JP2762845B2 - イオン注入装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ウエハ等のイオン照射
対象物内に不純物イオンを均一注入するイオン注入装置
に関し、特にイオンビーム電流を計測し、その計測結果
に基づいてイオン注入量の制御を行うようなイオン注入
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】イオン注入装置は、真空中でイオンを発
生させた後、イオンビームとして引出し、これを磁界を
用いた質量分析法により所望のイオンビームのみを選択
的に取り出し、さらに上記イオンビームを所定のエネル
ギーまで加速してウエハ等のターゲットに照射すること
で、ターゲット内に不純物を注入するものであり、半導
体プロセスにおいてデバイスの特性を決定する不純物を
任意の量および深さに制御性良く注入できることから、
現在の集積回路の製造に重要な装置になっている。

【０００３】上記イオン注入装置では、図４に示すよう
に、ターゲット５３へのイオンビーム５８の照射、即ち
イオン注入は、高真空状態に保持されたターゲットチャ
ンバ５１内のイオン注入室において行われる。そして、
ターゲット５３に到達したイオンビーム５８のビーム電
流がビーム電流計測系により計測され、その計測結果に
基づいて図示しない注入コントローラにより、イオン注
入量の制御が行われるようになっている。

【０００４】尚、イオンビーム５８がターゲット５３に
照射されるとき、２次電子や２次イオンが発生する（主
に２次電子が発生する）ので、上記ビーム電流計測に
は、これらの荷電粒子をコレクトするファラデーケージ
５２が用いられる。このファラデーケージ５２はターゲ
ット５３の周囲に設置され、そのビーム入射部５２ａ付
近には、通常、サプレッサ電源５６より負の電圧（例え
ば−６００Ｖ）が印加されたサプレッサ電極５５が設け
られる。このサプレッサ電極５５により、ファラデーケ
ージ５２の内部と外部との間の電子の移動が抑制され、
イオンビーム５８の照射によりターゲット５３から飛び
出した２次電子のみが確実にファラデーケージ５２に吸
収されるようになっている。

【０００５】そして、上記ビーム電流計測系によるビー
ム電流計測は、上記のファラデー系に到達するイオンの
電荷を集め、これをカレントインテグレータ５４で計測
することにより行われる。即ち、イオンビーム５８はサ
プレッサ電極５５を通ってファラデーケージ５２の内部
に入り、ターゲット５３に到達するが、このターゲット
５３に到達するイオンの電荷は、ターゲット５３に注入
される電荷と、そのときにビーム照射面から放出される
２次電子や２次イオンの電荷との総和であり、ターゲッ
ト５３およびファラデーケージ５２に接続されたカレン
トインテグレータ５４によりビーム電流計測値が求めら
れる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、イオンビー
ム５８がイオン注入室中を通過するとき、イオン注入室
中の残留気体分子とイオンビーム５８とが衝突し、気体
分子はイオンと電子とに電離する。この衝突電離により
生成されたイオンのうち、特に、上記サプレッサ電極５
５の付近のものは、負の電圧が印加されたサプレッサ電
極５５に吸収される。そして、電離により発生した電子
の一部がファラデーケージ５２内に侵入するという現象
が起こり、この結果、カレントインテグレータ５４の計
測値が実際のビーム電流よりも小さくなってしまうとい
った事態（以下、これを負の計測誤差と称する）が生じ
る。

【０００７】特に、ターゲットチャンバ５１内の真空度
が低下した場合には、気体分子の衝突電離が多くなり、
衝突電離により生成された電子もファラデーケージ５２
内に多量に侵入するようになるので、負の計測誤差も大
きくなる。また、サプレッサ電極５５付近に汚損面があ
れば、この汚損面が負電位に帯電し、この負の帯電面
（汚損面）があたかもサプレッサ電極５５が広くなった
かのように作用する。この汚損面の帯電が進展するに従
って、衝突電離により生成されたイオンの吸着作用およ
び電子の反発作用が増強され、ファラデーケージ５２内
への電子の侵入も増えるため、負の計測誤差も大きくな
る。

