JPS63304563A

JPS63304563A - イオン注入装置

Info

Publication number: JPS63304563A
Application number: JP62139413A
Authority: JP
Inventors: Eiji Tajima; 田島　英司; Naoto Takagaki; 高垣　直人
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-06-03
Filing date: 1987-06-03
Publication date: 1988-12-12

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、ＬＳＩ等の半導体素子の製造プロセスにおけ
る不純物の注入や、金属、セラミックスの表面改質に用
いられるイオン注入装置に係り、特にイオン注入される
基材の帯電現象に対しても正確な注入量を制御するに好
適なイオン注入装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の装置は、特開昭６１−３９３５６号公報に記載の
ように、分離磁石の前段、あるいは後段の注入イオンビ
ームとは別のイオンビームの位置に検出器を設置してい
る。この検出器によりイオン注入量に比例したイオン電
流を正確に検出している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、イオン注入量の制御を主目的としたも
ので、基材の帯電現象の低減の点については配慮がされ
ておらず、帯電による基材の劣化の問題があった。

ここで、半導体素子への注入についての例を説明する。

最近のＬＳＩの微細化等に伴うイオン注入プロセスでは
、ウェハ表面の絶縁層の薄膜化と微細化、およびホトレ
ジスト付ウェハの多様化により、ウェハに注入されるイ
オンの電荷が絶Ｂ層に蓄積され、素子の絶縁破壊、性能
の劣化をもたらし、注入量の均一性、再現性が損われ、
素子の品質に悪影響を与えている。

これに対して、例えばｒＭｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｉｒｒａ
ｄｉａｔｉｎｇＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏａｔｅｄ　Ｓ
ｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｂｏｄｉｅｓ　ＷｉｔｈＬ
ｏｗ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ、　Ｕ　、Ｓ
　、Ｐ　、　３５０７７０５Ｊや［正電化のイオンビー
ムの中性化を強化するための方法および装置、特公昭５
７−８７０５６号公報Ｊなどは、ウェハ表面の帯電を防
ぐ手段としての電子供給装置を設けている。しかし、こ
の手段は電子の漏洩、二次電子の不安定性などにより、
ウェハに注入されるイオン量を正確に検出することは不
可能に近い。

本発明の目的は、帯電現象を減少させると同時に、注入
量を正確に制御することのできるイオン注入装置を提供
するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、イオンビームのイオンを中和する手段を設
けると共に、該中和手段を通過せず注入イオンビームに
比例する別のイオンビームを検出する検出器を設置し、
帯電現象の緩和と注入量の検出を独立して制御すること
により達成される。

すなわち、本願第一発明に係るイオン注入装置は、イオ
ンを生成するイオン源と、イオンビームを質量分離する
分離磁石と、質量分離された特定のイオンを基材に注入
する処理室より成るイオン注入装置において、分離磁石
と処理室の間にイオンを中和する手段を設けると共に、
分離磁石より上流側のイオンビームの周縁一部を検出し
、この検出値によって基材に注入されるイオン量を制御
するものである。

また、第二発明に係るイオン注入装置は、イオンを生成
するイオン源と、イオンビームを質量分離する分離磁石
と、質量分離された特定のイオンを基材に注入する処理
室より成るイオン注入装置において、分離磁石と処理室
の間にイオンを中和する手段を設けると共に、分離磁石
により質量。

電荷比に応じて質量分離されたイオンビームのうち、注
入イオンビームとは異なるイオン種であって、該注入イ
オンビームに比例するイオンビームを検出することによ
り、基材に注入されるイオン量を制御するものである。

〔作用〕

イオン注入装置によく用いられるイオンビームの中和法
としては、ホームズ（Ａ、Ｊ、Ｈｏｌｍｅｓ　：　Ｒａ
ｄ。

Ｅｆｆ、４４．４７（１９７９））が述べているように
（１）イオンビームの外から電子を供給する。

（２）イオンビーム中のエミッタから電子を供給する。

（３）プラズマブリッジから電子を供給する。

（４）　１０−３〜１０−’Ｔｏｒｒの低い真空度で残
留ガスをイオン化することで二次電子が供給される。

などがあり、（１）と（４）がよく用いられる。

このようにして供給された負の電子は正のイオンビーム
にトラップされイオンビームを中性化する。正のイオン
ビームが注入される基材の表面の絶縁層に達し、正の電
荷が蓄積されると、負の電子が基材表面に運ばれ、正に
帯電した基材表面の電荷を中和する。このようにして、
帯電現象を緩和することはできるが、イオン注入装置の
特長である注入量の高い精度の電気的制御性が損われる
。

