(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
４９ＢＦ２イオンと１１Ｂイオンを用いたＭＯＳトランジスタのｐ＋ソース／ドレイン領域におけるイオン注入工程において、
ゲート電極とスペーサを形成後、シリコン基板の前記ｐ＋ソース／ドレイン領域に２０ｋｅＶのイオン注入エネルギー、１×１０１５イオン／ｃｍ２のドーズ量で前記４９ＢＦ２をイオン注入する第１ステップと、
前記ｐ＋ソース／ドレイン領域に５ｋｅＶのイオン注入エネルギー、１×１０１５イオン／ｃｍ２のドーズ量で前記１１Ｂイオンを注入する第２ステップと、
熱処理を実施して前記ｐ＋ソース／ドレイン領域を形成する第３ステップとを含んでなることを特徴とする半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、半導体製造技術に係り、特に、半導体素子の製造工程の中、ＭＯＳトランジスタ形成工程に関し、さらに詳細にはｐ＋ソース／ドレインイオン注入工程に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体メモリを始めとする半導体素子は、多数のＭＯＳトランジスタを含んでなり、ＭＯＳトランジスタの特性によって、素子の動作特性が大きく左右される。一方、ほとんど全ての製造工程がＭＯＳトランジスタの特性に影響を及ぼし得ると言えるが、その中でもソース／ドレインを形成するためのソース／ドレインイオン注入工程は、ＭＯＳトランジスタの特性を決定する核心工程と言える。
【０００３】
図１及び図２は、従来の技術による半導体素子のＭＯＳトランジスタの形成工程を示すものであって、以下、これを参照しながら説明する。
従来の技術によれば、まず図１に示すように、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）工程を実施してシリコン基板１に素子分離膜２を形成し、高エネルギーイオン注入を介して、シリコン基板１にｐ−ＷＥＬＬ（図示せず）及びｎ−ＷＥＬＬ３を形成した後、通常のゲート形成工程を実施してゲート酸化膜４及びゲート電極５を形成する。この場合、ゲート電極５上部には、マスク酸化膜６が形成され、ゲート電極５の側壁には、酸化膜／窒化膜スペーサ７が形成される。
符号８は、ｐ＋ソース／ドレインイオン注入マスク形成工程で形成された、ｐ＋ソース／ドレイン領域を選択的にオープンさせるフォトレジストパターンである。
【０００４】
次いで、図２に示すように、フォトレジストパターン８をイオン注入マスクに用いてｐ＋ソース／ドレイン領域に７３Ｇｅイオン注入を実施して、その領域をまず非晶質層（ｐｒｅ−ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｌａｙｅｒ）化し、１１Ｂイオン注入を実施する。以後、フォトレジストパターン８を除去し、ｎ＋ソース／ドレインイオン注入工程及び後続工程を進行する。符号９は、所定の熱処理を実施して形成されたｐ＋ソース／ドレインを示すものである。ここで、ｐ＋ソース／ドレインイオン注入の際に７３Ｇｅイオン注入を実施して、まず非晶質層を形成することは、イオン注入の際のチャネリング現象を防止するためのものであって、近来にはドーパントとして１１Ｂイオンに代えて分子量が大きい４９ＢＦ２イオンを用いることによって、非晶質化のための７３Ｇｅイオン注入を省略している。
【０００５】
一方、半導体素子の超高集積化によるコンタクト孔のサイズの減少によって、コンタクト抵抗が増加しており、ビットラインコンタクト、または金属コンタクト工程を実施する場合、このようなコンタクト抵抗を減らすための方策として、コンタクト孔の形成後、露出されたソース／ドレインに対して追加的なドーパントイオン注入を実施している。特に、ｐ＋ソース／ドレインコンタクト抵抗は、ドーパントである１１Ｂイオンの低い固溶限界（ｓｏｌｉｄ  ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ）（シリコンに対する固溶限界がｎ型ドーパントである３１Ｐや７５Ａｓに比べて、同じ温度で約１桁（ｏｒｄｅｒ）程度低い）によって、抵抗（面抵抗及びコンタクト抵抗）問題が常に提起されており、コンタクト領域のみに局部的に追加的な４９ＢＦ２イオン注入を実施している。
このような追加的な４９ＢＦ２イオン注入を実施することにより、抵抗特性を改善することができるが、これも１１Ｂイオンのシリコンに対する固溶限界が極めて低いため、その改善度に限界があり、むしろＥＯＲ（ｅｎｄ  ｏｆ  ｒａｎｇｅ）欠陥を過度に誘発して、漏れ電流を増加させる問題点を誘発している。
