JP5097233B2 - プラズマドーピング方法 - Google Patents

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Description

本発明は、高周波放電を用いたプラズマ処理方法、特に、固体表面部等に不純物をプラズマドーピングする方法に関する。
近年、半導体集積回路装置の高集積化、高機能化及び高速化に伴って、トランジスタのスケーリングのための浅接合化、さらにはトランジスタの３次元構造化を実現するために、低エネルギーで高密度且つコンフォーマルなドーピングを行える技術が求められている。そこで、従来のイオン注入法に代わり、このようなドーピングを実現する手段として、プラズマドーピング法が研究されてきている。
一般に、プラズマドーピング法は、イオン注入法と比べて、低エネルギーで高電流を供給することができる。しかし、プラズマドーピングのドーピング特性はプラズマ条件に著しく依存するため、プラズマドーピングには注入効率、均一性、制御性等の点に問題があった。そこで、種々のプラズマ発生方式が研究され、各方式に対してさまざまな改良が行われてきた。例えば特許文献１は、ＤＣパルス放電方式の改良を開示しており、例えば特許文献２は、高周波放電方式の改良を開示している。これらのプラズマ発生方式の改良においては、いずれも、ドーパント種を如何に効率よくイオン化して供給するかに主眼が置かれている。しかし、ドーパントがイオン主体で供給される限り、前述のように、プラズマ条件に制約される均一性、安定性等の問題は避けられない。特に、プラズマ点火時の不安定性は不可避であり、この不安定性はドーピング量変動に直結する。また、ドーパント種としてのイオンの持つ指向性に起因して、３次元構造体、例えば図８に示すようなフィン形状を持つ半導体領域（以下、フィン型半導体領域と称する）の側面に不純物をドーピングすることは原理上不可能に近い。
これに対して、特許文献３には、希ガス（例えばＨｅ）によってできるだけ希釈されたドーピングガス（例えばＢ2 Ｈ6 ）からなるプラズマを用いることにより、均一性及び時間制御性のよいドーピングを実現できることが開示されている。特許文献３のプラズマドーピング方法においては、ドーピングガスの希釈率が非常に高く（０．０５％未満）設定されており、メカニズムの詳細は明らかでないが、プラズマ中のイオンのほとんどは希ガスイオン（Ｈｅ+ 等）であり、ドーパント種は主にＢ（ボロン）等を含む中性ラジカルの状態で被ドーピング材表面に供給されているものと推定される。図８に示すように、中性ラジカルは、イオンのような指向性を持たない（つまり等方性を持つ）ため、３次元構造体に対しても、平面／側面の区別なく均一に（つまりコンフォーマル）に供給し且つ付着させることが原理的に可能である。
特表２００８−５２３６２５号公報 特開平１１−３２９２７１号公報 特開２００４−１７９５９２号公報
しかしながら、特許文献３のプラズマドーピング方法においては、例えば、被ドーピング材へのドーパントの供給量を増やそうとすると、レジスト材料が硬化して剥離が困難になるという問題や、被ドーピング材がエッチング（スパッタリング）されてエロージョンが発生してしまうという問題が生じてしまう。
前記に鑑み、本発明は、被ドーピング材のエロージョンやレジスト材料の硬化を防止しつつ、高濃度且つコンフォーマルなプラズマドーピングを行えるようにすることを目的とする。
前記の目的を達成するために、本願発明者らは、特許文献３のプラズマドーピングのメカニズム等について様々な検討を行った結果、特許文献３に開示されたプラズマドーピング方法においては、以下に述べるような推定メカニズムの下、その好適なプラズマ条件が制約を受けることが判明した。
特許文献３のプラズマドーピングにおいて、図８に示すように、ドーパントは主として、プラズマ中の電子衝突解離によってドーパントガス（例えばＢ2 Ｈ6 ）から分解して生じたラジカル（例えばＢx Ｈy （ｘ≦１、ｙ≦５）であり、これらのラジカルが被ドーピング材（例えばフィン型半導体領域）表面にコンフォーマルに吸着する。さらに、被ドーピング材表面にラジカルが吸着した状態で、当該ラジカルに希釈ガス（例えばＨｅ）イオンが衝突することによって、又は、希釈ガスイオンの衝突により活性化された被ドーピング材表面にラジカルが吸着することによって、より効率的なドーピングが進行する。
すなわち、特許文献３のプラズマドーピングは、イオン照射に支援されたラジカル主体のドーピング機構（イオンアシストドーピング）と考えられる。このようなイオンアシストドーピングにおいては、基本的に、高効率なラジカル及びイオンの供給が肝要であるが、その好適な条件は、例えば図９に示すようなプロセスウィンドウを有する。
図９に示すように、（１）ガス（全ガス）圧力を増加させると、基本的にドーピング量も増加するが、イオンフラックス量（イオン供給量）も増加する。イオンフラックス量が過剰になると、スパッタ効果が無視できなくなり、その結果、被ドーピング材がエッチングされるエロージョン現象という弊害が生じる。従って、トランジスタのチャネル部へのダメージや、フィン型半導体領域に形成されたトランジスタ（以下、フィン型トランジスタと称する）等の３次元構造デバイスへの適用を考慮すると、イオンアシストドーピングにおけるイオンフラックス量を一定程度以下に抑える必要がある。加えて、イオンフラックス量が増えると、レジスト材料の架橋による硬化が進行し、レジスト材料の剥離が困難になるという問題も生じる。
また、図９に示すように、（２）全ガス圧力一定の下、ガス流量を低下させると、ドーピング量が低下して十分な抵抗低減効果が得られないという弊害が生じる。この場合、ガス流量の低下に伴ってガス滞在時間（＝［チャンバー体積］×［ガス圧力］÷［ガス流量］）が増加するだけなので、基本的にプラズマ中のイオンや電子への影響は小さい。このため、抵抗低減効果が得られないという問題は、ラジカル起因の問題と考えられる。すなわち、ガス滞在時間が増加した分だけ、解離反応が過剰に進行し、その結果、被ドーピング材表面でより反射しやすい低分子のラジカルが生成され、それによって、ドーパントの付着率が低下したものと推定される。
