JP5424299B2 - イオン注入装置、イオン注入方法、及び半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、イオン注入装置およびイオン注入方法に関し、特にＩＣ、ＬＳＩ等の半導体装置の製造に用いられるイオン注入装置およびイオン注入方法に関する。また本発明は、ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体装置、特に、ＳＯＩ基板に形成されるＭＯＳトランジスタに関するものである。

プラズマイオン注入は、非特許文献１に示すとおり、注入したい原子を含むガスによりプラズマを発生させ、処理されるべき処理基板に負の電圧をかけることにより、正イオンをシース中で加速させて処理基板にイオン注入を行う技術である。

従来のイオンビームを用いたイオン注入法に比べて、プラズマイオン注入は、低コストであり、かつ、１０ｋｅＶ以下の低エネルギーのイオンを大量に生成することができる為、ＭＯＳトランジスタにおける浅いソース・ドレイン層を形成する際に有利である。

J. R. Conrad, "Sheath thickness and potential profiles of ion-matrix sheaths for cylindrical and spherical electrodes", J. Appl. Phys. vol.62, (1987) pp.777-779

上記非特許文献で開示されたプラズマイオン注入においては、処理基板を保持する保持台内に設けられた電極に、通常数十μｓの負の高電圧ＤＣパルスを印加し、ＤＣパルス印加直後に過渡的に処理基板表面に発生する電界により、イオンを加速して処理基板に打ち込む。

しかしながら、本方式では過渡現象を用いるため、処理基板の導電率や誘電率に依存して過渡現象の時定数が変化してしまい、イオンの加速エネルギーを精密に制御することが困難であった。このことにより、イオンの注入分布を制御することも困難であった。特に、ＭＯＳトランジスタ製造工程において、ソース・ドレインの浅い接合を作るには、注入した不純物イオンの拡散を抑える必要が有り、６００℃以下の低温での活性化アニールが必要である。すなわち高温アニールでの拡散による注入分布均一化効果は用いることができず、精密に注入分布を制御できるイオン注入方法が必要である。

本発明の第１の態様によれば、減圧可能な処理室と、該処理室内にプラズマを励起するプラズマ励起手段と、前記処理室内に設けられ処理基板を保持する保持台と、前記保持台にＲＦ電力を印加して処理基板表面にセルフバイアス電圧を発生させ、前記プラズマ内の正イオンを加速して処理基板へ打ち込むイオン注入装置であり、
前記ＲＦ電力の周波数が４ＭＨｚ以上であり、かつＲＦ電力をパルスで印加することで、複数回に分けてイオン注入を行うことを特徴とするイオン注入装置が得られる。

本発明の第２の態様によれば、前記プラズマ励起手段が、１００ＭＨｚから３ＧＨｚの範囲から選ばれる周波数をもつ電磁波を金属表面波として前記処理室内へ伝搬させる手段と前記処理室内にプラズマ励起用ガスを導入する手段とを有することを特徴とする第１の態様に記載のイオン注入装置が得られる。

本発明の第３の態様によれば、前記保持台に静電チャック機能を有し、前記静電チャック機能により前記保持台と前記処理基板との間の空間にガスを充填し、イオン注入時に、前記ガスの充填圧力を前記処理室内の圧力より高い圧力に設定することを特徴とし、
前記保持台の周辺に、前記空間から漏れた前記ガスをプラズマ励起領域へ侵入させないための遮蔽プレートが設けられていることを特徴とする、第１または２の態様に記載のイオン注入装置が得られる。

本発明の第４の態様によれば、第１から３の態様のいずれかに記載のイオン注入装置を用いてイオン注入を行うイオン注入方法が得られる。

本発明の第５の態様によれば、保持台に印加する前記ＲＦ電力を変化させることにより、少なくとも複数のセルフバイアス電圧によりイオン注入を行うことを特徴とする第４の態様に記載のイオン注入方法が得られる。

本発明の第６の態様によれば、処理基板表面がシリコンを含む半導体結晶からなり、少なくとも第１のセルフバイアス電圧により、半導体結晶をアモルファス化しながらイオン注入を行う工程と、第２のセルフバイアス電圧により半導体結晶の最表面のイオン注入密度を少なくとも１×１０²⁰ｃｍ^-3以上にする工程とを含むことを特徴とする第５の態様に記載のイオン注入方法が得られる。

本発明の第７の態様によれば、プラズマ励起ガスが、注入原子のフッ化物のガスであることを特徴とする第４から６の態様のいずれかに記載のイオン注入方法が得られる。

本発明の第８の態様によれば、プラズマ励起ガスが、ＢＦ₃、ＰＦ₃、ＡｓＦ₃より選ばれるガスであることを特徴とする第４から７の態様のいずれかに記載のイオン注入方法が得られる。

本発明の第９の態様によれば、第１の半導体領域と、その上に形成された埋込絶縁物層と、その上に形成された第２の半導体領域とを少なくとも有する基板を用いて形成される半導体装置であり、前記第２の半導体領域の層の厚さが、チャネル領域の層の厚さに対してソース・ドレイン領域の層の厚さが２倍以上となっていることを特徴とする半導体装置が得られる。

