JP2002231652A - 不純物注入量計測装置および不純物注入量計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ウェハーへの不要なイオン注入量を精度よく計
測できるようにする。 【解決手段】イオンソース部１からのイオンビームが質
量分析部２で特定のイオン種が選択され、そのイオンビ
ームが加速部３で加速されて所定の注入エネルギーとな
された状態で、エンドステーション部６内の半導体基体
１１の面上に到達することで、半導体基体へのイオン注
入が行われる。ウェハーに近接した位置から不要な不純
物のイオンビームを取り込んで質量分析部２４に送り、
その磁場をスイープさせることで質量の異なるイオンビ
ームを通過させて検出ファラディー３６に導く。イオン
ビームを中和させるため計測器４０からビーム電流を流
し、このビーム電流からイオンビーム（不要な不純物）
のウェハーへの注入量を計測する。ウェハーへの特定の
イオン注入と同時に不純物のウェハーへの注入量を直接
計測できるので、計測精度が高い。リアルタイム計測が
可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は不純物注入量計測
装置およびその計測方法に関する。詳しくは、半導体基
体に注入される特定のイオン種以外の、半導体基体にと
っては不要なイオン種を含んだエネルギーコンタミネー
ションを計測するため、実際にイオンの注入が行われる
半導体基体に近接して質量分析器と計測器からなる計測
装置を配置してイオン注入の際に発生するこのコンタミ
ネーションを直接計測することで、エネルギーコンタミ
ネーションを精度よく、しかもリアルタイムに計測でき
るようにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体基体（ウェハー）中に不純物元素
を注入してＰＮ接合を形成したりするときに使用する不
純物注入装置としてイオン注入装置１０が知られてい
る。このうち、特に中エネルギー（１０〜４００ｋｅＶ
程度）のイオン注入装置１０としては、図５に示す構造
のものがよく知られている。

【０００３】この例で示すイオン注入装置１０は枚葉式
のイオン注入装置であって、図５のようにイオンソース
部１、質量分析部２、加速部３、Ｑレンズ部４、スキャ
ン部５およびエンドステーション部（Ｅ／Ｓ部）６で構
成されている。エンドステーション部６はイオン注入部
である。その内部には枚葉式であるため不純物を注入す
べき１枚のウェハー１１が収めれられている。

【０００４】イオンソース部１には、図示はしないが周
知のようにイオン源と、このイオン源を駆動する電源な
どが設けられており、イオン源から飛び出した（出射し
た）イオンビームは質量分析部２に設けられたマグネッ
トの作用で、印加する磁場の大きさによって目的とする
イオン種が選択される。

【０００５】選択されたイオンビームは加速管で構成さ
れた加速部３によって加速されるが、このときイオンビ
ームのウェハー１１への注入すべき深さと注入量が、加
速部３に印加する加速電圧などによって制御される。例
えばイオンビームに加えるエネルギーが１５０ｋｅＶと
なるように制御される。加速されたイオンビームはＱレ
ンズ部４で収束され、収束されたイオンビームはさらに
スキャン部５においてＸ軸方向にスキャンされる。ウェ
ハー１１への均一な注入を行うため、エンドステーショ
ン部６に載置されたウェハー１１もＹ軸方向へのスキャ
ンが行われ、この相互スキャニングによって均一なイオ
ン注入を達成している。

【０００６】ここで、図５のようにイオンビームは加速
部３，Ｑレンズ部４、スキャン部５などを通過してから
ウェハー１１の置かれているエンドステーション部６ま
で到達する。

【０００７】その間イオンビームの一部は中心部から外
れ、外れた一部のイオンビームが加速部３やＱレンズ部
４などの金属内壁（ビームライン側壁）に衝突する。こ
のビームライン側壁へのイオンビームのスパッタリング
によって、ビームライン構造物の組成物質であるアルミ
ニウム、タングステン、モリブデンなどの金属イオンが
飛散する。これらの金属イオンは、本来の注入用イオン
ビームに対しては不純物（コンタミネーション）であ
り、しかもその注入エネルギーは低い。

