(57)【要約】歪み誘導原子を含む加速したガスクラスタを用いて、一つ以上の基板面を照射し、半導体基板内にこのような原子を全体的または局所的またはその両方に導入し、さらにドーパント原子やＣを選択的に導入する方法および装置が記述されている。半導体基板や誘電体基板内に導入したり、その上に堆積させた半導体薄膜を形成する処理も記述されている。このような薄膜も、同様にドープしたり歪ませたりできる。
2007525838.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板内に一つ以上の歪み領域を形成する方法であって、
表面を備えた半導体基板を保持するための基板保持部の周りに減圧環境を維持し、
前記減圧環境内に半導体基板をしっかりと保持し、
少なくとも一つの歪み誘導原子種を含む高圧ガス混合物から、前記減圧環境にガスクラスタイオンビームを提供し、
ガスクラスタイオンビームを加速し、
加速したガスクラスタイオンビームを半導体基板の表面の一つ以上の部分に照射し、基板内に一つ以上の歪み半導体領域を形成する方法。
【請求項２】
提供するステップがさらに、高圧ガス混合物を膨張ノズルに送り、
膨張ノズルを介して、高圧ガス混合物を減圧環境内に流し、ガスクラスタを含むジェットを形成し、ガスクラスタの少なくとも一部をイオン化し、ガスクラスタイオンビームを形成するステップを有する請求項１記載の方法。
【請求項３】
ガス混合物がさらに希ガスを有し、
歪み誘導原子種が、半導体原子種とＣからなるグループから選択した少なくとも一つの粒子を有する請求項１記載の方法。
【請求項４】
ガス混合物が、ＳｉとＧｅからなるグループから選択した少なくとも一つの原子種を有する請求項１記載の方法。
【請求項５】
ガス混合物が、Ｐ、ＢおよびＡｓからなるグループから選択した少なくとも一つのドーパント原子種を有する請求項１記載の方法。
【請求項６】
形成された歪み領域が、約５〜４０原子％の濃度の歪み誘導原子種を有する請求項１記載の方法。
【請求項７】
ガス混合物がドーパント原子種を含むガスを有し、ガス混合物内に存在する前記ガスの量が約０．０１〜１０分子量％である請求項１記載の方法。
【請求項８】
希ガスがＡｒまたはＸｅを有し、
ガス混合物がさらに、ＧｅＨ4、ＧｅＦ4、ＳｉＨ4、ＳｉＦ4、ＢＦ3、Ｂ2Ｈ6、ＰＨ3、ＰＦ5、ＡｓＨ3、およびＡｓＦ5からなるグループから選択した一つ以上のガスを有する請求項３記載の方法。
【請求項９】
さらに、半導体基板の表面上にマスクを設け、照射する半導体基板の表面を一部を制御するステップを有する請求項１記載の方法。
【請求項１０】
一つ以上の歪み半導体領域の少なくとも一つが、半導体基板の一つ以上の隣接する非照射領域内に歪みを誘導する請求項９記載の方法。
【請求項１１】
一つ以上の歪み半導体領域の少なくとも一つが、ドープした歪み半導体領域である請求項１記載の方法。
【請求項１２】
半導体基板が、単結晶、多結晶、またはアモルファス半導体である請求項１記載の方法。
【請求項１３】
半導体基板が、基本的にシリコンである請求項１記載の方法。
【請求項１４】
さらに、一つ以上の歪み半導体領域をアニールするステップを有する請求項１記載の方法。
【請求項１５】
さらに、高圧ガス混合物を制御して流すステップを有し、ガスクラスタ内のガス混合物成分の凝集を制御する請求項２記載の方法。
【請求項１６】
ガスクラスタイオンビームのガスクラスタを、１〜７０ｋＶの加速電圧で加速する請求項１記載の方法。
【請求項１７】
基板の表面に半導体薄膜を形成する方法であって、
表面を備えた基板を保持するための基板保持部の周りに減圧環境を維持し、
前記減圧環境内に基板をしっかりと保持し、
少なくとも一つの半導体原子種を含む高圧ガス混合物から、前記減圧環境にガスクラスタイオンビームを提供し、
ガスクラスタイオンビームを加速し、
加速したガスクラスタイオンビームを基板の表面の少なくとも一部の上に照射し、半導体薄膜を形成する方法。
【請求項１８】
提供するステップがさらに、
高圧ガス混合物を膨張ノズルに送り、
膨張ノズルを介して高圧ガス混合物を減圧環境内に流し、ガスクラスタを含むジェットを形成し、ガスクラスタの少なくとも一部をイオン化し、ガスクラスタイオンビームを形成するステップを有する請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
ガス混合物が、さらに希ガスを有する請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
ＳｉとＧｅからなる元素のグループから少なくとも一つの半導体原子種を選択した請求項１７記載の方法。
【請求項２１】
形成された薄膜が、約５〜４０原子％の濃度の少なくとも一つの半導体原子種を有する請求項１７記載の方法。
【請求項２２】
ガス混合物がさらに、Ｐ、ＢおよびＡｓからなるグループから選択した少なくとも一つのドーパント原子種を有する請求項１７記載の方法。
【請求項２３】
ガス混合物が少なくとも１つのドーパント原子種を含むガスを有し、ガス混合物内に存在する前記ガスの量が約０．０１〜１０分子量％である請求項１７記載の方法。
【請求項２４】
ガス混合物がさらに、Ｃを有する請求項１７記載の方法。
【請求項２５】
形成される薄膜内のＣの濃度が、約５〜４０原子％である請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
希ガスがＡｒまたはＸｅを有し、
ガス混合物がさらに、ＧｅＨ4、ＧｅＦ4、ＳｉＨ4、ＳｉＦ4、ＢＦ3、Ｂ2Ｈ6、ＰＨ3、ＰＦ5、ＡｓＨ3、およびＡｓＦ5からなるグループから選択した一つ以上のガスを有する請求項１７記載の方法。
【請求項２７】
さらに、基板の表面上にマスクを設け、加速したガスクラスタイオンビームで照射する基板の表面の一部を制御するステップを有する請求項１７記載の方法。
【請求項２８】
半導体薄膜が、ドープした半導体薄膜である請求項１７記載の方法。
【請求項２９】
基板が、半導体、誘電体材料、または絶縁体上シリコン材料からなる請求項１７記載の方法。
【請求項３０】
基板が、単結晶、多結晶、またはアモルファスである請求項１７記載の方法。
【請求項３１】
半導体薄膜が、炭化シリコンを有する請求項１７記載の方法。
【請求項３２】
基板が第一半導体材料からなり、
半導体薄膜が第二半導体材料からなり、
第一半導体材料と第二半導体材料の間の界面が傾斜組成物からなる請求項１７記載の方法。
【請求項３３】
第一半導体材料がシリコンであり、
第二半導体材料がゲルマニウムであり、
シリコンとゲルマニウムの間の界面が傾斜シリコン／ゲルマニウムである請求項３２記載の方法。
【請求項３４】
