JP3418229B2 - パラレルスキャン型イオン注入装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電子産業における集
積回路製造用装置に有利に用いられ得るパラレルスキャ
ン型イオン注入装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、多重極静電偏向器を用いたパラレ
ルスキャン型イオン注入装置は、例えば、特開平４−67
39号、特開平４−137346号、特開平３−102750号、特開
平１−232652号の各公報に開示されているように公知で
ある。添付図面の図12にはその一例を示し、イオン源31
から引きだされたイオンビーム33は質量分離器32によっ
て目的のイオン種だけのイオンビームとされた後、この
イオンビームは加速管34によって必要なエネルギーまで
加速され、その後、四重極レンズ35によって集束され、
そして第１の八重極静電偏向器36によって3.5゜オフセ
ット偏向された後さらに3.5゜、合計で７゜オフセット
偏向され、この方向を最終的光軸として、この光軸のま
わりにラスター偏向され、さらに第２の八重極静電偏向
器37によってビームの方向を曲げ戻し、光軸に平行なビ
ームとしてウエハ38に注入される。この場合、イオンビ
ームの走査方法は、図13に示すように、ウエハ37を中に
含んだ八角形の領域を左右にビームを走らせつつ、上か
ら下へと−定のステップ間隔でラスターし、下端に達し
たら１／４ステップづつずらせて、前と同じステップ間
隔で下から上へとラスターするようにしている。また第
１、第２の八重極静電偏向器35、36の各電極に印加され
る電圧は図１４に示す。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述のような従来の多
重極静電偏向器を用いたパラレルスキャン型イオン注入
装置によりイオンビームの方向をウエハの全域に対して
常に一定の角度にして常に同じ方向からウエハにイオン
を注入することが可能となったが、しかしビームのウエ
ハ上の走行速度については何も規定されていなかった。
ところで、上述のような公知の偏向系において時間と共
に時間に対して線型に変化する横方向の偏向電場を加え
る場合、このイオン光学系では厳密には偏向電場に比例
してイオンビームが横方向には偏向されず、従ってイオ
ンビームの横方向の走行速度は時間に対して線型には変
化しないことが、イオンビーム軌道の精密解析の結果明
らかとなった。

【０００４】イオン光学的解析によれば、多重極静電偏
向器の端縁部の電場の効果により、ウエハ上のドーズの
分布は次のようになる。すなわち、イオンビームをＸ方
向（水平方向）及びＹ方向（垂直方向）に偏向させる電
場を時間にリニヤーに変化させると，ウエハ上の中心に
おけるドーズ量を１として規格化した点（Ｘ，Ｙ）での
ドーズ量Ｆ（Ｘ，Ｙ）は、 Ｆ（Ｘ、Ｙ）＝１＋λ_１Ｘ＋λ_２Ｙ＋λ_３Ｘ^２＋λ_４Ｙ^２ （０） となる。Ｆ（Ｘ、Ｙ）＝1.01とおくと，（０）式は、 λ_３Ｘ^２＋λ_４Ｙ^２＋λ_１Ｘ＋λ_２Ｙ＝0.01 となり、これは一つの楕円曲線を表し、ドーズ分布が中
心における値の101％の等高線を表す。同様に、Ｆ
（Ｘ、Ｙ）＝1.02, 1.03,…とすると、ドーズが102％、
103％、…の楕円曲線を表す。このように上記の光学系
ではλ_３、λ_４は正の値をとり、ドーズ分布の等高線は
同心楕円群となり、ウエハの周辺が中心よりも過注入に
なる。その平均偏差は８インチのウエハで1.5〜2％にな
る。

【０００５】一方、平均偏差に関して、近年ＩＣの性能
及び歩留り向上のため注入の平均偏差を１％以下に抑え
ることが要求されるようになってきている。しかし、上
述の従来例のように、偏向電場を時間にリニヤーに変化
させてラスターすると、ビームスポットはウエハの周辺
で走行速度が中心に比べて遅くなり、ウエハの周辺部が
過注入になる。そのため、ウエハ上のすべての点でのビ
ームスポットの走行速度を等しくし、ドーズ分布が等し
くなるように偏向電場の時間についての変化の割合を変
化させてやることと、そのようなラスターを実際に行わ
せる制御方法を提供することが要望されている。そこ
で、本発明は、上記の課題を解決して基坂上の全領域に
おけるドーズ量を均一にできるようにパラレルスキャン
型イオン注入装置を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、イオン源から引出されたイオンビーム
を質量分離、加速した後、集束ビームの形にして、第１
の多重極静電偏向器の中心軸に対して、オフセット偏向
角の約２分の１の角度で入射させ、さらに第１の多重極
静電偏向器の中心軸に対してオフセット偏向角の約２分
の１の方向にオフセット偏向させ、このオフセット偏向
角の方向を中心としてラスター偏向させ、そして第１の
多重極静電偏向器に同期させて第１の多重極静電偏向器
と幾何学的に相似形の第２の多重極静電偏向器でラスタ
ー偏向角を曲げ戻し、イオン注入すべき基板に対して常
に一定の方向に平行な方向からイオンビームを入射させ
つつ掃引を行なうようにしたパラレルスキャン型イオン
注入装置において、基板の縦方向（Ｙ方向）に階段的に
ステップ・アップまたはステップ・ダウンさせる偏向電
圧のステップ幅を一定とし、横方向（Ｘ方向）における
基板の中心における偏向電場の変化の速度を１として規
格化するとき、第１の多重極静電偏向器の長さを２ｌ₁
とし、第２の多重極静電偏向器の長さを２ｌ₂とし、第
１、第２の多重極静電偏向器の間隔をＬとし、第２の多
重極静電偏向器の出口中心から基板までの距離をＬ_Dと
する時、基板上の各点（Ｘ、Ｙ）におけるビームスポッ
トに対応する横方向の偏向電圧の変化速度が、次式 で与えられるＦ（Ｘ、Ｙ）となるように第１、第２の多
重極静電偏向器に与えるラスター電圧をディジタル制御
し、基板上の全域に渡ってイオンビームスポットの走行
速度を等しくするように構成したことを特徴とするもの
である。

