WO1995006953A1 - Implanteur d'ions - Google Patents

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WO1995006953A1
WO1995006953A1 PCT/JP1994/001374 JP9401374W WO9506953A1 WO 1995006953 A1 WO1995006953 A1 WO 1995006953A1 JP 9401374 W JP9401374 W JP 9401374W WO 9506953 A1 WO9506953 A1 WO 9506953A1
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ion
ion beam
silicon
semiconductor
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PCT/JP1994/001374
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Tadahiro Ohmi
Kazuo Tomita
Original Assignee
Tadahiro Ohmi
Kazuo Tomita
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/30—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects
    • H01J37/317—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for changing properties of the objects or for applying thin layers thereon, e.g. for ion implantation
    • H01J37/3171—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for changing properties of the objects or for applying thin layers thereon, e.g. for ion implantation for ion implantation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/02—Details
    • H01J2237/0203—Protection arrangements
    • H01J2237/0213—Avoiding deleterious effects due to interactions between particles and tube elements

Definitions

  • the present invention relates to an ion implantation apparatus, and more particularly, to an ion implantation apparatus which reduces metal impurity contamination and is suitable for manufacturing a high-performance semiconductor device.
  • FIG. 1 when performing the injecting 2 X 1 0 15 cnf 2 impurity 4 5 0 ° C Aniru in the silicon substrate by using the ion implantation apparatus, the amount of metal impurities to be mixed in the silicon substrate 7 is a graph comparing the pn junction reverse leakage current with that of the pn junction. In the figure, the amount of metal impurities is represented by a ratio with respect to the dose. As is evident from FIG. 10, it is important to reduce the metal impurities mixed into the silicon substrate to reduce the pn junction reverse leakage current.
  • the pn junction reverse leakage is reduced by reducing the metal impurity contamination generated in the ion implantation apparatus in front of the semiconductor substrate when viewed from the ion beam traveling direction, that is, by the Faraday cup, scan plate, aperture, etc. Attempts have been made to improve the current.
  • Figure 11 shows the results of forming a Pn junction using the above ion implanter and measuring the reverse leakage current. Only it reduces metal impurities incorporated into the semiconductor substrate from where located in front of the ion beam within I O emissions implanter as shown in FIG. 1 1, the pn junction reverse leakage current is at most 1 0 7 A / cm — Currently only two units can be reduced.
  • An object of the present invention is to provide an ion implantation apparatus with reduced metal impurity contamination.
  • An ion implantation apparatus is directed to an ion implantation apparatus for introducing a predetermined impurity into the semiconductor substrate by irradiating the semiconductor substrate with an accelerated ion beam.
  • a portion of the member located behind the semiconductor substrate irradiated with the ion beam is made of a material mainly containing at least one of a semiconductor constituting the semiconductor substrate, or an oxide thereof, or a nitride thereof. Or the surface thereof is covered with the material. It said material is a N-type or P-type silicon, it is preferable that the impurity concentration is IX 1 0 17 cm "or less.
  • the semiconductor substrate is irradiated with an accelerated ion beam to thereby introduce a predetermined impurity into the semiconductor substrate.
  • a member located behind the semiconductor substrate is configured not to be irradiated with the ion beam.
  • a screen having an opening is provided in front of the semiconductor substrate, and the screen is It is preferable that a member located behind the semiconductor substrate is not irradiated with the ion beam.
  • At least one of a semiconductor constituting the semiconductor substrate, an oxide thereof, or a nitride thereof is used. It is preferable that it is composed of a material containing one as a main component, or its surface is covered with the material.
  • the semiconductor substrate has an outer edge held by a substrate holding member, and at least a surface of the substrate holding member irradiated with an ion beam has at least a surface of a semiconductor constituting the semiconductor or an oxide or nitride thereof. It is characterized by being composed of a material containing at least one as a main component. Still further, a member for providing the above-mentioned ion beam detecting means behind the semiconductor substrate, controlling the ion beam scanning means or the moving means of the semiconductor substrate by the output of the detecting means, and positioning the member behind the semiconductor substrate However, it is preferable that the structure is not irradiated with the ion beam. Action
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of an ion implantation apparatus showing a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the dose and the metal impurities mixed into the silicon substrate.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the amount of mixed metal impurity elements and the pn junction reverse leakage current.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the impurity concentration of the silicon plate for the spatter prevention plate and the amount of impurities flying into the silicon wafer.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram of an ion injection device showing a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram of an ion implantation apparatus according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram of an ion implantation apparatus showing a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram of an ion pouring device according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a graph showing a relationship between an annealing temperature and a pn junction reverse leakage current.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the amount of mixed metal impurity elements and the pn junction reverse leakage current.
  • FIG. 11 is a graph showing a relationship between an annealing temperature and a pn junction reverse leakage current.
  • FIG. 1 is a drawing of an ion implantation apparatus showing a first embodiment of the present invention, and is particularly shown in a cross-sectional view centering on a wafer holding section.
  • 101 is a p-type silicon wafer for ion implantation
  • 102 is an electrostatic chuck (wafer holder) for holding the silicon wafer
  • 103 is a ground pin, and drops the ground potential to ground.
  • Reference numeral 104 denotes a jig (susceptor) for fixing the electrostatic chuck 102, which is made of, for example, an A1 alloy.
  • the accelerated ion beam 105 is irradiated to the silicon wafer through an opening 106 ′ of a silicon wafer, which is placed in front of a silicon wafer 101, and ion implantation is performed.
  • 106 is made of, for example, silicon, and does not cause metal impurity contamination in silicon 108 even if it is sputtered by ion beams.
