2005B0881
実験責任者：金BL47XU成国、所属：株式会社

ユー・ジェー・ティー・ラボ

Hard-X 線光電子分光（HX-PES）による次世代半導体プロセス用極浅プラズマドーピング（PD）層の化学結合状態の研究
Hard X-ray Photoelectron spectroscopy (HX-PES) study on chemical binding states of ultra
shallow plasma-doped silicon layer for the application of advanced ULSI devices*

金成国 1，佐々木雄一朗 1，岡下
小畠勝己 1，田村雅明 3，金秀貴 1，伊藤正鎮 3，池永裕之 1，水野英司 3，小林文二 1，奥村智洋 2，啓介 3* C.G. Jin1, Y. Sasaki1, K. Okashita1, H. Tamura1, H. Ito1, B. Mizuno1, T. Okumura2M. Kobata 3, J.J. Kim3, E. Ikenaga 3, K. Kobayashi 31株式会社 ユー・ジェー・ティー・ラボ，2 松下電器産業株式会社，3 高輝度光科学研究センター
1

Ultimate Junction Technologies Inc., 2 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd., 3JASRI/Spring-8

ボロン不純物を導入した極浅プラズマドーピング（PD）サンプルと上記 PD サンプルを spikeRTA アニー
ルとフラッシュランプアニール（FLA）して電気的活性化させたサンプルの化学結合状態を大型放射光施設
SPring-8 の HX-PES（Si 1s）で測定した。PD サンプルは spikeRTA と FLA 後共に非常に良い化学結合状態、即ち高い不純物活性化と結晶回復を示した。HX-PES は PD 後とアニール後の化学結合状態の変化を精度良く測定でき、45nm テクノロジーノード以後の半導体の不純物導入と活性化プロセスの最適化に非常に有用である。
We measured HX-PES (Si 1s) of ultra shallow PD samples before and after spike RTA or FLA in SPring-8. PD
showed excellent chemical binding states with high impurity activation and recrystallization after both spike RTAand FLA. HX-PES, which successfully measured the differences of chemical binding states during the doping andthe annealing processes with high accuracy, was extremely useful for the optimizing of semiconductor doping
process and thermal activation process for 45 nm technology node and beyond.
背景と研究目的： プラズマドーピングは高い生産スペクトルの検出深さが丁度我々の作製する浅い性を持っているので、半導体産業 45nm テクノロジ

ジャンクションの深さ（10nm 前後）に見合っていーノード以後の極浅ジャンクションの作成においる。本研究では、アニール前後の極浅 PD 層の HX-PESて、低エネルギーイオン注入の代替の最有力候補と(Si 1s)を測定し、PD プロセスとアニールプロセスしてプロポーズされてきた。我々は高い光吸収特性が化学結合状態に与える影響を調べた。

を実現出来る He プラズマプレアモルファスをコンバインした新しいプラズマドーピング方法を開発

実験：

し、レーザアニール或いはフラッシュランプアニー

PD チャンバーに入れ, He で希釈された B2H6 ガスをル（FLA）を用い、シート抵抗とジャンクション急導入し、ヘリコン波プラズマを発生させ外部 DC バ

峻性において低エネルギーイオン注入を超える極イアス電圧で Si ウェハーにドーピングした。表 1

浅ジャンクション性能を実現した[1-3]。SPring-8に PD サンプルの条件を示す。spikeRTA のピーク温の高エネルギーX 線光電子分光装置[4]は励起 X 線度は 950-1075℃である。FLA 時の基板温度は 750℃のエネルギーが 6 keV〜10 keV と高いため、Si 1sで、 フロントサイドのピーク温度は 1163-1348℃

n-型 8 インチ Si ウェハー (10 Ωcm) をでアニール時間は 1 ms である。シート抵抗 Rs は 4FLA 前後の Si 1s スペクトルを示す。FLA 後結合エ探針プローブで測定した。PD サンプルのアニール

ネルギーは約 0.43 eV 低くなり、spikeRTA とほぼ条件は表 2 に示す。実験に用いる光電子分光装置は同じホール密度を示唆している。なお、FLA 後ピー

既に SPring-8 で開発が進められている硬 X 線光電クの非対称性も消えたが、スペクトルの半値幅は子分光用装置を利用した。BL47XU の 2 結晶分光器

spikeRTA より若干広い。これは FLA と spikeRTA ののあとにチャンネルカット後置分光器を挿入してアニール時間の差（FLA/spikeRTA=1/1000）による7936.7 eV の励起 X 線を得る。

サーマルバーゼットの差を反映していると思われる。HX-PES は PD 後とアニール後の化学結合状態の

図１に n-Si 基板と as-doped PD変化を精度良く測定でき、45nm テクノロジーノーサンプルの Si 1s スペクトルを示す。PD サンプルド以後の半導体の不純物導入と活性化プロセスのの結合エネルギーは n-Si 基板より約 0.3 eV 低い。

最適化に非常に有用である。

Si 1s の結合エネルギーの変動はキャリア濃度の変.

