(57)【要約】      （修正有）【課題】  異種元素を半導体素子に損傷を与える事なく、元素濃度を制御して導入する事ができ、特にチャンネル長がサブミクロン以下のＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を用いた集積回路の製造に有用である半導体素子への異種元素の導入方法及び装置を提供する。【解決手段】  100eV未満のエネルギーで導入された異種元素を備えていることを特徴とする半導体素子。イオンを照射する真空容器の真空度を1×10-6Pa以下とし、かつ半導体素子に対して、半導体構成元素以外の異種元素のイオンを100eV未満のエネルギーで照射することを特徴とする半導体素子への異種元素の導入方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
100eV未満のエネルギーで導入された異種元素を備えていることを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
導入された元素が、ホウ素、リン又はヒ素であることを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項３】
半導体素子がシリコンから構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体素子。
【請求項４】
イオンを生成させ、イオンをイオン源から引き出し、イオンを質量分離し、イオンを偏向させ、イオン減速し、そしてイオンを半導体素子に異種元素を導入する方法において、イオンを照射する真空容器の真空度を1×10-6Pa以下とし、かつ半導体素子に対して、半導体構成元素以外の異種元素のイオンを100eV未満のエネルギーで照射することを特徴とする半導体素子への異種元素の導入方法。
【請求項５】
イオンを質量分離する機構とイオンを偏向させる機構の間の真空度を1×10-5Pa未満とすることを特徴とする請求項４記載の半導体素子への異種元素の導入方法。
【請求項６】
半導体素子を400°C以下に加熱した状態で、300eV以下のイオンエネルギーのイオン照射を行うことを特徴とする請求項４又は５記載の半導体素子への異種元素の導入方法。
【請求項７】
半導体素子を250〜300°Cに加熱した状態で、300eV以下のイオンエネルギーのイオン照射を行うことを特徴とする請求項４又は５記載の半導体素子への異種元素の導入方法。
【請求項８】
イオン生成装置、イオンをイオン源から引き出す装置、イオンを質量分離する装置、イオンを偏向させる装置、イオン減速装及びイオンを基材に照射する装置からなり、イオンを照射する真空容器の真空度を1×10-6Pa以下とし、イオンを100eV未満の低エネルギーで照射する装置を備えていることを特徴とする半導体素子への異種元素の導入装置。
【請求項９】
イオンを質量分離する装置とイオンを偏向させる装置の間の真空度を1×10-5Pa以下とする装置を備えていることを特徴とする請求項８記載の半導体素子への異種元素の導入装置。
【請求項１０】
イオンを低エネルギーで照射する際に、半導体素子を400°C以下に加熱する装置を備えていることを特徴とする請求項８又は９記載の半導体素子への異種元素の導入装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異種元素を半導体素子に損傷を与えることなく、元素濃度を制御して導入することができ、特にチャンネル長がサブミクロン以下のMOS型電界効果トランジスタ（MOSFET）を用いた集積回路の製造に有用である半導体素子並びに半導体素子への異種元素の導入方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子の電気伝導特性制御のために異種元素を導入するドーピング技術として、例えばシリコン半導体技術においては、シリコンウェハーの製造過程において所望の異種元素を所望量だけ導入する方法があり、特にイオン注入技術が用いられている。
一般に、イオン注入技術はキロエレクトロンボルト〜メガエレクトロンボルトのエネルギーに加速されたイオンを固体の表面から深さ数ナノメートルから数マイクロメートルの表層部に打ち込み、その物性を制御する技術である。
【０００３】