以上のことから、イオンアシストドーピングにおける好適な条件選択は、エロージョンを起こさない程度の上限を全ガス圧力に設けた状態で、ガス流量を増やし、ガス滞在時間を下げるというものになる。ところが、ガス流量を制御するマスフローコントローラの容量精度や装置排気速度の限界等から、実現できるガス滞在時間には下限が存在する。すなわち、イオンアシストドーピングを用いたプラズマドーピング方法における条件選択は、図９に示すようなプロセスウィンドウの制約を受けることになる。
ところが、次世代のトランジスタにおいて浅接合化や３次元構造化を実現するためには、より浅く、より濃く、より均一で、且つよりコンフォーマルなドーピングを実現する必要がある一方、このようなドーピングの実現において、前述のプロセスウィンドウの存在は大きな制約条件となりうる。
そこで、本願発明者らは、イオン照射に支援されたラジカル主体のドーピング機構（つまりイオンアシストドーピング）を前提とし、（１）過剰イオンフラックスに起因するエロージョン現象やレジスト硬化現象等の防止、及び／又は、（２）過剰解離に起因するドーパントの付着率低下の防止を目的として、以下のような発明を着想した。
すなわち、本発明は、ドーパントとなる不純物を含むガス（希釈ガスによって希釈されていてもよい）からなるプラズマを用いたプラズマドーピング方法を前提とし、（１）被ドーピング材に供給するバイアス電力、及び／又は、（２）プラズマ発生用電力をパルス状に供給することを特徴とする。
本発明によると、イオン照射に支援されたラジカル主体のドーピング機構（つまりイオンアシストドーピング）において、（１）イオンフラックスの過剰供給を抑制すること、及び／又は、（２）ドーパントの過剰解離を抑制することが可能となる。このため、（１) 被ドーピング材のエロージョンやレジストの硬化の防止、及び／又は、（２）ドーパント（主としてラジカル）の付着率（ひいてはドーパント量やコンフォーマリティ）の低下の防止が可能となる。その結果、（１）ガス圧力、及び／又は、（２）ガス滞在時間の観点から、条件選択のプロセスウィンドウを拡大することができる。
具体的には、本発明に係る第１のプラズマドーピング方法は、チャンバーと、前記チャンバー内に設けられ且つ被処理基板を保持する試料台と、ドーパントとなる不純物を含むガスを前記チャンバー内に供給するガス供給手段と、第１の高周波電力を供給して前記ガスからなるプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、第２の高周波電力を供給して前記試料台にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段とを備えたプラズマドーピング装置を用いて、前記被処理基板に前記不純物を導入するプラズマドーピング方法であって、前記第１の高周波電力を間欠的に供給するか、又は前記第１の高周波電力として高レベル及び低レベルの高周波電力を交互に繰り返し供給する。
本発明に係る第１のプラズマドーピング方法において、第１の高周波電力（プラズマ発生用高周波電力）及び第２の高周波電力（バイアス用高周波電力）としては、１００ｋＨｚ程度〜１００ＭＨｚ程度の高周波電力、例えば１３．５６ＭＨｚの商用正弦波を持つ高周波電力を用いることができるが、これに限定されるものではない。
本発明に係る第１のプラズマドーピング方法において、前記第１の高周波電力の変調周期は、前記プラズマの両極性拡散時間よりも長く且つ前記チャンバー内における前記ガスのガス滞在時間よりも短くてもよい。第１の高周波電力の変調周期がプラズマの両極性拡散時間よりも長いと、特に、第１の高周波電力の変調周期がプラズマの両極性拡散時間を実質的に無視できる程度の時間であると、電子密度又はイオン密度の立ち上がり時間又は立ち下がり時間の影響を排除することができる。また、第１の高周波電力の変調周期がガス滞在時間よりも短いと、ラジカルの過剰解離を抑制する効果を確実に得ることができる。尚、現行のプラズマ発生装置の動作を考慮すると、このような条件を満足する第１の高周波電力の変調周期は実質的に１０ｍｓｅｃ程度以上で且つ１００ｍｓｅｃ程度以下となる。
本発明に係る第１のプラズマドーピング方法において、第１の高周波電力のパルス変調方式については、ＯＮ／ＯＦＦ変調の他、高／低レベルの変調を用いることが可能であと共に、第１の高周波電力の各種パラメータ、例えばデューティ比等も広範囲に設定することが可能である。但し、現実的には、第１の高周波電力のデューティ比（ＯＮ／ＯＦＦ変調の場合には「ＯＮ時間／変調周期」、高／低レベルの変調の場合には「高レベル時間／変調周期」）は０．１以上で且つ０．９以下である。
本発明に係る第１のプラズマドーピング方法において、前記第２の高周波電力を間欠的に供給するか、又は前記第２の高周波電力として高レベル及び低レベルの高周波電力を交互に繰り返し供給してもよい。すなわち、第２の高周波電力（バイアス用高周波電力）をパルス状に供給してもよい。この場合、前記第１の高周波電力の周波数は、前記第２の高周波電力の周波数よりも大きいと、特に、第２の高周波電力（バイアス用高周波電力）として、第１の高周波電力（プラズマ発生用高周波電力）よりもやや周波数の低い高周波電力を用いると、さらなるコンフォーマリティ向上効果を得ることができる。また、前記第１の高周波電力及び前記第２の高周波電力のそれぞれの変調に位相差を設けてもよい。
本発明に係る第１のプラズマドーピング方法において、前記ガスは、ＢＦ3 、Ｂ2 Ｈ6 、Ｂ10Ｈ14、ＡｓＨ3 、ＡｓＦ5 、ＰＨ3 及びＰＦ3 等のうちの少なくとも１つを含んでいてもよい。
本発明に係る第１のプラズマドーピング方法において、前記ガスは希釈ガスを含んでいてもよい。この場合、前記希釈ガスは、エロージョン防止の観点から、原子量が小さいガス、例えばＨｅ、Ｈ2 等であってもよい。
