JP4494992B2 - 半導体装置の製造方法及びそれを用いたイオン注入装置 - Google Patents

半導体装置の製造方法及びそれを用いたイオン注入装置 Download PDF

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Description

本発明は、半導体装置の製造方法及びそれを用いたイオン注入装置に関し、特に、容量性絶縁膜を有する半導体装置に対してイオン注入を行なう半導体装置の製造方法及びイオン注入装置に関する。
近年、半導体装置は、素子の微細化と共にゲート絶縁膜も薄膜化しているため、ゲート絶縁膜がプロセス中のチャージアップにより損傷を受けたり、絶縁破壊したりするおそれが高まっている。とりわけ、プラズマエッチング、プラズマCVD又はイオン注入によるチャージアップはプロセスにおける大きな問題となっている。
なかでもイオン注入は、正に帯電したイオンビームを半導体素子又は半導体基板に対して直接に打ち込むため、半導体素子の表面は正に帯電しやすく、とりわけゲート絶縁膜の厚さが薄い場合には、正のチャージアップによってゲート絶縁膜に絶縁破壊が生じやすい。さらに、電荷を捕獲するアンテナと呼ばれる電極部分の面積が大きいと、多くの電荷を捕集するため半導体素子の表面電位は上昇しやすい。捕集された電荷量が一定量を超え、ゲート絶縁膜に固有の破壊電荷量Qbdを超えたときに絶縁破壊が発生する(例えば、非特許文献1を参照。)。
これらのイオンビームによる絶縁破壊はビーム電流密度が高いほど起きやすい。また、イオン注入時のイオンに対する加速エネルギーについても、加速エネルギーが高い程チャージアップ破壊が発生しやすいことが知られている。そこで、チャージアップ破壊を発生させないように、イオン注入条件の加速エネルギー及びビーム電流をゲート絶縁膜の破壊電荷量Qbd以下となるイオン注入条件に設定することにより、絶縁破壊を避ける方法も提案されている(例えば、特許文献1を参照。)。
さらに、これらのイオンビームによる正のチャージアップを防止するため、電子フラッドガンにより正電荷を中和させるための電子を半導体素子上に供給する方法が知られている。しかしながら、これらの電子フラッドガンもイオンビームと同様に、負の電荷を半導体素子の表面に供給するため、表面が逆に負に帯電してしまい、負のチャージアップにより絶縁破壊が生じることも知られている。このため、電子フラッドガンによる電子のエネルギーを抑制することにより、電子フラッドガンの電子による半導体素子の表面における負のチャージアップを破壊電圧以下の値に抑制する技術も報告されている(例えば、特許文献2を参照。)。
しかしながら、電子フラッドガンによる負のチャージアップによってゲート絶縁膜の絶縁破壊が生じるおそれはなくなるものの、依然としてイオンビームによる正のチャージアップに起因するゲート絶縁膜の絶縁破壊は完全に抑止できているとはいえない。これは、イオン注入に用いられるイオンビームに対する電子フラッドガンによる電子の中和機構に依存しており、チャージアップの中和は、ビーム電流及び加速ネルギー等だけでなく、ビームの走査速度等にも依存する。
本願発明者らは、ビームの走査速度によりイオンビームによるチャージアップの状態が大きく異なることを見出した。ビームの走査方法は、半導体基板を固定しイオンビームを静電的又は電磁的にX−Y面内で2次元的に走査する方法、イオンビームを静電的又は電磁的に1次元に走査しながら、半導体基板をイオンビームの走査方向とは垂直な方向に1次元に機械的に走査する方法、イオンビームを固定し且つウェーハを回転ディスクに載置
し、ディスクを回転させながら、ディスクの径方向に1次元走査を行なう半径方向(r)−回転方向(θ)スキャンにより走査する方法、又はイオンビームを固定し半導体ウェーハをX−Y方向に機械的に走査する方法等多種多様であり、各方法によってイオンビームと半導体ウェーハとの間の相対線速度は大きく異なる。このように、極めて低速の走査から極めて高速の走査まで種々の走査速度が存在するため、これらの走査速度又は走査方法に依存することなく、正のチャージアップを抑制する方法が要望される。
特開平7−221306号公報 特許第3202002号公報 Hiroko KUBO et al.,"Quantitative Charge Build-Up EvaluationTechnique by Using MOS Capacitors with Charge Collecting Electrode in Wafer Processing",IEICE Transactions on Electronics Vol.E79-C No.2, pp.198-205, Feb. 1996 青木則茂著「半導体プロセスにおけるチャージング・ダメージ」第3章、(株)リアライズ社、平成8年(1996年)2月29日、p.187−194
本願発明者は、イオン注入におけるイオンビームによる正のチャージアップはゲート絶縁膜の絶縁破壊や劣化、PN接合の接合破壊や劣化等、半導体デバイスにとって致命的な損傷を及ぼすことを見出している。
前述したように、通常、イオンビームによる正のチャージアップを中和するために、負の電子をフラッドガンにより供給している。一方、電子フラッドガンについても負のチャージアップを引き起こすため、条件によっては電子フラッドガンにより半導体デバイスに損傷を与えることもある。このため、ゲート絶縁膜厚をd[cm]としたときに、電子のエネルギーを2d[cm]×10 [eV/cm]以下に抑制できる電子フラッドガンを用いることにより、電子フラッドガンによる損傷を低減できることが、上記の特許文献2に記載されている。従って、少なくとも電子フラッドガンによる負の過剰なチャージアップは、特許文献2に記載された電子フラッドガンを用いればデバイス構造によらず回避することが可能である。