さらに、半導体薄膜をアニールするステップを有する請求項１７記載の方法。
【請求項３５】
さらに、高圧ガス混合物を制御して流すステップを有し、ガスクラスタ内のガス混合物成分の凝集を制御する請求項１８記載の方法。
【請求項３６】
基板表面で半導体薄膜内に一つ以上の歪み半導体領域を形成する方法であって、
請求項１７記載の方法によって基板表面に半導体薄膜を形成し、
請求項１記載の方法によって半導体薄膜内に一つ以上の歪み半導体領域を形成するステップを有する方法。
【請求項３７】
ガスクラスタイオンビームのガスクラスタを、１〜７０ｋＶの加速電圧で加速する請求項１７記載の方法。
【請求項３８】
請求項１記載の方法の加速したガスクラスタイオンビームを用いて、基板の一つ以上の部分を照射することによって形成した一つ以上の歪み領域を有する半導体基板。
【請求項３９】
一つ以上の歪み領域が、半導体原子種、ドーパント原子種、およびＣからなるグループから選択した少なくとも一つの原子種をその内部に有する請求項３８記載の基板。
【請求項４０】
半導体基板が、単結晶、多結晶、またはアモルファス半導体である請求項３８記載の基板。
【請求項４１】
半導体基板が、基本的にシリコンである請求項３８記載の基板。
【請求項４２】
請求項１７記載の方法の加速したガスクラスタイオンビームを用いて、基板の表面を照射することによって形成した基板の表面に半導体薄膜を有する基板。
【請求項４３】
半導体薄膜が、半導体原子種、ドーパント原子種、およびＣからなるグループから選択した少なくとも一つの原子種を有する請求項４２記載の基板。
【請求項４４】
基板が、半導体、誘電体材料、または絶縁体上シリコン材料からなる請求項４２記載の基板。
【請求項４５】
基板が、単結晶、多結晶、またはアモルファスである請求項４２記載の基板。
【請求項４６】
半導体薄膜が、炭化シリコンを有する請求項４２記載の基板。
【請求項４７】
基板が第一半導体材料からなり、
半導体薄膜が第二半導体材料からなり、
第一半導体材料と第二半導体材料の界面が傾斜組成物からなる請求項４２記載の基板。
【請求項４８】
第一半導体材料がシリコンであり、
第二半導体材料がゲルマニウムであり、
シリコンとゲルマニウムの間の界面が傾斜シリコン／ゲルマニウムである請求項４２記載の基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般に半導体基板内の局所的に歪んだ領域、および半導体または他の基板上の半導体材料のドープ済みまたは未ドープの薄膜の形成に関し、より詳細には、高エネルギガスクラスタイオン照射による形成に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素および他の半導体等の半導体材料の特性は、電子機器、通信、電気光学、およびナノ技術の分野で有用な非常に様々な素子の形成に利用されている。半導体電子機器の分野では、歪みシリコンを利用することによる素子の形成がより高いキャリア移動度をもたらし、従って、高速動作、高電流駆動性能、および低電力損失を含む優れた素子性能が得られる。
【０００３】
適切な歪みシリコンを製造するために、いくつかの方式が適用されている。これらには、不整合結晶格子基板上にシリコン薄膜を形成すること、格子内により大きな、または小さな原子を導入すること、および隣接する領域内の歪みによって、シリコン領域に張力または圧縮力を機械的に加えることが含まれる。一つの特に有効な方法は、シリコン格子にゲルマニウム原子を導入することである。ゲルマニウム原子はシリコンより大きく、主にシリコン格子の歪みをもたらす。数原子％から数十原子％程度のゲルマニウム濃度が、このようなシリコン−ゲルマニウム歪み半導体の形成に有用であることがしばしば見出されている。
【０００４】
半導体素子製造用の歪みシリコン材料は、シリコン基板上への全面的Ｓｉ／ＳｉＧｅエピタキシ、または絶縁体上歪みシリコン（ｓＳＯＩ）材料製造用の絶縁基板上の歪みシリコン層の全面的転写によって形成されている。半導体または絶縁基板（一般に酸化シリコン）上に全面的に歪みシリコンを製造するための従来の方法（エピタキシ等）は、低スループット、高温、ウェハ当たりの不要な高コストをもたらす技術を含んでいる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
全面的技術に加えて、局所的に歪み半導体領域を製造するための選択的化学気相成長等の局所的処理を用いることによって、歪みシリコンの利点を享受する半導体素子が最近開発されている。ＰＭＯＳ素子およびＮＭＯＳ素子は、素子の歪みシリコンチャネル内に異なる歪みを備えることから恩恵を受け、望ましくは素子内または素子から素子の局所的領域の歪みの量および種類（圧縮または張力）を制御できるので、局所的歪み技術は部分的には有用である。このような局所的歪み技術も、いくつかの用途では欠点となる高処理温度を実施および一般に利用するため高価である。
【０００６】
ゲルマニウムを含む材料の原子イオンまたは分子イオンを用いる既存のイオン注入は、歪みを生成するためにシリコンにゲルマニウムを導入する効率的な方法とは証明されていない。有効な歪みを製造するには、シリコン内に少なくとも数原子％のゲルマニウムという高濃度が必要とされ、既存のイオン注入ではこのような高照射を必要とするため、既存のイオン注入装置では経済的に現実的ではない。
【０００７】
いくつかの半導体素子の場合、非常に高いドープ濃度で、例えば、ホウ素で半導体材料をドープすることが望ましい。一般に、シリコン内のドーパントの固体溶解限度は、有効なドーピングの上限となる。過去の研究では、シリコン内のホウ素の固体溶解限度は、シリコンにゲルマニウム原子を導入することによって増大できることを示している。
【０００８】
表面をエッチング、洗浄、および滑らかにするためにガスクラスタイオンビーム（ＧＣＩＢ）を用いることは、従来から知られている（例えば、Ｄｅｇｕｃｈｉなどの米国特許第５，８１４，１９４号参照）。ＧＣＩＢは、気化させた炭化材料からの薄膜堆積を支援するためにも用いられる（例えば、Ｙａｍａｄａなどの米国特許第６，４１６，８２０号参照）。用語はここで用いられる際、ガスクラスタは、標準温度および圧力条件下で気体である材料のナノサイズの集合体である。このようなクラスタは、数個から数千個の分子の集合体を有することも、より緩やかに結合して、クラスタを構成することもできる。クラスタは、電子ボンバードまたは他の手段によってイオン化し、エネルギを制御した指向性ビームを形成できる。このようなイオンは各々一般に、静電荷ｑｅを保持している（ここで、ｅは電子電荷の大きさであり、ｑはクラスタイオンの電荷の状態を表す１以上の整数である）。より大きなサイズのクラスタは、クラスタイオン毎にかなりのエネルギを保持しながら、分子毎には適度なエネルギしか有していないため、最も有用であることが多い。クラスタは衝突で分解し、個々の分子は全クラスタエネルギのわずかな部分しか保持しなくなる。従って、大きなクラスタの衝突の影響はかなり大きいが、非常に浅い表面領域に限定される。
