JPS5839376B2 - イオン注入法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、表面に絶縁膜を有する半導体基板に高ドーズ
量のイオン注入を迅速に行なうイオン注入法に関する。

表面に絶縁膜を有する半導体基板にイオン注入すると、
注入イオンの電荷の為に絶縁膜表面がプラスに帯電し、
半導体基板との間に電位差を生じて電荷が放電する時に
絶縁膜を破壊する事がある。

この現象は例えば絶縁膜上に基板とは電気的に隔離され
た電極例えびＭＯＳトランジスタにかけるゲート電極が
ある場合や、絶縁膜の一部が薄くなっているような場合
に顕著である。

一般に高ドーズ量のイオン注入はソース、ドレイン拡散
などがそうであるように、ＩＣ製造工程の後期で行なわ
れ、ゲート電極などが既に取付けられている。

第１図にその→ｌを示す。

同図はＭＯＳトランジスタの製造工程の一部を示すもの
で、Ｐ型シリコン基板１の表面は厚いフィールド酸化膜
（ＳｉＯ２）２ａ、！＝−よび薄いゲート酸化膜２ｂ並
びにソース、ドレイン電極窓を覆いそしてゲート酸化膜
２ｂと膜厚の等しい酸化膜２ｃにより覆われている。

ゲート酸化膜２ｂ上にはポリシリコンなどで作られるゲ
ート電極３が形成されている。

酸化膜２ｃの直下はソース拡散層４およびドレイン拡散
層５が形成される部分で、この酸化膜２ｃはイオン注入
の前に除去されることもあるが、本例のようにゲート酸
化膜と共に残存させることもある。

拡散層４．５はフィールド酸化膜２ａおよびゲート電極
３をマスクとして、リン、ヒ素等のイオンＰ＋Ａ８千等
が注入されることにより形成される。

このイオン注入では不純物イオンは酸化膜２ｃを−通っ
て基板１内に入るだけでなくゲート電極３やフィールド
酸化膜２ａにも打込筐れ、これらをプラスにチャージア
ップする。

特にゲート電極部分は、ゲート電極３と基板１を電極と
しゲート酸化膜２ｂを誘電体とするコンデンサを形成す
るから、ゲート電極３に打込瞥れた不純物イオンの電荷
がゲート酸化膜２ｂの表面に蓄積し、このため基板１測
にｅ電荷が誘起され、ゲート酸化膜表裏面間電位差が数
１０〜１００Ｖ程度に達することがある。

このため、酸化膜２ｂの一部に弱い部分があると、そこ
から放電が開始する。

一旦放電が始するとなだれ現象が生じ、全電荷がこの弱
い部分に集中して放電するので、この放電電流による発
熱でゲート酸化膜２ｂの一部が熱破壊され、ゲート電極
３と基板１との間を短絡してしまう。

イオン注入領域内に、一部分でも半導体基板の露出部分
（例えばスクライブライン）があれば、イオン電流はそ
こから吸収されて、絶縁膜表面の電位は低く釦さえられ
る。

しかし、露出部分での電流吸収が十分でない場合には絶
縁膜表面電位は注入イオンビーム電流をパラメータとし
て注入量に対し第２図のように変化することが見い出さ
れた。

つ１す、注入イオンビーム電流ＩＢをＩＩ ｚ ｌ２ｔ
Ｉ３・・・・・・（■１〈■２〈■３ ）と増加させる
と、注入量に対する絶縁膜表面電位（絶縁膜表面と半導
体基板との間の電圧（が図示の如く変り、最初は増加す
るが、やがてピークをもち、以後漸減しかつビーム電流
の増加に伴ないこの表面電位は全体として上昇する。

そして、ビーム電流値によっては電荷が溜りすぎて絶縁
膜の破壊電圧ＶＤを越えてし捷う。

即ち、ビーム電流■２の場合には注入量Ｄ２．Ｄ３０間
でＶＤを越え、またビーム電流■３の場合は注入量Ｄ１
ａ Ｄ４の間でＶＤを越える。

注入量に対する絶縁膜表面電位の関係が第２図のように
なる理由、特にやがてピークをもち以後減少する理由は
明らかでないが、イオン注入によって酸化膜のＳｉ、Ｏ
なとのボンディングが破壊され、このため電荷が動き易
くなって導電性がでてくるためと解される。

そして上述した絶縁破壊を生じさせないためには所要と
する注入量り、を達成する間にＶＤを越えることのない
ビーム電流■、を用いればよいが、注入量はビーム電流
値と注入時間との積で規定されるので、ビーム電流を小
さくすれば注入時間が長くなる欠点がある。

本発明は上述した矛盾する欠点を解決するために、注入
量が増加するとやがて絶縁膜表面電位は減少する、該電
位は増加するだけではない点に着目し、注入量の増加に
伴ない、絶縁膜の破壊電圧を越えずしかもより大きな電
流値のビーム電流に順次切換えながら所定量のイオン注
入を行なうことにより、絶縁膜を破壊することなくしか
もイオン注入時間を短縮できるイオン注入法を提供する
ことを目的としている。

