JPH05140742A

JPH05140742A - 原子線注入装置

Info

Publication number: JPH05140742A
Application number: JP3306301A
Authority: JP
Inventors: Kazutoshi Nagai; 一敏長井; Mutsumi Nishifuji; 睦西藤
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1991-11-21
Filing date: 1991-11-21
Publication date: 1993-06-08
Anticipated expiration: 2012-12-03
Also published as: JP2684475B2

Abstract

(57)【要約】【目的】非荷電性のビームを使用して半導体ウェーハ
ーにドーパントを注入することにより、予め形成された
素子の絶縁破壊を解消する。【構成】高速原子線によるイオン打込みに先立って、
この高速原子線の線量を計測し、測定された線量に基づ
いて前記高速原子線を放出する高速原子線源を制御す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は原子線注入装置に関し、
更に詳述すれば、高速原子線を使用して半導体ウェーハ
ーにドーパントを注入する原子線注入装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来技術】半導体工業において、半導体ウェーハーに
微量のリン、砒素などの不純物（ドーパント）をドーピ
ングして、ウェーハーの表面をｐ型半導体あるいはｎ型
半導体にするプロセスは必須である。従来技術における
ドーパントの注入方法としては、熱拡散法、イオン注入
法などが提唱されているが、現在では注入量あるいは注
入するドーパント分布を精密に制御できることからイオ
ン注入法が主流となりつつある。図８は、このイオン注
入法に使用するイオン注入装置の一例を示した構成図で
ある。図中、１はイオン源、２は質量分離装置、３は半
導体ウェーハー、４は前記ウェーハー３を搭載したディ
スク、５はファラデーカップ、６はイオンビームを夫々
示している。前記ファラデーカップ５は可動式であっ
て、ビーム照射されるディスク４の前面に移動可能に設
けられている。更に、上記各構成要素は図示しない真空
容器内に配置されている。

【０００３】このイオン注入装置は、イオン源１が、半
導体ウェーハー３に注入すべきドーパントをイオン化し
かつ加速して、イオンビーム６を放出する。このイオン
ビーム６は質量分離装置２を通過する間に不純物が分離
され、ディスク４上のウェーハー３の表面を衝撃する。
その際、イオンビーム６の運動エネルギーが非常に大で
あるため、イオン状のドーパントはウェーハー３の内部
に侵入し、ｐ型あるいはｎ型の半導体ウェーハーを作製
する。このような半導体ウェーハーでは、ドーパントが
常に一定量だけ注入されることが重要である。そこで、
従来技術では、ドーパントの注入開始に先立ってディス
ク直前にファラデーカップ５を移動させ、このファラデ
ーカップ５でイオンビーム６を受けてビームの電気量を
計測し、流入するイオンビーム６が所定の量となるよう
にイオン源１をコントロールする。次いで前記ファラデ
ーカップ５を再度移動してイオンビーム６の進路から退
避させた後、イオン注入を開始してイオンビーム６を衝
撃することにより、ドーパントの注入量を安定化させて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしこのような従来
法では、イオンビーム６が荷電性であるため、イオンが
ウェーハー３に侵入した際、ウェーハーに予め形成した
素子の絶縁構造がイオン電荷の帯電および／または放電
により、絶縁破壊されることがある。またイオンビーム
電流が発生するジュール熱により、素子内配線を破壊す
ることがある。従って、従来技術では、これらトラブル
によって素子製造の歩留りは著しく低下している。本発
明は、上記実情に鑑みなされたものであり、帯電／放電
あるいはジュール熱による素子の破壊を防ぐため、非荷
電性のビームを使用してドーパントの注入を行う原子線
注入装置を提供することを目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は、少
なくとも電気的に中性な原子状または分子状のドーパン
トを発生する高速原子線源と、高速原子線が打込まれる
半導体ウェーハーを保持するディスクと、高速原子線の
線量を計測する高速原子線計数装置とを有し、前記高速
原子線計数装置が計測する原子線の線量を前記高速原子
線源にフィードバックしてドーパントの注入量が制御さ
れる原子線注入装置により達成される。

【０００６】

【作用】電気的に中性な高速原子線を用いてドーパント
注入を行うことにより、イオン電荷の帯電あるいは放電
等に起因した素子の絶縁破壊が阻止できる。又、注入に
先立って、高速原子線計数装置が原子線の線量を計測
し、その計測結果に基づいて高速原子線源を制御するこ
とにより、打込むドーパントの注入量を精密に制御でき
る。

