JP2006253659A - Doping method and method of manufacturing field effect transistor - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書に開示する発明は、発生させたイオンの質量分離を行わないイオンドーピング装置によるドーピング方法、及び当該方法を適用した電界効果型トランジスタの作製方法に関するものである。 The invention disclosed in this specification relates to a doping method using an ion doping apparatus that does not perform mass separation of generated ions, and a method for manufacturing a field-effect transistor to which the method is applied.
電界効果型トランジスタなどの半導体素子の作製工程において、絶縁表面を有する基板上に形成された半導体膜、半導体基板などの被処理体にドナー不純物又はアクセプタ不純物を導入する際、イオン注入装置又はイオンドーピング装置が用いられる。イオン注入装置は、質量分離器により不要なイオン種を分離し、所望のイオン種のみを処理室内に配置された被処理体に照射することができる、質量分離型の装置である。そのため、所望のイオン種の正確なドーズ量の制御が可能である。 In the step of manufacturing a semiconductor element such as a field effect transistor, an ion implantation apparatus or an ion doping is performed when a donor impurity or an acceptor impurity is introduced into a semiconductor film formed on a substrate having an insulating surface or an object to be processed such as a semiconductor substrate. A device is used. The ion implantation apparatus is a mass separation type apparatus that can separate unnecessary ion species by a mass separator and irradiate only a desired ion species to an object to be processed disposed in a processing chamber. Therefore, it is possible to control the exact dose amount of the desired ion species.
一方イオンドーピング装置は、質量分離器を備えていないため、イオン源で生成したプラズマから引きだされた、イオンビームに含まれるすべてのイオン(以下、本明細書ではトータルイオンという)が、処理室内に配置された被処理体に照射される、非質量分離型の装置である。そのため、所望のイオン種のみならず不要なイオン種も含むトータルイオンでドーズ量をカウントすることになり、所望のイオン種の正確なドーズ量の制御は困難である。 On the other hand, since the ion doping apparatus does not include a mass separator, all ions (hereinafter referred to as total ions in this specification) extracted from the plasma generated by the ion source are included in the processing chamber. This is a non-mass separation type apparatus that irradiates the object to be processed disposed in the apparatus. Therefore, the dose amount is counted by total ions including not only the desired ion species but also unnecessary ion species, and it is difficult to accurately control the dose amount of the desired ion species.
以下、本明細書では、イオン注入装置とは質量分離器を備えた装置であり、イオンドーピング装置とは質量分離器を備えていない装置であると定義する。 Hereinafter, in this specification, an ion implantation apparatus is an apparatus provided with a mass separator, and an ion doping apparatus is defined as an apparatus not provided with a mass separator.
ドナーとしてリンを用いる場合は例えばPH3(フォスフィン)を水素で希釈したもの、アクセプタとしてホウ素を用いる場合は例えばB2H6(ジボラン)を水素で希釈したものが、原料ガスとして用いられる。イオン源において、原料ガスは正イオンと電子に分離、即ち電離され、プラズマが生成する。そしてプラズマからイオンビームが引きだされる。上記のように原料ガスは水素を含むため、生成したプラズマ中には多量の水素イオンが含まれている。この水素イオンは不要なイオン種である。 When phosphorus is used as the donor, for example, PH 3 (phosphine) diluted with hydrogen, and when boron is used as the acceptor, for example, B 2 H 6 (diborane) diluted with hydrogen is used as the source gas. In the ion source, the source gas is separated into positive ions and electrons, that is, ionized, and plasma is generated. An ion beam is then extracted from the plasma. Since the source gas contains hydrogen as described above, a large amount of hydrogen ions are contained in the generated plasma. This hydrogen ion is an unnecessary ion species.
イオンドーピング装置では、水素イオンを含むトータルイオンでドーズ量をカウントするため、たとえトータルイオンのドーズ量が変化しなくても、プラズマの状態に依存してトータルイオン中の所望のイオン種の割合が変化する。この場合、所望のイオン種のみのドーズ量は変化してしまう。 In the ion doping apparatus, the dose amount is counted by total ions including hydrogen ions, so even if the dose amount of the total ions does not change, the ratio of the desired ion species in the total ions depends on the plasma state. Change. In this case, the dose amount of only the desired ion species changes.
ところで、電界効果型トランジスタのしきい値電圧Vthを制御するために、チャネル領域が形成される部分に不純物としてホウ素を低濃度にドーピングする、いわゆるチャネルドープを行う際、半導体基板又は半導体膜中のホウ素の濃度を精密に制御することが求められる。しかしながら、イオンドーピング装置ではこの精密な制御は困難であるため、チャネルドープ工程のみ、イオン注入装置を用いることがある。 Incidentally, in order to control the threshold voltage Vth of a field effect transistor, when so-called channel doping is performed in which a portion where a channel region is formed is doped with boron as an impurity at a low concentration, the semiconductor substrate or the semiconductor film Therefore, it is required to precisely control the boron concentration. However, since this precise control is difficult with an ion doping apparatus, an ion implantation apparatus may be used only for the channel doping process.
イオンドーピング装置には、マススペクトル測定器を備えているものがあり、それを用いることで所望のイオン種の割合を監視することができる。ただし、チャネルドープのように低濃度にホウ素をドーピングする条件では、ホウ素の化合物のイオン、即ち所望のイオン種は上記マススペクトル測定器によって測定されないという問題がある。 Some ion doping apparatuses include a mass spectrum measuring device, and the ratio of a desired ion species can be monitored by using the ion doping apparatus. However, under the condition of doping boron at a low concentration as in channel doping, there is a problem that ions of boron compounds, that is, desired ion species are not measured by the mass spectrometer.
特許文献1に記載の発明は、このような低濃度に不純物をドーピングする条件であっても、イオンドーピング装置に備わっているマススペクトル測定器(E×Bと称する)により、H3 +イオンに基づく強いピークが測定されることに注目したものである。即ち、H3 +イオンに基づくピークの強度と、SIMS(二次イオン質量分析法)によって測定された被処理体中のホウ素の濃度との相関関係を見いだして、ホウ素のドーズ量を制御しようとする発明である。
In the invention described in
しかしながら、特許文献1に記載の発明を採用しても、低濃度に不純物をドーピングする条件では、被処理体中のホウ素の濃度が安定せず、そのばらつきが依然として小さくないことがわかった。そのため、ホウ素のドーズ量を正確に制御できたとはいえず、上記発明を改良する必要に迫られていた。
本明細書に開示する発明は、特許文献1に記載の発明とは異なる方法により、ドーピング後の被処理体中のドナー不純物又はアクセプタ不純物の濃度を制御し、その濃度のばらつきを小さくすることを目的とする。また、電界効果型トランジスタ、例えば薄膜トランジスタのしきい値電圧について、ばらつきを小さくすると共に、所定の範囲内の値になるように制御することを目的とする。
The invention disclosed in this specification controls the concentration of donor impurities or acceptor impurities in the object to be processed after doping by a method different from the invention described in
本明細書に開示する発明は、
マススペクトルから求められたトータルイオン中のドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物のイオンの割合X(0<X<1)とドーピングがおこなわれた第1の被処理体中の前記ドナー不純物又はアクセプタ不純物のピーク濃度Yに関する第1の関係式から、前記イオンの割合Xの変化に対応して、前記ピーク濃度Yを得るために必要なトータルイオンのドーズ量D1を求める過程と、
前記ドーピングの際に使用した原料ガスを用い、トータルイオンのドーズ量を前記過程で求めたD1の値、加速電圧を前記ドーピングの際の所定の値として、イオンドーピング装置によって第2の被処理体に対し前記ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物のイオンをドーピングする過程を有することを特徴とする。
The invention disclosed in this specification is
The ratio X (0 <X <1) of the ion of the compound of the donor impurity or acceptor impurity in the total ions obtained from the mass spectrum and the amount of the donor impurity or acceptor impurity in the first object to be doped. From the first relational expression related to the peak concentration Y, a process of obtaining a total ion dose D 1 required to obtain the peak concentration Y in response to a change in the ion ratio X;
Using a raw material gas used in the doping, the value of D 1 to obtain the dose of total ion in the process, the acceleration voltage as a predetermined value at the time of the doping, the second treated by an ion doping apparatus And a step of doping the body with ions of a compound of the donor impurity or the acceptor impurity.
