JP2006245506A - 半導体装置の製造方法及び半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 形成される半導体素子の方向性による特性変動を抑えることが可能な半導体装置の製造方法及び半導体製造装置を提供する。
【解決手段】 半導体基板にゲート電極を形成する工程と、前記半導体基板の前記ゲート電極直下領域を挟んで分離された第１及び第２の領域に照射されるイオンビームの重心軸を、ゲート長方向及びゲート幅方向に対して垂直に制御する工程と、前記イオンビームを照射して、前記第１及び第２の領域に不純物を導入する工程を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体装置における不純物拡散層の形成に関する。

一般に、半導体装置における不純物拡散層の形成方法として、イオンビームを半導体基板の所望の領域に照射することにより、不純物を導入するイオン注入が用いられている。

このようなイオン注入には、例えば図１４に示すようなバッチ式イオン注入装置が用いられる。先ず、引き出し電極１０２で高電圧を印加することにより、イオンソース１０１よりイオンを引き出し、質量分離機１０３により質量分離を行い、後段加速・減速機１０４により最終加速エネルギとする。このとき、イオンビームの照射効率の観点から、ＦＥＭ（Ｆｉｎａｌ Ｅｎｅｒｇｙ ｍａｇｎｅｔ）によるｘ軸方向の制御を行うことなく、三次元的に発散角を持つイオンビームが照射される。一方半導体基板１０５は、ディスク１０７上に複数枚配置されており、ディスク１０７を回転・移動させることにより、半導体基板１０５全面にイオンビームが照射される。

近年、半導体装置の高集積化に伴い、回路の微細化が要求されている。例えばＭＯＳ集積回路においては、ゲート電極の微細化に伴い、チャネル領域も狭くなっているが、ゲート長が０．１３μｍ以下になると、図１５に示すように、ソース・ドレイン領域１１２、１１３における注入領域のシフト（一方でゲート１１０下への不純物の潜り込みによるオーバーラップ、他方でゲートの影となるため不純物が注入されない）により、閾値電圧の変動（順方向・逆方向での変動）や、ＯＮ電流の低下など、トランジスタ特性の劇的な変動を引き起こすという問題が生じた。

従来、イオンビームの入射角度を制御する手法が種々提案されている（例えば特許文献１参照）。しかしながら、チャネリング現象を利用、或いはその影響を抑制するためのものであり、形成される半導体素子の方向性により制御されるものではなかった。
特開２００３−２４９１８９号公報

本発明は、形成される半導体素子の方向性による特性変動を抑えることが可能な半導体装置の製造方法及び半導体製造装置を提供することを目的とするものである。

本発明の一態様によれば、半導体基板にゲート電極を形成する工程と、前記半導体基板の前記ゲート電極直下領域を挟んで分離された第１及び第２の領域に照射されるイオンビームの重心軸を、ゲート長方向及びゲート幅方向に対して垂直に制御する工程と、前記イオンビームを照射して、前記第１及び第２の領域に不純物を導入する工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。

また、本発明の一態様によれば、半導体基板に照射されるイオンビームの重心位置を測定する工程と、前記イオンビームの重心軸の偏差角度を検出する工程と、検出された前記偏差角度に基づき、前記半導体基板の傾斜角及び回転角を制御する工程と、角度制御された前記半導体基板にイオンビームを照射し、不純物を導入する工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。

また、本発明の一態様によれば、イオンビームを照射する手段と、照射される前記イオンビームの重心軸を検出する手段と、ゲート電極が形成された半導体基板を保持する手段と、照射される前記イオンビームの重心軸を、ゲート長方向及びゲート幅方向に対して垂直に制御する手段を備えることを特徴とする半導体製造装置が提供される。

また、本発明の一態様によれば、イオンビームを照射する手段と、不純物が導入される半導体基板を保持する手段と、前記イオンビームのプロファイルより前記イオンビームの重心軸を検出する手段と、前記重心軸の方向に基づき、前記半導体基板の傾斜角及び回転角を制御する手段を備えることを特徴とする半導体製造装置が提供される。

