図1　多目的イオン注入装置はスポット走査ビームと単一 ウェーハの採用により、上記のイオン注入を100eVから750keVまでの範囲の加速エネルギーで実現している。

ゲート長スケーリングに対する課題解決

　HALOスケーリング　短チャネル効果の改善とチャネル下のHALOのオーバーラップ長の縮小化（移動度の低下の防止）を実現するには、HALOのドーズは10¹³/cm²のレンジの中間ないし高いレベルに増加させながら、イオン注入エネルギーを1keV程度に減少させている。低加速エネルギーはビームの発散角を増大させビーム電流（イオン注入装置の生産性と等価）を減少させる。一つの解決法は、質量の大きい不純物種を使うことであり、これによりp型種としてIn、B₁₀H₁₄やB₁₈H₂₂、n型種としてSb、As₂、P₂やAs₄を使うことにより、より高い注入エネルギーを実現できる。Umisedo氏らがボロンと等価な低エネルギーでB₁₀H₁₄によりビーム発散角について1.2°から0.1°へと12倍の改善、ビームサイズで139mmから12mmへと11倍の改善を実現したとしている^7）。これらの大質量HALOイオン注入は、注入量が十分であれば非晶質化にも寄与する。加えて高傾斜角のチャネリングを容易に避けることができる。なぜなら格子面に沿ってのチャネリング角は（210）が26.6°、（320）が33.7°、（211）が35.5°、（321）が36.7°となっているからである。

ソースドレインエクステンション（SDE）のスケーリング

　ゲート長縮小のもう一つの課題は、SDE（ソースドレインエクステンション）形成にある。極浅接合形成の課題は、エネルギーコンタミネーション、チャネリング、接合リーク電流を増加させる欠陥、不純物拡散の抑制と固溶限界を越える不純物の活性化率の増大などである。

　表1はそれぞれ、10¹⁵/cm²のドーズ量で10¹⁸/cm³のXj濃度を仮定した時の65nm世代の15nmのXj、45nm世代の9.5nmのXjを実現する色々なB系不純物種のイオン注入エネルギーを示している。非晶質化イオン注入を行なったウェーハへの500eVのBイオン注入は、拡散のない活性化アニールでチャネリングすることなしに、15nmのXjが必要とされる^8）。1050 ℃のスパイクアニールだけでも約15nmの拡散が起こるため100eVでのイオン注入が必要となり、アニール温度は900℃以下にしなければならない。このような低エネルギーで減速したイオン注入には、より大きなビーム電流と生産性の改善が必要であるが、エネルギーコンタミネーションは低エネルギーではより顕著になり、ゲート長の縮小によりデバイス特性はより影響を受けやすくなるため、加速エネルギーを高めたドリフトモードでのイオン注入が望ましい。
　Kase氏によれば、製品の種類にもよるが典型的には0.05％以下のエネルギーコンタミネーションが要求される^10）。エネルギーコンタミネーションの低減が要求される理由は、65nm世代で高性能ロジック（HP）のチャネルドープ量は2.5 - 5.0×10¹⁸/cm³であり、低消費電力ロジック（LOP）と低スタンドバイ電力ロジック（LSTP）では、0.8-2.0×10¹⁸/cm³の範囲なので、エネルギーコンタミネーションはごく微量でトランジスタ特性が影響されてしまうからである^11）。

ウェーハエンドステーションのスケーリング

	図2　大電流なエンドステーションの設計によりゲート電極のシャドーイング効果が起こりトランジスタの非対称性が起きると報告されている12）。
	図3　SDEの傾斜イオン注入角とゲートオーバーラップを増加させた場合のn型MOSトランジスタの動作電流の増大を示すデバイスシミュレーション結果。
	図4　チャネリング効果がなく自己非晶質化するB10H14を用いたイオン注入SIMS分布 5）。
	図5　500eVで1015/cm2の等価B条件で3nmの自己非晶質化層が形成されることを示すボロン対BB10H14の断面TEM像。
	図6　等価加速エネルギーでのボロンイオン注入と比べB10H14のイオン注入は、900-1050℃アニール後に、より浅い接合深さを実現できる5）。
	図7　65nm世代の要求に答えるため、4keV B18H22のイオン注入でチャネリングの影響なく11nmの接合深さを実現できる。

