JP2008085355A

JP2008085355A - イオン注入方法

Info

Publication number: JP2008085355A
Application number: JP2007274259A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Murakoshi; 篤村越; Takashi Hoshi; 岳志星; Kyoichi Suguro; 恭一須黒
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-10-22
Filing date: 2007-10-22
Publication date: 2008-04-10

Abstract

【課題】低抵抗の浅いｐｎ接合を形成するために有効なイオン注入方法を実現すること。
【解決手段】イオン注入方法は、半導体基板８１の表面に第１の３族元素が分布した第１の領域８２を、前記３族元素のイオン注入により形成する第１のイオン注入工程と、半導体基板８１の表面に、前記第１の３族元素よりも質量が軽い第２の３族元素またはその化合物が分布した、前記第１の３族元素が分布した第１の領域８２を含み、かつ第１の領域８２よりも広い、前記第１の３族元素よりも質量が軽い第２の３族元素またはその化合物が分布した第２の領域８３を、前記第２の３族元素またはその化合物イオン注入により形成する第２のイオン注入工程とを含む。
【選択図】図７

Description

本発明は、イオン注入方法に関する。

ＵＬＳＩの集積化が進み、素子寸法が縮小化されるに伴い、浅いｐｎ接合の形成はその重要性を増してきている。浅いｐｎ接合は、従来より、ドーピング技術の一つであるイオン注入と、熱処理（アニール）との組み合わせにより行われている。

しかし、ｐ型ドーパントとしてＢ（ボロン）を用いる浅いｐｎ接合の形成は、困難な点が多い。その理由としては、軽元素であるＢはイオン注入時のチャネリングテイルが顕著であることと、Ｓｉ中でＢの拡散係数が大きいことがあげられる。これらはｐチャネル型ＭＯＳトランジスタの短チャネル効果の原因となる。

このようなＢのイオン注入の問題は、素子の微細化が進むほど、より一層顕在する。そのため、浅いｐｎ接合の形成を目指して、イオン注入時のチャネリング抑制・拡散抑制のための様々な工夫がなされている。

その一つとして、ｐ型ドーパントとしてＢＦ₂を用いることがあげられる。その理由は、ＢＦ₂のような分子のイオン注入では、同じ加速電圧の場合、単体Ｂよりも浅く注入できるからである。例えば、単体Ｂを加速電圧２００ｅＶでイオン注入したときと同じ飛程距離を、ＢＦ₂では約９００ｅＶの加速電圧で得られる。

しかし、ＢＦ₂のイオン注入には以下のような問題がある。すなわち、ＢよりもＦ（フッ素）の濃度の方が高くなるために、熱処理後におけるＦ起因のＢの外方拡散や、注入欠陥にＦがトラップされることによるＦの不動化が発生し、その結果としてＢの活性化率が低下し、ｐ型拡散層の抵抗（シート抵抗、コンタクト抵抗）が増加するという問題が生じる。

他の方法としては、イオン注入によるＢの導入前に、Ｓｉ基板を予めアモルファス化しておくというプリアモルファス化法がある。Ｓｉ基板のアモルファス化は、例えばＳｉ，Ｇｅといった基板元素（Ｓｉ）と同族の元素のイオン注入により行うことができる。

Ｓｉ基板のアモルファス化は、Ａｓ、Ｐ、Ｓｂ等のｎ型ドーパントのイオン注入により行うこともできるが、この場合、ｐ型拡散層のキャリア濃度の低下を招くという問題がある。

また、Ｉｎ，Ｇａ等の重元素をｐ型ドーパントとして用いることも考えられるが、この種の重元素を高濃度にイオン注入する場合には、増速拡散が顕在化するため、低温プロセスでなくては使用が困難であるという問題がある。

以上の理由から、Ｓｉ基板のアモルファス化は、一般には、Ｓｉ，Ｇｅといった基板元素と同族元素のイオン注入により行う。図１２に、Ｇｅイオン注入、ＢＦ₂イオンのプリアモルファス化法にて得られた、ｐ型拡散層の抵抗（シート抵抗、コンタクト抵抗）のＧｅイオンの加速電圧依存性を示す。また、図１３に、同プリアモルファス化法にて得られたｐ型拡散層層の不純物の濃度分布およびＢＦ₂の単独のイオン注入方法にて得られたｐ型拡散層の不純物の濃度分布のそれぞれを示す。

