(57)【要約】  ポケット注入又はハロー注入を実行するための改良された方法が開示される。ハロー注入によって生成されるダメージ及び欠陥の量は、リーク電流を増大させ、ノイズマージンを減少させ、また、最小ゲート電圧を増加させることによって、半導体デバイスの性能を低下させる。ハロー注入又はポケット注入を低温で実行すると、結晶構造に生じるダメージが減少し、結晶のアモルファス化が改善される。低温を使用することにより、ホウ素又はリン等、より軽い元素をハロー注入に使用することができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を処理する方法であって、
ソース領域及びドレイン領域を形成するように、ゲートに隣接する前記基板の領域に第１のドーパント種を導入する段階と、
前記ソース領域及び前記ドレイン領域の下方の領域に、前記第１のドーパント種とは伝導性が逆の第２のドーパント種を、低温での注入によって導入する段階と
を備える方法。
【請求項２】
前記基板は、前記第１のドーパント種及び前記第２のドーパント種の導入に続いてアニールされる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記基板は、前記第１のドーパント種の導入と前記第２のドーパント種の導入との間にアニールされる請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１のドーパント種はＩＩＩ族元素を有する原子又は分子イオンであり、
前記第２のドーパント種はＶ族元素を有する原子又は分子イオンである請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１のドーパント種はＶ族元素を有する原子又は分子イオンであり、
前記第２のドーパント種はＩＩＩ族元素を有する原子又は分子イオンである請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第２のドーパント種のドーズ量は、前記第１のドーパント種のドーズ量よりも小さい請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第２のドーパント種は、チルト角を用いて注入される請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記チルト角は０度から６０度の間である請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第１のドーパント種は低温で注入される請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記低温は、０℃から−１００℃の間である請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記低温は、０℃から−１００℃の間である請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記第２のドーパント種は、前記第１のドーパント種よりも大きい注入エネルギーで注入される請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
基板を処理する方法であって、
ソース領域及びドレイン領域を形成するように、ゲートに隣接する前記基板の領域に第１のドーパント種を導入する段階と、
前記ゲートの下方の領域に、前記第１のドーパント種とは伝導性が逆の第２のドーパント種を、低温での注入によって導入する段階と
を備える方法。
【請求項１４】
前記第２のドーパント種は、チルト角を用いて注入される請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記チルト角は０度から６０度の間である請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１のドーパント種は低温で注入される請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記低温は、０℃から−１００℃の間である請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記低温は、０℃から−１００℃の間である請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記第２のドーパント種のドーズ量は、前記第１のドーパント種のドーズ量よりも小さい請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はイオン注入に関する。