本明細書に開示する他の発明は、
マススペクトルから求められたトータルイオン中のドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物のイオンの割合X(0<X<1)とドーピングがおこなわれた第1の被処理体中の前記ドナー不純物又はアクセプタ不純物のピーク濃度Yに関する第1の関係式、及び前記ドーピングがおこなわれた第1の被処理体を用いて作製された電界効果型トランジスタのしきい値電圧と前記ピーク濃度Yに関する第2の関係式から、前記イオンの割合Xの変化に対応して、前記しきい値電圧を得るために必要なトータルイオンのドーズ量D1を求める過程と、
前記ドーピングの際に使用した原料ガスを用い、トータルイオンのドーズ量を前記過程で求めたD1の値、加速電圧を前記ドーピングの際の所定の値として、イオンドーピング装置によって第2の被処理体に対し前記ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物のイオンをドーピングする過程を有することを特徴とする。
Other inventions disclosed in this specification are:
The ratio X (0 <X <1) of the ion of the compound of the donor impurity or acceptor impurity in the total ions obtained from the mass spectrum and the amount of the donor impurity or acceptor impurity in the first object to be doped. From the first relational expression related to the peak concentration Y and the second relational expression related to the threshold voltage of the field-effect transistor manufactured using the first object to be doped and the peak concentration Y A process of obtaining a total ion dose D 1 required to obtain the threshold voltage in response to a change in the ion ratio X;
Using a raw material gas used in the doping, the value of D 1 to obtain the dose of total ion in the process, the acceleration voltage as a predetermined value at the time of the doping, the second treated by an ion doping apparatus And a step of doping the body with ions of a compound of the donor impurity or the acceptor impurity.
ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物を水素で5%以上40%以下の第1の濃度に希釈した原料ガスを用いるヘビードープの条件の場合、使用するイオンドーピング装置に備わっているマススペクトル測定器によって、水素イオンに基づくピークの他に上記不純物の化合物のイオンに基づくピークが測定される。上記アクセプタ不純物の化合物とは例えばB2H6、上記ドナー不純物の化合物とは例えばPH3であり、B2H6の場合の上記不純物の化合物のイオンとして主にB2Hy +イオン(yは正の整数)が挙げられる。上記イオンの割合Xが0.1以上になれば、上記第1の濃度は5%以下であってもよい。上記第1の濃度は、原料ガスの流量に対する当該原料ガスに含まれるドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物の流量の比から計算される。後述する第2の濃度についても同様である。流量比は体積比と言い換えられる。 In the case of a heavy doping condition using a source gas obtained by diluting a compound of a donor impurity or an acceptor impurity with hydrogen to a first concentration of 5% or more and 40% or less, the mass spectrum measuring device provided in the ion doping apparatus to be used In addition to the ion-based peak, a peak based on the ion of the impurity compound is measured. The acceptor impurity compound is, for example, B 2 H 6 , and the donor impurity compound is, for example, PH 3. In the case of B 2 H 6 , ions of the impurity compound are mainly B 2 H y + ions (y Is a positive integer). If the ion ratio X is 0.1 or more, the first concentration may be 5% or less. The first concentration is calculated from the ratio of the flow rate of the compound of donor impurities or acceptor impurities contained in the raw material gas to the flow rate of the raw material gas. The same applies to the second density described later. Flow rate ratio is paraphrased as volume ratio.
このヘビードープの条件では、上記マススペクトル測定器によって、ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物のイオンに基づくピーク、及び水素イオンに基づくピークが測定される。各ピークは1本に限らず複数本測定されることがある。これらのピーク強度の和に対する上記不純物の化合物のイオンに基づくピーク強度の比から、トータルイオン中の上記不純物の化合物のイオンの割合X(0<X<1)を求めることができる。例えば、H+イオン、H2 +イオン、H3 +イオン及びB2Hy +イオン(yは正の整数)に基づくピークが測定され、これらのピークの強度比はそれぞれ10:5:100:50であった場合、B2Hy +イオンの割合Xは0.30である。これは、50を10、5、100及び50の和である165で割った値である。 Under this heavy doping condition, a peak based on ions of a compound of a donor impurity or an acceptor impurity and a peak based on hydrogen ions are measured by the mass spectrometer. Each peak is not limited to a single peak, and a plurality of peaks may be measured. From the ratio of the peak intensity based on the ion of the impurity compound to the sum of these peak intensities, the ratio X (0 <X <1) of the ion of the impurity compound in the total ions can be obtained. For example, peaks based on H + ions, H 2 + ions, H 3 + ions, and B 2 H y + ions (y is a positive integer) are measured, and the intensity ratio of these peaks is 10: 5: 100: In the case of 50, the ratio X of B 2 H y + ions is 0.30. This is 50 divided by 165, which is the sum of 10, 5, 100 and 50.
上記原料ガスに含まれる希釈用のガスとして、水素の代わりにヘリウム、アルゴンなどの希ガスを用いてもよい。 As a dilution gas contained in the source gas, a rare gas such as helium or argon may be used instead of hydrogen.
上記ヘビードープの条件では、トータルイオンのドーズ量が一定であっても、トータルイオン中のドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物のイオンの割合Xは変化する。これは、イオンドーピング装置のイオン源において生成するプラズマの状態は時間の経過によって変化する、即ちプラズマの状態は長期間にわたって安定しているわけではないことに起因する。 Under the heavy doping conditions, even if the dose amount of the total ions is constant, the ratio X of ions of the compound of the donor impurity or the acceptor impurity in the total ions changes. This is because the state of the plasma generated in the ion source of the ion doping apparatus changes with time, that is, the state of the plasma is not stable over a long period of time.
上記イオンの割合Xが求められた後、上記化合物を第1の濃度と同じ濃度又は第1の濃度より低い第2の濃度に水素で希釈した原料ガスを用い、所定の加速電圧にて、使用するイオンドーピング装置を変更せずに第1の被処理体に対し上記ドナー不純物又はアクセプタ不純物のドーピングをおこなう。その際に、トータルイオンのドーズ量D0(cm−2)を測定しておくことが必要である。第2の濃度は5%以上であってもよく、例えば第1の濃度が15%であれば第2の濃度を7.5%の濃度とすることができる。原料ガスに含まれる希釈用のガスとして、水素の代わりにヘリウム、アルゴンなどの希ガスを用いてもよい。 After the ion ratio X is determined, the compound is used at a predetermined acceleration voltage using a source gas diluted with hydrogen to the same concentration as the first concentration or a second concentration lower than the first concentration. The donor impurity or acceptor impurity is doped into the first object to be processed without changing the ion doping apparatus. At that time, it is necessary to measure the dose amount D 0 (cm −2 ) of the total ions. The second concentration may be 5% or more. For example, if the first concentration is 15%, the second concentration can be 7.5%. As a dilution gas contained in the source gas, a rare gas such as helium or argon may be used instead of hydrogen.
被処理体とは、絶縁表面を有する基板上に形成された半導体膜、半導体基板など、ドーピングがおこなわれる対象物である。このドーピングは、例えばチャネルドープを目的とし、その場合上記濃度やドーズ量はチャネルドープの条件とする。 An object to be processed is an object to be doped, such as a semiconductor film or a semiconductor substrate formed over a substrate having an insulating surface. This doping is for the purpose of channel doping, for example. In this case, the above-mentioned concentration and dose amount are channel doping conditions.
その後、SIMS(二次イオン質量分析法)などの分析法によって、第1の被処理体中のドナー不純物又はアクセプタ不純物のピーク濃度Y(cm−3)を分析する。ピーク濃度とは、横軸を被処理体の表面からの深さ、縦軸を上記ドナー不純物又はアクセプタ不純物の濃度として表したプロファイルにおいて、その不純物の濃度の最大値である。ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物のイオンの割合Xが得られるプラズマ状態での、第1の被処理体中のドナー不純物又はアクセプタ不純物のピーク濃度Yは、Xの値によって変化することから、関係式Y=aX+b(a,bは実数)を求め、これを「式1」とする。
Thereafter, the peak concentration Y (cm −3 ) of the donor impurity or acceptor impurity in the first object to be processed is analyzed by an analysis method such as SIMS (secondary ion mass spectrometry). The peak concentration is the maximum value of the impurity concentration in a profile in which the horizontal axis represents the depth from the surface of the object to be processed and the vertical axis represents the concentration of the donor impurity or acceptor impurity. Since the peak concentration Y of the donor impurity or acceptor impurity in the first object to be processed in the plasma state in which the ion ratio X of the compound of the donor impurity or acceptor impurity is obtained varies depending on the value of X. Y = aX + b (a and b are real numbers) is obtained and is defined as “
「式1」は、イオンドーピング装置により第1の被処理体にドーピングがおこなわれる際のトータルイオンのドーズ量が特定の値、即ちD0においてのみ成り立つ。任意のトータルイオンのドーズ量D1(cm−2)においては、関係式Y=(D1/D0)(aX+b)を用い、これを「式1’」とする。なお、D1/D0は、D0を分母としD1を分子とした分数を示す。
“
「式1’」から、ドナー不純物又はアクセプタ不純物のピーク濃度Yの所望の値に対応する、トータルイオンのドーズ量D1を求めることができる。このドーズ量D1は、電子計算機によって求められる。そして、トータルイオンのドーズ量を、求められたD1の値に補正し、他の条件は変更せずに、第2の被処理体にドーピングをおこなえばよい。
From “
一方、上記被処理体に対するドーピングの工程を経て作製された電界効果型トランジスタのしきい値電圧Vth(V)は、上記SIMSなどの分析法により得られたピーク濃度Y又はピーク濃度Yの平方根によって変化する。したがって、これらの関係式Vth=cY+d又はVth=cY1/2+d(c,dは実数)を求め、これを「式2」とする。
On the other hand, the threshold voltage V th (V) of the field effect transistor manufactured through the doping process on the object to be processed is the peak concentration Y obtained by the analysis method such as SIMS or the square root of the peak concentration Y. It depends on. Therefore, these relational expressions V th = cY + d or V th = cY 1/2 + d (where c and d are real numbers) are obtained, and this is referred to as “
「式1’」を「式2」に代入することによって関係式Vth=c(D1/D0)(aX+b)+d又はVth=c(D1/D0)1/2(aX+b)1/2+dが得られ、所望のしきい値電圧Vthに対応するトータルイオンのドーズ量D1を求めることができる。このドーズ量D1もまた、電子計算機によって求められる。
By substituting “
「式1」を求める際に使用したイオンドーピング装置において、トータルイオンのドーズ量をD1の値になるように補正し、半導体膜又は半導体基板に対しドーピングをおこない、この半導体膜又は半導体基板を用いて電界効果型トランジスタを作製する。上記ドーピングの際、ドーズ量以外の条件は、SIMSなどの分析法により分析される第1の被処理体にドーピングをおこなったときの条件と同じにする。
In ion doping apparatus used in determining the "
ところで、ヘビードープの条件とチャネルドープの条件とを比較すると、原料ガス中のドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物、例えばB2H6の濃度はヘビードープの条件よりもチャネルドープの条件の方が低く、更にチャネルドープの条件のトータルイオンのドーズ量を低くする。そのため、同一のイオンドーピング装置を用い、ヘビードープの条件で装置のイオン源に原料ガスを導入しプラズマを生成させ、引き続きチャネルドープの条件でドーピングをおこなう際、導入される原料ガス中の上記不純物の化合物の濃度、トータルイオンのドーズ量などの条件を変更すると共に、変更後の条件に安定させることが重要である。 By the way, when the conditions for heavy doping and channel doping are compared, the concentration of donor impurities or acceptor impurities in the source gas, for example, B 2 H 6 , is lower in the channel doping conditions than in the heavy doping conditions. The dose amount of total ions under the channel doping condition is lowered. Therefore, when the same ion doping apparatus is used, the source gas is introduced into the ion source of the apparatus under the heavy doping condition to generate plasma, and when doping is subsequently performed under the channel doping condition, the impurities in the introduced source gas are introduced. It is important to change the conditions such as the concentration of the compound and the dose amount of the total ions, and to stabilize the conditions after the change.
