JP2801936B2 - イオンビーム照射装置およびイオンビーム照射方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 イオンビーム照射装置およびイオンビーム照射方法に
関し、 ファラデーカップ内壁のクリーニング直後等において
も二次電子のターゲット到達効率を向上させて、経時変
化抑制による装置特性のプロセス信頼性の向上および装
置の対チャージアップ特性を維持することができるイオ
ンビーム照射装置およびイオンビーム照射方法を提供す
ることを目的とし、 真空容器内に収納されたイオンビーム照射ターゲット
と、該ターゲットに対向するように配置されたファラデ
ーカップと、該ファラデーカップの内部に設けられた電
子供給手段と、該ファラデーカップ付近に酸素を含んだ
ガスを供給する供給手段と、ファラデーカップ内壁また
はファラデーカップ内壁とイオンビーム照射ターゲット
表面に酸素プラズマを発生させる酸素プラズマ発生手段
と、を備えるように構成し、 また、ファラデーカップ付近に酸素を含んだガスを供
給しながら真空容器内に放電電圧を印加し、ファラデー
カップの内壁またはファラデーカップ内壁とイオンビー
ム照射ターゲットとを酸化処理した後、該ターゲットに
イオンビームを照射するような方法にする。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、イオンビーム照射装置に関し、時に電子に
よる電荷中和装置を備え、イオンビーム照射時にターゲ
ットの絶縁膜表面に生ずるチャージアップを軽減するこ
とができるイオンビーム照射装置およびイオンビーム照
射方法に関する。

近年、高ドーズ量領域におけるイオン注入技術の利用
が増加しており、これら注入技術では高ドーズ量を短時
間で注入処理することができるようにするために例えば
20〜30mAにも及ぶ大電流イオン注入装置の実用化が進ん
でいる。しかしながら、これら大電流イオン注入装置に
おいて、当然ながらターゲット表面に単位時間当たりに
供給される電荷量が増加するため、半導体ウェハー等の
表面に酸化物やレジスト膜等の絶縁膜があると、ウェハ
ー上の絶縁膜にチャージアップが生じ、ウェハーと絶縁
膜表面との電位差による絶縁膜破壊が生じるという問題
がある。一方、イオン注入されるデバイス側にあって
も、素子の微細化に伴い酸化膜厚の減少およびウェハー
とのコンタクト窓の減少等の傾向が増加してきているた
め、チャージアップによる耐性が益々減少し、前記問題
を助長している。

〔従来の技術〕

このような問題を解決するものとして、例えば、第５
図に記載されたようなものがある。第５図は従来のイオ
ンビーム照射装置の内部を説明する斜視図であり、同図
中、１はイオンビーム照射ターゲットであり、イオンビ
ーム照射ターゲット１はターゲットディスクが回転しな
がら上下、または左右に移動する公知のもので、その表
面には半導体ウェハー２が載置されている。３はアルミ
ニウム等から形成されたファラデーカップであり、ファ
ラデーカップ３は一次電子発生部としてのフィラメント
４、二次電子発生部５等から構成される電子供給手段お
よび筒状の円筒部６から構成され、イオンビーム照射タ
ーゲット１とサプレッサ７の間に介装されている。８は
メッシュ状の引出電極である。ここで、二次電子発生部
５がファラデーカップ３の円筒部６の内面よりやや後退
して形成されているのは、フィラメント４から出た一次
電子e₁が引出電極８によって加速されて二次電子発生部
５に衝突して低エネルギーの二次電子e₂の他に高電子の
反跳電子e₁′がイオンビーム照射ターゲット１に直接入
射するのを防止するためである。この反跳電子e₁′がイ
オンビーム照射ターゲット１に入射すると半導体ウェハ
ー２の表面を負に帯電してしまい、図示しないイオンビ
ーム発生源からの照射されるイオンにより正に帯電する
場合と同様に素子を破壊してしまうのである。

このイオンビーム照射装置では、イオンビーム発生源
から、例えば正に帯電したAsイオン（As⁺）を発生さ
せ、これに高エネルギーを付与して加速することにより
イオンビームａを発生させ、半導体ウェハー２に照射し
てイオン注入を行う。半導体ウェハー２上には、例えば
MOS−IC等のデバイスが形成されており、酸化物やレジ
スト膜等の絶縁物の層が存在しており、その表面は正の
電荷がチャージアップしている。

