(57)【要約】【課題】無毒性または低毒性の原料を用いたイオン注入によって有効なｎ型不純物領域が形成できる不純物拡散方法の提供。【解決手段】窒素イオンを３×１０１３ｃｍ−２以下のドーズ量で半導体基板にイオン注入し、窒素イオンが打ち込まれた半導体基板を４１０℃以上５００℃以下のいずれかの温度でアニール処理してｎ型不純物領域を形成する不純物拡散方法とする。【選択図】 図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素イオンを３×１０１３ｃｍ−２以下のドーズ量で半導体基板にイオン注入し、窒素イオンが打ち込まれた半導体基板を４１０℃以上５００℃以下のいずれかの温度でアニール処理してｎ型不純物領域を形成することを特徴とする不純物拡散方法。
【請求項２】
窒素イオンのドーズ量を１×１０１２ｃｍ−２乃至３×１０１３ｃｍ−２の範囲から選ばれるいずれかのドーズ量とすることを特徴とする請求項１記載の不純物拡散方法。
【請求項３】
前記アニール処理を水素雰囲気とすることを特徴とする請求項１または２記載の不純物拡散方法。
【請求項４】
前記アニール処理の水素雰囲気を水素と窒素の混合ガス雰囲気とすることを特徴とする請求項１または２記載の不純物拡散方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不純物元素として、窒素イオン種のイオン注入により半導体基板にｎ型不純物拡散領域を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、シリコン半導体基板にｎ型の不純物拡散領域を形成する場合、ドーパントとしては、周期律表のＶ族元素であるリン、砒素、アンチモン等が多く用いられている。これらのドーパントはイオン注入法により半導体基板に制御よく導入されるので、半導体装置の作製には欠かせない技術である。イオン注入に際しては、前記各ドーパント元素を含む原料ガスが用いられる。たとえば、リンを含む原料ガスとしてはホスフィン（ＰＨ３）、砒素についてはアルシン（ＡｓＨ３）などが利用されるが、いずれも極めて毒性が高く、その取り扱いには細心の注意が必要であるだけでなく、排気する際にも無毒化する必要があり、コストが非常にかかるという問題がある。
【０００３】
イオン注入法は前記のような原料ガスに含まれるドーパント元素をイオン化して高加速エネルギーを与えることにより、半導体基板表面から内部へ打ち込み、さらにアニール処理をすることにより、半導体基板へのイオン注入による結晶ダメージを回復させる共に打ち込んだイオンを電気的に活性化して、半導体基板内で所定の濃度を有するドナー領域としての機能を奏させるようにする方法である。前記アニール処理条件は通常、温度８００℃〜１１００℃で３０分〜６０分等の条件が用いられる。
【０００４】
一方、周期律表のＶ族元素である窒素は単独のガスとしては無毒性であるものの、ｎ型の不純物ドーパントとしては、あまり使われていない。その理由は、イオン注入した窒素イオンを、前述した通常の条件である８００℃〜１１００℃で３０分〜６０分のアニール条件で電気的に活性化させようとしても、その条件では窒素がシリコンと反応して窒化シリコンを形成し、絶縁性の膜を形成して有効なｎ型の不純物拡散領域を形成し難いためである。窒素ガスに代えて窒素成分を含有するアンモニアガスまたはその他の窒素元素含有ガス等を用いることもできる。
【０００５】
イオン注入により、窒素イオンを半導体基板に打ち込むことに関しては、下記特許文献１にも記載がある。しかし、下記特許文献１に記載の窒素のイオン注入およびアニール処理の目的は、既に形成されているイオン注入による不純物打ち込み領域のダメージ層を除去するためであって、新たな不純物拡散層を形成するためではない。
【０００６】
また、下記特許文献２にも窒素のイオン注入に関する発明の記載があるが、実施例の記述を見ると、「アルミニウムのイオン注入により不純物領域を形成後、窒素をイオン注入条件として、加速電圧３０ｋｅＶ、ドーズ量、１×１０１４原子ｃｍ−２、アニール条件として、窒素雰囲気で、８００℃、４時間の加熱処理をすることにより、前記窒素不純物領域を窒化シリコン層にする。」という趣旨の記載がある。この窒素のイオン注入の目的は、前記アルミニウム不純物領域をさらに熱拡散によって、深い拡散層とする際の外方拡散によりアルミニウム濃度が低下することを抑制するためであり、ｎ型の不純物拡散領域を形成するためではない。
【特許文献１】特開２０００−１６４８５７号公報