【０００６】
図３は、ｐ＋ソース／ドレインと金属のコンタクト部分の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真であって、ｐ＋ソース／ドレインイオン注入及び追加的な４９ＢＦ２イオン注入により、ｐ＋ソース／ドレイン２０にＥＯＲ欠陥（ｐ＋ソース／ドレイン２０で周囲に比べて黒く現れた部分）２２が多く発生した状態を示している。符号２１は、金属コンタクトを示すものである。
一方、４９ＢＦ２イオン注入の場合には、Ｆイオンのイオン注入ドーズ（ｄｏｓｅ）が常にＢイオンの２倍となるが、Ｆイオンは、ＢイオンのＴＥＤ（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）を抑制する効果があるので、浅い接合（ｓｈａｌｌｏｗ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を得るのに役に立つ長所を有する。しかし、このＦイオンの量が多すぎる場合、Ｂイオンの活性化（ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ）を抑制することになって、むしろコンタクト抵抗を増加させる問題がある。
【０００７】
このような、ｐ＋ソース／ドレイン形成のための４９ＢＦ２単独イオン注入の問題点を解決するため、ｐ＋ソース／ドレインイオン注入の際に、まず最初に４９ＢＦ２イオン注入を実施し、次に１１Ｂイオン注入を実施する技術が提案された。
【０００８】
図４は、ｐ＋ソース／ドレイン形成のための４９ＢＦ２／１１Ｂ混合イオン注入を適用したもので、４９ＢＦ２のドーズ量制御によるコンタクト領域ドーパント活性化率（ｄｏｐａｎｔ  ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ  ｒａｔｉｏ）をＢＦ２単独イオン注入の際と比較して示した図であって、二つのイオン注入工程で用いられるＢの総ドーズは、同じにもかかわらず、ドーパント活性化に寄与するキャリア（ｃａｒｒｉｅｒ）の濃度（ＳＲＰ、ｓｐｒｅａｄｉｎｇ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｐｒｏｆｉｌｅ）を比較すれば、ＢＦ２／Ｂ混合イオン注入（ｍｉｘｅｄ）は、コンタクトが形成される領域である２００ないし６００Åの深さで、１０２０イオン／ｃｍ３以上であるに対し、ＢＦ２単独イオン注入（ＢＦ２  ｏｎｌｙ）は、３ないし５×１０１９イオン／ｃｍ３程度である。公知のように、１０１９イオン／ｃｍ３以上のドーパント濃度では、オーミックコンタクト（ｏｈｍｉｃ  ｃｏｎｔａｃｔ）が得られるが、１０２０イオン／ｃｍ３以上のドーパント濃度を有する場合には、電界放出トンネルリングコンタクト（ｆｉｅｌｄ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｃｏｎｔａｃｔ）の形成が可能であり、図５に示すように変化（ｖａｒｉａｔｉｏｎ）が少ないコンタクト抵抗（Ｒｃ）特性を有することになる。図５は、ＢＦ２／Ｂ混合イオン注入とＢＦ２単独イオン注入によるコンタクト抵抗（Ｒｃ）特性図であって、各々０．２μｍサイズのコンタクト孔に対する抵抗値を測定した結果を示したものである。
【０００９】
一方、図６は、ＢＦ２単独イオン注入を実施して、形成されたｐ＋ソース／ドレインの透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真であり、図７はＢＦ２／Ｂ混合イオン注入を介して形成されたｐ＋ソース／ドレインのＴＥＭ写真である。両図面を比較すれば、ＢＦ２／Ｂイオン注入を用いた場合、質量が少ない１１Ｂイオンを適用することにより、ＥＯＲ欠陥が大きく減ることが明らかである。
図面において、周囲に比べて黒く示された部分がＥＯＲ欠陥である。
【００１０】
一般に、ＢＦ２やＢのイオン化のためには、ＢＦ３ガスを用いるが、同じイオン注入エネルギーでは、ＢＦ２のイオン化よりはＢのイオン化が容易である。
したがって、図８に示すホウ素のビームスペクトラムに示されたようにイオン注入エネルギー（５０ｋｅＶ）では、ＢイオンのビームカレントがＢＦ２イオンに比べて大きい。
参考に、ＢＦ３ガスを分解すれば、１１Ｂ＋、１０Ｂ＋、１９Ｆ＋、３０ＢＦ＋、４９ＢＦ２＋などが生成され、この中、１１Ｂ＋と１０Ｂ＋とは同位元素（ｉｓｏｔｏｐｅ）である。
