JP2665819B2 - イオン注入装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、半導体の製造などに用いられるイオン注
入装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第15図は、たとえば特開昭62−241247号公報に記載さ
れた、従来のイオン注入装置の一例を示す構成図であ
る。図において、21はイオン注入室チャンバ、22はイオ
ンビーム、23は被処理ウエハ24が載置されるディスク、
26はディスク23に接続されたイオンビーム電流計、27は
イオンビーム補正レンズ、32はイオンビーム補正レンズ
27をコントロールするコントローラ、33はイオンビーム
測定手段、34はファラデーゲージである。

次に動作について説明する。

イオン注入室チャンバ21中に紙面左の方よりイオンビ
ーム22が飛来し、これが回転するディスク23上に並べら
れた被処理ウエハ24に注入される。このディスク23はフ
ァラデーゲージ34の底を形成しており、ディスク23に接
続されたイオンビーム電流計26により、ファラデーゲー
ジ34に飛来するイオンビーム量を測定することができ
る。ファラデーゲージ34に到達する直前において、イオ
ンビーム22はイオンビーム補正レンズ27とイオンビーム
測定手段33を通過する。

イオンビーム測定手段33を被処理ウエハ24側から見る
と、第16図に示すようになっている。同図を参照して、
高融点金属からなるプローブ29がモータ40によって適当
な角度回転駆動され、イオンビーム22を垂直に横切るこ
とにより、電流計41に電流が流れる。モータ40にはポテ
ンショメータとロータリエンコーダが取りつけてあり、
電流計41から得られる信号を適当な同期をとってオシロ
スコープに描かせると、第17図に示すような波形が得ら
れる。第17図の波形やa,bの位置から、イオンビームの
縦方向の長さ、位置、ビームの大まかな形状が得られ
る。この情報をコントローラ32が受けて処理し、イオン
ビーム補正レンズ27を制御することにより、イオンビー
ム22が補正される。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記のような従来のイオン注入装置で
は、回転ディスク23の前にイオンビーム補正レンズ27を
挿入するために、装置が大型化かつ複雑化し、生産コス
トの高いものとなる。また、ビーム補正レンズ27が挿入
されればビーム輸送距離が長くなるため、輸送途中で中
性粒子に衝突して散乱するイオンの数が増加し、ビーム
の輸送効率が下がる。これを防止する必要性から特にビ
ームの輸送効率を重視する大電流型イオン注入装置で
は、現在主流となっているプリデポジション型注入装置
（たとえば「電子・イオンビームハンドブック」p586参
照）のように、ビームの輸送距離を極力短くするために
イオンビーム補正レンズの挿入を断念せざるを得ず、イ
オンビーム電流および電流密度の適正化制御が困難にな
るという問題点があった。

この発明は上記問題点を解消するため、イオンビーム
補正レンズを用いない簡単な構成で、イオンビームの輸
送効率を落さずにイオンビームの電流量および電流密度
分布を自動的に制御できるイオン注入装置を得ることを
目的とする。また、この発明は、イオンビーム電流密度
分布測定装置のないイオン注入装置でもビームの電流密
度分布の自動制御が可能なイオン注入装置を得ること、
ビーム水平・垂直方向を同時に自動制御する高精度なビ
ームの制御ができるイオン注入装置を得ること、さらに
素子の静電破壊率の低減と同時に生産性の向上をも考慮
したビーム制御のできるイオン注入装置を得ることを目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係るイオン注入装置は、ビーム引き出し電
極の位置を自動的に調整できる引き出し電極制御機構を
設け、アークチャンバとビーム引き出し電極との間の距
離を規格化パービアンズの概念を用いた計算もしくは測
定結果をフィードバックして調節することにより、イオ
ンビームの電流量及び電流密度分布を制御するようにし
たものである。

また、この発明に係るイオン注入装置は、質量分離器
と磁極端角度のビーム入射側と出射側の両方を自動制御
できる機構を設け、質量分離器の入射角と出射角の両方
を理論計算に基づいた定量化もしくは測定結果をフィー
ドバックすることにより自動制御するようにしたもので
ある。

また、この発明に係るイオン注入装置は、イオン電流
密度分布測定装置を用いてフィードバック制御するに際
して、設定最大電流密度をこえない最大注入電流量が得
られるようにフィードバック制御を行なうようにしたも
のである。

