JP5710272B2 - 希釈ガスを用いるエタン注入 - Google Patents
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Description
本発明は、炭素含有種の注入に関し、特に、希釈ガスを用いるエタン注入に関する。
イオン注入は、導電率を変える不純物を半導体ウエハに導入する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、イオンビームは、ウエハ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、半導体材料の大部分に入り込み、半導体材料の結晶格子に埋め込まれて、所望な導電率の領域を形成する。
イオン注入装置は、ガス又は固体材料を良好に規定されたイオンビームに変換するイオン源を含む。イオンビームは、典型的には、不要イオン種を除去するために、質量分析され、所望のエネルギーに加速され、ターゲットに注入される。イオンビームは、静電又は磁気ビーム走査により、ターゲットの移動により、又は、ビーム走査とターゲットの移動との組み合わせにより、ターゲット領域の上に分布させることができる。イオンビームは、長い寸法及び短い寸法を有するスポットビーム又はリボン状ビームとすることができる。
図１を参照するに、選択した材料をドーピングするためのイオンを供給することができる、ビームラインイオン注入装置２００のブロック図を例示してある。当業者は、このビームラインイオン注入装置２００は、選択した材料をドーピングするためのイオンを供給することができる、ビームラインイオン注入装置の多くの例のうちの一つにすぎないことを認識するであろう。
一般に、ビームラインイオン注入装置２００は、イオンビーム２８１を形成するイオンを生成するためのイオン源２８０を含む。イオン源２８０は、イオンチャンバ２８３及びイオン化すべきガスを収容できるガスボックスを含むことができる。ガスは、それをイオン化するイオンチャンバ２８３へ供給される。イオンは、アーク電圧として知られる電圧をイオンチャンバの電極間に印加することにより作られる。さらに、磁界が、イオン化粒子の動きを制御するために、与えられる。これは、ソース磁石に電流を流すことにより達成される。前記ガスは、いくつかの実施態様では、ヒ素、ホウ素、リン、カルボランC2B10H12又は別の大きい分子化合物とするか、又は、それらを含むことができる。他の実施態様では、前記ガスは、エタンのようなアルカン又は別の原子若しくは分子の炭素含有種とすることができる。このようにして形成されるイオンは、イオンチャンバ２８３から取り出されて、イオンビーム２８１を形成する。イオンビーム２８１は、分解磁石２８２の極間に向けられる。電源がイオン源２８０の引き出し電極に接続されて、高電流イオン注入装置では、例えば約０．２kVと８０kVとの間の可調整電圧を供給する。こうして、イオン源からの一価のイオンが、この可調整電圧により、約０．２keVから８０keVまでのエネルギーに加速される。
イオンビーム２８１は、抑制電極２８４及び接地電極２８５を経て質量分析器２８６と進む。質量分析器２８６は、分解磁石２８２及び分解アパーチャ２８９を有するマスキング電極２８８を含む。分解磁石２８２は、所望イオン種のイオンが、分解アパーチャ２８９を通過するように、イオンビーム２８１内のイオンを偏向させる。不所望なイオン種は、分解アパーチャ２８９を通過しないで、マスキング電極２８８によりブロックされる。一実施態様では、分解磁石２８２は、所望のイオン種を約９０°だけ偏向させる。
所望イオン種のイオンは、分解アパーチャ２８９を通って角度補正磁石２９４へと進む。角度補正磁石２９４は、所望イオン種のイオンを偏向させて、イオンビームを発散イオンビームからほぼ平行なイオンの軌道を有するリボンイオンビーム２１２に変換する。一実施態様では、角度補正磁石２９４は、所望イオン種のイオンを約７０°だけ偏向させる。ビームラインイオン注入装置２００は、いくつかの実施態様では、加速装置又は減速装置をさらに含むことができる。
