JPH11354067A - Oxygen negative ion beam implanting method and implanting apparatus thereof - Google Patents

Oxygen negative ion beam implanting method and implanting apparatus thereof

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JPH11354067A
JPH11354067A JP10163521A JP16352198A JPH11354067A JP H11354067 A JPH11354067 A JP H11354067A JP 10163521 A JP10163521 A JP 10163521A JP 16352198 A JP16352198 A JP 16352198A JP H11354067 A JPH11354067 A JP H11354067A
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JP
Japan
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plasma
oxygen
substrate
negative
ion beam
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Application number
JP10163521A
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Japanese (ja)
Inventor
Koji Miyake
浩二 三宅
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Nissin Electric Co Ltd
Original Assignee
Nissin Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To limit kinds of ions of oxygen generated to one kind, make an oxygen negative ion beam implanting apparatus instaltable in a small area at low cost and enhance its throughput by generating plasma including oxygen in a plasma chamber, and extracting an oxygen negative ion beam by an extraction electrode system composed of multiple porous electrode plates which have a hole distribution in a range wider than the diameter of a board. SOLUTION: A main discharge chamber 30 is formed continuing from an MP negative electrode 28, and the main discharge chamber 30 is filled with oxygen plasma which drifted from the MP negative electrode 28. An opening part is formed on the opposite side of the main discharge chamber 30, an accelerating electrode 36, a decelerating electrode 37 and a grounding electrode 38 formed from three sheets of porous plates, each having a hole distribution in a range wider than the diameter of a board are installed ahead of the opening part as an extraction electrode system, and negative ions are extracted from the main discharge chamber 30 as a beam. Oxygen negative ions O can be implanted into the board surface as a batch, and only negative ions can effectively be extracted by periodically turning on and off a plasma generation means and applying a voltage to the extraction electrode system after a slight delay.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体基板、絶
縁体基板、金属基板の中に酸素イオンを注入し基板の表
面近くの一定深さに酸化膜を形成する方法及び装置に関
する。半導体基板の場合は、表面近くに酸化物(絶縁膜
I)を形成するから、S/I/S構造になる。金属の場
合はM/I/M構造になる。Si基板の場合は特にSO
I基板と呼ぶ。Siオンインシュレータ(SOI)を略
してそのように呼ぶのである。SOI基板でも酸素注入
によるものはSIMOXと言う。Si基板に限らず、本
発明の酸素注入の対象となるものは、SiGe基板、S
iC基板などがある。その場合は酸素注入によって絶縁
層Iが中間に生成され基板側にも表面側にも同じ材料の
物質の層が存在する。それだけでなくて、本発明は異種
物質の境界に酸化層を形成する事にも利用する事ができ
る。Si基板の上にGaAsをヘテロエピタキシャル成
長させその境界に酸素を打ち込んで酸化層を作る、とい
ったことにも使う事ができる。金属の内部一定厚みに酸
素を注入してM/I/M構造とすることもできる。さら
に絶縁体/金属の境界に酸素を注入して酸化層を作るた
めにも利用できる。以下に用途を纏めて列挙する。 1.Si基板 Si/I/Si基板 (SOI構造) 2.SiGe基板 SiGe/I/SiGe基板 (SiGeSOI構造) 3.SiC基板 SiC/I/SiC基板 (SiCSOI構造) 4.Si基板 GaAs/I/Si基板 (酸化バリア層) 5.金属膜 PZT/高濃度酸素層/金属膜 これらは全て酸素正イオンを加速して注入し基板の改質
を行おうとする試みであった。
[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a method and apparatus for forming an oxide film at a certain depth near the surface of a substrate by implanting oxygen ions into a semiconductor substrate, an insulator substrate, and a metal substrate. In the case of a semiconductor substrate, since an oxide (insulating film I) is formed near the surface, an S / I / S structure is obtained. In the case of metal, it has an M / I / M structure. Especially in the case of Si substrate, SO
It is called an I substrate. The abbreviation for Si-on-insulator (SOI) is referred to as such. A SOI substrate obtained by oxygen implantation is called SIMOX. The object of the oxygen implantation of the present invention is not limited to the Si substrate, but includes the SiGe substrate and the S substrate.
There is an iC substrate and the like. In that case, the insulating layer I is generated in the middle by oxygen implantation, and a layer of the same material is present on both the substrate side and the surface side. In addition, the present invention can be used to form an oxide layer at a boundary between different kinds of substances. It can also be used for hetero-epitaxial growth of GaAs on a Si substrate and implanting oxygen into the boundary to form an oxide layer. An M / I / M structure can also be obtained by injecting oxygen into a constant thickness inside the metal. It can also be used to create an oxide layer by injecting oxygen at the insulator / metal interface. The applications are listed below. 1. 1. Si substrate Si / I / Si substrate (SOI structure) 2. SiGe substrate SiGe / I / SiGe substrate (SiGe SOI structure) 3. SiC substrate SiC / I / SiC substrate (SiCSOI structure) 4. Si substrate GaAs / I / Si substrate (oxidation barrier layer) Metal film PZT / high-concentration oxygen layer / metal film These were all attempts to improve the substrate by accelerating and implanting oxygen positive ions.

【0002】SOI基板(silicon on insulator)とい
うのは広義には絶縁層の上にSi単結晶を持つ基板であ
る。SOI基板には厚い絶縁体基板の上に薄いSiを載
せた(Si/絶縁基板)ものもある。例えばサファイヤ
の上にSi薄膜を形成したものなどである。しかし異種
結晶の上にヘテロ成長させると結晶欠陥が多いし劈開も
ないし高価になる。ほとんど利益はない。だからSOI
基板といえば、全体がSiで表面近くに薄い絶縁層とS
i単結晶が存在する(Si/絶縁層/Si基板)の3層
構造のものが主である。絶縁層はSiO2である。つま
り(Si/SiO2/Si基板)の3層構造である。S
iウエハ−は安価である。高品質のものが入手しやす
い。SOI基板ではSiの上にSiがあるから格子定数
は同一で欠陥は少ない。劈開もあり素子分離に便利であ
る。
[0002] An SOI substrate (silicon on insulator) is a substrate having an Si single crystal on an insulating layer in a broad sense. There is also an SOI substrate in which thin Si is placed on a thick insulator substrate (Si / insulating substrate). For example, it is formed by forming a Si thin film on sapphire. However, when hetero-grown on a heterogeneous crystal, there are many crystal defects, no cleavage, and it is expensive. There is little benefit. So SOI
Speaking of the substrate, the whole is Si and a thin insulating layer near the surface and S
It mainly has a three-layer structure of (i / insulating layer / Si substrate) where i single crystal exists. Insulating layer is SiO 2. That is, it has a three-layer structure of (Si / SiO 2 / Si substrate). S
i-wafers are inexpensive. High quality ones are readily available. Since the SOI substrate has Si on Si, the lattice constant is the same and the number of defects is small. Cleavage is also convenient for element isolation.

【0003】[0003]

【従来の技術】絶縁物上に単結晶Si半導体層を形成し
たSiオンインシュレータ基板(いわゆるSOI基板)
は、通常のバルクSi基板と比較して高集積化が可能、
低消費電力・高速デバイスの作製が可能など、多くの点
で優れている、と言われている。その優位性のため各地
で精力的に研究されている。研究されているが実用的な
レベルまで到達していない。SOI基板の製造が難しく
SOI基板はSi基板より未だ高価だからである。SO
I基板の原理的、物性的、電気的な優位性は、例えば次
の文献に説明されている。
2. Description of the Related Art A Si-on-insulator substrate having a single-crystal Si semiconductor layer formed on an insulator (so-called SOI substrate)
Enables higher integration compared to normal bulk Si substrates,
It is said to be excellent in many ways, such as being able to produce low power consumption and high speed devices. Due to its superiority, it is being vigorously studied in various places. It has been studied but has not reached a practical level. This is because it is difficult to manufacture the SOI substrate, and the SOI substrate is still more expensive than the Si substrate. SO
The principle, physical properties, and electrical superiority of the I-substrate are described in, for example, the following document.

【0004】Special Issue:"Single-crystal silico
n on non-single-crystal insulators"; edited by G.
W. Cullen, Journal of Crystal Growth, vol.63, No.
3, pp429-590(1983)
Special Issue: "Single-crystal silico
n on non-single-crystal insulators "; edited by G.
W. Cullen, Journal of Crystal Growth, vol. 63, No.
3, pp429-590 (1983)

【0005】SOI基板には二つの作り方がある。いず
れも正イオンを基板に注入するものである。一つは水素
正イオン注入によるものである。表面酸化膜を有する第
1のSi基板に水素正イオンを打ち込んでSi基板中に
脆弱な多孔質層を作り、第2のSi基板を貼り合わせ、
多孔質層から第1のSi基板を剥離し、露呈したSi面
を研磨して(Si/I/Si)構造を得る。水素正イオ
ンはプロトンであり簡単に生成できるからイオン注入自
体は簡単である。ただし多孔質層で第1のSi基板を薄
く切断するという工程は容易でない。とりわけ困難な方
法である。
There are two ways to make an SOI substrate. In each case, positive ions are implanted into the substrate. One is by hydrogen positive ion implantation. Implanting hydrogen positive ions into a first Si substrate having a surface oxide film to form a fragile porous layer in the Si substrate, and bonding a second Si substrate;
The first Si substrate is separated from the porous layer, and the exposed Si surface is polished to obtain a (Si / I / Si) structure. Since hydrogen positive ions are protons and can be easily generated, ion implantation itself is simple. However, the step of thinly cutting the first Si substrate with the porous layer is not easy. This is especially difficult.

【0006】もう一つは酸素正イオンによるものであ
る。これはもっと簡単でSi基板のある深さに酸素正イ
オンを打ち込むものである。酸素イオンが酸化シリコン
(SiO2)をつくるから(Si/I/Si)構造とな
る。これをSIMOX(Separated by IMplanted OXyge
n)という。SOI基板の製造方法として最も普及して
いるのが、この酸素イオン注入によって埋め込み酸化層
を形成するSIMOX法である。Si基板上のSOI構
造がもっとも良く知られている。
Another is due to oxygen positive ions. This is simpler and implants oxygen positive ions at a certain depth in the Si substrate. Oxygen ions form silicon oxide (SiO 2 ), resulting in a (Si / I / Si) structure. This is SIMOX (Separated by IMplanted OXyge
n). The SIMOX method of forming a buried oxide layer by oxygen ion implantation is most widely used as a method for manufacturing an SOI substrate. SOI structures on Si substrates are best known.

【0007】しかしSiGeやSiCなど半導体につい
ても基板半ばに酸化層を形成する、という試みが細々な
がらもなされている。 石川由加里、柴田典禅、深津晋「低エネルギー酸素イ
オン注入によるSiGeSOI構造の作製」春季応用物
理学会、講演予稿集29a−K−1p803(199
8) SiGeは混晶半導体である。Siそのものでない。こ
れをSOI(silicon oninsulator)と呼ぶのはおかし
い。しかし上記の論文の報告者はSiGeSOIという
言い方をしている。これにならってここではSiGeS
OIという。金属と強誘電体の境界に酸化層を作製する
方法については例えば 特開平9−232517号「誘電体素子及び誘電体素
子の製造方法」 がある。金属電極の上に強誘電体PZTを形成しその上
から酸素正イオンビ−ムを150keVで注入して金属
とPZTの間に酸化膜を作る。さらに酸素正イオンビ−
ムを120keVに加速し、PZTの表面に酸化層を形
成する。さらに酸化層の上に電極金属を付ける。つまり
金属/酸化層/PZT/酸化層/金属というような積層
構造を提案している。PZT膜の疲労を防止するという
ことが目的である。電界を掛けることによって強誘電体
のPZTを分極させるが次第に分極率が減少して行く。
これは電極近傍での酸素濃度低下に原因がある。酸素濃
度を十分に確保するために電極/PZTの界面に高濃度
酸素を注入する。本発明はこのように半導体、金属、絶
縁体など広く基板や膜に酸素イオンビ−ムを注入してあ
る一定深さに局在的な酸化層を製造する方法と装置の改
良に関する。SiSOI基板への用途がもっとも重要で
ある。以下ではSiのSOI基板(SIMOX)を例に
して従来技術の問題を説明する。
[0007] However, even with respect to semiconductors such as SiGe and SiC, attempts to form an oxide layer in the middle of the substrate have been made in small but minute ways. Yukari Ishikawa, Noriyuki Shibata, Susumu Fukatsu "Preparation of SiGeSOI Structure by Low Energy Oxygen Ion Implantation" Proceedings of Spring Society of Applied Physics, 29a-K-1p803 (199)
8) SiGe is a mixed crystal semiconductor. It is not Si itself. It is strange to call this SOI (silicon oninsulator). However, the reporter of the above paper uses the term SiGeSOI. Following this, here is SiGeS
OI. As a method of forming an oxide layer at a boundary between a metal and a ferroelectric, there is, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-232517, "Dielectric Element and Method for Manufacturing Dielectric Element". A ferroelectric PZT is formed on the metal electrode, and an oxygen positive ion beam is implanted thereon at 150 keV to form an oxide film between the metal and the PZT. Furthermore, oxygen positive ion beam
The accelerating system is accelerated to 120 keV to form an oxide layer on the surface of PZT. Further, an electrode metal is provided on the oxide layer. That is, a laminated structure such as metal / oxide layer / PZT / oxide layer / metal is proposed. The purpose is to prevent fatigue of the PZT film. By applying an electric field, the ferroelectric PZT is polarized, but the polarizability gradually decreases.
This is due to a decrease in the oxygen concentration near the electrode. In order to secure a sufficient oxygen concentration, high-concentration oxygen is injected into the interface between the electrode and the PZT. The present invention relates to the improvement of a method and apparatus for manufacturing an oxide layer localized at a certain depth by implanting oxygen ion beams into a substrate or a film such as a semiconductor, a metal, or an insulator. The application to the SiSOI substrate is the most important. In the following, the problems of the prior art will be described using a Si SOI substrate (SIMOX) as an example.

