JP2013187017A

JP2013187017A - 半導体装置の製造装置および製造方法

Info

Publication number: JP2013187017A
Application number: JP2012050604A
Authority: JP
Inventors: Koji Kugino; 光司釘野; Masayuki Jinguji; 雅之神宮司
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-03-07
Filing date: 2012-03-07
Publication date: 2013-09-19

Abstract

【課題】所望のイオン以外の汚染イオンが基板へ注入されることを防止することができる半導体装置の製造装置および製造方法を提供すること。
【解決手段】実施形態に係る半導体装置の製造装置は、電子発生部と、ガス導入部と、気圧調整部とを備える。電子発生部は、基板へ所望のイオンを注入する場合に用いられる電子を所定の処理室内で発生させる。ガス導入部は、処理室の内部で発生する汚染イオンと化合する元素を含んだガスを処理室の内部へ導入する。気圧調整部は、処理室の内部の気圧を処理室の外部の気圧よりも低下させる。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、半導体装置の製造装置および製造方法に関する。

従来、半導体装置が形成される基板に対してイオンビームを照射することにより、基板へ所望のイオンを注入する半導体装置の製造装置がある。かかる製造装置によって製造される半導体装置の特性は、基板へ注入される所望のイオンの種類、量、および深さによって決定される。

このため、かかる製造装置によって所望の特性の半導体装置を製造する場合には、基板へ注入する所望のイオンの種類、量、および深さを精度よく調整する必要がある。しかしながら、イオンビーム中に所望のイオン以外の汚染イオンが混入した場合、汚染イオンが基板へ注入されてしまい、半導体装置の特性が所望の特性からずれるという問題が生じる。

特開２００３−３０３５６９号公報

本発明が解決しようとする課題は、所望のイオン以外の汚染イオンが基板へ注入されることを防止することができる半導体装置の製造装置および製造方法を提供することを目的とする。

実施形態によれば、半導体装置の製造装置が提供される。半導体装置の製造装置は、電子発生部と、ガス導入部と、気圧調整部とを備える。電子発生部は、基板へ所望のイオンを注入する場合に用いられる電子を所定の処理室内で発生させる。ガス導入部は、前記処理室の内部で発生する汚染イオンと化合する元素を含んだガスを前記処理室の内部へ導入する。気圧調整部は、前記処理室の内部の気圧を前記処理室の外部の気圧よりも低下させる。

実施形態に係る製造装置を示す模式図。実施形態に係るイオン発生部の構成および動作を示す説明図。実施形態に係るイオン発生部の動作の一例を示す説明図。実施形態に係るイオン発生部の動作の一例を示す説明図。実施形態に係るイオン発生部の動作の一例を示す説明図。実施形態に係るイオン発生部の動作の一例を示す説明図。

以下に、添付図面を参照して、実施形態に係る半導体装置の製造装置（以下、単に「製造装置」と記載する）および製造方法を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によって本発明が限定されるものではない。図１は、実施形態に係る製造装置１を示す模式図である。

図１に示すように、実施形態に係る製造装置１は、半導体ウェハ等の基板Ｘに対してイオンビームＬを照射することによって、基板Ｘへイオンを注入するイオン注入装置である。具体的には、製造装置１は、イオン発生部２と、引出電極３と、質量分析部４と、加速部５と、電子供給室６と、基板保持部７とを備える。

イオン発生部２は、基板Ｘへ注入するイオンを発生させる処理部である。かかるイオン発生部２は、所定のソースガスをプラズマ化させることによって、所望のイオンを発生させる。なお、かかるイオン発生部２の構成の一例については、図２を参照して後述する。

引出電極３は、イオン発生部２によって発生させた所望のイオンをイオン発生部２から引き出す電極である。かかる引出電極３は、引出電源３１の負極へ接続される。また、引出電源３１の正極は、イオン発生部２へ接続される。

これにより、引出電極３は、正に帯電した所望のイオンをイオン発生部２から引き出すことができる。そして、イオン発生部２から引き出されたイオンは、イオンビームＬとなって質量分析部４へ入射する。

質量分析部４は、イオンビームＬに含まれるイオンのうち、所定質量のイオンを選択的に通過させる処理部である。かかる質量分析部４は、イオンビームＬの通過経路の両脇にアナライザマグネット（図示略）を備える。さらに、質量分析部４は、イオンビームＬの出射部に、分析スリット４１を備える。

アナライザマグネットは、イオンビームＬへ磁力をかけることにより、所望のイオンよりも質量が大きなイオンを含むイオンビームＬ１と所望のイオンよりも質量が小さなイオンを含むイオンビームＬ２とをイオンビームＬから分離する。