本発明の第１０の態様によれば、前記チャネル領域、前記ソース領域及び前記ドレイン領域が同一の導電型を有するアキュムレーション型であることを特徴とする第９の態様に記載の半導体装置が得られる。

本発明の第１１の態様によれば、第１から第３の態様のいずれかに記載のイオン注入装置を用いて製造した半導体装置が得られる。

本発明の第１２の態様によれば、第４から第８の態様のいずれかに記載のイオン注入方法を用いて製造した半導体装置が得られる。

本発明の第１３の態様によれば、第４から第８の態様のいずれかに記載のイオン注入方法によってイオン注入を行う工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法が得られる。

本発明によれば、イオンの加速エネルギーを精密に制御でき、半導体中に浅い接合を形成する際に、注入分布を正確に制御できるイオン注入方法及びイオン注入装置が得られる。

（第一の実施形態）
本発明の第一の実施形態を示す。図１(a)及び１(b)は、それぞれ、本発明によりシリコン基板にＢＦ₂ ⁺イオンをプラズマドーピングにより注入し、ｐ⁺−Ｓｉのソース・ドレイン層を形成した際の注入イオンのエネルギー分布、注入イオン密度の深さ方向依存性である。

図２は、図１において使用したプラズマドーピングの装置の概略構成を示している。詳細は後述するが、２０１は処理室、２０２はシリコン基板２０６を乗せる保持台、すなわち基板電極ステージ、２０３は基板電極に印加するＲＦ電力発生部、２０５は導体表面波（金属表面波）プラズマ励起部、２０４は励起されたプラズマである。処理室は、図示しない排気ポンプにより、処理室内を減圧にすることが可能となっている。

通常、プラズマを安定に励起するには、Ａｒ等の希ガスに原料ガスを希釈することが望ましいが、イオン注入をプラズマドーピングで行う場合、Ａｒ等のガスにより希釈すると、Ａｒイオンも基板に注入されてしまうため、原料ガスのみでプラズマ励起することが望ましい。

原料ガスは、例えばＢＦ₃、ＰＦ₃、ＡｓＦ₃等があるが、これらのガスをプラズマ化すると、Ｆは電気陰性度が非常に大きく電子が付着しやすいため、Ｆ^-イオンが大量に発生し、このために電子密度が低下する。よって、低い電子密度でも安定してプラズマ励起が維持できる導体表面波（金属表面波）励起方式を用いることが望ましい。

このことを考慮して、本実施形態では９１５ＭＨｚのマイクロ波を用いた導体表面波（金属表面波）方式を採用した。なお、材料ガスにはＢ₂Ｈ₆等の水素を含むガスも挙げられるが、水素は軽い原子であるため、非常に高エネルギーに加速されて基板に打ち込まれるためにダメージを発生させる要因となるため、水素を含むガスは使用しない方が望ましい。

ここで、図９乃至１２を参照して、本発明で用いる導体表面波（金属表面波）方式プラズマ処理装置の一例を説明する。

本発明において使用される導体表面波（金属表面波）方式プラズマ処理装置は、プラズマ処理（本発明ではプラズマドーピング）される基板を収納する金属製の処理容器と、前記処理容器内にプラズマを励起させるために必要なガスを前記処理容器内に導入する手段と、プラズマを励起させるために必要な電磁波を供給する電磁波源とを備え更に、前記電磁波源から供給される電磁波を前記処理容器の内部に導入する、前記処理容器の内部に一部を露出させた複数の誘電体を、前記処理容器の蓋体下面に備えたプラズマ処理装置である。また、前記誘電体の下面に金属電極が設けられ、前記金属電極と前記蓋体下面の間に露出する前記誘電体の露出部分から放出された電磁波が金属電極と蓋体下面の両方の金属表面を金属表面波として伝搬し、前記ガスを励起してプラズマを発生させるように構成されている。

この構成によれば、たとえば９１５ＭＨｚのような比較的低周波数のマイクロ波による導体表面波によって処理容器内に励起されるプラズマが均一となる。その結果、基板の処理面全体に均一な処理ができるようになる。また、誘電体周囲に配置させた表面波伝搬部に沿って伝搬させた電磁波（導体表面波）でプラズマを励起させることができるので、誘電体の使用量を大幅に少なくすることが可能となる。また、処理容器の内部に露出する誘電体の露出面積を小さくすることにより、誘電体の過熱による誘電体の破損やエッチング等が抑制されるとともに、処理容器内面からの金属汚染の発生がなくなる。特に、３ＧＨｚ以上の周波数のマイクロ波を利用した場合と比べて、安定で電子温度が低いプラズマを得るための下限の電子密度を約１／７（９１５ＭＨｚの場合）とすることができ、これまで使えなかったより広範囲な条件でプラズマ処理に適したプラズマが得られるようになり、処理装置の汎用性を著しく向上させることができる。

