JPH09115850A - イオン注入方法及びイオン注入装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】不純物濃度が異なる複数の不純物領域を同時に
形成することができるイオン注入方法及びイオン注入装
置を提供することを目的とする。 【解決手段】イオン源１から放出されたイオンを前段加
速部６で加速し、質量分析磁石３により所定の質量の不
純物イオンのみを選別する。一方、加熱されたフィラメ
ント１３から放出された電子を希ガスに衝突させて、低
速の電子を得る。この電子をイオンビームに注入し、不
純物イオンの一部と電気的に結合させる。そして、電子
と結合しなかった不純物イオンを、後段加速部７により
更に加速又は減速して、前記電気的に中性な不純物とと
もに、ウェハに注入する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
工程において、ウェハ等のイオン注入対象（ターゲッ
ト）に不純物イオンを注入するイオン注入方法及びイオ
ン注入装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は従来のイオン注入装置を示す模式
図である。真空チャンバ４２はＬ字状に屈曲した形状を
しており、この真空チャンバ４２の一方の側にはイオン
源４１が配設され、他方の側にはウェハ搭載部４５が設
けられている。ウェハ搭載部４５内にはウェハ取付台４
７が配設されており、このウェハ取付台４７にイオン注
入すべきウェハを取付けるようになっている。このウェ
ハ取付台４７は、電流計４８を介して接地に接続されて
いる。

【０００３】また、チャンバ４２の屈曲部分には、質量
分析磁石（アナライザーマグネット）４３が配設されて
いる。この質量分析磁石４３はチャンバ４２内に磁界を
発生させ、後述するように、磁界によりイオン源４１か
ら放出されたイオンのうち所望の質量の不純物イオンを
選別する。質量分析磁石４３とウェハ搭載部４５との間
には加速部４４が設けられている。この加速部４４は、
加速部４４が配設された部分のチャンバ軸方向に高電圧
による電界を発生し、この電界によりイオンを加速する
ものである。

【０００４】なお、チャンバ４２内には、イオンビーム
の収束等を行うレンズ（図示せず）及びイオンビームを
偏向するスキャナ（図示せず）が設けられており、ウェ
ハの任意の位置にイオンを注入することができるように
なっている。また、ウェハ取付部４７がイオンビームに
垂直な平面上を移動できるようにしたものもある。この
ように構成されたイオン注入装置において、イオン源４
１から放出された不純物イオンは質量分析磁石４３によ
り形成された磁界により進行方向が曲げられる。この場
合に、不純物イオンの曲がる割合は不純物イオンの質量
に関係する。従って、磁界の強さを調整することによ
り、特定の質量の不純物イオンのみをウェハ搭載部４５
に向かう方向に取り出し、他のイオンを除去することが
できる。

【０００５】この質量分析磁石４３により選別された特
定の質量の不純物イオンは、次に、加速部４４により加
速される。この不純物イオンをウェハ取付台４７に取付
けたウェハに注入することにより、ウェハに不純物領域
を形成することができる。この場合に、ウェハに注入さ
れた不純物イオンによる電荷はウェハ取付台４７から電
流計４８を通って接地に流れるので、電流計４８の値に
基づいてウェハに注入された不純物イオンの量を知るこ
とができる。また、加速部４４による不純物イオンの加
速を調整することにより、不純物の注入深さを調整する
ことができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のイオン注入装置においては、加速部４４でイオ
ンに付与するエネルギーにより不純物の注入深さが決定
されるので、例えば図５に示すように、ウェハ５１上に
形成されたレジスト５２の開口部を介してウェハ５１の
表面の浅い部分に高濃度不純物層５３を形成し、深い部
分に低濃度不純物層５４を形成する場合に、使用するマ
スク（レジスト５２）が共通であるにも拘らず、イオン
注入を複数回実施する必要が有り、煩雑であるという問
題点がある。

【０００７】本発明は、上記の従来例の問題点に鑑みて
創作されたものであり、不純物濃度が異なる複数の不純
物領域を同時に形成することができるイオン注入方法及
びイオン注入装置を提供することを目的とするものであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記した課題は、イオン
源から放出された不純物イオンに電界を加えて前記不純
物イオンを加速し、加速された不純物イオンのビームに
電子を注入して不純物の一部を電気的に中性化し、その
後不純物イオンに電界を加えて該不純物イオンの速度を
変え、前記中性化した不純物とともにイオン注入対象に
注入することを特徴とするイオン注入方法により解決す
る。

