JP3074818B2 - 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、特にイオンビームのビーム電流を測定してイオ
ン注入量の制御を行う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、拡散したい不純物を
イオン化し、この不純物イオンを磁界を用いた質量分析
法により選択的に取り出し、電界により加速してイオン
照射対象物に照射することで、イオン照射対象物内に不
純物を注入するものである。そして、このイオン注入装
置は、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には、大型のイオン照
射対象物（例えば８インチのウエハ）に対応できるもの
として、図５および図６に示すように、走査電極５１・
５１によりＸ方向（例えば水平方向）にイオンビーム５
４を電気的に走査すると共に、イオン照射対象物５６を
Ｘ方向と直交するＹ方向（例えば垂直方向）に機械的に
走査する、いわゆるハイブリッドスキャン型のものがあ
る。

【０００４】上記ハイブリッドスキャン型のイオン注入
装置では、イオン照射対象物５６は注入位置において保
持部材５３に保持され、保持部材駆動機構５２に駆動さ
れてＹ方向に往復運動（走査）するようになっている。

【０００５】また、上記保持部材５３の上流側には、所
定面積の開口部５５ａを持つ照射マスク５５が配置され
ている。この照射マスク５５の開口部５５ａは、ビーム
走査領域内に形成され、開口部５５ａを通過したイオン
ビーム５４のみが、その後方の保持部材５３に保持され
たイオン照射対象物５６に照射されるようになってい
る。

【０００６】イオン注入装置では、イオンビーム５４の
ビーム電流が測定され、この測定結果に基づいてイオン
注入量の制御が行われる。上記ハイブリッドスキャン型
のイオン注入装置では、通常、イオン照射対象物５６を
照射するイオンビーム５４の軌道外にドーズファラデ５
７が設けられ、このドーズファラデ５７によりビーム電
流が測定される。

【０００７】上記ドーズファラデ５７に入射されるイオ
ンビーム５４のビーム電流は、カレントインテグレータ
５８で積算され、単位時間当たり（例えば１回のビーム
走査当たり）の電荷量に対応したパルス信号に変換され
て注入コントローラ５９に出力される。

【０００８】この注入コントローラ５９は、この単位時
間当たりの電荷量に対応したパルス信号に基づいて、入
力キー６０の操作により予め設定されている設定ドーズ
量でイオン注入されるように、保持部材駆動機構５２の
動作を制御し、保持部材５３の移動速度、即ちイオン照
射対象物５６のＹ方向走査速度の制御を行うようになっ
ている。このＹ方向走査速度の制御により、イオン照射
対象物５６へのイオン注入量が制御されるようになって
いる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記の構成によりイオ
ン注入動作が行われる場合、ドーズファラデ５７で測定
されるビーム電流は、実際にイオン照射対象物５６に照
射されるイオンビームのものではないため、ドーズファ
ラデ５７で測定されるビーム電流と、実際にイオン照射
対象物５６に照射されるイオンビームのビーム電流とに
差が生ずる可能性がある。

【００１０】特に、注入均一性の向上が要求される今日
のイオン注入装置では、走査電極５１・５１に印加され
る走査電圧の波形を整形することにより注入均一性の向
上を図る場合があり、このような補正動作が行われる
と、フリンジング（走査電極５１・５１間の電界中にお
いて、中央部では略平行な電界が走査電極５１・５１に
近づく程偏向される現象）の影響等の条件が変化し、こ
れに伴ってイオンビーム５４の経路が変化するため、ド
ーズファラデ５７で測定されるビーム電流と、実際にイ
オン照射対象物５６に照射されるイオンビームのビーム
電流との比に数％程度の差が生じることがある。

【００１１】従来、注入コントローラ５９によるイオン
注入量の制御は、前記のようにドーズファラデ５７で測
定されるビーム電流に基づいて行われているので、この
ドーズファラデ５７で測定されるビーム電流の誤差によ
り、設定されている設定ドーズ量とは異なった注入量の
制御が行われてしまうという問題点を有している。

