JP2007035370A

JP2007035370A - イオンビーム照射装置および半導体デバイスの製造方法

Info

Publication number: JP2007035370A
Application number: JP2005214662A
Authority: JP
Inventors: Junzo Ishikawa; 順三石川; Yasuhito Goto; 康仁後藤; Koji Matsuda; 耕自松田; Shigeki Sakai; 滋樹酒井
Original assignee: Kyoto University; Nissin Ion Equipment Co Ltd
Current assignee: Kyoto University; Nissin Ion Equipment Co Ltd
Priority date: 2005-07-25
Filing date: 2005-07-25
Publication date: 2007-02-08

Abstract

【課題】外部から供給した電子によって輸送中のイオンビームの空間電荷を効率良く中和することによって、イオンビームの発散を抑制し、イオンビームの輸送効率を向上させる。
【解決手段】このイオンビーム照射装置は、イオンビーム４の経路の側方に配置されていて電子４２をイオンビーム４の経路に向けて放出する電界放出型電子源３０と、少なくとも電界放出型電子源３０にイオンビーム４の経路を挟んで対向する位置に配置されていて電界放出型電子源３０から供給された電子４２を静電的に追い返す追い返し電極６０と、イオンビーム４の経路であって電界放出型電子源３０から電子４２が供給される領域を含む領域に、イオンビーム４の経路に沿う方向の磁界Ｂ₁を発生させるコイル６６とを備えている。追い返し電源６２を用いて、電界放出型電子源３０のカソード基板３２に対する追い返し電極６０の電位を第２引出し電極４４の電位よりも低く保つ。
【選択図】図３

Description

この発明は、イオン源から引き出したイオンビーム（この明細書では正イオンビーム）をターゲットに照射してイオン注入等の処理を施すイオンビーム照射装置およびそれを用いた半導体デバイスの製造方法に関する。イオン注入を行う場合は、このイオンビーム照射装置はイオン注入装置とも呼ばれる。

従来のイオンビーム照射装置の一例を図１に示す。このイオンビーム照射装置は、イオン源２から引き出したイオンビーム４をターゲット１６に照射する構成をしている。ターゲット１６は、例えば半導体基板である。より具体例を挙げれば、シリコン基板である。

より具体的には、このイオンビーム照射装置は、特許文献１にも記載されているように、イオンビーム４を引き出すイオン源２と、それから引き出されたイオンビーム４から特定のイオン種を選別して導出する質量分離マグネット６と、それから導出されたイオンビーム４を加速または減速する加減速管８と、それから導出されたイオンビーム４から特定エネルギーのイオンを選別して導出するエネルギー分離マグネット１０と、それから導出されたイオンビーム４を磁界によってＸ方向（例えば水平方向）に走査する走査マグネット１２と、それから導出されたイオンビーム４を曲げ戻して走査マグネット１２と協働してイオンビーム４の平行走査を行う、即ち平行なイオンビーム４を作る平行化マグネット１４とを備えている。

平行化マグネット１４から導出されたイオンビーム４は、処理室２０内のホルダ１８に保持されたターゲット１６に照射され、それによってターゲット１６に対してイオン注入等の処理が施される。その際、ターゲット１６は、この例では図示しない走査機構によって、前記Ｘ方向と実質的に直交するＹ方向（例えば垂直方向）に往復駆動される。このターゲット１６の往復駆動とイオンビーム４の走査との協働によって、ターゲット１６の全面に均一性良くイオン注入等の処理を施すことができる。なお、イオンビーム４の経路は全て真空雰囲気に保たれる。

上記のようなイオンビーム照射装置において、ターゲット１６に照射するビーム電流増大のためには、イオン源２からターゲット１６までのイオンビーム４の輸送効率を高くすることが有効であるが、このビーム輸送効率を下げる大きな要因の一つに、イオンビーム４の空間電荷による発散がある。これは、イオンビーム４を構成するイオンが同極性（正極性）電荷のために相互に反発し合い、それによってイオンビーム４が発散することである。

このような空間電荷によるイオンビーム４の発散は、イオンビーム４が低エネルギーかつ大電流の場合ほど大きくなる。これは、大電流だとイオンの密度が濃くなり、低エネルギーだとイオンの速度が小さくてイオンビーム相互が反発する時間が長くなり、いずれもイオン同士の反発力を大きくするからである。

上記課題を解決する手段の一つとして、輸送中のイオンビーム４に外部から電子を供給することによって、当該イオンビーム４の空間電荷を中和することが考えられる。

例えば、特許文献２には、低エネルギーの電子を多量に発生させることができる電子源として、電界放出型電子源を用いて、イオンビーム照射の際のターゲット表面の帯電（チャージアップ）を抑制する技術が記載されており、このような電界放出型電子源を、輸送中のイオンビーム４の空間電荷中和に利用することが考えられる。

特開２００１−１４３６５１号公報（段落０００４−００５０、図１）特開２００５−２６１８９号公報（段落０００７−０００９、図１）

しかし、上記特許文献２に記載の電界放出型電子源から放出させた電子を単に輸送中のイオンビーム４に供給しても、イオンビーム４の空間電荷を効率良く中和することは難しい。なぜなら、上記電界放出型電子源からイオンビーム４に向けて電子を放出しても、当該電子の多くは、当該電子が持つ運動エネルギーによって、あるいはイオンビーム４が持つビームポテンシャルによる加速も加わって、イオンビーム４を通り抜けてしまい、そのために上記電子のイオンビーム４中での存在確率が低く、従ってイオンビーム４の空間電荷を効率良く中和することが難しいからである。

そこでこの発明は、外部から供給した電子によって輸送中のイオンビームの空間電荷を効率良く中和することによって、イオンビームの発散を抑制し、イオンビームの輸送効率を向上させることを主たる目的としている。