  • Reference numeral 107 denotes a portion to be irradiated with the ion beam.
  • This is a metal spatter prevention plate that is provided to prevent contamination of silicon wafers due to dust.
  • the impurity concentration that is processed into a ring shape with 1 0 _l4 cnf 3 following F z Siri Konuweha.
  • the spatter prevention plate is installed so as to cover the portion irradiated with ions, such as the A1 alloy jig 104 and the ground pin 103.
  • the silicon wafer 101 is held by the electrostatic chuck 102 and the earth pin 103 from the back surface, and the member 106 located in front of the silicon wafer 101 and irradiated by the ion beam is , the impurity concentration is constituted by F z silicon plate below 1 0- 14 c m_ 3, as viewed in the traveling direction of the ion beam, the surface of the member to be positioned in front of Shirikonuweha 1 0 1 is irradiated by the ion beam This prevents metal impurities generated by the mixing from entering the silicon wafer 101. Also, this They are in an ultra-high vacuum of, for example, 5 ⁇ 10 _1 () Torr, and minimize the adsorption of residual gas such as moisture to the wafer surface and entry into the wafer by ion beams.
  • FIG. 2 shows the relationship between the dose and the amount of metal impurity contaminants mixed into silicon wafer when AS ions were implanted into silicon wafer at 25 KeV using this embodiment and a conventional ion implantation apparatus.
  • the amount of metal impurities was measured by SIMS.
  • the metal impurities mixed into the silicon wafer 101 to be ion-implanted can be reduced by about one digit at all doses.
  • Figure 3 shows the relationship between the amount of mixed metal impurity elements (expressed as a ratio to the dose) and the pn junction reverse leakage current.
  • the amount of mixed metal impurities is 0.01%, and the leakage current is about 10 -7 A / cm 2 , whereas in the present embodiment, the metal impurities generated from the susceptor behind the wafer are By preventing it with 107, the amount of metal impurities mixed was reduced by about an order of magnitude, and the leakage current was also reduced by about an order of magnitude, resulting in an extremely low leakage pn junction of 10 -8 A / cm 2 .
  • a practical pn junction can be formed for the first time at a low temperature of 450 ° C.
  • a junction by performing ion implantation of a self-aligned source / drain using the A1 gate and annealing after attaching the A1 gate electrode.
  • Figure 4 shows the impurity concentration of the Fz silicon wafer 107 used as the anti-sputtering plate and the silicon wafer to be implanted when oxygen ions of 1 ⁇ 10 18 cm— were injected at 20 OKeV in the S IMOX process.
  • 4 is a graph showing a relationship with an impurity amount.
  • the mixing ratio (the amount of impurity Z which is sputtered and fly to the silicon wafer) differs depending on the ion implanter, but is usually estimated to be 0.001 to 0.1%. Therefore, it can be seen from FIG. 4 that when the mixing ratio is 0.001%, the concentration of the spatter prevention plate 107 must be suppressed to 5 ⁇ 1 O 1 ′ ⁇ 3 or less.
  • its concentration must be 5x10 lD cnf 3 or less, and if it is 0.1%, its concentration must be 5 x 10 15 cm “ 3 or less. In particular, it is preferably 1 x 10 14 cnf 3 or less. This enables more accurate impurity concentration control.
  • the Fz silicon wafer 107 may be replaced when ions are implanted at a high concentration after a certain period of time. In other words, pollution can be efficiently reduced by simple maintenance.
  • Fz silicon wafers having an impurity concentration of 1 ⁇ 10 14 cnf 3 or less have been described, but Cz silicon wafers or EPi silicon wafers may be used.
  • 1 X 10 14 cm_ may be three or more non-pure concentration, for example, cost cheaper, a Frequently used impurity concentration 10 15 cm ⁇ stand C z silicon wafer using You may. Also, higher concentrations than this may be used. It is desirable that the silicon wafer has a low impurity concentration.
  • the spatter prevention plate 107 may be made of a material other than silicon, for example, silicon oxide or silicon nitride.
  • the sputter prevention plate 107 is a silicon oxide, it does not become a contamination source even if sputtered and mixed into the silicon wafer. There is no problem when ion implantation is performed using the silicon oxide film as a mask, and the same can be said when the silicon oxide film is a silicon nitride film.
  • the case where the Fz silicon wafer is used as the spatter prevention plate 107 has been described, but silicon or silicon oxide or silicon nitride is directly deposited on the susceptor 104 by a CVD spacer. Is also good.
  • silicon wafer is used as the semiconductor substrate.
  • the present invention is not limited to a silicon semiconductor, and is suitably applied to Ge or a compound semiconductor.
  • FIG. 5 is a drawing of an ion implantation apparatus showing a second embodiment of the present invention, and is particularly shown in a sectional view centering on a wafer holding section.
  • the same components as those in FIG. 1 are indicated by the same numbers.
  • the diameter of the opening 106 ′ is designed to be such that the silicon holder 104 behind the silicon wafer 101 is not irradiated with the ion beam 105.
  • the plate 106 is made of a silicon plate, and does not cause metal impurity contamination on the silicon substrate 101 even if it is sputtered by ion beams.
  • the impurity concentration was used 1 0 14 cm_ 3 following F z sheet Rikonuweha.
  • the diameter of the silicon wafer 101 is 33 ⁇
  • the opening of the new wafer 106 is 28 mm0
  • the distance of the new silicon wafer is 101
  • the distance of the silicon wafer 101 is 200. did.
  • the silicon wafer 101 used 33 mm diameter, but this may be 6 inches, 8 inches or more, and in these cases, the opening should be determined to be slightly smaller than the diameter of the wafer. Good.
