引入杂质的方法

专利名称：引入杂质的方法
技术领域：
本发明涉及杂质引入的方法，更具体地涉及在制造半导体装置等过程中引入杂质的方法。
背景技术：
由于装置领域中更精细装置技术最近的发展，要求形成更浅分布(profile)的结。低能离子注入是形成浅结的已知方法。低能离子注入技术是使用非常高的电压将离子驱离离子源并在稍后阶段使离子减速。这样，在将束流值保持在非常高水平的情况下实现低能注入。这种技术已经成功地在浅至几十nm的分布内提供杂质层；而且该层已经在半导体装置工业中付诸实践。
作为在更浅分布内形成结的新技术，等离子体掺杂技术正引起人们的关注。等离子体掺杂技术是一种通过使包含期望粒子的等离子体与待处理对象的表面接触，而将杂质引入到待处理对象(例如半导体衬底)表面内的技术。由于等离子体的能量低至最多几百伏特，因此是一种适用于将杂质层形成为浅分布的手段。根据实验报告，已经形成了十几nm至几十nm的浅结。
非专利文献1揭示了实现最浅的P型结的实验结果；根据该结果，结深度为7nm。
使用气体源的气相掺杂剂方法还揭示于(1)非专利文献2、(2)非专利文献3、(3)非专利文献4和其他公开。根据该方法，在氢气常压气氛下加热半导体衬底，并向衬底供给B2H6、PH3以提供P型和N型的杂质扩散层。该氢气载气对于清除附着在硅表面上的天然氧化膜并保持表面清洁是有效的。因此有利于抑制杂质，特别是硼的表面偏析(segregation)。
为了分解气体，需要通常高于600℃的高温。例如非专利文献5报导了形成高浓度浅结的实验结果，其中将半导体衬底加热到900℃，并供给1ppm的B2H6气体40秒。根据该实验结果，硼浓度为1×1018cm-3的深度定义为结深度且该结深度约为7nm，该结果与上述水平相同。
另外，非专利文献6揭示了一种在室温下执行气相掺杂方法的技术。这些方法为，当材料被引入到例如氧化物的膜附着于其表面的固态基体时，在除去例如氧化物的该膜之后，期望的粒子被附着或引入。根据该报导，杂质引入层的深度为3至4nm。
如前所述，通过使用等离子体掺杂技术或者低能离子注入技术，最近已经报导了形成十几nm至几十nm的浅结的实验。获得最浅P型结的目前实验形成了约7nm的浅杂质层。然而，根据装置的进一步微型化，需要一种更简单地形成低电阻的更浅杂质层的方法。
作为满足上述需求的一种技术，由于等离子体掺杂技术可以通过小的加速能量将粒子引入半导体衬底，等离子体掺杂技术可以形成比离子注入技术浅的引入层。然而，尽管该技术使用小的能量，但是其具有加速能量，使得形成更浅的层存在极限。此外，对于等离子体掺杂已知的在于，自由基被作为掺杂剂供给到衬底。由于自由基并不带电荷，因此不会被加速及轰击到衬底内。然而，人们认为，由于自由基是活性的，其与衬底表面反应并被引入到衬底内。使用气体源的气相掺杂方法是一种通过将掺杂剂供给到衬底内并与衬底表面反应的技术，其中该掺杂剂不具有加速能量。这些技术被认为是超越了将具有能量的离子辐射到衬底上的方法的极限的技术。
例如，离子注入锗或硅的方法被公知为一种将半导体衬底的晶体硅形成为非晶的技术。广泛地使用了一种用于将锗或硅离子注入到硅衬底并使其表面成为非晶、随后离子注入例如硼的杂质、且随后退火的工艺。在离子注入杂质之前形成非晶的下述优点是已知的(1)在离子注入中难以将例如硼的小杂质深地引入；以及(2)通过退火可以有效地激活杂质，因为非晶硅具有高于晶体硅的吸收系数。
然而，使用离子注入的非晶化具有的问题在于，其对于形成浅非晶层精度不足，且在退火之后用于恢复硅晶体的退火条件的范围窄。
相反，最近揭示了一种通过对硅衬底辐射等离子体使硅衬底表面成为非晶的技术，执行该技术作为引入杂质的预处理。在非专利文献7中，本发明人揭示了通过对硅衬底辐射氩等离子体而形成4.3nm厚的非晶层之后，引入作为杂质的硼的技术。此外，非专利文献8揭示了通过对硅衬底辐射氢等离子体而形成25nm厚的严重损伤层的结果。在上述技术中，报导了通过在300℃退火5分钟，低温恢复了该严重损伤层。
此外，使用氦等离子体的方法被公知为通过对硅衬底辐射等离子体而重整硅衬底表面的方法。非专利文献9揭示了通过对硅衬底辐射氦等离子体而在硅衬底内形成孔隙的技术。根据该技术，报导了通过对硅衬底辐射氦等离子体，在距离硅衬底表面50nm至250nm之间的深度范围内形成直径为8nm至50nm之间的孔隙。对等离子体施加了8keV或20keV的偏置电压。此外，该文献还揭示了在20nm至100nm之间深度范围内形成的孔隙的剖面透射电镜照片。该文献还揭示了该孔隙的直径为16nm或20nm。
以下为相关技术的上述示例非专利文献1Technical Digest of Symposium on VLSI Technology，Honolulu，P.110(2000)；非专利文献2International Workshop on Junction Technology(IWJT)，P.19(2000)；非专利文献3J.Vac.Sci.Technol.A16，P.1(1998)；非专利文献4Silicon Technology(No.39 18th June，2002)；非专利文献5Silicon Technology(No.39，18th June，2002)；非专利文献6International Workshop on Junction Technology(IWJT)，P.39-40(2000)；非专利文献7International Workshop on Junction Technology(IWJT)，P.46-49(2000)；非专利文献8International Workshop on Junction Technology(IWJT)，P.54-57(2000)；以及非专利文献9Handbook of Plasma Immersion Ion Implantation andDeposition，p.663-666.

发明内容
本发明解决的问题根据现有技术方法，难以高精度地形成浅结。
因此，本发明提供了一种用于有效地将杂质引入小的深度的技术。解决问题的手段一种根据本发明的杂质引入方法的特征在于该方法包括第一步骤，通过使由在半导体层内是电学非活性的粒子组成的等离子体与包括该半导体层的固态基体的表面反应，由此使该半导体层表面成为非晶；以及第二步骤，将杂质引入到该固态基体的表面。
根据上述方法，当引入该杂质时，等离子体辐射条件受控以抑制损伤层的形成，且由该非活性等离子体可以容易地制备具有良好光学吸收特性的浅非晶层而不影响该半导体特性。此外，由于从等离子体引入到硅衬底的元素通过退火工艺有效地向外扩散，因此可以恢复结晶度。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于该第一步骤包括对该半导体层的表面辐射等离子体的步骤。
根据上述方法，可以通过辐射非活性等离子体而有效地实现非晶化。由于等离子体为非活性，该等离子体不太可能与硅衬底反应。因此，可以降低或者抑制电学影响。由于在等离子体内难以形成自由基，等离子体几乎不与构成固态基体的元素例如硅反应。另外，降低蚀刻速率是有利的，即使该蚀刻速率与元素类型有关。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于该第一步骤包括，将等离子体通过网格(mesh)引导到半导体层表面而将离子辐射到半导体层表面的步骤。
根据上述方法，将等离子体通过具有预定电势的网格辐射到半导体层表面，执行已知为离子簇射(ion shower)的分布式离子辐射。因此，可以有效地实现非晶化。在上述方法中，由于未执行离子质谱分析，辐射到固态基体的离子束流的量与直接等离子体掺杂方法相比削，但是远大于离子注入方法。因此，即使使用具有相对小原子量的元素也可以有效地实现非晶化。例如，即使使用例如具有相对小原子量的氦或氢的元素，可以有效地实现非晶化。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于在执行该第一步骤之后，通过执行该第二步骤，在包括该半导体层的固态基体表面上形成具有精细孔隙的非晶层，且在该非晶层内引入杂质以形成杂质引入层。