分析スリット４１は、所望のイオンよりも質量が大きなイオンを含むイオンビームＬ１と所望のイオンよりも質量が小さなイオンを含むイオンビームＬ２を遮り、所望のイオンを含むイオンビームＬを選択的に質量分析部４から出射させるスリットである。

加速部５は、質量分析部４から入射されるイオンビームＬのイオンを加速させ、基板Ｘへの注入に必要なエネルギーをイオンへ与える処理部である。かかる加速部５は、加速電源５１、集束部５２、スキャン部５３等を備える。

加速電源５１は、正極が質量分析部４におけるイオンビームＬの出射部へ接続され、負極が基板保持部７へ接続された電源である。かかる加速電源５１によって質量分析部４と基板保持部７との間に生じる電位差により、加速部５内を通過するイオンビームＬのイオンを加速させ、基板Ｘへの注入に必要なエネルギーをイオンへ与える。

集束部５２は、質量分析部４から入射されるイオンビームＬを集光レンズ（例えば、四極子レンズ）によって集光させてスキャン部５３へ出射する処理部である。また、スキャン部５３は、集束部５２から入射されるイオンビームＬが基板Ｘに対して垂直に照射されるようにイオンビームＬを平行にする処理部である。

かかる集束部５２は、スキャナとパラレルレンズとを備える。スキャナは、質量分析部４から入射されるイオンビームＬを静電気力によってＸＹ平面上で走査させる静電プレートである。

また、パラレルレンズは、スキャナから入射されるイオンビームＬを電界によって平行化するダイポールレンズである。なお、ここでは、図示を省略したが、加速部５は、スキャン部５３の後段に、イオンビームＬからエネルギーコンタミネーションを除去するエネルギーフィルタ等を備える。

電子供給室６は、電子を発生させて加速部５内を通過するイオンビームＬへ供給する処理部である。かかる電子供給室６は、イオンビームＬへ電子を供給することによって、正の電荷を帯びたイオンの注入による基板Ｘの過剰な帯電を抑制させる。

基板保持部７は、イオンの注入対象となる基板Ｘを保持する処理部である。かかる基板保持部７は、ファラデーカップ７１、吸着保持部７２等を備える。ファラデーカップ７１は、基板Ｘへ注入されるイオンの数を計数する処理部である。また、吸着保持部７２は、基板Ｘを吸着して保持するチャックである。

かかる製造装置１のイオン発生部２は、所望のイオンを発生させた際に生じた汚染イオンが基板Ｘへ注入されることを抑制する構成を備える。次に、図２を参照し、実施形態に係るイオン発生部２の構成および動作について説明する。図２は、実施形態に係るイオン発生部２の構成および動作を示す説明図である。

図２に示すように、イオン発生部２は、イオン発生室２０、ソースガス供給部２１、ガス導入部２２、気圧調整部２３、フィラメント電源８４、カソード電源８５およびアーク電源８６を備える。

また、イオン発生室２０は、基板Ｘへ注入する所望のイオンを発生させる処理室であり、アークチャンバ８０を備え、アークチャンバ８０の内部にフィラメント８１とカソードキャップ８２とリペラープレート８３とを備える。

ここで、アークチャンバ８０は、イオンを発生させる際の耐熱性を考慮してタングステンを含む材質によって形成された処理容器である。また、フィラメント８１には、フィラメント電源８４が接続され、カソードキャップ８２には、カソード電源８５の正極（アーク電源８６の負極）が接続され、リペラープレート８３には、アークチャンバ８０を介してアーク電源８６の正極が接続される。

また、ソースガス供給部２１は、基板Ｘへ注入する所望のイオンのイオン源となる所定のソースガスをアークチャンバ８０の内部へ導入する。また、ガス導入部２２は、アークチャンバ８０の内部で発生する汚染イオンと化合する元素を含んだガス（以下、「クリーニングガス」と記載する）をアークチャンバ８０の内部へ導入する。また、気圧調整部２３は、アークチャンバ８０の内部の気圧をアークチャンバ８０の外部の気圧よりも低下させる真空ポンプである。

かかるイオン発生部２では、所望のイオンを発生させる場合、ソースガス供給部２１からアークチャンバ８０の内部へ所定のソースガスを導入させる。さらに、フィラメント電源８４によってフィラメント８１へ電圧を印加することにより、フィラメント８１から電子９１を放出させる。

フィラメント８１から放出された電子９１は、フィラメント８１とカソードキャップ８２との間の電位差によってカソードキャップ８２へ衝突し、カソードキャップ８２を発熱させる。そして、発熱したカソードキャップ８２は、アークチャンバ８０の内部へ電子９１を放出する。カソードキャップ８２から放出された電子９１は、カソードキャップ８２とリペラープレート８３との間の電位差によってリペラープレート８３へ引き寄せられる。

