半導体装置の製造方法
【課題】拡散層濃度に制約されず、接合リーク電流が十分に低減された半導体装置を製造する。
【解決手段】シリコン基板の第１導電型の領域に、第１導電型と反対の第２導電型の不純物をドーピングし、熱処理を行って、第２の導電型の拡散層を形成する工程と、この拡散層に窒素又はフッ素をイオン注入し、その後、この拡散層に炭酸ガスレーザーを照射する工程を有する半導体装置の製造方法。
【解決手段】シリコン基板の第１導電型の領域に、第１導電型と反対の第２導電型の不純物をドーピングし、熱処理を行って、第２の導電型の拡散層を形成する工程と、この拡散層に窒素又はフッ素をイオン注入し、その後、この拡散層に炭酸ガスレーザーを照射する工程を有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】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、拡散層を有するシリコン基板に形成されたｐｎ接合のリーク電流を低減できる半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン基板を用いた通常のＭＯＳトランジスタの製造においては、素子分離領域に囲まれた領域に、チャネルとなる領域と同じ導電型の第１導電型のウエル層を形成し、次いでゲート絶縁膜およびゲート電極を形成し、その後、イオン注入と熱処理を行ってソース・ドレインとなる第２導電型の拡散層を形成している。
【０００３】
このようにして形成されたＭＯＳトランジスタにおいては、ｐｎ接合のリーク電流を低減することが重要な課題となっている。
【０００４】
特許文献１（特開２００５−１９７５４７号公報）には、ソース・ドレイン拡散層とウエル層から構成されるｐｎ接合の逆方向リーク電流を低減するために、特定の注入量（１×１０13〜３×１０13／ｃｍ2）のリンを注入し、次いで熱処理を行ってソース・ドレイン拡散層を形成し、その後、特定の注入量（上記リン注入量より少ない）及び特定の注入深さ（上記拡散層より浅い）に限定した条件でハロゲン元素を注入し、次いで９００〜１０００℃で１〜６０秒の熱処理を行う方法が記載されている。
【特許文献１】特開２００５−１９７５４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の図６には、特許文献１に記載された方法による接合リーク電流の低減効果が示されているが、より一層の低減効果が求められている。
【０００６】
また、特許文献１に記載された方法では、拡散層を形成するためのイオン注入量が少ないため、低濃度拡散層を形成する場合にしか適用できず、高濃度拡散層を形成する場合の接合リーク電流の低減はできなかった。
【０００７】
本発明の目的は、拡散層濃度に制約されず、接合リーク電流が十分に低減された半導体装置を製造することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、シリコン基板の第１導電型の領域に、第１導電型と反対の第２導電型の不純物をドーピングし、熱処理を行って、第２の導電型の拡散層を形成する工程と、前記拡散層に窒素又はフッ素をイオン注入し、その後、該拡散層に炭酸ガスレーザーを照射する工程を有する半導体装置が提供される。
【０００９】
本発明の他の態様によれば、ＭＯＳトランジスタを有する半導体装置の製造方法であって、シリコン基板上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、シリコン基板に不純物をドーピングし、その後に熱処理を行って、前記ゲート電極の両側にソース／ドレインとなる拡散層を形成する工程と、前記拡散層に窒素又はフッ素をイオン注入し、その後、該拡散層に炭酸ガスレーザーを照射する工程を有する半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、拡散層濃度に制約されず、接合リーク電流が十分に低減された半導体装置を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の一実施形態の製造方法においては、シリコン基板にｐｎ接合が形成されるように拡散層を形成し、この拡散層に窒素又はフッ素をイオン注入し、その後、この拡散層に炭酸ガスレーザーを照射する。
【００１２】
この拡散層は、シリコン基板に不純物をドーピングし、熱処理を行うことにより形成する。この熱処理は、不純物の電気的活性化のための通常の熱処理と同様に行うことができる。熱処理温度は、活性化率や熱拡散の範囲等の点から、例えば８００〜１１００℃に設定することができる。不純物のドーピングは、シリコン基板上に酸化膜を形成した状態で行うことが好ましい。不純物ドーピングの際に基板表面に付着する汚染物を酸化膜によってブロックすることができ、汚染物に起因するリーク電流を抑えることができる。
【００１３】
窒素又はフッ素の注入量は５×１０12／ｃｍ2〜１×１０14／ｃｍ2の範囲にあることが好ましく、１×１０13／ｃｍ2〜５×１０13／ｃｍ2の範囲がより好ましい。
【００１４】
炭酸ガスレーザーの照射条件は、以下の条件を満足するように設定することが好ましい。その際、シリコン基板が溶融しないように、シリコン基板の温度およびシリコン基板でのレーザー吸収量を設定することが好ましい。
【００１５】
炭酸ガスレーザーの照射は、シリコン基板の温度を室温または加熱下で行うことができる。
【００１６】
室温下あるいは比較的低い温度下でレーザーを照射する場合は、炭酸ガスレーザーの吸収量が小さくなるため、レーザーの出力を大きくしてレーザーの吸収量を大きくする必要がある。シリコン基板の温度を高くすることにより、シリコン基板での炭酸ガスレーザーの吸収量を大きくすることができるため、より高いレーザー照射効果を得る点から、加熱下で行うことが好ましく、３００℃以上が好ましく、３５０℃以上がより好ましく、４００℃以上がさらに好ましい。基板温度が高すぎると、空気等の酸化性ガス含有雰囲気においては不要な熱酸化が進んだり、レーザー吸収量が大きくなり基板表面の荒れや基板の融解が生じたりするため、５００℃以下に設定することが好ましく、４５０℃以下がより好ましい。このような温度範囲に設定することにより、レーザー出力を抑えて炭酸ガスレーザーを効率良く吸収させ、かつ雰囲気の影響を受けにくい、良好なレーザー照射を行うことができる。
【００１７】
レーザー照射時の雰囲気は、常圧下の空気中でもよく、窒素等の不活性ガス雰囲気であってもよく、特に制限されない。
【００１８】
炭酸ガスレーザーの照射時にシリコン基板が吸収するレーザー吸収量（以下「レーザー吸収量」）は１０００〜６０００Ｗ／ｍｍ2の範囲に設定することができ、２０００〜４０００Ｗ／ｍｍ2の範囲が好ましく、３０００〜４０００Ｗ／ｍｍ2の範囲がより好ましい。このレーザー吸収量は、十分な照射効果を得る点から、１０００Ｗ／ｍｍ2以上が好ましく、２０００Ｗ／ｍｍ2以上がより好ましい。レーザー吸収量が大きすぎると、レーザー照射面の荒れやシリコン基板の融解が発生する可能性があるため、６０００Ｗ／ｍｍ2以下が好ましく、４０００Ｗ／ｍｍ2以下がより好ましい。なお、レーザー吸収量は、レーザー光の反射率を測定することにより吸収率を求めて、レーザー出力と吸収率の積で与えられる。
