JP6429763B2 - イオン注入装置 - Google Patents

Description

本願明細書に開示される技術は、イオン注入装置に関し、たとえば、半導体基板にイオンを注入するイオン注入装置に関するものである。

イオン注入装置は、イオン源系と、質量分析系と、ビームライン系と、エンドステーションとを備える。

イオン源系は、注入する元素をイオン化し、さらに、高電圧を印加して当該元素をイオンビームとして引き出す部分である。また、質量分析系は、イオン源系において引き出されたイオンビームに対し電磁石を用いて磁場をかけることによって当該イオンビームの進行方向を曲げる部分である。また、ビームライン系は、イオンビームを輸送する部分である。

また、エンドステーションは、ターゲット基板である半導体基板をセットし、イオン注入処理を行う部分である。エンドステーションにおいては、２次電子を供給するためのエレクトロンシャワー発生器が設置される。

上記のビームライン系を通過した所望の元素イオンは、エンドステーションにおいてセットされた半導体基板へ照射される。電荷を帯びた元素イオンが半導体基板へ照射されることで、半導体基板は電荷が蓄積して帯電する。

これに対し、エンドステーションに設置されたエレクトロンシャワー発生器から２次電子をイオンビームに供給することによって、２次電子とイオンビームとを同時に半導体基板へ照射することができる。このようにすることで、半導体基板に蓄積される電荷を中和し、半導体基板の帯電を防止することができる（たとえば、特許文献１を参照）。

特開昭６２−１２６５３８号公報

従来のイオン注入装置における、帯電を防止するためのエレクトロンシャワー発生器では、２次電子の発生源であるフィラメントが時間とともに劣化するため、当該フィラメントから供給される２次電子の量が変化してしまう。そのため、２次電子の供給量を制御することが困難であった。

また、イオンビームの注入エネルギー、または、セットされた半導体基板の帯電容量に応じて、エレクトロンシャワー発生器からの２次電子の供給量を制御することが困難であった。特に、ビーム電流が数十ｍＡから数百ｍＡと比較的大きい場合は、自身の帯電によりイオンビームが偏光してイオン注入量が不均一になる場合があり、それに合わせて、エレクトロンシャワー発生器からの２次電子の供給量を制御することが困難であった。

ビーム電流が数十ｍＡから数百ｍＡと比較的大きい場合は、帯電した電荷が飽和すると、半導体基板の表面部分で異常放電が発生して、半導体素子または半導体基板そのものが破損する場合があった。

一方で、帯電を抑制するためにビーム電流を小さくすると、注入エネルギーが減少するため照射時間が長くなり、処理能力が低下してしまう。また、ビーム電流が数ｍＡから数十ｍＡと比較的小さい場合においても、半導体基板の厚みが極めて薄い場合には、ビーム電流が比較的大きい場合と同様に、異常放電によって半導体素子または半導体基板そのものが破損する場合があった。

本願明細書に開示される技術は、以上に記載されたような問題を解決するためのものであり、容易な手法で半導体基板の放電による破損を抑制することができるイオン注入装置に関するものである。

本願明細書に開示される技術の一の態様に関するイオン注入装置は、半導体基板の表面に対してイオンを照射するイオン照射部と、前記半導体基板の端部の裏面および側面のうち少なくとも一方の近傍における前記半導体基板との間で放電可能な位置に、前記半導体基板から離間して配置される少なくとも１つの電極部とを備え、前記電極部が、前記電極部と前記半導体基板とを結ぶ方向とは交差する方向に複数配列されるものである。
また、本願明細書に開示される技術の別の態様に関するイオン注入装置は、半導体基板の表面に対してイオンを照射するイオン照射部と、前記半導体基板の端部の裏面および側面のうち少なくとも一方の近傍における前記半導体基板との間で放電可能な位置に、前記半導体基板から離間して配置される少なくとも１つの電極部とを備え、前記電極部の、前記半導体基板に向かう端部が尖って形成されるものである。