本発明の一実施態様によれば、形成される半導体素子の方向性による特性変動を抑えることが可能となる。

以下本発明の実施形態について、図を参照して説明する。

（実施形態１）
図１に本実施形態の半導体製造装置の概念図を示す。以下に示すように、大きく分けてイオンビームを発生・照射するイオンビーム発生系、照射されるイオンビームを測定するイオンビーム測定系、イオン注入される半導体基板を駆動させる半導体基板駆動系より構成されている。

イオンビーム発生系は、イオンソース１と、イオンソースからイオンを引き出す引き出し電極２、引き出されたイオンから所望のイオンを分離する質量分離機３、分離されたイオンを最終加速エネルギに制御する後段加速・減速機４が順次配置された構成となっている。

また、イオンビーム測定系は、夫々半導体基板５が配置される位置の上流、下流でイオンビームのプロファイル及び電流密度分布を検出するＩＢＡＤ（Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ａｎｇｌｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）６ａ、６ｂから構成されている。

そして、半導体基板駆動系は、半導体基板５が載置されるディスク７、半導体基板５の傾斜角、回転角を制御する角度制御機構８、ディスク７を回転・移動させる回転・移動制御機構９から構成されている。

このような半導体製造装置において、以下のように半導体装置における不純物拡散層が形成される。先ず、ＩＢＡＤ６ａ、６ｂにより照射されるイオンビームの重心位置における角度偏差を測定する。そこで、実際にイオン注入する条件（イオン種：ＢＦ_２、注入角度：0度、注入エネルギ：１．５ｋｅＶ）で、イオンソース１にキャリアガスを導入し、引き出し電極２により高電圧を印加することにより引き出されたイオンを、質量分離機３において磁場により質量分離し、後段加速・減速機４により最終加速エネルギとした後、設計中心位置に対して照射し、ＩＢＡＤ６ａ、６ｂを通過させる。

次いで、ＩＢＡＤ６ａ、６ｂにおいて夫々検出されたイオンビームのプロファイル（二次元データ）と電流密度分布（三次元データ）より、図２に示すように、ＩＢＡＤ６ａ、６ｂの設置位置におけるイオンビームの重心位置Ｇａ、Ｇｂを求める。ここで、Ｃは設計中心位置、ｘ軸／ｙ軸は、形成される半導体素子のゲート長方向、或いはゲート幅方向である。そして、Ｇａ、Ｇｂを結んだ線と半導体基板５表面との交点となる点をＧｓとすると、半導体基板５表面の法線とイオンビームの重心における照射方向（Ｇａ、Ｇｂを結んだ重心線）との角度（傾斜（Ｔｉｌｔ）角θ１）と、Ｇｓ、Ｃを結んだ線とｙ軸（又はｘ軸）との角度（回転（Ｔｗｉｓｔ）角θ２）を求める。

次いで、求められた角度（傾斜角θ１＝約３°、回転角θ２＝約１３°）に基づき、半導体基板面の方向を制御して、イオンビームを注入する。先ず、ディスク７に、ゲート長６５ｎｍのゲート電極が形成された半導体基板５を設置する。そして、求められた角度に基づき、傾斜角θ１＝０°、回転角θ２＝０°となるように、角度制御機構８によりディスク７を傾斜・回転制御し、注入エネルギ：１．５ｋｅＶでＢＦ_２を照射する。そして、回転・移動制御機構９によりディスク７の角速度を制御して回転させるとともに、中心軸を移動させることにより、イオンビームの重心が半導体基板全面において、ゲート長方向・ゲート幅方向と垂直となるように照射される。そして、図３に示すように、半導体基板５上に形成されたゲート電極１０の直下領域を挟んで分離されたソース領域１１・ドレイン領域１２に、均等にイオン注入され、トランジスタ素子が形成される。尚、各トランジスタ素子は素子分離領域１３により素子分離されている。

