(57)【要約】【課題】  浅い不純物注入領域の形成に適したイオン注入方法を提供する。【解決手段】  注入すべき不純物のイオンを含み、加速エネルギ５ｋｅＶ以下のエネルギで加速されたイオンビームを得る。このイオンビームをビームラインの内部空洞に入射し、入射したイオンビームを、その内部空洞内に配置された静電レンズで収束させる。収束されたイオンビームを、単結晶の半導体基板に、半導体基板を構成する元素からなるアモルファス層を介すことなく照射し、半導体基板にイオンを注入する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
注入すべき不純物のイオンを含み、加速エネルギ５ｋｅＶ以下のエネルギで加速されたイオンビームを得る工程と、
前記イオンビームをビームラインの内部空洞に入射し、入射したイオンビームを該内部空洞内に配置された静電レンズで収束させる工程と、
収束された前記イオンビームを、単結晶の半導体基板に、該半導体基板を構成する元素からなるアモルファス層を介すことなく照射し、該半導体基板にイオンを注入する工程とを有するイオン注入方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン注入方法に関し、特に低エネルギのイオンビームを用いたイオン注入方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＭＯＳ型半導体集積回路装置の高集積化にともなって、ショートチャネル効果によるＭＯＳトランジスタの性能低下、ドレイン電流の低下、閾値ずれ等が問題になっている。ショートチャネル効果を抑制するためには、ソース及びドレイン領域を浅く形成することが有効である。ソース及びドレイン領域を浅く形成するために、イオン注入に用いるイオンビームの低エネルギ化が望まれている。
【０００３】
低エネルギでイオン注入を行う場合には、イオンビームの電流量の減少により、単位注入量あたりの処理時間が長くなる。処理時間の増加を回避するためには、低エネルギのイオンビームの電流量を増加させる必要がある。電流量を増加させると、空間電荷効果によりイオンビームが発散し易くなる。イオンビームの発散を防止するために、ビームラインに静電レンズを配置してビームを収束させる方法が提案されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明者らは、静電レンズを用いて低エネルギのイオンビームを収束させ、イオン注入を行ったところ、浅いソース及びドレイン領域を形成するには不十分であることがわかった。
【０００５】
本発明の目的は、浅い不純物注入領域の形成に適したイオン注入方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一観点によると、注入すべき不純物のイオンを含み、加速エネルギ５ｋｅＶ以下のエネルギで加速されたイオンビームを得る工程と、前記イオンビームをビームラインの内部空洞に入射し、入射したイオンビームを該内部空洞内に配置された静電レンズで収束させる工程と、収束された前記イオンビームを、単結晶の半導体基板に、該半導体基板を構成する元素からなるアモルファス層を介すことなく照射し、該半導体基板にイオンを注入する工程とを有するイオン注入方法が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
５ｋｅＶ以下のエネルギのイオンビームを用いることにより、浅い注入を行うことができる。静電レンズでイオンビームを収束するため、イオンビームの発散による注入量の減少を抑制できる。また、アモルファス層の形成されていない結晶基板を使用すると、静電レンズを用いても、用いない場合とほぼ同等の不純物分布を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の実施例を説明する前に、本願発明者らが行ったイオン注入の評価実験及びその結果について説明する。
【０００９】
図１は、イオン注入の評価実験で用いたイオン注入装置の概略図を示す。なお、このイオン注入装置の構成は、本発明の実施例によるイオン注入装置の構成と基本的に同一であり、図１は、実施例の説明においても参照される。
【００１０】
図１に示すように、イオン注入装置は、イオンビーム発生部１０、質量分析器２０、ビームライン３０、及びイオン注入室４０により構成される。イオンビーム発生部１０の内部にはイオン源１１及び取出電極１２が配置されている。イオン源１１は、基板に注入すべき不純物元素のイオンを発生する。イオン源１１内に発生したイオンが、取出電極１２により外部に取り出され、イオンビームが形成される。イオンビーム発生部１０の内部は、真空ポンプ１３により約１×１０−３Ｔｏｒｒまで真空排気される。
【００１１】
イオンビーム発生部１０から出射したイオンビームは、質量分析器２０に入射する。質量分析器２０は、偏向電磁石を含んで構成され、入射したイオンビームから所望の質量及び運動エネルギを持ったイオンのみを抽出し、所望のイオンからなる運動エネルギの揃ったイオンビームを出射する。
【００１２】