この発明に係る第１のイオンビーム照射装置は、イオン源とターゲットとの間におけるイオンビームの経路の側方に配置されていて電子をイオンビームの経路に向けて放出する電子源であって、導電性のカソード基板上に形成されていて先端が尖った形状をした多数の微小なエミッタと、この各エミッタの先端付近を微小な間隙をあけて取り囲む第１引出し電極と、この第１引出し電極に沿って設けられていて多数の小孔を有する第２引出し電極とを有する電界放出型電子源と、前記電界放出型電子源のカソード基板と第１引出し電極との間に後者を正極側にして直流の第１引出し電圧を印加する第１引出し電源と、前記電界放出型電子源のカソード基板と第２引出し電極との間に後者を正極側にして直流の第２引出し電圧を印加する第２引出し電源と、少なくとも前記電界放出型電子源にイオンビームの経路を挟んで対向する位置に配置されていて、前記電界放出型電子源から供給された電子を追い返すものであって非磁性体から成る追い返し電極と、前記追い返し電極と前記電界放出型電子源のカソード基板との間に直流の追い返し電圧を印加して、カソード基板に対する前記追い返し電極の電位を前記第２引出し電極の電位よりも低くする追い返し電源と、前記イオンビームの経路であって前記電界放出型電子源から電子が供給される領域を含む領域に、イオンビームの経路に沿う方向の磁界を発生させるコイルと、前記コイルを励磁する直流のコイル電源とを備えていることを特徴としている。

この第１のイオンビーム照射装置においては、電界放出型電子源から低い電圧で多量の電子を放出させることができる。しかも、電界放出型電子源から放出させた電子を、追い返し電極によって静電的にイオンビームの経路の方へ追い返すことができる。更に、コイルによって発生させた磁界によって、イオンビームの経路中やその付近において電子に回転運動を与えることができる。これらの作用の相乗効果によって、電界放出型電子源から供給した電子のイオンビーム中での軌道を長くして、当該電子のイオンビーム中での存在確率を高くすることができるので、輸送中のイオンビームの空間電荷を効率良く中和することができる。

前記コイルは、中をイオンビームがそれぞれ通るものであってイオンビームの経路に沿う方向に互いに間隔をあけて設けられた対を成す環状のコイルから成り、前記電界放出型電子源は、当該対を成すコイルの間から電子をイオンビームの経路に向けて放出するように配置されていても良い。

この発明に係る第２のイオンビーム照射装置は、イオン源とターゲットとの間におけるイオンビームの経路の側方に配置されていて電子をイオンビームの経路に向けて放出する電子源であって、導電性のカソード基板上に形成されていて先端が尖った形状をした多数の微小なエミッタと、この各エミッタの先端付近を微小な間隙をあけて取り囲む第１引出し電極と、この第１引出し電極に沿って設けられていて多数の小孔を有する第２引出し電極とを有する電界放出型電子源と、前記電界放出型電子源のカソード基板と第１引出し電極との間に後者を正極側にして直流の第１引出し電圧を印加する第１引出し電源と、前記電界放出型電子源のカソード基板と第２引出し電極との間に後者を正極側にして直流の第２引出し電圧を印加する第２引出し電源と、少なくとも前記電界放出型電子源にイオンビームの経路を挟んで対向する位置に配置されていて、前記電界放出型電子源から供給された電子を追い返すものであって非磁性体から成る追い返し電極と、前記追い返し電極と前記電界放出型電子源のカソード基板との間に直流の追い返し電圧を印加して、カソード基板に対する前記追い返し電極の電位を前記第２引出し電極の電位よりも低くする追い返し電源と、前記イオンビームの経路であって前記電界放出型電子源から電子が供給される領域を含む領域に、イオンビームの経路に交差する方向の磁界を発生させるコイルと、前記コイルを励磁する直流のコイル電源とを備えていることを特徴としている。

この第２のイオンビーム照射装置は、上記第１のイオンビーム照射装置とはコイルが発生する磁界の方向が異なるけれども、上記第１のイオンビーム照射装置とほぼ同様の作用を奏する。

第２のイオンビーム照射装置を構成する前記コイルは、イオンビームの経路に沿ってそれぞれ巻かれていてイオンビームの経路を挟んで相対向させて配置された対を成すコイルから成り、前記電界放出型電子源は、当該対を成すコイルの間から電子をイオンビームの経路に向けて放出するように配置されていても良い。

上記第１および第２のイオンビーム照射装置のいずれにおいても、以下の構成を更に採用しても良い。

即ち、前記追い返し電極は、前記電界放出型電子源の正面に配置された第１追い返し電極と、当該第１追い返し電極の側方に配置された複数の第２追い返し電極とから成っていても良い。

前記第１追い返し電極に対する前記第２追い返し電極の電位を調整する電位調整手段を更に備えていても良い。

前記追い返し電極および前記コイルは、前記イオンビームの経路を真空雰囲気に保つ真空容器内に配置されており、かつ前記追い返し電極および前記コイルは、前記ターゲットと同じまたは同系の材質から成る膜または薄板で覆われていても良い。

前記電界放出型電子源を、前記イオンビームの経路に沿って複数個配置しておいても良い。

また、前記ターゲットを半導体基板とし、上記イオンビーム照射装置を用いて、当該半導体基板に前記イオンビームを照射してイオン注入を行って、当該半導体基板上に複数の半導体デバイスを製造しても良い。

請求項１〜４に記載の発明によれば、電界放出型電子源から低い電圧で多量の電子を放出させることができる。しかも、電界放出型電子源から放出させた電子を、追い返し電極によって静電的にイオンビームの経路の方へ追い返すことができる。更に、コイルによって発生させた磁界によって、イオンビームの経路中やその付近において電子に回転運動を与えることができる。これらの作用の相乗効果によって、電界放出型電子源から供給した電子のイオンビーム中での軌道を長くして、当該電子のイオンビーム中での存在確率を高くすることができるので、輸送中のイオンビームの空間電荷を効率良く中和することができる。その結果、輸送中のイオンビームの発散を抑制し、イオンビームの輸送効率を向上させることができる。

