JPH0492351A - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は、イオン注入装置に関する。

（従来の技術） 一般に、イオン注入技術は、被処理物に対して不純物イ
オンを導入する方法として近年広く用いられている。こ
のイオン注入技術は、注入量、注入深さ等を高精度で制
御できるので、特に半導体ウェハへの不純物導入に際し
ては必要不可欠な技術となりつつある。

このようなイオン注入技術、例えば大電流イオン注入技
術では、正に帯電したイオンを、電場および磁場により
加速、収束し、直径例えば１〜２インチのビーム径を有
するフォーカスされたイオンビームとして半導体ウェハ
に照射する。

このため、半導体ウェハに加速された正イオンが衝突す
る過程で、半導体ウェハから電子が叩き出されたり、絶
縁体部分に正電荷の蓄積が起きるなど、半導体ウェハ表
面が正に帯電しやすくなっている。そのために、半導体
ウェハに形成された絶縁体部分（絶縁膜）が、蓄積され
た正電荷により静電破壊を起こす可能性がある。

このため、従来から、イオン注入装置においては、電子
をシャワー状にして半導体ウエノ１に供給し、半導体ウ
ェハの絶縁膜に蓄積された正電荷をこの電子によって中
和して絶縁膜の破壊を防止する電子供給手段を備えたも
のが多い。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、近年、半導体デバイスは高集積化されて
おり、その回路パターンは益々微細化されている。この
ため、絶縁膜においては、その膜厚が薄くなり、静電破
壊に対して弱いものが多くなっている。

このため、上述したように、電子をシャワー状にして半
導体ウェハに供給しながら、フォーカスされたイオンビ
ームを半導体ウェハに照射するイオン注入装置でも、電
子の供給が不足して正電荷の蓄積により絶縁膜の静電破
壊が生じたり、逆に電子が過剰に供給されて負電荷の蓄
積により絶縁膜の静電破壊が生じたりするという問題が
発生している。

本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので
、確実に被処理物の電荷を中和しつつイオンを注入する
ことができ、絶縁膜の静電破壊を確実に防止することの
できるイオン注入装置を提供しようとするものである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） すなわち、本発明は、被処理物にイオンビムを照射して
イオンを注入するイオンビーム照射手段と、前記被処理
物に電子を供給して該被処理物の正電荷を中和する電子
供給手段とを具備したイオン注入装置において、前記被
処理物の帯電状態を測定する帯電測定手段と、この帯電
測定手段の測定結果により前記電子供給手段による被処
理物に対する電子の供給を制御する制御手段とを設けた
ことを特徴とする。

（作　用） 本発明のイオン注入装置では、例えば静電誘導センサ等
により被処理物の帯電状態を測定する帯電測定手段と、
この帯電測定手段の測定結果により電子供給手段による
被処理物に対する電子の供給を制御する制御手段とを備
えている。

したかって、被処理物の電荷を確実に中和することがで
き、電子の過不足により絶縁膜が破壊されてしまうこと
を防止することができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図に示すように、正イオンからなるイオンビーム１
を導くためのイオンビーム導入管の端部には、２分割さ
れる如く設けられたファラディ箱、すなわち、フロント
ファラディ２とリアファラディ３が設けられている。ま
た、フロントファラディ２とリアファラディ３との間に
は、ビーム遮断機構として、板状に形成されたビームゲ
ート４が設けられている。

上記リアファラディ３の後方（図中右側）には、円板状
に形成されたディスク５が設けられている。

このディスク５内側面には、複数（例えば十数枚）の半
導体ウェハ６が保持されており、ディスク５を図示矢印
の如く回転させながら、各半導体ウェハ６に、イオンビ
ーム１を照射する如く構成されている。

なお、イオンビーム１飛来側には、第２図に示すように
、イオンソース部１００．引き出し部１０１、加速部１
０２、アナライザ一部１０３、スキャン部１０４、アン
グルコレクタ一部１０５などの周知の機器類が設けられ
ており、これらの機器によって所望のイオンビーム１が
形成される。

また、上記リアファラディ３の所定部位例えば上部には
、電子供給機構７が設けられている。この電子供給機構
７は、棒状に形成された電子源としてのフィラメント８
と、このフィラメント８から放出された電子ｅをリアフ
ァラディ３の方向へ反射する反射板９、およびメツシュ
状に形成された電極１０．１１から構成されている。

