JP3508424B2

JP3508424B2 - イオン打込み装置及びこれを用いた半導体製造方法

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Publication number: JP3508424B2
Application number: JP28791296A
Authority: JP
Inventors: 克己登木口; 関　　孝義
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-10-30
Filing date: 1996-10-30
Publication date: 2004-03-22
Anticipated expiration: 2016-10-30
Also published as: JPH10134760A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はイオン打込み装置及
びこれを用いた半導体製造方法に係り、特に、シリコン
半導体に酸素や窒素をイオン打込みして埋込み絶縁層を
持つシリコン基板を作製するのに、電子ビーム、若しく
はプラズマをシリコンウエハに照射しながらイオン打込
みを行うイオン打込み装置及びこれを用いた半導体製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の電子ビーム及びプラズマ照射を行
う酸素イオン打込み装置の打込み室構造を図２に示す。
図２（ａ）は全体図である。

【０００３】埋込み酸化膜を形成するための従来のイオ
ン打込み装置では、シリコンウエハ７を５００℃以上の
高温にランプヒータ（図には省略）等で加熱しておき、
これに４０ｋｅＶから２００ｋｅＶの範囲の酸素イオン
ビームを照射させる。ビーム電流は１０ｍＡから数１０
０ｍＡの桁で行われる。このような埋込み酸化膜形成用
のイオン打込みでは、シリコンウエハ７の表面をクラン
プ等を使って機械的に押えることはできない。その理由
は、第１に密着を良くすると基板の高温維持が困難にな
るためである。第２の理由は、イオン打込み後にシリコ
ンウエハ７を熱処理して完成する最終ウエハに未注入部
分(クランプ等で押えられたウエハ表面)が残るため、デ
バイスを作製できない部分が発生するからである。ま
た、未注入部分は、目視で容易に判別できるため商品価
値の低下も招きやすい。このため埋込み絶縁層形成用の
打込み装置は、元来、シリコンウエハ７と回転円板５と
の電気的接触が十分に取れない欠点があった。このた
め、イオン打込み中にウエハ電位が上昇し、接地電位に
ある回転円板５との接触部で放電現象が発生し、ウエハ
裏面に傷が付く問題があった。埋込み酸化膜形成用の注
入電流は、商用の半導体用イオン注入装置に比べ数倍か
ら１桁高いイオン電流値であるため、このような放電現
象の発生は避けられなかった。

【０００４】この問題を解決するための一例は、図２に
示したように、イオンと同量の電子ビーム２を電子源３
から供給して照射するものである。電子ビーム２の照射
によりイオンビーム電荷が中和され、ウエハ電位の持ち
上がりを防止するものである。これにより、ウエハ裏面
の放電傷の発生量は著しく減少した。

【０００５】しかし、実際に実験を行ったところ中和状
態は注入時間により変化した。このため、裏面に放電傷
が残る現象が見られた。図２（ｂ）に中和が不十分にな
った時の電流路を示した。この場合、中和に寄与しなか
った電子電流は、実線矢印で示したように、シリコンウ
エハ７と回転円板５の接触面を経由して電子引出し電源
４′に戻ることになる。一方、イオンビーム１について
も中和されないものは、点線矢印で示したように、回転
円板５を経由してイオンビーム加速電源（図中では省
略）に戻る。従って、シリコンウエハ７と回転円板５の
機械的接触状態によっては、電流の開閉接点ができるこ
とになるため、従来の例で見られた放電現象が発生した
ものである。電流の開閉接点ができるということは、ウ
エハ電位が持ち上がったり、下がったりすることが発生
することになる。

【０００６】プラズマ照射の従来例では、イオンビーム
によりウエハ電位の持ち上がりが発生するとプラズマ中
の電子がシリコンウエハに引き込まれ、自動的に電荷中
和が行われる。このようなプラズマ照射を行った時に
も、電子ビーム照射時と同じ放電傷の発生が観測され
た。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】電子やプラズマ照射で
中和効果が不十分な時、微小，微量の放電傷が発生する
のは、中和されない分のイオンビームや電子がウエハ裏
面から接地電位にある回転円板に流れて、それぞれの電
源に戻っていく電流回路が形成されるからである。中和
効果が不十分であっても、イオンビームや電子電流が回
転円板を通らずに電源に戻る電流回路が形成されれば、
放電傷は発生しない。従来例では図２(ａ)に示すよう
に、電子引出し電源４′の＋側は打込み室容器６と同電
位で接地されている。従って、電子源３から引出された
電子にうち、中和に寄与しなかった電子電流（図２
（ｂ）の実線矢印）は、回転円板５の接地を経由して電
子引出し電源４′に戻る。放電傷を発生させないために
は、先ず回転円板５を経由する電流路を遮断することが
必要である。その上で別の電流回路を形成させ電子やイ
オンビーム１が自身の電源に戻れるようにしてやれば良
い。

