JPS63233523A - チヤネリングイオン注入法 - 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】 〔産業上の利用分野１ 本発明は、電子材料をはじめとする工業材料の生産分野
で近年盛んに行われているイオン注入方法に関し、特に
工業材料の放射線損傷を低減することが可能なイオン注
入方法に関するものである。

［従来の技術Ｊ 最近、けい素等の半導体電子材料にＭｅＶ領域のエネル
ギーを有する各種のＰ形あるいはＮ形の不純物を導入し
て、深い埋込層を形成したり（例えば、Ｊ、　Ｆ、　Ｚ
ｉｅｇｌｅｒ：　Ｎｕｃｌ、　Ｉｎ５ｔｒ、　Ｍｅｔｈ
、、　Ｂ［１（１９８５）　ｐｐ、２７ｏ　）すること
で電気的特性を変化させたり、Ｎ＋、０＋イオンを注入
してＳＯＩ　　（５ｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａ
ｔｏｒ）基板を形成させたり（Ｐ、　Ｌ、　Ｆ。

１（ｅｍｍｅｎｔ　ｅｔ　ａｌ　：　Ａｐｐｌ、　ｐｈ
ｙｓ、　Ｌｅｔｔ、、　ｖｏｌ、４８（１９８５）　ｐ
ｐ、９５２）することにより、半導体内部に絶縁層を形
成する方法が注目されている。

［発明が解決しようとする問題点］ 上述した従来のイオン注入方法の原理を示す模成因を第
４図に示す。図中、黒丸は単結晶材料の結晶構成原子を
示し、白丸は注入イオンを示し、白黒光は反跳を受けて
変位した結晶構成原子を示す。従来のイオン注入方法に
おいては、第４図に示すように単結晶材料の結晶軸とず
れた方向（以下、ランダム方向と略記する）からイオン
が注入されてきたために、注入イオンが結晶構成原子に
衝突して、結晶構成原子は反跳を受けて変位すて、非晶
質層の再結晶化を促すアニーリングによって、材料のイ
オン注入損傷からの回復を起こさせる等の工程が必要で
あった。

従って、本発明の目的は、注入イオンによる単結晶材料
の損傷が小さく、アニーリング工程を省略することがで
きるイオン注入方法を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ かかる目的を達成するために、本発明のチャネリングイ
オン注入法は、単結晶材料中に、加速されたイオンを単
結晶材料の結晶軸に沿って注入して、単結晶材料中に変
質層を形成することを特徴とする。

［作　用］ 第１図は、本発明のイオン注入方法の原理を示す模式図
である。図中、黒丸は単結晶材料の結晶構成原子を示し
、白丸は注入イオンを示す。本発明のイオン注入方法に
よれば、単結晶材料の結晶軸に対して平行な方向（以下
、チャネリング方向と略記する）からイオンが入射する
。従って、注入イオンと結晶構成原子とが衝突する頻度
が極端に低減する。このため、結晶構成原子が注入イオ
ンによる反跳を受けて、正規の格子位置から変位を受け
る確率が大きく減少する。この効果により結晶表層付近
では、損傷が大きく低減するために単結晶性が良好に保
たれる。一方、注入イオンは、結晶構成原子と衝突する
確率が減少し、単位長さあたりに失うエネルギーの量（
物質のイオンに対する阻止能）が減少するために、ラン
ダム方向注入の場合と比較して、単結晶材料基板中奥深
くまで到達しつる。すなわちイオンがエネルギーをすべ
て失って停止する深さく飛程）が長くなる。しかし、チ
ャネリング方向から入射したイオンも、結晶構成原子と
の相互作用により、結晶の中を進む間に次第にチャネリ
ング方向からずれて、ランダム方向注入の条件に近くな
る。このような深さ領域では、結晶構成原子が注入イオ
ンとの衝突により変位を受ける確率が上昇し、損傷が増
大するために、引き続き注入されたイオンに対する阻止
能が上昇する。注入イオン量が増加してくると、この阻
止能の上昇が益々大きくなり、化合物や合金を形成する
ほどの注入イオン量では、注入されたイオンのほとんど
は、ランダム方向注入の場合と比較してそれほど変化の
ない深さに停止するようになる。従って、チャネリング
方向からイオンを注入した場合でも、ランダム方向から
イオンを注入した場合とほぼ等しい注入エネルギーを選
択すれば、同じ深さ領域に注入イオン元素を分布させる
ことができる。このように、チャネリング方向イオン注
入法が単結晶基板表層の結晶性の保持として作用し、し
かも、希望する深さ領域に注入イオン元素を分布させる
ことを可能にする。これらの作用のために、この方法を
単結晶基板表層の損傷を大きく低減したままで、基板層
内に、化合物層１合金層や非晶質層等を形成する技術と
して利用することができる。

