JPS632653B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は目的のイオンを高いエネルギーに加速
して物質（被処理体）の中に打ち込むイオン打込
装置に関する。

半導体装置等の製造において、半導体薄板（ウ
エハ）にボロン、りん、砒素等の導電型決定不純
物をイオンとして打ち込む作業があるが、この作
業にあつては一般にイオン打込装置が用いられて
いる。このイオン打込装置は第１図に示すよう
に、１なるイオン源より２の引出し電極にて３な
るイオンビームを引出す、一般にイオン源にては
目的とするイオン以外のイオン種も同時に発生す
るので引出された３なるイオンビームは、例えば
５種類のイオンを含む、これは次の４なるイオン
ビーム分析部にて磁場分析の手段により５−１よ
り５―５まで５種類に分離される。いま５―３の
イオンビームを目的のイオンとすると、５―１，
５―２はこれより質量の小さいイオンで磁場にて
大きく偏向され、５―４，５―５のイオンビーム
は目的のイオンビームより質量の大きいイオンビ
ームで小さく偏向される、ここで同時に示した５
―６はイオン引出し部分にて発生した中性粒子ビ
ームを示す。このようにして分離したイオンビー
ムは、５―１，５―５のように磁場分析管の管壁
に衝突するものであり、５―２，５―４のように
６なるスリツトにて阻止されるものであり、結局
目的の５―３のイオンビームのみ取出され、次の
７なる加速管に入り、目的のエネルギーまで加速
される。この加速されたイオンビームは、８と９
のイオンビーム走査電極により電気的にＸ，Ｙ方
向に走査され、イオンを打込むべきシリコンウエ
ハの全面に均一に打込むように拡大される。ここ
で注目されるのは１０なる中性粒子用偏向板であ
つてこれはイオンビームが加速管などを通過中残
留ガスとの衝突によりその電荷を失つた高速の中
性粒子がイオンビームと共に飛来しシリコン基板
に打込まれるのを防ぐため、進行方向７〜10゜程
度１１―１なるイオンビームとして偏向し、１１
―２なる高速中性粒子と分離する作用を行うもの
である。このように分離された１１―１なるイオ
ンビームは１３なるシリコン基板に打込まれ、一
方イオンビームと分離された１１―２なる中性粒
子ビームは、１０の偏向板に衝突し、偏向板に打
込まれることにより阻止される、もしこの偏向板
がない場合は局所的に中性粒子が集中して打込ま
れる。このような第１図に示したイオン打込みの
方式はイオンビーム電流が大体500μA位までのイ
オンビーム打込み装置にて一般的に使用される。
なほイオンビームは磁場にても走査される、この
ように電場走査または磁場走査によりイオンビー
ムを走査する方式を電気式走査とよばれ、次にの
べる機械式走査と対比される。

第２図はイオンビーム電流が1mA以上の比較
的大きいイオンビーム打込み装置に適用される方
式を示す。１なるイオン源より７なる加速管まで
は第１図と原理的に同一である、ただし、大きい
電流を出すために１なるイオン源の構造等が異な
るだけである、この第２図において７なる加速管
にて加速されたイオンビームは、直接次に位置せ
しめられた円筒状の回転打込み部上のシリコンウ
エハに打込まれ、第１図の場合のようにイオンビ
ームが電場によりＸ，Ｙ方向の走査をうけない、
この電気式走査を行わない理由は次の２つであ
る、１つはイオンビーム本来の性質に伴うもの
で、ビーム電流が1mAになると、残留ガスを電
離した時生じる電子をイオンビームの中に取込ん
でいわゆる“ビームプラズマ”の状態のイオンビ
ームになつていると考えられる。これに電場を印
加すると、取込まれた電子は低速であるため、印
加された電界の正電極側に流れ込み電極に非常に
大きい負荷を生ぜしめ場合によつては走査ができ
なくなる。またこのようにして電子を吸い取られ
たイオンビームは正の空間電荷が発生し、ビーム
の発散を起こすため、ビーム走査の均一性に必要
なビームの集束を、打込むシリコン基板上におい
て保てなくなるなどの事由のためである。以上電
気式走査のうち電場による走査についてのべた。
磁場走査についてはこのようなことはないが、費
用と複雑さのため一般には使用されない。他の理
由は、熱発生のためで第１図の１３なるシリコン
基板１枚の上に多量のイオンビームが打込まれて
打込みエネルギーが熱に転換されると、シリコン
基板の過度の温度上昇を来たし、素子製造プロセ
ス上に差支えるためである。