【０００８】上記のように、イオン注入室内の真空度の
低下や、内部汚染などの影響で、負の計測誤差が大きく
なった場合、所望の注入量とは異なる注入量制御（即
ち、注入量が過剰になるような注入量制御）が行われて
しまい、設定された注入量と実際の注入量に大きな差
（注入誤差）が生じてしまうことになる。

【０００９】しかしながら、上記従来の構成では、上記
のような事態が生じても、イオン源の状態変化によるビ
ーム電流の減少との区別がつかないため、イオン注入動
作中においては、衝突電離によりイオン注入室内に発生
した電子がファラデ系内に侵入して負の計測誤差が生じ
ていることを検出することは出来ないという問題を有し
ている。

【００１０】尚、注入動作の完了または中断時には、イ
オンビーム５８がターゲット５３に照射されないように
（ファラデーケージ５２内に入射されないように）イオ
ンビーム５８が偏向されるが、このとき、衝突電離によ
り生成された電子がファラデーケージ５２内に多数侵入
している状態が起きていれば、０（ゼロ）であるはずの
カレントインテグレータ５４の計測値が負になる。そこ
で、従来では、イオンビーム５８を偏向してターゲット
５３へのビーム照射を中止した直後に、カレントインテ
グレータ５４の計測値が負になっていることを検出する
ことにより、注入動作中に負の計測誤差が生じていたこ
とを検出し、以後の注入動作の禁止や警報動作等の処置
をとるように構成されている。

【００１１】しかしながら、この場合、衝突電離により
生成された電子が非常に多くファラデーケージ５２内に
侵入していなければカレントインテグレータ５４の計測
値が負になっていることを検出できないし、また、注入
動作中に比べると、注入動作完了または中断時の方が圧
倒的にファラデーケージ５２内に侵入する電子の量が少
ないことから、検出精度は非常に低い。そして、この場
合、注入動作中に計測誤差があれば、即注入誤差になる
にもかかわらず、注入動作中の計測誤差を検出すること
ができないということが最も問題である。

【００１２】本発明は、上記に鑑みなされたものであ
り、その目的は、注入動作中に、イオン注入室内に発生
した電子がファラデ系内に侵入して負の計測誤差が生じ
ていることを高精度で検出することにより、注入誤差が
生じるのを未然に防ぐことができるイオン注入装置を提
供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明のイオン注入装置
は、上記の課題を解決するために、高真空状態のイオン
注入室内においてイオンビームの照射を受けるターゲッ
トを取り囲むファラデーケージと、上記ファラデーケー
ジのビーム入射部近傍に設けられ、負の電圧が印加され
たサプレッサ電極と、上記ファラデーケージ内に入射さ
れたイオンビームの電流量を計測するビーム電流計測手
段とを備え、上記ビーム電流計測手段のビーム電流計測
値に基づいてイオン注入量の制御が行われるイオン注入
装置であって、以下の手段を講じている。

【００１４】即ち、上記サプレッサ電極と接地部との間
に流れるサプレッサ電流を検出するサプレッサ電流検出
手段を備えている。

【００１５】

【作用】上記の構成において、イオン注入室内の残留気
体分子がイオンビームとの衝突で電離し、この衝突電離
によって発生したイオンのうちサプレッサ電極付近のも
のは、負の電圧が印加されたサプレッサ電極に吸収され
る一方、電離によって発生した電子の一部がファラデー
ケージ内に侵入し、これがビーム電流計測手段の測定誤
差（負の計測誤差）を引き起こす。上記のような現象が
起こった場合、上記サプレッサ電極と接地部との間に
は、サプレッサ電極に吸収されるイオンの量に応じたサ
プレッサ電流が流れる。本イオン注入装置は、このサプ
レッサ電流を検出するサプレッサ電流検出手段を備えて
おり、イオン注入動作中におけるサプレッサ電流の変化
状態を監視するようになっているので、イオン注入室内
に発生した電子がファラデーケージ内に侵入して負の計
測誤差が生じていることをイオン注入動作中に検出する
ことができる。