根据上述方法，由于选择性地将杂质引入孔隙，因此可以使杂质引入区域即杂质被俘获的区域变窄。因此，由于可以降低具有孔隙的区域与没有孔隙的区域之间杂质浓度的陡峭差异，因此可以提高该杂质浓度沿深度方向的陡度。换而言之，例如可以陡峭地改变pn结界面附近的杂质浓度。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于在执行该第二步骤之后，通过执行该第一步骤，将杂质引入到包括该半导体层的固态基体表面以形成杂质引入层，且将在该半导体层内为电学非活性的粒子组成的等离子体辐射到该杂质引入区域以形成非晶层。
根据与前述方法类似的该上述方法，由于选择性地将杂质引入孔隙，因此可以使杂质引入区域即杂质被俘获的区域变窄。因此，由于可以降低具有孔隙的区域与没有孔隙的区域之间杂质浓度的陡峭差异，因此可以提高该杂质浓度沿深度方向的陡度。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于该第二步骤与第一步骤同时执行。
根据上述方法，可以在单个工艺中确定引入杂质的深度以及该非晶层的深度。通过施加到该固态基体的偏置电压可以控制引入杂质的深度以及该非晶层的深度。然而，当分别执行该第一和第二步骤时，引入杂质的深度以及该非晶层的深度受到在各个步骤中施加的偏置电压的影响。换而言之，引入杂质的深度随非晶层的深度而变化。而且，在许多情况下，非晶层的深度在杂质引入工艺中增大，即使存在一些程度上的差异。具体而言，当预先形成的非晶层深度小且期望将杂质引入具有浅非晶层的硅衬底时，非晶层的深度在杂质引入工艺中变得比原始深度更深。当与第一步骤同时执行该第二步骤时，由于可以在单一工艺内确定引入杂质的深度和非晶层的深度，因此可以容易地控制。此外，由于可以除去一个步骤，因此该方法变得有效。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于该电学非活性等离子体为氦等离子体。
根据上述方法，在例如硅的半导体层内尤其容易形成孔隙。这是氦等离子体的特有特性。由于氦元素在退火工艺中容易朝半导体衬底外部扩散且在退火之后不保留在该半导体衬底内，因此可以容易地恢复硅的结晶度。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于在该第二步骤，使用氦稀释的在该半导体内为电学非活性的杂质的等离子体辐射到该固态硅基体的表面。
根据上述方法，由于该第二步骤与第一步骤同时执行，因此可以减少工艺数目。此外，与前述的方法相似，由于可以在单一工艺内确定引入杂质的深度和非晶层的深度，因此可以容易地控制。在上述方法中，等离子体中使用的杂质使用大量氦进行稀释。因此，由于氦容易朝半导体衬底外部扩散且容易恢复半导体的结晶度，因此可以形成具有良好结晶度的的杂质区域。此外，当将氦与另一种元素混合时，由于难以在硅衬底内形成直径大的孔隙，因此可以降低一般不太可能降低的薄层电阻。备选地，不通过将氦与另一种元素混合而在硅衬底内形成孔隙，可以实现具有如下优点的工艺，即，氦容易朝外部扩散并因此可以形成具有良好结晶度恢复特性的非晶层。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于该第一步骤为形成具有直径小于20nm的精细孔隙的非晶层的步骤。
根据上述方法，可以防止薄层电阻受到如下情况的影响，即孔隙太大，使得半导体晶体在退火之后无法恢复。因此期望将孔隙直径调整至合适的尺寸。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于该孔隙的直径小于8nm。
根据上述方法，已经证实了退火之后，该薄层电阻降低。当孔隙直径小于8nm时，硅晶体更容易恢复，这种情况是期望的。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于该方法进一步包括在该第一步骤和第二步骤之后的退火步骤，其中该退火步骤为电学激活该杂质的步骤。
根据上述方法，可以通过在退火期间有效地吸收光而电学激活该杂质。结果，可以在更浅的分布内形成低电阻层。当存在孔隙时，由于孔隙位于非晶层内，因此在该非晶层附近有效地产生热量。因此，也可以电学激活捕获于孔隙内的杂质。结果，可以在更浅和更陡的分布内形成低电阻层。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于该第一步骤为形成深度为19nm以下的非晶层的步骤。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于该第一步骤为形成深度为5nm以上的非晶层的步骤。
根据上述方法，容易地形成一非晶层，其具有良好光学吸收特性，同时将表面粗糙度抑制到该表面粗糙度不受该非晶层深度影响的范围。当该非晶层的深度小于5nm时，在退火期间该非晶层的光学吸收率降低，因此难以降低电阻。然而，当该非晶层深度大于19nm时，表面被等离子体辐射粗糙化，因此可能对半导体装置产生影响。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于该第二步骤为等离子体掺杂该杂质的步骤。
根据上述方法，由于可以高产量地实现非常浅的杂质引入，该方法是更为期望的。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于该第二步骤为将来自等离子体的杂质离子供给通过该网格的步骤。
根据上述方法，与使用离子注入的情形相比，由于可以更高产量地实现非常浅的杂质引入，该方法是更为期望的。此外，由于只有离子被提取并辐射到固态基体，因此该固态主体并不与自由基反应。因此，执行溅射使得该等离子体中包含的自由基不与构成该固态基体的元素反应，这是有利的。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于该第二步骤为离子注入该杂质的步骤。
根据上述方法，由于这种方法已经广泛应用于半导体行业，因此可以实现高度可靠的杂质引入。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于该第二步骤为气相掺杂该杂质的步骤。
根据上述方法，可以实现采用基本上没有加速能量的杂质的杂质引入，而且与使用等离子体掺杂的情形相比，可以在更浅的分布内形成杂质引入层。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于在相同的工艺腔体内作为顺序工艺原位地执行该第一和第二步骤。
根据上述方法，可以减小天然氧化膜对该第二步骤的影响。一般而言，随着该天然氧化膜厚度增加，在该第二步骤中应用的杂质的剂量可能降低。具体而言，当期望使用低能量引入杂质以形成浅的杂质引入层时，杂质引入量随着天然氧化膜的厚度增大而降低。当在相同的工艺腔体内作为顺序工艺原位地执行该第一和第二步骤，该天然氧化膜的厚度在该第一步骤之后变小。换而言之，该天然氧化膜在该第一步骤之后可能消失，或者该天然氧化膜变薄而可以忽略。此外，由于在真空条件中执行该第一和第二步骤，在该第一步骤和第二步骤之间几乎不形成天然氧化膜。因此，可以减小该天然氧化膜对该第二步骤的影响。此外，可以消除例如一些负担，例如在该第一和第二步骤期间传递或维持该半导体衬底引起的负担。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于该固态基体为硅，该第一步骤为通过改变与将辐射到固态基体表面的等离子体有关的偏置电压、辐射时间、偏置功率和外层电压(sheath voltage)中的至少一个条件，由此控制该非晶层厚度的步骤。
根据上述方法，由于通过改变偏置电压、偏置功率和外层电压可以改变与该固态基体碰撞的等离子体离子的加速能量，因此可以改变该非晶层的厚度。即使与该固态基体碰撞的等离子体离子具有相同的加速能量，也可以通过改变离子与该固态基体碰撞的时间而在一定程度上改变该非晶层的厚度。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于该第一步骤包括辐射由稀有气体中至少一种元素组成的等离子体的步骤。
