JPH0529239A - 不純物添加方法 - Google Patents

不純物添加方法

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JPH0529239A
JPH0529239A JP17963391A JP17963391A JPH0529239A JP H0529239 A JPH0529239 A JP H0529239A JP 17963391 A JP17963391 A JP 17963391A JP 17963391 A JP17963391 A JP 17963391A JP H0529239 A JPH0529239 A JP H0529239A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 イオン注入により破壊された半導体ウエーハ
の結晶表面層を低温で短時間に回復でき、かつ注入不純
物をイオン注入濃度るいは熱平衡固溶限を越えて添加す
る方法を提供することを目的とする。 【構成】 本発明の不純物添加方法は、半導体ウエーハ
にイオン注入により不純物を注入する工程と、前記工程
のイオン注入により破壊された前記半導体ウエーハの結
晶表面層に高輝度X線を照射する工程とを含む。この高
輝度X線の照射後あるいは照射中に、前記半導体ウエー
ハの前記結晶表面層に対して熱的なアニールを施す。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体ウエーハの電気的
に活性な不純物を添加する不純物添加方法に関する。
【0002】
【発明の概要】この発明は、通常の半導体デバイス作製
において電気的に活性な不純物を添加する技術に関する
もので、イオン注入後、高輝度X線ビームを照射するこ
とにより、低温で短時間に高効率の電気的活性化を達成
できるようにしたものである。
【0003】
【従来の技術】通常、半導体ウエーハに電気的に活性な
不純物を添加する場合には、イオン注入を行う。このイ
オン注入では高エネルギー粒子を半導体の結晶格子に衝
突させるため、結晶構造が破壊され、このままでは、注
入不純物は、電気的に活性化しない。したがって、従来
はイオン注入後、結晶性の回復および不純物の電気的活
性化のために、熱処理を行っていた。
【0004】この熱処理法としては、電気炉中で上記半
導体ウエーハをアニールする方法が最も一般的である。
たとえば、ボロン(p型)やリン(n型)のイオンを注
入したシリコンウエーハに、900℃以上、数十分程度
の条件で電気炉アニールを行う。
【0005】ところで、不純物を高濃度で注入した場合
に電気炉アニールを行うと、不純物の活性化率が顕著に
低下する。また、処理が長時間に及ぶため、低コスト化
に不利である。さらに、この電気炉アニールによる長時
間処理のために、SOI(Silicon on In
sulator)など立体積層構造をとるデバイスや、
その他アニール回数の多いデバイスでは、熱による構造
の劣化が起こる可能性がある。
【0006】これに対し、パルスレーザー光の照射によ
り、イオン注入層を瞬時に融解−固化させるレーザーア
ニール法も提案されている。
【0007】このレーザーアニール法は、1)表面層の
みの処理が可能であること、2)空間的な局所処理が可
能であること、3)瞬時(数100ナノ秒以内)に処理
を終えることが可能であること、4)注入不純物が熱平
衡固溶限を越えて、多量に添加できることなど、電気炉
アニールでは達成できない点を利点としてもっている。
【0008】しかしながら、このレーザーアニール法で
は、1)デバイス構造の劣化、2)デバイス性能に悪影
響を及ぼす酸素などの不純物の混入、3)化合物半導体
など高温で分解しやすい材料には適さないなど、いずれ
も融点に近い高温処理であることから生ずる欠点があ
る。
【0009】また、電気炉アニールとレーザーアニール
の中間的性格をもつ方法として、フラッシュアニール法
がある。この方法は、強力なキセノンあるいはハロゲン
ランプ光をイオン注入層に数秒間照射するものである。
この時の半導体基板の温度は、1000〜1100℃程
度には達するが結晶融解はしない。しかし、レーザーア
ニールのような空間的な局所処理は困難である。
【0010】以上要するに、シリコンについて行われ、
あるいは試みられてきたイオン注入後の熱処理は、いず
れも900℃以上の高温で行われることからデバイスに
熱的な影響を及ぼすこと、特に電気炉アニールやフラッ