【０００９】また、第２に、上述した課題は、真空チャ
ンバと、不純物イオンを発生し前記真空チャンバ内に放
出するイオン源と、このイオン源から放出された不純物
イオンに電界を加えて加速する第１の加速手段と、この
第１の加速手段により加速された不純物イオンのビーム
に電子を供給する電子供給手段と、該電子供給手段より
もイオン進行方向の前方に設けられ、不純物イオンに電
界を加えて該不純物イオンを更に加速又は減速する第２
の加速手段とを有することを特徴とするイオン注入装置
により解決する。

【００１０】本発明においては、第１の加速手段により
加速された不純物イオンのビームに電子を注入して、不
純物の一部を電気的に中性化する。この電気的に中性の
不純物は、第２の加速手段で加速されることなく、イオ
ン注入対象に注入される。一方、電子と結合しなかった
不純物イオンは、第２の加速手段で更に加速又は減速さ
れて、前記中性の不純物とは異なるエネルギーで前記イ
オン注入対象に注入される。これにより、イオン注入対
象に、相互に異なる深さで複数の不純物領域を同時に形
成することができる。

【００１１】なお、イオンビームに注入する電子の速度
が遅いほど電子と不純物イオンとが結合しやすくなる。
このため、電子発生装置から放出される電子の速度が速
い場合は、電子を希ガスと衝突させて、電子の速度を低
下させることが好ましい。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、添付の図面を参照して説明する。 （第１の形態）図１は本発明の第１の形態に係るイオン
注入装置を示す模式図である。真空チャンバ２はＬ字状
に屈曲しており、この真空チャンバ２の一端側にはイオ
ン源１が配設され、他端側にはウェハ搭載部５が設けら
れている。また、チャンバ２の屈曲部分には質量分析磁
石３が設けられている。

【００１３】イオン源１は、例えばハロゲン化物などの
ガスをプラズマ状態にして、イオン化した不純物を真空
チャンバ２内に放出する。質量分析磁石３はチャンバ２
内に磁界を発生し、後述するように、この磁界により所
定の質量の不純物イオンのみを選別する。また、ウェハ
搭載部５内にはウェハ取付台１７が配設されており、こ
のウェハ取付台１７にイオン注入すべきウェハを取付け
るようになっている。このウェハ取付台１７は、電流計
１８を介して接地に接続されている。

【００１４】イオン源１と質量分析磁石３との間には前
段加速部６が設けられており、質量分析磁石３とウェハ
搭載部５との間には後段加速部７が設けられている。こ
れらの加速部６，７は、いずれもその加速部６，７が配
設された部分のチャンバ軸方向に高電圧による電界を発
生し、この電界によりイオンを加速又は減速するもので
ある。

【００１５】質量分析磁石３と後段加速部７との間には
電子発生装置１０が設けられている。この電子発生装置
１０は、副チャンバ１１と、この副チャンバ１１内の空
間と真空チャンバ２内の空間とを接続する連通部１２
と、副チャンバ１１内に配設されたフィラメント１３
と、このフィラメント１３に電力を供給する電源１４
と、電源１４とフィラメント１３との間に接続された電
力調整部１５とにより構成されている。また、副チャン
バ１１には、ガス供給口１９が設けられており、このガ
ス供給口１９を介して副チャンバ１１内にＨｅ又はＡｒ
等の希ガスが供給されるようになっている。

【００１６】フィラメント１３の高電位側は副チャンバ
１１の筐体に電気的に接続されており、このフィラメン
ト１３の高電位側と接地との間には電流計１６が接続さ
れている。また、真空チャンバ２には、連通部１２の近
傍にクライオポンプ２０が配設されている。なお、真空
チャンバ２内には、イオンビームの収束を行うレンズ
（図示せず）及びイオンビームを偏向するスキャナ（図
示せず）が設けられており、また、ウェハ取付台１７
は、取付台駆動機構（図示せず）により、イオンビーム
に垂直な平面上を移動可能になっている。これらのレン
ズ、スキャナ及び取付台駆動機構により、イオンビーム
をウェハの任意の位置に注入することができるようにな
っている。

【００１７】以下、上述のように構成されたイオン注入
装置を使用した本発明に係るイオン注入方法について説
明する。まず、チャンバ２内を真空ポンプ（図示せず）
により排気し、チャンバ２内の真空度を約１０^-5Torrに
する。そして、イオン源１に例えばＢＦ₃ ガスを導入
し、このガスをプラズマ状態にしてイオンを発生させ
る。このイオンは、前段加速部６により所定のエネルギ
ーまで加速される。ここでは、前段加速部６により、イ
オンが約５０ｋｅＶのエネルギーに加速されたとする。