【００１２】本発明は、上記に鑑みなされたものであ
り、その目的は、略設定された通りのドーズ量によりイ
オン注入動作が行え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、イオン照射対象物を
照射するイオンビームの軌道外にビーム電流測定部が設
けられ、このビーム電流測定部によるビーム電流の測定
結果に基づいて、予め設定されている設定ドーズ量にな
るように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、以下の手段を講じている。

【００１４】即ち、イオン照射対象物を照射するイオン
ビームの軌道上に第２ビーム電流測定部が設けられ、上
記ビーム電流測定部と第２ビーム電流測定部とによるビ
ーム電流の測定結果に基づいてイオン注入量の補正が行
われる。

【００１５】

【作用】上記の構成によれば、イオン照射対象物を照射
するイオンビームの軌道外に設けられたビーム電流測定
部で測定されたビーム電流の測定結果に基づいて、イオ
ン注入量の制御が行われる。

【００１６】このため、上記ビーム電流測定部で測定さ
れるビーム電流と、実際にイオン照射対象物に照射され
るイオンビームのビーム電流とに差がある場合、このま
までは予め設定されている設定ドーズ量とは異なった注
入量の制御が行われてしまうが、上記の構成によれば、
実際にイオン照射対象物に照射されるイオンビームの軌
道上に第２ビーム電流測定部が設けられており、この第
２ビーム電流測定部による測定結果と、上記ビーム電流
測定部による測定結果とが比較され、これらの測定結果
に基づいてイオン注入量の補正が行われるので、略設定
ドーズ量通りのイオン注入動作が行われる。

【００１７】

【実施例】本発明の一実施例について図１ないし図４に
基づいて説明すれば、以下の通りである。

【００１８】本実施例のイオン注入装置は、図４に示す
ように、一対の走査電極１・１によりイオンビーム１２
を電気的にＸ方向（例えば水平方向）に走査すると共
に、イオン照射対象物としてのウエハ６をＸ方向と直交
するＹ方向（例えば垂直方向）に機械的に走査する、い
わゆるハイブリッドスキャン型のものである。

【００１９】尚、上記のハイブリッド型イオン注入装置
は、イオンビーム１２を扇状に掃引する通常タイプのも
のであるが、イオンビーム１２を平行にする機構を有す
るパラレルビーム方式のものであってもよい。

【００２０】このイオン注入装置は、図３に示すよう
に、注入元素をイオン化し、イオンビーム１２として引
き出すイオン源部４１と、所定の注入イオンのみを選別
して取り出す質量分離部４２、イオンビーム１２を輸送
する中で必要によりイオンビーム１２を加速し、ビーム
形状を成形、集束、走査する機能を包含するビームライ
ン部４３、ウエハ６をセットし注入処理を行うエンドス
テーション部４４から構成されている。

【００２１】上記イオン源部４１には、イオン源物質ガ
ス（例えばＢＦ₃ 等）を供給するガスボックス４５、注
入元素をイオン化するイオン源４０、よびイオンビーム
１２を引出すための引出し電源４６が備えられている。
また、イオン源部４１の内部は、イオン源部真空ポンプ
４７により真空状態に保たれている。上記イオン源４０
は、例えば熱陰極ＰＩＧ型であり、ソースマグネットお
よび図示しないフィラメント、アーク電極等を有し、ア
ークチャンバ内においてフィラメントからの熱電子放出
をトリガとしてアーク放電を行うことによりプラズマを
作り、引出し電源４６より引出し電圧が印加されたイオ
ン源４０からイオンビーム１２を引出すようになってい
る。尚、イオン源物質としては、ガスだけでなく固体
（Ａｓ等）の使用も可能であり、固体を使用する場合、
固体のイオン源物質を固体オーブンで蒸発させてアーク
チャンバに導き、固体イオン源物質をイオン化する。

