JP3638424B2

JP3638424B2 - 半導体装置の製造方法及び半導体製造装置

Info

Publication number: JP3638424B2
Application number: JP00624198A
Authority: JP
Inventors: 恭一須黒; 勝弥奥村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-01-20
Filing date: 1998-01-16
Publication date: 2005-04-13
Anticipated expiration: 2018-01-16
Also published as: JPH10261593A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン注入・その後の熱処理工程に特徴がある半導体装置の製造方法、半導体製造装置、半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、コンピュータや通信機器の重要部分には、多数のトランジスタや抵抗などを電気回路として結びつけ、１チップ上に集積化して形成した大規模集積回路（ＬＳＩ）が多用されている。このため、機器全体の性能は、ＬＳＩ単体の性能と大きく結びついている。ＬＳＩ単体の性能向上は、集積度を高めること、すなわち、素子の微細化により実現できる。
【０００３】
素子の微細化は、ソース・ドレイン拡散層などの拡散層を形成する際のイオン注入とその後の熱処理（アニール）を最適化することにより可能となる。これにより、例えば、0.2 μｍ以下の浅いソース・ドレイン拡散層を有するＭＯＳトランジスタの実現が可能となる。
【０００４】
浅い拡散層を形成するためには、イオン注入の際に不純物原子を浅く分布させることだけでなく、その後の熱処理で不純物が深く拡散しないように少ない熱予算を組むことが必要である。しかし、熱予算を減らすと、結晶欠陥が十分に回復できずに残留することになる。
【０００５】
一方、ＬＳＩの不良解析を行なうと、不良のＬＳＩではセルの一部でＰｎ接合リーク電流が大きく、電荷の保持特性が著しく悪い場合がある。ｐｎ接合リーク電流が大きい場合には、転位などの結晶欠陥が存在する場合が多い。
【０００６】
この種の結晶欠陥は、特にトレンチキャパシタやトレンチ素子分離などの半導体基板に種々の材料が埋め込まれた領域の近くに見つかることが多い。その理由は、異種物質が半導体基板の中に埋め込まれていると、異種物質（埋込物質）と基板半導体の熱膨張率が異なるため、温度の上げ下げに伴い異種物質と半導体基板との界面を中心に熱応力が発生するからである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
半導体基板の強度は、ＬＳＩの工程を経る毎に次第に低下していく。本発明者はその原因を調べるために、ＬＳＩの工程を経る毎に、Ｓｉ基板の機械的強度（Ｓｉ強度基板）とＳｉ基板内部の最大応力（Ｓｉ基板内最大応力）とがどの様に変化するか調べた。
【０００８】
図７に、その結果を示す。図７は、従来の製造方法でＬＳＩを作成した場合の各工程毎におけるＳｉ基板強度とＳｉ基板内最大応力を示している。図中、横軸に代表的なＬＳＩの工程を抽出し、各工程直後におけるＳｉ基板強度を点線で、Ｓｉ基板内最大応力を直線で示した。
【０００９】
図７から、Ｓｉ基板内最大応力は、ＣＶＤ法によるＳｉ₃Ｎ₄膜やＳｉＯ₂膜の成膜工程を経たり、イオン注入後の熱処理工程を経ると、増加することが分かる。ここで、工程の進行に伴ってＳｉ基板内最大応力増加と減少を繰り返してはいるものの、単調増加にはなっていない。
【００１０】
一方、Ｓｉ基板強度は工程を経る毎に概ね単調に減少する。スリップやｐｎ接合特性に大きく影響する欠陥は、図７において、矢印の工程のところで発生しており、そこでは、Ｓｉ基板内最大応力がＳｉ基板強度を上回っていることが分かる。すなわち、定価する一方のＳｉ基板強度に対して変動するＳｉ基板内最大応力が上回った時点で、Ｓｉ基板に塑性変形が生じ、大きな欠陥が発生する。
【００１１】
図７から、Ｓｉ基板強度の大きな低下はイオン注入により起きていることが分かる。その後の熱処理により、注入損傷の回復が起こり、多少Ｓｉ基板強度は高くなっているが、２回目のイオン注入の場合には、その後の熱処理によるＳｉ基板強度の増加は非常に小さくなっている。
Ｓｉ基板強度が低下する理由は以下のように考えられる。
【００１２】
イオン注入を行うと、Ｓｉ基板内に点欠陥（Ｆｒｅｎｋｅｌｄｅｆｅｃｔ型欠陥）が形成される。その後の熱処理により、点欠陥は基本的に回復するが、その一部は結合して転位になる。
【００１３】
