JP3339516B2

JP3339516B2 - イオン注入方法及びイオン注入装置

Info

Publication number: JP3339516B2
Application number: JP22112093A
Authority: JP
Inventors: 健一加川; 良樹山西
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-09-06
Filing date: 1993-09-06
Publication date: 2002-10-28
Anticipated expiration: 2017-10-28
Also published as: JPH0770750A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はイオン注入方法及びイオ
ン注入装置に関し、より詳細にはＬＳＩの製造等におい
て試料の帯電を防止しながら半導体内部に不純物イオン
の注入を行うイオン注入方法及びイオン注入装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】イオン注入方法とは、シリコン基板等の
所定の箇所に所望の電気伝導性を持たせることを目的と
して用いられている方法であり、イオン化させた不純物
（Ｂ⁺，Ｐ⁺ ，Ａｓ⁺ 等）を真空中で加速管により加速
し、分離分析器により所望の不純物イオンのみを取り出
してシリコン基板等に照射し、これにより前記不純物を
シリコン基板等に注入するという技術である。

【０００３】このイオン注入技術は、注入不純物の量や
不純物分布の制御性に優れること、低温プロセスである
ことから他の部分への影響が少ないこと等、他に比類な
き優れた特徴を有することから、ＬＳＩ等の製造工程に
おいて必要不可欠の技術となっており、例えばＭＯＳト
ランジスタ製造工程において、しきい値電圧の制御やソ
ース・ドレイン拡散層の形成等、６種以上もの工程に適
用されている。

【０００４】そこで、一般的なＭＯＳトランジスタ製造
工程におけるイオン注入方法の一例を説明する。

【０００５】図３（ａ）〜（ｄ）は所定の製造プロセス
を経た半導体基板にイオン注入を行ってソース・ドレイ
ン拡散層を形成する工程を模式的に示した断面図であ
る。

【０００６】イオン注入を行う前に、シリコン基板３１
上に素子分離領域３２、ゲート絶縁膜３３を形成し、こ
のゲート絶縁膜３３の上にゲート電極３４を形成し、さ
らにゲート電極３４の上に電極保護膜３５を形成する。
そして、前記プロセスを経たシリコン基板３１の所定の
箇所にのみイオン注入により不純物をドーピングするた
め、感光性高分子から成るレジスト３６のパターンを形
成する（図３（ａ））。

【０００７】次に、このレジスト３６をマスクとして、
電極保護膜３５及びゲート絶縁膜３３を通してシリコン
基板３１に不純物イオン３７を注入し、所定の箇所に不
純物３８をドーピングする（図３（ｂ））。

【０００８】次に、不要となったレジスト３６を除去す
る（図３（ｃ））。

【０００９】さらに熱処理を施すことにより注入した不
純物３８を電気的に活性化させるとともに所望の深さま
で拡散させ、ソース・ドレイン拡散層３９を形成する
（図３（ｄ））。

【００１０】以上に示したような工程により、シリコン
基板３１上にＭＯＳトランジスタのソース・ドレイン拡
散層３９を形成することができる。

【００１１】ところでこのイオン注入工程では、正に帯
電した粒子（不純物イオン）３７がシリコン基板３１等
の試料に照射されるため、あるいはその粒子が試料支持
台やその周辺部に照射された際にそこから放出される２
次電子が前記試料表面に到達するため、前記試料には帯
電現象が生じてしまう。

【００１２】今日、拡散層の高濃度化やスループット向
上の要求等から、イオン注入装置の大電流化が図られて
きたため、この帯電現象が顕在化してきており、ＭＯＳ
デバイスにおいてますます薄膜化するゲート絶縁膜の信
頼性の低下や絶縁破壊等を引き起こすという問題が生じ
てきている。

【００１３】この帯電現象を防止するため、不純物イオ
ンが照射された試料に電子シャワー発生装置等を用いて
電子を供給し、試料の電気的中性化を図る電子中和方法
がとられている（例えば、蒲生健次編著半導体イオン
注入技術１９８６年産業図書１６０−１６１
頁）。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、供給す
べき電子の量およびその分布についての適確な制御が困
難であることや試料自体が必ずしも正に帯電していない
ことが原因となって、この電子中和方法は必ずしも有効
な方法とはなっていない。以下にその一例について説明
する。