より具体的には、ハロー注入又はポケット注入を改善するための温度におけるイオン注入に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン注入器は、気体物質又は固体物質を明確に定義されたイオンビームに変換するイオン源を有する。通常イオンビームは、質量分析されて不要なイオン種が取り除かれ、所望のエネルギーに加速されてターゲットに注入される。イオンビームは、静電又は磁気ビーム走査、ターゲットの移動、あるいはビーム走査とターゲットの移動との組み合わせによって、ターゲット領域全体に分散されてよい。イオンビームは、スポットビーム、又は長軸及び短軸を有するリボンビームであってよい。
【０００３】
一般的にハロー注入は、パンチスルー効果を抑えるために使用されている。パンチスルー効果とは、ゲート−基板バイアス及びソース−ドレインバイアスの両者の影響を受けて、ソースの空乏領域とドレインの空乏領域とが互いに短絡することである。１つの例では、４５°の角度でゲートの下に注入することによってハローが形成される。ポケット注入も同様にパンチスルー効果を抑えることができる。従って、ハロー注入又はポケット注入を改善する温度での改良された注入法が当該分野において必要とされている。
【発明の概要】
【０００４】
ポケット注入又はハロー注入を実行するための改良された方法が開示される。ハロー注入によって生成されるダメージ及び欠陥の量は、リーク電流を増大させ、ノイズマージンを減少させ、また、最小ゲート電圧を増加させることによって、半導体デバイスの性能を低下させる。ハロー注入又はポケット注入を低温で実行すると、結晶構造に生じるダメージが減少し、結晶のアモルファス化が改善される。低温を使用することにより、ホウ素又はリン等、より軽い元素をハロー注入に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
本発明の開示をより良く理解するために、ここに組み込まれる添付の図面を参照する。
【０００６】
【図１】ビームラインイオン注入器の簡易ブロック図である。
【０００７】
【図２】ＮＭＯＳソース−ドレインの断面図である。
【０００８】
【図３】ポケット注入の断面図及びＴＥＭである。
【０００９】
【図４】ハロー注入の断面図、ＴＥＭ、及び準安定領域である。
【００１０】
【図５】ドーズ量に対する屈折率の相対的な増加を比較したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、ビームラインイオン注入器の簡易ブロック図である。当該技術分野の当業者には、ビームラインイオン注入器２００は、ビームラインイオン注入器の多くの異なる例のうちの単なる１つに過ぎないことが理解されるであろう。一般に、ビームラインイオン注入器２００は、イオンを発生させるイオン源２８０を有する。イオンは抽出されて、例えば、リボンビーム又はスポットビームであるイオンビーム２８１を形成する。１つの例においては、イオンビーム２８１は質量分析され、発散したイオンビームから、実質的に平行なイオンの軌道を有するリボンイオンビームに変換される。ビームラインイオン注入器２００は、いくつかの実施例においては、加速ユニット又は減速ユニット２９０をさらに備えることができる。
【００１２】
エンドステーション２１１は、所望のイオン種が基板１３８に注入されるように、基板１３８のような１つ以上のワークピースをイオンビーム２８１の経路中に支持する。１つの例においては、基板１３８は、直径３００ｍｍのシリコンウェハのような、円板形状を有する半導体ウェハであってよい。しかしながら、基板１３８はシリコンウェハに限定されるものではない。例えば、基板１３８はフラットパネル、ソーラーパネル、又はポリマー基板であってもよい。エンドステーション２１１は、基板１３８を支持するためのプラテン２９５を有してよい。エンドステーション２１１は、イオンビーム２８１断面の長軸に垂直に基板１３８を移動させるスキャナ（不図示）を有してもよく、これにより基板１３８の表面全体にイオンを分布させる。
【００１３】
イオン注入器２００は、自動ワークピースハンドリング装置、ファラデーセンサー、又は電子フラッド銃等の、当業者にとって既知の付加的な部品を有してもよい。イオン注入の間、イオンビームが通過する経路全体を排気することは当業者には理解されるであろう。ビームラインイオン注入器２００は、いくつかの実施例においては、イオンの高温注入又は低温注入を組み込むことができる。
【００１４】
