杂质掺入方法、杂质掺入系统及利用它们形成的电子器件的制作方法

专利名称：杂质掺入方法、杂质掺入系统及利用它们形成的电子器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及杂质掺入方法、杂质掺入系统以及利用它们形成的电子器件，更特别地，涉及在形成半导体器件特别是电子器件、或者液晶板制造方法中应用的杂质掺入。
背景技术：
随着半导体器件的小型化，近年来需求形成浅结(shallow junction)的技术。在现有技术的半导体制造技术中，将各种导电类型的杂质例如硼(B)、磷(P)、砷(As)等以低能量离子注入到作为固态基体(base body)的半导体基板的表面中的方法被广泛采用。
因为具有浅结的半导体器件通过利用该离子注入方法形成，所以实际上能够形成浅结，但是对离子注入能形成的深度有限制。例如，因为硼杂质难以浅掺入，所以通过离子注入形成的掺杂区域的深度的限制为距离基体的表面几乎100nm。
因此，近来已经提出了各种掺入方法作为使更浅的结可行的途径。其中，现在很多注意力集中在作为适于实际使用的技术的等离子体掺杂技术上。等离子体掺杂是这样的技术，即通过等离子体激发含有掺杂杂质的反应气体，并将该等离子体照射到固态基体的表面上从而掺入杂质。然后，通过杂质被掺入之后的退火步骤进行所掺入的杂质的活化。
通常，能发射宽的波长范围的电磁波例如可见辐射、红外辐射、紫外辐射等的光源在退火步骤中被采用。然而，对活化有效的波长根据被掺进杂质的固态基体本身的晶体状况而不同。实际上这样的波长通常存在于窄的范围中。不必要波长的光的照射使基板的温度上升并在一些情况下导致特性变差。
近年来，已经提出了通过光学测量来测量掺入在固态基体的表面中的杂质的量的方法(例如见JP-A-2000-282425)。由于该方法通过光学测量来测量原子团(radical)的量，所以通过检测电流的量能够测量掺入量。

发明内容
通过上述方法检测杂质的掺入量，即掺入固态基体中的杂质的总量。测量所掺入杂质的总量当然是重要的。但是，在实现最佳的等离子体掺杂和随后通过能量照射例如光照射等进行的最佳退火中，检测杂质掺入区域中的状况例如晶体状况是非常重要的，所述晶体状况即当通过将杂质掺到硅基板中形成半导体器件时或者当通过在液晶基板上形成TFT(薄膜晶体管)制造液晶板时有多少晶格缺陷被引入。
本发明鉴于上述情况而做出，且旨在提供实现杂质的电活化而不导致基板的温度上升的杂质掺入技术。
另外，本发明旨在光学地测量当在硅基板上形成半导体器件，制造液晶板等时由杂质掺入步骤在单晶硅或多晶硅中产生的晶格缺陷的物理属性，然后控制杂质掺入步骤的条件从而优化后续步骤中的条件。
因此，本发明的杂质掺入方法包括将杂质掺入到固态基体的表面中的步骤；测量掺有杂质的区域的光学特性的步骤；基于测量结果选择退火条件从而满足掺有杂质的该区域的光学特性的步骤；以及基于所选定的退火条件，退火掺有杂质的该区域的步骤。
根据该方法，掺有杂质的该区域的光学特性被预先测量，能响应于该光学特性实现最适宜的退火，由此杂质掺入区域能够以高精度高效地形成。
在该情况中，杂质掺入步骤不仅包括简单地掺入杂质的步骤，而且包括控制表面状况从而得到适于退火步骤的光学特性的步骤，使得在随后实施的主要包括光照射的退火步骤中能量能被有效地吸收。光学特性的控制包括通过改变构成等离子体的杂质物质与作为与该杂质物质混合的物质的惰性物质或反应物质之间的混合比来控制等离子体的成分从而控制掺有该杂质的区域的光学特性的步骤。即包括该步骤杂质物质与诸如氮、稀有气体等的惰性物质以及诸如氧、硅烷、乙硅烷等的反应物质同时或顺序地供应到固态基体的表面上，然后形成适于退火步骤的光学特性。本发明中的“杂质掺入方法”表示包括退火步骤的一系列步骤。
另外，在本发明中，掺入杂质的步骤包括等离子体掺杂步骤。
根据该方法，杂质能被掺在浅区域中。
另外，在本发明中，掺入杂质的步骤包括离子注入步骤。
根据该方法，可以使随后进行的主要包括光照射的退火步骤高度有效，还能实现高精度等离子体掺杂。
另外，在本发明中，该测量步骤在该退火步骤之前进行。
根据该方法，掺有杂质的该区域的状况可在该退火之前被检测，其后可以选择退火条件，由此可获得最优活化状态。
另外，在本发明中，该测量步骤与该退火步骤同时进行。
根据该方法，掺有杂质的该区域的状况可在退火期间被检测，其后可以选择退火条件，由此可获得最优活化状态。
另外，在本发明中，该退火步骤分成多个时段，且该测量步骤在该退火步骤之间进行。
根据该方法，该退火步骤分成多个时段，掺有杂质的该区域的状况可在退火期间被检测，其后可以选择退火条件。这样，可获得最优活化状态。
另外，在本发明中，选择退火条件的步骤包括在该退火步骤期间使所述退火条件随着该杂质掺入区域的光学特性的改变而接连变化的步骤。
根据该方法，可以检测掺有杂质的该区域通过退火的改变，其后可以选择退火条件。这样，可获得最优活化状态。
另外，在本发明中，该杂质掺入步骤分成多个时段，且该测量步骤在该杂质掺入步骤之间进行。
根据该方法，因为该测量步骤在该杂质掺入步骤之间进行，所以在杂质掺入步骤中光学特性能够根据腔中的情况来精确测量，且还能实现高精度杂质掺入。另外，尽管杂质的掺入必须停止一次，但是该示例对于使用大气压等离子体等的掺杂是有效的。
本发明的一种杂质掺入方法包括将杂质掺入到固态基体的表面中的步骤；测量掺有该杂质的区域的光学特性的步骤；基于测量结果调整该光学特性从而满足退火条件的步骤；以及退火掺有该杂质的该区域的步骤。