【００２２】上記質量分離部４２には、質量分析マグネ
ットが備えられている。この質量分析マグネットは、イ
オン源部４１から引出されたイオンビーム１２の中から
必要なイオンを選択すると共に、磁気収束作用を利用し
てイオンビーム１２を分析スリット４８に絞り込んでビ
ームライン部４３へ導くようになっている。

【００２３】上記ビームライン部４３には、質量分離部
４２の分析スリット４８から出たイオンビームを加速す
る加速管４９、イオンビーム１２を集束させる静電レン
ズ（３重４極子レンズ）５０、イオンビーム１２をＸ方
向に走査する１対の走査電極１・１が備えられている。
また、ビームライン部４３の内部は、ビームライン部真
空ポンプ５５により真空状態に保たれている。

【００２４】上記走査電極１・１には、図示しない走査
電源が接続されている。この走査電源より走査電極１・
１に互いに１８０度位相が異なる走査電圧が印加される
ことにより、図４に示すようにイオンビーム１２のＸ方
向の走査が行われる。

【００２５】上記エンドステーション部４４には、図３
に示すように、ウエハ６を保持するウエハ保持部材（以
下、プラテンと称する）３が備えられており、エンドス
テーション部４４内はエンドステーション部真空ポンプ
５１により真空状態に保たれている。上記プラテン３
は、図１に示すように、プラテン駆動機構２に駆動され
てＹ方向に移動するようになっている。

【００２６】また、上記プラテン３の上流側には、図１
および図２に示すように、所定面積の開口部５ａを持つ
照射マスク５が配置されている。この照射マスク５の開
口部５ａは、ビーム走査領域内に形成され、開口部５ａ
を通過したイオンビーム１２のみが、その後方のプラテ
ン３に保持されたウエハ６に照射されるようになってい
る。

【００２７】また、ビーム走査領域内における開口部５
ａの横側には開口部５ｂが並設されており、開口部５ｂ
の後方にはビーム電流測定部としてのドーズファラデ７
が設けられている。このドーズファラデ７に入射された
イオンビーム１２のビーム電流は、接続切り換え器１５
を介してカレントインテグレータ８に入力されるように
なっている。

【００２８】また、上記プラテン３の下流側（ウエハ６
に照射されるイオンビームの軌道上）には、第２ビーム
電流測定部としてのバックファラデ１４が設けられてい
る。

【００２９】このバックファラデ１４は、プラテン駆動
機構２によりＹ方向に移動するプラテン３がビーム軌道
から外れた位置にある場合、それまでプラテン３に照射
されていたイオンビーム１２が受けられる大きさになっ
ている。このバックファラデ１４に入射されたイオンビ
ーム１２のビーム電流は、接続切り換え器１５を介して
カレントインテグレータ８に入力されるようになってい
る。

【００３０】上記カレントインテグレータ８は、ドーズ
ファラデ７またはバックファラデ１４からのビーム電流
をそれに比例する電圧信号に変換する電流−電圧変換回
路（以下、Ｉ／Ｖ回路と称する）９と、Ｉ／Ｖ回路９か
ら入力された、ビーム電流に比例する電圧信号を後の回
路の入力信号に適する信号に増幅するＯＰアンプ１０
と、ＯＰアンプ１０からの電圧信号をパルス信号に変換
する電圧−周波数変換回路（以下、Ｖ／Ｆ回路と称す
る）１１とを備えている。

【００３１】即ち、ドーズファラデ７またはバックファ
ラデ１４から接続切り換え器１５を介してカレントイン
テグレータ８に入力されたビーム電流は、上記カレント
インテグレータ８により、ビーム電流量に対応したパル
ス信号に変換され、注入コントローラ１３に出力され
る。

【００３２】上記接続切り換え器１５は、ドーズファラ
デ７またはバックファラデ１４と注入コントローラ１３
との接続を切り換えるためのもので、一方が注入コント
ローラ１３と接続されている場合、他方は接地されるよ
うになっている。この接続切り換え器１５の動作は、注
入コントローラ１３によって制御される。

