JP2002517068A - 低エネルギーイオン注入のための方法及び装置 - Google Patents

低エネルギーイオン注入のための方法及び装置

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JP2002517068A
JP2002517068A JP2000551417A JP2000551417A JP2002517068A JP 2002517068 A JP2002517068 A JP 2002517068A JP 2000551417 A JP2000551417 A JP 2000551417A JP 2000551417 A JP2000551417 A JP 2000551417A JP 2002517068 A JP2002517068 A JP 2002517068A
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サリバン、フィリップ
ガンメル、ジョージ、マイケル
ブレンナン、ダミアン、フランシス
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バリアン・セミコンダクター・エクイップメント・アソシエイツ・インコーポレイテッド
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Abstract

(57)【要約】 【解決手段】低エネルギーイオン注入用のイオン注入装置はイオンビーム生成器、半導体ウエハのような被処理体を支持するためのホルダー、及び被処理体に電気的に接続された電圧ソースを含む。イオンビーム生成器はイオンを生成するためのイオンソース及びイオンビームを形成するべくイオンを加速するためのそこに印加された抽出電圧を有する抽出電極を含む。電圧ソースは抽出電圧と極性が逆で大きさがより小さいバイアス電圧を被処理体に印加する。イオンビーム内のイオンは抽出電圧とバイアス電圧との間の差の関数であるエネルギーで被処理体に注入される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 発明の分野 本発明の被処理体のイオン注入のための装置及び方法に関し、特に低エネルギ
ーイオンによる半導体ウエハのイオン注入のための方法及び装置に関する。
【０００２】 発明の背景 イオン注入は導電率を変更する不純物を半導体ウエハ内に導入するための標準
的技術となった。所望の不純物金属はイオンソース内でイオン化され、該イオン
は所定のエネルギーのイオンビームを形成するべく加速され、及び該イオンビー
ムはウエハの表面に向けられる。ビーム内の強力なイオンは半導体材料のバルク
内に侵入し、所望の導電率の領域を形成するべく半導体材料の結晶格子内に埋め
込まれる。
【０００３】 しばしばイオン注入装置はガス若しくは固体材料をよく画成されたイオンビー
ムに変換するためのイオンソースを含む。イオンビームは不所望のイオン種を除
去するために質量分析され、所望のエネルギーに加速され、及びターゲット面に
向けられる。ビームはビーム走査によって、ターゲット移動によってまたはビー
ム走査及びターゲット移動の組み合わせによってターゲット領域にわたって分配
される。従来技術のイオン注入装置の例は、Engeによる１９８１年６月３０日発
行の米国特許第4,276,477号、Turnerによる１９８１年８月１１日発行の米国特
許第4,283,631号、Freytsisらによる１９９０年２月６日発行の米国特許第4,899
,059号、及びBerrianらによる１９９０年５月１日発行の米国特許第4,922,106号
に記載されている。
【０００４】 半導体産業の周知のトレンドはより小さく、より高速の素子に向かっている。
特に、半導体素子内の主要部の横方向寸法及び深さの両方が減少している。半導
体素子の技術的現状は1000Å以下の接合深さを要求し、ついには200Å若しくは
それ以下のオーダーの接合深さを要求している。
【０００５】 ドーパント材料の注入深さは半導体ウエハ内に注入されたイオンのエネルギー
によって少なくとも部分的に決定される。浅い接合は低注入エネルギーで得られ
る。典型的に、イオン注入装置は、例えば50keVから400keVの範囲の比較的高い