该方法对于对退火条件有限制的情况是有效的。
另外，在本发明中，在监控掺有杂质的该区域的光学常数时，控制等离子体掺杂条件使得该光学常数满足在该等离子体掺杂步骤之后进行的光照射。
根据该方法，可以形成具有更高精度的深度和剂量的杂质掺入区域。这里，除了光吸收系数以外还可以应用反射率等作为所述光学常数。
另外，在本发明中，所述测量步骤是使用椭圆光度法(ellipsometry)的步骤。
另外，在本发明中，使用椭圆光度法的步骤包括计算该杂质掺入层的厚度和光学常数(折射率n和消光系数k)的椭圆光度法分析步骤。
另外，在本发明中，该椭圆光度法分析步骤包括利用K-K(Kramers-Kronig)分析、Tauc-Lorentz分析、Cody-Lorentz分析、Forouhi-Bloomer分析、MDF分析、频带分析、Tetrahedral分析、Drude分析和Lorentz分析中的任一种采用折射率波长色散模型的分析步骤。由于可以处理吸收特性，所以采用折射率波长色散模型是特别合适的。
另外，在本发明中，在所述杂质掺入方法中所述测量步骤包括使用XPS的步骤。
另外，在本发明中，该退火步骤是照射电磁波的步骤。
另外，在本发明中，该退火步骤是照射光的步骤。
另外，在本发明中，该掺入杂质步骤是掺入杂质使得掺有该杂质的区域的光吸收系数超过5E4cm-1的步骤。
根据该方法，可以选择具有高的光吸收率和高的效率的退火条件。
另外，在本发明中，该等离子体掺杂步骤包括控制施加到该等离子体的电源电压、该等离子体的成分、以及含有掺杂剂物质的该等离子体的照射时间与不含有该掺杂剂物质的该等离子体的照射时间之间的比率中的至少一种的步骤。
根据该方法，可以进行有效的控制。这里，通过调整作为掺杂剂的杂质物质与其它物质之间的混合比、真空、其它物质之间的混合比等来控制该等离子体的成分。
另外，在本发明中，该等离子体掺杂步骤包括通过改变构成该等离子体的杂质物质与作为与该杂质物质混合的物质的惰性物质或反应物质之间的混合比控制该等离子体的成分的步骤，从而控制掺有该杂质的区域的光学特性。这里，通过改变作为杂质物质的诸如砷、磷、硼、铝、锑、铟等的物质，作为混合物质的诸如氦、氩、氙等的惰性气体，以及诸如氮、氧、硅烷、乙硅烷等的反应物质之间的混合比来控制所述光学特性。
另外，在本发明中，该等离子体掺杂步骤设置掺有该杂质的区域的光学常数，使得包含在掺有杂质的区域中的该杂质的电活化被加速且到该固态基体中的能量吸收被抑制。
根据该方法，该退火能够选择性地有效地完成而不升高温度。
本发明的一种杂质掺入系统包括杂质掺入装置，其用于将杂质掺到固态基体的表面中；测量装置，其用于测量掺有该杂质的区域的光学特性；以及退火装置，其用于退火掺有该杂质的所述区域。
因此，可以容易地检测表面状况。
另外，在本发明中，该杂质掺入系统还包括掺杂控制装置，其用于基于该测量装置的测量结果控制该等离子体掺杂装置。
另外，在本发明中，该杂质掺入系统还包括退火控制装置，其用于基于该测量装置的测量结果控制该退火装置。
另外，在本发明中，该杂质掺入系统还包括反馈机构，其用于将所述测量装置的测量结果反馈到该退火控制装置或该杂质掺入控制装置中的任何一种。
另外，在本发明中，该反馈机构原位执行测量结果的反馈。
另外，在本发明中，该反馈机构以高速进行抽样检查，且如果结果不好则进行额外处理例如额外掺杂、退火条件放宽(annealing condition relaxation)等。
另外，本发明的电子器件，其通过利用本发明的杂质掺入方法掺入杂质而形成。


图1是说明在本发明的第一实施例中在固态基体表面附近产生的杂质掺入层的光学测量的视图；图2是用于说明得到杂质掺入层的厚度和光吸收系数的方法的分光椭圆偏振计(spectroellipsometer)的配置图；图3是曲线图，示出通过椭圆偏振计测量的杂质掺入层的光吸收系数；图4是配置剖视图，示出本申请的发明中使用的系统，其采用本发明的第二实施例中的等离子体掺杂方法；图5是曲线图，示出样品PD-1(偏置电压30V，处理时间60s)和PD-2(偏置电压60V，处理时间60s)、以及用于比较的晶体硅基板的吸收系数谱；
图6是曲线图，示出在本发明示例3中的杂质掺入方法中光吸收系数对处理时间(a)和波长(b)的依从关系；图7是利用本发明的示例6中的白光源和波长选择过滤器的退火炉的说明图；图8是固态基体的示意性剖视图，用于说明当本发明示例7中的杂质掺入层被氮化或氧化时的特殊效果；图9是本发明示例7中的退火炉的系统概念图；以及图10是说明一示例的曲线图，该示例中在退火杂质掺入层时响应于时间转变(transition of time)的波长的光被照射。
图中，附图标记100是固态基体，110是杂质掺入层，120是光源，130是光度计，200是真空腔，210是真空泵，230是真空规，240是等离子体源，250是电源，260是基板固定器，270是电源，280是第一管道，290是第二管道，300是第三管道，310是等离子体，320是计算机，340是控制电路，350是控制器，500是基板固定器，510是白光源，520是过滤器，530是选定的光，600是氮化膜，610是氧化膜，700是激光光源，710是调制过滤器，720是调制光。
具体实施例方式
下面将说明本发明的实施例。