エンドステーション２１１は、リボンイオンビーム２１２の経路内に、ワークピース１３８のような１つ以上のワークピースを所望イオン種のイオンがワークピース１３８に注入されるように支持する。エンドステーション２１１は、ワークピース１３８を支持する取り付け盤２９５を含むことができる。エンドステーション２１１は、リボンイオンビーム２１２の長い横断面方向に対して垂直にワークピース１３８を動かし、それにより、ワークピース１３８の全表面にイオンを分布させるスキャナー（図示せず）も含むことができる。リボンイオンビーム２１２を例示しているけれども、他の実施態様では、スポットビームとすることができる。
イオン注入装置は、当業者に知られた追加の構成部品を含むことができる。例えば、エンドステーション２１１は、典型的には、ワークピースをビームラインイオン注入装置２００に導入して、イオン注入後にワークピースを取り外すための、自動ワークピース処理装置を含む。エンドステーション２１１は、線量測定システム、電子フラッドガン又は他の既知の構成部品も含むことができる。イオンビームが進行する全経路は、イオン注入の間、排気させることは、当業者に理解されるであろう。ビームラインイオン注入装置２００は、いくつかの実施態様では、イオンのホット又はコールド注入を受け入れることができる。
イオン注入は、ドーパントを基板に導入するのに有効な方法であるが、対処しなければならない不所望な副作用がある。例えば、注入されたイオンが、それら自身を予期した深さよりも深くに分布させることがよくある。これは、イオンが、結晶軸及び結晶構造の対称平面に沿って移動又は導かれる、チャネリングとして知られる現象により引き起こされると考えられている。従って、イオンは、実質上、基板の結晶格子内のほぼ原子間に注入されることになる。このチャネリング効果は、ドーパントをより深く集中させ、これが実効接合深さを増加させている。
従来、この問題を克服するために、ワークピース又は基板には、実際のドーパントを注入する前に、より重い種を注入する。この注入は、プレアモルファス化注入、すなわちPAIとして知られている。典型的には、シリコン又はゲルマニウムのようなより重い種を基板に注入して、シリコン結晶構造をアモルファス層に効果的に変える。アモルファス層は、系統的な結晶構造をしていないため、注入されたイオンが、結晶格子内の原子間に進むことはできない。このアモルファス層は、チャネリングを著しく低減させ、それにより、上記の問題を軽減する。
しかしながら、PAI処理は、欠点がないわけではない。上記シリコン又はゲルマニウムのようなより重い種は、エンドオブレンジで残留欠陥層（EOR欠陥と称される）を引き起こす傾向がある（EOR欠陥と称される）。例えば、ゲルマニウムは、転位の点から見て、大量のダメージをもたらす。さらに、ゲルマニウムは、アニール処理の間に良好に再結晶化しない。これらのEOR欠陥は、得られるCMOSトランジスタに漏損をまねく。接合の深さはますます小さくなるので、この漏損はもっと問題になる。
ある実施態様では、炭素を、別のPAI、典型的にはゲルマニウムとの関連で、共同の注入種として用いることができる。炭素注入の目的は、炭素を、浅いドーパントとPAI注入により引き起こされるEOR損傷との間に位置付けることにある。置換型炭素としても知られるこれらの注入炭素原子は、さもなければ、過渡的増速拡散（TED）及びホウ素格子間クラスター（BIC）形成を引き起こすことになる、アニール処理の間におけるEORから戻る、いくつかの格子間のすきまをブロックすることができる。しかしながら、炭素の注入範囲が、PAI種の範囲と重なることがよくあるため、炭素の注入自体がPAIに寄与することになる。従って、炭素もそれ自体がPAI種として用いられることになる。
炭素は、局所的な圧縮歪みを作り出すために用いることもできる。従って、SiCからソース／ドレインを作り出す場合、炭素注入は、チャンネル内に引っ張り歪みを引き起こすであろう。これは、NMOSの動作を改善することができる。炭素を結晶格子に組み込むには、エピタキシャル成長の使用又は高用量の炭素をシリコン格子に注入することを必要とする。これは、アモルファス化を引き起こすことになり、再成長において、炭素は格子に組み込まれる。
