專利名稱：引入雜質(zhì)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雜質(zhì)引入的方法，更具體地涉及在制造半導(dǎo)體裝置等過程中引入雜質(zhì)的方法。
背景技術(shù)：
由于裝置領(lǐng)域中更精細(xì)裝置技術(shù)最近的發(fā)展，要求形成更淺分布(profile)的結(jié)。低能離子注入是形成淺結(jié)的已知方法。低能離子注入技術(shù)是使用非常高的電壓將離子驅(qū)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(xiàn)低能注入。這種技術(shù)已經(jīng)成功地在淺至幾十nm的分布內(nèi)提供雜質(zhì)層；而且該層已經(jīng)在半導(dǎo)體裝置工業(yè)中付諸實踐。
作為在更淺分布內(nèi)形成結(jié)的新技術(shù)，等離子體摻雜技術(shù)正引起人們的關(guān)注。等離子體摻雜技術(shù)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(zhì)引入到待處理對象(例如半導(dǎo)體襯底)表面內(nèi)的技術(shù)。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(zhì)層形成為淺分布的手段。根據(jù)實驗報告，已經(jīng)形成了十幾nm至幾十nm的淺結(jié)。
非專利文獻(xiàn)1揭示了實現(xiàn)最淺的P型結(jié)的實驗結(jié)果；根據(jù)該結(jié)果，結(jié)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(xiàn)2、(2)非專利文獻(xiàn)3、(3)非專利文獻(xiàn)4和其他公開。根據(jù)該方法，在氫氣常壓氣氛下加熱半導(dǎo)體襯底，并向襯底供給B2H6、PH3以提供P型和N型的雜質(zhì)擴(kuò)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(zhì)，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(xiàn)5報導(dǎo)了形成高濃度淺結(jié)的實驗結(jié)果，其中將半導(dǎo)體襯底加熱到900℃，并供給1ppm的B2H6氣體40秒。根據(jù)該實驗結(jié)果，硼濃度為1×1018cm-3的深度定義為結(jié)深度且該結(jié)深度約為7nm，該結(jié)果與上述水平相同。
另外，非專利文獻(xiàn)6揭示了一種在室溫下執(zhí)行氣相摻雜方法的技術(shù)。這些方法為，當(dāng)材料被引入到例如氧化物的膜附著于其表面的固態(tài)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(jù)該報導(dǎo)，雜質(zhì)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(shù)或者低能離子注入技術(shù)，最近已經(jīng)報導(dǎo)了形成十幾nm至幾十nm的淺結(jié)的實驗。獲得最淺P型結(jié)的目前實驗形成了約7nm的淺雜質(zhì)層。然而，根據(jù)裝置的進(jìn)一步微型化，需要一種更簡單地形成低電阻的更淺雜質(zhì)層的方法。
作為滿足上述需求的一種技術(shù)，由于等離子體摻雜技術(shù)可以通過小的加速能量將粒子引入半導(dǎo)體襯底，等離子體摻雜技術(shù)可以形成比離子注入技術(shù)淺的引入層。然而，盡管該技術(shù)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(nèi)。然而，人們認(rèn)為，由于自由基是活性的，其與襯底表面反應(yīng)并被引入到襯底內(nèi)。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(nèi)并與襯底表面反應(yīng)的技術(shù)，其中該摻雜劑不具有加速能量。這些技術(shù)被認(rèn)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(shù)。
例如，離子注入鍺或硅的方法被公知為一種將半導(dǎo)體襯底的晶體硅形成為非晶的技術(shù)。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(zhì)、且隨后退火的工藝。在離子注入雜質(zhì)之前形成非晶的下述優(yōu)點是已知的(1)在離子注入中難以將例如硼的小雜質(zhì)深地引入；以及(2)通過退火可以有效地激活雜質(zhì)，因為非晶硅具有高于晶體硅的吸收系數(shù)。
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(fù)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(shù)，執(zhí)行該技術(shù)作為引入雜質(zhì)的預(yù)處理。在非專利文獻(xiàn)7中，本發(fā)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(zhì)的硼的技術(shù)。此外，非專利文獻(xiàn)8揭示了通過對硅襯底輻射氫等離子體而形成25nm厚的嚴(yán)重?fù)p傷層的結(jié)果。在上述技術(shù)中，報導(dǎo)了通過在300℃退火5分鐘，低溫恢復(fù)了該嚴(yán)重?fù)p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(xiàn)9揭示了通過對硅襯底輻射氦等離子體而在硅襯底內(nèi)形成孔隙的技術(shù)。根據(jù)該技術(shù)，報導(dǎo)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(nèi)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(xiàn)還揭示了在20nm至100nm之間深度范圍內(nèi)形成的孔隙的剖面透射電鏡照片。該文獻(xiàn)還揭示了該孔隙的直徑為16nm或20nm。
以下為相關(guān)技術(shù)的上述示例非專利文獻(xiàn)1Technical Digest of Symposium on VLSI Technology，Honolulu，P.110(2000)；非專利文獻(xiàn)2International Workshop on Junction Technology(IWJT)，P.19(2000)；非專利文獻(xiàn)3J.Vac.Sci.Technol.A16，P.1(1998)；非專利文獻(xiàn)4Silicon Technology(No.39 18th June，2002)；非專利文獻(xiàn)5Silicon Technology(No.39，18th June，2002)；非專利文獻(xiàn)6International Workshop on Junction Technology(IWJT)，P.39-40(2000)；非專利文獻(xiàn)7International Workshop on Junction Technology(IWJT)，P.46-49(2000)；非專利文獻(xiàn)8International Workshop on Junction Technology(IWJT)，P.54-57(2000)；以及非專利文獻(xiàn)9Handbook of Plasma Immersion Ion Implantation andDeposition，p.663-666.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)方法，難以高精度地形成淺結(jié)。
因此，本發(fā)明提供了一種用于有效地將雜質(zhì)引入小的深度的技術(shù)。解決問題的手段一種根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)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(dǎo)體層內(nèi)是電學(xué)非活性的粒子組成的等離子體與包括該半導(dǎo)體層的固態(tài)基體的表面反應(yīng)，由此使該半導(dǎo)體層表面成為非晶；以及第二步驟，將雜質(zhì)引入到該固態(tài)基體的表面。
根據(jù)上述方法，當(dāng)引入該雜質(zhì)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(xué)吸收特性的淺非晶層而不影響該半導(dǎo)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(kuò)散，因此可以恢復(fù)結(jié)晶度。
根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)引入方法的特征在于該第一步驟包括對該半導(dǎo)體層的表面輻射等離子體的步驟。
根據(jù)上述方法，可以通過輻射非活性等離子體而有效地實現(xiàn)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(yīng)。因此，可以降低或者抑制電學(xué)影響。由于在等離子體內(nèi)難以形成自由基，等離子體幾乎不與構(gòu)成固態(tài)基體的元素例如硅反應(yīng)。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(guān)。
