JP2001237197A

JP2001237197A - イオン注入装置

Info

Publication number: JP2001237197A
Application number: JP2000044451A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Sugimura; 伸一杉村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2000-02-22
Filing date: 2000-02-22
Publication date: 2001-08-31

Abstract

(57)【要約】【課題】基板の正帯電による障害が生じないような構
成を備え、しかも異種イオン種間のクロスコンタミネー
ションが生じないように、イオン注入できるイオン注入
装置を提供する。【解決手段】本イオン注入装置は、被イオン注入基板
Ｗを保持する基板保持部２２を内部に備えたイオン注入
室を有し、イオン注入室にイオンビームを導いて、基板
保持部に保持された基板にイオンを注入する装置であ
る。基板保持部の外径以下で、基板の外径以上の内径を
有する円錐台状の筒体として形成された２次電子放出体
２４が、基板保持部に直交し、基板保持板に近接して設
けられている。２次電子放出体から放出された２次電子
を基板方向に指向させるように磁界を発生させる永久磁
石２６が、２次電子放出体の外周面に設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、イオン注入装置に
関し、更に詳細には、イオン注入する際、基板及び基板
保持部が正に帯電しないようにしたイオン注入装置、特
に石英基板に低注入量でイオン注入する中電流イオン注
入装置として最適なイオン注入装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造工程では、イオン注入
装置を使って、半導体基板に所定の不純物イオンをイオ
ン注入して、ｐ型又はｎ型の不純物拡散領域を半導体基
板内に形成することが多い。イオン注入装置は、半導体
装置の拡散領域を形成し、また半導体装置の電気的特性
を制御するために、ボロン、リン、砒素などの不純物を
イオン化し、加速して、半導体基板内に注入する装置で
あって、注入量によって、１×１０¹⁴ｉｏｎｓ／ｃｍ²
以下の不純物注入量で不純物イオンを注入する中電流イ
オン注入装置と、１×１０¹⁴ｉｏｎｓ／ｃｍ²以上の不
純物注入量で不純物イオンを注入する高電流イオン注入
装置とに大別される。

【０００３】ここで、図６を参照して、従来の中電流イ
オン注入装置の構成を説明する。図６は従来の中電流イ
オン注入装置の構成の概略を示す模式図である。中電流
イオン注入装置１０は、所望の不純物を含むソースをイ
オン化し、イオン化した不純物を引き出すイオン生成室
１２と、イオン生成室１２から引き出されたイオン種か
ら、磁場による質量分離によって所望の不純物イオン種
を選別する質量分析部１４と、不純物イオンを半導体基
板中の所望の深さに注入するために、選別した不純物イ
オンを加速させて、エネルギーを高める加速管１６と、
半導体基板中に不純物イオンを均一一様に注入するよう
にイオンビームを走査して、注入室に保持された半導体
基板にイオンビームを照射するイオンビーム走査部１８
と、イオンビームを導いて、半導体基板にイオンを注入
させるイオン注入室２０とを備えている。

【０００４】ところで、高電流イオン注入装置の場合、
正にイオン化した不純物を半導体基板中に注入すると、
半導体基板は接地電位にあるものの、半導体基板に注入
する単位時間当たりの不純物量が多いので、半導体基板
の電位がイオン注入によって徐々に高くなり、半導体基
板が正に帯電する。そのまま放置すると、イオンビーム
の進入が阻害されて注入エネルギーが減少し、所望の基
板領域にイオン注入を行うことが難しくなる。そこで、
高電流イオン注入装置では、負の電荷を持つ電子を生成
して半導体基板に供給する電子供給装置を備え、正に帯
電した半導体基板に電子を強制的に供給し、正に帯電し
た半導体基板を中和している。

