JP4969781B2 - プラズマドーピング装置 - Google Patents

Description

本発明は、真空チャンバ内で形成したプラズマからイオンを引き出し、ステージ上の被処理基板へ当該イオンを導入するプラズマドーピング装置及びプラズマドーピング方法に関する。

従来より、半導体ウェーハ等の被処理基板表面にドーピング領域を形成するために、イオンビームを用いた不純物イオンの打ち込みが行われている。特に、近年における基板の大型化、デバイスの微細化により、数十ｎｍ程度の浅い接合が要求され、そのために例えばＢ（ボロン）イオン等の不純物イオンを低エネルギーで導入する必要がある。

半導体ウェーハへ低エネルギーでイオンを導入する方法の一つとして、プラズマドーピング装置がある。プラズマドーピング装置は、プラズマ形成用の真空チャンバと、プラズマを形成するプラズマ源と、半導体ウェーハ等の被処理基板を支持するステージとを備え、真空チャンバ内に形成したプラズマ中のイオンをステージ側へ引き出して、ウェーハ上へイオンを導入する構成となっている（下記特許文献１参照）。

特開２０００−１１４１９８号公報 特開平１１−３４５５８６号公報

しかしながら、従来のプラズマドーピング装置においては、形成されるプラズマの均一性確保が難しいために、ウェーハ面内に均一にイオンを導入することが困難であるとともに、コンタミネーション発生の問題がある。更に、ドーズ量の精度向上が望めないという問題点もある。このため、従来のプラズマドーピング装置では、ウェーハの大面積化に対応することがほとんど不可能であるという問題がある。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、均一性に優れ、コンタミネーションを低減でき、ドーズ量の高精度化も図れるプラズマドーピング装置及びプラズマドーピング方法を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明のプラズマドーピング装置は、真空チャンバと、この真空チャンバ内にプラズマを形成するプラズマ源と、被処理基板を支持するステージとを備え、前記真空チャンバ内に形成したプラズマ中のイオンを前記ステージ側へ引き出して前記被処理基板上へ導入するプラズマドーピング装置において、前記被処理基板に対向して配置され、当該被処理基板のイオン導入領域を画定するドーピング用開口が形成されたマスク部材と、前記ステージを前記マスク部材に対して少なくとも一方向へ平行移動させるステージ駆動機構とを備えている。

以上の構成の本発明のプラズマドーピング装置においては、プラズマと被処理基板との間にマスク部材を介在させ、このマスク部材に形成されているドーピング用開口を介してイオンを被処理基板上へ導入するようにしている。マスク部材のドーピング用開口は、被処理基板の被処理面の一部の領域をプラズマ空間に露出させ、当該領域にのみプラズマ中のイオンを導入する。被処理基板を支持するステージは、ステージ移動機構によってマスク部材に対して平行移動させて、被処理基板の全面にイオンを照射する。

このように、本発明では、被処理基板の平行移動を伴わせながら、マスク部材のドーピング用開口を介してイオンを導入し、面内均一性の向上を図るようにしている。また、形成されたプラズマの一部をイオンドーピングに利用しているので、コンタミネーションの低減が図られる。

マスク部材のドーピング用開口の大きさは、特に制限されない。即ち、ドーピング用開口は、被処理基板上の個々のデバイス（１チップ）単位で形成されていてもよいし、デバイス複数個分を一単位として形成されていてもよい。

また、ステージ移動機構によるステージの移動方向は少なくとも一方向あればよいが、この方向と交差あるいは直交する方向に更に移動可能に構成されるのが好適である。

また、本発明では、マスク部材とプラズマ形成空間との間に、プラズマからイオンを引き出すためのグリッドを配置することができる。このグリッドは、イオンが通過する複数のスリットが面内に形成された板状電極で構成することができる。

グリッドを配置することにより、マスク部材及びステージを当該グリッドに対して傾斜配置させたとき、被処理基板に対してイオンを斜め方向から導入することが可能となる。この場合ステージには、被処理基板を傾斜配置させるためのティルト機構が設けられる。

