JPH0479141A - 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〉 本発明は面積の大きい半導体薄膜に短時間に、好適なイ
オン注入が可能なイオン注入装置に関するものである。

〈従来の技術〉 各種の半導体デバイスの製造において、不純物のドーピ
ングプロセスは、必要不可欠である。

不純物のドーピング方法には、半導体基板の表面から熱
拡散させる方法と、イオン注入により不純物原子のイオ
ンを半導体中に打ち込む方法があるＯ イオン注入法は、注入した不純物の濃度やその注入の深
さを正確に制御できること、低温玉口七ヌでありレジヌ
トマヌクで選択的に不純物をドーピングできること、更
に、浅い注入や、任意の深さの注入、又は、薄膜を通し
た下層への注入などが可能であるため、最近は、不純物
ドーピング方法の主流になっている。

一方、最近のイメージセンサや液晶デイスプレィ等は、
薄膜半導体を用いた大型化と量産化が進められており、
大面積の半導体基板に短時間でイオン注入できる装置の
開発要求が強くなってきている。

〈発明が解決し７ようとする課題〉 現在使用されているイオン注入装置は、半導体基板に注
入するイオンビーム幅が数ｍｍであるため大きい面積の
基板にイオン注入するときは、その半導体基板を機械的
に走査させるか、イオンビームを電気的に走査させるこ
とが必要になることからイオン注入装置の複雑化、大型
化、更には高価格化と、イオン注入の時間が長くなるな
どの問題があった。

更に、通常のイオン注入装置は加速したイオンを磁界に
より質量分離した後イオン注入していたので、一定速度
以下のイオン注入は困難で、イオン注入の工程中に、イ
オン注入の加速電圧を一定電圧から零電圧近くまで変化
させるのは極めて難しい制御Ｒを必要とし恋。

又、最近の大型イメージセンサや液晶デイスプレィなど
は透明な絶縁性基板が用いられているが、このような絶
縁性基板上の半導体膜などにイオン注入を行なうと、そ
のイオン注入でのチャージアップ発生による注入の不均
一の間額や、更には、その基板上の素子や絶縁膜の放電
破壊も発生させるという問題もあった。

以上のチャージアップを防ぐには、通常、ビム電流の抑
制や電子シャワーによる中和の方法があるが、ビーム電
流値の抑制は処理能力の低下になり、電子シャワーによ
る中和は大面積の基板全面を中和させる電子銃の設計は
難しいという問題があった。

最近、イオン注入する元素を含むガスを高周波と磁界な
どの印加でプラズマ化し、メツシュ状の電極による加速
電圧の印加で、非質量分析の大口径イオン注入を行なう
装置の開発が行なわれているが、イオン注入の加速電圧
を変化させたときの注入イオンの均一性や、イオン注入
によるチャージアップの問題は解決されていない。

本発明は、従来のイオン注入装置がもつ問題点を解消し
、大面積の基板に形成された半導体薄膜にも任意の加速
電圧で精度よくイオン注入でき、かつ、チャージアップ
の問題も発生しないイオン注入装置を提供することを目
的としている。

く課題を解決するための手段〉 以上で説明した本発明の目的を達成するイオン注入装置
は次のような構成にしている。

即ち、イオン注入する目的の元素を含む不純物ガスをイ
オン注入装置のイオン源部に導入し、そのイオン源部内
に設けた電極からの高周波電力の放電で励起し、不純物
ガスをプラズマ化する。プラズマ化した不純物ガスは、
そのイオン源部の１面に、イオン通過用の小さい開口を
多数もち、かつ、二次元構成のイオン加速用電極（例え
ば、メツシュ状、針金のストライプ状、又は、多数の小
穴を形成した金属板などで、以下「メツシュ電極」とい
う）に印加した電圧で加速し、そのイオン源に対向する
位置に設けられた基板ホルダーに装着された基板に、イ
オン注入する構成である。以上の構成のイオン注入装置
は、現在開発されている非質量分離型のイオン注入装置
のように大口径のイオンビームによるイオン注入が可能
であるが、本発明の特徴は、プラズマ化した不純物イオ
ン加速のメツシュ電極を加速方向に二重、又はそれ以上
の多重に設けていることである。このうちイオン源側の
メツシュ電極はイオン源内をほぼ均一な電位に保つよう
接続され、このメツシュ電極の各開口から低速のイオン
が均等に漏れ呂す状態にしておく、このイオン源側のメ
ツシュ電極と基板側のメツシュ電極間にイオン加速電圧
を印加することで、注入するイオンを任意に加速できる
。又、加速電圧を変えることで、イオンビームの密度や
分布は変化しないので、任意に加速電圧を変えてイオン
注入の深さを制御することができる。

