WO2005031832A1 - 不純物導入方法、不純物導入装置およびこれらを用いて形成した電子素子 - Google Patents

不純物導入方法、不純物導入装置およびこれらを用いて形成した電子素子 Download PDF

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Cheng-Guo Jin
Yuichiro Sasaki
Bunji Mizuno
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Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to an impurity introduction method, an impurity introduction device, and an electronic element formed using the same, and more particularly, to a method for introducing an impurity when a semiconductor device, particularly an electronic element is formed, or a method for manufacturing a liquid crystal panel.
  • a semiconductor device having a shallow junction is formed using this ion implantation method, and although a shallow junction can be formed, there is a limit to the depth that can be formed by ion implantation. For example, it is difficult to introduce boron impurities shallowly, and in ion implantation, the depth of the implantation region is limited to about 100 nm from the substrate surface.
  • This plasma doping is a technique in which a reaction gas containing an impurity to be introduced is plasma-excited and the surface of the solid substrate is irradiated with plasma to introduce the impurity. After the introduction of the impurities, the introduced impurities are activated by an annealing step.
  • a light source capable of emitting electromagnetic waves in a wide wavelength band such as visible light, infrared light, and ultraviolet light is used.
  • the effective wavelength for activation differs depending on the crystalline state of the solid substrate itself into which the impurities are introduced, and is actually a narrow region in many cases. Light emission at an unnecessary wavelength may raise the substrate temperature, which may cause deterioration of characteristics.
  • a method for measuring the amount of impurities introduced on the surface of a solid substrate by optical measurement has been proposed (for example, see Patent Document 1). This method measures the amount of radicals by optical measurement, and the doping amount can be measured by detecting the amount of current.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-28082
  • the amount of impurities introduced that is, the total amount of impurities introduced into the solid substrate is detected.
  • the total amount of introduced impurities is detected.
  • detecting the crystal state of the region into which impurities are introduced that is, how many lattice defects are introduced, is necessary for optimal plasma doping and subsequent light irradiation. It is extremely important to realize the optimal annealing by energy irradiation.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide an impurity introduction technique for realizing electrical activation of impurities without causing a rise in substrate temperature.
  • the present invention optically measures the physical properties of single crystal silicon or polycrystalline silicon in the process of introducing impurities into single crystal silicon or polycrystalline silicon when forming a semiconductor device on a silicon substrate or manufacturing a liquid crystal panel.
  • the purpose is to control the conditions in the impurity introduction step so as to be optimal for the subsequent step.
  • a step of introducing an impurity into a surface of a solid substrate, a step of measuring optical characteristics of a region in which the impurity is introduced, and a step of measuring an optical characteristic of the region in which the impurity is introduced based on the measurement result A step of selecting an annealing condition according to optical characteristics; and a step of annealing the region into which the impurity is introduced based on the selected annealing condition.
  • the optical characteristics of the region into which the impurities are introduced can be measured in advance, and the optimum annealing can be realized in accordance with the optical characteristics, so that the impurity regions can be formed with high accuracy and high efficiency.
  • the step of introducing impurities means not only the introduction of impurities but also the optimal optical characteristics for the annealing process, in order to absorb energy efficiently in the annealing process centered on the subsequent light irradiation.
  • a step of controlling the surface state so that The optical characteristics are controlled by changing the mixing ratio of an impurity substance forming a plasma and an inert substance or a reactive substance as a mixed substance to the plasma, thereby controlling the composition of the plasma Includes those that control the optical properties of the introduced area. That is, the impurity substance and the inert substance such as nitrogen and rare gas, and the reactive substance such as oxygen, silane, and disilane are supplied to the surface of the solid substrate at the same time or sequentially with the supply of the impurity substance. Including the step of forming characteristics.
  • the “impurity introduction method” in the present invention refers to the above-described series of steps including an annealing step.
  • the step of introducing the impurity includes a plasma doping step.
  • impurities can be introduced into a shallow region.
  • the step of introducing the impurity includes an ion implantation step.
  • the measuring step is performed prior to the annealing step.
  • the measuring step is performed in parallel with the filtering step.
  • the state of the region in which impurities are introduced into the anneal can be detected, and the anneal condition can be selected based on the detected state, so that an optimum activation state can be obtained.
  • the annealing step is divided into a plurality of times, and the measuring step is performed between the annealing steps.
  • the annealing step is divided into a plurality of times, the state of the region where impurities are introduced in the annealing is detected, and the annealing condition is selected on the basis thereof, so that an optimum activation state can be obtained. it can.
  • the step of selecting the annealing condition includes a step of sequentially changing the annealing condition in accordance with a change in optical characteristics of the impurity introduction region during the annealing step.
  • the impurity introducing step is divided into a plurality of times, and the measuring step is performed between the impurity introducing steps. Since this method is performed between the impurity introduction steps, accurate measurement can be performed depending on the situation in the chamber in the impurity introduction step, and highly accurate impurity introduction can be realized. In addition, it is necessary to stop impurity introduction, but this example is also effective for doping using atmospheric pressure plasma.
  • a step of introducing an impurity into the surface of the solid substrate a step of measuring an optical characteristic of a region where the impurity is introduced, and adjusting to an annealing condition based on the measurement result.
  • the plasma doping condition is controlled such that the optical constant is suitable for light irradiation performed after the plasma doping step, while monitoring the optical constant of the region into which the impurity is introduced.
  • an impurity region having a more accurate depth and dose can be formed.
  • a reflectance or the like can be applied in addition to the light absorption coefficient.
  • the step of measuring is a step using ellipsometry.
  • the step of measuring includes an ellipsometry analysis step for obtaining both the thickness and the optical constant (refractive index n and extinction coefficient k) of the impurity-introduced layer.
  • the ellipsometry analysis step is performed by K-K (Kraraers-Kronig) analysis, Tauc-Lorentz analysis, Cody-Lorentz analysis, Forouhi-Bloomer analysis, MDF analysis, band analysis, 4-coordinate (Tetrahedral)
  • K-K Keraraers-Kronig
  • Tauc-Lorentz analysis Tauc-Lorentz analysis
  • Cody-Lorentz analysis Cody-Lorentz analysis
  • Forouhi-Bloomer analysis MDF analysis
  • band analysis 4-coordinate (Tetrahedral)
  • the present invention includes the impurity introducing method, wherein the measuring step is a step using XPS.
  • the annealing step is a step of irradiating an electromagnetic wave.
  • the annealing step is a light irradiation step.
  • the step of introducing the impurity is a step of introducing an impurity such that a light absorption coefficient of a region where the impurity is introduced exceeds 5E 4 cm ⁇ 1 .
  • the plasma doping step may include: a power supply voltage applied to plasma, a composition of the plasma, and a ratio of a plasma irradiation time including the dopant substance to a plasma irradiation time not including the dopant substance. Including at least one controlling step.
  • composition of the plasma is controlled by adjusting the mixing ratio of an impurity substance to be a dopant with other substances, the degree of vacuum, the mixing ratio between other substances, and the like.
  • the plasma doping step may include the step of changing a mixing ratio of an inert substance and a reactive substance as an impurity substance and a mixed substance thereof to thereby form a region into which the impurity is introduced.
  • the arsenic as an impurity substance, ⁇ , boron, aluminum- ⁇ By changing the mixing ratio of substances such as metals, antimony and indium, inert substances such as helium, argon and xenon, and reactive substances such as nitrogen, oxygen, silane and disilane Control the dynamic characteristics.
  • the plasma doping step may further include, in the aerating step, promoting electrical activation of impurities included in the impurity-doped region and absorbing energy to the solid substrate.
  • the optical constant of the region into which the impurity has been introduced is set so as to be able to suppress the above.
  • annealing can be selectively and efficiently realized without increasing the substrate temperature.
  • a plasma doping means for introducing an impurity into the surface of the solid substrate; a measuring means for measuring an optical characteristic of a region in which the impurity is introduced; and a region in which the impurity is introduced.
  • aerial means for annealing.
  • the method further includes doping control means for controlling the plasma doping means based on a measurement result of the measuring means.
  • doping control means for controlling the plasma doping means based on a measurement result of the measuring means.
  • an annealing control means for adjusting the annealing means based on a measurement result of the measuring means is included.
  • a feedback mechanism for feeding back a measurement result of the measuring means to either the annealing control means or the impurity introduction controlling means is included.
  • the feedback mechanism performs feedback of a measurement result in-situ.
  • the feedback mechanism includes a mechanism for performing a sampling inspection at a high speed and executing an additional process such as additional doping or annealing condition relaxation in the case of failure.
  • an electronic element is formed by introducing impurities using the impurity introduction method or the impurity introduction device.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining optical measurement of an impurity introduction layer generated near the surface of a solid substrate according to the first embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a block diagram of a spectroscopic ellipsometer used to explain the method for determining the thickness of the impurity-doped layer and the light absorption coefficient.
  • FIG. 3 is a diagram showing the light absorption coefficient of the impurity-introduced layer measured by ellipsometry
  • FIG. 4 is a diagram showing an apparatus used in the present invention to which the plasma doping method according to the second embodiment of the present invention is applied.
  • Figure 5 shows the spectra of the sample PD-1 (bias voltage 30V, process time 60s) and PD-2 (bias voltage 60V, process time 60s) and the absorption coefficient of the crystalline silicon substrate for comparison.
  • FIG. 6 is a diagram showing the dependence of the light absorption coefficient on the process time (a) and the wavelength (b) in the impurity introducing method according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram of an annealing device using a white light source according to Example 6 of the present invention and a filter for wavelength selection.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a solid substrate for explaining a special effect when nitriding or oxidizing the impurity-doped layer according to Example 7 of the present invention.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram of an annealing device according to an eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a graph for explaining an example of irradiating light having a wavelength corresponding to a time change when annealing the impurity-doped layer.
  • reference numeral 100 denotes a solid substrate
  • 110 denotes an impurity-introduced layer
  • 120 denotes light S
  • 130 denotes a photometer
  • 200 denotes a vacuum chamber
  • 210 denotes a vacuum pump.
  • 230 is a vacuum gauge
  • 240 is a plasma source
  • 250 is a power source
  • 260 is a substrate holder
  • 270 is a power source
  • 280 is a first line
  • 290 is a second line Line
  • 200 is the third line
  • 310 is the plasma
  • 3200 is the computer
  • 3400 is the control circuit
  • 3500 is the controller
  • 500 is the substrate holder
  • 5100 is white Light source
  • 5200 is a filter
  • 5300 is a sorted light
  • 600 is a nitrided film
  • 610 is an oxidized film
  • 700 is a laser light source
  • 710 is a modulation filter
  • 720 Is modulated light.
  • the present invention roughly provides three embodiments.
  • the first is that the state of impurities introduced into the solid substrate is detected by optical measurement. This is not only an optical measurement of the impurities themselves, but also a physical change in the crystalline state of the solid substrate such as the crystalline state of the solid substrate itself, damage due to energy at the time of introduction, formation of an oxide layer nitride layer, etc. It means to measure optically as the state of "composite layer" including the chemical change of the solid substrate.
  • the second is that the annealing condition is optimized according to the state of the detected impurity, and the third is that the introduction of the impurity is controlled in accordance with the annealing condition.
  • the method of the present invention after grasping the state of the impurity, feedback control is performed on the introduction of the impurity, and the quality of the impurity introduction is further improved.
  • energy is applied to the substrate in some way to electrically remove impurities in the semiconductor. Activate. In this process, the process during impurity introduction is controlled to obtain the best result.
  • a method of introducing impurities into a solid substrate by using particles having energy (several 10 eV or more) higher than the binding energy of the lattice will be described.
  • the lattice constituting the crystalline or amorphous material forming the solid substrate is used.
  • the formation of lattice defects with respect to and the change in the physical properties of the solid substrate due to the impurity substance itself results in the formation of a region (new second layer) 110 into which impurities having physical properties different from those of the solid substrate 100 are introduced. .
