JP5583076B2 - Plasma processing equipment - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマ処理装置及び基板処理方法に関する。 The present invention relates to a plasma processing apparatus and a substrate processing method.
半導体製造工程において基板表面に不純物注入層を形成するために、イオン注入技術が一般に利用されている。製造されるデバイスの性能を高めるために、不純物プロファイルを理想のものに近づける努力がなされている。そうした取組の1つとして、イオン注入技術に加えて、プラズマドーピング技術を用いることが提案されている。例えば特許文献1には、プラズマドーピングをしてからヘリウムプラズマ後処理をすることが記載されている。
In order to form an impurity implantation layer on a substrate surface in a semiconductor manufacturing process, an ion implantation technique is generally used. Efforts are being made to bring the impurity profile closer to the ideal in order to enhance the performance of the manufactured device. As one of such approaches, it has been proposed to use a plasma doping technique in addition to an ion implantation technique. For example,
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、不純物を含む表層から基板に不純物を注入するための、実用性に優れるプラズマ処理装置及び基板処理方法を提供することにある。 One of exemplary purposes of an embodiment of the present invention is to provide a plasma processing apparatus and a substrate processing method excellent in practical use for injecting impurities into a substrate from a surface layer containing impurities.
本発明のある態様のプラズマ処理装置は、不純物を含む表層から要求プロファイルに従って不純物を基板に注入するためのプラズマ処理装置であって、プラズマ処理のためのバイアス電圧を含むプラズマ処理条件と、該プラズマ処理条件によるプラズマ処理時間と、を前記要求プロファイルから設定する設定部と、設定されたバイアス電圧を与えるために基板を保持する基板ホルダと、設定されたプラズマ処理時間、基板にプラズマを作用させるためにプラズマを発生させるプラズマ源と、を備える。前記要求プロファイルは、注入されるべき不純物元素と、不純物濃度が基準値に等しくなる基板表面からの注入深さと、第1基準濃度に等しくなる深さと第2基準濃度に等しくなる深さとの深さ差である急峻性と、を含む。前記設定部は、前記注入深さから前記バイアス電圧を設定する第1設定処理と、前記不純物元素と前記急峻性とから前記プラズマ処理時間を設定する第2設定処理と、を実行する。 A plasma processing apparatus according to an aspect of the present invention is a plasma processing apparatus for injecting impurities from a surface layer containing impurities into a substrate according to a required profile, the plasma processing conditions including a bias voltage for plasma processing, and the plasma A plasma processing time depending on processing conditions is set from the required profile, a substrate holder for holding the substrate to give a set bias voltage, a set plasma processing time, and plasma to act on the substrate And a plasma source for generating plasma. The required profile includes an impurity element to be implanted, a depth of implantation from the substrate surface where the impurity concentration is equal to the reference value, a depth equal to the first reference concentration, and a depth equal to the second reference concentration. A steepness that is a difference. The setting unit executes a first setting process for setting the bias voltage based on the implantation depth and a second setting process for setting the plasma processing time based on the impurity element and the steepness.
本発明の別の態様もまた、プラズマ処理装置である。この装置は、不純物を含む基板の表層から要求される注入深さへ不純物を注入するプラズマ処理のためのプラズマ処理パラメタ設定部を備える。プラズマ処理パラメタは、プラズマ処理により不純物濃度が基準値に等しくなる基板表面からの深さを決定づける主パラメタと、不純物濃度を前記基準値に飽和させる飽和範囲をもつ副パラメタと、を含む。前記設定部は、要求される注入深さから前記主パラメタを設定し、前記飽和範囲に前記副パラメタを設定する。 Another embodiment of the present invention is also a plasma processing apparatus. This apparatus includes a plasma processing parameter setting unit for plasma processing for injecting impurities to a required implantation depth from the surface layer of the substrate containing impurities. The plasma processing parameters include a main parameter that determines the depth from the substrate surface at which the impurity concentration becomes equal to the reference value by the plasma processing, and a sub parameter that has a saturation range that saturates the impurity concentration to the reference value. The setting unit sets the main parameter from a required injection depth, and sets the sub parameter in the saturation range.
本発明のさらに別の態様もまた、プラズマ処理装置である。この装置は、不純物を含む基板の表層から要求される注入深さへ不純物を注入するプラズマ処理のためのバイアス電圧を設定する設定部を備える。前記設定部は、異なる種類の不純物元素に共通する注入深さとバイアス電圧との関係に基づいて、要求される注入深さからバイアス電圧を設定する。 Yet another embodiment of the present invention is also a plasma processing apparatus. This apparatus includes a setting unit that sets a bias voltage for plasma processing for injecting impurities from the surface layer of the substrate containing impurities to a required implantation depth. The setting unit sets a bias voltage from a required implantation depth based on a relationship between an implantation depth common to different types of impurity elements and a bias voltage.
本発明のさらに別の態様もまた、プラズマ処理装置である。この装置は、不純物を含む基板の表層から要求される急峻性で不純物を注入するプラズマ処理のために基板のプラズマ処理時間を設定する設定部を備える。前記設定部は、注入されるべき不純物元素についての急峻性とプラズマ処理時間との関係に基づいて、要求される急峻性からプラズマ処理時間を設定する。 Yet another embodiment of the present invention is also a plasma processing apparatus. This apparatus includes a setting unit that sets the plasma processing time of the substrate for the plasma processing for injecting the impurity with the steepness required from the surface layer of the substrate including the impurity. The setting unit sets the plasma processing time from the required steepness based on the relationship between the steepness of the impurity element to be implanted and the plasma processing time.
本発明のさらに別の態様は、基板処理方法である。この方法は、不純物を含む表層を基板に形成する第1工程と、要求される注入深さまで前記不純物を注入するために前記基板にバイアス電圧を与えて前記表層をヘリウムを含むプラズマで処理する第2工程と、を含む。前記第2工程は、要求される注入深さからバイアス電圧を設定する第1設定処理と、要求される急峻性からプラズマ処理時間を設定する第2設定処理と、を含む。 Yet another embodiment of the present invention is a substrate processing method. This method includes a first step of forming a surface layer containing impurities on a substrate, and a step of applying a bias voltage to the substrate to inject the impurities to a required implantation depth and processing the surface layer with plasma containing helium. 2 steps. The second step includes a first setting process for setting a bias voltage from a required implantation depth and a second setting process for setting a plasma processing time from a required steepness.
本発明のさらに別の態様もまた、基板処理方法である。この方法は、不純物を含む表層を基板に形成する第1工程と、要求される注入深さまで前記不純物を注入するためにヘリウム及び水素を含むプラズマで前記表層を処理する第2工程と、を含む。 Yet another embodiment of the present invention is also a substrate processing method. The method includes a first step of forming a surface layer containing impurities on a substrate, and a second step of treating the surface layer with a plasma containing helium and hydrogen to inject the impurities to a required implantation depth. .
本発明のさらに別の態様もまた、基板処理方法である。この方法は、基板の表面に不純物層を成膜する第1工程と、基板に不純物を注入するためにヘリウムを含むプラズマで前記不純物層を処理する第2工程と、を含む。 Yet another embodiment of the present invention is also a substrate processing method. This method includes a first step of forming an impurity layer on the surface of the substrate, and a second step of treating the impurity layer with a plasma containing helium to inject impurities into the substrate.
本発明によれば、不純物を含む表層から基板に不純物を注入するための、実用性に優れるプラズマ処理装置及び基板処理方法が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the plasma processing apparatus and substrate processing method which are excellent in practicality for inject | pouring an impurity from the surface layer containing an impurity to a board | substrate are provided.
本発明のある態様は、2段階の処理を含む不純物の注入方法である。第1段階は、不純物を含む表層を基板に形成する処理である。不純物表層は、最終的に要求されている注入深さよりも浅く形成されている。この前処理のために使用しうる処理には、例えばイオン注入、プラズマドーピング、または膜形成処理がある。第2段階は、不純物表層から要求される深さへと不純物を注入するためのプラズマによる処理である。不活性ガス例えばヘリウムのプラズマによって不純物元素が基板の表層から深さ方向に押し込まれる。このプラズマ処理を以下では「プラズマ注入」と呼ぶことがある。 One embodiment of the present invention is an impurity implantation method including a two-step process. The first stage is a process for forming a surface layer containing impurities on the substrate. The impurity surface layer is formed shallower than the finally required implantation depth. Examples of processes that can be used for this pretreatment include ion implantation, plasma doping, and film formation. The second stage is plasma processing for injecting impurities from the impurity surface layer to the required depth. The impurity element is pushed in from the surface layer of the substrate in the depth direction by plasma of an inert gas such as helium. Hereinafter, this plasma treatment may be referred to as “plasma injection”.
