TWI384536B - Plasma doping method and device - Google Patents
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Description
本發明有關於將雜質導入到半導體基板等之固體試料之表面之電漿摻雜方法及裝置。
將雜質導入到固體試料之表面之技術，習知者有電漿摻雜方法，使雜質離子化，以低能量導入到固體中(例如參照專利文獻1)。圖11表示使用上述專利文獻1所記載之作為先前技術之雜質導入法之電漿摻雜法之電漿處理裝置之概略構造。在圖11中，在真空容器1內設有試料電極6，用來裝載由矽基板構成之試料9。另外設有氣體供給裝置2用來將包含有所希望之元素之摻雜原料氣體，例如B2
H6
供給到真空容器1內，和設有渦輪分子泵(turbo molecular pump)3用來使真空容器1內之內部減壓，可以使真空容器1內保持指定之壓力。由微波導波管51，經由作為介電質體窗之石英板52，使微波放射到真空容器1內。利用該微波與從電磁鐵53形成之直流磁場之相互作用，在真空容器1內形成有磁場微波電漿(電子迴旋加速器共鳴電漿)54。在試料電極6經由電容器55連接有高頻率電源10，成為可以控制試料電極6之電位。另外，從氣體供給裝置2供給之氣體從氣體導入口56被導入到真空容器1內，從排氣口11朝向渦輪分子泵3排氣。在此種構造之電漿處理裝置中，從氣體導入口56導入之摻雜原料氣體，例如B2
H6
，經由由微波導波管51和電磁鐵53構成之電漿產生手段被電漿化，電漿54中之硼離子被高頻率電源10導入到試料9之表面。
在電漿摻雜方法和裝置中，用來控制摻雜量之方法提案有測定供給到試料電極之高頻率電流之方法。圖12是表示其一實例之裝置之概略構造。在圖12中，在真空容器1內設有試料電極6用來裝載由矽基板構成之試料9。另外設有氣體供給裝置2用來對真空容器1內供給包含有所希望之元素之摻雜氣體例如B2
H6
，和設有渦輪分子泵3用來使真空容器1內之內部減壓，可以使真空容器1內保持指定之壓力。經由電容器55和高頻率變頻器58對試料電極6由電源10供給高頻率電力，用來在真空容器1內形成電漿，將電漿中之硼離子導入到試料9之表面。經由高頻率變頻器58，利用電流計59測定放電時之高頻率電流，可以用來控制被摻雜之硼濃度。另外，設有與試料電極面對之面對電極57，該面對電極57被接地(例如參照專利文獻2)。
依照此種方式，在被導入有雜質離子之試料9之上形成金屬佈線層之後，在指定之氧化環境中，於金屬佈線層之上形成薄氧化膜，然後，當利用CVD裝置等在試料9上形成閘電極時，例如可以獲得MOS電晶體。但是，在電晶體之形成時，於利用電漿摻雜處理導入雜質離子之後，需要進行活性化處理。所謂活性化處理是使用RTA(急速加熱退火)、Spike RTA(尖峰急速加熱退火)、雷射退火、閃光燈退火等之方法，對導入有雜質之層進行加熱、再結晶化之處理。這時，經由對導入有雜質離子之極薄層有效地加熱，可以獲得淺的活性化層。要對導入有雜質離子之極薄層有效加熱時，在導入雜質離子之前，於導入雜質離子之極薄之層，進行預先提高對從雷射、燈泡等之光源照射之光之吸收率之處理。該處理被稱為預非晶形化，在與先前所示之電漿處理裝置同樣構成之電漿處理裝置中，產生He氣體等之電漿，利用偏壓電壓使所產生之He等之離子朝向基板加速衝撞，破壞基板表面之結晶構造，進行非晶質化，上述者已由本發明人等提案(例如參照非專利文獻1)。
專利文獻1：美國專利4912065號說明書專利文獻2：專利2718926號公報非專利文獻1：Y.Sasaki et al.,“B2H6 Plasma Doping with In－situ He Pre－amorphyzation”,2004 Symposia on VLSI Technology and Circuits
但是，在先前技術之方法中，當變化高頻率電力之大小藉以控制高頻率電流時，會有電子密度與電漿中之硼離子密度，和到達基板9之離子之能量全部進行變化，使控制性成為不良之問題。
另外，供給到試料電極之高頻率電流，因為包含不隨離子或電子等之電帶粒子之移動而變動之所謂之變位電流成分，所以會有不能正確反映射入到試料之離子量之情況，不能正確控制雜質濃度為其問題。
另外，在專利文獻2中，對於ECR(電子迴旋加速器共鳴)放電亦具有同樣之結果，在使用以ECR放電為代表之高密度電漿之情況，即使高頻率電流相同，當供給到真空容器內之微波電力之大小不同時，以電子密度、電漿中之硼離子密度不同之狀態進行摻雜處理，不能獲得相同之摻雜濃度為其問題。
本發明針對上述之問題所做成，其目的是提供導入到試料表面之雜質濃度之控制性優良之電漿摻雜方法及裝置。
