JP2004014422A

JP2004014422A - Ion implanter

Info

Publication number: JP2004014422A
Application number: JP2002169536A
Authority: JP
Inventors: Yuichiro Sasaki; 佐々木　雄一朗; Bunji Mizuno; 水野　文二
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-06-11
Filing date: 2002-06-11
Publication date: 2004-01-15

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ion implantation method and an ion implanter capable of dynamically controlling a beam current value of an ion beam with time without changing energy. <P>SOLUTION: This ion implanter is characterized by controlling dynamic variation with time of the beam current value by feeding back the beam current measured by a beam current value measurement means. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体ウェハ等の被処理体にイオンビームを照射してイオンを注入するイオン注入装置のビーム電流値制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオン注入装置による不純物の導入は、濃度と打ち込み深さの制御が容易なことから半導体デバイスの製造における不純物導入工程で一般的に用いられている。
【０００３】
図１０は従来のイオン注入装置の一例を示す要部断面図である。ここでは大電流イオン注入装置を例示した。従来のイオン注入装置１７はイオン源１内において所定のガスをプラズマ化しプラズマ中のイオンを引き出し電極により所定のエネルギーで引き出すことによりイオンビーム２を得る。引き出されたイオンビーム２から質量分析器３により質量分析を行って所望のイオンを分離し、さらに分解スリット４によりイオンの分離を完全に行う。その後、加速電極５を通じて最終エネルギーに加速して注入処理室６に配置した半導体ウェハ７等の被処理体に照射する。照射したイオンビーム２のビーム電流値をファラデーカップ８で測定して導入した不純物量を把握する。
【０００４】
図６は従来のイオン源の一例を示す要部断面図である。ここではフリーマン型イオン源を例示した。イオン源チャンバー１５は例えばステンレススチール等により円筒形状に成型されている。イオン源チャンバー１５の長さは例えば３００　ｍｍ程度、直径は１８０　ｍｍ程度である。イオン源チャンバー１５の一端のフランジ部はボルト１８を介してイオン注入装置本体１６側に固定されている。イオン源チャンバー１５の他端のフランジ部はネジ１９を介して蓋部２０が、碍子２１及び図示しないシール部材を介在して締め付け固定されている。これにより、イオン源チャンバー１５内部を気密に密閉している。ところで、アークチャンバー９内にはフィラメント１０が備えられている。また、アークチャンバー９内部に通じるガス供給ノズル１１は途中にマスフローコントローラやバルブを有するガス通路を介してガス源１２に接続している。そして、ガス供給ノズル１１からアークチャンバー９内にアルシン（ＡｓＨ_３）等のドーパントガスを供給できるようになっている。また、アークチャンバー９のイオン引き出し方向の面にはイオン導出口１３が設けられているとともに、イオン導出口１３と対向する位置には引き出し電極１４が備えられている。引き出し電極１４はイオン通過孔２２を有しており、イオン源チャンバー１５内のイオン注入装置本体１６側の中央部に配置する。そして導電性の支柱を介してリング形状のベース電極２３に支持され、ベース電極２３は碍子等の絶縁部材を介してグランド電極２４に支持されている。グランド電極２４は、一端をイオン源チャンバー１５の側壁に設けた支持孔２５に密接するようにした支持棒で支持され、他端は側壁にイオン源チャンバー１５の半径方向へ出没可能な支持ロッド２６で支持されている。引き出し電極１４とベース電極２３は同電位となり、これらは絶縁部材を介してグランド電極２４に支持される構造である。イオン注入処理時にはアークチャンバー９内に所定のガスを導入するとともに、フィラメント１０に熱電子発生用電源から所定の高電流を印加する。この電流は例えば１５０　Ａの直流電流である。さらに、アーク放電発生用電源から所定の負電圧、例えば―１００　Ｖの直流電圧を印加する。これによりフィラメント１０とアークチャンバー９間に放電が発生して所定の処理ガスが解離してプラズマが生成する。この際、アークチャンバー９と引き出し電極１４の間にはイオン引き出し用電源から所定の高電圧、例えば８０　ｋＶの直流電圧が印加されている。これによりアークチャンバー９内で生成したプラズマ中の正イオンのみが引き出し電極１４方向に引き出されてイオンビーム２となる。また、イオンビーム２が通過する部分はターボ分子ポンプやクライオポンプを用いて１０^−５Ｔｏｒｒ程度の真空に維持されている。
【０００５】
ところで、イオン注入装置ではエネルギー分解能の高いイオンビーム２を供給するために引き出し電極１４の電圧や加速電極５の加速電圧が変動しないように一定に保つような工夫がされている。例えばイオン源１および引き出し電極１４に所定の直流電力を出力するイオン引き出し用電源では、一般の商用交流電力を所望の直流電力に変換して用いる。ここで変換後に残った交流成分、すなわちリップル成分がイオンビーム２のエネルギーばらつきの原因となる。これに対して、例えば特開平１０―１１２２７７に低エネルギー注入におけるリップル成分を低減させる技術が公開されているように、エネルギー分解能を高精度に保つことは重要である。
【０００６】
また、イオン源１に関しては、所望のイオン種と引き出し電圧に合わせて、イオン導出口１３の形状と引き出し電極１４の位置、アークチャンバー９内部に供給するガス流量およびガス圧力、フィラメント１０に印加する電流および電圧、アーク電圧、アーク電流、アークチャンバー９内部に電子を閉じ込めるための磁界強度を最適化することが行われる。また、各注入条件に合わせてイオンビーム２の設定前に形状の異なるイオン導出口１３に付け替えることや引き出し電圧を調整する。さらに、引き出し電極の位置を変えてイオン導出口１３と引き出し電極１４間の距離を変える装備も一般的に設けられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
イオン注入中は被処理体に照射されるビーム電流値の変動が少ないことが望まれているが、実際には５　％程度変動することもあり、一定ではないという課題がある。
【０００８】
この要因の一つにイオン源１の状態の経時変化がある。すなわち、フィラメント１０とアークチャンバー９内壁の表面状態の変化や、熱膨張によるアークチャンバー９の寸法変化、ガス源１２からガス供給ノズル１１までのガス配管の温度変化によるドーパントガスの体積変化、プラズマ内のイオン密度の経時変化である。これらの変化は、所望のイオン種と引き出し電圧に合わせてあらかじめ設定したときのイオン源１の状態を変化させるので、ビーム電流値を変動させる原因となる。一方で、上記の状態変化を一定とするように制御することは困難である。
【０００９】
ところで、従来の技術でも説明したように、例えば、引き出し電極の位置を縦、横、回転方向に変える装備は一般的である。しかし、これは主にイオン注入前のイオンビーム２の設定時に用いられるものであった。つまり、静的に引き出し電極の位置を変化させるものでありビーム電流値の経時的に動的な変化を制御することはできないという課題があった。
【００１０】
そこで、イオン源１の状態の経時変化に係わらず、ビーム電流値を一定にする技術が求められていた。ただし、注入エネルギーはある幅を持った所望の値に固定することが求められる。つまり、ビーム電流値の変動を抑えるために引き出し電圧を変化させるようなエネルギーを変化させる要因となる対策は採れない。
【００１１】
以上のように、イオンビームのビーム電流値を経時的に動的に制御でき、且つ、エネルギーを変化させないイオン注入装置の提供が求められていた。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
ビーム電流測定手段でイオンビーム２のビーム電流値を測定しておき、その測定値を帰還して経時的に動的なビーム電流値の変化を制御する構成のイオン注入装置とする。測定値の帰還は、イオン源のアークチャンバーに設けたイオン導出口の形状、引き出し電極の位置、ドーパントガス流量、ドーパントガス圧力、フィラメントに印加する電流および電圧、アーク電圧、アーク電流、アークチャンバー内部に電子を閉じ込めるための磁界強度、アークチャンバーの位置の群から選ばれる少なくとも一つのパラメータに対して行う。つまり、発明が解決しようとする課題の項で挙げたような制御することが困難なイオン源１の状態変化に適応して、ビーム電流値を制御するように上記のパラメータの少なくとも一つを変化させる。
【００１３】
ここで、イオン導出口１３の形状を可変とする方法を説明する。イオン導出口１３の形状は、例えばスリット、シャッター、弁、ドア、ノズルの機構により可変な構造とする。駆動方式は、例えば圧電素子の変形、気体圧、液体圧、熱変形、モータの力を利用することで微小な寸法変化を制御できる。モータは、特にサーボモータ、リニアモータ、ステッピングモータ、超音波モータを採用することで精密駆動が可能である。また、イオン導出口１３の形状を可変とする機構は蓋部２０にアークチャンバー９とともに取り付けられていることが望ましい。そして、蓋部２０とアークチャンバー９とイオン導出口１３の形状を可変とする機構はイオン源チャンバー１５から蓋部２０を取り外すことで着脱可能な構造とすることが望ましい。この理由は、上記構造とすることでイオン源１のクリーニング作業等のメンテナンスに掛かる手間を従来と同等の水準に維持できるからである。
【００１４】
ビーム電流を測定する手段は、例えばファラデーカップ８、ビーム電流測定装置、直流変流器がある。ここでビーム電流測定装置とは、ビーム電流に対応した磁場を検知または収集する検知部と、磁束に感応する超伝導磁束量子干渉計と超伝導磁束量子干渉計を貫く磁束の変化を打ち消すように帰還電流を流す帰還コイルを有する測定部を少なくとも有する装置である。この装置は、検知部で検知または収集した磁束を測定部に伝達する磁束伝達部を備えた方が感度を調整できるので望ましい。さらに、検知部と磁束伝達部と測定部をイオンビーム２が流れる空間を含む外部空間から磁気遮蔽する超伝導体からなるギャップを有する磁気遮蔽部を備えた方が、外部磁気雑音を低減できるので望ましい。ビーム電流を測定する手段をファラデーカップ８とした場合は、被処理体を載せた円盤の後方や横にファラデーカップ８を置いて測定する方法が一般的である。この場合、一般に、被処理体へのビーム照射とビーム電流値の測定は同時には行えない。また半導体ウェハ７から出るアウトガス２８の影響で測定値に数％の誤差を含んでしまうという課題がある。それに対して、ビーム電流測定装置、又は、直流変流器を用いた場合は、ビームラインの被処理体よりもイオン源１側、つまり上流側にこれらの装置を配置することで被処理体にイオンビーム２を照射しながら、同時にビーム電流値を測定することが可能であるという利点がある。さらにアウトガス２８とイオンビーム２が接触する前にビーム電流値を測定できるのでアウトガス２８の影響による測定値誤差が生じない利点もある。ここで、直流変流器はｍＡ以上のビーム電流を数μＡの誤差で測定したいときに用いることが望ましい。一方でビーム電流測定装置は数十ｎＡ〜数μＡのビーム電流を数ｎＡの誤差で測定したいときや、数μＡ〜数十ｍＡのビーム電流を０．１　％以下程度の誤差で測定したいときに用いることが望ましい。
