JP2004179592A

JP2004179592A - プラズマドーピング方法およびデバイス

Info

Publication number: JP2004179592A
Application number: JP2002347177A
Authority: JP
Inventors: Yuichiro Sasaki; 雄一朗佐々木; Bunji Mizuno; 文二水野; Ichiro Nakayama; 一郎中山; Hisataka Kaneda; 久隆金田; Tomohiro Okumura; 智洋奥村
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2022-11-29
Also published as: JP4544447B2; US7192854B2; WO2004051720A1; US20050287776A1; TW200415668A; AU2003284404A1; TWI307119B

Abstract

【課題】人体に対して極めて危険性の高い毒性をもつＢ_２Ｈ_６をできるだけ希釈して安全性を高め、ドーピング効率を低下させることなく、安定してプラズマの発生や維持を行うことができ、さらにドーパント注入量の制御を容易に行えるプラズマドーピング方法を提供する。
【解決手段】ドーピングする不純物を含む物質としてＢ_２Ｈ_６ガスを、電離エネルギーが高い物質としてＨｅを用い、Ｂ_２Ｈ_６の濃度が０．０５％未満であることを特徴とするプラズマドーピング方法とする。ドーピングする不純物を含む物質よりも電離エネルギーが小さい物質のプラズマを先行して発生させ、しかる後にドーピングする不純物を含む物質を放電させる事を特徴とするプラズマドーピング方法とする。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマを用いて、固体などの表面近傍に物質を導入する方法、及びこの方法によって作成されたデバイスにかかわるものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５を参照しながら、従来の技術に関して説明する。これはＳＳＤＭ８７で発表された論文からの引用であるが（ＥｘｔｅｎｄｅｄＡｂｓｔｒａｃｔｏｆＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＤｅｖｉｃｅａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，ｐ３１９，Ｔｏｋｙｏ，１９８７．ＪａｐａｎＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ）、プラズマソースに供給するガスとして、０．０５％までＨｅで希釈したＢ_２Ｈ_６を使用している。
【０００３】
反応チェンバー１０にシリコンウエーハ２０を導入し、ベース真空度５×１０^−７Ｔｏｒｒ（６．７×１０^−５Ｐａ）まで真空にした後、Ｈｅをベースとして、０．０５％に希釈したＢ_２Ｈ_６ガス３０を導入、真空度５×１０^−４Ｔｏｒｒ（０．０６７Ｐａ）の状態で、ＥＣＲプラズマソース４０に電源を通じて高周波を導入し、プラズマ４５を発生させ、次いでウエーハを載置しているウエーハサセプター５０にＲＦ電源６０から高周波を供給して、前記発生したプラズマ４５と、シリコンウエーハ２０間に一定の電圧、引用例に拠れば７００Ｖを発生させ、プラズマ中の正に帯電したイオン７０と電子８０の内、正イオン７０を引き込み、ウエーハ表面近傍にドーピングを行う。この場合はＢ_２Ｈ_６中のＢ原子がシリコン中で正の電荷（正孔）を供給する源になり、これをドーパントと呼ぶ。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