しかしながら、正のチャージアップについては、該チャージアップがイオン注入ビームによってもたらされるため、正のイオンビームのエネルギーはプロセスで設計された値を採る必要があり、電子フラッドガンによる負の電子エネルギーのように一義的に決めることはできない。正のイオンビームのエネルギーは、プロセス設計によって通常は100eVから数百eV、ときには数MeVにまで設定される。また、正のイオンビーム電流についても数百μAから数十mAまで、そのドーズ量に応じて設定される。すなわち、正のイオンビームによるチャージアップは、ビーム電流密度及びビームの加速エネルギーによって大きく左右されることになる。これらは上記の特許文献1にも記載されている。
これまで、一般には正のイオンビーム電流に負の電子フラッドガンを照射すると、正のイオンビームは電子により中和されると考えられてきたが、正のイオンビームは負の電子により中和されているのではなく、図8(a)に示すように、正のイオンビーム101の周囲をフラッドガンから放出された電子102が取り巻いている構造であるとの報告がある(例えば、非特許文献2を参照。)。
具体的には、図8(b)に示すように、半導体ウェーハ103の表面を正のイオンビーム101が通過する際には、まず、半導体ウェーハ103の表面は、正のイオンビーム101を取り巻く前方側の電子102によって負にチャージアップされる。次に、正のイオンビーム101によって正にチャージアップされ、続いて、正のイオンビーム101を取り巻く後方側の電子102によって、再度、負にチャージアップされる。従って、電子フラッドガンにより正のチャージアップを中和する現象は、正のイオンビーム101により、一旦上昇した表面電位が、その後の負の電子フラッドガンにより低下しているに過ぎない。すなわち、イオンビームがウェーハ表面に照射されると同時に表面電位が中和されるのではなく、正にチャージアップした表面電位が負の電子フラッドガンにより元の電位に戻るに過ぎず、見かけ上の中和である。
図9(a)の表面電位図に示すように、電子による負の電位Aから、正のイオンビームにより、一旦は正の電位Bに上昇する。この時の電位の上昇率dV/dtはイオンのエネルギー及びイオンビームの電流密度によって決まる。また、最終的な上昇電位は、イオンビームが半導体ウェーハ上の1点を通過するのに要する時間で決まる。従って、イオンビームが1点に照射されつづければ電位は上昇し、やがてゲート絶縁膜の絶縁破壊耐圧105を超えることになる。
ゲート絶縁膜の絶縁破壊耐圧105を超えると、トンネル電流がゲート絶縁膜に流れ始めるため、表面電位の上昇は鈍くなるが、ゲート絶縁膜に過大な電流が流れ続けることから、ついには絶縁破壊に至る。すなわち、半導体ウェーハ上の1点においてビームを常に走査により移動し、表面電位が正のチャージアップにより破壊電圧に達しないうちに、電子フラッドガンによる電子により正のチャージアップ電圧を中和する必要がある。正のチャージアップによる破壊は、イオンビームの走査速度、すなわち半導体ウェーハ上の1点に対してイオンビームの相対速度が所定値よりも小さい場合に顕著に起こる。
すなわち、イオンビームと半導体ウェーハとの相対速度が小さいと、イオンビームが半導体ウェーハ上を通過するのに時間を要する。このため、イオンビームが通過する間に半導体ウェーハの表面電位がビームの電流密度に応じて上昇を続け、ついには絶縁破壊又はゲート絶縁膜の損傷に至る。
このように、電子フラッドガンによる電子は、ゲート絶縁膜が正のチャージアップにより損傷を受けるか又は破壊されてから照射されることになるため、電子フラッドガンでは正のチャージアップを確実に中和することはできない。
図9(b)に、複数の半導体ウェーハ103を回転ディスク104上に載置した状態で回転しながら、イオンビーム101を固定し且つ回転ディスク104自体をY方向(垂直方向)にスキャンする、いわゆるr−θスキャン法の概略を示す。イオンビーム101の半導体ウェーハ103に対するスキャンの相対速度を上げれば正のチャージアップを緩和できる可能性はあるが、イオンビーム101のスキャン速度はイオン注入装置の走査機構及びプロセス条件によっても影響を受けるため、任意の値に設定することはできない。従って、ビーム走査機構に拘わらず、イオンビーム101の出力側で正のチャージアップを抑制できることが望ましい。
本発明は、前記従来の問題を解決し、イオンビームの走査方法及び走査速度によらずに、半導体基板上に形成された半導体装置に対する正のチャージアップを抑制して、絶縁膜の絶縁破壊及び損傷を防止できるようにすることを目的とする。
前記の目的を達成するため、本発明は、半導体装置の製造方法を、イオンビームを半導体ウェーハ(半導体基板)又は半導体領域の一部に注入する際に、イオンビームをパルス状に照射する構成とする。
具体的に、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体領域の上に絶縁膜を形成する工程(a)と、絶縁膜が形成された半導体領域に対して、不純物イオンを注入する工程(b)とを備え、工程(b)において、不純物イオンを断続的に照射するパルス状のイオンビームとして半導体領域に注入することを特徴とする。
本発明の半導体装置の製造方法によると、不純物イオンを断続的に照射するパルス状のイオンビームとして半導体領域に注入するため、パルス状のイオンビームのパルス幅を調整することによって、イオンビームの半導体領域の表面への照射時間を単独で制御することができる。その結果、ビームの走査方法及び走査速度に拘わらず、正のチャージアップを抑制することが可能となる。すなわち、例えば電子フラッドガンにより正のチャージアップを確実に中和することが可能となるので、絶縁膜が容量性絶縁膜である場合に、該絶縁膜の絶縁破壊及び損傷を防止することができる。
本発明の半導体装置の製造方法において、絶縁膜は容量性絶縁膜であることが好ましい。さらに、容量性絶縁膜はゲート絶縁膜であることが好ましい。このようにすると、半導体素子の微細化によって薄膜化されるゲート絶縁膜における損傷を防止することができる。