請求項５に記載の発明によれば、電界放出型電子源から放出させた電子を、第１追い返し電極によってだけではなく、複数の第２追い返し電極によっても静電的に追い返すことができるので、上記電子のイオンビーム中での存在確率をより高くすることができる。その結果、輸送中のイオンビームの空間電荷をより効率良く中和して、イオンビームの発散をより抑制し、イオンビームの輸送効率をより向上させることができる。

請求項６に記載の発明によれば、第２追い返し電極の電位を電位調整手段によって調整することによって、第２追い返し電極による電子の追い返しの程度を調整することができるので、電界放出型電子源から放出させた電子によるイオンビームの空間電荷の中和の程度を調整して、当該中和をより最適なものにすることができる。その結果、イオンビームの発散をより抑制し、イオンビームの輸送効率をより向上させることができる。

請求項７に記載の発明によれば、イオンビームの経路を真空雰囲気に保つ真空容器内に配置された追い返し電極およびコイルは、ターゲットと同じまたは同系の材質から成る膜または薄板で覆われているので、当該膜または薄板からその構成粒子が飛び出してターゲットに到達したとしても、ターゲットにそれと同じまたは同系の粒子が付着するだけである。従って、追い返し電極およびコイルを上記膜または薄板で覆っていない場合に比べて、ターゲットに対するコンタミネーション（汚染）の問題を遙かに少なくすることができる。

請求項８に記載の発明によれば、電界放出型電子源をイオンビームの経路に沿って複数個配置しているので、イオンビームの空間電荷を、より長い領域に亘って効率良く中和することができる。その結果、イオンビームの発散をより抑制し、イオンビームの輸送効率をより向上させることができる。

請求項９に記載の発明によれば、空間電荷が中和されて発散の少ないイオンビームを用いて、半導体基板上に複数の半導体デバイスを製造することができるので、同一の半導体基板上に特性の揃った複数の半導体デバイスを製造することができる。その結果、歩留まりが向上し、半導体デバイスの生産効率が向上する。

図２は、この発明に係るイオンビーム照射装置の一実施形態を部分的に示す側面図である。図３は、図２の装置の線Ｈ−Ｈに沿う断面図であり、電界放出型電子源は拡大すると共に大幅に簡略化して示している。両図中の矢印Ｚは、イオンビーム４の進行方向の一例を示すが、イオンビーム４の進行方向は図示例とは逆でも良い。図４および図５に示す実施形態においても同様である。なお、イオン源からターゲットまでの公知の機器構成は、例えば、図１を参照して先に説明したものと同様であるのでそれを参照するものとし、以下においては重複説明を省略する。

このイオンビーム照射装置は、前記イオン源２とターゲット１６との間におけるイオンビーム４の経路の側方の近傍に配置されていて、電子４２をイオンビーム４の経路に向けて放出する電界放出型電子源３０を備えている。なお、図３においては、電界放出型電子源３０から放出された電子４２の一部を模式的に図示している。図５においても同様である。また、この電界放出型電子源３０等を、イオン源２からターゲット１６までの間のどの辺りの場所に設けるのが良いかについては後述する。

この明細書で「イオンビームの経路の側方」とは、イオンビーム４の経路の左右の方向に限定されるものではなく、上下の方向でも良いし、斜めの方向でも良い。また、この図２および図３に示す実施形態では、電源５６、５８、６２、６４、６５、６８以外は、全て、イオンビーム４の経路を真空雰囲気に保つ真空容器（図示省略）内に配置されている。図４および図５に示す実施形態も同様てある。

電界放出型電子源３０は、イオンビーム４の経路にできるだけ近づけて配置するのが好ましい。その方が、電界放出型電子源３０から放出された電子４２をイオンビーム４により効率良く供給することができるからである。

電界放出型電子源３０は、図７にその一部分を拡大して示すように、導電性のカソード基板３２と、このカソード基板３２の表面に形成されていて先端が尖った形状をした多数の微小なエミッタ３４と、この各エミッタ３４の先端付近を微小な間隙４１をあけて取り囲む、各エミッタ３４に共通の第１引出し電極（ゲート電極とも呼ばれる）３８と、この第１引出し電極３８とカソード基板３２との間に設けられていて両者間を絶縁する絶縁層３６と、第１引出し電極３８よりも電子４２の放出方向側に第１引出し電極３８に沿って設けられていて多数の小孔４６を有する第２引出し電極４４とを備えている。第１引出し電極３８と第２引出し電極４４との間は、空間または図示しない絶縁層等を介して電気的に絶縁されている。

上記のような構造の電界放射型電子源３０は、例えば、半導体デバイスの製造プロセスと同様の製造プロセスを用いて、より具体的にはエッチングプロセスおよび薄膜形成プロセス等を用いて、簡単に製造することができる。

カソード基板３２は、例えばシリコン基板（より具体的には単結晶シリコン基板）であるが、その他の導電性材料、例えば金属から成るものでも良い。また、絶縁性の基板の表面にシリコン（より具体的には単結晶シリコン）等の導電性膜（層）を形成して表層部のみが導電性を有する構造のものでも良い。

各エミッタ３４は、例えばシリコン（より具体的には単結晶シリコン）から成るが、その他の導電性材料、例えば金属から成るものでも良い。各エミッタ３４は、図７に示すように、上記カソード基板３２の表面に、当該カソード基板３２と一体的に形成しても良い。いずれにしても、カソード基板３２と各エミッタ３４とは電気的に導通状態にある。

各エミッタ３４は、先端が鋭く尖った形状をしている。換言すれば、先端ほど尖った形状をしている。図７に示した例は円錐状をしているが、それ以外に角錐状等の形状をしていても良い。

各エミッタ３４は、微小なものである。微小というのは、簡単に言えば、μｍ単位の大きさということである。具体例を示せば、各エミッタ３４の基底部の直径Ｄ₁は、約０．５μｍ〜３μｍ程度である。各エミッタ３４の高さ（カソード基板３２から先端までの高さ）は、約０．５μｍ〜３μｍ程度である。

