子體摻雜的氫氣流量比為爆炸極限(例如體積比為4%)以下時，等離子體摻雜處理后的氣體廢棄時不需要進一步的稀釋。因此，為了使氣體的操作較為容易，優(yōu)選用于等離子體摻雜的氫氣流量比為4%以下。圖9是表示本發(fā)明的一實施方式所涉及的薄膜電阻的測定結(jié)果的圖表。圖9與圖 7不同，表示使用PH3氣體的關(guān)于磷的等離子體摻雜的測定結(jié)果。氫氣流量比的試驗范圍最大約15%。關(guān)于除此之外的處理條件與圖7相同。圖9的上側(cè)表示將偏置輸出LF設(shè)為 500W時的情況，圖9的下側(cè)表示將偏置輸出LF設(shè)為800W時的情況。表示有對每一個將PH3 氣體的流量比設(shè)為0. 的情況和設(shè)為0. 3%的情況。相同地進行研究，若根據(jù)圖9，當重視基于氫氣的結(jié)晶恢復作用時，用于等離子體摻雜的氫氣流量比的優(yōu)選范圍例如為約10%以下的范圍。優(yōu)選PH3氣體流量比相對于用于等離子體摻雜的工藝氣體總流量處于約0. 至約0.3%的范圍，且氫氣流量比為該總流量的約10%以下。與硼的情況相同，在磷的情況下，雜質(zhì)氣體流量比越大，薄膜電阻值到達最低等級的氫氣流量比就越變大。PH3氣體流量比為0. 時，氫氣流量比的最佳值為約4%。？氏氣體流量比為0.3%時，氫氣流量比的最佳值為約7%?？深A測這樣的傾向?qū)τ谏橐彩枪餐?。圖10是表示本發(fā)明的一實施方式所涉及的薄膜電阻的面內(nèi)均勻性的測定結(jié)果的圖表。圖10所示的測定結(jié)果是對圖9已測定的基板評價薄膜電阻的面內(nèi)均勻性(1 σ )的結(jié)果。可知，無論雜質(zhì)氣體流量比及偏置電壓，與圖8所示的硼的情況相同，重視均勻性時的氫氣流量比的最佳值為約5%?？梢哉J為重視均勻性時的氫氣流量比的最佳值不依賴于所注入的雜質(zhì)元素。因此，重視均勻性時的氫氣流量比的優(yōu)選范圍在硼和磷中是共同的。 例如，優(yōu)選PH3氣體流量比相對于用于等離子體摻雜的工藝氣體總流量處于約0. 至約 0.3%的范圍，且氫氣流量比為該總流量的約3%以上約5%以下?？深A測氫氣流量比的優(yōu)選范圍對于砷是共同的。
權(quán)利要求
1.一種等離子體摻雜裝置，用于向半導體基板添加雜質(zhì)，其特征在于，具備腔室；氣體供給部，用于向所述腔室供給氣體；及等離子體源，用于在所述腔室產(chǎn)生已供給的氣體的等離子體，所述氣體供給部構(gòu)成為將混合氣體供給至所述腔室，所述混合氣體包含含有應(yīng)添加至基板的雜質(zhì)元素的原料氣體；氫氣；及用于稀釋所述原料氣體的稀釋氣體。
2.如權(quán)利要求1所述的等離子體摻雜裝置，其特征在于，所述混合氣體包含稀釋為低濃度的所述原料氣體、和濃度高于該原料氣體的所述氫氣，剩余部分實際上為所述稀釋氣體。
3.如權(quán)利要求1或2所述的等離子體摻雜裝置，其特征在于， 所述稀釋氣體為氦氣，該氦氣的濃度高于所述氫氣。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的等離子體摻雜裝置，其特征在于， 所述氫氣相對于所述混合氣體的流量比為20%以下。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項所述的等離子體摻雜裝置，其特征在于， 所述氫氣相對于所述混合氣體的流量比為3% 5%。
6.一種等離子體摻雜方法，將包含具有雜質(zhì)元素的原料氣體的混合氣體供給至真空環(huán)境，產(chǎn)生該混合氣體的等離子體，在該真空環(huán)境下向基板照射該等離子體來注入所述雜質(zhì)元素，其特征在于，通過在所述等離子體中混入氫來減輕因該等離子體的照射而產(chǎn)生的基板表面的非晶層的密度不均。
全文摘要
本發(fā)明提供的等離子體摻雜裝置及等離子體摻雜方法，有助于基于等離子體摻雜的雜質(zhì)注入的實用化。用于向半導體基板(W)添加雜質(zhì)的等離子體摻雜裝置(10)具備腔室(12)；氣體供給部(14)，用于向腔室(12)供給氣體；及等離子體源(16)，用于在腔室(12)產(chǎn)生所供給的氣體的等離子體。包括含有應(yīng)添加到基板(W)的雜質(zhì)元素的原料氣體、氫氣及用于稀釋原料氣體的稀釋氣體的混合氣體供給至腔室(12)。
文檔編號H01J37/32GK102339737SQ20111019934
公開日2012年2月1日 申請日期2011年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月16日
發(fā)明者室岡博樹, 栗山仁, 田中勝 申請人:住友重機械工業(yè)株式會社, 斯伊恩股份有限公司