本発明の半導体装置の製造方法は、工程(b)において、絶縁膜の膜厚をd[cm]としたときに、イオンビームは、パルス状の断続ビームのパルス幅t[s]が、t[s]≦(絶縁膜の単位面積当たりの静電容量[F/cm ×2d[cm]×10 [V/cm])/(イオンビームの平均電流密度[A/cm )を満たすように注入することが好ましい。
本発明の半導体装置の製造方法において、半導体領域は半導体基板又は半導体基板上に形成された半導体層であり、工程(b)において、イオンビームを固定し、且つ半導体基板をその基板面内で2次元に走査するか又は基板面内で回転走査することが好ましい。
本発明の半導体装置の製造方法において、半導体領域は半導体基板又は半導体基板上に形成された半導体層であり、工程(b)において、イオンビームを半導体基板の基板面内で静電的又は電磁的に第1の方向に走査し、且つ半導体基板をその基板面内で第1の方向と交差する第2の方向に走査することが好ましい。
本発明の半導体装置の製造方法において、半導体領域は半導体基板又は半導体基板上に形成された半導体層であり、工程(b)において、イオンビームを半導体基板の基板面内で静電的又は電磁的に2次元に走査することが好ましい。
本発明の半導体装置の製造方法において、工程(b)は、イオンビームの注入によって半導体領域が正に帯電することを防止するための電子を電子フラッドガンにより半導体領域の上方に供給する工程を含み、電子フラッドガンによる電子のエネルギーE[eV]は、E[eV]≦2d[cm]×10 7 [eV/cm]であることが好ましい。
本発明の半導体装置の製造方法において、パルス状のイオンビームにおけるパルスのデューティー比は、0よりも大きく且つ50%以下であることが好ましい。
本発明に係る第1のイオン注入装置は、イオンビームを連続的に出力するイオンビーム発生器と、出力されたイオンビームから、所定のイオン種をその質量により弁別する質量分析器と、出力されたイオンビームの通過線上に配置され、連続的なイオンビームからパルス状の断続的なイオンビームを生成するビーム遮蔽器とを備えていることを特徴とする。
第1のイオン注入装置によると、出力されたイオンビームの通過線上に配置され、連続的なイオンビームからパルス状の断続的なイオンビームを生成するビーム遮蔽器を備えているため、イオンビームが被照射物の表面に断続的に照射される。このため、被照射物の表面電位が上昇しにくくなるので、電子フラッドガンにより正のチャージアップを確実に中和することが可能となる。その結果、被照射物に容量性絶縁膜が形成されている場合に、該容量性絶縁膜の絶縁破壊及び損傷を防止することができる。
第1のイオン注入装置において、ビーム遮蔽器は、板状部材と、該板状部材をその板面の法線を回転軸として回転させる回転機構とを有し、板状部材の板面には、それぞれがイオンビームを通過させる複数の第1の開口部が回転軸を中心とする円の周上に等間隔に設けられていることが好ましい。
この場合に、板状部材の板面における複数の第1の開口部の外側又は内側の領域で且つ回転軸を中心とする他の円周上に、複数の第2の開口部が等間隔に設けられていることが好ましい。
第1のイオン注入装置において、ビーム遮蔽器は、円盤状部材と、該円盤状部材をその盤面の法線を回転軸として回転させる回転機構とを有し、円盤状部材の周縁部には、イオンビームを遮蔽する複数の羽根が互いに等間隔に設けられていることが好ましい。
第1のイオン注入装置において、ビーム遮蔽器は、板状部材と、該板状部材をその板面に平行な方向に往復運動させる1次元駆動機構とを有し、板状部材の板面には、それぞれがイオンビームを通過させる複数の開口部が線状に等間隔に設けられていることが好ましい。
第1のイオン注入装置において、ビーム遮蔽器は、質量分析器とイオンビームを注入する対象物(被照射物)との間に設けられていることが好ましい。
第1のイオン注入装置において、イオンビーム発生器は、イオン源からイオンビームを出力するイオンビーム引き出し部を有し、ビーム遮蔽器は、イオンビーム引き出し部と質量分析器との間に設けられていることが好ましい。
本発明に係る第2のイオン注入装置は、イオンビーム発生器と、イオンビーム発生器から出力されたイオンビームから、所定のイオン種をその質量により弁別する質量分析器とを備え、イオンビーム発生器は、イオン源からイオンビームを出力するイオンビーム引き出し部と、イオンビーム引き出し部に対して加速電圧をパルス状に印加することにより、イオンビームをパルス状に出力させるパルス発生部とを有していることを特徴とする。
第2のイオン注入装置によると、イオンビーム引き出し部に対して加速電圧をパルス状に印加することにより、イオンビームをパルス状に出力させるパルス発生部を有しているため、イオンビームが被照射物の表面に断続的に照射される。このため、被照射物の表面電位が上昇しにくくなるので、電子フラッドガンにより正のチャージアップを確実に中和することが可能となる。その結果、被照射物に容量性絶縁膜が形成されている場合に、該容量性絶縁膜の絶縁破壊及び損傷を防止することができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法及びイオン注入装置によると、イオンビームの半導体ウェーハ(半導体領域)表面への照射時間をイオンビームのパルス幅を調整することにより単独で制御できるため、イオンビームの走査方法及び走査速度に拘わらず、正のチャージアップを抑制することが可能となる。その結果、半導体ウェーハ上にゲート絶縁膜等の容量性絶縁膜が形成されている場合に、該絶縁膜の絶縁破壊及び損傷を防止することができる。
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1(a)は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法に用いるパルス状のイオンビームの電圧−時間特性を示し、図1(b)は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法によるイオン注入方法を用いた場合の、半導体ウェーハに形成された半導体素子表面の電位の変化を示している。ここでは、半導体素子として、膜厚が2.0nmで酸化シリコン(SiO2 )からなるゲート絶縁膜を有するMOSトランジスタにおけるゲート電極の表面電位を示している。
