半導体装置
【課題】浅い不純物領域を有する半導体装置を提供する。
【解決手段】チャネル形成領域を含む半導体ならびにチャネル形成領域の上のフローティングゲート７６２およびコントロールゲート７６３によるゲート電極部７５２，７５３を含む半導体装置であって、ゲート電極部７５２，７５３の一方の側の半導体には、フローティングゲート７６２とオーバーラップする第１の不純物領域７５５が形成されており、フローティングゲート７６２の他方の側の半導体には、レーザドーピング処理により、深さが０．１μｍ以下で、且つフローティングゲート７６２とオーバーラップが無い第２の不純物領域７５７、７５８が形成されており、チャネル形成領域の長さは０．３μｍ以下である。
【解決手段】チャネル形成領域を含む半導体ならびにチャネル形成領域の上のフローティングゲート７６２およびコントロールゲート７６３によるゲート電極部７５２，７５３を含む半導体装置であって、ゲート電極部７５２，７５３の一方の側の半導体には、フローティングゲート７６２とオーバーラップする第１の不純物領域７５５が形成されており、フローティングゲート７６２の他方の側の半導体には、レーザドーピング処理により、深さが０．１μｍ以下で、且つフローティングゲート７６２とオーバーラップが無い第２の不純物領域７５７、７５８が形成されており、チャネル形成領域の長さは０．３μｍ以下である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体集積回路等の半導体装置を作製する工程においてドーピング処理を行
う技術および上記技術によって作製された半導体装置（素子）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ドーピングを行う技術として、熱拡散法やイオン打ち込み法が知られている。熱
拡散法は５００度〜１２００度という高温雰囲気中で不純物を半導体中に拡散させる方法
であり、イオン打ち込み法はイオン化した不純物を電界で加速し所定の場所に打ち込む方
法である。もっとも、イオン打ち込み法では、高エネルギーイオンによって結晶構造が著
しく破壊され、アモルファスもしくはそれに近い状態になり、電気特性が著しく劣化する
ので、前記熱拡散法を同程度の熱処理を必要とした。イオン打ち込み法は熱拡散法に比べ
て不純物濃度を制御することが容易であるので、ＶＬＳＩやＵＬＳＩを製造するには必要
不可欠な技術となった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、イオン打ち込み法においても問題がなかったわけではない。最大の問題は、注
入されたイオンの拡散を制御することが困難なことであった。これは、特にデザインルー
ルが０．５μｍ以下のいわゆるクウォーターミクロンデバイスでは大きな問題となった。
また、近年では不純物の拡散された領域（拡散領域）
を浅く形成することが求められているが、０．１μｍ以下の深さの拡散領域を再現性良く
形成することはイオン注入法では困難であった。以上の点については、図２を用いて説明
する。
【０００４】
第１の問題点に関しては、イオン打ち込みによって、半導体中に打ち込まれたイオンが
２次散乱によって、横方向に拡散してしまうことと、熱処理工程によって熱的に周囲に拡
がってしまうことのためである。このような効果は、デザインルール（典型的にはＭＯＳ
ＦＥＴのゲート電極の幅）が１．０μｍ以上の場合にはほとんど問題ではなかったが、そ
れ以下では、上記の効果による拡散部分が、図２（Ａ）に示すように、ゲート電極の幅に
比して大きくなり、ゲート電極２０５と拡散領域（ソース、ドレイン）２０２、２０３の
幾何学的重なりが生じる。
このような重なりはゲート電極とソース、ドレインの寄生容量のもととなり、動作速度の
低下をもたらす。
【０００５】
第２の問題点に関しては、大きく分けて２つの効果が原因である。１つは第１の問題点
で指摘したような熱的な要因による拡散の効果である。このため、拡散領域の厚さを０．
１μｍ以下にすることは難しい。もう１つの効果は、半導体が結晶性の場合に顕著である
が、イオン打ち込みにおけるチャネリングの効果である。これは、結晶面に垂直に入射し
た場合には、イオンが全く散乱を受けないために基板の深部にまで到達するという効果で
ある。
【０００６】
従来は、このチャネリング効果を避けるために、結晶面に対して数°の傾きを持たせて
イオン打ち込みをおこなう。しかしながら、このような工夫をおこなっても、半導体内部
で軌道の曲げられたイオンがチャネリング条件に合致することがある。したがって、図２
（Ｂ）に示すように、深い位置までイオンが入り込んでしまう。また、多結晶半導体にイ
オンを注入する場合には、結晶面はランダムであるので、イオンの深さは全くバラバラと
なってしまう。
【０００７】
多結晶半導体を使用する場合には別な問題もある。すなわち、多結晶半導体では、ドー
ピングされた不純物の熱的な拡散は結晶の粒界を通して進行する傾向があるため、図２（
Ｃ）に示すように、均等にドーピングをおこなうことができない。これらの問題は、イオ
ン打ち込みと熱処理による再結晶化という従来の方法によっては解決が困難であった。も
ちろん、熱拡散法によっては到底解決できなかった。
【０００８】
本発明の解決すべき課題は以下のようにまとめられる。すわなち、第１に不純物の横方
向の拡散を防止することであり、第２にその拡散の深さを制御して、０．１μｍ以下、好
ましくは５０ｎｍ以下とすることである。本発明は、この２点の問題点において、単結晶
もしくは多結晶あるいはそれらに準ずる半導体材料の一部あるいは全部において、少なく
とも１つを解決する方法を提供することを目的とする。以上の条件を満たすことによって
、チャネル長１．０μｍ以下、典型的には０．１〜０．３μｍのＭＯＳデバイスを安定し
て作製することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するために、半導体に導電型を付与する不純物を含む高純
度の反応性気体（不純物ガス）やそれを水素、フッ素、ヘリウム、アルゴン等の比較的安
定なガスに希釈した雰囲気中で、試料半導体表面に対してパルスレーザー光を照射するこ
とによって、不純物を前記試料半導体中にドーピングする。この方法では、レーザー照射
によって、瞬間的に加熱された半導体表面において、付近の不純物ガスが分解、あるいは
半導体表面と反応し、半導体表面のごく薄い部分にのみ不純物がドーピングされる。その
厚さは半導体表面の保持されている温度にも依存するが、０．１μｍ以下とすることが可
能である。
【００１０】
また、このような反応では、熱的な拡散は、レーザー光のパルス幅を１μｓｅｃ以下、
好ましくは１００ｎｓｅｃ以下とすることによって、実質的になくすことができる。また
、本発明では、イオン打ち込みにおいて問題となったチャネリングや２次散乱はなく、し
たがって、図１（Ａ）に示すように、極めて理想的な拡散領域が形成され、その深さ方向
の不純物濃度分布は、図１（Ｂ）に示すように必要とする深さにのみ集中的に分布し、半
導体に形成された不純物領域における深さ方向の不純物の分布は、分布曲線１０６で示さ
れる。厳密には横方向の拡散も存在するが、その大きさは典型的には５０ｎｍ以下で、現
実のデバイスにおいては無視できるものである。
【００１１】
さらに、粒界を有する半導体材料においても、熱的な影響が無いので、図１（Ｃ）に示
すように拡散領域が粒界に影響されることはない。付け加えて言えば、本発明では、パル
スレーザーによる加熱という非熱平衡状態を利用するため、従来では不可能であったよう
な高濃度の不純物拡散が可能である。
【００１２】
本発明においては、不純物濃度は、レーザーのエネルギーや、雰囲気中の不純物ガスの
濃度、半導体表面温度等を加減することによって目的とする値を得ることができる。本発
明においては、不純物が拡散されるべき半導体表面は露出されていても、他の被膜で覆わ
れていてもよい。他の被膜で覆われている場合には、被膜の化学的、物理的性質によって
、不純物がブロッキングされ、その結果、半導体中への拡散濃度、拡散深さが制御される
