JPS6190431A - 半導体装置の製法 - 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】 本発明は、半導体築積回路例えばＭＯ３Ｏ３半導体目積
回路おいて、浅い接合の形成、制御性のすぐれた抵抗体
の形成等を可能にした半導体装置の製法に関するもので
ある。

ＭＯＳＬＳＩの高望積度化、高速度化の要求と共に素子
寸法は増々微細化の方向にある。イオン注入法を用いた
不純物のドーピングにおいてもより浅い接合形成が望ま
れている。この浅い接合形成は特に自己整合型ＭＯ８の
ソース、ドレイン領域形成時にゲート領域下の不純物の
横方向拡散を防止する為のものである。

浅い接合形成を達成するための不純物ドーピング法とし
ては低エネルギーのイオン注入、薄い酸化膜を通したイ
オン注入法等がある。また、イオン注入後のアニール法
においてもハロゲンランプ等を用いた高温、短時間の赤
外ランプ光線照射アニール法の検討や、Ｓｔ”イオン注
入による非晶質化を利用した低温プロセスも検討されて
いる。また、半導体基体上に不純物を含む股を付着し、
その上から基板と同じ材料のイオンを照射すること　゛
によって、反跳注入によって不純物を半導体基体に注入
する方法（特公昭’５７−１８７０３号参照）も知られ
ている。

しかしながら、上記の劣り浅い不純物ドーピング法であ
っても実際の接合は一般にエキュスポーネンシャルテー
ル（ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌむａｉｌ）と呼ばれている
濃度の低い領域において形成される。

薄い酸化膜を通す事はチャネリング防止で有効である事
は良く知られているがこの場合のチャネリング防止は基
板表面でのチャネリング現象を防ぐものである。一方エ
キュスポーネンシャルテールは所謂デチャンネリング（
ｄｅｃｈａｎｎｅｌｉｎｇ）現象と呼ばれているもので
あり、ランダム注入された不純物原子が結晶格子との相
互作用で散乱された結果チャネル方向に進入するもので
ある事から表面でのチャネリング防止はデチャンネリン
グの防止とはならないものであった。

一方、抵抗体の形成においても、ＭＯ３Ｏ３半導体目積
回路びにバイポーラ集積回路のより高密度化、高速度化
に伴って種々検討されている０例えば従来の半導体基板
内に埋め込まれた拡散抵抗の代りに５ｔ（ｈ膜、５ｉａ
Ｎ＋膜等の絶縁膜上に多結晶シリコン層を堆積し、これ
にイオン注入法等で不純物をドーピングして抵抗体を形
成する技術もその１つである。この多結晶シリコン抵抗
体形成の技術は華に多層構造として高集積度となるだけ
でなく、抵抗値がバイアスに依存しない直線性の良い抵
抗体となる事、又高抵抗体を小面積に形成できる等の特
長をａしている。

しかしながら、従来の多結晶シリコン抵抗体はＣＶＤ法
（化学気相成長）等による多結晶シリコン堆積時の条件
の不安定性等もあり、イオン注入後の熱処理で注入不純
物を活性化させても抵抗値の再現性に乏しいという問題
があった。これは堆積された多結晶シリコン層の粒径等
のバラツキの他に、この様な多結晶シリコン抵抗体の熱
処理が半導体プロセスとして最終工程に組み入れられす
でに形成されている接合等の拡散をできるだけ抑える為
に低温処理（活性化ぎりぎりの条件）になっている事も
一因として上げられる。

なお、抵抗体の製法として、非単結晶シリコン中に窒素
原子を注入する方法（特開昭５９−１１７１４９号）、
半導体層にＳｔ＋又はＧｅ＋の中性元素イオンと不純物
元素イオンを注入する方法（特開昭５９−４８９５２号
）等も提案されている。

本発明は、上述の点に鑑み、例えばＭＯ３半導体集積回
路での浅い接合のソース、ドレイン領域の形成を可能に
し、又、制御性にすぐれた抵抗体の形成を可能にした半
導体装置の製法を提供するものである。