図1(a)に示すような、パルス幅tを持つ断続的なイオンビーム1がMOSトランジスタに照射された場合には、図1(b)に示すようにゲート電極の表面電位Vini は、まず、電子フラッドガンから出力され、イオンビーム1を取り巻く電子(図示せず)によって、一旦、負にチャージアップする。但し、このとき、電子フラッドガンから供給される電子のエネルギーは、ゲート絶縁膜の膜厚d[cm]に対し2d[cm]× 10 7 [eV/cm]以下に制限されており、最大でも2d[cm]× 10 7 [eV/cm]以上にはならないため、電子フラッドガンにより絶縁破壊を起こすことはない。例えばゲート絶縁膜の膜厚が2.0nmの場合には、負の最大電圧は−4Vとなる。次に、正のイオンビーム1により、表面電位は負から正に変化する。この時の電位の変化率dV/dtは、イオンビーム1の電流密度J[A/cm]とゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量C[F/cm ]で決まる。すなわち、単純にはビームの電流密度Jが高ければ高い程、表面電位の単位時間当たりの上昇速度は大きくなる。
一方、正の表面電位はイオンビーム1の照射時間と共に増加する。これは、Q=CV及びQ=Jtの関係から、V=Jt/Cと表わされるため、照射時間t[s]が長い程、表面電位の上昇は大きくなる。従って、ビームの照射時間を短くすると、正の電位上昇をゲート絶縁膜の破壊電圧4よりも小さくすることができる。ここで、仮にt=∞(ビーム静止状態)とすると、正のイオンビーム1によりゲート電極の電位が上昇を続け、破壊電圧4を超えた電圧によってゲート絶縁膜に多量のトンネル電流が流れ始め、やがて電位は飽和する。その間、ゲート絶縁膜中を多量の正の電荷が通過することにより、ゲート絶縁膜は破壊に至る。
しかしながら、第1の実施形態においては、図1(a)に示すように、イオンビーム1の照射時間をイオンビーム1のパルス幅t[s]で制限するため、どのようなビーム走査状態でも、たとえビームが静止していても、正の表面電位は一定値以上に上昇することはない。すなわち、前述したように、正のイオンビーム1の周囲には該イオンビーム1を取り巻くように電子フラッドガンによる電子が存在しており、通常この電子はイオンビーム1が走査されることにより、負(フラッドガン)−>正(ビーム)−>負(フラッドガン)と順次変化して、イオンビーム1による正のチャージアップを中和する。
さらに、イオンビーム1を走査せず静止状態としたとしても、該イオンビーム1をパルス状に出力することにより、パルス状に出力されたイオンビーム1が途切れた瞬間に、今までビームが存在していた部分は電子フラッドガンの電子により充満される。このため、パルス状のイオンビーム1が照射されない期間には、半導体素子の表面は負電位となって、それまで照射されていた正のイオンビーム1による正電圧が中和される。従って、イオンビーム1の走査速度の如何に拘わらず、パルス状のイオンビーム1を照射することにより、半導体素子に生じる正のチャージアップを抑制することができる。
ところで、パルス状のイオンビーム1における正のチャージアップを抑制可能なパルス幅は以下のようにして算出することができる。
ゲート絶縁膜の膜厚をd[cm]、パルス幅をt[s]及びビーム電流密度をJ[A/cm]とすると、ゲート絶縁膜を絶縁破壊に至らしめない電子のエネルギーは、特許文献2に記されているように最大で2d[cm]× 10 7 [eV/cm]である。従って、絶縁破壊に至らしめない最大電位は2d[cm]× 10 7 [V/cm]に等しいため、この2d[cm]× 10 7 [V/cm]を指標とすると、ゲート絶縁膜が2nmの場合は、最大電圧は絶対値で4Vとなる。一方、Q=CVの関係式から、Q=Jt、V=2d[cm]× 10 7 [V/cm]で表わされるため、t≦Q/Jに代入して式(1)を得る。
[s]≦{(ゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量=C[F/cm )×2d[cm]× 10 7 [V/cm]}/J[A/cm …(1)
さらに、C=εεの関係から、式(2)を得る。
[s]≦(2εε×10[C/cm /J[A/cm …(2)
ここで、εはゲート絶縁膜の比誘電率であり、εは真空の誘電率である。
式(2)から分かるように、正のチャージアップ破壊を起こさないビームの照射時間は、ゲート絶縁膜の膜厚d[cm]にはよらず、単にビーム電流密度J[A/cm の関数となる。例えば、ビーム電流密度Jを3mA/cmと見積もると、イオンビーム1を照射する最大時間tはt≦2.3msと計算できる。従って、ビーム電流密度が3mA/cmの場合は、パルス幅を2.3ms以下に設定すれば、どのようなビーム走査条件でも絶縁破壊を生じることはない。
第1の実施形態においては、パルス状のイオンビーム1のデューティー比を50%としている。パルスのデューティー比を50%とすることにより、イオンビーム1をパルス状とせず連続して注入する場合と比べて、注入に要する時間は最大で2倍以内に抑えることができる。なお、デューティー比は0%よりも大きく50%以下であればよく、スループットが最大となるデューティー比は50%である。デューティー比を50%以上とすると電子フラッドガンの電子による正のチャージアップの中和を十分に行なえないおそれがある。
このパルス幅の妥当性について、現状の半導体基板走査型のイオン注入装置を用いて検証する。ここでは直径が900mmの円盤ディスクを有するバッチ型イオン注入装置を対象として、ビーム電流密度を3mA/cm2 とした場合のビーム照射時間を計算する。通常、円盤ディスクの回転数は100rpm以上且つ1200rpm以下程度であり、仮に回転数を最も低い100rpmとした場合の半導体基板上の1点におけるイオンビーム1の照射時間を計算する。