。
【００１３】
本発明における不純物とは、半導体として珪素半導体（シリコン）を用いた場合におい
て、Ｐ型を付与するのであれば、３価の不純物、代表的にはであるＢ（ボロン）等を用い
ることができ、Ｎ型を付与するのであれば、５価の不純物、代表的にはＰ（リン）やＡｓ
（砒素）等を用いることができる。そしてこれらの不純物を含む反応性気体としてＡｓＨ
3 ，ＰＨ3 ，ＢＦ3 ，ＢＣｌ3 ，Ｂ（ＣＨ3 ）3 等を用いることができる。
【００１４】
半導体としては、従来のウェファー状の単結晶のシリコン半導体に加えて、ＴＦＴを作
製するのであれば、気相成長法やスパッタ法等によって成膜した非晶質シリコン半導体薄
膜が一般的には用いられる。また、液相成長によって絶縁基板上に作製した多結晶または
単結晶のシリコン半導体でも本発明が適用できる。さらに、シリコン半導体に限定されず
、他の半導体であってもよいことはいうまでもない。
【００１５】
レーザー光としては、パルス発振型のエキシマレーザー装置を用いることが有用である
。これは、パルス発振レーザーでは、試料の加熱が瞬間的で、しかも表面だけに限定され
、基板に影響を与えないからである。連続発振レーザーによる加熱は、上記のような非熱
平衡状態を実現することが不可能な上、局所的な加熱であるがゆえ、加熱部分と基板との
熱膨張の著しい違いなどによって、加熱部分が剥離してしまうことがある。この点、パル
スレーザーでは、熱緩和時間は、熱膨張のような機械的応力の反応時間に比べて圧倒的に
小さく、機械的なダメージを与えない。
【００１６】
特に、エキシマーレーザー光は、紫外光であり、シリコンを初めとする多くの半導体に
効率良く吸収される上、パルスの持続時間は１０ｎｓｅｃと短い。また、エキシマーレー
ザーは既に、アモルファスシリコン薄膜をレーザー照射によって結晶化させて、結晶性の
高い多結晶シリコン薄膜を得るという実験に使用された実績がある。具体的なレーザーの
種類としては、ＡｒＦエキシマレーザー（波長１９３ｎｍ）、ＸｅＣｌエキシマレーザー
（波長３０８ｎｍ）、ＸｅＦエキシマレーザー（波長３５１ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレー
ザー（２４８ｎｍ）等を用いることが適当である。
【００１７】
本発明においては、半導体表面を加熱あるいは冷却しても構わない。半導体表面の温度
を制御することによって、不純物の拡散を促進あるいは抑制することが可能となるので、
本発明を実施する者は、目的とする不純物濃度や拡散深さを得るために温度制御をおこな
うことが勧められる。
【００１８】
本発明において、不純物ガスの分解を促進するために、直流や交流の電気エネルギーを
用いて、不純物ガスをプラズマ化することも有効である。この目的のために加えられる電
磁エネルギーとしては、１３．５６ＭＨｚの高周波エネルギーが一般的である。この電磁
エネルギーによるドーピングガスの分解によって、ドーピングガスを直接分解できないレ
ーザー光を用いた場合でも効率よくドーピングを行うことができる。電磁エネルギーの種
類としては、１３．５６ＭＨｚの周波数に限定されるものではなく、例えば２．４５ＧＨ
ｚのマイクロ波を用いるとさらに高い活性化率を得ることができる。さらに２．４５ＧＨ
ｚのマイクロ波と８７５ガウスの磁場との相互作用で生じるＥＣＲ条件を用いてもよい。
また、ドーピングガスを直接分解できる光エネルギーを用いることも有効である。
【００１９】
本発明の装置の概念図を図３および図４に示す。図３は基板加熱装置を具備したもの、
図４は、それに加えてプラズマを発生させる為の電磁装置をも具備したものを示している
。これらの図面は概念的なものであるので、当然のことながら、実際の装置においては、
必要に応じてその他の部品を具備することがある。以下、その使用方法について概説する
。
【００２０】
図３において、試料３０４は試料ホルダー３０５上に設置される。最初に、チャンバー
３０１は排気装置に接続した排気系３０７によって真空排気される。この場合には、でき
るだけ高真空に排気することが望まれる。すなわち、大気成分である炭素や窒素、酸素は
半導体にとっては一般に好ましくないからである。このような元素は、半導体中に取り込
まれるが、同時に添加された不純物の活性度を低下させることがある。また、半導体の結
晶性を損ない、粒界における不対結合手の原因となる。したがって、１０-6ｔｏｒｒ以下
、好ましくは１０-8ｔｏｒｒ以下にまでチャンバー内を真空引きすることが望まれる。
【００２１】
また、排気と前後してヒーター３０６を作動させ、チャンバー内部に吸着した大気成分
を追い出すことも望ましい。現在の真空装置において使用されているように、チャンバー
以外に予備室を設け、チャンバーが直接、大気に触れないような構造とすることも望まし
い。当然のことながら、ロータリーポンプや油拡散ポンプに比べて、炭素等の汚染の少な
いターボ分子ポンプやクライオポンプを用いることが望ましい。
【００２２】
十分に排気されたら、反応性ガスをガス系３０８によって、チャンバー内に導入する。
反応性ガスは、単独のガスからなっていても、あるいは水素やアルゴン、ヘリウム、ネオ
ン等で希釈されていてもよい。また、その圧力は大気圧でも、それ以下でもよい。これら
は、目的とする半導体の種類と、不純物濃度、不純物領域の深さ、基板温度等を考慮して
選択される。
【００２３】
次に窓３０２を通して、レーザー光３０３が試料に照射される。このとき、試料はヒー
ターによって、一定の温度に加熱されている。レーザー光は、１か所に付き通常１〜５０
パルス程度照射される。レーザーパルスのエネルギーのばらつきが極めて大きな状態で、
あまりパルス数がすくない場合には不良発生の確率が大きい。一方、あまりにも多くのパ
ルスを１か所に照射することは量産性（スループット）の面から望ましくない。本発明人
の知見では、上記のパルス数が量産性からも、歩留りの点からも妥当であった。
【００２４】
この場合、例えばレーザーのパルスが１０ｍｍ（ｘ方向）×３０ｍｍ（ｙ方向）の特定
の長方形の形状をしていた場合に、同じ領域にレーザーパルスを１０パルスを照射し、終
了後は、次の部分に移動するという方法でもよいが、レーザーを１パルスにつき、ｘ方向
に１ｍｍづつ移動させていってもよい。
【００２５】
レーザー照射が終了したら、チャンバー内を真空排気し、試料を室温まで冷却して、試
料を取り出す。このように、本発明では、ドーピングの工程は極めて簡単であり、かつ、
高速である。すなわち、従来のイオン注入プロセスであれば、（１）ドーピングパターン
の形成（レジスト塗布、露光、現像）
（２）イオン注入（あるいはイオンドーピング）
（３）再結晶化という、３工程が必要であった。しかしながら、本発明では、（１）ドー
ピングパターンの形成（レジスト塗布、露光、現像）
（２）レーザー照射という２工程で完了する。
【００２６】
図４の装置においても、図３の場合とほぼ同じである。最初にチャンバー４０１内を排
気系４０７によって真空排気し、ガス系４０８より反応性ガスを導入する。そして、試料
ホルダー４０５上の試料４０４に対して、窓４０２を通して、レーザー光４０３を照射す
る。そのときには高周波もしくは交流（あるいは直流）電源４１０から、電極４０９に電
力を投入し、チャンバー内部にプラズマ等を発生させて、反応性ガスを活性な状態とする
。図では電極は容量結合型に示されているが、誘導（インダクタンス）結合型であっても
よい。さらに、容量結合型であっても、試料ホルダーを一方の電極として用いてもよい。
また、レーザー照射時には、ヒーター４０６によって試料を加熱してもよい。
【００２７】
図５には本発明の他のドーピング処置装置の様子を示す。すなわち、チャンバー５０１
には、無水石英ガラス製のスリット状の窓５０２が設けられている。レーザー光は、この
窓に合わせて細長い形状に成形される。レーザーのビームは、例えば１０ｍｍ×３００ｍ
ｍの長方形とした。なおレーザー光の位置は固定されている。チャンバーには、排気系５
０７、および反応性ガスを導入するためのガス系５０８が接続されている。また、チャン