根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)引入方法的特征在于該第一步驟包括，將等離子體通過網(wǎng)格(mesh)引導(dǎo)到半導(dǎo)體層表面而將離子輻射到半導(dǎo)體層表面的步驟。
根據(jù)上述方法，將等離子體通過具有預(yù)定電勢的網(wǎng)格輻射到半導(dǎo)體層表面，執(zhí)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(xiàn)非晶化。在上述方法中，由于未執(zhí)行離子質(zhì)譜分析，輻射到固態(tài)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(yuǎn)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(xiàn)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(xiàn)非晶化。
根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)引入方法的特征在于在執(zhí)行該第一步驟之后，通過執(zhí)行該第二步驟，在包括該半導(dǎo)體層的固態(tài)基體表面上形成具有精細(xì)孔隙的非晶層，且在該非晶層內(nèi)引入雜質(zhì)以形成雜質(zhì)引入層。
根據(jù)上述方法，由于選擇性地將雜質(zhì)引入孔隙，因此可以使雜質(zhì)引入?yún)^(qū)域即雜質(zhì)被俘獲的區(qū)域變窄。因此，由于可以降低具有孔隙的區(qū)域與沒有孔隙的區(qū)域之間雜質(zhì)濃度的陡峭差異，因此可以提高該雜質(zhì)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(jié)界面附近的雜質(zhì)濃度。
根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)引入方法的特征在于在執(zhí)行該第二步驟之后，通過執(zhí)行該第一步驟，將雜質(zhì)引入到包括該半導(dǎo)體層的固態(tài)基體表面以形成雜質(zhì)引入層，且將在該半導(dǎo)體層內(nèi)為電學(xué)非活性的粒子組成的等離子體輻射到該雜質(zhì)引入?yún)^(qū)域以形成非晶層。
根據(jù)與前述方法類似的該上述方法，由于選擇性地將雜質(zhì)引入孔隙，因此可以使雜質(zhì)引入?yún)^(qū)域即雜質(zhì)被俘獲的區(qū)域變窄。因此，由于可以降低具有孔隙的區(qū)域與沒有孔隙的區(qū)域之間雜質(zhì)濃度的陡峭差異，因此可以提高該雜質(zhì)濃度沿深度方向的陡度。
根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)引入方法的特征在于該第二步驟與第一步驟同時執(zhí)行。
根據(jù)上述方法，可以在單個工藝中確定引入雜質(zhì)的深度以及該非晶層的深度。通過施加到該固態(tài)基體的偏置電壓可以控制引入雜質(zhì)的深度以及該非晶層的深度。然而，當(dāng)分別執(zhí)行該第一和第二步驟時，引入雜質(zhì)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(zhì)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(zhì)引入工藝中增大，即使存在一些程度上的差異。具體而言，當(dāng)預(yù)先形成的非晶層深度小且期望將雜質(zhì)引入具有淺非晶層的硅襯底時，非晶層的深度在雜質(zhì)引入工藝中變得比原始深度更深。當(dāng)與第一步驟同時執(zhí)行該第二步驟時，由于可以在單一工藝內(nèi)確定引入雜質(zhì)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(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)引入方法的特征在于該電學(xué)非活性等離子體為氦等離子體。
根據(jù)上述方法，在例如硅的半導(dǎo)體層內(nèi)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(dǎo)體襯底外部擴(kuò)散且在退火之后不保留在該半導(dǎo)體襯底內(nèi)，因此可以容易地恢復(fù)硅的結(jié)晶度。
根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)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(dǎo)體內(nèi)為電學(xué)非活性的雜質(zhì)的等離子體輻射到該固態(tài)硅基體的表面。
根據(jù)上述方法，由于該第二步驟與第一步驟同時執(zhí)行，因此可以減少工藝數(shù)目。此外，與前述的方法相似，由于可以在單一工藝內(nèi)確定引入雜質(zhì)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(zhì)使用大量氦進(jìn)行稀釋。因此，由于氦容易朝半導(dǎo)體襯底外部擴(kuò)散且容易恢復(fù)半導(dǎo)體的結(jié)晶度，因此可以形成具有良好結(jié)晶度的的雜質(zhì)區(qū)域。此外，當(dāng)將氦與另一種元素混合時，由于難以在硅襯底內(nèi)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(nèi)形成孔隙，可以實現(xiàn)具有如下優(yōu)點的工藝，即，氦容易朝外部擴(kuò)散并因此可以形成具有良好結(jié)晶度恢復(fù)特性的非晶層。
根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)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(xì)孔隙的非晶層的步驟。
根據(jù)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(dǎo)體晶體在退火之后無法恢復(fù)。因此期望將孔隙直徑調(diào)整至合適的尺寸。
根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)引入方法的特征在于該孔隙的直徑小于8nm。
根據(jù)上述方法，已經(jīng)證實了退火之后，該薄層電阻降低。當(dāng)孔隙直徑小于8nm時，硅晶體更容易恢復(fù)，這種情況是期望的。
根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)引入方法的特征在于該方法進(jìn)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(xué)激活該雜質(zhì)的步驟。
根據(jù)上述方法，可以通過在退火期間有效地吸收光而電學(xué)激活該雜質(zhì)。結(jié)果，可以在更淺的分布內(nèi)形成低電阻層。當(dāng)存在孔隙時，由于孔隙位于非晶層內(nèi)，因此在該非晶層附近有效地產(chǎn)生熱量。因此，也可以電學(xué)激活捕獲于孔隙內(nèi)的雜質(zhì)。結(jié)果，可以在更淺和更陡的分布內(nèi)形成低電阻層。
根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)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(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)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(jù)上述方法，容易地形成一非晶層，其具有良好光學(xué)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(dāng)該非晶層的深度小于5nm時，在退火期間該非晶層的光學(xué)吸收率降低，因此難以降低電阻。然而，當(dāng)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(dǎo)體裝置產(chǎn)生影響。
根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)引入方法的特征在于該第二步驟為等離子體摻雜該雜質(zhì)的步驟。
根據(jù)上述方法，由于可以高產(chǎn)量地實現(xiàn)非常淺的雜質(zhì)引入，該方法是更為期望的。
根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)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(zhì)離子供給通過該網(wǎng)格的步驟。
根據(jù)上述方法，與使用離子注入的情形相比，由于可以更高產(chǎn)量地實現(xiàn)非常淺的雜質(zhì)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(tài)基體，因此該固態(tài)主體并不與自由基反應(yīng)。因此，執(zhí)行濺射使得該等離子體中包含的自由基不與構(gòu)成該固態(tài)基體的元素反應(yīng)，這是有利的。
根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)引入方法的特征在于該第二步驟為離子注入該雜質(zhì)的步驟。
根據(jù)上述方法，由于這種方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)，因此可以實現(xiàn)高度可靠的雜質(zhì)引入。