一方、−100〜−300Vにバイアスされてフィラメント
から発生した一次電子e₁は、接地電位の引出電極８によ
って加速され、イオンビームａを横切って対向する二次
電子発生部５に照射される。このため、二次電子発生部
５から低エネルギーの二次電子e₂が放出され、その一部
が半導体ウェハー２に到達して上記イオンによる正電荷
を打ち消し（中和し）、チャージアップを軽減するよう
にしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来のイオンビーム照射装
置にあっては、反跳電子を除去することができるととも
に、チャージアップを軽減することができるのである
が、ファラデーカップ３の円筒部６の内壁の金属表面が
露出しているクリーニング直後等にあっては、低エネル
ギーの二次電子e₂のイオンビーム照射ターゲット１への
到達効率が悪化するという問題があった。

このように到達効率が悪化してしまうのは二次電子発
生部５で発生した二次電子e₂がファラデーカップ３の片
側の面6aに吸収されてしまうことによる。この点を第３
図に具体的に示す。第３図はファラデーカップ３の円筒
部６の金属表面が露出している時のファラデーカップ３
内におけるイオンビームａおよび二次電子e₂の電位分布
を示す図であり、ファラデーカップ３内部の電位をイオ
ンビームに垂直な軸に沿って示したものである。同図に
示すようにファラデーカップ３の二次電子発生部５で発
生した二次電子e₂はファラデーカップ３をグランドとし
て接地電位に対し数〜十数ボルトのエネルギーを持って
いるため、イオンビーム照射ターゲット１に入射される
前に片側の面6aに到達して片側の面6aに吸収されてしま
うのである。

ところが、一方で時間の経過とともに二次電子e₂の到
達効率は向上するのである。すなわち、半導体デバイス
のイオン注入においては、通常レジスト膜を材料として
用いることが多いことから、イオン照射に際してこのレ
ジスタがスパッタされ、ファラデーカップ３の円筒部６
に付着し、使用時間の経過とともに絶縁性のレジスト膜
を形成してしまう。そして、該レジスト膜表面に反跳電
子e₁′および二次電子e₂等が付着してレジスト膜が帯電
してしまう。このため、ファラデーカップ３内でのイオ
ンビームａの電位分布は第４図に示すように片側の面6a
で負にチャージアップされることになり、二次電子発生
部５で発生した二次電子e₂は片側の面6aで吸収されるこ
となく跳ね返る。このため、二次電子e₂はイオンビーム
照射ターゲット１に到達し易く到達効率が向上するので
ある。

しかしながら、このことは装置特性の経時変化を表わ
すものであるため到達効率が上昇するものの、装置の使
用条件のシフトあるいは不安定を生じてしまいプロセス
の信頼性が悪化するばかりでなく、実用的に充分なイオ
ンがイオンビーム照射ターゲット１に到達する様になる
までには多くの時間を要し、この間に装置のチャージア
ップ耐性を損なってしまうという問題があった。

そこで本発明は、クリーニング直後等においても二次
電子のターゲット到達効率を向上させるとともに、経時
変化による装置の使用条件のシフトあるいは不安定が生
じないようにして、プロセス信頼性の向上および装置の
対チャージアップ特性を維持することができるイオンビ
ーム照射装置およびイオンビーム照射方法を提供するこ
とを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

第１の発明によるイオンビーム照射装置は上記目的を
達成するため、真空容器内に収納されたイオンビーム照
射ターゲットと、該ターゲットに対向するように配置さ
れたファラデーカップと、該ファラデーカップの内部に
設けられた電子供給手段と、該ファラデーカップ付近に
酸素を含んだガスを供給する供給手段と、ファラデーカ
ップ内壁またはファラデーカップ内壁とイオンビーム照
射ターゲット表面に酸素プラズマを発生させる酸素プラ
ズマ発生手段と、を備えたことを特徴とするものであ
り、前記発生手段を、ファラデーカップ電極とイオンビ
ーム照射ターゲットの間またはファラデーカップ電極と
真空容器との間または、イオンビーム照射ターゲットと
真空容器の間に設けるようにしても良い。また、ファラ
デーカップを第１カップと第２カップとから成る２分割
構造とし、前記発生手段を第１カップと第２カップとの
間に設けるようにしても良い。