【特許文献２】特開平３−１５５６１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記リンや砒素などのｎ型ドーパントを含む原料ガスとして、よく用いられるホスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）などは、いずれも極めて毒性が高いだけでなく、排気にも、コストが非常にかかるという問題がある。前記有毒性原料を同じＶ族元素であって無毒性かまたは毒性の低い窒素含有原料に替えただけのイオン注入方法によっては、前記特許文献１、２にも、その詳細が記載されているように、有効なｎ型不純物領域を形成するに至っていない。
【０００８】
本発明は、以上述べた点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、前述の問題点を解消して、無毒性または低毒性の原料を用いたイオン注入によって有効なｎ型不純物領域が形成できる不純物拡散方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
特許請求の範囲の請求項１記載の本発明によれば、窒素イオンを３×１０１３ｃｍ−２以下のドーズ量で半導体基板にイオン注入し、窒素イオンが打ち込まれた半導体基板を４１０℃以上５００℃以下のいずれかの温度でアニール処理してｎ型不純物領域を形成する不純物拡散方法とすることにより、前記本発明の目的は達成される。
【００１０】
特許請求の範囲の請求項２記載の本発明によれば、窒素イオンのドーズ量を１×１０１２ｃｍ−２乃至３×１０１３ｃｍ−２の範囲から選ばれるいずれかのドーズ量とする特許請求の範囲の請求項１記載の不純物拡散方法とすることが好ましい。
【００１１】
特許請求の範囲の請求項３記載の本発明によれば、前記アニール処理を水素雰囲気とする特許請求の範囲の請求項１または２記載の不純物拡散方法とすることも好ましい。
【００１２】
特許請求の範囲の請求項４記載の本発明によれば、前記アニール処理の水素雰囲気を水素と窒素の混合ガス雰囲気とする特許請求の範囲の請求項１または２記載の不純物拡散方法とすることも好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、前述の問題点を解消し、低毒性または無毒性ガスを用いたイオン注入によって有効なｎ型不純物領域の形成ができる不純物拡散方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を用いて説明する。本発明は、その要旨を超えないかぎり、以下、説明する実施例の記載のみに限定されることはない。
【００１５】
図１は、本発明の不純物拡散方法により作成した半導体基板におけるｎ型不純物拡散領域を示す断面図、図２〜図６はｎ型不純物拡散領域におけるキャリア濃度分布プロファイルを示す図である。
【００１６】
初期のキャリア濃度２×１０１３ｃｍ−３またはキャリア濃度７×１０１３ｃｍ−３の半導体基板１に対し、窒素ガスを用いて、窒素（イオン種１４Ｎ＋）のイオン注入をドーズ量１×１０１３ｃｍ−２、加速エネルギー２００ｋｅＶで行った。この結果、図１の断面図に示すように、半導体基板１に窒素イオンの注入領域２が形成された。次に、前記窒素イオン注入領域を活性化してｎ型不純物拡散領域にするために、この半導体基板を拡散炉においてアニール処理を行った。半導体基板１に深さ０．８μｍ程度のｎ型不純物拡散領域が形成されるか、下記のようにアニール条件を変えて、そのキャリア濃度プロファイルを調べた。
１．従来の窒素イオン注入におけるアニール処理条件
〈条件１〉アニール温度９７０℃で、窒素５リットル／分（窒素雰囲気）
半導体基板の初期のキャリア濃度７×１０１３ｃｍ−３
２．窒素雰囲気でのアニール温度条件の変更実験
〈条件2-1〉アニール温度４８０℃で、窒素５リットル／分
半導体基板の初期のキャリア濃度２×１０１３ｃｍ−３
〈条件2-2〉アニール温度５００℃で、窒素５リットル／分
半導体基板の初期のキャリア濃度２×１０１３ｃｍ−３
〈条件2-3〉アニール温度５５０℃で、窒素５リットル／分
半導体基板の初期のキャリア濃度７×１０１３ｃｍ−３
〈条件2-4〉アニール温度４５０℃で、窒素５リットル／分
半導体基板の初期のキャリア濃度２×１０１３ｃｍ−３
３．水素含有雰囲気での水素含有量の変更実験、
〈条件3-1〉アニール温度４５０℃で、（水素０．５リットル＋窒素５リットル）／分
半導体基板の初期のキャリア濃度２×１０１３ｃｍ−３
〈条件3-2〉アニール温度４５０℃で、（水素１．０リットル＋窒素５リットル）／分
半導体基板の初期のキャリア濃度２×１０１３ｃｍ−３
４．水素含有雰囲気におけるアニール温度条件の変更実験、
〈条件4-1〉（水素１．０リットル＋窒素５リットル）／分で、アニール温度３５０℃
半導体基板の初期のキャリア濃度７×１０１３ｃｍ−３
〈条件4-2〉（水素１．０リットル＋窒素５リットル）／分で、アニール温度４１０℃
半導体基板の初期のキャリア濃度７×１０１３ｃｍ−３