【０００８】このような低エネルギーのコンタミネーシ
ョンも、本来のイオン種であるイオンビームと共にウェ
ハー１１の注入面に到達する。近年では、デバイス構造
のシュリンク化（縮小化）に伴ってウェハー１１に形成
される酸化膜の膜厚も薄くなる傾向にあるから、低エネ
ルギーのコンタミネーションの場合でも膜厚が薄いため
にこの酸化膜を透過してコンタミネーションがウェハー
１１中に注入されてしまう。このようなコンタミネーシ
ョンがウェハー１１に注入されるとゲート酸化膜の耐圧
が低下する。

【０００９】またこのようなコンタミネーションの注入
が行われると、固体撮像素子として使用されているＣＣ
Ｄ用のウェハーなどである場合には、コンタミネーショ
ン注入部分が丁度結晶欠陥部分と同じようになって、そ
の部分が撮像エリア内であるとこれが白キズとなってし
まう。

【００１０】したがって耐圧を上げたり、白キズの発生
を防止するためには、低エネルギーのコンタミネーショ
ンがウェハーに注入されないようにしなければならな
い。そのためには、どの程度のコンタミネーションがウ
ェハーに注入されているかを計測し、金属汚染の程度を
知る必要がある。

【００１１】従来のコンタミネーションの計測装置とし
ては、次のようなものが知られている。従来では、サン
プルとなるウェハーを用意し、これにコンタミネーショ
ンとなる複数のイオン種からなるイオンビームを実際に
稼働中のイオン注入装置１０を使用して照射し、照射し
た分析用ウェハーを二次イオン質量分析器（ＳＩＭＳ）
や、電子吸光分析器内に収容して、どの程度不純物がド
ーピングされたかを計測する。

【００１２】そしてこの計測値が基準値以上であるとき
は、不純物の種類を参考にして、イオン注入装置１０を
構成する部材（質量分析部２、加速部３、Ｑレンズ部
４、スキャン部５など）を交換するようにしている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うな計測装置では、計測手段として二次イオン質量分析
器や電子吸光分析器を使用しているが、これらの計測手
段は一般にその検出感度が悪いため、精度よく不純物の
ドーピング量（注入量）を計測できない。

【００１４】精度を上げるには、不純物のドーピング量
を多くし、そのときの計測値から限界となるドーピング
量を推定している。例えば実際にウェハーに注入すべき
イオン種のドーピング量が、１０の１２乗イオン／平方
ｃｍに設定されているとき、このような注入量のときで
は、ウェハー内に不純物が注入されているにも拘わら
ず、注入された不純物を検出することは殆どできない。
これは、実際に注入すべきドーピング量そのものが少な
いためと考えられる。

【００１５】そのため、実際に使用されるイオン種のド
ーピング量を故意に多くして、例えば１０の１５乗イオ
ン／平方ｃｍとすることで、このときの不純物濃度から
１０の１２乗イオン／平方ｃｍのときの不純物のドーピ
ング量を推定しているのが現状である。

【００１６】したがって、不純物の計測精度が悪い。こ
れに加えて、実際にこのような分析用ウェハーを製造
し、その分析を完了するまでには相当の日数（１０日程
度）かかっている。

【００１７】そこで、この発明はこのような従来の課題
を解決したものであって、精度よく、しかもリアルタイ
ムに不純物のドーピング量を計測できるようにした不純
物注入量計測装置および不純物注入量計測方法を提案す
るものである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、請求項１に記載したこの発明に係る不純物注入量計
測装置では、半導体基体へのイオン注入に対しては不要
となる不純物のイオンビームを取り込むイオンビーム取
り込み口と、取り込んだイオンビームのイオン種を選択
する質量分析部と、選択したイオン種のイオンビームを
導く検出ファラディーと、この検出ファラディーに接続
された上記イオンビームの注入量を計測する計測器とで
構成されたことを特徴とする。

