JP3604227B2 - 大電流型イオン注入装置及びその装置によるイオン注入方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大電流型イオン注入装置及びその装置によるイオン注入方法に関するもので、特には、半導体製造工程における半導体基板（ウエハ）中に、大電流（ 1mA以上）のビーム電流を用いて 1×1014（１Ｅ１４）atms／cm2 以上のイオン注入を実施するために用いる大電流型イオン注入装置及びその装置によるイオン注入方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
大電流型イオン注入装置は、mAオーダー以上のビーム電流を用いて、例えば複数枚のウエハに対して連続してイオン注入処理する場合に用いられ、一般にハイ−カレント インプランター（HIGH−CURRENT IMPLANTER ）と呼ばれている。
【０００３】
大電流型イオン注入装置は、例えばＭＯＳ型トランジスタ製造工程のソース／ドレイン領域のイオン注入層の形成、又はトレンチ型キャパシタの電極部となる基板側のヒ素（Ａｓ）高濃度層等の形成のために用いられており、これらの層形成は、いずれも１Ｅ１５atms／cm2程度又はそれ以上の高いイオン注入量（ドーズ量）を必要とするイオン注入工程で行われ、量産効率（スループット）から考えてイオンビーム電流を出来るだけ高めることが有利とされている。
【０００４】
ところが、大電流型イオン注入装置を用いて、例えば既にウエハ基板上に素子が形成されている、ＭＯＳ型トランジスタ製造工程のソース／ドレイン領域にイオン注入層を形成する場合、イオンビーム電流を上げることでチャージアップが起こり、イオン注入されるデバイスに重大なダメージを発生させることが知られており、このチャージアップを抑制するために大電流型イオン注入装置には、エレクトロンシャワーと呼ばれる機構が備えられている。すなわち、基板上に形成された素子が電気的に接地されない構造をもっているときに試料（ウエハ）の表面にイオンビームを照射すると、正電荷のイオンがウエハ表面に衝突するためにウエハが帯電し＋にチャージアップする。これを防ぐためにイオン注入装置に不可欠な機能にエレクトロンシャワーがある。
【０００５】
上記チャージアップを防止又は抑制するエレクトロンシャワーの原理は、エレクトロンビームを試料表面にイオンビームと共に照射することによって＋電荷を中和することで行われるもので、図４に示すように、イオン注入装置のイオンビームＢが注入室１に入る直前のバイアスプレート２の下流側に、タングステンフィラメント３を備える二次電子注入筒４と、接地された延長筒11とを設けることで行われる。具体的には、タングステンフィラメント３に電流を流して熱電子を放出させ、その熱電子を二次電子注入筒４内の金属面に照射して二次電子を放出させその二次電子をイオンビームＢの照射ウエハ面に同時に当てて＋電荷を中和させる。
【０００６】
ところで、通常、上述したチャージアップによってダメージが懸念される工程では、製造技術者は予めＴＥＧ（テスト エレメント グループ）で、イオン打ち込み条件（イオンビーム電流）とそれに対応するエレクトロンシャワー又は、プラズマを介して電子をウエハに供給しチャージアップを防止する機構から放出される二次電子放出量の最適化を行い、生産性を考慮して出来るだけ大きなイオンビーム電流を用いてイオン注入条件を設定している。
【０００７】
一方、上記では、イオンビーム電流を上げてイオン注入する際に起こるチャージアップが及ぼすダメージについて説明してきたが、ＤＲＡＭ（dynamic RAM)のトレンチキャパシタの電極部となる基板側のｎ＋高濃度層をイオン注入で形成する場合は、たとえウエハ上にチャージアップが起こったとしてもチャージアップにより破壊される側の薄膜の酸化膜が存在しないため、問題なくイオン注入時のイオンビーム電流を増やせると一般には考えられてきた。
【０００８】
しかしながら、本発明者等の実験によれば、ＤＲＡＭのトレンチキャパシタへのイオン注入に関して、イオンビーム電流が一定の条件下ではエレクトロンシャワーから発生させる二次電子の設定条件を大きく変化させても、キャパシタの電気特性（電荷保持特性）、及びデバイスの歩留まりは、変化しないことが確かめられたが、一方、イオンビーム電流を増やすにつれてキャパシタの電気特性（電荷保持特性）、及びデバイスの歩留まりが共に劣化することも確かめられた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、既にウエハ基板上に素子が形成されていているソース／ドレイン領域にイオン注入層を形成する場合には、イオンビーム電流を増加させるとチャージアップが発生し、これによりデバイス素子の絶縁膜が破壊される問題が発生するが、このようにイオンビーム電流を増加させると、トレンチキャパシタの電極部となる基板側のｎ＋高濃度層をイオン注入で形成する場合にも、チャージアップからは説明できないデバイス素子の劣化が起こることが判明した。
【００１０】
そこで、本発明者等は、このようなチャージアップ現象からは説明できないデバイス素子の劣化のメカニズム又は、その主要因を解明し、本発明を完成すべく研究を重ねたもので、すなわち、本発明の目的は、ＤＲＡＭのトレンチキャパシタへのイオン注入工程におけるデバイス特性の劣化の改善は元より、デバイスの特性を劣化させること無く、ビーム電流を増加させ得る大電流イオン注入装置、及びその装置によるイオン注入方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明（請求項１）に係る大電流型イオン注入装置は、イオンビームが注入室に入る直前のイオンビームラインの上流から下流に順にバイアスプレート、二次電子注入筒、延長筒を備えてなる大電流型イオン注入装置において、前記延長筒が、長さ10〜25cmの範囲でグランド電位に制御されてなるものである。
【００１２】