それは基材に注入される物質はイオンでも中性粒子でも
よいが、電流量として計測制限できるのはイオン量であ
る。しかし、イオンあるいは中性粒子が入射すると二次
電子が発生する。また残留ガスあるいは基材から発生す
るガスと衝突して発生する二次電子とイオンの中性化率
、中和手段による中性化率と二次電子の計測系からの漏
洩、基材への帯電率など、イオン量の計測誤差は変動要
因が大きい。

例えば、半導体素子の注入量の均一性は１〜２％以内に
保つ必要があり、イオン注入装置ではそれが可能である
が、絶縁膜やホトレジスト付のウェハでは帯電現象やア
ウトガス等によりウェハ自体に出入りする電気量として
正確に計測することは上記理由により困難である。

本発明は、基材（ウェハなど）の帯電は中和手段により
緩和し、電気量は基材（ウェハなど）とは別に、注入量
に比例するイオンビームを金属とカーボン（高エネルギ
ーのイオンビームに対する耐熱材）によるファラデーケ
ージ構造（二次電子を抑えるサプレッサ電極付）の部分
イオンモニタ電極により、電気量を正確に測定するもの
である。

これにより、基材（ウェハなど）の帯電は電子を供給す
ることで中和すると共に、イオン注入量は注入イオンビ
ームと比例する別のイオンビームで正確に計測できるの
で、基材表面での絶縁破壊を防げると共に、注入量も均
一に、再現性よく制御することができる。

〔実施例〕

以下、本発明（第一発明）の−実施例を第１図により説
明する。イオン注入装置にはイオン電流がμＡ級のもの
とｍＡ級の装置がある。帯電現象や注入量の均一性、再
現性、基材（ウェハなと）の温度上昇などの面で、本発
明により関与するのはｍＡ級のいわゆる大電流機と称す
るもので、説明の都合上、ここでは半導体素子製造用の
大電流イオン注入装置を例として説明する。しかし、原
理的には他の型の装置あるいは表面改質用の装置も以下
と同様の考え方が可能であることは勿論である。

イオン源１に、一般にはイオン化しようとする物質のガ
スを導入する。熱電子あるいはマイクロ波電界と磁界を
重畳させ、プラズマを発生させる。

イオン源１は通常１０〜２０ｋＶの高電位にあり、電界
により大電流の全イオンビーム２として出射される。分
離磁石３に入射したイオンビーム２はイオンの加速電圧
および分離磁石３による磁場の強さにより、一定の軌道
を飛行するイオン種がイオンの質量・電荷比に応じて選
別される。これは質量分析の原理と同様である。このよ
うにして質量分離された選別イオンビーム４は収束点に
設置された分離スリット５により、完全に選別分離され
、注入イオンビーム６として、ウェハ７に達する。ｍＡ
級の大電流イオン注入装置ではウェハ７の高電力のイオ
ン注入による温度上昇を防ぐため、円板８の周辺にウェ
ハ７を配列し、高速回転させている。イオンのウニハフ
全面に対する均一注入を実現するため、円板８を高速一
定回転すると共に、注入イオンビーム６に対し、横方向
に円板８を走査するか、注入イオンビーム６を同方向に
走査している。本実施例は、円板８を走査する構成の場
合であり、走査機構９と走査制御部１０があり、円板８
の外周側の回転速度が内周側より速いことを考慮して半
径方向に反比例し、注入イオン（ｌＯ）ビーム６を注入イオン電流１１として注入イオン検出部
１２で検出し、その増減に応じて走査制御を行ない均一
注入を行なう例を示した。イオン源電源１３．磁場電源
１４などとＣＰＵによる集中制御を行なう注入制御装置
１５により全体を制御する。イオンビームライン、ウェ
ハ７および円板８を含む系は排気系により高真空に保た
れている。

ウェハ７の表面に絶縁層があると、注入イオンビーム６
は電荷を失うことなく、絶縁層に留まるため、電荷とし
てウェハ７および円板８を通って流れる注入イオン電流
１１として検出されない。

イオンは通常、多量にしかも安定に得られる正イオンが
用いられるので、絶縁層は正に帯電していき、遂には絶
縁層を破壊させる。また注入イオンビーム６の収束性も
乱し、均一なイオン注入に悪影響を及ぼす。

