JP4045642B2 - 半導体デバイスの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体基板にドーパント（添加不純物）を注入してｐｎ接合を形成して半導体デバイス（半導体装置）を製造する方法に関し、より具体的には、ｐｎ接合の接合深さを浅くする、即ち浅いｐｎ接合を実現する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７に、半導体デバイス、具体的にはＦＥＴ（電界効果トランジスタ）、より具体的にはＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ形電界効果トランジスタ）の製造工程の一例を簡略化して示す。
【０００３】
まず半導体基板（例えばシリコン基板）２を用意し、その表面に酸化膜（例えばＳiＯ2 膜）４を形成する（図７Ａ）。また、トランジスタ形成領域を分離する（即ち素子分離用の）酸化膜３も形成する。
【０００４】
次に、酸化膜４の表面にゲート電極（例えばポリシリコン膜）６を形成する（図７Ｂ）。
【０００５】
次にゲート電極６およびその下の酸化膜４を所望のパターンでエッチングしてパターン形成する（図７Ｃ）。このパターン形成には、通常はレジストを用いるが、ここではその塗布および除去工程を省略して示している。
【０００６】
次に、ゲート電極６をパターンマスクとして用いて、半導体基板２に、より具体的にはそのゲート電極６の両側に、ドーパントのイオン（ドーパントイオン）１２を注入する（図７Ｄ）。これが注入工程である。ドーパントは、例えば、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａs ）等である。
【０００７】
その結果、半導体基板２の表層部であってゲート電極６および酸化膜４の両側に、二つの不純物注入層１４が形成される（図７Ｅ）。この不純物注入層１４は、例えば、ドーパントイオン１２としてホウ素を注入した場合はｐ形になり、リンまたはヒ素を注入した場合はｎ形になる。半導体基板２が例えばｎ形の場合、ｐ形の不純物注入層１４を形成することによってｐｎ接合が形成され、一方の不純物注入層１４がソース、他方の不純物注入層１４がドレインとなり、ｐチャネル形ＭＯＳＦＥＴが形成される。半導体基板２が例えばｐ形の場合、ｎ形の不純物注入層１４を形成することによってｐｎ接合が形成され、ｎチャネル形ＭＯＳＦＥＴが形成される。
【０００８】
しかし、ドーパントイオン１２を注入した半導体基板２は、そのままでは、▲１▼欠陥の存在、▲２▼注入ドーパントの多くが置換位置になくキャリヤになっていない（即ち活性化されていない）、等の理由で非常に高い表面比抵抗特性を示すので、注入後、半導体基板２に対して加熱処理（アニール）を行う（図７Ｆ）。これがアニール工程である。これによって、▲１▼上記欠陥の低減による結晶性の回復と、▲２▼注入ドーパントの活性化とが行われる。
【０００９】
以上によって、例えば図８に拡大して示すような構造の半導体デバイス、この例ではＭＯＳＦＥＴが作られる。ゲート電極６の下の、ソースとなる不純物注入層１４とドレインとなる不純物注入層１４との間の領域１８はチャネルと呼ばれる。各不純物注入層１４とその下の半導体基板２との境界部１６は接合部と呼ばれる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような半導体デバイスのサイズ（面方向の寸法）を小さくすることによって、ＩＣ（集積回路）等の高集積化、高機能化、高速動作化等が容易になる。また、半導体デバイス１単位当たりの低価格化を図ることができる。
【００１１】
半導体デバイスの面方向のサイズを小さくするためには、その深さ方向も浅くする必要があり、ｐｎ接合の接合深さも浅くする必要がある。その理由を図８を参照して説明すると、この半導体デバイスの面方向のサイズを小さくすると、必然的にチャネル１８の長さ（チャネル長）Ｌも小さくなる。このチャネル長Ｌを小さくして、ｐｎ接合の接合深さＤ（半導体基板２の表面から各不純物注入層１４と半導体基板２との接合部１６までの深さ）を大きくしたままだと、ゲート電極６に印加した電圧による電界がチャネル１８に十分に印加されなくなり、トランジスタとして十分に機能しなくなる。それを防止するために、上述したように、面方向のサイズを小さくするためには接合深さＤを浅くする必要がある。例えば、接合深さＤはチャネル長Ｌの約１／３以下にする必要がある。近年は、例えば、０．３μｍ以下の、更には０．１μｍ以下の浅い接合を作る必要が出てきている。
【００１２】
半導体デバイスのｐｎ接合の接合深さを浅くするために、従来から、▲１▼ドーパントイオンの半導体基板への注入飛程を小さくするために、ドーパントイオンの加速エネルギーを小さくして注入する低エネルギーイオン注入技術、および▲２▼注入されたドーパントの活性化アニール時にドーパントが深さ方向に拡散するのを防止するために、高速で昇温し、かつ短時間でアニールを終了する高速昇温短時間アニール技術が提案されている。
【００１３】
シリコン基板に対する典型的なドーパントは、前述したように、ホウ素、リン、ヒ素等であるが、その内でも特にホウ素は、原子質量が軽いので注入飛程が深くなりやすく、しかも原子サイズが小さいのでアニール時の異常拡散によって接合深さが深くなりやすいという課題がある。
【００１４】
上記▲１▼の低エネルギーイオン注入技術の課題を説明すると、浅い接合を作るために注入イオンの加速エネルギーを小さくすると、（イ）空間電荷効果によってイオンビームが広がりやすくなり、ビーム輸送効率が低下して半導体基板に到達するビーム量が減少する、（ロ）イオン源から引き出せるイオンビーム電流（ビーム量）が減少する、等の理由によってスループットが低下する。上記（ロ）の理由は、イオン源から引き出せるイオンビーム電流Ｉは、周知のように、引出し電圧Ｖe の３／２乗に比例し（即ちＩ∝Ｖe3/2）、注入イオンのエネルギーを小さくするためにはこの引出し電圧Ｖe を小さくする必要があるからである。例えば、０．３μｍ以下の浅い接合を作ろうとすると、ホウ素原子イオン注入の場合、当該イオンのエネルギーを１０ｋｅＶ程度以下に下げる必要があり、０．１μｍ以下の接合の場合は数ｋｅＶ程度以下に下げる必要があり、その程度にエネルギーを下げると、ビーム電流が非常に減少してしまう。
【００１５】
上記のようなビーム量低下を防止するために、ホウ素原子イオンではなくＢＦ2 分子イオンを注入する技術も試みられている。このようにすると、ホウ素原子１個が持つ運動エネルギーはホウ素質量数／全質量数（即ち１１／４９）に下がり、ホウ素の実効的なエネルギーが下がるので、イオンビームの加速エネルギーをあまり下げずにホウ素の注入深さを浅くすることができる。しかしこの技術では、フッ素も同時に注入され、このフッ素がホウ素と同時に図８の例で言えばゲート電極６中にも注入され、このフッ素注入の影響で、ゲート電極６中のホウ素が酸化膜４を通してチャネル１８に拡散してしまうという課題がある。そのようになると、チャネル１８のホウ素密度が高くなり過ぎて、当該ＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧を変化させ、トランジスタ特性を損なう。
