JPH11150081A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 浅く高濃度の活性化された不純物領域を効果
的に形成する。 【解決手段】 シリコン基板１内に不純物を含むイオン
を注入する工程と、イオンを注入する工程でシリコン基
板１に生じた欠陥を低減する工程と、その後シリコン基
板１に注入された不純物を活性化して不純物領域５を形
成する工程とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の製造方
法、特に浅い不純物領域を有する半導体装置の製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】電界効果型半導体装置は、高速化及び高
集積化の方向に向かっている。このため、電界効果型半
導体装置のソース・ドレイン等に用いられる不純物領域
は、より低抵抗且つ浅いことが要求され、今後数ｎｍ〜
数十ｎｍの深さの高濃度の不純物領域を形成する技術が
必要とされる。しかしながら、従来より用いられてきた
ホウ素、リン、砒素、ガリウム、インジウム、アンチモ
ン等の不純物をイオン注入し、高温の熱処理によって活
性化させる工程では、このような浅い不純物領域は得る
ことは困難である。

【０００３】このように浅く高濃度の不純物領域を形成
できない理由としては、イオンを注入した際にシリコン
基板中に多量に発生する格子欠陥が不純物の拡散を促進
することがあげられる。例えば、シリコン基板中にホウ
素をイオン注入した後にホウ素を活性化させる熱処理を
９００℃程度以下の温度で行うと、１０¹⁸／cm³ 以下の
濃度の領域でホウ素の拡散速度が数万倍程度にも速くな
り、不純物領域が広がってしまうという現象がおこるこ
とが知られている。このような不純物の異常な増速拡散
に最も深刻な影響を与えるのは、イオンが格子位置に存
在するシリコン原子と衝突し、シリコン原子が格子間位
置にはじき出されることによって発生した点欠陥である
格子間シリコンであると言われている。

【０００４】従来、通常の活性化温度よりも高い温度で
活性化を行うことが不純物の増速拡散に対して有効であ
った。例えば、ホウ素の活性化について述べると、ホウ
素は、８００℃程度以下の低温活性化においては上述し
たような格子間シリコンの影響による拡散の異常な増速
が見られるが、１０００℃まで温度を上げて活性化を行
えばこのような拡散の異常な増速がかなり抑制される。
しかしながら、このような高温の活性化を用いた場合、
正常なホウ素の拡散の速度も速くなるため、不純物領域
も短時間で広がってしまい、浅く高濃度の不純物層を形
成することができない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来は、
イオンを注入した際に半導体基板中に発生する点欠陥に
よって不純物の拡散が増速されるため、浅く高濃度の活
性化された不純物領域を形成することが困難であった。
また、活性化温度を高くして活性化を行うことにより不
純物の異常な増速を抑えることが一応可能であるが、正
常な不純物の拡散速度も速くなるため、この場合にもや
はり浅く高濃度の活性化された不純物領域を形成するこ
とが困難であった。

【０００６】本発明は、上記従来の問題を解決するため
になされたものであり、浅く高濃度の活性化された不純
物領域を効果的に形成することが可能な半導体装置の製
造方法を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体装置
の製造方法は、半導体基板内に不純物を含むイオンを注
入する工程と、このイオンを注入する工程前、工程中及
び工程後の少なくとも一つの段階で前記イオンを注入す
る工程で前記半導体基板に生じる欠陥の影響を抑制する
ための処理を行う工程と、欠陥の影響を抑制した状態で
半導体基板に注入された不純物を活性化する工程とを有
することを特徴とする。

【０００８】半導体基板としては特にシリコン基板、不
純物としては特に３価或いは５価の元素（ホウ素、リ
ン、砒素、ガリウム、インジウム、アンチモン等）をあ
げることができる。欠陥としては特に点欠陥である自己
格子間原子（格子間シリコン等）をあげることができ
る。

【０００９】本発明によれば、自己格子間原子等の欠陥
の影響を抑制するための処理を行うことにより、欠陥に
基づく不純物の拡散の異常な増速が抑制され、浅く高濃
度の活性化された不純物領域を形成することが可能とな
る。また、不純物を活性化する前に欠陥の影響を抑制す
るための処理がなされているので、従来のように不純物
の増速拡散を抑える観点から活性化温度を高くして活性
化を行う必要がなく、比較的低温で活性化を行うことが
できるため、この点からも浅く高濃度の活性化された不
純物領域を効果的に形成することが可能となる。

