JP2003031177A - イオン打込み装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】引出し電流が１００ｍＡ級の酸素イオン打込み
装置において、イオン源本体またはその引出し電極を交
換することなく、数ｍＡ級の酸素イオン打込みを長時間
安定に行うことである。 【解決手段】打込み用ガスと共に別のガスを、多孔型引
出し電極付きマイクロ波イオン源の放電室に導入する。
しかも打込み用ガスと別のガスとの合計流量はほぼ変え
ないで、その割合を変える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、数１０ｋｅＶから
数１００ｋｅＶに加速された高エネルギーの酸素イオン
ビーム，窒素イオンビームまたはカーボンイオンビーム
等をシリコンウエハに打込み，シリコンウエハ内に埋め
込み酸化膜，窒化膜またはシリコンカーバイト膜等を形
成させる大電流イオン打込み装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】雑誌「電子材料」２００１年３月号７２
頁（発行，工業調査会）に記載されているように、従来
から、シリコンウエハに高エネルギー，大電流の酸素イ
オンビームを打込むことによって、高集積半導体デバイ
スを作製する方法が行われている。このような酸化膜形
成用の酸素イオン打込み量（ドーズ量）は、通常の半導
体用イオン打込み量に比べ３〜４桁も高く、１平方セン
チメートル当り１０の１７乗以上の桁であり、引出し電
流も、通常の半導体用に比べ１〜２桁高い数１０〜１０
０ｍＡ級である。更に近年では、上記の高ドース大電流
酸素イオン打込みの後、１０の１４乗から１０の１５乗
の桁の酸素イオンを均一に追加打込みした上で、熱処理
を施す酸化膜形成方法も行われるようになってきてお
り、熱処理雰囲気ガスに含まれる酸素が効率良くシリコ
ン表面から内部に拡散し、緻密な埋め込み酸化膜が形成
できるようになった。

【０００３】低ドースの均一な打込みを実現する為に
は、打込み電流を数ｍＡの桁に下げることが必要とな
る。しかし、イオン源に加えるマイクロ波電力を下げた
り、イオン源に導入するガス圧力を数分の１に極端に下
げたりして、イオン源から引出される引出し電流を数分
の１から１０分の１以下にすると、酸素プラズマを安定
に発生，維持することが困難となる。また、従来の酸素
イオン打込み装置用のマイクロ波イオン源では、図４に
示す通り、引出し電流が１００〜２００ｍＡのときに発
散角が最小となるように電極間隔、引出し電圧等の設計
運転パラメータが決められているので、数ｍＡ〜１０ｍ
Ａ程度の酸素イオンを引出すと、ビーム発散角が増大
し、安定したビーム引出しが困難になると同時にイオン
源寿命も短くなってしまう。

【０００４】その為、複数の引出し孔を持つ電極に代え
て、孔数を１個程度にまで減らしたイオン源により打込
むことが行われている。この方法によると、最適な引出
し条件を維持したままで、孔数に比例して引出し電流を
下げることが可能である。

【０００５】その他にも、マイクロ波イオン源による１
００ｍＡビームのビームラインの途中に、開口径が機械
的に可変のアパーチャーを設けることにより低ドースの
打込みを実現する方法もある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、引出し電極を
交換する為にイオン源を一旦大気にさらすと、十分にガ
ス排気をし、イオン源に加える引出し高電圧（２０〜６
０ｋＶ）が安定するまでには数時間〜数日を要する。ま
た、安定にビームを引出すまでには、プラズマを発生さ
せない状態またはプラズマを点火した状態でイオン源高
電圧を徐々に印加させる「ならし運転（コンディショニ
ング）」が必要である。当然、単孔型から多孔型に引出
し電極を戻す際にも、同様なコンディショニングが必要
となる。実際の生産装置では、多孔型引出し電極付きマ
イクロ波イオン源と単孔型引出し電極付きマイクロ波イ
オン源を頻繁に交互に交換することになるので、ビーム
をシリコンウエハに打込む正味の打込み時間が減ること
になり、単位時間当りの処理枚数（スループット）が下
がってしまう。

【０００７】またアパーチャーを設けた場合、アパーチ
ャーに照射されるビーム電力はイオン源引出し直後の比
較的ビームエネルギーが低い場所であっても１０ｋＷ以
上にもなる為、その冷却構造が複雑大型化して実用的で
ない。また、アパーチャーエッヂや表面からパーティク
ルが容易に放出され、その一部は打込みウエハに達して
パーティクル汚染の原因になることが知られている。

