JP2013531372A - ダメージのない接合形成方法 - Google Patents

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Abstract

本ドーピング方法の実施態様は、接合の形成を改善するために、用いることができる。ヘリウム又は別の希ガスのような注入種をワークピース内の第1の深さ(204)にまで注入する。ドーパントをワークピースの表面上に堆積する。アニール中にドーパントは第1の深さにまで拡散する。希ガスイオンは、注入中に、ワークピースを少なくとも部分的にアモルファス化することができる。注入及び堆積処理は、真空を破壊しないで、ドーピングシステム内で行なうことができる。

Description

本発明は、接合形成に関し、特に、堆積の前にイオン注入を用いる接合形成に関する。
イオン注入は、導電率を変える不純物をワークピースに導入するための標準的な技術である。所望の不純物材料はイオン源内でイオン化され、イオンは加速されて所定のエネルギーのイオンビームを形成し、そのイオンビームはワークピースの表面に向けられる。イオンビーム内のエネルギーイオンはワークピース材料の大部分に入り込み、ワークピース材料の結晶格子に埋め込まれて、所望の導電率の領域を形成する。
シリコンのワークピースでは、通常、1つのシリコン原子が、4つの隣接するシリコン原子に、四面体的に結合されて、ワークピース全体に秩序だった格子を形成する。これはダイヤモンド立方晶結晶構造と呼ぶことができる。対照的に、このような秩序はアモルファスシリコンには存在しない。その代わりに、アモルファスシリコンのシリコン原子はランダムネットワークを形成し、そのシリコン原子は、4つの他のシリコン原子に四面体的に結合されない。実際上、いくつかのシリコン原子はダングリングボンドを有する。
プレアモルファス化注入(PAI)のようなアモルファス化注入が、ワークピースの結晶格子をアモルファス化するために用いられている。アモルファス化注入の前に、ワークピースは、通常、四面体的に結合される結晶構造のような長距離秩序の結晶格子を有する。この秩序だった結晶格子は、注入イオンを、結晶格子又は実質上、結晶格子の原子間のチャネルを経て移動させることができる。ワークピースをアモルファス化することにより、ワークピースが長距離秩序を欠くため、その後の注入中のドーパントのチャネリングを阻止するか又は低減させることができる。従って、イオンがワークピース内により深く進まないため、ドーパントの注入プロファイルはより浅くすることができる。
ダメージがなく、高度に活性化された急峻な電気接合を形成することは、半導体デバイスがスケールダウンされるので、より困難になっている。これは、特に、極めて薄いシリコン・オン・インシュレータ(ETSOI)はFinFetデバイスに当てはまる。堆積システム及び拡散炉が用いられているも、ドーパントをデバイス内に正確な深さにまで拡散制御することは、困難である。従って、正確な注入の改善方法、特に、改善された接合形成に対する技術ニーズがある。
本発明の第1の態様によれば、ドーピング方法が提供される。このドーピング方法は、希ガスをワークピース内の第1の深さまで注入するステップを含む。次に、ドーパントをワークピースの表面上に堆積する。そして、ドーパントが第1の深さにまで拡散するように、ワークピースをアニールする。
本発明の第2の態様によれば、ドーピング方法が提供される。このドーピング方法は、希ガスをワークピースの複数の非平坦表面に第1の深さにまで注入するステップを含む。次に、ドーパントを複数の非平坦表面上に堆積する。そして、ドーパントが複数の非平坦表面の第1の深さにまで拡散するように、ワークピースをアニールする。
本発明の第3の態様によれば、ドーピング方法が提供される。このドーピング方法は、ワークピースをプロセスチャンバー内に置くステップを含む。真空をプロセスチャンバー内に形成する。希ガスのプラズマをプロセスチャンバー内に形成する。希ガスイオンをワークピース内の第1の深さにまで注入する。プロセスチャンバーをドーパント種で満たし、
ドーパント種をワークピースの上に堆積する。ワークピースをプロセスチャンバーから移動させ、真空を破壊する。ドーパントがワークピースの第1の深さにまで拡散するように、ワークピースをアニールする。
本発明をより良く理解するために、以下に、添付の図面を参照して説明する。