シュアニールでは、そのアニール後の不純物濃度がイオ
ン注入時のピーク濃度を越えることはできないし、活性
化すべき不純物の濃度も熱平衡固溶限を越えることはな
いという欠点を有している。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記技術的
課題を解決するためになされたもので、その目的とする
ところは、イオン注入により破壊された半導体ウエーハ
の結晶表面層を融解させることなく低温で短時間に回復
でき、かつ注入不純物をそのピーク濃度を越えて添加で
きる方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の不純物添加方法は半導体ウエーハに電気的
に活性な不純物を添加してn型あるいはp型基板とする
不純物添加方法において、前記半導体ウエーハにイオン
注入により不純物を注入する工程と、前記工程のイオン
注入により破壊された前記半導体ウエーハの結晶表面層
に高輝度X線を照射する工程とを含むことを特徴とす
る。ここで、前記高輝度X線の照射に際して、前記半導
体ウエーハの前記結晶表面層に対して熱アニールを補助
的に施してもよい。
【0013】
【作用】本発明においては、ドース量の多いイオン注入
により破壊され、非晶質化した半導体ウエーハ表面層に
高輝度のX線を照射すると、熱平衡濃度以上の多量の空
孔が形成される。非晶質化した半導体では多量の空孔を
媒介として原子拡散が起こる。この原子拡散により、非
晶質化していない半導体ウエーハ深部を種とした固相エ
ピタキシャル成長が低温で促進され、非晶質部分の表面
層の結晶性が短時間に回復される。
【0014】また、本発明においては、ドース量の少な
いイオン注入により破壊された半導体ウエーハ表面層は
必ずしも非晶質化しないが、X線照射により形成される
空孔を媒介として起こる原子拡散によって損傷した結晶
の回復が進行する。
【0015】さらに、本発明では、X線照射によって、
不純物の拡散が増強されるため、パルスレーザーアニー
ルでの融液成長と同様の成長界面で不純物の偏析が起こ
る。偏析係数K* が1より小さいほど表面での堆積が大
きい。X線照射によって拡散が増強された固相成長によ
り、表面層では、注入不純物濃度あるいは熱平衡固溶限
を越えることができる。
【0016】さらに、本発明では、X線ビームの材料へ
の高い透過性を利用することにより、たとえばSOI
(Silicon on Insulator)などの
立体積層構造において、多層のイオン注入層を一括処理
できる。
【0017】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の一実施例を説
明する。
【0018】図1は本発明の不純物添加方法の各工程を
示す立断面図である。図1において符号1は半導体基板
ウエーハ(以下、基板と省略する)である。この基板1
の材料としては、シリコンあるいはGaAs等の化合物
半導体を挙げることができる。この基板1の主面に、図
1の(a)に示すように例えばボロン(p型)あるいは
リン(n型)の不純物イオンをイオン注入(矢印2で示
す)により添加し、(b)に示すようにイオン注入層3
を形成する。
【0019】ここで、イオン注入により基板1の主面に
添加される不純物のドース量が多い場合には、イオン注
入層3は結晶構造が破壊され、非晶質化したものとなっ
ている。一方、ドース量が少ない場合には、イオン注入
層3は非晶質化はしないものの、結晶が損傷したものと
なっている。
【0020】次に、図1の(b)に示すように上記イオ
ン注入層3に高輝度のX線(矢印4で示す)を照射す
る。このX線4には、シンクロトロン放射光(SOR)
を好適に用いることができる。
【0021】ここで、上記イオン注入層3に対するX線
4の照射により、低温で短時間にイオン注入層3の結晶
性が回復する。以下、本発明の作用効果を従来の電気炉
アニールやフラッシュアニールの作用効果と対比して説
明する。
【0022】イオン注入層3への不純物のドース量があ
る程度多い場合には、一般に、イオン注入によって、基
板1の主面の表面層である注入層3は破壊され、非晶質
化する。従って、この注入層3の下側の、非晶質化しな
い深部を種とする固相エピタキシャル成長によって上記
表面層の結晶性を回復させることができる。すなわち、
非晶質からの固相成長は、非晶質中での原子拡散に支配
されるが、非晶質半導体における原子拡散は空孔を媒介
として起こる。