【００１５】
本発明により、イオンビームのビーム電流値を経時的に動的に制御でき、且つ、エネルギーを変化させないイオン注入方法およびイオン注入装置を提供できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明をさらに詳しく説明する。
【００１７】
［　イオン導出口の形状を可変とする機構　］
図１は本発明による可動仕切り板機構部２９の一例をイオン源チャンバー１５と共に示した要部断面図である。本発明の特徴である可動仕切り板機構部２９について説明する。蓋部２０には２台の小型サーボモータ３０と２つの可動仕切り板機構部２９と複数の支柱３１が固定されている。複数の支柱３１はアークチャンバー９を固定している。さらに図２を参照しながら説明する。小型サーボモータ３０のシャフトは回転軸３２に接続されている。そして、回転軸３２の先端に近い部分はボールネジＡ３３になっている。回転軸３２とボールネジＡ３３は可動仕切り板機構部２９のハウジング３４に収納されていて、ハウジング３４内でラックアンドピニオン等によりボールネジＡ３３の回転がボールネジＢ３５の回転に変換する機構となっている。ボールネジＢ３５には可動棒３６がはめ込まれており、可動棒３６には送りネジの溝が設けられている。よって、ボールネジＢ３５が回転すると可動棒３６はボールネジＢ３５の中心軸と平行に移動する。ここで、可動棒３６とハウジング３４の間にスライド軸受け３７とシール３８が設けられている。これにより可動棒３６は滑らかに、且つ、イオン源チャンバー１５内部の気密を保ちながら平行移動できる。可動棒３６の先には仕切り板３９が接続されている。
【００１８】
以上のような機構により小型サーボモータ３０によるボールネジＡ３３の回転を動力として、仕切り板３９をイオンビーム２の進行方向と垂直に平行移動させることができる。すなわちイオン導出口１３の形状をスリットの機構を用いて変化させることができる。ここで仕切り板３９の位置決め精度と位置決め整定時間は小型サーボモータ３０とドライバ４０、およびボールネジを含むアクチュエータの性能で決まるが、位置決め精度は１０〜１００μｍ程度、位置決め整定時間は５０〜１００ミリ秒程度が可能である。
【００１９】
なお、引き出し電極１４部分は従来のフリーマン型イオン源で採用されている構成である。
【００２０】
［　アークチャンバーの位置を可変とする機構　］
図３は本発明による可動式のアークチャンバー９をイオン源チャンバー１５と共に示した要部断面図である。本発明の特徴である可動式のアークチャンバー９について説明する。蓋部２０には小型サーボモータ４８とガイド４９が固定されている。小型サーボモータ４８のシャフト５５の先はボールネジＥ５０が接続されており、シャフト５５の回転と合わせてボールネジＥ５０が回転する。ボールネジＥ５０が回転すると支持板５１がボールネジＥ５０の中心軸と平行に移動する仕組みである。ボールネジＥ５０の中心軸はイオンビーム２の進行方向と平行になるように設置する。ここで、支持板５１の動作はガイド４９で規制されており、ボールネジＥ５０の中心軸に垂直な面を保ちながら中心軸に平行に移動する。支持板５１には複数本の支柱５２が固定されている。そして、支柱５２の先にはアークチャンバー９が固定されている。よって、アークチャンバー９は支持板５１と同様にイオンビーム２の進行方向と平行に移動する。
【００２１】
ところで、蓋部２０とシャフト５５が接する部分は、例えば図４のように、小型サーボモータ４８のシャフト５５がイオン源チャンバー１５内部の気密を保ちながら精密に回転できるようにシール５３と回転軸受け５４が設けられている。また、アークチャンバー９にはガス供給ノズル１１が接続されている。ここで、蓋部２０とガス供給ノズル１１が接する部分は、例えば図５のように、ガス供給ノズル１１がイオン源チャンバー１５内部の気密を保ちながらガス供給ノズル１１の中心軸と平行に移動できるようにシール５６とスライド軸受け５７が設けられている。
【００２２】
以上のような機構を採用することで、小型サーボモータ４８によるボールネジＥ５０の回転を動力として、アークチャンバー９のイオン導出孔１３をイオンビーム２の進行方向と平行に移動させることができる。なお、引き出し電極１４部分は一般的な従来のフリーマン型イオン源で採用されている構成である。
【００２３】
［　ビーム電流値制御の手順　］
イオン導出口１３の形状を可変とする機構を用いた場合のビーム電流値を制御する手順を説明する。イオン導出口１３の形状は、例えば横幅が狭く、長手方向が長い形状のものを用いる。このような形状では長手方向の長さを変えることでイオンビーム２のエネルギー分解能を低下させることなしにビーム電流値を変化できることが知られている。つまり長手方向の長さを長くするとビーム電流値は増加し、短くするとビーム電流値は低減する。上記の性質を利用して、ビーム電流値を所望の範囲内に制御する。具体的には、ビーム電流測定手段を用いて測定したビーム電流値の測定値に閾値を設ける。そして、測定値が閾値を超えると閾値内に入る方向にイオン導出口１３の長手方向の長さを変える。例えば、ビーム電流の測定値が閾値よりも小さくなると、後述するコントローラー５９がドライバ４０に指令を送り小型サーボモータ３０を起動させる。そして、イオン導出口１３の長手方向の長さが長くなる方向に仕切り板３９が動く。その後、ビーム電流の測定値が所望の値になると、小型サーボモータ３０を停止させる。上記によりビーム電流値を所望の範囲内に制御する。
【００２４】
次に、アークチャンバー９の位置を可変とする機構を用いた場合のビーム電流値を制御する手順を説明する。この機構は、アークチャンバー９の位置を引き出し電極１４に近づける方向と遠ざける方向に移動できる。そして、引き出し電極１４に近づけたときには引き出し電界が増加し、一方、遠ざけたときには引き出し電界が減少することを利用したものである。しかし、ある時点でのプラズマ内のイオン密度がわからないので、アークチャンバー９をどちらの方向に動かせばビーム電流値が増加するか、あるいは減少するかは不明である。そこで、下記の方法を採る。ビーム電流の測定値が閾値の範囲を超えると、コントローラー５９はアークチャンバー９の位置をいずれかの方向に微小に移動させる。そして、そのときのビーム電流の測定値が増加したか、あるいは減少したかで、コントローラー５９は先の移動方向の正否を判断する。ビーム電流の測定値が閾値内に戻る方向に変化したのであれば、先の方向にそのままアークチャンバー９を移動させる。一方、ビーム電流の測定値が閾値から外れる方向に変化したのであれば、先の方向と反対方向に移動させる。その後、ビーム電流の測定値が所望の値になると、小型サーボモータ４８を停止させる。この方法で経時変化するプラズマ内のイオン密度に合わせて、適した引き出し電界をイオン注入中に設定できる。そして、上記によりビーム電流値を所望の範囲内に制御できる。引き出し電極の位置を可変とする機構を用いた場合も同様である。
【００２５】
［　イオン注入装置の構成　］
図７は本発明によるイオン注入装置６０の一例である。本発明によるイオン注入装置６０とは、従来のイオン注入装置１７に本発明のビーム電流制御機能を付加したものである。本発明のイオン注入装置６０ではファラデーカップ８の測定値をコントローラー５９に伝える。そして、コントローラー５９はイオン源１に配置した小型サーボモータ等の駆動装置に動作の指令を送る構成である。駆動装置の動作結果はビーム電流の測定値の変化としてファラデーカップ８からコントローラー５９に帰還される。そして、ビーム電流値制御の手順の項で説明した手順に従ってビーム電流値を所望の範囲内に制御する。
【００２６】
さらに図８を参照して説明する。イオンビーム２を半導体ウェハ７に照射すると、レジストからアウトガス２８が発生する。イオンビーム２がアウトガス２８中を通過すると、イオンの電荷がアウトガス２８に奪われる。これによりファラデーカップ８の測定値が実際のビーム電流値よりも１０　％程度低下してしまう。ここで、低下の割合は注入処理室６内部の圧力に比例するので、圧力を測定してビーム電流値の測定値を補正する方法が知られている。本発明では、イオン注入中は上記補正値をコントローラー５９にフィードバックすることで目的を達する。あるいは、イオンビーム２が半導体ウェハ７にあたらない位置まで半導体ウェハ７を移動させて、つまり図７の状態にして、アウトガス２８が出ていない状態でのファラデーカップ８の測定値をコントローラー５９にフィードバックする方法でも良い。さらには、図９に参照されるようにイオンビーム２がアウトガス２８中を通過する前に非破壊型ビーム電流測定手段６１を用いてビーム電流値を測定する方法もある。非破壊型ビーム電流測定手段６１とは、測定することでビーム電流に影響を与えない測定方法である。例えばビーム電流測定装置や直流変流器を用いる。本発明では、イオン注入中は非破壊型ビーム電流測定手段６１を用いた測定値をコントローラー５９にフィードバックすることでも目的を達する。
【００２７】
なお、実施例では経時的に動的に変動するビーム電流値を一定に制御する方法を説明した。ビーム電流値を一定ではなく、任意に変動するように制御することも同様に可能なことは明らかである。また、同様の方法でイオンビームのビーム電流密度を制御できる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明により、イオンビームのビーム電流値を経時的に動的に制御でき、且つ、エネルギーを変化させないイオン注入方法およびイオン注入装置を提供できる。同様の方法でイオンビームのビーム電流密度を制御できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるイオン導出口の形状を可変とする機構の一例を示す要部断面図
【図２】図１の可動仕切り板機構部の要部断面図
【図３】本発明によるアークチャンバーの位置を可変とする機構の一例を示す要部断面図
【図４】図３の小型サーボモータの蓋部への取り付け方法を示す要部断面図
【図５】図３のガス供給ノズルの蓋部への取り付け方法を示す要部断面図
【図６】従来のイオン源の要部断面図
【図７】本発明によるイオン注入装置の一例を示す要部断面図
【図８】図６のイオン注入中の構成を示す要部断面図
【図９】本発明による非破壊型ビーム電流測定手段を用いたイオン注入装置の一例を示す要部断面図
【図１０】従来のイオン注入装置の要部断面図
【符号の説明】
１　イオン源
２　イオンビーム
３　質量分析器
４　分解スリット
５　加速電極
６　注入処理室
７　半導体ウェハ
８　ファラデーカップ
９　アークチャンバー
１０　フィラメント
１１　ガス供給ノズル
１２　ガス源
１３　イオン導出口
１４　引き出し電極
１５　イオン源チャンバー
１６　イオン注入装置本体
１７　従来のイオン注入装置
１８　ボルト
１９　ネジ
２０　蓋部
２１　碍子
２２　イオン通過孔
２３　ベース電極
２４　グランド電極
２５　支持孔
２６　支持ロッド
２７　支持盤
２８　アウトガス
２９　可動仕切り板機構部
３０　小型サーボモータ
３１　支柱
３２　回転軸
３３　ボールネジＡ
３４　ハウジング
３５　ボールネジＢ
３６　可動棒
３７　スライド軸受け
３８　シール
３９　仕切り板
４０　ドライバ
４１　ボールネジＣ
４２　小型サーボモータ
４３　ボールネジＤ
４４　ガイド
４５　ガイド
４６　引き出し電極ユニット
４７　ドライバ
４８　小型サーボモータ
４９　ガイド
５０　ボールネジＥ
５１　支持板
５２　支柱
５３　シール
５４　回転軸受け
５５　シャフト
５６　シール
５７　スライド軸受け
５８　ドライバ
５９　コントローラー
６０　本発明によるイオン注入装置
６１　非破壊型ビーム電流測定手段
６２　回転軸受け
６３　コネクタ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to beam current control of an ion implantation apparatus that irradiates an object to be processed such as a semiconductor wafer with an ion beam to implant ions.