プラズマドーピングシステムのブロック図である。 ワークピースにドーピングする第1の実施形態を例示する側断面図である。 ワークピースにドーピングする第1の実施形態を例示する側断面図である。 ワークピースにドーピングする第1の実施形態を例示する側断面図である。 ワークピースにドーピングする第1の実施形態を例示する側断面図である。 ワークピースにドーピングする第2の実施形態を例示する側断面図である。 ワークピースにドーピングする第2の実施形態を例示する側断面図である。 ワークピースにドーピングする第2の実施形態を例示する側断面図である。 ワークピースにドーピングする第2の実施形態を例示する側断面図である。 ワークピースにドーピングする第3の実施形態を例示するブロック図である。 ワークピースにドーピングする第3の実施形態を例示するブロック図である。 ワークピースにドーピングする第3の実施形態を例示するブロック図である。 ワークピースにドーピングする第3の実施形態を例示するブロック図である。
このプロセスの実施形態を、本明細書では、プラズマドーピングのイオン注入装置に関連して説明する。しかしながら、これらの実施形態は、半導体製造に含まれる他のシステム及びプロセスと共に、又は、注入もしくは堆積を用いる他のシステムと共に、用いることができる。例えば、代替の実施形態では、ビームラインイオン注入装置を堆積システムと共に用いる。従って、本発明は、以下に説明する特定の実施形態に限定されない。
図1を参照するに、プラズマドーピングシステム100は、密閉容積103を画定するプロセスチャンバ102を含む。ロードロック107がプロセスチャンバ102に接続される。ロードロック107は、ワークピース105がチャンバ内にあるときに、真空にポンプダウンするか又は大気に排気することができる。プロセスチャンバ102又はワークピース105は、ロードロック107内における温度調節システムにより、冷却し又は加熱することができる。プロセスチャンバ102内には、ワークピース105を支持するために、プラテン104を位置付けることができる。プラテン104も、温度調節システムにより、冷却し又は加熱することができる。従って、いくつかの実施形態では、プラズマドーピングシステム100は、イオンのホット又はコールド注入を含むことができる。一例では、ワークピース105は、直径が300mmのシリコンウエーハのようなディスク状の半導体ウエーハとすることができる。しかしながら、ワークピース105はシリコンウエーハに限定されない。ワークピース105は、静電力又は機械力により、プラテン104の平坦面にクランプすることができる。一実施形態では、プラテン104は、ワークピース105への接続を行うための導電ピンを含むことができる。
プラズマドーピングシステム100は、さらに、プロセスチャンバ102内の注入ガスからプラズマ106を生成するように構成されたプラズマ発生源101を含む。プラズマ発生源101は、RF源又は当業者に知られた他の源とすることができる。プラテン104にはバイアスをかけるのがよい。このバイアスは、DC又はRF電源により供給することができる。プラズマドーピングシステム100は、さらに、遮蔽リング、ファラデーセンサ又は他のコンポーネントを含むことができる。いくつかの実施形態では、プラズマドーピングシステム100は、クラスターツールの一部とするか、又は、単一のプラズマドーピングシステム100内に動作的にリンクされる複数のプロセスチャンバ102の一部とする。従って、多数のプロセスチャンバ102を真空中でリンクさせることができる。これらの実施形態では、いくつかのプロセスチャンバ102は、他のプロセスチャンバ102が堆積処理している間に、イオン注入することができる。
動作中、プラズマ発生源101は、プロセスチャンバ102内にプラズマ106を生成するように構成される。一実施形態では、プラズマ発生源101は、少なくとも1つのRFアンテナでRF電流を共振させて、振動磁界を生成するRF源とする。振動磁界は、プロセスチャンバ102内にRF電流を誘起する。プロセスチャンバ102内のRF電流は、注入ガスを励起しイオン化してプラズマ106を生成する。プラテン104、及び、ひいては、ワークピース105に与えられるバイアスは、バイアスパルスのオン期間中、プラズマ106からワークピース105の方へイオンを加速する。プラテンのパルス状信号の周波数及び/又はパルスのデューティサイクルは、所望の線量率を供給するように、選択することができる。プラテンのパルス状信号の振幅は、所望のエネルギーを供給するように、選択することができる。他の全てのパラメータが同じとすると、エネルギーが大きくなればなるほど、注入深さは大きくなる。