【０００９】
このようなＧＣＩＢを生成し加速するための装置は、前述の特許第５，８１４，１９４号に記載されている。現在入手可能なイオンクラスタ源は、最大数千までの広範囲のサイズ分布Ｎを備えたクラスタイオンを形成する（ここで、Ｎは各クラスタ内の分子の数であり、アルゴン等の単原子ガスの場合、単原子ガスの原子はここでは原子または分子と呼ばれることもあり、このような単原子ガスのイオン化した原子は、イオン化原子、分子イオン、または単にモノマイオンと呼ばれることもある）。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
従って、この発明の目的は、高エネルギクラスタイオン照射によって、ゲルマニウムまたは他の歪み誘導原子を半導体基板内に全体的、局所的またはその両方に導入することである。
【００１１】
この発明の他の目的は、高エネルギクラスタイオン照射によって、半導体または誘電体基板の表面に（内部に導入および上部に堆積させた）半導体薄膜または歪み半導体薄膜を形成することである。
【００１２】
この発明の別の目的は、高エネルギクラスタイオン照射によって、半導体基板内にゲルマニウムまたは他の歪み誘導原子およびドーパント原子を全体的、局所的またはその両方に導入することである。
【００１３】
この発明のさらに別の目的は、高エネルギクラスタイオン照射によって、半導体または誘電体基板内に導入または上部に堆積させたドープ済み半導体薄膜または歪み半導体薄膜を形成することである。
【００１４】
この発明の以上の目的、さらに別の目的と利点は、これ以降に説明する発明の実施例によって実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、この発明に従ってＧＣＩＢを生成する処理装置１００の一般的な構成の基本要素の概略図である。装置１００は、次のように説明できる。真空容器１０２は、ソースチャンバ１０４、イオン化／加速チャンバ１０６、および処理チャンバ１０８という三つの繋がったチャンバに分割されている。三つのチャンバは、真空ポンプ系１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃによって各々適切な動作圧力まで排気する。ガス蓄積シリンダ１１１内に蓄積した凝縮可能なソースガス１１２（例えば、アルゴンまたはＮ2）は加圧し、ガス計測バルブ１１３とガス供給チューブ１１４を介して滞留チャンバ１１６内に収容し、適切な形状のノズル１１０を介して実質的に低圧の真空内に放出する。その結果、超音速ガスジェット１１８が得られる。ジェット内の膨張によって冷却され、ガスジェット１１８の一部はクラスタに凝縮し、各クラスタは数個から数千個の弱く結びついた原子または分子からなり、平均サイズは約１００〜３０，０００分子の間である。ガススキム開口部１２０は、クラスタジェットに凝縮していないガス分子をクラスタジェットから部分的に分離し、このような高圧が問題となる下流領域（例えば、イオン化器１２２、高電圧電極１２６、および処理チャンバ１０８）の圧力を最小にする。適切に凝縮可能なソースガス１２２は、アルゴン、窒素、二酸化炭素、酸素、および他のガスを含むが、必ずしもそれらに限定されない。
【００１６】
ガスクラスタを含む超音速ガスジェット１１８を形成した後、クラスタはイオン化器１２２内でイオン化される。イオン化器１２２は一般に電子衝突イオン化器であり、一つ以上の白熱フィラメント１２４から熱電子を生成し、電子を加速誘導し、イオン化器１２２を通過するガスジェット１１８内のガスクラスタに衝突させる。電子衝突はクラスタから電子を放出させ、クラスタの一部を正にイオン化させる。一組の適切にバイアスした高電圧電極１２６はイオン化器からクラスタイオンを抽出し、ビームを形成し、それから所望のエネルギ（一般に、１〜７０ｋｅＶ）に加速させ、それらを集束し、ＧＣＩＢ１２８を形成する。フィラメント電源１３６はフィラメント電圧Ｖｆを提供し、イオン化器のフィラメント１２４を加熱する。アノード電源１３４はアノード電圧ＶＡを提供し、フィラメント１２４から放出した熱電子を加速し、ガスジェット１１８を含むクラスタを照射し、イオンを生成する。抽出電源１３８は抽出電圧ＶＥを提供し、高電圧電極をバイアスし、イオン化器１２２のイオン化領域からイオンを抽出し、ＧＣＩＢ１２８を形成する。加速器電源１４０は加速電圧ＶＡＣＣを提供し、イオン化器１２２に対して高電圧電極をバイアスし、全ＧＣＩＢ加速をＶＡＣＣと等しくする。一つ以上のレンズ電源（例えば、１４２と１４４が示されている）を設けて、集束電圧（例えば、ＶＬ１とＶＬ２）を備えた高電圧電極をバイアスし、ＧＣＩＢ１２８を集束することもできる。
【００１７】
ＧＣＩＢ処理で処理される半導体ウェハまたは他の工作物であってもよい工作物１５２は、工作物保持部１５０上に保持し、ＧＣＩＢ１２８の経路内に配置する。多くの用途では空間的に均一な結果を備えた大きな工作物を処理することが想定されるので、走査系によって、大きな領域全体でＧＣＩＢ１２８を均一に走査し、空間的に均一な結果を得ることが望ましい。二対の直角に配置した静電走査板１３０と１３２を用いて、所望の処理領域全体でラスタまたは他の走査パターンを形成する。ビーム走査を行う際、ＧＣＩＢ１２８は走査型ＧＣＩＢ１４８に変換し、工作物１５２の全表面を走査する。
【００１８】
図２は、従来技術の機械的走査型ＧＣＩＢ処理装置２００の基本要素の概略図であり、静止したビームを備え、工作物１５２を機械的に走査し、さらにビーム測定用の既存のファラデカップと、既存の熱イオン中和器を備えている。ＧＣＩＢの形成は図１に示したものと同様であるが、ただし、ガス蓄積シリンダ２２１内に蓄積した選択的第二ソースガス２２２（一般にソースガス１１２とは異なる）を別に提供し、ガス測定バルブ２２３を備え、ガス供給チューブ１１４を介して滞留チャンバ１１６に接続している。図示されてはいないが、当業者には明らかなように、さらにガス蓄積シリンダ、配管およびバルブを追加することによって、三つ以上のソースガスを容易に構成することもできる。このマルチガス構成は、二つの異なるソースガス１１２と２２２の間で制御しながら選択し、ガスクラスタの形成で使用する二つ（またはそれ以上）のソースガスの混合物を制御しながら形成できる。さらに当然のことながら、ソースガス１１２と２２２はそれら自体、例えば、アルゴンと１％のジボラン、またはアルゴンと５％のゲルマン等のガス混合物であってもよい。さらに、図２の機械的走査型ＧＣＩＢ処理装置において、ＧＣＩＢ１２８は静止型であり（ＧＣＩＢ処理装置１００のように静電的に走査されない）、ＧＣＩＢ１２８を介して工作物１５２を機械的に走査し、工作物１５２の表面上でＧＣＩＢ１２８の効果を分散させる。