【０００７】また、本発明の別の特徴によれば、イオン
源から引出されたイオンビームを質量分離、加速した
後、集束ビームの形にして、第１の多重極静電偏向器の
中心軸に対して、オフセット偏向角の約２分の１の角度
で入射させ、さらに第１の多重極静電偏向器の中心軸方
に対してオフセット偏向角の約２分の１の方向にオフセ
ット偏向させ、このオフセット偏向角の方向を中心とし
てラスター偏向させ、そして第１の多重極静電偏向器に
同期させて第２の多重極静電偏向器でラスター偏向角を
曲げ戻し、イオン注入すべき基板に対して常に一定の方
向に平行な方向からイオンビームを入射させつつ掃引を
行なうようにしたパラレルスキャン型イオン注入装置に
おいて、基板上の各点（Ｘ、Ｙ）におけるビームスポッ
トの走行速度データを記憶する記憶装置と、記憶装置に
記憶されたビームスポットの走行速度データをアナログ
電圧信号に変換するＤＡ変換器と、このアナログ電圧信
号を周波数信号に変換する電圧−周波数変換器と、電圧
−周波数変換器で得られた周波数信号を計数して基準座
標データを形成するアップダウンカウンタと、この基準
座標データに基き第１、第２の多重極静電偏向器に与え
る信号源電圧を発生する装置とを有し、基板上の全域に
渡ってイオンビームスポットの走行速度を等しくするよ
うに構成したことを特徴としている。

【０００８】

【作用】このように構成した本発明のパラレルスキャン
型イオン注入装置において、第１の多重極静電偏向器と
第２の多重極静電偏向器とは幾何学的に相似形になるよ
うに構成され、第１、第２の多重極静電偏向器の相対応
する電極に同一のラスター電圧が加えられ、（例えば、
図１４のような八重極の静電偏向器を用いた場合には相
対応する電極（５ａ、５ｅというように）に第１の八重
極静電偏向器の各電極に与える電圧からオフセット電圧
（Ｖ_０、或いは−Ｖ_０、Ｖ_０／√２、−Ｖ_０／√２等）
を差し引いたラスター偏向電圧（Ｕ、−Ｕ、Ｖ、−Ｖ、
１／√２・（Ｕ＋Ｖ）等）と同一の偏向電圧（Ｕ′、−
Ｕ′、Ｖ′、−Ｖ′、１／√２・（Ｕ′＋Ｖ′）、…、
ここにＵ＝Ｕ′、Ｖ＝Ｖ′）を加えられ）、偏向系は相
似則によって設計されているということにする。基板の
縦方向（Ｙ方向）に階段的にステップ・アップまたはス
テップ・ダウンさせる偏向電圧の変化のステップ幅は一
定とし、基板の横方向（Ｘ方向）の偏向電場の変化の速
度を基板の中心における偏向電場の変化の速度を１とし
て規格化したラスター偏向電圧の時間についての変化の
割合を上述の関数に従って変化させると、基板上をラス
ターするビーム・スポットの基板上の走行速度は基板上
の場所によらず一様となり，優れたドーズの均一性が得
られることになる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下添付図面の図１〜図１１を参
照して本発明の実施の形態について説明する。 図１に
は本発明の一実施の形態を示し、１はイオン源、２はイ
オン源１より引き出されたイオンビーム３の中から同一
質量数のイオン（例えば、ひ素、燐、ボロン等）だけを
分離する質量分離器、４は質量分離器２で分離されたイ
オンビーム３を加速する加速器、５は加速器４で加速さ
れたイオンビーム３を集束させる集束レンズ、６は集束
レンズ５で集束されたイオンビーム３を、一定の角度、
例えば７°だけオフセット偏向ししかも水平方向（Ｘ方
向）及び垂直方向（Ｙ方向）に同時にラスター偏向させ
る第１の多重極静電偏向器で、その中心軸は入射してく
るイオンビーム３の方向に対してオフセット偏向角の約
２分の１（例えば３．５°）傾斜している。７は第１の
多重極静電偏向器６と幾何学的に相似形に構成された第
２の多重極静電偏向器で、この第２の多重極静電偏向器
７は、第１の多重極静電偏向器６でオフセット偏向され
たイオンビームの方向の軸線上に配置され、第１の多重
極静電偏向器６でラスター偏向されたイオンビーム３を
水平方向（Ｘ方向）及び垂直方向（Ｙ方向）に同時にラ
スター偏向させてラスター偏向角を曲げ戻し基板８に対
して常に一定の方向に平行な方向からイオンビームを入
射させるように構成されている。また９は第１、第２の
多重極静電偏向器６、７へのラスター電圧をディジタル
制御して基板８の全領域に対するドーズ量ユが均一とな
るようにする制御装置である。

【００１０】この制御装置９は、第１の多重極静電偏向
器６の長さを２ｌ_１とし、第２の多重極静電偏向器７の
長さを２ｌ_２とし、第１、第２の多重極静電偏向器６、
７の間隔をＬとし、第２の多重極静電偏向器７の出口中
心から基板８までの距離をＬ_Ｄとする時、基板８上の各
点（Ｘ、Ｙ）におけるビームスポットに対応するＸ方向
の偏向電圧の変化速度が、次式 で与えられるＦ（Ｘ、Ｙ）に比例して第１、第２の多重
極静電偏向器６、７に与えるラスター電圧をディジタル
制御するように構成される。

【００１１】上記の関係式はイオン光学的に得られ、実
験で証明されたものであり以下それについて説明する。 （Ａ）多重極静電偏向器型パラレル・スキャンに見られ
る基板のドーズ分布のイオン光学的解析：多重極静電偏向器内の電場の分布 ： 多重極静電偏向器で電極数の多くなった理想多重極静電
偏向器内の電位分布を有限要素法でシミュレートした結
果を図２に示す。図２には真空容器内に収められた理想
多重極静電偏向器の電位分布と規格化された中心軸上の
電場分布が入口側半分について示されている。中心軸上
の電場分布は多重極静電偏向器の中心を座標の原点にと
って、次の式で精度よく表すことができる。 Ｅ＝Ｅ_０・１／（esp（−β_１（ｚ＋ｌ_１））＋１） （２） 今、直径150mm、長さ350mmの理想多重極静電偏向器の両
端に10mmの空隙を設けて、直径150mm、長さ20mmの接地
電位のガード・リングを設けた場合について考えてみる
と、β_１＝0.0459mm^−１、ｌ_１＝180.475mmとなり、こ
の値を（２）式に代入して計算した結果とシミュレーシ
ョンの結果とを対比させて図２に示す。（２）式による
計算値は多重極の入口近くでフルスケールの0.4％程度
シュミレーションの結果と異なるだけで、それ以外の所
では誤差0.1％の精度で一致する。また多重極静電偏向
器の右側での電場分布は、 Ｅ＝Ｅ_０・１／（exp（β_１（ｚ−ｌ_１））＋１） （３） で表すことができる。以下解析を進めるに当たり、軸か
らあまり離れていない部分のみならず軸からかなり離れ
ている部分でもこの近似関数で電場が分布しているもの
とする。

