JPH08167398A - イオン注入装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】半導体基板面内の部分的なチャージアップ現象
に伴って発生するゲート耐圧の低下を防止する。 【構成】プラズマフラドガン１２は、ファラデーチャン
バ２１の上部に設けられており、左右に移動可能となっ
ている。その移動機構は、電気的な動力手段、例えば、
モータ２４を回転させることにより、モータの回転軸に
取付けられたネジ状のギア２２が回転して、ギア２２に
接続されたプラズマフラドガン１２が左右に移動する機
構を用いてる。この場合ギア２２は、潤滑剤や異物がフ
ァラデーチャンバ２１内へ飛散するのを防止し、なおか
つプラズマフラドガン１２が左右に移動可能なように、
蛇腹状のカバー２３で覆う。モータ２４の回転制御は、
イオンビームのスキャン信号２５ａあるいはそれと同期
させたモータ制御信号２５ｂにより行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路装置の
製造技術に関するものであり、特に不純物イオンを半導
体基板へ衝突させることによって、半導体基板にｐ型又
はｎ型の導電型領域を形成するためのイオン注入技術に
利用して有効なものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路装置の製造プロセスにお
いて、半導体基板へ不純物イオンを導入するイオン注入
処理や、パターニングされた半導体基板をエッチングす
るエッチング処理は、正又は負の荷電粒子を半導体基板
へ衝突させることにより処理を行なっている。これらの
処理では、半導体基板に衝突した荷電粒子、例えば正の
イオンは、クランプリングを介して半導体基板に接続さ
れた接地電極から供給される電子によって電気的中和が
なされている。しかしながら、半導体基板に供給される
荷電粒子数に対して供給される電子又は正孔の供給速度
が遅れた場合、半導体基板が荷電粒子の電荷によって帯
電する現象、所謂チャージアップ現象が生じてしまう。
特に、大電流のイオン注入装置においてはその傾向が著
しい。

【０００３】絶縁ゲート型電界効果トランジスタからな
る半導体集積回路装置（ＭＩＳＩＣ）において、このよ
うなチャージアップ現象が、例えばＭＯＳトランジスタ
のソース及びドレイン領域を形成する際にゲート電極に
生じた場合、ゲート酸化膜が破壊されてしまうという問
題がある。特に最近は、ＭＯＳＩＣの微細化が進み、そ
れに伴ってゲート酸化膜も薄膜化しており、微小なチャ
ージアップ現象にも破壊されやすくなっている。特にイ
オン注入処理では半導体基板中に不純物イオンを注入
し、電子と電気的に中和させた形で残すため、チャージ
アップ現象を生じさせないように注入される不純物イオ
ンには即座に電子を供給する必要がある。

【０００４】尚、イオン注入装置に関しては、「超ＬＳ
Ｉ製造・試験装置ガイドブック １９８８年版 電子材
料別冊」（工業調査会発行）第５８頁乃至第６４頁に記
載されている。例えば、同文献第５９頁左欄第１行目乃
至第１１行目には、「微細素子では、薄膜化が進み、イ
オン注入時その膜破壊を防止することも重要な課題であ
る。すなわち、注入時にウェハが帯電し静電破壊を引き
起こす。イオン注入装置は、この帯電量を低減させる改
良が必要である。デバイス構造にも依存するが、数Ｖ以
下が望まれる。このためには、イオンビーム径の大口径
化およびその均一化が重要なポイントとなる。強制的に
エレクトロフラドガンでイオンを中和させる法もあり、
非常に有効であるが、エレクトロフラドガンの安定化お
よび帯電モニタによるエレクトロフラド制御が望まれ
る。」旨が記載されている。

【０００５】図６にエレクトロフラドガンの概略を示
す。エレクトロフラドガン３０は、フィラメント３２で
発生した熱電子３３をターゲットブロック３６に当て、
ターゲットブロック３６で２次電子３７が放出される。
この２次電子３７が、イオンビーム３５や帯電した半導
体基板３４に引き寄せられることを利用して不純物イオ
ンの中和を行なう。、エレクトロフラドガンを用いた場
合、２次電子を発生させるために高電圧をかけて熱電子
を発生させるが、熱電子の持つエネルギーが高く必要以
上に２次電子が供給され、逆に負のチャージアップ現象
を引き起こす可能性がある。このようなエレクトロフラ
ドガンの問題点を解決するため、開発されたのが、プラ
ズマフラドガンである。