基板面内の均一性を確保するために、イオンドーピング中にマスク部材のドーピング用開口を通過するイオンの量を検出できる構成があると好適である。そこで、本発明では、ドーピング用開口に隣接してモニタ用開口をマスク部材に形成し、このモニタ用開口とステージ上の基板との間にファラデーカップ等の検出手段を配置させる。

この場合、ドーピング用開口と基板との間に同様な検出手段を挿脱自在に構成し、ドーピング用開口を通過するイオンの量とモニタ用開口を通過するイオンの量との比を前もって検出しておけば、ドーピング中にモニタ用開口を通過するイオンの量を検出するだけで、基板に導入されるイオンの量（ドーズ量）を高精度に検出することができる。なお、ドーズ量の制御は、プラズマの状態（形成条件）を変えることで実現できる。

以上述べたように、本発明によれば、基板面内に均一にイオンを導入することができるとともに、コンタミネーションの低減を図ることができる。また、ドーズ量の高精度化も図ることができる。これにより、面内均一性を確保でき、基板の大型化にも対応することができるようになる。

以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態によるプラズマドーピング装置１０の概略構成図である。本実施の形態のプラズマドーピング装置１０は、真空排気手段（図示略）に接続され内部が所定の真空度に維持された真空チャンバ１の内部に、プラズマ形成空間Ｐを画成する石英製のベルジャ１１と、プラズマ形成用ガスを導入するためのガス導入管２と、ベルジャ１１の外周部に巻回され上記プラズマ形成用ガスをプラズマ化する高周波アンテナ（コイル）３と、被処理基板として半導体ウェーハ（以下「ウェーハ」という）Ｗを支持するステージ４とが配置されている。

そして、プラズマドーピング装置１０においては、ステージ４上のウェーハＷに対してマスク部材５が所定の間隙をおいて対向配置されている。このマスク部材５には、ウェーハＷに対するイオン導入領域を画定するドーピング用開口５Ａが形成されている。

ステージ４は、ウェーハＷをその被処理面をプラズマ形成空間Ｐ側（図中上方側）に向けて支持する。ステージ４には、ウェーハＷの支持機構として、静電チャック機構が取り付けられている。このステージ４はマスク部材５に対して平行移動可能なように、Ｘ方向（図中左右方向）移動機構６及びＹ方向（図において紙面表裏方向）移動機構７が取り付けられている。８は、ステージ４上のウェーハＷを傾斜させるティルト機構で、ステージ４に設けられ、必要に応じて調整される。また、ステージ４には回転機構（図示略）が設けられており、ウェーハＷをステージ４上で回転方向に移動可能とされている。

マスク部材５及びステージ４はバイアス電源９の負極に接続されており、プラズマ形成空間Ｐに形成されたプラズマ中のイオン（本例ではＢ⁺ イオン）をステージ４側へ引き出せるようにしている。プラズマから引き出されたイオンは、マスク部材５のドーピング用開口５Ａを介して、ウェーハＷの表面に導入される。

マスク部材５は、シリコン等の重金属コンタミネーションを発生させない半金属製の例えば円形板状部材で構成されており、その面内には、上述したドーピング用開口５Ａと、後述するモニタ用開口５Ｂがそれぞれ形成されている（図２Ａ，Ｂ）。マスク部材５のドーピング用開口５Ａの形状、大きさ等は特に限定されないが、プラズマ形成空間Ｐに形成されるプラズマ面の任意の一部の領域に対応して形成されるのが好ましい。図２Ａ，Ｂは、マスク部材５とウェーハＷとの位置関係を模式的に示す平面図である。

図２Ａは、ドーピング用開口５Ａが、ウェーハＷの直径を超える大きさの長手寸法を有する矩形状に形成された例を示している。この場合、ウェーハＷを支持するステージ４は、このドーピング用開口５Ａの長手方向に対して例えば直交する方向（Ｘ方向）にのみ間欠的又は連続的に移動可能に構成されることにより、ウェーハＷの面内全域にわたってイオンの導入を行うことができる。