引用例に於いて、Ｂ_２Ｈ_６をＨｅで希釈する目的は、人体に対して、極めて危険性の高い毒性をもつＢ_２Ｈ_６をできるだけ希釈して安全性を高め様とする試みであるが、Ｂ_２Ｈ_６の分圧が低下するに従って、プラズマ中に於けるＢを含むイオンの密度が低下し、ドーピング効率を著しく低下させていた。
【０００５】
又、希釈の目的で使用したＨｅは原子半径が小さく、シリコンに導入しても後の熱処理で容易に外部に拡散除去する事が可能な為採用されているが、電離エネルギーが高い為、プラズマの発生や維持を行う際に、プラズマの状態が不安定になる要因となる場合があった。
【０００６】
さらにドーパントの注入量の制御性にも課題があった。
【０００７】
そこで、人体に対して極めて危険性の高い毒性をもつＢ_２Ｈ_６をできるだけ希釈して安全性を高め、ドーピング効率を低下させることなく、安定してプラズマの発生や維持を行うことができ、さらにドーパント注入量の制御を容易に行えるプラズマドーピング方法の提供が求められていた。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
プラズマドーピング方法において、ドーピングする不純物を含む物質よりも電離エネルギーが高い物質の分量を大にする事を特徴とするプラズマドーピング方法とする。この理由は、イオン電流密度と電子温度が大きいプラズマを用いたプラズマドーピングが可能となるからである。具体的には、ドーピングする不純物を含む物質としてＢ_２Ｈ_６ガスを、電離エネルギーが高い物質としてＨｅを用い、Ｂ_２Ｈ_６の濃度が０．０５％未満であることを特徴とするプラズマドーピング方法とする。上記の配合により、ある一定の圧力においてＢ_２Ｈ_６を含むプラズマとしてより大きなイオン電流密度と電子温度のプラズマを得ることができる。つまり、Ｂ_２Ｈ_６の濃度が低くなるに従ってイオン電流密度と電子温度は大きくなるが、Ｂ_２Ｈ_６の濃度が０．０５％未満ではほぼ飽和に達するので望ましい。
【０００９】
プラズマドーピング方法において、ドーピングする不純物を含む物質よりも電離エネルギーが小さい物質のプラズマを先行して発生させ、しかる後にドーピングする不純物を含む物質を放電させる事を特徴とするプラズマドーピング方法とする。この理由は、電離エネルギーが小さい物質のプラズマを先行して発生させずにドーピングする不純物を含む物質を放電させた場合よりも、ドーピングする不純物を含むプラズマの発生時にプラズマの状態が安定するからである。さらに、電離エネルギーが小さい物質のプラズマを先行して発生させなかった場合よりも低い圧力でドーピングする不純物を含む物質を放電させてプラズマドーピングすることが可能となり、デポジションが起き難いプラズマドーピングが可能となるからである。具体的には、ドーピングする不純物を含む物質としてＢ_２Ｈ_６とＢＦ_３、Ｂ_１０Ｈ_１４の少なくとも一つを、電離エネルギーが小さい物質としてＡｒ，Ｈ，Ｎ，Ｏ，Ｋｒ，Ｘｅ，Ｃｌ，Ｈ_２，ＮＯ，Ｎ_２，Ｏ_２，ＣＯ，ＣＯ_２，Ｈ_２Ｏ，ＳＦ_６，Ｂｒ_２，Ｃｌ_２の群から選ばれる少なくとも一つを用いる事を特徴とするプラズマドーピング方法とする。
【００１０】
ドーピングする不純物を含む物質としてＢ_２Ｈ_６ガスを、電離エネルギーが高い物質としてＨｅを用い、Ｂ_２Ｈ_６の濃度が０．０５％未満であることを特徴とするプラズマに対し、ドーピングする不純物を含む物質よりも電離エネルギーが小さい物質のプラズマを先行して発生させ、しかる後にドーピングする不純物を含む物質を放電させる方法を用いて発生させると、０．９Ｐａ程度の圧力でイオン電流密度が１．１ｍＡ／ｃｍ^２以上で電子温度が６．０ｅＶ以上のプラズマを安定して得ることができる。このようなプラズマを用いてバイアス電圧を印加する時間を変化させることでドーズ量を制御する事を特徴とするプラズマドーピング方法とするのが望ましい。この理由は、バイアス電圧の絶対値が小さい場合でも工業的に要求されるようなスループットを確保しながら容易にドーズ量の制御ができ、さらにデポジションが起き難くなるからである。