[0002]
[Prior art]
The introduction of impurities by an ion implantation apparatus is generally used in an impurity introduction step in the manufacture of semiconductor devices because of easy control of concentration and implantation depth.
[0003]
FIG. 10 is a sectional view of an essential part showing an example of a conventional ion implantation apparatus. Here, a large-current ion implantation apparatus is illustrated. The conventional ion implantation apparatus 17 converts a predetermined gas into plasma in the ion source 1 and extracts ions in the plasma with a predetermined energy by an extraction electrode to obtain an ion beam 2. From the extracted ion beam 2, mass analysis is performed by a mass analyzer 3 to separate desired ions, and further, ions are completely separated by a decomposition slit 4. Thereafter, the object is accelerated to the final energy through the accelerating electrode 5 and is irradiated onto an object to be processed such as a semiconductor wafer 7 arranged in the implantation processing chamber 6. The beam current value of the irradiated ion beam 2 is measured by the Faraday cup 8 to grasp the amount of the introduced impurities.
[0004]
FIG. 6 is a sectional view of a main part showing an example of a conventional ion source. Here, a Freeman type ion source is exemplified. The ion source chamber 15 is formed into a cylindrical shape by, for example, stainless steel. The length of the ion source chamber 15 is, for example, about 300 mm and the diameter is about 180 mm. A flange portion at one end of the ion source chamber 15 is fixed to the ion implantation apparatus main body 16 via a bolt 18. A lid 20 is fastened and fixed to a flange at the other end of the ion source chamber 15 via a screw 19 via an insulator 21 and a sealing member (not shown). Thereby, the inside of the ion source chamber 15 is hermetically sealed. Incidentally, a filament 10 is provided in the arc chamber 9. A gas supply nozzle 11 communicating with the inside of the arc chamber 9 is connected to a gas source 12 via a gas passage having a mass flow controller and a valve in the middle. Then, a dopant gas such as arsine (AsH ₃ ) can be supplied from the gas supply nozzle 11 into the arc chamber 9. An ion outlet 13 is provided on a surface of the arc chamber 9 in the ion extracting direction, and an extracting electrode 14 is provided at a position facing the ion outlet 13. The extraction electrode 14 has an ion passage hole 22, and is arranged at a central portion of the ion source chamber 15 on the side of the ion implantation apparatus main body 16. The base electrode 23 is supported by a ring-shaped base electrode 23 via a conductive support, and the base electrode 23 is supported by a ground electrode 24 via an insulating member such as an insulator. The ground electrode 24 is supported by a support rod having one end in close contact with a support hole 25 provided in the side wall of the ion source chamber 15, and the other end of the support rod 26 which can be protruded and retracted in the radial direction of the ion source chamber 15 on the side wall. Supported by. The extraction electrode 14 and the base electrode 23 have the same potential, and have a structure supported by the ground electrode 24 via an insulating member. During the ion implantation process, a predetermined gas is introduced into the arc chamber 9 and a predetermined high current is applied to the filament 10 from a power supply for generating thermoelectrons. This current is, for example, a DC current of 150 A. Further, a predetermined negative voltage, for example, a DC voltage of -100 V is applied from a power supply for generating arc discharge. As a result, a discharge is generated between the filament 10 and the arc chamber 9, and a predetermined processing gas is dissociated to generate plasma. At this time, a predetermined high voltage, for example, a DC voltage of 80 kV, is applied between the arc chamber 9 and the extraction electrode 14 from an ion extraction power supply. As a result, only positive ions in the plasma generated in the arc chamber 9 are extracted toward the extraction electrode 14 and become the ion beam 2. The portion through which the ion beam 2 passes is maintained at a vacuum of about 10 ⁻⁵ Torr using a turbo molecular pump or a cryopump.
[0005]
By the way, in the ion implantation apparatus, in order to supply the ion beam 2 with high energy resolution, a device is devised to keep the voltage of the extraction electrode 14 and the acceleration voltage of the acceleration electrode 5 constant so as not to change. For example, in an ion extraction power supply that outputs predetermined DC power to the ion source 1 and the extraction electrode 14, general commercial AC power is converted into desired DC power and used. Here, the AC component remaining after the conversion, that is, the ripple component causes the energy variation of the ion beam 2. On the other hand, it is important to keep the energy resolution high, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-112277, for example, which discloses a technique for reducing a ripple component in low energy injection.
[0006]