ところが、実はイオン注入の工程の間にも、点欠陥が合体して、点欠陥よりも大きい欠陥（欠陥クラスタ）が生じている。欠陥クラスタは、点欠陥よりもエネルギー的に安定なので、イオン注入後の熱処理によって、回復し難く、より大きな転位として残りやすい。このような大きな転位が生じることにより、Ｓｉ基板強度は低下する。この様子を図８に示す。
【００１４】
図８（ａ）は、無冷却または水冷したＳｉ基板３１に２０〜４０ｋｅＶ程度でＡｓイオン３３を３〜５×１０¹⁵ｃｍ^-2程度注入した様子を示している。ビーム電流は１０〜２０ｍＡ程度である。このとき、イオン注入時におけるＳｉ基板３１の表面の温度は２５〜６０℃程度となる。
【００１５】
このイオン注入により最初に生じる欠陥は、ＡｓイオンがＳｉ基板に打ち込まれた瞬間に生じる空孔や格子間原子のような点欠陥である。また、イオンの運動エネルギーの一部は、熱エネルギーに代わるため、点欠陥には熱エネルギーが与えられえる。
【００１６】
この結果、空孔と格子間原子はわずかに移動できるようになる。これにより、準非晶質状態にあるイオン注入層のボトム付近では、空孔と格子間原子との再結合による点欠陥の回復が多少起こるが、同時に空孔同士の結合による欠陥クラスタや、格子間原子同士の結合による欠陥クラスタも生成される。
【００１７】
また、イオン注入分布の裾野（基板側）部分に位置する注入されたイオンは、イオン注入中においても、基板の奥の格子間に拡散しやすく、これによっても欠陥クラスタが形成される。このようにして、点欠陥よりも大きく、エネルギー的により安定な欠陥である欠陥クラスタからなる１次欠陥３２が形成される。
【００１８】
図８（ｂ）は、上記イオン注入後のＳｉ基板３１に８５０℃、３０分の窒素雰囲気中での熱処理を施した様子を示している。図から、１次欠陥３２は概ね回復しているが、その代わりに、１次欠陥３２よりも大きな欠陥である転位ループなどの２次欠陥３４が形成されることがわかる。
【００１９】
図８（ｃ）は、２回目のＡｓのイオン注入を行なった様子を示している。図から、１回目のＡｓイオン注入の場合と同様に、１次欠陥３２が形成されていることが分かる。
【００２０】
図８（ｄ）は、２回目の８５０℃、３０分の窒素雰囲気中での熱処理を行なった様子を示している。図から、１次欠陥３２は回復しているが、２次欠陥３４はより大きな２次欠陥３４’に成長していることが分かる。
【００２１】
Ｓｉ基板強度との層間関係を調べると、Ｓｉ基板強度は１回目のイオン注入で１次欠陥３２が形成された段階で一度低下するが、その後の熱処理で１次欠陥３２が消滅した分だけＳｉ基板強度は増加する。
【００２２】
そして、２回目のイオン注入で再び１次欠陥３２が形成され、Ｓｉ基板強度は大きく低下する。その後の熱処理で１次欠陥３２は回復するが、１回目のイオン注入の場合と異なり、２次欠陥３４が存在しているため、それが核になってより大きな２次欠陥３４’が形成され、Ｓｉ基板強度はほとんど増加しない。
【００２３】
この状態である一定以上の大きさの応力が加われば、２次欠陥３４’（大きな転位）で基板強度の変位が阻害されるため、簡単に塑性変形が起こり、さらに大きな結晶欠陥に成長してｐｎ接合リーク電流の増加などに至る。
【００２４】
すなわち、イオン注入と熱処理を繰り替すと、Ｓｉ基板強度が低下し、やがてＳｉ基板に塑性変形を起こす応力が、Ｓｉ基板内最大応力よりも小さくなり、大きな結晶欠陥が生じ、これによりｐｎ接合リーク電流が増加するなどの問題が生じる。
【００２５】
上述の如く、従来の方法では、Ｓｉ基板にイオン注入をした後、熱処理を行なっても、Ｓｉ基板内の結晶欠陥を効果的に低減できず、イオン注入と熱処理を繰り返すほどＳｉ基板強度が大きく低下するという問題があった。
【００２６】
なお、特開平03-66122に、イオン注入中ウエハステージを低温にする方法が開示されている。更に、特開平04-162618 には、ウエハステージを低温にしてイオン注入した後、急速に加熱する方法が開示されている。しかしながら、これらの従来方法では、完全に結晶欠陥を減少できない。また、イオン注入装置内に残留したＨ₂Ｏが半導体基板表面に悪影響を及ぼす問題があった。
【００２７】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とすることろは、イオン注入とその後の熱処理による半導体基板の機械的強度の低下を防止できる半導体装置の製造方法およびその実施に有効な半導体製造装置を提供することになる。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
［構成］上記目的を達成するために、本発明の半導体装置の製造方法では、ヒートトラップが設けられたエンドステーション内に、前記ヒートトラップによって少なくともその側面の一部が囲まれるように設置された半導体基板に対し、その表面を所定の温度以下の低温に保持した状態で、前記半導体基板にイオンを注入するイオン注入工程と、