【００１２】第１の多重極静電偏向器内のイオンの軌
道： 多重極静電偏向器を用いたパラレルスキャン偏向系とし
て図３図に示すような偏向系を考える。イオンビームは
第１の多重極静電偏向器６の中心から|ｌ_１|だけ入射側
にとった中心軸上の入口中心Ｏ_０めがけて、中心軸とα
（3.5°）をなす方向から入射し、ラスターを行わない
時には、さらに多重極静電偏向器の中心から｜ｌ_１｜だ
け出射側にとった中心軸上の出口中心Ｃ_１めがけて中心
軸と角αをなす方向すなわち入射ビームの方向と２α
（７°）をなす方向（ＣＣ_１Ｏ方向）に出射するように
し、そしてＣＣ_１Ｏをオフセット偏向後の新しい光軸と
し、この光軸に中心軸を一致させて第２の多重極静電偏
向器７を設置する。第１の多重極静電偏向器６には入射
ビームのＣＣ１Ｏ方向への７°オフセット偏向とＣＣ_１
Ｏ方向を中心しとするラスターを行なわせる。第２の多
重極静電偏向器７には、第１の多重極静電偏向器６によ
るラスター偏向を曲げ戻すような電場を発生させる電圧
を各電極に加え、第２の多重極静電偏向器７を出射する
イオンビームは光軸と何時も平行であるようにする。こ
れは偏向系を相似則によって設計することにより得られ
ることになる。

【００１３】第１の多重極静電偏向器６内のイオンの軌
道を解析するために、偏向器の入口側半分では座標の原
点をｌ_１だけマイナス側のＯ_０に移し、偏向電場を、 Ｅ(z)＝Ｅ_０／（exp（−β_１ｚ）＋１） （４） とし、出口側半分では座標の原点をｌ_１だけプラス側の
Ｃに移し、 Ｅ(z')＝Ｅ_０／（exp（−β_１z'）＋１） （５） とする。先ず入り口側半分の軌道を解析する。Ｏ_０を原
点とする直角座標系Ｏ_０−ｘｙｚを図４のようにとり、
入射ビームはｙｚ面内をｚ軸とαをなす方向からＯ_０を
めがけて入射するとする。即ち第１の多重極偏向器６の
中心Ｃ_０から−ｙ方向にｌ_１tanα離れた点をＣとする
と、直線Ｏ_０Ｃの方向から入射するとする。そして、偏
向電場が０から立ち上がる入射点ｚ＝−ζ_１から偏向を
受ける（図２、図３、図４参照）。イオンの出発点即ち
イオン源のプラズマ・メニスカの電位をφ_ｉｎｉｔと
し，電荷をｅ、質量をｍ、入射点でのイオンの初速度を
ｖ_０とすると、この点の電位は０だから、1/2・mv_０ ^２
＝ｅφ_ｉｎｉｔと表される。初速度のｚ成分をｖ_ｚ０と
すると、偏向電場はｚ軸に垂直となるので第１の多重極
偏向器６内ではいつも ｖ_ｚ０＝ｖ_０・cosα＝cosα・√(2ｅ）φ_ｉｎｉｔ／
m） となり、 ｚ＝−ζ_１＋ｖ_ｚ０・ｔ ｔ＝（ｚ＋ζ_１）／ｖ_ｚ０ 従って、 dt／dz＝１／ｖ_ｚ０ となる。偏向電場のｙ方向成分をＥ_ｙ(z)とすると、ｙ
方向の運動方程式は ｍ・dy^２／dt^２＝ｅＥ_ｙ(z) （６） となる。従って、入射点でのイオンのｙ方向速度成分を
ｖ_ｙ０とすると、 となる。入射点では、ｔ＝０で、ｙ＝ｙ_０＝ζ_１tanα
であるので、 となる。従って、 となる。従って、

【００１４】−ｉ イオンビームのラスターを行わない場合に、中心軸とα
の角度をなして第１の多重極静電偏向器６の入口中心Ｏ
_０に向かって入射するイオンを図３のように偏向し、出
口中心Ｃ_１目掛けて出射するようにするのに必要な偏向
電場Ｅ_{ｙ ｏｆ ｆｓｅｔ}を求める。次の光軸ＣＣ_１を中
心としてラスターする場合には、このオフセット電場と
ラスター電場とを重畳させた電場を加えればよいことに
なる。Ｅ_{ｙ ｏｆｆｓｅｔ}として、 Ｅ_{ｙ ｏｆｆｓｅｔ}＝Ｅ_{ｙ０ ｏｆｆｓｅｔ}／（exp
（−β_１ｚ＋１)） とすると、この偏向電圧のみを加えた場合、第１の多重
極静偏向器の中心を通る断面上で、図３に示すように軌
道の接線がｚ軸と平行になれば、電場がこの断面に関し
て対称であるので、イオンの軌道は出口中心Ｃ_１に向か
って出射される。式（７）から、 となり、第１の多重極静偏向器６の中央でｙ方向の電場
がＥ_{ｙｏ ｏｆｆｓｅｔ}となるような電圧を各電極に与
えればよいことになる。

【００１５】 -ii オフセット電場とラスター偏向電場とがある場
合の偏向角と偏向量： イ） ｙ方向の偏向： オフセット偏向電場Ｅ_{ｙｏ ｏｆｆｓｅｔ}とラスター偏
向電場のｙ成分Ｅ_１ｙ０を受ける場合のイオンの軌道 イ−１）第１の多重極静偏向器の入り口側半分でのイオ
ンの軌道： 上記の−ｉを参照して、

