JPH07183000A - 半導体製造用イオン注入装置及びイオン注入方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 イオン注入処理時絶縁性ウェハの過渡的な帯
電を防止する。 【構成】 半導体製造用イオン注入装置はイオン銃１と
電子銃２とを備えている。イオン銃１は処理対象となる
絶縁性ウェハ３に対して断続制御可能にイオンビーム４
を照射する。電子銃２はイオンビーム４の照射に合わせ
て作動し絶縁性ウェハ３の表面に電子シャワー５を供給
してその帯電抑制を図る。制御手段１０を備えており、
イオンビーム４の照射に先行して電子銃２を作動させ、
電子シャワー５が定常レベルまで立ち上がった時点でイ
オンビーム４の照射を開始する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体製造用イオン注入
装置及びイオン注入方法に関する。より詳しくは、イオ
ン注入時帯電防止技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】イオン注入法は、イオンビームを固体に
照射してその表面近傍に不純物を導入する技術である。
イオン注入法は例えばＬＳＩ製造等に応用されており、
シリコンウェハの表面領域に不純物を導入してトランジ
スタ素子等を形成している。近年、イオン注入技術はガ
ラス基板の表面に形成された半導体薄膜にも盛んに適用
されており、例えばアクティブマトリクス型液晶表示パ
ネルの駆動基板製造に用いられている。イオン注入技術
を利用する事により、素子性能の向上、歩留り改善、プ
ロセスの簡略化、コスト低減等の点で様々な利点が得ら
れる。

【０００３】ガラス基板に形成された半導体薄膜に対し
てイオン注入を行なう場合、帯電（チャージアップ）が
生じやすくトランジスタ素子の静電破壊等を招いてい
た。これを防ぐ為に、エネルギーの弱い二次電子をガラ
ス基板表面に照射しイオンの中和を図る電子シャワー方
式が行なわれている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の高電流タイプの
半導体製造用イオン注入装置は断続制御可能にイオンビ
ームを照射するイオン銃に加えて、イオンビームの照射
に合わせて作動し電子シャワーを供給する電子銃を備え
ている。イオン銃は例えば陽電荷を帯びたイオンを照射
する一方、電子銃は陰電荷を帯びた電子を供給する。両
者を同時に作動させる事により陽電荷と陰電荷が互いに
中和され処理対象となるガラス基板等絶縁性ウェハの帯
電を抑制しチャージ電位の上昇を抑えている。しかしな
がら実際には、イオン銃が作動開始とともに直ちに定常
状態に達するのに対し、電子銃は作動開始後定常状態に
達するまで多少の過渡時間があった。この為電子シャワ
ーの中和作用がイオンビームによる絶縁性ウェハのチャ
ージアップに追い付かず、トランジスタ素子等の破壊に
至る事がある。この為製造歩留りが突発的に低下すると
いう課題があった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題に鑑み、本発明は絶縁性ウェハの帯電を確実に防止可
能な半導体製造用イオン注入装置及びイオン注入方法を
提供する事を目的とする。かかるを目的を達成する為に
以下の手段を講じた。即ち、本発明にかかる半導体製造
用イオン注入装置は基本的な構成としてイオン銃と電子
銃とを備えている。イオン銃は処理対象となる絶縁性ウ
ェハに対して断続制御可能にイオンビームを照射する。
一方電子銃は該イオンビームの照射に合わせて作動し該
絶縁性ウェハの表面に電子シャワーを供給してその帯電
抑制を図る。本発明の特徴事項として、該イオンビーム
の照射に先行して該電子銃を作動させ電子シャワーが定
常レベルまで立ち上がった時点で該イオンビームの照射
を開始する制御手段を設けている。