〈条件4-3〉（水素１．０リットル＋窒素５リットル）／分で、アニール温度４２０℃
半導体基板の初期のキャリア濃度２×１０１３ｃｍ−３
〈条件4-4〉（水素１．０リットル＋窒素５リットル）／分で、アニール温度４５０℃
半導体基板の初期のキャリア濃度２×１０１３ｃｍ−３
以上の結果については、表１にまとめると共に、形成されたｎ型不純物のキャリア濃度プロファイルをそれぞれ図２，図３，図４，図５に示す。図２〜５において、縦軸のキャリア濃度として（１Ｅ＋１５）等の記述はいずれも１×１０１５等を表すものとする。表１において○印は基板の初期のキャリア濃度より活性化している状態を示し、△印は部分的な活性化を、×印は活性化していない状態をそれぞれ示す。
【００１７】
【表１】
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図２は、本発明の不純物拡散方法により作成したｎ型不純物拡散領域におけるキャリア濃度分布プロファイルを示す図である。
【００１８】
図２は、初期のキャリア濃度が２×１０１３ｃｍ−３の半導体基板について、アニール処理時の雰囲気を、窒素雰囲気（条件２−４）と水素含有雰囲気（条件３−１，条件３−２）とで、注入された窒素イオンの活性化を比較したキャリア濃度プロファイル図である。前記条件３−２の場合のキャリア濃度プロファイルをＡ線で示す。同様に条件３−１の場合をＢ線で、条件２−４の場合をＣ線で示す。従って、Ａ線とＢ線とは水素雰囲気での窒素イオンの活性化を示し、Ｃ線は窒素雰囲気での窒素イオンの活性化を示す。
【００１９】
条件２−４（Ｃ線）についてみると、窒素イオンのイオン注入後、窒素雰囲気にてアニール処理をして窒素イオンを活性化することにより有効に高濃度化（５×１０１４ｃｍ−３）され、半導体基板のキャリア濃度２×１０１３ｃｍ−３より高くなっている（表１には○印で示す）ことを示している。条件２−１，条件２−２についても、ほぼ同様のキャリア濃度プロファイルとなる（表１には○印で示す）。
【００２０】
条件３−１（Ｂ線）についてみると、窒素イオンのイオン注入後、水素含有（窒素＋水素）雰囲気にてアニール処理をして、窒素イオンを活性化することにより有効に高濃度化（３×１０１５ｃｍ−３）され、半導体基板のキャリア濃度２×１０１３ｃｍ−３より高くなっている（表１には○印で示す）ことを示している。条件４−３については、条件３−１ほどは濃度が高くはならないものの、活性化が見られた（図２には図示せず、表１には○印で示す）。
【００２１】
条件３−２（Ａ線）についてみると、窒素イオンのイオン注入後、水素含有（窒素＋水素）雰囲気にてアニール処理をして、窒素イオンを活性化することにより有効に高濃度化（４×１０１５ｃｍ−３）され、半導体基板のキャリア濃度２×１０１３ｃｍ−３より高くなっている（表１には○印で示す）ことを示している。なお、条件３−２については、イオン注入のドーズ量を１×１０１２ｃｍ−２でも行ったが、これについても良好な窒素イオンの活性化が見られた（表１に○印で示す）。
【００２２】
いずれも、半導体基板の初期のキャリア濃度が２×１０１３ｃｍ−３を大きく上回っている。窒素雰囲気でアニール処理を行った条件２−１，条件２−２に比べると、水素含有雰囲気（窒素＋水素雰囲気）でアニール処理を行った条件３−１、条件３−２、条件４−３の方が半導体基板表面付近のキャリア濃度が高くなっていることがわかる。
【００２３】
図３，図４は、初期のキャリア濃度が７×１０１３ｃｍ−３の半導体基板について、アニール処理を窒素雰囲気（条件１，条件２−３）にて行った場合のキャリア濃度プロファイルを示す図であり、図５は初期のキャリア濃度が７×１０１３ｃｍ−３の半導体基板について、アニール処理を水素含有雰囲気（窒素＋水素雰囲気：条件４−１）にて行った場合のキャリア濃度プロファイル図である。
【００２４】
図３（条件１）は窒素イオン注入後のアニール処理を従来のように９７０℃で行った場合であり、この条件では注入された窒素イオンが活性化されない。キャリア濃度プロファイルが半導体基板の初期のキャリア濃度７×１０１３ｃｍ−３とあまり変わらず、全域に亘って１×１０１４ｃｍ−３以下のキャリア濃度であることを示している（表１には×印で示す）。
【００２５】
図４のＤ線（条件２−３）も窒素雰囲気でアニールをしたものであるが、この条件では注入された窒素イオンが活性化されない。キャリア濃度プロファイルが半導体基板の初期のキャリア濃度７×１０１３ｃｍ−３とあまり変わらず、全域に亘って１×１０１４ｃｍ−３以下のキャリア濃度であることを示している（表１には×印で示す）。
【００２６】