〔作用〕

本発明においては、アークチャンバとビーム引き出し
電極との間の距離を調節することにより、イオンビーム
の電流量及び電流密度分布を制御するようにしたから、
イオンビーム補正レンズが不要となり、装置の簡略化が
できかつビーム輸送効率の低下を防止できる。またビー
ム引き出し電極位置を自動制御することにより、ビーム
引き出し部での規格化パービアンスを考慮したビームの
制御が可能となる。上記の制御をパービアンスの概念を
用いた理論計算に基づく定量化によって行えば、ビーム
電流密度分布測定装置のない、もしくは簡易的な測定装
置しか持たないイオン注入装置でもイオンビームの制御
が可能となる。ビーム電流密度分布測定装置の設置され
ているイオン注入装置では、より高精度なビーム制御が
可能となる。

また、この発明においては、質量分離器の入射角と出
射角の両方を理論計算もしくは測定結果に基づいた定量
化により自動制御するようにしたから、ビームの垂直方
向，水平方向の両方の広がりを同時に制御することがで
き、被処理ウエハ上で精度よく所望のビームサイズを得
ることができる。

さらに、この発明においては、イオン電流密度分布測
定装置を用いたフィードバック制御が、設定最大電流密
度をこえない最大注入電流量が得られるように行なう構
成としたから、生産性と歩留り（低静電破壊率）を高い
次元で満足するイオンビームの制御が可能となる。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を図について説明する。

第１図は本発明の第１の実施例によるイオン注入装置
の構成を示す図であり、図において、１はイオンを発生
するアークチャンバ２とアークチャンバ２よりイオンを
引き出す引き出し電極３とを有するイオン源、５はイオ
ン注入室、６はイオン注入室５内に設けられた回転ディ
スクであり、回転ディスク６に被処理ウエハ28が載置さ
れる。また７はイオンビーム測定手段、８はビーム引き
出し電極駆動手段、10は制御手段である。

次に動作について説明する。

イオン源１内のアークチャンバ２から発生したイオン
はビーム引出電極３によって引出され、イオンビーム11
aとなって射出される。イオンビーム11aは質量分離器25
を通過することによって、必要とするイオン種のイオン
ビーム11bのみがイオン注入室５へ照射される。イオン
注入室５内へ照射されたイオンは、イオン注入室５内に
設けられた回転ディスク６の上に載置された被処理ウエ
ハ28に注入される。

イオンビーム11bが照射される位置に対応する回転デ
ィスク６の下方には、イオンビームの電流量および電流
密度分布を測定するイオンビーム測定手段７が配されて
いる。このイオンビーム測定手段７によって得られた計
測データを制御手段10が受けて処理し、それに基づいて
引出電極駆動手段８の駆動が制御される。その結果アー
クチャンバ２と引出電極３の距離が調整され、イオンビ
ーム11a,11bが補正される。

このイオンビーム測定手段７としては、たとえばマル
チホールファラデー方式のイオンビーム検知器を走査す
る方法のものが最も精度良く測定できると考えられる
が、第15図の従来装置においてイオンビーム測定手段33
と同様のものを用いることも可能である。

第１図において、アークチャンバ２からビーム引出電
極３によってイオンビームが引出される。イオンビーム
は、正の電荷を持ったイオンの集まりであるため、特に
イオンの密度が高いときにはイオン相互間の反発力によ
ってビームが拡がる現象が生じる。これを一般に「イオ
ンの持つ空間電荷による発散」と呼んでいるが、まず、
この空間電荷によるビームの発散を無視した場合の制御
（第一次制御）を行なう。空間電荷によるビームの発散
を無視した場合の最小のビーム発散角を与えるビーム引
出電極３とアークチャンバ２の距離Ｄは、たとえば「石
川順三著，イオン源工学，アイオニクス株式会社発行」
p178〜p186の理論および数式から導かれ、次のように表
される。

ここで、Ｓは引出孔の面積、Ｃは引出孔が円孔のとき
0.6,スリットのとき0.68となる定数、ε₀は真空の誘電
率、αは実効比電荷、Ｉは引出電流、Ｖは引出電圧であ
る。

但し上記実効比電荷αは以下の式で表される。

ここでm_i，Z_i，I_iはそれぞれＩに含まれる各種イオン
の質量，イオン価数，電流量、ｅは素電荷である。

上記の式におけるS,Cは各装置に応じて決まる定数で
あり、注入条件としてV,Iが設定される。このときのＩ
に応じたαが実験などにより既知であれば、制御手段10
が各種演算処理を施すことによりＤの値を計算し、ビー
ム引出電極３の位置調整を駆動手段８を通じて行なうこ
とにより、空間電荷による発散が無視できるときの最も
収束性の良いビーム引出しが実現されることになる。以
上が第一次制御である。