【００１１】
図９は、イオン注入エネルギーによる１１Ｂと４９ＢＦ２のイオンビームカレント特性を示すものであって、４９ＢＦ２の場合、浅い接合（ｓｈａｌｌｏｗ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を得るためのイオン注入エネルギーが通常に１０ないし２０ｋｅＶ程度であるため、１１ｍＡ程度の高いイオンビームカレントが得られるのに対し、１１Ｂの場合、４９ＢＦ２イオン注入の際と同等な飛程（ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  ｒａｎｇｅ、Ｒｐ）を得るためには、その質量比（分子量比）に比例する３ないし４．５ｋｅＶのイオン注入エネルギーとなるが、その領域で１１Ｂのイオンビームカレント特性が急激に落ちることが分る。
【００１２】
上述したＢＦ２／Ｂ混合イオン注入工程は、ＢＦ２単独イオン注入工程に比べてコンタクト抵抗、ＥＯＲ欠陥側面で優ぐれた特性が得られるが、浅い接合を得るためのイオン注入エネルギー領域におけるホウ素（Ｂ）の低いビームカレント特性のため、ＢＦ２単独イオン注入工程に比べて生産性（ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）が落ちる問題点があった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記のような従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであって、ＢＦ２／Ｂ混合イオン注入を利用したｐ型ソース／ドレイン形成の際に、生産性を確保し得る半導体素子の製造方法を提供することにその目的がある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の技術的課題を達成するための本発明の半導体素子の製造方法は、４９ＢＦ２イオンと１１Ｂイオンを用いたＭＯＳトランジスタのｐ＋ソース／ドレイン領域におけるイオン注入工程において、ゲート電極とスペーサを形成後、シリコン基板の前記ｐ＋ソース／ドレイン領域に２０ｋｅＶのイオン注入エネルギー、１×１０１５イオン／ｃｍ２のドーズ量で前記４９ＢＦ２をイオン注入する第１ステップと、前記ｐ＋ソース／ドレイン領域に５ｋｅＶのイオン注入エネルギー、１×１０１５イオン／ｃｍ２のドーズ量で前記１１Ｂイオンを注入する第２ステップと、熱処理を実施して前記ｐ＋ソース／ドレイン領域を形成する第３ステップとを含んでなることを特徴とする。
【００１５】
本発明の、ＢＦ２／Ｂ混合イオン注入において、ＢＦ２イオン注入は１０ないし２０ｋｅＶのイオン注入エネルギーを用いて、Ｂイオン注入は５ないし１０ｋｅＶのイオン注入エネルギーを用いて実施する。
１０ないし２０ｋｅＶのイオン注入エネルギーによるＢＦ２の飛程（Ｒｐ）に対応するホウ素（Ｂ）のイオン注入エネルギーは、３ないし４．５ｋｅＶである。本発明では、このイオン注入エネルギーより高い５ないし１０ｋｅＶのイオン注入エネルギーを用いてＢイオン注入を実施することによって、イオンビームカレントの増大による生産性改善を図る。
この値は、浅い接合の形成を阻害しない範囲を得るために重ねた実験の結果であり、この値を適用してｐ＋ソース／ドレインイオン注入を実施しても、欠陥特性及びコンタクト抵抗特性面での低下はなかった。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照しながら説明する。
図１０及び図１１は、本発明の一実施例による半導体素子のトランジスタ形成工程を示すものである。
【００１７】
本実施例によれば、まず図１０に示すように、ＳＴＩ工程を実施してシリコン基板２１に素子分離膜２２を形成し、高エネルギーイオン注入を実施してシリコン基板２１にｐ−ＷＥＬＬ（図示せず）及びｎ−ＷＥＬＬ２３を形成した後、通常のゲート形成工程を実施してゲート酸化膜２４及びゲート電極２５を形成する。この場合、ゲート電極２５の上部には、マスク酸化膜２６が形成され、ゲート電極２５の側壁には、酸化膜／窒化膜スペーサ２７が形成される。
符号２８は、ｐ＋ソース／ドレインイオン注入マスク形成工程で形成された、ｐ＋ソース／ドレイン領域を選択的にオープンさせるフォトレジストパターンである。この場合、酸化膜／窒化膜のスペーサ２７の厚さを従来に比べて厚くすることによって、４９ＢＦ２イオン注入及び１１Ｂイオン注入の適用による電流特性（Ｉｄｓａｔ）の改善（表面抵抗減少）により引き起こされ得るＰＭＯＳパンチスル−（ＰＵＮＣＨ  ＴＨＲＯＵＧＨ）問題に対処しておく方が望ましい。
