JPS61292845A - イオン注入方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はイオン注入方法並びにそのための装置に関する
。更に詳しくは、半導体ウエノλ、特に化合物半導体に
不純物を注入し、能動層を形成するためのイオン注入方
法および装置の改良に関する。

従来の技術 最近の半導体装置を中心とするエレクトロニクスデバイ
スの進歩は著しい。ところで、最近になって実用化の著
しいアモルファスシリコンヲ除ケば、電子デバイス、光
デバイス等の殆どがその動作上の主要部分、即ち能動領
域は半導体の単結晶から構成されている。この能動領域
は半導体単結晶中に電気的および／または光学的性質の
異る複数の領域として形成される。

このような能動領域の形成は、各種の不純物添加技術に
より達成できる。その一つは、添加すべき不純物を含有
する雰囲気中に半導体結晶を置き、所定の時間高温度に
維持することによって該不純物を半導体結晶中に拡散さ
せることからなっている。また、第２の方法としてはイ
オン注入法が知られており、この方法は半導体に添加す
べき不純物をイオン化し、これを高電界で加速して半導
体結晶に打込むことからなっている。

後者のイオン注入技術についてはＳｉ単結晶などでは既
に十分確立された技術となっているが、化合物半導体に
ついては各種の問題があり、実用化は難しいとされてい
る。即ち、結晶のストイキオメトリの問題、注入された
不純物原子の種類、保護膜の種類、膜質、アニール条件
、結晶の質により、化合物半導体へのイオン注入は大き
く影響され、その結果一定した品位のものが得にくかっ
た。

しかしながら、ＧａＡｓ　Ｆ　Ｅ　ＴあるいはＩＣなど
の超高速デバイスに対する要求が高まるにつれて、これ
らデバイスの作製技術として積極的な利用がみられるよ
うになってきている。

このようなイオン注入装置は、一般には第３図に示した
ように、主としてイオン源１と、質量分離器２と、後段
加速管３と、例えばビーム集束手段４、中性ビームトラ
ップ５などからなるビーム走査器と、打込み室とからな
り、打込み室にはＹスキャナ６、ビームトラップ７、Ｘ
スキャナ８などを備えている。かくして高純度の不純物
イオンをウェハ９に注入することができる。

このイオン注入装置は質量分離によりイオンを取出して
いるので高純度でドーピングでき、またイオンの導入量
を電流の積分値として得ることができるので、不純物の
精密な制御が可能であり、更に低濃度ドーピングができ
、プロセス設計が容易であるな°どの各種の利点を有し
ている。

発明が解決しようとする問題点 以上述べたように、半導体デバイスの作製プロセスにお
いて、イオン注入技術は非常に重要な役割を果している
。即ち、化合物半導体の活性層はエピタキシャル成長法
、熱拡散法などによっても形成できるが、不純物の量と
深さとを正確に制御でき、室温でも実施できることから
イオン注入法が半導体プロセスにおいては不可欠の技術
とされている。

しかしながら、化合物半導体にイオン注入を行う場合に
おいては、結晶の比較的低指数軸方向のチャンネルの大
きい方向に注入イオンが入射されると、表面の原子との
衝突をまぬがれたイオンは原子配列に沿って小角散乱を
繰返しながら結晶の奥まで侵入するチャンネリング現象
（軸チャンネリングと面チャンネリングの２種がある）
が生じ、注入イオンの侵入深さが制御できず、キャリヤ
濃度の低下をもたらす。また、不純物の深さ方向での分
布が変化するので、結晶の深部でのキャリヤ濃度が減少
しにくいテール現象などを生じることも知られている。

そこで、このチャンネリングの問題を解決するために、
従来はイオン注入時にイオンビーム走査の一方向（横方
向または縦方向）と結晶の被注入面との間にある角度θ
を持たせることが一般的に行われていた。しかしながら
、このような方法では軸チャンネリングをある程度防止
することは可能であるが、面チャンネリングを防止する
ことは殆ど不可能であった。

更に、上記のようにウェハをイオンビームに対して傾け
ると共に、ウェハをそのホルダ上である角度（ψ）回転
させる方法も試みられている。

例えば、昭和５９年度秋期応用物理学会予稿集、第５４
３頁には“ＧａＡｓへのＳｉ注入における面内均一性と
面チャンネリングと題する報告がある。そこでは、イオ
ン注入法で（１００）面上にＧａＡｓ　Ｉ　Ｃを作製す
る場合、軸チャンネリングを避けるために、通常ウェハ
面を７〜１０°（θ）傾けて注入が行われるが、傾ける
方向によって面チャンネリングが起こり、更に２インチ
径をスキャンするのにイオンビームを２〜３°振る必要
があることから、チャンネリング効果は面内のキャリヤ
分布の均一性を著しく損うことが予想されると述べられ
ている。

