(57)【要約】【課題】不純物の電気的活性化率を向上させ、不純物の拡散を抑制した不純物ドープ層を用いた半導体装置を提供する。【解決手段】半導体中に半導体原子５１の共有結合半径より大きな共有結合半径を有する第１の不純物６１と、半導体原子５１の共有結合半径より小さな共有結合半径を有する第２の不純物６２とを、半導体中に互いに隣接するように配置する。【選択図】　　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層の半導体構成原子の共有結合半径の最小値より大きな共有結合半径を有する第１の不純物と、
前記半導体層の半導体構成原子の共有結合半径の最大値より小さな共有結合半径を有する第２の不純物とを含み、
前記第１の不純物と前記第２の不純物は前記半導体層中で互いに最隣接置換位置に配置され、かつ、前記最隣接置換位置に配置された前記第１の不純物と前記第２の不純物が電気的に活性化することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１の不純物及び前記第２の不純物の少なくとも一方が、前記半導体層に対するアクセプタ又はドナーの不純物であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１の不純物及び前記第２の不純物のいずれか一方の不純物のドープ濃度が、前記一方の不純物に固有の電気的活性不純物濃度以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１の不純物及び前記第２の不純物のいずれか一方が、最隣接置換位置に配置されたときに前記半導体層のバンドギャップ中央を越える深い準位となる不純物であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記半導体層がシリコンよりなり、前記第１の不純物及び前記第２の不純物が、インジウム及びボロンであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記半導体層がシリコンよりなり、前記第１の不純物及び前記第２の不純物が、インジウム及び炭素であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
半導体基板を準備する工程と、
前記半導体基板の半導体構成原子の共有結合半径の最小値より大きな共有結合半径を有する第１の不純物を前記半導体基板の半導体層にドープする工程と、
前記半導体基板の半導体構成原子の共有結合半径の最大値より小さな共有結合半径を有する第２の不純物を前記第１の不純物の最隣接置換位置にドープする工程
とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記第１の不純物及び前記第２の不純物の少なくとも一方が、前記半導体層に対するアクセプタ又はドナーの不純物であることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記第１の不純物及び前記第２の不純物のいずれか一方の不純物が、前記半導体層において前記一方の不純物に固有の電気的活性不純物濃度以上にドープされることを特徴とする請求項７又は８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記第１の不純物及び前記第２の不純物が、イオン注入方法により前記半導体層にドープされることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に共有結合半径の異なる不純物をドープした半導体層を有する半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置において半導体層中での不純物濃度分布の制御は極めて重要な問題である。半導体層の不純物濃度分布を制御性よく形成する技術として、従来から熱拡散工程が一般によく用いられている。しかし、ドープする不純物によっては、十分な電気的活性不純物濃度が得られない場合や、不純物の拡散係数が大きいために所望の不純物濃度分布が得られない場合があった。