【０００８】したがって本発明の目的は、引出し電流が
１００ｍＡ級の酸素イオン打込み装置において、イオン
源本体またはその引出し電極を交換することなく、数ｍ
Ａ級の酸素イオン打込みを長時間安定に行うことであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、打込み用ガスと共に別のガスを、多孔
型引出し電極付きマイクロ波イオン源の放電室に導入す
る。しかも打込み用ガスと別のガスとの合計流量はほぼ
変えないで、その割合を変える。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例につき、図
面を用いて説明する。

【００１１】図１は、本発明の実施例を示す酸素イオン
打込み装置の全体構成図である。図１において、酸素用
マイクロ波イオン源１は、酸素ガス供給ラインの中途に
アルゴン（Ａｒ）ガスラインが設けられており、流量調
整器８を介してアルゴンガスも供給できるようになって
いる。マイクロ波イオン源１から引出された酸素イオン
及びアルゴンイオンのうちアルゴンイオンは、質量分離
器２により除かれ、酸素イオンのみが、後段加速管３，
２段の磁気四重極レンズ系４，ビーム偏向器５を経てイ
オン打込み室６に導入される。打込み室には複数枚のシ
リコンウエハ７を載せた円板を回転させながら半径方向
に機械的に往復走査させる。これにより複数枚のシリコ
ンウエハ７が同時に均一に酸素イオン打込みされる。酸
素ビームは静止している。また、シリコンウエハ７はイ
オン打込み中、別のランプヒータ１７を使って５００℃
以上に保たれている。所定量の打込みが終了した後、打
込みウエハを別の熱処理炉等で熱処理することによりシ
リコンウエハ内に高品質の埋め込み酸化膜が形成され
る。酸素イオン打込みにより埋め込み酸化膜を形成した
ウエハはサイモックス（ＳＩＭＯＸ，Separation by IM
planted Oxygen）ウエハと呼ばれている。このＳＩＭＯ
Ｘウエハの断面構造は図７に示す通り、通常、埋め込み
酸化膜２４が深さ１００〜４００ｎｍ、酸化膜厚みが５
０〜４００ｎｍである。

【００１２】また、一般にイオン打込み操作は、半導体
デバイスを作製する製造ラインのホストコンピュータか
ら命令信号を受けて自動的に行われる。本発明では酸素
打込み量や打込み電流量に応じて必要なアルゴン，酸素
ガス流入量が予めプログラミングされたパーソナルコン
ピュータ１１を設置した。ホストコンピュータからの打
込みメニュー（ドーズ量，打込み電流，打込みエネルギ
ーなど）に応じて、ガス流量調整器８，９を制御できる
ようにした。具体的にはイオン源１にガスを流入させる
ガスラインの中途に設けた市販のガスフローコントロー
ラに電気信号が送られてそれぞれの流量が調整制御され
る。

【００１３】イオン源では、図３に示すようにプラズマ
室１２内に酸素ガス及びアルゴンガスが導入され、イオ
ン源用空芯コイル１５による磁場中のマイクロ波放電で
プラズマを生成させると共に、３枚の多孔型引出し電極
を用いて、酸素イオン及びアルゴンイオンを含む１００
〜２００ｍＡ級の大電流ビームが引出される。多孔型引
出し電極で引出されるビーム全体の直径は数cm〜２０cm
程度の長方形に似た形状である。尚、イオン打込みエネ
ルギーは埋め込み酸化膜を形成させる深さで決まり、通
常数１０ｋｅＶ〜３００ｋｅＶである。また、イオン源
は、高周波(RF)放電によりプラズマを生成させる高周波
（ＲＦ）イオン源であっても良い。

【００１４】次に、偏向角９０度の磁場型質量分離器２
内における、アルゴンガスの除去方法を、図６を用いて
説明する。破線で示した質量分離磁極２２がビームダク
ト２１の外部（大気中）にダクトを挟む格好で取付けら
れており、本実施例では、ダクト下部がＮ極、ダクト上
部がＳ極である。磁極は電磁石構造の一部を構成してい
る。この磁極によって、イオン源１でイオン化された酸
素イオンは９０度偏向されて打込み室に向うが、アルゴ
ンイオンは軌道半径が大きいため、偏向角が小さくな
る。そこで、アルゴンイオンから照射される位置のビー
ムダクトに、水冷されたビームダンプ（受熱板）１０が
設けられている。このビームダンプ１０は、アルミニウ
ム等の熱伝導性の良い材料で構成され、アルゴンイオン
が照射される面にはシリコン板１６を貼りつけてあるの
で、ビーム照射によるアルミニウムの溶融やスパッタ−
でビームラインが汚染されるのを防ぐことができる。ま
た、不活性ガスであるアルゴンガスを用いるので、衝突
によっても科学的な反応を起こさない安定なビーム引出
しを実現している。尚、アルゴンイオンは衝突後、中性
ガスとなって最終的には排気される。

