(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン源で引出電圧をかけて引き出したイオンのうち目的とするイオンのみを選別する質量分析を１回のみ行ない、ビームラインにてイオンビームの整形及び走査をし、加速管にて加速電圧をかけてエンドステーションにて被処理体にイオン注入するイオン注入方法において、
所望の被処理体に所望の注入深さでイオン注入する際に、２価イオンを用い、その２価イオンを注入する際の２価用引出電圧及び２価用加速電圧の合計値を、その２価イオンと同一イオン種の１価イオンを前記所望の被処理体に前記所望の注入深さと同じ深さで注入する際の１価用引出電圧及び１価用加速電圧の合計値の半分の値に設定し、前記２価用引出電圧を前記イオン源の最大引出電圧に設定し、かつ、前記２価用加速電圧を前記１価用加速電圧よりも小さく設定して前記所望の被処理体へのイオン注入を行なうことを特徴とするイオン注入方法。
【請求項２】
前記２価用引出電圧の値は前記１価用引出電圧の値と同じである請求項１に記載のイオン注入方法。
【請求項３】
前記被処理体は半導体層表面にゲート絶縁膜が形成された半導体ウェハであり、イオン注入の対象処理は、その半導体ウェハに形成されるＭＯＳトランジスタのしきい値電圧を調整するために前記ゲート絶縁膜を介して前記半導体層にイオンを注入するためのイオン注入である請求項１又は２に記載のイオン注入方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン注入方法に関し、特に、イオン源で引出電圧をかけて引き出したイオンのうち目的とするイオンのみを選別する質量分析を１回のみ行ない、ビームラインにてイオンビームの整形及び走査をし、加速管にて加速電圧をかけてエンドステーションにて被処理体にイオン注入するイオン注入方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体に不純物イオンを導入する方法として、イオン注入装置を用いたイオン注入がある。イオン注入に用いられるイオン注入装置は、イオン源で引出電圧をかけて引き出したイオンのうち目的とするイオンのみを選別する質量分析を行ない、ビームラインにてイオンビームの整形及び走査をし、加速管にて加速電圧をかけてエンドステーションにて被処理体にイオン注入を行なう。
【０００３】
イオン注入処理において、ビーム電流を多くとれて処理時間を短くできる１価イオンを用いて注入を行なうのが一般的である。２価イオンや３価イオンを用いてイオン注入を行なう場合、１価イオンでの注入と同じ深さにイオンを注入するために、２価イオンを用いる場合は１価イオンの２分の１の電圧（引出電圧＋加速電圧）、３価イオンを用いる場合は３分の１の電圧（引出電圧＋加速電圧）で注入できることが知られている。イオン注入装置において、引出電圧及び加速電圧には性能上の上限があるので、イオンをより深く注入する場合には、２価イオンや３価イオンが用いられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
質量分析を１回のみ行なうイオン注入装置では、質量分析後のビームライン真空度が低いとイオンが中性化されて加速電圧で十分に加速されずに低エネルギーで注入され、一部のイオンが浅く注入されてしまう不具合が発生することがある。この不具合はエネルギーコンタミネーションと呼ばれる。
【０００５】
例えば、ＭＯＳトランジスタのしきい値電圧を調整するためにゲート絶縁膜を介して半導体層にイオンを注入する際にエネルギーコンタミネーションが発生すると、低エネルギーで注入されたイオンがゲート絶縁膜に留まり、ＭＯＳトランジスタの使用時においてゲート絶縁膜に注入されたイオンに起因してゲート絶縁膜破壊が発生することがある。
【０００６】
エネルギーコンタミネーションを防止するための対策として、加速電圧で加速後に２回目の質量分析を行ない、引出電圧で引出した後に中性化された低エネルギー成分を除去してエネルギーコンタミネーションを抑制する方法がある（例えば特許文献１，２を参照。）。
【０００７】