そこで、この正の帯電を打消すため、フィラス−ントか
らの電子や、ガス反応室を設け、二次電子を供給するた
めの中和手段１６をウェハ７の前であって分離磁石３の
後に設置する。この中和手段］６からの電子を正に帯電
するウェハ７に供給して正電荷の蓄積を打消す、あるい
は注入イオンビーム６そのものを中性化して帯電を防ぐ
ようになっている。ただ、この中和手段１６を設けるだ
けでは均一性と再現性のよい注入を実現する上で充分と
は言えない。すなわち、（１）注入イオンビーム６その
ものの中性化率がガス圧（真空度）により変わる。（２
）生成する二次電子量がガス圧、加速電圧（エネルギー
）、ビームの収束性、壁、ウェハ、円板等との衝撃程度
、汚れ等により変わる。

（３）存在する二次電子が測定系からリークする。

以上の理由により注入イオン電流１１として検出される
電荷量が、注入される物質量と一致しない、または変動
する等の問題が生じている。

本発明はこの点に注目し、ウェハ７の帯電は中和手段１
６で緩和しイオン注入量の制御は誤差、変動の多い注入
イオンビーム６、注入イオン電流１１を用いないで、注
入イオンビーム６に比例し、中和手段１６とは関係ない
イオン電流を検出して行なうものである。

イオン源１から出射される全イオンビーム２は、一般に
はやや発散しながら分離磁石３に進む。この全イオンビ
ーム２は中心の密度が高いので、ビーム中央に開口をも
ち、該ビームの９０％以上は通過させ、円周の一部を検
出する部分イオンモニタ電極１７を設置し、この部分イ
オンモニタ電流１８を部分イオンモニタ電流検出部１９
で正確に測定する。部分イオンモニタ電流１８は当然、
注入イオンビーム６、注入イオン電流１１に比例してい
るので、あらかじめ、その比例定数を実測し較正するか
、注入制御装置１５のＣＰＵのメモリに保管しておき、
必要に応じて、イオン注入量の制御に用いる。部分イオ
ンモニタ電極１７の形状は、必ずしも開口部をもたなく
てもよく、単なる平板電極を全イオンビーム２の僅か一
部に挿入する構造でもよいことは言うまでもない。更に
、そのビームとの相対位置を変えられる可変様構付のも
のは更に便利である。

次に、第二発明の一実施例を第２図および第３図に基づ
いて説明する。通常注入に用いられるガスはイオン化す
ると多くのイオン種が生成される事実を前提とする。

第２図は、二弗化ボロン（ＢＦ３）ガスのイオン化した
ものの質量スペクトルを示す。元素を示す文字の左上の
数字は質量数を示し、ボロン（Ｂ）の場合、質量数１０
と１１があり、半導体素子へ　′の注入には１１Ｂが多
く用いられる。第３図において、イオンの加速電圧を一
定にして、分離磁石３の磁場強度を変えることにより、
スリット５に収束するイオン種を選別し、第２図のよう
な質量スペクトルが得られる。注入イオンビーム４とし
て１１Ｂ（質量数１１）を選ぶと、それより重いイオン
ビーム、例えば１１　Ｂ　１９　Ｆ　２（質量数４９）
はそれ程曲げられず、重いイオンビーム２４として、重
イオン検出電極２５に入り、重イオンビーム電流２６と
して、重イオン検出部２７で正確にイオン電流が検出さ
れる。また、同位元素としての１０Ｂ（質量数１０）は
、軽いので大きく曲り、軽イオンビーム２０として、軽
イオン検出電極２１に入り、軽イオンビーム電流２２と
して、軽イオン検黒部２３で正確にイオン電流が検出さ
れる。

イオン電流の検出としては、部分イオンモニタ電極１７
は殆どのイオンを通過させるため、該モニタ電極１７へ
二次電子防止電圧を印加することはイオンビーム自体の
軌道を乱すため、一般に難しいのであるが、本発明の如
く重および軽イオン検出電極２５．２１の場合は、入射
する各イオン２４．２０を全て測定できる配置などで二
次電子防止電圧を印加できるいわゆるファラデーカップ
方式の構造を採ることができ、イオン電流の測定精度は
高い。また、これらのイオンビーム２４゜２０は注入イ
オンビーム６に比例しているが、同位元素のイオンビー
ムを用いれば、同位体比は一定なので、より注入イオン
ビーム６に比例したイオン電流として検出でき、イオン
注入量より一層正確な制御が可能となる。

前記いずれの発明においても、注入イオンビーム６との
比例定数を前もって測定、較正し、これらを記憶装置に
貯え、ＣＰＵによる自動設定および自動制御が可能なこ
とは勿論である。