【0008】典型的なSIMOX製造プロセスを以下に
述べる。約450℃〜750℃にSi基板を加熱する。
20keV〜220keVの間のエネルギーの酸素正イ
オン(O)を基板に注入する。酸素イオン(O)は
Si基板の表面から一定深さまで進入してそこに留ま
る。加速エネルギーによって注入深さを制御する。表面
はSiのままである。SIMOXプロセスでの典型的な
ドーズ量はおよそ2×1017個(原子)/cm以上
である。さらに酸素とアルゴン雰囲気で、1150℃〜
1400℃の温度で基板を熱処理(アニール)する。雰
囲気の酸素は基板からの酸素原子の抜けを防ぐ。この熱
処理によって、注入された酸素原子は付近のSi原子と
反応し、二酸化シリコン(SiO)の埋め込み層を形
成する。これによって(Si/SiO/Si)の3層
構造ができる。SOI基板である。
A typical SIMOX manufacturing process is described below. The Si substrate is heated to about 450C to 750C.
Oxygen positive ions (O + ) having an energy between 20 keV and 220 keV are implanted into the substrate. Oxygen ions (O + ) penetrate to a certain depth from the surface of the Si substrate and stay there. The implantation depth is controlled by the acceleration energy. The surface remains Si. A typical dose in the SIMOX process is about 2 × 10 17 atoms / cm 2 or more. In an oxygen and argon atmosphere,
The substrate is heat-treated (annealed) at a temperature of 1400 ° C. Atmospheric oxygen prevents escape of oxygen atoms from the substrate. By this heat treatment, the implanted oxygen atoms react with nearby Si atoms to form a buried layer of silicon dioxide (SiO 2 ). Thereby, a three-layer structure of (Si / SiO 2 / Si) is formed. It is an SOI substrate.

【0009】SIMOXは、酸素イオンを直接にある深
さに注入しこれをSiOに変えることによりそれより
浅い部分のSiを活性なSi層として利用しようとする
ものである。基板側のSiも表面のSi層ももとは同じ
Si基板の一部だから結晶構造は初めから整合してい
る。内部酸化膜によってSi基板を水平に二分するから
separated by oxygenという。酸素注入の目的は内部酸
化膜を形成することである。単純なSOI基板製造法で
ある。
In SIMOX, oxygen ions are directly implanted to a certain depth and converted into SiO 2 , so that a shallower portion of Si is used as an active Si layer. Since the Si on the substrate side and the Si layer on the surface are originally part of the same Si substrate, the crystal structure is matched from the beginning. Because the internal oxide film halves the Si substrate horizontally
It is called separated by oxygen. The purpose of the oxygen implantation is to form an internal oxide film. This is a simple SOI substrate manufacturing method.

【0010】表面側Siがイオン注入によって乱れるの
でアニールによって結晶性を回復する。アニールについ
て次の文献に提案がなされる。 特開平8−46161号「SOI基板及びその製造方
法」 Si基板に酸素正イオンビームを打ち込んでアニールし
一定深さに酸化層を作る。通常はAr、酸素雰囲気でア
ニールする。ところがこの発明は水素雰囲気でアニール
するものである。
Since the surface Si is disturbed by ion implantation, the crystallinity is restored by annealing. Annealing is proposed in the following document. JP-A-8-46161 "SOI substrate and its manufacturing method" An oxygen positive ion beam is implanted into a Si substrate and annealed to form an oxide layer at a certain depth. Usually, annealing is performed in an atmosphere of Ar and oxygen. However, in the present invention, annealing is performed in a hydrogen atmosphere.

【0011】酸素イオンのイオン注入法としては、従来
B、PなどのドーパントをSi基板に注入するのに使わ
れた通常のイオン注入装置を使用することが多い。ドー
ズ量や加速エネルギーなどにおいてSiウエハプロセス
でのドーパント注入とあまり変らないからである。ドー
ピング用のイオン注入装置は高価で大型の装置である。
高価な装置を利用せざるを得ない事がSOI基板をコス
ト高のものにしている。
As an ion implantation method of oxygen ions, an ordinary ion implantation apparatus used for implanting dopants such as B and P into a Si substrate is often used. This is because the dose and the acceleration energy are not so different from the dopant implantation in the Si wafer process. Doping ion implanters are expensive and large.
The necessity of using expensive equipment makes the SOI substrate expensive.

【0012】本発明は酸素イオン注入を問題にする。従
来は、マイクロ波或いは高周波などの交流、或いは直流
放電によって酸素プラズマを生成し、引出電極系に適当
な電圧を印加することによって、酸素正イオンを引き出
す。この酸素イオンを磁場或いは電界によって質量分離
してO (酸素分子1価の正イオン)などを除去して
(酸素原子1価の正イオン)のみを抽出し、基板に
照射する。一般的にイオンビーム径は基板より小さい。
細いビームなので一挙に基板にビーム照射できない。そ
のため電界或いは磁界による走査系でビームを走査し、
基板全体に均一に照射する。
The present invention addresses oxygen ion implantation. Conventionally, oxygen plasma is generated by AC or DC discharge such as microwave or high frequency, and oxygen positive ions are extracted by applying an appropriate voltage to an extraction electrode system. The oxygen ions are mass-separated by a magnetic field or an electric field to remove O 2 + (monovalent positive ions of oxygen molecules) and the like to extract only O + (positive ions of oxygen atoms) and irradiate the substrate. Generally, the ion beam diameter is smaller than the substrate.
Since it is a thin beam, it is not possible to irradiate the substrate at once. Therefore, the beam is scanned by a scanning system using an electric or magnetic field,
Irradiate the entire substrate uniformly.

【0013】図1に典型的なイオン注入装置による酸素
正イオン注入装置を示す。これはフィラメント励起によ
る装置である。真空に引く事のできるチャンバ1にはフ
ィラメント2が設けられる。絶縁物5を通ってフィラメ
ント2の端子が外部に取り出される。端子の両端には直
流のフィラメント電源3が接続される。チャンバ1には
ガス入口4がありここから酸素ガスが供給される。チャ
ンバ1とフィラメント2の間にはア−ク電源6(Va
k)が接続される。加速電源7(Vacc)がア−ク電
源6の負極とアースの間に設けられる。チャンバ1の電
位は、Vacc+Vakである。
FIG. 1 shows an oxygen positive ion implanter using a typical ion implanter. This is an apparatus based on filament excitation. A filament 2 is provided in a chamber 1 that can be evacuated. The terminal of the filament 2 is taken out through the insulator 5. A DC filament power supply 3 is connected to both ends of the terminal. The chamber 1 has a gas inlet 4 through which oxygen gas is supplied. An arc power source 6 (Va) is provided between the chamber 1 and the filament 2.
k) is connected. An acceleration power supply 7 (Vacc) is provided between the negative electrode of the arc power supply 6 and ground. The potential of the chamber 1 is Vacc + Vak.

【0014】チャンバ1の出口8の外側には、開口部の
軸線を共通にするように有孔の電極が3枚設けられる。
加速電極9、減速電極10、接地電極11である。加速
電極9には抵抗13を介して加速電源7の正極が接続さ
れる。減速電源10には減速電源12が接続される。チ
ャンバ出口8、電極9、10、11の開口の延長上に
は、4分円弧の質量分離マグネット14が設置される。
チャンバ1から出たイオンビ−ム15は、入口16から
質量分離マグネット14に入り磁場によって彎曲した軌
道を描いて出口17から出る。質量、エネルギーで軌道
を調整してあるから、一原子イオンOは中央軌跡26
を経てスリット板18を通る。しかし2原子イオンO
偏奇軌跡27を描いて、質量分離マグネット14の壁
やスリットに当たって消滅する。一原子酸素正イオンO
はスリット板18を通り、対向電極19、20と可変
電源21からなる走査機構22によって左右に走査され
る。走査ビーム23はサセプタ25の上のSiウエハ−
24に注入される。
Outside the outlet 8 of the chamber 1, three perforated electrodes are provided so that the axes of the openings are common.
An acceleration electrode 9, a deceleration electrode 10, and a ground electrode 11. The positive electrode of the acceleration power supply 7 is connected to the acceleration electrode 9 via the resistor 13. A deceleration power supply 12 is connected to the deceleration power supply 10. A quadrant arc mass separation magnet 14 is provided on the extension of the opening of the chamber outlet 8 and the electrodes 9, 10, 11.
The ion beam 15 exiting from the chamber 1 enters the mass separation magnet 14 from the inlet 16 and exits from the exit 17 along a path which is curved by the magnetic field. Since the orbit is adjusted by the mass and energy, the monoatomic ion O +
Through the slit plate 18. However, the diatomic ion O 2
+ Draws an eccentric trajectory 27 and hits the wall or slit of the mass separation magnet 14 and disappears. Monoatomic oxygen positive ion O
+ Is scanned right and left by a scanning mechanism 22 including counter electrodes 19 and 20 and a variable power supply 21 through a slit plate 18. The scanning beam 23 is applied to the Si wafer on the susceptor 25.
24.

【0015】[0015]

【発明が解決しようとする課題】酸素イオン注入のため
の図1に示す装置は、従来の不純物イオン注入装置と同
じである。Siウエハ−にBをp型ドーパントとして、
あるいはPをn型ドーパントとして注入するための大型
の装置を使っている。ドーパント注入用であるからイオ
ン注入装置の装置構成が非常に複雑になる。また高価な
装置になる。設置面積も広く必要である。装置が高額で
あるというだけではない。細いビームを走査してイオン
注入するため、ウエハ1枚あたりの処理時間が非常に長
くなる。つまりスループットが低い。
The apparatus shown in FIG. 1 for oxygen ion implantation is the same as a conventional impurity ion implantation apparatus. B is used as a p-type dopant in a Si wafer.
Alternatively, a large-sized device for implanting P as an n-type dopant is used. Since it is for dopant implantation, the configuration of the ion implantation apparatus becomes very complicated. Moreover, it becomes an expensive device. A large installation area is required. Not only is the equipment expensive. Since the ion implantation is performed by scanning a narrow beam, the processing time per wafer becomes very long. That is, the throughput is low.

【0016】そのような結果、SOI基板1枚あたりの
単価は非常に高くなる。このため、SOI基板の優秀性
が広く認められているにもかかわらずSOI基板は普及
しない。これが現状である。SiSOIだけでなく、そ
の他の金属、強誘電体、などのSOIも量産規模にはほ
ど遠い。長い研究の歴史にも拘らずいまだ研究開発の段
階に留まっている。SOIは未だ高コスト基板という難
点を克服できない。
As a result, the unit price per SOI substrate becomes very high. For this reason, SOI substrates are not widely used, although the excellence of SOI substrates is widely recognized. This is the current situation. In addition to SiSOI, SOI of other metals, ferroelectrics, etc. is far from mass-produced. Despite its long research history, it is still at the research and development stage. SOI still cannot overcome the difficulties of high cost substrates.

【0017】どうして装置が高価であり大型であるのか
?何故スループットが低いのか?これを説明する。酸素
プラズマ中の酸素正イオンは様々の形態を取る。一原子
イオンOだけでない。O、O (2原子イオン)
またはこの他にO (3原子イオン)、多価イオンO
++など数種類のイオンが酸素プラズマ中に存在する。
このうちいずれか1種類を独占的に注入しなければ埋め
込み酸化膜層が多層に形成されてしまう。イオンビ−ム
の質量M、加速エネルギーEによって注入深さが異な
る。同じ1価のイオンであれば加速エネルギーは同一で
ある。速度は質量の逆数の平方根に比例する。速度の大
きい質量の小さいイオンはより深くまで到達する。質量
の大きいイオンは浅瀬で止まってしまう。
Why are the devices expensive and large? Why low throughput? This will be described. Oxygen positive ions in oxygen plasma take various forms. Not just a single-atom ion O + . O + , O 2 + (diatomic ion)
Or O 3 + (triatomic ion), polyvalent ion O
Several types of ions, such as ++ , exist in oxygen plasma.
Unless any one of them is exclusively implanted, a buried oxide film layer is formed in multiple layers. The implantation depth varies depending on the mass M of the ion beam and the acceleration energy E. The acceleration energy is the same for the same monovalent ions. Speed is proportional to the square root of the reciprocal of mass. High velocity, low mass ions reach deeper. Large mass ions stop in the shallow water.

【0018】一価イオンであって質量の異なるものがM
種あると、注入深さのピークがM個できてしまう。注入
深さを一定値にしないとSOI基板の酸化膜が二重、三
重にできる。酸化膜より表面側のSi膜が薄くなりすぎ
る。またO 、O のように原子量の大きいイオン
が大量に注入されると表面のSi層の結晶欠陥が急激に
増大してしまうことが知られている。そのようなものは
SOI基板として使用できない。それで一原子の一価イ
オンOだけを独占的に注入するということがぜひとも
必要である。はじめから例えばOだけを選択的に生成
できるプラズマ生成装置があれば好都合である。しかし
それがない。
A monovalent ion having a different mass is represented by M
If there are seeds, M peaks of implantation depth will be formed. If the implantation depth is not fixed, the oxide film of the SOI substrate can be doubled or tripled. The Si film on the surface side of the oxide film is too thin. It is also known that when a large amount of ions having a large atomic weight, such as O 2 + and O 3 + , are implanted, crystal defects in the surface Si layer rapidly increase. Such cannot be used as an SOI substrate. Therefore, it is absolutely necessary to exclusively implant only one atomic monovalent ion O + . It would be advantageous if there was a plasma generator that could selectively generate, for example, only O + from the beginning. But it is not.