製造されるデバイスの性能をより高めるために、深さ方向の不純物元素の濃度プロファイルを理想のものに近づけることが重要となってきている。所望の深さに良好な急峻性をもつ、いわゆるボックス型のプロファイルが好ましいとされている。 In order to further improve the performance of a manufactured device, it is important to bring the concentration profile of the impurity element in the depth direction closer to an ideal one. A so-called box-type profile having good steepness at a desired depth is considered preferable.
プラズマ処理に先立って、プラズマ処理条件が設定される。ところが、一般には、処理条件に含まれる複数のパラメタのそれぞれが不純物プロファイルに影響を与え得る。パラメタをそれぞれ調整して最適な条件を得るには相当の試行錯誤を要する。複数パラメタそれぞれの調整のための効率的な手順は明らかではない。与えられた要求プロファイルから最適な処理条件を求める実用的な手法を提供することが望まれる。 Prior to the plasma processing, plasma processing conditions are set. However, in general, each of a plurality of parameters included in the processing conditions can affect the impurity profile. It takes a lot of trial and error to adjust the parameters and obtain the optimum conditions. An efficient procedure for adjusting each of the multiple parameters is not clear. It would be desirable to provide a practical technique for obtaining optimal processing conditions from a given request profile.
本発明者は、プラズマ注入処理のメカニズムについての考察と実験結果とから、比較的単純な手順でプラズマ処理条件を最適に設定することが可能であることを見出した。この手法によれば、所与のプロファイルからシーケンシャルな手順で処理条件を設定することができる。 The present inventor has found that it is possible to optimally set the plasma processing conditions by a relatively simple procedure from the consideration of the mechanism of the plasma injection processing and the experimental results. According to this method, it is possible to set processing conditions in a sequential procedure from a given profile.
一実施例においては、プラズマ処理条件に含まれる複数のパラメタは、主パラメタと、副パラメタと、その他の付属的なパラメタとに分類される。主パラメタは、プラズマ処理により不純物濃度またはドーズ量が基準値(例えば5×1018atoms/cm3)に等しくなる基板表面からの深さXjを決定づけるパラメタである。主パラメタは、不純物の注入深さに相対的に大きな影響を与える。付属パラメタは、注入深さに与える影響が相対的に小さいかほとんどないパラメタである。 In one embodiment, the plurality of parameters included in the plasma processing conditions are classified into a main parameter, a sub parameter, and other ancillary parameters. The main parameter is a parameter that determines the depth Xj from the substrate surface at which the impurity concentration or the dose is equal to a reference value (for example, 5 × 10 18 atoms / cm 3 ) by the plasma treatment. The main parameter has a relatively large influence on the impurity implantation depth. The attached parameters are parameters that have a relatively small or almost no influence on the injection depth.
副パラメタは、それらの中間的な位置づけのパラメタである。副パラメタは、注入深さに相対的に大きく影響する範囲と、影響が相対的に小さいかほとんどない範囲とをもつ。例えば、副パラメタの値が小さいときにはその値が増えるにつれて注入深さも大きくなり、値がさらに大きくなると注入深さの増分が縮小していく。つまり、主パラメタのある値に対応する深さXjにおける不純物濃度は副パラメタの値が大きくなると飽和する。副パラメタは、不純物濃度を基準値へと飽和させる飽和範囲を有する。副パラメタを飽和範囲において変化させても、注入深さは実質的に変わらないと評価することができる。 The secondary parameter is an intermediate positioning parameter. The secondary parameters have a range that has a relatively large effect on the implantation depth and a range that has a relatively small or almost no effect. For example, when the value of the sub parameter is small, the implantation depth increases as the value increases, and when the value increases further, the increment of the implantation depth decreases. That is, the impurity concentration at the depth Xj corresponding to a certain value of the main parameter is saturated when the value of the subparameter increases. The secondary parameter has a saturation range that saturates the impurity concentration to the reference value. It can be evaluated that the injection depth does not substantially change even if the subparameter is changed in the saturation range.
プラズマ注入による注入深さは、プラズマ中のイオンを基板に引き込むために基板に与えるバイアス電圧に関係づけられる。バイアス電圧によって注入深さが制御される。この関係は、図面を参照して後述するように、不活性ガスイオンを用いた「プラズマ注入」の場合、注入する不純物元素の種類に依存しない共通の関係である。 The depth of implantation by plasma implantation is related to the bias voltage applied to the substrate in order to attract ions in the plasma to the substrate. The implantation depth is controlled by the bias voltage. As will be described later with reference to the drawings, this relationship is a common relationship that does not depend on the type of impurity element to be implanted in the case of “plasma implantation” using inert gas ions.
よって、主パラメタは例えば、プラズマ注入のために基板に与えるバイアス電圧を表すパラメタである。バイアス電圧はプラズマ中のイオンのもつ注入エネルギーと言い換えることもできるから、主パラメタは、プラズマの基板への注入エネルギーを表すパラメタであるとも言える。また、副パラメタは例えば、プラズマ注入のためのプラズマ処理時間を表すパラメタである。ある時間(即ち飽和時間)を超えてプラズマ処理を継続しても、設定バイアス電圧に対応する注入深さXjは維持される。 Thus, the main parameter is, for example, a parameter representing a bias voltage applied to the substrate for plasma injection. Since the bias voltage can be rephrased as the implantation energy of ions in the plasma, it can be said that the main parameter is a parameter representing the implantation energy of plasma into the substrate. Further, the sub parameter is, for example, a parameter indicating a plasma processing time for plasma injection. Even if the plasma processing is continued beyond a certain time (that is, the saturation time), the implantation depth Xj corresponding to the set bias voltage is maintained.
不純物元素に共通の関係を使用して、要求される注入深さから主パラメタが直接に設定される。要求深さを実現するようまず主パラメタが設定され、それから残りのパラメタが設定される。好ましくは副パラメタが飽和範囲から選択されることにより、残りのパラメタの設定は、注入深さにほぼ影響しない。こうして、要求される注入深さを与えるプラズマ処理条件をシーケンシャルに設定する手順が提供される。 The main parameters are set directly from the required implantation depth using a common relationship to the impurity elements. The main parameters are set first to achieve the required depth, and then the remaining parameters are set. Preferably, the subparameters are selected from the saturation range so that the remaining parameter settings have little effect on the implantation depth. Thus, a procedure is provided for sequentially setting the plasma processing conditions that provide the required implantation depth.
副パラメタまたはその他の付属的パラメタは、要求プロファイルの他の項目例えば急峻性を制御するために設定されてもよい。このようにすれば、要求プロファイルの一項目例えば注入深さの制御のための主パラメタ設定と、他の一項目例えば急峻性の制御のための副パラメタ設定とにプラズマ処理条件の設定処理を細分化することができる。2つの項目を同時に考慮しながら多数のパラメタを最適化するのに比べて、項目ごとに関連する少数のパラメタを設定することにより、効率的な最適条件設定が可能となると見込まれる。 Sub-parameters or other ancillary parameters may be set to control other items of the request profile, such as steepness. In this way, the plasma processing condition setting process is subdivided into one item of the required profile, for example, a main parameter setting for controlling the implantation depth, and another item, for example, a sub parameter setting for controlling the steepness. Can be Compared to optimizing a large number of parameters while considering two items at the same time, it is expected that an efficient optimum condition can be set by setting a small number of parameters related to each item.
そこで、一実施例においては、プラズマ処理装置の設定部は、主パラメタを設定する第1設定処理と、副パラメタを設定する第2設定処理と、を個別的に実行する。第1設定処理は、主パラメタを、要求される注入深さを実現する値に設定してもよい。第1設定処理は、異なる不純物元素に共通する注入深さと主パラメタとの関係を使用して、主パラメタを設定してもよい。第2設定処理は、副パラメタを、要求される急峻性を実現する値に設定してもよい。第2設定処理は、注入されるべき不純物元素についての急峻性と副パラメタとの関係を使用して、副パラメタを設定してもよい。第2設定処理は、飽和範囲から副パラメタの値を選択してもよい。 Therefore, in one embodiment, the setting unit of the plasma processing apparatus individually executes a first setting process for setting a main parameter and a second setting process for setting a sub parameter. In the first setting process, the main parameter may be set to a value that realizes the required implantation depth. In the first setting process, the main parameter may be set using the relationship between the implantation depth common to different impurity elements and the main parameter. In the second setting process, the sub parameter may be set to a value that realizes the required steepness. In the second setting process, the sub parameter may be set using the relationship between the steepness and the sub parameter for the impurity element to be implanted. In the second setting process, the value of the sub parameter may be selected from the saturation range.
