(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
選択された原子核種を含むイオンを半導体基板の表面を通して注入し、前記基板中に前記表面より下に所望の深さで、異なる導電性タイプの領域間に接合を形成する方法であって、
前記接合の前にある領域内に注入される前記核種の所望濃度を達成するため、前記選定された原子核種の最大注入エネルギーと、前記原子核種の全ドーズ(dose)とを、前記所望深さに従って選定するステップと、
前記最大注入エネルギーで前記ドーズを完了する前に、前記最大注入エネルギー未満の初期エネルギーで、前記ドーズの一部を前記原子核種を用いて注入する初期注入ステップ
を含み、
前記初期注入ステップが、深さに対するドーズ分布のプロファイルにおいてチャネル化テイルを生成し、
前記初期エネルギーは、前記チャネル化テイルが前記所望の深さを超えて拡大しない程度に低く、
前記最大注入エネルギーが、１０ｋｅＶ以下である、イオン注入法。
【請求項２】
前記ドーズを、前記原子核種に関し、異なる注入エネルギーで、少なくとも２つのステップで注入する、請求項１に記載の注入法。
【請求項３】
前記注入エネルギーを、前記最大値まで連続的に又は段階的に増加する、請求項１に記載の注入法。
【請求項４】
前記ドーズの少なくとも５％を、前記最大エネルギーの少なくとも５０％未満で最初に注入する、請求項１〜３のいずれかに記載の注入法。
【請求項５】
５％から２０％の間の前記ドーズを、前記最大エネルギーの少なくとも５０％未満で最初に注入する、請求項４に記載の注入法。
【請求項６】
５％から２０％の間の前記ドーズを、前記最大エネルギーの少なくとも３０％未満で最初に注入する、請求項５に記載の注入法。
【請求項７】
５０％までの前記ドーズを、前記最大エネルギーの７０％までで、最初に注入する、請求項１〜６のいずれかに記載の注入法。
【請求項８】
前記最大注入エネルギーが、５ｋｅＶ以下である、請求項１〜７のいずれかに記載の注入法。
【請求項９】
前記ドーズを注入するエネルギーが、前記所望深さを超えて前記基板内に貫入する注入イオン数を低減するように選定される、請求項１〜８のいずれかに記載の注入法。
【請求項１０】
前記ドーズを注入するエネルギーが、所望の理想プロフィルにより近い接合の前にある前記基板領域内に、注入イオンの濃度プロフィルを生じるように選定される、請求項１〜９のいずれかに記載の注入法。
【請求項１１】
前記所望の理想プロフィルが、深さに対して均一な濃度である、請求項１０に記載の注入法。
【請求項１２】
前記ドーズを完了するよう注入されるイオンよりも、質量対電荷の比が高いイオンを注入することによって、前記ドーズの前記一部が注入される、請求項１に記載の注入法。
【請求項１３】
質量対電荷のより高い比のイオンが、前記ドーズを完了するよう注入される前記イオンと同じエネルギーで注入される、請求項１２に記載の注入法。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかに記載の方法によって形成された注入領域を有する、半導体デバイス。
【請求項１５】
請求項１４に記載の半導体デバイスを内蔵する集積回路。
【請求項１６】
前記初期注入ステップの後に、前記最大注入エネルギーで前記イオンを注入する最大エネルギー注入ステップを更に備え、
前記最大エネルギー注入ステップによって注入されるイオンの濃度プロファイルの最大値が、前記初期注入ステップによって注入されるイオンの濃度プロファイルの最大値よりも大きい、請求項１に記載のイオン注入法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン注入法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオン注入は、選択した濃度の不純物原子と画成領域をドーピングすることによって、基板の半導体物質でできた画成領域の電気的特性を変更するために、集積回路装置の製造で使用される標準的なプロセスのひとつである。この技術には、予め選定された原子核種を含むイオンビームを発生させ、ビームをターゲット基板に指向させることが含まれる。原子核種注入の深さは、とりわけ、イオンビームエネルギーに依存する、注入時の核種エネルギーに依存している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