また、本発明に係る第２のプラズマドーピング方法は、チャンバーと、前記チャンバー内に設けられ且つ被処理基板を保持する試料台と、ドーパントとなる不純物を含むガスを前記チャンバー内に供給するガス供給手段と、前記ガスからなるプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、高周波電力を供給して前記試料台にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段とを備えたプラズマドーピング装置を用いて、前記被処理基板に前記不純物を導入するプラズマドーピング方法であって、前記高周波電力を間欠的に供給するか、又は前記高周波電力として高レベル及び低レベルの高周波電力を交互に繰り返し供給する。
本発明に係る第２のプラズマドーピング方法において、高周波電力（バイアス用高周波電力）としては、１００ｋＨｚ程度〜１００ＭＨｚ程度の高周波電力、例えば１３．５６ＭＨｚの商用正弦波を持つ高周波電力を用いることができるが、これに限定されるものではない。
本発明に係る第２のプラズマドーピング方法において、前記プラズマ発生手段は、高周波電源又はＤＣパルス電源であってもよい。
本発明に係る第２のプラズマドーピング方法において、前記ガス（つまりドーパントガス）は、ＢＦ3 、Ｂ2 Ｈ6 、Ｂ10Ｈ14、ＡｓＨ3 、ＡｓＦ5 、ＰＨ3 及びＰＦ3 のうちの少なくとも１つを含んでいてもよい。
本発明に係る第２のプラズマドーピング方法において、前記ガスは希釈ガスを含んでいてもよい。この場合、前記希釈ガスは、エロージョン防止の観点から、原子量が小さいガス、例えばＨｅ、Ｈ2 等であってもよい。
本発明によると、イオン照射に支援されたラジカル主体のドーピングを行うことができると共に、当該ドーピングにおいてイオンフラックスの過剰供給及び／又はドーパントの過剰解離を抑制することができる。このため、被ドーピング材のエロージョンやレジストの硬化の防止、及び／又はドーパントの付着率の低下の防止が可能となるので、高濃度で且つコンフォーマルなドーピングを実現することができる。従って、例えば、次世代トランジスタのスケーリングのための浅接合化及び３次元構造化等を実現することが可能となる。
図１は、第１の実施形態に係るプラズマドーピング方法に用いるプラズマ処理装置の概略構造を示す図である。 図２（ａ）〜（ｇ）は、第１の実施形態に係るプラズマドーピング方法におけるプラズマ発生用高周波電力のパルス変調を説明する図である。 図３は、第１の実施形態に係るプラズマドーピング方法におけるプロセスウィンドウを示す図である。 図４は、第２の実施形態に係るプラズマドーピング方法に用いるプラズマ処理装置の概略構造を示す図である。 図５（ａ）〜（ｇ）は、第２の実施形態に係るプラズマドーピング方法におけるバイアス用高周波電力のパルス変調を説明する図である。 図６は、第１又は第２の実施形態の変形例に係るプラズマドーピング方法に用いるプラズマ処理装置の概略構造を示す図である。 図７（ａ）〜（ｉ）は、第１又は第２の実施形態の変形例に係るプラズマドーピング方法におけるプラズマ発生用高周波電力及びバイアス用高周波電力のそれぞれのパルス変調を説明する図である。 図８は、フィン型半導体領域に対するプラズマドーピングを模式的に示す図である。 図９は、従来のプラズマドーピング方法におけるプロセスウィンドウを示す図である。
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係るプラズマドーピング方法について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係るプラズマドーピング方法に用いるプラズマ処理装置の概略構造を示す図である。図１に示すように、反応チャンバー１には、ドーパントとなる不純物を含むガスを供給するガス導入路２、及びガス排出路１４がそれぞれ接続されている。ガス導入路２には、ドーパントガス供給装置１２及び希釈ガス供給装置１３が接続されている。反応チャンバー１の天井部の上には上部電極３が設けられている。上部電極３にはマッチング回路４を介してプラズマ発生用高周波電源５が接続されている。反応チャンバー１の内部には、例えば被処理基板等の被ドーピング材７を保持する下部電極（試料台）８が設けられている。下部電極８にはマッチング回路９を介してバイアス発生用高周波電源１０が接続されている。
さらに、図１に示すプラズマ処理装置においては、プラズマ発生用高周波電源５にパルス発生器１１が接続されている。
図１に示すプラズマ処理装置を用いた本実施形態のプラズマドーピング方法においては、まず、ドーパントガス供給装置１２からはドーパントガス（例えばｎ型不純物のドーピングの場合にはＡｓＨ3 ）を、希釈ガス供給装置１３からは希釈ガス（例えばＨｅ）をそれぞれガス導入口２を経由して反応チャンバー１に供給する。ここで、希釈ガスによって希釈されたドーパントガス（つまり混合ガス）において、ＡｓＨ3 の体積濃度は例えば０．０５％であり、Ｈｅの体積濃度は例えば９９．９５％である。ここで、上部電極３にマッチング回路４を経由してプラズマ発生用高周波電源５からプラズマ発生用高周波電力を供給すると、前述の混合ガスからなるプラズマ６が発生する。また、下部電極８つまり被ドーピング材７にマッチング回路９を経由してバイアス発生用高周波電源１０からバイアス用高周波電力を供給すると、電力量に応じた所望のエネルギーでプラズマ６中のイオンを被ドーピング材７の表面に供給することができる。
以上のように生成されたプラズマ６においては、ドーパントガス（ＡｓＨ3 ）は電子衝突によってほぼ１００％解離するため、ドーパントガスの大部分はラジカルの状態で被ドーピング材７の表面に供給される。従って、プラズマ６中の主たるイオンは希釈ガス（Ｈｅ）イオンから構成される。