同様に、傾斜角θ１を０°から±５°まで変動させてトランジスタ素子を形成したときの、ソースからドレイン方向に電流を流す場合（順方向）の閾値電圧と、ドレインからソース方向へ電流を流す場合（逆方向）の閾値電圧の差（ΔＶｔｈ）と、傾斜角θ１との関係を図４に示す。図に示すように、傾斜角θ１の変動に伴い、ΔＶｔｈが変動し、傾斜角θ１が０°のとき、ΔＶｔｈをほぼゼロとすることができることがわかる。

一方、従来のように、イオンビームの偏差を補正することなく、基板の傾斜角θ’を０°から±５°まで変動させてトランジスタ素子を形成したときの、ΔＶｔｈとθ’との関係を図５に示す。図に示すように、傾斜角θ’の変動に伴い、ΔＶｔｈが変動しており、傾斜角θ’が０°のときΔＶｔｈが約３０ｍＶとなっていることがわかる。また、傾斜角θ’が＋３°のとき、ΔＶｔｈがほぼゼロとなっていることから、イオンビームが約３°の偏差を持つことがわかる。

さらに、同様に回転角θ２を０°から１５°まで変動させてトランジスタ素子を形成したときの、閾値電圧特性を図６に示す。図に示すように、回転角が１２°以上で閾値電圧特性が変動することがわかる。これは、イオンビーム重心軸の方向を制御しても、イオンビームが発散角を有していることにより、ゲート下の潜り込みが生じ、回転角によりチャネル長が変動するためであり、回転角θ２を０°又は９０°となるように（或いは少なくとも特性変動が生じない範囲に）制御することにより、閾値電圧特性の変動を抑えることが可能となる。

以上示すように、従来はイオン注入する際、従来イオンビームの重心が設計中心位置を通ることを前提として、半導体基板面との角度が制御されていたが、本実施形態のように、実際に照射されるイオンビームの照射角度を測定し、その偏差に基づき半導体基板面を傾斜・回転制御することにより、ゲート長０．１３μｍ以下となる微細素子においても、半導体素子の方向性による特性変動を抑えることが可能になる。

（実施形態２）
図７に本実施形態の半導体製造装置の概念図を示す。以下に示すように、大きく分けてイオンビームを発生・照射するイオンビーム発生系、照射されるイオンビームを測定、発散角度を制御するする測定・制御系、イオン注入される半導体基板を駆動させる半導体基板駆動系より構成されている。

イオンビーム発生系は、順次配置されるイオンソース２１と、イオンソースからイオンを引き出す引き出し電極２２、引き出されたイオンから所望のイオンを分離する質量分離機２３、分離されたイオンを最終加速エネルギに制御する後段加速・減速機２４から構成されている。

また、イオンビーム測定・制御系は、イオンビームの発散角度を制御するグラファイト製の前段ＩＢＡＦ（Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ａｎｇｌｅ Ｆｉｌｔｅｒ）スリット３０、その後段に設置され、被照射面からの距離を１０〜３００ｍｍで移動可能な可変ＩＢＡＦスリット３１、可変ＩＢＡＦスリット３１を制御するＩＢＡＦ制御機構３２、照射されるイオンビームの形状をモニタするイオンビームプロファイルモニタ３３から構成されている。

そして、半導体基板駆動系として、半導体基板２５が載置されるディスク２７、ディスク２７を回転・移動させる回転・移動制御機構２９が配置される。

このような半導体製造装置において、以下のように半導体装置における不純物拡散層が形成される。先ず、照射されるイオンビームの発散角を測定する。そこで、実際にイオン注入する条件（イオン種：砒素、注入エネルギ：１．５ｋｅＶ）で、イオンソース２１にキャリアガスを導入し、引き出し電極２２により高電圧を印加することにより引き出されたイオンを、質量分離機２３において磁場により質量分離し、後段加速・減速機２４により直径４０ｍｍのイオンビームを最終加速エネルギとする。そして、直径３０ｍｍの開口部を設けた前段ＩＢＡＦスリット３０、同じく直径３０ｍｍの開口部を設けた可変ＩＢＡＦスリット３１を通過させ、イオンビームプロファイルモニタ３３が設置された設計中心位置に対して照射する。

