JP2002175771A

JP2002175771A - イオン注入装置

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Publication number: JP2002175771A
Application number: JP2000370255A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Nishibashi; 勉西橋; Yuzo Sakurada; 勇蔵桜田
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2000-12-05
Filing date: 2000-12-05
Publication date: 2002-06-21
Anticipated expiration: 2020-12-05
Also published as: JP4754684B2

Abstract

(57)【要約】【課題】小型で、高エネルギーのイオン加速が可能な
イオン注入装置を提供すること。【解決手段】質量分離器２４で選択された所望のイオ
ンからなるイオンビームを加速する加速器２６を、シン
クロトロン型に構成する。すなわち、イオンビームが周
回する環状通路３２に加速源となる高周波電極３３と、
ビーム偏向手段３５ａ，３５ｂ，３６ａ，３６ｂとを設
け、環状通路３２にてイオンビームを周回させながら所
定のエネルギーに加速させた後、ウェーハＷへ向けて出
射させる。これにより、従来の直線型直流加速器（加速
管）に比べて装置全体を小型にし、装置設置占有面積を
低減するとともに、高エネルギーのイオン加速を実現す
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造用のイ
オン注入装置に関し、更に詳しくは、イオン源から引き
出したイオンを加速する加速器を小型化して装置占有面
積の低減を図ったイオン注入装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】イオン注入装置は、運動エネルギーをも
ったイオンを照射して試料の物性を制御する装置とし
て、半導体製造分野に広く用いられており、例えばＭＯ
ＳＦＥＴにおけるソース／ドレイン、チャネル層（反転
層）等の形成プロセスに利用されている。

【０００３】従来のイオン注入装置の一構成例を図１０
に示す。すなわち、従来のイオン注入装置１は、イオン
を発生させるイオン源２と、被処理基体としての半導体
ウェーハ（以下、単にウェーハという。）Ｗが収容配置
されるエンドステーション３と、これらイオン源２とエ
ンドステーション３との間に形成されるビーム経路とを
有し、このビーム経路には、イオン源２から引き出した
イオンを質量分離して所望のイオンを選択する質量分離
器４と、質量分離されたイオンからなるイオンビームＬ
を所定のエネルギーにまで加速する加速器５と、加速さ
れたイオンビームＬを集束するＱレンズ６と、イオンビ
ームＬを静電界によってＹ方向に偏向させるＹ方向偏向
器７と、同じくＸ方向に偏向させるＸ方向偏向器８とか
ら構成されている。

【０００４】従来のイオン注入装置１の加速器５は、絶
縁体５ｂを介在させた電極５ａの多段構造を有し、これ
ら電極５ａに所定の直流加速電圧を分割して印加するこ
とにより電極５ａ間に形成される電場によってイオンを
加速するように構成されている。このため、イオン源２
（引出電極を含む。）および質量分離器４を、イオンを
上記所定の加速エネルギーに高めるための高電圧ターミ
ナル９に収容しており、その外方には、シールドボック
ス１０を配置して高電圧ターミナル９と外部との間の電
磁的相互作用を遮るようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】さて、従来のイオン注
入装置１は、上述したようにイオンビームＬを加速する
加速器５として直線的な加速管を用いているため、質量
分離器４からエンドステーション３までの直線的距離が
長くなるのは勿論、当該加速器５は直流電圧によってイ
オンビームを所定のエネルギーにまで加速するようにし
ているため、高電圧ターミナル９を当該加速電位に維持
するための構造的不利を伴うとともに、高電圧ターミナ
ル９とシールドボックス１０との間の空間耐圧を確保す
る関係上、当該シールドボックス１０に大きな容積が必
要となり（縦、横、高さで約５ｍ〜６ｍ）、これによる
装置の設置スペースの増大が余儀なくされているという
問題を有している。また、高周波電極を多重に直列配置
したリニアックも同様な問題がある。