したがつて打込むイオンビーム電流が1mAを
越えるようになると、例えば、１例として、第２
図１４に示すように１４なる円筒上の回転体打込
み部上にシリコン基板を多数板貼り付けを行い、
これを第２図に示すように軸廻りに廻転させると
同時に左右に移動させ、イオンビームが固定して
いても実効的にイオンビームは貼り付けられた多
数枚のシリコンウエハ上を均一に走査するように
している。これは同時に発生熱が表面積と熱容量
の大きい回転する円筒に与えられ、シリコン基板
の温度上昇をきたさない効果を有している。この
ようにイオンビームを走査せず打込み基板を走査
するのを機械式走査と呼ばれている。この場合第
１図で問題になつた高速中性粒子ビームは当然発
生するし、これは円筒上のシリコン基板に打込ま
れる。しかしこの場合イオンビームも固定にある
ため、高速中性粒子ビームは多数板のシリコン基
板に均一分散して打込まれ、その割合に全体の打
込み量の１％よりかなり少くなり、第１図の場合
のビーム偏向を行わなかつた場合のように局所的
に中性粒子が集中することはない。

このようにして、用いるイオンビーム電流の大
小により用いられる装置の均一打込みのための様
式が電気式走査と機械式走査と走査方式が異な
る。近時このイオン打込みの半導体素子製造プロ
セスへの適用はますます盛んになり、特に高濃度
の接合形成のため、第２図に示す1mA以上のビ
ーム電流を打込む方式が多く用いられるようにな
つた。これに伴い、この高濃度打込みのための適
用事例が多くなるにつれ、現状のまゝでは極めて
不都合な半導体素子製造上好ましくない事例が多
く見出されるようになつた。それは高濃度のイオ
ン打込みに伴つて生ずるシリコン基板に対するナ
トリウム等の可動不純物イオンによる汚染であ
る。この汚染原因は研究の結果次のような原因に
依ることが判明した。

(1) 第１図、第２図のイオン源よりの引出し部よ
り４と６の分析管部、スリツト部にかけて、ナ
トリウム等を非常に多量に含む物質（主として
ハイドロ、カーボンを主体とする物質）が附着
をしている。

(2) このハイドロカーボンはイオン源部を排気す
る真空ポンプよりの逆拡散による油がイオンビ
ームに叩かれて分解、附着したものであるが、
これに吸着しているナトリウム等はイオン源の
構成材料、特にフイラメントなどから、放電に
際しての加熱のために放出されるもの、また真
空ポンプに微量に附着しているものが、時間と
共にこの部分に蓄積し、濃縮したものと考えら
れる、この蓄積、濃縮は装置の普通の使用状態
において大体３ケ月〜６ケ月位で無視出きない
量になるものと各種の調査の結果判明してい
る。

(3) このような状態でこのイオン打込み装置を運
転すると第１図、第２図の５―１，５―５、の
ような磁場分析管の内部に衝突するイオンビー
ムのため、分析管内部に附着したナトリウム等
を含んだ汚染物質″がスパツタされ、またはイ
オンビームの分析衝突のため分析管が加熱され
温度が上昇してこの汚染物が蒸発し、分析管内
での存在密度はかなりの量になる。したがつて
この状態にては、６のスリツト孔より内外の密
度の差により高真空側のイオン打込み部に拡散
を起こす。

(4) 第３図はこの状態を６のスリツト以降につい
て示したもので目的のイオンビームの５―３の
他に６のスリツトを通じてイオン打込みを行う
１４の円筒状の回転体打込み部に１５なる“ナ
トリウム等を含む汚染物質”が到着している様
子を示す、このイオン打込み部は〜１×
10^-7Torr程度に極めて高真空に排気されてい
るため、この物質は６のスリツト孔と、１４の
機械式走査の回転体打込み部の距離が平均自由
行程よりはるかに短いため直進すると考えてよ
い。たゞし、この物質はあくまで拡散であるた
め熱運動の小さいエネルギーを有するにすぎな
い。

(5) このように１４の打込み部に到着した物質は
この表面に到着して附着し、ナトリウム等の汚
染を起すが、１４の打込み部に、シリコン基板
をも含めて、イオンビームが照射されるとイオ
ンビームにより表面が活性化され、この物質の
附着速度が更に増大する。