更に、上記において基板側のメツシュ電極の開口を小さ
くしておいて、その電極を通過するイオンの一部がその
電極に衝突したとき発生する二次電子のシャワーを用い
て、イオン注入するイオンの中和を行なうことができ、
イオン注入した基板のチャージアップを防止することも
できる。この方法によれば、基板のチャージアップを自
己抑制するので、簡単にチャージアップが防止できる構
成のイオン注入装置にできる。

更に、以上の構成から分るように、本イオン注入装置の
イオン注入量は、そのイオン源部に導入する不純物ガス
の導入ｆの速さと、その不純物ガスのプラズマ化のため
放電する高周波電力の大きさで制御することができる。

く作　用〉 以上で説明したように、本発明による非質量分離型イオ
ン注入装置は、イオンの加速方向に垂直にした２重のメ
ツシュ電極の間にイオン加速ノミ圧を印加する構成であ
る。従って、基板側のメツシュ電極の開口を小さくした
形状にしておくと、印加電圧で加速されたイオンの一部
はその基板側のメツシュ電極に衝突して２次電子を発生
する。

この発生した２次電子はそのメツシュ電極の開口部を通
過するイオンを中和するので、このイオンを注入した基
板のチャージアップを防止することになる。このとき、
メツシュ電極に衝突するイオン数は、その通過イオン数
に比例するので、イオン注入する基板のチャージアップ
を自己制御で調整する特徴がある。

又、イオン源側のメツシュ電極をイオン源と同じ電位に
して、基板側のメツシュ電極の印加電圧を変えることに
より、イオン注入を付っているとき他の条件を変えない
で、注入するイオンの加速電圧を変えて、基板へ注入し
たイオンの深さ方向の分布を任意に制御できる特徴があ
る。

更に、以上で説明したように、注入するイオンを発生さ
せるプラズマ源のイオンを直接加速して基板にイオン注
入するので、従来のイオン質量分離による装置の複雑化
とイオンビームのしぼり込みの必要がなくなり、簡易な
構成の装置で、大口径のイオンビームを用いたイオン注
入ができ、短い時間でイオン注入を行なうことが可能に
なった。

〈実施例〉 以下、本発明の非質量分離によるイオン注入装置の実施
例を、図面を参照して説明する。

第１図は、本発明のイオン注入装置の概要の構成を示し
た断面図である。この第１図で、ｌはイオン注入する元
素を含んだガスの導入口であり、図示しないニードルバ
ルブ等でガス導入量を制御している。２はプラズマ８を
形成するプラズマ室を内蔵したチャンバーであり本笑施
例では石英で形成している。３はイオン源になるプラズ
マ８を形成する励起エネルギーを発生する高周波電源で
あり、この電源３の両端はプラズマ８を発生する空間に
高周波電力を放電するための高周波電極になる４と５に
接続されている。この電極４はチャンバー２の一端を封
止する円板状でガス導入口ｌとその導入ガスを分散する
ガス分散器７が設けられている。他の一方の高周波電極
５は円筒状でチャンバー２に沿うような形状にしている
。

以上の構成で、ガス導入口１から導入したガスに、電極
４と５によって高周波電力の放電をしてイオン源となる
プラズマ８を形成している。なお６は電極４と５を絶縁
している絶縁リングである。

次の９と１０は、絶縁円筒１１によって絶縁され、イオ
ン加速用電源１２（又は加速用可変電圧電源１２′　）
に接続されたイオン加速用メツシュ電極である。このプ
ラズマ８側の電極９は高周波電極５に接続され、電極４
，５及び９によりプラズマ８を電磁シールドする構成に
なっている。次の１３は加速したイオンを注入する半導
体基板１４を装着した基板ホルダであり、これらはイオ
ン注入処理チャンバー１５のなかに設置されている。