【０００８】本発明の第１の目的は、ウエハ裏面に放電
傷が付かないことは勿論、これにより放電傷除去の後処
理を不要とし、かつ、微粒子のウエハ付着が無くなり良
質の酸化膜付きウエハを得ることができるイオン打込み
装置を提供するにある。また、本発明の第２の目的は、
極超高集積半導体デバイスが実現可能な半導体製造方法
を提供するにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明では、上記第１の
目的を達成するために、複数のシリコンウエハが載置さ
れている回転円板を電気的に絶縁すると共に、前記シリ
コンウエハの周囲に、該シリコンウエハや回転円板に照
射されない電子の一部を捕捉するカバーを設け、該カバ
ーは、一端が接地されている電子源電源、或いはプラズ
マ電源に接続されているか、若しくはシリコンウエハと
回転円板との間に、該シリコンウエハより寸法の小さい
電気的絶縁物を設けると共に、前記シリコンウエハの周
囲に、シリコンウエハや回転円板に照射されない電子の
一部を捕捉するカバーを設け、かつ、前記回転円板を電
子源電源、或いはプラズマ電源に接続したイオン打込み
装置としたことを特徴とする。また、上記第２の目的を
達成するために、上記構成のイオン打込み装置により打
込み処理を施したウエハを、熱処理して得られる酸化
物、若しくは窒化物の埋込み絶縁層付きシリコンウエハ
を使い、絶縁層の上に形成されるシリコン層に半導体デ
バイスを作製する半導体製造方法としたことを特徴とす
る。

【００１０】本発明では、イオンビームや電子電流が回
転円板を通らずにイオン引出し電源や電子引出し電源に
戻るようにするため、まず、回転円板を電気的に絶縁す
る。そして、イオンビームや電子ビーム電流を、別の電
流経路を構築して引出し電源に戻す。その原理図を図１
に示す。該図でイオン源８からシリコンウエハ７に至る
ビーム輸送系の機器の詳細は省略した。また、打込み室
容器６も省略した。

【００１１】図１で、回転円板５は電気的に絶縁されて
おり、外部構造物との間に機械的電気接触部はない。電
子引出し電源４′は−側で接地されている。更に、電子
に対し一様な引出し電界を与えると共に、シリコンウエ
ハ７や回転円板５に照射されない一部の電子を捕捉する
カバー１０がシリコンウエハ７の周囲に設けられてい
る。

【００１２】図１の構成でシリコンウエハ７や回転円板
５に流入するイオンビーム電流の流路を考える。イオン
ビーム電流は、回転円板５が絶縁されているために、電
荷がたまりウエハ電位が上がろうとする。しかし、電子
ビーム２が流入しているため電荷中和が起きる。この電
荷中和を電気回路的にみると、見かけ上電子ビーム２が
電流通路となり、イオンビーム電流が接地点Ａ点及びＢ
点を経由してイオン引出し電源９に戻っていることと等
価である。

【００１３】一方、電子ビーム２について見ると、電子
引出し電源４′により流出した電子ビーム２のうち、カ
バー１０を照射したものは自身の電子引出し電源４′に
戻るが、シリコンウエハ７や回転円板５に流入したもの
は電子引出し電源４′には直接戻れない。電子ビーム２
による電位上昇の発生は、イオンビーム１の電荷中和で
緩和されていることになる。このことは同様にイオンビ
ーム１自身が電流経路となり、電子電流はイオン引出し
電源９、接点Ｂ及び接点Ａを経由して電子引出し電源
４′に戻っていることになる。