そして、本発明（請求項２）に係る大電流型イオン注入装置は、イオンビームが注入室に入る直前のイオンビームラインの上流から下流に順にバイアスプレート、二次電子注入筒、延長筒を備えてなる大電流型イオン注入装置において、前記延長筒が、長さ10〜25cmの範囲でグランド電位に制御されるとともに、バイアスプレートの電圧と、延長筒にかかる電圧を各々独立に設定し得るものである。
【００１３】
また、本発明（請求項３）に係る大電流型イオン注入装置は、イオンビームが注入室に入る直前のイオンビームラインの上流から下流に順にバイアスプレート、二次電子注入筒、延長筒を備えてなる大電流型イオン注入装置において、延長筒が前後２つに分割されるとともに、電圧が独立に設定し得るものである。
【００１４】
また、本発明（請求項４）に係る大電流型イオン注入装置によるイオン注入方法は、イオンビームが注入室に入る直前のイオンビームラインの上流から下流に順にバイアスプレート、二次電子注入筒、延長筒を備えてなる大電流型イオン注入装置によるイオン注入方法において、延長筒の内部にかかる電位が、ウエハ側の筒先端から上流側に10cm以上の長さでグランド電位となっている条件下で、イオン注入時にウエハが受けるイオンビーム電流を 2mA〜10mAの範囲に制御してイオン注入するものである。
【００１５】
また、本発明（請求項５）に係る大電流型イオン注入装置によるイオン注入方は、イオンビームが注入室に入る直前のイオンビームラインの上流から下流に順にバイアスプレート、二次電子注入筒、延長筒を備えてなる大電流型イオン注入装置によるイオン注入方法において、バイアスプレートに印加されている電圧（マイナス電位）を小さくなる方向に調節し得るとともに、バイアスプレートに印加されている電圧が 0 〜− 1000 Ｖの範囲で制御されている条件に加え、延長筒の内部にかかる電位が、ウエハ側の筒先端から上流側に 10cm 以上の長さでグランド電位となっている条件下で、イオン注入時にファラデーカップが受けるイオンビーム電流を 2mA 〜 10mA に制御してイオン注入するものである。
【００１６】
【００１７】
以下、本発明の構成並びに作用について説明する。
本発明者等は、上述した問題の原因を究明すべく研究を重ねる過程で、従来の延長筒よりも長さの長い延長筒を設けた二次電子注入筒を用いてイオンビームの注入を試みた場合に、ＤＲＡＭの電荷保持特性が飛躍的に改善されることに着目し、その理由を究明するとともに、更に研究を重ねた結果、延長筒のグランド電位部の長さ、及びバイアスプレートの印加電圧が大きく関わっていることを究明し本発明をなしたものであって、延長筒を長く形成しそのグランド電位部の長さを10〜25cmと長くすると、又は／及びバイアスプレートの印加電圧を 0〜−1000Ｖの範囲で制御すると、ウエハに悪影響を与えることなくイオンビーム電流を 2mA以上に高めることができ、特に延長筒を長く形成しそのグランド電位部の長さを10〜25cmと長くするとともに、バイアスプレートの印加電圧を 0〜−1000Ｖの範囲で制御すると、より安定してイオンビーム電流を 2mA以上に高めることができることを突き止めたものである。具体的には、延長筒のグランド電位部の長さを長くしたり、バイアスプレートの印加電圧を小さくすると、イオンビーム電流を 2mA以上に高めても、チャージアップの発生やデバイス特性の劣化を起こすことなくウエハへのイオン注入ができる。また、イオンビームが均一にできイオンビーム内のイオン電流密度の偏り（ホットスポット）を無くすことができることから、イオン注入されるウエハ基板へのイオン注入中のセルフアニーリング(Self-annealing)ダメージも低減される。なお従来は、延長筒の長さが短く（約 5cm程度）グランド電位部の長さに着目するには到らず、従来技術に説明したように、ＴＥＧ（テスト エレメント グループ）を用いてイオン打ち込み条件（イオンビーム電流）とチャージアップ防止のための二次電子放出量の最適化が行われていた。
【００１８】
本発明では、上記したように延長筒のグランド電位部の長さが10〜25cm、又は／及び、バイアスプレートの印加電圧が 0〜−1000Ｖであれば、イオンビーム電流を高めても、チャージアップが防止又は抑制でき、またトレンチキャパシタへのイオン注入工程に関してもデバイス特性を劣化させること無くウエハへのイオン注入ができる。以下にその理由を説明する。
【００１９】
図１は、本発明に係る大電流型イオン注入装置の概要図を示すもので、イオンビームＢが注入室１に入る直前のイオンビームラインの上流から下流に順にバイアスプレート２、タングステンフィラメント３を備える二次電子注入筒４、接地された延長筒５を備えており、この構成において、延長筒５のグランド電位部６の長さが10〜25cmの範囲内で形成されている。なお、延長筒５の長さはグランド電位部６の長さと同じか、又は最長で25cm前後に形成されている。また、図中符号７はグランドプレート、８は注入室１内のディスク、９はディスク８上にセットされたウエハをそれぞれ示す。
【００２０】
そして、上記大電流型イオン注入装置において、延長筒５の内部にかかる電位が、イオンビームラインの下流側先端から上流側に10〜25cmの範囲内でグランド電位（グランド電位部６）とすることで、イオンビームＢの形状を大きく広げることができるとともに、二次電子注入筒４のエレクトロンシャワーによる＋電荷の中和が効果的に行われ、ウエハ９上のイオンビーム電流の密度が集中することを抑制する働きが生じる。このようにイオンビームＢの形状を大きく広げ、かつイオンビーム電流の密度が集中することを抑制することが、チャージアップ起因の問題に関しても、またチャージアップが関係しない問題についても有効であることが改めて確認された。ゆえに、延長筒５のグランド電位部６の長さは10〜25cmの範囲内の条件下でイオン注入することが最も有効であり、グランド電位部６の長さが10cm未満では従来と変わらず、イオンビーム電流を高めると、チャージアップの問題やデバイス素子の劣化の問題が起こる。一方、グランド電位部６の長さが25cmを超えると、延長筒５自体の長さが長くなり装置が大きくなる上に、二次電子注入筒４から発生した電子がウエハ９に到達しにくくなるため、制御安定性の観点から不利になるということも考えられる。従い、より好ましくは10〜20cmがよい。
