JPH0896744A - 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、半導体基板面内の中
和電子の供給を安定させることにより、チャージアップ
現象に伴って発生するゲート耐圧の低下を防止し、大口
径の半導体基板でも安定したイオン注入処理を行なうこ
とのできる技術を提供すること。 【構成】半導体基板１３にイオンビーム９によって不純
物イオン９ａを衝突させることにより、半導体基板１３
に所望の導電型領域を形成するための不純物イオン供給
手段と、不純物イオンを電気的に中和させるための電子
を発生させるためのエレクトロフラドガン１２とを有し
てなるイオン注入装置１のエレクトロフラドガン１２
に、電子を半導体基板１３の方向へスキャンさせるため
のスキャンマグネット１６を備えた。 【効果】イオンビームと同方向、同速度でスキャンし
て、半導体基板の帯電の中和を効率よく、かつ均一に行
なうことができる。従って、チャージアップ現象に伴っ
て発生するゲート耐圧の低下を防止し、大口径のウェハ
でも安定したイオン注入処理を行なうことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路装置の
製造技術に関するものであり、特に不純物イオンを半導
体基板へ衝突させることによって、半導体基板にｐ型又
はｎ型の導電型領域を形成するためのイオン注入技術に
利用して有効なものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路装置の製造プロセスにお
いて、半導体基板へ不純物イオンを導入するイオン注入
処理や、パターニングされた半導体基板をエッチングす
るエッチング処理は、正又は負の荷電粒子を半導体基板
へ衝突させることにより処理を行なっている。これらの
処理では、半導体基板に衝突した荷電粒子、例えば正の
イオンは、クランプリングを介して半導体基板に接続さ
れた接地電極から供給される電子によって電気的中和が
なされている。しかしながら、半導体基板に供給される
荷電粒子数に対して供給される電子又は正孔の供給速度
が遅れた場合、半導体基板が荷電粒子の電荷によって帯
電する現象、所謂チャージアップ現象が生じてしまう。
特に、大電流のイオン注入装置においてはその傾向が著
しい。

【０００３】絶縁ゲート型電界効果トランジスタからな
る半導体集積回路装置（ＭＩＳＩＣ）において、このよ
うなチャージアップ現象が、例えばＭＯＳトランジスタ
のソース及びドレイン領域を形成する際にゲート電極に
生じた場合、ゲート酸化膜が破壊されてしまうという問
題がある。特に最近は、ＭＯＳＩＣの微細化が進み、そ
れに伴ってゲート酸化膜も薄膜化しており、微小なチャ
ージアップ現象にも破壊されやすくなっている。特にイ
オン注入処理では半導体基板中に不純物イオンを注入
し、電子と電気的に中和させた形で残すため、チャージ
アップ現象を生じさせないように注入される不純物イオ
ンには即座に電子を供給する必要がある。

【０００４】尚、イオン注入装置に関しては、「超ＬＳ
Ｉ製造・試験装置ガイドブック １９８８年版 電子材
料別冊」（工業調査会発行）第５８頁乃至第６４頁に記
載されている。例えば、同文献第５９頁左欄第１行目乃
至第１１行目には、「微細素子では、薄膜化が進み、イ
オン注入時その膜破壊を防止することも重要な課題であ
る。すなわち、注入時にウェハが帯電し静電破壊を引き
起こす。イオン注入装置は、この帯電量を低減させる改
良が必要である。デバイス構造にも依存するが、数Ｖ以
下が望まれる。このためには、イオンビーム径の大口径
化およびその均一化が重要なポイントとなる。強制的に
エレクトロフラドガンでイオンを中和させる法もあり、
非常に有効であるが、エレクトロフラドガンの安定化お
よび帯電モニタによるエレクトロフラド制御が望まれ
る。」旨が記載されている。