【０００３】
例えば、シリコン（Ｓｉ）等の半導体基板に作られた微細な金属・酸化物・半導体・電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）のゲート領域においては、短チャネル効果を抑制し、かつ高い駆動電流を得るために、チャネルの表面領域を低濃度にしたまま、表面空乏層より深いところでは高濃度になるような不純物濃度分布（ｓｕｐｅｒ　ｓｔｅｅｐ　ｒｅｔｒｏｇｒａｄｅ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｐｒｏｆｉｌｅ：ＳＳＲＰ）が必要になる。他方、ソース・ドレイン領域では、低抵抗で浅い不純物拡散層を形成することが要求される。
【０００４】
ｎチャネルＭＯＳＦＥＴのＳＳＲＰを形成するために、アクセプタ不純物としてインジウム（Ｉｎ）が用いられる場合があるが、Ｉｎの活性不純物濃度が低いためにチャネルの深い領域で高濃度にすることができない。また、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴのソース・ドレイン領域においては、アクセプタ不純物としてボロン（Ｂ）が用いられる場合が多いが、ＢのＳｉ結晶中での拡散係数が大きいために浅い不純物拡散層を形成することが非常に困難であった。また、Ｉｎは活性不純物濃度が低いために、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴのソース・ドレイン領域のアクセプタ不純物に用いることができなかった。
【０００５】
複数の不純物を一緒にドープする「コドープ」という技術が、以前から数多く提案されている。コドープ技術では、気相成長した結晶の欠陥を低減することを目的として、燐（Ｐ）と砒素（Ａｓ）をＳｉ結晶に混ぜてドープする方法が報告されている（例えば、特許文献１及び２参照）。この場合には、Ｐ及びＡｓ単体での活性不純物濃度を超えたキャリア濃度を実現することはできない。また、アクセプタ原子の拡散を抑制するために、アクセプタ原子に加えて半導体構成原子をコドープする方法が報告されている（例えば、特許文献３参照）。また、Ｓｉ結晶にＢをドーピングする場合にゲルマニウム（Ｇｅ）をコドープする方法が用いられているが、Ｂの拡散や活性化率を変えるためにはＧｅを高濃度にドープしなくてはならないという問題があった。
【０００６】
【特許文献１】
特公昭５５−０２８２１５号公報（第１−２頁）
【０００７】
【特許文献２】
特公昭５５−０２５４９２号公報（第２頁）
【０００８】
【特許文献３】
特開２０００−６８２２５号公報（第２−３頁、第２図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体装置では、チャネルあるいはソース・ドレイン領域に高濃度不純物ドープ層が必要とされるが、ドーパントの活性不純物濃度を越えてドープすることができず、また高濃度にドープした不純物の拡散を抑制することができない等の問題があった。
【００１０】
本発明は、上記した問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、不純物の活性化率を向上させ、拡散を抑制した不純物ドープ層を有する半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の特徴は、（イ）半導体層にドープされ、半導体層の半導体構成原子の共有結合半径の最小値より大きな共有結合半径を有する第１の不純物と、（ロ）半導体層にドープされ、半導体層の半導体構成原子の共有結合半径の最大値より小さな共有結合半径を有し、第１の不純物の最隣接置換位置に配置された第２の不純物とを含み、（ハ）第１の不純物と第２の不純物は半導体層中で互いに最隣接置換位置に配置され、かつ、最隣接置換位置に配置された第１の不純物と第２の不純物が電気的に活性化する半導体装置であることを要旨とする。
【００１２】
本発明の第１の特徴によれば、不純物の活性化率を向上させ、拡散を抑制した不純物ドープ層を有する半導体装置を提供することができる。
【００１３】
