引入雜質的方法

專利名稱：引入雜質的方法
技術領域：
本發明涉及雜質引入的方法，更具體地涉及在制造半導體裝置等過程中引入雜質的方法。
背景技術：
由于裝置領域中更精細裝置技術最近的發展，要求形成更淺分布(profile)的結。低能離子注入是形成淺結的已知方法。低能離子注入技術是使用非常高的電壓將離子驅離離子源并在稍后階段使離子減速。這樣，在將束流值保持在非常高水平的情況下實現低能注入。這種技術已經成功地在淺至幾十nm的分布內提供雜質層；而且該層已經在半導體裝置工業中付諸實踐。
作為在更淺分布內形成結的新技術，等離子體摻雜技術正引起人們的關注。等離子體摻雜技術是一種通過使包含期望粒子的等離子體與待處理對象的表面接觸，而將雜質引入到待處理對象(例如半導體襯底)表面內的技術。由于等離子體的能量低至最多幾百伏特，因此是一種適用于將雜質層形成為淺分布的手段。根據實驗報告，已經形成了十幾nm至幾十nm的淺結。
非專利文獻1揭示了實現最淺的P型結的實驗結果；根據該結果，結深度為7nm。
使用氣體源的氣相摻雜劑方法還揭示于(1)非專利文獻2、(2)非專利文獻3、(3)非專利文獻4和其他公開。根據該方法，在氫氣常壓氣氛下加熱半導體襯底，并向襯底供給B2H6、PH3以提供P型和N型的雜質擴散層。該氫氣載氣對于清除附著在硅表面上的天然氧化膜并保持表面清潔是有效的。因此有利于抑制雜質，特別是硼的表面偏析(segregation)。
為了分解氣體，需要通常高于600℃的高溫。例如非專利文獻5報導了形成高濃度淺結的實驗結果，其中將半導體襯底加熱到900℃，并供給1ppm的B2H6氣體40秒。根據該實驗結果，硼濃度為1×1018cm-3的深度定義為結深度且該結深度約為7nm，該結果與上述水平相同。
另外，非專利文獻6揭示了一種在室溫下執行氣相摻雜方法的技術。這些方法為，當材料被引入到例如氧化物的膜附著于其表面的固態基體時，在除去例如氧化物的該膜之后，期望的粒子被附著或引入。根據該報導，雜質引入層的深度為3至4nm。
如前所述，通過使用等離子體摻雜技術或者低能離子注入技術，最近已經報導了形成十幾nm至幾十nm的淺結的實驗。獲得最淺P型結的目前實驗形成了約7nm的淺雜質層。然而，根據裝置的進一步微型化，需要一種更簡單地形成低電阻的更淺雜質層的方法。
作為滿足上述需求的一種技術，由于等離子體摻雜技術可以通過小的加速能量將粒子引入半導體襯底，等離子體摻雜技術可以形成比離子注入技術淺的引入層。然而，盡管該技術使用小的能量，但是其具有加速能量，使得形成更淺的層存在極限。此外，對于等離子體摻雜已知的在于，自由基被作為摻雜劑供給到襯底。由于自由基并不帶電荷，因此不會被加速及轟擊到襯底內。然而，人們認為，由于自由基是活性的，其與襯底表面反應并被引入到襯底內。使用氣體源的氣相摻雜方法是一種通過將摻雜劑供給到襯底內并與襯底表面反應的技術，其中該摻雜劑不具有加速能量。這些技術被認為是超越了將具有能量的離子輻射到襯底上的方法的極限的技術。
例如，離子注入鍺或硅的方法被公知為一種將半導體襯底的晶體硅形成為非晶的技術。廣泛地使用了一種用于將鍺或硅離子注入到硅襯底并使其表面成為非晶、隨后離子注入例如硼的雜質、且隨后退火的工藝。在離子注入雜質之前形成非晶的下述優點是已知的(1)在離子注入中難以將例如硼的小雜質深地引入；以及(2)通過退火可以有效地激活雜質，因為非晶硅具有高于晶體硅的吸收系數。
然而，使用離子注入的非晶化具有的問題在于，其對于形成淺非晶層精度不足，且在退火之后用于恢復硅晶體的退火條件的范圍窄。
相反，最近揭示了一種通過對硅襯底輻射等離子體使硅襯底表面成為非晶的技術，執行該技術作為引入雜質的預處理。在非專利文獻7中，本發明人揭示了通過對硅襯底輻射氬等離子體而形成4.3nm厚的非晶層之后，引入作為雜質的硼的技術。此外，非專利文獻8揭示了通過對硅襯底輻射氫等離子體而形成25nm厚的嚴重損傷層的結果。在上述技術中，報導了通過在300℃退火5分鐘，低溫恢復了該嚴重損傷層。
此外，使用氦等離子體的方法被公知為通過對硅襯底輻射等離子體而重整硅襯底表面的方法。非專利文獻9揭示了通過對硅襯底輻射氦等離子體而在硅襯底內形成孔隙的技術。根據該技術，報導了通過對硅襯底輻射氦等離子體，在距離硅襯底表面50nm至250nm之間的深度范圍內形成直徑為8nm至50nm之間的孔隙。對等離子體施加了8keV或20keV的偏置電壓。此外，該文獻還揭示了在20nm至100nm之間深度范圍內形成的孔隙的剖面透射電鏡照片。該文獻還揭示了該孔隙的直徑為16nm或20nm。
以下為相關技術的上述示例非專利文獻1Technical Digest of Symposium on VLSI Technology，Honolulu，P.110(2000)；非專利文獻2International Workshop on Junction Technology(IWJT)，P.19(2000)；非專利文獻3J.Vac.Sci.Technol.A16，P.1(1998)；非專利文獻4Silicon Technology(No.39 18th June，2002)；非專利文獻5Silicon Technology(No.39，18th June，2002)；非專利文獻6International Workshop on Junction Technology(IWJT)，P.39-40(2000)；非專利文獻7International Workshop on Junction Technology(IWJT)，P.46-49(2000)；非專利文獻8International Workshop on Junction Technology(IWJT)，P.54-57(2000)；以及非專利文獻9Handbook of Plasma Immersion Ion Implantation andDeposition，p.663-666.

發明內容
本發明解決的問題根據現有技術方法，難以高精度地形成淺結。
因此，本發明提供了一種用于有效地將雜質引入小的深度的技術。解決問題的手段一種根據本發明的雜質引入方法的特征在于該方法包括第一步驟，通過使由在半導體層內是電學非活性的粒子組成的等離子體與包括該半導體層的固態基體的表面反應，由此使該半導體層表面成為非晶；以及第二步驟，將雜質引入到該固態基體的表面。
根據上述方法，當引入該雜質時，等離子體輻射條件受控以抑制損傷層的形成，且由該非活性等離子體可以容易地制備具有良好光學吸收特性的淺非晶層而不影響該半導體特性。此外，由于從等離子體引入到硅襯底的元素通過退火工藝有效地向外擴散，因此可以恢復結晶度。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于該第一步驟包括對該半導體層的表面輻射等離子體的步驟。
根據上述方法，可以通過輻射非活性等離子體而有效地實現非晶化。由于等離子體為非活性，該等離子體不太可能與硅襯底反應。因此，可以降低或者抑制電學影響。由于在等離子體內難以形成自由基，等離子體幾乎不與構成固態基體的元素例如硅反應。另外，降低蝕刻速率是有利的，即使該蝕刻速率與元素類型有關。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于該第一步驟包括，將等離子體通過網格(mesh)引導到半導體層表面而將離子輻射到半導體層表面的步驟。
根據上述方法，將等離子體通過具有預定電勢的網格輻射到半導體層表面，執行已知為離子簇射(ion shower)的分布式離子輻射。因此，可以有效地實現非晶化。在上述方法中，由于未執行離子質譜分析，輻射到固態基體的離子束流的量與直接等離子體摻雜方法相比削，但是遠大于離子注入方法。因此，即使使用具有相對小原子量的元素也可以有效地實現非晶化。例如，即使使用例如具有相對小原子量的氦或氫的元素，可以有效地實現非晶化。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于在執行該第一步驟之后，通過執行該第二步驟，在包括該半導體層的固態基體表面上形成具有精細孔隙的非晶層，且在該非晶層內引入雜質以形成雜質引入層。
