WO2005117059A1 - 電荷中和装置 - Google Patents

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neutralization device
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Hiroyuki Ito
Noriyuki Sakudo
Yuichiro Sasaki
Bunji Mizuno
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Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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    • H01L21/26513—Bombardment with radiation with high-energy radiation producing ion implantation in group IV semiconductors of electrically active species

Definitions

  • Ion implantation is performed as follows using the ion implantation apparatus configured as described above. .
  • a high-density plasma is generated using a dopant gas or solid vapor required for the ion source 5.
  • ions are extracted by the extraction electrode system 6 and at the same time, desired acceleration energy is given.
  • the accelerated ion beam 7 is selected as a necessary dopant ion in the mass analyzer 8, the shape of the ion beam is adjusted by the forming slit 9 and the analysis slit 10, and the target is guided.
  • the substrate 13 is transported to the disk 14 and placed at a predetermined position. At this time, a plurality of substrates 13 are usually placed.
  • the allowable voltage for charge destruction decreases as the degree of integration of the device increases, and at the same time, the space charge effect on the beam increases with lower energy of ion implantation. Improvement is required.
  • the above-described charge neutralizing device has a problem that sufficient effects cannot be obtained, particularly with a state-of-the-art device requiring a withstand voltage IV or less.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and supplies low-energy electrons of 5 eV or less, preferably 2 eV or less, so that charge-up due to ion implantation and damage due to electrons can be performed even on the most advanced devices. It is an object of the present invention to provide a charge neutralizer which can be eliminated and can cope with a substrate 13 having a large area.
  • the charge neutralization device of the present invention includes a microwave generation unit, a plasma generation unit configured to generate plasma by the microwave generated by the microwave generation unit, and a plasma generation unit configured to generate the plasma by the plasma generation unit.
  • the charge neutralization device of the present invention is characterized in that it has a plasma tube configured to surround the outer periphery of the ion beam or the scan area in accordance with the shape of the ion beam or the scan area of the ion beam.
  • the charge neutralization device of the present invention is arranged such that a waveguide having a shape surrounding the outside of the plasma tube is arranged and microwaves are introduced to generate plasma in the plasma tube.
  • the charge neutralization device of the present invention includes a device in which the plasma generation means is a coaxial cable.
  • the charge neutralization device of the present invention includes a device that generates plasma using microwave excitation and supplies electrons into a beam plasma including the ion beam.
  • the charge neutralization device of the present invention generates plasma using microwave excitation and supplies electrons to at least one in the vicinity of a solid substrate in an ion beam, a beam plasma including an ion beam, or the like. It is characterized. It is possible to neutralize charge-up of a solid substrate such as a semiconductor substrate that can be formed only by a beam or a beam plasma.
  • the energy of the electrons is efficiently increased by applying a magnetic field such that the electrons have the same cyclotron frequency as the frequency of the microwaves. Therefore, in the present invention, it is desirable that the system that generates plasma does not satisfy the ECR condition. Specifically, for example, when a microwave of 2.45 GHz is used, since the magnetic field strength that gives the cyclotron frequency to the electrons is 875 Gauss, there should be no 875 Gauss magnetic field in the system! It is desirable to make
  • the strength of the magnetic field provided by the magnet should be set so as to be outside the ECR point.
  • the strength of the magnetic field when using a cusp magnetic field is usually less than 500 Gauss, which is not a problem!
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view in a direction parallel to an ion beam of a charge neutralizing device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic view showing a configuration of a conventional ion implantation apparatus.
  • the charge neutralizing device of the present embodiment is not shown in FIG. 1 as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 1, and FIG.
  • the beam plasma P including the ion beam IB is irradiated to the silicon wafer 113 as a substrate to be processed, which is mounted on the wafer support 103, and prevents charge-up of the silicon wafer.
  • This charge neutralizing device is a plasma tube 101 that is disposed at a predetermined position of a conductive tube 100 that serves as a passage path of the ion beam IB so as to surround the outer periphery in a plane perpendicular to the tube axis of the conductive tube. And a waveguide 102 arranged so as to surround the outside of the plasma tube 101, and generates an electron plasma in the plasma tube 101, and the electron plasma causes a shortage of electrons in the beam plasma P surrounding the ion beam IB. Is configured so as to prevent charge-up.
  • the microwave is introduced into the plasma tube 101 from the magnetron 104 as the microwave generating means via the waveguide 102, and the gas is supplied into the plasma tube 101.
  • the gas is supplied into the plasma tube 101.
  • Electrons (plasma) are supplied through an opening 107 provided in the inner wall of the plasma tube 101, and the charge of the ion beam IB is neutralized.
  • the potential Vg on the surface of the waveguide 102 can be varied from 0 to 100 V by the second power supply 108. Then, when a shortage of electrons occurs in the ion beam P system, electrons flow from the plasma tube 101 to compensate for the shortage.
  • a silicon wafer having a gate oxide film and a gate electrode formed thereon is mounted on a substrate support 103 as a substrate 113 to be processed.
  • a beam plasma P including an ion beam is irradiated onto the silicon wafer.
  • the beam plasma does not generate wafer charging, and in a stable steady state, the charge is almost neutralized between positive ions and negative electrons (called plasma nuetrality).
  • a microwave is introduced into a plasma tube 101 from a magnetron 104 as a microwave generating means via a waveguide 102 and a gas is supplied into the plasma tube 101, so that a gas is supplied into the plasma tube 101.
  • a gas is supplied into the plasma tube 101.