Regarding the ion source 1, the shape of the ion outlet 13 and the position of the extraction electrode 14, the gas flow rate and gas pressure supplied to the inside of the arc chamber 9, and the filament 10 are applied in accordance with the desired ion species and the extraction voltage. Optimization of current and voltage, arc voltage, arc current, and magnetic field strength for confining electrons inside the arc chamber 9 is performed. In addition, before setting the ion beam 2, it is necessary to replace the ion outlet 13 with a different shape or adjust the extraction voltage before setting the ion beam 2. Further, equipment for changing the distance between the ion extraction port 13 and the extraction electrode 14 by changing the position of the extraction electrode is generally provided.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
During ion implantation, it is desired that the beam current value applied to the object to be processed does not fluctuate much. However, in practice, it may fluctuate by about 5% and has a problem that it is not constant.
[0008]
One of the factors is a change with time of the state of the ion source 1. That is, changes in the surface state of the filament 10 and the inner wall of the arc chamber 9, changes in the dimensions of the arc chamber 9 due to thermal expansion, changes in the volume of the dopant gas due to changes in the temperature of the gas pipe from the gas source 12 to the gas supply nozzle 11, Is a change with time of the ion density. These changes change the state of the ion source 1 when it is set in advance according to the desired ion species and extraction voltage, and thus cause a change in the beam current value. On the other hand, it is difficult to control the state change to be constant.
[0009]
By the way, as described in the related art, for example, equipment for changing the position of the extraction electrode in the vertical, horizontal, and rotational directions is generally used. However, this is mainly used when setting the ion beam 2 before ion implantation. That is, there is a problem that the position of the extraction electrode is statically changed, and it is not possible to control the dynamic change of the beam current value with time.
[0010]
Therefore, there is a need for a technique for keeping the beam current value constant irrespective of the temporal change of the state of the ion source 1. However, it is required that the implantation energy be fixed to a desired value having a certain width. That is, it is not possible to take measures to change the energy to change the extraction voltage in order to suppress the fluctuation of the beam current value.
[0011]
As described above, there has been a demand for an ion implantation apparatus that can dynamically control the beam current value of an ion beam with time and does not change the energy.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The ion implantation apparatus has a configuration in which the beam current value of the ion beam 2 is measured by the beam current measuring means, and the measured value is fed back to control a dynamic change in the beam current value with time. The feedback of the measured values is based on the shape of the ion outlet provided in the arc chamber of the ion source, the position of the extraction electrode, the dopant gas flow rate, the dopant gas pressure, the current and voltage applied to the filament, the arc voltage, the arc current, and the inside of the arc chamber. This is performed for at least one parameter selected from the group consisting of a magnetic field strength for confining electrons in the chamber and a position of the arc chamber. That is, at least one of the above parameters is changed so as to control the beam current value in accordance with the state change of the ion source 1 which is difficult to control as described in the section of the problem to be solved by the invention. Let it.
[0013]
Here, a method of making the shape of the ion outlet 13 variable will be described. The shape of the ion outlet 13 is variable, for example, by a slit, shutter, valve, door, and nozzle mechanism. The driving method can control minute dimensional changes by using, for example, deformation of a piezoelectric element, gas pressure, liquid pressure, thermal deformation, and the power of a motor. The motor can be precisely driven by employing a servo motor, a linear motor, a stepping motor, or an ultrasonic motor. Further, it is desirable that the mechanism for changing the shape of the ion outlet 13 be attached to the lid 20 together with the arc chamber 9. The mechanism for changing the shape of the lid 20, the arc chamber 9, and the ion outlet 13 preferably has a detachable structure by removing the lid 20 from the ion source chamber 15. The reason for this is that the above structure can maintain the time required for maintenance such as cleaning work of the ion source 1 at the same level as the conventional one.
[0014]