【００１９】
レーザーの照射サイズは、長辺が例えば３〜１０ｍｍ、短辺が例えば５０〜２００μｍ、好ましくは１００〜２００μｍ、より好ましくは１００〜１５０μｍとすることができ、レーザーの走査速度は、例えば５〜１０ｃｍ／ｓの範囲に設定できる。レーザーの形状および走査速度は、レーザー照射処理の許容できるスループット（＜１０分／３００ｍｍ ｗａｆｅｒ）から選ぶことができる。レーザー走査は、長辺の半分が重なるようにラスタ走査することが好ましい。
【００２０】
上記の製造方法によれば以下の効果を得ることができる。
【００２１】
シリコン基板に形成した拡散層に、窒素又はフッ素のイオン注入を行い、炭酸ガスレーザーを照射することにより、このイオン注入とレーザー照射を行わなかった場合に比べて１０分の１以下の接合リーク電流を実現できる。
【００２２】
上記拡散層にイオン注入は行うがレーザー照射は行わない場合には、接合リーク電流が３分の１程度までしか低減できないこと、また、上記拡散層にイオン注入は行わないがレーザー照射を行う場合には接合リーク電流が低減しないことから、窒素又はフッ素のイオン注入と、炭酸ガスレーザーの照射との組み合わせによって初めて、接合リーク電流の十分な低減効果が得られるといえる。
【００２３】
上記効果が得られる理由について、以下に述べる。
【００２４】
本発明者等は、接合リーク電流の原因が、Ｓｉ未結合手に起因した発生・再結合中心であり、そのＳｉ未結合手の形態は、シリコン酸化膜とシリコン基板との界面に存在するＳｉ未結合手と、シリコン基板中の空孔と酸素で構成される結晶欠陥に存在するＳｉ未結合手であることを明らかにした。すなわち、シリコン原子と酸素原子との結合がある部分にＳｉ未結合手が発生しやすい。
【００２５】
炭酸ガスレーザーは、その波長から、シリコン原子と酸素原子の結合部分でエネルギーが吸収される。その結果、炭酸ガスレーザーの照射中は、上記結合が分解し、シリコン原子と酸素原子は分離した状態が続く。そのレーザー照射中のシリコン原子の近傍に窒素原子やフッ素原子が存在すると、シリコン原子は窒素原子あるいはフッ素原子と結合する。レーザー照射後も、シリコン原子と窒素原子あるいはフッ素原子との結合力が強いため、シリコン原子と窒素原子あるいはフッ素原子と結合した状態を保つ。
【００２６】
例えば、空孔が２個（Ｓｉ原子が２個無い状態）と酸素原子が２個で欠陥が構成されている場合、２本のＳｉ未結合手が存在する。ここで、２個の酸素原子が２個の窒素原子と置き換わると、Ｓｉ未結合手は存在できなくなる。また、２個の酸素原子が例えば６個のフッ素原子と置き換わると、Ｓｉ未結合手は存在できなくなる。このため、元のシリコン原子と酸素原子の結合が減少し、その結果としてＳｉ未結合手の発生を抑制できる。
【００２７】
上記のように、シリコン原子と窒素原子あるいはフッ素原子とを効率的に結合させるためには、上記シリコン酸化膜とシリコン基板との界面付近、及びシリコン基板中の空孔と酸素で構成される結晶欠陥付近に、数多くの窒素原子あるいはフッ素原子の存在が必要である。
【００２８】
上記の条件でのレーザー照射では、注入によって導入された窒素原子あるいはフッ素原子がほとんど移動しないので、上記界面および結晶欠陥の周辺に数多く存在することができる。
【００２９】
以上から、窒素又はフッ素注入前に存在していたＳｉ未結合手を効率的に減少できるため、接合リーク電流も効果的に減少できる。
【００３０】
特許文献１のフッ素注入および熱処理による方法では、熱処理によるシリコン原子と酸素原子の結合の分解効率が炭酸ガスレーザー照射のそれに比べて非常に小さい上に、熱処理によりフッ素が拡散するため上記界面および結晶欠陥の周辺のフッ素濃度が低減してしまうため、効率的にＳｉ未結合手を減少できない。低減できたとしても１／３程度が限界である。
【００３１】
本実施形態では、イオン注入と熱処理により拡散層を形成し、空孔と酸素で構成される結晶欠陥が形成された状態となった拡散層に対して、窒素又はフッ素のイオン注入を行い、この結晶欠陥の周辺に窒素又はフッ素を存在させた上で炭酸ガスレーザーを照射する。これにより、シリコン原子と酸素原子の結合を効率良くシリコン原子と窒素（あるいはフッ素）の結合に置き換えることができ、効率的に未結合手を低減できる。
【００３２】
レーザー照射は、炭酸ガスレーザーの照射でなければ、効率良くシリコン原子と酸素原子の結合を分解できない。他のレーザーの照射では、シリコン原子と酸素原子の結合を分解できるとしても、レーザー照射による発熱によるものだけであり、特許文献１に記載のフッ素注入および熱処理による方法と同等以下の効果しか得られない。
【００３３】
また、拡散層形成用のイオン注入の後に拡散層形成用の熱処理を行わないと、窒素又はフッ素の注入を行い炭酸ガスレーザーの照射を行っても、拡散層形成用のイオン注入により生成した結晶欠陥の全てを修復することが困難であるため、この結晶欠陥を修復できないときは接合リーク電流は逆に増加してしまう。上記結晶欠陥を修復させるために、窒素又はフッ素の注入後に熱処理を行うと窒素又はフッ素が拡散してしまい、所望の効果は得られない。
【実施例】
【００３４】
以下、実施例を挙げてさらに説明する。
【００３５】
本発明は、一実施例として、図１に示すように、ＭＯＳトランジスタの形成に適用することができる。シリコン基板１の表面にゲート酸化膜２を介してゲート電極３を形成し、不純物をイオン注入し、熱処理を行って拡散層４を形成する。その後、この拡散層４に、窒素又はフッ素のイオン注入を行う（図中の符号５は、窒素又はフッ素の注入領域を示す）。次に、この拡散層に、炭酸ガスレーザー６を照射する。
【００３６】
上記の製造方法は、具体的に以下のようにして行うことができる。
【００３７】
図２に示すように、シリコン基板１の主表面に浅溝素子分離７およびｐ型ウエル層８を形成した。浅溝素子分離７は、シリコン基板をエッチング加工して溝を形成したのち、シリコン酸化膜を埋め込んで形成した。ｐ型ウエル層８は、所定の深さで所定の濃度になるようにボロンを多段注入して、Ｎ2、１０００℃、１０ｓの熱処理を施して形成した。なお、ＭＯＳトランジスタのチャネルが形成される部分のボロン濃度は３×１０17／ｃｍ3程度とした。
【００３８】
次に、図３に示すように、ゲート絶縁膜２およびゲート電極３を形成した。ゲート絶縁膜２は、熱酸化により厚み５ｎｍのシリコン酸化膜を形成した。ゲート電極３は、多結晶シリコン膜を、キャップ絶縁膜９をマスクに用いたエッチングにより加工を行って形成した。ここで、キャップ絶縁膜９は、膜厚が２００ｎｍのシリコン窒化膜とした。また、多結晶シリコン膜３は、膜厚が２００ｎｍでリンが１×１０20／ｃｍ3導入されたものを形成した。なお、ゲート電極３形成後に、熱酸化によりゲート側面にシリコン酸化膜１０を厚み５ｎｍに形成した。
【００３９】
次に、図４に示すように、不純物をイオン注入し、その後にＲＴＡ（Rapid Thermal Anneal）による熱処理を行ってソース・ドレインとなる拡散層４を形成した。イオン注入条件は、不純物：リン、加速エネルギー：５０ｋｅＶ、注入量：１×１０14／ｃｍ2とした。イオン注入後の熱処理の条件は、Ｎ2、１０００℃、１０ｓとした。
