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発明の名称 半導体基板への添加物イオン注入方法、電極形成方法およびそのための装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−37030
公開日 平成6年(1994)2月10日
出願番号 特願平4−189668
出願日 平成4年(1992)7月16日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】本多 小平 (外1名)
発明者 大野茂樹 / 茂中尚登 / 布施元正 / 橋本素行 / 大和田 伸朗
要約 目的
半導体基板にイオン注入する際形成される照射欠陥の抑制を図りその除去を容易にする添加物イオン注入方法、並びに、イオンビームミキシング法を用いて半導体用電極を設置する際形成される照射欠陥の抑制を図りその除去を容易にする電極形成方法と、そのための装置の提供。

構成
半導体基板への添加物イオン注入時に、または、予め蒸着した電極用金属にイオンミキシングする電極形成時に、半導体基板を、液体窒素の温度より高く且つ半導体の融点(絶対温度)の15%に相当する温度以下の範囲内の一定温度に制御する。添加物イオンの注入前に半導体の自己イオンを注入し、両者の注入量により非晶質化を行う方法も示されている。
特許請求の範囲
【請求項1】 半導体基板の温度を、絶対温度で表わされた半導体の融点の15%に相当する温度以下で且つ液体窒素の温度よりは高い温度範囲内の一定温度に制御しながら、添加物イオンを半導体基板に注入することを特徴とする半導体基板への添加物イオン注入方法。
【請求項2】 半導体基板に、半導体の自己イオンを半導体の非晶質化の臨界線量に達しない程度に注入した後に、添加物イオンを注入し、これら両者のイオンの注入量の合計を上記臨界線量に達せしめることによって半導体基板のイオン注入領域を非晶質化することを特徴とする半導体基板への添加物イオン注入方法。
【請求項3】 請求項2記載の半導体基板への添加物イオン注入方法であって、半導体基板の温度を、絶対温度で表わされた半導体の融点の15%に相当する温度以下で且つ液体窒素の温度よりは高い温度範囲内の一定温度に制御しながら、自己イオンおよび添加物イオンの注入を行うことを特徴とするもの。
【請求項4】 半導体基板に電極用金属を付着させた後に、半導体基板の温度を、絶対温度で表わされた半導体の融点の15%に相当する温度以下で且つ液体窒素の温度よりは高い温度範囲内の一定温度に制御しながらミキシング用イオンを照射してミキシングを行うことを特徴とする半導体基板の電極形成方法。
【請求項5】 半導体基板を支持する支持装置と、半導体基板に添加物イオンを照射するイオン加速器と、これらを収容した真空容器と、半導体基板を冷却するために前記支持装置に設けられた冷却装置と、半導体基板の温度を測定する温度測定装置と、添加物イオン注入時に前記温度測定装置の測定結果に基づいて半導体基板の温度を液体窒素の温度よりは高く且つ絶対温度で表わされた半導体の融点の15%に相当する温度以下の温度範囲内の一定温度に保つ様に前記冷却装置を制御する制御装置と、を備えたことを特徴とする半導体基板への添加物イオン注入装置。
【請求項6】 半導体基板を支持する支持装置と、半導体基板に半導体の自己イオンを照射するイオン加速器と、半導体基板に添加物イオンを照射するイオン加速器と、これらを収容した真空容器と、を備えたことを特徴とする半導体への添加物イオン注入装置。
【請求項7】 半導体基板を冷却するために前記支持装置に設けられた冷却装置と、半導体基板の温度を測定する温度測定装置と、自己イオンおよび添加物イオン注入時に前記温度測定装置の測定結果に基づいて半導体基板の温度を液体窒素の温度よりは高く且つ絶対温度で表わされた半導体の融点の15%に相当する温度以下の温度範囲内の一定温度に保つ様に前記冷却装置を制御する制御装置と、を備えたことを特徴とする請求項6記載の半導体基板への添加物イオン注入装置。
