JP2005108679A - イオン注入装置、イオン注入方法および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 イオン注入時のビーム径を適正化して、ターゲットに対する注入均一性を向上させる。
【解決手段】 ビーム径算出部１２は、イオンビームの注入波形に基づいてイオンビームのビーム径を算出し、ビーム径制御部１３は、Ｑレンズ７ａ〜７ｃに印加される電圧を制御し、試料Ｓに入射するイオンビームのビーム径が２０〜４０ｍｍの範囲内になるようにイオンビームの収束量を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明はイオン注入装置、イオン注入方法および半導体装置の製造方法に関し、特に、イオン注入時のビーム径の制御方法に適用して好適なものである。

従来のイオン注入装置では、人間がイオンビームのＸ、Ｙ断面形状をオシロスコープで目視観察しながら、イオンビームが最も収束するようにＱレンズへの印加電圧の調整が行われていた。
一方、例えば、特許文献１には、静電走査に伴うイオンビームのビームサイズの変化を小さくして、ターゲットに対する注入均一性を向上させるために、三角波形の走査電圧に同一極性かつ同一の大きさのオフセット電圧を加える方法が開示されている。
特開平１０−２５６２５７号公報

しかしながら、従来のイオン注入装置では、イオンビームが最も収束するようにＱレンズへの印加電圧の調整が行われるため、イオン注入時のビーム径が小さくなり過ぎることがあり、ターゲットに対する注入均一性が劣化するという問題があった。
そこで、本発明の目的は、イオン注入時のビーム径を適正化して、ターゲットに対する面内均一性を向上させることが可能なイオン注入装置、イオン注入方法および半導体装置の製造方法を提供することである。

上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係るイオン注入装置によれば、イオン源から引き出されたイオンの質量分析を行う質量分析部と、前記質量分析部により質量分析されたイオンを加速する加速管と、前記加速管により加速されたイオンビームを収束させるビーム収束部と、前記ビーム収束により収束されたイオンビームを走査させるビーム走査部と、前記イオンビームのビーム電流を測定するファラディーカップと、前記ファラディーカップの全面に配置され、前記イオンビームの入射角を制限するマスクと、前記イオンビームのビーム径を算出するビーム径算出手段と、前記イオンビームのビーム径に基づいて、前記イオンビームの収束量を制御するビーム径制御部とを備えることを特徴とする。

これにより、イオンビームのビーム径に基づいて、イオンビームの収束量を制御することが可能となる。このため、イオン注入時のビーム径が小さくなり過ぎないようにしながら、イオンビームを収束させることが可能となり、イオン注入時のビーム径を適正化することを可能として、ターゲットに対する面内均一性を向上させることが可能となる。
また、本発明の一態様に係るイオン注入装置によれば、前記ビーム径制御部は、前記イオンビーム径が２０〜４０ｍｍの範囲内になるように前記イオンビームの収束量を制御することを特徴とする。

これにより、イオンビームの収束量を制御することで、ターゲットに対する面内均一性を向上させることが可能となり、イオン注入装置の構成を変更することなく、注入むらの発生を抑制することが可能となる。
また、本発明の一態様に係るイオン注入装置によれば、前記ビーム径算出手段は、前記イオンビームの注入波形に基づいて前記イオンビームのビーム径を算出することを特徴とする。

これにより、ファラディーカップにてビーム電流を観測することで、イオンビームのビーム径を算出することが可能となり、イオン注入装置の構成を変更することなく、イオンビームの収束量を適正化することが可能となる。
また、本発明の一態様に係るイオン注入装置によれば、前記ビーム径算出手段は、前記イオンビームが前記マスクを横切る時の前記ビーム電流の立ち上がり開始点から立ち下がり開始点までの走査電圧と、前記ビーム電流の立ち下がり開始点から立ち下がり終了点までの走査電圧との比に基づいて、前記イオンビームのビーム径を算出することを特徴とする。