【0019】プラズマの生成方法にはマイクロ波放電、
高周波放電、直流放電など様々ある。が、酸素正イオン
、O 、O 、O++のうち何れか1種類を独
占的に生成できる方法は筆者の知る限り未だ見つかって
いない。電子密度・電子温度を厳密にコントロールした
プラズマでも、O/O 比率は、80/20〜20
/80である。この範囲を越えるプラズマを生成するこ
とはできない。酸素プラズマ中には1原子イオンと2原
子イオンが必ず混在する。このためイオンビ−ムによる
イオン注入装置では必ず質量分離系を設ける。
The method of generating plasma includes microwave discharge,
There are various types such as high frequency discharge and DC discharge. However, as far as the author knows, a method that can exclusively generate any one of oxygen positive ions O + , O 2 + , O 3 + , and O ++ has not been found yet. Even with plasma in which electron density and electron temperature are strictly controlled, the O + / O 2 + ratio is 80/20 to 20/20.
/ 80. It is not possible to generate plasma beyond this range. One atomic ion and two atomic ions are always mixed in the oxygen plasma. For this reason, a mass separation system is always provided in an ion implantation apparatus using an ion beam.

【0020】それは図1の質量分離マグネット14に当
たる装置である。質量分離装置によって、ビーム中から
例えばO以外のイオンを除去し、基板に照射してい
る。質量分離マグネットは重く大きく嵩高い磁石であ
る。大面積のビームを磁石で曲げようとすると口径が大
きい強力な磁束密度を発生できる磁石が必要になる。生
産機械ではとても使えない。大面積イオンビ−ムをマグ
ネットでは質量分離できない。そこでビームを絞って細
いビームにしてマグネットによる質量分離を行う。ビー
ムが細いと入っても高速ビームでありこれを曲げるのだ
から強い磁場が必要でマグネット自体は大きいものであ
る。
This is a device corresponding to the mass separation magnet 14 shown in FIG. For example, ions other than O + are removed from the beam by a mass separator, and the substrate is irradiated. Mass separation magnets are heavy, bulky magnets. In order to bend a large area beam with a magnet, a magnet having a large diameter and capable of generating a strong magnetic flux density is required. Not very usable on production machines. Mass separation of a large area ion beam with a magnet is not possible. Therefore, the beam is narrowed down to a narrow beam, and mass separation is performed using a magnet. Even if the beam is narrow, it is a high-speed beam and bends it, so a strong magnetic field is required and the magnet itself is large.

【0021】細いビームであるから、ウエハ−の面積よ
りもずっと狭い。一度でウエハ−にイオン注入できな
い。それでどうしても質量分離装置の後に走査装置を設
けざるをえない。走査装置は交番磁場や交番電界を利用
する。磁界、電界でイオンビ−ムを左右前後に振りウエ
ハ−の全面に注入する。図1では交番電界による走査機
構を示す。走査装置自体もかなりスペースを取る装置で
ある。ビーム曲げ角が小さいと距離を長く取らなければ
ならない。
Because of the narrow beam, it is much smaller than the area of the wafer. Ions cannot be implanted into the wafer at one time. Therefore, a scanning device must be provided after the mass separation device. The scanning device uses an alternating magnetic field or an alternating electric field. The ion beam is swung right and left and back and forth by a magnetic field and an electric field, and is injected over the entire surface of the wafer. FIG. 1 shows a scanning mechanism using an alternating electric field. The scanning device itself also takes up considerable space. If the beam bending angle is small, the distance must be long.

【0022】質量分離マグネットのために大型化し、重
量も増え、据え付け面積も広くなる。装置が高価になる
のは質量分離マグネットが一つの原因である。また質量
分離のため走査しなければならず、走査装置のためにコ
ストはさらに上がる。ビーム走査には時間がかかるので
スループットが低下する。このように従来の酸素イオン
ビ−ム注入装置によるSOI基板の製造法はイオン種を
1種に限ることができないため、装置が大がかり、高価
額、低スループットという問題を持つ。いかなるプラズ
マ生成法もこれを解決できないでいる。
Due to the mass separation magnet, the size is increased, the weight is increased, and the installation area is increased. One factor that makes the device expensive is the mass separation magnet. Also, scanning must be performed for mass separation, and the cost is further increased due to the scanning device. Since beam scanning takes time, the throughput is reduced. As described above, since the conventional method of manufacturing an SOI substrate using an oxygen ion beam implantation apparatus cannot limit the number of ion species to one, the apparatus is large, expensive, and has low throughput. No plasma generation method can solve this.

【0023】酸素の生成イオン種を一種に限定できる半
導体、金属、絶縁体基板への酸素イオン注入方法、装置
を提供する事が本発明の第1の目的である。生成イオン
種を一種にしぼり質量分離を不要とし、安価で小面積に
設置できる酸素イオン注入装置を提供することが本発明
の第2の目的である。生成イオンを一種に絞る事によっ
て走査を不要としスループットの高い酸素イオン注入装
置を提供することが本発明の第3の目的である。
It is a first object of the present invention to provide a method and an apparatus for implanting oxygen ions into a semiconductor, metal, or insulator substrate, which can limit the kind of ion generated by oxygen to one kind. It is a second object of the present invention to provide an oxygen ion implanter which is inexpensive and can be installed in a small area by squeezing the generated ion species into one type, eliminating the need for mass separation. It is a third object of the present invention to provide an oxygen ion implantation apparatus which does not require scanning by narrowing the generated ions to one kind and has high throughput.

【0024】[0024]

【課題を解決するための手段】酸素正イオンには、上述
のように数種のイオン種が存在し、何れか1種を80%
以上独占的に生成することは、極めて困難である。本発
明はその途を取らない。本発明は、正イオンでなく、酸
素負イオンOを用いる。酸素負イオンとしてはO
他にO 、O 、O などが知られている。しか
しこれらの複数原子のマイナスイオンは極めて発生しに
くい。だから酸素負イオンは従来使われなかった。が、
しかし酸素負イオンの場合、プラズマパラメータを適当
に選ぶ事によって、Oを90%以上にまで高めること
が可能である。酸素のマイナスイオンは殆どOであ
る。負イオンにおけるOの優れた独占性を活用する。
他に酸素負イオンがないから質量分離、走査が不要にな
る。これが本発明の骨子である。イオン源の開口部には
基板直径より広い範囲の孔分布を有する複数枚の多孔電
極板からなる引出電極系を設ける。負イオンだけを引き
出すように、イオン源のプラズマ室には負のバイアス電
圧を印加し引出電極系にも所定のバイアス電圧を印加す
る。大地電位よりも負の高電圧にバイアスされているか
らプラズマ中から負イオンと電子だけが外部に引き出さ
れる。電子電流はイオン注入という目的から見ると無効
な電流である。電子電流の比率を下げるため、プラズマ
中の負イオン密度を上げる必要もある。プラズマ中の負
イオンの比率を上げるためにはいくつかの手段がある。
As described above, there are several types of ionic species in the oxygen positive ion.
It is extremely difficult to generate them exclusively. The present invention does not stop there. The present invention uses oxygen negative ions O instead of positive ions. Oxygen as the negative ions O - in addition to O 2 -, O 3 -, O 5 - and the like are known. However, negative ions of these plural atoms are extremely unlikely to be generated. Therefore, oxygen negative ions have not been used before. But,
However, in the case of oxygen negative ions, it is possible to increase O to 90% or more by appropriately selecting the plasma parameters. Negative ions of oxygen most O - a. Take advantage of the excellent monopoly of O in negative ions.
Since there is no other oxygen negative ion, mass separation and scanning become unnecessary. This is the gist of the present invention. At the opening of the ion source, there is provided an extraction electrode system comprising a plurality of porous electrode plates having a pore distribution wider than the substrate diameter. In order to extract only negative ions, a negative bias voltage is applied to the plasma chamber of the ion source, and a predetermined bias voltage is also applied to the extraction electrode system. Since the bias is biased to a negative voltage higher than the ground potential, only negative ions and electrons are extracted to the outside from the plasma. The electron current is an invalid current for the purpose of ion implantation. In order to reduce the ratio of electron current, it is necessary to increase the density of negative ions in the plasma. There are several ways to increase the proportion of negative ions in the plasma.

【0025】酸素グロー放電における酸素イオンの生成
については文献に述べられる。 S.V.Krishna Kumar, "Mass spectrometric diagnosti
cs of Plasma-Negativeions in an oxygen glow discha
rge", S.V.Krishna Kumar Journal GeologicalSociety
of India, vol.27, pp144-153(1986) グロー放電において、ガス圧を上げる、また放電電流を
上げる、電界を強くすることなどによって、Oの比率
を90%以上にまで高めることが可能である。最適条件
では、QMS(Quadrupole Mass Spectroscopy)で他の
イオン種が検出不可能なレベルにまで高めることができ
る。
The generation of oxygen ions in an oxygen glow discharge is described in the literature. SVKrishna Kumar, "Mass spectrometric diagnosti
cs of Plasma-Negativeions in an oxygen glow discha
rge ", SVKrishna Kumar Journal GeologicalSociety
of India, vol.27, at pp144-153 (1986) glow discharge, increasing the gas pressure, also increases the discharge current, such as by a strong electric field, O - the ratio of can be increased up to 90% It is. Under optimum conditions, it can be raised to a level where other ion species cannot be detected by QMS (Quadrupole Mass Spectroscopy).

【0026】本発明はイオン源の引出電極系の作用で酸
素プラズマから負イオンビームを引き出し、イオン源外
部の半導体基板、金属基板、誘電体基板に注入する。酸
素負イオンには初めから一原子一価イオンOしか存在
しないので質量分離が不要である。大きく重い質量分離
マグネットは不要になる。これによって装置が小型にな
る。装置据え付け面積も少なくなる。マグネットが無い
のでより安価になる。
According to the present invention, a negative ion beam is extracted from oxygen plasma by the action of the extraction electrode system of the ion source and injected into a semiconductor substrate, a metal substrate, and a dielectric substrate outside the ion source. Since oxygen negative ions only have monoatomic monovalent ions O from the beginning, mass separation is unnecessary. Large and heavy mass separation magnets are not required. This makes the device smaller. The device installation area is also reduced. Less expensive because there is no magnet.

【0027】質量分離が不要であるとビームを絞る必要
もない。大面積のビームを発生させそのままウエハ−に
イオン注入すれば良い。ビーム走査しないから走査機構
の分だけ装置が安価になる。また走査機構が不要でその
分走査距離が不要になるから据え付け面積をさらに削減
できる。一挙にイオン注入できるから注入時間が大幅に
短縮できる。ためにスループットが大いに向上する。S
iSOI基板など、中間深さに酸化膜を有する基板の製
造コストを引き下げる事ができる。
If mass separation is not required, there is no need to narrow the beam. What is necessary is just to generate a large-area beam and implant ions into the wafer as it is. Since beam scanning is not performed, the cost of the apparatus is reduced by the amount of the scanning mechanism. Further, since a scanning mechanism is unnecessary and a scanning distance is not necessary, the installation area can be further reduced. Since the ions can be implanted at once, the implantation time can be greatly reduced. Therefore, the throughput is greatly improved. S
The manufacturing cost of a substrate having an oxide film at an intermediate depth, such as an ISOI substrate, can be reduced.

【0028】良い事ばかりのようにみえる。しかし問題
はある。酸素負イオンをどうして生成するか?と言う事
が問題である。そもそも従来技術が全て酸素の正イオン
を注入していたのは、正イオンが生成し易いからであ
る。負イオンはなかなかできない。ドーパントとしてボ
ロンやリンをSiにドープする場合もこれらは正イオン
の形で生成され質量分離し走査してウエハ−に注入され
る。これらドーパントも正イオンで注入するからここで
述べたものと同じ問題があり依然解決されていない。
It looks like only good things. But there is a problem. Why Oxygen Negative Ions? That is the problem. In the first place, all the conventional techniques implant positive ions of oxygen because positive ions are easily generated. Negative ions are not easy. Even when boron or phosphorus is doped into Si as a dopant, these are generated in the form of positive ions, separated by mass, scanned and injected into a wafer. Since these dopants are also implanted with positive ions, they have the same problems as described herein and have not been solved yet.

【0029】そもそもプラズマというのは電子、イオ
ン、中性ラジカル、中性分子、原子の集合であり、電子
電荷とイオン電荷が打ち消しあって全体として中性にな
るはずで、イオンはほとんどが正イオンなのである。正
イオンと負イオンの数の差が電子数である。そうだとし
てみると負イオンを生成するのはずいぶんと難しいもの
である。負イオンは正イオンより必ず少ないし高密度に
負イオンを生成させるのは困難である。
First, plasma is a collection of electrons, ions, neutral radicals, neutral molecules, and atoms. The electron charge and the ionic charge cancel each other out, so that the whole should be neutral. That's it. The difference between the numbers of positive ions and negative ions is the number of electrons. If so, it is much more difficult to generate negative ions. Negative ions are always less than positive ions, and it is difficult to generate negative ions at high density.

【0030】本発明者は、その難しい負イオン生成の問
題を解決した。ひとつは、プラズマ中の中性を保持しつ
つ電子を急激に消滅させることによって負イオンを一時
的に増大させる手法である。一価イオンに換算すると、
電子数+負イオン数=正イオン数であるから、電子数を
一時的に0に近づける事によって、負イオン数を正イオ
ン数に近づける事が可能である。プラズマが点灯してい
るときプラズマ励起手段を遮断すると、電子温度が急激
に下がり、低エネルギー電子が増える。
The inventor has solved the difficult problem of negative ion generation. One is a method of temporarily increasing negative ions by rapidly annihilating electrons while maintaining neutrality in plasma. When converted to monovalent ions,
Since the number of electrons + the number of negative ions = the number of positive ions, it is possible to make the number of negative ions close to the number of positive ions by temporarily approaching the number of electrons to zero. If the plasma excitation means is shut off while the plasma is on, the electron temperature drops sharply and the low energy electrons increase.