根据上述方法，由于该等离子体由非活性元素组成，因此可以实现等离子体辐射并同时降低对半导体的电学影响。此外，由于该等离子体由非活性元素组成，即使在等离子体辐射工艺内，该等离子体内的元素不太可能与半导体衬底内的硅反应。因此，蚀刻速率在等离子体辐射期间维持在低的水平，因此该方法是期望的。此外，由于稀有气体是化学稳定的，几乎不与包括硅的该固态基体表面反应，并因此几乎不吸收和附着到该固态基体。因此，除了通过离子引入杂质之外，通过气相吸附引入杂质也是期望的。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于该第一步骤包括辐射包括氦(He)的等离子体的步骤。
根据上述方法，由于氦元素在退火工艺中很可能朝半导体衬底外部扩散且在退火之后不保留在半导体衬底内，硅晶体容易恢复且该方法因此是期望的。此外，由于氦元素的原子半径小于硅或锗，即使少量氦元素保留在硅内也几乎不阻碍晶体的恢复，因此该方法是期望的。此外，由于氦是非活性元素，即使在等离子体辐射工艺中也不可能与半导体衬底内的硅反应。因此，蚀刻速率在等离子体辐射期间维持在低的水平，因此该方法是期望的。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于该第一步骤与该第二步骤同时执行，且该第一步骤包括辐射包括氦气浓度范围为99％至99.999％之间的等离子体。
根据上述方法，该方法可以应用于期望通过引入砷而非硼而形成n型层的情形。换而言之，在上述方法中，使用氦气稀释包含例如砷的杂质元素的气体。根据上述方法，通过引入例如在离子注入中通常使用的剂量的例如砷的杂质而形成n型层。此外，由于在形成该非晶层时使用了氦，氦元素在退火工艺中很可能朝半导体衬底外部扩散，在退火之后不保留在该半导体衬底内。因此，硅晶体容易恢复。此外，由于氦元素的原子半径小于硅或锗，即使少量氦元素保留在硅内也几乎不阻碍晶体的恢复。此外，由于氦是非活性元素，即使在等离子体辐射工艺中也不可能与半导体衬底内的硅反应。因此，蚀刻速率在等离子体辐射期间维持在低的水平。
此外，已经发现，通过选择气体类型可以选择该非晶层的深度。因此，可以基于该非晶层的期望深度而选择气体类型。通过基于该非晶层深度而选择气体类型，可以形成至期望深度的非晶层，而不增大设备的尺寸或者施加于设备的负载。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于该第一步骤包括辐射包括氖(Ne)的等离子体的步骤。
根据上述方法，从实验结果期望，可以形成深度范围为3.7nm至7.7nm之间的非晶层。因此，通过选择气体类型，可以有效地形成至期望深度的杂质区域。此外，由于Ne的原子半径小于硅或锗，即使少量Ne保留在硅内时也几乎不阻碍晶体的恢复，因此该方法是期望的。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于该第一步骤包括辐射包含氩(Ar)的等离子体的步骤。
根据上述方法，从实验结果期望，可以形成深度范围为2nm至4.7nm之间的非晶层。因此，通过选择气体类型，可以有效地形成至期望深度的杂质区域。此外，由于Ar的原子半径小于硅或锗，与锗相比，即使少量Ar保留在硅内时也几乎不阻碍晶体的恢复，因此该方法是期望的。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于该第一步骤包括辐射包括氪(Kr)的等离子体的步骤。
根据上述方法，从实验结果期望，可以形成深度小于2.5nm的非晶层。因此，可以有效地形成至期望深度的杂质区域。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于该第一步骤包括辐射包括氙(Xe)的等离子体的步骤。
根据上述方法，从实验结果期望，可以形成深度小于2.1nm的非晶层。因此，可以形成浅分布的杂质区域。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于该第一步骤包括辐射包括氡(Rn)的等离子体的步骤。
根据上述方法，从实验结果期望，可以形成深度小于1.2nm的非晶层。因此，可以有效地形成至期望深度的杂质区域。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于该第一步骤包括形成至深度X的非晶层的步骤，其中X由下式表示
-(1/0.481)·ln(Y/121.37)＜X＜(Y/270.87)-(1/1.2684)其中Y(单位为′u′)表示组成该非晶层的元素的原子量，X(单位为′nm′)表示该非晶层的深度。
从实验结果已经发现，可以用上述表达式表示等离子体中使用的元素的原子量与将形成的非晶层的深度之间的关系。因此，通过基于该非晶层的期望深度而选择该等离子体中使用的元素的类型，可以容易获得该期望深度。这种情况下，可以直接辐射该等离子体，或者使用离子簇射方法辐射从该等离子体提取的离子。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于该第二步骤包括，通过辐射包含浓度范围为0.001％至1.0％之间的B2H6气体的等离子体而形成该杂质引入层的步骤。
根据上述方法，可以形成对于波长为400nm以上的光具有良好光学吸收比例的半导体层。此外，可以实现通常在半导体中使用的杂质的剂量。因此，可以形成具有实际电阻值的杂质区域，该杂质区域内的杂质被充分激活。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于形成该杂质引入层的步骤包括，通过辐射包含浓度范围为0.001％至1.0％之间的B2H6气体的He等离子体而形成该杂质引入层的步骤。
根据上述方法，由于氦元素在退火工艺中容易朝半导体衬底外部扩散且在退火之后不保留在半导体衬底内，容易恢复硅结晶度。此外，由于氦元素的原子半径小于硅或锗，即使少量氦元素保留在硅内也几乎不阻碍晶体的恢复。此外，由于氦是非活性元素，即使在等离子体辐射工艺中也不太可能与半导体衬底内的硅反应。另外，可以使用在离子注入中通常使用的剂量引入该杂质。
根据本发明的杂质引入方法的特征在于该第一步骤包括辐射包括氢的等离子体的步骤。
根据上述方法，由于氢在退火工艺中容易朝半导体衬底外部扩散且在退火之后不保留在半导体衬底内，该方法因此是期望的。此外，由于氢元素的原子半径小于硅或锗，即使少量氢元素保留在硅内也几乎不阻碍晶体的恢复，因此该方法是期望的。
根据本发明的杂质引入设备的特征在于该设备包括辐射单元和引入单元，该辐射单元向固态基体表面辐射由在半导体层内是电学非活性的粒子组成的等离子体，该引入单元向固态基体表面引入杂质。
根据上述设备，可以有效地实现上述方法。
根据本发明的杂质引入设备的特征在于该设备进一步包括用于激活引入杂质的退火单元。
根据本发明的杂质引入设备的特征在于该引入单元、辐射单元和退火单元配置成在相同腔体内按顺序方式执行。
根据上述设备，由于可以缩小设备尺寸，因此可以执行一系列工艺，同时防止作为待处理对象的固态基体与外部空气接触。
根据本发明的杂质引入设备的特征在于该引入单元、辐射单元和退火单元中至少两个单元配置成在相同腔体内同时执行。
根据上述设备，可以缩小设备尺寸。
本发明的优点根据本发明的杂质引入方法，由于将杂质引入到通过辐射由非活性气体组成的等离子体而形成的非晶层，因此有效地引入了杂质，由此使得可以高精度地形成浅结。此外，由于可以在非晶层内形成精细孔隙并将杂质引入孔隙，因此可以形成精细杂质区域并因此可以在该精细杂质区域内高精度地形成结。


图1为示出了本发明示范性实施方式中使用的设备的基本部分的剖面图示。
图2为示出了在根据本发明的等离子体处理之后硅衬底的AFM表面形貌的图示。
图3为示出了在根据比较例的等离子体处理之后硅衬底的AFM表面形貌的图示。
图4为示出了在根据比较例的离子注入之后硅衬底的AFM表面形貌的图示。
图5为示出了根据示范性实施方式和比较例的非晶层厚度、表面粗糙度和偏置电压之间关系的图示。
图6为示出了根据本发明示例的一个剖面TEM图像的图示。
图7为示出了根据本发明示例的另一个剖面TEM图像的图示。
图8为示出了根据比较例的一个剖面TEM图像的图示。
图9为示出了根据本发明示例的又一个剖面TEM图像的图示。
图10为示出了根据本发明示范性实施方式和比较例的引入杂质之后硼的SIMS分布的图示。
图11为示出了根据本发明示范性实施方式和比较例的执行RTA时薄层电阻和偏置电压之间关系的图示。
图12为示出了根据本发明示范性实施方式和比较例的执行尖峰RTA时薄层电阻和偏置电压之间关系的图示。