これにより、イオン注入装置の構成を変更することなく、イオンビームのビーム径を容易に算出することが可能となり、ターゲットに対する面内均一性を容易に向上させることが可能となる。
また、本発明の一態様に係るイオン注入方法によれば、イオンビーム径が２０〜４０ｍｍの範囲内に設定された状態でイオン注入を行うことを特徴とする。

これにより、イオンビーム径を制御することで、ターゲットに対する面内均一性を向上させることが可能となり、イオン注入装置の構成を変更することなく、注入むらの発生を抑制することが可能となる。
また、本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法によれば、イオン源からイオンを引き出す工程と、前記イオン源から引き出されたイオンの質量分析を行う工程と、前記質量分析されたイオンを加速する工程と、前記加速されたイオンビームを収束させる工程と、前記収束されたイオンビームを走査させる工程と、前記走査されたイオンビームのビーム径を算出する工程と、前記算出されたイオンビームのビーム径に基づいて、前記イオンビームの収束量を制御する工程と、前記収束量が制御されたイオンビームをウェハに打ち込む工程とを備えることを特徴とする。

これにより、イオン注入時のビーム径を適正化することが可能となり、イオン注入時のウェハに対する面内均一性を向上させることができる。このため、ウェハの不純物濃度の面内均一性を向上させることが可能となり、半導体装置の特性バラツキを低減させることができる。
また、本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法によれば、前記イオンビームのビーム径は２０〜４０ｍｍの範囲内であることを特徴とする。

これにより、イオンビーム径を制御することで、ターゲットに対する面内均一性を向上させることが可能となり、イオン注入装置の構成を変更することなく、注入むらの発生を抑制することが可能となる。

以下、本発明の実施形態に係るイオン注入装置について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るイオン注入装置の概略構成を示す平面図である。
図１において、イオン注入装置には、イオン源部Ｂ１、ビームライン部Ｂ２、エンドステーション部Ｂ３をそれぞれ真空引きする真空ポンプ２、８、１０が設置されている。
そして、イオン源部Ｂ１には、イオン源１、質量分析装置３、可変スリット４および分析スリット５が設けられている。また、ビームライン部Ｂ２には、加速管６、Ｑレンズ７ａ〜７ｃ、Ｘ走査電極９ａおよびＹ走査電極９ｂが設けられるとともに、ビーム径算出部１２で算出されたイオンビームのビーム径に基づいて、イオンビームの収束量を制御するビーム径制御部１３が設けられている。さらに、エンドステーション部Ｂ３には、ターゲットチャンバ１１が設けられるとともに、イオンビームのビーム径を算出するビーム径算出部１２が設けられている。

図２は、図１のターゲットチャンバ１１の概略構成を示す断面図である。
図２において、ターゲットチャンバ１１には、メインファラディーカップ２１が設けられ、メインファラディーカップ２１の前面には、メインファラディーカップ２１に入射するイオンビームの入射角を制限するマスク２５が設けられるとともに、メインファラディーカップ２１の後端には、試料Ｓを設置するプラテン２４が設けられている。また、メインファラディーカップ２１内には、センターファラディーカップ２２が設けられ、センターファラディーカップ２２の前面には、センターファラディーカップ２２に入射するイオンビームの入射角を制限するマスク２６が設けられるとともに、センターファラディーカップ２２の前方には、フラッグ２３が設けられている。

そして、図１において、イオン源１から引き出された正イオンは質量分析装置３に送られ、質量分析装置３にてイオンの質量分析が行われる。なお、イオン源１としては、例えば、熱陰極方式またはプラズマ方式を用いることができる。また、質量分析装置３としては、Ｂ、ＰまたはＡｓなどの正イオンを分離する分離電磁石を用いることができる。
そして、質量分析装置３にて質量分析されたイオンは、可変スリット４にてビーム量が調整された後、分析スリット５に送られて中性粒子が排除される。そして、分析スリット５を通過したイオンは加速管６に送られ、加速管６にて、最終的な加速エネルギーが得られるように加速され、試料Ｓに注入されるイオンのドーピングプロファイルおよび接合深さが決定される。そして、加速管６にて加速されたイオンビームはＱレンズ７ａ〜７ｃに送られ、Ｑレンズ７ａ〜７ｃにてイオンビームが収束される。なお、Ｑレンズ７ａ〜７ｃとしては、静電４重極レンズまたは磁気４重極レンズを用いることができる。

