JP2007073271A - ステンシルマスクイオン注入装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 イオンビームが基板に入射する発散角度を測定すると共に設定値内に制御し、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ステンシルマスクイオン注入装置を提供する。
【解決手段】 ステンシルマスクイオン注入装置は、イオンビームの収束装置と、基板に入射するイオンビームの発散角度を測定する測定装置とを備え、先ず、イオンビームの発散角度を測定する測定装置により、基板に入射するイオンビームの発散角度を測定し、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、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。
このとき、イオンビームの発散角度を測定する測定装置は、ビーム分割スリットと可動式ファラデーカップを具備している構成とするとよい。
【選択図】 図6

Description

本発明は、ステンシルマスクイオン注入装置に係り、特に、開口パターンを有するステンシルマスクを透過したイオンビームを、所望の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ステンシルマスクイオン注入装置及び注入方法の改良に関する。
以下、従来技術の説明として、ステンシルマスクイオン注入装置と、エミッタンスの調整機構を有するイオン注入装置について、順次説明する。
先ず、従来のステンシルマスクイオン注入装置の一例として、特許文献1に記載されたステンシルマスクイオン注入装置について、図8を用いて説明する。
図8は、従来のステンシルマスクイオン注入装置の全体構成を示す斜視図であり、特許文献1に開示されている図1に対応するものである。
図8に示すように、従来のステンシルマスクイオン注入装置100の主要構成は、イオンを生成するイオン源110、イオン照射光学系120、ステンシルマスク130、イオン投射光学系140、試料ステージ150、制御装置160、表示装置170である。
また、イオン源ステージ駆動装置112及びマスクステージ駆動装置132は、制御装置160によりコントロールされ、所定のパターンに対し、所望のイオン源を動作させるなどの制御を行う。
特許文献1のステンシルマスクイオン注入装置100の特徴は、複数のステンシルマスク130を有し、この複数のステンシルマスク130から特定のステンシルマスク130を選択し、このステンシルマスク130に対応して、複数のドーパントイオン種から特定のドーパントイオン種を選択して試料に注入する工程を複数回施せるようにしたことである。
次に、特許文献2に記載のエミッタンスの調整機能を有する従来のイオン注入装置を図9を用いて説明する。
図9は、従来のイオン注入装置200の全体構成を示すブロック図である。
図9に示すように、従来のイオン注入装置200の主要構成は、イオンを生成するイオン源装置210、所望のイオン種を選択する質量分離器220、イオンビームを収束する収束装置230、イオンを所望のエネルギーに加速する加速器240、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250である。
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2に記載のイオン注入装置200では、イオン源210としては、プラズマ源212とエミッタンスを統制する調整する調整部214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。
特開平8−213339号 特許番号第2644958号
以下、従来のステンシルマスクイオン注入装置の問題点を図10を用いて説明する。
図10は、従来のステンシルマスク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10に示すように、ウェハー等の基板160に対して、ある発散角度で注入されるイオンI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。
従って、規定ドーズ量に達する領域が設計寸法より狭まる可能性がある。
従来のステンシルマスク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、従来のステンシルマスク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。
一方、特許文献2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、発散角度を制御するものではなく、上記した従来のステンシルマスク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発散角度を測定すると共に設定値内に制御し、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ステンシルマスクイオン注入装置及び注入方法を提供することを目的とする。
本発明のステンシルマスクイオン注入装置は、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、開口パターンを有するステンシルマスクを透過したイオンビームを半導体ウェハー等の基板に注入するステンシルマスク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発散角度を測定する測定装置と、イオンビームの発散角度を所望の設定値と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に記載のステンシルマスクイオン注入装置は、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、開口パターンを有するステンシルマスクを透過したイオンビームを半導体ウェハー等の基板に注入するステンシルマスクイオン注入装置において、該ステンシルマスクイオン注入装置は、イオンビームの収束装置と、前記基板に入射するイオンビームの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するように構成した。
請求項3に記載のステンシルマスクイオン注入装置は、上記イオンビームの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に垂直な平面の水平(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4に記載のステンシルマスクイオン注入装置は、上記イオンビームの発散角度を測定する測定位置を上記基板近傍とした。