【００１０】前記欠陥の影響を抑制するための処理とし
ては、特に、欠陥となる自己格子間原子に電荷を供給し
て前記イオンが注入された領域の欠陥を低減する処理
（処理Ａとする）、前記半導体基板を圧縮する応力を加
える処理（処理Ｂとする）があげられる。

【００１１】処理Ａは自己格子間原子の非熱的拡散の性
質を利用する方法であり、処理Ｂは圧縮応力の印加によ
って自己格子間原子と不純物の相互作用を弱める方法で
ある。

【００１２】自己格子間原子の非熱的拡散とは、半導体
基板中の自己格子間原子が電子を放出したり吸収したり
して帯電状態を変え続けることで、拡散時の活性化障壁
が消失し、極低温においても自己格子間原子が拡散して
行く現象である。また、圧縮応力の印加によって自己格
子間原子と不純物の相互作用を弱める方法というのは、
圧縮応力の印加によって自己格子間原子を不純物に近寄
りにくくするのと同時に、不純物の通常の拡散速度その
ものも小さくする方法である。以下、半導体としてシリ
コンを例にとり、これらについてさらに詳細に説明す
る。

【００１３】まず、格子間シリコンの非熱的拡散の性質
を利用する方法について詳細に説明する。シリコン基板
に電子線を照射した後に格子間シリコンの拡散を観測す
ると、４Ｋの極低温においてさえも拡散が起こっている
ことが見出されている。この様な特異な拡散が起こる理
由は次のように説明される。通常、格子間位置に弾き出
されたシリコンが一つの格子間位置から他の格子間位置
に移る際には、１ｅＶ程度のエネルギー障壁を越えなけ
ればならない。しかし、格子間シリコンが存在する格子
間位置は、その帯電状態を変えることによって、シリコ
ン基板中を拡散する場合のエネルギー面上の山の位置が
谷の位置に、谷の位置が山の位置にと言うように変化す
る。従って、電子線の照射等によって格子間シリコンが
常に電子を捕獲したり放出したりするようにすれば、活
性化障壁無しに格子間シリコンはシリコン基板内を拡散
でき、温度によらず極低温でさえも格子間シリコンは拡
散することができる。これは不純物の拡散に対しては見
出されていない性質なので、不純物のイオン注入によっ
て発生した格子間シリコンのみを素早く拡散させれば、
イオン注入された領域の格子間シリコンの濃度のみを減
じることができる。

【００１４】具体的には、不純物をイオン注入した後に
暫く電子線を照射し、その後に通常の活性化温度よりも
低い温度、例えばホウ素なら７００℃〜８００℃の温度
で活性化を行えば、浅く高濃度の不純物領域が形成でき
る。なお、電子線の入射エネルギーが大きすぎる場合、
シリコン基板中に原子空孔と格子間シリコンを発生さ
せ、逆に不純物の拡散を増速させてしまうことになる。
そのため、欠陥を発生させない程度の電子線を照射する
必要がある。上限として４００ｋｅＶ程度（下限は１０
ｋｅＶ程度）のエネルギーであれば、欠陥を発生せずに
格子間シリコンを拡散させることができる。

【００１５】また、格子間シリコンの非熱的拡散を起こ
させる方法としては、イオン注入後にシリコン基板に電
流を流す方法もあげられる。シリコン基板に電流を流す
ことで、シリコン基板内に発生した格子間シリコンを帯
電させることにより、格子間シリコンの非熱的拡散を起
こすものである。なお、通電によって基板の温度が上が
るため、シリコン基板の温度が不純物の活性化温度より
も高くならないようにする必要がある。そのためには、
電流の大きさが１００μＡ程度とすることが好ましい。

【００１６】なお、電子線照射や通電は、イオン注入の
後でもよいがイオン注入と同時に行っても良い。次に、
シリコン基板に圧縮応力を印加して格子間シリコンと不
純物との相互作用を弱める方法について説明する。