注入エネルギーで有効に動作するように設計されており、浅い接合注入に対して
要求されるエネルギーで有効に機能しない。2keV及びそれ以下のエネルギーのよ
うな低注入エネルギーにおいて、ウエハに到達する電流は所望のものより非常に
低く、ある場合にはゼロに近い。結果として、特定のドーズ量を達成するために
極端に長い注入時間が要求され、スループットは逆影響を受ける。そのようなス
ループットの減少は製造コストを増加させ、半導体素子製造業者には受け容れら
れない。
【０００６】 低エネルギーイオン注入へのひとつの従来のアプローチにおいて、加速器がオ
フされた状態でイオン注入装置はドリフトモードで動作する。イオンは低電圧で
イオンソースから抽出され、イオンソースからターゲット半導体ウエハへ単純に
ドリフトする。しかし、イオンソースは低抽出電圧で非効果的に動作するため、
小さいイオン電流がウエハへ放出される。さらに、イオンビームはイオン注入装
置内を移送される際に膨らみ、イオンはターゲットの半導体ウエハではなくイオ
ン注入装置の構成要素を打つかもしれない。
【０００７】 他の従来技術のアプローチは、半導体ウエハ付近の減速電極を利用する。イオ
ンは高電圧でイオンソースから抽出され、その後ウエハへ注入される前に減速電
極によって減速される。このアプローチはイオンビームの膨張を防止し、その結
果ソースによって生成されたイオンの小さい断片のみがターゲットの半導体ウエ
ハ上に入射する。
【０００８】 したがって、低エネルギーイオン注入用の改良された方法及び装置が必要であ
る。
【０００９】 発明の要旨 発明の第１の態様にしたがって、イオン注入装置が与えられる。イオン注入装
置は、 イオンを生成するためのイオンソース及びイオンビームを形成するべくイオンを
加速するためのそこに印加された抽出電極を有する抽出電極を含むイオンビーム
生成器と、イオンビーム内で被処理体を支持するためのホルダーと、被処理体へ
電気的に結合された電圧生成回路とから成る。電圧生成回路は被処理体に対して
、抽出電圧と極性が逆で大きさがより小さいバイアス電圧を印加する。イオンビ
ーム内のイオンは、抽出電圧とバイアス電圧との間の差の関数であるエネルギー
を有して被処理体へ注入される。
【００１０】 好適には、ホルダーはひとつ若しくはそれ以上の半導体ウエハを支持するよう
に構成されている。ひとつの例において、ホルダーは複数の半導体ウエハを支持
するためのディスク及び半導体ウエハがイオンビームを通過するようにディスク
を回転させるためのモーターから成る。ウエハはディスクと電気的に接触しても
よい。さらに、イオン注入装置はウエハ内に注入されたイオンのドーズ量を計測
するためのドーズエレクトロニクスから成る。電圧生成回路はディスクとドーズ
エレクトロニクスとの間に結合された電源から成ってもよい。バイアス電圧は典
型的に約０〜２kVの範囲である。
【００１１】 さらにイオン注入装置は半導体ウエハの前方に配置されたファラディ装置及び
バイアス電圧でファラディ装置を付勢するための手段から成る。プラズマフラッ
ド銃がファラディ装置にマウントされてもよい。
【００１２】 本発明の他の態様にしたがって、低エネルギーイオン注入のための方法が与え
られる。該方法はソース内でイオンを生成する工程と、イオンビームを形成する
べく第１電圧でイオンを加速する工程と、イオンビーム内に被処理体を配置する
工程と、第１電圧と極性が逆でそれより小さい第２電圧を被処理体に印加するこ
とによってイオンビーム内のイオンを減速させる工程とから成る。イオンビーム
内のイオンは第１電圧と第２電圧の間の差の関数であるエネルギーで被処理体に
注入される。
【００１３】 詳細な説明 本発明を組み込むのに適したイオン注入装置の実施例のブロック図が図1に示
されている。イオンビーム生成器10は所望のドーパント材料のイオンを生成する
ためのイオンソース12、イオンソース12の孔に近接して配置された抽出電極14、
イオンソース12に関して負に抽出電極を付勢するための抽出電源16及びイオンソ
ース12へイオン化されるべきガスを供給するためのガスソース18を含む。イオン
はイオンビーム20を形成するべく抽出電極14によってイオンソース12から抽出さ
れる。分析磁石32及び分解アパーチャ36を有するマスク34を含む質量分析器30は
