JPH06318559A

JPH06318559A - 高エネルギーイオン注入による半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH06318559A
Application number: JP10656093A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Tokikuchi; 克己登木口; Kuniyuki Sakumichi; 訓之作道; Kensuke Amamiya; 健介雨宮; Junya Ito; 純也伊藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-05-07
Filing date: 1993-05-07
Publication date: 1994-11-15

Abstract

(57)【要約】【目的】ＭｅＶ級の高エネルギーイオンが１０¹⁴個／
ｃｍ²以上の高濃度で打込まれたシリコン基板の熱処理
後の残留２次欠陥の発生を抑制する。【構成】シリコン基板に不純物導入用のイオンを打ち
込んだ後、不純物導入用のイオンを打ち込み時のエネル
ギーレベルと異なるエネルギーレベルで希ガスイオンを
追加打込みして不純物導入用イオン打込み層と基板表面
の間を連続した非晶質層となし、その後熱処理を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＭｅＶ級の高エネルギ
ーイオンビームをシリコンウエーハに照射してイオン注
入して不純物元素を導入し、その後このシリコンウエー
ハを熱処理する高エネルギーイオン注入による半導体装
置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のイオン注入（以下、打込みとい
う）によるシリコン半導体製造方法においては、不純物
導入用のイオンの打込みエネルギーは主として２００ｋ
ｅＶ以下であり、打込み深さは０．１μｍの桁である。
また、打込み量は１０¹¹〜１０¹⁷個／ｃｍ²程度が実用
化されている。イオン打込みに伴い、単結晶シリコン基
板中に多量のシリコン結晶欠陥が発生するため、イオン
打込み後のシリコンウエーハには、該結晶欠陥解消の目
的で熱処理が施される。この熱処理は数１００℃から１
１００℃を越える温度範囲で行われる。この熱処理によ
り、不純物打込みに伴うシリコン結晶欠陥が消滅し、目
的とする半導体の特性が生み出される。

【０００３】従来の２００ｋｅＶ以下のイオン打込みの
場合、図２に示すように、打込みで発生する結晶欠陥層
２は、イオンの打込み深さ近傍からシリコン基板の表面
に亘って生じ、打込まれたイオンもこの領域に分布す
る。表面にまで至る結晶欠陥層（＝打込み層）が形成さ
れる理由は、打込みエネルギーが小さく、打込み深さが
浅いためである。

【０００４】ところで、打込み量が少ない場合、発生欠
陥量も少ないため、その後の熱処理により、図２のシリ
コン結晶欠陥は容易に回復される。従って、イオン打込
みによる半導体特性が目的通りに得られる。

【０００５】次に、打込み量が多いと、結晶欠陥層２は
非晶質化（アモルファス化）する。即ち、基板である単
結晶シリコン３の上に非晶質層２が基板表面まで乗った
形態となる。この様な状態から熱処理を行うと、非晶質
層は、単結晶層３と非晶質層２の界面から基板表面に向
かって徐々に結晶化され、最終的には、全ての部分が結
晶欠陥のない状態になる。

【０００６】ところで、記憶容量や各種演算能力を増加
させるため、半導体装置の高集積度化が進んでいるが、
高集積度化が進むに連れ、自然に存在するα線の影響に
よる半導体装置の誤動作の問題がクローズアップされて
きた。この誤動作をさけるために、２００ｋｅＶからＭ
ｅＶ領域の高エネルギーでイオン打込みを行い、不純物
導入層を基板表面から深い位置に形成することが行われ
ている。