【００４０】
その後、図５に示すように、拡散層４にフッ素をイオン注入した後、炭酸ガスレーザー６を拡散層４に照射した。フッ素のイオン注入（以下「フッ素注入」）は、１０ｋｅＶで、注入量が５×１０12／ｃｍ2〜１×１０14／ｃｍ2の範囲で行った。
【００４１】
なお、比較のために、従来例として、フッ素注入も炭酸ガスレーザー照射も行わない場合と、フッ素注入を行わないでレーザー照射だけを行った場合のサンプルも作製した。
【００４２】
ここで、炭酸ガスレーザーを照射する際のシリコン基板の温度は、３００〜５００℃とした。シリコン基板の加熱は、シリコン基板をのせるステージを抵抗加熱して行った。なお、上記温度はステージ温度である。
【００４３】
レーザーの照射サイズは長辺が５ｍｍで短辺が１００μｍとし、８ｃｍ／ｓで試料上を走査した。また、レーザー吸収量は１５００〜６０００Ｗ／ｍｍ2の範囲とした。なお、レーザー吸収量の上限は、レーザー寿命を考慮した。
【００４４】
レーザーの照射は、図６に示すように、拡散層に効率的に照射されるように、ゲート電極による影ができないように行った。レーザーの走査は、長辺の半分が重なるようにラスタ走査した。
【００４５】
次に、図７に示すように、ゲート電極を覆うように層間絶縁膜１１を形成し、その後、ソース／ドレイン電極１２を形成してＭＯＳトランジスタを得た。
【００４６】
なお、上記のレーザー照射後に、ソース／ドレイン電極１２の形成において、電極低抵抗化のために１０００℃程度で１０秒の熱処理を行った。本実施例にて得られた下記効果は、この電極低抵抗化のための熱処理を８００℃〜１０５０℃、１秒〜３０秒の範囲で行っても同等の結果であった。
【００４７】
以下に、本実施例による効果を説明する。
【００４８】
図８に、接合リーク電流とレーザー吸収量との関係を示した。接合リーク電流は、微細ＭＯＳトランジスタの接合リーク電流を支配するゲート電極端の接合リーク電流を指標とした。この図には、レーザー照射時のシリコン基板温度が異なる場合の結果と、フッ素注入を行った場合（注入量：３×１０13／ｃｍ2）と行っていない場合の結果をまとめて示している。
【００４９】
フッ素注入もレーザー照射も行わない場合（図中の「●」、従来例１）、接合リーク電流は８．５ｆＡ／μｍである。
【００５０】
フッ素注入を行わないがレーザー照射する場合（図中の「▲」）、接合リーク電流は従来例１と同等である。この結果から、炭酸ガスレーザーを照射するだけでは、接合リーク電流を低減できないことがわかる。
【００５１】
フッ素注入を行うがレーザー照射は行わない場合（図中の「■」、従来例２、特許文献１の方法に相当）、接合リーク電流は３ｆＡ／μｍであり、従来例１に対して１／３程度まで低減されている。
【００５２】
本発明の実施例である、フッ素注入とレーザー照射を行う場合（図中の「◇」、「△」、「○」）は、シリコン基板温度（図中、温度表示）に依存するものの、接合リーク電流が低減されている。
【００５３】
基板温度が３００℃の場合（図中の「◇」）、接合リーク電流は、レーザー吸収量の大きい領域で減少している。この結果から、基板温度としては３００℃以上が望ましいことがわかる。
【００５４】
基板温度が４００℃の場合（図中の「△」）、接合リーク電流は、レーザー吸収量の増加と共に減少し、レーザー吸収量が２５００Ｗ／ｍｍ2付近で急激に減少し、レーザー吸収量が３０００〜４０００Ｗ／ｍｍ2の範囲で最も低減される（０．２〜０．３ｆＡ／μｍ）。本実施例によれば、従来例１に対して１／３０程度以下、従来例２に対して１／１０以下に接合リーク電流が低減される。なお、レーザー吸収量がさらに大きくなるとシリコン基板が融解する。
【００５５】
基板温度が５００℃の場合（図中の「○」）、接合リーク電流は、レーザー吸収量が２０００Ｗ／ｍｍ2近傍で急激に減少し、レーザー吸収量が２０００Ｗ／ｍｍ2を僅かに超えたところでシリコン基板が融解する。
【００５６】
接合リーク電流は、基板温度を高くすることで、より小さなレーザー吸収量で低減できるが、接合リーク電流低減効果のレーザー吸収量依存性が大きくなり、制御しにくくなることがわかる。例えば、照射面の表面状態によってレーザー光の吸収率が変化してしまうと、効果が大きくばらつくことになってしまい、シリコン基板の融解を招くおそれもある。照射面の表面状態が安定な場合には、基板温度が５００℃より高くても良いが、制御性の観点から基板温度を５００℃以下にすることが望ましい。
【００５７】
以上の結果から、シリコン基板温度は３００〜５００℃の範囲が望ましく、レーザー吸収量は２０００〜６０００Ｗ／ｍｍ2の範囲が望ましいことがわかる。また、シリコン基板の融解を防ぐことを考慮すると、レーザー吸収量は４０００Ｗ／ｍｍ2以下が好ましく、接合リーク電流を効果的に低減する観点からは３０００Ｗ／ｍｍ2以上が好ましいといえる。
【００５８】
なお、上記のシリコン基板温度とレーザー吸収量は、本実施例で用いた基板の表面構造（図５）に対するものであり、レーザーの照射面の表面構造が本実施例と異なる場合には、シリコン基板温度およびレーザー吸収量と接合リーク電流との関係が多少変化すると思われるが、上記に従って適宜条件設定を行なえば、本発明による十分な効果を得ることができる。また、レーザー吸収量は、６０００Ｗ／ｍｍ2を超える場合であっても、レーザー寿命に問題が無ければ、またシリコン基板の融解が生じない条件下であれば本発明による効果を得ることができる。
【００５９】
図９に、接合リーク電流とフッ素注入量との関係を示した。この図には、シリコン基板温度を４００℃とし、レーザー吸収量が３０００Ｗ／ｍｍ2の場合と４０００Ｗ／ｍｍ2の場合の結果を示した。
【００６０】
レーザー吸収量が３０００Ｗ／ｍｍ2の場合（図中の「△」）、注入量が５×１０12〜１×１０13／ｃｍ2の間で急激に接合リーク電流が低減され、１×１０13〜５×１０13／ｃｍ2の間では従来例２より接合リーク電流が低減され、２×１０13〜３×１０13／ｃｍ2付近で効果が最も大きい（従来例１に相当する「●」の値の１／３０程度）。それ以上の注入量になると徐々に接合リーク電流が増加し、１×１０14／ｃｍ2を超えるあたりで効果が無くなってしまう。レーザー吸収量が４０００Ｗ／ｍｍ2の場合（図中の「○」）、注入量が５×１０12〜１×１０14／ｃｍ2の間では接合リーク電流が従来例２より低減され、１×１０13〜５×１０13／ｃｍ2の間でより一層低減され、２×１０13〜３×１０13／ｃｍ2付近で効果が最も大きい。以上の結果から、本実施例でのフッ素注入量は、５×１０12／ｃｍ2〜１×１０14／ｃｍ2の範囲が好ましく、１×１０13／ｃｍ2〜５×１０13／ｃｍ2の範囲がより好ましいことがわかる。
【００６１】
以上のように、上記フッ素注入および炭酸ガスレーザー照射を施した本発明の実施例では、フッ素注入もレーザー照射も行わない従来例１の約３０分の１以下にまで接合リーク電流を低減できた。その結果、接合リーク電流で支配される待機時電流を低減できるため、ＭＯＳトランジスタを集積した半導体装置の低電力化を実現できた。
【００６２】
上記の拡散層中に注入されたフッ素の濃度分布を測定すると、図１０に示すように、上記の実施例のレーザー照射条件では、フッ素濃度の深さ方向の分布はレーザー照射前後でほとんど変化していない。すなわち、本発明における炭酸ガスレーザー照射において、拡散層中のフッ素の拡散はほとんど無視できる程度であるといえる。
