JPH0652824A - イオン注入装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 イオン注入装置において、イオンの注入に基
づく半導体基板の帯電現象を安定、確実に中和して帯電
に起因する絶縁破壊等の弊害を確実に防止する。 【構成】 ファラデーケージ１５と一体となった電離気
体発生器２１を設ける。そして、この電離気体発生器２
１は、Ａｒ等の希ガスを封入された石英容器１７と、そ
の内部両端に設けられたフィラメント１８ａ，１８ｂと
から構成され、このフィラメント１８に通電し、両フィ
ラメント１８ａ，１８ｂ間に５０〜２００Ｖの電圧を印
加して石英容器１７内で放電を発生される。この放電に
より気体電離で２０ｅＶ以下の低エネルギーの電子が発
生し、石英容器１７に設けられた穴２０から放出され半
導体基板５に供給されその正帯電を中和する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、イオン注入装置、特
に半導体プロセスにおいて半導体基板に不純物層を形成
する際に用いられるイオン注入装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板に不純物層を形成する方法の
１つとしてイオン注入法がある。図６は、従来のイオン
注入装置を示す概略構成図である。まず、イオン源１に
ドーパントガス又は固体蒸気を供給し、アーク放電を行
うことにより高密度プラズマを生成する。次に引き出し
電極（図示しない）に高電圧（一般には２０〜８０Ｋ
Ｖ）を印加し、イオン源１よりイオンを引き出すと同時
に所望のエネルギーを与え、イオンビーム２とする。一
定のエネルギーを与えられたイオンビーム２から質量分
析器３で磁場偏向され、その磁束密度、エネルギー、及
び質量分析器３の曲率半径で決まる所定の質量と電荷を
持つイオンが選択される。

【０００３】次いで、イオンビーム２は、分析スリット
４を通過し分解能を高めてターゲットの半導体基板５へ
導かれる。このとき、半導体基板５は円板状のディスク
６上に複数枚載置され、イオン注入が半導体基板５で均
一に行われるようにディスク６を回転Ａおよび並進運動
Ｂさせる。

【０００４】そして、イオン注入が行われる際、半導体
基板５上には通常、既にパターンが形成されている。パ
ターニングされた半導体基板５の一例を図７に示す。図
において、半導体基板５が例えばＰ導電型で、半導体基
板５の主面には、厚いフィールド絶縁膜７が選択的に形
成されている。フィールド絶縁膜７に挟まれた活性領域
には、ゲート絶縁膜となる薄い絶縁膜８が形成されてお
りこの絶縁膜８上にはゲート電極９が形成されている。
なお、絶縁膜８は、デバイスの小型化に伴い、非常に薄
膜化されている。

【０００５】また、通常ＣＭＯＳトランジスタを形成す
る場合には、図７に示すようにフォトレジスト１０で例
えばＰチャネル領域１１をマスクする。この場合、ｎチ
ャネル領域のソース・ドレインをＮ導電型に形成すべく
イオン注入を行う。この時、イオンビーム２は例えばリ
ン、ヒ素等のイオンビームとする。

【０００６】このように、絶縁膜７、８及びフォトレジ
スト１０で半導体基板５上が覆われた状態でイオン注入
を行うと、半導体基板５の表面が正に帯電し、非常に薄
膜化の進んだ絶縁膜８において絶縁破壊が起こる可能性
が大となる。

【０００７】この絶縁破壊を防止する手段の１つとし
て、電荷中和器１２が一般的に用いられている。図８は
中和器１２の動作を説明する概略構成図である。図にお
いて、電荷中和器１２は、電子銃１３のフィラメントか
ら放出される一次電子１４を３００Ｖ程度の電界で加速
し対向するファラデーケージ１５に照射して二次電子１
６を発生させる。この二次電子１６をイオン注入中の半
導体基板５に供給することにより、正イオンによって帯
電した半導体基板５を電気的に中和させている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来のイオン注入装置
は以上のように構成されているので、この電荷中和器１
２を用いてイオン注入を行うと、一次電子１４の一部
が、３００ｅＶ程度のエネルギーを持ったまま半導体基
板５に到達する。この原因はファラデーケージのデザイ
ンと表面状態によるものだと考えられている。この一次
電子は、イオンビーム２と正帯電した半導体基板５の持
つ正のポテンシャルを超えて半導体基板５の電気的に中
性な部分に到達し負の帯電を引き起こす。