【０００６】図７（ａ）にプラズマフラドガンの概略、
（ｂ）に半導体基板４５側から見たファラデーチャンバ
４４の概略を示す。プラズマフラドガン３９は、ファラ
デーチャンバ４４の上部に固定されており、アークチャ
ンバ４０内にＡｒガスを流し、フィラメント４１−アー
クチャンバ４０間に電圧をかけ、プラズマ放電により発
生した電子４７をファラデーチャンバ４４に放出するよ
り不純物イオンの中和を行なう。

【０００７】プラズマフラドガンは、フィラメントとア
ークチャンバ間に印加する電圧が低電圧であり、アーク
チャンバ内にガスプラズマを発生することにより多量の
低エネルギー電子を発生でき、また、発生した電子をイ
オンビームあるいは半導体基板の正電荷に引き寄せられ
ることを利用して供給しているため、中和効率が高いと
いう利点がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明者は、プラズマ
フラドガンのイオン中和技術の評価を行なうため、ダメ
ージ評価用半導体基板を使用しテストを行なった。その
結果、打ち込みビーム量を上げた半導体基板について
は、基板周縁部で耐圧が低くなっていることが判明し
た。本発明者は、プラズマフラドガンの中和電子の供給
量に基板面内でバラツキがあり、中和電子の供給源から
遠くなる基板周縁部では電子の供給量が、プラズマフラ
ドガンの位置に最も近い基板中央部よりも少なくなるた
め、中和電子が十分に供給されていない可能性があると
考えた。また、本発明者は、今後の流れとして半導体基
板の大口径化が進むことに伴い、このような現象が著し
くなると考え、鋭意検討した。

【０００９】そこで本発明は、イオン注入装置におい
て、半導体基板面内に供給される中和電子の供給量を均
一にすることにより、半導体基板面内の部分的なチャー
ジアップ現象に伴って発生するゲート耐圧の低下を防止
し、大口径の半導体基板でも安定したイオン注入処理を
行なうことのできる技術を提供することを目的とする。

【００１０】本発明の前記並びにその他の目的と新規な
特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになる
であろう。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次
のとおりである。すなわち、半導体基板にイオンビーム
によって不純物イオンを衝突させることにより、半導体
基板に所望の導電型領域を形成するための不純物イオン
供給手段と、イオンビームの走査を制御するスキャン信
号を発生するスキャン部、及び不純物イオンを電気的に
中和させるための電子を発生させるための中和電子供給
手段とを具備してなるイオン注入装置において、中和電
子供給手段を、イオンビームの走査方向へ移動可能とす
るものである。

【００１２】

【作用】中和電子供給手段を、イオンビームの走査方向
へ移動可能とすることにより、イオンビームと中和電子
供給手段との距離を一定に保持することができる。従っ
て、半導体基板の帯電の中和を効率よく、かつ均一に行
なうことができ、不純物イオン蓄積によるチャージアッ
プ現象に伴って発生するゲート耐圧の低下を防止し、大
口径のウェハでも安定したイオン注入処理を行なうこと
ができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明をイオン注入装置に用いた例に
ついて説明する。

【００１４】図１は、イオン注入装置１の概略を示す図
である。イオン注入装置１の主要部は、イオン源部４、
イオンビーム９を加速させる加速部５、イオンビーム９
から目的の不純物イオンのみ取り出すための質量分析部
６、イオンビーム９を一定速度で走査を行うように制御
するスキャン部７、イオンビーム９の角度補正を行なう
アングルコレクター部８及び打ち込み室１０から構成さ
れており、各部はイオンと残留ガス分子との衝突による
中性粒子発生防止のため、高真空に保持される。半導体
基板１３は注入室１０の回転円盤１０ａ上に複数枚セッ
トするようになっており、回転円盤１０ａを高速回転さ
せ半導体基板１３が注入位置１１に達した際にイオン注
入処理を行なう。注入位置１１の近傍には、不純物イオ
ンの電荷を電気的に中和するための中和電子供給手段、
例えば本実施例ではプラズマフラドガン１２が設けられ
ている。

