JP2006351312A

JP2006351312A - イオン注入装置

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Publication number: JP2006351312A
Application number: JP2005174694A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Nishibashi; 勉西橋; Kazuhiko Tonari; 嘉津彦隣; Masayuki Sekiguchi; 雅行関口; Seiji Ogata; 誠司小方
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2005-06-15
Filing date: 2005-06-15
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2025-06-15
Also published as: JP5004318B2

Abstract

【課題】二方向でのイオンビームの平行化が可能となる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、イオンビームの進行方向に沿って磁極４１、４２、４５、４６の極性が変わる電磁石４３、４７を、イオンビームの軌道を挟んで極性の異なる磁極４１、４５、４２、４６が向き合うように対向配置すると共に、イオンビームの進行方向に対して所定の角度傾斜した端面４０ａ、４０ｂを有する１対の電磁石４３、４７よりなる磁場型レンズ４０を、平行化装置の下流側に配置した構成とした。
この場合、平行化装置の下流側に、静電レンズを配置するようにしても良い。
また、平行化装置と、磁場型レンズ４０、又は、静電レンズにより合成されるイオンビームの走査面に垂直な平面での入射側焦点に、その偏向中心を一致させるように第２の走査器を配置すると、イオンビームの二方向の平行化精度を一層向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、イオン注入装置に係り、特に、二方向のイオンビームの高精度平行化を可能としたイオン注入装置の改良に関する。

イオン源からのイオンを所望のエネルギーに加速し、半導体等の固体表面に注入する種々のタイプのイオン注入装置が実用に供されている（特許文献１乃至４参照）。
以下、従来のイオン注入装置の全体構成の一例について、図８を用いて説明する。
図８は、従来のイオン注入装置の概略構成を示す平面図である。

イオン注入装置１００の主要構成は、図８に示すように、イオン源１１０、質量分離器１２０、質量分離スリット１３０、加速管１４０、四重極レンズ１５０、走査器１６０、平行化装置１７０である。
なお、同図中１８０は、図示しないエンドステーションに配置されたイオンを注入するターゲットとなる半導体デバイス基板であり、以下、単に「基板」とのみいう場合がある。
また、Ｂは基板１８０に注入されるイオンであるが、以下、「イオンビーム」又は「ビーム」という場合がある。

イオン源１１０は、原子や分子から電子を剥ぎ取ってイオンを生成する装置である。
質量分離器１２０は、イオンや電子等の荷電粒子が磁場又は電場中で偏向される性質を利用して、磁場、或いは、電場、又は、その双方を発生して、基板１８０に注入したいイオン種を特定するための装置である。

加速管１４０は、質量分離スリット１３０を通過した所望のイオン種を加速又は減速する装置であるが、図８に示すように、通常は軸対象で、複数の電極対を等間隔に並べ、それらの電極対に等しい高電圧を印加して、静電界の作用により、イオンビームＢを所望の注入エネルギーに加速又は減速する。

走査器１６０は、イオンビームＢの進行方向と直交する方向に一様な外部電界を発生させ、この電界の極性や強度を変化させることにより、イオンの偏向角度を制御し、図８に示すように、基板１８０の注入面の所望の位置にイオンＢを走査し、均一に注入する。
また、図８では、簡略化のため水平方向にイオンビームＢを偏向する走査器１６０の１対の電極を示したが、この走査器１６０は、後述するように、垂直方向に偏向するもう１対の電極も有している。

平行化装置１７０は、荷電粒子であるイオンＢが磁場中で偏向される性質を利用して、イオンビームＢを構成する各イオンの経路の違いによって、ビームの広がりを抑えて、ビームＢを基板１８０に平行に入射させる電磁石である。
従って、以下、適宜、「平行化電磁石」という場合がある。

なお、図示は省略したが、高真空に保持されたチャンバーが、イオン源１１０から基板１８０まで配設され、イオンビームＢは、このチャンバー内をイオン源１１０から基板１８０まで進行する。

以上の構成において、次に、従来のイオン注入装置１００の基本動作を図８を用いて説明する。
従来のイオン注入装置１００では、基板１８０のイオンＢの注入全面に渡って、一様な密度で所定のイオン種を所定のエネルギーでイオン注入を行うために、イオン源１１０から、例えば、３０ｋｅＶ程度のエネルギーで引き出されたイオンビームＢは、質量分離器１２０で偏向され、質量分離スリット１３０で所定のイオン種のみが選別される。

