JP3186066B2 - イオンの広範囲注入のためのイオン源 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本願発明は、特許請求項１の属概念の節によるイオン
注入ユニット用のイオンの広範囲注入のためのイオン源
に関する。

イオン源は、広範囲の均質なイオンビームが必要な分
野において技術的に使用される。これはたとえば半導体
のドーピングのための広範囲のイオン注入、表面硬化の
ためのトライボロジーおよびイオンビームに補助される
コーティングの分野における場合である。属概念の節に
よるイオン源は、JP−Ａ−２−20018から公知である。

高密度に集積されたマイクロエレクトロニクスのイオ
ン注入の分野において、より広い注入表面とより小さい
イオンエネルギーとの組み合わせが求められる傾向があ
る。回路毎に10⁷の部品を超える最大集積化では、pn接
合の深さの減縮が必要とされる。CMOS技術において、た
とえば100nmより小さい深さを有する夥しい数のpn接合
がドレーンとソースに必要である。ますます平坦なpn接
合の製造には、特にp⁺区域へのボロンの注入の場合に大
きな技術的困難を伴う。この関係において、イオン注入
により満たされなければならない要件、たとえば明らか
に30keVを下回る低いイオンエネルギー、高いイオン電
流および高い処理量、注入範囲が広く均質性が高い平行
ビーム等が、現在入手可能な商業上のユニットでは満た
されていない。

将来の半導体製造デバイスのための更なる性能の特徴
とは、いわゆる多室工程ユニットにおける集積可能性で
あり、それはまたクラスタシステムとも呼ばれる。これ
は中央ロボットによってプロセスウェーハが供給される
ことが可能である小さな工程モジュールの発展を必要と
する。そのようなシステムは複数の工程ステップが１つ
のユニットにおいて実行されることが可能である限り有
利である。半導体製造工程においてますます多くの工程
ステップが実行されるため、および製造工程の融通性に
関する限り満たされるべきより高度な要件のため、その
ようなユニットはますます重要となっている。伝統的な
注入ユニットは、その寸法が大きすぎるため、多室工程
ユニットにおける集積化には適さない。商業上のユニッ
トは、ますます複雑で高価になってきているが、これも
また多くの維持作業および広いクリーンルーム区域を必
要とし、これは、その代わりに、結果として高価な操作
費用を要する。

上述の要件を満たすために、新しいイオンビーム技術
が必要である。１つの可能性としては、PIIIの略され
る、いわゆる「プラズマ浸入イオン注入」によってもた
らされる。そのようなユニットにおいては、高周波電磁
励起の手段で注入チャンバにおいてプラズマが形成され
る。この区域のイオン濃度は通常10¹⁰から10¹¹cm^-3であ
る。数キロボルトにまで達することが可能である負の電
圧を印加することにより、陽イオンはプラズマから加工
される標本の方向に加速される。PIIIユニットは、たと
えば高いイオン電流、低い加工コスト等の複数の利点を
持ち、ほとんど維持作業を必要とせず、多室工程ユニッ
トにおける使用に非常に適している小型のシステムであ
る。

PIII工程が長期に渡って既に公知であるとはいえ、現
在まで半導体技術の注入工程において容認されるには至
っていない。この理由とは、拡散エネルギー分布（エネ
ルギー汚染）、不均質な線量分布および重金属または望
ましからぬ種類のイオンによる標本の汚染である。

広範囲のイオンビームの生成のための公知のイオン源
は、高周波および電子サイクロトロン共鳴イオン源であ
る。

高周波イオン源（RFイオン源）が使用される場合、作
業圧は約10^-3から10^-2mbarである。これらのイオン源
は、それらが単純な構造上のデザインであり、消費され
るパワーが少量である限り有利である。高周波は容量的
にまたは誘導的に結合される。必要とされるプラズマが
非常に清浄でなければならない場合、使用されるプラズ
マリアクタは石英ドームで構成されるであろう。石英ド
ームの使用は、高周波における結合、および均一に分布
されるようにガスをプラズマチャンバに導入することを
より困難にする。不均質なイオン分布とより高い作業圧
という結果となるこれらの不都合を避けるため、多くの
製造者はプラズマチャンバにおいて金属部品を使用す
る。その代わり、この金属部品の使用は、プロセスウェ
ーハ上の金属汚染という結果となり、広範囲のイオン注
入にはこの種のイオン源の使用は排除される。それゆえ
伝統的な広範囲のRFイオン源は、イオンエッチングにの
み適する。エッチングの場合、汚染は表面に現れるが、
半導体には注入されないので、それらは除去され得る。

電子サイクロトロン共鳴イオン源（ECRイオン源）
は、電子サイクロトロン共鳴のため、高周波プラズマ
（10¹⁰から10¹¹cm^-3）よりも高いプラズマ密度（10¹²か
ら10¹³cm^-3）を示す。それゆえ、これらの源は10^-5から
10^-2mbarの範囲内のより低い加工圧力で作動する。ECR
イオン源の１つの不都合は、磁界により引き起こされる
イオンビームの発散である。RF源の場合のように、ECR
イオン源が半導体の分野で使用される場合、汚染を減少
させるために石英ドームが必要とされる。これはまた、
均一に分布されるようにガスを導入すること、およびマ
イクロ波において結合させることをより困難にするとい
う影響を有する。それゆえ、プラズマチャンバにおいて
金属部品を使用する製造者もいる。ECR源は伝統的な
（質量分離を伴う）イオン注入およびエッチング工程に
使用される。現在まで、今までに解決されていない汚染
の問題および高磁界を考慮して、広範囲のイオン注入に
それらを使用することは不可能であった。加えて、ほと
んどの場合ECRの状態はプラズマの境界においてのみ満
たされるので、サイズが大きくなるにつれてプラズマの
均質性が減少する。そのようなECRイオン源は、例えばD
E3708716A1から公知である。