【００６３】
次に、上記のフッ素注入を窒素のイオン注入（以下「窒素注入」）に置き換えた以外は上記実施例と同様に行った例を説明する。
【００６４】
図１１に、接合リーク電流とレーザー吸収量との関係を示し、図１２に、接合リーク電流と窒素注入量との関係を示した。窒素注入の場合も接合リーク電流の優れた低減効果が得られている。
【００６５】
窒素注入の場合もフッ素注入の場合と同様に、シリコン基板温度は３００〜５００℃の範囲が望ましく、レーザー吸収量は２０００〜６０００Ｗ／ｍｍ2の範囲が望ましい。シリコン基板の融解を防ぐことを考慮すると、レーザー吸収量は４０００Ｗ／ｍｍ2以下が好ましく、接合リーク電流を効果的に低減する観点からは３０００Ｗ／ｍｍ2以上が好ましい。窒素注入量は、５×１０12／ｃｍ2〜１×１０14／ｃｍ2の範囲が好ましく、１×１０13／ｃｍ2〜５×１０13／ｃｍ2の範囲がより好ましい。
【００６６】
図８及び図９並びに図１１及び図１２に示したように、窒素注入による接合リーク電流の低減効果に対してフッ素注入による低減効果の方が大きい。この理由は、窒素が３価イオンであるのに対して、フッ素が１価イオンで且つ電気陰性度が大きいため、フッ素とシリコン未結合手との結合割合が窒素とシリコン未結合手との結合割合より大きくなることによるものと推測される。
【００６７】
拡散層中に注入された窒素の濃度分布を測定すると、図１３に示すように、上記の実施例のレーザー照射条件では、窒素濃度の深さ方向の分布はレーザー照射前後でほとんど変化していない。すなわち、本発明における炭酸ガスレーザー照射において、拡散層中の窒素の拡散はほとんど無視できる程度であるといえる。
【００６８】
以上のように、本発明によれば、特許文献１に記載の方法に対して優れた効果を得ることができる。この理由は、図１０及び図１３に示すように、拡散層に注入された窒素又はフッ素がレーザー照射によってほとんど再分布しないため、窒素又はフッ素の注入およびレーザー照射により効率良く結晶欠陥が修復されたためと考えられる。特許文献１に記載の方法では、その熱処理において注入元素が拡散してしまうため、結晶欠陥の修復効率が低いと考えられる。
【００６９】
本実施例では、ｎチャネルＭＯＳトランジスタについて述べたが、ｐチャネルＭＯＳトランジスタにおいても同等の効果が得られる。
【００７０】
本発明は、シリコン基板に形成されるｐｎ接合のリークを低減することを目的とするものであり、シリコン基板に形成される素子としてＭＯＳトランジスタに限定されるものではなく、拡散層を有するバイポーラトランジスタやダイオード等、シリコン基板に拡散層を有し、ｐｎ接合が形成されている半導体素子であれば適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明による実施例の製造方法を説明する図。
【図２】本発明による実施例の製造方法の一工程を説明する図。
【図３】図２に示す製造工程に続く工程を説明する図。
【図４】図３に示す製造工程に続く工程を説明する図。
【図５】図４に示す製造工程に続く工程を説明する図。
【図６】図５に示す製造工程における炭酸ガスレーザーの照射を説明する図。
【図７】図５に示す製造工程に続く工程を説明する図。
【図８】フッ素注入の場合の接合リーク電流の低減効果を説明する図。
【図９】フッ素注入の場合の接合リーク電流の低減効果を説明する図。
【図１０】本発明による実施例における拡散層のフッ素濃度の深さ方向の分布を示す図。
【図１１】窒素注入の場合の接合リーク電流の低減効果を説明する図。
【図１２】窒素注入の場合の接合リーク電流の低減効果を説明する図。
【図１３】本発明による実施例における拡散層の窒素濃度の深さ方向の分布を示す図。
【符号の説明】
【００７２】
１ シリコン基板
２ ゲート酸化膜
３ ゲート電極
４ 拡散層
５ 窒素又はフッ素の注入領域
６ 炭酸ガスレーザー
７ 浅溝素子分離
８ ウエル層
９ シリコン窒化膜
１０ シリコン酸化膜
１１ 層間絶縁膜
１２ ソース／ドレイン電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、拡散層を有するシリコン基板に形成されたｐｎ接合のリーク電流を低減できる半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン基板を用いた通常のＭＯＳトランジスタの製造においては、素子分離領域に囲まれた領域に、チャネルとなる領域と同じ導電型の第１導電型のウエル層を形成し、次いでゲート絶縁膜およびゲート電極を形成し、その後、イオン注入と熱処理を行ってソース・ドレインとなる第２導電型の拡散層を形成している。
【０００３】
このようにして形成されたＭＯＳトランジスタにおいては、ｐｎ接合のリーク電流を低減することが重要な課題となっている。
【０００４】
特許文献１（特開２００５−１９７５４７号公報）には、ソース・ドレイン拡散層とウエル層から構成されるｐｎ接合の逆方向リーク電流を低減するために、特定の注入量（１×１０13〜３×１０13／ｃｍ2）のリンを注入し、次いで熱処理を行ってソース・ドレイン拡散層を形成し、その後、特定の注入量（上記リン注入量より少ない）及び特定の注入深さ（上記拡散層より浅い）に限定した条件でハロゲン元素を注入し、次いで９００〜１０００℃で１〜６０秒の熱処理を行う方法が記載されている。
【特許文献１】特開２００５−１９７５４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の図６には、特許文献１に記載された方法による接合リーク電流の低減効果が示されているが、より一層の低減効果が求められている。
【０００６】
また、特許文献１に記載された方法では、拡散層を形成するためのイオン注入量が少ないため、低濃度拡散層を形成する場合にしか適用できず、高濃度拡散層を形成する場合の接合リーク電流の低減はできなかった。
【０００７】
本発明の目的は、拡散層濃度に制約されず、接合リーク電流が十分に低減された半導体装置を製造することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、シリコン基板の第１導電型の領域に、第１導電型と反対の第２導電型の不純物をドーピングし、熱処理を行って、第２の導電型の拡散層を形成する工程と、前記拡散層に窒素又はフッ素をイオン注入し、その後、該拡散層に炭酸ガスレーザーを照射する工程を有する半導体装置が提供される。
【０００９】
本発明の他の態様によれば、ＭＯＳトランジスタを有する半導体装置の製造方法であって、シリコン基板上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、シリコン基板に不純物をドーピングし、その後に熱処理を行って、前記ゲート電極の両側にソース／ドレインとなる拡散層を形成する工程と、前記拡散層に窒素又はフッ素をイオン注入し、その後、該拡散層に炭酸ガスレーザーを照射する工程を有する半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、拡散層濃度に制約されず、接合リーク電流が十分に低減された半導体装置を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の一実施形態の製造方法においては、シリコン基板にｐｎ接合が形成されるように拡散層を形成し、この拡散層に窒素又はフッ素をイオン注入し、その後、この拡散層に炭酸ガスレーザーを照射する。