【００１６】
一方、上記▲２▼の高速昇温短時間アニール技術の課題を説明すると、あまり昇温速度を上げると半導体基板が熱応力によって破損する恐れがあるので、昇温速度を上げるには自ずから限度がある。例えば、現状では４００℃／秒程度が限度である。また、４００℃／秒程度の昇温速度を実現する場合には、多数の加熱ランプ（これは加熱炉よりも高速昇温が可能である）を一様に配置しなければならず、加熱装置が大型になる。半導体基板のサイズが大きくなると加熱装置は一層大型になる。しかも、半導体基板以外の周りへ与える熱的影響も非常に大きくなる。その結果、アニール用の加熱装置が非常に大型化かつ複雑化するので、実用的でなくなる。
【００１７】
そこでこの発明は、上記のような低エネルギーイオン注入技術および高速昇温短時間アニール技術を用いなくても、浅いｐｎ接合を容易に作ることができる半導体デバイスの製造方法を提供することを主たる目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る製造方法の一つは、ドーパントの注入工程において、半導体基板にドーパントのイオンおよび水素イオンを注入し、かつアニール工程後の半導体基板の冷却速度を２℃／分〜５００℃／分の範囲内にすることを特徴としている（請求項１）。
【００１９】
この方法によれば、アニール後の半導体基板の不純物注入層におけるドーパントの密度分布よりも、ドーパントが活性化されたキャリヤの密度分布の方が浅くなり、それによって接合深さが浅くなることが確かめられた。これは、ドーパントのイオンおよび水素イオンを半導体基板に注入し、その後アニールすることによって、水素誘起欠陥が主としてドーパントの拡散フロント付近に生成され、これによってドーパントの拡散フロント付近においてドーパントの活性化が抑制され、キャリヤ密度が低下するからであると考えられる。
【００２０】
なお、半導体基板の結晶回復が十分行われる条件（温度および時間）でアニールを行えば、活性化されなかったドーパントは、結晶の格子点にない原子として結晶内に残留するだけであるので、接合深さの不安定要因とはならないのは、通常のイオン注入の場合と同様である。また、不純物注入層における接合部付近以外の領域におけるドーパントは、アニールによって水素が抜け出してほぼ１００％活性化されるので、不純物注入層の抵抗値が高くなる等の問題は起こらない。
【００２１】
上記方法によれば、前述したような低エネルギーイオン注入技術および高速昇温短時間アニール技術を用いなくても、浅いｐｎ接合を容易に作ることができる。例えば、接合深さが０．３μｍ程度以下の浅い接合を作ることも可能になる。
【００２２】
その結果、低エネルギーイオン注入技術の場合と違って、半導体基板に注入するイオンビーム量の低下を容易に防ぐことができるので、半導体デバイス製造のスループット低下を防止することができる。またＢＦ2 分子イオン注入技術の場合と違って、トランジスタのしきい値電圧を変化させてトランジスタ特性を損なうという問題を惹き起こす恐れもない。
【００２３】
更に、高速昇温短時間アニール技術の場合と違って、半導体基板が熱応力によって破損するという問題を惹き起こす恐れがない。また、アニール用の加熱装置が大型化かつ複雑化することを防止することができる。
【００２４】
水素の注入は、半導体基板にドーパントの水素化物分子イオンを注入する方法で行っても良いし（請求項２）、当該水素化物分子イオンおよび水素イオンを同時に注入する方法で行っても良い（請求項３）。
【００２５】
上記各方法において、他の条件を同じにした場合、水素の注入量を多くするほど、接合深さが浅くなることが確かめられた。従って、請求項４記載の発明のように、水素の注入量を制御することによって、ドーパント等のイオンの加速エネルギーを変えなくても、接合深さを制御することができる。
【００２６】
ドーパントの水素化物分子イオンを質量分離した後に半導体基板に注入しても良い（請求項５）。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に示す実施例は、前述した注入工程およびアニール工程に相当するものである。
【００３１】
図５に示すような非質量分離型のイオン注入装置を用いて、かつ半導体基板２の一例としてシリコン基板を用いて、それにイオンビーム２２を照射してイオン注入を行った。この図５のイオン注入装置は、イオン源２０から引き出したイオンビーム２２を、後述する図６の装置の場合とは違って、質量分離マグネットによって質量分離を行わずにそのまま半導体基板２に照射する装置である。２４は半導体基板２を保持するホルダである。
【００３２】
イオン源２０は、この例では、導入されたイオン源ガス２１を高周波放電によって電離させて高周波プラズマを生成する高周波イオン源であり、この高周波プラズマから、引出し電極系（図示省略）によってイオンビーム２２が所定のエネルギーに加速されて引き出される。イオン源ガス２１には、この例では水素希釈のジボラン（Ｂ2Ｈ6 ）を用いた。ジボラン濃度と高周波（１３．５６ＭＨｚ）の投入電力の組み合わせは表１のとおりとした。
【００３３】
【表１】
【００３４】
上記イオン源２０から、イオンビーム２２として、ジボランイオンと水素イオンとの混合イオンビームを引き出して、それを混合イオンビームのままシリコン基板２に注入した。その場合、イオンビームの加速エネルギー（注入エネルギー）を５ｋｅＶ、１０ｋｅＶおよび２５ｋｅＶに変えてみた。また、イオン源ガス２１中のジボラン濃度と高周波投入電力を表１のように変えることによって、イオンビーム２２中に含まれるジボラン系イオン（Ｂ2Ｈn 、ｎ＝０〜６）の合計の成分比を、９８％、８２％および４３％と変化させた。換言すれば、イオンビーム２２中に含まれる水素イオンの成分比を２％、１８％および５７％と変化させた。またシリコン基板へのホウ素原子の単位面積当たりの注入量は２．６×１０15ｃｍ-2とした。これらの注入条件を表２にまとめて示す。
【００３５】
【表２】
【００３６】
上記注入条件２、５、８、即ち注入エネルギー１０ｋｅＶ、水素イオン成分比２％、１８％、５７％でシリコン基板にイオン注入した後、１０００℃３０分間のアニールを行った後のシリコン基板の深さ方向のホウ素（Ｂ）原子とホウ素（Ｂ）キャリヤの密度分布の測定結果を図１に示す。ここで、キャリヤ密度分布は、ファンデルパウ（van der Pauw）法によって、抵抗とホール係数を深さ方向に求めて測定した。原子密度分布は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって求めた。以下の実施例においても同様である。
【００３７】
図１から、水素イオン成分比がいずれの場合も、ドーパント（Ｂ原子）の密度分布よりも、ドーパントが活性化されたキャリヤ（Ｂキャリヤ）の密度分布の方が浅くなっていて、接合深さが浅くなっていることが分かる。シリコン基板の表面近くではホウ素原子密度とホウ素キャリヤ密度とは大差ない。通常、キャリヤ密度が１０17〜１０18ｃｍ-3辺りを、不純物注入層とシリコン基板との接合部と考えることができる。以下の実施例においても同様である。
