コンテンツにスキップ
SemiMapサイト内検索

チャネリングとは

THEME 03 トランジスタ形成 · 不純物と熱の作り込みChanneling
← 02THEME 03 トランジスタ形成04 →

チャネリングとは、単結晶の結晶軸や結晶面に沿った方向では原子の間隔が広く空くため、注入イオンが原子との衝突をほとんど避けたまま奥まで入り込む現象です。 加速エネルギーが同じでも、ビームの向きが数度ずれれば、入る深さが変わります。深さを決める変数がエネルギーだけでなく角度にもあることが、この現象の要点です。

浅い接合では、ビームの向きがわずかにずれるだけで、イオンが結晶の隙間を通って設計より深くまで入ってしまいます。角度を大きくずらせば防げますが、ゲートの影による注入の非対称が大きくなります。SiCのパワーデバイスでは逆にこの通り道を狙って使い、低い加速エネルギーで深い層を作ります。

結晶の向きで通りやすさが変わり、裾だけが見積もりより深く伸びる

Section titled “結晶の向きで通りやすさが変わり、裾だけが見積もりより深く伸びる”
向きで変わる原子の並び
ランダム方向結晶軸に沿う向きすぐ衝突して止まる列のあいだが通り道端の原子で集束
ランダム方向では原子が隙間を埋め、イオンはすぐ衝突して止まります。結晶軸に沿う向きでは列のあいだが通り道になり、イオンは端の原子に押し戻されながら奥まで進みます。

イオン注入のイオンとターゲット原子の衝突確率は、両者の距離が離れるほど小さくなります。単結晶には結晶軸や結晶面に沿って原子間隔の広いチャネルがあり、それぞれ軸チャネル、面チャネルと呼びます1。その方向に沿って注入すると、大部分のイオンは原子と衝突せず、電子との小角散乱を繰り返して結晶の内部まで入ります。ウィーン工科大学のWittmannの博士論文は、チャネリングの原因を、チャネル中心で阻止能が低いことに加えて、チャネルの縁の原子による集束効果2にも求めています。同論文は、1 keVから数MeVまでの注入エネルギーでチャネリングが無視できない現象になるとしています2。

止まり方が変わるのは、エネルギーを失う相手が変わるためです。注入イオンは、原子との衝突による核阻止能と、電子との衝突による電子阻止能でエネルギーを失います3。入射直後は電子との衝突が支配的で、エネルギーが下がると原子との衝突が支配的になって静止します。チャネルの中では核阻止能の寄与が減り、電子阻止能だけがゆっくり効きます。そのため、注入の深さを左右する要因には、加速電圧だけでなく入射角度も含まれます。ランダム注入の分布とチャネリングした分布の差は注入イオンの電子阻止能で決まるため、イオン種によって異なります4。

深さの見積もりは、この2つの阻止能から立てます。注入イオンが電子と原子との衝突で軌跡を描いて静止するまでの長さを全飛程5、それを注入方向へ投影した長さを投影飛程Rpと呼びます。LSS理論は6、電子阻止能と核阻止能からRpと深さ方向の標準偏差ΔRpを求め、注入量を与えて深さごとの不純物濃度をガウス分布として出します。実際の分布は左右非対称で、イオンと原子の衝突で広角散乱の確率が増えるため表面側へ偏ります。いまはモンテカルロ法によるシミュレーションで注入分布を正確に求められます。RpとΔRpで引いた見積もりに対して、チャネリングは裾だけを設計より深くへ伸ばします。

通り道と見なされる角度の幅にも限りがあります。チャネリングが起こる臨界角は、注入イオンのエネルギーが高いほど、また原子番号が小さいほど小さくなります1。軽い元素を高いエネルギーで打つ条件ほど、この幅は狭くなります。ホウ素を高加速で入れる条件と、ヒ素を低加速で入れる条件とでは、外すべき角度の余裕が違います。

深い側に伸びる裾が、浅い接合の深さを狂わせる

Section titled “深い側に伸びる裾が、浅い接合の深さを狂わせる”

チャネリングは、目標のピークより深い側に長く伸びる裾（テール）として現れます。接合深さを小さくする形成では、深さ方向にテールを引く分布になるため抑制する必要があります4。

直接影響を受けるのは接合深さです。MOSトランジスタの微細化では、短チャネル効果を抑えるために接合深さを小さくする必要があり、そのためには注入エネルギーの低加速化に加えて、注入後の熱処理による拡散を抑える必要があります7。接合深さを小さくすると抵抗が上がる副作用も出るため、微細なトランジスタでは、深めに取ったソースドレイン拡散層に対し、チャネル端だけ深さを小さくするエクステンション構造を使います。裾はこの浅い部分に直接影響します。

