JP2000311648A

JP2000311648A - イオン注入方法およびイオン注入装置

Info

Publication number: JP2000311648A
Application number: JP2000044019A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Murakoshi; 篤村越; Kyoichi Suguro; 恭一須黒
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-02-22
Filing date: 2000-02-22
Publication date: 2000-11-07

Abstract

(57)【要約】【課題】試料表面から浅い領域にイオンを均一に注入す
ること。【解決手段】引出し電極および後段加速器を備えたイオ
ン注入装置を用いたイオン注入方法において、後段加速
器の印加電圧を、引出し電極の印加電圧よりも高く設定
することによって、試料表面から浅い領域にイオンを均
一に注入する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は均一なイオン注入を
可能にするイオン注入方法およびイオン注入装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板に不純物原子を導入する方法
の一つとしてイオン注入方法が知られている。イオン注
入方法によれば、目標とする領域に導入するべき不純物
原子の濃度および深さを精度良くコントロールできるの
で、現代では半導体装置の製造には不可欠な要素技術と
なっている。従来のイオン注入装置の一つとして、イオ
ン源チャンバー内で生成された複数種のイオンを加速し
ながら質量分析器に導入するための引出し電極と、質量
分析器にて質量分析され、スリットにて取り出された所
望の質量のイオンを最終加速度まで加速する後段加速器
とを備えたものがある。加速電圧の制御は、引出し電極
による加速と後段加速器による加速とによってなされ
る。例えば、加速電圧１２０ＫｅＶでもって試料にイオ
ンを注入する場合には、「引出し電極による最大加速」
＋「後段加速器による加速」という組合せで行われる。
ここで、後段加速器による加速は、あくまでも引出し電
極による最大加速で不足した分を補助するものにすぎ
ず、後段加速器による加速は引出し電極による最大加速
よりも小さい。引出し電極による最大加速の方を大きく
する理由は、イオンビームを効率良く輸送させて注入工
程におけるスループットを高めたり、イオンビーム電流
量を一定量確保するためである。

【０００３】また、加速電圧５ｋｅＶでもって試料にイ
オンを照射する場合には、引出し電極による加速だけ、
または「引出し電極による加速・後段加速器による減
速」といういわゆる加速減速（ａｃｃｅｌ・ｄｅｃｃｅ
ｌ）方式がとられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】先ず、本発明の動機付
けとなった本発明者等が見出した従来のイオン注入方法
・装置の問題点について説明する。上述した従来の加速
電圧の制御方法を用いた場合、試料にイオンを均一に注
入することは困難であることが明らかになった。その理
由は、従来の加速電圧の制御方法は、いかに効率良くイ
オンビームを輸送するかという観点での制御方法である
からだと考えられる。また、試料表面から浅い領域にイ
オンを注入する場合、イオン注入量および活性なイオン
の濃度が低下し、設計通りの不純物濃度を有する浅い拡
散層を形成することが困難であることも明らかになっ
た。上述の如く、従来のイオン注入による不純物導入技
術では、試料にイオンを均一に注入することが困難であ
ったり、試料表面から浅い領域にイオンを注入する場
合、イオン注入量および活性なイオンの濃度が低下する
という問題があった。本発明は上記事情を考慮してなさ
れたもので、その目的とするところは試料にイオンを均
一に注入できるイオン注入装置、イオン注入方法を提供
することにある。また、本発明の他の目的は、イオン注
入量および活性なイオンの濃度低下を抑制出来るイオン
注入装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、第１の
電極（引出し出し電極）および第２の電極（後段加速
器）を備えたイオン注入装置を用いた、試料にイオンを
均一に注入できるイオン注入方法を提供すことにある。
上記目的を達成するために、本発明に係るイオン注入方
法は、内部で複数種のイオンが生成される容器と、この
容器内から前記複数種のイオンを引き出す第１の電極
と、前記複数種のイオンのうち所望のイオンを選別する
選別部と、前記所望のイオンを加速する第２の電極とを
備えたイオン注入装置を用いたイオン注入方法におい
て、前記第２の電極の印加電圧を前記第１の電極の印加
電圧よりも高く設定することを特徴とする。本発明にお
いて、第２の電極で加速されたイオンからなるイオンビ
ーム中の最大電流密度をＤmax、イオンビームの電流量
をＩ、イオンビームの幅をＷ、Ｉ／Ｗ^２で表される平
均流密度をρとした場合に、ρ≧Ｄmax／２の関係を満
たすことが好ましい。ここで、イオンビームの幅は、イ
オンが注入される試料表面における幅である。本発明者
らの研究によれば、内部で複数種のイオンが生成される
容器と、この容器内から複数種のイオンを引き出す第１
の電極と、複数種のイオンのうち所望のイオンを選別す
る選別部と、所望のイオンを加速する第２の電極とから
構成されたイオン注入装置を用いたイオン注入方法にお
いて、第１の電極の印加電圧よりも第２の電極の印加電
圧を高く設定すると、試料にイオンを均一に注入できる
ことが明らかになった。特に第２の電極で加速されたイ
オンからなるイオンビーム中の最大電流密度をＤmax、
イオンビームの電流量をＩ、イオンビームの幅をＷ、Ｉ
／Ｗ^２で表される平均流密度をρとした場合に、ρ≧Ｄ
max／２に設定するとその効果は高くなることが分かっ
た。したがって、本発明によれば、試料にイオンを均一
に注入できるようになる。

【０００６】また、本発明では、前記試料と、前記所望
のイオンのビームを収束する機能を有する収束部のうち
で前記試料に最も近いものとの間の距離をＬ、前記試料
からＬ／１０だけ離れた位置における前記ビームの幅を
Ｗｐ、前記試料からＬ／２だけ離れた位置における前記
ビームの幅をＷｈとした場合、Ｗｈ／Ｗｐの値が実質的
に１になるように、前記第１および第２の電極に印加す
る電圧を設定することを特徴とする。本発明では前記試
料が半導体基板であることが望ましい。本発明により、
所望のイオンを半導体基板に注入し、所望の拡散層を形
成することができる。そのとき本発明のイオン注入方法
ではでは深さが３０ｎｍ以下の拡散層を形成することが
できる。この拡散層は、ＭＯＳトランジスタのソース／
ドレイン拡散層に利用できる。イオン注入の望ましい形
態として、所望のイオンがボロンイオンで、所望の加速
エネルギーは５００ｅＶ以下、前記ボロンイオンのドー
ズ量は２×１０^１３ｃｍ^−２以下である場合がある。更
に、前記所望の加速エネルギーは２００ｅＶ以上である
とよい。また、前記所望のイオンは砒素イオン、前記所
望の加速エネルギーは３ｋｅＶ以下、前記砒素イオンの
ドーズ量は２×１０^１３ｃｍ^−２以下であってもよい。