低い注入エネルギーで行うことによって、基板面より下方の浅い深さで半導体基板内に、異なる導電性タイプの領域間の接合を形成することができるイオン注入の要請が高まってきている。そのような浅い接合は、１０ｋｅＶ未満、場合によっては２ｋｅＶ未満の注入エネルギーでの注入が必要である。低い注入エネルギーまで下げて作動できるインプランタは、我々の同時出願中の出願番号第９５２２８８３．９号に記載のアプライド・マテリアルズ・プレシジョン・インプラント（Applied Materials Precision Implant）ｘＲ８０である。
【０００４】
ウェハ表面より下に、予測可能な深さで、接合を形成することは、半導体ウェハ内の異なる導電性タイプの領域間で接合を形成する場合に重要である。また、接合より上の領域中のドーパント原子濃度が相対的に均一であること、そして接合自体のところでできるだけ鋭く落ち込むことがしばしば望ましい。
【０００５】
イオン注入技術に伴う問題は、所望の注入エネルギーで基板に進入するイオンの割合が、基板物質の原子との衝突を起こす確率計算で予測された深さより深くまで基板内に貫入してしまうことである。この現象が生ずる理由は、基板に進入するイオンの中には、軸と、結晶内の対称面とに沿って「チャネル化」(channelled)されるからである。このチャネル効果は、有効接合深さが、意図する深さよりも深くなるように、意図した接合深さを超えるドーパント核種の著しい濃度レベルを生じ得る。
【０００６】
添付図面の図１はその効果を示している。この図は、基板表面よりも下の深さに対する、所望ドーパント（ここではホウ素）の原子濃度をグラフ化したものである。チャネル化がない場合には、接合は深さｄで形成される。しかし、チャネル化があると、ホウ素原子は、深さｄを超えて「テイル」(tail)１０に延在し、それによって実際の接合は深さｄ＋Δｄとなる。
【０００７】
この問題は、特に、低エネルギー時のチャネル化の拡がりが大きくなるにつれて、低い注入エネルギーで、比較的浅い深さでの接合を形成したい場合に著しい。
【０００８】
ドーパントイオンの濃度プロフィルに対する、チャネル化効果を低減する従来技術のひとつに、比較的高いエネルギーのシリコンイオンを事前に注入しておく方法がある。シリコンのこの事前注入は、基板表面で、あるいは基板表面より下で、基板の結晶質シリコンをアモルファス化する効果を持っているので、後続のドーパントイオン注入の間、チャネル化は減少する。注入されたシリコンによって生じる損傷領域１１が、意図された接合深さを超えて延在して接合の上のドーピング領域の損傷を最小にするように、シリコン事前注入のエネルギーを選択する。
【０００９】
しかし、接合より下の基板領域に延在する損傷領域１１は、ドーパント活性化のための後続する基板熱処理では完全に修復できないので、シリコン事前注入後に残ってしまう残留損傷があり、最終的な装置の性能を低下させ得ることが、この手順の問題である。また、別の材料を使って事前注入を行うと、インプラント装置の生産性を著しく減少させてしまう。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体基板の表面を介し、選択した原子核種を包含するイオンを注入して、前記表面より下の所望深さに、基板内へ異なる導電性タイプの領域間で接合を形成する方法を提供し、この方法は、前記所望深さに従って、前記選定した原子核種の最大注入エネルギーと、前記原子核種の全ドーズとを選定して、前記接合の前の領域に注入される前記核種の所望濃度を達成するステップと、前記ドーズを前記最大エネルギーで行う前に、前期最大注入エネルギー未満で前記原子核種を用いて前記ドーズの一部を注入するステップとを有する。
【００１１】
この手順を使って、ドーパントイオンの意図されたドーズの一部は、先ず、どのチャネル化テイルも、接合深さを超えて延在しない位置で、比較的低いエネルギーで注入される。しかし、この低いエネルギーのドーズの初期部分は、基板表面層のアモルファス化を招く。その結果、全注入エネルギーでドーズを完了する場合、所望の接合深さを達成するには、既にアモルファス化された領域を介して、これら高エネルギーイオンを注入し、それによって、それらのチャネル化の確率を非常に低下させる。
【００１２】
この手順の効果は、注入イオン濃度プロフィルのチャネル化テイルを大きく減少させ、それによって浅い接合を確実に形成することができる点である。重要な点は、意図するターゲット領域を外れて、基板を損傷しないことである。
【００１３】
必要なドーズを、原子核種用の異なる少なくとも２段階の注入エネルギーで、注入してもよい。実際、３段階以上の慎重なエネルギーステップで、最終ステップの最大エネルギーまで、各ステップのエネルギーを増加するようにしてもよい。
【００１４】
