JP2700987B2 - 入射イオンの粒子個数測定方法及び装置 - Google Patents

入射イオンの粒子個数測定方法及び装置

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JP2700987B2 JP5093923A JP9392393A JP2700987B2 JP 2700987 B2 JP2700987 B2 JP 2700987B2 JP 5093923 A JP5093923 A JP 5093923A JP 9392393 A JP9392393 A JP 9392393A JP 2700987 B2 JP2700987 B2 JP 2700987B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は半導体製造用イオン注
入装置における、入射イオンの粒子個数測定方法及び装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体製造用イオン注入装置において、
シリコンやガリウムヒ素等の基板に対して導入される不
純物は、イオン源に於いてイオン化され、ビームの形で
取り出され、所定のエネルギまで加速され基板に対して
注入される。この際、基板に導入される不純物の濃度
は、イオンビームの電流値をファラデーカップ（Farada
yCup）を用いて測定し、これを積算してイオンの総個数
をドーズ量として求めることにより正確に設定可能であ
る。図３及び図４に、イオン注入装置に於いて現在広く
用いられているイオンビーム電流値の測定方法を例とし
て示す。図３に示されている例では、ウエハ５１はファ
ラデーカップ５４の底に設置され、入射イオンビーム５
２の電流量は、ファラデーカップ５４に接続された電流
計５５により測定される。ファラデーカップ５４の入り
口部には負電圧電源５６から負電圧が印加された２次電
子抑制板５３が設置され、カップ内部で生成された２次
電子がカップ内から逃げ出すことを防ぎ、測定誤差を極
力少なくする工夫がなされている。図４の例は、米国特
許第４，２３４，７９７号で開示されている方法で、ウ
エハ６２は、高速回転するディスク６１上に設置され、
このディスク６１に設けられたスリット６８をイオンビ
ーム６３が通過する際に、電流量がディスク６１の背後
に設置されたファラデーカップ６５により測定される。
図３の実施例と同様にファラデーカップ６５には電流計
６６が接続されており、２次電子抑制板６４がファラデ
ーカップ６５の入口に設けられている。該２次電子抑制
板６４には負電圧電源６７が接続されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実際の
イオン注入工程に於いて使用される半導体デバイス製作
用基板には、マスク材としてフォトレジストが塗布され
ている場合がほとんどである。注入されるイオンがこの
フォトレジストマスクを通過する際、イオンの持つエネ
ルギの一部がフォトレジスト材を形成する高分子に付与
され、その分子結合が切断され、水素分子（Ｈ2）、窒
素分子（Ｎ2）、一酸化炭素（ＣＯ）、水（Ｈ2Ｏ）、炭
素（Ｃ）、窒素（Ｎ）等がアウトガスとしてプロセス室
内に放出される。放出されるガス量は、フォトレジスト
の材質、膜厚、イオンビームのエネルギ、電流値等に依
存して変化するが、通常の排気速度を備えた装置の場
合、プロセス室内の真空度が１０-4 〜１０-3Torrと通
常の真空度よりも２〜３桁悪化する場合がある。このよ
うに真空度が著しく悪くなった場合には、入射されてい
るイオンビームがこれらの残留ガスと衝突し一部が中性
化されたり、あるいは電子を失ったりして荷電状態が変
化してドーズ量を正確にモニターできなくなるという欠
点があった。さらにこの欠点を補うために排気速度を高
めようとして大型、複数台の真空ポンプを導入すると、
装置の大型化、高価格化という欠点を招いてしまう。ま
た、米国特許第４，５３９，２１７号で述べられている
ようなプロセス室の真空度に基づいたビーム電流値の補
正を行おうとすると、全ての関連イオン種、エネルギ、
ガス種、真空度に対して膨大な予備実験を行わなければ
ならない。また仮にこれらの実験を行ったとしても、実
際には、イオン注入中にフォトレジスト組成がイオンの
照射により時々刻々変化するため、プロセス室の真空
度、残留ガス組成も時々刻々と変化し、そのため正確な
補正を行うことは非常に困難である。本発明は上記した
従来技術の問題点を解決することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の入射イオンの粒子個数測定方法は、半導体イ
オン注入装置のプロセス室内の標的前面にイオンビーム
を挟むように対向して設けられた一対の電極を用いて、
イオンビームと残留ガスとの衝突により生成される２次
電子と２次イオンとを同時に補集し、その電流値を測定
し、該測定された電流値に基づいて、プロセス室内の真
空度の変化により生ずるイオンビーム電流の変化を補償
する、ことを特徴とする。また本発明の入射イオンの粒
子個数測定装置は、半導体イオン注入装置のプロセス室
内の標的前面にイオンビームを挟むように対向して設け
られた一対の電極と、該電極に反対の極性の電圧を供給