【００１５】図４は従来より使用されているイオン注入
装置内の試料支持台の試料載置部に試料としてＭＮＯＳ
素子（ポリシリコン／Ｓｉ窒化物／Ｓｉ酸化物／Ｓｉ基
板）が形成された半導体装置を設置して、イオン注入を
行う様子を模式的に示した断面図である。

【００１６】試料支持台の試料載置部４１は円板形状を
しており、この試料載置部４１には試料４２が載置さ
れ、試料４２の外周部はリング形状をした試料押さえ４
３により押さえられ、固定されている。またこの試料支
持台の試料載置部４１や試料押さえ４３には、通常アル
ミニウムやステンレス鋼等の金属が用いられている。

【００１７】このように、試料載置部４１に載置され、
試料押さえ４３により固定された試料４２に、イオン化
させ、加速管により加速させた不純物イオン４４を試料
４２表面に対する垂直方向より７．５度傾斜させて照射
し、試料４２内に不純物イオン４４を注入する。

【００１８】試料４２として、シリコン基板上にポリシ
リコン層約４００ｎｍ、窒化シリコン層約４０ｎｍ、酸
化シリコン層約２．５ｎｍから構成されるＭＮＯＳが形
成された半導体装置を、また不純物イオン４４としてリ
ン（Ｐ⁺ ）イオンをそれぞれ用い、イオン注入を行う際
のエネルギーを４０ｋｅＶ、注入ドーズ量を１×１０¹⁶
ｃｍ^-2としてイオン注入をおこなった場合、試料４２は
イオン注入後最終的に−７Ｖ程度に帯電することがわか
った。

【００１９】そこで、このように試料４２表面が負に帯
電する原因について検討したところ、試料４２の表面が
負に帯電するのは、以下のような理由によるものである
ことがわかった。イオン注入工程においては、注入され
るイオン粒子（不純物イオン）４４が加速管により加速
され、試料４２及び試料押さえ４３等の周囲の物体に突
入するため、通常それらの物体から２次電子が放出され
る。イオン粒子４４が試料押さえ４３等の周辺の物質に
突入することにより発生する２次電子の量が問題となる
が、（２次電子数／１次粒子数）で定義される２次電子
利得は、イオン粒子４４の突入する角度に影響され、イ
オン粒子４４が物体表面に対してより斜めに突入する方
が２次電子利得が大きくなる。これは２次電子の発生が
表面層で生じる割合が増加するためである（例えば、佐
々木昭夫著現代電子物性論オーム社１９８１年
１０２頁）。一方、結晶構造を有する基板等の試料４２
にイオン注入を施す場合、イオンのチャネリング現象を
抑制するために、通常試料４２の被注入面の垂直方向に
対し数度の角度を持たせてイオン粒子４４の注入を行
う。

【００２０】これらのことから、図４に示した構造を有
する試料支持台に載置された試料４２表面の垂直方向よ
り７．５度傾けてイオン粒子４４の注入を行った場合、
試料４２の表面よりも試料押さえ４３の内周面４３ａに
対しての方がイオン粒子４４の入射角度が小さくなるた
め、試料押さえ４３の内周面４３ａにおける２次電子利
得は、試料４２表面における２次電子利得に対して数倍
大きい値となる。また、試料押さえ４３の内周面４３ａ
は試料４２表面に対して垂直に近い角度となっているの
で、放出された２次電子は試料４２表面に到達し易く、
このため試料４２はイオン注入後負に帯電する。

【００２１】以上より、現在のＬＳＩ製造工程におい
て、上記した構造を有するイオン注入装置を使用してイ
オン注入を行った場合、イオン注入時の試料４２の帯電
を防止するために電子中和方法を採用すると、イオン注
入時に負に帯電した試料４２をさらに負に帯電させてし
まうことになり、イオン注入時の試料４２の帯電を防止
することができないという課題があった。

【００２２】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであり、イオン注入時に試料や試料支持台の試料押さ
え等から放出され、試料表面に到達する２次電子の量を
減少させることにより、試料表面の帯電現象を防止する
ことができるイオン注入方法及びイオン注入装置を提供
することを目的としている。

【００２３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係るイオン注入方法は、イオンを加速して試
料に注入するイオン注入方法において、前記試料支持台
を構成する試料押さえに正の電圧を印加した状態でイオ
ン注入を行うことを特徴としている（１）。また本発明
に係るイオン注入装置は、上記（１）記載のイオン注入
方法に用いられるイオン注入装置であって、前記試料押
さえに正の電圧を印加する手段が接続されていることを
特徴としている（２）。