根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)引入方法的特征在于該第二步驟為氣相摻雜該雜質(zhì)的步驟。
根據(jù)上述方法，可以實現(xiàn)采用基本上沒有加速能量的雜質(zhì)的雜質(zhì)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(nèi)形成雜質(zhì)引入層。
根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)引入方法的特征在于在相同的工藝腔體內(nèi)作為順序工藝原位地執(zhí)行該第一和第二步驟。
根據(jù)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(yīng)用的雜質(zhì)的劑量可能降低。具體而言，當(dāng)期望使用低能量引入雜質(zhì)以形成淺的雜質(zhì)引入層時，雜質(zhì)引入量隨著天然氧化膜的厚度增大而降低。當(dāng)在相同的工藝腔體內(nèi)作為順序工藝原位地執(zhí)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(zhí)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(fù)擔(dān)，例如在該第一和第二步驟期間傳遞或維持該半導(dǎo)體襯底引起的負(fù)擔(dān)。
根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)引入方法的特征在于該固態(tài)基體為硅，該第一步驟為通過改變與將輻射到固態(tài)基體表面的等離子體有關(guān)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(jù)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(tài)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(tài)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(tài)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(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)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(jù)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(xiàn)等離子體輻射并同時降低對半導(dǎo)體的電學(xué)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(nèi)，該等離子體內(nèi)的元素不太可能與半導(dǎo)體襯底內(nèi)的硅反應(yīng)。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(xué)穩(wěn)定的，幾乎不與包括硅的該固態(tài)基體表面反應(yīng)，并因此幾乎不吸收和附著到該固態(tài)基體。因此，除了通過離子引入雜質(zhì)之外，通過氣相吸附引入雜質(zhì)也是期望的。
根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)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(jù)上述方法，由于氦元素在退火工藝中很可能朝半導(dǎo)體襯底外部擴(kuò)散且在退火之后不保留在半導(dǎo)體襯底內(nèi)，硅晶體容易恢復(fù)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(nèi)也幾乎不阻礙晶體的恢復(fù)，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(dǎo)體襯底內(nèi)的硅反應(yīng)。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(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)引入方法的特征在于該第一步驟與該第二步驟同時執(zhí)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(jù)上述方法，該方法可以應(yīng)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(zhì)元素的氣體。根據(jù)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(zhì)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(dǎo)體襯底外部擴(kuò)散，在退火之后不保留在該半導(dǎo)體襯底內(nèi)。因此，硅晶體容易恢復(fù)。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(nèi)也幾乎不阻礙晶體的恢復(fù)。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(dǎo)體襯底內(nèi)的硅反應(yīng)。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(jīng)發(fā)現(xiàn)，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(shè)備的尺寸或者施加于設(shè)備的負(fù)載。
根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)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(jù)上述方法，從實驗結(jié)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(zhì)區(qū)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(nèi)時也幾乎不阻礙晶體的恢復(fù)，因此該方法是期望的。
根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)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(jù)上述方法，從實驗結(jié)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(zhì)區(qū)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(nèi)時也幾乎不阻礙晶體的恢復(fù)，因此該方法是期望的。
根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)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(jù)上述方法，從實驗結(jié)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(zhì)區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)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(jù)上述方法，從實驗結(jié)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(zhì)區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)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(jù)上述方法，從實驗結(jié)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(zhì)區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)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(jié)果已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以用上述表達(dá)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(guān)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(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)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(zhì)引入層的步驟。
根據(jù)上述方法，可以形成對于波長為400nm以上的光具有良好光學(xué)吸收比例的半導(dǎo)體層。此外，可以實現(xiàn)通常在半導(dǎo)體中使用的雜質(zhì)的劑量。因此，可以形成具有實際電阻值的雜質(zhì)區(qū)域，該雜質(zhì)區(qū)域內(nèi)的雜質(zhì)被充分激活。