【0031】低エネルギー電子は衝突の断面積が大きい
から中性原子、分子と衝突し易くなる。中性酸素原子に
衝突すると一価のOになる。中性酸素分子に衝突する
と、分子を分裂させ二つの原子にし電荷を与えて中性原
子と負イオンOになる。このようにプラズマが消滅す
る際、電子が急速に減少し負イオンが増える。負イオン
数が正イオン数に拮抗するようになる。もちろんこれは
一時的なものでその後正イオンも負イオンも減少し始め
る。その短い間だけ引出電極系にバイアス電圧を印加し
て負イオンをウエハ−に注入するようにする。プラズマ
を消滅させた直後に引出電極系に所定のバイアス電圧を
印加して負イオンを注入するのである。
Since the low energy electrons have a large cross-sectional area of collision, they easily collide with neutral atoms and molecules. When it collides with a neutral oxygen atom, it becomes monovalent O . When it collides with a neutral oxygen molecule, it splits the molecule into two atoms and gives a charge to become a neutral atom and a negative ion O . When the plasma is extinguished in this way, electrons decrease rapidly and negative ions increase. The number of negative ions comes to antagonize the number of positive ions. Of course, this is only temporary, after which both positive and negative ions begin to decrease. A bias voltage is applied to the extraction electrode system only for a short time to implant negative ions into the wafer. Immediately after the plasma is extinguished, a predetermined bias voltage is applied to the extraction electrode system to implant negative ions.

【0032】わずかな間だけ注入するのであるから繰り
返し繰り返し積み重ねる必要がある。それでプラズマ点
灯消灯をパルス的に行いそれから一定時間遅れて引出電
極系に正電圧バイアスをパルス的に印加する。1回あた
りの負イオン注入がわずかであっても繰り返して注入す
ればやがて所望のドーズ量に達する。この方法を、仮に
消灯後負イオンビーム法と呼ぶ。
Since the injection is performed only for a short time, it is necessary to repeatedly and repeatedly stack. Then, the plasma is turned on and off in a pulsed manner, and a positive voltage bias is applied to the extraction electrode system in a pulsed manner after a certain time delay. Even if the amount of the negative ion implantation per one time is slight, the desired dose amount is eventually reached by repeated implantation. This method is temporarily called a negative ion beam method after the light is turned off.

【0033】消灯後負イオンビーム法の他にもう一つ負
イオンを高密度に生成する方法がある。電子エネルギー
を下げて、中性原子、中性分子との衝突断面積を増やす
方法である。これはエネルギーフィルタ法と呼ばれてい
る。これらは時間的、空間的に負イオン密度を高めそこ
から負イオンを取り出すものである。しかし引出電極系
をもつイオン源であれば、イオン源と大地電位の正負の
選び方によって大地側に負イオンだけを取り出す事がで
きる。つまりイオン源側に負のバイアス電圧を印加し、
大地側を接地すれば、プラズマから負イオンだけを取り
出す事ができる。
There is another method of generating negative ions at high density in addition to the negative ion beam method after the light is turned off. In this method, the electron energy is reduced to increase the cross section of collision with neutral atoms and neutral molecules. This is called an energy filter method. These are to increase the negative ion density temporally and spatially and extract negative ions therefrom. However, in the case of an ion source having an extraction electrode system, only negative ions can be extracted to the ground side depending on how the ion source and the ground potential are selected. That is, a negative bias voltage is applied to the ion source,
If the ground side is grounded, only negative ions can be extracted from the plasma.

【0034】さらにCsの仕事関数の低い事を利用した
負イオン生成法もある。これはよく知られた方法であ
る。負にバイアスしたターゲットにCsを付着させてお
き中性原子分子を当てるとCsの電子が中性原子、分子
に移動して負イオンを作るというものである。Csは正
イオンになるがターゲットから電子がやってくるのでま
た中性に戻る。Csが電子を手放し易い(仕事関数が低
い)ことを巧みに使ったものでRbなどでも代用でき
る。
There is also a negative ion generation method utilizing the low work function of Cs. This is a well-known method. When Cs is attached to a negatively biased target and a neutral atom molecule is applied, electrons of Cs move to neutral atoms and molecules to form negative ions. Cs becomes a positive ion, but returns to neutral again because electrons come from the target. Cs skillfully uses the fact that Cs easily releases electrons (has a low work function), and Rb can be substituted.

【0035】プラズマの生成法自体は、フィラメントに
よるア−ク放電、平行平板電極間の高周波放電、直流放
電、マイクロ波放電、スパッタ負イオン生成など幾つも
の方法がある。本発明はその何れにも適用できるもので
ある。
There are several methods of plasma generation, such as arc discharge using a filament, high-frequency discharge between parallel plate electrodes, DC discharge, microwave discharge, and sputter negative ion generation. The present invention can be applied to any of them.

【0036】グロー放電による場合は、に述べたよう
に、ガス圧を上げる、放電電流を上げる、電圧を上げる
などグロー放電の条件を限定することによって酸素負イ
オンを生成する事ができる。
In the case of the glow discharge, as described above, oxygen negative ions can be generated by limiting the conditions of the glow discharge, such as increasing the gas pressure, increasing the discharge current, and increasing the voltage.

【0037】[0037]

【発明の実施の形態】本発明は、酸素負イオンOをS
i基板に注入することに特徴がある。酸素負イオンは殆
どがOである。そのため質量分離は不要である。質量
分離のためビームを絞る必要がないから走査装置も不要
である。装置は単純化、小型化されスループットも上が
る。作りにくい負イオンをどのようにして作るか?とい
う事が問題になる。負イオン生成について述べる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention is, negative oxygen ions O - and S
It is characterized by being injected into the i-substrate. Most oxygen negative ions are O . Therefore, no mass separation is required. Since there is no need to narrow the beam for mass separation, a scanning device is also unnecessary. The apparatus is simplified and downsized, and the throughput is increased. How to make hard-to-make negative ions? That is a problem. The generation of negative ions will be described.

【0038】[1.消灯後負イオンビーム法]プラズマ
点灯をパルス的に行い消灯直後に引出電極系に所定の電
圧を印加することによって負イオンを注入する方法であ
る。
[1. Negative ion beam method after extinguishing] This is a method of injecting negative ions by pulsating plasma and applying a predetermined voltage to the extraction electrode system immediately after extinguishing.

【0039】プラズマ生成手段をオンすることによっ
て、プラズマ生成室内に酸素を含むプラズマを生成す
る。次にプラズマ生成手段をオフする。プラズマ中の電
子の温度は、数μsec以内に、数10eVから数eV
まで急速に低下する。一方、この期間、電子および、正
・負イオン密度は殆ど変化しない。プラズマ中では低エ
ネルギー電子が支配的となる。この低速電子と酸素分子
が解離性付着を起こすことによって酸素負イオンが生成
される確率が急激に高くなる。e+O→O+O。
+O→Oの式によって簡明に表現できる。このよ
うな付着によって、負イオン密度はプラズマ生成手段オ
フ直後から急激に上昇する。さらに20〜30μsec
まで経過すると、電子は軽いために、急速に拡散し、消
滅して密度が低下する。一方で、正・負イオンは質量が
大きいため、殆ど消滅しない。このため電子密度が極端
に少なく、正負イオンでプラズマが維持される特異な
(電子が殆ど無い)プラズマが形成される。この現象
は、例えば次の文献に述べてある。
By turning on the plasma generation means, a plasma containing oxygen is generated in the plasma generation chamber. Next, the plasma generating means is turned off. The temperature of the electrons in the plasma is increased from several tens eV to several eV within several μsec.
It drops rapidly. On the other hand, during this period, the electron and the positive / negative ion density hardly change. Low-energy electrons predominate in the plasma. Due to the dissociative attachment of the low-speed electrons and oxygen molecules, the probability of generation of oxygen negative ions sharply increases. e + O 2 → O + O.
It can be simply expressed by the equation e + O → O . Due to such adhesion, the negative ion density sharply increases immediately after the plasma generating means is turned off. 20 to 30 μsec
At this point, the electrons are light and diffuse rapidly, disappear, and decrease in density. On the other hand, positive and negative ions hardly disappear due to their large mass. For this reason, a unique (almost no electron) plasma is formed in which the electron density is extremely low and the plasma is maintained by positive and negative ions. This phenomenon is described in the following document, for example.

【0040】”パルス変調プラズマ”寒川誠二、応用
物理第66巻第6号、p550−558(1997)
"Pulse Modulated Plasma" Seiji Samukawa, Applied Physics Vol. 66, No. 6, p550-558 (1997)

【0041】M.B.Hopkins, M.Bacal & W.G.Graham,”
Enhanced volume production of negative ions in the
post dischagrge of a multicusp hydrogen discharg
e", J.Appl.Phys.70(4),p2009-2014(1991)"
MBHopkins, M.Bacal & WGGraham, "
Enhanced volume production of negative ions in the
post dischagrge of a multicusp hydrogen discharg
e ", J. Appl. Phys. 70 (4), p2009-2014 (1991)"

【0042】は塩素やアルゴンのプラズマについて述
べたものである。は水素プラズマについて調べたもの
である。酸素について調べた文献は発見できなかった。
しかし本発明者が実験したところでは同様の減少が酸素
プラズマについても起こる。以上の文献はそれ以上の事
は書いていない。本発明者はこれを巧みに利用する。本
発明は、この特異なプラズマ(正イオン数=負イオン
数)が形成される瞬間に、引出電極系に所定のパルス電
圧を印加する。これによって、酸素負イオン(O)を
Si基板に注入する。
The above describes a plasma of chlorine or argon. Is an investigation on hydrogen plasma. No literature examining oxygen could be found.
However, a similar decrease has also occurred for oxygen plasmas in the present inventors' experiments. The above references do not say anything more. The inventor takes advantage of this. In the present invention, a predetermined pulse voltage is applied to the extraction electrode system at the moment when the unique plasma (the number of positive ions = the number of negative ions) is formed. Thereby, oxygen negative ions (O ) are implanted into the Si substrate.

【0043】[2.エネルギーフィルタ法]プラズマ室
を2つに分離し、第1プラズマ室ではプラズマ生成を行
う。第2プラズマ室にはウエハとサセプタを設ける。二
つのプラズマ室の間にはエネルギーフィルタを設ける。
第1プラズマ室では旺盛なプラズマ生成が行われ電子の
エネルギーが高い。エネルギーフィルタは高エネルギー
の電子の通過を防ぐ。第2プラズマ室は低エネルギーの
電子が多く存在する。低エネルギー電子は中性分子、原
子との衝突断面積が大きいからこれを負イオン化する。
そのようにして低エネルギーの電子が少なくなると第1
プラズマ室から低エネルギー電子が入ってくる。エネル
ギーフィルタは、電子エネルギーに対して選択性あるも
のである。中性原子、分子は自由に通過を許すものとす
る。それは数百ガウス程度の磁場を形成することによっ
てなされる。そのような磁場は永久磁石を対向させるこ
とによって発生させる事ができる。あるいは平行な複数
の導体棒に電流を流す事によって磁場を発生させること
ができる。
[2. Energy Filter Method] The plasma chamber is divided into two, and plasma is generated in the first plasma chamber. A wafer and a susceptor are provided in the second plasma chamber. An energy filter is provided between the two plasma chambers.
In the first plasma chamber, vigorous plasma generation is performed, and the energy of electrons is high. Energy filters prevent the passage of high energy electrons. The second plasma chamber contains many low energy electrons. Low-energy electrons have a large collision cross section with neutral molecules and atoms, and are negatively ionized.
When the number of low-energy electrons decreases in this way, the first
Low energy electrons come in from the plasma chamber. Energy filters are selective for electron energy. Neutral atoms and molecules are allowed to pass freely. It does this by creating a magnetic field of the order of a few hundred gauss. Such a magnetic field can be generated by facing permanent magnets. Alternatively, a magnetic field can be generated by passing a current through a plurality of parallel conductor bars.

【0044】[3.Cs法]負イオン源として既に広く
使われている方法である。Csは金属表面に吸着される
と金属表面の仕事関数を下げる作用がある。仕事関数が
下がるので電子がより放出されやすくなる。そこでこの
金属を負にバイアスすると金属は電子の放出体として機
能する。酸素分子、酸素正イオンが、Csに当たると電
子が酸素分子などに与えられ酸素負イオンになる。Cs
は蒸発源に固体の状態で収容しておき加熱気化して金属
表面に導く。Csの他にルビジウムRb、カリウムK、
バリウムBaなどをも利用できる。
[3. Cs method] This method is already widely used as a negative ion source. When Cs is adsorbed on the metal surface, it has the effect of lowering the work function of the metal surface. Since the work function is lowered, electrons are more easily emitted. Therefore, when the metal is biased negatively, the metal functions as an electron emitter. When an oxygen molecule or an oxygen positive ion strikes Cs, electrons are given to the oxygen molecule or the like to become an oxygen negative ion. Cs
Is stored in a solid state in an evaporation source, heated and vaporized, and guided to a metal surface. In addition to Cs, rubidium Rb, potassium K,
Barium Ba or the like can also be used.

【0045】[4.グロー放電法]平行平板電極間に高
周波を印加すると、適当な圧力、ガス種においてグロー
放電が発生する。プラズマがこれによって生ずるが、圧
力を高く、電界を強くすることによって負イオンの率を
高めることができる。これは先述のにも記載されてい
る。
[4. Glow discharge method] When a high frequency is applied between parallel plate electrodes, a glow discharge is generated at an appropriate pressure and gas type. A plasma is thereby generated, but the rate of negative ions can be increased by increasing the pressure and the electric field. This is also described above.

【実施例】【Example】

【0046】[実施例1(プラズマ消灯直後負イオン増
加利用)]図2によって実施例1を説明する。これはマ
イクロ波をプラズマの励起源とする例である。アンテナ
からマイクロ波をチャンバ内に導きここでプラズマを発
生させる。原料ガス入口29を有するMPカソードチャ
ンバ28には、同軸ケーブル31が接続される。同軸ケ
ーブル31の先端にアンテナ32が固定される。マグネ
トロン(図示しない)で発生したマイクロ波は同軸ケー
ブルを伝わりアンテナ32からMPカソードチャンバ2
8内に入る。チャンバ28には酸素ガスが導入される。
Embodiment 1 (Use of Increase of Negative Ions Immediately After Plasma Is Turned Off) Embodiment 1 will be described with reference to FIG. This is an example in which a microwave is used as a plasma excitation source. Microwaves are guided from the antenna into the chamber, where plasma is generated. A coaxial cable 31 is connected to the MP cathode chamber 28 having the source gas inlet 29. An antenna 32 is fixed to the end of the coaxial cable 31. Microwaves generated by a magnetron (not shown) are transmitted through a coaxial cable and transmitted from an antenna 32 to an MP cathode chamber 2.
Go inside 8. Oxygen gas is introduced into the chamber 28.