【０００５】ここで、図７を参照して、イオン注入の際
の正の帯電と、その中和のメカニズムの概要を説明す
る。図７はイオン注入室に設けられた基板保持部を示す
模式図である。半導体基板Ｗは、図７に示すように、イ
オン注入室内で、半導体基板Ｗの外径より多少大きな外
径の基板保持部２２の保持面に真空吸着等の手段によっ
て保持されている。基板保持部２２は接地されているの
で、半導体基板Ｗも、同じく接地電位にある。正の不純
物イオンビームが半導体基板Ｗに照射されると、半導体
基板Ｗは接地電位にあるので、電子が接地側から供給さ
れ、正の電荷を中和するものの、実際には、電子の供給
が注入される不純物量より少なかったりして、図７に示
すように、半導体基板Ｗは正に帯電する。特に、半導体
基板Ｗ上に成膜されているレジスト膜等の電気伝導率の
低いものが正に帯電する。

【０００６】一方、微視的には、図７に示すように、イ
オンビームが衝突した半導体基板Ｗの表面及び基板保持
部２２の表面付近から、２次電子が放出され、放出され
た２次電子が半導体基板やレジスト膜に戻れば、それら
は、中和されるものの、戻ってくる２次電子が少なかっ
たりして、半導体基板は、徐々に正に帯電する。尚、イ
オンビームは、半導体基板や基板保持部に対して垂直に
入射されるので、イオンビームが斜めから入射される場
合に比べて、２次電子の発生効率は低い。そこで、大電
流イオン注入装置では、図７に示すように、強制的に電
子を半導体基板に供給する電子供給装置が、イオン注入
室に付設されている。

【０００７】一方、中電流イオン注入装置では、単位時
間当たりの注入不純物量が少ないので、仮に半導体基板
が瞬時的に正に帯電しても、イオンビームが半導体基板
や基板保持部に衝突する際に放出される２次電子によっ
て、半導体基板の正帯電が殆ど中和される。従って、一
般的には、中電流イオン注入装置には、電子を基板に強
制的に供給する電子供給装置が設けられていない。ま
た、イオン注入装置に電子供給装置を設けると、ノイズ
やダストが発生し易く、更にはメタルコンタミネーショ
ンが発生し易い等の問題があって、この理由からも、電
子供給装置を設けないのが一般的である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、強制的に電子
を基板に供給する電子供給装置を備えない、従来の中電
流イオン注入装置には、次のような問題があった。第１
の問題は、半導体基板がシリコン基板の場合、イオン注
入量が多くなければ、基板の正帯電による障害は殆どな
いものの、絶縁性の石英基板上にトランジスタを形成す
る、ＴＦＴデバイスの製造工程では、イオン注入量が多
くなくても、石英基板が正に帯電することに起因して、
次に挙げるような種々の障害が発生することである。即
ち、ＴＦＴデバイスの製造工程では、トランジスタのＶ
ｔｈ特性（閾値電流特性）を制御するために、石英基板
に正の不純物イオンをイオン注入している。その際、比
較的少ない不純物注入量でイオン注入しているにもかか
わらず、石英基板が正に帯電するために、石英基板上の
ポリシリコン配線、レジストパターン等が絶縁破壊によ
り損傷し、所望の形状、寸法の配線を形成することがで
きなかったり、短絡、断線等の配線不良を招いたりし
て、製品歩留りが低下する。

【０００９】また、第２の問題は、イオン注入して所望
の電気的特性になるようにトランジスタの電気的特性を
制御する際、不純物イオン注入量が少ない場合や、基板
の浅い領域に不純物イオンを注入しなければならい場合
には、イオン注入量がばらつくという問題である。その
結果、トランジスタの電気的特性がばらつき易く、製品
歩留が低下する。