因此，本發明之電漿摻雜方法是利用電漿摻雜將上述雜質離子和指定數之試料一起導入到虛擬試料；對該虛擬試料施加所希望之能量，成為可以測定與虛擬試料中之上述雜質離子之量對應之物理量之狀態；和控制處理試料之條件，使該物理量成為預先決定之指定之值。
利用此種構造，不會對電漿摻雜條件造成影響，可以以良好之精確度測定被導入之雜質離子，因為根據該測定值控制處理條件，所以可以成為高精確度之電漿摻雜。
本發明之電漿摻雜方法是在真空容器內之試料電極裝載試料，由氣體供給裝置一邊將氣體供給到真空容器內，一邊對真空容器內進行排氣，控制真空容器內成為指定之壓力，同時對試料電極供給電力，用來一邊在真空容器內產生電漿，一邊使電漿中之離子朝向試料之表面加速衝撞，用來將雜質導入到試料之表面；其特徵在於：在每次處理指定數之試料時，對虛擬試料進行電漿摻雜處理，對電漿摻雜處理過之虛擬試料進行加熱，測定被加熱之虛擬試料之片電阻，控制處理試料之條件，使測定到之虛擬試料之片電阻成為指定之值。
利用此種構造，可以實現導入到試料表面之雜質濃度之控制性優良之電漿摻雜方法。
本發明之電漿摻雜方法是在真空容器內之試料電極裝載試料，由氣體供給裝置一邊將氣體供給到真空容器內，一邊對真空容器內進行排氣，控制真空容器內成為指定之壓力，同時將高頻率電力供給到電漿源，用來一邊在真空容器內產生電漿，經由將電力供給到試料電極用來一邊使電漿中之雜質離子朝向試料之表面加速衝撞，藉以將雜質離子導入到試料之表面；其特徵在於：在每次處理指定數之試料時，對虛擬試料進行電漿摻雜處理，對電漿摻雜處理過之虛擬試料進行加熱，測定被加熱之虛擬試料之片電阻，控制處理試料之條件，使測定到之虛擬試料之片電阻成為指定之值。
利用此種構造，可以實現導入到試料表面之雜質濃度之控制性優良之電漿摻雜方法。
在本發明之電漿摻雜方法中，在控制處理試料之條件使片電阻值成為指定之值時，最好變化供給到試料電極之電力。或是亦可以變化包含有雜質元素之氣體之流量。或是亦可以變化供給到電漿源之高頻率電力。或是亦可以變化處理時間。
利用此種構造，可以實現導入到試料表面之雜質濃度之控制性優良之電漿摻雜方法。
本發明之電漿摻雜方法是在試料為由矽構成之半導體基板之情況時特別有用之電漿摻雜方法。另外，在雜質為砷、磷、硼、鋁或銻之情況時特別有用。
利用此種構造，可以製造超微細之矽半導體裝置。
在本發明之電漿摻雜方法中，最好是在對虛擬試料加熱時，將虛擬試料全體投入高溫爐內。或是亦可以對虛擬試料之表面照射雷射光。或是亦可以對虛擬試料之表面照射燈泡之放射光。
利用此種構造，因為進行再現性優良之活性化，所以可以更進一步地提高雜質濃度之控制性。
另外，最好是在對虛擬試料加熱時，在惰性氣體之環境中對虛擬試料進行加熱。
利用此種構造，因為可以抑制虛擬試料之不好之變質，例如氧化等，所以可以進行再現性優良之活性化，可以更進一步地提高雜質濃度之控制性。
另外，最好是將虛擬試料設在試料之不要作為裝置之部分，成為試料之一部分。
利用此種構造，在處理300mm矽基板等之高價之試料時，可以將虛擬試料所需之成本抑制成最小。
本發明之電漿摻雜方法是在真空容器內之試料電極裝載試料，由氣體供給裝置一邊將氣體供給到真空容器內，一邊對真空容器內進行排氣，控制真空容器內成為指定之壓力，同時對試料電極供給電力，用來一邊在真空容器內產生電漿，一邊使電漿中之雜質離子朝向試料之表面加速衝撞，用來將離質離子導入到試料之表面；其特徵在於：在每次處理指定數之試料時，對虛擬試料進行電漿摻雜處理，對電漿摻雜處理過之虛擬試料照射低能量之電子射束，檢測從虛擬試料放射之X射線，控制處理試料之條件，使檢測到之指定波長之X射線量或從X射線量算出之劑量成為指定之值。
利用此種構造，可以實現導入到試料表面之雜質濃度之控制性優良之電漿摻雜方法。
本發明之電漿摻雜方法是在真空容器內之試料電極裝載試料，由氣體供給裝置一邊將氣體供給到真空容器內，一邊對真空容器內進行排氣，控制真空容器內成為指定之壓力，同時將高頻率電力供給到電漿源，用來一邊在真空容器內產生電漿，經由將電力供給到試料電極用來一邊使電漿中之雜質離子朝向試料之表面加速衝撞，藉以將雜質離子導入到試料之表面；其特徵在於：在每次處理指定數之試料時，對虛擬試料進行電漿摻雜處理，對電漿摻雜處理過之虛擬試料照射低能量之電子射束，檢測從虛擬試料放射之X射線，控制處理試料之條件，使檢測到之指定波長之X射線量或從X射線量算出之劑量成指定之值。
利用此種構造，可以實現導入到試料表面之雜質濃度之控制性優良之電漿摻雜方法。
在本發明之電漿摻雜方法中，最好是在控制處理試料之條件使X射線量或劑量成為指定之值時，變化供給到試料電極之電力。或是亦可以變化包含雜質元素之氣體之流量。或是亦可以變化供給到電漿源之高頻率電力。或是亦可變化處理時間。
利用此種構造，可以實現導入到試料表面之雜質濃度之控制性優良之電漿摻雜方法。
本發明之電漿摻雜方法是在試料為由矽構成之半導體基板之情況時特別有用之電漿摻雜方法。另外，在雜質為砷、磷、硼、鋁或銻之情況特別有用。