【0047】MPカソードチャンバ28には磁場印加手
段33が縦磁場を生じている。これはマイクロ波共鳴磁
場を生ずる。酸素ガスから出た電子はマイクロ波を共鳴
吸収する。電子の運動が激しくなり酸素を叩いて正イオ
ン酸素、電子などを含む酸素プラズマとなる。Arなど
の希ガスを加えても良い。そのままであると正イオンし
かできないので目的に添えない。
A magnetic field applying means 33 generates a vertical magnetic field in the MP cathode chamber 28. This produces a microwave resonance magnetic field. The electrons emitted from the oxygen gas resonantly absorb the microwave. The movement of the electrons becomes intense and the oxygen strikes oxygen, resulting in oxygen plasma containing positive ion oxygen and electrons. A rare gas such as Ar may be added. If it is as it is, only positive ions can be formed, so it cannot be used for the purpose.

【0048】そこでMPカソード28に続けて主放電室
30を設ける。主放電室は独自のプラズマ励起源を持た
ない。MPカソード28からドリフトしてきた酸素プラ
ズマが主放電室30に満ちる。主放電室30の外周壁に
はNS、SN、…というように極性が異なる永久磁石3
5が多数取り付けられる。これはカスプ磁場をチャンバ
内に形成し、プラズマ中の荷電粒子が壁面に衝突するの
を防ぐ作用がある。プラズマ閉じ込めのためのカスプ磁
場である。主放電室30とMPカソード28の間には、
アーク電源39(Vex)がある。主放電室30をVe
xの正電圧によってバイアスしている。これによって電
子放出口34から電子と負イオンなどがMPカソードか
ら主放電室30に引き込まれる。電子は主放電プラズマ
57を生成するエネルギーを与える。電子だけでなく酸
素の正イオンや負イオンも主放電室30へと移動する。
電子は高速で空間を飛翔し酸素を叩いて正イオンや負イ
オンを作る。エネルギーが高いときは電子を弾き飛ばし
て正イオンを作る傾向がある。エネルギーが低いときは
酸素軌道に入り負イオンを作り易い。
Therefore, a main discharge chamber 30 is provided following the MP cathode 28. The main discharge chamber does not have its own plasma excitation source. Oxygen plasma drifted from the MP cathode 28 fills the main discharge chamber 30. Permanent magnets 3 having different polarities such as NS, SN,.
5 are attached. This has the effect of forming a cusp magnetic field in the chamber and preventing charged particles in the plasma from colliding with the wall surface. A cusp magnetic field for confining plasma. Between the main discharge chamber 30 and the MP cathode 28,
There is an arc power supply 39 (Vex). Ve the main discharge chamber 30
It is biased by the positive voltage of x. As a result, electrons, negative ions, and the like are drawn from the electron emission port 34 into the main discharge chamber 30 from the MP cathode. The electrons provide energy for generating the main discharge plasma 57. Not only electrons but also positive ions and negative ions of oxygen move to the main discharge chamber 30.
Electrons fly through space at high speed and strike oxygen to produce positive and negative ions. When the energy is high, there is a tendency to bounce off electrons and create positive ions. When the energy is low, it is easy to enter oxygen orbitals and form negative ions.

【0049】正イオンができるときは電子が増える。負
イオンができるときは電子が減る。電子はMPカソード
から連続的に供給される。電子は酸素原子や分子と衝突
しエネルギーを失う。低速の電子は酸素原子に結合して
負イオンを生成することもある。しかしほとんどは主放
電室の壁面にあたって消滅する。主放電プラズマ57は
酸素正イオン、電子、酸素負イオン、中性酸素分子、中
性原子などを含む。主放電室30の反対側は開口部にな
っている。開口部の先には引出電極系として3枚の多孔
板よりなる電極36、37、38が設置されている。こ
れらは負イオンをビームとして主放電室30から引き出
すものである。加速電源42がスイッチ44、抵抗41
を介して加速電極36につながっている。スイッチ44
が閉じたとき、主放電室30は負の高電圧にバイアスさ
れる。加速電圧Vaccと引き込み電圧Vexの差−
(Vacc−Vex)である。加速電極36の電圧は−
Vaccである。減速電極37には、スイッチ45を介
して減速電源43による正電圧Vdecが掛かってい
る。
When positive ions are formed, electrons increase. When negative ions are formed, electrons decrease. Electrons are supplied continuously from the MP cathode. Electrons lose energy by colliding with oxygen atoms and molecules. Slow electrons can combine with oxygen atoms to form negative ions. However, most of them disappear on the wall surface of the main discharge chamber. The main discharge plasma 57 contains oxygen positive ions, electrons, oxygen negative ions, neutral oxygen molecules, neutral atoms, and the like. The opposite side of the main discharge chamber 30 is an opening. At the end of the opening, electrodes 36, 37, and 38 formed of three perforated plates are provided as an extraction electrode system. These extract negative ions as beams from the main discharge chamber 30. Acceleration power supply 42 has switch 44 and resistor 41
Are connected to the accelerating electrode 36 via the. Switch 44
Is closed, the main discharge chamber 30 is biased to a negative high voltage. Difference between acceleration voltage Vacc and pull-in voltage Vex−
(Vacc-Vex). The voltage of the accelerating electrode 36 is-
Vacc. A positive voltage Vdec from the deceleration power supply 43 is applied to the deceleration electrode 37 via the switch 45.

【0050】第2スイッチ44、第3スイッチ45が閉
じていると主放電プラズマ57から、Vaccの作用に
よって負イオンビームが引き出される。第1スイッチ4
0を閉じると電子や負イオンなどがMPカソードから主
放電室30へと引き込まれ負イオンの多い主放電プラズ
マ57が生成される。全てのスイッチ40、44、45
を閉じておいて連続的に負イオンを引き出してサセプタ
47の上のSiウエハ−58に酸素負イオンを注入する
ようにしてもよい。これは勿論である。減速電極37の
負バイアスのために負イオンと電子しかSiウエハ−5
8に注入されない。電子が注入されても不純物でなくあ
まり差し支えない。
When the second switch 44 and the third switch 45 are closed, a negative ion beam is extracted from the main discharge plasma 57 by the action of Vacc. First switch 4
When 0 is closed, electrons and negative ions are drawn into the main discharge chamber 30 from the MP cathode, and a main discharge plasma 57 containing many negative ions is generated. All switches 40, 44, 45
, The negative ions may be continuously extracted to implant oxygen negative ions into the Si wafer 58 on the susceptor 47. This is of course. Due to the negative bias of the deceleration electrode 37, only negative ions and electrons are
Not injected into 8. Even if electrons are injected, they are not impurities and may be very small.

【0051】しかしそうはいっても電子と負イオンが同
時に注入されると電子電流分だけ電力が損になる。負イ
オンの比率を上げたいものである。それには図3のよう
にスイッチをパルス的に開閉するのがよい。図3(a)
は第1スイッチ40のオンオフのタイミングを示す。オ
フ51、立ち上がり48、オン49、立ち下がり50、
オフ51の繰り返し波形である。図3(b)は第2スイ
ッチ44、第3スイッチ45のオンオフのタイミングを
示す波形である。オフ56、立ち上がり53、オン5
4、立ち下がり55の繰り返しである。ただし後者の方
が少し遅れる。第1スイッチ40の立ち下がり50のと
きはオフ(52)のままで少し遅れて、第2、第3スイ
ッチが立ち上がる(53)。このような遅延オンオフ動
作は無限に繰り返される。
However, if electrons and negative ions are simultaneously injected, power is lost by the amount of the electron current. I want to increase the ratio of negative ions. It is preferable to open and close the switch in a pulsed manner as shown in FIG. FIG. 3 (a)
Indicates the on / off timing of the first switch 40. Off 51, rising 48, on 49, falling 50,
It is a repetition waveform of OFF 51. FIG. 3B is a waveform showing the ON / OFF timing of the second switch 44 and the third switch 45. Off 56, rise 53, on 5
4. Falling 55 is repeated. However, the latter is slightly delayed. At the time of the fall 50 of the first switch 40, the second and third switches rise (53) with a slight delay while they remain off (52). Such a delay on / off operation is repeated indefinitely.

【0052】3つのスイッチ40、44、45の開閉を
制御するのが遅延回路46である。第1スイッチが閉じ
ると主放電プラズマ57が形成される(オン49)。第
1スイッチ40が開くとプラズマ温度は急速に下がり電
子はエネルギーを失う。初め電子はプラズマ中で10e
V程度のエネルギーを持つが、第1スイッチ40を開い
て数μsecで1eV程度以下になってしまう。低速電
子になってしまうのである。低速電子は中性酸素との衝
突断面積が大きい。中性酸素原子と衝突してこれに付着
し酸素原子を負イオンにする。負イオン密度が正イオン
密度と拮抗するぐらいに高まってくる。その瞬間52に
第2、第3スイッチ44、45を閉じる。これによって
引出電極系36、37、38が負イオンビームを引き出
すようになる。負イオン密度が高いので効率よく負イオ
ンだけを引き出すことができる。やがて負イオンがつき
るので、引き出し電圧をオフ(55)とするのである。
第1スイッチ立ち下がり50から第2スイッチ立ち上が
り53までは先述のように10μsec程度であるのが
よい。しかしパルス駆動は繰り返されるから、50と5
3の間隔(遅延時間)τは10μsec〜オフ時間To
ffであれば良い。
A delay circuit 46 controls opening and closing of the three switches 40, 44, and 45. When the first switch is closed, the main discharge plasma 57 is formed (ON 49). When the first switch 40 opens, the plasma temperature drops rapidly and the electrons lose energy. Initially, the electrons are 10e
Although the energy is about V, it becomes about 1 eV or less in a few μsec after the first switch 40 is opened. It becomes a slow electron. Slow electrons have a large collision cross section with neutral oxygen. It collides with neutral oxygen atoms and attaches to them, turning the oxygen atoms into negative ions. The negative ion density increases so as to antagonize the positive ion density. At that moment 52, the second and third switches 44 and 45 are closed. As a result, the extraction electrode systems 36, 37, and 38 extract the negative ion beam. Since the negative ion density is high, only negative ions can be efficiently extracted. Eventually, since negative ions are attached, the extraction voltage is turned off (55).
From the first switch fall 50 to the second switch rise 53, it is preferable to be about 10 μsec as described above. However, since pulse driving is repeated, 50 and 5
3 interval (delay time) τ is 10 μsec to off time To
ff.

【0053】このようにすると、主放電プラズマが高密
度の酸素負イオンを持つときだけ電極が負にバイアスさ
れ負イオンビームを引き出しウエハ−に注入できる。電
子電流は無効であるがこのようなタイミングによって開
閉して電子電流を減らしかつ大電流の負イオンビームを
引き出すことができる。この実施例ではスイッチ40、
44、45として、半導体スイッチを用いている。この
場合は、デユーティ1%、繰り返し周波数は数Hz〜1
0kHzまで印加可能であることを確認している。また
スイッチング手段としてサイラトロン等を用いる事も可
能である。
In this way, only when the main discharge plasma has a high density of oxygen negative ions, the electrodes are negatively biased and a negative ion beam can be extracted and injected into the wafer. Although the electron current is ineffective, it can be opened and closed at such timing to reduce the electron current and extract a large current negative ion beam. In this embodiment, the switch 40,
Semiconductor switches 44 and 45 are used. In this case, the duty is 1%, and the repetition frequency is several Hz to 1
It has been confirmed that application is possible up to 0 kHz. It is also possible to use a thyratron or the like as the switching means.

【0054】実施例1の主点は、プラズマをオン/オフ
させ、オフ期間中にOを多量に生成し、タイミング良
く引出電極系に所定のバイアス電圧を印加してOをS
i基板に注入する事である。プラズマ消灯直後の負イオ
ンの増大現象を巧みに利用するものである。
The main point of the first embodiment is that the plasma is turned on / off, a large amount of O is generated during the off period, and a predetermined bias voltage is applied to the extraction electrode system in a timely manner to convert O into S.
Injecting into i-substrate. The present invention skillfully utilizes the phenomenon of increasing negative ions immediately after plasma is turned off.

【0055】ここでは高周波励起の装置を用いたがこれ
に限らない。プラズマ生成手段としては高周波プラズマ
以外にもマイクロ波プラズマでも直流放電プラズマでも
良い。何れの場合も周期的にプラズマ生成手段をオンオ
フしオフになった直後の負イオン増加時にタイミングを
合わせて引出電極系に所定のバイアス電圧を印加する。
反対にこういう事もいえる。実施例1でプラズマ生成
(第1スイッチ40)と引き出し(第2、第3スイッ
チ)をパルス的におこない酸素負イオン密度の高いとき
だけビーム引き出しをしているが、以下に示す実施例に
おいてもこれは可能である。いちいち説明しないがプラ
ズマ生成、ビーム引き出しを遅延させておこなうのはど
の実施例においても有効である。
Although a high-frequency excitation device is used here, the present invention is not limited to this. The plasma generating means may be microwave plasma or DC discharge plasma in addition to high frequency plasma. In either case, a predetermined bias voltage is applied to the extraction electrode system at the same timing as the increase of negative ions immediately after the plasma generating means is turned on and off and turned off.
The opposite is also true. In the first embodiment, the plasma generation (the first switch 40) and the extraction (the second and third switches) are performed in a pulsed manner, and the beam extraction is performed only when the oxygen negative ion density is high. This is possible. Although not explained, it is effective to delay the generation of the plasma and the extraction of the beam in any of the embodiments.