しかしながら、この方法によっても比較的高次の指数の
チャンネリングは依然として解決できていない。

ところで、従来のイオン注入装置では、ウニ／’％はイ
オンビームに対して前傾または後傾のいずれか一方の状
態しかとれないものであった。また、従７来のイオン注
入装置ではウニ／％ｌこイオンを均一に注入することが
難しく、通常ウエノ１面内で注入イオン濃度が不均一に
片流れするという不都合があった。

このような注入イオン濃度のマクロな不均一分布は、結
果としてＩＣなどの歩留り低下、デバイスの信頼性の低
下等につながるので極めて問題である。

そこで、本発明の目的は上記従来法の欠点を解決するた
めに、ウェハのイオン注入角度を、イオン注入操作中に
変更できる装置を提供することにあり、また半導体プロ
セスの歩留りを向上させ、高信頼性を保証し得るイオン
注入方法並びに均一な注入イオン濃度を有するウェハを
提供することも本発明の目的である。

問題点を　“するための手段 本発明者等は上記目的を達成すべく種々検討した結果、
上記従来法の諸問題点がイオン注入装置自体の構成に起
因しており、またウェハを回転させ角度を変えて少なく
とも２回の注入操作を行うことにより均一な注入イオン
濃度を有するウェハを得ることができることを見出し、
本発明を完成した。

即ち、まず本発明のイオン注入方法は、半導体基板に添
加すべき不純物をイオン化し、これを高電界で加速する
ことによって、該半導体結晶に打込む工程を含むイオン
注入方法であって、該イオン注入操作中に、少なくとも
１回、該半導体結晶に対するイオン注入角度を変えるこ
とを特徴とする。

この方法は、本発明によるイオン注入装置を用いること
によって容易に実施できる。即ち、本発明のイオン注入
装置は真空系内に設置された注入イオン用ガス発生装置
（イオン源）と、質量分離用マグネットと、加速器と、
イオンビーム集束電極と、イオンビーム走査電極および
偏向電極と、基板ホルダとを具備するイオン注入装置に
おいて、該基板ホルダが前傾かつ後傾し得るようにされ
ていることを特徴とする。

この基板ホルダを前傾並びに後傾し得るようにするため
には以下のような各種の態様を考えることができ、いず
れも優れた結果を与える。まず、基板ホルダをイオンビ
ームに対し垂直な横方向に伸びたシャフトに取付け、該
シャフトを手動もしくは自動的に回転させることによっ
て実現できる。

また、基板ホルダをビーム中心を通り、これに平行なロ
ッドで該ホルダを自在継手を介して固定し、一方該ホル
ダの上部および／または下部に、同様にビームに対して
平行な方向に往復運動し得る、例えばネジ押出し型のシ
ャフト先端を自在継手を介して固定し、該往復運動し得
るシャフトを前後動させることによっても実現可能であ
る。その他の同様な公知の任意の手段をいずれも使用で
き、上記例示のものに何等制限寄れるものではない。

ところで、イオン注入操作に付された半導体結晶は注入
領域における結晶性が著しく乱され、特に高濃度イオン
注入にあってはほぼ完全な非晶質状態となってしまう。

従って、本発明の方法に従ってイオン注入操作を行った
場合にも当然結晶はこのような状態となっており、従来
法と同様に、この非晶質状態を回復させる熱処理が必要
とされる。

この熱処理はアニールとも呼ばれ、上記のように非晶質
状態の回復と共に注入した不純物元素を電気的に活性化
させるためにも欠くことができない。本発明においてこ
の熱処理は特別なものではな〈従来公知の方法をそのま
ま利用する。従って、一般的には８００〜１０００℃に
て行われ、またアニールと活性化熱処理とを別々に実施
しようとする場合には、アニールは４００〜５００℃程
度の比較的低い温度条件下で実施できる。この後者の処
理は、高い解離圧を有し、熱処理後のストイキオメトリ
に問題を有し、また注入損傷が構成元素間で異る化合物
半導体については特に有効である。

このアニール処理は好ましくは窒素、水素もしくはこれ
らの混合ガスなどの不活性ガス雰囲気下で行われる。

また、熱処理すべき半導体結晶表面に、５ｘＯ２，５１
３Ｎ４、ＡＩＮなどの誘電体保護膜を形成し、該結晶の
構成元素の蕎発を防止する保護膜法も当然利用すること
ができ、該保護膜はＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、スパ
ッタ法、蒸着法等各種公知の方法の中から保護膜材料、
基板等の種類、性質に応じて適宜選択して利用すること
により形成できる。