【請求項8】 半導体基板を支持する支持装置と、半導体基板に電極用金属を蒸着させる蒸着装置と、半導体基板にミキシング用イオンを照射するイオン加速器と、これらを収容した真空容器と、半導体基板を冷却するために前記支持装置に設けられた冷却装置と、半導体基板の温度を測定する温度測定装置と、ミキシング用イオン注入時に前記温度測定装置の測定結果に基づいて半導体基板の温度を液体窒素の温度よりは高く且つ絶対温度で表わされた半導体の融点の15%に相当する温度以下の温度範囲内の一定温度に保つ様に前記冷却装置を制御する制御装置と、を備えたことを特徴とする半導体基板の電極形成装置。
【請求項9】 請求項5または7記載の半導体への添加物イオン注入装置、あるいは請求項8記載の半導体基板の電極形成装置であって、前記冷却装置を液体窒素を用いた冷却装置とし、該冷却装置の他に更に半導体基板加熱装置を備え、前記制御装置が、前記冷却装置の代りに前記半導体加熱装置を制御することにより、半導体基板の温度を前記一定の温度に保つ様にしたもの。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板への添加物イオンの注入方法およびイオンミキシング法による半導体基板の電極形成方法、ならびに、これら方法を実施するための装置に関するものであり、特に、イオン注入により生ずる照射欠陥の抑制、除去を容易ならしめるための改善に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体基板に添加物イオンを注入する従来技術としては、特開平3−145722号公報記載のように、半導体基板をイオン注入時に液体窒素または液体ヘリウム温度まで冷却して格子振動を抑制し、チャネリングを促すように添加物イオンを注入することによって、急峻な添加物プロファイルを得、かつ照射欠陥の生成を抑制し、その後、アニールを行う方法がある。
【0003】また、特開昭63−185016号公報記載のように、予めイオン注入領域を非晶質化し、その後添加物イオンを注入し、その後、アニールを行なうことによって、照射欠陥の除去を容易にする試みがなされている。
【0004】また半導体基板に電極を形成する従来技術として、半導体基板上に電極用の金属を蒸着し、次にこれにミキシング用イオン(半導体または蒸着金属と同じ物質のイオン)を照射して蒸着金属と半導体基板とをミキシングさせる所謂イオンミキシング法による電極形成方法がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】前記第1に述べた添加物イオン注入方法では添加物イオン注入時に半導体基板を液体窒素または液体ヘリウム温度まで冷却することにより照射欠陥の生成を抑制している。この冷却には熱伝達を利用するが、半導体は熱伝達が悪いためこれらの温度にまで冷却されるには時間がかかる。さらに、液体窒素やヘリウムを使用することは、コスト高になる点や、取り扱いが煩雑になるという問題がある。
【0006】また、前記第2に述べた添加物イオン注入方法では、半導体基板に半導体の自己イオン(半導体と同じ物質のイオン、すなわち、例えば半導体がシリコンならば、シリコンイオン)を注入することによって予め非晶質化をした後に添加物イオンを注入し、その後アニールによって再結晶化させることにより、アニール温度を低減するようにしている。しかし、非晶質化領域と結晶領域との界面近傍に照射欠陥が形成され、アニール中にこの欠陥が成長し、アニール後にも欠陥が残存するという問題がある。また、完全にこの欠陥を除去するためには長時間のアニールが必要であり高集積化を図るとができないという問題がある。
【0007】また、前記第3に述べた半導体用の電極をイオンミキシング法で形成する方法においてはミキシング時に半導体中に照射欠陥が形成されるという問題がある。
【0008】よって、本発明の第1の目的は、前記第1に述べた従来の添加物イオン注入方法を改善し、添加物イオン注入時の半導体基板温度を上記従来方法でのそれよりも高い温度にしても照射欠陥を抑制でき、その除去を容易にする半導体基板への添加物イオン注入方法およびそのための装置を提供することにある。