  • electrons are supplied through an opening 107 provided in the inner wall of the plasma tube 101, and the ion beam IB Is neutralized.
  • the microwave propagating from the magnetron 104 through the waveguide 102 is introduced into the plasma tube through the slit 106 provided on the contact surface between the waveguide 102 and the plasma tube 101, and The gas supplied from the gas supply port 105 provided on the downstream side with respect to the plasma flow in the tube 101 is ionized to generate electron plasma.
  • a cross-sectional view in the direction perpendicular to the beam is the same as that of the second embodiment except that the waveguide 102 has a closed tube structure so that a standing wave can be formed. is there.
  • plasma tube 101 and waveguide 102 are juxtaposed so as to surround conductive tube 100, and plasma excitation is performed by a standing wave.
  • a cusp magnet 110 for generating a cusp magnetic field is provided on a side surface of a plasma tube 102.
  • the cusp magnet 110 may be on either side of the plasma tube 102 or on one side!
  • FIG. 7 shows a sectional view in the direction perpendicular to the beam.
  • the cusp magnetic field used here is a weak magnetic field having a magnetic field strength of 500 gauss or less, so that the ECR point naturally falls off. Therefore, there is no problem.
  • the plasma density is increased. It is necessary to set the magnetic field strength so as to remove the ECR condition in order to increase the electron energy density.
  • magnets whose magnetic field directions are reversed at predetermined intervals are alternately provided on the inner and outer peripheral surfaces of the waveguide 102 constituting the plasma tube, and the cusp magnetic field is provided in the plasma tube 101.
  • the magnetic gradient caused by the cusp magnetic field and the magnetic force caused by the cusp magnetic field allow the low-energy electrons to be confined in the plasma tube at a high density.
  • the plasma generator using a waveguide has been described.
  • the present invention is not limited to the force waveguide, but may be applied to a device that performs plasma excitation using a coaxial cable. Applicable.

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Description

電荷中和装置
技術分野
[0001] この発明は、電荷中和装置にかかり、特に半導体製造プロセスにおいて、半導体 基板に不純物層を形成する際に用 ヽられるイオン注入装置などに用いられる、電荷 中和器、およびそれを用いて製造される半導体装置、これら半導体装置を搭載した 液晶パネルなどの電子素子に関する。
背景技術
[0002] 従来の半導体製造技術では、ボロン (B)、リン (P)、ヒ素 (As)等の各種導電型の不 純物を固体基体としての半導体基板表面に、イオン注入を行う方法が広く用いられ ている。イオン注入プロセス等に用いられるビームライン型イオン注入機では、ウェハ 上のデバイスのチャージ破壊を防ぐため、またイオンビームの空間電荷効果によるビ ームの発散を防ぐために、低エネルギーの電子をビームプラズマ中またはウェハ表 面上に供給することによって電荷の蓄積を緩和する電荷中和装置が多く用いられて いる。