しかし、基板元素と同族元素のイオン注入を行うプリアモルファス化法には、以下のような問題がある。すなわち、本発明者等の研究によれば、図１４に示すように、上記プリアモルファス化法は、Ｂ単独のイオン注入よりもｐ型拡散層の抵抗が高くなるという問題があることが分かった。これは、中性イオン（Ｓｉイオン、Ｇｅイオンの）の存在により、電気的に活性なドーパント（Ｂ）の濃度が低下するからである。

上述の如く、浅いｐｎ接合を形成する方法として、ＢＦ₂の単独のイオン注入による方法、またはプリアモルファス化法を用いた２回のイオン注入による方法が知られていたが、いずれの場合もｐ型拡散層の抵抗が高くなるという問題があった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、ｐ型拡散層の抵抗が低く、かつ接合深さの浅いｐｎ接合を形成するために有効なイオン注入方法を提供することにある。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。

本発明に係るイオン発生装置は、複数の元素で構成された物質を含む材料板を内部に保持できる容器と、前記材料板に対して物理的エッチングおよび化学的エッチングの作用を有するガスを前記容器の内部に導入するガス導入手段と、前記複数の元素で構成された物質をイオン化するイオン化手段と、前記容器内のガスを前記容器外に導出するガス導出手段とを備えていることを特徴とする。

本発明に係るイオン照射装置は、上記本発明に係るイオン発生装置と、このイオン発生装置で発生した複数の元素で構成された物質のイオンを試料に照射する照射手段とを備えていることを特徴とする。

本発明に係るイオン発生方法は、複数の元素で構成された物質を含む材料板に対して、物理的エッチングおよび化学的エッチングの作用を有するガスを生成する工程と、前記材料板に前記ガスによって物理的および化学的にエッチングし、前記材料板から前記複数の元素で構成された物質を発生させる工程と、前記複数の元素で構成された物質をイオン化する工程とを有することを特徴とする。

上記本発明の装置・方法において、例えば複数の元素で構成された物質を含む材料板として、ＧｅＢまたはＧｅＢ₂等の３族元素と４族元素との化合物（３族４族化合物）を使用すれば、３族４族化合物が物理的エッチングおよび化学的エッチングされることにより、イオン注入またはイオン照射において必要される量の３族４族化合物のイオンを容易に発生することができる。

ここで、Ｇｅ等の４族元素はＳｉ基板と同族の元素である。そのため、Ｓｉ基板に３族４族化合物をイオン注入した後の熱処理（アニール）により、Ｇｅ等の４族元素はＳｉと容易に結合する。特にＧｅはＳｉに対して完全固溶体であるので望ましい。そのため、熱処理後におけるＧｅ等の４族元素起因のＢ等の３族元素の外方拡散や、注入欠陥にＧｅ等の４族元素がトラップされることによる４族元素の不動化の発生を防止できる。

このようにＢ等の３族元素の外方拡散や、Ｇｅ等の４族元素の不動化を防止できれば、Ｂ等の３族元素の活性化率が低下し、ｐ型拡散層の抵抗が増加するという問題は起こらない。また、３族４族化合物は、３族元素の単体のイオン注入よりも飛程距離を短くできる。したがって、ｐ型拡散層の抵抗が低く、かつ結合深さの浅いｐｎ接合を形成することが可能となる。

また、本発明に係るイオン注入方法は、半導体基板の表面に第１の３族元素が分布した第１の領域を３族元素のイオン注入により形成する第１のイオン注入工程と、前記半導体基板の表面に前記第１の３族元素が分布した第１の領域を含み、かつ該第１の領域よりも広い、前記第１の３族元素よりも質量が軽い第２の３族元素またはその化合物が分布した第２の領域を、前記第２の３族元素またはその化合物イオン注入により形成する第２のイオン注入工程とを有することを特徴とする。