The means for measuring the beam current includes, for example, a Faraday cup 8, a beam current measuring device, and a DC current transformer. Here, the beam current measuring device is a detection unit that detects or collects a magnetic field corresponding to the beam current, a superconducting magnetic flux quantum interferometer that is sensitive to magnetic flux, and cancels the change of magnetic flux penetrating the superconducting magnetic flux quantum interferometer This is an apparatus having at least a measuring unit having a feedback coil through which a feedback current flows. This device is desirably provided with a magnetic flux transmission unit that transmits the magnetic flux detected or collected by the detection unit to the measurement unit because the sensitivity can be adjusted. Further, the provision of a magnetic shielding unit having a gap made of a superconductor that magnetically shields the detection unit, the magnetic flux transmission unit, and the measurement unit from the external space including the space in which the ion beam 2 flows can reduce external magnetic noise. desirable. When the means for measuring the beam current is the Faraday cup 8, a method is generally used in which the Faraday cup 8 is placed behind or beside the disk on which the object to be processed is placed. In this case, generally, irradiation of the beam to the object to be processed and measurement of the beam current value cannot be performed simultaneously. Further, there is a problem that the measured value includes an error of several% due to the influence of the outgas 28 coming out of the semiconductor wafer 7. On the other hand, when a beam current measurement device or a DC current transformer is used, these devices are arranged on the ion source 1 side, that is, on the upstream side of the object to be processed by the beam line, so that the object to be processed is disposed There is an advantage that the beam current value can be simultaneously measured while irradiating the ion beam 2. Furthermore, since the beam current value can be measured before the outgas 28 and the ion beam 2 come into contact with each other, there is an advantage that a measurement value error due to the influence of the outgas 28 does not occur. Here, the DC current transformer is preferably used when it is desired to measure a beam current of mA or more with an error of several μA. On the other hand, the beam current measuring device is required to measure a beam current of several tens nA to several μA with an error of several nA, or to measure a beam current of several μA to several tens mA with an error of about 0.1% or less. It is desirable to use.
[0015]
According to the present invention, it is possible to provide an ion implantation method and an ion implantation apparatus which can dynamically control a beam current value of an ion beam with time and do not change energy.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present invention will be described in more detail.
[0017]
[Mechanism for changing the shape of the ion outlet]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an essential part showing an example of a movable partition mechanism 29 according to the present invention together with an ion source chamber 15. The movable partition plate mechanism 29 which is a feature of the present invention will be described. Two small servomotors 30, two movable partition plate mechanism units 29, and a plurality of columns 31 are fixed to the lid unit 20. The plurality of columns 31 fix the arc chamber 9. This will be further described with reference to FIG. The shaft of the small servomotor 30 is connected to the rotating shaft 32. The portion near the tip of the rotating shaft 32 is a ball screw A33. The rotating shaft 32 and the ball screw A33 are housed in a housing 34 of the movable partition plate mechanism 29, and a mechanism for converting the rotation of the ball screw A33 into the rotation of the ball screw B35 in the housing 34 by a rack and pinion or the like. A movable rod 36 is fitted into the ball screw B35, and the movable rod 36 is provided with a feed screw groove. Therefore, when the ball screw B35 rotates, the movable bar 36 moves parallel to the central axis of the ball screw B35. Here, a slide bearing 37 and a seal 38 are provided between the movable bar 36 and the housing 34. Accordingly, the movable rod 36 can be moved in parallel and smoothly while keeping the inside of the ion source chamber 15 airtight. A partition plate 39 is connected to the tip of the movable bar 36.
[0018]
With the above-described mechanism, the partition plate 39 can be moved in parallel with the traveling direction of the ion beam 2 using the rotation of the ball screw A33 by the small servomotor 30 as power. That is, the shape of the ion outlet 13 can be changed using the slit mechanism. Here, the positioning accuracy and the positioning settling time of the partition plate 39 are determined by the performance of the actuator including the small servomotor 30 and the driver 40, and the ball screw. The positioning accuracy is about 10 to 100 μm, and the positioning settling time is about 50 to 100 milliseconds. Is possible.
[0019]
The extraction electrode 14 has a configuration employed in a conventional Freeman ion source.
[0020]
[Mechanism for changing the position of the arc chamber]