【００２４】また本発明に係るイオン注入装置は、上記
（２）記載のイオン注入装置において、前記試料押さえ
の内周面が、試料面に対するイオン注入角度の傾斜角度
よりも大きな傾斜角度を有していることを特徴としてい
る（３）。

【００２５】また本発明に係るイオン注入装置は、上記
（２）又は（３）記載のイオン注入装置において、前記
試料押さえの試料と接触する部分が絶縁物より構成され
ていることを特徴としている（４）。

【００２６】

【作用】本発明に係るイオン注入方法によれば、イオン
を加速管により加速させ、前記イオンをイオン注入装置
内部の試料支持台に載置された試料に注入するイオン注
入方法において、前記試料支持台を構成する試料押さえ
に正の電圧を印加した状態でイオン注入を行うので、前
記イオンが前記試料押さえに照射されても、２次電子が
前記試料押さえから放出されにくくなり、前記試料表面
の帯電量が大きく減少し、帯電により引き起こされるト
ランジスタの絶縁破壊等の不都合の発生が阻止される。

【００２７】また本発明に係るイオン注入装置によれ
ば、上記（１）記載のイオン注入方法に用いられるイオ
ン注入装置であって、前記試料押さえに正の電圧を印加
する手段が接続されているので、イオン注入を行う際に
前記試料押さえを正に帯電させておくことができ、前記
イオンが前記試料押さえに照射されても、２次電子が前
記試料押さえから放出されにくくなり、試料表面の帯電
量が大きく減少し、帯電により引き起こされるトランジ
スタの絶縁破壊等の不都合の発生が阻止される。

【００２８】また上記（２）記載のイオン注入装置にお
いて、前記試料押さえの内周面が、試料面に対するイオ
ン注入角度の傾斜角度よりも大きな傾斜角度を有してい
る場合、前記イオンが前記試料の内周面に直接当たるこ
とがほとんどなくなるため、試料押さえの内周面におけ
る２次電子の放出がほとんどなくなり、前記（２）のイ
オン注入装置における効果がより一層顕著になる。

【００２９】また（２）又は（３）記載のイオン注入装
置において、前記試料押さえの試料と接触する部分が絶
縁物より構成されている場合、前記（２）又は（３）の
イオン注入装置におけるそれぞれの効果に加え、試料に
電圧が印加されることにより生ずる絶縁破壊等の発生の
虞れが全くなくなる。

【００３０】

【実施例】図１は実施例に係るイオン注入装置を用いて
試料に不純物イオンを注入する様子を模式的に示した概
念図であり、ここでは実施例に係るイオン注入装置の一
部を示している。なお、図示している以外の部分につい
ては、従来から使用されているイオン注入装置と同様の
構成となっている。

【００３１】試料支持台の試料載置部４１には、図４に
示したシリコン基板上にポリシリコン層約４００ｎｍ、
窒化シリコン層約４０ｎｍ、酸化シリコン層約２．５ｎ
ｍから構成されるＭＮＯＳ半導体装置が形成された試料
４２が載置され、この試料４２は試料４２と接触する部
分に絶縁性部材１１ｂが使用された試料押え１１により
押さえられ、固定されている。また試料押さえ１１には
正の定電圧を印加するための定電圧印加装置１３が接続
されている。

【００３２】試料押さえ１１の試料４２と接触する部分
に絶縁性部材１１ｂが使用されているのは、試料４２と
試料押え１１とを電気的に切り放した状態し、試料４２
に正の電圧を印加した際に試料４２に生じる悪影響を抑
制するためである。ここで試料押え１１には、絶縁性部
材１１ｂを除いて通常アルミニウム、ステンレス鋼等が
用いられており、このような金属材料からなる試料押さ
え１１で試料４２が帯電するのを十分に防ぐことができ
る。