【００１９】また請求項５に記載したこの発明に係る不
純物注入量計測方法では、イオン注入装置で発生させた
イオンビームを半導体基体に導くと共に、このイオンビ
ームの一部を質量分析部に取り込んたのち、選択された
イオン種のイオンビームを検出ファラディーに導き、こ
の検出ファラディーに流れるビーム電流から上記半導体
基体に注入すべきイオン種とは異なる不要なイオン種の
不純物の注入量を計測するようにしたことを特徴とす
る。

【００２０】この発明では、実際にイオンビームが注入
されるウェハーに近接してイオンビームの取り入れ部を
設け、コンタミネーションである不純物のみが選択的に
取り入れられる。不純物は質量分析部で不純物の選択が
行われ、その後、検出部まで導かれる。検出部には計測
器（ドーズプロセッサ）が配され、ここで不純物の注入
量（ドーピング量）が計測される。質量分析部では磁場
を反復スイープさせることで、異なる質量の不純物を順
次検出部に導くことができるから、エンドステーション
部まで到達したほぼ全ての不純物のドーピング量を計測
できる。

【００２１】検出部では不純物であるイオンを中和させ
るための電子の注入が行われ、この電子注入量に応じた
ビーム電流を利用して不純物のドーピング量を計測する
ものであるから、実際のウェハーへのイオン注入量の多
少に拘わらず、正確にしかもリアルタイムに不純物ドー
ピング量を計測できる。

【００２２】この不純物の検出は実際のウェハーに近接
した場所で行われ、しかもこのウェハーに注入されるイ
オンビームの一部を計測用のイオンビームとして使用す
る。したがって計測したウェハーにとっては不要なこの
不純物のドーピング量は、ウェハーへの不純物の注入量
に比例していると考えられる。

【００２３】しかも、この計測は実際にウェハーへのイ
オン注入を行っているときに行っていること、不純物の
計測は異なる質量ごとに行われるためにどの部材から飛
来した不純物であるかを予測できることから、不純物の
計測値が基準値を越えた段階で、どの部材が交換時期に
達したかを、ほぼ正確に推測できる。

【００２４】

【発明の実施の形態】続いて、この発明に係る不純物注
入量計測装置および不純物注入量計測方法の一実施形態
を図面を参照して詳細に説明する。この発明に係る不純
物注入量計測装置はイオン注入装置１０のエンドステー
ション部６に設けられている。この実施の形態では常備
されている場合を示す。イオン注入装置１０はウェハー
を１枚ごとに処理する枚葉式、複数枚のウェハーを処理
するバッチ式の何れにも適用できる。

【００２５】図１の実施の形態では枚様式に適用した場
合であり、イオン注入装置１０は従来例を同じく、イオ
ンソース部１、質量分析部２、加速部３，Ｑレンズ部
４、スキャン部５およびエンドステーション部６とで構
成され、エンドステーション部６のイオン注入とは反対
側にこの発明に係る不純物注入量計測装置２０が設けら
れる。

【００２６】図２は不純物注入量計測装置２０の実施の
形態を示すもので、エンドステーション部６を構成する
筐体１２内に置かれたウェハー１１に近接して不純物注
入量計測装置２０が配される。そのため筐体１２の一側
面部には所定径の透孔１４が穿設され、この透孔１４を
覆うようにイオンビーム取り入れ口１６が筐体１２の内
部に設置される。

【００２７】イオンビーム取り入れ口１６はグラファイ
トやアルミニウムなどを使用した筒状をなす管体１８を
有し、その先端部にエネルギーフィルタ１９が取着され
ている。エネルギーフィルタ１９は電極構造であって、
所定の電圧（例えば数１０ｋボルトのマイナス電圧）を
印加することで、高エネルギーのイオンビーム、つまり
ウェハー１１に注入すべきイオンビームが進入しないよ
うにしている。