図９は、本発明で用いるプラズマ処理装置の一例の概略的な構成を示した縦断面図（図１０〜１２中のＤ−Ｏ’−Ｏ−Ｅ断面）である。図１０は、図９中のＡ−Ａ線に沿った横断面図である。図１１は、図２中のＢ−Ｂ線に沿った横断面図である。図１２は、図９中のＣ−Ｃ線に沿った横断面図である。このプラズマ処理装置は、中空の容器本体２０１と、この容器本体２０１の上方に取り付けられた蓋体３を備えている。処理容器２０１の内部には密閉空間が形成されている。処理容器２０１および蓋体３は導電性を有する材料、例えばアルミニウム合金からなり、電気的に接地された状態になっている。

処理容器２０１の内部には、半導体基板２０６を載置するための載置台としてのサセプタ２０２が設けられている。このサセプタ２０２は例えば窒化アルミニウムからなり、その内部には、基板に所定のバイアス電圧を印加させるための給電部１１が設けられている。給電部１１には、処理容器の外部に設けられたバイアス印加用の高周波電源部２０３が接続されている。図示された高周波電源部２０３は高周波電源１３と、コンデンサなどを備えた整合器１４を備えている。

処理容器２０１の底部には、処理容器の外部に設けられた真空ポンプなどの排気装置（図示せず）によって処理容器内を減圧するための排気口２０が設けられている。また、サセプタ２０２の周囲には、処理容器２０１の内部において、ガスの流れを好ましい状態に制御するためのバッフル板２１が設けられている。

蓋体３の下面には、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃からなる４つの誘電体２５が取付けられている。誘電体２５として、例えばフッ素樹脂、石英などの誘電材料を用いることもできる。図１０に示すように、誘電体２５は正方形かまたはそれに近い四角形の板状に構成されている。図１０に示すように、これら４つの誘電体２５は、互いの頂角同士（平坦部２６同士）を隣接させるように配置されている。

各誘電体２５の下面には、金属電極２７が取り付けられている。金属電極２７は、導電性を有する材料、例えばアルミニウム合金からなる。誘電体２５と同様に、金属電極２７も正方形の板状に構成されている。金属電極２７の幅Ｎは、誘電体２５の幅Ｌに比べて僅かに短い。このため、処理容器の内部から見ると、金属電極２７の周囲には、誘電体２５の周辺部が正方形の輪郭を現す状態で露出している。そして、処理容器の内部から見ると、誘電体２５の周辺部によって形成された正方形の輪郭の頂角同士が隣接させて配置されている。

誘電体２５および金属電極２７は、ネジ等の接続部材３０によって、蓋体３の下面に取り付けられている。

接続部材３０の中心部には、縦方向のガス流路４０が設けられており、誘電体２５と金属電極２７との間には、横方向のガス流路４１が設けられている。金属電極２７の下面には、複数のガス放出孔４２が分散して開口されている。蓋体３内の空間部３２に供給された所定のガスが、ガス流路４０、４１およびガス放出孔４２を通って、処理容器４の内部に向けて分散して供給されるようになっている。

図１０に示すように、４つの誘電体２５に囲まれた蓋体３の下面中央の領域には、金属カバー４５が取り付けられている。この金属カバー４５は、導電性を有する材料、例えばアルミニウム合金からなり、蓋体３の下面に電気的に接続されて、電気的に接地された状態になっている。すなわち蓋体の一部とみなすことができる。金属カバー４５は、金属電極２７と同様に、幅Ｎの正方形の板状に構成されている。金属カバー４５は、誘電体２５と金属電極２７の合計程度の厚さを有する。このため、金属カバー４５下面と金属電極２７下面は、同一面になっている。金属カバー４５は、ネジ等の接続部材４６によって、蓋体３の下面に取り付けられている。処理容器の内部に露出している接続部材４６の下面４７は、金属カバー４５の下面と同一面になっている。

接続部材４６の中心部には、図９に示すように、縦方向のガス流路５０が設けられており、蓋体３下面と金属カバー４５との間には、横方向のガス流路５１が設けられている。金属カバー４５の下面には、複数のガス放出孔５２が分散して開口されている。蓋体３内の空間部３２に供給された所定のガスが、ガス流路５０、５１およびガス放出孔５２を通って、処理容器４の内部に向けて分散して供給されるようになっている。

プラズマ処理中、マイクロ波供給装置８５から各誘電体２５に伝搬されたマイクロ波は、蓋体３の下面に露出している誘電体２５の周囲から金属カバー４５下面、金属電極２７下面およびサイドカバー内側部分５８下面に沿って伝搬させられる。その際、溝５６、５７は、サイドカバー内側部分５８下面に沿って伝搬させられたマイクロ波（導体表面波）が、溝５６、５７を超えて外側（サイドカバー外側部分５９）に伝搬させないようにするための、伝搬障害部として機能する。このため、蓋体３の下面において溝５６、５７で囲まれた領域である金属カバー４５下面、金属電極２７下面およびサイドカバー内側部分５８下面が表面波伝搬部となる。