しかしながら、トータルイオンのドーズ量に比べて、原料ガス中のドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物の濃度は、安定するまでに非常に時間がかかるという問題がある。その問題を解決するために、次に説明する処理工程を採用することができる。 However, there is a problem that the concentration of the compound of the donor impurity or the acceptor impurity in the raw material gas takes much time to stabilize as compared with the dose amount of the total ions. In order to solve the problem, the processing steps described below can be employed.
チャネルドープの条件でドーピングをおこなう前に、原料ガスの供給を停止し、イオンドーピング装置のイオン源に導入するガスをその原料ガス中に含まれていた希釈用のガスに切り替える。例えば、B2H6を水素で希釈したものを原料ガスとして用いていた場合は水素(H2濃度100%が好ましい)に切り替え、B2H6をアルゴンで希釈したものを原料ガスとして用いていた場合はアルゴン(Ar濃度100%が好ましい)に切り替える。そして、イオン源においてプラズマを生成させ、引き出されたイオンビームをダミー基板に照射する第1のプラズマ処理を所定の時間おこなう。ダミー基板に用いる基板は、ガラス基板、シリコン基板などであり、真空排気系が接続された処理室(チャンバー)内のステージ上に配置される。
Before doping is performed under channel doping conditions, the supply of the source gas is stopped, and the gas introduced into the ion source of the ion doping apparatus is switched to the dilution gas contained in the source gas. For example, when a material diluted with hydrogen of B 2 H 6 is used as the source gas, it is switched to hydrogen (preferably H 2 concentration of 100%), and a material diluted with argon of B 2 H 6 is used as the source gas. If it is, switch to argon (preferably
その後、希釈用のガスの供給を停止し、上記真空排気系で処理室内を排気する。それから、ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物を上記ヘビードープの条件より低い濃度に希釈した原料ガスを上記イオン源に供給し、この原料ガスを用いたチャネルドープの条件で、ダミー基板にイオンビームを照射する第2のプラズマ処理を所定の時間おこなう。 Thereafter, the supply of the gas for dilution is stopped, and the processing chamber is exhausted by the vacuum exhaust system. Then, a source gas obtained by diluting a compound of a donor impurity or an acceptor impurity to a concentration lower than the heavy doping condition is supplied to the ion source, and the dummy substrate is irradiated with an ion beam under a channel doping condition using the raw material gas. The second plasma treatment is performed for a predetermined time.
第1のプラズマ処理をおこなわない場合、原料ガス中の上記不純物の化合物の濃度を安定させるために、第2のプラズマ処理を2時間程度おこなう必要がある。第1のプラズマ処理をおこなうことによって、第1のプラズマ処理に要する時間と第2のプラズマ処理に要する時間の合計を2時間よりも短くすることができる。 When the first plasma treatment is not performed, the second plasma treatment needs to be performed for about 2 hours in order to stabilize the concentration of the impurity compound in the source gas. By performing the first plasma treatment, the total time required for the first plasma treatment and the time required for the second plasma treatment can be made shorter than two hours.
第2のプラズマ処理が終了したら、ステージ上のダミー基板を、SIMSなどの分析法による分析がおこなわれる第1の被処理体に交換し、第2のプラズマ処理をおこなったときの条件のまま、その被処理体にドーピングをおこなう。 When the second plasma treatment is completed, the dummy substrate on the stage is replaced with a first object to be analyzed by an analysis method such as SIMS, and the conditions for performing the second plasma treatment are maintained. The object to be processed is doped.
第1のプラズマ処理をおこなった場合、第1のプラズマ処理をおこなわず第2のプラズマ処理のみをおこなった場合に比べて、ドーピング後の被処理体中のドナー不純物又はアクセプタ不純物の濃度のばらつきを小さくすることができ、その結果被処理体のシート抵抗のばらつきを小さくすることができる。 When the first plasma treatment is performed, the concentration of the donor impurity or the acceptor impurity in the processed object after doping is more varied than when only the second plasma treatment is performed without performing the first plasma treatment. As a result, variation in sheet resistance of the object to be processed can be reduced.
本明細書に開示する発明により、次の効果が得られる。
1)電界効果型トランジスタを作製する際に、イオンドーピング装置を用いた場合であっても、目的のしきい値電圧が得られる。
2)作製された電界効果型トランジスタのしきい値電圧のばらつきを小さくすることができる。
3)イオンドーピング装置を用いてドーピングした被処理体中におけるドナー不純物又はアクセプタ不純物のピーク濃度のばらつきを小さくすることができる。
4)チャネルドープのような低濃度にドーピングする場合でも、イオン注入装置が不要になるため、電界効果型トランジスタの製造コストを下げることができる。
5)イオンドーピング装置に導入する原料ガス中の上記ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物の濃度を、第1の濃度からそれよりも低い第2の濃度に変更する際に、変更後の第2の濃度に安定させることが容易になる。
The following effects are obtained by the invention disclosed in this specification.
1) When a field effect transistor is manufactured, a target threshold voltage can be obtained even if an ion doping apparatus is used.
2) Variation in threshold voltage of the manufactured field effect transistor can be reduced.
3) Variation in the peak concentration of donor impurities or acceptor impurities in an object to be processed doped using an ion doping apparatus can be reduced.
4) Even when doping is performed at a low concentration such as channel doping, an ion implantation apparatus is not required, and therefore the manufacturing cost of a field effect transistor can be reduced.
5) When changing the concentration of the compound of the donor impurity or acceptor impurity in the source gas introduced into the ion doping apparatus from the first concentration to a second concentration lower than the first concentration, the second concentration after the change It becomes easy to stabilize.
(実施の形態1)
本明細書に開示する発明に使用するイオンドーピング装置について、図1を用いて以下にその一例を説明する。
(Embodiment 1)
An example of an ion doping apparatus used in the invention disclosed in this specification will be described below with reference to FIG.