以上の構成のイオン注入装置において、ガス導入口ｌか
ら導入したイオン注入する元素を含んだＰ　Ｈ３−Ｂ　
２　Ｈｓ等のガスは、高周波電極４と５によって放電さ
れた高周波エネルギにより励起されプラズマ８を形成し
、プラズマ８のイオンを加速電極９と１０の間に印加し
た加速電圧で加速して、基板１４にイオン注入している
。このイオン注入は、加速電極９．ｌＯと同じ程度の径
のイオンビームにできるので、従来のイオン注入で必要
になった基板の機械的な走査及びイオンビームの電気的
走査を行なうことなく、大面積の基板全面に均一なイオ
ン注入が可能になった。

上記のイオン注入装置によるイオン注入の実施例を、更
に具体的に説明すると、次のようになる。

石英で形成したチャンバー２内に設けた高周波電極４と
５に高周波電源３の１３．５６ＭＨｚの高周波エネルギ
ーを印加してｌＯ〜１０”−’Ｔｏｒｒ　　に減圧する
とプラズマ放電が開始する。

この状態にしてガス導入口１からドーピング元素を含ん
だガスを導入する。例えば、シリコン薄膜トランジスタ
（Ｔ　Ｆ　Ｔ　：　Ｔｈ１ｎ　Ｆｉｌｒｎ　Ｔｒａｎｓ
ｉｓｔｏｒ）を作製するときは、そのソース、ドレイン
領域への不純物ドーピングに、本実施例のイオン注入装
置によるイオン注入を用いることができる。例えばｎチ
ャンネルＴＰＴのときはＨ２で希釈したＰＨ３を、又、
ｐチャンネルＴＰＴのときはＨ２で希釈したＢ　２　Ｈ
ｓを導入ガスとし、高周波エネルギー印加でプラズマ８
にする。プラズマのイオンはメツシュ電極９と１０に印
加された加速電圧によって加速され、基板１４上に設け
られたフォトレジストをマスクにして選択的に基板１４
上のＴＰＴのソースとドレイン領域にイオン注入できる
。

以上のイオン注入における加速電圧は、使用するガスの
種類（例えばＰＨ３とＢ　２　Ｈ６など）や、ＴＰＴの
形状・構成等によっても異なるが、本実施例ではＰＨ３
のとき１００　ＫＶ、Ｂ　２Ｈ６のとき３５ＫＶにした
。このイオン注入のとき注入するイオンは質量分離して
いないが、高周波で励起したプラズマ中のイオンの価数
は殆んど１価であ９２価以上のイオンは生成されないた
め質量分離しなくても全く問題はなかった。以上のよう
に質量分離しないでイオン注入すると不純物イオンと同
時に水素イオンも注入されるが、注入された水素は不純
物注入後の活性化アニールによって基板１４から離脱す
るので、この点でも、あえて質量分離をする必要は少な
い。

本実施例のように、質量分離を行なわないイオン注入装
置は、従来の質量分離を行なうイオン注入装置と比較し
、装置自体が極めて簡易になり、かつイオンビームの断
面も加速用メツシュ電極９゜ｌＯと同程度の大きさにで
きるので、基板１４の機械的走査やイオンビームの電気
的走査を行なうことなく大面積の基板へのイオン注入が
可能になる。

例えば本実施例の構成のイオン注入装置による検討でも
、３０　ｃｍ　Ｘ　３０ｃｍの基板へ均一なイオン注入
が可能であることを示しており、このときは１０ｍＡ以
上のイオン電流を流すことが可能で、非常にヌル−プツ
トの高い処理が可能になることを示している。

以上の実施例の構成のイオン注入装置は、加速電極９．
１０間に印加する加速電圧１２の電圧を変えるのみで、
イオン注入の速度を変えることができる。従って、第１
図に示したイオン加速電源１２を点線で示した可変電圧
電源１２’　にすることで１回のイオン注入工程中に任
意に加速電圧を変化させ、注入したイオンの基板の深さ
方向の濃度分布を比較的自由に所定の分布にすることが
できる。従来のイオン注入装置は、イオンの質量分離を
行なうため、一定の加速電圧で注入したときのイオンの
基板中での飛程（Ｒｐ）を中心としたガウス分布に近い
イオン注入の濃度分布以外の特定の濃度分布にしたいと
きは、イオンの加速電圧を変えた注入条件と注入量を組
み合せた２段、又は３段のイオン注入の工程をくり返す
ことになり、イオン注入時間が長くなり、その注入工程
を複雑化していた。本実施例では一定の加速電圧による
イオン注入の濃度分布が分っているので所定のイオン注
入の濃度分布になるよう加速電圧とそのときの注入量を
コンピュータ等で自動制御することも容易である。なお
、以上では加速電極が２枚の例で示したが、加速電極は
２枚に限定するものでなく、８枚以上の加速電極をイオ
ン源とイオン注入する半導体基板の間に多重に配置し、
その加速電極間に印加する電圧制御する注入イオンの加
速方式にしてもよい。

