JP2663564B2 - イオンビーム照射装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔概 要〕 イオンビーム照射装置、特にターゲットの絶縁膜表面
に生ずるチャージアップを軽減するための二次電子によ
る中和装置に係り、 低いレベルのチャージアップにおいても電荷中和用の
二次電子をターゲット上に供給して、ターゲットの絶縁
膜のチャージアップを軽減することを目的とし 被処理基板が搭載される接地電位のイオンビーム照射
ターゲットと、該イオンビームの電流量を測定するため
に該ターゲットの直前に配置されたファラデーカップ電
極と、該ファラデーカップ電極内に100eV以上のエネル
ギーを持つ電子ビームを供給する電子ビーム源と、該フ
ァラデーカップ電極内で該電子ビームに照射されて二次
電子を発生する二次電子発生電極とを備えたイオンビー
ム照射装置において、該二次電子発生電極を該ファラデ
ーカップ電極から絶縁し、且つ該二次電子発生電極にフ
ァラデーカップ電極の電位に対して＋5V乃至＋20Vの電
位を与えて構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明はイオンビーム照射装置、特にターゲットの絶
縁膜表面に生ずるチャージアップを軽減するための二次
電子による中和装置を備えたイオン注入装置に関する。

近年、高ドーズ量領域におけるイオン注入技術の利用
が増大すると共に、イオン電流が20〜30mAにも及ぶ大電
流イオン注入装置の実用化が進んでいる。

しかし、このような大電流イオン注入装置において
は、ターゲット表面に単位時間に供給される電荷量が大
幅に増加するために、チャージアップによる絶縁膜破壊
が問題になってきている。一方イオン注入されるデバイ
スの側でも、素子の微細化に伴う酸化膜厚の減少、半導
体基板に対するコンタクト窓面積の減少等によってチャ
ージアップに対する耐性が減少しており、このことが前
記絶縁膜破壊の問題を一層助長している。

そこで大電流イオン注入装置においては、イオン注入
が行われる半導体デバイス等の製造歩留りを向上させる
ために、被イオン照射面のチャージアップを抑えること
が非常に重要になる。

〔従来の技術〕

第４図はイオン照射装置の要部を示す模式平面図であ
る。

図において、51はイオン発生部、52はイオン引出し電
極、53はアナライザ、54は質量分離スリット、55はイオ
ン加速管、56はエンドステーションへのイオンビーム導
入部、57はエンドステーションで、これらは順次連結さ
れ、その内部は真空に排気される。また58は回転及び並
行移動可能のディスクターゲット、59はディスクターゲ
ット上に固持された被処理基板である。また60はイオン
ソース電源、61は内側匡体、62はイオン引出し電源（20
〜40KV）、63は外側匡体、64は後段加速電源（０〜180K
V）を示す。

このようなイオン照射装置において、前記絶縁膜のチ
ャージアップの問題を軽減するための一手段として、タ
ーゲット58上に固持された被処理基板59上にイオンビー
ムを供給する前記エンドステーションへのイオンビーム
導入部56に、二次電子供給による電荷中和装置が構成さ
れる。

第５図は従来の二次電子供給による電荷中和装置の断
面構造を模式的に示した図で、図中、１は前記加速管55
を経て導入されるイオンビーム（IB）を所定のビーム径
に制限する金属性のマスク、２はサプレッション電極、
３はファラデーカップ電極、４は電子ビーム発生部、５
は一次電子を発生するフィラメント、６はグリッド状の
電子引出し電極、3Eはファラデーカップ壁で構成する二
次電子発生電極部、B₁はサプレッション電極２に−1KV
程度の負電位を印加する直流電源、B₂はフィラメント加
熱用直流電源、B₃はフィラメント５に−100〜−300V程
度の負電位を付与する直流電源、Ａはイオン電流測定用
電流計、GNDは接地点、IBはイオンビーム、e₁ ^-は一次
（熱）電子、e₂ ^-は二次電子、他の符号は第４図と同一
対象物を示す。

かかる従来構造においては図示のように、−100〜−3
00Vにバイアスされたフィラメント５から出た一次電子e
₁ ^-は接地電位の電子引出し電極６により加速され、マス
ク１側からターゲット電極58面に照射されているイオン
ビーム（IB）を横切って、対向するファラデーカップ壁
で構成される二次電子発生電極部3Eに照射される。そし
てこれによって該二次電子発生電極部3Eから低エネルギ
ーの二次電子e₂ ^-が放出され、その一部がターゲット58
上に固持されている被処理基板59上に到達し、イオン照
射により被処理基板59の絶縁膜に注入された正電荷を打
ち消して、該被処理基板９上の絶縁膜のチャージアップ
を軽減する。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが上記構成を有する従来の電荷中和装置におい
ては、イオンビーム（IB）に垂直の方向での電子のポテ
ンシャル分布を描くと、第６図に示すように、イオンビ
ーム（IB）がファラデーカップ電極３のほぼ中心位置に
あって、＋のチャージを有するために最も低いポテンシ
ャル位置を示し、このイオンビーム（IB）の周縁部から
接地電位を有するファラデーカップ電極３の二次電子発
生電極側側壁3Aと対向側壁3Bに向かって順次上昇するポ
テンシャルの勾配（電界）Ta及びTbを生じた状態になっ
ている。