第２の発明によるイオンビーム照射方法は上記目的達
成のため、ファラデーカップ付近に酸素を含んだガスを
供給しながら真空容器内に放電電圧を印加し、ファラデ
ーカップの内壁またはファラデーカップ内壁とイオンビ
ーム照射ターゲットとを酸化処理した後、該ターゲット
にイオンビームを照射するようにしたことを特徴とする
ものである。

〔作用〕

本発明では、酸素プラズマ発生手段によりファラデー
カップ内壁またはファラデーカップ内壁とイオンビーム
照射ターゲット表面に酸素プラズマが発生され、該内壁
または該内壁と該ターゲット表面に金属酸化物による薄
い絶縁膜が形成される。したがって、ファラデーカップ
内の電位分布が最初から第４図に示すような電位分布に
なり、二次電子のターゲット到達効率がクリーニング直
後等から向上されて装置の対チャージアップ耐性が初め
から維持される。また、二次電子のターゲット到達率が
装置特性の経時変化の影響を受けることなく向上され、
装置の使用条件がシフトしたり不安定となることが防止
されてプロセスの信頼性が向上する。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明に係るイオンビーム照射装置およびイ
オンビーム照射方法に適用されるイオンビーム照射装置
の一実施例を示す図である。

まず、構成を説明する。同図において、11は真空容器
であり、真空容器11内にはイオンビーム照射ターゲット
12、ファラデーカップ13、サプレッサ14が収納されてい
る。イオンビーム照射ターゲット12はモータ軸15を介し
てディスク回転用モータ16によって回転されるターゲッ
トディスクから構成されている。また、該ターゲット12
はアルミニウム合金等から形成されており、その表面に
はイオン打ち込み基板として半導体ウェハー17が取付ら
れている。ファラデーカップ13はアルミニウム等から形
成されており、ターゲットディスク12に対向するように
して配置され内部に一次電子発生部としてのフィラメン
ト18、発生した一次電子が衝突して二次電子e₂を発生手
段させる二次電子発生部19および円筒状の金属電極13a,
13b（ファラデーカップ電極）から構成されている。真
空容器11にはガス供給手段20が取付けられており、ガス
供給手段20は酸素を含んだガス約0.1Torr程度をイオン
ビーム照射ターゲット12付近に供給するように構成され
ている。また、イオンビーム照射ターゲット12の金属電
極13aとイオンビーム照射ターゲット12に連結されたモ
ータ軸16の間には酸素プラズマ発生手段として高周波電
源21が設けられており、高周波電源21はイオンビーム照
射ターゲット12と金属電極13aの間に1KVの高周波の放電
電圧を印加する。なお、22は真空容器11に設けられたロ
ータリーポンプであり、真空容器11内のガスを外部に排
出する。

次に、作用を説明する。

まず、ファラデーカップ13の内壁部のクリーニング直
後等にガス供給手段20によりファラデーカップ13付近に
酸素を含んだガスを約0.1Torr程度供給しながら高周波
電源21によりイオンビーム照射ターゲット12とファラデ
ーカップ13の金属電極13aとの間に1KVの放電電圧を印加
する。このため、ファラデーカップ13の内壁およびイオ
ンビーム照射ターゲット12の表面付近に酸素プラズマが
発生しファラデーカップ13の内壁面およびターゲットデ
ィスク16の表面がアルマイト処理（酸化処理）されアル
ミナの薄い絶縁膜が形成される。そして、この後、半導
体ウェハー17表面にイオンビームを照射するとともに二
次電子e₂を供給する。

本実施例では酸素プラズマにより形成された絶縁膜が
イオンビームの照射によりターゲットからスパッタされ
た絶縁膜に相当し、従来のようにスパッタされた絶縁膜
が経時変化によってファラデーカップ13の内壁面に付着
したような状態を予め形成することができる。このた
め、ファラデーカップ13内の電位分布を最初から第４図
に示したような状態にして二次電子のターゲット到達率
をクリーニング直後等から向上させることができ、装置
の対チャージアップ耐性を初めから十分に維持すること
ができる。

