JPH073777B2 - 原子線注入装置 - Google Patents

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９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が安定化されて
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かつ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および該固体ターゲットから
放出される二次イオンを検出しその強度から前記高速原
子線の線量を計測する質量分析計を有する高速原子線計
数装置とからなり、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により達成され
る。また、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
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スリット
を透過した前記高速原子線によって衝撃される固体ター
ゲットおよび該固体ターゲットから放出される二次イオ
ンを検出しその強度から前記高速原子線の線量を計測す
る質量分析計を有する高速原子線計数装置とからなり、
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
る原子線注入装置により達成される。

【０００６】また、本発明の上記目的は、イオン源およ
び該イオン源が放出するイオンビーム中の不純物を除去
する質量分離装置を含むと共に、前記イオンビームのイ
オン電荷を中和するイオン中和器を有してなる高速原子
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
かつ入射する高速原子線によって衝撃される固体ターゲ
ットおよび該固体ターゲットから放出される二次イオン
を検出しその強度から前記高速原子線の線量を計測する
質量分析計を有する高速原子線計数装置とからなり、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
原子線注入装置により達成される。また、本発明の上記
目的は、イオン源および該イオン源が放出するイオンビ
ーム中の不純物を除去する質量分離装置を含むと共に、
前記イオンビームのイオン電荷を中和するイオン中和器
を有してなる高速原子線源と、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
置され前記スリットを透過した前記高速原子線によって
衝撃される固体ターゲットおよび該固体ターゲットから
放出される二次イオンを検出しその強度から前記高速原
子線の線量を計測する質量分析計を有する高速原子線計
数装置とからなり、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により達成され
る。

【０００７】

【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。

【０００８】

【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、本発明の第１の原子線
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９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２１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。また、前記高速原子線源２１は、図１には示
していないが、後述する質量分析計３２の測定結果がフ
ィードバックされている。

【０００９】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および質量分析計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配置されている。

【００１０】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は入射する前記高速原子線２３によってその表面構成
物質がスパッタする。前記質量分析計３２はスパッタし
たものの内、イオン状態で放出されたもの（二次イオ
ン）を検出しかつ分析する。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の線量が算出され
る。

【００１１】一般に高速原子線で叩かれる固体表面から
の二次イオン放出現象は、高速のイオンビーム衝撃によ
る二次イオン放出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を衝撃して二次イオンの放出量を較正しておけば、
二次イオンの量から高速原子線２３の線量を測定するこ
とができ、更にこの測定結果を高速原子線源２１にフィ
ードバックすることにより、高速原子線２３の量を常時
一定にするように制御できる。高速原子線２３が線量を
一定にするように制御されると、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る。そして、
リン、砒素等のドーパントが電気的に中性な高速原子線
２３として前記高速原子線源２１から放出され、この原
子線２３が前記ディスク４に搭載されたウェーハー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。

【００１２】図３は、本発明による第２の原子線注入装
置の構成を示している。なお、この実施例に使用する高
速原子線計数装置は、移動機構を有しないで固定配置さ
れる点を除けば先の図２に示したものと同一であり、従
って、本実施例では同一符号を用いてこの計数装置の説
明は省略する。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２２とから構成されている。前記ディスク１
４は、図４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構
成されている。本実施例では直径方向に二本のスリット
７が設けられている。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が流入されること
により、この原子線の線量を計測する前記高速原子線計
数装置２２が固定配置されている。

【００１３】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２２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２２に流入
する。前記高速原子線計数装置２２は、高速原子線２３
の線量を既述したように測定し、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。

【００１４】図１および図３により示した各実施例に適
用する高速原子線源としては、本出願人が、例えば特願
平2-226486号において既に提案したものを使用すること
ができる。この提案による高速原子線源は、イオン・電
子の再結合効率を高めることにより、高速原子線の発生
効率を高めたものであり、図５にこの高速原子線源の一
例を示してある。即ち、この高速原子線源100 は、イオ
ンビーム103 を放出するイオン源107 と、前記イオン源
107 が放出するイオンビーム中のイオンと同程度の速度
を持ち、かつ前記イオンビーム103 と同方向の電子ビー
ム123 を放出すると共に、前記イオンビーム103 に前記
電子ビーム123 を混合する機能を有する電子銃(102,12
1)とから構成されている。なお、前記電子銃は、外囲器
127 内に配置されたフィラメント102 と電子加速グリッ
ド121 とで構成されている。上記の如く構成した高速原
子線源100 は、イオン源107 から放出されたイオンビー
ム103 が外囲器127 内に導入されると、このイオンビー
ム103 に向かって収束するように、フィラメント102 で
発生されかつ電子加速グリッド121 で加速される電子ビ
ーム123 が混合される。これによってイオンビーム103
中のイオンは電子ビーム123 中の電子と再結合して原子
に戻る。再結合の際にイオンは運動エネルギーが殆ど変
化しないでそのまま原子に受け継がれ、運動エネルギー
の大きな高速原子線104 を生成し、高速原子線射出孔12
8 を通して前記外囲器127 の外に射出する。そして、こ
の高速原子線源100 は、上記プロセス中、電子ビーム12
3 の速度がイオンビーム103 と同程度になるように調節
されることにより、イオンと電子の再結合断面積を増加
して高速原子線104 の発生効率を向上できたものであ
る。