【０００５】図４（ａ）に、エレクトロフラドガンの概
略、（ｂ）に、プラズマフラドガンの該略を示す。エレ
クトロフラドガン２９は、フィラメント３１で発生した
熱電子３２をターゲットブロック３５に当て、ターゲッ
トブロック３５で２次電子３６が放出される。この２次
電子３６が、イオンビーム３４や帯電した半導体基板３
３に引き寄せられることを利用して不純物イオンの中和
を行なう。また、プラズマフラドガン３８は、アークチ
ャンバ３９内にＡｒガスを流し、フィラメント４０−ア
ークチャンバ３９間に電圧をかけ、プラズマ放電により
発生した電子４６により不純物イオンの中和を行なう。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、エレク
トロフラドガンを用いた場合、２次電子を発生させるた
めに高電圧をかけて熱電子を発生させるが、熱電子の持
つエネルギーが高く必要以上に２次電子が供給され、逆
に負のチャージアップ現象を引き起こす可能性がある。
また、本発明者は、プラズマフラドガンのイオン中和技
術の評価を行なうため、ダメージ評価用半導体基板を使
用しテストを行なった。その結果、打ち込みビーム量を
上げた半導体基板については、基板周縁部で耐圧が低く
なっていることが判明した。本発明者は、プラズマフラ
ドガンの中和電子の供給量に基板面内でバラツキがあ
り、中和電子の供給源から遠くなる基板周縁部では電子
の供給量が基板中央部よりも少なくなるため、中和電子
が十分に供給されていない可能性があり、また、現在の
流れとして半導体基板の大口径化が進むことに伴い、こ
のような現象が著しくなると考え、鋭意検討した。

【０００７】そこで本発明は、イオン注入装置におい
て、半導体基板面内の中和電子の供給を安定させること
により、チャージアップ現象に伴って発生するゲート耐
圧の低下を防止し、大口径の半導体基板でも安定したイ
オン注入処理を行なうことのできる技術を提供すること
を目的とする。

【０００８】本発明の前記並びにその他の目的と新規な
特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになる
であろう。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次
のとおりである。すなわち、半導体基板にイオンビーム
によって不純物イオンを衝突させることにより、半導体
基板に所望の導電型領域を形成するための不純物イオン
供給手段と、不純物イオンを電気的に中和させるための
電子を発生させるための電子発生手段とを有してなるイ
オン注入装置の電子発生手段に、電子を半導体基板の方
向へスキャンさせるためのスキャンマグネットを備える
ものである。

【００１０】

【作用】電子発生手段で発生させた電子を半導体基板の
方向へスキャンさせるスキャンマグネットとを備えたの
で、磁界により電子の供給方向が制御可能となる。従っ
て、イオンビームと同方向、同速度でスキャンして半導
体基板の帯電の中和を効率よく、かつ均一に行なうこと
ができ、不純物イオン蓄積によるチャージアップ現象に
伴って発生するゲート耐圧の低下を防止し、大口径のウ
ェハでも安定したイオン注入処理を行なうことができ
る。

【００１１】

【実施例】以下、本発明をイオン注入装置に用いた例に
ついて説明する。

【００１２】図１はイオン注入装置１の概略を示す図で
ある。イオン注入装置１の主要部は、イオン源部４、イ
オンビーム９を加速させる加速部５、イオンビーム９か
ら目的の不純物イオンのみ取り出すための質量分析部
６、イオンビーム９を一定速度でスキャンするスキャン
部７、イオンビーム９の角度補正を行なうアングルコレ
クター部８及び打ち込み室１０から構成されており、各
部はイオンと残留ガス分子との衝突による中性粒子発生
防止のため、高真空に保持される。半導体基板１３は注
入室１０の回転円盤１０ａ上に複数枚セットするように
なっており、回転円盤１０ａを高速回転させ半導体基板
１３が注入位置１１に達した際にイオン注入処理を行な
う。注入位置１１の近傍には、不純物イオンの電荷を電
気的に中和するための中和電子供給手段、例えばプラズ
マフラドガン１２が設けられている。図２にプラズマフ
ラドガン１２から供給される電子とイオンビームとの関
係を示す。半導体基板１３は接地電極２２に接続された
導電性のクランプリング２０によって周縁部で支持され
ており、正の不純物イオンを電気的に中和させるための
電子がクランプリング２０を介して半導体基板１３に供
給される。半導体基板１３と接地電極２２との間には、
注入されたイオン数をカウントするドーズＣＰＵ２１を
備えている。ドーズＣＰＵ２１は電気的に中和させるた
めの電子を半導体基板１３へ供給される途中でカウント
することによって打ち込まれた正の不純物イオン数をカ
ウントするものである。