本発明の第２の特徴は、（イ）半導体基板を準備する工程と、（ロ）半導体基板の半導体構成原子の共有結合半径の最小値より大きな共有結合半径を有する第１の不純物を半導体基板の半導体層にドープする工程と、（ハ）半導体基板の半導体構成原子の共有結合半径の最大値より小さな共有結合半径を有する第２の不純物を第１の不純物の最隣接置換位置にドープする工程とを含む半導体装置の製造方法装置であることを要旨とする。
【００１４】
本発明の第１及び第２の特徴において、第１の不純物及び第２の不純物の少なくとも一方は、半導体層に対するアクセプタ又はドナーの不純物である。また、第１の不純物及び第２の不純物のいずれか一方の不純物のドープ濃度を、一方の不純物に固有の電気的活性不純物濃度以上にドープしてもよい。また、第１の不純物及び第２の不純物のいずれか一方は、最隣接置換位置に配置されたときに半導体層のバンドギャップの中央を越える深い準位となる不純物である。また、半導体層がシリコンの場合、第１の不純物及び第２の不純物が、インジウム及びボロンであることが好ましい。この組み合わせにより、インジウムの電気的活性不純物濃度以上のキャリア濃度が実現でき、ボロンの拡散を抑制することができる。また、半導体層がシリコンの場合、第１の不純物及び第２の不純物が、インジウム及び炭素であっても同様の効果が得られる。更に、第１の不純物及び第２の不純物が、イオン注入方法により半導体層にドープされることが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、形状や寸法は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な形状や寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１６】
本発明の実施の形態に係る半導体装置は、図１に示すように、半導体基板１０の主表面側に第１及び第２の不純物原子が最隣接格子配置にドープされた半導体層１２を有している。半導体層１２上には、例えば、半導体装置のゲート酸化膜等の絶縁膜１４が設けられている。例えば、第１の不純物原子の共有結合半径は、半導体層１２を構成する半導体原子の共有結合半径の最小値よりも大きく、第２の不純物原子の共有結合半径は、半導体層１２を構成する半導体原子の共有結合半径の最大値よりも小さい。第１及び第２の不純物原子の一方あるいは両方をアクセプタ又はドナー不純物としてある。
【００１７】
まず、本発明の基礎となるモデルについて、図２〜図６を用いて説明する。強結合近似ではダイヤモンド（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ＩＩＩ−Ｖ族化合物、あるいは、ＩＩ−ＶＩ族化合物等の正４面体型構造の半導体では、図２に示すように、半導体原子５１がｓｐ３混成軌道５３を構成する。半導体原子５１が、単独の原子状態から分子状態になると、図３に示すように、単独原子軌道エネルギ準位Ｅｈのｓｐ３混成軌道５３は、隣り合う半導体原子５１間の結合軌道エネルギ準位ＥＢの結合軌道及び反結合軌道エネルギ準位ＥＡＢの反結合軌道に分裂する。更に、分子状態から結晶状態に移行すると、結合軌道及び反結合軌道が広がり、エネルギギャップＥｇを有する価電子帯ＶＢ及び伝導帯ＣＢとなる。
【００１８】
半導体中でアクセプタあるいはドナーとして働くが、比較的深い準位を持つ不純物原子２個が、その半導体中で最隣接置換位置に存在している場合の電子状態を考える。以下説明を簡単にするために具体例として、ＩＶ族元素半導体のＳｉ中のアクセプタであるインジウム（Ｉｎ）及びボロン（Ｂ）について述べるが、他のアクセプタ不純物であってもよいことは、勿論である。また、ドナーの場合にも同様の議論が、電子とホールを入れ替えることにより成立し、更に、化合物半導体を含む他の半導体でも同様の議論が成り立つ。
【００１９】
