(57)【要約】損傷された半導体皮膜３０８を再結晶化させるための、及び／または低減されたドーパント拡散により半導体皮膜３０８内のドーパントを活性化させるためのガスクラスタ・イオンビーム１２８によるプロセス方法及び本方法によって形成される半導体デバイス。本方法は、例えば結晶性の復元及び／または浅接合を形成するための浅いドーパント・イオン・インプランテーション後のドーパント種の電気的活性化に有効である。本方法の一実施形態では、ガス・クラスタ内へ組み込まれるドーパント原子が半導体３０２の浅いドーピングを生成し、同時的なドーパント原子の電気的活性化及び半導体の再結晶化をもたらす。
2006510196.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質上の結晶半導体基板の表面における損傷された半導体薄膜を再結晶化するための方法であって、
上記事実上の結晶半導体基板を保持するための基板ホルダを含む減圧真空チャンバを供給するステップと、
上記減圧真空チャンバ内で上記事実上の結晶半導体基板を上記基板ホルダ上へ保持するステップと、
ガスクラスタ・イオン・プロセスのためのエネルギーを選択するステップと、
上記減圧真空チャンバ内にガスクラスタ・イオンビームを発生させるステップと、
上記ガスクラスタ・イオンビームを上記選択されたエネルギーへと加速するステップと、
損傷の程度を減らしかつその結晶性を向上させるべく上記膜をプロセスするために、上記加速されるガスクラスタ・イオンビームを上記損傷された半導体薄膜の少なくとも一部上へ、かつ上記少なくとも一部内へ方向づけるステップとを含む方法。
【請求項２】
ワークピースは上記薄膜へ照射損傷を発生させるタイプのイオン照射プロセスを施された半導体基板である請求項１記載の方法。
【請求項３】
上記イオン照射プロセスは分子または原子イオンを使用するイオン・インプランテーションである請求項２記載の方法。
【請求項４】
上記エネルギーを選択するステップは、損傷を減らしかつ結晶性を向上させるための深さを決定するステップをさらに含み、上記深さは約２００オングストローム未満であり、上記ビームは各決定に一致する膜内のレベルに方向づけられる請求項１記載の方法。
【請求項５】
上記方向づけるステップは、上記加速されるクラスタ・イオン・ビームを制御可能式に走査することをさらに含む請求項１記載の方法。
【請求項６】
事実上の結晶半導体基板の表面に重なるドープされた半導体薄膜においてドーパント原子を電気的に活性化させるための方法であって、
上記事実上の結晶半導体基板を保持するための基板ホルダを含む減圧真空チャンバを供給するステップと、
上記減圧真空チャンバ内で上記事実上の結晶半導体基板を上記基板ホルダ上へ保持するステップと、
ガスクラスタ・イオン・プロセスのためのエネルギーを選択するステップと、
上記減圧真空チャンバ内にガスクラスタ・イオンビームを発生させるステップと、
上記ガスクラスタ・イオンビームを上記選択されたエネルギーへと加速するステップと、
上記ドーパント原子の少なくとも一部を電気的に活性化させるために、上記加速されるガスクラスタ・イオンビームを上記ドープされた半導体薄膜の少なくとも一部上へ、かつ上記少なくとも一部内へ方向づけるステップとを含む方法。
【請求項７】
上記半導体薄膜を上記ドーパント原子でドープするために、分子または原子イオン・インプランテーション・プロセスから上記半導体基板を受け取るステップをさらに含む請求項６記載の方法。
【請求項８】
上記エネルギーを選択するステップは、上記ドーパント原子の少なくとも一部を電気的に活性化させるための深さを決定するステップをさらに含み、上記深さは約２００オングストローム未満である請求項６記載の方法。
【請求項９】
上記方向づけるステップは、上記加速されるクラスタ・イオン・ビームを制御可能式に走査することをさらに含む請求項６記載の方法。
【請求項１０】
半導体基板のドープされた超浅表面下領域を形成する方法であって、
上記半導体基板を保持するための基板ホルダを含む減圧真空チャンバを供給するステップと、
上記減圧真空チャンバ内で上記半導体基板を上記基板ホルダ上へ保持するステップと、
ドーパント対非ドーパント・ガス分子または原子の割合を選択するステップと、
ガスクラスタ・イオン・プロセスのためのエネルギーを選択するステップと、
ガスクラスタ・イオン・プロセスのための線量を選択するステップと、
上記減圧真空チャンバ内に、ドーパント及び非ドーパント分子または原子をほぼ上記選択された割合で含むガスクラスタ・イオンビームを発生させるステップと、
上記ガスクラスタ・イオンビームを上記選択されたエネルギーへと加速するステップと、
上記半導体基板の表面の一部をほぼ上記選択された線量のドーパント分子または原子で照射してドープされた超浅表面下領域を形成するために、上記加速されるガスクラスタ・イオンビームを上記半導体基板の表面の一部上へ方向づけるステップとを含む方法。
【請求項１１】
上記エネルギーを選択するステップは、上記超浅表面下領域の深さを決定するステップをさらに含み、上記深さは約２００オングストローム未満である請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
上記選択される割合は約１：１０，０００乃至約１：１の範囲である請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
上記半導体基板の照射される部分におけるドーパントは少なくとも部分的に電気的に活性化される請求項１０記載の方法。
【請求項１４】
上記方向づけるステップは、上記加速されるクラスタ・イオン・ビームを制御可能式に走査することをさらに含む請求項１０記載の方法。
