JPH10261593A - Manufacture of semiconductor device, semiconductor-manufacturing device, and semiconductor device - Google Patents
Manufacture of semiconductor device, semiconductor-manufacturing device, and semiconductor deviceInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、イオン注入・その
後の熱処理工程に特徴がある半導体装置の製造方法、半
導体製造装置、半導体装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device manufacturing method, a semiconductor manufacturing apparatus, and a semiconductor device characterized by an ion implantation and a subsequent heat treatment step.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、コンピュータや通信機器の重要部
分には、多数のトランジスタや抵抗などを電気回路とし
て結びつけ、1チップ上に集積化して形成した大規模集
積回路(LSI)が多用されている。このため、機器全
体の性能は、LSI単体の性能と大きく結びついてい
る。LSI単体の性能向上は、集積度を高めること、す
なわち、素子の微細化により実現できる。2. Description of the Related Art In recent years, a large-scale integrated circuit (LSI) formed by integrating a large number of transistors, resistors, and the like as an electric circuit and integrating them on a single chip has been frequently used in important parts of computers and communication devices. . For this reason, the performance of the entire device is greatly related to the performance of the LSI alone. The performance of the LSI alone can be improved by increasing the degree of integration, that is, by miniaturizing the elements.
【0003】素子の微細化は、ソース・ドレイン拡散層
などの拡散層を形成する際のイオン注入とその後の熱処
理(アニール)を最適化することにより可能となる。こ
れにより、例えば、0.2 μm以下の浅いソース・ドレイ
ン拡散層を有するMOSトランジスタの実現が可能とな
る。The element can be miniaturized by optimizing the ion implantation and the subsequent heat treatment (annealing) when forming a diffusion layer such as a source / drain diffusion layer. Thereby, for example, a MOS transistor having a shallow source / drain diffusion layer of 0.2 μm or less can be realized.
【0004】浅い拡散層を形成するためには、イオン注
入の際に不純物原子を浅く分布させることだけでなく、
その後の熱処理で不純物が深く拡散しないように少ない
熱予算を組むことが必要である。しかし、熱予算を減ら
すと、結晶欠陥が十分に回復できずに残留することにな
る。In order to form a shallow diffusion layer, it is necessary to not only distribute impurity atoms shallowly during ion implantation, but also to form a shallow diffusion layer.
It is necessary to set a small heat budget so that impurities do not diffuse deeply in the subsequent heat treatment. However, when the thermal budget is reduced, crystal defects are not sufficiently recovered and remain.
【0005】一方、LSIの不良解析を行なうと、不良
のLSIではセルの一部でPn接合リーク電流が大き
く、電荷の保持特性が著しく悪い場合がある。pn接合
リーク電流が大きい場合には、転位などの結晶欠陥が存
在する場合が多い。On the other hand, when a failure analysis of an LSI is performed, a defective LSI may have a large Pn junction leak current in a part of the cell, and may have extremely poor charge retention characteristics. When the pn junction leakage current is large, crystal defects such as dislocations are often present.
【0006】この種の結晶欠陥は、特にトレンチキャパ
シタやトレンチ素子分離などの半導体基板に種々の材料
が埋め込まれた領域の近くに見つかることが多い。その
理由は、異種物質が半導体基板の中に埋め込まれている
と、異種物質(埋込物質)と基板半導体の熱膨張率が異
なるため、温度の上げ下げに伴い異種物質と半導体基板
との界面を中心に熱応力が発生するからである。This kind of crystal defect is often found near a region where various materials are embedded in a semiconductor substrate such as a trench capacitor and a trench element isolation. The reason for this is that when a heterogeneous substance is embedded in a semiconductor substrate, the thermal expansion coefficient of the heterogeneous substance (embedded substance) differs from that of the substrate semiconductor. This is because thermal stress occurs at the center.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】半導体基板の強度は、
LSIの工程を経る毎に次第に低下していく。本発明者
はその原因を調べるために、LSIの工程を経る毎に、
Si基板の機械的強度(Si強度基板)とSi基板内部
の最大応力(Si基板内最大応力)とがどの様に変化す
るか調べた。The strength of the semiconductor substrate is as follows.
It gradually decreases every time through the LSI process. The present inventor, in order to investigate the cause, every time through the LSI process,
It was examined how the mechanical strength of the Si substrate (Si strength substrate) and the maximum stress inside the Si substrate (the maximum stress inside the Si substrate) change.
【0008】図7に、その結果を示す。図7は、従来の
製造方法でLSIを作成した場合の各工程毎におけるS
i基板強度とSi基板内最大応力を示している。図中、
横軸に代表的なLSIの工程を抽出し、各工程直後にお
けるSi基板強度を点線で、Si基板内最大応力を直線
で示した。FIG. 7 shows the result. FIG. 7 is a graph showing the S / S in each process when an LSI is created by a conventional manufacturing method.
It shows the i-substrate strength and the maximum stress in the Si substrate. In the figure,
The horizontal axis represents typical LSI processes, and the dotted line represents the strength of the Si substrate immediately after each process, and the straight line represents the maximum stress in the Si substrate.
【0009】図7から、Si基板内最大応力は、CVD
法によるSi3N4膜やSiO2膜の成膜工程を経たり、
イオン注入後の熱処理工程を経ると、増加することが分
かる。ここで、工程の進行に伴ってSi基板内最大応力
増加と減少を繰り返してはいるものの、単調増加にはな
っていない。FIG. 7 shows that the maximum stress in a Si substrate is
Through the film forming process of Si 3 N 4 film and SiO 2 film by
It can be seen that the number increases after a heat treatment step after ion implantation. Here, although the maximum stress in the Si substrate is repeatedly increased and decreased with the progress of the process, it is not monotonically increased.
【0010】一方、Si基板強度は工程を経る毎に概ね
単調に減少する。スリップやpn接合特性に大きく影響
する欠陥は、図7において、矢印の工程のところで発生
しており、そこでは、Si基板内最大応力がSi基板強
度を上回っていることが分かる。すなわち、定価する一
方のSi基板強度に対して変動するSi基板内最大応力
が上回った時点で、Si基板に塑性変形が生じ、大きな
欠陥が発生する。On the other hand, the strength of the Si substrate generally decreases monotonically with each step. Defects that greatly affect the slip and pn junction characteristics occur at the step indicated by the arrow in FIG. 7, where it can be seen that the maximum stress in the Si substrate exceeds the Si substrate strength. That is, when the maximum stress in the Si substrate, which fluctuates with respect to the strength of the one Si substrate at the price, exceeds, the Si substrate undergoes plastic deformation, and a large defect occurs.
【0011】図7から、Si基板強度の大きな低下はイ
オン注入により起きていることが分かる。その後の熱処
理により、注入損傷の回復が起こり、多少Si基板強度
は高くなっているが、2回目のイオン注入の場合には、
その後の熱処理によるSi基板強度の増加は非常に小さ
くなっている。Si基板強度が低下する理由は以下のよ
うに考えられる。FIG. 7 shows that a large decrease in the strength of the Si substrate is caused by ion implantation. The recovery from implantation damage occurs by the subsequent heat treatment, and the Si substrate strength is slightly increased. However, in the case of the second ion implantation,
The increase in the strength of the Si substrate due to the subsequent heat treatment is very small. The reason why the strength of the Si substrate decreases is considered as follows.
【0012】イオン注入を行うと、Si基板内に点欠陥
(Frenkel defect型欠陥)が形成され
る。その後の熱処理により、点欠陥は基本的に回復する
が、その一部は結合して転位になる。When ion implantation is performed, point defects (Frenkel defect type defects) are formed in the Si substrate. Although the point defect is basically recovered by the subsequent heat treatment, a part of the point defect is combined to become a dislocation.
【0013】ところが、実はイオン注入の工程の間に
も、点欠陥が合体して、点欠陥よりも大きい欠陥(欠陥
クラスタ)が生じている。欠陥クラスタは、点欠陥より
もエネルギー的に安定なので、イオン注入後の熱処理に
よって、回復し難く、より大きな転位として残りやす
い。このような大きな転位が生じることにより、Si基
板強度は低下する。この様子を図8に示す。However, in fact, during the ion implantation process, point defects are united to generate a defect (defect cluster) larger than the point defect. Since the defect cluster is more stable in terms of energy than the point defect, it is difficult to recover by the heat treatment after the ion implantation and tends to remain as larger dislocation. The generation of such large dislocations lowers the strength of the Si substrate. This is shown in FIG.
【0014】図8(a)は、無冷却または水冷したSi
基板31に20〜40keV程度でAsイオン33を3
〜5×1015cm-2程度注入した様子を示している。ビ
ーム電流は10〜20mA程度である。このとき、イオ
ン注入時におけるSi基板31の表面の温度は25〜6
0℃程度となる。FIG. 8 (a) shows an uncooled or water-cooled Si
As ions 33 are applied to the substrate 31 at about 20 to 40 keV.
