JP2667979B2 - チャネリングイオン注入法 - Google Patents
チャネリングイオン注入法Info
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Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
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Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野］
本発明は、電子材料をはじめとする工業材料の生産分
野で近年盛んに行われているイオン注入方法に関し、特
に工業材料の放射線損傷を低減することが可能なイオン
注入方法に関するものである。 ［従来の技術］ 最近、けい素等の半導体電子材料にMeV領域のエネル
ギーを有する各種のＰ形あるいはＮ形の不純物を導入し
て、深い埋込層を形成したり（例えば、J.F.Ziegler:Nu
cl.Instr.Meth.,B6（1985）pp.270）することで電気的
特性を変化させたり、N+,O+イオンを注入してSOI（sili
con−on−insulator）基板を形成させたり（P.L.F.Hemm
ent et al:Appl.phys.Lett.,vol.46（1985）pp.952）す
ることにより、半導体内部に絶縁層を形成する方法が注
目されている。 ［発明が解決しようとする問題点］ 上述した従来のイオン注入方法の原理を示す模式図を
第３図に示す。図中、黒丸は単結晶材料の結晶構成原子
を示し、白丸は注入イオンを示し、白黒丸は反跳を受け
て変位した結晶構成原子を示す。従来のイオン注入方法
においては、第３図に示すように単結晶材料の結晶軸と
ずれた方向（以下、ランダム方向と略記する）からイオ
ンが注入されてきたために、注入イオンが結晶構成原子
に衝突して、結晶構成原子は反跳を受けて変位する。そ
の結果、注入イオンによる損傷領域が形成される。その
ためイオン注入された単結晶材料を利用する場合、イオ
ン注入後に材料を高温にして、非晶質層の再結晶化を促
すアニーリングによって、材料のイオン注入損傷からの
回復を起こさせる等の工程が必要であった。 従って、本発明の目的は、注入イオンによる単結晶材
料の損傷が小さく、アニーリング工程を省略することが
できるイオン注入方法を提供することにある。 ［問題点を解決するための手段］ かかる目的を達成するために、本発明のチャネリング
イオン注入法は、けい素単結晶中に、加速される高エネ
ルギーイオンをけい素単結晶の結晶軸に沿って化合物層
または合金層を形成する上で必要量注入して、けい素単
結晶中に化合物層または合金層を形成することを特徴と
する。 ［作 用］ 第１図は、本発明の高エネルギーイオン注入方法の原
理を示す模式図である。図中、黒丸は単結晶材料の結晶
構成原子を示し、白丸は注入イオンを示す。本発明の高
エネルギーイオン注入方法によれば、単結晶材料の結晶
軸に対して平行な方向（以下、チャネリング方向と略記
する）からイオンが入射する。従って、注入イオンと結
晶構成原子とが衝突する頻度が極端に低減する。このた
め、結晶構成原子を注入イオンによる反跳を受けて、正
規の格子位置から変位を受ける確率が大きく減少する。
この効果により結晶表層付近では、損傷が大きく低減す
るために単結晶性が良好に保たれる。一方、注入イオン
は、結晶構成原子と衝突する確率が減少し、単位長さあ
たりに失うエネルギーの量（物質のイオンに対する阻止
能）が減少するために、ランダム方向注入の場合と比較
して、単結晶材料基板中奥深くまで到達しうる。すなわ
ちイオンがエネルギーをすべて失って停止する深さ（飛
程）が長くなる。しかし、チャネリング方向から入射し
たイオンも、結晶構成原子との相互作用により、結晶の
中を進む間に次第にチャネリング方向からずれて、ラン
ダム方向注入の条件に近くなる。このような深さ領域で
は、結晶構成原子が注入イオンとの衝突により変位を受
ける確率が上昇し、損傷が増大するために、引き続き注
入されたイオンに対する阻止能が上昇する。注入イオン
量が増加してくると、この阻止能の上昇が益々大きくな
り、化合物層または合金層を形成する上で必要量の注入
イオン量では、注入されたイオンのほとんどは、ランダ
ム方向注入の場合と比較してそれほど変化のない深さに
停止するようになる。従って、チャネリング方向からイ
オンを注入した場合でも、ランダム方向からイオンを注
入した場合とほぼ等しい注入エネルギーを選択すれば、
同じ深さ領域に注入イオン元素を分布させることができ
