JP4207307B2 - チャージアップ測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、基板にイオンビームを照射してイオン注入等の処理を施すイオンビーム照射装置や、半導体基板にイオンビームを照射して当該半導体基板の表面にＭＯＳ形電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を形成するイオン注入装置等に用いられるものであって、イオンビーム照射に伴う基板のチャージアップ（帯電現象）を測定する、より具体的には基板のチャージアップを模擬的に測定するチャージアップ測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体基板にイオン注入を行って、当該半導体基板の表面に半導体デバイス、例えば図８に示すようなＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０を形成することが従来から行われている。
【０００３】
このＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０は、簡単に言えば、半導体基板（例えばシリコン基板）２の表面にゲート酸化膜４および素子分離用酸化膜５を所定パターンで形成し、更にゲート酸化膜４の表面にゲート電極６を形成し、更にゲート電極６をマスクとして用いてその両側にドーパント（添加不純物）イオンを注入して所定パターンの二つの不純物注入層８を形成するという行程で製造される。一方の不純物注入層８がソース、他方の不純物注入層８がドレインとなる。
【０００４】
このＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０のゲート酸化膜４をゲート電極６と半導体基板２とで挟む部分はコンデンサ構造をしており、上記ドーパントイオン注入時に、それに伴って輸送される正電荷がゲート電極６に蓄積される。
【０００５】
このようなＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０は、微細化する傾向にあり、微細化につれて、そのゲート酸化膜４は薄くなる。このゲート酸化膜４は、例えば酸化ケイ素から成り、ＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０の寿命を決める上で重要な役割を果たしている。ゲート酸化膜４が薄くなると、その耐圧は小さくなる。例えば、ゲート酸化膜４の厚さは約５０ｎｍであり、その場合、イオン注入に伴ってゲート電極６に電荷が蓄積してその電圧が５Ｖ付近になると、ゲート酸化膜４を突き抜けて電流が流れ始める。このゲート酸化膜４を突き抜ける電荷量をできるだけ小さくすることが、ゲート酸化膜４の信頼性、ひいてはＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０の寿命を上げることにつながる。
【０００６】
イオン注入装置では、上記のようなイオンによる正のチャージアップ（電荷蓄積）を抑制するために、通常は、被注入基板の上流側付近に、イオンビームに中和用の低エネルギー電子を供給する電子供給源を設けている。この電子供給源の一つに、低エネルギー電子を含むプラズマをイオンビームに供給するプラズマ供給源がある。
【０００７】
このような電子供給源あるいはプラズマ供給源を設けても、電子が供給不足になると基板表面では正のチャージアップが起こり、電子が供給過多になると負のチャージアップが起こるので、電子の供給量制御を行うことが好ましい。そのためには、まず第１段階として、基板のチャージアップ状況を測定する必要がある。
【０００８】
このようなチャージアップ測定技術の一つに、チャージアップ測定用のデバイスを基板表面に形成しておき、イオン注入後、当該デバイスの特性を調べて、後からチャージアップ状況を測定する技術がある。しかしこの技術では、注入済基板を真空容器から取り出して測定する必要があるので、チャージアップ状況を調べるのに、早くても数時間を要するという大きな課題がある。
【０００９】
このような課題を解決するものとして、特開平１０−４０８５６号公報には、基板と似た状況に置かれた複数の測定用導体（ビームコレクタ）を高抵抗に接続しておいて、イオンビーム照射時の各測定用導体の電圧を測定することによって、基板のチャージアップ状況を模擬的に測定するチャージアップ測定装置が提案されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
イオンビーム中和用には、一般的に、低エネルギー電子が用いられる。具体的には、前記電子供給源やプラズマ供給源から中和用に放出させる電子は、エネルギー分布を持っているけれども、その殆どが例えば数ｅＶ程度の低エネルギー電子になるように設計されている。これは、電子が供給過多になると、基板表面は、電子のエネルギーに相当する電圧まで負にチャージアップするので、そのチャージアップ電圧を低く抑えるためである。従って、この数ｅＶ程度という低エネルギー電子の基板付近での軌道が、基板のチャージアップ緩和を決定すると言える。
【００１１】
ところが、上記公報に記載のチャージアップ測定装置では、測定用導体の電圧が、測定しようとする基板表面のチャージアップ電圧に比べて高くなる可能性がある。なぜなら、基板表面に形成された例えば５Ｖ耐圧のＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０のチャージアップ電圧は、５Ｖ以上にはならない。それ以上になろうとすると、ゲート酸化膜４を電流が流れて電圧が下がるからである。しかし、上記測定用導体は、絶縁碍子で絶縁支持されているので、その電圧は５Ｖ以上の高い電圧になり得る。このような高い電圧の測定用導体が存在すると、前述した数ｅＶ程度という低エネルギー電子の軌道に影響を及ぼす。
【００１２】
従って、測定用導体付近での電子の軌道と、測定しようとする基板表面付近での電子の軌道とに差が生じてしまうので、上記測定用導体の電圧は、基板表面でのチャージアップ状況を正確には反映しなくなる。従って、基板のチャージアップの測定精度が低下する。