This shows a state in which about 5 × 10 15 cm −2 is implanted. The beam current is about 10 to 20 mA. At this time, the temperature of the surface of the Si substrate 31 during the ion implantation is 25 to 6
It is about 0 ° C.
【0015】このイオン注入により最初に生じる欠陥
は、AsイオンがSi基板に打ち込まれた瞬間に生じる
空孔や格子間原子のような点欠陥である。また、イオン
の運動エネルギーの一部は、熱エネルギーに代わるた
め、点欠陥には熱エネルギーが与えられえる。The first defects caused by the ion implantation are point defects such as vacancies and interstitial atoms generated at the moment when As ions are implanted into the Si substrate. Further, since a part of the kinetic energy of the ions replaces the thermal energy, the point defect can be given thermal energy.
【0016】この結果、空孔と格子間原子はわずかに移
動できるようになる。これにより、準非晶質状態にある
イオン注入層のボトム付近では、空孔と格子間原子との
再結合による点欠陥の回復が多少起こるが、同時に空孔
同士の結合による欠陥クラスタや、格子間原子同士の結
合による欠陥クラスタも生成される。As a result, the vacancies and interstitial atoms can move slightly. As a result, near the bottom of the ion-implanted layer in a quasi-amorphous state, some recovery of point defects occurs due to recombination of vacancies and interstitial atoms. Defect clusters are also generated due to the bonding between inter-atoms.
【0017】また、イオン注入分布の裾野(基板側)部
分に位置する注入されたイオンは、イオン注入中におい
ても、基板の奥の格子間に拡散しやすく、これによって
も欠陥クラスタが形成される。このようにして、点欠陥
よりも大きく、エネルギー的により安定な欠陥である欠
陥クラスタからなる1次欠陥32が形成される。Further, the implanted ions located at the foot (substrate side) of the ion implantation distribution are liable to diffuse between lattices at the back of the substrate even during the ion implantation, thereby forming defect clusters. . In this way, a primary defect 32 composed of a defect cluster which is larger than the point defect and is more stable in terms of energy is formed.
【0018】図8(b)は、上記イオン注入後のSi基
板31に850℃、30分の窒素雰囲気中での熱処理を
施した様子を示している。図から、1次欠陥32は概ね
回復しているが、その代わりに、1次欠陥32よりも大
きな欠陥である転位ループなどの2次欠陥34が形成さ
れることがわかる。FIG. 8B shows a state where the Si substrate 31 after the above-described ion implantation is subjected to a heat treatment in a nitrogen atmosphere at 850 ° C. for 30 minutes. From the figure, it can be seen that the primary defect 32 is almost recovered, but instead a secondary defect 34 such as a dislocation loop, which is a defect larger than the primary defect 32, is formed.
【0019】図8(c)は、2回目のAsのイオン注入
を行なった様子を示している。図から、1回目のAsイ
オン注入の場合と同様に、1次欠陥32が形成されてい
ることが分かる。FIG. 8C shows a state in which the second As ion implantation is performed. From the figure, it can be seen that the primary defect 32 is formed as in the case of the first As ion implantation.
【0020】図8(d)は、2回目の850℃、30分
の窒素雰囲気中での熱処理を行なった様子を示してい
る。図から、1次欠陥32は回復しているが、2次欠陥
34はより大きな2次欠陥34’に成長していることが
分かる。FIG. 8D shows a second heat treatment in a nitrogen atmosphere at 850 ° C. for 30 minutes. From the figure, it can be seen that the primary defect 32 has recovered, but the secondary defect 34 has grown into a larger secondary defect 34 '.
【0021】Si基板強度との層間関係を調べると、S
i基板強度は1回目のイオン注入で1次欠陥32が形成
された段階で一度低下するが、その後の熱処理で1次欠
陥32が消滅した分だけSi基板強度は増加する。Examining the interlayer relation with the strength of the Si substrate,
The strength of the i-substrate decreases once when the primary defect 32 is formed by the first ion implantation, but the strength of the Si substrate increases by an amount corresponding to the disappearance of the primary defect 32 in the subsequent heat treatment.
【0022】そして、2回目のイオン注入で再び1次欠
陥32が形成され、Si基板強度は大きく低下する。そ
の後の熱処理で1次欠陥32は回復するが、1回目のイ
オン注入の場合と異なり、2次欠陥34が存在している
ため、それが核になってより大きな2次欠陥34’が形
成され、Si基板強度はほとんど増加しない。Then, the primary defects 32 are formed again by the second ion implantation, and the strength of the Si substrate is greatly reduced. The primary defect 32 is recovered by the subsequent heat treatment, but unlike the case of the first ion implantation, since the secondary defect 34 exists, it becomes a nucleus to form a larger secondary defect 34 '. In addition, the strength of the Si substrate hardly increases.
【0023】この状態である一定以上の大きさの応力が
加われば、2次欠陥34’(大きな転位)で基板強度の
変位が阻害されるため、簡単に塑性変形が起こり、さら
に大きな結晶欠陥に成長してpn接合リーク電流の増加
などに至る。In this state, when a stress of a certain magnitude or more is applied, the displacement of the substrate strength is hindered by the secondary defects 34 '(large dislocations), so that plastic deformation easily occurs, and even larger crystal defects are generated. It grows, leading to an increase in pn junction leakage current and the like.
【0024】すなわち、イオン注入と熱処理を繰り替す
と、Si基板強度が低下し、やがてSi基板に塑性変形
を起こす応力が、Si基板内最大応力よりも小さくな
り、大きな結晶欠陥が生じ、これによりpn接合リーク
電流が増加するなどの問題が生じる。That is, when the ion implantation and the heat treatment are repeated, the strength of the Si substrate decreases, and the stress that causes the plastic deformation of the Si substrate eventually becomes smaller than the maximum stress in the Si substrate, causing a large crystal defect. This causes problems such as an increase in pn junction leakage current.
【0025】上述の如く、従来の方法では、Si基板に
イオン注入をした後、熱処理を行なっても、Si基板内
の結晶欠陥を効果的に低減できず、イオン注入と熱処理
を繰り返すほどSi基板強度が大きく低下するという問
題があった。As described above, in the conventional method, even if heat treatment is performed after ion implantation into the Si substrate, crystal defects in the Si substrate cannot be effectively reduced. There was a problem that the strength was greatly reduced.
【0026】なお、特開平03-66122に、イオン注入中ウ
エハステージを低温にする方法が開示されている。更
に、特開平04-162618 には、ウエハステージを低温にし
てイオン注入した後、急速に加熱する方法が開示されて
いる。しかしながら、これらの従来方法では、完全に結
晶欠陥を減少できない。また、イオン注入装置内に残留
したH2Oが半導体基板表面に悪影響を及ぼす問題があ
った。Japanese Patent Application Laid-Open No. 03-66122 discloses a method for lowering the temperature of a wafer stage during ion implantation. Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 04-162618 discloses a method of rapidly heating after ion implantation at a low wafer stage temperature. However, these conventional methods cannot completely reduce crystal defects. Further, there has been a problem that H 2 O remaining in the ion implanter adversely affects the surface of the semiconductor substrate.
【0027】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とすることろは、イオン注入とその後の
熱処理による半導体基板の機械的強度の低下を防止でき
る半導体装置の製造方法およびその実施に有効な半導体
製造装置を提供することになる。The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and has as its object to provide a method of manufacturing a semiconductor device capable of preventing a decrease in mechanical strength of a semiconductor substrate due to ion implantation and subsequent heat treatment. It is possible to provide a semiconductor manufacturing apparatus that is effective for implementing the method.
【0028】[0028]
[構成]上記目的を達成するために、本発明の半導体装
置の製造方法では、半導体基板にイオンを注入するイオ
ン注入工程と、前記半導体基板に熱処理を施す熱処理工
程とを含み、前記熱処理工程後、または前記イオン注入
工程中および前記熱処理工程後において、前記半導体基
板に塑性変形が起こる臨界応力が、前記半導体基板内の
最大応力よりも大きくなるように、少なくとも前記イオ
ン注入工程の条件を設定することを特徴とする。[Configuration] In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes an ion implantation step of implanting ions into a semiconductor substrate, and a heat treatment step of performing a heat treatment on the semiconductor substrate. Or, during the ion implantation step and after the heat treatment step, at least the conditions of the ion implantation step are set such that a critical stress at which plastic deformation occurs in the semiconductor substrate is larger than a maximum stress in the semiconductor substrate. It is characterized by the following.