【００１５】図２にプラズマフラドガン１２から供給さ
れる電子とイオンビームとの関係を示す。半導体基板１
３は接地電極２０に接続された導電性のクランプリング
１８によって周縁部で支持されており、正の不純物イオ
ンを電気的に中和させるための電子がクランプリング１
８を介して半導体基板１３に供給される。半導体基板１
３と接地電極２０との間には、注入されたイオン数をカ
ウントするドーズＣＰＵ１９を備えている。ドーズＣＰ
Ｕ１９は電気的に中和させるための電子を半導体基板１
３へ供給される途中でカウントすることによって打ち込
まれた正の不純物イオン数をカウントするものである。

【００１６】接地電極２０から供給される電子の不足分
を補うプラズマフラドガン１２は、アークチャンバ１４
内にＡｒガス１７をガス導入口１６から供給し、フィラ
メント１４ａ−アークチャンバ１４間に電圧をかけてプ
ラズマ放電させ、それによって発生した電子を中和に用
いる。本発明では、プラズマフラドガン１２の移動機構
を設け、動作をスキャン信号と同期させることにより、
プラズマフラドガン１２がイオンビーム９の走査と同タ
イミングで移動するように構成している。図３は、半導
体基板１３側から見たプラズマフラドガン１２の動作を
示す図である。イオンビーム９は、ファラデーチャンバ
２１を左右に往復するように走査する。この走査はスキ
ャン信号２５ａによって制御される。プラズマフラドガ
ン１２は、ファラデーチャンバ２１の上部に設けられて
おり、左右に移動可能となっている。その移動機構は、
電気的な動力手段、例えば、モータ２４を回転させるこ
とにより、モータの回転軸に取付けられたネジ状のギア
２２が回転して、ギア２２に接続されたプラズマフラド
ガン１２が左右に移動する機構を用いてる。この場合ギ
ア２２は、潤滑剤や異物がファラデーチャンバ２１内へ
飛散するのを防止し、なおかつプラズマフラドガン１２
が左右に移動可能なように、蛇腹状のカバー２３で覆
う。モータ２４の回転制御は、イオンビームのスキャン
信号２５ａあるいはそれと同期させたモータ制御信号２
５ｂにより行う。これにより、プラズマフラドガン１２
をイオンビーム９の走査方向へ同タイミングで移動させ
ることができ、プラズマフラドガン１２とイオンビーム
９との距離を常に同距離に保持することができる。従っ
て、イオンが注入された半導体基板の帯電を効率よく、
かつ均一に中和することができる。

【００１７】次に、本発明のイオン注入方法について説
明する。イオンビーム９は、まずイオン源部４のアーク
チャンバにガスを導入しアーク放電によってイオン化さ
れる。アーク電圧によってアークチャンバ外に引き出さ
れたイオンは、再び引き出し部電圧で引き出され、加速
部５で必要な注入深度となるように電圧が印加される。
その後、質量分析部６で打ち込みに必要な不純物イオン
のみが選択される。選択されたイオンビーム９はスキャ
ン部７で横方向に一定速度でスキャンされ、アングルコ
レクター部８で半導体基板に対し平行に角度補正され注
入室１０に導入される。一方半導体基板１３は注入室１
０の回転円盤１０ａ上に複数枚セットされており、回転
円盤１０ａを高速回転させ半導体基板１３が注入位置１
１に達した際にイオン注入処理が施される。注入中、回
転円盤１０ａが高速回転することにより、セットされた
半導体基板１３はすべて均一な注入が行なわれる。又、
注入された不純物イオン９ａはドーズＣＰＵ１９に設け
られた電流計により注入量としてカウントされる。イオ
ン注入の際、プラズマフラドガン１２では、まずアーク
チャンバ１４内にＡｒガス１７をガス導入口１６から供
給し、フィラメント１４ａ−アークチャンバ１４間に電
圧をかけてプラズマ放電させる。それに伴って多量の低
エネルギー電子を発生させる。この時、イオンビーム９
のスキャン信号２５ａと同期させて、プラズマフラドガ
ン１２をモータ２４及びネジ状のギア２２を用いて、イ
オンビーム９の走査方向へ走査速度と同速度、同タイミ
ングで移動させる。移動しているプラズマフラドガン１
２からは、プラズマ放電によって発生した電子１５ａが
アークチャンバ１４から放出され、イオンビーム９の不
純物イオンあるいは半導体基板１３にチャージされた不
純物イオン９ａと電気的に中和する。これにより、半導
体基板１３に注入されるイオン１５ａの電気的中和を効
率よく、かつ均一に行なうことができる。従って、チャ
ージアップ現象を防止でき、チャージアップ現象に伴っ
て発生するゲート耐圧の低下を防止できるので、大口径
のウェハでも安定したイオン注入処理を行なうことがで
きる。