なお、αは質量分離器25を用いて実験的に容易に求め
られる。

引出されたイオンビームは質量分離器25を通過後必要
なイオン種のみのビームに分離された後、イオン注入室
５に設置された回転ディスク６上の被処理ウエハ28に照
射される。イオンビーム測定手段７は被処理ウエハ28に
照射されるビームの電流量および電流密度分布を測定す
る。このとき、空間電荷によるビームの発散が無視でき
る場合には、測定される電流量は最大値を示すことにな
る。

しかし、空間電荷効果が無視できず電流量が大でない
場合、もしくは電流量が最大でも電流密度に大きな偏り
がありこれを補正したい場合には、さらに下記のような
より精密な制御すなわち第二次制御を行う。

第11図は、イオンビーム測定手段７によって実測され
たイオンビームの電流量および電流密度分布のｄ（アー
クチャンバと引き出し電極の距離）依存性をグラフに表
わしたものである。同図の横軸は、i.ii,iii,ivの順に
ｄが等差的に大きくなることを示している。またｉ〜iv
におけるディスク走査方向の積算ビーム電流密度分布
は、第12図に示すとおりである。第11図および第12図か
らわかるように、ｄの変化はビームに対して収束レンズ
と同様の効果を持つ。従って、電流量を最大にしようと
する場合にはｄの値をivの方向へ変化させ、イオンビー
ム測定手段７によって測定される電流量が最大になるよ
うに制御手段10がフィードバック制御を行なう。また、
電流密度分布の均一化を図ろうとする場合には、ｄの値
をｉの方向へ変化させ、イオンビーム測定手段７の電流
密度分布を監視しながら制御手段10がフィードバック制
御を行なう。このときの監視パラメータとしては、たと
えば最大電流密度、もしくは最大電流密度／平均電流密
度の値を設定し、これらの値を越えない最大の電流量が
得られるように制御手段10が制御を行なう。

以上のような制御を行なえば、イオンビーム補正レン
ズを挿入せずにイオンビームの調節を行なうため、ビー
ムの輸送距離が増加せず、したがってビームの輸送効率
を低下することなくイオンビーム電流量および電流密度
分布の自動制御が行なえる。

なお上記の制御が、リアルタイムで連続制御を行なう
シリアル制御および適当な時間間隔をあけてイオンビー
ム調整を行なうバッチ処理のいずれにも適用できること
は言うまでもない。

また、上記実施例ではこれらの制御を質量分離後のイ
オンビームをモニタすることにより行なっているが、質
量分離前のビームのモニタによる制御も可能である。こ
のとき特に電流密度分布の制御時には、質量分離前と分
離後のイオンビームの電流密度分布の相関を計算等によ
り予め求めておく必要がある。

第９図は例えば特開昭62−243231号公報に示された従
来のイオン注入装置の概略を示す図であり、図におい
て、101はイオンビーム、92はイオン源アークチャンバ
（イオンソース）、93は引き出し電極、94は質量分離器
（アナライザマグネット）、99は質量分離器のポールチ
ップ、102は可動分析スリット、103は成形スリット（マ
スク）、104はウエハ、97はイオンビーム電流密度測定
装置（プローブ）、100はイオンビームプロファイル制
御手段、105はイオンビームの焦点、106はイオンビーム
電流密度分布測定手段、107は最大イオンビーム電流密
度設定手段、108はイオン注入決定手段、109はプローブ
位置制御手段、110はポールチップの回転軸である。

次に動作について説明する。

イオンソース92は、不純物イオンのプラズマを作り、
引き出し電極93はプラズマ中からイオンビーム101を引
き出す。アナライザマグネット94は、磁界をイオンビー
ム101に対し垂直に発生させ、イオンビーム101の進行方
向を曲げる。ポールチップ99は、ポールチップ回転軸11
0を中心にして、イオンビーム101の出射角Ａを変えられ
るようになっている。この出射角Ａの変化により、イオ
ンビームの焦点105の位置が、アナライザマグネット94
側に近づいたり、遠ざかったりする。分析スリット102
はイオンビーム101を分析し、イオンビーム101の純度を
高める。マスク103はイオンビーム101が必要以上に広が
ることを抑えるものである。プローブ97はMOS−IC等が
形成される半導体ウエハ104にイオン注入を行う前に、
イオンビーム101を受け、イオンビーム電流密度分布測
定手段106により、イオンビーム電流密度分布を測定す
る。最大イオンビーム電流密度設定手段107により、最
大イオンビーム電流密度値を設定し、この値と測定した
値とをイオン注入決定手段108で判定し、判定結果が注
入実行可能であれば、プローブ位置制御手段109によっ
てプローブ97の位置を制御する。上記判定結果が注入実
行不可能であれば、イオンビームプロファイル制御手段
100がポールチップ99を動かす。