ここで、ビーム径制御部１３は、ビーム径算出部１２にて算出されたイオンビームのビーム径に基づいてＱレンズ７ａ〜７ｃに印加される電圧を制御し、試料Ｓに入射するイオンビームのビーム径が２０〜４０ｍｍの範囲内になるようにイオンビームの収束量を制御することができる。
図３は、本発明の一実施形態に係るビーム径の制御方法を示す断面図である。

図３において、Ｑレンズ７ａには、イオンビームＭの周囲に配置された４個の電極３１ａ〜３１ｄが設けられ、Ｑレンズ７ｂには、イオンビームＭの周囲に配置された４個の電極３２ａ〜３２ｄが設けられ、Ｑレンズ７ｃには、イオンビームＭの周囲に配置された４個の電極３３ａ〜３３ｄが設けられている。
そして、Ｑレンズ７ａの上下の電極３１ａ、３１ｂに正電圧を印加するとともに、Ｑレンズ７ａの左右の電極３１ｃ、３１ｄに負電圧を印加することにより、加速管６にて加速されたイオンビームＭを上下に絞り込むことができる。そして、Ｑレンズ７ａにて上下に絞り込まれたイオンビームＭはＱレンズ７ｂに送られる。

そして、Ｑレンズ７ｂの上下の電極３２ａ、３２ｂに負電圧を印加するとともに、Ｑレンズ７ｂの左右の電極３２ｃ、３２ｄに正電圧を印加することにより、Ｑレンズ７ａにて上下に絞り込まれたイオンビームＭを左右に絞り込むことができる。そして、Ｑレンズ７ｂにて左右に絞り込まれたイオンビームＭはＱレンズ７ｃに送られる。
そして、Ｑレンズ７ｃの上下の電極３３ａ、３３ｂに正電圧を印加するとともに、Ｑレンズ７ｃの左右の電極３３ｃ、３３ｄに負電圧を印加することにより、Ｑレンズ７ｂにて左右に絞り込まれたイオンビームＭを上下に絞り込むことができる。

これにより、ビーム径制御部１３は、イオンビーム径が２０〜４０ｍｍの範囲内になるようにイオンビームＭの収束量を制御することができ、イオン注入時のビーム径が小さくなり過ぎないようにしながら、イオンビームＭを収束させることが可能となる。このため、イオン注入時のビーム径を適正化することを可能として、試料Ｓに対する注入均一性を向上させることが可能となり、イオン注入装置の構成を変更することなく、注入むらの発生を抑制することが可能となる。

そして、Ｑレンズ７ａ〜７ｃにて収束されたイオンビームは、Ｘ走査電極９ａおよびＹ走査電極９ｂを順次通過する。そして、Ｘ走査電極９ａにてＸ方向にイオンビームが走査されるとともに、Ｙ走査電極９ｂにてＹ方向にイオンビームが走査されることにより、試料Ｓの全面に打ち込み量を一様に分布させることができる。
そして、Ｘ走査電極９ａおよびＹ走査電極９ｂにて走査されたイオンビームＭはターゲットチャンバ１１に送られ、メインファラディーカップ２１およびセンターファラディーカップ２２にてビーム電流がモニタされながら、イオンビームＭが試料Ｓに打ち込まれる。

ここで、メインファラディーカップ２１およびセンターファラディーカップ２２にてビーム電流をモニタすることにより、試料Ｓのドーピング濃度を制御するドーズ量を監視することが可能となるとともに、イオンビームの注入波形を測定することができる。すなわち、メインファラディーカップ２１またはセンターファラディーカップ２２に入射した一次イオンがエンドプレートと壁に衝突すると、二次電子と二次正イオンが生成され、これを測定することで、メイン注入波形Ｓｍおよびセンター注入波形Ｓｃをそれぞれ得ることができる。また、イオンビームの入射角を制限するマスク２５、２６をメインファラディーカップ２１およびセンターファラディーカップ２２の前面にそれぞれ設けることにより、一次イオンの入射角を制限することが可能となり、ビーム電流の測定精度を向上させることが可能となる。

