JP2000183068A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JP2000183068A
JP2000183068A JP10351862A JP35186298A JP2000183068A JP 2000183068 A JP2000183068 A JP 2000183068A JP 10351862 A JP10351862 A JP 10351862A JP 35186298 A JP35186298 A JP 35186298A JP 2000183068 A JP2000183068 A JP 2000183068A
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heat treatment
semiconductor device
semiconductor layer
projection range
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Muneyuki Matsumoto
宗之 松本
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 結晶欠陥の発生が抑制された半導体装置の製
造方法を提供する。 【解決手段】 ウェハ処理工程100では,Si基板に
対して,不純物イオンのイオン注入工程110とSi+
イオンのイオン注入工程120と熱処理工程130とが
順次行われる。イオン注入工程110では,投影飛程R
p1のイオン注入によってSi基板に不純物イオンを導
入する。イオン注入工程120では,投影飛程Rp1よ
り小さな投影飛程Rp2のイオン注入によって,イオン
注入工程110を経たSi基板に,Si+イオンを導入
する。熱処理工程130では,イオン注入工程110及
びイオン注入工程120を経たSi基板に熱処理を施
す。結果として,ウェハ処理工程100では,イオン注
入工程120で導入されたSi+イオンが,イオン注入
工程110で生じる空格子欠陥と結合し,空格子欠陥に
起因する結晶欠陥の発生が抑制される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は,半導体装置の製造
方法に関する。
【0002】
【従来の技術】現在,半導体装置の製造方法において,
イオン注入(Ion implantation:「イ
オン打ち込み」,「インプラ」ともいわれる。)による
半導体基板への不純物導入(ドーピング)が,例えば不
純物拡散層(以下,単に「拡散層」という。)やP−N
接合等の形成に広く用いられている。
【0003】特に,高エネルギイオン注入が実用化され
て以来,イオン注入による比較的深くまで達する拡散層
の形成が容易化し,半導体装置の製造方法におけるイオ
ン注入の用途は更に拡大している。例えば,CMOS型
LSIの製造方法などでは,Si(シリコン)基板への
PWELL層やNWELL層の形成に,MeV(メガエ
レクトロンボルト)クラスの高エネルギイオン注入が多
用されはじめている。
【0004】以上のようにイオン注入が半導体装置の製
造方法に多用されているのは,イオン注入が制御性及び
再現性に優れているからである。その反面,イオン注入
は不純物を導入する半導体層に結晶欠陥を生じさせ易い
というデメリットを持つ。したがって,半導体装置の製
造方法にイオン注入を適用する場合には,結晶欠陥の発
生を抑制する技術が必要である。
【0005】まず,イオン注入による結晶欠陥の発生に
ついて,Si基板へのイオン注入を例に挙げて説明す
る。通常,Si基板へのイオン注入では,Si基板の結
晶ダメージとして,過剰Si欠陥及び空格子欠陥の2種
類の点欠陥が発生する。過剰Si欠陥とは,Si結晶格
子間に過剰なSi原子が存在する欠陥であり,一般に
は,過剰Siの密度が大きくなる不純物イオンの投影飛
程Rp(Range ofprojection)より
深い部分において主要な結晶欠陥となる。一方,空格子
欠陥とは,Si結晶格子からSi原子が欠落した欠陥で
あり,一般に,空格子欠陥の密度が大きくなる不純物イ
オンの投影飛程Rpより浅い部分において,主要な結晶
欠陥となる。
【0006】従来の半導体装置の製造方法では,かかる
点欠陥の修復には,不純物イオンの注入後にSi基板に