【００１２】
この拡散層は、シリコン基板に不純物をドーピングし、熱処理を行うことにより形成する。この熱処理は、不純物の電気的活性化のための通常の熱処理と同様に行うことができる。熱処理温度は、活性化率や熱拡散の範囲等の点から、例えば８００〜１１００℃に設定することができる。不純物のドーピングは、シリコン基板上に酸化膜を形成した状態で行うことが好ましい。不純物ドーピングの際に基板表面に付着する汚染物を酸化膜によってブロックすることができ、汚染物に起因するリーク電流を抑えることができる。
【００１３】
窒素又はフッ素の注入量は５×１０12／ｃｍ2〜１×１０14／ｃｍ2の範囲にあることが好ましく、１×１０13／ｃｍ2〜５×１０13／ｃｍ2の範囲がより好ましい。
【００１４】
炭酸ガスレーザーの照射条件は、以下の条件を満足するように設定することが好ましい。その際、シリコン基板が溶融しないように、シリコン基板の温度およびシリコン基板でのレーザー吸収量を設定することが好ましい。
【００１５】
炭酸ガスレーザーの照射は、シリコン基板の温度を室温または加熱下で行うことができる。
【００１６】
室温下あるいは比較的低い温度下でレーザーを照射する場合は、炭酸ガスレーザーの吸収量が小さくなるため、レーザーの出力を大きくしてレーザーの吸収量を大きくする必要がある。シリコン基板の温度を高くすることにより、シリコン基板での炭酸ガスレーザーの吸収量を大きくすることができるため、より高いレーザー照射効果を得る点から、加熱下で行うことが好ましく、３００℃以上が好ましく、３５０℃以上がより好ましく、４００℃以上がさらに好ましい。基板温度が高すぎると、空気等の酸化性ガス含有雰囲気においては不要な熱酸化が進んだり、レーザー吸収量が大きくなり基板表面の荒れや基板の融解が生じたりするため、５００℃以下に設定することが好ましく、４５０℃以下がより好ましい。このような温度範囲に設定することにより、レーザー出力を抑えて炭酸ガスレーザーを効率良く吸収させ、かつ雰囲気の影響を受けにくい、良好なレーザー照射を行うことができる。
【００１７】
レーザー照射時の雰囲気は、常圧下の空気中でもよく、窒素等の不活性ガス雰囲気であってもよく、特に制限されない。
【００１８】
炭酸ガスレーザーの照射時にシリコン基板が吸収するレーザー吸収量（以下「レーザー吸収量」）は１０００〜６０００Ｗ／ｍｍ2の範囲に設定することができ、２０００〜４０００Ｗ／ｍｍ2の範囲が好ましく、３０００〜４０００Ｗ／ｍｍ2の範囲がより好ましい。このレーザー吸収量は、十分な照射効果を得る点から、１０００Ｗ／ｍｍ2以上が好ましく、２０００Ｗ／ｍｍ2以上がより好ましい。レーザー吸収量が大きすぎると、レーザー照射面の荒れやシリコン基板の融解が発生する可能性があるため、６０００Ｗ／ｍｍ2以下が好ましく、４０００Ｗ／ｍｍ2以下がより好ましい。なお、レーザー吸収量は、レーザー光の反射率を測定することにより吸収率を求めて、レーザー出力と吸収率の積で与えられる。
【００１９】
レーザーの照射サイズは、長辺が例えば３〜１０ｍｍ、短辺が例えば５０〜２００μｍ、好ましくは１００〜２００μｍ、より好ましくは１００〜１５０μｍとすることができ、レーザーの走査速度は、例えば５〜１０ｃｍ／ｓの範囲に設定できる。レーザーの形状および走査速度は、レーザー照射処理の許容できるスループット（＜１０分／３００ｍｍ ｗａｆｅｒ）から選ぶことができる。レーザー走査は、長辺の半分が重なるようにラスタ走査することが好ましい。
【００２０】
上記の製造方法によれば以下の効果を得ることができる。
【００２１】
シリコン基板に形成した拡散層に、窒素又はフッ素のイオン注入を行い、炭酸ガスレーザーを照射することにより、このイオン注入とレーザー照射を行わなかった場合に比べて１０分の１以下の接合リーク電流を実現できる。
【００２２】
上記拡散層にイオン注入は行うがレーザー照射は行わない場合には、接合リーク電流が３分の１程度までしか低減できないこと、また、上記拡散層にイオン注入は行わないがレーザー照射を行う場合には接合リーク電流が低減しないことから、窒素又はフッ素のイオン注入と、炭酸ガスレーザーの照射との組み合わせによって初めて、接合リーク電流の十分な低減効果が得られるといえる。
【００２３】
上記効果が得られる理由について、以下に述べる。
【００２４】
本発明者等は、接合リーク電流の原因が、Ｓｉ未結合手に起因した発生・再結合中心であり、そのＳｉ未結合手の形態は、シリコン酸化膜とシリコン基板との界面に存在するＳｉ未結合手と、シリコン基板中の空孔と酸素で構成される結晶欠陥に存在するＳｉ未結合手であることを明らかにした。すなわち、シリコン原子と酸素原子との結合がある部分にＳｉ未結合手が発生しやすい。
【００２５】
炭酸ガスレーザーは、その波長から、シリコン原子と酸素原子の結合部分でエネルギーが吸収される。その結果、炭酸ガスレーザーの照射中は、上記結合が分解し、シリコン原子と酸素原子は分離した状態が続く。そのレーザー照射中のシリコン原子の近傍に窒素原子やフッ素原子が存在すると、シリコン原子は窒素原子あるいはフッ素原子と結合する。レーザー照射後も、シリコン原子と窒素原子あるいはフッ素原子との結合力が強いため、シリコン原子と窒素原子あるいはフッ素原子と結合した状態を保つ。
【００２６】
例えば、空孔が２個（Ｓｉ原子が２個無い状態）と酸素原子が２個で欠陥が構成されている場合、２本のＳｉ未結合手が存在する。ここで、２個の酸素原子が２個の窒素原子と置き換わると、Ｓｉ未結合手は存在できなくなる。また、２個の酸素原子が例えば６個のフッ素原子と置き換わると、Ｓｉ未結合手は存在できなくなる。このため、元のシリコン原子と酸素原子の結合が減少し、その結果としてＳｉ未結合手の発生を抑制できる。
【００２７】
上記のように、シリコン原子と窒素原子あるいはフッ素原子とを効率的に結合させるためには、上記シリコン酸化膜とシリコン基板との界面付近、及びシリコン基板中の空孔と酸素で構成される結晶欠陥付近に、数多くの窒素原子あるいはフッ素原子の存在が必要である。
【００２８】
上記の条件でのレーザー照射では、注入によって導入された窒素原子あるいはフッ素原子がほとんど移動しないので、上記界面および結晶欠陥の周辺に数多く存在することができる。
【００２９】
以上から、窒素又はフッ素注入前に存在していたＳｉ未結合手を効率的に減少できるため、接合リーク電流も効果的に減少できる。
【００３０】
特許文献１のフッ素注入および熱処理による方法では、熱処理によるシリコン原子と酸素原子の結合の分解効率が炭酸ガスレーザー照射のそれに比べて非常に小さい上に、熱処理によりフッ素が拡散するため上記界面および結晶欠陥の周辺のフッ素濃度が低減してしまうため、効率的にＳｉ未結合手を減少できない。低減できたとしても１／３程度が限界である。
【００３１】
