JP3373867B2 - イオン注入装置 - Google Patents

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装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】イオン注入技術は、イオン源で発生する
不純物イオンを高電界で加速し、その運動エネルギーを
利用して機械的に半導体ウエハ内に不純物を導入する方
法であり、ウエハ内に導入された不純物の総量を電荷量
として精度よく測定できる点で非常に有効な方法であ
る。

【０００３】従来このようなイオン注入は、例えば図７
に示す装置を用いて行われている。即ちイオン源９内に
てガスや固体の蒸気をプラズマ化し、このプラズマ内の
正イオンを引出し電極９１により一定のエネルギーで引
き出した後、質量分析器９２によりイオンビームに対し
て質量分析を行って所望のイオンを分離し、更に分解ス
リット９３によりイオン分離を完全に行う。そして分離
された所望のイオンのイオンビームを加速管９４を通し
て最終エネルギーまで加速した後、モータ９６により駆
動される回転ディスク９５上に配置されたウエハＷに照
射し、以てウエハＷの表面に所望の不純物を導入する。

【０００４】なお９７はファラデーカップであり、ウエ
ハの表面にイオンが打ち込まれたときに発生する２次電
子を外部に流出しないように閉じ込めて、イオン注入量
を正確に測定するためのものである。

【０００５】ところでイオンビームをウエハＷに照射す
ると、ウエハＷの表面に露出している絶縁膜にイオンの
正電荷が蓄積し、その電荷量が絶縁破壊電荷量以上にな
ると絶縁膜が破壊され、デバイスが不良品になってしま
う。

【０００６】このため従来では図６に示すようにウエハ
Ｗの近傍にてイオンビームに臨む位置にプラズマ発生部
９８を設け、このプラズマ発生部９８で発生したプラズ
マ中の電子を、プラズマ発生部９８とウエハＷとの間の
電位勾配によりウエハＷの表面に引き寄せてウエハＷの
表面の正の電荷を中和し、ウエハＷ上の絶縁膜の蓄積量
を小さく抑えるようにしていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで前記プラズマ
発生部９８は、例えばモリブデンよりなるプラズマ発生
室９８ａ内にタングステンよりなるフィラメント９８ｂ
を設け、フィラメント９８ｂを加熱してその熱電子をア
ルゴンガスなどに衝突させてプラズマを発生するように
構成されるが、プラズマ発生室９８ａ内にはフィラメン
ト９８ｂの蒸気や、プラズマによるプラズマ発生室９８
ａの内壁のスパッタ粒子が微量ではあるが存在する。

【０００８】一方プラズマ発生室９８ａのプラズマ出口
は、あまり大きくするとファラデーカップ９７内の真空
度が低下するため、例えば１ｍｍ程度と非常に小さい。
従ってフィラメント９８ｂの蒸気や前記スパッタ粒子が
プラズマ出口を囲む壁面に付着堆積することによりプラ
ズマ出口が塞がれてしまうことがあった。しかしながら
プラズマ出口が塞がれてしまうと、ウエハＷ表面の正電
荷を中和すべき電子が十分引き出されないかあるいは全
く引き出されなくなってしまい、イオンビームの照射に
よりウエハＷ表面の正電荷の蓄積量が大きくなりすぎて
ウエハＷ表面の絶縁膜が破壊され、デバイスの特性が損
なわれるという問題点があった。

【０００９】本発明はこのような事情のもとになされた
ものであり、その目的は、イオン注入に伴う被処理体の
絶縁破壊を確実に防止することのできるイオン注入装置
を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、イオ
ンビームの照射によりイオンが注入される被処理体を導
電性の載置台上に載置すると共に、被処理体の近傍にプ
ラズマ発生室を含むプラズマ発生部を配置し、プラズマ
発生室内で発生したプラズマ中の電子がプラズマ室のプ
ラズマ出口を介して被処理体の表面に引き寄せられて当
該被処理体の表面の正の電荷を中和するイオン注入装置
において、前記プラズマ発生室とアースとの間に、この
間を流れる電流を検出してプラズマ発生部の状態を監視
するための電流検出部を設けたことを特徴とする。

【００１１】請求項２の発明は、請求項１記載のイオン
注入装置において、電流検出部の電流検出値と予め定め
た設定値とを比較し、電流検出値が設定値をはずれたと
きには被処理体に対するイオンビームの照射を禁止する
制御部を設けたものである。

