专利名称：等离子体掺杂方法
技术领域：
本发明涉及一种等离子体掺杂方法，尤其涉及将杂质掺入到例如半导体基板的固体样品的表面中的等离子体掺杂方法。
背景技术：
作为将杂质掺入固体样品的表面中的技术，公知的是使杂质电离且将电离化杂质以低能量掺入固体中的等离子体掺杂(PD)方法。(例如，见专利文献1)另一方面，掺杂方法中，目前最广泛采用的是离子注入方法。在非专利文献1和非专利文献2中，等离子体掺杂方法被描述为下一代离子注入技术。等离子体掺杂方法不同于离子注入方法。而且，ITRS是半导体工业中工程师广泛参照的文献。现更详细地说明离子注入和等离子体掺杂之间的技术差异。
离子注入方法中，采用一种装置，其包括从气体产生等离子体的离子源、进行质量分离以便在从离子源取出的离子中选择期望离子的分析磁体、加速期望离子的电极和将加速的期望离子注入硅基板中的工艺室。离子注入中，为了将杂质注入浅，优选设定从离子源取出离子的取出能量和用于加速的加速能量小。然而，当取出能量设定小时，被取出的离子数量减少。另外，当加速能量设定小时，在离子束从离子源输送至晶片期间，离子间电荷产生的排斥力使束直径加宽。结果，离子束可能碰撞束线(beam line)的内壁，且可能丢失大量离子。由于这个原因，注入处理的产量降低。例如，当注入B+离子时，如果加速能量是2kev或更小，产量开始下降，如果加速能量是0.5kev或更小，束输送自身变得困难。另外，即使加速能量降低到0.5kev，B离子也可以注入约20nm的深度。即，在形成厚度比深度薄的延伸电极的情况下，生产率可能急剧下降。
相对照，在等离子体掺杂方法中，使用一种装置，其包括诱导等离子体进入其中设置有硅基板的圆柱状真空室中的等离子体产生源、在其上设置硅基板的偏置电极和调节偏置电极的电位的偏置电源。该装置的构成与离子注入中采用的装置的构成的不同之处在于没有提供分析磁体和加速电极。在真空室中提供作为等离子体源和晶片夹具的偏置电极。接着，离子被等离子体和晶片之间产生的电势加速和导入。利用此构成，由于可直接采用低能量等离子体，相比离子注入，大量的低能量离子可照射到晶片上。也就是说，剂量率非常高。由于这个原因，在低能量B离子注入中，可以维持高产量。
通过应用等离子体掺杂方法，发明人开发了形成具有非常浅厚度和低电阻的源极到漏极延伸电极的工艺技术。此新工艺技术的论文于2004年6月被最权威的国际会议之一的VLSI讨论会采用。此新的工艺技术公知作为具有特殊效果的工艺技术(非专利文献3)。
该方法中，从气体导入口导入的掺杂材料气体、例如B2H6通过具有微波波导和电磁体的等离子体产生单元来等离子体化。接着，等离子体中的硼离子通过高频电源被供给至样品表面。
随着半导体器件的尺寸减小和高集成，杂质掺入区的特性非常重要。这些特性中，剂量(掺杂量)决定低电阻，低电阻是决定元件特性的重要要素之一。因此，控制剂量非常重要。
如果使用等离子体掺杂方法，可以看到可形成具有非常浅厚度和低电阻的源极到漏极延伸电极。然而，还没有开发控制元件特性的剂量控制方法。目前，已经试验了通过改变等离子体掺杂时间的方式来改变剂量的方法，但是此方法没有获得充分的控制精度，因此未实用化。
这种状况中，作为通过尽最大可能稀释对人体危险性高的有毒B2H6而能够提高安全性、稳定产生和维持等离子体而不降低掺杂效率和容易进行掺杂剂剂量控制的方法，发明人提出以下方法。该方法中，利用具有小电离能的He气稀释作为包含被掺入杂质的材料的B2H6气，于是初期产生He等离子体，随后B2H6放电(专利文献2)。该方法提出B2H6气的浓度优选小于0.05％。
当浓度低时，例如约0.05％，尽管报道了容易控制剂量，但记载了在气体浓度保持不变时通过改变时间来改变剂量。即，当B2H6气的浓度低时，剂量随时间变化的改变小，于是容易控制剂量。这里，在剂量控制精度增加上有进展。然而，这仅仅改进了通过改变等离子体掺杂时间来改变剂量的公知方法。其中，没有研究剂量改变与气体浓度之间的关系。
专利文献1美国专利第4912065号专利文献2日本特开第2004-179592号公报非专利文献1International Technology Roadmap for Semiconductors 2001Edition(ITRS2001)的Shallow Junction Ion Doping的Figure 30的Front EndProcess非专利文献2International Technology Roadmap for Semiconductors 2003Edition(ITRS2003)非专利文献3“Y.Sasaki等人，Symp.on VLSI Tech.P180(2004)”发明内容<本发明所要解决的技术问题>