【００２１】
次に、バイアスプレートの印加電圧を 0〜−1000Ｖに限定する理由を説明する。図１に示すバイアスプレート２に印加されている電圧（マイナス電位）を小さくなる方向に調節可能とし、バイアスプレート２に印加されている電圧を 0Ｖ（グランド電位）までの間で制御可能とする。バイアスプレート２の電位が従来のように例えば−1300Ｖのように−1000Ｖより大きくなると、バイアスプレート２の下流でイオンビームＢが絞られ過ぎとなりチャージアップが発生しやすくなり、またイオンビームＢに特にイオンビーム電流密度の濃くなる部分（ホットスポット）が発生しやすくなりＤＲＡＭのトレンチ注入には不利となる。従って、バイアスプレート２にかかる−電位をそこそこに下げておく必要がある。一方 0Ｖに近いところまで下げると、イオンビームＢの広がりが懸念されイオンビーム電流密度の均一性が崩れる懸念があるので、 0〜−1000Ｖの範囲とした。そして、この範囲内であれば、前記異常の発生を抑えることができる。また、上述した延長筒のグランド電位部の長さが10〜25cmと相まって、イオンビーム電流を高め、チャージアップの問題やデバイス素子の劣化の問題を起こすことなくイオン注入ができる。
【００２２】
なお、従来の認識と本発明の認識点の違いは、従来技術ではチャージアップの問題さえエレクトロンシャワーや、その他の手段（例えば、プラズマを介したウエハへの二次電子の供給）等で解決できていれば、イオン注入装置からのイオンビーム電流密度は増加させられると考えられていた。に対して、本発明の認識はイオン注入からのダメージの大きさはチャージアップの有無にかかわらず、打ち込み時のイオンビーム電流の密度そのものが大きく影響する。と言う点である。
【００２３】
上記図１に示す本発明に係る大電流型イオン注入装置は、特には、ＤＲＡＭのトレンチキャパシタへのイオン注入工程に対して、デバイスの特性を劣化させること無く、イオンビーム電流を増加させ得る方法を見出し、この方法を具体的に適用させたものである。しかし、実際上、工場でイオン注入装置を運転する場合、同一装置を複数のイオン注入工程に対して用いることが通常である。ＤＲＡＭのトレンチキャパシタへのイオン注入工程に対して最適な条件（図１に示す延長筒５のグランド電位部６及びバイアスプレート２にかかる電圧等の設定値）は、その他のイオン注入工程、例えば（ソース／ドレイン注入）などの特にチャージアップを懸念しなければならない工程の最適条件と一致させることは難しい。
【００２４】
例えば、エレクトロンシャワーを用いてチャージアップを抑制することを最優先させる注入工程では、図１に示すバイアスプレート２に印加されている電圧（マイナス電位）は、エレクトロンシャワーから発生した二次電子を効率良くウエハ９上に供給するための電位障壁（バリア）の役目を果たしているために重要となる。しかし、ＤＲＡＭのトレンチキャパシタへのイオン注入工程に対しては、上述したようにむしろイオンビームＢを絞り小さくする方向に働くため好ましくない。また、イオンビーム形状を広げ過ぎることのデメリットとしてイオン注入装置が持つ打ち込み量の制御性（ドーズの均一性）を劣化させるということも考慮しなければならない。例えば、大電流イオン注入装置で比較的小さいドーズ量（５Ｅ１４atms／cm2以下）で注入する場合、イオンビーム電流は 1〜 2mA程度以下で十分であり、この場合の注入条件で特に重要なファクターはドーズの均一性であり、チャージアップとか、ビーム電流密度はそれほど重要ではない。
【００２５】
そこで、叙述の課題に対応するため、図１に示すように、バイアスプレート２及び延長筒５のグランド電位部６に接続させて制御部10を設ける構成とし、この制御部10によって、バイアスプレート２のバイアス電圧、及びそのバイアスプレート２と延長筒５のグランド電位部６にかかる電圧をイオン注入条件（レシピ）に対して各々独立して設定できるようにしてもよい。更に、図１で示す延長筒５とグランド電位部６の構成に関して、図２に示すように、延長筒５とグランド電位部６を前後に分割配置（グランド電位部６だけでもよい。）する構成とし、分割された第１延長筒5Aのグランド電位部6Aと第２延長筒5Bのグランド電位部6Bにかかる電圧をイオン注入条件（レシピ）に対して各々独立して設定できるようにしてもよく、この場合、ビーム形状を広くして注入することが鍵となる工程では、第１延長筒5Aのグランド電位部6Aと第２延長筒5Bのグランド電位部6Bの両方をグランド電位（接地した状態）に設定すればよい。一方、ビーム形状を比較的小さく保ちながら注入することが有利となるイオン注入工程では第１延長筒5Aのグランド電位部6Aをグランド電位に、第２延長筒5Bのグランド電位部6Bをフローティング電位に設定すればよい。これにより、エレクトロンシャワーを用いてチャージアップを抑制することを最優先させる注入工程と、ＤＲＡＭのトレンチキャパシタへのイオン注入のようなビームの形状を出来るだけ大きくしかつビーム電流の密度が集中することを抑制することを優先しなければならない工程とが同一装置で製造レシピを変更することで、簡単に処理できるようになる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００２７】
【実施例】
〔実施例１〕
本実施例に用いる大電流型イオン注入装置は、上述の図１に示すもので、イオンビームＢが注入室１に入る直前のイオンビームラインの上流から下流に順にバイアスプレート２、タングステンフィラメント３を備える二次電子注入筒４、接地された延長筒５を備えており、この構成において、延長筒５のグランド電位部６の長さが10〜25cmの範囲内で構成されるものである。なお、図中符号７はグランドプレート、８は注入室１内のディスク、９はディスク８上にセットされたウエハをそれぞれ示す。