【０００７】

【実施例】以下、本発明による原子線注入装置の実施例
を図面により詳説する。図１は、本発明の一実施例によ
る原子線注入装置の構成を説明する概略図で、図２は図
１の装置に適用される高速原子線計数装置の構成図を夫
々示している。なお、以下に示す各実施例において、図
８の従来装置と同一機能および作用を有する構成につい
ては同一符号を用いてある。図１において、この原子線
注入装置は、リンあるいは砒素等のドーパントを電気的
に中性な高速原子線２３として加速し、かつ放出する高
速原子線源２１と、前記高速原子線２３が打込まれる半
導体ウェーハー３を搭載可能にしたディスク４と、図示
しない移動機構を有した高速原子線計数装置２２とから
構成されている。前記高速原子線計数装置２２は、その
移動機構によって、前記高速原子線源２１と前記ディス
ク４との間において前記原子線源と対面するディスク前
面の直前位置へ、挿入可能又は該位置から退避可能に設
けられている。

【０００８】前記高速原子線計数装置２２は、図２に示
すように、前記高速原子線２３が導入される導入口２４
を有する構造体からなり、その内部に、固体ターゲット
３１および振動子型膜厚計３２を配置して構成されてい
る。前記固体ターゲット３１は入射する高速原子線２３
によって衝撃されるように、また前記振動子型膜厚計３
２はスパッタ粒子が表面に付着されるように夫々が配置
されており、前記振動子型膜厚計３２はスパッタ粒子の
付着によって生じる共振周波数の変化量からその付着量
を測定する。前記高速原子線源２１は、図１には示して
いないが、前記振動子型膜厚計３２の測定結果がフィー
ドバックされており、その構成は、例えば特願平3-3860
7 号において本出願人が既に提案したものを用いること
ができる。即ち、この高速原子線源は、互いに対向配置
した板状陽極および板状陰極の前記陽極側から反応ガス
を導入すると共に、低い放電電圧下で実施するプラズマ
放電により生成されるガスイオンを高速原子線に変換し
てこの原子線を前記陰極に設けられた放出孔から放出す
る。

【０００９】次に上記構成の原子線注入装置の動作につ
いて説明すると、この注入装置は、ドーパントの注入に
先立って前記高速原子線計数装置２２が前記ディスク４
前面へ移動される。前記高速原子線計数装置２２は、高
速原子線源２１が放出する高速原子線２３をその導入口
２４を介して受ける。その結果、前記固体ターゲット３
１は入射される前記高速原子線２３によってその表面構
成物質がスパッタされ、スパッタ粒子は前記振動子型膜
厚計３２の表面に蓄積する。前記振動子型膜厚計３２は
蓄積したスパッタ粒子によって振動数が変化し、これに
より、前記ターゲット３１のスパッタされた物質の量、
ひいては前記ターゲット３１に入射した高速原子線２３
の線量を算出する。

【００１０】一般に高速原子線で叩かれる固体表面のス
パッタ現象は、高速のイオンビーム衝撃によるスパッタ
と全く同一であると見做すことができるから、予め線量
が分かったイオンビームでターゲット３１を衝撃してス
パッタ量を較正しておけば、高速原子線２３の線量は測
定することができ、更にこの測定によってウェーハー３
に入射する高速原子線２３の量を常時一定にするように
高速原子線源２１を制御できる。従って、前記高速原子
線源２１はこの測定結果がフィードバックされ、前記ウ
ェーハー３に入射される高速原子線２３の線量を常時一
定にするように制御される。その後、前記計数装置２２
は前記ディスク４の直前から退避され、高速原子線源２
１が、リン、砒素等のドーパントを電気的に中性な高速
原子線２３として放出して前記ディスク４に装着された
ウェーハー３を衝撃する。これによりドーパントはウェ
ーハー内部に注入される。

【００１１】図３は、本発明に適用される高速原子線計
数装置の他の実施例を示す。なお、原子線注入装置は、
この高速原子線計数装置を除いた部分が先の図１と同様
に構成されており、従って、ここではこの高速原子線計
数装置についてのみ説明する。この高速原子線計数装置
４０は、図２と略同様な形状の構造体の内部に、入射す
る高速原子線２３によって衝撃される固体ターゲット４
１と、二次電子検出手段であり、前記固体ターゲット４
１から放出される二次電子を検出する二次電子収集電極
４２とを夫々配置して構成されている。前記ターゲット
４１は前記二次電子収集電極４２より負の高電位に保た
れている。