アモルファス化及び応力は、両方とも、半導体の製造にとって重要である。従って、本技術において、炭素含有種を注入する新規かつ改善された方法、特に、エタンを注入する新規かつ改善された方法が必要である。
従来技術の問題は、本開示で説明される方法により解消される。炭素含有種を注入するために、炭素含有ガスを、イオンチャンバ内でイオン化する。この炭素含有ガスのイオン化により、典型的には、多数のイオン化種が生成される。しかしながら、こうして得られるイオン化種の多くは、非炭素原子しか含まないため、所望な注入にとって有益ではない。これらの種は、注入の前に、炭素ベースの種のみを残して、除去しなければならない。しかしながら、所望種の電流は低いので、所望用量の炭素を基板に注入するために、追加のエネルギー又は時間を必要とする。これは、第２のガスの使用により改善することができる。この第２のガスは、イオンチャンバ内でイオン化すべき主要な炭素含有ガスを希釈するために用いる。この希釈ガスを組み込むことにより、得られるイオン化種のより多くが、炭素の注入にとって有益となる。言い換えれば、得られるイオン化種の電流分布を、第２のガスの使用により有利に変更することができる。
本開示をより良く理解するために、本明細書に参照用に組み込まれる添付図面を参照する。
上記のように、炭素を基板に注入するために、典型的には、炭素含有ガスをイオン注入システム２００のイオンチャンバ２８３内でイオン化する。このガスは、エタン及び他の適切なガスのような化学組成CnH2n+2のデカボラン、アルカンに限定されないが、それらを含む多くの種類の内の１つとすることができる。
これらのガスはイオン化されると、多数のイオン化種を生成し、その各々は、炭素含有ガスの中の原子のサブセットを含む。図２は、エタンを処理ガスとして用いてのビームスペクトルを例示するグラフである。本特定例では、エタン（C2H6）を希釈ガスなしで注入した。図２は、多数のピークを示し、各ピークはイオン化種に関連する。各電流の大きさを縦軸に示し、原子質量（AMUで）を横軸に示す。これは、２０sccmのガス流、９０Vのアーク電圧及び４．０Ampsのソース磁石電流を用いて生成した。
ピーク３００、３０１、３０２は、それぞれH+、H2 +、H3 +に対応する。ピーク３０３は、C+に対応し、一方、ピーク３０４、３０５、３０６は、それぞれCH+、CH2 +、CH3 +に対応する。ピーク３０７は、C2 +に対応し、一方、ピーク３０８〜３１２は、それぞれC2H+、C2H2 +、C2H3 +、C2H4 +、C2H5 +に対応する。ピーク３1３は、イオン化エタンに対応する。なお、このグラフは、電流出力の瞬時スナップショットを表わしている。放射されたイオン化種の詳細な研究によると、H1 +は約９．５mA、H2 +は約４．０mA、H3 +は約１．８mA及びC-12は約１．８mAの実際の電流を示した。エタン（C2H6）のピーク３１３は、約０．９mAの最大電流であった。ピーク３１４は、ビームラインイオン注入装置を洗浄するのに用いた残留ガスP+に対応する。
炭素注入の間は、イオン化した炭素のみを、質量分析器２８６及び分解アパーチャ２８９を経て通過させるのが好適である。従って、３０３から３１３までのピークの炭素含有種のみが、基板に注入するために用いられる。なお、これらのピークは、イオン化エタンにより発生される総電流のごく一部を表わしているに過ぎない。他の実施形態では、純炭素のみ（すなわち、ピーク３０３）を、基板に注入するために、質量分析器を経て通過させる。
これらの電流は非常に小さいため、基板中の炭素を所望濃度にするのに、長い注入時間を必要とする。このように、長い注入時間を必要とするため、イオン注入システム２００の効率及び有用性が低減している。従って、炭素含有種の電流を増加すれば、イオン注入システム２００の効率を改善することになり、このようなシステムの有用性を高めることにもなる。
