(57)【要約】【課題】高集積化に最適化された、不純物ドーピング領域を含む半導体素子及びその形成方法を提供する。【解決手段】この方法は、半導体基板にクラスタ型ドーパントイオンを注入して不純物注入領域を形成する段階（Ｓ２００）と、前記不純物注入領域にレーザアニーリング工程を実行して不純物ドーピング領域を形成する段階（Ｓ２１０）とを含む。【選択図】図６
2007208264.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に１つまたは複数のクラスタ型ドーパントイオンを注入して不純物注入領域を形成する段階と、
前記不純物注入領域にレーザアニーリング工程を実行して不純物ドーピング領域を形成する段階とを含み、前記クラスタ型ドーパントイオンは複数個のドーパントユニットが結合した形態であることを特徴とする半導体素子の形成方法。
【請求項２】
前記ドーパントユニットはドーパント原子であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の形成方法。
【請求項３】
前記ドーパントユニットはドーパント分子であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の形成方法。
【請求項４】
前記不純物注入領域の上部分は注入されたドーパント濃度が最大である最大注入部を含み、
前記最大注入部のドーパント濃度は前記レーザアニーリング工程のアニーリング温度によるドーパントの溶解限界濃度の４倍以内であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体素子の形成方法。
【請求項５】
前記最大注入部のドーパント濃度は前記溶解限界濃度と同一またはそれより大きいことを特徴とする請求項４に記載の半導体素子の形成方法。
【請求項６】
前記最大注入部のドーパント濃度は５×１０１９／ｃｍ３乃至２×１０２２／ｃｍ３であることを特徴とする請求項４に記載の半導体素子の形成方法。
【請求項７】
前記ドーパントはボロンであり、前記最大注入部のドーパント濃度は５×１０１９／ｃｍ３乃至２．４×１０２１／ｃｍ３であることを特徴とする請求項６に記載の半導体素子の形成方法。
【請求項８】
前記レーザアニーリング工程のレーザアニーリング温度は１０００℃乃至１４５０℃であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の半導体素子の形成方法。
【請求項９】
前記レーザアニーリング工程は、レーザビームを前記不純物注入領域に照射して実行し、前記レーザアニーリング工程のアニーリング時間は１マイクロ秒乃至１秒であることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の半導体素子の形成方法。
【請求項１０】
前記不純物ドーピング領域の上部分である上部ドーピング部のドーパント濃度はばらつきが２０％以内であることを特徴とする請求項１乃至請求項９のうちのいずれか１項に記載の半導体素子の形成方法。
【請求項１１】
前記不純物ドーピング領域の下部面は前記半導体基板の上部面から第１深さに形成され、前記上部ドーピング部の下部面は前記半導体基板の上部面から第２深さに形成され、
前記第２深さは前記第１深さの１／４の値と同一またはそれより深く、前記第１深さに比較して浅いことを特徴とする請求項１０に記載の半導体素子の形成方法。
【請求項１２】
前記不純物ドーピング領域の下部分の下部ドーピング部の下部面の深さは前記第１深さと同一であり、前記下部ドーピング部は深さが深くなるほどドーパント濃度が急激に減少することを特徴とする請求項１０に記載の半導体素子の形成方法。
【請求項１３】
前記不純物ドーピング領域の下部面の深さは１ナノメータ乃至１５ナノメータであることを特徴とする請求項１乃至請求項９のうちのいずれか１項に記載の半導体素子の形成方法。
【請求項１４】
前記不純物注入領域を形成する前に、
ゲート絶縁膜を介在して前記半導体基板上に配置されたゲート電極を形成する段階をさらに含み、
前記クラスタ型ドーパントイオンは前記ゲート電極をマスクとして用いて注入され、前記不純物注入領域は前記ゲート電極両側の前記半導体基板に形成されることを特徴とする 請求項１乃至請求項９のうちのいずれか１項に記載の半導体素子の形成方法。
【請求項１５】
半導体基板と、
前記半導体基板に形成された不純物ドーピング領域とを有し、
前記不純物ドーピング領域の上部分の上部ドーピング部のドーパント濃度はばらつきが２０％以内であり、前記不純物ドーピング領域の下部分の下部ドーピング部のドーパント濃度は深さが深くなるほど急激に減少することを特徴とする半導体素子。
【請求項１６】
前記不純物ドーピング領域の下部面は前記半導体基板の上部面から第１深さに位置し、前記上部ドーピング部の下部面は前記半導体基板の上部面から第２深さに位置し、
前記第２深さは前記第１深さの１／４である値と同一であるか、より深く、前記第１深さに比較して浅く、前記下部ドーピング部の下部面の深さは前記第１深さと同一であることを特徴とする請求項１５に記載の半導体素子。
【請求項１７】
前記上部ドーピング部内で非活性化ドーパントの量は活性化されたドーパント量の３倍以内であることを特徴とする請求項１５または請求項１６に記載の半導体素子。
【請求項１８】
前記上部ドーピング部内には非活性化ドーパントが存在しないことを特徴とする請求項１５または請求項１６に記載の半導体素子。
【請求項１９】
前記上部ドーピング部の最大ドーパント濃度は４×１０１９／ｃｍ３より大きく、２×１０２２／ｃｍ３より小さいことを特徴とする請求項１５または請求項１６に記載の半導体素子。