このようなエミッタ３４をカソード基板３２上に多数形成している。多数というのは、数十個〜数百個というような数ではなく、簡単に言えば、少なくとも１万個程度以上ということである。具体例を示せば、この実施形態の電界放射型電子源３０は、図６に示すように、１個の電界放射型電子源３０内に、６個の電子源アレイ５２を有しており、各電子源アレイ５２はそれぞれ１６，０００個のエミッタ３４を有している。従って、合計で９６，０００個のエミッタ３４を有している。なお、図６中の５０はケースであり、その直径は例えば６ｍｍ〜２０ｍｍ程度であり、この電界放射型電子源３０は非常に小型にユニット化されている。５４はピン端子である。

再び図７を参照して、第１引出し電極３８は、例えば、リン（Ｐ）をドープした多結晶シリコンから成るが、その他の導電性材料、例えば金属から成るものでも良い。この第１引出し電極３８は、各エミッタ３４に対応する位置に微小な小孔４０を有している。各小孔４０は、例えば円形をしており、この各小孔４０の中心部に各エミッタ３４の先端付近が、小孔４０の内壁との間に微小な間隙４１をあけて位置している。ここでも微小というのは、簡単に言えば、前記と同様、μｍ単位の寸法ということである。具体例を示せば、各小孔４０の直径は、約０．５μｍ〜３μｍ程度である。従って各間隙４１の寸法は、それよりも小さく、約０．２５μｍ〜１．５μｍ程度である。

絶縁層３６は、例えば二酸化シリコン（ＳiＯ₂）から成るが、その他の絶縁材から成るものでも良い。

第２引出し電極４４も、例えば、第１引出し電極３８と同様の材質から成る。第２引出し電極４４の小孔４６は、図７の例では、第１引出し電極３８の小孔４０と１対１で対応する位置に設けられているが、必ずしもそのようにする必要はない。第２引出し電極４４は第１引出し電極３８と違ってエミッタ３４から電子４２を電界放出させるためのものではなく、放出された電子４２のエネルギーを制御するためのものだからである。例えば、第２引出し電極４４の各小孔４６を第１引出し電極３８の小孔４０よりもかなり大きくして、多数の小孔４０（ひいてはエミッタ３４）に対して一つの小孔４６を対応させるようにしても良く、通常はそのようにしている。この第２引出し電極４４は、必要に応じて平面的に分割されていても良い。但し電気的には互いに導通させておく。

上記各エミッタ３４は、ターゲット１６と同じまたは同系の材質から成るのが好ましい。例えば、ターゲット１６がシリコン基板の場合は、各エミッタ３４もシリコンまたはシリコン系の材質から成るものが好ましい。そのようにすると、各エミッタ３４からその構成粒子（シリコン）が飛び出してターゲット１６に到達したとしても、ターゲット１６にそれと同系の粒子が付着するだけであるので、コンタミネーションの問題を少なくすることができる。カソード基板３２、絶縁層３６、第１引出し電極３８、第２引出し電極４４についても同様である。そのために、上においては、これらの材質の例として、シリコンまたはシリコン系を第１に挙げている。

再び図３を参照して、電界放出型電子源３０のカソード基板３２（換言すれば、当該カソード基板３２と導通状態にある各エミッタ３４）と第１引出し電極３８との間には、第１引出し電極３８を正極側にして直流の第１引出し電圧Ｖ₁を印加する第１引出し電源５６が接続されている。例えば、カソード基板３２は図６に示すどれかのピン端子５４を経由して第１引出し電源５６に接続され、第１引出し電極３８は他のピン端子５４を経由して第１引出し電源５６に接続される。カソード基板３２と第２引出し電極４４との間には、第２引出し電極４４を正極側にして直流の第２引出し電圧Ｖ₂を印加する第２引出し電源５８が接続されている。この第２引出し電極４４は、例えば、図６に示した上記とは別のピン端子５４を経由して第２引出し電源５８に接続される。

カソード基板３２は、どこかの基準電位部に接続しておけば良い。例えば、イオンビーム４の経路を真空雰囲気に保つ前記真空容器と同様に、接地電位部に接続して接地電位にしておけば良い。

上記電界放出型電子源３０においては、上記第１引出し電圧Ｖ₁を印加すると、各エミッタ３４の先端部に電界が集中し、電界放出現象により、各エミッタ３４の先端から法線方向に電子４２が放出される。

その場合、各エミッタ３４は上記のように微小でしかも先端が鋭く尖った形状をしており、かつその先端付近を取り囲む第１引出し電極３８との間隙４１も微小であるので、各エミッタ３４の先端部に電界が強く集中する。従って、低い第１引出し電圧Ｖ₁で電子４２を放出させることができる。例えば、１００Ｖ±９０Ｖ程度の低い第１引出し電圧Ｖ₁で電子４２を放出させることができる。この第１引出し電圧Ｖ₁の大きさによって、各エミッタ３４から放出させる電子４２の量および初期エネルギーを調整することができる。

しかも、上記のように多数のエミッタ３４を有しているので、電子４２を多量に放出させることができる。例えば、図６を参照して具体例を示した電界放出型電子源３０では、上記のような低い第１引出し電圧Ｖ₁で、１個の電子源アレイ５２から１００μＡ〜１ｍＡ程度、従ってそれを６個有する電界放出型電子源３０からは６００μＡ〜６ｍＡ程度の電子４２を放出させることができる。また、後述するように必要に応じてこのような電界放出型電子源３０を複数個設ければ、その分、電子４２の放出量を増やすことができる。

第２引出し電極４４に印加する第２引出し電圧Ｖ₂によって、電界放出型電子源３０から放出する電子４２の最終的なエネルギーを調整することができる。この第２引出し電圧Ｖ₂の大きさは特定の範囲に限定されるものではない。例えば、Ｖ₂＞Ｖ₁の場合（簡単に言えば加速モードの場合）、電子４２のエネルギーが大きくなり電子４２の直進性は高いけれども、電子４２はイオンビーム４をより短時間で通過するのでイオンビーム４の空間電荷中和の作用は減少する。反対にＶ₂＜Ｖ₁の場合（簡単に言えば減速モードの場合）、電子４２のエネルギーが小さくなり電子４２の直進性は劣るけれども、電子４２はイオンビーム４中により長時間滞在するのでイオンビーム４の空間電荷中和の作用は増大する。