ここで、ビーム径算出部１２は、イオンビームの注入波形に基づいてイオンビームのビーム径を算出することができる。例えば、ビーム径算出手段１２は、イオンビームがマスク２５を横切る時のビーム電流の立ち上がり開始点から立ち下がり開始点までの走査電圧と、ビーム電流の立ち下がり開始点から立ち下がり終了点までの走査電圧との比に基づいて、イオンビームのビーム径を算出することができる。

図４は、本発明の一実施形態に係るビーム径の算出方法を示す図である。
図４において、マスク２５には、イオンビームＭを透過させるためのスリット２５ａが設けられている。そして、Ｘ走査電極９ａまたはＹ走査電極９ｂによるイオンビームＭの走査量が小さい場合、ターゲットチャンバ１１に入射したイオンビームＭは、例えば、マスク２５の点Ｐ１に到達する。このため、イオンビームＭ全体がマスク２５で遮断されてメインファラディーカップ２１に到達しないため、メインファラディーカップ２１で計測されるビーム電流はゼロになる。

そして、Ｘ走査電極９ａまたはＹ走査電極９ｂによるイオンビームＭの走査量が増加すると、Ｘ走査電極９ａまたはＹ走査電極９ｂで走査されたイオンビームＭはマスク２５の点Ｐ２に到達し、イオンビームＭの一端がスリット２５ａにかかり始める。そして、Ｘ走査電極９ａまたはＹ走査電極９ｂによるイオンビームＭの走査量がさらに増加し、Ｘ走査電極９ａまたはＹ走査電極９ｂにより走査されたイオンビームＭがスリット２５ａの内側に入り始めると、イオンビームＭがメインファラディーカップ２１に到達する量が徐々に増加するため、メインファラディーカップ２１で計測されるビーム電流は徐々に増加する。

そして、Ｘ走査電極９ａまたはＹ走査電極９ｂによる走査量がさらに増加し、Ｘ走査電極９ａまたはＹ走査電極９ｂにより走査されたイオンビームＭが、例えば、マスク２５の点Ｐ３に到達すると、イオンビームＭ全体がスリット２５ａを介してマスク２５を通過する。このため、イオンビームＭ全体がメインファラディーカップ２１に到達し、メインファラディーカップ２１で計測されるビーム電流はピーク値に達する。

そして、Ｘ走査電極９ａまたはＹ走査電極９ｂによるイオンビームＭの走査量がさらに増加すると、Ｘ走査電極９ａまたはＹ走査電極９ｂで走査されたイオンビームＭはマスク２５の点Ｐ４に到達し、イオンビームＭの一端がマスク２５にかかり始める。そして、Ｘ走査電極９ａまたはＹ走査電極９ｂによるイオンビームＭの走査量がさらに増加し、Ｘ走査電極９ａまたはＹ走査電極９ｂにより走査されたイオンビームＭがスリット２５ａからはみ出し始めると、イオンビームＭがメインファラディーカップ２１に到達する量が徐々に減少するため、メインファラディーカップ２１で計測されるビーム電流は徐々に減少する。

そして、Ｘ走査電極９ａまたはＹ走査電極９ｂによるイオンビームＭの走査量が大きくなると、ターゲットチャンバ１１に入射したイオンビームＭは、例えば、マスク２５の点Ｐ５に到達する。このため、イオンビームＭ全体がマスク２５で遮断されてメインファラディーカップ２１に到達しないため、メインファラディーカップ２１で計測されるビーム電流はゼロになる。