　ゲート長の縮小により2つの有害な効果が大電流エンドステーションの設計に起因するという報告がある。第1の効果は、ウェーハ全面に渡っての入射ビーム角のばらつきであり、これがトランジスタ構造によるシャドーイング効果のために非対称なSDEイオン注入の原因となる。
Yoneda氏とNiwayama氏の報告によれば、図2で示したようにゲート間のスペースが狭い場合にはより顕著である12）。第2の効果は高速回転のウェーハディスクによるものであり、ゲート長が100nm以下になると多結晶ゲート電極の不良が激増する。この原因はビームにより運ばれたパーティクルのためであることがKawasaki氏らにより報告されている^13）。Pipes氏らにより、この現象はウェーハ台の回転スピードを1200から200rpmまで減速することで減少することが報告されている。多結晶ゲート電極にサイドウォールスペーサを形成すればこの問題は解決し、HALOとSDEイオン注入を枚葉注入装置で注入すれば解決する問題である。
　ゲートオーバーラップ　ゲート長縮小の最後の課題はSDEゲートオーバーラップの制御である。横方向の拡散を減少すると、希望のゲートオーバーラップ量を実現することができなくなる。それゆえ、30°までの傾斜SDEイオン注入とPAIイオン注入の両方が0.5倍のオーバーラップ量を実現するために必要であるとBorland氏ら、Lindsey氏ら、Thirupapaliyer氏らが報告している^{15）- 17）}。SDEの傾斜イオン注入とゲートオーバーラップ量の増加によるn型MOSトランジスタの電流の改善に関するデバイスシミュレーション結果を図3に示す^15）。

分子不純物種

　過去数年間に、大ビーム電流（14ｍA）と100時間以上の寿命を持つ分子不純物種源に関する報告がJacobson氏らにより行なわれている。彼らはB₁₀H₁₄を用いて5ｍAの、B₁₈H₂₂を用いて10ｍAの500eV等価ビーム電流が実現できることを報告している。300mmウェーハで10¹⁵/cm²のドーズはドリフトモードでのBの場合が15wphであるのに比べ、B₁₀H₁₄で95wph、B₁₈H₂₂で172wphのスループットとなる。結晶SiウェーハとPAIウェーハでの500eV/10¹⁵/cm²のB₁₀H₁₄イオン注入のSIMS分析結果を図4に示す。B₁₀H₁₄イオン注入によりチャネリング効果が17nmの接合において抑制されていることが明確に分かり、図5の断面TEM像から自己非晶質化されていることが分かる^5）。分子不純物種を使えば、PAI工程を無くすことができ、アニール後のチャネリングによる欠陥もなくなる。
　図6は500eVの等価イオン注入をB₁₀H₁₄を用いて行ったときのシート抵抗対接合深さについて不純物の電気的な活性化の改善結果を示している。表1に示すように、65nm世代の15nm のXjを実現するには200eVのボロンを結晶Siにイオン注入するか、4keVのB₁₀H₁₄かあるいは8keVのB₁₈H₂₂をイオン注入することが必要である。Xj=11nmの場合の4keV B₁₈H₂₂イオン注入の結果を図7に示す。

結論

　中電流イオン注入装置Exceedで分子不純物種を用いることで、今後の65nm、45nmへと続くゲート長微細化に対応する低加速エネルギーと高注入量を実現することができる。分子不純物種を用いたイオン注入は中電流イオン注入装置の応用を低加速エネルギーで大電流注入領域に広げることができ、高傾斜角のSDEイオン注入にも応用することができる。しかも、自己非晶質化と低チャネリング効果のためにゲートオーバーラップ量の制御のためのPAIが必要ない。この新しいスポット走査ビームと1次元の機械走査を用いたMPIはエピやSOI CMOS技術を用いた先端的なロジックデバイスへの100eVから750keVまでの0-60°の傾斜角を持った全てのイオン注入に適用できる。

謝辞

　B₁₀H₁₄に関する研究は日本の科学技術振興機構（JST）と、新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の支援による。