【０００９】このように、電荷中和器１２を用いてイオ
ン注入を行うと、正・負帯電を繰り返し、電気的に中和
されることがなく、非常に薄膜化の進んだ絶縁膜８が絶
縁破壊を起こす可能性が大となる。また、一次電子１４
と二次電子１６の量がファラデーケージ１５の表面状態
により経時変化するため制御性が悪い。

【００１０】この発明はこのような問題点を解決するた
めになされたもので、負帯電を起こすことなく半導体基
板の帯電を確実に中和することができるイオン注入装置
を得ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明の請求項１に係
るイオン注入装置は、封入した気体中での放電により電
子を放出する電離気体発生器を半導体基板の近傍に設
け、イオンビームの照射により上記半導体基板に生じる
帯電現象を上記電子で電気的に中和するようにしたもの
である。

【００１２】この発明の請求項２に係るイオン注入装置
は、更にその半導体基板の帯電量を検出し、この検出量
に応じて電離気体発生器の出力を制御するようにしたも
のである。

【００１３】

【作用】電離気体発生器は比較的低エネルギーの電子を
放出し、これが半導体基板に供給されイオン注入による
正電荷帯電を中和する。更に、半導体基板の帯電量を検
出し電離気体発生器の出力を制御することにより、中和
効果がより確実なものとなる。

【００１４】

【実施例】

実施例１．図１（ａ）は、この発明の一実施例によるイ
オン注入装置の要部を示す概略断面図、図１（ｂ）は同
図（ａ）のＣ−Ｃ´断面図である。なお、従来の場合と
重複する部分は、同一符号を付して適宜その説明を省略
する。図において、１７は電離気体を発生させる容器で
あり石英で作られる。この石英容器１７は、ファラデー
ケージ１５の外周を囲んでいる。また、ファラデーケー
ジ１５は円筒型をしており、石英容器１７も同様であ
る。石英容器１７は、図１（ｂ）の下部中央で端部が突
き合わせになる構造で、この両端部に一対のフィラメン
ト１８ａ，１８ｂが設けられている。１９はガス導入
管、２０は内径１ｍｍの穴である。そして、以上の１７
〜２０により電離気体発生器２１を構成する。

【００１５】次に、この電離気体発生器２１により半導
体基板５の帯電を中和する動作について説明する。先
ず、石英容器１７にガスを導入する。このときガスは、
Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ等の希ガスが最適である。ガス流量
は、５ｓｃｃｍまで流すことが可能であるが、通常０．
１〜０．３ｓｃｃｍで使用する。次にフィラメント１８
に直流電流を流し加熱する。さらに、２本のフィラメン
ト１８ａ，１８ｂの間に５０〜２００Ｖの電圧を印加
し、石英容器１７内で放電を発生させる。このように、
石英容器１７内に放電を起こした状態で、イオン注入を
開始すると、石英容器１７内に設けられた２つの穴２０
から電子が放出される。この電子は、ファラデーケージ
１５内に２０ｅＶ以下の低エネルギーで放出されるた
め、負帯電を生じることなく半導体基板５の正帯電を効
果的に中和する。なお、上述の例では石英容器１７に２
つの穴を用意したが、大口径のターゲットにイオン注入
する場合には、この穴を３つ、４つと増やすと効果が上
がる。

【００１６】実施例２．図２はこの発明の実施例２によ
るイオン注入装置の要部を示す概略断面図である。ここ
では、ファラデーケージ１５が図に示すようにいわゆる
コーン型に形成されており、電離気体発生器２１もそれ
に合わせた形状に構成されている。この場合、石英容器
１７内で発生した電子がその穴２０を経て放出される方
向が半導体基板５の表面と４５度の方向となり、図１の
場合に比較して発生した電子の半導体基板５への供給が
効果的に行われるのでその中和作用がより確実円滑にな
される。