以上のべたように第２図の構成のイオン打込み
方式ではイオンビームと中性粒子の他に第８図で
示すように分析管部より“ナトリウム等を含む汚
染物質”（以下汚染物質とも略す）が熱運動エネ
ルギーにて飛来し、イオン打込み素子表面に附着
し、ナトリウム等の汚染を生じ、特にイオンビー
ムの照射を受ける場所はこの汚染物質を多く吸着
することが明らかとなつている。これは当然第１
図の構成でも生じているがこの量は比較的少い。
これは第１図の構成はイオンビーム量が少ないた
め分析管部よりスパツタまたは蒸発する量が少い
こと、また中性粒子除去のための１０なるイオン
ビーム偏向板のため、この飛来汚染物質がここに
て、ある程度阻止される効果を有しているため、
イオン打込みのシリコン基板１３にまで飛来する
汚染物質の量が少いためである。しかしイオンビ
ーム偏向部には長時間使用するとこの汚染物質が
蓄積していることは各種の実験により明らかにな
つており、これがイオンビームや中性粒子にスパ
ツタされ、イオン打込みのシリコン基板の汚染を
起すことも見出されている。この偏向板は、中性
粒子がイオンビームとほゞ等しいエネルギーを有
するため、この中性粒子を偏向板に打込ませて阻
止せしめるか、或は反射せしめる際そのエネルギ
ーを殆んど取去つて基板に例え到着しても極めて
弱い無視できるエネルギーにまでおとすことを第
１目的としているため、ナトリウム等を含んだ汚
染物質の阻止には必らずしも適した構成ではな
く、またこの汚染物質のスパツタや再蒸発に対し
ては役に立たない状成であるためである。

以上現在の第１図、第２図の構成のまゝではナ
トリウム等に対する汚染に対し、効果がないか、
または少ないことについてのべた。これの解決策
を考えてみると次のようなことが考えられる。

(1) イオンビーム分析部にナトリウム等の汚染が
起らないようにする、このため真空排気（たと
えば、排気ポンプはイオン源部、分析部、打込
み部を配設した処理室に設けられる。）をクラ
イオポンプやターポモレキユラーポンプ等を使
用し、イオン源の構成材料をナトリウム等を含
まないよう細心の注意をする。この対策は、あ
る程度効果はあるものと考えられる。しかしい
ろんな取扱いの過程で、ナトリウム等にふれる
機会をなくすることは不可能に近くまた原因の
項でのべたように、如何に少量のナトリウム等
により接触しないようにしても、分析管部に蓄
積が起こる時間を延長する効果はあつても蓄積
を防ぐことは不可能である。したがつて具体的
な解決策とはなりにくいなお、市販されている
装置にあつては実際にクライオポンプが使用さ
れているものが多い。

(2) 汚染物質が発生するスリツト部および分析管
部部分に排気ポンプを配設して、発生した汚染
物質を速やかに排気するとともに、イオン打込
み部側の処理室でも排気ポンプを用いて強力に
排気する。ところで、装置の構造上、スリツト
部、分析管部等は高い位置にあるため、大きな
重い排気ポンプは直接取り付けにくい。このた
め、イオン打込み部の処理室に配設される排気
ポンプをより強力なものにすることが望まし
い。しかし、イオン打込み部の処理室と分析管
部との間には小さな孔からなるスリツトが設け
られているため、排気効率が悪い。そこで、ス
リツトは直列に並べる数枚のスリツト板の組み
合せで始めて形成されるようにすることによつ
て真空のコンダクタンスを低下させることなく
イオンビームを絞ることが考えられる。

したがつて、本発明の目的は被処理物の汚染を
防止することのできるイオン打込装置を提供する
ことにある。

このような目的を達成するために本発明は、イ
オン発生部から発したイオンを分析部で分析する
とともに、所望のイオンのみをスリツトで絞つて
イオン打込部に加速して導き、イオン打込部に配
設される被処理体表面に所望のイオンを注入する
イオン打込装置において、前記スリツト近傍およ
びイオン打込部を配設する処理室には排気量の大
きい排気ポンプを配設するとともに、前記スリツ
トは管路を一部塞ぐ直列に並ぶ数枚のスリツト片
からなり、かつ前記スリツト片を全て重ね合せて
始めてイオンが通過する細い絞り孔を形成するよ
うに構成してなるものであつて、以下実施例によ
り本発明を説明する。