【０００７】一方、２００ｋｅＶからＭｅＶ領域の高エ
ネルギーでのイオン打込みにおいては、打込み量が多く
なると、結晶欠陥層の形成位置や熱処理回復形態は、上
記従来例とは異なってくる。図３に、高エネルギーイオ
ンビーム打込みにより形成される結晶欠陥層２（＝非晶
質層）を示した。イオン自身の打込み領域も２にほぼ一
致する。この場合、非晶質層２は基板表面からの深さが
１μｍの桁の深い領域に形成されるが、基板表面と非晶
質層２の間は、結晶欠陥の極めて少ない単結晶層３´と
して残る。非晶質層２は、上下の単結晶層３，３´に挾
まれた格好となる。このため、イオンが打込まれたウエ
ーハを熱処理すると、結晶化が非晶質層２の両面（非晶
質層２と単結晶層３，３´の境面）から非晶質層の中央
に向かって進んでいくため、非晶質層２の中央部分に最
終的に結晶欠陥が寄せ集められ、これらが結合して、所
謂、転位ループや積層欠陥等の２次欠陥が発生する。こ
の残留２次欠陥は、熱処理では除去不可能である。この
様な残留２次欠陥があると、目的とする半導体特性は得
られない。このため従来の高エネルギーイオン打込みで
は、非晶質層が形成されない１０¹⁴個／ｃｍ²以下の打
込みで済む半導体装置しか製造できなかった。１０¹⁴個
／ｃｍ²以上の高濃度ＭｅＶ打込みによる新しい半導体
装置は、その製造方法が無かった。

【０００８】打ち込み数１０¹⁴個／ｃｍ²の桁の領域で
２次欠陥のない半導体装置を作るため、特願平２−４０
７８７８号に見られるように種々の方法が考案されてい
る。例えば、目的とする不純物イオンの高エネルギー打
込みの後に、シリコンイオンを追加注入して熱処理する
方法がある。この場合、シリコンイオンを２００ｋｅＶ
以下、若しくは打込み不純物イオンより数倍〜１０数倍
高いエネルギーで打ち込む。前者では基板最表面にシリ
コン注入層が形成され、後者では不純物注入層より更に
深い領域にシリコン注入層が形成される。これらのシリ
コン注入層は、不純物イオン打込みで発生する結晶欠陥
層（＝非晶質層）２の欠陥を吸い取る効果（ゲッタリン
グ効果）があるため、続く熱処理過程で発生する２次欠
陥量を抑制できる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】これらの考案により、
利用できる打込み量は従来の１０¹⁴個／ｃｍ²より多く
できるが、ゲッタリング作用による２次欠陥抑制効果は
一般に小さいため、イオン打ち込み量が１０¹⁵個／ｃｍ
²を越える場合には十分な効果を期待できない。また、
ゲッタリング作用に必要なシリコンイオン打込み量が、
不純物イオン打込み量と同等以上なため、装置技術的に
も、２種類以上のイオンについて、エネルギーの大きく
異なるＭｅＶ大電流イオンビームを同時に得る必要があ
った。

【００１０】本発明の目的は、イオン打ち込み量が１０
¹⁴個／ｃｍ²以上である半導体装置の熱処理後の残留２
次欠陥を低減するにある。。

【００１１】

【課題を解決するための手段】２００ｋｅＶからＭｅＶ
級のイオン打込みで打込み量が多い時、熱処理により打
込み層で２次欠陥が発生する理由は、打込み層が深くな
って、非晶質の結晶欠陥層が両側から単結晶層で挾まれ
るからである。従って、非晶質層の領域がイオン打ち込
み層からシリコン基板表面にまで達するように、非晶質
層をイオン打ち込み層表面側に形成すれば、熱処理によ
る結晶回復はイオン打ち込み層から基板表面に向って一
方向に進み、２次欠陥の発生が抑制される。

【００１２】一方、前述のゲッタリング効果を期待する
シリコンイオン追加打込みでは、シリコンイオンが作る
欠陥分布は打込みエネルギーが１４０ｋｅＶと低いため
表面近傍のみとなり、ＭｅＶ注入層は依然として両側か
ら単結晶層で挾まれていた。

【００１３】本発明では、イオン注入層（イオン打ち込
み層）から表面まで連続的に非晶質層を形成するところ
に特徴がある。さらに、表面に達する連続非晶質層を形
成するにあたり、希ガスのイオンを打込めば、これらの
希ガス粒子は熱処理中に基板から放出されるので、完成
した半導体装置の半導体特性は希ガスのイオンの打込み
の影響を受けない。

