JP2005056698A - イオン注入装置及びイオンビームエミッタンス測定器、半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】輸送途中のイオンビームの質を調査、評価でき、製品特性の微妙な変化を抑えるイオン注入装置及び半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】イオン注入装置１０１は、イオンビームＩＢを発生、引き出すイオン源１１、マグネット（電磁石）を有する質量分析器１２、イオンビームを加速する加速器１３、静電レンズ、Ｑレンズ（４極レンズ）等のビーム収束部１４、そして、イオン源１１と質量分析器１２１の間、好ましくは静電レンズ１４１の後段にイオンビームエミッタンス測定機構１５が設けられる。イオンビームエミッタンス測定機構１５は、測定時にイオンビームの経路すなわちビームライン上に挿入され、測定時以外はビームラインから外れるように制御され、イオンビームの少なくとも発散度合いが検査可能なイオンビームエミッタンス測定器１５１を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体プロセスにおいてデバイス特性を決定する不純物イオンを注入制御するイオン注入装置に係り、特に、イオンビームの質の認識技術を伴うイオン注入装置に関する。

イオン注入装置は、真空中で不純物をイオン化し、磁界を利用した質量分析法により目的の不純物イオンを選択的に導出し、電界により加速させて半導体ウェハなどの対象物に所定量打ち込み、所定深さ注入させるものである。

半導体製造のイオン注入工程において、最終的に打ち込まれるビームのスポット形状は、大まかなセットアップパラメータの設定と、オペレータの経験による諸設定に依存する。一方、イオン源や導出されるイオンビームの輸送系、例えば引き出し電極、静電レンズ、Ｑレンズ、スリット等のメンテナンスやオーバーホール、または計時変化により、イオンビームの質は微妙に変化するものと考えられる。イオンビームの質は必ずしもビームスポットの最終形状には現れない。しかし、製品特性の微妙な変化を与えていると考えられる。

また、従来では、イオンビームスポット形状認識装置の構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。イオンビームのスポット面積よりも小さな開口面積のビーム入力口を有するスポット用ファラデーで、イオンビームの各部分のビーム電流を区分化して面状に測定することが可能となっている。区分を細分化することでビームの密度分布を把握することもできる。
特開平４−３７０６４１号公報（第３，４頁、図１−図３）

従来のイオン注入装置の構成においては、イオンビームがロスなく輸送系を介するためのビームの質、つまり発散を最小限に抑え、高エネルギー密度を保っているか、輸送系のどこでビームの質に影響が出るかを厳密に調査することはなかった。
本発明は上記のような事情を考慮してなされたもので、輸送途中のイオンビームの質を調査、評価でき、製品特性の微妙な変化を抑えるイオン注入装置及び半導体装置の製造方法を提供しようとするものである。

本発明に係るイオン注入装置は、イオン源から引き出されるイオンビームが少なくとも磁界を利用した質量分析、電界による加速または収束を経て対象物に所定の不純物イオンを導入するイオン注入装置であって、マグネットが装備されこのマグネットの稼動状態では前記引き出されるイオンビームのうち注入されるべき所定の不純物イオンを選択的に導出する質量分析器と、前記質量分析器を介する前または後の前記イオンビームの経路上に設けられた、前記イオンビームの少なくとも発散度合いが検査可能なイオンビームエミッタンス測定機構と、を具備したことを特徴とする。

本発明に係るイオン注入装置は、イオン源から引き出されるイオンビームが少なくとも磁界を利用した質量分析、電界による加速または収束を経て対象物に所定の不純物イオンを導入するイオン注入装置であって、マグネットが装備されこのマグネットの稼動状態では前記引き出されるイオンビームのうち注入されるべき所定の不純物イオンを選択的に導出する質量分析器と、前記質量分析器を介する前及び後の前記イオンビームの経路上に設けられた、前記イオンビームの少なくとも発散度合いが検査可能なイオンビームエミッタンス測定機構と、を具備したことを特徴とする。