本実施形態においてドーピングが効率的に進むためには、ドーパント・ラジカルが多数供給されることと、適度なイオン照射の支援を受けることとが必要である。このようなドーピングを実現するために、全ガス圧力をある程度の高さに保ちながら、ガス流量を低下させると、ドーパント量が低下し、被ドーピング材７に形成される不純物層のシート抵抗が増大してしまう。これは、ラジカル起因の現象と考えられている。具体的には、ガス流量を低下させてガス滞在時間が増加した分だけ、ドーパントガスの解離反応が過剰に進行し、より低分子のラジカル（つまり被ドーピング材７に付着しにくいラジカル）が多数生成され、その結果、ドーパントの付着率が低下したものと考えられる。
それに対して、ガス滞在時間を減少させるためには、ガス排気速度を増大させればよいものの、これには装置限界があるので、全ガス圧力が高いほど、実現可能なガス滞在時間の下限（最小値）は大きくなってしまう。すなわち、イオン及びラジカルを高効率に供給するために、全ガス圧力を高く設定したとしても、ガス滞在時間が長くなると、ドーパントの付着率、又は付着性ドーパント・ラジカル数が相対的に低下する懸念がある。
そこで、本実施形態では、ガス圧力及びガス滞在時間を変化させなくても、イオンフラックス量に対する付着性ドーパント・ラジカル数の増減を制御できるようにするために、パルス発生器１１を用いて、プラズマ発生用高周波電源５から供給されるプラズマ発生用電力に対してパルス変調制御を行う。
図２（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、プラズマ発生用高周波電源５及びバイアス発生用高周波電源１０から供給されるプラズマ発生用高周波電力及びバイアス用高周波電力のそれぞれの波形（ＣＷ（連続波））の一例を示している。
本実施形態では、パルス発生器１１からプラズマ発生用高周波電源５に、例えば図２（ｃ）に示す波形を持つＤＣ（直流）パルスを送ることによって、プラズマ発生高周波電力を、例えば図２（ｄ）に示すようにパルス変調させる。このとき、電子密度及びイオン電流密度のそれぞれの時間変化は、例えば図２（ｅ）及び（ｇ）に示すように、基本的にはプラズマ発生用高周波電力の時間変化に連動するが、両極性拡散時間に関連したμ（マイクロ）秒オーダーの立ち上がり時間成分及び立ち下がり時間成分を有する。
一方、被ドーピング材に供給される付着性ドーパント・ラジカル数（つまり付着性ラジカル密度）は、実質的にガス滞在時間を上限とするｍ（ミリ）秒オーダーの寿命を有するため、例えば図２（ｆ）に示すように時間的に一定となる。
尚、プラズマ発生高周波電力をパルス変調させた時の実効的な解離反応時間は、ＯＮ／ＯＦＦ変調時を例にとると、［ガス滞在時間］×［デューティ比］で決まると考えられるので、プラズマ発生高周波電力をパルス変調させない時（連続波（ＣＷ））と比較して減少する。従って、プラズマ発生高周波電力をパルス変調させた時の付着性ドーパント・ラジカル数は、プラズマ発生高周波電力をパルス変調させない時（ＣＷ））と比較して増大する（図２（ｆ）参照）。一方、プラズマ発生高周波電力をパルス変調させた時のイオン電流密度つまりイオンフラックス量については、ＯＮ／ＯＦＦ変調時を例にとると、プラズマ発生高周波電力をパルス変調させない時（ＣＷ））と比較してデューティ比分だけ減少する。従って、イオンフラックス量に対して付着性ドーパント・ラジカル数を相対的に増大させることができる。
以上のように、第１の実施形態によると、全ガス圧力を増大させる一方、装置の排気速度限界のためにガス滞在時間を小さく抑えられない場合でも、プラズマ発生用高周波電力のパルス変調制御を行うことにより、次のような効果を得ることができる。すなわち、イオンフラックス量を抑制して、被ドーピング材のエロージョンやレジストの硬化を防止することができる。また、ドーパント・ラジカルの過剰解離を抑制して、付着性ドーパント・ラジカル数を増大させることができる。言い換えると、ドーパント・ラジカルの付着率（ひいてはドーパント量やコンフォマリティ）の低下を防ぐことができる。
従って、第１の実施形態によると、適度に抑制されたイオン照射により支援されたラジカル主体の高効率なドーピングを行うことが可能となる。また、ガス圧力、及び／又は、ガス滞在時間の観点から、図９に示すような従来のプロセスウィンドウと比較して、図３に示すように、条件選択のプロセスウィンドウを拡大することができる。
尚、第１の実施形態において、パルス変調として、図２（ｃ）に示すような高レベル／低レベル変調を例としたが、これに代えて、ＯＮ／ＯＦＦ変調を用いてもよい。
また、第１の実施形態において、プラズマ発生用高周波電力の変調周期（例えば図２（ｄ）に示す波形の場合には［Ｈｉｇｈ時間］＋［Ｌｏｗ時間］）は、プラズマの両極性拡散時間よりも長く且つチャンバー内のガス滞在時間よりも短いことが好ましい。プラズマ発生用高周波電力の変調周期がプラズマの両極性拡散時間よりも長いと、特に、プラズマ発生用高周波電力の変調周期がプラズマの両極性拡散時間を実質的に無視できる程度の時間であると、電子密度又はイオン密度の立ち上がり時間又は立ち下がり時間の影響を排除することができる。また、プラズマ発生用高周波電力の変調周期がガス滞在時間よりも短いと、ラジカルの過剰解離を抑制する効果を確実に得ることができる。尚、現行のプラズマ発生装置の動作を考慮すると、このような条件を満足するプラズマ発生用高周波電力の変調周期は実質的に１０μ（マイクロ）秒程度以上で且つ１００ｍ（ミリ）秒程度以下となる。
例えば、ガス流量Ｆが５００ｃｍ3 ／分（標準状態）（但し１ａｔｍ＝１０１３２５Ｐａ）、ガス圧力Ｐが０．５Ｐａ、チャンバー容積Ｖが１０１３２５ｃｍ3 とすると、ガス滞在時間τr は、τr ＝Ｖ／（（Ｆ／Ｐ）×（１０１３２５／６０））＝０．０６０秒（６０ｍ秒）と計算される。
また、希釈ガスがＨｅである場合、Ｈｅの両極性拡散係数ＤａＰが５６０（ｃｍ2 ／秒）Ｔｏｒｒ（但し１Ｔｏｒｒ＝１３３．３２２Ｐａ）、電極間距離Ｌが１０ｃｍ、ガス圧力Ｐが０．５Ｐａとすると、両極性拡散時間τs は、τs ＝（Ｌ2 ／π2 ）×（Ｐ／ＤａＰ）＝（１０2 ／π2 ）×（０．５／（５６０×１３３．３２２））＝０．００００６８秒（６８μ秒）と計算される。