【００１６】尚、上記サプレッサ電流は、ビーム電流計
測値の変化分（負の計測誤差）に対して約１００倍大き
な変化を示すものであり、ビーム電流測定値の変化を拡
大して検出でき、検出精度が非常に高い。このため、ビ
ーム電流計測値に（検出できるような）変化が生じるか
なり前から負の計測誤差が生じていることを検出でき、
注入誤差が起きるのを未然に防ぐことができる。

【００１７】

【実施例】本発明の一実施例について図１ないし図３に
基づいて説明すれば、以下の通りである。

【００１８】本実施例に係るイオン注入装置は、図１に
示すように、イオン注入室７を形成するターゲットチャ
ンバ１をエンドステーション部に備えている。このイオ
ン注入室７は高真空状態に保持されており、イオン注入
室７内にはウエハ等のイオン照射対象物を保持したター
ゲット３が設けられている。そして、このターゲット３
に、図示しないイオン源から引き出され、必要により加
速、整形、偏向、走査等が行われたイオンビーム８が照
射されることにより、イオン注入処理がなされるように
なっている。

【００１９】上記ターゲット３のイオンビーム８の進行
方向後方には、ビーム電流密度やビーム形状等のビーム
プロファイルを測定するためのビームプロファイルモニ
タ（図示せず）が設けられている。上記ターゲット３
は、イオンビーム８の照射を受ける注入位置（同図中に
実線で示している）とイオンビーム８の軌道から外れる
退避位置（同図中に点線で示している）との間を回動可
能になっている。そして、ターゲット３は、注入動作中
は注入位置に配される一方、ビーム立ち上げ時において
ビームプロファイルが測定されるとき、あるいはウエハ
交換時等には退避位置に配されるようになっている。

【００２０】上記ターゲット３の周囲には、注入動作中
にターゲット３のビーム照射面から飛び出す荷電粒子
（２次電子、２次イオン、尚、２次電子が圧倒的に多く
２次イオンは僅かである）を収集するファラデーケージ
２が設けられている。このファラデーケージ２のビーム
入射部２ａ付近には、サプレッサ電源６より負の電圧
（例えば−６００Ｖ）が印加されたサプレッサ電極５が
設けられている。このサプレッサ電極５は、ファラデー
ケージ２の内部で発生した電子（即ち、イオンビーム８
の照射面から飛び出した２次電子）がケージ外へ逃げる
のを抑制すると共に、ファラデーケージ２の外部で発生
した電子がケージ内へ侵入するのを抑制するようになっ
ている。

【００２１】上記のターゲット３およびファラデーケー
ジ２は、接地されたカレントインテグレータ４に接続さ
れており、カレントインテグレータ４に流れる電流が、
ターゲット３に到達したイオンビーム８の電流値として
計測されるようになっている。そして、上記カレントイ
ンテグレータ４によるビーム電流計測値は、図示しない
注入コントローラに取り込まれ、この注入コントローラ
は、ビーム電流計測値に基づいてイオン注入量を制御す
るようになっている。

【００２２】ところで、イオン注入室７内の残留気体分
子がイオンビーム８との衝突で電離し、この衝突電離に
よって発生したイオンのうちサプレッサ電極５付近のも
のはサプレッサ電極５に吸収される一方、電離によって
発生した電子の一部がファラデーケージ２内に侵入し、
これがカレントインテグレータ４における計測誤差（負
の計測誤差）を引き起こす要因になっていることは、従
来の技術のところで述べた通りである。

【００２３】上記のような現象が起こった場合、上記サ
プレッサ電極５と接地部との間には、サプレッサ電極５
に吸収されるイオンの量に応じて電流が流れる（以下、
これをサプレッサ電流と称する）。ここで、図２にイオ
ン注入動作中におけるカレントインテグレータ４による
ビーム電流計測値Ｉ_B の経時変化を、そして図３にこの
ときのサプレッサ電流Ｉ_S の経時変化を示す。尚、同図
ｂに示すサプレッサ電流Ｉ_S の経時変化は、サプレッサ
電極５と接地部との間に図示しない電流測定装置を接続
して測定したものである。同図から明らかなように、ビ
ーム電流計測値Ｉ_B が減少していることが明らかになる
時点よりもかなり前の時点から、サプレッサ電流Ｉ_S が
徐々に増加していることがわかる。したがって、サプレ
ッサ電流を監視することにより、イオン注入室７内に発
生した電子がファラデーケージ２内に侵入して負の計測
誤差が生じていることを検出することができる。