本発明のイオン注入方法は、Ｇａ等の第１の３族元素をＢ等の第２の３族元素よりも浅くイオン注入することを表現している。このようなイオン注入を行う理由は、従来のＧａを用いたプリアモルファス化法における増速拡散の問題は、ＧａがＢよりも深くイオン注入されることで顕著化するからである。したがって、本発明によれば、従来のＧａを用いたプリアモルファス化法の問題を解決できるので、ｐ型拡散層の抵抗が低く、かつ結合深さの浅いｐｎ接合を形成することが可能となる。

本発明の上記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記載および添付図面によって明らかになるであろう。

本発明によれば、ｐ型拡散層の抵抗が低く、かつ接合深さの浅いｐｎ接合を形成するために有効なイオン発生装置、イオン照射装置、イオン発生方法およびイオン注入方法を実現できるようになる。

本発明のイオン注入装置の理解を容易にするために、最初に従来のイオン注入装置について簡単に説明する。イオン注入装置の心臓部となるイオン源アークチャンバーには、熱電極を用いたフリーマン型、バーナス型およびマグネトロンを用いたマイクロ波型などがある。

図４は、従来のバーナス型のイオン源アークチャンバーの断面構造を示したものであり、同図（ａ）はチャンバーの上面に平行な断面を、同図（ｂ）はチャンバーの側面に平行な断面をそれぞれ示したものである。

アークチャンバー５１の一方の端面には絶縁支持部５２およびリフレクター（スペーサー）５３を介してフィラメント５４が設けてあり、アークチャンバー５１の他方の端面には絶縁支持部５２を介して対向電極５５が設けてある。

ガス導入口５６から例えばＢＦ₃ガスを供給するとともに、フィラメント５５４から熱電子を放出させ、対向電極５５によって熱電子の運動方向を反対方向に偏向することにより、アークチャンバー２１内に導入されたＢＦ₃ガスとの衝突確率を高めてイオン化を行う。そして、フロントプレート５７に設けたイオン引き出し口５８からイオンが取り出される。

図５は、従来のフリーマン型のイオン源アークチャンバーの断面構造を示したものであり、同図（ａ）はチャンバーの上面に平行な断面を、同図（ｂ）はチャンバーの側面に平行な断面をそれぞれ示したものである。

アークチャンバー６１の対向する面にそれぞれ絶縁支持部６２を介してリフレクター６３が設けてあり、この対向するリフレクター６３間に棒状のフィラメント６４が設けてある。

フィラメント６４から熱電子を放出させてプラズマを生じさせるとともに、電磁石６５によるフィラメント６４に平行な磁界と、フィラメント電流による回転磁界を発生させ、リフレクター６３の作用によってアークチャンバー６１内で熱電子を複雑に運動させることにより、フィラメント６４から放出される熱電子とガス導入口６６から供給されるガスとの衝突確率を高めている。そして、フロントプレート６７に設けたイオン引き出し口６８からイオンが取り出される。

図６は、従来のマイクロ波型のイオン源アークチャンバーの断面構造を示したものである。これは、マグネトロン７１で発生したマイクロ波を導波管７２を通して放電箱７３に導き、放電箱４３内でプラズマを発生させ、引き出し電極７４を通してイオンを取り出すというものである。

従来のイオン注入装置では、一般的には、ガスまたは固体を昇華させてその蒸気を上述した各種イオン源アークチャンバー内に導入し、イオン化放電を行っている。

しかし、従来のイオン注入装置では、例えばＢ（ボロン）とＧｅ（ゲルマニウム）を同時にイオン化させるためには、例えばＢＦ₃およびＧｅＦ₄といった二種類のガスを同時に放電させる必要がある。この場合、ＢとＧｅはそれぞれ独立した形でイオン化が行われるために、ＢとＧｅを同時にイオン注入することは不可能である。

（第１の実施形態）
図１は、イオン注入装置の全体構成を示す模式図である。なお、本発明は、後述するようにイオン発生装置であるイオン源アークチャンバー１にその大きな特徴があり、図１に示したその他の構成は従来のイオン注入装置の構成と同様である。