图13为示出了根据本发明的非晶层深度与等离子体辐射中使用的原子的原子量之间关系的图示。
图14为示出了通过辐射氦气、混合氩气和氦气、以及氮气的等离子体进行非晶化的情形中，非晶层厚度和偏置电压之间关系的图示。
图15为示出了通过辐射氩气和氦气的混合气体等离子体进行非晶化的情形中，氩气混合比例与非晶层厚度之间关系的图示。
图16为示出了通过辐射氦等离子体的非晶化和通过辐射氩气和氦气的混合气体等离子体的非晶化作为使用氦气稀释的B2H6等离子体掺杂及RTA的预处理时，偏置电压与薄层电阻之间关系的图示。
图17为用于比较根据本发明和比较例的对波长为530nrn的光的光学吸收系数的图示。
图18为用于比较根据本发明和比较例的B2H6气体与氦气混合比例互换时的非晶层厚度的图示。
图19为用于解释B2H6气体与氦气混合比例互换时硼剂量变化的图示。
图20为示出了用于本发明示范性实施方式的离子簇射设备的基本部分的剖面图示。
附图标记说明1高频电源2匹配盒3线圈4流量计5流量计
6涡轮分子泵7传导阀8干泵9循环器10 直流电源11 匹配盒12 高频电源13 待处理衬底14 下电极15 真空腔具体实施方式
以下将参照附图详细地描述本发明的示范性实施方式。然而，本发明不限于下述示范性实施方式。
示范性实施方式1图1为示出了根据本发明的示范性实施方式中使用的杂质引入设备的基本部分的剖面图示。
如图1所示，杂质引入设备100配置成在该设备中按照顺序方式执行等离子体掺杂，等离子体辐射和退火。具体地，在设备100内，在置于真空腔15内的作为下电极14的基座上提供作为待处理衬底13的半导体衬底，并在衬底表面附近形成等离子体发生区域，由此执行等离子体掺杂和等离子体辐射。线圈3通过匹配盒2固定到高频电源，由此在线圈3和下电极14之间供给高频电源。下电极14不仅连接到直流电源10，还通过匹配盒11连接到高频电源12。
由通过传导阀7邻接的干泵8以及涡轮分子泵6控制真空腔15内的真空度。下电极14配置成由循环器9配置成循环。腔15包括用于将被引入腔15的非活性气体例如氦气的流量计4，以及在腔15内置于相对部位并将乙硼烷气体引入腔15内的用于杂质气体的流量计5。
如上所述地构造杂质引入设备100的基体。重要的是，设备100为片料送进型(sheet feed type)，且整个体积特别是真空腔15的体积尽可能小以实现快速处理。期望由螺旋波等离子体源、ECR(电子回旋共振)等离子体源、ICP等离子体源等形成该等离子体发生区域。使用这些等离子体源，将被引入待处理硅衬底13或者包含用于等离子体辐射的气体即本情形中的B2H6和氦气的杂质通过独立的工艺激励成为等离子体状态。
在用于包含杂质的气相材料供给系统中，预定量的气相材料通过流量计4和5供给到真空腔15。气体的流速配置成由流量计4和5分别控制。供给量由流量计4和5及真空腔1 5的体积、温度和真空度确定，并分别由温度计和压力计监测，由此通过相应的温度控制器和相应的压力控制器稳定地控制温度和压力。
在设备100中，硅衬底13转移到工艺腔15内并置于下电极14上。稀有气体导入管16和乙硼烷气体导入管17分别与真空腔15耦接。稀有气体被用于通过将稀有气体等离子体辐射到表面而使硅衬底表面变为非晶。乙硼烷气体制成非晶态以用于等离子体掺杂，或者以气相状态引入真空腔15用于气体掺杂。
首先，在将真空腔15内的真空度设置为期望值之后，打开稀有气体导入管16以产生稀有气体等离子体，并将仅由电学非活性粒子组成的等离子体辐射到硅衬底13，由此形成非晶层。根据等离子体辐射的条件，该非晶层可能具有/不具有精细孔隙。
接着，打开乙硼烷气体导入管17，从而在已经形成为非晶的硅衬底13的预定区域内形成杂质引入层。
之后，通过退火装置(未示出)形成浅结。
这样，实现了浅的、低电阻、高精确度的杂质掺杂。
示范性实施方式2在下文中将描述本发明第二示范性实施方式。
尽管在第一示范性实施方式中是在将硅衬底表面形成为非晶之后引入杂质，第二示范性实施方式的特征在于，在引入杂质之后通过辐射非活性气相等离子体而形成非晶层。
换而言之，在设置真空腔15的真空度之后，打开乙硼烷气体导入管17，从而在硅衬底13的预定区域内形成杂质引入层。
接着，打开稀有气体导入管16以产生稀有气体等离子体，并将仅由电学非活性粒子组成的等离子体辐射到硅衬底13，由此形成非晶层。根据等离子体辐射的条件，该非晶层可能具有/不具有精细孔隙。
之后，通过退火装置(未示出)形成浅结。
这样，实现了浅的、低电阻、高精确度的杂质掺杂。
示范性实施方式3在下文中将描述本发明第三示范性实施方式。
尽管在第一示范性实施方式中是在将硅衬底表面形成为非晶之后引入杂质，第三示范性实施方式的特征在于，同时执行杂质引入步骤和辐射非活性气相等离子体以形成非晶层的步骤。
换而言之，在设置真空腔15的真空度之后，一起打开稀有气体导入管16和乙硼烷气体导入管17，从而产生稀有气体等离子体，并将仅由电学非活性粒子组成的等离子体辐射到硅衬底13，由此形成非晶层，同时在硅衬底13的预定区域内形成杂质引入层。根据等离子体辐射的条件，该非晶层可能具有/不具有精细孔隙。
之后，通过退火装置(未示出)形成浅结。
这样，实现了浅的、低电阻、高精确度的杂质掺杂。
接着将详细描述本发明的示例。
在以下示例中，将描述固态基体本身表面非晶化的工艺。
<示例1>
(表面粗糙度)首先将描述通过等离子体辐射形成非晶层的工艺中的表面粗糙度。
在真空腔15内，将等离子体辐射到作为待处理对象13的硅衬底。
在本示例中，等离子体源使用螺旋波等离子体源。
此外还使用了氦气。
首先，将氦等离子体辐射到硅衬底13。执行该等离子体辐射的条件为压力为0.9Pa，等离子体辐射时间为7秒，且偏置电压为75V至310V。在第一次停止等离子体辐射并对真空腔15抽真空之后，使用氮气净化真空腔15，并从真空腔15移出衬底。观察该移出的硅衬底13的AFM表面形貌。
图2示出了根据本发明示例，氦等离子体辐射的偏置电压在75V至150V范围内变化时AFM表面观察的结果。硅衬底21的RMS表面粗糙度观测值为0.3nm。
图3示出了根据比较例，分别在250V和310V的偏置电压执行氦等离子体辐射时AFM表面观察的结果。硅衬底21的RMS表面粗糙度观测值分别为0.355nm和0.517nm，并发现表面粗糙化。
图4示出了根据另一个比较例，使用常规条件将硼离子注入到硅衬底21之后的硅衬底表面。使用了0.5kV的加速能量和1×1015cm-2及2×1014cm-2的硼剂量。硅衬底13的表面粗糙度观测值小于0.3nm。由于在行业中广泛使用离子注入，0.3nm的RMS表面粗糙度在制造工艺中视为可接受。
通过上述结果，当在通过辐射等离子体形成非晶层的工艺中等离子体辐射中施加的电压低于250V时，表面粗糙度小于离子注入的表面粗糙度，这似乎在实际使用中不会导致任何问题。因此可以看出，低于250V的偏置电压是期望的。
<示例2>
(非晶层厚度)接着将描述通过辐射等离子体形成非晶层的工艺中非晶层的厚度。
在真空腔15内，将等离子体辐射到作为待处理对象13的硅衬底。
在本示例中，等离子体源使用螺旋波等离子体源。此外还使用氦气。
首先，将氦等离子体辐射到硅衬底13。执行该等离子体辐射的条件为压力为0.9Pa，等离子体辐射时间为7秒，且偏置电压为75V至310V。在第一次停止等离子体辐射并对真空腔15抽真空之后，使用氮气净化真空腔15，并从真空腔15移出衬底。使用椭圆光度法测量该移出的硅衬底13表面上的非晶层厚度。此外，通过剖面TEM图像观察某些样品的非晶层厚度，从而将其与椭圆光度法测量结果比较。于是，基于剖面TEM测量结果校正椭圆光度法测量结果，从而确定所有非晶层的深度。
图5示出了偏置电压与非晶层厚度之间的关系。在图5中，还示出了偏置电压与上述表面粗糙度之间的关系供参考。非晶层的厚度随着偏置电压的增大而增大。可形成的非晶层的厚度范围为4.5nm至24nm。鉴于表面粗糙度，小于225V的偏置电压不会导致实际使用中的任何问题。与该偏置电压范围对应的非晶层的厚度小于19nm。换而言之，从表面粗糙度的角度考虑，小于19nm的非晶层厚度不会导致实际使用中的任何问题。
<示例3>
(多孔硅)接着将描述通过辐射等离子体形成非晶层的工艺期间非晶层内孔隙的形成。孔隙是指硅衬底内密度较低的部分，称为微胶囊或气泡。