尚、重イオンビーム検出電極２５．軽イオンビーム検出
器２１は、検出対象とするイオン種により、その位置は
変わるので、最適位置になるような位置可変機構付きの
ものが便利であり、イオン種によりその位置、比例係数
を自動的に設定することも技術的に可能であることは勿
論である。

更に、第１図および第３図のウェハ７、円板８のかわり
に他の基材として金属、セラミックス。

プラスチック等を置ち、表面改質などの目的でその表面
に薄膜を形成する場合、注入イオンビーム６と同時に、
別のイオン源、蒸着装置、スパッタ装置からのイオンあ
るいは中性粒子を入射し、イオン、中性粒子との共注入
により、薄膜を形成することも可能である−この場合も
、基材に入る注入イオンビーム６は、他のイオン種、電
子等によって検出および注入量制御は不正確となりやす
いが、本発明によれば、注入イオン量を正確に検出およ
び制御でき、良質の薄膜形成が可能となる。

（発明の効果〕本発明によれば、注入される基材（ウェハ等）の帯電を
中和すること、イオン注入量を個別に検出制御すること
により、帯電をなくすと同時に注入量も正確に制御でき
るので、基材の絶縁破壊を防止でき、かつ再現性のよい
均一なイオン注入が可能となり、注入物（半導体デバイ
スなど）の製品の品質、歩留り向上の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は第一発明の一実施例を示す構成図、第２図は三
弗化ボロンの質量スペクトルを示す図、第３図は第二発
明の一実施例を示す構成図である。１・・・イオン源、２・・・全イオンビーム、３・・分
離磁石、４・・・選別イオンビーム、５・・・分離スリ
ット、６・・・注入イオンビーム、７−・・ウェハ、８
・・・円板、９・・・走査機構、１０・・・走査制御部
、１１・・・注入イオン電流、１２・−・注入イオン電
流検出部、１３・−イオン源電源、１４・・・磁場電源
、１５・・・注入制御装置、１６・・中和手段、１７・
・部分イオンモニタ電極、１８・・・部分イオンモニタ
電流、１９・−・部分イオンモニタ電流検出部、２０・
−軽イオンビーム、２１・−軽イオン検出電極、２２・
・・軽イオン電流、２３・−・軽イオン検出部、２４・
・重イオンビーム、２５・・・重イオン検出電極、２６
・・・重イオン電流、２７・・・東イオン検出部。

Claims

【特許請求の範囲】１、イオンを生成するイオン源と、イオンビームを質量
分離する分離磁石と、質量分離された特定のイオンを基
材に注入する処理室より成るイオン注入装置において、
分離磁石と処理室の間にイオンを中和する手段を設ける
と共に、分離磁石より上流側のイオンビームの周縁一部
を検出し、この検出値によつて基材に注入されるイオン
量を制御することを特徴とするイオン注入装置。２、特許請求の範囲第１項の記載において、処理室に他
のイオン源、電子ビームによる蒸着装置、スパッタ蒸着
装置を設け、この他のイオンを質量分離されたイオンビ
ームと共注入するイオン注入装置。３、特許請求の範囲第１項又は第２項の記載において、
注入イオンビーム量と、該注入イオンビーム量に比例す
る別の検出イオンビーム量との比例定数をあらかじめ測
定して、コンピュータのメモリに保管しておき、注入イ
オンビーム量を別の検出イオンビーム量により自動的に
制御するイオン注入装置。４、イオンを生成するイオン源と、イオンビームを質量
分離する分離磁石と、質量分離された特定のイオンを基
材に注入する処理室より成るイオン注入装置において、
分離磁石と処理室の間にイオンを中和する手段を設ける
と共に、分離磁石により質量、電荷比に応じて質量分離
されたイオンビームのうち、注入イオンビームとは異な
るイオン種であつて、該注入イオンビームに比例するイ
オンビームを検出することにより、基材に注入されるイ
オン量を制御することを特徴とするイオン注入装置。５、特許請求の範囲第４項の記載において、検出するイ
オンビームは注入イオンビームの同位元素であるイオン
注入装置。６、特許請求の範囲第４項又は第５項の記載において、
処理室に他のイオン源、電子ビームによる蒸着装置、ス
パッタ蒸着装置を設け、この他のイオンを質量分離され
たイオンビームと共注入するイオン注入装置。７、特許請求の範囲第４項、第５項又は第６項の記載に
おいて、注入イオンビーム量と、該注入イオンビーム量
に比例する別の検出イオンビーム量との比例定数をあら
かじめ測定して、コンピュータのメモリに保管しておき
、注入イオンビーム量を別の検出イオンビーム量により
自動的に制御するイオン注入装置。