JPS58500963A - イオン注入法を用いた半導体の製法 - 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、イオン注入法によって半導体内にドーパントを入れる半導体の製法に 関する。

発明の背景 シリコン分子線ｉピタキシー（ＭＢＥ）法は、超高真空中で単結晶シリコン・エ ピタキシャル層を低温成長させる技術のことである。シリコンＭＢＥ処理に用い られているシステムの１つは、イオンによって応用物理学会誌（Ｊｏｕｒｎａｌ 　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　）　Ｖｏｌ、　５１　（２）、１９ ８０年２月号、ＰＰ、１１０２７１１１０に「同時イオン注入ドーピング法によ るシリコン分子線エピタキシー」の標題で公表されている。このイオン・システ ムでは電子ビームによって高純度のシリコン源が蒸発され、蒸発されたシリコン は、加熱されたシリコン基板上に単結晶エピタキシーとして蒸着する。有用なデ バイスを作るため、通常、このシリコン・エピタキシーはＰ型又はｎ型不純物で ドーピングされる。イオン・システムでは、イオン銃が必要なドーパントイオン を発生し、そして、このドーパントは、ドリフトチェンバーを通過し、シリコン の蒸着が行われる成長チェンバーに結合される。この結果、極めて低エネルギー ドーパントによるイオン注入がエピタキシャル層を成長させる過程と同時に生起 することになる。イオン注入ドーピング法を用いることによって、従来の技術、 つまりドーパントを成長中の基板に蒸着するために、単純に蒸発させる方法に比 べて、飛散してしまうドーパントの原子数を少なくすることができる。注入され たドーパントの付着係数は、蒸発したドーパントのそれよりはるかに大きいので 、成長チェンバーには従来の技術よりも少量のドーパントが導入はれるのみであ る。その他、イオン注入ドーピング法の利点は、エピタキシャル成長の最中に、 ドーパントのイオンビーム密度を監視でき、かつこれを制御できることである。

イオンが公表したシステムでは、イオン銃によってヒ素プラズマからヒ素イオン が生成され、これがドリフトチェンバーを通過して成長中のエピタキシャル′基 板に打ち込まれ、これによってシリコン基板内でｎ型ドーパントとなる。イオン 論文では、成長中のエピタキシャル基板内に、どのようにして、Ｐ型ドーパント を固定するかは示されていない。この種の技術に詳しい人々ならば自明のことで あるがイオン銃内にＰ型ドーパントを含む別のプラズマが生成する間はエピタキ シャル構造の成長を単純に止めてしまうのも１つの方法である。成長が停止され ると、雰囲気中の酸素、炭素及びその他の不純物が試料表面に堆積し、これはい ずれにしても、以後のエピタキシャル成長にとって、結晶欠陥の源となるので１ つのドーパントから他方のドーパントへ切換える際の成長停止は最短の時間にす るのが望ましい。結晶構造中に生じたこれらの欠陥は、半導体デバイスの働きを そこない、また、少数キャリアのライフタイムを短くすることがよく知られてい る。それ故、電導度を１つの型から別の型に変換するのは、できるだけ厚い時間 にし、結晶中の欠陥をできるだけ少なくするのが望ましい。

発明の要約 本発明は、イオン銃内に伝導度を反対にする元素のイオンからなる混合プしズマ を発生させることができるという事実を発見したことに基づくものである。以下 に記述する方法を用いることによって、イオン銃内にヒ素及びホウ素のイオンが 存在するプラズマを発生することができる。その結果、イオン銃の出口にある質 量分析器の狙いを、成長中のシリコン・エピタキシャル層の走査領域（層又は面 のどちらでも）に注入するためのイオンとして、ヒ素又はホウ素のどちらかを迅 速に選択するのに利用することができる。

本発明の方法は、以前イオンによって公表された装置の中で実行できるものであ る。この装置では加熱されたシリコン基板上に単結晶を蒸着するために電子銃に よってシリコン源、が蒸発される。ドーピングは、低エネルギー、イオン銃から のイオンを、成長中のシリコン・エピタキシャル層に結合させることによって達 成される。−例として述べると、最初に三フッ化ホウ素ガスをイオンチェンバー 内に導入し、これが内部にある高温のフィラメントから放出された電子によって イオン化し、これによってイオン銃内にホウ素イオンのプラズマが生成する。

イオン電流中のＢ　成分が監視され、またこれはガス圧を調整することによって 最大にされる。システムが安定化する時間が経過すると、固体のヒ素剤がイオン 銃内の高温フィラメントの近傍に移畑れる。ヒ素を徐々に加熱するため、ヒ素プ ローブの挿入は、段階状に非常にゆっくりと行われる。もしヒ素剤が急激に挿入 はれると、Ｂ　イオンは消滅してしまう。質量分析器を適切に調整することによ って、ヒ素イオン電流が検出され、ビームは最終的には三フッ化ホウ素ガスの入 口圧力を再調整することによって最適化でれる。次にプラズマから抽出されたイ オンの一つを選択するためにマスフィルタが調整てれ、そして選択されたイオン が成長中のシリコン・エピタキシアル層へ結合される。選択されたイオンを用い たドーピングによって規定の成長をした後はいつでも、イオン銃内の質量分析器 は他のイオンを選択するために再調整することができ、そして秒単位の間に反対 の伝導度の層の成長が継続はれる。