希釈ガスの使用は、特に、プラズマ浸漬システムに使用することが従来知られている。多くの場合、希釈ガスは、その特殊な特性及び基板へのその効果により選択される。例えば、希釈ガスは、堆積した表面層の除去を助けるのに用いられる。フッ素は、表面層に化学的にスパッタすることができるため、希釈ガスとして用いることがよくある。
しかしながら、予想外に、適切な封入希釈ガスを用いることにより、イオンチャンバ内の処理ガスにより形成されるイオン化種の電流分布を変更することができることが分った。言い換えれば、エタン又は他の炭化水素のような処理ガスと一緒に希釈ガスを用いることにより、処理ガスのイオン化を相違させることができる。従って、希釈ガスは、基板へのその効果のために用いるというよりは、むしろ、処理ガスのイオン化に及ぼすその効果のために含められる。
図３は、エタン及びアルゴンを処理ガスとして用いてのビームスペクトルを例示するグラフである。本実施例では、アルゴンをエタンと一緒に、希釈ガスとして導入した。同一の分子組成を有するピークには、図３で同様な番号をつけている。従って、図２の場合と同様に、ピーク３００、３０１、３０２は、それぞれH+、H2 +、H3 +に対応する。このテストは、２３．７sccmのエタン及び１．５sccmのアルゴンのガス流を用いて実施した。さらに、アーク電圧は８０Vとし、ソース磁石電流は０．８Aとした。
これらのイオン化種を詳細に分析したら、エタン注入ビームスペクトルは、H1 +の約２．５mA、H2 +の約２．２mA、H3 +の約１．１mA及びC-12+の約１．７mAの電流を含むことが分った。ビームスペクトルは、Ar+３２５の約３．０mA及びAr+３２０の小さいピークを含む、アルゴンのガスの様々なピークも含んでいた。なお、最大のエタンピーク３１３は、約１．５mAであった。さらに、ピーク３０７〜３１３は増加した。
従って、アルゴンを、エタンと共に、希釈ガスとして導入することにより、様々なイオン化種の電流分布が変更された。エタンのビーム電流は増加した。さらに、全ての炭素含有種に関連するビーム電流、特に、２０より大きいAMUを有する種のビーム電流は増加した。言い換えれば、全てのC2HX種（ｘは０と６の間である）に対するビーム電流は増加した。同時に、水素のビーム電流は減少した。従って、合計で１５mAを超える水素に基づく電流を創出するよりはむしろ、アルゴンの導入により、水素の電流が合計で５．８mAに減少したのである。追加の利点として、アルゴンを希釈ガスとして用いると、イオンビームを最適化するのに必要なアーク電圧及びソース磁石電力も低くすることができることが分った。従って、炭素ベースのイオン種の電流を大きくし、水素ベースのイオン種の電流を減少させるので、イオン注入システム２００は、もっと効率的に使用される。さらに、これらの増加電流は、以前に実施していたものよりも、より低いアーク電圧及びソース磁石電流を用いて創出される。
このプロセスは、エタン以外の他の炭素含有種と共に用いることができる。希釈ガスは、メタン、プロパン又はブタンのような他のアルカンを含むイオンビームにも適用することができるが、例えば、カルボランC2B10H12又はデカボランのような、もっと大きい炭素含有分子にも適用することができる。従って、このプロセスは、エタンだけに限定されず、当業者に知られた任意の炭素含有種に適用することができる。さらに、このプロセスは、アルゴンだけに限定されない。限定はされないが、キセノン又はヘリウムのような他の希ガスも、希釈ガスとして用いることができる。水素も、希釈ガスとして用いることができる。
ビームラインイオン注入装置内のポンプの作動も、エタンのビーム電流を増加し、水素のビーム電流を減少するように設定することができる。例えば、ターボポンプは、イオン注入装置内の水素含有量及びビームスペクトルに現れる水素を減少するように制御することができる。ターボポンプの使用によるビーム電流の操作は、アルゴン希釈ガスと関連して行うことができる。ポンプは、アルゴン希釈ガスを使用せずに、制御することもできる。