請求項5に記載のステンシルマスクイオン注入方法は、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、開口パターンを有するステンシルマスクを透過させて処理基板に注入するステンシルマスクイオン注入方法において、前記処理基板に前記イオン種を注入する前に、前記イオン種が前記処理基板に入射する発散角を測定し、前記発散角が設定された範囲外であるときには、前記制御機構により発散角が設定値になるように制御し、前記発散角が設定された範囲内であるときには、前記イオン種を前記処理基板に注入するようにした。
請求項6に記載のステンシルマスクイオン注入方法は、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、開口パターンを有するステンシルマスクを透過させて処理基板に注入するステンシルマスクイオン注入方法において、前記注入工程に用いられるステンシルマスクイオン注入装置は、前記基板に入射する前記イオン種の発散角を測定する測定機と、前記発散角を調整する制御機構を備え、前記処理基板に前記イオン種を注入する前に、前記発散角を測定し、前記処理基板と前記ステンシルマスクとの距離と前記測定された発散角から前記開口パターンと前記処理基板に形成される注入パターンの差を算出し、前記パターン差が設定された範囲外であるときには、前記制御機構により前記発散角を制御し、前記パターン差が設定された範囲内であるときには、前記イオン種を前記処理基板に注入するようにした。
本発明のステンシルマスクイオン注入装置は、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、簡単な構成で、イオンビームの基板への発散角度を測定でき、迅速な制御が可能となる。
(4)請求項4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を測定でき、制御の精度が向上する。
本発明のステンシルマスクイオン注入方法は、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。
(5)請求項5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を、常時、設定値内に制御できるので、高精度で均一なイオン注入ができる。
(6)請求項6に記載したように構成すると、処理基板近傍でのビームにじみ量とウェハーとマスク間のGAPから設計寸法に対して、どの程度寸法誤差が生じるのか計算することが可能になる。
(7)また、ビーム垂直度も同時に情報として入手できるので、ウェハーとマスク間のGAPから設計位置に対する位置ズレ量の計算をすることが可能になる。
(8)更に、以上の2点から設計注入パターンと実注入パターンとの誤差(寸法誤差と位置ズレ量)を管理値として、ビーム光学上の調整が可能になる。
以下、本発明のステンシルマスク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、本実施の形態のステンシルマスク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、本発明のステンシルマスクイオン注入装置の概略構成を示す平面図である。
図2は、本発明のステンシルマスクイオン注入装置の概略構成を示す側面図である。
図3は、本発明のステンシルマスク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、本発明ステンシルマスクイオン注入装置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。
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る。
以下、四重極レンズを「収束レンズ」という場合がある。
また、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の表面に平行かつ均一に注入される。
なお、図2において、92は基板キャリアである。
イオンビームの平行化装置70について補足説明すると、この平行化装置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に照射される。
また、図3に、ステージ付近の外観構成を示すが、82は、ステンシルマスク用X/Yステージ装置、84は、ステンシルマスク用静電チャック、86は、ウェハー用静電チャック、ウェハー用X/Yステージ装置である。
なお、同図では、ステンシルマスクの図示は省略している。
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、本発明のステンシルマスクイオン注入装置10では、ウェハー94近傍のイオンビームの発散角度を測定する測定装置、及び、この測定値に基づいて、発散角度を設定値内に制御する機能を有し、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、ウェハー94近傍のイオンビームの発散角度を測定する測定装置、及び、発散角度を設定値内に制御する機能について説明する。
先ず、イオンビームの発散角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2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I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と発散角度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における単数のスリットを有する第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に入射したイオンビーム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、イオンビームのにじみ角度φも次式(1)により算出できる。
Tanφ =(f−w)/(2L) ・・・・・ (1)
ここで、Lは分割スリットSbと可動ファラデーカップFcとの距離である。
また、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してイオンビームを平行にスキャンすれば、イオンビームの平行度の他に、イオンビームの発散角度も測定できることがわかる。
次に、本実施の形態におけるイオンビームの発散角度の制御機能について説明する。
図1に示す収束レンズである四重極レンズ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の磁場若しくは電場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、イオンビームの発散角度が設定値の範囲内かどうかの判断を行う(ST3)。
ここで、イオンビームの発散角度が設定値の範囲内にある場合は、測定データの出力を行い(ST5)、処理が終了する(ST6)。
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50の強度調整、スリットのアパーチャー42、52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(ST4)、再度、イオンビームの発散角度を測定する(ST2)。