【００２４】尚、負の計測誤差を引き起こす要因には、
上記以外のもの（例えばターゲット３から放出された２
次イオンがファラデーケージ２から逃げる等）も考えら
れるが、上記の要因に比べれば他の要因による影響が出
る機会は小さい。したがって、ビーム電流計測値Ｉ_B と
サプレッサ電流Ｉ_S との間には、通常の場合比較的強い
相関関係が成立し、サプレッサ電流Ｉ_S の１／１００程
度の電流がビーム電流計測側で減少している（負の測定
誤差となっている）ような関係にある。

【００２５】そこで、本イオン注入装置では、以下に示
すように、所定値以上のサプレッサ電流が流れているこ
とを検出することにより、負の計測誤差が生じているこ
とを検出するような構成となっている。即ち、上記サプ
レッサ電源６の正極側端子は、例えば１０ｋΩのサプレ
ッサ電流検出抵抗（サプレッサ電流検出手段）９と、ツ
ェナ電圧３〜５Ｖのツェナーダイオード１０等の非線形
抵抗とを介して接地されている。また、上記検出抵抗９
およびツェナーダイオード１０の両端の電圧がサプレッ
サ電流検出回路（サプレッサ電流検出手段）１１の入力
端子に印加されるようになっている。上記サプレッサ電
流検出回路１１は、１００ｍＶ（サプレッサ電流１μＡ
に相当）以上の入力電圧を検出すれば検出信号を出力す
るようになっている。そして、上記サプレッサ電流検出
回路１１から検出信号が出力されたとき、出力リレー１
２が動作してリレー接点１３が閉じ、これによってイン
ターロックがかけられると共に、警報動作が行われるよ
うになっている。

【００２６】尚、イオン注入室７内の真空度の低下や内
部汚損などがなければ、イオン注入動作中において流れ
るサプレッサ電流は、５０ｎＡ程度であり、１００ｎＡ
を超えるようなことはない。イオン注入室７内の真空度
の低下や内部汚損があれば、サプレッサ電流が増加し、
負の計測誤差が大きくなるが、本実施例のように検出レ
ベルを１μＡ位（プレッサ電流検出回路１１における検
出レベルを１００ｍＶ）に設定しておけば、正常時と異
常時とのサプレッサ電流の差は充分であり、安定動作が
可能である。また、サプレッサ電流が１μＡになったと
き、負の計測誤差は略１０ｎＡに相当し、通常、これ以
下の測定誤差は問題にならない。勿論、検出レベルを１
μＡ以下にすることにより、さらに高感度で負の測定誤
差を検出可能である。

【００２７】上記のように、本実施例のイオン注入装置
は、イオン注入動作中におけるサプレッサ電流の変化状
態を監視するようになっているので、イオン注入動作中
に確実に負の計測誤差を検出できる。また、ビーム電流
計測値の変化分（負の計測誤差）に対して約１００倍大
きな変化を示すサプレッサ電流を検出対象にしているの
で、ビーム電流測定値の変化を拡大して検出でき、ビー
ム電流計測値に（検出できる程度の）変化が生じるかな
り前から負の計測誤差が生じていることを検出でき、検
出精度が非常に高い。したがって、注入誤差を未然に防
ぐことができる。

【００２８】また、本実施例では、サプレッサ電源６と
接地部との間にツェナーダイオード１０等の非線形抵抗
が接続され、サプレッサ電源６の電圧変動が数Ｖに抑え
られているので、過大なサプレッサ電流が流れてもサプ
レッサ電極５による電子の抑制効果は殆ど変化しない。