【００３８】
しかも、水素イオン成分比が増えるほど、即ち水素イオンの注入量を多くするほど、接合深さが浅くなっていることが分かる。従って、水素イオンの注入量を制御することによって、ドーパントイオンの加速エネルギーを変えなくても、接合深さをある程度自在に制御することができる。
【００３９】
次に、図５に示したのと同様の装置を用いて、表２の注入条件１、即ち注入エネルギー５ｋｅＶ、水素イオン成分比２％でシリコン基板にイオン注入した後、１０００℃３０分間のアニール後、当該シリコン基板の冷却速度を５９℃／分、３２℃／分および１．６℃／分と変えた場合のシリコン基板の深さ方向のホウ素キャリヤの密度分布の測定結果を図２に示す。この図２には、比較のために、質量分離型のイオン注入装置でホウ素（Ｂ）イオンのみを質量分離してシリコン基板に注入してアニール後、３２℃／分の冷却速度で冷却した場合のキャリヤ密度分布をも示す（＋印）。
【００４０】
図２から、アニール後の冷却速度を速くするほど、キャリヤ密度分布が浅くなって接合深さが浅くなることが分かる。従って、アニール後の冷却速度を制御することによって、ドーパントイオンの加速エネルギーを変えなくても、また注入水素量を変えなくても、接合深さをある程度自在に制御することができる。最もゆっくり冷却した１．６℃／分の場合でも、ホウ素イオンのみを注入して３２℃／分で冷却した場合よりも接合深さは浅くなっており、水素イオン注入を併用した効果が表れている。
【００４１】
不純物注入層に水素が存在すると、なぜホウ素の活性化が抑制されるかを図３を参照して説明する。図３は、図２の場合と同じ条件で注入およびアニール後、５９℃／分と１．６℃／分の冷却速度で冷却したシリコン基板のラマンスペクトルである。速く冷却した場合は、ラマンスペクトルの強度が小さくなっている。これは、シリコン基板内に点欠陥が多く存在することを示している。
【００４２】
シリコン基板を高温に加熱してアニールした時にシリコン基板中に水素が存在すると、水素とシリコンが結合した点欠陥が生成すると考えられる。その後、ゆっくり冷却した場合には、水素の拡散消滅と、その後の欠陥位置へのホウ素の置き換えによる活性化（即ちキャリヤ化）とが同時に進む。従って、ホウ素キャリヤの密度分布はホウ素原子の密度分布に近くなる。
【００４３】
これに対して、速く冷却すると、水素の拡散消滅が進んでも、その後の欠陥位置にホウ素が置き換えられて活性化する前にアニールが終了するので、欠陥が残存する可能性が高くなる。しかも、アニール時にホウ素の拡散フロント（拡散の最前線）が広がってゆくときに拡散フロント付近に内部電界が発生し、この電界によって水素イオンが拡散フロント付近に集積して水素密度の高い領域を作り、この領域では特に、水素誘起欠陥密度が高くなってホウ素のキャリヤ化が抑制されるものと考えられる。これが原因で、キャリヤ密度分布が浅くなるものと考えられる。
【００４４】
従って、アニール後のシリコン基板の冷却速度を、不純物注入層から水素が拡散消滅する位に遅く、しかしホウ素の拡散フロント付近のみには水素が集積する位に速くすることにより、換言すれば水素が主として不純物注入層におけるドーパントの拡散フロント付近のみに集積して水素誘起欠陥を作る程度の冷却速度にすることにより、主としてホウ素の拡散フロント付近のみにおいてホウ素の活性化が抑制され、キャリヤ密度が低下するので、接合深さを浅くすることに一層効果があると言える。
【００４５】
アニール後の冷却速度は、具体的には、図２から分かるように、少なくとも２℃／分程度以上で接合深さを浅くする効果があり、３０℃／分程度以上にすればより顕著な効果が生じる。冷却速度の上限は、不純物注入層内全体に水素が残存して水素誘起欠陥が残るのを避けるために、５００℃／分以下にするのが好ましく、１００℃／分以下がより好ましい。即ち、アニール後の冷却速度は、接合深さを効果的に浅くするためには、２℃／分〜５００℃／分の範囲内にするのが好ましく、３０℃／分〜１００℃／分の範囲内にするのがより好ましい。
【００４６】
なお、水素イオン成分比が２％の場合、水素は主にＢ2Ｈn （ｎ＝１〜６）の形でホウ素との分子イオンの形でシリコン基板に注入されているので、ＳＩＭＳ測定で求めた図４に示す例のように、注入直後（即ちアニール前）は、水素は表面付近にも多く存在する。この場合の注入イオンのイオン種の詳細な成分比は、Ｂ2Ｈn が７８％あり、その内でＢ2Ｈ5 がほぼ４０％で、Ｂ2Ｈ5 ＞Ｂ2Ｈ2
＞Ｂ2Ｈ4 ＞その他の順になっていた。この図４は、注入エネルギーが１０ｋｅＶのものであるが、他の注入エネルギーの場合もこれとほぼ同様の傾向を示す。このように注入直後に水素が表面付近に多く存在しても、アニール後にシリコン基板を適度な冷却速度で冷却すると、水素は、上述したようにホウ素の拡散フロント付近に集積してホウ素の活性化を抑制し、接合深さを浅くすることに寄与するものと考えられる。
【００４７】
ところで、上記水素イオンは、ドーパントイオンと共に同時に注入しても良いし、ドーパントイオンとは別に、例えば相前後して、注入しても良い。要は、ドーパントおよび水素が不純物注入層に存在（注入）すれば良いからである。
【００４８】
また、ドーパントの水素化物分子イオンの形で注入しても良い。例えば、ドーパントがホウ素であれば、Ｂ2Ｈn （ｎ＝１〜６）イオン、リンであればＰＨn （ｎ＝１〜３）イオン、ヒ素であればＡsＨn （ｎ＝１〜３）イオンの形で注入しても良い。そのようにすれば、ドーパントと水素とを同時に注入することができるので、注入が容易になる。また、水素の注入量が、水素化物分子イオンの組成（より具体的にはその結合水素原子個数ｎ）によって原理的に決まるので、注入水素量制御がより正確になると共に再現性も良くなる。
【００４９】
また、前記水素化物分子イオンおよび水素イオンを同時に注入しても良い。図５に示したイオン注入装置は、非質量分離型であるので、ドーパントの水素化物分子イオン（例えば前述したＢ2Ｈn イオン）および水素イオンを同時に注入することになる。このようにすると、水素の注入量を簡単に広範囲に制御することが可能になる。また、質量分離マグネットを用いる必要がないので、大面積のイオン注入が容易になると共に、イオン注入装置の簡素化および低コスト化を図ることが可能になる。
【００５０】
ホウ素以外のドーパントを注入する場合は、イオン源ガス２１として、前述したジボランまたは水素希釈のジボラン以外のガスを用いれば良い。例えば、リンを注入する場合は、ホスフィン（ＰＨ3 ）または水素希釈のホスフィンを用い、ヒ素を注入する場合は、アルシン（ＰＨ3 ）または水素希釈のアルシンを用いれば良い。
【００５１】
また、図６に示すような質量分離型のイオン注入装置を用いて半導体基板２にイオンビーム２２を照射してイオン注入を行っても良い。この図６のイオン注入装置は、例えば上述したようなイオン源２０からリボン状の（幅広の）イオンビーム２２を引き出してそれを質量分離マグネット２６および分析スリット２８を通して質量分離して一定の質量を有するイオン種のみを選別した後に半導体基板２に照射するよう構成されている。ホルダ２４および半導体基板２は、駆動機構３０によって、イオンビーム２２の幅方向に直交する方向Ｙに往復直線駆動される。これによって、半導体基板２の全面に均一にイオンビーム２２が照射されるようになる。