根據上述方法，由于選擇性地將雜質引入孔隙，因此可以使雜質引入區域即雜質被俘獲的區域變窄。因此，由于可以降低具有孔隙的區域與沒有孔隙的區域之間雜質濃度的陡峭差異，因此可以提高該雜質濃度沿深度方向的陡度。換而言之，例如可以陡峭地改變pn結界面附近的雜質濃度。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于在執行該第二步驟之后，通過執行該第一步驟，將雜質引入到包括該半導體層的固態基體表面以形成雜質引入層，且將在該半導體層內為電學非活性的粒子組成的等離子體輻射到該雜質引入區域以形成非晶層。
根據與前述方法類似的該上述方法，由于選擇性地將雜質引入孔隙，因此可以使雜質引入區域即雜質被俘獲的區域變窄。因此，由于可以降低具有孔隙的區域與沒有孔隙的區域之間雜質濃度的陡峭差異，因此可以提高該雜質濃度沿深度方向的陡度。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于該第二步驟與第一步驟同時執行。
根據上述方法，可以在單個工藝中確定引入雜質的深度以及該非晶層的深度。通過施加到該固態基體的偏置電壓可以控制引入雜質的深度以及該非晶層的深度。然而，當分別執行該第一和第二步驟時，引入雜質的深度以及該非晶層的深度受到在各個步驟中施加的偏置電壓的影響。換而言之，引入雜質的深度隨非晶層的深度而變化。而且，在許多情況下，非晶層的深度在雜質引入工藝中增大，即使存在一些程度上的差異。具體而言，當預先形成的非晶層深度小且期望將雜質引入具有淺非晶層的硅襯底時，非晶層的深度在雜質引入工藝中變得比原始深度更深。當與第一步驟同時執行該第二步驟時，由于可以在單一工藝內確定引入雜質的深度和非晶層的深度，因此可以容易地控制。此外，由于可以除去一個步驟，因此該方法變得有效。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于該電學非活性等離子體為氦等離子體。
根據上述方法，在例如硅的半導體層內尤其容易形成孔隙。這是氦等離子體的特有特性。由于氦元素在退火工藝中容易朝半導體襯底外部擴散且在退火之后不保留在該半導體襯底內，因此可以容易地恢復硅的結晶度。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于在該第二步驟，使用氦稀釋的在該半導體內為電學非活性的雜質的等離子體輻射到該固態硅基體的表面。
根據上述方法，由于該第二步驟與第一步驟同時執行，因此可以減少工藝數目。此外，與前述的方法相似，由于可以在單一工藝內確定引入雜質的深度和非晶層的深度，因此可以容易地控制。在上述方法中，等離子體中使用的雜質使用大量氦進行稀釋。因此，由于氦容易朝半導體襯底外部擴散且容易恢復半導體的結晶度，因此可以形成具有良好結晶度的的雜質區域。此外，當將氦與另一種元素混合時，由于難以在硅襯底內形成直徑大的孔隙，因此可以降低一般不太可能降低的薄層電阻。備選地，不通過將氦與另一種元素混合而在硅襯底內形成孔隙，可以實現具有如下優點的工藝，即，氦容易朝外部擴散并因此可以形成具有良好結晶度恢復特性的非晶層。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于該第一步驟為形成具有直徑小于20nm的精細孔隙的非晶層的步驟。
根據上述方法，可以防止薄層電阻受到如下情況的影響，即孔隙太大，使得半導體晶體在退火之后無法恢復。因此期望將孔隙直徑調整至合適的尺寸。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于該孔隙的直徑小于8nm。
根據上述方法，已經證實了退火之后，該薄層電阻降低。當孔隙直徑小于8nm時，硅晶體更容易恢復，這種情況是期望的。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于該方法進一步包括在該第一步驟和第二步驟之后的退火步驟，其中該退火步驟為電學激活該雜質的步驟。
根據上述方法，可以通過在退火期間有效地吸收光而電學激活該雜質。結果，可以在更淺的分布內形成低電阻層。當存在孔隙時，由于孔隙位于非晶層內，因此在該非晶層附近有效地產生熱量。因此，也可以電學激活捕獲于孔隙內的雜質。結果，可以在更淺和更陡的分布內形成低電阻層。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于該第一步驟為形成深度為19nm以下的非晶層的步驟。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于該第一步驟為形成深度為5nm以上的非晶層的步驟。
根據上述方法，容易地形成一非晶層，其具有良好光學吸收特性，同時將表面粗糙度抑制到該表面粗糙度不受該非晶層深度影響的范圍。當該非晶層的深度小于5nm時，在退火期間該非晶層的光學吸收率降低，因此難以降低電阻。然而，當該非晶層深度大于19nm時，表面被等離子體輻射粗糙化，因此可能對半導體裝置產生影響。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于該第二步驟為等離子體摻雜該雜質的步驟。
根據上述方法，由于可以高產量地實現非常淺的雜質引入，該方法是更為期望的。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于該第二步驟為將來自等離子體的雜質離子供給通過該網格的步驟。
根據上述方法，與使用離子注入的情形相比，由于可以更高產量地實現非常淺的雜質引入，該方法是更為期望的。此外，由于只有離子被提取并輻射到固態基體，因此該固態主體并不與自由基反應。因此，執行濺射使得該等離子體中包含的自由基不與構成該固態基體的元素反應，這是有利的。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于該第二步驟為離子注入該雜質的步驟。
根據上述方法，由于這種方法已經廣泛應用于半導體行業，因此可以實現高度可靠的雜質引入。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于該第二步驟為氣相摻雜該雜質的步驟。
根據上述方法，可以實現采用基本上沒有加速能量的雜質的雜質引入，而且與使用等離子體摻雜的情形相比，可以在更淺的分布內形成雜質引入層。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于在相同的工藝腔體內作為順序工藝原位地執行該第一和第二步驟。
根據上述方法，可以減小天然氧化膜對該第二步驟的影響。一般而言，隨著該天然氧化膜厚度增加，在該第二步驟中應用的雜質的劑量可能降低。具體而言，當期望使用低能量引入雜質以形成淺的雜質引入層時，雜質引入量隨著天然氧化膜的厚度增大而降低。當在相同的工藝腔體內作為順序工藝原位地執行該第一和第二步驟，該天然氧化膜的厚度在該第一步驟之后變小。換而言之，該天然氧化膜在該第一步驟之后可能消失，或者該天然氧化膜變薄而可以忽略。此外，由于在真空條件中執行該第一和第二步驟，在該第一步驟和第二步驟之間幾乎不形成天然氧化膜。因此，可以減小該天然氧化膜對該第二步驟的影響。此外，可以消除例如一些負擔，例如在該第一和第二步驟期間傳遞或維持該半導體襯底引起的負擔。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于該固態基體為硅，該第一步驟為通過改變與將輻射到固態基體表面的等離子體有關的偏置電壓、輻射時間、偏置功率和外層電壓(sheath voltage)中的至少一個條件，由此控制該非晶層厚度的步驟。
根據上述方法，由于通過改變偏置電壓、偏置功率和外層電壓可以改變與該固態基體碰撞的等離子體離子的加速能量，因此可以改變該非晶層的厚度。即使與該固態基體碰撞的等離子體離子具有相同的加速能量，也可以通過改變離子與該固態基體碰撞的時間而在一定程度上改變該非晶層的厚度。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于該第一步驟包括輻射由稀有氣體中至少一種元素組成的等離子體的步驟。