利用此種構造，可以製造超微細之矽半導體裝置。
在本發明之電漿摻雜方法中，最好使電子射束之能量成為200eV以上9keV以下。
利用此種構造，可以確保充分之檢測敏感度，可以減少對試料之損壞。
另外，最好是將虛擬試料設在試料之不要作為裝置之部分，成為試料之一部分。
利用此種構造，在處理300mm矽基板等之高價之試料時，可以將虛擬試料所需之成本抑制成最小。
本發明之電漿摻雜裝置其特徵在於包含有：電漿摻雜室，具備有：真空容器；試料電極；氣體供給裝置，用來對真空容器內供給氣體；排氣裝置，用來對真空容器內進行排氣；壓力控制裝置，用來控制真空容器內之壓力；電漿摻雜室，具備有電漿源用高頻電源；試料電極用電源，用來將電力供給到試料電極；加熱室，具備有試料台和試
料加熱裝置；和片電阻測定室，具備有試料台和片電阻測定器。
利用此種構造，可以實現導入到試料表面之雜質濃度之控制性優良之電漿摻雜裝置。
本發明之電漿摻雜裝置其特徵在於包含有：電漿摻雜室，具備有：真空容器；試料電極；氣體供給裝置，用來對真空容器內供給氣體；排氣裝置，用來對真空容器內進行排氣；壓力控制裝置，用來控制真空容器內之壓力；電漿源；電漿源用高頻率電源，用來對電漿源供給高頻率電力；和試料電極用電源，用來將電力供給到試料電極；加熱室，具備有試料台和試料加熱裝置；和片電阻測定室，具備有試料台和片電阻測定器。
利用此種構造，可以實現導入到試料表面之雜質濃度之控制性優良之電漿摻雜裝置。
在本發明之電漿摻雜裝置中，最好使試料加熱裝置為高溫爐。或是亦可以為放射雷射光之雷射退火裝置。或是亦可以為放射燈泡之放射光之燈泡退火裝置。或是亦可以為只對試料之一部分放射燈泡之放射光之燈泡退火裝置。
利用此種構造，因為進行再現性優良之活性化，所以可以更進一步地提高雜質濃度之控制性。
另外，最好是使加熱室具備有氣體供給裝置，用來將惰性氣體供給到加熱室內。
利用此種構造，因為可以抑制虛擬試料之不好之變質，例如氧化等，所以可以進行再現性優良之活性化，可以更進一步地提高雜質濃度之控制性。
本發明之電漿摻雜裝置其特徵在於包含有：電漿摻雜室，具備有：真空容器；試料電極；氣體供給裝置，用來對真空容器內供給氣體；排氣裝置，用來對真空容器內進行排氣；壓力控制裝置，用來控制真空容器內之壓力；和試料電極用電源，用來將電力供給到試料電極；和X射線分析室，具備有試料台、電子射線源、和X射線檢測器。
利用此種構造，可以實現導入到試料表面之雜質濃度之控制性優良之電漿摻雜裝置。
本發明之電漿摻雜裝置其特徵在於包含有：電漿摻雜室，具備有：真空容器；試料電極；氣體供給裝置，用來對真空容器內供給氣體；排氣裝置，用來對真空容器內進行排氣；壓力控制裝置，用來控制真空容器內之壓力；電漿源；電漿源用高頻率電源，用來對電漿源供給高頻率電力；和試料電極用電源，用來將電力供給到試料電極；和X射線分析室，具備有試料台、電子射線源、和X射線檢測器。
利用此種構造，可以實現導入到試料表面之雜質濃度之控制性優良之電漿摻雜裝置。
本發明之電漿摻雜裝置其特徵在於具備有：真空容器；試料電極；氣體供給裝置，用來對真空容器內供給氣體；排氣裝置，用來對真空容器內進行排氣；壓力控制裝置，用來控制真空容器內之壓力；試料電極用電源，用來將電力供給到試料電極；電子射線源；和X射線檢測器。
利用此種構造，可以實現導入到試料表面之雜質濃度之控制性優良之電漿摻雜裝置。
本發明之電漿摻雜裝置其特徵在於具備有：真空容器；試料電極；氣體供給裝置，用來對真空容器內供給氣體；排氣裝置，用來對真空容器內進行排氣；壓力控制裝置，用來控制真空容器內之壓力；電漿源；電漿源用高頻率電源，用來對電漿源供給高頻率電力；試料電極用電源，用來將電力供給到試料電極；電子射線源；和X射線檢測器。
利用此種構造，可以實現導入到試料表面之雜質濃度之控制性優良之電漿摻雜裝置。
下面參照圖式用來說明本發明之實施形態。
下面參照圖1至圖5用來說明本發明之實施形態1。圖1表示本發明之實施形態1所使用之電漿摻雜裝置之電漿摻雜室之剖面圖。在圖1中，一邊從氣體供給裝置2將指定之氣體導入到真空容器1內，一邊利用作為排氣裝置之渦輪分子泵3進行排氣，利用調壓閥4可以使真空容器1內保持指定之壓力。利用高頻率電源5將13.56MHz之高頻率電力供給到被設於與試料電極6面對之介電質窗7之附近之線圈8，可以用來在真空容器1內產生感應耦合型電漿。在試料電極6上裝載作為試料之矽基板9。另外，設置對試料電極6供給高頻率電力用之高頻率電源10，使其具有作為電壓源之功能，用來控制試料電極6之電位，使作為試料之基板9對電漿成為負電位。依照此種方式，可以使電漿中之離子朝向試料之表面加速衝撞，用來使試料之表面非晶質化，和可以導入雜質。另外，從氣體供給裝置2供給之氣體，從排氣口11被排氣到渦輪分子泵3。渦輪分子泵3和排氣口11被配置在試料電極6之正下，另外，調壓閥4是升降閥，位於試料電極6之正下和渦輪分子泵3之正上。試料電極6被4根之支柱12固定在真空容器1。