【００１１】
また、プラズマ発生時の圧力を変えて行う場合に同様の効果を得るためには、プラズマドーピングを行う際に、ドーピングする不純物を含む物質としてＢ_２Ｈ_６を用い、これを希釈するＨｅとの希釈度をｎ％とした際に、プラズマ発生時の圧力をＰＰａとして、Ｂ_２Ｈ_６の希釈度がｎ＝０．０４／Ｐとなる関係を中心として、その上下プラスマイナス２５％の範囲でドーピングする事、即ちＰに依存して、希釈度１．２５ｎ％から０．７５ｎ％の範囲でドーピングする事を特徴とするプラズマドーピング方法とすることが望ましい。
【００１２】
（作用）
人体に対して極めて危険性の高い毒性をもつＢ_２Ｈ_６をできるだけ希釈して安全性を高めることができる。また、ある一定の圧力においてドーピングする不純物を含むプラズマとしてより大きなイオン電流密度と電子温度のプラズマを得ることができる。さらに、プラズマの発生時にプラズマの状態を安定させることができる。又、電離エネルギーが小さい物質のプラズマを先行して発生させなかった場合よりも低い圧力で、ドーピングする不純物を含む物質を放電させてプラズマドーピングすることが可能となり、デポジションが起き難いプラズマドーピングが可能となる。バイアス電圧の絶対値が小さい場合でも工業的に要求されるようなスループットを確保しながら容易にドーズ量制御ができる不純物ドーピング方法を提供できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を以下で説明する。
【００１４】
先ず、図１により、本発明に用いた装置の説明をする。
【００１５】
装置はプラズマを発生させるための高周波電源１０１と放電の調整を行うマッチングボックス１０２を介して、コイル及びアンテナ１０３から高周波が供給される。必要なガスはマスフローコントローラ１０４及び１０５を介して供給される。反応チェンバー１１５内の真空度は前記マスフローコントローラ１０４及び１０５、ターボ分子ポンプ１０６、コンダクタンスポンプ１０７、ドライポンプ１０８によって制御される。反応チェンバー１１５に対しては、ＲＦもしくはＤＣ電源１１０から、マッチングボックス１１１を介して電力が供給される。反応チェンバー１１５内に設置した、被処理体１１３はサセプタ１１４に載置され、前記電力が供給される。
【００１６】
（圧力）
Ｂ_２Ｈ_６ガス濃度が０．６２５％、Ｈｅガス濃度が９９．３７５％の混合ガスを用いてヘリコン波プラズマを発生させる実験を行った。ヘリコン波のソースパワーを１５００Ｗとし、圧力を変化させてＢ_２Ｈ_６とＨｅの混合プラズマが得られる圧力範囲を調べた。圧力が２．２５Ｐａ以上のときに放電が可能であり、Ｂ_２Ｈ_６とＨｅの混合プラズマを得ることができた。一方、それ以下の圧力では放電を起こすことができなかった。
【００１７】
次に、プロセスチャンバー内にＡｒガスを導入してソースパワーを印加し、放電させてＡｒプラズマを発生させた後、Ｈｅガスを導入すると同時にＡｒガスの供給を止めてＨｅプラズマを発生させ、その後、Ｂ_２Ｈ_６ガスを導入してＨｅとＢ_２Ｈ_６の混合プラズマを発生させる実験を行った。実験は圧力を変化させて行い、ＨｅとＢ_２Ｈ_６の混合プラズマが得られる圧力範囲を調べた。圧力が０．８Ｐａ以上のときに安定して放電が可能であった。
【００１８】