【０００６】特に、半導体装置の製造に用いられるイオ
ン注入装置は、注入イオンの種類等に応じて多機種配備
されるため、クリーンルーム内におけるイオン注入装置
の設置占有面積の増大が大きな問題となっており、小型
で高エネルギーのイオン加速が可能なイオン注入装置の
実現が強く望まれているのが現状である。

【０００７】本発明は上述の問題に鑑みてなされ、小型
で、高エネルギーのイオン加速が可能なイオン注入装置
を提供することを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】以上の課題は、イオンを
発生させるイオン源と、被処理基体が収容配置されるエ
ンドステーションとの間に形成されるビーム経路に、前
記イオン源から引き出したイオンを質量分離する質量分
離器と、前記質量分離されたイオンからなるイオンビー
ムを所定のエネルギーにまで加速する加速器とを少なく
とも備えたイオン注入装置において、前記加速器が、前
記イオンビームを周回させる環状通路と、前記環状通路
内のイオンビームに所定電圧を印加する高周波電極と、
前記環状通路内のイオンビームの軌道を修正するビーム
偏向手段とを含むことを特徴とするイオン注入装置、に
よって解決される。

【０００９】質量分離された所望のイオンからなるイオ
ンビームは、加速器の環状通路に導入されるとともに、
当該環状通路を周回する。イオンビームの周回周期に同
期して上記高周波電極には所定電圧の交流電圧が印加さ
れ、イオンビームは当該高周波電極を通過する度に加速
エネルギーが増大される。加速エネルギーが所定値に達
すると、イオンビームは環状通路からビーム経路へ導出
されて被処理基体へ照射される。このときイオンビーム
は、加速器からパルス状に出射される。

【００１０】本発明によれば、高周波電源を加速源とす
るシンクロトロン方式の加速器を採用することによっ
て、従来のイオン注入装置で用いられていた直線状の直
流型や交流型の加速器を廃止することができ、また、従
来のイオン注入装置で必要とされていた高圧ターミナル
およびシールドボックスの配備が不要となることから、
小型で、高エネルギーのイオン加速が実現可能なイオン
注入装置を得ることができる。

【００１１】ビーム偏向手段としては、請求項２に記載
のように上記環状通路内にイオンビームの軌道修正用電
場空間を形成する複数枚の電極群で構成することによ
り、簡素な構成で容易にイオンビームの軌道修正制御を
行うことができる。なお、このような静電界によるビー
ム偏向に限らず、ローレンツ力（電磁力）によるビーム
偏向を行うように構成してもよい。

【００１２】本発明に係るイオン注入装置では、加速器
から出射されるイオンビームはパルス状になる。そこ
で、請求項３に記載のように上記環状通路をビーム経路
に対して並列的に複数段配置し、これら複数の環状通路
からイオンビームを同時または位相をずらして交互に出
射させるようにすれば、単位時間当たりのイオン注入量
（打込み量）を高めることが可能となる。

【００１３】上記構成の加速器で所定のエネルギーに加
速したイオンビームを被処理基体に対してスキャンする
スキャナを設ける場合には、請求項４に記載のように当
該スキャナのスキャン周波数を加速器から出射されるイ
オンビームのパルス間隔よりも小さく（好ましくは、パ
ルス間隔の１／１０以下に）設定することによって、見
かけ上、連続ビームとしてイオンビームを照射すること
が可能となる。

【００１４】

【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。

【００１５】図１は本発明の第１の実施の形態によるイ
オン注入装置の概要を示している。本実施の形態のイオ
ン注入装置２０は、イオンを発生させるイオン源２１
と、被処理基体であるウェーハ（半導体ウェーハ）Ｗが
収容配置されるエンドステーション２２とを結ぶビーム
経路に、主として、引出電極２３、質量分離器２４、ス
リット２５、加速器２６、スキャナ２７及びビームマス
ク２８が、イオン源２１側から順に配置されている。