當將基板9裝載在試料電極6之後，一邊使試料電極6之溫度保持為25℃，一邊從排氣口11對真空容器1內進行排氣，由氣體供給裝置2對真空容器1內供給50sccm之氦氣，控制調壓閥4使真空容器1內之壓力保持為1Pa。其次，對作為電漿源之線圈8供給800W之高頻率電力，用來在真空容器1內產生電漿，同時對試料電極6之基座供給200W之高頻率電力，可以使矽基板9之表面之結晶層進行非晶質化。
其次，使試料電極6之溫度保持為25℃，對真空容器1內供給分別為100sccm和1sccm之氦(He)氣和B2
H6
氣體，用來使真空容器1內之壓力一邊保持為0.5Pa，一邊對線圈8供給1000W之高頻率電力，用來在真空容器1內產生電漿，同時對試料電極6供給250W之高頻率電力，可以用來將硼導入到基板9之表面附近。
圖2是平面圖，用來表示電漿摻雜裝置之全體構成。在圖2中，當將試料裝載在裝載室13之後，對裝載室13進行排氣使其成為真空狀態。使被設在第1轉移室14a和裝載室13之間之閘15開放，操作第1轉移室14a內之搬運臂A，用來使試料移動到第1轉移室14a內。其次，同樣地使閘15適當地進行開閉，同時操作搬運臂A，用來使試料移動到電漿摻雜室16，依照上述之方式進行非晶質化處理和電漿摻雜處理。其次，使試料從電漿摻雜室16移動到第2轉移室14b，然後使試料移動到卸載室19，取出試料。
另外一方面，為著正確控制雜質濃度，使用虛擬試料(dummy sample)監視雜質濃度。在同一處理條件下，雜質濃度進化變化之原因包含有對真空容器內壁之氣體和堆積物之附著，高頻率電源之特性變化等，不容易決定。亦即，在此處是每次處理25片之試料時投入虛擬試料。虛擬試料使用與形成裝置用之試料大致相同大小之單結晶矽基板。對虛擬試料不施加抗蝕劑等之圖案製作，而是對試料表面之全體施加非晶質化和摻雜處理。首先，在圖2中，將虛擬試料裝載在裝載室13之後，對裝載室13進行排氣使其成為真空狀態。使被設在第1轉移室14a和裝載室13之間之閘15打開，操作第1轉移室14a內之搬運臂A，使虛擬試料移動到第1轉移室14a內。其次，同樣地使閘15適當地進行開閉，同時操作搬運臂A，使虛擬試料移動到電漿摻雜室16，以在其之前之處理試料之條件，進行非晶質化處理和電漿摻雜處理。其次，使虛擬試料從電漿摻雜室16移動到第2轉移室14b，進一步使虛擬試料移動到加熱室17。
圖3是剖面圖，用來表示燈泡退火方式之加熱室之構成。在圖3中，將虛擬試料21裝載在被設於加熱室17內之試料台20上。從作為試料加熱裝置之燈泡23發出之紅外線光，通過窗22照射在虛擬試料21之表面。燈泡23之一實例可以使用鎢鹵素燈泡。設定使試料9之溫度成為1100℃之燈泡光照射條件，在3分鐘保持1100℃之條件，進行活性化。
加熱室亦可以使用圖4所示之雷射退火方式。在圖4中，將虛擬試料21裝載在被設於加熱室17內之試料台24上。從作為試料加熱裝置之雷射光源25發出之雷射光，被平面鏡26控制射束之方向，經由窗27照射在虛擬試料21之表面。
另外，加熱室亦可以是利用陶瓷加熱器等之高溫爐。在使用燈泡或雷射之情況時，對虛擬試料施加脈波式之能量，亦可以只對虛擬試料之表面加熱至高溫，但是在使用高溫爐之情況時，對虛擬試料全體加熱。高溫爐具有廉價之優點。
利用加熱被施加過活性化處理之虛擬試料，在圖2中再度移動到第2轉移室14b，其次移動到片電阻測定室18。
圖5是斜視圖，用來表示被設在片電阻測定室18內之片電阻測定器之概略構造。在圖5中，在虛擬試料21之表面配置4根之探針28成為直線狀，外側之2根連接到定電流源29，利用電壓計30測定對虛擬試料21施加電流時之內側之2根探針間之電壓。亦即，求得對虛擬試料21壓接之外側2根之探針間施加之正逆雙方之施加電流值I，和這時之內側2根之探針間之電位差測定值V之平均值，利用下式算出虛擬試料之片電阻R。
R＝V/I
要獲得所希望之雜質濃度時，需要使利用指定之加熱處理被活性化之情況時之片電阻值成為所希望之值。在此處是控制處理試料之條件成為每當處理25片之試料時，對虛擬試料進行電漿摻雜處理，對電漿摻雜處理過之虛擬試料進行加熱，測定加熱後之虛擬試料之片電阻，使測定到之虛擬試料之片電阻值成為指定之值。實質上，當虛擬試料之片電阻值小於所希望之值之情況時，在處理其次之25片之試料之條件是使供給到試料電極之電力變小。或是使包含雜質元素之氣體之流量變少。或是使供給到電漿源之高頻率電力變小。或是使處理時間變短。
相反地，在虛擬試料之片電阻值大於所希望之值之情況時，對其次之25片之試料進行處理之條件是使供給到試料電極之電力變大。或是使包含雜質元素之氣體之流量變多。或是使供給到電漿源之高頻率電力變大。或是使處理時間變長。