【００１６】次にｙ_ｚ＝ｌ１を計算する。 とおく。ここでexp(−β_１ｚ)＝λとおくと、 −β_１exp(−β_１ｚ)dz＝dλ 従って dz＝−１／β_１・dλ／λ となる。 またｚ＝０：λ＝１、ｚ＝ｌ_１：λ＝2.526×10^−４〜
であるので、 となる。

【００１７】イ−２）第１の多重極静電偏向器６の出口
側半分でのイオンの軌道： 座標の原点をｚ軸上多重極静電偏向器の中心からｌ_１だ
け出口側にずらし、この新しい原点Ｃ_１を原点として図
３のようにとると、ｙ方向の電場は、 となる。従って、第１の多重極静電偏向器６の出口で
は、 となる。従って、式（８）、（９）、（10）を参照し
て、 すなわち、イオンビームの軌道は、ｚ＝−ｌ_１、ｙ＝−
ｌ_１tanαの点から直線的に進んできてフィールド・フ
リーの領域に出るかのように進んでくることになる。

【００１８】ロ）第１の多重極静電偏向器６のｘ方向の
偏向： 第１の多重極静電偏向器６内のｘ方向の偏向を、入口側
半分では、Ｏ_０を原点とする直角座標系Ｏ_０−ｘｙｚで
計算し、出口側半分ではＣ_１を原点とし、ｚ軸はＯ_０−
ｘｙｚと共通の座標系Ｃ_１−ｘ'ｙ'ｚ'で計算する。第
１の多重極静電偏向器６内の電場のｘ成分Ｅ_ｘ（ｚ）と
すると、入口側半分では、 Ｅ（ｚ）＝Ｅ_１ｘ０・１／(exp(−β_１ｚ）＋１） となり、入射条件は、ｚ＝−ζ_１で、ｘ＝ｘ_１＝０、dx
／dz＝（dx／dz)_１＝０である。運助方程式は、 ｍ・d²ｘ／dt²＝ｅＥ_１ｘ０・１／(exp（−β_１ｚ）＋
１） で表される。

【００１９】また、出口側半分では、直角座標Ｃ_１−
ｘ'ｙ'ｚ’で運動方程式は、 ｍ・d²ｘ／dt²＝ｅＥ_１ｘ・１／(exp（β_１ｚ）＋１） で表される。これらの運助方程式をイ）を参照して解く
と、第１の多重極静電偏向器６のはみだし電場を出たと
ころ、すなわちｚ'＝ζ_１では、 すなわち、イオンの軌道のｙｚ面への投影はあたかも第
１の多重極静電偏向器６の中心のｙｚ面への投影点から
出発して直進してフィールド・フリーの所に出て来たか
のようにフィールドフリーの領域へと進んで行くことに
なる。

【００２０】第２の多重極静電偏向器７内のイオンの
軌道： −ｉ） 第２の多重極静電偏向器７へのイオン・ビー
ムの入射条件： 上記において示したように、第１の多重極静電偏向器
６の中心Ｃ_０から−ｙ方向にｌ_１tanαだけ離れた点を
Ｃとすると、第１の多重極静電偏向器６からフィールド
・フリーの所へ向かうイオンの軌道ｓは，あたかも位置
Ｃから出発して直進したかのようにフィールド・フリー
の所に出てゆく。この様子を図４に関係立体図で示す。
位置Ｃ_１でＺ軸と直交する平面Ｓ_１とイオンの軌道すな
わち直線ｓとの交点をＰ_１とし、Ｐ_１からｙｚ面に垂線
Ｐ_１Ｈ_１を下ろし、またＰ_１からＣＣ_１に垂線Ｐ_１Ｓ_１
を下ろす。Ｓ_１から線分Ｈ_１Ｐ_１に等しく且つ平行な線
分Ｓ_１Ｋ_１を引く。Ｓ_１Ｋ_１⊥Ｐ_１Ｋ_１、Ｈ_１Ｓ_１‖Ｐ
_１Ｋ_１、Ｐ_１Ｈ_１⊥Ｈ_１Ｓ_１である。従って、 となる。さて、直線ＣＣ_１が第２の光軸となり、これを
Ｚ軸とし、Ｚ軸上に第２の多重極静電偏向器の有効入口
端Ｏがあるとし、図４のように座標系Ｏ−ＸＹＺをと
る。ＯＹ‖Ｓ_１Ｈ_１で、Ｙ軸はｙｚ面上にあり、ＹＺ面
とｙｚ面は一致する。

【００２１】−ii）第２の多重極静電偏向器７内のイ
オンの軌道： イ）運動方程式と入射条件： 第２の多重極静電偏向器７は第１の多重極静電偏向器６
と幾何学的に相似に作られており、各部分の１寸法がそ
れぞれ第１の多重極静電偏向器６のλ倍であるとし、第
２の多重極静電偏向器７のそれぞれの電極には対応する
第１の多重極静電偏向器６のそれぞれの電極と同一の電
圧が加えられているとする。第２の多重極静電偏向器７
の有効出口端をＯ_１とし、図２に示すように直角座観系
Ｏ_１−Ｘ'Ｙ'Ｚ'をとる。第２の多重極静電偏向器７内
の電位分布は第１の多重極静電偏向器６内の電位分布と
相似であり、第２の多重極静電偏向器７内の電場は，入
口側半分では、 Ｅ_２＝Ｅ_２０／（exp（−β_２Ｚ'）＋１） で表され、また出口側半分では、 Ｅ_２＝Ｅ_２０／（exp（−β_２Ｚ）＋１） て表され、 β_２＝β_１／λ Ｅ_２０＝−Ｅ_１０／λ ζ_２＝λ・ζ_１ ｌ_２＝λ・ｌ_１ である。連動方程式は、 ｍ・d²Ｘ／dt²＝ｅ・Ｅ_２ｘ０ ｍ・d²Ｙ／dt²＝ｅ・Ｅ_２ｙ０ ｍ・d²Ｚ／dt²＝０ である。入射条件は、 1/2・((dX／dt)_２ ²＋（dY／dt）_２ ²＋（dZ／dt)_２ ²）＝
ｅφ_ｉｎｉｔ であり、ここに（dX／dt)_２は第２の多重極静電偏向器
７へのイオンの入射速度のＸ，Ｙ，Ｚ成分である。−
ｉ）より、 （dX／dt)_２ ²＋（dY／dt)_２ ²＝tan²β・（dZ／dt)_２ ² となる。