【００１０】そこで、本発明の目的は、ＴＦＴデバイス
の製造工程等で石英基板に正の不純物イオンをイオン注
入する際にも、強制的な電子を基板に供給する電子供給
装置を有しなくても、基板の正帯電による障害が生じな
いようにした構成を備え、しかもトランジスタが所望の
電気的特性を備えるようにイオン注入できる、イオン注
入装置を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者は、電子供給装
置を備えていないイオン注入装置を使って、ＴＦＴデバ
イスの製造工程等で石英基板に正の不純物イオンをイオ
ン注入する際に、基板が正帯電する原因は、正に帯電し
た石英基板を中和する２次電子が不足していることにあ
ると考えた。また、イオン注入中に、石英基板上に成膜
したフォトレジスト膜から発生したアウトガスによっ
て、基板保持部が汚れ、２次電子の発生効率が悪くなる
ために、石英基板の正帯電が中和され難くなり、上述の
ような静電破壊を招くことも判った。

【００１２】更には、不純物イオン注入量が少ない場合
や、基板の浅い領域に不純物イオンを注入しなければな
らい場合に、イオン注入量がばらつくのは、以前にイオ
ン注入装置の基板保持部に付着し、或いは蒸着した別の
注入不純物が、今回の不純物をイオン注入する際に、イ
オンビームによりスパッタリングされて、基板中に叩き
込まれてしまい、その結果、電気的特性にバラツキが生
じることが判った。

【００１３】そこで、本発明者は、２次電子を放出し易
い材料で形成された、筒状の２次電子放出体を基板保持
部に設け、２次電子放出体にイオンビームを衝突させ
て、２次電子放出体から２次電子を放出させ、基板に供
給すると共に、２次電子放出体で基板を囲むことによ
り、フォトレジスト膜から発生したアウトガスによって
基板保持部が汚れたり、また、基板保持部がイオンビー
ムによってスパッタリングされて、別の注入不純物が飛
び出し、基板に進入することがないようにすることを着
想し、実験を重ねて、本発明を発明するに到った。

【００１４】上記目的を達成するために、上述の知見に
基づいて、本発明に係るイオン注入装置は、被イオン注
入基板を基板保持面に保持する基板保持部を内部に備え
たイオン注入室を有し、イオン注入室にイオンビームを
導いて、基板保持部に保持された基板にイオンを注入す
るイオン注入装置において、長手方向が基板保持部の基
板保持面に直交し、かつ基板保持部に近接して設けら
れ、基板の外径以上で基板保持部の外径以下の範囲の内
径を有する筒状体として形成された２次電子放出体と、
２次電子放出体の外周面に設けられ、２次電子放出体か
ら放出された２次電子を基板方向に指向させるように磁
界を発生させる磁石とを備えていることを特徴としてい
る。

【００１５】本発明では、磁石は、２次電子放出体から
放出された２次電子を基板方向に指向させるような磁界
を発生できる限り、永久磁石でも、電磁石でも良い。２
次電子放出体と基板保持部との間隔は、石英基板の厚さ
より大きい。また、２次電子放出体は、２次電子を放出
できる限り、その構成材料には制約はないが、好適には
２次電子を放出し易い、アルミニウム（Ａｌ）、シリコ
ン（Ｓｉ）、及び炭化珪素（ＳｉＣ）のいずれかで、２
次電子放出体の少なくとも内壁面を形成する。つまり、
２次電子放出体の全体をアルミニウム（Ａｌ）、シリコ
ン（Ｓｉ）、及び炭化珪素（ＳｉＣ）のいずれかで形成
しても良く、また、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン
（Ｓｉ）、及び炭化珪素（ＳｉＣ）のいずれかで、２次
電子放出体の内壁面をコーティングしても良い。更に
は、基板保持部がアルミニウムで形成されているときに
は、２次電子放出体の少なくとも内壁面をシリコン又は
炭化珪素で形成することにより、２次電子放出体の２次
電子発生効率が、アルミニウムで形成された基板保持部
より向上し、基板の正帯電の中和効率が向上する。

【００１６】好適には、２次電子放出体の内壁面の表面
積を大きくして、イオンビームが衝突し易く、従って２
次電子が放出され易くする。例えば、２次電子放出体の
内壁面に溝と山とを交互形成して、また、２次電子放出
体の内壁面を多数の凹凸からなる粗面に加工して、２次
電子放出体の内壁面の表面積が大きくなるようにする。