バー内には試料ホルダー５０５が設けられ、その上には試料５０４が乗せられ、試料ホル
ダーの下には赤外線ランプ（ヒーターとして機能する）５０６が設けられている。試料ホ
ルダーは可動であり、試料をレーザーのショットに合わせて移動することができる。
【００２８】
このように、試料の移動のための機構がチャンバー内に組み込まれている際には、ヒー
ターによる試料ホルダーの熱膨張によって狂いが生じるので、温度制御には細心の注意が
必要である。また、試料移送機構によってホコリが生じるので、チャンバー内のメンテナ
ンスは面倒である。
【００２９】
図６（Ａ）には本発明の他のドーピング処置装置の様子を示す。すなわち、チャンバー
６０１には、無水石英ガラス製の窓６０２が設けられている。この窓は実施例３の場合と
異なり、試料６０４全面を覆うだけの広いものである。チャンバーには、排気系６０７、
および反応性ガスを導入するためのガス系６０８が接続されている。また、チャンバー内
には試料ホルダー６０５が設けられ、その上には試料６０４が乗せられ、試料ホルダーは
ヒーターが内蔵されている。試料ホルダーはチャンバーに固定されている。チャンバーの
下部にはチャンバーの台６０１ａが設けられており、レーザーのパルスに合わせて、チャ
ンバー全体を移動させることによって、逐次、レーザー照射をおこなう。レーザーのビー
ムは、図５の場合と同じく、細長い形状である。例えば、５ｍｍ×１００ｍｍの長方形と
した。図５と同様、レーザー光の位置は固定されている。図６では、図５と異なり、チャ
ンバー全体が移動する機構を採用する。したがって、チャンバー内には機械部分が存在せ
ず、ホコリ等が生じないのでメンテナンスが容易である。また、移送機構が、ヒーターの
熱の影響を受けることは少ない。
【００３０】
図６の例では、図５の例に比べて上記のような点で優れているだけでなく、以下のよう
な点でも優れている。すなわち、図５の方式では、試料をチャンバーに入れてから、十分
な真空度まで真空排気できるまでレーザー放射をおこなえなかった。すなわちデッドタイ
ムが多かった。しかし、図６の例では、図６（Ａ）のようなチャンバーを多数用意し、そ
れぞれ、順次、試料装填、真空排気、レーザー照射、試料取り出し、というように回転さ
せてゆけば、上記のようなデッドタイムは生じない。そのようなシステムを図６（Ｂ）に
示した。
【００３１】
すなわち、未処理の試料を内蔵したチャンバー６１７、６１６は、排気工程の間に連続
的な搬送機構６１８によって、精密な移動がおこなえるステージを有する架台６１９に向
かう。ステージ上のチャンバー６１５には、レーザー装置６１１から放射され、適当な光
学装置６１２、６１３で加工されたレーザー光が窓を通して中の試料に照射される。ステ
ージを動かすことによって、必要なレーザー照射がおこなわれたチャンバー６１４は、再
び、連続的な搬送機構６２０によって次の段階に送られ、その間にチャンバー内のヒータ
ーは消灯し、排気され、十分温度が下がってから、試料が取り出される。
【００３２】
このように、本実施例では連続的な処理がおこなえることによって、排気待ちの時間を
削減することができ、スループットを向上させられる。もちろん、図６の場合には、スル
ープットは向上するけれども、その分、図５の場合よりチャンバーを多く必要とするので
、量産規模や投資規模を考慮して実施すべきである。
【００３３】
以上、図５、図６の例では、レーザービームの形状は細長い線状の長方形であったが、
もちろん、長方形や正方形であってもよい。この場合には図７に示すように、半導体ウェ
ファー等の基板を適当な数の領域（図７では３２）に分割し、これに順次、レーザーを照
射してゆくという方式を採用してもよい。例えば、レーザーの繰り返し周波数が２００Ｈ
ｚであれば、ウェファー上の一箇所を処理する時間が０．１秒であり、ウェファーが上下
左右（図７の矢印）に移動する時間を考慮しても、１枚のウェファーを処理する時間は１
０秒弱である。ウェファーの自動搬送をおこなえば、１時間に２００枚以上のウェファー
を処理できる。この生産性は従来の方式に優るとも劣らない。
【００３４】
なお、同様なレーザードーピング処理装置に関しては、特願平３−２８３９８１（平成
３年１０月４日出願）、同３−２９０７１９（平成３年１０月８日出願）、同４−１００
４７９（平成３年３月２６日出願）に記述されている。本発明によって、例えば、チャネ
ル長が０．５μｍ以下のデバイスを再現性良く作製することができ、また、深さ０．１μ
ｍ以下の拡散領域（不純物領域）を形成することができる。逆に本発明は、このような条
件のデバイスを形成する上で特長を示す。以下に実施例を示し、より詳細に本発明を説明
する。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によって、チャネル長１．０μｍ以下、典型的には０．１〜０．３μｍのＭＯＳ
デバイスを安定して作製すること、および深さ０．１μｍ以下の浅い不純物領域を作製で
きた。上記の実施例においては単結晶シリコン上の半導体素子についてのものであったが
、多結晶シリコン等を利用した素子に関しても同様に実施してもよいことは言うまでもな
い。このように本発明は工業上有益なものである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の効果を概念的に説明する。
【図２】従来技術の問題点を説明する。
【図３】本発明の半導体処理（不純物ドーピング）装置の概念図を示す。
【図４】本発明の半導体処理（不純物ドーピング）装置の概念図を示す。
【図５】本発明の半導体処理（不純物ドーピング）装置の例を示す。
【図６】本発明の半導体処理（不純物ドーピング）装置の例を示す。
【図７】本発明のレーザー照射方法の例を示す。
【図８】本発明を利用した半導体素子の作製方法の例を示す。
【図９】本発明を利用した半導体素子の作製方法の例を示す。
【図１０】本発明を利用した半導体素子の作製方法の例を示す。
【実施例１】
【００３７】
本発明を用いて、単結晶シリコン基板上にＣＭＯＳ回路を形成した。その作製手順を図
８に示す。まず、単結晶シリコン基板７０１の（１００）
面上に、いわゆるＬＯＣＯＳ法によって、フィールド絶縁物７０２を形成し、さらに、フ
ィールド絶縁物に覆われていない領域の一部にボロンを熱拡散させてＰ型ウェル７０３を
形成した。この状態で、Ｐ型ウェル以外の領域をマスク材７０４で覆って、ジボラン（Ｂ
2 Ｈ6 ）を２体積％含有する雰囲気中で、レーザー 照射し、Ｐ型ウェルの表面から５０
ｎｍまでの領域に、ボロンを拡散させ、Ｐ+ の領域７０５を形成した。（図８（Ａ））
【００３８】
この際には、マスク材７０４としては、耐レーザー性のよいものが好ましいが、必ずし
もレーザー光に対して不透明である必要はない。例えば、窒化珪素や酸化珪素は上記の条
件を満たす。また、炭素膜でもよい。
【００３９】
レーザードーピングは図５に示す装置を用いておこなった。図５に示す装置において、
Ｂ2 Ｈ6 ／Ａｒ雰囲気下で、試料を加熱せずに、レーザー光を照射してボロン（Ｂ）のド
ーピングを行った。レーザーはＫｒＦエキシマーレーザー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２
０ｎｓｅｃ）を使用し、１５０〜３５０ｍＪ／ｃｍ2 のエネルギー密度で、一か所につき
２〜２０ショットの照射をおこなった。このとき、試料の温度を室温以下、好ましくは−
５０℃まで下げると、不純物の拡散が抑制され、不純物のドーピングされたＰ+ 領域７０
５の深さをより浅くできる。しかしながら、ジボランの凝結点、あるいは沸点を下回る温
度にまで下げることは好ましくない。
【００４０】
その後、シリコン基板表面にも同様の操作をおこない、フォスフィンを用いてリンのド
ーピングをおこなうことによってＮ+ 領域７０６を形成した。その後、従来と同様にゲー
ト酸化膜７０７とゲート電極７０８および７０９を形成した。
（図８（Ｂ））
【００４１】
その後、ＰチャネルＴＦＴの領域（図の右側）をマスク材７１０を被覆し、再び、図５