  • the distance between the contact and the silicon wafer is not limited to the value of the present embodiment as long as the distance is between the X scan plate and the Y scan plate that determine the scan area of the wafer and the silicon wafer. Desirably, the closer to the silicon wafer, the more accurate the snow behind the silicon wafer. Can be prevented.
  • Toko filtration to regard the leakage current of the pn junction were measured in the same manner as in Example 1, becomes 1 0- 8 A / cm 2 or so, very effectively suppressed ion implantation apparatus of the present embodiment is the incorporation of metal impurities It was confirmed that it was possible.
  • the opening 106 ′ of the unit 106 is circular.
  • the shape of the opening 106 ′ is May be squared.
  • FIG. 6 is a drawing of an ion implantation apparatus showing a third embodiment of the present invention, and is particularly a sectional view mainly showing a wafer holding section.
  • a silicon wafer 601 to be subjected to ion implantation is held in a wafer holder 602 by a jig 603 coated with silicon of the present invention.
  • the jig 603 is made by depositing l ⁇ m of silicon on an aluminum alloy by the CVD method, and is designed to be larger than the area scanned by the ion beam 604. Therefore, the ion beam irradiates only the jig 603 coated with silicon, except for the silicon wafer, and does not cause metal impurity contamination therefrom.
  • the area irradiated with the jig 603 is small. If the silicon wafer 601 to be ion-implanted is circular, the ion beam is scanned in a circular shape, and a circular jig 6 larger than that is scanned. In this case, it is preferable that the jig 603 be square and the jig 603 also be square without waste.
  • the jig 603 coated with 1 zm of silicon by the CVD method has been described.
  • the thickness is not limited to 1 ⁇ m. This thickness depends on the purpose, such as the accelerating voltage and ion species, and is set to 1; ⁇ with a margin.
  • the concentration of silicon deposited by the CVD method varies depending on the purpose, but non-doped silicon is preferable.
  • the jig 603 coated with silicon has been described.
  • this jig may be a jig made of silicon, or may be a jig made by attaching silicon alloy to an aluminum alloy.
  • the semiconductor substrate is a Ge-based semiconductor or a compound semiconductor such as GaAs
  • the semiconductor constituting the semiconductor or its oxide or Similar effects can be obtained by coating with a material containing at least one of the nitrides as a main component. (Example 4)
  • FIG. 7 is a drawing of an ion implantation apparatus showing a fourth embodiment of the present invention, and particularly shows a sectional view of a wafer holding section from a beam line.
  • reference numeral 701 denotes a silicon wafer for ion implantation (33 reference 0)
  • reference numeral 702 denotes an electrostatic chuck for holding the silicon wafer
  • reference numeral 703 denotes a single spin
  • a potential of the wafer To ground.
  • Reference numeral 704 denotes a jig for fixing the electrostatic chuck 702, and is made of, for example, an A1 alloy.
  • the accelerated ion beam 705 is scanned in the X and Y directions by a Y-scanner plate 706 and an X-scanner plate 707 (ion beam scanning means), respectively, and an X-scan aperture 708 and a beam line are provided.
  • Aperture 709, Faraday cup 710, and silicon wafer 701 The silicon wafer 701 is illuminated through a rounded opening (40 mm ⁇ ) of silicon wafer 711 placed in front of it, and the silicon wafer is irradiated. An injection is performed. In addition, the distance between the new one and the silicon seven hundred seventy-one was set to 200.
  • the Y-scanner plate 706 and the X-scanner plate 705 are used so that the ion beam 705 does not irradiate the wafer holder 704 at all, and only the inside of the silicon wafer 701 is ion-implanted. Controlled by 07 and scanning in the XY directions. When ions are implanted into a square liquid crystal panel, they are scanned squarely without overscanning, and when ions are implanted into a round silicon wafer, they are scanned circularly. The scanning range can be easily determined if the position of the holder and the size of the silicon are known.
  • an ion beam detection means such as a post-stage Faraday cup is installed behind the silicon wafer, and feedback is applied when an ion beam is detected, so that the Y-scanner plate 706 and the X-scanner plate 707 can be controlled in real time. It is.
  • the electrostatic deflection type ion implantation apparatus has been described. However, the same can be said for a parallel implantation ion implantation apparatus.
  • FIG. 8 is a drawing of an ion implantation apparatus showing a fifth embodiment of the present invention,
  • the holding part is ⁇ ;
  • a silicon wafer 801 to be subjected to ion implantation is held from the back of the wafer by an electrostatic chuck (not shown) and an earth pin (not shown).
  • Reference numeral 804 denotes a jig for fixing the electrostatic chuck
  • reference numeral 805 denotes an arm having a mechanism for rotating the needle vertically, horizontally, and further.
  • the accelerated ion beam 806 is not scanned, and is constantly irradiated onto the silicon wafer through the opening 807 made of silicon to perform ion implantation.
  • the silicon wafer is mechanically controlled to scan only the inside of the silicon wafer 801 without irradiating the ion beam 806 force holder 804 at all, and scan in the XY direction. are doing.
  • the wafer is scanned squarely without overscanning, and when implanting ions into a round silicon wafer, the wafer is scanned circularly.
  • the scanning range can be easily determined if the size and shape of the silicon wafer are known. Also, the scanning area should be as large as possible if it is inside the silicon wafer. This is because silicon wafers can be used more effectively.
  • scanning may be performed by controlling the speed in the vertical and horizontal directions.
  • the wafer may be rotated and scanned in the left / right (up / down) direction to control the number of rotations and the scanning speed so that the wafer may be uniformly injected.