本发明大致给出三个实施例。实施例中的第一个在于掺入固态基体中的杂质的状况通过光学测量检测。这不仅意味着杂质本身的光学测量，而且意味着“复合层(composite layer)”状况的光学测量，包括固态基体自身的晶体状况、固态基体的晶体状况的物理改变例如掺杂中应用的能量导致的损伤等、以及固态基体的化学改变例如氧化物层/氮化物层的产生等。实施例中的第二个在于退火条件根据所检测的杂质状况而被优化。实施例中的第三个在于杂质的掺入被控制从而满足退火条件。
换言之，在本发明的方法中，还通过在杂质的状况被掌握之后对杂质的掺入实施反馈控制来提高杂质掺入的质量。另外，例如在作为本发明的主要应用领域的半导体器件或液晶显示器中，在杂质被引入到固态基体中之后，通过利用任何方法向基体提供能量来使半导体中的杂质被电活化。为了在该步骤中获得最好结果，掺入杂质时所应用的步骤被控制。
(实施例1)在本实施例1中，将在下面说明通过利用具有比晶格的结合能(bondenergy)足够高的能量(数十eV或更大)的粒子(particle)来将杂质掺入到固态基体中的方法。当具有比晶格的结合能足够高的能量(几十eV或更大)的粒子用于将杂质掺到固态基体中时，构成晶体或非晶物质来构造固态基体的晶格(lattice)中晶格缺陷的形成、以及杂质物质本身导致固态基体的物理属性改变，使得具有与固态基体100不同的物理属性的杂质掺入层(新的第二层)110被形成。
另外，在当热平衡条件改变时等应用的以较小的掺杂能量掺入杂质的步骤中，该杂质掺入步骤导致固态基体的物理属性改变且随后主要由杂质物质本身构成的新(第二)层110形成在固态基体的表面的紧密附近。
因此，根据椭圆光度法，如图1所示，通过利用光源120光被照射到固态基体的表面上且然后该光通过光度计130被测量。
下面将参照图2的分光椭圆偏振计的配置图说明通过利用椭圆光度法测量杂质掺入层的厚度和光吸收系数的方法。
如图2所示，该分光椭圆偏振计包括Xe光源20、用于使从光源输出的Xe光偏振从而照射到作为样品11的基板上的偏振器21、用于检测来自样品11的反射光的分析器22、分光计23、以及检测器24。这里，从Xe光源20输出的Xe光被偏振器21转换成线性偏振光，然后相对于与基板表面垂直的方向以角度θ0入射到基板上。在该测量中，角度θ0被固定为θ0＝70°，但是如果该角度在45°至90°的范围内改变，测量也可进行。入射光的线性偏振轴相对于p方向(垂直于光轴的平面与包含入射光和反射光的平面之间的交线的方向)和s方向(在垂直于光轴的平面中垂直于p方向的方向)倾斜。假定反射为椭圆偏振光的光的p分量和s分量之间的振幅反射度比值为Ψ且p分量与s分量之间的相位差为Δ。构造椭圆光度法使得反射为椭圆偏振光的光经分析器22入射到分光计23上，然后通过分光计分析该光的同时Ψ和Δ通过检测器24被测量。
下面将说明通过最小二乘法基于Ψ、Δ的椭圆光度法测量结果不仅得到杂质掺入层的厚度而且得到作为未知参数的光学常数(折射率n和消光系数k)的方法。杂质掺入层被称为PD层，且使用包括空气/PD层/c-Si的三层模型。因为光学系数具有波长相关性，所以当改变波长进行测量时未知参数增加为与所测量的波长的数目一样多，使得未知参数不可得。在这种情况下，如果光学系数谱(spectra)用含有不依赖于波长的常数的近似表达式来表示且然后该常数被用作未知参数，则可以获得这样的光学系数谱。
已经提出了各种范例作为折射率波长色散模型(dispersive model)。因为必须处理PD层的强吸收特性，所以本实施例中使用K-K(Kramers-Kronig)分析方法。即使当采用Tauc-Lorentz分析、Cody-Lorentz分析、Forouhi-Bloomer分析、MDF分析、频带分析、Tetrahedral分析、Drude分析、Lorentz分析等作为折射率波长色散模型时，上述分析也能够进行。
接着，下面将说明K-K(Kramers-Kronig)分析方法的特征。
当薄膜层的光吸收带出现在所测量的波长范围内时，通过利用从下面的Kramers-Kronig关系式获得的复折射率的色散公式(等式1)不仅可以获得折射率而且可以获得消光系数。
公式1n=1+2πP∫0∞ω′kω′2-ω′2dω′]]>k=-2πP∫0∞ω′kω′2-ω′2dω′---(1)]]>其中P是柯西积分(Cauchy integral)的主值(principal value)，ω是频率。
这些关系式表示，如果已知消光系数，则能够基于消光系数估计折射率。当光吸收带出现在所测量的波长范围内时，该波长范围内的消光系数谱由Lorentz型公式(等式2)近似。
公式2k＝C1(E-C4)2/(E2-C2E+C3) (2)其中E是光子能量(eV)，且与波长λ(nm)具有下面的等式(3)所示的关系。
公式3E(eV)＝1239.84/λ(nm)(3)通过对Kramers-Kronig关系式(1)求积分同时利用等式2能够获得下面的折射率的等式(4)。
公式4n＝C5+f(E) (4)
其中f(E)为积分值，C5为积分常数。
在该K-K分析中，C1、C2、C3、C4、C5作为参数并给出初始值。由于C5是通过积分常数表示折射率的参数之一，所以PD层的大致折射率设置为初始值。对于C1，大致消光系数，即消光系数谱的峰消光系数的值给出初始值。
相反，C2、C3与消光系数谱的峰E(eV)有关，C2可以具有峰E(eV)的两倍值作为大致初始值，而C3可以具有峰E(eV)的平方值作为大致初始值。由于C4与吸收带的能带宽度有关，所以在消光系数谱的峰的底部具有最小消光系数的E(eV)值可以用作初始值。