図４に示すように、第１の不純物６１及び第２の不純物６２が最隣接置換位置に存在している場合、二つの配置を考えることができる。一方は、図４（ａ）に示すように、半導体原子５１と第１の不純物６１あるいは第２の不純物６２間の半導体不純物結合軌道６５ａ、６５ｂと同様に、第１の不純物６１及び第２の不純物６２がｓｐ３混成軌道的に結合した不純物間結合軌道６３の配置である。この配置を「ｓｐ３配置」と呼ぶことにする。他方は、図４（ｂ）に示すように、第１の不純物６１及び第２の不純物６２が、結合が切れて距離が開き、半導体原子５１の方向へ動く場合である。半導体原子５１と第１の不純物６１あるいは第２の不純物６２間の半導体不純物結合軌道６９ａ、６９ｂは、グラファイトに似た平面的なｓｐ２混成軌道的に結合したものとなる。このとき、第１の不純物６１及び第２の不純物６２間の結合軌道は、切り離されてそれぞれｐ軌道となる。この配置を「ｓｐ２配置」と呼ぶことにする。
【００２０】
まず、第１及び第２の不純物６１、６２が同じ不純物、Ｉｎの場合について図５を用いて説明する。Ｉｎ−ＳｉあるいはＩｎ−Ｉｎ結合軌道のエネルギ準位が、エネルギギャップＥｇで隔てられた価電子帯ＶＢと伝導帯ＣＢの間にどのように位置するか推論する。図５（ａ）は、Ｉｎがｓｐ３配置をとる場合の結合軌道のエネルギ準位を示している。Ｉｎの４個のｓｐ３混成軌道エネルギ準位ＥＩｓｐ３はすべて等しい。Ｉｎと隣り合う３個のＳｉ原子の混成軌道で作るＩｎ−Ｓｉ結合軌道は、Ｉｎが置換位置に孤立して存在する場合と全く同様に価電子帯ＶＢ上端の比較的浅い位置にアクセプタ準位ＥＡ１を形成する。一方、Ｉｎのｓｐ３混成軌道エネルギ準位ＥＩｓｐ３がＳｉのｓｐ３混成軌道エネルギ準位ＥＳｓｐ３よりも高い。したがって、最隣接置換位置にあるＩｎ−Ｉｎ結合軌道は、Ｉｎ−Ｓｉ結合軌道のアクセプタ準位ＥＡ１よりもエネルギ的にやや高くなり、深いアクセプタ準位ＥＤ１となる。また、電子の数を勘定してみると、Ｉｎは３価の原子であるから、深いアクセプタ準位ＥＤ１へは電子は入らないことが分かる。
【００２１】
図５（ｂ）は、Ｉｎがｓｐ２配置をとる場合である。図４（ｂ）に示したように、Ｉｎの作る軌道は平面的に３方向へ広がる３個のｓｐ２混成軌道と残りの１個のｐ軌道よりなる。Ｉｎのｓｐ３混成軌道のエネルギ準位ＥＩｓｐ３と比べ、ｓｐ２混成軌道のエネルギ準位ＥＩｓｐ２は低く、ｐ軌道のエネルギ準位ＥＩｐは高くなる。したがって、ｓｐ２配置のＩｎ−Ｓｉ結合軌道のアクセプタ準位ＥＡ２は、ｓｐ３配置の場合のアクセプタ準位ＥＡ１よりも低くなり、価電子帯ＶＢの中に形成される。逆に、ｓｐ２配置のｐ軌道のＩｎ−Ｉｎ結合軌道のアクセプタ準位ＥＤ２は高くなり、エネルギギャップＥｇの中央より伝導帯ＣＢに近い位置に形成される。このｐ軌道起因の結合軌道は空、即ち、結合が切れた状態なので、全体としてｓｐ２配置の方が、ｓｐ３配置に比べて電子軌道的なエネルギは低下する。この低下した分のエネルギをｓｐ２配置化によるエネルギ利得Δεとする。
【００２２】
上述した推論のように、価電子帯上端付近の結合軌道の電子的なエネルギは、ｓｐ３配置からｓｐ２配置へ移行することで低下する。実際には、ｓｐ３からｓｐ２へ移行すると、格子が歪むため弾性的なエネルギの増加（以下、弾性エネルギ増分ΔＥｓと称する）が生じる。考慮している結合軌道系がｓｐ３配置とｓｐ２配置のどちらになるかは上記のｓｐ２配置化によるエネルギ利得Δεと弾性エネルギ増分ΔＥｓの大小関係による。アクセプタ準位ＥＡ１が深いほど、ｓｐ２配置化によるエネルギ利得Δεが大きいので、ｓｐ２配置化しやすい傾向がある。ｓｐ２配置とｓｐ３配置ではドーパントとしての機能に大きな差が生じる。つまり、ｓｐ３配置では、Ｉｎ−Ｉｎの結合軌道は、若干エネルギが上昇するものの基本的には電気的に活性である。一方、ｓｐ２配置では結合軌道のエネルギ上昇が大きく電気的に不活性になると考えられる。
【００２３】
Ｉｎは、Ｓｉに比べ大きい共有結合半径を有している。一般に、基板半導体のＳｉ原子と共有結合半径が相違する不純物原子の場合には、同種不純物原子が近づくと格子歪による弾性エネルギが増加するため、全体としてエネルギが増加してしまう。しかし、上述したように、ｓｐ２配置化によるエネルギ利得Δεが十分大きければ、弾性エネルギ増分ΔＥｓに打ち勝ってＩｎ−Ｉｎのクラスタが形成される。また、孤立不純物原子のアクセプタ準位が深い場合には、不純物原子のアクセプタ準位間の結合軌道に２個の電子が入り込むことによるエネルギ利得も大きくなる。したがって、実効的に不純物原子間に引力が働き、不純物クラスタとして安定に存在することになる。