選別されたイオンビームＢは、加速管１４０で１０〜５００ｋｅＶ程度のエネルギーに加速又は減速され、上記した水平、垂直方向にイオンビームＢを走査する２対の電極を有する静電タイプの走査器１６０で、例えば１ｋＨｚ程度の周期の外部電界を印加し、基板１８０の走査面に走査される。
なお、ここでは、説明のため、イオンビームＢは水平面内で走査されるとしている。
また、外部電界によりイオンビームＢをスキャンする静電タイプの走査器１６０を取り上げたが、走査器１６０には静電タイプの代わりに磁気タイプのものが用いられる場合がある。

また、図８に示すように、イオンビームＢの基板１８０上でのビーム形状を調整するために、加速管１４０と走査器１６０との間に四重極レンズ１５０等の調整装置を設置する場合が一般的である。

走査器１６０の下流側には、図８に示すように、ビームＢを平行にするための平行化装置１７０を設置する。
また、基板１８０は、イオンビームＢの光軸と走査面にそれぞれ直交する面内で、１Ｈｚ程度の速度で機械的に走査される。

特開平４−２５３１４９号特開平３−７１５４５号特開平１１−７９１５号特開平７−１０５９０１号

ところで、半導体デバイスの微細化が進むにつれ、半導体デバイス上の３次元構造による構造物壁の幅に対する高さ比率も増大し、同一半導体基板面内における、入射イオンビームの２次元的な平行性向上が求められている。

従来のイオン注入装置では、上述したように、半導体基板がイオンビームに対して平行にメカニカルにスキャンされているが、メカニカルスキャンされている方向におけるイオンビームの角度は不問にされている。
電磁石を用いたコリメータレンズでは、レンズ内の水平方向におけるイオンビームスキャン軌道に対して、垂直方向のレンズ作用が異なるため、実際には、垂直方向のイオンビーム角度がイオンビームスキャン位置において変化しているという問題を備えている。

半導体基板に対して、高精度に角度制御したイオンビームを注入するためには、ハイブリッドスキャン方式を例にとるならば、イオンビームをスキャンしている方向と、半導体基板をスキャンしている方向の両方向のイオンビーム角度（平行度）を管理し、平行度からのズレを最小とする必要があるが、従来装置では、制御、管理されていない。

また、従来技術の特許文献１乃至３の問題についても説明する。
先ず、特許文献１の発明では、イオンビームを平行にスキャンするための偏向レンズ内における磁場の均一領域に応じて、イオンビームのスキャン幅に対して、イオンビームのスキャン軸に対する平行度ズレが生じている。
この平行度ズレを小さくするには、広い領域に渡って偏向レンズの磁場が均一になる大型偏向レンズを使用すれば良いが、イオン注入装置が巨大化することになる。

次に、特許文献２の発明は、制限マスクを設け、イオンビームスキャンを微小角度とすることで、平行スキャンビームを得ることを目的としている。
ウェーハ面内を均一に注入するために、マスク開口領域のビームを相当数の重ね合わせ（塗り重ね）をしなければならず、メカニカルスキャンのみでは注入処理に時間が多く必要となり、生産性に欠けたものとなる。

次に、特許文献３の発明は、イオンビームはスキャンされずに固定として、基板をＸＹメカニカルスキャンするものであり、先の特許文献２と同様、ウェーハ面内の注入均一性を維持するためには注入処理時間が多く必要で、生産性に欠けている。

本発明は、上記従来の課題を解決し、二方向でのイオンビームの平行化が可能となる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又は減速し、走査器により基板の注入面にイオンビームを少なくとも一次元の面内で走査し、平行化装置により平行化して注入するイオン注入装置において、前記イオンビームの進行方向に沿って磁極の極性が変わる電磁石を、前記イオンビームの軌道を挟んで極性の異なる磁極が向き合うように対向配置すると共に、前記イオンビームの進行方向に対して所定の角度傾斜した端面を有する１対の電磁石よりなる磁場型レンズを、前記平行化装置の下流側に配置した構成とした。

