JPH04171649A - イオン注入装置における混入イオンの分析方法 - 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〕 本発明は半導体装置の製造時にそれ用のウェハに不純物
を導入するためのイオン注入の方法および装置に関する
。

（従来の技術〕 周知のように、イオン注入法は半導体装置内に作り込む
べき種々な半導体層の不純物濃度を正確に制御できる利
点があり、半導体層の拡散深さをとくに大にする必要が
ある場合は別として、ガス拡散法や固体拡散法に代わり
ＭＯ３集積回路装置はもちろん他の半導体装置にも広く
採用されるに至っている。

半導体装置用ウェハにこのイオン注入を行なう際の管理
上とくに重要な項目に、不純物導入量。

打ち込み深さ、イオン種の純度があるが、イオン注入法
はこれら項目のいずれについても、管理上の要求をかな
り高水準の精度で満たし得る。すなわち、不純物導入量
ないしドーズ量はイオン電流と注入時間によって正確に
管理でき、そのウェハ面内のばらつきも充分僅少にでき
る。打ち込みの深さも、イオンのユネルギつまり加速電
圧により非常に正確な管理が可能である。

最後のイオン種つまり打ち込みイオンの質量数の管理に
ついては従来から磁界を用いる質量分析の技術がほぼ完
成の域に達しており、イオン源で発生させたイオンビー
ムの中からポロンヤ燐等ノ所望の質量数をもつイオンだ
けを純粋な形で取り出してウェハに注入できる。

〔発明が解決εようとする課題〕

ところが、最近のように半導体装置とくに集積回路装置
の動作性能やそのばらつきに対する要求が益々高度化す
るにつれ、打ち込みイオンに正規でない質量数のイオン
が混入したためと思われるトラブルが散見されるように
なり、イオン注入時のイオン種の管理レベルを一層向上
させる必要が生じて来た。

正規のイオン種にかかる非正規イオンの混入が発生し得
る理由の一つは、実は質量分析そのものに内在する。よ
く知られているように質量分析の原理は、イオン電流の
磁界との相互作用力によりイオンをその質量数に応した
角度に偏向させて、所定の偏向角度をもつイオンだけを
取り出すことにあるが、実際には磁界と相互作用をする
イオン電流が各イオンがもつ速度に比例するため、偏向
角度はイオンの質量数だけに依存せず、質量数と運動エ
ネルギの積に依存する。従って、この積が同じであれば
、質量数の異なる複数種のイオンが混しって取り出され
得ることになる。

もちろん、イオン源に与える原料ガスの純度を上げ、こ
れから引き出すイオンの運動エネルギをよく揃えてから
質量分析に掛けるなどによって、混入イオンの量は正常
な状態で正規イオンの十分の１以下に抑えられる。しか
し、不測の原因でこの正常状態からの狂いが発生すると
、混入イオン量が異常に増加することが起こり得る。

このほか、混入イオンは質量分析で排除されたイオンの
装置の内壁へのスパッタ作用や、装置内の汚染状態の管
理不足等の原因によっても発生し得る。いずれにせよ、
混入イオンが管理不充分のままウェハに注入されると、
それに作り込まれる半導体装置の動作特性の不良やばら
つきの増加が発生するだけでなく、混入イオンの量が多
い場合は後工程でそのウェハを処理した設備が汚染され
て別のウェハまでその影響を被りやすい。

従来、イオン注入時にかかる混入イオンを管理できる適
当な手段がなく、ウェハプロセスを全部終了した後の半
導体装置の特性評価で異常を発見するか、イオン注入後
のウェハをＩＭＡ等により分析するしか方法がなかった
。しかし、特性評価は多数のウェハプロセスの経由後に
なるので不良がどの工程によるかの特定が容易でなく、
ＩＭＡ法等による不良発見も必ずしも容易でなく、かつ
かなり手間が掛かるのが実情である。