  • the impurity introduction step changes the physical properties of the solid substrate and then the solid state.
  • a new (second) layer 110 consisting mainly of the impurity itself is formed.
  • the surface of the solid substrate 100 is irradiated with light using a light source 120 using ellipsometry, and the light is measured with a photometer 130.
  • the spectroscopic ellipsometer includes a Xe light source 20, a polarizer 21 for polarizing the Xe light output from the light source and irradiating the substrate 11 as a sample 11, and a sample 1.
  • An analyzer 22 for detecting the reflected light from 1, a spectroscope 23, and a detector 24 are provided.
  • the Xe light output from the Xe light source 20 is changed to linearly polarized light by the polarizer 21 and the angle ⁇ with respect to the direction perpendicular to the substrate surface.
  • ⁇ . Fixed at 70 °, but can be measured by changing the angle between 45 ° and 90 °.
  • the axes of the linearly polarized light of the incident light are the ⁇ direction (the direction of the line of intersection between the plane perpendicular to the optical axis and the plane containing the incident and reflected light) and the s direction (the ⁇ direction in the plane perpendicular to the optical axis). (Perpendicular direction).
  • ⁇ direction the direction of the line of intersection between the plane perpendicular to the optical axis and the plane containing the incident and reflected light
  • the s direction the ⁇ direction in the plane perpendicular to the optical axis.
  • the ellipsometry is configured so that light reflected as elliptically polarized light passes through an analyzer 22 and then enters a spectroscope 23, where ⁇ ⁇ ⁇ and ⁇ are measured by a detector 24 while separating the light.
  • the method of obtaining not only the thickness of the impurity-doped layer but also the optical constants (refractive index ⁇ and extinction coefficient k) as unknown parameters using the least squares method is explained.
  • the impurity-doped layer was called the PD layer, and the Air / PD layer-Si three-layer model was used. Since the optical coefficient basically has wavelength dependence, unknown parameters increase by the number of measured wavelengths when measured at different wavelengths, and cannot be found. In such a case, the spectrum of the optical coefficient can be obtained by expressing the spectrum of the optical coefficient by an approximate expression including a constant that does not depend on the wavelength, and using the constant as an unknown parameter.
  • a refractive index chromatic dispersion model Various examples of a refractive index chromatic dispersion model have been proposed, but in order to handle the strong absorption characteristics of the PD layer, the present embodiment uses the KK (Kramers-Kronig) analysis method. I got it.
  • the Tauc-Lorentz analysis, Cody-Lorentz analysis, Forouhi-Bloomer analysis, MDF analysis, band analysis, 4-coordinate (Tetrahedral) analysis, Drude analysis, Lorentz analysis, etc. are used as the refractive index wavelength dispersion model. The above analysis is also possible.
  • Equation 1 the complex refractive index dispersion equation derived from the following Kramers-Kronig equation to calculate not only the refractive index but also the extinction constant. Can be requested.
  • Cl, C2, C3, C4, and C5 become parameters and become initial values. Since C5 is one of the parameters that express the refractive index by the integration constant, the approximate refractive index of the PD layer is set to the initial value.
  • the initial value of C1 is an approximate extinction coefficient, that is, the value of the peak extinction coefficient of the extinction coefficient spectrum.
  • C2 and C3 are related to the peak E (eV) of the extinction coefficient spectrum
  • C2 is twice the peak E (eV)
  • C3 is the square of the peak E (eV).
  • C4 is related to the energy band width of the absorption band.As the initial value, the value of E (eV) at which the extinction coefficient is the smallest at the tail of the peak of the extinction coefficient spectrum can be used. .
  • the initial value is set by imagining the absorption spectrum, that is, the extinction coefficient spectrum, taking into account the physical properties of the thin film to be measured. By doing so, analysis can be performed.
  • the KK-Analysis model has more difficult parameter setting and fitting calculation than other models, and depending on the parameter setting, it may not fit at all. Therefore, it is necessary to use the KK-Analysis model after getting acquainted with the measurement analysis to some extent and understanding the characteristics of the model.
  • the light absorption coefficient is calculated by the following equation (5).
  • FIG. 3 shows a spectrum showing the optical characteristics of the impurity-introduced layer 110.
  • the light absorption coefficient is higher for light between a wavelength of 300 nm and 600 nm. Therefore, in the subsequent process, light is emitted at a wavelength between 300 nm and 600 nm to efficiently activate, and impurities are efficiently activated with smaller irradiation energy.
  • the surface state of the solid substrate into which impurities are introduced is measured, and the main factor of the subsequent process is determined based on the measurement result.
  • the formed impurity introduction layer 110 is irradiated with electromagnetic waves to be electrically activated.
  • the crystal of silicon which is the main component of the solid substrate, is destroyed in the process of introducing an impurity with an energy sufficiently higher than the binding energy of the lattice, and an impurity-introduced layer (with impurities) with lattice defects introduced.
  • the state where the (introduced region) exists exists is to recover lattice defects and change to an electrically active state by irradiating electromagnetic waves in the subsequent process.
  • the state of the impurity layer depends on the relationship between the physical properties of the substance constituting the solid substrate and the impurity substance.
  • the impurity substance enters the lattice position of silicon in such a way that the impurity replaces the lattice. Is promoted, and becomes electrically active. Therefore, in order to realize such a process, for example, when irradiating visible light, efficient electrical activation of impurities is attempted.
  • the light absorption spectrum of the solid substrate itself is analyzed, and the light absorption coefficient of the solid substrate 100 is analyzed. If the wavelength band is selected so that the light absorption coefficient of the impurity-introduced layer 110 is large and light irradiation is performed in this wavelength band, the temperature rise of the solid substrate 100 can be suppressed. The activation of the impurity-doped layer can be performed.
  • the light absorption coefficient can be calculated by this.
  • the diffusion phenomenon that occurs in the solid substrate is a major factor that hinders miniaturization, so irradiating only light of a specific wavelength to the solid substrate wastes energy.
  • the diffusion can be prevented in the sense that it is not applied, which is effective for forming fine devices.
  • the method for measuring optical characteristics is not limited to ellipsometry.
  • XPS and the like can be selected as appropriate.
  • a doping apparatus used in the present embodiment includes a light source 120 as a measuring means for measuring optical characteristics of a region of the solid substrate 100 into which impurities are introduced, and a photometer. 130, and control means for controlling the doping conditions based on the optical characteristics obtained by the measuring means, wherein feedback control of the doping conditions is performed so that an optimum surface state can be obtained. It is.
  • the plasma doping apparatus includes a vacuum chamber 200 and a plasma source 240 for generating a plasma in the vacuum chamber 200, and is disposed in a substrate holder 260.
  • the surface of a solid substrate 100 as a substrate to be processed is subjected to plasma doping.
  • a vacuum pump 210 is connected to the vacuum chamber 200, and a vacuum gauge 230 for measuring vacuum is installed.
  • a power source 250 is connected to the plasma source 240. Have been.
  • a power supply 270 for applying a unique electric potential to the substrate holder 260 is separately connected to the power supply described above.
  • the gas introduction mechanism includes a first line 280 for supplying a first substance as a dopant substance and a second line 290 for supplying a second substance which is another substance (in this case, He e) and a third line 300 (in this case Ar) supplying another third substance.
  • control means includes: a computer for calculating optical characteristics measured by the photometer; a control circuit for determining control conditions based on the calculation result; and an output of the control circuit. And a controller 350 for controlling the doping conditions of the plasma doping apparatus based on the feedback control.
  • a dopant substance as a first substance is supplied to the vacuum chamber 200.
  • a dopant substance and another substance different from the dopant substance are introduced as a carrier gas or as a material having a specific function.
  • a gas having a property different from that of the dopant substance for example, a rare gas or the like (having a different mass) and being electrically inactive in silicon is selected. Examples are He and Ar. He was selected as the other second substance, and Ar was selected as the other third substance.
  • a gas is introduced from the gas introduction line composed of the first to third lines 280, 290, and 300 described above, and the solid substrate 100 in the vacuum chamber 200 is exposed. To generate plasma 310.
  • the state of the impurity-introduced layer 110 is determined by the state of the solid substrate 100, which is the base, and the energy of the plasma, and may be in an adhered state or occluded.
  • the impurity introduction layer 110 described in the above embodiment is formed on the surface of the solid substrate 100.
  • a light source 120 and a photometer 130 are provided in the vacuum chamber 100. Then, the optical characteristics measured by the photometer 130 are calculated by the computer 320, the result of the calculation is sent to the control circuit 340, and the data is sent to the controller 350 as feedback information.
  • the doping equipment adjusts the plasma conditions and controls the physical properties of the impurity introduction layer.
  • the plasma conditions adjusted here include the power supply voltage applied to the plasma, or the voltage application time and application timing, the mixing ratio between the dopant substance and other substances, the degree of vacuum, the mixing ratio between other substances, and the dopant substance.
  • Plasma irradiation time including It is the ratio of the time period of plasma irradiation not including the dopant substance, and changes these parameters to control the physical properties of the impurity-introduced layer.
  • the density of the plasma and the energy of the charged particles (primarily positively charged ions) reaching the substrate can be determined by the power supplied to generate the plasma and the power supply connected to the substrate holder. know.
  • the substrate holder mainly the substrate holder
  • power of 100 W is supplied from a power supply 250 to generate plasma. Electric power is supplied to the substrate holder 260 so that the generated plasma 310 can efficiently reach the substrate. First, 100 W was supplied to start plasma doping. At this time, the finally required thickness of the impurity introduction layer is set to 15 nm.
  • dopant substance B 2 H 6 was used, and He was used as another substance.
  • B 2 H 6 is introduced into 2 SCCM, and He is introduced into 1 O SCCM.
  • the degree of vacuum was 1 Pa.
  • doping was performed for 5 seconds while power was supplied from 250 to 100 W.
  • the optical constant (light absorption coefficient) of the impurity-introduced layer was measured with a photometer 130 as shown in FIGS.
  • the thickness of the impurity-doped layer was calculated with a computer 320, and was found to be 12 nm.
  • the control circuit 340 calculates a condition for setting the thickness of the impurity-introduced layer to 15 nm based on a database created based on the measurement result measured by itself. Based on the above, the controller 350 increased the power supply from the power source 250 to 115 W and performed plasma doping for 3 seconds. Then, it was confirmed through the photometer 130 that the thickness of the impurity introduction layer reached the predetermined thickness of 15 nm, the power supply 250 was turned off, the plasma 310 was turned off, and the process was terminated. .
  • Figure 5 shows sample PD-1 (bias voltage 30 V, process time 60 s) and PD-2 (bias voltage 60 V, process time 6) obtained using the KK (Kramer s-Kronig) analysis method. 0s) and the spectrum of the absorption coefficient of the crystalline silicon substrate for comparison.
  • the light absorption coefficient of the PD layer was increased by increasing the bias power supply voltage within the wavelength range of 400 to 800 nm and the same plasma doping time of 60 seconds.
  • This result indicates that PD-2 is more suitable when using an annealing method that emits a wavelength within 400-80 nm, for example.
  • the results of this ellipsometric measurement can be fed back to the optimization of Anneal, demonstrating the effectiveness of the ellipsometric measurement using the K_K (Kramers-Kronig) analysis method described above.
  • the impurity introduction layer 110 When the impurity introduction layer 110 is formed, for example, when a silicon substrate is used as the solid substrate 100, the crystal lattice is disturbed by a dopant substance or another substance, so that an amorphous state is formed. Bringing this amorphous state into the desired state plays an important role in the subsequent steps.
  • BF 3 was used as a dopant material, and He and Ar were used as other materials.
  • the thickness of the impurity-introduced layer 110 is changed while keeping the amount of BF as the dopant substance constant.