【００１３】
そこでこの発明は、このような点を更に改善して、基板のチャージアップを模擬的にしかも高精度で測定することのできるチャージアップ測定装置を提供することを主たる目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る第１のチャージアップ測定装置は、イオンビームと交差する面に配列されていてイオンビームを受ける複数の測定用導体と、この各測定用導体にそれぞれ接続された複数の双方向定電圧素子と、この各双方向定電圧素子を通して流れる電流の極性および大きさをそれぞれ測定する電流測定器とを備えることを特徴としている（請求項１）。
【００１５】
上記構成によれば、イオンビームが完全に中和されていない場合、各測定用導体は、イオンビーム照射を受けて正または負にチャージアップし、その電圧が正または負に上昇する。しかし、双方向定電圧素子を用いているので、測定用導体の電圧が双方向定電圧素子の降伏電圧より小さいときは、双方向定電圧素子は阻止状態にあり電流測定器に電流は流れない。チャージアップ電圧が降伏電圧まで上昇した測定用導体があると、それに接続された双方向定電圧素子は導通状態になり、この双方向定電圧素子を通して、それに接続された電流測定器に、当該測定用導体のチャージアップに応じた極性および大きさの電流が流れる。電流測定器は、この電流の極性および大きさをそれぞれ測定する。従って、このような測定用導体を基板と似た状況に置くことによって、基板のチャージアップを模擬的に測定することができる。
【００１６】
しかも、上記各測定用導体のチャージアップ電圧は、双方向定電圧素子の導通によって、双方向定電圧素子の降伏電圧以上には上昇しない。即ち、各測定用導体のチャージアップ電圧は、この降伏電圧以下に制限される。その結果、測定時に、測定用導体の電圧が低エネルギー電子の軌道に及ぼす影響を小さく抑えることができる。従って、基板のチャージアップを模擬的にしかも高精度で測定することができる。
【００１７】
上記電流測定器の代わりに、各双方向定電圧素子を通して流れる正および負の電荷量をそれぞれ測定する電荷量測定器を設けても良い（請求項２）。これによって、基板のチャージアップを、通流電荷量によって模擬的にしかも高精度で測定することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係るチャージアップ測定装置をイオンビーム照射装置に用いた一例を示す図である。図２は、図１中の測定用導体周りの拡大側面図である。
【００２１】
このイオンビーム照射装置は、真空雰囲気中において、基板２にイオンビーム１２を照射して、当該基板２にイオン注入、イオンビームエッチング等の処理を施すよう構成されている。基板２にイオン注入を行う場合は、この装置はイオン注入装置と呼ぶことができる。基板２は、例えば、前述したようなシリコン基板等の半導体基板である。
【００２２】
イオンビーム１２は、この例では、図示しない走査手段によってＸ方向（例えば水平方向）に走査される。基板２は、その全面にイオンビーム１２を照射するために、図示しない走査手段によってＸ方向と実質的に直交するＹ方向（例えば垂直方向）に機械的に走査される。また、後述する測定用導体２２にイオンビーム１２を入射させるときは、基板２をイオンビーム１２の軌道から退避させておく。
【００２３】
基板２の上流側付近に、電子供給源の一例として、イオンビーム１２にその電荷中和用の低エネルギー電子を含むプラズマ１６を供給するプラズマ供給源１４を設けている。このプラズマ供給源１４は、プラズマフラッドガンとも呼ばれる。
【００２４】
この例のチャージアップ測定装置２０は、上記イオンビーム１２と交差する面に配列されていてイオンビーム１２を受ける複数の測定用導体２２と、この各測定用導体２２にそれぞれ接続された複数の双方向定電圧素子２８と、この各双方向定電圧素子２８を通して流れる電流Ｉの極性（換言すれば向き）および大きさをそれぞれ測定する複数の電流測定器３０とを備えている。
【００２５】
測定用導体２２は、イオンビーム１２の走査方向、即ち上記Ｘ方向に並設されている。各測定用導体２２は、この例では短冊状をしており、かつ図２に示す例のように、支持体２４の前面部に絶縁碍子２６によって電気的に絶縁して支持されている。測定用導体２２の数は、例えば８〜１２個であるが、特定のものに限定されない。多くすれば、よりきめ細かな測定を行うことができる。
【００２６】
この測定用導体２２は、測定対象である基板２の近くに設けるのが好ましい。そのようにすれば、測定用導体２２を基板２と似た状況に置くことができるので、即ち基板２に到達するイオンビーム１２およびプラズマ１６中の電子の状態と、測定用導体２２に到達するそれらの状態とを、互いに近づけることができるので、基板２のチャージアップ測定をより正確に行うことができる。なお、支持体２４として、例えば特開平４−２２９００号公報に記載されているような、イオンビームの平行度測定等のための多点ビームモニタを利用しても良い。
【００２７】
各双方向定電圧素子２８は、正負いずれの電圧に対しても定電圧特性を示す素子である。即ち、正負のいずれの電圧に対しても、一定の電圧（これを降伏電圧と呼ぶ）までは電流が殆ど流れず、当該降伏電圧を超えると電流が急激に流れ始めて当該降伏電圧以上には素子の両端の電圧が上昇しない特性を有する素子である。双方向定電圧素子２８を用いるのは、基板２あるいは各測定用導体２２は、前述したように、プラズマ供給源１４からの電子の供給量の多少によって、正にチャージアップしたり負にチャージアップしたりするので、その両方を測定することができるようにするためである。
【００２８】
この各双方向定電圧素子２８には、正負いずれの電圧に対してもツェナ特性を示す双方向ツェナダイオードを用いるのが好ましい。双方向ツェナダイオードは、正負いずれの領域においても、非常に鋭い電流の立ち上がり特性を有しているからである。双方向ツェナダイオードの場合は、前記降伏電圧をツェナ電圧と呼ぶ。また、各双方向定電圧素子２８には双方向のバリスタを用いても良いけれども、バリスタは容量成分が比較的大きく、急激な電圧変化で変位電流が流れる恐れがあるので、この理由からも、双方向ツェナダイオードを用いる方が好ましい。
