플라즈마 도핑 방법 및 플라즈마 도핑 장치 document_id A220623053881

불순물을 고체 시료의 표면에 도입하는 기술로서는, 불순물을 이온화하여 저 에너지로 고체 중에 도입하는 플라즈마 도핑(PD)법이 알려져 있다(예를 들어, 미국특허 제4912065호 명세서 참조). 한편 불순물을 도입하는 방법으로서, 현재 가장 널리 이용되고 있는 방법은 이온 주입법이다. 플라즈마 도핑법은, 예를 들면 International Technology Roadmap for Semiconductors 2001 Edition(ITRS 2001)의 Front End Process의 Figure 30의 Shallow Junction Ion Doping의 란에서 명확한 바와 같이, ITRS 2003에서도 계속해서 이온 주입의 차세대 불순물 도입 기술로서 기재되고, 이온 주입법과는 다른 불순물 도입 기술이다. 이하, 이온 주입과 플라즈마 도핑의 기술적 상이점을 조금 상세히 설명한다. 이온 주입법에서는, 가스로부터 플라즈마를 발생시키는 이온원과, 이온원으로부터 인출한 이온으로부터 소망하는 이온만을 선별하기 위하여 질량 분리하는 분석 자석과, 소망하는 이온을 가속하는 전극과, 가속한 소망하는 이온을 실리콘 기판에 주입하는 프로세스 챔버를 가지는 장치 구성이 이용된다. 이온 주입에 있어 불순물을 얕게 주입하기 위해서는, 이온원으로부터 이온을 인출하는 에너지와 가속 에너지를 작게 하면 된다. 그러나 인출 에너지를 작게 하면 인출되는 이온의 수가 감소해버린다. 또한 가속 에너지가 작아지면 이온 빔을 이온원으로부터 웨이퍼로 수송하는 사이에 이온끼리의 전하에 의한 반발력으로 빔 직경이 넓어져 버려, 빔 라인 내벽에 충돌하는 등 하여 다수의 이온이 소실되어 버린다. 그 때문에, 주입 처리의 스루풋이 저하되어 버린다. 예를 들면 B+ 이온을 주입하는 경우에는, 가속 에너지가 2keV 이하가 되면 스루풋이 저하하기 시작하고, 0.5KeV 이하가 되면 빔의 수송 자체가 곤란해진다. 그러나 0.5KeV까지 저 에너지화해도, 20nm 정도의 깊이까지 B가 주입되어 버린다. 즉, 이것보다도 얇은 익스텐션 전극을 만들고 싶은 경우에는 생산성이 극단적으로 저하되어 버린다는 과제가 있다. 이에 대하여 플라즈마 도핑법에서는, 실리콘 기판을 내부에 배치할 수 있는 원주 형상의 진공 용기에 플라즈마를 유기(誘起)하는 플라즈마 발생원과, 실리콘 기판을 배치하는 바이어스 전극과, 바이어스 전극의 전위를 조정하는 바이어스 전원을 가지는 장치 구성이 이용된다. 분석 자석도 가속 전극도 가지지 않는, 이온 주입과 전혀 다른 장치 구성이다. 진공 용기에 플라즈마원과 웨이퍼 홀더를 겸한 바이어스 전극을 설치하고, 플라즈마와 웨이퍼의 사이에 발생하는 포텐셜(potential)로 이온을 가속하여 도입한다. 이에 따라, 저 에너지의 플라즈마를 직접 사용할 수 있으므로, 이온 주입과 비교하여 대량의 저 에너지 이온을 웨이퍼에 조사할 수 있다. 즉 도즈 레이트가 매우 크다는 특징이 있다. 이 특징에 의해 저 에너지의 B 주입으로도 높은 스루풋을 유지할 수 있다. 또한 본 발명자들은, 플라즈마 도핑법을 적용하여 극히 얕고 저 저항인 소스·드레인 익스텐션 전극을 형성하는 프로세스 기술을 개발했다. 이 신규 프로세스 기술은, 신규로서 특단의 효과가 있는 프로세스 기술로서 인지되어 있다(Y.Sasaki, et al.,Symp. on VLSI Tech.p180(2004)). 이 방법에서는, 가스 도입구로부터 도입된 도핑 원료 가스, 예를 들면 B2H6를 마이크로파 도파관 및 전자석으로 이루어지는 플라즈마 발생 수단에 의해 플라즈마화 하고, 플라즈마 중의 붕소 이온을 고주파 전원에 의해 시료의 표면에 공급한는 방법이 취해진다. 