本発明は、半導体層に弗素原子を含む非晶質化イオン、
すなわちＦ＋イオンの他にＳｉＦ”　、　ＳｉＦ２”５
ｉＦ３＋等のＳｔ＋とＦ＋の結合した分子状イオン（Ｓ
ｉＦｘ”　）　、更にＧｅＦ”　、　ＧｅＦ２＋等のＧ
ｅ＋とＦ＋の結合した分子状イオン（ＧｅＦｘ”　）を
注入する工程とキャリアとなる不純物イオンを注入する
工程と、更にこの不純物を活性化するための熱処理工程
を有することを特徴とする。

以下本発明の詳細な説明する。

先ず、自己整合型ＭＯ３半導体集積回路において、浅い
接合を有するソース及びビレ９ン領域を形成する場合に
ついて説明する。

本例においては、第１導電形の半導体基体（または半導
体層）例えばＮ形のシリコンの半導体基体上に絶縁層を
介してゲート電極を形成し、このゲート電極をマスクに
ソース及びドレイン領域を形成すべき部分に対応した部
分の絶縁層（例えばＳ　ｉ（ｈ或いは５ｉ３ｔ４４）を
開孔する。次にゲート電極をマスクとして１記開孔を通
じてＦ＋イオン或いは５ｉＦｘ”　、　ＧｅＦｘ＋等の
非晶質化イオンを注入して非晶質化層を形成した後に、
キャリアイオン本例ではＰ形ネ純物のＢ＋イオンを注入
し、活性化のためのアニール処理を施して浅い接合を有
するソース領域及びドレイン領域を形成する。

第１図はＳＩＭＳ解析によるＦ原子の濃度分布と熱処理
による変化を示す図である。曲線■はＦ原子゛を注入し
た直後の場合、曲線■はＦ原子を注入したｌ＆　９００
℃、２０分のアニール処理した場合、曲線■はＦ原子を
注入した後１０００℃、２０分のアニール処理した場合
である。Ｆ＋イオンは第１図かられかるように高温アニ
ール処理でＦ原子の外向拡散が生じシリコン基体内のＦ
原子の残留濃度は注入時と比べて１／１０以下となる。

すなわち、Ｆ＋イオンの注入による非晶質化にてチャン
ネリングを防止した後は、Ｆ原子がアウトディツージョ
ンして特性への影響が少ないという効果が期待される。

実際にＣＺ　（１００）　Ｎ形シリコン基体に打ち込み
エネルギー３０ＫｅＶでＢ＋イオンを５　Ｘ　１０”　
ｃｍ−’注入し、　９００℃、２０分のアニール処理を
施した場合の接合深さは０．４８５μｍであるが、Ｂ＋
イオン注入前にＦ＋イオンを５×１Ｏ１５ｃＩ１１−２
にて非晶質化させた場合の接合深さは０．４４μｍであ
った。

第２図は、Ｆ＋イオンの注入量に対する接合深さの変化
を示す図である。同図中、ｆｉｌはＢ＋イオンだけを注
入したときの接合深さでこれを相対値１．０とする。こ
の第２図から明らかなようにＦ　□＋イオンの注入量か
増すと、非晶質化が促進されると共に、より浅い接合が
形成されるものであり、例えば５　Ｘ　ＩＱ１５ｃＩ１
１−’のＦ＋イオン注入処理では未注入サンプルと比較
して１０〜２０％もの浅い接合形成が司能となる。

そして、第１図及び第２図で示されるように例えば０．
４μｍのところに接合を形成する場合であっても接合の
ところでのＦ原子はアウトディツージョンによってほと
んど無視できる程度になくなる。従ってＦ原子を多く入
れても高温アニールすれば接合に憩影響を与えないで浅
い接合ができる。