供給到試料電極之電力，包含雜質元素之氣體之流量，供給到電漿源之高頻率電力，或處理時間以何種方式變化，可以預先以實驗求得，在標準之非晶質化條件，摻雜條件下，在變化該等之各個控制參數之情況時，求得片電阻值以何種程度進行變化。為使該等之各個控制參數之變化可預先構建軟體，其自動地重寫被儲存在圖中未顯示之裝置之控制系統之處理方法。
利用此種構造，可以實現被導入到試料表面之雜質濃度之控制性優良之電漿摻雜方法。
下面參照圖6至圖7用來說明本發明之實施形態2。
在實施形態1中所舉例之情況是虛擬試料使用與形成裝置用之試料大致相同大小之單結晶矽基板。但是，在此種構造之情況，當處理300mm矽基板等之高價之試料時，虛擬試料之花費成本變高為其缺點。要抑制成本時，例如可以考慮之方法是每處理100片之試料時，才處理虛擬試料等，用來使投入虛擬試料之頻繁度降低，但是會產生有損雜質濃度之控制性之另外之缺點。
要解決此種問題時，可以考慮採取的構成是使虛擬試料被設在試料之不要作為裝置之部分，成為試料之一部分。利用此種構造，在處理300mm矽基板等之高價試料時，可以將虛擬試料之花費成本抑制成為最小。另外，假如在全部之試料之一部分預先準備虛擬試料時，雜質濃度之控制性變成極高。亦即，可以對每1片之處理條件進行微調整。
圖6表示作為實施形態2所使用之試料和虛擬試料之矽基板之平面圖。在試料9設有多個之晶片部31成為後來被分斷之半導體元件，晶片部31利用抗蝕劑等準備著用來導入雜質之開口。一般之半導體基板為圓形，對此，元
件為四角形。因此，在基板之周邊部會存在有不能設置晶片部之部分。可以利用該部分之一部分作為虛擬試料32。在虛擬試料32不形成抗蝕劑等，對虛擬試料32全體施加非晶質化和電漿摻雜處理。
在使用此種基板進行非晶質化和電漿摻雜處理之後，在圖7所示之加熱室17進行部分之加熱處理。在圖7中，將試料9裝載在被設於加熱室17內之試料台20上。從作為試料加熱裝置之燈泡23發出之紅外線光，通過窗22照射在試料9之表面之一部分。這時以光罩33預先覆蓋試料9使燈泡光只照射在虛擬試料。使用閃光燈等之技術，大多不必對晶片部加熱，可以只將虛擬試料之表面加熱到1000℃以上。進行部分之加熱處理之方法可以使用雷射退火方法。在此種情況，利用圖4之構造之加熱室，可以經由平面鏡26只對虛擬試料照射雷射。
另外，虛擬試料最好在惰性氣體環境下進行加熱。利用此種方式，可以抑制虛擬試料之不好之變質例如氧化等，所以可以進行再現性優良之活性化，可以更進一步地提高雜質濃度之控制性。要進行此種處理時，最好構建成在加熱室具備有氣體供給裝置用來對加熱室內供給惰性氣體。或是，在真空中加熱亦可以獲得同樣之效果。
下面參照圖8至圖9用來說明本發明之實施形態3。
電漿摻雜裝置之電漿摻雜室，因為已與本發明之實施形態1中所說明之圖1相同，所以在此處將其說明省略。
圖8是平面圖，用來表示電漿摻雜裝置之全體構造。在圖8中，當將試料裝載在裝載室13內之後，對裝載室13進行排氣成為真空狀態。使設在第1轉移室14a和裝載室13之間之閘15打開，操作第1轉移室14a內之搬運臂A，使試料移動到第1轉移室14a內。其次，同樣地使閘15適當地進行開閉，和操作搬運臂A，使試料移動到電漿摻雜室16，進行非晶質化處理和電漿摻雜處理。其次，使試料從電漿摻雜室16移動到第2轉移室14b，然後使試料移動到卸載室19，取出試料。
另外一方面，為著正確控制雜質濃度，使用虛擬試料監視雜質濃度。在同一處理條件下，雜質濃度進行變化之原因包含有對真空容器內壁之氣體和堆積物之附著，高頻率電源之特性變化等，不容易決定。亦即，在此處是每當處理25片之試料時投入虛擬試料。虛擬試料使用與形成裝置用之試料大致相同大小之單結晶矽基板。對虛擬試料不施加抗蝕劑等之圖案製作，而是對試料表面之全體施加非晶質化和摻雜處理。
首先，在圖8中，將虛擬試料裝載在裝載室13之後，對裝載室13進行排氣使其成為真空狀態。使被設在第1轉移室14a和裝載室13之間之閘15開放，操作第1轉移室14a內之搬運臂A，使虛擬試料移動到第1轉移室14a內。其次，同樣地使閘15適當地進行開閉，同時操作搬運臂A，使虛擬試料移動到電漿摻雜室16，以其之前之處理試料之條件下，進行非晶質化處理和電漿摻雜處理。
其次，使虛擬試料從電漿摻雜室16移動到第2轉移室14b，更進一步，使虛擬試料移動到X射線分析室34。
圖9是剖面圖，用來表示X射線分析室34之構成。在圖9中，將虛擬試料21裝載在被設於X射線分析室34內之試料台35上。從電子射線源36照射之電子射束37，在虛擬試料21之離開表面10nm~100nm程度之深度，對被摻雜之雜質元素進行激發。例如，利用電子射束使成為雜質之硼元素之K核電子飛出到原子之外。如此一來，在L核電子落到K核之緩和過程，放射具有能量與L核和K核之能量位準差相當之特性X射線38。在硼之情況，特性X射線38之波長大約為65。使用由分析器39和檢測器40構成之檢測器，檢測該特性X射線38之射線量，可以得知被摻雜在虛擬試料之表面之硼等之雜質濃度(劑量)。
