JP2005353537A - イオン注入装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 イオンビームが基板に入射する際の平行度及び発散角度を制御し、イオンの注入精度を向上させるとともに、均一なイオン注入を可能にしたイオン注入装置を提供する。
【解決手段】 イオン注入装置において、該イオン注入装置は、イオンビームの収束装置と、平行化装置と、平行度及び発散角度を測定する測定装置とを備え、
イオンビームの平行度及び発散角度が設定値内に収まるように収束装置及び平行化装置を制御する。
また、平行度及び発散角度を測定する測定装置は、ビーム分割スリットと、このビーム分割スリットを透過したビームの電流量を計測する可動式ファラデーカップを具備している構成とした。
【選択図】 図６

Description

本発明は、イオン注入装置に係り、特に、イオンビームを所望の平行度及び発散角度で、基板に注入することにより、イオン注入の精度及び均一性を向上したイオン注入装置の改良に関する。

原子や分子から電子を剥ぎ取って、イオンを生成するイオン源からのイオンを所望のエネルギーに加速して、例えば、半導体ウェハー等の基板に所望のイオン種を注入する種々のイオン注入装置が実用に供されている。
この従来のイオン注入装置の一例として、特許文献１に記載されたイオン注入装置について、図７を用いて説明する。
図７は、従来のイオン注入装置の全体構成を示すブロック図である。

図７に示すように、従来のイオン注入装置１００の主要構成は、イオンを生成するイオン源装置１１０、所望のイオン種を選択する質量分離器１２０、イオンビームを収束する収束装置１３０、イオンを所望のエネルギーに加速する加速器１４０、イオンを注入するウェハー等の基板が設置されているビーム照射室１５０である。
イオンビームを収束する収束装置１３０は、光学におけるレンズが光の収束作用を有している類似性から収束レンズ、或いは、単に、レンズとのみいう場合がある。

ところで、イオンビームの質を表す物理量として、「エミッタンス」と「輝度」がある。
これらの物理量は、イオンビームを構成するそれぞれのイオンの運動の揃いの程度を定量的に表現するものである。
また、これらの量は、適当な規格化を行えば、イオンビームの走査中において、不変量として取り扱える性質を有している。

特許文献１に記載のイオン注入装置では、イオン源１１０としては、プラズマ源１１２とエミッタンスを調整する調整部１１４とを独立に構成し、イオンビームのエミッタンスを小さくし、加速器１４０内のビーム透過率を増大させて、大電流のイオン注入を可能としたことを特徴としている。

特許番号第２６４４９５８号

以下、従来のイオン注入装置の問題点を図８及び図９を用いて説明する。
図８及び図９は、従来のイオン注入装置の問題点を説明するための、基板近傍におけるイオンビームの注入の状態を示す側面図である。

ところで、イオンビームは、ビームを構成する総てのイオンが設計軌道に対して平行に走査するのではなく、それぞれのイオンは、設計軌道を中心に、設計軌道に垂直な平面内において、微小振動を行いながら、即ち、設計軌道を中心にビーム径が収束、発散しながら、設計軌道を走査する。

従って、図８に示すように、ウェハー等の基板１６０に対して、ある発散角度（以下、単に「発散角」という場合がある。）で注入されるイオンが存在し、平行入射部分１６０ａよりも周縁部が広がる、いわゆる「にじみ」部分１６０ｂが発生する。

従来のイオン注入装置では、このイオンビームのにじみ部分１６０ｂも含んだ平均値としてのビームの平行度のみをモニターしてイオン注入を行い、にじみ量が変化することによるイオン注入のプロファイル変化については管理していなかった。
従って、従来のイオン注入装置では、イオン源の状態変化によりエミッタンスが変化し、注入プロファイルも連動して変化する可能性があり、安定した高精度で均一なイオン注入が困難であるという問題を抱えていた。