再び図２、図３を参照して、このイオンビーム照射装置は、更に、少なくとも電界放出型電子源３０にイオンビーム４の経路を挟んで対向する位置に配置されていて、電界放出型電子源３０から供給された電子４２を静電的に追い返す追い返し電極６０と、この追い返し電極６０と電界放出型電子源３０のカソード基板３２との間に直流の追い返し電圧Ｖ₃を印加して、カソード基板３２に対する追い返し電極６０の電位を、カソード基板３２に対する第２引出し電極４４の電位よりも低くする直流の追い返し電源６２とを備えている。そのためにこの例では、Ｖ₃＜Ｖ₂にしている。

なお、必要に応じて、追い返し電源６２の極性を図示とは反転させても良い。そのようにすれば、カソード基板３２に対する追い返し電極６０の電位を第２引出し電極４４の電位よりもより一層低くして、追い返し電極６０による電子４２の静電的な追い返し作用をより強くすることができる。そのために、追い返し電源６２を両極性電源にしても良い。図４、図５に示す実施形態においても同様である。

追い返し電極６０は、例えばアルミニウム、銅等の非磁性体から成る。後述するコイル６６が発生する磁界Ｂ₁を乱さないためである。後述する第１追い返し電極６０ａ、第２追い返し電極６０ｂ、６０ｃも同様である。

上記のような電位の追い返し電極６０によって、電界放出型電子源３０から放出されイオンビーム４の経路を通り抜けた電子４２を、例えば図３中に矢印Ｃ、Ｄで模式的に示すように、イオンビーム４の経路の方へ静電的に追い返すことができる。

追い返し電極６０は、イオンビーム４の近くに、しかもイオンビーム４の周辺部が当たらない位置に設けておくのが好ましい。そのようにすれば、イオンビーム４によるスパッタを防止しつつ、電子４２をイオンビーム４のすぐ近くから効率良くイオンビーム４の方へ追い返すことができる。そのためには、追い返し電極６０は、この実施形態のように、コイル６６よりも内側に設けておくのが好ましい。図４、図５に示す実施形態においても同様である。

また、追い返し電極６０は、イオンビーム４の経路に沿ってできるだけ長く配置しておくのが好ましい。そのようにすれば、イオンビーム４の経路に沿う長い領域において電子４２をイオンビーム４の方へ効率良く追い返すことができる。図４、図５に示す実施形態においても同様である。

このイオンビーム照射装置は、更に、上記イオンビーム４の経路であって電界放出型電子源３０から電子４２が供給される領域を含む領域に、イオンビーム４の経路に沿う方向の磁界Ｂ₁を発生させるコイル６６と、このコイル６６を励磁して上記磁界Ｂ₁を発生させる直流のコイル電源６８とを備えている。但し、磁界Ｂ₁の向きは、図示例とは逆でも良い。

上記コイル６６は、この実施形態では、中をイオンビーム４がそれぞれ通るものであってイオンビーム４の経路に沿う方向に互いに間隔をあけて設けられた対を成す環状のコイル６６であり、電界放出型電子源３０は、この対を成すコイル６６の間から電子４２をイオンビーム４の経路に向けて放出するように配置されている。対を成すコイル６６は、互いに同方向の磁界Ｂ₁を発生させる。

コイル６６によって上記のような磁界Ｂ₁を発生させると、電界放出型電子源３０から放出され、追い返し電極６０による追い返しを受ける前および受けた後の電子４２は、図３中に矢印Ｅで模式的に示すように、紙面に平行な面内でサイクロトロン運動をする。即ち、磁界Ｂ₁によって、イオンビーム４の経路中やその付近において電子４２に回転運動を与えることができる。

従ってこのイオンビーム照射装置によれば、電界放出型電子源３０から低い電圧で低エネルギーの電子４２を多量に放出させることができる。しかも、電界放出型電子源３０から放出させた電子４２を、追い返し電極６０によって静電的にイオンビーム４の経路の方へ追い返すことができる。更に、コイル６６によって発生させた磁界Ｂ₁によって、イオンビーム４の経路中やその付近において電子４２に回転運動を与えることができる。これらの作用の相乗効果によって、電界放出型電子源３０から供給した電子４２のイオンビーム４中での軌道を長くして（伸ばして）、当該電子４２のイオンビーム４中での存在確率を高くすることができるので、輸送中のイオンビーム４の空間電荷を効率良く中和することができる。その結果、イオンビーム４の発散を抑制し、イオンビーム４の輸送効率を向上させることができる。

なお、追い返し電極６０は、電界放出型電子源３０の正面にのみ配置しても良いけれども、イオンビーム４の経路の周りをできるだけ広く取り囲むのが好ましい。そのようにすると、より広い範囲で電子４２を追い返すことができるので、電子４２のイオンビーム４中での存在確率をより高くして、イオンビーム４の空間電荷をより効率良く中和することができる。その場合、追い返し電極６０は一つの筒状のものでも良いけれども、複数個に分割しておくのが好ましい。そのようにすると、各追い返し電極間で電位を異ならせて、電子４２の追い返しの程度を調整することができるので、電子４２のイオンビーム４中での存在確率をより高くして、イオンビーム４の空間電荷をより効率良く中和することができる。

上記のようにする一例としてこの実施形態では、追い返し電極６０を、電界放出型電子源３０の正面に配置された第１追い返し電極６０ａと、第１追い返し電極６０ａの側方に配置された複数の（この例では二つの）第２追い返し電極６０ｂ、６０ｃとで構成している。二つの第２追い返し電極６０ｂ、６０ｃは、電界放出型電子源３０の中心と第１追い返し電極６０ａの中心とを結ぶ線に対してほぼ対称に配置しておくのが好ましく、この実施形態ではそのようにしている。そのようにすると、第１追い返し電極６０から上記線に対してほぼ対称に追い返された電子４２をより効率良くイオンビーム４の経路に向けて再び追い返すことができる。