【００１２】

【作用】イオンビームが被処理体に照射されて被処理体
の表面に正電荷が蓄積されると、プラズマ発生部にて発
生したプラズマ中の電子が前記正電荷に引き寄せられて
当該正電荷を中和する。このときプラズマ発生部から電
子が被処理体の表面に引き抜かれた分だけアースからプ
ラズマ発生部に電子が流れ込む。従って例えばプラズマ
発生部のプラズマ出口が目詰まりを起こして電子の中和
が十分に行われなくなると、電流検出部の電流検出値が
低くなり、例えば設定値以下になったときにイオンビー
ムの照射を禁止することにより被処理体の絶縁破壊を防
止できる。

【００１３】なお電子の中和が十分に行われなくなる
と、載置台からアースに流れる電流が大きくなるので、
載置台とアースとの間に電流検出部を設けても同様の効
果が得られる。

【００１４】

【実施例】図１は、本発明の実施例に係るイオン注入装
置全体を示す概略構成図である。同図を参照しながら装
置全体について簡単に説明すると、図中１はイオン源
で、例えばベーパライザ１１内の固体原料から昇華した
ガスをプラズマ化するものであり、このプラズマ中のイ
オンは、引き出し電極１２とイオン源１本体との間に与
えられる引出し電圧によって外部にイオンビームとして
引き出される。この引き出し電極１２の下流側には、ス
リット部１３を介して質量分析器１４が配置され、ここ
で所望のイオンのみが取り出され、その後スリット部１
５を介して加速管１６内に入る。前記イオンは加速管１
６で加速電圧により加速された後ファラデーカップ２を
通って、モータ３１により回転される、導電性の例えば
アルミニウムよりなる回転ディスク３上に載置保持され
た被処理体例えば半導体ウエハＷ内に注入される。

【００１５】前記ファラデーカップ２は、「従来技術」
の項でも述べたが、イオン注入時に発生する２次電子を
外部に流出しないように閉じ込めてイオン注入量を正確
に測定するためのものであり、このファラデーカップ２
と加速管１６との間には、ゲート駆動部４１によりイオ
ンビームの通路を開閉してウエハＷに対してイオンビー
ムを照射あるいは遮るためのビームゲート４が設けられ
ている。更にこのファラデーカップ２の外側には、ウエ
ハＷの表面の電荷を中和するためにプラズマ発生部５が
配置されている。

【００１６】次に本発明の実施例の要部について図２及
び図３を参照しながら詳述する。前記ファラデーカップ
２のイオンビームＩＢの侵入側には、ファラデーカップ
２の外に２次電子が飛び出るのを防止するために、イオ
ンビームＩＢの通路を囲むようにサプレス電極６１が当
該通路に沿って配置されており、このサプレス電極６１
は、夫々直流電源部６２により例えば−１０００Ｖの電
圧が印加されている。

【００１７】前記プラズマ発生部５は、例えばカーボン
やモリブデンなどからなるプラズマ発生室５１内に例え
ばタングステンからなるフィラメント５２を設けて構成
され、プラズマ発生室５１には図示しないガス供給源よ
りの放電ガス例えばアルゴンガスを導入するためのガス
供給管（図示せず）が接続されている。前記プラズマ発
生室５１のファラデーカップ２側にはプラズマ出口５０
が形成され、ファラデーカップ２におけるプラズマ出口
５０と対向する管壁部には、プラズマがファラデーカッ
プ２内に流出できるように開口部２０が形成されてい
る。また前記プラズマ発生室５１の側面の周りは、冷却
水路（図示せず）を備えた例えばアルミニウムよりなる
枠部２１により囲まれており、冷却水路に冷却水を通流
することによりプラズマ発生室５１が冷却される。なお
プラズマ発生室５１及び枠部２１は、絶縁層２２によっ
てファラデ−カップ２に対しては絶縁されている。前記
フィラメント５２の両端間には、フィラメント電圧を印
加するための直流電源部５３が接続されると共に、フィ
ラメント４２とプラズマ発生室５１の壁部との間には、
放電電圧を印加するための直流電源部５４が接続されて
いる。

【００１８】前記プラズマ発生室５１の壁部及び放電電
圧用の直流電源部５４の接続点Ａとアースとの間には、
アースからプラズマ発生部５へ流れる電子の量、つまり
プラズマ発生部５からアースへ流れる電流の量を検出す
るために電流検出部７が設けられており、この電流検出
部７とアースとの間には、ウエハＷへのイオンの照射量
を検出するためにドーズカウンタ７１が設けられてい
る。