【００１２】次に、この高速原子線計数装置４０の動作
について説明する。前記固体ターゲット４１は、高速原
子線２３の衝撃を受けて二次電子を放出する。この二次
電子は電位の高い二次電子収集電極４２に集められる。
ここで予め線量の分かっているイオンビームで前記ター
ゲット４１を衝撃して、前記二次電子収集電極４２に流
入する二次電子流を較正しておけば、先の実施例の場合
と同様、高速原子線２３の線量を測定することができ
る。このようにして高速原子線２３の線量を測定した
後、測定結果は前記高速原子線源２１にフィードバック
されて高速原子線２３の線量を常時一定にするように制
御する。

【００１３】図４は、本発明に適用される高速原子線計
数装置の更に他の実施例を示している。なお、この実施
例においても、原子線注入装置は、この高速原子線計数
装置を除く他の構成要素が先の実施例と同様、図１の如
く構成されており、従って、ここでもこの原子線注入装
置についてのみ説明する。この高速原子線計数装置５０
は、図２と略同様な形状の構造体の内部に、入射する高
速原子線２３によって衝撃される固体ターゲット５１
と、該固体ターゲット５１と接触した温度検出手段であ
る熱電対５２とを有して構成されている。そして、この
高速原子線計数装置５０は、前記固体ターゲット５１が
高速原子線２３の衝撃を受けて昇温すると、前記熱電対
５２がこの温度を測定する。

【００１４】一般に高速原子線で叩かれた固体表面の昇
温現象は、高速のイオンビーム衝撃による昇温と全く同
一であるとされているから、予め線量が分かっているイ
オンビームでターゲット５１を衝撃して前記熱電対５２
で温度を測定し較正しておけば、昇温から高速原子線２
３の線量を測定することができる。従って、前記高速原
子線源２１は、測定した線量をフィードバックして前記
ウェーハー３に入射する高速原子線２３の線量を常時一
定にするように制御される。前記計数装置５０は流入す
る線量が一定になるように制御されると、図１の実施例
と同様、ディスク前面から退避される。その後、高速原
子線源２１は、ドーパントを電気的に中性な高速原子線
２３として放出し、ウェーハー３を衝撃する。

【００１５】図５は、本発明に適用される高速原子線計
数装置の更に他の実施例を示している。この実施例にお
いても、原子線注入装置は高速原子線計数装置を除く他
の構成要素が、図１の実施例と同様に構成されている。
この高速原子線計数装置６０は、図２と略同様な形状の
構造体の内部に、熱電子放出フィラメント６１とイオン
収集電極６３とが電子加速グリッド６２を挟んで互いに
対向して配置されている。イオン収集電極６３にはイオ
ン電流検出手段である電流計６４が接続されている。ま
た、前記電子加速グリッド６２は熱電子放出フィラメン
ト６１より正の高電位に保たれており、フィラメント６
１が放出した電子を加速する。一方、前記イオン収集電
極６３は電子加速グリッド６２より負の高電位に保たれ
ている。

【００１６】この高速原子線計数装置６０は、入射する
高速原子線２３を、前記フィラメント６１で発生しかつ
グリッド６２で加速した電子で衝撃してイオン化する。
これで生じたイオンは前記イオン収集電極６３に集めら
れる。そこで、この収集電極６３で集められたイオン電
流を測定すれば、高速原子線２３のうちイオン化したも
のの量が分かる。このようにして、予め高速原子線２３
のイオン化効率を測定しておけば、高速原子線２３の線
量が測定できる。

【００１７】図６は、本発明による原子線注入装置の他
の実施例を示している。この原子線注入装置は、リンあ
るいは砒素等のドーパントを電気的に中性な高速原子線
２３として加速しかつ放出する高速原子線源２１と、前
記高速原子線２３が打込まれる半導体ウェーハー３を搭
載可能にしかつ回転可能に設けられたディスク１４と、
高速原子線計数装置７１とから構成されている。前記デ
ィスク１４は、図７にその正面図を示すとおり、複数の
半導体ウェーハー３が搭載された領域を除く流域に、前
記高速原子線２３が透過されるスリット７を適宜数だけ
設けている。本実施例では直径方向に二本設けられてい
る。前記ディスク１４の背後には、前記ディスク１４を
透過した高速原子線の線量を計測する前記高速原子線計
数装置７１が固定配置されている。