【００１４】不純物導入イオンの打込みエネルギーが高
くなるとイオン打ち込み層の位置が深くなり、図３に示
す単結晶層３´が厚くなるので、一種類のエネルギーの
希ガスイオン打込みで不純物導入イオンの打込み層から
基板表面まで連続非晶質層を形成することは困難とな
る。この場合、打込みエネルギーの異なる打込みを重ね
る必要がある。非晶質化に必要な打込み量は、イオン種
により異なるが、一般に１０¹⁴個／ｃｍ²以上である。
エネルギーを自在に変えられ、且つ、非晶質化に足る大
電流イオンが得られる打込み装置としては、特願昭５８
−２２２０３２号に示されたものが利用できる。

【００１５】すなわち、上記の目的は、シリコン基板に
不純物導入用のイオンを２００ｋｅＶからＭｅＶ領域の
エネルギーで加速して所定の量だけ注入し、その後、基
板を熱処理する半導体装置の製造方法を、上記不純物導
入用のイオン注入の後に、該不純物導入用のイオンと同
一のイオンを前記不純物導入用のイオン注入時のエネル
ギーとは異なる別のエネルギーで注入してシリコン基板
表面から不純物イオン注入深さまでの領域を非晶質化
し、その後シリコン基板を熱処理する手順を含んで構成
することにより達成される。

【００１６】上記の目的はまた、シリコン基板に不純物
導入用のイオンを２００ｋｅＶからＭｅＶ領域のエネル
ギーで加速して所定量を注入し、その後、基板を熱処理
する高エネルギーイオン注入による半導体装置の製造方
法を、上記不純物導入用のイオン注入の後に該不純物導
入用イオンとは異なる別のイオンを前記不純物導入用の
イオン注入時のエネルギーとは異なる別のエネルギーで
注入してシリコン基板表面から不純物イオン注入深さま
での領域を非晶質化し、その後基板を熱処理する手順を
含んで構成することによっても達成される。

【００１７】

【作用】図１は、本発明に基づき、シリコン基板への不
純物導入用イオンの打込み後にイオンの追加打込みを行
い、これによって不純物導入用イオン打込み層表面側に
結晶欠陥層を形成した状態を説明する図である。図で、
互いに交差する２方向の斜線で示された結晶欠陥層（＝
打込み層）２は、最初の不純物イオン打込みによる欠陥
層を示し、黒点を散在させて示した結晶欠陥層２´は、
その後のイオンの追加打込みで発生した欠陥層である。
結晶欠陥層２と２´の重ね合わせると、結晶欠陥層２か
ら基板表面に至る全領域が連続して非晶質化しているの
がわかる。この後シリコン基板が熱処理されると、結晶
化は、非晶質層２と単結晶層３との界面を出発面にし
て、表面に向かって一方向（図上、左方向）に進む。こ
のため打込み層２内での残留２次欠陥の発生が抑制され
る。

【００１８】なお非晶質層は一般に打込み量が多ければ
形成されるが、非晶質層になる打込み量は、イオン種や
エネルギーにより異なる。上述の説明では、追加の打ち
込みに用いられるイオンに何を用いるかは特定しておら
ず、同一のイオン種もしくは別のイオン種であっても良
いが、一般にＡｒ以上では比較的少ない打込み量で非晶
質化するため、希ガスイオンを用いると効果的である。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。まず、直
径６インチで（１００）の面方位を持つｎ型シリコンウ
エーハに不純物導入用に硼素イオン（以下、Ｂイオンと
いう）を０．７２ＭｅＶで１ｘ１０¹⁵個／cm²以上打ち
込んだ。この時、打込み深さ（平均投影飛程）は、約
１．３μｍであった。図３に示されている非晶質層２の
位置に、イオンが打込まれていることが２次イオン質量
分析（ＳＩＭＳ）により確認された。これを９００℃以
上で３０〜１２０分間の熱処理を行い、透過電子顕微鏡
によって欠陥観察を行ったところ、打込み層（非晶質層
２）に多量の転位ループや積層欠陥が観測された。

