차세대반도체연구회

일본 독립행정법인 산업기술종합연구소(AIST)의 계측 프론티어 연구부문의 활성종 계측기술 연구 그룹은 실리콘 반도체의 결정성을 저하시키지 않고, 500eV 이하의 초저에너지로 이온주입을 실시하는 기술을 개발하고, 표면으로 부터 10nm 이하 영역에로의 도핑과 저저항화를 실현하였다. [ 개요 ] 실리콘에 이종(異種)원소를 도핑하여 전기특성를 제어하는 경우에는 수십 keV 이상의 에너지로 이온주입을 하는 기술이 이용되고있다. 그러나, 주입된 영역이 비정질화하기 때문에 결정구조를 회복하기 위한 열처리가 필요하게 된다. 이 열처리에 의해 도판트가 열확산되어 버리기 때문에, 표면으로부터 얕은 영역으로의 도입은 곤란하였다. 앞으로의 실리콘 반도체제조기술에서는 고집적화를 위해서 두께 10nm 이하의 얕은 영역에서 도핑하는 기술이 요청되고있어 이번 기술개발은 그에 부응하는 것이라고 할 수 있을 것이다. [ 개발의 배경 ] 실리콘 반도체 디바이스의 고집적화의 진행과 함께 향후 반드시 해결해야 할 기술 과제가 국제 반도체 기술 로드맵(ITRS)에 정리되어 있다. ITRS에 의하면, 향후 소자의 미세화에 수반하여, 전기전도제어를 위해 도입되는 불순물을 고농도로 유지하면서 보다 얕은 소스/드레인 접합을 형성하는 기술이 필요하며, 2009년 시점에서 요구되는 불순물 농도 프로파일의 두께는 약 8.0nm, pMOS의 시트 저항은 1.8kohm/square가 될 것으로 예측된다. 지금까지 사용되어 온 수MeV~수십keV의 이온 주입 기술을 이용한 이온 주입법은 실리콘 결정 내부에 다량의 격자결함 및 격자간 원자의 무너짐현상을 유발하기 때문에, 결정성의 회복을 위해 활성화 열처리 공정이 반드시 필요하다. 도핑층이 10nm 이하의 두께인 아주 얕은영역을 형성하기 위해서는, 예를 들어 이온주입 에너지를 수keV로 낮추어도, 기존 프로세스에서는 도판트의 열확산을 동반하기 때문에, 열처리가 불필요한 프로세스가 필요하다. 특히 p형 불순물인 보론은 실리콘 격자간 거리에 비해 원자 반경이 작아 실리콘 결정 안으로 확산되기 쉽기 때문에 보론이 도프된 극히 얕은접합의 형성은 매우 중요한 과제이다. 현재로서는 기술적인 해결법이 발견되지 않고있어, B10H14나 B18H22 따위의 분자이온을 이용한 수 keV의 이온주입 등이 검토되고있지만, 10nm 이하의 얕은 영역으로의 보론도입과 저저항화의 양쪽 모두의 실현은 달성되고 있지않다. [연구의 경위] 일본 산업기술종합연구소는 질량 분리한 이온을 1000eV 이하의 저에너지로 제어하여 이온을 조사할 때, 고속 중성입자에 의한 손상의 억제가 가능한 초저에너지 이온 조사 장치를 개발하고(그림3), 이 장치에 대한 다양한 응용 가능성을 검토해 온 바 있다. 이번 연구는 상기 장치를 실리콘 반도체 제조 공정에서 보론의 극히 얕은 접합을 형성에 적용하고, 표면에서 10nm 이하의 얕은 영역에 보론을 도입함과 동시에 저저항화를 실현한 것이다. [개발 기술의 내용] 전극을 형성한 Si(100) 단결정 웨이퍼에 표면 보호막의 역할을 하는 1nm 두께의 산화막을 형성하고, 질량 분리한 보론이온(원자질량11)을 조사하였다. 이온이 잔류가스와의 충돌에 의해 고속 중성입자에 변환되는 것을 억제하기 위해 챔버의 도달 진공도를 1.3x10^-8Pa로 제어하고, 이온 조사 중에는 6.0x10^-7Pa로 제어하였다. 저에너지 이온조사에 의한 실리콘 결정의 무너짐 현상이나 다량의 격자결함 및 격자간 원자형성이 억제되는 것은 사실이나, 소량의 격자간 원자가 형성되기 때문에, 이온 조사 과정 중에 실리콘을 가열하여 스트레인을 완화하는 것이 보다 유리하다는 사실이 확인되었다. 가열 온도를 실리콘 결정 중의 보론 확산이 일어나지 않는 800℃ 이하로 설정하고, 이온 조사 후 시트 저항의 기판 온도 의존성을 조사한 결과, 온도가 높을수록 저항이 낮아지는 것으로 확인되었다. 이것은 고온에서 이온을 조사하는 것이 실리콘 결정 내부의 결함을 줄여 보론의 활성화 과정이 좋아지기 때문이다. 실리콘 결정을 800℃로 가열하여 이온의 조사 에너지 의존성을 살펴본 결과, 이온 에너지가 300eV일 때 가장 낮은 저항이 나타났으며, 이 때의 저항값은 2.8kohm/square이었고, 이동도는 87을 나타내었다(그림4). 이온 조사에너지가 500eV인 경우에는 시트저항값이 3.0kohm/square이었고, 2차이온질량분석(SIMS)에 의한 깊이방향으로의 분석결과에 의하면(그림5), 보론10은 표면으로부터 1nm의 영역에만 존재하고 있다. 한편, 보론11은 그보다도 1000배 많은 농도로 표면에서 깊숙하게 침입하여 있고, 이것은 오염레벨이 아닌 이온주입에 의해 도입된 보론11이라는 것을 알 수 있었다. 보론주입량이 최대치의 10%가되는 깊이를 보론주입깊이라고 규정하면, 보론11의 주입깊이는 8nm인 것으로 나타났다. 즉, 500eV 이하의 초저에너지 이온주입에 의해 표면에서 10nm 이하의 영역에 보론을 도입하여 접합의 저저항화를 실현한 것이다. [향후 예정] 상기 기술을 차세대 반도체 공정기술에 적용하기 위해서는 실현 저항값을 더욱 낮추고, 이온 조사 영역의 대면적화와 균일성을 확보하는 등의 과제를 해결할 필요가 있다. 따라서 산업기술종합연구소는 향후 반도체 제조 장치 업체와의 연계를 통해 기술의 최적화를 도모할 계획이다 *일본산업기술종합연구소 홈페이지 참조(http://www.aist.go.jp)