(57)【要約】【課題】高速処理が期待できるゲルマニウム（Ｇｅ）半導体デバイス実現のキー技術は、接合部へドーピングした不純物の拡散深さの制御方法である。Ｇｅはシリコンに比較してドーパントの拡散速度が速く、従来のＳｉベースの半導体デバイス製造に使用されたイオン注入方法では接合部深さが過大となって実用的なＧｅデバイス製造に至らなかった。Ｇｅ半導体デバイスにおいて浅い接合部を得ることの可能なイオン注入方法が検討されている。【解決手段】本発明はＧｅ半導体デバイスの接合部を浅く形成するイオン注入方法を提案する。Ｇｅに不純物をドーピングする過程において、キセノン（Ｘｅ）イオン注入によりＧｅ表面近傍をアモルファス化するプレアモルファス化処理を行なった後に所要の不純物をイオン注入すれば、浅い接合部を得ることが出来る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ge半導体デバイスのイオン注入による接合部の形成するドーピング工程において、Ｇｅ基板をXeイオン注入によりプレアモルファス化処理し、前記アモルファス化されたＧｅ基板へのドーパントのイオン注入を行なってＧｅ半導体デバイスのドーピングを行なうことを特徴とするGe半導体デバイスの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載したGe半導体デバイスのイオン注入による接合部の形成するドーピング工程において、プレアモルファス化処理のためのＸｅイオン注入の注入ドーズを１ｘ１０１４（ｃｍ−２）以下とすることを特徴とする請求項１記載のGe半導体デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発明はゲルマニウム（Ge)半導体デバイスの製造技術、特に接合部形成時の不純物（ドーパント）イオン注入に関する。
【背景技術】
【０００２】
電界効果トランジスター（MOS  FETなど）を始めとする半導体デバイスはより高速動作するものが求められている。ゲルマニウム（以下Geと呼ぶ）半導体デバイスは、動作高速化の要求に対応するものとして注目されている。現在半導体材料として最も広く使用されるシリコン（Si)と比較して高いキャリア移動度を有するGeの使用は、半導体動作高速化実現の有望な手段である。一方Geは不純物の拡散速度がSiより早く、半導体デバイスの接合部、例えばMOSFET素子におけるソース、ドレーン部分の形成工程における不純物注入深さの制御が困難であり、浅い接合部を形成する技術が現状では確立していない。接合部を浅く形成することは半導体デバイス高密度集積化の上で不可欠であるが、現状の技術では高速動作の要求と高密度化の要求を同時に満たすGe半導体デバイスを実現する段階には達していない。１９８０年代にはGe半導体デバイスの研究が活発に行われたがSiデバイスの利用拡大、一般化の進展にともないその後は研究が停滞した。
【０００３】
半導体デバイス高速化の要求の高まりのなかで、Siデバイスの限界のブレークスルーを図るべく、Geへの不純物注入技術の研究が再び活発化している。しかし現状ではGeデバイスを実現するためには不可欠であるGeへの不純物拡散深さの抑制、制御についての実用的な技術は開発されていない現状にある。
【０００４】
非特許文献１では、Geに対してホウ素（B)およびアンチモン（Sb)を不純物としてイオン注入した後に、SIMS（二次イオン質量分析法）によりGe内への不純物の拡散のプロファイル測定した結果を報告している。またイオン注入後のＧｅ表面近傍の性状を観察し、Ｇｅ表面に生じた荒れと内部に生じた微細な空隙（Void）の存在を観察している。このような表面の荒れと微細な空隙の存在の結果、注入した不純物がGe 表面から深い部分まで浸入していることを認めている。非特許文献１で行なったイオン注入の方法は現在Si半導体デバイス製造工程で一般的に適用されている方法を踏襲したものであるが、Siでは実用的に使用されている技術によってはGe半導体の接合部を所望の深さで形成することが困難であることを示している。
【０００５】