如上所述，形成杂质掺入区或者控制剂量是重要的。当然，面内均匀性对于形成元件也是非常重要的。尤其是，虽然在大直径晶片上有最新的进展，但是非常难于获得表面内的均匀剂量。
考虑到以上问题完成了本发明，和本发明的目的是提供一种能够高精度控制剂量和能够形成浅杂质掺入区的等离子体掺杂方法。
本发明的另一目的是提供一种能够实现剂量的面内均匀性高和能够高精度控制剂量的等离子体掺杂方法。
<解决问题的手段>
按照本发明的一方面，提供一种将包含杂质离子的气体的等离子体以预定浓度持续预定时间供给到样品上以便在样品表面中形成杂质掺入区的等离子体掺杂方法，所述等离子体掺杂方法包括设定掺杂时间和包含杂质的气体的等离子体的浓度使得剂量保持一定而不具有时间依存性的步骤。
发明人重复了各种试验并且发现，如果通过照射B2H6/He等离子体到硅基板上来施加偏压，则存在使得硼的剂量保持基本均匀的时刻。另外，可以看出，相比可以确保装置控制的重复性的时间，饱和时间较长且易于稳定使用。即，如果等离子体照射开始，则剂量最初增加，但是使得剂量基本均匀且与时间变化无关的时间继续。另外，如果时间进一步增加，剂量减少。发明人还发现通过时间的工艺窗，可以精确控制剂量，在该时间使得剂量基本均匀而与时间变化无关。着重于该结果完成了本发明。
按照本发明的另一方面，提供一种将包含杂质离子的气体的等离子体以预定浓度持续预定时间供给到样品上以便在样品表面中形成杂质掺入区的等离子体掺杂方法。所述等离子体掺杂方法包括在其中使得剂量均匀而不具有时间依存性的时间范围内、在包含杂质离子的气体的等离子体的掺杂时间和浓度被如此设定从而使得剂量均匀而不具有时间依存性的状态下进行等离子体掺杂的步骤。
按照此构成，在其中使得剂量均匀而不具有时间依存性的时间范围内设定包含杂质离子的气体的等离子体的浓度。因此，可以精确控制剂量。即，尽管时间稍微改变，由于剂量几乎不变，可以稳定控制剂量。相对照，在根据时间控制剂量的公知方法中，即使时间稍微改变，剂量也会剧烈改变。
作为重复试验的结果，当B2H6/He浓度相对预定偏压改变时，可以得到剂量几乎不变和饱和的时间范围。另外，发明人发现，在以上时间范围中，存在退火后薄层电阻(Rs)的面内均匀性、即剂量的面内均匀性非常满意的时间范围。基于此结果完成了本发明。因此，当等离子体掺杂可以实际应用时，可以一并解决与剂量控制和面内均匀性有关的问题。
在按照本发明另一方面的等离子体掺杂方法中，可以设定包含杂质的气体的等离子体的掺杂时间和浓度，使得进入基板表面中的杂质掺入和离开基板表面的杂质溅射饱和。
发明人重复了各种试验并且发现，如果通过照射B2H6/He等离子体到硅基板上来施加偏压，存在通过照射离子、基团、气体而在等离子体中硼的掺杂和从基板表面溅射饱和(平衡)的时间。另外，可以看出，与可以确保装置控制的重复性的时间相比，饱和时间较长且易于稳定使用。
在按照本发明另一方面的等离子体掺杂方法中，掺杂时间设定为使基板表面中剂量小的部分的剂量追随剂量饱和的部分的剂量的程度。
按照此构成，在其中使得剂量均匀而不具有时间依存性的时间范围内设定包含杂质离子的等离子体的浓度。另外，掺杂时间设定为使基板表面中剂量小的部分的剂量追随剂量饱和的部分的剂量的程度。因此，为了增加面内均匀性，可以精确控制剂量。实际中，测量表面内各点处的饱和时间范围，和将掺杂终点设定为被测时间范围的始点中的最迟时间。因此，基板表面中剂量小的部分的剂量追随剂量饱和的部分的剂量。因此，可以获得满意的面内均匀性。
在按照本发明另一方面的等离子体掺杂方法中，不具有时间依存性的均匀剂量的水平可以随着包含杂质离子的气体的等离子体的浓度改变而改变。
利用此构成，设定气体等离子体的浓度，使得进入基板表面中的杂质离子掺入和离开基板表面的溅射饱和。因此，可以改变均匀剂量的水平。所以，可以形成其中杂质浓度被高精度稳定控制的杂质区。
在按照本发明另一方面的等离子体掺杂方法中，包含杂质离子的气体的等离子体的浓度随着包含杂质原子的气体的浓度和压力以及电源功率的改变而改变。
利用此构成，气体等离子体的浓度可以设定在期望范围内。