対し後の熱処理(アニール)を行い,不純物を活性化さ
せるとともに点欠陥を回復させる方法が採用されてい
る。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら,後の熱
処理だけでは上記点欠陥の完全な修復は困難である。し
たがって,従来の半導体装置の製造方法では,例えば,
残留する点欠陥が後の熱処理において転移ループを形成
し或いは格子間酸素と結びつき酸素析出核を形成し易
い。特に,イオン注入における不純物イオンの投影飛程
Rpより深い部分では,形成された過剰Si欠陥が後の
熱処理で転移ループを形成し易く,点欠陥の修復は困難
である。
【0008】後の熱処理による点欠陥の修復には,一般
に高温の熱処理が必要であり,通常約800℃以上の熱
処理を行う必要がある。特に高エネルギイオン注入で
は,この程度の温度の熱処理では,欠陥の完全な修復が
困難であるばかりでなく,約1000℃以上の熱処理で
も多数の欠陥が残留する場合がある。さらに,近年で
は,シリコンウェハの大口径化等の進展により,高温の
熱処理が困難になっており,イオン注入時に発生する欠
陥の修復はますます困難となっている。
【0009】以上説明したように,従来の半導体装置の
製造方法では,不純物拡散領域内に点欠陥の残留或いは
2次欠陥・3次欠陥の集合成長の可能性があり,半導体
装置の電気特性に悪影響を及ぼすおそれがある。
【0010】本発明は、従来の半導体装置の製造方法が
有する上記その他の問題点を解決するために成されたも
のである。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に,本願に係る発明は,第1の投影飛程のイオン注入に
よって所定の不純物イオンを半導体層に導入する第1の
イオン注入工程を含む半導体装置の製造方法において,
以下に説明する構成を採用する。
【0012】即ち,請求項1に記載の発明は,第1のイ
オン注入工程以外に,第1の投影飛程より小さな第2の
投影飛程のイオン注入によって半導体層に該半導体層自
身の材料元素のイオンを導入する第2のイオン注入工程
を含む構成を採用する。本構成では,第2のイオン注入
工程で導入された半導体層の材料元素が,第1のイオン
注入工程において半導体層内の第1の投影飛程より浅い
領域で発生する空格子欠陥に結合する。ここで,半導体
層には,様々な半導体層,例えば,半導体基板,半導体
基板上に積層された半導体層,或いは,半導体素子内の
半導体層等が含まれる。
【0013】したがって,半導体層内の空格子欠陥の残
留量が減少するとともに,空格子欠陥から発展する様々
な高次欠陥(例えば酸素析出核や金属析出核等)の発生
を抑制することができる。一般に,イオン注入を行った
場合,空格子欠陥は,イオン打ち込みの投影飛程(R
p)より浅い部分に発生し易いため,本構成は,酸素析
出核の発生を効果的に抑制することができる。尚,第2
のイオン注入工程は,請求項2に記載の発明のように,
第1のイオン注入工程の後に行うことができる。また,
第2のイオン注入工程は,第1のイオン注入工程の前に
行うこともできる。
【0014】請求項3に記載の発明は,第1のイオン注
入工程以外に,第1のイオン注入工程の前に行われ熱処
理により半導体層の表面付近の格子間酸素を拡散させる
予備的な熱処理工程を含む構成を採用する。本構成で
は,予備的な熱処理工程において格子間酸素が半導体層
の外に拡散する。したがって,半導体層の表面付近で
は,空格子欠陥に結合する酸素が減少し,酸素析出核の
発生を抑制することができる。一般に,空格子欠陥は,
半導体層の表面付近に発生し易いため,本構成は,酸素
析出核の発生を効果的に抑制することができる。尚,熱
処理(アニール)には,例えば,レーザアニール,電子
ビームアニール,赤外線アニール,或いは,電気炉アニ
ール等がある。
【0015】請求項4に記載の発明は,第1のイオン注
入工程以外に,第1のイオン注入工程の後に行われ第1
の投影飛程より大きな第3の投影飛程のイオン注入によ
って半導体層に導入不純物とは異なる所定元素のイオン
を導入する第3のイオン注入工程を含む構成を採用す
る。本構成では,第3のイオン注入工程におけるイオン
注入により,第1の投影飛程と第3の投影飛程との間の
領域,即ち半導体層内の第1の投影飛程より深い領域に
空格子欠陥を発生させることができる。かかる空格子欠