【００２８】
図１に概要図で示すバイアスプレート２、タングステンフィラメント３を備える二次電子注入筒４、接地された（グランド電位部６を備える）延長筒５からなるエレクトロンシャワーアッセンブリーユニットを大電流イオン注入装置（住友イートンノバ社製：型式ＮＶ−ＧＳＤ−Ａ−１６０）に取り付け、１６ＭＤＲＡＭ製品のトレンチキャパシタへのイオン注入を、以下のイオン注入条件で実施した。すなわち、トレンチキャパシタへのイオン注入条件は、打ち込み角度：５度、イオン注入量：８Ｅ１５atms／cm2とし、イオン種にＡｓ＋を用い、バイアスプレート２にかかる電圧：−1300Ｖ、延長筒５のグランド電位部６の印加電圧： 0Ｖ（グランド電位）、更に延長筒５とグランド電位部６の長さ：共に約14cmとし、イオンビーム電流量を 1mA〜10mAの範囲で振った。
【００２９】
また、比較例として、従来より使用されている図４に概要図で示す大電流型イオン注入装置（延長筒11の長さとグランド電位部の長さは共に約 5cm）を用い１６ＭＤＲＡＭ製品のトレンチキャパシタへのイオン注入を行った。本実施例と従来例とを同じ電流量で比較すると、本実施例では、製品の性能特性（特にキャパシタの電荷保持時間特性）と冗長救済を行う前のイールド（良品率）を飛躍的に向上させることができた。その結果を図３及び表１にそれぞれ示す。なお、図３は、イオンビーム電流量 3mAの時のＤＲＡＭチップにおける記憶保持時間の分布を示し、表１は、トレンチキャパシタイオン注入工程におけるイオンビーム電流量と冗長救済前のイールド（良品率）との関係を示す。
【００３０】
【表１】
【００３１】
図３より明らかなように、本実施例は、従来例よりもＤＲＡＭチップにおける記憶保持時間が約10％程度向上し、また、表１より明らかなように、イオンビーム電流量を増加させていった場合、本実施例と従来例共に冗長救済前のイールド（良品率）が劣化する傾向にあるが、本実施例ではその傾向が極めて小さい。
【００３２】
〔実施例２〕
従来より使用されている図４に概要図で示す大電流型イオン注入装置（延長筒11の長さとグランド電位部の長さは共に約 5cm）を用い、バイアスプレート２に市販の直流電圧電源（菊水電子工業製：１０Ｋ−１０）を接続して印加電圧を制御可能に構成し、１６ＭＤＲＡＭ製品のトレンチキャパシタへのイオン注入を、以下のイオン注入条件で実施した。すなわち、トレンチキャパシタへのイオン注入条件は、打ち込み角度：５度、イオン注入量：８Ｅ１５atms／cm2とし、イオン種にＡｓ＋を用い、イオンビーム電流量：3mAに固定し、延長筒11のグランド電位部の印加電圧： 0Ｖ（グランド電位）とし、バイアスプレート２にかかる電圧を−1300Ｖ〜 0Ｖ（グランド電位）の範囲で振った。そして、バイアスプレート２にかかる印加電圧と冗長救済前のイールド（良品率）との関係を調査し、その結果を表２に示す。
【００３３】
【表２】
【００３４】
表２より明らかなように、バイアスプレート２に印加する電圧を−1300Ｖから次第に 0Ｖに下げていくと、上記実施例１で見られた効果と同様に、通常の生産品に比べて製品の良品率及び性能特性（特にキャパシタの電荷保持時間特性）を向上させることができた。本例では、バイアスプレート２にかかる電圧が− 650Ｖの時、良品率が最高値となった。また電圧を 0Ｖにした場合、電圧−1300Ｖ（比較例）と比べた場合よりは製品の性能が改善されるが、電圧− 650Ｖに比べると劣る。これは、バイアスプレート２にかかる負の電圧を小さくすることによってイオンビームは広がる方向にシフトし、イオンビームの電流密度の均一性を良くする方向に働く。しかし、バイアスプレート２にかかる電圧を小さくし過ぎると逆にイオンビームの電流密度の均一性が崩れることを示唆している。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る大電流型イオン注入装置及びその装置によるイオン注入方法によれば、ＤＲＡＭのトレンチキャパシタへのイオン注入工程におけるデバイス特性の劣化の改善は元より、デバイスの特性を劣化させること無く、ビーム電流を増加させることができ、延いては、イオン注入における生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る大電流型イオン注入装置の概要図である。
【図２】本発明に係る別の実施形態を示す大電流型イオン注入装置の概要図である。
【図３】イオンビーム電流量 3mAの時のＤＲＡＭチップにおける記憶保持時間の分布を示す説明図である。
【図４】従来の大電流型イオン注入装置の概要図である。
【符号の説明】
１：注入室 ２：バイアスプレート
３：タングステンフィラメント ４：二次電子注入筒
５，5A，5B：延長筒 ６，6A，6B：グランド電位部
７：グランドプレート ８：注入室内のディスク
９：ウエハ 10：制御部
Ｂ：イオンビーム
【発明の属する技術分野】
本発明は、大電流型イオン注入装置及びその装置によるイオン注入方法に関するもので、特には、半導体製造工程における半導体基板（ウエハ）中に、大電流（ 1mA以上）のビーム電流を用いて 1×1014（１Ｅ１４）atms／cm2 以上のイオン注入を実施するために用いる大電流型イオン注入装置及びその装置によるイオン注入方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
大電流型イオン注入装置は、mAオーダー以上のビーム電流を用いて、例えば複数枚のウエハに対して連続してイオン注入処理する場合に用いられ、一般にハイ−カレント インプランター（HIGH−CURRENT IMPLANTER ）と呼ばれている。
【０００３】
大電流型イオン注入装置は、例えばＭＯＳ型トランジスタ製造工程のソース／ドレイン領域のイオン注入層の形成、又はトレンチ型キャパシタの電極部となる基板側のヒ素（Ａｓ）高濃度層等の形成のために用いられており、これらの層形成は、いずれも１Ｅ１５atms／cm2程度又はそれ以上の高いイオン注入量（ドーズ量）を必要とするイオン注入工程で行われ、量産効率（スループット）から考えてイオンビーム電流を出来るだけ高めることが有利とされている。