尤其是，当包含杂质原子的气体的浓度改变时，可以简单且精确改变包含杂质离子的气体的等离子体的浓度。作为具体的单元，包括杂质原子的气体和稀释气体可以混合以被使用，可以通过质量流量控制器改变气体的流动速率，使得气体的混合比改变。因此，可以简单且精确改变包含杂质离子的气体的等离子体的浓度。
在按照本发明另一方面的等离子体掺杂方法中，可以设定气体等离子体的浓度和气体等离子体的离子、基团和气体的浓度，使得杂质离子进入基板表面的掺杂和离开基板表面的溅射随时间增加饱和。
利用此构成，设定气体等离子体的浓度，使得进入基板表面中的杂质离子掺入和离开基板表面的溅射饱和。因此，剂量可被精确控制而不依赖于时间变化。因此，可以形成其中杂质浓度被高精度稳定控制的杂质区。
在按照本发明另一方面的等离子体掺杂方法中，包含杂质离子的气体的等离子体可以是具有硼原子和氢原子的分子(BnHm)的混合气体等离子体。
发明人重复了各种试验并且发现，当BnHm气体的浓度小时，存在使得剂量基本均匀而与时间变化无关的区。于是，设定BnHm气体的浓度，使得进入基板表面中的硼掺入和离开基板表面的溅射饱和。因此，剂量可被精确控制而不依赖于时间变化。因此，可以形成其中杂质浓度被高精度稳定控制的杂质区。
在按照本发明另一方面的等离子体掺杂方法中，包含杂质离子的气体的等离子体可以是B2H6和He的混合气体等离子体。
发明人重复了各种试验并且发现，在使用B2H6和He的混合气体等离子体的情况下，当B2H6气体的浓度小时，存在使得剂量基本均匀而与时间变化无关的区。注重于该事实完成了本发明。于是，设定B2H6气体的浓度，使得进入基板表面中的硼掺入和离开基板表面的溅射饱和。因此，剂量可被精确控制而不依赖于时间变化。因此，可以形成其中杂质浓度被高精度稳定控制的杂质区。
在按照本发明另一方面的等离子体掺杂方法中，B2H6和He的混合气体等离子体中的B2H6气体浓度可以在0.01％至1％的范围内。在小于0.01％的情况下，当改变B2H6的浓度时，饱和的硼剂量随时间变化的改变过小。因此，难以通过改变B2H6的浓度按照时间变化控制饱和的硼剂量。另外，在超过1.0％的情况下，当改变B2H6的浓度时，饱和的硼剂量随时间变化的改变过大。因此，这种情况下，可控性劣化。由于同样的原因，B2H6的浓度更优选在0.025％至0.6％的范围内。
从试验结果发现，当B2H6和He的混合气体等离子体中的B2H6浓度是约0.1％时，存在使得剂量基本均匀而与时间变化无关的区。
在按照本发明另一方面的等离子体掺杂方法中，偏置电压VDC可以是60V或更小。
从试验结果发现，当偏置电压VDC是60V或更小时，存在使得剂量基本均匀而与时间变化无关的区。
在按照本发明另一方面的等离子体掺杂方法中，电源功率可以是约1500W。
从试验结果发现，当电源功率是约1500W时，存在使得剂量基本均匀而与时间变化无关的区。
在按照本发明另一方面的等离子体掺杂方法中，包含杂质离子的气体的等离子体可以是BF3和He的混合气体等离子体。
从试验结果，在使用BF3和He的混合气体等离子体的情况下，类似于使用B2H6和He的混合气体等离子体的情况，同样发现，当BF3气体的浓度小时，存在使得剂量基本均匀而与时间变化无关的区。因此，可以形成其中杂质浓度被高精度稳定控制的杂质区。
在按照本发明另一方面的等离子体掺杂方法中，样品可以是硅基板。
从试验结果，在向硅基板中掺杂期间使用B2H6和He的混合气体等离子体的情况下，已经发现，当B2H6气体的浓度小时，存在使得剂量基本均匀而与时间变化无关的区。当使用BnHm和He的混合气体等离子体时，可以获得相同效果。
如此，在本发明中，设定掺杂时间和包含硼的气体等离子体的浓度，使得进入基板表面中的硼掺杂和离开基板表面的溅射饱和。
在按照本发明另一方面的等离子体掺杂方法中，可在使得剂量均匀而不具有时间依存性的时间范围内进行等离子体掺杂。因此，可以形成其中杂质浓度被高精度稳定控制的杂质区。
利用此构成，通过使得剂量均匀而与时间变化无关的时间工艺窗，可以精确控制剂量。
优选地，活化步骤可以包括照射激光的步骤。
由于激光具有高能密度，可以进行高效率活化。
活化步骤可以包括照射闪光灯的辐射光的步骤。
闪光灯便宜，于是可以实现低成本。
活化步骤可以包括照射钨卤素灯的辐射光的步骤。
全部使用钨卤素灯的热处理已经进入实用化，于是可以良好的可靠性进行活化。
在按照本发明另一方面的等离子体掺杂方法中，可在使得接触等离子体的反应室内壁的温度基本均匀的状态下进行等离子体掺杂。
在按照本发明另一方面的等离子体掺杂方法中，可在接触等离子体的反应室内壁被加热的状态下进行等离子体掺杂。