【００１４】図１に示した本発明の原理図から分かるよ
うに、イオンビーム１及び電子ビーム２は、シリコンウ
エハ７及び回転円板５を経由せずに電流回路を形成する
ので、イオン打込み動作には問題は発生しない。一方、
シリコンウエハ７から回転円板５への電流路がないの
で、ウエハ裏面の放電傷の発生はなくなる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を説明す
る。図３は本発明の具体的な実施例を説明する図であ
る。該図において、イオン源８はマイクロ波イオン源で
あり、イオン引出し電源９の印加で酸素を含むイオンビ
ーム１が引出される。引出されたイオンビーム１は、質
量分離器１２により質量分離され酸素イオンのみに選別
される。その後、イオン加速管１３を使いイオンビーム
を追加速し、最大２００ｋｅＶのエネルギーまで加速し
た。電源１１は、追加速用の電源である。

【００１６】さらに酸素イオンビームはレンズ１４や偏
向器１５を通り、打込み室容器６に導入される。打込み
室容器６には直径約１ｍの回転円板５が収納され、この
回転円板５の表面にはシリコンウエハ７が多数枚並べら
れている。回転円板５の回転数は、５００から１２００
rpm の範囲である。回転円板５は半径方向に機械走査さ
れ均一打込みが行われる。シリコンウエハ７の前方には
電子源３が置かれ、電子引出し電源４′を使って電子ビ
ーム２が引出され、シリコンウエハ７に照射される。電
子ビーム２とイオンビーム電流値が数％から数１０％の
誤差範囲で一致するように、フィラメント電源４，電子
引出し電源４′は制御される。

【００１７】図３で回転円板５は電気的にどこにも接触
されずに浮いた状態にある。電子ビームエネルギーは電
子引出し電源４′の電圧により決まり、本実施例では最
大３ｋＶまで印加可能な電源を用いた。図３の装置で約
７０ｍＡの酸素イオンビーム電流、１８０ｋｅＶのビー
ムエネルギーでイオン打込みを行った。注入量は約４×
１０¹⁷個／cm² で、注入時間は約３時間である。電子ビ
ーム２は、エネルギーが約１ｋｅＶである。注入は、シ
リコンウエハ７をヒータで５００℃以上の高温に保ちな
がら行った。注入後のウエハ裏面の放電傷の状態を観察
したところ、図２の従来技術では、６インチウエハ内に
長さ１mm以下の放電傷が数個から１０数個あったもの
が、本発明による打込みでは、放電傷の発生は見られな
かった。電流計１７には電子源３から出る全電子電流値
が表示され、電流計１７′には、カバー１０に流入する
電子電流値が表示された。従って、シリコンウエハ７及
び回転円板５に照射される電子電流値は、これらの差で
あるから、この差がイオンビーム電流値（例えばイオン
引出し電源９の電流値）の変動に応じて変化するように
フィラメント電源４，電子引出し電源４′を制御して、
イオンビーム電流値と電子電流値がほぼ同じレベルを維
持するように制御を加えた。なお、電子ビーム照射に先
立ち、打込み室容器６に流入するイオンビーム電流値
を、別の想定装置（例えばファラデーカップ、図中には
省略）で予め測定しておいた。

【００１８】次に、本発明による別の実施例を図４に示
す。図では、電気的に絶縁する部分をシリコンウエハ７
のみとした。即ち、回転円板５とシリコンウエハ７の間
に酸化シリコンである石英からなる絶縁物１６を挟んで
いる。石英の大きさは、シリコンウエハ７より小さい径
とし、イオンビーム１や電子ビーム２が直接石英に照射
されない構造とした。これは石英にビームが照射され帯
電を起こすとウエハ近傍の電界分布が著しく変わり、電
子ビーム２やイオンビーム１の軌道や形状が変化するか
らである。その結果、均一注入が困難になる。

【００１９】図４の実施例では、回転円板５は電子引出
し電源４′の＋側に接続されている。回転円板５の半径
方向の移動に伴い、回転円板５にはイオンビーム１が照
射されるが、この電流は極性が逆になるため電子引出し
電源４′は通れない。この分は、電子ビーム２を経由し
た電流路で元の追加速電源１１に戻ることになる。図４
の実施例でも同様に、ウエハ放電傷は観測されず、本発
明の効果が示された。