【請求項２０】
前記ドーパントはボロンであり、前記上部ドーピング部の最大ドーパント濃度は４×１０１９／ｃｍ３より大きく、２．４×１０２１／ｃｍ３より小さいことを特徴とする請求項１９に記載の半導体素子。
【請求項２１】
前記不純物ドーピング領域の下部面の深さは１ナノメータ乃至１５ナノメータであることを特徴とする請求項１５または請求項１６に記載の半導体素子。
【請求項２２】
前記不純物ドーピング領域の一側の前記半導体基板上に配置されたゲート電極と、
前記ゲート電極と前記半導体基板との間に介在されたゲート絶縁膜とをさらに含むことを特徴とする請求項１５または請求項１６に記載の半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体素子及びその形成方法に係り、特に、不純物ドーピング領域を含む半導体素子及びその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子はドーパント（ｄｏｐａｎｔ）がドーピングされた不純物ドーピング領域を含む。不純物ドーピング領域は半導体基板にｐ型ドーパントまたはｎ型ドーパントがドーピングされた領域として、電気的に導電体のように機能する。このような不純物ドーピング領域は、主にＭＯＳ電界効果トランジスタ（以下では、トランジスタと言うことにする）のソース／ドレイン領域として用いられている。不純物ドーピング領域を形成する通常の方法を簡略に説明すると、ドーパントをイオン注入方式で半導体基板に注入し、次に、アニーリング工程を実行して注入されたドーパントを活性化させて不純物ドーピング領域を形成する。
【０００３】
半導体素子の高集積化の傾向によって、上記トランジスタにおいては、ソース／ドレイン領域のジャンクション深さ（ｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｄｅｐｔｈ）を非常に浅くすることが要求される。特に、ＬＤＤ構造（Ｌｉｇｈｔｌｙ  Ｄｏｐｅｄ  Ｄｒａｉｎ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）型のソース／ドレイン領域に含まれる低濃度ドーピング領域や延長型構造のソース／ドレイン領域の延長部においては、ジャンクション深さがさらに浅くなることが要求される。これは、パンチスルーなどによるソース及びドレイン間の漏れ電流特性の劣化を最小化するためである。
【０００４】
前記低濃度ドーピング領域や前記延長部などに用いられる前記不純物ドーピング領域のジャンクションを浅く形成する従来の方法を、図１に示したグラフを参照して説明する。図１は、従来の不純物ドーピング領域の深さによるドーパントの濃度を示すグラフである。同図において、横軸は半導体基板の表面からの深さを示し、縦軸はドーパントの濃度を示す。
【０００５】
図１を参照しながら説明するに、まず半導体基板にドーパントをイオン注入方式で注入して不純物注入領域を形成する。周知のイオン注入方式は、単原子または単分子のドーパントイオンを電気的に加速させて注入する。このような公知のイオン注入方式で注入されたドーパントは、平均投射範囲（Ｒｐ;ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ  ｒａｎｇｅ）を基準に広い幅のガウス分布（Ｇａｕｓｓｉａｎ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）に注入される。不純物層が浅いｐｎ接合、すなわちシャロージャンクション深さを有するソース／ドレイン領域を形成するため、従来の方法では、平均投射範囲を半導体基板の表面の近所に、低いエネルギーで、ドーパントイオンを注入する。その結果、前記不純物注入領域は、図１に示した注入濃度プロファイル１０を呈する。この注入濃度プロファイル１０によると、前記半導体基板の表面にピーク（ｐｅａｋ）の濃度を示し、前記半導体基板の表面から深くなるほど、注入されたドーパントの濃度が急激に減少する。
【０００６】
前記不純物注入領域を形成した後、前記半導体基板にアニーリング工程（ａｎｎｅａｌｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ）を実行し、注入されたドーパントを活性化させて不純物ドーピング領域を形成する。図１の実線２０は、この不純物ドーピング領域のドーピング濃度プロファイル２０を示す。前記不純物ドーピング領域のシャロージャンクション深さを獲得する方法としては、前記アニーリング工程を急速熱アニーリング（ＲＴＡ;Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）工程で短時間に実行する方法が知られている。すなわち、前記急速熱アニーリング工程で短時間のアニーリングをすることによって、注入されたドーパントの拡散を最小化して、シャロージャンクション深さの不純物ドーピング領域を獲得する。前記注入及びドーピング濃度プロファイル１０、２０が示すように、前記急速熱アニーリング工程によって、半導体基板の表面に高い濃度で存在したドーパントは下に拡散する。
【０００７】
