JP4998972B2 - イオン注入装置およびイオン注入方法 - Google Patents

Description

本発明は、真空チャンバ内で形成したプラズマからグリッド電極を介して引き出したイオンを被処理基板へ注入するイオン注入装置およびイオン注入方法に関する。

従来より、半導体ウェーハやガラス基板等の被処理基板表面にデバイスを製造するに際して、イオンビームを用いた不純物イオンの打ち込みが行われている。特に、近年における基板の大型化、デバイスの微細化により、数十ｎｍ程度の浅い接合（シャロウ・ジャンクション）が要求され、そのために不純物イオンを数１００ｅＶ以下の低エネルギーで基板に導入する必要がある。

低エネルギーでイオンを基板に導入する方法の一つに、イオンシャワードーピングあるいはプラズマドーピングと呼ばれるイオン注入方法がある。このイオン注入方法は、質量分離したイオンを基板に照射するビームラインイオン注入方法と異なり、基板を直接プラズマに曝してイオンを注入するようにしている（下記特許文献１参照）。

この種のイオン注入装置には、真空チャンバ内をプラズマ形成空間と基板設置空間とに仕切るグリッド電極を備えたものがある（例えば下記特許文献２参照）。このイオン注入装置は、プラズマからグリッド電極を介して引き出したイオンを基板へ注入するもので、グリッド電極の電位を調整することで、イオンの加速エネルギーやイオンの導入量を制御することができる。

特開２０００−１１４１９８号公報 特開平１１−３５４０６７号公報 特開２００２−３５３１７２号公報

グリッド電極を備えていないイオン注入装置（ＰＩＩＩ：Plasma immersion ion implantation ）においては、基板はプラズマ雰囲気に曝されており、ステージにＲＦ電圧を印加して基板にイオンを導入する過程で、電子が周期的に基板へ供給される。このため、注入イオン（正イオン）の電荷の蓄積に起因する基板のチャージアップが緩和される。

これに対して、グリッド電極を備えたイオン注入装置においては、グリッド電極がイオン（正イオン）を引き出すために負の電位に設定されているため、プラズマから電子を引き出せず、従って基板表面のチャージアップが生じやすい。基板のチャージアップは、デバイスの絶縁破壊を引き起こすおそれがあるため、これを回避する手段が必要となる。

このチャージアップを低減するため、例えば上記特許文献３には、基板表面に中和用の電子を照射する電子供給源を設置する構成が開示されている。しかしながら、電子供給源の設置は、イオン注入装置の構成を大型化、複雑化するという問題がある。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、装置構成を複雑化することなく、基板のチャージアップを防止できるイオン注入装置およびイオン注入方法を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明のイオン注入装置は、真空チャンバと、この真空チャンバ内にプラズマを形成するプラズマ源と、プラズマからイオンを引き出すグリッド電極とを備え、前記プラズマから前記グリッド電極を介して引き出したイオンを被処理基板へ注入するイオン注入装置において、前記プラズマから前記グリッド電極を介して前記被処理基板側へ正イオンと電子を交互に引き出す電圧印加手段を備えたことを特徴とする。

また、本発明のイオン注入方法は、真空チャンバ内で形成したプラズマからグリッド電極を介してイオンを引き出し、被処理基板へ当該イオンを注入するイオン注入方法において、前記グリッド電極からプラズマ中の正イオンを引き出して前記被処理基板へ供給する工程と、前記グリッド電極からプラズマ中の電子を引き出して前記被処理基板へ供給する工程とを有することを特徴とする。

本発明は、プラズマからグリッド電極を介して被処理基板側へ正イオンと電子を交互に引き出す電圧印加手段を設けることにより、正イオンの注入で生じた基板の正のチャージアップをプラズマから引き出した電子で中和し、基板のチャージアップを抑制するようにしている。