【００５２】
イオン源２０に供給されるイオン源ガス２１は、例えば、図５の例の場合と同様であるが、このイオン注入装置の場合は、前述したように、質量分離マグネット２６によって、ドーパントの水素化物分子イオンの内の一定の質量を有する水素化物分子イオンのみを分離（選別）して半導体基板２に注入することができる。例えば、Ｂ2Ｈn イオン（ｎは１、２、３、４、５または６）、ＰＨn イオン（ｎは１、２または３）、またはＡsＨn （ｎは１、２または３）の内の一定のｎ（結合水素原子個数）を有する水素化物分子イオンのみを分離して注入することができる。
【００５３】
このように質量分離を行って、ドーパントの水素化物分子イオンの内の一定の質量のイオンのみを半導体基板２に注入すると、ドーパント注入量と水素注入量とを一定に再現性良く制御することができるため、注入後のアニール温度およびアニール後の冷却速度を管理することにより、浅い接合を、より設計通りに、かつより再現性良く形成することができる。
【００５４】
また、質量分離マグネット２６によって選別するイオン種を変える、より具体的には結合水素原子個数ｎの異なるイオン種を選別することによって、ドーパントと共に注入される水素の量を正確に制御することができるので、これによって接合深さを制御することも可能である。具体的には、結合水素原子個数ｎの大きいイオン種を選択するほど、注入水素量が多くなるので、前述した図１およびその説明からも分かるように、接合深さを浅くすることが可能になる。
【００５５】
【発明の効果】
この発明は、上記のとおり構成されているので、次のような効果を奏する。
【００５６】
請求項１〜３記載の発明によれば、ドーパントおよび水素の注入によって、アニール後の半導体基板の不純物注入層におけるドーパントの密度分布よりも、ドーパントが活性化されたキャリヤの密度分布の方が浅くなり、それによって接合深さが浅くなる。従って、前述したような低エネルギーイオン注入技術および高速昇温短時間アニール技術を用いなくても、浅いｐｎ接合を容易に作ることができる。
特に、アニール工程後の半導体基板の冷却速度を２℃／分〜５００℃／分の範囲内にすることによって、水素が主として不純物注入層におけるドーパントの拡散フロント付近に集積して主として当該拡散フロント付近に水素誘起欠陥を作るようになり、それによって主としてドーパントの拡散フロント付近のみにおいてドーパントの活性化が抑制され、キャリヤ密度が低下するので、接合深さを浅くすることに一層効果がある。しかも、接合部以外の領域における水素誘起欠陥生成を抑制してキャリヤ密度低下、抵抗値上昇を一層効果的に抑制することができる。
【００５７】
その結果、低エネルギーイオン注入技術の場合と違って、半導体基板に注入するイオンビーム量の低下を容易に防ぐことができるので半導体デバイス製造のスループット低下を防止することができる。また、ＢＦ2 分子イオン注入技術の場合と違って、トランジスタのしきい値電圧を変化させてトランジスタ特性を損なうという問題を惹き起こす恐れもない。
【００５８】
更に、高速昇温短時間アニール技術の場合と違って、半導体基板が熱応力によって破損するという問題を惹き起こす恐れがない。また、アニール用の加熱装置が大型化かつ複雑化することを防止することができる。
【００５９】
請求項２記載の発明によれば、ドーパントの水素化物分子イオンを注入することによって、ドーパントと水素とを同時に注入することができるので、注入が容易になる。また、水素の注入量が、水素化物分子イオンの組成（より具体的にはその結合水素原子個数）によって理論的に決まるので、注入水素量制御がより正確になると共に再現性も良くなる。このような更なる効果を奏する。
【００６０】
請求項３記載の発明によれば、ドーパントの水素化物分子イオンおよび水素イオンを同時に注入するので、水素の注入量を簡単に広範囲に制御することが可能になる。また、質量分離マグネットを用いる必要がないので、大面積のイオン注入が容易になると共に、イオン注入装置の簡素化および低コスト化を図ることが可能になる。このような更なる効果を奏する。
【００６１】
請求項４記載の発明によれば、水素の注入量を制御することによって、ドーパント等のイオンの加速エネルギーを変えなくても、接合深さを制御することができる、という更なる効果を奏する。
【００６２】
請求項５記載の発明によれば、質量分離を行ってドーパントの水素化物分子イオンの内の一定の質量のイオンのみを半導体基板に注入するので、ドーパント注入量と水素注入量とを一定に再現性良く制御することができ、その結果、浅い接合を、より設計通りに、かつより再現性良く形成することが可能になる。また、水素化物分子イオンの内で、結合水素原子個数の異なるイオン種を選別する（質量分離する）ことによって、ドーパントと共に注入される水素の量を正確に制御することができるので、これによって接合深さを制御することも可能になる。このような更なる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】水素イオン成分比を変えて注入水素量を変えた場合のアニール後のホウ素原子の密度分布およびホウ素キャリヤの密度分布の一例を示す図である。
【図２】アニール後の冷却速度を変えた場合のホウ素キャリヤの密度分布の一例を示す図である。
【図３】アニール後の冷却速度を変えた場合のシリコン基板のラマンスペクトルの一例を示す図である。
【図４】注入直後のホウ素原子および水素原子の密度分布の一例を示す図である。
【図５】非質量分離型のイオン注入装置の一例を示す概略図である。
【図６】質量分離型のイオン注入装置の一例を示す概略図である。
【図７】半導体デバイスの製造工程の一例を簡略化して示す図である。
【図８】半導体デバイスの一例を拡大して示す概略断面図である。
【符号の説明】
２ 半導体基板
４ 酸化膜
６ ゲート電極
１２ ドーパントイオン
１４ 不純物注入層
２０ イオン源
２２ イオンビーム
２６ 質量分離マグネット
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体基板にドーパント（添加不純物）を注入してｐｎ接合を形成して半導体デバイス（半導体装置）を製造する方法に関し、より具体的には、ｐｎ接合の接合深さを浅くする、即ち浅いｐｎ接合を実現する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７に、半導体デバイス、具体的にはＦＥＴ（電界効果トランジスタ）、より具体的にはＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ形電界効果トランジスタ）の製造工程の一例を簡略化して示す。
【０００３】
まず半導体基板（例えばシリコン基板）２を用意し、その表面に酸化膜（例えばＳiＯ2 膜）４を形成する（図７Ａ）。また、トランジスタ形成領域を分離する（即ち素子分離用の）酸化膜３も形成する。
【０００４】
次に、酸化膜４の表面にゲート電極（例えばポリシリコン膜）６を形成する（図７Ｂ）。