【００２９】
なお、上記各双方向定電圧素子２８を、互いに逆向きに直列接続された二つの定電圧素子（例えばツェナダイオード）でそれぞれ構成しても良い。このような構成のものも、実質的に双方向定電圧素子である。
【００３０】
各電流測定器３０は、例えば電流計である。複数の電流測定器３０を設ける代わりに、一つの電流測定器で各双方向定電圧素子２８を通して流れる電流Ｉを切り換えて測定する構成を採用しても良い。
【００３１】
このチャージアップ測定装置２０によれば、イオンビーム１２が完全に中和されていない場合、各測定用導体２２は、イオンビーム照射を受けて正または負にチャージアップし、その電圧が正または負に上昇する。しかし、双方向定電圧素子２８を用いているので、測定用導体２２の電圧が双方向定電圧素子２８の降伏電圧より小さいときは、双方向定電圧素子２８は阻止状態にあり電流測定器３０に電流は流れない。チャージアップ電圧が降伏電圧まで上昇した測定用導体２２があると、それに接続された双方向定電圧素子２８は導通状態になり、この双方向定電圧素子２８を通して、それに接続された電流測定器３０に、当該測定用導体２２のチャージアップに応じた極性および大きさの電流Ｉが流れる。各電流測定器３０は、この電流Ｉの極性および大きさをそれぞれ測定する。従って、このような測定用導体２２を基板２と似た状況に置くことによって、基板２のチャージアップを模擬的に測定することができる。
【００３２】
しかも、上記各測定用導体２２のチャージアップ電圧は、双方向定電圧素子２８の導通によって、双方向定電圧素子２８の降伏電圧以上には上昇しない。即ち、各測定用導体２２のチャージアップ電圧は、この降伏電圧以下に制限される。その結果、測定時に、測定用導体２２の電圧が低エネルギー電子の軌道に及ぼす影響を小さく抑えることができる。従って、基板２のチャージアップを模擬的にしかも高精度で測定することができる。
【００３３】
このチャージアップ測定装置２０による測定結果の例を図５〜図７に示す。これらの例は、８個の並設された測定用導体２２ａ〜２２ｈを用いてその各々に流れる電流Ｉを測定した結果である。測定用導体２２ｄ、２２ｅが中央に位置している。各電流Ｉの極性および大きさが、各測定用導体２２ａ〜２２ｈのチャージアップの極性および大きさを表している。ピーク位置が時間的に変化しているのは、イオンビーム１２のＸ方向の走査による結果である。
【００３４】
図５は、上記プラズマ供給源１４を使用しない場合の例であり、全ての測定用導体２２ａ〜２２ｈにイオンビーム１２の正電荷による正チャージアップが起きていることが分かる。
【００３５】
図６は、上記プラズマ供給源１４を使用したけれども、それから放出する電子量を最適化していない場合の例であり、端寄りの測定用導体２２ａ、２２ｈ等に比較的大きな正チャージアップが起きていることが分かる。これは、プラズマ供給源１４から放出した電子がイオンビーム１２の端部にまで十分に届いていない結果であると考えられる。
【００３６】
図７は、上記プラズマ供給源１４から放出する電子量を最適化した場合の例であり、端寄りの測定用導体２２ａ〜２２ｃに僅かに負チャージアップが起きているだけで、全体的にうまくチャージアップが抑制されていることが分かる。
【００３７】
上記各電流測定器３０の代わりに、各双方向定電圧素子２８を通して流れる正および負の電荷量Ｑをそれぞれ測定する複数の電荷量測定器３２を設けても良い。
【００３８】
各電荷量測定器３２は、例えば、図３に示す例のように、正の電荷量Ｑ1 を測定する電荷量測定器３６ａおよびダイオード３４ａと、負の電荷量Ｑ2 を測定する電荷量測定器３６ｂおよびダイオード３４ｂとを互いに並列接続した構成をしている。各電荷量測定器３６ａおよび各電荷量測定器３６ｂは、例えば、電流計および積分器から成る。
【００３９】
複数の電荷量測定器３２を設ける代わりに、一つの電荷量測定器で各双方向定電圧素子２８を通して流れる電荷量Ｑを切り換えて測定する構成を採用しても良い。図３中の各電荷量測定器３６ａおよび３６ｂについても同様である。
【００４０】
このような電荷量測定器３２を設けることによって、基板２のチャージアップを、電流の代わりに、通流電荷量によって模擬的にしかも高精度で測定することができる。
【００４１】
上記基板２を半導体基板として、その表面に、イオン注入によって例えば図８に示したようなＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０を形成するイオン注入装置に上記チャージアップ測定装置２０を用いる場合は、上記各双方向定電圧素子２８の降伏電圧は、当該ＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０のゲート酸化膜４の耐圧にほぼ等しくするのが好ましい。それによって、各測定用導体２２の最大チャージアップ電圧を、基板表面のＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０の最大チャージアップ電圧にほぼ等しくすることができるので、そのチャージアップを模擬的に、しかもより高精度で測定することができる。これは、前述したように、ＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０のチャージアップ電圧はそのゲート酸化膜４の耐圧以上には上昇しないのに対して、双方向定電圧素子２８の導通によって各測定用導体２２のチャージアップ電圧も降伏電圧以上に上昇しないので、より正確に基板２のチャージアップ状態を模擬することができるからである。
【００４２】
また、上記と同じく半導体基板の表面にＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０を形成するイオン注入装置に上記チャージアップ測定装置２０を用いる場合に、各双方向定電圧素子２８の降伏電圧を上記のようにすると共に、電流測定器３０ではなく上記のような電荷量測定器３２を用いても良い。これによって、チャージアップによってＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０のゲート酸化膜４を突き抜ける電荷量を模擬的に高精度で測定することができる。その結果、基板表面のＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０のチャージアップ状況の測定だけでなく、次のような測定も可能になる。