図４のＥ線（条件４−１）も水素含有（窒素＋水素）雰囲気でアニールをしたものであるが、この条件でも注入された窒素イオンが活性化されない。キャリア濃度プロファイルが半導体基板の初期のキャリア濃度７×１０１３ｃｍ−３とあまり変わらず、全域に亘って１×１０１４ｃｍ−３以下のキャリア濃度であることを示している（表１には×印で示す）。
【００２７】
これらの条件は条件４−１ではアニール処理温度が低すぎ、条件１と条件２−３ではアニール処理温度が高すぎて、それぞれ窒素イオンが活性化されないといえる。
【００２８】
図５は窒素イオンのイオン注入後、窒素イオンが活性化されやすい水素雰囲気でアニール処理をして活性化した条件４−２のキャリア濃度プロファイル図である。半導体基板表面付近のキャリア濃度は約１×１０１４ｃｍ−３となっている。この例では、半導体基板の初期のキャリア濃度が７×１０１３ｃｍ−３であり、わずかであるが窒素イオンが活性化されていることを示している。キャリア濃度が高くなっているのは半導体基板の表面近傍である（表１には△印で示す）。アニール温度が低い方の限界温度といえる。
【００２９】
図６は窒素イオンのイオン注入後、窒素イオンが活性化されやすい水素雰囲気でアニール処理をして活性化した条件４−４のキャリア濃度プロファイル図である。半導体基板表面付近のキャリア濃度は約２×１０１5ｃｍ−３となっている。この例では、半導体基板の初期のキャリア濃度が７×１０１３ｃｍ−３であり、窒素イオンが活性化されていることを示している。キャリア濃度が高くなっているのは半導体基板の表面から０．５μｍほどであり、窒素イオンが有効に活性化されているといえる（表１には○印で示す）。アニール温度を適切に選択しているといえる。
【００３０】
ちなみに、従来の条件１および活性化しない条件での濃度プロファイルである前記図３とこの図５とを比較すれば、図５に示す条件での有効性がわかる。この図から水素含有雰囲気が窒素雰囲気の場合よりも、いずれも注入窒素イオンの活性化により有効（表１には○印で示す）であることがわかる。
【００３１】
次に、窒素（イオン種１４Ｎ＋）のイオン注入を加速エネルギー４００ｋｅＶで行う際のドーズ量を１．０×１０１２ｃｍ−２と３．０×１０１２ｃｍ−２と１．０×１０１３ｃｍ−２と３．０×１０１３ｃｍ−２と１．０×１０１４ｃｍ−２に変えて形成した窒素イオン注入領域を、それぞれアニール温度４２０℃、４５０℃、４８０℃に変え、アニール雰囲気を（水素１．０リットル＋窒素５リットル）／分および窒素５リットル／分のアニール条件でそれぞれ処理し、同様にキャリア濃度プロファイルを調べた。この結果を表２にまとめた。表２の○印は半導体基板の初期のキャリア濃度より活性化している状態を示し、△印は部分的な活性化を、×印は活性化していない状態をそれぞれ示す。
【００３２】
【表２】
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以上説明した表１、表２および図２乃至図５から、３×１０１３ｃｍ−２以下のドーズ量でイオン注入し、４１０℃以上５００℃以下の温度で窒素雰囲気のアニール処理することにより、図２、図５に示すように、５×１０１４ｃｍ−３程度のｎ型不純物キャリア濃度領域を形成することができる。好ましくは、水素雰囲気のアニール処理とすることで、４×１０１５ｃｍ−３程度のｎ型不純物キャリア濃度領域を形成することができる。本発明の不純物拡散方法によれば、窒素をイオン注入することにより、ｎ型の不純物領域を形成することができる。原料ガスは窒素元素を含むものであればよく、窒素ガスはもちろんのことアンモニアガスを用いることもできる。従って、毒性の高いガスを用いることなく、無毒性の窒素ガスあるいは低毒性のアンモニアを用いてｎ型不純物領域を形成できる。
【００３３】
この不純物拡散方法によれば、１×１０１６ｃｍ−３以上の高濃度不純物領域の形成には必ずしも向いていないが、それ以下の低濃度のｎ型不純物領域の形成には非常に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明にかかる不純物拡散方法により作製された半導体装置の不純物拡散領域を示す断面図、
【図２】本発明の不純物拡散方法にかかるキャリア濃度プロファイル図、
【図３】本発明の不純物拡散方法にかかる、異なるキャリア濃度プロファイル図、
【図４】本発明の不純物拡散方法にかかる、さらに異なるキャリア濃度プロファイル図、
【図５】本発明の不純物拡散方法にかかる、さらに異なるキャリア濃度プロファイル図、
【図６】本発明の不純物拡散方法にかかる、さらに異なるキャリア濃度プロファイル図、
【符号の説明】
【００３５】
１    半導体基板
２    不純物注入領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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