る。このように、チャネリング方向高エネルギーイオン
注入法が単結晶基板表層の結晶性の保持として作用し、
しかも、希望する深さ領域に注入イオン元素を化合物層
または合金層を形成する上で必要量分布させることを可
能にする。これらの作用のために、この方法を単結晶基
板表層の損傷を大きく低減したままで、基板層内に、化
合物層や合金層等を形成する技術として利用することが
できる。 ［実施例］ 以下、図面を参照しつつ本発明を詳細に説明する。 本発明の高エネルギーイオン注入法の原理を立証する
ために、単結晶材料としてけい素を選択して、窒素イオ
ンN+の注入量を変化させてチャネリング方向注入とラン
ダム方向注入を行って、チャネリング後方散乱測定法に
より結果を比較した。Si（シリコン）単結晶材料は結晶
軸の角度を任意に変えることができるゴニオメータ上に
装着され、イオン注入前にチャネリング後方散乱法によ
り入射イオンの方向に対する結晶軸の角度を測定してお
く。チャネリング方向注入の場合は、入射軸方向に対し
て結晶軸が平行になるように角度を設定する。また、ラ
ンダム方向注入の場合は、入射軸方向に対して結晶軸
が、５゜〜10゜ずれるように角度を設定する。この実施
例では、結晶面としてけい素単結晶（111）面を選択
し、＜111＞軸がチャネリング方向になるように、角度
設定を行った。 本実施例を述べる前に、比較のために従来のイオン注
入法による測定結果をまず示す。 第2A図に示すのは、室温で1MeVの窒素イオンN+を7.5
×1017個/cm2の注入量でランダム方向からSi（シリコ
ン）単結晶にイオン注入した前後、2.7MeVの高速ヘリウ
ムイオンHe+をランダム方向で測定したランダム方向ス
ペクトルと、2.7MeVの高速ヘリウムイオンHe+をチャネ
リング方向で測定したチャネリング方向スペクトルであ
る。図中、１はイオン注入前のアラインド方向スペクト
ル、２はイオン注入前のランダム方向スペクトル、３は
注入後のアラインド方向スペクトル、４は注入後のラン
ダム方向スペクトルである。上記のスペクトルの他に、
注入量が５×1015個/cm2である注入初期のアラインド方
向スペクトルを５に示した。 スペクトル3,4において、散乱イオンエネルギーが約
0.75MeV近傍に広がる散乱収量のくぼみの位置と電子阻
止能から、表面層からの深さを計算すると約1.5μｍと
なった。このくぼみ領域が存在することは、窒化けい素
層が形成されたために、注入イオンに対して同じ阻止能
を与えるのに必要なけい素原子の密度が減少しているこ
とを示している。一方、表面領域では、第2A図示の矢印
の幅で示される散乱イオンエネルギー差と電子阻止能と
から、単結晶領域の深さを計算すると、約0.3μｍの深
さまでしか単結晶領域が残存しておらず、表面から数百
オングストローム（スペクトル３の高散乱イオンエネル
ギーのピークの半値幅から換算した）の領域も損傷を受
けていることが図から理解される。 次に従来のランダム方向イオン注入とは違ってチャネ
リング方向、今の場合Si（シリコン）単結晶の＜111＞
軸方向、から高エネルギーイオンを注入した前後の後方
散乱エネルギー分布曲線を第2B図に示す。イオン注入の
条件と散乱収量の測定方法は、ランダム方向からイオン
を注入した場合と同様である。図中、６はイオン注入前
のアラインド方向スペクトル、７はイオン注入前のラン
ダム方向スペクトル、８はイオン注入後のアラインド方
向スペクトル、９はイオン注入後のランダム方向スペク
トルである。上記のスペクトルの他に、注入量が５×10
15個/cm2である注入初期のアラインド方向スペクトルを
10に示した。 スペクトル8,9において、散乱イオンエネルギーが約
0.75MeV近傍に広がる散乱収量のくぼみの位置と電子阻
止能とから、表面層からの深さを計算すると約1.5μｍ
となった。このくぼみはランダム方向イオン注入と同様
に、けい素原子の密度が減少していることを示してい
る。注入初期のチャネリング方向スペクトルの損傷層
は、阻止能が小さいために注入初期のランダム方向スペ
クトルの損傷層よりも約0.2μｍ深い領域にシフトして
いるが、高フルエンス注入により形成される窒化層はほ
ぼ同じ深さ領域に形成されている。これは、イオン注入
量の増加に伴い、損傷を受ける領域が拡大し、チャネリ
ング入射の条件からずれてくるためである。一方、表面
領域では第2B図の矢印の幅で示される単結晶領域は、約
0.7μｍである。また、χmin＝８％であり、良好な単結
晶性を示している。 本実施例では窒素イオンN+を注入したが、酸素原子イ
オン，ホウ素イオン；リンイオン，ひ素イオン等をSi
（シリコン）単結晶層に注入することも勿論可能であ