上記それぞれ本発明に係るイオン注入装置によれば、イオンビームエミッタンス測定機構を所定箇所に設けることにより、発散度合い等イオンビームの質がモニタできる。すなわち、対象物に所定の不純物イオンを打ち込むまでのビーム輸送にロスが少なければ、注入時間短縮に寄与する。

なお、上記それぞれ本発明に係るイオン注入装置において、前記イオンビームエミッタンス測定機構は、前記イオンビームの経路上に挿入され、または前記イオンビームの経路上から外されることを特徴とする。
また、上記それぞれ本発明に係るイオン注入装置において、前記イオンビームエミッタンス測定機構は、少なくとも前記イオン源と前記質量分析器の間において前記イオンビームの経路上に挿入され、または前記イオンビームの経路上から外されることを特徴とする。
上記それぞれの特徴において、イオン注入する対象物の入れ替え時、イオン注入待機時などにイオンビームエミッタンス測定機構が機能するように制御することが考えられる。

本発明に係るイオンビームエミッタンス測定器は、イオンビームの一部を通過させるスリットを有し前記イオンビームのスポット断面及びその周辺近傍に対しスキャン移動可能な検査室と、前記検査室内に設けられ、導かれたイオンビームのビーム電流量を検出する複数の電極及び増幅回路を有する検出基板と、前記検出基板から得られた信号を少なくともビームエミッタンス値に対応させて出力する演算制御機構と、を具備したことを特徴とする。

上記本発明に係るイオンビームエミッタンス測定器によれば、検査室のスリットを通過するイオンビームのビーム電流量がスポット断面及びその周辺近傍に従ってスキャン、検出される。検出結果は演算制御機構によりビームエミッタンス値に対応させる。これにより、発散度合い等イオンビームの質がモニタできる。

なお、上記本発明に係るイオンビームエミッタンス測定器において、より好ましい実施態様として次のような特徴を有する。
前記検査室内において検出すべき前記イオンビーム中の電子を前記検出基板に跳ね返すサプレッサをさらに具備したことを特徴とする。
前記検出基板はセラミック基板を含み、前記複数の電極は前記セラミック基板に所定間隔で埋め込まれたリニアアレイ電極を含むことを特徴とする

本発明に係る半導体装置の製造方法は、プラズマ室から引き出し電極を介して引き出されるイオンビームが質量分析マグネットの磁界を利用した質量分析部、ビームライン部における電界による加速または収束を経て半導体基板に所定の不純物イオンを導入するイオン注入装置を利用する半導体装置の製造方法において、少なくとも前記質量分析部を介する前または後の前記イオンビームについて少なくとも発散度合いが検査される前記イオンビームのエミッタンス測定を所定回数行い、所定のエミッタンス値の範囲内で前記イオン注入装置を稼動させることを特徴とする。

上基本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、イオンビームのエミッタンス測定でモニタすることにより、発散を抑えたロスの少ないイオンビーム輸送が実現され、イオン注入工程の高効率化、信頼性向上に寄与する。

発明を実施するための形態

図１は、本発明の第１実施形態に係るイオン注入装置の要部を示す構成図である。イオン注入装置１０１は、イオンビームＩＢを発生、引き出すイオン源１１、マグネット（電磁石）を有する質量分析器１２、イオンビームを加速する加速器１３、静電レンズ、Ｑレンズ（４極レンズ）等のビーム収束部１４、そして、イオンビームエミッタンス測定機構１５を含む。

イオン源１１から引き出されるイオンビームＩＢ-1は一旦静電レンズ１４１に収束され、質量分析器１２１を介して必要なイオンが分離される。ビームラインに乗ったイオンビームＩＢ-2は加速器１３により加速され、Ｑレンズ１４２による収束制御を経る。イオンビームＩＢ-3は、さらに質量分析器１２２を介して必要なイオンのみが抽出される。最終的なイオンビームＩＢ-4は、対象物の半導体ウェハＷａｆ等に所定の不純物イオンを注入する。なお、Ｑレンズ１４２の代りに静電レンズを使用することもあるが、ここではＱレンズとしている。

