JP2000003881A - イオン注入装置、イオン発生装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】イオン注入の打ち分けの工程を簡略化できるイ
オン注入方法を提供すること。 【解決手段】半導体基板１の上方に開口部を有する導電
性マスク２を配置し、この導電性マスク２を介して半導
体基板１の表面にイオンを注入し、イオン注入層４を形
成する。イオン注入の打ち分けを行う場合には、各イオ
ン注入毎にそれ専用の導電性マスク２を用いて必要なイ
オン注入層４を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、イオン注入装置、
イオン発生装置、およびイオン注入工程を有する半導体
装置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、コンピュータや通信機器の重要部
分には、多数のトランジスタや抵抗等を電気回路を達成
するように結びつけ、１チップ上に集積化して形成した
大規模集積回路（ＬＳＩ）が多用されている。このた
め、機器全体の性能は、ＬＳＩ単体の性能と大きく結び
ついている。ＬＳＩ単体の性能向上は、集積度を高める
こと、つまり素子の微細化により実現できる。

【０００３】素子の微細化は、例えばソース・ドレイン
拡散層などの拡散層を形成する際のイオン注入およびそ
の後の熱処理（アニール）を最適化することにより可能
となる。これにより、例えば０．２μｍ以下の浅いソー
ス・ドレイン拡散層を有するＭＯＳトランジスタを実現
することが可能となる。

【０００４】このような浅い拡散層を不純物ドーピング
で形成するためには、イオン注入の際に不純物原子を浅
く分布させ、その後の熱処理で不純物原子が深く拡散し
ないように少ない熱予算を組むことが必要である。

【０００５】一方、ＭＯＳトランジスタ等の素子が形成
されるウェルや、ＭＯＳトランジスタのチャネルが誘起
される領域（チャネルドーピング層）を不純物ドーピン
グで形成するためには、注入量を高精度に制御すること
が要求される。

【０００６】同一基板内にチャネルの導電型の異なるＭ
ＯＳトランジスタ、またはしきい値電圧の異なるＭＯＳ
トランジスタを作成する場合、ウェル、チャネル、また
はポリシリコン膜（ゲート電極）に対するイオン注入の
際には必ずレジストマスクが必要であった。

【０００７】すなわち、全面にレジストを塗布し、次い
でイオン注入の必要な部分のレジストを除去してレジス
トパターンを形成し、次いでこのレジストパターンをマ
スクにしてイオン注入を行う必要があった。

【０００８】この方法を用いると、レジスト塗布・光露
光・レジスト現像（レジストパターン形成）、イオン注
入、レジストアッシング、硫酸・過酸化水素水処理など
の湿式処理という一連の工程が必要である。

【０００９】ところで、ＬＳＩを製造する場合には、例
えばＤＲＡＭを製造する場合にはリソグラフィ工程が２
０〜３０回程度必要になるが、そのうちの３０％程度は
イオン注入の打ち分けのためのものである。

【００１０】このようなイオン注入の打ち分けのために
は、上述したように一連の工程が必要となる。そのた
め、ＬＳＩの製造に要する時間が長くなり、またコスト
も高くなってしまうという問題があった。

【００１１】ところで、イオン注入法（イオン照射法）
は、半導体基板に硼素（Ｂ）、燐（Ｐ）、砒素（Ａｓ）
等の不純物を導入してＰＮ接合を形成する方法として、
広く用いられている。このイオン注入法によれば、目的
とする場所に不純物の濃度と深さを精密にコントロール
して導入することができる。

【００１２】イオン注入装置（イオン照射装置）の心臓
部となるイオン源チャンバーには、大別して熱電極を用
いたフリーマン型（Ｆｒｅｅｍａｎ Ｔｙｐｅ）、バー
ナス型（Ｂｕｒｎｕｓ Ｔｙｐｅ）と、マグネトロンを
用いたマイクロ波型がある。

【００１３】図１６は、従来のバーナス型イオン源チャ
ンバーの断面構造を示したものであり、同図Ａはチャン
バーの上面に平行な断面を、同図Ｂはチャンバーの側面
に平行な断面をそれぞれ示したものである。アークチャ
ンバー７１の一方の端面には絶縁支持部７５およびリフ
レクター（スペーサー）７６を介してタングステンフィ
ラメント７７が設けられており、アークチャンバー７１
の他方の端面に絶縁支持部７５を介して対向電極７４が
設けられている。

【００１４】次にこの装置を用いてイオンを取り出す方
法を説明する。ガス導入口７２から例えばＡｒガスを供
給するとともに、タングステンフィラメント７７から熱
電子を放出させ、対向電極７４によって熱電子の運動方
向をフィラメントから放出された方向と反対方向に偏向
することにより、アークチャンバー７１内に導入された
Ａｒガスと熱電子との衝突確率を高めてイオン化を行
う。そしてフロントプレート７８に設けたイオン引き出
し口７３からイオンが取り出される一方、図１７は従来
のフリーマン型イオン源チャンバーの断面構造を示した
ものであり、同図（ａ）はチャンバーの上面に平行な断
面を、同図（ｂ）はチャンバーの側面に平行な断面をそ
れぞれ示したものである。アークチャンバー９１の対向
する面にそれぞれ絶縁支持部９５を介してリフレクター
９６が設けられており、この対向するリフレクター９６
間に棒状のタングステンフィラメント９７が設けられて
いる。

【００１５】次にこの装置を用いてイオンを取り出す方
法を説明する。ガス導入口９２から例えばＡｒガスを供
給するとともに、タングステンフィラメント９７から熱
電子を放出させてプラズマを生じさせる。同時に電磁石
１００によりフィラメント９７に平行な磁界と、フィラ
メント電流による回転磁界を発生させ、リフレクター９
６の作用によってアークチャンバー９１内で電子を複雑
に運動させることにより、タングステンフィラメント９
７から放出される熱電子とガス導入口９２から供給させ
るガスとの衝突確率を高めている。そしてフロントプレ
ートに設けたイオン引き出し口９３からイオンが取り出
される。

【００１６】また、図１８は、マイクロ波型のイオン源
チャンバーの断面構造図を示したものである。この装置
を用いてイオンを取り出すには、マグネトロン１１１で
マイクロ波を発生させ、発生したマイクロ波を導波管１
１２を通して放電箱１１３に導き、上記アークチャンバ
ーに相当する放電箱１１３内でプラズマを発生させ、引
き出し電極１１４を通してイオンを取り出すというもの
である。

【００１７】これらの従来のイオン源チャンバーでは照
射されるべきイオンは、一般にガス、乃至個体を昇華す
ることで得られた蒸気をアークチャンバーに導入し、上
記プラズマによってイオン化することで得られていた。
すなわち上記従来のイオン源チャンバーでは照射される
べきイオンは、蒸気（気体）として供給されることが必
須要件になっていた。しかしながら、Ｂ（ボロン）、Ｔ
ｉ（チタン）などの高融点金属ではイオン注入に必要な
１Ｅ−４Ｔｏｒｒ程度の蒸気圧を得るには例えばＴｉで
は１４００℃以上に加熱することが必要であるため、事
実上この方法でのイオン注入は不可能であった。

【００１８】また逆に、インジウムはその融点が約１５
６℃と低すぎる為に、プラズマ中で容易に融解してしま
い、非常に使い勝手が悪かった。

【００１９】これに対して、これらの金属の塩化物ガ
ス、弗化物ガスなどを用いてイオン注入する方法が開発
され、これらの低融点金属も使用可能となった。しかし
ながらこの方法は塩化物ガス、弗化物ガスに起因する、
塩素、弗素ないし塩素化合物、弗素化合物等によるアー
クチャンバー内壁、および熱電子放出用フィラメントの
腐食が不可避であった。

【００２０】また、Ｉｎについても塩化物ガスを用いた
方法が試みられた。例えば、図１６に示した従来型のイ
オン源チャンバーにＩｎＣｌ３を３３０℃に加熱して得
られた蒸気を導入してイオン化を行った場合には、Ｉｎ
Ｃｌ３から解離した塩素イオン又はラジカルがタングス
テンを主成分とするアークチャンバーの内壁面をエッチ
ングする他、タングステンフィラメントまでもエッチン
グしてしまうため、フィラメントの細線化が著しくなっ
て抵抗増大を招き、アーク放電に必要な制御ができなく
なってしまった。また、引き出し電極をもエッチングし
てしまい、安定なイオンの引き出しができなくなってし
まった。その結果、約５時間で異常放電が多発し、イオ
ン打ち込みができなくなってしまった。

【００２１】このように、高融点金属、Ｉｎのイオン化
を塩素系化合物を用いて行う限り、アークチャンバーの
内壁およびタングステンフィラメントには、イオン化に
より発生する塩素イオンや塩素ラジカルによるエッチン
グ反応が起こり、これを回避することはできなかった。

【００２２】更に、塩化インジウムなどの塩化物ガス
と、弗化ホウ素、弗化ゲルマニウムなどの弗化物ガスを
同一のアークチャンバー内に交互に導入してイオン化さ
せると、例えば弗化ホウ素の導入時に弗素が壁面に吸着
して残存し、塩化物ガス導入時に反応して強い酸化剤で
ある弗化塩素が形成され、アルミニウムやステンレスだ
けではなく、タングステン,モリブデン,グラファイトな
どの安定な高融点材料で作られているにもかかわらずア
ークチャンバー内壁、熱電子放出用フィラメントの腐食
が加速されるという問題があった。さらに、排気ガス中
の弗素、塩素の除害が必要になり、装置コストが高くな
るという問題もあった。

【００２３】また、酸化物ガスの場合には、イオン発生
装置もしくはイオン照射装置に使用するカーボン（グラ
ファイト）系の部材、特にイオンを引き出す為の電極等
を酸化してしまい装置の寿命を著しく短縮させてしまう
という問題があった。

【００２４】特にフィラメントは塩素,弗素により腐食
してしまい安定したアーク放電を長時間得ることが困難
なため長時間作業はきわめて困難であった。また、塩化
物が容易に得られない金、白金等の貴金属は依然として
イオン注入は極めて困難であった。

【００２５】更に、固体の弗化物の場合は潮解性があ
り、例えば気化させるために加熱オーブンに充填してい
る最中に、大気中の水分と反応し、溶けてしまうなど非
常に使い勝手が悪かった。

【００２６】上記課題に対して本発明者らは、図１９に
バーナス型イオン源チャンバーの改良型を例として示し
たように、アークチャンバー７１内に所望のイオン源か
らなる板状の材料７９を載置し、アークチャンバー７１
内にプラズマを発生させ、材料７９をスパッタリングし
て所望のイオン（以下、スパッタリングイオンと称す
る）を発生させる方法を開示した（特開平１０−１８８
８３３公報）。この方法は、上記各方法で事実上不可能
であった高融点金属のイオンを容易に発生させる事がで
きる点で極めて優れた方法であった。なお、ここで、上
述の図１９の説明では、図１６に記載したイオン源チャ
ンバーと同一部分には同一の符号を付し説明を省略し
た。

【００２７】しかしながら、上記スパッタリングイオン
を用いる方法でも、Ｉｎのように融点が低い金属、Ｓｂ
のように単体の固体が不安定な金属のイオン注入を安定
して行うことは依然として非常に困難であった。

【００２８】一方、従来の半導体基板の製造方法ではｐ
型不純物とｎ型不純物をイオン注入する場合には、別の
イオン注入装置を用いるか、イオン源となるソースガ
ス、固体ソースを交換して行うのが通常であった。この
ため、別装置を用いる場合には同一の半導体加工に二台
以上のイオン注入装置が必要となり、イオン源を交換し
てイオン注入を行う場合には交換後に安定してイオン注
入が実施できるように条件を確認する準備時間が必要と
なっていた。何れの場合でも、半導体装置の製造コスト
の削減上問題となっていた。