［実施例１ 以下、図面を参照しつつ本発明の詳細な説明する。

本発明のイオン注入法の原理を立証するために、単結晶
材料としてけい素を選択して、窒素イオンＮ０の注入量
を変化させてチャネリング方向注入とランダム方向注入
を行って、チャネリング後方散乱測定法により結果を比
較した。Ｓｔ（シリコン）単結晶材料は結晶軸の角度を
任意に変えることができるゴニオメータ上に装着され、
イオン注入前にチャネリング後方散乱法により入射イオ
ンの方向に対する結晶軸の角度を測定しておく。チャネ
リング方向注入の場合は、入射軸方向に対して結晶軸が
平行になるように角度を設定する。また、ランダム方向
注入の場合は、入射軸方向に対して結晶軸が、５°〜１
０°ずれるように角度を設定する。この実施例では、結
晶面としてけい索車結晶の（Ｉｌｌ）面を選択し、＜１
１１＞軸がチャネリング方向になるように、角度設定を
行った。

本実施例を述べる前に比較のために従来のイオン注入法
による測定結果を示す。

第２Ａ図に示すのは、室温でＩ　ＭｅＶの窒素イオンＮ
４を１．ＩＸ　１０”個／ｃｍ２の注入量でランダム方
向からＳｉ（シリコン）単結晶にイオン注入した前後、
２．７ＭｅＶの高速ヘリウムイオンＨｅ＋をランダム方
向で測定した後方散乱エネルギー分布曲線（以下、ラン
ダム方向スペクトルと略記する）と２．７ＭｅＶの高速
ヘリウムイオンＨｅ＋をチャネリング方向で測定した後
方散乱曲線（以下、アラインド方向スペクトルと略記す
る）である。

図中、１はイオン注入前のアラインド方向スペクトル、
２はイオン注入前のランダム方向スペクトル、３はイオ
ン注入後の・アラインド方向スペクトル、４はイオン注
入後のランダム方向スペクトルである。スペクトル３，
４において、散乱イオンエネルギーが約０．７５ＭｅＶ
近傍に広がる散乱収量のくぼみの位置と電子阻止能から
、表面層からの深さを計算すると１．４５μｍとなフた
。このくぼみ領域が存在することは、窒化けい素層が形
成されたために、注入イオンに対して同じ阻止能を与え
と、約０．３μｍの深さまでしか単結晶領域が残存して
おらず、表面から数百オングストローム（スペクトル３
の高散乱イオンエネルギーのピークの半値幅から換算し
た）の領域も損傷を受けていることが図から理解される
。

次に従来のランダム方向イオン注入とは違ってチャネリ
ング方向、すなわちＳＬ単結晶の＜１１１＞軸方向、か
らイオンを注入した前後の後方散乱エネルギー分布曲線
を第２Ｂ図に示す。

