JP3448352B2

JP3448352B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP3448352B2
Application number: JP15558094A
Authority: JP
Inventors: 泰弘谷口
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-07-07
Filing date: 1994-07-07
Publication date: 2003-09-22
Anticipated expiration: 2018-09-22
Also published as: JPH0822800A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造方法
に関し、特に、２価イオンの注入を行うイオン注入装置
における注入イオン純度の向上に適用して有効な技術に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】本発明者が検討したところによれば、イ
オン注入装置によって目的イオンを注入する場合は、分
離電磁石などのアナライザマグネットにより異なる電
荷、質量速度を持つイオンを分離し、高純度に選択を行
っている。

【０００３】また、２価のイオンを注入する場合には、
異なった電荷、質量速度を持ちながら同じ軌道を通るイ
オンが存在するために、図６に示すように、アナライザ
マグネット３０の後段に電圧印加リング３１を設け、こ
の電圧印加リング３１にイオンビーム３２の進行と逆方
向の電圧を電源３３により印加し、所望の２価イオンと
不要イオンとのエネルギの差によって所望の２価イオン
が電圧印加リング３１を通過できるようにしている。

【０００４】なお、イオン注入装置について詳しく記述
されている例としては、オーム社発行「半導体ハンドブ
ック」平成３年１２月２５日発行、柳井久義編、Ｐ２７
５〜Ｐ２７７がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
な不要イオンの除去技術では、次のような問題点がある
ことが本発明者により見い出された。

【０００６】すなわち、２価イオンを用いた高エネルギ
のイオン注入時には、イオン源のイオンビームを引き出
す引き出し電極に印加する電圧を大きくするために、イ
オンの進行を逆方向電圧により押さえ込もうとする電圧
印加リングへの電圧印加も大きくせざるを得ない事およ
び収束されたイオンが発散しようとする効果によりイオ
ンビームのフォーカスが狂ってしまい、イオン注入の制
御が困難になってしまう。

【０００７】本発明の目的は、イオンビームの幅および
イオンビームの加速電圧による制約を受けずに不要イオ
ンを確実に除去するイオン注入装置を提供することにあ
る。これにより、２価のイオン注入時におけるエネルギ
ーコンタミネーションに起因する半導体装置の不良をな
くし、製品の歩留まりを向上させることにある。

【０００８】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
以下のとおりである。

【００１０】すなわち、本発明に用いるイオン注入装置
は、不要イオンを除去するアナライザマグネットの出口
近傍に所定の強さの電界を発生させる電場発生手段と、
所定の強さの磁束密度の磁場を発生させる磁場発生手段
とを電場発生手段により発生させた電界の方向と磁場発
生手段により発生させた磁束とが直交する位置に設け、
電界の方向と磁束とを直交させて目的イオンだけを直進
通過させるものである。

【００１１】また、本発明に用いるイオン注入装置は、
前記電場発生手段が、１対の対向形電極と、その対向形
電極に任意の直流電圧を印加する第１の直流可変電源と
よりなり、磁場発生手段が、電磁石と、電磁石に任意の
直流電圧を印加する第２の直流可変電源とよりなるもの
である。

【００１２】さらに、本発明に用いるイオン注入装置
は、前記アナライザマグネットそれ自体が磁場発生手段
であり、磁場発生装置を、アナライザマグネットの出口
部におけるアナライザマグネットから発生した磁束と、
磁場発生手段から発生した電界の方向とが直交する位置
に設けたものである。

【００１３】

【作用】上記した本発明に用いるイオン注入装置によれ
ば、アナライザマグネットの出口近傍の後段に、電界の
方向と磁束が直交するように電場発生手段、磁場発生手
段により電界および磁束を発生させ、目的イオンの速度
を持ったイオンが通過するときにだけ当該目的イオンを
直進させるように電界の方向および磁束密度を設定する
ことによって、目的イオンだけを通過させ、不要イオン
を確実に除去させることができる。

【００１４】また、上記したイオン注入装置によれば、
電場発生手段である対向形電極および磁場発生手段であ
る電磁石に印加する電圧をそれぞれ第１の直流可変電源
および第２の直流可変電源により可変することによっ
て、注入させたい目的イオンを任意に変えることができ
る。

【００１５】さらに、上記したイオン注入装置によれ
ば、アナライザマグネットそれ自体を磁場発生手段とす
ることによって、磁場発生手段を不要とすることができ
る。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。