本願明細書に開示される技術の一の態様に関するイオン注入装置は、半導体基板の表面に対してイオンを照射するイオン照射部と、前記半導体基板の端部の裏面および側面のうち少なくとも一方の近傍における前記半導体基板との間で放電可能な位置に、前記半導体基板から離間して配置される少なくとも１つの電極部とを備え、前記電極部が、前記電極部と前記半導体基板とを結ぶ方向とは交差する方向に複数配列されるものである。このような構成によれば、電極部によって半導体基板の端部の近傍で放電が生じるため、容易な手法で半導体基板の異常放電による破損を抑制することができる。また、半導体基板と電極部とが非接触であるため、電極部による半導体基板への汚染、または、電極部による半導体基板へのダメージを抑制することができる。
また、本願明細書に開示される技術の別の態様に関するイオン注入装置は、半導体基板の表面に対してイオンを照射するイオン照射部と、前記半導体基板の端部の裏面および側面のうち少なくとも一方の近傍における前記半導体基板との間で放電可能な位置に、前記半導体基板から離間して配置される少なくとも１つの電極部とを備え、前記電極部の、前記半導体基板に向かう端部が尖って形成されるものである。このような構成によれば、電極部によって半導体基板の端部の近傍で放電が生じるため、容易な手法で半導体基板の異常放電による破損を抑制することができる。また、半導体基板と電極部とが非接触であるため、電極部による半導体基板への汚染、または、電極部による半導体基板へのダメージを抑制することができる。

本願明細書に開示される技術に関する目的と、特徴と、局面と、利点とは、以下に示される詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

実施の形態に関する、イオン注入装置を実現するための部分的な構成を概略的に例示する断面図である。 実施の形態に関する、イオン注入装置を実現するための部分的な構成を概略的に例示する断面図である。 実施の形態に関する、イオン注入装置を実現するための部分的な構成を概略的に例示する断面図である。 実施の形態に関する、イオン注入装置を実現するための部分的な構成を概略的に例示する断面図である。 実施の形態に関する、半導体基板の側面と針電極の先端との間で放電が発生する回数と、半導体基板と針電極との間の距離Ｘとの関係を例示する図である。 実施の形態に関する、イオン注入装置の全体の構造を例示する平面図である。 実施の形態に関する、半導体基板の表面部分で異常放電が発生した場合を例示する図である。

以下、添付される図面を参照しながら実施の形態について説明する。なお、図面は概略的に示されるものであり、異なる図面にそれぞれ示される画像の大きさと位置との相互関係は、必ずしも正確に記載されるものではなく、適宜変更され得るものである。また、以下に示される説明では、同様の構成要素には同じ符号を付して図示し、それらの名称と機能とについても同様のものとする。したがって、それらについての詳細な説明を省略する場合がある。

また、以下に記載される説明において、「上」、「下」、「側」、「底」、「表」または「裏」などの特定の位置と方向とを意味する用語が用いられる場合があっても、これらの用語は、実施の形態の内容を理解することを容易にするために便宜上用いられるものであり、実際に実施される際の方向とは関係しないものである。

＜第１の実施の形態＞
以下、本実施の形態に関するイオン注入装置について説明する。説明の便宜上、まず、一般的なイオン注入装置の全体の構造について説明する。

図６は、イオン注入装置の全体の構造を例示する平面図である。イオン注入装置は、一般に、高電圧、かつ、高真空の機器である。図６に例示されるように、イオン注入装置は、イオン源系８と、質量分析系９と、ビームライン系１０と、エンドステーション１２とを備える。

イオン源系８は、注入する元素をイオン化し、さらに、高電圧を印加して当該元素をイオンビームとして引き出す部分である。また、質量分析系９は、イオン源系８において引き出されたイオンビームに対し電磁石を用いて磁場をかけることによって当該イオンビームの進行方向を曲げる部分である。そうすることによって、質量分析系９において、所定の質量の元素だけを選別することができる。すなわち、質量の軽い元素は曲がり過ぎ、また、質量の重い元素は曲がり切れないため、磁場を調整することで要求される質量の元素のみを取り出すことができる。

また、ビームライン系１０は、イオンビームを輸送する部分である。ビームライン系１０においては、所定の電圧が印加されることによって、イオンビームが加速され、イオンビームの形状が整形され、イオンビームが集束され、また、イオンビームが走査（スキャン）される。