  • a fourth embodiment an example of adjusting the ratio of the plasma irradiation time including the dopant substance to the plasma irradiation time not including the dopant substance.
  • the optical characteristics of the solid substrate, in particular, the impurity introduction layer 110 having a large light absorption coefficient during annealing such as light irradiation performed after doping are described.
  • An example of formation will be described.
  • the light absorption coefficient of the impurity-introduced layer 110 formed by plasma doping with a necessary dopant amount is generally insufficient for annealing. Is assumed.
  • the light absorption coefficient is adjusted to be a large value, and another second substance is introduced to set a predetermined light absorption coefficient of anneal.
  • a rare gas, for example, Ar is introduced from the second line 290, and a plasma separate from the dopant is formed to irradiate the solid substrate.
  • the solid substrate 100 is irradiated with Ar plasma for 5 seconds to form an impurity-introduced layer 110.
  • the plasma irradiation time and other plasma parameters are adjusted so that the light absorption coefficient becomes sufficiently large for subsequent annealing.
  • the optical characteristics of the impurity-introduced layer 110 are controlled by feedback control in the same manner as in Examples 1 to 4, but a case where a liquid crystal substrate is used as the solid substrate 100 will be described.
  • a polycrystalline silicon film is deposited on a glass or quartz glass substrate, and impurities for forming TFT are introduced into the polycrystalline silicon film. Since the polycrystalline silicon film deposited on such a glass substrate is a thin film, the thickness of the impurity-introduced layer 110 formed when impurities are introduced may occupy most of the thin film.
  • the light absorption coefficient was extracted from the optical constant measured by the photometer 130.
  • a method of irradiating a laser after introducing a dopant substance and electrically activating the laser is used. For this reason, the impurity introduction layer is adjusted and the light absorption coefficient is controlled so that this laser light is absorbed efficiently.
  • the optical characteristics of the impurity-introduced layer are measured by the photometer 130 using the impurity doping apparatus shown in FIG. 4, and the doping amount is adjusted while feeding back the measurement result.
  • the supply of the dopant substance was stopped according to the measurement result by the photometer 130, and the impurity introduction process was terminated.
  • the optical characteristics of the impurity introduction layer 110 into which the impurities were introduced were measured, and the annealing conditions were adjusted according to the result, and the substrate temperature was adjusted.
  • the impurity introduction layer is activated without ascending.
  • the solid substrate 100 formed with the impurity-introduced layer 110 formed by the method described above is irradiated with an electromagnetic wave containing a specific wavelength to anneal the solid substrate 100.
  • the energy of the electromagnetic wave which particularly effectively contributes to activation, is used to suppress the energy supply to other regions (solid substrate) and suppress the temperature rise of the solid substrate 100.
  • FIG. 6 (b) shows a spectrum representing the optical characteristics of the impurity-introduced layer 110.
  • Fig. 6 (b) is a result of measurement using measurement. Based on the measurement result, the main factor of the subsequent annealing process is determined.
  • a single crystal silicon substrate was doped with boron by plasma doping according to the method described in the second embodiment.
  • Optical measurement of the solid substrate 100 including the impurity-introduced layer 110 formed at this time was performed in the same manner. As a result, as shown in FIG. 6B, a spectrum having a peak around 600 nm was obtained. A cuttle was observed. In this case, a laser beam emitting at around 600 nm is used, or even a white light source, for example, has a somewhat broad peak, so wavelengths other than 580 nm to around 62 Onra are used. It is effective to irradiate only the light having a wavelength effective for annealing to the substrate having the impurity-introduced layer by using a filter for power. Therefore, in this example, an example in which wavelength control is performed using a filter will be described. As shown in FIG. 7, this annealing device has a substrate holder 500, a white light source 510, and a filter 5 which is detachably mounted so as to transmit only light of a specific wavelength 530 from the white light source. 20.
  • the solid substrate 100 on which the impurity-introduced layer 110 is formed is placed in the substrate holder 500, and light of a wavelength adjusted through a white light source or a filter is formed on the surface of the solid substrate.
  • the irradiated impurity-doped layer is irradiated and an appropriate annealing is performed. That is, a light source including a specific wavelength that forms a peak in the wavelength spectrum shown in FIG. 6 is installed, and a wavelength suitable for annealing the substrate (for example, including the peak of the wavelength spectrum).
  • a filter 520 with a characteristic that transmits only the characteristic) is installed.
  • a white light source 510 is irradiated from a light source having an intensity of 100 W in this case, and light selected between 580 Orn and 620 nm by a filter 520 is radiated. Irradiated.
  • the energy of the light 530 filtered in this way is effectively absorbed and attenuated by the impurity introduction layer 110 of the substrate, and the amount of energy absorbed by the solid substrate 100 is very small.
  • a cooling mechanism (not shown) can be provided in the substrate holder 500, and the substrate can be further cooled.
  • the energy is effectively absorbed by the impurity introduction layer 110, so that it is not so necessary.
  • the light source 120 and the photometer 130 are installed in the annealing device shown in FIG. 7 by the same mechanism as that used in the doping device shown in FIG. By measuring the characteristics, the change in physical properties during light irradiation can be measured. In this way, the state change due to light irradiation can be measured.
  • the white light source 510 has an appropriate wavelength instead of the white light source 5 (in this case, for example, (500 nm) It is also possible to use a laser light source 550. Conversely, it becomes possible to design an impurity-doped layer to have desired optical characteristics in accordance with the wavelength of a laser light source that can be obtained industrially at low cost.
  • an impurity-doped layer 110 of 10 nm is formed on a solid substrate by impurity doping according to the method described in the second embodiment.
  • nitrogen or a gas containing nitrogen is introduced from a second line 290 for introducing a second substance, which is another substance, to generate plasma, and the upper portion of the impurity introduction layer 110 is reduced by about 3 mm. nm.
  • the state of nitriding is measured by measuring the optical constants including the impurity-introduced layer 110 and the nitrided layer 600 (see FIG. 8), that is, the light source 1200 provided in the apparatus of FIG.
  • the optical constants including the impurity-introduced layer 110 and the nitrided layer 600 (see FIG. 8), that is, the light source 1200 provided in the apparatus of FIG.
  • the photometer 130, the computer 330, the control circuit 340, and the controller 350 it is possible to control the optical characteristics to be suitable at the time of annealing such as light irradiation to be performed subsequently.
  • the adaptation of the optical characteristics described here is basically the same as that described in Example 1, except that the impurity-introduced layer 110 is covered with a nitrided layer 610 upon annealing. This makes it possible to enhance the light absorbency used in the annealing step. In addition, it is possible to further prevent oxidation generated by oxygen and moisture in the air at the time of annealing, and it is possible to prevent the impurity-introduced layer and the 110-nitrided layer 600 from being integrated optically. There is also an effect that the characteristics are stabilized.
  • the impurity-introduced layer 110 is oxidized by using the light source 120, the photometer 130, the computer 320, the control circuit 340, and the controller 350 provided in the apparatus shown in FIG. It is possible to control the optical characteristics of the layer 610 so as to have optical characteristics suitable for the wavelength of light used at the time of annealing such as subsequent light irradiation. It is difficult to prevent oxidation at the time of annealing, but it is also possible to apply such a surface oxide layer by taking measures such as using a vacuum or an inert gas as the atmosphere at the time of annealing.
  • a silicon oxide film or another film may be deposited by a so-called CVD technique, for example, by introducing SiH 4 and oxygen, respectively. If you do this, It is possible to deposit a thin film having no relation to the physical properties of the impurity-introduced layer, and various optical characteristics can be obtained. It is important to operate and control the above-mentioned control system even during the deposition.
  • a laser light source 700 is used as a light source, a modulation filter 710 capable of changing the wavelength is used in this optical path, and impurities introduced by a photometer 130 are introduced.
  • the modulated light 720 is applied to the impurity-introduced layer 110 on the surface of the solid substrate 100.
  • an impurity-introduced layer 110 in a state different from that of the solid substrate is formed in contact with the solid substrate 100, and a thin nitride film, oxide film, or the like is used to protect the impurity-introduced layer and control optical characteristics.
  • a thin nitride film, oxide film, or the like is used to protect the impurity-introduced layer and control optical characteristics.
  • FIG. 10 shows a state in which the light absorption coefficient changes depending on the light irradiation time.
  • the light absorption characteristic represented by the curve a before light irradiation changes to a curve b after 1 On seconds of light irradiation, and changes to a curve c after 10 On seconds.
  • the characteristics of ayur using white light include light of all wavelengths, so it is possible to cope with this change in light absorption naturally, but it is necessary to irradiate all light of wavelengths not necessary for that. become. For this reason, as described in the fifth embodiment, adverse effects such as an increase in the temperature of the entire substrate or the vicinity of the surface of the solid substrate occur. Therefore, first, a laser having a center wavelength, in this case, around 600 nm is used. As shown in FIG. 9, this annealing device has a laser light source 70 0 is provided, and the wavelength is temporally changed by a modulation filter 7 10 provided in the optical path.
  • Embodiment 8 described the method of modulating the wavelength of light according to the change in the optical characteristics during annealing in addition to the optical characteristics of the formed impurity-introduced layer.
  • An impurity-introduced layer which is a doping layer, is formed in accordance with the wavelength of a laser that can be obtained at a later date. Specifically, what has already been described in the seventh embodiment also belongs to this concept.
  • the impurity-doped layer by forming the impurity-doped layer, it is possible to set the wavelength range where the light absorption coefficient is high and form the impurity-doped layer.
  • this method when using the plasma doping method, as described in Embodiment 3, several parameters are changed to change the plasma conditions, and impurities having a large light absorption coefficient near the wavelength of the laser to be used are used. An introduction layer is formed.
  • the surface of the solid substrate 100 (see FIG. 4) is constantly observed while plasma is being generated during plasma doping (so-called InSitu state), and the parameters of the plasma are changed as in Example 4. By doing so, it is possible to finally obtain predetermined optical characteristics (here, the light absorption coefficient is taken).
  • doping is performed on the surface of the solid substrate 100 for a certain period of time, for example, 5 seconds, the plasma irradiation is stopped once, light from the light source 120 is measured, optical characteristics are obtained, and the results are fed back.
  • the parameters of the plasma described in the third embodiment are changed, and further, for example, doping is performed by plasma for the next 5 seconds to form the impurity-introduced layer 110.
  • the optical characteristics of the impurity introduction layer can be set so as to match the wavelength of the selected laser beam.
  • the impurity introducing step and the annealing step are performed by different apparatuses, but may be performed by the same apparatus.
  • the annealing step it is also possible to adjust the optical characteristics of the impurity-introduced layer by forming a thin film using normal-pressure plasma. That is, the optical characteristics of the impurity-doped layer are measured, and a thin film is formed on the surface following the change in the physical properties of the impurity-doped layer so as to compensate for the change in the optical characteristics of the impurity-doped layer itself due to the progress of annealing. By doing so, it is possible to enhance the light absorption to the impurity-introduced layer so as to meet the annealing condition.
  • the impurity introduction method and apparatus of the present invention can form a fine semiconductor region such as formation of a shallow junction and an ultra-thin film efficiently and without increasing the substrate temperature. Forming electronic devices such as transistors and coils, or selectively introducing impurities into large substrates such as liquid crystal substrates In this case, it is effective without increasing the substrate temperature.

