JP3732799B2

JP3732799B2 - イオン注入装置

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Publication number: JP3732799B2
Application number: JP2002098148A
Authority: JP
Inventors: 浩二石黒; 実藤本; 泰郎山下; 和夫米良
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-04-01
Filing date: 2002-04-01
Publication date: 2006-01-11
Anticipated expiration: 2016-03-12
Also published as: JP2002373614A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオンや電子等を加速する荷電粒子加速装置に係り、特に、半導体基板であるシリコンウェハーに、イオンビームを注入するイオン注入装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術を図２〜図７を参照して説明する。
【０００３】
図２は、一般的な大電流酸素イオン注入装置の全体構成を示している。このイオン注入装置は、全体として、幅４ｍ、長さ７ｍ、高さ３ｍ程度の大きさを有する。イオン源１には、プラズマ室があり、イオン源コイル１ａによる磁場印加、及び、図示していないガス及びマイクロ波供給源からの、ビームガス種であるＯ₂ガス及びマイクロ波が導入されて、プラズマが生成される。前段加速電源２により、このイオン源１は例えば５０ｋＶまで昇圧され、当該電圧を引き出し電圧として、イオン源１からイオンビームが引き出される。引き出されたイオンビームは、質量分離器３により、目的とするイオン（ここではＯ+）と、不要なイオンＯ₂+等とに分離される。
【０００４】
なお、質量分離器３に印加する電磁強度Ｂは、次式により算出される。
【０００５】
Ｂ＝１．４４／ｒ・√ＭＶ／ｎ・・・（１）
ここで、ｒ：偏向半径
Ｍ：質量数
Ｖ：前段加速電圧（例えば５０ｋＶ）
ｎ：イオン価数
イオン注入装置においては、上記Ｖ，Ｍ，ｎ，ｒは与えられており、これらからＢが求まる。目的とするイオンを得るために必要な磁場強度Ｂが求まると、例えば図３に示すような、電磁石へ供給する励磁電流とその電磁石が発生する磁場強度との関係に基づいて、当該磁場強度Ｂを得るために、質量分離器３に備えられている電磁石へ印加すべき励磁電流Ｉが求まる。
【０００６】
質量分離器３を通過したイオンビームは、外部とは電気的に絶縁されている、いわゆるＲＥＤＢＯＸ５に含まれている加速管６により加速される。加速管６を含むＲＥＤＢＯＸ５は、後段加速電源４により昇圧される。加速されたイオンビームは、Ｑレンズ７でビーム整形され、３０°偏向器８では、質量分離器３と同じく不要なビームがカットされる。最後に、偏向器８を通過したビームのみが、エンドステーション１０中のＳｉウェハー９に照射される。
【０００７】
Ｓｉウエハー９は、基板搬送用ロボット１０ｄにより外部からエンドステーション１０内部に搬入され、図中矢印方向に回転可能な試料ホルダー１０ｂに保持される。なお、１０ｃは、Ｓｉウエハー９に注入されずに、その後方に流れていったビームを減衰させるためのビームダンパーである。
【０００８】
従来のイオンビーム引き出し手順は、例えば図４に示すように、最初、質量分離器３、Ｑレンズ７、３０°偏向器８に、予め設定した必要な磁場を印加し、イオン源１にプラズマを発生させ（ステップ４０１）、その後、前段及び後段加速電圧を印加（ステップ４０２）することによって、イオンビームを引き出していた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