第１追い返し電極６０ａと、二つの第２追い返し電極６０ｂ、６０ｃとは互いに同電位にしても良いけれども、第１追い返し電極６０ａに対する第２追い返し電極６０ｂ、６０ｃの電位を調整する電位調整手段を設けておくのが好ましい。

そのようにすると、第２追い返し電極６０ｂ、６０ｃの電位を電位調整手段によって調整することによって、第２追い返し電極６０ｂ、６０ｃによる電子の追い返しの程度を調整することができるので、電界放出型電子源３０から放出させた電子４２によるイオンビーム４の空間電荷の中和の程度を調整して、当該中和をより最適なものにすることができる。

上記のような電位調整手段として、この実施形態では、第１追い返し電極６０ａと第２追い返し電極６０ｂ、６０ｃとの間に直流の電位調整電源６４、６５をそれぞれ設けている。この電位調整電源６４、６５によって、第２追い返し電極６０ｂ、６０ｃの電位を第１追い返し電極６０ａの電位よりも低く設定するのが好ましい。そのようにすれば、第１追い返し電極６０ａから追い返された電子４２を、第２追い返し電極６０ｂ、６０ｃによってより効率良くイオンビーム４の経路の方へ追い返すことができる。

上記追い返し電極６０、第１追い返し電極６０ａ、第２追い返し電極６０ｂ、６０ｃによる電子４２の追い返しの程度は、例えば追い返し電源６２から出力する追い返し電圧Ｖ₃によって、更に電位調整電源６４、６５を設けている場合はそれらから出力する電圧によっても、調整することができる。それによって、電子４２によるイオンビーム４の空間電荷の中和作用を最適化することができる。

上記のような電界放出型電子源３０をイオンビーム４の経路に沿って複数個配置しても良い。そのようにすれば、イオンビーム４の空間電荷をより長い領域に亘って効率良く中和することができる。その結果、イオンビーム４の発散をより抑制し、イオンビーム４の輸送効率をより向上させることができる。

電界放出型電子源３０を上記のようにイオンビーム４の経路に沿って複数個配置する場合は、その両側の対を成すコイル６６も電界放出型電子源３０の数に応じて設けるのが好ましい。また、追い返し電極６０（複数に分けている場合は６０ａ〜６０ｃ。以下同様）は、電界放出型電子源３０の数に応じた数をイオンビーム４の経路に沿って並べても良いし、それらを一体化してイオンビーム４の経路に沿って長く伸びたものとしても良い。

図４は、この発明に係るイオンビーム照射装置の他の実施形態を部分的に示す側面図である。図５は、図４の装置の線Ｉ−Ｉに沿う断面図であり、電界放出型電子源はブロックに簡略化すると共に、引出し電源の図示を省略している。以下においては、上記図２、図３に示した実施形態との相違点を主体に説明する。簡単に言えば、両実施形態は、コイルによって発生させる磁界の方向が約９０度異なる。

即ち、このイオンビーム照射装置は、上記コイル６６およびコイル電源６８に代えて、上記イオンビーム４の経路であって上記電界放出型電子源３０から電子４２が供給される領域を含む領域に、イオンビーム４の経路に交差する方向の磁界Ｂ₂を発生させるコイル７０と、このコイル７０を励磁して上記磁界Ｂ₂を発生させる直流のコイル電源７２とを備えている。但し、磁界Ｂ₂の向きは、図示例とは逆でも良い。

コイル７０は、この実施形態では、イオンビーム４の経路を挟んで相対向させて配置された対を成すコイル７０であり、電界放出型電子源３０は、この対を成すコイル７０の間から電子４２をイオンビーム４の経路に向けて放出するように配置されている。対を成すコイル７０は、互いに同方向の磁界Ｂ₂を発生させる。

対を成す各コイル７０は、この実施形態では、イオンビーム４の経路に沿って長く（図４参照）、かつその両端が丸く盛り上がる（図５参照）ように巻かれた鞍形をしている。

図５では、電界放出型電子源３０をブロックで簡略化して示すと共に、それ用の第１引出し電源および第２引出し電源の図示を省略しているけれども、この電界放出型電子源３０は、図３、図６、図７を参照して説明したのと同様の構造をしており、かつ図３、図７を参照して説明したのと同様の第１引出し電源５６および第２引出し電源５８が接続されている。

この実施形態においても、少なくとも電界放出型電子源３０にイオンビーム４の経路を挟んで相対向する位置に配置されていて、電界放出型電子源３０から放出された電子４２を静電的に追い返す追い返し電極６０が設けられており、この追い返し電極６０と電界放出型電子源３０を構成するカソード基板３２（図３、図７参照）との間に前述した追い返し電源６２が接続されている。追い返し電極６０は、先に例示したような非磁性体から成る。

この実施形態においても、追い返し電極６０によって、電界放出型電子源３０から放出されイオンビーム４の経路を通り抜けた電子４２を、例えば図５中に矢印Ｆで模式的に示すように、イオンビーム４の経路の方へ静電的に追い返すことができる。

更に、コイル７０によって上記のような磁界Ｂ₂を発生させると、電界放出型電子源３０から放出され、追い返し電極６０による追い返しを受ける前および受けた後の電子４２は、図５中に矢印Ｇで模式的に示すように、紙面に垂直な面内でサイクロトロン運動をする。即ち、磁界Ｂ₂によって、イオンビーム４の経路やその付近において電子４２に回転運動を与えることができる。