また、エンドステーション１２は、ターゲット基板である半導体基板１をセットし、イオン注入処理を行う部分である。エンドステーション１２においては、２次電子を供給するためのエレクトロンシャワー発生器１１が設置される。

上記のビームライン系１０を通過した所望の元素イオンは、エンドステーション１２においてセットされた半導体基板１へ照射される。電荷を帯びた元素イオンが半導体基板１へ照射されることで、半導体基板１は電荷が蓄積して帯電する。

これに対し、エンドステーション１２に設置されたエレクトロンシャワー発生器１１から２次電子をイオンビームに供給することによって、２次電子とイオンビームとを同時に半導体基板１へ照射することができる。このようにすることで、半導体基板１に蓄積される電荷を中和し、半導体基板１の帯電を防止することができる。

しかしながら、帯電を防止するためのエレクトロンシャワー発生器では、２次電子の発生源であるフィラメントが時間とともに劣化するため、当該フィラメントから供給される２次電子の量が変化してしまう。そのため、２次電子の供給量を制御することが困難であった。

また、イオンビームの注入エネルギー、または、セットされた半導体基板の帯電容量に応じて、エレクトロンシャワー発生器からの２次電子の供給量を制御することが困難であった。特に、ビーム電流が数十ｍＡから数百ｍＡと比較的大きい場合は、自身の帯電によりイオンビームが偏光してイオン注入量が不均一になる場合があり、それに合わせて、エレクトロンシャワー発生器からの２次電子の供給量を制御することが困難であった。

図７は、半導体基板１の表面部分で異常放電が発生した場合を例示する図である。図７に例示されるような、静電チャックステージ２上に半導体基板１が配置された状態で、半導体基板１の表面における半導体素子３などにイオンビーム４が照射される場合、ビーム電流がたとえば数十ｍＡから数百ｍＡと比較的大きいと帯電した電荷が飽和し、さらに、半導体基板１の表面部分で異常放電が発生することがある。その場合、半導体素子または半導体基板１そのものが破損することがあった。

一方で、帯電を抑制するためにビーム電流を小さくすると、注入エネルギーが減少するため照射時間が長くなり、処理能力が低下してしまう。また、ビーム電流が数ｍＡから数十ｍＡと比較的小さい場合においても、半導体基板１の厚みが極めて薄い場合には、ビーム電流が比較的大きい場合と同様に、異常放電によって半導体素子３または半導体基板１そのものが破損する場合があった。

＜イオン注入装置の構成について＞
図１は、本実施の形態に関するイオン注入装置を実現するための部分的な構成を概略的に例示する断面図である。

図１に例示されるように、たとえば、正イオン種のイオンビーム４が照射されると、静電チャックステージ２上に置かれた半導体基板１および半導体素子３の表面はプラス電荷に帯電する。

ここで、半導体基板１の側面近傍には、半導体基板１および半導体素子３に帯電した電荷を放電させるための針電極５が設けられる。針電極５は、接地またはバイアス電圧をかける電極である。針電極５は、半導体基板１と針電極５との間の距離Ｘを任意に設定することができるように、半導体基板１の厚み方向および半導体基板１の側方へ位置を移動することができる機構５０に取り付けられる。そして、半導体基板１の側面と針電極５の先端との間で放電が発生する。

＜イオン注入装置の動作について＞
図５は、たとえば、イオン照射時間が６分間である場合に、半導体基板１の側面と針電極５の先端との間で放電が発生する回数と、半導体基板１と針電極５との間の距離Ｘとの関係を例示する図である。図５において、縦軸は放電の発生回数を示し、横軸は半導体基板１と針電極５との間の距離Ｘ［ｍｍ］を示す。

半導体基板１の帯電が起きやすいビーム加速条件として、標準的なビーム電流１．５ｍＡに対してビーム電流を２．０ｍＡに増やした状態で、加速電圧５０ｋｅＶ、ドーズ量２．０×１０^１２ａｔｏｍ／ｃｍ^２でリンイオン（Ｐ）を注入して実験する。