【００１３】設置電極２２から供給される電子の不足分
を補うプラズマフラドガン１２は、アークチャンバ１４
内にＡｒガス１８をガス導入口１７から供給し、フィラ
メント１４ａ−アークチャンバ１４間に電圧をかけてプ
ラズマ放電させ、それによって発生した電子を中和に用
いる。本発明では、プラズマフラドガン１２に、アーク
チャンバ１４内から電子を引出すための引出電極１５、
及び電子をイオンビームと同様にスキャンさせためのス
キャンマグネット１６を設けている。引出電極１５を設
けたことにより、アークチャンバ１４内から引き出す電
子の量を制御することができる。また、スキャンマグネ
ット１６を設けたことにより、イオンビーム９と同方
向、同速度で中和電子を供給することができる。

【００１４】次に、本発明のイオン注入方法について説
明する。イオンビーム９は、まずイオン源部４のアーク
チャンバにガスを導入しアーク放電によってイオン化さ
れる。アーク電圧によってアークチャンバ外に引き出さ
れたイオンは、再び引き出し部電圧で引き出され、加速
部５で必要な注入深度となるように電圧が印加される。
その後、質量分析部６で打ち込みに必要な不純物イオン
のみが選択される。選択されたイオンビーム９はスキャ
ン部７で横方向に一定速度でスキャンされ、アングルコ
レクター部８で半導体基板に対し平行に角度補正され注
入室１０に導入される。一方半導体基板１３は注入室１
０の回転円盤１０ａ上に複数枚セットされており、回転
円盤１０ａを高速回転させ半導体基板１３が注入位置１
１に達した際にイオン注入処理が施される。注入中、回
転円盤１０ａが高速回転することにより、セットされた
半導体基板１３はすべて均一な注入が行なわれる。又、
注入された不純物イオン９ａはドーズＣＰＵ部に設けら
れた電流計により注入量としてカウントされる。イオン
注入の際、プラズマフラドガン１２では、まずアークチ
ャンバ１４内にＡｒガス１８をガス導入口１７から供給
し、フィラメント１４ａ−アークチャンバ１４間に電圧
をかけてプラズマ放電させる。それに伴って多量の低エ
ネルギー電子を発生させることができる。本発明では、
プラズマ放電によって発生した電子を、引出電極１５に
よってアークチャンバから引き出し、スキャンマグネッ
ト１６によって、イオンビーム９と同方向、同速度で電
子をスキャンさせる。スキャンされた電子は、イオンビ
ーム９の不純物イオンあるいは半導体基板１３にチャー
ジされた不純物イオンと電気的に中和する。これによ
り、荷電粒子の流れと同方向、同速度でスキャンして半
導体基板の帯電の中和を効率よく、かつ均一に行なうこ
とができる。従って、チャージアップ現象に伴って発生
するゲート耐圧の低下を防止し、大口径のウェハでも安
定したイオン注入処理を行なうことができる。

【００１５】次に、本発明の作用効果について説明す
る。

【００１６】（１）電子発生手段に、電子を半導体基板
の方向へスキャンさせるスキャンマグネットとを備えた
ので、イオンビームと同方向、同速度でスキャンして半
導体基板の帯電の中和を効率よく、かつ均一に行なうこ
とができる。従って、チャージアップ現象に伴って発生
するゲート耐圧の低下を防止し、大口径のウェハでも安
定したイオン注入処理を行なうことができる。

【００１７】（２）電子発生手段は、アークチャンバ内
にＡｒガスを供給し、フィラメントとアークチャンバと
の間に電圧を印加してプラズマ放電を起こすことによ
り、電子を発生させるので、多量の低エネルギー電子を
発生できる。従って、中和電子の供給を安定させること
ができるため、スキャンマグネットを用いることによ
り、イオンを効率よく均一に中和することができる。

【００１８】（３）電子を電子発生手段から引き出すた
めの引出電極を設けたことにより、電子発生手段から引
き出す電子の量を制御することができる。従って、スキ
ャンマグネットと併用することにより、電子をイオンビ
ームの流れと同方向、同速度でスキャンして半導体基板
の帯電の中和を効率よく、かつ均一に行なうことができ
る。これにより、チャージアップ現象に伴って発生する
ゲート耐圧の低下を防止し、また、大口径のウェハでも
安定したイオン注入処理を行なうことができる。