上述した従来の方法では、急速熱アニーリング工程により、注入されたドーパントを活性化させる。この急速熱アニーリング工程は、温度を上昇させる区間、アニーリング区間及び温度を下降させる区間などを含む。これによって、前記急速熱アニーリング工程のとき、前記半導体基板が数十秒ないし数分の間、高い温度の熱に晒される。しかし、半導体素子の高集積化の傾向が進むにつれて、半導体素子の線幅がナノのオーダに高集積化されて来ている。このような現状下において、前記急速熱アニーリング工程でアニーリングしたとしても、前記不純物ドーピング領域のジャンクション深さが深くなって、半導体素子の特性が劣化してしまう。さらに、前記急速熱アニーリング工程のアニーリング温度を高めたい場合、前記急速熱アニーリング工程の温度を上昇させる区間及び／または温度を下降させる区間の時間が増加するため、前記半導体基板が高い温度の熱に晒される時間がさらに増加して、前記不純物ドーピング領域のジャンクション深さはさらに深くなってしまう。このような様々な要因によって、前記急速熱アニーリング工程のアニーリング温度を高めることが非常に制限される。
【０００８】
また、前記半導体基板の表面にピーク濃度が位置するようにドーパントが注入されるが、前記半導体基板の表面から深くなるほど、注入されたドーパントの濃度が急激に減少する。これによって、前記不純物ドーピング領域が低い比抵抗を有するためには、前記半導体基板の表面に過度なピーク濃度が要求される結果となる。上述した制限的な急速熱アニーリング工程のアニーリング温度とともに、この過度なピーク濃度によって、前記不純物ドーピング領域の上部面（すなわち、半導体基板の表面）の近所に、活性化されなかったドーパント（非活性化ドーパント）が多量存在することになる。すなわち、前記半導体基板の表面には、前記制限的なアニーリング温度による溶解限界濃度（ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ  ｌｉｍｉｔ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）３０を超過する過度な量のドーパントが注入される。これによって、前記半導体基板の表面には活性化されたドーパント量に比較して非常に多量の非活性化ドーパントが存在するようになる。図１において、領域４０はこの不純物ドーピング領域内の非活性化ドーパントの量を示す。かかる注入濃度プロファイル１０によって、前記不純物ドーピング領域の上部分が電気的動作に要求される低抵抗となるためには、前記半導体基板の表面に非常に過度な量のドーパントが注入されることが要求される。これによって、前記半導体基板の表面において、非活性化ドーパントの量は、活性化されたドーパント量の１０倍以上存在することになろう。このような場合、過度な量の非活性化ドーパントが沈殿して、前記不純物ドーピング領域の表面などに、空孔（ｖａｃａｎｃｙ）及び／またはディスロケーション（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）などのような欠陥を誘発させる。その結果、前記不純物ドーピング領域の電気的抵抗が高くなって、半導体素子の特性が悪化してしまう。
【０００９】
なお、前記ドーパントイオンを注入するとき、チャネリング（ｃｈａｎｎｅｌｉｎｇ）現象が発生することがある。これによって、図示の点線１０の下端のように、深いチャネリングテール（ｃｈａｎｎｅｌｉｎｇ  ｔａｉｌ：注入飛程端）が発生する。その結果、前記不純物ドーピング領域のジャンクション深さが、さらに深くなってしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上述した問題点を解決するために考案されたものであり、本発明の課題は高集積化に最適化された、不純物ドーピング領域を含む半導体素子及びその形成方法を提供することにある。
【００１１】
本発明の他の課題は、電気的特性が優れたシャロージャンクション深さを有する不純物ドーピング領域を実現することができる半導体素子及びその形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した技課題を解決するために、本発明は、不純物ドーピング領域を含む半導体素子の形成方法を提供する。この方法は、半導体基板にクラスタ型ドーパントイオン（ｃｌｕｓｔｅｒ−ｓｈａｐｅｄ  ｄｏｐａｎｔｉｏｎｓ）を注入して、不純物注入領域を形成する段階と、前記不純物注入領域にレーザアニーリング工程を実行して、不純物ドーピング領域を形成する段階とを含む。前記クラスタ型ドーパントイオンは複数個のドーパント原子または複数個のドーパント分子が結合した形態である。
【００１３】
具体的には、前記不純物注入領域の上部分は、注入されたドーパント濃度が最大である最大注入部を含むことができる。この場合に、前記最大注入部のドーパント濃度は、前記レーザアニーリング工程のアニーリング温度によるドーパントの溶解限界濃度の４倍以内であることが好ましい。さらに、前記最大注入部のドーパント濃度は、前記溶解限界濃度と同一であるか、または大きくなることができる。前記最大注入部のドーパント濃度は５×１０１９／ｃｍ３乃至２×１０２２／ｃｍ３の範囲が良い。前記ドーパントがボロン（ｂｏｒｏｎ）の場合、前記最大注入部のドーパント濃度は５×１０１９／ｃｍ３乃至２．４×１０２１／ｃｍ３の範囲が良い。前記レーザアニーリング工程のレーザアニーリング温度は、１０００℃乃至１４５０℃であることが好ましい。前記レーザアニーリング工程は、レーザビームを前記不純物注入領域に照射して実行することができる。このとき、前記レーザアニーリング工程のアニーリング時間は１マイクロ秒（ｍｉｃｒｏ  ｓｅｃｏｎｄ）乃至１秒であることが好ましい。前記不純物ドーピング領域の上部分である上部ドーピング部のドーパント濃度は、ばらつきが２０％以内であることが好ましい。前記不純物ドーピング領域の下部面は、前記半導体基板の上部面から第１深さに形成され、前記上部ドーピング部の下部面は、前記半導体基板の上部面から第２深さに形成されることができる。このとき、前記第２深さは前記第１深さの１／４である値と同一またはそれより深く、前記第１深さに比較して浅いことが好ましい。前記不純物ドーピング領域の下部分である下部ドーピング部の下部面の深さは、前記第１深さと同一であり得る。前記下部ドーピング部は深さが深くなるほど、ドーパント濃度が急激に減少することができる。前記不純物ドーピング領域の下部面の深さは１ナノメータ乃至１５ナノメータであり得る。前記方法は前記不純物注入領域を形成する前に、ゲート絶縁膜を介して前記半導体基板上に配置されたゲート電極を形成する段階をさらに含むことができる。この場合に、前記クラスタ型ドーパントイオンは前記ゲート電極をマスクとして用いて注入され、前記不純物注入領域は前記ゲート電極の両側の前記半導体基板に形成される。