そして従来構造においては二次電子発生電極部3Eがフ
ァラデーカップ電極３と一体の構成を有しており接地電
位にあるために、引出し電極６によって100〜300eVに加
速された一次電子e₁ ^-が二次電子発生電極部3Eに衝突し
て叩き出される中和用二次電子e₂ ^-は、図中の初期エネ
ルギー分布（Ｌ）に示すように１〜20eV程度の初期エネ
ルギーを持っている。そのためこの二次電子e₂ ^-の大部
分は、ポテンシャル勾配Taによって加速されてイオンビ
ーム（IB）中に流れ込んだ後、対向壁面3B側のポテンシ
ャル勾配Tbを完全に登り切ってファラデーカップ３の対
向壁面3Bに達する。即ち上記初期エネルギーを持ってい
るためにイオンビームに取り込まれることなくこれを横
切り、その大部分はファラデーカップ３の対向壁面3Bに
吸収されてしまうことがわかる。（壁面ロス） そのため従来の構造においては、上記中和用二次電子
e₂ ^-をターゲット（被処理基板59）上に供給してイオン
ビームによるチャージアップを中和するためには、ター
ゲット（被処理基板59）自身がかなり高電位（正電位）
にチャージアップされていて、該二次電子を引きつける
電界を生じていなければならず、低レベルのチャージア
ップの軽減には役立たなかった。

そこで本発明は、低いレベルのチャージアップにおい
ても電荷中和用の二次電子をターゲット上に供給して、
ターゲットの絶縁膜のチャージアップを軽減することを
目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題は、被処理基板が固持される接地電位のイオ
ンビーム照射ターゲットと、該イオンビームの電流量を
測定するために該ターゲットの直前に配置されたファラ
デーカップ電極と、該ファラデーカップ電極内に100eV
以上のエネルギーを持つ電子ビームを供給する電子ビー
ム源と、該ファラデーカップ電極内で該電子ビームに照
射されて二次電子を発生する二次電子発生電極とを備え
たイオンビーム照射装置において、該二次電子発生電極
を該ファラデーカップ電極から絶縁し、且つ該二次電子
発生電極にファラデーカップ電極の電位に対して＋5V乃
至＋20Vの電位を与えてなる本発明によるイオンビーム
照射装置によって解決さる。

〔作 用〕

即ち本発明に係るイオンビーム照射装置においては、
イオン照射を受ける絶縁体面に蓄積される正電荷を中和
するための二次電子を発生させる二次電子発生電極を、
ファラデーカップ電極内に該ファラデーカップから絶縁
して設け、これにファラデーカップ電極の電位に対して
二次電子の持つ初期エネルギーに相当する電圧を僅かに
上回る正（＋）電圧（＋5V〜＋20V）を印加する。

このようにすると該二次電子発生電極に100eV以上の
エネルギーを持つ一次電子を照射して発生させた二次電
子の持つ初期エネルギーの分布（１〜20eV）が、例えば
接地電位にあるファラデーカップ電極における電子のポ
テンシャルレベルよりも低い位置にくるために、該二次
電子はファラデーカップ電極の内壁面で吸収されずに反
発される。

そのため負電荷を持った上記二次電子はファラデーカ
ップ電極の壁面に吸収されずにその内部に多量に浮遊し
た状態になる。

そしてファラデーカップ電極の内部に向かって表出す
るターゲット上に固持された被処理基板面上の絶縁膜
が、イオンビーム照射によって僅かでも正（＋）にチャ
ージアップすると、上記ファラデーカップ電極内に浮遊
していた二次電子が直ちに上記絶縁膜面に吸引されて該
絶縁膜の正電荷を中和する。

かくて本発明によれば、イオン注入に際しての絶縁膜
の低レベルのチャージアップに対しても電荷中和用の二
次電子の供給が充分になされて、チャージアップの軽減
が図れる。

〔実施例〕

以下本発明を、図を用い、実施例について具体的に説
明する。

第１図は本発明の一実施例の模式断面図、第２図は同
実施例におけるイオンビームに垂直方向の電子のポテン
シャル分布図、第３図は同実施例におけるイオンビーム
の中心線に沿った方向の電子のポテンシャル分布図であ
る。

全図を通じ同一対象物は同一符合で示す。

第１図は本発明に係るイオンビーム照射装置における
電荷中和用二次電子発生機構を備えたファラデーカップ
電極部及びターゲット部を模式的に示す断面図で、図
中、１は前記イオン発生部からアナライザ、質量分離ス
リットを経て選別され加速器で加速されたイオンビーム
を所定のビームスポット径に画定するマスク、２は直流
電源B₁によって1KV程度の負電位が与えられた電子の障
壁となるサプレッション電極、３は電流計Ａを介して接
地電位が与えられたイオン電流測定用のファラデーカッ
プ電極、４は一次（熱）電子発生部、５は直流電源B₂に
より加熱され直流電源B₃によって100〜300V程度の負電
位が与えられた熱（一次）電子発生用フィラメント、６
はファラデーカップ電極と同電位に接続された電子引出
し電極、７はイオンビームを挟んで一次（熱）電子発生
部に対向して配設され直流電源B₄によって５〜20Vの正
電位が印加された二次電子発生電極、58は電流計Ａを介
して接地電位が与えられたターゲット電極、59はターゲ
ット電極上に固持された被処理基板、IBはイオンビー
ム、e₁ ^-は一次電子、e₂ ^-は二次電子、GNDは接地点を示
す。