【００４３】
即ち、ＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０のゲート酸化膜４は、通常は自己回復能力を有しているけれども、それを突き抜ける全電荷量が所定値（例えば１０クーロン／ｃｍ2 ）以上になると、この自己回復能力は失われて、ゲート酸化膜４は絶縁破壊される。即ち、ＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０は絶縁破壊される。このゲート酸化膜４を突き抜ける電荷量を上記チャージアップ測定装置２０は模擬的に高精度で測定することができるので、ゲート酸化膜４ひいてはＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０の通流電荷量による破壊モードを模擬的に測定することも可能になる。即ち、ＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０が自己回復しない通流電荷量に対して、チャージアップによってどの程度の電荷量が流れたかということを、模擬的に測定することも可能になる。
【００４４】
図４は、この発明に係るチャージアップ測定装置をイオンビーム照射装置に用いた他の例を示す図である。図１の例との相違点を主体に説明すると、この例では、上記各双方向定電圧素子２８を通して流れる電流Ｉを、電流／電圧変換器３８によって電圧に変換し、更にＡ／Ｄ変換器４０によってディジタル信号に変換し、更に二つの積分器４２によって正側および負側をそれぞれ積分して正の電荷量Ｑ1 および負の電荷量Ｑ2 をそれぞれ演算し、それらを二つの比較器４４によって基準電荷量Ｑ0 とそれぞれ比較してその結果をプラズマ供給源制御器４６に与え、このプラズマ供給源制御器４６によって上記プラズマ供給源１４を制御する構成をしている。
【００４５】
上記基準電荷量Ｑ0 は、例えば基板２の表面に前述したようなＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０を形成するイオン注入装置の場合は、前述したように１０クーロン／ｃｍ2 程度がゲート酸化膜４の非回復電荷量であるから、それに１より小さい（例えば０．１〜０．０１程度の）安全係数を掛けた値を選べば良い。
【００４６】
プラズマ供給源制御器４６は、例えば、正の電荷量Ｑ1 が基準電荷量Ｑ0 を超える入力点すなわち測定用導体２２が所定数以上あるときはプラズマ供給源１４から放出させるプラズマ１６の量を増加させ、負の電荷量Ｑ2 が基準電荷量Ｑ0 を超える入力点すなわち測定用導体２２が所定数以上あるときはプラズマ供給源１４から放出させるプラズマ１６の量を減少させる制御を行う。これによって、プラズマ供給源１４から放出させるプラズマ１６ひいては電子の量を、チャージアップ抑制に最適化することができる。それによって、例えば、図７に示したような良好な結果を得ることができる。
【００４７】
この図４の例では、各電流／電圧変換器３８およびＡ／Ｄ変換器４０が、図１に示した各電流測定器３０に相当しており、各電流／電圧変換器３８、Ａ／Ｄ変換器４０および積分器４２が、図１に示した各電荷量測定器３２に相当している。
【００４８】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、チャージアップ電圧が双方向定電圧素子の降伏電圧まで上昇した測定用導体があると、それに接続された双方向定電圧素子は導通状態になり、この双方向定電圧素子を通して、それに接続された電流測定器に、当該測定用導体のチャージアップに応じた極性および大きさの電流が流れ、それを電流測定器で測定することができるので、基板のチャージアップを模擬的に測定することができる。
【００４９】
しかも、上記各測定用導体のチャージアップ電圧は、双方向定電圧素子の導通によって、双方向定電圧素子の降伏電圧以上には上昇しないので、測定時に測定用導体の電圧が低エネルギー電子の軌道に及ぼす影響を小さく抑えることができる。従って、基板のチャージアップを模擬的にしかも高精度で測定することができる。
【００５０】
請求項２記載の発明によれば、各双方向定電圧素子を通して流れる正および負の電荷量をそれぞれ測定する電荷量測定器を設けているので、基板のチャージアップを、通流電荷量によって模擬的にしかも高精度で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るチャージアップ測定装置をイオンビーム照射装置に用いた一例を示す図である。
【図２】図１中の測定用導体周りの拡大側面図である。
【図３】電荷量測定器の一例を示す回路図である。
【図４】この発明に係るチャージアップ測定装置をイオンビーム照射装置に用いた他の例を示す図である。
【図５】図１に示したチャージアップ測定装置による測定結果の一例を示す図である。
【図６】図１に示したチャージアップ測定装置による測定結果の他の例を示す図である。
【図７】図１に示したチャージアップ測定装置による測定結果の更に他の例を示す図である。
【図８】半導体基板の表面に形成されたＭＯＳ形電界効果トランジスタの一例を拡大して示す概略断面図である。
【符号の説明】
２ 基板（半導体基板）
１０ ＭＯＳ形電界効果トランジスタ
１２ イオンビーム
１４ プラズマ供給源
２０ チャージアップ測定装置
２２ 測定用導体
２８ 双方向定電圧素子
３０ 電流測定器
３２ 電荷量測定器
【発明の属する技術分野】