在按照本发明另一方面的等离子体掺杂方法中，可在接触等离子体的反应室内壁被冷却的状态下进行等离子体掺杂。
在按照本发明另一方面的等离子体掺杂方法中，处理期间可以降低包含杂质原子的气体的浓度。
<发明效果>
如上所述，按照本发明的等离子体掺杂方法，可以精确控制杂质掺入量。另外，可以形成其中剂量被高精度稳定控制的杂质区。
另外，可以形成具有优异面内均匀性的杂质区。
图1是本发明第一实施例中使用的杂质掺入装置的剖面视图；图2是本发明第二实施例中使用的杂质掺入装置的剖面视图；图3是示出在按照本发明例子1的方法中剂量与时间之间关系的图；
图4是示出在按照本发明例子1的方法中剂量与气体浓度之间关系的图；图5是示出在按照本发明例子1的方法中得到的样品的Rs分布的图；图6是示出在按照本发明例子1的方法中得到的样品的Rs分布的图；图7是示出在按照本发明例子2的方法中剂量与时间之间关系的图；图8是示出在按照本发明例子2的方法中剂量的面内均匀性的图；图9是示出在按照本发明例子2的方法中Y轴上薄层电阻分布的图；以及图10是示出在按照本发明例子2的方法中Y轴的薄层电阻标准值分布的图。
附图标记说明1高频电源2匹配箱3线圈4质量流量控制器5质量流量控制器6涡轮分子泵7调压阀8干燥泵9冷却剂供给单元10 VDC监控器11 匹配箱12 高频电源13 样品(被处理基板)14 下电极15 反应室21 高频电源23 线圈24 质量流量控制器25 质量流量控制器
33 样品34 样品台35 反应室具体实施方式
下文中，参考
本发明的实施例。
(第一实施例)以下参考附图详细说明本发明的第一实施例。
图1示出的装置称为等离子体掺杂装置A(PD装置A)。
此实施例中，在杂质掺入时，设定包含被掺入杂质离子的气体等离子体的浓度，使得杂质离子的掺入和硅基板(硅晶片)表面的溅射饱和。按照这样，可以精确控制剂量而与时间变化无关。因此，可以形成其中杂质浓度被高精度稳定控制的杂质区。另外，可以形成具有优异面内均匀性的杂质区。
这里，设定气体等离子体的浓度，使得杂质离子的掺入和基板表面的溅射饱和。按照这样，可以精确控制剂量而与时间变化无关。因此，可以形成其中杂质剂量被高精度稳定控制的杂质区。
这可以如下表示。当杂质离子的掺入和基板表面的溅射饱和时，在使得剂量均匀而时间变化无关的时间范围内进行等离子体掺杂。
为了得到面内均匀性，测量面内各点处的饱和时间范围，和将掺杂终点设为被测时间范围的始点中的最迟时间。因此，基板表面内剂量少的部分中的剂量追随剂量饱和的部分中的剂量，从而得到面内均匀性。
图1是本发明第一实施例中使用的杂质掺入装置的剖面视图。
杂质掺入装置即工艺室包括反应室15、作为反应室15排气的排气装置的涡轮分子泵6、作为控制反应室15中压力的压力控制装置的调压阀7、设置在面对下电极14的电介质窗附近作为等离子体源的线圈和天线3、向线圈和天线3供给13.56MHz高频电力的高频电源12以及作为向下电极14供给电压的电压源的高频电源1。被处理基板(基板)13设置在兼作样品台的下电极14上，和在基板13上进行等离子体照射。
这里，经由产生等离子体的高频电源1和调整放电的匹配箱2，从线圈和天线3供给高频率。所需气体经由质量流量控制器(MFC)4和5供给。通过质量流量控制器4和5、涡轮分子泵6、调压阀7和干燥泵8来控制反应室15中的真空度。电力从高频电源12经由匹配箱11供给至反应室15。设置在反应室15中的被处理基板13被放置在样品台14上，然后供给电力。
接下来，说明等离子体掺杂工艺。
预定气体从气体供给装置经由质量流量控制器4和5导入工艺室的反应室15中，而通过作为排气装置的涡轮分子泵6进行气体排出。另外，通过作为压力控制装置的调压阀7将反应室15保持在预定压力。接着，从高频电源1供给13.56MHz的高频电力至作为等离子体源的线圈3，从而在反应室5中产生感应耦合等离子体。这种状态下，通过高频电源12供给高频电力，然后可以控制下电极14的电位使得作为样品的硅基板(被处理基板)13具有相对等离子体的负电位。
尽管本实施例中使用线圈产生感应耦合等离子体，可以使用天线取代线圈。或者，可以产生螺旋等离子体、表面波等离子体、电子回旋共振等离子体等。