根據上述方法，由于該等離子體由非活性元素組成，因此可以實現等離子體輻射并同時降低對半導體的電學影響。此外，由于該等離子體由非活性元素組成，即使在等離子體輻射工藝內，該等離子體內的元素不太可能與半導體襯底內的硅反應。因此，蝕刻速率在等離子體輻射期間維持在低的水平，因此該方法是期望的。此外，由于稀有氣體是化學穩定的，幾乎不與包括硅的該固態基體表面反應，并因此幾乎不吸收和附著到該固態基體。因此，除了通過離子引入雜質之外，通過氣相吸附引入雜質也是期望的。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于該第一步驟包括輻射包括氦(He)的等離子體的步驟。
根據上述方法，由于氦元素在退火工藝中很可能朝半導體襯底外部擴散且在退火之后不保留在半導體襯底內，硅晶體容易恢復且該方法因此是期望的。此外，由于氦元素的原子半徑小于硅或鍺，即使少量氦元素保留在硅內也幾乎不阻礙晶體的恢復，因此該方法是期望的。此外，由于氦是非活性元素，即使在等離子體輻射工藝中也不可能與半導體襯底內的硅反應。因此，蝕刻速率在等離子體輻射期間維持在低的水平，因此該方法是期望的。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于該第一步驟與該第二步驟同時執行，且該第一步驟包括輻射包括氦氣濃度范圍為99％至99.999％之間的等離子體。
根據上述方法，該方法可以應用于期望通過引入砷而非硼而形成n型層的情形。換而言之，在上述方法中，使用氦氣稀釋包含例如砷的雜質元素的氣體。根據上述方法，通過引入例如在離子注入中通常使用的劑量的例如砷的雜質而形成n型層。此外，由于在形成該非晶層時使用了氦，氦元素在退火工藝中很可能朝半導體襯底外部擴散，在退火之后不保留在該半導體襯底內。因此，硅晶體容易恢復。此外，由于氦元素的原子半徑小于硅或鍺，即使少量氦元素保留在硅內也幾乎不阻礙晶體的恢復。此外，由于氦是非活性元素，即使在等離子體輻射工藝中也不可能與半導體襯底內的硅反應。因此，蝕刻速率在等離子體輻射期間維持在低的水平。
此外，已經發現，通過選擇氣體類型可以選擇該非晶層的深度。因此，可以基于該非晶層的期望深度而選擇氣體類型。通過基于該非晶層深度而選擇氣體類型，可以形成至期望深度的非晶層，而不增大設備的尺寸或者施加于設備的負載。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于該第一步驟包括輻射包括氖(Ne)的等離子體的步驟。
根據上述方法，從實驗結果期望，可以形成深度范圍為3.7nm至7.7nm之間的非晶層。因此，通過選擇氣體類型，可以有效地形成至期望深度的雜質區域。此外，由于Ne的原子半徑小于硅或鍺，即使少量Ne保留在硅內時也幾乎不阻礙晶體的恢復，因此該方法是期望的。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于該第一步驟包括輻射包含氬(Ar)的等離子體的步驟。
根據上述方法，從實驗結果期望，可以形成深度范圍為2nm至4.7nm之間的非晶層。因此，通過選擇氣體類型，可以有效地形成至期望深度的雜質區域。此外，由于Ar的原子半徑小于硅或鍺，與鍺相比，即使少量Ar保留在硅內時也幾乎不阻礙晶體的恢復，因此該方法是期望的。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于該第一步驟包括輻射包括氪(Kr)的等離子體的步驟。
根據上述方法，從實驗結果期望，可以形成深度小于2.5nm的非晶層。因此，可以有效地形成至期望深度的雜質區域。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于該第一步驟包括輻射包括氙(Xe)的等離子體的步驟。
根據上述方法，從實驗結果期望，可以形成深度小于2.1nm的非晶層。因此，可以形成淺分布的雜質區域。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于該第一步驟包括輻射包括氡(Rn)的等離子體的步驟。
根據上述方法，從實驗結果期望，可以形成深度小于1.2nm的非晶層。因此，可以有效地形成至期望深度的雜質區域。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于該第一步驟包括形成至深度X的非晶層的步驟，其中X由下式表示
-(1/0.481)·ln(Y/121.37)＜X＜(Y/270.87)-(1/1.2684)其中Y(單位為′u′)表示組成該非晶層的元素的原子量，X(單位為′nm′)表示該非晶層的深度。
從實驗結果已經發現，可以用上述表達式表示等離子體中使用的元素的原子量與將形成的非晶層的深度之間的關系。因此，通過基于該非晶層的期望深度而選擇該等離子體中使用的元素的類型，可以容易獲得該期望深度。這種情況下，可以直接輻射該等離子體，或者使用離子簇射方法輻射從該等離子體提取的離子。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于該第二步驟包括，通過輻射包含濃度范圍為0.001％至1.0％之間的B2H6氣體的等離子體而形成該雜質引入層的步驟。
根據上述方法，可以形成對于波長為400nm以上的光具有良好光學吸收比例的半導體層。此外，可以實現通常在半導體中使用的雜質的劑量。因此，可以形成具有實際電阻值的雜質區域，該雜質區域內的雜質被充分激活。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于形成該雜質引入層的步驟包括，通過輻射包含濃度范圍為0.001％至1.0％之間的B2H6氣體的He等離子體而形成該雜質引入層的步驟。
根據上述方法，由于氦元素在退火工藝中容易朝半導體襯底外部擴散且在退火之后不保留在半導體襯底內，容易恢復硅結晶度。此外，由于氦元素的原子半徑小于硅或鍺，即使少量氦元素保留在硅內也幾乎不阻礙晶體的恢復。此外，由于氦是非活性元素，即使在等離子體輻射工藝中也不太可能與半導體襯底內的硅反應。另外，可以使用在離子注入中通常使用的劑量引入該雜質。
根據本發明的雜質引入方法的特征在于該第一步驟包括輻射包括氫的等離子體的步驟。
根據上述方法，由于氫在退火工藝中容易朝半導體襯底外部擴散且在退火之后不保留在半導體襯底內，該方法因此是期望的。此外，由于氫元素的原子半徑小于硅或鍺，即使少量氫元素保留在硅內也幾乎不阻礙晶體的恢復，因此該方法是期望的。
根據本發明的雜質引入設備的特征在于該設備包括輻射單元和引入單元，該輻射單元向固態基體表面輻射由在半導體層內是電學非活性的粒子組成的等離子體，該引入單元向固態基體表面引入雜質。
根據上述設備，可以有效地實現上述方法。
根據本發明的雜質引入設備的特征在于該設備進一步包括用于激活引入雜質的退火單元。
根據本發明的雜質引入設備的特征在于該引入單元、輻射單元和退火單元配置成在相同腔體內按順序方式執行。
根據上述設備，由于可以縮小設備尺寸，因此可以執行一系列工藝，同時防止作為待處理對象的固態基體與外部空氣接觸。
根據本發明的雜質引入設備的特征在于該引入單元、輻射單元和退火單元中至少兩個單元配置成在相同腔體內同時執行。
根據上述設備，可以縮小設備尺寸。
本發明的優點根據本發明的雜質引入方法，由于將雜質引入到通過輻射由非活性氣體組成的等離子體而形成的非晶層，因此有效地引入了雜質，由此使得可以高精度地形成淺結。此外，由于可以在非晶層內形成精細孔隙并將雜質引入孔隙，因此可以形成精細雜質區域并因此可以在該精細雜質區域內高精度地形成結。


圖1為示出了本發明示范性實施方式中使用的設備的基本部分的剖面圖示。
圖2為示出了在根據本發明的等離子體處理之后硅襯底的AFM表面形貌的圖示。
圖3為示出了在根據比較例的等離子體處理之后硅襯底的AFM表面形貌的圖示。
圖4為示出了在根據比較例的離子注入之后硅襯底的AFM表面形貌的圖示。
圖5為示出了根據示范性實施方式和比較例的非晶層厚度、表面粗糙度和偏置電壓之間關系的圖示。
圖6為示出了根據本發明示例的一個剖面TEM圖像的圖示。
圖7為示出了根據本發明示例的另一個剖面TEM圖像的圖示。
圖8為示出了根據比較例的一個剖面TEM圖像的圖示。
圖9為示出了根據本發明示例的又一個剖面TEM圖像的圖示。
圖10為示出了根據本發明示范性實施方式和比較例的引入雜質之后硼的SIMS分布的圖示。
圖11為示出了根據本發明示范性實施方式和比較例的執行RTA時薄層電阻和偏置電壓之間關系的圖示。
圖12為示出了根據本發明示范性實施方式和比較例的執行尖峰RTA時薄層電阻和偏置電壓之間關系的圖示。
