(57)【要約】【課題】不純物注入領域の不純物の濃度を低下させることなく、接合深さを浅く保つことができる半導体装置の製造方法および半導体製造装置を提供する。【解決手段】シリコン基板１に、Ｎ型不純物の砒素イオン２を注入することにより不純物注入領域３を形成する。次に、シリコン基板１の上方からランプ光４を１分以内の間だけ照射することにより、シリコン基板１を７００℃〜８００℃の温度まで加熱し、砒素イオンのうちの一部を活性化する。次に、シリコン基板１の上方から発振波長が２μｍ〜７μｍでパルス幅が１ミリ秒以下のパルス赤外レーザー光５を照射し、不純物注入領域３に存在する不活性なままの不純物を電気的に活性化する。【選択図】        図１
2004356322.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層内に不純物をイオン注入することにより、第１の不純物注入領域を形成する工程（ａ）と、
上記工程（ａ）の後に、熱処理を行うことにより上記半導体層を第１の温度に加熱する工程（ｂ）と、
上記工程（ｂ）の後に、上記半導体層に対して、上記半導体層の真性半導体のバンドギャップよりも長い波長のパルス状赤外レーザー光を照射することにより、上記第１の不純物注入領域の温度を、上記第１の温度よりも高い第２の温度に加熱する工程（ｃ）と
を備える半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
上記工程（ｂ）では、ランプ光を１分間以下だけ照射することにより、上記半導体層を７００℃以上９００℃以下に加熱する半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法であって、
上記工程（ｃ）では、上記第１の不純物注入領域を１０００℃以上であって上記半導体層の融点以下の温度で加熱する半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法であって、
上記パルス状赤外レーザー光の波長は２μｍ以上７μｍ以下である半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法であって、
上記パルス状赤外レーザ−光のパルス幅は１ミリ秒以下である半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のうちいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法であって、
上記工程（ａ）の前に、上記半導体層の上にゲート絶縁膜を形成し、上記ゲート絶縁膜の上にゲート電極を形成する工程（ｄ）をさらに備え、
上記工程（ａ）では、少なくとも上記ゲート電極をマスクとして、上記半導体層に上記不純物のイオン注入を行うことにより、上記第１の不純物注入領域を形成する半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体装置の製造方法であって、
上記工程（ａ）の後に、上記ゲート電極の側面上に、上記半導体層の上方に延びるサイドウォールを形成する工程（ｅ）と、
上記工程（ｅ）の後に、上記ゲート電極および上記サイドウォールをマスクとして上記半導体層内に不純物をイオン注入することにより、第２の不純物注入領域を形成する工程（ｆ）とをさらに備え、
上記工程（ａ）または上記工程（ｆ）の後に、上記工程（ｂ）を行う半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項６または７に記載の半導体装置の製造方法であって、
上記工程（ａ）では、上記半導体層の上面に対する法線方向から傾いた方向から上記不純物をイオン注入し、
上記工程（ｃ）では、上記半導体層の上面に対する法線方向から傾いた方向から、上記パルス状赤外レーザ光を照射する半導体装置の製造方法。
【請求項９】
半導体層に含まれる不純物を電気的に活性化するための熱処理を行う半導体製造装置であって、
上記熱処理の熱源として、パルス状赤外レーザー光を発する光源を備える、半導体製造装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の半導体製造装置であって、
上記パルス状赤外レーザ光を発することにより、上記半導体層のうち上記不純物が含まれる領域を１０００℃以上の温度に加熱する半導体製造装置。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の半導体製造装置であって、
上記パルス状赤外レーザー光の波長は２μｍ以上７μｍ以下である半導体製造装置。
【請求項１２】
請求項９〜１１のうちいずれか１項に記載の半導体製造装置であって、
上記パルス状赤外レーザ−光のパルス幅は１ミリ秒以下である半導体製造装置。
【請求項１３】
請求項９〜１２のうちいずれか１項に記載の半導体製造装置であって、
上記半導体層を支える支持部材をさらに備え、
上記支持部材の動作によって、上記パルス状赤外線レーザ光を、上記半導体層の上面に対する法線方向から傾いた方向から照射することができる半導体製造装置。
【請求項１４】
請求項９〜１３のうちいずれか１項に記載の半導体製造装置であって、
上記光源から発せられる上記パルス状赤外線レーザ光を上記半導体層の上面に導く照射光学系をさらに備え、
上記照射光学系の動作によって、上記パルス状赤外線レーザ光を、上記半導体層の上面に対する法線方向から傾いた方向から照射することができる半導体製造装置。
【請求項１５】
請求項９〜１４のうちいずれか１項に記載の半導体製造装置であって、
上記光源は、２．６μｍ以上３．３μｍ以下の発振波長を有する水素・フッ素レーザーである半導体製造装置。
【請求項１６】
請求項９〜１４のうちいずれか１項に記載の半導体製造装置であって、
上記光源は、３．８μｍ以上４．３μｍ以下の発振波長を有する重水素・フッ素レーザーである半導体製造装置。
【請求項１７】
請求項９〜１４のうちいずれか１項に記載の半導体製造装置であって、