陥は,半導体層の材料元素の高濃度欠陥と結合するた
め,結果的に半導体層での結晶欠陥の発生を抑えること
ができる。
【0016】尚,本構成では,第3の投影飛程より深い
領域に新たな半導体層の材料元素の高濃度欠陥が発生す
るが,かかる欠陥の発生位置は,半導体層内の第1の投
影飛程より深い領域である。即ち,本構成では,半導体
層の材料元素の高濃度欠陥を半導体層の深くに押し込め
ていくような形となる。したがって,本構成によれば,
半導体層の材料元素の高濃度欠陥を,半導体装置の電気
特性への影響が無視できる程度の深い領域にまで押し込
めることができる。一般に,半導体層元素の高濃度欠陥
は,第1の投影飛程より深い領域で発生するため,本構
成は,半導体装置の電気特性への該高濃度欠陥による影
響を効果的に抑制することができる。
【0017】ここで,所定元素には,請求項5に記載の
発明のように,0族元素(不活性ガスや希ガスともい
う。)を採用することが好適である。0族元素は,半導
体層内の空格子欠陥と結合し難く熱処理によって容易に
半導体層外に拡散させることが可能である。したがっ
て,本構成では,第3のイオン注入工程で他の結晶欠陥
が発生する可能性が小さい。尚,周知のように,0族元
素には,He(ヘリウム),Ne(ネオン),Ar(ア
ルゴン),Kr(クリプトン),Xe(キセノン),及
びRn(ラドン)がある。
【0018】また,第3のイオン注入工程は,請求項6
に記載の発明のように,投影飛程を順次のばしながら2
回以上繰り返すことが好適である。本構成では,第3の
イオン注入工程を繰り返すことで,半導体層の材料元素
の高濃度欠陥をより深くへ押し込めることができる。さ
らに,本構成では,第3のイオン注入工程一回当たりの
イオン注入の注入エネルギが比較的小さくても,半導体
層の材料元素の高濃度欠陥を半導体層内の十分深い領域
に押し込むことができる。したがって,本構成によれ
ば,イオン注入による半導体層のアモルファス化を抑制
しつつ,結晶欠陥を抑えることができる。
【0019】尚,言うまでもなく,本願に係るいずれの
発明においても,従来の半導体装置の製造方法で採用さ
れているように,例えば不純物の活性化による点欠陥の
回復とともに半導体層内のアモルファス化した領域の再
結晶化が可能な後の熱処理工程を含む構成を採用するこ
とができる。
【0020】
【発明の実施の形態】以下,本発明の好適な実施の形態
について,添付図面を参照しながら詳細に説明する。
尚,以下の説明及び添付図面において,同一の機能及び
構成を有する構成要素については,同一符号を付するこ
とにより,重複説明を省略する。
【0021】(第1の実施の形態)まず,図1を参照し
ながら,第1の実施の形態について説明する。ここで,
図1は,本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法に
おけるウェハ処理工程100を説明するための流れ図で
ある。
【0022】図1に示すように,ウェハ処理工程100
では,第1のイオン注入工程に相当する不純物イオンの
イオン注入工程110と第2のイオン注入工程に相当す
るSi+のイオン注入工程120と後の熱処理工程であ
る熱処理工程130とが順次行われる。
【0023】尚,言うまでもなく,ウェハ処理工程10
0には,例えば,薄膜形成工程,酸化工程,レジスト処
理工程,露光工程,エッチング工程,洗浄工程,或い
は,他の不純物導入工程や他の熱処理工程等の他の工程
を含めることができる。さらに,言うまでもなく,本実
施の形態にかかる半導体装置の製造方法には,ウェハ処
理工程100以外に,例えば,マスク製作工程,組立工
程,或いは検査工程等の他の工程を含めることができ
る。
【0024】まず,イオン注入工程110では,所定の
投影飛程Rp1のイオン注入によってSi基板に不純物
イオンを導入する。ここで,本実施の形態にかかる半導
体装置の製造方法は,様々な不純物,例えば,ホウ素
(B),リン(P),ヒ素(As)等をSi基板に導入
する構成を採用することができる。
【0025】次に,本実施の形態にかかるイオン注入工
程120では,投影飛程Rp1より小さな投影飛程Rp
2のイオン注入によって,イオン注入工程110を経た
Si基板に,Si+イオンを導入する。かかるイオン注
入工程120では,投影飛程Rp2のピークが投影飛程