【０００６】本発明にかかるイオン注入方法は基本的な
手順として、処理対象となる絶縁性ウェハに対して随時
イオンビームを照射するとともに、該イオンビームの照
射に合わせて該絶縁性ウェハの表面に電子シャワーを供
給しその帯電抑制を行なう。特徴的な手順として、該イ
オンビームの照射に先立って該電子シャワーの供給を開
始し、電子シャワーが定常レベルまで立ち上がった時点
で該イオンビームの照射を開始する。

【０００７】

【作用】本発明においては、予め電子銃の立ち上がり時
間を見込んで制御シーケンスを組んでいる。イオン銃を
起動すると瞬時にイオンビームが照射されるが、この時
点で電子銃は定常レベルまで達しており十分な電子を供
給している。従って、陽電荷と陰電荷の均衡が保たれ、
絶縁性ウェハの過渡的な帯電が防止できる。これにより
トランジスタ素子の突発的な静電破壊等を有効に防止で
きる。

【０００８】

【実施例】以下図面を参照して本発明の好適な実施例を
詳細に説明する。図１は本発明にかかる半導体製造用イ
オン注入装置の基本的な構成を示す模式図である。本装
置はイオン銃１と電子銃２とを備えている。イオン銃１
は処理対象となる絶縁性ウェハ３に対して断続制御可能
にイオンビーム４を照射する。このイオンビーム４には
陽電荷を帯びたイオン粒子が含まれている。電子銃２は
イオンビーム４の照射に合わせて作動し、絶縁性ウェハ
３の表面に電子シャワー５を供給してその帯電抑制を図
る。電子シャワー５は陰電荷を帯びた電子を含んでい
る。絶縁性ウェハ３はターンテーブル６に載置されてい
る。このターンテーブル６はモータＭにより高速回転さ
れる。本イオン注入装置は高電流タイプであり、ターン
テーブル６に載置された複数の絶縁性ウェハ３に対して
連続的にイオン注入処理を行なう事ができる。絶縁性ウ
ェハ３は、例えば石英ガラス又はシリコンから構成され
ている。ウェハ３の表面には通常レジストやＳｉＯ₂ ，
Ｓｉ₃ Ｎ₄ 等の薄膜が形成されており絶縁性を有してい
る。

【０００９】この絶縁性ウェハ３の表面にイオンビーム
４が打ち込まれると、その表面に正のチャージ電位が現
われる。このチャージ電位は絶縁性ウェハ３の表面に形
成されたレジスト膜や半導体素子を破壊する惧れがあ
る。これを防止する為、電子銃２を用いて電子シャワー
５を供給する。電子銃２は主としてタングステン等から
なるフィラメント７を備えており、スイッチＳＷの投入
とともに加熱され一次電子８を発生する。この一次電子
８は所定の正電位に保持されたターゲット９に向って加
速されこれと衝突する。その際ターゲット９から比較的
低エネルギーの二次電子が発生する。この二次電子を電
子シャワー５として絶縁性ウェハ３に供給する。これに
より、絶縁性ウェハ３の正極性チャージ電位を中和させ
る。なお低エネルギー電子を発生可能なエレクトロン源
を備えた電子銃を用いた場合にはターゲット９を省略す
る事ができ、電子銃により直接絶縁性ウェハに低エネル
ギー電子を供給する構造のものもある。

【００１０】本発明の特徴事項として制御手段１０を備
えており、所定のシーケンスプログラムに従ってイオン
銃１、電子銃２のスイッチＳＷ、ターンテーブル６回転
用のモータＭ等をオン／オフ制御する。基本的には、イ
オンビーム４の照射に先行して電子銃２を作動させ電子
シャワー５が定常レベルまで立ち上がった時点でイオン
ビーム４の照射を開始する一連のシーケンスを実行す
る。