【０００５】
次にゲート電極６およびその下の酸化膜４を所望のパターンでエッチングしてパターン形成する（図７Ｃ）。このパターン形成には、通常はレジストを用いるが、ここではその塗布および除去工程を省略して示している。
【０００６】
次に、ゲート電極６をパターンマスクとして用いて、半導体基板２に、より具体的にはそのゲート電極６の両側に、ドーパントのイオン（ドーパントイオン）１２を注入する（図７Ｄ）。これが注入工程である。ドーパントは、例えば、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａs ）等である。
【０００７】
その結果、半導体基板２の表層部であってゲート電極６および酸化膜４の両側に、二つの不純物注入層１４が形成される（図７Ｅ）。この不純物注入層１４は、例えば、ドーパントイオン１２としてホウ素を注入した場合はｐ形になり、リンまたはヒ素を注入した場合はｎ形になる。半導体基板２が例えばｎ形の場合、ｐ形の不純物注入層１４を形成することによってｐｎ接合が形成され、一方の不純物注入層１４がソース、他方の不純物注入層１４がドレインとなり、ｐチャネル形ＭＯＳＦＥＴが形成される。半導体基板２が例えばｐ形の場合、ｎ形の不純物注入層１４を形成することによってｐｎ接合が形成され、ｎチャネル形ＭＯＳＦＥＴが形成される。
【０００８】
しかし、ドーパントイオン１２を注入した半導体基板２は、そのままでは、▲１▼欠陥の存在、▲２▼注入ドーパントの多くが置換位置になくキャリヤになっていない（即ち活性化されていない）、等の理由で非常に高い表面比抵抗特性を示すので、注入後、半導体基板２に対して加熱処理（アニール）を行う（図７Ｆ）。これがアニール工程である。これによって、▲１▼上記欠陥の低減による結晶性の回復と、▲２▼注入ドーパントの活性化とが行われる。
【０００９】
以上によって、例えば図８に拡大して示すような構造の半導体デバイス、この例ではＭＯＳＦＥＴが作られる。ゲート電極６の下の、ソースとなる不純物注入層１４とドレインとなる不純物注入層１４との間の領域１８はチャネルと呼ばれる。各不純物注入層１４とその下の半導体基板２との境界部１６は接合部と呼ばれる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような半導体デバイスのサイズ（面方向の寸法）を小さくすることによって、ＩＣ（集積回路）等の高集積化、高機能化、高速動作化等が容易になる。また、半導体デバイス１単位当たりの低価格化を図ることができる。
【００１１】
半導体デバイスの面方向のサイズを小さくするためには、その深さ方向も浅くする必要があり、ｐｎ接合の接合深さも浅くする必要がある。その理由を図８を参照して説明すると、この半導体デバイスの面方向のサイズを小さくすると、必然的にチャネル１８の長さ（チャネル長）Ｌも小さくなる。このチャネル長Ｌを小さくして、ｐｎ接合の接合深さＤ（半導体基板２の表面から各不純物注入層１４と半導体基板２との接合部１６までの深さ）を大きくしたままだと、ゲート電極６に印加した電圧による電界がチャネル１８に十分に印加されなくなり、トランジスタとして十分に機能しなくなる。それを防止するために、上述したように、面方向のサイズを小さくするためには接合深さＤを浅くする必要がある。例えば、接合深さＤはチャネル長Ｌの約１／３以下にする必要がある。近年は、例えば、０．３μｍ以下の、更には０．１μｍ以下の浅い接合を作る必要が出てきている。
【００１２】
半導体デバイスのｐｎ接合の接合深さを浅くするために、従来から、▲１▼ドーパントイオンの半導体基板への注入飛程を小さくするために、ドーパントイオンの加速エネルギーを小さくして注入する低エネルギーイオン注入技術、および▲２▼注入されたドーパントの活性化アニール時にドーパントが深さ方向に拡散するのを防止するために、高速で昇温し、かつ短時間でアニールを終了する高速昇温短時間アニール技術が提案されている。
【００１３】
シリコン基板に対する典型的なドーパントは、前述したように、ホウ素、リン、ヒ素等であるが、その内でも特にホウ素は、原子質量が軽いので注入飛程が深くなりやすく、しかも原子サイズが小さいのでアニール時の異常拡散によって接合深さが深くなりやすいという課題がある。
【００１４】
上記▲１▼の低エネルギーイオン注入技術の課題を説明すると、浅い接合を作るために注入イオンの加速エネルギーを小さくすると、（イ）空間電荷効果によってイオンビームが広がりやすくなり、ビーム輸送効率が低下して半導体基板に到達するビーム量が減少する、（ロ）イオン源から引き出せるイオンビーム電流（ビーム量）が減少する、等の理由によってスループットが低下する。上記（ロ）の理由は、イオン源から引き出せるイオンビーム電流Ｉは、周知のように、引出し電圧Ｖe の３／２乗に比例し（即ちＩ∝Ｖe3/2）、注入イオンのエネルギーを小さくするためにはこの引出し電圧Ｖe を小さくする必要があるからである。例えば、０．３μｍ以下の浅い接合を作ろうとすると、ホウ素原子イオン注入の場合、当該イオンのエネルギーを１０ｋｅＶ程度以下に下げる必要があり、０．１μｍ以下の接合の場合は数ｋｅＶ程度以下に下げる必要があり、その程度にエネルギーを下げると、ビーム電流が非常に減少してしまう。
【００１５】
上記のようなビーム量低下を防止するために、ホウ素原子イオンではなくＢＦ2 分子イオンを注入する技術も試みられている。このようにすると、ホウ素原子１個が持つ運動エネルギーはホウ素質量数／全質量数（即ち１１／４９）に下がり、ホウ素の実効的なエネルギーが下がるので、イオンビームの加速エネルギーをあまり下げずにホウ素の注入深さを浅くすることができる。しかしこの技術では、フッ素も同時に注入され、このフッ素がホウ素と同時に図８の例で言えばゲート電極６中にも注入され、このフッ素注入の影響で、ゲート電極６中のホウ素が酸化膜４を通してチャネル１８に拡散してしまうという課題がある。そのようになると、チャネル１８のホウ素密度が高くなり過ぎて、当該ＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧を変化させ、トランジスタ特性を損なう。
【００１６】
一方、上記▲２▼の高速昇温短時間アニール技術の課題を説明すると、あまり昇温速度を上げると半導体基板が熱応力によって破損する恐れがあるので、昇温速度を上げるには自ずから限度がある。例えば、現状では４００℃／秒程度が限度である。また、４００℃／秒程度の昇温速度を実現する場合には、多数の加熱ランプ（これは加熱炉よりも高速昇温が可能である）を一様に配置しなければならず、加熱装置が大型になる。半導体基板のサイズが大きくなると加熱装置は一層大型になる。しかも、半導体基板以外の周りへ与える熱的影響も非常に大きくなる。その結果、アニール用の加熱装置が非常に大型化かつ複雑化するので、実用的でなくなる。
【００１７】