【００２４】
上述の議論は、簡単なモデル的な推論であった。密度汎関数法に基づく一般化勾配近似を用いた詳細な第一原理計算によると、Ｉｎ−Ｉｎ結合の形成エネルギは、Ｉｎ原子が単独で存在する場合よりも０．６ｅＶも低い結果となる。２個のＩｎ原子が置換位置にある場合のエネルギも、距離と共に増加していく。つまり、Ｉｎ原子間に引力が働く傾向がある。またＩｎ−Ｉｎ結合は、電気的に不活性であり、上述の強結合近似のモデルにあるような空の深い準位がエネルギギャップ中に現れることが示される。逆に、Ｓｉ原子よりも共有結合半径の小さいＢ原子の場合には、孤立して存在するより最隣接置換位置に２個集まったＢ−Ｂ結合のエネルギが０．６ｅＶ高くなり、最隣接置換位置Ｂ−Ｂ間には斥力が働く。更に、最隣接置換位置のＢ−Ｂは電気的に活性である。
【００２５】
ドーパントとして電気的活性化率の良いＢのような元素の場合は、ｓｐ２配置化によるエネルギ利得Δεが小さいために弾性エネルギ起因のエネルギ上昇により互いに離れる傾向がある。それに加えて、仮に最隣接置換位置に２個のＢが配置されても電気的に活性なままである。一方で、Ｉｎのようにｓｐ２配置化によるエネルギ利得Δεが大きいドーパントでは互いに近づきやすく、しかも最隣接置換位置に２個入った場合には電気的に不活性となる。つまりＩｎは凝集しやすく不活性化し易いドーパントである。
【００２６】
ここで固溶限について考える。固溶限は基板となる固体結晶中で不純物原子が格子間配置にいられずに凝集して析出する濃度とされている。凝集の開始濃度では析出状態を電子顕微鏡等で観察することができないため、電気的に活性なドーパントの場合にはキャリア濃度の上限を固溶限とする場合が多い。しかしながら上述したｓｐ２配置化機構のような場合には、キャリア濃度は飽和して頭打ちになっていても不純物原子は凝集せずに主に置換位置に存在している状態にある。
【００２７】
不活性な状態にあるドーパントの活性化を促すためには、Ｉｎ−Ｉｎ結合の組み合わせをＩｎと別種の不純物との組み合わせに入れ替えて活性化することが考えられる。図４に示した第１及び第２の不純物６１、６２が異なる不純物の場合について、図６を用いて説明する。
【００２８】
まず、図６（ａ）に示すように、第１及び第２の不純物６１、６２が最隣接置換位置でｓｐ３配置する場合を考える。ここで、第２の不純物６２のｓｐ３混成軌道エネルギ準位ＥＩｓｐ３は、第１の不純物６１のｓｐ３混成軌道エネルギ準位ＥＩｓｐ３より低く、Ｓｉのｓｐ３混成軌道エネルギ準位ＥＳｓｐ３よりも若干高い。第１の不純物６１と半導体原子５１がアクセプタ準位ＥＡ３を形成する。第２の不純物６２と半導体原子５１がアクセプタ準位ＥＡ４を形成する。また、第１及び第２の不純物６１、６２がアクセプタ準位ＥＡ５を形成する。アクセプタ準位ＥＡ４は、アクセプタ準位ＥＡ３に比べて浅くなる。また、第１及び第２の不純物が形成するアクセプタ準位ＥＡ５は、アクセプタ準位ＥＡ４より深くなる。即ち、第１の不純物６１の最隣接置換位置に第２の不純物６２を配置したときｓｐ３配置化を有利にするには、第２の不純物６２が半導体結晶の置換位置にあるときに作る電子状態のエネルギ準位、即ちアクセプタ準位ＥＡ４が第１の不純物６１のアクセプタ準位ＥＡ３よりも浅ければよい。
【００２９】
一方、図６（ｂ）に示すように、第１及び第２の不純物６１、６２が最隣接置換位置でｓｐ２配置する場合、半導体原子５１と第１あるいは第２の不純物６１、６２とで形成するアクセプタ準位ＥＡ６とＥＡ７は価電子帯の中に形成される。第１及び第２の不純物６１、６２間で形成されるアクセプタ準位ＥＤ３は、エネルギギャップＥｇの深い位置に形成され、不活性状態となる。
【００３０】
結合軌道系がｓｐ３配置とｓｐ２配置のどちらになるかは上記のｓｐ２配置化によるエネルギ利得Δεと弾性エネルギ増分ΔＥｓの大小関係による。したがって、ｓｐ２配置化によるエネルギ利得Δεを減らして、電気的に活性状態のアクセプタ準位が実現できるｓｐ３配置をエネルギ的に有利にする必要がある。
【００３１】