  • metal impurity contamination from a member located behind the semiconductor substrate is reduced, and the Pn junction reverse leakage current is reduced.
  • a high-performance semiconductor device such as a small number of semiconductor devices can be provided.

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Description

明細書 イオン注入装置 技術分野
本発明は、 イオン注入装置に係り、 より詳細には、 金属不純物汚染を低減し、 高性能半導体装置の製造に適したィォン注入装置に関する。 背景技術
現在、 半導体集積回路技術は実に驚くべき速度で進展しており、 素子の最小寸 法が、 0 . 8 m力、ら 0 . 5 /zm、 あるいはそれ以下の寸法へと微細化されるに伴 い、 逆方向リーク電流の少な t、極浅接合の形成が益々重要となってきている。 イオン注入装置を用いて、 シリコン基板内に P型もしくは N型の極浅接合を形 成するには、 その後の熱処理で不純物が全く拡散しないような低温で行うか、 も しくは、 高温で短時間の熱処理を行うか、 いずれかである。 し力、し、 短時間とは いえ、 高温で熱処理を行うと、 導入した不純物は必ず拡散し、 不純物拡散の全く ない極浅接合の形成は不可能となる。 また、 高温プロセスを行うと、 ウェハの反 りなどの問題も現れる。 従って、 極浅接合を形成するには、 不純物拡散が全くな い低温で熱処理を行うことが必要となる。
しかしながら、 熱処理を低温で行うと、 形成されたデバイスの p n接合逆方向 リーク電流は、 図 9に示すように、 大きく増加してしまうという問題がある。 また、 図 1 0は、 イオン注入装置を用いてシリコン基板内に 2 X 1 0 15cnf2の 不純物を注入し 4 5 0 °Cァニールを行った時、 シリコン基板内に混入される金属 不純物量と p n接合逆方向リーク電流とで比較したグラフである。 なお、 図にお いて、 金属不純物量は、 ドーズ量との比で表した。 図 1 0から明らかなように、 シリコン基板に混入する金属不純物を低減することが、 p n接合逆方向リーク電 流を低減するのに重要であることがわかる。
また、 一度シリコン基板内部に混入した金属不純物をその後の処理で取り除く ことは、 現在の技術ではたいへん困難であり、 その方策として、 結晶中に格子歪 を導入して金属不純物をゲッタリングする方法がある力、 その制御は難しく、 そ してプロセス工程数の増加や高温熱処理によるシリコン基板の反りなど問題点が 数多くある。 従って、 本質的には金属不純物をシリコン基板内部に混入させない ことが要求される。
従来、 イオン注入装置内で、 イオンビーム進行方向からみて半導体基板の前方 に位置する所、 すなわち、 ファラデーカップ、 スキャンプレート、 アパーチャ等 から発生する金属不純物汚染を低減することにより、 p n接合逆方向リーク電流 を改善する試みがなされている。 以上のイオン注入装置を用いて P n接合を形成 し、 逆方向リーク電流を測定した結果を図 1 1に示す。 図 1 1に示すようにィォ ン注入装置内でイオンビームの前方に位置する所から半導体基板に混入する金属 不純物を低減するだけでは、 その p n接合逆方向リーク電流は、 高々 1 0— 7A/cm — 2台しか低減できな 、のが現状である。
本発明は、 金属不純物汚染を低減したィォン注入装置を提供することを目的と する。 発明の開示 ,
本発明のイオン注入装置は、 半導体基板に対し加速されたイオンビームを照射 することにより、 前記半導体基板に所定の不純物を導入するイオン注入装置にお いて、 イオンビームの進行方向に見て、 前記半導体基板の後方に位置する部材の 前記イオンビームにより照射される部分が、 前記半導体基板を構成する半導体、 もしくはその酸化物、 もしくはその窒化物のうち少なくとも一つを主成分とする 材料で構成されているか、 またはその表面が該材料で覆われていることを特徴と する。 前記材料は、 N型もしくは P型のシリコンであり、 その不純物濃度が I X 1 0 17 c m "以下であることが好ましい。
また、 本発明のイオン注入装置は、 半導体基板に対し加速されたイオンビーム を照射することにより、 前記半導体基板に所定の不純物を導入するイオン注入装 置において、 イオンビームの進行方向に見て、 前記半導体基板の後方に位置する 部材が、 前記イオンビームにより照射されない様に構成したことを特徴とする。 前記半導体基板の前方に開口を有するついたてを設け、 該ついたてにより前記 半導体基板の後方に位置する部材が、 前記イオンビームにより照射されない様に するのが好ましく、 前記ついたては、 前記半導体基板を構成する半導体、'もしく はその酸化物、 もしくはその窒化物のうち少なくとも一つを主成分とする材料で 構成されているか、 またはその表面が該材料で覆われているのが好ましい。 また、 前記半導体基板はその外縁が基板保持部材で保持され、 イオンビームに 照射される該基板保持部材の少なくとも表面は前記半導体を構成する半導体、 も しくはその酸化物、 もしくはその窒化物のうち少なくとも一つを主成分とする材 料で構成されていることを特徴とする。 さらにまた、 前記半導体基板の後方に前 記ィォンビームの検出手段を設け、 該検出手段の出力により前記ィォンビームの 走査手段または前記半導体基板の移動手段を制御し、 前記半導体基板の後方に位 置する部材が、 前記イオンビームにより照射されない様に構成するのが好まし い。 作用
