JPH04123755A - イオン注入装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は半導体製造プロセスで半導体基板に不純物層
等を形成する際に用いられるメカニカルスキャン方式の
イオン注入装置に関する。

〔従来の技術〕

半導体基板に不純物層を形成する方法の１つとして、イ
オン注入法がある。第６図はイオン注入装置の中でも大
電流イオン注入機として区別され、そのイオン注入方式
がメカニカルスキャン方式である従来のイオン注入装置
を示す概略構成図である。このイオン注入装置の構成は
、イオン源部２゜ビームライン部３．注入室４の３つの
コンポーネントに大別される。

イオン源部２は、アーク放電によって高密度プラズマを
生成し所望の不純物イオンを発生させるイオン源５と、
イオンを静電的に引き出し、かつ加速エネルギーを与え
てイオンビーム７を出射させる引き出し電極系６て構成
される。

ビームライン部３は、イオン源部２より出射されたイオ
ンビーム７から必要なドーパントイオンを選択する磁場
偏向型の質量分析器８と、さらに分解能を高める分析ス
リット（図示せず）からｔ成される。

注入室４は、ビーム電流を計測するファラデーケージ９
と、ファラデーケージ９を通過するイレンビーム７を捕
集するビーム捕集板１ｏと、複裏の半導体基板１１が載
置され、ドーバントイオレか半導体基板１１に均一に注
入されるように回もならびに往復運動するサセプタ１２
と、半導体〃板１１の帯電を中和する電子を供給するた
めの１荷中和器１３とて構成される。

このように構成されたイオン注入装置を用いて次のよう
にしてイオン注入が行われる。まず、イオン源５にドー
パントガスあるいは固体蒸気を供給し、アーク放電させ
ることにより高密度プラズマを生成する。つぎに、引き
出し電極６に高電圧（一般には５０〜８０ＫＶ）を印加
し、イオン源５よりイオンを引き出すと同時に、所望の
エネルギーを与える。一定のエネルギーを与えられたイ
オンビーム７は、質量分析器８て磁場偏向され、その磁
束密度とエネルギーおよび質量分析器８の曲率半径で決
まる質量と電荷を持つイオンが選択される。ついて、図
示しない分析スーリットを通過し、分解能を高めてター
ゲットの半導体基板１１へ導かれる。半導体基板１１は
サセプタ１２の所定位置に載置される。このとき、半導
体基板１１は通常複数枚載置される。初期位置にあった
サセプタ１２か図示Ａのように所定回転数で回転し、並
進運動Ｂ、か行われる。このように、イオンビーム７を
固定しておき、ターゲットをメカニカル運動させる方法
をメカニカルスキャン方式と呼び、これにより複数枚の
半導体基板１１の全面に均一なイオン注入か行われる。

なお、並進運動Ｂは、注入均一性を良くするため複数回
行われる。

ところで、このイオン注入が行われる際、半導体基板１
１上は通常すでにパターンが形成されている。第７図に
パターニングされた半導体基板１１の一例を示す。同図
において、基板１４が、例えばＰ導電型であり、この基
板１４の主面上に厚いフィールド絶縁膜１５が選択的に
形成され、フィールド絶縁膜１５に挟まれた活性領域上
にケート絶縁層となる薄い絶縁膜１６で形成され、この
薄い絶縁８１６上にはゲート電極１７が形成されている
。

また、通常ＣＭＯ５トランジスタを形成する場合には図
に示すようにホトレジスト１８て、例えばＰチャネルト
ランジスタ部をマスクする。この場合、ソース・ドレイ
ンをＮ導電型に形成すべく、イオンビーム７は、例えば
、燐・砒素等のイオンビーム（正イオン）とする。

このように、絶縁膜１６上にイオン注入を行う場合、特
に５ｍＡ以上のビーム電流でイオン注入する際には、絶
縁膜１６の絶縁破壊が発生する可能性が大となる。この
絶縁破壊を防止する手段の１つとして、電荷中和器１３
が一般に用いられている。

第８図は電荷中和器１３の動作を説明するための図であ
る。電荷中和器１３は、電子銃から放出される一次電子
２１を３００Ｖ程度の電界で加速し対向するファラデー
ケージ９に照射し二次電子２０を発生させ、イオン注入
中の半導体基板１１に供給することにより、正イオンに
よって帯電した半導体基板１１を中和させる。