この結果、イオンビームＭが点Ｐ２から点Ｐ４に到達するまでの走査電圧Ａをスリット２５ａの幅に対応させることにより、イオンビームＭが点Ｐ４から点Ｐ５に到達するまでの走査電圧ＢをイオンビームＭのビーム径に対応させることができる。このため、走査電圧Ａおよび走査電圧Ｂにてスリット２５ａの幅を比例配分することにより、以下の式を用いてスリット２５ａの幅を求めることができる。

イオンビームＭのビーム径＝（電圧Ｂ／電圧Ａ）×スリットの幅
そして、ビーム径算出部１２にてイオンビームＭのビーム径が求まると、ビーム径制御部１３にて、イオンビームＭのビーム径が２０〜４０ｍｍの範囲内になるようにイオンビームの収束量を制御することができる。

本発明の一実施形態に係るイオン注入装置の概略構成を示す平面図。 図１のターゲットチャンバの概略構成を示す断面図。 本発明の一実施形態に係るビーム径の制御方法を示す断面図。 本発明の一実施形態に係るビーム径の算出方法を示す図。

符号の説明

Ｂ１ イオン源部、Ｂ２ ビームライン部、Ｂ３ エンドステーション部、１ イオン源、２、８、１０ 真空ポンプ、３ 質量分析装置、４ 可変スリット、５ 分析スリット、６ 加速管、７ａ〜７ｃ Ｑレンズ、９ａ Ｘ走査電極、９ｂ Ｙ走査電極、１１ ターゲットチャンバ、１２ ビーム径算出部、１３ ビーム径制御部、２１ メインファラディーカップ、２２ センターファラディーカップ、２３ フラッグ、２４ プラテン、２５、２６ マスク、２５ａ スリット、Ｓ 試料、Ｓｍ メイン注入波形、Ｓｃ センター注入波形、Ｍ イオンビーム、３１ａ〜３１ｄ、３２ａ〜３２ｄ、３３ａ〜３３ｄ 電極

Claims (7)

1. イオン源から引き出されたイオンの質量分析を行う質量分析部と、
   前記質量分析部により質量分析されたイオンを加速する加速管と、
   前記加速管により加速されたイオンビームを収束させるビーム収束部と、
   前記ビーム収束により収束されたイオンビームを走査させるビーム走査部と、
   前記イオンビームのビーム電流を測定するファラディーカップと、
   前記ファラディーカップの前面に配置され、前記イオンビームの入射角を制限するマスクと、
   前記イオンビームのビーム径を算出するビーム径算出手段と、
   前記イオンビームのビーム径に基づいて、前記イオンビームの収束量を制御するビーム径制御部とを備えることを特徴とするイオン注入装置。
2. 前記ビーム径制御部は、前記イオンビーム径が２０〜４０ｍｍの範囲内になるように前記イオンビームの収束量を制御することを特徴とする請求項１記載のイオン注入装置。
3. 前記ビーム径算出手段は、前記イオンビームの注入波形に基づいて前記イオンビームのビーム径を算出す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. 前記ビーム径算出手段は、前記イオンビームが前記マスクを横切る時の前記ビーム電流の立ち上がり開始点から立ち下がり開始点までの走査電圧と、前記ビーム電流の立ち下がり開始点から立ち下がり終了点までの走査電圧との比に基づいて、前記イオンビームのビーム径を算出することを特徴とする請求項３記載のイオン注入装置。
5. イオンビーム径が２０〜４０ｍｍの範囲内に設定された状態でイオン注入を行うことを特徴とするイオン注入方法。
6. イオン源からイオンを引き出す工程と、
   前記イオン源から引き出されたイオンの質量分析を行う工程と、
   前記質量分析されたイオンを加速する工程と、
   前記加速されたイオンビームを収束させる工程と、
   前記収束されたイオンビームを走査させる工程と、
   前記走査されたイオンビームのビーム径を算出する工程と、
   前記算出されたイオンビームのビーム径に基づいて、前記イオンビームの収束量を制御する工程と、
   前記収束量が制御されたイオンビームをウェハに打ち込む工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 前記イオンビームのビーム径は２０〜４０ｍｍの範囲内であることを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。

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