、イオンビーム生成器10によって生成された粒子から所望のイオン種を選択する
。所望のイオン種は分解アパーチャ36を通過して加速器40へ達する。加速器40は
イオンビーム20内のイオンを所望のエネルギーまで加速する。スキャナー42は走
査されたイオンビーム44を生成するためにイオンビームを偏向する。エンドステ
ーション50は、所望の種のイオンが半導体ウエハに注入されるように、走査され
るイオンビーム44の経路内でひとつ若しくはそれ以上の半導体ウエハまたは被処
理体を支持する。
【００１４】 イオン注入器は当業者に周知の付加的な構成要素を含むこともできる。例えば
、典型的にエンドステーション50は、ウエハをイオン注入装置内へ導入し注入後
にウエハを除去するための自動ウエハハンドリング装置を含む。イオンビームに
よって横切られる全経路はイオン注入中は真空排気されることが理解されよう。
さまざまな異なるイオン注入装置構成が当業者に周知である。
【００１５】 上記したように、いくつかの応用は2keV若しくはそれ以下のような低注入エネ
ルギーでエンドステーション50におけるウエハ内へのイオンの注入を要求する。
低注入エネルギーによって、浅い接合の半導体素子を組み立てることができる。
ひとつの従来技術のアプローチは、加速器40をオフにしかつ抽出電源16を要求さ
れた注入電圧で動作させることである。しかし、典型的にイオンビーム生成器は
2keV若しくはそれ以下の抽出電圧で有効に機能しない。さらに、低エネルギーイ
オンビームはイオン注入装置を通って輸送される際に膨張し、ビーム内のイオン
はエンドステーション50内の半導体ウエハ以外の注入機構成要素を打つ。小さい
イオン電流がウエハに放出され、したがって特定のドーズ量を達成するために長
い注入時間が必要となる。結果として、従来技術の低エネルギー動作は非効果的
であった。
【００１６】 本発明に従うエンドステーション50の実施例の略示図が図２に示されている。
ウエハ60及び62のような半導体ウエハはウエハ支持ディスク66の周辺付近にマウ
ントされている。ディスク66はディスクモーター70に結合され、モーター70が付
勢されると軸線68の回りに回転する。典型的なディスクはウエハを載置するため
のサイトを含む。ウエハ載置サイトは、技術的に周知なように遠心クランピング
を与えるべく軸線68に関して傾けられてもよい。イオンビーム44は入口アパーチ
ャ70を通ってエンドステーションに入り、ウエハ60に入射される。ディスクが回
転するに従い、ディスク66上の別のウエハがイオンビーム44に晒される。
【００１７】 ファラディ装置80は、イオンビーム44がファラディ装置80を通過するようにデ
ィスク66の前方に配置される。ファラディ装置80はウエハ内に注入されたドーズ
量を計測するために使用される。ファラディ装置はウエハ60に近接した電極82及
び磁気バイアスリング84を含むこともできる。さらに、ファラディ装置80は注入
されているウエハ上に蓄積された電荷を制御するためのプラズマフラッド銃86を
含むこともできる。電極82、磁気バイアスリング84及びプラズマフラッド銃86は
典型的に共通の電気ポテンシャルを有する。ディスク66及びファラディ装置80は
ドーズエレクトロニクス90へ電気的に接続され、それはウエハ内に注入されるイ
オンドーズ量をモニターする。
【００１８】 発明にしたがって、注入されているウエハは正電圧でバイアスされる。バイア
ス電圧はイオンビーム44内のイオンを減速しその結果それらは低エネルギーで注
入される。好適に、ウエハは０〜２kVの範囲の正バイアス電圧でバイアスされる
。しかし、バイアス電圧はこの範囲に限定されない。バイアス電圧によって抽出
電源16（図１）はより高い電圧に設定され、その結果イオンはより効果的にイオ
ンソース12から抽出されかつイオン注入装置を通ってエンドステーション50に輸
送される。イオンはバイアス電圧によって減速され低エネルギーでウエハ内に注
入される。結果として、比較的高いビーム電流が非常に低いエネルギーで放出さ
れる。
【００１９】 イオンビーム内の正イオンの典型的ケースに対して、抽出電極14はイオンソー
ス12に関して負にバイアスされ、注入されているウエハはグランドに関して正に