【００２９】尚、従来、サプレッサ電源が過負荷になっ
て電圧が低下したとき、電圧不足を検出してインターロ
ックをかける方式が用いられているが、この場合、数１
０ｍＡものサプレッサ電流が流れないとサプレッサ電源
の電圧不足を検出できないこと、および、電圧が低下す
ることによってサプレッサ（電子の抑制）の作用が失わ
れていることなどから、本実施例のように負の計測誤差
をいち早く検出して、注入誤差を未然に防ぐことができ
るという効果は期待できない。

【００３０】尚、本実施例では、サプレッサ電流が所定
レベル（約１μＡ）になったときにインターロックをか
けるような構成になっているが、次のような構成も可能
である。即ち、上述したように、ビーム電流計測値とサ
プレッサ電流との間には比較的強い相関関係が成立する
（サプレッサ電流の１／１００程度の値がビーム電流計
測側で負の測定誤差となる）ので、サプレッサ電流の計
測値に基づいて、カレントインテグレータ４によるビー
ム電流計測値の補正を行い、補正された値に基づいて注
入コントローラがイオン注入量を制御するように構成す
る。

【００３１】

【発明の効果】本発明のイオン注入装置は、以上のよう
に、高真空状態のイオン注入室内においてイオンビーム
の照射を受けるターゲットを取り囲むファラデーケージ
と、上記ファラデーケージのビーム入射部近傍に設けら
れ、負の電圧が印加されたサプレッサ電極と、上記ファ
ラデーケージ内に入射されたイオンビームの電流量を計
測するビーム電流計測手段とを備え、上記ビーム電流計
測手段のビーム電流計測値に基づいてイオン注入量の制
御が行われるイオン注入装置であって、上記サプレッサ
電極と接地部との間に流れるサプレッサ電流を検出する
サプレッサ電流検出手段を備えている構成である。

【００３２】それゆえ、イオン注入室内に発生した電子
がファラデーケージ内に侵入してビーム電流計測手段の
ビーム電流計測値に測定誤差（負の計測誤差）が生じて
いることを、イオン注入動作中に検出することができ
る。また、ビーム電流計測値の変化分に対して約１００
倍大きな変化を示すサプレッサ電流を検出対象にしてい
るので、ビーム電流測定値の変化を拡大して検出でき、
検出精度が非常に高い。

【００３３】このため、ビーム電流計測値に検出できる
ような変化が生じるかなり前から、負の計測誤差が生じ
ていることを検出でき、注入誤差が起きるのを未然に防
ぐことができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すものであり、イオン注
入装置におけるエンドステーション部の要部を示す概略
の構成図である。

【図２】イオン注入動作中におけるカレントインテグレ
ータによるビーム電流計測値の経時変化を示すグラフで
ある。

【図３】イオン注入動作中におけるサプレッサ電流の経
時変化を示すグラフである。

【図４】従来例を示すものであり、イオン注入装置にお
けるエンドステーション部の要部を示す概略の構成図で
ある。

【符号の説明】

１ ターゲットチャンバ ２ ファラデーケージ ２ａ ビーム入射部 ３ ターゲット ４ カレントインテグレータ（ビーム電流計測手段） ５ サプレッサ電極 ６ サプレッサ電源 ７ イオン注入室 ８ イオンビーム ９ サプレッサ電流検出抵抗（サプレッサ電流検出手
段） １０ ツェナーダイオード １１ サプレッサ電流検出回路（サプレッサ電流検出
手段）

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高真空状態のイオン注入室内においてイオ
   ンビームの照射を受けるターゲットを取り囲むファラデ
   ーケージと、上記ファラデーケージのビーム入射部近傍
   に設けられ、負の電圧が印加されたサプレッサ電極と、
   上記ファラデーケージ内に入射されたイオンビームの電
   流量を計測するビーム電流計測手段とを備え、上記ビー
   ム電流計測手段のビーム電流計測値に基づいてイオン注
   入量の制御が行われるイオン注入装置において、 上記サプレッサ電極と接地部との間に流れるサプレッサ
   電流を検出するサプレッサ電流検出手段を備えているこ
   とを特徴とするイオン注入装置。