すると、針電極５から半導体基板１の側面までの距離Ｘが６．４ｍｍである場合、放電の発生回数は０回であった。また、針電極５から半導体基板１の側面までの距離Ｘが５．４ｍｍである場合、放電の発生回数は０回であった。また、針電極５から半導体基板１の側面までの距離Ｘが４．４ｍｍである場合、放電の発生回数は１回であった。また、針電極５から半導体基板１の側面までの距離Ｘが３．４ｍｍである場合、放電の発生回数は１回であった。また、針電極５から半導体基板１の側面までの距離Ｘが２．４ｍｍである場合、放電の発生回数は１回であった。また、針電極５から半導体基板１の側面までの距離Ｘが１．４ｍｍである場合、放電の発生回数は５回であった。また、針電極５から半導体基板１の側面までの距離Ｘが０．４ｍｍである場合、放電の発生回数は１１回であった。

以上より、針電極５から半導体基板１の側面までの距離Ｘが、

である場合に、放電が発生することが分かる。この場合、半導体素子３の破損も生じない。この傾向は、標準的なビーム電流１．５ｍＡでも同様であった。

一方で、半導体基板１と針電極５とが接触する場合、すなわち、針電極５から半導体基板１の側面までの距離Ｘが０である場合には、半導体基板１と針電極５とが常にショートした状態となる。したがって、静電チャックステージに帯電している電荷が短絡して、半導体基板１の表面における保持が不安定になる。そのため、半導体基板１と針電極５とは、離間すること、すなわち、針電極５から半導体基板１の側面までの距離Ｘが、

であることが必要である。

一方、半導体基板１の帯電が起きにくいビーム緩和条件として、ビーム電流を０．７５ｍＡよりも小さくすると、放電は発生せず、かつ、半導体素子３の破損も生じなかった。しかしながら、ビーム電流を０．７５ｍＡよりも小さくした状態で同じ注入エネルギー量を照射するためには、１枚の処理が、ビーム電流を２．０ｍＡとした場合に要する時間がおよそ６分間であることに対して、要する時間がおよそ１６分間となる。そのため、著しく処理能力が低下する。

このように、本実施の形態に関するイオン注入装置を用いた場合、高エネルギー注入を必要とする場合でも、半導体基板１の帯電を抑制するためにビーム電流を下げる必要がないため、短時間での照射が可能となる。そのため、処理能力が高く維持される。

＜第２の実施の形態＞
本実施の形態に関するイオン注入装置について説明する。以下では、以上に記載された実施の形態で説明された構成と同様の構成については同じ符号を付して図示し、その詳細な説明については適宜省略するものとする。

＜イオン注入装置の構成について＞
図２は、本実施の形態に関するイオン注入装置を実現するための部分的な構成を概略的に例示する断面図である。

図２に例示されるように、半導体基板１の側面の近傍に、少なくとも２個以上の針電極６がイオンビーム４に沿う方向、すなわち、半導体基板１の厚み方向へ並べて配置される。針電極６は、半導体基板１と針電極６との間の距離Ｘを任意に設定することができるように、半導体基板１の厚み方向および半導体基板１の側方へ位置を移動することができる機構５０に取り付けられる。このような構成であれば、針電極６のイオンビーム４に沿う方向、すなわち、半導体基板１の厚み方向の位置決めが不要となる。そのため、たとえば、半導体基板１の厚みが薄い場合、または、半導体基板１の厚みにばらつきがある場合などであっても、確実に放電を発生させることができる。

＜第３の実施の形態＞
本実施の形態に関するイオン注入装置について説明する。以下では、以上に記載された実施の形態で説明された構成と同様の構成については同じ符号を付して図示し、その詳細な説明については適宜省略するものとする。

＜イオン注入装置の構成について＞
図３は、本実施の形態に関するイオン注入装置を実現するための部分的な構成を概略的に例示する断面図である。

図３に例示されるように、半導体基板１の裏面の近傍、すなわち、半導体基板１のイオンビーム４が照射される面である表面の反対側の面の近傍において、薄いリング状の電極７が配置される。リング状の電極７は、半導体基板１の厚み方向へ移動することができる機構（ここでは、図示しない）に取り付けられる。リング状の電極７は、接地またはバイアス電圧をかける電極である。