本発明者らは、 イオン注入の方法 *条件と半導体デバイスの特性との関係を研 究する過程で、 ィォン注入時に半導体基板の後方にある部材にィォンが照射され ると、 p n接合の逆方向リーク電流等、 作製される半導体デバイスの特性が低下 することを発見した。 本発明は、 これら知見を基にして完成したものである。 イオンビームの進行方向に見て半導体基板の後方に、 半導体基板を構成する半 導体もしくはその酸化物もしくは窒化物を主体とする材料を設けたことによつ て、 これらがイオンビームによりスパックされゥヱハ上に飛来しても金属原子を 含まないので、 シリコン基板中に混入する金属不純物汚染を低減することがで き、 その結果、 p n接合の逆方向リーク電流を低減する事が可能となる。
また、 イオンビームの進行方向に見て半導体基板の後方に、 イオンビームが当 らない構造にすることにより、 ゥヱハ後方の材料がスパッ夕され発生する金属不 純物汚染を低減することができ、 その結果、 p n接合の逆方向リーク電流を低減 する事が可能となる。
従って、 以上のイオン注入装置を用いることにより、 高性能で信頼性の高い半 導体装置の製造する事が可能となる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の第 1の実施例を示すイオン注入装置の概念図である。
図 2は、 ドーズ量とシリコン基板内に混入される金属不純物との関係を示すグ ラフである。
図 3は、 金属不純物元素の混入量と p n接合逆方向リーク電流との関係を示し たグラフである。
図 4は、 スパッタ防止板用シリコン板の不純物濃度とシリコンゥヱ八に飛来し てくる不純物量との関係を示したグラフである。
図 5は、 本発明の第 2の実施例を示すィォン注入装置の概念図である。
図 6は、 本発明の第 3の実施例を示すイオン注入装置の概念図である。
図 7は、 本発明の第 4の実施例を示すイオン注入装置の概念図である。
図 8は、 本発明の第 5の実施例を示すィォン注人装置の概念図である。
図 9は、 ァニール温度と p n接合逆方向リーク電流との関係を示したグラフで ある。
図 10は、 金属不純物元素の混入量と pn接合逆方向リーク電流との関係を示 したグラフである。 ，
図 1 1は、 ァニール温度と pn接合逆方向リーク電流との関係を示したグラフ である。
(符号の説明）
101， 601， 701， 801 シリコンウェハ、
102， 602， 702, 802 静電チャック （ウェハホルダ） 、
103， 703， 803 アースピン、
104， 704, 804 静電チャックの固定治具 （サセプタ） 、
105， 604， 705, 806 イオンビーム、
106， 605， 71 1， 807 ついたて、
603 シリコンコーティングを施した治具、
706 Yスキャナープレート、
707 Xスキャナ一プレート、
708 Xスキャンアパーチャ、 7 0 9 ビームラインアパーチャ、
7 1 0 ファラデーカップ、
8 0 5 ウェハを上下左右にメカニカルスキャンするアーム。 発明を実施するための最良の形態
以下本発明の実施例を、 図面を用いて説明する。
(実施例 1 )
図 1は、 本発明の第 1の実施例を示すイオン注入装置の図面で、 特にウェハ保 持部を中心に断面図で示したものである。
図において、 1 0 1はイオン注入を行う p型シリコンウェハ、 1 0 2はそのシ リコンゥヱハを保持するための静電チャック （ウェハホルダ） 、 1 0 3はアース ピンで、 ゥヱハの電位をアースに落としている。 また、 1 0 4は静電チャック 1 0 2を固定するための治具 （サセプタ） で、 例えば、 A 1合金で作られてい る。 加速されたイオンビーム 1 0 5は、 シリコンウエノ、 1 0 1前方に置かれたつ いたて 1 0 6の開口部 1 0 6 ' を通してシリコンゥヱハに照射され、 イオン注入 が行われる。 このつ 、たて 1 0 6は、 例えばシリコンで出来ており、 イオンビ一 ムによってスパッタされてもシリコンゥヱ八に金属不純物汚染を生じることはな い。 1 0 7はイオンビームに照射される部分であり、 シリコンゥヱハ 1 0 1後方 から金属がスノ、。ッ夕されてシリコンゥヱノ、を汚染するのを防ぐために設けられた 金属スパッタ防止板である。 本実施例では、 リング状の形状に加工された不純物 濃度が 1 0 _l4cnf3以下の F z シリ コンゥヱハを用いた。 スパッタ防止板は、 A 1合金の治具 1 0 4及びアースピン 1 0 3等、 イオンが照射する部分を覆うよ うに設置されている。
本実施例の装置は、 シリコンゥヱハ 1 0 1を裏面より静電チヤック 1 0 2及び アースピン 1 0 3で保持し、 シリコンウェハ 1 0 1の前方に位置しイオンビーム により照射される部材 1 0 6は、 不純物濃度が 1 0—14 c m_3以下の F z シリコン 板で構成されており、 イオンビームの進行方向に見て、 シリコンゥヱハ 1 0 1の 前方に位置する部材の表面がイオンビームにより照射されることにより発生する 金属不純物がシリコンゥヱハ 1 0 1に混入することが無いようにした。 また、 こ れらは、 例えば、 5 x 10_1()Torrという超高真空中にあり、 水分等の残留ガス がゥェハ表面に吸着し、 イオンビームによりゥェハ内部に混入するのを極力抑え ている。