また、半導体基板１１の正の電荷を中和させる別の方法
としては、Ａ「プラスマ中で生成される一次電子をイオ
ン注入中の半導体基板１１に供給する方法がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のイオン注入装置において、半導体基板１１の電荷
を中和させる方法は、上述のように、電荷中和器１３か
ら放出した一次電子２１の照射によりファラデーケージ
９表面から発生する二次電子２０をイオン注入中の半導
体基板１１に供給し、電荷中和を行う方法と、Ａｒプラ
ズマ中の一次電子をイオン注入中の半導体基板１１に供
給し電荷中和を行う方法とがある。

電荷中和器１３から放出した一次電子によって発生した
二次電子２ｏを半導体基板１１に供給する方法では、こ
の二次電子２ｏがイオンビーム７の照射されていない部
分にも供給され、結果的には多量の二次電子２ｏによっ
て半導体基板１１が負に帯電し、単に絶縁膜１６の劣化
にとどまらず、絶縁破壊を起こすという問題があった。

さらに、−次電子をファラデーケージ９に照射すると、
ファラデーケージ９表面の劣化、改質等によって二次電
子２０の発生量がその影響を受け、二次電子２０の発生
量の制御か困難になるという問題もあった。

また、半導体基板１１に供給される二次電子２０中には
高エネルギー電子と低エネルギーの電子とが混在してお
り、高エネルギー（３００ｅＶ程度）の電子か半導体基
板１１に与えられると、半導体基板１１が負に帯電し、
絶縁破壊が生しるという問題点もあった。

一方、Ａｒプラズマ中の一次電子を半導体基板１１に供
給する方法では、先の例と比較して、大量の電子を半導
体基板１１に供給が可能であり、しかも圧力の高い領域
、例えば１０〜１０　”−’Ｔ。

ｒ「のＡｒ雰囲気でプラズマ生成を行うため比較的低エ
ネルギーの電子を半導体基板１１に供給できる。しかし
、この方法では、電子をイオンビーム７によってできる
静電ポテンシャルで半導体基板１１へ導くため、半導体
基板１１の帯電電圧を轡殺するためには、過剰の電子を
供給する必要かあり、このためイオンビーム７の照射さ
れていなＬＸ部分を好ましくない負に帯電させてしまう
という問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、中和のための処理によって半導体基板の帯電
や絶縁破壊等の不都合を引き起こすことなく、かつファ
ラデーケージに一次電子を照射することなく、イオン注
入により帯電した半導体基板を中和することかできるイ
オン注入装置を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係るイオン注入装置は、メカニカルスキャン
方式のイオン注入装置であって、複数枚の半導体基板を
順次移動させる移動手段と、前記半導体基板の移動経路
上に設けられ、前記半導体基板表面にイオンビームを照
射するイオンビーム照射手段と、前記イオンビーム照射
手段とは別の前記半導体基板の移動経路上に、前記半導
体基板に近接してその表面に対向するように設けられ、
前記半導体基板表面に低エネルギーのプラズマを供給す
ることにより、イオン注入により帯電した前記半導体基
板を中和する電荷中和手段とを備えている。

〔作用〕

この発明における電荷中和手段は、イオンビーム照射手
段とは別の半導体基板の移動経路上に、半導体基板に近
接してその表面に対向するように設けられ、半導体基板
表面に低エネルギーのプラズマを供給し、その供給され
たプラズマの電子あるいは正イオンがイオン注入により
帯電した半導体基盤にクーロン力で引きつけられて該半
導体基板の帯電を中和する。

〔実施例〕

第１図はこの発明に係るイオン注入装置の一実施例を示
す概略構成図である。図において、第６図に示した従来
装置との相違点は、電荷中和器１３をなくし、低エネル
ギーのプラズマを発生する電荷中和器２３を新たに設け
た点である。この電荷中和器２３の設置位置は、イオン
ビーム照射側から見た第２図に示すように、サセプタ１
２の半導体基板１１が載置される円周上（半導体基盤１
１の移動経路上）で、しかもサセプタ１２の回転方向Ｃ
かられかるように、ファラデーケージ９の直後、つまり
イオンビーム７か半導体基板１１を照射した直後の位置
となっている。この電荷中和器２３の位置は、サセプタ
１２の半導体基板１１か載置される円周上であればどこ
でもよい。−その理由は、サセプタ１２の回転数が５５
　Ｏｒｐｍ以上であれば、基板１４上の薄い絶縁膜１６
（第７図参照）は一回転で絶縁破壊はしないからである
。

しかし、最も半導体基盤１１の電荷の中和が効率的で安
全なのは、本実施例のように、イオンビーム７の照射直
後に電荷中和器２３を配置する方法である。その他の構
成は従来装置と同様である。