また、図２Ｂは、ドーピング用開口５Ａが、ウェーハＷ上のデバイス単位（例えば１チップ単位）の大きさを有する矩形状に形成された例を示している。この場合、ウェーハＷを支持するステージ４は、Ｘ方向及びＹ方向に間欠的又は連続的に移動可能に構成されることにより、ウェーハＷの面内全域にわたってイオンドーピングを行うことができる。

一方、マスク部材５のモニタ用開口５Ｂは、ドーピング用開口５Ａに隣接して単数又は複数箇所（図２Ａ，Ｂの例では各々２箇所）に形成されている。モニタ用開口５Ｂの形成位置、形成個数は特に限定されず、本実施の形態ではドーピング用開口５Ａを囲むように一対形成されている。これらモニタ用開口５Ｂ，５Ｂの形状、大きさは特に限定されず、また、互いに同一の形状、大きさである場合に限られない。なお、図２Ｂの例では、モニタ用開口５ＢをＸ方向だけでなくＹ方向にも一対（計４箇所）設けてもよい。

図３は、ウェーハＷを支持するステージ４周辺の拡大図である。ステージ４上のウェーハＷとマスク部材５との間には、マスク部材５のドーピング用開口５Ａを通過するイオンの量を検出するメインファラデーカップ１２Ａと、モニタ用開口５Ｂ，５Ｂを通過するイオンの量を検出するサイドファラデーカップ１２Ｂ，１２Ｂとが配置されている。なお、サイドファラデーカップ１２Ｂ，１２Ｂは、本発明の「検出手段」に対応する。

ここで、マスク部材５及びサイドファラデーカップ１２Ｂ，１２Ｂは、真空チャンバ１等の静止系に連絡する支持フレーム（図示略）を介して、図示するウェーハＷとの対向位置に配置されている。なお、上記支持フレームには、ステージ４に設けられるティルト機構８や回転機構と同様な駆動機構が設けられており、後述（第２実施形態）のようにウェーハＷの傾斜駆動と同期して、マスク部材５及びサイドファラデーカップ１２Ｂ，１２Ｂを傾斜駆動可能とされている。

一方、メインファラデーカップ１２Ａは、マスク部材５のドーピング用開口５Ａの直下位置と、ドーピング用開口５Ａを開放する退避位置との間を進退自在に、例えば上記支持フレームに取り付けられている。このように、メインファラデーカップ１２Ａをマスク部材５とウェーハＷとの間で挿脱自在な構成としている。そして、量産時、ウェーハＷに注入されるイオンのドーズ量をサイドファラデーカップ１２Ｂ，１２Ｂを使用してモニタリングし、ウェーハＷ面内の均一性確保、コンタミネーション低減、ドーズ量の精度向上を図っている。

そのため、量産前に、メインファラデーカップ１２Ａをマスク部材５の直下位置に配置させ、ドーピング用開口５Ａを通過するイオンの量を当該メインファラデーカップ１２Ａで検出するとともに、モニタ用開口５Ｂ，５Ｂを通過するイオンの量をサイドファラデーカップ１２Ｂ，１２Ｂでそれぞれ検出するようにして、メインファラデーカップ１２Ａとサイドファラデーカップ１２Ｂ，１２Ｂとの間で量産条件におけるイオンの量の面積比を予め算出しておく。

そして量産時は、当該メインファラデーカップ１２Ａを退避位置へ退かせ、ドーピング用開口５Ａを介してイオンをウェーハＷ上へ導入する間に、サイドファラデーカップ１２Ｂ，１２Ｂで検出されるイオンの量に基づいて、予め算出しておいた面積比を参照して、ドーピング用開口５Ａを通過するイオンの量、即ちウェーハＷへ導入されるイオンのドーズ量を監視できるようになる。ドーズ量の調整は、プラズマの形成条件を変えることで実現できる。