図1及び図2は、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理における不純物元素の注入のメカニズムを概念的に説明するための図である。図1には、不純物表層100を有する基板102が示されている。図2には、プラズマ注入処理中の基板102が示されている。
FIG. 1 and FIG. 2 are diagrams for conceptually explaining an impurity element implantation mechanism in plasma processing according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a
本発明の一実施形態に係る基板処理方法は、不純物原子101を含む層を基板表面103に形成する第1工程と、その層よりも深く不純物原子101を注入するための第2工程と、を含む。第2工程の処理条件が、要求される深さ方向の不純物濃度プロファイルを得るよう設定されている。第1工程は、基板102に不純物の供給源を準備するための前処理である。第1工程により得られた基板102が図1に示されている。
A substrate processing method according to an embodiment of the present invention includes a first step of forming a layer including
図1に示されるように、不純物表層100は多数の不純物原子101を含む。不純物原子101は例えば、ホウ素(ボロン)B、リンP、またはヒ素Asである。基板102を構成する材料は例えばシリコンSiである。不純物表層100を基板102に形成するための前処理は例えば、イオン注入、またはプラズマドーピングである。前処理は、CVD(化学蒸着)またはPVD(物理蒸着)等の成膜処理であってもよい。
As shown in FIG. 1, the
不純物表層100は、上層の堆積膜104と、下層の初期注入層106と、を含む。堆積膜104と初期注入層106との境界は、もとの基板表面(即ち、前処理をする前の基板表面)103である。堆積膜104は前処理によって基板表面103に堆積した不純物原子101から形成されている。初期注入層106は基板102のごく浅い領域に前処理によって不純物原子101が注入されて形成されている。初期注入層106は基板材料の原子(図示せず)を含んでもよい。堆積膜104もまた、不純物原子101の衝突によって基板102からはじき飛ばされた基板原子を含んでもよい。
The
初期注入層106は初期注入深さ108を有する。初期注入深さ108は、最終的に基板102に必要とされる要求深さ110よりも浅い。要求深さ110は破線で図1に示す。初期注入深さ108及び要求深さ110はともに、不純物濃度が基準値(例えば5×1018atoms/cm3)に等しくなる基板表面103からの深さである。初期注入深さ108は例えば、約5nm未満または約10nm未満の深さである。要求深さ110は例えば、約5nmないし10nm程度、または約10nmないし15nm程度の深さである。初期注入深さ108は、基板表面103に飛来する不純物イオンのもつエネルギーによって決定される。
The initial implantation layer 106 has an
よって、第1工程において基板表面103に飛来する不純物イオンのもつエネルギーは、要求深さ110への注入に必要とされるエネルギーよりも小さくてよい。例えば、典型的な低エネルギーイオン注入によって要求深さ110に不純物を注入するには例えば500eV程度の注入エネルギーを要する。それに対して、前処理に例えばイオン注入を用いる場合には200eV程度の注入エネルギーで十分である。そのため、前処理によって表面荒れ等の基板表面103に生じる影響を小さくすることができる。また、得られる濃度プロファイルは主として次のプラズマ注入の処理条件によって決まるので、前処理の処理条件の設定にそれほどの厳密さは要求されない。つまり、前処理は広いプロセスウィンドウを持つ。
Therefore, the energy of the impurity ions flying to the
図2に示されるプラズマ注入は、不活性ガスのプラズマ112を基板102に作用させる処理である。基板102には、不活性ガスイオン114の基板102への到達及び進入を促進するためのバイアス電圧が印加されている。バイアス電圧に相当する大きさの注入エネルギーが不活性ガスイオン114に与えられる。
The plasma implantation shown in FIG. 2 is a process in which an
不活性ガスイオン114のもつ注入エネルギーは、基板102の深さ方向の限界となる進入位置を定める。注入エネルギーに応じた深さ位置まで不活性ガスイオン114は到達することができる。バイアス電圧を含むプラズマ処理条件は、不活性ガスイオン114の最大到達深さを要求深さ110とするよう設定されている。
The implantation energy of the
プラズマ112から大量の不活性ガスイオン114が基板102の不純物表層100に照射される。不純物表層100の不純物原子101は到来した不活性ガスイオン114により、深い位置へと押し込まれていく。不活性ガスイオン114の押し込み作用により、不純物表層100は初期注入深さ108を越えて深さ方向に広がる。
The
不活性ガスイオン114の最大到達深さは要求深さ110に等しいから、不純物原子101への押し込み作用は、基板表面103から要求深さ110までの深さ範囲に限定される。よって、押し込まれた不純物原子101の到達位置は最大でも要求深さ110に留まる。不純物原子101は要求深さ110を越えては注入されない。到達深さは不活性ガスイオン114(の注入エネルギー)によって決められているから、不純物元素の種類には依存しないと考えられる。
Since the maximum reachable depth of the
こうして、十分なプラズマ112を作用させることを前提として(例えば十分なプラズマ処理時間を前提として)、不純物原子101は不活性ガスイオン114により要求深さ110に押し込まれていく。この場合のバイアス電圧は、通常のイオン注入による同深さのものよりも低い電圧で実現出来る。所望の不純物元素について要求される注入深さXjをもつ不純物プロファイルを基板102の表面に実現することができる。
Thus, on the premise that a
また、上述のように、不純物原子101への押し込み作用は要求深さ110までの深さ範囲に留まる。プラズマ処理を継続することによって、要求深さ110を下側境界とするごく薄い深さ範囲に不純物原子101を集積する作用が生じる。よって、その深さ範囲の不純物濃度勾配、即ち深さ増分に対する不純物濃度減少量を小さくすることができる。すなわち、要求深さ110付近において急峻性に優れるプロファイルを実現することができる。
Further, as described above, the pushing action to the
使用される不活性ガスの種類は、不純物原子101への押し込み作用と基板表面103の表面荒れとを考慮して選択することが好ましい。不活性ガスの原子量または分子量が小さい場合には押し込み作用が不十分となる可能性がある。逆に不活性ガスの原子量または分子量が大きい場合には、本処理の後工程であるアニール処理をしたときに顕在化する表面荒れが大きくなる可能性がある。これらを考慮して選択される実用上好ましい不活性ガスは、ヘリウムである。この場合、プラズマ112はヘリウムのみを含む。
The type of inert gas used is preferably selected in consideration of the action of pushing into the
不活性ガスのプラズマ112には、水素が混入されてもよい。後述する水素の結晶回復作用は、基板表面103の表面荒れを軽減する効果を有する。よって、この場合、ヘリウムよりも原子量の大きい不活性ガス(例えばアルゴン)も採用することができる。
Hydrogen may be mixed into the
図3は、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置10の構成を模式的に示す図である。プラズマ処理装置10は、本発明の一実施形態に係るプラズマ注入処理を提供するための装置である。プラズマ処理装置10は、プラズマ注入処理とともに、またはプラズマ注入処理に代えて、プラズマ注入処理の前処理の一例であるプラズマドーピング処理を提供するよう構成されていてもよい。
FIG. 3 is a diagram schematically showing the configuration of the
プラズマ処理装置10は、チャンバ12と、気体供給部14と、プラズマ源16と、基板ホルダ18と、を含んで構成される。プラズマ処理装置10は、これらの構成要素及びその他の要素を制御するための制御部11を備える。制御部11は、プラズマ処理条件を設定する設定処理をするための設定部13を備える。
The
後述するように、設定部13は、予め準備されているテーブルまたは関係式を使用して、要求パラメタからプラズマ処理パラメタを設定するための演算をする。そうしたテーブルまたは関係式は、制御部11に付随するメモリ(図示せず)に記憶されている。設定部13は、要求パラメタに加えて、必要に応じてその他の情報を使用してプラズマ処理パラメタの設定演算をしてもよい。
As will be described later, the setting
チャンバ12は、内部に真空環境を提供するための真空容器である。チャンバ12には、内部を真空排気するための真空ポンプ20が付設されている。真空ポンプ20は例えばターボ分子ポンプである。真空ポンプ20は真空バルブ22を介してチャンバ12に接続される。真空バルブ22は例えばバリアブルコンダクタンスバルブであり、ターボ分子ポンプの吸入口に取り付けられている。ターボ分子ポンプの後段には粗引きポンプ(図示せず)が設けられている。チャンバ12はアースに接続されている。
The
真空ポンプ20及び真空バルブ22は、チャンバ12の内部を所望の真空度に制御するための自動圧力調整システム(APC)を構成する。この自動圧力調整システムは、チャンバ12の圧力を測定するための圧力センサ(図示せず)、及び圧力測定値に基づき真空バルブ22(及び真空ポンプ20)を制御するための圧力コントローラ(図示せず)をさらに含む。自動圧力調整システムにより、チャンバ12内の真空環境は例えば、プラズマドーピング処理に好ましいプロセスガス圧力範囲に保持される。
The
気体供給部14は、チャンバ12にプロセスガスを供給するために設けられている。気体供給部14は、単一のまたは複数のガス源と、そのガス源をチャンバ12に接続しガスをチャンバ12に導入するための配管系統と、を含む。この配管系統は、チャンバ12に供給するガス流量を制御するためのマスフローコントローラを含んでもよい。気体供給部14が単一のガス源をもつ場合には、複数種類のガスを所望の比率に予め混合したプロセスガスがそのガス源に蓄えられていてもよい。
The
図示の実施例においては、気体供給部14は、不純物ガス源24及びキャリアガス源28を備える。気体供給部14は、不純物ガス源24から供給される不純物ガスの流量を制御するための第1マスフローコントローラ26と、キャリアガス源28から供給されるキャリアガスの流量を制御するための第2マスフローコントローラ30と、を備える。
In the illustrated embodiment, the
不純物ガスは、基板Wに添加されるべき所望の不純物を含む原料ガス、またはこの原料ガスを希釈ガスで薄めたガスである。原料ガスは所望の不純物に合わせて選択される。原料ガスの分子には不純物元素が含まれる。基板Wに注入する不純物が例えばボロン(B)、リン(P)、ヒ素(As)である場合にはそれぞれ、原料ガスは例えばB2H6、PH3、AsH3等が使用される。一実施例においては、不純物は、ボロン、リン、ヒ素、ガリウム、ゲルマニウム、及び炭素のうち少なくとも1種であってもよい。 The impurity gas is a source gas containing a desired impurity to be added to the substrate W or a gas obtained by diluting the source gas with a dilution gas. The source gas is selected according to the desired impurity. Impurity elements are contained in the molecules of the source gas. When the impurity implanted into the substrate W is, for example, boron (B), phosphorus (P), or arsenic (As), the source gas is, for example, B 2 H 6 , PH 3 , AsH 3 or the like. In one embodiment, the impurity may be at least one of boron, phosphorus, arsenic, gallium, germanium, and carbon.