【0029】また、本発明の半導体製造装置は、容器内
に収容された半導体基板にイオンを注入するイオン注入
手段と、前記半導体基板にイオンを注入する際におけ
る、前記半導体基板の表面の温度を所定温度以下の低温
に保持する基板温度制御手段と、前記イオンが注入され
た前記半導体基板に熱処理を施す熱処理手段とを具備し
てなることを特徴とする。Further, the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention has an ion implantation means for implanting ions into a semiconductor substrate accommodated in a container, and a temperature of the surface of the semiconductor substrate when implanting ions into the semiconductor substrate. The semiconductor device is characterized by comprising: a substrate temperature control means for maintaining a low temperature equal to or lower than a predetermined temperature; and a heat treatment means for performing a heat treatment on the semiconductor substrate into which the ions have been implanted.
【0030】また、本発明の半導体装置は、異なる導電
型の拡散層、或いは異なる深さの拡散層を有する半導体
基板の最大強度が500MPa以上であることを特徴と
する。Further, the semiconductor device of the present invention is characterized in that the semiconductor substrate having the diffusion layers of different conductivity types or the diffusion layers of different depths has a maximum strength of 500 MPa or more.
【0031】[作用]上述したように、本発明者は、半
導体基板の強度がLSIの工程を経る毎に次第に低下し
ていく原因を調べるために、LSIの工程を経る毎に、
Si基板強度とSi基板内最大応力とがどの様に変化す
るか調べた。[Operation] As described above, the present inventor examined the cause of the strength of the semiconductor substrate gradually decreasing every time the LSI process was performed.
It was investigated how the Si substrate strength and the maximum stress in the Si substrate change.
【0032】その結果、イオン注入と熱処理の繰り返し
により、Si基板内に大きな欠陥が形成され、Si基板
強度が低下することが分かった。そして、このようなS
i基板強度の低下により、Si基板に塑性変化が起こる
臨海応力が、Si基板内最大応力よりも小さくなると、
大きな結晶欠陥が生じ、これによりpn接合リーク電流
が増加するなどの問題が生じる。As a result, it was found that by repeating the ion implantation and the heat treatment, a large defect was formed in the Si substrate, and the strength of the Si substrate was reduced. And such S
When the critical stress at which a plastic change occurs in the Si substrate due to a decrease in i-substrate strength is smaller than the maximum stress in the Si substrate,
Large crystal defects occur, which causes problems such as an increase in pn junction leakage current.
【0033】そこで、本発明では、前記半導体基板に塑
性変化が起きる応力が、前記半導体基板内の最大応力よ
りも大きくなるように、少なくとも前記イオン注入工程
の条件を設定するという構成を取っている。Therefore, the present invention adopts a configuration in which at least the conditions of the ion implantation step are set such that a stress at which a plastic change occurs in the semiconductor substrate is larger than a maximum stress in the semiconductor substrate. .
【0034】具体的には、例えば、半導体基板の表面の
温度を所定温度以下の低温に保持した状態で、半導体基
板にイオンを注入する。さらに半導体基板を設置してい
るエンドステーション内にヒートトラップを設置する。
このヒートトラップは、残留H2Oに起因する霜が、半
導体基板表面に付着するのを防止するため、半導体基板
表面より低温状態を形成する。Specifically, for example, ions are implanted into the semiconductor substrate while the surface temperature of the semiconductor substrate is maintained at a low temperature equal to or lower than a predetermined temperature. Further, a heat trap is installed in the end station where the semiconductor substrate is installed.
This heat trap forms a lower temperature state than the surface of the semiconductor substrate in order to prevent frost caused by residual H 2 O from adhering to the surface of the semiconductor substrate.
【0035】低温に保持することにより、イオンの運動
エネルギーの一部が熱エネルギーに代わっても、点欠陥
の移動が起こり難くなるので、空孔同士の結合による欠
陥クラスタや、格子間原子同士の再結合による欠陥クラ
スタの生成は完全に、または十分に抑制される。さら
に、ヒートトラップがエンドステーション内にある為、
半導体基板表面に霜が付着するのを防止できる。By maintaining the temperature at a low temperature, even if a part of the kinetic energy of the ions is replaced by thermal energy, the movement of point defects hardly occurs. The generation of defect clusters due to recombination is completely or sufficiently suppressed. In addition, because the heat trap is in the end station,
Frost can be prevented from adhering to the surface of the semiconductor substrate.
【0036】この結果、イオン注入後の1次欠陥はほぼ
点欠陥だけになる。このような1次欠陥は、その後の熱
処理により完全に、またはほぼ完全に回復できる。した
がって、基板強度の低下を招くような大きな欠陥の発生
を防止できる。As a result, the primary defects after ion implantation are almost only point defects. Such a primary defect can be completely or almost completely recovered by a subsequent heat treatment. Therefore, it is possible to prevent the occurrence of a large defect that causes a decrease in substrate strength.
【0037】さらに、上記条件に加え、熱処理における
昇温速度を速くするほうが好ましい。昇温速度を速くす
ることにより、2次欠陥の形成されやすい温度領域を速
やかに過ぎることができるので、2次欠陥の発生をより
効果的に抑制できる。これについては、エンドステーシ
ョン内にヒートトラップを設置することにより、更に効
果が得られる。Further, in addition to the above conditions, it is preferable to increase the temperature rising rate in the heat treatment. By increasing the heating rate, the temperature range in which secondary defects are likely to be formed can be quickly passed, so that the occurrence of secondary defects can be more effectively suppressed. In this regard, a further effect can be obtained by installing a heat trap in the end station.
【0038】また、本発明に係る半導体製造装置には、
イオン注入時における半導体基板の表面を表面に霜が付
着しないように、低温に保持できる。従って、本発明に
係る半導体装置の製造方法を容易に実施でき、半導体装
置を得ることが可能になる。Further, the semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention includes:
The surface of the semiconductor substrate at the time of ion implantation can be kept at a low temperature so that frost does not adhere to the surface. Therefore, the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention can be easily implemented, and a semiconductor device can be obtained.
【0039】[0039]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態(以下、実施形態という)を説明する。 (第1の実施形態)本発明者は、基板表面への霜付着防
止のためヒートトラップを設置したエンドステーション
内に、(100) Si基板を設置し、20〜40keV 程度の
Asイオンを3×1015cm-2程度注入した。イオン注
入時の基板温度は、−180〜200℃内の8点に設定
した。そして、各々についてRBS(Rutherford Back
Spectroscopy)によりHeイオンを注入してチャネリン
グ測定を行った。Embodiments of the present invention (hereinafter, referred to as embodiments) will be described below with reference to the drawings. (First Embodiment) The inventor of the present invention installed a (100) Si substrate in an end station provided with a heat trap to prevent frost from adhering to the substrate surface, and applied As ions of about 20 to 40 keV to 3 ×. About 10 15 cm -2 was injected. The substrate temperature at the time of ion implantation was set at eight points within the range of -180 to 200 ° C. And RBS (Rutherford Back
He ion was implanted by Spectroscopy) to perform channeling measurement.
【0040】図1に、その測定結果を示す。図1から、
イオン注入直後においては、基板温度が低いほど、欠陥
密度は高くなり、結晶性が悪くなることが分かる。しか
し、900℃、30分の熱処理を行なうと、逆に、基板
温度が低いほど、欠陥密度は低くなることが分かる。FIG. 1 shows the measurement results. From FIG.
It can be seen that immediately after ion implantation, the lower the substrate temperature, the higher the defect density and the worse the crystallinity. However, when the heat treatment is performed at 900 ° C. for 30 minutes, the lower the substrate temperature, the lower the defect density.
【0041】特に、イオン注入中も基板温度が20℃以
下の低温の場合には、欠陥密度は十分に低く、そして、
基板温度が−100℃以下の低温の場合には、欠陥密度
は測定精度の範囲において0%であることが分かる。In particular, when the substrate temperature is as low as 20 ° C. or less even during the ion implantation, the defect density is sufficiently low.
When the substrate temperature is as low as −100 ° C. or less, the defect density is 0% in the range of the measurement accuracy.
【0042】この結果は、基板温度が低いほど原子が動
き難いため、イオンの運動エネルギーの一部が熱エネル
ギーに代わっても、イオン注入直後にバラバラに存在し
ている点欠陥が移動したり、合体することが抑制され、
これにより、欠陥クラスタの生成が抑制されることを意
味している。The result is that atoms are harder to move as the substrate temperature is lower. Therefore, even if a part of the kinetic energy of the ions is replaced by thermal energy, the point defects present separately after the ion implantation move, Coalescence is suppressed,
This means that generation of defect clusters is suppressed.