次いで、可動ＩＢＡＦスリット３１の被照射面からの距離を３００ｍｍから１０ｍｍまで変動させ、イオンビームプロファイルモニタ３３によりイオンビームの形状をモニタする。そして、図８に示すように、発散角度が１°となる位置、すなわち、モニタと可動ＩＢＡＦフィルタとの距離をｈとしたとき、モニタされたイオンビームの直径２ｒが、
２ｒ＝３０ｍｍ＋ｈ×Ｔａｎ１°×２
となるように、可動ＩＢＡＦスリット３１の位置を設定する。

次いで、このようにして発散角の制御されたイオンビームを、半導体基板２５に注入する。先ず、ディスク２７に、ゲート長６５ｎｍのゲート電極が形成された半導体基板２５を設置する。トランジスタのソース・ドレイン領域となる領域に、前段ＩＢＡＦスリット３０、可変ＩＢＡＦスリット３１を介して、注入エネルギ：１．５ｋｅＶで砒素イオンビームを照射する。そして、ディスク２７の角速度を制御して回転させるとともに、中心軸を移動させることにより、イオンビームが半導体基板全面において、ゲート長方向・ゲート幅方向と垂直となるように照射される。そして、実施形態1と同様に、ソース領域・ドレイン領域に、均等にイオン注入され、トランジスタ素子が形成される。

このときのトランジスタ素子のゲート向きを、半導体基板のノッチ方向（ｘ軸方向）と垂直とした縦置きトランジスタ、平行とした横置きトランジスタについて、夫々ゲート電極に３Ｖの電圧を印加し、ソースからドレインへ（順方向）、ドレインからソースへ（逆方向）のオン電流、及びこれらの差分（Δ％）を測定した結果を、図９、１０に示す。また、比較例として、従来のＦＥＭを用いてｘ軸方向のみ方向性を制御して形成された縦置き、横置きトランジスタについて、同様に測定した結果を併せて示す。図に示すように、従来の手法で形成された横置きトランジスタにおいては、順方向、逆方向でのオン電流の差が見られないものの、縦置きトランジスタにおいては約６％以上以上の差が生じているのに対し、本実施形態による縦置き、横置きトランジスタにおいては、縦置き、横置きとも順方向、逆方向の電流量の差は発生していないことがわかる。

また、同様に、縦置き・横置きトランジスタにおいて、今度はゲート電圧への電圧印加をせず、ソース又はドレインに電圧を印加したときのゲートオフリーク電流を測定した結果を、図１１、１２に示す。同様に比較例として従来の手法で形成されたものについて測定した結果を併せて示す。図に示すように、従来の手法で形成された横置きトランジスタにおいては、順方向、逆方向でのゲートオフリーク電流の差が見られないものの、縦置きトランジスタにおいては、オン電流と同様に、約６％の差が生じているのに対し、本実施形態による縦置き、横置きトランジスタにおいては、縦置き、横置きとも順方向、逆方向の電流量の差は発生していないことがわかる。

本実施形態において、発散角を１°となるように制御しているが、これに限定されるものではない。図１３に、縦置きトランジスタにおいて、発散角度が１〜５°となるように可動ＩＢＡＦスリット２１を調整して、イオンビームを照射したときの、順方向・逆方向のゲートオフリーク電流の差（Δ％）を測定した結果を示す。図に示すように、発散角が２°を超えると、ゲートオフリーク電流の差が増大しており、発散角を２°以内とすることにより、特性変動を抑えることが可能となる。

尚、ここで制御される発散角は、イオン種や加速エネルギにより変動するため、条件によりイオンビーム形状をモニタしながら制御する必要がある。従って、ＩＢＡＦスリットは、モニタされるイオンビーム形状により、位置制御が可能である必要がある。