当業者には、半導体製造に関連するその他のシステム及びプロセス、プラズマ処理に関連するその他のシステム及びプロセス、あるいは、加速イオンを使用するその他のシステム及びプロセスによって、ここに記載するプロセスを実行できることが認識されるであろう。例えば、そのいくつかの例は、プラズマドープツール、イオンシャワー、又は、プラズマ浸漬ツールである。注入種を加速して基板に注入することのできる、当業者には既知のその他の半導体プロセス装置を使用することもできる。つまり、このプロセスは、ビームラインイオン注入器のみに限定されるものではない。
【００１５】
図２はＮＭＯＳトランジスタ３００の断面図である。イオン注入ステップの間、ゲート３３０に隣接するソース３１０及びドレイン３２０が、リン又はその他のＶ族元素を含有する原子又は分子等のＮ型のドーパントを用いてドープされる。いくつかの実施例においては、半導体の性能を改善するために、ソース−ドレイン拡張領域（ＳＤＥ）３４０が注入される。これらの注入は、ソース３１０及びドレイン３２０をゲート３３０の下方に拡張するために使用される。しかしながら、ソース３１０又はドレイン３２０にドーパントを注入することによって、基板３０２の結晶格子がアモルファス化する。注入によって結晶格子に欠陥が生じることもある。
【００１６】
欠陥にはいくつかの種類がある。バルク基板とアモルファス化された部分との間の境界に生じるダメージは、エンドオブレンジ（ｅｎｄ−ｏｆ−ｒａｎｇｅ）（ＥＯＲ）欠陥として知られている。これらのＥＯＲ欠陥は、３５０で示されるように、注入されたイオンの到達範囲のうち、より深い位置に存在する。注入は通常基板表面に垂直な方向に行われるので、このＥＯＲダメージの位置は、一般には基板表面に平行である。これらのＥＯＲ欠陥３５０は接合リークを引き起こしかねない。さらに、ＳＤＥ注入を使用することによって、３５１で示されるように、ゲート３３０の下方に位置するＥＯＲダメージが生じ得る。いくつかの実施例においては、ＳＤＥ注入は角度を付けて行われるので、ＳＤＥ注入によって生じるＥＯＲダメージは基板表面に垂直であるか、又は、少なくとも基板表面に対して平行ではない。このダメージは、横方向のダメージと呼ばれることがある。横方向の拡散は短チャネル効果（ＳＣＥ）につながる。３５２で示されるように、基板表面にもダメージが生じる。注入後に基板をアニールすることは、発生したダメージのいくらかをキュア及び修復する働きを果たすものの、ダメージの全てをアニールプロセスによって修復することはできない。これらの欠陥のそれぞれは、デバイス性能に問題を引き起こす。いくつかの実施例においては、このダメージが、対角線状に傾斜した下向きのチャネルを基板３０２中に生じさせる。
【００１７】
上述のように、横方向の拡散は短チャネル効果を引き起こし得る。これは、チャネル長がチャネル幅と同程度になった場合に発生する。ゲート長が短くなるに連れて、この問題はより重要になってくる。横方向の拡散を制限するために使用する１つの方法は、ハロー注入又はポケット注入を使用することによって成される。図３Ａは、ゲート４１０、ソース４２０、及びドレイン４３０を有するＭＯＳデバイス４００の断面図を示す。ゲート４１０の両側にスペーサ４４０が存在する。ソース４２０及びドレイン４３０は、ソースドレイン拡張（ＳＤＥ）等によって、それぞれゲート４１０の下方に拡張する。ハロー注入又はポケット注入４５０とは、ゲート４１０の下方等、ドレイン領域４３０及びソース領域４２０を越えて堆積されるドーパントの注入であり、関連したソース領域４２０及びドレイン領域４３０とは伝導性が逆である。言い換えると、ハロー注入４５０は、バルク基板４６０と伝導性が同じである。ハロー注入４５０は、不均一なチャネルドーププロファイルを生成する。このハロー注入は、短チャネルデバイスにおけるＶｔロールオフを低減する。また、特定のしきい値電圧Ｖｔにおいて、より急峻なドレイン−チャネル接合及びより高いチャネル移動度をハロー注入が引き起こすので、より高いＩｄｓｔａｔが得られる。
【００１８】
通常、ソース４２０及びドレイン４３０の注入に使用される注入エネルギーよりも大きな注入エネルギーが、ハロー注入又はポケット注入４５０に使用される。これにより、ドレイン４３０及びソース４２０よりも深い位置にイオンが確実に堆積される。上述のように、ハロー注入又はポケット注入４５０に使用されるドーパントの伝導性は、ソース領域４２０及びドレイン領域４３０に使用されるドーパントの伝導性とは逆である。つまり、もしｎ型のドーパントがソース領域４２０及びドレイン領域４３０に使用される場合には、ハロー注入又はポケット注入４５０にはｐ型のドーパントが使用される。さらに、ハロー注入又はポケット注入４５０は、ソース領域４２０及びドレイン領域４３０を注入した後に実行されてよい。その他の実施例においては、この注入４５０は、ソース４２０及びドレイン４３０の注入よりも前に行われてよい。