【0043】これらのバラバラな点欠陥(1次欠陥)
は、欠陥クラスタに比べてエネルギー的に不安定なの
で、イオン注入後の熱処理により、完全に回復し、注入
損傷は修復される。すなわち、イオン注入でアモルファ
ス状態になったSiは、ほぼもとの単結晶のSiに戻
る。These discrete point defects (primary defects)
Is more unstable in terms of energy than the defect cluster, and is completely recovered by the heat treatment after the ion implantation, and the implantation damage is repaired. That is, the Si that has become amorphous due to the ion implantation substantially returns to the original single crystal Si.
【0044】以上述べたように本実施形態によれば、イ
オン注入時の基板温度を低温に保持することにより、欠
陥クラスタの生成を十分に抑制できるので、基板強度の
低下を効果的に防止できる。このような基板強度の低下
のないSi基板は反りが起こり難く、微細加工に有効な
ものである。As described above, according to the present embodiment, the generation of defect clusters can be sufficiently suppressed by maintaining the substrate temperature at the time of ion implantation at a low temperature, so that a decrease in substrate strength can be effectively prevented. . Such a Si substrate without a decrease in substrate strength is less likely to warp and is effective for fine processing.
【0045】なお、本実施形態ではSi基板の場合につ
いて説明したが、他の半導体基板でも同様に20℃以下
の基板温度では欠陥密度は十分に低く、そして、- 10
0℃以下の基板温度では欠陥密度は測定精度の範囲にお
いて0%になる。In this embodiment, the case of the Si substrate has been described. However, the defect density of other semiconductor substrates is sufficiently low at a substrate temperature of 20 ° C. or less.
At a substrate temperature of 0 ° C. or lower, the defect density becomes 0% in the range of the measurement accuracy.
【0046】(第2の実施形態)図2は、本発明の第2
の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面
図である。本実施形態は、第1の実施形態のイオン注入
と熱処理を2回繰り返した例である。(Second Embodiment) FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a process sectional view illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment. This embodiment is an example in which the ion implantation and the heat treatment of the first embodiment are repeated twice.
【0047】まず、基板表面の温度を室温より低い温
度、望ましくは−60℃以下の温度に保持した状態で、
図2(a)に示すように、加速エネルギ20〜40ke
V程度、ドーズ量3〜5×1015cm-2の条件で、Asイ
オン3をSi基板1に注入する。このイオン注入により
生じる1次欠陥2は、AsイオンがSi基板1に打ち込
まれた瞬間に生じる空孔や格子間原子のような点欠陥で
ある。First, with the substrate surface temperature kept at a temperature lower than room temperature, preferably at a temperature of -60 ° C. or lower,
As shown in FIG. 2A, the acceleration energy is 20 to 40 ke.
As ions 3 are implanted into the Si substrate 1 under the conditions of about V and a dose of 3 to 5 × 10 15 cm −2 . The primary defects 2 generated by the ion implantation are point defects such as vacancies and interstitial atoms generated at the moment when As ions are implanted into the Si substrate 1.
【0048】ここで、ビーム電流は10〜20mA程度
であるが、熱伝導率の高いヒートシンクサセプターを用
いることにより、イオン注入中におけるSi基板1の表面
の温度が上記温度に保持された状態を実現している。Here, the beam current is about 10 to 20 mA, but by using a heat sink susceptor having high thermal conductivity, a state in which the surface temperature of the Si substrate 1 is maintained at the above-mentioned temperature during ion implantation is realized. doing.
【0049】次に図2( b) に示すように、窒素雰囲気
中で850〜900℃程度、30分の熱処理をSi基板
1 に施すと、1 次欠陥2 は完全に回復する。次に図2(
c) に示すように、2回目のイオン注入を行なう。この
とき、1回目のイオン注入の場合と同様に、イオン注入
中におけるSi基板1 の表面の温度は低温に保持されてい
る。Next, as shown in FIG. 2B, heat treatment is performed at about 850 to 900 ° C. for 30 minutes in a nitrogen atmosphere.
When applied to 1, primary defect 2 is completely recovered. Next, FIG.
As shown in c), a second ion implantation is performed. At this time, as in the case of the first ion implantation, the surface temperature of the Si substrate 1 is maintained at a low temperature during the ion implantation.
【0050】次に図2( d) に示すように、2回目の熱
処理( 窒素雰囲気、850〜900℃、30分) を行
う。この2回目のイオン注入・熱処理で生じた2次欠陥
3は、図2(d)に示すように、小さな転位だけがわず
かに残る。Next, as shown in FIG. 2D, a second heat treatment (nitrogen atmosphere, 850 to 900 ° C., 30 minutes) is performed. As shown in FIG. 2D, in the secondary defects 3 generated by the second ion implantation and heat treatment, only small dislocations slightly remain.
【0051】図3に、本実施形態の方法を用いてLSI
を作成した場合の工程毎のSi基板の機械的強度(Si
基板強度)とSi基板内部の最大応力(Si基板内最大
応力)を示す。尚、Si基板強度は点線で、Si基板内
最大応力は直線で示す。Si基板強度は、1回目のイオ
ン注入で1次欠陥(点欠陥)が生じた段階で一度低下す
るが、その後の熱処理で1次欠陥が概ね完全に回復し、
Si基板強度はイオン注入前の状態に復帰している。FIG. 3 shows an LSI using the method of this embodiment.
Mechanical strength of Si substrate (Si
2 shows the maximum stress inside the Si substrate (the maximum stress in the Si substrate). The strength of the Si substrate is indicated by a dotted line, and the maximum stress in the Si substrate is indicated by a straight line. The strength of the Si substrate decreases once at the stage where a primary defect (point defect) has occurred in the first ion implantation, but the primary defect is almost completely recovered by a subsequent heat treatment.
The Si substrate strength has returned to the state before ion implantation.
【0052】そして、2回目のイオン注入で点欠陥が導
入されると、またSi基板強度は大きく低下するが、そ
の後の2回目の熱処理により、90%以上の完全な結晶
に回復し、Si基板強度は2回目のイオン注入前に近い
状態まで復帰している。When a point defect is introduced by the second ion implantation, the strength of the Si substrate is greatly reduced. However, the crystal is recovered to 90% or more of perfect crystal by the second heat treatment. The intensity has returned to a state close to that before the second ion implantation.
【0053】これは、2回目の熱処理を行なっても、従
来法とは異なり、Si基板に大きな欠陥(2次欠陥)が
発生することはなかったことを意味している。本実施形
態の2回のイオン注入・熱処理により、図4に示すよう
な0.2μm角のn+/p接合を複数形成し、接合1個
当たりの平均リーク電流(nA/個)を調べた結果、そ
の値は5V印加次において10(nA/個)と低く、従
来法に比べて3〜4桁程度低減できた。This means that unlike the conventional method, no large defects (secondary defects) were generated in the Si substrate even after the second heat treatment. A plurality of 0.2 μm-square n + / p junctions as shown in FIG. 4 were formed by two ion implantations and heat treatments of the present embodiment, and the average leakage current (nA / piece) per junction was examined. As a result, the value was as low as 10 (nA / piece) at the application of 5 V, which could be reduced by about 3 to 4 digits as compared with the conventional method.
【0054】なお、本実施形態では、2回のイオン注入
・熱処理の場合について説明したが、3回以上のイオン
注入・熱処理の場合においても、従来法よりもSi基板
強度の低下を効果的に抑制できる。In this embodiment, the case of performing the ion implantation and the heat treatment twice is described. However, even in the case of the ion implantation and the heat treatment performed three or more times, the Si substrate strength can be more effectively reduced than the conventional method. Can be suppressed.
【0055】(第3の実施形態)一般に、0.2μm以
下の浅い拡散層、例えば、ソース・ドレイン拡散層を形
成する場合、30分以上の熱処理時間であれば、800
℃以下にすることが必要になる。しかし、熱処理温度が
降温であったも、1分以内の短時間であれば、900〜
950℃程度の熱処理(高速昇温熱処理)が可能であ
る。本実施形態は、このような高速昇温熱処理と第1の
実施形態の低温イオン注入とを組み合わせた例である。Third Embodiment In general, when a shallow diffusion layer of 0.2 μm or less, for example, a source / drain diffusion layer is formed, if the heat treatment time is 30 minutes or more, 800 μm or less.
It is necessary to keep the temperature below ° C. However, even if the heat treatment temperature is lowered, if it is a short time within 1 minute, 900-
Heat treatment at about 950 ° C. (high-speed temperature increase heat treatment) is possible. This embodiment is an example in which such a high-speed heat treatment is combined with the low-temperature ion implantation of the first embodiment.