本実施例と従来のイオン注入装置を用い、 シリコンゥヱ八に A Sイオンを 25 KeVで注入したときのドーズ量とシリコンゥヱハ内に混入する金属不純物 汚染量との関係を図 2に示す。 なお、 金属不純物量は、 S IMSで測定した。 図 から明らかなように、 F zシリコン板 107を取付けることによって、 イオン注 入するシリコンウェハ 101内に混入する金属不純物は、 全てのドーズ量におい て、 約一桁低減できているのがわかる。
. 次に、 p型シリコンウェハに Asイオンを 2 X 1015cm—2、 25KeVで注入し た後、 450°Cでァニールして p n接合を形成し、 逆方向リーク電流を測定し た。 図 3に、 金属不純物元素の混入量 （ドーズ量との比で表示） と pn接合逆方 向リーク電流との関係を示した。 従来例では、 金属不純物混入量が 0.0 1 % で、 リーク電流は 10_7A/cm2程度となるのに対し、 本実施例では、 ウェハ後方 のサセプ夕より発生する金属不純物を F zシリコン板 107で防止することで、 金属不純物混入量を約一桁低減でき、 そのリーク電流も約一桁低減して 10_8A/ cm2という極めて低リークな p n接合が得られた。
即ち、 本発明により、 450°Cという低温で初めて実用的な pn接合の形成が 可能になったのである。 これより、 A 1ゲートを用いて自己整合ソース . ドレイ ンのイオン注入を行い、 A 1ゲート電極をつけた後でァニールをして接合を形成 することが可能となった。
図 4は、 S IMOXプロセスで 1 X 1018cm— の酸素イオンを 20 OKeVで注 入したときの、 スパッタ防止板に用いた F zシリコンウェハ 107の不純物濃度 と注入するシリコンゥヱハに飛来してくる不純物量との関係を示したグラフであ る。
電源電圧 I V、 しきい値電圧 0. I Vの微細デバイス （酸化膜厚 50nm) を、 1 %以内の精度でしきい値を制御するには、 シリコンゥヱ八に飛来してくる不純 物を 4x 108cm— 2以下、 望ましくは 1 X 108cnf2以下に抑えることが必要とな —方、 混入率 （スパッタされシリコンウェハに飛来してくる不純物量 Zドーズ 量） はイオン注入装置により異なるが、 通常 0. 001〜0. 1%と見積もられ る。 従って、 図 4より、 混入率が 0. 001 %のとき、 スパッタ防止板 107の 濃度は 5 X 1 O1'^—3以下に抑えなければならないことがわかる。 0.01 %な らその濃度は 5x 10 lDcnf3以下に、 また 0. 1 %ならその濃度は 5 X 1015cm" 3以下にする必要がある。 特に 1 X 1014cnf3以下が好ましく、 これにより一層 精確な不純物濃度制御が可能となる。
また、 F zシリコンウェハ 107は、 ある一定期間をおいて高濃度にイオン注 入されたら、 取り替えればよい。 即ち、 簡単なメンテナンスにより、 汚染の低減 を効率よく達成することが出来る。
本実施例では、 F zシリコンゥヱハで不純物濃度が 1 x 1014cnf3以下のもの について説明したが、 これは、 C zシリコンウェハや、 EP iシリコンゥヱハを 用いてもよい。 また、 不純物濃度は前述したように、 1 X 1014cm_3以上の不 純物濃度でもよく、 例えば、 コストが安く、 よく使われている不純物濃度 1015cm ϋ台の C zシリコンウェハを用いてもよい。 また、 これ以上の高い濃度 を用いてもよい。 し力、し、 シリコンウェハの不純物濃度は低い方が望ましい。 ま た、 スパッタ防止板 107は、 シリコン以外の材料、 例えばシリコン酸化物、 も しくはシリコン窒化物であってもよい。 何故なら、 シリコン酸化膜を通してィォ ン注入する時は、 スパッタ防止板 107がシリコン酸化物であれば、 スパッタさ れシリコンゥヱハ内に混入しても汚染源とならないからである。 また、 シリコン 酸化膜をマスクとしてイオン注入する時も問題はなく、 シリコン酸化膜がシリコ ン窒化膜である場合も同様のことが言える。
また、 本実施例では、 スパッタ防止板 107として Fzシリコンウェハを用い た場合を説明したが、 直接サセプ夕 104に CVDゃスパックで、 シリコンもし くはシリコン酸化物、 もしくはシリコン窒化物を堆積させてもよい。
さらに、 本実施例では半導体基板としてシリコンゥヱハを用いたが、 本発明は シリコン半導体に限定されるものではなく、 Ge、 あるいは化合物半導体等にも 好適に適用される。
(実施例 2) 図 5は、 本発明の第 2の実施例を示すイオン注入装置の図面で、 特にウェハ保 持部を中心に断面図で示したものである。 図 5において、 図 1と同じものについ ては、 同じ番号で示した。
本実施例において、 開口部 1 0 6 ' の径は、 シリコンウェハ 1 0 1後方のシリ コンホルダー 1 0 4に、 イオンビーム 1 0 5が照射されないような大きさに設計 されている。 このついたて 1 0 6は、 シリコン製の板で出来ており、 イオンビ一 ムによってスパッタされてもシリコンゥヱハ 1 0 1に金属不純物汚染を生じるこ とはない。 このシリコン製の板としては、 不純物濃度が 1 0 14cm_3以下の F zシ リコンゥヱハ用いた。 なお、 本実施例では、 シリコンウェハ 1 0 1の径は、 3 3画 øとし、 ついたて 1 0 6の開口は 2 8 mm 0、 ついたてとシリコンウエノ、 1 0 1の距離は 2 0 0誦とした。