バイアスされる。結果として、イオンビーム内のイオンは抽出電極14に印加され
た抽出電圧によって加速され、ウエハに印加されたバイアス電圧によって減速さ
れる。抽出電圧はバイアス電圧より高い。したがって、注入エネルギーは抽出電
圧とバイアス電圧との間の差の関数である。
【００２０】 発明の実施は図２を参照して説明される。電気的な浮遊電源100である電圧生
成回路は電気的にディスク66とドーズエレクトロニクス90との間に接続される。
電源100は０〜２kVの間の範囲で調節可能である。ディスク66は導体材料であり
、その上に載置されたウエハ60、62等と電気的に接触している。ドーズエレクト
ロニクス90は典型的に接地されている。したがって、電源100は0〜2kVの範囲で
正のバイアス電圧をウエハ60及び62に印加する。電源100は、公称動作電流で所
望のバイアス電圧を生成するべく選択された値を有する直列抵抗のような他の適
当な電圧生成回路と交替してもよい。スイッチ102は電源100の端子を横切って結
合される。スイッチ102が閉じられた時、電源100は有効に禁止され、ディスク66
は接地ポテンシャル付近で動作される。スイッチ102はより高いエネルギーレベ
ルでのイオン注入の間に閉じれ、また低エネルギー注入に対して開かれる。スイ
ッチ102が開かれるとき、電源100によって確立されたバイアス電圧はウエハ60、
62等に印加される。
【００２１】 ファラディ装置80の接地電極82はスイッチを通じて電源100の負端子に接続さ
れ、またスイッチ112を通じて電源100の正端子に接続されている。低エネルギー
注入の間、スイッチ112は閉じられ、スイッチ110は開かれる。したがって、電極
82は電源100の電圧でバイアスされ、ディスク66並びにウエハ60及び62と同一ポ
テンシャルである。より高いエネルギー注入のために、電源100がバイアス電圧
をウエハ60及び62に印加することを禁止されたとき、スイッチ112は開かれかつ
スイッチ110は閉じられ、その結果電極82は接地ポテンシャルと同じかそれ付近
に維持される。要するに、好適にはファラディ装置80はプラズマフラッド銃86の
適正な動作を保証するために低エネルギー及び高エネルギー注入の両方に対して
ウエハ60及び62と同じ電圧でバイアスされる。
【００２２】 従来技術に従う注入プロファイル及び本発明に従う注入プロファイルが図３に
示される。１立方センチメートル当りの原子内のボロンイオン濃度が半導体ウエ
ハの表面からの深さ（Å）の関数としてプロットされている。曲線150及び152は
従来技術に従う注入を表し、曲線154及び156は本発明に従う注入を表す。従来技
術の注入はドリフトモードで動作する注入機によって為され、そこでは注入エネ
ルギーはイオンビーム生成器で利用された抽出電圧によって決定され、バイアス
電圧はウエハに印加されない。本発明に従う注入において、ウエハは２kVでバイ
アスされ、かつイオンビーム生成器内の抽出電極は所望の注入エネルギーを達成
するようバイアスされた。例えば、３kVの抽出電圧及び２kVのバイアス電圧が１
keVの注入エネルギーを与える。１keV（曲線152）での従来技術の注入及び１keV
（曲線154）での本発明に従う注入はほとんど同一の注入プロファイルを与える
ことが観測される。しかし、本発明に従う１keV注入は20分で完了したが、それ
に反して従来技術の1keVでの注入は低イオンエネルギーのために400分必要であ
った。従来技術を使った600eVでの注入は実行できなかった。
【００２３】 従来技術に従うものと本発明に従うウエハに印加されたバイアス電圧を利用す
るものとの異なる注入エネルギーでのイオンビーム電流の比較が以下の表１に示
されている。発明にしたがって、ウエハは２kVにバイアスされかつ抽出電圧は所
望の注入エネルギーを達成するように設定された。したがって、例えば、１keV
の注入エネルギーを達成するために、抽出電圧は３kVに設定されかつバイアス電
圧は２kVに設定された。従来の構成において、ウエハは接地されかつ抽出エネル
ギーはイオンビーム生成器の抽出電圧によって確立されていた。本発明に従うバ
イアス電圧を利用してイオンビーム電流は有意義に高くなることが観測される。
例えば、１keVの注入エネルギーにおいて、本発明の構成は１mAのイオンビーム