【００３３】尚、本実施例では、カレントインテグレー
タ８の手前に接続切り換え器１５を設けているが、ドー
ズファラデ７およびバックファラデ１４に各々１台ずつ
スイッチを設置し、そのパルス出力を切り換えて注入コ
ントローラ１３に入力するようにしてもよいのは勿論で
ある。

【００３４】また、上記イオン注入装置は、ウエハ６に
注入するドーズ量を設定するための入力キー１６を備え
ており、この入力キー１６の操作により設定されたドー
ズ量は、注入コントローラ１３に出力される。

【００３５】上記注入コントローラ１３はＣＰＵを備え
ており、イオン注入動作開始前において、上記ドーズフ
ァラデ７およびバックファラデ１４に入射されるイオン
ビーム１２から算出されたビーム電流量に基づいて、後
述のドーズ補正係数Ｋおよび内部設定ドーズ量Ｃ_d ′を
求める演算を行う。また、注入コントローラ１３は、イ
オン注入動作中においては、ドーズファラデ７に入射さ
れるイオンビーム１２から算出されるビーム電流量に基
づいて、上記入力キー１６の操作により設定された設定
ドーズ量通りにイオン注入が行われるように、プラテン
駆動機構２の動作を制御し、プラテン３の移動速度、即
ちウエハ６のＹ方向走査速度の制御を行うようになって
いる。

【００３６】上記の構成において、ドーズファラデ７に
入射されるイオンビーム１２のビーム電流から算出され
たビーム電流量をＣ_d 、バックファラデ１４に入射され
るイオンビーム１２のビーム電流から算出されたビーム
電流量をＣ_b 、ドーズファラデ７の開口部面積をＳ_d 、
バックファラデ１４の開口部面積をＳ_b 、とすると、上
記各ファラデの単位面積当たりの電流量は、ドーズファ
ラデ７では、 Ｃ_d ／Ｓ_d バックファラデ１４では、 Ｃ_b ／Ｓ_b となる。尚、上記Ｓ_d およびＳ_b は、構造的に決定され
ており、既知の値である。

【００３７】バックファラデ１４に入射されるイオンビ
ーム１２の単位面積当たりの電流量に比例してウエハ６
上にイオンが注入されるから、入力キー１６の操作によ
り設定された設定ドーズ量をＤ_t 、注入動作により実際
にウエハ６上に注入されるドーズ量をＤ_w 、とすると、 Ｄ_w ＝Ｄ_t （Ｃ_b ／Ｓ_b ）／（Ｃ_d ／Ｓ_d ）＝Ｄ_t （Ｃ
_b ／Ｃ_d ）（Ｓ_d ／Ｓ_b ） ・・・（１） となる。

【００３８】上式（１）において、Ｃ_d ／Ｓ_d ＝Ｃ_b ／
Ｓ_b 、即ち、（Ｃ_b ／Ｃ_d ）（Ｓ_d ／Ｓ_b ）＝１であれ
ば、Ｄ_w ＝Ｄ_t 、即ち、設定ドーズ量と注入動作により
実際にウエハ６上に注入されるドーズ量とが同じにな
る。しかし、実際は、（Ｃ_b ／Ｃ_d ）（Ｓ_d ／Ｓ_b ）≠
１となり、Ｄ_w ≠Ｄ_t となる場合が殆どである。

