JPH08274040A - イオン注入方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 中電流イオン注入装置を用いて大口径の基板
にイオン注入する場合でも、チャージアップ損傷が低減
できるようにすることを目的とする。 【構成】 まず、初期の状態のイオンビーム３をファラ
デーカップ１上で走査することでビーム電流走査波形を
得て、これよりビーム径を求める。次に、ビーム形状調
整手段として通常用いられている４重極レンズを調整す
ることにより、イオンビーム３のビーム径を拡大し、上
述と同様にして求めるこのビーム径より得られる電流密
度が所望の値となるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えばビーム電流が
１ｍＡ程度以下の中電流イオン注入装置における、チャ
ージアップによる損傷を低減するイオン注入方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】イオン注入技術は、不純物原子をイオン
にして、これに高いエネルギーを与えて半導体基板に注
入し（打ち込み）、不純物ドーピングを行うものであ
り、以下のようにして行われる。まず、イオン源で打ち
込むための不純物イオンを生成し、これに高電圧を印加
する。イオンは、正の電荷を持っているので、接地電位
となっている打ち込み部に向かって加速され、印加した
電圧に比例するエネルギーで打ち込み部の半導体基板に
到達して打ち込まれる。

【０００３】このイオン源で発生したイオンは、引出
し，分離，加速の過程を経て目的のところに導入される
が、この場合、直径５ｍｍ以上の太さのイオンビームに
なっている。したがって、このイオンビームを、打ち込
む半導体基板の大きさに応じて均一に走査することで、
半導体基板全面にイオンビームを打ち込むようにしてい
る。ここで、従来、ビーム電流が比較的小さい中電流イ
オン注入装置においては、このイオンビームの走査の方
法として、水平方向と垂直方向に電界を印加してビーム
を走査する静電スキャン方式が用いられている。これに
よれば、イオンビームの走査速度が非常に速く、単位時
間に供給されるイオンが多くならず、イオンを打ち込む
基板面におけるチャージアップの影響が少ない。

【０００４】ところで、近年では、半導体装置の生産性
の向上のため、基板の大口径化が進行している。大口径
の基板に対してイオン注入をする場合、上述した静電ス
キャン方式のビームスキャンでは、中心より遠いところ
ではイオンビームの入射角が設定値よりずれてくる。こ
のため、イオンビームの入射角が均一になるように平行
化が図られ、機械的にイオンビームをスキャンさせるメ
カニカルスキャンを、静電スキャンと共に行うハイブリ
ッドスキャン方式が開発されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来は以上のように構
成されていたので、大口径の基板にイオン注入を行う場
合など、イオンを打ち込む基板面におけるイオンのチャ
ージアップによる損傷（絶縁破壊）が発生してしまうと
いう問題があった。これは、メカニカルスキャンでは、
イオンビームの走査速度を静電スキャンのように速くす
ることができないためである。このような問題を解消す
るために、電子シャワーなどによりチャージアップを中
和する方法もあるが、電子シャワーは広い範囲に一度に
電子が降り注ぐので、イオンビームの走査が遅いとイオ
ンビームがあたっていないところにも電子が供給される
ことになり、負のチャージアップが生じる場合もある。

【０００６】この発明は、以上のような問題点を解消す
るためになされたものであり、例えば、中電流イオン注
入装置を用いて、メカニカルスキャンと静電スキャンを
組み合わせたハイブリッドスキャン方式で大口径の基板
にイオン注入する場合でも、チャージアップ損傷が低減
できるようにすることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明のイオン注入方
法は、電流値を一定としてイオンビームのビーム径を調
整してイオン注入を行い、絶縁破壊を一番起こし難い状
態の最適電流密度を予め求めておき、実際のイオン注入
を行うときは、用いるイオンビームのビーム電流密度を
求めて、このビーム電流密度が最適電流密度と一致する
ように、イオンビームのビーム径を調整することを特徴
とする。また、イオンビームのビーム電流密度は、ファ
ラデーカップおよびそのファラデーカップに入射するイ
オンビームを制限する所定の広さのビーム透過部を有す
るビーム遮断マスクを用い、イオンビームを走査してビ
ーム遮断マスクにより部分的に遮断されたときのイオン
ビームが前記ファラデーカップに入射したことにより検
出される電流値の変化より求めることを特徴とする。そ
して、メカニカルスキャンによる走査方向にビーム径を
拡大して、最適電流密度とすることを特徴とする。