する手段と、前記一対の電極により補集された電流値を
それぞれ別個に測定する手段と、該測定された電流値を
合算して信号を出力する手段と、該信号に基づいてプロ
セス室内の真空度の変化により生ずるイオンビーム電流
の変化を補償する手段とを備えたことを特徴とする。
【０００５】
【作用】イオンビームと残留ガスとの衝突により生成さ
れる２次電子と２次イオンとを、半導体イオン注入装置
のプロセス室内の標的前面にイオンビームを挟むように
対向して設けられた一対の電極を用いて同時に補集し、
その電流値を測定する。そして、該測定された電流値に
基づいて、プロセス室内の真空度の変化により生ずるイ
オンビーム電流の変化を補償する。
【０００６】
【実施例】最初に本発明の測定原理について簡単に説明
する。イオンビームと原子及び分子の衝突過程は、イオ
ンビームのエネルギがｋｅＶ−MｅＶの領域では、次の
３種が主要なものとなる。いま、入射イオンをＡ+、標
的をＢ0とすれば、 （１）標的のイオン化 Ａ+ ＋ Ｂ0 → Ａ+
＋ Ｂ+ ＋ ｅ （２）イオンの中性化 Ａ+ ＋ Ｂ0 → Ａ0
＋ Ｂ+ （３）イオンの電子損失 Ａ+ ＋ Ｂ0 → Ａ++
＋ Ｂ0 ＋ ｅ これらの過程が起こる確率、即ち衝突の断面積はその衝
突に関与するイオンの種類、エネルギ及び標的の種類に
依存するが、一般的に云ってイオンの速度が遅い時には
上記（２）の過程が主要となり、イオンの速度が非常に
速くなると（３）の過程も重要に成ってくる。
【０００７】上記した従来の方法で問題になる過程は
（２）及び（３）である。しかし、ここで衝突によって
生成される２次イオンＢ+ 及び２次電子ｅの電流値を測
定しこれを足しあわせれば、電荷が保存することから入
射イオンの電荷がどのように変化したかを知ることがで
きる。なぜなら単純な標的のイオン化は、生成されたイ
オンと電子の電荷量が常に打ち消しあうためなんの影響
もおよぼさないからである。ちなみに、この方法は、生
成される２次イオン及び２次電子の補集領域でのどのよ
うな衝突過程が何回生じても、電荷は消滅しないので原
理的問題はないが、実際上の最悪の場合として真空度を
１０-3Torr、衝突断面積σを１０-15cm2と仮定すると、
平均自由行程は、 λ ＝ １／Ｎ・σ ＝ １／（３．５３６ × １０＋１６ × １ × １０ -3 ） × １ × １０-15 ≒ ２８．３cm となり、プロセス室中を各イオンが通過する距離とほぼ
同程度になり、入射イオンは残留ガスとほぼ１回だけ衝
突することが期待される。
【０００８】以下本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。従来のものと同様に高速で回転するディスク１１
にウエハ１２が設置され、またディスク１１にはスリッ
ト１８が形成されている。このスリット１８をイオンビ
ーム１３が通過する際に、その電流量がディスク１１の
背後に設置されたファラデーカップ１５により測定さ
れ、該ファラデーカップ１５に接続された電流計１６に
より電流値として検出されるようになっている。ファラ
デーカップ１５の入口部には負電圧電源２６により負電
圧で印加された２次電子抑制板１４が設置され、ファラ
デーカップ１５内で生成された２次電子がファラデーカ
ップ１５内から逃げ出すことを防止するように構成され
ている。
【０００９】以上の構成において、ウエハ１２の前面に
２次電子補集板２１と２次イオン補集板２３及びシール
ド２５から構成される２次電子／イオン電流測定系が設
置されている。２次電子補集板２１と２次イオン補集板
２３はイオンビーム１３を挟むように対向してほぼ平行
に設置されており、２次電子補集板２１には＋３００
Ｖ、２次イオン補集板２３にはー３００Ｖの電圧がそれ
ぞれ正電圧電源２２と負電圧電源２４により印加されて
いる。シールド２５はその中央部をイオンビーム１３が
貫通するように設置されており、２次電子補集板２１、
２３とウエハ１２との間に位置するようになっている。
このシールド２５は負電圧電源２６によりー３００Ｖに
印加されている。２次電子補集板２１と２次イオン補集
板２３とは、イオン注入中にアウト・ガスの影響で真空
度が悪化するウエハ１２の前面からプロセス室入り口に
設置され差動排気孔も兼ねたビームディファイニングア
パチャ２７までの領域をカバーするようになっている。
【００１０】イオンビーム１３が２次電子補集板２１と
２次イオン補集板２３の間を通過する際に、残留ガスと
衝突して生成される２次電子及び２次イオンは、２次電
子補集板２１と２次イオン補集板２３の間の電場によっ
て加速され、各々２次電子補集板２１と２次イオン補集
板２３に到達し、電流計２８と電流計２９により測定さ
れる。この時、シールド２５は上記したように負電圧電
源２６によりー３００Ｖに印加されているため、イオン
ビーム１３がディスク１１と衝突して生じる２次電子及
び２次イオンは、このシールド２５により追い返される
か、または吸収され、これらが２次電子補集板２１、２
３に到達して影響を及ぼすことがないようになってい
る。２次電子補集板２１と２次イオン補集板２３にそれ
ぞれ補集された２次電子と２次イオンの電流を足し合わ
せれば、前記したように衝突に関与する総電荷数が保存
するから、その電流値が入射イオンビームの電流量の変