本発明において、電圧印加手段は、真空チャンバ内に配置された電極部と、この電極部に正電位と負電位とを周期的に印加するパルス電源とを有する構成とする。電極部への正負のパルス電圧の印加により、プラズマ電位と基板電位間に電位差を生じさせて、正イオンと電子を交互に引き出すことができる。電極部は、被処理基板を支持するステージで構成したり、プラズマの形成空間上部に配置したり、あるいは上記グリッド電極で構成することができる。

本発明によれば、プラズマから正イオンと電子を交互に引き出すようにしているので、正イオンの注入で生じた基板のチャージアップを電子の供給で中和でき、基板のチャージアップを抑制することができる。また、チャージアップ防止用の電子源を別途設置する必要がないので、装置構成の複雑化、大型化を回避することができる。

以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態によるイオン注入装置１０の概略構成図である。本実施の形態のイオン注入装置１０は、真空排気手段（図示略）に接続され、内部が所定の真空度に維持された真空チャンバ１を備えている。

真空チャンバ１の内部には、プラズマＰの形成空間を画成する石英製のベルジャ２と、プラズマ形成用ガスを導入するためのガス導入管３と、ベルジャ２の外周部に巻回されプラズマ形成用ガスをプラズマ化するプラズマ源としての高周波アンテナ（コイル）４が配置されている。

また、真空チャンバ１の内部には、半導体ウェーハやガラス基板等の被処理基板（以下単に「基板」という）Ｗを支持するステージ５が配置されている。ステージ５は、基板Ｗをその被処理面をベルジャ２側（図中上方側）に向けて支持する。ステージ５には、正電位と負電位とを周期的に印加するパルス電源８が接続されている。このパルス電源８は、グリッド電極６とステージ５との間に正イオン（本例ではＢ＋イオン）または電子を引き出すための所定のバイアス電位を付与する本発明の「電圧印加手段」を構成している。

ベルジャ２とステージ５との間には、グリッド電極６が配置されている。本実施の形態において、グリッド電極６は、図示するように３枚のグリッド６Ａ，６Ｂ，６Ｃで構成されているが、これに限られない。これら３枚のグリッド６Ａ〜６Ｃは、例えばシリコン製の薄板基板でなり、その面内にイオンが通過し得る複数のスリット又は孔が形成されている。

また、コンタミネーション抑制を目的として、グリッド６Ａ〜６Ｃの構成材料には、基板Ｗへ注入する元素（イオン）と同種の元素（例えばボロン、リン）が添加処理されている。なお、このような処理は、すべてのグリッド６Ａ〜６Ｃについて行われる場合に限らず、少なくとも、プラズマ形成空間に臨む最上段のグリッド６Ａにのみ行われていればよい。

最上段に位置するグリッド６Ａは、プラズマＰの電位（ポテンシャル）を安定にするためのもので、浮遊電位とされている。グリッド６Ｂは、グリッド６Ａの直下に配置され、イオン引出し用のパルス電源９に接続されている。このグリッド６Ｂに基板用のパルス電源８に同期して負電位を印加することで、プラズマからイオン（正イオン）を引き出す作用を行う。最下段のグリッド６Ｃはグランド電位に接続されている。このようにプラズマと基板Ｗとの間に接地電位を設けることで、プラズマと基板Ｗとの電位を確実に制御でき、イオン照射と電子照射とを明確に制御できるようになる。

真空チャンバ１の内部には、ベルジャ１１の上部を覆うようにして平板電極７が配置されている。平板電極７は、グランド電位に接続されている。

さて、本実施の形態のイオン注入装置１０においては、アンテナ４へ高周波（例えば１３．５６ＭＨｚ）電力を印加することにより、ベルジャ２の内部に導入された処理ガスをプラズマ化する。形成されたプラズマＰの電位は、グリッド６Ａと平板電極７との間で安定化される。一方、グリッド６Ｂには、パルス電源９から基板用のパルス電源８に同期して負電圧が印加されている。この負電圧の大きさは、プラズマ中のイオン（正イオン）をグリッド６Ｂに引き付けるのに十分な大きさで、基板Ｗからの２次電子がプラズマへ逆流しない電位が維持でき、かつ、パルス電源８の負の入力電位よりも（絶対値的に）小とされる。