【００１９】
Ｘ走査駆動部２０２は、Ｘ走査移動２０８の方向（紙面と直交する方向）で工作物保持部１５０に直線的な移動を提供する。Ｙ走査駆動部２０４は、Ｙ走査移動２１０の方向で工作物保持部１５０に直線的な移動を提供し、Ｙ走査移動２１０はＸ走査移動２０８と一般に直交している。Ｘ走査およびＹ走査移動の組合せは、ＧＣＩＢ１２８を介してラスタ状の走査移動で、工作物保持部１５０によって保持した工作物１５２を動かし、ＧＣＩＢ１２８で工作物１５２の表面を均一に照射し、工作物１５２を均一に処理する。工作物保持部１５０は、ＧＣＩＢ１２８の軸に対して一定の角度で工作物１５２を配置し、ＧＣＩＢ１２８が工作物１５２の表面に対して一定のビーム入射角２０６を有するようにする。ビーム入射角２０６は９０°または他の何らかの角度であってもよいが、一般に９０°または９０°に非常に近い角度である。Ｙ走査中、工作物保持部１５０に保持した工作物１５２は、各々指示部１５２Ａと１５０Ａで示した別の位置「Ａ」に示した位置から移動する。なお、二つの位置の間を移動中、工作物１５２はＧＣＩＢ１２８を介して走査され、両極端の位置では、ＧＣＩＢ１２８の経路から完全に外に移動される（オーバスキャン）。図２には明示的には示されていないが、同様の走査およびオーバスキャンは、（一般に）直交するＸ走査移動２０８方向（紙面と直交する方向）でも行われる。
【００２０】
ビーム電流センサ２１８は、ＧＣＩＢ１２８の経路内の工作物保持部１５０の向こう側に配置し、ＧＣＩＢ１２８の経路外に工作物保持部１５０が走査されたとき、ＧＣＩＢ１２８のサンプルを捕捉する。ビーム電流センサ２１８は一般に、ビーム入射孔を除いて閉じたファラデカップ等であり、電気絶縁取り付け部２１２を備えた真空容器１０２の壁に固定する。
【００２１】
制御部２２０は、マイクロコンピュータベースの制御部であってもよく、電気ケーブル２１６を介して、Ｘ走査駆動部２０２とＹ走査駆動部２０４に接続し、Ｘ走査駆動部２０２とＹ走査駆動部２０４を制御し、ＧＣＩＢ１２８の内外に工作物１５２を配置し、ＧＣＩＢ１２８に対して工作物１５２を均一に走査し、ＧＣＩＢ１２８による工作物１５２の均一な処理を実現する。制御部２２０は、リード２１４を介して、ビーム電流センサ２１８で集めたサンプルビーム電流を受け取り、それによってＧＣＩＢを監視し、所望の照射が与えられた際、ＧＣＩＢ１２８から工作物１５２を取り除くことによって、工作物１５２が受け取るＧＣＩＢ照射量を制御する。
【００２２】
固体ターゲット表面上に高エネルギガスクラスタが衝突する際、貫通深さは個々の構成原子の低いエネルギに制限され、ガスクラスタイオン衝突中に発生する過渡的熱効果に原理的に依存するので、ターゲット表面内へのクラスタ原子の貫通は一般に非常に浅い。ガスクラスタは衝突で分離し、個々のガス原子は自由に跳ね返り、ターゲット表面から逃げることもある。個々のガス原子が逃げることによって持ち去られるエネルギ以外は、衝突前の高エネルギクラスタの全エネルギは、ターゲット表面上の衝突領域に堆積される。このため、イオンクラスタは、様々な表面改質処理に有効であり、既存のイオンビーム処理の特徴であるより深い表面下を損傷させる傾向はない。ターゲット衝突領域の寸法は、クラスタのエネルギに依存するが、衝突するクラスタの断面寸法とほぼ同程度であり、例えば、１０００原子からなるクラスタの直径は約３０Åと小さい。ターゲット上の小さな衝突領域内にクラスタによって運ばれる全エネルギの大部分が堆積するので、衝突場所のターゲット材料内に強い熱的過渡現象が生じる。エネルギがターゲット内に深く伝導することによって衝突領域から失われると、熱的過渡現象は急速に散逸する。熱的過渡現象の持続時間はターゲット材料の伝導性によって決定されるが、一般に１０-6秒未満である。
【００２３】
クラスタ衝突場所の近傍では、一定の体積のターゲット表面が、数百から数千°Ｋの温度に瞬間的に到達できる。一例として、全部で１０ｋｅＶのエネルギを伝えるクラスタの衝突は、シリコン表面の約１００Å下まで広がる非常に撹乱されるほぼ半球の領域全体で、約２０００°Ｋの瞬間的温度上昇を生成できると見積もられる。
【００２４】
高エネルギクラスタ衝突場所の下のターゲット体積内の過渡的温度上昇の開始後、影響された領域は急速に冷却する。クラスタ成分の一部はこの過程で逃げ去り、他の部分は後に残り、表面に組み込まれる。元の表面材料の一部が、スパッタ等の効果によって除去されることもある。一般に、クラスタのより揮発性および不活性の成分はより逃げやすく、揮発性が低くより化学反応性が高い成分は表面に組み込まれやすい。実際の処理はより複雑だと思われるが、クラスタ衝突場所と周囲の影響された領域を「溶融領域」と考えると便利であり、そこでクラスタ原子は基板面と短時間だけ相互作用および混合し、クラスタ材料は表面から逃げるか、または影響された領域の深さまで表面内に導入される。「導入」および「導入している」という用語は、ここではこの処理を指し、イオンの「注入」または「注入している」という非常に異なる結果を生み出す非常に異なる処理とそれを区別するために用いられる。既存のイオン注入とは異なり、ＧＣＩＢ導入は処理される基板内にかなりの量の電力をもたらさず、従って、低温（つまり、室温）処理として行うことができ、基板を有意に加熱することがない。高エネルギクラスタイオン内の例えば、アルゴンやキセノン等の揮発性で非反応性の希ガスは、影響された領域から非常に高い確率で逃げ去り、例えば、ホウ素、ゲルマニウム、およびシリコン等の揮発性が低く、化学結合をより形成しやすい材料は影響された領域内により残りやすく、基板の表面内に組み込まれる。
【００２５】