【００１１】図２は制御手段１０によって実行されるシ
ーケンスプログラムの一例を模式的に表わしたグラフで
ある。縦軸にターンテーブルの回転数（rpm)をとり、横
軸に経過時間（sec)をとってある。グラフ中カーブＲＮ
はターンテーブルの回転数変化を表わし、カーブＥＳは
電子シャワー電流の変化を表わし、カーブＩＢはイオン
ビーム電流の変化を表わしている。電子シャワー電流は
電子銃２から供給される電子シャワー５の量に対応して
おり、イオンビーム電流はイオン銃１から供給されるイ
オンビーム４の量に対応している。先ず最初にターンテ
ーブル６が回転を開始し所定時間経過後定常回転数（例
えば１２００rpm)に達する。この時点でイオン銃１が起
動され瞬時にイオンビーム電流が立ち上がり絶縁性ウェ
ハ３に対して所定のイオン注入処理を行なう。このイオ
ン銃１の起動に先立って、ターンテーブル６の回転数が
例えば８００rpm に上昇した時点で電子銃２が起動され
る。電子シャワー電流は所定時間経過後イオン銃１の起
動に先立って定常レベルに達する。従って、イオン注入
の開始直前に十分な電子を供給する事ができ、帯電によ
る半導体素子へのダメージやレジスト破壊等を防止する
事ができる。なお、点線で示したカーブＥＳは従来のシ
ーケンスプログラムに従った電子シャワー電流の変化を
表わしたものである。従来、イオン銃１の起動と同時に
電子銃２を起動させていた。しかしながら電子銃２はフ
ィラメント７をエレクトロン源として用いている為電子
シャワー電流が定常レベルに達するまで若干の時間遅れ
が生じる。この為イオンビーム照射によるチャージアッ
プに電子の供給が追い付かず半導体素子の突発的な破壊
等を引き起していた。

【００１２】なお本例ではターンテーブルの回転数を検
出しこれを基準として一連のシーケンス制御を行なって
いた。しかしながら制御方式はこれに限られるものでは
なく、例えば電子シャワー電流の変化を直接モニタしな
がらイオン銃のスタート制御を行なっても良い。

【００１３】高電流タイプのイオン注入装置では一般に
インターロック制御が行なわれており、イオンビーム電
流をモニタしながら注入と中断を繰り返している。即ち
種々の変動要因によりイオンビーム電流が所定レベルよ
り低下した時はイオン注入が一時的に中断される。イオ
ンビーム電流が定常レベルに復帰した場合には再びイオ
ン注入が開始される。この様な断続制御を行なう事によ
り一定の製造品質を維持している。図３は、断続制御を
行なった場合のシーケンスを表わすグラフであり、縦軸
に電子シャワー電流をとり横軸に経過時間をとってあ
る。図示する様に、スタートとともにターンテーブルの
回転数が上昇し所定時間経過後定常回転数に到達する。
その前の回転数上昇過程で電子銃が起動し定常回転数に
至った時点では電子シャワー電流も定常レベルに到達す
る。この時点でイオン注入を開始する。その後イオンビ
ーム電流が一時的に低下するとイオンビーム照射が中断
する。これと同時に電子銃もオフになる。その後再びイ
オン注入を再開する。この時点でも、イオン注入再開に
先立って電子銃が起動され、電子シャワー電流は予め定
常レベルに到達している様に制御する。以後、この注入
と中断を繰り返し行なっていく。

【００１４】一方、図４のグラフはイオンビーム電流Ｉ
Ｂが瞬間時に低下する場合における制御シーケンスを表
わしている。グラフから明らかな様に、イオンビーム電
流の瞬間的な減少に対しては電子銃が応答せず常に一定
の電子シャワー電流ＥＳを保持する様に制御する。これ
により、イオン注入装置の安定的な制御動作が維持でき
る。