また、第１の実施形態において、プラズマ発生用高周波電力の各種パラメータ、例えばデューティ比等については広範囲に設定することが可能である。但し、現実的には、プラズマ発生用高周波電力のデューティ比（ＯＮ／ＯＦＦ変調の場合には「ＯＮ時間／変調周期」、高／低レベルの変調の場合には「高レベル時間／変調周期」）は０．１以上で且つ０．９以下である。
また、第１の実施形態において、ドーパントガスとして、ＡｓＨ3 を用いたが、これに限定されず、ＢＦ3 、Ｂ2 Ｈ6 、Ｂ10Ｈ14、ＡｓＨ3 、ＡｓＦ5 、ＰＨ3 及びＰＦ3 等のうちの少なくとも１つを用いてもよい。
また、第１の実施形態において、希釈ガスとして、Ｈｅを用いたが、これに代えて、他のガスを用いてもよい。但し、エロージョン防止の観点からは、希釈ガスとして、原子量が小さいガス、例えばＨｅ、Ｈ2 等を用いてもよい。
また、第１の実施形態において、図１に示すプラズマ処理装置を用いたが、チャンバーと、チャンバー内に設けられ且つ被ドーピング材を保持する試料台と、ドーパントとなる不純物を含むガスをチャンバー内に供給するガス供給手段と、プラズマ発生用高周波電力を供給して前記ガスからなるプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、バイアス用高周波電力を供給して試料台にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段とを少なくとも備えたプラズマ処理装置であれば、本実施形態で使用可能なプラズマ処理装置は特に限定されない。
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係るプラズマドーピング方法について、図面を参照しながら説明する。
図４は、本実施形態に係るプラズマドーピング方法に用いるプラズマ処理装置の概略構造を示す図である。図４に示すように、反応チャンバー１には、ドーパントとなる不純物を含むガスを供給するガス導入路２、及びガス排出路１４がそれぞれ接続されている。ガス導入路２には、ドーパントガス供給装置１２及び希釈ガス供給装置１３が接続されている。反応チャンバー１の天井部の上には上部電極３が設けられている。上部電極３にはマッチング回路４を介してプラズマ発生用高周波電源５が接続されている。反応チャンバー１の内部には、例えば被処理基板等の被ドーピング材７を保持する下部電極（試料台）８が設けられている。下部電極８にはマッチング回路９を介してバイアス発生用高周波電源１０が接続されている。
さらに、図４に示すプラズマ処理装置においては、バイアス発生用高周波電源１０にパルス発生器１１が接続されている。
図４に示すプラズマ処理装置を用いた本実施形態のプラズマドーピング方法においては、まず、ドーパントガス供給装置１２からはドーパントガス（例えばｐ型不純物のドーピングの場合にはＢ2 Ｈ6 ）を、希釈ガス供給装置１３からは希釈ガス（例えばＨｅ）をそれぞれガス導入口２を経由して反応チャンバー１に供給する。ここで、希釈ガスによって希釈されたドーパントガス（つまり混合ガス）において、Ｂ2 Ｈ6 の体積濃度は例えば０．０４％であり、Ｈｅの体積濃度は例えば９９．９６％である。ここで、上部電極３にマッチング回路４を経由してプラズマ発生用高周波電源５からプラズマ発生用高周波電力を供給すると、前述の混合ガスからなるプラズマ６が発生する。また、下部電極８つまり被ドーピング材７にマッチング回路９を経由してバイアス発生用高周波電源１０からバイアス用高周波電力を供給すると、電力量に応じた所望のエネルギーでプラズマ６中のイオンを被ドーピング材７の表面に供給することができる。
以上のように生成されたプラズマ６においては、ドーパントガス（Ｂ2 Ｈ6 ）は電子衝突によってほぼ１００％解離するため、ドーパントガスの大部分はラジカルの状態で被ドーピング材７の表面に供給される。従って、プラズマ６中の主たるイオンは希釈ガス（Ｈｅ）イオンから構成される。
本実施形態においてドーピングが効率的に進むためには、ドーパント・ラジカルが多数供給されることと、適度なイオン照射の支援を受けることとが必要である。ドーパント・ラジカル数を増やす単純な手段としては、全ガス圧力を高くすればよいが、その場合、電子密度及びガス滞在時間が増加するため、電子衝突解離が過剰に進んだ場合、付着率の低い低分子のラジカルが生成されやすくなる。その結果、単調に増加するイオンフラックス量と比較して、付着性ドーパント・ラジカル数は相対的に減少するので、ドーピング効率は実効的に低下する。また、イオンフラックス量が相対的に過剰になれば、被ドーピング材のエロージョンやレジストの硬化等の弊害が生じる。
そこで、本実施形態では、付着性ドーパント・ラジカル数に対してイオンフラックス量を独立に制御するために、パルス発生器１１を用いて、バイアス発生用高周波電源１０から供給されるバイアス用高周波電力に対してパルス変調制御を行う。
図５（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、プラズマ発生用高周波電源５及びバイアス発生用高周波電源１０から供給されるプラズマ発生用高周波電力及びバイアス用高周波電力のそれぞれの波形（ＣＷ（連続波））の一例を示している。
本実施形態では、パルス発生器１１からバイアス発生用高周波電源１０に、例えば図５（ｃ）に示す波形を持つＤＣ（直流）パルスを送ることにより、バイアス用高周波電力を、例えば図５（ｄ）に示すようにパルス変調させる。このとき、電子密度及び付着性ドーパント・ラジカル数（つまり付着性ラジカル密度）のそれぞれの時間変化は、例えば図５（ｅ）及び（ｆ）に示すように、基本的にプラズマ発生用高周波電力（連続波（ＣＷ））に連動するため、バイアス用高周波電力をパルス変調させない時（ＣＷ）と同様になる。
一方、被ドーピング材に供給されるイオンフラックス量、つまり図５（ｇ）に示すイオン電流密度やイオンエネルギーは、パルス変調されたバイアス用高周波電力のデューティ比及び／又は電力振幅比（パルス変調による電力振幅の倍率）の設定によって抑制することができる。