上記光源は、５μｍ以上７μｍ以下の発振波長を有する一酸化炭素レーザーである半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法およびその製造方法に使用する半導体製造装置に関し、特に、極めて浅い接合をもつ半導体装置の製造方法およびその製造方法に使用する半導体製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、シリコン単結晶を用いて超大規模集積回路をはじめとする集積度の高い半導体装置が形成されている。これらの半導体装置では、デザインルールの縮小化に伴ってゲート長が短くなるため、ショートチャネル効果が生じやすくなってしまう。ショートチャネル効果を抑制し、さらに、高速化を妨げる拡散抵抗の上昇を抑制するために、接合深さが浅く、かつ高濃度の不純物拡散層を形成することが要求されている。
【０００３】
電界効果型トランジスタ（ＭＩＳＦＥＴ）において、例えば、ゲート電極のゲート長が９０ｎｍ程度であれば、要求される接合深さ（不純物拡散層の上面から、不純物濃度が１０１８  ａｔｏｍｓ／ｃｍ３となる位置までの深さ）は４０ｎｍ程度である。ゲート長が５０ｎｍ程度であれば、要求される接合深さは２０ｎｍ程度である。さらに、ゲート長が３０ｎｍ程度であれば、要求される接合深さは１０ｎｍ程度にまで小さい値となる。
【０００４】
不純物拡散層は、半導体層中に砒素、リン、ホウ素などの不純物イオンをドーピングした後、不純物を電気的に活性化するためのアニールを行うことにより形成される。高濃度で接合深さの浅い不純物拡散層を形成するためには、半導体層に、高濃度の不純物を浅くドーピングするだけでなく、不純物の拡散を抑制しつつアニールを進行させる技術が必要である。
【０００５】
従来におけるアニールの技術の一つとして、ハロゲンランプ等を用いて、シリコン基板全体を１０００〜１１００℃の温度で短時間加熱する赤外線急速熱処理（ＲＴＡ）法が知られている。例えば、５ｅＶ程度の低エネルギーで半導体層中に不純物をイオン注入した後に、最高到達温度の持続時間が０秒であるスパイクＲＴＡを行うことにより、接合深さが３５ｎｍ程度の極浅の不純物拡散層を形成することが報告されている（非特許文献１参照）。
【０００６】
【非特許文献１】
Ｍ．  Ｍｅｈｒｏｔｒａ他、４１９−４２２．、Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｍｅｅｔｉｎｇ  １９９９  ａｔ  Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ  ＤＣ
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＲＴＡによるアニールでは、たとえ数秒の短時間の加熱であっても、注入された不純物は拡散してしまい、半導体層中に十分に浅い接合を形成することが困難であった。
【０００８】
図７（ａ），  （ｂ）は、従来において、ＲＴＡ処理を用いて不純物を活性化する工程を示す断面図である。図７（ａ）に示すように、シリコン基板１０１の上部に、加速電圧５ＫｅＶ、ドーズ量１×１０１５ａｔｍｓ／ｃｍ２  の条件で砒素イオン１０２をイオン注入することにより、不純物注入領域１０３を形成する。この時、不純物注入領域１０３の深さは１０ｎｍとなる。次に、図７（ｂ）に示す工程で、シリコン基板１０１にランプ光１０４を照射することにより、不純物を電気的に活性化させる。
【０００９】
図７（ｃ）は、ランプアニールの前後における不純物のプロファイルを示すグラフ図である。ランプ光１０４による加熱は、シリコン基板１０１の温度を１０５０℃の温度で２秒間保持することにより行った。図７（ｃ）から、不純物をイオン注入した時点では不純物の深さは１５ｎｍ以下であるが、ランプアニールを行うことによって不純物が拡散し、不純物が深さ３０ｎｍまで拡散していることがわかる。
【００１０】
ＲＴＡ温度を下げると、熱によって不純物が拡散する深さを浅くすることは可能である。しかしながら、ＲＴＡ温度が低下するにつれて半導体層中における不純物の固溶限界濃度も低下してしまう。例えば、シリコン結晶中の砒素原子の固溶限界は、１０００℃では２．５×１０２０  ａｔｏｍｓ／ｃｍ３  であるが、７００℃では、１０００℃における値の１／３である８．４×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３  となる。つまり、アニールの温度を低くすると、固溶限界濃度が低くなって活性化される不純物の濃度が低くなるため、不純物拡散層における拡散抵抗が高くなってしまう。以上のことから、不純物拡散層の拡散抵抗を低くするためには、アニールの温度を１０００℃以上の高温に保つ必要があるといえる。
【００１１】
本発明の目的は、不純物注入領域に含まれる不純物を活性化させるための熱処理を行う手段を講ずることにより、不純物の濃度を低下させることなく、接合深さを浅く保つことができる半導体装置の製造方法および半導体製造装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体層内に不純物をイオン注入することにより、第１の不純物注入領域を形成する工程（ａ）と、上記工程（ａ）の後に、熱処理を行うことにより上記半導体層を第１の温度に加熱する工程（ｂ）と、上記工程（ｂ）の後に、上記半導体層に対して、上記半導体層の真性半導体のバンドギャップ（基礎吸収端）よりも長い波長のパルス状赤外レーザー光を照射することにより、上記第１の不純物注入領域の温度を、上記第１の温度よりも高い第２の温度に加熱する工程（ｃ）とを備える。
【００１３】
これにより、半導体層に不純物を注入した後、工程（ｂ）で第１の不純物注入領域に含まれる不純物の一部を電気的に活性化することによって自由キャリアを生成し、工程（ｃ）でパルス状赤外レーザー光を照射することによって自由キャリアが生成した領域を瞬間的に加熱することができる。このとき、パルス状赤外レーザ光が半導体層の真性半導体のバンドギャップよりも長い波長を有することにより、半導体層のうち第１の不純物注入領域のみを選択的に加熱することができる。このように、パルス状赤外レーザ光の照射は選択的かつ短時間であるため不純物の拡散を抑えることができ、また、高温に加熱することができるため高濃度の不純物も完全に活性化することができる。したがって、第１の不純物注入領域に含まれる不純物の濃度を低下させることなく、接合深さを浅く保つことができる。つまり、拡散抵抗の上昇を伴うことなく、接合深さを浅くすることができる。