以上のように構成される本実施の形態のプラズマドーピング装置１０においては、プラズマ形成空間Ｐに形成させたプラズマから、ステージ４側へバイアス電源９の電源電圧に応じた加速電圧でイオンが引き出され、マスク部材５のドーピング用開口５Ａを介してウェーハＷへ当該イオンが導入される。

従って、形成されたプラズマが面内において均一でなくても、マスク部材５のドーピング用開口５ＡによってウェーハＷが臨むプラズマ領域を制限しているので、ステージ４をＸ方向移動機構６、Ｙ方向移動機構７で水平移動させることで、ウェーハＷの全面に均一に、低コンタミネーションでイオンを導入することができる。また、サイドファラデーカップ１２Ｂ，１２Ｂを用いたイオン照射量の検出機構により、ウェーハＷに対するイオンのドーズ量の精度向上が可能となる。さらに、低エネルギーでイオン注入を行えるので、ウェーハＷ表面への不純物領域（拡散領域）の浅接合化にも容易に対応できる。

（第２の実施の形態）
図４Ａは本発明の第２の実施の形態によるプラズマドーピング装置２０を示している。なお、図において上述の第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。

本実施の形態のプラズマドーピング装置２０は、真空チャンバ１内のプラズマ形成空間Ｐとマスク部材５との間に、プラズマからイオンを引き出すためのグリッド２１が配置されている。グリッド２１は、このグリッド２１の外周囲を支持する環状のサポート板２１Ａを介してグランド電位に接続されている。

グリッド２１は、例えばシリコン製の薄板基板の面内にイオンが通過し得る複数のスリットが平行に形成された構成を有しており、マスク部材５の開口部５Ａ，５Ｂの形成領域をカバーできる大きさで形成されている。また、コンタミネーション抑制を目的として、グリッド２１を形成するシリコン基板にドーピング元素と同種の元素（本例ではボロン）をドーピングしておくのも効果的である。

ステージ４及びマスク部材５に接続されるバイアス電源９は上述の第１の実施の形態と同様に構成することができる。この種のバイアス機構としては、例えば図４Ｂに示すように構成することもできる。図４Ｂの例では、バイアス電源２１の正極にグリッド２１を接続し、バイアス電源２１の負極にステージ４及びマスク部材５をそれぞれ接続するとともに、グリッド２１側を接地した構成を示している。なお図４Ｂの構成例において、グリッド２１側ではなく、ステージ４（マスク部材５）側を接地してもよい。

このグリッド２１をプラズマ形成空間Ｐとマスク部材５との間に介装することにより、ティルト機構８の駆動で傾斜されたステージ４上のウェーハＷに対して、イオンを斜め方向から導入することが可能となる。

すなわち、このグリッド２１が設けられていない上述の第１の実施の形態においては、ティルト機構８を介してウェーハＷを傾斜配置させたとしても、ウェーハＷ（マスク部材５）の周囲に形成されるプラズマシース（空間電荷層）もまたウェーハＷ（マスク部材５）の傾斜した表面に沿って形成される。プラズマ中のイオンは、当該プラズマシースに対して垂直方向に引き出されるので、結局、ウェーハＷに対しては垂直方向にしかイオンを導入することができない。

これに対して、プラズマ形成空間Ｐとマスク部材５との間にグリッド２１を配置させた本実施の形態においては、ウェーハＷ（マスク部材５）の傾斜角度に関係なく、プラズマからイオンを当該グリッド２１に対して垂直方向に引き出すことができるようになり、これにより、傾斜配置されたウェーハＷに対して斜め方向からイオンを入射させることが可能となる。

従って本実施の形態によれば、図５に模式的に示すＭＯＳトランジスタ構造において、ウェーハＷの表面に形成されたゲート電極２３をマスクにして、ウェーハＷに対して垂直にイオンを導入し不純物領域２５，２５を形成する工程と、ティルト機構８を駆動してウェーハＷを傾斜させた後、不純物領域２５，２５をゲート電極２３側へゲート酸化膜２４の直下方位置に臨む位置まで延長させた低濃度領域２６，２６の形成工程とを、一台のプラズマドーピング装置２０を用いて行うことができるようになる。