Rp1の0.5〜0.9倍の範囲となる加速エネルギで
Si+イオンを導入する。
【0026】尚,イオン注入工程120において,導入
するSi+イオンのドーズ量は,イオン注入工程110
でSi基板に発生する過剰な空格子欠陥を埋めるのに必
要な程度に設定する。かかるドーズ量は,例えばプロセ
スシミュレーションや過去の実験結果等から設定するこ
とができる。
【0027】次に,熱処理工程130では,イオン注入
工程110及びイオン注入工程120を経たSi基板に
従来同様の熱処理を施す。即ち,熱処理工程130で
は,Si基板に,例えば800℃〜1000℃程度の熱
処理を施し,Si基板内の不純物イオンを活性化して点
欠陥を回復させる。
【0028】以上説明した本実施の形態では,Si基板
に不純物イオンとは別個にSi+イオンが導入される。
かかるSi+イオンは,後の熱処理工程においてSi基
板内で拡散し空格子欠陥に収まる。即ち,Si+により
不純物イオンのイオン注入で生じた空格子欠陥が減少
し,不純物イオンの投影飛程Rpより浅い部分での酸素
析出核や金属イオンの析出核等の発生を抑制することが
できる。結果として,良好な特性の不純物拡散層を形成
することができる。尚,本実施の形態では,ウェハ処理
工程100において,イオン注入工程120とイオン注
入工程110との実施順を入れ替え,イオン注入工程1
20を先に行いイオン注入工程110を後に行う構成を
採用することも可能である。
【0029】(第2の実施の形態)次に,第2の実施の
形態について,図2を参照しながら説明する。尚,図2
は,本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法のウェ
ハ処理工程200を説明するための流れ図である。
【0030】図2に示すように,ウェハ処理工程200
では,予備的な熱処理工程に相当する熱処理工程210
と第1のイオン注入工程に相当するイオン注入工程22
0と後の熱処理工程である熱処理工程230とが行われ
る。
【0031】尚,言うまでもなく,ウェハ処理工程20
0には,例えば,薄膜形成工程,酸化工程,レジスト処
理工程,露光工程,エッチング工程,洗浄工程,或い
は,他の不純物導入工程や他の熱処理工程等の他の工程
を含めることができる。さらに,言うまでもなく,本実
施の形態にかかる半導体装置の製造方法には,ウェハ処
理工程200以外に,例えば,マスク製作工程,組立工
程,或いは検査工程等の他の工程を含めることができ
る。
【0032】ウェハ処理工程200において,熱処理工
程210では,Si基板を高温雰囲気で長時間熱処理
し,Si基板表面付近の格子間酸素をSi基板外部に拡
散させる。より詳細に,熱処理工程210を説明する
と,熱処理工程210では,まず,例えば約1000℃
程度の酸化処理でSi基板表面に50〜200nmの酸
化膜を成膜し,次に,例えば約1100℃以上の温度で
例えば2時間以上熱処理を行い,最後に,Si基板を冷
却する。尚,かかる熱処理工程210での加熱速度及び
冷却速度は,Si基板に歪みが生じない程度に設定する
ことが好適である。
【0033】発明者の知見では,約1100℃以上の高
温処理を行うと,特にSi基板の冷却過程において,活
性化されたSi基板表面側の格子間酸素が,Si基板外
に拡散され易い。そして,かかる高温の熱処理を経るこ
とにより,Si基板表面側の数μm程度の深さまでの領
域では,格子間酸素の濃度が,通常Si基板に含まれて
いる濃度(OLD ASTM値で0.8〜1.4e18
ATOMs/CC)に比べて,1桁〜0.5桁以上低下
する。
【0034】ウェハ処理工程200では,以上説明した
熱処理工程210の後に,イオン注入工程220と熱処
理工程230とを順次行う。イオン注入工程220は,
図1に示すイオン注入工程110と略同一であり,熱処
理工程230は,図1に示す熱処理工程130と略同一
である。したがって,ここでは,イオン注入工程220
と熱処理工程230との詳細な説明を省略する。
【0035】以上説明した本実施の形態では,不純物イ
オンの注入前に,予め熱処理を行いSi基板表面付近の
酸素濃度を低下させている。したがって,後の熱処理工
程における酸素の空格子欠陥への結合が抑制され,酸素
析出核の発生を抑制することができる。尚,本実施の形
態では,イオン注入工程220と熱処理工程230との