在真空腔15内，将等离子体辐射到作为待处理对象13的硅衬底。
在本示例中，等离子体源使用螺旋波等离子体源。
此外还使用氦气。
首先，将氦等离子体辐射到硅衬底13。执行该等离子体辐射的条件为电源功率为1500W，压力为0.9Pa，等离子体辐射时间为7秒，且偏置电压为75V、150V、200V和310V。在第一次停止等离子体辐射并对真空腔15抽真空之后，使用氮气净化真空腔15，并从真空腔15移出衬底。观察该移出的硅衬底13的剖面TEM图像。
图6示出了使用75V偏置电压时硅衬底13的剖面TEM图像。形成了距表面8nm的深度的非晶层。未观察到孔隙。还可能是精细孔隙太小，无法通过TEM图像观察到。这样，形成了具有良好光学吸收特性的非晶层。
图7示出了使用150V偏置电压时硅衬底13的剖面TEM图像。形成了距表面13.5nm的深度的非晶层。在距表面3.2nm至6.4nm的深度范围观察到直径小于6.4nm的孔隙(微孔隙)。孔隙是指由于存在微孔隙而与非晶层层其余部分相比密度低的部分。
此时的非晶硅层厚度微13.5nm。由于孔隙形成于非晶硅层内，因此通过选择性地将杂质引入多孔区域可以形成具有陡的杂质浓度分布和良好结晶特性的精细杂质区域。
图8示出了使用200V偏置电压时硅衬底13的剖面TEM图像。形成了距表面17.5nm的深度的非晶层。在距表面3.2nm至14.5nm的深度范围观察到直径小于9.5nm的孔隙。从剖面TEM图像可以看出，与使用150V偏置电压的情形相比，孔隙呈现更清楚的轮廓。这可能是因为孔隙的密度已经被减小到低于晶体硅层的值。
此时的非晶硅层厚度微17.5nm。由于孔隙形成于非晶硅层内，因此通过选择性地将杂质引入多孔区域可以形成具有陡的杂质浓度分布和良好结晶特性的精细杂质区域。
图8示出了使用310V偏置电压时硅衬底13的剖面TEM图像。形成了距表面24nm的深度的非晶层。在距表面3.2nm至19nm的深度范围观察到直径小于9.5nm的孔隙。从剖面TEM图像可以看出，与使用200V偏置电压的情形相比，孔隙呈现更清楚的轮廓。这可能是因为，与使用200V偏置电压的情形相比，孔隙的密度已经减小到低于晶体硅层的值。此外，在非晶层和晶体硅层之间的界面形成损伤层。
此时的非晶硅层厚度微24nm。由于孔隙形成于非晶硅层内，因此通过选择性地将杂质引入多孔区域可以形成具有陡的杂质浓度分布和良好结晶特性的精细杂质区域。
这样，通过改变辐射氦等离子体工艺期间的偏置电压，可以控制非晶层厚度、孔隙位置、孔隙直径和孔隙密度。
<示例4>
(掺杂后(as-doped)SIMS分布的比较)接着将描述具有孔隙的非晶层对深度方向杂质分布的影响。
在真空腔15内，将等离子体辐射到作为待处理对象13的硅衬底。
在本示例中，等离子体源使用螺旋波等离子体源。
此外，非晶化工艺中使用氦气，掺杂工艺中使用乙硼烷气体。
首先，将氦等离子体辐射到硅衬底13。执行该等离子体辐射的条件为电源功率为1500W，压力为0.9Pa，等离子体辐射时间为7秒，且偏置电压为150V和250V。在停止等离子体辐射并对真空腔15抽真空之后，在不从真空腔15移出衬底的情况下，辐射乙硼烷和氦气的混合气体等离子体。使用浓度比例为5％的乙硼烷气体和95％的氦气的混合气体。执行该等离子体辐射的条件为电源功率为1000W，压力为2.5Pa，等离子体辐射时间为7秒，且偏置电压为100V。在停止等离子体辐射并对真空腔15抽真空之后，使用氮气净化真空腔15，并从真空腔15移出衬底。
此外，制备未经氦等离子体辐射的样品供比较。换而言之，第一次将乙硼烷和氦气的混合气体等离子体辐射到硅衬底13。使用浓度比例为5％的乙硼烷气体和95％的氦气的混合气体。执行该等离子体辐射的条件为电源功率为1000W，压力为2.5Pa，等离子体辐射时间为7秒，且偏置电压为100V。在第一次停止等离子体辐射并对真空腔15抽真空之后，使用氮气净化真空腔15，并从真空腔15移出衬底。
接着，对整个样品测量沿该移出的硅衬底13的深度方向的硼浓度的SIMS分布。
图10示出了掺杂后SIMS分布。用实线表示的分布示出了对应于在下述条件下执行等离子体掺杂的情形的掺杂后SIMS分布使用5％的B2H6气体和95％的氦气的混合气体而没有氦的等离子体辐射，其条件为电源功率为1000W，压力为0.9Pa，等离子体辐射时间为7秒，且偏置电压为100V。用短划线表示的分布示出了对应于在150V偏置电压下辐射氦等离子体之后进行与上述相同的条件下的等离子体掺杂的情形的SIMS分布。用点线表示的分布示出了对应于在250V偏置电压下辐射氦等离子体之后进行与上述相同的条件下的等离子体掺杂的情形的SIMS分布。
从在深度方向的硼浓度的SIMS分布获得的结果表明，即使在相同的掺杂条件下，分布根据氦等离子体辐射的偏置电压而变化。此外，当辐射氦等离子体时，与未辐射氦等离子体的情形相比，硼深地掺杂。当硼掺杂到对应于5E18cm-3硼浓度的深度时，该掺杂深度对应于由氦等离子体辐射形成的非晶层深度的50％至60％。
此外，随着由氦等离子体辐射形成的非晶层的深度增加，掺杂深度增大。换而言之，当通过辐射氦等离子体形成13.5nm厚的非晶层时，硼的掺杂深度为8.1nm，而当通过辐射氦等离子体形成21.4nm厚的非晶层时，硼的掺杂深度为11.2nm。该结果与从使用离子注入的Ge预非晶化离子注入和硼离子注入组合使用而获得的结果相反。对于离子注入的情形，通过使用Ge预非晶化离子注入而执行预非晶化，有利地防止了沟道效应。
换而言之，在Ge预非晶化离子注入中，报导了预非晶化使掺杂深度变浅。因此，本发明的实验结果演示了这样的可能性，即，当通过氦等离子体辐射在硅衬底内产生精细微胶囊时，通过将硼填充到孔隙内部而将硼选择性地引入孔隙内。
基于分布的陡度对结果进行总结。使用当硼浓度从1E19cm-3改变为1E18cm-3时沿深度方向的距离表示该陡度。随着距离减小，实现了更陡的分布。杂质浓度在p-n结的p区和n区之间的结边界附近陡峭改变，这种更陡的分布是期望的。未经过氦等离子体辐射的样品的陡度测量值为3.2nm/dec。相反，在150V偏置电压下辐射氦等离子体之后经过等离子体掺杂的样品的陡度的测量值为1.7nm/dec。此外，在250V偏置电压下辐射氦等离子体之后经过等离子体掺杂的样品的陡度的测量值为2.5nm/dec。由于执行氦等离子体辐射的情形分布的陡度增大，本发明的优点得到证明。
<示例5>
(氦等离子体辐射的偏置电压对薄层电阻的影响)接着将描述氦等离子体辐射的偏置电压与薄层电阻之间的关系。在真空腔15内，将等离子体辐射到作为待处理对象13的硅衬底。在本示例中，等离子体源使用螺旋波等离子体源。
此外还使用氦气。
首先，将氦等离子体辐射到硅衬底13。执行该等离子体辐射的条件为压力为0.9Pa，等离子体辐射时间为7秒，且偏置电压为75V、150V、200V和250V。在停止等离子体辐射之后，对真空腔15抽真空5秒。接着辐射使用氦气稀释的B2H6的等离子体。
执行该等离子体辐射的条件为压力为2.5Pa，等离子体辐射时间为7秒，且偏置电压为100V。在停止等离子体辐射并对真空腔15抽真空之后，使用氮气净化真空腔15，并从真空腔15移出衬底。
此外，制备未经氦等离子体辐射的样品供比较。换而言之，第一次将乙硼烷和氦气的混合气体等离子体辐射到硅衬底13。执行该等离子体辐射的条件为压力为2.5Pa，等离子体辐射时间为7秒，且偏置电压为100V。在停止等离子体辐射并对真空腔15抽真空之后，使用氮气净化真空腔15，并从真空腔15移出衬底。
接着，通过使用快速热退火(RTA)以12℃/sec的升温速率和6℃/sec的降温速率，在900℃对所有样品执行热处理。温度在900℃维持零(0)秒。在热处理之后，使用四探针方法测量薄层电阻。
硼的剂量约为2×1015cm-2，且对所有样品采用基本上相同的剂量。
图11示出了氦等离子体辐射的偏置电压与薄层电阻之间的关系。当不执行氦等离子体辐射时，即，当执行仅使用氦气稀释的B2H6气体的等离子体辐射时，薄层电阻测量值为1934ohm/sq。通过在150V的偏置电压执行氦等离子体辐射作为预处理，薄层电阻降低到1570ohm/sq。薄层电阻的降低量为19％。然而当氦等离子体辐射的偏置电压超过薄层电阻成为最小的点时，薄层电阻急剧增大。换而言之，当氦等离子体辐射的偏置电压增大到200V时，薄层电阻为1815ohm/sq，高于偏置电压为150V的情形。