図1はイオンドーピング装置の概略図を示している。ガス導入口101には、水素又は希ガス(ヘリウム、アルゴンなど)で希釈されたB2H6などの原料ガス、水素、及び希ガスを供給しうるガス供給系102が接続されている。ガス供給系102からイオン源103のプラズマ生成部104に、原料ガス、水素、又は希ガスが導入され、プラズマ生成部104内でプラズマが生成する。イオン源103は、更に、放電発生手段106と、引き出し電極、加速電極、減速電極、接地電極を有する電極部107とを備えている。電極部107は引き出し電極系とも称され、上記4つの電極それぞれにはイオンビーム108が通過できる複数の穴が開けられている。図1に記載したVEXTは引き出し電圧、VACCは加速電圧、VDECは減速電圧を意味する。
FIG. 1 shows a schematic diagram of an ion doping apparatus. A
図1に示す放電発生手段106は、タングステンに代表される2000℃以上の高温に耐えられる高融点材料でなるフィラメントであり、プラズマ生成部104内に露出するように設けられている。フィラメントの数は、図1に示す1本に限定されず複数本とすることができる。このフィラメントに直流電源105から電圧を印加し、直流放電を発生させることにより、プラズマ生成部104内に導入されたガスを電離させてプラズマを生成させる。上記のようなフィラメントに代えて、高周波(RF)電源に接続された、平板電極又は特定形状のアンテナを用い、高周波放電を発生させることによりプラズマを生成させる方式でもよい。
The discharge generating means 106 shown in FIG. 1 is a filament made of a high melting point material that can withstand a high temperature of 2000 ° C. or more typified by tungsten, and is provided so as to be exposed in the
プラズマ生成部104内で生成したプラズマから、イオンビーム108が引き出されそして加速されて、処理室109内に設けられたステージ110上の基板111に照射される。ステージ110は、基板111と共に所定の方向に動かせる構造のものであり、大型基板に対応できるようになっている。
The
処理室109には、マススペクトル測定器113及びドーズ量測定手段114が、ステージ110の後方(下方)に設けられている。ステージ110は上述のように可動であるため、ステージ110にさえぎられずに、イオンビーム108をマススペクトル測定器113及びドーズ量測定手段114に入射させることは可能である。また、処理室109には、ターボ分子ポンプなどの公知の真空ポンプを用いた真空排気系112が接続されている。処理室109にロードロック室を直接又は間接に接続させ、そのロードロック室と処理室109との間で、基板111を自動的に搬送できる手段を設けてもよい。
In the
次に、図1に示すイオンドーピング装置を用いて、前述した「式1」「式1’」「式2」を導出する過程の具体例を、以下に示す。
Next, a specific example of the process of deriving the above-described “
プラズマ生成部104に導入する原料ガスとしてB2H6を水素で5%の濃度に希釈したものを用い、トータルイオンのドーズ量を2.0×1016cm−2、加速電圧を80kVに調整する。これらの値は、ヘビードープの条件に該当する。この条件において、トータルイオン中のホウ素の化合物のイオンの割合Xを、マススペクトル測定器113による測定結果から求める。
A source gas introduced into the
図2は、マススペクトル測定器113による測定結果、即ちマススペクトルを表すグラフであり、横軸はイオンの質量、縦軸は強度を表している。質量の小さい方から順に、H+イオン、H2 +イオン、H3 +イオン、及びB2Hy +イオン(yは正の整数)に基づくピークがそれぞれ測定される。これらのピークの他に、BHx +イオン(xは正の整数)に基づくピークが測定される場合がある。しかし、BHx +イオンの量はB2Hy +イオンの量に比べて極めて少ないため、BHx +イオンに基づくピークは、B2Hy +イオンに基づくピークに比べて非常に小さく、定量に適さない。図2に示す結果から、B2Hy +イオンの割合Xを計算すると0.174となる。
FIG. 2 is a graph showing a measurement result by the mass
図3は比較例として示す、マススペクトル測定器113による測定結果(マススペクトル)を表すグラフである。原料ガスとしてB2H6を水素で1%の濃度に希釈したものを用い、トータルイオンのドーズ量は1.3×1014cm−2、加速電圧は25kVである。これらの値はチャネルドープの条件に該当する。この条件では、図3から明らかなように、H2 +イオンに基づくピーク及びH3 +イオンに基づくピークが測定されるのみで、図2では顕著に見られたB2Hy +イオンに基づくピークはほとんど判別できない。そのため、図3に示す結果から、B2Hy +イオンの割合Xを正確に求めることはできない。
FIG. 3 is a graph showing a measurement result (mass spectrum) by the mass
トータルイオン中のB2Hy +イオンの量は、原料ガス中のB2H6の濃度への依存性が大きいため、B2Hy +イオンの割合Xを高い精度で求めることは、原料ガス中のB2H6の濃度が1%では不可能であり、5%以上の濃度であれば充分可能である。但し、B2H6は危険なガスなので、通常はB2H6の濃度が40%を超えるものを原料ガスとして使用することはない。また、原料ガス中のB2H6の濃度は必ず5%以上でなければならないわけではなく、マススペクトルから求められるB2Hy +イオンの割合Xが0.1以上例えば0.174以上になれば、5%以下であってもよい。 The amount of B 2 H y + ions in total ions, since a large dependence on the concentration of B 2 H 6 in the raw material gas, to obtain the percentage X of B 2 H y + ions with high accuracy, the raw material If the concentration of B 2 H 6 in the gas is 1%, it is impossible, and a concentration of 5% or more is sufficient. However, since B 2 H 6 is a dangerous gas, a gas having a B 2 H 6 concentration exceeding 40% is not usually used as a raw material gas. Further, the concentration of B 2 H 6 in the raw material gas does not necessarily have to be 5% or more, and the ratio X of B 2 H y + ions obtained from the mass spectrum is 0.1 or more, for example, 0.174 or more. If so, it may be 5% or less.
図4及び図5は、図2と同じ条件で測定した結果(マススペクトル)を表すグラフであり、図4に示す結果からB2Hy +イオンの割合Xを計算すると0.292となり、図5に示す結果からB2Hy +イオンの割合Xを計算すると0.374となる。更に、マススペクトル測定器による測定を複数回おこなうことで、様々なB2Hy +イオンの割合Xを求めたところ、Xの値は0.1〜0.4の範囲で変化する結果となった。 4 and 5 are graphs showing the results (mass spectrum) measured under the same conditions as in FIG. 2. When the ratio X of B 2 H y + ions is calculated from the results shown in FIG. When the ratio X of B 2 H y + ions is calculated from the result shown in FIG. Furthermore, by performing multiple measurements by mass spectrometry instrument, was determined the ratio X of the various B 2 H y + ions, the value of X is a result of changes in the range of 0.1 to 0.4 It was.
図2、図4及び図5は、互いに1週間以上異なる日に測定した結果である。一方、同日に複数回マススペクトル測定器113により測定しても、B2Hy +イオンの割合Xは変化しない結果となった。この結果は、同日ではイオンドーピング装置のプラズマ生成部104内で生成するプラズマの状態は変化しないが、1週間以上経過するとプラズマの状態は変化することを示している。
2, 4 and 5 show the results of measurement on different days for one week or more. On the other hand, even when the mass
次に、原料ガスを、B2H6を水素で1%の濃度に希釈したものに変更すると共に、トータルイオンのドーズ量を1.3×1014cm−2、加速電圧を25kVに変更し、ステージ110上に基板111としてシリコンを主成分とする半導体膜が形成されたガラス基板を配置し、その半導体膜に対しドーピングをおこなう。このドーピング工程では、B2Hy +イオンの割合Xを与えたプラズマの状態が維持されている。ドーピングをおこなった後、本実施の形態ではSIMSによってその半導体膜中のホウ素のピーク濃度Y(cm−3)を分析する。
Next, the source gas was changed to B 2 H 6 diluted to 1% concentration with hydrogen, the total ion dose was changed to 1.3 × 10 14 cm −2 , and the acceleration voltage was changed to 25 kV. A glass substrate on which a semiconductor film containing silicon as a main component is formed as a
図6は、SIMSにより分析したホウ素の濃度の深さ方向分布であり、横軸は深さ(nm)、縦軸はホウ素の濃度(cm−3)を表す。図6において、表面から深さ20nm付近までの範囲は、測定上の問題により実際のホウ素の濃度分布を反映していない。そのため、20nmよりも深い領域におけるホウ素の濃度の最大値をピーク濃度Yとする。 FIG. 6 is a depth direction distribution of boron concentration analyzed by SIMS, where the horizontal axis represents depth (nm) and the vertical axis represents boron concentration (cm −3 ). In FIG. 6, the range from the surface to a depth of about 20 nm does not reflect the actual boron concentration distribution due to measurement problems. Therefore, the maximum concentration of boron in a region deeper than 20 nm is defined as the peak concentration Y.