根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)引入方法的特征在于形成該雜質(zhì)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(zhì)引入層的步驟。
根據(jù)上述方法，由于氦元素在退火工藝中容易朝半導(dǎo)體襯底外部擴(kuò)散且在退火之后不保留在半導(dǎo)體襯底內(nèi)，容易恢復(fù)硅結(jié)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(nèi)也幾乎不阻礙晶體的恢復(fù)。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(dǎo)體襯底內(nèi)的硅反應(yīng)。另外，可以使用在離子注入中通常使用的劑量引入該雜質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)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(jù)上述方法，由于氫在退火工藝中容易朝半導(dǎo)體襯底外部擴(kuò)散且在退火之后不保留在半導(dǎo)體襯底內(nèi)，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(nèi)也幾乎不阻礙晶體的恢復(fù)，因此該方法是期望的。
根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)引入設(shè)備的特征在于該設(shè)備包括輻射單元和引入單元，該輻射單元向固態(tài)基體表面輻射由在半導(dǎo)體層內(nèi)是電學(xué)非活性的粒子組成的等離子體，該引入單元向固態(tài)基體表面引入雜質(zhì)。
根據(jù)上述設(shè)備，可以有效地實現(xiàn)上述方法。
根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)引入設(shè)備的特征在于該設(shè)備進(jìn)一步包括用于激活引入雜質(zhì)的退火單元。
根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)引入設(shè)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(nèi)按順序方式執(zhí)行。
根據(jù)上述設(shè)備，由于可以縮小設(shè)備尺寸，因此可以執(zhí)行一系列工藝，同時防止作為待處理對象的固態(tài)基體與外部空氣接觸。
根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)引入設(shè)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(nèi)同時執(zhí)行。
根據(jù)上述設(shè)備，可以縮小設(shè)備尺寸。
本發(fā)明的優(yōu)點根據(jù)本發(fā)明的雜質(zhì)引入方法，由于將雜質(zhì)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(zhì)，由此使得可以高精度地形成淺結(jié)。此外，由于可以在非晶層內(nèi)形成精細(xì)孔隙并將雜質(zhì)引入孔隙，因此可以形成精細(xì)雜質(zhì)區(qū)域并因此可以在該精細(xì)雜質(zhì)區(qū)域內(nèi)高精度地形成結(jié)。


圖1為示出了本發(fā)明示范性實施方式中使用的設(shè)備的基本部分的剖面圖示。
圖2為示出了在根據(jù)本發(fā)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(jù)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(jù)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(jù)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(guān)系的圖示。
圖6為示出了根據(jù)本發(fā)明示例的一個剖面TEM圖像的圖示。
圖7為示出了根據(jù)本發(fā)明示例的另一個剖面TEM圖像的圖示。
圖8為示出了根據(jù)比較例的一個剖面TEM圖像的圖示。
圖9為示出了根據(jù)本發(fā)明示例的又一個剖面TEM圖像的圖示。
圖10為示出了根據(jù)本發(fā)明示范性實施方式和比較例的引入雜質(zhì)之后硼的SIMS分布的圖示。
圖11為示出了根據(jù)本發(fā)明示范性實施方式和比較例的執(zhí)行RTA時薄層電阻和偏置電壓之間關(guān)系的圖示。
圖12為示出了根據(jù)本發(fā)明示范性實施方式和比較例的執(zhí)行尖峰RTA時薄層電阻和偏置電壓之間關(guān)系的圖示。
圖13為示出了根據(jù)本發(fā)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(guān)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?dú)獾牡入x子體進(jìn)行非晶化的情形中，非晶層厚度和偏置電壓之間關(guān)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(jìn)行非晶化的情形中，氬氣混合比例與非晶層厚度之間關(guān)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(yù)處理時，偏置電壓與薄層電阻之間關(guān)系的圖示。
圖17為用于比較根據(jù)本發(fā)明和比較例的對波長為530nrn的光的光學(xué)吸收系數(shù)的圖示。
圖18為用于比較根據(jù)本發(fā)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(fā)明示范性實施方式的離子簇射設(shè)備的基本部分的剖面圖示。
附圖標(biāo)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(dǎo)閥8干泵9循環(huán)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(xì)地描述本發(fā)明的示范性實施方式。然而，本發(fā)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(jù)本發(fā)明的示范性實施方式中使用的雜質(zhì)引入設(shè)備的基本部分的剖面圖示。
如圖1所示，雜質(zhì)引入設(shè)備100配置成在該設(shè)備中按照順序方式執(zhí)行等離子體摻雜，等離子體輻射和退火。具體地，在設(shè)備100內(nèi)，在置于真空腔15內(nèi)的作為下電極14的基座上提供作為待處理襯底13的半導(dǎo)體襯底，并在襯底表面附近形成等離子體發(fā)生區(qū)域，由此執(zhí)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(dǎo)閥7鄰接的干泵8以及渦輪分子泵6控制真空腔15內(nèi)的真空度。下電極14配置成由循環(huán)器9配置成循環(huán)。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(nèi)置于相對部位并將乙硼烷氣體引入腔15內(nèi)的用于雜質(zhì)氣體的流量計5。
如上所述地構(gòu)造雜質(zhì)引入設(shè)備100的基體。重要的是，設(shè)備100為片料送進(jìn)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(xiàn)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(fā)生區(qū)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(zhì)通過獨(dú)立的工藝激勵成為等離子體狀態(tài)。
在用于包含雜質(zhì)的氣相材料供給系統(tǒng)中，預(yù)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(jiān)測，由此通過相應(yīng)的溫度控制器和相應(yīng)的壓力控制器穩(wěn)定地控制溫度和壓力。
在設(shè)備100中，硅襯底13轉(zhuǎn)移到工藝腔15內(nèi)并置于下電極14上。稀有氣體導(dǎo)入管16和乙硼烷氣體導(dǎo)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?yōu)榉蔷АＲ遗鹜闅怏w制成非晶態(tài)以用于等離子體摻雜，或者以氣相狀態(tài)引入真空腔15用于氣體摻雜。
首先，在將真空腔15內(nèi)的真空度設(shè)置為期望值之后，打開稀有氣體導(dǎo)入管16以產(chǎn)生稀有氣體等離子體，并將僅由電學(xué)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(jù)等離子體輻射的條件，該非晶層可能具有/不具有精細(xì)孔隙。
接著，打開乙硼烷氣體導(dǎo)入管17，從而在已經(jīng)形成為非晶的硅襯底13的預(yù)定區(qū)域內(nèi)形成雜質(zhì)引入層。
之后，通過退火裝置(未示出)形成淺結(jié)。
這樣，實現(xiàn)了淺的、低電阻、高精確度的雜質(zhì)摻雜。