図面の簡単な説明 第１図は、本発明を実行するために利用できる従来の技術の装置の断面図である 。

第２図は、第１図のイオン源を本発明を実行するために用いるときの断面図であ る。

第３図は、マスフィルタのマグネット電流に対してイオン電流をプロットした図 であって、本発明を実行するために作製した実施例において発生はれた各種のイ オンを示している。

上記の論文中でイオンによって公表されたエピタキシャル成長システムは第１図 に断面図の型で示てれている。

このシステムでは原子的に清浄なシリコン基板１０１が成長チェンバー内に置か れてあり、外部的に結合した電力によって抵抗加熱はれる。成長チェンバーは、 １１キロボルト電子銃１０２も内蔵しており、これは基板から１５ｃｒｎのとこ ろに位置するシリコン源に向けられて、シリコン分子線１０３を発生し、このビ ームは基板１０１に向けられている。液体窒素のシュラウドが電子銃ユニット及 ヒ基板熱ユニットをとり囲んでいる。シリコン分子線１０３の一部がシリコン基 板１０１上に蒸着し、残りはシリコンビーム・コレクタ（示されていない）上に 蒸着する。蒸着てれたシリコンの厚嘔を計測するためにシリコン厚み監視計１０ ４が置かれている。基板の温度を監視するため、基板の背面にある反射器に熱電 対１０５が取付けられている。熱電対の読みは、高温計による測定が正確でなく なる７５０Ｃ以下の基板温度を測定するために用いられる。

イオン注入システムは、２つの主要部、つまりイ、オン銃１３０及びイオンビー ムドリフト・チェンバー１８０から構成きれる。イオン銃１３０は、市販のイオ ン銃であって、コルトロン（Ｃｏ１ｔｒｏｎ　）社からモデルＧ−２低エネルギ ーイオン銃システムとして購入できるものである。このイオン銃は、ステンレス 鋼製のコンテナ１３１を有しており、ここには固体のヒ素剤が挿入てれる。この ステンレス鋼製コンテナにはコンテナの温度を監視するためカプセルにおをめた 熱電対及びイオンがヒ素イオンを制御するためアルゴンガスを結合したガス孔又 は管も入れることができる。固体ヒ素剤は、電気的に加熱されるプラズマチェン バーに挿入され、発生するイオンは質量分析器又はマスフィルタ１３４を経て、 イオン銃ノ出口１３０へ結合される。

マスフィルタ１３４は、直交する静電界及び磁界を有するイオンは、電界によっ てフィルタの片側に偏向てれ、また磁界によって反対側に偏向される。イオンの 分子量に対する電荷の比率が適当な場合に限って、電磁界の作用が均衡し、イオ ンを妨げることなく、フィルタ内を通過妊せることかできる。

イオン銃１３０からのイオンは、ドリフトチェンバー１３０に結合はれ、ここで イオンは、ドリフト・チェンバーの屈曲部において、第１図の中で１８１と示は れている偏向板によって１５°偏向きれる。イオン銃１３０内のマスフィルタ１ ３４は非イオン化物質を除去する能力はなく、また、これらの中性物質は直線上 を移動し、ドリフト・チェンバーの壁に蒸着するので、この屈曲部で除去はれる 。偏向板１８１で偏向σれたイオンビームは、選択はれたイオンビームを基板１ ０１の表面に位置決めすることのできる高電圧走査板１８３を経由して結　７− 第１図に示はれるように、イオンはシリコン基板の成長中のエピタキシャル層ｑ 中にヒ素イオンを注入するためにこの装置を用いた。この発明に基づき、通常は プラズマチェンバーにアルゴンガスを導入するの゛に用いラレる管１３２のガス 孔は、第２図に示されるように代りに三フッ化ホウ素（ＢＦ３）をプラスマチエ ンバーに結合するために用いられる。第２図に示はれるように、第１図の装置の イオン化チェンバーは、本質的な変更はなこれていないが、Ｂ　及びＡｓ　ドー パントを含むプラズマを生成するために用いられる。固体のヒ素剤２０１が可動 ステンレス鋼製の棒２０２の穴の端に含まれている。