【００１９】以上、本発明者によってなされた発明を実
施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例
に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲
で種々変更可能であることは言うまでもない。例えば上
記実施例では、ＭＯＳトランジスタのソース領域及びド
レイン領域を形成するためのイオン注入技術に用いた例
を説明したが、相補型ＭＯＳ（ＣＭＯＳ）トランジスタ
のチャンネルストッパやウエルの形成に用いても良いこ
とは勿論である。また、上記実施例では、プラズマフラ
ドガンを用いて中和用電子を発生させていたが、図３に
示すように、チャンバ２４内に電子銃２５及びターゲッ
トブロック２６を設け、チャンバ２４内で電子銃２５か
らターゲットブロック２６に電子ビーム２７を照射する
ことにより２次電子２８を発生させ、その２次電子２８
を引出電極１５で引き出し、スキャンマグネット１６に
よってスキャンさせても上記実施例と同様の効果が得ら
れる。

【００２０】本発明は、特に大電流のイオン注入装置に
利用して格別な効果を奏するものであり、今後、大口径
の半導体基板を用いて更なる微細加工が求められる場合
でも難なく対応できるものである。

【００２１】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。

【００２２】すなわち、半導体基板にイオンビームによ
って不純物イオンを衝突させることにより、半導体基板
に所望の導電型領域を形成するための不純物イオン供給
手段と、不純物イオンを電気的に中和させるための電子
を発生させるための電子発生手段とを有してなるイオン
注入装置の電子発生手段に、電子を前記半導体基板の方
向へスキャンさせるためのスキャンマグネットを備える
ことにより、イオンビームと同方向、同速度でスキャン
して、半導体基板の帯電の中和を効率よく、かつ均一に
行なうことができる。従って、チャージアップ現象に伴
って発生するゲート耐圧の低下を防止し、大口径のウェ
ハでも安定したイオン注入処理を行なうことができる。

【００２３】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるイオン注入装置の概略
を示す図である。

【図２】本発明の一実施例であるイオン注入装置のプラ
ズマフラドガンから供給される電子とイオンビームとの
関係を示す図である。

【図３】本発明の他の実施例であるイオン注入装置の電
子発生手段の概略を示す図である。

【図４】（ａ）は従来の電子発生手段であるエレクトロ
フラドガンの概略図、（ｂ）はプラズマフラドガンの概
略図である。

【符号の説明】

１……イオン注入装置，２……高電圧電源，３……ガス
ボックス，４……イオン源部，５……加速部，６……質
量分析部，７……スキャン部，８……アングルコレクタ
ー部，９……イオンビーム，９ａ……不純物イオン，１
０……注入室，１０ａ……回転円盤，１１……注入位
置，１２……プラズマフラドガン，１３……半導体基
板，１４……アークチャンバ，１４ａ……フィラメン
ト，１５……引出電極，１６……スキャンマグネット，
１７……ガス導入口，１８……Ａｒガス，１９……電子
流，１９ａ……電子，２０……クランプリング，２１…
…ドーズＣＰＵ，２２……接地電極，２３……電子発生
手段，２４……チャンバ，２５……電子銃，２６……タ
ーゲットブロック，２７……電子ビーム，２８……２次
電子，２９……エレクトロフラドガン，３０……リフレ
クター，３１……フィラメント，３２……熱電子，３３
……半導体基板，３４……イオンビーム，３５……ター
ゲットブロック，３６……２次電子，３７……フアラデ
ー，３８……プラズマフラドガン，３９……アークチャ
ンバ，４０……フィラメント，４１……ガス導入口，４
２……アーク電流計，４３……ファラデー，４４……半
導体基板，４５……イオンビーム，４６……電子

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板にイオンビームによって不純物
   イオンを衝突させることにより、前記半導体基板に所望
   の導電型領域を形成するための不純物イオン供給手段
   と、前記不純物イオンを電気的に中和させるための電子
   を発生させるための電子発生手段とを有してなるイオン
   注入装置であって、前記電子発生手段には、電子を前記
   半導体基板の方向へスキャンさせるためのスキャンマグ
   ネットを備えたことを特徴とする半導体基板処理装置。
2. 【請求項２】前記電子発生手段は、アークチャンバ内に
   Ａｒガスを供給し、フィラメントとアークチャンバとの
   間に電圧を印加してプラズマ放電を起こすことにより、
   電子を発生させるプラズマフラドガンであることを特徴
   とする請求項１記載のイオン注入装置。
3. 【請求項３】前記電子発生手段には、前記アークチャン
   バ内で発生した電子を前記アークチャンバ外へ引き出す
   ための引出電極を備えていることを特徴とする請求項１
   又は２記載のイオン注入装置。