同様に、Ｂ_２Ｈ_６ガス濃度が０．０２５％、Ｈｅガス濃度が９９．９７５％の混合ガスを用いてヘリコン波のソースパワーを１５００Ｗとして実験を行った。装置の関係上２．６Ｐａ以上の圧力では実験していないが、圧力が２．６Ｐａ以下のときには放電を起こすことはできなかった。これに対してプロセスチャンバー内にＡｒガスを導入してソースパワーを印加して放電させてＡｒプラズマを発生させた後、Ｈｅガスを導入すると同時にＡｒガスの供給を止めてＨｅプラズマを発生させ、その後、Ｂ_２Ｈ_６ガスを導入してＨｅとＢ_２Ｈ_６の混合プラズマを発生させる実験を行った。この場合には圧力が０．８Ｐａ以上のときに安定して放電が可能であった。
【００１９】
上記のように、ドーピングする不純物を含む物質としてＢ_２Ｈ_６ガスを用い、電離エネルギーが小さい物質としてＡｒガスを用いて、ドーピングする不純物を含む物質よりも電離エネルギーが小さい物質のプラズマを先行して発生させ、しかる後にドーピングする不純物を含む物質を放電させる事で、電離エネルギーが小さい物質を先行して放電させなかった場合よりも低い圧力でＨｅとＢ_２Ｈ_６の混合プラズマを発生させることができた。
【００２０】
（イオン電流密度）
図２はＢ_２Ｈ_６ガスとＨｅガスの混合比を変えてヘリコン波プラズマを発生させたときのイオン電流密度の変化である。圧力は０．９Ｐａで行った。Ｂ_２Ｈ_６ガス濃度を低下させていくと、イオン電流密度はＢ_２Ｈ_６ガス濃度が１％以下のときに階段状に大きくなった。Ｂ_２Ｈ_６ガス濃度が５％と２．６％のときのイオン電流密度は１．１ｍＡ／ｃｍ^２未満であるのに対して、０．２９％と０．０２５％のときは１．１ｍＡ／ｃｍ^２以上であることが了解できる。
【００２１】
（電子温度）
図３はＢ_２Ｈ_６ガスとＨｅガスの混合比を変えたときの電子温度の変化である。条件は前節と同じである。Ｂ_２Ｈ_６ガス濃度の低下に従って電子温度は上昇した。そしてＢ_２Ｈ_６ガス濃度が０．０２５％でほぼ飽和した。電子温度は、Ｂ_２Ｈ_６ガス濃度が０．２９％以上では６．０ｅＶ未満であるのに対して、０．０２５％では６．０ｅＶ以上であることが了解できる。
【００２２】
（ドーズ量の制御性）
Ｂ_２Ｈ_６ガス濃度が０．０２５％、０．２９％のＢ_２Ｈ_６とＨｅの混合プラズマを用いてｎ−Ｓｉ（１００）ウエーハにプラズマドーピングを行った。バイアス電圧は−６０Ｖ、圧力は０．８Ｐａとした。プラズマドーピング後、１１００℃で３分間のアニール処理を行った。その後、四探針法でシート抵抗を測定した。またＢ_２Ｈ_６ガス濃度０．０２５％で作成した試料は、プラズマドーピング後のボロンのドーズ量をＳＩＭＳで測定した。
【００２３】
図４はバイアス電圧印加時間とシート抵抗の関係である。Ｂ_２Ｈ_６ガス濃度を０．２９％としたときは、バイアス電圧印加時間を３秒、７秒、３０秒と変えてもシート抵抗は約４００Ｏｈｍｓ／ｓｑｕ．でほとんど変化しなかった。一方、Ｂ_２Ｈ_６ガス濃度を０．０２５％としたときは、バイアス電圧印加時間を１、３、７、３０秒と変えることでシート抵抗を１０２０、４６０、３５０、２９０Ｏｈｍｓ／ｓｑｕ．と変えることができた。また、プラズマドーピング後のボロンドーズ量は２．２Ｅ１４、６．０Ｅ１４、６．５Ｅ１４、８．０Ｅ１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２と可変であった。なお、ボロン濃度が１Ｅ１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３となる深さは４〜６ｎｍ以下であった。このようにバイアス電圧印加時間を変化させることで３０秒以下、または１５秒以下程度の時間範囲内でドーズ量を制御できることが了解できる。これにより工業的に要求されるようなスループットを確保しながら容易にドーズ量の制御ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】プラズマドーピング装置を示す図