【００１７】圧縮応力を印加する方法は種々あるが、シ
リコン基板の表面側或いは裏面側に他の物質を貼り合わ
せ、その物質とシリコン基板との熱膨張率の差を利用し
て圧縮応力を印加する方法が有力であり、以下の方法を
あげることができる。

【００１８】第１の方法は、シリコン基板よりも膨張率
が大きい物質をシリコン基板の裏面或いは不純物領域の
上部に、不純物の活性化温度よりも数百℃〜千℃程度高
い温度で貼り付け、その後に温度を下げるものである。
この場合、降温している過程でシリコン基板にはすでに
圧縮応力が加えられており（すなわち、不純物の活性化
の前に欠陥の影響を抑制するための処理が行われる）、
圧縮応力が加えられた状態で不純物の活性化を行う。

【００１９】第２の方法は、シリコン基板よりも膨張率
が小さい物質をシリコン基板の裏面或いは不純物領域の
上部に、不純物の活性化温度よりも数百℃〜千℃程度低
い温度で貼り付け、その後に温度を上げるものである。
この場合、昇温している過程でシリコン基板にはすでに
圧縮応力が加えられており（すなわち、不純物の活性化
の前に欠陥の影響を抑制するための処理が行われる）、
圧縮応力が加えられた状態で不純物の活性化を行う。

【００２０】なお、具体的には、シリコン基板の線膨張
率は２．４×１０^-6／℃なので、温度を下げることによ
って圧縮応力を印加する場合にはこれよりも高い線膨張
率の物質を用い、温度を上げることによって圧縮応力を
印加する場合にはこれよりも低い線膨張率の物質を用い
る。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施形態を説明する。まず、第１の実施形態として、
本発明の方法によって浅く高濃度の不純物拡散領域が形
成されることを示す。

【００２２】図１及び図２は、室温においてシリコン基
板にＢＦ⁺ イオンを４０ｋｅＶで１×１０¹⁵／ｃｍ² 注
入した後に、室温のまま１００ｋｅＶの電子線を５×１
０¹⁵／ｃｍ² 照射し、その後７００℃で３０分活性化の
ための熱処理を行った後のホウ素の分布（図１）と、電
子線照射を行わずに同様の活性化処理を行った後のホウ
素の分布（図２）を示したものである。

【００２３】これらの図からわかるように、ホウ素濃度
が１０¹⁸／ｃｍ³ 以下の領域において両者に著しい分布
の差が見られる。すなわち、電子線照射を行わなかった
方はホウ素濃度が１０¹⁸／ｃｍ³ 以下の領域でホウ素の
異常な拡散の増速が見られるが、電子線照射を行った方
では１０¹⁸／ｃｍ³ 以下の領域でホウ素の異常な拡散の
増速は見られない。このことから、ホウ素の増速拡散の
抑制に対して電子線を照射することが有効であることが
わかる。また、本願発明者はホウ素の活性化に対する同
様の効果が、電子線照射の代わりに不純物領域に１００
μＡ／ｃｍ² の電流を流すことによっても得られること
を確認している。

【００２４】また、ホウ素の活性化工程においてシリコ
ン基板中の不純物領域に圧縮応力を印加することで、ホ
ウ素の異常な増速拡散が抑制されることも次のような実
験で確認している。

【００２５】シリコン基板よりも線膨張率が大きな物質
として単結晶のゲルマニウムを用い、これを１１００℃
の温度でこれからホウ素を注入する領域の上部に貼り付
け、温度を７００℃まで下げることによってシリコン基
板に圧縮応力を印加した。その後、ホウ素イオンの注入
を行い、７００℃で３０分活性化のための熱処理を行っ
た。電子線を照射した場合と同様、図１で示すように、
ホウ素濃度が５×１０¹⁸ｃｍ³ 以下の領域で生じる異常
な拡散が発生しないことがわかった。また、シリコン基
板よりも線膨張率が小さな物質として石英ガラスを用
い、これを室温でこれからホウ素を注入する領域の上部
に貼り付け、ホウ素イオンの注入を行った後、シリコン
基板の温度を上昇させてシリコン基板に圧縮応力を印加
し、７００℃でホウ素を活性化させた。この場合にも、
図１と同様に上述のホウ素の異常な拡散が発生しないこ
とがわかった。なお、他の３価或いは５価の不純物に対
しても、上述したのと同様の工程を行うことにより、イ
オン注入直後の不純物の異常な拡散が抑制されることが
確認された。