本明細書で使用した用語及び表現は、説明の用語として用い、限定の用語として用いてはいない。このような用語及び表現の使用において、示し説明した本特徴の任意の均等物（又はそれらの一部）を除外する意図はない。本特許請求の範囲内において、様々な変更もできることも認識される。他の変更、変形及び代替も可能である。従って、前述の説明は、例示であり、限定を意図するものではない。
Claims (13)
- 炭素含有イオン化種の生成を増加する方法であって、
炭化水素をイオンチャンバ内に供給するステップと、
希ガスを前記イオンチャンバ内に供給するステップと、
前記炭化水素及び前記希ガスをイオン化してイオンビームにするステップであって、前記炭化水素が、前記希ガスの存在により、前記希ガス無しで創出される電流よりも高い、炭素含有イオン化種の電流を前記イオンチャンバ内に創出し、前記希ガス無しで創出される電流よりも低い、水素のみで構成されるイオン化種の電流を前記イオンチャンバ内に創出するステップと、
前記炭素含有イオン化種の質量分析を行うステップと、
前記炭素含有イオン化種を基板に注入するステップと、を有することを特徴とする、炭素含有イオン化種の生成を増加する方法。 - 前記炭化水素は、アルカンを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記炭化水素は、エタンを含む、請求項２に記載の方法。
- 前記希ガスは、アルゴンを含む、請求項１に記載の方法。
- 基板に注入される炭素含有イオン化種の電流を増加する方法であって、
炭化水素をイオン化してイオンビームにするのに適合されるイオンチャンバと、前記イオンビームの選択した種のみを通すのに適合される質量分析器とを備えている、イオン注入システムを利用するステップと、
前記炭化水素を前記イオンチャンバ内に入れるステップと、
希ガスを前記イオンチャンバ内に入れるステップと、
前記炭化水素及び前記希ガスをイオン化するステップであって、前記炭化水素が、前記希ガスの存在により、前記希ガス無しで創出される電流よりも高い、炭素含有イオン化種の電流を前記質量分析器の上流に創出し、前記希ガス無しで創出される電流よりも低い、水素のみで構成されるイオン化種の電流を前記質量分析器の上流に創出するステップと、
前記質量分析器を用いて炭素を含まない種を除去するステップと、を有することを特徴とする、基板に注入される炭素含有イオン化種の電流を増加する方法。 - 前記質量分析器を用いて前記希ガスを含む種を除去するステップをさらに有する、請求項５に記載の方法。
- 前記炭化水素は、アルカンを含む、請求項５に記載の方法。
- 前記炭化水素は、エタンを含む、請求項７に記載の方法。
- 前記希ガスは、アルゴンを含む、請求項５に記載の方法。
- 前記質量分析器を用いて炭素のみで構成されていない種を除去するステップをさらに有する、請求項５に記載の方法。
- 炭素含有イオン化種を基板に注入する方法であって、
エタンをイオン化してイオンビームにするのに適合されるイオンチャンバと、前記イオンビームの選択した種のみを通すのに適合される質量分析器とを備えている、イオン注入システムを利用するステップと、
エタンを前記イオンチャンバ内に供給するステップと、
アルゴンを前記イオンチャンバ内に供給するステップと、
エタン及びアルゴンをイオン化するステップであって、前記エタンは、前記アルゴンの存在により、前記アルゴン無しで創出される電流よりも高い炭素含有イオン化種の電流を前記イオンチャンバ内に創出し、前記アルゴン無しで創出される電流よりも低い、水素のみで構成されるイオン化種の電流を前記イオンチャンバ内に創出する、ステップと、
ポンプを用いて、前記イオンビーム内の、前記炭素含有イオン化種を増加し水素を減少するステップと、
前記質量分析器を用いて前記イオンビームから炭素を含まない種を除去するステップと、
前記炭素含有イオン化種を前記基板に注入するステップと、を有する、炭素含有イオン化種を基板に注入する方法。 - 前記質量分析器は、アルゴンを含む種を除去するために用いる、請求項１１に記載の方法。
- 前記質量分析器は、炭素のみで構成されていない種を除去するために用いる、請求項１１に記載の方法。
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