現在利用されている前段及び後段加速電源による印加電圧の昇圧には、図５に示すように、通常、ある一定の時間が必要である。例えば、加速電源として用いられる高周波スイッチング制御電源では、その装置に含まれているＬＣ回路のコンデンサーの充電に、ある程度の時間がかかる。さらに、加速電源による印加電圧を急激に立ち上げようとすると、印加電圧が不安定になり、その電圧値が振動することがある。このような場合には、電圧制御が困難となり、さらに、他の電気素子にも悪影響を与える。
【００１０】
したがって、通常の昇圧過程の初期段階においては、加速電圧Ｖが定常運転時と比較して小さくなる。
【００１１】
このため、上記数１からわかるように、一定の磁場強度Ｂがすでに印加されている機器、例えば質量分離器３では、その内部を通過するイオンビームの偏向半径ｒは、定常運転時よりも小さくなる。例えば、質量分離器３では、図６に示すように、イオンビーム０＋が、質量分離器３の真空容器壁面１４と衝突する場合がある。
【００１２】
このようなイオンビームの衝突は、磁場を印加することによってビームの偏向を行うような３０°偏向器８や、さらに、ビームライン上に配置され、当該ラインを通るビームを目的の状態とするための磁場及び電場のうち少なくとも一方を発生させるような機器でも、同様に発生することがある。
【００１３】
イオンビームが、真空容器内壁等の金属面と衝突すると、当該金属面でイオンビームが反射されるだけでなく、図７に示すように、この衝突により発生した、中性粒子１１、２次電子１２、スパッタ原子１３が放出される。このうち、２次電子は、前段加速電圧あるいは後段加速電圧により逆方向に加速されて逆流し、イオン源電極や加速電極等に衝突し、内部負荷短絡を生ずる。
【００１４】
このような内部負荷短絡の発生は、イオン電流値の小さい加速装置においては、あまり大きな問題とはならなかった。しかし、最近のイオン注入処理に使用されている、数百ｍＡ／数百ｋＶの大電流イオン注入装置においては、特に顕著となる現象であり、問題となっている。
【００１５】
さらに、上述したイオンビームの引き出し手順を実行するために各電源や各電流供給源の制御手段を備え、自動運転を可能とするイオン注入装置では、上記内部負荷短絡を生ずると、当該制御手段が、電源を保護する意味で、加速電圧を０にし、再立上げを自動的に行う。よって、上記内部負荷短絡の発生は、イオン注入装置の稼働率低下や、ウェハー処理能力低下の原因となる。
【００１６】
さらに、イオンビームが真空容器に衝突する為に、真空容器の構成材料である、Ｆｅ、Ａｌなどがスパッタされ、不純物としてＳｉウェハー９に注入され、ウェハー汚染を生ずるような場合もある。
【００１７】
本発明は、上述したような点を考慮してなされたものであり、荷電粒子の加速装置において、荷電粒子ビームの引き出し過程の初期段階で発生しうる、当該装置の機器内壁面と荷電粒子ビームとの衝突により発生する内部負荷短絡（内部放電）を防止あるいは軽減することができる、荷電粒子加速装置を提供することを目的とする。
【００１８】
より具体的には、荷電粒子としてのイオンを基板へ注入するイオン注入装置において、上述したような、装置の稼働率低下、ウェハー処理能力低下、ウェハーへの不純物注入の発生等の原因となる、イオンビーム引き出し過程の初期段階での内部放電の発生を防止あるいは軽減することができる、イオン注入装置を提供することを、本発明の目的とする。
【００１９】
本発明は、
イオンを発生させるイオン源と、
前記発生されたイオンを加速する加速部と、
前記加速されたイオンが注入される基板を保持するエンドステーションと、
を備えるイオン注入装置において、
当該装置のビームラインに沿って配置され、前記イオンのビームを質量分離する質量分離器と、
前記ビームラインを形成する真空容器と、
を有し、
前記加速部は、電圧を時間と共に増加させる昇圧期間を経て、前記目的とする加速電場を発生するための電圧を発生する電源を備えるものであり、
前記質量分離器内では、前記電源の昇圧期間中にイオンビームが衝突する壁面部分に対向する位置に、当該衝突により発生する２次電子の動きを制限するための２次電子抑制手段を備えることを特徴とするイオン注入装置を提供する。
【００２４】