パルス電源８からステージ５へ負のパルス電圧が入力されると、グリッド電極６とステージ５との間に、ステージ５側を負電位とするバイアス電位が発生する。このバイアス電位によりグリッド電極６で引き出されたイオンは加速されて基板Ｗへ照射される。

一方、パルス電源８からステージ５へ正のパルス電圧が入力されると、グリッド６Ｂにはパルス電源８に同期して正電位が印加され、このバイアス電位を受けて、グリッド電極６の近傍に分布しているプラズマ中の電子がステージ５側へ加速され、グリッド電極６を通過して基板Ｗに照射される。

このように、基板Ｗに正イオンと電子を交互に供給することで、イオンの注入により基板Ｗに帯電する正の電荷を基板Ｗへの電子の供給によって中和でき、これにより基板Ｗのチャージアップを効果的に抑制することができる。なお、イオンおよび電子の加速エネルギーは、パルス電源８の入力パルス電圧の設定で調整される。

さて、基板Ｗのチャージアップ防止の観点からは、基板Ｗに照射されるイオンの電荷量と電子の電荷量とは互いに同等であることが望ましい。つまり、単位面積あたりのイオン入射電荷量と電子入射電荷量が等価であればよい。

そこで、イオン照射のための電圧印加時間をΔｔｉ、プラズマ内で生成されたイオンの電流面密度をＪｉ［Ａ／ｃｍ²］、電子照射のための電圧印加時間をΔｔｅ、プラズマ内で生成された電子の電流面密度をＪｅ［Ａ／ｃｍ²］とすると、
Δｔｉ×Ｊｉ＝Δｔｅ×Ｊｅ ……（１）
の関係を満たせばよい。

このとき、
Ｊｉ＝ｑ×ｎｉ×√（ｋ×Ｔｅ／（２．７１８×Ｍｉ））……（２）
また、
Ｊｅ＝（１／４）×ｑ×ｎｅ×√（８×ｋ×Ｔｅ／（π×Ｍｅ））×
ｅｘｐ｛−ｑ×（Ｖｓ−Ｖｐ）／（ｋ×Ｔｅ）｝……（３）
したがって、イオンを基板Ｗに照射した際に、二次電子が発生しないと仮定した場合、基板Ｗ（ステージ５）に印加する電圧の大きさ及び印加時間は、（２），（３）式より、以下の（４）式より導かれる。
Δｔｉ／Δｔｅ＝√（２．７１８×Ｍｉ／（２π×Ｍｅ））×
ｅｘｐ｛−ｑ×（Ｖｓ−Ｖｐ）／（ｋ×Ｔｅ）｝……（４）
ここで、Ｍｉはドーピングイオンの質量、Ｍｅは電子の質量、Ｖｓは基板電位、Ｖｐはプラズマ電位、ｑ×（Ｖｓ−Ｖｐ）は、基板電位とプラズマ電位間の電位差で加速される電荷の加速エネルギー、ｋ×Ｔｅは電子温度である。

図２はパルス電源８によるパルス入力例を示している。グリッド６Ｂに負電圧が印加されていない条件では、プラズマ電位Ｖｐを＋２０Ｖ、電子温度を３ｅＶとすると、基板Ｗにボロンイオンを注入するための基板電位Ｖｓｉを−４８０Ｖ、印加時間Δｔｉを２７．１μｓｅｃに設定した場合、基板電位Ｖｓｅ＝＋２５Ｖ、照射時間Δｔｅ＝１μｓｅｃとすれば、ボロンイオンが基板に入射した電荷量と同等の電子による電荷量を基板に与えられることになる。この場合、パルス電圧の入力周期Ｔは任意に設定可能である。