【００１８】次に、本発明の作用効果について説明す
る。

【００１９】（１）中和電子供給手段を、イオンビーム
の走査方向へ移動可能とすることにより、イオンビーム
と中和電子供給手段との距離を一定に保持することがで
きる。従って、半導体基板の帯電の中和を効率よく、か
つ均一に行なうことができ、不純物イオン蓄積によるチ
ャージアップ現象に伴って発生するゲート耐圧の低下を
防止し、大口径のウェハでも安定したイオン注入処理を
行なうことができる。

【００２０】（２）中和電子供給手段を、電気的な動力
手段によって移動可能としたことにより、電気的に中和
電子供給手段の移動を制御することができる。

【００２１】（３）中和電子供給手段を、スキャン部か
ら発生するイオンビームのスキャン信号又はそれに同期
した信号によって移動可能としたことにより、新たな制
御信号を形成せずに、イオンビームの走査速度と同タイ
ミングで中和電子供給手段を移動させることができる。

【００２２】（４）中和電子供給手段に、アークチャン
バ、フィラメント、及びガス導入口から構成され、アー
クチャンバ内にガスを導入し、フィラメントでプラズマ
放電させて電子を発生させるプラズマフラドガンを用い
ることにより、多量の低エネルギー電子を発生でき、ま
た、発生した電子をイオンビームあるいは半導体基板の
正電荷に引き寄せられることを利用して供給しているた
め、中和効率が高い。従って、中和電子供給手段を移動
させてイオンビームと距離を一定にすることにより、半
導体基板面内を均一に効率良く中和させることができ
る。

【００２３】以上、本発明者によってなされた発明を実
施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例
に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲
で種々変更可能であることは言うまでもない。例えば上
記実施例では、中和電子供給手段の移動を、スキャン部
の信号に接続されたモータの回転軸にネジ状のギアを取
付け、そのギアにプラズマフラドガンを接続して移動さ
せる例について説明したが、油圧あるいはエア圧を利用
して移動させることも可能である。また、図４に示すよ
うに、上下動機構２７を用いてプラズマフラドガン１２
を上下動させることにより、プラズマフラドガン１２と
イオンビーム９との距離を一定に保持することができ
る。この場合、上下動機構２７にスキャン信号２５ａと
同期した上下動機構制御信号を接続することにより、イ
オンビーム９の走査とのタイミングの一致を図る。この
方式によると、電子の放出口は一個所に固定されている
ので現状のファラデーチャンバの一部に、プラズマフラ
ドガンの上下動機構を取り付けるだけで本発明を実現す
ることができる。また、図５に示すように、プラズマフ
ラドガン１２を回転機構２９を用いて回転運動をさせる
ことにより、イオンビーム９の走査方向に電子を放出さ
せる方法も有効である。この場合も、回転機構２９にス
キャン信号２５ａと同期した上下動機構制御信号を接続
することにより、イオンビーム９の走査との方向及びタ
イミングの一致を図る。この他、上記の上下動機構及び
回転機構を組合せると、イオンビームまでの距離及び方
向をより精密に制御することができる。

【００２４】本発明は、特に大電流のイオン注入装置に
利用して格別な効果を奏するものであり、今後、大口径
の半導体基板を用いて更なる微細加工が求められる場合
でも難なく対応できるものである。