代替として、注入の進捗とともに、注入エネルギーを連続的に増加させるか、または多数の比較的小さいステップでエネルギーを増加させるか、何れかによって、注入エネルギーを前記最大値まで徐々に増加してもよい。
【００１５】
前記ドーズの少なくとも５％は、前記最大エネルギーの５０％未満で最初は注入するのが望ましい。事実、前記ドーズの５％から２０％の間で、前記最大エネルギーの５０％未満、好ましくは３０％未満で最初に注入してもよい。
【００１６】
前記ドーズの５０％までは、前記最大エネルギーの７０％まで最初に注入してもよい。
【００１７】
この手順は、比較的低いエネルギーでの注入、例えば、前記最大エネルギーが１０ｋｅＶ以下、あるいは、場合によっては、５ｋｅＶ以下である場合に特に有効である。
【００１８】
注入されたドーズが、前記所望深さを超えて基板内へ貫入する注入イオンの数を減少させるエネルギーを選定することは別として、エネルギーの分散を選定して、所望プロフィルに近接する接合の前にある、基板領域内の注入イオンの濃度プロフィルを生成させてもよい。普通、この所望プロフィルは、深さ方向で均一な濃度であろう。
【００１９】
本発明はまた、半導体基板内へのイオン注入により、前記基板表面より下に所望深さで、異なる伝導性を持つ領域間の接合を形成する方法に関し、この方法は、所望接合深さの前にある前記表面より下の前記半導体物質をアモルファス化する第１エネルギーで、前記基板表面を介してイオンを注入し、次いで、前記アモルファス化した半導体を介して、より高エネルギーでイオンを注入することを含む。
【００２０】
選定した原子核種の注入エネルギーを、インプランタの加速または減速パラメータを調節することによって変更することによって、同じイオンビームを使って、異なる最終エネルギーとしてもよい。
【００２１】
しかし、前記ドーズを形成するために注入されるイオンよりも、質量対電荷比がより高いイオンを注入することによって、前記ドーズの前記部分を注入してもよい。その後、質量対電荷比のより高い前記イオンを、ドーズを完了させるため注入される前記イオンと同じエネルギーで注入してもよい。例えば、ホウ素は最初、ＢＦ2+イオンのビームを用いて注入し、続いてＢ+イオンに変更して注入してもよい。
【００２２】
他の局面で、本発明は、選定された前記導電性タイプを有するようにさせるために前記原子核種を用いてドーピングされた上側領域と、反対の導電性タイプの下側領域との間の、前記表面より下の所望深さで接合を形成するため、選定した導電性ドーピングタイプの原子核種を含むイオンを、半導体基板の表面を貫通して注入する方法を提供し、この方法は、前記所望深さまで貫入させるため前記第１原子核種に必要なエネルギー以下の第１注入エネルギーで前記選定された導電性ドーピングタイプの第１原子核種を含むイオンを注入する第１ステップと、第２原子核種が所望深さで前記接合を形成するように貫入する第２注入エネルギーでの前記第１原子核種よりも低い原子量を持つ前記選定された導電性ドーピングタイプの第２原子核種を含むイオンを注入する後続ステップとを含む。
【００２３】
前記第１および後続ステップで注入されるイオンは、同じエネルギーである。
【００２４】
本発明の例をここで、添付図面を参照して以下に説明する。
【００２５】
図１は、従来技術の注入手順による、深さに対する、シリコン基板に注入される原子濃度のグラフであり、
図２は、本発明の注入法の例を表すグラフである。
【００２６】
図１において、既知注入処理中のイオン・チャネル化の影響を示す。例えば、ホウ素イオンが、所定エネルギーで連続的に注入される場合、シリコン基板内のホウ素原子深さに対する濃度プロフィルは、図中の曲線１２の形をもつ。基板内の所望の接合深さｄでの、背景レベルにまで濃度が低下する代わりに、高濃度ホウ素イオンが、より深い深さで形成されるので有効接合深さは、Δｄ分だけ増加する。ホウ素濃度のこのプロフィルは、いわゆるチャネル化テイル１０を有する。
【００２７】
従来技術では、この影響を、シリコンイオンの比較的高いエネルギーでの事前注入することによって改善している。シリコン事前注入の目的は、基板表面より下のシリコン結晶構造をアモルファス化することにある。しかし、注入の行われたシリコンも、図１の曲線１１によって示される領域にわたって、結晶構造を転位させて損傷を及ぼす。
【００２８】
シリコン基板のアモルファス化の結果、引き続き注入されるホウ素イオンのチャネル化が低減され、それによって望ましくないチャネル化テイル１０も減少する。
【００２９】
しかし、領域１１内に生じた結晶損傷の程度は極めて重大で、意図するホウ素注入領域を超えて、基板のより深い領域まで延長することになる。