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又は減速し、走査器により基板の注入面にイオンビームを少なくとも一次元の面内で走査して、平行化装置により平行化して注入するイオン注入装置において、前記イオンビームを挟んで電極が対称に配置された第１乃至第３の３対の電極を有し、前記第１及び第３の２対の電極は接地電位とし、前記第２の１対の電極は電位が制御可能とした静電レンズを、前記平行化装置の下流側に配置した構成とした。

請求項３に記載のイオン注入装置は、前記平行化装置と、前記磁場型レンズ、又は、前記静電レンズにより合成される前記イオンビームの走査面に垂直な平面での入射側焦点に、その偏向中心を一致させるように第２の走査器を配置した構成とした。

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及び２に記載したように構成すると、半導体デバイス基板上での照射位置に関わり無く、二方向において平行なイオン注入が実現できる。

（２）請求項３に記載したように構成すると、半導体デバイス基板上での照射位置に関わり無く、二方向において±０．２°程度以下の一層高精度の平行なイオン注入が実現できる。
（３）また、これにより、半導体デバイス上の三次元構造による構造物壁の幅に対する高さの比率が増大しても、同一の半導体デバイス基板におけるすべての領域にわたって、半導体デバイスの内壁にイオンビームの不要な照射をすることなく、必要なイオン注入を行うことが可能となる。

本発明のイオン注入装置の特徴は、イオンビームの二方向での平行化の実現にあるので、各実施の形態のイオン注入装置の説明の前に、イオンビームを平行にするための一般的な原理について、図７を用いて説明しておき、次に、本発明のイオン注入装置の第１及び第２の各実施の形態について、図１乃至図６を用いて説明するものとする。

先ず、イオンビームを平行にするための一般的な原理について、図７を用いて説明する。
図７は、イオンビームを平行にするための原理を説明するため、イオン注入装置の一部構成を示す側面図である。

イオンビームＢを広い範囲にわたって平行にしながら基板１８０に照射するためには、従来のイオン注入装置１００の構成の他に、原理的に図７のように構成することにより実現される。
図７において、２０は走査器、Ｆ１は走査器２０の偏向中心、３０はイオンビームに対して凸レンズ作用を持つ光学素子、１８０は半導体デバイス基板である。
ここで凸レンズ作用を持つ光学素子３０としては、平行化電磁石又は静電レンズなどが相当する。

図７に示すように、凸レンズ作用を持つ光学素子３０の入射側焦点を、走査器２０の偏向中心Ｆ１に一致させ、かつ偏向中心Ｆ１にフォーカスするようなイオンビームＢを入射させることにより、走査器２０での偏向角に依存せずに、基板１８０上にイオンビームＢが平行に照射される。

第１の実施の形態
次に、本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態を図１及び図２を用いて説明する。
図１は、本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態に用いられる磁場型レンズ４０の構造を示す側面図である。
図２は、本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態に用いられる磁場型レンズ４０の構造を示す平面図である。

本実施の形態のイオン注入装置の構成上の特徴は、従来のイオン注入装置１００（図８参照）において、平行化装置１７０の下流側に、図１及び図２に示した磁場型レンズ（以後、「可変縁磁場型レンズ」と呼ぶ）４０を配置した点にある。
そこで、以下、この可変縁磁場型レンズ４０の説明を中心に行い、それ以外の他の構成については、従来のイオン注入装置１００と同一構成のものを用いる関係上、その説明は割愛する。

先ず、可変縁磁場型レンズ４０の基本構成について、図１及び図２を用いて説明する。
図１及び図２では、イオンビームの進行方向をＺ軸、水平方向をＸ軸、垂直方向をＹ軸とする座標系を用いている。

可変縁磁場型レンズ４０の基本構成はイオンビームＢの進行方向（Ｚ軸）に沿って、磁極４１、４２、４５、４６の極性が変わる電磁石４３、４７を、イオンビームＢの軌道を挟んで極性の異なる磁極４１、４５及び磁極４２、４６が向き合うように対向配置したものである。
また、図２に示すように、可変縁磁場型レンズ４０の端面（縁）４０ａ、４０ｂは、イオンビームＢの進行方向に対して、所定の角度傾斜した形状を有している。
なお、図１において、４４、４８は、それぞれ一式の電磁石４３、４７を励磁するコイル、Ｐは、イオンビームＢの軌道を含む基準面である。