【0056】[実施例2(エネルギーフィルタによって
低エネルギー電子を通す)]図4に実施例2を示す。こ
れはエネルギーフィルタによって低エネルギー電子を増
やし負イオン生成を促進する。ECRプラズマ生成装置
を例にするがそのほかの励起方法であっても適用するこ
とができる。プラズマ室61はガス入口62を有する。
マグネトロン64はマイクロ波66を発生する。マイク
ロ波66は導波管65を通り誘電体窓79を通過してプ
ラズマ室61に入る。コイル67はECR条件を満たす
磁場を発生する。つまりマイクロ波が2.45GHzで
あれば875ガウスの磁束密度ができるようにする。そ
こで電子はマイクロ波を共鳴吸収する。
Second Embodiment (Low Energy Electrons Passed by Energy Filter) FIG. 4 shows a second embodiment. This increases the number of low energy electrons by the energy filter and promotes the generation of negative ions. Although an ECR plasma generation device is taken as an example, other excitation methods can be applied. The plasma chamber 61 has a gas inlet 62.
The magnetron 64 generates a microwave 66. Microwave 66 passes through waveguide 65, passes through dielectric window 79 and enters plasma chamber 61. The coil 67 generates a magnetic field satisfying the ECR condition. That is, if the microwave is 2.45 GHz, a magnetic flux density of 875 gauss is generated. There the electrons resonately absorb the microwaves.

【0057】プラズマ室61は中間部において、複数の
導体棒69が平行に設けられる。これには同方向に電流
を流す。導体棒69の回りに数10ガウス〜100ガウ
ス程度の磁場を生ずる。包絡線の方向に磁場ができる。
つまり水平方向に磁束密度Bが発生する。電子は水平方
向の磁場の回りを螺旋運動する。螺旋運動の周期はエネ
ルギーによらないが半径はエネルギーの二乗に比例す
る。ファラディ力は電子の速度vに比例するから高エネ
ルギー電子ほどファラディ力が大きい。この弱い磁場の
障壁を、高いエネルギーの電子は通り抜けることができ
ない。低エネルギーの電子はこれを通り抜けることがで
きる。だから導体棒69が作る磁場は低エネルギー電子
だけを選択透過させるエネルギーフィルタとなってい
る。
A plurality of conductor rods 69 are provided in parallel in the middle of the plasma chamber 61. For this, a current is applied in the same direction. A magnetic field of several tens of gauss to about 100 gauss is generated around the conductor rod 69. A magnetic field is created in the direction of the envelope.
That is, the magnetic flux density B is generated in the horizontal direction. Electrons spiral around a horizontal magnetic field. The period of the spiral motion does not depend on the energy, but the radius is proportional to the square of the energy. Since the Faraday force is proportional to the velocity v of the electron, the Faraday force increases as the energy becomes higher. High energy electrons cannot pass through this weak magnetic field barrier. Low-energy electrons can pass through it. Therefore, the magnetic field generated by the conductor rod 69 is an energy filter that selectively transmits only low-energy electrons.

【0058】プラズマ室61は導体棒69によって上下
に分割される。上方はマイクロ波を共鳴吸収する部分で
ある。第1プラズマ室68と呼ぶ。下方は負イオンを生
成する部分である。第2プラズマ室70と呼ぶ。第2プ
ラズマ室70の下部は開口しており、その下には3枚の
引出電極系75、76、77がある。いずれも多数のイ
オンビ−ム引き出し用の孔が穿孔されている。多孔電極
板である。多孔引出電極系75、76、77のイオンビ
−ムを真っ直ぐに引き出すため、同じ部位にイオンビ−
ム通し穴が穿孔される。電極の先にはSiウエハ−72
を戴置したサセプタ73がある。サセプタ73はシャフ
ト74によって支持される。これは大地電圧(接地電
位)である。加速電源86(Vacc)は正極が接地さ
れ負極は抵抗88を経て加速電極75に接続される。負
極はプラズマ室61にも接続される。プラズマ室61と
加速電極75には−Vaccの電圧が掛かる。減速電極
76には減速電源87によって正電圧が掛かっている。
接地電極77は大地電位である。加速電圧Vaccによ
って正イオンはプラズマ室61に閉じ込められる。負イ
オンと電子だけが加速電極75を通過することができ
る。負イオンの加速エネルギーはq(Vpz+Vac
c)である。これはウエハ−からみれば、プラズマ室6
1に対して正のバイアス電圧を印加したということにな
る。
The plasma chamber 61 is divided vertically by a conductor rod 69. The upper portion is a portion that resonates and absorbs microwaves. This is referred to as a first plasma chamber 68. The lower part is a part that generates negative ions. This is referred to as a second plasma chamber 70. The lower part of the second plasma chamber 70 is open, and there are three extraction electrode systems 75, 76, 77 under the lower part. In each case, a large number of holes for extracting ion beams are formed. It is a porous electrode plate. In order to draw out the ion beam of the porous extraction electrode system 75, 76, 77 straight, the ion beam is
Holes are drilled. Si wafer 72 at the end of the electrode
Is placed on the susceptor 73. Susceptor 73 is supported by shaft 74. This is the ground voltage (ground potential). The acceleration power supply 86 (Vacc) has a positive electrode grounded and a negative electrode connected to the acceleration electrode 75 via a resistor 88. The negative electrode is also connected to the plasma chamber 61. A voltage of -Vacc is applied to the plasma chamber 61 and the acceleration electrode 75. A positive voltage is applied to the deceleration electrode 76 by the deceleration power supply 87.
The ground electrode 77 is at ground potential. Positive ions are confined in the plasma chamber 61 by the acceleration voltage Vacc. Only negative ions and electrons can pass through the acceleration electrode 75. The acceleration energy of negative ions is q (Vpz + Vac
c). This is the plasma chamber 6 as viewed from the wafer.
This means that a positive bias voltage has been applied to 1.

【0059】正バイアス電圧VaccはSiウエハ−7
2への必要な酸素の注入深さによって適当に決める。2
0keV〜220keVの程度の注入深さとする事が多
い。面積の広い電極群75、76、77から出た負イオ
ンビームOをSiウエハ−72に注入する。ビーム系
の方がウエハ−径より広い。だから一挙に酸素負イオン
を注入できる。ビーム走査機構は存在しない。どう
して走査は不要かというと質量分離の必要がないからで
ある。酸素負イオンはO一種しか発生しないので質量
分離は不要である。
The positive bias voltage Vacc is applied to the Si wafer-7
It is appropriately determined according to the necessary oxygen implantation depth to the substrate 2. 2
In many cases, the implantation depth is about 0 keV to 220 keV. The negative ion beam O emitted from the electrode groups 75, 76, 77 having a large area is injected into the Si wafer 72. The beam system is wider than the wafer diameter. Therefore, oxygen negative ions O can be implanted at once. There is no beam scanning mechanism. The reason why scanning is unnecessary is that there is no need for mass separation. Negative oxygen ions O - since only one or not generated mass separation is not required.

【0060】プラズマ室61の下半外壁には、プラズマ
閉じ込め用永久磁石71が多数設けられる。NSの極が
隣接磁石間で反転するような配列になっている。隣接磁
石間でカスプ磁場を生成し荷電粒子をプラズマ室の中央
部に閉じ込める作用がある。この例では、プラズマの励
起源はマイクロ波であるが、それに限らず、高周波放電
や直流放電によってプラズマを発生させてもよい。
A large number of permanent magnets 71 for confining plasma are provided on the lower half outer wall of the plasma chamber 61. The arrangement is such that the NS poles are inverted between adjacent magnets. It has the effect of generating a cusp magnetic field between adjacent magnets and confining charged particles in the center of the plasma chamber. In this example, the excitation source of the plasma is a microwave, but the present invention is not limited to this, and the plasma may be generated by high-frequency discharge or DC discharge.

【0061】その動作は次のようである。酸素ガスを入
口62から導入する。誘電体窓79を通してマイクロ波
66をプラズマ室61に導入する。電子はマイクロ波を
共鳴吸収し高密度の酸素プラズマを第1プラズマ室68
に生成する。このプラズマは正イオン、電子、中性原
子、分子を含む。電子が多く負イオンは少ない。電子エ
ネルギーは高くて10eV程度もある。
The operation is as follows. Oxygen gas is introduced from inlet 62. Microwave 66 is introduced into plasma chamber 61 through dielectric window 79. The electrons resonately absorb the microwave and produce a high-density oxygen plasma in the first plasma chamber 68.
To be generated. This plasma contains positive ions, electrons, neutral atoms, and molecules. There are many electrons and few negative ions. The electron energy is as high as about 10 eV.

【0062】導体棒69が作る磁場B(数十ガウス〜百
ガウス)が第1、第2プラズマ室68、70の境界にあ
る。荷電粒子、特に高速の電子はこの磁場障壁を抜ける
ことができない。中性原子、分子は磁場Bを通り抜ける
ことができる。軽い電子でもエネルギーが低いもの(約
1eV以下)は導体棒69の磁場Bを通り抜けることが
できる。低エネルギーの電子は磁場にとらえられてサイ
クロトロン運動するがやがて磁場の影響を離脱する。
A magnetic field B (several tens to one hundred gauss) generated by the conductor bar 69 is at the boundary between the first and second plasma chambers 68 and 70. Charged particles, especially fast electrons, cannot escape this magnetic field barrier. Neutral atoms and molecules can pass through the magnetic field B. Even light electrons having low energy (about 1 eV or less) can pass through the magnetic field B of the conductor rod 69. The low-energy electrons are caught by the magnetic field and perform cyclotron motion, but eventually escape the influence of the magnetic field.

【0063】第2プラズマ室70ではECR条件が満た
されないから新たにプラズマが増えない。第1プラズマ
室68からの移動分しか存在しない。プラズマ温度が低
いわけである。高エネルギー電子は少なく低エネルギー
の電子が多数存在する。1eV程度である。低エネルギ
ーの電子が中性酸素分子に解離性付着する。これによっ
て酸素負イオンができる。低エネルギーの電子は殆ど全
て中性原子、分子に付着して消滅する。負イオン密度が
高い。そのような第2プラズマ室70から加速電極75
の作用で負イオンビームを引き出す。加速電極75、減
速電極76は負イオンと電子を引きつける。電子は少な
くなっており、負イオンビームの比率が多い。電子は試
料(ウエハ−)に注入されても別段役に立たずかえって
基板の加熱の問題を引き起こす場合があるので、電子比
率は低い方が良い。それでエネルギーフィルタをプラズ
マ室61の中間高さに設けるのである。また引出電極系
部分に弱い磁場を形成して電子を除去する方法を付加す
ることも効果的である。
In the second plasma chamber 70, the plasma does not newly increase because the ECR condition is not satisfied. Only the movement from the first plasma chamber 68 exists. The plasma temperature is low. There are few high energy electrons and many low energy electrons. It is about 1 eV. Low-energy electrons dissociate and attach to neutral oxygen molecules. This produces oxygen negative ions. Almost all low-energy electrons attach to neutral atoms and molecules and disappear. High negative ion density. From such a second plasma chamber 70 to the accelerating electrode 75
A negative ion beam is extracted by the action of. The accelerating electrode 75 and the decelerating electrode 76 attract negative ions and electrons. The number of electrons is small, and the ratio of the negative ion beam is large. Even if the electrons are injected into the sample (wafer), they may not be useful, and may cause a problem of heating the substrate. Thus, the energy filter is provided at an intermediate height of the plasma chamber 61. It is also effective to add a method of forming a weak magnetic field in the extraction electrode system to remove electrons.

【0064】実施例2では、第1プラズマ室68にのみ
酸素ガスを供給しているが、これにかぎらない。一般に
酸素ガス圧が高い方が負イオン生成効率が高い。負イオ
ン生成効率を高めるため第2プラズマ室68にも酸素ガ
スを供給しても良い。また第1プラズマ室には酸素ガス
を与えず、第2プラズマ室70のみに酸素ガスを供給し
ても良い。
In the second embodiment, the oxygen gas is supplied only to the first plasma chamber 68, but this is not restrictive. Generally, the higher the oxygen gas pressure, the higher the negative ion generation efficiency. Oxygen gas may also be supplied to the second plasma chamber 68 to increase the negative ion generation efficiency. Alternatively, oxygen gas may be supplied only to the second plasma chamber 70 without supplying oxygen gas to the first plasma chamber.

【0065】図示した例では、引出電極系75、76に
は常にバイアス電圧が印加されている。しかしそれに限
らず、加速電極と抵抗88、電源86、87の間にスイ
ッチを介在させてもよい。スイッチの開閉を繰り返し
て、プラズマから負イオンビームの引き出しを間欠的に
行うのである。
In the example shown, a bias voltage is always applied to the extraction electrode systems 75 and 76. However, the invention is not limited thereto, and a switch may be interposed between the acceleration electrode and the resistor 88 and the power supplies 86 and 87. By repeatedly opening and closing the switch, the negative ion beam is intermittently extracted from the plasma.

【0066】この実施例ではマイクロ波は連続発振して
おり、プラズマを一時的に消すということはしていな
い。しかしマグネトロンを間欠発振させ図3のタイミン
グ波形のようにプラズマを点灯消灯させるようにしても
良い。実施例1と同じ理由で、オフ時に低速電子が増え
るからである。図3のようにタイミングを合わせて加速
電極に+Vpdの電圧を与える様にすると、負イオン密
度が増えた瞬間に負イオンビームを引き出す事になる。
In this embodiment, the microwave continuously oscillates and does not temporarily extinguish the plasma. However, the magnetron may be intermittently oscillated to turn on and off the plasma as shown in the timing waveform of FIG. This is because, for the same reason as in the first embodiment, the number of low-speed electrons increases at the time of off. When a voltage of + Vpd is applied to the accelerating electrode at the same timing as in FIG. 3, a negative ion beam is extracted at the moment when the negative ion density increases.

