JP3100230B2 - 半導体基板への添加物イオン注入方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板への添加物
イオンの注入方法に関するものであり、特に、イオン注
入により生ずる照射欠陥の抑制、除去を容易ならしめる
ための改善に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板に添加物イオンを注入する従
来技術としては、特開平３−１４５７２２号公報記載の
ように、半導体基板をイオン注入時に液体窒素または液
体ヘリウム温度まで冷却して格子振動を抑制し、チャネ
リングを促すように添加物イオンを注入することによっ
て、急峻な添加物プロファイルを得、かつ照射欠陥の生
成を抑制し、その後、アニールを行う方法がある。

【０００３】また、特開昭６３−１８５０１６号公報記
載のように、予めイオン注入領域を非晶質化し、その後
添加物イオンを注入し、その後、アニールを行なうこと
によって、照射欠陥の除去を容易にする試みがなされて
いる。

【０００４】また半導体基板に電極を形成する従来技術
として、半導体基板上に電極用の金属を蒸着し、次にこ
れにミキシング用イオン（半導体または蒸着金属と同じ
物質のイオン）を照射して蒸着金属と半導体基板とをミ
キシングさせる所謂イオンミキシング法による電極形成
方法がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記第１に述べた添加
物イオン注入方法では添加物イオン注入時に半導体基板
を液体窒素または液体ヘリウム温度まで冷却することに
より照射欠陥の生成を抑制している。この冷却には熱伝
達を利用するが、半導体は熱伝達が悪いためこれらの温
度にまで冷却されるには時間がかかる。さらに、液体窒
素やヘリウムを使用することは、コスト高になる点や、
取り扱いが煩雑になるという問題がある。

【０００６】また、前記第２に述べた添加物イオン注入
方法では、半導体基板に半導体の自己イオン（半導体と
同じ物質のイオン、すなわち、例えば半導体がシリコン
ならば、シリコンイオン）を注入することによって予め
非晶質化をした後に添加物イオンを注入し、その後アニ
ールによって再結晶化させることにより、アニール温度
を低減するようにしている。しかし、非晶質化領域と結
晶領域との界面近傍に照射欠陥が形成され、アニール中
にこの欠陥が成長し、アニール後にも欠陥が残存すると
いう問題がある。また、完全にこの欠陥を除去するため
には長時間のアニールが必要であり高集積化を図るとが
できないという問題がある。

【０００７】また、前記第３に述べた半導体用の電極を
イオンミキシング法で形成する方法においてはミキシン
グ時に半導体中に照射欠陥が形成されるという問題があ
る。

【０００８】

【０００９】また、本発明の目的は、前記第２に述べた
従来の添加物イオン注入方法を改善し、半導体基板の非
晶質化時に形成される欠陥を抑制でき、その除去を容易
にする、半導体基板への添加物イオン注入方法を提供す
ることにある。

【００１０】

【００１１】本発明の目的は請求項１及び２の構成によ
って達成される。

【００１２】先ず、半導体基板の温度を、絶対温度で表
わされた半導体の融点の１５％に相当する温度以下で且
つ液体窒素の温度よりは高い温度範囲内の一定温度に制
御しながら、添加物イオンを半導体基板に注入すること
による作用を説明する。図７は、半導体基板たるシリコ
ン基板に添加物イオンとして１００ｋｅＶボロンイオン
を２０℃の温度と−７０℃の温度とで１×１０¹³個注入
し、その後、８５０℃の温度で２０分アニールしたとき
の半導体基板の断面の模式図であり、図の上下方向が半
導体基板の厚さ方向である。図７に示す様に、照射欠陥
として発生する転位ループの大きさ及びその存在領域の
幅Ｗはイオン注入温度に依って異なる。図８は種々異な
る温度で上記と同じ条件でイオン注入し、アニールした
ときの照射欠陥の存在領域の幅（図１のＷ）を測定した
結果である。縦軸は幅Ｗ、横軸はイオン注入温度Ｔであ
る。これらの図からわかるように、照射欠陥は注入温度
が低温になるほど微小化し、かつ、その存在領域が局在
化するためアニールによる除去が容易となる。照射欠陥
の生成は点欠陥（原子１個サイズの欠陥で、はじき出さ
れた原子とその跡の空孔を意味する）の挙動に依存する
ので、ボロン以外の添物イオンを注入した場合、また
は、注入イオンのエネルギーを変化させた場合も同様の
結果が得られる。