原料ガスを希釈するための希釈ガスは例えば、水素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、キセノンのいずれかである。あるいは、これらのうち複数種が希釈ガスとして併用されてもよい。希釈ガスは原料ガスのプラズマの着火性を改善するためのアシストガスとして使用されてもよい。一実施例においては、原料ガスとしてB2H6ガスを使用する場合には、ガス源でのボロンの粉末化を避けるために、水素ガスで20%以下に希釈して使用される。キャリアガス源28から供給されるキャリアガスは、希釈ガスと同様に、例えば、水素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、キセノンのいずれかである。また、これらのうち複数種がキャリアガスとして併用されてもよい。
A diluent gas for diluting the source gas is, for example, any one of hydrogen, argon, helium, neon, and xenon. Or several types may be used together as dilution gas among these. The dilution gas may be used as an assist gas for improving the ignitability of the source gas plasma. In one embodiment, when B 2 H 6 gas is used as the source gas, it is diluted to 20% or less with hydrogen gas in order to avoid boron powdering in the gas source. The carrier gas supplied from the
プラズマドーピング処理を提供する場合には、気体供給部14は、第1マスフローコントローラ26により不純物ガスの流量を制御し、第2マスフローコントローラ30によりキャリアガスの流量を制御することにより、所望の流量比で混合ガスをチャンバ12に供給する。一方、本発明の一実施形態に係るプラズマ注入処理を提供する場合には、第2マスフローコントローラ30によりガスの流量を制御することにより、不純物を含まないガスを所望の流量で供給する。
In the case of providing the plasma doping process, the
プラズマ源16は、気体供給部14からチャンバ12に供給されたガスにプラズマを発生させる。プラズマ源16はチャンバ12に接してその外部に設置されている。一実施例においてはプラズマ源16はICP(誘導結合型プラズマ)と呼ばれるプラズマ発生方式のプラズマ源である。プラズマ源16は、高周波電源32、プラズマ発生用コイル34、及びインシュレータ36を含む。高周波電源32は例えば13.56MHzの交流電源であり、プラズマ発生用コイル34に電力を供給する。プラズマ発生用コイル34はチャンバ12の基板ホルダ18に対向する一面(図示の例では上面)に取り付けられている。コイル34が取り付けられているチャンバ12の一面には、誘電体の材料で構成されたフランジであるインシュレータ36が設けられている。
The
基板ホルダ18は、プラズマ処理がなされる基板Wを保持するためにチャンバ12の内部に設けられている。基板Wは半導体基板であり、例えばシリコンを主材料とする基板である。基板ホルダ18は、基板Wを保持するために例えば静電チャックまたはその他の固定手段を備えてもよい。一実施例においては、基板ホルダ18は、温度が制御される基板接触部を有し、この基板接触部に基板Wが載置され静電吸着により固定される。こうして基板Wは、プラズマ処理に好ましい基板温度に管理される。
The
また、基板ホルダ18にはバイアス電源38が接続されている。バイアス電源38は、基板ホルダ18に保持された基板Wに向けてプラズマ中のイオンを引きつけるための電位(すなわちバイアス電圧)を基板Wに与える。バイアス電源38は直流電源、パルス電源、または交流電源である。図示の実施例ではバイアス電源38は交流電源である。この場合、プラズマ発生用の高周波電源32よりは低周波数(例えば1MHz以下)の交流電源が使用される。よって、以下ではバイアス電源38を低周波電源と称する場合もある。
In addition, a
プラズマ注入処理の場合には、基板Wの表層にある不純物原子がプラズマ中のイオンにより、より深い位置へと押し込まれることで注入される。プラズマドーピング処理の場合には、不純物イオンがプラズマから基板Wの表層に注入される。一実施例においては、プラズマ処理装置10を使用してプラズマドーピングの前処理を実行し、引き続き当該プラズマ処理装置10を使用してプラズマ注入処理を実行してもよい。
In the case of the plasma implantation process, the impurity atoms in the surface layer of the substrate W are implanted by being pushed into a deeper position by ions in the plasma. In the case of the plasma doping process, impurity ions are implanted into the surface layer of the substrate W from the plasma. In one embodiment, the plasma processing pre-treatment may be performed using the
プラズマ処理がされた基板Wに対しては、後工程である熱処理が行われてもよい。この熱処理は、プラズマ処理によって基板Wに生じた結晶欠陥を回復し、注入された不純物を電気的に活性化するための処理である。熱処理は例えば急熱アニール処理(RTA、レーザーアニール、フラッシュランプアニール等)であり、図示しないアニール装置により行われる。 The substrate W that has been subjected to the plasma treatment may be subjected to a heat treatment as a subsequent step. This heat treatment is a process for recovering crystal defects generated in the substrate W by the plasma treatment and electrically activating the implanted impurities. The heat treatment is, for example, rapid thermal annealing (RTA, laser annealing, flash lamp annealing, etc.), and is performed by an annealing apparatus (not shown).
図4は、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置10におけるバイアス電力とバイアス電圧との関係を表すグラフである。図4の横軸は、交流電源であるバイアス電源38の供給する電力LFを表す。縦軸は、その電力LFによって基板Wに与えられるバイアス電圧を表す。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the bias power and the bias voltage in the
プラズマ中の不活性ガスイオンは陽イオンであるから、基板が負極となるときにイオンは基板に向けて加速される。バイアス電源38が交流電源であるため、ピークトゥピーク電圧Vppの半値がバイアス電圧の最大値にあたる。この電圧を超える電圧は印加されない。
Since the inert gas ions in the plasma are positive ions, the ions are accelerated toward the substrate when the substrate becomes a negative electrode. Since the
図4には記号◆で表される測定値と、それら測定値から求まる直線関係が示されている。例えば、電力LFが、135W、300W、500W、800Wであるときに、その電力LFに相当するバイアス電圧はそれぞれ、約125V、約250V、約380V、約590Vとなると読み取れる。 FIG. 4 shows a measurement value represented by the symbol ◆ and a linear relationship obtained from these measurement values. For example, when the power LF is 135 W, 300 W, 500 W, and 800 W, it can be read that the bias voltages corresponding to the power LF are about 125 V, about 250 V, about 380 V, and about 590 V, respectively.
要求される注入深さに典型的な低エネルギーイオン注入によって不純物を注入するには例えば500eV程度の注入エネルギー、即ち電圧に換算すれば500V程度を要する。よって、図4からわかるように、プラズマ処理のためのバイアス電力LFを600W程度以下の範囲に設定する場合には、典型的な低エネルギーイオン注入よりも低い注入エネルギーで不純物が注入される。 Implanting impurities by typical low energy ion implantation to the required implantation depth requires, for example, an implantation energy of about 500 eV, that is, about 500 V in terms of voltage. Therefore, as can be seen from FIG. 4, when the bias power LF for plasma processing is set to a range of about 600 W or less, impurities are implanted with an implantation energy lower than typical low energy ion implantation.
例えば図6に示されるように、イオン注入処理のみによって不純物を注入する典型的な方法と同じ深さレベルへの注入が600W程度以下のバイアス電力LFで実現される。このように、比較的低い注入エネルギーで不純物を注入しうることは、本発明の一実施形態に係るプラズマ注入処理の1つの利点である。低い注入エネルギーで効率的に不純物を注入することができる。注入エネルギーが低ければ、基板の表面荒れを小さくすることもできる。 For example, as shown in FIG. 6, implantation to the same depth level as in a typical method of implanting impurities only by ion implantation processing is realized with a bias power LF of about 600 W or less. Thus, the ability to implant impurities with relatively low implantation energy is one advantage of the plasma implantation process according to one embodiment of the present invention. Impurities can be efficiently implanted with low implantation energy. If the implantation energy is low, the surface roughness of the substrate can be reduced.