また、図９に示すように、基板１６０上にゲート１６２を形成してイオン注入を行った場合、イオンビームが垂直面に対して所定の発散角度をもって注入された場合、シャドー部分１６２ａが発生して、均一なイオン注入が困難になるという問題も抱えている。

一方、特許文献１の発明は、大電流イオンビームを注入するために、イオンビームのエミッタンスを低減するように工夫されているものであり、基板へのイオンビームの発散角度を管理したり、或いは、平行度や発散角度を制御するものではなく、上記した従来のイオン注入装置の問題を何ら解決するものではない。

本発明は、上記従来の課題を解決し、イオンビームが基板に入射する際の平行度及び発散角度を制御し、イオンの注入精度を向上させるとともに、均一なイオン注入を可能にしたイオン注入装置を提供することを目的とする。

本発明のイオン注入装置は、請求項１に記載のものでは、イオンを生成するイオン源から所望のイオン種を引き出し、所望のエネルギーに加速して、イオンビームを半導体ウェハー等の基板に注入するイオン注入装置において、前記基板に入射するイオンビームの平行度及び発散角度を測定する測定装置と、イオンビームの平行度及び発散角度を所望の設定値の範囲内になるように制御する制御機能を備えた構成とした。

請求項２に記載のイオン注入装置は、イオンを生成するイオン源から所望のイオン種を引き出し、所望のエネルギーに加速して、イオンビームを半導体ウェハー等の基板に注入するイオン注入装置において、該イオン注入装置は、イオンビームの収束装置と、イオンビームの平行化装置と、前記基板に入射するイオンビームの平行度及び発散角度を測定する測定装置とを備え、先ず、前記イオンビームの平行度及び発散角度を測定する測定装置により、前記基板に入射するイオンビームの平行度及び発散角度を測定し、次に、イオンビームの平行度が設定値の範囲外の場合は、前記イオンビームの平行化装置の各パラメータを調整することにより、イオンビームの平行度が設定値の範囲内に収まるように制御し、次に、イオンビームの発散角度が設定値の範囲外の場合は、前記イオンビームの収束装置の各パラメータを調整することにより、イオンビームの発散角度が設定値の範囲内に収まるように制御するように構成した。

請求項３に記載のイオン注入装置は、イオンを生成するイオン源から所望のイオン種を引き出し、所望のエネルギーに加速して、イオンビームを半導体ウェハー等の基板に注入するイオン注入装置において、該イオン注入装置は、イオンビームの収束装置と、イオンビーム平行化装置と、前記基板に入射するイオンビームの平行度及び発散角度を測定する測定装置とを備え、先ず、前記イオンビームの平行度及び発散角度を測定する測定装置により、前記基板に入射するイオンビームの平行度及び発散角度を測定し、次に、イオンビームの発散角度が設定値の範囲外の場合は、前記イオンビームの収束装置の各パラメータを調整することにより、イオンビームの発散角度が設定値の範囲内に収まるように制御し、次に、イオンビームの平行度が設定値の範囲外の場合は、前記イオンビーム平行化装置の各パラメータを調整することにより、イオンビームの平行度が設定値の範囲内に収まるように制御するように構成した。

請求項４に記載のイオン注入装置は、上記イオンビームの平行度及び発散角度を測定する測定装置は、前記イオンビームの走査方向の垂直面内に、水平（Ｘ軸）方向、及び／又は、垂直（Ｙ軸）方向に取り付けられるビーム分割スリットと、このビーム分割スリットを透過したビームの電流量を計測する可動式ファラデーカップを具備している構成とした。

請求項５に記載のイオン注入装置は、上記イオンビームの平行度及び発散角度を測定する測定位置を上記基板近傍とした構成とした。

本発明のイオン注入装置は、上述のように構成したために、以下のような優れた効果を有する。
（１）請求項１に記載したように構成すると、イオンビームの基板への発散角度及び平行度を管理すること、及び、制御することが可能になり、高精度で均一なイオン注入ができる。

