(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層の上にホウ素と水素との化合物のガスを導入すると共に前記半導体層の表面に軟Ｘ線を照射し、前記半導体層の表面に、前記化合物の分解生成物からなるホウ素を含むラジカルおよびイオンの少なくとも一方が付着した付着層を、軟Ｘ線の照射領域に形成する第１工程と、
前記半導体層を加熱して前記付着層よりホウ素を前記半導体層に拡散させて前記半導体層にホウ素の導入層を形成する第２工程と
を少なくとも備えることを特徴とするホウ素ドーピング方法。
【請求項２】
請求項１記載のホウ素ドーピング方法において、
前記軟Ｘ線は、１００ｅＶ以上のエネルギーに対応する波長の軟Ｘ線であることを特徴とするホウ素ドーピング方法。
【請求項３】
シリコンから構成された半導体層の上にホウ素と水素との化合物のガスを導入すると共に前記半導体層の表面に、１２０ｅＶから１９０ｅＶのエネルギー範囲に対応する波長の軟Ｘ線を照射し、前記半導体層の表面に、前記化合物の分解生成物からなるホウ素を含むラジカルおよびイオンの少なくとも一方が付着した付着層を形成する第１工程と、
前記半導体層を加熱して前記付着層よりホウ素を前記半導体層に拡散させて前記半導体層にホウ素の導入層を形成する第２工程と
を少なくとも備えることを特徴とするホウ素ドーピング方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のホウ素ドーピング方法で形成したホウ素導入層よりなるｐ型不純物導入領域を形成する工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体に対してホウ素を導入するホウ素ドーピング方法および半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プレーナ型のトランジスタを作成する場合、不純物を導入することで半導体層に異なる導電型の領域が接する領域を形成する。例えば、ｎ型シリコン基板を用いてＭＯＳトランジスタを作製する場合、ソースおよびドレインとする領域にｐ型不純物のドーピングを行い、ドーピングしたドーパントを活性化させる。従来、デバイスがそれほど微細でなかった時代、あるいは現代においても、このドーピング手法は標準的に使われている。しかしながら、高集積化に伴うＭＯＳトランジスタの微小化は、必然的にゲート幅の縮小を余儀無くし、この結果として短チャンネル効果によるデバイス特性の劣化が問題にされるに至っている。
【０００３】
この短チャネル効果の問題への対処として、極浅ドーピング技術の開発の必要性が叫ばれるようになって久しい。一般に用いられているイオン打ち込みによるドーピング技術では、ドーパントの深さ分布が大き過ぎ、さらにドーピング時のイオンダメージを回復させるため高温でアニール処理が必要となり、ドーパントの分布が、基板の奥深くおよび横方向へ広がってしまうことが避けられない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】T.Hara, et al. ,"Formation of shallow p+ layer in silicon by plazma doping", Appl. Phys. Lett. ,Vol.63, No.1, pp.90-92, 1993.
【非特許文献２】R.J.Matyi, et al. ,"Process effects in shallow junction formation by plasma doping", J.Vac.Sci.Technol.B, Vol.16, No.1, pp.435-439,1998.