【０００７】また本発明は、試料に所望のイオンを注入
するイオン注入装置本体と、前記イオン注入装置本体と
接続され、前記試料の表面に形成された酸化膜を除去す
る酸化膜除去装置とを備えたイオン注入装置を用いたイ
オン注入方法であって、前記酸化膜除去装置により前記
試料の表面に形成された酸化膜を除去した後、前記イオ
ン注入装置本体により前記試料に前記所望のイオンを注
入するものである。このとき、前記酸化膜の除去の開始
から、前記所望のイオンの注入の終了までの工程を減圧
下で行うとよい。また、前記イオン注入装置本体は、内
部で複数種のイオンが生成される容器と、前記容器内か
ら前記複数種のイオンを引き出す第１の電極と、前記複
数種のイオンのうち所望のイオンを選別する選別部と、
前記所望のイオンを加速する第２の電極と、前記加速さ
れたイオンが注入される試料を設置し、前記酸化膜除去
装置と接続された試料室とを含むものが望ましい。この
とき、前記所望のイオンを所望の加速エネルギーでもっ
て試料に注入するときに、前記第１の電極により得られ
る前記所望のイオンの最大加速エネルギーが前記所望の
加速エネルギーの半分よりも大きい場合、前記第２の電
極の印加電圧を前記第１の電極の印加電圧よりも高く設
定するとよい。また、前記酸化膜の除去の開始から、前
記所望のイオンの注入の終了までの工程を減圧下で行う
ことが望ましい。

【０００８】また、本発明の他の目的は、イオン注入量
および活性なイオンの濃度を低下を抑制できるイオン注
入装置を提供することにある。上記他の目的を達成する
ために、本発明に係るイオン注入装置は、試料に所望の
イオンを注入するイオン注入装置本体と、前記イオン注
入装置本体と接続され、前記試料の表面に形成された酸
化膜を除去する酸化膜除去装置と、前記加速されたイオ
ンを前記試料に注入する前に、前記試料の表面に形成さ
れた酸化膜を除去する酸化膜除去装置とを備えているこ
とを特徴とする。本発明において、酸化膜除去装置の具
体的な構成例としては、加速されたイオンを試料に注入
する前に、試料表面に形成された酸化膜を除去するため
の洗浄室と、この洗浄室内で洗浄された試料を乾燥する
乾燥室と、試料室、洗浄室および乾燥室内に試料を搬送
する搬送装部と、試料室、洗浄室および乾燥室内の圧力
を制御する圧力制御部とから構成されたものがあげられ
る。ここで、試料室、洗浄室および乾燥室内の圧力は、
圧力制御部によって減圧下（１気圧未満）、好ましくは
１３３Ｐａ以下、より好ましくは１３．３Ｐａ以下の減
圧下に制御する。本発明に係るイオン注入装置は、第１
の電極（引出し出し電極）および第２の電極（後段加速
器）を備えていても良いし、または第２の電極（後段加
速器）のみでも良い。

【０００９】本発明者らの研究によれば、試料表面にイ
オンを注入する場合、特に基板表面から浅い領域にイオ
ンを注入する場合には、具体的には試料表面から５０ｎ
ｍ以下の浅い領域にイオンを注入する場合には、試料表
面に形成された酸化膜は、予想以上にイオン注入量およ
び活性なイオンの濃度の低下を招く大きな要因であるこ
とが分かった。したがって、本発明によれば、試料表面
に形成された酸化膜を除去する酸化膜除去装置を試料室
に接続することによって、酸化膜の除去からイオン注入
の終了までの間に、試料表面に酸化膜が再形成されない
状態を形成することが可能となるので、イオン注入量お
よび活性なイオンの濃度の低下を抑制できるイオン注入
装置を実現できるようになる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら上述し
た問題を解決できる本発明の実施の形態を説明する。（第１の実施の形態）図１は、本発明の第１の実施の形
態に係るイオン注入方法で使用するイオン注入装置を示
す模式図である。図中、１は内部で複数種のイオンが生
成されるイオン源チャンバーを示しており、このイオン
源チャンバー１にて生成された複数種のイオンは、引出
し電極２により加速されながらイオン源チャンバー１の
外に引き出された後、分離電磁石からなる質量分析器３
にて質量分析される。ここで、引出し電極２は、イオン
をイオン源チャンバー１から引き出す機能および引き出
した後にイオンを加速する機能を有しているが、イオン
を加速する機能はなくても良い。続いて質量分析器３に
て質量分析された複数種のイオンのうち、所望のイオン
のみがスリット４にて取り出され、この所望のイオンは
加速電極からなる後段加速器５によって最終加速度まで
加速され、所望のイオンからなるイオンビームが得られ
る。このイオンビームは、注入量が一様になるように、
四極レンズ６，７によってＸ方向、Ｙ方向に走査されな
がらウェハや基板等の試料９に照射される。なお、図
中、８はファラデーカップを示し、１０はウェハホルダ
ーを示している。

【００１１】このようなイオン注入装置においては、イ
オン源チャンバー１によるイオンビームの電流量の調
整、引出し電極２によるイオンビームの広がり（幅）の
調整、分離電磁石３およびスリット４によるイオンの選
別調整、引出し電極２および後段加速器５による加速電
圧の調整、四極レンズ６，７による注入角度の調整によ
って、実際に注入されるイオンの制御がなされる。本実
施の形態のイオン注入方法の特徴は、従来方法とは逆
に、後段加速器５の加速電極の印加電圧を、引出し電極
２の印加電圧よりも高く設定する。例えば、加速電圧２
００ＫｅＶでもって試料９にイオンを注入する場合、引
出し電極２による最大加速電圧は５０ｋｅＶ、後段加速
器５による最大加速電圧は１５０ｋｅＶとなる。ここ
で、引出し電極２による最大加速電圧は１００ＫｅＶ
（＝２００ｋｅＶ／２）よりも高く設定でき、例えば１
３０ｋｅＶまで設定できる。従来はスループットを高め
る等の目的のために、上記の例の場合には引出し電極２
による最大加速電圧を１３０ｋｅＶに設定する。すなわ
ち、本発明では、所望のイオンを所望の加速エネルギー
でもって試料に注入するときに、引出し電極２により得
られる所望のイオンの最大加速エネルギーが、所望の加
速エネルギーの半分よりも大きい場合、または引出し電
極２の性能範囲外の場合には、後段加速器５の印加電圧
を引出し電極２の印加電圧よりも高く設定する。