一方、本実施の形態では、イオン引き出しのためにグリッド６Ｂに基板用パルス電源８に同期したパルス電圧が印加されている。図３に示すように、プラズマ電位Ｖｐとグリッド６Ｂの電位ＶＢとの電位差によって、プラズマからイオン又は電子が引き出され、プラズマ電位Ｖｐと基板電位Ｖｓとの電位差によって加速エネルギーが設定される。

例えば、グリッド６Ｂの印加電圧を±３０Ｖのパルス出力、プラズマの電子温度（ｋ×Ｔｅ）を３ｅＶ、質量２６ａｍｕのイオンを注入する場合には、Δｔｉ／Δｔｅ＝５．１となるので、イオン注入（基板バイアスが負を印加する）時間（Δｔｉ）５．１μｓｅｃに対して、電子照射（基板バイアスが正を印加する）時間（Δｔｅ）は１μｓｅｃであれば、イオン／電子照射による電荷量が同等となる。

なお、基板Ｗの表面にフォトレジスト等のマスク層が形成される場合、イオン照射の際に当該マスク層から二次電子が発生し、これがイオンドーピングによる電荷量緩和に寄与すると考えられる。このため、電子が基板に照射される時間は、上記計算値よりも数１０％短くなるように設定される。

図４は、イオン注入装置１０の作用を説明するタイミングチャートである。Ａはアンテナ（コイル）４に入力される高周波電圧、Ｂはパルス電源８からステージ５へ入力されるパルス電圧、ＣおよびＤは、正イオンおよび電子の照射タイミング（立上がり時）とその照射時間をそれぞれ示している。

図４に示したように、本実施の形態のイオン注入装置１０によれば、プラズマＰを形成している間、ステージ５へ所定周期、所定の大きさの正負パルス電圧を印加することで、基板Ｗに正イオンと電子が交互に供給される。これにより、基板Ｗへのイオン注入の際の基板Ｗの正へのチャージアップを電子の供給で効果的に抑制することができ、基板Ｗのチャージアップダメージを防ぐことができる。また、チャージアップ防止用の電子源を別途設置する必要がないので、装置構成の複雑化、大型化を回避することができる。

（第２の実施の形態）
図５は本発明の第２の実施の形態によるイオン注入装置２０の概略構成図である。なお図において上述の第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。

本実施の形態のイオン注入装置２０は、基板Ｗを支持するステージ５がグランド電位に接続されているとともに、パルス電源８がベルジャ２の上部に配置された平板電極７に接続されている点で、上述の第１の実施の形態と異なっている。

本実施の形態においては、平板電極７がプラズマ電位設定電極として機能し、パルス電源８から所定周期、所定の大きさの正電位および負電位が印加されることで、プラズマＰからグリッド電極６を介して基板Ｗ側へ正イオンと電子を交互に引き出す電圧印加手段を構成する。

具体的に、平板電極７へ正のパルス電位を印加することで、プラズマ電位が基板電位よりもパルス電位印加分高くなり、グリッド電極６で引き出されたプラズマ中の正イオンが基板Ｗ側へ加速される。また、平板電極７へ負のパルス電位を印加することで、プラズマＰより基板Ｗがバイアス電位分高くなり、グリッド電極６の近傍に分布するプラズマ中の電子が基板Ｗ側へ加速される。

したがって本実施の形態によれば、基板Ｗに対して正イオンの供給と電子の供給を交互に行うことが可能となり、上述の第１の実施の形態と同様に、イオン注入過程で生じる基板Ｗのチャージアップダメージを防ぐことができる。また、チャージアップ防止用の電子源を別途設置する必要がないので、装置構成の複雑化、大型化を回避することができる。

（第３の実施の形態）
図６は本発明の第３の実施の形態によるイオン注入装置３０の概略構成図である。なお図において上述の第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。