かかる現状に鑑み、本発明はイオン注入工程の管理のた
め、ウェハに注入すべきイオンと質量数の異なる混入イ
オンを簡単に分析できるようにすることを目的とする。

〔課題を解決するための手段） この目的は本発明のイオン注入方法では、前述のように
磁界下の質量分析により単離された所定ｉｔ数のイオン
をウェハに注入するに際し、注入イオンビームに横方向
電界を賦与する偏向電極に対し連続的に変化する偏向電
圧を掛けながら偏向イオンを検出して偏向電圧と検出イ
オン量の相関からウェハに注入ずべきイオンと質量数の
異なる混入イオンを分析し、偏向電極にほぼ一定の偏向
電圧を賦与した状態でウェハにイオンを注入することに
より、本発明のイオン注入装置では、これ＝６− をイオン源手段と、これにより発生されたイオン中から
磁界下で所定の質量数のイオンを単離する質量分析手段
と、イオンビームの加速および集束手段と、イオンビー
ムに横方、向電界を掛ける偏向電極手段と、これに偏向
電圧を与える電圧源手段と、イオン量を検出する手段と
、イオンを注入すべきウェハを保持する手段とから構成
し、電圧源手段から偏向電極手段に賦与する偏向電圧を
連続的に変化させながらイオン量検出手段の検出出力に
よりウェハに注入すべきイオンと質量数の異なる混入イ
オンを分析し、かつ偏向電圧をほぼ一定にした状態でウ
ェハ保持手段内のウェハにイオンを注入することにより
達成される。

なお、上記のイオン注入装置において、イオン量検出手
段をウェハに注入すべきイオンの測定用と共用し、その
検出感度を正規イオンの測定時と混入イオンの分析時と
で切り換え得るようにするのが有利である。

〔作用〕

本発明は磁界を用いる質量分析で分離できない混入イオ
ンであっても、電界を用いれば質量数の異なる正規イオ
ンから分離できる点に着目して、これを混入イオンの分
析に利用するものである。

以下、この原理を説明する。

磁界内を移動するイオンが磁界により偏向される角度は
その運動量、つまり質量数と速度の積に依存するため、
前述のように質量数と運動エネルギの積に依存する。い
ま正規イオンと混入イオンの質量数をそれぞれＭｎと１
とし、それらの速度をＶｎとＶｍとすると、それらの運
動量はＭｎＶｎとＭｍＶｍであるから、 ＭｎＶｎ＝ＭｍＶｍ の関係にある両イオンは磁界を用いる質量分析では分離
できないことになり、さらにそれらがもつ運動エネルギ
をＥｎとＥｍとすると、 Ｅｎ＝ＭｎＶｎ２／　２　＋　［！ｍ＝ＭｍＶｍ２／　
２であるから、 ＭｎＥｎ　＝　ＭｍＥｍ　　　　　　　　　　　　（１
）の条件を満たす正規イオンと混入イオンは、磁界を用
いる質量分析では分離できず、混入イオンがイオンビー
ム内に含まれ得ることになる。

一方、電界内を移動するイオンが電界から受ける力はそ
の電゛荷に比例し、速度ないしイオン電流とは無関係な
ことから、正規イオンと混入イオンが電界から受ける偏
向の角度はその運動エネルギＵｎとＥｍに依存する。従
って、電界によっては同じ運動エネルギをもつイオンは
分離できないが、逆に運動エネルギが異なるイオン同士
は電界により分離できることになる。

さて、磁界では分離できない正規イオンと混入イオンは
（１）式を満たし、その質量数ＭｎとＭｍが互いに異な
るのであるからその運動エネルギＥｎとＥｍが互いに異
なることになり、従って電界により偏向させることによ
って相互に分離できる。

以上の原理に基づき、本発明のイオン注入方法では磁界
により質量分析済みの注入イオンビームに対して、前項
の構成にいうように横方向電界を賦与する偏向電極に連
続的に変化する偏向電圧を掛けながら偏向イオンを検出
し、偏向電圧と検出イオン量の相関からウェハに注入す
べきイオンと＝９− は質量数の異なる混入イオンを分析する。

また、本発明のイオン注入装置では混入イオンのかかる
分析のために、イオン源により発生されたイオン中から
磁界下で所定の質量数のイオンを単離する質量分析手段
に加えて、イオンビームに横方向電界を掛ける偏向電極
手段と、これに偏向電圧を与える電圧源手段を設け、電
圧源手段から偏向電極手段に賦与する偏向電圧を連続的
に変化させながら電界により偏向されるイオン量を検出
することによりイオンビーム内に含まれ得る混入イオン
を分析する。