【００１５】次に図５を参照して、本発明にかかる半導
体製造用イオン注入装置の具体的な使用例を説明する。
本例では薄膜トランジスタが集積的に形成されたアクテ
ィブマトリクス液晶表示パネル駆動基板製造に用いられ
ている。絶縁性ウェハとして石英ガラス基板２１を用意
する。この石英ガラス基板２１の表面には被注入層とし
て多結晶シリコン薄膜２２が形成されており、例えば薄
膜トランジスタの素子領域を構成する。さらに多結晶シ
リコン薄膜２２の上にはＳｉＯ₂ 薄膜２３が形成されて
おり、例えばゲート絶縁膜として利用される。この状態
でイオン注入装置に投入し、被注入層である多結晶シリ
コン薄膜２２に所望の不純物を均一に注入する。イオン
注入処理中本発明に従ったシーケンス制御により電子シ
ャワーを供給する事で石英ガラス基板の帯電を抑制して
いる。イオンビームの加速エネルギーを適宜設定する事
より、多結晶シリコン薄膜２２に集中的に不純物を導入
する事ができる。イオン種として例えばリンや砒素を選
択すると、多結晶シリコン薄膜２２にＮ型の不純物領域
を形成する事ができる。あるいは、イオン種としてボロ
ンを選択すると、多結晶シリコン薄膜２２中にＰ型の不
純物領域を形成する事ができる。

【００１６】図６は本発明にかかるイオン注入装置の他
の具体的な使用例を表わしている。本例ではシリコン基
板３１に対してイオン注入を行なっている。シリコン基
板３１は半導体であるので石英ガラス基板に比べ帯電し
がたい傾向にある。しかしながら、通常シリコン基板３
１の表面には酸化物あるいは窒化物等の絶縁膜３２が被
覆されており、これを介してイオン注入が行なわれる。
従って絶縁膜自体が帯電する為、イオン注入時電子シャ
ワーを併用する事が行なわれる。この際にも、本発明に
従って電子シャワーのシーケンス制御を行なう事によ
り、シリコン基板３１の過渡的もしくは突発的な帯電を
防止している。

【００１７】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、イ
オンビームの照射に先立って電子シャワーの供給を開始
し、電子シャワーが定常レベルまで立ち上がった時点で
イオンビームの照射を開始する。これにより高電流イオ
ン注入において、レジスト破壊や半導体素子破壊を防止
する事ができ、歩留り向上が可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる半導体製造用イオン注入装置の
基本的な構造を示すブロック図である。

【図２】本発明にかかるイオン注入方法の一例を示すシ
ーケンス図である。

【図３】同じく本発明にかかるイオン注入方法を示すシ
ーケンス図である。

【図４】同じくシーケンス図である。

【図５】本発明にかかる半導体製造用イオン注入装置を
用いた加工例を示す模式図である。

【図６】同じく本発明にかかる半導体製造用イオン注入
装置を用いた他の加工例を示す模式図である。

【符号の説明】

１ イオン銃 ２ 電子銃 ３ 絶縁性ウェハ ４ イオンビーム ５ 電子シャワー ６ ターンテーブル ７ フィラメント ９ ターゲット １０ 制御手段 Ｍ モータ ＳＷ スイッチ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 処理対象となる絶縁性ウェハに対して断
   続制御可能にイオンビームを照射するイオン銃と、該イ
   オンビームの照射に合わせて作動し該絶縁性ウェハの表
   面に電子シャワーを供給してその帯電抑制を図る電子銃
   とを備えた半導体製造用イオン注入装置において、 該イオンビームの照射に先行して該電子銃を作動させ電
   子シャワーが定常レベルまで立ち上がった時点で該イオ
   ンビームの照射を開始する制御手段を設けた事を特徴と
   する半導体製造用イオン注入装置。
2. 【請求項２】 処理対象となる絶縁性ウェハに対して随
   時イオンビームを照射するとともに、該イオンビームの
   照射に合わせて該絶縁性ウェハの表面に電子シャワーを
   供給しその帯電抑制を行なうイオン注入方法において、 該イオンビームの照射に先立って該電子シャワーの供給
   を開始し、電子シャワーが定常レベルまで立ち上がった
   時点で該イオンビームの照射を開始する事を特徴とする
   イオン注入方法。