【００１８】上記構成の原子線注入装置では、ドーパン
トを注入するにあたって、まずディスク１４が回転して
前記スリット７を高速原子線２３の進入方向に向ける。
このとき高速原子線計数装置７１とスリット７とは一直
線上に並ぶように構成されており、スリット７を通過し
た高速原子線２３が前記高速原子線計数装置７１に流入
する。前記高速原子線計数装置７１は、高速原子線２３
の線量を測定し、その測定結果を高速原子線源２１にフ
ィードバックする。続いてディスク１４は再度回転し、
前記ウェーハー３を高速原子線２３の進路方向に向け
る。これで、前記高速原子線２３は前記ウェーハー３を
衝撃してウェーハー内部に侵入でき、ドーパントを注入
する。なお、前記高速原子線計数装置７１は、先の図２
乃至図５に示したものを適宜選択されており、既述した
プロセスに基づいて高速原子線の線量を測定する。

【００１９】

【発明の効果】以上記載したとおり、本発明の原子線注
入装置によれば、イオン打込みする入射ビームを非荷電
性としたことにより、予め半導体ウェーハーに形成した
素子をイオン電荷の帯電および／または放電により絶縁
破壊することがない。特に、入射ビームの非荷電性によ
り、近年、素子の極端な微細化および素子内配線の細線
化に伴って生じる絶縁耐力の低下に起因する絶縁破壊を
完全に阻止できる。またイオン電流の流入に伴ったジュ
ール熱による配線部の破壊も、完璧に阻止して素子の生
産歩留りが大幅に向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による原子線注入装置の概略
構成である。

【図２】図１の原子線注入装置に用いる高速原子線計数
装置の構成図である。

【図３】図１の原子線注入装置に用いる、他の実施例に
よる高速原子線計数装置の構成図である。

【図４】図１の原子線注入装置に用いる、更に他の実施
例による高速原子線計数装置の構成図である。

【図５】図１の原子線注入装置に用いる、更に他の実施
例による高速原子線計数装置の構成図である。

【図６】本発明の他の実施例による原子線注入装置の概
略構成である。

【図７】図６の原子線注入装置に用いるディスクの様子
を説明する正面図である。

【図８】従来のイオン注入装置の構成図である。

【符号の説明】

３半導体ウェーハー４，１４ディスク７スリット２１高速原子線源２２，４０，５０，６０高速原子線計数装置２３高速原子線３１，５１，５１固体ターゲット３２振動子型膜厚計４２二次電子収集電極５２熱電対６１熱電子放出フィラメント６２電子加速グリッド６３イオン収集電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも電気的に中性な原子状または
分子状のドーパントを発生する高速原子線源と、高速原
子線が打込まれる半導体ウェーハーを搭載するディスク
と、ディスク前面へ移動可能に設けられ前記高速原子線
の線量を計測する高速原子線計数装置とを有し、前記高
速原子線源が前記高速原子線計数装置の計測する高速原
子線の線量に基づいて制御されることを特徴とする原子
線注入装置。
【請求項２】少なくとも電気的に中性な原子状または
分子状のドーパントを発生する高速原子線源と、高速原
子線が打込まれる半導体ウェーハーを搭載すると共に、
前記半導体ウェーハーを除く領域に前記高速原子線を透
過するスリットが設けられかつ回転可能なディスクと、
ディスク背後に配置され前記高速原子線の線量を計測す
る高速原子線計数装置とを有し、前記高速原子線源が前
記高速原子線計数装置の計測する高速原子線の線量に基
づいて制御されることを特徴とする原子線注入装置。
【請求項３】前記高速原子線計数装置が、入射する高
速原子線によって衝撃される固体ターゲットと、該ター
ゲットからスパッタされる粒子の付着による共振周波数
の変化量から前記スパッタ粒子の付着量を測定する振動
子型膜厚計とからなることを特徴とする請求項１又は２
記載の原子線注入装置。
【請求項４】前記高速原子線計数装置が、入射する高
速原子線によって衝撃される固体ターゲットと、該固体
ターゲットから放出される二次電子を検出する二次電子
検出手段とからなることを特徴とする請求項１又は２記
載の原子線注入装置。
【請求項５】前記高速原子線計数装置が、入射する高
速原子線によって衝撃される固体ターゲットと、該固体
ターゲットの温度上昇を検出する温度検出手段とからな
ることを特徴とする請求項１又は２記載の原子線注入装
置。
【請求項６】前記高速原子線計数装置が、入射する高
速原子線をイオン化するイオン化機構と、イオン化した
イオンの電流を検出するイオン電流検出手段とからなる
ことを特徴とする請求項１又は２記載の原子線注入装
置。