반도체 장치의 소형화, 고집적화에 수반하여, 불순물 도입 영역에서의 특성은 극히 중요하다. 그 중에서도, 도즈량(불순물 도입량)은 소자 특성을 결정하는 중요한 요소의 하나인 비저항을 결정하므로, 도즈량의 제어는 극히 중요한 포인트이다. 그러나, 플라즈마 도핑법을 이용하면, 극히 얕고 저 저항인 소스·드레인 익스텐션 전극을 형성할 수 있음을 알았음에도 불구하고, 그 특성을 제어하는 도즈량의 제어 방법은 개발되지 않았었다. 지금까지는 플라즈마 도핑하는 시간을 변화시킴으로써 도즈량을 변화시키는 방법이 채용되었으나, 이것으로는 제어의 정밀도가 불충분하여 실용적이지 않았다. 이러한 상황 속에서, 본 발명자들은 인체에 대하여 극히 위험성이 높은 독성을 가지는 B2H6를 가능한 한 희석하여 안전성을 높이고, 도핑 효율을 저하시키지 않고 안정적으로 플라즈마의 발생이나 유지를 행하면서 도펀트 주입량의 제어를 용이하게 행할 수 있는 방법으로서, 도핑하는 불순물을 포함하는 물질로서의 B2H6 가스를 전리 에너지가 작은 He 가스로 희석하고, He의 플라즈마를 선행하여 발생시키며, 이 후에 B2H6를 방전시키도록 하는 방법을 제안했다(특개 2004-179592호 공보). 이 방법에 있어서, B2H6 가스의 농도가 0.05% 미만이 되도록 하는 것이 바람직하다는 제안도 있다. 그러나 0.05% 정도의 저농도로 했을 때 도즈량을 제어하기 쉽다는 보고는 되어 있으나, 이것은 가스 농도를 일정하게 하면서 시간을 변화시켜 도즈량을 바꾸는 것이었다. B2H6 가스 농도를 저농도로 하는 쪽이 시간 변화에 대한 붕소의 도즈량 변화가 작아지므로 도즈량을 제어하기 쉽다는 내용이었다. 도즈량의 제어 정밀도를 높이면서 진보한 것이었으나, 진공 용기 내에 플라즈마를 발생시키고, 플라즈마 중의 불순물 이온을 시료의 표면에 충돌시켜 시료의 표면에 불순물 도입층을 형성하는 플라즈마 도핑 방법에서는, 같은 플라즈마 조건임에도 불구하고 실리콘 기판에 플라즈마를 조사할 때마다 도즈량이 변화하여 재현성이 좋지 않은 경우가 있었다. 이것은, 실리콘 기판에 이온을 주입하기 위하여 진공 용기 내에서 플라즈마를 발생시키는데, 그것에 의해 진공 용기 내의 상태가 매회 변화하기 때문으로 여겨져, 도즈량을 재현성 좋게 조정하는 것은 곤란하다고 여겨졌다. 또한 진공 용기 내의 상태가 매회 변화하므로 도즈량을 실리콘 기판 면 내에서 균일하게 유지하는 것도 곤란하다고 여겨졌다. 생각할 수 있는 파라미터나 장치 형상을 조정하여 도즈량이 균일해지도록 할 수 있다고 해도, 그것을 반복 재현시킬 수 없었던 것이다. 이와 같이, 진공 용기 내의 상태가 매회 변화하는 것은 알려져 있었으나, 구체적으로 무엇이 어떻게 변화하는지는 명확하지 않았다. 본 발명자들은, 각종 고찰의 결과, 플라즈마 챔버로서의 진공 용기 내벽에 불순물을 포함하는 막이 형성되고, 그 막의 상태가 변화하는 것에 착안했다. 구체적으로는, B2H6 가스와 헬륨 가스의 혼합 가스 플라즈마에 의한 플라즈마 도핑 처리를 반복하면, 막의 색의 농도와 막이 형성되어 있는 면적이 변화해 간다. 즉, 막의 두께가 두꺼워지고 막이 형성되는 면적이 커져 가는 것에 주목하고, 본 발명은 이 점에 기초하여 이루어진 것이다. 본 발명자들은, 진공 용기의 내벽에 고착한 상기 불순물을 포함하는 막이 플라즈마 중의 이온으로 때려짐(스퍼터링 됨)에 따라 상기 시료의 표면의 플라즈마 농도가 변화하는 것은 아닌지, 그 변화량은 막의 두께, 막이 형성되는 면적에 따라 변화하는 것은 아닌지라는 추측을 했다. 또한 막의 단위 체적 중에 포함되는 불순물의 밀도에도 좌우되는 것은 아닌지라고 추측했다. 본 발명자들의 실험 결과에 따르면, 진공 용기의 내벽에 고착한 상기 불순물을 포함하는 막으로부터 실리콘 기판 표면에 도입되는 불순물의 도즈량이 매회 변화했다.