上記電極１０は、フィラメント８からリアファラディ３
内へ電子ｅを引き出すためのもので、第３図に示す如く
、導電性部材から矩形状に形成された枠体１０ａと、こ
の枠体１０ａに固定された導電性部材からなるメツシュ
１０ｂとから構成されており、メツシュ１０ｂの部位が
、電子通過用開口部を形成する如く構成されている。

また、上記電極１１は、電極１０と同様にメッシュ状に
構成されており、電極１０より低い電位に設定され、主
として電極１０によってリアファラディ３内に形成され
る電界を制限するために設けられている。但し、この電
極１１は、省略することも可能である。

上記電子供給機構７のフィラメント８、反射板９、電極
１０．１１への印加電圧は、電子供給制御部１２によっ
て制御される。これらの印加電圧例は、例えば、半導体
ウェハ６の電位例えば０■に対して、フィラメント８に
一５■、反射板９に一３０Ｖ、電子引き出し電極１０に
＋５００Ｖ　、電界制限用電極１１に＋５（ＩＶである
。

この時、フィラメント８から放出され、半導体ウェハ６
に供給される電子ｅは半導体ウェハ６とフィラメント８
との電位差に相当するエネルギーを有する。すなわち、
上記印加電圧の例では、半導体ウェハ６（ＯＶ）と、フ
ィラメント８　（−５Ｖ　）との電位差が５ｖであるの
で、電子ｅは５ｅＶの低エネルギーを有する。

また、周知のラングミュアの公式に示されるように、フ
ィラメント８から引き出される電子の量は、フィラメン
ト８と電極１０の間の電圧の３７２乗に比例し、フィラ
メント８と電極１０との間の間隔の２乗に反比例する。

このため、上述した如く半導体ウェハ６とフィラメント
８との電位差を小さく設定（あるいは同電位に設定）し
た状態であっても、電極１０に印加する電圧をある程度
大きく設定（例えば＋５００Ｖ　）することにより、フ
ィラメント８から多量の電子を引き出すことかできる。

したがって、イオンビーム１の照射によって半導体ウェ
ハ６に生じる正電荷を充分に中和することのできる量の
電子ｅを供給することができ、かつ、半導体ウェハ６に
一次電子のような高いエネルギーを有する電子が過剰に
供給されることがないので、半導体ウェハ６の表面に形
成された絶縁膜が正または負の電荷の蓄積により静電破
壊されることを防止することができる。

また、前述したディスク５には、このディスク５に保持
された半導体ウェハ６の帯電状態を測定するため帯電測
定機構２０が設けられている。この帯電測定機構２０は
、例えば静電容量センサ２１および電流計２２を備えて
いる。

上記静電容量センサ２１は、板状に構成されており、イ
オンビーム１の照射領域以外の部位において、ディスク
５に保持された半導体ウェハ６に微少間隔を設けて対向
するように配置されている。

すなわち、ディスク５の回転によって、このディスク５
に保持された半導体ウェハ６が、イオンビームｌの照射
部位と、上記静電容量センサ２１の部位を順次通過する
よう構成されている。

したがって、静電容量センサ２１には、この静電容量セ
ンサ２１の近傍を半導体ウェハ６が通過する際に、静電
誘導によって例えば第４図に示すような波形の電流が生
じる。ここで、半導体ウェハ６の帯電量が多いと、静電
誘導によって静電容量センサ２１に生起される電荷量が
多くなり、電流波形のピーク高さが高くなる。また、こ
のピークが最大となるのは、ディスク５の回転により、
半導体ウェハ６が静電容量センサ２１に近付いていき、
半導体ウェハ６と静電容量センサ２１が完全に重なった
時である。

そこで、ディスク５の回転を制御する回転制御部１３か
らの回転制御信号と、電流計２２の測定信号とを測定部
２３に人力することにより、測定部２３において、ディ
スク５の回転信号を参照信号として、同期検波によりピ
ーク値を検出する。

このピークの極性とその値が半導体ウェハ６の帯電状態
を示すことになる。

上述のようにして測定部２３で検知されたピーク値信号
（帯電状態信号）は、比較部２４にヌカされる。そして
、このピーク値が、記憶部２５に予め設定された設定値
を読みだし許容レベル内にあるか否かを比較し、ピーク
値が許容レベルを逸脱している場合は、電子供給制御部
１２に指令信号を送り、電子供給機構７の電子取り出し
量を制御する各部の電圧設定を変更する。