以上のようにしてイオンビーム最大電流密度分布が制
御され、静電破壊による歩留りの低下を低く抑えること
ができる。

しかしながら、上記従来装置による制御の方法では、
ビーム電流密度分布測定装置のないイオン注入装置に適
用することは不可能である。また、質量分離器のビーム
出射角のみによりビームのプロファイルを制御している
ので、ビームの垂直方向かもしくは水平方向のみに着目
した制御しかできず、ビームの水平・垂直方向を同時に
自動制御することは不可能である。さらに、静電破壊率
は最大電流密度に依存し、生産性は注入電流量に依存す
るが、上記制御では最大電流密度のみの制御、つまり静
電破壊率のみに着目した制御であり、生産性を考慮して
いなかった。なぜなら、例えば第６図に示すように、ほ
とんど同じ最大電流密度を持ちながら電流量が明らかに
違う場合が存在するからである。なお、第６図（ａ）は
２次元電流密度分布を示し、第６図（ｂ）はそのＡ−
Ａ′断面の電流密度分布を示している。

第10図は本発明の第２の実施例によるイオン注入装置
の構成を示す図であり、図において、第１図と同一符号
は同一又は相当部分であり、35はビーム引き出し部での
規格化パービアンスの概念を用いた理論計算に基づいた
定量化により、アークチャンバ２と引き出し電極３との
間の距離を制御する制御手段である。

次に動作について説明する。

第10図において、アークチャンバ２で生成されたプラ
ズマから引き出し電極３によってイオンビーム11aが引
き出される。引き出されたビーム11は質量分離器25を通
過後、必要なイオン種のみのビーム11bに分離された
後、イオン注入室５に導入され、回転ディスク６上に保
持されたウエハ28に照射されることになる。

ここで、引き出し電極位置における最外郭粒子の発散
角ωは前出の「イオン源工学」p.183〜186により、空間
電荷が無視できるとき第１次近似では次式のように表さ
れる。

（ｉ）単孔電極 ここで2aは引き出し開口部の長さ、ｄはアークチャン
バーと引き出し電極との距離である。

（ii）スリット電極系 ここでＰはビーム引き出し部での実測パービアンスで
あり、以下の式で与えられる。

Ｐ＝I_EX／V^3/2 I_EXは引き出し電流、Ｖは加速電圧（引き出し）であ
る。

また、Pcは平行平板近似計算によるビーム引き出し部
でのパービアンスであり、以下の式で与えられる。

ε₀は真空の誘電率、Ｓはビーム引き出し部の開口面
積、Ｚはイオン価数、ｅは素電荷、m_iはイオンの質量で
ある。

（なお、第１の実施例における、最小のビーム発散角を
与えるＤの式は、上式においてω＝０となるときのP/Pc
の値から導出したものに他ならない。） また、ビーム発散角ωとビームのx,y方向の初期速度x
₀′，y₀′との関係は次のようになる。

従って、引き出し電極３の位置とそのときのビーム引
き出し部での規格化パービアンスP/Pcがわかればビーム
の発散角ωがわかり、位置とωがわかれば後に示すよう
にウエハ上でのビームサイズの計算が可能となるためP/
Pcの値を制御することによりウエハ上でのビームサイズ
の制御が可能となる。なお実際のイオン注入装置では装
置によって引き出し系の条件の違い、例えば引き出し電
極の形状の違いにより、上記計算をそのまま適用できな
い場合もある。その場合には、その装置固有のファクタ
ーｆをかけた、fP/Pcの値で制御すれば良い。ＰおよびP
cの式から、P/Pcを変化させるにはI_EX、Ｖ、ｄを変化さ
せるとよいことがわかる。しかしプロセス側から注入深
さ等を指定されるとＶは一定値に定まり、I_EXは注入電
流量と深く係わっており注入電流量は制御の対象となる
ことから、I_EXは注入電流量の制御に用いるべきであ
る。従ってP/Pc制御にはｄの値を用いるとよい。例えば
第７図から、あるイオン注入装置においてアーク電流は
一定で、ｄを8mm〜14mmに渡って変化させるとP/Pcは0.2
2から0.68の範囲で変化しているがI_EXの値はほとんど一
定であることがわかる。これは、アーク電流を変化させ
ない限りプラズマ密度は一定であることによる。また例
えば第８図から、ある注入装置においてP/Pcの値が同じ
であればI_EXが違ってもビームプロファイルはほぼ同じ
ような形をとることがわかる（電流量によるビーム分布
の違いがあるのは、ビーム引き出しの後の空間電荷効果
によるものと考えることができる）。従ってウエハ上で
所望されるビームのサイズを設定すれば、引き出し電流
量などの測定値などから計算・制御手段35がｄの値を計
算し、引き出し電極駆動機構８を動かしてビーム11を制
御することが可能になる。このときの制御アルゴリズム
の一例を第２図に示す。