【００１２】以下、本実施の形態のイオン注入方法につ
いて詳細に説明する。まず、イオン源チャンバー１内に
ＢＦ_３ガスを導入し、アーク放電により複数種類のイオ
ンを生成する。次に複数種のイオンを引出し電極２によ
り引き出し、分離電磁石３により質量分離し、スリット
４にて^１１Ｂ^＋イオンだけを取り出す。この後、^１１Ｂ
^＋イオンを後段加速器５で最終エネルギーまで加速し、
イオンビームを得る。このイオンビームを四極レンズ
６，７によりＸ方向、Ｙ方向に走査し、試料９の表面に
集束点を持つように集束させるとともに、試料９の表面
に均一にイオンビームが照射されるようにウェハーホル
ダー１０を回転させながら上記走査を行う。このとき、
試料９はウェハホルダ１０によりイオンビームの入射角
度が７度となるように傾けられている。このような方法
で、８０ｋｅＶの加速電圧、５×１０^１５ｃｍ^−２のド
ーズ量でもって試料９に^１１Ｂ^＋イオンを注入した。
この加速電圧の場合には、引出し電極２による加速だけ
では不足なので、後段加速器５によっても加速する必要
がある。ここで、従来方式の加速電圧の分配は、例えば
引出し電極２の加速電圧を５０ｋｅＶ、後段加速器５の
加速電圧を３０ｋｅＶとするように、引出し電極２の加
速電圧を後段加速器５の加速電圧よりも高く設定する。

【００１３】本発明者らは、このような従来方式の加速
電圧の分配でもって、イオンビーム電流量を４ｍＡ、８
ｍＡ、１２ｍＡと３条件に分けて注入してみた。イオン
ビーム電流量は、イオン源チャンバー１におけるアーク
放電の条件を変化させて（イオン源チャンバー１と引出
し電極２との隙間間隔等の変化も含む）所望の電流量を
得ている。イオンビーム電流量が４ｍＡの試料をＳ１、
イオンビーム電流量が８ｍＡの試料をＳ２、イオンビー
ム電流量が１２ｍＡの試料をＳ３とする。試料Ｓ１〜Ｓ
３は８インチシリコンウェハである。このような条件で
イオン注入した各試料についてＴｈｅｒｍａＷａｖｅ
で注入直後のダメージ量を定量化した。Ｔｈｅｒａｍａ
Ｗａｖｅ法は、試料に赤外線を照射し、イオン注入に
よって形成された結晶欠陥が存在すると、通常の結晶の
振動では無い格子の振動が現れ、これを赤外線の反射に
伴う、赤外線の反射強度から数値化する方法である。次
に注入後の試料Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を窒素雰囲気中で９０
０℃、１時間の熱処理を行い、４端子法によるシート抵
抗測定を試料面内１２１点測定し、平均値と１σを算出
した。この結果を図６に示した表１に示す。

【００１４】図６に示した表１から、イオンビーム電流
量によらず、熱処理後におけるシート抵抗の値がほぼ３
９Ω／□であることから、イオンビーム電流量の違いに
よる注入誤差はほとんどないことが分かる。一方、面内
均一性である１σの値を見てみると、イオンビーム電流
量が低いほどその平均値も低く、バラツキが小さくなっ
ていることが分かる。１２ｍＡの注入の場合には約０．
８１４％であるのに対し、４ｍＡとイオンビーム電流量
を１／３にした場合には、シート抵抗のバラツキが０．
３６４％と１／２以下になっていることが分かる。ま
た、イオン注入直後におけるＴｈｅｒｍａＷａｖｅの
シグナルの値を見てみると、イオンビーム電流量が低い
ほど、その値も下がっており、イオン注入における注入
ダメージ量が低くなっていることが分かる。このよう
に、イオンビーム電流を下げることにより、注入均一性
を高くでき、また注入ダメージを下げることができるこ
とが分かった。しかしながら、ビーム電流を下げるとい
うことは、イオンビームの幅をも変化させていることが
予想される。そこで、本発明者らは、イオンビームの幅
を変化させその影響を調べてみた。

【００１５】ここでは先の注入条件である^１１Ｂ^＋を
加速電圧８０ｋｅＶで、ドーズ量５×１０^１５ｃ
ｍ^−２、イオンビーム電流量８ｍＡの条件で注入した。
イオン源チャンバー１におけるアーク放電の強さを固定
し、試料Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６では従来方式（加速減速方
式）のように、引出し電極２の印加電圧（引出し電圧）
を５０ｋｅＶ、後段加速器５の加速電圧（後段加速電
圧）を３０ｋｅＶとした。また、図１における質量分離
器３とスリット４との隙間間隔を変化させて、イオンビ
ームの幅を変化させた。また、試料Ｓ７は引出し電圧を
４０ｋｅＶ、後段加速電圧を４０ｋｅＶとしている。試
料Ｓ８は引出し電圧を３０ｋｅＶ、後段加速電圧を５０
ｋｅＶとしている。試料Ｓ９は引出し電圧を２０ｋｅ
Ｖ、後段加速電圧を６０ｋｅＶというように、引出し電
圧を下げて、後段加速電圧を高めることによりイオンビ
ーム幅の変化を狙っている。これらの試料Ｓ７，Ｓ８，
Ｓ９における質量分離器３とスリット４の隙間間隔は８
７ｍｍ固定としている。これらの試料Ｓ４〜Ｓ９に行っ
たイオン注入の結果を図７に示した表２に示す。従来方
式のように引出し電圧を５０ｋｅＶ、後段加速電圧を３
０ｋｅＶとし、分離電磁石３とスリット４との隙間（後
段Ｇａｐ）を変化させた場合には、イオンビーム幅（ｈ
ａｌｆ／ｐｅａｋ）をみる限り若干ながら変化は見られ
る。ここでのイオンビーム幅は、以下のように定義され
たものである。すなわち、図２に示すように、試料と、
イオンビームを収束する機能を有する機構（収束部：図
中、ＣＯＮＶＥＲＧＩＮＧＰＯＲＴＩＯＮと記載）の
うちで試料（図中ＳＡＮＰＬＥと記載）に最も近いもの
との間の距離をＬとした場合、試料からＬ／１０だけ離
れた位置におけるビーム幅Ｗｐで、試料からＬ／２だけ
離れた位置におけるビーム幅Ｗｈを割った値（Ｗｈ／Ｗ
ｐ）で定義されたものである。収束部は、例えば四極レ
ンズや偏光レンズである。