【0056】本実施形態によれば、高速昇温熱処理によ
り、結晶欠陥(1次欠陥)が2次欠陥に成長しやすい温
度範囲、つまり、600〜700℃の温度範囲にとどま
っている時間を十分に短くできるため、欠陥密度をより
効果的に低くできる。さらに、半導体基板の劣化スピー
ド(工程当たりの基板強度の低下の場合)も低減するこ
とができる。According to the present embodiment, the time during which the crystal defect (primary defect) easily grows into a secondary defect by the high-temperature heating treatment, that is, the temperature range of 600 to 700 ° C., is sufficient. As a result, the defect density can be reduced more effectively. Further, the deterioration speed of the semiconductor substrate (in the case of a decrease in substrate strength per process) can be reduced.
【0057】また、このような低温イオン注入と高速昇
温熱処理を用いれば、不純物が深く拡散するのを防止で
きるので、浅い拡散層、例えば、0.2μm以下のソー
ス・ドレイン拡散を容易に形成できる。しかも、上述し
たように、欠陥密度を効果的に低くできるので、pn接
合リーク電流は十分に小さくなる。Further, by using such low-temperature ion implantation and high-speed heat treatment, impurities can be prevented from being diffused deeply, so that a shallow diffusion layer, for example, a source / drain diffusion of 0.2 μm or less can be easily formed. it can. In addition, as described above, since the defect density can be effectively reduced, the pn junction leakage current is sufficiently reduced.
【0058】なお、イオン注入後の降温昇温熱処理の昇
温速度は、10℃/秒以上、好ましくは50℃/秒以上
である。また、このような高速昇温熱処理の代わりに、
500〜600℃程度の熱処理を行うった後、700℃
以上の高温処理を行っても、欠陥密度を効果的に低くで
きる。最初の熱処理で1次欠陥(点欠陥)はほぼ回復
し、次の高温熱処理により完全に回復する。The rate of temperature rise in the temperature lowering heat treatment after ion implantation is 10 ° C./sec or more, preferably 50 ° C./sec or more. Also, instead of such a rapid heat-up heat treatment,
After performing a heat treatment of about 500 to 600 ° C.,
Defect density can be effectively reduced even by performing the above high temperature treatment. Primary defects (point defects) are almost recovered by the first heat treatment, and completely recovered by the next high-temperature heat treatment.
【0059】(第4の実施形態)図5(a)及び(b)
は、本発明の第4の実施形態に係る熱処理機能付き低温
イオン注入装置の要部(半導体基板を設置する部分)を
示す模式図である。図5( a) は装置を上から見た図で
あり、図5(b)は加熱室をA−A’に沿ってみた概略
断面図である。(Fourth Embodiment) FIGS. 5A and 5B
FIG. 7 is a schematic diagram showing a main part (a part where a semiconductor substrate is installed) of a low-temperature ion implantation apparatus with a heat treatment function according to a fourth embodiment of the present invention. FIG. 5A is a view of the apparatus as viewed from above, and FIG. 5B is a schematic sectional view of the heating chamber along AA ′.
【0060】この低温イオン注入装置の要部は、大きく
分けて、イオンビーム10が通過するビームライン11
と、このビームライン11に開閉バルブ12を介して接
続され、イオンビーム10が照射される半導体基板(ウ
エハ)13をセットし、かつ内部に冷却機構を有するエ
ンドステーション14と。このエンドステーション14
に搬送室15を介して接続され、熱処理(RTA)を行
う加熱室16とから構成されている。尚、イオンビーム
10はイオン注入手段(不図示)によって形成されてい
る。The main part of the low-temperature ion implantation apparatus is roughly divided into a beam line 11 through which the ion beam 10 passes.
And an end station 14 which is connected to the beam line 11 via an opening / closing valve 12, sets a semiconductor substrate (wafer) 13 to be irradiated with the ion beam 10, and has a cooling mechanism therein. This end station 14
And a heating chamber 16 for performing heat treatment (RTA). Incidentally, the ion beam 10 is formed by ion implantation means (not shown).
【0061】エンドステーション14の冷却機構は、半
導体基板13を載置するサセプタ(不図示)または半導
体基板13を固定して載置する回転ディスク(不図示)
に設けられた半導体基板13を冷却するためのヒートシ
ンク17と、このヒートシンク17に冷媒を通過させる
配管18と、ヒートシンク17よりも表面の温度が低温
になっているヒートトラップ19とから構成されてい
る。The cooling mechanism of the end station 14 includes a susceptor (not shown) on which the semiconductor substrate 13 is mounted or a rotating disk (not shown) on which the semiconductor substrate 13 is fixedly mounted.
A heat sink 17 for cooling the semiconductor substrate 13 provided in the heat sink 17, a pipe 18 through which a coolant passes through the heat sink 17, and a heat trap 19 whose surface temperature is lower than that of the heat sink 17. .
【0062】このヒートトラップ19により、半導体基
板13を冷却しても、排気後にエンドステーション14
内に残留するH2Oによる霜が、半導体基板13に付着
することはない。霜の付着は高速昇温熱処理の妨げにな
るので、防止することが好ましい。Even if the semiconductor substrate 13 is cooled by the heat trap 19, the end station 14
Frost due to H 2 O remaining inside does not adhere to the semiconductor substrate 13. Since the adhesion of frost hinders the high-temperature heat treatment, it is preferable to prevent the frost from adhering.
【0063】ヒートトラップ19は、少なくとも半導体
基板13の側面一部を覆うように形成されており、その
形状は様々なものが可能である。例えば図5に示したも
のの代わりに、半導体基板13を連続的に囲むドーナッ
ツ型、或いは非連続的に囲む形状であっても良い。The heat trap 19 is formed so as to cover at least a part of the side surface of the semiconductor substrate 13, and its shape can be various. For example, instead of the one shown in FIG. 5, a donut shape that continuously surrounds the semiconductor substrate 13 or a shape that discontinuously surrounds the semiconductor substrate 13 may be used.
【0064】このような冷却機構により、半導体基板1
3の表面の温度と、半導体基板13を載置するサセプタ
または回転ディスク等の載置台との温度差を10℃以内
にすることができる。With such a cooling mechanism, the semiconductor substrate 1
The temperature difference between the surface temperature of the substrate 3 and a mounting table such as a susceptor or a rotating disk on which the semiconductor substrate 13 is mounted can be kept within 10 ° C.
【0065】すなわち、半導体基板13を載置台と同程
度に冷却でき、イオン注入次における半導体基板13の
表面の温度を−100℃以下の低温に設定することが可
能となる。That is, the semiconductor substrate 13 can be cooled to the same degree as the mounting table, and the temperature of the surface of the semiconductor substrate 13 at the time of ion implantation can be set to a low temperature of -100 ° C. or less.
【0066】搬送室15には排気系(不図示)が設けら
れており、H2O分圧を1×10-6Torr 以下に設定でき
るようになっている。上記排気系は例えば液体窒素トラ
ップ付きターボ分子ポンプから構成されたものである。
また、搬送室15内には、エンドステーション14と同
様に、トラップ20が設けられており、これにより、搬
送時に半導体基板13に霜が生じるのを防止できる。The transfer chamber 15 is provided with an exhaust system (not shown) so that the H 2 O partial pressure can be set to 1 × 10 −6 Torr or less. The evacuation system is, for example, a turbo molecular pump with a liquid nitrogen trap.
Further, similarly to the end station 14, a trap 20 is provided in the transfer chamber 15, thereby preventing frost on the semiconductor substrate 13 during transfer.
【0067】加熱室16は、半導体基板13を高速に昇
温できる加熱源を備えている。この加熱源は、例えば、
半導体基板13を直接加熱する基板ヒータや、赤外線ま
たは紫外線の照射により半導体基板13を加熱するヒー
タである。本実施形態のイオン注入装置は、冷却機構に
より、イオン注入時における半導体基板13の表面の温
度を十分に低くできるので、欠陥クラスタの発生を防止
することができる。しかも、イオン注入後に半導体基板
13を高速に昇温できるので、その効果は高いものとな
る。The heating chamber 16 has a heating source capable of heating the semiconductor substrate 13 at high speed. This heating source is, for example,
The substrate heater directly heats the semiconductor substrate 13 and the heater that heats the semiconductor substrate 13 by irradiation of infrared rays or ultraviolet rays. In the ion implantation apparatus of the present embodiment, the temperature of the surface of the semiconductor substrate 13 at the time of ion implantation can be sufficiently reduced by the cooling mechanism, so that generation of defect clusters can be prevented. In addition, since the temperature of the semiconductor substrate 13 can be increased at a high speed after the ion implantation, the effect is high.
