(57)【要約】【課題】イオン注入領域を定める開口部が形成されたマスク部材を介して被処理基板へイオン注入する場合において、チャージアップにより被処理基板上の素子が受ける悪影響を排除すること。【解決手段】イオン注入時、マスク電位センサ３０によってマスク部材２１のチャージアップ電位を検出し、この電位を打ち消すのに十分な量の電子を電子発生源２８から発生させて、ウェーハＷのチャージアップを抑制する。補完的に、ウェーハ電位センサ３１によってウェーハＷのチャージアップ電位を検出し、これが所定以上負にならないように電子発生源２８から発生させる電子の量を調整する。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理基板を支持するステージと、前記被処理基板に対向配置されイオン注入領域を定める開口部が形成されたマスク部材と、前記マスク部材を介して前記被処理基板にイオンを注入するイオン注入手段とを備えたイオン注入装置において、
前記被処理基板上へ電子を供給するための電子発生源と、前記マスク部材の電位を検出するマスク電位検出手段と、前記マスク電位検出手段の出力に基づいて、前記マスク部材の電位を打ち消すのに十分な量の電子を前記電子発生源から発生させる制御手段とを備えたことを特徴とするイオン注入装置。
【請求項２】
イオンビームの進行方向に関して、前記電子発生源が、前記マスク部材よりも上流側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
【請求項３】
前記制御手段が、前記被処理基板の電位を検出する基板電位検出手段の出力に基づいて、前記被処理基板の電位が所定以上負にならないように前記電子発生源から発生する電子の量を調整することを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
【請求項４】
イオン注入領域を定める開口部が形成されたマスク部材を被処理基板上に対向配置させて、前記マスク部材を介して前記被処理基板上へイオンを注入するイオン注入方法であって、
前記マスク部材を介して前記被処理基板へ電子を供給する電子発生源を備え、イオン注入時、前記マスク部材の電位を検出する工程と、前記測定したマスク部材の電位に基づいて、前記マスク部材の電位を打ち消すのに十分な量の電子を前記電子発生源から発生させる工程とを有することを特徴とするイオン注入方法。
【請求項５】
前記電子発生源から供給される電子の量を、前記被処理基板が所定以上負に帯電しないように制御することを特徴とする請求項４に記載のイオン注入方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、１チップ単位でイオン注入領域を定める開口部が形成されたマスク部材を介して、半導体基板またはガラス基板にイオンを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。
【０００２】
【従来の技術】
イオン注入法（イオン打ち込み法）は、公知のように、半導体製造プロセスにおける不純物元素のドーピング工程に用いられ、注入量や注入深さを精密に制御できる等の特徴があり、現在では半導体プロセスに不可欠な技術となっている。
【０００３】
イオン注入法では、Ｂ，Ｐ，Ａｓ等の注入すべき不純物元素のイオンからなるイオンビームを所定のエネルギーに加速して、ウェーハに照射する。このとき、イオンビームは直進性を有するので、マスクを用いて目的の領域（イオン注入領域）にのみイオンを注入することが可能である。
【０００４】
従来より、上記マスクとしてウェーハ上に形成したレジストマスクが用いられている。レジストマスクは、感光性樹脂を主体とする材料を公知のスピンコータ等を用いてウェーハ上に均等な厚さに塗布した後、当該レジスト膜に対してイオン注入領域に対応する露光パターンを焼き付け、その後現像処理を行うことにより、イオン注入領域のみが外部へ露出したレジストパターンとして形成される。そして、イオン注入が行われた後は、レジストマスクをプラズマアッシング（灰化）処理および硫酸・過酸化水素水等を用いた湿式処理を施して除去し、更に次なるイオン注入工程に備えて、異なるパターンのレジストマスクを上記の工程で形成するようにしている。