更なる公知のイオン源はいわゆるカウフマンイオン源
であるが、それは汚染の理由によって多くの使用の場合
において適さない。カウフマンイオン源が使用される場
合に生ずる顕著な問題とは、熱電子カソードの腐食およ
びスパッタリングである。

従来技術において、いわゆるイオンオプティクスを利
用するイオンビームユニットが公知である。しかしなが
ら、今までに公知の広範囲のイオンビームのイオンオプ
ティクスとは、プラズマからのイオンの抽出および加速
に限定される。これらの公知のイオンオプティクスは、
イオンビームの均質性を減ずることなく、そしてイオン
ビームに付加的な汚染源を導入することなく、広範囲の
イオンビームを偏向させるために使用することはできな
い。今までに公知のグリッドまたは偏向手段は金属また
はグラファイトで構成されているので、イオンビームス
パッタリングは除去されるべき物質を生じ、その後半導
体標本を汚染する。今までに使用されてきたグリッドに
関して生ずる更なる問題は、グリッド構造の像がプロセ
スウェーハ上に形成されることである。抽出グリッド
は、例えばDE4315348A1およびDE3601632A1に記述されて
いる。

従来技術において、注入ユニットは、標本と比較して
細いイオンビームを生成するイオン源が設けられる場合
において公知である。これらの公知の注入ユニットは、
イオン源に加えて、質量分離、加速チューブ、偏向また
はラスタユニットおよび注入チャンバを含む。これらの
公知のイオン注入ユニットの質量分離ユニットは、２極
によって画定され、その間にイオン源から放出される細
いイオンビームが通過する真空ギャップを有するいわゆ
る分析磁石から構成される。磁石の影響により、イオン
ビームの分析は、イオンビーム中の特定のイオンが磁石
により生成される影響のためより強くそれらの軌道から
偏向され、その結果これらのイオンが分析区域に続いて
配置される分離スロットを通過するのを妨げられるとい
う方法で起こる。それゆえ、細いイオンビームは所望の
イオンのみを含む。そのようなイオン注入ユニットは、
例えばEP0405855A2およびUS−Ａ−5,396,076において記
述されている。

これらの公知の注入ユニットの不都合は、これらの公
知の注入ユニットにおいては、標本の複雑なラスタリン
グを省くことができるような広範囲のイオン注入を行う
には適さないことである。更に、広範囲のイオンビーム
はこれらの公知の注入ユニットからは生成できず、結果
的にこれらの注入ユニットは、そのような広範囲のイオ
ンビームを偏向し、またはそのような広範囲のイオンビ
ームの質量分離を行う可能性を提供するものではない。
これらの公知のイオン注入ユニットの更なる不都合は、
２つの磁極がその間を通過するイオンビームに影響を与
えるために互いに対向する関係で設けられなければなら
ない場合、それらは複雑な構造上のデザインを有すると
いうことである。加えて、所望のイオンビームを通過さ
せるスロット構造は、分離ユニットの出力に設けられな
ければならない。生成ユニットの分離磁石は、数トンの
重量を持ち、結果的にたとえば多室工程ユニット等の問
題となるユニットの小型で現代的な構想は達成できな
い。

この従来技術から始まって、本願発明の目的は、プロ
セスウェーハの汚染を確実に避けることができ、標本の
広範囲のイオン注入を可能とし、プラズマがプロセスウ
ェーハの直接上に配置される場合に生ずる不都合を確実
に避ける場合のイオンの広範囲注入のためのイオン源お
よびイオンビームユニットを提供することである。

この目的は請求項１によるイオン源および請求項８に
よるイオンビームユニットにより達成される。

本願発明は、アノード、イオン源から放出されるイオ
ンが向けられる標本と同じ物質から製造され、または前
記標本を汚染しない物質から製造されるカソードを含
み、更に前記アノードおよび前記カソードの間に配置さ
れる閉鎖されたプラズマチャンバであって、前記カソー
ドはバーによって分離される並列のスロットを有するマ
ルチスロット構造を含み、イオンが前記マルチスロット
構造を通過することによって多帯域４ビームが生成され
るプラズマチャンバと、多帯域ビームを抽出加速するた
めにカソードまたはそれに続くマルチスロット構造に印
加可能なイオンビームに対して直角に電界を生成するた
めの電圧であって、前記電圧はバーが異なる極性を有す
るような方法で印加される電圧とを含む、標本への広範
囲のイオン注入のためのイオン源を提供する。

本願発明の利点は、この新種のイオンビームユニット
は、汚染のないイオンビームを生成、抽出、偏向および
加速させるために使用可能であり、生成、抽出、偏向お
よび加速に関して必須であるイオン源およびイオンオプ
ティクスの素子は、好ましい実施例によればシリコンで
構成され、それゆえシリコン半導体技術の分野において
非常に清浄な工程に適しているということである。

また、本願発明は、本願発明によるイオンビームユニ
ットの手段で、前述の公知の注入ユニットの欠点が減じ
られ、またはむしろ完全に排除されるかぎりにおいて、
また高い処理量を有し、低い操作費用しか伴わない廉価
で小型で集積可能なシステムが設けられるかぎりにおい
て有利であり、前記システムは10keVより低いエネルギ
ーで高い線量を注入するのに特に適している。

別の利点は、例えばシリコンにより構成される新種の
イオンオプティクスの手段で、イオンビームが汚染のな
い方法で、プロセスウェーハ上にグリッド構造の像が形
成されることなく、抽出、加速および／または偏向され
ることが可能であるという事実により達成される。加え
て、イオンビームの形状は、各々基板およびプロセスウ
ェーハに調節されることが可能であり、この場合どの大
きさでも可能である。それゆえ、本願発明によるイオン
源は、例えばLCDディスプレイ等の矩形の基板を加工す
るのにも適している。

本願発明によるイオンビームユニットの更なる利点
は、プラズマドーピングの利点を伝統的なイオン注入の
利点と結合させることが今や可能であるという事実に見
出される。低いエネルギーおよび高い線量でのますます
高い処理量に関するイオン注入技術の分野において満た
されるべき要件を満たす、現代的で効率的な半導体製造
デバイスが設けられる。