【００２８】その結果、このイオンビーム取り入れ口１
６にはウェハー１１にとってコンタミネーションとなる
イオンビームのみが取り入れられる。例えば、アルゴン
イオンを注入イオン種とした場合、このアルゴンイオン
を除去し、その他の不純物（ＳＵＳ、タングステン、モ
リブデンなどのイオン種）のみを取り入れるようになっ
ている。

【００２９】管体１８の中間部には二次電子除去用のバ
イアス手段２２が設けられる。このバイアス手段２２も
電極構造であって、ここに加える電圧（例えばマイナス
電圧）によってバイアス手段２２を通過した不純物イオ
ンがエンドステーション部６の内部に逆流しないように
するためのものである。

【００３０】エンドステーション部６の外部には以下の
部材が順次配される。まず透孔１４を塞ぐように、質量
分析部２４が設けられる。この質量分析部２４はこの実
施の形態では所定の曲率をもって緩やかに曲げられた管
体２６と、その管体２６の外部に設けられた磁場発生手
段としてのコイル２８とで構成される。

【００３１】コイル２８に通電する電流によって管体２
６の内部に発生する磁場の大きさが変わり、それによっ
てこの質量分析部２４を通過するイオンビームのイオン
種を選択できる。

【００３２】選択された特定のイオン種からなるイオン
ビームは分析アパチャー３０によって通過領域の絞り込
みが行われる。そのため、この分析アパチャー３０は中
心に透孔の開いた金属板体が使用される。

【００３３】分析アパチャー３０によって絞り込まれた
イオンビームは、電気的に前後の部材を絶縁するインシ
ュレータ３２および通過したイオンビームが逆流しない
ようにするための二次電子除去バイアス手段３４をそれ
ぞれ介してイオンビーム検出部を構成する検出ファラデ
ィー３６に導かれる。

【００３４】検出ファラディー３６はカップ状をなす金
属筒体として構成され、ここまで導かれたイオンビーム
がこの検出ファラディー３６によって捕捉される。検出
ファラディー３６には計測器４０が接続されている。計
測器４０は従来と同じ構成のものを使用することができ
るので、ドーズプロセッサなどが使用される。

【００３５】計測器４０では検出ファラディー３６内に
到達したイオンビームを中和するための電子がこの検出
ファラディー３６に送り込まれる。このとき流れる中和
電流であるビーム電流はイオンビーム量、つまりその不
純物のエネルギーＥに比例する。

【００３６】ビーム電流は計測器４０内に設けられた電
流・電圧変換手段（図示はしない）によって電圧値に変
換され、さらにこの電圧値が電圧・周波数変換器（図示
はしない）に供給されることでその電圧値に見合った周
波数（例えば高周波数）に変換される。そして、この変
換周波数がさらにパルス変換手段およびカウンタ（何れ
も図示せず）に供給されて単位時間当たりのパルス数に
変換されると共に、そのパルス数がカウントされる。こ
のカウント数がイオンビームの注入量（イオン／平方ｃ
ｍ）に換算される。

【００３７】換算した結果をグラフにすると、図３のよ
うになる。図３の横軸は磁場の大きさ（コイル２８に印
加する電流）を表す。磁場の大きさによって質量分析部
２４を通過するイオンビームのイオン種が選択されるの
で、図４に示すようなのこぎり波状の磁界発生信号（電
流）をコイル２８に供給することで、磁場を反復スイー
プさせる。この磁場の反復スイープによって、図３のよ
うな質量スペクトルが得られる。

【００３８】図３に示すスペクトルはある時間サンプリ
ングして検出されたカウント値を積算した値であって、
それぞれイオンビームを構成するイオン種の違いに応じ
てスペクトルの強さも様々である。因みに、スペクトル
曲線Ｓａは後述する特性式に基づいて推定すると、元素
が５６Ｆｅであって、その加速エネルギーが３０ｋｅＶ
に相当するときの換算値を示す。