ホウ素源は純度９　’Ｌ５　％の三フッ化ホウ素ガスである。

このガスはヒ素剤と同じチェンバーに管１３２を通して結合はれる。最初はヒ素 剤は、引き込まれて、イオン化チェンバー内のヒ素の１気は最少になる。弁２０ ５が開かれ、チェンバー内に三フッ化ホウ素ガスが原爆れ、ガスは約２７０ワツ トを消費する高温フィラメント２０６から放出される電子によってイオン化され る。三フッ化ホウ素ガスの入口の圧力は、約４０〜５０ミリトールに調整はれる 。イオン化チェンバー内の圧力は、これよりやや低い。アノード電源２１０から 供給でれるアノード電圧が約８０〜１００ポル°トに等しくなると、アーク放電 が生ずる。質量分析器で決定すると、この時プラズマ中にあるイオンの種類はＢ 、ＢＦＦ　及びＢＦ　であ　８− ガスの圧力を調整することによって最大にされる。三フッ化ホウ素の最適の入口 圧力は約２０〜３０ミリトールになるように決められている。

システムが安定するための時間が経過すると、ヒ素試料がイオン化チェンバーへ 向けて高温のフィラメント２０６の近傍へ徐々に押し進められる。同時にプラズ マ放電を維持するためアノード電源２１０からの７ノード供給電圧が調整きれる 。ヒ素試料の挿入は、ヒ素の加熱を徐々にするために、段階状に非常にゆっくり と行われる。イオン化チェンバー内に十分カヒ素蒸気圧が生成するとマスフィル タ１３４の設定が適切であればヒ素イオン電流が検出式れる。Ａｓ　電流の増加 は、Ｂ　電流の減少を伴なうのでヒ素剤が過熱されると、Ｂ　が消滅することに なる。最適の調整ではヒ素の温度は約３００Ｃに等しくなるように決められる。

ビームは最終的には三フッ化ホウ素ガスの入口圧力を再調整することによって、 最適化でれる。次の表は、ヒ素及びホウ素のイオンビームがそれぞれ単独のとき と相補のイオンプラズマと組合せたときのイオンビーム電流の典型的な実測値を 掲げたものである。

イオンの種類　ビーム電流 Ａｓ　（Ａｓ＋ＢＦ３）　１１０　ｎＡＢ　（ＢＦ３）　５８ｎＡ Ｂ　（Ａｓ＋ＢＦ３　）　２６　ｎＡ 電源２１５により供給はれるイオン引き出し電圧は、約１１００ボルトに等しく 、またイオン銃内の減速電圧は５００ポルトに設定はれイオン銃から最終的なビ ームエネルギーは約６００電子ボルトに設定されていた。表に示されたビーム電 流は、電子銃の終段レンズの出口から・１３０ｃｒ＋＋の所に置かれたターゲッ トで測定されたものである。

マスフィルタ１３４の電界を一定に保ちながら、磁界を変化はせた場合のイオン 銃１３０から取り出はれるイオン電流が第３図に示はれている。第２図に示これ るように、マスフィルタ内の電界ポテンシャルを２００ボルトにしたとき、Ｂ　 イオン電流はマグネット電流を３．３アンペアに設定することによって得られろ 。同様に、Ａｓ　イオン電流は、マグネット・ユニットを９．０アンペアに設定 することによって得られる。したがって、イオンビームが結像され、かつ特定の ドーパントに対して最適化されていると、単にマスフィルタ１３４のマグネット 電流を調整することによって、秒単位で相補のイオンが選択でれる。

本発明は、基板表面に伝導度の異なる部分を作るのに利用することができる。ド リフトチェンバー１８０の走査板１８３は、１つのドーパントイオンがマスフィ ルタを通して結合され、基板表面の一部分のみを走査するように調整できる。次 に異なるイオンがマスフィルタを通して結合でれ、ドリフトチェンバー１８０の 走査板１８３は、これらのイオンを基板表面の別の部分に結合することができる 。

ざらに、ドーパント源は別の物理的な形態、つまり、両方ともガス状、両方とも 固体状あるいは液体源を含めた組み合せであってもよい。

国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　イオン銃で生成きれマスフィルタを通過して結合式れるイオンを注入するこ とによって少なくとも２つの反対の伝導度の領域を有する半導体デバイスを製造 する方法において 前記イオン銃内（１３０）に前記半導体デバイス内に反対に伝導度のドーパ−ン トをもたらす少なくとも２つの元素からなるイオンを有するプラズマを生成する 段階と、前記２つの元素の１つのイオンを上記半導体デバイスの第１の領域へ結 合するようマスフィルタ（１３４）を調整する段階と、 前記２つの元素の第２のイオンを前記半導体デバイスの第２の領域に結合するよ うこのマスフィルタを再調整する段階とによって特徴づけられる方法。 ２　請求の範囲１に規定はれる半導体デバイスの製造方法において、前記イオン 銃内にプラズマを生成する段前記ガス内に存する元素の１つのイオンを有するプ ラズマを発生式せるために流す段階（１３２）含む固体剤（２０１）を前記固体 剤に存する元素のイオンを含むプラズマを発生ですために、徐々に押し進める段 階から々る方法。 ３　請求の範囲２に規定でれる半導体デバイスの製造方法において、前記ガスが 主として、三フッ化ホウ素で