【００１５】図５は、本実施例における酸素イオン打込
み電流の変化を示している。横軸はイオン源に導入され
る酸素ガスの割合である。左縦軸は打込み室の酸素イオ
ン電流値、右縦軸はイオン源引出し電流値である。引出
し電圧は６０ｋＶ、引出し電極形状は図３に示した多孔
型引出し電極である。後段加速電圧は１２０ｋＶであ
る。図から酸素ガス濃度が１００％の時（アルゴンガス
は０％）、酸素打込み電流値は約１００ｍＡ（エネルギ
ーは１８０ｋｅＶ）である。

【００１６】次にイオン源からの引出し電流値がほぼ同
じになるようにアルゴンガス量を増加させながら酸素ガ
ス量の低減を行った。その結果、図の白抜き丸のデータ
で示す打込み酸素電流の減少が見られた。特に、酸素ガ
スが１０％未満では１０ｍＡ以下の酸素打込み電流が安
定に得られている。なお引出し電流を一定にするにあた
り、ガス総量のみを変えるだけでなく、実際にはイオン
源に加える２.４５ＧＨｚのマイクロ波電力やイオン源
磁場コイル電流値も微調整している。これは酸素１００
％のプラズマとアルゴンが含まれるプラズマの基本性能
(温度や密度)が異なるため必要となった微調整である。

【００１７】実際のガス流量としては、酸素のみの状態
で０.５〜１.５sccm（スタンダードキュービックセンチ
メータ）程度、アルゴンガスを混入した場合でも総流量
はほぼ０.５〜１.５sccmの範囲に納まっていた。図５で
は引出し電流を約１５０ｍＡ程度としたが、約６０〜２
００ｍＡのイオン源引出し電流範囲でも図５に示した打
込み酸素電流値の減少制御が行えた。なお本実施例の運
転で、アルゴンガスの混入を停止させ、酸素ガス流量を
元に戻せば直ちに１００ｍＡ級の安定な酸素イオン打込
み電流に復帰することも確かめられている。

【００１８】次に、実際に１０ｍＡ以下の酸素打込み電
流で１×１０の１４乗から１×１０の１６乗のドーズ量
の打込みを６０〜１８０ｋｅＶのエネルギー範囲で行
い、打込みウエハの打込み均一性をサーマルウエーブ法
で測定した。その結果、２００mm直径のシリコンウエハ
面内の打込み量バラツキはプラスマイナス１％以下の良
好な値であった。一方、アルゴンガスを混入せず、酸素
ビームのみで同一の打込みを行った場合（打込み電流値
は数１０〜１００ｍＡ）、打込み量バラツキは最小でも
プラスマイナス５％以上であった。

【００１９】以上の実施例により、引出されるイオン電
流値の総量を十分な値にほぼ維持したまま、イオン源に
導入する酸素ガスの割合を高くすれば、大電流の酸素イ
オン打込みが可能となる。一方で、引出し電流値を保ち
ながら酸素ガスの割合を小さくすれば、引出し条件が維
持されるので、発散角の小さい良質の低電流酸素イオン
ビームを打込むことができる。

【００２０】本実施例では酸素ビーム用マイクロ波イオ
ン源に導入する不活性ガスとしてアルゴンを使ったが、
アルゴン以外の不活性ガス（例えばネオン，ヘリウム，
クリプトンなど）を用いても良いことは明らかである。
またアルゴン以外のガス、例えば窒素ガスなどで代替さ
せて良いことも明らかである。これらのガスの使用に当
っては質量分離器内のビームダンプ位置をそれぞれのガ
スイオンの軌道に合わせて変更させる必要がある。なお
窒素ガスを利用した場合、マイクロ波イオン源では窒素
の原子状イオン（質量数１４）と分子状イオン（質量数
２８）が約１：１の割合で発生する。従って原子状、分
子状イオンのそれぞれの照射位置にビームダンプ１０を
設置しなければならず、合計２箇のビームダンプが必要
となる。これに対し不活性ガスのマイクロ波放電では単
一の原子状イオンが主として発生するので、ビームダン
プとしては１箇所の設置で済む利点がある。

【００２１】本実施例では、酸素イオン打込み装置を対
象にしたが、酸素イオン以外のイオン種を使って埋め込
み化合物の膜を作製する打込み（例えば窒素イオン打込
みによる埋め込み窒化膜、カーボンイオンによるシリコ
ンカーバイト膜等）にも本発明が適用できることは明ら
かである。例えば、窒素イオン打込みの場合、マイクロ
波イオン源には窒素ガスとアルゴンガスの流量を調整し
ながら導入すれば、質窒素原子イオンの打込み電流範囲
を数ｍＡから１００ｍＡレベルで可変可能となる。