【００１４】
また本発明は、上述した課題を解決するために、不純物ドーピング領域を含む半導体素子を提供する。この素子は、半導体基板及び前記半導体基板に形成された不純物ドーピング領域を含む。前記不純物ドーピング領域の上部分である上部ドーピング部のドーパント濃度はばらつきが２０％以内であり、前記不純物ドーピング領域の下部分である下部ドーピング部のドーパント濃度は深さが深くなるほど急激に減少する。
【００１５】
具体的には、前記不純物ドーピング領域の下部面は、前記半導体基板の上部面から第１深さに位置し、前記上部ドーピング部の下部面は、前記半導体基板の上部面から第２深さに位置することができる。このとき、前記第２深さは前記第１深さの１／４である値と同一またはそれより深く、前記第１深さに比較して浅いことが好ましい。前記下部ドーピング部の下部面の深さは前記第１深さと同一であることが好ましい。前記上部ドーピング部内で非活性化ドーパントの量は、活性化されたドーパント量の３倍以内であり得る。前記上部ドーピング部内には、前記活性化されたドーパントのみが存在することもできる。前記上部ドーピング部の最大ドーパント濃度は、４×１０１９／ｃｍ３より大きく、２×１０２２／ｃｍ３より小さい範囲が良い。前記ドーパントがボロンの場合、前記上部ドーピング部の最大ドーパント濃度は、４×１０１９／ｃｍ３より大きく、２．４×１０２１／ｃｍ３より小さい範囲が良い。前記不純物ドーピング領域の下部面の深さは、１ナノメータ乃至１５ナノメータであることが好ましい。前記素子は、前記不純物ドーピング領域の一側の前記半導体基板上に配置されたゲート電極、及び前記ゲート電極と前記半導体基板との間に介在されたゲート絶縁膜をさらに有する構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によると、クラスタ型ドーパントイオンを注入して理想的な形態であるボックス（ｂｏｘ）形態に非常に近い濃度プロファイルを有する不純物注入領域を形成し、前記不純物注入領域にアニーリング時間が１秒以下の非常に短いレーザアニーリング工程を実行して、不純物ドーピング領域を形成する。これによって、半導体基板表面において非活性化ドーパントの量を大幅に減少させることができる。その結果、従来の欠陥を最小化し、不純物ドーピング領域の電気的特性の劣化を最小化することができる。
【００１７】
また、前記レーザアニーリング工程は非常に短いアニーリング時間とともに高温のアニーリング温度を提供することができる。これによって、溶解限界濃度を高めて、前記不純物ドーピング領域内の活性化されたドーパント量を増加させることができる。その結果、非常に低い抵抗を有する不純物ドーピング領域を実現することができる。
【００１８】
結果的に、非常に浅くて優れた電気的特性を有する不純物ドーピング領域を実現して、高集積化に最適化された半導体素子を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付した図を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の精神の範囲内で、他の形態に改変することができる。ここで紹介する実施形態は、開示内容が完全なものとなるように、そして当業者に本発明の思想を十分に伝達するために提供されるものである。図に示す各構成要素は明確性のために誇張されたものである。明細書の全体にかけて同一の参照番号に表記された部分は同一構成要素を示す。
【００２０】
図２及び図３は、本発明の実施形態に係る不純物ドーピング領域を含む半導体素子の形成方法を説明するための断面図であり、図４は図２のＩ-Ｉ'に沿って切断した不純物注入領域の深さに対するドーパント濃度の変化を示すグラフであり、図５は図３のＩＩ-ＩＩ'に沿って切断した不純物ドーピング領域の深さに対するドーパント濃度の変化を示すグラフである。そして、図６は本発明の実施形態に係る不純物ドーピング領域の形成方法を説明するためのフローチャートである。
【００２１】
図２において、まず半導体基板１００上にゲートパターン１０５を形成する。ゲートパターン１０５は、半導体基板１００上に順に積層されたゲート絶縁膜１０２及びゲート電極１０３を含む。さらに、ゲートパターン１０５はゲート電極１０３上に配置されたキャッピング絶縁パターン１０４をさらに含むことができる。ゲート絶縁膜１０２はシリコン酸化膜、特に、熱酸化膜で形成されることができる。ゲート電極１０３は導電物質で形成する。例えば、ゲート電極１０３は、ドーピングされたポリシリコン、金属（例えば、タングステン、モリブデンなど）、導電性金属窒化物（例えば、窒化チタン、窒化タンタルなど）及び金属シリサイド（例えば、タングステンシリサイド、コバルトシリサイドなど）のうちから選択された少なくとも１つで形成されることができる。キャッピング絶縁パターン１０４は、窒化シリコン、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンなどで形成することができる。ゲートパターン１０５を形成する前に、半導体基板１００に活性領域を画する素子分離膜（図示しない）を形成することができる。ゲートパターン１０５は前記活性領域を横切る。