<示例6>
(氦等离子体辐射的偏置电压对结深度的影响)接着将描述氦等离子体辐射的偏置电压与薄层电阻之间的关系。
在本示例中，等离子体源使用螺旋波等离子体源。
此外还使用氦气。
首先，将氦等离子体辐射到硅衬底13。执行该等离子体辐射的条件为压力为0.9Pa，等离子体辐射时间为7秒，且偏置电压为75V、150V、200V和250V。在停止等离子体辐射之后，对真空腔15抽真空5秒。接着辐射使用氦气稀释的B2H6的等离子体。执行该等离子体辐射的条件为压力为2.5Pa，等离子体辐射时间为7秒，且偏置电压为200V。在停止等离子体辐射并对真空腔15抽真空之后，使用氮气净化真空腔15，并从真空腔15移出衬底。
此外，制备未经氦等离子体辐射的样品供比较。换而言之，第一次将乙硼烷和氦气的混合气体等离子体辐射到硅衬底13。
执行该等离子体辐射的条件为压力为2.5Pa，等离子体辐射时间为7秒，且偏置电压为200V。在停止等离子体辐射并对真空腔15抽真空之后，使用氮气净化真空腔15，并从真空腔15移出衬底。
接着，通过使用尖峰快速热退火(RTA)以200℃/sec的升温速率和52℃/sec的降温速率，在1000℃对所有样品执行热处理。温度在1000℃维持零(0)秒。在热处理之后，使用四探针方法测量薄层电阻。此外，测量所有样品在该热处理之后的SIMS分布。
硼的剂量约为2×1015cm-2，且对所有样品采用基本上相同的剂量。
从上述结果，通过以小于150V的偏置电压辐射非活性等离子体作为杂质引入的预处理，从而形成深度范围为4.5nm至19nm的非晶层，由此可以形成具有低的不规则度的低电阻杂质区域。
此外，测量了氦等离子体辐射的偏置电压与结深度Xj之间的关系。
图12示出了氦等离子体辐射的偏置电压与结深度Xj之间关系的测量结果。在图12中还示出了薄层电阻。当在150V的偏置电压下执行氦等离子体辐射作为预处理时，薄层电阻最低。相反，当硼浓度为1E18cm-2时，所有样品的结深度基本上相同。
这样，氦等离子体辐射存在最佳的偏置电压，其中即使在相同的硼剂量下，薄层电阻变得最低而不改变结深度。
<示例7>
(氦等离子体辐射使用的气体类型对非晶层深度的影响)接着将描述，通过辐射等离子体使硅晶体非晶化时，等离子体的元素的原子量与非晶层深度之间的关系。
在真空腔15内，将等离子体辐射到作为待处理对象13的硅衬底。
在本示例中，等离子体源使用螺旋波等离子体源和ICP等离子体源。
此外还使用氦气、氮气、氧气、氩气和氙气。
首先，将使用螺旋波等离子体源的等离子体辐射到硅衬底13。分别使用氦、氮、氧、氩和氙的等离子体。执行等离子体辐射的条件为压力为0.9至2.5Pa，等离子体辐射时间为7至60秒，且偏置电压为75V至310V。在第一次停止等离子体辐射并对真空腔15抽真空之后，使用氮气净化真空腔15，并从真空腔15移出衬底。
类似地，使用ICP等离子体源制备样品。使用一种配备了ICP等离子体源的装置，该装置的形状和尺寸不同于配备了螺旋波等离子体源的装置。换而言之，通过替换等离子体源和腔体进行实验。首先，将等离子体辐射到硅衬底13。分别使用氦、氮、氧、氩和氙的等离子体。执行等离子体辐射的条件为压力为1.0至3.0Pa，等离子体辐射时间为7至30秒，且偏置电压为490V至900V。在第一次停止等离子体辐射并对真空腔15抽真空之后，使用氮气净化真空腔15，并从真空腔15移出衬底。
使用椭圆光度法测量所有样品的非晶层的深度。
图13示出了等离子体的元素的原子量与非晶层深度之间的关系。在图13中，用×表示的点表示与配备了螺旋波等离子体源的真空装置相对应的结果，而用实心圆表示的点表示与配备了ICP等离子体源的真空装置相对应的结果，与较小原子量的元素相比，非晶层的深度随着所使用元素的原子量的增大而减小，而无论真空装置和等离子体源的类型如何。此外，可以看出，可形成的非晶层的深度范围很大程度上取决于元素类型。
具体而言，当使用氦等离子体时，其适用于形成深度范围为7nm至32nm的非晶层，优选地为7nm至27nm。此外，当使用氮等离子体时，其适用于形成深度范围为2nm至10nm的非晶层，优选地为4.5nm至10nm。另外，当使用氧等离子体时，其适用于形成深度范围为4nm至7.2nm的非晶层。另外，当使用氩等离子体时，其适用于形成深度范围为2nm至4.7nm的非晶层。此外，当使用氙等离子体时，其适用于形成深度小于2.1nm的非晶层。当期望形成与上述范围不同的非晶层时，产生以下问题。当期望形成深度范围浅于使用某一元素的指定范围的非晶层时，应该将偏置电压降低到低于可控水平的值，由此使得难以控制偏置电压。同时，当期望形成深度范围浅于使用某一元素的指定范围的非晶层时，应该施加高的偏置电压，由此偏置电压源的尺寸增大或者施加于偏置电压源或该设备的绝缘单元的负载变大。
假设Y(u)代表组成非晶层的元素的原子量，X(nm)代表非晶层的深度，则适用于该元素的非晶层深度范围可以由图13中式1和2界定的范围表达。
式1Y＞121.37exp(-0.481X)式2Y＜270.87X-1·2684通过对式1和2求解X，得到式3。
式3-(1/0.481)·ln(Y/121.37)＜X＜(Y/270.87)-(1/1.2684)通过从式3选择用于等离子体辐射的元素，可以选择非晶层的深度而不增加该设备的尺寸或者施加于该设备的负载。
相反，通过选择非晶层的深度，可以选择用于等离子体辐射的元素而不增加该设备的尺寸或者施加于该设备的负载。
例如，当使用氢等离子体时，期望形成深度范围为10nm至82nm的非晶层。相反，当期望形成深度范围为10nm至82nm的非晶层时，则期望使用氢等离子体。
类似地，当使用氖等离子体时，期望形成深度范围为3.7nm至7.7nm的非晶层。此外，当使用氪等离子体时，期望形成深度小于2.5nm的非晶层。另外，当使用氡等离子体时，期望形成深度小于1.2nm的非晶层。
此外，当使用包含硅的等离子体时，则期望形成深度范围为3nm至6nm的非晶层。另外，当使用包含锗的等离子体时，则期望形成深度范围为1.1nm至2.8nm的非晶层。此外，当使用包含硼的等离子体时，则期望形成深度范围为5nm至12.7nm的非晶层。此外，当使用包含磷的等离子体时，则期望形成深度范围为2.8nm至5.5nm的非晶层。此外，当使用包含砷的等离子体时，则期望形成深度范围为1nm至2.8nm的非晶层。
由于这些范围很大程度上取决于元素的原子量，在直接暴露于等离子体和被暴露于离子簇射的情况下被认为是有效的。
<示例8>
(使用其他类型稀有气体的混合气体的等离子体辐射进行非晶化)在真空腔15内，将等离子体辐射到作为待处理对象13的硅衬底。
在本示例中，等离子体源使用螺旋波等离子体源。
此外还使用氦气和氩气的混合气体。从混合物比例的角度，使用了浓度比例为99％的氦气和1％的氩气的混合气体、99％的氦气和1％的氩气的混合气体、以及90％的氦气和10％的氩气的混合气体。
首先，将氦等离子体辐射到硅衬底13。执行等离子体辐射的条件为电源功率为1500W，压力为0.9Pa，等离子体辐射时间为7秒，且偏置电压为75V、150V和200V。在第一次停止等离子体辐射并对真空腔15抽真空之后，使用氮气净化真空腔15，并从真空腔15移出衬底。使用椭圆光度法测量该非晶层的深度。
图14示出了通过辐射氦气、Ar和He混合气体、和氮气的等离子体进行非晶化的偏置电压与非晶层厚度之间的关系。当通过辐射氦气等离子体而执行非晶化时，在75至200V的偏置电压范围中形成的非晶层的厚度范围为8nm至18nm；而当通过辐射99％的He和1％的Ar的混合气体等离子体而执行非晶化时，非晶层的厚度范围为8nm至15nm。当通过辐射90％的He和10％的Ar的混合气体等离子体而执行非晶化时，非晶层的厚度范围为3.8nm至7.5nm。这样，通过将Ar与He混合，可以改变可形成的非晶层的厚度范围。
图15示出了在使用Ar和He混合气体等离子体辐射进行非晶化时，当氩气和氦气的混合比例改变时，Ar的混合比例与非晶层厚度之间的关系。氩气与氦气的混合比例为0％/100％(Ar/He)、1％/99％和10％/90％。采用了75V、150V和200V的偏置电压和7秒的等离子体辐射时间。该关系表明，通过改变氩气和氦气混合比例可以改变非晶层的厚度。非晶层厚度的改变由通过改变氩气和氦气的混合比例来改变等离子体的元素的等效原子量而引起。具体而言，尽管氦的原子量为4.0且氩的原子量约为39.9，但是通过混合这两种元素而可以获得与使用原子量介于4.0至39.9的元素等效的效果。因此，通过改变氩气和氦气的混合比例，可以改变等效原子量。