【００２２】第２の多重極静電偏向器７でも電場はＺ軸
に垂直であるとすると、 と表される。

【００２３】ロ） Ｘ方向のイオンの軌道： ロ−ｉ） 第２の多重極静電偏向器７を出たイオンの軌
道の平行性： となる。実際の例としては、Ｅ_１ｙ０＝０、φ_ｉｎｉｔ
＝200kV、Ｅ_１ｘ０＝1883.4V/cm（８インチウエハの最
外郭：Ｘ＝10cmに相当）とし、α＝3.5°、ｌ_１＝180.4
7mm、ζ_１＝119.525mm、β_１＝0.0459mm^-1、λ＝7/3と
して計算すると、 （dX'/dZ')_ｏｕｔ＝−0.00469＝tan^-1（−0.269°） となる。（dY'/dZ')_ｏｕｔについて計算しても同様の小
さい値が得られる。従って、第２の多重極静電偏向器７
を出るイオンビームは光軸と0.3°以内の平行度を保つ
ことになる。

【００２４】ロ−ii） 第２の多重極静電偏向器７内の
Ｘ方向の軌道： 第２の多重極静電偏向器７からフィールド・リーな空間
にイオンが出る位置（Ｚ’＝ζ_２）でのＸ'座標をＸ'
_ｏｕｔとし、有効入口端（Ｚ＝０）における値を添字_２
で、中央における値を添字_{ｃｅｎｔｒｅ}で表すと、 となる。第２の多重極静電偏向器の有効出口端（Ｚ’＝
０）から基板までの距離をＬ_Ｄとし、基板上のイオンビ
ームのスポットの位置を（Ｘ_ｗ，Ｙ_ｗ）とすると、 Ｘ_ｗ ＝ Ｘ’_ｏｕｔ ＋（dX'／dZ'）_ｏｕｔ・（Ｌ_Ｄ−
ζ_２） となる。この計算を実行し、規格化偏向電場ξ_１、
η_１、ξ_２、η_２を導入し、 （ｌ_１ Ｅ_１ｘ０／φ_ｉｎｉｔ）＝ξ_１、（ｌ_１ Ｅ
_１ｙ０／φ_ｉｎｉｔ）＝η_１ （ｌ_２ Ｅ_２ｘ０／φ_ｉｎｉｔ）＝ξ_２、（ｌ_２ Ｅ
_２ｙ０／φ_ｉｎｉｔ）＝η_２ とおくと、次式が得られる。

【００２５】ハ）第２の多重極静電偏向器７内のＹ方向
の軌道： 上記ロ）と同様にして、第２の多重極静電偏向器７の出
口端（Ｚ'＝ζ_２）でのイオンの軌道の方向（dY'／dZ')
_ｏｕｔ及び基板上のスポットのＹ座標Ｙ_ｗは次のように
なる。 上記−ii）のイ）から第２の多重極静電偏向器７が第
１の多重極静電偏向器６と幾何学的に相似であり、図14
に八重極静電偏向器の例について示したように第１の多
重極静電偏向器６で偏向したビームを第２の多重極静電
偏向器７で曲げ戻すように相対応する電極（例えば５ａ
と６ｅというように）に第１の多重極静電偏向器６の各
電極に与える電圧からオフセット電圧を差し引いた電圧
を加える場合（上述のようにこれを“相似則”で設計さ
れていると定義した）には、 ξ_１ ＝−ξ_２ η_１ ＝−η_２ となる。

【００２６】（Ｂ）基板上を均一な走行速度でビームス
ポットをラスターさせるために必要な電場のデジタルス
キャンの関数： （Ａ）の結果、式（14）及び（15）によれば、偏向系が
相似則で設計されている時でも、基板上のビームスポッ
トの位置座標Ｘ_ｗ、Ｙ_ｗはラスター電場Ｅ_１x０、Ｅ
_１ｙ０に正確には比例せず、非線型な項を含んでいる。
このためにラスター電場_Ｅ１Ｘ０、Ｅ_１ｙ０の時間変化
がＸ_ｗ、Ｙ_ｗによらず一定である場合には、基板の周辺
になるに従って、スポットの走行速度で減少し、単位面
積当たりスポットの滞在する時間の割合が大きくなるの
で、基板の周辺で中心部分に較べてイオンの過注入が生
じることになる。