すなわち、半導体ウェハ６の帯電状態が正側の帯電許容
レベルを越えている場合は、フィラメント８の印加電圧
を増やしたり、電子引き出し用の電極１０の印加電圧を
増やす等して電子供給量を増大させる。一方、半導体ウ
ェハ６の帯電状態が負側の帯電許容レベルを越えている
場合は、フィラメント８の印加電圧を減らしたり、電子
引き出し用の電極１０の印加電圧を減らす等して電子供
給量を減少させる。

さらに、前述したビームゲート４には、第５図に示すよ
うに、イオン注入操作開始前等において、ビームゲート
４を閉じた状態でイオンビーム１のイオン密度分布を測
定するためのイオン密度分布測定機構３０が設けられて
いる。

このイオン密度分布測定機構３０は、イオンビーム１の
ビームスポットの一部のみを通過させるイオンビーム通
過孔３１と、このイオンビーム通過孔３１の後方に配置
され、イオンビーム通過孔３１を通過したイオンビーム
１ａのイオン量を電流として測定するためのカップ３２
および電流計３３等から構成されている。

上記イオンビーム通過孔３１は、例えば数センチ程度の
ビーム径を有するイオンビ−ム１のビームスポットに対
して、例えば数ミリ程度の十分少さな径を有する円孔か
らなる。また、カップ３２は、例えば金属等の導電性部
材３４．３５と、セラミックス等の絶縁性部材３６．３
７を組合せて円筒容器状に形成されており、円形の開口
３８をイオンビーム通過孔２１に向けるように配設され
ている。

そして、カップ３２の開口３８部に設けられた導電性部
材２４に、バイアス電圧３９を印加することにより、イ
オンビーム通過孔３１を通ってカップ３２内に入ったイ
オンをカップ３２内に閉込めて、このイオンの量を正確
に測定することができるよう構成されている。

したがって、このイオンビーム通過孔３１上を、イオン
ビーム１のビームスポットの中心が通るように横切ると
、電流計３３において、電流値の時間的な変化として、
第６図に示すように、ビームスポット位置とイオン密度
との関係、すなわち、イオン密度分布が得られる。なお
、ビームゲート４には、上記構成のイオン密度分布測定
機構３０が複数設けられている。

このように、本実施例のイオン注入装置は、イオン密度
分布測定機構３０を備えているので、半導体ウェハ６に
対するイオン注入操作を開始する前に、ビームゲート４
を閉塞し、イオンビーム１を遮断した状態で、イオンビ
ーム１のイオン密度分布を測定し、イオンビーム１を所
定のデフォーカス状態に設定しておくことができる。

すなわち、第６図に点線で示すように、イオンビーム１
かフォーカスされた状態では、ビームスポット中心部の
イオン密度が高く、イオン密度分布は、鋭いピーク状に
なる。このようなイオンビーム１のマシンにおけるフォ
ーカス位置を少ししずつずらして、デフォーカス状態に
してい（と、−点鎖線で示すように、ピーク高さが次第
に低くなり、裾が拡がったブロードなビームとなる。但
し全イオン量はほぼ同じである。

このように、半導体ウェハ６に照射されるイオンビーム
１をデフォーカス状態に設定すると、イオンビームスポ
ット内のイオン密度分布が均一化され、したがって、イ
オンビーム］の照射部位における半導体ウェハ６の正の
帯電もほぼ均一に起き、不均一な帯電により局所的に静
電破壊が生じることを防止することができる。なお、デ
フォカス状態は、例えば第６図に示すイオンビーム１が
フォーカスされた状態のピーク高さＨＦに対して、ピー
ク高さＨ口が６０％以下、好ましくは、３０〜５０％と
なるように設定する。このようなデフォーカス状態は、
イオン源の設定（例えばイオン引き出し電圧の設定）、
質量分析マグネットの磁場、フォーカス電極の電圧設定
等を調節することにより実現することができる。

さらに、本実施例では、第７図および第８図に示すよう
に、ディスク５に、イオン注入操作中にイオンビーム１
のイオン密度分布を測定するためのイオン密度分布測定
機構４０が設けられている。

上記イオン密度分布測定機構４０は、ディスク５の半導
体ウェハ６近傍であって、イオンビーム１がオーバース
キャン（半導体ウェハ６径より広い範囲をスキャンする
こと）により照射される位置に設けられており、前述し
たビームゲート４のイオン密度分布測定機構３０とほぼ
同様な構成とされている。