【００３９】カウント値ＡＳはイオンビームのドーピン
グ量を表すものであるから、図３の質量スペクトルの場
合のトータルドーピング量Ｄは、 Ｄ＝ＡＳ１＋ＡＳ２＋ＡＳ３＋ＡＳ４＋ＡＳ５ ・・・・（１） となり、このドーピング量Ｄが規定の値を超えたときに
は、ウェハー１１へのイオン注入に悪影響を及ぼすこと
になるので、この場合には装置構成部材の交換が必要に
なる。交換する部材は、図３におけるスペクトルにあっ
て、最も積算値の大きな質量の構成元素をその材質に持
つ部材となる。

【００４０】ここで、磁場の大きさＢと、通過するイオ
ン種の質量ｍおよびイオンビーム取り入れ口１６から取
り入れられたイオンビームのエネルギーをＥとしたとき
には、これらの間には以下に示すような関係式が成立す
ることが知られている。 Ｂ＝ｋ（ｍＥ／ｑ）^1/2 ・・・・（２） 定数ｋやｑは、それぞれ質量分析部２の内径などによっ
て変化する値である。

【００４１】磁場の大きさＢは既知であり、エネルギー
Ｅもどの部材からスパッタリングされたが分かれば、そ
の値は大凡検討がつく。途中の部材でスパッタリングさ
れると、スパッタリングされたイオン種のイオンビーム
が持っているエネルギー（加速エネルギー）の大きさも
違ってくる。エンドステーション部６に近づくにつれそ
のエネルギーは減少する傾向にある。例えばイオン生成
部１からのイオンビームの場合には大凡２００ｋｅＶで
あり、質量分析部２あたりからスパッタされたイオンビ
ームであると１７０ｋｅＶ程度の加速エネルギーを持っ
ている。

【００４２】そして、質量分析部２４を通過するイオン
ビームはそれ自身が持つエネルギーと、質量分析部２４
に加える磁場の大きさＢとの関係が、（１）式を満足す
るとき、そのイオンビームが選択されて検出ファラディ
ー３５に到達することになるから、磁場の大きさＢとエ
ネルギーＥとの関係から、検出ファラディー３６に到達
したイオンビームの質量ｍを予測できる。

【００４３】質量ｍが分かれば、その質量ｍからその構
成元素を推定できるため、装置部材のうちどの部材がス
パッタリングされて、その構成材質がコンタミネーショ
ンとなったかを知ることができる。したがって図３のス
ペクトル情報は部材を定期交換するときの目安として使
用することができる。

【００４４】この発明に係る不純物注入量計測装置２０
を適用したイオン注入装置１０がバッチ式であるときに
は、エンドステーション部６には、内部に設けられた回
転ディスク上に同心円状に複数のウェハー１１が取り付
けられる。ディスクの回転とＹ軸方向への往復走査によ
って、全てのウェハー１１に対して均一にイオン注入す
ることができる。

【００４５】そして、この回転ディスクに近接して上述
したこの発明に係る不純物注入量計測装置２０が配置さ
れる。そのほかの構成は枚葉式と変わらないのでその説
明は割愛するが、このバッチ式ではイオンビームを特に
スキャンする必要がないので、スキャン部５を省略する
こともできる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明に係る不純
物注入量計測装置および計測方法では、イオン注入を行
う半導体基体に近接してイオンビームの取り入れ口を設
けると共に、イオン注入用イオン種以外のイオンビーム
を取り込みながら質量分析部によって複数のイオン種を
順次選択しながら検出部に送り込み、この検出部でイオ
ンビームの注入量を計測するようにしたものである。

【００４７】これによれば、実際にイオン注入を行って
いるときに、その半導体基体に同時に注入される不要な
不純物（コンタミネーション）そのものを用いてその注
入量を計測できるので、注入量を正確に計測できる。し
かも、半導体基体へのイオン注入の際にこの不要な不純
物の注入量を計測できるから、リアルタイム計測が可能
になり、部材交換時期を失するようなことがない。