電流を与えるが、それに反して従来技術の構成はたった0.08mAのイオンビーム電
流を与えた。
【表１】
【００２４】 発明は、半導体ウエハを載置するための回転ディスクを利用するエンドステー
ション構成との関連で説明されてきた。さまざまな異なるエンドステーション構
成が当業者に知られている。例えば、エンドステーションは一度にひとつのウエ
ハを注入するように構成されてもよい。さらにまた、遠心力、静電力及び周縁ク
ランピングリングを含むさまざまな異なるウエハクランピングが利用されてもよ
い。いずれの場合にも、バイアス電圧がウエハに印加される。バイアス電圧及び
イオンビーム生成器の抽出電圧は、抽出電圧とバイアス電圧との差が所望の注入
エネルギーを与えるように選択される。抽出電圧はウエアでの許容レベルのイオ
ン電流を与えるよう選択される。
【００２５】 本発明の好適実施例について説明されてきたが、請求の範囲に記載された発明
の態様から離れることなくさまざまな変更及び修正が為され得ることは当業者の
知るところである。
【図面の簡単な説明】
本発明をより理解するために、参考としてここに組み込まれる図面が参照され
る。
【図１】 図１は、本発明を組み込むのに適当なイオン注入装置の実施例のブロック図で
ある。
【図２】 図２は、バイアス電圧がウエハに印加されるところのエンドステーションの略
示図である。
【図３】 図３は、本発明及び従来の注入技術にしたがって注入されたウエハの注入プロ
ファイルを示す、深さ（Å）の関数としての１cm3当りの原子濃度を表すグラフ
である。
【符号の説明】
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年５月２６日（２０００．５．２６）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブレンナン、ダミアン、フランシス アメリカ合衆国マサチューセッツ州01930 グロスター、トールンヒル・ウエイ３ Ｆターム(参考） 5C034 CC07

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】イオン注入装置であって、 イオンを生成するためのイオンソース及びイオンビームを形成するべく前記イ
    オンを加速するためのそこに印加された抽出電圧を有する抽出電極を含むイオン
    ビーム生成器と、 前記イオンビーム内に被処理体を支持するためのホルダーと、 前記抽出電圧と反対の極性でかつ大きさがより小さいバイアス電圧を被処理体
    に印加するための被処理体と電気的に接触する電圧生成回路と、 から成り、 前記イオンビーム内のイオンは前記抽出電圧と前記バイアス電圧との間の差の
    関数であるエネルギーで被処理体内に注入される、ところの装置。
  2. 【請求項２】請求項１に記載のイオン注入装置であって、前記ホルダーは少
    なくともひとつの半導体ウエハを支持するように形成される、ところの装置。
  3. 【請求項３】請求項１に記載のイオン注入装置であって、前記ホルダーは複
    数の半導体ウエハを支持するためのディスク及び前記ディスクを回転させるため
    のモーターから成り、その結果前記半導体ウエハは前記イオンビームを通過する
    、ところの装置。
  4. 【請求項４】請求項３に記載のイオン注入装置であって、前記半導体基板は
    前記ディスクと電気的に接触し、また前記電圧生成回路は前記バイアス電圧を前
    記ディスクへ印加する、ところの装置。
  5. 【請求項５】請求項４に記載のイオン注入装置であって、さらに前記半導体
    ウエハ内に注入された前記イオンのドーズ量を測定するためのドーズエレクトロ
    ニクスから成り、前記電圧生成回路は前記ディスクと前記ドーズエレクトロニク
    スとの間に接続された電源から成る、ところの装置。
  6. 【請求項６】請求項５に記載のイオン注入装置であって、さらに注入エネル
    ギーの選択レベルより上の前記バイアス電圧を禁止するための手段と、から成る
    装置。
  7. 【請求項７】請求項２に記載のイオン注入装置であって、さらに前記半導体
    ウエハ内に注入された前記イオンのドーズ量を測定するためのドーズエレクトロ