【００３３】他方、試料押さえ１１がスパッタリングさ
れ、この金属粒子が試料４２の表面に到達して汚染する
のを防止するためには、試料押さえ１１の一部、例えば
試料押さえ１１の内周面１１ａと上面１１ｃがシリコ
ン、ゲルマニウム、炭素又はこれらの化合物（例えば、
炭化珪素等）により被覆されている方が好ましい。試料
押さえ１１全体が前記した物質から構成されていてもよ
い。ただし、試料押さえ１１の内周面１１ａの部分はイ
オン注入時に正の電圧が印加された状態にある必要があ
るので、前記シリコン、ゲルマニウム、炭素又はこれら
の化合物はある程度導電性を有するための処理（例えば
ドーピング処理等）が行われている必要がある。

【００３４】一方、試料押さえ１１を構成する絶縁部材
１１ｂの材質としては、電気伝導性を示さず試料４２表
面を金属等で汚染しないものであることが好ましく、こ
の絶縁部材１１ｂの材料の具体例としては、例えば石英
やシリコン窒化物等が挙げられる。

【００３５】図１に示した試料支持台の試料載置部４１
に載置された試料４２にイオン注入を行う際には、特に
その条件を従来の方法と比較して変化させる必要はな
く、上記した従来のイオン注入の場合と同様の方法及び
条件でイオン注入を行うことができる。

【００３６】イオン注入時に放出される２次電子のエネ
ルギーは数ｅＶに大きなピーク値を持ち、そのほとんど
が数１０ｅＶ以下の領域内にあるので（例えば、日本電
子顕微鏡学会関東支部編走査電子顕微鏡の基礎と応用
１９８３年共立出版（株）発行３８−３９頁）、
試料支持台の試料押え１１に数Ｖ〜数十Ｖの正の定電圧
を印加しておくことにより、試料押え１１からの２次電
子の放出を抑制することができる。定電圧印加装置１３
は特に限定されず、通常用いられている装置で、試料押
さえ１１に数Ｖ〜数十Ｖの正の直流電圧を印加すること
ができるものであれば、どのようなものでもよい。

【００３７】また印加すべき正の定電圧の値の範囲とし
ては、試料４２に影響を及ぼさない範囲が好ましく、特
に本実施例の場合と異なり試料押さえ１１の一部に絶縁
部材１１ｂが用いられていない場合は、できるかぎり低
電圧であることが好ましい。この電圧の範囲としては、
試料４２の種類によっても異なるが、例えば３０Ｖ程度
以下、３Ｖ以上が好ましい。正の定電圧の値が３Ｖより
低くなると、試料押さえ１１の内周面１１ａからの２次
電子の放出量を８０％以下に抑えることが難しくなり、
試料４２の帯電量が余り小さくならない。

【００３８】次に、実際に上記したＭＮＯＳ半導体装置
が形成された試料４２を使用し、また試料押さえ１１と
して、試料押さえ１１の内周面１１ａ及び上側１１ｃに
導電性を有するポリシリコン被膜が形成されたもの、及
び不純物イオンとしてリン（Ｐ⁺ ）イオンをそれぞれ使
用し、注入エネルギーを４０ｋｅＶ、注入ドーズ量を１
×１０¹⁶ｃｍ^-2に設定し、試料押さえ１１に＋１０Ｖの
正電圧を印加した状態で、試料４２にイオン注入を行っ
たところ、試料４２表面は最終的に−２Ｖ程度の帯電し
か観測されなかった。。

【００３９】一方、上記した図４に示した従来の試料支
持台を用い、前記実施例の場合と同様の条件でイオン注
入を行った場合、試料４２表面は上記したように−７Ｖ
程度に帯電していた。

【００４０】図２は別の実施例に係るイオン注入装置を
用いて試料に不純物イオンを注入する様子を模式的に示
した概念図であり、このイオン注入装置は試料押さえが
異なる他は、図１に示したイオン注入装置と同様の構成
を有している。また、図２は実施例に係るイオン注入装
置の一部を示している。

【００４１】このイオン注入装置において、試料押さえ
２１の内周面２１ａの試料４２表面の垂直方向に対する
傾斜角度θ₂ は試料４２表面の垂直方向に対するイオン
注入角度θ₁ よりも大きい。

【００４２】試料押さえ２１をこのような形状にしたこ
とにより、注入イオンは試料押さえ２１の内周面２１ａ
に衝突することがなくなり、試料押さえ２１から放出さ
れ試料４２表面に到達する２次電子量を大きく減少させ
ることができる。