【００２０】図５は本発明による別の実施例を説明する
図である。本実施例はイオン打込み装置におけるイオン
ビーム電流値と電子電流値が同一になる制御を加えたも
のである。図５に示すごとく、回転円板５の表面に装着
される複数のシリコンウエハ７のうち一枚以上につい
て、裏面に金属リード線が付いたリード線付きウエハ
７′としている。リード線付きウエハ７′からのリード
線は、打込み室容器６外に設けられた２枚の金属板１８
の一つに接続されている。対向する金属板１８には電位
測定器１９が取り付けられている。電位測定器１９は接
地電位に対するウエハ電位を測定することができる。本
実施例では、その出力を差動増幅器２０に接続してい
る。そして、差動増幅器２０の出力で電子引出し電源
４′の引出し電圧を制御することにより、ウエハ電位が
常に０Ｖに維持されるようにしている。これにより、シ
リコンウエハ７への流入電流を常時測定しなくても、シ
リコンウエハ７の帯電を防止する電子電流制御が可能と
なり、放電傷の発生のない運転の信頼性が著しく改善さ
れる。

【００２１】次に、上述した本発明の実施例装置を使
い、シリコンウエハ（６.８インチ直径）に酸素イオン
を単位面積当たり１０の１７乗の桁の打込み量でイオン
打込みを行った。イオンエネルギーは４０ｋｅＶから２
００ｋｅＶの範囲である。ウエハ温度は５００℃から７
００℃の範囲とした。このような打込み条件のもとで電
子ビームエネルギーは５０ｅＶから３ｋｅＶの範囲とし
た。打込み後のウエハを、微量酸素が入った窒素雰囲気
中で１４００℃前後で数時間アニール処理を行った。熱
処理により酸化膜が埋め込まれた良質のウエハ（いわゆ
るＳＩＭＯＸ構造のウエハ）が形成された。放電傷がな
いため、裏面傷を除去する研磨やエッチング工程が不要
となった。また、放電傷の発生に伴う微粒子の飛散とウ
エハ表面への付着が無くなったため、付着粒子に起因す
る酸化膜突き抜け欠陥の発生が防げるようになった。ま
た、酸化膜の上に作られるシリコン層についても従来よ
り欠陥量の少ない、単位面積当たり数１０から数１００
個以下の転位密度という良質なシリコン層が形成され
た。シリコン層にＣＭＯＳデバイスを作製したところ、
短チャンネル効果の抑制，ラッチアップ防止等が図られ
高速動作の良好なCMOS特性が得られた。本実施例では電
子ビーム照射の場合について示したが、図３，図４にお
いて電子源の代わりにマイクロ波プラズマ源を付けた実
験からも同様にウエハ裏面の放電傷は観測されなかっ
た。

【００２２】本実施例では酸素イオンビームについて示
したが、イオン種を水素イオンや窒素イオンに変えても
同様な効果が得られた。特に、水素イオンでは酸素イオ
ンと同様なエネルギー，電流，打込み量範囲でシリコン
ウエハにイオン打込み実験し、裏面放電傷の発生のない
ことを確認した。

【００２３】上記以外のイオン種についても同様な効果
が得られることは、本発明の本質からして明らかであ
る。

【００２４】

【発明の効果】以上説明した本発明によれば、埋込み酸
化膜を形成する酸素イオン注入装置において、ウエハ裏
面に放電傷が着かないイオン打込みが可能となった。こ
れにより、従来行われていた放電傷除去の後処理が不要
となりコスト低減が図れた。また、放電傷の発生で飛散
する微粒子のウエハ付着が無くなったため、良質な埋込
み酸化膜付きウエハ（ＳＩＭＯＸウエハ）が作製可能と
なり、これを用いることで極超高集積半導体デバイスも
実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明する図である。

【図２】従来の酸素イオン打込み装置を示す図である。

【図３】本発明のイオン打込み装置の一実施例を示す図
である。

【図４】本発明の他の実施例を示す図である。

【図５】本発明の更に他の実施例を示す図である。

【符号の説明】

１…イオンビーム、２…電子ビーム、３…電子源、４…
フィラメント電源、４′…電子引出し電源、５…回転円
板、６…打込み室容器、７…シリコンウエハ、７′…リ
ード線付きウエハ、８…イオン源、９…イオン引出し電
源、１０…カバー、１１…追加速電源、１２…質量分離
器、１３…後段加速管、１４…磁場レンズ、１５…偏向
器、１６…絶縁物、１７，１７′…電流計、１８…金属
板、１９…電位測定器、２０…差動増幅器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平６−51100（ＪＰ，Ａ) 特開平７−65778（ＪＰ，Ａ) 特開平５−275048（ＪＰ，Ａ) 特開平２−37656（ＪＰ，Ａ) 特開平３−145047（ＪＰ，Ａ) 特開平８−106876（ＪＰ，Ａ) 特開平９−320510（ＪＰ，Ａ) 実開平３−48854（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 37/317 H01L 21/265