上述したように、シリコンは、典型的には結晶構造であり、各シリコン原子は、4つの隣接するシリコン原子に四面体的に結合されている。イオン注入は、シリコン中にアモルファス構造を形成するのに用いることができる。一例では、部分的に又は全体的にアモルファス化される結晶構造は、PAIを用いて形成することができる。ワークピースのこの結晶構造にヘリウムのような原子又はイオンを照射することにより、シリコンの結晶構造を変えることができる。アモルファス結晶構造は、長距離秩序に欠け、ダングリングボンドを有するいくつかの原子を含む。この結晶格子は長距離秩序に欠けるため、結晶格子内のチャネルは存在しない。従って、イオンは、ワークピースの結晶格子間を通ることができない。
PAIは、チャネリングの問題を除去するも、他の問題を引き起こす。イオン、特に、ゲルマニウム及びシリコンのようなより重い種、の注入は、エンドオブレンジ(EOR)に残留ダメージを引き起こす。エンドオブレンジは、注入されたイオンが達するワークピース内の最も低い深さの所である。これらのEOR欠陥は、後に、CMOSトランジスタに漏損をまねく。極浅接合はまた、目標温度の近くでミリ秒(MS)の熱割当量を可能にするアニーリング技術を必要とする。MSアニールの2つの欠点は、より重いイオン種による注入ダメージ、特に、上記のEOR欠陥を完全に除くことができないことと、デバイス内にオーバラップキャパシタンス問題を引き起こす、ドーパントの横方向拡散がないこととである。
ヘリウムの注入は、イオンのチャネリングを防ぐだけでなく、ミリ秒(MS)アニールも可能にする。ヘリウムの注入は、イオンのチャネリングを防ぐように、ワークピースを部分的に又は全体的にアモルファス化することができる。さらに、ヘリウムの注入によって、アニール後に、残留ダメージがなくなるか、又は、低減することが分かった。ヘリウムPAIはまた、固相エピタキシー(SPE)アニール又はMSアニールで、完全に修復する。さらに、残留ダメージがないため、ヘリウムPAIはまた、ゲルマニウムPAIとは違って、実質的な漏損を引き起こさない。
さらに、ヘリウム注入後のアニール処理中に、ホウ素、ヒ素、リンなどのような、いくつかの注入ドーパントイオンは、ヘリウムの注入により生成された元のアモルファス結晶界面へ移行する。テストの結果、これらの注入イオンは、元のアモルファス結晶界面を通り越して拡散することはなく、その代わりに、この界面で停止することが分かった。この移行現象は、ヘリウムに、接合深さ(X)及び/又は横方向拡散(Y)を調整する能力を与える。従って、ヘリウムPAIは、横方向拡散に関連する問題を克服することにより、MSアニールを可能にする。本明細書では、ヘリウムを特に挙げたが、希ガスのような他の種も同じ効果を有する。
図2〜5は、ワークピースをドーピングする第1の実施形態を例示する側断面図である。図2では、ワークピース105は、表面に酸化物被覆200を有する。アルゴン又は他の何らかの希ガスのようなスパッタリング種201は、酸化物層200をワークピース105から除去するために用いる。もちろん、酸化物層200はまた、注入前に除去しないか、又は、存在しないこともある。代替の実施形態では、プラズマエッチ、又は、湿式ストリップステップが、酸化物層200を除去するために用いられる。
図3では、注入種202を用いてPAIを実施する。注入種202は、ヘリウム、別の希ガス、又は当業者に知られた別のPAI種とすることができる。注入種202は、ワークピース105内の第1の深さ204(図3に点線により表す)にまで注入する。これは、第1の深さ204とワークピース105の表面との間にアモルファス化領域203を形成する。ある特定の例では、PAIのドーズ又はエネルギーは、PAIがワークピース105を完全にはアモルファス化しないように、設定される。むしろ、PAIは、ワークピース105を部分的にアモルファス化するに過ぎない。部分的なアモルファス化は、結晶構造内にアモルファス化のポケット(pockets of amorphization)をもたらす。従って、ある領域はアモルファス化されるが、隣接領域は、結晶質のままであり、ワークピース105の結晶格子内の結合がすべて壊れるとは限らない。