（２）請求項２に記載したように構成すると、イオンビームの基板への発散角度及び平行度を、常時、設定値内に制御できるので、一層、高精度で均一なイオン注入ができる。

（３）請求項３に記載したように構成すると、イオンビームの基板への発散角度及び平行度を、常時、設定値内に制御できるので、一層、高精度で均一なイオン注入ができる。

（４）請求項４に記載したように構成すると、簡単な構成で、イオンビームの基板への発散角度及び平行度を測定でき、迅速な制御が可能となる。

（５）請求項５に記載したように構成すると、基板近傍におけるイオンビームの基板への正確な発散角度及び平行度を測定でき、制御の精度が向上する。
特に、立体構造を持つデバイスに注入する場合、正確な発散角及び平行度を測定することは重要であり、このようなケースにはとりわけ効果的である。

以下、本発明のイオン注入装置の一実施の形態を図１乃至図６を用いて説明する。
先ず、本実施の形態のイオン注入装置の基本構成を図１乃至図３を用いて説明する。
図１は、本発明のイオン注入装置の概略構成を示す平面図である。
図２は、本発明のイオン注入装置の概略構成を示す側面図である。
図３は、本発明のイオン注入装置のステージ付近の外観斜視図である。

図１及び図２に示すように、本発明イオン注入装置１０の主要構成は、イオン源２０、加速管３０、分析マグネット４０、四重極レンズ５０、静電スキャナ６０、イオンビームの平行化装置（以下、平行化レンズという場合がある。）７０、イオン注入室８０、基板搬送室９０である。

ＨＶターミナル２２に収容されるイオン源２０で生成されたイオンＩは、スイッチングマグネット２４を経て、次の加速管３０に輸送され、この加速管３０により所定のエネルギーまで加速され、分析マグネット４０により、所望のエネルギーのイオンビームＩが選択される。
なお、図２において、２６はＨＶターミナルを支持するインシュレータである。

選択された所望のエネルギーのイオンビームＩは、四重極レンズ５０でビーム径が収束され、静電スキャナ６０及び平行化装置７０により、イオン注入室８０中の半導体ウェハー等の基板９４の表面に平行かつ均一に注入される（図３参照）。
なお、図２において、９２は基板キャリアである。

また、図３に、ステージ付近の外観構成を示すが、８２はマスク用Ｘ／Ｙステージ、８４はマスク用静電チャック、８６はウェハー用静電チャック、８８はウェハー用Ｘ／Ｙステージである。

以上の構成は、従来技術のイオン注入装置とほぼ同様のものであるが、本発明のイオン注入装置１０では、基板９４近傍のイオンビームＩの発散角度及び平行度を測定する測定装置、及び、この測定値に基づいて、発散角度及び平行度を設定値内に制御する機能を有し、イオン源２０の状態変化によりエミッタンスが変化し、注入プロファイルも連動して変化した場合でも、安定した均一なイオン注入が行えるようにしていることを特徴としている。

従って、以下では、基板９４近傍のイオンビームＩの発散角度及び平行度を測定する測定装置、及び、発散角度及び平行度を設定値内に制御する機能について、順次説明する。
先ず、イオンビームＩの発散角度及び平行度を測定する測定装置について説明する。
この測定装置は、基本的に、従来のイオンビームのエミッタンスの測定装置を利用する。

エミッタンスについては、特許文献１で図２を用いてその定義を詳細に説明しているので説明は割愛し、また、エミッタンスの測定装置も周知技術であるので、以下、エミッタンスの測定原理について図４及び図５を用いて説明する。
図４は、エミッタンスの測定原理を説明するための斜視図である。
図５は、実際のエミッタンスを測定する測定装置の原理を示す側面図である。

上述したように、ビームを構成するそれぞれのイオンは、設計軌道を中心に、設計軌道に垂直な平面内において、設計軌道を中心にビーム径が収束、発散しながら、設計軌道を走査するので、この垂直な平面において、２次元的なエミッタンスの測定が必要である。
ここで、その２次元的な座標として、慣習通り、水平方向にＸ座標を、垂直方向にＹ座標を採ることにする。