【０００８】

【作用】予め求めてある最適電流密度となるようにビー
ム径を調整するので、電流値を小さくすることなく、電
流密度を小さくできる。

【０００９】

【実施例】以下この発明の１実施例を図を参照して説明
する。この発明においては、まず、イオン注入の効率を
考えてビーム電流値はなるべく大きい状態とし、これに
加えて、チャージアップによる損傷を低減することを目
的として、ビーム径を大きくするように調整すること
で、ビーム電流密度を低くしてイオン注入できるように
することがポイントである。

【００１０】ここで、電流密度が小さい方が損傷は少な
いが、ビーム電流値自体が小さいと注入時間が長くな
り、作業効率が低下してしまう。したがって、ビーム電
流値はなるべく大きくし、電流密度をなるべく小さくす
るようにビーム径を大きくすることが望ましい。このビ
ーム径の大きさは、チャージアップ評価用の電荷収集電
極つきＭＯＳダイオードを用いてイオン注入テストを行
い、チャージアップ損傷のない状態でイオン注入できた
ときの最適電流密度となるビーム径とすればよい。

【００１１】ここで、イオン注入テストによるチャージ
アップ評価において、電流値を一定としてビーム径を変
化させ、チャージアップ損傷の無い状態でイオン注入で
きた状態を調べておけば、このときのイオンビームの電
流密度が最適電流密度となる。ここで、この最適電流密
度は、イオンの注入均一性やビーム平行度を損なわない
範囲のビーム径となる範囲の値とすることはいうまでも
ない。そして、実際にイオン注入をするときは、その電
流密度となるようにビーム径を調整するようにすればよ
い。これは、電流値がいつも一定の状態とはならないた
めである。

【００１２】以下、このビーム径の調節に関して説明す
る。図１は、静電スキャンとメカニカルスキャンとを組
み合わせたハイブリッドスキャン方式の中電流イオン注
入装置に設けられているイオンビームを調節するための
ビーム電流走査波形調節部の一部構成を示す断面図であ
り、１はファラデーカップ、２はビーム遮断マスク、３
はファラデーカップ１に入射するイオンビームである。
イオンビーム３がファラデーカップ１に入射すると、こ
れは電流として検出される。イオンビーム３を走査する
ことで、ファラデーカップ１により検出される電流値
は、図１（ｅ）に示すビーム電流走査波形のように変化
する。

【００１３】イオンビーム３がビーム遮断マスク２に遮
られているときは、電流値は０であるが、図１（ｂ），
（ｄ）に示すように、イオンビーム３の一部がビーム遮
断マスク２に遮られている状態では、ファラデーカップ
１にイオンビーム３全てが入射せず、遮られている量に
応じて、図１（ｅ）に示す電流値の変化として検出され
る。そして、図１（ｃ）に示すように、開口径Ｗ１のビ
ーム遮断マスク２の開口部内にイオンビーム３が全て納
まり、イオンビーム３全てがファラデーカップ１内に入
射した状態では、図１（ｅ）に示す電流値が立ち上がり
平坦に推移している部分として検出される。

【００１４】すなわち、イオンビーム３を走査すること
で、ファラデーカップ１で検出される電流値は、０より
走査量に合わせて徐々に立ち上がり、最大値を示した時
点より一定時間のあいだ平坦に推移し、その後、徐々に
減少していく。ここで、徐々に立ち上がっていくときの
０より最大値となるまでの走査量が、ほぼイオンビーム
３の走査方向のビーム径であることが分かる。なお、通
常では、ファラデーカップ１およびビーム遮断マスク２
を有するビーム電流走査波形調節部を用い、得られるビ
ーム電流走査波形がなるべく矩形の状態となるように調
節するものである。

【００１５】以上のことにより、以下に示すように、前
述したことにより求めた所望の電流密度となるように、
イオンビーム３のビーム径を調整する。まず、初期の状
態のイオンビーム３（図１）をファラデーカップ１上で
走査することで、図２（ａ）に示すように、ビーム電流
走査波形を得る。そして、このビーム電流走査波形の高
さのピークを１００％とし、電流値が５０％のところの
幅（半値幅）が遮断マスク２の開口径Ｗ１にあたるとし
て、横軸のスケールを設定する。

【００１６】そして、このビーム電流走査波形の上昇部
の高さ１０％と９０％のところに対応する横軸方向の距
離をビーム径とする。このようにして、水平方向の走査
と垂直方向の走査とを行って、それぞれより求めたビー
ム径Ｘ，Ｙより、このビーム径のときの平均ビーム電流
密度Ｉｍを、Ｉｍ＝Ｉｂ／（Ｘ・Ｙ）より計算した。な
お、Ｉｂはビーム電流値である。