圖13為示出了根據本發明的非晶層深度與等離子體輻射中使用的原子的原子量之間關系的圖示。
圖14為示出了通過輻射氦氣、混合氬氣和氦氣、以及氮氣的等離子體進行非晶化的情形中，非晶層厚度和偏置電壓之間關系的圖示。
圖15為示出了通過輻射氬氣和氦氣的混合氣體等離子體進行非晶化的情形中，氬氣混合比例與非晶層厚度之間關系的圖示。
圖16為示出了通過輻射氦等離子體的非晶化和通過輻射氬氣和氦氣的混合氣體等離子體的非晶化作為使用氦氣稀釋的B2H6等離子體摻雜及RTA的預處理時，偏置電壓與薄層電阻之間關系的圖示。
圖17為用于比較根據本發明和比較例的對波長為530nrn的光的光學吸收系數的圖示。
圖18為用于比較根據本發明和比較例的B2H6氣體與氦氣混合比例互換時的非晶層厚度的圖示。
圖19為用于解釋B2H6氣體與氦氣混合比例互換時硼劑量變化的圖示。
圖20為示出了用于本發明示范性實施方式的離子簇射設備的基本部分的剖面圖示。
附圖標記說明1高頻電源2匹配盒3線圈4流量計5流量計
6渦輪分子泵7傳導閥8干泵9循環器10 直流電源11 匹配盒12 高頻電源13 待處理襯底14 下電極15 真空腔具體實施方式
以下將參照附圖詳細地描述本發明的示范性實施方式。然而，本發明不限于下述示范性實施方式。
示范性實施方式1圖1為示出了根據本發明的示范性實施方式中使用的雜質引入設備的基本部分的剖面圖示。
如圖1所示，雜質引入設備100配置成在該設備中按照順序方式執行等離子體摻雜，等離子體輻射和退火。具體地，在設備100內，在置于真空腔15內的作為下電極14的基座上提供作為待處理襯底13的半導體襯底，并在襯底表面附近形成等離子體發生區域，由此執行等離子體摻雜和等離子體輻射。線圈3通過匹配盒2固定到高頻電源，由此在線圈3和下電極14之間供給高頻電源。下電極14不僅連接到直流電源10，還通過匹配盒11連接到高頻電源12。
由通過傳導閥7鄰接的干泵8以及渦輪分子泵6控制真空腔15內的真空度。下電極14配置成由循環器9配置成循環。腔15包括用于將被引入腔15的非活性氣體例如氦氣的流量計4，以及在腔15內置于相對部位并將乙硼烷氣體引入腔15內的用于雜質氣體的流量計5。
如上所述地構造雜質引入設備100的基體。重要的是，設備100為片料送進型(sheet feed type)，且整個體積特別是真空腔15的體積盡可能小以實現快速處理。期望由螺旋波等離子體源、ECR(電子回旋共振)等離子體源、ICP等離子體源等形成該等離子體發生區域。使用這些等離子體源，將被引入待處理硅襯底13或者包含用于等離子體輻射的氣體即本情形中的B2H6和氦氣的雜質通過獨立的工藝激勵成為等離子體狀態。
在用于包含雜質的氣相材料供給系統中，預定量的氣相材料通過流量計4和5供給到真空腔15。氣體的流速配置成由流量計4和5分別控制。供給量由流量計4和5及真空腔1 5的體積、溫度和真空度確定，并分別由溫度計和壓力計監測，由此通過相應的溫度控制器和相應的壓力控制器穩定地控制溫度和壓力。
在設備100中，硅襯底13轉移到工藝腔15內并置于下電極14上。稀有氣體導入管16和乙硼烷氣體導入管17分別與真空腔15耦接。稀有氣體被用于通過將稀有氣體等離子體輻射到表面而使硅襯底表面變為非晶。乙硼烷氣體制成非晶態以用于等離子體摻雜，或者以氣相狀態引入真空腔15用于氣體摻雜。
首先，在將真空腔15內的真空度設置為期望值之后，打開稀有氣體導入管16以產生稀有氣體等離子體，并將僅由電學非活性粒子組成的等離子體輻射到硅襯底13，由此形成非晶層。根據等離子體輻射的條件，該非晶層可能具有/不具有精細孔隙。
接著，打開乙硼烷氣體導入管17，從而在已經形成為非晶的硅襯底13的預定區域內形成雜質引入層。
之后，通過退火裝置(未示出)形成淺結。
這樣，實現了淺的、低電阻、高精確度的雜質摻雜。
示范性實施方式2在下文中將描述本發明第二示范性實施方式。
盡管在第一示范性實施方式中是在將硅襯底表面形成為非晶之后引入雜質，第二示范性實施方式的特征在于，在引入雜質之后通過輻射非活性氣相等離子體而形成非晶層。
換而言之，在設置真空腔15的真空度之后，打開乙硼烷氣體導入管17，從而在硅襯底13的預定區域內形成雜質引入層。
接著，打開稀有氣體導入管16以產生稀有氣體等離子體，并將僅由電學非活性粒子組成的等離子體輻射到硅襯底13，由此形成非晶層。根據等離子體輻射的條件，該非晶層可能具有/不具有精細孔隙。
之后，通過退火裝置(未示出)形成淺結。
這樣，實現了淺的、低電阻、高精確度的雜質摻雜。
示范性實施方式3在下文中將描述本發明第三示范性實施方式。
盡管在第一示范性實施方式中是在將硅襯底表面形成為非晶之后引入雜質，第三示范性實施方式的特征在于，同時執行雜質引入步驟和輻射非活性氣相等離子體以形成非晶層的步驟。
換而言之，在設置真空腔15的真空度之后，一起打開稀有氣體導入管16和乙硼烷氣體導入管17，從而產生稀有氣體等離子體，并將僅由電學非活性粒子組成的等離子體輻射到硅襯底13，由此形成非晶層，同時在硅襯底13的預定區域內形成雜質引入層。根據等離子體輻射的條件，該非晶層可能具有/不具有精細孔隙。
之后，通過退火裝置(未示出)形成淺結。
這樣，實現了淺的、低電阻、高精確度的雜質摻雜。
接著將詳細描述本發明的示例。
在以下示例中，將描述固態基體本身表面非晶化的工藝。
<示例1>
(表面粗糙度)首先將描述通過等離子體輻射形成非晶層的工藝中的表面粗糙度。
在真空腔15內，將等離子體輻射到作為待處理對象13的硅襯底。
在本示例中，等離子體源使用螺旋波等離子體源。
此外還使用了氦氣。
首先，將氦等離子體輻射到硅襯底13。執行該等離子體輻射的條件為壓力為0.9Pa，等離子體輻射時間為7秒，且偏置電壓為75V至310V。在第一次停止等離子體輻射并對真空腔15抽真空之后，使用氮氣凈化真空腔15，并從真空腔15移出襯底。觀察該移出的硅襯底13的AFM表面形貌。
圖2示出了根據本發明示例，氦等離子體輻射的偏置電壓在75V至150V范圍內變化時AFM表面觀察的結果。硅襯底21的RMS表面粗糙度觀測值為0.3nm。
圖3示出了根據比較例，分別在250V和310V的偏置電壓執行氦等離子體輻射時AFM表面觀察的結果。硅襯底21的RMS表面粗糙度觀測值分別為0.355nm和0.517nm，并發現表面粗糙化。
圖4示出了根據另一個比較例，使用常規條件將硼離子注入到硅襯底21之后的硅襯底表面。使用了0.5kV的加速能量和1×1015cm-2及2×1014cm-2的硼劑量。硅襯底13的表面粗糙度觀測值小于0.3nm。由于在行業中廣泛使用離子注入，0.3nm的RMS表面粗糙度在制造工藝中視為可接受。
通過上述結果，當在通過輻射等離子體形成非晶層的工藝中等離子體輻射中施加的電壓低于250V時，表面粗糙度小于離子注入的表面粗糙度，這似乎在實際使用中不會導致任何問題。因此可以看出，低于250V的偏置電壓是期望的。
<示例2>
(非晶層厚度)接著將描述通過輻射等離子體形成非晶層的工藝中非晶層的厚度。
在真空腔15內，將等離子體輻射到作為待處理對象13的硅襯底。
在本示例中，等離子體源使用螺旋波等離子體源。此外還使用氦氣。
首先，將氦等離子體輻射到硅襯底13。執行該等離子體輻射的條件為壓力為0.9Pa，等離子體輻射時間為7秒，且偏置電壓為75V至310V。在第一次停止等離子體輻射并對真空腔15抽真空之后，使用氮氣凈化真空腔15，并從真空腔15移出襯底。使用橢圓光度法測量該移出的硅襯底13表面上的非晶層厚度。此外，通過剖面TEM圖像觀察某些樣品的非晶層厚度，從而將其與橢圓光度法測量結果比較。于是，基于剖面TEM測量結果校正橢圓光度法測量結果，從而確定所有非晶層的深度。
圖5示出了偏置電壓與非晶層厚度之間的關系。在圖5中，還示出了偏置電壓與上述表面粗糙度之間的關系供參考。非晶層的厚度隨著偏置電壓的增大而增大。可形成的非晶層的厚度范圍為4.5nm至24nm。鑒于表面粗糙度，小于225V的偏置電壓不會導致實際使用中的任何問題。與該偏置電壓范圍對應的非晶層的厚度小于19nm。換而言之，從表面粗糙度的角度考慮，小于19nm的非晶層厚度不會導致實際使用中的任何問題。
<示例3>
(多孔硅)接著將描述通過輻射等離子體形成非晶層的工藝期間非晶層內孔隙的形成。孔隙是指硅襯底內密度較低的部分，稱為微膠囊或氣泡。