【０００５】
上記のようにレジストマスクを用いるイオン注入では、イオン注入工程の前処理、後処理においてレジストの処理に要する工程が多数存在するため、これらのレジスト処理に関連する工程が半導体プロセスの複雑化、高コスト化をもたらしているという問題があった。
【０００６】
そこで、例えば図５に示すように、イオン注入領域を定める開口部Ｍａを有する導電性のマスク部材ＭをウェーハＷの上方に間隙ｄを介して対向配置させ、当該マスク部材Ｍを介してウェーハＷの表面にイオンビームＬを照射し、イオン注入層Ａへイオンを注入する技術がある（例えば下記特許文献１参照）。これによれば、イオンの打ち分けを行う場合、各イオン注入毎にそれ専用のマスク部材を用いて必要なイオン注入層を形成することが可能となる。
【０００７】
したがって、上記マスク部材を複数種用意することによって、従来必要とされていたレジストマスクの形成工程が不要となり、上記マスク部材の交換だけで所望のイオン注入処理をなし得るとの理由から、半導体プロセスの簡素化および低コスト化を図ることが可能となった。
【０００８】
一方、イオン注入工程においては、ウェーハ等の被処理基板上のイオン注入領域に対して正イオンを注入するので、正イオンの蓄積により被処理基板が正にチャージアップする現象が発生する。このチャージアップ現象は、製造されたトランジスタ等の半導体素子に電気的な影響（例えばゲート耐圧の低下や絶縁破壊）を及ぼすという問題がある。
【０００９】
このため、従来のイオン注入装置には、ウェーハＷにイオンビームＬを照射する際、例えば図６に示すように、電子ｅを発生する電子発生源Ｇを設け、電子発生源Ｇから供給される電子ｅによってウェーハＷを電気的に中和させる技術が公知となっている。
【００１０】
例えば、下記特許文献２には、ビーム輸送経路に二つの電子発生源を設けるとともに、中性化のための電子電流が両方の装置において均等になるようにして、試料面内における電子分布の一様化を図る構成が開示されている。また、下記特許文献３には、電子発生源としてのエレクトロフラドガンに、電子を半導体基板の方向へスキャンさせるためのスキャンマグネットを備えさせ、イオンビームと同方向、同速度でスキャンすることによって中和作用の面内均一性を高める技術が開示されている。
【００１１】
しかしながら、特許文献２，３には、イオン注入領域を定める開口部が形成されたマスク部材を介してイオン注入を行う場合の電子発生源からの電子の供給方法については、一切言及されていない。
【００１２】
【特許文献１】
特開２００２−１７６００５号公報
【特許文献２】
特開平１０−１２１８１号公報
【特許文献３】
特開平８−９６７４４号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
イオン注入領域を定める開口部が形成されたマスク部材を介してイオン注入を行う場合、マスク部材と被処理基板との間において、イオンとの衝突によってマスク部材および被処理基板から発生する２次電子によって、プラスにチャージアップした被処理基板の中和作用を行わせることができる。
【００１４】
しかしながら、マスク部材と被処理基板間に生じる２次電子のみでは、イオン注入領域の正のチャージアップを解消できない場合がある。例えば、イオン注入工程ではマスク部材にもイオンビームが照射されるので、これによりマスク部材２１もまた正にチャージアップし、これが原因で２次電子を発生させにくくし、結果的にウェーハに対して電子供給不足となる。したがって、この場合、被処理基板上の半導体素子、例えばトランジスタのゲート耐圧が低下したりゲート絶縁膜が破壊されるという問題が生じる。
【００１５】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、イオン注入領域を定める開口部が形成されたマスク部材を介して被処理基板へイオン注入する場合において、チャージアップによる被処理基板上の素子に与える悪影響を排除することが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。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