FIG. 3 is a sectional view showing a main part of the movable arc chamber 9 according to the present invention together with the ion source chamber 15. The movable arc chamber 9 which is a feature of the present invention will be described. A small servomotor 48 and a guide 49 are fixed to the lid 20. The tip of the shaft 55 of the small servomotor 48 is connected to a ball screw E50, and the ball screw E50 rotates in accordance with the rotation of the shaft 55. When the ball screw E50 rotates, the support plate 51 moves parallel to the central axis of the ball screw E50. The central axis of the ball screw E50 is set so as to be parallel to the traveling direction of the ion beam 2. Here, the operation of the support plate 51 is regulated by the guide 49, and moves parallel to the central axis of the ball screw E50 while maintaining a plane perpendicular to the central axis. A plurality of columns 52 are fixed to the support plate 51. The arc chamber 9 is fixed to the end of the support 52. Therefore, the arc chamber 9 moves parallel to the traveling direction of the ion beam 2, similarly to the support plate 51.
[0021]
By the way, as shown in FIG. 4, for example, as shown in FIG. 4, the seal portion 53 and the rotary bearing 54 are provided so that the shaft 55 of the small servomotor 48 can rotate precisely while keeping the inside of the ion source chamber 15 airtight. Is provided. Further, a gas supply nozzle 11 is connected to the arc chamber 9. Here, the portion where the lid portion 20 and the gas supply nozzle 11 are in contact with each other can move in parallel with the central axis of the gas supply nozzle 11 while keeping the gas supply nozzle 11 airtight inside the ion source chamber 15 as shown in FIG. As described above, the seal 56 and the slide bearing 57 are provided.
[0022]
By employing the mechanism described above, the rotation of the ball screw E50 by the small servomotor 48 can be used as power to move the ion outlet 13 of the arc chamber 9 in parallel with the traveling direction of the ion beam 2. The extraction electrode 14 has a configuration employed in a general conventional Freeman ion source.
[0023]
[Beam current value control procedure]
A procedure for controlling the beam current value when using a mechanism that makes the shape of the ion outlet 13 variable will be described. As the shape of the ion outlet 13, for example, one having a narrow width and a long longitudinal direction is used. It is known that in such a shape, the beam current value can be changed without changing the energy resolution of the ion beam 2 by changing the length in the longitudinal direction. That is, when the length in the longitudinal direction is increased, the beam current value increases, and when the length is shortened, the beam current value decreases. By utilizing the above properties, the beam current value is controlled within a desired range. Specifically, a threshold value is provided for the measured value of the beam current value measured using the beam current measuring means. Then, when the measured value exceeds the threshold value, the length of the ion outlet 13 in the longitudinal direction is changed so as to fall within the threshold value. For example, when the measured value of the beam current becomes smaller than the threshold value, a controller 59 described later sends a command to the driver 40 to activate the small servomotor 30. Then, the partition plate 39 moves in a direction in which the length of the ion outlet 13 in the longitudinal direction becomes longer. Thereafter, when the measured value of the beam current reaches a desired value, the small servomotor 30 is stopped. As described above, the beam current value is controlled within a desired range.
[0024]
Next, a procedure for controlling the beam current value when a mechanism for changing the position of the arc chamber 9 is used will be described. This mechanism can move the position of the arc chamber 9 toward and away from the extraction electrode 14. The drawback electric field increases when approaching the extraction electrode 14 and decreases when the distance is increased. However, since the ion density in the plasma at a certain time is not known, it is not clear which direction the arc chamber 9 should be moved to increase or decrease the beam current value. Therefore, the following method is adopted. When the measured value of the beam current exceeds the range of the threshold value, the controller 59 slightly moves the position of the arc chamber 9 in any direction. Then, the controller 59 determines whether or not the previous moving direction is correct based on whether the measured value of the beam current at that time has increased or decreased. If the measured value of the beam current has changed in a direction returning to within the threshold value, the arc chamber 9 is moved in the previous direction as it is. On the other hand, if the measured value of the beam current has changed in a direction deviating from the threshold, the beam current is moved in a direction opposite to the previous direction. Thereafter, when the measured value of the beam current reaches a desired value, the small servomotor 48 is stopped. In this way, a suitable extraction electric field can be set during ion implantation in accordance with the ion density in the plasma that changes over time. Thus, the beam current value can be controlled within a desired range by the above. The same applies to the case where a mechanism for changing the position of the extraction electrode is used.
[0025]
[Configuration of ion implanter]