本願発明の更なる別の利点は、プラズマチャンバは例
えば石英ガラスおよびシリコンによって完全に遮蔽され
るので、非常に清浄なプラズマ、および結果的に汚染の
ないイオンビームが生成されるという事実によって達成
される。加えて、電極が直接プラズマ上に配置され、プ
ラズマチャンバを画定するので、最適な高周波結合が保
証される。

更なる別の利点は、非常に均質なプラズマが広範囲の
場合においても生成され得るという事実に見出される。
他のプラズマ源とは対照的に、並列板リアクタが使用さ
れた場合、範囲が増大するにつれて均質性が増す。

更なる利点は、思い通りにイオンビームの形状が選択
できるということであり、それゆえ加工される標本の形
状に調節できることである。更に、シリコングリッドま
たはスロットつきシリコングリッドの使用により、汚染
のないプラズマからのイオンの減結合が保証される。い
わゆるイオンビームのウォブリングまたは偏向により、
プロセスウェーハ上のグリッドの像の形状が防げられ
る。

本願発明の別の利点は、低廉な取得、維持および操作
費用である廉価で小型で集積可能なシステムが設けられ
ることにより達成される。

更に、本願発明によるイオンビームユニットは、平坦
なpn接合が伝統的な注入ユニットにおいて生成される場
合、低いイオンエネルギーがイオン電流の激減をもたら
し、結果的に低い処理量となるのに対し、高い処理量と
低廉な加工費用という利点をもたらす。本願発明の利点
は、新しいイオン源の手段で、高い線量とともに非常に
短い注入時間を達成することが可能であるという事実に
存在する。

本願発明によるイオンビームユニットの更に別の利点
は、注入モジュールが例えば焼なましモジュールと結合
された場合、１つのユニットにおける数種の工程ステッ
プの遂行等の全く新しい技術的可能性をもたらす注入モ
ジュールが設けられるという事実によって達成される。

本願発明によるイオン源の更なる利点は、このイオン
源は、（質量分離、偏向および集束ユニットなしで）標
本上に直接加速され得る広範囲のイオンビームの使用が
必要とされる場合に特に適しているという事実に見出さ
れる。

また、本願発明によるイオンビームユニットは、今や
プラズマドーピングの利点を伝統的なイオン注入の利点
と結合させることが可能である限りにおいて有利であ
る。低いエネルギーと高い線量でのますます高い処理量
に関するイオン注入技術の分野において満たされるべき
要件を満たす、現代的で効率的な半導体製造デバイスが
もたらされる。

本願発明の好ましい変形例によると、カソードのマル
チスロット構造および／またはそれに続くマルチスロッ
ト構造が互いに平行に配置され交番電界が印加され得る
板により仕切られる場合のイオン源が提供される。

更なる変形例の１つによると、マルチスロットグリッ
ド構造はカソードのマルチスロット構造またはそれに続
く標本に面しているマルチスロット構造の端縁に配置さ
れ、前記マルチスロットグリッド構造はそのバーがイオ
ンビームのビーム経路に位置するよう配置されている。
これは重イオン（例えばAr⁺）が軽イオン（例えばB⁺）
から分離される場合に必要である。

本願発明の更なる好ましい実施例は従属請求項におい
て定義される。

下記において、本願発明の好ましい実施例が添付の図
面に基づいてより詳細に記述される。すなわち、 図１は本願発明によるイオンの広範囲注入のためのイ
オン源の第１の実施例を示し、 図２はマルチスロットグリッド構造を示し、 図３はマルチスロットグリッドくし歯構造を示し、 図４はイオンオプティクスの手段でのイオンビームの
偏向の概略図を示し、 図5aおよび図5bは本願発明によるイオンビームユニッ
トの好ましい実施例を示し、 図６は本願発明によるイオンビームユニットにおける
集積された線量計測システムの好ましい実施例を示し、 図７は従来技術によるHFプラズマ源を示し、 図8aは本願発明の更なる実施例に従って本願発明によ
るマルチプレートシステムの平面図を示し、 図8bは図8aのマルチプレートシステムの側面図を示
し、 図8cは図8bの側面図の拡大図を示す。

本願発明の好ましい実施例を下記において詳細に記述
する前に、まずエッチング工程に使用される伝統的なHF
プラズマ源について図７に基づき簡単に記述する。この
伝統的なHFプラズマ源はたとえばJP−Ａ−２−20018か
ら公知である。

図７において、伝統的なプラズマ源は一般的に参照番
号700によって示される。HFプラズマ源は、アースに接
続されるいわゆるシャワー電極702を含む。カウンタ電
極は、加工される標本706が載置される標本ホルダ704に
より画定される。電極704およびシャワー電極702との間
にいわゆるプラズマチャンバ708が設けられる。前記プ
ラズマチャンバ708において、矢印710により示されるよ
うにガスを前記プラズマチャンバ708に供給し、高周波
電圧を標本ホルダ704に印加することにより、プラズマ7
12が生成される。

図７において示されるHFプラズマ源は、非常に均質な
プラズマを生成する簡単な方法を示す。これはシャワー
電極702および電極704との間に高周波電圧U_HFを印加す
ることにより達成される。この原理はしばしばエッチン
グモジュールにおいて利用され、エッチングされるシリ
コンウェーハ706は既に金属板電極704上に載置されてい
る。プラズマ712はシリコンウェーハ706の上部に直接形
成され、２つの板電極702（図７におけるシャワー電
極）および704は金属で構成されるので、そのようなシ
ステムにおいては、シリコンウェーハ表面上の放射線損
傷および金属汚染が生じる。それゆえ、この種のプラズ
マ生成は、エッチング工程またはプラズマの補助による
層蒸着にのみ使用され得る。