例えば、アルゴンやキセノン等であるが、それらに限定されない不活性な希ガスを、例えば、ゲルマニウムまたはシリコン等の半導体を構成する元素を含むガスや、例えば、ホウ素、リンおよびヒ素等の半導体材料のドーパントとして機能する元素を含むガスと混合し、所定の異なる元素を含む化合物ガスクラスタを構成できる。ガスクラスタイオンビーム生成用のソースガスとして適切なソースガス混合物を用いることによって、またはガスクラスタイオン生成源内に二つ以上のガス（またはガス混合物）を供給し、生成源内でそれらを混合可能にすることによって、これ以降に説明するように、ＧＣＩＢ処理装置を用いてこのようなガスクラスタを形成できる。例えば、ゲルマン（ＧｅＨ4）または四フッ化ゲルマニウム（ＧｅＦ4）等のゲルマニウム含有ガスを用いて、ガスクラスタ内にゲルマニウムを組み込むことができる。例えば、シラン（ＳｉＨ4）や四フッ化シリコン（ＳｉＦ4）等のシリコン含有ガスを用いて、ガスクラスタ内にシリコンを組み込むことができる。例えば、ジボラン（Ｂ2Ｈ6）、三フッ化ホウ素（ＢＦ3）、フォスフィン（ＰＨ3）、五フッ化リン（ＰＦ5）、アルシン（ＡｓＨ3）、五フッ化ヒ素（ＡｓＦ5）等のドーパント含有ガスを用いて、ガスクラスタ内にドーパント原子を組み込むことができる。この発明の一実施例では、例えば、アルゴンおよびゲルマンを混合し、ゲルマニウムを導入するために、クラスタ形成用ソースガスを構成できる。別の例として、アルゴン、ゲルマン、およびジボランを混合し、ゲルマニウムとホウ素を導入するために、ゲルマニウムとホウ素を含むクラスタ形成用ソースガスを構成できる。さらに別の例として、アルゴン、シラン、およびゲルマンを混合し、基板上にシリコン−ゲルマニウム薄膜を形成するために、ホウ素とシリコンの両方を含むクラスタ形成用ソースガスを構成できる。
【００２６】
いくつかの半導体製品の場合、半導体表面へのドーパントの導入または薄膜形成の重要な要件は、ドーパントが導入される最大の深さ、または形成される薄膜の最大の厚さがむしろ浅く、約数百Å以下であることである。ここで説明するようなＧＣＩＢは、浅い薄膜の形成および処理に特に適している。クラスタは一般に数千個の原子からなるので、ガスクラスタイオンを数十ｋｅＶのエネルギまで加速しても、個々の原子はほとんどエネルギを持たず、既存のイオン注入および他のモノマイオン処理で発生するような大きな深さまで照射面を弾道的に貫通させない。ガスクラスタのエネルギを制御することによって、高エネルギガスクラスタ衝突が影響する深さを制御でき、このような制御によって、１００Å以下の薄膜を形成したり処理できる。さらに、当然のことながら、ＧＣＩＢは照射する面内にクラスタ成分を導入する際に非常に有効である。既存のイオンビームは、一般にイオン当たり一個、またはせいぜい数個の原子を注入する。ここで説明するＧＣＩＢの効率は、ずっと高い。一例として、アルゴン内に５％のゲルマンの混合物から形成したクラスタからなるＧＣＩＢは、一般に照射面にガスクラスタイオン当たり１００〜２０００個のゲルマニウム原子を組込み、正確な数はノズル流速を含むビームパラメータに依存し制御性および再現性がある。導入された薄膜はアモルファスまたは多結晶になる傾向があるが、急速アニールまたは炉内アニール、好ましくは非拡散または低拡散アニール等の熱アニールステップを加えることによって単結晶薄膜に変換できる。
【００２７】
図３は、希ガスと他のガス分子の混合物を含むガスクラスタイオン３０６を衝突させた半導体ウェハ３０２の界面領域３００の図である。図は、等倍率では描かれていない。半導体ウェハ３０２は表面３０４を有し、例えば、単結晶材料からなり、集積回路または半導体素子を製造するためのいくつかの処理段階のいずれであってもよい。軌跡３０８を備えたガスクラスタイオン３０６は、半導体ウェハ３０２の衝突表面３０４に示され、そこでガスクラスタイオン衝突領域３１０を形成する。この発明によると、半導体やドーパント原子種を含むクラスタとなるために、ガスクラスタイオン３０６を形成する。例えば、クラスタは、アルゴン等の希ガスに加えて、ジボラン、ゲルマン、または他の粒子を含むことができる。
【００２８】
図４は、図３の半導体ウェハ３０２の一部の界面領域３２０をさらに詳しく示す拡大図である。ガスクラスタイオン３０６は少なくとも二つのガスの複数の分子を有し、前記ガスは少なくとも希ガスと、半導体またはドーパント原子を備えたガスを含んでいる。ガスクラスタイオン３０６は希ガス原子（３２２で示した）を有し、さらに少なくとも第二粒子のガス分子３２４を有し、ガス分子３２４は例えば、ゲルマン等の半導体材料含有ガス分子である。ガスクラスタイオン３０６は、選択的に他の粒子のガスの一つ以上の種類の分子（要素３３２と３３４で示した）を有し、それらは半導体材料含有ガス分子（例えば、シラン）であっても、ドーパント含有ガス分子（例えば、ジボラン）であってもよい。従って、クラスタ３０６は、少なくとも希ガス部分と、少なくとも一つの半導体材料含有ガス、および選択的に一つ以上の別の半導体材料含有ガス、またはドーパント含有ガスのわずかな部分からなる。このようなガスクラスタイオン３０６は、例えば、図２に示したとおりの、または同様のＧＣＩＢ処理装置２００内で形成できる。ガスクラスタ内にガス混合物を有することが望ましい場合、所望の配合で事前に混合したガス混合物を単一のガス蓄積シリンダ１１１（図２）内に提供することもでき、またガス蓄積シリンダ１１１と２２１（図２）内に別の異なるソースガスまたはソースガス混合物１１２と２２２を提供し、ガス計測バルブ１１３と２２３（図２）を適切に調整することによって、滞留チャンバ１１６（図２）へ流れる際、所望の割合で混合することもでき、ガス計測バルブ１１３と２２３は好ましくは質量流量制御バルブである。従って、二つ以上のガスを制御しながら混合し、ガスクラスタイオンビームを生成できる。
【００２９】
再び図４を参照すると、ガスクラスタイオン３０６は、希ガス原子３２２と、半導体材料含有ガス分子（３２４によって示した）、および（選択的に）他の半導体材料含有分子またはドーパント含有分子（３３２と３３４によって示した）を有するように示されている（例であって、限定するものではない）。当然のことながら、希ガス、ドーパントおよび半導体材料含有ガス分子の広範囲の混合がこの発明では有用であり、この発明の処理に用いられるクラスタは、非常に高濃度の半導体材料含有ガス分子やドーパントガス分子と混合した希ガスから形成することも、それとは逆に希ガス分子に対する半導体材料含有ガスやドーパントガス分子の比率を非常に小さくして、一部または多くのガスクラスタイオンが単一の非希ガス分子さえ含まないようにもできるが、ガスクラスタイオンビームのガスクラスタイオンの少なくとも一部は、半導体材料含有ガスやドーパントガスの一つ以上の分子を有する。一般に、一つ以上の半導体材料含有ガスの濃度は、ガスクラスタイオンの数分子％の範囲であるが、１〜９９分子％有することも、選択的または代替的に同様の割合の炭素材料含有ガスを有することもできるが、任意のドーパント含有ガス分子は、例えば、約０．０１〜１０分子％等、ガスクラスタイオンより低い分子濃度からなる。
【００３０】