以上のように、第２の実施形態によると、例えば全ガス圧力を増大させることにより、イオンフラックスの影響が過剰になった条件下でも、バイアス用高周波電力のパルス変調制御を行うことにより、次のような効果を得ることができる。すなわち、バイアス用高周波電力のパルス変調制御により、イオンフラックス量を抑制して、被ドーピング材のエロージョンやレジストの硬化を防止することができる。従って、適度に抑制されたイオン照射により支援されたラジカル主体の高効率なドーピングを行うことが可能となる。また、少なくともガス圧力の観点から、条件選択のプロセスウィンドウを拡大することができる。
尚、第２の実施形態において、パルス変調として、図５（ｃ）に示すような高レベル／低レベル変調を例としたが、これに代えて、ＯＮ／ＯＦＦ変調を用いてもよい。
また、第２の実施形態において、バイアス用高周波電力の各種パラメータ、例えばデューティ比及び電力振幅比等については、被ドーピング材に供給されるイオンフラックス量の抑制の程度に応じて広範囲に設定することが可能である。
また、第２の実施形態において、ドーパントガスとして、Ｂ2 Ｈ6 を用いたが、これに限定されず、ＢＦ3 、Ｂ2 Ｈ6 、Ｂ10Ｈ14、ＡｓＨ3 、ＡｓＦ5 、ＰＨ3 及びＰＦ3 等のうちの少なくとも１つを用いてもよい。
また、第２の実施形態において、希釈ガスとして、Ｈｅを用いたが、これに代えて、他のガスを用いてもよい。但し、エロージョン防止の観点からは、希釈ガスとして、原子量が小さいガス、例えばＨｅ、Ｈ2 等を用いてもよい。
また、第２の実施形態において、図４に示すプラズマ処理装置を用いたが、チャンバーと、チャンバー内に設けられ且つ被ドーピング材を保持する試料台と、ドーパントとなる不純物を含むガスをチャンバー内に供給するガス供給手段と、前記ガスからなるプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、バイアス用高周波電力を供給して試料台にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段とを少なくとも備えたプラズマ処理装置であれば、本実施形態で使用可能なプラズマ処理装置は特に限定されない。例えば、本実施形態では、プラズマ発生手段として、プラズマ発生用高周波電源５を用いたが、これに代えて、ＤＣパルス電源等の他のプラズマ源を用いてもよい。
（第１又は第２の実施形態の変形例）
以下、本発明の第１又は第２の実施形態の変形例に係るプラズマドーピング方法について、図面を参照しながら説明する。第１の実施形態ではプラズマ発生用高周波電力をパルス状に供給し、第２の実施形態ではバイアス用高周波電力をパルス状に供給したが、本変形例ではプラズマ発生用高周波電力及びバイアス用高周波電力の両方をパルス状に供給する。
図６は、本変形例に係るプラズマドーピング方法に用いるプラズマ処理装置の概略構造を示す図である。図６において、図１に示す第１の実施形態又は図４に示す第２の実施形態で用いたプラズマ処理装置と同じ構成要素については同じ符号を付している。
図６に示すように、本変形例で使用するプラズマ処理装置においては、プラズマ発生用高周波電源５及びバイアス発生用高周波電源１０のそれぞれにパルス発生器１１が接続されている。ここで、プラズマ発生用高周波電源５及びバイアス発生用高周波電源１０に個別にパルス発生器を接続してもよい。
本変形例では、パルス発生器１１を用いて、プラズマ発生用高周波電源５から供給されるプラズマ発生用電力に対してパルス変調制御を行うと共に、パルス発生器１１を用いて、バイアス発生用高周波電源１０から供給されるバイアス用高周波電力に対してパルス変調制御を行う。
図７（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、プラズマ発生用高周波電源５及びバイアス発生用高周波電源１０から供給されるプラズマ発生用高周波電力及びバイアス用高周波電力のそれぞれの波形（ＣＷ（連続波））の一例を示している。
本変形例では、パルス発生器１１からプラズマ発生用高周波電源５に、例えば図７（ｃ）に示す波形を持つＤＣ（直流）パルスを送ることによって、プラズマ発生高周波電力を、例えば図７（ｅ）に示すようにパルス変調させる。このとき、電子密度及びイオン電流密度のそれぞれの時間変化は、例えば図７（ｇ）及び（ｉ）に示すように、基本的にはプラズマ発生用高周波電力の時間変化に連動するが、両極性拡散時間に関連したμ（マイクロ）秒オーダーの立ち上がり時間成分及び立ち下がり時間成分を有する。一方、被ドーピング材に供給される付着性ドーパント・ラジカル数（つまり付着性ラジカル密度）は、実質的にガス滞在時間を上限とするｍ（ミリ）秒オーダーの寿命を有するため、例えば図７（ｈ）に示すように時間的に一定となる。
尚、プラズマ発生高周波電力をパルス変調させた時の実効的な解離反応時間は、ＯＮ／ＯＦＦ変調時を例にとると、［ガス滞在時間］×［デューティ比］で決まると考えられるので、プラズマ発生高周波電力をパルス変調させない時（連続波（ＣＷ））と比較して減少する。従って、プラズマ発生高周波電力をパルス変調させた時の付着性ドーパント・ラジカル数は、プラズマ発生高周波電力をパルス変調させない時（ＣＷ））と比較して増大する（図７（ｈ）参照）。一方、プラズマ発生高周波電力をパルス変調させた時のイオン電流密度つまりイオンフラックス量については、ＯＮ／ＯＦＦ変調時を例にとると、プラズマ発生高周波電力をパルス変調させない時（ＣＷ））と比較してデューティ比分だけ減少する。従って、イオンフラックス量に対して付着性ドーパント・ラジカル数を相対的に増大させることができる。
また、本変形例では、パルス発生器１１からバイアス発生用高周波電源１０に、例えば図７（ｄ）に示す波形を持つＤＣ（直流）パルスを送ることにより、バイアス用高周波電力を、例えば図７（ｆ）に示すようにパルス変調させる。このとき、被ドーピング材に供給されるイオンフラックス量、つまり図７（ｉ）に示すイオン電流密度やイオンエネルギーは、パルス変調されたバイアス用高周波電力のデューティ比及び／又は電力振幅比の設定によって抑制することができる。