この調整を繰り返すことにより、イオンビームの発散角度が設定値の範囲内に収まることになり、測定データを出力して(ST5)、処理を終了する(ST6)。
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の測定、及び、発散角度の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。
次に、本発明のイオン注入方法について、図7を用い、図1を参照して説明する。
図7は、本発明のイオン注入方法を説明するためのフローチャートである。
先ず、図1に示す本発明のイオン注入装置10を用い、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、本発明のイオン注入方法では、図7に示すように、適宜、イオンビームの発散角の測定制御を行う。
即ち、処理開始(SP1)後、X軸及びY軸方向のイオンビームの発散角度を、上記した測定装置により測定する(SP2)。
次に、イオンビームの発散角測定結果から算出される注入パターンとマスクパターンとのズレが設定値の範囲内かどうかの判断を行う(SP3)。
ここで、注入パターンとマスクパターンとのズレが設定値の範囲内にある場合は、測定データの出力を行い(SP5)、処理が終了する(SP6)。
一方、注入パターンとマスクパターンとのズレが設定値の範囲内にない場合は、ビーム収束レンズ50の強度調整、スリットのアパーチャー42、52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(SP4)、再度、イオンビームの発散角度を測定する(SP2)。
この調整を繰り返すことにより、注入パターンとマスクパターンとのズレが設定値の範囲内に収まることになり、測定データを出力して(SP5)、処理を終了する(SP6)。
従って、本発明のイオン注入方法によると、注入パターンとマスクパターンとのズレが設定値内へ収まるように制御を行うので、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に示す構成のステンシルマスク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の測定及びそれらの制御であるので、これとは異なる構成のステンシルマスク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。
本発明のステンシルマスクイオン注入装置の概略構成を示す平面図である。 本発明のステンシルマスクイオン注入装置の概略構成を示す側面図である。 本発明のステンシルマスク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。 本実施の形態のステンシルマスク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。 本発明のステンシルマスクイオン注入方法を説明するためのフローチャートである。 従来のステンシルマスクイオン注入装置の全体構成を示す斜視図である。 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。
符号の説明
10:ステンシルマスクイオン注入装置
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
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 (6)

  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、開口パターンを有するステンシルマスクを透過したイオンビームを半導体ウェハー等の基板に注入するステンシルマスク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発散角度を測定する測定装置と、イオンビームの発散角度を所望の設定値と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ステンシルマスクイオン注入装置。
  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、開口パターンを有するステンシルマスクを透過したイオンビームを半導体ウェハー等の基板に注入するステンシルマスクイオン注入装置において、
    該ステンシルマスクイオン注入装置は、イオンビームの収束装置と、前記基板に入射するイオンビームの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するようにしたことを特徴とするステンシルマスクイオン注入装置。
  3. 上記イオンビームの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に垂直な平面の水平(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又は2に記載のステンシルマスクイオン注入装置。
  4. 上記イオンビームの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3のいずれかに記載のステンシルマスクイオン注入装置。
  5. 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、開口パターンを有するステンシルマスクを透過させて処理基板に注入するステンシルマスクイオン注入方法において、
    前記処理基板に前記イオン種を注入する前に、前記イオン種が前記処理基板に入射する発散角を測定し、
    前記発散角が設定された範囲外であるときには、前記制御機構により発散角が設定値になるように制御し、
    前記発散角が設定された範囲内であるときには、前記イオン種を前記処理基板に注入することを特徴とするステンシルマスクイオン注入方法。
  6. 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、開口パターンを有するステンシルマスクを透過させて処理基板に注入するステンシルマスクイオン注入方法において、
    前記注入工程に用いられるステンシルマスクイオン注入装置は、前記基板に入射する前記イオン種の発散角を測定する測定機と、前記発散角を調整する制御機構を備え、
    前記処理基板に前記イオン種を注入する前に、前記発散角を測定し、
    前記処理基板と前記ステンシルマスクとの距離と前記測定された発散角から前記開口パターンと前記処理基板に形成される注入パターンの差を算出し、
    前記パターン差が設定された範囲外であるときには、前記制御機構により前記発散角を制御し、
    前記パターン差が設定された範囲内であるときには、前記イオン種を前記処理基板に注入することを特徴とするステンシルマスクイオン注入方法。
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