リペラープレート８３へ引き寄せられる電子９１は、ソースガスと衝突することでソースガスをプラズマ化して所望のイオン９２と電子９１とに分離させる。こうしてイオン発生部２は、基板Ｘへ注入する所望のイオン９２を発生させる。

このとき、アークチャンバ８０では、アークチャンバ８０の材質であるイオン化したタングステン（以下、「タングステンイオン」と記載する）が発生することがある。かかるタングステンイオンは、基板Ｘへ注入する所望のイオン９２でなく汚染イオンである。そして、かかる汚染イオンが基板Ｘへ注入された場合、製造する半導体装置の特性が所望の特性とならなくなる。

そこで、製造装置１では、所望のイオン９２を発生させる際に、ガス導入部２２によって所定のクリーニングガスをアークチャンバ８０の内部へ導入し、汚染イオンとクリーニングガスとを化学反応させて気化させる。

さらに、気圧調整部２３によってアークチャンバ８０の内部の気圧をアークチャンバ８０の外部の気圧よりも低くなるように調整する。これにより、気体となった汚染イオンは、アークチャンバ８０の内部へ閉じ込められるので、汚染イオンが基板Ｘへ注入されることを抑制することができる。

以下、図３〜図６を参照し、イオン発生部２の動作の一例について、さらに具体的に説明する。図３〜図６は、実施形態に係るイオン発生部２の動作の一例を示す説明図である。なお、図３〜図６では、イオン発生室２０以外の構成要素については、図示を省略している。

図３に示すように、ソースガス供給部２１によって所定のソースガスＧ１をアークチャンバ８０の内部へ供給し、アークチャンバ８０の内部で所望のイオン９２を発生させる場合、アークチャンバ８０は、アーク電源８６（図２参照）の正極が接続されている。

このため、カソードキャップ８２から放出された電子９１は、カソードキャップ８２とアークチャンバ８０との間の電位差によってアークチャンバ８０へも引き寄せられる。これにより、電子９１がアークチャンバ８０の内壁へ衝突して、アークチャンバ８０の材質であるタングステンがタングステンイオン（以下、「Ｗイオン９３」と記載する）となってアークチャンバ８０の内壁からアークチャンバ８０の内部へ弾き出される。

かかるＷイオン９３は、前述のように汚染イオンとなりうる。そこで、図４に示すように、ガス導入部２２は、クリーニングガスＧ２をアークチャンバ８０の内部へ導入する。ここで、アークチャンバ８０の内部へ導入するクリーニングガスＧ２は、Ｗイオン９３と化合して気化する元素（以下、「反応性元素９４」と記載する）を含んだガスである。

かかるクリーニングガスＧ２としては、フッ素系ガスを用いる。なお、本実施形態では、フッ素系ガスの一例として、フッ化キセノンガス等のフッ素系ガスを用いる。これにより、図５に示すように、アークチャンバ８０の内部では、Ｗイオン９３と反応性元素９４とが化合して六フッ化タングステン（以下、「ＷＦ９５」と記載する）が生成される。かかるＷＦ９５は、沸点が１７．５℃と比較的低いので、所望のイオン９２を発生させた場合に気化する。

そして、図６に示すように、気圧調整部２３は、アークチャンバ８０の内部から気化したＷＦ９５を含むガスＧ３を吸気し、アークチャンバ８０の外部へ排気することにより、アークチャンバ８０内部の気圧をアークチャンバ８０外部の気圧よりも低く維持する。

したがって、ＷＦ９５は、大半がアークチャンバ８０の外部へ排出される。なお、ここでのアークチャンバ８０の外部とは、製造装置１の外部、または、製造装置１の内部におけるイオンビームＬの通過路から隔離された空間のことである。これにより、製造装置１では、ＷＦ９５が質量分析部４側へ侵入することを防止することができる。

なお、アークチャンバ８０の内部に、微量のＷＦ９５が残存したとしても、アークチャンバ８０内部の気圧をアークチャンバ８０外部の気圧よりも低く維持することができるので、ＷＦ９５が質量分析部４側へ侵入することを防止することができる。

このように、実施形態に係る製造装置は、基板へ所望のイオンを注入する場合に用いられる電子を所定の処理室内で発生させる電子発生部を備える。さらに、実施形態に係る製造装置は、処理室の内部で発生する汚染イオンと化合して気化する元素を含んだガスを処理室の内部へ導入するガス導入部と、処理室の内部の気圧を処理室の外部の気圧よりも低下させる気圧調整部とを備える。

これにより、実施形態に係る製造装置は、例えば、処理室が基板へ注入する所望のイオンを発生させるイオン発生室である場合、所望のイオンのイオン源となるソースガスに加え、汚染イオンと化合して気化する元素を含んだガスを処理室へ導入することができる。