【００１８】加速されたイオンは、質量分析磁石３によ
る磁界により進行方向が曲げられる。この場合に、磁界
により曲げられる割合は不純物イオンの質量に関係す
る。従って、磁界の強さを調整することにより、所望の
不純物イオンのみをウェハ搭載部５に向かう方向に取り
出すことができる。ここでは、エネルギーが約５０ｋｅ
ＶのＢＦ₂ ⁺ イオンのみをウェハ搭載部５に向かう方向
に取り出したとする。

【００１９】一方、電子発生装置１０では、電源１４か
ら電力が供給されてフィラメント１３が加熱し、この加
熱したフィラメント１３から副チャンバ１１内に電子が
放出される。この電子は、ガス供給口１９から供給され
たＨｅ又はＡｒ等の希ガスと衝突し、低エネルギー（低
速）の２次電子が放出される。そして、この電子は連通
部１２を通って真空チャンバ２内に入り、質量分析磁石
３により選別されたＢＦ₂ ⁺ イオンの一部と電気的に結
合する。ＢＦ₂ ⁺ イオンは、電子と結合することにより
電気的に中性なＢＦ₂ となる。チャンバ２内は高真空に
維持されているので、この電気的に中性なＢＦ₂ は前段
加速部６により加速された速度を維持したまま、ウェハ
搭載部５に向けて移動する。

【００２０】なお、電力調整部１５によりフィラメント
１３に印加する電圧を調整することにより、フィラメン
ト１３から放出される電子の量、ひいては電気的に中性
な不純物の量を調整することができる。質量分析磁石３
により選別された不純物イオンの一部は、上述の如く電
子発生装置１０から放出された電子と結合して電気的に
中性の不純物（ＢＦ₂ ）となるが、電子と結合しなかっ
た不純物イオン（ＢＦ₂ ⁺ ）は、後段加速部７により更
に加速又は減速される。ここでは、後段加速部７により
イオンの流れ方向と逆方向に電界を加えて、イオンのエ
ネルギーを２５ｋｅＶまで減少させたとする。

【００２１】このようにして、エネルギーが５０ｋｅＶ
の電気的に中性な不純物（ＢＦ₂ ）と、エネルギーが２
５ｋｅＶの不純物イオン（ＢＦ₂ ⁺ ）を同時にウェハに
注入することができる。この場合に、ウェハに注入され
た不純物イオンによる電荷は、電流計１８を介して接地
に流れるので、電流計１８の指示値に基づいてウェハに
注入されたイオンの量を知ることができる。

【００２２】また、フィラメント１３から放出されイオ
ンと結合しなかった電子はチャンバ筐体に吸収される。
そして、フィラメント１３から放出されてイオンと結合
した電子に相当する量の電荷が接地から電流計１６を介
してフィラメント１３、電源１４及び電力調整部１５に
より構成される回路に流れるので、電流計１６の指示値
に基づいて、電気的に中性化したイオンの量を知ること
ができる。

【００２３】なお、副チャンバ１１内に供給された希ガ
スは連通部１２を介してチャンバ２内に流入するが、副
チャンバ１１の容積はチャンバ２の容積に比して十分小
さく設定されており、また副チャンバ１１からチャンバ
２内に流入する希ガスの量は連通部１２により制限され
るとともに、連通部１２の近傍にクライオポンプ２０が
配設されているので、希ガスによるチャンバ２内の真空
度の変化を抑制することができる。

【００２４】図２は半導体ウェハ２１と、このウェハ２
１上に形成されたレジスト２２とを示す模式図であり、
レジスト２２の所定領域には開口部が設けられている。
ウェハ２１に照射された不純物イオン及び電気的に中性
な不純物２５は、そのエネルギーに応じた深さでウェハ
２１内に注入される。すなわち、エネルギーが５０ｋｅ
Ｖの電気的に中性な不純物（ＢＦ₂ ）はウェハ２１の比
較的深い部分に注入され、エネルギーが２５ｋｅＶの不
純物イオン（ＢＦ₂ ⁺ ）はウェハ２１の浅い部分に注入
される。このようにして、例えば不純物濃度が４×１０
¹⁵atom／ｃｍ² の不純物領域２４と、不純物濃度が約１
０¹²atom／ｃｍ² の不純物領域２３とを同時に形成する
ことができる。

【００２５】本形態においては、このように不純物濃度
が相互に異なる２つの不純物領域を１回のイオン注入工
程で形成することができる。これにより、半導体装置の
製造工程を簡略化することができて、半導体装置の生産
性が著しく向上するという効果が得られる。図３は本形
態をＭＯＳトランジスタのゲート電極へのドーピングに
適用した例を示す図である。まず、ウェハ３１の表面に
フィールド酸化膜３２及びゲート酸化膜３３を形成し、
ゲート酸化膜３３上にポリシリコンからなるゲート電極
３４を形成する。