イオンビームエミッタンス測定機構１５は、例えば質量分析器１２１を介する前または後の有用な箇所において設置される。この実施形態ではイオン源１１と質量分析器１２１の間にイオンビームエミッタンス測定機構１５が設けられるようになっている。好ましくは静電レンズ１４１の後段に挿入される。イオンビームエミッタンス測定機構１５は、測定時にイオンビームの経路すなわちビームライン上に挿入され、測定時以外はビームラインから外れるように制御される。イオンビームエミッタンス測定機構１５は、イオンビームの少なくとも発散度合いが検査可能なイオンビームエミッタンス測定器１５１を有する。

図２は、図１中のイオンビームエミッタンス測定器１５１の要部を示す構成図である。また、図３は、イオンビームエミッタンス測定結果の出力例を示す特性図である。
図２において、例えばステンレス製の筐体を含む検査室２１はスリット２２を有する。スリット２２はイオンビームＩＢの一部を検査室２１内に通過させる。検査室２１は、イオンビームエミッタンス測定機構１５によりイオンビームのスポット断面及びその周辺近傍に対しスキャン移動可能となっている。検査室２１内に検出基板２３が設けられている。検出基板２３は本体が例えばセラミック基板である。検出基板２３は、複数のワイヤを所定間隔で埋め込んだリニアアレイ電極２３１及びコレクタ回路（増幅回路）２３２が配されている。これにより、導かれたイオンビームのビーム電流量を検出する。さらに、検出基板２３から得られた信号をビームエミッタンス値に対応させて出力する演算制御機構２４が設けられている。また、検査室２１内に導かれたイオンビームの量を正確にするため例えばサプレッサ２５が設けられている。サプレッサ２５は検査室２１内において検出すべきイオンビーム中の電子を検出基板２３に跳ね返すよう作用する。

上記構成のイオン注入装置１０１は、イオンビームエミッタンス測定機構１５により、イオンビームエミッタンス測定器１５１を動作制御する。すなわち、イオンビームＩＢ-1のスポット断面及びその周辺近傍に対しスキャン移動し、スリット２２を通過するイオンビームＩＢ-1のビーム電流量を計測する。演算制御機構２４を介した出力が図３のようなエミッタンス値（グラフ斜線面積）を出力し、発散度合いが検査可能となる。

上記第１実施形態の構成によれば、イオンビームエミッタンス測定機構１５により、イオンビームエミッタンス測定器１５１の測定結果を確認しつつ、例えば静電レンズ１４１を調整することにより、イオンビームの質を改善する。これにより、最終段へと輸送されるイオンビームＩＢ-2，ＩＢ-3，ＩＢ-4の質の改善が図れる。発散を抑えたロスの少ないイオンビーム輸送が実現され、イオン注入工程の高効率化、信頼性が向上する。この結果、製品特性の微小変動を抑えることができる。

図４は、本発明の第２実施形態に係るイオン注入装置の要部を示す構成図である。イオン注入装置１０２は、前記第１実施形態と同様に、イオン源１１、質量分析器１２、加速器１３、ビーム収束部１４、そして、イオンビームエミッタンス測定機構１５を含む。この実施形態では、イオンビームエミッタンス測定機構１５が加速器１３とＱレンズ１４２の間に設けられるようになっている。その他の構成やイオンビームエミッタンス測定機構１５の動作制御は前記第１実施形態と同様である。

上記構成のイオン注入装置１０２は、イオンビームエミッタンス測定機構１５により、イオンビームエミッタンス測定器１５１を動作制御する。すなわち、イオンビームＩＢ-2のスポット断面及びその周辺近傍に対しスキャン移動し、スリット２２を通過するイオンビームＩＢ-2のビーム電流量を計測する。演算制御機構２４を介した出力が前記図３のようなエミッタンス値（グラフ斜線面積）を出力し、発散度合いが検査可能となる。