【００１４】
上記工程（ｂ）では、ランプ光を１分間以下だけ照射することにより、上記半導体層を７００℃以上９００℃以下に加熱して行することにより、第１の不純物注入領域に含まれる不純物の拡散を抑制しつつ、その不純物の一部を活性化することができる。
【００１５】
上記工程（ｃ）では、上記第１の不純物注入領域を１０００℃以上であって上記半導体層の融点以下の温度で加熱することにより、第１の不純物注入領域に含まれる不純物を完全に活性化することができる。
【００１６】
上記パルス状赤外レーザー光の波長は２μｍ以上７μｍ以下であることにより、第１の不純物注入領域が吸収しやすい波長であるので、半導体層のうち第１の不純物注入領域のみをさらに選択的に加熱することができる。
【００１７】
上記パルス状赤外レーザ−光のパルス幅は１ミリ秒以下であることにより、半導体層が加熱される時間がごく短いので、不純物の拡散をさらに抑制することができる。
【００１８】
上記工程（ａ）の前に、上記半導体層の上にゲート絶縁膜を形成し、上記ゲート絶縁膜の上にゲート電極を形成する工程（ｄ）をさらに備え、上記工程（ａ）では、少なくとも上記ゲート電極をマスクとして、上記半導体層に上記不純物のイオン注入を行うことにより上記第１の不純物注入領域を形成すると、ショートチャネル効果も抑制することができる。
【００１９】
上記工程（ａ）の後に、上記ゲート電極の側面上に、上記半導体層の上方に延びるサイドウォールを形成する工程（ｅ）と、上記工程（ｅ）の後に、上記ゲート電極および上記サイドウォールをマスクとして上記半導体層内に不純物をイオン注入することにより、第２の不純物注入領域を形成する工程（ｆ）とをさらに備え、上記工程（ａ）または上記工程（ｆ）の後に、上記工程（ｂ）を行うことができる。
【００２０】
上記工程（ａ）では、上記半導体層の上面に対する法線方向から傾いた方向から上記不純物をイオン注入し、上記工程（ｃ）では、上記半導体層の上面に対する法線方向から傾いた方向から、上記パルス状赤外レーザ光を照射することにより、オーバラップ量および接合深さを制御することができる。
【００２１】
本発明の半導体製造装置は、半導体層に含まれる不純物を電気的に活性化するための熱処理を行う半導体装置であって、上記熱処理の熱源として、パルス状赤外レーザー光を発する光源を備える。
【００２２】
このような装置を用いることにより、半導体層の一部に不純物注入領域を形成し、その不純物の一部を活性化した後に、パルス状レーザ光を照射することができる。これにより、不純物注入領域を瞬間的かつ選択的に加熱することができるため不純物の拡散を抑えることができ、また、高温に加熱することができるため高濃度の不純物も完全に活性化することができる。したがって、不純物注入領域に含まれる不純物の濃度を低下させることなく、接合深さを浅く保つことができる。つまり、拡散抵抗の上昇を伴うことなく、接合深さを浅くすることができる。
【００２３】
上記パルス状赤外レーザ光を発することにより、上記半導体層のうち上記不純物が含まれる領域を１０００℃以上の温度に加熱すると、不純物を完全に活性化することができる。
【００２４】
上記パルス状赤外レーザー光の波長は２μｍ以上７μｍ以下であることにより、不純物注入領域で吸収されやすい波長であるので、半導体層のうち不純物注入領域のみをさらに選択的に加熱することができる。
【００２５】
上記パルス状赤外レーザ−光のパルス幅は１ミリ秒以下であることにより、半導体層が加熱される時間がごく短いので、不純物の拡散をさらに抑制することができる。
【００２６】
上記半導体層を支える支持部材をさらに備え、上記支持部材の動作によって、上記パルス状赤外線レーザ光を、上記半導体層の上面に対する法線方向から傾いた方向から照射することにより、オーバーラップ量および接合深さを制御することができる。
【００２７】
上記光源から発せられる上記パルス状赤外線レーザ光を上記半導体層の上面に導く照射光学系をさらに備え、上記照射光学系の動作によって、上記パルス状赤外線レーザ光を、上記半導体層の上面に対する法線方向から傾いた方向から照射することにより、オーバーラップ量および接合深さを制御することができる。
【００２８】
上記光源は、２．６μｍ以上３．３μｍ以下の発振波長を有する水素・フッ素レーザーであることが好ましい。
【００２９】
上記光源は、３．８μｍ以上４．３μｍ以下の発振波長を有する重水素・フッ素レーザーであることが好ましい。
【００３０】
上記光源は、５μｍ以上７μｍ以下の発振波長を有する一酸化炭素レーザーであることが好ましい。
【００３１】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
第１の実施形態では、半導体基板の中に不純物注入領域を形成し、その領域を活性化する方法について説明する。図１（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態において、シリコン基板中に不純物注入領域を形成し、不純物を活性化する工程を示す断面図である。
【００３２】
本実施形態では、まず、図１（ａ）に示す工程で、１×１０１６／ｃｍ３程度のＰ型不純物を含むシリコン基板１に、Ｎ型不純物の砒素イオン２を、加速電圧５ＫｅＶ、注入ドーズ量１×１０１５／ｃｍ２  でイオン注入することにより、不純物深さが１０ｎｍの不純物注入領域３を形成する。
【００３３】
次に、図１（ｂ）に示す工程で、シリコン基板１の上方からランプ光４を１分以内の間だけ照射することにより、シリコン基板１を７００℃〜８００℃の温度まで加熱する。これにより、不純物注入領域３に含まれる砒素イオンのうちの一部を活性化する。
【００３４】