示范性實施方式2在下文中將描述本發(fā)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(zhì)，第二示范性實施方式的特征在于，在引入雜質(zhì)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(shè)置真空腔15的真空度之后，打開乙硼烷氣體導(dǎo)入管17，從而在硅襯底13的預(yù)定區(qū)域內(nèi)形成雜質(zhì)引入層。
接著，打開稀有氣體導(dǎo)入管16以產(chǎn)生稀有氣體等離子體，并將僅由電學(xué)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(jù)等離子體輻射的條件，該非晶層可能具有/不具有精細(xì)孔隙。
之后，通過退火裝置(未示出)形成淺結(jié)。
這樣，實現(xiàn)了淺的、低電阻、高精確度的雜質(zhì)摻雜。
示范性實施方式3在下文中將描述本發(fā)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(zhì)，第三示范性實施方式的特征在于，同時執(zhí)行雜質(zhì)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(shè)置真空腔15的真空度之后，一起打開稀有氣體導(dǎo)入管16和乙硼烷氣體導(dǎo)入管17，從而產(chǎn)生稀有氣體等離子體，并將僅由電學(xué)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(yù)定區(qū)域內(nèi)形成雜質(zhì)引入層。根據(jù)等離子體輻射的條件，該非晶層可能具有/不具有精細(xì)孔隙。
之后，通過退火裝置(未示出)形成淺結(jié)。
這樣，實現(xiàn)了淺的、低電阻、高精確度的雜質(zhì)摻雜。
接著將詳細(xì)描述本發(fā)明的示例。
在以下示例中，將描述固態(tài)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(nèi)，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(zhí)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?dú)鈨艋婵涨?5，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(jù)本發(fā)明示例，氦等離子體輻射的偏置電壓在75V至150V范圍內(nèi)變化時AFM表面觀察的結(jié)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(jù)比較例，分別在250V和310V的偏置電壓執(zhí)行氦等離子體輻射時AFM表面觀察的結(jié)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(fā)現(xiàn)表面粗糙化。
圖4示出了根據(jù)另一個比較例，使用常規(guī)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(yè)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(jié)果，當(dāng)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(dǎo)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(nèi)，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(zhí)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?dú)鈨艋婵涨?5，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(jié)果比較。于是，基于剖面TEM測量結(jié)果校正橢圓光度法測量結(jié)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(guān)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(guān)系供參考。非晶層的厚度隨著偏置電壓的增大而增大?？尚纬傻姆蔷拥暮穸确秶鸀?.5nm至24nm。鑒于表面粗糙度，小于225V的偏置電壓不會導(dǎo)致實際使用中的任何問題。與該偏置電壓范圍對應(yīng)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(dǎo)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(nèi)孔隙的形成?？紫妒侵腹枰r底內(nèi)密度較低的部分，稱為微膠囊或氣泡。
在真空腔15內(nèi)，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(zhí)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?dú)鈨艋婵涨?5，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(xì)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(xué)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)?？紫妒侵赣捎诖嬖谖⒖紫抖c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(nèi)，因此通過選擇性地將雜質(zhì)引入多孔區(qū)域可以形成具有陡的雜質(zhì)濃度分布和良好結(jié)晶特性的精細(xì)雜質(zhì)區(qū)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(xiàn)更清楚的輪廓。這可能是因為孔隙的密度已經(jīng)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(nèi)，因此通過選擇性地將雜質(zhì)引入多孔區(qū)域可以形成具有陡的雜質(zhì)濃度分布和良好結(jié)晶特性的精細(xì)雜質(zhì)區(qū)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(xiàn)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(jīng)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(nèi)，因此通過選擇性地將雜質(zhì)引入多孔區(qū)域可以形成具有陡的雜質(zhì)濃度分布和良好結(jié)晶特性的精細(xì)雜質(zhì)區(qū)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(zhì)分布的影響。
在真空腔15內(nèi)，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(zhí)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(zhí)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?dú)鈨艋婵涨?5，并從真空腔15移出襯底。
此外，制備未經(jīng)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(zhí)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?dú)鈨艋婵涨?5，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(yīng)于在下述條件下執(zhí)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(yīng)于在150V偏置電壓下輻射氦等離子體之后進(jìn)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(yīng)于在250V偏置電壓下輻射氦等離子體之后進(jìn)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(jié)果表明，即使在相同的摻雜條件下，分布根據(jù)氦等離子體輻射的偏置電壓而變化。此外，當(dāng)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?fù)诫s。當(dāng)硼摻雜到對應(yīng)于5E18cm-3硼濃度的深度時，該摻雜深度對應(yīng)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(dāng)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(dāng)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(jié)果與從使用離子注入的Ge預(yù)非晶化離子注入和硼離子注入組合使用而獲得的結(jié)果相反。對于離子注入的情形，通過使用Ge預(yù)非晶化離子注入而執(zhí)行預(yù)非晶化，有利地防止了溝道效應(yīng)。
換而言之，在Ge預(yù)非晶化離子注入中，報導(dǎo)了預(yù)非晶化使摻雜深度變淺。因此，本發(fā)明的實驗結(jié)果演示了這樣的可能性，即，當(dāng)通過氦等離子體輻射在硅襯底內(nèi)產(chǎn)生精細(xì)微膠囊時，通過將硼填充到孔隙內(nèi)部而將硼選擇性地引入孔隙內(nèi)。