在真空腔15內，將等離子體輻射到作為待處理對象13的硅襯底。
在本示例中，等離子體源使用螺旋波等離子體源。
此外還使用氦氣。
首先，將氦等離子體輻射到硅襯底13。執行該等離子體輻射的條件為電源功率為1500W，壓力為0.9Pa，等離子體輻射時間為7秒，且偏置電壓為75V、150V、200V和310V。在第一次停止等離子體輻射并對真空腔15抽真空之后，使用氮氣凈化真空腔15，并從真空腔15移出襯底。觀察該移出的硅襯底13的剖面TEM圖像。
圖6示出了使用75V偏置電壓時硅襯底13的剖面TEM圖像。形成了距表面8nm的深度的非晶層。未觀察到孔隙。還可能是精細孔隙太小，無法通過TEM圖像觀察到。這樣，形成了具有良好光學吸收特性的非晶層。
圖7示出了使用150V偏置電壓時硅襯底13的剖面TEM圖像。形成了距表面13.5nm的深度的非晶層。在距表面3.2nm至6.4nm的深度范圍觀察到直徑小于6.4nm的孔隙(微孔隙)。孔隙是指由于存在微孔隙而與非晶層層其余部分相比密度低的部分。
此時的非晶硅層厚度微13.5nm。由于孔隙形成于非晶硅層內，因此通過選擇性地將雜質引入多孔區域可以形成具有陡的雜質濃度分布和良好結晶特性的精細雜質區域。
圖8示出了使用200V偏置電壓時硅襯底13的剖面TEM圖像。形成了距表面17.5nm的深度的非晶層。在距表面3.2nm至14.5nm的深度范圍觀察到直徑小于9.5nm的孔隙。從剖面TEM圖像可以看出，與使用150V偏置電壓的情形相比，孔隙呈現更清楚的輪廓。這可能是因為孔隙的密度已經被減小到低于晶體硅層的值。
此時的非晶硅層厚度微17.5nm。由于孔隙形成于非晶硅層內，因此通過選擇性地將雜質引入多孔區域可以形成具有陡的雜質濃度分布和良好結晶特性的精細雜質區域。
圖8示出了使用310V偏置電壓時硅襯底13的剖面TEM圖像。形成了距表面24nm的深度的非晶層。在距表面3.2nm至19nm的深度范圍觀察到直徑小于9.5nm的孔隙。從剖面TEM圖像可以看出，與使用200V偏置電壓的情形相比，孔隙呈現更清楚的輪廓。這可能是因為，與使用200V偏置電壓的情形相比，孔隙的密度已經減小到低于晶體硅層的值。此外，在非晶層和晶體硅層之間的界面形成損傷層。
此時的非晶硅層厚度微24nm。由于孔隙形成于非晶硅層內，因此通過選擇性地將雜質引入多孔區域可以形成具有陡的雜質濃度分布和良好結晶特性的精細雜質區域。
這樣，通過改變輻射氦等離子體工藝期間的偏置電壓，可以控制非晶層厚度、孔隙位置、孔隙直徑和孔隙密度。
<示例4>
(摻雜后(as-doped)SIMS分布的比較)接著將描述具有孔隙的非晶層對深度方向雜質分布的影響。
在真空腔15內，將等離子體輻射到作為待處理對象13的硅襯底。
在本示例中，等離子體源使用螺旋波等離子體源。
此外，非晶化工藝中使用氦氣，摻雜工藝中使用乙硼烷氣體。
首先，將氦等離子體輻射到硅襯底13。執行該等離子體輻射的條件為電源功率為1500W，壓力為0.9Pa，等離子體輻射時間為7秒，且偏置電壓為150V和250V。在停止等離子體輻射并對真空腔15抽真空之后，在不從真空腔15移出襯底的情況下，輻射乙硼烷和氦氣的混合氣體等離子體。使用濃度比例為5％的乙硼烷氣體和95％的氦氣的混合氣體。執行該等離子體輻射的條件為電源功率為1000W，壓力為2.5Pa，等離子體輻射時間為7秒，且偏置電壓為100V。在停止等離子體輻射并對真空腔15抽真空之后，使用氮氣凈化真空腔15，并從真空腔15移出襯底。
此外，制備未經氦等離子體輻射的樣品供比較。換而言之，第一次將乙硼烷和氦氣的混合氣體等離子體輻射到硅襯底13。使用濃度比例為5％的乙硼烷氣體和95％的氦氣的混合氣體。執行該等離子體輻射的條件為電源功率為1000W，壓力為2.5Pa，等離子體輻射時間為7秒，且偏置電壓為100V。在第一次停止等離子體輻射并對真空腔15抽真空之后，使用氮氣凈化真空腔15，并從真空腔15移出襯底。
接著，對整個樣品測量沿該移出的硅襯底13的深度方向的硼濃度的SIMS分布。
圖10示出了摻雜后SIMS分布。用實線表示的分布示出了對應于在下述條件下執行等離子體摻雜的情形的摻雜后SIMS分布使用5％的B2H6氣體和95％的氦氣的混合氣體而沒有氦的等離子體輻射，其條件為電源功率為1000W，壓力為0.9Pa，等離子體輻射時間為7秒，且偏置電壓為100V。用短劃線表示的分布示出了對應于在150V偏置電壓下輻射氦等離子體之后進行與上述相同的條件下的等離子體摻雜的情形的SIMS分布。用點線表示的分布示出了對應于在250V偏置電壓下輻射氦等離子體之后進行與上述相同的條件下的等離子體摻雜的情形的SIMS分布。
從在深度方向的硼濃度的SIMS分布獲得的結果表明，即使在相同的摻雜條件下，分布根據氦等離子體輻射的偏置電壓而變化。此外，當輻射氦等離子體時，與未輻射氦等離子體的情形相比，硼深地摻雜。當硼摻雜到對應于5E18cm-3硼濃度的深度時，該摻雜深度對應于由氦等離子體輻射形成的非晶層深度的50％至60％。
此外，隨著由氦等離子體輻射形成的非晶層的深度增加，摻雜深度增大。換而言之，當通過輻射氦等離子體形成13.5nm厚的非晶層時，硼的摻雜深度為8.1nm，而當通過輻射氦等離子體形成21.4nm厚的非晶層時，硼的摻雜深度為11.2nm。該結果與從使用離子注入的Ge預非晶化離子注入和硼離子注入組合使用而獲得的結果相反。對于離子注入的情形，通過使用Ge預非晶化離子注入而執行預非晶化，有利地防止了溝道效應。
換而言之，在Ge預非晶化離子注入中，報導了預非晶化使摻雜深度變淺。因此，本發明的實驗結果演示了這樣的可能性，即，當通過氦等離子體輻射在硅襯底內產生精細微膠囊時，通過將硼填充到孔隙內部而將硼選擇性地引入孔隙內。
基于分布的陡度對結果進行總結。使用當硼濃度從1E19cm-3改變為1E18cm-3時沿深度方向的距離表示該陡度。隨著距離減小，實現了更陡的分布。雜質濃度在p-n結的p區和n區之間的結邊界附近陡峭改變，這種更陡的分布是期望的。未經過氦等離子體輻射的樣品的陡度測量值為3.2nm/dec。相反，在150V偏置電壓下輻射氦等離子體之后經過等離子體摻雜的樣品的陡度的測量值為1.7nm/dec。此外，在250V偏置電壓下輻射氦等離子體之后經過等離子體摻雜的樣品的陡度的測量值為2.5nm/dec。由于執行氦等離子體輻射的情形分布的陡度增大，本發明的優點得到證明。
<示例5>
(氦等離子體輻射的偏置電壓對薄層電阻的影響)接著將描述氦等離子體輻射的偏置電壓與薄層電阻之間的關系。在真空腔15內，將等離子體輻射到作為待處理對象13的硅襯底。在本示例中，等離子體源使用螺旋波等離子體源。
此外還使用氦氣。
首先，將氦等離子體輻射到硅襯底13。執行該等離子體輻射的條件為壓力為0.9Pa，等離子體輻射時間為7秒，且偏置電壓為75V、150V、200V和250V。在停止等離子體輻射之后，對真空腔15抽真空5秒。接著輻射使用氦氣稀釋的B2H6的等離子體。
執行該等離子體輻射的條件為壓力為2.5Pa，等離子體輻射時間為7秒，且偏置電壓為100V。在停止等離子體輻射并對真空腔15抽真空之后，使用氮氣凈化真空腔15，并從真空腔15移出襯底。
此外，制備未經氦等離子體輻射的樣品供比較。換而言之，第一次將乙硼烷和氦氣的混合氣體等離子體輻射到硅襯底13。執行該等離子體輻射的條件為壓力為2.5Pa，等離子體輻射時間為7秒，且偏置電壓為100V。在停止等離子體輻射并對真空腔15抽真空之后，使用氮氣凈化真空腔15，并從真空腔15移出襯底。
接著，通過使用快速熱退火(RTA)以12℃/sec的升溫速率和6℃/sec的降溫速率，在900℃對所有樣品執行熱處理。溫度在900℃維持零(0)秒。在熱處理之后，使用四探針方法測量薄層電阻。
硼的劑量約為2×1015cm-2，且對所有樣品采用基本上相同的劑量。
圖11示出了氦等離子體輻射的偏置電壓與薄層電阻之間的關系。當不執行氦等離子體輻射時，即，當執行僅使用氦氣稀釋的B2H6氣體的等離子體輻射時，薄層電阻測量值為1934ohm/sq。通過在150V的偏置電壓執行氦等離子體輻射作為預處理，薄層電阻降低到1570ohm/sq。薄層電阻的降低量為19％。然而當氦等離子體輻射的偏置電壓超過薄層電阻成為最小的點時，薄層電阻急劇增大。換而言之，當氦等離子體輻射的偏置電壓增大到200V時，薄層電阻為1815ohm/sq，高于偏置電壓為150V的情形。