間に図1に示す上記第1の実施の形態にかかるイオン注
入工程120を行うことにより,空格子欠陥の残留量が
低減され,酸素析出核の発生について一層の抑制を実現
することができる。
【0036】(第3の実施の形態)次に,図3を参照し
ながら,第3の実施の形態について説明する。尚,図3
は,本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法のウェ
ハ処理工程300を説明するための流れ図である。
【0037】図3に示すように,ウェハ処理工程300
では,第1のイオン注入工程に相当するイオン注入工程
310と第3のイオン注入工程に相当するイオン注入工
程320と後の熱処理工程である熱処理工程とが順次行
われる。
【0038】尚,言うまでもなく,ウェハ処理工程30
0には,例えば,薄膜形成工程,酸化工程,レジスト処
理工程,露光工程,エッチング工程,洗浄工程,或い
は,他の不純物導入工程や他の熱処理工程等の他の工程
を含めることができる。さらに,言うまでもなく,本実
施の形態にかかる半導体装置の製造方法には,ウェハ処
理工程300以外に,例えば,マスク製作工程,組立工
程,或いは検査工程等の他の工程を含めることができ
る。
【0039】ウェハ処理工程300において,イオン注
入工程310は,図1に示すイオン注入工程110と略
同一であり,投影飛程Rp1のイオン注入が行われる。
図1に示すイオン注入工程110については上述してあ
るため,ここではイオン注入工程310の詳細な説明を
省略する。
【0040】次に,本実施の形態にかかるイオン注入工
程320では,投影飛程Rp1より大きな投影飛程Rp
3のイオン注入によって,イオン注入工程310を経た
Si基板に空格子欠陥を発生させるために,所定元素の
イオンを導入する。かかるイオン注入工程320では,
投影飛程Rp3のピークが投影飛程Rp1の例えば1.
5〜2倍の範囲となる加速エネルギで所定元素のイオン
を導入する。
【0041】尚,イオン注入工程320において,導入
する所定元素のドーズ量は,イオン注入工程310でS
i基板に発生する過剰Si欠陥を埋めるのに必要な空格
子欠陥を発生させることができる程度に設定する。かか
るドーズ量は,例えばプロセスシミュレーションや過去
の実験結果等から設定することができる。また,イオン
注入工程320においては,所定元素として,例えばA
rなどの不活性ガスをイオン化したものを用いることが
好適である。
【0042】ウェハ処理工程200において,熱処理工
程330は,図1に示す熱処理工程130と略同一であ
る。図1に示す熱処理工程130については上述してあ
るので,ここでは,熱処理工程330の詳細な説明を省
略する。
【0043】以上説明したように本実施の形態では,後
の熱処理において,不活性ガスのイオン注入による空格
子欠陥が,不純物イオンの注入の際に投影飛程Rp1の
例えば1〜2倍の深さに発生する過剰Si欠陥を収集す
る。したがって,過剰Siによって発生する転移ループ
など,Si基板の比較的深い部分で発生する結晶欠陥の
発生を抑制することができる。結果として,不純物拡散
層の深い部分に形成される結晶欠陥が低減され,良好な
特性の拡散層を形成することができる。
【0044】尚,本実施の形態においては,不活性ガス
イオンの投影飛程Rp2の例えばl〜2倍の深さ範囲で
新たな過剰Siによる点欠陥が発生する。かかる点欠陥
は,転移ループに発展する可能性があるが,不活性ガス
のイオン注入の加速エネルギとドーズ量とを適正に選択
し,更に不活性ガスのイオン注入を繰り返し実施するこ
とで,転移ループが不純物拡散層より深い位置で発生す
るようにコントロールすることができる。即ち,発生す
る転移ループが半導体装置の電気特性に影響を与えない
ようにすることが可能である。
【0045】以上,本発明に係る好適な実施の形態につ
いて説明したが,本発明は本構成に限定されない。当業
者であれば,特許請求の範囲に記載された技術思想の範
囲内において,各種の修正例及び変更例を想定し得るも
のであり,それら修正例及び変更例についても本発明の
技術範囲に包含されるものと了解される。
【0046】例えば,上記実施の形態においては,Si
基板を適用した半導体装置の製造方法を例に挙げたが,
本発明は本構成に限定されない。本発明は,他の様々な
半導体層,例えば他の材料からなる半導体基板や半導体