また、低い電圧で不純物を注入可能であることにより、製造されるべき基板上のデバイスパターンでのチャージアップを抑制することができる。これにより、デバイス製造の歩留まり向上が期待される。 In addition, since impurities can be implanted at a low voltage, it is possible to suppress charge-up in a device pattern on a substrate to be manufactured. This is expected to improve device manufacturing yield.
図5は、本発明の一実施形態に係る基板処理システム200を模式的に示す図である。基板処理システム200は、前処理装置202と、プラズマ処理装置204と、を備える。基板処理システム200は、前処理装置202からプラズマ処理装置204に被処理物を搬送するための搬送装置206を備えてもよい。
FIG. 5 is a diagram schematically showing a
前処理装置202は、対象物の表面に不純物を含む層を形成するための前処理をするための装置である。上述のように前処理は例えば、イオン注入、プラズマドーピング、または成膜処理である。よって、前処理装置202は例えば、イオン注入装置、プラズマ処理装置、または成膜装置である。前処理装置202は、公知の低エネルギーイオン注入装置であってもよい。
The
前処理装置202は、上述のプラズマ処理装置10であってもよい(図3参照)。すなわち、基板処理システム200は、前処理専用のプラズマ処理装置10と、プラズマ注入処理用のもう1つのプラズマ処理装置204と、を備えてもよい。
The
基板処理システム200は、後処理のための後処理装置(図示せず)を備えてもよい。後処理装置は例えば、熱処理のための熱処理装置例えばアニール装置である。基板処理システム200は、プラズマ処理装置204から後処理装置に被処理物を搬送するための搬送装置(図示せず)をさらに備えてもよい。
The
図6は、本発明の一実施形態に係る二次イオン質量分析法(SIMS)による分析結果を示すグラフである。図6の縦軸は不純物濃度を示し、横軸は基板表面からの深さを示す。図6は、4つの試料A〜DについてのSIMS分析結果を示す。SIMS分析結果がその試料の深さ方向の不純物濃度プロファイルを表す。 FIG. 6 is a graph showing an analysis result by secondary ion mass spectrometry (SIMS) according to an embodiment of the present invention. The vertical axis in FIG. 6 indicates the impurity concentration, and the horizontal axis indicates the depth from the substrate surface. FIG. 6 shows SIMS analysis results for four samples AD. The SIMS analysis result represents the impurity concentration profile in the depth direction of the sample.
試料Aは、前処理のみがなされ、プラズマ注入処理はなされていない。試料B〜Dは、試料Aと同一処理条件の前処理をしたうえで、それぞれ異なるバイアス電力のもとでプラズマ注入処理をしたものである。 Sample A is only pretreated and not plasma-injected. Samples B to D were pre-treated under the same processing conditions as Sample A, and were subjected to plasma injection treatment under different bias powers.
試料A〜Dに共通する前処理はごく低エネルギーのボロンのイオン注入である。前処理の段階までは、試料A〜Dは通常のイオン注入処理で作成されている。そのイオン注入の処理条件は注入エネルギー200eV、ドーズ量1×1015atoms/cm2である。試料B〜Dに共通するプラズマ処理条件は、プラズマ発生用の電源出力1500W、ヘリウムガス流量300sccm、ガス圧0.8Pa、処理時間1分である。試料B〜Dのバイアス電力はそれぞれ、300W、500W、800Wである。 The pretreatment common to the samples A to D is ion implantation of very low energy boron. Until the pretreatment stage, the samples A to D are prepared by a normal ion implantation process. The ion implantation treatment conditions are an implantation energy of 200 eV and a dose of 1 × 10 15 atoms / cm 2 . The plasma processing conditions common to the samples B to D are a power output for plasma generation of 1500 W, a helium gas flow rate of 300 sccm, a gas pressure of 0.8 Pa, and a processing time of 1 minute. The bias powers of Samples B to D are 300 W, 500 W, and 800 W, respectively.
図6からわかるように、プラズマ注入処理をすることにより(試料B〜D)、前処理後の状態(試料A)に比べて、ボロンが深くまで注入されていることがわかる。また、プラズマ処理におけるバイアス電力が大きいほどボロンが深くまで注入されている。具体的には、ボロンの濃度が基準値5×1018atoms/cm3まで低下する基板表面からの深さXjは、試料Aが約8nm、試料Bが約10nm、試料Cが約11nm、試料Dが約13nmである。
As can be seen from FIG. 6, it can be seen that boron is implanted deeper than the state after the pretreatment (sample A) by performing the plasma implantation process (samples B to D). Further, as the bias power in the plasma processing is larger, boron is implanted deeper. Specifically, the depth Xj from the substrate surface at which the boron concentration decreases to the
したがって、プラズマ注入処理における注入深さにバイアス電力が大きく影響している。バイアス電力の設定により、不純物の注入深さを制御することが可能であることがわかる。 Therefore, the bias power greatly affects the implantation depth in the plasma implantation process. It can be seen that the depth of impurity implantation can be controlled by setting the bias power.
また、イオン注入が比較的緩やかな濃度勾配減少を示す(つまり急峻性に劣る)のに対して、本プラズマ注入処理は急峻性に優れる傾向があることもわかる。ここで急峻性を例えば、不純物元素濃度が第1基準濃度となる基板表面からの深さから濃度が第2基準濃度に低下する深さまでの深さ差と定義する。深さ差が小さいほうが急峻性に優れる。第1基準濃度は例えば5×1019atoms/cm3であり、第2基準濃度は例えば5×1018atoms/cm3である。図6に示されるように、試料Aに比べて、例えば試料B、Cのほうが急峻性に優れている。 It can also be seen that the ion implantation shows a relatively gradual decrease in concentration gradient (that is, inferior in steepness), whereas the present plasma implantation process tends to be superior in steepness. Here, for example, the steepness is defined as a depth difference from a depth from the substrate surface where the impurity element concentration becomes the first reference concentration to a depth where the concentration decreases to the second reference concentration. The smaller the depth difference, the better the steepness. The first reference concentration is, for example, 5 × 10 19 atoms / cm 3 , and the second reference concentration is, for example, 5 × 10 18 atoms / cm 3 . As shown in FIG. 6, compared with the sample A, for example, the samples B and C are superior in steepness.
図7は、本発明の一実施形態に係る二次イオン質量分析法(SIMS)による分析結果を示すグラフである。図7の縦軸は不純物濃度を示し、横軸は基板表面からの深さを示す。図7は、6つの試料B1〜B3、P1〜P3についてのSIMS分析結果を示す。試料B1〜B3は注入した不純物元素がボロンであり、試料P1〜P3はリンである。いずれの試料もイオン注入の前処理をしてプラズマ注入処理をしている。 FIG. 7 is a graph showing an analysis result by secondary ion mass spectrometry (SIMS) according to an embodiment of the present invention. The vertical axis in FIG. 7 indicates the impurity concentration, and the horizontal axis indicates the depth from the substrate surface. FIG. 7 shows SIMS analysis results for six samples B1 to B3 and P1 to P3. In Samples B1 to B3, the implanted impurity element is boron, and Samples P1 to P3 are phosphorus. All samples are pre-treated for ion implantation and plasma-implanted.
試料B1〜B3へのイオン注入の処理条件は、注入エネルギー200eV、ドーズ量1×1015atoms/cm2である。試料P1〜P3へのイオン注入の処理条件は、注入エネルギー500eV、ドーズ量1×1015atoms/cm2である。イオン注入処理では一般にボロンよりもリンのほうが基板に注入されにくいことから試料P1〜P3への注入エネルギーを大きくしているが、これは必須ではない。試料P1〜P3についても同じ値の注入エネルギー例えば200eVとしてもよい。 The ion implantation processing conditions for the samples B1 to B3 are an implantation energy of 200 eV and a dose of 1 × 10 15 atoms / cm 2 . The ion implantation processing conditions for the samples P1 to P3 are an implantation energy of 500 eV and a dose of 1 × 10 15 atoms / cm 2 . In the ion implantation process, since phosphorus is generally less likely to be implanted into the substrate than boron, the implantation energy into the samples P1 to P3 is increased, but this is not essential. The samples P1 to P3 may have the same implantation energy, for example, 200 eV.