[0003] 図 10はイオン注入装置の中でも大電流イオン注入機と呼ばれている、メカ-カルス キャン方式の従来装置の一例を示す概略図である。このイオン注入装置 1は大きく 3 つに分けられ、それぞれ、イオン源部 2、ビームライン部 3、エンドステーション部 4で ある。イオン源部 2は、アーク放電によって高密度プラズマを生成するイオン源 5とィ オンを静電的に引き出し、加速する引き出し電極系 6とで構成されている。ビームライ ン部 3はイオン源部 2より出射されたイオンビーム 7から必要なドーパントイオンのみ選 択する磁場偏向型の質量分析器 8と、イオンビーム 7の形状を整える成形スリット 9や 分析マグネットの焦点に位置し、必要とするドーパントイオンを選択するための分析ス リット 10から成る。エンドステーション部 4は、ビーム電流を計測するファラデーゲージ 11とビームキャッチ 12、半導体基板 13を載置しイオンビーム 7が基板に均一に注入さ れるようにスキャンするディスク 14、さらに電荷中和器として働く電子銃 15力も成る。
[0004] このように構成されたイオン注入装置を用いて次のようにしてイオン注入が行われる 。まず、イオン源 5に必要なドーパントガスあるいは固体蒸気を用い高密度プラズマを 生成する。ついで、引き出し電極系 6でイオンを引き出すと同時に、所望の加速エネ ルギーを与える。加速されたイオンビーム 7は質量分析器 8で必要なドーパントイオン に選択され、成形スリット 9や分析スリット 10でイオンビームの形状を整えターゲットは 導かれる。一方、基板 13はディスク 14に搬送されてきて、所定位置に載置される。こ のとき、基板 13は通常複数枚載置される。
[0005] 次に、初期位置にあったディスク 14が図示 Aのように所定回転数で回転するととも に、並進運動 Bが行われる。このような方式をメカ-カルスキャン方式と呼び、これに より複数の基板 13の全面にイオン注入が行われる。なお、並進運動は注入均一性を 良くするため複数回行われる。
[0006] ところで、このイオン注入が行われる際、基板 13上には、通常すでにゲート電極の パターンが形成されている。図 11にパターユングされたものの一例を示す。同図は、 基板 23 (13)が例えば P型であり、この基板 13の主面上に厚いフィールド絶縁膜 20が 形成され、これら絶縁膜 20に挟まれた活性領域の一部にゲート絶縁膜となる薄い絶 縁膜 21が形成され、この薄い酸化膜 21上にゲート電極 22が形成されている。この状 態でイオン注入を行うことによりゲート電極 22の両側の基板 13上にソース'ドレインと なる不純物領域を形成するものである。この場合、ソース'ドレインを N型に形成すベ ぐイオンビーム 7は例えばリン，ヒ素等のイオンビームとなっている。
[0007] このように絶縁膜上にイオン注入を行う場合、特に 1mA以上のビーム電流でイオン 注入する際にはゲート絶縁膜 21の絶縁破壊が発生する可能性が大となる。この絶縁 破壊を防止するために、従来は図 12に示すような電荷中和器が用いられている。こ の電荷中和器の作用は電子銃 15力 放出される一次電子を 300V程度の電界でカロ 速し対面するファラデーケージ 11に照射し、二次電子 23を発生させる。この二次電子 23の一部が基板 13に供給され、ゲート電極 22上に蓄積された正電荷を中和する。こ のようにして、ゲート絶縁膜 21の絶縁破壊を防止することができる。
[0008] このように、従来、一般に使われている電荷中和装置では、電子源もしくはプラズマ 源をビームライン上の一側面力 ビームに近接する形に設置し、そこから出て来る電 子流をビームおよびビームプラズマに重ね合せると 、う方式を用いて 、る。 [0009] しかし、この方法では、電子源に近!、側では電荷中和効果が働 、てもその反対側 ( 電子源力も最も遠い側)まで効果が及ばないという現象が発生し易ぐデバイスのチ ヤージ破壊やビームの発散を引起してしまう。
[0010] また、ビームをスキャンするタイプのイオン注入機では、供給する電子流とビームプ ラズマとのカップリング効率が悪ぐ従来の電荷中和装置で高電流のイオン注入を実 現することは極めて難し力つた。
さらに、上記のイオン注入装置では、上述のように、電子銃 15力 放出した一次電 子の照射によりファラデーケージ 11表面力 発生する二次電子 23でゲート電極 22上 に蓄積された正電荷を中和するものである力 一次電子の一部も反射によって基板 1 3に到達する。このため 300eVのエネルギーをもつ高速電子が基板 13を負にチャージ アップさせ、負電荷による絶縁破壊を起こし、また絶縁破壊に至らずとも、ゲート絶縁 膜 22を劣化させるという問題点があった。
[0011] これに対して、図 13および図 14に示すように被処理基板の前面に、プラズマより電 子を引き出す引き出し電極と、この引き出し電極により引き出された電子を減速する 減速電極とを有し、エネルギーが 50eV以下の電子を供給する磁気多極型プラズマ 発生器を配設するようにした電荷中和器が開示されている (特許文献 1)。これによる と、磁気多極型プラズマ発生器をエレクトロンソースとしており、この磁気多極型ブラ ズマ発生器はプラズマ内に磁場がな 、カスプ磁場を形成して 、るため、電場を印加 するだけで電子温度が数 eVの高密度プラズマを容易に引き出すことができる。この 低エネルギー電子をターゲットとなる半導体基板前面に供給し、電子雲を発生させる
。このため半導体基板上の正に帯電した部分にのみ電子が供給され電荷中和を行う ことができる。このため、イオン注入条件やデバイス条件によってチャージアップ量が 異なる場合でも最適な電荷中和が行えるとされている。さらに、磁気多極型プラズマ 発生器を配設することで、大面積でしかも均一な電子雲を生成することができるとさ れている。
[0012] 特許文献 1 :特公平 8— 21361