【０００４】
ところが、大電流型イオン注入装置を用いて、例えば既にウエハ基板上に素子が形成されている、ＭＯＳ型トランジスタ製造工程のソース／ドレイン領域にイオン注入層を形成する場合、イオンビーム電流を上げることでチャージアップが起こり、イオン注入されるデバイスに重大なダメージを発生させることが知られており、このチャージアップを抑制するために大電流型イオン注入装置には、エレクトロンシャワーと呼ばれる機構が備えられている。すなわち、基板上に形成された素子が電気的に接地されない構造をもっているときに試料（ウエハ）の表面にイオンビームを照射すると、正電荷のイオンがウエハ表面に衝突するためにウエハが帯電し＋にチャージアップする。これを防ぐためにイオン注入装置に不可欠な機能にエレクトロンシャワーがある。
【０００５】
上記チャージアップを防止又は抑制するエレクトロンシャワーの原理は、エレクトロンビームを試料表面にイオンビームと共に照射することによって＋電荷を中和することで行われるもので、図４に示すように、イオン注入装置のイオンビームＢが注入室１に入る直前のバイアスプレート２の下流側に、タングステンフィラメント３を備える二次電子注入筒４と、接地された延長筒11とを設けることで行われる。具体的には、タングステンフィラメント３に電流を流して熱電子を放出させ、その熱電子を二次電子注入筒４内の金属面に照射して二次電子を放出させその二次電子をイオンビームＢの照射ウエハ面に同時に当てて＋電荷を中和させる。
【０００６】
ところで、通常、上述したチャージアップによってダメージが懸念される工程では、製造技術者は予めＴＥＧ（テスト エレメント グループ）で、イオン打ち込み条件（イオンビーム電流）とそれに対応するエレクトロンシャワー又は、プラズマを介して電子をウエハに供給しチャージアップを防止する機構から放出される二次電子放出量の最適化を行い、生産性を考慮して出来るだけ大きなイオンビーム電流を用いてイオン注入条件を設定している。
【０００７】
一方、上記では、イオンビーム電流を上げてイオン注入する際に起こるチャージアップが及ぼすダメージについて説明してきたが、ＤＲＡＭ（dynamic RAM)のトレンチキャパシタの電極部となる基板側のｎ＋高濃度層をイオン注入で形成する場合は、たとえウエハ上にチャージアップが起こったとしてもチャージアップにより破壊される側の薄膜の酸化膜が存在しないため、問題なくイオン注入時のイオンビーム電流を増やせると一般には考えられてきた。
【０００８】
しかしながら、本発明者等の実験によれば、ＤＲＡＭのトレンチキャパシタへのイオン注入に関して、イオンビーム電流が一定の条件下ではエレクトロンシャワーから発生させる二次電子の設定条件を大きく変化させても、キャパシタの電気特性（電荷保持特性）、及びデバイスの歩留まりは、変化しないことが確かめられたが、一方、イオンビーム電流を増やすにつれてキャパシタの電気特性（電荷保持特性）、及びデバイスの歩留まりが共に劣化することも確かめられた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、既にウエハ基板上に素子が形成されていているソース／ドレイン領域にイオン注入層を形成する場合には、イオンビーム電流を増加させるとチャージアップが発生し、これによりデバイス素子の絶縁膜が破壊される問題が発生するが、このようにイオンビーム電流を増加させると、トレンチキャパシタの電極部となる基板側のｎ＋高濃度層をイオン注入で形成する場合にも、チャージアップからは説明できないデバイス素子の劣化が起こることが判明した。
【００１０】
そこで、本発明者等は、このようなチャージアップ現象からは説明できないデバイス素子の劣化のメカニズム又は、その主要因を解明し、本発明を完成すべく研究を重ねたもので、すなわち、本発明の目的は、ＤＲＡＭのトレンチキャパシタへのイオン注入工程におけるデバイス特性の劣化の改善は元より、デバイスの特性を劣化させること無く、ビーム電流を増加させ得る大電流イオン注入装置、及びその装置によるイオン注入方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明（請求項１）に係る大電流型イオン注入装置は、イオンビームが注入室に入る直前のイオンビームラインの上流から下流に順にバイアスプレート、二次電子注入筒、延長筒を備えてなる大電流型イオン注入装置において、前記延長筒が、長さ10〜25cmの範囲でグランド電位に制御されてなるものである。
【００１２】
そして、本発明（請求項２）に係る大電流型イオン注入装置は、イオンビームが注入室に入る直前のイオンビームラインの上流から下流に順にバイアスプレート、二次電子注入筒、延長筒を備えてなる大電流型イオン注入装置において、前記延長筒が、長さ10〜25cmの範囲でグランド電位に制御されるとともに、バイアスプレートの電圧と、延長筒にかかる電圧を各々独立に設定し得るものである。
【００１３】
また、本発明（請求項３）に係る大電流型イオン注入装置は、イオンビームが注入室に入る直前のイオンビームラインの上流から下流に順にバイアスプレート、二次電子注入筒、延長筒を備えてなる大電流型イオン注入装置において、延長筒が前後２つに分割されるとともに、電圧が独立に設定し得るものである。
【００１４】
また、本発明（請求項４）に係る大電流型イオン注入装置によるイオン注入方法は、イオンビームが注入室に入る直前のイオンビームラインの上流から下流に順にバイアスプレート、二次電子注入筒、延長筒を備えてなる大電流型イオン注入装置によるイオン注入方法において、延長筒の内部にかかる電位が、ウエハ側の筒先端から上流側に10cm以上の長さでグランド電位となっている条件下で、イオン注入時にウエハが受けるイオンビーム電流を 2mA〜10mAの範囲に制御してイオン注入するものである。