【００１７】実施例３．上述の実施例では、石英容器１
７内の電離気体の電子密度は、注入中、放電電圧、電流
が一定のため、ほぼ一定に保たれているが、図３に示す
回路を設けて、電子密度をコントロールすることも可能
である。即ち、帯電量検出器２２で半導体基板５の帯電
量を検出し、この検出量をプリアンプ２３で増幅し、さ
らにＡ／Ｄ変換器２４でデジタル信号にしてマイクロプ
ロセッサー２５に入力する。また一方で、光検出器２６
は、ディスク６に設けられた光ダイオードの光を検知す
ることにより、イオンビーム２が半導体基板５への注入
を行う時間に同期した信号をマイクロプロセッサー２５
に入力する。

【００１８】そして、このマイクロプロセッサー２５
が、入力された帯電検出量と同期信号とから制御パラメ
ータを演算してアーク電圧・電流制御回路２７に出力し
アーク電源２８をコントロールする。また、マイクロプ
ロセッサー２５は、帯電量がある値を超えるとビームし
ゃ断装置２９にビームしゃ断信号を出力し、注入を中断
させる。従って、イオンビーム２のエネルギーレベルが
大幅に変動するような場合にも、正確、確実に中和機能
を遂行する。

【００１９】実施例４．図４はさらに他の実施例を示す
もので、電離気体発生器２１と一体に構成されたファラ
デーケージ１５とディスク６との間に５〜１０Ｖの直流
電圧３０を印加するようにしたものである。この場合、
電離気体発生器２１の石英容器１７から放出された電子
は上記直流電圧による電界でディスク６側に引き寄せら
れ中和効果が高められる。

【００２０】実施例５．図５は、ファラデーケージ１５
の内壁に例えばアルマイト処理による絶縁膜３１を形成
したものである。この場合、電離気体発生器２１から放
出された電子が、ファラデーケージ１５に捕捉されるこ
となくそのほとんどすべてが半導体基板５に供給される
ので、中和作用の効率が向上する。

【００２１】実施例６．なお、上記各実施例では電離気
体発生器２１をファラデーケージ１５と一体に構成する
ようにしたが、半導体基板５から遠く離さない限り、必
ずしもファラデーケージ１５と一体に構成する必要はな
く、独立した配置構成のものとしてもよい。

【００２２】

【発明の効果】この発明は以上のように、所定の電離気
体発生器を備え、そこから放出する比較的低エネルギー
の電子により半導体基板の帯電現象を中和するようにし
たので、高エネルギーの電子の混在によってもたらされ
る負帯電現象の弊害がなく、確実な中和効果が得られ
る。

【００２３】また、半導体基板の帯電量を検出してこれ
に基づき電離気体発生器の出力を制御するようにすれ
ば、イオンビームのエネルギーレベルに変動があっても
正確で安定した中和効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１によるイオン注入装置の要
部を示す断面図である。

【図２】この発明の実施例２によるイオン注入装置の要
部を示す断面図である。

【図３】この発明の実施例３によるイオン注入装置の要
部を示すブロック回路図である。

【図４】この発明の実施例４によるイオン注入装置の要
部を示す断面図である。

【図５】この発明の実施例５によるイオン注入装置の要
部を示す断面図である。

【図６】従来のイオン注入装置を示す構成図である。

【図７】半導体基板上に形成された絶縁膜の帯電状態を
示す図である。

【図８】従来のイオン注入装置における電荷中和器の動
作を説明する図である。

【符号の説明】

１ イオン源 ２ イオンビーム ５ 半導体基板 ６ ディスク １７ 石英容器 １８ フィラメント １９ ガス導入管 ２０ 穴 ２１ 電離気体発生器 ２２ 帯電量検出器 ２７ アーク電圧・電流制御回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 イオン源からイオンを引き出してイオン
   ビームを形成し、このイオンビームを半導体基板に照射
   して上記イオンを注入するイオン注入装置において、 封入した気体中での放電により電子を放出する電離気体
   発生器を上記半導体基板の近傍に設け、上記イオンビー
   ムの照射により上記半導体基板に生じる帯電現象を上記
   電子で電気的に中和するようにしたことを特徴とするイ
   オン注入装置。
2. 【請求項２】 半導体基板の帯電量を検出し、この検出
   量に応じて電離気体発生器の出力を制御するようにした
   ことを特徴とする請求項１記載のイオン注入装置。