【００２７】そこで、ラスター電場の変化速度を一定で
はなく、スポットが基板の周辺に行くに従って早くして
やって、基板の場所によらず均一なドーズ分布を得るよ
うにしなくてはならない。そのためにはどういう関数に
したがって偏向電場の変化速度を変えてゆくかを求めて
みる。 （ｌ_１ Ｅ_１ｘ０／φ_ｉｎｉｔ）＝ξ_１、（ｌ_１ Ｅ
_１ｙ０／φ_ｉｎｉｔ）＝η_１ （ｌ_２ Ｅ_２ｘ０／φ_ｉｎｉｔ）＝ξ_２、（ｌ_２ Ｅ
_２ｙ０／φ_ｉｎｉｔ）＝η_２ で相似則に従って偏向系が設計されているので、 ξ_１＝−ξ_２、η_１＝−η_２ である。式（14）、（15）から、 が得られる。基板上にビーム・スポットのＸ、Ｙ座標を
はξ_１、η_１の関数であるので、 Ｘ_ｗ ＝ｆ（ξ_１，η_１）、Ｙ_ｗ ＝ｇ（ξ_１，η_１） と書くことができる。図５のように、ξ1η1面上の微小
面積dS'(dS'＝dξ_１・dη_１）がＸ_ｗＹ_ｗ面上の微小面積
dS(dS＝dξ_１・dη_１）に対応するとすると、微分の定理
から、 であり、Ｊは関数行列式（ヤコービアン）である。Ｊの
ウエハ中心での値をＪ_０とする。従って ウエハ上のビーム・スポットのラスターは図15に示すよ
うにＥ_１のｙ成分をステップ関数δη_１＝一定となるよ
うに保ち、dζ_１／dtをζ_１、η_１の関数としてドーズ
分布が一定となるようにサブストレート上をラスターさ
せなければならない。ウエハ上のイオン・ビーム・スポ
ットの走行速度が場所に依存して変化する場合のドーズ
布分と走行速度との関係及び規格化されたドーズ関数に
ついて更に説明すると、まずウエハ上の各点におけるド
ーズ濃度はスポットの大きさによらず、ｐ点におけるド
ーズ濃度Ｄ_＊は Ｄ_＊＝ Ｉ／（Ｖ_ｘｐ・δ_ｙｐ）×ラスター回数 で与えられることが見出された。ここにＩは全電流、Ｖ
xpは点ｐにおける走行速度（ｘ方向を向く）、δ_ｙｐは
点ｐにおけるラスターライン間の距離である。図15に示
すように、ラスターはウエハの上から下へ、下から上へ
というように規則正しく行なわれる。考察する点ｐで微
少面積dｆ_ｐがｄｔという時間の間に受ける電荷の量ｄ
ｑ_１はビーム・スポットの面積をｆ_１とし、簡単のため
にビーム内では微小電流分布が一様であるとすると、 ｄｑ_１＝Ｉ／ｆ_１・df・dt で表される。スポットの大きさに比べてラスタ・ライン
間のずれは小さいので、ｘ方向に何回もスポットが考察
している微小面積をよぎりながら通過していくので、ビ
ーム・スポットがすっかりｄｆpを通過しきってしまう
までにｄｆ_ｐの受ける総電荷量δＱ_１は、 ΣＬ_ｊ δy_ｐ＝ｆ_１ であるので、 δＱ_１＝Ｉ／ｆ_１・ｄｆ・ΣＬ_ｊ／ｖ_ｘ＝Ｉ・ｄｆ／
（δy_ｐ・ｖ_ｘｐ） となり、ｄｆに注入される全電荷量は、 δＱ_ｄｆ＝Ｉ・ｄｆ／（δｙ_ｐ・ｖ_ｘｐ）×ラスター回
数 で表され、また点ｐにおけるドーズ濃度は δＱ_ｄｆ／ｄｆ＝Ｉ／（δｙ_ｐ・ｖ_ｘｐ）×ラスター回
数 となる。すなわち、ウエハ上のドーズ濃度はビームのス
ポットサイズｆ_１には無関係となる。第１の多重極静電
偏向器と第２の多重極静電偏向器とが幾何学的に相似で
あり、相対応する電極に同一の偏向電圧を加える場合に
は、第１の多重極静電偏向器の有効長さを２ｌ_１、偏向
電場をＥ_１、第２の多重極静電偏向器のそれぞれの値を
２ｌ_２、Ｅ_２とする。点ｐにおけるドーズ濃度Ｄ_＊は、
スポットの走行速度が場所に依存する時どのようになる
かを求めると、上述のように （ｌ_１ Ｅ_１ｘ０／φ_ｉｎｉｔ）＝ξ_１、（ｌ_１ Ｅ
_１ｙ０／φ_ｉｎｉｔ）＝η_１ （ｌ_２ Ｅ_２ｘ０／φ_ｉｎｉｔ）＝ξ_２、（ｌ_２ Ｅ
_２ｙ０／φ_ｉｎｉｔ）＝η_２ であり、第１の多重極静電偏向器と第２の多重極静電偏
向器とが幾何学的に相似であり、相対応する電極に同一
の偏向電圧を加えるというパラレルスキャンの条件か
ら、 ξ_１＝−ξ_２、η_１＝−η_２ となり、偏向されたスポットのウエハ上の位置は上述の
ように、 Ｘ_ｗ＝ｆ（ξ_１，η_１）、Ｙ_ｗ＝ｇ（ξ_１，η_１） で表される。δη_１＝一定でラスターする。ｄξ_１／ｄ
ｔをξ_１、η_１の値によって適切に変化させてドーズ分
布がウエハ全面にわたって一様になるようにデジタルス
キャンを行おうとする時の各多重極静電偏向器のＵ電圧
としてどのような電圧を加えるべきかについて考察する
と、ξ_１−η_１面上の微小面積dS'＝ｄξ_１ｄη_１がウ
エハ上のＸ−Ｙ面の微小面積dS＝ｄＸ_ｗδＹ_ｗに対応す
るとすると、上記の式（18）が成り立ち、従って Ｄ_＊ ＝ Ｉ・ラスター回数／（（ｄＸ_ｗ／dt）・δＹw
_ｐ） ＝ Ｉ・ラスター回数／（（ｄξ_１／dt）・δη_１） となる。ドーズ分布がウエハ全面にわたって一様である
ためには、Ｄ_＊ ＝一定＝Ｄ_０（ウエハの中心における
ドーズ濃度）でなければならないから、 ｜Ｊ｜_＊ ・(ｄξ_１／dt）・ｄη_１ ＝ ｜Ｊ｜_０・(ｄ
ξ_１／dt)0・(δｙ_１)_０ ｄξ_１／dt＝（｜Ｊ｜_０／｜Ｊ｜_＊）・(ｄξ_１／dt)_０ （ｄＥ_１ｘ０／ｄｔ)_{Ｘｗ，Ｙｗ}＝（｜Ｊ｜_０／｜Ｊ｜
_＊）・(ｄＥ_１ｘ０／dt)_０ （ｄＵ／ｄｔ)_{Ｘｗ，Ｙｗ}＝（｜Ｊ｜_０／｜Ｊ｜_＊）・
(ｄＵ／dt）_０ ＝Ｆ_Ｎ（Ｘ_ｗ，Ｙ_ｗ）・(ｄＵ／dt）_０ となり、規格化されたドーズ関数として （｜Ｊ｜_０／｜Ｊ｜_＊）＝Ｆ_Ｎ（Ｘ_ｗ，Ｙ_ｗ） を定義すると、規格化されたドーズ関数に従ってＵ電圧
を変えてゆけばよいことになる。そこで、式（18）、
（17）、（16）に従ってＦＮ（ξ_１，η_１）を計算する
と、0.1％の精度を保つように微小項を省略して次式が
得られる。 となる。