FIG. 7 shows an example of the ion implantation apparatus 60 according to the present invention. The ion implanter 60 according to the present invention is obtained by adding the beam current control function of the present invention to the conventional ion implanter 17. In the ion implantation apparatus 60 of the present invention, the measured value of the Faraday cup 8 is transmitted to the controller 59. The controller 59 is configured to send an operation command to a driving device such as a small servomotor arranged in the ion source 1. The operation result of the driving device is returned from the Faraday cup 8 to the controller 59 as a change in the measured value of the beam current. Then, the beam current value is controlled within a desired range according to the procedure described in the section of the procedure of the beam current value control.
[0026]
Further description is made with reference to FIG. When the semiconductor wafer 7 is irradiated with the ion beam 2, an outgas 28 is generated from the resist. When the ion beam 2 passes through the outgas 28, the charge of the ions is deprived of the outgas 28. As a result, the measured value of the Faraday cup 8 is reduced by about 10% from the actual beam current value. Here, since the rate of decrease is proportional to the pressure inside the injection processing chamber 6, a method of measuring the pressure and correcting the measured value of the beam current value is known. In the present invention, the object is achieved by feeding back the correction value to the controller 59 during ion implantation. Alternatively, the semiconductor wafer 7 is moved to a position where the ion beam 2 does not hit the semiconductor wafer 7, that is, the state shown in FIG. 7, and the measured value of the Faraday cup 8 in a state where the outgas 28 is not emitted is fed back to the controller 59. You can also do it. Further, as shown in FIG. 9, there is a method of measuring the beam current value using the non-destructive beam current measuring means 61 before the ion beam 2 passes through the outgas 28. The non-destructive beam current measuring means 61 is a measuring method that does not affect the beam current by measuring. For example, a beam current measuring device or a DC current transformer is used. In the present invention, the object is also achieved by feeding back the measured value using the nondestructive beam current measuring means 61 to the controller 59 during the ion implantation.
[0027]
In the embodiment, the method of controlling the beam current value that dynamically changes with time to a constant value has been described. It is apparent that it is equally possible to control the beam current value so that it is not constant but fluctuates arbitrarily. Further, the beam current density of the ion beam can be controlled in a similar manner.
[0028]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide an ion implantation method and an ion implantation apparatus which can dynamically control a beam current value of an ion beam with time and do not change energy. The beam current density of the ion beam can be controlled in a similar manner.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part showing an example of a mechanism for changing the shape of an ion outlet according to the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part of a movable partition plate mechanism in FIG. 1. FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of a main part showing an example of a mechanism for changing the position of the chamber. FIG. 4 is a cross-sectional view of a main part showing how to attach the small servo motor of FIG. 3 to a lid. FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view of a main part showing a method of attaching to a lid. FIG. 6 is a cross-sectional view of a main part of a conventional ion source. FIG. 7 is a cross-sectional view of a main part showing an example of an ion implantation apparatus according to the present invention. FIG. 9 is a cross-sectional view of a main part showing a configuration during ion implantation. FIG. 9 is a cross-sectional view of a main part showing an example of an ion implantation apparatus using a nondestructive beam current measuring means according to the present invention. Part sectional view [Description of reference numerals]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ion source 2 Ion beam 3 Mass analyzer 4 Decomposition slit 5 Acceleration electrode 6 Injection processing chamber 7 Semiconductor wafer 8 Faraday cup 9 Filament 11 Gas supply nozzle 12 Gas source 13 Ion outlet 14 Extraction electrode 15 Ion source chamber 16 Ion implanter body 17 Conventional ion implanter 18 Bolt 19 Screw 20 Lid 21 Insulator 22 Ion passage hole 23 Base electrode 24 Ground electrode 25 Support hole 26 Support rod 27 Support board 28 Outgas 29 Movable partition mechanism 30 Small servo motor 31 Support 32 Rotation axis 33 Ball screw A
34 Housing 35 Ball screw B
36 movable rod 37 slide bearing 38 seal 39 partition plate 40 driver 41 ball screw C
42 Small servo motor 43 Ball screw D
44 Guide 45 Guide 46 Leader electrode unit 47 Driver 48 Small servo motor 49 Guide 50 Ball screw E
Reference Signs List 51 Support plate 52 Support 53 Seal 54 Rotation bearing 55 Shaft 56 Seal 57 Slide bearing 58 Driver 59 Controller 60 Ion implantation apparatus 61 Non-destructive beam current measuring means 62 Rotation bearing 63 Connector