に示すレーザードーピング装置を用いて、ドーピングをおこなった。この際には不純物ガ
スとしてフォスヒオンを使用し、さらに、基板温度を２００〜４５０℃に加熱した。レー
ザーのエネルギーやショット数は先の条件の範囲内とした。この時、試料は加熱されてい
るため先のドーピングのときに比較して拡散が大きく、ソース、ドレイン領域７１１には
リンが深くドーピングされ、Ｎ型化する。これに対してゲート電極の下部の領域は、ゲー
ト絶縁膜とゲート電極がマスクとなりレーザーが照射されず、ドーピングが行われず、Ｎ
+ 型のままである。典型的なドーピング条件は以下の通り。（図８（Ｃ））
雰囲気 ＰＨ3 ５％濃度（Ｈ2 希釈）
試料温度 ３５０度 圧力 ０．０２〜１．００Ｔｏｒ
ｒ レーザー ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）
エネルギー密度 １５０〜３５０ｍＪ／ｃｍ2 パルス数 １０ショッ
ト
【００４２】
同様に、Ｐチャネル型ＴＦＴ（図の右側）に対しても、ジボラン雰囲気でレーザードー
ピングをおこなうことによって、Ｐ型領域を形成し、Ｐチャネル型ＴＦＴを形成すること
ができた。
【００４３】
その後、従来と同様に層間絶縁物７１２を形成し、コンタクトホールを設けて、電極・
配線７１３を形成した。この電極・配線の材料としては、単層の金属もしくは半導体膜で
あっても、例えば、窒化チタンとアルミニウムのような多層膜であっても構わないことは
いうまでもない。
【００４４】
本実施例のトランジスタはチャネル形成領域の表面はゲートに信号を印加しても反転せ
ず、より深い領域がチャネルとなる、いわゆるベリッド・チャネル型のものである。この
ため、ホットエレクトロン等によってゲート絶縁膜が破壊されることが少なく、信頼性が
向上した。
【００４５】
本実施例では、このベリッド・チャネルを形成する際に、レーザードーピング法を使用
したわけであるが、その他にも、例えば、しきい値電圧制御の目的で本発明を使用できる
ことは本実施例の記述から明らかであろう。
【実施例２】
【００４６】
本発明を用いて、フローティングゲートを有するＭＯＳ素子、例えば、ＥＰＲＯＭ、Ｅ
ＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリーを作製した例を図９に示す。まず、単結晶シリコン基板
の（１００）面にフィールド絶縁物７５１を選択的に形成し、さらにゲート電極部７５２
、７５３を形成する。ゲート電極部の詳細な構成は、図９（Ｅ）に示される。ここで、７
６１はゲート酸化膜、７６２はリンをドープしたポリシリコンのフローティングゲート、
７６３はリンをドープしたポリシリコンのコントロールゲート、７６４はそれらを覆う絶
縁膜である。
好ましくは、この絶縁膜７６４はコントロールゲート、フローティングゲートの酸化物に
よって構成される。これらを酸化するには陽極酸化法もしくは熱酸化法を用いればよい。
ゲート電極部の幅は０．５μｍとした。陽極酸化法を採用する場合には、湿式あるいは乾
式の２つの方法が用いられるが、それらについては、特願平３−２７８７０５（平成３年
９月３０日出願）また、熱酸化による場合に関しては、特願平３−２７８７０６（平成３
年９月３０日出願）に記載されて方式を用いればよい。
【００４７】
その後、マスク材７５４を選択的に形成し、このマスク材およびゲート電極部をマスク
として、イオン注入法によって、シリコン基板中にリンを注入し、加熱して拡散せしめ、
Ｎ型領域７５５を形成した。このＮ型領域は０．２μｍ程度の深さになるようにした。ま
た、図９（Ａ）に示すように、このとき形成された不純物領域７５５は、ゲート電極部の
下部に回り込んで拡がっている。
【００４８】
次に図９（Ｂ）のように、リンをドープしたポリシリコンの配線７５６を形成し、これ
をワード線とした。しかしながら、不純物領域７５５の抵抗が十分に小さかい場合には、
このようなポリシリコンをわざわざ設けなくとも、不純物領域７５５をワード線とするこ
とができる。
【００４９】
さらに、本発明によって、リンのレーザードーピング処理をおこない、浅い（深さ〜５
０ｎｍ）不純物領域７５７、７５８を形成した。本実施例では、図６に示す装置を用いて
不純物のドーピングを行った。図６（Ｂ）に示すように、１枚のウェファーを内蔵した多
数のチャンバー（６１４〜６１５）を流し、これにレーザー光を照射した。典型的なドー
ピング条件は以下のとおり。
雰囲気 ＰＨ3 ５％濃度（Ｈ2 希釈）
試料温度 室温 圧力 ０．０２〜１．００Ｔｏｒｒ
レーザー ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）
エネルギー密度 １５０〜３５０ｍＪ／ｃｍ2 パルス数 １０ショッ
ト
【００５０】
以上の工程によって、浅い不純物領域が形成された。さらに、従来の方法によって、層
間絶縁物７５９を堆積し、コンタクトホールと金属電極・配線７６０、７６１を形成して
、素子を形成した。図９（Ｄ）には、２つのＥＥＰＲＯＭ素子が記述されており、配線７
６０、７６１がそれぞれのビット線となる。
【００５１】
本実施例では、ゲート電極部の左右において、不純物領域の形状が異なる。すなわち、
一方はゲート電極の下部にまで回り込んだ深い不純物領域７５５であり、他の一方はオー
バーラップが全く無く、むしろゲート電極部の酸化物のためにオフセット領域が形成され
た浅い不純物領域７５７である。実際に生じる回り込みは５０ｎｍ以下である。この結果
、フローティングゲートにキャリヤーを注入する際には、図９（Ｅ）に矢印で示すように
深い不純物領域から注入される。
【実施例３】
【００５２】
本発明を用いて、低濃度ドレイン（ＬＤＤ）構造を用いたＭＯＳＦＥＴを作製した例を
図１０に示す。まず、従来の方法によって、単結晶シリコン基板８０１上にフィールド絶
縁物８０２を形成し、ゲート絶縁膜８０３、ゲート電極８０４を堆積する。そして、本発
明のレーザードーピング法を用いて、燐をドープし、浅い（深さ５０ｎｍ）低濃度Ｎ- 型
不純物領域８０５を形成した。
（図１０（Ａ））
【００５３】
その後、酸化珪素膜８０６を堆積し（図１０（Ｂ））、これを異方性エッチングによっ
て、ゲート電極の側壁部分８０７を残して除去した。そして、この状態でイオン注入法に
よって、高濃度の燐イオンを注入し、Ｎ+ 領域８０８を形成した。この際には、先のＮ-
領域８０５は側壁の下部のみが残り、ＬＤＤ領域８０９が形成された。（図１０（Ｃ））
【００５４】
最後に、層間絶縁物８１０と金属電極・配線８１１を形成して素子を完成させた。本実
施例では、従来の方式と本発明のドーピング方法を組み合わせてＬＤＤを形成したが、例
えば、本発明人等の出願である、特願平３−２３８７１０（平成３年８月２６日出願）、
特願平３−２３８７１１（平成３年８月２６日出願）
、特願平３−２３８７１２（平成３年８月２６日出願）等の方法を使用してもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１０１ 基板
１０２、１０３ 拡散領域（ソース、ドレイン）
１０４ ゲート絶縁膜
１０５ ゲート電極
２０１ 基板
２０２、２０３ 拡散領域（ソース、ドレイン）
２０４ ゲート絶縁膜
２０５ ゲート電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体集積回路等の半導体装置を作製する工程においてドーピング処理を行
う技術および上記技術によって作製された半導体装置（素子）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ドーピングを行う技術として、熱拡散法やイオン打ち込み法が知られている。熱
拡散法は５００度〜１２００度という高温雰囲気中で不純物を半導体中に拡散させる方法
であり、イオン打ち込み法はイオン化した不純物を電界で加速し所定の場所に打ち込む方
法である。もっとも、イオン打ち込み法では、高エネルギーイオンによって結晶構造が著
しく破壊され、アモルファスもしくはそれに近い状態になり、電気特性が著しく劣化する