図１に示したイオン注入装置では、まずイオン源アークチャンバー１でイオンが生成され（その詳細については後述する。）、このイオンが引き出し電極２によって引き出され、分離電磁石３によって質量分離される。

続いて、スリット４で完全に分離された３族元素および４族元素を含む分子（３族４族分子）のイオンは、加速器５によって加減速または無負荷により、所定の最終エネルギーを持つように制御される。そして、３族４族分子のイオンビームが四極レンズ６によって試料１２（例えばｎ型Ｓｉ基板）の表面に収束点を持つように収束される。

続いて、走査電極７，８により試料面全体で注入量が一様に分布されるようにイオンビームが走査される。そして、残留ガスとの衝突などで生じる中性粒子を除去するために、偏向電極９によりイオンビームを曲げ、マスク１０を通して試料表面にイオンビームが照射される。なお、図中、１１はアースを示している。

以下、図１に示したイオン源アークチャンバー１（イオン発生装置）およびその使用方法等の詳細について、図２および図３を参照して説明する。

図２は、本実施形態のバーナス型のイオン源アークチャンバーの断面構造を示したものであり、同図（ａ）はチャンバーの上面に平行な断面を、同図（ｂ）はチャンバーの側面に平行な断面を、同図（ｃ）は、チャンバーの縦方向の側面に平行な断面をそれぞれ示したものである。

基本的な構成は、図４に示した従来のバーナス型のイオン源アークチャンバーの構成と同様である。すなわち、タングステンまたはグラファイトから構成されたアークチャンバー２１の一方の端面には絶縁支持部２２およびリフレクター（スペーサー）２３を介してタングステンからなるフィラメント２４が設けてあり、アークチャンバー２１の他方の端面には絶縁支持部２２を介して対向電極２５が設けてある。そして、ガス導入口２６からは、オーブンで加熱されて蒸気となったＩ（沃素）が供給され、フロントプレート２７に設けたイオン引き出し口２８からイオンが取り出される。

本実施形態におけるイオン発生装置では、アークチャンバー２１の内壁に沿ってスリット２９を設け、このスリット２９に３族４族分子を取り出すための材料板３０を着脱自在に保持している。

そして、材料板３０にＩのガスを供給し、材料板３０をＩにより物理的にエッチングし（具体的にはスパッタエッチングし）かつ化学的にエッチングし、材料板３０から３族元素および４族元素を含む物質を発生させ、この物質をフィラメント２４から放出した熱電によりイオン化する。

材料板３０は、アークチャンバー内壁上の少なくとも一部に設置されていれば良いが、より好ましくはフィラメント２４および対向電極２５が取り付けられている一対の対向面、および引き出し口２８が設けられたフロントプレート２７以外の３面に設置する。

また、材料板３０の構成材料には、ＧｅＢもしくはＧｅＢ₂等の３族元素と４族元素からなる化合物、またはＧｅＢもしくはＧｅＢ₂を含む有機物等の３族元素および４族元素を含む化合物が用いられる。また、ガス導入口２６から導入されるガスは、Ｆ（フッ素）、Ｃｌ（塩素）、Ｂｒ（臭素）もしくは１（沃素）等のハロゲン単体のガス、またはハロゲンを含んだガスが用いられる。これらのガスは最初からガス状態もの、ハロゲン単体もしくはハロゲンを含む物質の液体、またはハロゲン単体もしくはハロゲンを含む物質の固体を蒸気させたものが用いられる。

以下、材料板３０の構成材料にＧｅＢ₂を用い、これをアークチャンバー２１の内壁面のうち、一対の側壁面および底面の３面に設置した場合について説明する。

この場合、ガス導入口２６からＩをアークチャンバー２１内に導入するとともに、フィラメント２４から熱電子を放出させると、Ｉによるスパッタリング効果およびエッチング反応により、材料板３０（ＧｅＢ₂）からＧｅおよびＢの単体と、ＧｅＢおよびＧｅＢ₂の分子とが導出され、これらは放電によりイオン化される。