【0068】したがって、本実施形態のイオン注入装置
を用いることにより、基板強度の低下を最小限に抑えた
イオン注入・熱処理工程を容易に実施できるようにな
る。さらに、エンドステーション14から加熱室16へ
の半導体基板13の移しは、真空連続で行なわれるた
め、イオン注入工程と熱処理工程をそれぞれ別の装置で
行なう場合に比べて、信頼性の高いイオン注入・熱処理
工程が可能となる。Therefore, by using the ion implantation apparatus of this embodiment, it is possible to easily perform the ion implantation and heat treatment process in which the reduction in the substrate strength is minimized. Further, since the transfer of the semiconductor substrate 13 from the end station 14 to the heating chamber 16 is performed in a continuous vacuum, the ion implantation process and the heat treatment process are performed with higher reliability than when the ion implantation process and the heat treatment process are performed by separate apparatuses. A heat treatment step becomes possible.
【0069】また、このイオン注入装置の要部は、半導
体基板13に注入されたイオンを測定する測定手段2
3、積分機24、カウンター25を備えている。これら
は、基板13に注入されたイオンの総量の測定するが、
その測定精度は従来よりも高い。理由は、半導体基板1
3を低温にすることで基板13上のレジストマスクから
のガス発生を防止できるからである。また、エンドステ
ーション14にヒートトラップ19がある為、測定精度
は更に保証される。The main part of the ion implantation apparatus is a measuring means 2 for measuring ions implanted into the semiconductor substrate 13.
3, an integrator 24 and a counter 25 are provided. These measures the total amount of ions implanted into the substrate 13,
Its measurement accuracy is higher than before. The reason is that the semiconductor substrate 1
This is because the generation of gas from the resist mask on the substrate 13 can be prevented by lowering the temperature of 3. Further, since the heat trap 19 is provided in the end station 14, the measurement accuracy is further ensured.
【0070】次に上記の如く構成されたイオン注入装置
を用いたイオン注入法について具体的に説明する。ま
ず、開閉バルブ12を開いて、エンドステーション14
内にセットされた半導体基板13にイオンビーム10を
照射する。このとき、冷却機構により、基板温度を他の
実施形態と同程度の低温(20℃以下、好ましくは−1
00℃以下)に保持する。また、注入されるイオンによ
る半導体基板11のチャージアップを防止するために
は、イオン注入中に半導体基板13の表面にあらかじめ
30eV以下の低エネルギーの電子を照射することが好
ましい。Next, a specific description will be given of an ion implantation method using the ion implantation apparatus configured as described above. First, the on-off valve 12 is opened, and the end station 14 is opened.
The semiconductor substrate 13 set therein is irradiated with the ion beam 10. At this time, the cooling mechanism lowers the substrate temperature to a low temperature (20 ° C. or lower, preferably −1
(Less than 00 ° C). In order to prevent charge-up of the semiconductor substrate 11 due to the implanted ions, it is preferable that the surface of the semiconductor substrate 13 be irradiated with low-energy electrons of 30 eV or less in advance during the ion implantation.
【0071】次にイオン注入による注入損失(1次欠
陥)を完全に近い状態まで回復させる、熱処理工程に進
む。すなわち、イオンが注入された半導体基板11を高
真空に排気された搬送室15を介して真空連続で加熱室
16に移した後、半導体基板11を例えば700℃より
高い温度に昇温させて、熱処理を行なう。搬送室15内
には、AlNコートされたウエハハンドラが設けられて
いる(不図示)。ウエハハンドラは、半導体基板13を
保持するために静電力またはウエハ上下の圧力差または
機械的なウエハチャックを有している。Next, the process proceeds to a heat treatment step for recovering an implantation loss (primary defect) due to ion implantation to a state close to perfection. That is, after the semiconductor substrate 11 into which the ions are implanted is continuously transferred to the heating chamber 16 through the transfer chamber 15 evacuated to a high vacuum, and the semiconductor substrate 11 is heated to a temperature higher than 700 ° C., for example, Heat treatment is performed. Inside the transfer chamber 15, a wafer handler coated with AlN is provided (not shown). The wafer handler has an electrostatic force or a pressure difference between the top and bottom of the wafer or a mechanical wafer chuck to hold the semiconductor substrate 13.
【0072】このとき、昇温温度は10℃/秒以上の高
速であることが好ましい。昇温速度を高速にする理由
は、600〜700℃の温度領域を100℃/分以下の
速度で通過すると、イオン注入で生じた1次欠陥が結合
して欠陥クラスタが形成されやすく、このような欠陥ク
ラスタが成長してなる2次欠陥は700℃よりも高い温
度の加熱でも回復され難いからである。At this time, the temperature is preferably raised at a high speed of 10 ° C./sec or more. The reason for increasing the heating rate is that, when passing through a temperature range of 600 to 700 ° C. at a rate of 100 ° C./min or less, primary defects generated by ion implantation are likely to combine to form a defect cluster. This is because a secondary defect formed by growing a defect cluster is difficult to be recovered by heating at a temperature higher than 700 ° C.
【0073】なお、本実施形態では、イオン注入終了後
に600〜700℃程度の中途半端な温度領域を高速で
通過させて、700℃よりも高い温度で熱処理を行なう
方法について説明したが、600℃以下の熱処理により
2次欠陥が成長する前に1次欠陥の回復を行なった後
に、700℃よりも高い温度の熱処理により最終的な結
晶欠陥の回復を行なっても良い。 なお、以上の説明で
は、イオン注入装置の処理方法については特に説明しな
かったが枚葉式、バッチ式のいずれでもよい。枚葉式の
場合、ウエハ(半導体基板13)を1枚ずつイオン注入
し、1枚ずつ搬送して、加熱室16内で1枚ずつ熱処理
する。バッチ式の場合には、複数のウエハを同時にイオ
ン注入し、ディスクホイールから複数のウエハをウエハ
カセットに回収した後に、加熱室用のウエハボートに移
載して、複数のウエハを同時に加熱する。In this embodiment, a method has been described in which the heat treatment is performed at a temperature higher than 700 ° C. at a high speed by passing through a halfway temperature range of about 600 to 700 ° C. at a high speed after the ion implantation. After the primary defect is recovered before the secondary defect grows by the following heat treatment, the final crystal defect may be recovered by a heat treatment at a temperature higher than 700 ° C. In the above description, the processing method of the ion implantation apparatus is not particularly described, but may be a single wafer type or a batch type. In the case of a single wafer type, the wafer (semiconductor substrate 13) is ion-implanted one by one, transported one by one, and heat-treated one by one in the heating chamber 16. In the case of the batch type, a plurality of wafers are simultaneously ion-implanted, a plurality of wafers are collected from a disk wheel into a wafer cassette, and then transferred to a wafer boat for a heating chamber to simultaneously heat the plurality of wafers.
【0074】また、本実施形態では、加熱室16内で熱
処理を行なう場合について説明したが、ヒートシンク1
7に加熱機構を設け、イオン注入の終了後に、エンドス
テーション14内で半導体基板13を700℃よりも高
い温度に加熱するという熱処理を行なっても良い。In this embodiment, the case where the heat treatment is performed in the heating chamber 16 has been described.
7 may be provided with a heating mechanism, and after the ion implantation is completed, a heat treatment of heating the semiconductor substrate 13 to a temperature higher than 700 ° C. in the end station 14 may be performed.
【0075】(第5の実施形態)本実施形態は、第2の
実施形態の変形例である。まず、Si基板のうちイオン
を注入したくない領域を選択的に覆い、かつSi基板の
熱膨張率(約3ppm/K)と同程度の熱膨張率を有す
るマスクパターン(イオン注入マスク)を形成する。(Fifth Embodiment) This embodiment is a modification of the second embodiment. First, a mask pattern (ion implantation mask) is formed which selectively covers a region of the Si substrate where ions are not to be implanted and has a thermal expansion coefficient approximately equal to the thermal expansion coefficient (about 3 ppm / K) of the Si substrate. I do.
【0076】このようなマスクパターンを用いる理由
は、15ppm/K以上の熱膨張係数のマスクパターン
では、冷却したときに熱応力により剥がれてしまうから
である。The reason why such a mask pattern is used is that a mask pattern having a thermal expansion coefficient of 15 ppm / K or more is peeled off by thermal stress when cooled.