従ってこの実施形態のイオンビーム照射装置の場合も、電界放出型電子源３０から低い電圧で低エネルギーの電子４２を多量に放出させることができる。しかも、電界放出型電子源３０から放出させた電子４２を、追い返し電極６０によって静電的にイオンビーム４の経路の方へ追い返すことができる。更に、コイル７０によって発生させた磁界Ｂ₂によって、イオンビーム４の経路中やその付近において電子４２に回転運動を与えることができる。これらの作用の相乗効果によって、電界放出型電子源３０から供給した電子４２のイオンビーム４中での軌道を長くして（伸ばして）、当該電子４２のイオンビーム４中での存在確率を高くすることができるので、輸送中のイオンビーム４の空間電荷を効率良く中和することができる。その結果、イオンビーム４の発散を抑制し、イオンビーム４の輸送効率を向上させることができる。

なお、図４、図５に示す実施形態では、追い返し電極６０は、電界放出型電子源３０にイオンビーム４の経路を挟んで対向する位置に配置されたもの（即ち図３に示す第１追い返し電極６０ａに相当するもの）だけを図示しているけれども、それに限られるものではなく、先の実施形態の場合と同様に、追い返し電極６０を、電界放出型電子源３０の正面に配置された第１追い返し電極６０ａと、第１追い返し電極６０ａの側方に配置された複数の（例えば二つの）第２追い返し電極６０ｂ、６０ｃとで構成しても良い。また、第１追い返し電極６０ａと第２追い返し電極６０ｂ、６０ｃとの間に前述した電位調整電源６４、６５を設けても良い。そのようにすることによる効果は、前述のとおりである。

また、電界放出型電子源３０をイオンビーム４の経路に沿って複数個配置しても良い。そのようにすることによる効果は前述のとおりである。図４は複数個配置した例を示す。但し、電界放出型電子源３０の数は図示例の４個に限られるものではない。電界放出型電子源３０を上記のようにイオンビーム４の経路に沿って複数個配置する場合の追い返し電極６０については前述のとおりである。

上記いずれの実施形態においても、イオンビーム４の経路を真空雰囲気に保つ前記真空容器を非磁性体で構成しておけば、コイル６６、７０は必ずしも当該真空容器内に配置する必要はなく、真空容器外に配置しても良い。そのようにすれば、コイル６６、７０からのアウトガス等による真空容器内の真空度低下を防止することが容易になる。但し、コイル６６、７０を真空容器外に配置する場合は、コイル６６、７０の形状が真空容器の外壁形状によって制約され、適切な磁場形成が制約される場合があるので、この観点からは、コイル６６、７０は真空容器内に設ける方が好ましい。

コイル６６、７０を上記真空容器内に配置する場合、当該真空容器内に配置されたコイル６６、７０、および、同真空容器内に配置された上記追い返し電極６０（複数に分ける場合は６０ａ〜６０ｃ。以下同様）を、前記ターゲット１６と同じまたは同系の材質から成る膜または薄板で覆っておくのが好ましい。例えば、ターゲット１６がシリコン基板の場合は、上記膜または薄板を、シリコンまたはシリコン系の材質で形成しておく。上記のように覆っておくと、何らかの原因で上記膜または薄板からその構成粒子が飛び出してターゲット１６に到達したとしても、ターゲット１６にそれと同じまたは同系の粒子が付着するだけである。従って、追い返し電極６０およびコイル６６、７０を上記膜または薄板で覆っていない場合に比べて、ターゲット１６に対するコンタミネーションの問題を遙かに少なくすることができる。

上記のような電界放出型電子源３０、追い返し電極６０、コイル６６、７０等は、イオン源２からターゲット１６までの間のイオンビーム４の経路のどこに設けても良いけれども、当該経路上に例えば図１に示した例のように質量分離マグネット６、加減速管８、エネルギー分離マグネット１０、走査マグネット１２、平行化マグネット１４が設けられている場合は、それらの機器の間および平行化マグネット１４の下流側のドリフト空間（即ち電界も磁界も殆ど存在しない空間）に設けるのが、上記各機器の特性との相互干渉を避けることや、スペース上の制約を受けにくい等の観点から好ましい。より具体的には、平行化マグネット１４とホルダ１８との間のスペースが通常は他よりも広いので、そこに設けるのが現実的である。また、上記のような電界放出型電子源３０、追い返し電極６０、コイル６６、７０等は、イオン源２からターゲット１６までのイオンビーム４の経路の複数箇所に設けても良い。そのようにすれば、イオンビーム４の空間電荷をより多くの箇所で中和して、イオンビーム４の発散をより抑制して、イオンビーム４の輸送効率をより向上させることができる。

上記ターゲット１６を半導体基板（例えばシリコン基板）として、上記各実施形態のイオンビーム照射装置を用いて、当該半導体基板に上記イオンビーム４を照射してイオン注入を行って、当該半導体基板上に複数の半導体デバイスを製造しても良い。例えば、上記各実施形態のイオンビーム照射装置を、イオン注入によって半導体基板の表面または表層部の所要領域に所要のイオン（例えば不純物となるイオン）を注入する工程に用いて、半導体基板上に半導体デバイスとして複数の集積回路（例えばシステムＬＳＩ等）を製造しても良い。

近年は、半導体基板上に形成する半導体デバイスの微細化が非常に進んでおり（換言すれば、超高集積化しており）、そのような半導体デバイスにイオン注入を行う場合、半導体基板の表面に形成された溝または凸状の部分に、イオン注入されない陰の部分が生じるのを防止することが課題となっている。そうしないと、形成される半導体デバイスの特性にばらつきが生じる。不良デバイスが生じることもある。

上記課題を解決するためには、平行性の良いイオンビームを半導体基板に照射する必要があるが、イオンビームの空間電荷による発散が大きいと、平行性の良いイオンビームを半導体基板に照射することは難しい。これに対して、上記各実施形態のイオンビーム照射装置を用いれば、空間電荷が中和されて発散の少ないイオンビーム４を用いて、半導体基板上に複数の半導体デバイスを製造することができるので、同一の半導体基板上に特性の揃った複数の半導体デバイスを製造することができる。その結果、歩留まりが向上し、半導体デバイスの生産効率が向上する。