<示例9>
(使用不同类型稀有气体的混合气体的等离子体辐射进行非晶化对薄层电阻的影响)在真空腔15内，将等离子体辐射到作为待处理对象13的硅衬底。
在本示例中，等离子体源使用螺旋波等离子体源。
此外还使用氦气和氩气的混合气体。浓度比例的混合物比例99％的氦气和1％的氩气、99％的氦气和1％的氩气、以及90％的氦气和10％的氩气。为了比较，还使用纯氦气和纯氮气执行非晶化。
在掺杂工艺中使用了用氦气稀释的乙硼烷气体的混合气体。
首先，将氦等离子体辐射到硅衬底13。执行等离子体辐射的条件为电源功率为1500W，压力为0.9Pa，等离子体辐射时间为7秒，且偏置电压为75V、150V和200V。在停止等离子体辐射并对真空腔15抽真空之后，辐射使用乙硼烷和氦气的混合气体等离子体，并不从真空腔15移出硅衬底13。使用浓度比例为5％的乙硼烷气体和95％的氦气的混合气体。执行等离子体辐射的条件为电源功率为1000W，压力为2.5Pa，等离子体辐射时间为7秒，且偏置电压为100V。在停止等离子体辐射并对真空腔15抽真空之后，使用氮气净化真空腔15，并从真空腔15移出衬底。
此外，制备未经等离子体辐射的样品供比较。换而言之，第一次将乙硼烷和氦气的混合气体等离子体辐射到硅衬底13。使用浓度比例为5％的乙硼烷气体和95％的氦气的混合气体。执行该等离子体辐射的条件为电源功率为1000W，压力为2.5Pa，等离子体辐射时间为7秒，且偏置电压为100V。在第一次停止等离子体辐射并对真空腔15抽真空之后，使用氮气净化真空腔15，并从真空腔15移出衬底。
所有样品在900℃下RTA处理0秒，使用四探针方法测量薄层电阻。
图16示出了通过一个实验制备的p型层的薄层电阻，在该实验中，通过辐射氩和氦的混合气体等离子体执行非晶化，使用乙硼烷和氦的混合气体执行等离子体掺杂，并使所得的衬底经过RTA处理，而与之相比，p型层通过一个实验制备，在该实验中，通过辐射氦等离子体执行非晶化，使用乙硼烷和氦的混合气体执行等离子体掺杂，并使所得的衬底经过RTA处理。在氦等离子体辐射进行的非晶化中，当偏置电压为200V时，薄层电阻与偏置电压为150V的情形相比增大。相反，在通过氦和氩混合气体等离子体辐射进行的非晶化中，薄层电阻随着偏置电压增大而降低。因此认为通过增大偏置电压可以进一步降低薄层电阻。当执行非晶化的等离子体辐射的偏置电压为200V时，通过辐射99％氦和1％氩的混合气体等离子体执行非晶化得到的薄层电阻低于通过辐射纯氦等离子体执行非晶化得到的薄层电阻，尽管在前一种情形中获得的非晶层的厚度比后一种情形的厚度小2.8nm。因此，当使用氦和氩的混合气体时，与使用氦气的情形相比可以容易地降低薄层电阻。
<示例10>
(采用氦气严重稀释的B2H6气体的等离子体辐射执行非晶化以及等离子体掺杂)接着将描述同时执行硼掺杂和非晶化的情形。
在真空腔15内，将等离子体辐射到作为待处理对象13的硅衬底。
在本示例中，等离子体源使用螺旋波等离子体源。
此外还使用氦和乙硼烷的混合气体。混合物比例的浓度比例变化范围为95％的氦气和5％的乙硼烷气体到99.975％的氦气和0.025％的乙硼烷气体。
首先，将氦等离子体辐射到硅衬底13。执行等离子体辐射的条件为电源功率为1500W，压力为0.9Pa，等离子体辐射时间为7秒、30秒和60秒，且偏置电压为60V。在第一次停止等离子体辐射并对真空腔15抽真空之后，使用氮气净化真空腔15，并从真空腔15移出衬底。
对于所有样品，使用椭圆光度法测量非晶层的厚度，并测量对530nm波长的光的光学吸收系数。使用SIMS测量硼的剂量。
图17示出了，当通过改变B2H6和He混合气体中B2H6的比例执行等离子体掺杂时，B2H6气体浓度和对530nm波长的光的光学吸收系数之间的关系。当使用纯He气体等离子体辐射执行非晶化时，光学吸收系数达到最高值。此外，在B2H6和He混合气体从0.025％/99.975％(B2H6/He)到0.1％/99.9％的浓度范围内，光学吸收系数变化不大。然而，当B2H6气体的浓度增大到高于0.1％的水平时，光学吸收系数随B2H6气体浓度增大而减小。例如，实验中使用浓度比例为5％的B2H6和95％的He的混合气体制备的非晶层的光学吸收系数降低到为使用0.1％的B2H6和99.9％的He混合气体获得的光学吸收系数的55％对应的水平，降低到为使用纯He气体(即100％的He)获得的光学吸收系数的46％对应的水平。然而可以看出，即使在使用浓度比例为5％的B2H6和95％的He的混合气体的情形中获得的非晶层的光学吸收系数仍为晶体硅(c-Si)衬底的情形中获得的光学吸收系数的6.3倍大。
图18示出了，当通过改变B2H6和He混合气体中B2H6的比例执行等离子体掺杂时非晶层的厚度变化。可以看出，非晶层的厚度基本上等于通过辐射纯He气体执行非晶化的情形中获得的非晶层厚度。更具体而言，在使用浓度比例为0.1％的B2H6和99.9％的He的混合气体的情形中，非晶层的厚度达到最大值。然而，随着B2H6浓度的增大或减小，非晶层的厚度可能降低。换而言之，当期望同时执行等离子体掺杂和非晶化时，期望在0.05％/99.95％(B2H6/He)至0.1％/99.9％的浓度比例范围内混合B2H6和氦气。
即使在非晶层厚度相同的情况下当B2H6气体的浓度增大到高于0.1％的水平时，光学吸收系数降低的原因认为可归结于非晶态的减少。换而言之，随着B2H6气体浓度减小和He浓度增大，晶体可能去晶化(de-crystallized)。因此，为了形成具有高的光学吸收系数的非晶层，则期望B2H6气体的浓度低于1％且氦气的浓度高于99.9％。
图19示出了当B2H6气体和氦气混合比例改变时硼剂量的变化。当B2H6气体的浓度低于0.1％时，硼的剂量减小。在等离子体辐射时间为7秒的情形，获得了B2H6浓度范围为0.025％至0.1％时B2H6气体浓度与硼剂量之间的关系。可以使用式4表达该关系，其中Z(％)代表B2H6气体的浓度，W(cm-2)代表硼的剂量。
式4W＝1016·Z1.1554通过将该关系外推到B2H6气体浓度低于0.025％的区域，可以计算出为了获得期望剂量的硼所需的B2H6气体的浓度。换而言之，当期望使用高于1E14cm-2的硼剂量时，则期望将B2H6气体浓度设置为高于0.02％的水平。此外，当期望使用高于1E13cm-2的硼剂量时，则期望将B2H6气体浓度设置为高于0.0026％的水平。另外，当期望使用高于1E12cm-2的硼剂量时，则期望将B2H6气体浓度设置为高于0.00035％的水平。此外，当期望使用高于1E11cm-2的硼剂量时，则期望将B2H6气体浓度设置为高于0.00005％的水平。
为了增大硼的剂量，可以增大等离子体辐射时间。在等离子体辐射时间为30秒的情形，该剂量为使用7秒等离子体辐射时间的3倍大。在等离子体辐射时间为60秒的情形，该剂量为使用7秒等离子体辐射时间的5倍大。然而，由于以约0.08nm/sec的速率进行溅射，在辐射30秒时除去了硅衬底的2.4nm厚的层，在辐射60秒时除去了硅衬底的5nm厚的层。鉴于对装置的影响，认为少量的溅射是有益的，30秒的辐射太长。因此出现这样的可能性，即，B2H6气体的浓度下限相对于期望剂量的下限沿B2H6气体浓度减小1/3的方向偏移1/3。然而，B2H6气体的浓度下限相对于期望剂量的下限偏移不超过1/3。此外，由于当等离子体辐射时间短时不是在稳定的偏置电压下执行等离子体辐射，因此期望辐射等离子体的时间超过5秒，优选地大于7秒。
因此，在通过辐射B2H6气体和氦气的混合气体等离子体与非晶化同时执行硼掺杂，从而将光学吸收系数维持在高水平，则期望将B2H6气体浓度设置为低于0.1％。为了满足溅射的允许范围并保证硼的剂量，当期望将硼剂量维持在1E14cm-2时，则期望将B2H6气体浓度设置为高于0.02％的水平。此外，当期望将硼剂量维持在1E13cm-2时，则期望将B2H6气体浓度设置为高于0.0026％的水平。另外，当期望将硼剂量维持在1E12cm-2时，则期望将B2H6气体浓度设置为高于0.00035％的水平。此外，当期望将硼剂量维持在1E11cm-2时，则期望将B2H6气体浓度设置为高于0.00005％的水平。