プラズマ処理条件は、バイアス電力以外は試料B1〜B3、P1〜P3に共通である。具体的には、プラズマ発生用の電源出力1500W、ヘリウムガス流量300sccm、ガス圧0.8Pa、処理時間1分である。試料B1〜B3のバイアス電力はそれぞれ、300W、500W、800Wである。同様に、試料P1〜P3のバイアス電力はそれぞれ、300W、500W、800Wである。 The plasma processing conditions are common to the samples B1 to B3 and P1 to P3 except for the bias power. Specifically, the power output for plasma generation is 1500 W, the helium gas flow rate is 300 sccm, the gas pressure is 0.8 Pa, and the processing time is 1 minute. The bias powers of the samples B1 to B3 are 300 W, 500 W, and 800 W, respectively. Similarly, the bias powers of the samples P1 to P3 are 300 W, 500 W, and 800 W, respectively.
図7に示されるように、不純物濃度が基準値5×1018atoms/cm3まで低下する深さXjが、試料B1とP1でほぼ等しく、約9.5nmである。同様に、試料B2とP2とでも約11.5nmほぼ等しく、試料B3とP3とでも約12.5nmほぼ等しいと読み取れる。注入する不純物イオン種によらず同一のバイアス電力で同一の注入深さを実現することができる。イオン注入処理のように不純物元素ごとに注入エネルギーを変える必要がない。 As shown in FIG. 7, the depth Xj at which the impurity concentration decreases to the reference value of 5 × 10 18 atoms / cm 3 is approximately equal to 9.5 nm for the samples B1 and P1. Similarly, it can be read that Samples B2 and P2 are approximately equal to approximately 11.5 nm, and Samples B3 and P3 are approximately equal to approximately 12.5 nm. The same implantation depth can be realized with the same bias power regardless of the impurity ion species to be implanted. There is no need to change the implantation energy for each impurity element as in the ion implantation process.
したがって、本発明の一実施形態によれば、注入する不純物元素の種類に依存することなく、共通の設定バイアス電力を使用して所望の注入深さに不純物を注入することができる。設定処理を簡素化することができる。また、通常のイオン注入処理で比較的注入しにくいイオン種を比較的低いエネルギーで注入することができるという点でも好ましい。 Therefore, according to one embodiment of the present invention, impurities can be implanted to a desired implantation depth using a common set bias power without depending on the type of impurity element to be implanted. The setting process can be simplified. Further, it is also preferable in that ion species that are relatively difficult to implant by a normal ion implantation process can be implanted with relatively low energy.
一方、共通のプラズマ処理条件のもとで、急峻性についてはボロンとリンとで異なっている。例えば試料B1と試料P1とではボロン(試料B1)のほうがリン(試料P1)よりも急峻性がよい。図8を参照して後述するように、プラズマ処理時間を延ばすことによって急峻性を改善することができると考えられる。 On the other hand, the steepness is different between boron and phosphorus under common plasma processing conditions. For example, in sample B1 and sample P1, boron (sample B1) has better steepness than phosphorus (sample P1). As will be described later with reference to FIG. 8, it is considered that the steepness can be improved by extending the plasma processing time.
なお、プラズマ処理の作用により、基板の表面にアモルファス層が形成される。バイアス電力を300Wとしたときのアモルファス層の厚さを図7に示す。これはエリプソメータで測定した値であり、約16.5nmである。500Wの場合には約24nm、800Wでは約32nmとさらに深くなる。前述の通り不純物の注入深さは10nm程度であるから、基板のアモルファス層と結晶層との界面よりも十分に浅い。したがって、アモルファス層及びその界面は、プラズマ注入処理による不純物プロファイルの制御に関与していないと結論づけられる。また、不純物の注入深さよりもアモルファス界面が深い位置にあるので、後工程の熱処理におけるストッパとして有効に機能しうると考えられる。 Note that an amorphous layer is formed on the surface of the substrate by the action of the plasma treatment. The thickness of the amorphous layer when the bias power is 300 W is shown in FIG. This is a value measured with an ellipsometer and is about 16.5 nm. In the case of 500 W, the depth becomes about 24 nm, and in the case of 800 W, the depth becomes about 32 nm. As described above, since the impurity implantation depth is about 10 nm, it is sufficiently shallower than the interface between the amorphous layer and the crystal layer of the substrate. Therefore, it can be concluded that the amorphous layer and its interface are not involved in controlling the impurity profile by the plasma implantation process. In addition, since the amorphous interface is deeper than the impurity implantation depth, it can be considered to function effectively as a stopper in the heat treatment in the subsequent process.
図8は、本発明の一実施形態に係る二次イオン質量分析法(SIMS)による分析結果を示すグラフである。図8の縦軸は不純物濃度を示し、横軸は基板表面からの深さを示す。図8は、4つの試料W〜ZについてのSIMS分析結果を示す。いずれの試料もボロンをプラズマドーピングにより基板に注入している。プラズマ処理条件は、バイアス電力が135W、ヘリウム流量が270sccm、ヘリウムで5%に希釈したB2H6の流量が30sccm、ガス圧が0.9Paである。試料W〜Zはプラズマ処理時間が異なる。試料W〜Zの処理時間はそれぞれ、5秒、15秒、30秒、60秒である。 FIG. 8 is a graph showing an analysis result by secondary ion mass spectrometry (SIMS) according to an embodiment of the present invention. The vertical axis in FIG. 8 indicates the impurity concentration, and the horizontal axis indicates the depth from the substrate surface. FIG. 8 shows SIMS analysis results for four samples W to Z. In any sample, boron is implanted into the substrate by plasma doping. The plasma processing conditions are a bias power of 135 W, a helium flow rate of 270 sccm, a flow rate of B2H6 diluted to 5% with helium at 30 sccm, and a gas pressure of 0.9 Pa. Samples W to Z have different plasma processing times. The processing times of the samples W to Z are 5 seconds, 15 seconds, 30 seconds, and 60 seconds, respectively.
図8からわかるように、プラズマ処理時間が30秒に増加するまでは(試料W、X、Y)、処理時間が増えるにつれて注入深さも増している。ところが、それ以降は増えていない。処理時間が30秒である試料Yと処理時間が60秒である試料Zとでは注入深さがほぼ同じである。不純物濃度が基準値5×1018atoms/cm3まで低下する深さXjは試料Yと試料Zとで等しくなっている。よって、この場合、飽和時間は約30秒である。
As can be seen from FIG. 8, the implantation depth increases as the processing time increases until the plasma processing time increases to 30 seconds (samples W, X, Y). However, it has not increased since then. The sample Y having a processing time of 30 seconds and the sample Z having a processing time of 60 seconds have substantially the same injection depth. The depth Xj at which the impurity concentration is reduced to the
飽和時間が経過するまではプラズマ処理時間が延びるにつれて注入深さも増えるが、飽和時間以降はプラズマ処理を継続しても飽和時点での注入深さに維持される。一方、急峻性については、試料Yよりも試料Zのほうがいくらか良好である。したがって、プラズマ処理時間を飽和時間よりも長くすることにより、注入深さはバイアス電力から定まる値に保ちつつそのプロファイルの急峻性を調整することができる。図8はプラズマドーピングについての実験結果であるが、こうした深さ及び急峻性の制御可能性についてはプラズマ注入処理についても同様である。 Until the saturation time elapses, the implantation depth increases as the plasma processing time increases. However, after the saturation time, the implantation depth at the saturation point is maintained even if the plasma treatment is continued. On the other hand, the sample Z is somewhat better than the sample Y with respect to the steepness. Therefore, by making the plasma processing time longer than the saturation time, the steepness of the profile can be adjusted while maintaining the implantation depth at a value determined from the bias power. FIG. 8 shows the experimental results of plasma doping, but the controllability of such depth and steepness is the same for the plasma implantation process.