イオン注入の条件と散乱収量の測定方法は、ランダム方
向からイオンを注入した場合と同様である。図中、５は
イオン注入前のアラインド方向スペクトル、６はイオン
注入前のランダム方向スペクトル、７はイオン注入後の
アラインド方向スペクトル、８はイオン注入後のランダ
ム方向スペクトルである。スペクトル７．８において、
散乱イオンエネルギーが約０．７５ＭｅＶ近傍に広がる
散乱収量のくぼみの位置と電子阻止能とから、表面層か
らの深さを計算すると１．４８μｍとなった。このくぼ
みはランダム方向イオン注入と同様に、けい素原子の密
度が減少していることを示している。

一方、表面領域では、第２Ｂ図示の矢印の幅で示される
散乱イオンエネルギー差と電子阻止能とから単結晶領域
の広がりを計算すると、約０．７μｍの深さまで単結晶
領域が残存しており、表面においては損傷量が低減して
いることが図から理解される。

第３図に、第２Ｂ図に示したチャネリング方向イオン注
入後の後方散乱エネルギー分布曲線を示す。

第３図に示される曲線はＩ　ＭｅＶの窒素イオンＮ３を
１．ＩＸ　１０′８個／ｃｍ２のイオン注入量で５ｉＪ
Ｌ結晶の＜１１１＞軸方向から注入後、１．２５ＭｅＶ
水素イオン■４による後方散乱エネルギースペクトルを
測定したものである。図中、９はイオン注入後のアライ
ンド方向スペクトル、１０はイオン注入後のランダム方
向スペクトルである。１１は注入された窒素原子からの
散乱によるピークである。スペクトル９゜１０は、散乱
イオンエネルギーが約０．９６ＭｅＶに相応する位置で
、けい素原子からの後方散乱イオン収量はくぼむ。この
現象は、第２八図および第２Ｂ図において見られた散乱
収量のくぼみと同様の原因に起因する。また、１１で示
されるピークから、チャネリング方向イオン注入の場合
でも、けい未結晶中に窒素イオンの注入によって窒化け
い素層が形成されていることが解かる。

本実施例では窒素イオンＮ＋を注入したが、Ｍ素原子イ
オン、ホウ素イオン、リンイオン、ひ素イオン等を単結
晶半導体層に注入することも勿論可能である。

さらに、本実施例においては、半導体単結晶基板中にイ
オンを注入後結晶構成原子との化学結合によって化合物
層を形成させたが、注入イオンと結晶構成原子との混合
による合金層形成や、結晶構成原子と同種元素のイオン
注入による非晶質形成等も可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、単結晶材料層に
、加速されたイオンを材料の結晶軸に沿って注入するこ
とにより、注入イオンと結晶構成原子とが衝突する頻度
が小さくでき、また結晶構成原子が変位する等の損傷も
低減できる。

さらに、本発明によれば、室温でイオン注入しても単結
晶材料表層における損傷量が低いために、アニーリング
工程を省略することや、アニーリング温度の低温化、ア
ニーリング時間の短縮化が可能となる。また単結晶材料
を高温に保ってイオン注入すれば、はとんどその後の工
程を経ずに単結晶を必要とする材料を利用することが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のイオン注入法の原理を示す模式図、 第２八図は、従来のイオン注入前後の散乱エネルギー分
布を示す図、 第２Ｂ図は、本発明め一実施例であるイオン注入前後の
散乱エネルギー分布を示す図、 第３図は、第２Ｂ図に示した材料の他の散乱エネルギー
分布を示す図、 第４図は、従来のイオン注入方法の原理を示す模式図で
ある。 １．３，５，７．９・・・アラインド方向スペクトル、
２．４，６，８．ｌＱ・・・ランダム方向スペクトル、
１１・・・注入した窒素によるピーク。 指定代理人　、工業技術院電子技術総合研究所長第１図 散乱収量（検電単位） 散乱イオン収量（任意単信）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　単結晶材料中に、加速されたイオンを前記単結晶材料
   の結晶軸に沿って注入して、前記単結晶材料中に変質層
   を形成することを特徴とするチャネリングイオン注入法
   。