【００２６】次に、第２の実施形態について、図３を参
照して説明する。まず、図３（ａ）に示すように、ｎ型
シリコン基板上１上に、厚さ５ｎｍのゲート酸化膜２、
厚さ２００ｎｍの多結晶シリコンゲート電極３及び厚さ
５００ｎｍの素子分離酸化膜４を形成する。

【００２７】次に、図３（ｂ）に示すように、ソース領
域及びドレイン領域を形成するために、これらを形成す
る部分の上方から室温にてＢＦ⁺ イオンを加速電圧４０
ｋｅＶで１×１０¹⁵／ｃｍ² 打ち込む。その直後に、矢
印で示すように、室温にて電子線を１００ｋｅＶの加速
電圧で５×１０¹⁵／ｃｍ² 照射する。その後、８００℃
で３０分間アニールしてホウ素を活性化させ、ソース・
ドレイン領域５を形成する。

【００２８】次に、図３（ｃ）に示すように、ＣＶＤシ
リコン酸化膜６を全面に堆積した後、ソース・ドレイン
領域に達するコンタクト孔を開孔する。最後に、アルミ
ニウムを堆積してこれをパターニングし、ソース電極・
ドレイン電極７を形成する。このようにして、ｐチャネ
ルＭＯＳＦＥＴが完成する。

【００２９】なお、ホウ素の異常な増速拡散を抑制し、
浅く高濃度の不純物領域を得るための照射電子線のエネ
ルギーと注入量は、上述したものに限定されるものでは
ない。照射電子線のエネルギーは、形成される不純物領
域の深さに十分届き、且つ、シリコン基板中に欠陥を生
じさせない範囲のエネルギーであれば良い。また、注入
量は、注入された不純物と同量以上あれば十分である。
このような範囲で電子線の入射エネルギーと注入量を変
化させることが可能である。

【００３０】また、電子線の代わりに不純物領域に弱い
電流を流すことでも同様の効果が得られる。上述のＭＯ
Ｓトランジスタの製造工程において、ソース・ドレイン
領域を形成するためにＢ⁺ イオンを注入した後、基板の
両端に電極を接触させて室温で１００μＡの直流電流を
流す。その後、８００℃で３０分アニールしてホウ素を
活性化させる。以後、上述と同様の工程により、図３
（ｃ）に示すようなｐチャネルＭＯＳＦＥＴが完成す
る。なお、基板に流す電流の大きさは、基板の温度を活
性化温度よりも低く保つ範囲で変化させることが可能で
あり、電流は直流でも交流でも良い。

【００３１】次に、第３の実施形態について、図４を参
照して説明する。本実施形態では、電子線照射や通電の
代わりに不純物領域に圧縮応力を加えることにより、浅
く高濃度の不純物領域を持つＭＯＳトランジスタを作成
する例を示す。

【００３２】まず、すでに図３（ａ）で示したように、
ｎ型シリコン基板上に５ｎｍのゲート酸化膜、２００ｎ
ｍの多結晶シリコンゲート電極、５００ｎｍの素子分離
酸化膜を形成する。次に、図４に示すように、基板温度
を１１００℃まで上昇させ、厚さ１μｍの単結晶ゲルマ
ニウム１１をシリコン基板１の裏面に貼り合わせる。そ
の後、温度を７００℃まで下げることによりシリコン基
板に圧縮応力を加え、温度を７００℃に保った状態でＢ
Ｆ⁺ イオンを注入する。イオン注入の後、温度を７００
℃に保ったまま、すなわちシリコン基板に圧縮応力が加
わった状態で、３０分間のアニールを行ってホウ素を活
性化させ、ソース・ドレイン領域を形成する。その後、
単結晶ゲルマニウム１１を機械的研磨で剥離し、上述し
たような工程でソース電極及びドレイン電極の形成等を
行い、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴが完成する。