図9は、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理条件の設定処理を説明するためのフローチャートである。一実施例においてはプラズマ処理装置10はプラズマ処理条件を設定するための設定部13を備え、設定部13が本設定処理を実行する(図3参照)。設定処理はプラズマ注入処理に先立って実行される。設定部13は、入力データからプラズマ処理条件を設定し、必要に応じて出力する。
FIG. 9 is a flowchart for explaining plasma processing condition setting processing according to an embodiment of the present invention. In one embodiment, the
この設定処理は、第1設定処理(S12)と第2設定処理(S14)とを含む。設定部13は、第1設定処理と第2設定処理をそれぞれ個別に実行する。設定部13は、第1設定処理、第2設定処理の順に設定処理を実行してもよいし、これら2つの処理を並行して個別的に実行してもよい。第2設定処理、第1設定処理の順に実行してもよい。前処理の処理条件には依存せずに、プラズマ処理パラメタは設定される。図10は、第1設定処理のためのテーブルの一例を示す。図11は、第2設定処理のためのテーブルの一例を示す。
This setting process includes a first setting process (S12) and a second setting process (S14). The setting
図9に示されるように、設定部13はまず、設定処理に必要とされる情報の入力を受ける(S10)。この入力データは、基板に実現すべき不純物の深さ方向の濃度プロファイルである要求プロファイルを含む。入力データは、プラズマ処理装置10または制御部11に付随する入力手段への操作者の入力により、または他の制御装置との通信により設定部13に供給される。
As shown in FIG. 9, the setting
要求プロファイルは、複数の要求パラメタを含む。要求プロファイルは、例えば、注入されるべき不純物元素を表すパラメタと、不純物濃度が基準値に等しくなる基板表面からの注入深さを表すパラメタと、第1基準濃度に等しくなる深さと第2基準濃度に等しくなる深さとの深さ差である急峻性を表すパラメタと、を含む。また、プラズマ処理条件は、複数のプラズマ処理パラメタを含む。プラズマ処理パラメタは例えば、バイアス電圧またはバイアス電力を表すパラメタと、プラズマ処理時間を表すパラメタとを含む。プラズマ処理パラメタは、プラズマ生成のために供給されるガス流量やガス圧を表すパラメタを含んでもよい。 The request profile includes a plurality of request parameters. The required profile includes, for example, a parameter representing an impurity element to be implanted, a parameter representing an implantation depth from the substrate surface where the impurity concentration is equal to a reference value, a depth equal to the first reference concentration, and a second reference concentration. And a parameter representing a steepness that is a depth difference from a depth equal to. Moreover, the plasma processing conditions include a plurality of plasma processing parameters. The plasma processing parameters include, for example, a parameter representing a bias voltage or bias power and a parameter representing a plasma processing time. The plasma processing parameter may include a parameter representing a gas flow rate or a gas pressure supplied for plasma generation.
設定部13は、要求される注入深さからバイアス電圧を設定する第1設定処理を行う(S12)。第1設定処理は、注入深さとバイアス電圧との関係に基づいて、注入深さを表す要求パラメタから、バイアス電圧を表すプラズマ処理パラメタを設定する。
The setting
注入深さとバイアス電圧との関係は例えば、図10に示すテーブルである。この第1テーブルは、異なる種類の不純物元素に共通であり、例えば少なくともボロンとリンに共通である。なお、不純物元素ごとに異なる関係またはテーブルが使用されてもよい。 The relationship between the implantation depth and the bias voltage is, for example, a table shown in FIG. This first table is common to different types of impurity elements, for example, at least common to boron and phosphorus. A different relationship or table may be used for each impurity element.
第1テーブルは、複数組の注入深さとバイアス電圧との対応関係を含む。こうした関係は実験によりまたは経験的に定めることができる。第1テーブルは、設定部13または関連するメモリに予め記憶されている。第1テーブルは、注入深さとバイアス電力LFとの関係を表していてもよい。図示の例では、第1テーブルは3組の対応関係を含み、バイアス電力LFが300W、500W、800Wであるときに対応する深さXjはそれぞれ9.8nm、12nm、13nmであるとされている。
The first table includes a correspondence relationship between a plurality of sets of implantation depths and bias voltages. Such relationships can be determined experimentally or empirically. The first table is stored in advance in the
設定部13は、入力された注入深さに対応するバイアス電圧を第1テーブルから選択する。要求される注入深さの入力値が第1テーブルにある場合には、設定部13は、対応するバイアス電圧を選択する。要求される注入深さの入力値が第1テーブルにない場合には、設定部13は、補間演算により対応するバイアス電圧を求める。例えば、注入深さの入力値に近い2つの値から線形補間によりバイアス電圧を求めてもよい。
The setting
テーブルに代えて、注入深さとバイアス電圧またはバイアス電力との関係式が使用されてもよい。その場合、設定部13はその関係式の少なくとも係数を予め記憶していてもよい。設定部13は、注入深さとバイアス電圧との関係式に基づいて注入深さからバイアス電圧を演算してもよい。例えば、注入深さDとバイアス電圧Vとの関係がV=a・D+bという一次式で表すことができる場合には、設定部13は、予め記憶されている係数a、bを使用して注入深さDからバイアス電圧Vを演算してもよい。
Instead of the table, a relational expression between the implantation depth and the bias voltage or the bias power may be used. In that case, the setting
設定部13は、要求される急峻性からプラズマ処理時間を設定する第2設定処理を行う(S14)。設定部13は、不純物元素を表す要求パラメタと急峻性を表す要求パラメタとからプラズマ処理時間を表すプラズマ処理パラメタを設定する。急峻性とプラズマ処理時間との関係は、注入されるべき不純物元素の種類ごとに準備されることが好ましい。
The setting
設定部13は、例えば図11に示す第2テーブルを使用して、プラズマ処理時間を設定する。第2テーブルは、要求される不純物元素及び急峻性と、それに対応するプラズマ処理パラメタとの組を含む。第2テーブルは、プラズマ処理パラメタとして少なくともプラズマ処理時間を含む。第1テーブルと同様に、こうした関係は実験によりまたは経験的に定めることができる。
The setting
設定部13は、入力された不純物元素及び急峻性に対応するプラズマ処理時間を第2テーブルから選択する。要求される不純物元素及び急峻性の入力値が第2テーブルにある場合には、設定部13は、対応するプラズマ処理時間を選択する。要求される入力値が第2テーブルにない場合には、設定部13は、例えば補間演算により対応するプラズマ処理時間を求める。
The setting
プラズマ処理時間は、当該プラズマ処理条件において不純物濃度を基準値に飽和させるための飽和時間以上に設定されることが好ましい。それにより、良好な均一性で所望の注入深さXjに不純物を注入することができる。図11に示す第2テーブルは、同一の要求パラメタに対し複数のプラズマ処理パラメタの候補を与える場合がある。設定部13は、プラズマ処理時間が飽和時間以上であることを条件の1つとして、複数の候補からプラズマ処理パラメタを選択してもよい。なお、プラズマ処理時間を飽和時間未満に設定する場合には、設定部13は、バイアス電圧を含む他のプラズマ処理パラメタを適宜補正してもよい。
The plasma processing time is preferably set to be equal to or longer than the saturation time for saturating the impurity concentration to the reference value under the plasma processing conditions. Thereby, impurities can be implanted to a desired implantation depth Xj with good uniformity. The second table shown in FIG. 11 may give a plurality of plasma processing parameter candidates for the same required parameter. The setting
第2テーブルは、図示されるようにバイアス電力LFを表すパラメタを含んでもよい。第1設定処理が既に行われてバイアス電力LFを表すパラメタが設定済みの場合には、設定部13は、要求パラメタの入力値及び設定バイアス電力LFに対応するプラズマ処理時間を第2テーブルから選択してもよい。第1設定処理が未完の場合には、設定部13は、要求パラメタの入力値に対応するプラズマ処理時間及びバイアス電力LFを選択してもよい。この場合、要求される注入深さを保証するために、設定部13は、選択されたバイアス電力LFを補正する補正処理を実行してもよい。第1設定処理は省略されてもよい。
The second table may include a parameter representing the bias power LF as shown. When the first setting process has already been performed and the parameter representing the bias power LF has been set, the setting
第2テーブルはさらに、例えばガス流量などの付属的なプラズマ処理パラメタを含んでもよい。設定部13は、これらの付属パラメタを第2設定処理で設定してもよい。あるいは、第1テーブルが付属パラメタを含み、設定部13は、付属パラメタを第1設定処理で設定してもよい。設定部13は、付属パラメタを設定するための第3設定処理を実行してもよい。付属パラメタは、1つまたは複数の値が候補として予め設定されていてもよい。設定部13は、第1設定処理及び第2設定処理でのプラズマ処理パラメタの設定値に応じて適切な付属パラメタを選択してもよい。
The second table may further include additional plasma processing parameters such as gas flow rates. The setting
設定部13は、設定されたプラズマ処理条件を、プラズマ処理装置10または制御部11に付随する出力手段または表示手段に出力する(S16)。こうして、本発明の一実施形態に係る設定処理は終了する。制御部11は、設定されたプラズマ処理条件を使用してプラズマ注入処理を実行する。
The setting
以上の構成を備えるプラズマ処理装置10において(図3参照)、基板に不純物を注入する際の動作を説明する。操作者は、プラズマ注入処理の処理条件を設定する。そのために、基板に形成すべき不純物プロファイルを決定し、その要求プロファイルを、プラズマ処理装置10に付随する入力手段を通じてプラズマ処理装置10に入力する。プラズマ処理装置10は、上述の第1設定処理及び第2設定処理を含む処理条件設定処理を実行し、要求プロファイルからプラズマ処理条件を求める。
In the
また、操作者は、プラズマ注入処理の準備段階として、上述の前処理がなされた基板を用意する。プラズマ処理においてはまず、真空ポンプ20により所望の真空度にチャンバ12が排気され、処理されるべき基板Wがチャンバ12へと搬入される。基板Wは基板ホルダ18に保持される。気体供給部14から所望の流量、圧力で不活性ガスがチャンバに供給される。あるいは気体供給部14により所望の流量比で混合されたプロセスガスがチャンバ12に供給される。このとき自動圧力調整システムにより継続して真空度が調節されている。高周波電源32からプラズマ発生用コイル34に通電して磁界を発生させる。磁界はインシュレータ36を通過してチャンバ12に進入し、プロセスガス(例えばヘリウムガス)のプラズマを発生させる。
In addition, the operator prepares a substrate on which the above-described pretreatment has been performed as a preparation stage for the plasma injection process. In the plasma processing, first, the
バイアス電源38を使用して、基板ホルダ18に保持されている基板Wに電位を発生させる。制御部11は、設定部13により設定されたバイアス電圧またはバイアス電力を発生させるようにバイアス電源38を制御する。それにより、プラズマに存在するイオンが基板Wに向けて加速され、基板Wの表層領域にイオンが飛来し進入する。所定の終了条件が成立したときに高周波電源32及びバイアス電源38からの給電は停止される。ガスの供給も停止される。例えば、設定部13により設定されたプラズマ処理時間が経過したときにプラズマ処理は終了される。処理済みの基板Wはチャンバ12から搬出される。
A
なお、行われたプラズマ注入処理による不純物プロファイルを計測し、計測結果から第1テーブル及び第2テーブルが更新されてもよい。例えば、計測結果の示す要求パラメタとプラズマ処理パラメタとの対応関係が第1テーブル及び第2テーブルに追加されてもよい。 In addition, the impurity profile by the plasma implantation process performed may be measured, and the 1st table and the 2nd table may be updated from a measurement result. For example, the correspondence between the request parameter indicated by the measurement result and the plasma processing parameter may be added to the first table and the second table.