このようにＦ＋イオンをキャリア不純物を注入する前に
予め注入することによって半導体基体結晶を非晶質化し
てデチャンネリングを防止することができる。

最近のイオン注入技術はより生産的規模でこれを行う為
に大電流イオン注入であり、結果として基板の温度上昇
が問題となっている。すなわちある面でボットインプラ
ンテーションであり、この場合注入による非晶質化が抑
制されるため、デチャンネリング成分が増加する事があ
る。本発明はこの様な場合でも有効であり、注入前にす
でに非晶質化領域が形成されている為に大電流イオン注
入でもデチャンネリング成分は少ない特長を有する。

尚、上剥ではデチャンネリング現象を防止するためにキ
ャリア不純物を注入する前に予めＦ＋イオンをキャリア
不純物の注入領域に注入したが、その他Ｆ＋イオンをゲ
ート領域ペリフェリ部に注入してもよい。

また、Ｆ原子をアウトディツージョンさせるに好ましい
温度としては通常のアニール処理の場合９００〜１ｏｏ
ｏ℃であり、赤外ランプ光線（ハロゲンランプ光線）（
０，４〜４．０μｍの波長）によるアニール処理では１
２００℃（短時間）とすることができる。

上記の製法において、更に浅い接合を形成するためには
アニール処理を低温で行うことが望ましい。Ｆ＋イオン
は高温で外向拡散する為にシリコン基体内に残留して特
性に影響する効果は少ないが低温度ではまだ注入Ｆ原子
が残留している為にその特性への影響が懸念される。従
って注入Ｆ＋イオンの注入飛程孔ｔ％’１ｌ（Ｒｐ）は
その後のキャリアイオンの注入飛程距離（Ｒｐ　）より
も浅くして接合部へのＦ＋イオン注入の影響ｉ無くする
事が必要である。

この実施例を次に説明する。

第３図はＣＺ（１００）、比抵抗が２〜３Ω／ｃ−のＮ
形シリコン基体に３０ＫｅＶ　Ｂ＋イオン５　ｘ　ｌ　
Ｑ１６　ｃｍ　−２注入し６００〜１０００℃、２０分
の等時アニール特性を示す。０印は３０ＫｅνでＢ＋イ
オンを５　Ｘ　１０”国−２注入したのみの場合、關印
はＦ＋イオンを３５ＫｅＶで２Ｘ　ＩＱ１５ｃｍ−２注
入しその後同様のＢ＋イオンを注入した場合である。周
知の様にＢ＋イオン単独注入では低抵抗（高い活性化）
を得るのに９００℃以上の高温アニールを必要とするが
結果として拡散が進行し、浅い接合が保たれなくなって
しまう。

第３図には３５ＫｅＶ　Ｆ＋イオン２×１０１５ＣＩ１
１−２注入した場合の特性も合わせて示しているが、Ｆ
＋イオン注入にて非晶質化層が形成されている為に６０
０℃の低温でも充分に活性化が進行し低い抵抗値が得ら
れている。第４図は非晶質化イオンとしてＳｉ＋イオン
を用いたときの低温活性化効果をボし、第５図は本発明
のＦ１イオン注入による低温活性化効果を示している０
目印は夫々Ｂ“イオンを５　Ｘ　１０”　ａｍ−２注入
したのみの場合、謹印は夫々Ｂ＋イオンとＳｉ＋イオン
を注入した場合及びＢ＋イオンとＦ＋イオンを注入した
場合を示す。

第４図及び第５図に示すようにＳｉ＋イオン注入非晶質
化と本発明であるＦ＋イオン注入非晶質化の特性は全く
同様の傾向にある事が判る。

また第６図はＦ＋イオン注入量に対する６００℃２０分
の低温アニール後のシート抵抗値の変化を示すがＦ＋イ
オン注入量が増加し非晶質化が進むにつれてシート抵抗
はより低くなっている。なおｆｄｌはＢ＋イオンだけを
注入した場合である。また第７図でポすように接合深さ
も同時に浅くなっていくがこれはＢ１イオン注入前にＦ
＋イオン注入処理を施している為にチャンネリング効果
が減じた為である。なおｔｅ＋はＢ＋イオンだけを注入
した場合である。