ここで、ビーム径を約20mmとすると、毎秒のイオンビーム1と半導体基板との線速度は4.71m/sとなる。このとき、径が20mmのビームの半導体基板上の1点の通過時間は4.2msとほぼパルス幅の2倍の値を示す。このとき、イオンビーム1の電流分布を考えると、ビーム電流がガウシアン分布をとると仮定して、実効的なビーム径は20mmよりも小さいと考えられるため、通過時間は4.2msよりも短くなる。いずれにせよ、これよりも高速の線速度でスキャンすれば、正のチャージアップが発生するおそれはさらに低下する。
ところで、パルス状のイオンビーム1をイオン注入に用いる第1の実施形態においては、ビームの走査速度に関係なく正のチャージアップを抑制することができることはいうまでもない。
例えば、図1(c)に示すように、イオンビーム1を固定し、半導体ウェーハ7を固定したプラテン8をアーム9により、X方向に周期2Hzでスキャンしながら、アーム9をY方向に10mm/sの速度で走査することによりビームスキャンを行なった。このときの半導体ウェーハ7とイオンビーム1との相対線速度は0.8m/sである。イオンビーム1の径を20mmとすると、イオンビーム1の半導体ウェーハ7上の1点でのビーム照射時間は25msとなる。このようなビーム照射であっても、正のチャージアップによるゲート絶縁膜の絶縁破壊は生じないことを確認している。
なお、イオンビーム1と半導体ウェーハ7との相対線速度は、7m/s以下であることが好ましい。
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図2(a)は本発明の第2の実施形態に係るイオン注入装置であって、第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を実現するイオン注入装置の要部を模式的に示している。
図2(a)に示すように、第2の実施形態に係るイオン注入装置は、半導体ウェーハ50に不純物イオンとして注入されるイオンを発生するイオン源10と、イオン源10から連続したイオンビーム12Aを引き出し可能な引き出し加速器11と、引き出された連続イオンビーム12Aからパルス状の断続イオンビーム12Bを生成するビーム遮蔽器13と、生成された断続イオンビーム12Bから所定のイオン種を弁別する質量分析器14と、弁別されたイオンを半導体ウェーハ50に導入するビームスリット15と、複数の半導体ウェーハ50を載置し且つその載置面内で半導体ウェーハ50を回転する回転ディスク16とを有している。また、ビームスリット15と回転ディスク16との間には、正のチャージアップを中和する熱電子を生成して、半導体ウェーハ50の上方に放出する電子フラッドガン17が配置されている。
図2(b)にビーム遮蔽器13の一例を示す。図2(b)に示すように、ビーム遮蔽器13は、例えばグラファイトからなる円盤20と、該円盤20の盤面の中心を回転軸に持つ回転機構25とを有している。
円盤20の半径r1は150mmであり、中心軸から半径r2が127.3mmの円周上に、それぞれの開口径が約20mmの第1の開口部20aが20個形成されている。また、盤面の中心から半径r3が57.3mmの円周上に、それぞれの開口径が20mmの第2の開口部20bが9個形成されている。
ここで、第1の開口部20aの開口径と該開口部20a同士の間隔(非開口部)との比率を1:1すなわちデューティー比を50%とすると、回転数を1000rpmとすれば、チョッピングで得られるパルス幅は1.5msとなり、パルス幅を2ms以下にまで調整することが可能である。
従って、第1の実施形態に示したように、2.3msのパルス幅を得るためには、円盤20を652rpmで回転させればよい。
また、円盤20の開口部分と非開口部とのデューティー比、すなわちパルスのデューティー比を変化させるには、イオンビームを第2の開口部20bに通過させればよい。
なお、円盤20の平面形状は必ずしも円形状である必要はなく、楕円形状又は長円形状でもよく、さらには三角形以上の多角形状であってもよい。
以上説明したように、第2の実施形態によると、機械的なビーム遮蔽器13を引き出し加速器11と質量分析器14との間に設けることにより、パルス状の断続イオンビーム12Bを形成することが可能となる。また、ビームの遮蔽手段に複数の開口部20a等を設けた円盤20を用いる場合には、開口部20a等を配置する円周の半径r1、r2等及び回転数を調整することにより、パルス幅が1μs程度の断続イオンビーム12Bをも容易に生成することができる。
但し、第1の実施形態に示したように、パルス幅は1ms程度であればよく、この程度のパルス幅の場合は特殊な構成や機構を付加することなく、簡便な機械的ビームチョッピング装置を有するイオン注入装置を実現できる。
また、イオン注入装置には、イオン源10からイオンビームを引き出し加速器11により加速するだけでなく、質量分析器14の後にもさらに加速を行なう構成があり、そのような場合には、本実施形態のように、引き出し加速器11と質量分析器14との間にビーム遮蔽器13を配する構成が実現しやすい。
図3は第2の実施形態に係るイオン注入装置を用いて、第1の実施形態に係るイオン注入条件でのイオン注入を従来例と比較して行なった場合の、アンテナ比が102 倍から106 倍までの、いわゆるアンテナMOSキャパシタの絶縁破壊率を百分率で表わしている。イオン種はヒ素(As)とし、注入エネルギーは20keVとし、ドーズ量は1×1016/cm2 とし、ビームの電流密度は3mA/cm2 としている。中和のための電子フラッドガンは、電子エネルギーが3eV以下となるように調整している。また、ゲート絶縁膜は膜厚が2.0nmのシリコン酸化膜を用いた。
従来例に係るイオン注入法として、連続イオンビームを固定し且つ半導体ウェーハを機械的にX−Yスキャンする方式とし、ビームと半導体ウェーハとの相対線速度を0.8m/sに設定した。