【0067】[実施例3(エネルギーフィルタによって
低エネルギー電子を通す)]図5は第3の実施例を示
す。これはエネルギーフィルタの部分を導体棒でなく、
永久磁石81〜84によって置き換えたものである。カ
スプ磁場を作る永久磁石71とは別に、プラズマ室61
の中間高さに同一方向を向いた永久磁石81〜84を設
ける。異極が対向する永久磁石81、82間と永久磁石
83、84間に一方向に向かう磁束密度Bが生ずる。こ
れは高速電子を遮断する作用がありエネルギーフィルタ
として機能する。図4の導体棒に電流を流すのと同じ作
用がある。下半部の永久磁石71はカスプ磁場を生成す
るためのものである。加速電極75、減速電極76、接
地電極77よりなる引出電極系によって負イオンを引き
出す。この点は先ほどの実施例2と同様である。全面一
挙注入であるから質量分離やビーム走査が不要である。
[Embodiment 3 (low energy electrons are passed by an energy filter)] FIG. 5 shows a third embodiment. This is the part of the energy filter that is not a conductor rod,
It is replaced by permanent magnets 81-84. Apart from the permanent magnet 71 that creates the cusp magnetic field, the plasma chamber 61
The permanent magnets 81 to 84 facing in the same direction are provided at the intermediate height of. A magnetic flux density B is generated in one direction between the permanent magnets 81 and 82 and the permanent magnets 83 and 84 having opposite poles. This has the effect of blocking high-speed electrons and functions as an energy filter. This has the same effect as flowing a current through the conductor rod of FIG. The lower half permanent magnet 71 is for generating a cusp magnetic field. Negative ions are extracted by an extraction electrode system including an acceleration electrode 75, a deceleration electrode 76, and a ground electrode 77. This is the same as in the second embodiment. No mass separation or beam scanning is required because the entire surface is once implanted.

【0068】[実施例4] 図6に実施例4を示す。セ
シウムを利用したスパッタ型負イオン源を用いたもので
ある。セシウム利用スパッタ型負イオン源については例
えば次の文献に説明されている。 富岡哲生、辻博司、豊田啓孝、後藤康仁、石川順三、
「RFプラズマスパッタ型負重イオン源からの酸素及び
フッ素負イオン引き出し特性」 Proc.BEAMS
1995TOKYO、pp191−194
Fourth Embodiment FIG. 6 shows a fourth embodiment. This is a sputtering type negative ion source using cesium. A sputter-type negative ion source utilizing cesium is described in, for example, the following document. Tetsuo Tomioka, Hiroshi Tsuji, Hirotaka Toyoda, Yasuhito Goto, Junzo Ishikawa,
"Characteristics of Extracting Oxygen and Fluorine Negative Ions from RF Plasma Sputter Type Negative Heavy Ion Source" Proc. BEAMS
1995 TOKYO, pp 191-194

【0069】プラズマ生成室100内の上方には導電性
ターゲット101が設けられる。ターゲット101の軸
は絶縁物102を経て外部に引き出され負バイアス電源
103に接続される。ガス入口104から原料ガス(X
e+O)が供給される。プラズマ生成室100内部に
は数ターンの高周波コイル105が設置される。高周波
コイル105の端子は絶縁物106を経て外部へ取り出
される。その一端はマッチングボックス107を経て高
周波電源109に接続される。高周波電源109の一端
は接地される。コイル105の他端は接地されている。
A conductive target 101 is provided above the plasma generation chamber 100. The axis of the target 101 is drawn out through an insulator 102 and connected to a negative bias power supply 103. Raw material gas (X
e + O 2 ). A high-frequency coil 105 of several turns is installed inside the plasma generation chamber 100. The terminal of the high-frequency coil 105 is taken out through the insulator 106. One end is connected to a high frequency power supply 109 via a matching box 107. One end of the high-frequency power supply 109 is grounded. The other end of the coil 105 is grounded.

【0070】プラズマ生成室100の下方には広い開口
部がある。その先には3枚の多孔板よりなる引出電極系
が取り付けられる。加速電極113、減速電極114、
接地電極115である。これらは負イオンをプラズマ生
成室から引き出し加速する作用がある。引出電極系より
さらに下流側の密封空間に(チャンバを図示しない)サ
セプタ110、ウエハ−111が設けられる。軸112
は接地電位である。プラズマ生成室100は、加速電源
122によって大地に対して負の高電圧にバイアスされ
る。これは基板への酸素負イオンの注入深さによって決
まる。20kV〜200kV程度である。例えば100
kVの負電圧をプラズマ生成室に印加している。加速電
源122の負極が抵抗124を介して加速電極113に
接続される。加速電極113は、加速電源122と同じ
負電圧が掛かる。減速電極114には減速電源123に
よって正電圧が掛かっている。加速電極113はプラズ
マ生成室100と同じ電圧になっている。これによって
正イオンビ−ムが外部に出ないようになっている。負イ
オンだけが加速電極113によって外部に引き出され、
減速電極114との間で急速に加速される。
There is a wide opening below the plasma generation chamber 100. An extraction electrode system consisting of three perforated plates is attached to the tip of the electrode. Acceleration electrode 113, deceleration electrode 114,
This is the ground electrode 115. These have the function of extracting negative ions from the plasma generation chamber and accelerating them. A susceptor 110 (chamber not shown) and a wafer 111 are provided in a sealed space further downstream of the extraction electrode system. Shaft 112
Is the ground potential. The plasma generation chamber 100 is biased by the acceleration power supply 122 to a high negative voltage with respect to the ground. This is determined by the depth of implantation of oxygen negative ions into the substrate. It is about 20 kV to 200 kV. For example, 100
A negative voltage of kV is applied to the plasma generation chamber. The negative electrode of the acceleration power supply 122 is connected to the acceleration electrode 113 via the resistor 124. The same negative voltage as the acceleration power supply 122 is applied to the acceleration electrode 113. A positive voltage is applied to the deceleration electrode 114 by the deceleration power supply 123. The accelerating electrode 113 has the same voltage as the plasma generating chamber 100. As a result, the positive ion beam does not go outside. Only negative ions are extracted outside by the acceleration electrode 113,
It is rapidly accelerated with the deceleration electrode 114.

【0071】プラズマ生成室100の外部にオーブン1
17がある。この内部にセシウムCs118が収容され
る。周りのヒ−タ119によってオーブンを加熱するこ
とができる。オーブン117の上にはパイプがついてお
りパイプ先端のノズル121はターゲット101の下面
に向かって設けられる。ヒ−タ119によってCsを加
熱すると蒸気が発生し、ノズル121から噴出しターゲ
ット101の表面に付着する。引き出し電極の下流側に
ガス排出口がありここから内部を真空に引くことができ
るようになっている。以上の構成においてその動作を述
べる。
The oven 1 is placed outside the plasma generation chamber 100.
There are seventeen. Cesium Cs118 is accommodated in this. The oven can be heated by the surrounding heater 119. A pipe is provided on the oven 117, and a nozzle 121 at the tip of the pipe is provided toward the lower surface of the target 101. When Cs is heated by the heater 119, steam is generated and ejected from the nozzle 121 and adheres to the surface of the target 101. A gas outlet is provided downstream of the extraction electrode, from which the inside can be evacuated to a vacuum. The operation of the above configuration will be described.

【0072】ターゲット101には300V〜800V
程度の負電圧が掛かっている。オーブン117からセシ
ウム蒸気が生じターゲット101に付着している。プラ
ズマ生成室100にアルゴンAr、キセノンXeなどの
スパッタガスと酸素ガスの混合ガスを導入する。酸素分
子の一部はターゲットのセシウム層の上に吸着される。
The target 101 has a voltage of 300 V to 800 V
About negative voltage is applied. Cesium vapor is generated from the oven 117 and adheres to the target 101. A mixed gas of a sputtering gas such as argon Ar and xenon Xe and an oxygen gas is introduced into the plasma generation chamber 100. Some of the oxygen molecules are adsorbed on the target cesium layer.

【0073】高周波コイル105に高周波電圧を印加す
る。高周波によってガス中の電子が上下に振動し原子に
当たって電離するから、混合ガス(Xe+O)のプラズ
マが生成される。プラズマというのは電子、正イオン、
中性ラジカル、中性分子などの集合である。
A high-frequency voltage is applied to the high-frequency coil 105. Since the electrons in the gas vibrate up and down due to the high frequency and hit the atoms to be ionized, plasma of the mixed gas (Xe + O) is generated. Plasma means electrons, positive ions,
A collection of neutral radicals and neutral molecules.

【0074】ターゲット101には負電圧が印加されて
いるから混合ガスのうち不活性ガスの正イオン、例えば
Xe+イオンがターゲットに引き寄せられる。不活性ガ
ス正イオンはターゲットの酸素分子に当たりこれをスパ
ッタリングする。酸素分子はCsから電子を取り、分解
して一原子負イオンOになる。Csは電気陰性度が低
く電子を放出し易い。電子が酸素原子について酸素負イ
オンを作る。Csを使うので負イオン濃度が高くなる。
高密度の酸素負イオンを含むプラズマから、O イオン
ビ−ムを引き出して、ウエハ−111に照射する。ウエ
ハ−にはある一定の深さでOが注入される。
A negative voltage is applied to the target 101.
Positive ions of the inert gas in the mixed gas, for example
Xe + ions are attracted to the target. Inert moth
Positive ions hit the target oxygen molecules and
To putter. The oxygen molecule takes an electron from Cs and decomposes
And one atom negative ion Obecome. Cs has low electronegativity
And easily emit electrons. The electron is oxygen negative
Make on. Since Cs is used, the negative ion concentration increases.
From a plasma containing a high density of oxygen negative ions, O ion
The beam is pulled out and irradiated on the wafer 111. Ue
The O has a certain depthIs injected.

【0075】この方法は、後でSi基板上のCs或いは
浅く注入されたCsを除去しなければならないという問
題がある。しかし負イオンの生成効率を高めるという点
で利点がある。酸素負イオンがウエハ−に注入されるた
め、プラズマ内での負イオン密度が減る。しかしプラズ
マは全体的に中性を保とうとするので、正イオンがセシ
ウム被覆ターゲットに当たりCsから電子をとり中性の
酸素に電子を与える。それによって失われた負イオン分
の負イオンOが新たに生成される。
This method has a problem that Cs on the Si substrate or Cs implanted shallowly must be removed later. However, there is an advantage in that the efficiency of generating negative ions is increased. Since oxygen negative ions are implanted into the wafer, the negative ion density in the plasma is reduced. However, since the plasma tries to maintain neutrality as a whole, positive ions strike the cesium-coated target and take electrons from Cs to give electrons to neutral oxygen. As a result, negative ions O − for the lost negative ions are newly generated.

【0076】パルス的に高周波コイルをオンオフしなく
ても高濃度の酸素負イオンを作る事ができる。酸素負イ
オンビームを連続的に注入できる。ただしCsスパッタ
負イオン源でも、図2、図3の実施例と同じようにパル
ス的に間欠駆動するようにしても良い。なお実施例1、
2、3は引出電極系を3枚としたが加速電極、接地電極
の2枚としてもよい。
High-concentration oxygen negative ions can be produced without turning on / off the high-frequency coil in a pulsed manner. An oxygen negative ion beam can be continuously implanted. However, the Cs sputter negative ion source may be intermittently driven in a pulsed manner as in the embodiments of FIGS. Example 1,
Although 2 and 3 have three extraction electrode systems, they may have two electrodes of an acceleration electrode and a ground electrode.

【0077】[0077]

【発明の効果】Si、SiGe、GaAsなど半導体基
板、誘電体基板、金属基板などに酸素負イオンを注入す
る事によって所定深さに埋め込み酸化膜を形成する。プ
ラズマを引出電極系によって負イオンビームとして引き
出す。イオンビ−ムの直径が基板よりも大きいから酸素
負イオンOを基板面に一括して注入する事ができる。
酸素負イオンはプラズマパラメータを調整する事によっ
てOのみ独占的に生成する事が可能である。引出電極
系に所定のパルスバイアス電圧を周期的に印加すること
によってOのみを安定的に、短時間で実用量を注入す
る事ができる。質量分離系などを設ける必要はない。質
量分離の大がかりな装置が不要であるから装置価格は低
下する。据え付けに必要な面積も節減できる。質量分離
しないからビームを細くする必要がなく、走査が不要に
なる。走査せず一挙に注入できるのでスループットが向
上する。
According to the present invention, a buried oxide film is formed at a predetermined depth by implanting negative oxygen ions into a semiconductor substrate such as Si, SiGe, or GaAs, a dielectric substrate, or a metal substrate. The plasma is extracted as a negative ion beam by the extraction electrode system. Ion beam - beam diameter is large because negative oxygen ions O than the substrate - a can be injected collectively to the substrate surface.
Oxygen negative ions can be exclusively generated only for O by adjusting the plasma parameters. O by periodically applying a predetermined pulse bias voltage to the extraction electrode system - only the stably, can be injected practical amount in a short time. There is no need to provide a mass separation system. Since a large-scale device for mass separation is not required, the price of the device is reduced. The area required for installation can also be reduced. Since there is no mass separation, there is no need to narrow the beam, and scanning is not required. Since the injection can be performed at once without scanning, the throughput is improved.

【0078】さらにプラズマ生成手段を周期的にオン/
オフさせ、それより少し遅れて引出電極系に電圧を印加
するようにすると、効率よく負イオンだけを引き出すこ
とができる。そうすれば電子の過剰照射による基板過熱
及び引出電極系の電源の大容量化を回避する事が可能に
なる。安価、安定、小設置面積のイオン注入装置を提供
する事ができる。
Further, the plasma generation means is periodically turned on / off.
When the voltage is turned off and a voltage is applied to the extraction electrode system a little later than that, only negative ions can be efficiently extracted. This makes it possible to avoid overheating of the substrate due to excessive irradiation of electrons and an increase in the capacity of the power supply of the extraction electrode system. An inexpensive, stable, small installation area ion implantation apparatus can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】酸素正イオンを発生させ質量分離し走査してS
iウエハ−に注入する従来例にかかる装置の概略断面
図。
FIG. 1 generates oxygen positive ions, separates them by mass and scans them to form S
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of an apparatus according to a conventional example for injecting into an i wafer.

【図2】マイクロ波励起とコイル磁場によるマイクロ波
共鳴吸収によって酸素プラズマを生成し、マイクロ波源
からの電子流入を一時的に遮断し、遮断後の一時的な負
イオン増加時に引出電極系に電圧を印加し負イオンビー
ムを引き出し、Siウエハ−に酸素負イオンを注入する
ようにした本発明の第1の実施例にかかる装置の断面
図。
Fig. 2 Oxygen plasma is generated by microwave excitation and microwave resonance absorption by a coil magnetic field, temporarily interrupts the inflow of electrons from the microwave source, and applies a voltage to the extraction electrode system when negative ions increase temporarily after the interruption. FIG. 1 is a cross-sectional view of an apparatus according to a first embodiment of the present invention, in which a negative ion beam is extracted by applying a voltage and oxygen negative ions are implanted into a Si wafer.