トラップ手段としては、例えば、イオン注入装置において、イオンビームの衝突により発生した２次電子をトラップするための負の電圧が印加されるサプレッサー電極を用いることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用したイオン注入装置の実施の形態について、図１、図８〜図９を参照して説明する。
【００２６】
本実施形態のイオン注入装置は、例えば図２及び図８に示すように、イオン源１、質量分離器３、加速管６、Ｑレンズ７、３０°偏向器８、及び、エンドステーション１０を有する。なお、これらの構成については、上記図２に示されている従来のイオン注入装置の構成と同じものであり、その動作の説明は省略する。
【００２７】
イオン源１は、イオンを発生させるプラズマ室１ｂと、プラズマ室１ｂ内にプラズマを発生するための磁場を印加するイオン源コイル１ａと、発生したイオンをプラズマ室１ｂから引き出すための電圧（前段加速電圧）が印加される引き出し電極１ｃとを有する。エンドステーション１０内には、イオン注入される基板（Ｓｉウエハー）９を複数保持する試料ホルダー１０ｂと、試料ホルダー１０ｂを回転させて、各基板をイオンビームの照射位置まで移動させるためのアクチュエータ１０ａとが設けられている。
【００２８】
本実施形態のイオン注入装置は、さらに、引き出し電極１ｃ、加速管６に印加する加速電圧をそれぞれ供給する前段加速電源２、後段加速電源４と、イオン源コイル１ａ、質量分離器３、Ｑレンズ７、３０°偏向器８にそれぞれ含まれている電磁石へ励磁電流を供給する励磁電流供給部２１、２３、２７、２８と、プラズマ発生のためのマイクロ波をプラズマ室１ｂへ供給するマイクロ波供給部３１と、イオン生成用のガスをプラズマ室１ｂへ供給するガス供給部３２と、基板移動用アクチュエータ１０ａを駆動するためのアクチュエータ駆動部３３とを有する。
【００２９】
本実施形態のイオン注入装置は、さらに、前段加速電源２、後段加速電源４、励磁電流供給部２１、２３、２７、２８、マイクロ波供給部３１、ガス供給部３２、及び、アクチュエータ駆動部３３の動作をそれぞれ制御する制御部４１と、制御部４１が行う制御処理のモード（制御モード）に対応する処理プログラムを記憶する記憶部４２とを有する。記憶部４２は、前記制御モードに対応する処理プログラムとして、例えば、イオンビームを引き出すための処理手順を規定するプログラムや、イオンを発生するための処理手順を規定するプログラムを記憶する。
【００３０】
ここで、前段加速電源２及び後段加速電源４の印加電圧値はもちろんのこと、励磁電流供給部２３、２７、２８のそれぞれが供給する電流値は可変であり、制御部４１によりその制御が可能である構成とする。さらに、制御部４１は、励磁電流供給部２１によるイオン源コイル１ａへの予め定めた励磁電流の供給動作、マイクロ波供給部３１によるマイクロ波の発生動作、及び、ガス供給部３２によるイオン生成用ガスの導入動作を少なくとも制御するものである。
【００３１】
次に、本実施形態のイオン注入装置で用いる制御モードについて説明する。
【００３２】
本実施形態では、イオンビームを引き出す際に発生する内部放電多発を抑制するため制御モードとして、例えば、図１に示すようなイオンビームの引き出し手順を実行する。
【００３３】
本例によるイオンビームの引き出し手順においては、最初に、質量分離器３、Ｑレンズ７、及び、３０°偏向器８に、目的とする装置運転条件下で必要な、それぞれの機器について予め定められている磁場を発生するための励磁電流を各励磁電流供給部２１、２３、２７、２８から供給させると共に、前段加速電源２、後段加速電源４を昇圧させて、目的とする前段加速電圧、後段加速電圧を、引き出し電極１ｃ、加速管６を含むＲＥＤＢＯＸ５（図２参照）にそれぞれ印加する（ステップ１０１）。
【００３４】
その後、イオン源１内にプラズマを発生させることで、イオンビームを引き出す。すなわち、ステップ１０２では、イオン源コイル１ａにより発生すべき磁場の強度に対応した励磁電流を励磁電流供給部２１により供給すると共に、イオン生成用のガスとしてガス供給部３２からＯ₂ガスを導入する。最後に、ステップ１０３で、マイクロ波供給部３１を制御してマイクロ波をプラズマ室１ｂへ導入させることにより、プラズマを点火して、イオンを発生させる。