これに対し、本発明の第2の実施形態に係るイオン注入法として、ビーム遮蔽器13には図2(b)に示す円盤20を用い、該円盤20を回転数750rpmで回転させながら第1の開口部20aに連続イオンビーム12Aを照射した。これにより、断続イオンビーム12Bのパルス幅は2msとなり、デューティー比は50%を得られた。ビームスキャン部は従来例と同等の構成となるように、断続イオンビーム12Bを固定し且つ半導体ウェーハを機械的にX−Yスキャンする方式とし、ビームと半導体ウェーハとの相対速度は0.8m/sとした。
その結果、図3に示すように、106 倍までのアンテナ比において、本発明に係るイオン注入方法の場合には絶縁膜の破壊率は0%であり、ビームのスキャン機構及び照射速度を従来例と同一とした場合であっても、本発明に係るパルス状のイオンビームを用いることにより、正のチャージアップが抑制できることが分かる。
(第2の実施形態の第1変形例)
以下、本発明の第2の実施形態の第1変形例について図面を参照しながら説明する。
図4は本発明の第2の実施形態の第1変形例に係るイオン注入装置であって、第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を実現するイオン注入装置の要部を模式的に示している。図4において、図2(a)に示した構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
第1変形例に係るイオン注入装置は、ビーム遮蔽器13を質量分析器14とビームスリット15との間に配置している。さらには、パルス状の断続イオンビーム12Bを半導体ウェーハ50に照射する機構として、複数の半導体ウェーハ50を回転ディスク16上に載置して回転させる代わりに、ビームスリット15と半導体ウェーハ50との間に、パルス状のイオンビーム12Bの進行方向を電磁的に変更可能な静電スキャン電極18を設けている。従って、ここでは、半導体ウェーハ50を1枚ずつ処理する枚葉式としている。
断続ビーム12Bは、静電スキャン電極18によって、X方向に例えば200Hzでスキャンされる。また、半導体ウェーハ50はY方向に例えば10mm/sでスキャンされる。
(第2の実施形態の第2変形例)
図5に示すように、ビーム遮蔽器13を構成する円盤20Aに複数の開口部20a、20bを設ける代わりに、円盤20Aの周縁部に複数の切り欠き部20cを設け、円盤20Aの残部を回転羽根20dとする構成でもよい。ここでも、円盤20Aの半径r1及び切り欠き部20cの個数及び中心位置を決定する半径r2並びに円盤20Aの回転数を調整することにより、パルス状の断続ビーム12Bのパルス幅を任意に決定することができる。
(第2の実施形態の第3変形例)
図6に示すように、ビーム遮蔽器13を構成する円盤20に代えて、複数の開口部30aを線状(列状)に設けたスリット板30を用いてもよい。
本変形例においては、3つの開口部30aをスリット板30に設けており、スリット板30における開口部30aの配置線上には、該スリット30板を開口部30aの線上に沿って1次元方向に往復運動させるスリットX駆動部31を有している。ここでは、各開口部30aの一辺を30mmとし、各開口部30a同士の間隔を30mmとしている。
従って、スリット板30の長手方向における一方の開口部30aの外側の領域からその反対側の他方の開口部30aの外側の領域までの180mmの距離(振幅)を100Hzで往復運動させて、連続イオンビーム12Aをチョッピングすることにより、パルス状の断続イオンビーム12Bを形成する。このときのイオンビームの照射時間は、ビーム径を20mmとすれば約1msとなり、第1の実施形態で示したパルス幅である2.3msを十分に満足することができる。
なお、ビーム遮蔽器13は、開口部と非開口部とを回転させて連続イオンビーム12Aから断続イオンビーム12Bを生成する方が、スリット板30を1次元方向に往復させて断続イオンビーム12Bを生成する場合よりもパルス幅を変化させるのが容易であり、且つ装置の耐久性も高くなる。
(第3の実施形態)
以下、本発明の第3の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図7は本発明の第3の実施形態に係るイオン注入装置であって、第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を実現する他のイオン注入装置の要部を模式的に示している。
図7に示すように、第3の実施形態に係るイオン注入装置は、半導体ウェーハ50に不純物イオンとして注入されるイオンを発生するイオン源40と、イオン源40において生成された連続イオンビーム42Aをパルス状の断続イオンビーム42Bとして引き出す引き出し加速器41と、引き出された断続イオンビーム42Bから所定のイオン種を弁別する質量分析器43と、弁別されたイオンを半導体ウェーハ50に導入するビームスリット44とを有している。
第3の実施形態においては、引き出し加速器41自体に断続イオンビーム42Bを出力させる構成であり、そのため、引き出し電圧をパルス状に印加可能な可変パルスジェネレータ45と、可変パルスジェネレータ45が発生した電圧パルスを増幅して、パルス状の引き出し電圧を引き出し加速器41に供給する電圧増幅器46と、外部から入力されたビーム電流密度及びデューティー比によりプログラムされたパルス幅及びデューティー比をあらかじめ演算して可変パルスジェネレータ45に出力するパルス幅演算器47とを有している。
また、ビームスリット44におけるイオンビームの進行側には、半導体ウェーハ50を走査するビーム走査部48を有している。
なお、質量分析器43と半導体ウェーハ50との間に、加速器がさらに設けられる構成であっても、断続イオンビーム42Bはパルス部分だけが加速されるため問題は生じない。
第3の実施形態においては、半導体ウェーハ50に対してイオン注入を行なうドーズ量によってビーム電流が計算される。計算されたビーム電流と、前述の式(2)で示したt[s]≦(2εε×10[C/cm /J[A/cm の関係をパルス幅演算器47で算出して、断続イオンビーム42Bのパルス幅を決定する。デューティー比は任意の値に変更できるが、ここでは50%としている。