他の方法として、多価イオン注入を行なう際に、分析マグネットの下流側に偏向マグネットを追加して荷電変換イオンを除去し、エネルギーコンタミネーションを抑制する方法がある（例えば特許文献３を参照。）。
【０００８】
また、エネルギーコンタミネーションを除去するためにイオンビームの経路上に低エネルギーのコンタミネーション除去用の薄膜フィルムを設けて薄膜フィルムによってイオンビームに含まれる低エネルギーのコンタミネーションが阻止された状態でイオン注入を行なう方法もある（例えば特許文献４を参照。）。
【０００９】
しかし、従来の方法では、２回の質量分析を行なうために２個の質量分析器が必要であったり、偏向マグネットや薄膜フィルムを追加したりするなど、イオン注入装置の構造が複雑になるという問題があった。
【００１０】
そこで本発明は、１回のみの質量分析で、偏向マグネットや薄膜フィルムを追加しなくても、エネルギーコンタミネーションを低減できるイオン注入方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係るイオン注入方法は、イオン源で引出電圧をかけて引き出したイオンのうち目的とするイオンのみを選別する質量分析を１回のみ行ない、ビームラインにてイオンビームの整形及び走査をし、加速管にて加速電圧をかけてエンドステーションにて被処理体にイオン注入するイオン注入方法であって、２価イオンを用い、その２価イオンを注入する際の２価用引出電圧及び２価用加速電圧の合計値を、その２価イオンと同一イオン種の１価イオンを注入する際の１価用引出電圧及び１価用加速電圧の合計値の半分の値に設定し、かつ、上記２価用加速電圧を上記１価用加速電圧よりも小さく設定して被処理体へのイオン注入を行なう。
【００１２】
本発明のイオン注入方法で注入した２価イオンの注入深さは、その２価イオンと同一イオン種の１価イオンを上記１価用注入条件で注入した場合と同じになる。
本発明のイオン注入方法において、２価用加速電圧をより低く設定するために、２価用加速電圧を０ＫＶに設定してもよい。
本発明のイオン注入方法において、イオン源で引き出したイオンのうち質量分析により目的とするイオンのみを引き出した後に行なう、イオンビームの整形、走査、加速の処理順序について特に制限はなく、どの順序に行なってもよい。好ましくは、整形、走査、加速の順序、又は加速、整形、走査の順序である。
【００１３】
本発明のイオン注入方法において、上記２価用引出電圧の値は上記１価用引出電圧の値と同じである例を挙げることができる。ただし、本発明は、２価用引出電圧の値が１価用引出電圧の値と同じである条件に限定されるものではない。
【００１４】
本発明のイオン注入方法の一例は、上記被処理体は半導体層表面にゲート絶縁膜が形成された半導体ウェハであり、イオン注入の対象処理は、その半導体ウェハに形成されるＭＯＳトランジスタのしきい値電圧を調整するために上記ゲート絶縁膜を介して上記半導体層にイオンを注入するためのイオン注入である。ここで半導体層の語には、半導体基板、エピタキシャル成長層が含まれる。本発明のイオン注入方法が適用される対象処理はこれに限定されるものではない。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のイオン注入方法では、２価イオンを用いるようにした。そして、その２価イオンを注入する際の２価用引出電圧及び２価用加速電圧の合計値を、その２価イオンと同一イオン種の１価イオンを注入する際の１価用引出電圧及び１価用加速電圧の合計値の半分の値に設定し、かつ、上記２価用加速電圧を上記１価用加速電圧よりも小さく設定するようにした。
【００１６】
エネルギーコンタミネーションは質量分析後の加速電圧が高いほど影響が大きいため、２価イオンを用い、加速電圧を低く設定することにより、エネルギーコンタミネーションを低減できる。さらに、本発明のイオン注入方法は、イオン注入装置として２つの質量分析器を備えたものや、偏向マグネットや薄膜フィルムを追加したものを用いなくても、質量分析処理が１回のみのイオン注入装置を用いて実現できるので、イオン注入装置にかかるコストの上昇を招くことはない。
【００１７】