そして本発明では、Ｆ＋イオン或いはＦ＋イオンを含む
分子状イオン（ＳｉＦｘ”　、　ＧｅＦｘ”　）の注入
夏は５　Ｘ　ＩＱ”　ａｍ−２以上とするを可とし、ま
たキャリアイオン注入後のアニール温度としては５５０
〜８００℃、好ましくは６５０℃以下の低温とするを可
とする。５５０℃より低い場合には°？ニール効果が期
待できす、８００℃より高いと拡散が進む。

このように本発明ではＳｉ＋イオン注入による低温プロ
セスと同様の効果を供するものであるが特にＦ１イオン
を用いることはＳｉ＋イオン注入処理と比べて極めて容
易にＦ＋イオンが得られ、製造技術的に利益が大である
。

次に多結晶シリコン層にイオン注入を施して抵抗体を形
成する実施例につき説明する。本例では先す基体の−・
主面上例えば半導体基体表面の絶縁膜上に抵抗体となる
べき半導体薄映層例えば多結晶シリコン層を形成し、こ
の多結晶シリコン層にキャリアとなる不純物のイオン注
入とは別にＦ＋イオン或いはＦ＋イオンを含む分子状イ
オン（ＳｉＦｘ”　。

ＧｅＦｘ”　）をｌ　Ｑｉｂｃｍ−”以上の同濃度に注
入し多結晶シリコン層を非晶質化させ、その後アニール
処理して抵抗体を形成するものである。

Ｆゝイオンは第１図に示す様にＳｉ中に注入された後高
温処理で外向拡散し、例えば１０００℃の処理では残留
Ｆ原子は１／１０以下となる。すなわち注入で非晶質化
させた後のアニール処理でアウトディツージョンを生じ
Ｆ原子残留によ２る特性への影響が少ないという特長が
ある。特に５５０℃以上の７二−ルであれば活性化がで
きるので、低抵抗が得られ、Ｆ原子の残留はそれほど特
性に影響しない。

第８図は多結晶シリコン抵抗体の特性を示す図であって
、本実施例と従来技術との比較で示している。これは５
０００〜６０００人の＠酸化膜上に１０００人の多結晶
シリコンを堆積さ＋６０ＫｅＶのＢＦ２＋イオンを５　
Ｘ　１０”〜ｌ　Ｘ　ＩＱ”　ｃｍ−’注入したサンプ
ルである。０印はＦ＋イオン未注入の従来技術の場合、
ｌ印はＦ＋イオン５×１０１ｂｃ１１１−２注入した本
発明の場合である。アニールは１０００℃２０分、Ｎ２
雰囲気中で行っている。従来技術ではイオン注入した多
結晶Ｓｉの特性として特に低濃度注入域で急激なシート
抵抗値の増加が見られ高抵抗域の制御性が難しい事が判
る。これに対して３５ＫｅＶでＦ＋イオンを５　Ｘ　１
０１５ａ１’注入した本発明実施例ではＢＦ２”キャリ
アイオン注入量とシート抵抗との間に良い直線性が見ら
れ制御性が大きく改善されている。

第９図はその再現性を見たものであり点線（ｂｌはＦ＋
イオン未注入のサンプル、実線（Ｃ１はＦ＋イオン５×
１０１５ｃｎＩ−２注入処理サンプルである。同じ１０
００人の多結晶Ｓｉでもロフト間にて特に高抵抗域では
１０倍以上のバラツキがあるがＦ＋注入処理サンプルに
はロフト間のバラツキも少ない。尚、Ｓｉ＋注入非晶質
化処理と特性比較した場合、Ｆ＋圧注入おいても同様の
改善効果が見い出される。

尚Ｆ＋注入量は多結晶Ｓｉ股を非晶質化さ−せる為にＩ
　Ｘ　１０１１０ｌ５’以上が望ましい。またＦ＋イオ
ンの他にＳｉＦ”　ＳｉＦ２”　５ｉＦ３＋イオンまた
はＧｅＦ”　。