リング状の電極７が半導体基板１の外周に沿ってリング状に配置されることで、帯電した電荷の分布が半導体基板１の面内で偏っている場合であっても、半導体基板１の外周の全周において、放電を発生させることができる。また、リング状の電極７によって半導体基板１の裏面側において放電が発生するため、半導体基板１の厚みが異なる場合であっても半導体基板１の厚み方向の調整のみで放電を発生させることができるため、構成が簡易となる。また、半導体基板１とリング状の電極７との間の距離Ｘの管理が容易である。

なお、第１の実施の形態または第２の実施の形態における針電極が、平面視において半導体基板１を囲むように、すなわち、リング状に形成されていてもよい。

また、リング状の電極７は、平面視において一部が欠けた状態、すなわち、平面視において断続的に半導体基板１を囲んで形成される場合であってもよい。

＜第４の実施の形態＞
本実施の形態に関するイオン注入装置について説明する。以下では、以上に記載された実施の形態で説明された構成と同様の構成については同じ符号を付して図示し、その詳細な説明については適宜省略するものとする。

＜イオン注入装置の構成について＞
図４は、本実施の形態に関するイオン注入装置を実現するための部分的な構成を概略的に例示する断面図である。

図４に例示されるように、半導体基板１の裏面の近傍、すなわち、半導体基板１のイオンビーム４が照射される面である表面の反対側の面の近傍において、薄いリング状の電極７ａが配置される。リング状の電極７ａは、半導体基板１の厚み方向へ移動することができる機構（ここでは、図示しない）に取り付けられる。リング状の電極７ａの先端は、針状に尖って形成される。

このように形成されることで、放電した電荷がリングへ集中するため、より確実に放電を発生させることができる。

なお、リング状の電極７ａが、第２の実施の形態における針電極のように、リング状の電極７ａと半導体基板１とを結ぶ方向とは交差する方向、すなわち、半導体基板１の裏面に沿う方向に複数設けられてもよい。

また、リング状の電極７ａは、平面視において一部が欠けた状態、すなわち、平面視において断続的に半導体基板１を囲んで形成される場合であってもよい。

＜以上に記載された実施の形態による効果について＞
以下に、以上に記載された実施の形態による効果を例示する。なお、以下では、以上に記載された実施の形態に例示された具体的な構成に基づく効果が記載されるが、同様の効果が生じる範囲で、本願明細書に例示される他の具体的な構成と置き換えられてもよい。また、当該置き換えは、複数の実施の形態に跨ってなされてもよいものである。すなわち、異なる実施の形態において例示されたそれぞれの構成が組み合わされて、同様の効果が生じる場合であってもよい。

以上に記載された実施の形態によれば、イオン注入装置は、イオン照射部と、少なくとも１つの電極部とを備えるものである。ここで、イオン源系８は、イオン照射部に対応するものである。また、針電極５、針電極６、リング状の電極７およびリング状の電極７ａのうちの少なくとも１つは、電極部に対応するものである。イオン源系８は、半導体基板１の表面に対してイオンを照射する。針電極５は、半導体基板１の端部の裏面および側面のうち少なくとも一方の近傍における半導体基板１との間で放電可能な位置に、半導体基板１から離間して配置される。

このような構成によれば、針電極５によって半導体基板１の端部の近傍で放電が生じるため、容易な手法で半導体基板１の異常放電による破損を抑制することができる。また、半導体基板１と針電極５とが非接触であるため、針電極５による半導体基板１への汚染、または、針電極５による半導体基板１へのダメージを抑制することができる。

なお、これらの構成以外の本願明細書に例示される他の構成については適宜省略することができる。すなわち、これらの構成のみで、以上に記載された効果を生じさせることができる。しかしながら、本願明細書に例示される他の構成のうちの少なくとも１つを以上に記載された構成に適宜追加した場合、すなわち、以上に記載された構成としては記載されなかった本願明細書に例示される他の構成を以上に記載された構成に追加した場合でも、同様に以上に記載された効果を生じさせることができる。

また、以上に記載された実施の形態によれば、針電極５と半導体基板１との間の距離が、４．４ｍｍ以下である。このような構成によれば、半導体基板１の帯電が起きやすいビーム加速条件下において、適切に放電を発生させることができる。