基于分布的陡度對結(jié)果進(jìn)行總結(jié)。使用當(dāng)硼濃度從1E19cm-3改變?yōu)?E18cm-3時沿深度方向的距離表示該陡度。隨著距離減小，實現(xiàn)了更陡的分布。雜質(zhì)濃度在p-n結(jié)的p區(qū)和n區(qū)之間的結(jié)邊界附近陡峭改變，這種更陡的分布是期望的。未經(jīng)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(jīng)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(jīng)過等離子體摻雜的樣品的陡度的測量值為2.5nm/dec。由于執(zhí)行氦等離子體輻射的情形分布的陡度增大，本發(fā)明的優(yōu)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(guān)系。在真空腔15內(nèi)，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(zhí)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(zhí)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?dú)鈨艋婵涨?5，并從真空腔15移出襯底。
此外，制備未經(jīng)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(zhí)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?dú)鈨艋婵涨?5，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(zhí)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(guān)系。當(dāng)不執(zhí)行氦等離子體輻射時，即，當(dāng)執(zhí)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(zhí)行氦等離子體輻射作為預(yù)處理，薄層電阻降低到1570ohm/sq。薄層電阻的降低量為19％。然而當(dāng)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(dāng)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(jié)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(guān)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(zhí)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(zhí)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?dú)鈨艋婵涨?5，并從真空腔15移出襯底。
此外，制備未經(jīng)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(zhí)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?dú)鈨艋婵涨?5，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(zhí)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(jié)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(zhì)引入的預(yù)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(guī)則度的低電阻雜質(zhì)區(qū)域。
此外，測量了氦等離子體輻射的偏置電壓與結(jié)深度Xj之間的關(guān)系。
圖12示出了氦等離子體輻射的偏置電壓與結(jié)深度Xj之間關(guān)系的測量結(jié)果。在圖12中還示出了薄層電阻。當(dāng)在150V的偏置電壓下執(zhí)行氦等離子體輻射作為預(yù)處理時，薄層電阻最低。相反，當(dāng)硼濃度為1E18cm-2時，所有樣品的結(jié)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(jié)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(guān)系。
在真空腔15內(nèi)，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?dú)?、氧氣、氬氣和氙氣?br> 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(zhí)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?dú)鈨艋婵涨?5，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(jìn)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(zhí)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?dú)鈨艋婵涨?5，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(guān)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(yīng)的結(jié)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(yīng)的結(jié)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(dāng)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(yōu)選地為7nm至27nm。此外，當(dāng)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(yōu)選地為4.5nm至10nm。另外，當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)期望形成與上述范圍不同的非晶層時，產(chǎn)生以下問題。當(dāng)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(yīng)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(dāng)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(yīng)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(shè)備的絕緣單元的負(fù)載變大。
假設(shè)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(dá)。
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(shè)備的尺寸或者施加于該設(shè)備的負(fù)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(shè)備的尺寸或者施加于該設(shè)備的負(fù)載。
例如，當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(rèn)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(jìn)行非晶化)在真空腔15內(nèi)，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(zhí)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?dú)鈨艋婵涨?5，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?dú)獾牡入x子體進(jìn)行非晶化的偏置電壓與非晶層厚度之間的關(guān)系。當(dāng)通過輻射氦氣等離子體而執(zhí)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(dāng)通過輻射99％的He和1％的Ar的混合氣體等離子體而執(zhí)行非晶化時，非晶層的厚度范圍為8nm至15nm。當(dāng)通過輻射90％的He和10％的Ar的混合氣體等離子體而執(zhí)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(jìn)行非晶化時，當(dāng)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(guān)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(guān)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(jìn)行非晶化對薄層電阻的影響)在真空腔15內(nèi)，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?dú)鈭?zhí)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(zhí)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(zhí)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?dú)鈨艋婵涨?5，并從真空腔15移出襯底。