この発明は、基板にイオンビームを照射してイオン注入等の処理を施すイオンビーム照射装置や、半導体基板にイオンビームを照射して当該半導体基板の表面にＭＯＳ形電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を形成するイオン注入装置等に用いられるものであって、イオンビーム照射に伴う基板のチャージアップ（帯電現象）を測定する、より具体的には基板のチャージアップを模擬的に測定するチャージアップ測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体基板にイオン注入を行って、当該半導体基板の表面に半導体デバイス、例えば図８に示すようなＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０を形成することが従来から行われている。
【０００３】
このＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０は、簡単に言えば、半導体基板（例えばシリコン基板）２の表面にゲート酸化膜４および素子分離用酸化膜５を所定パターンで形成し、更にゲート酸化膜４の表面にゲート電極６を形成し、更にゲート電極６をマスクとして用いてその両側にドーパント（添加不純物）イオンを注入して所定パターンの二つの不純物注入層８を形成するという行程で製造される。一方の不純物注入層８がソース、他方の不純物注入層８がドレインとなる。
【０００４】
このＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０のゲート酸化膜４をゲート電極６と半導体基板２とで挟む部分はコンデンサ構造をしており、上記ドーパントイオン注入時に、それに伴って輸送される正電荷がゲート電極６に蓄積される。
【０００５】
このようなＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０は、微細化する傾向にあり、微細化につれて、そのゲート酸化膜４は薄くなる。このゲート酸化膜４は、例えば酸化ケイ素から成り、ＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０の寿命を決める上で重要な役割を果たしている。ゲート酸化膜４が薄くなると、その耐圧は小さくなる。例えば、ゲート酸化膜４の厚さは約５０ｎｍであり、その場合、イオン注入に伴ってゲート電極６に電荷が蓄積してその電圧が５Ｖ付近になると、ゲート酸化膜４を突き抜けて電流が流れ始める。このゲート酸化膜４を突き抜ける電荷量をできるだけ小さくすることが、ゲート酸化膜４の信頼性、ひいてはＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０の寿命を上げることにつながる。
【０００６】
イオン注入装置では、上記のようなイオンによる正のチャージアップ（電荷蓄積）を抑制するために、通常は、被注入基板の上流側付近に、イオンビームに中和用の低エネルギー電子を供給する電子供給源を設けている。この電子供給源の一つに、低エネルギー電子を含むプラズマをイオンビームに供給するプラズマ供給源がある。
【０００７】
このような電子供給源あるいはプラズマ供給源を設けても、電子が供給不足になると基板表面では正のチャージアップが起こり、電子が供給過多になると負のチャージアップが起こるので、電子の供給量制御を行うことが好ましい。そのためには、まず第１段階として、基板のチャージアップ状況を測定する必要がある。
【０００８】
このようなチャージアップ測定技術の一つに、チャージアップ測定用のデバイスを基板表面に形成しておき、イオン注入後、当該デバイスの特性を調べて、後からチャージアップ状況を測定する技術がある。しかしこの技術では、注入済基板を真空容器から取り出して測定する必要があるので、チャージアップ状況を調べるのに、早くても数時間を要するという大きな課題がある。
【０００９】
このような課題を解決するものとして、特開平１０−４０８５６号公報には、基板と似た状況に置かれた複数の測定用導体（ビームコレクタ）を高抵抗に接続しておいて、イオンビーム照射時の各測定用導体の電圧を測定することによって、基板のチャージアップ状況を模擬的に測定するチャージアップ測定装置が提案されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
イオンビーム中和用には、一般的に、低エネルギー電子が用いられる。具体的には、前記電子供給源やプラズマ供給源から中和用に放出させる電子は、エネルギー分布を持っているけれども、その殆どが例えば数ｅＶ程度の低エネルギー電子になるように設計されている。これは、電子が供給過多になると、基板表面は、電子のエネルギーに相当する電圧まで負にチャージアップするので、そのチャージアップ電圧を低く抑えるためである。従って、この数ｅＶ程度という低エネルギー電子の基板付近での軌道が、基板のチャージアップ緩和を決定すると言える。
【００１１】
ところが、上記公報に記載のチャージアップ測定装置では、測定用導体の電圧が、測定しようとする基板表面のチャージアップ電圧に比べて高くなる可能性がある。なぜなら、基板表面に形成された例えば５Ｖ耐圧のＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０のチャージアップ電圧は、５Ｖ以上にはならない。それ以上になろうとすると、ゲート酸化膜４を電流が流れて電圧が下がるからである。しかし、上記測定用導体は、絶縁碍子で絶縁支持されているので、その電圧は５Ｖ以上の高い電圧になり得る。このような高い電圧の測定用導体が存在すると、前述した数ｅＶ程度という低エネルギー電子の軌道に影響を及ぼす。
【００１２】
従って、測定用導体付近での電子の軌道と、測定しようとする基板表面付近での電子の軌道とに差が生じてしまうので、上記測定用導体の電圧は、基板表面でのチャージアップ状況を正確には反映しなくなる。従って、基板のチャージアップの測定精度が低下する。
【００１３】
そこでこの発明は、このような点を更に改善して、基板のチャージアップを模擬的にしかも高精度で測定することのできるチャージアップ測定装置を提供することを主たる目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る第１のチャージアップ測定装置は、イオンビームと交差する面に配列されていてイオンビームを受ける複数の測定用導体と、この各測定用導体にそれぞれ接続された複数の双方向定電圧素子と、この各双方向定電圧素子を通して流れる電流の極性および大きさをそれぞれ測定する電流測定器とを備えることを特徴としている（請求項１）。