エミッタンスは、ビーム径方向距離をｘを横軸に、ビームの発散角度αを縦軸に描いた位相図の面積をπで除したものであるから、ビーム断面のＸ軸各点におけるＸ方向の運動量分布を測定できれば算出することができる。

図４に示すように、イオンビームの走査方向に垂直に２枚の可動スリットＳ１、Ｓ２を距離Ｌ１だけ離して配置することによりエミッタンスが測定できる。
即ち、第１のスリットＳ１により位置ｘを定め、第２のスリットＳ２を動かして位置ｘにおける運動量分布Ｍを電流検出板Ｄ１により測定し、第１のスリットＳ１を動かすことにより各位置ｘにおける運動量分布Ｍを測定すれば、位置ｘと発散角αの位相図が得られ、エミッタンスを算出することができる。

この原理を応用したのが、図５に示す実際のエミッタンスの測定原理である。
図５では、図４における第１の可動スリットＳ１の代わりに、多数のスリットを有する分割スリットＳｂをイオンビームＩの走査方向に垂直に配置し、図４における第２の可動スリットＳ２の代わりに高位置分解能可動式ファラデーカップＦｃを用い、当該可動ファラデーカップＦｃに入射した荷電粒子であるイオンビームＩの電流量からビーム強度を測定することにより、エミッタンスを測定することができる。

なお、上記は、Ｘ軸方向でのエミッタンスの測定原理を説明したが、Ｙ軸方向でも、移動方向をＹ軸方向にするだけで、他は全く同様の原理であるので、説明は省略する。

ところで、この従来のエミッタンス測定装置を用いると、イオンビームの発散角度α、エミッタンスの他に、次式（１）で定義されるイオンビームの位置Ｒにおける平行度θ（Ｒ）を算出することができる。
Ｔａｎθ（Ｒ）＝ｄ（Ｒ）／Ｌ ・・・・・ （１）
ここで、ｄ（Ｒ）は、位置Ｒにおけるスリットの中心軸からビーム強度のピーク位置の変位であり、Ｌは、分割スリットＳｂから可動式ファラデーカップＦｃまでの距離である。

また、この従来のエミッタンス測定装置では、イオンビームのにじみ角度φも次式（２）により算出できる。
Ｔａｎφ ＝（ｆ−ｗ）／（２Ｌ） ・・・・・ （２）
ここで、ｆは、ピークＰの半値幅、ｗはスリットの幅である。

従って、エミッタンス測定装置を利用すれば、イオンビームの発散角度αの他に、イオンビームの平行度θやイオンビームのにじみ角度φも測定できることが理解される。

次に、本実施の形態におけるイオンビームの発散角度及び平行度の制御機能について、以下、それぞれ説明する。
先ず、イオンビームの平行度の制御について図１及び図２を用いて説明する。
図１及び図２に示すイオンビームの平行化装置７０は、磁場中で荷電粒子が偏向される性質を利用して、所定の発散角度を有するイオンビームＩを平行に基板に入射させる装置である。

図２に示すように、外側に発散角度を有するイオンＩｏは大きく曲げられ、一方、内側に発散角度を有するイオンＩｉは、小さく曲げられ、結果として、ほぼ設計軌道に平行に基板９４に照射される。
また、図示による説明は省略するが、この平行化装置７０では、イオンビームＩを収束する光学系のパラメータを調整することにより、イオンビームの平行度を制御できる。

次に、イオンビームの発散角度の制御について説明する。
図１及び図２に示すように、収束レンズ５０は、磁場若しくは電場或いは双方の作用により、イオンビームＩを収束し、その発散角度を制御し得る機能を有している。
従って、この収束レンズ５０の磁場、電場又は双方の強度を調整することにより、イオンビームＩの発散角度を制御することができる。
また、この収束レンズ５０の前後に配置されたスリット４２、５２のアパーチャーを調整することによってもイオンビームＩの発散成分を除去できるので、イオンビームＩの発散角度を制御できる。