【図3】図2の第1の実施例において、高周波電力を供
給するタイミングと引出電極系の加速電極及び減速電極
にそれぞれ負及び正のバイアス電圧を印加するタイミン
グを示すパルス波形図。
FIG. 3 is a pulse waveform diagram showing a timing of supplying high-frequency power and a timing of applying negative and positive bias voltages to an acceleration electrode and a deceleration electrode of an extraction electrode system in the first embodiment of FIG.

【図4】ECRプラズマ法を用い導体棒電流によってチ
ャンバ中間に磁場を生成してプラズマを二分し負イオン
生成率を上げ引出電極系によって負イオンビームを引き
出し、ウエハ−に酸素負イオンを注入するようにした本
発明の第2の実施例にかかる装置の断面図。
FIG. 4 shows that a magnetic field is generated in the middle of a chamber by a conductor rod current by using an ECR plasma method, the plasma is divided into two, a negative ion generation rate is increased, a negative ion beam is extracted by an extraction electrode system, and oxygen negative ions are implanted into a wafer. Sectional view of the apparatus according to the second embodiment of the present invention.

【図5】ECRプラズマ法を用い永久磁石磁場によって
チャンバ中間に磁場を形成しプラズマを二分して負イオ
ン生成率を上げ引出電極系によって負イオンビームを引
き出し、ウエハ−に酸素負イオンを注入するようにした
本発明の第3の実施例にかかる装置の断面図。
FIG. 5 shows that a magnetic field is formed in the middle of a chamber by a permanent magnet magnetic field using an ECR plasma method to divide the plasma into two to increase a negative ion generation rate, extract a negative ion beam by an extraction electrode system, and implant oxygen negative ions into a wafer. Sectional view of the device according to the third embodiment of the present invention.

【図6】Cs利用スパッタ型負イオン源を用いてウエハ
−に酸素負イオンを注入するようにした本発明の第4の
実施例を示す断面図。
FIG. 6 is a sectional view showing a fourth embodiment of the present invention in which oxygen negative ions are implanted into a wafer by using a Cs-based sputtering negative ion source.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1チャンバ 2フィラメント 3フィラメント電源 4ガス入口 5絶縁物 6ア−ク電源 7加速電源 8出口 9加速電極 10減速電極 11接地電極 12減速電源 13抵抗 14質量分離マグネット 15酸素正イオンビ−ム 16入口 17出口 18スリット板 19電極 20電極 21可変電源 22走査機構 23走査ビーム 24ウエハ− 25サセプタ 26中央軌跡 27偏奇軌跡 28MPカソード 29ガス入口 30主放電室 31同軸ケーブル 32アンテナ 33磁場印加手段 34電子放出孔 35永久磁石 36加速電極 37減速電極 38接地電極 39アーク電源 40第1スイッチ 41抵抗 42加速電源 43減速電源 44第2スイッチ 45第3スイッチ 46遅延回路 47サセプタ 48立ち上がり 49オン 50立ち下がり 51オフ 52消灯時 53立ち上がり 54オン 55立ち下がり 56オフ 61プラズマ室 62ガス入口 64マグネトロン 65導波管 66マイクロ波 67コイル 68第1プラズマ室 69導体棒 70第2プラズマ室 71永久磁石 72ウエハ− 73サセプタ 74軸 75加速電極 76減速電極 77接地電極 79誘電体窓 81〜84永久磁石 86加速電源 87減速電源 88抵抗 100プラズマ生成室 101ターゲット 102絶縁物 103負バイアス電源 104ガス入口 105コイル 106絶縁物 107マッチングボックス 109高周波電源 110サセプタ 111ウエハ− 112軸 113加速電極 114減速電極 115接地電極 117オーブン 118セシウム固体 119ヒ−タ 120パイプ 121ノズル 122加速電源 123減速電源 124抵抗 1 chamber 2 filament 3 filament power supply 4 gas inlet 5 insulator 6 arc power supply 7 acceleration power supply 8 exit 9 acceleration electrode 10 deceleration electrode 11 ground electrode 12 deceleration power supply 13 resistance 14 mass separation magnet 15 oxygen positive ion beam 16 inlet 17 Outlet 18 Slit plate 19 Electrode 20 Electrode 21 Variable power supply 22 Scanning mechanism 23 Scan beam 24 Wafer 25 Susceptor 26 Central trajectory 27 Deviant trajectory 28 MP cathode 29 Gas inlet 30 Main discharge chamber 31 Coaxial cable 32 Antenna 33 Magnetic field applying means 34 Electron emission hole 35 permanent magnet 36 acceleration electrode 37 deceleration electrode 38 ground electrode 39 arc power supply 40 first switch 41 resistor 42 acceleration power supply 43 deceleration power supply 44 second switch 45 third switch 46 delay circuit 47 susceptor 48 rise 49 on 50 fall 51 off 52 Extinction Hour 53 rise 54 on 55 fall 56 off 61 plasma chamber 62 gas inlet 64 magnetron 65 waveguide 66 microwave 67 coil 68 first plasma chamber 69 conductor bar 70 second plasma chamber 71 permanent magnet 72 wafer 73 susceptor 74 axis 75 accelerating electrode 76 decelerating electrode 77 ground electrode 79 dielectric window 81 to 84 permanent magnet 86 accelerating power supply 87 decelerating power supply 88 resistance 100 plasma generation chamber 101 target 102 insulator 103 negative bias power supply 104 gas inlet 105 coil 106 insulator 107 matching box 109 high frequency power supply 110 susceptor 111 wafer 112 axis 113 acceleration electrode 114 deceleration electrode 115 ground electrode 117 oven 118 cesium solid 119 heater 120 pipe 121 nozzle 122 acceleration power supply 123 deceleration power supply 12 Resistance

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 21/265 F Z ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI H01L 21/265 F Z

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板、絶縁体基板或いは金属基板
に酸素イオンを注入し所定の深さに酸化層を形成する方
法であって、プラズマ室にプラズマ生成手段によって酸
素を含むプラズマを発生し、基板直径より広い範囲の孔
分布を有する複数枚の多孔電極板からなる引出電極系に
よってプラズマから酸素負イオンビームを引き出し、半
導体基板、絶縁体基板或いは金属基板に酸素負イオンを
所定の深さまで注入する事を特徴とする酸素負イオンビ
ーム注入方法。
1. A method for forming an oxide layer at a predetermined depth by injecting oxygen ions into a semiconductor substrate, an insulator substrate, or a metal substrate, wherein a plasma containing oxygen is generated in a plasma chamber by a plasma generating means, An oxygen negative ion beam is extracted from plasma by an extraction electrode system composed of a plurality of porous electrode plates having a pore distribution wider than the substrate diameter, and oxygen negative ions are implanted into a semiconductor substrate, an insulator substrate or a metal substrate to a predetermined depth. Oxygen negative ion beam implantation method.
【請求項2】 プラズマを生成するプラズマ室内の中間
部に電子を捕獲するための磁場を形成し、磁場の一方の
側の第1プラズマ室ではプラズマ生成手段によってプラ
ズマを生成し、第2プラズマ室の開口部に引出電極系を
もうけ、第1プラズマ室の高エネルギー電子が磁場によ
って妨げられ第2プラズマ室に移動しないようにし、第
2プラズマ室で低エネルギー電子と中性原子、分子の衝
突を促進し負イオン濃度を高めるようにし、第2プラズ
マ室から酸素負イオンビームを引き出し半導体基板、金
属基板、誘電体基板に酸素負イオンビームを注入するよ
うにしたことを特徴とする酸素負イオンビーム注入方
法。
2. A magnetic field for capturing electrons is formed in an intermediate portion in a plasma chamber for generating plasma, and a plasma is generated by a plasma generating means in a first plasma chamber on one side of the magnetic field, and a second plasma chamber is formed. An extraction electrode system is provided in the opening of the first plasma chamber to prevent high-energy electrons in the first plasma chamber from being disturbed by the magnetic field and moving to the second plasma chamber. In the second plasma chamber, collision of low-energy electrons with neutral atoms and molecules is prevented. An oxygen negative ion beam, wherein an oxygen negative ion beam is extracted from the second plasma chamber and injected into a semiconductor substrate, a metal substrate, or a dielectric substrate. Injection method.
【請求項3】 高周波コイルに高周波を与える事により
プラズマを発生させる手段を備えたプラズマ室にCsを
供給し、プラズマ室内に設置された導電性ターゲットの
表面にCsを堆積させ、このターゲットに負電圧を印加
する事によって、ターゲットを正イオンでスパッタし、
酸素負イオン濃度の高い酸素プラズマを生成することを
特徴とする請求項1に記載の酸素負イオンビーム注入方
法。
3. Supplying Cs to a plasma chamber provided with a means for generating plasma by applying a high frequency to a high-frequency coil, depositing Cs on a surface of a conductive target set in the plasma chamber, and applying a negative pressure to the target. By applying a voltage, the target is sputtered with positive ions,
2. The oxygen negative ion beam implantation method according to claim 1, wherein an oxygen plasma having a high oxygen negative ion concentration is generated.
【請求項4】 プラズマ生成手段を周期的にオン/オフ
し、プラズマ生成手段がオフに切り替わってから10μ
secから再びオンになるまでの期間に引出電極系に直
流電圧を印加しプラズマから酸素負イオンビームを引き
出すようにしたことを特徴とする請求項1、2又は3に
記載の酸素負イオンビーム注入方法。
4. The method according to claim 1, wherein the plasma generation means is turned on / off periodically, and 10 μm after the plasma generation means is turned off.
4. The oxygen negative ion beam injection according to claim 1, wherein a direct current voltage is applied to the extraction electrode system during a period from sec to when it is turned on again to extract an oxygen negative ion beam from the plasma. Method.
【請求項5】 真空に引くことができプラズマを生成す
る空間であるプラズマ室と、プラズマ室内にプラズマを
発生するプラズマ発生手段と、プラズマ室に酸素原子を
含むガスを導入するガス導入口と、プラズマ室からガス
を排出するガス排気装置と、プラズマ室の開口部に設け
られ基板直径よりも大きい直径をもつ多孔板からなる複
数の引出電極系と、プラズマから負イオンビームを引き
だすよう引出電極系に負の高電圧、正電圧を印加する電
源と、引出電極系の下流側に設けられ半導体基板、絶縁
体基板又は金属基板を戴置するためのサセプタとを含む
ことを特徴とする酸素負イオンビーム注入装置。
5. A plasma chamber which can be evacuated and generates plasma, a plasma generating means for generating plasma in the plasma chamber, a gas inlet for introducing a gas containing oxygen atoms into the plasma chamber, A gas exhaust device for exhausting gas from the plasma chamber, a plurality of extraction electrode systems provided at the opening of the plasma chamber and having a diameter larger than the substrate diameter, and an extraction electrode system for extracting a negative ion beam from the plasma. Oxygen negative ions, comprising: a power supply for applying a negative high voltage and a positive voltage to the substrate; and a susceptor provided on the downstream side of the extraction electrode system for mounting a semiconductor substrate, an insulator substrate, or a metal substrate. Beam injection device.
【請求項6】 プラズマ室内に磁界を形成するための磁
場形成手段を、プラズマ室内或いは外に設け、プラズマ
室を二つに分離し、磁場によってエネルギーの高い電子
の透過を防ぎ、一方のプラズマ室ではプラズマ生成を行
い、他方のプラズマ室に引出電極系を設け、引出電極系
の下流側にサセプタを設けた事を特徴とする請求項5に
記載の酸素負イオンビーム注入装置。
6. A magnetic field forming means for forming a magnetic field in the plasma chamber is provided inside or outside the plasma chamber, the plasma chamber is divided into two, and high-energy electrons are prevented from being transmitted by the magnetic field. 6. The oxygen negative ion beam implantation apparatus according to claim 5, wherein plasma generation is performed, an extraction electrode system is provided in the other plasma chamber, and a susceptor is provided downstream of the extraction electrode system.
【請求項7】 高周波コイルに高周波を与える事により
プラズマを発生させる手段を備えたプラズマ室に設けら
れた導電性のターゲットと、ターゲットに負電圧を印加
する負バイアス電源と、Cs、Rb、Kなどの蒸気を生
成するオーブンと、オーブンで発生した蒸気をターゲッ
トに導くノズルとを設けた事を特徴とする請求項5に記
載の酸素負イオンビーム注入装置。
7. A conductive target provided in a plasma chamber provided with a means for generating plasma by applying a high frequency to a high frequency coil, a negative bias power supply for applying a negative voltage to the target, Cs, Rb, K The oxygen negative ion beam implantation apparatus according to claim 5, further comprising: an oven for generating steam such as a gas; and a nozzle for guiding the steam generated by the oven to a target.
【請求項8】 プラズマ生成手段をオンオフするスイッ
チと、プラズマ生成オンオフと、引出電極系に与える直
流電圧をオンオフするスイッチと、プラズマ生成手段オ
ンオフのタイミングと、引出電極系電圧オンオフのタイ
ミングとの関係を決める遅延回路とを含み、プラズマ生
成手段がオフになった直後に引出電極系に直流電圧をあ
たえ、負イオンビームを引き出すようにしたことを特徴
とする請求項5、6又は7に記載の酸素負イオンビーム
注入装置。
8. A relation between a switch for turning on / off the plasma generation means, a plasma generation on / off, a switch for turning on / off a DC voltage applied to the extraction electrode system, a timing of turning on / off the plasma generation means, and a timing of turning on / off the extraction electrode system voltage. 8. A delay circuit for determining a negative voltage, wherein a DC voltage is applied to the extraction electrode system immediately after the plasma generation means is turned off to extract a negative ion beam. Oxygen negative ion beam implanter.
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