本実施形態では、イオン注入と熱処理により拡散層を形成し、空孔と酸素で構成される結晶欠陥が形成された状態となった拡散層に対して、窒素又はフッ素のイオン注入を行い、この結晶欠陥の周辺に窒素又はフッ素を存在させた上で炭酸ガスレーザーを照射する。これにより、シリコン原子と酸素原子の結合を効率良くシリコン原子と窒素（あるいはフッ素）の結合に置き換えることができ、効率的に未結合手を低減できる。
【００３２】
レーザー照射は、炭酸ガスレーザーの照射でなければ、効率良くシリコン原子と酸素原子の結合を分解できない。他のレーザーの照射では、シリコン原子と酸素原子の結合を分解できるとしても、レーザー照射による発熱によるものだけであり、特許文献１に記載のフッ素注入および熱処理による方法と同等以下の効果しか得られない。
【００３３】
また、拡散層形成用のイオン注入の後に拡散層形成用の熱処理を行わないと、窒素又はフッ素の注入を行い炭酸ガスレーザーの照射を行っても、拡散層形成用のイオン注入により生成した結晶欠陥の全てを修復することが困難であるため、この結晶欠陥を修復できないときは接合リーク電流は逆に増加してしまう。上記結晶欠陥を修復させるために、窒素又はフッ素の注入後に熱処理を行うと窒素又はフッ素が拡散してしまい、所望の効果は得られない。
【実施例】
【００３４】
以下、実施例を挙げてさらに説明する。
【００３５】
本発明は、一実施例として、図１に示すように、ＭＯＳトランジスタの形成に適用することができる。シリコン基板１の表面にゲート酸化膜２を介してゲート電極３を形成し、不純物をイオン注入し、熱処理を行って拡散層４を形成する。その後、この拡散層４に、窒素又はフッ素のイオン注入を行う（図中の符号５は、窒素又はフッ素の注入領域を示す）。次に、この拡散層に、炭酸ガスレーザー６を照射する。
【００３６】
上記の製造方法は、具体的に以下のようにして行うことができる。
【００３７】
図２に示すように、シリコン基板１の主表面に浅溝素子分離７およびｐ型ウエル層８を形成した。浅溝素子分離７は、シリコン基板をエッチング加工して溝を形成したのち、シリコン酸化膜を埋め込んで形成した。ｐ型ウエル層８は、所定の深さで所定の濃度になるようにボロンを多段注入して、Ｎ2、１０００℃、１０ｓの熱処理を施して形成した。なお、ＭＯＳトランジスタのチャネルが形成される部分のボロン濃度は３×１０17／ｃｍ3程度とした。
【００３８】
次に、図３に示すように、ゲート絶縁膜２およびゲート電極３を形成した。ゲート絶縁膜２は、熱酸化により厚み５ｎｍのシリコン酸化膜を形成した。ゲート電極３は、多結晶シリコン膜を、キャップ絶縁膜９をマスクに用いたエッチングにより加工を行って形成した。ここで、キャップ絶縁膜９は、膜厚が２００ｎｍのシリコン窒化膜とした。また、多結晶シリコン膜３は、膜厚が２００ｎｍでリンが１×１０20／ｃｍ3導入されたものを形成した。なお、ゲート電極３形成後に、熱酸化によりゲート側面にシリコン酸化膜１０を厚み５ｎｍに形成した。
【００３９】
次に、図４に示すように、不純物をイオン注入し、その後にＲＴＡ（Rapid Thermal Anneal）による熱処理を行ってソース・ドレインとなる拡散層４を形成した。イオン注入条件は、不純物：リン、加速エネルギー：５０ｋｅＶ、注入量：１×１０14／ｃｍ2とした。イオン注入後の熱処理の条件は、Ｎ2、１０００℃、１０ｓとした。
【００４０】
その後、図５に示すように、拡散層４にフッ素をイオン注入した後、炭酸ガスレーザー６を拡散層４に照射した。フッ素のイオン注入（以下「フッ素注入」）は、１０ｋｅＶで、注入量が５×１０12／ｃｍ2〜１×１０14／ｃｍ2の範囲で行った。
【００４１】
なお、比較のために、従来例として、フッ素注入も炭酸ガスレーザー照射も行わない場合と、フッ素注入を行わないでレーザー照射だけを行った場合のサンプルも作製した。
【００４２】
ここで、炭酸ガスレーザーを照射する際のシリコン基板の温度は、３００〜５００℃とした。シリコン基板の加熱は、シリコン基板をのせるステージを抵抗加熱して行った。なお、上記温度はステージ温度である。
【００４３】
レーザーの照射サイズは長辺が５ｍｍで短辺が１００μｍとし、８ｃｍ／ｓで試料上を走査した。また、レーザー吸収量は１５００〜６０００Ｗ／ｍｍ2の範囲とした。なお、レーザー吸収量の上限は、レーザー寿命を考慮した。
【００４４】
レーザーの照射は、図６に示すように、拡散層に効率的に照射されるように、ゲート電極による影ができないように行った。レーザーの走査は、長辺の半分が重なるようにラスタ走査した。
【００４５】
次に、図７に示すように、ゲート電極を覆うように層間絶縁膜１１を形成し、その後、ソース／ドレイン電極１２を形成してＭＯＳトランジスタを得た。
【００４６】
なお、上記のレーザー照射後に、ソース／ドレイン電極１２の形成において、電極低抵抗化のために１０００℃程度で１０秒の熱処理を行った。本実施例にて得られた下記効果は、この電極低抵抗化のための熱処理を８００℃〜１０５０℃、１秒〜３０秒の範囲で行っても同等の結果であった。
【００４７】
以下に、本実施例による効果を説明する。
【００４８】
図８に、接合リーク電流とレーザー吸収量との関係を示した。接合リーク電流は、微細ＭＯＳトランジスタの接合リーク電流を支配するゲート電極端の接合リーク電流を指標とした。この図には、レーザー照射時のシリコン基板温度が異なる場合の結果と、フッ素注入を行った場合（注入量：３×１０13／ｃｍ2）と行っていない場合の結果をまとめて示している。
【００４９】
フッ素注入もレーザー照射も行わない場合（図中の「●」、従来例１）、接合リーク電流は８．５ｆＡ／μｍである。
【００５０】
フッ素注入を行わないがレーザー照射する場合（図中の「▲」）、接合リーク電流は従来例１と同等である。この結果から、炭酸ガスレーザーを照射するだけでは、接合リーク電流を低減できないことがわかる。
【００５１】
フッ素注入を行うがレーザー照射は行わない場合（図中の「■」、従来例２、特許文献１の方法に相当）、接合リーク電流は３ｆＡ／μｍであり、従来例１に対して１／３程度まで低減されている。
【００５２】
本発明の実施例である、フッ素注入とレーザー照射を行う場合（図中の「◇」、「△」、「○」）は、シリコン基板温度（図中、温度表示）に依存するものの、接合リーク電流が低減されている。
【００５３】
基板温度が３００℃の場合（図中の「◇」）、接合リーク電流は、レーザー吸収量の大きい領域で減少している。この結果から、基板温度としては３００℃以上が望ましいことがわかる。
【００５４】
基板温度が４００℃の場合（図中の「△」）、接合リーク電流は、レーザー吸収量の増加と共に減少し、レーザー吸収量が２５００Ｗ／ｍｍ2付近で急激に減少し、レーザー吸収量が３０００〜４０００Ｗ／ｍｍ2の範囲で最も低減される（０．２〜０．３ｆＡ／μｍ）。本実施例によれば、従来例１に対して１／３０程度以下、従来例２に対して１／１０以下に接合リーク電流が低減される。なお、レーザー吸収量がさらに大きくなるとシリコン基板が融解する。
【００５５】
基板温度が５００℃の場合（図中の「○」）、接合リーク電流は、レーザー吸収量が２０００Ｗ／ｍｍ2近傍で急激に減少し、レーザー吸収量が２０００Ｗ／ｍｍ2を僅かに超えたところでシリコン基板が融解する。
【００５６】