另外，依照該低能量電子射束激發X射線分析法時，可以檢測原子序4~95之涵蓋多種之元素。另外，電子射束之能量最好為200eV以上9keV以下。在未滿200eV之情況會有不能獲得充分之檢測敏感度之問題。相反地，在大於9keV之情況，會產生虛擬試料破裂，或虛擬試料之表面蒸發，在X射線分析室之內壁附著構成虛擬試料之物質等之問題。
劑量被計測後之虛擬試料，在圖8中再度移動到第2轉移室14b，其次移動到卸載室19，從裝置取出。
要獲得所希望之雜質濃度時，需要使X射線量或從X射線量算出之劑量成為所希望之值。在此處每處理25片之試料時，對虛擬試料進行電漿摻雜處理，以低能量之電子射束，照射被摻雜處理過之虛擬試料，檢測從虛擬試料放射之X射線，控制處理試料之條件，使檢測到之指定波長之X射線量或從X射線量算出之劑量成為指定之值。實質上，當虛擬試料之X射線量或劑量大於所希望之值之情況時，在處理其次之25片之試料之條件下，使供給到試料電極之電力變小。或是使包含雜質元素之氣體之流量變少。或是使供給到電漿源之高頻率電力變小。或是使處理時間變短。
相反地，當虛擬試料之X射線量或劑量小於所希望之值之情況時，在處理其次之25片之試料之條件下，使供給到試料電極之電力變大。或是使包含雜質元素之氣體之流量變多。或是使供給到電漿源之高頻率電力變大。或是使處理時間變長。
對於供給到試料電極之電力，包含雜質元素之氣體之流量，供給到電漿源之高頻率電力，或處理時間以何種方式變化，可以利用實驗預先求得，在標準之非晶質化條件，摻雜條件下，使該等之各個控制參數變化之情況時，X射線量或劑量以何種程度變化。當要使該等之各個控制參數變化，亦可以構建成軟體，使被儲存在圖中未顯示之裝置之控制系之處理方法自動地重寫。
利用此種構造可以實現被導入到試料表面之雜質濃度之控制性優良之電漿摻雜方法。
下面參照圖10用來說明本發明之實施形態4。
圖10表示本發明之實施形態4所使用之電漿摻雜裝置之電漿摻雜室之剖面圖。在圖10中，從氣體供給裝置2將指定之氣體導入到真空容器1內，利用作為排氣裝置之渦輪分子泵3進行排氣，利用調壓閥4可以使真空容器1內保持指定之壓力。利用高頻率電源5將13.56MHz之高頻率電力供給到被設在與試料電極6面對之介電質窗7之附近之線圈8，可以用來在真空容器1內產生感應耦合型電漿。在試料電極6上裝載作為試料之矽基板9。另外，設有高頻率電源10用來對試料電極6供給高頻率電力，具有作為電壓源之功能用來控制試料電極6之電位，使作為試料之基板9對電漿成為具有負的電位。
依照此種方式，可以使電漿中之離子朝向試料之表面加速衝撞，使試料之表面非晶質化，和導入雜質。另外，從氣體供給裝置2供給之氣體，從排氣口11朝向渦輪分子泵3排氣。渦輪分子泵3和排氣口11被配置在試料電極6之正下，和調壓閥4是升降閥，位於試料電極6之正下，和渦輪分子泵3之正上。試料電極6被4根之支柱12固定在真空容器1。
當將基板9裝載在試料電極6之後，使試料電極6之溫度保持為25℃，同時從排氣口11使真空容器1內一邊排氣，一邊由氣體供給裝置2對真空容器1內供給50sccm之氦氣，控制調壓閥4使真空容器1內之壓力保持為1Pa。其次，對作為電漿源之線圈8供給800W之高頻率電力，可以使真空容器1內產生電漿之同時，對試料電極6之台座供給200W之高頻率電力，可以使矽基板9之表面之結晶層進行非晶質化。
其次，使試料電極6之溫度保持25℃，對真空容器1內供給氦(He)氣和B2
H6
氣體分別為100sccm、1sccm，使真空容器1內之壓力保持為0.5Pa，同時對線圈8供給1000W之高頻率電力，在真空容器1內產生電漿之同時，對試料電極6供給250W之高頻率電力，用來將硼導入到基板9之表面附近。
在電漿摻雜室具備有由分析器39、檢測器40構成之檢測器，作為測定裝置用來測定從試料放射之X線，藉以算出劑量(雜質濃度)。關於其動作，因為在本發明之實施形態3已說明，所以在此處將其說明省略。
如此一來，經由控制對試料進行非晶質化處理之條件，使測定到X射線量，或從X射線量算出之劑量成為指定之值，可以實現形成在試料表面之非晶質層之厚度之控制性優良之電漿摻雜方法。
一般，在試料之表面利用抗蝕劑等，使進行非晶質化和雜質導入之部分被開口，但是亦可以設置寬廣之開口部(開口部成為虛擬試料)，藉以易於測定X射線量或從X射線量算出之劑量。另外，在X射線量或劑量大於所希望之值之情況時，在處理其次之指定片數之試料之條件中，使供給到試料之電力變小。或是使包含雜質元素之氣體之流量變少。或是使供給到電漿源之高頻率電力變小。或是使
處理時間縮短。
相反地，當X射線量或劑量小於所希望之值之情況時，在處理其次之指定片數之試料之條件中，使供給到試料電極之電力變大。或是使包含雜質元素之氣體之流量變多。或是使供給到電漿源之高頻率電力變大。或是使處理時間增長。