【００３０】
普通、５００℃と７００℃との間の温度で熱処理することによって、注入されたウェハ内の損傷をアニールするのが標準的処理である。引き続き、普通、９００℃と１０００℃の間の温度で、活性化処理が行われる。しかし、たとえそうだとしても、シリコン事前注入によって生じた残留損傷により、基板内に形成されるデバイスの性能を低減させる効果が残ってしまう。
【００３１】
ここで、図２について説明する。本発明の例において、ホウ素注入は、所望の接合深さによって決められた意図する最大注入エネルギーを十分下まわるエネルギーで開始され、２種類以上の異なるエネルギーで行われる。従って、所望する接合深さを与えるために計算された注入エネルギーを選定した後、この選定した最大注入エネルギーで注入を行う代わりに、本例における、注入手順は、低エネルギーで注入が開始され、やがて最大エネルギーで注入が完了する一連のステップで行われる。
【００３２】
エネルギーの一連のステップで注入を行うことの蓄積効果を、図２に示す。第１ステップでは、曲線１５に対応する、基板内のホウ素原子濃度の初期プロフィルを生じるように、所望接合深さのための最大注入エネルギーを十分下まわるエネルギーで、ホウ素イオンを注入する。この初期段階が経過する間、より深いところまでチャネル化する全ての注入イオンは、今まで通り、所望の接合深さに移動する前に、吸収されてしまう。低エネルギーでの第１注入ステップは、それにもかかわらず、図２中のこの曲線の下の面積の影を付けて示し、濃度曲線１５に略対応する、シリコンウェハの表面領域内に、シリコンウェハ結晶構造のアモルファス化を生ずるという点が重要である。この第１低エネルギー注入は、好ましくは到達可能な最高ビーム電流で行って、それによって生ずるアモルファス化を最大にする。
【００３３】
第１注入ステップ後、中位のエネルギーでの第２ステップを行って、図２の曲線１６に対応する追加濃度プロフィルを生じさせる。曲線１６は、第２中位エネルギーステップによってのみ、注入イオンの濃度に対応するのであって、第１、第２の両ステップで吸収されたイオンの蓄積濃度全体に対応するものではない、ということが理解される。
【００３４】
第２ステップ中に注入されたイオンは、第１注入ステップで生じた損傷領域を介して注入されるので、第２ステップ中に注入されるイオンのチャネル化の確率は、実質的に低下する。第２ステップ自体は、基板内に幾分深い追加のアモルファス化を生じさせる。第２ステップはまた、高いビーム電流で行なうのがよい。
【００３５】
示した例において、次の最終注入ステップは、所望の接合深さｄに到達するのに必要な注入エネルギーで行われる。この注入エネルギーで注入されたイオンは、始めの２つの両注入ステップによって生成されたアモルファス化領域を貫通しなければならず、その結果、必要な接合深さを超えてこれらイオンがチャネル化する確率は、実質的に低下する。この第３注入ステップから生じる注入原子濃度の増加は、曲線１７で示される。
【００３６】
これら３つのステップ全てによって注入された合計イオン濃度を、実践の曲線１８で示す。全注入エネルギーで注入されるイオンのチャネル化の確率は、かなり低下するので、実質的なチャネル化テイルは全くなく、所望接合深さを達成する。これは、所望する接合を超えて結晶構造に実質的な損傷を与えることなく達成されるという点で重要である。
【００３７】
１つの例において、図２中のプロフィル１５を生じる第１注入ステップを、所望の最大注入エネルギーの２０％で行ない、注入される領域に必要な合計イオンドーズの１０％を注入するようにしてもよい。第２の中位エネルギー注入ステップは、最大エネルギーの６０％で行って、全ドーズの２０％を構成するようにしてもよい。最大エネルギーでの最終注入ステップは、全ドーズの７０％を供給する。
【００３８】
このステップ式注入手順の追加の利点は、異なる注入ステップのエネルギーと適用量を適切に制御することによって、注入領域内の原子の合計濃度のプロフィル１８を、より理想的に描くことができることである。図２に示す例において、プロフィルは、注入領域の全深さの実質部分にわたって濃度は比較的均一になっている。
【００３９】
注入プロセスが２つのステップだけで行われる場合、低エネルギーでの単一の初期注入ステップを用いる利点が得られ、それによって第２の全エネルギー注入ステップにおいて、第１ステップで生じた損傷領域を貫通するイオン注入が行われる。しかし、多数の注入ステップは、注入領域に生成されるチャネル化テイルを最小にし、注入領域中に所望濃度を達成する点で望ましい。
【００４０】
