環境エネルギー

次世代半導体材料 Ge の浅接合形成を可能にするイオン注入技術

Shallow Junction Formation of Next-Generation Germanium Semiconductor
Using Ion Implantation
＊和田涼太

池尻忠司

永山

Ryota Wada勉

黒井Tsutomu Nagayama

隆

Takashi Kuroi

Tadashi Ikejiri

シリコンに変わる次世代半導体材料としてゲルマニウム（Ge）半導体が注目されている。Ge 半導体は高速動作が実現できる一方、プロセス技術については多くの課題がある。課題の一つが接合形成技術であり、本稿では、Ge 基板中にドーパントと錫（Sn）を共イオン注入することで拡散を制御し浅接合を形成できることを報告する。

Germanium (Ge) attracts much attention as a next-generation semiconductor material that can replace silicon. However,
several challenges still remain in Ge manufacturing process, and shallow junction formation is one of them. This paper
reports that the dopant profile in Ge can be controlled by tin (Sn) ion co-implantation.
キーワード：Ge、Sn、共イオン注入

1.

緒

言

イオン注入した。注入条件を表1に示す。P の注入深さは、シリコン（Si）半導体は、トランジスタ性能向上のため、それぞれ4nm に統一し、ドーズ量は1.0×1015 atoms/cm2

微細化やブースター技術の導入といったプロセス技術からとした。また、拡散抑制のため、一部のサンプルにカーの改善、および FIN・ナノワイヤーなどのトランジスタ構ボン（C）、Al、Sn の共イオン注入を行った。これらのイ造からのアプローチが精力的に続けられている。しかし、オンの注入深さは n 型ドーパントと同様とし、ドーズ量はSi 材料の物性的問題から、デバイスの性能限界が近づいて5×1014 atoms/cm2に設定した。Sn の共イオン注入に関しいる。その問題を解決する手法として、歪み Si やⅢ - Ⅴ族、ては、注入深さを3nm のサンプルも準備した。注入後の活ゲルマニウム（Ge）、SiGe 半導体を用いて、キャリア移性化アニールには ms-FLA を利用し、基板温度を300℃に動度を向上させることが注目を浴びている。その中でも、保った状態でピーク熱処理温度を640～800℃に設定し、Ge 半導体は Si よりも4倍の正孔移動度、2.5倍の電子移動1.4ms の熱処理を行った。電気特性、ドーパントの挙動、。

結晶欠陥を調べるために、シート抵抗測定、Secondary Ion

し か し、Ge の metal-oxide-semiconductor-field-effect

Mass Spectrometry（SIMS）、断面 Transmission Electrontransistor（MOSFET）の作製には、Ge 基板とゲート酸化Microscope（TEM）、ラマン分光測定を行い、評価した。

度を有しており、Si の代替材料として期待されている（1）

膜の界面準位低減や、浅い pn 接合の実現、コンタクト抵抗低減などの課題が残っている。特に、Ge 結晶中では、n型ドーパントの異常拡散がおこるため、浅い接合形成が難

表1

しい（2）。この問題を解決するために、アルミニウム（Al）の 共 イ オ ン 注 入 や millisecond Flash Lamp Annealing（4）。Si（ms-FLA）のようなプロセス提案がなされている（3）、

デバイスでは、ドーパントの拡散抑制のため、共イオン注入技術がよく知られており、Ge でも期待できる。また、FLAは浅い接合には必要不可欠な技術である。本論文では、Snの共イオン注入および FLA 技術を用いることで、ドナーの注入条件

イオン種

Rp：注入深さ（nm）

ドーズ（atoms/cm2）

P（ドーパント）4

1.0×1015

C（共注入）

45.0×1014

Al（共注入）45.0×1014

Sn（共注入）45.0×1014、1.0×1015

Sn（共注入）35×1014プロファイルを制御できたことについて報告する。

2.

実験p 型 Ge 基板に対し、n 型ドーパントであるリン（P）を

3.

評

3－1

価

Ge 基板中の共イオン注入による接合深さ

図1は、シート抵抗の共イオン注入種依存性を示してい2019 年 7 月・S E I テクニカルレビュー・第 195 号

41

る。同一熱処理温度で比較した場合、共イオン注入によりきているものの、抵抗値は高くなっている。これは Ge 結シート抵抗が増大している。またシート抵抗値は共イオン晶中の C はドーパントの異常拡散を抑制できるが、ドーパ注入種に依存し、Sn、C、Al の順に高くなっている。

ントの活性化を妨げるためである（5）。
図3に760℃で熱処理した後の P の SIMS 深さプロファイルを示す。P イオン注入サンプルは熱処理後の拡散が顕著で裾を引くプロファイルとなっている。また、C や Al を共イ

1000
900

るが、分布のテール部分（低濃度領域）の裾引きが見られ

P+C800Rs (ohms/sq.)