る。 ［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、単結晶材料層
に、加速されたイオンを材料の結晶軸に沿って注入する
ことにより、注入イオンと結晶構成原子とが衝突する頻
度が小さくでき、また結晶構成原子が変位する等の損傷
も低減できる。 さらに、本発明によれば、室温でイオン注入してもけ
い素単結晶表層における損傷量が低いために、アニーリ
ング工程を省略することや、アニーリング温度の低温
化，アニーリング時間の短縮化が可能となる。また単結
晶材料を高温に保ってイオン注入すれば、ほとんどその
後の工程を経ずに単結晶を必要とする材料を利用するこ
とが可能となる。
野で近年盛んに行われているイオン注入方法に関し、特
に工業材料の放射線損傷を低減することが可能なイオン
注入方法に関するものである。 ［従来の技術］ 最近、けい素等の半導体電子材料にMeV領域のエネル
ギーを有する各種のＰ形あるいはＮ形の不純物を導入し
て、深い埋込層を形成したり（例えば、J.F.Ziegler:Nu
cl.Instr.Meth.,B6（1985）pp.270）することで電気的
特性を変化させたり、N+,O+イオンを注入してSOI（sili
con−on−insulator）基板を形成させたり（P.L.F.Hemm
ent et al:Appl.phys.Lett.,vol.46（1985）pp.952）す
ることにより、半導体内部に絶縁層を形成する方法が注
目されている。 ［発明が解決しようとする問題点］ 上述した従来のイオン注入方法の原理を示す模式図を
第３図に示す。図中、黒丸は単結晶材料の結晶構成原子
を示し、白丸は注入イオンを示し、白黒丸は反跳を受け
て変位した結晶構成原子を示す。従来のイオン注入方法
においては、第３図に示すように単結晶材料の結晶軸と
ずれた方向（以下、ランダム方向と略記する）からイオ
ンが注入されてきたために、注入イオンが結晶構成原子
に衝突して、結晶構成原子は反跳を受けて変位する。そ
の結果、注入イオンによる損傷領域が形成される。その
ためイオン注入された単結晶材料を利用する場合、イオ
ン注入後に材料を高温にして、非晶質層の再結晶化を促
すアニーリングによって、材料のイオン注入損傷からの
回復を起こさせる等の工程が必要であった。 従って、本発明の目的は、注入イオンによる単結晶材
料の損傷が小さく、アニーリング工程を省略することが
できるイオン注入方法を提供することにある。 ［問題点を解決するための手段］ かかる目的を達成するために、本発明のチャネリング
イオン注入法は、けい素単結晶中に、加速される高エネ
ルギーイオンをけい素単結晶の結晶軸に沿って化合物層
または合金層を形成する上で必要量注入して、けい素単
結晶中に化合物層または合金層を形成することを特徴と
する。 ［作 用］ 第１図は、本発明の高エネルギーイオン注入方法の原
理を示す模式図である。図中、黒丸は単結晶材料の結晶
構成原子を示し、白丸は注入イオンを示す。本発明の高
エネルギーイオン注入方法によれば、単結晶材料の結晶
軸に対して平行な方向（以下、チャネリング方向と略記
する）からイオンが入射する。従って、注入イオンと結
晶構成原子とが衝突する頻度が極端に低減する。このた
め、結晶構成原子を注入イオンによる反跳を受けて、正
規の格子位置から変位を受ける確率が大きく減少する。
この効果により結晶表層付近では、損傷が大きく低減す
るために単結晶性が良好に保たれる。一方、注入イオン
は、結晶構成原子と衝突する確率が減少し、単位長さあ
たりに失うエネルギーの量（物質のイオンに対する阻止
能）が減少するために、ランダム方向注入の場合と比較
して、単結晶材料基板中奥深くまで到達しうる。すなわ
ちイオンがエネルギーをすべて失って停止する深さ（飛
程）が長くなる。しかし、チャネリング方向から入射し
たイオンも、結晶構成原子との相互作用により、結晶の
中を進む間に次第にチャネリング方向からずれて、ラン
ダム方向注入の条件に近くなる。このような深さ領域で
は、結晶構成原子が注入イオンとの衝突により変位を受
ける確率が上昇し、損傷が増大するために、引き続き注
入されたイオンに対する阻止能が上昇する。注入イオン
量が増加してくると、この阻止能の上昇が益々大きくな
り、化合物層または合金層を形成する上で必要量の注入
イオン量では、注入されたイオンのほとんどは、ランダ
ム方向注入の場合と比較してそれほど変化のない深さに
停止するようになる。従って、チャネリング方向からイ
オンを注入した場合でも、ランダム方向からイオンを注
入した場合とほぼ等しい注入エネルギーを選択すれば、
同じ深さ領域に注入イオン元素を分布させることができ