発明の開示
発明が解決しょうとする課題 [0013] 従来の図 12に示す電荷中和器を有するイオン注入装置では、上述のように、 300e Vのエネルギーをもつ高速電子が基板 13を負にチャージアップさせ、負電荷による絶 縁破壊を起こし、また絶縁破壊に至らずとも、ゲート絶縁膜 22を劣化させるという問題 点があった。さらに、電子源に近い側では電荷中和効果が働いてもその反対側（電 子源力 最も遠い側)まで効果が及ばないという現象が発生し易ぐデバイスのチヤ ージ破壊やビームの発散を引起してしまう。
[0014] また、ビームをスキャンするタイプのイオン注入機では、供給する電子流とビームプ ラズマとのカップリング効率が悪ぐ従来の電荷中和装置で高電流のイオン注入を実 現することは極めて困難であった。
[0015] 一方、図 14に示すようなエネルギーが 50eV以下の電子を供給する磁気多極型ブラ ズマ発生器を配設するようにした電荷中和器を有するイオン注入装置では、上記課 題はある程度解決され、さらに大面積でし力も均一な電子雲を生成することができる
[0016] しかし、デバイスの集積度の増加と共にチャージ破壊に対する許容電圧は減少し、 同時にイオン注入の低エネルギー化と共にビームに対する空間電荷効果が増大す るため、電荷中和装置には更なる性能の向上が求められている。上記の電荷中和装 置では、特に耐圧 IV以下を要求される最先端デバイスでは充分な効果が得られな いという課題があった。
[0017] 本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、 5eV以下望ましくは 2eVの水準の低 エネルギーの電子を供給することで最先端デバイスに対してもイオン注入によるチヤ ージアップと電子によるダメージをなくし、且つ、大面積の基板 13に対応できる電荷 中和器を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0018] 本発明の電荷中和装置は、マイクロ波発生手段と、前記マイクロ波発生手段で発 生せしめられたマイクロ波によってプラズマを発生するプラズマ生成手段と、前記ブラ ズマ生成手段で生成されたプラズマ中の電子を、イオンビームを含むビームプラズマ 領域に接触させる接触手段とを備えたことを特徴とする。
[0019] この構成により、マイクロ波によってプラズマを発生するようにしているため、効率的 に、低圧でかつ高密度のプラズマを発生させ、そこ力 低エネルギーの電子をとりだ すことができる。この装置は、通常用いられている直流放電プラズマあるいは RFプラ ズマなどに比べて大幅に低エネルギーのプラズマを得ることができることからきわめて 有効な電荷中和手段である。
[0020] また本発明の電荷中和装置は、前記接触手段がイオンビームをリング状に取り囲 むプラズマチューブを有することを特徴とする。これにより、イオンビームを取り囲む全 ての方向から電子を供給することができ、電荷中和の位置によるむらを大幅に低減 することができる。
[0021] また本発明の電荷中和装置は、イオンビームの形状もしくはイオンビームのスキヤ ンエリアにあわせて、前記イオンビームもしくは前記スキャンエリアの外周を取り囲む 構成のプラズマチューブを有することを特徴とする。これにより、イオンビームの形状 やスキャンエリアが複雑な形状をしていても、電荷中和の位置によるむらを大幅に低 減することができる。
[0022] さらに、本発明の電荷中和装置は、前記プラズマチューブの外側を取り囲む形状 の導波管を配置してマイクロ波を導入することにより、前記プラズマチューブ内にブラ ズマを発生させることを特徴とする。これにより、プラズマチューブ内に均一にプラズ マを発生させ易!、ので望ま 、。
[0023] 本発明の電荷中和装置は、前記プラズマ生成手段が、同軸ケーブルであるものを 含む。
[0024] 本発明の電荷中和装置は、前記導波管と前記プラズマチューブは前記導電チュー ブに対して当接するように並置されたものを含む。この構成によれば進行波プラズマ を生成することができる。
[0025] また本発明の電荷中和装置は、前記プラズマチューブ内にガスを供給してプラズ マを発生させることを特徴とする。これにより、高効率のプラズマ照射を実現できる。 さらに前記プラズマ発生用のガスの種類は、希ガスなどの不活性ガスであることを 特徴とする。これにより、半導体などのターゲットに与える影響をほとんど無視できる 水準にすることができる。
[0026] また本発明の電荷中和装置は、前記プラズマチューブと前記導波管との間にはそ れぞ; m立置をあわせた単数、もしくは複数のスリットを有することを特徴とする。これに より、スリットからマイクロ波を伝播させることによって低圧でかつ高密度のプラズマを チューブ内に発生させことが出来るので望ましい。
[0027] さらに本発明の電荷中和装置は、前記プラズマチューブのビームに近接する側に 複数のスリットもしくは開口部を有することを特徴とする。これにより、ビームなどに均 一に電子を供給し易くなり、電荷中和の均一性を得やすいので望ましい。
[0028] さらに本発明の電荷中和装置は、前記導波管が、前記導波管中のマイクロ波伝搬 方向の下流側力 上流側に向力つて前記プラズマチューブへのガスの供給がなされ るように構成されるものを含む。
この構成により、マイクロ波の減衰部により多くのガス供給がなされるためより高効 率で均一なプラズマ生成が可能となる。
[0029] さらに本発明の電荷中和装置は、マイクロ波励起を用いてプラズマを発生させて、 前記イオンビームを含むビームプラズマ中に電子を供給するものを含む。
[0030] また本発明の電荷中和装置は、マイクロ波励起を用いてプラズマを発生させてィォ ンビーム中、イオンビームを含むビームプラズマ中、固体基体近傍の少なくとも 1つに 電子を供給することを特徴とする。ビームやビームプラズマだけでなぐ半導体基板 などの固体基体のチャージアップを中和することができる。