【００１６】イオン源２１は公知の構成を有し、各種元
素のプラズマを生成することによりイオンを発生させる
もので、放電の種類により直流型、高周波型及びマイク
ロ波型に分類されるが、いずれのタイプでも適用可能で
ある。引出電極２３は、イオン源２１で発生したイオン
を外部へ引き出すためのもので、イオン源２１との間に
所定の直流電圧が印加されている。また、イオンビーム
に集束作用をもたせるため、引出電極２３は２つの電極
より構成されている。質量分離器２４もまた公知の構成
を有し、イオン源２１から引き出した種々のイオンか
ら、必要とするイオンのみを選択するための電磁石が設
けられており、同一磁場中で各種イオンがその質量に従
って異なる軌跡を描くのを利用して、磁場の強さを調整
し、目的とするイオンのみを取り出すようにしている。

【００１７】加速器２６は、従来の直流型加速管と異な
り、イオンビームを周回させながら加速エネルギーを印
加する方式のシンクロトロン加速器として構成される。
すなわち、グランド電位に接続されたアルミニウム又は
ステンレス等の金属材料からなる加速器本体３１には、
図２をも参照して、イオンビームの周回トラックとなる
所定真空度に保たれた環状通路３２が形成されており、
その通路断面の内径は例えば５０〜６０ｍｍとされる。
この環状通路３２には、イオンビームに加速電圧を印加
する高周波電極３３と、環状通路３２内においてイオン
ビームの軌道修正を行うためのビーム偏向手段として、
複数の電極群３５ａ，３５ｂ，３６ａ，３６ｂとが設け
られている。

【００１８】図３に示すように、高周波電極３３は筒状
を呈し、環状通路３２の周壁の一部を構成するように絶
縁体３７を介して本体３１に配置されている。高周波電
極３３とこれに交流電圧を印加する高周波電源３４との
間は、本体３１に対して碍子３９で支持される導線３８
を介して接続されている。高周波電源３４は、環状通路
３２を周回するイオンビームの回転周期（例えば数ＭＨ
ｚ）に同期した高周波電界を形成するように構成されて
いる。また、高周波電源３４は１つとし、制御の容易化
が図られている。

【００１９】ビーム偏向手段としての複数の電極群３５
ａ，３５ｂ，３６ａ，３６ｂは、環状通路３２のコーナ
ー部（円弧状のトラック部分）にそれぞれ相対向して、
図４に示すように環状通路３２の周壁に対し絶縁体４１
を介して配置されている。そして、環状通路３２の外側
に配置される一方側の電極３５ａ，３５ｂは、本体３１
に対して碍子４３により支持される導線４４を介して可
変直流電源４２の正極に接続され、また、環状通路３２
の内側に配置される他方側の電極３５ｂ，３６ｂには、
本体３１に対して碍子４６により支持される導線４７を
介して可変直流電源４５の負極に接続されている。

【００２０】各々の可変直流電源４２，４５は、イオン
ビームが環状通路３２の中心部を巡回するような電圧に
設定されるとともに、イオンビームの周回数の増加に対
応してその巡回軌道を維持するために、電源電圧がそれ
ぞれ同期して時間的に増大するような構成が採られてい
る。

【００２１】なお、図２に示すように電極３５ａ，３５
ｂが配置される円弧状トラック部分から電極３６ａ，３
６ｂが配置される円弧状トラック部分へ向かう直線状ト
ラック部分には、イオンビームを集束させるための集束
レンズ４８ａ，４８ｂが設けられており、この位置でビ
ーム形状の修復がなされる。

【００２２】加速器２６の後段に位置するスキャナ２７
は、ウェーハＷ上のイオン注入領域に対してイオンビー
ムをスキャンするための偏光器として構成され、電磁
式、静電式いずれの構成も採用可能である。ビームマス
ク２８は、ウェーハＷに対するイオンビームの照射領域
を制限するための導電性のマスクとして構成され、イオ
ンの通過を許容する開口の大きさが可変となっている。