【請求項１５】
一部は請求項１記載の方法によって形成される半導体デバイス。
【請求項１６】
一部は請求項６記載の方法によって形成される半導体デバイス。
【請求項１７】
一部は請求項１０記載の方法によって形成される半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して半導体表面のドーピング及び／または再結晶化に関し、より特定的には、高エネルギー・ガスクラスタ・イオン照射による半導体表面の再結晶化及び高エネルギー・ガスクラスタ・イオン照射による自己アニーリングまたは自己活性化を伴う半導体表面の不純物ドーピングに関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン、ゲルマニウム及びガリウム砒素等の半導体材料及び他の半導体の有効な特徴は、半導体材料の純度及び結晶構造を条件とする。電気特性の変更、電子接合の形成、他を目的として半導体材料へ組み込まれるドーパント原子は、従来のイオン・インプランテーションによって半導体表面へと導入されることが多い。
【０００３】
この従来のイオン・インプランテーション・プロセスの間、イオン化ドーパント原子は結晶性の半導体材料内へ物理的に蒸着されるが、この実行に際して、半導体の結晶格子がインプランテーション・プロセスによって損傷されていくことは周知である。インプラントされるドーパント原子が半導体内部で電気的に活性となって半導体の望ましい結晶性を復元するためには、半導体の結晶格子構造は復元されなければならず、かつインプラントされるドーパント原子は置換により復元された結晶格子内の格子サイトを占有しなければならない。結晶格子の復元及びインプラントされるドーパント原子の電気的活性化をもたらすために典型的に使用されるプロセスは、上昇温度熱アニーリング、パルス・レーザ・ビーム・アニーリング及びパルス電子ビーム・アニーリングを含む。
【０００４】
幾つかの半導体製品にとって、ドーパントを半導体表面へ導入するための重要な要件は、格子の再結晶化及びドーパントの活性プロセスの完了後にドーパントが浸透している最大深さが極浅に、多くの場合僅か数百オングストローム以下に維持されなければならないということである。
【０００５】
従来の超低エネルギー・イオン・インプランテーションを使用すれば、ドーパントのこのような浅い導入は約１０００ｅＶ未満の、または場合によっては２００ｅＶ未満という超低インプランテーション・エネルギーの使用によっても実現可能である。
【０００６】
しかしながら、従来のこのような低エネルギー・インプラントが周知の先行技術によって再結晶化または活性化される場合、浅いドーパント原子の拡散はドーパント原子をより深く再分布させ、よって望ましいものより深い接合を形成させる結果となる。
【０００７】
ガスクラスタ・イオンビーム（ＧＣＩＢ）を使用する表面のエッチング、クリーニング及びスムージングは、技術上周知である（例えばデグチ他の米国特許第５，８１４，１９４号参照）。本論の目的に添って、ガスクラスタは、標準温度及び標準気圧の条件下で気体である物質のナノサイズの集合体である。このようなクラスタは、千、二千乃至数千個に達する分子による結合の緩い、またはより結合のきつい集合体より成る可能性がある。クラスタは、電子ボンバードメントまたは他の手段によってイオン化されることが可能であり、制御可能なエネルギーの配向されたビームへと形成されることが可能にされる。
【０００８】
このようなイオンは各々、典型的にはｑ・ｅの正電荷を帯びる（但し、ｅは電子の電荷の大きさであり、ｑはクラスタ・イオンの電荷状態を表す１乃至５，６程度までの整数である）。より大きいサイズのクラスタは、クラスタ・イオン当たりでかなりのエネルギーを運ぶその能力に起因して最も有効である場合が多いが、それでも分子単位ではそこそこのエネルギーしか保有しない。クラスタは衝撃で壊変され、個々の分子は各々、クラスタの合計エネルギーの僅かな部分しか運ばない。その結果、大きなクラスタの衝撃による影響は甚大であるが、極めて浅い表面領域に限定される。これはイオン・クラスタを、従来のイオン・ビーム・プロセスに特徴的な表面下のより深い損傷をもたらす傾向のない、様々な表面改質プロセスにとって有効なものにする。
【０００９】
このようなＧＣＩＢを生成しかつ加速するための手段は、先に引用した引例（米国特許第５，８１４，１９４号）に説明されている。現時点で入手可能なイオン・クラスタ・ソースは、サイズＮの広範な分布を有するクラスタ・イオンを生成する（但し、Ｎは各クラスタ内の分子の数であり、本論を通じて、アルゴン等の単原子気体の場合、単原子気体の原子を原子または分子の何れかで呼び、このような単原子気体のイオン化原子をイオン化原子、分子イオンまたは単にモノマー・イオンの何れかで呼ぶ）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って本発明の目的は、高エネルギー・ガスクラスタ・イオン照射によって半導体表面の再結晶化をもたらすことにある。
【００１１】
本発明の別の目的は、活性化に高エネルギー・ガスクラスタ・イオンを利用する活性化により誘発される拡散によって、低減されたドーパント原子の再分布を有する半導体材料において浅くインプラントされたドーパント原子の活性化をもたらすことにある。
【００１２】
本発明のさらなる目的は、ドーパント原子を含む、またはドーパント原子及び不活性原子を含む高エネルギー・ガスクラスタ・イオンの照射によって、ドーパント原子の半導体材料の極浅の表面下領域への導入をもたらすことにある。
【００１３】