[0031] また本発明の電荷中和装置は、マイクロ波励起を用いて低温プラズマを維持し、そ れによって低エネルギーの電子を大量に供給することを特徴とする。これにより、低ェ ネルギ一で高!、ビーム電流のイオン注入を用いた微細デバイスのプロセスなどにも 対応できる。
[0032] また本発明の電荷中和装置は、マイクロ波の定在波を導波管内に作ってプラズマ を発生させることを特徴とする。定在波を作ることで、効率的に安定したプラズマを発 生させることができるので、効率的に安定した電荷中和機能を維持できるため望まし い。
[0033] 本発明の電荷中和装置を搭載したイオン注入装置は、半導体ウェハの大型化に対 応して電荷中和の均一性を維持しつつ、 5eVあるいは 2eV程度以下の低エネルギー の電子を供給できるので、非常に有効である。 同様に、本発明の電荷中和装置を搭載したビームライン装置にも有効であることは 明らかである。
[0034] 本発明の電荷中和装置、イオン注入装置、ビームライン装置を用いて歩留まり良く 耐圧 IV以下の半導体デバイスを製造できる。
[0035] なお、本発明のマイクロ波プラズマはオフ ECR (Off ECR)で生成させることがもうひ とつの特徴である。この理由は、 ECRモードではプラズマ中に発生させる電子のエネ ルギ一が高くなり、低エネルギー電子によってデバイスの静電破壊を防ぐという目的 にそぐわないためである。これに対し、オフ ECRモードではプラズマ密度は高く維持 しつつ電子エネルギーは低く留めることが可能となり、ウェハの電荷中和のために最 適な特徴を持つことができる。
[0036] ECRモードでは、マイクロ波を導入する際に、電子がそのマイクロ波の周波数と同 じ値のサイクロトロン周波数を持つような磁場を印加することによって電子のエネルギ 一を効率的に増カロさせることになるため、本発明では、プラズマを発生させる系が EC R条件を満たさないように設定するのが望ましい。 具体的には、例えば 2. 45GHzの マイクロ波を使った場合、それに等 、サイクロトロン周波数を電子に与える磁場強 度は 875Gaussであるため、系の中に 875Gaussの磁場を存在させな!/、ようにするの が望ましい。
従って磁場を用いる場合には、マグネットの与える磁場強度は ECRポイントを外す ように設定する。 現実には、カスプ磁場を使う際の磁場強度は、大抵 500Gauss以 下の弱 、磁場であるため、問題となることはな!/、。
発明の効果
[0037] 以上説明してきたように、本発明によれば、低エネルギーでかつ高密度のプラズマ を生成することができる。
さらには、本発明の電荷中和装置、イオン注入装置、ビームライン装置を用いて製 造した 耐圧 IV以下の半導体デバイスは、高信頼性を得ることができる。
同様に、本発明の電荷中和装置、イオン注入装置、ビームライン装置を用いて製 造した電子デバイスなどの被処理物は、電荷中和が有効にできており、信頼性が高 いので長期の使用や、宇宙開発用ロケットなどの特に高い信頼性を要する用途に有 効である。
図面の簡単な説明
[0038] [図 1]本発明の実施の形態 1の電荷中和装置のイオンビームに平行な方向の断面概 要図である。
[図 2]本発明の実施の形態 1の電荷中和装置のイオンビームに垂直な方向の断面概 要図である。
[図 3]本発明の実施の形態 2の電荷中和装置のイオンビームに平行な方向の断面概 要図である。
[図 4]本発明の実施の形態 2の電荷中和装置のイオンビームに垂直な方向の断面概 要図である。
[図 5]本発明の実施の形態 2の電荷中和装置のイオンビームに垂直な方向の断面概 要図である。
[図 6]本発明の実施の形態 3の電荷中和装置のイオンビームに垂直な方向の断面概 要図である。
[図 7]本発明の実施の形態 4の電荷中和装置のイオンビームに垂直な方向の断面概 要図である。
[図 8]本発明の実施の形態 5の電荷中和装置のイオンビームに垂直な方向の断面概 要図である。
[図 9]本発明の実施の形態 6の電荷中和装置の斜視図である。
[図 10]従来のイオン注入装置の構成を示す概略図である。
[図 11]半導体基板へのイオン注入を説明する図である。
[図 12]従来の電荷中和器を示す説明図である。
[図 13]従来のイオン注入装置の構成を示す概略図である。
[図 14]従来の電荷中和器を示す説明図である。
符号の説明
[0039] IB ィ才ンビーム
P ビームプラズマ
100 導電チューブ 101 プラズマチューブ
102 導波管
103 ウェハ支持台
104 マグネトロン
106 スリット
107 開口部
108 第 2の電源
109 第 1の電源
110 カスプマグネット
120 カスプマグネット
130 カスプマグネット
113 シリコンウエノヽ
1 イオン注入装置
2 イオン源部
3 ビームライン咅
エンドステーション部
5 イオン源
6 引き出し電極系
7 ィ才ンビーム
質量分析器
9 成形スリット
10 分析スリット
11 ファラデーケージ
13 基板
14 ディスク
15 電子銃
0 フィールド絶縁膜 1 ゲート絶縁膜 22 ゲート電極
23 2次電子
31 エレクトロンソース
40 アークチャンバ一
41 陰極
42 永久磁石
43 ガスボンベ
44 ガス導入口
45 引き出し電極
46 減速電極
47 真空ポンプ 発明を実施するための最良の形態
[0040] 次に、本発明の実施の形態について説明する。
(実施の形態 1)
本実施の形態の電荷中和装置は、図 1に断面概要図、図 2に図 1の A— A断面概 要図を示すように、図示しな!、プラズマ発生器カゝら供給されるイオンビーム IBを含む ビームプラズマ Pを、ウェハ支持台 103に載置された被処理基板であるシリコンウェハ 113に照射するもので、シリコンウェハのチャージアップを防止するものである。