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】円板表面に複数のシリコンウエハを載せ、
この円板を真空中で回転すると共に、円板全体を該円板
の半径方向に往復運動させ、かつ、前記円板上にシリコ
ンウエハに、イオン源から前記シリコンウエハに打込ま
れるイオンビームを引出して質量分離して照射すると共
に、電子ビーム、若しくはプラズマによって電子を供給
するイオン打込み装置において、前記円板を電気的に絶縁すると共に、前記シリコンウエ
ハの周囲に、シリコンウエハや回転円板に照射されない
電子の一部を捕捉するカバーを設け、該カバーは、一端
が接地されている前記電子ビームの電子源電源、或いは
前記電子を供給するためのプラズマ電源に接続され、前
記シリコンウエハに打込まれるイオンビームを前記イオ
ン源から引出すための引出し電源の一端、或いは当該引
出し電源に接続する前記イオンビームを追加速するため
の追加速電源の一端は、接地されていることを特徴とす
るイオン打込み装置。
【請求項２】円板表面に複数のシリコンウエハを載せ、
この円板を真空中で回転すると共に、円板全体を該円板
の半径方向に往復運動させ、かつ、前記円板上のシリコ
ンウエハに、イオン源から前記シリコンウエハに打込ま
れるイオンビームを引出して質量分離して照射すると共
に、電子ビーム、若しくはプラズマによって電子を供給
するイオン打込み装置において、前記シリコンウエハと回転円板との間に、該シリコンウ
エハより寸法の小さい電気的絶縁物を設けると共に、前
記シリコンウエハの周囲に、シリコンウエハや回転円板
に照射されない電子の一部を捕捉するカバーを設け、該
カバーは、一端が接地されている前記電子ビームの電子
線電源、或いは前記電子を供給するためのプラズマ電源
に接続され、前記シリコンウエハに打込まれるイオンビ
ームを前記イオン源から引出すための引出し電源の一
端、或いは当該引出し電源に接続する前記イオンビーム
を追加速するための追加速電源の一端は、接地されてい
ることを特徴とするイオン打込み装置。
【請求項３】前記回転円板上のシリコンウエハを加熱装
置を用いて５００℃以上に加熱しながら酸素，窒素、若
しくは水素のイオンビームをシリコンウエハに照射した
ことを特徴とする請求項１又は２記載のイオン打込み装
置。
【請求項４】前記電気的絶縁物が石英、若しくは窒化物
であることを特徴とする請求項２記載のイオン打込み装
置。
【請求項５】前記回転円板に装着される複数のシリコン
ウエハの１枚以上を金属リード線付きのシリコンウエハ
とし、前記リード線を対向する２枚の金属板の１つに取
付け、対向する金属板の電位を電位測定器で測定するこ
とにより前記シリコンウエハの電位を観測し、前記電位
測定器の電気出力を使って電子引出し電源電圧を制御せ
しめ、前記シリコンウエハの電位がイオン打込み操作中
に０Ｖに維持されるようにしたことを特徴とする請求項
２記載のイオン打込み装置。
【請求項６】請求項１乃至５記載のイオン打込み装置に
より打込み処理を施したウエハを、熱処理して得られる
酸化物、若しくは窒化物の埋込み絶縁層付きシリコンウ
エハを使い、絶縁層の上に形成されるシリコン層に半導
体デバイスを作製することを特徴とする半導体製造方
法。
【請求項７】イオン源と、当該イオン源から引出され、
質量分離されたイオンが打込まれるウエハを支持する円
板と、前記ウエハに対し、電子ビーム、或いはプラズマ
によって電子を供給する手段を備えたイオン打込み装置
において、前記円板を電気的に絶縁、或いは前記ウエハを前記円板
に対し絶縁すると共に、前記電子を供給する手段から電
子を引出すための引出し電源の一端と、前記イオン源か
ら、前記ウエハに打込まれるイオンを引出すための引出
し電源の一端、或いは当該ウエハに打込まれるイオンを
引出す引出し電源に接続され前記引出されたイオンを加
速する加速電源の一端が接地されていることを特徴とす
るイオン打込み装置。
【請求項８】請求項７において、前記ウエハや円板に照射されない電子の一部を捕捉する
カバーを設けたことを特徴とするイオン打込み装置。