尚、活性化熱処理としては、蒸気圧の高い構成元素の蒸
気圧下で行うキャップレスアニール、ビームアニール、
即ちレーザや電子ビームによるアニール法を利用するこ
とも可能である。

本発明の方法は、特に化合物半導体、即ちＩ−■族、Ｉ
Ｉ−ＶＩ族、Ｉ’Ｖ−ＶＩ族化合物半導体に対して有効
であり、また、これらの半導体結晶としては水平ブリッ
ジマン法、ＣＺ法、ＬＥＣ法、ＭＢＥ法等各種の方法で
得たインゴットから切出したウェハ、チップあるいは基
板上に堆積させた薄膜結晶状のものがいずれも使用でき
る。従って、注入イオンとしては、各基板等の種類に応
じて従来公知の任意のものから目的に応じて選択して使
用でき、例えば■−■族化合物半導体のＧａＡｓについ
ていえばＳ　、　Ｓ　ｉ、　Ｓｎ、　Ｔｅ、　Ｓｅ等の
ドナー不純物（ｎ型）およびＢｅ、　Ｃｄ、　Ｍｇ、　
Ｚｎなどのアクセプタ不純物（ｐ型）が挙げられる。

本発明のイオン注入法はレジストマスクを使用しない全
面注入あるいはレジストパターンを用いた選択注入等従
来公知のいずれの態様に対しても適用できることはいう
までもない。

−作月 化合物半導体結晶にイオン注入法によって不純物を添加
する場合に、解決すべき問題点は特に軸チャンネリング
詔よび面チャンネリングであるが、これを解決するため
に各種の方法が提案されたが、いずれも完全とはいえな
い状況にある。

そこで、本発明では被処理半導体結晶をイオンビームに
対して前傾かつ後傾のいずれもとり得るように設置した
ホルダ上に取付け、イオン注入操作中に、イオン注入方
向を少なくとも１回変化させ、少なくとも２方向から注
入操作を行うことによって、上記のような従来法の問題
点、特に軸チャンネリングおよび面チャンネリングを解
決することができた。

即ち、本発明の装置によればイオンビームに対して前傾
の姿勢でイオン注入すると、面チャンネリングが最も小
さくなる結晶基板面内回転角度ψ＝１６°で行っても、
わずかにチャンネリングが残り、該基板面内で片流れが
生ずる。一方、該結晶基板を後傾姿勢でイオン注入する
と、面チャンネリングが逆方向に生じる。その結果、こ
れらの操作を組合せて実施すると片流れが相殺されるこ
とになる。

かくして、本発明の方法並びに装置に従って、イオン注
入量を前傾、後傾両者において等しく、基板の面内回転
角度ψ（＝１６°）を同じ値に維持することにより、面
チャンネリングが少なく、かつ面内で均一なイオン注入
濃度分布を達成することができる。即ち、同一の装置に
よってψを同一にし、同一の条件下でイオン注入できる
ので、ドーズ量のみを同じにすれば、容易に均一化を達
成することができる。

本発明の装置は第１図に模式的に示したように、真空容
器１０と、イオン化すべき不純物ガスのガス源１１と、
これをイオン化するためのイオン化電極１２と、イオン
化生成物を質量分離し必要なイオンのみを取出すための
マグネット１３と、電極群と、前傾並びに後傾し得るウ
ェハ（または基板）ホルダ１４とから主として構成され
ている。

前記電極群には質量分離されたイオンのビームを集束さ
せる集束電極１５、これを所定の方向に偏向させるため
の偏向電極１６（例えばＹスキャナ、Ｘスキャナなど）
などを含み、その他に図示してないが加速器、中性ビー
ムトラップなどをも当然備えている。

この装置によれば、まずガス源１１から導入される不純
物“ガスがイオン化電極１２を通る際に電離され、マグ
ネット１３によって質壷分離にかけられ、電離されなか
った中性ビーム、電子ビームなどが必要なイオンから分
離されトラップ手段などによって除去される。かくして
分離、純化された不純物イオンビームは集束用、偏向用
の電極を介してホルダ１４上に固定された結晶基板に照
射される。

このホルダ１４は既にのべたように各種の機構により回
転でき、前傾・後傾位置をとり得るようにな−っている
ので、イオン注入操作中に注入方向を適宜変え得るよう
になっている。

実施例 以下、運転例に従って本発明のイオン注入装置を更に具
体的に説明すると共に、その奏する効果を実証するが、
本発明の範囲は以下の例によって何等制限されない。

運転例 第１図に示したような構成の本発明のイオン注入装置に
より、評価用のＦＥＴマスクを用いて、ＧａＡｓウェハ
の（１００）面に２８３１＋を５０Ｋｅ　Ｖにて、３．
３ＸＩＯ′２ｃ＋ｎ−２イオン注入した。