そこでこの発明は、上記のような低エネルギーイオン注入技術および高速昇温短時間アニール技術を用いなくても、浅いｐｎ接合を容易に作ることができる半導体デバイスの製造方法を提供することを主たる目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る製造方法の一つは、ドーパントの注入工程において、半導体基板にドーパントのイオンおよび水素イオンを注入し、かつアニール工程後の半導体基板の冷却速度を２℃／分〜５００℃／分の範囲内にすることを特徴としている（請求項１）。
【００１９】
この方法によれば、アニール後の半導体基板の不純物注入層におけるドーパントの密度分布よりも、ドーパントが活性化されたキャリヤの密度分布の方が浅くなり、それによって接合深さが浅くなることが確かめられた。これは、ドーパントのイオンおよび水素イオンを半導体基板に注入し、その後アニールすることによって、水素誘起欠陥が主としてドーパントの拡散フロント付近に生成され、これによってドーパントの拡散フロント付近においてドーパントの活性化が抑制され、キャリヤ密度が低下するからであると考えられる。
【００２０】
なお、半導体基板の結晶回復が十分行われる条件（温度および時間）でアニールを行えば、活性化されなかったドーパントは、結晶の格子点にない原子として結晶内に残留するだけであるので、接合深さの不安定要因とはならないのは、通常のイオン注入の場合と同様である。また、不純物注入層における接合部付近以外の領域におけるドーパントは、アニールによって水素が抜け出してほぼ１００％活性化されるので、不純物注入層の抵抗値が高くなる等の問題は起こらない。
【００２１】
上記方法によれば、前述したような低エネルギーイオン注入技術および高速昇温短時間アニール技術を用いなくても、浅いｐｎ接合を容易に作ることができる。例えば、接合深さが０．３μｍ程度以下の浅い接合を作ることも可能になる。
【００２２】
その結果、低エネルギーイオン注入技術の場合と違って、半導体基板に注入するイオンビーム量の低下を容易に防ぐことができるので、半導体デバイス製造のスループット低下を防止することができる。またＢＦ2 分子イオン注入技術の場合と違って、トランジスタのしきい値電圧を変化させてトランジスタ特性を損なうという問題を惹き起こす恐れもない。
【００２３】
更に、高速昇温短時間アニール技術の場合と違って、半導体基板が熱応力によって破損するという問題を惹き起こす恐れがない。また、アニール用の加熱装置が大型化かつ複雑化することを防止することができる。
【００２４】
水素の注入は、半導体基板にドーパントの水素化物分子イオンを注入する方法で行っても良いし（請求項２）、当該水素化物分子イオンおよび水素イオンを同時に注入する方法で行っても良い（請求項３）。
【００２５】
上記各方法において、他の条件を同じにした場合、水素の注入量を多くするほど、接合深さが浅くなることが確かめられた。従って、請求項４記載の発明のように、水素の注入量を制御することによって、ドーパント等のイオンの加速エネルギーを変えなくても、接合深さを制御することができる。
【００２６】
ドーパントの水素化物分子イオンを質量分離した後に半導体基板に注入しても良い（請求項５）。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に示す実施例は、前述した注入工程およびアニール工程に相当するものである。
【００３１】
図５に示すような非質量分離型のイオン注入装置を用いて、かつ半導体基板２の一例としてシリコン基板を用いて、それにイオンビーム２２を照射してイオン注入を行った。この図５のイオン注入装置は、イオン源２０から引き出したイオンビーム２２を、後述する図６の装置の場合とは違って、質量分離マグネットによって質量分離を行わずにそのまま半導体基板２に照射する装置である。２４は半導体基板２を保持するホルダである。
【００３２】
イオン源２０は、この例では、導入されたイオン源ガス２１を高周波放電によって電離させて高周波プラズマを生成する高周波イオン源であり、この高周波プラズマから、引出し電極系（図示省略）によってイオンビーム２２が所定のエネルギーに加速されて引き出される。イオン源ガス２１には、この例では水素希釈のジボラン（Ｂ2Ｈ6 ）を用いた。ジボラン濃度と高周波（１３．５６ＭＨｚ）の投入電力の組み合わせは表１のとおりとした。
【００３３】
【表１】
上記イオン源２０から、イオンビーム２２として、ジボランイオンと水素イオンとの混合イオンビームを引き出して、それを混合イオンビームのままシリコン基板２に注入した。その場合、イオンビームの加速エネルギー（注入エネルギー）を５ｋｅＶ、１０ｋｅＶおよび２５ｋｅＶに変えてみた。また、イオン源ガス２１中のジボラン濃度と高周波投入電力を表１のように変えることによって、イオンビーム２２中に含まれるジボラン系イオン（Ｂ2Ｈn 、ｎ＝０〜６）の合計の成分比を、９８％、８２％および４３％と変化させた。換言すれば、イオンビーム２２中に含まれる水素イオンの成分比を２％、１８％および５７％と変化させた。またシリコン基板へのホウ素原子の単位面積当たりの注入量は２．６×１０15ｃｍ-2とした。これらの注入条件を表２にまとめて示す。
【００３５】
【表２】
上記注入条件２、５、８、即ち注入エネルギー１０ｋｅＶ、水素イオン成分比２％、１８％、５７％でシリコン基板にイオン注入した後、１０００℃３０分間のアニールを行った後のシリコン基板の深さ方向のホウ素（Ｂ）原子とホウ素（Ｂ）キャリヤの密度分布の測定結果を図１に示す。ここで、キャリヤ密度分布は、ファンデルパウ（van der Pauw）法によって、抵抗とホール係数を深さ方向に求めて測定した。原子密度分布は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって求めた。以下の実施例においても同様である。
【００３７】
図１から、水素イオン成分比がいずれの場合も、ドーパント（Ｂ原子）の密度分布よりも、ドーパントが活性化されたキャリヤ（Ｂキャリヤ）の密度分布の方が浅くなっていて、接合深さが浅くなっていることが分かる。シリコン基板の表面近くではホウ素原子密度とホウ素キャリヤ密度とは大差ない。通常、キャリヤ密度が１０17〜１０18ｃｍ-3辺りを、不純物注入層とシリコン基板との接合部と考えることができる。以下の実施例においても同様である。
【００３８】
しかも、水素イオン成分比が増えるほど、即ち水素イオンの注入量を多くするほど、接合深さが浅くなっていることが分かる。従って、水素イオンの注入量を制御することによって、ドーパントイオンの加速エネルギーを変えなくても、接合深さをある程度自在に制御することができる。
【００３９】
次に、図５に示したのと同様の装置を用いて、表２の注入条件１、即ち注入エネルギー５ｋｅＶ、水素イオン成分比２％でシリコン基板にイオン注入した後、１０００℃３０分間のアニール後、当該シリコン基板の冷却速度を５９℃／分、３２℃／分および１．６℃／分と変えた場合のシリコン基板の深さ方向のホウ素キャリヤの密度分布の測定結果を図２に示す。この図２には、比較のために、質量分離型のイオン注入装置でホウ素（Ｂ）イオンのみを質量分離してシリコン基板に注入してアニール後、３２℃／分の冷却速度で冷却した場合のキャリヤ密度分布をも示す（＋印）。
【００４０】