本発明のイオン注入方法において、２価用引出電圧の値は１価用引出電圧の値と同じであるようにすれば、例えば１価用引出電圧がイオン注入装置の最大引出電圧である場合に、２価用引出電圧をそのイオン注入装置の最大引出電圧に設定して、２価用加速電圧をより低く設定できる。
【００１８】
本発明のイオン注入方法の一例は、被処理体は半導体層表面にゲート絶縁膜が形成された半導体ウェハであり、イオン注入の対象処理は、その半導体ウェハに形成されるＭＯＳトランジスタのしきい値電圧を調整するためにゲート絶縁膜を介して半導体層にイオンを注入するためのイオン注入である。本発明のイオン注入方法によれば、エネルギーコンタミネーションを低減できるので、エネルギーコンタミネーションに起因してイオンがゲート絶縁膜に留まるのを防止して、ＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜破壊を防止できる。さらに、イオン注入装置にかかるコストを上昇させることなくエネルギーコンタミネーションを低減できるので、半導体装置の製造コストの上昇を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のイオン注入方法の一実施例で用いるイオン注入装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】実施例１，２及び比較例１のゲート酸化膜耐圧評価結果を示す図である。
【図３】比較例２のゲート酸化膜耐圧評価結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、本発明のイオン注入方法の一実施例で用いるイオン注入装置の一例を示す概略構成図である。
イオン注入装置は、イオン源１、質量分析器２、ビームライン３、加速管４及びエンドステーション５を備えている。イオン源１は、注入する元素をイオン化し、発生したイオンに引出電圧をかけてイオンビームとして引き出す。質量分析器２は、イオン源１から引き出されたイオンビームのうち目的とするイオンだけを選別する。ビームライン３は、質量分析器２からのイオンビームの整形及び走査を行なう。加速管４は、ビームラインに加速電圧をかけてビームラインを最終的な注入エネルギーまで加速する。エンドステーション５は、被処理体、例えば半導体ウェハを保持する。エンドステーション５で被処理体にイオンが注入される。イオン源１からエンドステーション５までのイオンビームの軌道はすべて真空状態にされる。このイオン注入装置では質量分析器２によりイオンビームに対して１回のみの質量分析を行なう。
【００２１】
本発明のイオン注入方法の一実施例について説明する。
１価イオンを用い、例えば引出電圧（１価用引出電圧）と加速電圧（１価用加速電圧）の合計値を１００ＫＶに設定してイオン注入する注入条件に対して、この実施例では、その１価イオンと同一イオン種の２価イオンを用い、引出電圧（２価用引出電圧）と加速電圧（２価用加速電圧）の合計値を１価用電圧条件（１価用引出電圧＋１価用加速電圧）の２分の１である５０ＫＶに設定してイオン注入を行なう。このとき、２価用加速電圧を、１価イオンを用いるときの加速電圧（１価用加速電圧）に比べて小さく設定する。２価イオンを１価用電圧条件の２分の１の２価用電圧条件（２価用引出電圧＋２価用加速電圧）で注入することにより、同一イオン種の１価イオンを用いるときの注入深さと同じ深さにイオンを注入できる。
エネルギーコンタミネーションは質量分析後の加速電圧が高いほど影響が大きいので、２価用加速電圧を１価用加速電圧に比べて低く設定することにより、エネルギーコンタミネーションを低減できる。
【００２２】
本発明のイオン注入方法を評価した結果を以下に説明する。
図１に示した質量分析を１回のみ行なうイオン注入装置を用いた。注入イオン種はヒ素を用いた。注入エネルギーは１００ＫｅＶである。注入量は１.４０×１０12ｉｏｎｓ／ｃｍ2である。被処理体は半導体基板（半導体層）表面にシリコン酸化膜が形成された半導体ウェハである。
実施例及び比較例の注入条件を表１に示す。
【００２３】
【表１】
0005458700.tif 000002
【００２４】