上記第２実施形態の構成によれば、イオンビームエミッタンス測定機構１５により、イオンビームエミッタンス測定器１５１の測定結果を確認しつつ、例えば静電レンズ１４１や質量分析器１２のスリット、Ｑレンズ１４２等を調整することにより、イオンビームの質を改善する。これにより、最終段へと輸送されるイオンビームＩＢ-2，ＩＢ-3，ＩＢ-4の質の改善が図れる。発散を抑えたロスの少ないイオンビーム輸送が実現され、イオン注入工程の高効率化、信頼性が向上する。この結果、製品特性の微小変動を抑えることができる。

図５は、本発明の第３実施形態に係るイオン注入装置の要部を示す構成図である。イオン注入装置１０３は、前記第１実施形態と同様に、イオン源１１、質量分析器１２、加速器１３、ビーム収束部１４、そして、イオンビームエミッタンス測定機構１５を含む。この実施形態では、イオンビームエミッタンス測定機構１５がイオン源１１と質量分析器１２１の間（静電レンズ１４１の後段）と、加速器１３とＱレンズ１４２の間の２箇所に設けられるようになっている。その他の構成やイオンビームエミッタンス測定機構１５の動作制御は前記第１実施形態と同様である。

上記構成のイオン注入装置１０３は、イオンビームエミッタンス測定機構１５により、それぞれのイオンビームエミッタンス測定器１５１を動作制御する。すなわち、イオンビームＩＢ-1、イオンビームＩＢ-2それぞれのスポット断面及びその周辺近傍に対しスキャン移動し、スリット２２を通過するイオンビームのビーム電流量を計測する。演算制御機構２４を介した出力が前記図３のようなエミッタンス値（グラフ斜線面積）を出力し、発散度合いが検査可能となる。

上記第３実施形態の構成によれば、イオンビームエミッタンス測定機構１５により、各イオンビームエミッタンス測定器１５１の測定結果を確認しつつ、例えば静電レンズ１４１や質量分析器１２のスリット、Ｑレンズ１４２等を調整することにより、イオンビームの質を改善する。これにより、最終段へと輸送されるイオンビームＩＢ-2，ＩＢ-3，ＩＢ-4の質の改善が図れる。発散を抑えたロスの少ないイオンビーム輸送が実現され、イオン注入工程の高効率化、信頼性が向上する。この結果、製品特性の微小変動を抑えることができる。

以上説明したように本発明によれば、イオンビームエミッタンス測定機構を所定箇所に設けることにより、発散度合い等イオンビームの質がモニタできる。すなわち、対象物に所定の不純物イオンを打ち込むまでのビーム輸送にロスが少なければ、イオン注入工程の時間短縮に寄与する。
なお、イオン注入装置は他にも様々な構成が考えられる。イオンビームエミッタンス測定機構において、イオンビームエミッタンス測定器の配備箇所は上記実施形態に限らず、質量分析器を介する前または後あるいは前後両方の有用な箇所において設置することが考えられる。これにより、発散を抑えたロスの少ないイオンビーム輸送が実現され、イオン注入工程の高効率化、信頼性向上に寄与する。この結果、輸送途中のイオンビームの質を調査、評価でき、製品特性の微妙な変化を抑えるイオン注入装置及び半導体装置の製造方法を提供することができる。

第１実施形態に係るイオン注入装置の要部を示す構成図。 イオンビームエミッタンス測定器の要部を示す構成図。 イオンビームエミッタンス測定結果の出力例を示す特性図。 第２実施形態に係るイオン注入装置の要部を示す構成図。 第３実施形態に係るイオン注入装置の要部を示す構成図。