對於供給到試料電極之電力，氣體之流量，供給到電漿源之高頻率電力，或處理時間以何種方式變化，可以利用實驗預先求得，在標準之非晶質化條件，摻雜條件，使該等之各個控制參數變化之情況時，求得X射線量或劑量以何種程度變化。當使該等之各個控制參數變化時，亦可以構建成軟體，使被儲存在圖中未顯示之裝置之控制系統之處理方法自動地重寫。
利用此種方式，可以實現再現性優良之電漿摻雜處理。依照此種方式，構建成電子射線源和X射線檢測器對被裝載在真空容器內之試料電極之試料，照射低能量之電子射束，藉以不需要測定劑量用之特別之處理室，可以提高生產效率。
以上所述之方法構建成使虛擬試料被設在試料之不需要作為裝置之部分，成為試料之一部分。利用此種構成，在處理如同300mm矽基板等之高價之試料時，可以將虛擬試料所需之成本抑制成為最小。另外，假如預先準備虛擬試料作為全部試料之一部分時，雜質濃度之控制性變成極高。亦即，可以就每一片微調整其處理條件。
另外，當然亦可以使用未形成有抗蝕劑之基板作為虛擬試料。
在以上所述之本發明之實施形態中，只是以舉例表示本發明之適用範圍中關於真空容器之形狀，電漿源之方式和配置等之各種變化中之一部分。在本發明之適用時，除了此處之例示外，當然可以考慮使用各種之變化。
例如，亦可以使線圈8成為平面狀，或是亦可以使螺旋波電漿源，磁性中性迴環電漿源，有磁場微波電漿源(電子迴旋加速器共鳴電漿源)，且亦可以使用圖9所示之平行平板型電漿源。
另外，亦可以使用氦以外之惰性氣體，可以使用氖、氬、氪或氙(xenon)中之至少一種之氣體。該等之惰性氣體對試料之不良影響比其他之氣體小為其優點。
另外，所舉之例是在試料為由矽構成之半導體基板之情況時，但是在處理其他種種材質之試料之際，能適用本發明。但是，本發明在由矽構成之半導體基板之情況時是特別有用之電漿摻雜方法。另外，在雜質為砷、磷、硼、鋁或銻之情況時特別有用。利用此種構成可以製造超微細之矽半導體裝置。
另外，亦可以在摻雜處理中進行電漿之發光分光分析、質量分析等，監視氣相狀態，用來判斷何種參數適於變化。例如，與氣相狀態之特別之變化之有無無關地，假如有片電阻值之變化時，亦可不是變化氣體流量或供給到電漿源之高頻率電力，而是變化供給到試料電極之電力。相反地，假如認定就是氣相狀態有變化時，亦可不是變化供給到試料電極之電力，而是可以變化氣體流量或供給到電漿源之高頻率電力。
另外，所舉例之情況是在同一電漿處理室連續處理非晶質化和摻雜處理，但是亦可以設置個別之電漿處理室，個別地進行處理。
另外，所舉例之情況是個別地設置加熱室和片電阻測定室，但是亦可以在加熱室內設置片電阻測定器。
另外，裝置全體之構造當然可以考慮使用各種之變化。
本發明之非晶質化方法及裝置可以提供被導入到試料表面之雜質濃度之控制性優良之電漿摻雜方法及裝置。因此，以半導體之雜質摻雜步驟為首，亦可以應用在液晶等所使用之薄膜電晶體之製造或各種材料之表面改質等之用途上。
1．．．真空容器
2．．．氣體供給裝置
3．．．渦輪分子泵
4．．．調壓閥
5．．．高頻率電源
6．．．試料電極
7．．．介電質窗
8．．．線圈
9．．．基板(試料)
10．．．高頻率電源
11．．．排氣口
12．．．支柱
13．．．裝載室
14a．．．第1轉移室
14b．．．第2轉移室
15．．．閘
16．．．電漿摻雜室
17．．．加熱室
18．．．片電阻測定室
19．．．卸載室
20．．．試料台
21．．．虛擬試料
22．．．窗
23．．．燈泡
24．．．試料台
25．．．雷射光源
26．．．平面鏡
27．．．窗
28．．．探針
29．．．定電流源
30．．．電壓計
31．．．晶片部
32．．．虛擬試料
33．．．光罩
34．．．X射線分析室
35．．．試料台
36．．．電子射線源
37．．．電子射束
38．．．特性X射線
39．．．分析器
40．．．檢測器
51．．．微波導波管
52．．．石英板
53．．．電磁鐵
54．．．磁場微波電漿
55．．．電容器
56．．．氣體導入口
57．．．面對電極
58．．．高頻率變頻器
59．．．電流計
圖1是剖面圖，用來表示本發明之第1實施形態所使用之電漿摻雜室之構成。
圖2是平面圖，用來表示本發明之第1實施形態之電漿摻雜裝置之全體構成。
圖3是剖面圖，用來表示本發明之第1實施形態之燈泡退火方式之加熱室之構成。
圖4是剖面圖，用來表示本發明之第1實施形態之雷射退火方式之加熱室之構成。
圖5是斜視圖，用來表示本發明之第1實施形態之片電阻測定器之概略構成。
圖6是本發明之第2實施形態之矽基板之平面圖。
圖7是剖面圖，用來表示本發明之第2實施形態之燈泡退火方式之加熱室之構成。
圖8是平面圖，用來表示本發明之第3實施形態之電漿摻雜裝置之全體構成。