接合リーク電流は、基板温度を高くすることで、より小さなレーザー吸収量で低減できるが、接合リーク電流低減効果のレーザー吸収量依存性が大きくなり、制御しにくくなることがわかる。例えば、照射面の表面状態によってレーザー光の吸収率が変化してしまうと、効果が大きくばらつくことになってしまい、シリコン基板の融解を招くおそれもある。照射面の表面状態が安定な場合には、基板温度が５００℃より高くても良いが、制御性の観点から基板温度を５００℃以下にすることが望ましい。
【００５７】
以上の結果から、シリコン基板温度は３００〜５００℃の範囲が望ましく、レーザー吸収量は２０００〜６０００Ｗ／ｍｍ2の範囲が望ましいことがわかる。また、シリコン基板の融解を防ぐことを考慮すると、レーザー吸収量は４０００Ｗ／ｍｍ2以下が好ましく、接合リーク電流を効果的に低減する観点からは３０００Ｗ／ｍｍ2以上が好ましいといえる。
【００５８】
なお、上記のシリコン基板温度とレーザー吸収量は、本実施例で用いた基板の表面構造（図５）に対するものであり、レーザーの照射面の表面構造が本実施例と異なる場合には、シリコン基板温度およびレーザー吸収量と接合リーク電流との関係が多少変化すると思われるが、上記に従って適宜条件設定を行なえば、本発明による十分な効果を得ることができる。また、レーザー吸収量は、６０００Ｗ／ｍｍ2を超える場合であっても、レーザー寿命に問題が無ければ、またシリコン基板の融解が生じない条件下であれば本発明による効果を得ることができる。
【００５９】
図９に、接合リーク電流とフッ素注入量との関係を示した。この図には、シリコン基板温度を４００℃とし、レーザー吸収量が３０００Ｗ／ｍｍ2の場合と４０００Ｗ／ｍｍ2の場合の結果を示した。
【００６０】
レーザー吸収量が３０００Ｗ／ｍｍ2の場合（図中の「△」）、注入量が５×１０12〜１×１０13／ｃｍ2の間で急激に接合リーク電流が低減され、１×１０13〜５×１０13／ｃｍ2の間では従来例２より接合リーク電流が低減され、２×１０13〜３×１０13／ｃｍ2付近で効果が最も大きい（従来例１に相当する「●」の値の１／３０程度）。それ以上の注入量になると徐々に接合リーク電流が増加し、１×１０14／ｃｍ2を超えるあたりで効果が無くなってしまう。レーザー吸収量が４０００Ｗ／ｍｍ2の場合（図中の「○」）、注入量が５×１０12〜１×１０14／ｃｍ2の間では接合リーク電流が従来例２より低減され、１×１０13〜５×１０13／ｃｍ2の間でより一層低減され、２×１０13〜３×１０13／ｃｍ2付近で効果が最も大きい。以上の結果から、本実施例でのフッ素注入量は、５×１０12／ｃｍ2〜１×１０14／ｃｍ2の範囲が好ましく、１×１０13／ｃｍ2〜５×１０13／ｃｍ2の範囲がより好ましいことがわかる。
【００６１】
以上のように、上記フッ素注入および炭酸ガスレーザー照射を施した本発明の実施例では、フッ素注入もレーザー照射も行わない従来例１の約３０分の１以下にまで接合リーク電流を低減できた。その結果、接合リーク電流で支配される待機時電流を低減できるため、ＭＯＳトランジスタを集積した半導体装置の低電力化を実現できた。
【００６２】
上記の拡散層中に注入されたフッ素の濃度分布を測定すると、図１０に示すように、上記の実施例のレーザー照射条件では、フッ素濃度の深さ方向の分布はレーザー照射前後でほとんど変化していない。すなわち、本発明における炭酸ガスレーザー照射において、拡散層中のフッ素の拡散はほとんど無視できる程度であるといえる。
【００６３】
次に、上記のフッ素注入を窒素のイオン注入（以下「窒素注入」）に置き換えた以外は上記実施例と同様に行った例を説明する。
【００６４】
図１１に、接合リーク電流とレーザー吸収量との関係を示し、図１２に、接合リーク電流と窒素注入量との関係を示した。窒素注入の場合も接合リーク電流の優れた低減効果が得られている。
【００６５】
窒素注入の場合もフッ素注入の場合と同様に、シリコン基板温度は３００〜５００℃の範囲が望ましく、レーザー吸収量は２０００〜６０００Ｗ／ｍｍ2の範囲が望ましい。シリコン基板の融解を防ぐことを考慮すると、レーザー吸収量は４０００Ｗ／ｍｍ2以下が好ましく、接合リーク電流を効果的に低減する観点からは３０００Ｗ／ｍｍ2以上が好ましい。窒素注入量は、５×１０12／ｃｍ2〜１×１０14／ｃｍ2の範囲が好ましく、１×１０13／ｃｍ2〜５×１０13／ｃｍ2の範囲がより好ましい。
【００６６】
図８及び図９並びに図１１及び図１２に示したように、窒素注入による接合リーク電流の低減効果に対してフッ素注入による低減効果の方が大きい。この理由は、窒素が３価イオンであるのに対して、フッ素が１価イオンで且つ電気陰性度が大きいため、フッ素とシリコン未結合手との結合割合が窒素とシリコン未結合手との結合割合より大きくなることによるものと推測される。
【００６７】
拡散層中に注入された窒素の濃度分布を測定すると、図１３に示すように、上記の実施例のレーザー照射条件では、窒素濃度の深さ方向の分布はレーザー照射前後でほとんど変化していない。すなわち、本発明における炭酸ガスレーザー照射において、拡散層中の窒素の拡散はほとんど無視できる程度であるといえる。
【００６８】
以上のように、本発明によれば、特許文献１に記載の方法に対して優れた効果を得ることができる。この理由は、図１０及び図１３に示すように、拡散層に注入された窒素又はフッ素がレーザー照射によってほとんど再分布しないため、窒素又はフッ素の注入およびレーザー照射により効率良く結晶欠陥が修復されたためと考えられる。特許文献１に記載の方法では、その熱処理において注入元素が拡散してしまうため、結晶欠陥の修復効率が低いと考えられる。
【００６９】
本実施例では、ｎチャネルＭＯＳトランジスタについて述べたが、ｐチャネルＭＯＳトランジスタにおいても同等の効果が得られる。
【００７０】
本発明は、シリコン基板に形成されるｐｎ接合のリークを低減することを目的とするものであり、シリコン基板に形成される素子としてＭＯＳトランジスタに限定されるものではなく、拡散層を有するバイポーラトランジスタやダイオード等、シリコン基板に拡散層を有し、ｐｎ接合が形成されている半導体素子であれば適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明による実施例の製造方法を説明する図。
【図２】本発明による実施例の製造方法の一工程を説明する図。
【図３】図２に示す製造工程に続く工程を説明する図。
【図４】図３に示す製造工程に続く工程を説明する図。
【図５】図４に示す製造工程に続く工程を説明する図。
【図６】図５に示す製造工程における炭酸ガスレーザーの照射を説明する図。
【図７】図５に示す製造工程に続く工程を説明する図。
【図８】フッ素注入の場合の接合リーク電流の低減効果を説明する図。
【図９】フッ素注入の場合の接合リーク電流の低減効果を説明する図。
【図１０】本発明による実施例における拡散層のフッ素濃度の深さ方向の分布を示す図。
【図１１】窒素注入の場合の接合リーク電流の低減効果を説明する図。
【図１２】窒素注入の場合の接合リーク電流の低減効果を説明する図。
【図１３】本発明による実施例における拡散層の窒素濃度の深さ方向の分布を示す図。
【符号の説明】
【００７２】
１ シリコン基板
２ ゲート酸化膜
３ ゲート電極