本発明のさらに別の目的は、ドーパント原子の半導体材料の超浅表面下領域への導入によって超浅接合をもたらすことと、ドーパント原子を含む、またはドーパント原子及び不活性原子を含む高エネルギー・ガスクラスタ・イオンの照射によってドーパントの活性化及び半導体表面の再結晶化をもたらすことにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の上述の目的及びさらなる、及び他の目的及び優位点は、下記で説明する本発明の実施形態によって達成される。
【００１５】
固体ターゲットの表面上へ高エネルギーのガスクラスタが衝撃すると、クラスタの原子のターゲット面内への浸透は、浸透の深さが個々の構成原子の低エネルギーによって決定されることに起因して、典型的には極めて浅い。ガスクラスタは衝撃時に解離し、個々の気体原子は自由に反跳できるようになってターゲット表面から逃げる。逃げていく個々の気体原子によって運び去られるエネルギーを除く、衝撃前の高エネルギー・クラスタの合計エネルギーは、ターゲット面上の衝撃ゾーン内へ溜まっていく。ターゲットの衝撃ゾーンの大きさはクラスタのエネルギーに依存するが、ほぼ衝撃するクラスタの断面の大きさであって小さく、例えば１０００個の原子から成るイオン・クラスタの場合で直径は約３０オングストロームである。クラスタによりターゲット上の小さい衝撃ゾーンへと運ばれる合計エネルギーの大部分が蓄積される結果、衝撃サイトにおけるターゲット物質内で激しい熱過渡が発生する。熱過渡は、衝撃ゾーンからエネルギーが失われるにつれて伝導によりターゲット深くへと散逸する。熱過渡の持続時間はターゲット物質の伝導率によって決定されるが、典型的には１０-6秒未満になる。
【００１６】
クラスタ衝撃サイトの近傍では、ターゲット面の容積が瞬間的に何百ケルビン度乃至数千ケルビン度という温度にまで到達する可能性がある。一例として、１０ｋｅＶの合計エネルギーを運ぶクラスタの衝撃は、シリコン表面から下へほぼ１００オングストローム伸長する半球ゾーンに渡って瞬間的に約２０００ケルビン度の温度上昇を生成する能力があると推定される。
【００１７】
高エネルギー・クラスタの衝撃サイト下のターゲット容積内における上昇された温度過渡の開始に続いて、影響を受けたゾーンは表面の下側から表面へ向かって冷却する。ドーパント原子のイオン・インプランテーションによって生じるもののような損傷された結晶格子状態がターゲット面に近い層内に存在すれば、高エネルギー・クラスタの衝撃によって生成される過渡温度状態は、損傷された格子の回復を引き起こすために利用されることが可能である。これが発生するためには、損傷された領域からその下の損傷されていないシリコン結晶にまで至る容積において十分な熱過渡が生成されなければならない。過渡温度状態の散逸の間、冷却は、損傷された層より下の損傷されていない結晶格子から損傷層を介して表面へと進行するはずである。損傷された領域内部で結晶格子が復元すると、ドーパント原子は格子サイトへ組み込まれた状態になり、電気的活性化が生じる。
【００１８】
限定的でなく例えばアルゴン、キセノン、酸素、窒素、二酸化炭素等の気体は、上述の結晶格子の復元及びドーパント活性化の効果を生み出すための高エネルギー・ガスクラスタを形成するために使用されることが可能である。さらに、ボロン等の適切な半導体ドーパント原子を含む気体が上記高エネルギー・ガスクラスタを形成するための気体に添加される、または上記気体として使用されれば、高エネルギー・ガスクラスタの衝撃はドーパント原子を半導体格子内へ蓄積することが可能であり、同時に格子の任意の損傷の復元をもたらすことが可能である。
【００１９】
幾つかの半導体製品にとって、ドーパントを半導体表面へ導入するための重要な要件は、格子の再結晶化及びドーパントの活性プロセスの完了後にドーパントが浸透している最大深さが極浅に、多くの場合僅か数百オングストローム以下に維持されなければならないということである。高エネルギー・ガスクラスタの衝撃によって生成される効果の深度は、衝突するガスクラスタ・イオンビームのエネルギーを制御することによって制御され得る。その結果、これまでに説明した半導体アニーリング及びドーパント活性化のための高エネルギー・ガスクラスタ方法、またはドーパント導入および自己アリーニングのための高エネルギーガスクラスタ方法は、導入されて活性化されるドーパントの最終的な極浅深度の実現を促進することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明及び本発明の他の、及びさらなる目的をより良く理解するために、添付の図面を参照し、詳細な説明を行う。
【００２１】
図１は先行技術における周知の形式の、但し本発明を実施するために適合化されているＧＣＩＢプロセス装置１００の典型的な構成の基本エレメントを略示し、これは、真空容器１０２が３つの連絡するチャンバ、即ちソース・チャンバ１０４、イオン化／加速チャンバ１０６及びプロセス・チャンバ１０８に分割されると説明することができる。３つのチャンバは、真空ポンプ・システム１４６ａ、１４６ｂ及び１４６ｃによって各々適切な動作圧力まで空気を抜かれる。ガス貯蔵シリンダ１１１に貯蔵された凝縮可能なソース・ガス１１２（例えばアルゴンまたはＮ2）は、ガスメータの栓１１３及びガス供給管１１４を介して圧力下で滞留チャンバ１１６へ入り、適正に成形されたノズル１１０を介して実質的により低い圧力である真空内へと噴出される。その結果、超音速ガスジェット１１８が生じる。ジェットの膨張の結果として生じる冷却は、ガスジェット１１８の一部を、各々が数個乃至数千個の結合の弱い原子または分子より成るクラスタに凝縮させる。ガス・スキマ開口１２０は、クラスタ・ジェットとクラスタ・ジェットに凝縮されていない気体分子とを部分的に分離し、このようなより高い圧力は好ましくないと思われる下流領域（例えば、イオナイザ１２２、高電圧電極１２６及びプロセス・チャンバ１０８）における圧力を最小限に抑える。凝縮可能なソース・ガス１１２として適切なものには、アルゴン、窒素、二酸化炭素、酸素及び他の気体が含まれるが、必ずしもこれらに限定されない。