１０℃／秒以上で昇温して、前記半導体基板に熱処理を施す熱処理工程とを含み、
前記イオン注入工程および前記熱処理工程を少なくとも２回以上行う工程であって、
前記イオン注入工程では、前記ヒートトラップが前記半導体基板の表面よりも低温であることを特徴とする。
【００２９】
また、本発明の半導体製造装置は、エンドステーション内に収容された半導体基板にイオンを注入するイオン注入手段と、
前記半導体基板の少なくとも側面の一部を囲むように形成され、前記半導体基板の表面よりも低温状態であるヒートトラップを有し、前記半導体基板にイオンを注入する際における、前記半導体基板の表面の温度を所定温度以下の低温に保持する基板温度制御手段と、
前記イオンが注入された前記半導体基板に熱処理を施す熱処理手段とを具備し、前記熱処理手段は、１０℃／秒以上の速度で、７００℃よりも高い温度に加熱する加熱源を備えていることを特徴とする。
【００３１】
［作用］
上述したように、本発明者は、半導体基板の強度がＬＳＩの工程を経る毎に次第に低下していく原因を調べるために、ＬＳＩの工程を経る毎に、Ｓｉ基板強度とＳｉ基板内最大応力とがどの様に変化するか調べた。
【００３２】
その結果、イオン注入と熱処理の繰り返しにより、Ｓｉ基板内に大きな欠陥が形成され、Ｓｉ基板強度が低下することが分かった。そして、このようなＳｉ基板強度の低下により、Ｓｉ基板に塑性変化が起こる臨海応力が、Ｓｉ基板内最大応力よりも小さくなると、大きな結晶欠陥が生じ、これによりｐｎ接合リーク電流が増加するなどの問題が生じる。
【００３３】
そこで、本発明では、前記半導体基板に塑性変化が起きる応力が、前記半導体基板内の最大応力よりも大きくなるように、少なくとも前記イオン注入工程の条件を設定するという構成を取っている。
【００３４】
具体的には、例えば、半導体基板の表面の温度を所定温度以下の低温に保持した状態で、半導体基板にイオンを注入する。さらに半導体基板を設置しているエンドステーション内にヒートトラップを設置する。このヒートトラップは、残留Ｈ₂Ｏに起因する霜が、半導体基板表面に付着するのを防止するため、半導体基板表面より低温状態を形成する。
【００３５】
低温に保持することにより、イオンの運動エネルギーの一部が熱エネルギーに代わっても、点欠陥の移動が起こり難くなるので、空孔同士の結合による欠陥クラスタや、格子間原子同士の再結合による欠陥クラスタの生成は完全に、または十分に抑制される。さらに、ヒートトラップがエンドステーション内にある為、半導体基板表面に霜が付着するのを防止できる。
【００３６】
この結果、イオン注入後の１次欠陥はほぼ点欠陥だけになる。このような１次欠陥は、その後の熱処理により完全に、またはほぼ完全に回復できる。したがって、基板強度の低下を招くような大きな欠陥の発生を防止できる。
【００３７】
さらに、上記条件に加え、熱処理における昇温速度を速くするほうが好ましい。昇温速度を速くすることにより、２次欠陥の形成されやすい温度領域を速やかに過ぎることができるので、２次欠陥の発生をより効果的に抑制できる。これについては、エンドステーション内にヒートトラップを設置することにより、更に効果が得られる。
【００３８】
また、本発明に係る半導体製造装置には、イオン注入時における半導体基板の表面を表面に霜が付着しないように、低温に保持できる。従って、本発明に係る半導体装置の製造方法を容易に実施でき、半導体装置を得ることが可能になる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態（以下、実施形態という）を説明する。
（第１の実施形態）
本発明者は、基板表面への霜付着防止のためヒートトラップを設置したエンドステーション内に、(100) Ｓｉ基板を設置し、２０〜４０keV 程度のＡｓイオンを３×１０¹⁵ｃｍ^-2程度注入した。イオン注入時の基板温度は、−１８０〜２００℃内の８点に設定した。そして、各々についてＲＢＳ（Rutherford Back Spectroscopy）によりＨｅイオンを注入してチャネリング測定を行った。
【００４０】
図１に、その測定結果を示す。図１から、イオン注入直後においては、基板温度が低いほど、欠陥密度は高くなり、結晶性が悪くなることが分かる。しかし、９００℃、３０分の熱処理を行なうと、逆に、基板温度が低いほど、欠陥密度は低くなることが分かる。
【００４１】
特に、イオン注入中も基板温度が２０℃以下の低温の場合には、欠陥密度は十分に低く、そして、基板温度が−１００℃以下の低温の場合には、欠陥密度は測定精度の範囲において０％であることが分かる。