次に、図１（ｃ）に示す工程で、シリコン基板１の上方からパルス赤外レーザー光５を照射し、不純物注入領域３に存在する不活性なままの不純物を電気的に活性化する。このとき、発振波長が３．８μｍ〜４．３μｍの重水素・フッ素レーザー光を、エネルギー密度１Ｊ／ｃｍ２  〜１０Ｊ／ｃｍ２  、パルス幅５００ナノ秒の条件で照射する。この工程では、シリコン基板１のうち不純物注入領域３のみが選択的に高温に加熱される。
【００３５】
以下に、不純物注入領域３に含まれる不純物の活性化がどのように進行するかについて、図１（ａ）〜（ｃ）および図２（ａ）〜（ｆ）を参照しながら説明する。
【００３６】
図２（ａ），（ｄ）は、図１（ａ）に示す工程で砒素イオン２を注入した直後の、シリコン基板１における不純物の状態を示す模式図およびグラフ図である。図２（ａ）に示すように、シリコン基板１の上部では、不活性な不純物１０ａを有する不純物注入領域３が形成されている。
【００３７】
図２（ｂ），（ｅ）は、図１（ｂ）に示す工程でランプ光４を照射した後の、シリコン基板１における不純物の状態を示す模式図およびグラフ図である。図２（ｂ）に示すように、ランプアニールを行った後の不純物注入領域３には、不活性な不純物１０ａと活性な不純物１０ｂとが混在している。より詳細にいうと、不純物注入領域３中においても不純物濃度は深さによって異なるので、図２（ｅ）に示すように、不純物注入領域３のうちで、濃度がランプ光４のアニール温度における固溶限界濃度（８００℃において、シリコン結晶に対する砒素原子の固溶限界濃度は１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）を超える領域では、不純物のうちの一部が不活性の状態のままとなる。このランプ光４を用いたアニールは、従来のアニール温度（例えば１０００℃〜１１００℃程度）よりも低い温度で１分間だけ行うため、従来よりも不純物の拡散が少なくてすむ。不純物注入領域３の不純物プロファイルや深さは、アニールの前後でほとんど変化しない。
【００３８】
図２（ｃ），（ｆ）は、図１（ｃ）に示す工程でパルス状赤外レーザー光５を照射した後の、シリコン基板１における不純物の状態を示す模式図およびグラフ図である。図２（ｃ）に示すように、パルス状赤外レーザー光５を照射した後には、不純物注入領域３中に含まれる不純物は全て活性な不純物１０ｂとなっている。パルス状赤外レーザー光５の照射によって、不純物注入領域３は１０００℃以上の温度に選択的に加熱される。１０００℃の固溶限界濃度は、不純物注入領域３のどの深さの不純物濃度よりも高いので、図２（ｆ）に示すように、どの深さにおいても不純物は完全に活性化される。パルス状赤外レーザ光５の照射時間は、５００ナノ秒と非常に短いため、不純物の熱による拡散の度合いは非常に少ない。その結果、不純物注入領域３のキャリア濃度は２．５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３  程度になり、その接合深さは２０ｎｍ以下となる。
【００３９】
次に、パルス状赤外線レーザ光が、シリコン基板１のうち不純物注入領域３に選択的に吸収される理由について説明する。
【００４０】
半導体に注入された不純物を活性化すると、自由キャリア（電子あるいは正孔）が生じる。生じた自由キャリアは、シリコン結晶中の格子振動と相互作用を起こし、吸収される光の波長領域と、その吸収の度合い（吸収係数の高低）を変化させる。つまり、半導体は、そのキャリア濃度によって、異なる波長領域の光を吸収する性質を有し、キャリア濃度が高いほどバンドギャップよりも長波長側の吸収係数が高くなる。
【００４１】
本実施形態では、図１（ｂ）に示す工程でアニールを行うことにより、不純物注入領域３では真性シリコンのバンドギャップ（基礎吸収端）である１．１μｍよりも大きな値である２〜７μｍの領域で光を吸収するようになる。その結果、不純物注入領域３は、シリコン基板１のうちの他の領域と比較して、赤外線の２μｍ〜７μｍの波長域に高い吸収係数を有するようになる。その後、図１（ｃ）に示す工程で、３．８μｍ〜４．３μｍの波長域の重水素・フッ素レーザー光を照射すると、パルス状赤外線レーザ光は、不純物注入領域３で多く吸収される。
【００４２】
以上に述べたように、本実施形態では、不純物注入領域３に含まれる不純物の一部を活性化した後にパルス状赤外レーザー光５を照射することにより、シリコン基板１のうち不純物注入領域３を選択的に加熱することができる。ここで、パルス状赤外レーザー光５を照射する時間は１ミリ秒以下（好ましくは５００ナノ秒以下）と非常に短い。そのため、不純物注入領域３は１０００度以上の高温に加熱されるにもかかわらず、含まれる不純物の拡散の度合いは低くてすむ。したがって、不純物注入領域３に含まれる不純物の濃度を低下させることなく、接合深さを浅く保つことができる。つまり、拡散抵抗の上昇を伴うことなく、接合深さを浅くすることができる。
【００４３】
なお、本実施形態ではＰ型のシリコン単結晶からなるシリコン基板１の中に砒素イオン２を注入したが、本発明では、同様の手法を用いて砒素の他のＮ型不純物であるリンをイオン注入してもよい。また、シリコン基板１としてＮ型のシリコン単結晶からなるシリコン基板を用いて、そのシリコン基板の中にホウ素などのＰ型不純物を注入してもよい。これらの場合にも、不純物注入領域３の深さを浅くすることができる。
【００４４】
また、本実施形態では、発振波長が３．８μｍ〜４．３μｍの重水素・フッ素レーザー光を赤外レーザー光源として用いた場合について述べたが、本発明では、発振波長が２．３μｍ〜３．３μｍの水素・フッ素レーザー、あるいは発振波長が５μｍ〜７μｍの一酸化炭素レーザーを加熱光源として用いてもよい。これらのレーザの波長域も、不純物注入領域３が高い吸収係数を有する赤外線の波長域の範囲に含まれるので、不純物注入領域３を選択的に加熱することができる。
【００４５】
また、本実施の形態では、図１（ｂ）に示す工程でランプ光を照射したが、本発明では、他の方法によりシリコン基板１を加熱してもよい。
【００４６】
（第２の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態で説明した不純物拡散層を半導体装置に適用する例について説明する。図３（ａ）〜（ｆ）は、第２の実施形態における半導体装置を形成する工程を示す断面図である。