如上所述，当采用K-K分析时，如果通过假定吸收谱即消光系数谱设置初始值，同时考虑测量中作为目标物质的薄膜的物理属性，则可以进行分析。
在K-K分析模型中，与其它模型对比参数的设置是困难的并且拟合计算(fitting calculation)也是困难的。根据参数的设置会不能获得拟合。因此，K-K分析必须在使用者熟悉该测量分析到一定程度且理解该模型的特性之后再被采用。
通过上述方法检测了杂质掺入层的厚度和光学常数(折射率n和消光系数k)之后，通过下面的等式(5)可以计算光吸收系数。
α＝4πk/λ (5)表示杂质掺入层110的光学特性的谱示于图3中。
从图3显见，当基于利用椭圆光度法的测量结果考虑时，波长300nm至600nm之间的光的光吸收系数增大。
因此，在后续步骤中通过照射具有300nm至600nm的波长的光可以有效地获得活化，因此能通过较小的照射能量有效地活化杂质。
在本实施例中，以此方式，被引入杂质的固态基体的表面状况被测量，然后基于所测量的结果决定后续步骤中的主要因素。
同时，在半导体行业或液晶行业，通过掺入杂质形成的杂质掺入层110通过照射电磁波被电活化。这意味着作为固态基体的主要组成元素的硅晶体通过以高于晶格的结合能的能量掺入杂质的步骤而被破坏，然后被引入杂质掺入层(杂质掺入区域)的晶格缺陷通过在后来的步骤中照射电磁波到杂质掺入层上而被恢复，且然后杂质掺入层变为电活性状况。
此时，杂质掺入层的状况依赖于构成固态基体的物质和杂质物质的物理属性之间的关系。杂质物质例如通过取代进入到硅的晶格位置中，晶化被加速且因此杂质掺入层变为电活性状况。
因此，为了实现这样的过程，在照射例如可见辐射时杂质被有效地电活化。这里，需要分析杂质掺入层的光吸收谱且然后基于结果适当波长的光应被照射。另外，当固态基体100和杂质掺入层110在表面上混合在一起时，固态基体本身的光吸收谱被分析，然后选择这样的波段，所述波段中固态基体100的光吸收系数小但是杂质掺入层110的光吸收系数大，且然后照射该波段的光。这样，杂质掺入层可以被活化，同时抑制固态基体100的温度上升。
如上所述，在本实施例中，因为使用了利用椭圆光度法的光学测量，所以可以相应地计算光吸收系数。特别地，由于固态基体中产生的扩散现象(diffusion phenomenon)作为阻止形成具有小尺寸的精细器件中小型化的主要因素，仅特定波长的光的照射在不向固态基体提供无用能量的意义上可以防止扩散，因此本实施例对于精细器件的形成是有效的。尤其当包括多次杂质掺入步骤时，必须应用大量的热处理工序。根据本发明，通过仅照射特定波长的光可以抑制不必要的扩散长度的延伸。
在此例中，光学特性测量方法不限于椭圆光度法，XPS等可以被适当地选择。
(实施例2)下面将说明使用该方法时采用等离子体掺杂方法作为杂质掺入方法的方法。
首先，将说明本实施例中使用的等离子体掺杂系统和杂质掺入控制系统，然后将详细描述若干类型的控制方法。如图4所示，本实施例中采用的等离子体掺杂系统包括光源120和作为用于测量固态基体100上杂质掺入区域的光学特性的测量装置的光度计130、以及用于基于通过该测量装置获得的光学特性控制掺杂条件的控制装置。该系统反馈控制掺杂条件使得最优表面状况可被得到。
换言之，该等离子体掺杂系统包括真空腔200、用于在真空腔200中产生等离子体的等离子体源240，且将等离子体掺杂应用到作为被处理的基体加载于基板固定器260上的固态基体100的表面上。
然后，真空泵210连接到真空腔200，用于测量真空的真空规230被提供给真空腔200。电源250连接到等离子体源240。另外，用于施加单值电势的电源270与上述电源分离地连接到基板固定器260。
另外，用于引入气体的气体引入机构(mechanism)被提供给真空腔200。该气体引入机构由用于供应作为掺杂剂物质的第一物质的第一管道280、用于供应作为其它物质的第二物质(此例中为He)的第二管道290、以及用于供应第三物质(此例中为Ar)的第三管道300构造。
另外，控制装置包括用于计算光度计测量的光学特性的计算机320、用于基于计算结果决定控制条件的控制电路340、以及用于基于控制电路的输出反馈控制等离子体掺杂系统的掺杂条件的控制器350。
接着，下面将说明使用该掺杂系统的掺杂方法。
这里，下面将说明气体被用作掺杂源的情况。
首先，作为第一物质的掺杂剂物质被供应给真空腔200。这里，不同于此掺杂剂物质的其它物质作为载气或具有特定功能的材料被引入。在本实施例中，具有与掺杂剂物质不同的属性的气体例如稀有气体等被选定，其在硅中不变成电活性的。举例来说，有He或Ar。然后，He被选定作为第二物质，Ar被选定作为第三物质。然后，通过从包括第一至第三管道280、290、300的气体引入管道引入气体，在真空腔200中等离子体310产生在固态基体100的表面上。
等离子体中的带电粒子被等离子体310与固态基体100之间的电势差吸引，从而施行杂质掺入。同时，等离子体中的电中性物质被附着或吸留在固态基体100的表面附近。这里，杂质掺入层110的状况由下面的固态基体100的状况和等离子体的能量决定，杂质能够被附着或被吸留。
根据此杂质掺入步骤，上述实施例中说明的杂质掺入层110形成在固态基体100的表面上。为了测量杂质掺入层的物理属性，光源120和光度计130被提供给真空腔200。然后，光度计130所测量的光学特性由计算机320计算，然后计算结果被馈给控制电路340，然后数据被馈给控制器350作为反馈信息，由此等离子体掺杂系统调整等离子体条件并控制杂质掺入层的物理属性。