【００４２】
この結果は、基板温度が低いほど原子が動き難いため、イオンの運動エネルギーの一部が熱エネルギーに代わっても、イオン注入直後にバラバラに存在している点欠陥が移動したり、合体することが抑制され、これにより、欠陥クラスタの生成が抑制されることを意味している。
【００４３】
これらのバラバラな点欠陥（１次欠陥）は、欠陥クラスタに比べてエネルギー的に不安定なので、イオン注入後の熱処理により、完全に回復し、注入損傷は修復される。すなわち、イオン注入でアモルファス状態になったＳｉは、ほぼもとの単結晶のＳｉに戻る。
【００４４】
以上述べたように本実施形態によれば、イオン注入時の基板温度を低温に保持することにより、欠陥クラスタの生成を十分に抑制できるので、基板強度の低下を効果的に防止できる。このような基板強度の低下のないＳｉ基板は反りが起こり難く、微細加工に有効なものである。
【００４５】
なお、本実施形態ではＳｉ基板の場合について説明したが、他の半導体基板でも同様に２０℃以下の基板温度では欠陥密度は十分に低く、そして、- １００℃以下の基板温度では欠陥密度は測定精度の範囲において０％になる。
【００４６】
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。本実施形態は、第１の実施形態のイオン注入と熱処理を２回繰り返した例である。
【００４７】
まず、基板表面の温度を室温より低い温度、望ましくは−６０℃以下の温度に保持した状態で、図２（ａ）に示すように、加速エネルギ２０〜４０ｋｅＶ程度、ドーズ量３〜５×10¹⁵ｃｍ^-2の条件で、Ａｓイオン３をＳｉ基板１に注入する。このイオン注入により生じる１次欠陥２は、ＡｓイオンがＳｉ基板１に打ち込まれた瞬間に生じる空孔や格子間原子のような点欠陥である。
【００４８】
ここで、ビーム電流は１０〜２０ｍＡ程度であるが、熱伝導率の高いヒートシンクサセプターを用いることにより、イオン注入中におけるSi基板１の表面の温度が上記温度に保持された状態を実現している。
【００４９】
次に図２( ｂ) に示すように、窒素雰囲気中で８５０〜９００℃程度、３０分の熱処理をＳｉ基板1 に施すと、1 次欠陥2 は完全に回復する。
次に図２( ｃ) に示すように、２回目のイオン注入を行なう。このとき、１回目のイオン注入の場合と同様に、イオン注入中におけるSi基板1 の表面の温度は低温に保持されている。
【００５０】
次に図２( ｄ) に示すように、２回目の熱処理( 窒素雰囲気、８５０〜９００℃、３０分) を行う。
この２回目のイオン注入・熱処理で生じた２次欠陥３は、図２（ｄ）に示すように、小さな転位だけがわずかに残る。
【００５１】
図３に、本実施形態の方法を用いてＬＳＩを作成した場合の工程毎のＳｉ基板の機械的強度（Ｓｉ基板強度）とＳｉ基板内部の最大応力（Ｓｉ基板内最大応力）を示す。尚、Ｓｉ基板強度は点線で、Ｓｉ基板内最大応力は直線で示す。
Ｓｉ基板強度は、１回目のイオン注入で１次欠陥（点欠陥）が生じた段階で一度低下するが、その後の熱処理で１次欠陥が概ね完全に回復し、Ｓｉ基板強度はイオン注入前の状態に復帰している。
【００５２】
そして、２回目のイオン注入で点欠陥が導入されると、またＳｉ基板強度は大きく低下するが、その後の２回目の熱処理により、９０％以上の完全な結晶に回復し、Ｓｉ基板強度は２回目のイオン注入前に近い状態まで復帰している。
【００５３】
これは、２回目の熱処理を行なっても、従来法とは異なり、Ｓｉ基板に大きな欠陥（２次欠陥）が発生することはなかったことを意味している。
本実施形態の２回のイオン注入・熱処理により、図４に示すような０．２μｍ角のｎ⁺／ｐ接合を複数形成し、接合１個当たりの平均リーク電流（ｎＡ／個）を調べた結果、その値は５Ｖ印加次において１０（ｎＡ／個）と低く、従来法に比べて３〜４桁程度低減できた。
【００５４】
なお、本実施形態では、２回のイオン注入・熱処理の場合について説明したが、３回以上のイオン注入・熱処理の場合においても、従来法よりもＳｉ基板強度の低下を効果的に抑制できる。
【００５５】
（第３の実施形態）
一般に、０．２μｍ以下の浅い拡散層、例えば、ソース・ドレイン拡散層を形成する場合、３０分以上の熱処理時間であれば、８００℃以下にすることが必要になる。しかし、熱処理温度が降温であったも、１分以内の短時間であれば、９００〜９５０℃程度の熱処理（高速昇温熱処理）が可能である。本実施形態は、このような高速昇温熱処理と第１の実施形態の低温イオン注入とを組み合わせた例である。
【００５６】
本実施形態によれば、高速昇温熱処理により、結晶欠陥（１次欠陥）が２次欠陥に成長しやすい温度範囲、つまり、６００〜７００℃の温度範囲にとどまっている時間を十分に短くできるため、欠陥密度をより効果的に低くできる。さらに、半導体基板の劣化スピード（工程当たりの基板強度の低下の場合）も低減することができる。