以上の構成において、次に、本実施の形態のイオン注入装置１０の基本動作について、図６を用い、図１を参照して説明する。
図６は、本実施の形態のイオン注入装置１０の基本動作を説明するためのフローチャートである。

先ず、従来のイオン注入装置同様に、本実施の形態のイオン注入装置１０でも、イオン源２０から所望のイオン種のイオンを所望のエネルギーに加速し、半導体ウェハー等の基板９４に注入する。
一方、本実施の形態のイオン注入装置１０では、図６に示すように、適宜、イオンビームの発散角及び平行度の測定制御を行う。

即ち、処理開始（ＳＴ１）後、Ｘ軸及びＹ軸方向のイオンビームの発散角度α及び平行度θを、上記した測定装置により測定する（ＳＴ２）。
次に、イオンビームの平行度が設定値の範囲内にあるかどうかの判断を行う（ＳＴ３）。
ここで、イオンビームの平行度が、設定値の範囲内にある場合は、イオンビームの発散角度が設定値の範囲内かどうかの判断を行う（ＳＴ５）。

一方、イオンビームの平行度が、設定値の範囲内になければ、上述したように、ビーム平行化レンズ７０の光学系パラメータ（例えば、平行化レンズ強度、ビーム偏向点の位置、レンズへの入射軸角度）を調整して（ＳＴ４）、再度、イオンビームの発散角度、平行度を測定する（ＳＴ２）。
ここで、発散角度も再度、測定するのは、平行化レンズ７０の光学系パラメータを調整することにより、イオンビームの発散角度も変化している可能性があるからである。
この調整をイオンビームの平行度が設定値の範囲内に収まるまで繰り返す。

平行度の制御が終了すると、次に、イオンビームの発散角度が設定値の範囲内かどうかの判断を行う（ＳＴ５）。
ここで、設定値の範囲内にある場合は、測定データの出力を行い（ＳＴ７）、処理が終了する（ＳＴ８）。

一方、イオンビームの発散角度が設定値の範囲内にない場合は、上述したように、ビーム収束レンズの強度調整、スリットのアパーチャー等によるビーム発散成分の除去、イオン源及びイオンの引き出し系の調整を行い（ＳＴ６）、再度、イオンビームの発散角度、平行度を測定する（ＳＴ２）。
ここで、平行度も再度、測定するのは、ビームの発散角度制御により、イオンビームの平行度が変化している可能性があるからである。

この調整を繰り返すことにより、イオンビームの平行度及び発散角度が設定値の範囲内に収まることになり、双方とも設定値の範囲内に収まってから測定データを出力して（ＳＴ７）、処理を終了する（ＳＴ８）。

従って、本実施の形態のイオン注入装置１０によると、適宜、イオンビームの発散角度、及び、平行度の測定、設定値内への制御を行うので、イオンビームのエミッタンスの変動等のイオンビームの状態が変化した場合でも、にじみ量が変化することによるイオン注入のプロファイル変化について管理でき、かつ、設定値内への制御が可能となり、均一で高精度のイオン注入を安定して行えることになる。

本発明のイオン注入装置は、上記実施の形態の限定されず種々の変更が可能である。
例えば、上記実施の形態では、図１及び図２に示す構成のイオン注入装置で説明したが、本発明の特徴は、イオンビームの発散角度及びその平行度の測定及びそれらの制御であるので、一般のイオン注入装置に適用可能であり、図１のものに限定されないのは勿論のことである。

また、上記実施の形態では、イオンビームの発散角度及び平行度の測定後、平行度が設定値の範囲内にあるかどうかの判断を先に行う例で説明したが、これを発散角度が設定値の範囲内にあるかどうかの判断を先に行っても何ら支障がないのはいうまでもないことである。