発生したイオンは、引き出し口２８を通して引き出されるが、このうち質量分離磁石によりＧｅＢ₂イオンのみを取り出し、試料（Ｓｉ）へのイオン注入を行った。この場合、加速電圧１０ｋｅＶで約２ｍＡのビーム電流が安定して得られた。

また、ガス導入口２６から導入するガスとして、沃素と質量数が近い、すなわちスパッタリングイールドがほぼ等しく、かつハロゲンでは無い希ガスであるＸｅ（キセノン）を使用してイオン化を行った。

その結果、Ｇｅ、Ｂの単独イオンで数百μＡ、ＧｅＢ、ＧｅＢ₂の３族４族分子イオンで数十μＡ程度しか得られなかった。これは、材料板３０から十分な量の３族４族分子を導出するためには、スパッタリング効果のみならず、ハロゲンによるエッチング反応が必要であることを示してる。

一方、図４に示した従来のイオン源アークチャンバーに、ガス導入口５６からＢＦ₃、ＧｅＦ₄ガスをそれぞれ１ｓｃｃｍの流量で導入してイオン化を行った場合には、Ｇｅ、Ｂの単独イオン、およびＧｅＦ、ＧｅＦ₂、ＢＦ、ＢＦ₂といった分子イオンは得られるものの、ＧｅＢ、ＧｅＢ₂といった３族４族分子のイオンの存在は確認できなかった。このようにＢＦ₃、ＧｅＦ₄ガスを用いてイオン化を行う限り、ＧｅＢ、ＧｅＢ₂等のイオンの生成は極めて困難である。

これに対して本実施形態のように、材料板３０をアークチャンバー内壁面に設置し、ハロゲンガスのスパッタリング効果およびエッチング反応を利用すれば、イオン注入に必要な十分な量の３族元素と４族元素からなる分子イオンを容易に生成することが可能となる。

また、ＧｅＢ、ＧｅＢ₂等の分子のイオンをｎ型Ｓｉ基板等の試料に注入することにより、同じ加速電圧でも、より浅い領域にＢ等のイオンを導入することが可能になる。

例えば、単体Ｂで１ｋｅＶ相当の注入を行うためには、ＧｅＢでは約７．７ｋｅＶ、ＧｅＢ₂では約８．７ｋｅＶと、比較的高い加速電圧でイオン注入することができる。

また、ＧｅＢ、ＧｅＢ₂といった分子を用いた場合、軽元素であるＢと同時に重元素であるＧｅのイオン注入が可能となり、単独のイオン注入でアモルファス層を形成できる。

また、イオン種としてＧｅＢ₂イオンを使用することにより、Ｂの単独のイオンを使用する場合に比べて、イオンの輸送量を１／２にでき、注入時間を短くできる。その結果、イオン注入工程のスループットを高めることができる。

また、Ｇｅで予め基板をアモルファス化した後にＢを注入するプリアモルファス化法では、２工程必要であるが、ＧｅＢ、ＧｅＢ₂では１回のイオン注入でアモルファス層を形成できるために、１工程に短縮することが可能となる。これもスループットの向上に繋がる。

次にフリーマン型イオン源を用いた場合について説明する。基本的な構成は、図５に示した従来型のフリーマン型イオン源アークチャンバーの構成と同様である。すなわち、図３に示すように、アークチャンバー４１の対向する面にそれぞれ絶縁支持部４２を介してリフレクター４３が設けてあり、この対向するリフレクター４３間に棒状のフィラメント４４が設けてある。そして、ガス導入口４５からはＢＦ₃ガスが導入され、フロントスリット４６に設けられたイオン引き出し口４７からイオンが取り出される。

本実施形態におけるイオン発生装置では、図２に示した例と同様、アークチャンバー４１の内壁に沿ってスリット４８を設け、このスリット４８に３族元素と４族元素からなる物質を含む材料板４９を着脱自在に保持している。そして、フィラメント４４から熱電子を放出させてプラズマを発生させ、ガス導入口４５からＢＦ₃ガスを導入し、イオン引き出し口４７からイオンを取り出すようにしている。このとき、電磁石５０により熱電子とＢＦ₃ガスとの衝突確率を高める。