这里将被调整的等离子体条件有施加到等离子体的电源电压或电压施加时间和施加时机、掺杂剂物质和其它物质的混合比、真空度、其它物质的混合比、含有掺杂剂物质的等离子体的照射时间与不含有掺杂剂物质的等离子体的照射时间的比等。通过改变这些参数控制杂质掺入层的物理属性。
作为本发明的示例，下面将说明各示例，其中这些参数被改变。现在这里将详细描述混合功率和气体的方法。
<示例>
示例1首先，将说明作为示例1的改变功率的方法。
已知等离子体密度和到达基板的带电粒子(主要是带正电的离子)的能量根据供应来产生等离子体的功率和连接到基板固定器的电源来决定。这里将描述一示例，其中主要改变连接到基板固定器260的电源270的功率。
首先，从电源250供应1000W的功率以用于产生等离子体。为了使产生的等离子体310有效地到达基板，一功率被供应到基板固定器260。首先，通过供应100W启动等离子体掺杂。这时，最终需要的杂质掺入层的厚度设置为15nm。
这里，采用掺杂剂物质B2H6且还采用He作为其它物质。B2H6以2SCCM引入且He以10SCCM引入。真空设置为1Pa。首先，当从电源250供应100W时掺杂被执行5秒。
在此状态下，如图1和图4所示，杂质掺入层的光学常数(光吸收系数)通过光度计130被测量。结果，发现作为计算机320计算的结果的杂质掺入层厚度为12nm。
然后，基于根据发明者自己测量的测量结果形成的数据库，由控制电路340计算用于将杂质掺入层的厚度设置为15nm的条件。然后，基于所计算的结果，控制器350将从电源250供应的功率增加至115W，然后等离子体掺杂进行3秒。
然后，由光度计130确认杂质掺入层的厚度达到15nm。然后，电源250被关闭，等离子体130熄灭，于是该工艺结束。
示例2通过利用K-K(Kramers-Kronig)分析方法获得的样品PD-1(偏置电压30V，处理时间60s)和PD-2(偏置电压60V，处理时间60s)、以及用于比较的晶体硅基板的吸收系数谱示于图5中。在该例中，当对于相同的60秒等离子体掺杂时间在400nm至800nm的波长范围内增大偏置电源电压时，PD层的光吸收系数增大。该结果确定PD-2适合于例如利用400nm至800nm的波长的退火方法被采用的情况。即椭圆光度法测量结果可被反馈给退火的优化，从而利用K-K(Kramers-Kronig)分析方法的椭圆光度法测量的有效性被检验。
示例3接着，下面将说明作为示例3的一示例，其中对杂质掺入步骤中混合气体的方法进行控制。
当在形成杂质掺入层110时利用例如硅基板作为固态基体100时，晶格被掺杂剂物质和其它物质扰乱，因此这样的基板变成其非晶态。在后续步骤中将该非晶态转变成所需状态是重要的任务。
在该例中，BF3被用作掺杂剂物质且He和Ar被用作其它物质。这里，用作掺杂剂物质的BF3的量保持恒定，但杂质掺入层110的厚度被改变。
首先，通过引入Ar使等离子体产生5秒从而形成部分杂质掺入层110。当利用光度计测量时杂质掺入层110的厚度为5nm。然后，BF3被引入到杂质掺入层110中，气体吸附被应用5秒。然后通过提供功率产生BF3等离子体，然后掺杂继续3秒。同时，He被引入从而以较小功率100W得到20nm的厚度。掺杂剂的量达到预定掺杂剂量之后BF3的供应停止。He等离子体照射继续同时利用光度计测量厚度。当5秒过后确认杂质掺入层的光学厚度达到20nm时，等离子体停止，工艺结束。
示例4接着，下面将说明作为例4的一示例，其中含有掺杂剂物质的等离子体的照射时间与不含有掺杂剂物质的等离子体的照射时间的比被调整。为了简化说明，这里将说明固态基体的光学性质，特别是这样的示例，其中在掺杂工艺之后接着进行的例如光照射等的退火中具有大的光吸收系数的杂质掺入层110被形成。例如，当采用图4所示的等离子体掺杂系统时，通常假设这样的情况，即利用必需量的掺杂剂通过等离子体掺杂形成的杂质掺入层110的光吸收系数对于退火是不适当的。
那时，仅光吸收系数被调整以具有大的值而不改变掺杂剂量，于是稀有气体例如Ar从第二管道290引入以掺入第二物质，使得退火中的预定光吸收系数能被设置，然后不同于掺杂剂的另一等离子体被形成且照射到固态基体上。尽管仅单个示例，通过将Ar等离子体照射到固态基体100上5秒形成杂质掺入层110。那时，等离子体照射时间和其它等离子体参数被调整使得光吸收系数具有足够大的值以随后进行退火。然后，用He将B2H6稀释至0.5％得到的气体从为掺杂剂物质准备的第一管道280引入从而产生等离子体，然后该等离子体照射15秒。
通过首先利用Ar等离子体然后利用掺杂剂等离子体复合地形成的杂质掺入层110的光学物理性质通过光度计130被测量，然后预定光学特性即这里的光吸收系数通过一系列控制系统被得到，然后该工艺结束。图6(a)定性示出在Ar照射时光吸收系数的增加对工艺时间的依从关系。检验到约5秒钟光吸收系数增加到超过5E4cm-1后，该工艺转换到掺杂剂工艺。
根据该方法，也可以实现有效退火。
示例5接着，下面将说明本发明的示例5。在该示例中，杂质掺入层110的光学特性也通过反馈控制来控制，如示例1至4中一样。下面将说明液晶基板用作固态基体100的情况。在该情况中，多晶硅沉积在玻璃或石英玻璃基板上，然后用于形成TFT的杂质被掺入到多晶硅中。由于沉积在玻璃基板上的这样的多晶硅是薄膜，所以在掺入杂质时形成的杂质掺入层110的厚度可以占据薄膜的大部分。