【００１３】図８の結果から、シリコンの場合、イオン
注入温度を−２０℃以下にすると、欠陥の存在領域幅Ｗ
が顕著に減少することがわかる。この−２０℃なる温度
はシリコンの融点（絶対温度）の１５％に相当する温度
である。シリコン以外の半導体の場合でも、照射欠陥の
生成量はイオン注入温度に依存し、イオン注入時の温度
を半導体の融点（絶対温度）の１５％に相当する温度以
下とすることにより、照射欠陥の存在領域幅を低減でき
る。

【００１４】以上のように、イオン注入時に半導体基板
の温度を、半導体の融点（絶対温度で表わされた）の１
５％に相当する温度以下にするならば、先述の従来技術
の如くイオン注入時に半導体基板を液体窒素の温度まで
冷却しなくても、照射欠陥の発生量および発生域を抑制
することができ、従って、その除去はアニールによって
容易になし得る。

【００１５】しかし、イオン注入時の半導体基板温度に
バラツキがあると、アニール条件によっては照射欠陥が
除去できずに残存する場合がある。そこで、本発明で
は、イオン注入時の半導体基板温度を、液体窒素の温度
よりは高くかつ半導体の融点（絶対温度）の１５％に相
当する温度以下の範囲で一定に制御する。

【００１６】次に、請求項１及び２に記載の発明に関し
て作用を説明する。半導体をイオン注入により非晶質化
するためには、ある注入量以上のイオン注入が必要とな
る。この必要注入量の下限値を非晶質化の臨界線量とい
う。非晶質化した領域と結晶領域の界面には照射欠陥が
形成されるが、この欠陥量は注入したイオン数に依存す
る。依って、本発明では、半導体の自己イオン（半導体
と同じ物質のイオン）をそれのみでは上記臨界線量に達
しない程度に注入した後、添加物イオン注入し、その両
者の注入量の合計を上記臨界線量に達せしめ、このとき
始めて非晶質化が生じるようにする。すなわち、従来技
術においては自己イオン注入のみでイオン注入量を非晶
質化の臨界線量に達せしめて非晶質化していたのに対
し、本発明では、自己イオンの注入を先に行い、その後
に添加物イオンを注入し、その両者の注入合計量が非晶
質化の臨界線量に達したときに始めて非晶質化が起きる
様にするのである。これにより、自己イオンのみで予め
非晶質化する従来技術よりも照射欠陥の発生を低減する
ことができ、従ってアニールによる除去が容易になる。

【００１７】この場合、自己イオン注入時および添加物
イオン注入時の半導体基板温度を前述と同様に液体窒素
の温度より高くかつ半導体の融点の１５％の温度以下の
範囲の温度に制御すれば、前記非晶質化の臨界線量が低
減し、より有効に照射欠陥の発生量および発生領域を小
さくできる。

【００１８】

【００１９】

【実施例】半導体基板に添加物イオンを注入する一実施
例を図１により説明する。添加物はイオン源１によって
イオン化され、添加物イオン２となって引出電極３によ
って前方に引き出され、分析マグネット４によって不純
物を取り除かれ、加速管５によって加速される。加速さ
れたイオン２は、四重極レンズ６で収束され、偏向レン
ズ７によって縦横に走査される。この走査されたイオン
は半導体基板８中に注入される。半導体基板８上にはフ
ォトマスク９が被せられており、任意所定領域のみへの
注入が可能となる。半導体基板８はステージ１０に複数
個固定されている。以上の装置は真空容器１１内にあ
り、この容器１１内は真空ポンプ１２によって排気され
る。均一にイオン注入をするため、ステージ１０は歯車
１３１，１３２を介して回転駆動モータ１３で回転され
る。１１１はステージ１０を軸支するために容器１２に
設けられたシール軸受である。ステージ１０は、それに
内蔵された電子冷却装置（例えばペルチエ効果を利用し
たもの）１４により冷却され、半導体基板８を冷却す
る。この冷却作用により、イオン注入時の半導体基板温
度が、半導体の融点（絶対温度）の１５％に相当する温
度以下でかつ液体窒素の温度よりは高い一定温度になる
ように制御する。そのため、イオン注入時の半導体基板
８の温度を基板８に設けられた熱電対１５で測定し、熱
電対１５からの信号を信号処理装置１６に送り、基板８
の温度が上記の一定温度からずれた場合、信号処理装置
１６は電子冷却装置１４用の電源１７の出力を調整して
基板８の温度を上記の一定温度に制御する。電子冷却装
置１４の代りに冷凍サイクルの冷媒蒸発器をステージ１
０内に設けて冷却をしてもよい。