ので、前記熱拡散法を同程度の熱処理を必要とした。イオン打ち込み法は熱拡散法に比べ
て不純物濃度を制御することが容易であるので、ＶＬＳＩやＵＬＳＩを製造するには必要
不可欠な技術となった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、イオン打ち込み法においても問題がなかったわけではない。最大の問題は、注
入されたイオンの拡散を制御することが困難なことであった。これは、特にデザインルー
ルが０．５μｍ以下のいわゆるクウォーターミクロンデバイスでは大きな問題となった。
また、近年では不純物の拡散された領域（拡散領域）
を浅く形成することが求められているが、０．１μｍ以下の深さの拡散領域を再現性良く
形成することはイオン注入法では困難であった。以上の点については、図２を用いて説明
する。
【０００４】
第１の問題点に関しては、イオン打ち込みによって、半導体中に打ち込まれたイオンが
２次散乱によって、横方向に拡散してしまうことと、熱処理工程によって熱的に周囲に拡
がってしまうことのためである。このような効果は、デザインルール（典型的にはＭＯＳ
ＦＥＴのゲート電極の幅）が１．０μｍ以上の場合にはほとんど問題ではなかったが、そ
れ以下では、上記の効果による拡散部分が、図２（Ａ）に示すように、ゲート電極の幅に
比して大きくなり、ゲート電極２０５と拡散領域（ソース、ドレイン）２０２、２０３の
幾何学的重なりが生じる。
このような重なりはゲート電極とソース、ドレインの寄生容量のもととなり、動作速度の
低下をもたらす。
【０００５】
第２の問題点に関しては、大きく分けて２つの効果が原因である。１つは第１の問題点
で指摘したような熱的な要因による拡散の効果である。このため、拡散領域の厚さを０．
１μｍ以下にすることは難しい。もう１つの効果は、半導体が結晶性の場合に顕著である
が、イオン打ち込みにおけるチャネリングの効果である。これは、結晶面に垂直に入射し
た場合には、イオンが全く散乱を受けないために基板の深部にまで到達するという効果で
ある。
【０００６】
従来は、このチャネリング効果を避けるために、結晶面に対して数°の傾きを持たせて
イオン打ち込みをおこなう。しかしながら、このような工夫をおこなっても、半導体内部
で軌道の曲げられたイオンがチャネリング条件に合致することがある。したがって、図２
（Ｂ）に示すように、深い位置までイオンが入り込んでしまう。また、多結晶半導体にイ
オンを注入する場合には、結晶面はランダムであるので、イオンの深さは全くバラバラと
なってしまう。
【０００７】
多結晶半導体を使用する場合には別な問題もある。すなわち、多結晶半導体では、ドー
ピングされた不純物の熱的な拡散は結晶の粒界を通して進行する傾向があるため、図２（
Ｃ）に示すように、均等にドーピングをおこなうことができない。これらの問題は、イオ
ン打ち込みと熱処理による再結晶化という従来の方法によっては解決が困難であった。も
ちろん、熱拡散法によっては到底解決できなかった。
【０００８】
本発明の解決すべき課題は以下のようにまとめられる。すわなち、第１に不純物の横方
向の拡散を防止することであり、第２にその拡散の深さを制御して、０．１μｍ以下、好
ましくは５０ｎｍ以下とすることである。本発明は、この２点の問題点において、単結晶
もしくは多結晶あるいはそれらに準ずる半導体材料の一部あるいは全部において、少なく
とも１つを解決する方法を提供することを目的とする。以上の条件を満たすことによって
、チャネル長１．０μｍ以下、典型的には０．１〜０．３μｍのＭＯＳデバイスを安定し
て作製することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するために、半導体に導電型を付与する不純物を含む高純
度の反応性気体（不純物ガス）やそれを水素、フッ素、ヘリウム、アルゴン等の比較的安
定なガスに希釈した雰囲気中で、試料半導体表面に対してパルスレーザー光を照射するこ
とによって、不純物を前記試料半導体中にドーピングする。この方法では、レーザー照射
によって、瞬間的に加熱された半導体表面において、付近の不純物ガスが分解、あるいは
半導体表面と反応し、半導体表面のごく薄い部分にのみ不純物がドーピングされる。その
厚さは半導体表面の保持されている温度にも依存するが、０．１μｍ以下とすることが可
能である。
【００１０】
また、このような反応では、熱的な拡散は、レーザー光のパルス幅を１μｓｅｃ以下、
好ましくは１００ｎｓｅｃ以下とすることによって、実質的になくすことができる。また
、本発明では、イオン打ち込みにおいて問題となったチャネリングや２次散乱はなく、し
たがって、図１（Ａ）に示すように、極めて理想的な拡散領域が形成され、その深さ方向
の不純物濃度分布は、図１（Ｂ）に示すように必要とする深さにのみ集中的に分布し、半
導体に形成された不純物領域における深さ方向の不純物の分布は、分布曲線１０６で示さ
れる。厳密には横方向の拡散も存在するが、その大きさは典型的には５０ｎｍ以下で、現
実のデバイスにおいては無視できるものである。
【００１１】
さらに、粒界を有する半導体材料においても、熱的な影響が無いので、図１（Ｃ）に示
すように拡散領域が粒界に影響されることはない。付け加えて言えば、本発明では、パル
スレーザーによる加熱という非熱平衡状態を利用するため、従来では不可能であったよう
な高濃度の不純物拡散が可能である。
【００１２】
本発明においては、不純物濃度は、レーザーのエネルギーや、雰囲気中の不純物ガスの
濃度、半導体表面温度等を加減することによって目的とする値を得ることができる。本発
明においては、不純物が拡散されるべき半導体表面は露出されていても、他の被膜で覆わ
れていてもよい。他の被膜で覆われている場合には、被膜の化学的、物理的性質によって
、不純物がブロッキングされ、その結果、半導体中への拡散濃度、拡散深さが制御される
。
【００１３】
本発明における不純物とは、半導体として珪素半導体（シリコン）を用いた場合におい
て、Ｐ型を付与するのであれば、３価の不純物、代表的にはであるＢ（ボロン）等を用い
ることができ、Ｎ型を付与するのであれば、５価の不純物、代表的にはＰ（リン）やＡｓ
（砒素）等を用いることができる。そしてこれらの不純物を含む反応性気体としてＡｓＨ
3 ，ＰＨ3 ，ＢＦ3 ，ＢＣｌ3 ，Ｂ（ＣＨ3 ）3 等を用いることができる。
【００１４】
半導体としては、従来のウェファー状の単結晶のシリコン半導体に加えて、ＴＦＴを作
製するのであれば、気相成長法やスパッタ法等によって成膜した非晶質シリコン半導体薄
膜が一般的には用いられる。また、液相成長によって絶縁基板上に作製した多結晶または
単結晶のシリコン半導体でも本発明が適用できる。さらに、シリコン半導体に限定されず
、他の半導体であってもよいことはいうまでもない。
【００１５】
レーザー光としては、パルス発振型のエキシマレーザー装置を用いることが有用である
。これは、パルス発振レーザーでは、試料の加熱が瞬間的で、しかも表面だけに限定され
、基板に影響を与えないからである。連続発振レーザーによる加熱は、上記のような非熱
平衡状態を実現することが不可能な上、局所的な加熱であるがゆえ、加熱部分と基板との
熱膨張の著しい違いなどによって、加熱部分が剥離してしまうことがある。この点、パル
スレーザーでは、熱緩和時間は、熱膨張のような機械的応力の反応時間に比べて圧倒的に
小さく、機械的なダメージを与えない。
【００１６】
特に、エキシマーレーザー光は、紫外光であり、シリコンを初めとする多くの半導体に
効率良く吸収される上、パルスの持続時間は１０ｎｓｅｃと短い。また、エキシマーレー
ザーは既に、アモルファスシリコン薄膜をレーザー照射によって結晶化させて、結晶性の
高い多結晶シリコン薄膜を得るという実験に使用された実績がある。具体的なレーザーの
種類としては、ＡｒＦエキシマレーザー（波長１９３ｎｍ）、ＸｅＣｌエキシマレーザー
（波長３０８ｎｍ）、ＸｅＦエキシマレーザー（波長３５１ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレー
ザー（２４８ｎｍ）等を用いることが適当である。
【００１７】
本発明においては、半導体表面を加熱あるいは冷却しても構わない。半導体表面の温度
を制御することによって、不純物の拡散を促進あるいは抑制することが可能となるので、
本発明を実施する者は、目的とする不純物濃度や拡散深さを得るために温度制御をおこな
うことが勧められる。
【００１８】
本発明において、不純物ガスの分解を促進するために、直流や交流の電気エネルギーを
用いて、不純物ガスをプラズマ化することも有効である。この目的のために加えられる電
磁エネルギーとしては、１３．５６ＭＨｚの高周波エネルギーが一般的である。この電磁
エネルギーによるドーピングガスの分解によって、ドーピングガスを直接分解できないレ
ーザー光を用いた場合でも効率よくドーピングを行うことができる。電磁エネルギーの種
類としては、１３．５６ＭＨｚの周波数に限定されるものではなく、例えば２．４５ＧＨ
ｚのマイクロ波を用いるとさらに高い活性化率を得ることができる。さらに２．４５ＧＨ
ｚのマイクロ波と８７５ガウスの磁場との相互作用で生じるＥＣＲ条件を用いてもよい。
また、ドーピングガスを直接分解できる光エネルギーを用いることも有効である。
【００１９】
本発明の装置の概念図を図３および図４に示す。図３は基板加熱装置を具備したもの、
図４は、それに加えてプラズマを発生させる為の電磁装置をも具備したものを示している
。これらの図面は概念的なものであるので、当然のことながら、実際の装置においては、
必要に応じてその他の部品を具備することがある。以下、その使用方法について概説する
。
【００２０】
図３において、試料３０４は試料ホルダー３０５上に設置される。最初に、チャンバー
３０１は排気装置に接続した排気系３０７によって真空排気される。この場合には、でき
るだけ高真空に排気することが望まれる。すなわち、大気成分である炭素や窒素、酸素は
半導体にとっては一般に好ましくないからである。このような元素は、半導体中に取り込
まれるが、同時に添加された不純物の活性度を低下させることがある。また、半導体の結
晶性を損ない、粒界における不対結合手の原因となる。したがって、１０-6ｔｏｒｒ以下
、好ましくは１０-8ｔｏｒｒ以下にまでチャンバー内を真空引きすることが望まれる。
【００２１】
また、排気と前後してヒーター３０６を作動させ、チャンバー内部に吸着した大気成分
を追い出すことも望ましい。現在の真空装置において使用されているように、チャンバー
以外に予備室を設け、チャンバーが直接、大気に触れないような構造とすることも望まし
い。当然のことながら、ロータリーポンプや油拡散ポンプに比べて、炭素等の汚染の少な
いターボ分子ポンプやクライオポンプを用いることが望ましい。
【００２２】
十分に排気されたら、反応性ガスをガス系３０８によって、チャンバー内に導入する。
反応性ガスは、単独のガスからなっていても、あるいは水素やアルゴン、ヘリウム、ネオ
ン等で希釈されていてもよい。また、その圧力は大気圧でも、それ以下でもよい。これら
は、目的とする半導体の種類と、不純物濃度、不純物領域の深さ、基板温度等を考慮して
選択される。
【００２３】
次に窓３０２を通して、レーザー光３０３が試料に照射される。このとき、試料はヒー
ターによって、一定の温度に加熱されている。レーザー光は、１か所に付き通常１〜５０
パルス程度照射される。レーザーパルスのエネルギーのばらつきが極めて大きな状態で、
あまりパルス数がすくない場合には不良発生の確率が大きい。一方、あまりにも多くのパ
ルスを１か所に照射することは量産性（スループット）の面から望ましくない。本発明人
の知見では、上記のパルス数が量産性からも、歩留りの点からも妥当であった。
【００２４】
この場合、例えばレーザーのパルスが１０ｍｍ（ｘ方向）×３０ｍｍ（ｙ方向）の特定
の長方形の形状をしていた場合に、同じ領域にレーザーパルスを１０パルスを照射し、終
了後は、次の部分に移動するという方法でもよいが、レーザーを１パルスにつき、ｘ方向
に１ｍｍづつ移動させていってもよい。
【００２５】
レーザー照射が終了したら、チャンバー内を真空排気し、試料を室温まで冷却して、試
料を取り出す。このように、本発明では、ドーピングの工程は極めて簡単であり、かつ、
高速である。すなわち、従来のイオン注入プロセスであれば、（１）ドーピングパターン
の形成（レジスト塗布、露光、現像）
（２）イオン注入（あるいはイオンドーピング）
（３）再結晶化という、３工程が必要であった。しかしながら、本発明では、（１）ドー
ピングパターンの形成（レジスト塗布、露光、現像）
（２）レーザー照射という２工程で完了する。
【００２６】
図４の装置においても、図３の場合とほぼ同じである。最初にチャンバー４０１内を排
気系４０７によって真空排気し、ガス系４０８より反応性ガスを導入する。そして、試料
ホルダー４０５上の試料４０４に対して、窓４０２を通して、レーザー光４０３を照射す
る。そのときには高周波もしくは交流（あるいは直流）電源４１０から、電極４０９に電
力を投入し、チャンバー内部にプラズマ等を発生させて、反応性ガスを活性な状態とする
。図では電極は容量結合型に示されているが、誘導（インダクタンス）結合型であっても
よい。さらに、容量結合型であっても、試料ホルダーを一方の電極として用いてもよい。
また、レーザー照射時には、ヒーター４０６によって試料を加熱してもよい。
【００２７】
図５には本発明の他のドーピング処置装置の様子を示す。すなわち、チャンバー５０１
には、無水石英ガラス製のスリット状の窓５０２が設けられている。レーザー光は、この
窓に合わせて細長い形状に成形される。レーザーのビームは、例えば１０ｍｍ×３００ｍ
ｍの長方形とした。なおレーザー光の位置は固定されている。チャンバーには、排気系５
０７、および反応性ガスを導入するためのガス系５０８が接続されている。また、チャン
バー内には試料ホルダー５０５が設けられ、その上には試料５０４が乗せられ、試料ホル
ダーの下には赤外線ランプ（ヒーターとして機能する）５０６が設けられている。試料ホ
ルダーは可動であり、試料をレーザーのショットに合わせて移動することができる。
【００２８】
このように、試料の移動のための機構がチャンバー内に組み込まれている際には、ヒー
ターによる試料ホルダーの熱膨張によって狂いが生じるので、温度制御には細心の注意が
必要である。また、試料移送機構によってホコリが生じるので、チャンバー内のメンテナ
ンスは面倒である。
【００２９】
図６（Ａ）には本発明の他のドーピング処置装置の様子を示す。すなわち、チャンバー
６０１には、無水石英ガラス製の窓６０２が設けられている。この窓は実施例３の場合と
異なり、試料６０４全面を覆うだけの広いものである。チャンバーには、排気系６０７、
および反応性ガスを導入するためのガス系６０８が接続されている。また、チャンバー内
には試料ホルダー６０５が設けられ、その上には試料６０４が乗せられ、試料ホルダーは
ヒーターが内蔵されている。試料ホルダーはチャンバーに固定されている。チャンバーの
下部にはチャンバーの台６０１ａが設けられており、レーザーのパルスに合わせて、チャ
ンバー全体を移動させることによって、逐次、レーザー照射をおこなう。レーザーのビー
ムは、図５の場合と同じく、細長い形状である。例えば、５ｍｍ×１００ｍｍの長方形と
した。図５と同様、レーザー光の位置は固定されている。図６では、図５と異なり、チャ
ンバー全体が移動する機構を採用する。したがって、チャンバー内には機械部分が存在せ
ず、ホコリ等が生じないのでメンテナンスが容易である。また、移送機構が、ヒーターの
熱の影響を受けることは少ない。
【００３０】
図６の例では、図５の例に比べて上記のような点で優れているだけでなく、以下のよう
な点でも優れている。すなわち、図５の方式では、試料をチャンバーに入れてから、十分
な真空度まで真空排気できるまでレーザー放射をおこなえなかった。すなわちデッドタイ
ムが多かった。しかし、図６の例では、図６（Ａ）のようなチャンバーを多数用意し、そ
れぞれ、順次、試料装填、真空排気、レーザー照射、試料取り出し、というように回転さ