光吸收系数从光度计130测量的光学常数取得。在液晶装置的形成中，在掺杂剂物质被掺入之后将激光照射到杂质掺入层上来电活化它的方法被采用。因此，杂质掺入层被调整且光吸收系数被控制，从而激光可被有效吸收。
在该示例中，图4所示的杂质掺入系统被采用，杂质掺入层的光学特性通过光度计130被测量，且反馈测量结果时调整掺杂量。根据光度计130的测量结果停止掺杂剂物质的供应，且杂质掺入工艺结束。
根据该方法，能够有效地实现活化。因此，玻璃基板的温度上升小，弯曲、变形、裂纹等的产生可被抑制，产率可被提高。
类似地，当其它物质例如硅基板被用作固态基体时，该方法可被满意地控制。
示例6接着，下面将说明本发明的例6。
在该示例中，如实施例1所示，掺有杂质的杂质掺入层110的光学特性被测量，然后响应于该结果通过调整退火条件来实现杂质掺入层的活化而不升高基板温度。
这里，包括特定波长的电磁波照射到固态基体100上来退火，固态基体100上形成有通过已描述的方法形成的杂质掺入层110。电磁波的能量被用来特别有效地贡献给杂质掺入层的电活化，但是向其它区域(固态基体)的能量供应被抑制且固态基体100的温度上升被抑制。
如实施例1，光从光源120照射到形成在固态基体100的表面上的杂质掺入层110上，然后该光通过光度计130被测量。表示杂质掺入层110的光学特性的谱示于图6(b)。图6(b)中的谱通过利用椭圆光度法被测量，作为下一步骤的退火步骤的主要因素基于该测量结果被决定。
根据实施例2所示的方法，硼通过等离子体掺杂被掺入到单晶硅基板中。
作为当类似地进行包括此次形成的杂质掺入层110的固态基体100的光学测量时所获得的结果，具有600nm附近的峰的谱被观测到，如图6(b)所示。在这种情况下，当采用发射600nm附近的光的激光时，或者当采用例如具有稍宽的峰的白光源时采用过滤器来截断除了580nm至620nm波长以外的波长时，仅对退火有效的波长的光照射到具有杂质掺入层的基板上是有效的。
为此，在此示例6中，下面将说明其中使用过滤器进行波长控制的示例。
如图7所示，退火炉被构造为具有基板固定器500、白光源510、以及过滤器520，过滤器520可拆卸地设置且仅透射来自白光源的具有特定波长的选定光530。
在此示例中，杂质掺入层110在其上的固态基体100加载到基板固定器500上，然后从白光源发出且经过滤器调整从而具有预定波长的光照射到形成在固态基体的表面上的杂质掺入层110上，这样进行适当的退火。
更特别地，提供包含特定波长从而形成图6所示的波长谱中的峰的光源，且提供具有一特性使得仅适于退火基板的波长被通过(例如包含波长谱的峰的特性)的过滤器520。在该系统中，以100W的强度从光源即此例中的白光源510照射且然后通过过滤器520在580nm至620nm内过滤的光530被照射。以此方式过滤的光530的能量被基板上的杂质掺入层110有效吸收且衰减，因此固态基体100吸收的能量的量很小。
以此方式，整个固态基体的温度很少上升且能量仅被杂质掺入层110吸收，使得限制在特定区域内的杂质退火层可被形成。此方法对于形成置于小型化范围区域中的MOS晶体管等非常有用。
这里，可向基板固定器500提供冷却机构(未示出)，基板可被进一步冷却。然而，根据本发明，有效能量可被杂质掺入层110吸收，因此这样的冷却机构不是非常需要。
另外，当通过使用与图4所示的掺杂系统中采用的机构相同的机构将光源120和光度计130提供给图7所示的退火炉且然后测量杂质掺入层110的光学性质时，光照射中物理性质的改变被测量。以该方式，光照射导致的状态改变可被测量。
在以上示例中，通过使用白光源和过滤器所需波长的光被照射。此示例中，具有合适波长(例如此例中为600nm)的激光光源可用来代替白光源510。
相反地，也可以设计具有所需光学特性的杂质掺入层来适应工业上可便宜获得的激光光源的波长。
示例7接着，下面将说明作为本发明示例7的等离子体掺杂时混合氮和氧作为混合物质的方法。首先，利用图4所示的掺杂系统的同时，通过利用实施例2所描述的方法应用的杂质掺入将10nm厚的杂质掺入层110形成在固态基体上。
然后，氮或含氮的气体通过用于引入作为其它物质的第二物质的第二管道290被引入，然后产生等离子体，然后杂质掺入层110的上部分被氮化约3nm的深度。
以此方式，通过测量包括杂质掺入层110和氮化膜600(见图8)的光学特性，即通过利用提供给图4中的系统的光源120和光度计130、计算机320、控制电路340、以及控制器350，氮化条件可被控制为满足后续执行的退火例如光照射的光学特性。
这里描述的光学特性的“满足”这个术语基本类似于示例1中所描述的。但是退火步骤中所用的光的吸收率通过在退火之前用氧化膜610涂覆杂质掺入层110而能够提高。另外，退火时空气中的氧和水分的参与(engagement)产生的氧化可被相应地防止。因此，也可以伴随这样的优点，即杂质掺入层110和氮化膜600的总光学特性能被稳定化。
另外，如图8(c)所示，通过经由第三管道300引入作为第三物质的氧或含氧气体，杂质掺入层110的表面能被氧化。这时，通过利用提供给图4中的系统的光源120和光度计130、计算机320、控制电路340、以及控制器350，杂质掺入层110和氧化膜610的光学特性也可被控制为这样的光学特性，即满足后续执行的退火例如光照射中使用的光的波长。在退火时难以防止氧化，但是通过采取措施例如在退火环境中使用真空或惰性气体这样的表面氧化层的引入也可以应用。