【非特許文献３】T.Aoki, et al. ,"Defect characteristics by boron cluster ion implantation", Physics Research B, 206, pp855-860, 2003.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
イオン打ち込みに代わる新しいドーピング技術の１例として、プラズマドーピング法がある。シリコンに対して代表的なｐ型ドーパントであるホウ素のドーピングに関して説明する。この技術では、アルゴンガスで希釈したＢ2Ｈ6ガスのプラズマ（非特許文献１参照）やＢＦ3プラズマ（非特許文献２参照）を、シリコン基板へ照射し、プラズマにより分解されて生成されたホウ素原子を、高濃度にシリコン基板の表面付近へと導入する。
【０００６】
しかしながら、プラズマ生成に必然的に伴うホウ素以外の不純物が導入されるという問題があった。また、プラズマ中でＢ2Ｈ6を分解するには、ある程度の電圧やパワーをかけることが必要となる。この結果、運動エネルギーを有しているアルゴンイオンなどによる、膜質へ与える影響も無視できない場合がある。また、プラズマプロセスによるホウ素原子導入量の精密制御は、難しいという問題点があった。
【０００７】
また、イオンの打ち込みにおいて、クラスターイオンを用いるドーピング法も提案されている（非特許文献３参照）。この技術では、１０個のホウ素原子が集まったデカボラン（Ｂ10Ｈ14）を用い、Ｂn+クラスターイオンを加速してシリコン基板へ照射する。この条件の場合、運動エネルギーが仮に１ｋｅＶだとすると、１個のホウ素原子のエネルギーは（１／ｎ）ｋｅＶになる。従って、このＢn+クラスターイオンを用いる技術では、実効的に低エネルギーで入射したのと同様の状況になり、浅いドーピングが可能になるという原理に基づいている。
【０００８】
しかし、この技術においては、個々のホウ素が分離してシリコンに入射するわけではなく、クラスターイオンの状態でシリコン表面に衝突している。このようにホウ素クラスターがシリコン表面と衝突する時点においては、１ｋｅＶのエネルギーを放出している。従って、各ホウ素イオンが、（１／ｎ）ｋｅＶのエネルギーを持ってｎ個入射するのと同等であるという論理には、大いに飛躍あり、実際には、基板に対する損傷が低減するものとは考えられない。
【０００９】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、半導体に対して導電型を発現させるための不純物としてのホウ素を、低損傷でより浅くドーピングできるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るホウ素ドーピング方法は、半導体層の上にホウ素と水素との化合物のガスを導入すると共に半導体層の表面に軟Ｘ線を照射し、半導体層の表面に、化合物の分解生成物からなるホウ素を含むラジカルおよびイオンの少なくとも一方が付着した付着層を、軟Ｘ線の照射領域に形成する第１工程と、半導体層を加熱して付着層よりホウ素を半導体層に拡散させて半導体層にホウ素の導入層を形成する第２工程とを少なくとも備える。
【００１１】
上記ホウ素ドーピング方法において、軟Ｘ線は、１００ｅＶ以上のエネルギーに対応する波長の軟Ｘ線であればよい。また、本発明に係るホウ素ドーピング方法は、シリコンから構成された半導体層の上にホウ素と水素との化合物のガスを導入すると共に半導体層の表面に、１２０ｅＶから１９０ｅＶのエネルギー範囲に対応する波長の軟Ｘ線を照射し、半導体層の表面に、化合物の分解生成物からなるホウ素を含むラジカルおよびイオンの少なくとも一方が付着した付着層を形成する第１工程と、半導体層を加熱して付着層よりホウ素を半導体層に拡散させて半導体層にホウ素の導入層を形成する第２工程とを少なくとも備える。
【００１２】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上述したホウ素ドーピング方法で形成したホウ素導入層よりなるｐ型不純物導入領域を形成する工程を備える。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、半導体層の上にホウ素と水素との化合物のガスを導入すると共に半導体層の表面に軟Ｘ線を照射するようにしたので、半導体に対して導電型を発現させるための不純物としてのホウ素を、低損傷でより浅くドーピングできるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】本発明の実施の形態におけるホウ素ドーピング方法を説明するための工程図である。