上述のように構成されたイオン注入装置を用いて行われ
るイオン注入処理は半導体基盤１１の電荷の中和作用を
除いて従来と同様である。すなわち、イオン源５より例
えば８０ＫＶの加速電圧で不純物層形成に必要なドーパ
ントイオン、例えば砒素イオンを含んだイオンビーム７
を引き出し、質量分析器８によって砒素イオンを選択し
、砒素イオンビーム７をターゲットである半導体基板１
１へと導く。

一方、半導体基板１１は、サセプタ１２の所定の位置に
載置される。このとき、半導体基板１１はサセプタ１２
上に複数枚載置される。次に、初期位置にあったサセプ
タ１２が矢印Ａ方向に所定の回転数で回転し、並進運動
が矢印Ｂ方向に行われ、複数枚の半導体基板１１の全面
にイオン注入が行われる。

第３図は電荷中和器２３の外観概略図、第４図は第３図
に示した電荷中和器２３のｇ−ｇ線での矢視断面図であ
る。図において、２８及び４０は圧力容器である。圧力
容器（陽極）４０は圧力容器２８に収められている。な
お、第３図において、圧力器２８の図示は省略している
。圧力容器２８゜４０の左側は開口されている。２６は
圧力容器４０内にあるフィラメント（陰極）２４（材料
はタングステンでその直径は０．５■讃）に電流を供給
するためのフィラメント端子、２７は圧力容器４０内に
キャリアガスを供給するためのキャリアガス供給管、２
５は圧力容器４０の外周に設けられ、１ｉｎｅ−ｃｕｓ
ｐ磁場を形成する永久磁石である。永久磁石２５は例え
ばＳｍ−Ｃｏ磁石であり、圧力容器４０の周囲に１０極
設けられている。圧力容器４０と２８の空間は図示しな
い排気手段により排気されている。２９は磁気フィルタ
ーであり、陽極電位（圧力容器４０と同電位）に保たれ
たグリッド状配列の中空の金属管中に永久磁石を挿入す
ることにより構成されている。

次に電荷中和器２３の動作について説明する。

まずキャリアガス供給管２７からＡｒ、Ｘｅ、Ｋｒ等の
キャリアガスを供給し、圧力容器４０中の圧力を１０〜
１０−２Ｔｏｒｒに保つ。続いて、フィラメント端子２
６からフィラメント２４に電流（２０Ａ以上）を供給す
ると、フィラメント２４から熱電子が放出される。この
熱電子がキャリアガスと衝突し、キャリアガスが電離し
、プラズマが発生する。圧力容器４ｏの周囲には、永久
磁石２５が設けられており、このため圧力容器４ｏは磁
気多極型のプラズマ源となる。そのため、発生したプラ
ズマは高密度で安定したものとなる。

例えば、キャリアガスがＡｒガスでその圧力が１０−３
Ｔｏｒｒ、陽極−陰極間のバイアス電圧を５゜■、放電
電流４Ａでは、電子密度１０１２ｃＩ、、−３程度で、
電子温度（正イオンと電子との平均のエネルギー）が２
〜３ｅＶのプラズマが生成される。しかし、バイアス電
圧が５０Ｖであるため電子のエネルギー分布を見ると、
５０ｅＶの高エネルギーをもつ電子も存在する。この高
エネルギーの電子を正に帯電した半導体基板１１に供給
したのでは、従来同様、絶縁破壊の原因となる。そこで
、高エネルギーの電子を取り除くため、磁気フィルター
２９が用意される。なお、正イオンのエネルギー分布は
０．０１ｅＶ−０，１ｅＶである。

このグリッド状に形成された磁気フィルター２９の磁力
線３０は高エネルギーの荷電粒子を圧力容器４０内に閉
じ込めるように作用する。しかし、正イオンと同じ速度
ベクトルを持ち、かつ低エネルギーの電子は、両極性拡
散で磁場の影響を受けることなく、第５図に示すように
磁気フィルター２９を通り抜ける。また、低エネルギー
の正イオンも第５図に示すように磁気フィルター２９を
通り抜ける。このようにして磁気フィルター２９を通り
抜けたプラズマの電子温度は１〜２ｅＶとなり、しかも
電子のエネルギー分布は、低エネルギー成分のみとなる
。この低エネルギーのプラズマを正に帯電した半導体基
板１１に供給すると、クーロン力により電子が半導体基
板１１に引きつけられ、半導体基板１１の電荷の中和が
行われる。