【００４７】
まず、図３（ａ）に示す工程で、Ｐ型のシリコン基板１１のうち素子分離用絶縁膜１６に囲まれる領域の上に、厚さ１．５〜２ｎｍのシリコン酸化膜またはシリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜１２と、ゲート絶縁膜１２の上に位置し、厚さ１００〜２００ｎｍのポリシリコンからなるゲート電極１３とを形成する。次に、ゲート電極１３をマスクとして、砒素イオン１４を加速電圧５ＫｅＶ、注入ドーズ量１×１０１５／ｃｍ２  でイオン注入することにより、深さ１０ｎｍのソース・ドレインエクステンション領域１５を形成する。
【００４８】
次に、図３（ｂ）に示す工程で、シリコン基板１１の上方からランプ光１７を１分以内の間だけ照射することにより、シリコン基板１１を７００℃〜８００℃の温度まで加熱する。
【００４９】
次に、図３（ｃ）に示す工程で、シリコン基板１１の上方からパルス状赤外レーザー光１８を照射する。このとき、発振波長が３．８μｍ〜４．３μｍの重水素・フッ素レーザー光を、エネルギー密度１Ｊ／ｃｍ２  〜１０Ｊ／ｃｍ２  、パルス幅５００ナノ秒の条件で照射する。このとき、シリコン基板１１のうちソース・ドレインエクステンション領域１５のみが選択的に高温に加熱される。この工程では、ソース・ドレインエクステンション領域１５の深さは２０ｎｍ以下となる。
【００５０】
次に、図３（ｄ）に示す工程で、シリコン基板１１の上に、ゲート電極１３を覆うように、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜等の絶縁膜（図示せず）を堆積する。その後、絶縁膜に対して異方性のエッチングを行うことにより、シリコン基板１１のうちゲート電極１３の側方に位置する領域の上に位置し、ゲート電極１３の側面に接する、幅５０ｎｍ〜７０ｎｍのサイドウォール１９を形成する。
【００５１】
その後、シリコン基板１１に、ゲート電極１３およびサイドウォール１９をマスクとして、リンイオン２０を、加速電圧２０ＫｅＶ、注入ドーズ量３×１０１５／ｃｍ２  でイオン注入する。この工程により、深さ１００ｎｍのソース・ドレイン領域２１が形成される。
【００５２】
次に、図３（ｅ）に示す工程で、シリコン基板１１の上方からランプ光２２を１分以内の間だけ照射することにより、シリコン基板１１を７００℃〜８００℃の温度まで加熱する。
【００５３】
次に、図３（ｆ）に示す工程で、シリコン基板１１の上方からパルス状赤外レーザー光２３を照射する。このとき、発振波長が３．８μｍ〜４．３μｍの重水素・フッ素レーザー光を、エネルギー密度１Ｊ／ｃｍ２  〜１０Ｊ／ｃｍ２  、パルス幅５００ナノ秒の条件で照射する。この工程では、ソース・ドレイン領域２１の接合深さを１００ｎｍ以下に保つことができる。以上の工程により、完全に活性化された不純物を有するソース・ドレインエクステンション領域１５およびソース・ドレイン領域２１を形成することができる。
【００５４】
次に、ソース・ドレインエクステンション領域１５における不純物の状態について説明する。
【００５５】
まず、図３（ａ）に示す工程で砒素イオン１４を注入した直後では、ソース・ドレインエクステンション領域１５に含まれる不純物は電気的に不活性であるため、ソース・ドレインエクステンション領域１５は、十分な濃度の自由キャリアを有していない。この状態のシリコン基板１１に、図３（ｂ）に示す工程でランプ光１７を照射すると、ソース・ドレインエクステンション領域１５におけるキャリア濃度を、固溶限界濃度（８００℃において、シリコン結晶に対する砒素原子の固溶限界濃度は１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３  ）を上限とする値にすることができる。このアニールは、従来のアニール温度（例えば１０００℃〜１１００℃）よりも低い温度で１分以内の間だけ行うため、従来よりも不純物の拡散が少なくてすむ。その結果、ソース・ドレインエクステンション領域１５の不純物プロファイルや深さは、ランプ光１７のアニールの前後でほとんど変化しない。
【００５６】
次に、図３（ｃ）に示す工程でパルス状赤外レーザー光１８を照射すると、ソース・ドレインエクステンション領域１５が、１０００℃以上の温度に選択的に加熱される。１０００℃の固溶限界濃度は、ソース・ドレインエクステンション領域１５のどの深さの不純物濃度よりも高いので、不純物は完全に活性化される。その結果、ソース・ドレインエクステンション領域１５のキャリア濃度は２．５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３  程度になる。また、パルス状赤外レーザー光１８の照射時間はごく短いので、ソース・ドレインエクステンション領域１５の接合さを２０ｎｍ以下とすることができる。
【００５７】
次に、図３（ｄ）に示す工程で、リンイオン２０を注入した直後では、ソース・ドレイン領域２１に含まれる不純物は電気的に不活性であるため、ソース・ドレイン領域２１は十分な濃度の自由キャリアを有していない。この状態のシリコン基板１１に、図３（ｅ）に示す工程でランプ光２２を照射すると、ソース・ドレイン領域２１におけるキャリア濃度を、固溶限界濃度（８００℃において、シリコン結晶に対するリン原子の固溶限界濃度は３×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３  ）を上限とする値にすることができる。このアニールは、従来のアニール温度（例えば１０００〜１１００℃）よりも低い温度で１分以内の間だけ行うため、従来よりも不純物の拡散が少なくてすむ。その結果、ソース・ドレインエクステンション領域１５およびソース・ドレイン領域２１の不純物プロファイルや深さは、アニールの前後でほとんど変化しない。
【００５８】