[0041] この電荷中和装置は、イオンビーム IBの通過経路となる導電チューブ 100の所定 の位置で、この導電チューブの管軸と垂直な面内で外周を取り囲むように配置された プラズマチューブ 101と、このプラズマチューブ 101の外側を取り囲むように配置され た導波管 102を備え、このプラズマチューブ 101内で電子プラズマを生成し、この電 子プラズマによってイオンビーム IBを取り巻くビームプラズマ Pの電子不足を同時進 行的に補うことによりチャージアップを防止するように構成されている。
[0042] この装置では、マイクロ波発生手段としてのマグネトロン 104から導波管 102を介し てプラズマチューブ 101内にマイクロ波を導入するとともにプラズマチューブ 101内 にガスを供給することにより、プラズマチューブ 101内に電子プラズマを発生させ、ィ オンビーム IBで構成される系内に電子不足が発生し、 +にチャージアップされると、 プラズマチューブ 101の内壁に設けられた開口部 107を介して、電子 (プラズマ）を 供給し、イオンビーム IBの電荷が中和される。
[0043] ここでマグネトロン 104から導波管 102を伝搬してきたマイクロ波は、導波管 102と プラズマチューブ 101との当接面に設けられたスリット 106を介してプラズマチューブ 内に導入され、プラズマチューブ 101のプラズマ流に対して下流側に設けられたガス 供給口 105から供給されたガスをイオン化し、電子プラズマを生成する。
[0044] そしてプラズマチューブ 101内の電子は、内側の導電チューブ内に開口する開口 部 107を介してビームプラズマ Pに供給される。
[0045] この導電チューブ 100表面の電位 Vcは第 1の電源 109によって 0〜10Vに可変で ある。
この導波管 102表面の電位 Vgは第 2の電源 108によって 0〜100Vに可変である。 そしてイオンビーム P系内に電子不足が発生すると、瞬時にそれを補うべくプラズマ チューブ 101から電子が流入する。
この電子の流入量は Vcと Vgを調整することによって調整可能である。
このように、電子はビームプラズマ中でわずかでも少なくなると、瞬時に開口部 107 を介してビームプラズマ中に供給されるように構成されて！、る。
[0046] 次に、この電荷中和装置を用い、ゲート酸ィ匕膜の形成されたシリコンウェハ表面に、 ゲート電極をマスクとしてイオン注入を行うイオン注入方法について説明する。
まず、基板支持台 103に被処理基板 113として、ゲート酸化膜およびゲート電極を 形成したシリコンウェハを載置する。
そして、イオンビームを含むビームプラズマ Pをこのシリコンウェハ上に照射する。こ のときビームプラズマはウェハチャージングが発生しな 、安定した定常状態では、正 のイオンと、負の電子との間で電荷のほぼ中和状態が保たれる（Plasma nuetralityと 言う)。
[0047] し力しながら、この例のようにシリコンウェハ上に FETのような絶縁性膜を備えたデ バイスが形成され、表面にゲート酸ィ匕膜のような絶縁性膜を有する場合、イオンビー ムによって運ばれる電荷によってチャージングと呼ばれる現象を引き起こす。
このように、ウェハ上のチャージングが絶縁性膜の耐圧限界を超えるとデバイスが 破壊されるため、それを防ぐためにウェハ上の正電荷を負の電子電荷によって中和 されることが必要〖こなる。
[0048] その際、電子のエネルギーが高いと電子による負のチャージングによってやはりデ バイスが静電破壊を起こしてしまうため、電子のエネルギーはデバイスの耐圧限界よ り低くなければならない。
[0049] 例えば、膜厚 lnmのゲート絶縁膜の場合耐圧限界は約 IV以下である。
シリコンウェハにビームによる正のチャージングが起こると、先ず近傍のビームプラ ズマ中に存在する低エネルギーのプラズマ電子がゥヱハ上の正電荷部位に流れ込 み、チャージを中和する。
[0050] これによつてビームプラズマの電荷中和状態が崩され、正に偏る。
そしてこの状態がさらに進むとビームプラズマが壊れてビーム中の電位が極めて高 くなり、ウェハ上のチャージング破壊が進行して、ビームも自身の正電荷によって発 散してしまい、イオン注入は不可能になる。
[0051] そこでこの状態を避けるため、正のチャージングが生じるとプラズマチューブから低 エネルギーの電子が同時進行的にビームプラズマ系内に供給されることによって、ゥ ェハのチャージングを防止すると共に、ビームプラズマの中和状態を常に保ち、安定 で、デバイス収率の高!、イオン注入プロセスを維持することになる。
[0052] その際、ウェハへの電子流の総和をデバイスやプロセスの条件によって制御するこ とができるため、いくつかのコントロールパラメータを使うことが出来る。
[0053] その一つは導電チューブ上に印加する負電圧で、電圧をより負にすることによって ウェハへの電子流を増やす。
[0054] 一つはプラズマチューブ自体、もしくはプラズマチューブ内に浮力した導体に印加 する負電圧で、電圧をより負にすることによってウェハへの電子流を増やす。
[0055] また、一つは導波管中を伝播させるマイクロ波の強度で、強度を上げることによって プラズマチューブ内のプラズマ密度を上げ、電子の絶対量を増やす。
[0056] このように、本発明によれば、ビームプラズマ中で電子が被処理基板（ウエノ、） 113 上に引き寄せられて、電子が不足した状態になると、プラズマチューブから低ェネル ギ一の電子が同時進行的にビームプラズマ系内に供給されることによって、ウェハの チャージングを防止すると共に、常にビームプラズマの中和状態を保ち、安定で、デ バイス収率の高いイオン注入プロセスを維持することができる。
[0057] (実施の形態 2)
前記実施の形態 1では、導電チューブの管軸と垂直な面内で外周を取り囲むように 配置されたプラズマチューブ 101と、このプラズマチューブ 101の外側を取り囲むよう に配置された導波管 102を備え、このプラズマチューブ 101内で電子プラズマを生 成するものについて説明したが、本実施の形態の電荷中和装置は、図 3に断面概要 図、図 4および図 5に図 3の A— A断面概要図および B— B断面図を示す。本実施の 形態では、基本的には導電チューブ 100を囲むようにプラズマチューブ 101と導波 管 102とが並置された点で前記実施の形態 1と異なる。この例では進行波によるブラ ズマ励起を行っている。