符号の説明

１０１，１０２，１０３…イオン注入装置、１１…イオン源、１２，１２１，１２２…質量分析器、１３…加速器、１４…ビーム収束部、１４１…静電レンズ、１４２…Ｑレンズ、１５…イオンビームエミッタンス測定機構、１５１…イオンビームエミッタンス測定器、２１…検査室、２２…スリット、２３…検出基板、２３１…リニアアレイ電極、２３２…コレクタ回路（増幅回路）、２４…演算制御機構、２５…サプレッサ、ＩＢ，ＩＢ-1，ＩＢ-2，ＩＢ-3，ＩＢ-4…イオンビーム、Ｗａｆ…半導体ウェハ。

Claims (9)

1. イオン源から引き出されるイオンビームが少なくとも磁界を利用した質量分析、電界による加速または収束を経て対象物に所定の不純物イオンを導入するイオン注入装置であって、
   マグネットが装備されこのマグネットの稼動状態では前記引き出されるイオンビームのうち注入されるべき所定の不純物イオンを選択的に導出する質量分析器と、
   前記質量分析器を介する前または後の前記イオンビームの経路上に設けられた、前記イオンビームの少なくとも発散度合いが検査可能なイオンビームエミッタンス測定機構と、
   を具備したことを特徴とするイオン注入装置。
2. イオン源から引き出されるイオンビームが少なくとも磁界を利用した質量分析、電界による加速または収束を経て対象物に所定の不純物イオンを導入するイオン注入装置であって、
   マグネットが装備されこのマグネットの稼動状態では前記引き出されるイオンビームのうち注入されるべき所定の不純物イオンを選択的に導出する質量分析器と、
   前記質量分析器を介する前及び後の前記イオンビームの経路上に設けられた、前記イオンビームの少なくとも発散度合いが検査可能なイオンビームエミッタンス測定機構と、
   を具備したことを特徴とするイオン注入装置。
3. 前記イオンビームエミッタンス測定機構は、前記イオンビームの経路上に挿入され、または前記イオンビームの経路上から外されることを特徴とする請求項１または２記載のイオン注入装置。
4. 前記イオンビームエミッタンス測定機構は、少なくとも前記イオン源と前記質量分析器の間において前記イオンビームの経路上に挿入され、または前記イオンビームの経路上から外されることを特徴とする請求項１または２記載のイオン注入装置。
5. 前記イオンビームエミッタンス測定機構は、少なくとも前記質量分析器の間において前記イオンビームの経路上に挿入され、または前記イオンビームの経路上から外されることを特徴とする請求項１または２記載のイオン注入装置。
6. イオンビームの一部を通過させるスリットを有し前記イオンビームのスポット断面及びその周辺近傍に対しスキャン移動可能な検査室と、
   前記検査室内に設けられ、導かれたイオンビームのビーム電流量を検出する複数の電極及び増幅回路を有する検出基板と、
   前記検出基板から得られた信号を少なくともビームエミッタンス値に対応させて出力する演算制御機構と、
   を具備したことを特徴とするイオンビームエミッタンス測定器。
7. 前記検査室内において検出すべき前記イオンビーム中の電子を前記検出基板に跳ね返すサプレッサをさらに具備したことを特徴とする請求項６記載のイオンビームエミッタンス測定器。
8. 前記検出基板はセラミック基板を含み、前記複数の電極は前記セラミック基板に所定間隔で埋め込まれたリニアアレイ電極を含むことを特徴とする請求項６または７記載のイオンビームエミッタンス測定器。
9. プラズマ室から引き出し電極を介して引き出されるイオンビームが質量分析マグネットの磁界を利用した質量分析部、ビームライン部における電界による加速または収束を経て半導体基板に所定の不純物イオンを導入するイオン注入装置を利用する半導体装置の製造方法において、
   少なくとも前記質量分析部を介する前または後の前記イオンビームについて少なくとも発散度合いが検査される前記イオンビームのエミッタンス測定を所定回数行い、所定のエミッタンス値の範囲内で前記イオン注入装置を稼動させることを特徴とする半導体装置の製造方法。

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