サイドカバー５５は、ネジ等の接続部材６５によって、蓋体３の下面に取り付けられている。処理容器の内部に露出している接続部材６５の下面６６は、サイドカバー５５の下面と同一面になっている。接続部材６５の中心部には、縦方向のガス流路７０が設けられており、蓋体３下面とサイドカバー５５との間には、横方向のガス流路７１が設けられている。サイドカバー５５の下面には、複数のガス放出孔７２が分散して開口されている。蓋体３内の空間部３２に供給された所定のガスが、ガス流路７０、７１およびガス放出孔７２を通って、処理容器４の内部に向けて分散して供給されるようになっている。

蓋体３の上面中央には、処理容器４の外部に配置されたマイクロ波源８５から供給されるマイクロ波を伝送させる同軸管８６が接続されている。同軸管８６は、内部導体８７と外部導体８８とによって構成されている。内側導体８７は、蓋体３の内部に配置された分岐板９０に接続されている。

図１２に示すように、分岐板９０は、内部導体８７との連結位置を中心とする４本の枝導体９１を十字状に配置した構成である。各枝導体９１の先端下面には、金属棒９２が取付けてある。これら同軸管８６、分岐板９０、金属棒９２は、Ｃｕなどの導電性部材により形成される。

マイクロ波供給装置８５からは、周波数が３ＧＨｚ以下のマイクロ波として例えば９１５ＭＨｚの周波数をもったマイクロ波が、同軸管８６に対して導入されるようになっている。これにより、９１５ＭＨｚのマイクロ波が、分岐板９０で分岐されて、金属棒９２を介して各誘電体２５（図９及び１０）に伝送される。

蓋体３の上面には、プラズマ処理に必要な所定のガスの供給用のガス配管１００が接続されている。また、蓋体３の内部には、冷媒供給用の冷媒配管１０１が設けられている。処理容器４の外部に配置されたガス供給源１０２からガス配管１００を通じて供給された所定のガスは、蓋体３内の空間部３２に供給された後、ガス流路４０、４１、５０、５１、７０、７１およびガス放出孔４２、５２、７２を通って、処理容器４の内部に向けて分散して供給されるようになっている。

以下、図１を参照して、上記したプラズマイオン注入装置を用いたイオン注入方法を説明する。ＢＦ₃ガスをイオン注入装置の処理室に導入し、圧力を１００ｍＴｏｒｒとして９１５ＭＨｚのマイクロ波を導体表面波（金属表面波）として導入してプラズマを励起し、ＢＦ₂ ⁺イオンを生成した。

一方、基板バイアスを発生させるために、本実施形態では、ＤＣパルスを用いるのではなく、４ＭＨｚのＲＦ電力を１０μｓのパルス幅、９０μｓ間隔で印加した。即ち、この実施形態では、パルス幅がパルス停止期間よりも短いＲＦ電力パルス（ここでは、デューティ比が１／１０のＲＦ電力パルス）を使用した。

まず、セルフバイアス電圧を−５ｋＶとして７万回のパルス印加を行い、引き続きセルフバイアス電圧を−０．３ｋＶとして３万回のイオン注入を行った。トータルの注入量は３×１０¹⁴ｃｍ^-2とした。その分布を図１(b)に示す。ボロンＢは、Ｓｉに対して最大２×１０²⁰ｃｍ^-3の密度まで活性化し、高濃度であればあるほど低抵抗化する。一般的に、ＭＯＳトランジスタを高性能化するための微細化に伴い、短チャネル効果を抑制するためには、高濃度層を薄くする必要がある。しかしながら一方で、ソース・ドレイン層の直列抵抗増加を防ぐためには、少なくとも不純物濃度が１×１０²⁰ｃｍ^-3以上、望ましくは２×１０²⁰ｃｍ^-3の領域がなるべく多い方が望ましい。すなわち、不純物濃度分布が、１０から２０ｎｍ程度の所望の深さまでは２×１０²⁰ｃｍ^-3を維持し、それより深くなると急峻に減少させることが理想的である。

一般的にプラズマ中で処理基板へ電極を介してＲＦ電力を印加し、正イオンを加速して処理基板へ注入する場合、正イオンのエネルギーに分布を持つことが知られている。
（例えば M. A. Lieberman and A. J. Lichtenberg, Principles of Plasma Discharges and Materials Processing Second Edition, Wiley Interscience, 2005）