【００１６】一方、シート抵抗のバラツキを見る限りに
おいては、さほど変化は見られていない。したがって、
後段加速器５に入る前のイオンビームの集束に対して
は、ほとんど寄与していないことが分かる。逆に、引出
し電圧を下げて、後段加速電圧を上げていくと、イオン
ビームの幅が大きく変化しており、後段加速電圧の増加
に伴いイオンビームの幅も小さくなっていることから、
イオンビームの集束作用が大きいことがよく分かる。ま
た、イオン注入後におけるＴｈｅｒｍａＷａｖｅ測定
でも、後段加速電圧が高いほど値が小さくなっており、
ダメージ量が変化していることが分かる。さらに、熱処
理後におけるシート抵抗のバラツキも、後段加速電圧の
増加に伴い小さくなっていることが分かる。引出し電圧
が５０ｋｅＶ、後段加速電圧が３０ｋｅＶの従来方式の
場合には、シート抵抗の面内バラツキは０．７７％であ
るのに対し、引出し電圧を２０ｋｅＶ、後段加速電圧を
６０ｋｅＶと、後段加速電圧／引出し電圧の比率を上げ
ると、シート抵抗の面内バラツキは０．３８％と、従来
の約１／２まで小さくできていることが分かる。このよ
うに後段加速電圧／引出し電圧の比率を上げていくこと
により、イオン注入時のダメージを少なくすることがで
き、かつ熱処理後における不純物の活性化のバラツキを
低減できることが示された。

【００１７】しかしながら、引出し電圧よりも後段加速
電圧を増加させることによって、イオンビームの幅が小
さくなっていることから、イオンビーム内における電流
密度というものがバラツキの低減化に寄与している可能
性が考えられる。そこで、本発明者らは、図３に示すイ
オン注入装置を用いて、加速電圧５ｋｅＶ、ドーズ量５
×１０^１４ｃｍ^−２でもって^１１Ｂ^＋の注入を行って
みた。引出し電極２による最大加速電圧および後段加速
器５による最大加速電圧は、図１に示したイオン注入装
置のそれと同じである。なお、図１と対応する部分には
図１と同一符号を付してある。また、図において、１１
は偏光レンズ、１２はプラズマシャワー、１３はビーム
ストップ（プロファイラー）、１４は試料室を示してい
る。プラズマシャワー１２は、注入イオンとは逆の電荷
を持った荷電粒子を試料に与えることによって、注入イ
オンによる試料の帯電を中和し、試料に形成された絶縁
膜の絶縁破壊などの不都合を解消するためのものであ
る。このイオン注入装置を用いた^１１Ｂ^＋の注入方法
は、図１のイオン注入装置を用いた11Ｂ+ のそれと同
じである。ただし、イオンビームの最大電流密度が０．
０５ｍＡ／ｃｍ^２となるように、スリット４と後段加速
器５との隙間間隔を調整した。

【００１８】試料Ｓ１０では、加速電圧を引出し電圧だ
けの５ｋｅＶとし、イオンビーム電流量を２ｍＡとして
ビーム幅約１１１ｍｍを得た。試料Ｓ１１では、加速電
圧を引出し電圧だけの５ｋｅＶとし、イオン源チャンバ
ー１でのアーク放電を変化させて、イオンビーム電流量
を１ｍＡとしてビーム幅９７ｍｍを得た。また、試料Ｓ
１２では、引出し電圧を３ｋｅＶとし、後段加速電圧を
２ｋｅＶとし、イオンビーム電流量を１ｍＡとしてビー
ム幅８８９ｍｍを得た。試料Ｓ１３では、引出し電圧を
２ｋｅＶとし、後段加速電圧を３ｋｅＶとし、イオンビ
ーム電流量を１ｍＡとしてビーム幅５９ｍｍを得た。イ
オン注入後、各試料に熱処理として９００℃、３０秒の
ＲＴＡを施してイオンの活性化を行い、その濃度を評価
してみた。こらの試料Ｓ１０〜Ｓ１３の評価結果を図８
に示した表３に示す。図８に示した表３から５ｋｅＶと
いう加速電圧を引出し電極２だけで得る場合には、イオ
ンビーム電流を下げた方が、もしくはイオンビームの幅
を小さくした方が、イオン注入直後におけるＴｈｅｒｍ
ａＷａｖｅの値および熱処理後におけるシート抵抗の
面内均一性が低くなっているが、劇的な改善には至って
いないことが分かる。

【００１９】また、図８に示した表３から５ｋｅＶとい
う加速電圧を引出し電極２および後段加速器５を用い、
引出し電極２よりも後段加速器５の印加電圧を高くする
ことにより、イオン注入後のＴｈｅｒｍａＷａｖｅお
よび熱処理後のシート抵抗の面内均一性は、従来方式で
ある引出し電極２だけによる加速の場合よりも、良い結
果が得られていることが分かる。しかし、従来方式のよ
うに引出し電極２よりも後段加速器５の印加電圧を低く
した場合には、ＴｈｅｒｍａＷａｖｅおよび熱処理後
のシート抵抗の面内均一性は良くないことが分かる。さ
らに、図８に示した表３から従来方式のように引出し電
極２だけで加速した場合には、シート抵抗の内面バラツ
キは０．６５％であるのに対し、５ＫｅＶの加速電圧を
引出し電極２に２ｋｅＶ、後段加速器５に３ｋｅＶと分
配して加速した場合には、シート抵抗の面内バラツキが
０．４４％と、従来方式よりも約２５％小さくできるこ
とが分かる。少なくともイオンビームの幅によっては、
注入バラツキというものを変化させることができること
を示している。このようにこれまでの説明から、引出し
電極２よりも後段加速器５の印加電圧を高くすることに
より、イオン注入後におけるダメージを試料に均一にす
ることができ、かつ熱処理におけるイオンの活性化を均
一にすることが可能となることが分かる。これは、後段
加速器５の加速比率を上げることにより、よりイオンビ
ームを絞り易くできたことに起因すると考えられる。