【図１Ｂ】本発明の実施の形態におけるホウ素ドーピング方法を説明するための工程図である。
【図１Ｃ】本発明の実施の形態におけるホウ素ドーピング方法を説明するための工程図である。
【図２】ホウ素およびシリコンの原子の軌道準位毎に、照射する光のエネルギーと光吸収断面との関係を示す特性図である。
【図３Ａ】本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための工程図である。
【図３Ｂ】本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための工程図である。
【図３Ｃ】本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための工程図である。
【図３Ｄ】本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための工程図である。
【図３Ｅ】本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための工程図である。
【図４】シリコン基板の上に付着層を形成しアニールする前（白丸と点線）と、１０００℃でアニールした後（黒丸と実線）との、付着層の擬誘電応答関数「＜ε＞＝＜ε１＞＋ｉ＜ε２＞」の変化を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１Ａ〜図１Ｃは、本発明の実施の形態におけるホウ素ドーピング方法を説明するための工程図である。まず、図１Ａに示すように、半導体基板（半導体層）１０１の上にホウ素との水素との化合物（ホウ化水素）のガス１０２を導入すると共に半導体基板１０１の表面に軟Ｘ線１０３を照射する。半導体基板１０１は、例えばシリコン基板もしくはゲルマニウム基板である。また、ガス１０２は、例えば、Ｂ2Ｈ6やＢ10Ｈ14などのガスである。
【００１６】
以上のようにガス１０２を供給している状態で、このガス１０２を通過させて半導体基板１０１の表面に軟Ｘ線１０３を照射する。これにより、図１Ｂに示すように、半導体基板１０１の表面に、ホウ化水素（化合物）の分解生成物からなるホウ素を含むラジカルおよびイオンの少なくとも一方が付着した付着層１２１が形成できる。例えば、ＢＨ2，ＢＨ，Ｂなどラジカルより付着層１２１が構成される。
【００１７】
この後、半導体基板１０２を加熱し、付着層１２１よりホウ素を半導体基板１０１に拡散させれば、図１Ｃに示すように、半導体基板１０１に表面近傍にホウ素の導入層１２２が形成できる。以上の工程は、例えば、内部で軟Ｘ線が照射できる機構を備える真空容器を備える装置を用いればよい。例えば、真空容器内に半導体基板１０１を載置し、真空容器内を真空排気する。この状態で、真空容器内にガス１０２を導入し、半導体基板１０１の表面に軟Ｘ線を照射すればよい。
【００１８】
このように、本発明では、半導体基板にホウ素の水素化合物の分子を分解できるような短波長の光（軟Ｘ線）を照射しながらホウ素の水素化合物のガスを半導体基板の上に供給するところに特徴がある。本発明によれば、付着層の形成において、イオン注入などように基板に損傷を与えることがなく、低損傷でホウ素のドーピングが可能となる。また、イオン注入法による損傷回復のアニールなど、半導体基板にホウ素を導入してから加熱をする必要がないので、より浅くドーピングすることが可能となる。
【００１９】
ここで、まず、付着層１２１の形成について、図２を用いてより詳細に説明する。図２は、ホウ素およびシリコンの原子の軌道準位毎に、照射する光のエネルギーと光吸収断面との関係を示す特性図である。図２の（ａ）はホウ素原子の状態を示し、（ｂ）は、Ｓｉ原子の状態を示している。なお、光吸収断面は、対象となる原子が、１個の光子を吸収する確率を示すものである。
【００２０】
照射するＸ線のエネルギーが１００ｅＶ以下においては、ホウ素原子の光吸収は主に、２ｓあるいは２ｐ電子の励起（価電子）によっている。また、Ｘ線のエネルギーが１００ｅＶ以下においては、シリコンの光吸収は、主に２ｓあるいは３ｐ電子の励起（価電子）によっている。一方、Ｘ線のエネルギーが１００ｅＶを超えると、内殻励起による光吸収が増加していることがわかる。ここで、ホウ素およびシリコンの吸収断面積がともに大きくなるのは、主に２００ｅＶ以上の軟Ｘ線領域となっている。従って、この吸収断面積の特性からは、ホウ素の水素化合物の分子を光励起して分解するには、２００ｅＶ以上のエネルギーが特に有効なものと考えられる。