オン注入することで P の高濃度領域の拡散を抑制できていPる。一方、Sn の共イオン注入サンプルの場合、P イオン注

P+Sn700

入サンプルと同様、高濃度領域の拡散がみられるが、テーP+Al600

ル部分の拡がりが抑えられており、ボックスプロファイル500になっている。

400300100600650700750800
Temperature ( )850

図1 シート抵抗の共イオン注入種依存性

図2に760℃で熱処理した後のサンプルの接合深さとシート抵抗のトレードオフ関係を示す。接合深さは濃度が5.0×

P Concentration (atoms/cm3)

1022

200

P_ms FLA

ンプルが最も低い抵抗値を示しているが、比較的深い接合

P+Sn_ms FLA
P+Al_ms FLA

10201019となっている。一方、共イオン注入サンプルは P イオン注入サンプルより抵抗値が高い。しかし、浅い接合が実現で

P+C_ms FLA

10211018
01018 atoms/cm3となる深さで定義している。P 注入したサ

P_as implant

図3102030
Depth (nm)40

P の SIMS 深さプロファイル（760℃熱処理後）きていることがわかる。特に、Sn を共イオン注入したサンプルは、抵抗値も低く抑えたまま、浅い接合が形成できている。C を共イオン注入したサンプルの拡散は最も抑制で3－2

Ge 基板中のドーパントに Sn が与える影響

Rs (ohms/sq.)

Sn が他の共イオン注入サンプルと異なり、ドーパントの600

プロファイルをコントロールできることから、詳細評価を500

よび Sn の SIMS 深さプロファイルを示す。比較的低い熱処実施した。図4に熱処理を640℃に低温化した場合の P おP

400

P

300

オン注入した場合、テール部のプロファイルは注入後のプC
P200

理温度により P の拡散が抑制できている。一方、Sn を共イAl

ロファイルよりも浅くなり、P のプロファイルが Sn のプロファイルに近付いている。

Sn

さらに、Sn の位置がドーパントにおよぼす影響を確認するため、Sn の注入深さを3nm、ドーズ量を5.0×1014

P100atoms/cm2とした場合の P および Sn の SIMS 深さプロファ
イルを図5に示す。Sn の位置を浅くすることで高濃度領域の020
図2422530
Junction depth@5E18 (nm)35

接合深さとシート抵抗の関係（760℃熱処理後）

次世代半導体材料Geの浅接合形成を可能にするイオン注入技術

拡散は抑制されているが、その反面テール部分の拡散は抑制されていない。これらの結果から、P と Sn のプロファイル位置関係が拡散抑制に強く依存していることがわかる。
A. Chroneos 氏たちは、シミュレーションを用いて、Ge

Sn_Rp:4nm(Rp: P = Sn)1021

復されるが、残留欠陥は pn 接合のリーク電流の要因となP+Sn_ms FLAるため注意が必要である。図7に760℃で熱処理した後の断面 TEM 画像を示す。Sn の共イオン注入の有り無しに関わらず、熱処理をすることで残留欠陥は見られず、結晶が1020回復していることがわかる。Ge 基板中の Sn の固溶度は非常に高いことから、効率よく結晶回復されたと考えられる（6）。
（760℃のとき、1020 atoms/cm3）

1019

1018
102030Depth (nm)1022

Sn_Rp:3nm(Rp: PSn)

1021

600

40500

P および Sn の SIMS 深さプロファイル（760℃熱処理後）

P, Sn Concentration (atoms/cm3)
図5

イオン注入によって発生した結晶欠陥は熱処理により回

P_ms FLA

Sn_ms FLA0

図4

抵抗値が高くなり、活性化が不十分であることがわかる。

P_as implant

P_as implant
P_ms FLA

Rs (ohms/sq.)

P, Sn Concentration (atoms/cm3)

1022P (640300)

P Sn_Rp:4nm(760 )

200

P Sn_Rp:3nm(760 )P (760)100

P+Sn_ms FLA
Sn_ms FLA

01020

202530Junction depth@5E18 (nm)35

図6 シート抵抗と接合深さの関係（Sn 共注入の比較）

1019

1018

P Sn_Rp:4nm (640 )400

P:760℃

0102030
Depth (nm)40

P Sn(Rp_4nm):760℃
Ge surface
Rp:4nmP および Sn の SIMS 深さプロファイル（760℃熱処理後）
5nm

5nm

図7

断面 TEM 像（760℃熱処理後）

基板中の P、Sn、空孔（V）のクラスター（PSnV）-1が P の拡散を抑制できる、ことを報告している（5）。負にチャージした（PSnV）-1の拡散エネルギーは1.54eV であるが、P と空孔で形成された（PV）-1の拡散エネルギーは0.91eV より