此外，制備未經(jīng)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(zhí)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?dú)鈨艋婵涨?5，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(zhí)行非晶化，使用乙硼烷和氦的混合氣體執(zhí)行等離子體摻雜，并使所得的襯底經(jīng)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(zhí)行非晶化，使用乙硼烷和氦的混合氣體執(zhí)行等離子體摻雜，并使所得的襯底經(jīng)過RTA處理。在氦等離子體輻射進(jìn)行的非晶化中，當(dāng)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(jìn)行的非晶化中，薄層電阻隨著偏置電壓增大而降低。因此認(rèn)為通過增大偏置電壓可以進(jìn)一步降低薄層電阻。當(dāng)執(zhí)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(zhí)行非晶化得到的薄層電阻低于通過輻射純氦等離子體執(zhí)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(dāng)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(yán)重稀釋的B2H6氣體的等離子體輻射執(zhí)行非晶化以及等離子體摻雜)接著將描述同時執(zhí)行硼摻雜和非晶化的情形。
在真空腔15內(nèi)，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?；旌衔锉壤臐舛缺壤兓秶鸀?5％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(zhí)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?dú)鈨艋婵涨?5，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(xué)吸收系數(shù)。使用SIMS測量硼的劑量。
圖17示出了，當(dāng)通過改變B2H6和He混合氣體中B2H6的比例執(zhí)行等離子體摻雜時，B2H6氣體濃度和對530nm波長的光的光學(xué)吸收系數(shù)之間的關(guān)系。當(dāng)使用純He氣體等離子體輻射執(zhí)行非晶化時，光學(xué)吸收系數(shù)達(dá)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(nèi)，光學(xué)吸收系數(shù)變化不大。然而，當(dāng)B2H6氣體的濃度增大到高于0.1％的水平時，光學(xué)吸收系數(shù)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(xué)吸收系數(shù)降低到為使用0.1％的B2H6和99.9％的He混合氣體獲得的光學(xué)吸收系數(shù)的55％對應(yīng)的水平，降低到為使用純He氣體(即100％的He)獲得的光學(xué)吸收系數(shù)的46％對應(yīng)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(xué)吸收系數(shù)仍為晶體硅(c-Si)襯底的情形中獲得的光學(xué)吸收系數(shù)的6.3倍大。
圖18示出了，當(dāng)通過改變B2H6和He混合氣體中B2H6的比例執(zhí)行等離子體摻雜時非晶層的厚度變化?？梢钥闯?，非晶層的厚度基本上等于通過輻射純He氣體執(zhí)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(dá)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(dāng)期望同時執(zhí)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(nèi)混合B2H6和氦氣。
即使在非晶層厚度相同的情況下當(dāng)B2H6氣體的濃度增大到高于0.1％的水平時，光學(xué)吸收系數(shù)降低的原因認(rèn)為可歸結(jié)于非晶態(tài)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(xué)吸收系數(shù)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(dāng)B2H6氣體和氦氣混合比例改變時硼劑量的變化。當(dāng)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(guān)系?？梢允褂檬?表達(dá)該關(guān)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(guān)系外推到B2H6氣體濃度低于0.025％的區(qū)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(dāng)期望使用高于1E14cm-2的硼劑量時，則期望將B2H6氣體濃度設(shè)置為高于0.02％的水平。此外，當(dāng)期望使用高于1E13cm-2的硼劑量時，則期望將B2H6氣體濃度設(shè)置為高于0.0026％的水平。另外，當(dāng)期望使用高于1E12cm-2的硼劑量時，則期望將B2H6氣體濃度設(shè)置為高于0.00035％的水平。此外，當(dāng)期望使用高于1E11cm-2的硼劑量時，則期望將B2H6氣體濃度設(shè)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(jìn)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(rèn)為少量的濺射是有益的，30秒的輻射太長。因此出現(xiàn)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(dāng)?shù)入x子體輻射時間短時不是在穩(wěn)定的偏置電壓下執(zhí)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(yōu)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(zhí)行硼摻雜，從而將光學(xué)吸收系數(shù)維持在高水平，則期望將B2H6氣體濃度設(shè)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(dāng)期望將硼劑量維持在1E14cm-2時，則期望將B2H6氣體濃度設(shè)置為高于0.02％的水平。此外，當(dāng)期望將硼劑量維持在1E13cm-2時，則期望將B2H6氣體濃度設(shè)置為高于0.0026％的水平。另外，當(dāng)期望將硼劑量維持在1E12cm-2時，則期望將B2H6氣體濃度設(shè)置為高于0.00035％的水平。此外，當(dāng)期望將硼劑量維持在1E11cm-2時，則期望將B2H6氣體濃度設(shè)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(jié)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(jié)深度的方法。
在真空腔15內(nèi)，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?dú)鈨艋婵涨?5，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(jīng)過激光退火之后該樣品的結(jié)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(jīng)過激光退火之后該樣品的結(jié)深度為33nm。由于在退火時硅襯底內(nèi)非晶部分中硼的擴(kuò)散系數(shù)大于硅襯底內(nèi)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(kuò)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(jié)深度。
示范性實施方式4(使用離子簇射設(shè)備的雜質(zhì)摻雜)接著將描述使用離子簇射設(shè)備的雜質(zhì)摻雜。
當(dāng)摻雜雜質(zhì)時，通過使用離子簇射設(shè)備可以同時執(zhí)行非晶化和硼摻雜，盡管該離子簇射設(shè)備提供低水平的非晶化。