以上に説明したように、本変形例によると、第１の実施形態及び第２の実施形態を組み合わせた効果を得ることができる。すなわち、イオンフラックス量を抑制して、被ドーピング材のエロージョンやレジストの硬化を防止することができる。また、ドーパント・ラジカルの過剰解離を抑制して、付着性ドーパント・ラジカル数を増大させることができる。言い換えると、ドーパント・ラジカルの付着率（ひいてはドーパント量やコンフォマリティ）の低下を防ぐことができる。
従って、本変形例によると、適度に抑制されたイオン照射により支援されたラジカル主体の高効率なドーピングを行うことが可能となる。また、ガス圧力、及び／又は、ガス滞在時間の観点から、条件選択のプロセスウィンドウを拡大することができる。
また、本変形例によると、例えば図７（ｅ）及び（ｆ）に示すように、プラズマ発生高周波電力及びバイアス用高周波電力のそれぞれのパルス変調に位相差（つまり遅延時間）を設けることも可能である。このようにすると、付着性ドーパント・ラジカル数を時間的に一定に保ちながら、例えば図７（ｉ）に示すように、イオンエネルギーやイオンフラックス量を前記位相差によって制御することができる。
さらに、本変形例によると、プラズマ発生用高周波電力の周波数をバイアス用高周波電力の周波数よりも大きくすることによって、特に、バイアス用高周波電力として、プラズマ発生用高周波電力よりもやや周波数の低い高周波電力を用いると、さらなるコンフォーマリティ向上効果を得ることができる。
尚、本変形例において、プラズマ発生用高周波電力のパルス変調として、図７（ｃ）に示すような高レベル／低レベル変調を例としたが、これに代えて、ＯＮ／ＯＦＦ変調を用いてもよい。
また、本変形例において、バイアス用高周波電力のパルス変調として、図７（ｄ）に示すような高レベル／低レベル変調を例としたが、これに代えて、ＯＮ／ＯＦＦ変調を用いてもよい。
また、本変形例において、プラズマ発生用高周波電力の変調周期（例えば図７（ｃ）に示すパルス変調の場合には［Ｈｉｇｈ時間］＋［Ｌｏｗ時間］）は、プラズマの両極性拡散時間よりも長く且つチャンバー内のガス滞在時間よりも短いことが好ましい。プラズマ発生用高周波電力の変調周期がプラズマの両極性拡散時間よりも長いと、特に、プラズマ発生用高周波電力の変調周期がプラズマの両極性拡散時間を実質的に無視できる程度の時間であると、電子密度又はイオン密度の立ち上がり時間又は立ち下がり時間の影響を排除することができる。また、プラズマ発生用高周波電力の変調周期がガス滞在時間よりも短いと、ラジカルの過剰解離を抑制する効果を確実に得ることができる。尚、現行のプラズマ発生装置の動作を考慮すると、このような条件を満足するプラズマ発生用高周波電力の変調周期は実質的に１０μ（マイクロ）秒程度以上で且つ１００ｍ（ミリ）秒程度以下となる。
また、本変形例において、プラズマ発生用高周波電力の各種パラメータ、例えばデューティ比等については広範囲に設定することが可能である。但し、現実的には、プラズマ発生用高周波電力のデューティ比（ＯＮ／ＯＦＦ変調の場合には「ＯＮ時間／変調周期」、高／低レベルの変調の場合には「高レベル時間／変調周期」）は０．１以上で且つ０．９以下である。
また、本変形例において、バイアス用高周波電力の各種パラメータ、例えばデューティ比及び電力振幅比等については、被ドーピング材に供給されるイオンフラックス量の抑制の程度に応じて広範囲に設定することが可能である。
また、本変形例において、ドーパントガスとしては、例えば、ＢＦ3 、Ｂ2 Ｈ6 、Ｂ10Ｈ14、ＡｓＨ3 、ＡｓＦ5 、ＰＨ3 及びＰＦ3 等のうちの少なくとも１つを用いてもよい。
また、本変形例において、希釈ガスの種類は特に限定されないが、エロージョン防止の観点から、希釈ガスとして、原子量が小さいガス、例えばＨｅ、Ｈ2 等を用いてもよい。
また、本変形例において、図６に示すプラズマ処理装置を用いたが、チャンバーと、チャンバー内に設けられ且つ被ドーピング材を保持する試料台と、ドーパントとなる不純物を含むガスをチャンバー内に供給するガス供給手段と、プラズマ発生用高周波電力を供給して前記ガスからなるプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、バイアス用高周波電力を供給して試料台にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段とを少なくとも備えたプラズマ処理装置であれば、本変形例で使用可能なプラズマ処理装置は特に限定されるものではない。
本発明は、高周波放電を用いたプラズマ処理方法、特に、固体表面部等に不純物をプラズマドーピングする方法に関し、被ドーピング材のエロージョンやレジスト材料の硬化を防止しつつ、高濃度且つコンフォーマルなプラズマドーピングを実現することができる。従って、本発明によって、例えば、次世代トランジスタのスケーリングのための浅接合化及び３次元構造化等を実現することが可能となる。
１ 反応チャンバー
２ ガス導入路
３ 上部電極
４ マッチング回路
５ プラズマ発生用高周波電源
６ プラズマ
７ 被ドーピング材
８ 下部電極
９ マッチング回路
１０ バイアス発生用高周波電源
１１ パルス発生器
１２ ドーパントガス供給装置
１３ 希釈ガス供給装置
１４ ガス排出路

Claims (20)

  1. チャンバーと、前記チャンバー内に設けられ且つ被処理基板を保持する試料台と、ドーパントとなる不純物を含むガスを前記チャンバー内に供給するガス供給手段と、第１の高周波電力を供給して前記ガスからなるプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、第２の高周波電力を供給して前記試料台にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段とを備えたプラズマドーピング装置を用いて、前記被処理基板に前記不純物を導入するプラズマドーピング方法であって、