【００１９】
ハロー注入又はポケット注入４５０は、ワークピースの表面に垂直なイオンビームを導入することによって行われてよい。いくつかの実施例においては、ゲート４１０の下方領域にドーパントを導入するために、傾斜した注入が行われる。チルト角は、０°から６０°の間の任意の角度であってよい。
【００２０】
ソース領域４２０及びドレイン領域４３０の下にポケット又はハロー４５０を形成するために、低温でのドーパント注入が行われてよい。「低温」（「ｃｏｌｄ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ」又は「ｌｏｗ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ」）という用語は、約０℃より低い温度、又は、例えば０℃から約−１００℃の間を指す。ドーパントは、例えば、イオン性原子又は分子形状のＩＩＩ族又はＶ族元素、例えばホウ素、ヒ素、又はリン等であってよい。つまり、ホウ素イオン又はカルボランイオンが注入されてよい。この低温注入を実行することにより、アモルファス化特性が高まり、表面ダメージ、横方向のダメージ、並びに、ソース及びドレインに対するエンドオブレンジ（ＥＯＲ）ダメージが低減される。
【００２１】
相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）デバイスにおいては、低温ハロー注入又はポケット注入を行うことにより、バルクリークを低減することができる。低温注入は、アモルファス化を高め、残留ダメージを低減し、横方向の過渡的増速拡散（ＴＥＤ）を制限する。横方向の拡散の低減は、実効ゲート長の増加に転換される。この増加により、オーバーラップ容量（ＣＯＶ）、閾電圧（Ｖｔ）、及び、ドレイン誘導バリア低下（ＤＩＢＬ）が改善される。ＤＩＢＬは、より小さな横方向のエンドオブレンジ（ＥＯＲ）ダメージ及びリークによっても改善される。残留ダメージがより小さいためにドーパントの不活性化がより小さいので、低温注入は活性化も改善する。より多くのキャリアが得られるので、（Ｉｄｓｔａｔ等の）電流が増大する。従って、ドライブ電流が増大する。活性化が高まるので外部抵抗も改善される。
【００２２】
図３Ｂは、ポケット注入のＴＥＭである。暗い領域４５５は、注入の結果生じるアモルファス領域である。円で示す領域４６５は、アモルファスと結晶との間の調和しない界面を示す。理想的な注入であれば、明るい領域と暗い領域との間に滑らかな線が存在する。このまだらな領域４６５は欠陥の現れである。図３Ｂに示されるように、注入によって欠陥が存在する。
【００２３】
低温ハロー注入又はポケット注入による欠陥の低減は、様々な恩恵をもたらす。例えば、スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）デバイスにおいては、最小動作電圧（Ｖｃｃｍｉｎ）が改善される。低減された温度での注入により、ドーパントが分離すること、又は、過剰なダメージによって所望のハロー又はポケット位置からドーパントが拡散することが低減される。低減された温度での注入により、狭ゲート幅効果が改善する。従って、Ｖｃｃｍｉｎが下がる。
【００２４】
低温注入はまた、ダメージのタイプを、準安定注入ダメージからアモルファス注入ダメージへと変える。準安定注入ダメージは、ハロー注入とソース領域及びドレイン領域との間の遷移領域において発生する。より低い温度での注入によって、低ドーズ量でも基板は完全にアモルファス化される。図４は、ハロー注入の断面図、ＴＥＭ、及び準安定領域である。図４に見られるように、準安定領域がトラップを引き起こす。これらのトラップは、価電子帯エネルギー（Ｅｖ）と伝導帯エネルギー（Ｅｃ）との間のエネルギー準位に存在する。電子が可動性となるためには、通常、価電子帯エネルギーから伝導帯エネルギーへと電子がジャンプする必要がある。これら２つのバンド間の遷移に必要なエネルギー量は、バンドギャップエネルギー（Ｅｇ）として知られている。しかしながら、トラップが存在することによって中間的なエネルギー準位が生成され、これにより、価電子帯から伝導帯への電子の移動が、より容易になる。この現象は、トラップアシスト型トンネリングとして知られており、リーク電流に逆の効果を及ぼす。低温注入を使用することによって、注入された領域が完全にアモルファス化される。これにより、アニール後に無欠陥の注入領域を得ることができる。ハロー注入の条件は大抵は遷移領域中にあるので、チャネル領域に欠陥を取り込まずに注入領域が結晶化されるように、アモルファス化を高める必要がある。このようにアモルファス化を高めることは、低温注入によって達成される。