【００２２】
次に、本発明の主要特徴である不純物ドーピング領域の形成方法を説明する。この方法は、図６のフローチャートと、図４及び図５のドーパントの濃度プロファイルを示すグラフとを、参照しながら説明する。
【００２３】
図２において、ゲートパターン１０５をマスクとして用いて、半導体基板１００にドーパントイオン１０７を注入する（図６のＳ２００）。これによって、ゲートパターン１０５の両側の半導体基板１００に、不純物注入領域１１０を形成する。ドーパントイオン１０７は複数個のドーパントユニット（ｄｏｐａｎｔ  ｕｎｉｔｓ）が互いに結合した形態であることが好ましい。前記ドーパントユニットはドーパント原子またはドーパント分子であり得る。またクラスタ型ドーパントイオン１０７（ｃｌｕｓｔｅｒ−ｓｈａｐｅｄ  ｄｏｐａｎｔｉｏｎ）は１千個乃至５万個のドーパント原子を含むことが好ましい。クラスタ型ドーパントイオン１０７を構成するドーパント原子（または分子）は緩く結合していることが好ましい。
【００２４】
クラスタ型ドーパントイオン１０７を形成する一方法を説明する。複数個のドーパント原子（または分子）を低い圧力のチャンバ内に高速で注入する。これによって、断熱膨脹によって前記チャンバ内の温度が下降する。前記チャンバ内の複数個のドーパント原子（または分子）は低い温度によって凝固してパーティクルに形成される。このとき、凝固したパーティクルは、複数個のドーパント原子（または分子）が緩く結合したクラスタ型で形成される。次に、前記パーティクルをイオン化させる。前記イオン化されたパーティクルはクラスタ型ドーパントイオン１０７に該当する。
【００２５】
前記イオン注入工程のとき、クラスタ型ドーパントイオン１０７は半導体基板１００の表面に衝突して分解され、各分割された要素が半導体基板１００に注入される。これによって、不純物注入領域１１０内に注入されたドーパントの濃度は、図４に示した注入濃度プロファイル１５０の如くになる。図４において、横軸は半導体基板１００の上部面を基準にした深さを示し、縦軸はドーパントの濃度を示す。
【００２６】
クラスタ型ドーパントイオン１０７によって、不純物注入領域１１０の上部分１０８のドーパント濃度は第１注入プロファイル１４７を呈し、不純物注入領域１１０の下部分１０９のドーパント濃度は第２注入プロファイル１４８を呈する。不純物注入領域１１０の上部分１０８を「上部注入部１０８」とも称し、不純物注入領域１１０の下部分１０９を「下部注入部１０９」とも称する。図４に示したように、上部注入部１０８のドーパント濃度の濃度変化は、非常に緩慢である。例えば、上部注入部１０８のドーパント濃度は比較的均一である。上部注入部１０８のドーパント濃度のばらつきは２０％以内である。上部注入部１０８は注入されたドーパントの濃度が最大である最大注入部を含む。これに対し、下部注入部１０９のドーパント濃度は深さが深くなるほど急激に減少する。
【００２７】
上述したように、クラスタ型ドーパントイオン１０７によって、不純物注入領域１１０の上部分１０８は比較的均一な濃度を有する。このため、不純物注入領域１１０の上部面（すなわち、半導体基板１００の表面）に注入されるドーパント量は、従来に比較して大幅に減少する。すなわち、不純物注入領域１１０の上部分１０８に比較的均一な濃度を有する領域が形成されるため、従来のように、半導体基板の表面に過度なドーパント量を注入しなくても、優れた電気的特性を有する不純物ドーピング領域を実現することができる。さらに、クラスタ型ドーパントイオン１０７の大きさは半導体基板１００の原子格子に比較して非常に大きいので、従来のチャネリング現象が発生しない。この結果、不純物注入領域１１０の注入濃度プロファイル１５０は、従来に比較して理想的な形態である、ほぼボックス形状で形成される。
【００２８】
次に図３において、不純物注入領域１１０にレーザアニーリング工程を実行する（図６のＳ２１０）。前記レーザアニーリング工程によって不純物注入領域１１０内のドーパントが活性化されて、電気的特性を有する不純物ドーピング領域１１０ａが形成される。図５に、不純物ドーピング領域１１０ａのドーパント濃度を示すドーピング濃度プロファイル１６０を示す。図５においても、横軸は半導体基板１００の上部面を基準にした深さを示し、縦軸はドーパントの濃度を示す。
【００２９】
前記レーザアニーリング工程は、レーザビームを不純物注入領域１１０に照射して実行する。前記レーザビームの照射時間を調節することによって、前記レーザアニーリング工程は、従来の急速熱アニーリング工程に比較して、非常に短いアニーリング時間で実行することができる。前記レーザアニーリング工程のアニーリング時間（以下、レーザアニーリング時間とも称する）は、１マイクロ秒（ｍｉｃｒｏｓｅｃｏｎｄ）乃至１秒であることが好ましい。また、前記レーザアニーリング工程は、従来の急速熱アニーリング工程に比較して、非常に高い温度の熱を供給することができる。
【００３０】