<示例11>
(通过控制等离子体辐射形成的非晶层的深度的结深度控制)接着将描述通过改变等离子体辐射形成的非晶层的深度而改变结深度的方法。
在真空腔15内，将等离子体辐射到作为待处理对象13的硅衬底。
在本示例中，等离子体源使用螺旋波等离子体源。
此外还使用氦气。
首先，将氦等离子体辐射到硅衬底13。通过改变偏置电压形成具有6.5nm和19.5nm不同深度的非晶层。在停止等离子体辐射并对真空腔15抽真空5秒之后，辐射使用氦气稀释的B2H6的等离子体。在停止等离子体辐射并对真空腔15抽真空之后，使用氮气净化真空腔15，并从真空腔15移出衬底。
接着，将0.53μm波长的激光辐射到两种类型的样品100ns。激光的能量密度为1500mJ/cm2。
此外，对所有样品测量硼的SIMS分布。
在通过氦等离子体辐射的非晶层的深度为6.5nm的情形，经过激光退火之后该样品的结深度为16.5nm。另外，在通过氦等离子体辐射的非晶层的深度为19.5nm的情形，经过激光退火之后该样品的结深度为33nm。由于在退火时硅衬底内非晶部分中硼的扩散系数大于硅衬底内晶体部分，随着退火之前非晶层的深度增加，则硼可能深地扩散。因此，即使掺杂和退火条件相同，仍可以通过改变非晶层深度而改变结深度。
示范性实施方式4(使用离子簇射设备的杂质掺杂)接着将描述使用离子簇射设备的杂质掺杂。
当掺杂杂质时，通过使用离子簇射设备可以同时执行非晶化和硼掺杂，尽管该离子簇射设备提供低水平的非晶化。
图20为示出了用于本发明第四示范性实施方式的离子簇射设备的基本部分的剖面视图。该设备包括腔20内的等离子体发生单元P。通过网格M(在本示例中为硅栅格)将离子从等离子体发生单元P内产生的等离子体内拉出，由此将离子辐射(离子簇射)到作为待处理衬底13的固态基体表面。换而言之，通过施加于网格M的电压将离子从等离子体拉出，从而将离子辐射到该固态基体。
在等离子体的情形，自由基和气体以及该离子碰撞到固态基体内。同时，在离子簇射方法中，仅离子碰撞到固态基体内。在直接辐射等离子体的情形单位时间内碰撞到固态基体的物质的数量大于离子簇射方法中获得的数量。因此，与直接等离子体辐射方法的情形相比，离子簇射方法内的非晶化降低。然而，由于未执行质谱测量，碰撞到固态基体的离子的数量大于离子簇射方法中获得的数量。
如上所述，即使在使用离子簇射方法的情形，仍可以通过使用具有小原子量的元素例如氦实现浅非晶化。此外，还可以通过使用本发明中揭示的稀有气体实现非晶化，并与该非晶化同时执行硼掺杂。
工业适用性如前所述，根据本发明，由于可以高精度地形成浅结，因此可以有效地将其应用于微装置。此外，由于可以将形成区域定义至更精细的范围，因此本发明可以应用于例如量子装置的更为精细的装置。
权利要求
1.一种杂质引入方法，包括第一步骤，通过使由在半导体层内是电学非活性的粒子组成的等离子体与包含所述半导体层的固态基体的表面反应，由此使所述半导体层表面成为非晶；以及第二步骤，将杂质引入到所述固态基体的表面。
2.根据权利要求1的杂质引入方法，其中所述第一步骤为对所述半导体层的表面辐射等离子体的步骤。
3.根据权利要求1的杂质引入方法，其中所述第一步骤为将等离子体通过网格引导到所述半导体层表面而将离子辐射到所述半导体层表面的步骤。
4.根据权利要求1至3中任何一项的杂质引入方法，其中在执行所述第一步骤之后，通过执行所述第二步骤，在包括所述半导体层的固态基体表面上形成具有精细孔隙的非晶层，且在所述非晶层内引入杂质以形成杂质引入层。
5.根据权利要求1至3中任何一项的杂质引入方法，其中在执行所述第二步骤之后，通过执行所述第一步骤，将杂质引入到包括所述半导体层的固态基体表面以形成杂质引入层，且将在所述半导体层内为电学非活性的粒子组成的等离子体辐射到所述杂质引入区域以形成非晶层。
6.根据权利要求1至3中任何一项的杂质引入方法，其中所述第二步骤与第一步骤同时执行。
7.根据权利要求1至6中任何一项的杂质引入方法，其中所述电学非活性等离子体为氦等离子体。
8.根据权利要求7的杂质引入方法，其中在所述第二步骤，使用氦稀释的在所述半导体内为电学非活性的杂质的等离子体被辐射到所述固态硅基体的表面。
9.根据权利要求4的杂质引入方法，其中所述孔隙的直径小于8nm。
10.根据权利要求1至9中任何一项的杂质引入方法，进一步包括在所述第一步骤和第二步骤之后的退火步骤，其中所述退火步骤为电学激活所述杂质的步骤。
11.根据权利要求1至10中任何一项的杂质引入方法，其中所述第一步骤为形成深度为19nm以下的非晶层的步骤。
12.根据权利要求1至10中任何一项的杂质引入方法，其中所述第一步骤为形成深度为5nm以上的非晶层的步骤。
13.根据权利要求1至12中任何一项的杂质引入方法，其中所述第二步骤为等离子体掺杂所述杂质的步骤。
14.根据权利要求1至13中任何一项的杂质引入方法，其中所述第二步骤为将来自等离子体的杂质离子供给通过所述网格的步骤。
15.根据权利要求1至13中任何一项的杂质引入方法，其中所述第二步骤为离子注入所述杂质的步骤。
16.根据权利要求1至13中任何一项的杂质引入方法，其中所述第二步骤为气相掺杂所述杂质的步骤。
17.根据权利要求1至6中任何一项的杂质引入方法，其中在相同的工艺腔体内作为顺序工艺原位地执行所述第一和第二步骤。
18.根据权利要求12至16中任何一项的杂质引入方法，其中所述固态基体为硅，所述第一步骤为通过改变与将辐射到固态基体表面的等离子体有关的偏置电压、辐射时间、偏置功率和外层电压中的至少一个条件，由此控制所述非晶层厚度的步骤。
19.根据权利要求1至18中任何一项的杂质引入方法，其中所述第一步骤包括辐射由稀有气体中至少一种元素组成的等离子体的步骤。
20.根据权利要求1至18中任何一项的杂质引入方法，其中所述第一步骤包括辐射包括氦的等离子体的步骤。
21.根据权利要求20的杂质引入方法，其中所述第一步骤与所述第二步骤同时执行，且所述第一步骤包括辐射包括氦气浓度范围为99％至99.999％的等离子体。
22.根据权利要求1至18中任何一项的杂质引入方法，其中所述第一步骤包括辐射包括氖的等离子体的步骤。
23.根据权利要求1至18中任何一项的杂质引入方法，其中所述第一步骤包括辐射包括氩的等离子体的步骤。
24.根据权利要求1至18中任何一项的杂质引入方法，其中所述第一步骤包括辐射包括氪的等离子体的步骤。
25.根据权利要求1至18中任何一项的杂质引入方法，其中所述第一步骤包括辐射包括氙的等离子体的步骤。
26.根据权利要求1至18中任何一项的杂质引入方法，其中所述第一步骤包括辐射包括氡的等离子体的步骤。
27.根据权利要求2的杂质引入方法，其中所述第一步骤包括形成至深度X的非晶层的步骤，其中X由下式表示-(1/0.481)·In(Y/121.37)＜X＜(Y/270.87)-(1/1.2684)其中Y(单位为′u′)表示组成所述非晶层的元素的原子量，X(单位为′nm′)表示所述非晶层的深度。
28.根据权利要求6的杂质引入方法，其中所述第一步骤和所述第二步骤同时执行，且该方法包括通过辐射具有浓度范围为0.001％至1.0％的B2H6气体的等离子体而形成所述杂质引入层的步骤。
29.根据权利要求28的杂质引入方法，其中形成所述杂质引入层的步骤包括，通过辐射具有浓度范围为0.001％至1.0％的B2H6气体的He等离子体而形成所述杂质引入层的步骤。
30.根据权利要求1至18中任何一项的杂质引入方法，其中所述第一步骤包括辐射包括氢的等离子体的步骤。
全文摘要
本发明提供了一种能够有效地实现浅杂质引入的引入方法。该杂质引入方法包括第一步骤，通过使由在半导体层内是电学非活性的粒子组成的等离子体与包括所述半导体层的固态基体的表面反应，由此使所述半导体层表面成为非晶；以及第二步骤，将杂质引入到所述固态基体的表面。在执行所述第一步骤之后，通过执行所述第二步骤，在包括所述半导体层的固态基体表面上形成具有精细孔隙的非晶层，且在所述非晶层内引入杂质以形成杂质引入层。
文档编号H01J37/32GK1993806SQ20058002645
公开日2007年7月4日 申请日期2005年5月31日 优先权日2004年6月4日
发明者佐佐木雄一朗, 水野文二, 冈下胜己, 金成国, 伊藤裕之 申请人:松下电器产业株式会社