【００１５】図６は、本発明の第３の原子線注入装置の
構成を示している。この原子線注入装置は、従来例とし
て図９に示したようなイオン源から放出されるイオンビ
ームをイオン中和器に通すことにより、非荷電性の高速
原子線を得ているものであり、このようにして得られた
高速原子線を放出する原子線源を、図１に示した第１の
原子線注入装置の高速原子線源と置き換えたものであ
る。従って、ここではこの高速原子線源についてのみ説
明し、他の部分については説明を省略する。 この高速
原子線源５０は、イオン源５１および該イオン源５１が
放出するイオンビーム中の不純物を除去する質量分離装
置５２を含むと共に、前記イオンビーム５４のイオン電
荷を中和するイオン中和器５３を真空容器５５内に配置
して構成されている。上述のイオン源、質量分離装置お
よびイオン中和器は、従来より周知のものを使用するこ
とができるが、特にイオン中和器として、本出願人が、
既に特願平3-92322 号において提案したイオン中和器を
使用することにより、イオン中和を効率よく行うことが
できる。

【００１６】図７は、このイオン中和器の一例を示して
ある。このイオン中和器５３は、一端部にイオンビーム
入射孔209 かつ他端部に高速原子線放出孔210 を有して
両端部が閉鎖される中空容器221 と、チタンまたはマグ
ネシウムまたはアルミニウムの一つから選ばれる金属の
細線またはリボンを捲着した熱フィラメント231 が前記
中空容221 に内蔵されかつ前記イオンビーム入射孔209
および前記高速原子線放出孔210を結ぶ軸線を取り囲ん
で配置される金属蒸気発生源222 とを有して構成されて
おり、このイオン中和器５３が、前記イオン源５１およ
び前記質量分離装置５２と共に、図６に示すように真空
容器５５内に配置されて前記高速原子線源５０を構成し
ている。そして、前記イオン中和器５３は、イオン源か
ら放射されたイオンビーム５４がイオンビーム入射孔20
9 を通って中空容器221 内部に入射されると、イオンが
金属蒸気発生源222 によって蒸発された金属ガスの分子
と接触して電荷を失い、高速原子に変換される。そし
て、この高速原子は、高速原子線放出孔210 から高速原
子線２３となって放出される。このように金属蒸気中に
イオンビームを入射させ、イオンと金属ガスの分子とを
衝突させることにより、このイオン中和器５３は、イオ
ンの中和を効率良く進行できたものである。

【００１７】図８は、本発明の第４の原子線注入装置の
構成を示している。この原子線注入装置は、図６および
図７で示した高速原子線源を、図２に示した第２の原子
線注入装置の高速原子線源に置き換えたものであり、イ
オン電荷を中和して得られる高速原子線２３は、固定配
置したディスク１４のスリット７を通過して高速原子線
計数装置２２により計測するように構成されている。な
お、この原子線注入装置の動作プロセスは既述したとお
りであるので説明は省略する。

【００１８】

【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
性とすることにより、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は、
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よる絶縁破壊を完全に防
止できる。また、原子線注入装置は、半導体ウェーハー
とは別体に設けられた高速原子線計数装置の固体ターゲ
ットに、高速原子線を照射してその線量を事前に計測し
かつ制御してから前記半導体ウェーハーを衝撃している
ので、打ち込むドーパントの注入量を精密かつ安定化さ
せてドーパントの注入を行うことができる。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、完璧に阻止できて素子の生産歩留りを大幅に向上で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の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】本発明の第２の原子線注入装置の概略構成であ
る。

【図４】図３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５】本発明に適用できる高速原子線源の一例を示す
構成図である。

【図６】本発明の第３の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適用するイオン中和器
の一例を示す構成図である。

【図８】本発明の第４の原子線注入装置の概略構成であ
る。

【図９】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 ２１，５０ 高速原子線源 ２２ 高速原子線計数装置 ２３ 高速原子線 ３１ 固体ターゲット ３２ 質量分析装置 ５１ イオン源 ５２ 質量分離装置 ５３ 中和器 ５４ イオンビーム ５５ 真空容器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｊ 37/317 Ｚ 9172−5Ｅ 49/26 4230−5Ｅ Ｈ０１Ｌ 21/265 Ｈ０５Ｈ 3/02 9014−2Ｇ (72)発明者 畑田 芳夫 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号 株 式会社荏原総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−126220（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−221281（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−67452（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−87746（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【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かつ入射する高
   速原子線によって衝撃される固体ターゲットおよび該固
   体ターゲットから放出される二次イオンを検出しその強
   度から前記高速原子線の線量を計測する質量分析計を有
   する高速原子線計数装置とからなり、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。
2. 【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スリットを透過した前記高
   速原子線によって衝撃される固体ターゲットおよび該固
   体ターゲットから放出される二次イオンを検出しその強
   度から前記高速原子線の線量を計測する質量分析計を有
   する高速原子線計数装置とからなり、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。
3. 【請求項３】 イオン源および該イオン源が放出するイ
   オンビーム中の不純物を除去する質量分離装置を含むと
   共に、前記イオンビームのイオン電荷を中和するイオン
   中和器を有してなる高速原子線源と、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かつ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および該固体ターゲッ
   トから放出される二次イオンを検出しその強度から前記
   高速原子線の線量を計測する質量分析計を有する高速原
   子線計数装置とからなり、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。
4. 【請求項４】 イオン源および該イオン源が放出するイ
   オンビーム中の不純物を除去する質量分離装置を含むと
   共に、前記イオンビームのイオン電荷を中和するイオン
   中和器を有してなる高速原子線源と、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
   後に配置され前記スリットを透過した前記高速原子線に
   よって衝撃される固体ターゲットおよび該固体ターゲッ
   トから放出される二次イオンを検出しその強度から前記
   高速原子線の線量を計測する質量分析計を有する高速原
   子線計数装置とからなり、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。