図１に基づき、イオンオプティクスの第１の好ましい
実施例が下記に詳細に記述され、前記イオンオプティク
スは本願発明によるイオン源と協働する。下記における
本願発明の記述において用いられる参照番号は、同様の
素子を示すのに図面においても用いられるということに
言及しておく。

図１において、本願発明によるイオン源は一般的に参
照番号100によって示される。本願発明によるイオン源1
00に加えて、イオン源100から標本104に向かって放出さ
れるイオンを抽出および／または偏向するために使用さ
れるイオンオプティクス102等、イオンビームユニット
のその他の素子もまた図１に示される。図１から分かる
ように、本願発明によるイオン源100は、アースに接続
されるアノード106および高周波電圧U_HFが印加されるこ
とが可能であるカソード108を含む。前記アノード106お
よび前記カソード108との間にプラズマチャンバ110が設
けられる。本願発明によるイオン源が作動している場
合、図１における矢印112によって示されるように、イ
オン化されるガスがプラズマチャンバ110に導入され
る。プラズマチャンバ110へのガスの導入の形態を考慮
して、アノード106もまたシャワー電極と呼ばれる。例
えばアノードおよび壁面126との間のアニューラガス入
口により、ガス入口をアノードから分離することも可能
である。プラズマチャンバ110内でプラズマ114を生成す
るために、高電圧U_HFが、例えばグリッド電極として与
えられるカソード108に印加される。

本願発明によるイオン源の上記の記述から明らかであ
るように、このイオン源は、下記においてより詳細に記
述され、決定的に重要である、付加物つきのいわゆる並
列板リアクタを含む。本願発明によるアノードおよびカ
ソード、すなわち電極106、108は、金属ではなく、標本
104と同じ物質から構成される。図１に示される実施例
によれば、電極106、108は半導体物質から構成され、最
下部電極108は、例えばグリッドの形状で与えられる
か、または適切な性質の多孔構造を有するか、または複
数のスロットを有するシリコン小板から構成される。プ
ラズマの生成に加えて、電極108はまたプラズマチャン
バ110からのイオンの抽出をも可能にする。図１から分
かるように、プラズマ114は標本104の直接上で燃焼せ
ず、それと一定間隔を置いて配置される。グリッド電極
108（またはスロットつき電極）を使用するため、並列
板リアクタがイオン源となる。

図１から分かるように、イオンオプティクス102は、
イオン源100および標本ホルダ106上に載置される標本10
4との間に配置される。イオンオプティクス102は、イオ
ン源100により生成され、標本104に向かって放出される
イオンを抽出し、偏向する抽出グリッド118およびイオ
ン偏向手段120を含む。これは図１においてイオンビー
ム122によって示される。

抽出電極118は、そこに抽出電圧U_EXを印加させるよう
に調節される。電極118は例えばグリッドまたはスロッ
トつき電極として与えられることが可能であることに言
及しておく。イオンビーム122は偏向手段120の補助によ
り偏向される。イオンオプティクス102の作動の形態
は、下記により詳細に記述される。図１に示される本願
発明による２つの主要は部品、すなわちイオン源100お
よびイオンオプティクス102の結合は、イオンビームユ
ニット124の１つの実施例を示す。

しかしながら、イオン源100の意図される使用によれ
ば、イオンオプティクス102は完全にまたは部分的に省
かれることが可能であることが指摘される。換言すれ
ば、例えば図１に示される抽出グリッド118および例え
ばグリッドの形状で存在することが可能であるイオン偏
向手段120は必ずしも設けられなければならないわけで
はない。なぜならば、一方で上部および下部電極106、1
08の間のプラズマ114において生成される電圧がイオン
の抽出に用いられることが可能であり、また一方で、抽
出の目的でグリッド電極108と標本ホルダ116との間に電
圧が印加されることが可能であるからである。

更に、各々の使用の場合によって、イオン源100とと
もにイオンオプティクスの一部分のみが設けられること
が可能である。例えば、イオン偏向手段120を省き、抽
出グリッド118のみが設けられることが可能である。し
かしながら、もし抽出電圧が前述の方法で生成された場
合は、抽出グリッド118を省き、偏向手段120のみを設け
ることもまた可能である。

前述のカソードの構造に加えて、カソード108もまた
マルチスロット構造を有してもよい。

図１に付加的に示されるように、プラズマチャンバ11
0は、アノード106またはカソード108のいずれによって
も画定されない区域において非金属構造126により画定
され、前記非金属構造126は、例えば石英構造である。

下記において、前述のイオンオプティクス102は、図
２から図４に基づいてより詳細に記述される。既に前述
したように、今までに公知の広範囲のイオンビーム用の
イオンオプティクスは、イオンの抽出およびイオンの加
速にのみ使用され得る単金属またはグラファイトのグリ
ッドである。これらのグリッドシステムは、それらがイ
オン注入に関して使用される限り、２つの決定的な不都
合がある。第１にそれらは汚染源であり、第２にそれら
は影を落とす、すなわちイオンビームが、注入が行われ
る標本上にグリッドの像を形成するということである。

図１に基づいて既に簡単に記述したように、イオンオ
プティクス102は手段118、120を含み、それらの補助に
よりイオン源100から標本104に向かって放出されるイオ
ンが抽出および／または偏向される。所望の応用によ
り、この場合、抽出のみまたは偏向のみまたは抽出およ
び偏向が行われ得る。

図２および図３は、使用されるグリッド構造200およ
び300の好ましい実施例を示す。イオンオプティクス102
（図１）は、抽出手段118およびイオン偏向手段120を含
む。抽出手段はマルチスロットグリッド構造200（図
２）により画定される。グリッド構造200は、固体周縁
部202および前記周縁部202により保持される複数の導電
バー204を含む。周縁部202は、複数の構造200が互いに
絶縁されるように配置されることが可能であるように、
絶縁物質から製造されることが好ましい。更に、バー20
4に電圧が印加されることが可能であるように、グリッ
ド構造200には、図２には示されていない接続デバイス
が設けられる。