第４図は本発明の一実施例によるイオン打込装
置の概略図である。この実施例は第２図で示す大
出力用イオン打込装置において、P₁〜P₃に示す
従来の排気ポンプに加えてP₄，P₅の２台の排気
ポンプを配設し、かつスリツトを第５図で示すよ
うな２枚のスリツト片で構成してなるものであ
る。すなわち、装置全体は各室を形成するカバー
１６で被われ、カバー内は真空系を形作つてい
る。カバー１６内はイオンの飛来方向に沿つて、
イオン源１、引出し電極２、イオンビーム分析部
４、スリツト６を配設した管路１７、加速管７、
打込部１４を配設する処理室１８が設けられてい
る。また、前記イオンビーム分析部４のイオン源
側および上部にはそれぞれ排気ポンプP₁，P₂が
設けられるとともに、スリツト６の近傍の管路１
７およびイオンビームが激しく衝突する分析部４
の壁には排気ポンプP₄，P₅が設けられている。
また、処理室１８にも排気ポンプP₃が設けられ
ている。これら排気ポンプP₁〜P₅は油のない
（オイルフリー）クライオポンプあるいはターボ
モレキユラーとなつている。このため、処理室１
８、分析部４内への油の拡散はなく、汚染は少な
くなる。また、P₃〜P₅は排気量（排気能力）が
大きく、カバー内の真空が維持しやすいようにな
つている。

一方、管路１７に設けるスリツト６は第５図に
示すように、２枚の半円板形からなるスリツト片
１９からなるとともに、その半円の中心には半円
形の細い切欠孔２０が設けられている。また、両
スリツト片１９は相互に離れて管路内壁に固定さ
れる。この際、両スリツト片１９は180度間隔に
配設され、かつ両者をそのままの状態で重ね合せ
ると、両切欠孔２０で小さな孔が形成される。こ
の孔は所望のイオンが通過する。

このようなイオン打込装置によれば、排気ポン
プから油等が拡散しないので真空系の汚染は少な
い。また、イオン源等に含有されている不純物等
の分析部内壁およびスリツトへの付着、さらには
これらにイオンが衝突することによつてあるいは
加熱蒸発によつて発生する汚染物質は排気量の大
きな排気ポンプP₄，P₅によつて速やかに排気さ
れるので分析部の汚染、また分析部から処理室へ
拡散する不純物による処理室の汚染は少なくな
る。さらに、処理室は排気量の大きい排気ポンプ
によつて常に高真空度、即ち高清浄度に保たれ
る。このため、ウエハ（被処理物）の汚染は極め
て少ない。また、各スリツト片は半円形であるこ
とから、管路の断面積の約半分は開いている。し
たがつて、気体の流れは従来のスリツトに較べて
よく、分析部の真空度の向上、即ち分析部の清浄
度が向上する。

なお、本発明は前記実施例に限定されない。た
とえば、スリツト片はさらに多数とし、真空化の
コンダクタンスを向上させるようにしてもよい。
すなわち、スリツト片を120度をわずかに越える
３枚のスリツト片とし、かつ120度間隔でスリツ
ト片を配設することによつて、管路断面の約2/3
を真空化用の流路として用いることができる。

以上のように、本発明のイオン打込装置によれ
ば、被処理物の汚染を防ぐことができる。このた
め、半導体装置の製造に適用すれば、特性の優れ
た半導体装置を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は従来のイオン打込装置の
概略図、第３図は同じく汚染状態を示す説明図、
第４図は本発明の一実施例によるイオン打込装置
の概略図、第５図は同じくスリツトを示す概略斜
視図である。 １……イオン源、２……引出し電極、３……イ
オンビーム、４……イオンビーム分析部、５……
分析されたイオンビーム（５―１〜５―５まで）、
６……スリツト、７……加速管、８……Ｘ方向走
査電極、９……Ｙ方向走査電極、１０……中性粒
子用偏向板、１１―１……偏向されたイオンビー
ム、１１―２……中性粒子ビーム、１３……シリ
コン基板、１４……円筒状回転体打込み部、１５
……拡散するナトリウム等を含む物質、１６……
カバー、１７……管路、１８……処理室、１９…
…スリツト片、２０……切欠孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ イオン発生部から発したイオンを分析部で分
   析するとともに、所望のイオンのみをスリツトで
   絞つてイオン打込部を配設する処理室に加速して
   導き、イオン打込部に配設される被処理体表面に
   所望のイオンを注入するイオン打込装置におい
   て、前記スリツト近傍およびイオン打込部を配設
   する処理室には排気量の大きい排気ポンプを配設
   するとともに、前記スリツトは管路を一部塞ぐ直
   列に並ぶ数枚のスリツト片からなり、かつ前記ス
   リツト片を全て重ね合せて始めてイオンが通過す
   る細い絞り孔を形成するように構成されてなるこ
   とを特徴とするイオン打込装置。 ２ 前記排気ポンプはターボモレキユラまたはク
   ライオポンプ等のオイルフリーの真空ポンプから
   なることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   のイオン打込装置。