【００２９】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、同一基板
内にチャネルの導電型の異なるＭＯＳトランジスタ等を
製造する場合には、全面にレジストを塗布し、次いでイ
オン注入の必要な部分のレジストを除去してレジストパ
ターンを形成し、次いでこのレジストパターンをマスク
にしてイオン注入を行う必要があった。

【００３０】この方法を用いると、レジスト塗布・光露
光・レジスト現像（レジストパターン形成）、イオン注
入、レジストアッシング、硫酸・過酸化水素水処理など
の湿式処理という一連の工程が必要となる。そのため、
ＤＲＡＭなどのイオン注入の打ち分けの工程が多いＬＳ
Ｉを製造する場合には、製造時間が長くなったり、コス
トが高くなるという問題があった。

【００３１】また、従来の半導体基板の製造方法では、
ｐ型不純物とｎ型不純物をイオン注入する場合には、別
のイオン注入装置を用いるか、イオン源となるソースガ
ス、固体ソースを交換して行うのが通常であったが、何
れの場合でも、半導体装置の製造コストの削減が困難で
あるという問題があった。

【００３２】また、従来のイオン注入装置では、Ｉｎの
ように融点が低い金属、Ｓｂのように不安定な材料のイ
オン注入を安定して行うことは非常に困難であるという
問題があった。

【００３３】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、イオン注入の打ち分け
の工程を簡略化できるイオン注入装置および半導体装置
の製造方法を提供することにある。

【００３４】また、本発明の他の目的は、融点が低い金
属や、不安定な材料のイオン注入を安定して行うことが
できるイオン発生装置、イオン注入装置および半導体装
置の製造方法を提供することにある。

【００３５】

【課題を解決するための手段】［構成］上記目的を達成
するために、本発明に係る第１のイオン注入装置は、被
処理基体から離間して配置され、開口部を有する導電性
マスクと、この導電性マスクを介して前記被処理基体に
イオンを注入するイオン注入手段とを備えていることを
特徴とする。

【００３６】なお、本発明において、導電性マスクの導
電性とは、金属のような良好な導電性だけではなく、半
導体のような金属と絶縁体との中間的な導電性も意味し
ている。

【００３７】本発明に係るイオン発生装置は、箱状に形
成された容器と、前記容器の内壁面にイオンを生成する
元素を含む材料板を保持可能とする保持手段と、前記容
器内にプラズマを発生させることにより前記保持器に保
持された材料板をスパッタリングして所望のイオンを発
生させうるプラズマ発生手段と、前記スパッタリングに
用いるプラズマを発生しうるガスを前記容器内に導入す
るガス導入手段と、前記スパッタリングで生ずる液体を
保持する液体保持部と、前記材料板に対するスパッタリ
ングで生じたイオンを前記容器外に導出するイオン導出
器とを備えていることを特徴とする。

【００３８】また、本発明に係る第２のイオン注入装置
は、上記イオン発生装置と、前記イオン導出手段で導出
されたイオンをそのイオンを照射するべき被処理基体に
誘導するイオン誘導手段とを備えていることを特徴とす
る。

【００３９】また、本発明に係る第３のイオン注入装置
は、上記イオン発生装置と、前記イオン導出手段で導出
されたイオンをそのイオンを照射するべき被処理基体に
誘導するイオン誘導手段と、前記被処理基体から離間し
て配置され、前記イオンが通過する開口部を有する導電
性マスクとを備えていることを特徴とする。

【００４０】本発明に係る第１の半導体装置の製造方法
は、２種以上の元素からなる固体材料を内部に保持した
容器にガスを導入する工程と、前記容器内で前記ガスを
プラズマ化し、このプラズマ化されたガスを前記材料に
照射して前記材料をスパッタリングすることによって、
前記材料の構成元素のイオンを発生させる工程と、この
イオンを発生させる工程で前記材料面に発生した前記材
料の構成元素からなる液体を液体保持部に収納する工程
と、前記イオンを前記容器外に導出する工程と、前記容
器外に導出されたイオンを照射するべき被処理基体に誘
導する工程と、前記誘導されたイオンを所望の被処理基
体に照射する工程とを有することを特徴とする。

【００４１】また、本発明に係る第２の半導体装置の製
造方法は、２種以上の元素からなり所望のイオンを発生
させ得る材料を内部に保持した容器に不活性ガスおよび
窒素ガスを導入する工程と、前記容器内にプラズマを発
生させ、このプラズマによって前記不活性ガスおよび前
記窒素ガスをプラズマ化し、このプラズマ化した不活性
ガスおよび窒素ガスを前記材料に照射して前記材料をス
パッタリングすることによって、前記材料の構成元素の
イオンを発生させる工程と、このイオンを発生させる工
程で前記材料面に発生した前記材料の構成元素のひとつ
からなる液体を前記窒素ガスで窒化する工程と、前記イ
オンを前記容器外に導出する工程と、前記容器外に導出
されたイオンを照射するべき被処理基体に誘導する工程
と、前記誘導されたイオンを所望の被処理基体に照射す
る工程とを有することを特徴とする。

【００４２】また、本発明に係る第３の半導体装置の製
造方法は、被処理基体に対してイオン種、注入加速エネ
ルギーおよび注入量の少なくとも一つが異なる複数のイ
オン注入を行うに際し、各イオン注入において、イオン
を注入する領域上に開口部を有する導電性マスクを前記
被処理基体から離間して配置し、前記導電性マスクを介
して前記被処理基体にイオンを注入することを特徴とす
る。

【００４３】また、本発明に係る第４の半導体装置の製
造方法は、被処理基体の第１の領域にｐ型不純物イオン
を、前記被処理基体の第２の領域にｎ型不純物イオンを
それぞれ注入する際に、前記ｐ型不純物イオンを注入す
る際には、前記第１の領域上に開口部を有し、かつ前記
第２の領域上に開口部を有しない第１の導電性マスクを
前記被処理基体から離間して配置し、前記第１の導電性
マスクを介して前記被処理基体に前記ｐ型不純物イオン
を注入し、前記ｎ型不純物イオンを注入する際には、前
記第２の領域上に開口部を有し、かつ前記第１の領域上
に開口部を有しない第２の導電性マスクを前記被処理基
体から離間して配置し、前記第２の導電性マスクを介し
て前記被処理基体に前記ｎ型不純物イオンを注入するこ
とを特徴とする。

【００４４】また、本発明に係る第５の半導体装置の製
造方法は、異なる不純物の注入された第１の不純物領域
と第２の不純物領域を有する半導体装置の製造方法であ
って、２種以上の元素からなり、所望のイオンを発生さ
せ得る材料を内部に保持した容器にガスを導入する工程
と、前記容器内にプラズマを発生させ、このプラズマに
よって前記ガスをプラズマ化し、このプラズマ化したガ
スを前記材料に照射して前記材料をスパッタリングする
ことによって、前記材料の構成元素である２種類以上の
元素の２種以上のイオンを発生させる工程と、前記２種
以上のイオンを前記容器外に導出する工程と、前記容器
外に導出された２種以上のイオンのうちの所望の第１の
イオンを半導体基板の表面に選択的に照射することによ
って、前記半導体基板の表面の前記半導体装置形成予定
領域に前記第１の不純物領域を形成する工程と、前記容
器外に導出された２種以上のイオンのうちの所望の第２
のイオンを半導体基板の表面に選択的に照射することに
よって、前記半導体基板の表面の前記半導体装置形成予
定領域に前記第２の不純物領域を形成する工程とを有す
ることを特徴とする。

【００４５】［作用］本発明（請求項１〜８，１６〜１
９）によれば、開口部を有する導電性マスクを介して被
処理基体にイオンを注入することによって、被処理基体
の所望の領域にイオンを選択的に注入することができる
ようになる。そのため、イオン注入の打ち分けの際に、
各イオン注入毎に別の導電性マスクを用いることによ
り、レジストパターンを用いずに済むようになる。

【００４６】したがって、本発明によれば、レジスト塗
布・光露光・レジスト現像、イオン注入、レジストアッ
シング、硫酸・過酸化水素水処理などの湿式処理という
一連の工程が不要となり、これによりイオン注入の打ち
分けの工程を簡略化できるようになる。また、その結果
として、ＬＳＩの製造に要する時間の短縮化、コストの
削減化を図れるようになる。さらに、レジストを除去す
るためのアッシング処理を行うことなく、イオン注入層
中の結晶欠陥を回復させるための熱処理を行えるように
なる。これにより、より欠陥密度の低いイオン注入層を
形成できるようになるので、ＬＳＩの素子の性能および
信頼性を著しく向上させることができる。

【００４７】また、本発明（請求項９〜１５）によれ
ば、スパッタリングで生じた、イオンを生成する元素の
液体を液体保持部に保持することができる。そのため、
上記液体がプラズマに晒されることを防止できる。これ
により、イオンを生成する元素として、融点が低い元素
や、不安定な元素を用いても、異常放電等の不都合を防
止でき、安定したイオン注入を行うことができるように
なる。

【００４８】また、本発明（請求項２０）によれば、１
つの材料をスパッタリングすることで２種類以上のイオ
ンを発生でき、これにより、ｐ型不純物とｎ型不純物を
イオン注入する場合に、イオン源を交換せずに、準備時
間無しにｐ型不純物とｎ型不純物の打ち分けが可能とな
る。その結果、ｐ型不純物とｎ型不純物のイオン注入の
打ち分けの工程を簡略化でき、半導体装置の製造コスト
を下げることができるようになる。

【００４９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態（以下、実施形態という）を説明する。

【００５０】（第１の実施形態）図１は、本発明の第１
の実施形態に係るイオン注入層の形成方法を示す断面図
である。

【００５１】図中、１はイオン注入装置の試料室内の半
導体基板（被処理基体）を示しており、この半導体基板
１の上方には２つの開口部を有する導電性マスク２が配
置されている。本実施形態で使用するイオン注入装置
は、導電性マスク２を備えている点が従来のイオン注入
装置とは異なっている。したがって、導電性マスク２を
を介して半導体基板１にイオンを注入するための機構は
従来と同じであるので、その説明は省略する。なお、イ
オン注入装置の全体の構成は後で説明する。

【００５２】半導体基板１と導電性マスク２との間の距
離ｄは、一般には、１μｍ〜１００ｍｍの範囲で設定さ
れるが、距離ｄは後述する値に設定することが好まし
い。

【００５３】また、導電性マスク２の反りを防止するた
めには、導電性マスク２の厚さｔは１μｍ以上であるこ
とが好ましい。また、導電性マスク２の材料は、半導体
基板１の汚染を避けるために、半導体基板１と同一の元
素、または同元素を主成分とする材料から構成されてい
ることが好ましい。

【００５４】半導体基板１がシリコン基板の場合には、
導電性マスク２を介して、Ｐ⁺ 、Ｂ ⁺ 、ＢＦ₂ ⁺ 、Ａｓ
⁺ 、Ｓｂ⁺ 、Ｉｎ⁺ 、Ｇａ⁺ などのイオン３を基板表面
に注入する。イオン３は、例えばＢＦ₃ 等の気体をイオ
ン源に導入し、プラズマ放電によりＦ₂ ⁺等のイオンを
発生させ、このイオンを加速管内で加速させて生成した
ビーム状のイオンである。

【００５５】このようにして基板表面にイオン３を注入
することにより、導電性マスク２の開口部下の基板表面
にイオン注入層４が形成される。このとき、導電性マス
ク２は導電性を有しているので、イオン注入時における
導電性マスク２のチャージアップを防止できる。

【００５６】また、導電性マスク２のイオン照射による
温度上昇が５０℃以上に及ぶと、例えば幅１０ｍｍの導
電性マスク２は１．５μｍ膨張するため、導電性マスク
２の温度上昇は５℃以下に抑制することが望ましい。

【００５７】また、アライメント精度（イオン注入層４
の形成領域と導電性マスク２の開口部との合わせずれ）
を０．１５μｍ以下に抑制する必要がある場合には、導
電性マスク２を冷媒によって冷却し、膨張を十分に小さ
くすることが必要である。