【００２０】図２は、半導体基板に添加物イオンを注入
する注入装置の他の実施例の概略図である。図１の各部
と対応する部分は同じ符号で表わし、これらの部分の構
造、作用について重複した説明は省略する。本実施例に
おいては半導体基板８を支持しているステージ１０はそ
の内部に導入されている液体窒素１８によって冷却さ
れ、半導体基板８を冷却する。半導体基板８には図１と
同様に添加物イオン２が注入される。このイオン注入
時、半導体基板８の温度が図１の実施例の場合と同じ一
定温度になるように制御する。そのためには、本実施例
では、イオン注入時の基板８の温度は基板８に設けられ
た熱電対１５で測定され、熱電対１５からの信号は信号
処理装置１６に送られ、基板８の温度が上記一定温度か
らずれた場合には、信号処理装置１６は半導体基板８に
対向設置されたヒータ２０の電源１９の出力を調整しヒ
ータ２０の発熱量を調整することによって半導体基板１
８の温度を上記一定温度に制御する。

【００２１】図３は、自己イオン（半導体と同じ物質の
イオン）と添加物イオンとの注入により半導体を非晶質
化させて半導体素子を製造する実施例の概略図であり、
図３において、図１の各部と同様の部分は同じ符号で示
し、これらの部分の構造、作用について重複した説明は
省略する。本実施例においては、自己イオン注入用の加
速器２２を用いて半導体基板８に自己イオンを注入す
る。その後、添加物イオン注入用の加速器２３を用いて
添加物イオンを半導体基板８に注入し、注入領域を非晶
質化する。イオン注入中の基板８の温度は図１の実施例
の場合と同様とし、その温度制御の仕方も図１の場合と
同様である。上記自己イオンの注入および添加物イオン
の注入は、それら両者の注入量の合計によって、始めて
先述の非晶質化の臨界線量が達成され、その時に始めて
非晶質化が起る様になされる。図９は、本実施例に関
し、半導体基板がシリコンである場合に、自己イオンと
してシリコンイオンを、また添加物イオンとしてボロン
イオンを注入し、両者の注入量の合計を臨界線量と等し
くするための両者の注入量の相関を示す図であり、縦軸
がシリコンイオンの注入量、横軸がボロンイオンの注入
量であり、線Ｌは両者の注入量の合計が臨界線量に等し
くなる様な線を示している。

【００２２】図４はミキシング法により半導体基板に電
極を形成する実施例の概略図である。ステージ１０に固
定された半導体基板８に蒸着源２４より蒸発された電極
用の金属を蒸着する。この場合、基板８にはマスク９を
被せてあり所要領域のみに蒸着が行なえる。均一に金属
膜を蒸着させるためにステージ１０を回転させることに
よって基板８を回転させる。蒸着膜厚は、基板８上に設
置された水晶発振器２５を用いて制御する。すなわち、
基板８に蒸着された膜厚によって該水晶発振器２５の周
波数が変化するので、その周波数から蒸着膜厚が測定で
き、これに基づいて蒸着膜厚が所定になるように制御す
る。このようにして電極用金属を所定の膜厚になる様に
蒸着した後、蒸着領域にイオン加速器２６を用いて半導
体の自己イオンを照射することによって、前記の蒸着さ
れた電極用金属と半導体基板８のミキシングを行ない化
合物を形成する。ミキシング時には、基板８の温度は図
１の実施例の場合と同じ温度に且つ同じ制御の仕方で制
御される。

【００２３】なお、図３、図４に示した実施例において
も、図２に示した実施例と同様な手段で半導体基板の冷
却および温度制御をする如く構成してもよい。

【００２４】次に、本発明を利用して、Ｎ型シリコン基
板８中にＰＮＰ接合を形成し、電極を取付けるまでの製
造プロセスの１例を図５で説明する。まず、フォトマス
ク９を被せたＮ型シリコン基板８を冷却して−３０℃に
する。この基板温度は、イオン注入中一定になるように
する。この様に基板８を冷却しながら、ボロンイオン２
７を１×１０¹³個注入する。ボロンイオン２７の注入
後、マスク９を除去し、次に、電極設置部以外に新たな
マスク９’を被せ、電極用金属としてモリブデン２８を
電極設置部に０．５μｍ蒸着する。その後、６００ｋｅ
Ｖシリコンイオン２９を１×１０¹³個照射し、モリブデ
ン２８とシリコン基板８をミキシングして両者の界面に
モリブデンシリサイド３１を形成する。このようにして
エミッタ３２、コレクタ３３、ベース３４部の電極を形
成する。電極形成後、マスク９’を取り除き、８５０℃
で１時間アニールし、モリブデンシリサイド３１の領域
を安定させ、かつ照射欠陥を除去する。