従来のイオンビーム照射装置の一例を示す概略平面図である。この発明に係るイオンビーム照射装置の一実施形態を部分的に示す側面図である。図２の装置の線Ｈ−Ｈに沿う断面図であり、電界放出型電子源は拡大すると共に大幅に簡略化して示している。この発明に係るイオンビーム照射装置の他の実施形態を部分的に示す側面図である。図４の装置の線Ｉ−Ｉに沿う断面図であり、電界放出型電子源はブロックに簡略化すると共に、引出し電源の図示を省略している。図２〜図５に示す電界放出型電子源のより具体例を、電子放出面側から見て示す正面図である。図２〜図５に示す電界放出型電子源の一つのエミッタ周りの一例を拡大して示す断面図である。

符号の説明

２イオン源
４イオンビーム
１６ターゲット
３０電界放出型電子源
３２カソード基板
３４エミッタ
３８第１引出し電極
４４第２引出し電極
５６第１引出し電源
５８第２引出し電源
６０追い返し電極
６０ａ第１追い返し電極
６０ｂ、６０ｃ第２追い返し電極
６２追い返し電源
６４、６５電位調整電源
６６コイル
６８コイル電源
７０コイル
７２コイル電源

Claims

イオン源から引き出したイオンビームをターゲットに照射する構成のイオンビーム照射装置において、
前記イオン源とターゲットとの間におけるイオンビームの経路の側方に配置されていて電子をイオンビームの経路に向けて放出する電子源であって、導電性のカソード基板上に形成されていて先端が尖った形状をした多数の微小なエミッタと、この各エミッタの先端付近を微小な間隙をあけて取り囲む第１引出し電極と、この第１引出し電極に沿って設けられていて多数の小孔を有する第２引出し電極とを有する電界放出型電子源と、
前記電界放出型電子源のカソード基板と第１引出し電極との間に後者を正極側にして直流の第１引出し電圧を印加する第１引出し電源と、
前記電界放出型電子源のカソード基板と第２引出し電極との間に後者を正極側にして直流の第２引出し電圧を印加する第２引出し電源と、
少なくとも前記電界放出型電子源にイオンビームの経路を挟んで対向する位置に配置されていて、前記電界放出型電子源から供給された電子を追い返すものであって非磁性体から成る追い返し電極と、
前記追い返し電極と前記電界放出型電子源のカソード基板との間に直流の追い返し電圧を印加して、カソード基板に対する前記追い返し電極の電位を前記第２引出し電極の電位よりも低くする追い返し電源と、
前記イオンビームの経路であって前記電界放出型電子源から電子が供給される領域を含む領域に、イオンビームの経路に沿う方向の磁界を発生させるコイルと、
前記コイルを励磁する直流のコイル電源とを備えていることを特徴とするイオンビーム照射装置。
前記コイルは、中を前記イオンビームがそれぞれ通るものであってイオンビームの経路に沿う方向に互いに間隔をあけて設けられた対を成す環状のコイルから成り、
前記電界放出型電子源は、当該対を成すコイルの間から電子をイオンビームの経路に向けて放出するように配置されている請求項１記載のイオンビーム照射装置。
イオン源から引き出したイオンビームをターゲットに照射する構成のイオンビーム照射装置において、
前記イオン源とターゲットとの間におけるイオンビームの経路の側方に配置されていて電子をイオンビームの経路に向けて放出する電子源であって、導電性のカソード基板上に形成されていて先端が尖った形状をした多数の微小なエミッタと、この各エミッタの先端付近を微小な間隙をあけて取り囲む第１引出し電極と、この第１引出し電極に沿って設けられていて多数の小孔を有する第２引出し電極とを有する電界放出型電子源と、
前記電界放出型電子源のカソード基板と第１引出し電極との間に後者を正極側にして直流の第１引出し電圧を印加する第１引出し電源と、
前記電界放出型電子源のカソード基板と第２引出し電極との間に後者を正極側にして直流の第２引出し電圧を印加する第２引出し電源と、
少なくとも前記電界放出型電子源にイオンビームの経路を挟んで対向する位置に配置されていて、前記電界放出型電子源から供給された電子を追い返すものであって非磁性体から成る追い返し電極と、
前記追い返し電極と前記電界放出型電子源のカソード基板との間に直流の追い返し電圧を印加して、カソード基板に対する前記追い返し電極の電位を前記第２引出し電極の電位よりも低くする追い返し電源と、
前記イオンビームの経路であって前記電界放出型電子源から電子が供給される領域を含む領域に、イオンビームの経路に交差する方向の磁界を発生させるコイルと、
前記コイルを励磁する直流のコイル電源とを備えていることを特徴とするイオンビーム照射装置。
前記コイルは、前記イオンビームの経路に沿ってそれぞれ巻かれていてイオンビームの経路を挟んで相対向させて配置された対を成すコイルから成り、
前記電界放出型電子源は、当該対を成すコイルの間から電子をイオンビームの経路に向けて放出するように配置されている請求項３記載のイオンビーム照射装置。
前記追い返し電極は、前記電界放出型電子源の正面に配置された第１追い返し電極と、当該第１追い返し電極の側方に配置された複数の第２追い返し電極とから成る請求項１ないし４のいずれかに記載のイオンビーム照射装置。
前記第１追い返し電極に対する前記第２追い返し電極の電位を調整する電位調整手段を更に備えている請求項５記載のイオンビーム照射装置。
前記追い返し電極および前記コイルは、前記イオンビームの経路を真空雰囲気に保つ真空容器内に配置されており、
かつ前記追い返し電極および前記コイルは、前記ターゲットと同じまたは同系の材質から成る膜または薄板で覆われている請求項１ないし６のいずれかに記載のイオンビーム照射装置。
前記電界放出型電子源を、前記イオンビームの経路に沿って複数個配置している請求項１ないし７のいずれかに記載のイオンビーム照射装置。
前記ターゲットが半導体基板であり、請求項１ないし８のいずれかに記載のイオンビーム照射装置を用いて、当該半導体基板に前記イオンビームを照射してイオン注入を行って、当該半導体基板上に複数の半導体デバイスを製造することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。