る。このように、チャネリング方向高エネルギーイオン
注入法が単結晶基板表層の結晶性の保持として作用し、
しかも、希望する深さ領域に注入イオン元素を化合物層
または合金層を形成する上で必要量分布させることを可
能にする。これらの作用のために、この方法を単結晶基
板表層の損傷を大きく低減したままで、基板層内に、化
合物層や合金層等を形成する技術として利用することが
できる。 ［実施例］ 以下、図面を参照しつつ本発明を詳細に説明する。 本発明の高エネルギーイオン注入法の原理を立証する
ために、単結晶材料としてけい素を選択して、窒素イオ
ンN+の注入量を変化させてチャネリング方向注入とラン
ダム方向注入を行って、チャネリング後方散乱測定法に
より結果を比較した。Si（シリコン）単結晶材料は結晶
軸の角度を任意に変えることができるゴニオメータ上に
装着され、イオン注入前にチャネリング後方散乱法によ
り入射イオンの方向に対する結晶軸の角度を測定してお
く。チャネリング方向注入の場合は、入射軸方向に対し
て結晶軸が平行になるように角度を設定する。また、ラ
ンダム方向注入の場合は、入射軸方向に対して結晶軸
が、５゜〜10゜ずれるように角度を設定する。この実施
例では、結晶面としてけい素単結晶（111）面を選択
し、＜111＞軸がチャネリング方向になるように、角度
設定を行った。 本実施例を述べる前に、比較のために従来のイオン注
入法による測定結果をまず示す。 第2A図に示すのは、室温で1MeVの窒素イオンN+を7.5
×1017個/cm2の注入量でランダム方向からSi（シリコ
ン）単結晶にイオン注入した前後、2.7MeVの高速ヘリウ
ムイオンHe+をランダム方向で測定したランダム方向ス
ペクトルと、2.7MeVの高速ヘリウムイオンHe+をチャネ
リング方向で測定したチャネリング方向スペクトルであ
る。図中、１はイオン注入前のアラインド方向スペクト
ル、２はイオン注入前のランダム方向スペクトル、３は
注入後のアラインド方向スペクトル、４は注入後のラン
ダム方向スペクトルである。上記のスペクトルの他に、
注入量が５×1015個/cm2である注入初期のアラインド方
向スペクトルを５に示した。 スペクトル3,4において、散乱イオンエネルギーが約
0.75MeV近傍に広がる散乱収量のくぼみの位置と電子阻
止能から、表面層からの深さを計算すると約1.5μｍと
なった。このくぼみ領域が存在することは、窒化けい素
層が形成されたために、注入イオンに対して同じ阻止能
を与えるのに必要なけい素原子の密度が減少しているこ
とを示している。一方、表面領域では、第2A図示の矢印
の幅で示される散乱イオンエネルギー差と電子阻止能と
から、単結晶領域の深さを計算すると、約0.3μｍの深
さまでしか単結晶領域が残存しておらず、表面から数百
オングストローム（スペクトル３の高散乱イオンエネル
ギーのピークの半値幅から換算した）の領域も損傷を受
けていることが図から理解される。 次に従来のランダム方向イオン注入とは違ってチャネ
リング方向、今の場合Si（シリコン）単結晶の＜111＞
軸方向、から高エネルギーイオンを注入した前後の後方
散乱エネルギー分布曲線を第2B図に示す。イオン注入の
条件と散乱収量の測定方法は、ランダム方向からイオン
を注入した場合と同様である。図中、６はイオン注入前
のアラインド方向スペクトル、７はイオン注入前のラン
ダム方向スペクトル、８はイオン注入後のアラインド方
向スペクトル、９はイオン注入後のランダム方向スペク
トルである。上記のスペクトルの他に、注入量が５×10
15個/cm2である注入初期のアラインド方向スペクトルを
10に示した。 スペクトル8,9において、散乱イオンエネルギーが約
0.75MeV近傍に広がる散乱収量のくぼみの位置と電子阻
止能とから、表面層からの深さを計算すると約1.5μｍ
となった。このくぼみはランダム方向イオン注入と同様
に、けい素原子の密度が減少していることを示してい
る。注入初期のチャネリング方向スペクトルの損傷層
は、阻止能が小さいために注入初期のランダム方向スペ
クトルの損傷層よりも約0.2μｍ深い領域にシフトして
いるが、高フルエンス注入により形成される窒化層はほ
ぼ同じ深さ領域に形成されている。これは、イオン注入
量の増加に伴い、損傷を受ける領域が拡大し、チャネリ
ング入射の条件からずれてくるためである。一方、表面
領域では第2B図の矢印の幅で示される単結晶領域は、約
0.7μｍである。また、χmin＝８％であり、良好な単結
晶性を示している。 本実施例では窒素イオンN+を注入したが、酸素原子イ
オン，ホウ素イオン；リンイオン，ひ素イオン等をSi
（シリコン）単結晶層に注入することも勿論可能であ