ガスクラスタイオン衝突領域３１０は、境界３２６を有する。ガスクラスタイオン衝突領域３１０の体積、従ってその半導体表面の貫通深さは、所定の制御されたエネルギのガスクラスタイオン３０６に依存する。高エネルギのガスクラスタイオン３０６が表面３０４に衝突すると、ガスクラスタイオン３０６は分解し、分解したクラスタからの個々の半導体およびドーパント分子は自由になる。不活性ガス分子は一般に跳ね返り、半導体ウェハ３０２の表面３０４から逃げる。半導体分子やドーパント分子の一部を含むいくつかの分子は、表面に導入される。逃げた個々のガス原子によって持ち去られた小さなエネルギ以外、高エネルギガスクラスタイオン３０６の全エネルギは、ガスクラスタイオン衝突領域３１０内に堆積される。ガスクラスタイオン衝突領域３１０の寸法は、クラスタのエネルギに依存するが小さく、所定のガスクラスタイオンエネルギに依存し、直径およそ数十から数百Å程度である。ガスクラスタイオン３０６によって運ばれる全エネルギの大部分が小さなガスクラスタイオン衝突領域３１０内に堆積されるので、ガスクラスタイオン衝突領域３１０の材料内に強い熱的過渡現象が発生する。ガスクラスタイオン衝突領域３１０内に堆積される熱は、方向３２８の伝導によって周囲の半導体材料内により深く散逸する。熱的過渡現象の持続時間は周囲材料の熱伝導性によって決定されるが、一般に１０-6秒未満である。
【００３１】
ガスクラスタイオン衝突領域３１０では、材料は瞬間的に、数百から数千°Ｋの温度に到達する。さらに、局所的な領域の張力または圧縮歪み半導体の製造は、基板の近傍または隣接領域内に誘導歪みを生成するために生産的に用いられることが、発明者によって認められた。誘導歪みは、関連する領域の相対的形状に依存して張力であっても圧縮であってもよい。一例として、１０ｋｅＶの全エネルギを運ぶガスクラスタイオン３０６の衝突は、表面３０４下の約１００Åまで広がるガスクラスタイオン衝突領域３１０全体で、約２０００°Ｋの瞬間的温度上昇を生成できると見積もられる。特定の理論に束縛されることなく、熱的過渡現象中、熱撹乱は十分高いので、ガスクラスタイオン衝突領域３１０内の材料を溶融できる。ガスクラスタイオン衝突領域３１０が方向３２８の熱伝導によって冷却すると、衝突したクラスタの半導体材料やドーパント材料の一部はクラスタイオン衝突領域３１０内に導入され、冷却した表面に組み込まれる。
【００３２】
図５は、半導体ウェハ３０２の一部の界面領域３４０を示しており、この発明によるガスクラスタイオンが衝突した領域内への半導体原子やドーパント原子の導入を示している。図４で説明したガスクラスタイオン衝突事象後、熱的過渡現象が散逸する際、導入領域３４２が図４のガスクラスタイオン衝突領域３１０に取って代わる。導入領域３４２は、半導体ウェハ３０２の表面３０４下の深さ３４４まで広がる。
【００３３】
図６は、半導体ウェハ３０２の一部の界面領域３６０を示しており、この発明によるガスクラスタイオンビーム処理の完了によって形成された導入薄膜３６２を示している。連続的なガスクラスタイオン照射によって、導入領域３４２（図５）と同様の導入領域を形成、重ね合わせ、最終的に半導体ウェハ３０２の表面３０４の下の深さ３６４まで広がる導入薄膜３６２を形成する。
【００３４】
図７は、希ガスと他のガス分子の混合物を含むガスクラスタイオン３０６を衝突させた半導体ウェハ３０２の一部の界面領域４００を示している。図は、等倍率では描かれていない。半導体ウェハ３０２は表面３０４を有し、一般に単結晶材料であり、集積回路または半導体素子を製造するためのいくつかの処理段階のいずれであってもよい。半導体ウェハ３０２の表面３０４の一部はマスク４０２でカバーし、マスク４０２は高エネルギクラスタによる照射から表面３０４の一部をマスクする。軌跡３０８を備えたガスクラスタイオン３０６は、非マスク領域の半導体ウェハ３０２の衝突表面３０４に示され、そこにガスクラスタイオン衝突領域３１０を形成する。マスク４０２に衝突するクラスタは、マスクによって妨げられ、半導体ウェハ３０２の表面３０４に影響を与えない。マスク４０２は、二酸化シリコン等のハードマスクであっても、フォトレジスト材料等のソフトマスクであってもよい。
【００３５】
図８は、半導体ウェハ３０２の一部の界面領域４２０を示し、この発明に従って、図７に示したマスクしたウェハのガスクラスタイオンビーム処理の完了によって形成した導入薄膜４２２を示している。連続的なガスクラスタイオン照射によって、導入領域（図５の３４２）と同様の導入領域を形成し、重ね合わせ、最終的にマスク４０２から露出した表面領域のみに導入薄膜４２２を形成する。
【００３６】
図６と８は、半導体基板上への処理薄膜（３６２と４２２）の形成を示している。歪みシリコンおよびシリコン／ゲルマニウム薄膜が形成される。発生する処理量は、クラスタイオンエネルギとクラスタイオン照射量の両方の関数である。ガスクラスタイオンエネルギまたはガスクラスタイオン照射量の一方を増大させると、形成される薄膜の厚さが増大する。低エネルギ照射量製品では、ここで「導入」と呼ばれる処理が発生する（上記のように、ガスクラスタ原子内に１〜９９分子％の量が存在可能な半導体原子や、ガスクラスタイオン内に０．０１〜１０分子％の量が存在可能なドーパント原子は、各々図６と８の照射面３６２と４２２の浅い表面下の領域で混合される）。ガスクラスタイオンエネルギや照射量を増大させると、「導入」から薄膜堆積や成長に移行し、ガスクラスタイオンビーム内の半導体材料やドーパント材料は、照射する基板上に薄膜を成長または堆積させる。形成された薄膜は、クラスタ内にドーパント粒子が組み込まれているかどうかに応じてドープ済みであっても、未ドープであってもよい。いくつかの有用な処理の所定の例は、これ以降にさらに詳しく与えられる。
実験結果
図９は、発明の所定の用途によって形成した導入薄膜の二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）測定の結果を示すグラフである。この例では（サンプル１４１−４として識別）、図２に示したものと同様のガスクラスタイオンビーム処理システムを用いて、シリコン半導体ウェハの表面を処理した。ガスクラスタ形成用のソースガスとして、アルゴン内に５％のゲルマン（ＧｅＨ4）の混合物を用いた。イオン化したガスクラスタイオンビームは５ｋＶまで加速し、シリコンウェハ上に１ｃｍ2当たり１×１０14個のガスクラスタイオンの照射量で照射した。ＳＩＭＳ解析では、ゲルマニウムイオンを用いて、約２００Åの深さの薄膜が導入されていることが確認された。ＳＩＭＳの濃度軸は正確には校正されていないが、表面Ｘ線光電子分光分析（ＸＰＳ）測定では、およそ２０原子％のゲルマニウム濃度が実現され、処理パラメータを変えることによって、数原子から少なくとも４０原子％のゲルマニウム濃度が実現できることが確認された。この範囲内のゲルマニウム濃度は、キャリア移動度を改善するためのシリコン内歪み形成に有用である。
【００３７】