Abstract

本発明の課題は、基板温度の上昇を招くことなく、不純物導入を実現する。　不純物導入工程でできる格子欠陥の物性を光学的に測定し、続く工程に最適になるように制御することである。　固体基体表面に不純物を導入する工程と、前記不純物の導入された領域の光学的特性を測定する工程と、前記測定結果に基づき、前記不純物の導入された領域の光学的特性にあわせて、アニ−ル条件を選定する工程と、選定された前記アニ−ル条件に基づいて前記不純物の導入された領域をアニ−ルする工程とを含む。

Description

不純物導入方法、 不純物導入装置およびこれらを用いて形成した電子素子 く技術分野 >
本発明は不純物導入方法、 不純物導入装置 よびこれらを用いて形成した電子 素子に係り、 特に、 半導体装置、 特に電子素子を形成する際の不純物導入あるい は、 液晶パネルの製造方法に関する明。 細
<背景技術 >
近年、 半導体デバイスの微細化に伴い、 浅い接合を形成する技術が求められて いる。 従来の半導体製造技術では、 ボロン （B ) 、 リン （P ) 、 ヒ素 （A s ) 等 の各種導電型の不純物を固体基体としての半導体基板表面に、 低エネルギーでィ オン注入を行う方法が広く用いられている。
このイオン注入方法を用いて、 浅い接合をもつ半導体デバイスが形成されてお り、 浅い接合を形成できるとはいうものの、 イオン注入で形成できる深さには限 界がある。例えば、ボロン不純物は浅く導入することが難しく、イオン注入では、 導入領域の深さは基体表面から 1 0 0 n m程度が限界であった。
そこで、 近年、 更に浅い接合を可能にする手法として種々のドーピング方法が 提案され、 その中でプラズマドーピング技術が実用化に適するものとして注目さ れてきている。 このプラズマドーピングは、 導入すべき不純物を含有した反応ガ スをプラズマ励起し、 上記固体基体表面にプラズマ照射して不純物を導入する技 術である。 そして、 不純物導入後、 ァニーノレ工程により、 導入された不純物の活 性化がなされる。
通常、 ァニール工程では、 可視光、 赤外鞭、 紫外線などの広い波長帯域の電磁 波を発することのできる光源が用いられている。 しかしながら、 活性化に有効な 波長は、 不純物の導入される固体基体自体の結晶状態によって異なり、 実際は狭 い領域であることが多い。 不要な波長の光勝射を行うことにより、 基板温度が上 昇し、 特性劣化の原因となることがある。 近年、 固体基体表面に導入された不純物の量を光学的測定によって測定する方 法が提案されている （例えば特許文献 1参照） 。 この方法は、 光学測定でラジカ ルの量を測るものであり、 電流量を検出することにより ドーピング量を測定する ことができる。
(特許文献 1 ) 特開 2 0 0 0— 2 8 2 4 2 5 く発明の開示 >
上記方法では、 不純物の導入量すなわち固体基体中に導入された不純物の総量 を検出する。 確かに、 導入された不純物の総量を測定することは重要なことであ るが、 シリコン基板に不純物を導入して半導体装置を形成する場合や、 液晶基板 に T F T (薄膜トランジスタ） を形成して液晶パネル製造を行う際、 不純物の導 入された領域の結晶状態、すなわちどれだけの格子欠陥が導入されているかなど、 状態を検知することは、 最適なプラズマドーピングと引き続き実施される光照射 などのエネルギー照射による最適なァニールを実現するのに極めて重要である。 本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、 基板温度の上昇を招くことなく、 不純物の電気的な活性化を実現するための不純物導入技術を提供することを目的 とする。
本発明は、 シリコン基板への半導体装置の形成あるいは液晶パネル製造などに 際し、 単結晶シリ コン又は多結晶シリコンに対して、 不純物導入工程でできる格 子欠陥の物性を光学的に測定し、 続く工程に最適となるように不純物導入工程に おける条件を制御することを目的とする。
そこで、 本発明では、 固体基体表面に不純物を導入する工程と、 前記不純物の 導入された領域の光学的特性を測定する工程と、 前記測定結果に基づき、 前記不 純物の導入された領域の光学的特性にあわせて、ァニール条件を選定する工程と、 選定された前記ァニール条件に基づいて前記不純物の導入された領域をァニ—ル する工程とを含む。
この方法により、 あらかじめ不純物の導入された領域の光学的特性を測定し、 この光学的特性に応じて最適なァニールを実現することができ、 高精度かつ高効 率に不純物領域を形成することができる。 但し、 不純物を導入する工程とは、 単に不純物の導入のみならず、 引き続き実 施される光照射を中心とするァニール工程において、 効率良くエネルギーが吸収 されるべく、 ァニール工程に最適な光学的特性となるように表面状態を制御する 工程を含むものとする。 この光学的特性の制御は、 プラズマを形成する不純物物 質と、 これらに対する混合物質としての、 不活性物質あるいは反応性物質の混合 比を変化させることによって、 前記プラズマの組成を制御し、 不純物の導入され た領域の光学的特性を制御するものを含む。 すなわち不純物物質と、 窒素、 希ガ スなどの不活性物質、酸素、シラン、ジシランなどの反応性物質の供給と同時に， またはそれと逐次的に固体基体表面に供給され、 ァニール工程に最適な光学的特 性を形成する工程を含む。本発明における 「不純物導入方法」 とはァ二-ル工程を 含む上記一連の工程を指すものとする。
また本発明では、 前記不純物を導入する工程が、 プラズマドーピング工程を含 む。
この方法によれば、 浅い領域に不純物を導入することができる。
また本発明では、 前記不純物を導入する工程が、 イオン注入工程を含む。
この方法によれば、 引き続き実施する光照射を中心としたァニール工程の高効 率化をはかるとともに、 高精度のプラズマドーピングを実現することができる。 また本発明では、 上記不純物導入方法においては、 前記測定する工程は、 前記 ァニール工程に先立ち実行される。
この方法により、 ァニール前に不純物の導入された領域の状態を検知し、 その 上でァニール条件を選択することができ、最適な活性化状態を得ることができる。 また本発明では、 上記不純物導入方法において、 前記測定する工程は、 前記ァ 二一ル工程と並行して実行される。
この方法により、 ァニール中に不純物の導入された領域の状態を検知し、 その 上でァニール条件を選択することができ、最適な活性化状態を得ることができる。 また本発明では、 上記不純物導入方法において、 前記ァニール工程は複数回に 分割され、 前記測定する工程は、 前記ァニール工程の合間に実行される。 この方法により、 ァニール工程を複数回に分け、 ァニール中に不純物の導入さ れた領域の状態を検知し、 その上でァニール条件を選択しているため、 最適な活 性化状態を得ることができる。
また本発明では、 上記不純物導入方法において、 前記ァニール条件を選定する 工程は、 前記ァニール工程中の、 不純物導入領域の光学的特性の変化に追随して 前記ァニール条件を順次変化させる工程を含む。
この方法により、 ァニールによる不純物の導入された領域の変化を検知し、 そ の上でァニール条件を選択しているため、 より最適な活性化状態を得ることがで さる。
また本発明では、 上記不純物導入方法において、 前記不純物導入工程は複数回 に分割され、 前記測定する工程は、 前記不純物導入工程の合間に実行される。 この方法により、 不純物導入工程間で実行されるため、 不純物導入工程におけ るチャンバ一内の状況により正確な測定ができ、 高精度の不純物導入を実現する ことができる。 また、 ー且不純物導入を停止する必要があるが、 この例は常圧プ ラズマを用いたドーピングなどにも有効である。
また本発明では、 上記不純物導入方法において、 固体基体表面に不純物を導入 する工程と、 前記不純物の導入された領域の光学的特性を測定する工程と、 前記 測定結果にもとづき、 ァニール条件に合わせて光学的特性を調整する工程と、 前 記不純物の導入された領域をァニールする工程とを含む。
この方法により、 ァユール条件に制約がある場合にも有効である。
また本発明では、 上記不純物導入方法において、 前記不純物の導入された領域 の光学定数をモニターしつつ、 前記光学定数がプラズマドーピング工程後に実施 する光照射に適合するようにプラズマドーピング条件を制御する。
この方法によれば、 より高精度の深さ及ぴドーズ量をもつ不純物領域を形成す ることができる。 ここで光学定数としては、 光吸収係数の他、 反射率なども適用 可能である。
また本発明では、 上記不純物導入方法において、 前記測定する工程がエリプソ メ トリを用いた工程である。 また本発明では、 前記測定する工程が不純物導入層の厚さと光定数 （屈折率 n と消衰係数 k ) の両方を求めるエリプソメ トリ解析工程を含む。
また本発明では、エリプソメ トリ解析工程が、 K- K (Kraraers - Kronig)アナライシ ス、 Tauc- Lorentzアナライシス、 Cody-Lorentzアナライシス、 Forouhi-Bloomer アナライシス、 MDFアナライシス、 バンドアナライシス、 4配位 (Tetrahedral) アナライシス、 Drudeアナライシス、 Lorentzアナライシスのいずれかの屈折率波 長分散モデルを使った解析工程を含む。 上記の屈折率波長分散モデルを用いるこ とで、 吸収特性を扱えるので特に望ましい。
また本発明では、 上記不純物導入方法において、 前記測定する工程が XPSを用 いた工程であるものを含む。
また本発明では、 上記不純物導入方法において、 前記ァニール工程は電磁波を 照射する工程である。
また本発明では、 上記不純物導入方法において、 前記ァニール工程は光照射ェ 程である。
また本発明では、上記不純物導入方法において、前記不純物を導入する工程は、 前記不純物の導入された領域の光吸収係数が、 5E4 cm - 1を越えるように不純物を 導入する工程である。
これにより、 光吸収性が高く高効率のァニール条件を選択することができる。 また本発明では、 上記不純物導入方法において、 前記プラズマドーピング工程 は、 プラズマに印加する電源電圧、 プラズマの組成、 ドーパント物質を含むプラ ズマ照射の時間とドーパント物質を含まないプラズマ照射の時間の比の少なくと も 1つを制御する工程を含む。
この方法により、 効率よい制御が可能となる。 ここでプラズマの組成とはドー パントとなる不純物物質とその他の物質との混合比、 真空度、 その他の物質間の 混合比等を調整して制御される。
また本発明では、 上記不純物導入方法において、 プラズマドーピング工程は、 不純物物質、 これらに対する混合物質としての、 不活性物質と、 反応性物質との 混合比を変化させることによって、 不純物の導入された領域の光学的特性を制御 する工程を含む。 ここでは、 不純物物質としての砒素、 憐、 ホウ素、 アルミ -ゥ ム、 アンチモン、 インジウムなどの物質、 これらに対する混合物質としての、 へ リウム、 アルゴン、 キセノンなどの不活性物質、 窒素、 酸素、 シラン、 ジシラン などの反応性物質の混合比を変化させることによって、 光学的特性を制御する。 また本発明では、 上記不純物導入方法において、 前記プラズマドーピング工程 は、 前記ァエール工程において、 前記不純物の導入された領域に含まれる不純物 の電気的活性化を促進するとともに、 前記固体基体へのエネルギー吸収を抑制し 得るように、 前記不純物の導入された領域の光学定数を設定する。
この方法により、 基体温度を上昇させることなく選択的に効率よくァニールを 実現することができる。
また本発明では、 上記不純物導入方法において、 固体基体表面に不純物を導入 するプラズマドーピング手段と、 前記不純物の導入された領域の光学的特性を測 定する測定手段と、 前記不純物の導入された領域をァニールするァエール手段と を具備している。
これにより、 容易に表面状態の検出が可能となる。