【００２８】次に基板上のドーズ分布が均一になるよう
に上記で述べた規格化ドーズ関数に従ってラスターを行
う実際の手段について説明する。ラスターの構成はディ
ジタルスキャンを上記に述べた方法によって行うという
ことを除いては特願平２−258113の明細書及び特願平３
−102750の明細書に記述したものと同様である。図14に
実際のラスター図形が示してある。図14に示すように縦
方向（ウエハではＹ_ｗ方向、偏向電圧ではＶ方向）には
偏向電圧を一段当たりΔＶだけ一定のステップで変え、
横方向（ウエハではＸ_ｗ方向、偏向電圧ではＵ方向）に
は偏向電圧Ｕの時間についての変化速度を基板の場所場
所によって変えてやる。Ｅ_１ｘ０ ＝ ｋ・Ｕ／ｒ_０、
Ｅ_１ｙ０ ＝ ｋ・Ｖ／ｒ_０ ここでｋは多重極静電偏向器の電極の幾何学的形状で決
まる定数で、オクタポールの場合は0.96であり、理想多
重極静電偏向器の場合は１である。このようなラスター
を行う時には縦方向の電場は一定のステップで変化する
ので、式（12）で、ｄη_１／dt＝（ｄη_１／dt）0＝一
定となり、従って、 ｄξ_１／dt＝ＦＮ・（ｄξ_１／dt）_０
（25） となるように、Ｅ_１ｘ０をウエハの場所場所によって変
えてやればよい。すなわち （ｄＥ_１ｘ０／ｄｔ）_{Ｘｗ、Ｙｗ}＝ＦＮ（Ｘ_ｗ,Ｙ_ｗ）
・（ｄＥ_１x／dt)_０（26） 従って、 （ｄＵ／dt)_{Ｘｗ、Ｙｗ}＝ＦＮ（Ｘ_ｗ，Ｙ_ｗ）・（ｄＵ
／dt)_０ （27） となるようにＵ電圧の時間変化速度を対応するウエハの
場所場所によって変えてゆけばよい。

【００２９】そこで図６及び図７を参照してオクタポー
ルとして構成した場合の第１、第２の多重極静電偏向器
６、７の各電極に与える電圧の発生回路の一例について
説明する。図６に示すように基板上のスキャンポイント
を例えばＸ方向64ポイント、Ｙ方向128ポイントにし、
これらのスキャンポイントを矢印を付けた走査線で示す
ようにスキャンするようにされている。図７に示すブロ
ック線図において、10は電圧−周波数変換器、11はＤＡ
変換器、12は第１のアップダウンカウンタ、18は第２の
アップダウンカウンタ、14はカウンタ、15はRAM、16は
データ、17はCPU、18はROM、19は３−ステート回路、20
はマルチプレクサ回路、21、22はＤＡ変換器、23、24は
増幅器、25、26は反転回路、27〜30は加算回路であり、
これらの回路は図示したように接続されている。基板上
の各スキャンポインとに対する走行速度データ16はCPU1
7によってRAM回路15またはRAM回路18に記憶される。ス
キャンポイントはカウンタ14の数値によって指定され、
このカウンタ14の数値によってRAM回路15はアドレスさ
れる。すなわちカウンタ14の出力はRAM回路15のアドレ
スを指定し、RAM回路15に記憶されているデータにより
速度データ及びアップダウンカウンタ12、13の制御信号
を出力させる。RAM回路15がカウンタ14の数値によって
アドレスされると、RAM回路15に記憶されたディジタル
走行速度データはＤＡ変換器11によってアナログ電圧信
号に変換され、そして電圧−周波数変換器10に入力さ
れ、電圧−周波数変換器10で得られる周波数信号は走行
速度データに対応している。こうして得られた周波数信
号は第１のアップダウンカウンタ12、第２のアップダウ
ンカウンタ13及びカウンタ14にクロックとして入力され
る。第１のアップダウンカウンタ12、第２のアップダウ
ンカウンタ13及びカウンタ14では電圧−周波数変換器10
からクロック信号として入力されてた周波数信号が計数
され、座標データが形成される。カウンタ14からの座標
データはアドレスとしてRAM回路15に入力され、速度デ
ータ及びアップダウンカウンタ12、13の制御信号として
用いられる。座標データが予定のスキャンポイントと一
致すると、カウンタ14の働きによってそのポイントにお
けるスキャン速度のデータがRAM回路15からＤＡ変換器1
1を介して電圧−周波数変換器10に出力される。またRAM
15からの制御信号により第１のアップダウンカウンタ12
及び第２のアップダウンカウンタ13においてそれぞれ動
作の選択とアップ、ダウンの指定が行われる。第１のア
ップダウンカウンタ12及び第２のアップダウンカウンタ
13からの出力はそれぞれＤＡ変換器21、22により変換さ
れてアナログ電圧にされ、そして増幅器23、24をそれぞ
れ介してスキャンの基本信号であるＵ電圧及びＶ電圧と
なる。なお、座標データに対するRAM15の各データはCPU
17を介して内部のROMや外部から入力され得る。またス
キャン中、RAM15の動作は３−ステート回路19及びマル
チプレクサ回路20によってCPU17から切り離され、それ
でカウンタによりアドレスを指定することができるよう
に構成されている。第１のアップダウンカウンタ12及び
第２のアップダウンカウンタ13からＤＡ変換器21、22及
び増幅器23、24をそれぞれ介して得られたＵ電圧及びＶ
電圧は二つの反転回路25、26及び、各々反転、加算、ゲ
イン可変機能をもつ演算増幅器から成る四つの加算回路
27〜30により処理されて八つの出力に図示したような電
圧が発生される。このようにして基板上の各スキャンポ
イントに適したスキャン速度をもってスキャンできるデ
ィジタル制御されたラスター電圧を得ることができる。
図８及び図９には基準Ｖ電圧及び基準Ｕ電圧波形を示
す。

【００３０】図10及び図11にはディジタルスキャンを行
なわない場合と行なった場合との基板上のドーズ分布を
それぞれ示し、図10はディジタルスキャンを行わないで
100KeVＢ＋を１cm²当たり10¹⁴個のイオンを注入した８
インチ・ウエハのドーズ分布を４探針法で測定した結果
を示す。この場合のドーズ分布の等高線は式（23）で求
めた分布と殆ど違わない。図11は式（27）に従ってディ
ジタルスキャンを行った８インチ・ウエハのドーズ分布
を示す。この場合には平均偏差0.45％という良好な結果
が得られている。