即ち、図１に示すように、励磁コイル４４により、電磁石４３を励磁し、イオンビームＢの上流側の磁極４１がＮ極とした場合、下流側の磁極４２はＳ極となる。
また、この電磁石４３に対向配置された電磁石４７の上流側磁極４５はＳ極、下流側磁極４６はＮ極となる。

以上の構成で、次に、可変縁磁場型レンズ４０のレンズ作用について説明する。
可変縁磁場型レンズ４０を励磁することにより発生する磁場は、図１で矢印で示すように、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄのような成分を持つ。
ここで、成分ＡとＢは強さが等しくかつ向きが逆なので、ここを通過するイオンビームＢは、軌道が若干ずれるが角度は変化しない。
従って、ＸＺ面でのレンズ作用は小さい。

これに対して、成分ＣとＤはその対称性から基準面Ｐ上ではゼロであり、基準面Ｐから離れるに従って強くなる。
第１近似としては、基準面Ｐからの距離に比例する。
また、成分ＣもしくはＤと通過するイオンビームＢとなす角度をΦとすると、発生するローレンツ力はｃｏｓΦに比例する。
従って、可変縁磁場型レンズ４０の端面（縁）４０ａ、４０ｂの形状を図２のようにイオンビームＢの進行方向に対して所定の角度傾斜させることにより、ＹＺ面でのレンズ作用を持たせることができる。

第２の実施の形態
次に、本発明のイオン注入装置の第２の実施の形態を図３及び図４を用いて説明する。
図３は、本発明のイオン注入装置の第２の実施の形態に用いられる静電レンズ５０の構造を示す側面図である。
図４は、本発明のイオン注入装置の第２の実施の形態に用いられる静電レンズ５０の構造を示す平面図である。

本実施の形態のイオン注入装置の構成上の特徴は、上述した第１の実施の形態と同様に、従来のイオン注入装置１００（図８参照）において、平行化装置１７０の下流側に、図３及び図４に示した静電レンズ（以後、「二次元アインツェルレンズ」と呼ぶ）５０を配置した点にある。
そこで、以下、この二次元アインツェルレンズ５０の説明を中心に行い、それ以外の他の構成については、従来のイオン注入装置と同一構成のものを用いる関係上、その説明は割愛する。

先ず、二次元アインツェルレンズ５０の基本構成について、図３及び図４を用いて説明する。
図３及び図４では、図１、図２と同様、イオンビームＢの進行方向をＺ軸、水平方向Ｘ軸、垂直方向をＹ軸とする座標系を用いている。

二次元アインツェルレンズ５０の基本構成はイオンビームＢの軌道を挟んで対称に、順に、第１乃至第３の３対の電極５２、５４、５６を配置し、第１及び第３の２対の電極５２、５６は接地電位とし、間の第２の１対の電極５４は電位が制御できるように構成されている。

以上の構成で、二次元アインツェルレンズ５０のレンズ作用について述べる。
本実施の形態のイオン注入装置に用いられる二次元アインツェルレンズ５０の発生する電場は、上記のように構成しているために、ＹＺ平面に限られ、イオンビームＢに対してＸ方向への力は生じない。
ＹＺ平面においてイオンビームＢに対して凸レンズ作用が生ずる理由は、通常の軸対称アインツェルレンズと同様である。
即ち、レンズ５０の入口と出口を同じ電位とし、端の２対の電極５２、５６は接地し、中央の電極５４に電位を与えることで、最終的にイオンビームＢは加速も減速もされずレンズの作用のみを受ける。
従って、二次元アインツェルレンズ５０によりＹＺ平面でのレンズ作用を持たせることができる。

次に、可変縁磁場型レンズ４０若しくは二次元アインツェルレンズ５０を追加することにより、二方向でのイオンビームＢの平行化が実現される原理を、図５及び図６を用いて説明する。
図５及び図６は、二方向でのイオンビームＢの平行化が実現される原理を説明するための図で、図５が側面図、図６が平面図である。
図５において、平行化装置１７０と基板１８０の間に設けられた本発明による可変縁磁場型レンズ４０もしくは二次元アインツェルレンズ５０による補正レンズ４０（５０）とする。