図7は、横軸をトータルイオン中のB2Hy +イオンの割合X、縦軸をホウ素のピーク濃度Yとし、Xの値に対応するYの値をプロットした結果である。また、この結果から、XとYの関係を直線近似したところ、関係式Y=3.1×1018X−2.5×1017が導出される。これは「式1」に該当する。また、「式1」より関係式Y=(D1/(1.3×1014))(3.1×1018X−2.5×1017)が得られ、これが「式1’」に該当する。D1は、任意のトータルイオンのドーズ量である。
FIG. 7 is the result of plotting the value of Y corresponding to the value of X, with the horizontal axis representing the ratio X of B 2 H y + ions in total ions and the vertical axis representing the peak concentration Y of boron. From this result, when the relationship between X and Y is linearly approximated, a relational expression Y = 3.1 × 10 18 X−2.5 × 10 17 is derived. This corresponds to “
次に、原料ガス中のB2H6の濃度、トータルイオンのドーズ量、及び加速電圧を、変更後と同じ条件にしてチャネルドープをおこなったシリコンを主成分とする半導体膜を活性層(チャネル形成領域)として用い、チャネル長L、チャネル幅W、LDD長を所定の大きさとし、ゲート絶縁膜を所定の厚さとするNチャネル型薄膜トランジスタを作製し、そのしきい値電圧Vth(V)を測定する。LDD長とは、LDD領域におけるチャネル長と同じ方向の長さのことである。なお、必ずしもLDD領域を設ける必要はない。本実施の形態では、チャネル長を1μm、チャネル幅を20μm、LDD長を0.2μm、ゲート絶縁膜の厚さを40nmとする。また、ゲート絶縁膜として、SiOxNy膜(x>y>0)を用いる。酸化珪素膜をゲート絶縁膜として用いてもよい。 Next, a semiconductor film mainly composed of silicon doped with channel under the same conditions as those after the change of the concentration of B 2 H 6 in the source gas, the dose of total ions, and the acceleration voltage is changed to the active layer (channel N channel type thin film transistor having a channel length L, a channel width W, and an LDD length of a predetermined size and a gate insulating film having a predetermined thickness is used, and the threshold voltage V th (V) is set. taking measurement. The LDD length is the length in the same direction as the channel length in the LDD region. Note that the LDD region is not necessarily provided. In this embodiment mode, the channel length is 1 μm, the channel width is 20 μm, the LDD length is 0.2 μm, and the thickness of the gate insulating film is 40 nm. Further, a SiO x N y film (x>y> 0) is used as the gate insulating film. A silicon oxide film may be used as the gate insulating film.
図8は、縦軸をNチャネル型薄膜トランジスタのしきい値電圧Vthとし、横軸をそのNチャネル型薄膜トランジスタの活性層であるシリコンを主成分とする半導体膜中のホウ素のピーク濃度Yとし、Yに対応するVthの値をプロットした結果である。この結果から、VthとYの関係を直線近似したところ、関係式Vth=2.1×10−18Y−0.11が導出される。これは「式2」に該当する。
In FIG. 8, the vertical axis represents the threshold voltage Vth of the N-channel thin film transistor, and the horizontal axis represents the peak concentration Y of boron in the semiconductor film mainly composed of silicon which is the active layer of the N-channel thin film transistor. It is the result of plotting the value of Vth corresponding to Y. From this result, when the relationship between V th and Y is linearly approximated, a relational expression V th = 2.1 × 10 −18 Y−0.11 is derived. This corresponds to “
図9は、縦軸をNチャネル型薄膜トランジスタのしきい値電圧Vthとし、横軸をそのNチャネル型薄膜トランジスタの活性層であるシリコンを主成分とする半導体膜中のホウ素のピーク濃度Yの平方根とし、Yの平方根に対応するVthの値をプロットした結果である。この結果から、VthとYの平方根との関係を直線近似したところ、関係式Vth=3.7×10−9Y1/2−1.7が導出される。これも「式2」に該当する。図9に示す関係式の相関係数は、図8に示す関係式の相関係数とそれほど変わらない結果となった。
In FIG. 9, the vertical axis represents the threshold voltage Vth of an N-channel thin film transistor, and the horizontal axis represents the square root of the peak concentration Y of boron in a semiconductor film mainly composed of silicon which is the active layer of the N-channel thin film transistor. And the value of Vth corresponding to the square root of Y is plotted. From this result, when the relationship between V th and the square root of Y is linearly approximated, a relational expression V th = 3.7 × 10 −9 Y 1/2 −1.7 is derived. This also corresponds to “
ところで、メタルと酸化物と半導体が積層されたMOS構造において、当該半導体表面の導電型が反転するしきい値電圧は、当該半導体がP型である場合は当該半導体中のアクセプタ不純物の濃度(cm−3)の平方根に比例することが知られている。N型である場合は、当該半導体中のドナー不純物の濃度(cm−3)の平方根に比例する。このことを考慮すると、図9から導出される関係式を「式2」として選択するのが望ましい。しかし、図8から導出された関係式と図9から導出された関係式とを比較すると、ホウ素のピーク濃度Yが高い範囲、例えば5×1017cm−3以上では、両者に大きな違いはない。 By the way, in a MOS structure in which a metal, an oxide, and a semiconductor are stacked, the threshold voltage at which the conductivity type of the semiconductor surface is inverted is the acceptor impurity concentration (cm) in the semiconductor when the semiconductor is P-type. It is known that it is proportional to the square root of -3 ). In the case of N-type, it is proportional to the square root of the concentration (cm −3 ) of the donor impurity in the semiconductor. Considering this, it is desirable to select the relational expression derived from FIG. However, when the relational expression derived from FIG. 8 is compared with the relational expression derived from FIG. 9, there is no significant difference between the two in the range where the peak concentration Y of boron is high, for example, 5 × 10 17 cm −3 or more. .
以上により、「式1」「式1’」「式2」それぞれに該当する関係式が得られる。
As described above, relational expressions corresponding to “
(実施の形態2)
チャネルドープ工程にイオンドーピング装置を用いて、Nチャネル型薄膜トランジスタを作製する場合、そのNチャネル型薄膜トランジスタのしきい値電圧Vthを、所望の値(本実施の形態では+1.0Vとする)に近づけるために必要な、チャネルドープをおこなう際のトータルイオンのドーズ量を求める過程を、以下に示す。
(Embodiment 2)
In the case where an N-channel thin film transistor is manufactured using an ion doping apparatus in the channel doping process, the threshold voltage V th of the N-channel thin film transistor is set to a desired value (in this embodiment, +1.0 V). The process for obtaining the dose amount of total ions when performing channel doping, which is necessary for the approach, will be described below.
本明細書の実施の形態1で得られた「式2」より、+1.0Vのしきい値電圧を得るために必要な、シリコンを主成分とする半導体膜(活性層として用いられる)中のホウ素のピーク濃度Yは、5.3×1017cm−3である。
From “
B2Hy +イオンの割合Xが0.30のとき、実施の形態1で得られた「式1’」に、X=0.30及びY=5.3×1017cm−3を適用して計算すると、D1=1.0×1014cm−2が導出される。この結果から、Nチャネル型薄膜トランジスタのしきい値電圧Vthを+1.0Vにするために必要な、チャネルドープをおこなう際のトータルイオンのドーズ量D1は、1.0×1014cm−2であることがわかる。なお、チャネルドープ工程において使用する原料ガスは、実施の形態1において、「式1」「式1’」「式2」を導出する際に使用した、B2H6を水素で1%の濃度に希釈したものとする。
When the ratio X of B 2 H y + ions is 0.30, X = 0.30 and Y = 5.3 × 10 17 cm −3 are applied to “
X=0.30を例として計算したが、所望のしきい値電圧を得るために必要なトータルイオンのドーズ量D1は、B2Hy +イオンの割合Xによって変化する。そのため、B2Hy +イオンの割合Xが変化するにしたがって、トータルイオンのドーズ量を補正することによって、しきい値電圧を目標とする値に近づけることができる。 Although X = 0.30 was calculated as an example, the total ion dose D 1 required to obtain a desired threshold voltage varies depending on the ratio X of B 2 H y + ions. Therefore, the threshold voltage can be brought close to the target value by correcting the dose amount of the total ions as the ratio X of B 2 H y + ions changes.
また、「式1’」を「式2」に代入して、関係式Vth=2.1×10−18(D1/(1.3×1014))(3.1×1018X−2.5×1017)−0.11又はVth=3.7×10−9(D1/(1.3×1014))1/2(3.1×1018X−2.5×1017)1/2−1.7が求められる。この関係式を用い、X及びVthの値を特定することで、D1を導出することができる。
Also, by substituting “
イオンドーピング装置には、装置の制御をおこなえる電子計算機が付属していることがある。この電子計算機に、「式1’」及び「式2」、又は「式1’」を「式2」に代入して求めた上記関係式を記憶させ、目的のしきい値電圧Vthを入力すると、そのしきい値電圧を得るのに必要なトータルイオンのドーズ量D1を計算できるようにしてもよい。また、この電子計算機からの出力信号によって、トータルイオンのドーズ量が計算値になるように自動的に補正できるようにしてもよい。
An ion doping apparatus may be accompanied by an electronic computer that can control the apparatus. In this electronic computer, the above relational expression obtained by substituting "Formula 1 '" and "
上記電子計算機は、マススペクトル測定器に接続され、このマススペクトル測定器による測定結果に基づきトータルイオン中の所望のイオン種(本実施の形態の場合はB2Hy +)の割合Xを計算することができる。そして、計算されたXの値に応じて、必要なトータルイオンのドーズ量D1の計算結果は変化するようになっている。 The electronic computer is connected to a mass spectrum measuring device, and calculates a ratio X of a desired ion species (B 2 H y + in the present embodiment) in the total ions based on the measurement result by the mass spectrum measuring device. can do. Then, depending on the value of the calculated X, calculation results of the dose D 1 of the required total ion is adapted to change.