動によるバンドギャップ内でのフェルミー準位の参考文献

シフトを意味するので、PD による結合エネルギー[1] A. Hori and B. Mizuno, Tech. Dig. of IEDM,の変動の起因は、PD により生ずる欠陥がキャリア(1999) p.641.

トラップを誘起しキャリア濃度を変化させたため[2] C.G. Jin, Y. Sasaki, K. Tsutsui , H. Tamura,である。PD サンプルと intrinsic Si のフェルミーB. Mizuno, R.Higaki, T.Satoh,K. Majima, H.

準位が共に n-Si 基板 (10 Ωcm)より 0.3 eV 低いの

Sauddin, K.Takagi, S.Ohmi, andで、PD 後基板の電子濃度は intrinsic Si レベルまInternational Workshop on Junction Technologyで下がっているのが分かる。なお、PD 後スペクト(2004), 102.

ルの半値幅は増加し、ピーク形状も低結合エネルギ[3]Y. Sasaki, C. G. Jin, H. Tamura, B. Mizuno,ー領域で非対称的になった。PD によるピークの広R. Higaki, T. Satoh, K. Majima, H. Sauddin, K.

がりは、PD プロセスの高いドーズレートによるア

Takagi, S. Ohmi, K. Tsutsui and H. Iwai, Symp.

モルファス化効果により、結晶の周期性が壊され結On VLSI Tech. (2004), 180.

合長と結合角が変化したためである。PD によるピ

[4] K. Kobayashi, M. Yabashi, Y. Takata, T.

ーク形状の非対称化は、B-Si クラスターと co-dope

Tokushima, S. Shin, K. Tamasaku, D. Miwa, T.

された水素と Si の結合に由来すると考えられる。

Ishikawa, H. Nohira, T. Hattori, Y. Sugita, O.

図 2 に spikeRTA 前後の Si 1s スペクトルを示す。

Nakatsuka, A. Sakai and S. Zaima, Appl. Phys.

spikeRTA 後結合エネルギーは約 0.45 eV 低くなりLett. 83 (2003) 1005

結果及び考察：H.Iwai,（バンドギャップの半値=0.55 eV）、高いホール密度を示唆している。なお、spikeRTA 後スペクトル

論文発表状況・特許状況の半値幅もほぼ n-Si のレベルに戻り、ピークの非1.International対称性も消えた。これらの結果は spikeRTA 後の PDTechnology (IWJT) 2006 に論文投稿

サンプルの非常に良い化学結合状態、即ち高い不純2.International

物活性化率と結晶回復性、を示している。図 3 に

Implantation Technology (IIT) 2006 に論文投稿

キーワード
・ 硬 X 線光電子分光
・ キャリア濃度・プラズマドーピング

WorkshopconferenceonJunction
onIonTable 2. The annealing conditions of samples.

Table 1. The PD conditions of samples

Annealing condition
peak
temperature ( ℃ )Rs(Ω/sq.)

spike RTA

975
1025
1075
1163

1345
686
369
1300

FLA

1295

540

1348

340

PD condition
Sample No.

Sample No.

B2H6/He
concentrationVdc(V)time depth Dose(s) (nm) (cm-2)

PD3-RTA1
PD3-RTA2

PD1

0.025%

60

147.0

5.0E+14PD20.025%

6030

7.0

1.0E+15

PD3-RTA3
PD3-FLA1

2.0E+15

PD3-FLA20.20%60307.0

He 100%

150

714.0

PD3-FLA3n-Si
PD1
PD2
PD31.0

Nomalized Intensity

1.5(a)

1.00.5

Nomalized Intensity

PD3He-PAmethod

(b)

n-Si
PD1
PD2
PD3

0.5

0.00.0
1841

1840

1839

1841

1838

1840

1839

1838

Binding Energy (eV)Binding Energy (eV)Fig. 1. Si 1s spectra of as-doped PD samples compared with that of n-Si substrate: (a) Area
normalized ; (b) Peak position offset after peak intensity normalized.

(a)nPD

p+n-Si
PD3
PD3-RTA1
PD3-RTA2
PD3-RTA3

1.0

Normalized Intensity

Normalized Intensity

1.5

1.0

0.5

n-Si
PD3
PD3-RTA1
PD3-RTA2
PD3-RTA3(b)

0.5

0.00.0
1841

1840

1839

1838

1841

1840

Binding Energy (eV)

1839

1838

Binding Energy (eV)Fig. 2. Si 1s spectra of PD samples before and after spike RTA: (a) Area normalized ; (b) Peak position
offset after peak intensity normalized.

n-(a)

PD

Normalized Intensity

1.2

p+n-SiPD3
PD3-FLA1
PD3-FLA2
PD3-FLA30.8

0.40.01841

1.0

Normalized Intensity

1.6(b)n-Si
PD3
PD3-FLA1
PD3-FLA2
PD3-FLA3

0.5

0.0

1840

1839

Binding Energy (eV)

1838

1841

1840

1839

1838

Binding Energy (eV)Fig. 3. Si 1s spectra of PD samples before and after FLA: (a) Area normalized ; (b) Peak position offset
after peak intensity normalized.