また、本実施形態において、前段ＩＢＡＦスリット２０、可変ＩＢＡＦスリット２１の形状を夫々直径３０ｍｍの円形としているが、その形状は円形に限定されるものではなく、その開口幅も限定されるものではない。また、可変ＩＢＡＦスリット２１の位置可変範囲を１０〜３００ｍｍとしたが、特に限定されるものではなく、イオンビームの発散角を適宜制御可能であれば良い。さらに、実施形態１と同様に、半導体基板面の傾斜・回転角度を制御してもよい。

以上示すように、従来はＦＥＭを用いて一軸方向のみ方向性が制御されていたが、本実施形態のように、前段ＩＢＡＦスリットを通過して照射されるイオンビームの発散角度を測定し、その発散角度を、可変ＩＢＡＦスリットを適宜移動させて制御することにより、ゲート長０．１３μｍ以下となる微細素子においても、半導体素子の方向性による特性変動を抑えることが可能になる。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。その他要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の一態様における半導体製造装置の概念図。 本発明の一態様における角度偏差の測定方法を示す図。 本発明の一態様において形成されるトランジスタ素子を示す図。 本発明の一態様において形成されるトランジスタ素子の特性を示す図。 従来のトランジスタ素子の特性を示す図。 本発明の一態様において形成されるトランジスタ素子の特性を示す図。 本発明の一態様における半導体製造装置の概念図。 本発明の一態様における発散角の制御方法を示す図。 本発明の一態様において形成されるトランジスタ素子の特性を示す図。 本発明の一態様において形成されるトランジスタ素子の特性を示す図。 本発明の一態様において形成されるトランジスタ素子の特性を示す図。 本発明の一態様において形成されるトランジスタ素子の特性を示す図。 本発明の一態様において形成されるトランジスタ素子の特性を示す図。 従来の半導体製造装置の概念図。 従来の半導体装置における問題を示す図。

符号の説明

１、２１、１０１ イオンソース
２、２２、１０２ 引き出し電極
３、２３、１０３ 質量分離機
４、２４、１０４ 後段加速・減速機
５、２５、１０５ 半導体基板
６ａ、６ｂ ＩＢＡＤ
７、２７、１０７ ディスク
８ 角度制御機構
９、２９ 回転・移動制御機構
１０、１１０ ゲート電極
１１、１１１ ソース領域
１２、１１２ ドレイン領域
１３、１１３ 素子分離領域
３０ 前段ＩＢＡＦスリット
３１ 可変ＩＢＡＦスリット
３２ ＩＢＡＦ制御機構
３３ イオンビームプロファイルモニタ

Claims (5)

1. 半導体基板にゲート電極を形成する工程と、
   前記半導体基板の前記ゲート電極直下領域を挟んで分離された第１及び第２の領域に照射されるイオンビームの重心軸を、ゲート長方向及びゲート幅方向に対して垂直に制御する工程と、
   前記イオンビームを照射して、前記第１及び第２の領域に不純物を導入する工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 半導体基板に照射されるイオンビームの重心位置を測定する工程と、
   前記イオンビームの重心軸の偏差角度を検出する工程と、
   検出された前記偏差角度に基づき、前記半導体基板の傾斜角及び回転角を制御する工程と、
   角度制御された前記半導体基板にイオンビームを照射し、不純物を導入する工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 前記イオンビームの発散角度を２度以内に補正することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
4. イオンビームを照射する手段と、
   照射される前記イオンビームの重心軸を検出する手段と、
   ゲート電極が形成された半導体基板を保持する手段と、
   照射される前記イオンビームの重心軸を、ゲート長方向及びゲート幅方向に対して垂直に制御する手段を備えることを特徴とする半導体製造装置。
5. イオンビームを照射する手段と、
   不純物が導入される半導体基板を保持する手段と、
   前記イオンビームのプロファイルより前記イオンビームの重心軸を検出する手段と、
   前記重心軸の方向に基づき、前記半導体基板の傾斜角及び回転角を制御する手段を備えることを特徴とする半導体製造装置。

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