【００１５】
上記構成によれば、イオンビームが完全に中和されていない場合、各測定用導体は、イオンビーム照射を受けて正または負にチャージアップし、その電圧が正または負に上昇する。しかし、双方向定電圧素子を用いているので、測定用導体の電圧が双方向定電圧素子の降伏電圧より小さいときは、双方向定電圧素子は阻止状態にあり電流測定器に電流は流れない。チャージアップ電圧が降伏電圧まで上昇した測定用導体があると、それに接続された双方向定電圧素子は導通状態になり、この双方向定電圧素子を通して、それに接続された電流測定器に、当該測定用導体のチャージアップに応じた極性および大きさの電流が流れる。電流測定器は、この電流の極性および大きさをそれぞれ測定する。従って、このような測定用導体を基板と似た状況に置くことによって、基板のチャージアップを模擬的に測定することができる。
【００１６】
しかも、上記各測定用導体のチャージアップ電圧は、双方向定電圧素子の導通によって、双方向定電圧素子の降伏電圧以上には上昇しない。即ち、各測定用導体のチャージアップ電圧は、この降伏電圧以下に制限される。その結果、測定時に、測定用導体の電圧が低エネルギー電子の軌道に及ぼす影響を小さく抑えることができる。従って、基板のチャージアップを模擬的にしかも高精度で測定することができる。
【００１７】
上記電流測定器の代わりに、各双方向定電圧素子を通して流れる正および負の電荷量をそれぞれ測定する電荷量測定器を設けても良い（請求項２）。これによって、基板のチャージアップを、通流電荷量によって模擬的にしかも高精度で測定することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係るチャージアップ測定装置をイオンビーム照射装置に用いた一例を示す図である。図２は、図１中の測定用導体周りの拡大側面図である。
【００２１】
このイオンビーム照射装置は、真空雰囲気中において、基板２にイオンビーム１２を照射して、当該基板２にイオン注入、イオンビームエッチング等の処理を施すよう構成されている。基板２にイオン注入を行う場合は、この装置はイオン注入装置と呼ぶことができる。基板２は、例えば、前述したようなシリコン基板等の半導体基板である。
【００２２】
イオンビーム１２は、この例では、図示しない走査手段によってＸ方向（例えば水平方向）に走査される。基板２は、その全面にイオンビーム１２を照射するために、図示しない走査手段によってＸ方向と実質的に直交するＹ方向（例えば垂直方向）に機械的に走査される。また、後述する測定用導体２２にイオンビーム１２を入射させるときは、基板２をイオンビーム１２の軌道から退避させておく。
【００２３】
基板２の上流側付近に、電子供給源の一例として、イオンビーム１２にその電荷中和用の低エネルギー電子を含むプラズマ１６を供給するプラズマ供給源１４を設けている。このプラズマ供給源１４は、プラズマフラッドガンとも呼ばれる。
【００２４】
この例のチャージアップ測定装置２０は、上記イオンビーム１２と交差する面に配列されていてイオンビーム１２を受ける複数の測定用導体２２と、この各測定用導体２２にそれぞれ接続された複数の双方向定電圧素子２８と、この各双方向定電圧素子２８を通して流れる電流Ｉの極性（換言すれば向き）および大きさをそれぞれ測定する複数の電流測定器３０とを備えている。
【００２５】
測定用導体２２は、イオンビーム１２の走査方向、即ち上記Ｘ方向に並設されている。各測定用導体２２は、この例では短冊状をしており、かつ図２に示す例のように、支持体２４の前面部に絶縁碍子２６によって電気的に絶縁して支持されている。測定用導体２２の数は、例えば８〜１２個であるが、特定のものに限定されない。多くすれば、よりきめ細かな測定を行うことができる。
【００２６】
この測定用導体２２は、測定対象である基板２の近くに設けるのが好ましい。そのようにすれば、測定用導体２２を基板２と似た状況に置くことができるので、即ち基板２に到達するイオンビーム１２およびプラズマ１６中の電子の状態と、測定用導体２２に到達するそれらの状態とを、互いに近づけることができるので、基板２のチャージアップ測定をより正確に行うことができる。なお、支持体２４として、例えば特開平４−２２９００号公報に記載されているような、イオンビームの平行度測定等のための多点ビームモニタを利用しても良い。
【００２７】
各双方向定電圧素子２８は、正負いずれの電圧に対しても定電圧特性を示す素子である。即ち、正負のいずれの電圧に対しても、一定の電圧（これを降伏電圧と呼ぶ）までは電流が殆ど流れず、当該降伏電圧を超えると電流が急激に流れ始めて当該降伏電圧以上には素子の両端の電圧が上昇しない特性を有する素子である。双方向定電圧素子２８を用いるのは、基板２あるいは各測定用導体２２は、前述したように、プラズマ供給源１４からの電子の供給量の多少によって、正にチャージアップしたり負にチャージアップしたりするので、その両方を測定することができるようにするためである。
【００２８】
この各双方向定電圧素子２８には、正負いずれの電圧に対してもツェナ特性を示す双方向ツェナダイオードを用いるのが好ましい。双方向ツェナダイオードは、正負いずれの領域においても、非常に鋭い電流の立ち上がり特性を有しているからである。双方向ツェナダイオードの場合は、前記降伏電圧をツェナ電圧と呼ぶ。また、各双方向定電圧素子２８には双方向のバリスタを用いても良いけれども、バリスタは容量成分が比較的大きく、急激な電圧変化で変位電流が流れる恐れがあるので、この理由からも、双方向ツェナダイオードを用いる方が好ましい。
【００２９】
なお、上記各双方向定電圧素子２８を、互いに逆向きに直列接続された二つの定電圧素子（例えばツェナダイオード）でそれぞれ構成しても良い。このような構成のものも、実質的に双方向定電圧素子である。
【００３０】
各電流測定器３０は、例えば電流計である。複数の電流測定器３０を設ける代わりに、一つの電流測定器で各双方向定電圧素子２８を通して流れる電流Ｉを切り換えて測定する構成を採用しても良い。