【図２】イオン電流密度のＢ_２Ｈ_６ガス濃度依存性を示す図
【図３】電子温度のＢ_２Ｈ_６ガス濃度依存性を示す図
【図４】バイアス電圧印加時間とシート抵抗の関係を示す図
【図５】従来例のプラズマドーピング装置を示す図
【符号の説明】
１０反応チェンバー
２０シリコウエーハ
３０Ｂ_２Ｈ_６ガス
４０ＥＣＲプラズマソース
４５プラズマ
５０ウエーハサセプター
６０ＲＦ電源
１０１高周波電源
１０２マッチングボックス
１０３コイルおよびアンテナ
１０４マスフローコントローラ
１０５マスフローコントローラ
１０６ターボ分子ポンプ
１０７コンダクタンスバルブ
１０８ドライポンプ
１０９サークレータ
１１０ＤＣ電源
１１１マッチングボックス
１１２高周波電源
１１３被処理体
１１４サセプタ
１１５反応チャンバー

Claims

プラズマドーピング方法において、ドーピングする不純物を含む物質よりも電離エネルギーが高い物質の分量を大にする事を特徴とするプラズマドーピング方法。
ドーピングする不純物を含む物質としてＢ_２Ｈ_６を、電離エネルギーが高い物質としてＨｅを用い、Ｂ_２Ｈ_６の濃度が０．０５％未満であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマドーピング方法。
ヘリコン波プラズマ源を用いる、プラズマドーピング方法に於いて、ドーピングする不純物を含む物質としてＢ_２Ｈ_６を、電離エネルギーが高い物質としてＨｅを用い、Ｂ_２Ｈ_６の濃度が０．５％未満であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマドーピング方法。
プラズマドーピング方法に用いるプラズマにおいて、イオン電流密度が１．１ｍＡ／ｃｍ^２以上のプラズマを使用する事を特徴とするプラズマドーピング方法。
プラズマドーピング方法に用いるプラズマにおいて、電子温度が６．０ｅＶ以上のプラズマを使用する事を特徴とするプラズマドーピング方法。
バイアス電圧を印加する時間を変化させることでドーズ量を制御する事を特徴とする請求項２、３、４、５に記載のプラズマドーピング方法。
バイアス電圧が−６０Ｖ以下であることを特徴とする請求項６記載のプラズマドーピング方法。
プラズマドーピング方法において、ドーピングする不純物を含む物質よりも電離エネルギーが小さい物質のプラズマを先行して発生させ、しかる後にドーピングする不純物を含む物質を放電させる事を特徴とするプラズマドーピング方法。
ドーピングする不純物を含む物質としてＢ_２Ｈ_６、ＢＦ_３、Ｂ_１０Ｈ_１４の群から選ばれる少なくとも一つを、電離エネルギーが小さい物質としてＡｒ、Ｈ、Ｎ、Ｏ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｃｌ、Ｈ_２、ＮＯ、Ｎ_２、Ｏ_２、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、ＳＦ_６、Ｂｒ_２、Ｃｌ_２の群から選ばれる少なくとも一つを用いる事を特徴とするプラズマドーピング方法。
プラズマドーピングを行う際に、ドーピングする不純物を含む物質としてＢ_２Ｈ_６を用い、これを希釈するＨｅとの希釈度をｎ％とした際に、プラズマ発生時の圧力をＰＰａとして、Ｂ_２Ｈ_６の希釈度が
ｎ＝０．０４／Ｐとなる関係を中心として、その上下プラスマイナス２５％の範囲でドーピングする事、即ちＰに依存して、希釈度１．２５ｎ％から０．７５ｎ％の範囲でドーピングする事を特徴とするプラズマドーピング方法。
請求項１から１０に記載のプラズマドーピング方法でドーピングする工程を経た、半導体装置や液晶パネルなどの電気・電子デバイス及びコンデンサー、抵抗、コイルなどの受動電気デバイス。