イオン注入技術は（１）室温で試料に元素導入できる、（２）イオンの数をカウントして低濃度から高濃度で濃度を制御して元素導入できる、（３）任意の領域に選択的に元素導入できる、（４）非平衡プロセスであるため固溶限界以上に元素導入できる、などの特徴を有する。
従来のイオン注入技術において、上記高エネルギーイオンを用いるためにシリコン結晶内部に大量の格子間原子および空孔といった欠陥が同時に形成されてしまうために、イオン注入後に熱処理やレーザー処理により結晶性回復させ、導入した不純物を活性化する必要があった。
【０００４】
従来のイオン注入技術については、下記非特許文献１に詳しく記載されている。また、従来のイオン注入技術において低エネルギーイオンを用いたイオン注入技術としては、0.1〜5keVのイオンエネルギーを用いる例（例えば、特許文献１参照）や10〜40keVのイオンエネルギーを用いる例（例えば、特許文献２参照）がある。しかし、このような比較的低エネルギーを使用したイオン注入技術でも半導体素子の欠陥の発生は避けられなかった。
【特許文献１】特開２００２−２５９３１号公報
【特許文献２】特開平７−４５８２７号公報
【非特許文献１】「イオン注入技術」難波進著、工業調査会発行（１９７５年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
サブミクロン以下の電界効果型トランジスタにおいて、チャネル長がソースとドレイン領域の幅と同じくらいになった時、閾値電圧の低下とリーク電流が増大し、電気特性の劣化（短チャネル劣化）を招く。このため、ソースドレイン・エクステンションのプロファイルを制御し、浅いドーピングプロファイルを形成することは短チャネル劣化を改善する効果が有る。
しかし、これらの結晶性を回復する熱処理により、イオン注入により導入されたドーパントは拡散してしまい、浅いドーピングプロファイルを維持する事が困難であるという問題があった。このため、ドーパントの拡散を防ぎ、浅いドーピングプロファイルを形成する方法が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題に鑑み、本発明は
１）100eV未満のエネルギーで導入された異種元素を備えていることを特徴とする半導体素子
２）導入された元素が、ホウ素、リン又はヒ素であることを特徴とする上記１）記載の半導体素子
３）半導体素子がシリコンから構成されていることを特徴とする上記１）又は２）記載の半導体素子
を提供する。
【０００７】
本発明は、また
４）イオンを生成させ、イオンをイオン源から引き出し、イオンを質量分離し、イオンを偏向させ、イオン減速し、そしてイオンを半導体素子に異種元素を導入する方法において、イオンを照射する真空容器の真空度を1×10-6Pa以下とし、かつ半導体素子に対して、半導体構成元素以外の異種元素のイオンを100eV未満のエネルギーで照射することを特徴とする半導体素子への異種元素の導入方法
５）イオンを質量分離する機構とイオンを偏向させる機構の間の真空度を1×10-5Pa以下とすることを特徴とする上記４）記載の半導体素子への異種元素の導入方法
６）半導体素子を400°C以下に加熱した状態で、300eV以下のイオンエネルギーのイオン照射を行うことを特徴とする上記４）又は５）記載の半導体素子への異種元素の導入方法
７）半導体素子を250〜300°Cに加熱した状態で、300eV以下のイオンエネルギーのイオン照射を行うことを特徴とする上記４）又は５）記載の半導体素子への異種元素の導入方法
を提供する。
【０００８】
本発明は、また
８）イオン生成装置、イオンをイオン源から引き出す装置、イオンを質量分離する装置、イオンを偏向させる装置、イオン減速装及びイオンを基材に照射する装置からなり、イオンを照射する真空容器の真空度を1×10-6Pa以下とし、イオンを100eV未満の低エネルギーで照射する装置を備えていることを特徴とする半導体素子への異種元素の導入装置
９）イオンを質量分離する装置とイオンを偏向させる装置の間の真空度を1×10-5Pa以下とする装置を備えていることを特徴とする上記８）記載の半導体素子への異種元素の導入装置
１０）イオンを低エネルギーで照射する際に、半導体素子を400°C以下に加熱する装置を備えていることを特徴とする上記８）又は９）記載の半導体素子への異種元素の導入装置