前記レーザアニーリング工程のアニーリング時間が従来の急速熱アニーリング工程のアニーリング時間に比較して非常に短いため、前記レーザアニーリング工程によるドーパントの拡散を最小に抑えるることができる。また、前記レーザアニーリング工程は、急速熱アニーリング工程に比較して、高い温度の熱を供給し得ることだけでなく、非常に短いレーザアニーリング時間で済むという長所によって、前記レーザアニーリング工程のアニーリング温度を、従来に比較して自由に増加させることができる。この結果、前記レーザアニーリング工程によって、ドーパントの拡散を最小にすることができるとともに、不純物注入領域１１０に高温のアニーリング工程を適用することができる。前記レーザアニーリング工程のアニーリング温度、すなわち、レーザアニーリング温度は、１０００℃乃至１４５０℃であることが好ましい。
【００３１】
不純物ドーピング領域１１０ａの上部分である上部ドーピング部１０８ａは、上部注入部１０８に起因したドーパント濃度プロファイルを呈し、また不純物ドーピング領域１１０ａの下部分である下部ドーピング部１０９ａは、下部注入部１０９に起因したドーパント濃度プロファイルを呈する。さらに具体的には、上部ドーピング部１０８ａのドーパント濃度は、図５に示すように、ドーピング濃度プロファイル１６０の第１ドーピングプロファイル１５７を有する。すなわち、上部ドーピング部１０８ａのドーパント濃度は、ばらつきが２０％以内であって、比較的均一である。これに対し、下部ドーピング部１０９ａのドーパント濃度は、深さが深くなるほど急激に減少する。これに対し、下部ドーピング部１０９ａのドーパント濃度は、図５に示すように、ドーピング濃度プロファイル１６０の第２ドーパントプロファイル１５８を呈する。上部ドーピング部１０８ａの下部面は、上部注入部１０８の下部面に比較して僅かにさらに深いことがある。勿論、下部ドーピング部１０９ａの下部面も、下部注入部１０９の下部面に比較して僅かにさらに深いことがある。
【００３２】
前記レーザアニーリング温度を増加させることによって、不純物注入領域１１０の溶解限界濃度１７０を高めることができる。溶解限界濃度１７０は前記レーザアニーリング温度で活性化させることができるドーパントの最大量である。溶解限界濃度１７０は前記レーザアニーリング温度によって変わる。前記レーザアニーリング温度が増加するほど前記溶解限界濃度１７０も増加する。
【００３３】
前記レーザアニーリング温度で溶解限界濃度１７０を高めることによって、上部ドーピング部１０８ａでの活性化されたドーパント量を大幅に増加させることができる。これによって、不純物ドーピング領域１１０ａの抵抗を非常に低めることができる。また、上部ドーピング部１０８ａでの活性化されたドーパント量が大幅に増加することから、上部ドーピング部１０８ａ内の非活性化ドーパントの量を大幅に減少させることができる。特に、上部ドーピング部１０８ａ内のドーパントは全て活性化されることができる。
【００３４】
不純物注入領域１１０の最大注入部のドーパント濃度、すなわち、不純物注入領域１１０の最大ドーパント濃度は、前記レーザアニーリング温度による溶解限界濃度１７０の４倍以内である。これによって、上部ドーピング部１０８ａ内で、非活性化ドーパントの量を活性化されたドーパント量の３倍以内にすることが実現できる。非活性化ドーパントの量が活性化されたドーパント量の３倍以内になれば、空孔（ｖａｃａｎｃｙ）及び／またはディスロケーション（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）のような欠陥が最小化されて、不純物ドーピング領域１１０ａの電気的特性にほとんど影響を与えない。
【００３５】
さらに具体的には、不純物注入領域１１０の最大ドーパント濃度は溶解限界濃度１７０と同一であるか、それより大きく、溶解限界濃度１７０の４倍以内であることが好ましい。最も好ましい実施形態は、不純物注入領域１１０の最大ドーパント濃度が溶解限界濃度１７０と同一であるものである。この場合に、不純物ドーピング領域１１０ａ内のすべてのドーパントが活性化される。これによって、従来の空孔または／及びディスロケーションなどのような欠陥を防止することができる。
【００３６】
前記レーザアニーリング温度が１４５０℃であり、前記ドーパントが活性化エネルギーの低いヒ素の場合、溶解限界濃度１７０は約５×１０２１／ｃｍ３である。前記レーザアニーリング温度が１０００℃であり、前記ドーパントが活性化エネルギーの高いボロンの場合、溶解限界濃度１７０は約５×１０１９／ｃｍ３である。したがって、不純物注入領域１１０の最大ドーパント濃度は５×１０１９／ｃｍ３乃至２×１０２２／ｃｍ３であること好ましい。特に、ボロンはヒ素及びリンに比較して活性化程度が低く、前記レーザアニーリング温度が１４５０℃であるとき、前記ボロンの溶解限界濃度１７０は略６×１０２０／ｃｍ３である。したがって、前記ドーパントがボロンの場合、不純物注入領域１１０の最大ドーパント濃度は５×１０１９／ｃｍ３乃至２．４×１０２１／ｃｍ３であることが好ましい。
【００３７】
上述した不純物注入領域１１０の最大ドーパント濃度を実現するためのクラスタ型不純物イオン１０７のドーズ量は、注入エネルギー及びドーパントの種類によって変わる。例えば、ボロンの濃度６×１０２０／ｃｍ３を実現するには、ドーズ量を２．５×１０１４／ｃｍ３とし、５ＫｅＶエネルギーで前記クラスト型ドーパントイオンを注入する。
【００３８】
不純物ドーピング領域１１０ａの下部面は前記半導体基板の上部面から第１深さＤ１に形成され、上部ドーピング部１０８ａの下部面は前記半導体基板の上部面から第２深さＤ２に形成される。このとき、前記第２深さＤ２は、前記第１深さＤ１の１／４である値より深く、前記第１深さＤ１に比較して浅いことが好ましい。下部ドーピング部１０９ａの下部面は前記第１深さＤ１と同一である。すなわち、下部ドーピング部１０９ａの下部面は不純物ドーピング領域１１０ａの下部面になる。
【００３９】