すなわち、入射イオンのエネルギーをＥとして、そのエネルギー分布をｆ(Ｅ)とすると、下記の数１となる。

ここで、ｅは素電荷、Ｖ_DCは処理基板に発生したセルフバイアス電圧である。また、ΔＥはエネルギーの広がりで、下記の数２で表される。

ここで、Ｖ_RFは、処理基板表面でのＲＦ電圧の振幅、ωはＲＦ電力の角周波数、ｄは処理基板表面とプラズマの間に形成されるシースの厚み、ｍ_iは入射イオンの質量である。式（１）から分かるように、入射イオンのエネルギーは２ΔＥのエネルギー広がりを有し、最小エネルギーｅＶ_DC−ΔＥから最大エネルギーｅＶ_DC+ΔＥにわたって分布し、最小エネルギー及び最大エネルギーで鋭いピークを持つ。ただし、ΔＥはＲＦ電力の周波数及びイオン質量ｍ_iの平方根に反比例するため、周波数を高くする、もしくは重いイオンを用いるほどエネルギー広がりは小さくなる。結果として、本実施例における、基板表面に到達するＢＦ₂ ⁺イオンのエネルギー分布は図１(a)のようになった。

単色エネルギーのイオンがシリコンへ打ち込まれた場合、平均打ち込み深さＲｐを中心として、幅ΔＲｐを持つガウシアン分布を有することが知られている。すなわち、打ち込みイオンの密度の深さｘ方向の依存性、すなわち、打ち込み深さ分布ｎ(ｘ)とすると、下記の数３となる。

Ｎ₀は、単位ｃｍ^-2で表される、トータルの打ち込み量である。なお、ＲＰ,ΔＲｐは入射イオンのエネルギーに依存し、ＢＦ₂ ⁺、ＰＦ₂ ⁺、ＡｓＦ₂ ⁺に対しては、図３のような依存性を示す。

本実施形態においては、まず、−５ｋＶのセルフバイアス電圧を発生させることで、ＢＦ₂ ⁺イオンを５ｋｅＶまで加速させて注入することで、１×１０²⁰ｃｍ^-3以上の領域を図１(b)で示すように、深さ約１３ｎｍの領域まで形成した。７万回のパルスに分割して注入することで、チャージアップダメージを抑制することができた。ＲＦ電力のパルス幅は１０μｓ、パルス間隔９０μｓ間隔とした。また、本注入により、シリコン基板がアモルファス化し、後に行うドーパントの活性化を５５０℃から６００℃程度と比較的低温で行うことが可能となった。ただし、この打ち込みだけでは、最表面のＢ濃度が２×１０²⁰ｃｍ^-3まで達していない。すなわち、この後に表面に金属電極を形成した場合の金属とのコンタクト抵抗が十分低くならない。よって、図１(b)に示すように、打ち込みエネルギーを０．３ｋｅVとして、最表面を高濃度化する打ち込みを３万回のパルスでＢＦ₂ ⁺イオンの注入を行い、最終的な打ち込み分布を得た。トータルの注入量は３×１０¹⁴ｃｍ⁻²である。最表面のＢ濃度が２×１０²⁰ｃｍ^-3となり、低抵抗コンタクトを実現することができた。

次に、図４(a),４(b)を用いて、基板ＲＦ電力の周波数を変えた効果について述べる。図４(a),４(b)はそれぞれ、トータルの注入量３×１０¹⁴ｃｍ^-2のＢＦ₂ ⁺イオンを、まず、セルフバイアス電圧を−５ｋＶとして７万回のパルス印加を行い、引き続きセルフバイアス電圧を−０．３ｋＶとして３万回のパルス印加で注入した際の、注入イオンのエネルギー分布、及び注入イオン密度の深さ方向依存性である。ＲＦ電力のパルス幅は１０μｓ、パルス間隔９０μｓ間隔とし、ＲＦ電力の周波数が１ＭＨｚ、２ＭＨｚ、４ＭＨｚ、６ＭＨｚ、１０ＭＨｚの場合について示している。図４(a)から分かるように、周波数が増加するに従い、エネルギー分布は５ｋｅＶと０．３ｋｅＶに収束し、それに対応して図４(b)に示すように打ち込み分布もより浅い領域に局在化し、急峻な分布となる。ただし、式（３）で表されるように、単色エネルギーであっても打ち込み分布はΔＲｐの広がりを持つため、打ち込み分布は６ＭＨｚ以上の周波数においては、大きく変化することが無いことが分かる。ＲＦ周波数が増加するに従い同じセルフバイアス電圧を発生させるための電力が増大してしまうため、その意味では周波数は低い方が望ましい。よって、より急峻な分布を持ち、かつ多大なＲＦ電力を要しない条件として、ＲＦ周波数は４ＭＨｚ以上、望ましくは６ＭＨｚ程度であることが好ましい。

次に、パルス幅、パルス間隔、及びイオン電流密度の設定方法の一例について説明する。イオン注入は、正電荷を持ったイオンが打ち込まれ、負電荷を持った２次電子がたたき出されるため、イオン注入領域は正に帯電する。ソース・ドレイン領域打ち込みであると、イオンドーズ量としては１０¹⁴ｃｍ^-2程度のイオンを打ち込む必要がある。１回のイオン衝撃で１０個程度の２次電子が放出されると、１×１０¹⁵ｃｍ^-2もの正電荷が蓄積されてしまう。これにより、ゲート絶縁膜に強い電界が発生してしまい、チャージアップダメージが誘起される。強い電界を発生させないためには、パルスで複数回に分けてイオン注入すれば良い。すなわちパルスとパルスの間に、プラズマ励起領域から拡散してきた電子により帯電を中和することで、強電界発生を抑制できる。