【００３９】本発明では、イオン注入動作が行われる前
にＣ_d およびＣ_b を求め、次式（２）によりドーズ補正
係数Ｋを求める。

【００４０】 Ｋ＝（Ｃ_b ／Ｃ_d ）（Ｓ_d ／Ｓ_b ）・・・（２） ここで、実際の注入量の制御時に用いる内部設定ドーズ
量Ｄ_t ′を、 Ｄ_t ′＝ＫＤ_t ・・・（３） とすると、内部設定ドーズ量Ｄ_t ′にて注入量の制御を
行うと、ウエハ６に注入されるドーズ量Ｄ_w は、 Ｄ_w ＝Ｄ_t ′（Ｃ_b ／Ｓ_b ）／（Ｃ_d ／Ｓ_d ） Ｄ_t ′＝ＫＤ_t より、 Ｄ_w ＝ＫＤ_t （Ｃ_b ／Ｓ_b ）／（Ｃ_d ／Ｓ_d ）＝（Ｃ_b
／Ｃ_d ）（Ｓ_d ／Ｓ_b ）Ｄ_t （Ｃ_b ／Ｓ_b ）／（Ｃ_d ／
Ｓ_d ）＝Ｄ_t となる。即ち、設定ドーズ量Ｄ_t にドーズ補正係数Ｋを
掛けた内部設定ドーズ量Ｄ_t ′を用いた注入量制御を行
うことにより、実際にウエハ６上に注入されるドーズ量
Ｄ_w が、入力キー１６で設定された設定ドーズ量Ｄ_t と
なる。

【００４１】ここで、上記イオン注入装置のイオン注入
動作を説明する。

【００４２】先ず、イオン注入動作が行われる前に、プ
ラテン３がビーム軌道から外れた位置に停止している状
態において、イオンビーム１２のＸ方向の走査が行われ
る。

【００４３】このとき、注入コントローラ１３は、接続
切り換え器１５の動作を制御することにより、ドーズフ
ァラデ７またはバックファラデ１４と、カレントインテ
グレータ８との接続を交互に切り換える。

【００４４】上記ドーズファラデ７とカレントインテグ
レータ８とが接続状態にあるときは、ドーズファラデ７
に入射したイオンビーム１２のビーム電流は、カレント
インテグレータ８により、ビーム電流量Ｃ_d に対応した
パルス信号に変換され、注入コントローラ１３に出力さ
れる。

【００４５】上記バックファラデ１４とカレントインテ
グレータ８とが接続状態にあるときは、バックファラデ
１４に入射したイオンビーム１２のビーム電流は、同じ
くカレントインテグレータ８により、ビーム電流量Ｃ_b
に対応したパルス信号に変換され、注入コントローラ１
３に出力される。

【００４６】上記注入コントローラ１３は、これらビー
ム電流量Ｃ_d およびビーム電流量Ｃ_b に対応したパルス
信号から上記の式（２）に示す演算を行いドーズ補正係
数Ｋを割り出す。さらに注入コントローラ１３は、求め
たドーズ補正係数Ｋから上記の式（３）に示す演算を行
い内部設定ドーズ量Ｄ_t ′を割り出す。また、内部設定
ドーズ量Ｄ_t ′算出後、注入コントローラ１３は、内蔵
されている図示しないＲＡＭ等の記憶装置に、この内部
設定ドーズ量Ｄ_t ′を記憶するようになっている。

【００４７】そして、上記内部設定ドーズ量Ｄ_t ′を割
り出す動作が終了した後にイオン注入動作が開始され
る。

【００４８】即ち、図３に示すように、イオン源部４１
のイオン源４０から引き出され、質量分離部４２で所定
イオンのみが選別された後、ビームライン部４３の加速
管４９で加速され、静電レンズ５０でシャープなビーム
に整形されたイオンビーム１２は、走査電源から互いに
１８０度位相が異なる走査電圧が印加される走査電極１
・１によりＸ方向に走査される。

【００４９】そして、Ｘ方向に走査されたイオンビーム
１２は、図１および図２に示すように、上記照射マスク
５の開口部５ａを通過してその後方のプラテン３に保持
されたウエハ６を照射すると共に、開口部５ａの側方に
並設された開口部５ｂを通過してその後方のドーズファ
ラデ７に入射される。

【００５０】一方、ウエハ６がセットされたプラテン３
は、プラテン駆動機構２に駆動されてＹ方向に走査され
る。これにより、ウエハ６全表面にイオンビーム１２が
照射される。