【００２０】図８に示した表３のイオンビームの広がり
幅とイオンビーム電流の項目を見てみると、従来方式の
ように引出し電極２だけによる加速の場合は、イオンビ
ーム電流が１ｍＡの場合で３イオンビームの広がり幅は
９７ｍｍである。また、このときの最大電流密度は０．
０４ｍＡ／ｃｍ^２であり、（イオン電流量）／（ビーム
の広がり幅）2 で表される平均電流密度は０．０１１
ｍＡ／ｃｍ^２と、最大電流密度は約４倍程度となってい
る。一方、本実施の形態のように引出し電極２および後
段加速器５で加速し、かつ引出し電極２の印加電圧より
も後段加速器５の印加電圧を高くした場合には、イオン
ビーム電流が１ｍＡの場合でイオンビームの広がり幅は
５９ｍｍである。また、このときの最大電流密度は０．
０５ｍＡ／ｃｍ^２であり、（イオン電流量）／（ビー
ムの広がり幅）2 で表される平均電流密度は０．０２
９ｍＡ／ｃｍ^２と、最大電流密度は平均電流密度の約
１．７２倍となっている。すなわち、極端にビーム電流
密度が高いようなイオンビームではなく、非常にむらの
ないイオンビームが形成されていることが分かった。こ
れは、印加電圧の分配によってスポットの生成を制御す
ることができ、引出し電極２の印加電圧よりも後段加速
器５の印加電圧を高めると、イオンビームの集束効率が
高くなって注入均一性が改善されたからだと考えられ
る。

【００２１】なお、ここでは最大電流密度は平均電流密
度の約１．７２倍であるが、本発明者らの研究によれ
ば、２倍以下であれば非常にむらのないイオンビームを
形成できることが分かった。このように引出し電極２お
よび後段加速器５の印加電圧の分配によって、ビーム幅
が大きく変化してくることが良く分かる。ここまではイ
オン注入装置におけるハード自身の観点から説明してき
たが、次にいかにハードをコントロールするかという観
点から説明する。通常、イオン注入装置のコントロール
シーケンスは、おおよそ以下のようになっている（シー
ケンス１〜シーケンス１２）。シーケンス１：所望イオンのガス導入シーケンス２：アーク放電開始（アーク電圧印加、アーク電流ＯＮ）シーケンス３：ソースマグネットＯＮシーケンス４：質量分離器の電流を設定シーケンス５：設定加速電圧９０ｋｅＶ未満→後段加速：０ｋｅＶ９０ｋｅＶ以上→後段加速：（トータル加速電圧−引出し電圧）シーケンス６：引出し電極とイオン源引出し口との隙間距離の調整 →最大ビーム電流が得られる距離でピークを取るシーケンス７：引出し電極とイオン源引出し口との横方向距離の調整 →最大ビーム電流が得られる距離でピークを取るシーケンス８：アナライザーマグネットの電流調整 →最大ビーム電流が得られるところでピークを取るシーケンス９：アーク電流の調整シーケンス10：所望のイオンビーム電流が得られたか？ Yes→シーケンス11へ No →シーケンス６へシーケンス11：ビームプロファイル測定シーケンス12：調整終了このような従来のコントロールシーケンスでは、加速電
圧の比率、ビームプロファイル測定で得られたビームの
幅および最大電流密度をコントロールすることはできな
い。

【００２２】そこで、本実施の形態では、シーケンス１：所望イオンのガス導入シーケンス２：アーク放電開始（アーク電圧印加、アーク電流ＯＮ）シーケンス３：ソースマグネットＯＮシーケンス４：質量分離器の電流を設定シーケンス５：設定加速電圧の設定 →引出し電圧＝（設定加速電圧／２）×４０％ →後段加速電圧＝設定加速電圧−引出し電圧シーケンス６：引出し電極とイオン源引出し口との隙間距離の調整 →最大ビーム電流が得られる距離でピークを取るシーケンス７：引出し電極とイオン源引出し口との横方向距離の調整 →最大ビーム電流が得られる距離でピークを取るシーケンス８：アナライザーマグネットの電流調整 →最大ビーム電流が得られるところでピークを取るシーケンス９：アーク電流の調整シーケンス10：所望のイオンビーム電流が得られたか？Ｙｅｓ→シーケンス11へＮｏ→シーケンス６へシーケンス11：ビームプロファイル測定（ビーム幅、最大電流密度）平均電流密度算出＝（シーケンス10で得られたビーム電流量）／（ビーム幅）2 シーケンス12：最大電流密度が平均電流密度の２倍以下か？Ｙｅｓ→シーケンス14へＮｏ→シーケンス13へシーケンス13：設定加速電圧の再設定 →引出し電圧＝（設定加速電圧/2）×（40％+（再設定回数） ×5％） ※ただし、再設定回数は最大10回までとする。１０回目
でもシーケンス１２においてＮｏの場合には、シーケン
ス１からやり直す。

【００２３】 →後段加速電圧＝設定加速電圧−再設定引出し電圧 →再設定後シーケンス６へシーケンス14：調整終了このようなコントロールシーケンスを使用すれば、シー
ケンス５の設定加速電圧の設定において、その値が変わ
ることによって、引出し電圧と後段加速電圧との比率を
調整、イオンビームの幅、および最大電流密度の値が変
わるので、これらのパラメータをコントロールすること
が可能となり、これによりこれまで説明してきたよう
に、注入均一性を向上させることができ、かつ注入量の
低下を招かないイオン注入が可能となる。（第２の実施の形態）従来のイオン注入方法では、イオ
ン注入前にイオン注入装置とは物理的に分離した別の洗
浄装置で試料を洗浄している。しかし、試料表面の自然
酸化膜を除去しても、洗浄後からイオン注入までの間に
大気に試料が晒されてしまうために、試料の表面に自然
酸化膜が再度形成されてしまう。このような状況で、例
えば加速電圧５００ｅＶ、ドーズ量２×１０^１４ｃｍ⁻
^２でもってボロンのイオン注入を行うと、厚さがわずか
２ｎｍ程度の自然酸化膜でも試料に対して影響を与えて
しまう。