例えば、イオン注入を１０万回に分けて行う場合について説明する。すなわち、マイクロ波プラズマを励起しながら、基板のＲＦ電力をパルスで印加すると、ＲＦ電力がオンになった時だけセルフバイアス電圧が発生し、イオン注入がおこなわれる。ＲＦ電力がオフの時に、プラズマ中の電子により帯電を除去する。トータルで３×１０¹⁴ｃｍ^-2のドーズを行うので、１回のドーズ量は３×１０⁹ｃｍ^-2となる。１回のパルスでウェーハ上に正に帯電した電荷を電子で中和する時間、すなわちパルス間隔はパルス幅の１０倍とした。より一般的には、パルス幅とパルス間隔において、パルス間隔が、前記プラズマに存在する単位体積のイオン電荷総数に対する電子数の割合の逆数と、処理基板の２次電子放出係数と、パルス幅の積よりも長い時間であれば十分帯電除去が可能である。

１０秒で１枚のウェーハを処理するために、基板ＲＦ電力を印加するパルス幅を１０μｓとし、電子により中和させる時間を９０μｓとした。ウェーハに照射されるイオンはほぼ全てがＢＦ₂ ⁺であるから、必要なイオン電流密度Ｊは、下記の数４と設定した。

電流密度は電子温度が一定であればプラズマ密度に比例するので、プラズマ励起用のマイクロ波電力でプラズマの密度を変化させたり、処理基板とプラズマ励起領域の距離を調整することで制御すれば良い。ＲＦ印加時間に対し、非印加時間が１０倍あるので、帯電させることなくイオン注入を行うことが可能となった。必要なイオン電流密度Ｊは、より一般的には、下記の数５のように与えられる。

ここで、Ｄはドーズ量、ｅは素電荷、Ｎはパルス回数、Δｔはパルス幅である。なお、ここでは注入イオンが一価に電離しているとしたが、多価イオンが存在する場合は、素電荷ｅに価数を掛けて、それぞれの価数のイオンについて電流密度を求めて足し合わせた値を電流密度として設定すれば良い。

（第二の実施形態）
次に、ｎ⁺−Ｓｉソース・ドレイン領域を形成するためのＰＦ₂ ⁺イオンの打ち込みについて述べる。なお、第一実施例と重複する部分は説明を省略する。図５(a)及び５(b)はそれぞれ、ＰＦ３ガスによりプラズマ励起を行いＰＦ₂ ⁺イオンの打ち込みを行った際の入射イオンのエネルギー分布、入射イオンの打ち込み分布である。ＲＦ電力周波数は４ＭＨｚであり、セルフバイアス電圧とパルス印加回数は下記の通り順番に変化させた。

１番目 −７ｋＶ ４．５万回
２番目 −３ｋＶ ２．２万回
３番目 −０．３ｋＶ ３．３万回

また、トータルの打ち込み量は５×１０¹⁴ｃｍ^-2とした。ＰＦ₂ ⁺イオンはＢＦ₂ ⁺イオンに比べて大きく、かつ質量が重いため、図３で示すように、同じ打ち込みエネルギーではＲｐ,ΔＲｐともに小さくなる。よって、打ち込み分布がエネルギー分布を反映しやすく、不均一になりやすいということが分かった。よって、ＢＦ₂ ⁺イオンの場合はセルフバイアスを２通りに変化させたが、ＰＦ₂ ⁺イオンの場合は、２番目に打ち込み分布を平坦化させる打ち込みを導入し、３通りのセルフバイアス電圧を用いた。この場合も、セルフバイアス電圧は絶対値で大きい方から順に注入を行い、プリアモルファス化を促進しながら順次低エネルギー注入を行うことが好ましい。図６(a),６(b)は、ＲＦ周波数を、１ＭＨｚ、２ＭＨｚ、４ＭＨｚ、６ＭＨｚ、１０ＭＨｚと変化させたときの入射イオンのエネルギー分布、入射イオンの打ち込み分布である。図４に示すＢＦ₂ ⁺イオンの場合と同様に、急峻な打ち込み分布を持ち、かつ多大なＲＦ電力を要しない条件として、ＲＦ周波数は４ＭＨｚ以上、望ましくは６ＭＨｚ程度であることが好ましい。