【００１９】このドーズカウンタ７１の入力端側（電流
検出部７側）には、ファラデーカップ２、回転ディスク
３、及び直流電源部６３の正極側が電気的に接続されて
おり、従って、ビ−ムがディスク３に当たった際に生じ
る二次電子、プラズマ中のイオンおよび電子がファラデ
−カップ２とディスク３の隙間、ファラデ−カップ２と
サプレス電極６１の隙間およびサプレス電極６１の中心
部より外部に漏れないので（漏れないように工夫してあ
る）、ビ−ム電流に等しい量の電子が、ア−スからド−
ズカウンタ７１に流れ、正確にビ−ム電流を測定するこ
とが可能となっている。

【００２０】前記電流検出部７で検出した電流検出値の
信号ラインは制御部８に接続されており、この制御部８
は、電流検出部７よりの電流検出値と予め定めた設定値
とを比較し、電流検出値が設定値よりも低くなったとき
に、イオンビームＩＢの照射を禁止するよう例えばビー
ムゲート４の駆動部４１に閉指令を出力してビームゲー
ト４を閉じる機能を有する。

【００２１】次に上述実施例の作用について述べる。先
ず図１に示すイオン源１を立ち上げてここからリンやヒ
素などの不純物のイオンを含むイオンビームＩＢを引き
出し、このイオンビームＩＢがファラデーカップ２側へ
照射されないようにビームゲート４を閉じておく一方、
被処理体である例えば１０枚の半導体ウエハＷを載置し
た回転ディスク３を回転させると共に、プラズマ発生部
５を立ち上げる。プラズマ発生部５では、フィラメント
５２が加熱されて熱電子が発生し、フィラメント５２と
プラズマ発生室５１との間の放電電圧によりアルゴンガ
スなどの放電ガスを熱電子により励起して、プラズマが
発生する。

【００２２】次いでビームゲート４を図２の実線のよう
に開くことにより前記イオンビームＩＢがウエハＷに照
射され、以てウエハＷ内にリンやヒ素などの不純物が注
入される。そしてイオンビームの照射によりウエハＷの
表面に正電荷が蓄積されていくが、プラズマ発生部５が
正常であればここで発生したプラズマ中の電子がウエハ
Ｗの表面とプラズマ発生部５との間の電位勾配によりウ
エハＷの表面に引き寄せられて正電荷の中和が行われ
る。この場合ウエハＷに対してはイオンビ−ムＩＢをス
キャンするために、例えば回転ディスク３が図示しない
駆動機構により垂直面に沿って移動される。

【００２３】このためプラズマ発生部５から電子が引き
抜かれた分だけプラズマ発生室５１からアースに向かっ
て電流が流れる。この電流はイオンビームＩＢから供給
され、図４に示すようにイオンビームＩＢの電流をＩ
ａ、プラズマ発生室５１からアースに向かって流れる電
流をＩｂ、ウエハＷに到達する電流をＩｃとすると、Ｉ
ａはほぼＩｂとＩｃとの和になる。

【００２４】従ってプラズマ発生部５が正常であれば電
流Ｉｂは所定の大きさ例えば１０ｍＡ程度であるが、
「発明が解決しようとする課題」の項でも述べたよう
に、フィラメント５２の蒸気やスパッタ粒子などがプラ
ズマ発生室５１のプラズマ出口５０に付着堆積してプラ
ズマ出口５０が狭くなると、プラズマ発生室５１からウ
エハＷへ向かう電子の量が小さくなって、前記電流Ｉｂ
が小さくなり、プラズマ出口５０が完全に塞がれてしま
うと零になってしまう。

【００２５】このように電流Ｉｂは、プラズマ発生部５
からウエハＷへ向かって引き出される電子の量に対応す
るため、正電荷の中和が十分可能な電流値を制御部８に
て予め設定値として入力しておくことにより、プラズマ
発生部５が正常であるときには電流検出部７の電流検出
値は設定値よりも大きいのでビームゲート４は開かれた
ままであり、ウエハＷの表面にイオンビームが照射され
るが、プラズマ出口５０の目詰まりなどによってプラズ
マ発生部５から十分に電子が引き出せなくなると、電流
検出値が設定値よりも小さくなるので制御部８からゲー
ト駆動部４１に閉指令が出力されてビームゲート４が図
２の鎖線のように閉じられ、イオンビームがここで遮ら
れる。この時点までのウエハＷへのイオンビームの照射
量（イオン注入量）及びウエハＷのスキャン位置は記憶
されており、メンテナンス後にこの記憶値にもとずいて
残りのイオン注入が行われることになる。