チャネリングが起きるかどうかは向きで決まるため、面内でビームの角度がずれている装置では、ずれている場所だけが深く入ります。注入角度は、ウェーハ側のチルト角、Yチルト角、ツイスト角と、ビーム側の入射角、ビーム発散角、ビーム平行度の組み合わせで決まります8。ウェーハの機械的な位置は搬送系や駆動ユニットで、ビームの方向は輸送制御システムで角度精度が定まります。面内で深さがばらつくときは、レシピより先にこれらの角度を確認します。考え方は均一性と同じです。

抑える手段は角度、プリアモルファス化、イオン種の3つ

Section titled “抑える手段は角度、プリアモルファス化、イオン種の3つ”
傾けた注入とゲートの影
一方向から注入ツイスト角を変えて注入7°影影影注入層注入量が落ちる部分ゲートSi基板
垂直から7度傾けるとゲートの側壁が影を作り、一方向からの注入では片側だけ注入量が落ちます。この非対称があるため、ツイスト角を変えて注入するステップ注入を用います。

1つ目の対策は角度です。ティルト角9はウェーハ中心に立てた法線とイオンビームが交わる角度で、ツイスト角はオリフラまたはノッチを基準にウェーハを回した角度です。基準面はノッチと結晶方位です。浅い接合の形成では、チャネル方位から外れるようにチルト角とツイスト角を設定して注入します。注入角度はウェーハの結晶方向と異なる角度に設定する必要があり、垂直から7度程度傾けることが多くなります10。

角度を大きくずらすほど裾は減りますが、代わりに影が増えます。ゲート電極やマスクの側壁が斜めのビームを遮り、パターンの片側だけ注入量が落ちます。一方向からの注入だけでは非対称性が発生するため、ツイスト角を変えて注入するステップ注入11を用います。角度を大きくするほど分割注入の手間が増えてスループットが下がります。角度を小さくすればスループットは戻りますが、臨界角の内側に入るおそれが高まります。

2つ目の対策は、注入前に結晶を壊しておくことです。プリアモルファス化は12、浅い接合の形成でチャネリングによって分布が裾を引くことを避けるため、ドーパントの注入前に結晶を非晶質化する工程です。質量数の大きい元素のほうが少ない注入量でアモルファス化でき、電気特性に影響を与えないことから、SiデバイスではSiやGeのイオンが用いられます。裾は確実に減ります。その代わり熱処理の余裕が減り、壊した結晶をどう回復させるかと、回復した結晶の中でドーパントがどこに収まるかが重要なパラメータになります。壊した層の回復はドーパント活性化と熱バジェットの課題になります。

3つ目は、イオン種と加速エネルギーの選び方です。臨界角が高エネルギーほど、また原子番号が小さいほど小さくなることから、軽い元素を高加速で入れる条件ほど角度の余裕が小さいと言えます。重い元素へ替えれば余裕は広がりますが、結晶欠陥の量は増えます。

SiCでは軸に沿って打ち、加速エネルギーとマスクを節約する

Section titled “SiCでは軸に沿って打ち、加速エネルギーとマスクを節約する”
SiCへのAl注入、960keV
濃度0123深さ（マイクロメートル）0.9通常の注入結晶軸に沿う注入
SiCにアルミニウムイオンを960keVで注入すると、通常の注入では0.9マイクロメートル付近にピークができ、結晶軸に沿った注入では3マイクロメートル以上まで届きます。

チャネリングは、抑える対象であると同時に道具でもあります。日新電機の技報は、SiCにアルミニウムイオンを960キロエレクトロンボルトの加速エネルギーで注入した深さ方向分布を示しています。通常のイオン注入では深さ0.9マイクロメートル付近にピークを持つ分布になる一方、[0001]軸に沿った方向で注入した場合は3マイクロメートル以上の深さまでアルミニウムイオンを導入できました13。同じSiCとアルミニウムの例で、通常のイオン注入により深さ3マイクロメートルの分布を作るには4メガエレクトロンボルト以上の加速エネルギーと、RF加速器などを搭載した複雑で大きな装置が要りますが、チャネリング技術を用いれば中電流イオン注入装置で実施できるとしています。

マスクの側も軽くなります。日新イオン機器は、チャネリング注入の利点に、深いプロファイルの形成に加えて、注入マスクを薄くできること、CDロスを小さくできること、注入損傷を減らせること4を挙げています。ランダム注入と同じ深さなら加速エネルギーを低くできるのでマスクを薄くでき、横方向の分布の拡がりが小さいのでマスクパターンからの寸法変動も小さくなるとしています。日新電機はSiCの例で、チャネリングはSiC基板の部分のみで起こり、マスク材料の中では起きにくいため、同じ深さの分布を作る場合にマスク厚さを通常の注入に比べて3分の1以下にでき、コスト低減とパターン精度の向上が可能になるとしています。さらに、縦方向と横方向のどちらも分布の拡がりを抑えた急峻な分布が実現でき、この方式でスーパージャンクション構造を持つSiC MOSFETのN型とP型のピラー構造を、精度よく簡略なプロセスで形成できるとしています。