次に、図３（ｆ）に示す工程でパルス状赤外レーザー光２３を照射すると、ソース・ドレイン領域２１が、１０００℃以上の温度に選択的に加熱される。１０００℃の固溶限界濃度は、ソース・ドレイン領域２１のどの深さの不純物濃度よりも高いので、不純物は完全に活性化される。その結果、ソース・ドレイン領域２１のキャリア濃度は１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３  程度になる。また、パルス状赤外レーザー光２３の照射はごく短時間であるため、ソース・ドレイン領域２１の接合深さを１００ｎｍ以下に、ソース・ドレインエクステンション領域１５の接合深さを２０ｎｍ以下に保つことができる。
【００５９】
以上に述べたように、本実施形態では、ソース・ドレインエクステンション領域１５およびソース・ドレイン領域２１（以下では、不純物注入領域１５，  ２１と呼ぶ）のそれぞれに含まれる不純物の一部を活性化した後にパルス状赤外レーザー光１８，  ２３を照射することにより、不純物注入領域１５，２１を選択的に加熱することができる。ここで、パルス状赤外レーザー光１８，  ２３を照射する時間は１ミリ秒以下と非常に短い。そのため、不純物注入領域１５，  ２１は１０００度以上の高温に加熱されるにもかかわらず、含まれる不純物の拡散の度合いは低くてすむ。したがって、不純物注入領域１５，２１に含まれる不純物の濃度を低下させることなく、接合深さを浅く保つことができる。つまり、拡散抵抗の上昇を伴うことなく、接合深さを浅くすることができ、ショートチャネル効果も抑制することができる。
【００６０】
なお、ソース・ドレインエクステンション領域１５には、ランプ光とパルス状の赤外線レーザ光とが２回ずつ照射されるが、照射時間はともに１ミリ秒以下（好ましくは５００ナノ秒以下）と非常に短いため、ソース・ドレインエクステンション領域１５に含まれる不純物の拡散の度合いは低くてすむ。
【００６１】
なお、本実施形態では、ソース・ドレインエクステンション領域１５の活性化とソース・ドレイン領域２１の活性化とを別々に行ったが、本発明では、同領域１５，２１の不純物注入を行った後に、まとめてランプ光照射およびパルス状赤外レーザー光照射を行ってもよい。
【００６２】
なお、本実施形態では、ソース・ドレインエクステンション領域１５のＮ型不純物として砒素を注入したが、本発明では、同様の手法を用いて、リンをイオン注入してもよい。シリコン基板１１として、Ｎ型のシリコン単結晶からなるシリコン基板を用いて、そのシリコン基板の中に、ホウ素などのＰ型不純物を注入してもよい。
【００６３】
（第３の実施形態）
第３の実施形態では、シリコン基板に斜めから不純物を注入して不純物注入領域を形成した後に、斜めからパルス状赤外線レーザ光を照射する方法について説明する。図４（ａ）〜（ｃ）は、第３の実施形態において、シリコン基板中に不純物注入領域を形成し、不純物を活性化する工程を示す断面図である。
【００６４】
本実施形態では、まず、図４（ａ）に示す工程で、Ｐ型のシリコン基板３１のうち素子分離用絶縁膜３６に囲まれる領域の上に、厚さ１．５〜２ｎｍのシリコン酸化膜またはシリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜３２と、ゲート絶縁膜３２の上に、厚さ１００〜２００ｎｍのポリシリコンからなるゲート電極３３とを形成する。
【００６５】
次に、ゲート電極３３をマスクとして、砒素イオン３４を、法線方向から左右に６０度傾いた方向からイオン注入することにより、ソース・ドレインエクステンション領域３５を形成する。このイオン注入を、加速電圧１０ＫｅＶ、注入ドーズ量１×１０１５／ｃｍ２  の条件で行うことにより、ソース・ドレインエクステンション領域３５の深さは１０ｎｍとなる。本実施形態では、シリコン基板３１に対して斜めからイオン注入を行うことにより、ゲート電極３３の下部とソース・ドレインエクステンション領域３５とのオーバーラップ量を制御することができる。
【００６６】
次に、図４（ｂ）に示す工程で、シリコン基板３１の上方からランプ光３７を１分以内の間だけ照射することにより、シリコン基板３１を７００℃〜８００℃の温度まで加熱する。
【００６７】
次に、図４（ｃ）に示す工程で、法線方向から左右に６０度傾いた方向から、シリコン基板３１に対してパルス状赤外レーザー光３８を照射する。このとき、発振波長が３．８μｍ〜４．３μｍの重水素・フッ素レーザー光を、エネルギー密度１Ｊ／ｃｍ２  〜１０Ｊ／ｃｍ２  、パルス幅５００ナノ秒の条件で照射する。この工程では、ソース・ドレインエクステンション領域３５の接合深さを２０ｎｍ以下にすることができる。また、ソース・ドレインエクステンション領域３５のオーバーラップ量（ソース・ドレインエクステンション領域３５のうちゲート電極３３の下方に位置する部分の、ゲート長方向の長さ）を２０ｎｍとすることができる。
【００６８】
その後、第２の実施形態で述べた方法と同様の方法により、ソース・ドレイン領域（図示せず）を形成することにより、半導体装置を形成することができる。
【００６９】
次に、ソース・ドレインエクステンション注入領域１５における不純物の状態について説明する。
【００７０】
まず、図４（ａ）に示す工程で砒素イオン３４を注入した直後では、ソース・ドレインエクステンション領域３５に含まれる不純物は電気的に不活性であるため、ソース・ドレインエクステンション領域３５は、十分な濃度の自由キャリアを有していない。この状態のシリコン基板３１に、図４（ｂ）に示す工程でランプ光３７を照射すると、ソース・ドレインエクステンション領域３５におけるキャリア濃度を、固溶限界（７００℃〜８００℃において、シリコン結晶に対する砒素原子の固溶限界濃度は１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３  ）を上限とする値にすることができる。このアニールは、従来のアニール温度（例えば１０００℃〜１１００℃）よりも低い温度で１分以内の間だけ行うため、従来よりも不純物の拡散が少なくてすむ。その結果、ソース・ドレインエクステンション領域３５の不純物プロファイルや深さは、ランプ光３７のアニールの前後でほとんど変化しない。
【００７１】
