(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウエーハに対して電気的に活性な不純物を添加してｎ型あるいはｐ型基板とする不純物添加方法であって、
前記半導体ウエーハにイオン注入により不純物を注入する工程、および
前記半導体ウエーハのイオン注入により破壊された前記結晶表面層にシンクロトロン放射光からウィグラーによる高輝度Ｘ線を照射することによって、イオン注入により破壊された結晶表面層を融解することなく結晶性を回復させ、同時に結晶表面層に注入不純物をその注入プロファイルのピーク濃度を越えて偏析させる工程、
含むことを特徴とする不純物添加方法。
【請求項２】
前記高輝度Ｘ線の照射に際して、前記半導体ウエーハの結晶表面層に対して熱アニールを補助的に施すことを特徴とする請求項１記載の不純物添加方法。
【請求項３】
前記結晶表面層に偏析させた不純物濃度が熱平衡固溶限を越えることを特徴とする請求項１または２に記載の不純物添加方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は半導体ウエーハに対して電気的に活性な不純物を添加する不純物添加方法および該方法により得ることのできる半導体基板に関する。
【０００２】
【発明の概要】
この発明は、通常の半導体デバイス作製において電気的に活性な不純物を添加する技術に関するもので、イオン注入後、高輝度Ｘ線ビームを照射することにより、低温で短時間に高効率の電気的活性化を達成できるようにしたものである。
【０００３】
【従来の技術】
通常、半導体ウエーハに電気的に活性な不純物を添加する場合には、イオン注入を行う。このイオン注入では高エネルギー粒子を半導体の結晶格子に衝突させるため、結晶構造が破壊され、このままでは、注入不純物は、電気的に活性化しない。したがって、従来はイオン注入後、結晶性の回復および不純物の電気的活性化のために、熱処理を行っていた。
【０００４】
この熱処理法としては、電気炉中で上記半導体ウエーハをアニールする方法が最も一般的である。たとえば、ボロン（ｐ型）やリン（ｎ型）のイオンを注入したシリコンウエーハに、９００℃以上、数十分程度の条件で電気炉アニールを行う。
【０００５】
ところで、不純物を高濃度で注入した場合に電気炉アニールを行うと、不純物の活性化率が顕著に低下する。また、処理が長時間に及ぶため、低コスト化に不利である。さらに、この電気炉アニールによる長時間処理のために、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）など立体積層構造をとるデバイスや、その他アニール回数の多いデバイスでは、熱による構造の劣化が起こる可能性がある。
【０００６】
これに対し、パルスレーザー光の照射により、イオン注入層を瞬時に融解−固化させるレーザーアニール法も提案されている。
【０００７】
このレーザーアニール法は、１）表面層のみの処理が可能であること、２）空間的な局所処理が可能であること、３）瞬時（数１００ナノ秒以内）に処理を終えることが可能であること、４）注入不純物が熱平衡固溶限を越えて、多量に添加できることなど、電気炉アニールでは達成できない点を利点としてもっている。
【０００８】
しかしながら、このレーザーアニール法では、１）デバイス構造の劣化、２）デバイス性能に悪影響を及ぼす酸素などの不純物の混入、３）化合物半導体など高温で分解しやすい材料には適さないなど、いずれも融点に近い高温処理であることから生ずる欠点がある。
【０００９】
また、電気炉アニールとレーザーアニールの中間的性格をもつ方法として、フラッシュアニール法がある。この方法は、強力なキセノンあるいはハロゲンランプ光をイオン注入層に数秒間照射するものである。この時の半導体ウエーハの温度は、１０００〜１１００℃程度には達するが結晶融解はしない。しかし、レーザーアニールのような空間的な局所処理は困難である。
【００１０】
以上要するに、シリコンについて行われ、あるいは試みられてきたイオン注入後の熱処理は、いずれも９００℃以上の高温で行われることからデバイスに熱的な影響を及ぼすこと、特に電気炉アニールやフラッシュアニールでは、そのアニール後の不純物濃度がイオン注入時のピーク濃度を越えることはできないし、活性化すべき不純物の濃度も熱平衡固溶限を越えることはないという欠点を有している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、イオン注入により破壊された半導体ウエーハの結晶表面層を融解させることなく低温で短時間に回復でき、かつ注入不純物をその注入プロファイルのピーク濃度を越えて添加できる方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の不純物添加方法は、半導体ウエーハに対して電気的に活性な不純物を添加してｎ型あるいはｐ型基板とする不純物添加方法であって、前記半導体ウエーハにイオン注入により不純物を注入する工程、および前記工程のイオン注入により破壊された前記半導体ウエーハの結晶表面層にシンクロトロン放射光からウィグラーによる高輝度Ｘ線を照射することによって、イオン注入により破壊された結晶表面層を融解することなく結晶性を回復させ、同時に結晶表面層に注入不純物をその注入プロファイルのピーク濃度を越えて偏析させる工程、を含むことを特徴とする。ここで、前記高輝度Ｘ線の照射に際して、前記半導体ウエーハの前記結晶表面層に対して熱アニールを補助的に施してもよい。さらに、前記結晶表面層に偏析させる注入不純物の濃度は熱平衡固溶限を越えることができる。