【００２４】加速電圧５００ｅＶでのボロンのイオン注
入の場合、最大濃度深さは約４ｎｍ程度のところに位置
する。しかし、試料表面の自然酸化膜の影響を受けて、
イオン打ち込みにおける最大濃度深さは、自然酸化膜よ
りの浅い領域に位置するようになってしまうので、本来
試料中に注入されるべきボロンの一部が自然酸化膜中に
取り込まれてしまう。その結果、所望のドーズ量未満で
もって試料中にボロンが注入されることになる。当然、
加速電圧の低エネルギー化に伴い、イオンの反射やスパ
ッタリングの効果により注入量は低下していく。ここ
で、加速電圧１ｋｅＶの酸素のイオン注入の場合、シリ
コンのスパッタリングイールドはｔｉｌｔ角０°で約
０．２であり、酸素とボロンでほぼ同じ位のスパッタリ
ングイールドと考えると、イオン注入の際に生じる試料
の削れは０．０１ｎｍ程度であり、イオン注入量の低下
はほとんど無視できると考えられる。しかしながら、実
際には、設定した注入量が２×１０^１４ｃｍ^−２である
のに対し、ＳＩＭＳによるカウント（実測値）は１〜１
５×１０^１４ｃｍ^−２と、２０％以上の注入量の低下が
見られている。これはイオン注入時の反射・スパッタリ
ングの影響だけでは無く、試料表面に形成されている自
然酸化膜の影響を受けていることを示唆している。

【００２５】そこで、洗浄後からイオン注入までの間に
自然酸化膜が再形成されないようにして同様のイオン注
入を行って、イオン打ち込み量の低下を調べてみた。図
４は、洗浄後からイオン注入までの間に酸化膜を再形成
せずに、イオン注入を行えるイオン注入装置の模式図で
ある。なお、図３と対応する部分には図３と同一符号を
付してある。このイオン注入装置が図３のそれと異なる
点は、試料表面に形成されている自然酸化膜や熱酸化膜
等の酸化膜を除去し、試料室１４と接続した酸化膜除去
装置２０を備えていることにある。なお、本発明は、引
出し電極が無い後段加速器だけのイオン注入装置に対し
ても適用できる。この酸化膜除去装置２０は、大きく分
けて、試料が待機する準備室２１と、試料を搬送する機
構を備えた搬送室２２と、前処理および酸化膜の除去を
行う処理室２３と、試料の乾燥を行う乾燥室２４とで構
成されている。準備室２１と搬送室２２と、準備室２１
と処理室２３、処理室２３と乾燥室２４、乾燥室２４と
搬送室２２、搬送室２２と試料室１４はそれぞれ接続
し、これらの間では試料の搬入または搬出が可能となっ
ている。準備室２１内には試料を載せるテフロン製カセ
ット（以下、単にカセットという）２５が設けられてい
る。図４には４つのカセット２５が示されている。

【００２６】試料およびそれを載せたカセット２５は、
まず搬送クレーン２６により準備室２１から処理室２３
内に搬送され、さらに処理室２３の中に設置されている
石英ビーカー２７内に設置される。このとき、ドライポ
ンプ２８により搬送室２２および処理室２３内は１３．
３Ｐａまで減圧され、その後に窒素パージにより常圧に
戻されている。ここでは、搬送室２２および処理室２３
内の酸素分圧（酸素圧／（酸素圧＋窒素圧））は１３３
Ｐａ以下にしている。また、搬送クレーン２６は、図示
しないレールによって各室内を移動できるようになって
いる。搬送部としてクレーン以外のものを使用しても良
い。次に配水管２９から純水が石英ビーカー２７に供給
され、試料およびそれを載せたカセット２５は３分間水
洗される（前処理）。一方、この水洗の間に、２００
（純水）：１（弗酸）の割合となるように、弗酸供給ラ
イン３０から薬品タンク３１内の弗酸が、配水管２９よ
り分岐した配水管３２から純水がそれぞれ洗浄薬品攪拌
室３３に供給され攪拌される。このとき、排水管３４の
バルブ３５ａは閉じておく。次にバルブ３５ａを開いて
排水管３４を介して純水を排水した後、バルブ３５ａを
閉じる。次に洗浄薬品攪拌室３３で準備された２００
（水）：１（弗酸）の割合で混合された弗酸混合液（希
弗酸液）を、薬品供給ライン３６から石英ビーカー２７
に供給する。

【００２７】ここで、試料の表面上には厚さ２ｎｍ程度
の自然酸化膜が形成されており、この自然酸化膜を除去
するために、試料およびカセット２５を石英ビーカー２
７内の弗酸混合液に浸して１分間洗浄する。次にバルブ
３５ａを開いて排水管３４を介して弗酸混合液を排水し
た後、バルブ３５ａを閉じ、続いて配水管２９から純水
を石英ビーカー２７に供給して、試料およびカセット２
５を１０分間水洗する。次にバルブ３５ａを開いて排水
管３４を介して純水を排水した後、搬送クレーン２６に
より石英ビーカー２７から試料を載せたカセット２５を
引き上げる。次に搬送クレーン２６により試料およびそ
れを載せたカセット２５を窒素雰囲気下で乾燥室２４内
に搬送する。乾燥室２４内には１００ｒｐｍで回転乾燥
する乾燥リンサー３７が設置されており、この乾燥リン
サー３７により試料およびカセット２５を乾燥する。乾
燥室２４内はカセット２５が乾燥リンサー３７に載置さ
れ回転が開始されると同時にドライポンプ２８により１
３．３Ｐａまで減圧される。次に搬送クレーン２６によ
り搬送室２３内に試料およびそれを載せたカセット２５
を移動し、載置台３８に載せる。このとき、搬送室２３
は事前にドライポンプ２８により１３．３Ｐａまで減圧
されている。