【００５７】
また、このような低温イオン注入と高速昇温熱処理を用いれば、不純物が深く拡散するのを防止できるので、浅い拡散層、例えば、０．２μｍ以下のソース・ドレイン拡散を容易に形成できる。しかも、上述したように、欠陥密度を効果的に低くできるので、ｐｎ接合リーク電流は十分に小さくなる。
【００５８】
なお、イオン注入後の降温昇温熱処理の昇温速度は、１０℃／秒以上、好ましくは５０℃／秒以上である。
【００５９】
（第４の実施形態）
図５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第４の実施形態に係る熱処理機能付き低温イオン注入装置の要部（半導体基板を設置する部分）を示す模式図である。図５( ａ) は装置を上から見た図であり、図５（ｂ）は加熱室をＡ−Ａ’に沿ってみた概略断面図である。
【００６０】
この低温イオン注入装置の要部は、大きく分けて、イオンビーム１０が通過するビームライン１１と、このビームライン１１に開閉バルブ１２を介して接続され、イオンビーム１０が照射される半導体基板（ウエハ）１３をセットし、かつ内部に冷却機構を有するエンドステーション１４と。このエンドステーション１４に搬送室１５を介して接続され、熱処理（ＲＴＡ）を行う加熱室１６とから構成されている。尚、イオンビーム１０はイオン注入手段（不図示）によって形成されている。
【００６１】
エンドステーション１４の冷却機構は、半導体基板１３を載置するサセプタ（不図示）または半導体基板１３を固定して載置する回転ディスク（不図示）に設けられた半導体基板１３を冷却するためのヒートシンク１７と、このヒートシンク１７に冷媒を通過させる配管１８と、ヒートシンク１７よりも表面の温度が低温になっているヒートトラップ１９とから構成されている。
【００６２】
このヒートトラップ１９により、半導体基板１３を冷却しても、排気後にエンドステーション１４内に残留するＨ₂Ｏによる霜が、半導体基板１３に付着することはない。霜の付着は高速昇温熱処理の妨げになるので、防止することが好ましい。
【００６３】
ヒートトラップ１９は、少なくとも半導体基板１３の側面一部を覆うように形成されており、その形状は様々なものが可能である。例えば図５に示したものの代わりに、半導体基板１３を連続的に囲むドーナッツ型、或いは非連続的に囲む形状であっても良い。
【００６４】
このような冷却機構により、半導体基板１３の表面の温度と、半導体基板１３を載置するサセプタまたは回転ディスク等の載置台との温度差を１０℃以内にすることができる。
【００６５】
すなわち、半導体基板１３を載置台と同程度に冷却でき、イオン注入次における半導体基板１３の表面の温度を−１００℃以下の低温に設定することが可能となる。
【００６６】
搬送室１５には排気系（不図示）が設けられており、Ｈ₂Ｏ分圧を１×１０^-6 Torr 以下に設定できるようになっている。上記排気系は例えば液体窒素トラップ付きターボ分子ポンプから構成されたものである。また、搬送室１５内には、エンドステーション１４と同様に、トラップ２０が設けられており、これにより、搬送時に半導体基板１３に霜が生じるのを防止できる。
【００６７】
加熱室１６は、半導体基板１３を高速に昇温できる加熱源を備えている。この加熱源は、例えば、半導体基板１３を直接加熱する基板ヒータや、赤外線または紫外線の照射により半導体基板１３を加熱するヒータである。
本実施形態のイオン注入装置は、冷却機構により、イオン注入時における半導体基板１３の表面の温度を十分に低くできるので、欠陥クラスタの発生を防止することができる。しかも、イオン注入後に半導体基板１３を高速に昇温できるので、その効果は高いものとなる。
【００６８】
したがって、本実施形態のイオン注入装置を用いることにより、基板強度の低下を最小限に抑えたイオン注入・熱処理工程を容易に実施できるようになる。さらに、エンドステーション１４から加熱室１６への半導体基板１３の移しは、真空連続で行なわれるため、イオン注入工程と熱処理工程をそれぞれ別の装置で行なう場合に比べて、信頼性の高いイオン注入・熱処理工程が可能となる。
【００６９】
また、このイオン注入装置の要部は、半導体基板１３に注入されたイオンを測定する測定手段２３、積分機２４、カウンター２５を備えている。これらは、基板１３に注入されたイオンの総量の測定するが、その測定精度は従来よりも高い。理由は、半導体基板１３を低温にすることで基板１３上のレジストマスクからのガス発生を防止できるからである。また、エンドステーション１４にヒートトラップ１９がある為、測定精度は更に保証される。
【００７０】
