JPH0499020A - イオン注入方法 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、イオン注入方法に関する。

（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、電子をシャワー状にして半導体ウ
ェハに供給し、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
方法が行われている。

（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方法でも、例えば回路素
子パターンが形成された半導体ウェハ面内において部分
的に帯電量が不均一となり、部分的に電子の過不足な領
域が生じ、所定の耐電圧を上回る電荷が蓄積された場合
絶縁膜が破壊されてしまう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
、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
イオン注入方法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ームを照射し
てイオンを注入するに際し、前記イオンビームをデフォ
ーカスした状態で、前記被処理物に注入することを特徴
とする。

（作　用） 本発明のイオン注入方法では、イオンビームをデフォー
カス（ｄｅｆｏｃｕｓ　）　した状態で、被処理物に照
射する。このため、後述する第５図に示すように、フォ
ーカスしたイオンビーム（被処理物表面で収束したイオ
ンビーム）を照射した場合に較べて、ビームスポット内
のイオン密度分布が均一化され、密度自体も薄くなった
、イオンが被処理物に照射される。

すなわち、本発明者等が分析したところによると、フォ
ーカスしたイオンビームを照射した場合、ビームスポッ
トの中心部でイオン密度の高い鋭いピークができ、この
ビームスポットの中心部と、ビームスポット周辺部との
イオン密度の差が大きくなる。これが原因で中和できな
い領域がビームスポットの中心部に発生したと思われる
。これに対して本発明方法では、イオンビームをデフォ
ーカスした状態で被処理物に照射するため、ビームスポ
ット内の中心部と、ビームスポット内の周辺部とのイオ
ン密度の差が小さくなり、中心部の密度自体も薄くなる
。

このため、中心部周辺部のイオン密度の均一なイオンビ
ームスポットを照射するので被処理物面内における帯電
を均一化することができ、帯電の不均一により部分的に
電子の過不足が生じ、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。

したがって、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。

（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とリアファラデイ３が設けられている。ま
た、フロントファラデイ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飛米側には、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からイオンビーム導入
管２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と同様にメツシュ状に
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によってイオンビーム導入管２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。

さらに、前述したビームゲート４には、第４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２０が設けられて
いる。

このイオン密度分布測定機構２０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２１と、このイオンビーム通過孔２１の後方に配置
され、イオンビーム通過孔２１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２２
および電流計２３等から構成されている。

上記イオンビーム通過孔２１は、例えば数センチ程度の
ビーム径を有するイオンビーム１のビームスポットに対
して、例えば数ミリ程度の十分小さな径、を有する円孔
からなる。また、カップ２２は、例えば金属等の導電性
部材２４．２５と、セラミックス等の絶縁性部材２６．
２７を組合せて円筒容器状に形成されており、円形の開
口２８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２２の開口２８部に設けられた導電性部
材２４に、バイアス電圧２９を印加することにより、イ
オンビーム通過孔２１を通ってカップ２２内に入ったイ
オンおよび２次電子をカップ２２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２１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２３において、電流値の時間的な変化として、
第５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２０が複数設けられている。

また、第６図および第７図に示すように、ディスク５に
は、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３０が設け
られている。

このイオン密度分布測定機構３０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２０とほぼ
同様な構成とされている。

すなわち、密度分布測定機構３０は、ディスク５の半導
体ウェハ６を挾むように設けられた２つのイオンビーム
通過孔３１と、これらのイオンビーム通過孔３１の後方
に設けられ、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。

上記カップ３２は、例えば金属等の導電性部材３４．３
５と、セラミックス等の絶縁性部材３６．３７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３１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３８を有し、この開口３８をイオンビーム通過孔
３１に向けるように配設されている。

そして、バイアス電圧３９を印加することにより、カッ
プ３２内に入ったイオンを閉込めて、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ｊｃ■／
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３１の移動速度が十分速いため、イオンビーム１がカ
ップ３２の部位を照射した状態で、イオンビーム通過孔
３１がイオンビーム１とカップ３２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３１をスキャンニング
することになり、カップ３２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５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。

このイオン密度分布は、イオン注入操作中に電流計３３
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４０を介して比較部４１に入力さ
れ、後述するように、記憶部４２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ーク高さが、設定されたピ
ーク高さを越えた場合は、イオン注入装置を制御する主
制御部４３に停止信号を送り、イオン注入操作を中断す
るよう構成されている。

上記構成のイオン注入装置を用いて、この実施例では、
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、イオン密度分布測定機構２０により、イオンビ
ーム１のイオン密度分布を測定する。そして、イオンビ
ーム１を所定のデフォーカス状態に設定し、この後、イ
オン注入を開始する。

すなわち、前述した第５図に点線で示すように、イオン
ビーム１が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
くと、−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。

本実施例では、第５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
Ｄが８０％以下、好ましくは、３０〜５０％となるよう
に、イオンビーム１をデフォーカス状態に設定する。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１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る。

なお、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。

そして、半導体ウェハ６を所定電位例えば０■に設定し
、イオンビーム１を照射するとともに、電子供給機構７
のフィラメント８に所定電圧例えば−５■１反射板９に
所定電圧例えば−３０Ｖ、電子引き出し電極１０に所定
電圧例えば＋５００Ｖ　、電界制限用電極１１に所定電
圧例えば＋５０Ｖをそれぞれ印加し、フィラメント８か
ら半導体ウェハ６に電子ｅを供給する。

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ができる。

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に生じる一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。

すなわち、この実施例によれば、半導体ウェハ６に照射
されるイオンビーム１は、デフォーカス状態に設定され
ており、イオン密度分布が均一化されているので、イオ
ンビーム１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る。なお、半導体ウェハ６の帯電の
分布もほぼイオン密度分布と同様となるため、フォーカ
スされたイオンビーム１を照射すると、ビームスポット
の中心部の帯電量がピーク状に増大する。

したがって、半導体ウェハ６面内において、帯電の不均
一により部分的に電子の過不足が生じることを防止して
、絶縁膜の静電破壊を確実に防止することができる。

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３０でモニタし、測定されたイオン密度のピー
ク高さが、設定されたピーク高さを越えた場合は、イオ
ン注入操作を自動的に中断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。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明のイオン注入方法によれば
、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図は本発明方法の一実施例に使用するイオン注入装
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５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６図および第７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、
１０．１１・・・・・・電極。 第１図

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
   するに際し、 前記イオンビームをデフォーカスした状態で、前記被処
   理物に注入することを特徴とするイオン注入方法。