このような条件に合致するのがＳｉ中のＩｎに対してはＢと炭素（Ｃ）である。共有結合半径を見てみると、Ｓｉが０．１１７ｎｍに対して、Ｉｎ、Ｂ、及びＣは、それぞれ、０．１４４、０．０８８、及び０．０７７ｎｍであり、ＩｎとＢあるいはＩｎとＣの組み合わせは、弾性エネルギのストレス緩和を引き起こす。またアクセプタレベルはＩｎの１５５ｍｅＶに対して、Ｂは４５ｍｅＶであり、Ｉｎに比べて浅い。また、Ｓｉと同族元素のＣは置換位置では不純物レベルを作らないので、０またはマイナスと考えることができ、同様に条件に合致する。実際、第一原理計算の結果によると、Ｉｎ−Ｂ結合及びＩｎ−Ｃ結合の場合には、Ｉｎ、Ｂ及びＩｎ、Ｃそれぞれが孤立した状態よりも、全体のエネルギが約０．６ｅＶ及び０．８ｅＶ低くなる。また、Ｉｎ−Ｂ結合及びＩｎ−Ｃ結合軌道は電気的にも活性化する。Ｂを例にとると、置換位置のＢ−ＢとＩｎ−Ｉｎの不活性なクラスタと、２個のＩｎ−Ｂの活性なクラスタとを比べた場合、Ｉｎ−Ｂクラスタになった方がエネルギ的に０．６ｅＶ程度安定であることを意味している。この事実により、Ｉｎ−Ｂクラスタが電気的な活性化率を向上させると共にクラスタ形成によるエネルギの低下のために拡散を抑制することも可能となる。
【００３２】
つまりＩｎの固溶限を越えた濃度領域でＩｎとＢを約１：１にドープすることにより、活性化率の向上と拡散プロファイルの制御が可能となる。Ｉｎ−Ｃの場合は、Ｃがアクセプタ準位を形成しないため、Ｂに比べてキャリアは半分となるが、同様の効果がある。
【００３３】
上述の説明は、ＩＶ族半導体の例であるが、ＩＩＩ−Ｖ族あるいはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体でも同様の機構に基づくドーパント制御が可能である。化合物半導体の場合には、ドーパントの入る置換位置により注意が必要である。例えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の場合には、半導体のＩＩＩ族原子が占めるＩＩＩ族格子位置をＩＩ族原子、あるいはＶ族原子が占めるＶ族格子位置をＩＶ族原子が置換する場合、どちらもアクセプタとして働く。また、ＩＩＩ族格子位置をＩＶ族原子、あるいはＶ族格子位置をＶＩ族原子が置換する場合にはドナーとして働く。ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の場合も同様に複数族の不純物がアクセプタあるいはドナーとして使用できる。また、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の場合には、ドーパントとして特に空孔も考慮する必要があるところがＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体と異なる。ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体では空孔がＩＩ族格子位置に形成されるときはアクセプタ、ＶＩ族格子位置のときはドナーとして働くからである。
【００３４】
次に、図１に示した半導体装置において、Ｓｉ等の半導体基板１０中に第１及び第２の不純物６１、６２としてＩｎ及びＢをドープする方法を説明する。
【００３５】
まず、半導体基板１０表面に、熱酸化法等により５ｎｍ厚さの絶縁膜１４を形成する。絶縁膜１４を通して、Ｉｎをイオン注入する。イオン注入条件は、加速エネルギ：５０ｋｅＶ、ドーズ：１．５×１０１３ｃｍ−２である。その後、Ｂをイオン注入する。イオン注入条件は、加速エネルギ：７ｋｅＶ、ドーズ：４×１０１３ｃｍ−２である。イオン注入後熱処理を行う。このようにして、注入不純物が電気的に活性化された半導体層１２が半導体基板１０の表面領域に形成される。
【００３６】