−組のウェハ（Ａ群）については傾斜角θ＝＋７゜で回
転角ψ＝３０°にて一回で注入を行い、他の一組のウェ
ハ（Ｂ群）についてはまずθ＝＋７℃、ψ＝３０°にて
１．６５　Ｘ　１０　”　ｃｍ−’を注入し、次イテθ
＝−７°とした後ψ＝３０°のままで１．６５　Ｘ　１
０　’　”ｃｍ−２注入した。

次いで、ウェハに５ｉｉＮ４をプラズマＣＶＤ法に従っ
てコーティングした後、８２０°にて２０分間Ｎ２中で
アニールした。

かくして、アニールしたウェハにＴｉ／Ａｕのショット
キーゲートとＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉのオーミック電極とを設
けてＦＥＴを作製した。かくして得たＦＥＴにつき、オ
ートプローバでＦＥＴのＩ−Ｖ特性を測定し、しきい値
電圧■いのウェハ面内分布を求めた。

その結果、θ＝＋７″、ψ＝３０°にて１回の注入によ
り能動領域を形成したＡ群のウェハでは第２図（ａ）に
その１例を示したように、Ｖｔｈに片流れがみられ、バ
ラツキσ■いは８９ｍＶと大きくなった。

一方、イオン注入をθ＝７°および一７°の二回に亘り
実施して面チャンネリングを相殺したＢ群のウェハでは
、第２図（５）にその１例を示したように、■いの片流
れはみられず、バラツキσ■いは３０ｍＶと均一であっ
た。

発明の効果 以上詳しく述べたように、本発明のイオン注入装置によ
れば、イオン注入すべき結晶基板を、回転でき前傾・後
傾位置のずれも取り得るホルダ上に設け、その注入操作
中に注入角度を変更し得るように工夫したことによって
、従来特に化合物半導体のイオン注入の際に問題となっ
ていたチャンネリングの発生を効果的に防止することが
可能となった。

即ち、ウェハ面内のイオン注入濃度を均一に維持するこ
とができるので、例えばＧａＡｓ　−Ｉ　ＣのＦＥＴ特
性をウェハ面内で均一にすることが可能となり、ＩＣの
信頼性を大巾に改善すると共にその歩留りをも大巾に向
上させることができる。

従って、本発明の方法並びに装置は化合物半導体素子、
デバイスの作製プロセスにおいて極めて期待できる技術
であるといえる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のイオン注入装置の構成を模式的に示し
た図であり、 第２図（ａ）、（６）はウェハ面内に形成したＦＥＴの
しきい値電圧■ｔｈの面内分布を示す図であり、第３図
は従来の典型的なイオン注入装置の構成を説明するため
の概略的な図である。 （主な参照番号） １・・イオン源、　　　２・・質量分析器、３・・加速
管、　　　　　４・・ビーム集束手段、５・・中性ビー
ムトラップ、 ６・・Ｙスキャナ、　　　７・・ビームトラップ、８・
・Ｘスキャナ、　　　９・・ウェハ、１０・・真空容器
、　　　１１・・ガス源、１２・・イオン化電極、１３
・・マグネット、１４・・ウェハホルダ、１５・・集束
電極、１６・・偏向電極

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体結晶に添加すべき不純物をイオン化し、こ
   れを高電界で加速して、該半導体結晶に打込む工程を含
   むイオン注入法であって、 該イオン注入操作中に少なくとも１回、該半導体結晶に
   対するイオン注入角度θを変えて複数回のイオン注入操
   作を行うことを特徴とする上記半導体結晶のイオン注入
   方法。
2. （２）前記基板が化合物半導体であることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の方法。
3. （３）前記化合物半導体がＧａＡｓであり、イオン注入
   角度θが＋７°および−７°であることを特徴とする特
   許請求の範囲第２項記載の方法。
4. （４）真空系内に設置されたイオン源と、質量分離用マ
   グネットと、加速器と、イオンビームの集束電極、走査
   電極および偏向電極と、基板ホルダとを具備するイオン
   注入装置において、 前記半導体結晶基板用ホルダが、上記イオンビーム軸に
   対して直角な軸の回りに回転し得るように取付けられて
   いることを特徴とする上記イオン注入装置。
5. （５）前記ホルダがイオンビームに対して直角な横方向
   に伸び、回転し得るシャフトに取付けられていることを
   特徴とする特許請求の範囲第４項記載の装置。
6. （６）前記ホルダがイオンビーム中心を通り、それに平
   行なロッドおよび少なくとも１つのイオンビームと平行
   な、かつ伸縮自在なロッドにピボット式に結合されてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の装置。