【００２８】次に搬送ロボット３９により搬送室２３か
らウェハーホルダー８へと試料が減圧下で設置される。
この後、従来または第１の実施の形態と同様に減圧下で
試料にイオンを注入する。本実施の形態によれば、窒素
雰囲気下で試料が洗浄され、その表面の自然酸化膜が除
去され、さらに乾燥時からイオン注入の終了まで雰囲気
が減圧下に制御されるので、試料表面に自然酸化膜が再
度形成されることはない。したがって、注入量の低下を
効果的に防止できる。具体的な例をあげると、５００ｅ
Ｖの加速電圧、２×１０^１４ｃｍ^−２のドーズ量でもっ
て試料にボロンイオンを注入し、これをＳＩＭＳにより
評価したところ、そのカウントは１．９〜２×１０^１４
ｃｍ^−２であり、注入量の大幅な減少は見られなかっ
た。このように注入量の低下を効果的に防止できること
から、通常の大気搬送でイオン注入装置に試料をセット
した場合とは異なり、注入ばらつきの増加を抑制しなが
ら、試料表面から５０ｎｍ以下の極めて浅い領域にイオ
ンを注入することが可能となる。また、以下に説明する
ように、試料表面の自然酸化膜は、熱処理後におけるボ
ロンの濃度、すなわち活性なボロンの濃度にも影響を与
える。

【００２９】従来のイオン注入装置で、５００ｅＶの加
速電圧、２×１０^１４ｃｍ^−２のドーズ量でもって試料
にボロンイオンを注入しても、１〜１．５×１０^１４ｃ
ｍ⁻ ^２と２０％以上の注入量の低下が見られる。このよ
うな注入量の低下は、１ｋｅＶ以下であれば同様に起こ
ることを確認した。素子の微細化に伴って拡散層の深さ
（接合深さ）は浅くなる。浅い拡散層を形成するために
は、加速電圧を低くする必要がある。しかし、上記のよ
うに低加速電圧の場合、イオン注入量は大きく低下する
ので、所望濃度の浅い拡散層を形成することは困難にな
る。さらに、上記試料をＲＴＡ装置を用いて、窒素雰囲
気中で９００℃、３０秒の熱処理を行うと、ＳＩＭＳに
よるカウントでは５〜７×１０^１３ｃｍ^−２とさらなる
ボロン濃度の低下が見られた。ＳＩＭＳでは、ボロン全
体の濃度、すなわち不活性および活性なボロンの濃度を
評価することになるので、本発明者らは、Ｈａｌｌ測定
によって活性なボロンの濃度を評価したところ、その結
果は２×１０^１３ｃｍ^−２となり、活性なボロンの濃度
の低下も著しことが分かった。これに対して、本実施の
形態のイオン注入装置の場合、同じ条件で熱処理を行っ
ても、ボロン全体の濃度の低下はほとんど見られず、ま
た、活性なボロンの濃度の低下もほとんど見られなかっ
た。

【００３０】これは、イオン注入時の試料表面の状態が
影響を及ぼしているものと考えられる。すなわち、従来
のイオン注入装置では、試料表面に自然酸化膜が形成さ
れた状態でイオンを注入するために、イオン注入の際に
自然酸化膜から酸素がノックオンしてしまい、熱処理時
に酸素が脱離する過程で誘起欠陥を生成し、この誘起欠
陥によってボロンの活性化が阻害されるとともに、酸素
と共にボロンも外方へ拡散するからだと考えられる。さ
らに、自然酸化膜の膜厚は試料表面の面内でばらつく。
これは、試料にイオンを均一に注入することを困難にさ
せる原因の一つであると考えられる。自然酸化膜の膜厚
のばらつきは、代表的には、０．３ｎｍ±０．１ｎｍで
ある。なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるも
のではない。例えば、上記実施の形態では、ボロンのイ
オン注入について説明したが、本発明はリン等の他の不
純物のイオン注入にも適用できる。また、本発明の具体
的な適用例をあげると、図５に示すように、微細化の進
んだＭＯＳトランジスタのエクステンションを有するソ
ース／ドレイン拡散層４１を形成するためのイオン注入
があげられる。特に深さが３０ｎｍ以下、かつ低不純物
濃度のソース／ドレイン拡散層４１に対して有効であ
る。この場合、ソース／ドレイン拡散層４１のコンタク
ト抵抗のバラツキを効果的に抑制できるようになる。な
お、図中、４０はＳｉ基板、４２はゲート絶縁膜（酸化
膜）、４３はゲート電極、４４はゲート側壁絶縁膜（窒
化膜）をそれぞれ示している。ゲート電極４３の構造
は、ポリサイドゲート構造またはメタルゲート構造の電
極が好ましい。

【００３１】このようなソース／ドレイン拡散層をボロ
ンのイオン注入によって形成する場合、加速エネルギー
は２００ｅＶ以上５００ｅＶ以下、ボロンイオンのドー
ズ量は最大で２×１０^１３ｃｍ^−２以下とすると良い。
また、砒素のイオン注入によって形成する場合、加速エ
ネルギーは３ｋｅＶ以下、砒素イオンのドーズ量は最大
で２×１０^１３ｃｍ^−２以下とすると良い。また、本発
明は、ＭＯＳトランジスタのしきい値電圧を調整するた
めのイオン注入にも適用できる。この場合、しきい値電
圧（Ｖth）のばらつきを効果的に抑制できるようにな
る。また、本発明に係るイオン注入装置は第２の実施の
形態で説明した構成のものに限定されるものではなく、
要は酸化膜の除去の開始からイオン注入の終了までの間
に、酸化膜が再形成されない構成のものであれば良い。
さらに、試料は、通常のＳｉ基板（Ｓｉウェハ）、ＳＯ
Ｉ基板（ＳＯＩウェハ）、さらにはＳｉＧｅ等からなる
他の半導体基板（半導体ウェハ）であっても良い。その
他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実
施できる。

【発明の効果】以上述べた様に、引出し電極および後段
加速器を備えたイオン注入装置を用いたイオン注入方法
において、後段加速器の印加電圧を、引出し電極の印加
電圧よりも高く設定することによって、試料表面から浅
い領域にイオンを均一に注入することができる。