【0023】ところで、電気炉やフラッシュアニールな
どの熱的な従来の方法による固相成長では、アニール温
度においての熱平衡濃度の空孔にもとづく原子拡散係数
で、アニール時間等の条件が決まる。これに対し、イオ
ン注入基板に高輝度のX線を照射すると、短時間に熱平
衡濃度以上の多量の空孔が形成され、これによって、固
相成長が低温でも促進される。
【0024】また、ドース量が少ない場合は、注入層3
は必ずしも非晶質化しないが、損傷した結晶の回復は原
子拡散によって進行するので非晶質化した場合と同じ効
果を期待できる。
【0025】また、上記イオン注入層3に対するX線4
の照射により、不純物を高濃度で添加できる。この高濃
度添加について従来法と比較しつつ説明する。
【0026】電気炉アニールやフラッシュアニールで
は、イオン注入層の固相成長時には、注入不純物は成長
界面にそのまま取り込まれ、成長後の深さ方向の不純物
濃度は、注入時のそれと変わらない。このことは、これ
らのアニール温度での不純物の拡散係数が、成長速度に
比べて著しく小さいことによる。成長後もアニールを続
けると(これらのアニール法では通常、成長後のアニー
ルが長い)、成長結晶中での濃度分布にもとづく拡散に
よって再分布が起こる。従って、これらの従来のアニー
ル法では、注入時のピーク濃度、あるいは熱平衡固溶限
を越えて不純物を添加することはできない。
【0027】これに対し、本発明方法では、X線4の照
射によって、不純物の拡散が増強されるため、成長界面
で不純物の偏析が起こる。
【0028】図2は、結晶表面から深さx0 まで融解
し、1より小さい偏析係数K* をもつ不純物が濃度c0
で一様に添加された結晶を、表面に向けて一方向に固化
させた場合における、固化後の計算上の濃度分布を示す
グラフである。図2において、Vは成長速度、Dは不純
物の拡散係数である。図2から明らかなように、偏析係
数K* が小さいほど表面での堆積が大きいことがわか
る。これは融液中での不純物の拡散係数Dが大きいこと
にもとづいている。X線照射によって拡散が増強された
固相成長でも図2の融液成長での効果があてはまる。例
えば、図2において、濃度c0 を、イオン注入により達
成された注入層3中の不純物濃度に置き換えて考えるこ
とができる。すなわち、図1の(b)に示した注入層3
では、注入不純物濃度を越えた濃度となり得る。
【0029】図3は本発明の不純物添加方法を好適に適
用し得る多層SOI膜を示す立断面図である。図3にお
いて符号5はSiO2 等からなる絶縁膜であり、6はシ
リコン結晶薄膜である。絶縁膜5とシリコン結晶薄膜6
とは交互に積層されている。各シリコン結晶薄膜6の、
絶縁膜5との接触面には、所定の位置にイオン注入部7
が形成されている。
【0030】次に、このような積層構造体に、高輝度の
X線(矢印8で示す)を照射する。X線は上記絶縁膜5
やシリコン結晶薄膜6に対して材料透過性を有する。従
って、このX線照射により、各イオン注入部7を一括し
て処理できる。
【0031】また、X線ビームは、ゾーンプレートや、
結晶による干渉などを利用して、絞ったり、パターニン
グを行うことができるので、きわめて微細でかつ選択的
な処理が可能である。
【0032】上記各実施例では、高輝度X線の照射に際
して、イオン注入層3あるいはイオン注入部7に対して
必要に応じて照射中、あるいは照射後に熱アニールを施
すことができる。熱アニールを施す場合はX線照射中が
よい。これは、X線照射量が少ない場合には、熱アニー
ルにより不純物拡散の増強への寄与が期待されるからで
ある。ここでのアニールとしては、例えば上述の電気炉
アニール、レーザーアニール、フラッシュアニールなど
を挙げることができる。
【0033】以下、具体例を挙げて本発明をさらに詳述
する。
【0034】図1の(a)に示したように、シリコン基
板表面層に不純物リン(P)を液体窒素温度でピーク濃
度3.7×1020/cm3の程度に高濃度にイオン注入
して表面層を非晶質化させた。次に、図1の(b)に示
したようにこの表面層に高輝度X線を照射して再結晶化
させた。X線としては、シンクロトロン放射光からウィ
グラーによる高輝度X線を用いた(高エネルギー物理学
研究所放射光実験施設)。照射条件は、放射光電子蓄積
リング電流300mA程度、照射時間1秒程度、照射時
の試料温度は800℃程度であった。
【0035】図4は、SIMS(二次イオン分析)によ
り測定した、リンイオン注入およびX線による再結晶化
後のシリコン基板表面層におけるリンの深さ方向の濃度