低濃度領域２６，２６の形成方法としては、例えば、ステージ４及びマスク部材５を図４Ａに示したように角度θ傾斜させて一方側の低濃度領域２６を形成した後、ステージ４及びマスク部材５を図６に示すように角度−（マイナス）θ傾斜させて他方側の低濃度領域２６を形成する方法がある。
あるいは、図４Ａに示したようにステージ４及びマスク部材５を角度θ傾斜させて一方側の低濃度領域２６を形成した後、ステージ４及びマスク部材５を１８０°回転させて他方側の低濃度領域２６を形成する等の方法がある。

以上のような構成の本実施の形態のプラズマドーピング装置２０においても、ステージ４をマスク部材５に対して平行移動させることにより、ウェーハＷに対するプラズマドーピングの面内均一性の確保、コンタミネーションの低減、高精度なドーズ量制御が可能となる。この場合、Ｘ，Ｙ方向移動機構６，７とティルト機構８とを用いてマスク部材５に対するステージ４の平行移動を行わせることができる。また、Ｘ，Ｙ方向に加えてＺ方向（高さ方向）へステージ４を移動させる機構を別途設けても良い。

以上、本発明の各実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれらに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば以上の実施の形態では、真空チャンバ１内にプラズマを形成させるプラズマ源としてＲＦアンテナ３を用いた誘導結合方式（ＩＣＰ）に限らず、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）や平行平板、磁気中性線放電（ＮＬＤ）等の他の方式のプラズマ源が適用可能である。

また、ベルジャ１１の形状、大きさは任意に設定でき、例えば、マスク部材５のドーピング用開口５Ａの形状、大きさに合わせたプラズマが形成できるように構成してもよい。更に、このベルジャ１１の内面に、注入するイオンと同種材料の膜をコーティングしておくと、ドーピング時のコンタミネーションの抑制を図ることができる。

本発明の第１の実施の形態によるプラズマドーピング装置１０の概略構成図である。 マスク部材５の代表的な構成例を示す平面図である。 ウェーハＷを支持するステージ４の周辺構造を説明する部分断面側面図である。 本発明の第２の実施の形態によるプラズマドーピング装置２０の概略構成図である。 ＭＯＳトランジスタの断面模式図である。 プラズマドーピング装置２０の一作用を説明する概略構成図である。

符号の説明

１ 真空チャンバ
２ ガス導入管
３ アンテナ（プラズマ源）
４ ステージ
５ マスク部材
５Ａ ドーピング用開口
５Ｂ モニタ用開口
６ Ｘ方向移動機構
７ Ｙ方向移動機構
８ ティルト機構
９ バイアス電源
１０ プラズマドーピング装置
１１ ベルジャ
１２Ａ メインファラデーカップ
１２Ｂ サイドファラデーカップ（検出手段）
２０ プラズマドーピング装置
２１ グリッド
Ｗ ウェーハ（被処理基板）

Claims (1)

1. 真空チャンバと、
   前記真空チャンバ内にプラズマを形成するプラズマ源と、
   被処理基板を傾斜させるティルト機構を有し、前記被処理基板を支持するステージと、
   前記被処理基板に対向して配置され、前記ティルト機構による前記被処理基板の傾斜駆動と同期して傾斜駆動可能であり、当該被処理基板のイオン導入領域を画定するドーピング用開口とモニタ用開口とが形成されたマスク部材と、
   前記マスク部材と前記プラズマの形成空間との間に配置され、前記プラズマから所定のイオンを引き出すためのグリッドと、
   前記マスク部材に平行な第１の方向及びこの第１の方向と交差する第２の方向の２軸方向に前記ステージを移動させるステージ駆動機構と、
   前記マスク部材と前記被処理基板との間に配置され、前記ティルト機構による前記被処理基板の傾斜駆動と同期して傾斜駆動可能であり、前記モニタ用開口を通過したイオンの量を検出する検出手段と
   を備えたことを特徴とするプラズマドーピング装置。

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