JP2711195B2 - 改良されたイオン注入装置及び方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は半導体素子のイオン注入に関係
し、更に詳細には、本発明は、イオン注入の際のウエー
ハの帯電から生じる損傷を減少することにある。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置のフィーチャーサイズがより
小さくなり、単一ウエーハ上の素子の数がより多くなる
にしたがって、イオン注入が、拡散のような、半導体ウ
エーハに不純物等をドープする旧い方法に置き換えられ
ている。イオン注入は、素子内のイオン数および達成さ
れるドーピング断面形状の両方に関して、より良い制御
が得られる。イオン注入装置は、ますます複雑で、精巧
なものとなっている。

【０００３】現在のイオン注入装置が図１に示されてい
る。この装置はＶＬＳＩチップの製造に対して満足され
るが、幾つかの問題が残っている。ウエーハの帯電が依
然として問題である。高い注入量、高い電流での注入が
達成されるべき場合は特に、注入を受ける半完成された
素子が損傷を受ける場合があるためである。例えば、自
己整合ＭＯＳ素子の製造において、ポリシリコン層がゲ
ート酸化物上に堆積される。注入中、ポリシリコンは基
板から電気的に分離されている場合、正の電荷が堆積す
る傾向があり、下方の酸化物層を損傷する傾向がある。

【０００４】半導体素子の高収率を達成するために、イ
オン注入工程中のウエーハの帯電を最小にすることが重
要である。このための一つの方法は、ウエーハに与えら
れる注入されるべき正イオン及びこれとバランスしてウ
エーハに与えられる電子の両方を含む注入ビームを得る
ことにある。更に、ウエーハに到達する電子のエネルギ
ーを例えば約２０ｅＶ以下の低く保つ必要がある。

【０００５】イオンビームは、ビームが固体表面に衝突
する場合は、常に低いエネルギーの電子を発生する。イ
オンビームの一部が常にイオン注入装置の質量分離シス
テムに衝突し、低いエネルギーの電子を発生する。この
低いエネルギーの電子は、それが発生されると直ぐにイ
オンビームの正電位内にトラップされ、ウエーハがその
表面上に正の電荷を累積すると、ウエーハにトラップさ
れ、且つ転送される。しかしながら、帯電粒子の相対的
な量は一般的に知られておらず、ビームがイオン注入装
置の種々の部分を介して進む時に除去され、内部的およ
び外部的に加えられた種々の他の静電気的および磁気的
な力によって影響される。正帯電効果を減少するため
に、電子流出素子が使用されるウエーハ付近の電子の数
を増大し、これによって部分的にイオンビームの正帯電
効果を中和している。しかし、正イオンが注入されてい
る部分のウエーハ上には電子を注ぐようにすることはで
きないので、ウエーハ上の特定のスポットには、例え
は、一度負になり、次に正になり、再び負になるという
ような変動電荷効果が生じ、これに伴う損傷がウエーハ
および作られる素子にもたらされる。従って、かなり大
きな強度の帯電パルスが依然として存在する場合があ
る。

【０００６】更に、電子発生機構は、イオンビーム電流
変化の様なシステムにおける変化に応答するイオンビー
ムとは独立している。ウエーハが許容できる電子の数
は、従来のイオン注入装置においては、注入を受けてい
るウエーハ上の電荷効果をなくす程充分に急速に変化す
ることはできない。

【０００７】

【発明の要約】イオン注入の際のウエーハ帯電は、ウエ
ーハが位置されるイオン注入装置内に場無し領域を提供
することによりかなり減少される。この領域は、静電抑
制／レンズ又は磁場抑制／レンズ源の何れかにより、全
ての外部からの与えられた場の影響を受けない。