所望のしきい値電圧とは+1.0Vに限らない。Nチャネル型薄膜トランジスタの場合、所望のしきい値電圧を+0.3V〜+1.5V、好ましくは+0.5V〜+1.0Vの範囲の値とすることによって、電気特性が優れ、高い歩留まりを達成することができる。 The desired threshold voltage is not limited to + 1.0V. In the case of an N-channel thin film transistor, by setting the desired threshold voltage to a value in the range of +0.3 V to +1.5 V, preferably +0.5 V to +1.0 V, excellent electrical characteristics and high yield are achieved. be able to.
(実施の形態3)
イオンドーピング装置を用いて、シリコンを主成分とする半導体膜に対してチャネルドープをおこなった後、SIMSによる分析結果から得られるその半導体膜中のホウ素のピーク濃度を、所望の値(本実施の形態では4.4×1017cm−3とする)に近づけるために必要な、ドーピングの際のトータルイオンのドーズ量を求める過程を、以下に示す。
(Embodiment 3)
After channel doping is performed on a semiconductor film containing silicon as a main component using an ion doping apparatus, the peak concentration of boron in the semiconductor film obtained from the analysis result by SIMS is set to a desired value (this embodiment A process for obtaining a dose amount of total ions at the time of doping, which is necessary to approach 4.4 × 10 17 cm −3 in the embodiment, will be described below.
B2Hy +イオンの割合Xが0.30のとき、実施の形態1で得られた「式1’」に、Y=4.4×1017cm−3を適用して計算すると、D1=8.4×1013cm−2が導出される。この結果から、シリコンを主成分とする半導体膜中のホウ素のピーク濃度を4.4×1017cm−3とするために必要なトータルイオンのドーズ量D1は、8.4×1013cm−2であることがわかる。なお、チャネルドープ工程において使用する原料ガスは、実施の形態1において、「式1」「式1’」を導出する際に使用した、B2H6を水素で1%の濃度に希釈したものとする。
When the ratio X of B 2 H y + ions is 0.30, calculation is performed by applying Y = 4.4 × 10 17 cm −3 to “
X=0.30を例として計算したが、所望のホウ素のピーク濃度を得るために必要なトータルイオンのドーズ量D1は、B2Hy +イオンの割合Xによって変化する。そのため、B2Hy +イオンの割合Xが変化するにしたがって、トータルイオンのドーズ量D1を補正することによって、シリコンを主成分とする半導体膜中のホウ素のピーク濃度を所望の値に近づけることができる。 Although X = 0.30 was calculated as an example, the total ion dose D 1 necessary to obtain a desired boron peak concentration varies depending on the ratio X of B 2 H y + ions. Therefore, as the ratio X of B 2 H y + ions changes, the peak concentration of boron in the semiconductor film containing silicon as a main component is brought closer to a desired value by correcting the dose amount D 1 of total ions. be able to.
イオンドーピング装置に付属する電子計算機に、「式1’」を記憶させ、所望のホウ素のピーク濃度Yを入力すると、その濃度を得るのに必要なトータルイオンのドーズ量D1を計算できるようにしてもよい。また、この電子計算機からの出力信号によって、トータルイオンのドーズ量が計算値になるように自動的に補正できるようにしてもよい。
When “
本実施の形態にて説明した過程に基づいて、ホウ素のピーク濃度を4.4×1017cm−3とするために必要なトータルイオンのドーズ量を補正しながらチャネルドープをおこなうことによって、試料を10個作製した。そして、その作製した試料について、SIMSによってホウ素のピーク濃度を分析した。チャネルドープ工程の際、使用する原料ガスはB2H6を水素で1%の濃度に希釈したものとし、加速電圧を25kVとする。その結果、ホウ素のピーク濃度が3×1017cm−3以上4×1017cm−3未満の範囲にある試料は3つ、4×1017cm−3以上5×1017cm−3未満の範囲にある試料は6つ、5×1017cm−3以上6×1017cm−3未満の範囲にある試料は1つであった。
Based on the process described in the present embodiment, the channel doping is performed while correcting the dose amount of the total ions necessary for the boron peak concentration to be 4.4 × 10 17
一方、従来の方法により、イオンドーピング装置を用いてシリコンを主成分とする半導体膜に対してチャネルドープをおこなうことによって、試料を10個作製し、SIMSによってホウ素のピーク濃度を分析した。チャネルドープ工程の際、使用する原料ガスはB2H6を水素で1%の濃度に希釈したものとし、加速電圧を25kVとする。また、トータルイオンのドーズ量を1×1014cm−2に固定する。その結果、ホウ素のピーク濃度が2×1017cm−3以上3×1017cm−3未満の範囲にある試料は3つ、3×1017cm−3以上4×1017cm−3未満の範囲にある試料は3つ、5×1017cm−3以上6×1017cm−3未満の範囲にある試料は2つ、6×1017cm−3以上7×1017cm−3未満の範囲にある試料は1つ、8×1017cm−3以上9×1017cm−3未満の範囲にある試料は1つであった。 On the other hand, ten samples were prepared by performing channel doping on a semiconductor film containing silicon as a main component using an ion doping apparatus by a conventional method, and the peak concentration of boron was analyzed by SIMS. In the channel doping process, the source gas used is B 2 H 6 diluted with hydrogen to a concentration of 1%, and the acceleration voltage is 25 kV. Further, the dose amount of total ions is fixed to 1 × 10 14 cm −2 . As a result, three samples having a boron peak concentration in the range of 2 × 10 17 cm −3 or more and less than 3 × 10 17 cm −3 are 3 × 10 17 cm −3 or more and less than 4 × 10 17 cm −3 . Three samples are in the range, 5 × 10 17 cm −3 or more and less than 6 × 10 17 cm −3 Two samples are in the range, 6 × 10 17 cm −3 or more and less than 7 × 10 17 cm −3 There was one sample in the range, one sample in the range of 8 × 10 17 cm −3 or more and less than 9 × 10 17 cm −3 .
両者の結果を比較すると、従来の方法よりも本実施の形態に従う方が、ホウ素のピーク濃度のばらつきを小さくでき、所望のホウ素のピーク濃度に近い値が得られることが明らかである。 Comparing both results, it is clear that the variation in the peak concentration of boron can be made smaller and the value close to the desired peak concentration of boron can be obtained by following the present embodiment than the conventional method.
(実施の形態4)
本明細書の実施の形態1において、使用する原料ガスをB2H6の濃度が5%のものから1%のものに変更する際におこなう工程について、以下に説明する。
(Embodiment 4)
In the first embodiment of the present specification, a process performed when the source gas used is changed from a 5% B 2 H 6 concentration to a 1% concentration will be described below.
図1に示すイオンドーピング装置のプラズマ生成部104への原料ガス(B2H6を水素で5%に希釈したもの)の供給を止め、供給するガスを水素に切り替える。そして、水素プラズマを生成させ、電極部107を通して引き出されたイオンビーム108を処理室109内のステージ110上に配置されたダミー基板に照射するダミー処理を1時間おこなう。ダミー基板は、ガラス基板、シリコン基板のいずれでもよい。その際、ドーズ量を3×1015cm−2、加速電圧を50kVに設定する。
The supply of the source gas (B 2 H 6 diluted to 5% with hydrogen) to the
その後、プラズマ生成部104への水素の供給を止め、真空排気系112により、処理室109内を1時間にわたって排気する。引き続き、B2H6を水素で1%に希釈した原料ガスをプラズマ生成部104へ供給し、プラズマを生成させ、電極部107を通して引き出されたイオンビーム108を上記ダミー基板に照射するダミー処理を30分間おこなう。その際、トータルイオンのドーズ量を1.3×1014cm−2、加速電圧を25kVに設定する。
Thereafter, the supply of hydrogen to the
その後、ステージ110上のダミー基板を、シリコンを主成分とする半導体膜が形成されたガラス基板に交換する。原料ガス、トータルイオンのドーズ量及び加速電圧などの条件を変更することなく、その半導体膜にドーピングをおこなう。
Thereafter, the dummy substrate on the
本実施の形態においては、実際に半導体膜にドーピングをおこなう前の、ダミー処理に要する時間は1時間30分で済む。
In this embodiment, the time required for the dummy process before doping the semiconductor film actually is only 1
本明細書に開示する発明を適用して、薄膜トランジスタを作製する工程について、以下に説明する。 A process for manufacturing a thin film transistor by applying the invention disclosed in this specification will be described below.