【００１７】参考例１図１は、参考例１によるイオン注入装置の原理構成図、
図２は、参考例１によるイオン注入装置のアナライザマ
グネット周辺の要部拡大構成図である。

【００１８】本参考例１において、イオン注入装置１
は、目的イオンを含んだプラズマを発生させる低電圧熱
陰極放電形やＰＩＧ形のイオン源２が設けられている。

【００１９】このイオン源２により、この目的イオンを
含んだプラズマが発生される。ここで、目的イオンが、
たとえば、２価イオンＰ⁺⁺であると、放電ガスとしてフ
ォスフィン（ＰＨ３）などが使用される。

【００２０】また、そのイオン源２の後段には、引き出
し電極３が設けられ、この引き出し電極３によりイオン
源２のイオンビーム４が引き出される。

【００２１】さらに、引き出し電極３の後段には、目的
イオンと不要イオンとを分離する、たとえば、永久磁石
からなるアナライザマグネット５が設けられている。

【００２２】このアナライザマグネット５は、円弧状に
形成され、永久磁石などにより所定の磁場が形成されて
いる。さらに、磁場によって決定された目的イオンの軌
道半径とアナライザマグネット５の半径は同じとなって
いる。

【００２３】また、アナライザマグネット５の出口近傍
である後段には、磁束と電界の方向とが直交するよう
に、電場発生手段６および磁場発生手段７が四面体の形
状となって設けられている。

【００２４】この四面体の形状における上面および下面
には、図２に示すように、電場発生手段６となる、たと
えば、アルミニウムからなる１対の対向形電極６ａ，６
ｂが設けられ、両側面には、磁場発生手段７となる、た
とえば、電磁石からなる分離板７ａ，７ｂが設けられて
いる。

【００２５】また、対向形電極６ａ，６ｂ間には、直流
可変電源（第１の直流可変電源）８によって直流電圧が
印加され、それによって、電界を発生させている。さら
に、分離板７ａ，７ｂにも直流可変電源（第２の直流可
変電源）８ａに直流電圧が印加され、それにより磁束を
発生させている。

【００２６】また、対向形電極６ａ，６ｂおよび分離板
７ａ，７ｂの後段には、イオンビーム４に大きいエネル
ギを与えるための加速管９が設けられている。

【００２７】そして、加速管９の後段には、たとえば、
単極レンズや四極レンズからなる収束系１０が設けら
れ、その後段には、イオンビーム４を所定の角度だけ偏
向させる偏向電極１１が設けられている。

【００２８】そして、半導体ウエハ１２の注入面にイオ
ンビーム４が収束点を持つように収束され、偏向電極１
１により偏向され、半導体ウエハ１２のイオン注入面に
均一に打ち込まれる。

【００２９】次に、本参考例１の作用について説明す
る。

【００３０】イオン源２により目的イオンを含んだプラ
ズマが発生されると、所定の電圧で引き出し電極３によ
りイオンビーム４が引き出される。

【００３１】このイオンビーム４は、目的イオンの他に
多くの不要イオンを含んでいるので、不要イオンを分離
するためにアナライザマグネット５によって磁場を成形
し、異なる電荷、質量、速度を持つことによって目的イ
オンとの軌道が異なる不要イオンを選択的に除去する。

【００３２】ここで、２価のイオンを打ち込む場合に
は、違う電荷、質量などを持ちながら同じ軌道を通過す
るイオンが存在するために不要イオンが完全に除去され
ないことになる。

【００３３】たとえば、Ｐ⁺⁺イオンを打ち込む場合につ
いて説明する。

【００３４】アナライザマグネット５中のイオンの軌道
半径ｒは、一般に次式で表される。

【００３５】ｒ＝√（２ｍＥ／ｑ²Ｂ²）（式１）ただし、ｍ：アナライザマグネット５に入る直前のイオ
ンの質量、Ｅ：エネルギ、ｑ：電荷、Ｂ：磁束密度とす
る。

【００３６】イオン源２で発生したイオンの内、Ｐ₂ ⁺
イオンには、引き出し電極３に引き出されたあとに、Ｐ₂ ⁺→Ｐ⁺＋Ｐ（式２）に分解するものが存在する。

【００３７】ここで、Ｐ₂ ⁺イオン状態でのエネルギを
Ｅとすると、分解後のＰ⁺のエネルギは、Ｅ／２とな
り、これを（式１）に代入すると、ｒ＝√（ｍＥ／ｑ²Ｂ²）（式３）となる。

【００３８】一方、Ｐ⁺⁺イオンでは、２価のイオンであ
るので、エネルギが２Ｅとなり、これを（式１）に代入
すると、ｒ＝√（２ｍ２Ｅ／４ｑ²Ｂ²）＝√（ｍＥ／ｑ²Ｂ²）（式４）となる。

【００３９】よって、Ｐ₂ ⁺→Ｐ⁺の分解イオンと同じ
軌道を描くこととなり、Ｐ⁺⁺のみでなく分解イオンもア
ナライザマグネット５を通過してしまうことになる。

【００４０】そして、アナライザマグネット５を通過し
た不要イオンは、アナライザマグネット５の後段に設け
られている対向形電極６ａ，６ｂおよび分離板７ａ，７
ｂにより除去される。