【００２２】
ガスクラスタを含む超音速ガスジェット１１８が形成された後、クラスタはイオナイザ１２２においてイオン化される。イオナイザ１２２は典型的には、１つまたは複数の白熱フィラメント１２４から熱電子を生成しかつ上記電子がガスジェット１１８内のガスクラスタと衝突するように加速して方向づける電子衝撃イオナイザであり、ジェットはこのイオナイザ１２２を通過する。電子衝撃はクラスタから電子を噴出させ、これによりクラスタの一部は陽イオンを帯びるようになる。適切にバイアスされた高電圧電極セット１２６はイオナイザからクラスタ・イオンを抽出してガスクラスタ・イオンビーム（ＧＣＩＢ）を形成し、次にこれらを所望されるエネルギー（典型的には１ｋｅＶ乃至数十ｋｅＶ）まで加速しかつＧＣＩＢ１２８を形成すべく集束させる。フィラメント電源１３６は、イオナイザ・フィラメント１２４を加熱するためのフィラメント電圧Ｖｆを供給する。陽極電源１３４は、フィラメント１２４から放射される熱電子を加速し、これらにガスジェット１１８を含むクラスタを照射させてイオンを生成させるための陽極電圧ＶＡを供給する。抽出電源１３８は、高電圧電極をバイアスしてイオナイザ１２２のイオン化領域からイオンを抽出し、ＧＣＩＢ１２８を形成するための抽出電圧ＶＥを供給する。加速器電源１４０は、高電圧電極をイオナイザ１２２に対してバイアスし、最終的にＶＡｃｃ電子ボルト（ｅＶ）に等しい合計ＧＣＩＢ加速エネルギーにするための加速電圧ＶＡｃｃを供給する。１つまたは複数のレンズ電源（１４２及び１４４が例示されている）は、高電圧電極を集束電圧（例えばＶＬ１及びＶＬ２）でバイアスしてＧＣＩＢ１２８を集束させるために供給されることが可能である。
【００２３】
ＧＣＩＢプロセスによって処理されるべき半導体ウェーハまたは他のワークピースである可能性のあるワークピース１５２は、ＧＣＩＢ１２８の経路内に配置されたワークピース・ホルダ１５０上に保持される。大部分のアプリケーションは、空間的に一様な結果を伴う大型ワークピースの処理を企図することから、走査システムはＧＣＩＢ１２８を広い領域に渡って一様に走査し、空間的に均一な結果を生成することが望ましい。２対の直交して方向づけられる静電走査プレート１３０及び１３２は、所望されるプロセス・エリアに渡ってラスタまたは他の走査パターンを生成するために使用されることが可能である。ビーム走査が実行される場合、ＧＣＩＢ１２８は走査ＧＣＩＢ１４８に変換され、これがワークピース１５２の全表面を走査する。
【００２４】
図２は、本発明において使用されるように適合化された先行技術による機械走査式のＧＣＩＢプロセス装置２００の基本エレメントを略示したものであり、上記装置は機械的に走査されるワークピース１５２を伴う固定ビームを有し、かつビーム測定用の従来型のファラデー・カップ及び従来型の熱イオン中和物を有する。ＧＣＩＢの構成は図１に示したものに類似しているが、ガスメータの栓２２３を伴ってガス供給管１１４を介して滞留チャンバ１１６へ接続されるガス貯蔵シリンダ２２１に貯蔵される任意選択の第２のソース・ガス２２２（典型的にはソース・ガス１１２とは異なる）が追加供給される点が異なる。この配置は、ガスクラスタの形成に使用するための２つの異なるソース・ガス１１２及び２２２間の制御可能な選択、または２つのソース・ガスの混合体の制御可能な形成を見込んでいる。また、図２の機械的走査式ＧＣＩＢプロセス装置２００では、ＧＣＩＢ１２８は固定式であり（ＧＣＩＢプロセス装置１００の場合のように静電的に走査されない）、ワークピース１５２はＧＣＩＢ１２８を介して機械的に走査され、ＧＣＩＢ１２８の効果がワークピース１５２の表面に渡って分散される。
【００２５】
Ｘ走査アクチュエータ２０２は、（用紙面内外への）Ｘ走査動作２０８の方向へワークピース・ホルダ１５０の線形動作を供給する。Ｙ走査アクチュエータ２０４は、典型的にはＸ走査動作２０８に直交するＹ走査動作２１０の方向へワークピース・ホルダ１５０の線形動作を供給する。Ｘ走査動作及びＹ走査動作の組合わせは、ワークピース・ホルダ１５０によって保持されるワークピース１５２をＧＣＩＢ１２８を介してラスタのような走査動作で移動させ、ワークピース１５２の一様なプロセスのためのＧＣＩＢ１２８によるワークピース１５２の表面の一様な照射を生じさせる。ワークピース・ホルダ１５０は、ＧＣＩＢ１２８がワークピース１５２の表面に対してあるビーム入射角２０６を有するように、ワークピース１５２をＧＣＩＢ１２８の角度軸に対して角度をつけて配置する。ビーム入射角２０６は９０度または他の何らかの角度である可能性があるが、典型的には９０度であり、または９０度に極めて近い。Ｙ走査の間、ワークピース・ホルダ１５０によって保持されるワークピース１５２は、図示された位置から各々指示子１５２Ａ及び１５０Ａで表示された代替位置「Ａ」まで移動する。２つの位置間の移動において、ワークピース１５２はＧＣＩＢ１２８を介して走査され、かつ両極限位置においてはＧＣＩＢ１２８の経路から完全に外れて移動される（オーバースキャン）ことに留意されたい。図２には明示されていないが、類似の走査及びオーバースキャンが（典型的には）直交するＸ走査動作２０８の方向（用紙面内外）でも実行される。
【００２６】