質量分析器２０から出射したイオンビームは、ビームライン３０の入射端近傍に配置されたアパーチャ３５を通過し、内部空洞内に入射する。ビームライン３０の内部空洞内に、静電レンズ３１が配置されている。ビームライン３０の側壁は接地されており、静電レンズ３１には、直流電圧３２により負電圧が印加されている。
【００１３】
ビームライン３０内を進行するイオンビームは、静電レンズ３１に入射するときに一旦加速されるとともに収束作用を受ける。静電レンズ３１内を進行する間にイオンビームが収束する。収束したイオンビームは、静電レンズ３１から出射するときに、減速されてもとのエネルギに戻るとともに、発散作用を受ける。全体として収束作用の方が強く、イオンビームは静電レンズ３１を通過することにより収束される。
【００１４】
静電レンズ３１よりも下流側のビームライン３０の側壁にプラズマ発生手段３３が取り付けられている。プラズマ発生手段３３は、ＡｒやＸｅのプラズマ３３ａを発生させ、イオンビームが通過する部分の近傍の空間と接地電位との間を電気的に接続する。これにより、イオンビームが通過する部分の近傍の空間に電子が滞留し、この空間が電気的に中和される。この領域に滞留する電子は、イオンが注入されて正に帯電した基板表面に引きつけられ、基板の帯電を防止する。
【００１５】
ビームライン３０から出射したイオンビームは、イオン注入室４０内に入射する。イオン注入室４０内は、真空ポンプ４１により１×１０−５〜１×１０−４Ｔｏｒｒまで真空排気される。イオン注入室４０内には、イオン注入すべき基板４２を保持する基板保持機構４３が配置されている。基板保持機構４３は、入射したイオンビームが基板４２に照射されるように、基板４２を保持する。基板保持機構４３は、複数の基板をある円周に沿って保持し、その円周に沿って周回運動させる。周回運動する基板４２がイオンビームの照射位置を横切るときに、当該基板にイオンが注入される。
【００１６】
図５は、図１に示すイオン注入装置を用いてシリコン基板にボロンイオン（Ｂ＋）を注入したときの深さ方向の不純物濃度分布を示す。加速エネルギは５ｋｅＶ、ドーズ量は１×１０１５ｃｍ−２である。図中の実線ａ５は、図１の静電レンズ３１に−１５ｋｅＶの電圧を印加した場合、実線ｂ５は、静電レンズ３１に電圧を印加しなかった場合を示す。なお、シリコン基板として、イオン注入前に表面層をプリアモルファス化したものを用いた。プリアモルファス化は、Ｇｅ＋イオンを加速エネルギ４０ｋｅＶ、ドーズ量５×１０１４ｃｍ−２の条件、及び加速エネルギ８０ｋｅＶ、ドーズ量１×１０１５ｃｍ−２の条件でイオン注入することにより行った。
【００１７】
静電レンズ３１を機能させた場合には、静電レンズ３１を機能させなかった場合に比べて、深さ５０ｎｍよりも深い領域におけるボロン濃度が高くなっていることがわかる。深い領域におけるボロン濃度が高くなる理由は、以下のように考察される。
【００１８】
静電レンズ３１で一旦加速されたイオンのうち一部のイオンは、ビームライン３０内に滞留するガスの影響により中性のボロン原子になる。中性になったボロン原子は、静電レンズ３１から出射するときに減速されない。このため、所望のエネルギよりも高いエネルギを有するボロン原子が、基板４２に直接注入されることになる。高エネルギのボロン原子の注入により、深い領域におけるボロン濃度が高くなったものと考えられる。
【００１９】
次に、上記課題を解決するための第１の実施例について説明する。図１は、第１の実施例によるイオン注入装置の概略図を示す。ビームライン３０に真空ポンプ３４が取り付けられている。真空ポンプ３４は、例えばターボ分子ポンプである。その他の構成は、上記評価実験で使用したイオン注入装置と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００２０】
上記評価実験の場合には、ビームライン３０の内部空洞内の圧力が約１．３×１０−５Ｔｏｒｒであったのに対し、第１の実施例の場合には、その圧力が１．７×１０−６Ｔｏｒｒであった。静電レンズ３０が配置されている空間の真空度を高くしているため、そこを通過するインビームが、その空間に滞留するガスの影響を受けにくい。このため、イオンが電気的に中性になりにくいと考えられる。
【００２１】
図２は、第１の実施例によるイオン注入装置を使用してイオン注入を行った場合の基板深さ方向に関するボロン濃度分布を示す。なお、イオン注入の条件は、上記評価実験の場合と同様である。実線ａ２は、静電レンズ３１に−１５ｋＶの電圧を印加した場合を示し、実線ｂ２は、静電レンズ３１を機能させなかった場合を示す。図５の場合に比べて、静電レンズ３１を機能させた場合の、深さ５０ｎｍよりも深い領域におけるボロン濃度が減少しており、静電レンズ３１を機能させなかった場合に近づいていることがわかる。
【００２２】
このように、静電レンズ３１が配置されたビームライン３０に真空ポンプを取り付け、その内部の真空度を高めることにより、低エネルギのイオンビームを用いた浅い注入を行うことが可能になる。上記第１の実施例では、静電レンズ３１が配置された空間を約１．７×１０−６Ｔｏｒｒまで真空排気したが、圧力を５×１０−６Ｔｏｒｒ以下とすることにより、上記効果が得られるであろう。
【００２３】