図4では、ドーパント205をワークピース105上に堆積する。このドーパントは、例えば、ホウ素、リン、ヒ素、ゲルマニウム、炭素又は当業者に知られた他のドーパントを含む原子種又は分子種とすることができる。図5では、ワークピース105をアニールし、ドーパント205は第1の深さ204のまで拡散する。これは、アモルファス化領域203と同じ領域にドープ領域206(図5で陰影により例示する)を形成する。特定の実施形態では、ミリ秒(MS)アニールが行われる。
PAIは、ドーパント205の拡散を制御するために用いられる。ドーパント205は、第1の深さ204におけるアモルファス−結晶界面まで拡散するに過ぎない。PAI用にヘリウム又は他の希ガスの使用はまた、注入ダメージを低減させ、MSアニールの使用を可能にする。ヘリウム又は他の希ガスはまた、活性化を高め、アニール中のX及びYの制御を可能にする。
図6〜9は、ワークピースにドーピングする第2の実施形態を例示する側断面図である。図2のワークピース105は、平坦であったが、図6のワークピース105は、非平坦である。ワークピース105は、例えば、FinFet、一連のトレンチ、又は何らかの三次元デバイスとすることができる。図6〜9に例示した以外の他の三次元又は非平坦構造も可能である。
図6では、ワークピース105は、表面に酸化物被覆200を有する。アルゴン又は他の何らかの希ガスのようなスパッタリング種201が、酸化物層200をワークピース105から除去するために用いられる。もちろん、酸化物層200は、注入前に除去しないか、又は、存在しないこともある。代替の実施形態では、プラズマエッチ、又は、湿式ストリップステップが、酸化物層200を除去するために、用いられる。
図7では、注入種202を用いてPAIを実施する。注入種202は、ヘリウム、別の希ガス、又は当業者に知られた別のPAI種とすることができる。注入種202は、ワークピース105内の第1の深さ204(図7に点線により表す)にまで注入する。これは、第1の深さ204とワークピース105の表面との間にアモルファス化領域203を形成する。図7に例示するように、第1の深さ204は、ワークピース105の輪郭をたどる。第1の深さ204は、このワークピース105の輪郭にかかわらず、一様な深さとすることができる。一様な深さとするために、注入種202の角度分布を制御することができる。第2に、アモルファス化領域203は、平坦ではない領域がもっと平坦に又は一様になるように、時間をかけて飽和させることができる。第3に、アモルファス化領域203を形成する注入処理は、一様な深さが達成されるまで、続行することができる。一旦、ワークピース105の結晶構造のある部分までアモルファス化されると、アモルファス化を継続しても、その後の結果に何ら影響を及ぼすことはない。ある特定の例では、PAIのドーズ又はエネルギーは、PAIがワークピース105を完全にはアモルファス化しないように、設定される。むしろ、PAIは、ワークピース105を部分的にアモルファス化するに過ぎない。
図8では、ドーパント205をワークピース105上に堆積する。このドーパントは、例えば、ホウ素、リン、ヒ素、ゲルマニウム、炭素又は当業者に知られた他のドーパントを含む原子種又は分子種とすることができる。ドーパント205は、ワークピース105の輪郭にかかわらず、一様に堆積される。低密度のプラズマ又はプラズマシース工学は、ワークピース105の種々の表面上に、一様に堆積するのに用いることができる。プラズマシース工学は、イオン、原子又は分子を指向させるか、又は集束させるために、アパーチャーを有する絶縁プレート又はバイアスプレートを用いる。このプレートは、プラズマシース内の電界を変更し、プラズマとプラズマシースとの間の境界の形状を制御する。
図9では、ワークピース105をアニールし、ドーパント205は第1の深さ204へ拡散する。これは、アモルファス化領域203と同じ領域にドープ領域206(図9で陰影により例示する)を形成する。特定の実施形態では、ミリ秒(MS)アニールが行われる。
図6〜9の実施形態は、平坦ではない表面上に一様なドーピングを可能にする。注入種202を用いるPAIは、接合深さを画定するために、用いることができる。それに続くアニールは活性化することであり、ドーパント205を打ち込む。