【００３１】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、基板の縦方向（Ｙ方向）に段階的にステップ・アッ
プまたはステップ・ダウンさせる偏向電圧のステップ幅
は一定とし、基板の横方向（Ｘ方向）の偏向電場の変化
の速度を基板の中心における偏向電場の変化の速度を１
としてラスター偏向電圧の時間についての変化の割合を
基板の場所場所に応じて変化させるように構成している
ので、基板上をラスターするビーム・スポットの基板上
の走行速度は基板上の場所によらず一様となり、ドーズ
分布が均一となり、基板上におけるドーズ量をその全域
に渡って均一化させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態を示す概略線図。

【図２】理想多重極静電偏向器内の電位分布を有限要素
法によりシュミレートした結果を示す線図。

【図３】第１、第２多重極静電偏向器におけるイオンの
軌道を示す線図。

【図４】第１、第２多重極静電偏向器におけるイオンの
軌道を示す関係立体図。

【図５】基板上を均一な速度でビームスポットをラスタ
ーさせるために必要な電場のディジタルスキャン関数を
導く説明図。

【図６】ディジタルスキャンにおける基板上のビームス
ポットの位置を例示した説明図。

【図７】ディジタルスキャン用の電圧の発生回路の一例
を示すブロック線図。

【図８】図７の回路で得られた基準Ｖ電圧波形を示す
図。

【図９】図７の回路で得られた基準Ｕ電圧波形を示す
図。

【図１０】ディジタルスキャンを行なわない従来のパラ
レルスキャンによるイオン注入における基板上のドーズ
分布を示す図。

【図１１】ディジタルスキャンを行なった本発明による
イオン注入における基板上のドーズの分布を示す図。

【図１２】従来のパラレルスキャン型イオン注入装置を
示す概略線図。

【図１３】従来のパラレルスキャン型イオン注入装置に
よるイオンビーム操作方法を示す図。

【図１４】従来のパラレルスキャン型イオン注入装置に
おける八重極静電偏向器の各電極に加えられる電圧を示
す図。

【図１５】基板上の点ｐにおけるドーズ密度が基板上に
おけるイオンビームのスポットサイズ及び形状に依存し
ないことを説明する概略線図。

【符号の説明】

１：イオン源 ２：質量分離器 ３：イオンビーム ４：加速器 ５：集束レンズ ６：第１の多重極静電偏向器 ７：第２の多重極静電偏向器 ８：基板 ９：制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 美原 康雄 神奈川県茅ケ崎市萩園2500番地 日本真 空技術株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−102750（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−163847（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−22900（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 37/317 H01L 21/265 C23C 14/48

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】イオン源から引出されたイオンビームを質
   量分離、加速した後、集束ビームの形にして、第１の多
   重極静電偏向器の中心軸に対して、オフセット偏向角の
   約２分の１の角度で入射させ、さらに第１の多重極静電
   偏向器の中心軸に対してオフセット偏向角の約２分の１
   の方向にオフセット偏向させ、このオフセット偏向角の
   方向を中心としてラスター偏向させ、そして第１の多重
   極静電偏向器に同期させて第１の多重極静電偏向器と幾
   何学的に相似形の第２の多重極静電偏向器でラスター偏
   向角を曲げ戻し、イオン注入すべき基板に対して常に一
   定の方向に平行な方向からイオンビームを入射させつつ
   掃引を行なうようにしたパラレルスキャン型イオン注入
   装置において、基板の縦方向（Ｙ方向）に階段的にステ
   ップ・アップまたはステップ・ダウンさせる偏向電圧の
   ステップ幅を一定とし、横方向（Ｘ方向）における基板
   の中心における偏向電場の変化の速度を１として規格化
   するとき、第１の多重極静電偏向器の長さを２ｌ₁と
   し、第２の多重極静電偏向器の長さを２ｌ₂とし、第
   １、第２の多重極静電偏向器の間隔をＬとし、第２の多
   重極静電偏向器の出口中心から基板までの距離をＬ_Dと
   する時、基板上の各点（Ｘ、Ｙ）におけるビームスポッ
   トに対応する横方向の偏向電圧の変化速度が、次式 で与えられるＦ（Ｘ、Ｙ）となるように第１、第２の多
   重極静電偏向器に与えるラスター電圧をディジタル制御
   し、基板上の全域に渡ってイオンビームスポットの走行
   速度を等しくするように構成したことを特徴とするパラ
   レルスキャン型イオン注入装置。
2. 【請求項２】イオン源から引出されたイオンビームを質
   量分離、加速した後、集束ビームの形にして、第１の多
   重極静電偏向器の中心軸に対して、オフセット偏向角の
   約２分の１の角度で入射させ、さらに第１の多重極静電
   偏向器の中心軸方に対してオフセット偏向角の約２分の
   １の方向にオフセット偏向させ、このオフセット偏向角
   の方向を中心としてラスター偏向させ、そして第１の多
   重極静電偏向器に同期させて第２の多重極静電偏向器で
   ラスター偏向角を曲げ戻し、イオン注入すべき基板に対
   して常に一定の方向に平行な方向からイオンビームを入
   射させつつ掃引を行なうようにしたパラレルスキャン型
   イオン注入装置において、基板上の各点（Ｘ、Ｙ）にお
   けるビームスポットの走行速度データを記憶する記憶装
   置と、記憶装置に記憶されたビームスポットの走行速度
   データをアナログ電圧信号に変換するＤＡ変換器と、こ
   のアナログ電圧信号を周波数信号に変換する電圧−周波
   数変換器と、電圧−周波数変換器で得られた周波数信号
   を計数して基準座標データを形成するアップダウンカウ
   ンタと、この基準座標データに基き第１、第２の多重極
   静電偏向器に与える信号源電圧を発生する装置とを有
   し、基板上の全域に渡ってイオンビームスポットの走行
   速度を等しくするように構成したことを特徴とするパラ
   レルスキャン型イオン注入装置。