    ニクスから成り、前記電圧生成回路は前記半導体ウエハと前記ドーズエレクトロ
    ニクスとの間に接続された電源から成る、ところの装置。
  8. 【請求項８】請求項２に記載のイオン注入装置であって、さらに前記半導体
    ウエハ内に注入された前記イオンのドーズ量を測定するためのドーズエレクトロ
    ニクスから成り、前記電圧生成回路は前記半導体ウエハと前記ドーズエレクトロ
    ニクスとの間に接続された抵抗器から成る、ところの装置。
  9. 【請求項９】請求項１に記載のイオン注入装置であって、前記電圧生成回路
    は被処理体に電気的に結合された電源から成る、ところの装置
  10. 【請求項１０】請求項１に記載のイオン注入装置であって、前記バイアス電
    圧は約０〜２kVの範囲である、ところの装置。
  11. 【請求項１１】請求項２に記載のイオン注入装置であって、プラズマフラッ
    ド銃を含み半導体ウエハの前方に配置されたファラディ装置及び前記ファラディ
    装置を前記バイアス電圧でバイアスするための手段と、から成る装置。
  12. 【請求項１２】低エネルギーイオン注入のための方法であって、 イオンソース内でイオンを生成する工程と、 イオンビームを形成するべく第１電圧で前記イオンを加速する工程と、 前記イオンビーム内に被処理体を配置する工程と、 前記第１電圧と反対極性で大きさのより小さい第２電圧を被処理体に印加する
    ことによって前記イオンビーム内のイオンを減速する工程と、 から成り、 前記イオンビーム内のイオンは、前記第１と第２電圧との差の関数であるエネ
    ルギーで被処理体内に注入される、ところの方法。
  13. 【請求項１３】請求項１２に記載の低エネルギーイオン注入のための方法で
    あって、被処理体を配置する工程は前記イオンビーム内で半導体の被処理体を支
    持する工程から成る、ところの方法。
  14. 【請求項１４】請求項１２に記載の低エネルギーイオン注入のための方法で
    あって、被処理体を配置する工程は複数の半導体ウエハをディスク上に支持する
    工程と、前記ディスクを回転させる工程とから成り、その結果前記半導体ウエハ
    が前記イオンビームを通過する、ところの方法。
  15. 【請求項１５】請求項１４に記載の低エネルギーイオン注入のための方法で
    あって、第２電圧を被処理体へ印加する工程はバイアス電圧を前記ディスクへ印
    加する工程から成る、ところの方法。
  16. 【請求項１６】請求項１２に記載の低エネルギーイオン注入のための方法で
    あって、さらに注入エネルギーの選択レベルより上の前記被処理体から前記第２
    電圧を除去する工程を含む方法。
  17. 【請求項１７】請求項１３に記載の低エネルギーイオン注入のための方法で
    あって、ファラディ装置は半導体ウエハの前方に配置され、さらに前記ファラデ
    ィ装置を前記第２電圧でバイアスする工程から成る、ところの方法。
  18. 【請求項１８】イオン注入装置であって、 第１電圧によって確立された第１エネルギーのイオンから成るイオンビームを
    生成するためのイオンビーム生成器と、 前記イオンビーム内に被処理体を支持するためのホルダーと、 前記第１電圧と極性が逆で大きさがより小さい第２電圧を被処理体に印加する
    ための電圧ソースと、 から成り、 前記イオンビーム内のイオンは、前記第１と第２電圧との間の差の関数である
    エネルギーで被処理体内に注入される、ところの装置。
  19. 【請求項１９】請求項１８に記載のイオン注入装置であって、前記ホルダー
    は少なくともひとつのウエハを支持するように形成されている、ところの装置。
JP2000551417A 1998-05-22 1999-05-10 低エネルギーイオン注入のための方法及び装置 Pending JP2002517068A (ja)

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US8390498A 1998-05-22 1998-05-22
US09/083,904 1998-05-22
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