以上の課題は、被処理基板を支持するステージと、前記被処理基板に対向配置されイオン注入領域を定める開口部が形成されたマスク部材と、前記マスク部材を介して前記被処理基板にイオンを注入するイオン注入手段とを備えたイオン注入装置において、前記被処理基板上へ電子を供給するための電子発生源と、前記マスク部材の電位を検出するマスク電位検出手段と、前記マスク電位検出手段の出力に基づいて、前記マスク部材の電位を打ち消すのに十分な量の電子を前記電子発生源から発生させる制御手段とを備えたことを特徴とするイオン注入装置、によって解決される。
【００１７】
また、以上の課題は、イオン注入領域を定める開口部が形成されたマスク部材を被処理基板上に対向配置させて、前記マスク部材を介して前記被処理基板上へイオンを注入するイオン注入方法であって、前記マスク部材を介して前記被処理基板へ電子を供給する電子発生源を備え、イオン注入時、前記マスク部材の電位を測定する工程と、前記測定したマスク部材の電位に基づいて、前記マスク部材の電位を打ち消すのに十分な量の電子を前記電子発生源から発生させる工程とを有することを特徴とするイオン注入方法、によって解決される。
【００１８】
本発明は、電子発生源から被処理基板上へ電子を供給することによって、イオン注入により正にチャージアップした被処理基板の電気的な中和を図る。このとき、被処理基板の上方に位置するマスク部材もイオンビームの照射により正にチャージアップし電子発生源からの電子をトラップすることになるが、マスク電位検出手段の出力を受ける制御手段によって、マスク部材の電位を打ち消すのに十分な量の電子が発生するように上記電子発生源を制御するようにしている。
【００１９】
これにより、電子発生源から発生した電子の一部はマスク部材にトラップされるものの、残りの電子は被処理基板上へ供給されることになる。以上のようにして、マスク部材を備えたイオン注入装置において、イオン注入時、被処理基板上へ常に電子を供給することができるので、被処理基板のチャージアップを抑制して、耐圧低下や絶縁破壊等の素子への電気的な悪影響を排除することが可能となる。
【００２０】
ここで、「マスク部材の電位を打ち消すのに十分な量の電子」とは、マスク電位検出手段で検出されたマスク電位よりも、電子発生源から発生される電子の総ポテンシャルが大きく（高く）なる量の電子群を意味している。
【００２１】
なお、電子発生源から被処理基板上へ供給される電子の量が多い場合、被処理基板が負（マイナス）に帯電し、これにより素子破壊を誘発するおそれが出てくる。この場合、被処理基板の電位を検出する基板電位検出手段を別途設け、その出力を制御手段へ供給し、被処理基板の電位が所定以上負にならないように電子発生源からの発生電子量を調整するようにすればよい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
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。
【００２３】
図１〜図３は本発明の実施の形態によるイオン注入装置の構成を示している。図１を参照して、イオン注入装置１０は、高電圧ターミナル１０Ａと、ビームライン１０Ｂと、エンドステーション１０Ｅとを備えた真空系からなる。シールドボックスＳ内に位置する高電圧ターミナル１０Ａは、公知構成のイオン源１、質量分離器２および、スリット３ａ，３ｂ間に位置するビーム遮断器３を収容している。ビーム遮断器３は、電圧が印加されることによりイオンビームＬを跳ね上げ、スリット３ｂへ向かうイオンビームＬを一時的に遮断する。
【００２４】
高電圧ターミナル３ＡとシールドボックスＳとの間には公知構成の加速管４が取り付けられており、その後段となるビームライン１０Ｂには、集束レンズ５ａと、イオンビームＬをＸ，Ｙ方向へ電磁的に微小角度スキャンするオクタポール・スキャナ６と、コンタミネーション粒子除去を兼ねたビーム平行化マグネット７と、集束レンズ５ｂとが設けられている。そして、ビームライン１０Ｂの終端部には、その外周に設けたコイルによってイオンビームＬの電流を電磁気的に計測する非接触ビーム電流計８が取り付けられている。