【００４８】因みに、従来では高精度な計測を行うとき
には、分析用の半導体基体を使用するので、実際にイオ
ン注入を行っているときとは完全に一致していないか
ら、実際の製造過程を完全には反映していないことにな
る。

【００４９】また、この分析用半導体基体内の不要な不
純物注入量は外部に委託して計測しているのが実状であ
るので、分析結果がでるまでには相当な日数かかかって
しまう。そのためリアルタイム計測ができない。勿論、
分析用半導体基体を作成してからでもイオン注入装置１
０は稼働しているので、部材の交換時期を失してしまう
ことがあるが、この発明ではそのような問題を全て解決
できることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る不純物注入量計測装置とイオン
注入装置との関係を示す概念図である。

【図２】この発明に係る不純物注入量計測装置の実施の
形態を示す要部の構成図である。

【図３】計測した不要な不純物のスペクトル図である。

【図４】反復スイープ信号例を示す波形図である。

【図５】従来のイオン注入装置の構成図である。

【符号の説明】

１０・・・イオン注入装置、１・・・イオンソース部、
２・・・質量分析部、３・・・加速部、４・・・Ｑレン
ズ部、５・・・スキャン部、６・・・エンドステーショ
ン部、１１・・・ウェハー、２０・・・不純物注入量計
測装置、１６・・・イオンビーム取り入れ口、２４・・
・質量分析部、３６・・・検出ファラディー、４０・・
・計測器

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基体へのイオン注入に対しては不
   要となる不純物のイオンビームを取り込むイオンビーム
   取り込み口と、 取り込んだイオンビームのイオン種を選択する質量分析
   部と、 選択したイオン種のイオンビームを導く検出ファラディ
   ーと、 この検出ファラディーに接続された上記イオンビームの
   注入量を計測する計測器とで構成されたことを特徴とす
   る不純物注入量計測装置。
2. 【請求項２】 上記イオンビームの取り込み口では、上
   記半導体基体に注入されるイオンビームとは異なる不要
   な不純物のイオンビームのみが選択的に取り込まれるよ
   うになされたことを特徴とする請求項１記載の不純物注
   入量計測装置。
3. 【請求項３】 上記質量分析部では、所定の磁場を発生
   させる磁場発生用のコイルを有し、 このコイルに流す電流を反復スイープさせることで、上
   記磁場の大きさを可変して、複数のイオン種を選択的に
   通過させるようにしたことを特徴とする請求項２記載の
   不純物注入量計測装置。
4. 【請求項４】 上記計測器では、上記検出ファラディー
   に供給したビーム電流をパルス数に変換し、変換したこ
   のパルス数を上記不純物のイオンビーム注入量に変換す
   るようにしたことを特徴とする請求項１記載の不純物注
   入量計測装置。
5. 【請求項５】 イオン注入装置で発生させたイオンビー
   ムを半導体基体に導くと共に、 このイオンビームの一部を質量分析部に取り込んだの
   ち、選択されたイオン種のイオンビームを検出ファラデ
   ィーに導き、この検出ファラディーに流れるビーム電流
   から上記半導体基体に注入すべきイオン種とは異なる不
   要なイオン種の不純物の注入量を計測するようにしたこ
   とを特徴とする不純物注入量計測方法。
6. 【請求項６】 上記質量分析部では、所定の磁場を発生
   させる磁場発生用のコイルに流す電流を反復スイープさ
   せることで、上記磁場の大きさを可変して、複数のイオ
   ン種を選択的に通過させるようにしたことを特徴とする
   請求項５記載の不純物注入量計測方法。
7. 【請求項７】 上記検出ファラディーに供給したビーム
   電流をパルス数に変換し、変換したこのパルス数から上
   記不純物のイオンビーム注入量を推測するようにしたこ
   とを特徴とする請求項５記載の不純物注入量計測方法。