静電レンズ３１を通過して減速された後は、イオンが中性になってもその運動エネルギは変化しない。このため、静電レンズ３１よりも下流側の空間の真空度は、静電レンズ３１が配置された位置における真空度より悪くしておいてもよい。従って、イオンビームの近傍の空間を電気的に中和するためのプラズマ発生手段を、静電レンズ３１及び真空ポンプ３４が取り付けられた位置よりも下流側に取り付けることが好ましい。
【００２４】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。上記評価実験では、静電レンズ３１に印加する電圧を−１５ｋＶとしたが、第２の実施例では、−５．５ｋＶとする。その他の条件は、上記評価実験の場合と同様である。
【００２５】
図３は、第２の実施例による方法でイオン注入を行った場合の基板深さ方向に関するボロン濃度分布を示す。図中の実線ａ３は、第２の実施例による方法でイオン注入を行った場合、実線ｂ３は、静電レンズ３１に電圧を印加しなかった場合を示す。両者のボロン濃度分布には、ほとんど差異が認められない。これは、静電レンズ３１により一旦加速されたイオンが中性原子となり、そのままのエネルギで基板に注入されたとしても、そのエネルギは高々所望のエネルギの２倍程度であり、不純物濃度分布に大きな影響を与えないためと考えられる。
【００２６】
第２の実施例では、静電レンズ３１に印加する電圧を−５．５ｋＶとし、当初のイオンビームのエネルギ５ｋｅＶの約２倍程度まで加速する場合を説明した。不純物濃度分布に大きな影響を与えないようにするためには、静電レンズ３１により一旦加速された後のイオンビームのエネルギが、加速前のイオンビームのエネルギの３倍以下となるようにすることが好ましく、２．５倍以下となるようにすることがより好ましい。
【００２７】
上記評価実験、第１及び第２の実施例では、イオンを注入すべき基板の表面層をプリアモルファス化した場合について説明した。次に、プリアモルファス化を行わない第３の実施例について説明する。
【００２８】
低エネルギのイオンビームを用い、浅い領域にイオン注入を行う場合には、チャネリング効果により不純物が深い領域まで到達することを防止するために、イオン注入前に、単結晶半導体基板の表面層の結晶構造を壊しておくプリアモルファス化が行われる。しかし、プリアモルファス化を行うと、図５に示したように、不純物濃度分布が静電レンズによる影響を受けやすくなる。
【００２９】
図４は、プリアモルファス化を行わずシリコン基板にボロンイオンの注入を行った場合の、深さ方向のボロン濃度分布を示す。図中の実線ａ４は、図１に示す静電レンズ３１に−１５ｋｅＶの電圧を印加した場合、実線ｂ４は、静電レンズ３１を機能させなかった場合を示す。なお、真空ポンプ３４によるビームライン３０内の真空排気は行わなかった。
【００３０】
静電レンズ３１を機能させた場合と機能させない場合とで、ボロン濃度分布に有為な差は見られなかった。すなわち、プリアモルファス化しない結晶基板にイオン注入を行う場合には、不純物濃度分布は静電レンズによる影響を受けにくい。
【００３１】
従って、静電レンズにより収束されたイオンビームを、単結晶の半導体基板に、その半導体基板を構成する元素からなるアモルファス層を介すことなく照射することにより、静電レンズによる悪影響を受けることなく、イオン注入を行うことができる。この場合、プリアモルファス化を行う場合に比べて深い領域まで不純物が分布するが、プリアモルファス化の工程を行わないため、工程数の減少による生産性の向上を図ることが可能になる。なお、浅い領域にイオンを注入する場合には、イオンビームのエネルギを５ｋｅＶ以下とすることが好ましい。
【００３２】
上記実施例では、シリコン基板にボロンイオンの注入を行う場合について説明したが、シリコン以外の半導体基板を用いてもよいし、ボロン以外のイオンを用いてもよい。例えば、基板としてＳｉＧｅ基板、あるいはＳｉ基板表面上にＳｉＧｅ層をエピタキシャル成長させた基板を用いてもよい。また、注入すべき不純物イオンとして、Ａｓ＋、Ｐ＋、ＢＦ２＋を用いてもよい。
【００３３】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施例によるイオン注入装置及び評価実験で用いたイオン注入装置の概略図である。
【図２】第１の実施例による方法でイオン注入を行った場合の、基板の深さ方向に関するボロン濃度分布を示すグラフである。
【図３】第２の実施例による方法でイオン注入を行った場合の、基板の深さ方向に関するボロン濃度分布を示すグラフである。
【図４】第３の実施例による方法でイオン注入を行った場合の、基板の深さ方向に関するボロン濃度分布を示すグラフである。
【図５】イオン注入の評価実験結果を説明するための、基板の深さ方向に関するボロン濃度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１０イオンビーム発生部
１１イオン源
１２取出電極
１３、３４、４１真空ポンプ
２０質量分析器
３０ビームライン
３１静電レンズ
３２直流電源
３３プラズマ発生手段
４０イオン注入室
４２基板
４３基板保持手段
【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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