イオンオプティクス102のイオン偏向手段は、互いに
絶縁される複数のマルチスロットグリッド構造により画
定される。イオン偏向手段120のマルチスロットグリッ
ド構造は、例えば図２に示される種類の複数の積載マル
チスロットグリッド構造により形成されることが可能で
ある。

更なる実施例によれば、図３から分かるように、マル
チスロットグリッド構造はくし歯構造として与えられ
る。図３において示されるマルチスロットグリッド構造
300は、構造300の外周の一部の周囲に延びる周縁部302
を含む。バー304は前記周縁部302から延び、前記バー30
4は、互いに一定間隔が置かれ、前記周縁部に接続され
ている。バーは、適当なデバイスの手段で電圧源（示さ
れない）に接続されることが可能である。図３に示され
る種類のグリッド構造が用いられる場合、イオン偏向手
段120は、複数のマルチスロットグリッドくし歯構造を
含み、それは（バー304の形状である）くし歯構造が交
互配置されるように設けられる。

本願発明によれば、イオンオプティクスの必須の素子
は、イオンビーム120の抽出および／または偏向に使用
され、標本104と同じ物質から構成される。例えばシリ
コンから構成されるマルチスロットイオンオプティクス
の使用は、シリコン標本が処理される場合、イオンオプ
ティクス120がプロセスウェーハまたは標本104に対する
汚染源を構成しないという利点がある。なぜなら、それ
ら両方とも同じ物質から構成されるからである。イオン
ビームによりスパッタされる物質は、例えばシリコンで
ある。マルチスロットシステムが使用される場合、イオ
ンは抽出され、加速され、および／または偏向され得
る。この目的で、２つの積載され、互いに絶縁されたマ
ルチスロットディスク200または２つの交互配置された
くし歯構造300が使用され、それによって電界がイオン
ビームの方向に垂直に生成されることが可能であり、そ
れゆえ広範囲のイオンビームがその均質性が損なわれる
ことなく偏向されることが可能である。これは、交互配
置されたくし歯構造300および積載された平坦なスロッ
トつきのグリッド200を各々通過する陽イオンビーム120
が示される図４から明確に理解される。極性を示すこと
により単純な形で示されているイオンビームの方向に直
角な電界の生成のため、イオンビームは矢印400により
示されるように偏向される。すなわち、イオンオプティ
クスは広範囲ビームのウォブリング手段の一種、すなわ
ち本件においては、シリコンプロセスウェーハ104上グ
リッド構造200および300（抽出グリッド、加速グリッ
ド）の像の形成を簡単な方法で防ぐ、例えばシリコンの
広範囲ビームのウォブリング手段を示す。

前述のイオンオプティクスの１つの利点は、熱膨張に
感応しないこと、および結果的に機械的ストレスが生じ
ず、調節不良が避けられることである。

別の利点は構造200および300各々の簡単な製造であ
り、それは、組み立てられた後、所定の厚みの適切なデ
ィスクを得るために、ダイヤモンドソーにより切断され
る。

下記において、図5aおよび図5bを参照しながら、本願
発明によるイオンビームユニット124の更なる好ましい
実施例が記述される。先行の図面に基づいて既に記述さ
れた素子は、図５においても同じ参照番号で示され、書
換えの記述は省く。

図５に示される実施例によれば、図５において示され
るイオンビームユニット124において、シリコンアノー
ド106およびスロットつきシリコンカソード108との間の
区域にプラズマ114が形成され、プラズマチャンバ110は
石英リング126により外部に対して遮蔽される。それゆ
え、プラズマ114はシリコンまたは石英の表面とのみ接
触し、これは金属汚染を防ぐ。シリコン抽出グリッド11
8に負の外部直流電圧を印加することにより、加工され
るウェーハ104上に陽プラズマイオンが抽出され、加速
される。シリコンイオンオプティクス120によりビーム
は偏向され、また例えば示されていない付加的なピンホ
ール孔により集束およびデフォーカスされることが可能
である。

シリコンアノード106は、シャワーアノードとも呼ば
れるが、金属ホルダ502および石英リングホルダ504を含
み、前記アノード106、前記金属ホルダ502および前記石
英リングホルダ504は、閉鎖されたガス配気チャンバ506
を画定する。

金属ホルダ502および石英リングホルダ504の間の接続
ポイントにおいて、適切な封止素子508が配置され、そ
れによりガス配気チャンバ506が封止される。ガス入口5
10を介して、ガスはガス供給源512からガス配気チャン
バ506へと導入される。ガス配気チャンバ506は、最適な
ガスの配気を保証し、それはまたプラズマ114が完全に
金属部品から隔離されることが保証されるように、金属
ホルダおよびシリコンアノード106が物理的に分離され
ることを確実にする。図５から分かるように、アノード
106は金属ホルダ502にタングステンスプリング514によ
って固着され、それは石英リングホルダ504の突起516に
向かってスプリングが配設される。

ガスは、ガス配気チャンバ506からプラズマチャンバ5
10へとシリコンウェーハ106中または突起516およびシリ
コンウェーハ106の間に均等に設けられた複数の孔によ
って導入される。金属ホルダ502およびシリコンアノー
ド106は共に接地されている。

金属ホルダ502は、入水口518および出水口520に接続
され、それによって前記金属ホルダ502が水によって冷
却される。

シリコンカソードの配置は、ガラスリング522上を占
めており、それは基板および電気的絶縁として働く。更
に、シリコンリングが設けられ、それはアルミニウム接
触リング526および527をプラズマチャンバ110から絶縁
する。図5bから分かるように、アルミニウム接触リング
526は、各々の電圧を電極108および118に印加するよう
働く。電極108および118間の短絡を避けるため、これら
の電極はテフロンリング528により互いに絶縁される。

図５から分かるように、アノード構造は石英ガラスリ
ングの壁面126を介してカソード構造に接続され、プラ
ズマチャンバ110は、アノード構造が固着されている場
合、テフロン封止部530および石英ガラスリングの壁面1
26とともに石英リングホルダ504により外部に向かって
完全に封止されている。