非特許文献１ではさらに、イオン注入前にGe表面にSiO2（二酸化ケイ素）膜を形成し、その上からイオン注入を行なった結果を報告している。SiＯ2薄膜が存在する場合にはイオン注入によるGe表面の荒れは減少しているが微細な空隙（Void)はSiO2膜なしで注入した場合と同様に生じていることが報告されている。
【０００６】
非特許文献２は本件発明の発明者が行ったGeへのホウ素（Sb)及び砒素（As)イオンの注入実験の結果を報告している。本発明者は前記非特許文献１と類似の結果を得ている。発明者は前記不純物イオンを注入した後にGe内への不純物拡散深さをSIMS（二次イオン質量分析法）により計測してプロファイルを作成するとともに、シミュレーション（TRIM法）により予測したプロファイルとの比較を行なっている。その結果は図４に示すとおり、不純物イオンのドーズを中位（３ｘ10１４ cm−２程度）に保持してイオン注入した場合のプロファイルはTRIMによるシミュレーション結果と良い一致を示したが、不純物イオンのドーズが高位（３ｘ101５ cm−２程度）になると、プロファイルの計測値とシミュレーション値の乖離が大きくなる結果となった。
【特許文献１】特開2006-066510号公報
【非特許文献１】「HEAVY  ION  IMPLANTATION  IN  Ge：DRAMTIC  RADIATION  INDUCED   MORPHOLOGY  IN  Ge」  T.  Janssen外    ＵＳＧＵＳJ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ２００５(2005年6月5日-8日開催) pp. 79-83 発表論文
【非特許文献２】「Anomalous  Doping  Profile  in Heavy Doped Ge」 K.  Hosawa, K. Matsumoto, and K.Shibahara 5th International Workshop onJunction Technology ２００５ (2005年6月7日-8日開催) pp. 39-40発表論文
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
Ge半導体デバイスを実現するための接合部形成工程について、不純物イオン注入によって形成する接合部への不純物の拡散深さを制御し、浅接合を形成する方法の提供を本発明の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、Ge半導体デバイスの接合部を形成する工程において、該Ge中への不純物の注入（ドーピング）をイオン注入によって行なう際、最初にキセノン（Xe)イオンのイオン注入によりGe表面のアモルファス化（プレアモルファス化）し、その後にドーパント（ドーピング対象不純物）イオンをイオン注入することにより、Ge半導体デバイス接合部における不純物の拡散深さを抑制し、浅い接合部を形成する方法を発明した。なお、本発明の対象であるGe半導体デバイスとはGeの結晶体単体上に形成するデバイスのみでなく、ケイ素（Si)の結晶上に成長させたGe結晶の膜あるいは絶縁物上に成長させたGe結晶の膜（GeOI)等を使用したデバイスも含むものとする。なお、特許文献１には不純物ドーピング前に半導体素材のアモルファス化を行なう発明が記載されているが、キセノン（Ｘｅ）によるアモルファス化の記載はない。
【０００９】
本発明者の行なった実験によれば、Ge表面をSiO2で被覆してPbSb等のイオン注入を行なった場合には図５４に示すようにTRIMによりシミュレーションしたプロフィル（Ge表面からのイオン拡散深さと拡散イオン濃度の関係）とSIMSによって計測したプロファイルに大きな相違はなく一致している。一方図４５に示すようにＳｉＯ２で被膜しない場合には注入イオンドーズが３ｘ１０14ｃｍ−２ではＴＲＩＭとＳＩＭＳによるプロファイルの相違は少ないが、ドーズ３ｘ１０1５ｃｍ−２でイオン注入した場合では前記プロファイルの相違は大きくかつ不純物の拡散深さも深いことが確認される。また図５４からSiO2皮膜で被覆した後にイオン注入を行なった場合にはGe内へのイオン拡散も表面から浅い部分に留まっていることが確認された。
【００１０】