また本発明では、 上記不純物導入方法において、 前記測定手段の測定結果に基 づき、 前記プラズマドーピング手段を制御するドーピング制御手段を含む。 また本発明では、 上記不純物導入方法において、 前記測定手段の測定結果に基 づき、 前記ァニール手段を調整するァニール制御手段を含む。
また本発明では、 上記不純物導入方法において、 前記測定手段の測定結果を、 前記ァニール制御手段または不純物導入制御手段のいずれかにフィードバックす るフィードバック機構を含む。
また本発明では、 前記フィードバック機構が測定結果のフィードバックをその 場 （In- situ) で行うものを含む。
また本発明では、前記フィードバック機構が、高速に抜き取り検査を実施して、 不良の場合は追加ドープ、 あるいはァニール条件緩和などの追加プロセスを実行 するものを含む。
また本発明では、 上記不純物導入方法または不純物導入装置を使用して不純物 導入して電子素子が形成される。 <図面の簡単な説明 >
図 1は、 本発明の第 1の実施の形態における固体基体表面近傍に発生する不純 物導入層の光測定を説明するための図であり、
図 2は、 不純物導入層の厚さと光吸収係数を求める方法を説明するために使う 分光エリプソメータの構成図であり、
図 3は、エリプソメ トリで測定した不純物導入層の光吸収係数を示す図であり、 図 4は、 本発明の第 2の実施の形態におけるプラズマドーピング方法を応用し た本願発明に使用した装置の断面構造図であり、
図 5は、 サンプル PD-1 (バイアス電圧 30V, プロセス時間 60s) と PD- 2 (バイ ァス電圧 6 0V， プロセス時間 60s) 及び比較として結晶シリコン基板の吸収係数 のスぺク トルを示す図であり、
図 6は、 本発明の実施例 3の不純物導入方法における光吸収係数の プロセス 時間 （a) 、 波長 （b) への依存性を示す図であり、
図 7は、 本発明の実施例 6の白色光源と、 波長選別用のフィルターを用いたァ ニール装置の説明図であり、
図 8は、 本発明の実施例 7の不純物導入層を窒化又は酸化した際の特別な効果 を説明する為の固体基体の断面模式図であり、
図 9は、 本発明の実施例 8のァニール装置の装置概念図であり、
図 1 0は、 不純物導入層をァニールする際に時間変化に応じた波長の光を照射 する例を説明するためのグラフである。 なお、図中の符号、 1 0 0は固体基体、 1 1 0は不純物導入層、 1 2 0は光 ¾S、 1 3 0は測光器、 2 0 0は真空チャンバ一、 2 1 0は真空ポンプ、 2 3 0は真空 計、 2 4 0はプラズマ源、 2 5 0は電源、 2 6 0は基板ホルダ、 2 7 0は電源、 2 8 0は第 1のライン、 2 9 0は第 2のライン、 2 0 0は第 3のライン、 3 1 0 はプラズマ、 3 2 0は計算機、 3 4 0は制御回路、 3 5 0は制御器、 5 0 0は基 板ホルダー、 5 1 0は白色光源、 5 2 0はフィルター、 5 3 0は選別された光、 6 0 0は窒化した膜、 6 1 0は酸化した膜、 7 0 0はレーザ光源、 7 1 0は変調 フィルター、 7 2 0は変調された光である。 <発明を実施するための最良の形態 >
次に、 本発明の実施の形態について説明する。
本発明は、 大別して 3つの実施の形態を与える。 その第 1は、 固体基体に導入 される不純物の状態を、 光学的測定によって検知する点である。 これは単に、 不 純物そのものの光学的測定のみならず、 固体基体自体の結晶状態、 導入時のエネ ルギ一によるダメージなどの固体基体の結晶状態の物理的変化、 酸化層窒化層の 生成など固体基体の化学的変化をも含めた"複合的な層"の状態として、 光学的に 測定することを意味する。 第 2はこの検知された不純物の状態によってァニール 条件を最適化する点、 第 3は、 ァニール条件にあわせて、 不純物の導入を制御す る点である。
すなわち本発明の方法では、 不純物の状態を把握した後、 不純物の導入に対し てフィードバック制御を行い、更に不純物導入の品質を向上する。また、例えば、 本発明の中心的な応用分野である、 半導体装置や液晶デイスプレイにおいては、 固体基体に不純物導入を行った後に基体に何らかの方法でエネルギーを与え半導 体中の不純物を電気的に活性化する。 この工程において最良の結果を導き出す為 に不純物導入中の工程を制御する。
(実施の形態 1 )
本実施の形態 1では、 固体基体に対し、 格子の結合エネルギーよりも十分高い エネルギー （数 1 0 e V以上） の粒子を用いて不純物導入を行う方法について説 明する。 この固体基体に不純物導入を行う際、 格子の結合エネルギーよりも十分 高いエネルギー （数 1 0 e V以上） の粒子を用いる場合には、 固体基体を形成す る結晶もしくは非結晶物質を構成する格子に対する格子欠陥の形成や不純物物質 自体が固体基体の物性を変化させ、 固体基体 1 0 0とは異なる物性をもつ不純物 の導入された領域 （新たな第 2の層） 1 1 0が形成される。
また、 熱的平衡状態を変化させる場合など、 比較的導入エネルギーの小さい不 純物導入工程では、 不純物導入工程が固体基体の物性を変化させるのに続き固体 基体表面のごく近傍に、 主に不純物物質そのものからなる新たな （第 2の） 層 1 1 0が形成される。
そこで、 エリプソメ トリを用い、 図 1に示すように、 光源 1 2 0を用いて固体 基体 1 0 0表面に光を照射し、 測光器 1 3 0で光を測定する。
図 2の分光エリプソメータの構成図を使って、 不純物導入層の厚さと光吸収係 数をエリプソメ トリで測定する方法を説明する。
この分光エリプソメータは、 図 2に示すように、 X e光源 2 0と、 この光源から 出力される X e光を偏光して試料 1 1としての基板に照射する偏光子 2 1と、 試 料 1 1からの反射光を検出する検光子 2 2と、分光器 2 3と、ディテクタ- 2 4と を具備している。 ここでは、 X e光源 2 0から出力される X e光を偏光子 2 1に より直線偏光に変えて、 基板面に垂直な方向に対して角度 Θ。で基板に入射せし められる。 本測定では θ。= 7 0 ° 固定で測定したが、 角度を 4 5 ° から 9 0度 の間に変化させても測定可能である。 入射光の直線偏光の軸は、 Ρ方向 （光軸に 垂直な面と入射光及び反射光を含む面との交線の方向） と、 s方向 （光軸に垂直 な面内で ρ方向に垂直な方向） に対して傾いている。 楕円偏光として反射される 光の！)成分と s成分との間の振幅反射率比を Ψ、上記 ρ成分と s成分との間の位 相差を Δ とする。エリプソメ トリでは、楕円偏光として反射される光を検光子 2 2を経た後分光器 2 3に入射させて、分光しながら、ディテクター 2 4により Ψ， △ を測定するように構成されている。
上記の Ψ , Δのエリプソメ トリ測定結果から、不純物導入層の厚さだけではな く光定数 （屈折率 ηと消衰係数 k ) も未知のパラメータとして、 最小 2乗法によ り求める方法を説明する。 不純物導入層を PD層と指称し、 Air/PD層ん- Siの 3 層モデルを使った。 光係数は基本的に波長依存性がある為、 波長を変えて測定す ると、 測定波長の数だけ未知のパラメータが増えることになり、 求めることが出 来ない。 このような場合は、 光係数のスペク トルを波長に依存しない定数を含む 近似式で表し、 その定数を未知のパラメータとすることにより、 光係数のスぺク トルも求めることができる。
屈折率波長分散モデルとしては種々の例が提案されているが、 PD層の強い吸収 特性を扱うために、 本実施形態では K-K (Kramers- Kronig)アナラィシス方法を使 つた。 屈折率波長分散モデルと して、 Tauc-Lorentzアナライシス、 Cody- Lorentz アナライシス、 Forouhi- Bloomerアナライシス、 MDFアナライシス、 バンドアナラ ィシス、 4配位 （Tetrahedral) アナライシス、 Drudeアナライシス、 Lorentzァ ナライシス方法等を使用しても上記解析が可能である。
次に K- K (Kramers- Kronig)アナライシス方法の特徴に関して説明する。
測定波長範囲内に薄膜層の光の吸収帯が有る場合は、次の Kramers-Kronigの関係 式から導き出される複素屈折率の分散式 (式 1)を用いて、 屈折率だけではなく消 衰定数を求めることが出来る。
数 1
Figure imgf000012_0001
ここで Pはコーシ一積分の主値、 ω は周波数である。
この関係式は消衰係数が既知であるならば、 屈折率を消衰係数から推定できる ことを示している。 測定波長範囲内に光の吸収帯がある場合、 その波長領域の消 衰係数スぺク トルをローレンツ型の式 （式 2 ) で近似する。
数 2 k = CUE― C4)2 KE2― C2E + C3) ( 2 ) ここで Eは Photon Energy (eV)であり、 波長 λ (nm)とは、 次式 （ 3 ) に示す関 係にある。
数 3
E(eV) 二 1239.84/ス (ww) ( 3 ) 式 （2 ) から （1 ) の Kramers- Kronigの関係式により積分することによって、 屈折率の次の式 （4 ) を導くことが出来る。 数 4 n = C5 + f(E) ( 4 ) ここで f (E)は式 （2 ) の積分値で C5は積分定数となる。
この KK - Analysi sにおいては、 Cl、 C2、 C3、 C4、 C5がパラメータとなり初期 値になる。 C5は積分定数で屈折率を表すパラメータの一つですので、 PD層の大体 の屈折率を初期値にする。 C1は大体の消衰係数、 つまり、 消衰係数スぺク トルの ピークの消衰係数の値が初期値になる。
一方、 C2、 C3は消衰係数スぺク トルのピークの E (eV)と関係があり、 C2はピー クの E (eV)の 2倍、 C 3はピークの E (eV)の 2乗を大体の初期値とすることが出来 る。 C4は、 吸収帯のエネルギーバンド幅と関係があり、 初期値としては、 消衰係 数スぺク トルのピークの裾で消衰係数が最も小さくなる E (eV)の値を用いること が出来る。
以上のように、 KK - Analysisを用いる場合は、 測定対象物質である薄膜の物性 を加味して、 その吸収スぺク トル、 つまり消衰係数スぺク トルを想像して、 初期 値を設定することにより、 解析を行うことが可能となる。
KK - Analysisモデルは、 他のモデルと比較して、 パラメータの設定が難しく、 フィッティング計算も困難で、 パラメータの設定によっては、 全くフイツティン グしない事もある。従って、 KK - Analysisモデルは、ある程度測定解析に慣れて、 モデルの特性を理解した上で使う必要がある。
上記の方法で PD層の厚さと光係数 （屈折率 nと消衰係数 k ) を求めた後、 光の 吸収係数は以下の式 （5 ) により算出される。
α =4 π k/ λ ( 5 )
この不純物導入層 1 1 0の光学的特性を現したスぺク トルを図 3に示す。
この図から明らかなように、 エリプソメ トリを用いた測定の結果から考えると 波長 3 0 0 n mから 6 0 0 n mの間の光に対し、 光吸収係数が高くなつている。 そこで、 後続工程では、 波長 3 0 0 n mから 6 0 0 n mの間の光を照射するこ とにより、 効率よく活性化がなされ、 より小さな照射エネルギーで不純物が効率 よく活性化される。 このように、 本実施の形態では、 不純物の導入された固体基体の表面状態を測 定し、 この測定結果に基づき、 続く工程の主要因を決定する。
ところで、 半導体産業や、 液晶産業では、 不純物を導入した後、 形成された不 純物導入層 1 1 0に、 電磁波を照射して電気的に活性化する。 これは固体基体の 主たる構成要素であるシリコンの結晶が、 格子の結合エネルギーよりも十分高い エネルギーの不純物を導入する工程で破壊され、 格子欠陥が導入された状態の不 純物導入層 （不純物の導入された領域） が存在する状態を、 後続工程で電磁波を 照射することによって、 格子欠陥を回復し、 電気的に活性な状態に変化させるこ とを意味する。