４ 拡散層
５ 窒素又はフッ素の注入領域
６ 炭酸ガスレーザー
７ 浅溝素子分離
８ ウエル層
９ シリコン窒化膜
１０ シリコン酸化膜
１１ 層間絶縁膜
１２ ソース／ドレイン電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板の第１導電型の領域に、第１導電型と反対の第２導電型の不純物をドーピングし、熱処理を行って、第２の導電型の拡散層を形成する工程と、
前記拡散層に窒素又はフッ素をイオン注入し、その後、該拡散層に炭酸ガスレーザーを照射する工程を有する半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記シリコン基板上に酸化膜を形成し、この酸化膜が形成されたシリコン基板へ前記不純物をドーピングし、熱処理を行う、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記炭酸ガスレーザーの照射は、前記シリコン基板を３００〜５００℃に加熱した状態で行う、請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記窒素又はフッ素のイオン注入量が５×１０12／ｃｍ2〜１×１０14／ｃｍ2の範囲にある、請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記窒素又はフッ素のイオン注入量が１×１０13／ｃｍ2〜５×１０13／ｃｍ2の範囲にある、請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記炭酸ガスレーザー照射時の前記シリコン基板におけるレーザー吸収量が２０００Ｗ／ｍｍ2〜４０００Ｗ／ｍｍ2の範囲にある、請求項１から５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記炭酸ガスレーザーの照射は、前記シリコン基板が溶融しないように前記シリコン基板の温度及びレーザー吸収量に設定する、請求項１から６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記炭酸ガスレーザーの照射は、レーザーの照射サイズを長辺が３〜１０ｍｍ、短辺が５０〜２００μｍとし、レーザー走査を、長辺の半分が重なるようにラスタ走査し、そのレーザー走査速度を５〜１０ｃｍ／ｓとする、請求項１から７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
ＭＯＳトランジスタを有する半導体装置の製造方法であって、
シリコン基板上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
シリコン基板に不純物をドーピングし、その後に熱処理を行って、前記ゲート電極の両側にソース／ドレインとなる拡散層を形成する工程と、
前記拡散層に窒素又はフッ素をイオン注入し、その後、該拡散層に炭酸ガスレーザーを照射する工程を有する半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記炭酸ガスレーザーの照射は、前記シリコン基板を３００〜５００℃に加熱した状態で行う、請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１】
シリコン基板の第１導電型の領域に、第１導電型と反対の第２導電型の不純物をドーピングし、熱処理を行って、第２の導電型の拡散層を形成する工程と、
前記拡散層に窒素又はフッ素をイオン注入し、その後、該拡散層に炭酸ガスレーザーを照射する工程を有する半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記シリコン基板上に酸化膜を形成し、この酸化膜が形成されたシリコン基板へ前記不純物をドーピングし、熱処理を行う、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記炭酸ガスレーザーの照射は、前記シリコン基板を３００〜５００℃に加熱した状態で行う、請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記窒素又はフッ素のイオン注入量が５×１０12／ｃｍ2〜１×１０14／ｃｍ2の範囲にある、請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記窒素又はフッ素のイオン注入量が１×１０13／ｃｍ2〜５×１０13／ｃｍ2の範囲にある、請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記炭酸ガスレーザー照射時の前記シリコン基板におけるレーザー吸収量が２０００Ｗ／ｍｍ2〜４０００Ｗ／ｍｍ2の範囲にある、請求項１から５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記炭酸ガスレーザーの照射は、前記シリコン基板が溶融しないように前記シリコン基板の温度及びレーザー吸収量に設定する、請求項１から６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記炭酸ガスレーザーの照射は、レーザーの照射サイズを長辺が３〜１０ｍｍ、短辺が５０〜２００μｍとし、レーザー走査を、長辺の半分が重なるようにラスタ走査し、そのレーザー走査速度を５〜１０ｃｍ／ｓとする、請求項１から７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
ＭＯＳトランジスタを有する半導体装置の製造方法であって、
シリコン基板上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
シリコン基板に不純物をドーピングし、その後に熱処理を行って、前記ゲート電極の両側にソース／ドレインとなる拡散層を形成する工程と、
前記拡散層に窒素又はフッ素をイオン注入し、その後、該拡散層に炭酸ガスレーザーを照射する工程を有する半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記炭酸ガスレーザーの照射は、前記シリコン基板を３００〜５００℃に加熱した状態で行う、請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００９−１７６８０８（Ｐ２００９−１７６８０８Ａ）
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１１３８７（Ｐ２００８−１１３８７）
【出願日】平成２０年１月２２日（２００８．１．２２）
【出願人】（５００１７４２４７）エルピーダメモリ株式会社 (2,599)
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月２２日（２００８．１．２２）
【出願人】（５００１７４２４７）エルピーダメモリ株式会社 (2,599)
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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