以上のようにして、本発明の「イオン注入手段」が構成される。
【００２５】
イオンビームＬのスキャンにはオクタポール・スキャナ６以外の電磁偏向型スキャナを使用してもよく、また、Ｘ，Ｙ静電偏向型スキャナを使用してもよい。マグネット７は、ビーム経路中の残留ガスと衝突して電荷が変化したイオンや中性粒子を除去する作用を行う。
【００２６】
エンドステーション１０Ｅには、ウェーハＷに対するイオンビームＬの照射領域を決定するマスク部９が設けられている。マスク部９は、図２に示すように、被処理基板としての半導体ウェーハ（以下「ウェーハ」という。）Ｗに対し、１チップ単位でイオン注入領域を定める開口部２１ａが形成された導電性のマスク部材２１と、マスク部材２１をチャック部材２２を介して保持するホルダ２３と、ホルダ２３を機械的にＸ，ＹおよびＺ方向へ所定距離駆動可能な駆動部２４とから構成される。駆動部２４は例えばパルスモータを駆動源に有し、主としてマスク部材２１の交換時に作動する。
【００２７】
図１を参照して、マスク部９の下方にはイオンビームＬの電流を測定するためのファラデー・カップ１２が配置され、このファラデー・カップ１２による測定値を基準として非接触ビーム電流計８が校正される。
【００２８】
図１に示すように、マスク部９の直下方位置には、ビーム密度分布モニタ１１と、ウェーハＷを支持するステージ（プラテン）１３のいずれか一方が挿入可能とされる。ビーム密度分布モニタ１１は、微小なファラデー・カップが二次元的に配置された測定ヘッドを有するものであるが、それ以外の方法によるもので構成されてもよい。ビーム密度分布モニタ１１は、イオン注入の前にイオンビームＬのスキャン領域とマスク部９との整合性、およびマスク部９内におけるビーム電流の密度分布の測定を行うためのものであり、スキャン領域が不適切な場合にはオクタポール・スキャナ６によるスキャンの振幅が調整され、電流の密度分布が一様でない場合には、ビームスキャン速度調整または集束レンズ５ａの励磁電流が調整される。
【００２９】
ステージ１３には、ウェーハＷのツイスト角度を調整する回転機構１４が取り付けられており、これらステージ１３および回転機構１４は支持柱１５を介して、Ｘ方向（図において左右方向）へ機械的に高速移動可能なＸ方向駆動機構１６に取り付けられている。Ｘ方向駆動機構１６は、Ｙ方向（紙面垂直方向）へ機械的に高速移動可能なＹ方向駆動機構１７に取り付けられている。なお、回転機構１４は圧電体２を、Ｘ，Ｙ方向駆動機構１６，１７はパルスモータを駆動源としてそれぞれ有し、ウェーハＷの搬送および、マスク部材２１に対するウェーハＷの位置合わせ（アライメント）時に駆動される。
【００３０】
さて、図２に示すように、マスク部９の上方位置、すなわち、イオンビームＬの進行方向に関してマスク部９よりも上流側に、ステージ１３上のウェーハＷに対して電子を供給するための電子発生源２８が配置されている。電子発生源２８は、本実施の形態では熱フィラメントで構成されるが、これ以外にも、例えば電子銃等で構成することも可能である。
【００３１】
電子発生源２８から発生する電子の量は、制御部２９で制御される。制御部２９にはマスク部材２１の電位を検出するマスク電位センサ３０の出力が供給されるようになっている。そして、制御部２９は、マスク電位センサ３０の出力に基づいて、マスク部材２１の電位を打ち消すのに十分な量の電子を発生させるように電子発生源２８の出力を制御するようになっている。
【００３２】
図２および図３に示すように、マスク部材２１は、ウェーハＷへのイオン注入時、イオンビームＬが照射されて正（プラス）にチャージアップする傾向がある。マスク電位センサ３０はこのマスク電位を検出し、その出力を制御部２９へ供給する。制御部２９はマスク電位センサ３０の出力を受けて、電子発生源２８内の熱フィラメント（図示略）に対する印加電圧および電子の引出し電圧を調整することによって、発生電子量を制御する。制御方法としては、電子発生動作のオン／オフ制御、電子発生量の増減制御等が適用される。