【００２３】次に、本実施の形態の作用について説明す
る。

【００２４】イオン源２１にて生成されたイオンは、引
出電極２３により引き出された後、質量分離器２４にお
いてウェーハＷに注入すべきイオンが選択される。質量
分離器２４から導出された所望のイオンからなるイオン
ビームは、スリット２５を介して加速器２６に導入され
る。

【００２５】図２を参照して、加速器２６に導入された
イオンビームは、入口４９から環状通路３２に入り、高
周波電極３３を通過する際に所定電圧（例えば１００ｋ
Ｖ）が印加され、加速される。すなわち、正電荷のイオ
ンに対し、高周波電極３３は負極のときは引力として作
用し、正極のときは斥力として作用するので、イオンが
高周波電極３３へ進入する時と通過する時とで電極３３
の極性を変化させることによって（進入時は負、通過時
は正）、イオンが加速される。

【００２６】高周波電極３３を通過し加速されたイオン
ビームは、電極３５ａ，３５ｂにより形成される電場空
間で軌道が１８０°修正された後、集束レンズ４８ａ，
４８ｂによる集束作用を受けてビーム形状が修復され
る。次いで、電極３６ａ，３６ｂにより形成される電場
空間で軌道が更に１８０°修正され、再び高周波電極３
３において所定電圧が印加され、加速される。

【００２７】このようにして、加速器２６内においてイ
オンビームは環状通路３２を周回しながら加速され、こ
れが所定のエネルギー（例えば１〜２ＭｅＶ）にまで加
速されると、電極３５ａ，３５ｂ間への電圧印加が一時
解除され、イオンビームが出口５０からウェーハＷへ向
けて出射される。なお、その後、電極３５ａ，３５ｂ，
３６ａ，３６ｂ間の電場の大きさは初期値に戻され、上
記と同様な作用で次なるイオンビームの偏向が行われ
る。

【００２８】イオンビームは加速器２６内の高周波電極
３３で加速されることになるが、高周波電極３３が正極
に変化してこれを通過するイオンに斥力を作用させる
際、同時に高周波電極３３に進入するイオンにも斥力が
作用して当該イオンの進入を妨げる。このため、加速器
２６から出射されるイオンビームは、図５に示すように
パルス間隔τのパルスビームとなる。そこで、イオンビ
ームのパルス間隔τは、なるべく短時間となるように設
定するのが好ましく、これにより、１パルス当たりのビ
ーム電流を大きくすることなく、単位時間当たりのイオ
ン注入量を確保することが可能となる。

【００２９】また、高周波電極３３におけるイオンビー
ムの加速時、上述したように後続するイオンに対する高
周波電極３３への進入阻害作用によって、当該イオンが
飛散し環状通路３２の周壁との衝突によりコンタミを発
生させるおそれがあるため、本実施の形態では図６に示
すように、高周波電極３３の入口周辺にグラファイト又
は炭化ケイ素（特に立方晶系閃亜鉛鉱型構造のβ型）等
からなるビームダンパー５１を設置して、コンタミの発
生を抑制するようにしている。

【００３０】さて、加速器２６で所定のエネルギーに加
速されたイオンビームは、スキャナ２７のスキャン作用
を受けてウェーハＷ上のイオン注入領域へ照射される。
このとき、スキャナ２７は、加速器２６から出射される
イオンビームのパルス間隔よりも小さい周波数で、好ま
しくはパルス間隔の１／１０以下の周波数で、イオンビ
ームをスキャンする。これにより、イオン照射領域の偏
在化を回避して、見かけ上、連続ビームとしてイオンビ
ームを照射することが可能となる。

【００３１】以上のように本実施の形態のイオン注入装
置２０によれば、イオンビームを所定のエネルギーに加
速する加速器２６を高周波電源３４を加速源とするシン
クロトロン型の加速器で構成したので、従来のような直
流直線型加速管等を用いたイオン注入装置と比較して、
質量分離器２４からエンドステーション２２までの幾何
学的距離を短くでき、また、高圧ターミナルおよびシー
ルドボックスの配備が不要となることから、装置の設置
占有面積を大きく低減することができる。