また、走査面が走査器２０での偏向面と直交する第２の走査器２２が設けられている。
上に述べたように、補正レンズ４０（５０）のレンズ作用はＹＺ面に限られている。
従って、図６に示したように、補正レンズ４０（５０）を追加しても、ＸＺ平面でのイオンビームＢの振る舞いは、従来のイオン注入装置１００と同じである。
平行化装置１７０の入射側および出射側の端部１７０ａ、１７０ｂの形状を最適化することにより、走査器２０の偏向中心Ｆ１を通過するイオンビームＢを平行にすることができる。

しかし、これに伴って平行化電磁石１７０はＹＺ平面に対してもレンズ作用を持つ。
従来のイオン注入装置１００においては、このレンズ作用は考慮されていなかった。
図５に示したように、本発明による補正レンズ４０（５０）と平行化電磁石１７０による合成されたＹＺ平面での凸レンズの入射側焦点に、第２の走査器２２の偏向中心Ｆ２を一致させ、ＹＺ面に関してここにフォーカスするイオンビームＢを入射させることにより、ＹＺ平面でのイオンビームＢを平行にすることができる。
従って、このような構成にすることにより、ＸＺ面およびＹＺ面での二方向において平行なイオンビームＢが得られる。

従来のイオン注入装置１００では、上記したように、イオンビームＢの平行度については一方向についてしか考慮されていなかった。
しかし、本発明によれば、基板１８０上での照射位置に関わり無く、二方向において±０．２°程度以下の平行なイオン注入が実現できる。
これにより、半導体デバイス上の三次元構造による構造物壁の幅に対する高さの比率が増大しても、同一の半導体基板１８０におけるすべての領域にわたって、半導体デバイスの内壁にイオンビームＢの不要な照射をすることなく、必要なイオン注入を行うことが可能となる。

本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態に用いられる磁場型レンズの構造を示す側面図である。本発明のイオン注入装置の第１の実施の形態に用いられる磁場型レンズの構造を示す平面図である。本発明のイオン注入装置の第２の実施の形態に用いられる静電レンズの構造を示す側面図である。本発明のイオン注入装置の第２の実施の形態に用いられる静電レンズの構造を示す平面図である。二方向でのイオンビームの平行化が実現される原理を説明するための側面図である。二方向でのイオンビームの平行化が実現される原理を説明するための平面図である。イオンビームを平行にするための原理を説明するため、イオン注入装置の一部構成を示す側面図である。従来のイオン注入装置の概略構成を示す平面図である。

符号の説明

２０：走査器
２２：第２の走査器
４０：磁場型レンズ
４０ａ、４０ｂ：電磁石の端面
４１、４２、４５、４６：磁極
４３、４７：電磁石
４４、４８：コイル
５０：静電レンズ
５２、５４、５６：第１乃至第３の電極
１００：イオン注入装置
１１０：イオン源
１７０：平行化装置（平行化電磁石）
１８０：基板
Ｂ：イオンビーム

Claims

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又は減速し、走査器により基板の注入面にイオンビームを少なくとも一次元の面内で走査し、平行化装置により平行化して注入するイオン注入装置において、
前記イオンビームの進行方向に沿って磁極の極性が変わる電磁石を、前記イオンビームの軌道を挟んで極性の異なる磁極が向き合うように対向配置すると共に、前記イオンビームの進行方向に対して所定の角度傾斜した端面を有する１対の電磁石よりなる磁場型レンズを、前記平行化装置の下流側に配置したことを特徴とするイオン注入装置。
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又は減速し、走査器により基板の注入面にイオンビームを少なくとも一次元の面内で走査して、平行化装置により平行化して注入するイオン注入装置において、
前記イオンビームを挟んで電極が対称に配置された第１乃至第３の３対の電極を有し、前記第１及び第３の２対の電極は接地電位とし、前記第２の１対の電極は電位が制御可能とした静電レンズを、前記平行化装置の下流側に配置したことを特徴とするイオン注入装置。
前記平行化装置と、前記磁場型レンズ、又は、前記静電レンズにより合成される前記イオンビームの走査面に垂直な平面での入射側焦点に、その偏向中心を一致させるように第２の走査器を配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載のイオン注入装置。