【００５８】なお、導電性マスク２の位置合わせは、例
えば半導体基板１に予め合わせマークを形成しておき、
この合わせマークを赤外線レーザで検出するという光学
的な方法で行うと良い。

【００５９】また、半導体基板１と導電性マスク２との
間の距離ｄは１５μｍ以下に設定することが好ましい。
さらに好ましくは３μｍ以下に設定する。３μｍ以下に
設定することにより、半導体基板１から導電性マスク２
に電荷が非常に逃げやすくなるため、半導体基板１のチ
ャージアップを効果的に防止できるようになる。

【００６０】そして、上述したようにイオン注入層４を
形成した後、イオン注入層４中のイオン３をアニールに
より活性化することにより、不純物拡散層を形成するこ
とができる。

【００６１】本実施形態によれば、開口部を有する導電
性マスク２を介して半導体基板１の表面にイオンを注入
することによって、半導体基板１の所望の領域にイオン
層４を選択的に形成できるようになる。

【００６２】そのため、イオン注入の打ち分けの際に、
各イオン注入毎にそれ専用の導電性マスク２を用いて必
要なイオン注入層４を形成することにより、レジストパ
ターンを用いずに必要なイオン注入層４を形成できるよ
うになる。

【００６３】したがって、本実施形態によれば、レジス
ト塗布・光露光・レジスト現像、イオン注入、レジスト
アッシング、硫酸・過酸化水素水処理などの湿式処理と
いう一連の工程が不要となり、これによりイオン注入の
打ち分けの工程を簡略化できるようになる。

【００６４】また、その結果として、ＬＳＩの製造に要
する時間の短縮化、コストの削減化を図れるようにな
る。さらに、レジストを除去するためのアッシング処理
を行うことなく、イオン注入層中の結晶欠陥を回復する
ための熱処理を行えるようになる。これにより、より欠
陥密度の低いイオン注入層を形成できるようになるの
で、ＬＳＩの素子の性能および信頼性を著しく向上させ
ることができる。

【００６５】具体的には、リソグラフィ工程が３０％削
減でき、例えばＤＲＡＭの場合であればリソグラフィ工
程を３０回から２１回まで低減できる。これにより製造
開始からＬＳＩ完成までの時間（ＴＡＴ：Turn Around
Time）を３０％以上短縮でき、また大幅なコストの削
減化が可能となる。

【００６６】また、レジストパターンを用いないことか
らメタルが混入したレジストパターンのアッシング工程
が不要になり、これによりメタル汚染量を低減できる。

【００６７】また、イオン注入層４中のイオンを活性化
するためのアニールはイオン注入層４の形成後に引き続
いて行っても良いし、あるいは他のイオン注入層が存在
する場合には、これらのイオン注入層中のイオンを共通
のアニールで活性化しても良い。

【００６８】（第２の実施形態）図２は、本発明の第２
の実施形態に係るイオン注入層の形成方法を示す断面図
である。なお、図１と対応する部分には図１と同一符号
を付してあり、詳細な説明は省略する（他の実施形態に
ついても同様）。

【００６９】本実施形態では、半導体基板１上にｄ＝１
０〜３０μｍ程度離間して４個の開口部を有する導電性
マスク２ａを配置し、さらにこの導電性マスク２ａ上に
は導電性材料からなるシャッター５を配置する。導電性
マスク２ａの寸法（図中の左右方向の寸法）は１ｍｍ以
上程度と比較大きい。本実施形態で使用するイオン注入
装置は、導電性マスク２ａおよびシャッター５を備えて
いる点が従来のイオン注入装置とは異なっている。

【００７０】なお、シャッター５を構成する導電性材料
は、半導体基板１の汚染を防止するために、導電性マス
ク２ａの場合と同様に、半導体基板１と同一の元素、ま
たは同元素を主成分とする材料であることが好ましい。

【００７１】本実施形態では、例えば図２に示すよう
に、外側の２つの開口部をシャッター５で覆った状態
で、イオン注入を行うことにより例えばｎ型拡散層の形
成領域にイオン注入層４ａを形成する。この後、内側の
２つの開口部をシャッター５で覆った状態で、イオン注
入を行うことにより例えばｐ型拡散層の形成領域にイオ
ン注入層４ｂを形成する。

【００７２】本実施形態でも第１の実施形態と同様な効
果が得られる。また、本実施形態によれば、１枚の導電
性マスク２ａで導電型の異なるイオン注入層４ａ，４ｂ
を形成するので、イオン注入層４ａ，４ｂの合わせずれ
の問題は起こらない。なお、本実施形態では、導電性マ
スク２ａの開口部の個数を４個としたが、３個以下また
は５個以上でも良い。

【００７３】（第３の実施形態）図３は、本発明の第３
の実施形態に係るイオン注入層の形成方法を示す断面図
である。

【００７４】本実施形態が第１の実施形態と異なる点
は、半導体基板１よりも外側の領域に開口部を有する導
電性マスク２ｂを用い、さらにこの開口部を通過するイ
オンビームを検出するための、Ｆａｒａｄａｙ Ｃｕｐ
などからなるイオンビーム検出器６（検出手段）が設け
られていることにある。

【００７５】なお、上記開口部は、半導体基板１と同一
条件でイオンビームが照射される領域に設けることが好
ましい。また、距離ｄは例えば２〜３μｍ程度である。

【００７６】本実施形態でも第１の実施形態と同様な効
果が得られる。さらに、本実施形態によれば、半導体基
板１に照射されるイオンビームをイオンビーム検出器６
により検出できるので、その検出結果（イオンビーム電
流）をモニタ信号に利用することができる。したがっ
て、このモニタ信号をフィードバックすることによって
イオン注入量を制御することができる。

【００７７】（第４の実施形態）図４は、本発明の第４
の実施形態に係るイオン注入層の形成方法を示す断面図
である。

【００７８】本実施形態が第１の実施形態と異なる点
は、半導体基板１の表面に垂直な直線（法線）ｌに対し
てθ（＜９０度）傾いた方向からイオン３を照射するこ
とにある。

【００７９】本実施形態でも第１の実施形態と同様な効
果が得られる。さらに、本実施形態によれば、注入加速
電圧が高い場合でも、半導体基板１の表面に浅いイオン
注入層を形成することが可能となる。

【００８０】図５に、入射角θ（１．５度、７度、１５
度）と距離ｄとイオン３の横方向のはみ出し距離ΔＹと
の関係を示す。はみ出し距離ΔＹは図４に示すように導
電性マスク２の開口部端から測った距離である。

【００８１】図から、距離ｄが２μｍ程度なら、イオン
３が入射角θ＝７度でもって入射しても、はみ出し距離
ΔＹは０．２５μｍ未満になることが分かる。したがっ
て、チャージアップの心配が無い場合において、距離ｄ
を５μｍ以上に設定するときには、入射角θを５度以下
にすることが必要となる。

【００８２】（第５の実施形態）図６は、本発明の第５
の実施形態に係るイオン注入層の形成方法を示す工程断
面図である。

【００８３】第４の実施形態のように傾斜イオン注入を
行うときには、図６（ａ）に示すように、導電性マスク
２の開口部の片側に非注入領域が生じ、導電性マスク２
の開口部とは異なるパターンのイオン注入層４が形成さ
れる。

【００８４】そのため、非注入領域が問題となる場合に
は、図６（ｂ）に示すように、半導体基板１を１８０度
回転させて、傾斜イオン注入を再度行ってイオン注入層
４’を形成して非注入領域を無くす。半導体基板１を回
転させる代わりに、図６（ｃ）に示すように、イオン３
の照射方向を変えても良い。

【００８５】さらに望ましい方法としては、図７に示す
ように、イオン３に対して半導体基板１を５０〜１００
ｃｍ／ｓｅｃの速度でもって往復運動（Ａ方向、Ｂ方向
に交互に運動）させるとともに、行きと帰りでイオン３
の半導体基板１に対する照射方向を逆方向に変える。こ
のような方法によれば、非注入領域の無い傾斜イオン注
入をより短時間で完了することができる。また、上記往
復運動方向と直交するＣ方向、Ｄ方向に往復運動させて
も良い。

【００８６】（第６の実施形態）図８は、本発明の第６
の実施形態に係るＣＭＯＳ製造工程におけるｐ型ウェル
およびｎ型ウェルの形成方法を示す工程断面図である。

【００８７】まず、図８（ａ）に示すように、シリコン
基板１１に素子分離絶縁膜１２を形成する。

【００８８】次に同図８Ａに示すように、ｐチャネルト
ランジスタ形成領域（第１の領域）上にのみに開口部を
有する導電性マスク２ｐをシリコン基板１１の上方に配
置した後、１００〜２００ＫｅＶ、２×１０¹³ｃｍ^-2の
条件でもってＰ⁺ （リンイオン）のイオン注入を行って
ｎ型イオン注入層４ｎを選択的に形成する。

【００８９】次に図８（ｂ）に示すように、ｎチャネル
トランジスタ形成領域（第２の領域）上にのみに開口部
を有する導電性マスク２ｎをシリコン基板１１の上方に
配置した後、１００〜３００ＫｅＶ、２×１０¹³ｃｍ^-2
の条件でもってＢ⁺ （ボロンイオン）のイオン注入を行
ってｐ型イオン注入層４ｐを選択的に形成する。

【００９０】最後に、ｐ型イオン注入層４ｐおよびｎ型
イオン注入層４ｎ中のイオンをアニールにより活性化し
て、ｐ型ウェルおよびｎ型ウェルが完成する。

【００９１】比較のために、図９に、従来のＣＭＯＳ製
造工程におけるｎ型ウェルおよびｐ型ウェルの形成方法
の工程断面図を示す。

【００９２】従来法では、まず、図９（ａ）に示すよう
に、シリコン基板１１に素子分離絶縁膜１２を形成す
る。ここまでは、本実施形態と同じである。

【００９３】次に全面にレジストを塗布し、光露光し、
レジストを現像して、同図９Ａに示すように、ｐチャネ
ルトランジスタ形成領域上にのみに開口部を有するレジ
ストパターン１３ｐを形成した後、１００〜６００Ｋｅ
Ｖ、２×１０¹³ｃｍ^-2の条件でもってＰ⁺ のイオン注入
を行ってｎ型イオン注入層４ｎを選択的に形成する。

【００９４】次にレジストパターン１２ｐをアッシング
して剥離した後、全面にレジストを再度塗布し、光露光
し、レジストを現像して、図９（ｂ）に示すように、ｎ
チャネルトランジスタ形成領域上にのみに開口部を有す
るレジストパターン１３ｎを形成した後、１００〜３０
０ＫｅＶ、２×１０¹³ｃｍ^-2の条件でもってＢ⁺ のイオ
ン注入を行ってｐ型イオン注入層４ｐを選択的に形成す
る。

【００９５】次にレジストパターン１３ｎをアッシング
して剥離した後、ｎ型イオン注入層４ｎおよびｐ型イオ
ン注入層４ｐ中のイオンをアニールにより活性化して、
ｎ型ウェルおよびｐ型ウェルが完成する。

【００９６】このように従来方法では、レジスト塗布、
光露光、レジスト現像、レジスト除去という工程を２回
繰り返す必要があり、そのため本実施形態に比べて工程
数が多くなり、またコストも高くなる。

【００９７】（第７の実施形態）図１０は、本発明の第
７の実施形態に係るＣＭＯＳ製造工程におけるｐ型チャ
ネルドーピング層およびｎ型チャネルドーピング層の形
成方法を示す工程断面図である。

【００９８】まず、第６の実施形態に従って図１０
（ａ）に示すように、シリコン基板１１に素子分離絶縁
膜１２、ｐ型ウェル４ｐｗおよびｎ型ウェル４ｎｗを形
成する。

【００９９】次に同図１０Ａに示すように、ｐチャネル
トランジスタ形成領域上にのみに開口部を有する導電性
マスク２ｐをシリコン基板１１の上方に配置した後、８
０〜１３０ＫｅＶ、２×１０¹³ｃｍ^-2の条件でもってＰ
⁺ （リンイオン）のイオン注入を行って、ｎ型ウェル４
ｎｗの表面にｎ型イオン注入層１３ｎを選択的に形成す
る。