[0058] またこの場合バイアスを調整するための電位はプラズマチューブ 101内に配設され たバイアスワイヤ 110を介して第 2の電源 108から供給される。
他につ ヽては基本的には実施の形態 1と同様に形成されて ヽる。
[0059] この場合についても図 8に示したようなシリコンウェハにソースドレイン形成のための イオン注入を行った場合にもチャージアップが抑制され、効率よくイオン注入がなさ れることから、 lnm程度の薄 、ゲート絶縁膜をもつ FETの場合にも絶縁破壊が抑制 され 2eV以下の耐圧の FETに対しても絶縁破壊なしに高歩留まりで FETを得る事が 可能となる。
[0060] この電荷中和装置は、イオンビーム IBの通過経路となる導電チューブ 100の所定 の位置で、この導電チューブの管軸と垂直な面内で外周を取り囲むように配置された プラズマチューブ 101と、このプラズマチューブ 101の外側を取り囲むように配置され た導波管 102を備え、このプラズマチューブ 101内で電子プラズマを生成し、この電 子プラズマによってイオンビーム IBを取り巻くビームプラズマ Pの電子不足を同時進 行的に補うことによりチャージアップを防止するように構成されている。
[0061] この装置では、マイクロ波発生手段としてのマグネトロン 104から導波管 102を介し てプラズマチューブ 101内にマイクロ波を導入するとともにプラズマチューブ 101内 にガスを供給することにより、プラズマチューブ 101内に電子プラズマを発生させ、ィ オンビーム IBで構成される系内に電子不足が発生し、 +にチャージアップされると、 プラズマチューブ 101の内壁に設けられた開口部 107を介して、電子 (プラズマ）を 供給し、イオンビーム IBの電荷が中和される。
[0062] ここでマグネトロン 104から導波管 102を伝搬してきたマイクロ波は、導波管 102と プラズマチューブ 101との当接面に設けられたスリット 106を介してプラズマチューブ 内に導入され、プラズマチューブ 101のプラズマ流に対して下流側に設けられたガス 供給口 105から供給されたガスをイオン化し、電子プラズマを生成する。
[0063] (実施の形態 3)
前記実施の形態 2では、進行波によるプラズマ励起を行う例にっ 、て説明したが、 定在波を用いる場合も有効である。
この場合、図 6にビームに垂直方向の断面図を示すように導波管 102が定在波を 形成し得るように閉管構造をとる点が異なるのみで他は前記実施の形態 2と同様であ る。
ビームに平行な方向の断面図は図 3に示したものと同様である。
本実施の形態では、基本的には導電チューブ 100を囲むようにプラズマチューブ 1 01と導波管 102とが並置され、定在波によるプラズマ励起を行っている。
[0064] (実施の形態 4)
本実施の形態では、図 7に示すように、カスプ磁場を生成するカスプマグネット 110 をプラズマチューブ 102の側面に配設したことを特徴とするものである。カスプマグネ ット 110はプラズマチューブ 102の側面の両側でも良 、し片側でもよ!/、。
この場合も、図 7にビームに垂直方向の断面図を示すようにカスプマグネットを配設 した点が異なるのみで他は前記実施の形態 2と同様である。
ビームに平行な方向の断面図は図 3に示したものと同様である。
[0065] 具体的には、プラズマチューブを構成する導波管 102の側面に交互に所定の間隔 で磁場方向を逆にした磁石を配設し、プラズマチューブ 101内にカスプ磁場を生じさ せる。そして、このカスプ磁場に起因した磁気勾配及びこれによつてもたらされる磁気 力によって、低エネルギーの電子をプラズマチューブ内に高密度に閉じ込めるように したものである。 [0066] なおここで用いるカスプ磁場は磁場強度自体が 500ガウス以下の弱 、磁場である ため、 ECRポイントはおのず力 外れることになるため、問題はないが、本発明では プラズマ密度を高くしつつ電子エネルギー密度をために、 ECR条件をはずすように 磁場強度を設定する必要がある。
本実施の形態では、基本的には導電チューブ 100を囲むようにプラズマチューブ 1 01と導波管 102とが並置され、定在波によるプラズマ励起を行っている。
[0067] (実施の形態 5)
前記実施の形態 4では、カスプマグネット 120をプラズマチューブ 102の側面に配 設したが、本実施の形態では、カスプマグネッ 120をプラズマチューブ 102の外周面 上に配設したことを特徴とする。
すなわち本実施の形態では、図 8に示すように、カスプ磁場を生成するカスプマグ ネット 120をプラズマチューブ 102の外周面上に配設したことを特徴とするものである この場合も、図 8にビームに垂直方向の断面図を示すようにカスプマグネットを配設 した点が異なるのみで他は前記実施の形態 2と同様である。
ビームに平行な方向の断面図は図 3に示したものと同様である。
[0068] 具体的には、プラズマチューブを構成する導波管 102の外周面に交互に所定の間 隔で磁場方向を逆にした磁石を配設し、プラズマチューブ 101内にカスプ磁場を生 じさせる。そして、このカスプ磁場に起因した磁気勾配及びこれによつてもたらされる 磁気力によって、低エネルギーの電子をプラズマチューブ内に高密度に閉じ込める ようにしたものである。
[0069] (実施の形態 6)
前記実施の形態 4, 5では、カスプマグネット 110、または 120をプラズマチューブ 1 02の側面または外周面に配設した力 本実施の形態では、カスプマグネット 130を 内側と外側とで、プラズマチューブ 102をはさむように配設したことを特徴とする。 すなわち本実施の形態では、図 9に示すように、カスプ磁場を生成するカスプマグ ネット 130をプラズマチューブ 102の内周面と外周面上とに配設したことを特徴とする ものである。 この場合も、図 9に斜視図を示すようにカスプマグネットを配設した位置が異なるの みで他は前記実施の形態 2と同様である。