【００３５】
以上の処理手順によれば、予め設定されていた、目的とする加速電場及び磁場がビームラインに沿って印加されている状態でイオンを発生させるため、上記処理手順の最後（ステップ１０３）の時点で、初めてプラズマ室１に発生したイオンは、予め設定されている軌道、すなわちビームラインに沿って移動することができる。従って、従来技術によるイオン引き出し手順で生じていた、イオンビームが真空容器内壁に衝突する事により生ずる内部放電（内部負荷短絡）を減少あるいは防止する事が可能となる。
【００３６】
さらに、本例では、イオン源１のプラズマ発生手順として、まず、イオン源コイル１ａによる磁場印加、イオン源ガス種であるＯ₂ガスの導入の後に、マイクロ波を導入させるているため、より安定なプラズマ点火が可能となる。
【００３７】
次に、本実施形態のイオン注入装置で用いることが出来るイオンビーム引き出し手順の他の例について図９を参照して説明する。
【００３８】
本例の手順では、図９に示すように、最初に、イオン源１内にプラズマを発生させる（ステップ９０１）。この処理は、実質的には、上記図１の処理のステップ１０２及び１０３の処理と同じである。
【００３９】
次に、ステップ９０２では、発生したイオンを引き出すために、質量分離器３、Ｑレンズ７、及び、３０°偏向器８で磁場を発生させると共に、引き出し電極１ｃ、加速管６に加速電場を発生させる。
【００４０】
ただし、本例では、前段加速電源２および後段加速電源４の印加電圧が時間と共に上昇する昇圧期間中（図５参照）には、前段加速電圧及び後段加速電圧の時間的変化に応じて、質量分離器３、Ｑレンズ７、及び、３０°偏向器８で印加する磁場強度を調整する制御を行う。
【００４１】
これにより、本例のイオンビーム引き出し手順では、定常運転時の加速電圧よりも低い昇圧期間中の電圧に応じで加速されたイオンが、当該装置のビームラインを構成する真空容器の内壁面に衝突する事を防ぐものである。
【００４２】
より具体的には、制御部４１は、前段加速電源２、後段加速電源４の印加電圧を検出し、その検出された印加電圧と上記数１とにより、イオンのｒ（偏向半径）が定常印加電圧時と同じくなるために必要な磁場強度Ｂを求める。さらに、上記図３に示されたような、各機器の電磁石が発生する磁場の強度と、それに必要な励磁電流との関係から、前記磁場強度Ｂを得るために必要な励磁電流Ｉを求め、この励磁電流Ｉが、対応される機器に供給されるように、各励磁電流供給部を制御する。
【００４３】
例えば、質量分離器３には、前段加速電源２による印加電圧のみによって加速されたイオンが通過する。このために、質量分離器３の磁場強度は、前段加速電圧だけを考慮して決定する。また、加速管６よりも下流側に位置する各機器については、前段加速電圧及び後段加速電圧の両者をあわせて加速電圧を考慮して、各機器の発生するべき磁場強度を決定する。
【００４４】
本例のイオンビーム引き出し手順によれば、前段加速電圧、後段加速電圧の変化に応じて、質量分離器３、Ｑレンズ７、３０°偏向器８等に印加する磁場強度を調整することができる。このため、前段加速電源２及び後段加速電源４の立ち上げ時の昇圧期間に、引き出されたイオンビームがビームラインを形成する真空容器の内壁面に衝突し、内部放電が発生することを抑制あるいは防止する事が可能となる。
【００４５】
本発明によるイオン注入装置の他の実施形態について、図１０を参照して説明する。
【００４６】
本実施形態では、図２に示すような構成を有するイオン注入装置において、前段加速電源２及び後段加速電源４の、目的の電圧に達するまでの昇圧過程で、引き出されたイオンビームが衝突すると考えられる真空容器の壁面に、サプレッサーをそれぞれ設ける。このサプレッサーにより、衝突により発生する２次電子をトラップする。
【００４７】
例えば、質量分離器３では、上述したように電源の昇圧過程では、真空容器１４の内壁面１４ａに（図６参照）、イオンビームが衝突する場合がある。本実施形態では、図１０に示すように、イオンビームが衝突する可能性がある真空容器１４の内壁面１４ａに対向する位置にサプレッサー電極１１０を設け、サプレッサー電極１１０に、２次電子をトラップするに必要な負の電圧（−Ｖ）をかけるものである。