【０１００】次に図１０（ｂ）に示すように、ｎチャネ
ルトランジスタ形成領域上にのみに開口部を有する導電
性マスク２ｎをシリコン基板１１の上方に配置した後、
３０〜８０ＫｅＶ、１×１０¹³ｃｍ^-2の条件でもってＢ
⁺ （ボロンイオン）のイオン注入を行って、ｐ型ウェル
４ｐｗの表面にｐ型イオン注入層１３ｐを選択的に形成
する。

【０１０１】最後に、ｐ型イオン注入層１４ｐおよびｎ
型イオン注入層１４ｎ中のイオンをアニールにより活性
化して、ｐ型チャネルドーピング層およびｎ型チャネル
ドーピング層が完成する。

【０１０２】（第８の実施形態）図１１は、本発明の第
８の実施形態に係る不純物拡散層を形成するための半導
体製造システムを示す模式図である。

【０１０３】この半導体製造システムは、大きく分け
て、イオン注入装置２０と熱処理装置３０とから構成さ
れている。図中、２１はイオン注入装置２０のビームラ
インチャンバーを示しており、このビームラインチャン
バー２１は第１ゲートバルブ２２₁ を介してエンドステ
ーションチャンバー２３に接続されている。

【０１０４】このエンドステーションチャンバー２３内
には基板ホルダ２４が設けられている。この基板ホルダ
２４は、ＳｉＣ、ＶＣ、ＢＮ、ＴｉＣなどの比熱の高い
材料で形成された、熱容量の大きなものである。また、
基板ホルダ２４の表面は図示しないＡｌＮなどの熱伝導
率の高い膜で被覆され、その上に半導体基板１が設置さ
れ、保持されている。

【０１０５】また、基板ホルダ２４は図示しない冷却機
構により必要に応じて予め０℃以下に冷却できるように
なっている。冷却温度は−１３０℃以下であることが好
ましい。このような低温であれば、イオン注入中におけ
る欠陥を容易に制御でき、欠陥のクラスター化を効果的
に抑制できる。

【０１０６】また、エンドステーションチャンバー２３
内には導電性マスク２が設けられている。この導電性マ
スク２は半導体基板１の上方に配置されている。ビーム
ラインチャンバー２１、第１ゲートバルブ２２₁ を通過
したイオンビーム２５は、この導電性マスク２の開口部
を通って半導体基板１の表面を照射する。その結果、半
導体基板１の表面にイオン注入層が形成される。

【０１０７】エンドステーションチャンバー２４は、第
２ゲートバルブ２２₂ を介して熱処理装置３０の熱処理
室３１に接続されている。また、エンドステーションチ
ャンバー２４は図示しない排気機構により真空排気でき
るようになっている。また、エンドステーションチャン
バー２４内の半導体基板１は図示しない搬送機構により
熱処理室３１内に搬送できるようになっている。これに
より、エンドステーションチャンバー２４内でイオン注
入層が形成された半導体基板１を真空を破らずに熱処理
室３１内に移すことができる。

【０１０８】熱処理室３１内には赤外線ランプ、紫外線
ランプ、またはこれらの両方からなる加熱機構３２が設
けられている。熱処理室３１内に移動されたイオン注入
層が形成された半導体基板１は、加熱機構３２により１
００℃／秒以上のレートによって高速昇温され、６００
〜１１００℃程度の温度でもって１〜３０秒間加熱（ア
ニール）される。この結果、イオン注入層中のイオンが
活性化され、不純物拡散層が形成される。

【０１０９】なお、本実施形態のイオン注入装置は、第
１の実施形態のイオン注入層の形成方法を実施するもの
であるが、他の実施形態のイオン注入層の形成を実施す
るように変更しても良い。

【０１１０】（第９の実施形態）図１２は、本発明の第
９の実施形態に係る不純物拡散層を形成するための半導
体製造システムを示す模式図である。

【０１１１】本実施形態が第８の実施形態と異なる点
は、エンドステーションチャンバー２４が搬送室４０を
介して熱処理室３１に接続していることにある。なお、
図中、２２₃ は第３ゲートバルブを示している。

【０１１２】本実施形態によれば、イオン注入装置２０
で第１の半導体基板１にイオン注入層を形成している間
に、熱処理装置３０で既にイオン注入層が形成された第
２の半導体基板１をアニールして不純物拡散層を形成で
きるので、第８の実施形態に比べて、半導体基板（ウェ
ハ）の処理速度が向上し、短時間でより多くの不純物拡
散層を形成できるようになる。

【０１１３】また、レジストパターンを用いずにイオン
注入を行うため、イオン注入層の形成時間が短縮され、
つまりイオン注入層の形成時間とアニールによる不純物
拡散層の形成時間との差が十分に小さくなり、不純物拡
散層の形成後にすぐに別の半導体基板をアニールできる
ようになり、これによりイオン注入層の形成と不純物拡
散の形成とを連続的に行うことが可能となる。

【０１１４】（第１０の実施形態）まず、図１３を参照
して、イオン照射（注入）装置の全体構成の概要および
イオン発生方法、照射方法を説明する。なお、本発明
は、後述するようにイオン発生装置となるイオン源チャ
ンバー５１（アークチャンバー）にその大きな特徴があ
り、図１３に示したその他の構成は従来のイオン照射装
置の構成と同様である。

【０１１５】図１３に示したイオン照射装置では、まず
イオン源チャンバー５１でイオンが生成される（その詳
細については後述する）。次に、このイオンはイオン源
チャンバー５１に隣接した引き出し電極５２によって引
き出され、分離電磁石５３に導入され、そこで、電荷と
質量に応じてイオン種毎に質量分離される。分離電磁石
５３を通過したイオンは、続いてスリット５４に導入さ
れ、そこで所望のイオン種のみが完全に分離される。分
離された所望のイオン種を、加速器５５によって所望の
最終エネルギーまで加速または減速する。そして、所望
のエネルギーを持ったイオンビームが四極レンズ５６に
よって試料６２（例えば半導体基板）の表面に集束点を
持つように集束される。続いて、走査電極５７，５８に
より試料面全体で注入量が一様になるよに走査される。
そして残留ガスとの衝突で生じる中性粒子を除去するた
めに、偏向電極５９によりイオンビームが曲げられ、マ
スク６０を通して試料６２表面にイオンビームが照射さ
れる。６１はアースである。

【０１１６】以下、図１３に示したイオン源チャンバー
５１（イオン発生装置）およびそれを用いたイオン発生
方法、イオン照射（注入）方法等の詳細について、図面
を参照して説明する。

【０１１７】図１４は、本発明の第１０の実施形態に係
るバーナス型のイオン源チャンバーに材料板７９を載置
した時の断面構造を示したものであり、同図Ａはチャン
バーの上面に平行な断面を、同図Ｂはチャンバーの横方
向の側面に平行な断面を、同図Ｃはチャンバーの縦方向
の側面に平行な断面をそれぞれ示したものである。

【０１１８】基本的な構成は図１９に示した従来のバー
ナス型イオン源チャンバーの構成と同様である。すなわ
ち、タングステンを主成分として構成されたアークチャ
ンバー７１の一方の端面には絶縁支持部７５およびリフ
レクター７６（スペーサー）を介してタングステンフィ
ラメント７７が設けてあり、アークチャンバー７１の他
方の端面には絶縁支持部７５を介して対向電極７４が設
けてある。そして、ガス導入口７２からはＡｒガスが供
給され、フロントプレート７８に設けたイオン引き出し
口７３から所望のイオンが取り出される。

【０１１９】なお、イオン源チャンバー（アークチャン
バー）７１は通常、イオン引き出し口７３を上面とし、
ガス導入口７２が下面に位置するように載置されてい
る。

【０１２０】本実施形態におけるイオン発生装置では、
アークチャンバー７１の内壁に沿ってスリット８１が設
けられており、このスリット８１に所望のイオンを取り
出すための材料板７９が着脱自在となっている。したが
って、取り出したいイオンに応じて材料板を簡単に取り
替えることができる。そして、フィラメント７７から熱
電子を放出させてプラズマを発生させ、Ａｒガスのスパ
ッタ作用により材料板７９から所望のイオンを取り出す
ことが可能となっている。

【０１２１】材料板７９は、アークチャンバー７１の内
壁面上の少なくとも一部に設置されていれば良いが、好
ましくはフィラメント７７および対向電極７４が取り付
けられている一対の対向面以外の四つの内壁面の内、少
なくとも一つ以上の面上に設置されていることが望まし
い。また、材料板７９は、設置面の少なくとも一部に設
置されていれば良いが、その面全体に設置した方が、ス
パッタリングの効率が良い。

【０１２２】次に本実施形態に係るイオン発生方法、イ
オン照射方法についてインジウム（Ｉｎ）イオンの発生
方法、照射方法を例にとって詳細に説明する。

【０１２３】本実施形態では、イオン源となる材料板と
してＩｎＳｂ単結晶基板を用いた。ＩｎＳｂ基板は単体
のインジウム金属（融点１５６℃）と異なり、融点は高
い。また、工業的に入手可能であり、常温で安定であ
る。更に、単結晶であるため組成は極めて安定してい
る。

【０１２４】本実施形態では、このＩｎＳｂを板状に加
工し、タングステン製アークチャンバー２１内壁面のう
ち一対の側壁面および底面の３面に設置した。次に所定
の立上げ作業を行った後、ガス導入口７２より、Ａｒガ
スを供給すると共に、フィラメント７７から熱電子を放
出させると、Ａｒガスがプラズマ化されそのプラズマ粒
子によるスパッタリング効果により、材料板（ＩｎＳ
ｂ）７９からＳｂおよびＩｎが導出され、放電によりイ
オン化された。発生したＳｂイオン、Ｉｎイオンおよび
Ａｒイオンは、引き出し口７３を通して引き出された
が、このうち分離電磁石によりＩｎイオンのみが取り出
され、試料へのイオン注入された。

【０１２５】この場合、加速電圧１８０ＫｅＶで約４ｍ
Ａのビーム電流が約５０時間（従来の１０倍）安定して
得られた。

【０１２６】上記従来例に示したように、従来型のイオ
ン源チャンバーにＩｎＣｌ３を３３０℃に加熱して得ら
れた蒸気を導入してイオン化を行った場合には、約５時
間で異常放電が多発し、イオン打ち込みができなくなっ
てしまっていた。

【０１２７】本発明の構成を取ることにより極めて安定
的に長時間イオン化を行うことが可能となった。

【０１２８】本実施形態では、イオン化される金属とし
てＩｎやＳｂを用いて説明したが、その他のイオンチャ
ンバー内で溶融する恐れがあり、安定な化合物を形成し
得る多くの金属元素のイオン注入に適用可能である。例
えば、アルミニウム（Ａｌ：融点６６０℃）、ガリウム
（Ｇａ：融点３０℃）、タリウム（Ｔｌ：融点３０３
℃）、スズ（Ｓｎ：融点２３２℃）、鉛（Ｐｂ：融点３
２８℃）、亜鉛（Ｚｎ：４２０℃）、カドミウム（Ｃ
ｄ：融点３２１℃）などのイオン発生に用いることがで
きる。特にIII族元素金属は族元素と安定に化合物を
形成するため利用が容易であり、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、
等各種のIII族化合物が利用可能である。特にＩｎＳ
ｂ，ＧａＡｓ等は化合物半導体結晶として利用可能であ
り、安定してイオンを生成可能である。同様に、Ｚｎ，
Ｃｄも族化合物として、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ等を用
いることにより安定してイオンを生成可能である。Ｓ
ｎ，Ｐｂは族元素であるが、Ｓｎ酸化物、Ｐｂ酸化物
として純粋なＳｎ，Ｐｂよりも融点の高い化合物を形成
することが可能でありイオン発生材料として利用可能で
ある。