【００４１】これら不要イオンの除去を前記と同様に２
価イオンを例にして説明する。

【００４２】対向形電極６ａ，６ｂ間に印加している直
流電圧により発生した電界をＥ、分離板７ａ，７ｂによ
って発生した磁束密度をＢ、電荷をｑ，目的イオンの速
度をｖとすると、この領域を直進するイオンに対して
は、ｑＥ−ｑｖ＊Ｂ＝０ ∴Ｅ＝ｖＢ（式５）という関係式が成立する。

【００４３】また、ここで不要イオンの速度は、１価の
イオンであり、引き出される段階ではＰ₂ ⁺と質量が２
倍であったため、２価のイオンの１／４であるｖ／４と
なり、（式５）を満たす電界Ｅおよび磁束密度Ｂを決め
れば速度ｖの目的イオンだけを直進させることができる
ことになる。

【００４４】よって、直流可変電源８または直流可変電
源８ａのどちらか一方の印加電圧或いは両方の印加電圧
を可変させることによって不要イオンを除去する。

【００４５】さらに、直流可変電源８、直流可変電源８
ａにより、電界Ｅおよび磁束密度Ｂを自在に変化できる
ので、異なった目的イオンを選択することもできる。

【００４６】そして、不要イオンが除去され、目的イオ
ンだけとなったイオンビーム４は、加速管９によって大
きいエネルギを与えられ、収束系１０により収束点を持
つように収束され、偏向電極１１によりイオンビーム４
を所定の角度だけ偏向させられ半導体ウエハ１２に均一
に打ち込まれる。

【００４７】よって、本参考例１によれば、対向形電極
６ａ，６ｂおよび分離板７ａ，７ｂに印加する電圧を直
流可変電源８，８ａにより可変することで、目的イオン
だけを通過するように電界の方向、磁束密度を調節する
ことによって不要イオンを確実に除去することができ
る。

【００４８】また、対向形電極６ａ，６ｂおよび分離板
７ａ，７ｂを通過したイオンは、外力を受けることがな
いのでイオンビームのフォーカスが乱れるのを防止する
ことができる。

【００４９】さらに、本参考例１では、磁束を発生させ
る磁場発生手段７が電磁石からなる分離板７ａ，７ｂで
あったが、図３に示すように、たとえば、磁場発生手段
７を永久磁石からなる分離板７ｃ，７ｄにより構成する
ことにより磁束密度を一定にし、直流可変電源８の電圧
を可変することによって目的イオンだけを通過するよう
に電界の方向を調節し、不要イオンを除去するようにし
てもよい。

【００５０】（実施例）図４は、本発明の一実施例によるイオン注入装置のアナ
ライザマグネット周辺の要部拡大構成図である。

【００５１】本実施例においては、アナライザマグネッ
ト５における後端部の上側および下側に電場発生手段６
となる、たとえば、アルミニウムなどの対向形電極６
ｃ，６ｄをアナライザマグネット５から発生した磁束
と、対向形電極６ｃ，６ｄから発生した電界の方向とが
直交する位置に設ける。

【００５２】そして、対向形電極６ｃ，６ｄ間には、任
意の直流電圧を印加する直流可変電源８ｂが接続されて
いる。

【００５３】この時、アナライザマグネット５により発
生する磁束は一定であるので、直流可変電源８により、
前記実施例１における（式５）の関係が成立するように
対向形電極６ｃ，６ｄ間に直流可変電圧８ｂによって所
定の直流電圧を印加し、目的イオンだけを直進させるこ
とによりアナライザマグネット５の前方部で除去できな
い不要イオンをアナライザマグネット５の後方部で確実
に除去する。

【００５４】よって、イオンビーム４中の目的イオン
と、不要イオンとを分離するためにアナライザマグネッ
ト５によって磁場を成形し、異なる電荷、質量、速度を
持つことにより目的イオンとの軌道が異なる不要イオン
を除去する。

【００５５】そして、アナライザマグネット５の前部で
除去されなかった不要イオンは、アナライザマグネット
５の後部に設けられた対向形電極６ｃ，６ｄに到達する
が、この時、この部分では、アナライザマグネット５と
対向形電極６ｃ，６ｄによって磁束と電界の方向とが直
交するようになっているので、前記実施例１における
（式５）から、目的イオンは直進し、不要イオンは直進
せずに除去されることになる。

【００５６】それによって、本実施例によれば、対向形
電極６ｃ，６ｄに印加する電圧を直流可変電源８ｂによ
り調節することによって目的イオンだけを通過するよう
に電界の方向、磁束密度を調節でき、不要イオンを確実
に除去することができる。