かかる混入イオンの分析はもちろんウェハへのイオン注
入に先立って行ないその結果からイオン注入の可否を決
めるのがよく、可の場合には偏向電極手段に与える偏向
電圧を一定に保持した状態でウェハにイオンを注入する
ことでよい。

なお、イオンビーム内には磁界下の質量分析により分離
できなかったイオンのほか、他の原因に由来する混入イ
オンも含まれ得るが、それがもつ運動エネルギは正規イ
オンとは・レベルが違うのがふつうなので、これも電界
によりごく簡単に分離することができる。

〔実施例〕

以下、図を参照しながら本発明の実施例を具体的に説明
する。第１図に本発明によるイオン注入装置と関連する
測定系の概要構成を示す。なお、この実施例では便宜上
質量数１１のボロンイオンがウェハに注入されるものと
する。

イオン源手段１０はぶつ化ポロンガス等をイオン原料と
してボロンのイオンビームをその引き出し電極１１から
２０〜３５ｋＶの電圧で引き出して質量分析手段２０に
与える。質量分析手段２０は通例のようにその扇形磁場
２１内でイオンビーム２をそれに直角方向の数キロガウ
ス程度の磁場により円弧状軌道に曲げることにより、ビ
ーム中の質量数がポロンより小なイオン２ａや大なイオ
ン２ｂを排除するためのもので、運動量ないしは質量数
と運動エネルギの積が等しいイオンを集束してアパーチ
ャー板２２から取り出す性能を有するが、その正常運転
中であっても出力ビームには正規イオンであるボロンイ
オンのほかそれと運動量が等しい混入イオンが前述のよ
うに微量台まれ得る。

加速手段３０は質量分析済みのイオンビーム２をその多
段電極によりふつうは数十〜数百にν程度の加速電圧で
高エネルギ状態にまで加速し、これを受ける集束手段４
０は例えば４重極のレンズによりイオンビーム２を所定
の径にまで集束する。

偏向電極手段５０と５１は、イオンビーム２をそれぞれ
１対の電極間のそれと直角方向の電場により偏向させる
もので、図示の例では前段の偏向電極手段５１が紙面と
直角方向、後段の偏向電極手段５０が図の左右方向の偏
向をそれぞれイオンビーム２に対して与えるようになっ
ている。

イオンビーム２を受けるイオン量検出手段６０は通例の
ようにイオンビーム２の直進方向から所定　゛角度１例
えば７度傾いた位置に置かれ、中性子等の電荷のない中
性粒子２ｃを直進させてイオンのみを受けるようになっ
ている。さらに、図の例ではその後側にイオン注入すべ
きウェハ１を装入するウェハ保持手段７０があり、イオ
ン量検出手段６０はこのウェハ保持手段７０に絶縁を介
して取り付けられ、通例のように所定のバイアス電位を
与えられたファラデーケージ６１および開閉自在なフラ
グ６２を備え、フラグ６２を閉じた状態でイオン量を検
出し、かつ開いた状態でイオンビーム２をウェハ１に当
てるようになっている。さらに、ウェハ保持手段７０に
対してウェハ装出入機構７１が、イオン量検出手段６０
に対してイオン電流検出回路６３がそれぞれ設けられる
。

電圧源手段８０は偏向電極手段５０や５１に偏向電圧を
与えるもので、イオンビーム２をイオン量検出手段６０
に向けて固定的に偏向させるための電圧を偏向電極手段
５０に与える直流の固定電圧源８１と、イオンビーム２
内の混入イオンを分析するための電圧を与える直流の可
変電圧源８２とを含み、後者はごの例では前者に対し逆
方向に直列接続され、短絡用のスイッチＢ６ａと分析電
圧であるその発生電圧信号を作る抵抗分圧器８３がこれ
に並列に接続される。さらに、イオンビーム２を走査的
に偏向させるための交流の走査電圧源８４と８５が偏向
電極手段５０と５１用にそれぞれ設けられ、スイッチ８
６ｂと８６ｃによりそれぞれ短絡可能とされる。