クラスタ型ドーパントイオン１０７を利用したイオン注入工程Ｓ２００及び前記レーザアニーリング工程（Ｓ２１０）を実行することによって、不純物ドーピング領域１１０ａは非常に浅く、優れた電気的特性を有するように形成することができる。不純物ドーピング領域１１０ａの下部面の深さは１ナノメータ乃至１５ナノメータで形成することが好ましい。
【００４０】
不純物ドーピング領域１１０ａはＤＲＡＭセルまたはＮＡＮＤ型フラッシュ記憶セルに含まれる単層のソース／ドレイン領域として用いることができる。
【００４１】
一方、不純物ドーピング領域１１０ａは、ＬＤＤ構造型ソース／ドレイン領域の低濃度ドーピング領域や延長型ソース／ドレイン領域の延長部としても用いられる。この場合の不純物ドーピング領域１１０ａの形成方法を、図面を参照して説明する。この方法は図２及び図２を参照して説明した方法を含むものである。
【００４２】
図７及び図８は本発明の実施形態に係る半導体素子の形成方法の変形例を説明するための断面図である。
【００４３】
図７において、図２の不純物注入領域１１０を形成した後、ゲートパターン１０５の両側壁にスペーサ１１２を形成する。このスペーサ１１２は窒化シリコン、酸化シリコン及び窒化酸化シリコンのうちの少なくとも１つで形成することができる。
【００４４】
ゲートパターン１０５及びスペーサ１１２をマスクとして用いて高ドーズのドーパントイオンを注入して、高濃度注入領域１１５を形成する。高濃度注入領域１１５のドーパントは不純物注入領域１１０内のドーパントと同一のタイプであることが好ましい。高濃度注入領域１１５を形成するためのドーパントイオンは、単原子（または単分子）ドーパントイオンまたはクラスタ型ドーパントイオンである。不純物注入領域１１０のドーパント濃度は高濃度注入領域１１５のドーパント濃度に比較して小さいことがある。この場合、ソース／ドレイン領域はＬＤＤ構造で形成されることになる。これとは異なり、不純物注入領域１１０のドーパント濃度は高濃度注入領域１１５に近接することができる。この場合、ソース／ドレイン領域は延長型構造で形成されることになる。高濃度注入領域１１５を形成するためのドーパントイオンは、不純物注入領域１１０のそれに比較して高いエネルギーで注入することができる。
【００４５】
次に図８において、前記不純物注入領域１１０及び高濃度注入領域１１５を有する半導体基板１００に、図３及び図５と、図６のステップ（Ｓ２００）を参照して説明したレーザアニーリング工程を実行する。これによって、不純物ドーピング領域１１０ａ及び高濃度ドーピング領域１１５ａが形成される。この不純物及び高濃度ドーピング領域１１０ａ、１１５ａはソース／ドレイン領域を構成する。
【００４６】
次に、本発明に係る半導体素子を、図面を参照して説明する。
【００４７】
図９は本発明の実施形態に係る不純物ドーピング領域を有する半導体素子を示す斜視図であり、図１０は、図９のＩＩＩ-ＩＩＩ'に沿って切断した不純物ドーピング領域の、深さに対するドーパント濃度の変化を示すグラフである。
【００４８】
図９及び図１０を参照して説明すると、半導体基板１００上にゲートパターン１０５が配置される。ゲートパターン１０５はゲート電極１０３を含む。また、ゲートパターン１０５はゲート電極１０３と半導体基板１００との間に介在されたゲート絶縁膜１０２をさらに含む。ゲートパターン１０５はゲート電極１０３上に配置されたキャッピング絶縁パターン１０４をさらに含むことができる。
【００４９】
ゲートパターン１０５両側の半導体基板１００に、ソース／ドレイン領域が配置される。前記ソース／ドレイン領域は不純物ドーピング領域１１０ａを含む。不純物ドーピング領域１１０ａの上部分１０８ａを「上部ドーピング部１０８ａ」と定義し、不純物ドーピング領域１１０ａの下部分１０９ａを「下部ドーピング部１０９ａ」と定義する。
【００５０】
不純物ドーピング領域１１０ａのドーピング濃度プロファイル１６０を図１０に示した。ドーピング濃度プロファイル１６０は第１ドーピングプロファイル１５７及び第２ドーピングプロファイル１５８を含む。上部ドーピング部１０８ａのドーパント濃度は第１ドーピングプロファイル１５７を有し、下部ドーピング部１０９ａのドーパント濃度は第２ドーピングプロファイル１５８を有する。さらに具体的には、上部ドーピング部１０８ａのドーパント濃度はばらつきが２０％以内であり、比較的均一である。これに対し、下部ドーピング部１０９ａのドーパント濃度は深さが深くなるほど急激に減少する。
【００５１】
不純物ドーピング領域１１０ａの下部面は半導体基板１００の表面から第１深さＤ１に位置する。前記第１深さＤ１は不純物ドーピング領域１１０ａのジャンクション深さになる。上部ドーピング部１０８ａの下部面は半導体基板１００の表面から第２深さＤ２に位置する。このとき、前記第２深さＤ２は第１深さＤ１の１／４である値と同一であるか、それより大きく、前記第１深さＤ１に比較して浅いことが好ましい。不純物ドーピング領域１１０ａの上部面と上部ドーピング部１０８ａの上部面は互いに同一であり、半導体基板１００の表面と同一である。下部ドーピング部１０９ａの下部面は前記第１深さＤ１と同一である。すなわち、下部ドーピング部１０９ａの下部面は不純物ドーピング領域１１０ａの下部面と同一である。
【００５２】