次に上記の如く構成されたイオン注入装置を用いたイオン注入法について具体的に説明する。
まず、開閉バルブ１２を開いて、エンドステーション１４内にセットされた半導体基板１３にイオンビーム１０を照射する。このとき、冷却機構により、基板温度を他の実施形態と同程度の低温（２０℃以下、好ましくは−１００℃以下）に保持する。また、注入されるイオンによる半導体基板１１のチャージアップを防止するためには、イオン注入中に半導体基板１３の表面にあらかじめ３０ｅＶ以下の低エネルギーの電子を照射することが好ましい。
【００７１】
次にイオン注入による注入損失（１次欠陥）を完全に近い状態まで回復させる、熱処理工程に進む。
すなわち、イオンが注入された半導体基板１１を高真空に排気された搬送室１５を介して真空連続で加熱室１６に移した後、半導体基板１１を例えば７００℃より高い温度に昇温させて、熱処理を行なう。搬送室１５内には、ＡｌＮコートされたウエハハンドラが設けられている（不図示）。ウエハハンドラは、半導体基板１３を保持するために静電力またはウエハ上下の圧力差または機械的なウエハチャックを有している。
【００７２】
このとき、昇温温度は１０℃／秒以上の高速であることが好ましい。昇温速度を高速にする理由は、６００〜７００℃の温度領域を１００℃／分以下の速度で通過すると、イオン注入で生じた１次欠陥が結合して欠陥クラスタが形成されやすく、このような欠陥クラスタが成長してなる２次欠陥は７００℃よりも高い温度の加熱でも回復され難いからである。
【００７３】
なお、本実施形態では、イオン注入終了後に６００〜７００℃程度の中途半端な温度領域を高速で通過させて、７００℃よりも高い温度で熱処理を行なう方法について説明したが、６００℃以下の熱処理により２次欠陥が成長する前に１次欠陥の回復を行なった後に、７００℃よりも高い温度の熱処理により最終的な結晶欠陥の回復を行なっても良い。なお、以上の説明では、イオン注入装置の処理方法については特に説明しなかったが枚葉式、バッチ式のいずれでもよい。枚葉式の場合、ウエハ（半導体基板１３）を１枚ずつイオン注入し、１枚ずつ搬送して、加熱室１６内で１枚ずつ熱処理する。バッチ式の場合には、複数のウエハを同時にイオン注入し、ディスクホイールから複数のウエハをウエハカセットに回収した後に、加熱室用のウエハボートに移載して、複数のウエハを同時に加熱する。
【００７４】
また、本実施形態では、加熱室１６内で熱処理を行なう場合について説明したが、ヒートシンク１７に加熱機構を設け、イオン注入の終了後に、エンドステーション１４内で半導体基板１３を７００℃よりも高い温度に加熱するという熱処理を行なっても良い。
【００７５】
（第５の実施形態）
本実施形態は、第２の実施形態の変形例である。
まず、Ｓｉ基板のうちイオンを注入したくない領域を選択的に覆い、かつＳｉ基板の熱膨張率（約３ｐｐｍ／Ｋ）と同程度の熱膨張率を有するマスクパターン（イオン注入マスク）を形成する。
【００７６】
このようなマスクパターンを用いる理由は、１５ｐｐｍ／Ｋ以上の熱膨張係数のマスクパターンでは、冷却したときに熱応力により剥がれてしまうからである。
【００７７】
次に基板表面の温度を室温より低い温度、望ましくは−６０℃以下の温度に保持した状態で、加速エネルギ２０〜４０ｋｅＶ程度、ドーズ量３〜５×１０¹⁵ｃｍ^-2の条件でＡｓイオン３をＳｉ基板１に注入する。このイオン注入により生じる１次欠陥は、ＡｓイオンがＳｉ基板に打ち込まれた瞬間に生じる空孔や格子間原子のような点欠陥である。
ここで、ビーム電流は１０〜２０ｍＡ程度であるが、熱伝導率の高いヒートシンクサセプターを用いることにより、イオン注入中におけるＳｉ基板の表面の温度が上記温度に保持された状態を実現している。
【００７８】
次に、上記マスクパターン（イオン注入マスク）、およびそれにイオンが照射されて該マスクパターンが削られたことにより生じた、上記マスクパターンの構成材料からなる汚染物質（例えば、Ｃ_xＨ_y）を酸素プラズマ処理で除去する。次に窒素雰囲気中で８５０〜９００℃程度、３０分の熱処理をＳｉ基板に施すと、１次欠陥は完全に回復する。
【００７９】
次に２回目のイオン注入を行なう。このとき、１回目のイオン注入の場合と同様に、イオン注入中におけるＳｉ基板の表面の温度は低温に保持されている。
次に２回目の熱処理（窒素雰囲気、８５０〜９００℃、３０分）を行なう。
【００８０】
この２回目のイオン注入・熱処理で生じた２次欠陥は、小さな転位だけがわずかにあるだけであった。本実施形態でも、第２の実施形態と同様な効果が得られる。また、本実施形態の方法は、例えば、ＣＭＯＳのｎ型ソース・ドレイン拡散層とｐ型ソース・ドレイン拡散層の形成工程において有効である。すなわち、互いに異なる導電型の拡散層をそれぞれ別の工程で形成する場合に有効である。