【００１８】
次いで、図１１に示すように、フォトレジストパターン２８をイオン注入マスクとして用いて、ソース／ドレイン領域に４９ＢＦ２イオン注入及び１１Ｂイオン注入を順に実施する。
以後、フォトレジストパターン２８を除去し、ｎ＋ソース／ドレインイオン注入工程及び後続工程を実施する。符号２９は、所定の熱処理を介して形成されたｐ＋ソース／ドレインを示す。
【００１９】
この場合、ｐ＋ソース／ドレインの総イオン注入ドーズ量の目標値から４９ＢＦ２イオン注入ドーズ量を引いた値を１１Ｂイオン注入ドーズ量に設定し、４９ＢＦ２イオン注入の際に１０ないし２０ｋｅＶのイオン注入エネルギーを用いて、浅い接合形成を図り、１１Ｂイオン注入の際には、５ないし１０ｋｅＶのイオン注入エネルギーを用いる。一方、ＢＦ２イオン注入の際のドーズ量は、１×１０１５イオン／ｃｍ２ないし２×１０１５イオン／ｃｍ２、Ｂイオン注入の際のドーズ量は、２×１０１５イオン／ｃｍ２ないし１×１０１５イオン／ｃｍ２にする。
上述したように本発明では、１１Ｂイオン注入の際のイオン注入エネルギーを４９ＢＦ２の質量比（分子量比）に対応する３ないし４．５ｋｅＶに比べて、増加させた。但し、１１Ｂイオン注入の際にイオン注入エネルギーの増加程度は、ｐ＋ソース／ドレイン接合の深さを大きく増加させない範囲に制限すべきであり、このような条件を満足する範囲を検索するための重ねた実験の結果として、５ないし１０ｋｅＶの１１Ｂイオン注入エネルギー範囲を得ることができた。
【００２０】
図１２は、ｐ＋ソース／ドレインイオン注入条件による後続熱処理後の面抵抗（Ｒｓ）値とＲｓのウェーハ面内分布（ｍａｐ）、及び、サマールウェーブ（Ｔｈｅｒｍａｌ  ｗａｖｅ、ＴＷ）値及びＲｓ値を示すものであって、２０ｋｅＶのイオン注入エネルギーと２×１０１５イオン／ｃｍ２のドーズ条件を用いたｐ＋ソース／ドレインイオン注入（従来の技術１）と、２０ｋｅＶのイオン注入エネルギーと１×１０１５イオン／ｃｍ２のドーズ条件を用いたＢＦ２イオン注入及び４．５ｋｅＶのイオン注入エネルギーと１×１０１５イオン／ｃｍ２のドーズ条件を用いたＢイオン注入を適用したｐ＋ソース／ドレインイオン注入（従来の技術２）と、２０ｋｅＶのイオン注入エネルギーと１×１０１５イオン／ｃｍ２のドーズ条件を用いたＢＦ２イオン注入及び５．０ｋｅＶのイオン注入エネルギーと１×１０１５イオン／ｃｍ２のドーズ条件を用いたＢイオン注入を適用したｐ＋ソース／ドレインイオン注入（本発明）を各々実施し、ソース／ドレイン急速熱処理（ＲＴＰ、１０００℃で１０秒間実施）工程直後測定したＲｓマップ、Ｒｓ値、Ｒｓ均一度と、工程完了後（キャパシタ形成後、熱処理まで数回熱処理を経た状態）のＲｓマップ、Ｒｓ値、Ｒｓ均一度を各々示している。
【００２１】
図１２を参照すれば、本発明を適用した場合、ソース／ドレインＲＴＰ後及び工程完了後に測定したＲｓ値が各々従来の技術１に比べて低く、従来の技術２と類似した値を示すことが確認でき、Ｒｓ均一度においては、従来の技術１は勿論従来の技術２に比べても優ぐれた結果を示している。また、ｐ＋ソース／ドレインイオン注入の直後に測定したＴＷ値を比較すれば、本発明を適用した場合、従来の技術１に比べてはるかに低く、従来の技術２とほぼ同じＴＷ値を得ることができることを確認できる。これは、本発明を適用する場合、イオン注入による欠陥特性が優ぐれていることを立証している。
【００２２】
図１３は、図１２の３つのイオン注入条件（従来の技術１、従来の技術２、本発明）によるＳＲＰ特性図であって、各々の条件でｐ＋ソース／ドレインイオン注入を行い、数回の熱処理工程を含む素子製造工程を完了した後に測定したシリコン基板表面からの深さと、ドーパント活性化に寄与するキャリアの濃度の関係を示しており、下記の表１に主要指標を数値化して整理した。
【００２３】
【表１】
0004755383.tif 000002
【００２４】
図１３及び表１を参照すれば、本発明を適用した場合、ｎ−ＷＥＬＬとｐ＋ソース／ドレインの接合界面濃度である２×１０１７イオン／ｃｍ３の濃度を有する接合深さが従来の技術１に比べて浅く、従来の技術２とほぼ同じ値であるが、本発明を適用する場合にも浅い接合を保持していることが確認できる。また、キャリア濃度ピーク値及びコンタクト形成領域（２００Å）におけるキャリア濃度にあっても、本発明を適用すれば、電界放出トンネルリングコンタクト形成が可能な１０２０イオン／ｃｍ３以上の値を有することが確認できる。