払うのは角度精度です。チャネリング注入では注入の角度が深さを左右するので、正確なビーム角度制御が求められます4。日新電機は、ビーム角度の制御性が極めて高い装置だからこそ、チャネリングを量産で安定して回せるとしています。装置の角度精度が不足する条件では、深さの再現性がそのまま失われます。SiC MOSFETやパワーMOSFETの縦構造では、この深さが耐圧とオン抵抗の設計値そのものです。

裾の長さはSIMSで測り、日々のQCはシート抵抗で見る

Section titled “裾の長さはSIMSで測り、日々のQCはシート抵抗で見る”

裾の長さは深さ方向の濃度分布で測ります。SIMSは、酸素やセシウムのイオンを試料へ入射させ、スパッタされた原子を質量分析することで定量解析する方法です14。試料を深さ方向へスパッタし、その深さを測ることで深さ方向の情報が得られ、濃度分布が分かっている標準試料を使えば正確な濃度を定量できます。注入分布と、その後のアニールでどこまで拡散したかを調べる用途で広く使われます。

裾の長さを読むときは、装置側の分解能を差し引く必要があります。深さ方向分解能は、イオン強度が最大の84パーセントに相当する深さと16パーセントに相当する深さの差で表します。材料科学技術振興財団（MST）は分析事例B0243で15、GaAsとAlAsの試料について約6ナノメートルと求めました。深さ方向分解能は主に一次イオン種、イオンビームミキシング、試料表面の凹凸で決まります。一次イオンの入射エネルギーを下げると分解能が向上する一方、十分な電流密度が得られず、深い位置までの分析や微量元素の高感度分析が難しくなります。裾を深くまで追う条件と、界面を鋭く調べる条件は、同じレシピでは両立が難しくなります。

日々のQCは電気的な測定のほうが速く済みます。シート抵抗は注入層の濃度と深さで決まる量なので、イオン注入装置のQC手段として広く使われています16。測定は四探針法です。テールが伸びれば同じドーズ量でもシート抵抗はずれるため、角度がずれたときの早期発見に使えます。

よくある質問（FAQ）

Section titled “よくある質問（FAQ）”
チャネリングとは何ですか？

単結晶の結晶軸や結晶面に沿った方向では原子の間隔が広く空くため、注入イオンが原子との衝突をほとんど避けたまま奥まで入り込む現象です。この方向に沿って注入すると、大部分のイオンは電子との小角散乱を繰り返して結晶の内部まで侵入します。

現場ではどんな形で起きますか？

目標のピークより深い側に長く伸びる裾（テール）として現れます。接合が浅いほど、この裾が接合深さと電気特性に直接影響し、面内でビームの角度がずれている場合は、ずれた場所だけ深く入る面内ばらつきとしても現れます。

どうやって抑えますか？

主に注入角度です。接合深さを小さくする形成では、チャネル方位から外れるようにチルト角とツイスト角を設定し、垂直から7度程度傾けることが多くなります。ほかに、注入前に結晶を壊しておくプリアモルファス化があります。

角度を外すと何を手放しますか？

パターンの対称性です。斜めに入れるほどゲート電極やマスクの側壁が影を作り、パターンの片側だけ注入量が落ちるため、ツイスト角を変えて注入するステップ注入を用います。

プリアモルファス化の欠点は何ですか？

壊した結晶層を熱処理で回復させる必要があることです。結晶回復のプロセスとドーパントとの位置関係が重要なパラメータになり、裾は確実に減る一方で、活性化アニールの条件設計が厳しくなります。

チャネリングを積極的に使うことはありますか？

あります。日新電機はSiCにアルミニウムイオンを960キロエレクトロンボルトで注入し、通常は深さ0.9マイクロメートル付近にピークを持つところ、[0001]軸に沿った方向では3マイクロメートル以上の深さまで導入できました。通常の注入で深さ3マイクロメートルを実現するには4メガエレクトロンボルト以上が必要です。

何を測ると分かりますか？

深さ方向の濃度分布です。SIMS（二次イオン質量分析法）でプロファイルを取ると裾の長さが分かり、深さ方向分解能はイオン強度が最大の84パーセントと16パーセントになる深さの差で表します。電気的にはシート抵抗の四探針測定で影響が分かります。

比較・違いを学ぶ

Section titled “比較・違いを学ぶ”

関連用語

Section titled “関連用語”

この用語を関連用語に挙げているページ

同じ分類「不純物と熱の作り込み」の用語（9語のうち8語）

半導体用語集の「不純物と熱の作り込み」へ戻る

出典

Section titled “出典”
16件を表示
  1. 1
  2. 2
  3. 3
  4. 4
  5. 5
  6. 6
  7. 7
  8. 8
  9. 9
  10. 10
  11. 11
  12. 12
  13. 13
  14. 14
  15. 15
  16. 16