必要な高周波電圧がアルミニウム接触部526を介して
シリコンカソード108に印加される。

生成されるイオンビーム122は、既に記述したよう
に、イオンオプティクス120によって偏向またはウォブ
リングされ、その結果グリッド構造の像がシリコンウェ
ーハ104上に形成されることがない。加えて、イオンビ
ームが僅かに広げられ、または集束されるようにピンホ
ール孔が設けられることが可能であり、前記ピンホール
孔は図５には示されていない。図面に示されていない更
なるスロットつきグリッドおよび標本ホルダ116各々へ
の電圧の印加によって、加速電圧が抽出電圧から減結合
され、広い範囲から自由に選択できるように所望のイオ
ンビームのエネルギーが確立される。この実施例におい
て、標本ホルダ116はスパッタリングによる汚染を避け
るためシリコンで被覆されている。

今までに記述した配置は、真空カバー534とともに水
で冷却された壁面532を有する真空ハウジング中に設け
られる。壁面には、観察窓、電圧および計測ブッシング
として使用可能なフランジ536が設けられる。

ハウジングの底面538は、間に孔部542が形成される２
つのフランジ540を含み、前記フランジ540は、ハウジン
グが真空ポンプに接続されることを可能にする。ハウジ
ングの壁面532の１つの上には、加工されるウェーハに
イオンビームユニットをチャージするためのロボット手
段546の使用を可能にする真空バルブ544が設けられる。
イオン源はガラスリング522の手段で適当な固定素子548
を介して壁面532に固着される。また、標本ホルダ116
は、絶縁サスペンション550の手段でハウジングの壁面5
32に固着される。

標本ホルダ116は、その中に複数のファラデーコレク
タ552が集積される。これらのコレクタ552の手段で、加
工作業中のイオンビームのイオン電流および均質性が計
測され得る。加工時間中イオン電流を統合することによ
り、イオン線量が決定されることが可能であり、それは
イオン注入加工において重要な特徴的量である。

下記において、線量計測ユニットが、図６に基づいて
より詳細に記述される。既に先行の図面に基づいて記述
された素子は図６において同じ参照番号で示され、これ
らの素子の詳細な記述は省かれている。

集積された線量計測は、図６から分かるように、プロ
セスウェーハホルダ116に配置される複数のファラデー
コレクタ552の手段で実行される。これらのファラデー
コレクタは、加工中または個々の工程ステップの間に、
イオンビームのイオン電流および均質性を計測するのに
使用される。加工時間中にイオン電流を統合することに
より、イオン線量が決定され、それはイオン注入工程に
おいて重要な特徴的量である。

図６から分かるように、個々のファラデーコレクタ55
2は、ライン602を介してホルダ116内に配置される計測
アンプ604に接続される。計測アンプは、線量計測ユニ
ット610に、データライン606およびエネルギーライン60
8を介して接続される。線量計測ユニットは、制御部、
線量表示部およびパワー供給ユニットを含み、それは計
測電流アンプおよび制御コンピュータ612のインターフ
ェースをもたらす。制御コンピュータ612は、線量計測
デバイスを制御するために使用され、加えて図５に示さ
れるイオンビームユニットの制御にも使用される。

図６から分かるように、計測アンプおよび線量計測デ
バイス間の接続は、ライン606および608の手段で確立さ
れ、それらのラインは、ウェーハホルダ116を壁面532に
固着させるサスペンション550中の絶縁されたブッシン
グを通して導かれる。ウェーハホルダ116の内部は、ハ
ウジング532の内部を満たす真空から絶縁される。

図６に示される電流インテグレータは、複数のファラ
デーコレクタ552および各々のファラデーコレクタにお
ける１つ以上のアンプユニット604から構成され、前記
アンプユニットは、高電圧電位にあり、両方の部品は、
ホルダ116内で集積されている。既に記述したように、
線量計測デバイスおよびコンピュータが設けられる。

アンプ信号は、光学導波管を介して線量計測デバイス
に伝えられ、線量制御部においては信号は加工時間中に
統合され、線量に変換される。前もって設定された線量
が達せられたとき、注入工程は制御コンピュータ612を
介して制御部により切断される。線量制御は、手動また
は制御コンピュータ612を介して設定されることが可能
である。複数のコレクタが注入表面の境界に対照的に配
置されるので、均質性の計測値は、工程中の個々の計測
された計測値の偏差値を介して得られる。ウェーハが交
換された場合、すなわちロボット546（図５）がウェー
ハ104を取り除き、新しいウェーハを持ってきた場合、
正確な均質性の決定は、加工中シリコンウェーハによっ
て被覆される１つまたは複数の更なるコレクタの補助
で、ウェーハがホルダ上に保持される位置で直接実行さ
れることが可能である。

上記の線量計測システムの利点は、線量の計測がシリ
コンウェーハの位置で直接行われ、またビームの均質性
の計測が、機械で移動する部品を使用することなくウェ
ーハがホルダ上に保持される位置で直接実行されるとい
う事実に見出される。計測信号はコレクタ552の後で直
接増幅され、それから後でのみ線量制御部に導かれるの
で、記述される線量計測システムは、高度に干渉に耐久
性がある。

また、当該システムは、ファラデーコレクタおよびア
ンプが線量制御部から直流的に分離され、それゆえ異な
った電位であり得るかぎり有利である。これは、ファラ
デーコレクタが20kVであり、制御部が接地電位である場
合でさえ、線量の計測を可能にする。

本願発明の好ましい実施例の上記の記述において言及
されて標本は、シリコンで構成されていることが好まし
いが、記述されたシリコンの代わりに、例えば砒化ガリ
ウムまたはゲルマニウム等の他の物質で構成された標本
を用いることもまた可能であることが指摘される。処理
されるプロセスウェーハの汚染を避けるため、イオン源
およびイオンビームユニットの上述の素子は、この場
合、加工される標本と同じ物質、またはSiC標本の場合
のSiまたはＣ等の標本を汚染しない物質で構成される。