（第三の実施形態）
図７に、本発明の第三の実施形態を示す。なお、第一、第二の実施形態と重複する部分は説明を省略する。図７は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板上に製作されたＭＯＳＦＥＴである。７０１はシリコンのバルク基板、７０２は埋め込み酸化膜層、７０３はＳＯＩ層のソース・ドレイン領域、７０４はＳＯＩ層のチャネル領域、７０５はゲート絶縁膜、７０６はゲート電極である。チャネル領域のＳＯＩ層の厚みは２５ｎｍである。ソース・ドレインの直列抵抗を下げるためにはソース・ドレイン層のＳＯＩ層の厚みは同じ２５ｎｍ程度必要となるが、プラズマドーピングによりＢＦ₂ ⁺イオンやＰＦ₂ ⁺イオンを注入し、ＢやＰの濃度をその領域内において２×１０²⁰ｃｍ^-3以上にすると、注入の打ち込みフロントは６０ｎｍ程度まで達してしまう。ゆえに、ソース・ドレイン領域７０３のシリコンがチャネル領域と同じ２５ｎｍであると、埋め込み酸化膜層７０２までイオンが注入されてしまい、作成したデバイスに雑音が発生してしまう等、特性劣化が起こってしまう。

チャネル領域７０４のシリコン厚みと同程度の高濃度ドープのソース・ドレイン層をプラズマドーピングで製造する場合、打ち込みフロントはおおよそチャネル領域の２倍程度となる。よって、ソース・ドレインの直列抵抗も十分小さく、かつ雑音が発生させないためには、ソース・ドレイン領域７０３のシリコンの厚みをチャネル領域７０４のシリコンの厚みに対し２倍以上とる必要がある。

図７に示すように、本発明ではソース・ドレイン領域７０３のシリコンの厚みを７０ｎｍとし、この条件を満たすようにした。これにより、ソース・ドレインの直列抵抗も十分小さく、かつ雑音が発生させないＳＯＩＭＯＳＦＥＴデバイスが実現した。なお、ＭＯＳＦＥＴはチャネル領域とソース・ドレイン領域が異なる導電型であるインバージョン型であっても、もしくは同一の導電型のアキュムレーション型（ＷＯ ２００８／００７７４９ Ａ１）であっても同様の効果を得ることができる。

（第四の実施形態）
図８を用いて本発明の第四の実施形態を示す。図８は、図２における基板電極ステージ周辺の詳細図である。８０１はＨｅガス制御板、８０２はＨｅガス導入部、８０３はシリコンウェーハ、８０４は静電チャック及びＲＦ電力を印加するための基板電極、８０５はＨｅガス制御板の内側の排気ポート、８０６はＨｅガス制御板の外側の排気ポート、８０７はＲＦ電源、８０８は静電チャック用ＤＣ電源（片方は正電圧、もう一方は負電圧を出力）、８０９は並列共振フィルタ、８１０はブロッキングコンデンサ、８１１は導電性セラミックス、８１２は絶縁性セラミックス、８１３はグランド板である。

導電性セラミックス８１１は室温で抵抗率が１０¹⁰Ωｃｍ程度に制御され、厚みは１ｍｍとなっている。絶縁性セラミックス８１２は、厚みが２ｃｍと比較的大きくして、グランド板８１３と基板電極８０４の間の静電容量を小さくなるようにしている。

この構成では、基板電極８０４にＲＦ電力を印加した際に、効率よくセルフバイアスを発生させることが可能となる。基板電極８０４は双極性のチャックを用いており、片側の電極に＋５００Ｖ、もう一方に−５００ＶをＤＣ電源８０８により印加し、シリコンウェーハ８０３を吸着させる。双極型のチャックを用いることで、双方の電荷がウェーハ内では打ち消され、ＤＣ電源起因の電圧はウェーハ８０３では発生せず、ＲＦ電源８０７で印加するＲＦ電力のみでセルフバイアス電圧を制御することが可能となる。また、ＤＣ電源８０８は、並列共振フィルタ８０９を介して基板電極に接続されている。並列共振フィルタ８０９は、共振周波数をＲＦ電力の周波数に設定し、その周波数ではインピーダンスが極端に大きい値となっている。これによりＤＣ電源８０８側にＲＦ電力が給電されないようにしている。ウェーハと導電性セラミックスとの間には、Ｈｅガス導入部８０２よりＨｅガスが充填され、Ｈｅガス流量を調節し、圧力を１０Ｔｏｒｒとした。これによりウェーハと導電性セラミックスとの間の熱伝導性を確保し、イオン注入時に発生する熱を効率よく除去することが可能となっている。Ｈｅガスがプラズマ励起領域に戻ると、イオン化されＨｅ⁺イオンとなってしまう。Ｈｅ⁺イオンは非常に軽いため、セルフバイアス電圧で加速されることにより高エネルギーでウェーハに打ち込まれてダメージの要因となる。

それを防ぐために、導電性セラミックスの外周部には、Ｈｅガス制御板８０１が設置されている。ウェーハ外周より漏れ出たＨｅこの制御板より内側排気ポート８０５より排気されるようになっている。このことにより、Ｈｅガスがプラズマ励起領域へ戻らなくなりＨｅガスのイオン化を防ぐことが可能となった。なお、プラズマ励起ガスは、内側排気ポート８０５及び外側排気ポートの両方から排気される。