圖20為示出了用于本發(fā)明第四示范性實施方式的離子簇射設(shè)備的基本部分的剖面視圖。該設(shè)備包括腔20內(nèi)的等離子體發(fā)生單元P。通過網(wǎng)格M(在本示例中為硅柵格)將離子從等離子體發(fā)生單元P內(nèi)產(chǎn)生的等離子體內(nèi)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(tài)基體表面。換而言之，通過施加于網(wǎng)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(tài)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(tài)基體內(nèi)。同時，在離子簇射方法中，僅離子碰撞到固態(tài)基體內(nèi)。在直接輻射等離子體的情形單位時間內(nèi)碰撞到固態(tài)基體的物質(zhì)的數(shù)量大于離子簇射方法中獲得的數(shù)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(nèi)的非晶化降低。然而，由于未執(zhí)行質(zhì)譜測量，碰撞到固態(tài)基體的離子的數(shù)量大于離子簇射方法中獲得的數(shù)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(xiàn)淺非晶化。此外，還可以通過使用本發(fā)明中揭示的稀有氣體實現(xiàn)非晶化，并與該非晶化同時執(zhí)行硼摻雜。
工業(yè)適用性如前所述，根據(jù)本發(fā)明，由于可以高精度地形成淺結(jié)，因此可以有效地將其應(yīng)用于微裝置。此外，由于可以將形成區(qū)域定義至更精細(xì)的范圍，因此本發(fā)明可以應(yīng)用于例如量子裝置的更為精細(xì)的裝置。
權(quán)利要求
1.一種雜質(zhì)引入方法，包括第一步驟，通過使由在半導(dǎo)體層內(nèi)是電學(xué)非活性的粒子組成的等離子體與包含所述半導(dǎo)體層的固態(tài)基體的表面反應(yīng)，由此使所述半導(dǎo)體層表面成為非晶；以及第二步驟，將雜質(zhì)引入到所述固態(tài)基體的表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的雜質(zhì)引入方法，其中所述第一步驟為對所述半導(dǎo)體層的表面輻射等離子體的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的雜質(zhì)引入方法，其中所述第一步驟為將等離子體通過網(wǎng)格引導(dǎo)到所述半導(dǎo)體層表面而將離子輻射到所述半導(dǎo)體層表面的步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任何一項的雜質(zhì)引入方法，其中在執(zhí)行所述第一步驟之后，通過執(zhí)行所述第二步驟，在包括所述半導(dǎo)體層的固態(tài)基體表面上形成具有精細(xì)孔隙的非晶層，且在所述非晶層內(nèi)引入雜質(zhì)以形成雜質(zhì)引入層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任何一項的雜質(zhì)引入方法，其中在執(zhí)行所述第二步驟之后，通過執(zhí)行所述第一步驟，將雜質(zhì)引入到包括所述半導(dǎo)體層的固態(tài)基體表面以形成雜質(zhì)引入層，且將在所述半導(dǎo)體層內(nèi)為電學(xué)非活性的粒子組成的等離子體輻射到所述雜質(zhì)引入?yún)^(qū)域以形成非晶層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任何一項的雜質(zhì)引入方法，其中所述第二步驟與第一步驟同時執(zhí)行。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任何一項的雜質(zhì)引入方法，其中所述電學(xué)非活性等離子體為氦等離子體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的雜質(zhì)引入方法，其中在所述第二步驟，使用氦稀釋的在所述半導(dǎo)體內(nèi)為電學(xué)非活性的雜質(zhì)的等離子體被輻射到所述固態(tài)硅基體的表面。
9.根據(jù)權(quán)利要求4的雜質(zhì)引入方法，其中所述孔隙的直徑小于8nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任何一項的雜質(zhì)引入方法，進(jìn)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(xué)激活所述雜質(zhì)的步驟。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任何一項的雜質(zhì)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(jù)權(quán)利要求1至10中任何一項的雜質(zhì)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(jù)權(quán)利要求1至12中任何一項的雜質(zhì)引入方法，其中所述第二步驟為等離子體摻雜所述雜質(zhì)的步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任何一項的雜質(zhì)引入方法，其中所述第二步驟為將來自等離子體的雜質(zhì)離子供給通過所述網(wǎng)格的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任何一項的雜質(zhì)引入方法，其中所述第二步驟為離子注入所述雜質(zhì)的步驟。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任何一項的雜質(zhì)引入方法，其中所述第二步驟為氣相摻雜所述雜質(zhì)的步驟。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任何一項的雜質(zhì)引入方法，其中在相同的工藝腔體內(nèi)作為順序工藝原位地執(zhí)行所述第一和第二步驟。
18.根據(jù)權(quán)利要求12至16中任何一項的雜質(zhì)引入方法，其中所述固態(tài)基體為硅，所述第一步驟為通過改變與將輻射到固態(tài)基體表面的等離子體有關(guān)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(jù)權(quán)利要求1至18中任何一項的雜質(zhì)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(jù)權(quán)利要求1至18中任何一項的雜質(zhì)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(jù)權(quán)利要求20的雜質(zhì)引入方法，其中所述第一步驟與所述第二步驟同時執(zhí)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(jù)權(quán)利要求1至18中任何一項的雜質(zhì)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(jù)權(quán)利要求1至18中任何一項的雜質(zhì)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(jù)權(quán)利要求1至18中任何一項的雜質(zhì)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(jù)權(quán)利要求1至18中任何一項的雜質(zhì)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(jù)權(quán)利要求1至18中任何一項的雜質(zhì)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(jù)權(quán)利要求2的雜質(zhì)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(jù)權(quán)利要求6的雜質(zhì)引入方法，其中所述第一步驟和所述第二步驟同時執(zhí)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(zhì)引入層的步驟。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的雜質(zhì)引入方法，其中形成所述雜質(zhì)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(zhì)引入層的步驟。
30.根據(jù)權(quán)利要求1至18中任何一項的雜質(zhì)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(fā)明提供了一種能夠有效地實現(xiàn)淺雜質(zhì)引入的引入方法。該雜質(zhì)引入方法包括第一步驟，通過使由在半導(dǎo)體層內(nèi)是電學(xué)非活性的粒子組成的等離子體與包括所述半導(dǎo)體層的固態(tài)基體的表面反應(yīng)，由此使所述半導(dǎo)體層表面成為非晶；以及第二步驟，將雜質(zhì)引入到所述固態(tài)基體的表面。在執(zhí)行所述第一步驟之后，通過執(zhí)行所述第二步驟，在包括所述半導(dǎo)體層的固態(tài)基體表面上形成具有精細(xì)孔隙的非晶層，且在所述非晶層內(nèi)引入雜質(zhì)以形成雜質(zhì)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(yōu)先權(quán)日2004年6月4日
發(fā)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(chǎn)業(yè)株式會社