【００１３】
【作用】
本発明においては、ドース量の多いイオン注入により破壊され、非晶質化した半導体ウエーハ表面層に高輝度のＸ線を照射すると、熱平衡濃度以上の多量の空孔が形成される。非晶質化した半導体では多量の空孔を媒介として原子拡散が起こる。この原子拡散により、非晶質化していない半導体ウエーハ深部を種とした固相エピタキシャル成長が低温で促進され、非晶質部分の表面層の結晶性が短時間に回復される。
【００１４】
また、本発明においては、ドース量の少ないイオン注入により破壊された半導体ウエーハ表面層は必ずしも非晶質化しないが、高輝度Ｘ線照射により形成される空孔を媒介として起こる原子拡散によって損傷した結晶の回復が進行する。
【００１５】
さらに、本発明では、高輝度Ｘ線照射によって、不純物の拡散が増強されるため、パルスレーザーアニールでの融液成長と同様の成長界面で不純物の偏析が起こる。偏析係数Ｋ＊が１より小さいほど表面での堆積が大きい。高輝度Ｘ線照射によって拡散が増強された固相成長により、表面層では、注入不純物が注入プロファイルのピーク濃度を越えることができ、さらに熱平衡固溶限を越えることもできる。
【００１６】
さらに、本発明では、高輝度Ｘ線ビームの材料への高い透過性を利用することにより、たとえばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）などの立体積層構造において、多層のイオン注入層を一括処理できる。
【００１７】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。
【００１８】
図１は本発明の不純物添加方法の各工程を示す立断面図である。図１において符号１は半導体基板ウエーハ（以下、基板と省略する）である。この基板１の材料としては、シリコンあるいはＧａＡｓ等の化合物半導体を挙げることができる。この基板１の主面に、図１の（ａ）に示すように例えばボロン（ｐ型）あるいはリン（ｎ型）の不純物イオンをイオン注入（矢印２で示す）により添加し、（ｂ）に示すようにイオン注入層３を形成する。
【００１９】
ここで、イオン注入により基板１の主面に添加される不純物のドース量が多い場合には、イオン注入層３は結晶構造が破壊され、非晶質化したものとなっている。一方、ドース量が少ない場合には、イオン注入層３は非晶質化はしないものの、結晶が損傷したものとなっている。
【００２０】
次に、図１の（ｂ）に示すように上記イオン注入層３に高輝度のＸ線（矢印４で示す）を照射する。このＸ線４には、シンクロトロン放射光（ＳＯＲ）を好適に用いることができる。
【００２１】
ここで、上記イオン注入層３に対するＸ線４の照射により、低温で短時間にイオン注入層３の結晶性が回復する。以下、本発明の作用効果を従来の電気炉アニールやフラッシュアニールの作用効果と対比して説明する。
【００２２】
イオン注入層３への不純物のドース量がある程度多い場合には、一般に、イオン注入によって、基板１の主面の表面層である注入層３は破壊され、非晶質化する。従って、この注入層３の下側の、非晶質化しない深部を種とする固相エピタキシャル成長によって上記表面層の結晶性を回復させることができる。すなわち、非晶質からの固相成長は、非晶質中での原子拡散に支配されるが、非晶質半導体における原子拡散は空孔を媒介として起こる。
【００２３】
ところで、電気炉やフラッシュアニールなどの熱的な従来の方法による固相成長では、アニール温度においての熱平衡濃度の空孔にもとづく原子拡散係数で、アニール時間等の条件が決まる。これに対し、イオン注入基板に高輝度のＸ線を照射すると、短時間に熱平衡濃度以上の多量の空孔が形成され、これによって、固相成長が低温でも促進される。
【００２４】
また、ドース量が少ない場合は、注入層３は必ずしも非晶質化しないが、損傷した結晶の回復は原子拡散によって進行するので非晶質化した場合と同じ効果を期待できる。
【００２５】
また、上記イオン注入層３に対するＸ線４の照射により、不純物を高濃度で添加できる。この高濃度添加について従来法と比較しつつ説明する。
【００２６】
電気炉アニールやフラッシュアニールでは、イオン注入層の固相成長時には、注入不純物の成長界面にそのまま取り込まれ、成長後の深さ方向の不純物濃度は、注入時のそれと変わらない。このことは、これらのアニール温度での不純物の拡散係数が、成長速度に比べて著しく小さいことによる。成長後もアニールを続けると（これらのアニール法では通常、成長後のアニールが長い）、成長結晶中での濃度分布にもとづく拡散によって再分布が起こる。従って、これらの従来のアニール法では、熱平衡固溶限はもちろん、注入プロファイルのピーク濃度を越えて不純物を添加することはできない。
【００２７】
これに対し、本発明方法では、Ｘ線４の照射によって、不純物の拡散が増強されるため、成長界面で不純物の偏析が起こる。
【００２８】