【００２５】
以上の説明を総合すれば、本発明によってＢＦ２／Ｂ混合イオン注入を実施する場合、ホウ素のイオン注入エネルギー増加によるイオンビームカレントの増大によって、生産性を改善することができる。この場合、本発明で提案するホウ素イオン注入エネルギー範囲（５ないし１０ｋｅＶ）は、実験的に得た浅い接合の形成を阻害しない値であり、この値を適用してｐ＋ソース／ドレインイオン注入を実施しても欠陥特性及びコンタクト抵抗特性の低下はない。
尚、本発明は、本実施例に限られるものではない。本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【００２６】
【発明の効果】
上述した本発明によれば、４９ＢＦ２／１１Ｂ混合イオン注入により得られるコンタクト抵抗減少効果及びＥＯＲ欠陥減少効果をそのまま保持しながら、生産性を確保し得る効果が得られる。現在生産ラインにおいて、イオン注入工程では、イオンビームカレントが１ｍＡ程度増えれば、ウェーハ３枚を処理した場合、１分以上の工程時間が節減されるので、本発明は生産性増大に大きい寄与をすることと期待される。一方、本発明を適用する場合にも、上述したように既存の４９ＢＦ２／１１Ｂイオン注入で得られるコンタクト抵抗減少効果をそのまま得ることができるので、コンタクト孔をオープンした後に、追加的なドーパントイオン注入工程を省略し得るので、工程単純化側面でも長所を保持する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の技術にかかる半導体素子のトランジスタ形成の工程を説明する断面図である。
【図２】従来の技術にかかる半導体素子のトランジスタ形成の工程を説明する断面図である。
【図３】Ｐ＋ソース／ドレインと金属のコンタクト部分の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。
【図４】ｐ＋ソース／ドレイン形成のための４９ＢＦ２／１１Ｂイオン注入及び１１Ｂイオン注入の適用によって、１９Ｆのドーズ量制御によるコンタクト領域ドーパント活性化率（ｄｏｐａｎｔ  ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ  ｒａｔｉｏ）をＢＦ２単独イオン注入の際と比較して示した特性図である。
【図５】ＢＦ２／Ｂイオン注入とＢＦ２単独イオン注入によるコンタクト抵抗（Ｒｃ）の特性図である。
【図６】ＢＦ２単独イオン注入を実施して形成されたｐ＋ソース／ドレインの透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。
【図７】ＢＦ２／Ｂイオン注入を実施して形成されたｐ＋ソース／ドレインのＴＥＭ写真である。
【図８】ホウ素のビームスペクトラムを示す図面である。
【図９】イオン注入エネルギーによる１１Ｂと４９ＢＦ２のイオンビームカレント特性図である。
【図１０】本発明の一実施例にかかる半導体素子のトランジスタ形成の工程を説明する断面図である。
【図１１】本発明の一実施例にかかる半導体素子のトランジスタ形成の工程を説明する断面図である。
【図１２】ｐ＋ソース／ドレインイオン注入条件による後続熱処理後の面抵抗（Ｒｓ）値とＲｓマップ（ｍａｐ）、そしてサマールウェーブ（Ｔｈｅｒｍａｌ  ｗａｖｅ、ＴＷ）値及びＲｓ値を示す図面である。
【図１３】前記図９の３つのイオン注入条件（従来の技術１、従来の技術２、本発明）によるＳＲＰ特性図である。
【符号の説明】
２１      シリコン基板
２２      ｎ−ＷＥＬＬ
２８      フォトレジストパターン
２９      ｐ＋ソース／ドレイン
【図１】
0004755383.tif 000003
【図２】
0004755383.tif 000004
【図３】
0004755383.tif 000005
【図４】
0004755383.tif 000006
【図５】
0004755383.tif 000007
【図６】
0004755383.tif 000008
【図７】
0004755383.tif 000009
【図８】
0004755383.tif 000010
【図９】
0004755383.tif 000011
【図１０】
0004755383.tif 000012
【図１１】
0004755383.tif 000013
【図１２】
0004755383.tif 000014
【図１３】
0004755383.tif 000015