この場合、半導体基板１１に供給されるプラズマ中に含
まれる電子は低エネルギーなので中和に使われるもの以
外は半導体基板１１に作用せず、従って従来のように負
の帯電により絶縁破壊等の不都合が生じることはない。

また高密度のプラズマを発生させているので、半導体基
板１１の電荷の中和をより早く行うことができる。

ところで、圧力容器４０内の圧力は、注入室Ａの圧力（
〜１０　　Ｔｏｒｒ）に比べると高＜（１゜〜１０−２
Ｔｏｒｒ）　、圧力容器４ｏのみの状態での信用は、不
必要に注入室４の圧力を高め、イオンビーム７の中性化
を引き起こしビーム電流の計測に誤差を生じさせる。こ
れを防止するため圧力容器４０の外周を取り囲むように
、もう１つの圧力容器２８を設置し、この中を独立した
排気によって排気し、注入室４の圧力を〜１０−６Ｔｏ
ｒｒに維持している。このようにするとイオンビームの
中性化は防止できる。

また、電荷中和器２３は半導体基板１１の表面に接近し
て設置することができる。例えば２０１Ｉｍ以上にする
ことができる。このように電荷中和器２３を半導体基板
１１の表面に接近して設置することができるので、低エ
ネルギーの電子を含むプラズマで半導体基板１１を晒す
のは容易なことである。なお、電荷中和器２３内に発生
するプラズマの密度及びそのエネルギー分布は陽極〜陰
極間（圧力容器４０−フィラメント２４間）のバイアス
電圧とその間に流れる電流とキャリアガスの供給量を変
化させることにより変化させることができる。従って、
これらを、イオンビーム７の電流量と半導体基板１１の
帯電電圧に応じて適切に制御することにより、半導体基
板１１の電荷を効率よく中和させることができる。

さらに、半導体基板１１の電荷を中和するのに、従来例
のようにファラデーケージ９に一次電子を照射し、二次
電子を発生さけ、この二次電子を半導体基板１１に供給
するのではなく、電荷中和器２３により、プラズマを直
接与えることにより半導体基板１１の電荷を中和するよ
うにしたので、ファラデーケージ９の表面の劣化等が生
じることはない。

また、別の従来例のようにＡｒプラズマ中で生成された
一次電子を半導体基板１１に供給することにより電荷の
中和を行うものではないので、半導体基板１１のイオン
ビーム照射部以外を負に帯電させることがない。

なお、上記実施例では、正に帯電した半導体基板１１の
電荷を中和する場合について説明したが、負に帯電した
半導体基板１１の電荷を中和するのに、上記電荷中和器
２３がらのプラズマを用いることもてきると考えられる
。この場合、プラズマ中の正イオンが負に帯電した半導
体基板１１に引きつけられることにより、半導体基板１
１の負の電荷の中和を行うことができる。

また、電荷中和器２３は低エネルギーのプラズマを発生
させることができればこの実施例に示した構成に限定さ
れない。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、イオンビーム照射手段
とは別の半導体基板経路上に、半導体基板に近接してそ
の表面に対向するように設けられ、半導体基板表面に低
エネルギーのプラズマを供給する電荷中和手段を設けた
ので、高エネルギーの電子が半導体基板に照射されるこ
とがなく、また、ファラデーケージの表面に一次電子を
照射する必要もない。その結果、ファラデーケージの表
面が劣化せず、半導体基板が絶縁破壊されることなく、
イオン注入により帯電した半導体基板を中和することが
できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係るイオン注入装置の概略構成図、
第２図はファラデーケージと電荷中和器との位置関係を
示す図、第３図は電荷中和器の外観概略図、第４図は第
３図のｇ−ｇ線での矢視断面図、第５図は電荷中和器の
動作を説明するための図、第６図は従来のイオン注入装
置の概略構成図、第７図及び第８図は従来のイオン注入
装置に用いられている電荷中和器の機能を説明するため
の図である。 図において、７はイオンビーム、１２はサセプタ、２３
は電荷中和器である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）メカニカルスキャン方式のイオン注入装置であっ
   て、 複数枚の半導体基板を順次移動させる移動手段と、 前記半導体基板の移動経路上に設けられ、前記半導体基
   板表面にイオンビームを照射するイオンビーム照射手段
   と、 前記イオンビーム照射手段とは別の前記半導体基板の移
   動経路上に、前記半導体基板に近接してその表面に対向
   するように設けられ、前記半導体基板表面に低エネルギ
   ーのプラズマを供給することにより、イオン注入により
   帯電した前記半導体基板の電荷を中和する中和手段とを
   備えたイオン注入装置。