下記において、広範囲のイオンビームの簡単な質量分
離のための多帯域ビームシステムの部品の実施例が図８
に基づいて示される。

図8aにおいて、互いに平行に配列される複数の板804
とともにアルミニウム接触リング802を含むマルチスロ
ット構造800が示される。板804はその反対側の端縁にお
いてアルミニウム接触リング802に接続される。板804
は、交番電界が個々の板の間に印加されることが可能で
あるように、それ自体も導電材料から生成されるか、ま
たは導電層（示されない）で被覆されるかのいずれかで
ある。汚染を防ぐため、板の材料は、可能であるなら
ば、注入される標本の材料に相当するか、または板がこ
の材料で被覆されるべきである。

図8bにおいて、マルチプレートシステム800の側面図
が示される。図8bから分かるように、本願発明の好まし
い実施例によると、マルチプレートシステム800は第１
の従属部品800aおよび第２の従属部品800bにより画定さ
れる。従属部品800aおよび800bは、絶縁体806により互
いに絶縁される。また、絶縁体806は、部品800aおよび8
00b間に所定の間隔を調節するよう働く。好ましい実施
例によると、絶縁体またはスペーサ806はテフロンから
生成されることが可能である。

図8bから分かるように、従属部品800aおよび800bは、
アルミニウム接触リング802aおよび802bを含む。しかし
ながら、この関係において、アルミニウム接触リングは
絶対的に使用されなければならないわけではないという
ことに言及する。また、その他の導電材料が使用される
ことも可能である。更に、接触構造802aおよび802bは、
全体的または部分的に導電層で被覆される非導電材料か
ら製造されることも可能である。接触リング802aおよび
802bは、その上に個々の板804aおよび804bが配置され
る。前述のように、板804aおよび804bは、導電材料また
は導電層で被覆された非導電材料のいずれかにより構成
されることが可能である。従属部品800aおよび800bは、
板が互いに平行に配置され、接触リングから同じ方向に
延びるように与えられる。これは、図8bにおいて示され
る従属部品800aおよび800bのくし歯構造という結果にな
る。従属部品800aおよび800bは、第１の従属部品800aの
板804aが第２の従属部品800bの板804bの間に挿入され
て、今や隣接している板804aおよび804bの間に所定の間
隔が置かれるような方法で、互いの近傍に配置される。

多帯域ビーム808は、イオン源から放出され、配置800
内に入り、個々のサブビーム808aは２つの従属部品800b
および800aの平行板804bおよび804aの間を通過し、板80
4aおよび804bが互いに関して対向する関係で延びる区域
において、前記サブビームは、配置800の出口におい
て、標本に向けられる濾過された広範囲のビーム810が
得られるように、ユニット800に印加される交番磁界に
よって影響される。板804aおよび804bの間の交番磁界
は、第１の従属部品800aの接続812aおよび第２の従属部
品800bの接続812bへ交流電圧を印加することによって生
成される。

図8bで示される配置800のくし歯様構造は、本願発明
の好ましい実施例のみを示す。その他の実施例もまた可
能であることを指摘する。電圧が印加される２つの従属
部品800aおよび800bは、例えば、１つの部品のみに置き
かえられることが可能である。この場合、電圧を印加す
るための２つの接続が設けられなければならない。その
ような配置の手段で質量分離を行うために、前記配置の
板は、交流電圧を印加するために、ある場合には第１の
接続に、その他の場合は第２の接続に交互に接続される
こと、および隣接する板は、前記板間の必要な交番磁界
を生成するために互いに絶縁されることが必要であろ
う。

下記において、本願発明の根底にある機能上の原理
が、配置800の詳細の拡大図を示す図8cに基づいてより
詳細に説明される。

図8cにおいて、第１の従属部品800aの板804aおよび第
２の従属部品800bの板804bが示され、前記板はそこに交
番電界が印加される。多帯域ビーム808のイオンビーム
は、板804aおよび804b間に入り、前記板804aおよび804b
間を通過し、そうするうちに、交番電界によって影響さ
れ、結果として板804aおよび804bの出口において濾過さ
れたイオンビーム810が現れる。図8bおよび図8cで示さ
れる実施例において、板804aおよび804bは、イオンビー
ムによって作用を受けるシリコン標本が板から漏れ出る
粒子によって汚染されることを防ぐために、シリコンか
ら製造される。

図8cで示される方法で、単帯域またはイオンビーム81
4が、互いに絶縁される板804aおよび804b間を通過する
場合、この帯域またはイオンビーム814は、板804aおよ
び804b間に印加される交番電界によって電波経路上に押
しやられることが可能である。これはまたウォブリング
とも呼ばれる。

帯域またはイオンビームの偏向の振幅Ｙは、下記の数
式で表されるように、交流電圧の周波数ｆ、板間の間隔
ｄ、交流電圧の振幅U₀、およびイオンの質量ｍならびに
電荷ｑに依存する。

印加される交流電圧のため、図8cから分かるように、
より軽いイオン816、例えばH⁺は、より重いイオン818、
例えばP⁺よりも強く偏向される。板間の間隔ｄが、軽イ
オンの偏向よりも小さいが重イオンの偏向よりも大きく
なるように選択された場合、板804aおよび804bとの衝突
のため、軽イオンは重イオンから分離される。この方法
で、例えばプラズマガスとしてPH₃を使用すること、お
よび本願発明によるマルチプレートシステムの手段で水
素だけを濾過することが可能である。