【００４８】
本実施形態によれば、イオンビームがビームラインを形成する真空容器の内壁面に衝突したとしても、そこで発生する２次電子をトラップあるいはその動きを抑制することが出来る。このため、２次電子がイオン源１または３０°偏向器８等へ逆流することを防ぎ、さらに、逆流した２次電子による引き出し電極１ｃや加速管６の電極への衝突を抑制することが出来る。
【００４９】
なお、本実施形態では、真空容器１４内に、イオンビームの衝突により発生する２次電子をトラップするためにサプレッサー電極１１０を設けたが、この代わりに、定常運転においてビームラインを通過するイオンビームの軌道に影響しない程度の磁場を発生する磁場発生手段を、前記衝突が起こる部分に配置し、この磁場によって２次電子の運動を抑制する構成としてもよい。
【００５０】
なお、上記２つの実施形態では、ビームラインに沿って配置される機器として、磁場のみを発生させる機器が使用される場合について説明したが、イオンビームの状態を目的の状態へ変化させるための電場を発生させる機器、あるいは、磁場及び電場の両方を発生する機器を用いているイオン注入装置についても同様に、本発明を適用することが出来る。
【００５１】
また、上記２つの実施形態では、荷電粒子としてイオンビームを例に上げて説明したが、電子やマイナスイオンを発生させて加速するような荷電粒子加速装置の場合にも同様に、本発明を適用することが出来る。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、荷電粒子ビームの引き出し過程の初期段階で発生しうる、当該装置の機器内壁面と荷電粒子ビームとの衝突によって発生する内部放電（内部負荷短絡）を防止あるいは軽減することができる、荷電粒子加速装置を提供することができる。
【００５３】
また、本発明によれば、荷電粒子としてのイオンを基板へ注入するイオン注入装置において、上述したような、装置の稼働率低下、ウェハー処理能力低下、ウェハーへの不純物注入の発生等の原因となる、イオンビーム引き出し過程の初期段階での内部放電の発生を防止することができる、イオン注入装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるイオン注入装置の一実施形態におけるイオンビーム引き出し手順の一例を示すフローチャート。
【図２】イオン注入装置の全体構成を示す説明図。
【図３】電磁石励磁電流と、発生される磁場強度との関係の一例を示すグラフ。
【図４】従来技術によるイオンビーム引き出し手順を示すフローチャート。
【図５】加速電源の昇圧過程の一例を示すグラフ。
【図６】イオンビームと真空容器との衝突を示す説明図。
【図７】イオンビームと壁面との干渉を示す説明図。
【図８】図１の実施形態のイオン注入装置の構成を示すブロック図。
【図９】図１の実施形態におけるイオンビーム引き出し手順の他の例を示すフローチャート。
【図１０】本発明によるイオン注入装置の他の実施形態における要部構成を示す説明図。
【符号の説明】
１イオン源
２前段加速電源
４後段加速電源
８３０°偏向器
９Ｓｉウェハー
１４真空容器。

Claims

イオンを発生させるイオン源と、
前記発生されたイオンを加速する加速部と、
前記加速されたイオンが注入される基板を保持するエンドステーションと、
を備えるイオン注入装置において、
当該装置のビームラインに沿って配置され、前記イオンのビームを質量分離する質量分離器と、
前記ビームラインを形成する真空容器と、
を有し、
前記加速部は、電圧を時間と共に増加させる昇圧期間を経て、前記目的とする加速電場を発生するための電圧を発生する電源を備えるものであり、
前記質量分離器内では、前記電源の昇圧期間中にイオンビームが衝突する壁面部分に対向する位置に、当該衝突により発生する２次電子の動きを制限するための２次電子抑制手段を備えることを特徴とするイオン注入装置。
請求項１において、
前記２次電子抑制手段は、負の電圧が印可されるサップレッサー電極であることを特徴とするイオン注入装置。