ビーム電流センサ２１８は、ワークピース・ホルダ１５０がＧＣＩＢ１２８の経路を外れて走査されるとＧＣＩＢ１２８のサンプルを傍受するように、ＧＣＩＢ１２８の経路内にワークピース・ホルダ１５０を超えて配置される。ビーム電流センサ２１８は、典型的にはビーム入口開口以外は閉止されたファラデー・カップまたはこれに類似するものであって、電気絶縁されたマウント２１２によって真空容器１０２の壁に付着される。
【００２７】
マイクロコンピュータ・ベースのコントローラであることが可能なコントローラ２２０は電気ケーブル２１６を介してＸ走査アクチュエータ２０２及びＹ走査アクチュエータ２０４に接続し、Ｘ走査アクチュエータ２０２及びＹ走査アクチュエータ２０４を制御してワークピース１５２をＧＣＩＢ１２８の内側または外側へ配置させ、かつＧＣＩＢ１２８によりワークピース１５２の一様なプロセスを達成させるべくワークピース１５２をＧＣＩＢ１２８に対して一様に走査させる。コントローラ２２０は、ビーム電流センサ２１８によって収集されるサンプリングされたビーム電流をリード２１４を経由して受信し、これによりＧＣＩＢを監視し、かつ予め決められた所望される線量が送られるとＧＣＩＢ１２８からワークピース１５２を除去することによりワークピース１５２によって受信されるＧＣＩＢ線量を制御する。
【００２８】
図３は、損傷されかつ／またはドープされた表面皮膜３０８を有する厚さ３０２の半導体ウェーハ部分の略断面図３００である。本図は、一定の縮尺で描かれたものではない。バルク半導体３０４は典型的には高度の結晶性を有する単結晶物質であり、厚さ３１０を有する損傷されかつ／またはドープされた皮膜を伴う表面３０６を有する。損傷されかつ／またはドープされた皮膜３０８は、典型的な集積回路または半導体デバイスの様々な加工段階の間における半導体ウェーハの一般的な特徴である。限定を意図しない例示のための一例では、半導体ウェーハが低エネルギーのイオン・インプランテーション・プロセスによるシャロウ・ドーピング直後の加工段階にある場合、半導体ウェーハ３０２の表面３０６の付近には、およそ２、３０乃至５、６０オングストロームである可能性のある厚さ３１０を有する損傷されかつ／またはドープされた皮膜３０８が存在する。損傷されかつ／またはドープされた皮膜３０８における損傷はイオン・インプランテーション・ステップの間の照射損傷から発生し、典型的には先の結晶物質の完全な非結晶化をも含む中程度から極度までの任意の程度である可能性のある結晶格子損傷を含む。さらに皮膜は、イオン・インプランテーション・プロセスによって堆積されたドナー種またはアクセプタ種のドーパント原子を含む（例えば、バルク半導体がシリコンであれば、ボロン、リン、砒素及びアンチモンが典型的な幾つかのドーパント種である）。通常、望ましくは、ドーパントのイオン・インプランテーションの後に結晶性の任意の損傷は修復されるべきであり、かつインプラントされたドーパント原子は半導体内でその電気的活性（活性化）を実行するために修復された結晶格子内の置換サイトへ配置されるべきである。先行技術では、このような再結晶化及び活性化は時にアニーリングと呼ばれ、典型的には炉内での加熱、高速光パルスまたは熱パルスによる処理、レーザまたは電子ビームによる照射、他等のプロセスによって実行されている。典型的にはこのようなプロセスは、最終的にインプラントされた皮膜の一定期間の加熱をもたらし、これに続いて損傷された半導体は再結晶化され、大部分のドーパント原子は置換格子サイト及び電気的活性化を達成する。これらのアニーリング・プロセスは、最終的にドーパント原子の多くがインプラントされたままの皮膜厚さ３１０より遙かに深い深度まで拡散することにおいて欠点を有する。従って、ドーパント原子の電気的効果は所望される深度を超えて広がり、かつ／または半導体接合は所望される深度より深いところで形成される可能性がある。本発明の第１の実施形態は、このような損傷されかつドープされた皮膜を先行技術による方法よりも大幅に改善されたドーパント原子の深度再分布制御によって再結晶化しかつ電気的に活性化（アニーリング）させる方法を提供する。
【００２９】
図４は、図３に示した先行技術タイプに類似する、但し、本発明の第１の実施形態によるガスクラスタ・イオンビーム照射のプロセスの初期段階において示された、損傷されかつ／またはドープされた皮膜３０８を有する厚さ３０２の半導体ウェーハ部分の略断面図３５０である。単純化を期して、図４には、単一のガスクラスタ・イオン３５２及びガスクラスタ・イオン衝撃領域３６０のみを示す。本発明の第１の実施形態の実施中、例えば図１または図２に示すタイプである可能性のあるガスクラスタ・イオンビームのプロセス・システムは、ガスクラスタ・イオンビームを半導体ウェーハ３０２の表面上へ方向づけるために使用される。半導体ウェーハ３０２は、図１または図２に示したようなワークピース１５２である。例えば、バルク半導体３０４のためのドーパントではない１種または複数の気体より成るクラスタ・イオン（例えば図示されているガスクラスタ・イオン３５２）は、ガスクラスタ・イオンビームの形成に使用される。例えばガスクラスタ・イオン３５２等のガスクラスタ・イオンは、例えば軌道３５４等の軌道を辿り、半導体ウェーハの表面３０６を衝撃する。このようなガスクラスタ・イオン３５２は、ガスクラスタ・イオンビームのプロセス・システム及びその動作及び制御パラメータによって予め選択されかつ制御されたエネルギーを有する。ガスクラスタ・イオン３５２は、半導体ウェーハ３０２の表面３０６と衝突するとガスクラスタ・イオン衝撃領域３６０を形成する。本発明の第１の実施形態によれば、ガスクラスタ・イオン３５２の予め選択されかつ制御されたエネルギーは、損傷されかつ／またはドープされた皮膜３０８を介してバルク半導体３０４内まで伸長するガスクラスタ・イオン衝撃領域３６０を供給する類のものである。ガスクラスタ・イオン衝撃領域３６０は２つの部分、即ち損傷されかつ／またはドープされた皮膜３０８内部のガスクラスタ・イオン衝撃領域部分３５６と、バルク半導体３０４内部のガスクラスタ・イオン衝撃領域部分３５８とを含む。