本発明のイオン注入装置の概略構成を示す平面図である。 本発明のイオン注入装置の概略構成を示す側面図である。 本発明のイオン注入装置のステージ付近の外観斜視図である。 エミッタンスの測定原理を説明するための斜視図である。 実際のエミッタンスを測定する測定装置の原理を示す側面図である。 本実施の形態のイオン注入装置の基本動作を説明するためのフローチャートである。 従来のイオン注入装置の全体構成を示すブロック図である。 従来のイオン注入装置の問題点を説明するための、基板近傍におけるイオンビームの注入の状態を示す側面図である。 従来のイオン注入装置の問題点を説明するための、基板近傍におけるイオンビームの注入の状態を示す側面図である。

符号の説明

１０：イオン注入装置
２０：イオン源
３０：加速管
４２、５２：スリット（収束装置）
５０：四重極レンズ（収束装置）
７０：平行化装置（平行化レンズ）
９４：基板
Ｓｂ：ビーム分割スリット
Ｆｃ：可動式ファラデーカップ

Claims (5)

1. イオンを生成するイオン源から所望のイオン種を引き出し、所望のエネルギーに加速して、イオンビームを半導体ウェハー等の基板に注入するイオン注入装置において、
   前記基板に入射するイオンビームの平行度及び発散角度を測定する測定装置と、イオンビームの平行度及び発散角度を所望の設定値の範囲内になるように制御する制御機能を備えたことを特徴とするイオン注入装置。
2. イオンを生成するイオン源から所望のイオン種を引き出し、所望のエネルギーに加速して、イオンビームを半導体ウェハー等の基板に注入するイオン注入装置において、
   該イオン注入装置は、イオンビームの収束装置と、イオンビームの平行化装置と、前記基板に入射するイオンビームの平行度及び発散角度を測定する測定装置とを備え、
   先ず、前記イオンビームの平行度及び発散角度を測定する測定装置により、前記基板に入射するイオンビームの平行度及び発散角度を測定し、
   次に、イオンビームの平行度が設定値の範囲外の場合は、前記イオンビームの平行化装置の各パラメータを調整することにより、イオンビームの平行度が設定値の範囲内に収まるように制御し、
   次に、イオンビームの発散角度が設定値の範囲外の場合は、前記イオンビームの収束装置の各パラメータを調整することにより、イオンビームの発散角度が設定値の範囲内に収まるように制御するようにしたことを特徴とするイオン注入装置。
3. イオンを生成するイオン源から所望のイオン種を引き出し、所望のエネルギーに加速して、イオンビームを半導体ウェハー等の基板に注入するイオン注入装置において、
   該イオン注入装置は、イオンビームの収束装置と、イオンビーム平行化装置と、前記基板に入射するイオンビームの平行度及び発散角度を測定する測定装置とを備え、
   先ず、前記イオンビームの平行度及び発散角度を測定する測定装置により、前記基板に入射するイオンビームの平行度及び発散角度を測定し、
   次に、イオンビームの発散角度が設定値の範囲外の場合は、前記イオンビームの収束装置の各パラメータを調整することにより、イオンビームの発散角度が設定値の範囲内に収まるように制御し、
   次に、イオンビームの平行度が設定値の範囲外の場合は、前記イオンビーム平行化装置の各パラメータを調整することにより、イオンビームの平行度が設定値の範囲内に収まるように制御するようにしたことを特徴とするイオン注入装置。
4. 上記イオンビームの平行度及び発散角度を測定する測定装置は、前記イオンビームの走査方向の垂直面内に、水平（Ｘ軸）方向、及び／又は、垂直（Ｙ軸）方向に取り付けられるビーム分割スリットと、このビーム分割スリットを透過したビームの電流量を計測する可動式ファラデーカップを具備していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のイオン注入装置。
5. 上記イオンビームの平行度及び発散角度を測定する測定位置を上記基板近傍としたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のイオン注入装置。

Images