【００３２】特に、本実施の形態では加速器本体３１
は、少なくとも縦、横が１ｍ程度、高さが十数ｃｍ程度
あれば十分であるので、従来に比べてはるかに小型化す
ることが可能となるとともに、イオン源２１からエンド
ステーション２２までのビーム経路を１つの真空チャン
バで構成することも可能となる。

【００３３】図７は本発明の第２の実施の形態によるイ
オン注入装置の概要を示している。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。

【００３４】本実施の形態のイオン注入装置６０は、加
速器６１の本体６２内に、上述と同様な構成の環状通路
６３Ａ，６３Ｂ，６３Ｃをビーム経路に対して並列的に
複数段（本実施の形態では３段）配置形成した点が、第
１の実施の形態の構成と異なる。質量分離器２４で選択
された所望のイオンからなるイオンビームは、スキャナ
６８その他の適当な偏向器を用いて各環状通路６３Ａ〜
６３Ｃの入口６５Ａ〜６５Ｃに平行に入射させ、高周波
電極６４Ａ〜６４Ｃによって各イオンビームをそれぞれ
所定のエネルギーに達するまで環状通路６３Ａ〜６３Ｃ
を周回させた後、偏光器６９ａ及び６９ｂによってスキ
ャナ２７へ導く構成となっている。

【００３５】そして、スキャナ６８のスキャン作用によ
りイオンビームを環状通路６３Ａ〜６３Ｃへ所定の位相
差をつけて交互に入射させるようにすれば、上述の第１
の実施の形態と同様に各々パルス間隔τで加速器６１の
出口６６Ａ〜６６Ｃから出射されるイオンビームＡ〜Ｃ
が、図８に示すように全体的にパルス間隔がτ’で出射
されることになり、第１の実施の形態に比べてイオンビ
ームのパルス間隔の短縮化を図ることが可能となる。こ
れにより、ほとんど連続ビームとしてウェーハＷへイオ
ンを照射して、単位時間当たりのイオン注入量（打込み
量）を増大させることができる。

【００３６】一方、出口６６Ａ〜６６Ｃから同時にイオ
ンビームＡ〜Ｃを出射させるようにすれば、１パルス当
たりのビーム電流を大きくしてイオン注入量の増加を図
ることができる。

【００３７】本実施の形態のイオン注入装置６０によれ
ば、上述のような作用効果を得ることができるととも
に、加速器本体６２をそれほど大きくすることなく加速
器６１を構成することができるので、第１の実施の形態
におけるイオン注入装置２０と同程度の設置占有面積で
据え付けることが可能である。

【００３８】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。

【００３９】例えば、エンドステーション２２に設けら
れるマスク２８の開口の大きさを、ウェーハＷに形成さ
れる半導体チップの大きさに略等しくするとともに、こ
の開口を通過するイオンビームがウェーハＷに対して垂
直に入射するようにウェーハＷをティルトさせることに
より、ウェーハ全面に対するイオンの注入均一性を高め
ることができる。

【００４０】また、上記マスク２８に代えて、例えば図
９に示すようにウェーハＷに対するイオン注入領域を定
める開口部７２ａを備えた導電性のマスク部材７２をウ
ェーハＷに離間して配置するようにすれば、ウェーハＷ
にレジストパターンを形成することなく所望の注入領域
へイオンを注入することができ、これにより、従来行わ
れているウェーハＷへのレジスト塗布、露光、現像、イ
オン注入後のレジストアッシング及びレジスト剥離の各
工程を不要として、半導体装置の製造プロセスの簡素化
を図ることが可能となる。

【００４１】なお、マスク部材７２は、イオンビームが
通過する透孔７３ａを備えたホルダ７３に対して静電チ
ャック７４を介して支持され、ステージ（プラテン）７
１上に載置されたウェーハＷの上面に対して数μｍ〜数
十μｍの間隙をおいて対向配置される。