<示例6>
(氦等離子體輻射的偏置電壓對結深度的影響)接著將描述氦等離子體輻射的偏置電壓與薄層電阻之間的關系。
在本示例中，等離子體源使用螺旋波等離子體源。
此外還使用氦氣。
首先，將氦等離子體輻射到硅襯底13。執行該等離子體輻射的條件為壓力為0.9Pa，等離子體輻射時間為7秒，且偏置電壓為75V、150V、200V和250V。在停止等離子體輻射之后，對真空腔15抽真空5秒。接著輻射使用氦氣稀釋的B2H6的等離子體。執行該等離子體輻射的條件為壓力為2.5Pa，等離子體輻射時間為7秒，且偏置電壓為200V。在停止等離子體輻射并對真空腔15抽真空之后，使用氮氣凈化真空腔15，并從真空腔15移出襯底。
此外，制備未經氦等離子體輻射的樣品供比較。換而言之，第一次將乙硼烷和氦氣的混合氣體等離子體輻射到硅襯底13。
執行該等離子體輻射的條件為壓力為2.5Pa，等離子體輻射時間為7秒，且偏置電壓為200V。在停止等離子體輻射并對真空腔15抽真空之后，使用氮氣凈化真空腔15，并從真空腔15移出襯底。
接著，通過使用尖峰快速熱退火(RTA)以200℃/sec的升溫速率和52℃/sec的降溫速率，在1000℃對所有樣品執行熱處理。溫度在1000℃維持零(0)秒。在熱處理之后，使用四探針方法測量薄層電阻。此外，測量所有樣品在該熱處理之后的SIMS分布。
硼的劑量約為2×1015cm-2，且對所有樣品采用基本上相同的劑量。
從上述結果，通過以小于150V的偏置電壓輻射非活性等離子體作為雜質引入的預處理，從而形成深度范圍為4.5nm至19nm的非晶層，由此可以形成具有低的不規則度的低電阻雜質區域。
此外，測量了氦等離子體輻射的偏置電壓與結深度Xj之間的關系。
圖12示出了氦等離子體輻射的偏置電壓與結深度Xj之間關系的測量結果。在圖12中還示出了薄層電阻。當在150V的偏置電壓下執行氦等離子體輻射作為預處理時，薄層電阻最低。相反，當硼濃度為1E18cm-2時，所有樣品的結深度基本上相同。
這樣，氦等離子體輻射存在最佳的偏置電壓，其中即使在相同的硼劑量下，薄層電阻變得最低而不改變結深度。
<示例7>
(氦等離子體輻射使用的氣體類型對非晶層深度的影響)接著將描述，通過輻射等離子體使硅晶體非晶化時，等離子體的元素的原子量與非晶層深度之間的關系。
在真空腔15內，將等離子體輻射到作為待處理對象13的硅襯底。
在本示例中，等離子體源使用螺旋波等離子體源和ICP等離子體源。
此外還使用氦氣、氮氣、氧氣、氬氣和氙氣。
首先，將使用螺旋波等離子體源的等離子體輻射到硅襯底13。分別使用氦、氮、氧、氬和氙的等離子體。執行等離子體輻射的條件為壓力為0.9至2.5Pa，等離子體輻射時間為7至60秒，且偏置電壓為75V至310V。在第一次停止等離子體輻射并對真空腔15抽真空之后，使用氮氣凈化真空腔15，并從真空腔15移出襯底。
類似地，使用ICP等離子體源制備樣品。使用一種配備了ICP等離子體源的裝置，該裝置的形狀和尺寸不同于配備了螺旋波等離子體源的裝置。換而言之，通過替換等離子體源和腔體進行實驗。首先，將等離子體輻射到硅襯底13。分別使用氦、氮、氧、氬和氙的等離子體。執行等離子體輻射的條件為壓力為1.0至3.0Pa，等離子體輻射時間為7至30秒，且偏置電壓為490V至900V。在第一次停止等離子體輻射并對真空腔15抽真空之后，使用氮氣凈化真空腔15，并從真空腔15移出襯底。
使用橢圓光度法測量所有樣品的非晶層的深度。
圖13示出了等離子體的元素的原子量與非晶層深度之間的關系。在圖13中，用×表示的點表示與配備了螺旋波等離子體源的真空裝置相對應的結果，而用實心圓表示的點表示與配備了ICP等離子體源的真空裝置相對應的結果，與較小原子量的元素相比，非晶層的深度隨著所使用元素的原子量的增大而減小，而無論真空裝置和等離子體源的類型如何。此外，可以看出，可形成的非晶層的深度范圍很大程度上取決于元素類型。
具體而言，當使用氦等離子體時，其適用于形成深度范圍為7nm至32nm的非晶層，優選地為7nm至27nm。此外，當使用氮等離子體時，其適用于形成深度范圍為2nm至10nm的非晶層，優選地為4.5nm至10nm。另外，當使用氧等離子體時，其適用于形成深度范圍為4nm至7.2nm的非晶層。另外，當使用氬等離子體時，其適用于形成深度范圍為2nm至4.7nm的非晶層。此外，當使用氙等離子體時，其適用于形成深度小于2.1nm的非晶層。當期望形成與上述范圍不同的非晶層時，產生以下問題。當期望形成深度范圍淺于使用某一元素的指定范圍的非晶層時，應該將偏置電壓降低到低于可控水平的值，由此使得難以控制偏置電壓。同時，當期望形成深度范圍淺于使用某一元素的指定范圍的非晶層時，應該施加高的偏置電壓，由此偏置電壓源的尺寸增大或者施加于偏置電壓源或該設備的絕緣單元的負載變大。
假設Y(u)代表組成非晶層的元素的原子量，X(nm)代表非晶層的深度，則適用于該元素的非晶層深度范圍可以由圖13中式1和2界定的范圍表達。
式1Y＞121.37exp(-0.481X)式2Y＜270.87X-1·2684通過對式1和2求解X，得到式3。
式3-(1/0.481)·ln(Y/121.37)＜X＜(Y/270.87)-(1/1.2684)通過從式3選擇用于等離子體輻射的元素，可以選擇非晶層的深度而不增加該設備的尺寸或者施加于該設備的負載。
相反，通過選擇非晶層的深度，可以選擇用于等離子體輻射的元素而不增加該設備的尺寸或者施加于該設備的負載。
例如，當使用氫等離子體時，期望形成深度范圍為10nm至82nm的非晶層。相反，當期望形成深度范圍為10nm至82nm的非晶層時，則期望使用氫等離子體。
類似地，當使用氖等離子體時，期望形成深度范圍為3.7nm至7.7nm的非晶層。此外，當使用氪等離子體時，期望形成深度小于2.5nm的非晶層。另外，當使用氡等離子體時，期望形成深度小于1.2nm的非晶層。
此外，當使用包含硅的等離子體時，則期望形成深度范圍為3nm至6nm的非晶層。另外，當使用包含鍺的等離子體時，則期望形成深度范圍為1.1nm至2.8nm的非晶層。此外，當使用包含硼的等離子體時，則期望形成深度范圍為5nm至12.7nm的非晶層。此外，當使用包含磷的等離子體時，則期望形成深度范圍為2.8nm至5.5nm的非晶層。此外，當使用包含砷的等離子體時，則期望形成深度范圍為1nm至2.8nm的非晶層。
由于這些范圍很大程度上取決于元素的原子量，在直接暴露于等離子體和被暴露于離子簇射的情況下被認為是有效的。
<示例8>
(使用其他類型稀有氣體的混合氣體的等離子體輻射進行非晶化)在真空腔15內，將等離子體輻射到作為待處理對象13的硅襯底。
在本示例中，等離子體源使用螺旋波等離子體源。
此外還使用氦氣和氬氣的混合氣體。從混合物比例的角度，使用了濃度比例為99％的氦氣和1％的氬氣的混合氣體、99％的氦氣和1％的氬氣的混合氣體、以及90％的氦氣和10％的氬氣的混合氣體。
首先，將氦等離子體輻射到硅襯底13。執行等離子體輻射的條件為電源功率為1500W，壓力為0.9Pa，等離子體輻射時間為7秒，且偏置電壓為75V、150V和200V。在第一次停止等離子體輻射并對真空腔15抽真空之后，使用氮氣凈化真空腔15，并從真空腔15移出襯底。使用橢圓光度法測量該非晶層的深度。
圖14示出了通過輻射氦氣、Ar和He混合氣體、和氮氣的等離子體進行非晶化的偏置電壓與非晶層厚度之間的關系。當通過輻射氦氣等離子體而執行非晶化時，在75至200V的偏置電壓范圍中形成的非晶層的厚度范圍為8nm至18nm；而當通過輻射99％的He和1％的Ar的混合氣體等離子體而執行非晶化時，非晶層的厚度范圍為8nm至15nm。當通過輻射90％的He和10％的Ar的混合氣體等離子體而執行非晶化時，非晶層的厚度范圍為3.8nm至7.5nm。這樣，通過將Ar與He混合，可以改變可形成的非晶層的厚度范圍。
圖15示出了在使用Ar和He混合氣體等離子體輻射進行非晶化時，當氬氣和氦氣的混合比例改變時，Ar的混合比例與非晶層厚度之間的關系。氬氣與氦氣的混合比例為0％/100％(Ar/He)、1％/99％和10％/90％。采用了75V、150V和200V的偏置電壓和7秒的等離子體輻射時間。該關系表明，通過改變氬氣和氦氣混合比例可以改變非晶層的厚度。非晶層厚度的改變由通過改變氬氣和氦氣的混合比例來改變等離子體的元素的等效原子量而引起。具體而言，盡管氦的原子量為4.0且氬的原子量約為39.9，但是通過混合這兩種元素而可以獲得與使用原子量介于4.0至39.9的元素等效的效果。因此，通過改變氬氣和氦氣的混合比例，可以改變等效原子量。