図２から、アニール後の冷却速度を速くするほど、キャリヤ密度分布が浅くなって接合深さが浅くなることが分かる。従って、アニール後の冷却速度を制御することによって、ドーパントイオンの加速エネルギーを変えなくても、また注入水素量を変えなくても、接合深さをある程度自在に制御することができる。最もゆっくり冷却した１．６℃／分の場合でも、ホウ素イオンのみを注入して３２℃／分で冷却した場合よりも接合深さは浅くなっており、水素イオン注入を併用した効果が表れている。
【００４１】
不純物注入層に水素が存在すると、なぜホウ素の活性化が抑制されるかを図３を参照して説明する。図３は、図２の場合と同じ条件で注入およびアニール後、５９℃／分と１．６℃／分の冷却速度で冷却したシリコン基板のラマンスペクトルである。速く冷却した場合は、ラマンスペクトルの強度が小さくなっている。これは、シリコン基板内に点欠陥が多く存在することを示している。
【００４２】
シリコン基板を高温に加熱してアニールした時にシリコン基板中に水素が存在すると、水素とシリコンが結合した点欠陥が生成すると考えられる。その後、ゆっくり冷却した場合には、水素の拡散消滅と、その後の欠陥位置へのホウ素の置き換えによる活性化（即ちキャリヤ化）とが同時に進む。従って、ホウ素キャリヤの密度分布はホウ素原子の密度分布に近くなる。
【００４３】
これに対して、速く冷却すると、水素の拡散消滅が進んでも、その後の欠陥位置にホウ素が置き換えられて活性化する前にアニールが終了するので、欠陥が残存する可能性が高くなる。しかも、アニール時にホウ素の拡散フロント（拡散の最前線）が広がってゆくときに拡散フロント付近に内部電界が発生し、この電界によって水素イオンが拡散フロント付近に集積して水素密度の高い領域を作り、この領域では特に、水素誘起欠陥密度が高くなってホウ素のキャリヤ化が抑制されるものと考えられる。これが原因で、キャリヤ密度分布が浅くなるものと考えられる。
【００４４】
従って、アニール後のシリコン基板の冷却速度を、不純物注入層から水素が拡散消滅する位に遅く、しかしホウ素の拡散フロント付近のみには水素が集積する位に速くすることにより、換言すれば水素が主として不純物注入層におけるドーパントの拡散フロント付近のみに集積して水素誘起欠陥を作る程度の冷却速度にすることにより、主としてホウ素の拡散フロント付近のみにおいてホウ素の活性化が抑制され、キャリヤ密度が低下するので、接合深さを浅くすることに一層効果があると言える。
【００４５】
アニール後の冷却速度は、具体的には、図２から分かるように、少なくとも２℃／分程度以上で接合深さを浅くする効果があり、３０℃／分程度以上にすればより顕著な効果が生じる。冷却速度の上限は、不純物注入層内全体に水素が残存して水素誘起欠陥が残るのを避けるために、５００℃／分以下にするのが好ましく、１００℃／分以下がより好ましい。即ち、アニール後の冷却速度は、接合深さを効果的に浅くするためには、２℃／分〜５００℃／分の範囲内にするのが好ましく、３０℃／分〜１００℃／分の範囲内にするのがより好ましい。
【００４６】
なお、水素イオン成分比が２％の場合、水素は主にＢ2Ｈn （ｎ＝１〜６）の形でホウ素との分子イオンの形でシリコン基板に注入されているので、ＳＩＭＳ測定で求めた図４に示す例のように、注入直後（即ちアニール前）は、水素は表面付近にも多く存在する。この場合の注入イオンのイオン種の詳細な成分比は、Ｂ2Ｈn が７８％あり、その内でＢ2Ｈ5 がほぼ４０％で、Ｂ2Ｈ5 ＞Ｂ2Ｈ2
＞Ｂ2Ｈ4 ＞その他の順になっていた。この図４は、注入エネルギーが１０ｋｅＶのものであるが、他の注入エネルギーの場合もこれとほぼ同様の傾向を示す。このように注入直後に水素が表面付近に多く存在しても、アニール後にシリコン基板を適度な冷却速度で冷却すると、水素は、上述したようにホウ素の拡散フロント付近に集積してホウ素の活性化を抑制し、接合深さを浅くすることに寄与するものと考えられる。
【００４７】
ところで、上記水素イオンは、ドーパントイオンと共に同時に注入しても良いし、ドーパントイオンとは別に、例えば相前後して、注入しても良い。要は、ドーパントおよび水素が不純物注入層に存在（注入）すれば良いからである。
【００４８】
また、ドーパントの水素化物分子イオンの形で注入しても良い。例えば、ドーパントがホウ素であれば、Ｂ2Ｈn （ｎ＝１〜６）イオン、リンであればＰＨn （ｎ＝１〜３）イオン、ヒ素であればＡsＨn （ｎ＝１〜３）イオンの形で注入しても良い。そのようにすれば、ドーパントと水素とを同時に注入することができるので、注入が容易になる。また、水素の注入量が、水素化物分子イオンの組成（より具体的にはその結合水素原子個数ｎ）によって原理的に決まるので、注入水素量制御がより正確になると共に再現性も良くなる。
【００４９】
また、前記水素化物分子イオンおよび水素イオンを同時に注入しても良い。図５に示したイオン注入装置は、非質量分離型であるので、ドーパントの水素化物分子イオン（例えば前述したＢ2Ｈn イオン）および水素イオンを同時に注入することになる。このようにすると、水素の注入量を簡単に広範囲に制御することが可能になる。また、質量分離マグネットを用いる必要がないので、大面積のイオン注入が容易になると共に、イオン注入装置の簡素化および低コスト化を図ることが可能になる。
【００５０】
ホウ素以外のドーパントを注入する場合は、イオン源ガス２１として、前述したジボランまたは水素希釈のジボラン以外のガスを用いれば良い。例えば、リンを注入する場合は、ホスフィン（ＰＨ3 ）または水素希釈のホスフィンを用い、ヒ素を注入する場合は、アルシン（ＰＨ3 ）または水素希釈のアルシンを用いれば良い。
【００５１】
また、図６に示すような質量分離型のイオン注入装置を用いて半導体基板２にイオンビーム２２を照射してイオン注入を行っても良い。この図６のイオン注入装置は、例えば上述したようなイオン源２０からリボン状の（幅広の）イオンビーム２２を引き出してそれを質量分離マグネット２６および分析スリット２８を通して質量分離して一定の質量を有するイオン種のみを選別した後に半導体基板２に照射するよう構成されている。ホルダ２４および半導体基板２は、駆動機構３０によって、イオンビーム２２の幅方向に直交する方向Ｙに往復直線駆動される。これによって、半導体基板２の全面に均一にイオンビーム２２が照射されるようになる。
【００５２】
イオン源２０に供給されるイオン源ガス２１は、例えば、図５の例の場合と同様であるが、このイオン注入装置の場合は、前述したように、質量分離マグネット２６によって、ドーパントの水素化物分子イオンの内の一定の質量を有する水素化物分子イオンのみを分離（選別）して半導体基板２に注入することができる。例えば、Ｂ2Ｈn イオン（ｎは１、２、３、４、５または６）、ＰＨn イオン（ｎは１、２または３）、またはＡsＨn （ｎは１、２または３）の内の一定のｎ（結合水素原子個数）を有する水素化物分子イオンのみを分離して注入することができる。
【００５３】
このように質量分離を行って、ドーパントの水素化物分子イオンの内の一定の質量のイオンのみを半導体基板２に注入すると、ドーパント注入量と水素注入量とを一定に再現性良く制御することができるため、注入後のアニール温度およびアニール後の冷却速度を管理することにより、浅い接合を、より設計通りに、かつより再現性良く形成することができる。