【００３３】
また、本実施の形態では、イオン注入時のウェーハＷの電位を検出するウェーハ電位センサ３１が設けられており、この出力が制御部２９へ供給されるように構成されている。制御部２９は、マスク電位センサ３１の出力に基づいて、補完的に、ウェーハＷが所定値Ｖ０以上負に帯電しないように（ウェーハ電位Ｖｗが所定値Ｖ０以下とならないように）電子発生源２８から発生する電子の量を制御するようになっている。
【００３４】
次に、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１０の作用について説明する。
【００３５】
ステージ１３上へ載置されたウェーハＷは、図２に示すように、ウェーハ保持部材２６により保持され、Ｘ，Ｙ方向駆動機構１６，１７によりマスク部材２１の直下方へ移動される。そして、あらかじめ設定された制御シーケンスに基づいて、最初にイオン注入すべきチップ領域がマスク部材２１に対して位置合わせされる。
【００３６】
続いて、イオン注入を開始する。イオン源１で生成されたイオン種の中から質量分離器２により選択された所望のイオンからなるイオンビームＬは、加速管４で所定のエネルギに加速された後、集束レンズ５ａ、オクタポール・スキャナ６、マグネット７、集束レンズ５ｂを介してウェーハＷへ照射される。ウェーハＷ上のイオン注入領域Ａ（図３）は、マスク部材２１の開口部２１ａにより規制される。すなわち、マスク部材２１が従来のレジストマスクとしての機能を行う。
【００３７】
イオン注入工程が開始されると、図３に示すように、マスク部材２１はイオンビームＬの照射を受けて２次電子が発生する。また、ウェーハＷへのイオン注入に伴って、ウェーハＷからも２次電子が発生する。これらの２次電子がウェーハＷに供給されることによって、ウェーハの正へのチャージアップが抑制される。しかし、マスク部材２１はイオンビームの照射および２次電子の放出により徐々に正の方向へチャージアップし、これが原因でマスク部材から電子が飛び出しにくくなって、マスク部材２１からの２次電子の発生量が減少する。一方、ウェーハＷから発生した２次電子はマスク部材２１によってトラップされる割合が高くなるので、マスク部材２１とウェーハＷとの間に存在する電子量は減少し、結果的に、ウェーハＷに対して電子の供給不足が生じる。ウェーハＷの正の方向へのチャージアップは、これが原因で発生する。
【００３８】
そこで、本実施の形態では、図４に示す制御フローに従って、電子発生源２８からウェーハＷへの電子の供給制御を行わせる。
【００３９】
すなわち、先ず、マスク電位センサ３０によりマスク部材２１の電位Ｖｍを検出し（ステップＳ１）、その出力を受けた制御部２９がマスク部材２１のチャージアップの有無を判断する（ステップＳ２）。なお、マスク部材２１は当初より接地電位に接続されてはいるが、その接地抵抗によって数ｍＶ〜数Ｖの範囲にわたって電位が上昇する。マスク電位センサ３０はその上昇電位を検出する。
【００４０】
マスク部材２１のチャージアップが認められた場合は、次に、ウェーハ電位センサ３１によりウェーハＷの電位Ｖｗを検出し（ステップＳ３）、これが所定値Ｖ０（＜０）より高い場合は電子発生源２８から電子を発生させる（ステップＳ４，Ｓ５）。この工程は即ち、ウェーハＷのチャージアップの程度を検出するためのもので、ウェーハＷのチャージアップが認められた場合に限り、電子発生源２８から電子を発生させるようにしている。
【００４１】
ここで、電子発生源２８から発生させる電子の量は、上述したように、マスク部材２１の電位を打ち消すのに十分なポテンシャルをもつ電子量であり、その値は自由に設定できる。また、発生電子量は固定してもよいし、可変としてもよい。また、ウェーハ電位の所定値Ｖ０の設定基準は、ウェーハ電位として許容される負の電位の大きさであり、この値は当然、保護する素子の種類によって定められる。また、所定値Ｖ０を０未満に設定することにより、ウェーハ電位の誤検出に起因するウェーハＷの予期しない正へのチャージアップを防ぐことにもつながる。