図１０は、発明の所定の用途によって形成した導入薄膜のＳＩＭＳ測定の結果を示すグラフである。この例（１４４−２として識別）では、図２で示したものと同様のガスクラスタイオンビーム処理システムを用いて、シリコン半導体ウェハの表面を処理した。ガスクラスタ形成用のソースガスの一つとして、アルゴン内に５％のゲルマン（ＧｅＨ4）の混合物を用い、ガスクラスタ形成用の第二ソースガスとして、１％のジボラン（Ｂ2Ｈ6）を用いた。二つのソースガスは滞留チャンバ内に流す際に混合し、ゲルマン混合物は速度３００ｓｃｃｍで供給し、ジボラン混合物は速度７５ｓｃｃｍで供給した。イオン化したガスクラスタイオンビームは５ｋＶまで加速し、シリコンウェハ上に１ｃｍ2当たり１×１０15個のガスクラスタイオンの照射量で照射した。ＳＩＭＳ解析では、ゲルマニウムイオンを導入し、同時にシリコン／ゲルマニウム層をドープするためにホウ素イオンを導入した表面が形成されていることが確認された。ＳＩＭＳの濃度軸は正確には校正されていないが、表面Ｘ線光電子分光分析（ＸＰＳ）測定では、およそ２０原子％のゲルマニウム濃度が実現され、処理パラメータを変えることによって、数原子から少なくとも４０原子％のゲルマニウム濃度が実現できることが確認された。この範囲内のゲルマニウム濃度は、キャリア移動度を改善するためのシリコン内歪み形成に有用である。なお、ホウ素のドーピング深さは約１００Åであり非常に浅く、浅い接合の形成に適している。
【００３８】
図１１は、発明の所定の用途によって形成した導入薄膜のＳＩＭＳ測定の結果を示すグラフである。この例では（１４４−３として識別）、図２で示したものと同様のガスクラスタイオンビーム処理システムを用いて、シリコン半導体ウェハの表面を処理した。ガスクラスタ形成用のソースガスの一つとして、アルゴン内に５％のゲルマン（ＧｅＨ4）の混合物を用い、ガスクラスタ形成用の第二ソースガスとして、１％のジボラン（Ｂ2Ｈ6）を用いた。二つのソースガスは滞留チャンバ内に流す際に混合し、ゲルマン混合物は速度３０ｓｃｃｍで供給し、ジボラン混合物は速度３００ｓｃｃｍで供給した。イオン化したガスクラスタイオンビームは３０ｋＶまで加速し、シリコンウェハ上に１ｃｍ2当たり１×１０15個のガスクラスタイオンの照射量で照射した。ＳＩＭＳ解析では、ゲルマニウムイオンを導入し、同時にシリコン／ゲルマニウム層をドープするためにホウ素イオンを導入した表面が形成されていることが確認された。ＳＩＭＳ解析ではさらに、加速電位の増大によって、図１０のサンプル１４４−２の場合に比べて導入薄膜の深さが増大することもわかった。
【００３９】
図１２は、この発明の所定の用途によって形成した二つの薄膜のＳＩＭＳ測定の結果を示すグラフである。これらの例では、図９で既に示したサンプル（１４１−４として識別）を同様に処理したサンプル（１４２−１として識別）と比較する。図２に示したものと同様のガスクラスタイオンビーム処理システムを用いて、両方のシリコン半導体ウェハの表面を処理する。両方のサンプルでは、ガスクラスタ形成用のソースガスとして、アルゴン内に５％のゲルマン（ＧｅＨ4）混合物を用いた。両方の場合において、イオン化したガスクラスタイオンビームは５ｋＶまで加速し、サンプル１４１−４の場合、シリコンウェハ上に１ｃｍ2当たり１×１０14個のガスクラスタイオンの照射量で照射し、サンプル１４２−１の場合、シリコンウェハ上に１ｃｍ2当たり１×１０15個のガスクラスタイオンの照射量で照射した。サンプル１４１−４の場合、ＳＩＭＳ解析では、ゲルマニウムイオンを用いて、約２００Åの深さの薄膜が導入されることがわかった。より高照射量のサンプル１４２−１の場合、ＳＩＭＳ解析では、ゲルマニウムを導入したシリコンが約２００Åで、さらにゲルマニウム導入シリコン層上に約５００Åのゲルマニウム薄膜が堆積または成長していることがわかった。ＳＩＭＳの濃度軸は正確には校正されてはいないが、表面ＸＰＳ測定では、サンプル１４１−４のシリコン内にゲルマニウムが導入され、サンプル１４２−１では純粋なゲルマニウム表面薄膜が確認された。低照射量の場合、歪みシリコン層の形成に適したゲルマニウム導入シリコン層が形成され、高照射量の場合、シリコン／ゲルマニウム界面領域を備えたシリコン基板上に、ゲルマニウム薄膜が堆積または成長していた。
【００４０】
図１３は、発明の所定の用途によって堆積または成長させた三つのゲルマニウム薄膜のＳＩＭＳ測定結果を示すグラフである。これらの例では、三つのサンプル（サンプル１４１−１、１４１−２、および１４１−３として識別）を比較する。図２に示したものと同様のガスクラスタイオンビーム処理システムを用いて、三つのシリコン半導体ウェハサンプルの全ての表面を処理した。三つのサンプル全てに対して、ガスクラスタ形成用のソースガスとして、アルゴン内に５％のゲルマン（ＧｅＨ4）の混合物を用いた。各々の場合、イオン化したガスクラスタイオンビームは３０ｋＶまで加速し、サンプル１４１−１の場合、シリコンウェハ上に１ｃｍ2当たり１×１０14個のガスクラスタイオンの照射量で照射し、サンプル１４１−２の場合、シリコンウェハ上に１ｃｍ2当たり１×１０15個のガスクラスタイオンの照射量で照射し、サンプル１４１−３の場合、シリコンウェハ上に１ｃｍ2当たり１×１０16個のガスクラスタイオンの照射量で照射した。サンプル１４１−１の場合、ＳＩＭＳ解析では、シリコン基板上に約６００Åのゲルマニウム薄膜が堆積または成長していることがわかった。サンプル１４１−２の場合、ＳＩＭＳ解析では、シリコン基板上に約１２００Åのゲルマニウム薄膜が堆積または成長していることがわかった。サンプル１４１−３の場合、ＳＩＭＳ解析では、シリコン基板上に約１１０００Å以上のゲルマニウム薄膜が堆積または成長していることがわかった。ＳＩＭＳの濃度軸は正確には校正されてはいないが、表面ＸＰＳ測定では、純粋なゲルマニウム薄膜の成長または堆積が確認された。図１３のサンプル１４１−１と、図９および１２のサンプル１４１−４を比較すると、より高い加速電位の３０ｋＶでサンプル１４１−１を用いることで、サンプル１４１−４で発生したようにシリコン内にゲルマニウムを導入するのではなく、ゲルマニウム薄膜の堆積または成長が得られることがわかった。なお、図１２の低エネルギ、高照射量のサンプル１４２−１（５ｋＶ、照射量１×１０15）と、高エネルギ、低照射量のサンプル１４１−１（３０ｋＶ、照射量１×１０14）も、二つのシリコン基板上に同様の厚さのゲルマニウム薄膜を堆積または成長させた。
【００４１】