図10(A)に示すように、絶縁表面を有する基板901上に下地層902を形成する。下地層902は、複数の膜からなり、酸素を含む窒化珪素膜、窒素を含む酸化珪素膜、酸化珪素膜、窒化珪素膜のいずれか2つ以上を有する構造とすることができる。基板901と下地層902の間に、又は下地層902を構成するいずれか2つの膜の間に、融点が2000℃以上の高融点金属(例えばタングステン)を主成分とする膜、その高融点金属の化合物を主成分とする膜の一方又は両方を更に設けることができる。
As shown in FIG. 10A, a
下地層902上にシリコンを主成分とする半導体膜、例えば結晶性又は非晶質シリコン膜を形成し、フォトリソグラフィー工程により、この半導体膜から所定形状のパターン903を形成する。
A semiconductor film containing silicon as a main component, for example, a crystalline or amorphous silicon film is formed over the
パターン903に対して、図1に示すようなイオンドーピング装置を用い、チャネルドープをおこなう。チャネルドープをおこなう際、使用する原料ガスはB2H6を水素で1%の濃度に希釈したものであり、加速電圧は25kVとする。そして、トータルイオンのドーズ量は、本明細書の実施の形態2又は実施の形態3にしたがって求められた値に設定される。トータルイオンのドーズ量を設定する際に、本明細書に開示する発明を適用することで、所望のホウ素のピーク濃度、及び所望のしきい値電圧を容易に得ることができる。
Channel doping is performed on the
上記チャネルドープをパターン903を形成する前の半導体膜に対しておこなった後、フォトリソグラフィー工程によりパターン903を形成してもよい。
After performing the channel doping on the semiconductor film before forming the
その後、図10(B)に示すように、パターン903を覆うようにゲート絶縁膜904を形成する。更に、ゲート絶縁膜904上に導電層を形成する。この導電層は、複数の膜からなり、チタン、ニオブ、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、アルミニウム、銅などの金属膜を有する構造とすることができ、その金属膜に加えて導電性の金属窒化物膜を有する構造とすることができる。更に、フォトリソグラフィー工程により、この導電層から所定形状のゲート電極905を形成する。
After that, as shown in FIG. 10B, a
次に、イオンドーピング装置を用い、ゲート電極905をマスクとして、パターン903の斜線で示す部分にリンをドーピングする。このとき、使用する原料ガスはPH3を水素で5%の濃度に希釈したものであり、トータルイオンのドーズ量は2.5×1013cm−2、加速電圧は80kVとする。このドーピングの際に、本明細書に開示する発明を適用して、トータルイオンのドーズ量を、パターン903中のリンのピーク濃度が所望の値になるように設定することができる。
Next, phosphorus is doped into the hatched portion of the
ゲート電極905の少なくとも側面を覆うように且つゲート絶縁膜904上に、サイドウォールを形成するための絶縁層を形成する。この絶縁層は、酸化珪素膜、窒素を含む酸化珪素膜の一方又は両方を有する構造とすることができる。そして、この絶縁層に対し、異方性エッチングをおこなうことによって、図10(C)に示すサイドウォール906を選択的に形成する。
An insulating layer for forming a sidewall is formed so as to cover at least the side surface of the
ゲート電極905及びサイドウォール906をマスクとして、再びリンをドーピングする。このとき、使用する原料ガスはPH3を水素で5%の濃度に希釈したものであり、トータルイオンのドーズ量は3.0×1015cm−2、加速電圧は20kVとする。その結果、パターン903における、サイドウォール906と重なる領域にはリンのドーピングが妨げられるため、ソース領域(ドレイン領域)907及びドレイン領域(ソース領域)908、並びにLDD領域(低濃度不純物領域)909及びLDD領域(低濃度不純物領域)910がパターン903に形成される。パターン903におけるゲート電極905の下部でLDD領域(低濃度不純物領域)909とLDD領域(低濃度不純物領域)910に挟まれた領域は、チャネル形成領域である。
Using the
次に、図10(D)に示すように、層間絶縁層911を形成する。層間絶縁層911は複数の膜からなり、酸素を含む窒化珪素膜、窒素を含む酸化珪素膜、酸化珪素膜、窒化珪素膜のいずれか2つ以上を有する構造とすることができる。
Next, as illustrated in FIG. 10D, an
層間絶縁層911及びゲート絶縁膜904に異方性エッチングをおこない、ソース領域(ドレイン領域)907及びドレイン領域(ソース領域)908の一部を露呈させるコンタクトホールを開孔する。その後、層間絶縁層911上に配線912及び配線913を形成する。配線912及び配線913は、金属を主成分とする膜又は導電性を示す金属化合物膜を有する複数の膜からなる構成とすることができる。配線912及び配線913それぞれは、コンタクトホールを介して、ソース領域(ドレイン領域)907及びドレイン領域(ソース領域)908のいずれか一方と電気的に接続している。
The interlayer insulating
以上説明した工程により、チャネル長、チャネル幅、LDD長を所定の大きさとし、ゲート絶縁膜を所定の厚さとするNチャネル型薄膜トランジスタを作製することができる。 Through the steps described above, an N-channel thin film transistor having a predetermined length for a channel length, a channel width, and an LDD length and a predetermined thickness for a gate insulating film can be manufactured.
101 ガス導入口
102 ガス供給系
103 イオン源
104 プラズマ生成部
105 電源
106 放電発生手段
107 電極部
108 イオンビーム
109 処理室
110 ステージ
111 基板
112 真空排気系
113 マススペクトル測定器
114 ドーズ量測定手段
901 基板
902 下地層
903 パターン
904 ゲート絶縁膜
905 ゲート電極
906 サイドウォール
907 ソース領域(ドレイン領域)
908 ドレイン領域(ソース領域)
909 LDD領域(低濃度不純物領域)
910 LDD領域(低濃度不純物領域)
911 層間絶縁層
912 配線
913 配線
DESCRIPTION OF
908 Drain region (source region)
909 LDD region (low concentration impurity region)
910 LDD region (low concentration impurity region)
911
Claims (12)
第1の原料ガスを用い、トータルイオンのドーズ量を前記過程で求めたD1の値、加速電圧を所定の値として、イオンドーピング装置によって第2の被処理体に対し前記ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物のイオンをドーピングする過程を有し、
前記第1の関係式は、
前記イオンドーピング装置において、前記ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物が水素又は希ガスでなる希釈用のガスで5%以上40%以下の第1の濃度に希釈された第2の原料ガスを用いてプラズマを生成させ、前記マススペクトルから前記イオンの割合Xを求め、
前記化合物が前記第1の濃度と同じ濃度又はそれより低い第2の濃度に前記希釈用のガスで希釈された前記第1の原料ガスを用い、トータルイオンのドーズ量をD0、加速電圧を前記所定の値として、前記イオンドーピング装置によって前記第1の被処理体に対し前記ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物のイオンをドーピングし、前記第1の被処理体中の前記ピーク濃度Yを分析することによって、
a及びbを実数としたとき、Y=(D1/D0)(aX+b)として得られることを特徴とすることを特徴とするドーピング方法。 The ratio X (0 <X <1) of the ion of the compound of the donor impurity or acceptor impurity in the total ions obtained from the mass spectrum and the amount of the donor impurity or acceptor impurity in the first object to be doped. From the first relational expression related to the peak concentration Y, a process of obtaining a total ion dose D 1 required to obtain the peak concentration Y in response to a change in the ion ratio X;
Using a first source gas, the value of D 1 to obtain the dose of total ion in the process, the acceleration voltage as the predetermined value, the donor impurity or an acceptor impurity to the second object to be processed by an ion doping apparatus A process of doping ions of the compound of
The first relational expression is
In the ion doping apparatus, plasma is generated using a second source gas diluted to a first concentration of 5% or more and 40% or less with a dilution gas in which the compound of the donor impurity or the acceptor impurity is hydrogen or a rare gas. And obtaining the ion ratio X from the mass spectrum,
The first source gas diluted with the diluting gas to the same concentration as the first concentration or a second concentration lower than the first concentration is used, the total ion dose is D 0 , and the acceleration voltage is As the predetermined value, the ion doping apparatus is used to dope the ions of the compound of the donor impurity or acceptor impurity into the first object to be processed, and the peak concentration Y in the first object to be analyzed is analyzed. By
A doping method characterized by being obtained as Y = (D 1 / D 0 ) (aX + b) where a and b are real numbers.
第1の原料ガスを用い、トータルイオンのドーズ量を前記過程で求めたD1の値、加速電圧を所定の値として、イオンドーピング装置によって第2の被処理体に対し前記ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物のイオンをドーピングする過程を有し、
前記第1の関係式は、
前記イオンドーピング装置において、前記ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物が水素又は希ガスでなる希釈用のガスで5%以上40%以下の第1の濃度に希釈された第2の原料ガスを用いてプラズマを生成させ、前記マススペクトルから前記イオンの割合Xを求め、
前記化合物が前記第1の濃度と同じ濃度又はそれより低い第2の濃度に前記希釈用のガスで希釈された前記第1の原料ガスを用い、トータルイオンのドーズ量をD0、加速電圧を前記所定の値として、前記イオンドーピング装置によって前記第1の被処理体に対し前記ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物のイオンをドーピングし、前記第1の被処理体中の前記ピーク濃度Yを分析することによって、
a及びbを実数としたとき、Y=(D1/D0)(aX+b)として得られ、
前記第2の関係式は、前記しきい値電圧をVth、c及びdを実数としたとき、Vth=cY1/2+dとして得られることを特徴とするドーピング方法。 The ratio X (0 <X <1) of the ion of the compound of the donor impurity or acceptor impurity in the total ions obtained from the mass spectrum and the amount of the donor impurity or acceptor impurity in the first object to be doped. From the first relational expression related to the peak concentration Y and the second relational expression related to the threshold voltage of the field-effect transistor manufactured using the first object to be doped and the peak concentration Y A process of obtaining a total ion dose D 1 required to obtain the threshold voltage in response to a change in the ion ratio X;
Using a first source gas, the value of D 1 to obtain the dose of total ion in the process, the acceleration voltage as the predetermined value, the donor impurity or an acceptor impurity to the second object to be processed by an ion doping apparatus A process of doping ions of the compound of
The first relational expression is
In the ion doping apparatus, plasma is generated using a second source gas diluted to a first concentration of 5% or more and 40% or less with a dilution gas in which the compound of the donor impurity or the acceptor impurity is hydrogen or a rare gas. And obtaining the ion ratio X from the mass spectrum,
The first source gas diluted with the diluting gas to the same concentration as the first concentration or a second concentration lower than the first concentration is used, the total ion dose is D 0 , and the acceleration voltage is As the predetermined value, the ion doping apparatus is used to dope the ions of the compound of the donor impurity or acceptor impurity into the first object to be processed, and the peak concentration Y in the first object to be analyzed is analyzed. By
When a and b are real numbers, Y = (D 1 / D 0 ) (aX + b) is obtained,
The second relational expression, when said threshold voltage is V th, c and d and real, doping method characterized in that is obtained as V th = cY 1/2 + d.