以上のイオン質量分離をしないイオン注入装置で、基板
のチャージアップを自己抑制する加速電極の部分拡大図
を第２図に示した。

第２図で９はイオン源側の加速電極でそのイオン通過開
口１６の直径がａにしてあり、基板側の加速電極１０の
イオン通過開口１７の直径をｂにしていることを示して
いる。ここで、イオン源側の加速電極のイオン通過開口
を大きくした（ａ＞ｂ）構成を特徴としている。以上の
ようなイオン通過開口の構成にすると、イオン源側の加
速電極９の開口１６を通過して加速されたイオンの一部
は基板側の加速電極１０の開口１７を通過できないで衝
突し、そのイオンの衝突により加速電極ｌＯから発生し
た二次電子のシャワーはその開口１７を通過するイオン
に対する電子シャワーの作用をして、そのイオンを注入
した基板のチャージアップを抑制することになる。この
とき、開口１７を通過するイオン数に比例して電極１０
に衝突して二次電子を発生させるイオン数も壊滅するの
で、このチャージアップ防止が自己抑制的な動作をする
ことが分る。

以上は、本発明を実施例によって説明したが、本発明は
実施例によって限定されるものでなく、非質量分離によ
るイオン注入装置のイオン加速用メツシュ電極を二重以
上にして注入イオンの加速電圧を任意に変えて半導体基
板へのイオン注入濃度分布の制御をする、メツシュ電極
に衝突させたイオンにより発生させた電子シャワーによ
る基板のチャージアップの自己抑制等の効果が得られる
範囲を含むものとする。

〈発明の効果〉 以上で説明したように、本発明の非質量分離のイオン注
入装置は、高周波励起のプラズマによるイオン源と、イ
オン注入する半導体基板との間に少なくとも２つのイオ
ン加速電圧を印加するメツシュ電極を設け、これらの電
極によりイオン注入の工程中に任意に加速電圧を変えて
イオン注入の濃度分布の制御を可能にし、又、加速した
イオンをメツシュ電極に衝突させチャージアップ防止用
の電子シャワーの形成等を可能にしている。従って、本
発明のイオン注入装置により大面積の半導体薄膜基板に
も制御性と生産性のよいイオン注入を行なうことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のイオン注入装置の一笑施例の概要を示
す断面図、第２図は加速電極の作用を示す部分拡大断面
図でちる。 ｌ・・・ガス導入口、　　２・・・イオン源チャンバー
３・・・高周波電源、　　４，５・・・高周波用電極（
放電用）、６．１１・・・絶縁リング、　　７・・・ガ
ラス分散器、　８・・・プラズマ、９．１０・・・メツ
シュ加速電極、　　１２・・イオン加速電源、　　】３
・・・基板ホルダ、　　１４・・・基板、　　１５・・
・イオン注入処理チャンバー、　　　１６・・・イオン
源側加速電極開口。 １７・・・基板側加速電極開口。 代理人　弁理士　梅　１）　勝（他２名）第　ｌＩａ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、イオン注入する元素を含む気体に励起エネルギーを
   印加してプラズマ化するイオン源と、前記イオン源のプ
   ラズマに直接加速電圧を印加するイオン注入装置におい
   て、前記イオン源のプラズマに加速電圧を印加する電極
   がイオン通過させる複数の開口をもち前記イオン加速方
   向に垂直な２次元の構成で、かつ、イオン加速方向に少
   なくとも２重に設けられていることを特徴とするイオン
   注入装置。 ２、前記プラズマに加速電圧を印加する電極は、イオン
   源側の電極の開口が大きいことを特徴とする請求項１記
   載のイオン注入装置。 ３、前記プラズマに加速電圧を印加する電極の加速電圧
   は、イオン注入工程中に任意に変えられる構成にしたこ
   とを特徴とする請求項１又は２記載のイオン注入装置。 ４、前記イオン注入の元素を含む気体の励起エネルギー
   は、前記イオン源に設けられた高周波印加電極から放電
   した高周波電力であることを特徴とする請求項１、２又
   は３記載のイオン注入装置。