在硅基板13放置在作为下电极的样品台14上后，在反应室15排气时，通过质量流量控制器4将氦气供给到反应室15中和通过质量流量控制器5将作为掺杂材料气体的乙硼烷(B2H6)气体供给到反应室15中。此时，控制调压阀7使反应室15的压力保持在0.9Pa。接着，高频电力1500W供给至作为等离子体源的线圈3，以在反应室15中产生等离子体。另外，高频电力200W供给至下电极14，使硼注入硅基板13的表面附近。这里，暴露给硅基板13的等离子体是B2H6和He的混合气体等离子体(B2H6/He等离子体)。而且，通过改变质量流量控制器4和5中流动的He气和B2H6气的流量比，可以改变B2H6和He的混合比。
如果通过照射B2H6和He的混合气体等离子体(B2H6/He等离子体)到硅基板上来施加偏压，则存在硼的掺入和溅射饱和(平衡)的时间。另外，在此实施例中，可以看到饱和时间较长和易于稳定使用。也就是说，如果等离子体照射开始，则剂量最初增加，但是使得剂量基本均匀而与时间变化无关的时间继续。此外，如果时间进一步增加，剂量减少。因此，通过使得剂量基本均匀而与时间变化无关的时间工艺窗，可以精确控制剂量。另外，通过预先测量硅基板表面内使得剂量均匀的时间和按照最迟开始时间设定掺杂时间，可以获得面内均匀性。
(第二实施例)
以下参照图2说明本发明的第二实施例。
图2中示出的装置称为等离子体掺杂装置B(PD装置B)。
图2是本发明第二实施例中使用的杂质掺入装置的平面示意图。图2中，杂质掺入装置使用螺旋等离子体装置，于是在此装置中，经由质量流量控制器24和25供给B2H6/He气和He气。
这里，杂质也掺入放置在反应室35中的样品台34上的硅基板(样品)33中。通过高频电源21向线圈23供给高频率，接着经由质量流量控制器24和25供给的B2H6/He气和He气被等离子体化。
此装置中，高精度控制质量流量控制器24和25，和控制B2H6/He的混合比。因此，可以控制气体等离子体的浓度，使剂量均匀而无时间依存性。
<例子1>
使用参考图2在第二实施例中说明的PD装置B，同时改变硼的剂量和等离子体掺杂时间，在200mm基板上进行等离子体掺杂。
图3示出了此时硼的剂量与等离子体掺杂时间之间关系的测量结果。纵轴表示剂量和横轴表示等离子体掺杂时间。
如果通过照射B2H6和He的混合气体等离子体(B2H6/He等离子体)到硅基板上来施加偏压，则存在硼的掺入和溅射饱和(平衡)的时间。另外，在此实施例中，可以看到饱和时间较长和易于稳定使用。也就是说，如果等离子体照射开始，则剂量最初增加，但是使得剂量基本均匀而与时间变化无关的时间继续。此外，如果时间进一步增加，剂量减少。因此，通过使得剂量基本均匀而与时间变化无关时的时间工艺窗，可以精确控制剂量。另外，可以获得面内均匀性。
利用此现象，例如，证实硼的剂量可以设定为2.62E15cm-2，精度为1σ＝1％以内。如果利用0.2％/99.8％B2H6/He气体浓度在VDC60V、电源功率1500W和压力0.9Pa下进行等离子体掺杂，由于45秒的剂量是2.62E15cm-2和60秒的剂量是2.63E15cm-2，从45秒至60秒的剂量改变是可以忽略的0.01E15cm-2，如图3的曲线b所示。此时，剂量每单位时间以小的增量增加。速率非常慢，即，(2.63E15-2.62E15)/(60-45)＝6.7E11cm-2/秒。即，剂量相对于时间变化是稳定的。
寻求2.62E15cm-2时，使条件1σ＝1％成立的容许剂量的最大和最小之间差异(±3σ)是2.52-2.68E15cm-2，即，约1.5E14cm-2。45秒至60秒间的掺杂时间期间，剂量仅以6.7E11cm-2/秒的慢速率改变。因此，预期可以进行目标为2.62E15cm-2的1σ＝1％的剂量控制。这是因为由装置决定的掺杂时间的控制是100毫秒量级且掺杂时间偏移最多1秒。
这里，在1100℃进行退火3分钟后从薄层电阻推定剂量，且在45秒至60秒间的掺杂时间期间样品的薄层电阻间的差异是可以忽略地107.4至107.0ohm/sq即0.4ohm/sq。15秒长时间下剂量的小改变是显著的发现。尽管如上所述，就装置控制而言，等离子体掺杂重复进行50秒的时间偏移是至多数百微秒。由于对于约50秒±0.5秒的偏移的关注是足够的，因此剂量控制方法非常稳定和具有高的可控性。
从图3可以看出，当B2H6/He气体浓度是0.025％/99.975％时，在60秒附近存在硼的掺杂和溅射平衡的时间范围。当B2H6/He气体浓度是0.1％/99.9％时，在60秒附近存在该时间范围。当B2H6/He气体浓度是0.2％/99.8％时，在45至60秒附近存在该时间范围。当B2H6/He气体浓度是0.5％/99.5％时，在60至70秒附近存在该时间范围。此外，当B2H6/He气体浓度是0.6％/99.4％时，在60至100秒附近存在该时间范围。在这些附近中，就装置控制而言，剂量随时间变化的改变非常小，且可以高精度地控制剂量。这可以通过B2H6/He气体浓度是0.2％/99.8％情况下的相同逻辑解释。