ゲートパターン１０５の側壁にスペーサ１１２が配置される。不純物ドーピング領域１１０ａはスペーサ１１２の下に配置されることができる。不純物ドーピング領域１１０ａの一側に高濃度ドーピング領域１１５ａが配置されることができる。このとき、不純物ドーピング領域１１０ａは、ゲートパターン１０５下のチャンネル領域と高濃度ドーピング領域１１５ａとの間に位置する。不純物ドーピング領域１１０ａは高濃度ドーピング領域１１５ａと電気的に接続し、前記ソース／ドレイン領域を構成する。不純物ドーピング領域１１０ａは、高濃度ドーピング領域１１５ａのドーパント濃度に比較して、低いドーパント濃度にすることができる。この場合、前記ソース／ドレイン領域はＬＤＤ構造を有することになる。これとは異なり、不純物ドーピング領域１１０ａは高濃度ドーピング領域１１５ａのドーパント濃度に近接したドーパント濃度を有することができる。この場合、前記ソース／ドレイン領域は延長型構造を有することになる。
【００５３】
これとは異なり、前記ソース／ドレイン領域は不純物ドーピング領域１１０ａのみを含んだ形態とことができる。この場合に、高濃度ドーピング領域１１５ａは省略し、不純物ドーピング領域１１０ａの一端はゲートパターン１０５から遠くなる方向に半導体基板１００の表面に沿って横に延在する。
【００５４】
上部ドーピング部１０８ａ内において、非活性化ドーパントの量は活性化されたドーパント量の３倍以内である。上部ドーピング部１０８ａ内には活性化されたドーパントのみが存在することがさらに好ましい。上部ドーピング部１０８ａ内にすべてのドーパントが活性化される場合、下部ドーピング部１０９ａ内のすべてのドーパントも活性化されて、不純物ドーピング領域１１０ａ内のすべてのドーパントが活性化される。
【００５５】
上部ドーピング部１０８ａは、図２を参照して説明した上部注入部１０８に、上述したレーザアニーリング工程を実行して形成される。上述したように、上部注入部１０８の最大ドーパント濃度の値は、５×１０１９／ｃｍ３乃至２×１０２２／ｃｍ３の範囲とすることができる。前記レーザアニーリング工程によって、図２に開示された上部注入部１０８内のドーパントは僅かに拡散する。これによって、上部ドーピング部１０８ａの最大ドーパント濃度の最大値は２×１０２２／ｃｍ３より小さくなる。そして、上部ドーピング部１０８ａの最大ドーパント濃度の最小値は５×１０１９／ｃｍ３よりも僅かに小さくなる。しかし、上部ドーピング部１０８ａの最大ドーパント濃度の最小値は４×１０１９／ｃｍ３より大きい。結果的に、上部ドーピング部１０８ａの最大ドーパント濃度は４×１０１９／ｃｍ３より大きく、２×１０２２／ｃｍ３より小さい範囲が好ましい。同様に、前記ドーパントがボロンの場合、上部ドーピング部１０８ａの最大ドーパント濃度は４×１０１９／ｃｍ３より大きく、２．４×１０２１／ｃｍ３より小さい範囲が好ましい。
【００５６】
前記不純物ドーピング領域１１０ａのドーパント濃度が１×１０１８／ｃｍ３である深さを、前記不純物ドーピング領域１１０ａの下部面として定義することができる。
【００５７】
前記不純物ドーピング領域１１０ａの下部面の第１深さＤ１は、１ナノメータ乃至１５ナノメータであることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】従来の不純物ドーピング領域の深さに対するドーパントの濃度の変化を示すグラフである。
【図２】本発明の実施形態に係る不純物ドーピング領域を含む半導体素子の形成方法を説明するための断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る不純物ドーピング領域を含む半導体素子の形成方法を説明するための断面図である。
【図４】図２のＩ−Ｉ'に沿って切断した不純物注入領域の深さに対するドーパント濃度の変化を示すグラフである。
【図５】図３のＩＩ-ＩＩ'に沿って切断した不純物ドーピング領域の深さに対するドーパント濃度の変化を示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態に係る不純物ドーピング領域の形成方法を説明するためのフローチャートである。
【図７】本発明の実施形態に係る半導体素子の形成方法の変形例を説明するための断面図である。
【図８】本発明の実施形態に係る半導体素子の形成方法の変形例を説明するための断面図である。
【図９】本発明の実施形態に係る不純物ドーピング領域を有する半導体素子を示す斜視図である。
【図１０】図９のＩＩＩ-ＩＩＩ'に沿って切断した不純物ドーピング領域の深さに対するドーパント濃度の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５９】
１００  半導体基板、
１０２    ゲート絶縁膜、
１０３    ゲート電極、
１０４    キャッピング絶縁パターン、
１０５    ゲートパターン、
１０７    ドーパントイオン、
１０８    上部分（上部注入部）、
１０８ａ    上部ドーピング部、
１０９    下部分（下部注入部）、
１０９ａ    下部ドーピング部、
１１０    不純物注入領域、
１１０ａ    不純物ドーピング領域、
１１２    スペーサ、
１１５    高濃度注入領域、
１１５ａ    高濃度ドーピング領域、
１４７    第１注入プロファイル
１４８    第２注入プロファイル
１５０    注入濃度プロファイル、
１５７    第１ドーピングプロファイル
１５８    第２ドーピングプロファイル
１６０    ドーピング濃度プロファイル、
１７０    溶解限界濃度。
【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】
2007208264.tif 000009
【図８】
2007208264.tif 000010
【図９】
2007208264.tif 000011
【図１０】
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