【００２１】
ところで、図２から明らかなように、全エネルギー範囲において、ホウ素原子の光励起断面積は、シリコン原子の場合よりも１桁程度低い。従って、軟Ｘ線の照射による気相中でのホウ素原子の電子励起は、それほど大きくない。しかしながら、上述したように、シリコン基板の表面にホウ素の水素化合物ガスを導入し、ここに軟Ｘ線を照射している場合、ホウ素の水素化合物分子に対する電子励起は、上述した光照射によるものに加え、シリコン基板を構成しているシリコン原子の内殻を励起して放出されたエネルギーの高い２次電子によってもたらされるようになる。
【００２２】
以上のようにして、軟Ｘ線の照射およびシリコン基板から発生される２次電子により、ホウ素の水素化合物は、内殻が励起され、高エネルギー状態となる。このようにして内殻励起された高エネルギー状態のホウ化水素分子は、内殻軌道に外殻電子が遷移し、このエネルギーをもって他の外殻電子が放出され（オージェ緩和過程）、脱励起する。この脱励起により、ホウ化水素分子の価電子帯には、少なくとも２個の正孔が局在する状態となり、これらの正孔どうしのクーロン反発により、ラジカルやイオンの状態のＢＨx（ｘ＝０〜２：１個のホウ素の水素化合物）へと分解する。従って、シリコン原子の内殻励起がより増加する１００ｅＶ以上のエネルギーの軟Ｘ線照射により、効率的にホウ化水素分子を分解することができるようになる。
【００２３】
また、このような分解は、軟Ｘ線が照射されている半導体（シリコン）基板の表面上の領域で起こる。このため、分解により生成したラジカルやイオンの状態のＢＨxは、軟Ｘ線が照射されている領域の半導体基板表面に付着し、この領域の外側へ広がって付着する割合はごく僅かである。このことは、軟Ｘ線を照射する領域に、選択的にホウ素原子の導入が行えることを示している。
【００２４】
ここで、シリコン２ｐの吸収エッジが立ち上がり、ホウ素原子１ｓの吸収エッジに至らないエネルギー領域である１２０〜１９０ｅＶにおいては、シリコンとホウ素原子との間に２桁程度の吸収断面積の違いがあり、このエネルギー領域では、シリコン基板からの２次電子励起の寄与が最大になる。一方、図２から明らかなように、価電子励起に対応する１０ｅＶ程度の光に対する吸収断面積も大きいが、価電子励起の場合、ホウ化水素分子の分解に結びつく量子収率は極めて低い。
【００２５】
従って、ホウ化水素分子を効率的に分解させ、シリコンなどの半導体に付着させる、あるいは半導体中へ取り込ませるためには、ホウ素原子の内殻励起に加え、シリコンを内殻励起して放出された複数の２次電子が関与する多電子励起が重要となる。従って、ホウ化水素分子の効率的な分解には、前述したように、シリコン原子の内殻励起が大きくなる１００ｅＶ以上のエネルギーの軟Ｘ線照射が有効である。また、シリコンからの２次電子励起の寄与が最大となる１２０〜１９０ｅＶのエネルギーの軟Ｘ線照射が、特に有効である。
【００２６】
次に、本発明に係る半導体装置の製造方法について説明する。以下では、シリコン基板を用いたＭＯＳトランジスタの製造を例に説明する。まず、公知の製造方法により、図３Ａに示すように、ｎ型のシリコン基板３０１の上にゲート絶縁膜３０２を形成する。次に、公知の製造方法により、図３Ｂに示すように、ゲート絶縁膜３０２の上にゲート電極３０３を形成する。
【００２７】
次に、図３Ｃに示すように、真空排気環境（真空容器内）に配置されたシリコン基板３０１の上に、ヘリウムで希釈されたＢ2Ｈ6ガス３１０を供給し、また、Ｘ線マスク３２１を用いたＸ線リソグラフィーにより、ゲート電極３０３の両脇のシリコン基板３０１の上に、軟Ｘ線を選択的に照射する。Ｘ線マスク３２１には、軟Ｘ線の照射対象領域に対応してタングステンなどからなる遮光体３２２がマスクパターンとして形成されている。照射源からの軟Ｘ線３３０を、Ｘ線マスク３２１を透過させれば、シリコン基板３０１の上に選択的に軟Ｘ線を照射することができる。
【００２８】
なお、図３Ｃでは、ゲート電極３０３の形成箇所に対応するＸ線マスク３２１上にも遮光体３２２を備えるようにしているが、これに限るものではない。ゲート絶縁膜３０２およびゲート電極３０３が形成されているので、この領域のシリコン基板３０１には、軟Ｘ線が照射されることがない。従って、ゲート電極３０３の形成箇所に対応するＸ線マスク３２１上の箇所には、遮光体３２２がなくてもよい。