【００２６】従ってこのような実施例によれば、前記プ
ラズマ出口５０が目詰まりした場合のようにプラズマ発
生部５から電子が全くあるいは十分に引き出されない場
合にはビームゲート４が閉じるので、正電荷の蓄積によ
るウエハＷ表面の絶縁膜の絶縁破壊を防止できる。

【００２７】以上において、電流検出部７は、図５
（ａ）に示すようにプラズマ発生室５１と接続点Ａとの
間に設けてもよい。更にまたプラズマ発生部５から電子
が十分引き出されているか否かを監視するためには、図
５（ｂ）に示すように回転ディスク３とアースとの間に
電流検出部７２を設け、その電流検出値が設定値を越え
たときに制御部８からゲート駆動部４１に閉指令を出力
するようにしてもよい。この場合プラズマ発生部５から
電子が十分に引き出されないかあるいは完全に引き出さ
れなくなると、図４に示すＩｂが小さくなる分Ｉｃが大
きくなるので、Ｉｃが設定値を越えることになる。

【００２８】なお本発明では、上述の電流検出部７や７
２の電流検出値が設定値から外れたときにランプによる
視覚表示や警報音による聴覚表示を行うようにしてもよ
いし、あるいはまた前記電流検出値をメータや数値によ
り表示し、オペレータがこうした表示にもとずいて手動
でイオンビームの照射を禁止し、ウエハＷの絶縁破壊を
未然に防止するようにしてもよい。

【００２９】なおイオンを注入する被処理体としては、
半導体ウエハに限られず種々のものを適用することがで
きる。また本発明は、加速管を設けない装置や、図６に
示すように切欠き部８１を備えた回転ディスク８２の裏
側にファラデーカップ８３を配置した装置、あるいは１
枚の被処理体をプラテン上に載置して、１枚づつイオン
注入を行う装置についても適用することができる。

【００３０】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、プラズマ発生
部から引き出される電子による被処理体の正電荷の中和
の状態を、電流検出部における電流検出値を介して監視
しているので、例えばプラズマ発生部のプラズマ出口の
目詰まりなどを、被処理体の絶縁破壊に至る前に知るこ
とができ、この結果、被処理体の絶縁破壊を未然に防止
することができる。

【００３１】請求項２の発明によれば、電流検出部にて
検出した電流検出値が設定値から外れたときにイオンビ
ームの照射を禁止しているため、プラズマ出口の目詰ま
りなどによる被処理体の絶縁破壊を確実に防止すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の全体を示す構成図である。

【図２】上記実施例の要部を示す構成図である。

【図３】上記実施例の要部の概観を示す斜視図である。

【図４】上記実施例の作用を説明する説明図である。

【図５】本発明の他の実施例の要部を示す略解図であ
る。

【図６】本発明の更に他の実施例の要部を示す斜視図で
ある。

【図７】従来のイオン注入装置の概略を示す構成図であ
る。

【符号の説明】

１ イオン源 １４ 質量分析器 １６ 加速管 ２ ファラデーカップ ３ 回転ディスク ４ ビームゲート ４１ ゲート駆動部 ５ プラズマ発生部 ７、７２ 電流検出部 ８ 制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−93141（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−143272（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−311548（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−59561（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 37/30 - 37/317 H01L 21/265

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 イオンビームの照射によりイオンが注入
   される被処理体を導電性の載置台上に載置すると共に、
   被処理体の近傍にプラズマ発生室を含むプラズマ発生部
   を配置し、プラズマ発生室内で発生したプラズマ中の電
   子がプラズマ室のプラズマ出口を介して被処理体の表面
   に引き寄せられて当該被処理体の表面の正の電荷を中和
   するイオン注入装置において、 前記プラズマ発生室とアースとの間に、この間を流れる
   電流を検出してプラズマ発生部の状態を監視するための
   電流検出部を設けたことを特徴とするイオン注入装置。
2. 【請求項２】 電流検出部の電流検出値と予め定めた設
   定値とを比較し、電流検出値が設定値から外れたときに
   被処理体に対するイオンビームの照射を禁止する制御部
   を設けた請求項１記載のイオン注入装置。