材料板４９は、アークチャンバー４１の内壁面上の少なくとも一部に設置されていればよいが、より好ましくは一対のリフレクター４３が取り付けられている一対の対向面、およびイオン引き出し口４７が設けられたフロントスリット４６以外の３つの内壁面の少なくとも一つ以上の面上に設置する。

また、材料板４９の構成材料は、３族元素と４族元素とからなる化合物、または３族元素と４族元素を含んだ化合物が用いられる。

以下、材料板４９の構成材料にＧｅＢ₂を用い、これをモリブデンからなるアークチャンバー４１の内壁の一対の側面および底面の３面に設置した場合について説明する。

この場合、ガス導入口４５からＢＦ₃ガスをアークチャンバー４１内に導入するとともに、フィラメント４４から熱電子を放出させると、ＢＦ₃ガスによるスパッタリング効果およびＦガスによるエッチング反応により、材料板４９（ＧｅＢ₂）からＧｅおよびＢの単体、ならびにＧｅＢおよびＧｅＢ₂の分子が導出され、これらは放電によりイオン化される。発生したイオンのうち分離電磁石によりＢイオンのみを取り出し、加速電圧１ｋｅＶで試料（Ｓｉ）へのイオン注入を行った。

図５に示した従来のイオン発生装置では、加速電圧１ｋｅＶにおける単体Ｂのビーム電流は約２００μＡであった。

これに対して図３に示した本実施形態のイオン発生装置を用いれば、加速電圧１ｋｅＶにおける単体Ｂのビーム電流量は約６００μＡと、従来のビーム電流の３倍近い電流量が得られた。

このようにアークチャンバー４１の内壁に材料板４９を設置することにより、低加速イオン注入に対するイオンビーム電流量を多くすることができ、注入時間（照射時間）を短くできる。その結果、イオン注入工程のスループットを高めることができる。

以上説明した本発明のイオン注入装置は、例えばＭＯＳトランジスタのソース・ドレイン拡散層を形成するのに有効である。この場合、Ｓｉ基板の表面にゲート電極、またはゲート電極およびゲート側壁絶縁膜をマスクにしてＢを含んだイオンを本発明のイオン注入装置を用いて導入することにより、低抵抗かつ浅いｐ型ソース・ドレイン拡散層を形成することができる。特に、Ｂを含んだイオンとしてＧｅＢ₂のような分子のイオンを導入することにより、イオン輸送量（ドーズ）も、単体Ｂイオン注入時のドーズ量（イオン個数）の半分にすることが可能となり、実効的な注入時間を極めて容易に短縮することが可能となる。

以上説明した実施形態では、材料板としてＧｅＢ₂を用いて説明したが、その他の３族と４族からなる化合物を用いても良い。

また、以上説明した実施形態では、導入するガスとしてＩ、ＢＦ₃を用いて説明したが、その他のハロゲン単体のガス、かつ単体のガスまたは蒸気である必要はなく、ハロゲンを含んだガスまたは蒸気を用いることができる。また、フィラメントやアークチャンバーには、タングステン、モリブデン、グラファイト以外の材料を用いることも可能である。

さらに、以上説明した実施形態では、フリーマン型およびバーナス型のイオン源アークチャンバーを用いる方式に本発明を適用する場合について説明したが、その他の方式にも本発明は適用することができる。

（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係るｐｎ接合の形成方法を示す工程断面図である。

まず、図７（ａ）に示すように、ｎ型シリコン基板８１の表面に対してＧａ（ｐ型ドーパント）のイオン注入を行う。図中、８２は基板表面のＧａが注入されたアモルファス状態の領域（第１の領域）を示している。ここでのイオン注入条件は、加速電圧：１．５ＫｅＶ、注入ドーズ量：５×１０¹⁴ｃｍ^-2である。