本実施例ではシリコンウェハ 1 0 1は 3 3難 øを用いたが、 これは 6インチ、 8インチもしくはそれ以上でもよく、 これらの場合にはゥヱハの径よりひとまわ り小さくついたての開口を決めれば良い。 また、 ついたてとシリコンゥヱハの距 離も、 ウェハのスキャン領域を決定する Xスキャンプレート、 Yスキャンプレー 卜とシリコンウェハとの間であれば、 本実施例の値に限らない。 望ましくはシリ コンゥヱハに近い方が良く、 これにより、 一層正確にシリコンゥヱハ後方でのス ノ、。ッタを防止することができる。
また、 本実施例では静電偏向型イオン注入装置の場合について述べたが、 パラ レルスキャン方式でも同様なことが言え、 この場合ついたての開口はシリコンゥ ェハと同じ径もしくはマージンをとりひとまわり小さい径とするの力望ましい。 以上の装置を用い、 実施例 1と同様にして、 シリコンウェハに A sイオンを 2 5 K e Vで注入し、 シリコンゥヱハ上の金属不純物量を測定したところ、 実施 例 1と同様に従来例と比べて 1桁小さい値となることが確認された。
さらに、 p n接合のリーク電流に関しても実施例 1と同様にして測定したとこ ろ、 1 0— 8A/cm2程度となり、 本実施例のイオン注入装置が金属不純物の混入を 極めて効果的に抑制できることが確認された。
また、 本実施例では、 ついたて 1 0 6の開口部 1 0 6 ' が円の場合について述 ベたが、 例えば角状の液晶パネルにイオン注入する時は、 開口部 1 0 6 ' の形状 を角状にすれば良い。
(実施例 3 )
図 6は、 本発明の第 3の実施例を示すイオン注入装置の図面で、 特にウェハ保 持部を中心に断面図で示したものである。 図において、 イオン注入を行うシリコ ンウェハ 6 0 1は、 本発明のシリコンコーティングを施した治具 6 0 3でウェハ ホルダー 6 0 2に保持されている。 この治具 6 0 3は、 アルミ合金に l〃mのシ リコンを C V D法により堆積したものであり、 イオンビーム 6 0 4がスキャンす る領域よりも大きくなるように設計している。 従って、 イオンビームはシリコン ウェハ以外には、 シリコンコ一ティングを施した治具 6 0 3にしか照射せず、 そ こから金属不純物汚染を生じることはない。 なお、 治具 6 0 3が照射される面積 は小さい方が望ましく、 イオン注入するシリコンウェハ 6 0 1が円形の場合は、 イオンビームを円形にスキャンし、 それよりもひと回り大きい円形の治具 6 0 3 を設置すれば良く、 四角の場合は、 四角にスキャンして治具 6 0 3も四角にする のが、 無駄もなく望ましい。
本実施例では、 C V D法により 1 zmシリコンコーティングを施した治具 6 0 3について述べたが、 この厚さは、 1〃mに限る必要はない。 この厚さは、 加速電圧、 イオン種など目的により異なり、 マージンをとつて 1 ;απιとした。 ま た、 C V D法により堆積したシリコンの濃度は、 目的によって異なるが、 望まし くは、 ノンドープシリコンがよい。
本実施例では、 シリコンコーティングを施した治具 6 0 3について述べたが、 これはシリコン製の治具であっても良いし、 またアルミ合金にシリコンゥヱハを 張り付けたものでも構わない。
また、 本実施例では、 シリコンコーティングを施した治具 6 0 3を用 、た場合 について説明したが、 シリコン以外でも、 シリコン酸化物、 シリコン窒化物を堆 積させても同様の効果が得られる。
さらに、 本実施例では、 シリコンの場合について述べたが、 例えば半導体基板 が、 G e系の半導体や、 G a A s等の化合物半導体の場合は、 その半導体を構成 する半導体もしくはその酸化物もしくはその窒化物のうち少なくとも 1つを主成 分とする材料でコーティングしても同様な効果が得られる。 (実施例 4 )
図 7は、 本発明の第 4の実施例を示すイオン注入装置の図面で、 特にビームラ インからウェハ保持部を断面図で示したものである。 図において、 7 0 1はィォ ン注入を行うシリコンウェハ （3 3誦0) 、 7 0 2はそのシリコンウェハを保持 するための静電チャック、 7 0 3はァ一スピンで、 ウェハの電位をアースに落と している。 また、 7 0 4は静電チャック 7 0 2を固定するための治具で、 例え ば、 A 1合金で作られている。
加速されたイオンビーム 7 0 5は、 Yスキャナ一プレート 7 0 6及び Xスキヤ ナ一プレート 7 0 7 (イオンビーム走査手段） で X Y方向にそれぞれスキャンさ れ、 Xスキャンアパーチャ 7 0 8、 ビームラインアパーチャ 7 0 9、 ファラデー カップ 7 1 0、 及びシリコンゥヱハ 7 0 1前方に置かれたついたて 7 1 1の丸く 開けられた開口部 （4 0画 ø) を通してシリコンゥヱハ 7 0 1に照射され、 ィォ ン注入が行われる。 尚、 ついたて 7 1 1 とシリコンゥヱハ 7 0 1との距離は 2 0 0誦とした。
この際、 イオンビーム 7 0 5が、 ウェハホルダー 7 0 4を全く照射することな く、 シリコンゥヱハ 7 0 1の内側のみをイオン注入するように、 Yスキャナ一プ レート 7 0 6及び Xスキャナープレート 7 0 7でコントロールして、 X Y方向に それぞれスキャンしている。 四角の液晶パネルにイオン注入するときは、 ォ一 バースキャンすることなく四角にスキャンし、 また、 まるいシリコンウェハにィ オン注入するときは、 円形にスキャンしている。 スキャンする範囲は、 ゥヱハホ ルダ一の位置とシリコンゥヱハの大きさが分かれば、 簡単に決定できる。 さら に、 シリコンゥヱハ後方に、 後段ファラデーカップ等イオンビーム検出手段を設 置し、 イオンビームを検出するとフィードバックをかけ、 Yスキャナープレート 7 0 6及び Xスキャナープレート 7 0 7をリアルタイムで制御することも可能で ある。