【０１２９】また、板材料に用いる材料は１種類である
必要はなく、各内壁面上に互いに異なる材料（ＧａＡｓ
とＩｎＳｂ等）を用いた材料板を設置するようにしても
良い。この場合、多種の元素を同時にイオン化すること
が可能であり、電離磁石によって質量分離することで、
イオンの選択をすることが可能である。

【０１３０】（第１１の実施形態）上述した実施形態に
よりＩｎのイオン発生を従来と比較して約１０倍の長時
間にわたって安定して継続実施することが可能となっ
た。

【０１３１】しかしながら上記方法を用いても５０時間
を越えて更にイオンの発生を継続して行った場合、異常
放電が発生するなどの問題が起こった。

【０１３２】上記問題に対して本発明者らが検討を重ね
た結果、異常放電が起こった場合に、アークチャンバー
内壁に単体Ｉｎを用いていないにもかかわらずＩｎ金属
の残留が見られることがわかった。また、フィラメント
や電極の周囲にＩｎ金属が見られる場合に特に異常放電
が大きいように思われた。

【０１３３】上記現象は、ＩｎＳｂを材料として放電を
継続した結果、蒸気圧の高いＳｂが僅かずつ先に蒸発す
ることによってＩｎが過剰となり、更にはＩｎ金属が単
体で形成され、アークチャンバー内で溶融して移動した
ものと考えられた。特にＩｎが移動してフィラメントや
電極の周囲に来た場合に局部的に放電パスが形成され異
常放電が頻繁に発生したものと推定された。本発明者ら
が解析した結果，上記条件（１８０Ｖ、４ｍＡ）では、
チャンバーの寸法が２２０ｍｌ（チャンバー材であるタ
ングステンの総容積１００ｍｌ）のとき、チャンバー内
は５００℃乃至８００℃まで昇温すると推定され、Ｉｎ
だけでなく，上記低融点金属は殆ど溶融することが予想
された。

【０１３４】上記問題を解決するため、イオン発生時に
アークチャンバー内にＡｒガスに加えて窒素ガスを導入
した。窒素ガスの導入により、蒸気圧差によりＩｎＳｂ
表面に過剰に残留したＩｎは窒化されてＩｎＮを形成し
て固体となり、表面から移動することが無くなった。

【０１３５】また,このような方法を用いても窒化され
たＩｎＳｂ表面は常にスパッタリングにより更新されて
いるため、各元素のスパッタレートに変動は無かった。

【０１３６】上記ようにＡｒに加えて窒素をアークチャ
ンバーに導入することで、更に安定したイオン発生、イ
オン照射が可能となった。

【０１３７】なお、本実施の形態は上記に限ることはな
く、例えばアークチャンバー内壁に始めからＩｎＮを用
いて、不活性ガスまたは不活性ガスと窒素ガスの混合ガ
スを用いて放電を行ってもよい。このような形態でも上
記効果を享受可能である。

【０１３８】（第１２の実施形態）次に上記問題に対
し、本発明の第１２の実施形態としてアークチャンバー
の構造を改良することで対応を試みた例を図面を用いて
説明する。

【０１３９】図１５に示した図は何れも図１４（ｂ）に
示したアークチャンバーの横方向の側面に平行な断面に
相当する図である。なお、以下の説明で図１５（ｃ）と
同一の部分に付いては同一の符号を付し説明を省略す
る。

【０１４０】図１５（ａ）に示した装置では、材料板７
９はアークチャンバー内壁の対向する両面に載置されて
いる。また、底面には材料板は載置されていない。本実
施形態では、材料板はスリット８１に挿入固定されてい
るが、上述の各実施形態と異なり、スリット８１は深く
形成されており、また、スリット８１上部には上方に広
がった上部傾斜８１Ａが形成されている。更にスリット
８１下部には上部傾斜８１Ａと逆向きに下方に広がった
下部傾斜３１Ｂが、何れも本図に示した断面に垂直方向
に溝状に形成されている。また、材料板固定部８１Ｃに
は間歇的にスリット８１Ａとスリット８１Ｂとを接続す
るように貫通孔８１Ｄが形成されている。

【０１４１】本実施形態に係るアークチャンバーを用い
てイオンを発生させたところ、ＩｎＳｂ表面で形成され
た過剰なＩｎ金属はスリット８１Ａに沿って貫通孔８１
Ｄを経て貫通孔８１Ｂに流れ込み、そこから移動するこ
とが無かった。これにより異常放電等の不都合を防止す
ることができた。

【０１４２】なお，本実施形態は傾斜８１Ａが形成され
ているだけでも有効である。また、傾斜８１Ａ部がな
く、傾斜８１Ｂと、そこに液体（Ｉｎ金属）が流れ込み
得る経路が確保されているだけでもよい。また、傾斜８
１Ａ，８１Ｂの形状は上記に限定されるものではないこ
とも言うまでも無い。

【０１４３】図１５（ｂ）は、本実施形態の第１の変形
例を示したものである。

【０１４４】第１の変形例では、材料板７９と同等の板
が底面にも載置されている。ただし、この板は、全面に
微小孔７９Ｂが形成された有孔材料板７９Ａである。ま
た、この有孔材料板７９Ａの下部のアークチャンバーが
削られて窪み７１Ａが形成されている。このような構成
により、材料板７９または有孔材料板７９Ａの表面で発
生したＩｎ等の液体は微小孔７９Ｂを経て窪み７１Ａに
流れ込むことにより、プラズマにさらされることがなく
なり、異常放電等の不都合を防止できた。

【０１４５】図１５（ｃ）は、本実施形態の第２の変形
例を示したものである。本実施形態は上記第１の変形例
とは異なり、材料板７９には孔を空けず、側面の材料板
７９と底面の材料板７９の間に空隙８１Ｅを確保した上
で、アークチャンバー底面の支柱７１Ｃを一部残して削
り、Ｉｎ等の液だめとしたものである。

【０１４６】以上述べたように、本実施形態、第１の変
形例、および第２の変形例では、Ｉｎ等の液体を材料板
下部に落とすことでプラズマへの露出を避けることが要
件であり、実施の形態は上記に限るものではない。

【０１４７】次に本実施形態の第３の変形例について説
明する。本変形例では、Ｉｎ等の液体保持部を確保する
代りに、材料板表面にタングステン、モリブデンなどの
高融点金属でできたメッシュ状または金網状の覆いを設
置することを特徴とする。このような覆いを設置するこ
とにより、Ｉｎ等の液体は表面張力が高いため、金網、
メッシュを形成するタングステン等の周囲に凝縮し、周
囲に飛散しない。本変形例は本実施形態、第１の変形
例、および第２の変形例と異なり、アークチャンバーを
加工する必要がなく、単にメッシュ状の覆いを設置する
ことのみで実施可能である。また、このメッシュまたは
金網は材料板から発生する液体よりも高融点の金属であ
れば良いが、アークチャンバーの昇温を考慮して、１０
００℃以上の融点を有する金属が望ましい。

【０１４８】（第１３の実施形態）次に第１０ないし第
１２の実施形態に係るイオン発生方法を用いて半導体基
板に複数種のイオン注入を行う方法についてＩｎイオ
ン、Ｓｂイオンを順次注入する場合を例にとって図１
３、図１４を用いて説明する。

【０１４９】まず、図１４に示したようにアークチャン
バー７１内壁に材料板７９としてＩｎＳｂ板を保持した
後、ガス導入口７２から例えばＡｒガスを供給するとと
もに、タングステンフィラメント７７から熱電子を放出
させ、対向電極７４によって熱電子の運動方向をフィラ
メントから放出された方向と反対方向に偏向することに
より、アークチャンバー７１内に導入されたＡｒガスと
熱電子との衝突確率を高めてイオン化を行う。これによ
りフロントプレート７８に設けたイオン引き出し口２３
からＩｎイオン、Ｓｂイオンを取り出すことができる。

【０１５０】次に、図１３に示したように、このＩｎイ
オン、Ｓｂイオンはイオン源チャンバー１に隣接した引
き出し電極５２によって引き出され、分離電磁石５３に
導入され、そこで、Ｉｎイオンのみがスリット５４に導
入されるように電荷と質量に応じて質量分離される。ス
リット５４を通過したＩｎイオンは、そこで完全に分離
される。分離された所望のＩｎイオンを、加速器５５に
よって所望の最終エネルギーまで加速または減速する。
そして、所望のエネルギーを持ったＩｎイオンビームが
四極レンズ５６によって試料６２（例えば半導体基板）
の表面に集束点を持つように集束される。続いて、走査
電極５７，５８により試料面全体で注入量が一様になる
よに走査される。そして残留ガスとの衝突で生じる中性
粒子を除去するために、偏向電極５９によりイオンビー
ムが曲げられ、マスク６０を通して試料６２表面上の半
導体装置形成予定領域の所望の部分にＩｎイオンビーム
が照射される。６１はアースである。

【０１５１】この際、試料６２はイオン注入すべき所望
の部分のみ開口され他部分はマスクで覆われている。

【０１５２】上記イオン注入の終了後、試料６２上のマ
スクを交換し、分離電磁石５３の印加電圧を変更するこ
とでスリット５４に入るイオンをＳｂイオンに替え，再
度イオン注入を行う。これにより、試料６２上の半導体
装置形成予定領域中の上述のＩｎイオン注入部と異なる
所望の領域にＳｂをイオン注入することができるる。

【０１５３】この方法を用いることによりアークチャン
バ内部の材料を変更することなく，連続して半導体のｎ
型不純物領域，ｐ型不純物領域の形成を行うことができ
る。

【０１５４】なお、上記各実施形態ではＩｎのイオン発
生について述べたが、同一の材料板の構成元素である、
Ｓｂについてもシリコン基板中の不純物として作用する
に足りる程度の不純物量は十分に確保できた。勿論Ｉｎ
についても同程度の不純物量が得られた。

【０１５５】更に、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ等を
用いても、III族元素，族元素ともに，同様に所望の
不純物量を得ることができた。

【０１５６】以上説明した第１０〜第１３の各実施形態
は、例えば半導体基板の製造（イオン注入）に適用する
ことが可能である。

【０１５７】例えば、半導体基板にＩｎイオンを導入す
るすることにより、ＭＯＳトランジスタの不純物拡散層
を形成することができる。特に、Ｉｎの二価イオンを半
導体基板に導入しようとした場合、ＩｎＣｌ₃ や、有機
系ガスでのイオン化では、上述の問題点に加えてオーブ
ンや、ガス配管からＦｅ（鉄）が混入してしまい、この
Ｆｅもイオン化してしまうという問題がある。このＦｅ
は、Ｉｎの二価イオンの曲率半径と一致してしまうた
め、分離電磁石によ質量分解は極めて困難である。この
鉄が半導体基板に導入されると、ｐｎ接合の特性を劣化
させてしまうなどの問題を引き起こす。

【０１５８】しかし、本発明によるスパッタリングイオ
ン注入を行うことにより、コンタミネーションの問題を
引き起こすことなく、極めて容易かつ安定に不純物を基
板に導入することが可能となる。

【０１５９】また、以上説明した第１０〜第１３の各実
施形態では、スパッタリングを行うためのサポートガス
としてＡｒを用いた例を説明したが、その他のサポート
ガスを用いることも可能である。また、フィラメントや
チャンバーには、グラファイトなど、タングステン以外
の材料を用いることも可能であることは勿論である。

【０１６０】さらに、以上説明した第１０〜第１３の各
実施形態では、バーナス型イオン源を用いる方式につい
て説明したが、その他の方式に対して適用することも可
能であることは言うまでも無い。