【００４２】
電子発生源２８から発生した全電子のうち、一部はマスク部材２１にトラップされるものの、残りの電子はウェーハＷへ供給されて、ウェーハＷの電気的中性化に寄与する。電子発生源２８からの電子の供給は、マスク電位Ｖｍが接地電位になり（Ｖｍ＝０）、かつ、ウェーハ電位Ｖｗが所定値Ｖ０以下になるまで続けられる。Ｖｗ≦Ｖ０の場合は、これ以上の電子の供給がウェーハＷの所定以上の負電位へのチャージアップを誘発することになるので、電子発生源２８からの電子の供給を停止させる（ステップＳ６）。
【００４３】
以上の制御を繰り返し行うことによって、ウェーハＷのチャージアップを抑制しながら所期のイオン注入処理を行うことができる。したがって、本実施の形態によれば、ウェーハＷのチャージアップを抑制して、耐圧低下や絶縁破壊などの素子への電気的な悪影響を排除することができる。
【００４４】
イオンを注入すべきチップ領域の変更は、ビーム遮断器３によりイオンビームＬを一旦遮断し、その間、Ｘ，Ｙ方向駆動機構１６，１７等によりウェーハＷとマスク部材２１との間の相対位置を変更させることで実現され、最終的に、ウェーハＷ上の全チップ領域に対して上記と同様な作用でイオンが注入される。
【００４５】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれ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。
【００４６】
例えば以上の実施の形態では、電子発生源２８から発生させる電子の量をマスク電位Ｖｍの大小に関係なく一定としたが、これに代えて、マスク電位Ｖｍの大きさに対応した電子量を電子発生源２８から発生させるようにしてもよい。
【００４７】
また、以上の実施の形態では、電子発生源２８をオン／オフ制御してウェーハＷに供給する電子量を調整するようにしたが、これに代えて、電子量が段階的に減少（または増大）するように、電子発生源２８の動作制御を行うことも可能である。
【００４８】
更に、以上の実施の形態では、被処理基板として半導体ウェーハＷを適用したが、勿論これに限らず、例えばガラス基板等のセラミック基板に対するイオン注入工程にも本発明は適用可能である。
【００４９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、イオン注入時、チャージアップしたマスク部材の電位を打ち消すのに十分な量の電子を電子発生源から発生させて被処理基板の電気的な中和を図るようにしているので、イオン注入領域を定める開口部が形成されたマスク部材を用いて被処理基板へイオン注入する場合において、被処理基板のチャージアップを抑制することができ、これにより基板のチャージアップを原因とする素子の劣化、破壊を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態によるイオン注入装置の構成を示す概略図である。
【図２】イオン注入装置のエンドステーション内の要部の構成を示す概略図である。
【図３】イオン注入時のマスク部材とウェーハとの関係を示す側断面図である。
【図４】本発明の実施の形態によるイオン注入方法の一例を説明する制御フローである。
【図５】マスク部材を介してイオン注入を行う従来例を説明する模式図である。
【図６】イオン注入時のウェーハのチャージアップを防止するための電子発生源を備えた従来例を説明する模式図である。
【符号の説明】
１０    イオン注入装置
１３    ステージ
２１    マスク部材
２１ａ  開口部
２８    電子発生源
２９    制御部
３０    マスク電位センサ
３１    ウェーハ電位センサ
Ｖｍ    マスク電位
Ｖｗ    ウェーハ電位
Ｗ      ウェーハ
【図１】
2004171906.tif 000003
【図２】
2004171906.tif 000004
【図３】
2004171906.tif 000005
【図４】
2004171906.tif 000006
【図５】
2004171906.tif 000007
【図６】
2004171906.tif 000008