【００１７】更には、本発明の好適な実施態様では、２
次電子放出体は、筒内径が基板保持部に向かって縮小
し、基板保持部との近接端での筒内径が基板の外径以上
で基板保持部の外径以下の円錐台状の筒体として形成さ
れている。円錐台の円錐面の傾斜に関しては、イオンビ
ームができるだけ小さい入射角度（イオンビームの進入
方向と２次電子放出体の内壁面との成す角度）で２次電
子放出体の内壁面に衝突した方が、２次電子の発生効率
が良くなるので、好適には、長手方向中心線を含む面で
見て、円錐台状の筒体の筒壁と長手方向中心線との成す
角度が、０°以上１０°以下である。これにより、イオ
ンビームが２次電子放出体の内壁面に衝突し易く、しか
も２次電子の放出量が増大する。

【００１８】好適には、２次電子放出体が、長手方向中
心線の周りに回動できるようになっている。これによ
り、不純物イオン種に応じて、例えばボロン、リン、及
び砒素のイオン注入に応じて、２次電子放出体を長手方
向中心線の周りに回動させて、基板に対して最も適当な
位置に位置決めすることにより、レジスト膜から発生す
るアウトガスによる基板保持部の汚れを抑制して、２次
電子の発生効率の悪化を防止し、また、相互に異なった
イオン種同士のコンタミネーションを防止することがで
きる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下に、実施形態例を挙げ、添付
図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細
に説明する。実施形態例本実施形態例は、本発明に係るイオン注入装置の実施形
態の一例であって、図１は本実施形態例のイオン注入装
置の要部の構成を示す部分破断斜視図、図２は要部の側
面断面図、並びに図３（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、
２次電子放出体の内壁面の構成を示す斜視図である。本
実施形態例のイオン注入装置は、被イオン注入石英基板
Ｗを保持する基板保持部２２（図７参照）を内部に備え
たイオン注入室２０（図６参照）を有し、イオン注入室
２０にイオンビームを導いて、基板保持部２２に保持さ
れた石英基板Ｗにイオンを注入する中電流イオン注入装
置であって、図１に示すように、イオンビームの衝突に
よって２次電子を放出する２次電子放出体２４を基板保
持部２２に近接して備えていることを除いて、図６に示
す従来のイオン注入装置１０と同じ構成である。

【００２０】２次電子放出体２４は、図２に示すよう
に、筒内径が基板保持部２２に向かって縮小し、基板保
持部２２との近接端２４ａで、基板保持部２２の外径ｄ
より小さく、かつ石英基板Ｗの外径Ｄ_w と同じか、又は
大きい筒内径Ｄと、基板保持部２２に直交する長手方向
中心線とを有し、小さな間隙Ｇ（但し、石英基板Ｗの厚
さより大きい）を介して基板保持部２２から離隔して設
けられた円錐台状の筒体として形成されている。２次電
子放出体２４の円錐面の傾斜は、図２に示すように、２
次電子放出体２４の長手方向中心線を含む面で見て、円
錐台状の２次電子放出体２４の筒壁と長手方向中心線と
の成す角度θが、０°以上１０°以下である。２次電子
放出体２４の外周面には、２次電子放出体２４から放出
された２次電子を基板方向に指向させるように磁界を発
生させる複数個の永久磁石２６が、等間隔で離隔して設
けてある。