次に、図４（ｃ）に示す工程でパルス状赤外レーザー光３８を照射すると、ソース・ドレインエクステンション領域３５が、１０００℃以上の温度に選択的に加熱される。１０００℃の固溶限界濃度は、ソース・ドレインエクステンション領域３５のどの深さの不純物濃度よりも高いので、不純物は完全に活性化される。その結果、ソース・ドレインエクステンション領域３５のキャリア濃度は２．５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３  程度になる。また、パルス状赤外レーザ光３８の照射はごく短時間であるため、ソース・ドレインエクステンション領域３８の接合深さは２０ｎｍ以下となる。
【００７２】
その後、ソース・ドレイン領域（図示せず）を形成する場合にも、ソースドレイン領域の活性化を、第２の実施形態と同様にランプ光とパルス状赤外レーザー光を用いて行うことにより、ソース・ドレインエクステンション領域３５に含まれる不純物の拡散の度合いを小さく抑えることができる。
【００７３】
本実施形態では、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、基板に対する法線方向から傾いた方向からイオン注入とパルス状赤外レーザ光の照射とを行うことにより、オーバーラップ量および接合深さを制御することができる。
【００７４】
なお、本実施形態では、砒素イオン３４のイオン注入とパルス状赤外レーザー光３８の照射とを法線方向から６０度傾いた方向から行うことにより、オーバーラップ量および接合深さを２０ｎｍとした。しかし、本発明では、角度を変化させることにより、オーバラップ量および接合深さを変化することができる。つまり、法線方向からの傾きを大きくすることによって、オーバーラップ量を増加させて接合深さを浅くすることができる。
【００７５】
また、本実施形態では、法線方向からの傾きが左右に６０度である２方向からイオン注入およびパルス状赤外レーザー光の照射を行ったが、本発明では、シリコン基板３１を９０度ずつ回転させること等によって、前後左右の４方向からイオン注入およびパルス状赤外レーザー光の照射を行ってもよい。
【００７６】
（第４の実施形態）
第４の実施形態では、第１〜第３の実施形態で説明した製造方法に用いる半導体製造装置（アニール装置）について説明する。図５は、第４の実施形態における半導体製造装置の構成を示す模式図である。図５に示す半導体製造装置では、半導体基板にアニールを行う熱源として、パルス状赤外レーザー光を発する光源を備えている。
【００７７】
本実施形態の半導体製造装置は、図５に示すように、パルス状赤外レーザー光を発する光源４１と、光源４１からの光を受けて所望の位置に光を導く照射光学系４２と、チャンバー４３とを備えている。
【００７８】
チャンバー４３の上面には、内部に光を入射させるための窓４７が設けられており、チャンバー４３の内部には、シリコン基板等の半導体試料４５の縁部を支える試料台４４と、試料台４４の下に位置し、半導体試料４５を通過した光を吸収する赤外線吸収材４６とが設けられている。試料台４４は、半導体試料４５を通過した光が反射しないように、中央が開口するドーナツ形状を有している。また、赤外線吸収材４６は、試料台４４の開口を通過した光が、チャンバー４３の下面に到達して半導体試料４５の方に反射するのを防止するために設けられている。赤外線吸収材４６の材料としては、赤外線を吸収する性質を有するものであればなんでもよく、例えば水であってもよい。
【００７９】
照射光学系４２は、レンズあるいはミラーなどから構成されており、光源４１により発生したパルス状赤外レーザー光をチャンバー４３内の半導体試料４５の方に導く。また、照射光学系４２は、パルス状赤外レーザー光４２の照明均一性を向上させる役割や、所望のスポットサイズへ調整する役割を果たす場合もある。
【００８０】
光源４１としては、発振波長が２〜７μｍの光を発するレーザを用い、特に、発振波長が２．６μｍ〜３．３μｍの水素・フッ素レーザー、発振波長が３．８μｍ〜４．３μｍの重水素・フッ素レーザー、または発振波長が５μｍ〜７μｍの一酸化炭素レーザーを用いることが好ましい。
【００８１】
次に、半導体試料４５にパルス状赤外レーザー光を照射する手順について説明する。あらかじめ、半導体試料４５の一部に不純物領域（図示せず）を注入し、その不純物の一部を活性化しておく。そして、チャンバー４３内を、不活性ガス（例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム）雰囲気または１×１０−６Ｔｏｒｒ（１Ｔｏｒｒ＝１３３Ｐａ）以上の高真空状態に保つ。これは、半導体試料４５に、水、または空気中の浮遊物といったコンタミネーションが混入するのを防ぐためである。そして、光源４１で発生したパルス幅１ミリ秒以下のパルス状赤外レーザー光を、照射光学系４２を介してチャンバー４３内の半導体試料４５に照射する。これにより、半導体試料４５のうち不純物領域のみが選択的に加熱される。
【００８２】
本実施形態の半導体製造装置を用いることにより、半導体試料４５のうちで、発振波長が２〜７μｍの赤外線を吸収する領域のみを選択的かつ短時間で加熱することができるので、不純物の濃度を低下させることなく、接合深さの浅い不純物拡散層を形成することができる。
【００８３】
（第５の実施形態）
第５の実施形態では、第４の実施形態で述べた半導体製造装置の変形例について、図６（ａ），  （ｂ）を参照しながら説明する。図６（ａ），  （ｂ）は、第５の実施形態における半導体製造装置のうちチャンバー内の構成を示す模式図である。本実施形態の半導体製造装置は、チャンバーのほかに光源と照射光学系とを有しているが、これらの構成や配置は第４の実施形態と同様であるので、図示および説明を省略する。
【００８４】
本実施形態の第１のチャンバーの内部では、図６（ａ）に示すように、半導体試料５５を支える試料台５４と、試料台５４の傾きを変化させるために設けられ、互いに独立して長さの調整が可能な２本の支持部５９ａ，  ５９ｂと、支持部５９ａ，  ５９ｂを支える回転台５８と、回転台５８の上に設けられた赤外線吸収材５６とが設けられている。試料台５４は、一旦半導体試料５５を通過した光が反射しないように、中央が開口するドーナツ形状を有している。また、赤外線吸収材５６は、試料台５４の開口を通過した光が、回転台５８の上面に到達して半導体試料５５の方へ反射するのを防止するために設けられている。