図10〜13は、ワークピースにドーピングする第3の実施形態を例示するブロック図である。図10〜13の実施形態では、平坦又は非平坦とすることができる、ワークピース105は、真空を破壊しないで処理することができる。一例では、ワークピース105は、真空を破壊しないで、プロセスチャンバー102又はロードロック107の中にとどめることができる。特定の実施形態では、ワークピース105は、プロセスチャンバー102内の種を変えるときに、ロードロック107へ移動させる。
図10では、ワークピース105をプロセスチャンバー102の中に置く。ワークピース105は、ロボット操作システムを用いてプラテン104の上に載せることができる。ワークピース105をプロセスチャンバー102の中に置く前に又は後に、真空を形成することができる。
図11では、ヘリウム又は別の希ガスのような注入種202のプラズマを形成する。一例では、ワークピース105及びプラテン104にバイアスをかけて、注入種202をワークピース105の中の特定の深さにまで注入する。図12では、ドーパント205のようなドーパント種がプロセスチャンバー102を満たす。ドーパント205は、例えば、リン、ヒ素、ゲルマニウム、炭素又はホウ素とすることができる。ワークピース105は、注入種202をドーパント205に取り替えたときに、プロセスチャンバー102からロードロック107へ移すことができる。ドーパント205はワークピース105の上に堆積される。この堆積中には、ワークピース105及びプラテン104にバイアスをかけることができない。
図13では、ドーパント205を取り出す。ワークピース105はプロセスチャンバー102からロードロック107へ移す。次いで、真空を破壊し、ワークピース105をプラズマドーピングシステム100から取り出すことができる。別の例では、ワークピース105は、ドーパント205が存在する間に、真空下でロードロック107へ移すことができる。その後、ワークピース105は、堆積されるドーパント205がワークピース105の中の特定の深さにまで拡散するように、アニールすることができる。例えば、MSアニールを用いることができる。代替の実施形態では、図10〜13に例示するステップに対し、多数のプロセスチャンバー102を、真空を破壊しないで、用いることができる。
代替の実施形態では、プラズマドーピングシステム100は、酸化物被覆をワークピース105から除去するために、用いることができる。プラズマドーピングシステム100は、例えばアルゴンのプラズマを形成することができ、そのプラズマはワークピース105をスパッタするために用いる。これはまた、ワークピース105の周囲の真空を破壊しないで行なうことができる。一例では、ワークピース105は、スパッタリング後であるが、注入種202がプロセスチャンバー102を満たす前に、ロードロック107へ移すことができる。別の例では、ワークピース105は、スパッタリング後であり、注入種202がプロセスチャンバー102を満たしている間に、プラテン104の上にとどめる。
処理中に真空を破壊しないことにより、ワークピース105上の酸化物層の成長は阻止されるか又は低減される。ワークピース105の表面上の酸化物層を除去するスパッタリングステップは、ワークピース105が真空環境の中にある場合には、酸化物の成長が最小限に抑えられるため、回避することができる。別の例では、最初の酸化物層をスパッタしてワークピース105から取り去り、プラズマドーピングシステム100内の真空によって、その後の酸化成長を阻止する。従って、多数のスパッタリングステップの使用を避けることができる。
本発明は、本明細書に記載した特定の実施形態による範囲に限定すべきではない。実際に、本明細書に記載した実施形態に加えて、本発明の他の様々な実施形態及び変更は、前述の記載及び添付図面から当業者には明らかであろう。従って、そのような他の実施形態及び変更は、本発明の範囲内に入ることを意図している。さらに、本発明は、特定の目的のため、特定の環境で、特定の実施のコンテキストで、本明細書に記載したけれども、当業者は、その有用性がそれらに限定されず、本発明が、任意の数の目的のため、任意の数の環境で、有用に実施することができることを理解するであろう。従って、以下に記載の特許請求の範囲は、本明細書に記載されているように、本発明の全容及び精神に鑑みて解釈すべきである。