【００１７】次に、ビーム形状調整手段として通常用い
られている４重極レンズを調整することにより、ビーム
径を拡大し、上述と同様にしてビーム電流走査波形を得
る（図２（ｂ））。そして、やはり、上述と同様にして
平均ビーム電流密度を算出し、この値を、前述したよう
に、予めチャージアップ評価によって得られた最適電流
密度と比較する。この場合の最適電流密度は、予め行う
チャージアップ評価で得られた最適なビーム径より、上
述と同様にして平均ビーム電流密度を求めることにより
得られたものとする。この比較によって、この最適電流
密度と等しい値になるまでビーム径を調整することで、
所望の最適電流密度となったビーム径のイオンビームが
得られる。

【００１８】ところで、上述では、ファラデーカップを
用いるなどして得られたビーム電流走査波形により、手
作業でイオンビームのビーム径を測定するようにした
が、図３に示すフローチャートによる自動測定でビーム
径を測定し、ビーム径を調整するようにしても良い。以
下、この自動測定の動作について、図３のフローチャー
トを用いて説明する。まず、通常行われているビーム形
状調整を行う（ステップＳ１）。これは、図１（ｅ）に
も示したビーム電流走査波形が矩形となるようにするも
のであり、イオンビームが十分絞られた状態とするもの
である。

【００１９】次いで、予めチャージアップ評価をするこ
とで求めておいた最適値Ｉｓを設定しておく。この場合
の最適値Ｉｓは、予め行うチャージアップ評価で得られ
た最適なイオンビームによるビーム電流波形の微分波形
のピーク値とし、最適電流密度に対応するものである。
次に、ビーム電流走査波形を求め（ステップＳ３）、こ
こでは求めたビーム電流走査波形の微分波形を計算する
（ステップＳ４）。次いで、計算して微分波形のピーク
値Ｉｐを求める（ステップＳ５）。このピーク値Ｉｐ
が、このときのイオンビームの電流密度に対応する。

【００２０】そして、このＩｐが、予め設定してある最
適値Ｉｓより大きい場合（ステップＳ６）、ビーム径を
拡大する方向へ調整して（ステップＳ８）、再びビーム
波形の測定を行う（ステップＳ３）。一方、ピーク値Ｉ
ｐが最適値Ｉｓより小さい場合（ステップＳ６，ステッ
プＳ７）、ビーム径を絞る方向へパラメータを調整する
（ステップＳ９）。ここで、初めは、ビーム径が十分絞
られているので、ステップＳ９に移行することはない
が、ステップＳ８でビーム径を拡大しすぎていたとき
は、次のサイクルで、ステップＳ９に移行し、ビーム径
を絞る方へ調整される。そして、ピーク値Ｉｐと最適値
Ｉｓが等しくなったら（ステップＳ７）、調整を終了す
る。

【００２１】以下、チャージアップ評価用の電荷収集電
極つきＭＯＳダイオードを形成した試料へイオン注入す
ることで、上述したようにして、イオンビームのビーム
径を調整した結果を評価した。このときの、イオン注入
条件は、イオン種としてＡｒイオン，エネルギーは５０
ｋｅＶ、ビーム電流は１００μＡ、注入量を２×１０¹⁴
ｃｍ^-2とした。また、調整によって得られたビーム径
は、水平方向３．３ｃｍ，垂直方向２．１ｃｍであり、
このイオンビームの平均イオン電流密度は１４．４μＡ
／ｃｍ²であった。なお、通常のビーム径は、水平方向
０．６６ｃｍ，垂直方向０．９７ｃｍであり、平均イオ
ン電流密度は１５６μＡ／ｃｍ² である。

【００２２】図４は、上述の評価の結果である注入条件
による絶縁破壊の発生状態を示す説明図である。従来ど
おりイオンビームを十分絞った状態でイオン注入した場
合（Ａ）、電荷収集電極面積／ゲート酸化膜面積が１０
万倍以上の上述のＭＯＳダイオードの酸化膜の一部が絶
縁破壊を起こしていた。図４に示すように、約１１パー
セントの割合で絶縁破壊を起こしていた。しかし、この
発明による上述したイオンビームのビーム径を調整して
イオン注入をした場合（Ｂ）は、絶縁破壊は発生してい
なかった。