【００５４】
また、質量分離マグネット２６によって選別するイオン種を変える、より具体的には結合水素原子個数ｎの異なるイオン種を選別することによって、ドーパントと共に注入される水素の量を正確に制御することができるので、これによって接合深さを制御することも可能である。具体的には、結合水素原子個数ｎの大きいイオン種を選択するほど、注入水素量が多くなるので、前述した図１およびその説明からも分かるように、接合深さを浅くすることが可能になる。
【００５５】
【発明の効果】
この発明は、上記のとおり構成されているので、次のような効果を奏する。
【００５６】
請求項１〜３記載の発明によれば、ドーパントおよび水素の注入によって、アニール後の半導体基板の不純物注入層におけるドーパントの密度分布よりも、ドーパントが活性化されたキャリヤの密度分布の方が浅くなり、それによって接合深さが浅くなる。従って、前述したような低エネルギーイオン注入技術および高速昇温短時間アニール技術を用いなくても、浅いｐｎ接合を容易に作ることができる。
特に、アニール工程後の半導体基板の冷却速度を２℃／分〜５００℃／分の範囲内にすることによって、水素が主として不純物注入層におけるドーパントの拡散フロント付近に集積して主として当該拡散フロント付近に水素誘起欠陥を作るようになり、それによって主としてドーパントの拡散フロント付近のみにおいてドーパントの活性化が抑制され、キャリヤ密度が低下するので、接合深さを浅くすることに一層効果がある。しかも、接合部以外の領域における水素誘起欠陥生成を抑制してキャリヤ密度低下、抵抗値上昇を一層効果的に抑制することができる。
【００５７】
その結果、低エネルギーイオン注入技術の場合と違って、半導体基板に注入するイオンビーム量の低下を容易に防ぐことができるので半導体デバイス製造のスループット低下を防止することができる。また、ＢＦ2 分子イオン注入技術の場合と違って、トランジスタのしきい値電圧を変化させてトランジスタ特性を損なうという問題を惹き起こす恐れもない。
【００５８】
更に、高速昇温短時間アニール技術の場合と違って、半導体基板が熱応力によって破損するという問題を惹き起こす恐れがない。また、アニール用の加熱装置が大型化かつ複雑化することを防止することができる。
【００５９】
請求項２記載の発明によれば、ドーパントの水素化物分子イオンを注入することによって、ドーパントと水素とを同時に注入することができるので、注入が容易になる。また、水素の注入量が、水素化物分子イオンの組成（より具体的にはその結合水素原子個数）によって理論的に決まるので、注入水素量制御がより正確になると共に再現性も良くなる。このような更なる効果を奏する。
【００６０】
請求項３記載の発明によれば、ドーパントの水素化物分子イオンおよび水素イオンを同時に注入するので、水素の注入量を簡単に広範囲に制御することが可能になる。また、質量分離マグネットを用いる必要がないので、大面積のイオン注入が容易になると共に、イオン注入装置の簡素化および低コスト化を図ることが可能になる。このような更なる効果を奏する。
【００６１】
請求項４記載の発明によれば、水素の注入量を制御することによって、ドーパント等のイオンの加速エネルギーを変えなくても、接合深さを制御することができる、という更なる効果を奏する。
【００６２】
請求項５記載の発明によれば、質量分離を行ってドーパントの水素化物分子イオンの内の一定の質量のイオンのみを半導体基板に注入するので、ドーパント注入量と水素注入量とを一定に再現性良く制御することができ、その結果、浅い接合を、より設計通りに、かつより再現性良く形成することが可能になる。また、水素化物分子イオンの内で、結合水素原子個数の異なるイオン種を選別する（質量分離する）ことによって、ドーパントと共に注入される水素の量を正確に制御することができるので、これによって接合深さを制御することも可能になる。このような更なる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】水素イオン成分比を変えて注入水素量を変えた場合のアニール後のホウ素原子の密度分布およびホウ素キャリヤの密度分布の一例を示す図である。
【図２】アニール後の冷却速度を変えた場合のホウ素キャリヤの密度分布の一例を示す図である。
【図３】アニール後の冷却速度を変えた場合のシリコン基板のラマンスペクトルの一例を示す図である。
【図４】注入直後のホウ素原子および水素原子の密度分布の一例を示す図である。
【図５】非質量分離型のイオン注入装置の一例を示す概略図である。
【図６】質量分離型のイオン注入装置の一例を示す概略図である。
【図７】半導体デバイスの製造工程の一例を簡略化して示す図である。
【図８】半導体デバイスの一例を拡大して示す概略断面図である。
【符号の説明】
２ 半導体基板
４ 酸化膜
６ ゲート電極
１２ ドーパントイオン
１４ 不純物注入層
２０ イオン源
２２ イオンビーム
２６ 質量分離マグネット
Claims (5)
- 半導体基板にドーパントを注入して不純物注入層を形成してｐｎ接合を形成する注入工程と、注入後の前記半導体基板を加熱処理するアニール工程とを備える半導体デバイスの製造方法において、
前記注入工程において前記半導体基板に、前記ドーパントのイオンおよび水素イオンを注入し、かつ前記アニール工程後の半導体基板の冷却速度を２℃／分〜５００℃／分の範囲内にすることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。 - 半導体基板にドーパントを注入して不純物注入層を形成してｐｎ接合を形成する注入工程と、注入後の前記半導体基板を加熱処理するアニール工程とを備える半導体デバイスの製造方法において、
前記注入工程において前記半導体基板に、前記ドーパントの水素化物分子イオンを注入し、かつ前記アニール工程後の半導体基板の冷却速度を２℃／分〜５００℃／分の範囲内にすることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。 - 半導体基板にドーパントを注入して不純物注入層を形成してｐｎ接合を形成する注入工程と、注入後の前記半導体基板を加熱処理するアニール工程とを備える半導体デバイスの製造方法において、
前記注入工程において前記半導体基板に、前記ドーパントの水素化物分子イオンおよび水素イオンを同時に注入し、かつ前記アニール工程後の半導体基板の冷却速度を２℃／分〜５００℃／分の範囲内にすることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。 - 前記半導体基板に注入する水素の量を制御することによって、前記ｐｎ接合の接合深さを制御する請求項１、２または３記載の半導体デバイスの製造方法。
- イオン源から引き出したイオンビームの中から、質量分離手段によって、前記ドーパントの水素化物分子イオンであって一定の質量を有するもののみを分離した後に前記半導体基板に注入する請求項２記載の半導体デバイスの製造方法。
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