【００１５】
また、本発明（請求項５）に係る大電流型イオン注入装置によるイオン注入方は、イオンビームが注入室に入る直前のイオンビームラインの上流から下流に順にバイアスプレート、二次電子注入筒、延長筒を備えてなる大電流型イオン注入装置によるイオン注入方法において、バイアスプレートに印加されている電圧（マイナス電位）を小さくなる方向に調節し得るとともに、バイアスプレートに印加されている電圧が 0 〜− 1000 Ｖの範囲で制御されている条件に加え、延長筒の内部にかかる電位が、ウエハ側の筒先端から上流側に 10cm 以上の長さでグランド電位となっている条件下で、イオン注入時にファラデーカップが受けるイオンビーム電流を 2mA 〜 10mA に制御してイオン注入するものである。
【００１６】
【００１７】
以下、本発明の構成並びに作用について説明する。
本発明者等は、上述した問題の原因を究明すべく研究を重ねる過程で、従来の延長筒よりも長さの長い延長筒を設けた二次電子注入筒を用いてイオンビームの注入を試みた場合に、ＤＲＡＭの電荷保持特性が飛躍的に改善されることに着目し、その理由を究明するとともに、更に研究を重ねた結果、延長筒のグランド電位部の長さ、及びバイアスプレートの印加電圧が大きく関わっていることを究明し本発明をなしたものであって、延長筒を長く形成しそのグランド電位部の長さを10〜25cmと長くすると、又は／及びバイアスプレートの印加電圧を 0〜−1000Ｖの範囲で制御すると、ウエハに悪影響を与えることなくイオンビーム電流を 2mA以上に高めることができ、特に延長筒を長く形成しそのグランド電位部の長さを10〜25cmと長くするとともに、バイアスプレートの印加電圧を 0〜−1000Ｖの範囲で制御すると、より安定してイオンビーム電流を 2mA以上に高めることができることを突き止めたものである。具体的には、延長筒のグランド電位部の長さを長くしたり、バイアスプレートの印加電圧を小さくすると、イオンビーム電流を 2mA以上に高めても、チャージアップの発生やデバイス特性の劣化を起こすことなくウエハへのイオン注入ができる。また、イオンビームが均一にできイオンビーム内のイオン電流密度の偏り（ホットスポット）を無くすことができることから、イオン注入されるウエハ基板へのイオン注入中のセルフアニーリング(Self-annealing)ダメージも低減される。なお従来は、延長筒の長さが短く（約 5cm程度）グランド電位部の長さに着目するには到らず、従来技術に説明したように、ＴＥＧ（テスト エレメント グループ）を用いてイオン打ち込み条件（イオンビーム電流）とチャージアップ防止のための二次電子放出量の最適化が行われていた。
【００１８】
本発明では、上記したように延長筒のグランド電位部の長さが10〜25cm、又は／及び、バイアスプレートの印加電圧が 0〜−1000Ｖであれば、イオンビーム電流を高めても、チャージアップが防止又は抑制でき、またトレンチキャパシタへのイオン注入工程に関してもデバイス特性を劣化させること無くウエハへのイオン注入ができる。以下にその理由を説明する。
【００１９】
図１は、本発明に係る大電流型イオン注入装置の概要図を示すもので、イオンビームＢが注入室１に入る直前のイオンビームラインの上流から下流に順にバイアスプレート２、タングステンフィラメント３を備える二次電子注入筒４、接地された延長筒５を備えており、この構成において、延長筒５のグランド電位部６の長さが10〜25cmの範囲内で形成されている。なお、延長筒５の長さはグランド電位部６の長さと同じか、又は最長で25cm前後に形成されている。また、図中符号７はグランドプレート、８は注入室１内のディスク、９はディスク８上にセットされたウエハをそれぞれ示す。
【００２０】
そして、上記大電流型イオン注入装置において、延長筒５の内部にかかる電位が、イオンビームラインの下流側先端から上流側に10〜25cmの範囲内でグランド電位（グランド電位部６）とすることで、イオンビームＢの形状を大きく広げることができるとともに、二次電子注入筒４のエレクトロンシャワーによる＋電荷の中和が効果的に行われ、ウエハ９上のイオンビーム電流の密度が集中することを抑制する働きが生じる。このようにイオンビームＢの形状を大きく広げ、かつイオンビーム電流の密度が集中することを抑制することが、チャージアップ起因の問題に関しても、またチャージアップが関係しない問題についても有効であることが改めて確認された。ゆえに、延長筒５のグランド電位部６の長さは10〜25cmの範囲内の条件下でイオン注入することが最も有効であり、グランド電位部６の長さが10cm未満では従来と変わらず、イオンビーム電流を高めると、チャージアップの問題やデバイス素子の劣化の問題が起こる。一方、グランド電位部６の長さが25cmを超えると、延長筒５自体の長さが長くなり装置が大きくなる上に、二次電子注入筒４から発生した電子がウエハ９に到達しにくくなるため、制御安定性の観点から不利になるということも考えられる。従い、より好ましくは10〜20cmがよい。
【００２１】
次に、バイアスプレートの印加電圧を 0〜−1000Ｖに限定する理由を説明する。図１に示すバイアスプレート２に印加されている電圧（マイナス電位）を小さくなる方向に調節可能とし、バイアスプレート２に印加されている電圧を 0Ｖ（グランド電位）までの間で制御可能とする。バイアスプレート２の電位が従来のように例えば−1300Ｖのように−1000Ｖより大きくなると、バイアスプレート２の下流でイオンビームＢが絞られ過ぎとなりチャージアップが発生しやすくなり、またイオンビームＢに特にイオンビーム電流密度の濃くなる部分（ホットスポット）が発生しやすくなりＤＲＡＭのトレンチ注入には不利となる。従って、バイアスプレート２にかかる−電位をそこそこに下げておく必要がある。一方 0Ｖに近いところまで下げると、イオンビームＢの広がりが懸念されイオンビーム電流密度の均一性が崩れる懸念があるので、 0〜−1000Ｖの範囲とした。そして、この範囲内であれば、前記異常の発生を抑えることができる。また、上述した延長筒のグランド電位部の長さが10〜25cmと相まって、イオンビーム電流を高め、チャージアップの問題やデバイス素子の劣化の問題を起こすことなくイオン注入ができる。