以上述べた内、可変電圧源８２とその関連回路が本発明
の実施のため従来のイオン注入装置に追加する必要があ
る部分であるが、このほかにもＸＹ記録計９１とマイク
ロコンピュータ９２を図示のように接続して利用するの
が望ましい。抵抗分圧器８３による可変電圧＃８２の発
生電圧信号とイオン電流検出回路６３による検出信号を
ＸＹ記録計９１のＸとＹ方向入力端子にそれぞれ与え、
ＡＤ変換器９３と９４とをそれぞれ介してマイクロコン
ピュータ９２に与える。また、マイクロコンピュータ９
２には操作キーボード９５のほかデータ記録用のプリン
タ９６を接続して置くのがよい。

以上のように構成されたイオン注入装置において、イオ
ンビーム２をイオン量検出手段６０ないしウェハ保持手
段７０内のウェハｌの方に偏向させるには、加速電圧に
より異なるが電圧源手段８０内の固定電圧源Ｂｆから例
えば約１ｋＶの偏向電圧を偏向電極手段５０に与えるこ
とでよい。

イオン注入のためにイオン源手段１０を付勢し、質量分
析手段２０．加速手段３０および集束手段４ｏを介しイ
オンビーム２を発生させた後、本発明ではウェハ１への
イオン注入開始前にイオンビーム２に含まれ得る混入イ
オンを分析する。このため、まずイオン量検出手段６０
のフラグ６２を閉し、かつ電圧源手段８０の固定電圧源
８１に約１ｋＶの偏向電圧を発生させた状態で、マイク
ロコンピュータ９２をキーボード９５から操作して電圧
指定信号ＶＳを可変電圧源８２に与えて約１ｋＶの電圧
を発生させ、次に切換指令ＳＳをスイッチ８６ａ〜８６
ｃに与えてそれらを図示の開閉状態に置かせ、かつイオ
ン電流検出回路６３にレンジ指定信号Ｒ５を与えてそれ
を高感度状態に置かせる。この状態では、偏向電圧はも
ちろん偏向電極手段５１に掛からず、固定電圧源８１と
可変電圧源８２の発生電圧が相殺されるので、偏向電極
手段５０にも掛からない。

ついで、キーボード９５の操作により例えばマイクロコ
ンピュータ９２内のソフトウェアを起動し、電圧指定信
号ＶＳＯ値を変えて可変電圧＃８２の発生電圧を下げる
ことにより偏向電極手段５０に与える偏向電圧を徐々に
上昇させながらイオンビーム２中の混入イオンを分析す
る。この分析対象となるのは質量分析手段２０でも分離
ごきなかった微量の混入−イオンであって、その質量数
は正規イオンであるボロンの質量数１１よりふつうは大
きいから、前述の（１）式によりその運動エネルギがホ
ロンより小さいごとになり、従って混入イオンは偏向電
極手段５０に掛かる偏向電圧がボロンに対するよりもま
だ低い状態で大きく偏向されＣ、イオン量検出手段６０
に入射する。

イオン電流検出回路６３はこの混入イオンを鋭敏に捉え
て検出信号をｘＹ記録計９１に与えるので、ＸＹ記録計
９１はこの検出信号値をＹ軸方向、抵抗分割器８３から
受ける可変電圧ａ８２の発生電圧値を逆Ｘ軸方向として
スペクトラム波形を図のように記録する。第２図に混入
イオンを分析したスペクトラム波形の例を示す。

図の横軸が偏向電圧■、縦軸がイオン電流Ｉであって、
偏向電圧■がボロンＢに対する約１ｋＶに達するまでの
範囲に混入イオンに対応するピークがこの例では３個出
ており、偏向電圧■が低い順からこれらピークは質量数
５６の鉄Ｆ、質量数２７のアルミＡおよび質量数２３の
ナトリュームＮにそれぞれ対応する。図のように質量数
が大になるほどピーク峻度が低下する傾向があって波高
値の決定が困難になるが、この例では各ピークの波高値
はそれぞれ０．０３．０．１．７および０．２５ｎＡで
ある。質量数がボロンに近いイオンはど混入されやすい
ことがこれから推測される。