この実施例では、イオン密度分布測定機構４０は、ディ
スク５の半導体ウェハ６を挟むように設けられているが
、これらのイオン密度分布測定機構４０は、イオンビー
ム通過孔４１と、これらのイオンビーム通過孔４１の後
方に設けられ、イオンビーム通過孔４１を通過したイオ
ンビーム１ａのイオン量を電流として測定するためのカ
ップ４２および電流計４３等から構成されている。

上記カップ４２は、例えば金属等の導電性部材４４．４
５と、セラミックス等の絶縁性部材４６．４７を組合せ
て形成されているが、ディスク５の回転に伴ってイオン
ビーム通過孔４１が描く軌跡に沿って形成された所定長
さ（ビームスポット径以上の長さ）を有する細長い形状
の開口４８を有し、この開口４８をイオンビーム通過孔
４１に向けるように配設されている。

そして、バイアス電圧４９を印加することにより、カッ
プ４２内に入ったイオンおよび２次電子を閉込めて、こ
のイオンの量を正確に測定することができるよう構成さ
れている。

この場合、イオンビーム１の走査速度（例えば１ｃｍ　
／秒）に対してディスク５の回転に伴うイオンビーム通
過孔４１の移動速度が十分速いため、イオンビーム１が
カップ４２の部位を照射した状態で、イオンビーム通過
孔４１がイオンビーム］とカップ４２の間を高速で通過
することになる。

すなわち、イオンビーム１を照射した状態（はぼ停止し
た状態）で、イオンビーム通過孔４１をスキャンニング
することになり、カップ４２内に、ビームスポット内の
各部のイオンが順次入り、前述した第６図のグラフに示
すようにビームスポット位置とイオン密度との関係、す
なわち、イオン密度分布が得られる。

このようなイオン密度分布は、イオン注入操作中に電流
計４３において、電流値の時間的な変化として測定され
る。この測定結果は、入力部５０を介して比較部５１に
入力され、記憶部５２内に予め設定されたイオン密度（
電流値）のピーク高さと比較される。そして、測定され
たイオン密度のピ〜り高さが、設定されたピーク高さを
越えた場合は、イオン注入装置を統括的に制御する主制
御部５３に停止信号を送り、イオン注入操作を中断し、
ビーム電流値の設定値を変更（例えば１０％低い値に変
更）してイオン注入操作を再開するよう構成されている
。

次に、上記構成の本実施例のイオン注入装置の動作につ
いて、第９図に示すフローチャートを参照して説明する
。

図示しないコントロールパネル上からイオン注入装置を
統括的に制御する主制御部５３に注入条件、すなわち、
イオン種、加速電圧、注入量等を入力すると（２０１）
、ビーム電流値が自動的に設定される（２０２）。この
ビーム電流値は、例えば過去の注入操作において静電破
壊が起きなかった最大ビーム電流値等である。

ビーム電流値が自動的に設定されると、ビームゲート４
を閉じた状態で、テスト注入が開始され（２０３）、走
査機能、ビーム電流値、イオン密度分布等の確認が行わ
れる（２０４）。

上記確認により、設定値と、測定値とが許容範囲内で一
致しない場合は動作を終了する。一方、一致した場合は
、次に、ビームゲート４を開として、半導体ウェハ６に
イオンビームが当たらないようにして、ディスク５のイ
オン密度分布測定機構４０にイオンビームを照射する（
２０５）。

そして、イオン密度分布測定機構４０によって測定され
る前述したピーク高さ、すなわち最大電流密度が所定値
以内であるか確認する（２０６）。

測定された最大電流密度が所定値を越えている場合は、
−旦注入を停止しく２０７）、ビーム電流値の設定を変
更、例えば１０％低い値に変更して（２０８）　、上記
ステップ２０３からの動作を行う。

一方、測定された最大電流密度が所定値以内の場合は、
電子供給機構７を始動して、電子の供給を開始し、帯電
測定機構２０と電子の電流量測定機構２０−によって電
子の供給量が十分であるか否かを測定することにより、
電子供給機構７のテストを実施する（２０９）。

そして、電子供給機構７から所定量の電子が供給されて
いるか否かを判定しく２１０）、所定量の電子か供給さ
れていない場合は、電子供給制御部１２による印加電圧
の設定を変更し電子の供給量を調整する（２１１）。