このとき、 不純物層の状態は、 固体基体を構成する物質と不純物物質の物性の 関係に依存するが、 例えば、 シリコンであれば、 シリコンの格子位置に不純物物 質が置換する形で入り込み、 結晶化が促進され、 電気的に活性な状態となる。 そこでこの様な過程を実現するために、 例えば、 可視光の照射にあたって、 効 率良く不純物の電気的活性化を図る。 ここでは、 不純物導入層の光吸収スぺクト ルを分析し、 その結果に基づいて適切な波長の光を照射することが望ましい。 ま た、 表面に固体基体 1 0 0と不純物導入層 1 1 0とが混在している場合には、 固 体基体自体の光吸収スぺクトルを分析し、固体基体 1 0 0の光吸収係数が小さく、 不純物導入層 1 1 0の光吸収係数が大きくなるような波長帯域を選択し、 この波 長帯域で光照射を行うようにすれば、 固体基体 1 0 0の温度上昇を抑制しつつ、 不純物導入層の活性化を行うことができる。
前述の通り、 本実施の形態では、 エリプソメ トリを利用した光学測定を用いて いるため、 これによつて光吸収係数を算出することができる。 特にサイズの小さ な微細デバィスを形成する際には固体基体中で発生する拡散現象が微細化を妨げ る大きな要因になるため、 特定の波長の光だけを照射するのは固体基体に無駄な エネルギーを与えないという意味で拡散を防止することができ、 微細デバイス形 成に有効である。 特に多数回の不純物導入工程を含む場合には多数回の熱処理ェ 程を経なければならない場合が多いが、 本発明によれば、 特定の波長の光のみを 照射することにより、 不要な拡散長の伸びを抑制することができる。 なお、 光学的特性の測定方法としてはエリプソメトリに限定されることなく
XPSなども適宜選択可能である。
(実施の形態 2 )
次に、 この方法を用いて、 不純物のドーピング方法として、 プラズマドーピン グを用いた方法について説明する。
まず、 本実施の形態で用いられるプラズマドーピング装置と不純物ドーピング の制御装置について説明し、 次に何種類かの制御方法を詳述する。 本実施の形態 で用いられるドーピング装置は、 図 4に示すように、 固体基体 1 0 0上の不純物 の導入された領域の光学的特性を測定する測定手段としての光源 1 2 0および測 光器 1 3 0と、 この測定手段によって得られた光学的特性に基づいて、 ドーピン グ条件を制御する制御手段とを具備し、 最適な表面状態を得ることができるよう にドーピング条件をフィードバック制御するものである。
すなわちこのプラズマドーピング装置は、 真空チャンバ一 2 0 0と、 この真空 チャンバ一 2 0 0内にプラズマを生起するプラズマ源 2 4 0とを具備し、 基板ホ ルダ 2 6 0に载置された、 被処理基体としての固体基体 1 0 0の表面にプラズマ ドーピングを行うものである。
そして、 この真空チャンバ一 2 0 0には、 真空ポンプ 2 1 0が接続され、 真空 測定の為の真空計 2 3 0が設置されており、 プラズマ源 2 4 0には電源 2 5 0が 接続されている。 また、 基板ホルダー 2 6 0には、 独自の電気的ポテンシャルを 印加するための、 電源 2 7 0が、 前述の電源とは別途接続されている。
また真空チャンバ一 2 0 0にはこれらのガスを導入するためのガス導入機構が 設置されている。 このガス導入機構は、 ドーパント物質としての第 1の物質を供 給する第 1のライン 2 8 0、 その他の物質である第 2の物質を供給する第 2のラ イン 2 9 0 (この場合は H e ) 、 その他の第 3の物質を供給する第 3のライン 3 0 0 (この場合は A r ) で構成される。
また、 制御手段は、 測光器で測定した光学的特性を演算する計算機 3 2 0と、 この演算結果に基づいて制御条件を決定する制御回路 3 4 0と、 制御回路の出力 に基づいてプラズマドーピング装置のドーピング条件を、 フィードパック制御す る制御器 3 5 0とを具備している。
次にこのドーピング装置を用いたドーピング方法について説明する。
ここでは、 ドーピング源としてガスを利用する場合について説明する。
まず、真空チャンパ一 2 0 0に第 1の物質としてのドーパント物質を供給する。 ここでは、 ドーパント物質とこれとは異なるその他の物質をキヤリァガスとして 又は特定の機能を保有する材料として導入する。 本実施の形態では、 ドーパント 物質とは異なる性質のガス、 例えば、 希ガスなどで （質量が異なり） 、 電気的に はシリコンの中で活性にならない物質を選択した。例として、 H eや A rである。 これをその他の第 2の物質として H eを、 その他の第 3の物質として A rを選択 した。 さて、 前述の第 1乃至第 3のライン 2 8 0、 2 9 0、 3 0 0で構成される ガス導入ラインからガスを導入し、 真空チャンバ一 2 0 0内の固体基体 1 0 0表 面でプラズマ 3 1 0を発生させる。
このプラズマ 3 1 0と固体基体 1 0 0との電気的ポテンシャル差によって、 プ ラズマ中の荷電粒子が引き寄せられて、 不純物ドーピングが行われる。 同時にプ ラズマ中の電気的中性物質はこの固体基体 1 0 0表面付近に付着もしくは吸蔵さ れる。 ここで不純物導入層 1 1 0の状態は、 下地である固体基体 1 0 0の状態お よび、 プラズマのもつエネルギーによって決まり、 付着状態であっても良いし吸 蔵されていてもよい。
この不純物ドーピング工程によって、 前記実施の形態で説明した不純物導入層 1 1 0が固体基体 1 0 0表面に形成される。 この不純物導入層の物性を測定する ために、真空チャンバ一 2 0 0には光源 1 2 0と測光器 1 3 0が配設されている。 そして測光器 1 3 0で測定した光学的特性を計算機 3 2 0で演算し、 この演算結 果を制御回路 3 4 0に送り、 フィードバック情報として制御器 3 5 0へデータを 送ることによって、 プラズマドーピング装置はプラズマ条件を調整し、 不純物導 入層の物性を制御する。
ここで調整されるプラズマ条件としては、 プラズマに印加する電源電圧、 ある いは電圧印加時間及び印加タイミング、ドーパント物質とその他の物質の混合比、 真空度、 その他の物質間の混合比、 ドーパント物質を含むプラズマ照射の時間と ドーパント物質を含まないプラズマ照射の時間帯の比などであり、 これらのパラ メータを変化させ、 不純物導入層の物性を制御する。
以下、 本発明の実施例として、 このパラメータを変化する例について順次説明 する。 ここでは電力、 ガスの混合方法について詳述する。
<実施例 >
実施例 1
まず、 実施例 1として電力を変化させる方法について説明する。
プラズマの密度や基板に到達する荷電粒子 （主に正に荷電したイオン） のエネ ルギ一は、 プラズマを発生させるために供給する電力と、 基板ホルダーに接続し た電源によって、 決定されることがわかっている。 ここでは、 主に基板ホルダー
2 6 0に接続した電源 2 7 0の電力を変化させた例を述べる。
先ず、 プラズマを発生させるための電源 2 5 0から 1 0 0 0 Wの電力を供給す る。 これにより発生したプラズマ 3 1 0を効率良く基板に到達させるために、 基 板ホルダー 2 6 0に電力を供給する。 先ず 1 0 0 Wを供給してプラズマドーピン グを開始した。 このとき、 最終的に必要な不純物導入層の厚みを 1 5 n mと設定 する。
ここでは、 ドーパント物質 B 2H6を用いその他の物質として H eを用いた。 B 2 H6を 2 SCCM導入、 H eを 1 O SCCM導入する。 真空度は 1 P aであった。 先ず、 電源 2 5 0から 1 0 0 W供給している状態で 5秒間ドーピングを実施した。
この状態で図 1及び図 4に示すように、 測光器 1 3 0で不純物導入層の光学定 数 （光吸収係数） を測定した。 その結果、 不純物導入層の厚みは計算機 3 2 0で 計算した結果、 1 2 n mであることが分かった。
そして、 制御回路 3 4 0では、 自前に測定した測定結果に基づいて作成したデ ^"タベースに基づいて、 不純物導入層の厚みを 1 5 n mとするための条件を算出 する。 そしてこの算出結果に基づいて制御器 3 5 0は電源 2 5 0からの電力の供 給を 1 1 5 Wに増大し 3秒間プラズマドーピングを実施した。 そして、 不純物導入層の厚みが所定の 1 5 n mに達したのを測光器 1 3 0を通 じて確認し、 電源 2 5 0をオフにして、 プラズマ 3 1 0を消し、 プロセスを終了 した。 実施例 2
図 5に K-K (Kramer s-Kronig)アナライシスの解析方法を使つて求めたサンプル PD-1 (バイアス電圧 3 0 V、 プロセス時間 6 0 s) と PD- 2 (バイアス電圧 6 0 V、 プロセス時間 6 0 s)及び比較として結晶シリコン基板の吸収係数のスぺクトルを 示す。 この場合、 波長範囲 4 0 0— 8 0 0 nm内、 同じプラズマドービング時間 6 0秒で、 バイアス電源電圧を上げることによって、 PD層の光吸収係数が高くなつ た。 この結果は、例えば 4 0 0 - 8 0 O nm内の波長を出すァニール方法を用いる 場合は PD— 2の方が適していることを示している。 つまり、 このエリプソ測定結 果はァニールの最適化にフィードバックすることが出来、 上記の K_K (Kramers- Kronig)アナライシスの解析方法を使ったェリブソメ トリ測定の有効性を示して いる。 実施例 3
次に、 実施例 3として、 不純物導入工程におけるガスの混合方法を制御する例 について説明する。
不純物導入層 1 1 0を形成する際、 例えば固体基体 1 0 0として、 シリコン基 板を利用すると、 ドーパント物質や、 その他の物質により結晶格子が乱されてァ モルファス状態になる。 このアモルファスの状態を所望の状態にすることが、 引 き続き実行する工程で重要な役割を果たす。
この例では、 ドーパント物質として B F 3をその他の物質として、 H eと A rを 使用した。 ここでは、 ドーパント物質である B Fの量を一定にして、 不純物導入 層 1 1 0の厚みを変化させる。
先ず、 A rを導入して、 5秒間プラズマを発生させ、 不純物導入層 1 1 0の一 部を形成する。測光器で測定すると不純物導入層 1 1 0の厚みは 5 n mであった。 このドーピングされた不純物導入層 1 1 0に対して、 B F 3を導入して 5秒間ガス 吸着させた後、電力を供給して、 B F 3プラズマを発生させ、 3秒間ドーピングを 続行する。 同時に H eを導入して、 比較的低電力である 1 0 0 Wでも 2 0 n mの 厚みになるように設定をする。所定のドーパント量になった後 B F 3の供給を停止 する。 測光器で計測をしながら、 H eプラズマ照射を継続し、 不純物導入層の光 学的厚みが 5秒後に 2 0 n mに達したことを確認して、 プラズマを停止し、 プロ セスを終了した。 実施例 4
次に、 実施例 4としてドーパント物質を含むプラズマ照射の時間とドーパント 物質を含まないプラズマ照射の時間との比を調整する例について説明する。 ここ では、 単純化して説明するために、 固体基体の光学的な特性、 特にドーピングの 後に引き続き実施される光照射などのァニールの際に大きな光吸収係数を持つ不 純物導入層 1 1 0を形成する例について説明する。 例えば、 図 4に示すプラズマ ドーピング装置を使用した際、 必要なドーパント量のプラズマドーピングによつ て形成される不純物導入層 1 1 0の光吸収係数がァニールに対して不十分な場合 が一般的に想定される。