図２は、結晶表面から深さｘ０まで融解し、１より小さい偏析係数Ｋ＊をもつ不純物が濃度ｃ０で一様に添加された結晶を表面に向けて一方向に固化させた場合における、固化後の計算上の濃度分布を示すグラフである。図２において、Ｖは成長速度、Ｄは不純物の拡散係数である。図２から明らかなように、偏析係数Ｋ＊が小さいほど表面での堆積が大きいことがわかる。これは融液中での不純物の拡散係数が大きいことにもとづいている。高輝度Ｘ線照射によって拡散が増強された固相成長でも図２の融液成長での効果があてはまる。例えば、図２において、濃度ｃ０を、イオン注入により達成された注入層３中の不純物濃度に置き換えて考えることができる。すなわち、図１の（ｂ）に示した注入層３の表面層では、注入不純物濃度ｃ０を越えた濃度となり得る。
【００２９】
図３は本発明の不純物添加方法を好適に適用し得る多層ＳＯＩ膜を示す立断面図である。図３において符号５はＳｉＯ2 等からなる絶縁膜であり、６はシリコン結晶薄膜である。絶縁膜５とシリコン結晶薄膜６とは交互に積層されている。各シリコン結晶薄膜６の、絶縁膜５との接触面には、所定の位置にイオン注入部７が形成されている。
【００３０】
次に、このような積層構造体に、高輝度のＸ線（矢印８で示す）を照射する。Ｘ線は上記絶縁膜５やシリコン結晶薄膜６に対して材料透過性を有する。従って、このＸ線照射により、各イオン注入部７を一括して処理できる。
【００３１】
また、Ｘ線ビームは、ゾーンプレートや、結晶による干渉などを利用して、絞ったり、パターニングを行うことができるので、きわめて微細でかつ選択的な処理が可能である。
【００３２】
上記各実施例では、高輝度Ｘ線の照射に際して、イオン注入層３あるいはイオン注入部７に対して必要に応じて照射中、あるいは照射後に熱アニールを施すことができる。熱アニールを施す場合はＸ線照射中がよい。これは、Ｘ線照射量が少ない場合には、熱アニールにより不純物拡散の増強への寄与が期待されるからである。ここでのアニールとしては、例えば上述の電気炉アニール、レーザーアニール、フラッシュアニールなどを挙げることができる。
【００３３】
以下、具体例を挙げて本発明をさらに詳述する。
【００３４】
図１の（ａ）に示したように、シリコン基板表面層に不純物リン（Ｐ）を液体窒素温度でピーク濃度３．７×１０20／ｃｍ3 の程度に高濃度にイオン注入して表面層を非晶質化させた。次に、図１の（ｂ）に示したようにこの表面層に高輝度Ｘ線を照射して再結晶化させた。Ｘ線としては、シンクロトロン放射光からウィグラーによる高輝度Ｘ線を用いた（高エネルギー物理学研究所放射光実験施設）。照射条件は、放射光電子蓄積リング電流３００ｍＡ程度、照射時間１秒程度、照射時の試料温度は８００℃程度であった。
【００３５】
図４は、ＳＩＭＳ（二次イオン分析）により測定した、リンイオン注入および高輝度Ｘ線照射による再結晶化後のシリコン基板表面層におけるリンの深さ方向の濃度分布を示すグラフである。図４において破線はリン（Ｐ）イオンをシリコン表面層に注入した直後の表面深さ方向のリン濃度分布を示し、実線はイオン注入後の高輝度Ｘ線照射直後の表面層深さ方向のリン濃度分布を示す。
【００３６】
図４では、表面直下の浅い領域では高輝度Ｘ線照射、再結晶化後の濃度が注入後の濃度を上回り、深部ではその逆になっている。このことは高輝度Ｘ線照射による成長過程で深部からＰが偏析し、表面に堆積が起こって、図２に示したような濃度分布が実現できていることを示している。さらにこの高輝度Ｘ線照射、再結晶化後の浅い領域の濃度は、１０００℃程度の熱平衡固溶限を越えている。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の不純物添加方法によれば、高輝度Ｘ線ビームの照射により、空間的な局所処理が可能であり、高輝度Ｘ線の透過性を利用することにより深部あるいはＳＯＩなどの多層膜での一括処理が可能であるという利点の他に、従来の熱処理法に比べて低温で短時間に、不純物のイオン注入により破壊された半導体ウエーハの結晶表面層を回復させることができるとともに、注入不純物を、注入プロファイルのピーク濃度を越えて、さらには熱平衡固溶限を越えて添加できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の不純物添加方法の各工程を示す立断面図である。
【図２】結晶表面から深さｘ0 まで融解し、１より小さい偏析係数Ｋ* をもつ不純物が濃度ｃ0 で一様に添加された結晶を、その表面に向けて一方向に固化させた場合における、固化後の計算上の濃度分布を示すグラフである。
【図３】本発明の不純物添加方法を好適に適用し得る多層ＳＯＩ膜を示す立断面図である。
【図４】ＳＩＭＳにより測定した、リンイオン注入およびＸ線による再結晶化後のシリコン基板表面層におけるリンの深さ方向の濃度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
１  半導体基板ウエーハ
２  不純物イオン注入
３  イオン注入層
４  高輝度Ｘ線照射
５  絶縁膜
６  半導体結晶薄膜
７  イオン注入部
８  Ｘ線照射
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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