这里，说明了其中杂质掺入层110被直接氮化和氧化的例子。但是通过所谓的CVD技术，例如通过分别经由用于供应第二物质的第二管道290和用于供应第三物质的第三管道300引入SiH4和氧的方法，硅氧化物膜或其它膜可被沉积。如果这样做，则与杂质掺入层的物理性质不具有相关性的薄膜也可被沉积，且可以获得各种光学特性。另外，应当通过操作上述控制系统来控制光学特性，这在沉积中非常重要。
示例8接着，下面将说明在退火步骤中随着杂质掺入区域的光学特性的改变接着改变退火条件的方法。
这里，如图9所示，激光光源700用作光源，能够改变波长的调制过滤器710用在该光路上，依随光度计130测量的杂质掺入层110的状况的调制光720照射在固态基体100的表面上的杂质掺入层110上。
具有与固态基体不同的状况的杂质掺入层110形成为接触固态基体100，然后薄氮化物膜、薄氧化物膜等被形成来保护杂质掺入层或控制光学特性。然后，通过照射电磁波例如光等来退火所得结构时，不必说，通过如以上实施例中所述的那样保持足够的注意，可以最初形成最适于退火的杂质掺入层以满足具有一中心波长的激光的特有波长。另外，为了在退火步骤中得到最佳结果，期望退火条件应被改变从而依随被光照射改变的杂质掺入层的状况。
图10示出其中光吸收系数随光照射时间改变的情况。即示出这样的行为，其中光照射之前以曲线a表示的光吸收特性在光照射10纳秒之后转变到曲线b且然后在100纳秒之后转变到曲线c。
这表明光吸收的中心在退火期间逐渐转移。由于作为使用白光进行的退火的特征，所有波长的光被包括，所以该退火能自然地响应该光吸收的改变，但是必须为此照射含有不必要波长的全部光。因此，如示例5中所说明的，导致了缺陷，使得整个基板的温度或固态基体表面附近的温度升高等。
因此，在此例中首先使用具有600nm附近的中心波长的激光。如图9所示，具有中心波长的激光光源700被提供给该退火炉，然后波长被设置在光路上的调制过滤器710及时改变。
换言之，在杂质掺入层通过照射激光700被退火时，从测量光源210入射的光被光度计测量。然后，如图10所示，通过捕捉光吸收系数的变化行为，照射的(调制的)光720的频率通过操作调制过滤器710被改变。结果，退火时段内具有一直最适于光吸收的波长的光可被照射到接触固态基体100的表面的杂质掺入层110上，由此退火效率可被最大化。这表明照射的能量很少被除了杂质掺入层以外的部分吸收。可以说，为了在作为本发明的主要应用领域的半导体工业中形成“浅结”，该方法应该是具有最高能量效率且能在完成时形成极浅的结的理想方法。
示例9接着，下面将说明本发明的示例9。
在上面的示例8中，说明了依随杂质掺入层的光学特性以及退火期间光学特性的改变调制光的波长的方法。在此例中，作为掺杂层的杂质掺入层应形成为满足工业上容易得到的激光的波长。具体地示例7中已经说明的方法属于此概念。
换言之，如参照图6已经说明的，设定光吸收系数高的波长范围的杂质掺入层可通过所述杂质掺入层的形成而形成。当等离子体掺杂方法被用作此方法时，如示例3所说明的，通过改变几个参数从而改变等离子体条件可形成在所用激光的波长附近具有大的光吸收系数的杂质掺入层。
根据该方法，如例4所示，通过在等离子体掺杂期间在产生等离子体的状态下(所谓的原位状态(InSitu state))一直观测固态基体100的表面(见图4)来改变等离子体参数，最终可以获得预定的光学特性(这里考虑光吸收系数)。
另外，例如，掺杂应用到固态基体100的表面预定时间例如5秒，然后停止等离子体照射一次，然后通过测量来自光源120的光得到光学特性，然后通过反馈该结果改变示例3中说明的等离子体参数，然后通过执行等离子体掺杂下一个5秒形成杂质掺入层110。满足选定激光的波长的杂质掺入层的光学特性可通过重复这些步骤来设置。
另外，在以上实施例中，杂质掺入步骤和退火步骤通过分开的炉进行。但是这些步骤可以通过相同的炉进行。
另外，退火步骤中杂质掺入层的光学特性的调整可以通过借助常压等离子体的薄膜形成来实现。换言之，当杂质掺入层的光学特性被测量且然后依随杂质掺入层的物理性质的改变而在表面上进行薄膜形成以补偿由于退火的进展导致的杂质掺入层自身的光学特性的改变时，杂质掺入层中的光吸收率可被增大从而满足退火条件。
参照特定实施例详细说明了本发明，但对本领域技术人员来说显然的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种变型和修改。
本发明基于2003年9月24日提交的日本专利申请No.2003-331330以及2004年3月9日提交的日本专利申请No.2004-065317，在此引用其全部内容作为参考。
<工业实用性>
本发明的杂质掺入方法和系统能够有效地实现精细半导体区域的形成例如浅结的形成、超薄膜的形成等，而不升高基板的温度，且对于诸如电容器、变阻器、二极管、晶体管、线圈等的形成是有效的且对于杂质被选择性掺入到大尺寸基板例如液晶基板等中是有效的并且没有温度升高。
权利要求
1.一种杂质掺入方法，包括步骤将杂质掺入到固态基体的表面中；测量所述杂质被掺入其中的区域的光学特性；基于测量结果选择退火条件从而满足所述杂质被掺入其中的所述区域的所述光学特性；以及基于所述选定的退火条件，退火所述杂质被掺入其中的所述区域。
2.根据权利要求1所述的杂质掺入方法，其中掺入所述杂质的步骤包括等离子体掺杂步骤。
3.根据权利要求1所述的杂质掺入方法，其中掺入所述杂质的步骤包括离子注入步骤。