分布を示すグラフである。図4において破線はリン
(P)イオンをシリコン表面層に注入した直後の表面層
深さ方向のリン濃度分布を示し、実線はイオン注入後の
X線照射直後の表面層深さ方向のリン濃度分布を示す。
【0036】図4では、表面直下の浅い領域ではX線結
晶化後の濃度が注入後の濃度を上回り、深部ではその逆
になっている。このことはX線照射による成長過程で深
部からPが偏析し、表面に堆積が起こって、図2に示し
たような濃度分布が実現できていることを示している。
さらにこのX線結晶化後の浅い領域の濃度は、1000
℃程度の熱平衡固溶限を越えている。
【0037】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
X線ビームの照射により、空間的な局所処理が可能であ
り、X線の透過性を利用することにより深部あるいはS
OIなどの多層膜での一括処理が可能であるという利点
の他に、従来の熱処理法に比べて低温で短時間に、注入
により破壊された結晶を回復させることができるととも
に、注入不純物を、イオン注入濃度、あるいは熱平衡固
溶限を越えて、添加できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の不純物添加方法の各工程を示す立断面
図である。
【図2】結晶表面から深さx0 まで融解し、1より小さ
い偏析係数K* をもつ不純物が濃度c0 で一様に添加さ
れた結晶を、その表面に向けて一方向に固化させた場合
における、固化後の計算上の濃度分布を示すグラフであ
る。
【図3】本発明の不純物添加方法を好適に適用し得る多
層SOI膜を示す立断面図である。
【図4】SIMSにより測定した、リンイオン注入およ
びX線による再結晶化後のシリコン基板表面層における
リンの深さ方向の濃度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
1 半導体基板ウエーハ 2 不純物イオン注入 3 イオン注入層 4 高輝度X線照射 5 絶縁膜 6 半導体結晶薄膜 7 イオン注入部 8 X線照射

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体ウエーハに電気的に活性な不純物
    を添加してn型あるいはp型基板とする不純物添加方法
    において、 前記半導体ウエーハにイオン注入により不純物を注入す
    る工程と、 前記工程のイオン注入により破壊された前記半導体ウエ
    ーハの結晶表面層に高輝度X線を照射する工程とを含む
    ことを特徴とする不純物添加方法。
  2. 【請求項2】 前記高輝度X線の照射に際して、前記半
    導体ウエーハの前記結晶表面層に対して熱アニールを補
    助的に施すことを特徴とする請求項1記載の不純物添加
    方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6479313B1 (en) 2001-05-25 2002-11-12 Kopin Corporation Method of manufacturing GaN-based p-type compound semiconductors and light emitting diodes
JP2008219022A (ja) * 2008-03-19 2008-09-18 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 結晶欠陥の回復方法、結晶体の作製方法、パターン形成方法、x線量の検出体

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US6479313B1 (en) 2001-05-25 2002-11-12 Kopin Corporation Method of manufacturing GaN-based p-type compound semiconductors and light emitting diodes
JP2008219022A (ja) * 2008-03-19 2008-09-18 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 結晶欠陥の回復方法、結晶体の作製方法、パターン形成方法、x線量の検出体

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