【００８５】
本実施形態の第１の半導体製造装置では、支持部５９ａ，  ５９ｂの高さを調整することにより、半導体試料５５の傾きを変化させることができる。これにより、半導体試料５５に対して光が入射する角度を変化させることができる。したがって、半導体試料５５の上面に対する法線方向から光を照射した場合に影となる領域にも、光を照射することができる。例えば、半導体試料５５のうちゲート電極（図示せず）の下に位置する領域などにも光を照射することができる。また、半導体試料５５を支える試料台５４が回転台５８の上に設けられているので、半導体試料５５に対して光を照射する向きを変化させることができ、照射の均一性を高めることができる。
【００８６】
本実施形態の第２の半導体製造装置では、図６（ｂ）に示すように、チャンバー６３の側面の一部に窓６７が設けられており、チャンバー６３の内部には、窓６７から入射した光を半導体試料６５の方へ反射させるための反射鏡７０が設けられている。
【００８７】
チャンバー６３内には、反射鏡７０のほかに、回転台６８と、回転台６８の上に設けられた赤外線吸収材６６と、回転台６８の縁部のうちの一部の上に設けられた支持部６９ａ，  ６９ｂと、支持部６９ａ，  ６９ｂの先端部上に設置され、半導体試料６５の縁部を支える試料台６４とが設けられている。試料台６４は、半導体試料６５を通過した光が反射しないように、中央が開口するドーナツ形状を有している。また、赤外線吸収材６６は、試料台６４の開口を通過した光が、回転台６８の上面に到達して半導体試料６５の方に反射するのを防止するために設けられている。
【００８８】
本実施形態の第２の半導体製造装置では、反射鏡７０の角度を調整することにより、半導体試料６５に対して光が入射する角度を変化させることができる。したがって、半導体試料６５の上面に対する法線方向からの光を照射した場合に影となる領域にも光を照射することができる。例えば、半導体試料６５のうちゲート電極（図示せず）の下に位置する領域などにも光を照射することができる。また、半導体試料６５を支える試料台６４が回転台６８の上に設けられているので、半導体試料６５に対して光を照射する向きを変化させることができ、照射の均一性を高めることができる。
【００８９】
【発明の効果】
本発明の半導体装置の製造方法および半導体製造装置では、不純物注入領域における不純物の濃度を低下させることなく、接合深さを浅く保つことができる。つまり、不純物注入領域における拡散抵抗の上昇を伴うことなく、接合深さを浅くすることができる。さらに、ゲート電極と不純物注入領域とのオーバーラップ量を簡便に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態において、シリコン基板中に不純物注入領域を形成し、不純物を活性化する工程を示す断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態におけるシリコン基板の不純物の状態を示す模式図であり、（ｄ）〜（ｆ）は、第１の実施形態におけるシリコン基板の不純物の状態を示すグラフ図である。
【図３】第２の実施形態における半導体装置を形成する工程を示す断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、第３の実施形態において、シリコン基板中に不純物注入領域を形成し、不純物を活性化する工程を示す断面図である。
【図５】第４の実施形態における半導体製造装置の構成を示す模式図である。
【図６】（ａ），  （ｂ）は、第５の実施形態における半導体製造装置のうちチャンバー内の構成を示す模式図である。
【図７】（ａ），  （ｂ）は、従来において、ＲＴＡ処理を用いて不純物を活性化する工程を示す断面図であり、（ｃ）は、ランプアニールの前後における不純物のプロファイルを示すグラフ図である。
【符号の説明】
１      シリコン基板
２      砒素イオン
３      不純物注入領域
４      ランプ光
５      パルス赤外レーザー光
１０ａ    不活性な不純物
１０ｂ    活性な不純物
１１      シリコン基板
１２      ゲート絶縁膜
１３      ゲート電極
１４      砒素イオン
１５      ソース・ドレインエクステンション領域
１６      素子分離用絶縁膜
１７      ランプ光
１８      パルス状赤外レーザー光
１９      サイドウォール
２０      リンイオン
２１      ソース・ドレイン領域
２２      ランプ光
２３      パルス状赤外レーザー光
３１      シリコン基板
３２      ゲート絶縁膜
３３      ゲート電極
３４      砒素イオン
３５      ソース・ドレインエクステンション領域
３６      素子分離用絶縁膜
３７      ランプ光
３８      パルス状赤外レーザー光
４１      光源
４２      パルス状赤外レーザー光
４２      照射光学系
４３      チャンバー
４４      試料台
４５      半導体試料
４６      赤外線吸収材
４７      窓
５３      チャンバー
５４      試料台
５５      半導体試料
５６      赤外線吸収材
５８      回転台
５９ａ    支持部
５９ｂ    支持部
６３      チャンバー
６４      試料台
６５      半導体試料
６６      赤外線吸収材
６７      窓
６８      回転台
６９ａ    支持部
６９ｂ    支持部
７０      反射鏡
【図１】
2004356322.tif 000003
【図２】
2004356322.tif 000004
【図３】
2004356322.tif 000005
【図４】
2004356322.tif 000006
【図５】
2004356322.tif 000007
【図６】
2004356322.tif 000008
【図７】
2004356322.tif 000009