ところで、上記第１の実施例は、ビーム引き出し時の
ビーム発散角の制御を行なうものであるが、本実施例の
ようなビーム輸送系でのウエハ上でのビームの位相座標
は、例えば「イオンビームズウィズアプリケーショント
ゥイオンインプランテーション」（“ION BEAMS with a
pplication to ion im−plantation"P.207〜P.213）よ
りマトリックス表示を用いて次のように求めることがで
きる。

x:水平方向 y:垂直方向 ここで（Ｍ）は各部でのトランスファーマトリクス
で、各々次のように与えられる。

：分析電磁石出口からウエハまでの直線部、L2はその距
離 ：分析電磁石出口の端部効果によるもの なお、βはビーム出射角である。

：分析電磁石 ：分析電磁石入口の端部効果によるもの なお、αはビーム入射角である。

：イオン源から分析電磁石入口までの直線部、L1はその
距離 ：分析電磁石出口の端部効果によるもの ：分析電磁石 ：分析電磁石入口の端部効果によるもの ただし、ρは曲率半径、φは偏向角である。

従って、イオンビームを構成する粒子のうち、所望す
るイオン種の最外郭軌道を上式を用いて計算すればウエ
ハ上でのビームサイズが得られることになる。

即ち、上記式より質量分離器25の入射角及び出射角
を変化させることによっても（x,y,x′,y′）の値の制
御が可能である。

第13図はこの点に着目した本発明の第３の実施例によ
るイオン注入装置の質量分離器の制御構成を示す図であ
り、図において１はイオンビームを出射するイオン源、
14は出射されたイオンビームの光学軸である。また12は
質量分析電磁石であり、上記第1,第２の実施例において
質量分離器を構成するものである。19a,19bはそれぞれ
質量分析電磁石12の入射角可変磁極，出射角可変磁極で
あり、パルスモータ等により駆動される。24は被処理ウ
エハ、７はビーム強度分布検出器、31はビーム強度分布
検出器７の出力に基づいて質量分析電磁石12の制御を行
なう制御計算機である。

次に動作について説明する。

イオン注入装置の用途は様々であり、例えば半導体製
造に使用する場合、ウエハに任意のイオンを打ち込んで
必要な原子の層を作りだすのに利用される。ウエハに注
入するイオンの種類はボロン（Ｂ），ヒ素（As）等数多
く要求され、例えばボロンを注入する場合、まずイオン
源１にボロンのガスを入れイオン化し、必要なエネルギ
ーで引き出す。しかし、引き出されたボロンビームの中
には必要な¹¹Ｂ以外に¹⁰Ｂ等の不要なイオンが存在す
る。そのため質量分析電磁石12を通すことにより様々な
イオンを振り分け必要な¹¹Ｂだけをウエハに輸送する。
ここで、ウエハ設定位置上で要求されるビームサイズは
ウエハの大きさより決められるが、イオン源１から引き
出されたビームは従来例のような質量分離器を通過する
場合、ビームの出射角のみ可変で入射角は固定のため、
x,y方向のどちらか一方に着目した制御しか出来ない。

そのため、本実施例の分析電磁石12は質量分離の機能
に加えて水平，垂直の二重の集束作用を持たせてビーム
の整形を行なうための入射角可変磁極19aと出射角可変
磁極19b及びその自動制御装置を設けたものである。

第13図中のα，βは前述の座標決定のための式の説明
中で与えられるα，βにそれぞれ対応するものであり、
図において矢印の方向がβ＞０（このときｘ→収束,y→
発散）、矢印の方向がα＜０（このときｘ→発散,y→収
束）である。即ち、共に正の場合は水平方向に集束力，
垂直方向に発散力を与え、負の場合にはその逆の力を与
える。このようなビーム輸送系における粒子の振舞いは
上述したとおりであるが、入射角と出射角を変えること
によりウエハ上で任意のビームサイズが得られるため、
本実施例のように入射角と出射角を可変できるようにし
ておけば、装置制作後たとえイオン源から所定のビーム
が得られなかった場合もしくはイオン種や加速電圧など
の条件を変更して用いる場合でも入射角と出射角を適切
に変えることにより、ウエハ上で所定のビームサイズが
得られる。

このように本実施例では入射角α、出射角βの値を計
算により導出し、x,y方向に二重の収束作用を持たせて
ビーム整形を行うことができるため高精度なビームの自
動制御が可能となる。