【００４３】通常のＬＳＩ製造工程においては、このイ
オン注入角度θ₁ を０〜数度（例えば、７．５度）傾け
てのイオン注入が行なわれる。従って、試料押さえ２１
の傾斜角度θ₂ をイオン注入角θ₁ より大きな傾斜角度
（例えば、７．５度より大きな傾斜角度）とすれば、試
料押さえ２１から放出され試料４２表面に到達する２次
電子量を極端に減少させることができる。

【００４４】実際に、内周面２１ａの傾斜角度θ₂ が１
０度であるアルミニウム製の試料押さえ２１を用い、イ
オン注入角度を７．５度に設定し、その他は上記の図１
に示した実施例の場合の条件と同様の条件で、イオン注
入を行ったところ、試料４２表面の帯電は−３Ｖ程度と
なった。

【００４５】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係るイオン
注入方法にあっては、イオンを加速管により加速させ、
前記イオンをイオン注入装置内部の試料支持台に載置さ
れた試料に注入するイオン注入方法において、前記試料
支持台を構成する試料押さえに正の電圧を印加した状態
でイオン注入を行うので、前記イオンが前記試料押さえ
に照射されることによる前記試料押さえからの２次電子
の放出を防止することができ、前記試料表面の帯電量を
大きく減少させることができ、その結果、前記帯電によ
り引き起こされるトランジスタの絶縁破壊等の不都合の
発生を阻止することができる。

【００４６】また本発明に係るイオン注入装置によれ
ば、上記（１）記載のイオン注入方法に用いられるイオ
ン注入装置であって、前記試料押さえに正の電圧を印加
する手段が接続されているので、イオン注入を行う際に
前記試料押さえを正に帯電させておくことができ、前記
イオンが前記試料押さえに照射されることによる前記試
料押さえからの２次電子の放出を阻止することができ、
前記試料表面の帯電量を大きく減少させることができ、
その結果、前記帯電により引き起こされるトランジスタ
の絶縁破壊等の不都合の発生を阻止することができる。

【００４７】また上記（２）記載のイオン注入装置にお
いて、前記試料押さえの内周面が、試料面に対するイオ
ン注入角度の傾斜角度よりも大きな傾斜角度を有してい
る場合、前記元素のイオンが前記試料の内周面に直接当
たることがほとんどなくなるため、試料押さえの内周面
における２次電子の放出を阻止することができ、前記
（２）のイオン注入装置における効果がより一層顕著に
なる。

【００４８】また（２）又は（３）記載のイオン注入装
置において、前記試料押さえの試料と接触する部分が絶
縁物より構成されている場合、前記（２）又は（３）の
イオン注入装置におけるそれぞれの効果に加え、試料に
電圧が印加されることにより生ずる絶縁破壊等の発生の
虞れを完全に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るイオン注入装置を用いて
試料に不純物イオンを注入する様子を模式的に示した概
念図であり、実施例に係るイオン注入装置の一部を示し
ている。

【図２】別の実施例に係るイオン注入装置を用いて試料
に不純物イオンを注入する様子を模式的に示した概念図
である。

【図３】（ａ）〜（ｄ）は所定の製造プロセスを経た半
導体基板にイオン注入を行ってソース・ドレイン拡散層
を形成する工程を模式的に示した断面図である。

【図４】従来より使用されているイオン注入装置内の試
料支持台の試料載置部に試料としてシリコン基板にＭＮ
ＯＳ半導体装置が形成された試料を設置して、イオン注
入を行う様子を模式的に示した断面図である。

【符号の説明】

１１、２１試料押さえ１１ａ、２１ａ試料押さえの内周面１１ｃ絶縁性部材１３定電圧印加装置４１試料載置部４４不純物イオン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】イオンを加速して試料に注入するイオン
注入方法において、試料支持台を構成する試料押さえに
正の電圧を印加した状態でイオン注入を行うことを特徴
とするイオン注入方法。
【請求項２】請求項１記載のイオン注入方法に用いら
れるイオン注入装置であって、試料押さえに正の電圧を
印加する手段が接続されていることを特徴とするイオン
注入装置。
【請求項３】試料押さえの内周面が試料表面に対する
イオン注入角度の傾斜角度よりも大きな傾斜角度を有し
ていることを特徴とする請求項２記載のイオン注入装
置。
【請求項４】試料押さえの試料と接触する部分が絶縁
物で構成されていることを特徴とする請求項２〜３のい
ずれかの項に記載のイオン注入装置。