せてゆけば、上記のようなデッドタイムは生じない。そのようなシステムを図６（Ｂ）に
示した。
【００３１】
すなわち、未処理の試料を内蔵したチャンバー６１７、６１６は、排気工程の間に連続
的な搬送機構６１８によって、精密な移動がおこなえるステージを有する架台６１９に向
かう。ステージ上のチャンバー６１５には、レーザー装置６１１から放射され、適当な光
学装置６１２、６１３で加工されたレーザー光が窓を通して中の試料に照射される。ステ
ージを動かすことによって、必要なレーザー照射がおこなわれたチャンバー６１４は、再
び、連続的な搬送機構６２０によって次の段階に送られ、その間にチャンバー内のヒータ
ーは消灯し、排気され、十分温度が下がってから、試料が取り出される。
【００３２】
このように、本実施例では連続的な処理がおこなえることによって、排気待ちの時間を
削減することができ、スループットを向上させられる。もちろん、図６の場合には、スル
ープットは向上するけれども、その分、図５の場合よりチャンバーを多く必要とするので
、量産規模や投資規模を考慮して実施すべきである。
【００３３】
以上、図５、図６の例では、レーザービームの形状は細長い線状の長方形であったが、
もちろん、長方形や正方形であってもよい。この場合には図７に示すように、半導体ウェ
ファー等の基板を適当な数の領域（図７では３２）に分割し、これに順次、レーザーを照
射してゆくという方式を採用してもよい。例えば、レーザーの繰り返し周波数が２００Ｈ
ｚであれば、ウェファー上の一箇所を処理する時間が０．１秒であり、ウェファーが上下
左右（図７の矢印）に移動する時間を考慮しても、１枚のウェファーを処理する時間は１
０秒弱である。ウェファーの自動搬送をおこなえば、１時間に２００枚以上のウェファー
を処理できる。この生産性は従来の方式に優るとも劣らない。
【００３４】
なお、同様なレーザードーピング処理装置に関しては、特願平３−２８３９８１（平成
３年１０月４日出願）、同３−２９０７１９（平成３年１０月８日出願）、同４−１００
４７９（平成３年３月２６日出願）に記述されている。本発明によって、例えば、チャネ
ル長が０．５μｍ以下のデバイスを再現性良く作製することができ、また、深さ０．１μ
ｍ以下の拡散領域（不純物領域）を形成することができる。逆に本発明は、このような条
件のデバイスを形成する上で特長を示す。以下に実施例を示し、より詳細に本発明を説明
する。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によって、チャネル長１．０μｍ以下、典型的には０．１〜０．３μｍのＭＯＳ
デバイスを安定して作製すること、および深さ０．１μｍ以下の浅い不純物領域を作製で
きた。上記の実施例においては単結晶シリコン上の半導体素子についてのものであったが
、多結晶シリコン等を利用した素子に関しても同様に実施してもよいことは言うまでもな
い。このように本発明は工業上有益なものである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の効果を概念的に説明する。
【図２】従来技術の問題点を説明する。
【図３】本発明の半導体処理（不純物ドーピング）装置の概念図を示す。
【図４】本発明の半導体処理（不純物ドーピング）装置の概念図を示す。
【図５】本発明の半導体処理（不純物ドーピング）装置の例を示す。
【図６】本発明の半導体処理（不純物ドーピング）装置の例を示す。
【図７】本発明のレーザー照射方法の例を示す。
【図８】本発明を利用した半導体素子の作製方法の例を示す。
【図９】本発明を利用した半導体素子の作製方法の例を示す。
【図１０】本発明を利用した半導体素子の作製方法の例を示す。
【実施例１】
【００３７】
本発明を用いて、単結晶シリコン基板上にＣＭＯＳ回路を形成した。その作製手順を図
８に示す。まず、単結晶シリコン基板７０１の（１００）
面上に、いわゆるＬＯＣＯＳ法によって、フィールド絶縁物７０２を形成し、さらに、フ
ィールド絶縁物に覆われていない領域の一部にボロンを熱拡散させてＰ型ウェル７０３を
形成した。この状態で、Ｐ型ウェル以外の領域をマスク材７０４で覆って、ジボラン（Ｂ
2 Ｈ6 ）を２体積％含有する雰囲気中で、レーザー 照射し、Ｐ型ウェルの表面から５０
ｎｍまでの領域に、ボロンを拡散させ、Ｐ+ の領域７０５を形成した。（図８（Ａ））
【００３８】
この際には、マスク材７０４としては、耐レーザー性のよいものが好ましいが、必ずし
もレーザー光に対して不透明である必要はない。例えば、窒化珪素や酸化珪素は上記の条
件を満たす。また、炭素膜でもよい。
【００３９】
レーザードーピングは図５に示す装置を用いておこなった。図５に示す装置において、
Ｂ2 Ｈ6 ／Ａｒ雰囲気下で、試料を加熱せずに、レーザー光を照射してボロン（Ｂ）のド
ーピングを行った。レーザーはＫｒＦエキシマーレーザー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２
０ｎｓｅｃ）を使用し、１５０〜３５０ｍＪ／ｃｍ2 のエネルギー密度で、一か所につき
２〜２０ショットの照射をおこなった。このとき、試料の温度を室温以下、好ましくは−
５０℃まで下げると、不純物の拡散が抑制され、不純物のドーピングされたＰ+ 領域７０
５の深さをより浅くできる。しかしながら、ジボランの凝結点、あるいは沸点を下回る温
度にまで下げることは好ましくない。
【００４０】
その後、シリコン基板表面にも同様の操作をおこない、フォスフィンを用いてリンのド
ーピングをおこなうことによってＮ+ 領域７０６を形成した。その後、従来と同様にゲー
ト酸化膜７０７とゲート電極７０８および７０９を形成した。
（図８（Ｂ））
【００４１】
その後、ＰチャネルＴＦＴの領域（図の右側）をマスク材７１０を被覆し、再び、図５
に示すレーザードーピング装置を用いて、ドーピングをおこなった。この際には不純物ガ
スとしてフォスヒオンを使用し、さらに、基板温度を２００〜４５０℃に加熱した。レー
ザーのエネルギーやショット数は先の条件の範囲内とした。この時、試料は加熱されてい
るため先のドーピングのときに比較して拡散が大きく、ソース、ドレイン領域７１１には
リンが深くドーピングされ、Ｎ型化する。これに対してゲート電極の下部の領域は、ゲー
ト絶縁膜とゲート電極がマスクとなりレーザーが照射されず、ドーピングが行われず、Ｎ
+ 型のままである。典型的なドーピング条件は以下の通り。（図８（Ｃ））
雰囲気 ＰＨ3 ５％濃度（Ｈ2 希釈）
試料温度 ３５０度 圧力 ０．０２〜１．００Ｔｏｒ
ｒ レーザー ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）
エネルギー密度 １５０〜３５０ｍＪ／ｃｍ2 パルス数 １０ショッ
ト
【００４２】
同様に、Ｐチャネル型ＴＦＴ（図の右側）に対しても、ジボラン雰囲気でレーザードー
ピングをおこなうことによって、Ｐ型領域を形成し、Ｐチャネル型ＴＦＴを形成すること
ができた。
【００４３】
その後、従来と同様に層間絶縁物７１２を形成し、コンタクトホールを設けて、電極・
配線７１３を形成した。この電極・配線の材料としては、単層の金属もしくは半導体膜で
あっても、例えば、窒化チタンとアルミニウムのような多層膜であっても構わないことは
いうまでもない。
【００４４】
本実施例のトランジスタはチャネル形成領域の表面はゲートに信号を印加しても反転せ
ず、より深い領域がチャネルとなる、いわゆるベリッド・チャネル型のものである。この
ため、ホットエレクトロン等によってゲート絶縁膜が破壊されることが少なく、信頼性が
向上した。
【００４５】
本実施例では、このベリッド・チャネルを形成する際に、レーザードーピング法を使用
したわけであるが、その他にも、例えば、しきい値電圧制御の目的で本発明を使用できる
ことは本実施例の記述から明らかであろう。
【実施例２】
【００４６】
本発明を用いて、フローティングゲートを有するＭＯＳ素子、例えば、ＥＰＲＯＭ、Ｅ
ＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリーを作製した例を図９に示す。まず、単結晶シリコン基板
の（１００）面にフィールド絶縁物７５１を選択的に形成し、さらにゲート電極部７５２
、７５３を形成する。ゲート電極部の詳細な構成は、図９（Ｅ）に示される。ここで、７
６１はゲート酸化膜、７６２はリンをドープしたポリシリコンのフローティングゲート、
７６３はリンをドープしたポリシリコンのコントロールゲート、７６４はそれらを覆う絶
縁膜である。
好ましくは、この絶縁膜７６４はコントロールゲート、フローティングゲートの酸化物に
よって構成される。これらを酸化するには陽極酸化法もしくは熱酸化法を用いればよい。
ゲート電極部の幅は０．５μｍとした。陽極酸化法を採用する場合には、湿式あるいは乾
式の２つの方法が用いられるが、それらについては、特願平３−２７８７０５（平成３年
９月３０日出願）また、熱酸化による場合に関しては、特願平３−２７８７０６（平成３
年９月３０日出願）に記載されて方式を用いればよい。
【００４７】
その後、マスク材７５４を選択的に形成し、このマスク材およびゲート電極部をマスク
として、イオン注入法によって、シリコン基板中にリンを注入し、加熱して拡散せしめ、
Ｎ型領域７５５を形成した。このＮ型領域は０．２μｍ程度の深さになるようにした。ま
た、図９（Ａ）に示すように、このとき形成された不純物領域７５５は、ゲート電極部の
下部に回り込んで拡がっている。
【００４８】
次に図９（Ｂ）のように、リンをドープしたポリシリコンの配線７５６を形成し、これ
をワード線とした。しかしながら、不純物領域７５５の抵抗が十分に小さかい場合には、
このようなポリシリコンをわざわざ設けなくとも、不純物領域７５５をワード線とするこ
とができる。
【００４９】
さらに、本発明によって、リンのレーザードーピング処理をおこない、浅い（深さ〜５
０ｎｍ）不純物領域７５７、７５８を形成した。本実施例では、図６に示す装置を用いて
不純物のドーピングを行った。図６（Ｂ）に示すように、１枚のウェファーを内蔵した多
数のチャンバー（６１４〜６１５）を流し、これにレーザー光を照射した。典型的なドー
ピング条件は以下のとおり。
雰囲気 ＰＨ3 ５％濃度（Ｈ2 希釈）
試料温度 室温 圧力 ０．０２〜１．００Ｔｏｒｒ
レーザー ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）
エネルギー密度 １５０〜３５０ｍＪ／ｃｍ2 パルス数 １０ショッ
ト
【００５０】
以上の工程によって、浅い不純物領域が形成された。さらに、従来の方法によって、層
間絶縁物７５９を堆積し、コンタクトホールと金属電極・配線７６０、７６１を形成して
、素子を形成した。図９（Ｄ）には、２つのＥＥＰＲＯＭ素子が記述されており、配線７
６０、７６１がそれぞれのビット線となる。
【００５１】
本実施例では、ゲート電極部の左右において、不純物領域の形状が異なる。すなわち、
一方はゲート電極の下部にまで回り込んだ深い不純物領域７５５であり、他の一方はオー
バーラップが全く無く、むしろゲート電極部の酸化物のためにオフセット領域が形成され
た浅い不純物領域７５７である。実際に生じる回り込みは５０ｎｍ以下である。この結果
、フローティングゲートにキャリヤーを注入する際には、図９（Ｅ）に矢印で示すように
深い不純物領域から注入される。
【実施例３】
【００５２】
本発明を用いて、低濃度ドレイン（ＬＤＤ）構造を用いたＭＯＳＦＥＴを作製した例を
図１０に示す。まず、従来の方法によって、単結晶シリコン基板８０１上にフィールド絶
縁物８０２を形成し、ゲート絶縁膜８０３、ゲート電極８０４を堆積する。そして、本発
明のレーザードーピング法を用いて、燐をドープし、浅い（深さ５０ｎｍ）低濃度Ｎ- 型
不純物領域８０５を形成した。
（図１０（Ａ））
【００５３】
その後、酸化珪素膜８０６を堆積し（図１０（Ｂ））、これを異方性エッチングによっ
て、ゲート電極の側壁部分８０７を残して除去した。そして、この状態でイオン注入法に
よって、高濃度の燐イオンを注入し、Ｎ+ 領域８０８を形成した。この際には、先のＮ-
領域８０５は側壁の下部のみが残り、ＬＤＤ領域８０９が形成された。（図１０（Ｃ））
【００５４】
最後に、層間絶縁物８１０と金属電極・配線８１１を形成して素子を完成させた。本実
施例では、従来の方式と本発明のドーピング方法を組み合わせてＬＤＤを形成したが、例
えば、本発明人等の出願である、特願平３−２３８７１０（平成３年８月２６日出願）、
特願平３−２３８７１１（平成３年８月２６日出願）
、特願平３−２３８７１２（平成３年８月２６日出願）等の方法を使用してもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１０１ 基板
１０２、１０３ 拡散領域（ソース、ドレイン）
１０４ ゲート絶縁膜
１０５ ゲート電極
２０１ 基板
２０２、２０３ 拡散領域（ソース、ドレイン）
２０４ ゲート絶縁膜
２０５ ゲート電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の不純物領域と、第２の不純物領域と、前記第１の不純物領域と前記第２の不純物領域との間に形成されたチャネル形成領域と、を含む半導体と、
前記チャネル形成領域上に形成された、フローティングゲートと、コントロールゲートと、前記フローティングゲートと前記コントロールゲートとを覆う絶縁膜と、
前記半導体及び前記絶縁膜上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜に形成されたコンタクトホールを介して前記第２の不純物領域に接続された配線と、を有し、
前記第１の不純物領域は、前記フローティングゲートとオーバーラップしており、
前記第２の不純物領域は、前記フローティングゲートとオーバーラップがなく、
前記第２の不純物領域は、前記絶縁膜の下部への回り込みが５０μｍ以下で、深さが前記第１の不純物領域よりも浅く０．１μｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１】
第１の不純物領域と、第２の不純物領域と、前記第１の不純物領域と前記第２の不純物領域との間に形成されたチャネル形成領域と、を含む半導体と、
前記チャネル形成領域上に形成された、フローティングゲートと、コントロールゲートと、前記フローティングゲートと前記コントロールゲートとを覆う絶縁膜と、
前記半導体及び前記絶縁膜上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜に形成されたコンタクトホールを介して前記第２の不純物領域に接続された配線と、を有し、
前記第１の不純物領域は、前記フローティングゲートとオーバーラップしており、
前記第２の不純物領域は、前記フローティングゲートとオーバーラップがなく、
前記第２の不純物領域は、前記絶縁膜の下部への回り込みが５０μｍ以下で、深さが前記第１の不純物領域よりも浅く０．１μｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−４５３７４（Ｐ２０１０−４５３７４Ａ）
【公開日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０７７２３（Ｐ２００９−２０７７２３）
【出願日】平成２１年９月９日（２００９．９．９）
【分割の表示】特願２００７−４８３４２（Ｐ２００７−４８３４２）の分割
【原出願日】平成４年１０月３０日（１９９２．１０．３０）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月９日（２００９．９．９）
【分割の表示】特願２００７−４８３４２（Ｐ２００７−４８３４２）の分割
【原出願日】平成４年１０月３０日（１９９２．１０．３０）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
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