一例として、ビーム電流密度を3mA/cm2 とし、パルス幅を2msとし、デューティー比を50%として、電圧増幅器46から引き出し加速器41にパルス電圧を印加することにより、パルス状の断続イオンビーム42Bを引き出すことができる。ここでは、イオン種には、ヒ素(As)イオンを用いて、加速エネルギーが20keV、ドーズ量が1×1016/cm2 の注入条件で半導体ウェーハ50に対してイオン注入を行なった。
ここでは、ビーム走査部48において、断続イオンビーム42Bを固定しておき、半導体ウェーハ50を保持するプラテン49をアーム51によりX方向に周期が2Hzで振幅が400mmの往復運動を行ないながら、且つY方向にプラテン49を10mm/sの速度で移動させることにより、断続イオンビーム42Bのスキャンを行なった。このとき、断続イオンビーム42Bのビーム径を20mmとすれば、イオンビーム42Bの照射時間は25msとなる。
この注入条件で、膜厚が2.0nmのゲート絶縁膜の106 倍のアンテナを持つMOSキャパシタの絶縁破壊を調査した結果、ゲート絶縁膜の破壊率は1%以下であり、正電圧及び負電圧によるチャージアップ破壊はいずれも観察されなかった。
一方、上記と同一条件でアンテナキャパシタに連続ビームによるイオン注入を行なった場合には、絶縁破壊率は90%以上であり、正のチャージアップにより絶縁破壊を起こすことを確認している。この結果から、パルス状のイオンビームを用いることにより、正のチャージアップを大幅に低減できることが分かる。
本発明に係る半導体装置の製造方法及びそれを用いたイオン注入装置は、イオンビームの半導体ウェーハ表面への照射時間をイオンビームのパルス幅を調整することにより単独で制御できるため、イオンビームの走査方法及び走査速度に拘わらず、正のチャージアップを抑制することが可能となるという効果を有し、容量性絶縁膜を有する半導体装置に対してイオン注入を行なう半導体装置の製造方法及びイオン注入装置等に有用である。
(a)は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるパルス状のイオンビームの電圧−時間特性図である。(b)は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を用いた場合の半導体ウェーハに形成された半導体素子表面の電位変化を示すグラフである。(c)は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法における断続イオンビームの半導体ウェーハに対するスキャン方法を示す模式的な斜視図である。 (a)本発明の第2の実施形態に係るイオン注入装置の要部を示す模式図である。(b)は本発明の第2の実施形態に係るイオン注入装置におけるビーム遮蔽器の一例を示す平面図及び断面図である。 本発明の第2の実施形態に係るイオン注入装置を用いてイオン注入を行なった場合を従来例と比較して示したMOSキャパシタのアンテナ比と絶縁破壊率との関係をを表わしたグラフである。 本発明の第2の実施形態の第1変形例に係るイオン注入装置の要部を示す模式図である。 本発明の第2の実施形態の第2変形例に係るイオン注入装置におけるビーム遮蔽器の一例を示す平面図である。 本発明の第2の実施形態の第3変形例に係るイオン注入装置におけるビーム遮蔽器の一例を示す平面図及び断面図である。 本発明の第3の実施形態に係るイオン注入装置の要部を示す模式図である。 (a)はイオンビームと電子フラッドガンによる電子との位置関係を示す模式図である。(b)はイオンビームとそれを取り巻くフラッドガンによる電子とが半導体ウェーハ表面を走査したときの半導体ウェーハ表面における電位を示す模式図である。 (a)は従来例であって、図8(b)のイオンビームとそれを取り巻く電子フラッドガンによる電子とを用いて半導体ウェーハを走査した場合の半導体ウェーハ表面の電位の変化と最大破壊電圧との関係を示すグラフである。(b)は従来例に係るイオンビームのスキャン方法の一例を示す模式的な斜視図である。
符号の説明
1 イオンビーム
7 半導体ウェーハ
8 プラテン
9 アーム
10 イオン源
11 引き出し加速器
12A 連続イオンビーム
12B 断続イオンビーム
13 ビーム遮蔽器
14 質量分析器
15 ビームスリット
16 回転ディスク
17 電子フラッドガン
18 静電スキャン電極
20 円盤
20a 第1の開口部
20b 第2の開口部
20A 円盤(回転羽根付き)
20c 切り欠き部
20d 回転羽根
25 回転機構
30 スリット板
30a 開口部
31 スリットX駆動部
40 イオン源
41 引き出し加速器
42A 連続イオンビーム
42B 断続イオンビーム
43 質量分析器
44 ビームスリット
45 可変パルスジェネレータ
46 電圧増幅器
47 パルス幅演算器
48 ビーム走査部
49 プラテン
50 半導体ウェーハ
51 アーム

Claims (14)

  1. 半導体領域の上に絶縁膜を形成する工程(a)と、
    前記絶縁膜が形成された前記半導体領域に対して、電子フラッドガンにより電子を前記半導体領域の上方に供給しながら不純物イオンを注入する工程(b)とを備え、
    前記工程(b)において、前記不純物イオンを断続的に照射するパルス状のイオンビームとして前記半導体領域に注入することを特徴とする半導体装置の製造方法であって、
    前記工程(b)において、前記絶縁膜の膜厚をd[cm]としたときに、前記イオンビームは、前記パルス状の断続ビームのパルス幅t[s]が、
    t[s]≦(絶縁膜の単位面積当たりの静電容量[F/cm2]×2d[cm]×107 [V/cm])/(イオンビームの平均電流密度[A/cm2])を満たすように注入し、
    前記パルス状のイオンビームにおけるパルスのデューティー比は、0よりも大きく且つ50%以下であり、