【００３０】
図５は図４に示す半導体ウェーハ３０２の一部を拡大し、詳細を追加して示す略図４００である。ガスクラスタ・イオン３５２は、バルク半導体３０４のためのドーパントではない１種または複数の気体を含む複数の分子（例として１つの分子４０８が表示されている）で構成される。このような分子４０８は、限定を意図するものではないが例えば、アルゴンまたは他の不活性ガスの分子であることが可能である。ガスクラスタ・イオン衝撃領域３６０は、境界４０２を有する。ガスクラスタ・イオン衝撃領域３６０の容積及び延ては半導体表面３０６のその浸透深度は、ガスクラスタ・イオン３５２の予め選択されかつ制御されるエネルギーに依存する。高エネルギーのガスクラスタ・イオン３５２が表面３０６上へ衝突すると、ガスクラスタ・イオンは解離し、個々の気体分子４０８は自由に反跳できるようになってターゲット表面から逃げる。逃げていく個々の気体原子によって運び去られる少量のエネルギーを除く、高エネルギーのガスクラスタ・イオンの合計エネルギーは、ガスクラスタ・イオン衝撃領域３６０内へ溜まっていく。ガスクラスタ・イオン衝撃領域３６０の大きさはクラスタのエネルギーに依存するが、ほぼ衝撃するガスクラスタ・イオンの断面の大きさであって小さく、例えば予め選択されたガスクラスタ・イオンのエネルギーに依存して直径は約３０乃至１００オングストロームである。ガスクラスタ・イオン３５２により小さいガスクラスタ・イオン衝撃領域３６０へと運ばれる合計エネルギーの大部分が蓄積される結果、ガスクラスタ・イオン衝撃領域３６０における物質内で激しい熱過渡が発生する。ガスクラスタ・イオン衝撃領域３６０内に蓄積された熱は、伝導により方向４０４へ、周辺の半導体材料内深くへと散逸する。熱過渡の持続時間は周辺材料の伝導率によって決定されるが、典型的には１０-6秒未満になる。
【００３１】
ガスクラスタ・イオン衝撃領域３６０では、物質は瞬間的に何百ケルビン度乃至数千ケルビン度という温度にまで到達する可能性がある。一例として、１０ｋｅＶの合計エネルギーを運ぶ場合のガスクラスタ・イオン３５２の衝撃は、表面３０６から下へほぼ１００オングストローム伸長するガスクラスタ・イオン衝撃領域３６０に渡って瞬間的に約２０００ケルビン度の温度上昇を生成する能力があると推定される。特定の理論に拘束されることなく、熱過渡の間、熱擾乱は、おそらくはガスクラスタ・イオン衝撃領域３６０内の物質を溶融するほど高いものであることが確信される。ガスクラスタ・イオン衝撃領域３６０の方向４０４への熱伝導による冷却に伴って、ガスクラスタ・イオン衝撃領域３６０の元の損傷されていない高結晶性のガスクラスタ・イオン衝撃領域部分３５８からガスクラスタ・イオン衝撃領域３６０のガスクラスタ・イオン衝撃領域部分３５６を介する方向４０６へ結晶質の再成長が進行する。その結果、ガスクラスタ・イオン３５２の衝撃に起因する熱過渡に続いて、ガスクラスタ・イオン衝撃領域３６０の大部分で結晶性が復元される。同じくガスクラスタ・イオン衝撃領域３６０における物質の再結晶化の結果として、ガスクラスタ・イオン衝撃領域３６０のガスクラスタ・イオン衝撃領域部分３５６内に存在する多くのドーパント原子は置換格子サイトへと移動し、電気的活性状態になる。
【００３２】
図６は半導体ウェーハ３０２の一部の略図４５０であり、本発明の第１の実施形態によるガスクラスタ・イオンによって衝撃された領域４５２の再結晶化及び電気的活性化を示している。図５のガスクラスタ・イオン衝撃領域３６０の部分３５６及び３５８は全て、または少なくとも部分的に再結晶化された状態になりドーパントは活性化されて領域４５２を形成している。
【００３３】
図７は、本発明の第１の実施形態の方法によるガスクラスタ・イオンビームによって処理されている半導体ウェーハ３０２の一部の略図５００であり、多くのガスクラスタ・イオンによって衝撃された表面領域の再結晶化及び電気的活性化を示している。プロセスの継続に伴って、元の損傷されかつ／またはドープされた皮膜３０８ではますます広い領域５０２で再結晶化及びドーパントの電気的活性化が発生していく。元の損傷されかつ／またはドープされた皮膜３０８のアイランド５０４は収縮し、概して再結晶化されかつ活性化された物質によって置換される。再結晶化されかつ活性化された領域５０２は表面３０６から下へ深さ５０６まで伸長し、深さ５０６は元の損傷されかつ／またはドープされた皮膜３０８の元の厚さ３１０より幾分大きい。深さ５０６はプロセスに使用されるビーム内のガスクラスタのエネルギーによって決定され、従来のモデリング、またはガスクラスタ・イオンビームのエネルギー・マトリクスを実験によって処理しかつ最終的に半導体集積回路または半導体デバイスのプロセス要件を超える深さ５０６をもたらすことなく許容される再結晶化及び活性化を供給するガスクラスタ・イオンビーム・エネルギーを選択すること、の何れかによって予め決定されかつ予め選択されることが可能である。
【００３４】
図８は半導体ウェーハ３０２の一部の略図５５０であり、本発明の第１の実施形態によるガスクラスタ・イオンビームのプロセス完了後の表面皮膜の再結晶化及び電気的活性化を示す。深さ５０６を有する一様に再結晶化されかつ電気的に活性化された皮膜５５２は、元の損傷されかつ／またはドープされた皮膜３０８に取って代わっている。
【００３５】