化に対応することになる。したがって、電流計２８と電
流計２９により測定された電流値を用いれば、プロセス
室内の真空度変化によるドーズ量の変動を補償すること
ができる。
【００１１】図２に信号処理系の一実施例を示す。電流
計２８と電流計２９は加算器３０に接続されており、そ
れぞれが測定した電流値はここで加算され、この加算さ
れた電流量は更にサンプラ３１によりファラデーカップ
１５からの信号に同期するようにサンプリングされるよ
うに構成されている。サンプラ３１の後段には加算器３
２が設けられており、ここでサンプラ３１からの信号と
ファラデーカップ１５からの信号が加算され、ファラデ
ーカップ１５からの信号を補償するようになっている。
該加算された信号は電流積分器３３に送られて電荷量に
対応した一連のデジタルパルスに変換されてドーズ制御
システム３４の駆動に用いられるように構成されてい
る。
【００１２】以上の構成において、イオンビーム１３は
高速回転するディスク１１に設けられたスリット１８を
通過する際に、ディスク１１の背後に設置されたファラ
デーカップ１５によりモニタされ、電流計１６により検
出される。この時の電流はディスク１１の回転数に対応
して図中に表示するようにパルス状になる。この時同時
にイオンビーム１３と残留ガスの衝突により生成する２
次電子及び２次イオンの量は、それぞれ独立した電流計
２８と電流計２９により測定され、更に加算器３０で足
し合わされて、イオンビーム１３の電流量の変化に変換
される。該変換された電流量はサンプラ３１でサンプリ
ングされてファラデーカップ１５からの信号に同期する
信号に変換される。そしてファラデーカップ１５からの
信号とサンプラ３１からの信号は加算器３２で足しあわ
されて、入射イオンの粒子個数に対応した真の電流量へ
と変換される。この電流量信号は電流積分器３３におい
て一連のデジタルパルスに変換され、ドーズ制御システ
ム３４の駆動に用いられる。
【００１３】以上説明した実施例によれば、生成された
２次電子及び２次イオンを補集し、これにより入射イオ
ンビームの電流量を補正するため、プロセス室内の真空
度が変動した場合でも、正確に入射イオンの粒子個数を
モニタすることができる。また入射イオン種やエネルギ
或いは残留ガス等の種類に関係せず、予備実験などを必
要としない等の効果がある。
【００１４】
【発明の効果】以上説明したように本発明の入射イオン
の粒子個数測定方法は、半導体イオン注入装置のプロセ
ス室内の標的前面にイオンビームを挟むように対向して
設けられた一対の電極を用いて、イオンビームと残留ガ
スとの衝突により生成される２次電子と２次イオンとを
同時に補集し、その電流値を測定し、該測定された電流
値に基づいて、プロセス室内の真空度の変化により生ず
るイオンビーム電流の変化を補償するため、プロセス室
内の真空度が変動した場合でも、正確に入射イオンの粒
子個数をモニタすることができ、また入射イオン種やエ
ネルギ或いは残留ガス等の種類に関係せず、予備実験な
どを必要としない等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す概略図。
【図２】本発明の一実施例を示すブロック図。
【図３】従来技術の説明図。
【図４】他の従来技術の説明図。
【符号の説明】
１１：ディスク、１２：ウエハ、１３：イオンビーム、
１４：２次電子抑制板、１５：ファラデーカップ、１
６：電流計、１７：負電圧電源、１８：スリット、２
１：２次電子補集板、２２：正電圧電源、２３：２次イ
オン補集板、２４：負電圧電源、２５：シールド、２
６：負電圧電源、２７：ビームディファイニングアパチ
ャ、２８：電流計、２９：電流計、３０：加算器、３
１：サンプラ、３２：加算器、３３：電流積分器、３
４：ドーズ制御システム。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体イオン注入装置のプロセス室内
    の標的前面にイオンビームを挟むように対向して設けら
    れた一対の電極を用いて、イオンビームと残留ガスとの
    衝突により生成される２次電子と２次イオンとを同時に
    補集し、その電流値を測定し、 該測定された電流値に基づいて、プロセス室内の真空度
    の変化により生ずるイオンビーム電流の変化を補償す
    る、 ことを特徴とする入射イオンの粒子個数測定方法。
  2. 【請求項２】 半導体イオン注入装置のプロセス室内の
    標的前面にイオンビームを挟むように対向して設けられ
    た一対の電極と、 該電極に反対の極性の電圧を供給する手段と、 前記一対の電極により補集された電流値をそれぞれ別個
    に測定する手段と、 該測定された電流値を合算して信号を出力する手段と、 該信号に基づいてプロセス室内の真空度の変化により生
    ずるイオンビーム電流の変化を補償する手段と、 を備えたことを特徴とする入射イオンの粒子個数測定装
    置。
JP5093923A 1992-10-07 1993-03-30 入射イオンの粒子個数測定方法及び装置 Expired - Lifetime JP2700987B2 (ja)

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