ここで、半導体基板１０中に、図７に示すように、Ｉｎ及びＢのピーク濃度が一致するようにイオン注入している。Ｉｎの固溶限は８００〜１１００℃では、１．５×１０１８ｃｍ−３であるが、Ｂとの相互作用によりイオン注入されたＢのピーク濃度である約６×１０１８ｃｍ−３の活性濃度が実現できる。従って、イオン注入ピーク濃度付近の活性不純物濃度の総量が約１×１０１９ｃｍ−３以上となるような高濃度の領域を形成することができる。したがって、ＩｎとＢの相互作用による活性化率の向上効果をＭＯＳＦＥＴのチャネル領域に適用することができる。例えば、図７に示したように、半導体基板１０の表面は低濃度、約２×１０１８ｃｍ−３で、表面から深さ約２０ｎｍでの活性不純物濃度が１×１０１９ｃｍ−３以上となるような急峻な濃度分布を有する半導体層１２からなるチャネル領域を形成することができる。本発明の実施の形態では、活性不純物濃度のピークが表面から約２０ｎｍとなるようにＩｎ及びＢのイオン注入エネルギを決定したが、イオン注入エネルギを適宜設定することにより、活性不純物濃度ピーク位置は任意に設定することが可能である。なお、本発明の実施の形態では、イオン注入ピーク濃度がＩｎとＢで同程度になるように設定したが、Ｉｎの活性不純物濃度を上昇させる領域に所望の活性不純物濃度に対応するＢ濃度が含まれることが本質的な問題であるため、それぞれのイオン注入ピーク位置は任意に設定することが可能である。また、ピーク濃度はドーズを調整することにより、任意の濃度の設定が可能である。
【００３７】
本発明の実施の形態によれば、ＩｎとＢをＳｉ結晶中の最隣接置換位置に配置することにより、Ｉｎ及びＢが共に電気的に活性状態になり、更に、Ｉｎ及びＢのクラスタ形成によるエネルギの低下のため、Ｉｎ−Ｂクラスタの生成が促進され、Ｉｎ及びＢの拡散が抑制される。
【００３８】
次に、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴのソース・ドレイン領域にＩｎ及びＢをドープする方法について、図８を用いて説明する。
【００３９】
（イ）図８（ａ）に示すように、ｎ型Ｓｉからなる半導体基板２０の表面に熱酸化法により厚さ５ｎｍの酸化膜２４を形成する。その後、イオン注入によりＡｓ、Ｐなどのドナー不純物がドープされた深さ２０ｎｍのチャネルとなる不純物ドープ層２２を形成する。
【００４０】
（ロ）酸化膜２４上に、図８（ｂ）に示すように、導電性のポリシリコン膜２６を堆積する。
【００４１】
（ハ）フォトリソグラフィ技術を用いて、図８（ｃ）に示すように、ポリシリコン膜２６を加工し、ゲート電極３６を形成する。このとき、ゲート電極３６直下の酸化膜２４が、５ｎｍの厚さのままでゲート酸化膜３４となる。ゲート電極３６以外の領域は酸化膜２４の厚さがゲート電極加工工程で薄くなった酸化膜２４ａとなる。
【００４２】
（ニ）半導体基板２０に、Ｉｎ及びＢを、各々の不純物ピーク濃度が約１×１０１９ｃｍ−３、ピーク深さ約３０ｎｍとなるように順次イオン注入する。その後、熱処理工程により、図８（ｄ）に示すように、エクステンション拡散層４２が形成される。ここで、ゲート電極３６がイオン注入のマスクとして働くため、ゲート酸化膜３４直下の不純物ドープ層２２にはＩｎ及びＢは注入されない。
【００４３】
（ホ）次いで、酸化膜を化学気相成長（ＣＶＤ）方法等で厚く堆積し、反応性イオンエッチング等の指向性エッチングにより、図８（ｅ）に示すように、ゲート電極３６の側壁部に側壁絶縁膜３８を形成する。
【００４４】
（ヘ）その後、ゲート電極及び側壁絶縁膜３８をマスクとして、Ｉｎ及びＢのイオン注入を行い、熱処理工程を経て、図８（Ｆ）に示すように、ソース・ドレイン拡散層４４を形成する。Ｉｎ及びＢはピーク濃度約１×１０２０ｃｍ−３、ピーク深さ約１００ｎｍとなるように順次イオン注入する。ここで、ゲート電極３６直下の不純物ドープ層２２及び側壁絶縁膜３８下のエクステンション拡散層４２は、ゲート電極３６及び側壁絶縁膜３８によりマスクされているため、ソース・ドレイン拡散層４４形成の影響を受けない。
【００４５】
上述のように、ＩｎとＢの相互作用により、Ｉｎの活性化濃度が上昇し、更に、Ｉｎ及びＢの拡散が抑制される効果があるため、エクステンション拡散層４２及びソース・ドレイン拡散層４４が所望の領域に、所望の活性不純物濃度で形成することが可能となる。
【００４６】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００４７】