また、 本実施例では、 静電偏向型のイオン注入装置について述べたが、 パラレ ル注入ィォン注入装置の場合でも同様のことが言える。
(実施例 5 )
図 8は、 本発明の第 5の実施例を示すイオン注入装置の図面で、 特にウェハ保 持部を^;したものである。 図において、 イオン注入を行うシリコンゥヱハ 8 0 1 は、 静電チャック （不図示） 及びアースピン （不図示） で、 ウェハ裏面より保持 されている。 また、 8 0 4は静電チャックを固定するための治具であり、 8 0 5 はゥヱハを上下左右、 更に回転させる機構を有するアームである。
加速されたイオンビーム 8 0 6はスキャンされず、 シリコン製のついたて 8 0 7の開口部より、 常に一定にシリコンゥヱハに照射され、 イオン注入が行わ れている。 この際、 イオンビーム 8 0 6力 ゥヱハホルダー 8 0 4を全く照射す ることなく、 シリコンゥヱハ 8 0 1の内側のみをイオン注入するように、 シリコ ンウェハをメカニカル的にコントロールして、 X Y方向にそれぞれスキャンして いる。 四角の液晶パネルにイオン注入するときは、 オーバースキャンすることな く四角にウェハをスキャンし、 また、 まるいシリコンウェハにイオン注入すると きは、 円形にスキャンしている。 スキャンする範囲は、 シリコンウェハの大きさ と形状が分かれば、 簡単に決定できる。 またスキャンする範囲は、 シリコンゥェ ハの内側であれば、 できるだけ面積の大きい方が良い。 なぜなら、 シリコンゥヱ ハをそれだけ有効に利用できるからである。
本実施例において、 シリコンゥヱハに均一にイオンを注入するために、 上下左 右方向に速度を制御してスキャンすれば良い。 または、 ウェハを回転させ左右 (上下） 方向にスキャンすることにより、 その回転数とスキャン速度を制御して 均一に注入してもかまわない。
また、 本実施例では、 メカニカルスキャン型イオン注入装置について述べた が、 静電偏向型スキャン方式やパラレルスキャン方式とメカ二カルスキヤン方式 とを組み合わせたハイブリツド型イオン注入装置の場合でも、 同様のことが言え る。 産業上の利用可能性
以上説明したように、 請求項 1に係る発明によれば、 イオンビームの進行方向 に見て、 半導体基板の後方に位置する部材からの金属不純物汚染が低減され、 P n接合逆方向リーク電流の少な L、半導体装置等、 高性能半導体装置を提供する ことができる。 また、 請求項 3に係る発明によれば、 半導体基板の後方に位置する部材からの 金属不純物汚染が除去され、 P n接合逆方向リーク電流の少ない半導体装置を得 ることができる。

Claims

請求の範囲
1 . 半導体基板に対し加速されたイオンビームを照射することにより、 前記半 導体基板に所定の不純物を導入するイオン注入装置において、 イオンビームの進 行方向に見て、 前記半導体基板の後方に位置する部材の前記イオンビームにより 照射される部分が、 前記半導体基板を構成する半導体、 もしくはその酸化物、 も しくはその窒化物のうち少なくとも一つを主成分とする材料で構成されている 力、、 またはその表面が該材料で覆われていることを特徴とするイオン注入装置。
2 . 前記材料は、 N型もしくは P型のシリコンであり、 その不純物濃度が 1 X 1 O l7cnf3以下であることを特徴とする請求項 1に記載のイオン注入装置。
3 . 半導体基板に対し加速されたイオンビームを照射することにより、 前記半 導体基板に所定の不純物を導入するィォン注入装置において、 イオンビームの進 行方向に見て、 前記半導体基板の後方に位置する部材が、 前記イオンビームによ り照射されない様に構成したことを特徴とするィォン注入装置。
4 . 前記半導体基板の前方に開口を有するついたてを設け、 該ついたてにより 前記半導体基板の後方に位置する部材が、 前記イオンビームにより照射されない 様にしたことを特徴とする請求項 3に記載のィォン注入装置。 .
5 . 前記ついたては、 前記半導体基板を構成する半導体、 もしくはその酸化 物、 もしくはその窒化物のうち少なくとも一つを主成分とする材料で構成されて いる力、、 またはその表面が該材料で覆われていることを特徴とする請求項 4に記 載のイオン注入装置。
6 . 前記材料は、 N型もしくは P型のシリコンであり、 その不純物濃度が I X 1 0 17cnf3以下であることを特徴とする請求項 5に記載のイオン注入装置。
7 . 前記半導体基板はその外縁が基板保持部材で保持され、 該基板保持部材の 少なくとも表面は前記半導体を構成する半導体、 もしくはその酸化物、 もしくは その窒化物のうち少なくとも一つを主成分とする材料で構成されていることを特 徴とする請求項 3に記載のィォン注入装置。
8 . 前記半導体基板の後方に前記イオンビームの検出手段を設け、 該検出手段 の出力により前記イオンビームの走査手段または前記半導体基板の移動手段を制 御し、 前記半導体基板の後方に位置する部材が、 前記イオンビームにより照射さ れない様にしたことを特徴とする請求項 3に記載のィォン注入装置。
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