Claims (20)

  1. ドーピング方法であって、
    希ガスをワークピース内の第1の深さにまで注入するステップと、
    ドーパントを前記ワークピースの表面の上に堆積するステップと、
    前記ワークピースをアニールするステップであって、前記ドーパントは前記第1の深さにまで拡散するステップと、を有するドーピング方法。
  2. 前記注入ステップは、前記ワークピースの結晶格子をアモルファス化する、請求項1に記載のドーピング方法。
  3. 前記ワークピースは前記表面の上に酸化物被覆を有し、
    前記注入ステップの前に、前記酸化物被覆を前記表面から除去するステップを、さらに有する、請求項1に記載のドーピング方法。
  4. 前記除去ステップは、アルゴンでスパッタリングするステップを有する、請求項3に記載のドーピング方法。
  5. 前記ドーパントは、ホウ素、リン、ヒ素、ゲルマニウム及び炭素から成る群から選択される、請求項1に記載のドーピング方法。
  6. 前記アニールステップは、ミリ秒アニールを含む、請求項1に記載の方法。
  7. ドーピング方法であって、
    希ガスをワークピースの複数の非平坦表面に第1の深さにまで注入するステップと、
    ドーパントを前記複数の非平坦表面の上に堆積するステップと、
    前記ワークピースをアニールするステップであって、前記ドーパントは前記複数の非平坦表面の前記第1の深さにまで拡散するステップと、を有するドーピング方法。
  8. 前記注入ステップは、前記ワークピースの結晶格子をアモルファス化する、請求項7に記載のドーピング方法。
  9. 前記ワークピースは前記複数の非平坦表面の上に酸化物被覆を有し、
    前記注入ステップの前に、前記酸化物被覆を前記複数の非平坦表面から除去するステップを、さらに有する、請求項7に記載のドーピング方法。
  10. 前記除去ステップは、アルゴンでスパッタリングするステップを有する、請求項9に記載のドーピング方法。
  11. 前記ドーパントは、ホウ素、リン、ヒ素、ゲルマニウム及び炭素から成る群から選択される、請求項7に記載のドーピング方法。
  12. 前記アニールステップは、ミリ秒アニールを含む、請求項7に記載の方法。
  13. ドーピング方法であって、
    ワークピースをプロセスチャンバー内に置くステップと、
    真空を前記プロセスチャンバー内に形成するステップと、
    希ガスのプラズマを前記プロセスチャンバー内に形成するステップと、
    希ガスイオンを前記ワークピースに第1の深さにまで注入するステップと、
    前記プロセスチャンバーをドーパント種で満たすステップと、
    前記ドーパント種を前記ワークピースの上に堆積するステップと、
    前記ワークピースを前記プロセスチャンバーから移動させ、前記真空を破壊するステップと、
    前記ワークピースをアニールするステップであって、前記ドーパント種は前記ワークピースの前記第1の深さにまで拡散するステップと、を有するドーピング方法。
  14. 前記プロセスチャンバーを前記ドーパント種で満たすステップの前に、前記真空下で、前記ワークピースをロードロックへ移すステップを、さらに有する、請求項13に記載のドーピング方法。
  15. 前記注入ステップは、前記ワークピースの結晶格子をアモルファス化する、請求項13に記載のドーピング方法。
  16. 前記ワークピースは酸化物被覆を有し、
    前記注入ステップの前に、前記酸化物被覆を前記ワークピースから除去するステップを、さらに有する、請求項13に記載のドーピング方法。
  17. 前記除去ステップは、アルゴンでスパッタリングするステップを有する、請求項16に記載のドーピング方法。
  18. 前記ドーパントは、ホウ素、リン、ヒ素、ゲルマニウム及び炭素から成る群から選択される、請求項13に記載のドーピング方法。
  19. 前記アニールステップは、ミリ秒アニールを含む、請求項13に記載のドーピング方法。
  20. 前記真空を形成するステップは、前記ワークピースを前記プロセスチャンバー内に置くステップの前に生じる、請求項13に記載のドーピング方法。
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