【００８１】
また、本発明の半導体装置の製造方法を用いれば、２回目のイオン注入・熱処理後も基板強度は５００ＭＰａ以上ある為（図３参照）、最終的に得られる半導体装置の品質を従来より向上できる。例えば、チップに切り分ける際、ダイシングによる悪影響（クラック等）を従来より更に低下できる。例えば、樹脂封止型のパッケージにおいては、樹脂硬化用の加熱時、或いは樹脂が水分吸収することにより、半導体装置（チップ）に加わる力による悪影響を抑制できる。特に、ベアチップ実装は、チップを保護するものが従来より少ない為、その効果は高いと考えられる。
【００８２】
（第６の実施形態）
本実施例は、第４の実施例の応用例である。
最初に、半導体製造装置としての特徴を図面を用いて説明する。
【００８３】
図６は、本発明の第６の実施形態に係るアッシャー及び熱処理機能付き低温イオン注入装置の要部を示す概略平面図である。図５との相違点は、レジスト除去を行うチャンバー２６（アッシャー）が、更に搬送室１５に接続されている点である。本実施形態によれば、外気にさらすことなく、イオン注入、マスク除去、熱処理を連続して行える為、半導体装置の歩留まり・特性を向上することができる。
【００８４】
次に、製造方法を説明する。
最初にＳｉ基板のうちイオンを注入したくない領域を選択的に覆うよう、Ｓｉ基板の熱膨張率（約３ｐｐｍ／Ｋ）と同程度の熱膨張率を有するマスクパターン（イオン注入マスク）を形成する。
【００８５】
次に、イオン注入するために。Ｓｉ基板をエンドステーション１４に設置する。Ｓｉ基板表面より低い温度、望ましくは−６０℃以下の温度に保持した状態で、As、B 、BF₂ 等のイオンをビームラインチャンバー１１を介して注入する。イオン注入後、搬送室15を介しチャンバー26へSi基板を搬送する。そして、Si基板上のマスクを、例えば、Ｏ₂プラズマにて除去する。
【００８６】
続いて、搬送室15を介し加熱室16にSi基板を設置し、熱処理を行う。熱処理条件としては、700 ℃より高い温度に、急速加熱（約50℃/sec. ）するのが好ましい。
【００８７】
本実施形態によれば、半導体基板をイオン注入後、外気にさらすことなくマスクを除去でき、且つ急速加熱できる。よって、イオン注入工程前の状態に半導体基板を回復することができる。
【００８８】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、イオン注入工程中および熱処理工程後の両方において、Ｓｉ基板強度がＳｉ基板内最大応力よりも高くなるように条件を設定したが、イオン注入工程中はＳｉ基板強度がＳｉ基板内最大応力よりも低くなるが、熱処理工程後にはＳｉ基板強度がＳｉ基板内最大応力よりも高くなるように条件を設定してもよい。その他、本発明の技術的範囲において種々変形して実施できる。
【００８９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体基板に塑性変形が起こる臨界応力が、半導体基板内の最大応力よりも大きくなる条件で、少なくともイオン注入工程を行なうことにより、イオン注入工程に起因する半導体基板の機械的強度の低下を効果的に防止できる半導体装置の製造方法を実現できるようになる。
【００９０】
また、本発明によれば、イオン注入時における半導体基板の表面を低温に保持できるので、本発明に係る半導体装置の製造方法を容易に実施できる半導体製造装置を実現できるようになる。
また、本発明によれば、上記半導体装置の製造方法を用いることにより、機械的強度を所定値以上有する半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】イオン注入直後および熱処理後におけるそれぞれの基板温度と欠陥密度との関係を示す図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図。
【図３】第２の実施形態の方法を用いてＬＳＩを作製した場合の工程毎におけるＳｉ基板強度とＳｉ基板内最大応力を示す図。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る熱処理機能付き低温イオン注入装置の要部を示す模式図。
【図５】本発明の第４の実施形態に係る熱処理機能付き低温イオン注入装置の要部を示す模式図。
【図６】本発明の第６の実施形態に係る熱処理機能付き低温イオン注入装置の要部を示す模式図。
【図７】従来の製造方法でＬＳＩを作成した場合の各工程毎におけるＳｉ基板強度とＳｉ基板内最大応力を示す図。
【図８】従来のイオン注入・熱処理方法の問題点を説明するための図。
【符号の説明】
１…Ｓｉ基板
２…１次欠陥
３…２次欠陥
１０…イオンビーム
１１…ビームライン
１２…開閉バルブ
１３…半導体基板