を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は。半導体素子に導入するドーパントイオンのみを選別して、100eV未満の任意のイオンエネルギーに制御し、それを半導体素子に照射させる方法を用い、さらに10-6Pa以下好ましくは10-７Pa以下の真空度で、100eV未満のエネルギーで半導体素子に照射することにより、半導体素子に損傷を与える事なく元素の濃度を制御して導入することができるため、結晶性の回復処理が不要であり、ソースドレイン・エクステンションおよびチャネルにおいて浅いドーピングプロファイルの形成が可能となるという優れた効果が得られた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明者らは、従来の低エネルギーイオン注入装置ではイオンビーム照射中の真空度が良くないために、イオンビームと残留ガスの衝突により電荷交換が生じて、高速の中性粒子が生成して、照射標的に損傷を与える可能性を考えた。
その結果、イオン源からイオンを引き出し，質量分離装置によりイオンのみを選別し，イオン偏向機構により電荷交換作用により生じた高速の中性粒子を除去した後に、真空容器中でイオン減速機構により低エネルギーに制御して、超高真空下でイオンを標的に照射させる方法及び装置を創案した。
【００１１】
すなわち、本発明の半導体素子への異種元素の導入装置イオン生成装置は、イオンをイオン源から引き出す装置、イオンを質量分離する装置、イオンを偏向させる装置、イオン減速装及びイオンを基材に照射する装置を備えており、イオンを照射する真空容器の真空度を1×10-6Pa以下とし、イオンを100eV未満の低エネルギーで照射する装置を有するものである。
また、イオンを質量分離する装置とイオンを偏向させる装置の間の真空度を1×10-5Pa以下とする装置を有する。さらに、イオンを低エネルギーで照射する際に、半導体素子を400°C以下に加熱する装置を備えている。
【００１２】
これによって、半導体素子に対して、半導体構成元素以外の異種元素のイオンを100eV未満のエネルギーで照射することが可能となり、また必要に応じて、半導体素子を400°C以下に加熱した状態、さらには250〜300°Cに加熱した状態で、100eV未満のイオンエネルギーのイオン照射を行うことができる。
導入される元素としては、ホウ素、リン又はヒ素が代表的なものである。また、半導体素子としてはシリコンが、代表的なものである。なお、導入される元素又は半導体素子は、他の材料を使用できることは言うまでもなく、本願発明は、これらに制限されるものでないことは知るべきである。
【００１３】
本発明によれば、真空容器中の真空度が10-６Pa以下好ましくは10-７Pa以下とすることで、電荷交換作用により生じた高速の中性粒子の形成を抑制し、照射標的である半導体素子に損傷を与える事なく低エネルギーイオン注入が可能となった。そして、半導体素子へ損傷を与える事なくさまざまな種類のドーパントを導入することが可能になった。
また、結晶中に導入されたドーパントは結晶の置換位置に入り、活性化された状態で注入されるため、従来技術で必要であった熱処理やレーザー処理などの結晶性の回復処理が不要となり、浅いドーピングプロファイルの形成が可能となった。さらに高温のアニールが不要なため、チャネル部分へのドーパントの異常拡散を防ぐことが可能となった。
【実施例】
【００１４】
以下、本発明の特徴を、実施例及び図面を用いて具体的に説明する。なお、以下の説明は、本願発明の理解を容易にするためのものであり、これに制限されるものではない。すなわち、本願発明の技術思想に基づく変形、実施態様、他の例は、本願発明に含まれることを理解すべきである。
【００１５】
（実施例１）
図２に示すような、イオンを生成するイオン源１、イオンをイオン源から引き出す機構、イオンの質量分離機構２、イオン偏向機構３、イオン減速機構５、及びイオンを素子に照射させる真空容器４からなる製造装置を作製した。
イオンの質量分離機構２として、セクター型の電磁石を用いた。また、イオン偏向機構３としてセクター型の電磁石を、イオン走査機構およびイオン減速機構５としては静電場を形成する電極を用いた。