【０１６１】（第１４の実施形態）図２０は、本発明の
第１４の実施形態に係る導電性マスクを示す平面図であ
る。図中、２００は導電性マスクを示しており、この導
電性マスク２００は４つのマスク領域２０１〜２０４を
有している。マスク領域２０１とマスク領域２０３の開
口パターン、マスク領域２０２とマスク領域２０４の開
口パターンはそれぞれ同じである。マスク領域２０１と
マスク領域２０２の開口パターンは互いに異なってい
る。各マスク領域２０１〜２０４の寸法は、集積回路の
チップサイズのそれと同じである。

【０１６２】すなわち、同一の導電性マスク内に集積回
路のチップサイズと同じサイズのマスク領域がｎ個（ｎ
は自然数）存在し、かつ各マスク領域の横にはそれとは
異なる開口パターンを有するマスク領域が隣接してい
る。その他は、第１の実施形態等で述べた導電性マスク
と同じである。

【０１６３】半導体基板（ウェハ）がＳｉ基板（Ｓｉウ
ェハ）ならば、導電性マスク２００を介して、Ｂ、Ｇ
ａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂなどの不純物のイオンを基板表面
（ウェハ表面）に注入する。ドーズ量は、１×１０¹⁰ｃ
ｍ^-2以上、１×１０¹⁴ｃｍ^-2以下に設定する。

【０１６４】このとき、図２１に示すように、導電性マ
スク２００を半分ずつ重複するように、半導体基板（ウ
ェハ）を載置したステージ（不図示）を移動させながら
イオン注入を行う。すなわち、不純物イオンは、マスク
領域２０１，２０３またはマスク領域２０２，２０４を
介して、Ｓｉ基板（Ｓｉウェハ）の表面に注入されるこ
とになる。

【０１６５】このようにして、不純物イオンが注入され
た領域の最終的なパターンは、図２１に示すように、マ
スク領域２０１，２０３の開口パターンに、マスク領域
２０２，２０４の開口パターンを重ねてできたパターン
となる。なお、図には、ステージを横方向にだけ移動し
た場合のパターンが示されているが、実際には、ステー
ジは縦方向にも移動する。

【０１６６】このような方法であれば、マスク領域２０
１，２０３を介して注入する第１の不純物イオンと、マ
スク領域２０２，２０４を介して注入する第２の不純物
イオンとで、ドーズ量を変えれば、局所的にしきい値電
圧が異なるトランジスタを同一チップ内にリソグラフィ
ーエ程なしに作製することが可能になる。

【０１６７】第１の不純物イオンと第２の不純物イオン
とは同種でも異種でも良い。異種の場合には、III族元
素とＶ族元素の化合物（例えばＩｎＳｂ）からなるター
ゲットを用い、このターゲット中のIII族元素とＶ族元
素をガス化し、イオン源内でこれらのガスを同時にイオ
ン化することによって、例えばＩｎなどのIII族元素と
ＳｂなどのＶ族元素を交互に注入することができる。タ
ーゲット中のIII族元素とＶ族元素をガス化は、スパッ
タリングによる加熱や、熱電子による加熱などの蒸発手
段を用いる。

【０１６８】以上述べた方法では、イオン注入の開始時
と終了時におけるチップ、すなわち一番端のチップで
は、マスク領域２０１，２０３またはマスク領域２０
２，２０４を用いたイオン注入しか行われない。

【０１６９】そのため、一番端のチップについては、ス
テージを移動させることによって、導電性マスク２００
の半分（マスク領域２０１，２０３またはマスク領域２
０２，２０４）を、チップを取得する領域より外側の領
域上に配置させ、マスク領域２０１，２０３およびマス
ク領域２０２，２０４を用いたイオン注入を行う。この
ようにして、素子を形成するチップすべてに２回のイオ
ン注入を行う。

【０１７０】なお、ステージ移動の時間を最短にするた
めには、イオン注入は図２２に示すように折り返すよう
に行うことが好ましい。

【０１７１】（第１５の実施形態）図２３は、本発明の
第１５の実施形態に係る導電性マスクを示す平面図であ
る。図中、２１０は導電性マスクを示しており、この導
電性マスク２１０は４つのマスク領域２１１〜２１４を
有している。マスク領域２１１とマスク領域２１４の開
口パターン、マスク領域２１２とマスク領域２１３の開
口パターンはそれぞれ同じである。マスク領域２１１と
マスク領域２１２の開口パターンは互いに異なってい
る。各マスク領域２１１〜２１４の寸法は、集積回路の
チップサイズのそれと同じである。

【０１７２】すなわち、同一の導電性マスク内に集積回
路のチップサイズと同じサイズのマスク領域がｎ個（ｎ
は自然数）存在し、かつ各マスク領域の横にはそれとは
異なる開口パターンを有するマスク領域が隣接し、かつ
横方向に隣り合う２つのマスク領域の開口パターンの重
ね合わせると、内周と外周の形状が長方形となるよう
に、帯の両端を結んだパターンの開口部が形成される。
その他は、第１の実施形態等で述べた導電性マスクと同
じである。

【０１７３】半導体基板（ウェハ）がＳｉ基板（Ｓｉウ
ェハ）ならば、導電性マスク２１０を介して、Ｂ、Ｇ
ａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂなどの不純物のイオンを基板表面
（ウェハ表面）に注入する。ドーズ量は、１×１０¹⁰ｃ
ｍ^-2以上、１×１０¹⁴ｃｍ^-2以下に設定する。

【０１７４】このとき、図２４に示すように、導電性マ
スク２１０を半分ずつ重複するように、半導体基板（ウ
ェハ）を載置したステージ（不図示）を移動させながら
イオンを行う。すなわち、不純物イオンは、マスク領域
２１１，２１３またはマスク領域２１２，２１４を介し
て、Ｓｉ基板（Ｓｉウェハ）の表面に注入されることに
なる。

【０１７５】このようにして、不純物イオンが注入され
た領域の最終的なパターンは、図２４に示すように、マ
スク領域２１１，２１３の開口パターンに、マスク領域
２１２，２１４の開口パターンを重ねてできたパターン
となる。

【０１７６】このようなイオン注入法を用いることによ
って、ｎチャネルＭＯＳトランジスタの周辺をｐチャネ
ルＭＯＳトランジスタが配置するような回路、あるいは
ｐチャネルＭＯＳトランジスタの周辺をｎチャネルＭＯ
Ｓトランジスタが配置するような回路が実現可能にな
る。

【０１７７】この場合も、イオン注入の開始時と終了時
におけるチップでは、マスク領域２１１，２１３または
マスク領域２１２，２１４を用いたイオン注入しか行わ
れないので、第１４の実施形態で説明した方法によっ
て、チップすべてに２回のイオン注入を行う。同様に、
ステージ移動の時間を最短にするために、イオン注入は
図２２に示すように折り返すように行う。

【０１７８】本実施形態および先の第１４の実施形態で
は、不純物イオンが注入された領域の最終的なパターン
は、２つのマスク領域の開口部のパターンを重ね合てで
きたパターンであるが、３つの以上のマスク領域の開口
部のパターンを重ね合てできたパターンであっても良
い。この場合、３つ以上のマスク領域の開口部のパター
ンは互いに異なったものである。また、これらのマスク
領域は横方向に配置する。また、各マスク領域でイオン
注入の条件（例えば、ドーズ量、不純物の導電型）は互
いに異なったものとなる。

【０１７９】（第１６の実施形態）図２５は、本発明の
第１６の実施形態に係るイオン注入層の形成方法を示す
断面図である。図において、３０１は導電性マスク、３
０２は開口部、３０３はイオン、３０４は静電チャッ
ク、３０５は支持部、３０６は静電チャック、３０７は
半導体基板（ウェハ）をそれぞれ示している。

【０１８０】導電性マスク３０１の温度上昇が５℃にな
り、かつ導電性マスク３０１のうち、静電チャック３０
４で保持されていない、開口部３０２が存在する領域の
寸法が２０〜３０ｍｍであると、電導性マスク３０１は
０．３〜０．４５μｍ程度膨張する。この場合、０．３
μｍ未満の高精度でマスク合わせを行うことが困難にな
る。したがって、高精度のマスク合わせを行うために
は、導電性マスク３０１を水または有機液体などの冷媒
を用いて冷却する必要がある。

【０１８１】本実施形態では、冷却効率を高めるため
に、導電性マスク３０１はＡＩＮなどの熱伝導率の高い
材料を表面に有し、かつ表面凹凸が２〜３μｍ以下の平
滑な静電チャック３０４でチャックされている。

【０１８２】静電チャック３０４は、熱膨張率が１０ｐ
ｐｍ／Ｋ以下で熱伝導性の高いＭ０、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ、
Ｔｉ、ＺｒまたはＨｆなどの金属でできた支持部３０５
に支えられている。この支持部３０５中には図示しない
通路が存在し、この通路を冷媒が通ることによって、静
電チャック３０４の表面にチャックされた導電牲マスク
３０１を冷却するようになっている。

【０１８３】イオン３０３は、導電性マスク３０１を介
して半導体基板３０７の所望の領域３０８に注入され
る。半導体基板３０７は冷却された静電チャック３０６
にチャックている。静電チャック３０６はＳｉＣ、Ｂ
Ｎ、ＶＣまたはＴｉＣなどで形成されている。さらに静
電チャック３０６は面凹凸が２〜３μｍ以下の平滑なＡ
ＩＮ膜で表面を覆われている。静電チャック３０６の冷
却温度は導電性マスク３０１の冷却温度よりも低いこと
が望ましい。

【０１８４】半導体基板３０７の冷却温度は０℃以下、
望ましくは−１３０℃以下、さらに望ましくは−１８０
℃以下に設定すると、イオン３０３の注入で半導体基板
３０７中に生じた欠陥の回復に必要な加熱温度を８００
℃以下にすることが可能になる。

【０１８５】（第１７の実施形態）本実施形態では、ウ
エハ移動に用いるステージ駆動系について説明する。本
実施形態によれば、以下に説明するようにステージ駆動
系の脱ガスを少なくでき、かつステージ駆動系の耐久性
を高めることができる。

【０１８６】ステージ移動に必要なポールネジのような
部品には、通常グリースが塗られている。何故なら、こ
の種の部品には、少ない摩擦でもって回転させることが
要求されるからである。

【０１８７】しかしながら、グリースを用いると、真空
中でグリース中の炭素水素系や炭素フッ素系の高分子が
蒸発し、これらの蒸発した高分子（脱ガス）が半導体基
板に付着し、この付着した高分子がイオン注入の際に半
導体基板中にノックオンされ、不純物として半導体基板
中に混入するという間題が生じる。

【０１８８】このような脱ガスの問題は、グリースを用
いずに、テフロン膜のような固体潤滑剤を用いることが
考えられる。しかし、べアリングとテフロン膜とが接触
する場合には、１分間に１０⁵程度の回転数で摩擦が大
きくなりすぎ、回転不良が生じ、ステージ移動ができな
くなるという問題が生じる。

【０１８９】この問題を克服するために、本実施形態で
は、図２６に示すように、表面に凹凸を有するステンレ
ス部材３１１上にスプレー法などでテフロン膜等のフッ
素樹膜３１２を０．３から０．５μｍの厚みでコーティ
ングした後、３０ｋｅＶから６０ｋｅの加速エネルギ
ーで炭素イオンを１０¹⁵ｃｍ^−２から１０¹⁶ｃｍ^−２程
度のドーズ量でステンレス部材３１１に注入した。な
お、図中、３１３は炭素イオンとフッ素樹脂との混合層
を示している。

【０１９０】イオン注入後に１００℃から１５０℃の熱
処理を行った後、同様なベアリングテストで１分間に１
０⁷ 回転以上の回転数でもステージの異常不良は起こら
ないことが確認された。なお、フッ素イオンでも加速エ
ネルギーを４５ｋｅＶから７５ｋｅＶに設定すると、炭
素イオンよりは半分程度効果は少なくなるが、同様な長
寿命化が実現できた。