本発明は、半導体装置の製造に適用できるだけでなく、フラットディスプレイ表示装置等、各種の電子装置の製造に適用できる。

(a)及び(b)は、それぞれ、本発明によりシリコン基板にＢＦ₂ ⁺イオンをプラズマドーピングにより注入し、ｐ⁺−Ｓｉのソース・ドレイン層を形成した際の注入イオンのエネルギー分布及び注入イオン密度の深さ方向依存性を示す図である。 本発明の第一の実施形態に係るイオン注入装置の概略構成を示す図である。 入射イオンＢＦ₂ ⁺、ＰＦ₂ ⁺、ＡｓＦ₂ ⁺における平均打ち込み深さＲｐ及び幅ΔＲｐのエネルギーに依存性を示す図である。 （a)及び(b)は、基板ＲＦ電力の周波数を変えてイオン注入を行った場合における注入イオンのエネルギー分布、及び注入イオン密度の深さ方向依存性をそれぞれ示す図である。 （a)及び(b)は、それぞれ、ＰＦ３ガスによりプラズマ励起を行いＰＦ₂ ⁺イオンの打ち込みを行った際における入射イオンのエネルギー分布、入射イオンの打ち込み分布である。 (a)及び(b)は、１ＭＨｚ、２ＭＨｚ、４ＭＨｚ、６ＭＨｚ、及び１０ＭＨｚと、ＲＦ周波数を変化させたときの入射イオンのエネルギー分布及び入射イオンの打ち込み分布をそれぞれ示す図である。 本発明の第三の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 本発明の第四の実施形態に係るイオン注入装置の部分的構成を示す概略図である。 本発明で用いるプラズマ処理装置の一例の概略的な構成を示した縦断面図である。 図９に示されたプラズマ処理装置のＡ−Ａ線に沿った横断面図である。 図９に示されたプラズマ処理装置のＢ−Ｂ線に沿った横断面図である。 図９に示されたプラズマ処理装置のＣ−Ｃ線に沿った横断面図である。

符号の説明

２０１ 処理室
２０２ 保持台（基板電極ステージ）
２０３ ＲＦ電力発生部
２０４ 励起されたプラズマ 表面波（金属表面波）
２０５ 導体表面波（金属表面波）プラズマ励起部
２０６ シリコン基板

Claims (12)

1. 減圧可能な処理室と、該処理室内にプラズマを励起するプラズマ励起手段と、前記処理室内に設けられ処理基板を保持する保持台と、前記保持台にＲＦ電力を印加して処理基板表面にセルフバイアス電圧を発生させ、前記プラズマ内の正イオンを加速して処理基板へ打ち込むイオン注入装置であり、
   前記ＲＦ電力の周波数が４ＭＨｚ以上であり、かつＲＦ電力をパルスで印加することで、複数回に分けてイオン注入を行うことを特徴とするイオン注入装置。
2. 前記プラズマ励起手段が、１００ＭＨｚから３ＧＨｚの範囲から選ばれる周波数をもつ電磁波を金属表面波として前記処理室内へ伝搬させる手段と前記処理室内にプラズマ励起用ガスを導入する手段とを有することを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
3. 前記保持台に静電チャック機能を有し、前記静電チャック機能により前記保持台と前記処理基板との間の空間にガスを充填し、イオン注入時に、前記ガスの充填圧力を前記処理室内の圧力より高い圧力に設定することを特徴とし、
   前記保持台の周辺に、前記空間から漏れた前記ガスをプラズマ励起領域へ侵入させないための遮蔽プレートが設けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載のイオン注入装置。
4. 請求項１から３のどれか一つに記載のイオン注入装置を用いてイオン注入を行うイオン注入方法。
5. 保持台に印加する前記ＲＦ電力を変化させることにより、少なくとも複数のセルフバイアス電圧によりイオン注入を行うことを特徴とする請求項４に記載のイオン注入方法。
6. 処理基板表面がシリコンを含む半導体結晶からなり、少なくとも第１のセルフバイアス電圧により、半導体結晶をアモルファス化しながらイオン注入を行う工程と、第２のセルフバイアス電圧により半導体結晶の最表面のイオン注入密度を少なくとも１×１０²⁰ｃｍ^-3以上にする工程とを含むことを特徴とする請求項５に記載のイオン注入方法。
7. プラズマ励起ガスが、注入原子のフッ化物のガスであることを特徴とする請求項４から６の一に記載のイオン注入方法。
8. プラズマ励起ガスが、ＢＦ₃、ＰＦ₃、ＡｓＦ₃より選ばれるガスであることを特徴とする請求項４から７の一に記載のイオン注入方法。
9. 請求項１から請求項３の一に記載のイオン注入装置を用いて製造した半導体装置。
10. 請求項４から請求項８の一に記載のイオン注入方法を用いて製造した半導体装置。
11. 請求項４から請求項８の一に記載のイオン注入方法によってイオン注入を行う工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
12. 請求項１において、前記ＲＦ電力のパルス幅は、前記ＲＦ電力のパルス停止期間よりも短いことを特徴とするイオン注入装置。

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