そして、実施形態に係る製造装置は、処理室の内部の気圧を処理室の外部の気圧よりも低下させた状態で維持することができる。したがって、実施形態に係る製造装置によれば、気化させた汚染イオンの化合物を処理室の内部に閉じ込めておくことができるので、所望のイオン以外の汚染イオンが基板へ注入されることを防止することができる。

しかも、前述したように、実施形態に係る製造装置の気圧調整部は、処理室内部の気体を、イオンビームの通過経路から隔離された外部の空間へ排気することができる。したがって、実施形態に係る製造装置によれば、汚染イオンが基板へ注入されることを、より確実に防止することができる。

また、実施形態に係る製造装置１は、電子供給室６でも電子９１を発生させる。つまり、電子供給室６は、基板Ｘへ所望のイオン９２を注入する場合に用いられる電子９１を所定の処理室内で発生させる電子発生部である。このため、かかる電子供給室６においても、電子９１を発生させた場合に、汚染イオンが発生するおそれがある。

そこで、実施形態に係る電子供給室６は、図２に示すイオン発生部２と略同一の構成とすることで、電子９１を発生させた際に生じた汚染イオンが基板Ｘへ注入されることを防止している。

具体的には、電子供給室６は、イオン発生部２におけるソースガス供給部２１に代えて、アークチャンバ内へ所定のキャリアガスを供給するキャリアガス導入部を備える点以外は、図２に示すイオン発生部と同様の構成である。

かかる電子供給室６では、例えば、アルゴンガス等のキャリアガスをアークチャンバの内部へ導入し、フィラメントから放出させた電子をキャリアガスへ衝突させることでキャリアガスをプラズマ化させて電子９１を発生させる。

このとき、電子供給室６は、電子９１を発生させる際に汚染イオンとなるＷイオン９３が発生することがあるが、イオン発生部２と同様のガス導入部および気圧調整部を備えるので、アークチャンバ内のＷイオン９３が基板Ｘへ注入されることを防止できる。

なお、本実施形態では、電子供給室６がイオンビームＬの通過経路における質量分析部４よりも下流側に設けられる場合について説明したが、電子供給室６は、イオンビームＬの通過経路における質量分析部４よりも上流側に設けてもよい。

かかる構成とすれば、電子供給室６のアークチャンバ内に残存した汚染イオンが、万が一イオンビームＬの通過経路へ漏れ出しても、後段の質量分析部４によってイオンビームＬから汚染イオンを排除することができる。したがって、汚染イオンが基板Ｘへ注入されることをより確実に防止することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１製造装置、２イオン発生部、３引出電極、４質量分析部、５加速部、６電子供給室、７基板保持部、２０イオン発生室、２１ソースガス供給部、２２ガス導入部、２３気圧調整部、３１引出電源、４１分析スリット、５０電子供給室、５１加速電源、５２集束部、５３スキャン部、７１ファラデーカップ、７２吸着保持部、８０アークチャンバ、８１フィラメント、８２カソードキャップ、８３リペラープレート、８４フィラメント電源、８５カソード電源、８６アーク電源、９１電子、９２所望のイオン、９３Ｗイオン、９４反応性元素、９５ＷＦ、Ｇ１ソースガス、Ｇ２クリーニングガス、Ｇ３ガス、Ｌ、Ｌ１、Ｌ２イオンビーム

Claims

基板へ所望のイオンを注入する場合に用いられる電子を所定の処理室内で発生させる電子発生部と、
前記処理室の内部で発生する汚染イオンと化合して気化する元素を含んだガスを前記処理室の内部へ導入するガス導入部と、
前記処理室の内部の気圧を前記処理室の外部の気圧よりも低下させる気圧調整部と
を備えることを特徴とする半導体装置の製造装置。
前記所望のイオンのイオン源となるソースガスを前記処理室へ供給するソースガス供給部
を備え、
前記処理室は、
前記電子と前記ソースガスとの衝突によって前記ソースガスをプラズマ化して前記所望のイオンを発生させるイオン発生室である
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造装置。
前記処理室は、
前記基板の帯電を抑制する電子を発生させ、前記基板へ照射される前記所望のイオンのイオンビームへ当該電子を供給する電子供給室である
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造装置。
前記イオンビームの通過経路に、所定質量の前記所望のイオンを選択的に通過させる質量分析部
を備え、
前記処理室は、
前記イオンビームの通過経路における前記質量分析部よりも上流側に設けられる
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体装置の製造装置。
イオンビームの照射によって基板へ所望のイオンを注入する場合に用いられる電子を所定の処理室内で発生させる工程と、
前記処理室の内部で発生する汚染イオンと化合して気化する元素を含んだガスを前記処理室の内部へ導入する工程と、
前記処理室の内部の気圧を前記処理室の外部の気圧よりも低下させる工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。