<示例9>
(使用不同類型稀有氣體的混合氣體的等離子體輻射進行非晶化對薄層電阻的影響)在真空腔15內，將等離子體輻射到作為待處理對象13的硅襯底。
在本示例中，等離子體源使用螺旋波等離子體源。
此外還使用氦氣和氬氣的混合氣體。濃度比例的混合物比例99％的氦氣和1％的氬氣、99％的氦氣和1％的氬氣、以及90％的氦氣和10％的氬氣。為了比較，還使用純氦氣和純氮氣執行非晶化。
在摻雜工藝中使用了用氦氣稀釋的乙硼烷氣體的混合氣體。
首先，將氦等離子體輻射到硅襯底13。執行等離子體輻射的條件為電源功率為1500W，壓力為0.9Pa，等離子體輻射時間為7秒，且偏置電壓為75V、150V和200V。在停止等離子體輻射并對真空腔15抽真空之后，輻射使用乙硼烷和氦氣的混合氣體等離子體，并不從真空腔15移出硅襯底13。使用濃度比例為5％的乙硼烷氣體和95％的氦氣的混合氣體。執行等離子體輻射的條件為電源功率為1000W，壓力為2.5Pa，等離子體輻射時間為7秒，且偏置電壓為100V。在停止等離子體輻射并對真空腔15抽真空之后，使用氮氣凈化真空腔15，并從真空腔15移出襯底。
此外，制備未經等離子體輻射的樣品供比較。換而言之，第一次將乙硼烷和氦氣的混合氣體等離子體輻射到硅襯底13。使用濃度比例為5％的乙硼烷氣體和95％的氦氣的混合氣體。執行該等離子體輻射的條件為電源功率為1000W，壓力為2.5Pa，等離子體輻射時間為7秒，且偏置電壓為100V。在第一次停止等離子體輻射并對真空腔15抽真空之后，使用氮氣凈化真空腔15，并從真空腔15移出襯底。
所有樣品在900℃下RTA處理0秒，使用四探針方法測量薄層電阻。
圖16示出了通過一個實驗制備的p型層的薄層電阻，在該實驗中，通過輻射氬和氦的混合氣體等離子體執行非晶化，使用乙硼烷和氦的混合氣體執行等離子體摻雜，并使所得的襯底經過RTA處理，而與之相比，p型層通過一個實驗制備，在該實驗中，通過輻射氦等離子體執行非晶化，使用乙硼烷和氦的混合氣體執行等離子體摻雜，并使所得的襯底經過RTA處理。在氦等離子體輻射進行的非晶化中，當偏置電壓為200V時，薄層電阻與偏置電壓為150V的情形相比增大。相反，在通過氦和氬混合氣體等離子體輻射進行的非晶化中，薄層電阻隨著偏置電壓增大而降低。因此認為通過增大偏置電壓可以進一步降低薄層電阻。當執行非晶化的等離子體輻射的偏置電壓為200V時，通過輻射99％氦和1％氬的混合氣體等離子體執行非晶化得到的薄層電阻低于通過輻射純氦等離子體執行非晶化得到的薄層電阻，盡管在前一種情形中獲得的非晶層的厚度比后一種情形的厚度小2.8nm。因此，當使用氦和氬的混合氣體時，與使用氦氣的情形相比可以容易地降低薄層電阻。
<示例10>
(采用氦氣嚴重稀釋的B2H6氣體的等離子體輻射執行非晶化以及等離子體摻雜)接著將描述同時執行硼摻雜和非晶化的情形。
在真空腔15內，將等離子體輻射到作為待處理對象13的硅襯底。
在本示例中，等離子體源使用螺旋波等離子體源。
此外還使用氦和乙硼烷的混合氣體。混合物比例的濃度比例變化范圍為95％的氦氣和5％的乙硼烷氣體到99.975％的氦氣和0.025％的乙硼烷氣體。
首先，將氦等離子體輻射到硅襯底13。執行等離子體輻射的條件為電源功率為1500W，壓力為0.9Pa，等離子體輻射時間為7秒、30秒和60秒，且偏置電壓為60V。在第一次停止等離子體輻射并對真空腔15抽真空之后，使用氮氣凈化真空腔15，并從真空腔15移出襯底。
對于所有樣品，使用橢圓光度法測量非晶層的厚度，并測量對530nm波長的光的光學吸收系數。使用SIMS測量硼的劑量。
圖17示出了，當通過改變B2H6和He混合氣體中B2H6的比例執行等離子體摻雜時，B2H6氣體濃度和對530nm波長的光的光學吸收系數之間的關系。當使用純He氣體等離子體輻射執行非晶化時，光學吸收系數達到最高值。此外，在B2H6和He混合氣體從0.025％/99.975％(B2H6/He)到0.1％/99.9％的濃度范圍內，光學吸收系數變化不大。然而，當B2H6氣體的濃度增大到高于0.1％的水平時，光學吸收系數隨B2H6氣體濃度增大而減小。例如，實驗中使用濃度比例為5％的B2H6和95％的He的混合氣體制備的非晶層的光學吸收系數降低到為使用0.1％的B2H6和99.9％的He混合氣體獲得的光學吸收系數的55％對應的水平，降低到為使用純He氣體(即100％的He)獲得的光學吸收系數的46％對應的水平。然而可以看出，即使在使用濃度比例為5％的B2H6和95％的He的混合氣體的情形中獲得的非晶層的光學吸收系數仍為晶體硅(c-Si)襯底的情形中獲得的光學吸收系數的6.3倍大。
圖18示出了，當通過改變B2H6和He混合氣體中B2H6的比例執行等離子體摻雜時非晶層的厚度變化。可以看出，非晶層的厚度基本上等于通過輻射純He氣體執行非晶化的情形中獲得的非晶層厚度。更具體而言，在使用濃度比例為0.1％的B2H6和99.9％的He的混合氣體的情形中，非晶層的厚度達到最大值。然而，隨著B2H6濃度的增大或減小，非晶層的厚度可能降低。換而言之，當期望同時執行等離子體摻雜和非晶化時，期望在0.05％/99.95％(B2H6/He)至0.1％/99.9％的濃度比例范圍內混合B2H6和氦氣。
即使在非晶層厚度相同的情況下當B2H6氣體的濃度增大到高于0.1％的水平時，光學吸收系數降低的原因認為可歸結于非晶態的減少。換而言之，隨著B2H6氣體濃度減小和He濃度增大，晶體可能去晶化(de-crystallized)。因此，為了形成具有高的光學吸收系數的非晶層，則期望B2H6氣體的濃度低于1％且氦氣的濃度高于99.9％。
圖19示出了當B2H6氣體和氦氣混合比例改變時硼劑量的變化。當B2H6氣體的濃度低于0.1％時，硼的劑量減小。在等離子體輻射時間為7秒的情形，獲得了B2H6濃度范圍為0.025％至0.1％時B2H6氣體濃度與硼劑量之間的關系。可以使用式4表達該關系，其中Z(％)代表B2H6氣體的濃度，W(cm-2)代表硼的劑量。
式4W＝1016·Z1.1554通過將該關系外推到B2H6氣體濃度低于0.025％的區域，可以計算出為了獲得期望劑量的硼所需的B2H6氣體的濃度。換而言之，當期望使用高于1E14cm-2的硼劑量時，則期望將B2H6氣體濃度設置為高于0.02％的水平。此外，當期望使用高于1E13cm-2的硼劑量時，則期望將B2H6氣體濃度設置為高于0.0026％的水平。另外，當期望使用高于1E12cm-2的硼劑量時，則期望將B2H6氣體濃度設置為高于0.00035％的水平。此外，當期望使用高于1E11cm-2的硼劑量時，則期望將B2H6氣體濃度設置為高于0.00005％的水平。
為了增大硼的劑量，可以增大等離子體輻射時間。在等離子體輻射時間為30秒的情形，該劑量為使用7秒等離子體輻射時間的3倍大。在等離子體輻射時間為60秒的情形，該劑量為使用7秒等離子體輻射時間的5倍大。然而，由于以約0.08nm/sec的速率進行濺射，在輻射30秒時除去了硅襯底的2.4nm厚的層，在輻射60秒時除去了硅襯底的5nm厚的層。鑒于對裝置的影響，認為少量的濺射是有益的，30秒的輻射太長。因此出現這樣的可能性，即，B2H6氣體的濃度下限相對于期望劑量的下限沿B2H6氣體濃度減小1/3的方向偏移1/3。然而，B2H6氣體的濃度下限相對于期望劑量的下限偏移不超過1/3。此外，由于當等離子體輻射時間短時不是在穩定的偏置電壓下執行等離子體輻射，因此期望輻射等離子體的時間超過5秒，優選地大于7秒。
因此，在通過輻射B2H6氣體和氦氣的混合氣體等離子體與非晶化同時執行硼摻雜，從而將光學吸收系數維持在高水平，則期望將B2H6氣體濃度設置為低于0.1％。為了滿足濺射的允許范圍并保證硼的劑量，當期望將硼劑量維持在1E14cm-2時，則期望將B2H6氣體濃度設置為高于0.02％的水平。此外，當期望將硼劑量維持在1E13cm-2時，則期望將B2H6氣體濃度設置為高于0.0026％的水平。另外，當期望將硼劑量維持在1E12cm-2時，則期望將B2H6氣體濃度設置為高于0.00035％的水平。此外，當期望將硼劑量維持在1E11cm-2時，則期望將B2H6氣體濃度設置為高于0.00005％的水平。