【００２１】２次電子放出体２４は、イオンビームの衝
突により２次電子を放出し易い、アルミニウム（Ａ
ｌ）、シリコン（Ｓｉ）、及び炭化珪素（ＳｉＣ）のい
ずれかで形成されている。これに代えて、２次電子放出
体２４の内壁面をアルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓ
ｉ）、及び炭化珪素（ＳｉＣ）のいずれかでコーティン
グしても良い。また、２次電子放出体２４の内壁面の表
面積を大きくして、イオンビームが衝突し易く、従って
２次電子を放出し易くするために、図３（ａ）に示すよ
うに、２次電子放出体２４の長手方向に延在する溝２８
と山３０とが、２次電子放出体２４の内壁面に交互に設
けられている。また、溝２８及び山３０に代えて、図３
（ｂ）に示すように、２次電子放出体２４の内壁面を無
数の凹凸からなる粗面にして、内壁面の表面積を大きく
しても良い。

【００２２】本実施形態例では、以上の構成によって、
図４に示すように、２次電子放出体２４に衝突したイオ
ンビームが２次電子放出体２４から２次電子を放出さ
せ、放出された２次電子は、永久磁石２６による磁界に
よって基板Ｗの方向に指向し、基板Ｗに衝突する。一時
的に正に帯電した基板保持部２２は、衝突した２次電子
によって瞬時に中和され、接地電位に近くなる。また、
基板保持部２２は、２次電子放出体２４で囲まれている
ので、基板Ｗ上に成膜されたフォトレジスト膜（図示せ
ず）からイオン注入中に発生したアウトガスによって汚
染されることが抑制され、更には、基板保持部２２に不
純物が付着したり、蒸着したりすることが抑制されるの
で、イオン注入する際に、基板保持部２２に堆積した別
の所望でない不純物がイオンビームによりスパッタリン
グされて飛び出し、基板Ｗ中に進入するようなことも生
じない。

【００２３】実施形態例の改変例１実施形態例の改変例１は、図示しないが、２次電子放出
体２４を長手方向中心線の周りに回動して、基板保持部
２２に対して所望の位置に位置決めできるようになって
いる。本改変例では、注入イオン種に応じて、最も好ま
しい位置に２次電子放出体２４を回動させることによ
り、基板Ｗ上に成膜されているフォトレジスト膜から発
生したアウトガスにより、基板保持部２２が汚れるのを
防止することができる。よって、基板保持部２２の２次
電子の発生効率の悪化が抑制され、また、異なったイオ
ン種間のクロスコンタミネーションを防止することがで
きる。

【００２４】実施形態例の改変例２実施形態例の改変例２は、イオンビーム走査方式がハイ
ブリッド方式であるイオン注入装置に適用するものであ
って、図５は本改変例のイオン注入装置に設けた２次電
子放出体３０の平面図である。ハイブリッド方式とは、
基板保持部２２の一方向、例えばＸ方向のみ、イオンビ
ームで走査し、一方向に直交する方向、即ちＹ方向は、
基板保持部２２を移動させることによって、イオンビー
ムを照射する方式である。本改変例の２次電子放出体３
０は、図５に示すように、Ｘ方向に長軸を、Ｙ方向に短
軸を有する楕円筒であって、筒内径が基板保持部２２に
向かって縮小し、基板保持部２２との近接端２４ａで、
長軸の長さは、基板保持部２２の外径ｄより小さく、か
つ石英基板Ｗの外径Ｄ_w と同じか、又は大きく、短軸の
長さは、イオンビームのスポット径とほぼ同じである。
２次電子放出体３０は、基板保持部２２に直交する長手
方向中心線を有し、短い間隙を介して基板保持部２２か
ら離隔して設けられた楕円錐台状の筒体として形成され
ている。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、基板保持部に近接して
２次電子放出体を設け、更に２次電子放出体から放出さ
れた２次電子を基板方向に指向させるように磁界を発生
させる磁石を２次電子放出体の外周面に設けることによ
り、以下の効果を奏するイオン注入装置を実現してい
る。１）ＴＦＴデバイス等の製造工程で、石英基板上にトラ
ンジスタを形成するために、低注入量で不純物のイオン
注入を行う際、基板の帯電現象によるレジストパターン
や、ポリシリコン配線の絶縁破壊を抑制して、配線不良
の発生を防止し、製品歩留りを向上させることができ
る。２）基板上に成膜されているフォトレジスト膜からイオ
ン注入中に発生するアウトガスの発生量が減少するの
で、基板保持部の汚れによる２次電子発生効率の低下が
防止される。また、基板保持部の清掃等に要するメンテ
ナンス工数を削減することができる。更には、基板保持
部に付着或いは蒸着した別の不純物元素が基板内に進入
するクロスコンタミネーションが抑制されるので、ＴＦ
Ｔデバイスの電気的特性のばらつきが防止され、製品歩
留りを向上させることができる。３）２次電子放出体を回動して、注入するイオン種別に
２次電子放出体を使い分けることにより、２）の効果を
一層高めることができる。４）基板の帯電を緩和するために、別途、電子発生装置
を設ける必要が無く、コスト及び設備内スペースの削減
に寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態例のイオン注入装置の要部の構成を示
す部分破断斜視図である。