【0009】また、第2の目的は、前記第2に述べた従来の添加物イオン注入方法を改善し、半導体基板の非晶質化時に形成される欠陥を抑制でき、その除去を容易にする、半導体基板への添加物イオン注入方法およびそのための装置を提供することにある。
【0010】また、第3の目的は、前記第3に述べたイオンミキシングによる電極形成方法を改善し、照射欠陥を抑制でき、その除去を容易にする、半導体基板の電極形成方法およびそのための装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記第1の目的は、特許請求の範囲の請求項1又は5の構成によって、また上記第2の目的は請求項2,3,6又は7の構成によって、また、上記第3の目的は請求項4又は8の構成によって達成される。
【0012】
【作用】先ず、請求項1又は5に記載の発明に関して作用を説明する。図7は、半導体基板たるシリコン基板に添加物イオンとして100keVボロンイオンを20℃の温度と−70℃の温度とで1×1013個注入し、その後、850℃の温度で20分アニールしたときの半導体基板の断面の模式図であり、図の上下方向が半導体基板の厚さ方向である。図7に示す様に、照射欠陥として発生する転位ループの大きさ及びその存在領域の幅Wはイオン注入温度に依って異なる。図8は種々異なる温度で上記と同じ条件でイオン注入し、アニールしたときの照射欠陥の存在領域の幅(図1のW)を測定した結果である。縦軸は幅W、横軸はイオン注入温度Tである。これらの図からわかるように、照射欠陥は注入温度が低温になるほど微小化し、かつ、その存在領域が局在化するためアニールによる除去が容易となる。照射欠陥の生成は点欠陥(原子1個サイズの欠陥で、はじき出された原子とその跡の空孔を意味する)の挙動に依存するので、ボロン以外の添加物イオンを注入した場合、または、注入イオンのエネルギーを変化させた場合も同様の結果が得られる。
【0013】図8の結果から、シリコンの場合、イオン注入温度を−20℃以下にすると、欠陥の存在領域幅Wが顕著に減少することがわかる。この−20℃なる温度はシリコンの融点(絶対温度)の15%に相当する温度である。シリコン以外の半導体の場合でも、照射欠陥の生成量はイオン注入温度に依存し、イオン注入時の温度を半導体の融点(絶対温度)の15%に相当する温度以下とすることにより、照射欠陥の存在領域幅を低減できる。
【0014】以上のように、イオン注入時に半導体基板の温度を、半導体の融点(絶対温度で表わされた)の15%に相当する温度以下にするならば、先述の従来技術の如くイオン注入時に半導体基板を液体窒素の温度まで冷却しなくても、照射欠陥の発生量および発生域を抑制することができ、従って、その除去はアニールによって容易になし得る。
【0015】しかし、イオン注入時の半導体基板温度にバラツキがあると、アニール条件によっては照射欠陥が除去できずに残存する場合がある。そこで、本発明では、イオン注入時の半導体基板温度を、液体窒素の温度よりは高くかつ半導体の融点(絶対温度)の15%に相当する温度以下の範囲で一定に制御する。
【0016】次に、請求項2,3,6又は7に記載の発明に関して作用を説明する。半導体をイオン注入により非晶質化するためには、ある注入量以上のイオン注入が必要となる。この必要注入量の下限値を非晶質化の臨界線量という。非晶質化した領域と結晶領域の界面には照射欠陥が形成されるが、この欠陥量は注入したイオン数に依存する。依って、本発明では、半導体の自己イオン(半導体と同じ物質のイオン)をそれのみでは上記臨界線量に達しない程度に注入した後、添加物イオン注入し、その両者の注入量の合計を上記臨界線量に達せしめ、このとき始めて非晶質化が生じるようにする。すなわち、従来技術においては自己イオン注入のみでイオン注入量を非晶質化の臨界線量に達せしめて非晶質化していたのに対し、本発明では、自己イオンの注入を先に行い、その後に添加物イオンを注入し、その両者の注入合計量が非晶質化の臨界線量に達したときに始めて非晶質化が起る様にするのである。これにより、自己イオンのみで予め非晶質化する従来技術よりも照射欠陥の発生を低減することができ、従ってアニールによる除去が容易になる。
【0017】この場合、自己イオン注入時および添加物イオン注入時の半導体基板温度を前述と同様に液体窒素の温度より高くかつ半導体の融点の15%の温度以下の範囲の温度に制御すれば、前記非晶質化の臨界線量が低減し、より有効に照射欠陥の発生量および発生領域を小さくできる。
【0018】請求項4または8に記載の発明においても、ミキシング用イオン照射時の半導体基板温度を、その規定する温度に制御することによって、照射欠陥の生成が少くなるので、その除去が容易になる。
【0019】
【実施例】半導体基板に添加物イオンを注入する一実施例を図1により説明する。添加物はイオン源1によってイオン化され、添加物イオン2となって引出電極3によって前方に引き出され、分析マグネット4によって不純物を取り除かれ、加速管5によって加速される。加速されたイオン2は、四重極レンズ6で収束され、偏向レンズ7によって縦横に走査される。この走査されたイオンは半導体基板8中に注入される。半導体基板8上にはフォトマスク9が被せられており、任意所定領域のみへの注入が可能となる。半導体基板8はステージ10に複数個固定されている。以上の装置は真空容器11内にあり、この容器11内は真空ポンプ12によって排気される。均一にイオン注入をするため、ステージ10は歯車131,132を介して回転駆動モータ13で回転される。111はステージ10を軸支するために容器12に設けられたシール軸受である。ステージ10は、それに内蔵された電子冷却装置(例えばペルチエ効果を利用したもの)14により冷却され、半導体基板8を冷却する。この冷却作用により、イオン注入時の半導体基板温度が、半導体の融点(絶対温度)の15%に相当する温度以下でかつ液体窒素の温度よりは高い一定温度になるように制御する。そのため、イオン注入時の半導体基板8の温度を基板8に設けられた熱電対15で測定し、熱電対15からの信号を信号処理装置16に送り、基板8の温度が上記の一定温度からずれた場合、信号処理装置16は電子冷却装置14用の電源17の出力を調整して基板8の温度を上記の一定温度に制御する。電子冷却装置14の代りに冷凍サイクルの冷媒蒸発器をステージ10内に設けて冷却をしてもよい。
【0020】図2は、半導体基板に添加物イオンを注入する注入装置の他の実施例の概略図である。図1の各部と対応する部分は同じ符号で表わし、これらの部分の構造、作用について重複した説明は省略する。本実施例においては半導体基板8を支持しているステージ10はその内部に導入されている液体窒素18によって冷却され、半導体基板8を冷却する。半導体基板8には図1と同様に添加物イオン2が注入される。このイオン注入時、半導体基板8の温度が図1の実施例の場合と同じ一定温度になるように制御する。そのためには、本実施例では、イオン注入時の基板8の温度は基板8に設けられた熱電対15で測定され、熱電対15からの信号は信号処理装置16に送られ、基板8の温度が上記一定温度からずれた場合には、信号処理装置16は半導体基板8に対向設置されたヒータ20の電源19の出力を調整しヒータ20の発熱量を調整することによって半導体基板18の温度を上記一定温度に制御する。
【0021】図3は、自己イオン(半導体と同じ物質のイオン)と添加物イオンとの注入により半導体を非晶質化させて半導体素子を製造する実施例の概略図であり、図3において、図1の各部と同様の部分は同じ符号で示し、これらの部分の構造、作用について重複した説明は省略する。本実施例においては、自己イオン注入用の加速器22を用いて半導体基板8に自己イオンを注入する。その後、添加物イオン注入用の加速器23を用いて添加物イオンを半導体基板8に注入し、注入領域を非晶質化する。イオン注入中の基板8の温度は図1の実施例の場合と同様とし、その温度制御の仕方も図1の場合と同様である。上記自己イオンの注入および添加物イオンの注入は、それら両者の注入量の合計によって、始めて先述の非晶質化の臨界線量が達成され、その時に始めて非晶質化が起る様になされる。図9は、本実施例に関し、半導体基板がシリコンである場合に、自己イオンとしてシリコンイオンを、また添加物イオンとしてボロンイオンを注入し、両者の注入量の合計を臨界線量と等しくするための両者の注入量の相関を示す図であり、縦軸がシリコンイオンの注入量、横軸がボロンイオンの注入量であり、線Lは両者の注入量の合計が臨界線量に等しくなる様な線を示している。
【0022】図4はミキシング法により半導体基板に電極を形成する実施例の概略図である。ステージ10に固定された半導体基板8に蒸着源24より蒸発された電極用の金属を蒸着する。この場合、基板8にはマスク9を被せてあり所要領域のみに蒸着が行なえる。均一に金属膜を蒸着させるためにステージ10を回転させることによって基板8を回転させる。蒸着膜厚は、基板8上に設置された水晶発振器25を用いて制御する。すなわち、基板8に蒸着された膜厚によって該水晶発振器25の周波数が変化するので、その周波数から蒸着膜厚が測定でき、これに基づいて蒸着膜厚が所定になるように制御する。このようにして電極用金属を所定の膜厚になる様に蒸着した後、蒸着領域にイオン加速器26を用いて半導体の自己イオンを照射することによって、前記の蒸着された電極用金属と半導体基板8のミキシングを行ない化合物を形成する。ミキシング時には、基板8の温度は図1の実施例の場合と同じ温度に且つ同じ制御の仕方で制御される。
【0023】なお、図3、図4に示した実施例においても、図2に示した実施例と同様な手段で半導体基板の冷却および温度制御をする如く構成してもよい。
【0024】次に、本発明を利用して、N型シリコン基板8中にPNP接合を形成し、電極を取付けるまでの製造プロセスの1例を図5で説明する。まず、フォトマスク9を被せたN型シリコン基板8を冷却して−30℃にする。この基板温度は、イオン注入中一定になるようにする。この様に基板8を冷却しながら、ボロンイオン27を1×1013個注入する。ボロンイオン27の注入後、マスク9を除去し、次に、電極設置部以外に新たなマスク9’を被せ、電極用金属としてモリブデン28を電極設置部に0.5μm蒸着する。その後、600keVシリコンイオン29を1×1013個照射し、モリブデン28とシリコン基板8をミキシングして両者の界面にモリブデンシリサイド31を形成する。このようにしてエミッタ32、コレクタ33、ベース34部の電極を形成する。電極形成後、マスク9’を取り除き、850℃で1時間アニールし、モリブデンシリサイド31の領域を安定させ、かつ照射欠陥を除去する。
【0025】本発明を利用して、N型シリコン基板8中にPNP接合を形成し、電極を取付けるまでの製造プロセスの他の1例を図6で説明する。まず、フォトマスク9を被せたシリコン基板8を冷却して−30℃にする。この基板温度はイオン注入中一定になるようにする。この様に基板8を冷却しながら、シリコンイオン29を4.9×1015個注入し、この注入後、ボロンイオン27を1×1013個注入しP層30を形成する。この注入領域30は非晶質となる。次に、マスク9を除去し、電極設置部以外に新たなマスク9’を被せ、電極設置部に電極用金属としてモリブデン28を0.5μm蒸着する。その後、600keVシリコンイオン29を1×1013個照射し、モリブデン28とシリコン基板8をミキシングして両者の界面にモリブデンシリサイド31を形成する。このようにしてエミッタ32、コレクタ33、ベース34部の電極を形成する。電極形成後、600℃で2時間アニールし、モリブデンシリサイド31の領域を安定させ、かつ照射領域の再結晶化を図る。
【0026】
【発明の効果】本発明によれば、半導体基板への添加物イオン注入をする場合に、イオン注入によって形成される照射欠陥が低減されるので、その除去が容易になる。その結果、アニール時の添加物の拡散の抑制、半導体デバイスの高集積化を図ることが可能になる。また、半導体基板を液体窒素やヘリウムの温度まで冷却する必要がなく、半導体素子の製造が安価で且つ容易になる。
【0027】また、電極をイオンビームミキシング法を用いて半導体基板に形成する場合も、上記イオン注入の場合と同様に照射欠陥が低減され、その除去が容易になる。




 

 


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