【０１９１】（第１８の実施形態）図２７〜図２９は、
本発明の第１８の本実施形態に係るＣＭＯＳトランジス
タの製造方法を示す断面図である。ここでは、ゲート電
極の材料として金属を用いた製造方法について説明す
る。

【０１９２】まず、図２７に示すように、シリコン基板
４０１の表面に形成した浅い溝を素子分離絶縁膜４０２
で埋め込むことによって、素子分離を行う（ＳＴＩ：Sh
allow Trench Isolation）。

【０１９３】次にＢ、Ｇａ、Ｉｎ等のIII族元素が不純
物としてドーピングされたｐ型拡散層（ソース／ドレイ
ン領域）４０３、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ等のＶ族元素が不純物
としてドーピングされたｎ型拡散層（ソース／ドレイン
領域）４０４を形成する。

【０１９４】ｐ型拡散層４０３、ｎ型拡散層４０４はＬ
ＤＤ構造を有している。ｐ型拡散層４０３、ｎ型拡散層
４０４はそれぞれ２回のイオン注入によって形成され
る。最初のイオン注入は図示しないシリコン膜からなる
ダミーゲートをマスクに用いたものであり、次のイオン
注入はダミーゲートおよびその側壁に形成したシリコン
窒化膜からなるスペーサをマスクに用いたものである。
最初のイオン注入の方がドーズ量は少ない。また、イオ
ン注入した不純物を活性化するためのアニールは各イオ
ン注入の後に行っても良いし、２回目のイオン注入後に
まとめて行っても良い。

【０１９５】次に図示しないダミーゲートを覆うよう
に、シリコン酸化膜４０５を全面に形成し、次に機械研
磨法またはＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）
法により図示しないダミーゲートの表面が露出するまで
シリコン酸化膜４０５の表面を研磨し、次にダミーゲー
トを選択的に除去する。

【０１９６】次にしきい値電圧を調整するために、チャ
ネルとなる部分に不純物イオンをイオン注入法によって
導入する。次にイオン注入で生じた欠陥を熱処理で回復
させるとともに、注入した不純物イオンを活性化させ
る。

【０１９７】次にＴａ₂ Ｏ₅ やＴｉＯ_{2 、}ＺｒＯ₂ など
の高誘電率の材料からなるゲート絶縁膜４０６を全面に
形成した後、ＴｉＮまたはＴａＮからなる厚さ１０ｎｍ
以下の第１ゲート電極４０７をゲート絶縁膜４０６上に
形成する。

【０１９８】ここで、界面準位密度を１０¹¹ｃｍ^-2以下
に設定する場合には、シリコン基板４０１とゲート絶縁
膜４０６との間に、厚さ１ｎｍ以下のシリコン酸化膜ま
たはシリコン窒化酸化膜を介在させることが望ましい。

【０１９９】次にＳｉまたはＳｉＣからなる厚さ３〜１
０μｍの電性マスク４０８をシリコン基板４０１の表面
から２０μｍ以下の距離に設置し、ｎチャネルＭＯＳト
ランジスタ領域に炭素イオン４０９を選択的に注入した
後、熱処理を行う。

【０２００】ここで、加速エネルギーは０．２ｋｅＶ以
上１ｋｅＶ以下、ドーズ量は１０¹⁵ｃｍ^-2以上１０¹⁶ｃ
ｍ^-2以下に設定する。また、熱処理の時間は熱処理温度
が４５０℃以下の場合で１０分から６０分、熱処理温度
が５００℃〜６００℃の場合で１分以内に設定する。こ
のような熱処理を行うと、ＴｉＮの仕事関数は４．６ｅ
Ｖから４．２ｅＶ程度に低下し、ＴａＮの仕事関数は
４．５ｅＶから４．１ｅＶ程度に低下する。

【０２０１】このようにして第１ゲート電極（ＴｉＮ薄
膜またはＴａＮ薄膜）４０７は、ｎチャネルＭＯＳトラ
ンジスタ領域では仕事関数が小さくなり、ｐチャネルＭ
ＯＳトランジスタ領域では仕事関数はもとのままとな
る。すなわち、第１ゲート電極４０７の仕事関数を各Ｍ
ＯＳトランジスタ毎に適切な値に設定することができ
る。

【０２０２】次に図２８に示すように、ＡｌまたはＣｕ
を主成分とする厚さ０．１〜０．３μｍの第２ゲート電
極となる金属膜４１１を全面に堆積する。

【０２０３】次に図２９に示すように、シリコン酸化膜
４０５の表面が露出するまで金属膜４１１を機械研磨法
またはＣＭＰ法によって研磨することによって、第２ゲ
一卜電極４１１を形成する。この後、層間絶縁膜４１２
を全面に形成する。層間絶縁膜としては、シリコン酸化
膜、ＳｉＣｘ０ｙ膜またはＣｘＦｙ膜を用いる。

【０２０４】この後は、周知の方法に従ってコンタクト
ホールを開口し、ゲート引出し配線、ソース引出し配
線、ドレイン引出し配線を形成して、ＣＭＯＳトランジ
スタが完成する。

【０２０５】以上述べたように、本実施形態によれば、
導電性マスク４０９を用いたイオン注入によって、２種
類の仕事関数を有するメタルゲート電極（第１ゲート電
極４０７、第２ゲート電極４１１）を容易に実現できる
ようになる。

【０２０６】なお、ｐチャネルＭＯＳトランジスタのゲ
ート電極の仕事関数として４．５〜４．６ｅＶでなく、
５ｅ程度が必要な場合には、第１ゲート電極４０７と
してＷ膜、ＷＮｘ膜、ＷＳｉｘＮｙ膜またはＣｏ膜を用
いる。そして、ｎチャネルＭＯＳトランジスタ領域の上
記膜に、電気陰性度がＰａｕｌｉｎ ｇＳｃａｌｅで３
より小さい炭素イオンまたは硼索イオンを注入すること
によって、ｎチャネルＭＯＳトランジスタのゲート電極
の仕事関数を小さくする。

【０２０７】また、ｎチャネルＭＯＳトランジスタのゲ
ート電極の仕事関数として４．５〜４．６ｅＶでなく、
４ｅ程度が必要な場合には、第１ゲート電極４０７と
してＨｆＮ膜またはＺｒＮ膜を用いる。そして、ｐチャ
ネルＭＯＳトランジスタ領域の上記膜に、電気陰性度が
ＰａｕｌｉｎｇＳｃａｌｃで３以上の酸素イオンまたは
フッ素イオンを注入することによって、ｐチャネルＭＯ
Ｓトランジスタのゲート電極の仕事関数を大きくする。
ただし、上記イオンの濃度は、比抵抗がｌｍΩ・ｃｍ程
度以下になる範囲に設定する必要がある。何故なら、こ
の比抵抗を越えるとトランジスタのスイッチング特性が
劣化するからである。

【０２０８】ここでは、ゲート電極としての金属膜に対
してのイオン注入の打ち分けの場合について説明した
が、本発明は半導体膜に対してのイオン注入の打ち分け
にも適用できる。

【０２０９】具体的には、例えばデュアルゲートＭＯＳ
トランジスタのプロセスにおけるポリシリコンゲート電
極に対してのイオン注入の打ち分けがあげられる。

【０２１０】デュアルゲートＭＯＳトランジスタの場
合、ｎチャネルＭＯＳトランジスタのポリシリコンゲー
ト電極にはｎ型不純物イオンを選択的に注入する必要が
あり、ｐチャネルＭＯＳトランジスタのそれにはｐ型不
純物イオンを選択的に注入する必要がある。

【０２１１】従来は、レジストをマスクにして各イオン
注入を行っていたので、半導体基板に対するイオン注入
の打ち分けの場合と同様に、工程数やコストの増加の問
題があった。しかし、本発明のイオン注入を用いれば、
レジストを用いずにポリシリコンゲート電極にイオンを
注入できるので、工程数やコストの増加の問題を解決で
きる。

【０２１２】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではない。例えば、上記実施形態では、主とし
て、注入するイオンの導電型や注入量が異なる場合のイ
オン注入について説明したが、本発明は、加速エネルギ
ー等の他のパラメータが異なる場合でも適用できる。要
はイオン種、注入加速エネルギーおよび注入量の少なく
とも一つが異なっていれば、本発明の適用が可能であ
る。

【０２１３】また、上記実施形態を適宜組み合わせても
良い。このような組合せの例としては、例えば、第１０
の実施形態等で説明したイオン発生装置で発生したイオ
ンを、第１の実施形態等で説明した導電性マスクを介し
て、被処理基板に注入するイオン注入装置（方法）があ
げられる。

【０２１４】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形して実施できる。

【０２１５】

【発明の効果】以上詳説したように本発明（請求項１〜
８，１６〜１９）によれば、開口部を有する導電性マス
クを介して被処理基体にイオンを注入することによっ
て、レジスト塗布・光露光・レジスト現像、イオン注
入、レジストアッシング、硫酸・過酸化水素水処理など
の湿式処理という一連の工程が不要となり、これにより
イオン注入の打ち分けの工程を簡略化できるようにな
る。

【０２１６】また、本発明（請求項９〜１５）によれ
ば、スパッタリングで生じた、イオンを生成する元素の
液体を液体保持部に保持することができる。そのため、
上記液体がプラズマに晒されることを防止できる。これ
により、イオンを生成する元素として、融点が低い元素
や、不安定な元素を用いても、異常放電等の不都合を防
止できるようになり、安定したイオン注入を行うことが
できる。

【０２１７】また、本発明（請求項２０）によれば、イ
オン源を交換しなくても、２種類以上のイオンを発生で
き、これによりｐ型不純物とｎ型不純物の打ち分けの工
程を簡略化できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係るイオン注入層の
形成方法を示す断面図