【００３１】
このチャージアップ測定装置２０によれば、イオンビーム１２が完全に中和されていない場合、各測定用導体２２は、イオンビーム照射を受けて正または負にチャージアップし、その電圧が正または負に上昇する。しかし、双方向定電圧素子２８を用いているので、測定用導体２２の電圧が双方向定電圧素子２８の降伏電圧より小さいときは、双方向定電圧素子２８は阻止状態にあり電流測定器３０に電流は流れない。チャージアップ電圧が降伏電圧まで上昇した測定用導体２２があると、それに接続された双方向定電圧素子２８は導通状態になり、この双方向定電圧素子２８を通して、それに接続された電流測定器３０に、当該測定用導体２２のチャージアップに応じた極性および大きさの電流Ｉが流れる。各電流測定器３０は、この電流Ｉの極性および大きさをそれぞれ測定する。従って、このような測定用導体２２を基板２と似た状況に置くことによって、基板２のチャージアップを模擬的に測定することができる。
【００３２】
しかも、上記各測定用導体２２のチャージアップ電圧は、双方向定電圧素子２８の導通によって、双方向定電圧素子２８の降伏電圧以上には上昇しない。即ち、各測定用導体２２のチャージアップ電圧は、この降伏電圧以下に制限される。その結果、測定時に、測定用導体２２の電圧が低エネルギー電子の軌道に及ぼす影響を小さく抑えることができる。従って、基板２のチャージアップを模擬的にしかも高精度で測定することができる。
【００３３】
このチャージアップ測定装置２０による測定結果の例を図５〜図７に示す。これらの例は、８個の並設された測定用導体２２ａ〜２２ｈを用いてその各々に流れる電流Ｉを測定した結果である。測定用導体２２ｄ、２２ｅが中央に位置している。各電流Ｉの極性および大きさが、各測定用導体２２ａ〜２２ｈのチャージアップの極性および大きさを表している。ピーク位置が時間的に変化しているのは、イオンビーム１２のＸ方向の走査による結果である。
【００３４】
図５は、上記プラズマ供給源１４を使用しない場合の例であり、全ての測定用導体２２ａ〜２２ｈにイオンビーム１２の正電荷による正チャージアップが起きていることが分かる。
【００３５】
図６は、上記プラズマ供給源１４を使用したけれども、それから放出する電子量を最適化していない場合の例であり、端寄りの測定用導体２２ａ、２２ｈ等に比較的大きな正チャージアップが起きていることが分かる。これは、プラズマ供給源１４から放出した電子がイオンビーム１２の端部にまで十分に届いていない結果であると考えられる。
【００３６】
図７は、上記プラズマ供給源１４から放出する電子量を最適化した場合の例であり、端寄りの測定用導体２２ａ〜２２ｃに僅かに負チャージアップが起きているだけで、全体的にうまくチャージアップが抑制されていることが分かる。
【００３７】
上記各電流測定器３０の代わりに、各双方向定電圧素子２８を通して流れる正および負の電荷量Ｑをそれぞれ測定する複数の電荷量測定器３２を設けても良い。
【００３８】
各電荷量測定器３２は、例えば、図３に示す例のように、正の電荷量Ｑ1 を測定する電荷量測定器３６ａおよびダイオード３４ａと、負の電荷量Ｑ2 を測定する電荷量測定器３６ｂおよびダイオード３４ｂとを互いに並列接続した構成をしている。各電荷量測定器３６ａおよび各電荷量測定器３６ｂは、例えば、電流計および積分器から成る。
【００３９】
複数の電荷量測定器３２を設ける代わりに、一つの電荷量測定器で各双方向定電圧素子２８を通して流れる電荷量Ｑを切り換えて測定する構成を採用しても良い。図３中の各電荷量測定器３６ａおよび３６ｂについても同様である。
【００４０】
このような電荷量測定器３２を設けることによって、基板２のチャージアップを、電流の代わりに、通流電荷量によって模擬的にしかも高精度で測定することができる。
【００４１】
上記基板２を半導体基板として、その表面に、イオン注入によって例えば図８に示したようなＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０を形成するイオン注入装置に上記チャージアップ測定装置２０を用いる場合は、上記各双方向定電圧素子２８の降伏電圧は、当該ＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０のゲート酸化膜４の耐圧にほぼ等しくするのが好ましい。それによって、各測定用導体２２の最大チャージアップ電圧を、基板表面のＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０の最大チャージアップ電圧にほぼ等しくすることができるので、そのチャージアップを模擬的に、しかもより高精度で測定することができる。これは、前述したように、ＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０のチャージアップ電圧はそのゲート酸化膜４の耐圧以上には上昇しないのに対して、双方向定電圧素子２８の導通によって各測定用導体２２のチャージアップ電圧も降伏電圧以上に上昇しないので、より正確に基板２のチャージアップ状態を模擬することができるからである。
【００４２】
また、上記と同じく半導体基板の表面にＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０を形成するイオン注入装置に上記チャージアップ測定装置２０を用いる場合に、各双方向定電圧素子２８の降伏電圧を上記のようにすると共に、電流測定器３０ではなく上記のような電荷量測定器３２を用いても良い。これによって、チャージアップによってＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０のゲート酸化膜４を突き抜ける電荷量を模擬的に高精度で測定することができる。その結果、基板表面のＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０のチャージアップ状況の測定だけでなく、次のような測定も可能になる。
【００４３】