図１４は、ソースガス混合物から形成したＧＣＩＢの組成のノズル流速パラメータ依存性を示すグラフである。この場合、ソースガス混合物はアルゴン内に５％のＧｅＨ4である。グラフに示した測定中、図３に示したものと同様のＧＣＩＢ処理装置をノズル１１０の流速を徐々に高くして動作させた（滞留チャンバ１１６の圧力を徐々に高くすることに対応する）。処理チャンバ１０８内のガスを解析するために、残留ガス分析器（ＲＧＡ）を動作させた（ＧＣＩＢ１２８が工作物１５２またはビーム電流センサ２１８に衝突する際に主に分離物を生成し、ガスクラスタイオンの組成を示す）。ＧｅおよびＡｒとラベル付けした軌跡は各々、処理チャンバ１０８内のゲルマンとアルゴンガスの分圧を表している。階段状の軌跡は、ノズル１１０内のソースガスの流速（単位：ｓｃｃｍ）を示している。ゲルマンは低速で凝集するので、低速ではクラスタイオンビームはほぼ全てのゲルマンを有する。高速では、ガスクラスタイオンビームはアルゴン分圧を次第に増大させ、元のガス混合物の成分に近づき始める。なお、混合物内の成分ガスの各々に対して、凝集の顕著な始まりが存在する。従って、ガス混合物から化合物クラスタを形成する場合、両方の成分がそれらの凝集を開始する流速より、用いられるノズル流速が高くなるようにすることが重要である。再現可能な処理結果を得るには、処理間でガス混合物の割合だけでなくノズル流速も再現可能にして、ガスクラスタイオン混合物の組成の再現可能性を確保することも重要である。
【００４２】
上記のように、ゲルマニウム薄膜の堆積または成長能力を提供することに加えて、この発明は、ゲルマニウムとシリコンの両方を含むクラスタを用いることによって、シリコン−ゲルマニウム薄膜を堆積または成長させるために用いることもできる。例えば、アルゴン内に５％のゲルマンの第一ソースガスと、アルゴン内に５％のシランの第二ソースガスを用い、クラスタビーム源に供給する際、所望の割合の流速で二つのガスを混合することによって、発明の用途によって、シリコン、絶縁体上シリコン、二酸化シリコン、または他の誘電体を含む様々な基板上に、制御可能な割合のシリコン−ゲルマニウム薄膜を成長させる。堆積や成長用の基板は、単結晶であっても非結晶であってもよい。ガスクラスタイオンを形成するために用いるガス混合物にドーパント粒子を追加することによって、堆積や成長させた半導体薄膜もドープされる。堆積または成長させた半導体薄膜はアモルファスまたは多結晶になる傾向があるが、急速アニールまたは炉内アニール、好ましくは非拡散または低拡散アニール等の熱アニールステップを加えることによって、単結晶薄膜に変換できる。
【００４３】
ソースガスとして炭素含有ガス、例えばメタンをアルゴンと混合することによって、炭素含有クラスタを形成できる。炭素含有クラスタは、ゲルマニウムを用いて実現したように、歪みシリコンを形成するためにシリコン内に導入できる。しかし、炭素原子はシリコン原子より小さいので、得られる歪みは、ゲルマニウム誘導歪みの場合の圧縮ではなく張力である。これは、局所的導入を生成するためのマスクステップの使用と組み合わせて、ある領域のシリコンにゲルマニウムを導入し、他の領域のシリコンに炭素を導入でき、従って単一のウェハ内に圧縮と張力の両方の領域を容易に生成する柔軟性を提供できる。
【００４４】
図６と８は、半導体基板の表面の全体的および局所的処理を（各々）示しており、それはガスクラスタイオンビーム処理を半導体基板表面全体で行うか、マスク開口部を介してのみ行うかに依存する。上記の議論では半導体ウェハ３０２をしばしばシリコンウェハと呼んでいたが、当然のことながら、この発明の処理はバルクのシリコンへの適用には限定されず、絶縁体上シリコン薄膜に適用することもできる。この発明を用いて表面上に半導体薄膜を堆積または成長させる際、当然のことながら、この発明はシリコンまたは絶縁体上シリコン基板のみの上に薄膜を堆積または成長させることには限定されず、二酸化シリコン層や他の誘電体層上にこのような薄膜を堆積または成長させることもでき、基板は単結晶、多結晶、またはアモルファスであってもよい。
【００４５】
この発明は様々な実施例について説明してきたが、当然のことながら、この発明はその精神の範囲の別のおよび他の様々な実施例を実現することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
その他の目的および別の目的と共に、この発明をさらに理解するために、添付の図面と詳細な説明を参照する。
【図１】静電気走査ビームを用いる従来技術のＧＣＩＢ処理装置の基本要素を示す概略図である。
【図２】静止したビームを用い、工作物を機械的に走査し、混合ソースガスの提供を含む従来技術のＧＣＩＢ処理装置の基本要素を示す概略図である。
【図３】ガスクラスタイオン照射を受け取る半導体ウェハの一部の概略図である。
【図４】図３の半導体ウェハの一部を拡大した概略図であり、ガス混合物クラスタイオンを含む別の詳細を示している。
【図５】半導体ウェハの一部の概略図であり、この発明によるクラスタ衝突で影響される領域の表面改質を示している。
【図６】半導体ウェハの一部の概略図であり、この発明による表面薄膜を形成する多くのガスクラスタイオンによって影響を受けた表面領域の改質を示している。
【図７】半導体ウェハの一部の概略図であり、ガスクラスタイオンによって照射中の処理のマスク制御による局所化を示している。
【図８】ガスクラスタイオン照射中の処理のマスク制御による局所化後の半導体ウェハの一部の概略図であり、ガスクラスタイオンビーム処理によって形成した局所的表面薄膜を備えている。
【図９】シリコン基板上のゲルマニウム導入表面薄膜のＳＩＭＳ測定を示すグラフであり、前記薄膜はこの発明によるガスクラスタイオン処理によって形成されている。
【図１０】シリコン基板上のゲルマニウムおよびホウ素導入表面薄膜のＳＩＭＳ測定を示すグラフであり、前記薄膜はこの発明の一実施例によるガスクラスタイオン処理によって形成されている。
【図１１】シリコン基板上のゲルマニウムおよびホウ素導入表面薄膜のＳＩＭＳ測定を示すグラフであり、前記薄膜はこの発明の一実施例によるガスクラスタイオン処理によって形成されている。
【図１２】二つの異なる処理条件下で、シリコン半導体表面のゲルマニウム含有ガスクラスタイオンビーム処理のＳＩＭＳ測定を比較するグラフであり、一方はシリコン内にゲルマニウムを導入した結果であり、もう一方はシリコン表面上にゲルマニウム薄膜を形成した結果であり、どちらもこの発明の実施例に従っている。
【図１３】異なるガスクラスタイオンビーム処理条件下で、シリコン基板上に形成したゲルマニウム薄膜のＳＩＭＳ測定を比較するグラフであり、全てこの発明の実施例に従っている。
【図１４】混合ソースガスから形成したＧＣＩＢの組成がノズル流速パラメータにどのように依存するかを示すグラフである。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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