圖9是剖面圖，用來表示本發明之第3實施形態之X射線分析室之構成。
圖10是剖面圖，用來表示本發明之第4實施形態之電漿摻雜室之構成。
圖11是剖面圖，用來表示先前技術例所使用之電漿摻雜裝置之構成。
圖12是剖面圖，用來表示先前技術例所使用之電漿摻雜裝置之構成。
1．．．真空容器
2．．．氣體供給裝置
3．．．渦輪分子泵
4．．．調壓閥
5．．．高頻率電源
6．．．試料電極
7．．．介電質窗
8．．．線圈
9．．．基板(試料)
10．．．試料電極用高頻率電源
11．．．排氣口
12．．．支柱
Claims (24)
- 一種電漿摻雜方法，在真空容器內產生電漿，使電漿中之雜質衝撞至試料之表面，而將雜質導入到試料之表面；其包含有：透過電漿摻雜將雜質導入到包含虛擬部的第1試料之步驟；僅對上述虛擬部選擇性賦予能量之步驟；測定與經導入至上述虛擬部而與上述雜質相對應的第1物理量之步驟；及以藉由比較第1物理量和基準值而控制處理第2試料的電漿摻雜條件，使在上述第1試料後接著進行電漿摻雜的第2試料之第2物理量達到預先決定的指定值之步驟。
- 如申請專利範圍第1項之電漿摻雜方法，其中，上述虛擬部設於上述第1試料中不需要作為裝置的部分。
- 如申請專利範圍第1或2項之電漿摻雜方法，其中，對上述虛擬部賦予能量之步驟包含對上述虛擬部表面照射雷射光之步驟。
- 如申請專利範圍第1或2項之電漿摻雜方法，其中，對上述虛擬部賦予能量之步驟包含有在惰性氣體環境下所進行者。
- 如申請專利範圍第1項之電漿摻雜方法，其中，測定上述物理量之步驟係測定上述虛擬部之片電阻的步驟。
- 如申請專利範圍第1項之電漿摻雜方法，其中，控制上述第2試料處理條件之步驟包含：在測定上述物理量之步驟中對經導入上述雜質之虛擬部照射低能量之電子射束而檢測從上述虛擬部所放射的X射線之步驟；和設定上述第2試料之電漿摻雜處理條件以使所檢測到的指定波長X射線量或從X射線量所算出的劑量達到指定值之步驟。
- 如申請專利範圍第6項之電漿摻雜方法，其中，上述電子射束之能量為200eV以上且9keV以下。
- 如申請專利範圍第1或6項之電漿摻雜方法，其中，控制上述第2試料之處理條件的步驟，包含在上述雜質導入時變化供給至上述第2試料電極之電力的步驟。
- 如申請專利範圍第1或6項之電漿摻雜方法，其中，控制上述第2試料之處理條件的步驟，包含在上述雜質導入時變化含雜質元素之氣體流量的步驟。
- 如申請專利範圍第1或6項之電漿摻雜方法，其中，控制上述第2試料之處理條件的步驟，在上述真空容器內產生上述電漿時變化供給至電漿源的高頻率電力。
- 如申請專利範圍第1或6項之電漿摻雜方法，其中，控制上述第2試料之處理條件的步驟，變化上述電漿摻雜時之處理時間。
- 如申請專利範圍第1、2、5、6及7項中任一項之電漿摻雜方法，其中， 上述試料為由矽構成之半導體基板。
- 如申請專利範圍第1、2、5、6及7項中任一項之電漿摻雜方法，其中，上述雜質為砷、磷、硼、鋁、銻之任一者。
- 如申請專利範圍第1項之電漿摻雜方法，其中，對上述虛擬部賦予能量之步驟，包含對虛擬部之表面照射燈泡之放射光的步驟。
- 一種電漿摻雜裝置，包含有：電漿摻雜室，其具備有：真空容器；試料電極；氣體供給手段，用來對上述真空容器內供給氣體；排氣手段，用來對上述真空容器內排氣；壓力控制手段，用來控制上述真空容器內之壓力；電漿供給手段，用來將電漿供給到上述試料；和試料電極用電源，用來將電力供給到試料電極；能量供給手段，用來對上述試料賦予能量；和物理量測定手段，用來測定上述試料之物理量。
- 如申請專利範圍第15項之電漿摻雜裝置，其中，上述電漿供給手段更具備有：電漿源；和電漿源用高頻率電源，用來對上述電漿源供給高頻率電力。
- 如申請專利範圍第15或16項之電漿摻雜裝置，其中，上述能量供給手段為加熱手段，上述物理量測定手段為片電阻測定手段。
- 如申請專利範圍第15或16項之電漿摻雜裝置，其中， 上述能量供給手段為對上述試料供給電子射線之電子射線源，上述物理量測定手段為具備有X射線檢測器之X射線分析手段。
- 如申請專利範圍第17項之電漿摻雜裝置，其中，上述加熱手段為高溫爐。
- 如申請專利範圍第17項之電漿摻雜裝置，其中，上述加熱手段為放射雷射光之雷射退火裝置。
- 如申請專利範圍第17項之電漿摻雜裝置，其中，上述加熱手段為只對上述試料之一部分放射雷射光的雷射退火裝置。
- 如申請專利範圍第17項之電漿摻雜裝置，其中，上述加熱手段為用來放射燈泡之放射光的燈泡退火裝置。
- 如申請專利範圍第22項之電漿摻雜裝置，其中，上述加熱手段為只對試料之一部分放射燈泡之放射光的燈泡退火裝置。
- 如申請專利範圍第17項之電漿摻雜裝置，其中，上述加熱手段具備有用來對加熱室內供給惰性氣體的氣體供給手段。
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