本実施の形態のイオン注入装置３０は、基板Ｗを支持するステージ５がグランド電位に接続されているとともに、パルス電源８がグリッド６Ａに接続されている点で、上述の第１の実施の形態と異なっている。

本実施の形態においては、パルス電源８から所定周期、所定の大きさの正電位および負電位がグリッド６Ａに印加されることで、プラズマＰからグリッド電極６を介して基板Ｗ側へ正イオンと電子を交互に引き出す電圧印加手段を構成する。

具体的に、グリッド６Ａへ正のパルス電位を印加することで、グリッド電極６からプラズマ中の正イオンを基板Ｗへ供給する。また、グリッド６Ａへ負のパルス電位を印加することで、グリッド電極６からプラズマ中の電子を基板Ｗへ供給する。

したがって本実施の形態によれば、基板Ｗに対して正イオンの供給と電子の供給を交互に行うことが可能となり、上述の第１の実施の形態と同様に、イオン注入過程で生じる基板Ｗのチャージアップダメージを防ぐことができる。また、チャージアップ防止用の電子源を別途設置する必要がないので、装置構成の複雑化、大型化を回避することができる。

（第４の実施の形態）
図７は本発明の第４の実施の形態によるイオン注入装置４０の概略構成図である。なお図において上述の第２の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。

すなわち本実施の形態のイオン注入装置４０は、グリッド電極６を構成する各グリッド６Ａ〜６Ｃの略中央部には、プラズマＰからステージ５上の基板Ｗに対して局所的に正イオン又は電子を照射するための単一の開口６１がそれぞれ形成されている。また、真空チャンバ１の内部において、ステージ５には基板Ｗを支持面内で水平移動させる水平移動機構としてＸ方向移動機構６２およびＹ方向移動機構６３がそれぞれ設けられている。

以上のように構成される本実施の形態のイオン注入装置４０においては、ステージ５をＸ方向移動機構６２およびＹ方向移動機構６３で水平駆動しながら、基板Ｗの表面全域に正イオンおよび電子が照射される。これにより、上述の各実施の形態と同様に、イオン注入過程で生じる基板Ｗのチャージアップを抑制することができるとともに、基板Ｗに対するイオンの注入効率と面内均一性の向上を図ることができる。

また、基板Ｗにイオン注入範囲を限定するレジストマスクが形成されている場合等においては、イオンおよび電子の照射の際に当該マスクからアウトガスが発生する。本実施の形態によれば、グリッド電極６の開口６１の形成範囲が制限されているので、グリッド電極６がアウトガスのプラズマ形成空間への侵入を効果的に遮断でき、アウトガスによるプラズマ領域の汚染を防止することができる。

さらに、本実施の形態によれば、グリッド電極６の開口６１によって基板Ｗに対するイオンの照射量を制限しているので、プラズマＰからイオンをビーム状に引き出すことができ、これにより注入イオンのモニタリングを容易に行うことが可能となる。なお、イオンのモニタリングは、例えば、グリッド電極６の開口６１と基板Ｗとの間にファラデーカップを配置することで実施することができる。

以上、本発明の各実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれらに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば、真空チャンバ１内にプラズマＰを形成するプラズマ源は、ＲＦアンテナ４を用いた誘導結合方式（ＩＣＰ）に限らず、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）や平行平板、磁気中性線放電（ＮＬＤ）等の他の方式のプラズマ源を採用してもよい。

また、ベルジャ２の形状、大きさは任意に設定でき、例えば、グリッド電極６の形状、大きさに合わせたプラズマが形成できるように構成してもよい。更に、ベルジャ２の内面に、注入するイオンと同種材料の膜をコーティングしておくと、注入時のコンタミネーションの抑制を図ることができる。

本発明の第１の実施の形態によるイオン注入装置１０の概略構成図である。 イオン注入装置１０のステージ５に印加されるパルス電圧の入力例を説明するタイミング図である。 基板電圧とグリッド６Ｂ電圧の印加タイミングを説明する図である。 イオン注入装置１０の作用を説明するタイミング図である。 本発明の第２の実施の形態によるイオン注入装置２０の概略構成図である。 本発明の第３の実施の形態によるイオン注入装置３０の概略構成図である。 本発明の第４の実施の形態によるイオン注入装置４０の概略構成図である。