【００２９】
また、本実施の形態では、ゲート絶縁膜３０２およびゲート電極３０３を形成した後に軟Ｘ線を照射しており、Ｘ線マスク３２１とシリコン基板３０１の間には、ゲート絶縁膜３０２およびゲート電極３０３の高さ以上の間隔を備えるものとなる。従って、この間隙にＢ2Ｈ6ガス３１０を拡散させることで、軟Ｘ線が照射されている領域のシリコン基板３０１の上に、Ｂ2Ｈ6ガス３１０を供給することが可能となる。
【００３０】
上述した軟Ｘ線の選択照射による、シリコン基板３０１からの２次電子およびホウ素原子の直接的な内殻励起により、Ｂ2Ｈ6分子が分解し、ＢＨ2，ＢＨ，Ｂなどの分解生成物からなるホウ素を含むラジカルやイオンが生成し、これらが、軟Ｘ線照射領域のシリコン基板３０１へ付着し、図３Ｄに示すように、付着層３０４を形成する。付着層３０４は、軟Ｘ線照射領域に対応し、ゲート電極３０３の両脇のシリコン基板３０１の上に形成される。
【００３１】
次に、シリコン基板３０１を７００〜１０００℃程度の温度で数秒アニールする。これにより、付着層３０４のホウ素原子がシリコン基板３０１内へ拡散し、高濃度極浅ドーピング層を形成することができる。このようにして形成した高濃度極浅ドーピング層により、図３Ｅに示すように、ゲート電極３０３の両脇のシリコン基板３０１に、ｐ型不純物導入領域であるソース領域３０５およびドレイン領域３０６が形成でき、ＭＯＳトランジスタが形成される。このように、前述したホウ素ドーピング方法によりＭＯＳトランジスタのソース・ドレイン領域が形成できる。
【００３２】
ここで、付着層３０４を形成した後のアニール時間を長くすれば、ドーパントの拡散長は大きくなる。従って、非常に浅い領域に高濃度のホウ素ドーピング領域を形成するためには、急速アニール法が適している。またレーザーアニールも使用可能である。
【００３３】
なお、上述では、ゲート絶縁膜、ゲート電極を形成した後に、ホウ素ドーピング領域を形成することで、ソース・ドレイン領域を形成したが、これに限るものではない。例えば、軟Ｘ線の照射（露光）において、Ｘ線マスクとシリコン基板との間隔をあまり開けることができない場合、ゲート絶縁膜およびゲート電極を形成する前に、ホウ素ドーピング領域を形成してもよい。この場合であっても、Ｘ線マスクとシリコン基板との間に、ガスが拡散可能な間隙があれば、この間隙にＢ2Ｈ6ガス３１０を拡散させることで、軟Ｘ線が照射されている領域のシリコン基板の上に、Ｂ2Ｈ6ガスを供給することが可能となる。
【００３４】
ところで、以上では、半導体装置としてＭＯＳトランジスタを例に説明したが、これに限るものではない。ホウ素を導入した領域を用いる他のデバイスであっても、同様に適用可能である。
【００３５】
次に、実際に上述した付着層をシリコン基板の表面に形成し、これをアニールしたときの、付着層の厚さ変化を調べた結果を図４に示す。図４は、シリコン基板の上に付着層を形成しアニールする前（白丸と点線）と、１０００℃でアニールした後（黒丸と実線）との、付着層の擬誘電応答関数「＜ε＞＝＜ε１＞＋ｉ＜ε２＞」の変化を示している。光エネルギー領域２．３ｅＶ以下の領域では、付着層はある程度透明なため、擬誘電応答関数に干渉のピークが乗っている。アニールすると、矢印で示すように、干渉ピークが低エネルギー側へシフトするため、正味の付着層厚が減少していることが分かる。この減少が、付着層のホウ素がシリコン内へ拡散していることを示している。
【符号の説明】
【００３６】
１０１…半導体基板（半導体層）、１０２…ホウ素との水素との化合物（ホウ化水素）のガス、１０３…軟Ｘ線、１２１…付着層、１２２…導入層。
【図１Ａ】
0005545706.tif 000002
【図１Ｂ】
0005545706.tif 000003
【図１Ｃ】
0005545706.tif 000004
【図２】
0005545706.tif 000005
【図３Ａ】
0005545706.tif 000006
【図３Ｂ】
0005545706.tif 000007
【図３Ｃ】
0005545706.tif 000008
【図３Ｄ】
0005545706.tif 000009
【図３Ｅ】
0005545706.tif 000010
【図４】
0005545706.tif 000011