即ち、ＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０のゲート酸化膜４は、通常は自己回復能力を有しているけれども、それを突き抜ける全電荷量が所定値（例えば１０クーロン／ｃｍ2 ）以上になると、この自己回復能力は失われて、ゲート酸化膜４は絶縁破壊される。即ち、ＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０は絶縁破壊される。このゲート酸化膜４を突き抜ける電荷量を上記チャージアップ測定装置２０は模擬的に高精度で測定することができるので、ゲート酸化膜４ひいてはＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０の通流電荷量による破壊モードを模擬的に測定することも可能になる。即ち、ＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０が自己回復しない通流電荷量に対して、チャージアップによってどの程度の電荷量が流れたかということを、模擬的に測定することも可能になる。
【００４４】
図４は、この発明に係るチャージアップ測定装置をイオンビーム照射装置に用いた他の例を示す図である。図１の例との相違点を主体に説明すると、この例では、上記各双方向定電圧素子２８を通して流れる電流Ｉを、電流／電圧変換器３８によって電圧に変換し、更にＡ／Ｄ変換器４０によってディジタル信号に変換し、更に二つの積分器４２によって正側および負側をそれぞれ積分して正の電荷量Ｑ1 および負の電荷量Ｑ2 をそれぞれ演算し、それらを二つの比較器４４によって基準電荷量Ｑ0 とそれぞれ比較してその結果をプラズマ供給源制御器４６に与え、このプラズマ供給源制御器４６によって上記プラズマ供給源１４を制御する構成をしている。
【００４５】
上記基準電荷量Ｑ0 は、例えば基板２の表面に前述したようなＭＯＳ形電界効果トランジスタ１０を形成するイオン注入装置の場合は、前述したように１０クーロン／ｃｍ2 程度がゲート酸化膜４の非回復電荷量であるから、それに１より小さい（例えば０．１〜０．０１程度の）安全係数を掛けた値を選べば良い。
【００４６】
プラズマ供給源制御器４６は、例えば、正の電荷量Ｑ1 が基準電荷量Ｑ0 を超える入力点すなわち測定用導体２２が所定数以上あるときはプラズマ供給源１４から放出させるプラズマ１６の量を増加させ、負の電荷量Ｑ2 が基準電荷量Ｑ0 を超える入力点すなわち測定用導体２２が所定数以上あるときはプラズマ供給源１４から放出させるプラズマ１６の量を減少させる制御を行う。これによって、プラズマ供給源１４から放出させるプラズマ１６ひいては電子の量を、チャージアップ抑制に最適化することができる。それによって、例えば、図７に示したような良好な結果を得ることができる。
【００４７】
この図４の例では、各電流／電圧変換器３８およびＡ／Ｄ変換器４０が、図１に示した各電流測定器３０に相当しており、各電流／電圧変換器３８、Ａ／Ｄ変換器４０および積分器４２が、図１に示した各電荷量測定器３２に相当している。
【００４８】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、チャージアップ電圧が双方向定電圧素子の降伏電圧まで上昇した測定用導体があると、それに接続された双方向定電圧素子は導通状態になり、この双方向定電圧素子を通して、それに接続された電流測定器に、当該測定用導体のチャージアップに応じた極性および大きさの電流が流れ、それを電流測定器で測定することができるので、基板のチャージアップを模擬的に測定することができる。
【００４９】
しかも、上記各測定用導体のチャージアップ電圧は、双方向定電圧素子の導通によって、双方向定電圧素子の降伏電圧以上には上昇しないので、測定時に測定用導体の電圧が低エネルギー電子の軌道に及ぼす影響を小さく抑えることができる。従って、基板のチャージアップを模擬的にしかも高精度で測定することができる。
【００５０】
請求項２記載の発明によれば、各双方向定電圧素子を通して流れる正および負の電荷量をそれぞれ測定する電荷量測定器を設けているので、基板のチャージアップを、通流電荷量によって模擬的にしかも高精度で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るチャージアップ測定装置をイオンビーム照射装置に用いた一例を示す図である。
【図２】図１中の測定用導体周りの拡大側面図である。
【図３】電荷量測定器の一例を示す回路図である。
【図４】この発明に係るチャージアップ測定装置をイオンビーム照射装置に用いた他の例を示す図である。
【図５】図１に示したチャージアップ測定装置による測定結果の一例を示す図である。
【図６】図１に示したチャージアップ測定装置による測定結果の他の例を示す図である。
【図７】図１に示したチャージアップ測定装置による測定結果の更に他の例を示す図である。
【図８】半導体基板の表面に形成されたＭＯＳ形電界効果トランジスタの一例を拡大して示す概略断面図である。
【符号の説明】
２ 基板（半導体基板）
１０ ＭＯＳ形電界効果トランジスタ
１２ イオンビーム
１４ プラズマ供給源
２０ チャージアップ測定装置
２２ 測定用導体
２８ 双方向定電圧素子
３０ 電流測定器
３２ 電荷量測定器
Claims (2)
- 基板にイオンビームを照射するイオンビーム照射装置に用いられるものであって、前記イオンビームと交差する面に配列されていて前記イオンビームを受ける複数の測定用導体と、この各測定用導体にそれぞれ接続された複数の双方向定電圧素子と、この各双方向定電圧素子を通して流れる電流の極性および大きさをそれぞれ測定する電流測定器とを備えることを特徴とするチャージアップ測定装置。
- 基板にイオンビームを照射するイオンビーム照射装置に用いられるものであって、前記イオンビームと交差する面に配列されていて前記イオンビームを受ける複数の測定用導体と、この各測定用導体にそれぞれ接続された複数の双方向定電圧素子と、この各双方向定電圧素子を通して流れる正および負の電荷量をそれぞれ測定する電荷量測定器とを備えることを特徴とするチャージアップ測定装置。
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