その際、 ドーパント量には変動を与えることなく、 光吸収係数のみを大きな値 となるように調整し、 ァニールの所定の光吸収係数を設定する為にその他の第 2 の物質を導入するための第 2のライン 2 9 0より希ガス、例えば、 A rを導入し、 ドーパントとは別のプラズマを形成して固体基体に照射する。 一例であるが、 固 体基体 1 0 0に対して、 A rのプラズマを 5秒間照射し、 不純物導入層 1 1 0を 形成する。 その際に光吸収係数は引き続き行うァニールに対して十分大きな値に なるよう、プラズマ照射時間やその他のプラズマパラメータを調節する。その後、 例えば、 B 2H6を H eで 0 . 5 %に希釈したガスをドーパント物質導用の第 1の ライン 2 8 0から導入し、 プラズマを発生させ、 1 5秒間プラズマを照射した。 先ず、 A rプラズマついで、 ドーパントプラズマにより、 複合的に形成された 不純物導入層 1 1 0の光学物性は測光器 1 3 0を介して測定し、 一連の制御系を 経て所定の光学的特性、ここでは光吸収係数を得、プロセスを終了した。図 6 ( a ) は A r照射時の光吸収係数の増加の時間的依存を定性的に表したものであるが、 約 5秒間で光吸収係数が 5E4 c m-1より増加したことを確認してドーパントプロ セスに移行した。
この方法によっても、 効率よぃァニールを実現することが可能となる。 実施例 5
次に、 実施例 5について説明する。 この例は前記実施例 1乃至 4と同様フィー ドバック制御により不純物導入層 1 1 0の光学的特性を制御するものであるが、 固体基体 1 0 0として液晶基板を使用した場合について説明する。 この場合はガ ラスもしくは石英ガラス基板上に多結晶シリコン膜を堆積して、 この多結晶シリ コン膜に T F Tを形成するための、 不純物を導入する。 このようなガラス基板上 に堆積した多結晶シリコン膜は薄膜であるため、 不純物を導入する際に形成され る不純物導入層 1 1 0の厚みが薄膜の大半を占める場合もあり得る。
測光器 1 3 0で測定した光学定数から光吸収係数を抽出した。 液晶のデバイス 形成では、 ドーパント物質導入後レーザを照射し、 電気的に活性化する方法がと られる。 このため、 このレーザ光の吸収が効率的に行われるように、 不純物導入 層を調整し、 光吸収係数を制御する。
この例では図 4に示した不純物ドーピング装置を用い、 測光器 1 3 0によって 不純物導入層の光学的特性を測定し、 測定結果をフィードバックしながらドーピ ング量を調整する。 測光器 1 3 0による測定結果に従ってドーパント物質の供給 を停止し、 不純物導入プロセスを終了した。
この方法によっても、 効率よく活性化がなされ、 ガラス基板の温度上昇も少な く、そりや歪、クラックなどの発生を抑制することができ、歩留まりが向上した。 この方法は、 固体基体として他の物質、 例えばシリコン基板を使用した際にも 同様により良く制御することができる。 実施例 6
次に、 本発明の実施例 6について説明する。 この例では、 前記実施の形態 1に示したように、 不純物の導入された不純物導 入層 1 1 0の光学的特性を測定し、 その結果に応じてァニール条件を調整し、 基 板温度を上昇することなく、 不純物導入層の活性化をはかる。
ここでは、 既に述べた方法によって作成した、 不純物導入層 1 1 0の形成され た固体基体 1 0 0に特定の波長を含む電磁波を照射してァニールするもので、 不 純物導入層の電気的活性化に特に有効に寄与するような、 電磁波のエネルギーを 使用し、 他の領域 （固体基体） へのエネルギー供給を抑制し、 固体基体 1 0 0の 温度上昇を抑制する。
実施の形態 1と同様に、 固体基体 1 0 0表面に形成された不純物導入層 1 1 0 に、 光源 1 2 0から光を照射し、 測光器 1 3 0で光を測定する。 この不純物導入 層 1 1 0の光学的特性を現したスペクトルを図 6 ( b ) に示す。 図 6 ( b ) はェ リブソメ トリを利用して測定したものであるが、 この測定結果に基づき、 続くェ 程であるァニール工程の主要因を決定する。
単結晶シリコン基板に、 実施の形態 2に示した方法に従って、 プラズマドーピ ングを用いて、 ボロンをドーピングした。
このとき形成された不純物導入層 1 1 0を含む固体基体 1 0 0の光学的測定を 同様にして行った結果、 図 6 ( b ) に示すように 6 0 0 n m付近にピークを持つ スぺクトルが観測された。 この場合には、 6 0 0 n m付近で発光するレーザ光を 用いるか、 白色光光源であっても、 例えば、 ピークは幾分ブロードなので、 5 8 0 n mから 6 2 O nra付近の波長以外を力ットするフィルターを用いて、ァニール に有効な波長の光のみを不純物導入層を有する基板に照射するのが有効である。 そこでこの例では、 フィルターを用いて波長制御を行う例について説明する。 このァニール装置は図 7に示すように、 基板ホルダ 5 0 0と、 白色光源 5 1 0と 白色光源からの特定波長の光 5 3 0のみを透過させるように着脱自在に配設され たフィルタ 5 2 0とを具備してなる。
この例では、 不純物導入層 1 1 0が形成された固体基体 1 0 0を基板ホルダー 5 0 0に設置し、 白色光源もしくはフィルタを介して調整された波長の光が当該 固体基体の表面に形成された不純物導入層に照射され、 適切なァニールがなされ る。 すなわち図 6に示した波長スぺク トルにピークを形成する様な特定の波長を含 む光源が設置され、 かつ当該基板をァニールするのに適した波長 （例えば波長ス ぺクトルのピークを含む特性） のみを透過する特性のフィルター 5 2 0を設置す る。 この装置において、 1 0 0 Wの強さの光源から、 この場合は白色光源 5 1 0 を照射し、 フィルター 5 2 0によって、 5 8 O rnnから 6 2 0 n mの間に選別され た光が照射される。 この様にフィルタリングされた光 5 3 0のエネルギーは当該 基板の不純物導入層 1 1 0で有効に吸収されて、 減衰し、 固体基体 1 0 0に吸収 されるエネルギー量は非常に少ない。
このようにして、 固体基体全体の温度は殆ど上昇することなく、 不純物導入層 1 1 0のみにエネルギーが吸収され、 特定の領域に限定された不純物ァニール層 を形成することができる。 この方法は、 微細化された範囲領域に配置される M0S トランジスタなどの形成に非常に有効である。
なお、 この基板ホルダー 5 0 0には、 冷却機構 （図示せず） を設けることがで き、 更に基板を冷却することも可能である。 しかしながら、 本発明によれば、 不 純物導入層 1 1 0に有効にエネルギーが吸収されるため、 あまり必要ではない。 更に、 図 4に示したドーピング装置で使用したものと同様の機構で光源 1 2 0 と測光器 1 3 0を図 7に示したァニール装置にも設置して不純物導入層 1 1 0の 光学的特性を測定することにより、 光照射時の物性の変化が測定できる。 このよ うにして、 光照射による状態変化を計測することができる。
なお、 前記実施例では、 白色光源とフィルタとによって所望の波長の光を照射 するようにしたが、この例では、白色光源 5 1 0に代えて適切な波長を有する（こ の場合は例えば 6 0 0 n m) レーザ光源 5 5 0を利用することも可能である。 又、 逆に工業的に安価に入手可能なレーザ光源の波長に合わせて、 所望の光学 的特性をもつように不純物導入層を設計することも可能になる。 実施例 7
次に、本発明の実施例 7として、プラズマドーピングに際し、混合物質として、 窒素、 酸素を混入させる方法について説明する。 先ず、 図 4に示したドーピング 装置を用いて、 例えば、 固体基体に対して、 実施の形態 2で述べた方法による不 純物ドーピングにより、 不純物導入層 1 1 0を 1 0 n m形成する。
この後、 その他の物質である第 2の物質を導入する第 2のライン 2 9 0より窒 素もしくは窒素を含むガスを導入し、 プラズマを発生させ、 不純物導入層 1 1 0 の上部を約 3 n m窒化する。
このようにして、 窒化の状況を不純物導入層 1 1 0と窒化された層 6 0 0 (図 8参照） をも含む光学定数の測定によって、 すなわち、 図 4の装置に設けた光源 1 2 0と測光器 1 3 0及び計算機 3 2 0、 制御回路 3 4 0、 制御器 3 5 0を用い て、 引き続き実施する光照射などのァニール時に適合する光学的特性に制御する ことができる。
ここで述べた光学的特性の適合とは、 基本的には実施例 1で述べたものと同様 であるが、 ァニールに際して不純物導入層 1 1 0を窒化された層 6 1 0で被覆し ておくことにより、 ァニール工程で使用する光の吸収性を高めることができる。 また、 これにより、 更に、 ァニール時に空気中の酸素や水分が関与して発生する 酸化を防止することができ、 不純物導入層と 1 1 0と窒化された層 6 0 0の総合 的な光学的特性が安定するという効果も付随する。
又、 第 3のライン 3 0 0よりその他の第 3の物質として酸素もしくは酸素を含 むガスを導入して、 図 8 ( c ) に記したように、 不純物導入層 1 1◦の表面を酸 化することが可能である。 この際にも図 4の装置に設けた光源 1 2 0と測光器 1 3 0及び計算機 3 2 0、 制御回路 3 4 0、 制御器 3 5 0を用いて、 不純物導入層 1 1 0と酸化された層 6 1 0の光学的特性を、 引き続き行う光照射などのァニー ル時に用いる光の波長に適合した光学的特性となるように制御することが可能で ある。 ァニール時に酸化を防止することは困難であるが、 ァニール時の雰囲気を 真空や不活性ガスを用いるなどの措置により、 このような表面酸化層の導入も適 用可能である。
ここでは不純物導入層 1 1 0を直接窒化酸化する例を述べたが、 その他の第 2 の物質を供給する第 2のライン 2 9 0及びその他の第 3の物質を供給する第 3の ライン 3 0 0より、例えば、 S i H4と酸素を夫々導入するなどの方法により、 シ リコン酸化膜やその他の膜を所謂 CVD技術で堆積しても良い。このようにすれば、 不純物導入層の物性とは全く関係のない薄膜をも堆積することが可能であり、 多 様な光学的特性を得ることができる。 その堆積時にも上述の制御システムを動作 させて制御することが肝要である。 実施例 8
次に、 ァニール工程中の、 不純物導入領域の光学的特性の変化に追随してァニ ール条件を順次変化させる方法について説明する。
ここでは図 9に示すように、 光源としてレーザ光源 7 0 0を使用し、 この光路 に波長を変化させることのできる変調フィルタ 7 1 0を用い、 測光器 1 3 0で測 定された不純物導入層 1 1 0の状態に追随して、 変調された光 7 2 0を固体基体 1 0 0表面の不純物導入層 1 1 0に照射する。
特に固体基体 1 0 0に接して、 固体基体とは異なる状態の不純物導入層 1 1 0 を形成し、 この不純物導入層の保護や光学的特性の制御の為に薄い窒化膜や酸化 膜などを形成した後に、 光などの電磁波を照射してァニールする際には、 前記実 施例で述べた様に十分な注意を払う事によって、 先ず中心的な波長をもつレーザ 特有の波長に合わせて、 ァニールに最適の不純物導入層を形成することが可能で あるのはいうまでもないが更に、 ァニール工程において最良の結果を得るために は光照射によって変化する不純物導入層の状態に追随してァニール条件を変化さ せるのが望ましい。
図 1 0は光照射時間によって光吸収係数が変化する状態を示す。 つまり、 光照 射前に曲線 aで表された光吸収特性が、 光照射 1 O n秒後には曲線 bに、 1 0 O n 秒後には曲線 cに変化する様子を示している。
これは、ァニール時間中に光吸収の中心が次第にずれて行くことを示している。 白色光を用いて行うァユールの特徴は全ての波長の光が含まれているため、 この 光吸収の変化に自然に対応できるが、 その為に必要でない波長の光を全て照射し なければならないことになる。 このため、 実施例 5で説明したとおり基板全体の もしくは固体基体表面近傍の温度が上昇するなどの弊害が生じることになる。 そこで、 先ず、 中心となる波長、 この場合では 6 0 0 n m付近のレーザを使用 する。 このァニール装置は図 9に示すように、 中心となる波長のレーザ光源 7 0 0を設置し、 その光路に設けられた変調フィルタ 7 1 0で波長を時間的に変化さ せるものである。