なお、ボロンに対応するピークは非常に高く、図のよう
にスケールアウトしてしまうので、偏向電圧■が図で細
い縦線で示した約０．９ｋＶに達したときにレンジ指定
信号Ｒ５を切り換え、イオン電流検出回路６３の検出感
度を低下させるのがよい。このため、第１図のマイクロ
コンピュータ９２は可変電圧＃８２の発生電圧を約０．
ｌｋＶに下げた後は混入イオンの分析を打ち切り、レン
ジ指定信号Ｒ３および切換指令ＳＳを切り換えてイオン
電流検出回路６３の感度を落とすとともに、スイッチ８
６ａ〜８６ｃを図と逆の開閉状態に置き、かつ走査電圧
＃８４と８５に電圧を発生させず固定電圧ａ８１の発生
電圧ののを偏向電極手段５０に掛けた状態でイオンビー
ム２中のボロンのイオン電流の測定に入る。

このようにイオン電流検出回路６３の検出感度を第２図
の場合より約３桁落とした状態でボロンのイオン電流を
測定した結果を第３図に示す。図の例では偏向電圧■が
１．０３にνのときにイオン電流が最大になり、６．５
μへの測定結果が得られている。

これかられかるように、この例では固定電圧＃８１の発
生電圧は１．０３ｋＶに設定される。

以上のようにイオンビーム２中の混入イオンの分析とボ
ロンのイオン電流の測定を終えた後は、走査電圧Ｒ８４
と８５を付勢した状態でイオン量検出手段６０のフラグ
６２を開いてウェハ保持手段７０内のウェハ１にイオン
を注入すればよい。もちろん、混入イオンの分析結果が
不良な場合はこのイオン注入は中止される。分析結果が
良でイオン注入を行なう場合の注入時間は、上述のボロ
ンのイオン電流の測定結果に応じ所望のドーズ量が得ら
れるようふつうは自動設定される。

なお、混入イオンの分析に際して混入しやすいイオン種
を予測できる場合が多いので、分析したい１′オン種を
キーボード９５からそのつど指定し、あるいは′ンイク
ロコンビユータ９２のソフトウェアにあらかじめＭｉ　
＝１込んで置けば、分析時間を大幅に短縮するとともに
、ボロンを含む各イオン種のイオン電流の測定結果をプ
リンタ９６に印字させてデータの形で記録に残すことが
できる。さらに、イオン種の分離が困難な場合でも、マ
イクロコンピュータ９２に第２図の複合ピークの総面積
をＢ１算させて記録に残し、有用な管理データとして利
用することができる。

以上かられかるように、本発明は上述の実施例に限らず
種々の態様で実施をすることができる。

例えば、電圧源手段８０や関連測定系の内容や動作は必
要に応じて適宜に構成ないし選択すべきものであり、実
施例で述べたイオン種や数値もあくまで例示であっζイ
オン注入装置の構成や使用目的に応し自ずから異なって
来るものである。

〔発明の効果］ 以上のとおり、本発明のイオン注入方法では、磁界によ
る質量分析済みのイオンビームに電界を掛ける偏向電極
に対する偏向電圧を変化させながら偏向イオンを検出し
て偏向電圧と検出イオン量の相関からウェハに注入すべ
きイオンと質量数の異なる混入イオンを分析し、かつ一
定偏向電圧下でウェハにイオンを注入するようにし、本
発明のイオン注入装置では、イオンビームに電界を掛け
る偏向電極手段と、これに偏向電圧を与える電圧源手段
と、イオン量検出手段を用い、電圧源手段による偏向電
圧を変化させつつイオン量検出手段の検出出力から混入
イオンを分析し、偏向電圧を一定にした状態でウェハに
イオンを注入することにより、次の効果を上げることが
できる。

（ａ）　Ｉ界と電界とではイオンビームに与える偏向が
イオンの運動量依存か運動エネルギ依存かの差があるこ
とを利用して、磁界下の質量分析によっても分離できな
いイオンビームへの混入イオンを、電界を用いてビーム
を偏向させることにより正規イオンから確実に分離して
正確に分析できる。