【００３３】圧縮応力を加えることによって浅く高濃度
の不純物領域を形成する方法は、シリコン基板よりも膨
張率の小さな物質を使っても達成することができ、以下
これについて説明する。上述した様に、ｎ型シリコン基
板上にゲート酸化膜、ゲート電極及び素子分離酸化膜を
形成した後、上述のゲルマニウムの代わりに石英ガラス
を室温でシリコン基板の裏面に貼り合わせる。続いて、
室温のままでＢ⁺ イオンを注入した後、温度を上昇させ
てシリコン基板に圧縮応力を印加し、温度を８００℃に
保ってホウ素を活性化する。その後、石英ガラスを弗酸
で剥離し、上述したような工程でソース電極及びドレイ
ン電極の形成等を行い、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴが完成
する。

【００３４】次に、第４の実施形態として、本発明によ
る浅く高濃度の不純物領域の形成方法を短チャネル効果
を防止するためのリトログレードチャネル形成に適用す
る例について、図５を参照して説明する。

【００３５】まず、図５（ａ）に示すように、ｎ型シリ
コン基板１に素子分離酸化膜４を形成し、その後全面を
酸化して数十ｎｍの厚さのシリコン酸化膜１２を形成す
る。続いて、室温にて６０ｋｅＶの加速電圧でゲート電
極形成領域の上部から酸化膜１２を通して１×１０¹⁵の
Ａｓ^- イオンを注入し、リトログレードチャネル領域１
３を形成する。その後、ゲート電極形成領域の酸化膜を
剥離し、室温にて電子線を１００ｋｅＶの加速電圧で５
×１０¹⁵／ｃｍ² 照射する。続いて、図５（ｂ）に示す
ように、７５０℃で３０分間の酸化を行ってゲート酸化
膜２を形成するとともに、リトログレードチャネル領域
１３の不純物を活性化して基板よりも不純物濃度の高い
ｎ型不純物領域を形成する。その後、ソース電極及びド
レイン電極等を形成し、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴが完成
する。

【００３６】なお、上記各実施形態では不純物に主とし
てホウ素を用いたが、ホウ素の代わりに砒素、リン、ガ
リウム、インジウム、アンチモン等を用いてもよく、ま
たｐチャネルＭＯＳＦＥＴの代わりにｎチャネルＭＯＳ
ＦＥＴも同様に作製することが可能である。

【００３７】また、電子線照射や通電は、必ずしもイオ
ン注入の後に行わなくてもよく、イオン注入と同時に行
っても良い。さらに、シリコン基板に圧縮応力を加える
場合には、ゲルマニウムや石英ガラス以外のものを用い
ることも可能である。また、圧縮応力を加える物質をシ
リコン基板の裏面から貼り合わせる代わりに表面から接
合しても良い。その他、本発明はその趣旨を逸脱しない
範囲内において種々変形して実施することができる。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、欠陥に基づく不純物の
異常な増速拡散が抑制され、また従来のように活性化温
度を高くして活性化を行う必要がないため、浅く高濃度
の活性化された不純物領域を形成することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によって得られるホウ素の濃度プロファ
イルを示した図。

【図２】従来技術によって得られるホウ素の濃度プロフ
ァイルを示した図。

【図３】本発明の一実施形態を示した工程断面図。

【図４】本発明の他の実施形態を示した断面図。

【図５】本発明の他の実施形態を示した工程断面図。

【符号の説明】

１…シリコン基板 ２…ゲート酸化膜 ３…ゲート電極 ４…素子分離酸化膜 ５…ソース・ドレイン領域 ６…シリコン酸化膜 ７…ソース・ドレイン電極 １１…単結晶ゲルマニウム １２…シリコン酸化膜 １３…リトログレードチャネル領域

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板内に不純物を含むイオンを注入
   する工程と、このイオンを注入する工程前、工程中及び
   工程後の少なくとも一つの段階で前記イオンを注入する
   工程で前記半導体基板に生じる欠陥の影響を抑制するた
   めの処理を行う工程と、欠陥の影響を抑制した状態で半
   導体基板に注入された不純物を活性化する工程とを有す
   ることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】前記欠陥の影響を抑制するための処理は、
   欠陥となる自己格子間原子に電荷を供給して前記イオン
   が注入された領域の欠陥を低減する処理であることを特
   徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】前記欠陥の影響を抑制するための処理は、
   前記半導体基板を圧縮する応力を加える処理であること
   を特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。