実施例１，２及び比較例１のイオン注入は図１に示したイオン注入装置で行なった。比較例２のイオン注入は、質量分析を２回行なうイオン注入装置で行なった。実施例１及び比較例１，２で、引出電圧を、用いたイオン注入装置の最大引出電圧（４０ＫＶ）に設定した。実施例１，２で、加速電圧を比較例１よりも低く設定した。
【００２５】
図２は実施例１，２及び比較例１のゲート酸化膜耐圧評価結果を示す図である。図３は比較例２のゲート酸化膜耐圧評価結果を示す図である。ゲート酸化膜の耐圧の測定は、ゲート酸化膜を介して半導体基板にイオンを注入した後、ゲート酸化膜上にゲート電極を形成したものを用い、ゲート電極に印加するゲート電圧を振って、ゲート電極に流れる電流（ゲート電流）が１μＡ／ｃｍ2（マイクロアンペア／平方センチメートル）以上になったときのゲート電圧を耐圧値とした。図１及び図２において、横軸は耐圧値（Ｖ）、右縦軸は累積故障率Ｆ（％）、左縦軸はＬＮ（−ＬＮ（１−Ｆ））の値（Ｆは累積故障率）を示す。
【００２６】
評価の結果、質量分析を１回のみ行なうイオン注入装置を用いたとき（実施例１，２及び比較例１）のゲート酸化膜耐圧は、比較例１の１価イオン注入によるゲート酸化膜耐圧が最も悪く、実施例１，２の２価イオン注入によるゲート酸化膜耐圧、すなわちエネルギーコンタミネーションは改善されることが分かった。
【００２７】
また、実施例１と実施例２を比較すると、加速電圧をより低く設定した実施例１のゲート酸化膜耐圧、すなわちエネルギーコンタミネーションが改善されることが分かった。これは加速電圧をより低く設定することによりエネルギーコンタミネーションを低減できることを意味する。実施例１は、質量分析を１回のみ行なうイオン注入装置を用いているにもかかわらず、質量分析を２回行なうイオン注入装置を用いた比較例２（図３参照）とほぼ同等のエネルギーコンタミネーションの低減を実現できることがわかった。
【００２８】
以上の評価結果より、質量分析を１回のみ行なうイオン注入装置で通常１価イオンで注入できる注入エネルギー条件でのイオン注入に対して、２価イオンで加速電圧をより低く設定することにより、エネルギーコンタミネーションを低減できることがわかった。
【００２９】
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。
例えば、上記実施例では、注入イオン種としてヒ素を用いているが、本発明で用いる２価イオンはこれに限定されるものではなく、例えばボロン、リンであってもよい。
【００３０】
本発明のイオン注入方法において、エネルギーコンタミネーションをより低減するために、２価加速電圧をより低くすることが好ましい。２価加速電圧は０ＫＶであってもよい。ただし、２価加速電圧を１価加速電圧よりも低く設定すれば、エネルギーコンタミネーションを低減する本発明の効果は得られる。
【００３１】
上記実施例では、イオン注入装置として図１に示したものを用いたが、本発明を実現するためのイオン注入装置はこれに限定されるものではなく、質量分析を１回のみ行なうイオン注入装置であれば、本発明を適用できる。例えば、偏向マグネットを追加した特許文献３の装置や、エネルギーコンタミネーション除去用の薄膜フィルムを設けた特許文献４の装置を用いて本発明を実現することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、イオン注入装置を用いて半導体にイオンを注入するイオン注入方法であって、質量分析を１回のみ行なうイオン注入に適用できる。
【符号の説明】
【００３３】
１  イオン源
２  質量分析器
３  ビームライン
４  加速管
５  エンドステーション
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３４】
【特許文献１】特開平１０−２０８６８７号公報
【特許文献２】特許第３９４１４３４号公報
【特許文献３】特開平９−４５２７３号公報
【特許文献４】特開２００２−１３４０６０号公報
【図１】
0005458700.tif 000003
【図２】
0005458700.tif 000004
【図３】
0005458700.tif 000005