さらに、例えば本第３の実施例による制御と上記第２
の実施例による引き出し電極３の位置制御とを組み合わ
せることにより、質量分離器４に入射する前のビームの
発散角を引き出し電極によりできるだけ小さく押さえ、
入・出射角α，βによりビームの整形を行うという形で
制御すれば、ビーム輸送効率が高くなり、かつビームの
高精度な制御が可能となる。このときの制御アルゴリズ
ムの例を第３図に示す。またこのとき引き出し電極３に
よる制御をイオン源の変動などに対処した一定のビーム
を引き出すための制御と見なせば、制御範囲が広がった
と解釈することもできる。また、引き出し電極３の制御
と出射角β（もしくは入射角α）の制御を組み合わせる
だけでも、出射角βのみの制御に比べて制御範囲は広く
なる。

上記第2,第３の実施例の動作説明において述べた制御
はビームの空間電荷効果による発散が無視できない場合
には有効であるが、空間電荷効果が無視できない場合に
は空間電荷効果を取り入れた計算により制御を行う必要
がある。この計算方式の概要は前記の方法とほぼ同じで
あるが、その上に空間電荷効果の影響を薄肉レンズ近似
して計算に取り入れる。つまり、ビームがある距離ｌだ
け進むときに受ける空間電荷の影響による発散力を、ｌ
進んだあとで瞬発的に受けるとみなす近似の仕方であ
る。従って、水平・垂直方向共に発散力を与えるレンズ
がビーム輸送系にｌの間隔で配置された形となる。その
薄肉レンズのトランスファーマトリクスはビームの電荷
密度分布が均一であるとすると次式で与えられる。

ここで、εは電荷数／質量数、ηは中和率、m₀c²は陽
子の静止エネルギー、γはイオン速度／光速、ａはビー
ム断面を楕円とした時の水平方向半径、ｂはビーム断面
を楕円とした時の垂直方向半径である。

上式からも分かるように空間電荷の影響による発散力
はビーム径に関与しているため、実際の計算ではビーム
径をビーム軌道に沿って順次計算しながら発散力を与え
ている。つまり、イオン源からｌだけ空間電荷の影響を
無視して進んだ時のビーム径を求め、そのビーム径から
空間電荷の影響による発散力を上式を使って求めてビー
ムに発散力を与え、それにより変わったエミッタンスの
形を初期値として同様の計算を続けて行く。この制御で
はあらかじめイオンビームの電子による中和率を実験等
により求めておけばより正確な制御が可能となる。

以上のようにすれば計算によりウエハ上のビームサイ
ズを自動制御でき、ひいてはビーム電流密度の自動制御
が可能となる。しかし、上記の自動制御よりもさらに精
度の高い電流密度分布の自動制御が必要な場合やビーム
の非線形効果が無視できない場合などには電流密度分布
測定装置７を用いた測定結果をもとにフィードバック制
御を行うと良い。このときの制御アルゴリズムの一例を
第４図に示す。

これまで述べてきた制御は静電破壊率のみに着目した
制御であったが、生産性の向上を図るためには高電流量
かつ低静電破壊率であることが望まれる。従って、実際
には電流密度と注入電流量の両方を高い次元で融合させ
た制御が望ましい。その自動制御アルゴリズムの一例を
第５図に示す。このアルゴリズムは、設定最大電流密度
の値を超えない最大注入電流量が得られるようになって
いる。

以上のような制御を行えば、従来の注入装置より歩留
り及び生産性の向上したイオン注入装置を得ることがで
きる。

上述のように、引き出し部分でのパービアンスの概念
を用いた理論計算に基づいた定量化によりアークチャン
バと引き出し電極の間の距離を制御する手段、上述の理
論計算に基づいた定量化によって質量分離器へのイオン
ビームの入射角及び出射角を制御する手段に加え、上述
のフィードバック制御のためのイオンビーム測定手段を
備えた構成の、本発明の第４の実施例を第14図に示す。
図において、１はイオン源、２はアークチャンバー、３
はビーム引き出し電極、４は質量分離器、５はイオン注
入室、６は回転ディスク、７はビーム測定装置、８は引
き出し電極駆動系、9a、9bは質量分離器の入射・出射角
可変機構、10は計算制御系、11はイオンビームである。

なお、この発明における自動制御はリアルタイムな連
続制御（シリアル制御）にも、適当な時間間隔をあけて
行うビーム調整（バッチ処理）にも適用できる。

P/Pcの値を用いた自動制御においては理論計算を行う
部分が装置の一部として存在しても良いし、計算のみ他
の装置で行うかもしくはP/Pcに応じたビームの測定を行
って最適なP/Pcの値を前もって確認しておき、その値を
設定することにより装置はただP/Pcの値に応じた位置に
ｄの値を自動制御するという形でも良い。