Sn の共イオン注入による結晶歪みを確認するため、760℃大きいため拡散が抑制できる。Sn を Ge 基板中にイオン注で熱処理したサンプルのラマン分光測定を行った。図8と入することで P、Sn、V のクラスターが形成されるが、Sn図9にその結果を示す。図8のラマンスペクトルから、Ge-Pのイオン注入深さによって、クラスター化される領域が異結合に基づくピークが確認できる。このことから、イオンなっていたため、P の拡散を抑制できる箇所も異なったと注入された P が Ge の格子位置に置換さていることがわか考えられる。このことから、Sn と P のプロファイルの位置る。また図9のラマンスペクトルから、Sn のドーズ量の増関係が非常に重要である。

加に伴い、Ge に基づくピークが、低波数側へシフトして図6に Sn の共注入したサンプルの熱処理した後を比較しいることがわかる。この現象は、Ge 結晶に Sn を注入するたシート抵抗と接合深さの関係を示す。Sn を共イオン注入ことで、引っ張り歪みが発生している。図9の挿入図に示することで、浅い接合が実現できている。640℃まで熱処すように、Sn のドーズ量が1.0×1015 atoms/cm2で、歪理温度を低温化することで接合深さは浅くなるが、シートみの量は約0.16％である。引っ張り歪みの発生は Sn の格2019 年 7 月・S E I テクニカルレビュー・第 195 号

43

子半径が Ge よりも大きいことに起因し、電子移動度を向5.

謝辞

本研究を実施するにあたり、㈱ SCREEN セミコンダク上させる。

ターソリューションズの谷村英昭氏、青山敬幸氏、加藤慎一氏に FLA 処理および結果の議論を通じてご協力していたSn : 1.0x1015 /cm2
Sn : 5.0x1014 /cm2
Sn : w/o
C-Ge760℃

Intensity(a.u.)

Ge - P
Localized vibration mode (LVM)

250

300
350
Raman shift (cm-1)

図80.16

Stress Value (MPa)

-220
0.15

Tensile Stress

5.0x1014

1.0x1015

0.145

執C-Ge

結者 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー
涼 太＊ ：日新イオン機器㈱永山勉：日新イオン機器㈱

グループ長

黒井隆

：日新イオン機器㈱

グループ長

池尻忠司

：日新イオン機器㈱部長

Compressive

295300Raman shift (cm-1)

図9

献

Ge peakTensile

290

筆

和田

Sn dose amount (atoms/cm-2)

760℃

4.

400

Sn : w/oStress Level (%)

Stress Value (MPa)Intensity (a.u.)

0.155

Sn:w/o文

Sn : 5.0x1014 /cm2-215-230

考Sn : 1.0x1015 /cm2

Stress Level (%)

-225

参

（1） S. Takagi,“Motivation to high mobility material FETs,”2011
IEDM Short Course（2） Eddy Simoen and Cor Claeys. Germanium-based technologies,
oxford, ELSEVIER（2007）（3） H. Onoda et al., Proceedings of 21st Int. Conf. on Ion
Implantation Technology（2016）p. 267（4） H. Tanimura et al., Abstract of 16th Int. Work. on Junction
Technology（2016）S4-4（5） A. Chroneos and H. Bracht, APPLIED PHYSICS REVIEW 1,011301（2014）（6） The bell System technical journal, January 1960, P208Ge-P に基づくラマンスペクトル（760℃熱処理後）-210

だいた。ここに深く感謝の意を表する。

305

Ge に基づくラマンスペクトル（760℃熱処理後）（挿入図：Sn のドーズ量に伴う歪み量）

言

Ge 基板に対し、n 型ドーパントである P イオンと C、Al、Sn の共イオン注入を行い、FLA 後に詳細な評価を行った。
共イオン注入することで、P の拡散を抑制でき、浅い接合の形成が可能なことが確認できた。その中でも、Sn の共イオン注入は、シート抵抗が低く、かつ浅い接合が形成でき、抵抗と接合深さのトレードオフ関係を改善できることを見出した。これは Sn のプロファイルに依存して、P の拡散が制御できているためである。また、Sn の共イオン注入による結晶回復への悪影響は見られない。この結果から、Sn の共イオン注入技術が次世代半導体材料である Ge 半導体の浅い接合を実現できる可能性がある。

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次世代半導体材料Geの浅接合形成を可能にするイオン注入技術

ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー＊主執筆者