ＧｅＦ２＋イオン等の分子状イオンでちり能である。

更に非晶質化注入イオン（Ｆ”　、　５ｉＦｘ＋、　Ｇ
ｅＦｘ”　）とキャリアイオン（Ｐ”　、　Ａｓ”　、
　Ｂ”　、ＢＦ２＋等）の注入手順は特に限定するもの
ではないがキャリアイオン注入時のチャンネリング防止
等も考慮して初めに非晶質化させた方が望ましい。

また本発明実施例では多結晶ＳｉＯ熱処熱性理法て従来
の電気炉アニール（１０００℃２０分）で示した。

多結晶Ｓｔのアニーリング特性から言うと熱処理温度を
１１００°Ｃ，１２００℃とより高温処理にした方がよ
り安定な抵抗ｊ−が得られるが実用上はすでに形成され
た接合の移動、再分布等で難しい面もある。

そこで前述した赤外ランプ光線照射による瞬間加熱法を
本発明と併用した場合更に安定な抵抗体が得られる。

また、多結晶Ｓｉ屓の厚さをｔとしたときにＦ＋イオン
或いはＦ＋イオンを含む分子状イオンの注入飛程距ｌ１
１１１（Ｒｐ）を最大ｔを含む複数回に分けて行い多結
晶Ｓｉ層をより均等に非晶質化させることもできる。

上述したように本発明におい°ζは、例えば自己整合型
ＭＯ３半導体装置において浅い接合を有するソース及び
ドレイン領域を形成することができる。また、制御性に
優れた抵抗体を形成することができる。また、特に非晶
質化イオンとしてＦ＋イオンを用いるときには、通常す
べてのイオン注入機でＢＦ３ソースガスを装備している
ためにこのソースでＦ＋イオンが容易に得られ製造技術
的に利益が大である。したがって、本発明はＭＯ３半導
体集積回路並びにバイポーラ集積回路の製造に通用して
好適ならしめるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は５１ＭＳ解析による注入弗素原子の濃度分布と
熱処理による変化を示す図、第２図はＦ＋イオン注入量
に対する浅い接合形成の効果を示す図、第３図はＢ＋イ
オン注入層にＦ＋イオンを注入したときのアニール温度
とシート抵抗の関係を示す図、第４図はＳｔ＋イオン注
入処理におけるアニール温度とシート抵抗の関係をボす
図、第５図はＦ＋イオン注入処理におけるアニール温度
とシート抵抗の関係を示す図、第６図はＦ＋イオン注入
量に対するシート抵抗の変化を示す図、第７図はＦ＋イ
オン注入量に対する接合深さの変化を示す図、第８図は
Ｆ＋イオン未注入とＦ＋イオン注入の場合を比較した多
結晶シリコン抵抗体の特性図、第９図はＦ＋イオン未注
入とＦ＋イオン注入の場合を比較した多結晶シリコン抵
抗体の再現性を示す図である。 第１図 探ごち曲の距離（×１００人） 第２図 Ｆ”イｔ＞＃１５１人量（ｉｏｎｓ／ｃｍ１２）第３図 了ニール−；ｊｊ！、ＪＩＬ（”Ｃ） 第５図 ７二−ル５ＬｆＬＣ”Ｃ） ビイオン／１圧入量（ｉｏｎ！／ｃｍ２）手続補正書 昭和５９年１２月２１日 １、事件の表示 昭和５９年　特　許　願　第２１２９８８号３、補正を
する者 事件との関係　　　特許出願人 住　所　東京部品用８北品用６丁目７番３５号名称（２
１８）ソニー株式会社 代表取締役　大　賀　典　雄 ４、代理人 １・、−・　　゛・シノ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体層に弗素原子を含むイオンを注入する工程と、不
   純物を導入する工程と、前記不純物の活性化処理を行う
   工程とを有する半導体装置の製法。