電流密度分布測定装置７を用いたフィードバック制御
においては理論計算の補正という形で用いても良いし、
フィードバック制御単独で用いても良い。さらに従来の
例のフィードバック制御においては質量分離後のビーム
を計測することにより行っているが、質量分離前のビー
ムのモニターによる自動制御も可能である。この場合は
質量分離前と分離後のビームの相関を計算もしくは実験
により確認しておく必要がある。

最大電流密度を制御パラメーターとして用いる自動制
御においては、最大電流密度のかわりにウエハのファー
ストスキャン方向の積算電流密度の最大値もしくは、積
算電流密度に素子の横幅をかけあわせた素子への注入電
流量を制御パラメータとして自動制御を行っても同様の
効果が得られる。

また、これまで述べてきた自動制御においてはイオン
源が（ある程度）正常な状態であることを想定した制御
となっている。しかし、フィラメント変換時にイオン源
のセッティングがずれ、引き出し電極とアークチャンバ
ーのビーム引き出し部が軸ずれを起こしてしまった場合
や、フィラメントの消耗が端部などに集中してしまいプ
ラズマ分布に大きな片寄りが出来てしまった場合には、
注入されるイオンビームの分布にも大きな片寄りが出来
てしまい、これらの自動制御が有効に働かない場合も起
こり得る。従って簡易的なものも含めてイオンビーム電
流密度分布測定装置が付加されているイオン注入装置に
おいては、ビーム分布を測定した際に分布に大きな片寄
りがある場合にはアラームを出すようにすればよい。こ
のアラームが、イオン源のセッティング直後に出されれ
ば、ビーム分布の片寄りがなくなるように引き出し電極
もしくはアークチャンバーのセッティングを調整すれば
良いし、またこのアラームが、イオン源セッティング
（フィラメント交換）後、ある程度の時間を経て出され
たのであれば、フィラメントが切れてなくてもフィラメ
ント交換を行えば良い。このようにすれば、ビームの分
布は大きく片寄ることがなくなり、上記の自動制御は有
効に作用する。

また、実施例のなかで示した自動制御アルゴリズムの
うち第２図〜第３図では、最初にビームのサイズを設定
するようにしてある。しかし静電破壊率の低減という観
点からは、例えばビーム自身がファラデーカップの側壁
に当たって電流量読み取り誤差を起こさない範囲で広が
っているのが良く、またこの広がり（すなわちビームサ
イズ）は装置固有のものであるため、あらかじめビーム
サイズを定数として計算装置に記憶させても良い。

なお、これまで述べてきた発明は主に半導体の製造に
用いられるイオン注入装置に関するものであったが、ビ
ーム分布の均一化自動制御という観点からは他の目的
（例えば金属の表面改質等）に用いられるイオン注入装
置などにも適用範囲を広げることができる。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、アークチャンバとビ
ーム引き出し電極との間の距離を調節することにより、
イオンビームの電流量及び電流密度分布を制御するよう
にしたから、イオンビーム補正レンズが不要となり、ビ
ーム輸送効率の低下を防止できる効果がある。また上記
アークチャンバとビーム引き出し電極との間の距離の調
節はビーム引き出し部における規格化パービアンスの概
念を用いた理論計算に基づく定量化により可能なため、
ビーム輸送路途中、あるいはイオン注入室でのイオンビ
ーム測定手段を持たなくとも制御が可能であり、装置規
模の小型化を図ることができる効果がある。

また、この発明によれば、質量分離器の入射角と出射
角の両方を理論計算もしくは測定結果のフィードバック
に基づいた定量化により自動制御するようにしたから、
ビームの垂直方向，水平方向の両方の広がりを制御する
ことができ、非処理ウエハ上で精度よく所望のビームサ
イズを得ることができる効果がある。