【００３２】また、試料表面に形成された酸化膜を除去
する酸化膜除去装置を資料室に接続することによって、
酸化膜の除去からイオン注入の終了までの間に、酸化膜
の再形成されない状態（減圧下）を形成することが可能
となるので、イオン注入量および活性なイオンの濃度の
低下を抑制出来るイオン注入装置を実現できる様にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係るイオン注入方
法で使用するイオン注入装置を示す模式図。

【図２】イオンビーム幅の定義を説明するための図。

【図３】イオンビーム内における電流密度の影響を調べ
るために用いたイオン注入装置を示す模式図。

【図４】本発明の第２の実施の形態に係るイオン注入装
置を示す模式図。

【図５】本発明の適用対象の一例を示す工程断面図。

【図６】注入均一性のビーム電流依存性を示す表１であ
る。

【図７】注入均一性の後段加速電圧依存性を示す表２で
ある。

【図８】注入均一性のビーム幅依存性を示す表３であ
る。

【符号の説明】

１…イオン源チャンバー（容器）２…引出し電極（第１の電極）３…分離電磁石（選別手段）４…スリット（選別手段）５…後段加速器（第２の電極）６，７…四極レンズ８…ファラデーカップ９…試料１０…ウェハホルダ− １１…偏光レンズ１２…プラズマシャワー１３…ビームストップ１４…試料室２０…酸化膜除去装置２１…準備室２２…搬送室２３…処理室２４…乾燥室２５…カセット２６…搬送クレーン２７…石英ビーカー２８…ドライポンプ２９…排水管３０…フッ酸供給ライン３１…薬品タンク３２…配水管３３…洗浄薬品攪拌室３４…排水管３５ａ、３５ｂ…バルブ３６…薬品供給ライン３７…乾燥リンサー３８…載置台３９…搬送ロボット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部で複数種のイオンが生成される容器
と、前記容器内から前記複数種のイオンを引き出す第１
の電極と、前記複数種のイオンのうち所望のイオンを選
別する選別部と、前記所望のイオンを加速する第２の電
極とを備えたイオン注入装置を用いたイオン注入方法で
あって、前記第２の電極の印加電圧を前記第１の電極の
印加電圧よりも高く設定することを特徴とするイオン注
入方法。
【請求項２】前記所望のイオンを所望の加速エネルギー
でもって試料に注入するときに、前記第１の電極により
得られる前記所望のイオンの最大加速エネルギーが、前
記所望の加速エネルギーの半分よりも大きい場合、前記
第２の電極の印加電圧を前記第１の電極の印加電圧より
も高く設定する請求項１に記載のイオン注入方法。
【請求項３】前記第２の電極で加速されたイオンからな
るイオンビーム中の最大電流密度をＤmax、前記イオン
ビームの電流量をＩ、前記イオンビームの幅をＷ、Ｉ／
Ｗ^２で表される平均電流密度をρとした場合に、ρ≧Ｄ
max／２の関係を満たすことを特徴とする請求項２に記
載のイオン注入方法。
【請求項４】前記試料と、前記所望のイオンのビームを
収束する機能を有する収束部のうちで前記試料に最も近
いものとの間の距離をＬ、前記試料からＬ／１０だけ離
れた位置における前記ビームの幅をＷｐ、前記試料から
Ｌ／２だけ離れた位置における前記ビームの幅をＷｈと
した場合、Ｗｈ／Ｗｐの値が実質的に１になるように、
前記第１および第２の電極に印加する電圧を設定するこ
とを特徴とする請求項２に記載のイオン注入方法。
【請求項５】前記所望のイオンを半導体基板に注入し、
拡散層を形成することを特徴とする請求項２に記載のイ
オン注入方法。
【請求項６】試料に所望のイオンを注入するイオン注入
装置本体と、前記イオン注入装置本体と接続され、前記
試料の表面に形成された酸化膜を除去する酸化膜除去装
置とを備えたイオン注入装置を用いたイオン注入方法で
あって、前記酸化膜除去装置により前記試料の表面に形
成された酸化膜を除去した後、前記イオン注入装置本体
により前記試料に前記所望のイオンを注入することを特
徴とするイオン注入方法。
【請求項７】前記酸化膜の除去の開始から、前記所望の
イオンの注入の終了までの工程を減圧下で行うことを特
徴とする請求項６に記載のイオン注入方法。
【請求項８】前記イオン注入装置本体は、内部で複数種
のイオンが生成される容器と、前記容器内から前記複数
種のイオンを引き出す第１の電極と、前記複数種のイオ
ンのうち所望のイオンを選別する選別部と、前記所望の
イオンを加速する第２の電極と、前記加速されたイオン
が注入される試料を設置し、前記酸化膜除去装置と接続
された試料室とを含むことを特徴とする請求項６に記載
のイオン注入方法。
【請求項９】前記所望のイオンを所望の加速エネルギー
でもって試料に注入するときに、前記第１の電極により
得られる前記所望のイオンの最大加速エネルギーが前記
所望の加速エネルギーの半分よりも大きい場合、前記第
２の電極の印加電圧を前記第１の電極の印加電圧よりも
高く設定することを特徴とする請求項１３に記載のイオ
ン注入方法。
【請求項１０】試料に所望のイオンを注入するイオン注
入装置本体と、前記イオン注入装置本体と接続され、前記試料の表面に
形成された酸化膜を除去する酸化膜除去装置とを備えた
ことを特徴とするイオン注入装置。
【請求項１1】前記イオン注入装置本体は、内部で複数
種のイオンが生成される容器と、前記容器内から前記複
数種のイオンを引き出す第１の電極と、前記複数種のイ
オンのうち所望のイオンを選別する選別部と、前記所望
のイオンを加速する第２の電極と、前記加速されたイオ
ンが注入される試料を設置する試料室と、前記試料室と
接続され、前記試料の表面に形成された酸化膜を除去す
る酸化膜除去装置とを備えていることを特徴とする請求
項１１に記載のイオン注入装置。
【請求項１２】前記酸化膜除去装置は、前記加速された
イオンを前記試料に注入する前に、前記試料の表面に形
成された酸化膜を除去する洗浄室と、前記洗浄室内で洗
浄された試料を乾燥する乾燥室と、前記試料室、前記洗
浄室および前記乾燥室内に前記試料を搬送する搬送装部
と、前記試料室、前記洗浄室および前記乾燥室内の圧力
を制御する圧力制御部を含むことを特徴とする請求項１
１に記載のイオン注入装置。