【００２３】ところで、上記実施例においては、静電ス
キャンの方向（水平方向）およびメカニカルスキャンの
方向（垂直方向）にビーム径を広げるようにしたが、こ
れに限るものではない。走査の速度の遅い、メカニカル
スキャンの方向だけにビーム径を広げるようにしても、
同様の効果を奏する。図５は、ビーム径の拡大方向に関
する注入条件による絶縁破壊の発生状態を示す説明図で
ある。ここでは、上述と同様に、電荷収集電極面積／ゲ
ート酸化膜面積が１０万倍以上の上述のＭＯＳダイオー
ドを用いた実験を行った。また、Ａｒイオンを７０ｋｅ
Ｖ，１００μＡ，注入角度４０°で２×１０¹⁴ｃｍ^-2注
入した場合である。

【００２４】図５において、「基準ビーム」は従来どお
りにビーム径を絞った状態を示している。これに対し
て、「Ｈ方向２倍」は静電スキャン方向にビーム径を２
倍とした場合を示し、「Ｖ方向２倍」はメカニカルスキ
ャン方向にビーム径を２倍とした場合を示している。同
図より明らかなように、メカニカルスキャン方向に「基
準ビーム」よりビーム径を２倍とした場合の方が、効果
が大きいことが分かる。

【００２５】ところで、通常、イオンビームの入射角
（注入角度）によって、チャージアップ損傷の状態は変
化する。図６は、注入角度に関する注入条件による絶縁
破壊の発生状態を示す説明図である。ここでも、上述と
同様に、電荷収集電極面積／ゲート酸化膜面積が１０万
倍以上の上述のＭＯＳダイオードを用いた実験を行っ
た。また、Ａｒイオンを５０ｋｅＶ，３３０μＡ，注入
角度を変えて２×１０¹⁴ｃｍ^-2注入した場合である。同
図より明らかなように、注入角度が大きいほど、歩留り
が低下しており、注入角度６０°では、歩留りが約４０
％まで低下している。このような状態においても、上記
実施例のように、メカニカルスキャンの方向を主体とし
たビーム径の拡大による調整で、歩留りを１００％とす
ることができた。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、静電スキャンとメカニカルスキャンとを組み合わせ
たハイブリッドスキャン方式のイオン注入装置におい
て、予め求めておいた最適電流密度となるように、イオ
ン注入をするときに用いるイオンビームのビーム径を広
げるなどして調節して、その電流密度を下げるようにし
た。また、ビーム径を広げるなどの調整方向を、メカニ
カルスキャンの方向とするようにした。このため、走査
の速度が遅くても、電流値を下げることなくチャージア
ップを防ぐことができ、例えば、ハイブリッドスキャン
方式の中電流イオン注入装置を用いて大口径の基板にイ
オン注入する場合でも、チャージアップ損傷が低減でき
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 イオン注入装置に設けられているイオンビー
ムを調節するためのビーム電流走査波形調節部の一部構
成を示す断面図である。

【図２】 ビーム電流走査波形によりイオンビーム径を
求める状態を示す説明図である。

【図３】 自動測定でビーム径を測定してビーム径を調
整するフローを示すフローチャートである。

【図４】 注入条件による絶縁破壊の発生状態を示す説
明図である。

【図５】 ビーム径の拡大方向に関する注入条件による
絶縁破壊の発生状態を示す説明図である。

【図６】 注入角度に関する注入条件による絶縁破壊の
発生状態を示す説明図である。

【符号の説明】

１…ファラデーカップ、２…ビーム遮断マスク、３…イ
オンビーム。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 静電スキャンとメカニカルスキャンとを
   組み合わせたハイブリッドスキャン方式のイオン注入装
   置を用い、 電流値を一定としてイオンビームのビーム径を調整して
   イオン注入を行い、絶縁破壊を一番起こし難い状態の最
   適電流密度を予め求めておき、 実際のイオン注入を行うときは、用いるイオンビームの
   ビーム電流密度を求めて、このビーム電流密度が前記最
   適電流密度と一致するように、前記イオンビームのビー
   ム径を調整することを特徴とするイオン注入方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載のイオン注入方法におい
   て、 前記イオンビームのビーム電流密度は、 前記イオン注入装置の有するファラデーカップおよびそ
   のファラデーカップに入射するイオンビームを制限する
   所定の広さのビーム透過部を有するビーム遮断マスクを
   用い、 前記イオンビームを走査して前記ビーム遮断マスクによ
   り部分的に遮断されたときのイオンビームが前記ファラ
   デーカップに入射したことにより検出される電流値の変
   化より求めることを特徴とするイオン注入方法。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載のイオン注入方法
   において、 前記メカニカルスキャンによる走査方向に前記ビーム径
   を拡大して、前記最適電流密度とすることを特徴とする
   イオン注入方法。