【００４２】更に、以上の各実施の形態によれば、環状
通路３２，６３Ａ〜６３Ｃを本体３１，６２内に形成し
たが、これに限らず、これらの環状通路を環状のチュー
ブ体で構成するようにしてもよい。

【００４３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のイオン注入
装置によれば、装置の設置占有面積を従来よりもはるか
に小さくしながら、高エネルギーのイオン加速を実現す
ることができる。

【００４４】また、請求項２の発明によれば、簡素な構
成で容易にイオンビームの軌道修正制御を行うことがで
き、請求項３の発明によれば、単位時間当たりのイオン
注入量を高めることができる。更に、請求項４の発明に
よれば、見かけ上、連続ビームとしてイオンビームを照
射することができる。

【００４５】最後に、請求項５の発明によれば、ウェー
ハ面内における注入均一性を高めることができる。ある
いは、従来行われているウェーハＷへのレジスト塗布、
露光、現像、イオン注入後のレジストアッシング及びレ
ジスト剥離の各工程を不要として、半導体装置の製造プ
ロセスの簡素化を図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態によるイオン注入装
置の概略構成図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態における加速器の概
略構成図である。

【図３】図２における要部の詳細を示す側断面図であ
る。

【図４】図２における他の要部の詳細を示す側断面図で
ある。

【図５】本発明の第１の実施の形態におけるイオンビー
ムの発生形態を示す図である。

【図６】図２における更に他の要部の詳細を示す側断面
図である。

【図７】本発明の第２の実施の形態によるイオン注入装
置の概略構成図である。

【図８】本発明の第２の実施の形態におけるイオンビー
ムの発生形態を示す図である。

【図９】本発明の実施の形態の変形例を示す要部の側断
面図である。

【図１０】従来のイオン注入装置の一構成例を示す図で
ある。

【符号の説明】

２０イオン注入装置２１イオン源２２エンドステーション２３引出電極２４質量分離器２６加速器２７スキャナ２８マスク３１（加速器）本体３２環状通路３３高周波電極３４高周波電源３５ａ，３５ｂ，３６ａ，３６ｂ電極（ビーム偏向手
段）６０イオン注入装置６１加速器６２（加速器）本体６３Ａ〜６３Ｃ環状通路６４Ａ〜６４Ｃ高周波電極７２マスク部材Ｗウェーハ（被処理基体）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】イオンを発生させるイオン源と、被処理
基体が収容配置されるエンドステーションとの間に形成
されるビーム経路に、前記イオン源から引き出したイオ
ンを質量分離する質量分離器と、前記質量分離されたイ
オンからなるイオンビームを所定のエネルギーにまで加
速する加速器とを少なくとも備えたイオン注入装置にお
いて、前記加速器が、前記イオンビームを周回させる環状通路
と、前記環状通路内のイオンビームに所定電圧を印加す
る高周波電極と、前記環状通路内のイオンビームの軌道
を修正するビーム偏向手段とを含むことを特徴とするイ
オン注入装置。
【請求項２】前記ビーム偏向手段が、前記環状通路内
に前記イオンビームの軌道修正用電場空間を形成する電
極群からな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】前記環状通路が、前記ビーム経路に対し
て並列的に複数段配置され、これら複数の環状通路から
前記所定のエネルギーに達したイオンビームが同時に、
または交互に出射されることを特徴とする請求項１又は
請求項２に記載のイオン注入装置。
【請求項４】前記加速器にて加速されたイオンビーム
を前記被処理基体に対してスキャンするスキャナが設け
られ、該スキャナのスキャン周波数が、前記加速器から
パルス状に出射されるイオンビームのパルス間隔よりも
小さく設定されることを特徴とする請求項１から請求項
３のいずれかに記載のイオン注入装置。
【請求項５】前記エンドステーションには、前記被処
理基体に対するイオン照射領域またはイオン注入領域を
定める開口部を備えた導電性のマスク部材が、前記被処
理基体に離間して配置される請求項１から請求項４のい
ずれかに記載のイオン注入装置。