图4示出对于图3试验结果的时间变化，当时间变化饱和时剂量B与B2H6/He气体浓度之间关系的排列结果。纵轴表示饱和剂量，且横轴表示B2H6/He气体浓度。结果，B2H6/He气体浓度与饱和剂量具有一一对应的关系。从上面的说明，以下可被证实。首先，当B2H6/He气体浓度改变时，其中使得相对于时间变化的剂量改变基本均匀的剂量水平可以被改变。另外，调整B2H6/He气体浓度使其中使得相对于时间变化的剂量改变基本均匀的剂量水平变为期望剂量。另外，将等离子体掺杂时间调整为使得相对于时间变化的剂量改变基本均匀的时间区域，且由此可以将剂量精确控制在期望值。
相对照，仅仅通过调整B2H6/He气体浓度，则缺少针对时间偏移的稳定性。另外，在使得相对于时间变化的剂量改变基本均匀的时间区域以外的区域，仅仅通过调整等离子体掺杂时间，缺少针对时间偏移的稳定性。另外，使得相对于时间变化的剂量改变基本均匀的时间区域通过B2H6/He气体浓度来变化。因此，需要按照每一B2H6气体浓度调整时间区域。当进行此调整时，在特定B2H6气体浓度下可以精确调整剂量时，可能缺少不同B2H6气体浓度下针对时间偏移的稳定性。
图5和6示出了在使用剂量控制方法进行等离子体掺杂后在1075℃对基板退火20秒的结果。在除200mm基板的端部5mm的表面中的81个位置测量薄层电阻。其具有的特征在于使用了使得剂量相对时间变化均匀的等离子体掺杂时间和B2H6/He气体浓度。这里，参照图3和4给出简单说明。如果B2H6/He气体浓度相对预定偏压被适当设定，如图3所示，可以形成B剂量相对等离子体掺杂时间的改变几乎不改变和饱和的时间范围。当改变B2H6/He气体浓度时可以改变饱和的B剂量，如图4所示。即，剂量可被控制。这里，图5和6中使用的等离子体掺杂条件是由图3和8中箭头a和b指示的等离子体掺杂条件。符号a表示图5和符号b表示图6。
图5示出了使用剂量控制方法，通过设定B2H6/He气体浓度0.1％/99.9％和等离子体掺杂时间60秒，B剂量被调整到1.63E15cm-2时的Rs均匀性。Rs的平均是194.0ohm/sq，和均匀性是2.25％的1σ。在剂量未饱和的时间制备的样品的情况下，均匀性是约5％至10％的1σ，于是没有形成均匀的层。这是按照剂量的饱和时间选择的一个效果。
图6是示出使用剂量控制方法，通过设定B2H6/He气体浓度0.2％/99.8％和等离子体掺杂时间45秒，B剂量被调整到2.62E15cm-2时气体浓度与时间之间关系的测量结果的图。Rs的平均是147.9ohm/sq，和均匀性是2.42％的1σ。如此，在不同于图5的剂量情况下，可以再现2.5％或更小的良好均匀性。
一般而言，关于均匀性，1σ的值越小，提高均匀性的技术难度快速增加。即，在将均匀性从10％提高到5％的难度和将均匀性从5％提高到2.5％的难度中，后一情况还要更难。关于没有应用本发明时的5％或以上的均匀性，应用本发明容易得到2.5％或更小的均匀性。这表现了本发明的有效性。
<例子2>
接下来，作为本发明的例子2，使用图1中示出的PD装置A，同时改变硼的剂量和等离子体掺杂时间，在300mm基板上进行等离子体掺杂。
图7示出了等离子体掺杂时间和硼的剂量以及面内均匀性的测量结果。可以看出硼的剂量相对时间变化在约30秒处开始成为饱和的。另外，硼的剂量和面内均匀性在经过30秒时、即等离子体掺杂时间到达60秒时表现出良好值。
图8示出了在通过等离子体掺杂将硼掺入图7所示300mm基板中且接着在1075℃进行退火20秒之后的薄层电阻的面内分布。在除300mm基板的端部3mm的表面中的121个位置测量薄层电阻。图9示出了图8的面内分布中通过基板中心的纵轴上薄层电阻的分布。另外，图10对应图9，是示出薄层电阻除以基板各表面中平均值得到的薄层电阻的标准化值的表。
如此，剂量不随等离子体掺杂时间的改变而改变，不久之后，也改善了面内均匀性。这可以是因为剂量不随等离子体掺杂时间的改变而改变，不久之后，基板表面中剂量小的部分中的剂量追随剂量饱和的部分中的剂量。