さらに、この発明によれば、イオン電流密度分布測定
装置を用いたフィードバック制御が、設定最大電流密度
をこえない最大注入電流量が得られるように行なう構成
としたから、低静電破壊率でかつ生産性の向上したイオ
ン注入装置を得ることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例によるイオン注入装置
の構成を示す図、第２図はビーム引き出し部での規格化
パービアンスの概念を用いた理論計算に基づいてアーク
チャンバとビーム引き出し電極間の距離を調整してイオ
ンビーム制御を行なう制御アルゴリズムの一例を示す
図、第３図はアークチャンバとビーム引き出し電極間の
距離及び質量分離器の入射角，出射角の調整をしてイオ
ンビーム制御を行なう制御アルゴリズムの一例を示す
図、第４図は理論計算によるアークチャンバとビーム引
き出し電極間の距離及び質量分離器の入射角，出射角の
調整に加えてイオン電流密度分布測定装置を用いたフィ
ードバック制御によりイオンビーム制御を行なう制御ア
ルゴリズムの一例を示す図、第５図は理論計算によるア
ークチャンバとビーム引き出し電極間の距離及び質量分
離器の入射角，出射角の調整に加えてイオン電流密度分
布測定装置を用い設定最大電流密度を越えないようにフ
ィードバック制御してイオンビーム制御を行なう制御ア
ルゴリズムの一例を示す図、第６図は注入電流量と電流
密度分布の相関を示す図、第７図は引き出し電極とアー
クチャンバ間の距離と引き出し電流及び規格化パービア
ンスの関係を示す図、第８図は規格化パービアンス及び
ビーム電流をパラメータとしたときの２次元電流密度分
布を示す図、第９図は従来の質量分離器を備えたイオン
注入装置の一例を示す図、第10図は本発明の第２の実施
例によるイオン注入装置の構成を示す図、第11図は第２
の実施例におけるアークチャンバとビーム引き出し電極
との距離ｄとイオンビームの電流及び電流密度分布との
関係を示す図、第12図は第11図のｄがｉ〜ivのときのデ
ィスク走査方向の積算ビーム電流分布を示す図、第13図
は本発明の第３の実施例によるイオン注入装置の質量分
離器の制御構成を示す図、第14図は本発明の第４の実施
例によるイオン注入装置の構成を示す図、第15図は従来
のイオンビーム補正レンズを備えたイオン注入装置の一
例を示す図、第16図は第15図の装置のイオンビーム測定
手段を示す図、第17図は第16図のイオンビーム測定手段
によって検出された電流密度分布をオシロスコープで表
示した様子を示す図である。 １はイオン源、２はアークチャンバ、３はビーム引き出
し電極、4,25は質量分離器、５はイオン注入室、６は回
転ディスク、７はイオンビーム測定手段、８はビーム引
き出し電極駆動手段、9aは入射角可変機構、9bは出射角
可変機構、10,31,35は制御手段、11a,11bはイオンビー
ム、12は質量分析電磁石、14はビーム光学軸、19aは入
射角可変磁極、19bは出射角可変磁極、28は被処理ウエ
ハ。 なお図中同一符号は同一又は相当部分である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 庄野 一弘 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機株式会社生産技術研究所内 (72)発明者 中西 哲也 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機株式会社中央研究所内 (72)発明者 藤下 直光 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機株式会社生産技術研究所内 (72)発明者 野口 和彦 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機株式会社生産技術研究所内 (72)発明者 佐々木 茂雄 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機株式会社生産技術研究所内 (72)発明者 加藤 進 兵庫県伊丹市瑞原４丁目１番地 三菱電 機株式会社北伊丹製作所内

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】イオンを発生するアークチャンバ及び該ア
   ークチャンバよりイオンを引き出す引き出し電極を備え
   たイオン源と、引き出されたイオンのうち注入に必要な
   イオンのみを抽出しイオン注入の対象となる被処理物に
   輸送する質量分離器と、上記被処理物を載置するイオン
   注入室とを有するイオン注入装置において、 注入するイオン種、加速電圧、電流量などの設定に応じ
   て上記アークチャンバと上記引き出し電極間の距離をビ
   ーム引き出し部での規格化パービアンスの概念を用いた
   理論計算に基づいた定量化により自動制御する制御手段
   を備えたことを特徴とするイオン注入装置。
2. 【請求項２】請求項１記載のイオン注入装置において、 イオンビーム電流密度分布測定装置と、 該測定装置の測定結果をもとに設定最大電流密度を超え
   ない最大注入電流量が得られるようにアークチャンバと
   引き出し電極間距離を自動制御する制御手段とを備えた
   ことを特徴とするイオン注入装置。
3. 【請求項３】請求項１記載のイオン注入装置において、 上記質量分離器のビーム入射角・出射角の両方を理論計
   算に基づいた定量化によって同時に自動制御する制御手
   段を備えたことを特徴とするイオン注入装置。
4. 【請求項４】請求項１記載のイオン注入装置において、 イオンビーム電流密度分布測定装置と、 該測定装置の測定結果をもとに設定最大電流密度を超え
   ない最大注入電流量が得られるように質量分離器のビー
   ム入射角・出射角の両方をフィードバック制御する制御
   手段とを備えたことを特徴とするイオン注入装置。