【０００８】

【実施例】イオン注入装置の従来の技術を説明するため
の図１及び図２を参照する。図１は一例としてイオン注
入装置のイオンビームラインサブシスムを図示してい
る。図１および図２を参照すると、イオンはフリーマン
型イオン源のアークチャンバー１５で発生される。引出
し電極アッセンブリ１３はアークチャンバー１５の前の
矩形状開口１５Ａを通してイオンビームを引き出す。イ
オンビームが引き出され、質量分析システム２０の方向
に加速される。この質量分析システムは、分析磁石アッ
センブリ２２の磁極の間に通路を与えるイオンビーム飛
翔管２１を含む。イオンビームは曲がって、分析磁石ア
ッセンブリ２２を通して通過し、イオンドリフト管３２
に入り、質量分離システム３３の分離スリットを通過
し、後段の加速システム４０で、これが使用される場合
は加速され、ターゲット５０に衝突する。装置サイクル
の一期間で、ターゲット５０はビームの出口にあり、ビ
ーム電流の全てがビームストップ５１に落ちる。ビーム
ストップ５１内の抑制磁石５２は、ビームストップから
二次電流が逃げることを防止するように配向された磁場
を発生し、ビーム電流の正確な測定を保証する。この抑
制機能はよく知られており、ここでは詳細に記述されな
い。

【０００９】図１に示される流出ガン構成は、ウエーハ
５０の付近に位置し、ウエーハの表面上に破壊レベルま
で堆積される正電荷を中和することを助成する。或る場
合においては、不活性ガスをウエーハの前部領域に注入
し、この領域にウエーハ表面上に堆積される電荷を中和
することを助成するプラズマを生成する。イオン源アッ
センブリ１１は、円筒状磁極を有する分離した電磁石を
有する磁石アッセンブリ１２を含んでいる。この円筒状
磁極の軸はアークチャンバー１５内のフィラメント１５
Ｂと一致している。このイオン源磁石は、フィラメント
１５Ｂから放出される電子を、アークチャンバー１５の
壁に至る通路内でフィラメントの回りを回らせることに
より高効率でイオン生成を成し、アノードとして機能さ
せ、イオン源のイオン化効率を増加する。しかしなが
ら、イオン源磁石を強力に駆動することは、アークの安
定度に影響を及ぼす場合がある。

【００１０】後段の加速電源４１は、０及び１６０キロ
ボルトの間の所定の値に設定され、後段の加速システム
中のイオンビームの後段の加速の程度を決定する。この
電圧はターミナル２５内のターミナル基準電位を決定す
る。このターミナル２５内には、イオン源構成１０及び
質量分析システムが入れられている。イオン源作動電圧
の全て及び引き出しシステム電圧は、後段の加速電源に
よって設定されたターミナル電圧を基準としている。前
段加速電源８１は０及び＋２０キロボルトの間の或る値
に設定され、この電圧はイオン源チャンバー１５に供給
され、イオン源の大地基準電位として機能する。フィラ
メントは、アーク電源６１によってイオン源チャンバー
以上の電圧に直流バイアスされる。フィラメント１５Ｂ
は、フィラメント電源６０からの電流を通すことにより
加熱される。

【００１１】図示される様に、減速電極１３Ｂは、ター
ミナル電位及び引き出し電極１３Ａに直接接続され、０
から−３０キロボルトに設定することができる集束電源
２２から電圧が供給される。イオンビームは、事前に設
定された前段加速電位のイオン源チャンバーと事前に設
定された集束電源電圧の引き出し電極との間の引き出し
及び加速電場によって、イオン源チャンバーから引き出
される。事前に設定された電源の出力の値は、所望のビ
ームの前段加速の程度に従って設定される。収束電圧の
値はビーム調節工程中に設定され、所望のイオンビーム
特性が得られる。

【００１２】図２に示される様に、フリーマン型イオン
源は、フィラメント１５Ｂを横切ってフィラメント電源
６０に結合し、このフィラメントに低電圧の高電流の供
給することにより電気的に作動される。アーク電力源６
１は、フィラメント１５Ｂ及びアークチャンバー１５と
の間に最大で約１５０ボルトに典型的にはクランプされ
る。このアークチャンバーはアノードとして機能する。
フィラメント１５Ｂは、アークチャンバー内のガス種を
介してアークチャンバー壁方向に加速される熱電子を発
生し、アークチャンバー１５内にイオン種のプラズマを
発生する。