本願発明の更なる好ましい実施例によれば、スロット
つきグリッド820はマルチプレートシステムの出口、す
なわち標本に面しているマルチプレートシステムの端縁
に配置されることが可能である。参照番号820は図8cに
おいてたとえばシリコンから製造されるマルチスロット
グリッドのバーを示す。マルチプレートシステムの出口
においてシリコンマルチスロットグリッドを設けるこ
と、および予め画定されるバーの幅を与えることによ
り、Ar⁺などのしばしばキャリヤガスとして使用される
より重イオンもまた、参照番号818で図8cに示されるよ
うに、B⁺またはP⁺などのより軽イオンから分離されるこ
とか可能である。

質量分離に加えて、本願発明によるマルチプレートシ
ステムは、１つのマルチスロットグリッドのみから構成
される構造が使用される場合とは対照的に、グリッドの
像の形成を避けるために行われるウォブリングがより低
いウォブリング電圧で実行されることが可能であるとい
う更なる利点をもたらす。なぜなら、自らの軌道にそっ
て移動するイオンが、より長時間飛行の方向への横電界
にさらされるからである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/265 Ｈ０１Ｌ 21/265 Ｆ (31)優先権主張番号 １９６１８７３４．６ (32)優先日 平成８年５月９日(1996．5．9) (33)優先権主張国 ドイツ（ＤＥ） (31)優先権主張番号 １９７００８５６．９ (32)優先日 平成９年１月13日(1997．1．13) (33)優先権主張国 ドイツ（ＤＥ） (72)発明者 リッセル ハイナー ドイツ連邦共和国 Ｄ―91080 シュパ ルドルフ アム ファイルヒェンベルク 27 (56)参考文献 特開 平８−96742（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−269940（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−267475（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−335163（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 37/317 H01J 27/16 H01J 37/08 H01J 37/305 H01L 21/265

Claims (13)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アノード（106）、 それに向かってイオン源（100）からイオンが放出され
   る標本（104）と同じ物質から製造され、またはこの物
   質で被覆され、または前記標本（104）を汚染しない物
   質から製造されるカソード（108）、および 前記アノード（106）および前記カソード（108）間に配
   置される閉鎖されたプラズマチャンバ（110）を含む、
   標本（104）への広範囲のイオン注入のためのイオン源
   において、 カソード（108）はバーによって分離される並列された
   スロットつきのマルチスロット構造（200;300）を含
   み、イオンが前記マルチスロット構造を通過することに
   より多帯域ビームが生成され、 イオンビームに対して直角に電界を生成するための電圧
   は、多帯域ビームを抽出し、加速するためにカソードま
   たはそれに続くマルチスロット構造に印加可能であり、
   前記電圧はバーが異なった極性を有するような方法で印
   加され、さらに カソードのマルチスロット構造および／またはそれに続
   くマルチスロット構造は、互いに絶縁された複数のマル
   チスロットグリッド構造（200;300）により画定され、
   前記グリッド構造はくし歯構造（300）を有し、前記マ
   ルチスロットグリッドくし歯構造（300）は交互配置さ
   れる、イオン源。
2. 【請求項２】カソードのマルチスロット構造および／ま
   たはそれに続くマルチスロット構造は、複数の積載され
   たマルチスロットグリッド構造（200）により画定され
   る、請求項１に記載のイオン源。
3. 【請求項３】プラズマチャンバ（110）がアノード（10
   6）またはカソード（108）のいずれによっても画定され
   ない区域において、前記プラズマチャンバ（110）は、
   たとえば石英構造のような非金属構造（126）により画
   定され、それによって付加的な誘電高周波結合が可能と
   なる、請求項１または２に記載のイオン源。
4. 【請求項４】ガス配気チャンバ（506）に有効に接続さ
   れ、前記ガス配気チャンバ（506）はアノード（106）に
   よりプラズマチャンバ（110）から分離されている、ガ
   ス入口（510）を含む、請求項１ないし３のいずれかに
   記載のイオン源。
5. 【請求項５】カソードのマルチスロット構造および／ま
   たはそれに続くマルチスロット構造は、互いに並行に配
   置され、交番電界を生成するために交流電圧が印加され
   ることが可能である板（804;804a,804b）により画定さ
   れ、それによって軽イオンが多帯域ビームから濾過され
   ることが可能である、請求項１ないし４のいずれかに記
   載のイオン源。
6. 【請求項６】カソードのマルチスロット構造またはそれ
   に続く標本に面するマルチスロット構造の端縁に配置さ
   れるマルチスロットグリッド構造であり、前記マルチス
   ロットグリッド構造はそのバー（820）がイオンビーム
   （814）のビーム経路に設けられる方法で配置され、そ
   れによってより軽いイオンおよびより重いイオンが多帯
   域ビームにおける所望のイオンから分離されることが可
   能である、マルチスロットグリッド構造を含む、請求項
   ５に記載のイオン源。
7. 【請求項７】カソードのマルチスロット構造および／ま
   たはそれに続くマルチスロット構造は、くし歯構造（80
   4a,804b）を有する複数のマルチスロットグリッド構造
   を含み、前記マルチスロットグリッドくし歯構造（800
   a,804b）は交互配置されている、請求項５または６に記
   載のイオン源。
8. 【請求項８】請求項１ないし７のいずれかに記載のイオ
   ン源（100）を含む、イオンビームユニット。
9. 【請求項９】標本（104）を載置するための標本ホルダ
   （116）を含む、請求項８に記載のイオンビームユニッ
   ト。
10. 【請求項１０】イオン源（100）によって放出されるイ
    オンビーム（122）の線量および前記イオンビーム（12
    2）の均質性を計測するための線量計測ユニット（552,6
    04,610）を含む、請求項８または９に記載のイオンビー
    ムユニット。
11. 【請求項１１】線量計測ユニットはファラデーコレクタ
    （552）を含む、請求項10に記載のイオンビームユニッ
    ト。
12. 【請求項１２】線量計測ユニットは標本ホルダ（116）
    中に集積されており、さらに その場の線量および均質性計測が実行され得る、請求項
    10または11に記載のイオンビームユニット。
13. 【請求項１３】標本（104）はシリコンで構成される、
    請求項８ないし12のいずれかに記載のイオンビームユニ
    ット。