符号の説明

１ 真空チャンバ
２ ベルジャ
３ ガス導入管
４ アンテナ（コイル）
５ ステージ
６ グリッド電極
７ 平板電極
８ パルス電源
９ 可変直流電源
１０，２０，３０，４０ イオン注入装置
６１ 開口
６２ Ｘ方向移動機構
６３ Ｙ方向移動機構
Ｐ プラズマ

Claims (7)

1. 被処理基板が配置される真空チャンバと、
   前記真空チャンバ内にプラズマを形成するプラズマ源と、
   前記真空チャンバ内に配置され前記プラズマからイオンを引き出すグリッド電極と、
   前記グリッド電極に第１の正電位と第１の負電位とを周期的に印加することで、前記プラズマから前記被処理基板側へ正イオンと電子とを交互を引き出す第１のパルス電源と、
   前記被処理基板を支持するステージと、
   前記ステージに前記第１のパルス電源と同期して第２の正電位と前記第１の負電位よりも絶対値的に大きい第２の負電位とを印加することで、前記グリッド電極から引き出された前記正イオンと前記電子とを前記被処理基板に交互に供給する第２のパルス電源と
   を具備するイオン注入装置。
2. 請求項１に記載のイオン注入装置であって、
   前記グリッド電極は、複数のグリッドでなるイオン注入装置。
3. 請求項２に記載のイオン注入装置であって、
   前記複数のグリッドのうち最下段に位置するグリッドは、グランド電位に接続されているイオン注入装置。
4. 請求項２に記載のイオン注入装置であって、
   前記複数のグリッドのうち少なくとも最上段に位置するグリッドには、注入するイオンと同種の元素が添加されているイオン注入装置。
5. 請求項１に記載のイオン注入装置であって、
   前記グリッド電極には、前記被処理基板に対して局所的に正イオン又は電子を供給する単一の開口が形成されており、
   前記被処理基板を支持するステージには、当該被処理基板を支持面内で水平移動させる水平移動機構が設けられているイオン注入装置。
6. 真空チャンバ内で形成したプラズマからグリッド電極を介してイオンを引き出し、被処理基板へ当該イオンを注入するイオン注入方法において、
   前記真空チャンバ内でプラズマを形成し、
   前記グリッド電極に第１の負のパルス電圧を印加することで前記プラズマから前記被処理基板側へ正イオンを引き出し、
   前記正イオンの引き出し工程と同期して前記被処理基板を支持するステージに前記第１の負のパルス電圧よりも絶対値的に大きい第２の負のパルス電圧を印加することで前記正イオンを前記被処理基板に照射し、
   前記グリッド電極に第１の正のパルス電圧を印加することで前記プラズマから前記被処理基板側へ電子を引き出し、
   前記電子の引き出し工程と同期して前記ステージに第２の正のパルス電圧を印加することで前記電子を前記被処理基板に照射する
   イオン注入方法。
7. 請求項６に記載のイオン注入方法であって、
   前記電子の引き出し工程は、前記電子の照射工程と同期して前記第１の正のパルス電圧を前記グリッド電極に印加し、
   前記正イオンの照射工程の第２の負のパルス電圧印加時間をΔｔｉとし、前記電子の照射工程の第２の正のパルス電圧印加時間をΔｔｅとしたときに、
   Δｔｉ／Δｔｅ＝Ｊｅ／Ｊｉ
   （Ｊｅはプラズマ内で生成されたイオンの電流面密度［Ａ／ｃｍ^２］、Ｊｉはプラズマ内で生成された電子の電流面密度［Ａ／ｃｍ^２］）
   の関係を満たすイオン注入方法。

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