【００５７】また、磁場発生手段７（参考例１に示す）
をアナライザマグネット５によって代用するので、磁場
発生手段７が不要となり、コストを抑えることができ
る。

【００５８】参考例２図５は、参考例２によるイオン注入装置のアナライザマ
グネット周辺の要部拡大構成図である。

【００５９】本参考例２において、アナライザマグネッ
ト５ａは、円弧状ではなく直線状に形成されている。

【００６０】そして、このアナライザマグネット５ａに
より形成される磁場において、すべての磁束が、電場発
生手段６であるアルミニウムなどの１対の対向形電極６
ｅ，６ｆから発生される電界の方向と直交するように設
けられている。

【００６１】また、対向形電極６ｅ，６ｆ間には、電圧
を任意に可変することのできる直流可変電源８ｃが接続
されており、この直流可変電源８ｃにより対向形電極６
ｅ，６ｆ間の印加電圧を調節し、前記参考例１の（式
５）が成立するようにする。

【００６２】それによって、目的イオンはアナライザマ
グネット５ａを直進することができ、不要イオンは円弧
状に進むので、アナライザマグネット５ａを通過するこ
とができなくなる。

【００６３】よって、本参考例２においても、対向形電
極６ｅ，６ｆ間に印加する電圧を直流可変電源８ｃによ
り調節することによって目的イオンだけを通過するよう
に電界の方向、磁束密度を調節でき、不要イオンを確実
に除去することができる。

【００６４】また、磁場発生手段７（実施例１に示す）
をアナライザマグネット５ａによって代用するので、磁
場発生手段７が不要となり、コストを抑えることができ
る。

【００６５】以上、本発明者によってなされた発明を実
施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例
に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲
で種々変更可能であることはいうまでもない。

【００６６】

【発明の効果】本願によって開示される発明のうち、代
表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、
以下のとおりである。

【００６７】（１）本発明によれば、電場発生手段およ
び磁場発生手段により目的イオンだけを通過するように
電界の方向、磁束密度を調節することによって不要イオ
ンを確実に除去することができる。

【００６８】（２）また、本発明では、上記（１）によ
り、２価のイオン注入時におけるエネルギーコンタミネ
ーションに起因する半導体装置の不良がなくなり、製品
の歩留まりを向上させることができる。

【００６９】（３）さらに、本発明においては、磁場発
生装置をアナライザマグネットにより代用し、磁場発生
装置それ自体を不要とすることによって、イオン注入装
置のコストを低減できる。

【００７０】（４）また、本発明によれば、電場発生手
段および磁場発生手段を通過したイオンは、外力を受け
ることがないのでイオンビームのフォーカスが乱れるの
を防止でき、大電流タイプのイオン注入装置でも適用で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】参考例１によるイオン注入装置の原理構成図で
ある。

【図２】参考例１によるイオン注入装置のアナライザマ
グネット周辺の要部拡大構成図である。

【図３】その他の参考例によるイオン注入装置のアナラ
イザマグネット周辺の要部拡大構成図である。

【図４】本発明の一実施例によるイオン注入装置のアナ
ライザマグネット周辺の要部拡大構成図である。

【図５】参考例２によるイオン注入装置のアナライザマ
グネット周辺の要部拡大構成図である。

【図６】本発明者により検討されたイオン注入装置のア
ナライザマグネット周辺の要部拡大構成図である。

【符号の説明】

１イオン注入装置２イオン源３引き出し電極４イオンビーム５アナライザマグネット５ａアナライザマグネット６電場発生手段６ａ〜６ｆ対向形電極７磁場発生手段７ａ〜７ｄ分離板８直流可変電源（第１の直流可変電源）８ａ直流可変電源（第２の直流可変電源）８ｂ直流可変電源８ｃ直流可変電源９加速管１０収束系１１偏向電極１２半導体ウエハ３０アナライザマグネット３１電圧印加リング３２イオンビーム３３電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 37/317

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】イオン源と、円弧状のアナライザマグネ
ットと、前記アナライザマグネット後端部の上下に配置
され、前記アナライザマグネットにより発生した磁束と
直交する電界を発生させる電場発生電極とを有するイオ
ン注入装置を用い、前記イオン源から引き出されたイオ
ンビームを、前記アナライザマグネットにより発生した
磁束と前記電場発生電極により発生した電界とが存在す
る電磁場内を通過させ、前記イオンビーム中の不要イオ
ンおよび目的イオンを分離し、前記目的イオンを半導体
ウエハに注入することを特徴とする半導体装置の製造方
法。
【請求項２】前記目的イオンは２価イオンであること
を特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。