同时，如果紧随剂量不随等离子体掺杂时间的改变而改变之后的时间设定为等离子体掺杂时间，基板表面中剂量小的部分中的剂量没有追随剂量饱和的部分中的剂量。这种情况下，面内均匀性不充分。
即，即使剂量控制是充分的，为了确保面内均匀性，需要更加优化设定等离子体掺杂时间。
接下来，参照图9和10说明本发明的机理。图9和10中，示出了7秒(7sec)、30秒(30sec)和60秒(60sec)后的薄层电阻。在最初掺入大量硼的部分中(图9和10的水平轴上从150mm至0mm的部分)，剂量随着时间流逝比较快速地饱和。相反地，在等离子体掺杂开始时没有如此多掺入硼的部分中(图9和10的水平轴上从75mm至150mm的部分)，在剂量饱和之前用了相当多的时间。
然而，如果剂量开始饱和且时间流逝，在最初掺入大量硼的部分中，剂量饱和且硼不再被掺入。同时，在最初没有如此多掺入硼的部分中，剂量达到饱和。因此差异变小。由于这个原因，在图9和10中，当掺杂进行60秒时，纵轴上薄层电阻的变化宽度小。所以，可以改善薄层电阻的面内均匀性。按照本发明的方法是有效确保等离子体掺杂时面内均匀性的方法。同时，如上所述，可以控制剂量。
而且，在例子1和2中使用的1075℃、20秒的退火条件下，薄层电阻的分布可以认为是剂量的分布。这是因为剂量和薄层电阻具有一一对应的关系。在高温和较长时间的退火条件下，可以推测杂质被几乎电活化。这被认为是一一对应关系的理由。
接着说明活化步骤。这对于PD装置是共同的，不取决于PD装置。退火时，在退火装置的样品台上，放置被供给了杂质离子的硅基板。接着，从红外激光器发射且被反射镜反射的激光被照射在硅基板表面上，使得硅基板的表面被加热和活化。
而且，在活化步骤中，作为活化处理室，可以使用闪光灯处理室。闪光灯处理室包括室、样品台、窗和闪光灯。将被供给了杂质离子的硅基板放置在样品台上，和将闪光灯的放射光照射在硅基板表面上，使得硅基板的表面被加热和活化。
而且，以上实施例中，在活化步骤中，闪光灯处理室用作活化处理室。然而，可以使用目前半导体工厂中批量生产使用的钨卤素灯。
本发明的上述实施例中，在本发明的应用范围中，仅仅示出了处理室的构成、形状和配置的各种变化中的一些。当然，可以考虑除示例外仍然落在本发明范围内的各种变化。
另外，尽管说明了样品是硅基板形成的半导体基板的情况，但是在处理各种不同样品时可以应用本发明。例如，本发明可以有效应用于玷污的硅基板和SOI基板。这是因为仅考虑就等离子体而言的表面形状，所述基板与硅基板一样。另外，本发明可以有效应用于鳍FET(Fin FET)。在鳍FET的情况下，一般地，结构是1μm或更小的量级。等离子体的包覆宽度是1mm或更大的量级。因此，仅考虑就等离子体而言的表面形状，鳍FET的结构可忽略的小。这与硅基板一样。
另外，尽管说明了杂质是硼的情况，当样品是硅形成的半导体基板时，尤其是，当杂质是砷、磷、硼、铝或者锑时，可以有效应用本发明。这是因为可以在晶体管部分中形成浅结。
另外，当包含杂质的气体的浓度低时可以有效应用本发明。尤其是，本发明可以有效应用于其中需要高精度控制剂量的等离子体掺杂方法。
另外，已经说明了在等离子体掺杂步骤中供给至反应室的气体是包含掺杂材料的气体的情况。然而，本发明可以应用于供给至反应室的气体不包括掺杂材料，且从固体杂质产生掺杂材料的情况。即，本发明可以有效应用于包含杂质原子的固体放置在反应室中、激励等离子体例如He等以及杂质原子被等离子体化并通过等离子体掺杂掺入的情况。
另外，在进行等离子体掺杂时，优选在接触等离子体的反应室内壁的温度保持基本均匀的状态下进行处理。这是因为，如果处理期间反应室的内壁温度改变，在内壁温度下杂质离子的附着可能性改变，且从包含附着到内壁的杂质离子的薄膜发射到等离子体中的杂质离子数量改变，这引起单位时间剂量的改变。作为保持反应室内壁温度的方法，可以适当选择通过加热器加热内壁的方法或者经由制冷剂的循环冷却内壁的方法。
另外，当调整反应室中包含杂质的气体的浓度时，可以使用调整气体供给量以直接调整自身浓度的方法、降低反应室内壁的温度且析出预定杂质以降低杂质浓度的方法、降低反应室内部的温度且抑制预定杂质的析出以保持杂质浓度的方法、或者调整反应室内壁的温度以调整剂量的方法。另外，具备反馈功能，可以在反应室内壁的温度控制同时进行浓度控制。
另外，在进行等离子体掺杂时，在处理期间可以降低包含杂质离子的气体的浓度。将说明这种情况下的适当方法。
首先，在包含杂质原子的气体的浓度高的状态下，进行等离子体掺杂。此时，处理开始时单位时间剂量设定为高。