以上説明したように、本発明の一実施形態によれば、前処理とプラズマ注入処理とを含む2段階の不純物注入方法が提供される。後工程のプラズマ注入処理の条件設定を適切に行うことにより、前処理の処理条件に依存せずに、所望の不純物プロファイルを実現することができる。注入する不純物元素の種類によらず統一的に、プラズマ注入エネルギーまたは基板へのバイアス設定によって注入深さを制御することができる。プラズマ処理時間の設定により所望の急峻性を得ることができる。バイアスと処理時間とを独立に設定することができるので、処理条件の設定作業が容易となる。 As described above, according to an embodiment of the present invention, a two-step impurity implantation method including a pretreatment and a plasma implantation treatment is provided. By appropriately setting the conditions for the post-process plasma implantation process, it is possible to realize a desired impurity profile without depending on the pretreatment process conditions. Regardless of the type of impurity element to be implanted, the implantation depth can be controlled uniformly by setting the plasma implantation energy or bias to the substrate. A desired steepness can be obtained by setting the plasma processing time. Since the bias and the processing time can be set independently, the processing conditions can be easily set.
以上、本発明を実施の形態にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。 The present invention has been described based on the embodiments. It will be understood by those skilled in the art that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various design changes are possible, various modifications are possible, and such modifications are within the scope of the present invention. By the way.
プラズマ注入処理のためのプラズマには水素が含まれてもよい。プラズマに適量の水素を混入することにより、衝突粒子によるボンバードメント効果ひいてはアモルファス層の密度の偏在が軽減され、アニール処理後において良好な均一性、再現性、急峻性を得ることができる。 The plasma for the plasma implantation process may include hydrogen. By mixing an appropriate amount of hydrogen into the plasma, the bombardment effect due to the collision particles and thus the uneven density of the amorphous layer can be reduced, and good uniformity, reproducibility, and steepness can be obtained after annealing.
プラズマへの適量の水素の混入によって、プラズマからのイオン衝突に対する基板表層の結晶の自己回復作用が強化される。つまり、ヘリウムのボンバードメントにより破壊される基板原子(例えばシリコン)同士の結合にプラズマによりラジカル化またはイオン化された水素が入り込み、瞬間的にシリコンと水素間に結合が生成される。この結合の結合力は弱く、結局はヘリウムのボンバードメントにより破壊される。しかしながら、このシリコン−水素間結合の存在によって、水素を混入しない場合よりも多くのエネルギーが結晶の破壊に必要となる。このため、同一エネルギーでは、結晶の破壊度合いは比較的弱くなる。したがって、プラズマ照射により生じた基板表面アモルファス層における密度の偏在が軽減され、後工程の活性化処理中の欠陥の成長が抑制される。 By mixing a suitable amount of hydrogen into the plasma, the self-healing action of the crystal on the substrate surface against ion collision from the plasma is enhanced. That is, hydrogen radicalized or ionized by plasma enters a bond between substrate atoms (for example, silicon) destroyed by helium bombardment, and a bond is instantaneously generated between silicon and hydrogen. The bond strength of this bond is weak and eventually it is destroyed by helium bombardment. However, the presence of this silicon-hydrogen bond requires more energy to destroy the crystal than when no hydrogen is mixed. For this reason, at the same energy, the degree of crystal breakdown becomes relatively weak. Therefore, the uneven distribution of density in the substrate surface amorphous layer caused by the plasma irradiation is reduced, and the growth of defects during the activation process in the subsequent process is suppressed.
好ましい水素ガス濃度を定めるための1つの観点は水素ガスによる結晶回復作用と不活性ガスによるボンバードメント効果とのバランスを考慮することであり、水素ガス濃度の好ましい範囲は実験的に決めることが可能である。例えば、水素ガスの流量比は、20%未満、または10%未満、好ましくは3%乃至5%、または4%未満である。 One aspect for determining the preferred hydrogen gas concentration is to consider the balance between the crystal recovery action by hydrogen gas and the bombardment effect by inert gas, and the preferred range of hydrogen gas concentration can be determined experimentally. It is. For example, the flow rate ratio of hydrogen gas is less than 20%, or less than 10%, preferably 3% to 5%, or less than 4%.
また、第1工程と第2工程とは必ずしも別個に行う必要はない。第1工程が終了する前に第2工程が開始されてもよい。前処理をプラズマドーピング処理により行う場合には、注入する不純物を含むプラズマを生成し、そのプラズマのもとでプラズマ注入処理を実行してもよい。プラズマは、注入する不純物を含む化合物をヘリウムガスで希釈したプロセスガスから生成されてもよい。上記のように、さらに水素が混入されてもよい。この場合、副パラメタは、プラズマ処理時間に代えて、またはプラズマ処理時間に加えて、不純物ガス流量を含んでもよい。 Further, the first step and the second step are not necessarily performed separately. The second step may be started before the first step is finished. In the case where the pretreatment is performed by plasma doping treatment, plasma containing impurities to be implanted may be generated, and the plasma implantation treatment may be performed under the plasma. The plasma may be generated from a process gas obtained by diluting a compound containing an impurity to be injected with helium gas. As described above, hydrogen may be further mixed. In this case, the subparameter may include the impurity gas flow rate instead of or in addition to the plasma processing time.
10 プラズマ処理装置、 11 制御部、 12 チャンバ、 13 設定部、 14 気体供給部、 16 プラズマ源。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
プラズマ処理のためのバイアス電圧を含むプラズマ処理条件と、該プラズマ処理条件によるプラズマ処理時間と、を前記要求プロファイルから設定する設定部と、
設定されたバイアス電圧を与えるために基板を保持する基板ホルダと、
設定されたプラズマ処理時間、基板にプラズマを作用させるためにプラズマを発生させるプラズマ源と、を備え、
前記要求プロファイルは、注入されるべき不純物元素と、不純物濃度が基準値に等しくなる基板表面からの注入深さと、第1基準濃度に等しくなる深さと第2基準濃度に等しくなる深さとの深さ差である急峻性と、を含み、
前記設定部は、前記注入深さから前記バイアス電圧を設定する第1設定処理と、前記不純物元素と前記急峻性とから前記プラズマ処理時間を設定する第2設定処理と、を実行することを特徴とするプラズマ処理装置。 A plasma processing apparatus for injecting impurities into a substrate according to a required profile from a surface layer containing impurities,
A setting unit for setting a plasma processing condition including a bias voltage for the plasma processing, and a plasma processing time according to the plasma processing condition from the request profile;
A substrate holder for holding the substrate to provide a set bias voltage;
A plasma source for generating plasma to cause the plasma to act on the substrate for a set plasma processing time;
The required profile includes an impurity element to be implanted, a depth of implantation from the substrate surface where the impurity concentration is equal to the reference value, a depth equal to the first reference concentration, and a depth equal to the second reference concentration. A steepness that is a difference, and
The setting unit executes a first setting process for setting the bias voltage from the implantation depth and a second setting process for setting the plasma processing time from the impurity element and the steepness. A plasma processing apparatus.
前記プラズマ源は、ヘリウムのプラズマ、またはヘリウム及び水素のプラズマを発生させることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のプラズマ処理装置。 A gas supply unit for supplying helium gas or a mixed gas of helium and hydrogen;
5. The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein the plasma source generates helium plasma or helium and hydrogen plasma.
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