なお二次電子発生電極７のターゲット電極58側を僅か
にイオンビーム（IB）に地近づけるように持ち上げてい
るのは、二次電子発生電極７面からの一次電子の反跳分
が直接ターゲット即ち被処理基板59面に到達するのを防
ぐためである。

上記実施例において、ファラデーカップ電極３内のイ
オンビームに垂直な方向の電子のポテンシャル分布は第
２図のようになる。

即ち、二次電子発生電極７における電位はＫで矢視す
るように、これに印加した上記５〜20Vに相当するバイ
アス電位分だけ接地レベル０から引き下げられている。
従って二次電子発生電極７より出た二次電子e₂ ^-がＬで
示すように１〜20eV程度の初期エネルギーの分布を持っ
ていても、対向するファラデーカップ電極３の壁面の手
前に到達すると、その接地レベルにあるポテンシャルの
障壁（PB₁）によって反射されるので、この二次電子e₂ ^-
の大部分はファラデーカップ電極３の内壁に吸収されず
に該ファラデーカップ電極３内に漂っていることにな
り、効率良くイオンビーム（IB）内及びその近傍に取り
込まれる。

そしてこのイオンビーム（IB）内及びその近傍に取り
込まれた前記エネルギー分布Ｌを有する二次電子e
₂ ^-は、前記マスク１からターゲット電極上の被処理基板
59面までのイオンビーム（IB）に沿う電子のポテンシャ
ル分布を示す第３図に表されるように、前ファラデーカ
ップ電極３内の低ポテンシャルレベルになっているイオ
ンビーム（IB）内及びその近傍を、サプレッション電極
２によって形成される高レベルのポテンシャル障壁PB₂
と接地レベルの被処理基板59面との間で矢印で示すよう
に自由に行き来し、イオンビーム照射により被処理基板
59表面の絶縁膜が僅かでも正に帯電すると、帯電によっ
て電子のポテンシャルレベルが僅かに低下したＮの部分
から、直ちに該絶縁膜面に供給されて上記絶縁膜の帯電
（チャージアップ）が中和される。

このように本発明のイオン照射装置においてはイオン
照射される被処理基板の近傍に常に多量の中和用二次電
子を存在せしめて、被処理基板の低レベルのチャージア
ップにおいても該被処理基板面に電荷中和用二次電子の
効率的な供給が可能になる。

〔発明の効果〕

以上説明のように本発明によれば、イオン注入等のイ
オン照射に際して、ターゲット面の低レベルのチャージ
アップにおいても、該ターゲット面に効率良く電荷中和
用二次電子を供給してそのチャージアップを軽減させる
ことができる。

従って本発明によれば、大電流イオン注入等に際して
の絶縁膜破壊が防止されるので、イオン注入手段を用い
る半導体装置等の製造歩留りの向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の模式断面図、 第２図は同実施例におけるイオンビーム（IB）に垂直方
向の電子のポテンシャル分布図、 第３図は同実施例におけるイオンビーム（IB）の中心線
に沿った方向の電子のポテンシャル分布図、 第４図はイオン照射装置の要部を示す模式平面図、 第５図は従来の電荷中和装置の模式断面図、 第６図は従来構造におけるイオンビーム（IB）に垂直方
向の電子のポテンシャル分布図である。 図において、 １はマスク、 ２はサプレッション電極、 ３はファラデーカップ電極、 ４は一次（熱）電子発生部、 ５は熱（一次）電子発生用フィラメント、 ６は電子引出し電極、 ７は二次電子発生電極、 58はターゲット電極、 59は被処理基板、 IBはイオンビーム、 e₁ ^-は一次電子、 e₂ ^-は二次電子、 Ａは電流計、 B₁、B₂、B₃、B₄は直流電源、 GNDは接地点 を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加勢 正隆 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被処理基板が固持される接地電位のイオン
   ビーム照射ターゲットと、該イオンビームの電流量を測
   定するために該ターゲットの直前に配置されたファラデ
   ーカップ電極と、該ファラデーカップ電極内に100eV以
   上のエネルギーを持つ電子ビームを供給する電子ビーム
   源と、該ファラデーカップ電極内で該電子ビームに照射
   されて二次電子を発生する二次電子発生電極とを備えた
   イオンビーム照射装置において、 該二次電子発生電極を該ファラデーカップ電極から絶縁
   し、且つ該二次電子発生電極にファラデーカップ電極の
   電位に対して＋5V乃至＋20Vの電位を与えてなることを
   特徴とするイオンビーム照射装置。