前記ピーク濃度Yは二次イオン質量分析法(SIMS)により分析されることを特徴とするドーピング方法。 In claim 1 or claim 2,
The doping method, wherein the peak concentration Y is analyzed by secondary ion mass spectrometry (SIMS).
前記第2の原料ガスから前記第1の原料ガスに変更する間に、前記希釈用のガスのプラズマによる、ダミー基板に対するプラズマ処理を所定の時間おこなうことを特徴とするドーピング方法。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
During the change from the second source gas to the first source gas, a plasma processing is performed on the dummy substrate with a plasma of the dilution gas for a predetermined time.
前記アクセプタ不純物の化合物はB2H6(ジボラン)であり、前記アクセプタ不純物の化合物のイオンはB2Hy +イオン(yは正の整数)であることを特徴とするドーピング方法。 In any one of Claims 1 thru | or 4,
The doping method, wherein the acceptor impurity compound is B 2 H 6 (diborane), and the acceptor impurity compound ion is B 2 H y + ion (y is a positive integer).
前記ドーズ量D1は電子計算機によって求められることを特徴とするドーピング方法。 In any one of Claims 1 thru | or 5,
Doping method wherein the dose D 1, characterized in that the determined by the electronic computer.
第1の原料ガスを用い、トータルイオンのドーズ量を前記過程で求めたD1の値、加速電圧を所定の値として、イオンドーピング装置によって絶縁表面を有する基板上に形成された半導体膜又は半導体基板に対し前記ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物のイオンをドーピングする過程を有し、
前記第1の関係式は、
前記イオンドーピング装置において、前記ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物が水素又は希ガスでなる希釈用のガスで5%以上40%以下の第1の濃度に希釈された第2の原料ガスを用いてプラズマを生成させ、前記マススペクトルから前記イオンの割合Xを求め、
前記化合物が前記第1の濃度と同じ濃度又はそれより低い第2の濃度に前記希釈用のガスで希釈された前記第1の原料ガスを用い、トータルイオンのドーズ量をD0、加速電圧を前記所定の値として、前記イオンドーピング装置によって前記被処理体に対し前記ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物のイオンをドーピングし、前記被処理体中の前記ピーク濃度Yを分析することによって、
a及びbを実数としたとき、Y=(D1/D0)(aX+b)として得られることを特徴とする電界効果型トランジスタの作製方法。 The ratio X (0 <X <1) of the donor impurity or acceptor impurity compound ion in the total ions obtained from the mass spectrum and the peak concentration Y of the donor impurity or acceptor impurity in the object to be doped From the first relational expression, the process of obtaining the total ion dose D 1 required to obtain the peak concentration Y in response to the change in the ion ratio X;
Using a first source gas, D 1 value of the dose obtained by the process of total ion, an acceleration voltage of a predetermined value, the semiconductor film or a semiconductor is formed on a substrate having an insulating surface by an ion doping apparatus Doping the substrate with ions of a compound of the donor impurity or acceptor impurity;
The first relational expression is
In the ion doping apparatus, plasma is generated using a second source gas diluted to a first concentration of 5% or more and 40% or less with a dilution gas in which the compound of the donor impurity or the acceptor impurity is hydrogen or a rare gas. And obtaining the ion ratio X from the mass spectrum,
The first source gas diluted with the diluting gas to the same concentration as the first concentration or a second concentration lower than the first concentration is used, the total ion dose is D 0 , and the acceleration voltage is As the predetermined value, by doping ions of the compound of the donor impurity or acceptor impurity to the object to be processed by the ion doping apparatus, and analyzing the peak concentration Y in the object to be processed,
A method of manufacturing a field-effect transistor, wherein Y = (D 1 / D 0 ) (aX + b), where a and b are real numbers.
第1の原料ガスを用い、トータルイオンのドーズ量を前記過程で求めたD1の値、加速電圧を所定の値として、イオンドーピング装置によって絶縁表面を有する基板上に形成された半導体膜又は半導体基板に対し前記ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物のイオンをドーピングする過程を有し、
前記第1の関係式は、
前記イオンドーピング装置において、前記ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物が水素又は希ガスでなる希釈用のガスで5%以上40%以下の第1の濃度に希釈された第2の原料ガスを用いてプラズマを生成させ、前記マススペクトルから前記イオンの割合Xを求め、
前記化合物が前記第1の濃度と同じ濃度又はそれより低い第2の濃度に前記希釈用のガスで希釈された前記第1の原料ガスを用い、トータルイオンのドーズ量をD0、加速電圧を前記所定の値として、前記イオンドーピング装置によって前記被処理体に対し前記ドナー不純物又はアクセプタ不純物の化合物のイオンをドーピングし、前記被処理体中の前記ピーク濃度Yを分析することによって、
a及びbを実数としたとき、Y=(D1/D0)(aX+b)として得られ、
前記第2の関係式は、前記しきい値電圧をVth、c及びdを実数としたとき、Vth=cY1/2+dとして得られることを特徴とする電界効果型トランジスタの作製方法。 The ratio X (0 <X <1) of the donor impurity or acceptor impurity compound ion in the total ions obtained from the mass spectrum and the peak concentration Y of the donor impurity or acceptor impurity in the object to be doped And the second relational expression regarding the threshold voltage and the peak concentration Y of the field-effect transistor manufactured using the object to be processed subjected to the doping, the ion ratio X In response to a change in the total ion dose D 1 required to obtain the threshold voltage;
Using a first source gas, D 1 value of the dose obtained by the process of total ion, an acceleration voltage of a predetermined value, the semiconductor film or a semiconductor is formed on a substrate having an insulating surface by an ion doping apparatus Doping the substrate with ions of a compound of the donor impurity or acceptor impurity;
The first relational expression is
In the ion doping apparatus, plasma is generated using a second source gas diluted to a first concentration of 5% or more and 40% or less with a dilution gas in which the compound of the donor impurity or the acceptor impurity is hydrogen or a rare gas. And obtaining the ion ratio X from the mass spectrum,
The first source gas diluted with the diluting gas to the same concentration as the first concentration or a second concentration lower than the first concentration is used, the total ion dose is D 0 , and the acceleration voltage is As the predetermined value, by doping ions of the compound of the donor impurity or acceptor impurity to the object to be processed by the ion doping apparatus, and analyzing the peak concentration Y in the object to be processed,
When a and b are real numbers, Y = (D 1 / D 0 ) (aX + b) is obtained,
Said second relationship, the threshold voltage V th, when the c and d and real, a method for manufacturing a field effect transistor, characterized in that it is obtained as V th = cY 1/2 + d.
前記ピーク濃度Yは二次イオン質量分析法(SIMS)により分析されることを特徴とする電界効果型トランジスタの作製方法。 In claim 7 or claim 8,
The method of manufacturing a field effect transistor, wherein the peak concentration Y is analyzed by secondary ion mass spectrometry (SIMS).
前記第2の原料ガスから前記第1の原料ガスに変更する間に、前記希釈用のガスのプラズマによる、ダミー基板に対するプラズマ処理を所定の時間おこなうことを特徴とする電界効果型トランジスタの作製方法。 In any one of Claims 7 to 9,
A method for manufacturing a field effect transistor, characterized in that plasma processing is performed on a dummy substrate with plasma of the dilution gas for a predetermined time while changing from the second source gas to the first source gas. .
前記アクセプタ不純物の化合物はB2H6(ジボラン)であり、前記アクセプタ不純物の化合物のイオンはB2Hy +イオン(yは正の整数)であることを特徴とする電界効果型トランジスタの作製方法。 In any one of Claims 7 to 10,
The acceptor impurity compound is B 2 H 6 (diborane), and the acceptor impurity compound ion is B 2 H y + ion (y is a positive integer). Method.
前記ドーズ量D1は電子計算機によって求められることを特徴とする電界効果型トランジスタの作製方法。
In any one of Claims 7 to 11,
The method for manufacturing a field effect transistor wherein a dose D 1, characterized in that the determined by the electronic computer.
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