素子等を適用した半導体装置の製造方法に対しても適用
することができる。
【0047】また,上記実施の形態においては,各種の
数値例を例示して,本発明に係る半導体装置の製造方法
を例について説明したが,本発明は本構成に限定されな
い。さらに,上記実施の形態においては,不純物拡散層
の形成を含む半導体装置の製造方法を例に挙げて説明し
たが,本発明はかかる構成に限定されない。本発明は,
例えば不純物導入によるPN接合の形成等を含む半導体
装置の製造方法に対しても適用することができる。
【0048】
【発明の効果】本発明においては,不純物イオンのイオ
ン注入以外に他のイオン注入を実施することにより,半
導体層内で空格子欠陥と半導体層の材料元素の高濃度欠
陥とを相殺させることができる。また,本発明において
は,半導体層表面付近の格子間酸素の濃度を低下させる
ことにより,酸素析出核の形成が抑制される。したがっ
て,酸素や不純物金属の析出核の発生率と転移ループの
形成率とが低減され,不純物イオン注入に起因する半導
体層の結晶欠陥が大幅に発生し難くなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用可能な半導体装置の製造方法を説
明するための流れ図である。
【図2】本発明を適用可能な他の半導体装置の製造方法
を説明するための流れ図である。
【図3】本発明を適用可能な他の半導体装置の製造方法
を説明するための流れ図である。
【符号の説明】
100 ウェハ処理工程 110 不純物イオンのイオン注入工程 120 Si+イオンのイオン注入工程 130 後の熱処理工程 200 ウェハ処理工程 210 予備的な熱処理工程 220 不純物イオンのイオン注入工程 230 後の熱処理工程 300 ウェハ処理工程 310 不純物イオンのイオン注入工程 320 所定元素イオンのイオン注入工程 330 後の熱処理工程

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1の投影飛程のイオン注入によって所
    定の不純物イオンを半導体層に導入する第1のイオン注
    入工程を含む,半導体装置の製造方法であって:前記第
    1の投影飛程より小さな第2の投影飛程のイオン注入に
    よって前記半導体層に前記半導体層の材料元素のイオン
    を導入する第2のイオン注入工程を含むことを特徴とす
    る,半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記第2のイオン注入工程は,前記第1
    のイオン注入工程の後に行われることを特徴とする,半
    導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 イオン注入によって所定の不純物イオン
    を半導体層に導入する第1のイオン注入工程を含む,半
    導体装置の製造方法であって:前記第1のイオン注入工
    程の前に行われ,熱処理により前記半導体層の表面付近
    の格子間酸素を拡散させる予備的な熱処理工程を含むこ
    とを特徴とする,半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 第1の投影飛程のイオン注入によって所
    定の不純物イオンを半導体層に導入する第1のイオン注
    入工程を含む,半導体装置の製造方法であって:前記第
    1のイオン注入工程の後に行われ,前記第1の投影飛程
    より大きな第3の投影飛程のイオン注入によって前記半
    導体層に前記不純物イオンと異なる所定元素のイオンを
    導入する第3のイオン注入工程を含むことを特徴とす
    る,半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記所定元素は,0族元素であることを
    特徴とする,請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記第3のイオン注入工程は,第3の投
    影飛程を順次のばしながら2回以上繰り返されることを
    特徴とする,請求項4又は5に記載の半導体装置の製造
    方法。
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