次に図７（ｂ）に示すように、ｎ型シリコン基板８１の表面に対してＢＦ₂のイオン注入を行う。このときのイオン注入は、同図（ｂ）および図８に示すように、ＢＦ₂が注入されたアモルファス状態の第２の領域８３内に第１の領域８２が含まれ、かつＧａの不純物濃度がＢＦ₂の不純物濃度よりも低くなるようにする。これらの要件を満たすために、ここでのイオン注入条件は、イオン種：ＢＦ₂、加速電圧：０．９ＫｅＶ、注入ドーズ量：１×１０¹⁵ｃｍ^-2である。なお、ＢＦ₂の代わりにＢのイオン注入を行っても良い。

最後に、図７（ｃ）に示すように、１０秒のＲＴＰ（Rapid Thermal Process）により、ＧａおよびＢＦ₂の不純物の活性化を行い、ｎ型シリコン基板８１の表面にｐ型拡散層８４を形成し、浅いｐｎ接合が完成する。

図９は、ｐ型拡散層８４（Ga PAI（Pre-Amorphous Implantation））のシート抵抗の熱処理温度依存性を示す図である。図には、比較例として、第１の領域をＧｅのイオン注入で形成した場合（Ge PAI）および第２の領域を形成せずに単独のＢＦ₂のイオン注入で形成した場合（No PAI）のそれぞれのｐ型拡散層のシート抵抗の熱処理温度依存性も示してある。図から、ｐ型拡散層８４のシート抵抗はどの熱処理温度でも比較例のそれらよりも低いことが分かる。

また、図１０は、ｐ型拡散層８４のホール移動度の熱処理温度依存性を示す図である。図には、図９の２つの比較例と同様のイオン注入により形成したｐ型拡散層（Ge PAI、No PAI）のホール移動度の熱処理温度依存性も示してある。図から、Ga PAI（本発明）は、Ge PAIまたはNo PAIの比較例よりも温度依存性が小さく、より低い温度（本実施形態の場合は９００℃）でも結晶性の回復が行われていることが分かる。

また、図１１は、ｐ型拡散層８４中の不純物の活性化濃度の熱処理温度依存性を示す図である。図には、図９の２つの比較例と同様のイオン注入により形成したｐ型拡散層（Ge PAI、No PAI）中の不純物の活性化濃度の熱処理温度依存性も示してある。図から、本発明のｐ型拡散層８４（Ga PAI）は、Ge PAIまたはNo PAIの比較例よりも活性化濃度が高いことが分かる。

これらの結果が得られた理由としては次のようなことが考えられる。まず、本発明の場合、第１の領域８２が第２の領域８３内に含まれるように、ＧａおよびＢＦ₂のイオン注入を行っているので、従来よりもＧａ−Ｂ結合が多く存在するようになり、その結果としてＢの電気的活性化が促進されるとともに、Ｂの外方拡散を抑制されるからである。また、Ｓｉ−Ｂ結合よりもＧａ−Ｂ結合の方が速やかに行われるために、より低い低温でもｐ型拡散層の結晶性が改善されるからである。

上記結果から、本発明によれば、第１の領域８２を形成するためにｐ型ドーパントであるＢＦ₂を用いても、第１の領域８２の深さをＢＦ₂のイオン注入により形成する第２の領域８３の深さよりも浅くすることで、ｐ型拡散層８４の抵抗が低く、かつ接合深さの浅いｐｎ接合を形成できるようになる。

なお、本実施形態では、ｎ型シリコン基板８１の表面にｐｎ接合を形成する場合について説明したが、本発明はｎ型ウェルの表面にｐｎ接合を形成する場合にも適用できる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、アークチャンバー内で発生した複数のイオン種のうち所定のイオン種を選択的に試料に注入するイオン注入装置・注入法を中心にして説明したが、本発明は上記複数のイオン種をまとめて試料に注入するイオン照射装置・照射法にも適用できる。イオン照射装置の基本構成は図１のイオン注入装置から分離電磁石３を省いたものとなる。

また、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決できる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。