Claims

In the ion implantation apparatus, the change of the beam current value is measured by the beam current value measuring means. The beam current value is measured by the shape of the ion outlet provided in the arc chamber of the ion source, the position of the extraction electrode, the dopant gas flow rate and the dopant gas pressure The current and voltage applied to the filament, the arc voltage, the arc current, the magnetic field strength for confining the electrons inside the arc chamber, and at least one parameter selected from the group consisting of the position of the arc chamber. Ion implanter.

2. The ion implantation apparatus according to claim 1, wherein the shape of the ion outlet is variable by at least one mechanism selected from the group consisting of a slit, a shutter, a valve, a door, and a nozzle.

2. The ion according to claim 1, wherein the shape of the ion outlet is variable by a mechanism driven by at least one force selected from the group consisting of deformation of a piezoelectric element, gas pressure, liquid pressure, thermal deformation, and a motor. Infusion device.

The ion implantation apparatus according to claim 3, wherein the motor is at least one selected from the group consisting of a servo motor, a linear motor, a stepping motor, and an ultrasonic motor.

2. The ion implantation apparatus according to claim 1, wherein the length of the ion outlet is longer in the longitudinal direction than the lateral width, and the length of the ion outlet in the longitudinal direction is variable.

The mechanism for changing the shape of the ion outlet is attached to the lid that closes the ion source chamber. The mechanism for changing the shape of the lid, the arc chamber, and the ion outlet is attached to and detached from the ion source. 2. The ion implantation apparatus according to claim 1, wherein the ion implantation apparatus has a structure detachable from the chamber.

The beam current value measuring means cancels the Faraday cup, a detecting unit that detects or collects a magnetic field corresponding to the beam current, a superconducting magnetic flux quantum interferometer sensitive to magnetic flux, and a change in magnetic flux penetrating the superconducting magnetic flux quantum interferometer 2. The ion implantation apparatus according to claim 1, wherein the ion implantation apparatus is at least one selected from the group consisting of a beam current measurement device having at least a measurement unit having a feedback coil for flowing a feedback current, and a DC current transformer.

8. The ion implantation apparatus according to claim 7, wherein the beam current measurement device has a magnetic flux transmission unit that transmits a magnetic flux detected or collected by the detection unit to the measurement unit.

8. The beam current measuring device according to claim 7, further comprising a magnetic shielding unit having a gap made of a superconductor for magnetically shielding the detecting unit, the magnetic flux transmitting unit, and the measuring unit from an external space including a space through which the ion beam flows. Ion implantation equipment.

An active element such as a semiconductor, a liquid crystal, or a biochip manufactured using the ion implantation apparatus according to claim 1, and a passive element such as a resistor, a coil, and a capacitor.

In the ion implantation apparatus, the change of the beam current value is measured by the beam current value measuring means. The beam current value is measured by the shape of the ion outlet provided in the arc chamber of the ion source, the position of the extraction electrode, the dopant gas flow rate and the dopant gas pressure The current and voltage applied to the filament, the arc voltage, the arc current, the magnetic field strength for confining the electrons inside the arc chamber, and at least one parameter selected from the group consisting of the position of the arc chamber. Ion implantation method.

The ion implantation method according to claim 11, wherein the shape of the ion outlet is variable by at least one mechanism selected from the group consisting of a slit, a shutter, a valve, a door, and a nozzle.

12. The ion according to claim 11, wherein the shape of the ion outlet is variable by a mechanism driven by at least one force selected from the group consisting of deformation of a piezoelectric element, gas pressure, liquid pressure, thermal deformation, and a motor. Injection method.

14. The ion implantation method according to claim 13, wherein the motor is at least one selected from the group consisting of a servo motor, a linear motor, a stepping motor, and an ultrasonic motor.

12. The ion implantation method according to claim 11, wherein the shape of the ion outlet is longer in the longitudinal direction than the lateral width, and the length of the ion outlet in the longitudinal direction is variable.

The mechanism for changing the shape of the ion outlet is attached to the lid that closes the ion source chamber. The mechanism for changing the shape of the lid, the arc chamber, and the ion outlet is attached to and detached from the ion source. The ion implantation method according to claim 11, wherein the ion implantation method has a structure detachable from the chamber.

The beam current value measuring means cancels the Faraday cup, a detecting unit that detects or collects a magnetic field corresponding to the beam current, a superconducting magnetic flux quantum interferometer sensitive to magnetic flux, and a change in magnetic flux penetrating the superconducting magnetic flux quantum interferometer The ion implantation method according to claim 11, wherein the ion implantation method is at least one selected from the group consisting of a DC current transformer and a beam current measurement device having at least a measurement unit having a feedback coil through which a feedback current flows.

18. The ion implantation method according to claim 17, wherein the beam current measuring device has a magnetic flux transmitting unit that transmits the magnetic flux detected or collected by the detecting unit to the measuring unit.

18. The beam current measuring device according to claim 17, further comprising a magnetic shielding unit having a gap made of a superconductor for magnetically shielding the detecting unit, the magnetic flux transmitting unit, and the measuring unit from an external space including a space in which the ion beam flows. Ion implantation method.