【００２５】
図５は、ドーズ量に対する屈折率の相対的な増加を比較したグラフである。屈折率は、基板のアモルファス化を測る基準となる。ドーズ量が増大するに連れて、基板結晶を完全にアモルファス化するために必要な注入種の質量が減少することに注意されたい。言い換えると、ハロー注入及びポケット注入に使用されるような低ドーズ量では、アンチモン及びヒ素等の重い種が必要である。しかしながら、これらの低ドーズ量においては、重いイオンを用いた注入であっても、完全には基板をアモルファス化しない。例えば、ヒ素の注入後でもドーズ量１ｅ１３においては、基板は遷移領域にある。アニール後に欠陥が残存するので、この遷移領域は理想的ではない。低温注入はアモルファス化の閾値を下げるので、このような低ドーズ量であっても完全なアモルファス領域を生成する。さらに、低温注入を使用することにより、ＢＦ２、ホウ素、又はリン等の軽い種を使用して、同程度のアモルファス化を達成することができる。その上、より重いイオンを使用することにより、さらに一層アモルファス領域が生じる。従って、アニール後に残存する欠陥がより少なくなる。
【００２６】
実際には、トランジスタは従来の方法を用いて形成される。ソース領域及びドレイン領域は、適切なドーパントを用いて、互いにゲート構造の反対側に注入される。これらのドーパントは、ホウ素、リン、又はヒ素等のＩＩＩ族及びＶ族元素を有する原子イオン又は分子イオンであってよい。このドレイン注入及びソース注入は、低温又は室温等の常温で行われてよい。
【００２７】
ドレイン注入及びソース注入よりも深い位置に、第２の注入が低温で実行される。この第２の注入も、ホウ素、リン、又はヒ素等のＩＩＩ族及びＶ族元素を有する原子イオン又は分子イオンのような、適切なドーパントを用いて行われる。上記のように、ソース注入及びドレイン注入とは逆の伝導性を有するドーパントを用いてこの注入は行われる。いくつかの実施例においては、第２の注入の少なくとも一部分は、ゲートの下方にドーパントを導入するために、０−６０度の間のチルト角を用いて実行されてよい。いくつかの実施例においては、ソース領域及びドレイン領域は、注入エネルギー１ｋｅＶから５ｋｅＶ、及びドーズ量１ｅ１４から２ｅ１５で注入される。一方、第２の注入又はハロー注入は、注入エネルギー０．５ｋｅＶから２００ｋｅＶ、及びドーズ量１ｅ１２から１ｅ１５で行われる。いくつかの実施例においては、ハロー注入のドーズ量が、ソース注入及びドレイン注入のドーズ量よりも小さいことに注意されたい。また、いくつかの実施例においては、ハロー注入の注入エネルギーは、（各注入に使用される注入種のタイプに応じて）ソース注入及びドレイン注入の注入エネルギーよりも大きい。
【００２８】
ソース注入及びドレイン注入を行うのは、ハロー注入の前でも後でもよい。さらに、アニールサイクルは、両方の注入ステップが完了した後に続けて行われてよい。他の実施例においては、２つの注入ステップの間にアニールが行われてもよい。
【００２９】
ここに開示された特定の実施例によって、本開示の範囲が限定されるべきではない。実際に、ここに記載された実施例に加えて、本開示のその他の様々な実施例及び本開示に対する変更は、前述の記載及び添付の図面から、当業者にとって明白だろう。従って、そのような他の実施例や変更は、本開示の範囲内に含まれることが意図されている。さらに、本開示は、特定の目的に対する特定の状況における特定の実施形態に関連してここに開示されてきたが、その有用性がそれらに限定されるものではなく、また、本開示が多くの目的に対する様々な状況において有利に実行され得ることが当業者には理解されるであろう。従って、以下に記載する特許請求の範囲は、ここに記載される本開示の全体及び全精神を考慮して解釈されるべきである。
【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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【国際調査報告】
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2013502053.tif 000009
2013502053.tif 000010