【００５１】尚、内部設定ドーズ量Ｄ_t ′を割り出す動
作が終了した後、接続切り換え器１５は、注入コントロ
ーラ１３により、ドーズファラデ７とカレントインテグ
レータ８との接続に切り換えられている。即ち、イオン
注入動作中は、ドーズファラデ７に入射されるイオンビ
ーム１２のビーム電流のみがカレントインテグレータ８
に入力される。そして、ドーズファラデ７からのビーム
電流は、カレントインテグレータ８によりビーム電流量
Ｃ_d に対応したパルス信号に変換され、注入コントロー
ラ１３に出力される。

【００５２】注入コントローラ１３は、カレントインテ
グレータ８から単位時間毎に得られるビーム電流量
Ｃ_d 、および上記の内部設定ドーズ量Ｄ_t ′を用いて所
定の演算を行ってプラテン３の移動速度を割り出し、プ
ラテン駆動機構２の動作を制御する。

【００５３】尚、本実施例においては、求めたドーズ補
正係数Ｋを設定ドーズ量Ｄ_t に掛けることより設定ドー
ズ量Ｄ_t の補正を行い、結果的に注入量を補正している
が、例えば、求めたドーズ補正係数Ｋをカレントインテ
グレータ８から単位時間毎に得られるビーム電流量Ｃ_d
に掛けて、ビーム電流量Ｃ_d の補正を行った場合でも、
同様に注入量の補正が行える。

【００５４】また、本実施例の場合、注入動作開始前に
ドーズ補正係数Ｋを割り出しているが、注入動作中にド
ーズ補正係数Ｋを割り出してもよい。この場合、プラテ
ン３がビーム軌道から外れた位置にきたときに接続切り
換え器１５による接続切り換え動作を行えばよい。

【００５５】

【発明の効果】本発明のイオン注入装置は、以上のよう
に、イオン照射対象物を照射するイオンビームの軌道上
に第２ビーム電流測定部が設けられ、イオン照射対象物
を照射するイオンビームの軌道外に設けられたビーム電
流測定部と、上記第２ビーム電流測定部とによるビーム
電流の測定結果に基づいてイオン注入量の補正が行われ
る構成である。

【００５６】それゆえ、ビーム電流測定部で測定される
ビーム電流と、実際にイオン照射対象物に照射されるイ
オンビームのビーム電流とに差がある場合でも、略設定
された通りのドーズ量によりイオン注入動作が行えると
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
入装置の要部を示す概略の構成図である。

【図２】上記イオン注入装置を上方からみた場合の要部
の配置を説明する概略の説明図である。

【図３】上記イオン注入装置の構成の一例を示す概略の
全体構成図である。

【図４】上記イオン注入装置におけるイオンビームのＸ
方向の走査とウエハのＹ方向の走査を示す概略の説明図
である。

【図５】従来例を示すものであり、イオン注入装置の要
部を示す概略の構成図である。

【図６】上記イオン注入装置を上方からみた場合の要部
の配置を説明する概略の説明図である。

【符号の説明】

１ 走査電極 ２ プラテン駆動機構 ３ プラテン ６ ウエハ ７ ドーズファラデ（ビーム電流測定部） ８ カレントインテグレータ １２ イオンビーム １３ 注入コントローラ １４ バックファラデ（第２ビーム電流測定部） １５ 接続切り換え器

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】イオン照射対象物を照射するイオンビーム
   の軌道外にビーム電流測定部が設けられ、このビーム電
   流測定部によるビーム電流の測定結果に基づいて、予め
   設定されている設定ドーズ量になるようにイオン注入量
   の制御が行われるイオン注入装置において、 イオン照射対象物を照射するイオンビームの軌道上に第
   ２ビーム電流測定部が設けられ、上記ビーム電流測定部
   と第２ビーム電流測定部とによるビーム電流の測定結果
   に基づいてイオン注入量の補正が行われることを特徴と
   するイオン注入装置。