【0077】次に基板表面の温度を室温より低い温度、
望ましくは−60℃以下の温度に保持した状態で、加速
エネルギ20〜40keV程度、ドーズ量3〜5×10
15cm-2の条件でAsイオン3をSi基板1に注入す
る。このイオン注入により生じる1次欠陥は、Asイオ
ンがSi基板に打ち込まれた瞬間に生じる空孔や格子間
原子のような点欠陥である。ここで、ビーム電流は10
〜20mA程度であるが、熱伝導率の高いヒートシンク
サセプターを用いることにより、イオン注入中における
Si基板の表面の温度が上記温度に保持された状態を実
現している。Next, the temperature of the substrate surface is set to a temperature lower than room temperature,
Preferably, while maintaining the temperature at -60 ° C or lower, the acceleration energy is about 20 to 40 keV, and the dose is 3 to 5 × 10
As ions 3 are implanted into the Si substrate 1 under the condition of 15 cm -2 . The primary defects caused by the ion implantation are point defects such as vacancies and interstitial atoms generated at the moment when As ions are implanted into the Si substrate. Here, the beam current is 10
By using a heat sink susceptor having a high thermal conductivity of about 20 mA, a state in which the temperature of the surface of the Si substrate is maintained at the above-described temperature during ion implantation is realized.
【0078】次に、上記マスクパターン(イオン注入マ
スク)、およびそれにイオンが照射されて該マスクパタ
ーンが削られたことにより生じた、上記マスクパターン
の構成材料からなる汚染物質(例えば、CxHy)を酸素
プラズマ処理で除去する。次に窒素雰囲気中で850〜
900℃程度、30分の熱処理をSi基板に施すと、1
次欠陥は完全に回復する。[0078] Next, the mask pattern (ion implantation mask), and the ions thereby generated by being irradiated the mask pattern was shaved, contaminants consisting of the constituent material of the mask pattern (e.g., C x H y ) is removed by oxygen plasma treatment. Next, in a nitrogen atmosphere,
When heat treatment is performed on the Si substrate at about 900 ° C. for 30 minutes, 1
The next defect is completely recovered.
【0079】次に2回目のイオン注入を行なう。このと
き、1回目のイオン注入の場合と同様に、イオン注入中
におけるSi基板の表面の温度は低温に保持されてい
る。次に2回目の熱処理(窒素雰囲気、850〜900
℃、30分)を行なう。Next, a second ion implantation is performed. At this time, as in the case of the first ion implantation, the temperature of the surface of the Si substrate is kept low during the ion implantation. Next, a second heat treatment (nitrogen atmosphere, 850 to 900)
C. for 30 minutes).
【0080】この2回目のイオン注入・熱処理で生じた
2次欠陥は、小さな転位だけがわずかにあるだけであっ
た。本実施形態でも、第2の実施形態と同様な効果が得
られる。また、本実施形態の方法は、例えば、CMOS
のn型ソース・ドレイン拡散層とp型ソース・ドレイン
拡散層の形成工程において有効である。すなわち、互い
に異なる導電型の拡散層をそれぞれ別の工程で形成する
場合に有効である。The secondary defects generated by the second ion implantation and heat treatment had only small dislocations. In the present embodiment, the same effect as in the second embodiment can be obtained. In addition, the method of the present embodiment is, for example, a CMOS method.
Is effective in the step of forming the n-type source / drain diffusion layers and the p-type source / drain diffusion layers. That is, it is effective when diffusion layers of different conductivity types are formed in different steps.
【0081】また、本発明の半導体装置の製造方法を用
いれば、2回目のイオン注入・熱処理後も基板強度は5
00MPa以上ある為(図3参照)、最終的に得られる
半導体装置の品質を従来より向上できる。例えば、チッ
プに切り分ける際、ダイシングによる悪影響(クラック
等)を従来より更に低下できる。例えば、樹脂封止型の
パッケージにおいては、樹脂硬化用の加熱時、或いは樹
脂が水分吸収することにより、半導体装置(チップ)に
加わる力による悪影響を抑制できる。特に、ベアチップ
実装は、チップを保護するものが従来より少ない為、そ
の効果は高いと考えられる。When the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is used, the substrate strength remains at 5 even after the second ion implantation and heat treatment.
Since the pressure is not less than 00 MPa (see FIG. 3), the quality of the finally obtained semiconductor device can be improved as compared with the conventional case. For example, when cutting into chips, the adverse effects (cracks and the like) due to dicing can be further reduced than before. For example, in a resin-sealed package, the adverse effect of a force applied to a semiconductor device (chip) can be suppressed during heating for curing the resin or when the resin absorbs moisture. In particular, bare chip mounting is considered to be highly effective because there is less protection for the chip than before.
【0082】(第6の実施形態)本実施例は、第4の実
施例の応用例である。最初に、半導体製造装置としての
特徴を図面を用いて説明する。(Sixth Embodiment) This embodiment is an application of the fourth embodiment. First, features of the semiconductor manufacturing apparatus will be described with reference to the drawings.
【0083】図6は、本発明の第6の実施形態に係るア
ッシャー及び熱処理機能付き低温イオン注入装置の要部
を示す概略平面図である。図5との相違点は、レジスト
除去を行うチャンバー26(アッシャー)が、更に搬送
室15に接続されている点である。本実施形態によれ
ば、外気にさらすことなく、イオン注入、マスク除去、
熱処理を連続して行える為、半導体装置の歩留まり・特
性を向上することができる。FIG. 6 is a schematic plan view showing a main part of a low-temperature ion implantation apparatus having an asher and a heat treatment function according to a sixth embodiment of the present invention. The difference from FIG. 5 is that a chamber 26 (asher) for removing the resist is further connected to the transfer chamber 15. According to the present embodiment, ion implantation, mask removal,
Since the heat treatment can be performed continuously, the yield and characteristics of the semiconductor device can be improved.
【0084】次に、製造方法を説明する。最初にSi基
板のうちイオンを注入したくない領域を選択的に覆うよ
う、Si基板の熱膨張率(約3ppm/K)と同程度の
熱膨張率を有するマスクパターン(イオン注入マスク)
を形成する。Next, the manufacturing method will be described. A mask pattern (ion implantation mask) having a thermal expansion coefficient similar to the thermal expansion coefficient (about 3 ppm / K) of the Si substrate so as to selectively cover a region of the Si substrate where ions are not to be implanted first.
To form
【0085】次に、イオン注入するために。Si基板を
エンドステーション14に設置する。Si基板表面より
低い温度、望ましくは−60℃以下の温度に保持した状
態で、As、B 、BF2 等のイオンをビームラインチャンバ
ー11を介して注入する。イオン注入後、搬送室15を介
しチャンバー26へSi基板を搬送する。そして、Si基板上
のマスクを、例えば、O2プラズマにて除去する。Next, for ion implantation. The Si substrate is set on the end station 14. Ions such as As, B, and BF 2 are implanted through the beam line chamber 11 while keeping the temperature lower than the surface of the Si substrate, preferably at a temperature of −60 ° C. or lower. After the ion implantation, the Si substrate is transferred to the chamber 26 via the transfer chamber 15. Then, the mask on the Si substrate is removed by, for example, O 2 plasma.
【0086】続いて、搬送室15を介し加熱室16にSi基板
を設置し、熱処理を行う。熱処理条件としては、700 ℃
より高い温度に、急速加熱(約50℃/sec. )するのが好
ましい。Subsequently, a Si substrate is placed in the heating chamber 16 via the transfer chamber 15, and heat treatment is performed. Heat treatment condition is 700 ℃
Rapid heating (about 50 ° C./sec.) To a higher temperature is preferred.
【0087】本実施形態によれば、半導体基板をイオン
注入後、外気にさらすことなくマスクを除去でき、且つ
急速加熱できる。よって、イオン注入工程前の状態に半
導体基板を回復することができる。According to the present embodiment, after ion implantation of the semiconductor substrate, the mask can be removed without being exposed to the outside air, and rapid heating can be performed. Therefore, the semiconductor substrate can be restored to a state before the ion implantation step.
【0088】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、イオン注
入工程中および熱処理工程後の両方において、Si基板
強度がSi基板内最大応力よりも高くなるように条件を
設定したが、イオン注入工程中はSi基板強度がSi基
板内最大応力よりも低くなるが、熱処理工程後にはSi
基板強度がSi基板内最大応力よりも高くなるように条
件を設定してもよい。その他、本発明の技術的範囲にお
いて種々変形して実施できる。The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, the conditions were set so that the Si substrate strength was higher than the maximum stress in the Si substrate both during the ion implantation step and after the heat treatment step. Although it is lower than the maximum stress in the substrate, after the heat treatment step, the Si
Conditions may be set so that the substrate strength is higher than the maximum stress in the Si substrate. In addition, various modifications can be made within the technical scope of the present invention.
【0089】[0089]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
半導体基板に塑性変形が起こる臨界応力が、半導体基板
内の最大応力よりも大きくなる条件で、少なくともイオ
ン注入工程を行なうことにより、イオン注入工程に起因
する半導体基板の機械的強度の低下を効果的に防止でき
る半導体装置の製造方法を実現できるようになる。As described above, according to the present invention,
By performing at least the ion implantation step under the condition that the critical stress at which the plastic deformation occurs in the semiconductor substrate becomes larger than the maximum stress in the semiconductor substrate, it is possible to effectively reduce the mechanical strength of the semiconductor substrate caused by the ion implantation step. Thus, a method of manufacturing a semiconductor device that can be prevented in a short time can be realized.