第２図の特性から明らかなようにそして前述したように
、ビーム電流値が増加すると絶縁膜表面電位は全体とし
て上昇する。

しかし、各ビーム電流による表面電位は注入量に比例し
て一様増加するのではなく、成る注入量でピークに達し
た後は低下する。

即ちビーム電流■２の場合には注入量Ｄ３を越えると破
壊電圧ＶＤ以下となり、筐たビーム電流■３の場合には
Ｄ４ を越えると同様にＶＤ以下となるから、これ以後
はビーム電流Ｉ２■３を使用してよい。

本発明はこれを利用するものでその実施例を以下第３図
あ・よび第４図を参照して説明する。

本発明のイオン注入法は基本的に破壊電圧を越えること
のない範囲で最大限のビーム電流を用いてイオン注入を
行なう。

従って、第２図のようにビーム電流を■０．■２．Ｉ３
と３通りに設定可能な場合には、注入量Ｄ３１ではビー
ム電流■１を用い、Ｄ３を越えたら■２に切換え、更に
Ｄ４を越えたら最大のビーム電流工、で目標値り、とな
る１でイオン注入を行なう。

絶縁膜はその表面電位が破壊電圧ＶＤに達すると直ちに
破壊されるというものではないが、第３図に示す実施例
では安全性を確保するためにＶ。

から１０〜２０多程度低い設定電圧■８でビーム電流を
切換えている。

つ１す、注入量Ｄ’３ （＞Ｄ３ ）−１では■１で注
入ヲ行ナイ、Ｄ’、 〜Ｄ’、 （＞Ｄ、 ）ｔテ
ＵＩ２−ｔ−注入を行ない、ｖ４以後は■３で注入を行
ない、Ｄ、に達したらイオン注入を完了する。

かＳる操作を行なうには、その都度表面電位を測定する
ことも考えられないではないが、予め第２図または第３
図の特性曲線を得てかくのが便利である。

なわｖＤ以上は絶縁破壊してし１つて特性曲線が得られ
々いように見えるがその様なことはなく、これは絶縁破
壊を生じない厚い酸化膜で測定してかくことが可能であ
る。

勿論、破壊電圧ＶＤは所定厚生のゲート酸化膜のそれを
用いる。

捷たイオン注入量を監視する代りにイオン注入時間を監
視してもよい。

この場合は、イオン注入量＝ビーム電流×注入時間の表
穴によって、注入時間をイオン注入量に換算して切換時
点を選定する。

さらにイオン注入をミニコンピユータ等を用いるイオン
注入装置で自動化するに際しては、本方法は非常に有効
である。

第４図にその例を示す。本例では１ず時刻ｔ。

でビーム電流■１ によるイオン注入を開始する。

このビーム電流１１によるイオン注入の終期ｔ１は第３
図を利用すればび４ ＝１１（ｔｌ−ｔｏ） から決定できる。

（さらに正確なｔｌはカレントインテグレータ等を用い
て注入量を直接測定して決定する。

）ｔ□以後は■２に切換え、ｔ２以後は■３に切換え、
更に時刻ｔ３でＩＢ＝Ｏとする。

これら時刻ｊ２ ｐ ｊ３はそれぞれ下式％式％） ） から決定できる。

このようにすれば、（Ｄ’４−Ｉｙ３）釦よび（Ｄ５−
Ｄ’、 ）は■１ より犬なる■２．■３でイオン注
入されるので、目標値Ｄ５１での全イオン注入時間は単
に■１のみを用いる場合より短縮される。

しかも、び、以後卦よびｖ４以後ではそれぞれ■２．■
３によっても破壊電圧Ｖ。

を越えることはないので、絶縁膜を破壊することはない
。

以上述べた本発明のイオン注入法であれば、表面の絶縁
膜を通して半導体基板にイオン注入する際に、絶縁膜を
破壊することなくイオン注入時間を短縮できるので、注
入量が１０１５〜１０１６ｉｏｎｓ／ｃｒｆＬ２以上に
高濃度となるＭＯＳトランジスタのソース領域、ドレイ
ン領域の形成等に極めて有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は表面に絶縁膜を有する半導体基板の一例を示す
断面図、第２図は第１図の絶縁膜にあ・けるイオン注入
時の表面電位を示す特性図、第３図ち・よび第４図は本
発明の一実施例を示す図で、第３図はイオン注入時に釦
ける絶縁膜の表面電位を示す特性図、第４図はビーム電
流の切換えタイミングを示すタイムチャートである。 図面で１は半導体基板、２ｂ、２ｃは絶縁膜、４．５は
ソース ドレイン拡散層である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 表面に絶縁膜を有する半導体基板に不純物をイオン
   注入するに際し、イオン注入量に対する絶縁膜表面電位
   が、ある注入量でピークとなってそれ以上では減少しか
   つ該表面電位は注入イオンビーム電流が犬なれば全体と
   して高くなる特性を利用し、初めは該絶縁膜表面電位が
   半導体基板との間で該絶縁膜の絶縁破壊を生じない程度
   の小ビーム電流でイオン注入を行ない、注入量が増すに
   つれて該絶縁膜表面電位が絶縁破壊を生じない程度でビ
   ーム電流値を増加させて所定量のイオン注入を行なうこ
   とを特徴とするイオン注入法。