    前記第１の高周波電力を間欠的に供給し、
    前記第１の高周波電力の変調周期は、前記プラズマの両極性拡散時間よりも長く且つ前記チャンバー内における前記ガスのガス滞在時間よりも短いことを特徴とするプラズマドーピング方法。
  2. 請求項１に記載のプラズマドーピング方法において、
    前記第１の高周波電力の変調周期は、１０μ秒以上で且つ１００ｍ秒以下であることを特徴とするプラズマドーピング方法。
  3. 請求項１又は２に記載のプラズマドーピング方法において、
    前記第１の高周波電力のデューティ比は、０．１以上で且つ０．９以下であることを特徴とするプラズマドーピング方法。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマドーピング方法において、
    前記第２の高周波電力を間欠的に供給するか、又は前記第２の高周波電力として高レベル及び低レベルの高周波電力を交互に繰り返し供給することを特徴とするプラズマドーピング方法。
  5. 請求項４に記載のプラズマドーピング方法において、
    前記第１の高周波電力の周波数は、前記第２の高周波電力の周波数よりも大きいことを特徴とするプラズマドーピング方法。
  6. 請求項４又は５に記載のプラズマドーピング方法において、
    前記第１の高周波電力及び前記第２の高周波電力のそれぞれの変調に位相差を設けることを特徴とするプラズマドーピング方法。
  7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のプラズマドーピング方法において、
    前記ガスは、ＢＦ3 、Ｂ2 Ｈ6 、Ｂ10Ｈ14、ＡｓＨ3 、ＡｓＦ5 、ＰＨ3 及びＰＦ3 のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とするプラズマドーピング方法。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のプラズマドーピング方法において、
    前記ガスは希釈ガスを含むことを特徴とするプラズマドーピング方法。
  9. 請求項８に記載のプラズマドーピング方法において、
    前記希釈ガスはＨｅであることを特徴とするプラズマドーピング方法。
  10. チャンバーと、前記チャンバー内に設けられ且つ被処理基板を保持する試料台と、ドーパントとなる不純物を含むガスを前記チャンバー内に供給するガス供給手段と、前記ガスからなるプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、高周波電力を供給して前記試料台にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段とを備えたプラズマドーピング装置を用いて、前記被処理基板に前記不純物を導入するプラズマドーピング方法であって、
    前記高周波電力として高レベル及び低レベルの高周波電力を交互に繰り返し供給することを特徴とするプラズマドーピング方法。
  11. 請求項１０に記載のプラズマドーピング方法において、
    前記プラズマ発生手段は、高周波電源又はＤＣパルス電源であることを特徴とするプラズマドーピング方法。
  12. 請求項１０又は１１に記載のプラズマドーピング方法において、
    前記ガスは、ＢＦ3 、Ｂ2 Ｈ6 、Ｂ10Ｈ14、ＡｓＨ3 、ＡｓＦ5 、ＰＨ3 及びＰＦ3 のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とするプラズマドーピング方法。
  13. 請求項１０〜１２のいずれか１項に記載のプラズマドーピング方法において、
    前記ガスは希釈ガスを含むことを特徴とするプラズマドーピング方法。
  14. 請求項１３に記載のプラズマドーピング方法において、
    前記希釈ガスはＨｅであることを特徴とするプラズマドーピング方法。
  15. チャンバーと、前記チャンバー内に設けられ且つ被処理基板を保持する試料台と、ドーパントとなる不純物を含むガスを前記チャンバー内に供給するガス供給手段と、第１の高周波電力を供給して前記ガスからなるプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、第２の高周波電力を供給して前記試料台にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段とを備えたプラズマドーピング装置を用いて、前記被処理基板に前記不純物を導入するプラズマドーピング方法であって、
    前記第１の高周波電力として高レベル及び低レベルの高周波電力を交互に繰り返し供給することを特徴とするプラズマドーピング方法。
  16. 請求項１５に記載のプラズマドーピング方法において、
    前記第２の高周波電力を間欠的に供給することを特徴とするプラズマドーピング方法。
  17. 請求項１５に記載のプラズマドーピング方法において、
    前記第２の高周波電力として高レベル及び低レベルの高周波電力を交互に繰り返し供給することを特徴とするプラズマドーピング方法。
  18. 請求項１５〜１７のいずれか１項に記載のプラズマドーピング方法において、
    前記ガスは、ＢＦ 3 、Ｂ 2 Ｈ 6 、Ｂ 10 Ｈ 14 、ＡｓＨ 3 、ＡｓＦ 5 、ＰＨ 3 及びＰＦ 3 のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とするプラズマドーピング方法。
  19. 請求項１５〜１８のいずれか１項に記載のプラズマドーピング方法において、
    前記ガスは希釈ガスを含むことを特徴とするプラズマドーピング方法。
  20. 請求項１９に記載のプラズマドーピング方法において、
    前記希釈ガスはＨｅであることを特徴とするプラズマドーピング方法。
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