【００２２】
なお、従来の認識と本発明の認識点の違いは、従来技術ではチャージアップの問題さえエレクトロンシャワーや、その他の手段（例えば、プラズマを介したウエハへの二次電子の供給）等で解決できていれば、イオン注入装置からのイオンビーム電流密度は増加させられると考えられていた。に対して、本発明の認識はイオン注入からのダメージの大きさはチャージアップの有無にかかわらず、打ち込み時のイオンビーム電流の密度そのものが大きく影響する。と言う点である。
【００２３】
上記図１に示す本発明に係る大電流型イオン注入装置は、特には、ＤＲＡＭのトレンチキャパシタへのイオン注入工程に対して、デバイスの特性を劣化させること無く、イオンビーム電流を増加させ得る方法を見出し、この方法を具体的に適用させたものである。しかし、実際上、工場でイオン注入装置を運転する場合、同一装置を複数のイオン注入工程に対して用いることが通常である。ＤＲＡＭのトレンチキャパシタへのイオン注入工程に対して最適な条件（図１に示す延長筒５のグランド電位部６及びバイアスプレート２にかかる電圧等の設定値）は、その他のイオン注入工程、例えば（ソース／ドレイン注入）などの特にチャージアップを懸念しなければならない工程の最適条件と一致させることは難しい。
【００２４】
例えば、エレクトロンシャワーを用いてチャージアップを抑制することを最優先させる注入工程では、図１に示すバイアスプレート２に印加されている電圧（マイナス電位）は、エレクトロンシャワーから発生した二次電子を効率良くウエハ９上に供給するための電位障壁（バリア）の役目を果たしているために重要となる。しかし、ＤＲＡＭのトレンチキャパシタへのイオン注入工程に対しては、上述したようにむしろイオンビームＢを絞り小さくする方向に働くため好ましくない。また、イオンビーム形状を広げ過ぎることのデメリットとしてイオン注入装置が持つ打ち込み量の制御性（ドーズの均一性）を劣化させるということも考慮しなければならない。例えば、大電流イオン注入装置で比較的小さいドーズ量（５Ｅ１４atms／cm2以下）で注入する場合、イオンビーム電流は 1〜 2mA程度以下で十分であり、この場合の注入条件で特に重要なファクターはドーズの均一性であり、チャージアップとか、ビーム電流密度はそれほど重要ではない。
【００２５】
そこで、叙述の課題に対応するため、図１に示すように、バイアスプレート２及び延長筒５のグランド電位部６に接続させて制御部10を設ける構成とし、この制御部10によって、バイアスプレート２のバイアス電圧、及びそのバイアスプレート２と延長筒５のグランド電位部６にかかる電圧をイオン注入条件（レシピ）に対して各々独立して設定できるようにしてもよい。更に、図１で示す延長筒５とグランド電位部６の構成に関して、図２に示すように、延長筒５とグランド電位部６を前後に分割配置（グランド電位部６だけでもよい。）する構成とし、分割された第１延長筒5Aのグランド電位部6Aと第２延長筒5Bのグランド電位部6Bにかかる電圧をイオン注入条件（レシピ）に対して各々独立して設定できるようにしてもよく、この場合、ビーム形状を広くして注入することが鍵となる工程では、第１延長筒5Aのグランド電位部6Aと第２延長筒5Bのグランド電位部6Bの両方をグランド電位（接地した状態）に設定すればよい。一方、ビーム形状を比較的小さく保ちながら注入することが有利となるイオン注入工程では第１延長筒5Aのグランド電位部6Aをグランド電位に、第２延長筒5Bのグランド電位部6Bをフローティング電位に設定すればよい。これにより、エレクトロンシャワーを用いてチャージアップを抑制することを最優先させる注入工程と、ＤＲＡＭのトレンチキャパシタへのイオン注入のようなビームの形状を出来るだけ大きくしかつビーム電流の密度が集中することを抑制することを優先しなければならない工程とが同一装置で製造レシピを変更することで、簡単に処理できるようになる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００２７】
【実施例】
〔実施例１〕
本実施例に用いる大電流型イオン注入装置は、上述の図１に示すもので、イオンビームＢが注入室１に入る直前のイオンビームラインの上流から下流に順にバイアスプレート２、タングステンフィラメント３を備える二次電子注入筒４、接地された延長筒５を備えており、この構成において、延長筒５のグランド電位部６の長さが10〜25cmの範囲内で構成されるものである。なお、図中符号７はグランドプレート、８は注入室１内のディスク、９はディスク８上にセットされたウエハをそれぞれ示す。
【００２８】
図１に概要図で示すバイアスプレート２、タングステンフィラメント３を備える二次電子注入筒４、接地された（グランド電位部６を備える）延長筒５からなるエレクトロンシャワーアッセンブリーユニットを大電流イオン注入装置（住友イートンノバ社製：型式ＮＶ−ＧＳＤ−Ａ−１６０）に取り付け、１６ＭＤＲＡＭ製品のトレンチキャパシタへのイオン注入を、以下のイオン注入条件で実施した。すなわち、トレンチキャパシタへのイオン注入条件は、打ち込み角度：５度、イオン注入量：８Ｅ１５atms／cm2とし、イオン種にＡｓ＋を用い、バイアスプレート２にかかる電圧：−1300Ｖ、延長筒５のグランド電位部６の印加電圧： 0Ｖ（グランド電位）、更に延長筒５とグランド電位部６の長さ：共に約14cmとし、イオンビーム電流量を 1mA〜10mAの範囲で振った。
【００２９】