【００２０】次に、６インチ径の同じシリコンウエーハ
に、まづＢイオンを上記と同じ打込み条件でイオン打込
みした。次に、前記打込み層の表面側に、シリコンウエ
ーハ表面にまで達する連続非晶質層を形成させるため、
希ガス元素であるネオンイオンを、打ち込みエネルギー
を、０．６ＭｅＶ，及び０．２ＭｅＶに順に変えながら
打ち込んだ。各エネルギーでの打込み量は、非晶質化に
必要な１ｘ１０¹⁴〜１ｘ１０¹⁷個／ｃｍ²である。図４
には、各打込みイオンが作る打込み分布（＝欠陥密度分
布）４、５、５´を、図５には、それらの重ね合わせに
よるウェーハとしての欠陥密度分布を示した。図中打ち
込み分布４は硼素に関係する分布、打ち込み分布５は
０．６ＭｅＶで打ち込まれたネオンに関係する分布、打
ち込み分布５´は０．２ＭｅＶで打ち込まれたネオンに
関係する分布である。本実施例では、図５に示す様に欠
陥密度分布がほぼ平坦となる様にネオンイオンの打込み
エネルギーや打込み量を選んだが、実用上はこれらの領
域が非晶質化に必要な一定濃度以上の打込み量に選べば
良く、図５に示されている平坦分布である必要はない。

【００２１】次に、同一の熱処理条件で熱処理を施し欠
陥観察を行ったところ、転位ループ等の残留２次欠陥は
著しく減少し、熱処理条件の最適化によっては観測され
ない場合も多かった。さらに、熱処理後のウエーハの不
純物をＳＩＭＳで分析したところ、ネオンは検出レベル
以下であった。図８に上記処理手順を示す。

【００２２】この熱処理後のウエーハを使い、メモリー
素子やバイポーラー素子等のデバイスを作製したとこ
ろ、実用可能な良好なデバイス特性が得られ、２次欠陥
の発生が充分に抑制されていることが分かった。

【００２３】上記の実施例では、非晶質化の打込みにネ
オンイオンを使ったが、この他、アルゴンイオンの打込
みによる非晶質化の実験も行い、同様に残留２次欠陥の
発生が抑制されることが観察された。この場合、アルゴ
ンイオンの質量数はＢイオンより大きいため、打込みエ
ネルギーの一つは、１ＭｅＶ以上であった。

【００２４】本実施例では、追加打込みイオンにネオ
ン、アルゴンを用いたが、他の希ガスイオンを利用して
良いことは、発明の本質からして明らかである。さら
に、非晶質化のための打込みイオンが半導体特性に影響
を与えなければ、希ガスイオン以外のイオン、例えばシ
リコンイオンやゲルマニウムイオン、および追加打込み
前の打込みでのイオンでも良いことも明らかである。

【００２５】今回、不純物導入のためのイオン打ち込み
に続く非晶質化のための打込みを２種類のエネルギーで
行ったが、不純物導入イオンの打ち込みエネルギーに応
じて、即ち、表面側にできる単結晶層３´の厚みに応じ
て１種類あるいは３種類以上のエネルギーによる打込み
としても良く、同様な欠陥抑制効果が得られることは明
らかである。また、上記実施例では、不純物としてＢイ
オン導入の例を示したが、他の不純物導入イオン（リン
や砒素等）の打込みによる半導体装置についても、本発
明が利用できることは明らかである。

【００２６】本実施例の打込みでは、Ｂイオン及び希ガ
スイオンの打込み共に、特願昭５８−２２２０３２号に
基づく周波数可変高周波四重極加速器を含むイオン打込
み装置が使用された。図６は、本発明のイオン打込みを
行った打込み装置の構成図である。図示の装置は、イオ
ン源６と、該イオン源６で生成されたイオンビームを選
別する質量分離器７と、選別されたイオンビームの形状
を制御するレンズ８と、レンズ８を通過したイオンビー
ムを加速する周波数可変高周波四重極（ＲＦＱ）加速器
９と、加速後のビームが導入されて打ち込まれる打込み
室１０とを含んで構成されている。打込み室には、直径
約１ｍの円板が配置され、該円板表面に６ないし８イン
チ直径のシリコンウエーハが複数枚装着されている。