接着，在包含杂质原子的气体的浓度低的状态下，进行等离子体掺杂。然后，在使得剂量均匀而不具有时间依存性的时间范围内停止等离子体掺杂处理。这种方式下，相比包含杂质离子的气体的浓度开始时低的状态下进行处理的情况，可以缩短总处理时间。
这种情况下，可以有效使用通过提高反应室内壁的温度来降低气体浓度、增加包括杂质的气体的浓度至最大、接着降低反应室内壁的温度和随后促进杂质析出至内壁的方法。
<产业实用性>
按照该等离子体掺杂方法，可以实现一种能够精确且经济控制杂质掺入量和能够形成浅杂质扩散区的等离子体掺杂方法。另外，本发明的等离子体掺杂方法可以应用于这些用途，例如半导体的杂质掺入工艺或者液晶中使用的薄膜晶体管的制造等。
权利要求
1.一种将包含杂质离子的气体的等离子体以预定浓度持续预定时间照射到样品上以便在样品表面中形成杂质掺入区的等离子体掺杂方法，所述等离子体掺杂方法包括以下步骤在设定掺杂时间和包含杂质离子的气体的等离子体的浓度使得剂量均匀而不具有时间依存性的状态下，在使得剂量均匀而不具有时间依存性的时间范围内进行等离子体掺杂。
2.按照权利要求1的等离子体掺杂方法，其中在设定掺杂时间和包含杂质的气体的等离子体的浓度使得进入基板表面中的杂质掺入和离开基板表面的杂质溅射饱和的状态下进行等离子体掺杂。
3.按照权利要求2的等离子体掺杂方法，其中掺杂时间设定为具有达到使基板表面中剂量小的部分的剂量追随剂量饱和的部分的剂量的程度的长度。
4.按照权利要求1至3中任一项的等离子体掺杂方法，其中不具有时间依存性的均匀剂量的水平随着包含杂质离子的气体的等离子体的浓度改变而改变。
5.按照权利要求1至4中任一项的等离子体掺杂方法，其中包含杂质离子的气体的等离子体的浓度随着包含杂质原子的气体的浓度改变而改变。
6.按照权利要求1至4中任一项的等离子体掺杂方法，其中包含杂质离子的气体的等离子体的浓度随着包含杂质原子的气体的浓度和压力以及电源功率的改变而改变。
7.按照权利要求1至5中任一项的等离子体掺杂方法，其中设定气体等离子体的浓度和气体等离子体的离子、基团和气体的浓度使得杂质离子进入基板表面的掺杂和离开基板表面的溅射随时间增加饱和。
8.按照权利要求1至7中任一项的等离子体掺杂方法，其中包含杂质离子的气体的等离子体是具有硼原子和氢原子的分子(BnHm)的混合气体等离子体。
9.按照权利要求8的等离子体掺杂方法，其中包含杂质离子的气体的等离子体是B2H6和He的混合气体等离子体。
10.按照权利要求9的等离子体掺杂方法，其中B2H6和He的混合气体等离子体中的B2H6气体浓度在0.01％至1％的范围内。
11.按照权利要求10的等离子体掺杂方法，其中B2H6和He的混合气体等离子体中的B2H6气体浓度在0.025％至0.6％的范围内。
12.按照权利要求11的等离子体掺杂方法，其中偏置电压VDC是60V或更小。
13.按照权利要求8的等离子体掺杂方法，其中包含杂质离子的气体的等离子体是BF3和He的混合气体等离子体。
14.按照权利要求1至13的等离子体掺杂方法，其中样品是硅基板。
15.一种将包含杂质离子的气体的等离子体以预定浓度和持续预定时间照射到样品上的等离子体掺杂方法，所述等离子体掺杂方法包括步骤在使得剂量均匀而不具有时间依存性的时间区域中进行等离子体掺杂。
16.按照权利要求1至15中任一项的等离子体掺杂方法，其中使得在接触等离子体的反应室内壁的温度基本均匀的状态下进行等离子体掺杂。
17.按照权利要求16的等离子体掺杂方法，其中在接触等离子体的反应室内壁被加热的状态下进行等离子体掺杂。
18.按照权利要求16的等离子体掺杂方法，其中在接触等离子体的反应室内壁被冷却的状态下进行等离子体掺杂。
19.按照权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、12、13、14、15、16、17和18中任一项的等离子体掺杂方法，其中处理期间降低包含杂质原子的气体的浓度。
全文摘要
目的是实现一种能够精确控制剂量来改善剂量的面内均匀性的等离子体掺杂方法。该等离子体掺杂方法基于这样的发现而且注意到结果，如果通过用B
文档编号H01L21/265GK101076879SQ20058004273
公开日2007年11月21日 申请日期2005年12月12日 优先权日2004年12月13日
发明者佐佐木雄一朗, 冈下胜己, 伊藤裕之, 水野文二, 奥村智洋 申请人:松下电器产业株式会社