例えば、Ｓｉ基板にＩｎ及びＢをイオン注入等でドープした後に、Ｓｉ基板表面にＳｉ成長層をエピタキシャル成長させることによって更に表面濃度が低濃度なＳＳＲＰを形成することもできる。この場合に、Ｓｉのエピタキシャル成長の前に、Ｉｎ或いはＢのどちらかを先にドープしておき、エピタキシャル成長の後に他方をイオン注入するようにしても構わない。また、Ｓｉ基板にＩｎ或いはＢのどちらか又は両方をドープした後、Ｓｉ基板の一部をエッチングして、Ｓｉをエピタキシャル成長することにより、更に、濃度差の大きなＳＳＲＰを形成することもできる。
【００４８】
なお、ここで述べた実施例では、Ｓｉ中にＩｎ及びＢをドープした場合について述べた。例えば、共有結合半径がＳｉの共有結合半径に比べて大きな原子と小さな原子で、少なくとも一方の原子がドーパントであり、更に、このドーパントとなる原子が最隣接格子位置にあるときに不活性になるものであれば、本発明の実施の形態と同様の効果が得られる。更に、Ｓｉ以外の、例えば、Ｇｅ、ＳｉＧｅ系、ＳｉＧｅＣ系等のＩＶ族原子からなる半導体や、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、アルミニウムナイトライド（ＡｌＮ）、インジウムガリウムナイトライド（ＩｎｘＧａ１−ｘＮ）等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）等のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体等でも、半導体の構成原子の共有結合半径との大小関係及びドーパント原子が最隣接置換位置で不活性化するなどの特徴が同一であれば、本発明の実施の形態と同様の効果が得られる。特に、ダイヤモンドにおいて、第１の不純物として燐（Ｐ）及び第２の不純物として窒素（Ｎ）の組み合わせが好適である。また、ＧａＮにおいては、第１の不純物としてベリリウム（Ｂｅ）及び第２の不純物として炭素（Ｃ）の組み合わせが好適である。
【００４９】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、不純物の電気的活性化率を向上させ、不純物の拡散を抑制した不純物ドープ層を用いた半導体装置及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係わる半導体装置に用いる半導体層の一例を示す断面外略図である。
【図２】本発明の実施の形態に係わる強結合近似描像による半導体の電子状態を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係わる強結合近似描像によるＳｉ電子軌道の結合状態を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係わる半導体中の最隣接不純物の結合状態を説明する概念図である。
【図５】本発明の実施の形態に係わる半導体中の同一不純物間のクラスタの結合状態のエネルギ準位を示す概念図である。
【図６】本発明の実施の形態に係わる半導体中の第１及び第２の不純物間のクラスタの結合状態のエネルギ準位を示す概念図である。
【図７】本発明の実施の形態に係わる半導体層の不純物分布の一例を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態に係わる半導体装置の製造方法を説明する断面工程図である。
【符号の説明】
１０、２０　半導体基板
１２　半導体層
１４　絶縁膜
２２　不純物ドープ層
２４、２４ａ　酸化膜
２６　ポリシリコン膜
３４　ゲート酸化膜
３６　ゲート電極
３８　側壁絶縁膜
４２　エクステンション拡散層
４４　ソース・ドレイン拡散層
５１　半導体原子
５３　ｓｐ３混成軌道
６１　第１の不純物
６２　第２の不純物
６３　不純物間結合軌道
６５ａ、６５ｂ、６９ａ、６９ｂ　半導体不純物間結合軌道
６７ａ、６７ｂ　不純物原子軌道
【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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