【００２５】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。

【００２６】すなわち、中和電子供給手段を、イオンビ
ームの走査方向へ移動可能とすることにより、イオンビ
ームと中和電子供給手段との距離を一定に保持すること
ができる。従って、半導体基板の帯電の中和を効率よ
く、かつ均一に行なうことができ、不純物イオン蓄積に
よるチャージアップ現象に伴って発生するゲート耐圧の
低下を防止し、大口径のウェハでも安定したイオン注入
処理を行なうことができるものである。

【００２７】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるイオン注入装置の概略
を示す図である。

【図２】本発明の一実施例であるイオン注入装置のプラ
ズマフラドガンから供給される電子とイオンビームとの
関係を示す図である。

【図３】本発明の一実施例であるイオン注入装置のプラ
ズマフラドガンの動作を示す図である。

【図４】本発明の他の実施例であるイオン注入装置のプ
ラズマフラドガンの上下動機構を示す図である。

【図５】本発明の他の実施例であるイオン注入装置のプ
ラズマフラドガンの回転機構を示す図である。

【図６】従来のイオン注入装置のエレクトロフラドガン
の概略を示す図である。

【図７】（ａ）は従来のイオン注入装置のプラズマフラ
ドガンの概略を示す図、（ｂ）は半導体基板側から見た
ファラデーチャンバ部の概略を示す。

【符号の説明】

１……イオン注入装置，２……高電圧電源，３……ガス
ボックス，４……イオン源部，５……加速部，６……質
量分析部，７……スキャン部，８……アングルコレクタ
ー部，９……イオンビーム，９ａ……不純物イオン，１
０……注入室，１０ａ……回転円盤，１１……注入位
置，１２……プラズマフラドガン，１３……半導体基
板，１４……アークチャンバ，１４ａ……フィラメン
ト，１５……電子流，１５ａ……電子，１６……ガス導
入口，１７……Ａｒガス，１８……クランプリング，１
９……ドーズＣＰＵ，２０……接地電極，２１……ファ
ラデーチャンバ，２２……ギア，２３……カバー，２４
……モータ，２５ａ……スキャン信号，２５ｂ……モー
タ制御信号，２６……上下動機構制御信号，２７……上
下動機構，２８……回転動作制御信号，２９……回転機
構，３０……エレクトロフラドガン，３１……リフレク
ター，３２……フィラメント，３３……熱電子，３４…
…半導体基板，３５……イオンビーム，３６……ターゲ
ットブロック，３７……２次電子，３８……ファラデー
チャンバ，３９……プラズマフラドガン，４０……アー
クチャンバ，４１……フィラメント，４２……ガス導入
口，４３……アーク電流計，４４……ファラデーチャン
バ，４５……半導体基板，４６……イオンビーム，４７
……電子

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板にイオンビームによって不純物
   イオンを衝突させることにより、半導体基板に所望の導
   電型領域を形成するための不純物イオン供給手段と、前
   記イオンビームの走査を制御するスキャン信号を発生す
   るスキャン部、及び不純物イオンを電気的に中和させる
   ための電子を発生させるための中和電子供給手段とを具
   備してなるイオン注入装置であって、前記中和電子供給
   手段は、前記イオンビームの走査方向へ移動可能である
   ことを特徴とするイオン注入装置。
2. 【請求項２】前記中和電子供給手段は、電気的な動力手
   段によって移動可能であることを特徴とする請求項１記
   載のイオン注入装置
3. 【請求項３】前記中和電子供給手段は、前記スキャン部
   から発生する前記スキャン信号又は該スキャン信号に同
   期した信号によって移動可能であることを特徴とする請
   求項１または２記載のイオン注入装置。
4. 【請求項４】前記中和電子供給手段は、アークチャン
   バ、フィラメント、及びガス導入口から構成されてお
   り、前記アークチャンバ内にガスを導入し、前記フィラ
   メントでプラズマ放電させることにより電子を発生させ
   るプラズマフラドガンであることを特徴とする請求項１
   又は２又は３記載のイオン注入装置。