図９は、本発明の第２の実施形態によるドーパント・ガス及び電気的不活性ガス分子の混合体を含むガスクラスタ・イオン６０６によって衝撃されている半導体ウェーハ６０２の一部を示す略図６００である。本図は、一定の縮尺で描かれたものではない。半導体ウェーハ６０２は表面６０４を有しかつ典型的には高度の結晶性を有する単結晶物質であり、集積回路または半導体デバイスを加工するプロセスの幾つかの段階のうちの任意の段階にある可能性がある。本例では、限定を意図するものではなく例示として、半導体ウェーハ６０２は、表面薄膜をアクセプタまたはドナー不純物でドープすること、及び浅い接合または浅いドープ領域を形成するためにドーパントを電気的に活性化することが望まれる加工段階にある。軌道６０８を有するガスクラスタ・イオン６０６は半導体ウェーハ６０２の表面６０４を衝撃している状態で示されており、表面６０４にはガスクラスタ・イオン衝撃領域６１０が形成される。本発明のこの第２の実施形態によれば、ガスクラスタ・イオン６０６は、半導体ウェーハ６０２のアクセプタまたはドナー種を包含するものは気体であるように形成されている。例えば、半導体ウェーハ６０２がシリコンであれば、この気体は三フッ化ホウ素、ジボラン、アルシン、五フッ化砒素、五フッ化リン、ホスフィン、スチビン、他を含む可能性がある。
【００３６】
図１０は図９に示す半導体ウェーハ６０２の一部を拡大し、詳細を追加して示す略図６５０である。ガスクラスタ・イオン６０６は、半導体ウェーハ６０２のためのドーパント原子を含む少なくとも１種の気体の複数の分子を含む。ガスクラスタ・イオン６０６は、半導体ウェーハ６０２のためのドーパントを含む気体で完全に構成される場合もあれば、複数の気体の混合体で構成され、混合体内の２種またはそれ以上の気体の少なくとも１種が半導体ウェーハ６０２のためのドーパント原子を含む場合もある。このようなガスクラスタ・イオン６０６は、例えば図１または図２に示すような、またはこれらに示すものに類似するＧＣＩＢプロセス装置１００または２００において形成されることが可能である。ＧＣＩＢプロセス装置において、ガスクラスタ内に気体の混合体が形成されるように所望される場合、単一のガス貯蔵シリンダ１１１（図１または図２）に所望される混合体と予め混合されたガス混合体が供給される場合もあれば、代替としてガス貯蔵シリンダ１１１及び２２１（図２）に分離された異なるソース・ガス１１２及び２２２が供給され、次いでこれらが滞留チャンバ１１６（図２）へと流れるうちにガスメータの栓１１３及び２２３（図２）の適切な調節により所望される比率で混合される場合もある。よって、その分子にドーパント原子を含む単一の気体で完全に構成されるガスクラスタ・イオンビームを生成することが可能であり、もしくは少なくとも１種はその分子にドーパント原子を含む気体でありかつ少なくとも１種はドーパントではない気体である２種以上の気体の混合体によるガスクラスタ・イオンビームを生成することも可能である。
【００３７】
図１０の検討に戻ると、ガスクラスタ・イオン６０６は、非ドーパント分子（非ドーパント分子６５２を代表例として表示している）と、ドーパント原子を含むドーパント分子（ドーパント分子６５４を代表例として表示している）とを包含して示されている（例示であって限定を意図するものではない）。本発明においては広範なドーパント及び非ドーパント分子の混合体が有効であること、及び本発明のプロセスに使用されるクラスタは完全にドーパント・ガス分子で形成される場合もあれば、正反対にドーパント・ガス分子の非ドーパント・ガス分子に対する割合があまりに小さく、幾つかの、または多くのガスクラスタ・イオンはドーパント・ガス分子を１つも含まず、ガスクラスタ・イオンビームにおけるガスクラスタ・イオンの少なくとも一部がドーパント・ガスの１つまたは複数の分子を含む場合もあることが認識される。図１０に示す例では、ガスクラスタ・イオン６０６は大部分の非ドーパント分子６５２と少数のドーパント分子６５４とを有する気体の混合体で形成されている。例えば、半導体ウェーハ６０２がシリコンである場合には、ドーパント・ガスは例えばボロンをドーパント原子として含むジボランである可能性がある。非ドーパント・ガスは、例えば不活性ガスであるアルゴンである可能性がある。ガスクラスタ・イオン衝撃領域６１０は、境界６５６を有する。ガスクラスタ・イオン衝撃領域６１０の容積及び延ては半導体表面のその浸透深度は、ガスクラスタ・イオン６０６の予め選択されかつ制御されるエネルギーに依存する。高エネルギーのガスクラスタ・イオン６０６が表面６０４上へ衝突すると、ガスクラスタ・イオン６０６は解離し、個々の非ドーパント分子６５２及びドーパント分子６５４は遊離状態になる。不活性ガス分子は、典型的には反跳し、半導体ウェーハ６０２の表面６０４から逃げる。ドーパント分子６５４の幾つかを含む幾つかの分子は、表面に埋め込まれた状態になる。逃げていく個々の気体原子によって運び去られる小さいエネルギーを除く、高エネルギーのガスクラスタ・イオン６０６の合計エネルギーは、ガスクラスタ・イオン衝撃領域６１０内へ溜まっていく。ガスクラスタ・イオン衝撃領域６１０の大きさはクラスタのエネルギーに依存するが、ほぼ衝撃するガスクラスタ・イオンの断面の大きさであって小さく、例えば予め選択されたガスクラスタ・イオンのエネルギーに依存して直径は約３０乃至１００オングストロームである。ガスクラスタ・イオン６０６により小さいガスクラスタ・イオン衝撃領域６１０へと運ばれる合計エネルギーの大部分が蓄積される結果、ガスクラスタ・イオン衝撃領域６１０における物質内で激しい熱過渡が発生する。ガスクラスタ・イオン衝撃領域６１０内に蓄積された熱は、伝導により方向６５８へ、周辺の半導体材料内深くへと散逸する。熱過渡の持続時間は周辺材料の熱伝導率によって決定されるが、典型的には１０-6秒未満になる。