【0090】また、本発明によれば、イオン注入時にお
ける半導体基板の表面を低温に保持できるので、本発明
に係る半導体装置の製造方法を容易に実施できる半導体
製造装置を実現できるようになる。また、本発明によれ
ば、上記半導体装置の製造方法を用いることにより、機
械的強度を所定値以上有する半導体装置を得ることがで
きる。Further, according to the present invention, since the surface of the semiconductor substrate can be kept at a low temperature during ion implantation, a semiconductor manufacturing apparatus which can easily carry out the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention can be realized. Further, according to the present invention, a semiconductor device having mechanical strength equal to or more than a predetermined value can be obtained by using the above-described method for manufacturing a semiconductor device.
【図1】イオン注入直後および熱処理後におけるそれぞ
れの基板温度と欠陥密度との関係を示す図。FIG. 1 is a view showing a relationship between a substrate temperature and a defect density immediately after ion implantation and after heat treatment.
【図2】本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製
造方法を示す工程断面図。FIG. 2 is a process sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
【図3】第2の実施形態の方法を用いてLSIを作製し
た場合の工程毎におけるSi基板強度とSi基板内最大
応力を示す図。FIG. 3 is a diagram showing the Si substrate strength and the maximum stress in the Si substrate in each step when an LSI is manufactured by using the method of the second embodiment.
【図4】本発明の第4の実施形態に係る熱処理機能付き
低温イオン注入装置の要部を示す模式図。FIG. 4 is a schematic view showing a main part of a low-temperature ion implantation apparatus with a heat treatment function according to a fourth embodiment of the present invention.
【図5】本発明の第4の実施形態に係る熱処理機能付き
低温イオン注入装置の要部を示す模式図。FIG. 5 is a schematic view showing a main part of a low-temperature ion implantation apparatus with a heat treatment function according to a fourth embodiment of the present invention.
【図6】本発明の第6の実施形態に係る熱処理機能付き
低温イオン注入装置の要部を示す模式図。FIG. 6 is a schematic view showing a main part of a low-temperature ion implantation apparatus with a heat treatment function according to a sixth embodiment of the present invention.
【図7】従来の製造方法でLSIを作成した場合の各工
程毎におけるSi基板強度とSi基板内最大応力を示す
図。FIG. 7 is a diagram showing the Si substrate strength and the maximum stress in the Si substrate in each step when an LSI is manufactured by a conventional manufacturing method.
【図8】従来のイオン注入・熱処理方法の問題点を説明
するための図。FIG. 8 is a view for explaining a problem of a conventional ion implantation / heat treatment method.
1…Si基板 2…1次欠陥 3…2次欠陥 10…イオンビーム 11…ビームライン 12…開閉バルブ 13…半導体基板 14…エンドステーション 15…搬送室 16…加熱室 17…ヒートシンク 18…配管 19、20…ヒートトラップ(霜付着防止手段) 23…測定手段 24…積分機 25…カウンター 26…チャンバー(アッシャー) DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Si substrate 2 ... Primary defect 3 ... Secondary defect 10 ... Ion beam 11 ... Beam line 12 ... Opening / closing valve 13 ... Semiconductor substrate 14 ... End station 15 ... Transfer chamber 16 ... Heating chamber 17 ... Heat sink 18 ... Piping 19, Reference Signs List 20: heat trap (frost adhesion preventing means) 23: measuring means 24: integrator 25: counter 26: chamber (asher)
Claims (16)
工程と、前記半導体基板に熱処理を施す熱処理工程とを
含み、前記熱処理工程後、または前記イオン注入工程中
および前記熱処理工程後において、前記半導体基板に塑
性変形が起こる臨界応力が、前記半導体基板内の最大応
力よりも大きくなるように、少なくとも前記イオン注入
工程の条件を設定することを特徴とする半導体装置の製
造方法。An ion implantation step of implanting ions into a semiconductor substrate; and a heat treatment step of performing a heat treatment on the semiconductor substrate, wherein the semiconductor is formed after the heat treatment step, or during the ion implantation step and after the heat treatment step. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein at least the conditions of the ion implantation step are set such that a critical stress at which a plastic deformation occurs in a substrate is larger than a maximum stress in the semiconductor substrate.
を所定温度以下の低温に保持した状態で、前記半導体基
板に前記イオンを注入することであることを特徴とする
請求項1に記載の半導体装置の製造方法。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the condition is that the ions are implanted into the semiconductor substrate while the surface temperature of the semiconductor substrate is maintained at a low temperature equal to or lower than a predetermined temperature. Of manufacturing a semiconductor device.
とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。3. The method according to claim 2, wherein the predetermined temperature is 20 ° C.
特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。4. The method according to claim 2, wherein the predetermined temperature is −100 ° C.
温速度を高速にすることであることを特徴とする請求項
1に記載の半導体装置の製造方法。5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the condition of the heat treatment step is to increase a heating rate of the heat treatment.
とを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方
法。6. The method according to claim 5, wherein the rate of temperature rise is 10 ° C./sec or more.
は、拡散層を形成する工程であることを特徴とする請求
項1ないし請求項6のいずれかに記載の半導体装置の製
造方法。7. The method according to claim 1, wherein said ion implantation step and said heat treatment step are steps of forming a diffusion layer.
は、深さが0.2μm以下の浅いソース・ドレイン拡散
層を形成する工程であることを特徴とする請求項1ない
し請求項6のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。8. The method according to claim 1, wherein said ion implantation step and said heat treatment step are steps of forming shallow source / drain diffusion layers having a depth of 0.2 μm or less. 13. The method for manufacturing a semiconductor device according to item 5.
を少なくとも2回以上行なうことを特徴とする請求項1
ないし請求項6のいずれかに記載の半導体装置の製造方
法。9. The method according to claim 1, wherein said ion implantation step and said heat treatment step are performed at least twice.
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 6.
を注入するイオン注入手段と、前記半導体基板にイオン
を注入する際における、前記半導体基板の表面の温度を
所定温度以下の低温に保持する基板温度制御手段と、前
記イオンが注入された前記半導体基板に熱処理を施す熱
処理手段とを具備してなることを特徴とする半導体製造
装置。10. An ion implanting means for implanting ions into a semiconductor substrate housed in a container, wherein the temperature of the surface of the semiconductor substrate is kept at a low temperature equal to or lower than a predetermined temperature when implanting ions into the semiconductor substrate. A semiconductor manufacturing apparatus comprising: a substrate temperature control unit; and a heat treatment unit for performing a heat treatment on the semiconductor substrate into which the ions have been implanted.
徴とする請求項10に記載の半導体製造装置。11. The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 10, wherein said predetermined temperature is 20 ° C.
を特徴とする請求項10に記載の半導体製造装置。12. The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 10, wherein said predetermined temperature is -100.degree.
処理を施すものであることを特徴とする請求項10に記
載の半導体製造装置。13. The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 10, wherein said heat treatment means performs a high-speed heat treatment on said semiconductor substrate.
℃/秒以上であることを特徴とする請求項13に記載の
半導体製造装置。14. The heating rate of said high-speed high-temperature heat treatment is 10
14. The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 13, wherein the temperature is at least C / sec.
イオンを注入する際に、前記半導体基板の表面に前記容
器内の残留H2Oによる霜が付着するのを防止する霜付
着防止手段を有することを特徴とする請求項10に記載
の半導体製造装置。15. A frost adhesion preventing means for preventing frost due to residual H2O in the container from adhering to the surface of the semiconductor substrate when implanting ions into the semiconductor substrate held at the low temperature. The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 10, wherein:
の拡散層、或いは異なる深さの拡散層を有する半導体装
置において、前記半導体基板の最大強度が500MPa
以上であることを特徴とする半導体装置。16. A semiconductor device having a diffusion layer of a different conductivity type or a diffusion layer of a different depth formed on a semiconductor substrate, wherein the maximum strength of the semiconductor substrate is 500 MPa.
A semiconductor device characterized by the above.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP00624198A JP3638424B2 (en) | 1997-01-20 | 1998-01-16 | Semiconductor device manufacturing method and semiconductor manufacturing apparatus |
Applications Claiming Priority (3)
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JP787697 | 1997-01-20 | ||
JP00624198A JP3638424B2 (en) | 1997-01-20 | 1998-01-16 | Semiconductor device manufacturing method and semiconductor manufacturing apparatus |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH10261593A true JPH10261593A (en) | 1998-09-29 |
JP3638424B2 JP3638424B2 (en) | 2005-04-13 |
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ID=26340328
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