【００２７】図示の装置で、イオン源６にＢＦ₃ガスが
導入されてプラズマが生成され、該プラズマからイオン
ビームが引出された。引出されたイオンビームは質量分
離器７により特定のイオン種のみが出力されるように選
別された。質量分離器７から出力されたイオンビーム
は、次にレンズ８に導かれ、該レンズ８でイオンビーム
形状が制御された。レンズ８を通過したイオンビーム
は、周波数可変高周波四重極（ＲＦＱ）加速器９で一気
にＭｅＶ領域に加速された。加速後のイオンビームは打
込み室１０に導入され、イオン打込みが行われた。静止
した、つまり、同一点に照射されたＭｅＶ級イオンビー
ムに対し、前記シリコンウェーハが装着された円板が高
速回転され、同時に半径方向に機械的に往復運動させて
均一打込みが行われた。打込みはまずＢイオンが所定の
エネルギーおよび打込み量で打ち込まれた。ついで、加
速器９の運転周波数が変えられ、Ｂイオンがエネルギー
を下げて打込まれ、シリコン表面層までの非晶質化が実
施された。非晶質化のための打込み量は１０¹⁴から１０
¹⁷個／cm²の桁であった。

【００２８】別の非晶質化の方法として、Ｂイオン打込
みの後、イオン源６にＢＦ₃ガスの代わりにＫｒガス等
の希ガスを入れ、Ｋｒイオンを引出し、加速器９で加速
した。加速器９でＫｒイオンを加速する時は、運転周波
数や加速器内の加速電極電圧を変えれば同一の加速器で
Ｋｒイオンが加速できる。またその周波数を変えてＫｒ
イオンのエネルギーを自由に連続的に選択できる。この
ような打込みにより、Ｂイオン打込み層からシリコン表
面までを非晶質化した。Ｋｒイオンによる非晶質化で
は、必要な打込み量はＢイオンに較べて少なくてすん
だ。これは、Ｋｒの質量数が大きいため、イオン一個当
りの生成欠陥数が多いからである。しかし、その打込み
量としては、ｍＡ級のビームでないと実用的な処理枚数
が得られない量であった。なお、特願昭５８−２２２０
３２号に準拠した図５の装置では、加速器の周波数を調
整するだけで、大電流イオンビームのエネルギーをＭｅ
Ｖ領域で自在に変えることができる。

【００２９】次に、このようにしてイオンが打ち込まれ
たシリコンウエーハの熱処理には、図７に示されるアニ
ール炉１１が使用された。該アニール炉１１内にはイオ
ン打ち込みずみのウエーハ１が配置される石英管１２が
設けられている。この石英管１２に窒素ガスを流しなが
らアニール炉が昇温され、ウエーハの熱処理（アニー
ル）が行なわれた。窒素ガス量、温度制御（加熱温度、
加熱時間等）は打ち込まれたイオン種、打込み量により
変更された。加熱温度は通常は８００〜１１５０℃の範
囲、加熱時間は１５分から数時間の範囲で選択された。
このようにして熱処理されたウエーハを使って半導体装
置を製作したところ、残留２次欠陥に起因する半導体特
性劣化は観測されず、所望の特性の高集積半導体装置を
製造することができた。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、シリコン基板への不純
物導入のため、１０¹⁴個／ｃｍ²を越えるイオンを、２
００ｋｅＶからＭｅＶ領域に亘る高エネルギーで打込ん
だ場合でも、熱処理後に結晶欠陥が残留するのを抑制す
ることが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法により処理されたシリコン基板
の、熱処理前の結晶欠陥層の発生形状、位置を説明する
断面図である。