１４…エンドステーション
１５…搬送室
１６…加熱室
１７…ヒートシンク
１８…配管
１９、２０…ヒートトラップ（霜付着防止手段）
２３…測定手段
２４…積分機
２５…カウンター
２６…チャンバー（アッシャー）

Claims

ヒートトラップが設けられたエンドステーション内に、前記ヒートトラップによって少なくともその側面の一部が囲まれるように設置された半導体基板に対し、その表面を所定の温度以下の低温に保持した状態で、前記半導体基板にイオンを注入するイオン注入工程と、
１０℃／秒以上で昇温して、前記半導体基板に熱処理を施す熱処理工程とを含み、
前記イオン注入工程および前記熱処理工程を少なくとも２回以上行う工程であって、
前記イオン注入工程では、前記ヒートトラップが前記半導体基板の表面よりも低温であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記所定の温度は、２０℃であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記所定の温度は、−１００℃であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記熱処理工程は、６００℃から７００℃までの温度領域を１０℃／秒以上で昇温し、７００℃よりも高い温度で熱処理を行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
エンドステーション内に収容された半導体基板にイオンを注入するイオン注入手段と、
前記半導体基板の少なくとも側面の一部を囲むように形成され、前記半導体基板の表面よりも低温状態であるヒートトラップを有し、前記半導体基板にイオンを注入する際における、前記半導体基板の表面の温度を所定温度以下の低温に保持する基板温度制御手段と、
前記イオンが注入された前記半導体基板に熱処理を施す熱処理手段とを具備し、前記熱処理手段は、１０℃／秒以上の速度で、７００℃よりも高い温度に加熱する加熱源を備えていることを特徴とする半導体製造装置。
前記基板温度制御手段は、前記エンドステーション内に設けられており、前記熱処理手段は、内部に前記半導体基板の表面よりも低温であるトラップが設けられた搬送室を介して、前記エンドステーションと接続された加熱室内に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の半導体製造装置。
前記半導体基板を選択的に覆うように形成されたマスクパターンを除去するマスク除去手段をさらに具備し、前記マスク除去手段は、前記搬送室を介して接続されたチャンバー内に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の半導体製造装置。
前記所定の温度は、２０℃であることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか1項に記載の半導体製造装置。
前記所定の温度は、−１００℃であることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか1項に記載の半導体製造装置。
半導体基板を選択的に覆うようにマスクパターンを形成するマスク形成工程と、
前記半導体基板の表面を所定の温度以下の低温に保持した状態で、前記マスクパターンによって表面が選択的に覆われた前記半導体基板に、イオンを注入するイオン注入工程と、
前記イオン注入工程の後に、前記マスクパターンを除去するマスク除去工程と、
１０℃／秒で昇温して、前記半導体基板に熱処理を施す熱処理工程とを具備し、
前記マスク形成工程、イオン注入工程、マスク除去工程および前記熱処理工程を少なくとも２回以上行う工程であって、
前記マスクパターンの熱膨張係数が１５ｐｐｍ／Ｋより低いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記半導体基板はＳｉ基板であり、前記マスクパターンの熱膨張係数は、Ｓｉ基板と同程度であることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
前記所定の温度は、２０℃であることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
前記所定の温度は、−１００℃であることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
前記熱処理工程は、６００℃から７００℃までの温度領域を１０℃／秒以上で昇温し、７００℃よりも高い温度で行うことを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。