4.根据权利要求1至3的任一项所述的杂质掺入方法，其中所述测量步骤在所述退火步骤之前进行。
5.根据权利要求1至3的任一项所述的杂质掺入方法，其中所述测量步骤与所述退火步骤同时进行。
6.根据权利要求1至3的任一项所述的杂质掺入方法，其中所述退火步骤分成多个时段，且所述测量步骤在所述退火步骤之间进行。
7.根据权利要求1至6的任一项所述的杂质掺入方法，其中所述选定该退火条件的步骤包括在该退火步骤期间使该退火条件依随该杂质掺入区域的该光学特性的改变而接连改变的步骤。
8.根据权利要求1至3的任一项所述的杂质掺入方法，其中该杂质掺入步骤分成多个时段，且该测量步骤在该杂质掺入步骤之间进行。
9.一种杂质掺入方法，包括步骤将杂质掺入到固态基体的表面中；测量所述杂质被掺入其中的区域的光学特性；基于测量结果调整该光学特性从而满足退火条件；以及退火所述杂质被掺入其中的该区域。
10.根据权利要求1至9的任一项所述的杂质掺入方法，其中在监控所述杂质被掺入其中的该区域的光学常数时，控制等离子体掺杂条件使得该光学常数满足该等离子体掺杂步骤之后进行的光照射。
11.根据权利要求1至9的任一项所述的杂质掺入方法，其中在监控所述杂质被掺入其中的该区域的光学常数时，控制离子注入步骤使得该光学常数满足该离子注入之后进行的光照射。
12.根据权利要求1至11的任一项所述的杂质掺入方法，其中该测量步骤是使用椭圆光度法的步骤。
13.根据权利要求12所述的杂质掺入方法，其中所述使用椭圆光度法的步骤包括计算该杂质掺入层的厚度和光学常数的椭圆光度法分析步骤，该光学常数包括折射率n和消光系数k。
14.根据权利要求13所述的杂质掺入方法，其中该椭圆光度法分析步骤包括利用K-K(Kramers-Kronig)分析、Tauc-Lorentz分析、Cody-Lorentz分析、Forouhi-Bloomer分析、MDF分析、频带分析、Tetrahedral分析、Drude分析和Lorentz分析中的任一种采用折射率波长色散模型的分析步骤。
15.根据权利要求1至12的任一项所述的杂质掺入方法，其中该退火步骤是照射电磁波的步骤。
16.根据权利要求15所述的杂质掺入方法，其中该退火步骤是照射光的步骤。
17.根据权利要求16所述的杂质掺入方法，其中所述掺入该杂质的步骤是掺入杂质使得所述杂质被掺入其中的该区域的光吸收系数超过5E4cm-1的步骤。
18.根据权利要求2至17的任一项所述的杂质掺入方法，其中该等离子体掺杂步骤包括控制施加到该等离子体的电源电压、该等离子体的成分、以及含有掺杂剂物质的该等离子体的照射时间与不含有该掺杂剂物质的该等离子体的照射时间的比中的至少一种的步骤。
19.根据权利要求18所述的杂质掺入方法，其中该等离子体掺杂步骤包括通过改变构成该等离子体的杂质物质与作为与该杂质物质混合的物质的惰性物质或反应物质之间的混合比来控制该等离子体的成分的步骤，从而控制所述杂质被掺入其中的该区域的该光学特性。
20.根据权利要求2至17的任一项所述的杂质掺入方法，其中该等离子体掺杂步骤设定所述杂质被掺入其中的该区域的该光学常数，使得所述杂质被掺入其中的该区域中包含的该杂质的电活化被加速且到该固态基体中的能量吸收被抑制。
21.一种杂质掺入系统，包括杂质掺入装置，其用于将杂质掺入到固态基体的表面中；测量装置，其用于测量所述杂质被掺入其中的区域的光学特性；退火装置，其用于退火所述杂质被掺入其中的该区域。
22.根据权利要求21所述的杂质掺入系统，其中该杂质掺入装置是用于将该杂质掺入到该固态基体的表面中的等离子体掺杂装置。
23.根据权利要求21所述的杂质掺入系统，其中该杂质掺入装置是用于将该杂质注入到该固态基体的表面中的离子注入装置。
24.根据权利要求22所述的杂质掺入系统，还包括掺杂控制装置，其用于基于该测量装置的测量结果控制该等离子体掺杂装置。
25.根据权利要求23所述的杂质掺入系统，还包括掺杂控制装置，其用于基于该测量装置的测量结果控制该离子注入装置。
26.根据权利要求21所述的杂质掺入系统，还包括退火控制装置，其用于基于该测量装置的测量结果控制该退火装置。
27.根据权利要求21至26的任一项所述的杂质掺入系统，还包括反馈机构，其用于将该测量装置的测量结果反馈到该退火控制装置或该杂质掺入控制装置中的任一种。
28.根据权利要求27所述的杂质掺入系统，其中该反馈机构原位进行测量结果的反馈。
29.根据权利要求28所述的杂质掺入系统，其中该反馈机构以高速进行抽样检查，且如果结果不好，则进行额外工艺例如额外掺杂、退火条件放宽等。
30.一种电子器件，其通过利用权利要求1至20的任一项所述的杂质掺入方法掺入杂质而形成。
31.一种电子器件，其通过利用权利要求21至29的任一项所述的杂质掺入系统掺入杂质而形成。
全文摘要
本发明实现杂质引入而不引起基板温度上升。杂质引入步骤期间形成的晶格缺陷的物理性质被光学测量和控制从而它们对于后续步骤变得最优。杂质引入方法包括引入杂质到固态基体的表面中的步骤；测量杂质被引入的区域的光学特性的步骤；根据所测量的杂质引入区域的光学特性确定退火条件的步骤；以及在如此确定的退火条件下退火该杂质引入区域的步骤。
文档编号H01L21/265GK1856864SQ20048002771
公开日2006年11月1日 申请日期2004年9月22日 优先权日2003年9月24日
发明者金成国, 佐佐木雄一朗, 水野文二 申请人:松下电器产业株式会社