（ｂ）従来のプロセス完了後の半導体装置の特性評価や
イオン注入ウェハの表面分析法に比べ、分析が容易で手
間が掛からず結果の信転性が高い。

（Ｃ）イオン注入前に混入イオンを分析でき、不都合が
あれば注入前に是正できるので、半導体装置の品質管理
レベルを向上させ、かつ製造歩留まりを改善できる。

（ｄ）イオン注入装置の機能部や制御系のトラブル。

質量分析で排除されたイオンのスパッタリングによる異
常発生、装置内汚染２部品交換の遅れ等による混入イオ
ンの発生を分析により早期に検出し°ζ対策を施せるの
で、設備管理が容易になり管理レヘルを向上できる。

（ｅ）大量の混入イオンがウェハに注入されることがな
くなるので、後工程用設備の二次汚染とそれによるＩ・
ラブルを予防できる。

なお、実施例からもわかるように本発明の実施のため従
来のイオン注入装置に追加すべき部分はごく僅少である
。

【図面の簡単な説明】

図面はすべて本発明に関し、第１図は本発明によるイオ
ン注入装置の概要構成を関連測定系とともに例示する構
成図、第２図はイオンビーム中の混入イオンに対する本
発明による分析結果を例示する分析スペクトラムの波形
図、第３図はイオンビームの正規イオンのイオン電流測
定結果を例示する波形図である。図において、 １：ウェハ、２−イオンビーム、２ａ：ＮＮ数の小な排
除イオン、２ｂ＝質量数の大な排除イオン、２ｃ：中性
粒子、１０：イオン源手段、１１：引き出し電極、２０
：質量分析手段、２１：質量分析用扇形磁場、２２：ビ
ーム取り出しアパーチャー板、３０：加速手段、４０：
集束手段、５０．５１　：偏向電極手段、６０：イオン
量検出手段、６１：ファラデーケージ、６２：フラグ、
６３：イオン電流検出回路、７０：ウェハ保持手段、７
１：ウエハ装出入機構、８０：電圧源手段、８１：固定
電圧源、８２：可変電圧源、８３：抵抗分圧器、８４，
８５：走査電圧源、８６ａ〜８６Ｃ：電圧源切換スイッ
チ、９１：ＸＹ記録計、９２：マイクロコンピュータ、
９３．９４＋　Ａ　Ｄ変換器、９５：キーボート、９６
；プリンタ、Ａ：質量数２７のアルミイオン、Ｂ：質量
数１１のボロンイオン、Ｆ：ｔｉ数５６の鉄イオン、■
；イオン電流、Ｎ−質量数２３のナトリュームイオン、
Ｒ８；イオン電流検出回路の検出感度に対するレンジ指
定信号、ＳＳ：スイッチに対する切換指令、■；偏向電
圧、ｖＳ：可変電圧源に対する電圧指定信号、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）磁界下の質量分析により単離された所定質量数のイ
   オンをウェハに注入する方法において、注入イオンビー
   ムに横方向電界を賦与する偏向電極に対し連続的に変化
   する偏向電圧を掛けながら偏向イオンを検出して偏向電
   圧と検出イオン量の相関からウェハに注入すべきイオン
   と質量数の異なる混入イオンを分析し、偏向電極にほぼ
   一定の偏向電圧を賦与した状態でウェハにイオンを注入
   することを特徴とするイオン注入方法。 ２）イオン源手段と、これにより発生されたイオン中か
   ら磁界下で所定の質量数のイオンを単離する質量分析手
   段と、イオンビームの加速および集束手段と、イオンビ
   ームに横方向電界を掛ける偏向電極手段と、これに偏向
   電圧を与える電圧源手段と、イオン量を検出する手段と
   、イオンを注入すべきウェハを保持する手段とを備え、
   電圧源手段から偏向電極手段に賦与する偏向電圧を連続
   的に変化させながらイオン量検出手段の検出出力により
   ウェハに注入すべきイオンとは質量数の異なる混入イオ
   ンを分析し、かつ偏向電圧をほぼ一定にした状態でウェ
   ハ保持手段内のウェハにイオンを注入するようにしたこ
   とを特徴とするイオン注入装置。 ３）請求項２に記載の装置において、イオン量検出手段
   がウェハに注入すべき正規イオンのイオン量の測定用と
   共用され、その検出感度が正規イオンの測定時と混入イ
   オンの分析時で切り換えられることを特徴とするイオン
   注入装置。