また、比較例として、従来より使用されている図４に概要図で示す大電流型イオン注入装置（延長筒11の長さとグランド電位部の長さは共に約 5cm）を用い１６ＭＤＲＡＭ製品のトレンチキャパシタへのイオン注入を行った。本実施例と従来例とを同じ電流量で比較すると、本実施例では、製品の性能特性（特にキャパシタの電荷保持時間特性）と冗長救済を行う前のイールド（良品率）を飛躍的に向上させることができた。その結果を図３及び表１にそれぞれ示す。なお、図３は、イオンビーム電流量 3mAの時のＤＲＡＭチップにおける記憶保持時間の分布を示し、表１は、トレンチキャパシタイオン注入工程におけるイオンビーム電流量と冗長救済前のイールド（良品率）との関係を示す。
【００３０】
【表１】
図３より明らかなように、本実施例は、従来例よりもＤＲＡＭチップにおける記憶保持時間が約10％程度向上し、また、表１より明らかなように、イオンビーム電流量を増加させていった場合、本実施例と従来例共に冗長救済前のイールド（良品率）が劣化する傾向にあるが、本実施例ではその傾向が極めて小さい。
【００３２】
〔実施例２〕
従来より使用されている図４に概要図で示す大電流型イオン注入装置（延長筒11の長さとグランド電位部の長さは共に約 5cm）を用い、バイアスプレート２に市販の直流電圧電源（菊水電子工業製：１０Ｋ−１０）を接続して印加電圧を制御可能に構成し、１６ＭＤＲＡＭ製品のトレンチキャパシタへのイオン注入を、以下のイオン注入条件で実施した。すなわち、トレンチキャパシタへのイオン注入条件は、打ち込み角度：５度、イオン注入量：８Ｅ１５atms／cm2とし、イオン種にＡｓ＋を用い、イオンビーム電流量：3mAに固定し、延長筒11のグランド電位部の印加電圧： 0Ｖ（グランド電位）とし、バイアスプレート２にかかる電圧を−1300Ｖ〜 0Ｖ（グランド電位）の範囲で振った。そして、バイアスプレート２にかかる印加電圧と冗長救済前のイールド（良品率）との関係を調査し、その結果を表２に示す。
【００３３】
【表２】
表２より明らかなように、バイアスプレート２に印加する電圧を−1300Ｖから次第に 0Ｖに下げていくと、上記実施例１で見られた効果と同様に、通常の生産品に比べて製品の良品率及び性能特性（特にキャパシタの電荷保持時間特性）を向上させることができた。本例では、バイアスプレート２にかかる電圧が− 650Ｖの時、良品率が最高値となった。また電圧を 0Ｖにした場合、電圧−1300Ｖ（比較例）と比べた場合よりは製品の性能が改善されるが、電圧− 650Ｖに比べると劣る。これは、バイアスプレート２にかかる負の電圧を小さくすることによってイオンビームは広がる方向にシフトし、イオンビームの電流密度の均一性を良くする方向に働く。しかし、バイアスプレート２にかかる電圧を小さくし過ぎると逆にイオンビームの電流密度の均一性が崩れることを示唆している。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る大電流型イオン注入装置及びその装置によるイオン注入方法によれば、ＤＲＡＭのトレンチキャパシタへのイオン注入工程におけるデバイス特性の劣化の改善は元より、デバイスの特性を劣化させること無く、ビーム電流を増加させることができ、延いては、イオン注入における生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る大電流型イオン注入装置の概要図である。
【図２】本発明に係る別の実施形態を示す大電流型イオン注入装置の概要図である。
【図３】イオンビーム電流量 3mAの時のＤＲＡＭチップにおける記憶保持時間の分布を示す説明図である。
【図４】従来の大電流型イオン注入装置の概要図である。
【符号の説明】
１：注入室 ２：バイアスプレート
３：タングステンフィラメント ４：二次電子注入筒
５，5A，5B：延長筒 ６，6A，6B：グランド電位部
７：グランドプレート ８：注入室内のディスク
９：ウエハ 10：制御部
Ｂ：イオンビーム
Claims (5)
- イオンビームが注入室に入る直前のイオンビームラインの上流から下流に順にバイアスプレート、二次電子注入筒、延長筒を備えてなる大電流型イオン注入装置において、前記延長筒が、長さ10〜25cmの範囲でグランド電位に制御されてなることを特徴とする大電流型イオン注入装置。
- イオンビームが注入室に入る直前のイオンビームラインの上流から下流に順にバイアスプレート、二次電子注入筒、延長筒を備えてなる大電流型イオン注入装置において、前記延長筒が、長さ10〜25cmの範囲でグランド電位に制御されるとともに、バイアスプレートの電圧と、延長筒にかかる電圧を各々独立に設定し得ることを特徴とする大電流型イオン注入装置。
- イオンビームが注入室に入る直前のイオンビームラインの上流から下流に順にバイアスプレート、二次電子注入筒、延長筒を備えてなる大電流型イオン注入装置において、延長筒が前後２つに分割されるとともに、電圧が独立に設定し得ることを特徴とする大電流型イオン注入装置。
- イオンビームが注入室に入る直前のイオンビームラインの上流から下流に順にバイアスプレート、二次電子注入筒、延長筒を備えてなる大電流型イオン注入装置によるイオン注入方法において、延長筒の内部にかかる電位が、ウエハ側の筒先端から上流側に10cm以上の長さでグランド電位となっている条件下で、イオン注入時にウエハが受けるイオンビーム電流を 2mA〜10mAの範囲に制御してイオン注入することを特徴とする大電流型イオン注入装置によるイオン注入方法。
- イオンビームが注入室に入る直前のイオンビームラインの上流から下流に順にバイアスプレート、二次電子注入筒、延長筒を備えてなる大電流型イオン注入装置によるイオン注入方法において、バイアスプレートに印加されている電圧（マイナス電位）を小さくなる方向に調節し得るとともに、バイアスプレートに印加されている電圧が 0〜−1000Ｖの範囲で制御されている条件に加え、延長筒の内部にかかる電位が、ウエハ側の筒先端から上流側に 10cm 以上の長さでグランド電位となっている条件下で、イオン注入時にファラデーカップが受けるイオンビーム電流を2mA〜10mAに制御してイオン注入することを特徴とする大電流型イオン注入装置によるイオン注入方法。
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