【００２５】本発明を利用して、Ｎ型シリコン基板８中
にＰＮＰ接合を形成し、電極を取付けるまでの製造プロ
セスの他の１例を図６で説明する。まず、フォトマスク
９を被せたシリコン基板８を冷却して−３０℃にする。
この基板温度はイオン注入中一定になるようにする。こ
の様に基板８を冷却しながら、シリコンイオン２９を
４．９×１０¹⁵個注入し、この注入後、ボロンイオン２
７を１×１０¹³個注入しＰ層３０を形成する。この注入
領域３０は非晶質となる。次に、マスク９を除去し、電
極設置部以外に新たなマスク９’を被せ、電極設置部に
電極用金属としてモリブデン２８を０．５μｍ蒸着す
る。その後、６００ｋｅＶシリコンイオン２９を１×１
０¹³個照射し、モリブデン２８とシリコン基板８をミキ
シングして両者の界面にモリブデンシリサイド３１を形
成する。このようにしてエミッタ３２、コレクタ３３、
ベース３４部の電極を形成する。電極形成後、６００℃
で２時間アニールし、モリブデンシリサイド３１の領域
を安定させ、かつ照射領域の再結晶化を図る。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、半導体基板への添加物
イオン注入をする場合に、イオン注入によって形成され
る照射欠陥が低減されるので、その除去が容易になる。
その結果、アニール時の添加物の拡散の抑制、半導体デ
バイスの高集積化を図ることが可能になる。また、半導
体基板を液体窒素やヘリウムの温度まで冷却する必要が
なく、半導体素子の製造が安価で且つ容易になる。

【００２７】また、電極をイオンビームミキシング法を
用いて半導体基板に形成する場合も、上記イオン注入の
場合と同様に照射欠陥が低減され、その除去が容易にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明により添加物イオンを注入する実施例を
示す図。

【図２】本発明により添加物イオンを注入する他の実施
例を示す図。

【図３】本発明により、自己イオン注入後、添加物イオ
ンを注入する実施例を示す図。

【図４】本発明により半導体基板に電極を形成する実施
例を示す図。

【図５】本発明を利用した低温イオン注入によるＰＮＰ
接合製造プロセスを示す図。

【図６】本発明を利用した非晶質化プロセスによるＰＮ
Ｐ接合製造プロセスを示す図。

【図７】二つの異なる温度でイオン注入後アニールした
場合の半導体基板の模式的断面図。

【図８】アニール後シリコン基板中に残存する欠陥領域
の幅のイオン注入温度依存性を示す実験グラフの図。

【図９】シリコンにシリコンイオンとボロンイオンを注
入し、両者の注入量の合計を臨界線量とする際の注入量
の相関を示す図。

【符号の説明】

１…イオン源 ２…添加物イオン ３…引出電極 ４…分析マグネッ
ト ５…加速管 ６…四重極レンズ ７…偏向レンズ ８…半導体基板 ９…フォトマスク １０…ステージ １１…真空容器 １２…真空ポンプ １３…回転駆動モータ １４…電子冷却装
置 １５…熱電対 １６…信号処理装
置 １７…電子冷却用電源 １８…液体窒素 １９…ヒータ用電源 ２０…ヒータ ２２…自己イオン注入用加速器 ２３…添加物イオ
ン注入用加速器 ２４…蒸着源 ２５…水晶発振器 ２６…ミキシングイオン用加速器 ２７…ボロンイオ
ン ２８…モリブデン ２９…シリコンイ
オン ３０…Ｐ層 ３１…モリブデン
シリサイド ３２…エミッタ ３３…コレクタ ３４…ベース

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 橋本素行 茨城県日立市森山町1168番地 株式会社 日立製作所エネルギー研究所内 (72)発明者 大和田 伸朗 東京都青梅市今井2326 株式会社日立製 作所デバイス開発センター内 (56)参考文献 特開 平４−162618（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−147617（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−261060（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−160010（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−137318（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−33651（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/265 H01L 21/28

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板に、半導体の自己イオンを半
   導体の非晶質化の臨界線量に達しない程度に注入した後
   に、添加物イオンを注入し、これら両者のイオンの注入
   量の合計を上記臨界線量に達せしめることによって半導
   体基板のイオン注入領域を非晶質化することを特徴とす
   る半導体基板への添加物イオン注入方法。
2. 【請求項２】 前記半導体基板の温度を、絶対温度で表
   わされた半導体の融点の１５％に相当する温度以下で且
   つ液体窒素の温度よりは高い温度範囲内の一定温度に制
   御しながら、自己イオンおよび添加物イオンの注入を行
   うことを特徴とする請求項１記載の半導体基板への添加
   物イオン注入方法。