さらに、イオン源１部分に２台、質量分離機構２とイオン収束機構の間に１台、イオン収束機構とイオン偏向機構３の間に１台、及び半導体素子６を設置する真空容器部分に１台クライオポンプを取り付け、さらにクライオポンプの前段ポンプとしてロータリーポンプとターボ分子ポンプからなる排気機構を取り付け、真空排気を行った。
これらの真空排気機構により、到達真空後は半導体素子６を設置する真空容器部分（図２中V１）で3×10-８Pa、イオン偏向機構前段部分（図２中V２）で8×10-７Pa、質量分離機構部分で5×10-５Paとした。
【００１６】
上記装置を用いてシリコン半導体素子にボロンイオンを照射した。装置内にシリコン半導体素子６を設置した後、半導体素子６を設置する真空容器部分を3×10-８Pa以下まで真空排気した。ボロンイオンの原料ガスとしてトリメチルボロンガスを用いた。イオン源内で原料ガスのプラズマを生成した後、イオンを接地電位に対して-35kVで引き出した。この時、イオンをイオン源１から引き出す機構、イオンの質量分離機構２、イオン偏向機構３は全て-35kVとなっていた。
イオン源は接地電位に対して正電位にし、この電位により最終的に真空容器内の半導体素子６に到達するイオンエネルギーを決めた。引き出したイオン束から質量分離電磁石により原子量11のボロンイオンのみを選別した。
さらに、イオン偏向電磁石によりボロンイオンを真空容器内曲げて真空容器５内に導入し、イオン走査機構により均一にボロンイオンが照射されるように走査した後に減速して半導体素子６に照射した。
【００１７】
イオン照射中の半導体素子を設置した真空容器内の真空度は3×10-７Pa であった。ボロンイオンエネルギーを15〜1000eVの範囲で変化させて、上記記載の3×10-７Paの真空中でシリコン半導体素子に照射してボロンを導入し、電気特性および結晶性の損傷を調べた。その結果、100eV未満のエネルギーで注入した半導体素子には結晶性の損傷が見られず、電気特性が良好である事を見出した。
これはイオン注入されたボロン原子が結晶の置換サイトに入り、直接活性化されたためである。
【００１８】
作製したシリコン半導体素子の構造を透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて調べた。5×10-７Paの真空中でボロンイオン照射したシリコン半導体素子のシリコン部分の電子線回折からは、シリコン単結晶に起因した回折スポットが明瞭に観察され、損傷は見られなかった。また、シリコン中には0.1原子％のボロン原子が含まれる事が分かった。
イオン照射エネルギーを25〜400eV、イオン照射中の真空度を4×10-5〜8×10-8Paで変化させて半導体素子にイオン照射を行い、結晶性の損傷を調べた結果を図１に示す。イオンエネルギーが100eV未満、照射中の真空度V１が1×10-6Pa以下の時、シリコン半導体素子に損傷を与えることなくボロンを導入できることが分かった。この時、図２中V２の真空度は1×10-5Pa以下であった。
【００１９】
（比較例１）
真空容器とクライオポンプ間のバルブを半開にすることにより、イオン照射中の半導体素子を設置した真空容器の真空度を8×10-5Paとして、シリコン半導体素子にボロンイオンを照射した。この条件は、従来技術のイオン注入におけるイオン照射時の真空条件であり、本願発明の対比を明らかにするために行ったものである。
8×10-5Paの真空中でボロンイオン照射したシリコン半導体素子のシリコン部分電子線回折からはシリコン単結晶に起因した回折スポットの他にリング状回折が観察された。これは8×10-5Paの真空中で作製した場合、ボロンイオンがシリコン半導体素子までの輸送中に残留ガスと衝突して電荷交換効果により中性粒子となり、減速されずにシリコン半導体素子に照射されたために損傷を受けたためである。
このように、従来条件である照射中の真空度が10-5Paであるとき電荷交換効果により生成した高速中性粒子による半導体素子への損傷が観察され、問題があることが確認できた。
【００２０】
（実施例２）
実施例１に記載のイオン注入装置を用いて、シリコン半導体にリンイオンを注入した。リンイオンの原料ガスとしてトリメチルリンガスを用いた。図２に示す装置内にシリコン半導体素子を設置した後、半導体素子を設置する真空容器部分（図２中V１）を3×10-８Pa以下まで真空排気した。