なお、イオンビームを半導体ウェハー17に照射して行
くうちに、半導体ウェハー17からの絶縁膜がファラデー
カップ13の金属電極13bの内壁部に堆積して金属電極13b
表面の負帯電はさらに増えて行くが、このときの電位分
布の変化による装置特性はファラデーカップ13内が第３
図に示した電位分布の状態にあるものから第４図に示し
た電位分布にシフトすることによって生じる特性変化に
比べて小さいものであることが確認されている。

また、本実施例では、高周波電源21をファラデーカッ
プ13の金属電極13bとイオンビーム照射ターゲット12の
間に設けているが、これに限らず金属電極13bと真空容
器11との間またはイオンビーム照射ターゲット12と真空
容器11の間に設けても良い。なぜなら、要は真空容器11
内に放電電圧を印加してファラデーカップ13の内壁また
はファラデーカップ13の内壁とイオンビーム照射ターゲ
ット12の表面とを酸化処理することができれば良いから
である。さらに、第２図に示すようにファラデーカップ
13を第１カップＡおよび第２カップＢとからなる２分割
構造として第１カップＡと第２カップＢの間に高周波電
源21を設けるようにしても良い。この場合、カップAB間
の距離は1mm〜5mmに設定すれば２次電子e₂を外部に洩れ
ないようにする上で好ましい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、二次電子のターゲット到達率をファ
ラデーカップ内壁部のクリーニンク直後等から向上させ
ることができ、装置の対チャージアップ耐性を最初から
十分維持することができる。また、二次電子のターゲッ
ト到達率が経時変化の影響を受けることがないので、装
置の使用条件がシフトしたり不安定となることを防止す
ることができ、プロセスの信頼性を向上させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るイオンビーム照射装置の一実施例
を示すその全体構成図、 第２図は本発明に係るイオンビーム照射装置の他の実施
例を示すファラデーカップの構成図、 第３図はファラデーカップ内面が奇麗な時のファラデー
カップ内の電位分布を説明する図、 第４図はファラデーカップ内面に絶縁物質が堆積した時
のファラデーカップ内の電位分布を説明する図、 第５図は従来のイオンビーム照射装置を示す図である。 11……真空容器、 12……イオンビーム照射ターゲット、 13……ファラデーカップ、 13b……金属電極（ファラデーカップ電極）、 20……ガス供給手段、 21……高周波電源。

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空容器内に収納されたイオンビーム照射
   ターゲットと、 該ターゲットに対向するように配置されたファラデーカ
   ップと、 該ファラデーカップの内部に設けられた電子供給手段
   と、 該ファラデーカップ付近に酸素を含んだガスを供給する
   供給手段と、 ファラデーカップ内壁、またはファラデーカップ内壁と
   イオンビーム照射ターゲット表面に酸素プラズマを発生
   させる酸素プラズマ発生手段と、を備えたことを特徴と
   するイオンビーム照射装置。
2. 【請求項２】前記発生手段は、ファラデーカップ電極と
   イオンビーム照射ターゲットとの間に設けられたことを
   特徴とする請求項１記載のイオンビーム照射装置。
3. 【請求項３】前記発生手段は、ファラデーカップ電極と
   真空容器との間に設けられたことを特徴とする請求項１
   記載のイオンビーム照射装置。
4. 【請求項４】前記発生手段は、イオンビーム照射ターゲ
   ットと真空容器との間に設けられたことを特徴とする請
   求項１記載のイオンビーム照射装置。
5. 【請求項５】前記ファラデーカップを第１カップと第２
   カップとから成る２分割構造とし、前記発生手段を第１
   カップと第２カップとの間に設けたことを特徴とする請
   求項１記載のイオンビーム照射装置。
6. 【請求項６】ファラデーカップ付近に酸素を含んだガス
   を供給しながら真空容器内に放電電圧を印加し、ファラ
   デーカップの内壁またはファラデーカップ内壁とイオン
   ビーム照射ターゲットとを酸化処理した後、該ターゲッ
   トにイオンビームを照射するようにしたことを特徴とす
   るイオンビーム照射方法。