【００３８】
ガスクラスタ・イオン衝撃領域６１０では、物質は瞬間的に何百ケルビン度乃至数千ケルビン度という温度にまで到達する可能性がある。一例として、１０ｋｅＶの合計エネルギーを運ぶ場合のガスクラスタ・イオン６０６の衝撃は、表面６０４から下へほぼ１００オングストローム伸長するガスクラスタ・イオン衝撃領域６１０に渡って瞬間的に約２０００ケルビン度の温度上昇を生成する能力があると推定される。特定の理論に拘束されることなく、熱過渡の間、熱擾乱は、おそらくはガスクラスタ・イオン衝撃領域６１０内の物質を溶融するほど高いものであることが確信される。ガスクラスタ・イオン衝撃領域６１０の方向６５８への熱伝導による冷却に伴って、高結晶性の半導体ウェーハ６０２からガスクラスタ・イオン衝撃領域６１０を介する方向６６０へ結晶質の再成長が進行する。その結果、クラスタ・イオンの熱過渡に続いてガスクラスタ・イオン衝撃領域６１０内で結晶性が復元され、ドーパント分子６５４を起源とする幾つかのドーパント原子は半導体内に残り、ガスクラスタ・イオン衝撃領域６１０内の半導体材料における置換格子サイトを占有する。ガスクラスタ・イオン衝撃領域６１０に存在するドーパント原子は、こうして電気的活性状態になる。従って半導体ウェーハ６０２は、ガスクラスタ・イオン衝撃領域６１０においてドープされ、電気的に活性化されかつ再結晶化された状態になる。ドーピング濃度は、ガスクラスタ・イオンビームの形成に使用されるガス混合体におけるドーパント分子の非ドーパント分子に対する割合を予め選択しかつ制御することによって制御される。
【００３９】
図１１は、本発明の第２の実施形態によるガスクラスタ・イオンによって衝撃された領域の再結晶化及び電気的活性化によるドーピングを示す、半導体ウェーハ６０２の一部の略図７００である。図１０において説明したガスクラスタ・イオン衝撃イベントの後、熱過渡が散逸すると、ドープされ、電気的に活性化されかつ再結晶化された領域７０２は図１０のガスクラスタ・イオン衝撃領域６１０に取って代わる。ドープされ、電気的に活性化されかつ再結晶化された領域７０２は、半導体ウェーハ６０２の表面６０４から下へ深さ７０４まで広がる。図１２は、本発明の第２の実施形態によるガスクラスタ・イオンビーム・プロセスの完了によって形成されたドープされ、電気的に活性化されかつ再結晶化された皮膜７５２を示す、半導体ウェーハ６０２の一部の略図７５０である。ガスクラスタ・イオンの継続照射により、ドープされ、電気的に活性化されかつ再結晶化された領域７０２（図１１）に類似する追加的なドープされ、電気的に活性化されかつ再結晶化された領域が形成され、重なり合いかつ最終的に半導体ウェーハ６０２の表面６０４から下へ深さ７０４まで広がるドープされ、電気的に活性化されかつ再結晶化された皮膜７５２を成長させる。ドーパント・ガス分子を含むガスクラスタ・イオンを使用する半導体表面のガスクラスタ・イオンビーム・プロセスにより、半導体ウェーハ６０２上には単一のプロセス・ステップでドープされ、電気的に活性化されかつ再結晶化された皮膜７５２が形成される。従来のアニーリングの必要性が回避されることにより、ドーパント原子の望ましくない拡散が回避され、皮膜の深さ７０４はガスクラスタ・イオンビームのエネルギーの選択によって制御される。数百オングストローム乃至数十オングストロームの浅くドープされた半導体表面皮膜が形成され、よって同様に浅い接合が形成され得る。
【００４０】
以上、様々な実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は本発明の精神の範囲内で広範なさらなる、及び他の実施形態も可能であることは認識されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】静電走査ビームを使用する先行技術によるＧＣＩＢプロセス装置の基本エレメントを示す略図である。
【図２】ワークピースの機械的走査を有する固定ビームを使用する先行技術によるＧＣＢプロセス装置の基本エレメントを示す略図である。
【図３】損傷されかつ／またはドープされた表面皮膜を有する半導体ウェーハの一部を示す略図である。
【図４】本発明の一実施形態によるガスクラスタ・イオンビーム照射の間の損傷されかつドープされた表面皮膜を有する半導体ウェーハの一部を示す略図である。
【図５】図４の半導体ウェーハの一部を拡大し、詳細を追加して示す略図である。
【図６】本発明によるガスクラスタ・イオンビームによって衝撃された領域の再結晶化及び電気的活性化を示す、半導体ウェーハの一部の略図である。
【図７】多くのガスクラスタ・イオンによって衝撃された表面領域の再結晶化及び電気的活性化を示す、半導体ウェーハの一部の略図である。
【図８】本発明によるガスクラスタ・イオンビーム処理の完了後の表面皮膜の再結晶化及び電気的活性化を示す、半導体ウェーハの一部の略図である。
【図９】本発明の一実施形態によるドーパント・ガス及び電気的に不活性なガスの分子混合体を含むガスクラスタ・イオンによって衝撃されている半導体ウェーハの一部の略図である。
【図１０】図９の半導体ウェーハの一部を拡大し、詳細を追加して示す略図である。
【図１１】本発明の一実施形態によるガスクラスタ・イオンビームによって衝撃された領域の再結晶化及び電気的活性化を伴うドーピングを示す、半導体ウェーハの一部の略図である。
【図１２】本発明の一実施形態によるガスクラスタ・イオンビーム処理の完了後の表面皮膜の再結晶化及び電気的活性化を伴うドーピングを示す、半導体ウェーハの一部の略図である。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
2006510196.tif 000015