【図２】従来技術のうち２００ｋｅＶ未満のエネルギー
での打込みにより形成される結晶欠陥層を説明する断面
図である。

【図３】従来技術のうち２００ｋｅＶからＭｅＶ領域の
エネルギーでの打込みで形成される結晶欠陥層を説明す
る断面図である。

【図４】本発明の実施例で形成される結晶欠陥層を説明
する図で、異なるエネルギーのイオンの打込みで形成さ
れるエネルギレベルごとの注入イオン濃度分布（＝欠陥
濃度分布）を説明する概念図である。

【図５】図４に示される各注入イオン濃度分布（＝欠陥
濃度分布）の重ね合わせで形成される、ウェーハとして
の欠陥濃度の深さ分布を説明する概念図である。

【図６】本発明を実施するために用いた高エネルギーイ
オンビーム打込み装置の要部構成を示すブロック図であ
る。

【図７】本発明を実施するために用いたアニール炉の要
部構成を示す図である。

【図８】本発明の実施例を示す手順図である。

【符号の説明】

１シリコンウエーハ２、２´ 結晶欠陥層（＝打込み層）３単結晶層４Ｂイオンのウエーハ内の濃度分布（＝Ｂイオンで形
成される欠陥密度分布）５Ｎeイオンのウエーハ内の濃度分布（＝Ｎeイオンで
形成される欠陥密度分布）５´ Ｎeイオンのウエーハ内の濃度分布（＝Ｎeイオン
で形成される欠陥密度分布）６イオン源７質量分離器８レンズ９周波数可変高周波四重極加速器１０打込み室１１アニール炉１２石英管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤純也茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板に不純物導入用のイオンを
２００ｋｅＶからＭｅＶ領域の高エネルギーで加速して
所定の量だけ注入し、その後、基板を熱処理する半導体
装置の製造方法において、上記不純物導入用のイオン注
入の後に、該不純物導入用のイオンと同一のイオンを前
記不純物導入用のイオン注入時のエネルギーとは異なる
別のエネルギーで注入してシリコン基板表面から不純物
イオン注入深さまでの領域を非晶質化し、その後シリコ
ン基板を熱処理することを特徴とする高エネルギーイオ
ン注入による半導体装置製造方法。
【請求項２】請求項１に記載の高エネルギーイオン注
入による半導体装置製造方法において、前記別のエネル
ギーでの注入が、イオン注入中に段階的にまたは連続に
エネルギーを変える注入であることを特徴とする高エネ
ルギーイオン注入による半導体装置製造方法。
【請求項３】シリコン基板に不純物導入用のイオンを
２００ｋｅＶからＭｅＶ領域の高エネルギーで加速して
所定の量だけ注入し、その後、基板を熱処理する半導体
装置の製造方法において、上記不純物導入用のイオン注
入の後に、該不純物導入用イオンとは異なる別のイオン
を前記不純物導入用のイオン注入時のエネルギーとは異
なる別のエネルギーで注入してシリコン基板表面から不
純物イオン注入深さまでの領域を非晶質化し、その後基
板を熱処理することを特徴とする高エネルギーイオン注
入による半導体装置製造方法。
【請求項４】請求項３に記載の高エネルギーイオン注
入による半導体装置製造方法において、不純物導入用の
イオンとは異なる別のイオンが希ガスのイオンであるこ
とを特徴とする高エネルギーイオン注入による半導体装
置製造方法。
【請求項５】請求項３または４に記載の高エネルギー
イオン注入による半導体装置製造方法において、不純物
イオンと異なる希ガスイオンの注入エネルギーを注入中
に段階的にもしくは連続に変えたことを特徴とする高エ
ネルギーイオ注入による半導体装置製造方法。
【請求項６】請求項４に記載の高エネルギーイオン注
入による半導体装置製造方法において、希ガスがネオン
であり、ネオンイオンの打ち込み個数が、１０¹⁴〜１０
¹⁶個／cm²であることを特徴とする高エネルギーイオン
注入による半導体装置製造方法。