【００１３】分離前段加速（又は引き出し）電源６２
は、アークチャンバー１５に４０キロボルトまでの前段
分析加速電圧を供給する。抑制電源６３は、約−２キロ
ボルトの若干負の電圧を、引き出し電極１３Ａに供給す
る。この引き出し電極は抑制電極としても同様に知られ
る。最終の電極１３Ｂはターミナル大地基準にバイアス
され、最終のイオンビーム前段分析加速が、アークチャ
ンバー自体に供給される前段分析加速電圧の値によって
決定されるようにする。ターミナル大地基準は、ターミ
ナルに供給される後段加速電圧の値であり、電圧の値が
ターゲットに衝突する最終のイオンビームエネルギーを
決定する。

【００１４】ターゲットウエーハ５０が、後段の加速の
領域を出現するイオンビームの全ては遮えぎらず、イオ
ンビームの幾つかはビームストップ５１上に落ちる。ウ
エーハを搬送する操作ホイールがイオンビームから完全
に外れた場合、イオンビームの全てがビームストップ５
１に収拾され、イオンビーム電流はこの時に正確に測定
される。このビームストップの構成は、抑制磁石５２を
含み、二次電子の損失を防ぎ、電流測定の精度を維持す
る。ビームストップで収集される電流は電圧変換器５３
に電流を送る。電流−電圧変換器の出力はコンピュータ
制御システム７５に送られ、このシステムは注入量の計
算を達成するのに使用される。好適な電流−電圧変換器
５３及び注入量計算システムはPlumb 他の米国特許４，
７４３，７６７号に詳細に記述されており、参照された
い。

【００１５】流出ガン構成５４がこのシステムに組み込
まれ、イオン注入の間にウエーハの表面上に電荷が蓄積
されることを避ける。流出ガンの動作をコンピュータ制
御システム７５によって制御することができる。イオン
源構成の引き出し領域内のビーム制御羽根板５５はコン
ピュータ制御ルーチンの下で機能し、イオンビームに制
御された度合いの微調整を与え、ウエーハ５０に与えら
れるビーム電流の量を制御する。上述された及び他の従
来のイオン注入装置においては、質量分離システム３３
の開口が固定される。

【００１６】本発明に従うと、質量分離システムの分離
スリットとウエーハとの間にあり、低エネルギー電子が
ウエーハに到達することを禁止する外部の電磁場全てが
除去される。これは、低エネルギー電子がウエーハに転
送されることを保証する。この様な低エネルキー電子
は、例えば、質量分離システムを含む領域を出る時のビ
ームプラズマ内にトラップされ／閉じ込められている。
ターゲットウエーハの前の注入量計システム、ターゲッ
トウエーハの前の全ての後段加速又は減速システム、及
びイオンビームの読み取るために使用されるビーム電流
を完全に遮る装置の様なシステム等は、低エネルギー電
子がウエーハに到達することを禁止する外部の電磁場を
発生するシステムの例である。当業者に知られる他の装
置は、種々の付加的な磁場又は静電場を発生する。幾つ
かの装置は、ビームラインの終わり近くに電場を発生
し、電子がラインを逆戻りすることを禁止する。他の装
置は、質量分離システムの直後に磁場を発生して、質量
分離開口を通過したシャッター機構上のイオンビーム電
流を測定する。

【００１７】全ての外部から発生された磁場及び電場を
除去することにより、質量分離システム内で発生された
極めて低い電子をウエーハまで容易に転送することがで
き、この際ビームライン中の残留ガスとのイオン化衝突
により発生された低エネルギー電子をともなう。以上で
説明された様に、注入量の読み取りは、ストップ領域５
１内のウエーハ５０の後で行うことができる。ウエーハ
が注入される前での注入量の読み取りを行わないとウエ
ーハ帯電の別の原因を除去できる。