Ge表面をSiO2で被覆しない場合と被覆する場合におけるイオン注入後のGe断面のTEM（Transmission  Electron  Microscope)観察によれば、SiO2被膜のが無い場合にはGe表面に面の荒れが生ずるのに対して、SiO2で被覆してイオン注入した場合には高ドーズのイオン注入でも荒れが見られないことが観察された。この結果、イオン注入によりGe表面に生ずる荒れがＴＲＩＭシミュレーションによるプロフィルとＳＩＭＳ計測プロファイルの相違および拡散深さを増加させる原因であることが推定された。イオン注入後のGe表面の荒れの低減、すなわちイオン拡散深さを抑制するうえでSiO2で被覆することは大きい効果が見られるものの、SiO2被覆へのイオン注入によりGe表面にエッチングを発生する可能性が大きく、微細デバイスへの使用は疑問がある。
【００１１】
イオン注入によりGe表面の荒れを生じさせず、注入イオン拡散深さを抑制する対策としてキセノン（Xe)をGe表面にイオン注入してGeをアモルファス化し（プレアモルファス化）、その後に目的の不純物（As、SbPbなど）をイオン注入する方法の効果を確認する実験を行なった。Xeイオン注入によりGeをアモルファス化させた場合のGe表面の荒れ状態を確認する目的で０．５％、５％、５０％と濃度を変えたフッ酸（HF)中での処理後に水洗したGeウエファにXeイオン注入ドーズ３ｘ１０1５ｃｍ−２、注入エネルギー２０KeVの条件でイオン注入を行なった。HF濃度５０％の溶液で処理したGeウエファに対するXeイオン注入後のGe表面荒さをAMF(Atomic Force Microscope)で測定した結果、Ge表面の凹凸高さの平均（Ra値と呼ぶ）は４．２４nm（ナノメートル）であり、凹凸のピーク値（P-V値と呼ぶ）は８．０４nmであったが、５％濃度HF溶液でGeウエファを処理した後にＸｅイオン注入を行なった場合はRa値０．８５nm,  P-V値３．４nmと荒れの少ない十分に平坦な表面状態となった。Xeイオン注入によるプレアモルファス化を行なわずに直接Ｓｂをイオン注入した場合と比較して大幅なGe表面荒れの抑制効果が確認された。Xeと言う反応性に乏しい元素では、イオン照射誘起有機脱離脱理がおきにくく、その結果Ge表面荒れの抑制効果をもたらしているものと考えられる。
【００１２】
前記のXeイオン注入によるプレアモルファス化の後でAsイオン注入を行ない、その後にアニーリングを行なった。結果は図１に示す通りであって、５００℃でのアニーリング後のGe内へのAsイオン拡散深さは最大でも約３０nmであったが、Xeイオン注入によるプレアモルファス化処理を経由せずにAsイオン注入を行なった場合の拡散深さは４５nm以上に達し、Xeイオン注入によるプレアモルファス化がGe内へのドーパントイオン拡散深さの抑制に効果的であることを確認した。
【００１３】
上掲００１１に記載した図１において５００℃でアニーリングした後のGe内でのAsイオンの拡散プロファイルを拡大して図２に示す。図２によればXeによるプレアモルリファス化を行なう場合のAsイオンのGe内拡散深さの最大値は、プレアモルファス化を行なわない場合の相当する値より小さいが、拡散深さ２７nm以下では、プレアモルファス化を行なわない場合の拡散がより浅い傾向にある。この原因はXeイオン注入によりGe内に発生した微細球状空隙にAsイオンが拡散したためと推察される。TRIMによりXeイオン注入によるプロファイルをシミュレーションした結果は図３に示すとおりであって、Xeイオン注入によるXeイオンのGe内拡散プロファイルはGe表面から１０ｎｍでピークを示ししている。この事実はXeイオン注入後に生ずる空隙の拡散深さ計測値の平均値が１０nmであることと対応している。従ってXe注入ドーズを減少させにより残存する空隙の発生を抑制すれば、図２の現象、すなわち拡散深さ２７nm以下において、プレアモルファス化を行なう場合の方が拡散がより深くなる傾向を排除することが可能である。
【００１４】