    前記電子フラッドガンによる電子のエネルギーE[eV]は、E[eV]≦2d[cm]×10 7 [eV/cm]であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記絶縁膜は容量性絶縁膜であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記絶縁膜はゲート絶縁膜であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記半導体領域は半導体基板又は半導体基板上に形成された半導体層であり、
    前記工程(b)において、
    前記イオンビームを固定し、且つ前記半導体基板をその基板面内で2次元に走査するか又は基板面内で回転走査することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記半導体領域は半導体基板又は半導体基板上に形成された半導体層であり、
    前記工程(b)において、
    前記イオンビームを前記半導体基板の基板面内で静電的又は電磁的に第1の方向に走査し、且つ前記半導体基板をその基板面内で前記第1の方向と交差する第2の方向に走査することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記半導体領域は半導体基板又は半導体基板上に形成された半導体層であり、
    前記工程(b)において、
    前記イオンビームを前記半導体基板の基板面内で静電的又は電磁的に2次元に走査することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  7. イオンビームを連続的に出力するイオンビーム発生器と、
    出力されたイオンビームから、所定のイオン種をその質量により弁別する質量分析器と、
    出力されたイオンビームの通過線上に配置され、連続的なイオンビームからパルス状の断続的なイオンビームを生成するビーム遮蔽器と
    半導体領域の上方に電子を供給する電子フラッドガンとを備え、
    前記ビーム遮蔽器は、絶縁膜が形成された前記半導体領域に不純物イオンを注入する際に、前記絶縁膜の膜厚をd[cm]としたときに、前記パルス状のイオンビームを、前記パルス状の断続ビームのパルス幅t[s]が、
    t[s]≦(絶縁膜の単位面積当たりの静電容量[F/cm2]×2d[cm]×107 [V/cm])/(イオンビームの平均電流密度[A/cm2])を満たすように生成し、
    前記パルス状のイオンビームにおけるパルスのデューティー比は、0よりも大きく且つ50%以下であり、
    前記電子フラッドガンによる電子のエネルギーE[eV]は、E[eV]≦2d[cm]×10 7 [eV/cm]であることを特徴とするイオン注入装置。
  8. 前記ビーム遮蔽器は、板状部材と、該板状部材をその板面の法線を回転軸として回転させる回転機構とを有し、
    前記板状部材の板面には、それぞれが前記イオンビームを通過させる複数の第1の開口部が前記回転軸を中心とする円周上に等間隔に設けられていることを特徴とする請求項に記載のイオン注入装置。
  9. 前記板状部材の板面における前記複数の第1の開口部の外側又は内側の領域で且つ前記回転軸を中心とする他の円周上に、複数の第2の開口部が等間隔に設けられていることを特徴とする請求項に記載のイオン注入装置。
  10. 前記ビーム遮蔽器は、円盤状部材と、該円盤状部材をその盤面の法線を回転軸として回転させる回転機構とを有し、
    前記円盤状部材の周縁部には、前記イオンビームを遮蔽する複数の羽根が互いに等間隔に設けられていることを特徴とする請求項に記載のイオン注入装置。
  11. 前記ビーム遮蔽器は、板状部材と、該板状部材をその板面に平行な方向に往復運動させる1次元駆動機構とを有し、
    前記板状部材の板面には、それぞれが前記イオンビームを通過させる複数の開口部が線状に等間隔に設けられていることを特徴とする請求項に記載のイオン注入装置。
  12. 前記ビーム遮蔽器は、前記質量分析器と前記イオンビームを注入する対象物との間に設けられていることを特徴とする請求項7〜10のいずれか1項に記載のイオン注入装置。
  13. 前記イオンビーム発生器は、イオン源からイオンビームを出力するイオンビーム引き出し部を有し、
    前記ビーム遮蔽器は、前記イオンビーム引き出し部と前記質量分析器との間に設けられていることを特徴とする請求項7〜11のいずれか1項に記載のイオン注入装置。
  14. イオンビーム発生器と、
    前記イオンビーム発生器から出力されたイオンビームから、所定のイオン種をその質量により弁別する質量分析器と
    半導体領域の上方に電子を供給する電子フラッドガンとを備え、
    前記イオンビーム発生器は、
    イオン源からイオンビームを出力するイオンビーム引き出し部と、
    前記イオンビーム引き出し部に対して加速電圧をパルス状に印加することにより、イオンビームをパルス状に出力させるパルス発生部とを有し、
    前記パルス発生部は、絶縁膜が形成された前記半導体領域に不純物イオンを注入する際に、前記絶縁膜の膜厚をd[cm]としたときに、前記パルス状のイオンビームを、前記パルス状の断続ビームのパルス幅t[s]が、
    t[s]≦(絶縁膜の単位面積当たりの静電容量[F/cm2]×2d[cm]×107 [V/cm])/(イオンビームの平均電流密度[A/cm2])を満たすように生成し、
    前記パルス状のイオンビームにおけるパルスのデューティー比は、0よりも大きく且つ50%以下であり、
    前記電子フラッドガンによる電子のエネルギーE[eV]は、E[eV]≦2d[cm]×10 7 [eV/cm]であることを特徴とするイオン注入装置。
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