【図２】本発明の第２の実施形態に係るイオン注入層の
形成方法を示す断面図

【図３】本発明の第３の実施形態に係るイオン注入層の
形成方法を示す断面図

【図４】本発明の第４の実施形態に係るイオン注入層の
形成方法を示す断面図

【図５】入射角θと距離ｄとイオン３の横方向のはみ出
し距離ΔＹとの関係を示す図

【図６】本発明の第５の実施形態に係るイオン注入層の
形成方法を示す工程断面図

【図７】第５の実施形態の変形例を示す図

【図８】本発明の第６の実施形態に係るＣＭＯＳ製造工
程におけるｐ型ウェルおよびｎ型ウェルの形成方法を示
す工程断面図

【図９】従来のＣＭＯＳ製造工程におけるｐ型ウェルお
よびｎ型ウェルの形成方法を示す工程断面図

【図１０】本発明の第７の実施形態に係るＣＭＯＳ製造
工程におけるｐ型チャネルドーピング層およびｎ型チャ
ネルドーピング層の形成方法を示す工程断面図

【図１１】本発明の第８の実施形態に係る不純物拡散層
を形成するための半導体製造システムを示す模式図

【図１２】本発明の第９の実施形態に係る不純物拡散層
を形成するための半導体製造システムを示す模式図

【図１３】イオン照射（注入）の全体構成を示す図

【図１４】本発明の第１０の実施形態に係るバーナス型
イオン源チャンバーに材料板を載置したときの断面構造
を示す図

【図１５】本発明の第１２の実施形態に係るアークチャ
ンバーの断面構造を示す図

【図１６】従来のバーナス型チャンバーの断面構造を示
す図

【図１７】従来のフリーマン型イオン源チャンバーの断
面構造を示す図

【図１８】従来のマイクロ波型イオン源チャンバーの断
面構造を示す図

【図１９】改良型のバーナス型チャンバーの断面構造を
示す図

【図２０】本発明の第１４の実施形態に係る導電性マス
クを示す平面図

【図２１】同導電性マスクを用いたイオン注入方法を説
明するための図

【図２２】ステージ移動の時間を最短にする方法を示す
図

【図２３】本発明の第１５の実施形態に係る導電性マス
クを示す平面図

【図２４】同導電性マスクを用いたイオン注入方法を説
明するための図

【図２５】本発明の第１６の実施形態に係るイオン注入
層の形成方法を示す断面図

【図２６】本発明の第１７の実施形態に係るステージ駆
動系を説明するための断面図

【図２７】本発明の第１８の本実施形態に係るＣＭＯＳ
トランジスタの製造方法を示す断面図

【図２８】本発明の第１８の本実施形態に係るＣＭＯＳ
トランジスタの製造方法を示す断面図

【図２９】本発明の第１８の本実施形態に係るＣＭＯＳ
トランジスタの製造方法を示す断面図

【符号の説明】

１…半導体基板 ２，２ａ，２ｂ，２ｎ，２ｐ…導電性マスク ３…イオン ４，４ａ，４ｂ，４’…イオン注入層 ４ｎ…ｎ型イオン注入層 ４ｐ…ｐ型イオン注入層 ４ｎｗ…ｎ型ウェル ４ｐｗ…ｐ型ウェル ５…シャッター ６…イオンビーム検出器 １１…シリコン基板 １２…素子分離絶縁膜 １３ｎ，１３ｐ…レジストパターン １３ｎ…ｎ型イオン注入層 １３ｐ…ｐ型イオン注入層 ２０…イオン注入装置 ２１…ビームラインチャンバー ２２₁ 〜２２₃ …第１ゲートバルブ〜第３ゲートバルブ ２３…エンドステーションチャンバー ２４…基板ホルダ ２５…イオンビーム ３０…熱処理装置 ３１…熱処理室 ３２…加熱機構 ４０…搬送室 ５１…イオン源チャンバー ５２…引き出し電極 ５３…分離電磁石 ５４…スリット ５５…加速器 ５６…四極レンズ ５７，５８…走査電極 ５９…偏向電極 ６０…マスク ６１…アース ６２…試料 ７１…アークチャンバー ７２…ガス導入口 ７３…イオン引き出し口 ７４…対向電極 ７５…絶縁支持部 ７６…リフレクター ７７…タングステンフィラメント ７８…フロントプレート ７９…材料板 ８１…スリット ２００，２１０…導電性マスク ２０１〜２０４，２１１〜２１４…マスク領域 ３０１…導電性マスク ３０２…開口部 ３０３…イオン ３０４，３０６…静電チャック ３０５…支持部 ３０７…半導体基板（ウェハ） ３１１…ステンレス部材 ３１２…フッ素樹膜 ３１３…混合層 ４０１…シリコン基板 ４０２…素子分離絶縁膜 ４０３…ｐ型拡散層（ソース／ドレイン領域） ４０４…ｎ型拡散層（ソース／ドレイン領域） ４０５…シリコン酸化膜 ４０７…第１ゲート電極 ４０６…ゲート絶縁膜 ４０８…導電性マスク ４０９…炭素イオン ４１１…第２ゲート電極（金属膜） ４１２…層間絶縁膜

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被処理基体から離間して配置され、開口部
   を有する導電性マスクと、 この導電性マスクを介して前記被処理基体にイオンを注
   入するイオン注入手段とを備えていることを特徴とする
   イオン注入装置。
2. 【請求項２】前記導電性マスクと前記被処理基体との間
   の距離が１５μｍ以下に設定されていることを特徴とす
   る請求項１に記載のイオン注入装置。
3. 【請求項３】前記導電性マスクは前記開口部とは別の開
   口部を有し、かつこの別の開口部を通過するイオンを検
   出する検出手段を有することを特徴とする請求項１に記
   載のイオン注入装置。
4. 【請求項４】前記開口部の数は複数であり、かつこれら
   の開口部のうちの一部を選択的に覆うシャッターを有す
   ることを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
5. 【請求項５】前記被処理基体は、半導体基板および半導
   体基板上に形成された半導体膜の一方であることを特徴
   とする請求項１に記載のイオン注入装置。
6. 【請求項６】前記導電性マスクは、前記被処理基体と同
   一の元素および前記元素を主成分とする材料の一方で構
   成されていることを特徴とする請求項１に記載のイオン
   注入装置。
7. 【請求項７】前記導電性マスクは、開口部のパターンが
   互いに異なる複数のマスク領域を有することを特徴とす
   る請求項１に記載のイオン注入装置。
8. 【請求項８】前記複数のマスク領域の開口部のパターン
   を重ねることによって、所望のパターンが得られるよう
   に、前記複数のマスク領域の開口部のパターンが選ばれ
   ていることを特徴とする請求項７に記載のイオン注入装
   置。
9. 【請求項９】箱状に形成された容器と、 前記容器の内壁面にイオンを生成する元素を含む材料板
   を保持可能とする保持手段と、 前記容器内にプラズマを発生させることにより前記保持
   器に保持された材料板をスパッタリングして所望のイオ
   ンを発生させうるプラズマ発生手段と、 前記スパッタリングに用いるプラズマを発生しうるガス
   を前記容器内に導入するガス導入手段と、 前記スパッタリングで生ずる液体を保持する液体保持部
   と、 前記材料板に対するスパッタリングで生じたイオンを前
   記容器外に導出するイオン導出手段とを具備してなるこ
   とを特徴とするイオン発生装置。
10. 【請求項１０】前記保持手段は、前記液体保持部を兼ね
    ていることを特徴とする請求項９に記載のイオン発生装
    置。
11. 【請求項１１】箱状に形成された容器と、 前記容器の内壁面にイオンを生成する元素を含む材料板
    を保持可能とする保持手段と、 前記容器内にプラズマを発生させることにより前記保持
    手段に保持された材料板をスパッタリングして所望のイ
    オンを発生させうるプラズマ発生手段と、 前記スパッタリングに用いるプラズマを発生しうるガス
    を前記容器内に導入するガス導入手段と、 前記スパッタリングで生ずる液体を保持する液体保持部
    と、 前記材料板に対するスパッタリングで生じたイオンを前
    記容器外に導出するイオン導出手段と、 前記イオン導出手段で導出されたイオンをそのイオンを
    照射するべき被処理基体に誘導するイオン誘導手段とを
    具備してなることを特徴とするイオン注入装置。
12. 【請求項１２】箱状に形成された容器と、 前記容器の内壁面にイオンを生成する元素を含む材料板
    を保持可能とする保持手段と、 前記容器内にプラズマを発生させることにより前記保持
    手段に保持された材料板をスパッタリングして所望のイ
    オンを発生させうるプラズマ発生手段と、 前記スパッタリングに用いるプラズマを発生しうるガス
    を前記容器内に導入するガス導入手段と、 前記スパッタリングで生ずる液体を保持する液体保持部
    と、 前記材料板に対するスパッタリングで生じたイオンを前
    記容器外に導出するイオン導出手段と、 前記イオン導出手段で導出されたイオンをそのイオンを
    照射するべき被処理基体に誘導するイオン誘導手段と、 前記被処理基体から離間して配置され、前記イオンが通
    過する開口部を有する導電性マスクとを具備してなるこ
    とを特徴とするイオン注入装置。
13. 【請求項１３】２種以上の元素からなる固体材料を内部
    に保持した容器にガスを導入する工程と、 前記容器内で前記ガスをプラズマ化し、このプラズマ化
    されたガスを前記材料に照射して前記材料をスパッタリ
    ングすることによって、前記材料の構成元素のイオンを
    発生させる工程と、 このイオンを発生させる工程で前記材料面に発生した前
    記材料の構成元素からなる液体を液体保持部に収納する
    工程と、 前記イオンを前記容器外に導出する工程と、 前記容器外に導出されたイオンを照射するべき被処理基
    体に誘導する工程と、 前記誘導されたイオンを所望の被処理基体に照射する工
    程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
14. 【請求項１４】２種以上の元素からなり所望のイオンを
    発生させ得る材料を内部に保持した容器に不活性ガスお
    よび窒素ガスを導入する工程と、 前記容器内にプラズマを発生させ、このプラズマによっ
    て前記不活性ガスおよび前記窒素ガスをプラズマ化し、
    このプラズマ化した不活性ガスおよび窒素ガスを前記材
    料に照射して前記材料をスパッタリングすることによっ
    て、前記材料の構成元素のイオンを発生させる工程と、 このイオンを発生させる工程で前記材料面に発生した前
    記材料の構成元素のひとつからなる液体を前記窒素ガス
    で窒化する工程と、 前記イオンを前記容器外に導出する工程と、 前記容器外に導出されたイオンを照射するべき被処理基
    体に誘導する工程と、 前記誘導されたイオンを所望の被処理基体に照射する工
    程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
15. 【請求項１５】前記液体の融点が８００℃以下であるこ
    とを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の半
    導体装置の製造方法。
16. 【請求項１６】被処理基体に対してイオン種、注入加速
    エネルギーおよび注入量の少なくとも一つが異なる複数
    のイオン注入を行うに際し、各イオン注入において、イ
    オンを注入する領域上に開口部を有する導電性マスクを
    前記被処理基体から離間して配置し、前記導電性マスク
    を介して前記被処理基体にイオンを注入することを特徴
    とする半導体装置の製造方法。
17. 【請求項１７】前記イオン注入を真空中で行った後、真
    空を保ったまま前記被処理基体を熱処理装置内に搬送
    し、前記熱処理装置により前記被処理基体に熱処理を施
    す工程をさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載
    の半導体装置の製造方法。
18. 【請求項１８】前記導電性マスクは、前記被処理基体と
    同一の元素および前記元素を主成分とする材料の一方で
    構成されていることを特徴とする請求項１６に記載の半
    導体装置の製造方法。
19. 【請求項１９】被処理基体の第１の領域にｐ型不純物イ
    オンを、前記被処理基体の第２の領域にｎ型不純物イオ
    ンをそれぞれ注入する際に、 前記ｐ型不純物イオンを注入する際には、前記第１の領
    域上に開口部を有し、かつ前記第２の領域上に開口部を
    有しない第１の導電性マスクを前記被処理基体から離間
    して配置し、前記第１の導電性マスクを介して前記被処
    理基体に前記ｐ型不純物イオンを注入し、 前記ｎ型不純物イオンを注入する際には、前記第２の領
    域上に開口部を有し、かつ前記第１の領域上に開口部を
    有しない第２の導電性マスクを前記被処理基体から離間
    して配置し、前記第２の導電性マスクを介して前記被処
    理基体に前記ｎ型不純物イオンを注入することを特徴と
    する半導体装置の製造方法。
20. 【請求項２０】前記イオン注入を真空中で行った後、真
    空を保ったまま前記被処理基体を熱処理装置内に搬送
    し、前記熱処理装置により前記被処理基体に熱処理を施
    す工程をさらにを含むことを特徴とする請求項１９に記
    載の半導体装置の製造方法。
21. 【請求項２１】前記導電性マスクは、前記被処理基体と
    同一の元素および前記元素を主成分とする材料の一方で
    構成されていることを特徴とする請求項１９に記載の半
    導体装置の製造方法。
22. 【請求項２２】異なる不純物の注入された第１の不純物
    領域と第２の不純物領域を有する半導体装置の製造方法
    において、 ２種以上の元素からなり、所望のイオンを発生させ得る
    材料を内部に保持した容器にガスを導入する工程と、 前記容器内にプラズマを発生させ、このプラズマによっ
    て前記ガスをプラズマ化し、このプラズマ化したガスを
    前記材料に照射して前記材料をスパッタリングすること
    によって、前記材料の構成元素である２種類以上の元素
    の２種以上のイオンを発生させる工程と、 前記２種以上のイオンを前記容器外に導出する工程と、 前記容器外に導出された２種以上のイオンのうちの所望
    の第１のイオンを半導体基板の表面に選択的に照射する
    ことによって、前記半導体基板の表面の前記半導体装置
    形成予定領域に前記第１の不純物領域を形成する工程
    と、 前記容器外に導出された２種以上のイオンのうちの所望
    の第２のイオンを半導体基板の表面に選択的に照射する
    ことによって、前記半導体基板の表面の前記半導体装置
    形成予定領域に前記第２の不純物領域を形成する工程と
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。