【００１８】イオンビームの全加速が、ビーム分析シス
テム磁石に導入する前のビームに対して生じる。注入装
置から、ビーム分析磁石の後に生じる全電磁場を除去す
ることにより、問題となる電磁場源が除去される。質量
分離システムにおいて、高エネルギー入射イオンビーム
は二次電子を発生する。この二次電子放出係数は１から
約５０に渡って変化する。従って、ビームの僅かな部分
が質量分離システムに突入する場合、二次電子の大部分
は２０ｅＶ小さいエネルギーを有して発生される。

【００１９】電子は、ビームイオンが真空チャンバー内
の残留ガス分子と衝突することにより発生することがで
きる。しかしながら、イオン注入は通常高真空環境（１
０^-5以下）で行われるので、この様なイオン／ガス衝突
の数は、ビームが質量分離システムを通過する時のイオ
ン／固体衝突の数と比較して小さい。電磁場無し領域に
設置されたウエーハは、電荷を変化し且つウエーハまで
の電子の転送を禁止する静電力及び磁力にさらされな
い。注入ビーム内の正に荷電されたイオンを曝している
間、ウエーハは正に帯電されはじめ、ビーム内に充分な
数の低エネルギー電子が存在すると、この帯電の迅速且
つ完全な中和が保証される。

【００２０】更に、ビーム内で生じる変化のマイクロ秒
中に、多数の電子がウエーハによって取得され、追加の
電子がウエーハに発生され、且つ転送される。ビーム
は、電子流出ガンの様な装置よりも高速に且つより完璧
に作用する空間電荷平衡を維持し、ウエーハ帯電を除去
するのに必要とされる追加の電子を与える。図３を参照
する。全共通サブシステムが図１及び図２に示されるの
と同様に番号が付けられている。イオンビームはイオン
源チャンバー１１５内で発生され、電極１８１で加速さ
れ、速度が減速電極１１３Ｂによって調節される。チャ
ンバー１１５から出た後、ビームは飛翔管１２１に沿っ
て通過し、ビーム分析磁石１２２間を通過し、ここでビ
ームが曲げられる。イオンビームはバルブ１３１を通過
して、質量分離システム１３３の分離スリットに至り、
ここでビームが分離され、所望の化学種が、イオン注入
が施されるターゲット１５０に転送される。

【００２１】最後に外部から加わる場は、ウエーハに転
送されるべきイオン種を選択する曲げ磁石にあることは
明らかである。他の種々の変形形態が当業者に明らかで
あり、本発明に含まれると意図されている。本発明は添
付された特許請求の範囲によっての限定される。

【図面の簡単な説明】

【図１】流出電荷制御部分を有する従来のイオンビーム
ラインの部分断面図、

【図２】従来のイオン源制御システム及びイオンビーム
引き出しシステムの図、

【図３】本発明の注入装置の電磁場無し領域環境を図示
するイオン注入装置ビームラインの部分断面図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヒロユキ イトウ イギリス ウェスト サセックス アー ルエイチ12 ２イーディー ホーシャム ウィンブルハースト ロード 28ディ ー (72)発明者 ティモシー グレイ モーガン イギリス ミドルセックス エイチエイ ５ ２キューワイ ピナー ウィンズロ ー クローズ 67 (56)参考文献 特開 昭62−287559（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】イオン源、イオンビームを分離して既知の
   質量を有する選択された化学種が開口を通過することを
   可能とする質量分離システム、および注入が施されるべ
   きターゲットからなるイオン注入装置において、前記質
   量分離システムにおける分離スリットと前記ターゲット
   との間の静電場又は磁場の外部供給源を全て除去するこ
   とを特徴とするイオン注入装置。
2. 【請求項２】チャンバー内に既知の質量のイオンビーム
   を発生し、 前記既知のイオンのみが注入が施されるターゲットまで
   通過することを可能とする質量分離システムに前記イオ
   ンビームを向け、且つ前記質量分離システムにおける分
   離スリットと前記注入が施されるべきターゲットとの間
   の静電場及び磁場の外部供給源を全て除去することを特
   徴とするイオン注入方法。