また、以上に記載された実施の形態によれば、針電極６が、針電極６と半導体基板１とを結ぶ方向とは交差する方向に複数配列されるものである。このような構成によれば、針電極６と半導体基板１とを結ぶ方向と交差する方向における位置決めが不要となる。したがって、たとえば、針電極６がイオンビーム４に沿う方向、すなわち、半導体基板１の厚み方向に複数配列されることで、半導体基板１の厚み方向の位置決めが不要となる。そのため、たとえば、半導体基板１の厚みが薄い場合、または、半導体基板１の厚みにばらつきがある場合などであっても、確実に放電を発生させることができる。また、たとえば、リング状の電極７ａが、半導体基板１の裏面に沿う方向に複数配列されることで、半導体基板１の径方向の位置決めが不要となる。

また、以上に記載された実施の形態によれば、リング状の電極７が、平面視において半導体基板１の少なくとも一部を囲んで配置されるものである。このような構成によれば、リング状の電極７を使用することで、イオン注入によって帯電した電荷の分布が半導体基板１の面内で偏っている場合であっても、半導体基板１の側面ほぼ全周において、放電を発生させることができる。また、半導体基板１の裏面側において放電が発生するため、半導体基板１の厚みが異なる場合であっても半導体基板１の厚み方向の調整のみで放電を発生させることができるため、構成が簡易となる。また、半導体基板１とリング状の電極７との間の距離Ｘの管理が容易である。

また、以上に記載された実施の形態によれば、リング状の電極７ａの、半導体基板１に向かう端部が尖って形成される。このような構成によれば、放電した電荷がリングへ集中するため、より確実に放電を発生させることができる。

＜以上に記載された実施の形態における変形例について＞
以上に記載された実施の形態では、それぞれの構成要素の材質、材料、寸法、形状、相対的配置関係または実施の条件などについても記載する場合があるが、これらはすべての局面において例示であって、本願明細書に記載されたものに限られることはないものとする。したがって、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。たとえば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの実施の形態における少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

また、矛盾が生じない限り、以上に記載された実施の形態において「１つ」備えられるものとして記載された構成要素は、「１つ以上」備えられていてもよいものとする。さらに、それぞれの構成要素は概念的な単位であって、１つの構成要素が複数の構造物から成る場合と、１つの構成要素がある構造物の一部に対応する場合と、さらには、複数の構成要素が１つの構造物に備えられる場合とを含むものとする。また、それぞれの構成要素には、同一の機能を発揮する限り、他の構造または形状を有する構造物が含まれるものとする。

また、本願明細書における説明は、本技術に関するすべての目的のために参照され、いずれも、従来技術であると認めるものではない。

また、以上に記載された実施の形態において、特に指定されずに材料名などが記載された場合は、矛盾が生じない限り、当該材料に他の添加物が含まれた、たとえば、合金などが含まれるものとする。

１ 半導体基板、２ 静電チャックステージ、３ 半導体素子、４ イオンビーム、５，６ 針電極、７，７ａ リング状の電極、８ イオン源系、９ 質量分析系、１０ ビームライン系、１１ エレクトロンシャワー発生器、１２ エンドステーション、５０ 機構、Ｘ 距離。

Claims (4)

1. 半導体基板の表面に対してイオンを照射するイオン照射部と、
   前記半導体基板の端部の裏面および側面のうち少なくとも一方の近傍における前記半導体基板との間で放電可能な位置に、前記半導体基板から離間して配置される少なくとも１つの電極部とを備え、
   前記電極部が、前記電極部と前記半導体基板とを結ぶ方向とは交差する方向に複数配列される、
   イオン注入装置。
2. 半導体基板の表面に対してイオンを照射するイオン照射部と、
   前記半導体基板の端部の裏面および側面のうち少なくとも一方の近傍における前記半導体基板との間で放電可能な位置に、前記半導体基板から離間して配置される少なくとも１つの電極部とを備え、
   前記電極部の、前記半導体基板に向かう端部が尖って形成される、
   イオン注入装置。
3. 前記電極部と前記半導体基板との間の距離が、４．４ｍｍ以下である、
   請求項１または請求項２に記載のイオン注入装置。
4. 前記電極部が、平面視において前記半導体基板の少なくとも一部を囲んで配置される、
   請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載のイオン注入装置。

Images