【００２６】その後、上述のイオン注入装置及びイオン
注入方法により、ゲート電極３４に高濃度で不純物が注
入され、ゲート電極３４の下方の基板部分に低濃度でイ
オンが注入されるように、前段及び後段加速部６，７の
加速電圧及びフィラメント１３に供給する電力を調整し
てイオン注入を行う。これにより、ゲート電極３４に不
純物を高濃度でドープすることができるとともに、ゲー
ト電極３４の両側の基板３１表面にソース・ドレイン領
域３５を形成できる。更に、ゲート電極３４の下方の基
板部分及びソース・ドレイン領域３５の下方の部分に低
濃度不純物領域３６，３７を同時に形成することができ
る。

【００２７】このようにして形成したＭＯＳトランジス
タは、ソース・ドレイン領域３５の周囲に低濃度不純物
領域３６，３７が設けられているので、ソース・ドレイ
ン領域３５の縁部での濃度勾配が緩やかになる。 （その他の形態）上述の形態においては、電子発生装置
１０及び後段加速部７がいずれも１組の場合について説
明したが、電子発生装置及び後段加速部をイオンの進行
方向に沿って複数組設けることにより、相互に不純物濃
度が異なる３以上の不純物領域を同時に形成することも
できる。

【００２８】また、上述の形態においては、後段加速部
７で不純物イオンを減速させることにより、ウェハ表面
の浅い部分に高濃度不純物領域を形成し、深い部分に低
濃度不純物領域を形成する場合について説明したが、例
えば前段加速部６でイオンを２５ｋｅＶに加速し、後段
加速部７で不純物イオンを５０ｋｅＶに加速するように
すれば、ウェハ表面の浅い部分に低濃度不純物領域を形
成し、深い部分に高濃度不純物領域を形成することがで
きる。

【００２９】更に、上述の実施例においては、副チャン
バ１１内に希ガスを供給する場合について説明したが、
希ガスを供給しなくてもよい。しかし、フィラメント１
３から放出される電子の速度は比較的速いため、副チャ
ンバ１１内に希ガスを供給しない場合は、電子と不純物
イオンとが結合しにくく、十分な量のイオンを中性化す
ることが困難である。従って、上述の如く、副チャンバ
１１内には希ガスを供給し、この希ガスに電子を衝突さ
せて定エネルギーの電子を得ることが好ましい。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第１の加速手段により加速された不純物イオンのビーム
に電子を供給してイオンの一部を電気的に中性化し、残
りの不純物イオンを第２の加速手段により更に加速又は
減速するので、ウェハ等のイオン注入対象に不純物濃度
が相互に異なる複数の層を同時に形成することができ
る。これにより、半導体装置の生産性が向上するという
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係るイオン注入装置を示
す模式図である。

【図２】本発明に係るイオン注入装置により不純物領域
を形成した半導体装置を示す模式図である。

【図３】本発明をＭＯＳトランジスタのゲート電極への
ドーピングに適用した例を示す模式図である。

【図４】従来のイオン注入装置を示す模式図である。

【図５】従来の問題点を示す模式図である。

【符号の説明】

１，４１ イオン源 ２，４２ 真空チャンバ ３，４３ 質量分析磁石 ５，４５ ウェハ搭載部 ６，７，４４ 加速部 １０ 電子発生装置 １１ 副チャンバ １３ フィラメント １６，１８，４８ 電流計 １７，４７ ウェハ取付台 １９ ガス供給口 ２１，３１，５１ ウェハ ２２，５２ レジスト

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 イオン源から放出された不純物イオンに
   電界を加えて前記不純物イオンを加速し、 加速された不純物イオンのビームに電子を注入して不純
   物の一部を電気的に中性化し、 その後不純物イオンに電界を加えて該不純物イオンの速
   度を変え、前記中性化した不純物とともにイオン注入対
   象に注入することを特徴とするイオン注入方法。
2. 【請求項２】 真空チャンバと、 不純物イオンを発生し前記真空チャンバ内に放出するイ
   オン源と、 このイオン源から放出された不純物イオンに電界を加え
   て加速する第１の加速手段と、 この第１の加速手段により加速された不純物イオンのビ
   ームに電子を供給する電子供給手段と、 該電子供給手段よりもイオン進行方向の前方に設けら
   れ、不純物イオンに電界を加えて該不純物イオンを更に
   加速又は減速する第２の加速手段とを有することを特徴
   とするイオン注入装置。
3. 【請求項３】 前記電子供給手段は、 前記真空チャンバ内の空間に連通した空間を有する副チ
   ャンバと、この副チャンバ内に配設された電子発生手段
   と、前記副チャンバ内に希ガスを供給する希ガス供給手
   段とにより構成されていることを特徴とする請求項２に
   記載のイオン注入装置。