図５は注入イオンドーズを種々変更してGeへのXeイオン注入を行なった場合のプロファイルである。図５においてXeイオン注入によりアモルファス化されたGe表面近傍の拡散イオン濃度は１ｘ１０１８（ｃｍ−３）がクリティカァルであることが分かった。さらに図４によればクリティカルなXe濃度は１ｘ１０１８（ｃｍ−３）を確保するイオン注入ドーズは１ｘ１０１４（ｃｍ−２）で十分であることが分かる。図１及び２に示めしたプロファイルはXeイオン注入によるプレアモルファス過程において、Ｘｅイオン注入ドーズを３ｘ１０１５（ｃｍ−２）と高い値で行なった結果であり、ドーズを１ｘ１０１４（ｃｍ−２）程度に低減することにより、図２に示めす、プレアモルファス化を行なった場合のドーパント拡散深さが、プレアモルファス化行なわない場合より大きくなる現象を解決できると考えられる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明はGeデバイス製造の接合部形成工程において、Xeイオン注入によるプレアモルファス化後にドーパントイオン注入する方法であって、従来技術では達成できなかったGe半導体デバイスの接合厚さを浅くする課題を解決し、Si基板の半導体デバイスより高速動作可能なＧｅ半導体デバイスを高い集積度で製造することを可能にする利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明によるGe半導体デバイスの接合形成のためのイオン注入の実施形態を説明する。イオン注入前のGeウエハの面処理としてフッ酸（HF)の０．５％水溶液で処理し、その後水洗する。水洗中のGeの酸化を防止するために、水洗時間は約５秒とする。
【００１７】
前記の水洗したGeに対して、注入エネルギー２０KeV、注入ドーズ３ｘ１０１５（ｃｍ−２）の条件でXeイオン注入を行い、Ge表面近傍をアモルファス化する。ついでドーパントとしてAsを注入エネルギー５KeV、ドーズ１ｘ１０１５（ｃｍ−２）の条件でイオン注入する。
【００１８】
前記Asのイオン注入後に熱処理温度５００℃〜７００℃でアニーリングを行い、アモルファス化したGe表面近傍の再結晶化を行なう。以上説明した工程によりドーピングを行なったGeの試料をアニーリング前とアニーリング後で比較した結果を図１に示す。図１から、Xeイオン注入によるプレアモルファス化後にドーパントをイオン注入しアニーリング温度を５００℃とした場合は、ドーパント拡散深さが３０nmとなり、プレアモルファス化を行なわない場合のそれの４５nmと比較して大きく改善している。同じイオン注入条件でアニーリング温度を６００℃で行なった場合は拡散深さが大きいことが図１から分かる。    
【産業上の利用可能性】
【００１９】
半導体デバイスの処理速度高速化の要求に対応するためにはＧｅ素材を使用した半導体デバイスの実用化が期待されている。ＧｅはＳｉに比較して化学的活性が高く、特に接合形成のために注入する不純物の拡散速度が速いことから接合を浅くすることが難しいという技術的な問題点があり、工業的にＧｅデバイスを製造する技術は確立されていない。本発明はＧｅデバイスの製造のキーとなるドーピング深さの抑制、制御を可能とする技術を提供するものであって産業上利用価値が大きい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の効果確認実験の結果を示すグラフであってＸｅイオン注入によるプレアモルファス後にＡｓのイオン注入を行い、さらに５００℃及び６００℃でアニーリングした結果のドーパント拡散プロファイルである。
【図２】本発明の効果確認実験の結果を示すグラフであって、Ｘｅイオン注入によるプレアモルファス後にＡｓのイオン注入を行なった場合のドーパントプロファイルである。
【図３】Ｇｅ表面へのＳｉＯ２被覆を行なってＳｂイオン注入を行なった場合のＳｂイオン拡散プロファイルと、ＳｉＯ２被覆を行なわずにＳｂイオン注入を行なった場合のプロファイルを示す。
【図４】イオン注入ドーズを変化させてＸｅイオン注入を行なったＧｅ内イオン拡散プロファイルを示す。
【図５】Ｘｅイオン注入によるＧｅ内のXeプロファイルのＴＲＩＭによるシミュレーション結果とアモルファス化層深さをしめす。
【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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