イオン源内で原料ガスのプラズマを生成させた後、イオンを接地電位に対して-35kVで引き出した。引き出したイオン束から質量分離電磁石により原子量15のリンイオンのみを選別した。
さらに、イオン偏向電磁石によりリンイオンを真空容器内曲げて真空容器内に導入し、イオン走査機構により均一にリンイオンが照射されるように走査した後に減速して半導体素子に照射した。イオン照射中の半導体素子を設置した真空容器内の真空度は3×10-７Pa であった。
【００２１】
リンイオンエネルギーを15〜500eVの範囲で変化させて、上記記載の3×10-７Paの真空中でシリコン半導体素子に照射してリンを導入し、電気特性および結晶性の損傷を調べた。
その結果、100eV未満のエネルギーで注入した半導体素子には結晶性の損傷が見られず、電気特性が良好である事を見出した。これはイオン注入されたリン原子が結晶の置換サイトに入り、直接活性化されたためである。
また原料として固体ヒ素を用いて、シリコン半導体素子にヒ素イオンを注入した。この場合も、ボロンイオンやリンイオンを注入した場合と同様に、イオンエネルギーが100eV未満のエネルギーで注入した場合に、半導体素子には結晶性の損傷が見られず、電気特性が良好である事を見出した。
【００２２】
（実施例３）
実施例１に記載のイオン注入装置を用いて、ボロンイオンを15eV〜1000eVのエネルギー範囲でシリコン半導体素子にイオン注入した。この際、シリコン半導体素子を50〜900°Cまでの範囲で加熱した状態でイオン注入を行った。
装置内にシリコン半導体素子を設置した後、半導体素子を設置する真空容器部分を3×10-８Pa以下まで真空排気した。ボロンイオンの原料ガスとしてトリメチルボロンガスを用いた。
イオン源内で原料ガスのプラズマを生成させた後、イオンを接地電位に対して-35kVで引き出した。引き出したイオン束から質量分離電磁石により原子量11のボロンイオンのみを選別した。さらにイオン偏向電磁石によりボロンイオンを真空容器内曲げて真空容器内に導入し、イオン走査機構により均一にボロンイオンが照射されるように走査した後に減速して半導体素子に照射した。イオン照射中の半導体素子を設置した真空容器内の真空度は4×10-７Pa であった。
【００２３】
シリコン半導体素子温度が400°C以下、ボロンイオンエネルギーを15〜300eVの範囲のときシリコン半導体に結晶性損傷は見られず、また導入したボロンプロファイルも10nm以下であった。
これはシリコン半導体素子を加熱したために結晶性の損傷が抑制されたためである。また、シリコン半導体素子温度を400°C超える温度以上に加熱した場合、シリコン結晶中に導入されたボロンの拡散が顕著になり、ボロンプロファイルが10nm以上に拡散して広がってしまった。
浅いドーピングプロファイルを実現するためには、シリコン半導体素子温度を400°C以下、望ましくは250〜300°Cに加熱し、この場合イオンエネルギーを300eV以下にすることが有効である事を見出した。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明は、損傷を与える事なく半導体素子中にドーパントの濃度を制御して導入できるという効果があり、このように損傷を与えないために半導体素子の結晶性回復処理が不要であるため、ドーパントの拡散によるドーピングプロファイルの広がりを防ぐ事が可能となり、浅いソースドレイン・エクステンションの形成が実現できるという著しい特徴を有する。したがって、半導体素子中への異種元素のドーピングに最適である。さらに高温のアニールが不要なため、チャネル部分へのドーパントの異常拡散の抑制が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】半導体素子が損傷を受けないイオン照射真空度とイオンエネルギー範囲を示す図である。
【図２】本発明における低エネルギーイオン注入装置構成と真空計の配置を示す概略説明図である。
【符号の説明】
【００２６】
１：イオン源
２：質量分離機構（装置）
３：イオン偏向機構（装置）
４：イオン照射真空容器
５：イオン減速機構（装置）
６：半導体素子
【図１】
2006253534.tif 000003
【図２】
2006253534.tif 000004