【００２２】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、ＳＩＭＯ
Ｘウエハ作製用の酸素イオン打込み装置において、イオ
ン源またはイオン源引出し電極を交換することなく、数
ｍＡから１００ｍＡ級の酸素打込み電流を調整すること
ができる。従って、高ドーズ用の大電流酸素イオン打込
み装置を使って高ドーズの打込みスループットを低下さ
せることなく、低ドーズのクリーンな酸素打込みを高精
度に行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す全体構成図である。

【図２】従来の酸素イオン打込み装置を示す全体構成図
である。

【図３】本発明の酸素イオン打込み用のマイクロ波イオ
ン源を示す構成図である。

【図４】従来のマイクロ波イオン源における引出しビー
ム電流と引出しビーム発散角の関係を示す図である。

【図５】本発明の酸素ガス濃度と酸素イオン打込み電流
の変化を示す図である。

【図６】本発明の実施例における酸素イオン打込み装置
の質量分離器内を示す図である。

【図７】本発明の実施例の酸素イオン打込みにより作製
される埋め込み酸化膜付きシリコンウエハの断面図であ
る。

【符号の説明】

１…酸素用マイクロ波イオン源、２…磁場型質量分離
器、３…後段加速管、４…磁気四重極レンズ、５…ビー
ム偏向器、６…イオン打込み室、７…シリコンウエハ、
８…アルゴンガス流量調整器、９…酸素ガス流量調整
器、１０…アルゴン用ビームダンプ、１１…パーソナル
コンピュータ、１２…プラズマ室、１３…引出し電極
系、１３′…加速電極、１３″…減速電極、１３′′′
…接地電極、１４…引出しイオンビーム、１５…イオン
源用空芯コイル、１６…シリコン板、１７…ランプヒー
タ、１８…ウエハ準備室、１９…ビーム受け部、２０…
マイクロ波用窓（石英）、２１…質量分離器用ビームダ
クト、２２…質量分離器磁極、２３…表面シリコン層、
２４…埋め込み酸化膜、２５…シリコンウエハ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/265 ６０３ Ｈ０１Ｌ 21/265 ６０３Ａ (72)発明者 伊藤 純也 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者 関 博文 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 Ｆターム(参考） 4K029 AA06 BA46 BD01 CA10 DE02 DE03 5C030 AA01 AB05 DD01 DD02 DE05 5C034 CC01 CC02 CC07 CC16

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プラズマを生成するプラズマ室にガスを導
   入し、磁場中のマイクロ波放電または高周波放電でプラ
   ズマを生成させ、多孔電極を用いてビームを引出すイオ
   ン源と、 該イオン源から引出されたビームを質量分離するための
   質量分離器と、 該質量分離された打込み用ビームを追加速するための高
   電圧が印加された後段加速管と、 該後段加速された打込み用ビームの断面形状を調整制御
   するための磁気四重極レンズ系と、 打込み用ビームの中に含まれる中性ビームを除去するた
   めのビーム偏向器と、 打込み用イオンビームをウエハに打込むためのイオン打
   込み室を備えてなり、 打込むイオンの量の大小に応じて、打込み用ガス及び別
   のガスとの割合を調整し、 これらのガスをイオン源に導入できるようにしたことを
   特徴とするイオン打込み装置。
2. 【請求項２】請求項１において、 前記打込み用ガスは、酸素ガスであることを特徴とする
   イオン打込み装置。
3. 【請求項３】請求項１または２において、 前記質量分離器内であって、前記打込み用ガスとは別の
   ガスのイオンがビームダクトと衝突する位置に、水冷さ
   れた受熱板を設けたことを特徴とするイオン打込み装
   置。
4. 【請求項４】請求項１，２または３において、 前記打込み用ガスとは別のガスは、不活性ガスであるこ
   とを特徴とするイオン打込み装置。
5. 【請求項５】請求項４において、 前記不活性ガスは、ネオンガスまたはアルゴンガスであ
   ることを特徴とするイオン打込み装置。
6. 【請求項６】イオン源にガスを導入し、磁場中の放電に
   よりプラズマを発生させ、多孔電極を用いてビームとし
   て引出し、 該引出されたビームを質量分離し、打込み用ガスのイオ
   ンビームをウエハに打込むイオン打込み方法であって、 打込むイオンの量の大小に応じて、打込み用ガス及び別
   のガスの割合を調整し、これらのガスをイオン源に導入
   することを特徴とするイオン打込み方法。