すなわちレーザ光 7 0 0を照射してァニールを行いながら、 測定用の光 ¾1 1 2 0から入射する光を測光器で測定し、 図 1 0に示すように光吸収係数が変化する 様子を捉えて、 変調フィルター 7 1 0を作動させて照射する （変調された） 光 7 2 0の周波数を変化させる。 この結果、 ァニール時間帯の間常に光吸収の最適な 波長の光が固体基体 1 0 0の表面に接した不純物導入層 1 1 0に照射され、 ァニ ール効率を最大にすることができる。このことは、照射されたエネルギーが殆ど、 不純物導入層以外の部分に吸収されないことを示すものであり、 本発明の主たる 応用分野である、 半導体産業に於いては 「浅い接合」 を形成するために、 最もェ ネルギー効率が高く、 しかも出来上がりの接合の深さを極めて浅くできる理想的 な方法ということができる。 実施例 9
次に、 本発明の実施例 9について説明する。
前記実施例 8は形成した不純物導入層の光学的特性に加えァニール中の光学的 特性の変化にも追随して光の波長を変調する方法について説明したが、 この実施 例では、工業的に容易に入手できるレーザの波長にあわせてドーピング層である、 不純物導入層を形成する。 具体的には既に実施例 7で説明したものもこの考え方 に属するものである。
すなわち、既に図 6を参照して説明したとおり、不純物導入層の形成によって、 光吸収係数の高い波長の範囲を設定して不純物導入層を形成することができる。 この方法はプラズマドーピング方法を用いる場合には実施例 3で説明したように、 いくつかのパラメータを変化させて、 プラズマの条件を変化させ、 使用するレー ザの波長付近に光吸収係数が大きい不純物導入層を形成する。
この方法では、 プラズマドーピング中にプラズマを発生させている途中 （所謂 InSituの状態） に常時、 固体基体 1 0 0 (図 4参照） の表面を観測し、 プラズマ のパラメータを実施例 4の如く変化させて最終的に所定の光学的特性 （ここでは 光吸収係数をとりあげた） を得ることができる。 また、 一定時間、 例えば 5秒間固体基体 1 0 0の表面にドーピングを行い、 一 旦プラズマ照射を止め、 光源 1 2 0からの光を測定して、 光学的特性を求め、 そ の結果をフィードバックして、 実施例 3で説明したブラズマのパラメータを変化 させ、 更に例えば次の 5秒間プラズマでドーピングを行い不純物導入層 1 1 0を 形成する。 これを繰り返して、 選定したレーザ光の波長に適合する様不純物導入 層の光学的特性を設定することができる。
また、 前記実施の形態では、 不純物導入工程と、 ァニール工程とは別の装置で 行ったが、 同一の装置で行うようにしてもよい。
また、 ァニール工程に際し、 不純物導入層の光学的特性の調整を常圧プラズマ による薄膜形成により実現することも可能である。 すなわち、 不純物導入層の光 学的特性を測定し、 ァニールの進行による不純物導入層自体の光学的特性変化を 補償するように、 不純物導入層の物性変化に追随して、 表面に薄膜形成をおこな うことにより、 ァニール条件に適合するように不純物導入層への光吸収性を高め ることができる。 本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、 本発明の精神と範 囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にと つて明らかである。
本出願は、 2003年 9月 24日出願の日本特許出願 Να2003-331330、
200 年 3月 9日出願の 本特許出願 Να2004-065317、
に基づくものであり、 その内容はここに参照として取り込まれる。
<産業上の利用可能性 >
本発明の不純物導入方法及び装置は、 浅い接合の形成、 超薄膜の形成など微細 な半導体領域の形成を効率よくかつ基板温度を上昇させることなく形成すること ができ、 コンデンサ、 ノ リスタ、 ダイオード、 トランジスタ、 コイルなどの電子 素子の形成、 あるいは液晶基板などの大型基板に選択的に不純物を導入するよう な場合にも基板温度を上昇させることなく有効である。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 固体基体表面に不純物を導入する工程と、
前記不純物の導入された領域の光学的特性を測定する工程と
前記測定結果に基づき、前記不純物の導入された領域の光学的特性にあわせて、 ァエール条件を選定する工程と、
選定された前記ァニール条件に基づいて前記不純物の導入された領域をァニー ルする工程とを含む不純物導入方法。
2 . 請求の範囲第 1項の不純物導入方法であって、
前記不純物を導入する工程が、プラズマドーピング工程を含む不純物導入方法。
3 . 請求の範囲第 1項の不純物導入方法工程であって、
前記不純物を導入する工程が、 イオン注入工程を含む不純物導入方法。
4 . 請求の範囲第 1項乃至第 3項のいずれかに記載の不純物導入方法であって、 前記測定する工程は、 前記ァニール工程に先立ち実行される不純物導入方法。
5 . 請求の範囲第 1項乃至第 3項のいずれかに記載の不純物導入方法であって、 前記測定する工程は、 前記ァニール工程と並行して実行される不純物導入方法。
6 . 請求の範囲第 1項乃至第 3項のいずれかに記載の不純物導入方法であって、 前記ァニール工程は複数回に分割され、 前記測定する工程は、 前記ァニール工程 の合間に実行される不純物導入方法。
7 . 請求の範囲第 1項乃至第 6項のいずれかに記載の不純物導入方法であって、 前記ァニール条件を選定する工程は、 前記ァニール工程中の、 不純物導入領域 の光学的特性の変化に追随して前記ァニール条件を順次変化させる工程を含む不 純物導入方法。
8 . 請求の範囲第 1項乃至第 3項のいずれかに記載の不純物導入方法であって、 前記不純物導入工程は複数回に分割され、 前記測定する工程は、 前記不純物導 入工程の合間に実行される不純物導入方法。
9 . 固体基体表面に不純物を導入する工程と、
前記不純物の導入された領域の光学的特性を測定する工程と、 前記測定結果にもとづき、 ァニール条件に合わせて光学的特性を調整する工程 と、
前記不純物の導入された領域をァニールする工程とを含む不純物導入方法。
1 0 . 請求の範囲第 1項乃至第 9項のいずれかに記載の不純物導入方法であつ て、
前記不純物の導入された領域の光学定数をモニターしつつ、 前記光学定数がプ ラズマドーピング工程後に実施する光照射に適合するようにプラズマドーピング 条件を制御する不純物導入方法。
1 1 . 請求の範囲第 1項乃至第 9項のいずれかに記載の不純物導入方法であつ て、
前記不純物の導入された領域の光学定数をモニタ一しつつ、 前記光学定数がィ オン注入後に実施する光照射に適合するようにィオン注入工程を制御する不純物 導入方法。
1 2 . 請求の範囲第 1項乃至第 1 1項のいずれかに記載の不純物導入方法であ つて、
前記測定する工程がエリプソメ トリを用いた工程である不純物導入方法。
1 3 . 請求の範囲第 1 2項に記載不純物導入方法であって、
リプソメ トリを用いた工程が、 不純物導入層の厚さと光定数 （屈折率 nと消 衰係数 k ) の両方を求めるエリプソメ トリ解析工程を含む不純物導入方法。
1 4 . 請求の範囲第 1 3項に記載不純物導入方法であって、
前記エリプソメ トリ解析工程は、 K-K (Kramers- Kronig)アナライシス、
Tauc-Lorentzアナライシス、 Cody - Lorentzアナライシス、 Forouhi - Bloomerアナ ライシス、 MDFアナライシス、 バンドアナライシス、 4配位 (Tetrahedral) アナ ライシス、 Drudeアナライシス、 Lorentzアナライシスのいずれかを用いた屈折率 波長分散モデルを用いた解析工程を含む不純物導入方法。
1 5 . 請求の範囲第 1項乃至第 1 2項のいずれかに記載の不純物導入方法であ つて、
前記ァニール工程は電磁波を照射する工程である不純物導入方法。
1 6 . 請求の範囲第 1 5項に記載の不純物導入方法であって、 前記ァニール工程は光照射工程である不純物導入方法。
1 7 . 請求の範囲第 1 6項に記載の不純物導入方法であって、
前記不純物を導入する工程は、 前記不純物の導入された領域の光吸収係数が、 5E4 era—1を越えるように不純物を導入する工程である不純物導入方法。
1 8 . 請求の範囲第 2項乃至第 1 7項の不純物導入方法であって、
前記プラズマドーピング工程は、 プラズマに印加する電源電圧、 プラズマの組 成、 ドーパント物質を含むプラズマ照射の時間とドーパント物質を含まないブラ ズマ照射の時間の比の少なくとも 1つを制御する工程を含む不純物導入方法。
1 9 . 請求の範囲第 1 8項に記載の不純物導入方法であって、
前記プラズマドーピング工程は、 プラズマを形成する不純物物質と、 これらに 対する混合物質としての、 不活性物質あるいは反応性物質の混合比を変化させる ことによって、 前記プラズマの組成を制御し、 不純物の導入された領域の光学的 特性を制御する工程を含む不純物導入方法。
2 0 . 請求の範囲第 2項乃至第 1 7項のいずれかに記載の不純物導入方法であ つて、
前記プラズマドーピング工程は、 前記ァニール工程において、 前記不純物の導 入された領域に含まれる不純物の電気的活性化を促進するとともに、 前記固体基 体へのエネルギー吸収を抑制し得るように、 前記不純物の導入された領域の光学 定数を設定する不純物導入方法。
2 1 . 固体基体表面に不純物を導入する不純物導入手段と、
前記不純物の導入された領域の光学的特性を測定する測定手段と
前記不純物の導入された領域をァニールするァニール手段とを具備した不純物 導入装置。
2 2 . 請求の範囲第 2 1項に記載の不純物導入装置であって、
前記不純物導入手段は固体基体表面に不純物を導入するプラズマドーピング手 段である不純物導入装置。
2 3 . 請求の範囲第 2 1項に記載の不純物導入装置であって、
前記不純物導入手段は固体基体表面に不純物を導入するイオン注入手段である 不純物導入装置。
2 4 . 請求の範囲第 2 2項に記載の不純物導入装置であって、
前記測定手段の測定結果に基づき、 前記プラズマドーピング手段を制御するドー ビング制御手段を含む不純物導入装置。
2 5 . 請求の範囲第 2 3項に記載の不純物導入装置であって、
前記測定手段の測定結果に基づき、 前記イオン注入手段を制御するドーピング制 御手段を含む不純物導入装置。
2 6 . 請求の範囲第 2 0項から第 2 5項のいずれかに記載の不純物導入装置で あって、
前記測定手段の測定結果に基づき、 前記ァニール手段を調整するァニール制御 手段を含む不純物導入装置。
2 7 . 請求の範囲第 2 1項乃至第 2 6項のいずれかに記載の不純物導入装置で あって、
前記測定手段の測定結果を、 前記ァニール制御手段または不純物導入制御手段 のいずれかにフィードバックするフィードバック機構を含む不純物導入装置。
2 8 . 請求の範囲第 2 7項に記載の不純物導入装置であって、
前記フィードバック機構は測定結果のフィードバックをその場（In - situ)で行 う不純物導入装置。
2 9 .請求の範囲第 2 8項に記載の不純物導入装置であって、
前記フィードバック機構は、 高速に抜き取り検査を実施して、 不良の場合は追 加ドープ、 あるいはァニール条件緩和などの追加プロセスを実行する不純物導入 装置。
3 0 . 請求の範囲第 1項乃至第 2 0項のいずれかに記載の不純物導入方法を用 いて不純物導入して形成された電子素子。
3 1 . 請求の範囲第 2 1項乃至第 2 9項のいずれかに記載の不純物導入装置を 用いて不純物導入して形成された電子素子。
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