１つの配列において、比較的低い値で開始し、多数の小さなステップで、または最大注入エネルギーまで連続的に、エネルギーを増加して、注入プロセス中、注入エネルギーを実質的に連続して、変化させてもよい。同時に、ビーム電流は、各エネルギーで所望のドーズ率を達成するように変化させてもよい。上記手順を自動化するのに必要なソフトウェアの変更は、当業者にとって容易であろう。
【００４１】
上記プロセスは、半導体基板内の浅い接合を形成する比較的低いエネルギー注入に、特に役立つ。普通、プロセス用の最大注入エネルギーは、１０ｋｅＶ未満であり、５ｋｅＶ以下でもよい。
【００４２】
図２において、最大注入エネルギーが５ｋｅＶの場合、第１ステップは１ｋｅＶのエネルギーで行われ、第２ステップは３ｋｅＶのエネルギーで行われる。使用されるビーム電流は、たとえ１ｋｅＶでの初期ステップ用だとしても、少なくとも１ｍＡで、好ましくは２ｍＡ以上にすべきである。
【００４３】
上記例では、注入原子核種（ここではホウ素）のエネルギーは、イオンビーム自体のエネルギーを変化することによって調節され、イオンビームは注入プロセスの３つのステップ全てに対して同じイオンを含むこととする。しかし、異なるイオンのビームを用いて注入することによって、選択した原子核種の注入エネルギーを調節することも可能である。例えば、第１注入ステップを、５ｋｅＶ位のエネルギーで一価のＢＦ2イオンを用いて行う場合、基板への注入でフッ素から解離するホウ素原子の有効エネルギーは、１ｋｅＶ未満になる。ＢＦ2イオンのエネルギーは、様々な原子の原子質量によってイオンを形成するそれら原子間で、基板との衝突に伴って分割される。
【００４４】
その後、イオンビームが、同じく５ｋｅＶで一価のホウ素原子ビームに切り換えられた場合、これらのホウ素イオンは、引き続いて全５ｋｅＶビームエネルギーで注入される。
【００４５】
環境によっては、一定注入でビームエネルギーを維持する一方、異なるイオン質量を選定することによって注入プロセスの異なるステップ行うことは、より都合がよいであろう。イオンビーム注入装置は普通、質量選択能力を備えていて、ある特定の質量対電荷の比を持つひとつのイオンだけが、注入用ビーム内へ進むことができるようにすることは、当該技術に精通する者には理解できるであろう。また、ホウ素を注入する場合でも、ＢＦ3ガスをイオンソース内の原料として使用することは普通の処理であり、それによって、抽出されたイオンビームは普通、Ｂ+およびＢＦ2+を含む多数のイオン質量を含む。
【００４６】
電荷対質量比がより高いイオンを用いて、最初の低エネルギー注入ステップを行う別の利点は、そのような比較的重いイオンの、衝突時に、基板へより一層のアモルファス化を招く傾向にあるという点であり、それによってこの方法の利点は更に大きくなろう。一般に、最初の低エネルギー注入は、高い電荷対質量比を有するイオンを使用して行ってもよく、ＢＦ2のような化合物とは別の、一価の多数のホウ素原子から成る複合イオンを使用してもよい。
【００４７】
また、上記説明は、特に、Ｐ形ドーピングを提供するのに使用される、原子核種ホウ素の注入に関して説明したが、この手順は他の核種を注入するのに用いてもよい。例えば、Ａｓ（ヒ素）やＰ（リン）を、Ｎ形ドーピングを提供するため注入してもよい。Ｎ形ドーピングの一例において、最初の注入は、比較的高い原子量（約７５）を有するＡｓを用いて行ってもよく、後続の注入ステップは、原子量約３１のＰで行ってもよい。Ａｓを使う最初の注入が、所望の接合深さを超えてＡｓ原子が貫入するのを妨げる一方、基板表面で最大のアモルファス化を生じるように、これら各原子の注入エネルギーを選定してもよい。そして、Ｐを用いる後続の、または最終の注入は、所望の深さで接合を形成するのに充分なエネルギーで行われる。
【００４８】
貫入確率の低い核種を使っても、あるいは少なくともアモルファス化を招く性向が大きい核種を使っても、第１注入によって、たとえＡｓとＰの両方が同じエネルギーで注入されたとしても、何らかの利点は得られるであろう。
【００４９】
Ｐ形ドーピングには、低エネルギーでの良好なアモルファス化のために、最初はＧａ（ガリウム）またはＩｎ（インジウム）を用いるのが好ましいであろう。
【００５０】
一旦、注入が完了したら、注入された基板をＡＭＡＴのＲＴＰ Centura（商標）でアニールしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の注入手順による、深さに対する、シリコン基板に注入される原子濃度のグラフである。
【図２】本発明の注入法の例を表すグラフである。
【図１】
0004275753.tif 000002
【図２】
0004275753.tif 000003