<示例11>
(通過控制等離子體輻射形成的非晶層的深度的結深度控制)接著將描述通過改變等離子體輻射形成的非晶層的深度而改變結深度的方法。
在真空腔15內，將等離子體輻射到作為待處理對象13的硅襯底。
在本示例中，等離子體源使用螺旋波等離子體源。
此外還使用氦氣。
首先，將氦等離子體輻射到硅襯底13。通過改變偏置電壓形成具有6.5nm和19.5nm不同深度的非晶層。在停止等離子體輻射并對真空腔15抽真空5秒之后，輻射使用氦氣稀釋的B2H6的等離子體。在停止等離子體輻射并對真空腔15抽真空之后，使用氮氣凈化真空腔15，并從真空腔15移出襯底。
接著，將0.53μm波長的激光輻射到兩種類型的樣品100ns。激光的能量密度為1500mJ/cm2。
此外，對所有樣品測量硼的SIMS分布。
在通過氦等離子體輻射的非晶層的深度為6.5nm的情形，經過激光退火之后該樣品的結深度為16.5nm。另外，在通過氦等離子體輻射的非晶層的深度為19.5nm的情形，經過激光退火之后該樣品的結深度為33nm。由于在退火時硅襯底內非晶部分中硼的擴散系數大于硅襯底內晶體部分，隨著退火之前非晶層的深度增加，則硼可能深地擴散。因此，即使摻雜和退火條件相同，仍可以通過改變非晶層深度而改變結深度。
示范性實施方式4(使用離子簇射設備的雜質摻雜)接著將描述使用離子簇射設備的雜質摻雜。
當摻雜雜質時，通過使用離子簇射設備可以同時執行非晶化和硼摻雜，盡管該離子簇射設備提供低水平的非晶化。
圖20為示出了用于本發明第四示范性實施方式的離子簇射設備的基本部分的剖面視圖。該設備包括腔20內的等離子體發生單元P。通過網格M(在本示例中為硅柵格)將離子從等離子體發生單元P內產生的等離子體內拉出，由此將離子輻射(離子簇射)到作為待處理襯底13的固態基體表面。換而言之，通過施加于網格M的電壓將離子從等離子體拉出，從而將離子輻射到該固態基體。
在等離子體的情形，自由基和氣體以及該離子碰撞到固態基體內。同時，在離子簇射方法中，僅離子碰撞到固態基體內。在直接輻射等離子體的情形單位時間內碰撞到固態基體的物質的數量大于離子簇射方法中獲得的數量。因此，與直接等離子體輻射方法的情形相比，離子簇射方法內的非晶化降低。然而，由于未執行質譜測量，碰撞到固態基體的離子的數量大于離子簇射方法中獲得的數量。
如上所述，即使在使用離子簇射方法的情形，仍可以通過使用具有小原子量的元素例如氦實現淺非晶化。此外，還可以通過使用本發明中揭示的稀有氣體實現非晶化，并與該非晶化同時執行硼摻雜。
工業適用性如前所述，根據本發明，由于可以高精度地形成淺結，因此可以有效地將其應用于微裝置。此外，由于可以將形成區域定義至更精細的范圍，因此本發明可以應用于例如量子裝置的更為精細的裝置。
權利要求
1.一種雜質引入方法，包括第一步驟，通過使由在半導體層內是電學非活性的粒子組成的等離子體與包含所述半導體層的固態基體的表面反應，由此使所述半導體層表面成為非晶；以及第二步驟，將雜質引入到所述固態基體的表面。
2.根據權利要求1的雜質引入方法，其中所述第一步驟為對所述半導體層的表面輻射等離子體的步驟。
3.根據權利要求1的雜質引入方法，其中所述第一步驟為將等離子體通過網格引導到所述半導體層表面而將離子輻射到所述半導體層表面的步驟。
4.根據權利要求1至3中任何一項的雜質引入方法，其中在執行所述第一步驟之后，通過執行所述第二步驟，在包括所述半導體層的固態基體表面上形成具有精細孔隙的非晶層，且在所述非晶層內引入雜質以形成雜質引入層。
5.根據權利要求1至3中任何一項的雜質引入方法，其中在執行所述第二步驟之后，通過執行所述第一步驟，將雜質引入到包括所述半導體層的固態基體表面以形成雜質引入層，且將在所述半導體層內為電學非活性的粒子組成的等離子體輻射到所述雜質引入區域以形成非晶層。
6.根據權利要求1至3中任何一項的雜質引入方法，其中所述第二步驟與第一步驟同時執行。
7.根據權利要求1至6中任何一項的雜質引入方法，其中所述電學非活性等離子體為氦等離子體。
8.根據權利要求7的雜質引入方法，其中在所述第二步驟，使用氦稀釋的在所述半導體內為電學非活性的雜質的等離子體被輻射到所述固態硅基體的表面。
9.根據權利要求4的雜質引入方法，其中所述孔隙的直徑小于8nm。
10.根據權利要求1至9中任何一項的雜質引入方法，進一步包括在所述第一步驟和第二步驟之后的退火步驟，其中所述退火步驟為電學激活所述雜質的步驟。
11.根據權利要求1至10中任何一項的雜質引入方法，其中所述第一步驟為形成深度為19nm以下的非晶層的步驟。
12.根據權利要求1至10中任何一項的雜質引入方法，其中所述第一步驟為形成深度為5nm以上的非晶層的步驟。
13.根據權利要求1至12中任何一項的雜質引入方法，其中所述第二步驟為等離子體摻雜所述雜質的步驟。
14.根據權利要求1至13中任何一項的雜質引入方法，其中所述第二步驟為將來自等離子體的雜質離子供給通過所述網格的步驟。
15.根據權利要求1至13中任何一項的雜質引入方法，其中所述第二步驟為離子注入所述雜質的步驟。
16.根據權利要求1至13中任何一項的雜質引入方法，其中所述第二步驟為氣相摻雜所述雜質的步驟。
17.根據權利要求1至6中任何一項的雜質引入方法，其中在相同的工藝腔體內作為順序工藝原位地執行所述第一和第二步驟。
18.根據權利要求12至16中任何一項的雜質引入方法，其中所述固態基體為硅，所述第一步驟為通過改變與將輻射到固態基體表面的等離子體有關的偏置電壓、輻射時間、偏置功率和外層電壓中的至少一個條件，由此控制所述非晶層厚度的步驟。
19.根據權利要求1至18中任何一項的雜質引入方法，其中所述第一步驟包括輻射由稀有氣體中至少一種元素組成的等離子體的步驟。
20.根據權利要求1至18中任何一項的雜質引入方法，其中所述第一步驟包括輻射包括氦的等離子體的步驟。
21.根據權利要求20的雜質引入方法，其中所述第一步驟與所述第二步驟同時執行，且所述第一步驟包括輻射包括氦氣濃度范圍為99％至99.999％的等離子體。
22.根據權利要求1至18中任何一項的雜質引入方法，其中所述第一步驟包括輻射包括氖的等離子體的步驟。
23.根據權利要求1至18中任何一項的雜質引入方法，其中所述第一步驟包括輻射包括氬的等離子體的步驟。
24.根據權利要求1至18中任何一項的雜質引入方法，其中所述第一步驟包括輻射包括氪的等離子體的步驟。
25.根據權利要求1至18中任何一項的雜質引入方法，其中所述第一步驟包括輻射包括氙的等離子體的步驟。
26.根據權利要求1至18中任何一項的雜質引入方法，其中所述第一步驟包括輻射包括氡的等離子體的步驟。
27.根據權利要求2的雜質引入方法，其中所述第一步驟包括形成至深度X的非晶層的步驟，其中X由下式表示-(1/0.481)·In(Y/121.37)＜X＜(Y/270.87)-(1/1.2684)其中Y(單位為′u′)表示組成所述非晶層的元素的原子量，X(單位為′nm′)表示所述非晶層的深度。
28.根據權利要求6的雜質引入方法，其中所述第一步驟和所述第二步驟同時執行，且該方法包括通過輻射具有濃度范圍為0.001％至1.0％的B2H6氣體的等離子體而形成所述雜質引入層的步驟。
29.根據權利要求28的雜質引入方法，其中形成所述雜質引入層的步驟包括，通過輻射具有濃度范圍為0.001％至1.0％的B2H6氣體的He等離子體而形成所述雜質引入層的步驟。
30.根據權利要求1至18中任何一項的雜質引入方法，其中所述第一步驟包括輻射包括氫的等離子體的步驟。
全文摘要
本發明提供了一種能夠有效地實現淺雜質引入的引入方法。該雜質引入方法包括第一步驟，通過使由在半導體層內是電學非活性的粒子組成的等離子體與包括所述半導體層的固態基體的表面反應，由此使所述半導體層表面成為非晶；以及第二步驟，將雜質引入到所述固態基體的表面。在執行所述第一步驟之后，通過執行所述第二步驟，在包括所述半導體層的固態基體表面上形成具有精細孔隙的非晶層，且在所述非晶層內引入雜質以形成雜質引入層。
文檔編號H01J37/32GK1993806SQ20058002645
公開日2007年7月4日 申請日期2005年5月31日 優先權日2004年6月4日
發明者佐佐木雄一朗, 水野文二, 岡下勝己, 金成國, 伊藤裕之 申請人:松下電器產業株式會社