電子供給機構７からの電子供給量が所定量となると、半
導体ウェハ６に対してイオンビーム１を照射し、イオン
注入操作を開始する（２１２）。

イオン注入操作中は、帯電測定機構２０によって半導体
ウェハ６の帯電状態を常時モニタしく２１３）、半導体
ウェハ６の帯電をほぼゼロとするように、前述した如く
、電子供給制御部１２によって電子供給機構７の各部の
電圧設定を変更する（　２１４　）。

また、ディスク５の密度分布測定機構４０によって最大
電流密度のモニタも実施しく２１５）、測定された最大
電流密度が所定値を越えている場合は、−旦注入を停止
しく２０７）、ビーム電流値の設定を変更、例えば１０
％低い値に変更して（２０８）　、上記ステップ２０３
からの動作を行つＯ そして、半導体ウエノ＼６に対して所定量のイオンを注
入し終えると（２１６）、注入動作を終了する（２１７
）。

この後、注入処理の終了した半導体ウエノ＼６をディス
ク５からアンロードする。

以上説明したように、この実施例によれば、帯電測定機
構２０によって、ディスク５に保持された半導体ウェハ
６の帯電状態を測定し、電子供給機構７からの電子供給
量を増減しながらイオン注入操作を実施するので、確実
に半導体ウエノ＼６の電荷を中和しつつイオンを注入す
ることができ、絶縁膜の静電破壊を確実に防止すること
ができる。

また、半導体ウェハ６に照射されるイオンビーム１は、
所望のデフォーカス状態に設定し、イオン密度分布を均
一化することができる。したがって、半導体ウェハ６面
内にける帯電を均一化することができ、帯電の不均一に
より部分的に電子の過不足か生じ、絶縁膜が破壊される
ことを防止することかできる。なお、イオンビーム１を
デフォーカスしても、半導体ウェハ６に照射される全イ
オン量は、フォーカスした状態とほぼ同じであるので、
単位時間当りのイオン注入量は、フォーカスした状態と
ほぼ等しく、したがって、注入時間が長くなることもな
い。

さらに、イオン注入操作中に何らかの原因で、デフォー
カス状態が変動した場合は、この変動をイオン密度分布
測定機構４０でモニタし、イオン注入操作を自動的に中
断してビーム電流値を変更するよう構成されているので
、万一デフォーカス状態が変動した場合でも、絶縁膜の
静電破壊を確実に防止することができる。

上記実施例ではイオン注入装置に適用した例について説
明したが、イオンを照射して処理する装置であれば、例
えばイオンリペアに適用するなどいずれでも良い。さら
に、上記実施例では半導体ウェハの処理についてについ
て説明したが、例えばＬＣＤ駆動用ＴＰＴ回路基板など
いずれでも良い。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明のイオン注入装置によれば
、確実に被処理物の電荷を中和しつつイオンを注入する
ことができ、絶縁膜の静電破壊を確実に防止することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のイオン注入装置の要部構成
を示す図、第２図はイオン注入装置の全体構成を示す図
、第３図は第１図のイオン注入装置の電極の構成を示す
図、第４図は帯電測定機構によってＩＩ定される電流値
の変化を示すグラフ、第５図はビームゲートのイオン密
度分布測定機構の構成を示す図、第６図はフォーカス状
態とデフォーカス状態におけるイオン密度分布を示すグ
ラフ、第７図および第８図はディスクのイオン密度分布
測定機構の構成を示す図、第９図は第１図のイオン注入
装置の動作を示すフローチャートである。 １・・・・・・イオンビーム、２・・・・・・フロント
ファラディ、３・・・・・・リアファラディ、４・・・
・・・ビームゲート、５・・・・・ディスク、６・・・
・・・半導体ウェハ、７・・・・・・電子供給機構、８
・・・・・・フィラメント、９・・・・・・反射板、１
０．１１・・・・・・電極、］２・・・・・・電子供給
制御部、１３・・・・・・回転制御部、２０・・・・・
・帯電測定機構、２１・・・・・・静電容量センサ、２
２・・・・・・電流計、２３・・・・・・測定部、２４
・・・・・・比較部、２５・・・・・・記憶部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）被処理物にイオンビームを照射してイオンを注入
   するイオンビーム照射手段と、前記被処理物に電子を供
   給して該被処理物の正電荷を中和する電子供給手段とを
   具備したイオン注入装置において、 前記被処理物の帯電状態を測定する帯電測定手段と、こ
   の帯電測定手段の測定結果により前記電子供給手段によ
   る被処理物に対する電子の供給を制御する制御手段とを
   設けたことを特徴とするイオン注入装置。