ビームに平行な方向の断面図は図 3に示したものと同様である。
[0070] 具体的には、プラズマチューブを構成する導波管 102の内周および外周面に交互 に所定の間隔で磁場方向を逆にした磁石を配設し、プラズマチューブ 101内にカス プ磁場を生じさせる。そして、このカスプ磁場に起因した磁気勾配及びこれによつて もたらされる磁気力によって、低エネルギーの電子をプラズマチューブ内に高密度に 閉じ込めるようにしたものである。
[0071] 前記実施の形態 1乃至 6では導波管を用いたプラズマ発生装置について説明した 力 導波管に限定されることなく同軸ケーブルを用いてプラズマ励起を行うようなもの につ 、ても適用可能である。
産業上の利用可能性
[0072] 本発明は、低エネルギーの電子を効率良く均一に供給してイオン注入によるチヤ ージアップと電子によるダメージ、低エネルギーイオンビームの空間電荷を効果的に 中和することができ、大面積の基板に対応可能な電荷中和器を提供できるので有効 である。

Claims

請求の範囲
[1] 電荷中和装置であって、
マイクロ波発生手段と、
前記マイクロ波発生手段で発生せしめられたマイクロ波によって電子プラズマを発 生するプラズマ生成手段と、
前記プラズマ生成手段で生成された電子プラズマを、イオンビームを含むビームプ ラズマ領域に接触させる接触手段とを備えたことを特徴とする電荷中和装置。
[2] 請求項 1に記載の電荷中和装置であって、
前記接触手段は、イオンビームをリング状に取り囲むプラズマチューブを含むことを 特徴とする電荷中和装置。
[3] 請求項 1に記載の電荷中和装置であって、
前記接触手段は、前記イオンビームの形状もしくは前記イオンビームのスキャンエリ ァに対応して、前記イオンビームもしくは前記スキャンエリアの外周を取り囲むように 配置されたプラズマチューブを含むことを特徴とする電荷中和装置。
[4] 請求項 2または 3に記載の電荷中和装置であって、
前記プラズマ生成手段は、前記プラズマチューブの外側を取り囲むように配置され た導波管を備え、前記マイクロ波発生手段力 前記導波管を介して前記プラズマチ ユーブ内にマイクロ波を導入するとともに前記プラズマチューブ内にガスを供給する ことにより、前記プラズマチューブ内にプラズマを発生させることを特徴とする電荷中 和装置。
[5] 請求項 4に記載の電荷中和装置であって、
前記プラズマ生成手段は、同軸ケーブルであることを特徴とする電荷中和装置。
[6] 請求項 5に記載の電荷中和装置であって、
前記導波管と前記プラズマチューブは前記導電チューブに対して当接するように 並置されたことを特徴とする電荷中和装置。
[7] 請求項 4乃至 6のいずれかに記載の電荷中和装置であって、
前記ガスは不活性ガスであることを特徴とする電荷中和装置。
[8] 請求項 4乃至 7のいずれかに記載の電荷中和装置であって、 前記プラズマチューブと前記導波管との間にはそれぞ; m立置をあわせた少なくとも ひとつのスリットを有することを特徴とする電荷中和装置。
[9] 請求項 8に記載の電荷中和装置であって、
前記プラズマチューブと前記導波管との間にはそれぞ; 立置をあわせた複数のス リットを有することを特徴とする電荷中和装置。
[10] 請求項 2乃至 9のいずれかに記載の電荷中和装置であって、
前記プラズマチューブの前記イオンビームに近接する側にひとつの開口部を有す ることを特徴とする電荷中和装置。
[11] 請求項 10に記載の電荷中和装置であって、
前記プラズマチューブの前記イオンビームに近接する側に複数の開口部を有する ことを特徴とする電荷中和装置。
[12] 請求項 2乃至 11のいずれかに記載の電荷中和装置であって、
前記導波管は、前記導波管中のマイクロ波の伝搬方向力 前記イオンビームの流 れ方向に直交する面で、前記イオンビームを囲むように配設されたことを特徴とする 電荷中和装置。
[13] 請求項 12に記載の電荷中和装置であって、
前記導波管は、前記導波管中のマイクロ波伝搬方向の下流側から上流側に向かつ て前記プラズマチューブへのガスの供給がなされるように構成されたことを特徴とす る電荷中和装置。
[14] 請求項 1乃至 13のいずれかに記載の電荷中和装置であって、
マイクロ波励起を用いてプラズマを発生させて、前記イオンビームを含むビームブラ ズマ中に電子を供給することを特徴とする電荷中和装置。
[15] 請求項 1乃至 13のいずれかに記載の電荷中和装置であって、
マイクロ波励起を用いてプラズマを発生させて、前記イオンビームを照射する固体 基体近傍の少なくとも 1つに電子を供給することを特徴とする電荷中和装置。
[16] 請求項 1乃至 15のいずれかに記載の電荷中和装置であって、
マイクロ波励起を用いて低温プラズマを維持し、それによつて 2eV以下の低ェネル ギ一の電子を供給することを特徴とする電荷中和装置。
[17] 請求項 4に記載の電荷中和装置であって、
前記マイクロ波発生手段は、前記導波管内にマイクロ波の定在波を生成し得るよう に構成されたことを特徴とする電荷中和装置。
[18] 請求項 6に記載の電荷中和装置であって、
前記マイクロ波発生手段は、前記導波管内にマイクロ波の進行波を生成し得るよう に構成されたことを特徴とする電荷中和装置。
[19] 請求項 1乃至 18のいずれかに記載の電荷中和装置を備えたイオン注入装置。
[20] 請求項 1乃至 18のいずれかに記載の電荷中和装置を有するビームライン装置。
[21] 請求項 1乃至 18のいずれかに記載の電荷中和装置を用いて、イオン注入を行なう ことにより形成された耐圧 IV以下の半導体装置。
[22] 請求項 1乃至 18のいずれかに記載の電荷中和装置を用いて、イオン注入を行なう ことにより形成された被処理物。
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