る。 ［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、単結晶材料層
に、加速されたイオンを材料の結晶軸に沿って注入する
ことにより、注入イオンと結晶構成原子とが衝突する頻
度が小さくでき、また結晶構成原子が変位する等の損傷
も低減できる。 さらに、本発明によれば、室温でイオン注入してもけ
い素単結晶表層における損傷量が低いために、アニーリ
ング工程を省略することや、アニーリング温度の低温
化，アニーリング時間の短縮化が可能となる。また単結
晶材料を高温に保ってイオン注入すれば、ほとんどその
後の工程を経ずに単結晶を必要とする材料を利用するこ
とが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明のイオン注入法の原理を示す模式図、
第2A図は、従来のイオン注入前後の散乱エネルギー分布
を示す図、 第2B図は、本発明の一実施例であるイオン注入前後の散
乱エネルギー分布を示す図、 第３図は、従来のイオン注入方法の原理を示す模式図で
ある。 1,3,5,6,8,10……アラインド方向スペクトル、 2,4,7,9……ランダム方向スペクトル。
を示す図、 第2B図は、本発明の一実施例であるイオン注入前後の散
乱エネルギー分布を示す図、 第３図は、従来のイオン注入方法の原理を示す模式図で
ある。 1,3,5,6,8,10……アラインド方向スペクトル、 2,4,7,9……ランダム方向スペクトル。
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．けい素単結晶中に、加速された高エネルギーイオン
を室温で前記けい素単結晶の結晶軸に沿って化合物層ま
たは合金層を形成する上で必要量注入して、前記けい素
単結晶の表面層の結晶性を保持しつつ前記けい素単結晶
中の所定の深さ領域に化合物層または合金層を形成する
ことを特徴とする高エネルギーイオンのチャネリング注
入による化合物層または合金層の形成方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62068589A JP2667979B2 (ja) | 1987-03-23 | 1987-03-23 | チャネリングイオン注入法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62068589A JP2667979B2 (ja) | 1987-03-23 | 1987-03-23 | チャネリングイオン注入法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63233522A JPS63233522A (ja) | 1988-09-29 |
| JP2667979B2 true JP2667979B2 (ja) | 1997-10-27 |
Family
ID=13378131
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62068589A Expired - Lifetime JP2667979B2 (ja) | 1987-03-23 | 1987-03-23 | チャネリングイオン注入法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2667979B2 (ja) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS4939235A (ja) * | 1972-08-24 | 1974-04-12 | ||
| JPS61272970A (ja) * | 1985-05-29 | 1986-12-03 | Hitachi Ltd | 半導体装置の製造方法 |
| JPS6268590A (ja) * | 1985-09-20 | 1987-03-28 | Hitachi Kiden Kogyo Ltd | ビル排水槽の腐敗防止用曝気装置 |
-
1987
- 1987-03-23 JP JP62068589A patent/JP2667979B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 伊藤糾次、他３名「イオン・プランテーション」（昭和５１−１０−２５）昭晃堂、第１３１，１３２頁 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63233522A (ja) | 1988-09-29 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |