(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-10-29
(45)【発行日】2024-11-07
(54)【発明の名称】半導体製造装置、半導体装置および半導体装置の製造方法
(51)【国際特許分類】
H01J 37/05 20060101AFI20241030BHJP
H01L 21/265 20060101ALI20241030BHJP
H01L 21/336 20060101ALI20241030BHJP
H01L 29/78 20060101ALI20241030BHJP
H01J 37/317 20060101ALI20241030BHJP
H01J 37/20 20060101ALI20241030BHJP
【ＦＩ】
H01J37/05
H01L21/265 F
H01L21/265 603B
H01L21/265 603C
H01L21/265 T
H01L29/78 301L
H01J37/317 Z
H01J37/20 A
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2021138315
(22)【出願日】2021-08-26
(65)【公開番号】P2023032280
(43)【公開日】2023-03-09
【審査請求日】2024-03-12
(73)【特許権者】
【識別番号】318010018
【氏名又は名称】キオクシア株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100091487
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 行孝
(74)【代理人】
【識別番号】100120031
【弁理士】
【氏名又は名称】宮嶋 学
(74)【代理人】
【識別番号】100107582
【弁理士】
【氏名又は名称】関根 毅
(74)【代理人】
【識別番号】100118843
【弁理士】
【氏名又は名称】赤岡 明
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 貴之
【審査官】藤田 健
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１８－５１４９３９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０９－１１５８５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０６－０４５３５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０７－２５８８４６（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０８８３５８７９（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】特開２００２－００８５７９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｊ ３７／００
Ｈ０１Ｌ ２１／２６５
Ｈ０１Ｌ ２９／７８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板を搭載可能なステージと、前記基板へ導入する不純物のビームをイオン成分と中性成分とを分離する分離部と、
前記イオン成分を前記基板へ導入する第１モードと前記中性成分を前記基板へ導入する第２モードとを切り替える制御部とを備える半導体製造装置。
【請求項2】
前記イオン成分を導入する第１位置と前記中性成分を導入する第２位置とに前記ステージを移動させる駆動部をさらに備える、請求項１に記載の半導体製造装置。
【請求項3】
前記駆動部は、前記イオン成分を前記基板の表面に対して垂直方向から第１角度だけ傾斜した方向から導入するように前記ステージの傾斜を調整し、前記中性成分を前記基板の表面に対して垂直方向から第２角度だけ傾斜した方向から導入するように前記ステージの傾斜を調整する、請求項２に記載の半導体製造装置。
【請求項4】
前記制御部は、前記第１位置と前記第２位置との間の前記ステージの移動、および、前記第１角度と前記第２角度との間のステージの調整を同期して実行する、請求項３に記載の半導体製造装置。
【請求項5】
前記基板を収容可能なチャンバをさらに備え、前記制御部は、前記チャンバ内の圧力によって前記イオン成分と前記中性成分との濃度を制御する、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体製造装置。
【請求項6】
前記分離部は、前記イオン成分と前記中性成分のエネルギーを相違させ、前記イオン成分を第１エネルギーで前記基板へ導入し、前記中性成分を第２エネルギーで前記基板へ導入する、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体製造装置。
【請求項7】
基板へ導入する不純物のビームをイオン成分と中性成分とを分離し、前記イオン成分と前記中性成分のエネルギーを相違させる分離部を備えた半導体製造装置を用いた半導体装置の製造方法であって、前記不純物のビームをイオン成分と中性成分とを分離し、
前記イオン成分を第１エネルギーで前記基板へ導入する第１モードを実行し、
前記中性成分を第２エネルギーで前記基板へ導入する第２モードを実行することを具備する半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本実施形態は、半導体製造装置、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体装置の微細化に伴い、不純物拡散層の高精度な制御が求められている。例えば、トランジスタのソース層またはドレイン層を単一の不純物拡散層で構成した場合、不純物拡散層に結晶欠陥が残りやすく、リーク電流が増大する。ソース層またはドレイン層を複数の不純物拡散層で構成した場合、異なる条件で複数のイオン注入工程を繰り返し実行する必要がある。これは、スループットの低下を招く。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１４－０４９６２０号公報
【文献】特開２００３－１１５２７７号公報
【文献】特許第３３５６６２９号（米国特許第６０７１７８１号）
【文献】特許第４９０１０９４号（米国特許第７３５１９８７号）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
結晶欠陥が少ない不純物拡散層を短い工程で形成可能な半導体製造装置、半導体装置、半導体装置の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本実施形態による半導体製造装置は、基板を搭載可能なステージを備える。分離部は、基板へ導入する不純物のビームをイオン成分と中性成分とを分離する。制御部は、イオン成分を基板へ導入する第１モードと中性成分を基板へ導入する第２モードとを切り替える。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【図1】本実施形態によるイオン注入装置の構成例を示す概略図。
【図2A】本実施形態によるイオン注入方法における電源電圧の一例を示すグラフ。
【図2B】本実施形態によるイオン注入方法における電源電圧の一例を示すグラフ。
【図2C】本実施形態によるイオン注入方法における電源電圧の一例を示すグラフ。
【図3】エネルギーフィルタにおけるイオン成分と中性成分とを示す概念図。
【図4】ステージの動作を示す概念図。
【図5】イオン成分と中性成分との加速エネルギーの一例を示すグラフ。
【図6】第１および第２モードによって形成される拡散層の不純物濃度と深さを示すグラフ。
【図7】本実施形態によるトランジスタの構成例を示す断面図。
【図8】第１モードのイオン成分の注入によって半導体基板Ｗに生じたボロン、格子間シリコンおよび空格子の各濃度を示すグラフ。
【図9】第１モードのイオン成分および第２モードの中性成分の注入によって半導体基板に生じたボロン、格子間シリコンおよび空格子の各濃度を示すグラフ。
【図10】第１および第２モードを実行し、アニール処理後の半導体基板内のボロンの各濃度を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【0007】
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。図面は模式的または概念的なものであり、各部分の比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。明細書と図面において、既出の図面に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【0008】
図１は、本実施形態によるイオン注入装置１の構成例を示す概略図である。イオン注入装置１は、チャンバ３と、ステージ５と、イオンソース１０と、アナライザ２０と、Ｑレンズ３０と、スキャナ４０と、パラレルレンズ５０と、加減速電極６０と、エネルギーフィルタ７０と、を備えている。イオン注入装置１は、半導体基板Ｗに不純物をドーピングする装置であり、例えば、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）等を不純物として注入する。本実施形態では、イオン注入装置１は、一例としてボロンを半導体基板Ｗに注入するものとして説明する。
【0009】
チャンバ３は、ステージ５、イオンソース１０、アナライザ２０、Ｑレンズ３０、スキャナ４０、パラレルレンズ５０、加減速電極６０およびエネルギーフィルタ７０を収容する。チャンバ３は、図示しない真空ポンプに繋がっており、その内部の圧力を減圧可能に構成されている。チャンバ３には、半導体基板Ｗの搬送口があり、搬送口から半導体基板Ｗをチャンバ３内に搬入してステージ５上に搭載する。あるいは、搬送口を介して半導体基板Ｗをチャンバ３から搬出する。
【0010】
ステージ５は、半導体基板Ｗを搭載可能である。ステージ５は、半導体基板Ｗの位置を移動させ、あるいは、半導体基板Ｗのイオンビーム１２に対する傾斜角を変更可能に構成されている。ステージ５には、駆動部８０、９０が接続されている。駆動部８０は、ステージ５の搭載面に対して略平行方向にステージ５を移動させることができるように構成されている。駆動部９０は、ステージ５の搭載面をイオンビーム１２の入射角に対して傾斜させることができるように構成されている。これにより、ステージ５は、半導体基板Ｗをチャンバ３内で移動させ、イオンビーム１２に対する角度を調整することができる。
【0011】
イオンソース１０は、例えば、不純物ＢＦ３のイオン発生源である。
【0012】
アパーチャ１５は、イオンソース１０からの不純物ビームを整形する開口部である。
【0013】
アナライザ２０は、不純物ビーム中に含まれる不要なイオンを取り除き、所望のイオンビーム１２を取り出す。例えば、アナライザ２０は、ＢＦ３のイオンソースから発生した不純物ビーム（Ｂ＋、Ｆ＋、ＢＦ＋、ＢＦ２＋）からＢ＋イオンのイオンビーム１２を取り出すために、それ以外のＦ＋、ＢＦ＋、ＢＦ２＋イオンを除去する。
【0014】
Ｑレンズ３０は、アナライザ２０で取り出された所望のイオンビーム（例えば、Ｂ＋イオン）１２を電磁的に整形する電磁レンズである。
【0015】
スキャナ４０は、Ｂ＋イオンを半導体基板Ｗ上に走査するためにイオンビーム１２の方向を制御する。
【0016】
パラレルレンズ５０は、イオンビーム１２を収縮または分散させる電磁レンズである。
【0017】
加減速電極６０は、イオンビーム１２の速度を加速または減速させる。
【0018】
このようなビームライン（１５、２０、３０、４０、５０、６０）を通過したイオンビーム１２は、チャンバ３内に残存する気体によって中性化する場合がある。従って、イオンビーム１２は、イオンビーム（イオン成分）だけでなく、中性化された中性ビーム（中性成分）を含む。以下、イオンビーム１２のうちイオンとして維持されている成分をイオン成分と呼び、イオンが中性化された成分を中性成分とも呼ぶ。
【0019】
エネルギーフィルタ７０は、イオンビーム１２のうちイオン成分を制御することによって、イオン成分と中性成分とを分離させる。このとき、エネルギーフィルタ７０は、イオン成分に加速または減速エネルギーを与えて、イオン成分の注入エネルギーを中性成分の注入エネルギーと相違させる。これにより、エネルギーフィルタ７０は、イオン成分と中性成分とを別々に半導体基板Ｗへ導入することができる。なおかつ、エネルギーフィルタ７０は、イオン成分を或るエネルギーで半導体基板Ｗへ第１深さに導入し、中性成分を他のエネルギーで半導体基板Ｗへ第２深さに導入することができる。例えば、エネルギーフィルタ７０は、ボロンイオン（Ｂ＋）を減速させて比較的低いエネルギーで半導体基板Ｗへ注入し、中性化したボロン（Ｂ）をそのまま比較的高いエネルギーで半導体基板Ｗへ注入することができる。これにより、半導体基板Ｗには、深い位置まで導入されたボロン拡散層と、比較的浅い位置までしか導入されていないボロン拡散層とが形成され得る。即ち、深さの異なる複数の不純物層を半導体基板Ｗに形成することができる。このとき、ステージ５が半導体基板Ｗの位置や傾斜を変更することによって、深いボロン拡散層と浅いボロン拡散層を、半導体基板Ｗの表面上方から見た平面視において同じ位置に形成することができる。
【0020】
制御部１００は、イオン注入装置１の各構成要素および電源１１０～１３０を制御する。電源１１０は、イオンビーム１２からイオン成分を制御するためにエネルギーフィルタ７０に電力を供給する。電源１２０は、駆動部８０に電力を供給し、ステージ５の移動を可能にする。電源１３０は、駆動部９０に電力を供給し、ステージ５の傾斜角度の変更を可能にする。制御部１００は、イオン注入装置１の他の構成の動作を制御する。
【0021】
次に、イオン注入装置１を用いたイオン注入方法について説明する。
【0022】
図２Ａ～図２Ｃは、本実施形態によるイオン注入方法における電源１１０～１３０の電圧の一例を示すグラフである。縦軸は、各電源１１０～１３０の電源電圧を示す。横軸は、時間ｔを示す。図３は、エネルギーフィルタ７０におけるイオン成分１２Ｉと中性成分１２Ｎとを示す概念図である。図４は、ステージ５の動作を示す概念図である。
【0023】
まず、図１のイオンソース１０が、例えば、不純物ＢＦ３のイオンを発生し、不純物ビームを生成する。アパーチャ１５が不純物ビームを整形し加速させる。アナライザ２０が不純物ビーム中に含まれる不要なイオン（例えば、Ｆ＋、ＢＦ＋、ＢＦ２＋）を取り除き、所望のイオンビーム１２（例えば、Ｂ＋）を取り出す。
【0024】
次に、Ｑレンズ３０がイオンビーム１２を電磁的に整形し、スキャナ４０がこのイオンビームの方向を制御する。
【0025】
次に、パラレルレンズ５０がイオンビーム１２を収縮または分散させて、加減速電極６０がイオンビーム１２の速度を加速または減速させる。
【0026】
このようなビームライン（１５、２０、３０、４０、５０、６０）を通過したイオンビーム１２は、チャンバ３内に残存する気体によって中性化する場合がある。従って、イオンビーム１２は、イオン成分だけでなく中性成分を含む。
【0027】
そこで、図２Ａに示すように、ｔ１以降において、電源１１０が負電圧をエネルギーフィルタ７０に印加する。これにより、エネルギーフィルタ７０は、イオンビーム１２からイオン成分を取り出し、中性成分と分離することができる。
【0028】
例えば、図３に示すように、イオン成分としてのボロンイオン（Ｂ＋）の進行方向は、エネルギーフィルタ７０からの電界によって屈曲する。一方、中性成分としてのボロン粒子（Ｂ）の進行方向は、エネルギーフィルタ７０からの電界によってほとんど変化しない。これにより、エネルギーフィルタ７０は、イオン成分１２Ｉと中性成分１２Ｎとを分離する。
【0029】
ここで、図２Ｂに示すように、期間ｔ１～ｔ２において、電源１２０が正電圧を駆動部８０に印加し、図２Ｃに示すように、電源１３０が正電圧を駆動部９０に印加する。これにより、図４に示すように、駆動部８０は、イオン成分１２Ｉを半導体基板Ｗに照射するように、ステージ５を－Ｚ方向へ移動させて、半導体基板Ｗを位置Ｚｉに配置する。また、駆動部９０は、ステージ５を角度θだけ傾斜させて、イオン成分１２Ｉを半導体基板Ｗの表面に対して垂直方向から角度θだけ傾斜した方向から導入する。角度θは、イオン成分１２Ｉの進行方向に対して略垂直な面を基準としたステージ５の傾斜角である。
【0030】
このとき、スキャナ４０がイオンビーム１２の方向を制御することによって、イオン成分１２Ｉおよび中性成分１２Ｎのビームを半導体基板Ｗの全体に走査する。位置Ｚｉにおいてイオン成分１２Ｉを半導体基板Ｗに注入する処理を、ここでは、第１モードと呼ぶ。
【0031】
次に、図２Ｂに示すように、期間ｔ３～ｔ４において、電源１２０が正電圧の供給を停止し、図２Ｃに示すように、電源１３０が正電圧の供給を停止する。これにより、図４に示すように、駆動部８０は、ステージ５を＋Ｚ方向へ移動させて元に戻し、半導体基板Ｗを位置Ｚｎに配置し、中性成分１２Ｎを半導体基板Ｗに照射する。また、駆動部９０は、ステージ５の傾斜をもとに戻し、中性成分１２Ｎが半導体基板Ｗの表面に対して略垂直方向から入射するようにする。駆動部９０は、ステージ５の傾斜を、中性成分１２Ｎが半導体基板Ｗの表面に対して略垂直方向から入射するようにする。尚、駆動部９０は、ステージ５を角度θとは異なる角度φ（図示せず）だけ傾斜させて、中性成分１２Ｎを半導体基板Ｗの表面に対して垂直方向から角度φだけ傾斜した方向から導入してもよい。角度φは、中性成分１２Ｎの進行方向に対して略垂直な面を基準としたステージ５の傾斜角である。位置Ｚｎにおいて中性成分１２Ｎを半導体基板Ｗに注入する処理を、ここでは、第２モードと呼ぶ。
【0032】
このとき、スキャナ４０がイオンビーム１２の方向を制御することによって、イオン成分１２Ｉおよび中性成分１２Ｎのビームを半導体基板Ｗの全体に走査する。
【0033】
制御部１００は、第１モードと第２モードとを、ｔ２とｔ３との間、ｔ４とｔ５との間、ｔ６とｔ７との間で切り替える。これにより、駆動部８０は、第１モードにおいてイオン成分１２Ｉを導入する位置Ｚｉと第２モードにおいて中性成分１２Ｎを導入する位置Ｚｎとの間でステージ５を移動させることができる。駆動部９０は、第１モードと第２モード において、ステージ５の傾斜を調整することができる。駆動部８０、９０は、位置Ｚｉと位置Ｚｎとの間のステージ５の移動、および、位置Ｚｉにおけるステージ５の傾斜角度θと位置Ｚｎにおけるステージ５の傾斜角度φとの間のステージの調整を同期して実行する。
【0034】
第１モードと第２モードは、同一のチャンバ３内において連続して実行される。従って、深さおよび濃度が異なる複数の不純物層が形成され得る。
【0035】
尚、第１モードと第２モードとの間の遷移期間（例えば、ｔ２～ｔ３、ｔ４～ｔ５）において、イオン注入装置１は、イオンビーム１２を連続してステージ５側へ照射してもよい。あるいは、イオン注入装置１は、第１モードの終了後、イオンビーム１２の照射を一旦中断して、第２モードの開始時に再開してもよい。また、第１モードと第２モードとの実行順序は特に限定せず、いずれを先に実行してもよい。
【0036】
次に、ステージ５が半導体基板Ｗを、例えば、９０°回転させて、ｔ１～ｔ４の動作をｔ５～ｔ８において実行する。さらにその後、半導体基板Ｗを１８０°、２７０°回転させて、ｔ１～ｔ４の動作を繰り返し実行する。これにより、半導体基板Ｗの表面全体にイオン成分１２Ｉおよび中性成分１２Ｎが導入される。
【0037】
ここで、イオン成分１２Ｉと中性成分１２Ｎとの加速エネルギー（ｋｅＶ）について説明する。
【0038】
図５は、イオン成分１２Ｉと中性成分１２Ｎとの加速エネルギーの一例を示すグラフである。縦軸は、加速エネルギー（ｋｅＶ）を示し、横軸は、イオンビーム１２、イオン成分１２Ｉまたは中性成分１２Ｎの位置を示す。
【0039】
本実施形態において、イオンソース１０には、例えば、約＋１．０ｋｅＶが印加されている。イオンビーム１２は、イオンソース１０から取り出され、アパーチャ１５において、例えば、約－２．０ｋｅＶで加速される。従って、イオンビーム１２の加速エネルギーは、イオンソース１０の電位とアパーチャ１５の電位との差となり、例えば、約－３．０ｋｅＶとなる。
【0040】
イオンビーム１２がビームライン（２０～６０）を通過すると、上述の通り、イオンビーム１２は、チャンバ３内の気体によってイオン成分１２Ｉと中性成分１２Ｎとの混在状態となる。
【0041】
次に、エネルギーフィルタ７０が、イオンビーム１２のイオン成分１２Ｉと中性成分１２Ｎとを分離する。このとき、エネルギーフィルタ７０は、電源１１０からの電力供給を受けてイオンビーム１２に電界を印加し、イオン成分１２Ｉのみの進行方向を変化させる。中性成分１２Ｎは電気的に中性であるため、電界の影響を受けずに、その進行方向は変化しない。
【0042】
また、エネルギーフィルタ７０は、イオン成分１２Ｉと中性成分１２Ｎの加速エネルギーを相違させる。例えば、エネルギーフィルタ７０は、イオン成分１２Ｉの加速エネルギーを、例えば、約－２．０ｋｅＶ低下させる。これにより、イオン成分１２Ｉの加速エネルギーは、イオンソース１０の電位を基準として、約－１．０ｋｅＶとなる。一方、中性成分１２Ｎは、電気的に中性であるため、エネルギーフィルタ７０からの電界の影響を受けず、例えば、約－３．０ｋｅＶの加速エネルギーを維持する。
【0043】
このように、エネルギーフィルタ７０は、イオンビーム１２のイオン成分１２Ｉと中性成分１２Ｎとを分離し、かつ、それらの加速エネルギーを互いに相違させる。これにより、イオン成分１２Ｉは、図４の下側位置Ｚｉに、約－１．０ｋｅＶの加速エネルギーで進行する。中性成分１２Ｎは、図４の上側位置Ｚｎに、約－３．０ｋｅＶの加速エネルギーで進行する。
【0044】
（第１モード）
第１モードにおいて、ステージ５は、半導体基板Ｗを位置Ｚｉに位置づけ、角度θだけステージ５を傾斜させる。イオン成分１２Ｉは、半導体基板Ｗの表面に対して略垂直方向から角度θだけ傾斜した方向から導入される。イオン成分１２Ｉの加速エネルギーは、例えば、約－１ｋｅＶである。
第１モードにおいて、ステージ５は、半導体基板Ｗを位置Ｚｉに位置づけ、角度θだけステージ５を傾斜させる。イオン成分１２Ｉは、半導体基板Ｗの表面に対して略垂直方向から角度θだけ傾斜した方向から導入される。イオン成分１２Ｉの加速エネルギーは、例えば、約－１ｋｅＶである。
【0045】
（第２モード）
第２モードにおいて、ステージ５は、半導体基板Ｗを位置Ｚｎに位置づけ、角度φだけステージ５を傾斜させる。中性成分１２Ｎは、半導体基板Ｗの表面に対して略垂直方向から角度φだけ傾斜した方向から導入される。本実施形態において、角度φはほぼ０°である。従って、中性成分１２Ｎは、半導体基板Ｗの表面に対して略垂直方向から導入される。中性成分１２Ｎの加速エネルギーは、例えば、約－３ｋｅＶである。
第２モードにおいて、ステージ５は、半導体基板Ｗを位置Ｚｎに位置づけ、角度φだけステージ５を傾斜させる。中性成分１２Ｎは、半導体基板Ｗの表面に対して略垂直方向から角度φだけ傾斜した方向から導入される。本実施形態において、角度φはほぼ０°である。従って、中性成分１２Ｎは、半導体基板Ｗの表面に対して略垂直方向から導入される。中性成分１２Ｎの加速エネルギーは、例えば、約－３ｋｅＶである。
【0046】
図６は、第１および第２モードによって形成される拡散層の不純物濃度と深さを示すグラフである。縦軸は、不純物（例えば、ボロン）の濃度である。横軸は、半導体基板Ｗの表面からの深さを示す。第１モードでは、イオン成分１２Ｉの加速エネルギーは、例えば、約－１ｋｅＶである。従って、イオン成分（例えば、Ｂ＋）１２Ｉは半導体基板Ｗの表面から比較的浅い位置に導入される。一方、第２モードでは、中性成分１２Ｎの加速エネルギーは、例えば、約－３ｋｅＶである。従って、中性成分１２Ｎ（例えば、Ｂ）は半導体基板Ｗの表面から比較的深い位置まで導入される。
【0047】
イオンビーム１２におけるイオン成分１２Ｉと中性成分１２Ｎの濃度は、チャンバ３内の圧力によって変わる。例えば、チャンバ３内の圧力が非常に低く真空に近い場合、イオンビーム１２は、チャンバ３内において他の気体とあまり衝突しない。イオンビーム１２は、他の気体と衝突することによって中和されて中性成分１２Ｎとなるので、チャンバ３内の圧力が非常に低い場合、イオンビーム１２の多くは、イオン成分１２Ｉのまま維持され、中性成分１２Ｎにはあまり変化しない。この場合、イオン成分１２Ｉの濃度が比較的高く、中性成分１２Ｎの濃度は比較的低くなる。
【0048】
一方、チャンバ３内の圧力が比較的高い場合、イオンビーム１２の多くは、チャンバ３内において他の気体と衝突する。この場合、イオンビーム１２の多くは、中性成分１２Ｎに中和される。従って、中性成分１２Ｎの濃度が比較的高くなり、イオン成分１２Ｉの濃度は比較的低くなる。
【0049】
制御部１００は、チャンバ３内の圧力を制御することによってイオン成分１２Ｉと中性成分１２Ｎとの濃度を制御してもよい。これにより、本実施形態によるイオン注入装置１は、第１モードと第２モードで導入される各不純物層を所望の濃度に制御することができる。
【0050】
以上のように、本実施形態によるイオン注入装置１は、イオン成分１２Ｉを半導体基板Ｗへ導入する第１モードと中性成分１２Ｎを半導体基板Ｗへ導入する第２モードとを同一イオン注入工程で連続的に切り替える。第１および第２モードは、同一のイオン注入条件でありながら、互いに異なる加速エネルギーを有するイオン成分１２Ｉと中性成分１２Ｎとを半導体基板Ｗに注入することができる。エネルギーフィルタ７０がイオン成分１２Ｉと中性成分１２Ｎとを分離し、互いに異なる加速エネルギーで半導体基板Ｗへ注入する。ステージ５が半導体基板Ｗを移動させ、かつ、イオン成分１２Ｉおよび中性成分１２Ｎの進行方向に対して垂直な面からの傾斜角を変更する。これにより、深さおよび濃度の異なる複数の不純物層からなる拡散層を、一度のイオン注入工程で半導体基板Ｗに形成することができる。
【0051】
図７は、本実施形態によるトランジスタＴｒの構成例を示す断面図である。トランジスタＴｒは、例えば、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ等のコントローラに用いられるＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）回路のトランジスタでよい。トランジスタＴｒは、半導体基板Ｗ上に形成されている。
【0052】
トランジスタＴｒは、半導体基板Ｗと、ソース拡散層２１１、２１２と、ドレイン拡散層２１３、２１４と、ゲート絶縁膜２３０と、ゲート電極２４０と、キャップ膜２５０と、保護膜２６０と、スペーサ２７０と、ライナ層２８０と、層間絶縁膜２９０と、コンタクト２９５とを備えている。以下、トランジスタＴｒは、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ（MOS Field Effect Transistor）として説明するが、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴであってもよい。
【0053】
半導体基板Ｗは、例えば、シリコン基板でよい。ゲート電極２４０が半導体基板Ｗの表面上にゲート絶縁膜２３０を介して設けられている。ゲート電極２４０には、例えば、ドープドポリシリコン、金属等の導電性材料が用いられる。ゲート絶縁膜２３０には、例えば、シリコン酸化膜、シリコン酸化膜よりも比誘電率の高い高誘電体材料が用いられる。
【0054】
ソース拡散層２１１、２１２は、ゲート電極２４０の一方側に設けられている。ソース拡散層２１１、２１２は、深さの異なる複数の不純物層２１１、２１２を含む。不純物層２１１は、第１モードにおいて注入されたイオン成分１２Ｉによって形成された不純物層である。不純物層２１２は、第２モードにおいて注入された中性成分１２Ｎによって形成された不純物層である。従って、不純物層２１２は、不純物層２１１よりも深く形成される。不純物層２１１、２１２は、例えば、ボロンを注入して形成された不純物層でよい。
【0055】
また、不純物層２１１は、半導体基板Ｗの表面に対して傾斜方向からイオン成分１２Ｉを注入することによって形成されている。一方、不純物層２１２は、半導体基板Ｗの表面に対して垂直方向から中性成分１２Ｎを注入することによって形成されている。このため、不純物層２１１は、不純物層２１２からゲート電極２４０の下のチャネル領域ＣＨへ向かって張り出しており、不純物層２１２よりもチャネル領域ＣＨの近くまで設けられている。
【0056】
ドレイン拡散層２１３、２１４は、ゲート電極２４０の他方側に設けられている。ドレイン拡散層２１３、２１４は、深さの異なる複数の不純物層２１３、２１４を含む。不純物層２１３は、第１モードにおいて注入されたイオン成分１２Ｉによって不純物層２１１と同時にまたは連続して形成された不純物層である。不純物層２１４は、第２モードにおいて注入された中性成分１２Ｎによって不純物層２１２と同時にまたは連続して形成された不純物層である。従って、不純物層２１４は、不純物層２１３よりも深く形成される。不純物層２１３、２１４は、例えば、ボロンを注入して形成された不純物層でよい。
【0057】
また、不純物層２１３は、半導体基板Ｗの表面に対して傾斜方向からイオン成分１２Ｉを注入することによって形成されている。一方、不純物層２１４は、半導体基板Ｗの表面に対して垂直方向から中性成分１２Ｎを注入することによって形成されている。このため、不純物層２１３は、不純物層２１４からゲート電極２４０の下のチャネル領域ＣＨへ向かって張り出しており、不純物層２１４よりもチャネル領域ＣＨの近くまで設けられている。
【0058】
尚、ソース拡散層２１１、２１２およびドレイン拡散層２１３、２１４には、さらにチャネル領域ＣＨ側にＬＤＤ（Lightly Doped Drain）２２０が設けられていてもよい。また、本実施形態では、ソース拡散層およびドレイン拡散層は、それぞれ２つの不純物層で構成されているが、３つ以上の不純物層で構成されていてもよい。
【0059】
ゲート電極２４０の上には、キャップ膜２５０が設けられている。キャップ膜２５０は、ゲート電極２４０を加工する際のハードマスクとして用いられる。キャップ膜２５０には、例えば、シリコン窒化膜等の絶縁材料が用いられる。
【0060】
ゲート電極２４０、キャップ膜２５０を被覆するように、保護膜６０が設けられている。保護膜２６０には、例えば、シリコン酸化膜等の絶縁材料が用いられる。
【0061】
ゲート電極２４０の両側には、保護膜２６０を介してスペーサ２７０が設けられている。スペーサ２７０には、例えば、シリコン酸化膜等の絶縁材料が用いられる。
【0062】
スペーサ２７０および保護膜２６０上を被覆するように、ライナ層２８０が設けられている。ライナ層２８０には、例えば、シリコン窒化膜等の絶縁材料が用いられる。ライナ層２８０は、外部から水素等の有害物質の侵入を抑制する。
【0063】
ライナ層２８０上には、層間絶縁膜２９０が設けられている。層間絶縁膜２９０には、例えば、シリコン酸化膜等の絶縁材料が用いられる。
【0064】
コンタクト２９５は、層間絶縁膜２９０およびライナ層２８０等を貫通してソース拡散層２１１、２１２またはドレイン拡散層２１３、２１４に接続されている。コンタクト２９５には、例えば、タングステン、銅等の低抵抗金属が用いられる。
【0065】
このような構成によって、トランジスタＴｒは、ゲート電極２４０の電位に応じて、チャネル領域ＣＨを介してソース拡散層２１１、２１２とドレイン拡散層２１３、２１４との間を電気的に接続または切断する。
【0066】
図８は、第１モードのイオン成分１２Ｉの注入によって半導体基板Ｗに生じたボロンＢ１、格子間シリコンＳｉ＿ｉｎｔ１および空格子Ｖ１の各濃度を示すグラフである。図９は、第１モードのイオン成分１２Ｉおよび第２モードの中性成分１２Ｎの注入によって半導体基板Ｗに生じたボロンＢ１、Ｂ２、格子間シリコンＳｉ＿ｉｎｔ１、Ｓｉ＿ｉｎｔ２および空格子Ｖ１、Ｖ２の各濃度を示すグラフである。図１０は、第１および第２モードを実行し、アニール処理後の半導体基板Ｗ内のボロンＢ１、Ｂ２の各濃度を示すグラフである。これらのグラフの縦軸は濃度を示し、横軸は半導体基板Ｗの表面からの深さＸｊを示す。
【0067】
図８に示すように、第１モードでは、イオン成分１２Ｉの注入により、ボロンＢ１が半導体基板Ｗの表面から深さ位置ＸＢ１に注入される。このとき、イオン成分１２Ｉの注入の影響により、空格子Ｖ１および格子間シリコンＳｉ＿ｉｎｔ１が発生する。格子間シリコンＳｉ＿ｉｎｔ１は、半導体基板Ｗのシリコン結晶にボロンＢ１が衝突することによって、結晶結合から切断されたシリコン原子である。空格子Ｖ１は、結晶結合から切断されたシリコン原子の後に残る空間である。空格子Ｖ１は、半導体基板Ｗの表面から深さ位置ＸＶ１に発生する。格子間シリコンＳｉ＿ｉｎｔ１は、半導体基板Ｗの表面から深さ位置ＸＳｉ１に発生する。
【0068】
空格子Ｖ１および格子間シリコンＳｉ＿ｉｎｔ１は、シリコン結晶にボロンＢ１が衝突することによって発生するので、ＸＶ１＜ＸＢ１＜ＸＳｉ１となる。空格子Ｖ１は、結晶欠陥であるので、少ない方が好ましい。尚、深さ位置ＸＢ１、ＸＶ１およびＸＳｉ１は、それぞれボロンＢ１、空格子Ｖ１および格子間シリコンＳｉ＿ｉｎｔ１の濃度ピークの位置を示す。
【0069】
図９に示すように、第２モードでは、中性成分１２Ｎの注入により、ボロンＢ２が半導体基板Ｗの表面から深さ位置ＸＢ２に注入される。このとき、中性成分１２Ｎの注入の影響により、空格子Ｖ２および格子間シリコンＳｉ＿ｉｎｔ２が発生する。格子間シリコンＳｉ＿ｉｎｔ２は、半導体基板Ｗのシリコン結晶にボロンＢ２が衝突することによって、結晶結合から切断されたシリコン原子である。空格子Ｖ２は、結晶結合から切断されたシリコン原子の後に残る空間である。例えば、空格子Ｖ２は、半導体基板Ｗの表面から深さ位置ＸＶ２に発生する。格子間シリコンＳｉ＿ｉｎｔ２は、半導体基板Ｗの表面から深さ位置ＸＳｉ２に発生する。
【0070】
空格子Ｖ２および格子間シリコンＳｉ＿ｉｎｔ２は、シリコン結晶にボロンＢ２が衝突することによって発生するので、ＸＶ２＜ＸＢ２＜ＸＳｉ２となる。空格子Ｖ２は、結晶欠陥であるので、少ない方が好ましい。尚、深さ位置ＸＢ２、ＸＶ２およびＸＳｉ２は、それぞれボロンＢ２、空格子Ｖ２および格子間シリコンＳｉ＿ｉｎｔ２の濃度ピークの位置を示す。
【0071】
ここで、空格子Ｖ２の深さ位置ＸＶ２は、格子間シリコンＳｉ＿ｉｎｔ１の深さ位置ＸＳｉ１に近い、あるいは、ほぼ等しい。これにより、アニール処理後、格子間シリコンＳｉ＿ｉｎｔ１が空格子Ｖ２に再配置され、空格子Ｖ２および格子間シリコンＳｉ＿ｉｎｔ１の濃度を低下させることができる。これにより、ソース拡散層２１１、２１２およびドレイン拡散層２１３、２１４における結晶欠陥（ＥＯＲ（End-Of-Range）欠陥）を低減させることができる。また、第２モードにおいて中性成分１２Ｎの注入エネルギーは高いため、格子間シリコンＳｉ＿ｉｎｔ２は広く散乱してその密度が低くなる。これにより、ソース拡散層２１１、２１２およびドレイン拡散層２１３、２１４における結晶欠陥をさらに低減させることができる。
【0072】
第１および第２モードの実行後、アニール処理を実行する。これにより、図１０に示すように、空格子Ｖ１、Ｖ２および格子間シリコンＳｉ＿ｉｎｔ１、Ｓｉ＿ｉｎｔ２が上述のように減少し、ボロンＢ１、Ｂ２がソース拡散層２１１、２１２およびドレイン拡散層２１３、２１４を形成する。このとき、空格子Ｖ１、Ｖ２および格子間シリコンＳｉ＿ｉｎｔ１、Ｓｉ＿ｉｎｔ２が減少し、ボロンＢ１、Ｂ２がソース拡散層２１１、２１２およびドレイン拡散層２１３、２１４を形成する。
【0073】
このように、本実施形態によるイオン注入装置１およびイオン注入方法は、結晶欠陥の少ない複数の不純物層２１１、２１２（または複数の不純物層２１３、２１４）からなるソース拡散層（またはドレイン拡散層）を、１シーケンスの短いイオン注入工程で形成することができる。結晶欠陥の少ない複数の不純物層２１３、２１４からなるドレイン拡散層は、ドレイン近傍の電界を緩和することができ、リーク電流およびホットキャリアの生成を抑制することができる。
【0074】
また、イオン注入装置１およびイオン注入方法は、複数の濃度プロファイルを有する拡散層を、１シーケンスの不純物注入工程で形成することができる。よって、本実施形態は、スループットを向上させ、生産コストを抑えることができる。
【0075】
また、イオンビーム１２におけるイオン成分１２Ｉと中性成分１２Ｎの濃度は、チャンバ３内の圧力の調整によって制御可能である。従って、制御部１００は、チャンバ３内の圧力を調整することによってイオン成分１２Ｉと中性成分１２Ｎとの濃度を制御してもよい。例えば、チャンバ３内の圧力を１×１０－３（Ｐａ）～１×１０－２（Ｐａ）へ１０倍にすると、イオンビーム１２は、その分増加した粒子との衝突確率が増える。このため、中性成分１２Ｎの量は１０倍増加する。これにより、本実施形態は、中性成分１２Ｎの濃度を制御することによって、拡散層の濃度プロファイルを精度良く形成することができる。
【0076】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【0077】
１ イオン注入装置、３ チャンバ、５ ステージ、１０ イオンソース、２０ アナライザ、３０ Ｑレンズ、４０ スキャナ、５０ パラレルレンズ、６０ 加減速電極、７０ エネルギーフィルタ、８０，９０ 駆動部、１００ 制御部、１１０～１３０ 電源、Ｗ 半導体基板
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