【図２】要部の側面断面図である。

【図３】図３（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、２次電子
放出体の内壁面の構成を示す斜視図である。

【図４】２次電子放出体の作用を説明する２次電子放出
体の模式的断面図である。

【図５】実施形態例の改変例２の２次電子放出体の構成
を示す平面図である。

【図６】イオン注入装置の構成を説明する模式図であ
る。

【図７】基板保持部の２次電子の挙動を説明する断面図
である。

【符号の説明】

１０……従来の中電流イオン注入装置、１２……イオン
生成室、１４……質量分析部、１６……加速管、１８…
…イオンビーム走査部、２０……イオン注入室、２２…
…基板保持部、２４……２次電子放出体、２６……永久
磁石、３０……２次電子放出体。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被イオン注入基板を基板保持面に保持す
る基板保持部を内部に備えたイオン注入室を有し、イオ
ン注入室にイオンビームを導いて、基板保持部に保持さ
れた基板にイオンを注入するイオン注入装置において、長手方向が基板保持部の基板保持面に直交し、かつ基板
保持部に近接して設けられ、基板の外径以上で基板保持
部の外径以下の範囲の内径を有する筒状体として形成さ
れた２次電子放出体と、２次電子放出体の外周面に設けられ、２次電子放出体か
ら放出された２次電子を基板方向に指向させるように磁
界を発生させる磁石とを備えていることを特徴とするイ
オン注入装置。
【請求項２】２次電子放出体の少なくとも内壁面が、
アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、及び炭化珪
素（ＳｉＣ）のいずれかで形成されていることを特徴と
する請求項１に記載のイオン注入装置。
【請求項３】２次電子放出体の内壁面に溝と山が交互
形成されていることを特徴とする請求項１に記載のイオ
ン注入装置。
【請求項４】２次電子放出体の内壁面が、多数の凹凸
からなる粗面に加工されていることを特徴とする請求項
１に記載のイオン注入装置。
【請求項５】２次電子放出体は、筒内径が基板保持部
に向かって縮小し、基板保持部との近接端での筒内径が
基板の外径以上で基板保持部の外径以下の範囲の円錐台
状の筒体として形成されていることを特徴とする請求項
１に記載のイオン注入装置。
【請求項６】長手方向中心線を含む面で見て、円錐台
状の筒体の筒壁と長手方向中心線との成す角度が、０°
以上１０°以下であることを特徴とする請求項５に記載
のイオン注入装置。
【請求項７】２次電子放出体が、長手方向中心線の周
りに回動できるようになっていることを特徴とする請求
項１から６のうちのいずれか１項に記載のイオン注入装
置。
【請求項８】イオンビーム走査方式がハイブリッド方
式であるイオン注入装置では、２次電子放出体が、基板
の外径以上で基板保持部の外径以下の長軸と、基板の外
径以下の短軸からなる楕円筒として形成されていること
を特徴とする請求項１から４に記載のイオン注入装置。