イオン注入装置の全体構成を示す模式図第１の実施形態のバーナス型イオン源アークチャンバーの断面構造を示す図第１の実施形態のフリーマン型イオン源アークチャンバーの断面構造を示す図従来のバーナス型のイオン源アークチャンバーの断面構造を示す図従来のフリーマン型のイオン源アークチャンバーの断面構造を示す図従来のマイクロ波型のイオン源アークチャンバーの断面構造を示す図本発明の第２の実施形態に係るｐｎ接合の形成方法を示す工程断面図ＧａおよびＢＦ₂の基板表面における濃度分布を示す図本発明（Ga PAI）および比較例（Ge PAI、No PAI）のｐ型拡散層のシート抵抗の熱処理温度依存性を示す図本発明（Ga PAI）および比較例（Ge PAI、No PAI）のｐ型拡散層のホール移動度の熱処理温度依存性を示す図本発明（Ga PAI）および比較例（Ge PAI、No PAI）のｐ型拡散層の中の不純物の活性化濃度の熱処理温度依存性を示す図従来のプリアモルファス化法により得られたｐ型拡散層のシート抵抗およびコンタクト抵抗のＧｅイオンの加速電圧依存性を示す図従来のプリアモルファス化法およびＢＦ₂の単独のイオン注入方法にて得られたｐ型拡散層のそれぞれの不純物の濃度分布を示す図従来のプリアモルファス化法の問題点を説明するための図

符号の説明

１…イオン源アークチャンバー、２…引き出し電極、３…分離電磁石、４…スリット、５…加速器、６…四極レンズ、７，８…走査電極、９…偏向電極、１０…マスク、１１…アース、２１…アークチャンバー、２２…絶縁支持部、２３…リフレクター（スペーサー）、２４…フィラメント、２５…対向電極、２６…ガス導入口、２７…フロントプレート、２８…イオン引き出し口、２９…スリット、３０…材料板、４１…アークチャンバー、４２…絶縁支持部、４３…リフレクター、４４…フィラメント、４５…ガス導入口、４６…フロントスリット、４７…イオン引き出し口、４８…スリット、４９…材料板、５０…電磁石、５１…アークチャンバー、５２…絶縁支持部、５３…リフレクター、５４…フィラメント、５５…対向電極、５６…ガス導入口、５７…フロントプレート、５８…イオン引き出し口、６１…アークチャンバー、６２…絶縁支持部、６３…リフレクター、６４…フィラメント、６５…電磁石、６６…ガス導入口、６７…フロントプレート、６８…イオン引き出し口、７１…マグネトロン、７２…導波管、７３…放電箱、７４…引き出し電極、８１…ｎ型シリコン基板、８２…Ｇａがイオン注入された領域（第１の領域）、８３…ＢＦ₂がイオン注入された領域（第２の領域）、８４…ｐ型拡散層。

Claims

半導体基板の表面に第１の３族元素が分布した第１の領域を、前記３族元素のイオン注入により形成する第１のイオン注入工程と、
前記半導体基板の表面に、前記第１の３族元素よりも質量が軽い第２の３族元素またはその化合物が分布した、前記第１の３族元素が分布した第１の領域を含み、かつ該第１の領域よりも広い、前記第１の３族元素よりも質量が軽い第２の３族元素またはその化合物が分布した第２の領域を、前記第２の３族元素またはその化合物イオン注入により形成する第２のイオン注入工程と
を有することを特徴とするイオン注入方法。
前記第１のイオン注入工程における前記第１の領域内の前記第１の３族元素の濃度が、前記第２のイオン注入工程における前記第２の領域内の前記第２の３族元素またはその化合物の濃度よりも低くなるように、前記第１の３族元素のイオン注入、および前記第２の３族元素またはその化合物のイオン注入を行うことを特徴とする請求項１に記載のイオン注入方法。
前記第１のイオン注入工程における前記第１の３族元素のドーズ量を、前記第２のイオン注入工程における前記第２の３族元素またはその化合物のドーズ量よりも少なくすることを特徴とする請求項２に記載のイオン注入方法。
前記第２のイオン注入工程の後に、前記第１および第２の領域中の不純物を活性化する熱処理工程をさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載のイオン注入方法。
前記第１の３族元素はＧａまたはＩｎ、前記第２の３族元素はＢであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のイオン注入方法。