JP4071494B2 - イオン照射装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビームラインに始端と終端を有し高精度のイオン照射量制御が要求されるイオン照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ビームラインに始端と終端を有するイオン加速器には、イオン注入装置や電子ビーム露光装置のようにターゲットにイオンを照射するための装置がある。これらは半導体製造において広く用いられている。イオン注入装置は半導体ウェハに不純物を導入するイオン注入工程で使用されるが、イオン注入工程では半導体ウェハへのイオン注入量を精密に制御することが求められる。一般に、イオン注入量はイオンビームのビーム電流値を半導体ウェハの背後、又は、両隣に配置したファラデーカップで測定してドーズコントローラで制御する。ここで、イオン注入量の精密制御のためには、ビーム電流値を正確に測定することが要求される。ところで、ビームラインの途中におけるビーム電流値を測定したいときは、ビームライン途中に配置したファラデーカップが用いられる。このファラデーカップは、半導体ウェハにイオンビームを照射中はイオンビームに接触しない位置にあり、必要に応じてイオンビームを捉えられる位置に移動して測定を行う。ただし、測定中はイオンビームを遮断してしまうので半導体ウェハにビームを照射することはできない。
【０００３】
このようなイオン注入装置では、ビーム電流値を測定すると同時に半導体ウェハにイオンビームを照射することができなかった。この課題に対して様々な方法が開示されている。例えば、大電流イオン注入装置では、プロセスチャンバに設けられている回転円板に複数の基盤を載置して、この回転盤を振り子運動させつつ、回転させることによりイオンビームを基板面に走査させながら照射してイオン注入を行う。ここで、例えば、回転盤に小孔を設けておいて通過してくるイオンビームをファラデーカップで受け止めて測定する技術がある。また、例えば、中電流イオン注入装置では、基盤の両隣にファラデーカップを配置しておき、イオンビームを基盤面に走査させるときにファラデーカップの上までオーバースキャンさせることでイオンビームの電流値を測定する技術がある。これらの技術により、大電流イオン注入装置では約200 msec. の周期で、中電流イオン注入装置ではそれより速い周期でイオンビームの電流値を測定できるようになった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のようにビーム電流値をファラデーカップで測定する方式のイオン注入装置で、半導体ウェハにイオンビームを照射しながら上記のように短い周期でビーム電流値を測定するためには、ファラデーカップを半導体ウェハの近傍に設置することが不可欠であった。つまり、ファラデーカップはその原理から測定時にイオンビームを遮断してしまうので、測定時のイオンビームの軌道は半導体ウェハから離れたある距離が必要である。一方、半導体ウェハへの照射時には、そこからイオンビームの軌道を移動させるか、又は、半導体ウェハを移動させるかをしてイオンビームが半導体ウェハに到達するようにしなければならない。ここで、測定時と照射時の時間差を短くするためには、移動速度を速めて、移動距離を短くすることが必要となる。半導体ウェハを移動させた例としては、上記従来の技術で示した大電流イオン注入装置が挙げられる。また、イオンビームの軌道を移動させた例としては、上記従来の技術で示した中電流イオン注入装置が挙げられる。ここで、イオンビームの軌道を大きく変えることは、大きな電界か磁界が必要で、且つ、大きなスペースを要するために実用的ではない。よって、どちらの場合も移動距離を短くすることが必要となり、このためにファラデーカップを半導体ウェハの近傍に設置することが必要となる。このとき、測定されるイオンビームは測定前に半導体ウェハの近傍を通過したものとなることが避けられない。
【０００５】
ところが、半導体ウェハの近傍を通過したイオンビームは、一部が半導体ウェハに塗布されたレジストからイオン注入中に発生するアウトガスに電荷を奪われてしまう。以下に詳しく説明する。アウトガスの主成分はH2ガスである。イオンがアウトガスに衝突すると中性化されて原子となる。この衝突過程で運動エネルギーはほとんど減少せず、原子は基盤中に不純物として導入される。中性化されるイオンの割合はアウトガスの圧力にもよるが、例えば、100個のイオンが加速されてきたと仮定すると、90個程度はイオンのまま基盤に到達するが、10個程度はアウトガスと衝突して電荷を失い中性化される。ここで、半導体ウェハ中の不純物量は100個であるが、ファラデーカップは90個程度の不純物を注入したと測定してしまいオーバードーズしてしまうという課題があった。この課題は、半導体ウェハの近傍を通過したイオンビームを測定するために避けられない課題であった。
【０００６】
この課題に対して、アウトガスのある圧力に対して中性化されるイオンの割合がほぼ一定であることを利用した技術が開示されている。この技術は、チャンバー内圧力と中性化するイオンの割合の関係式を実験で予め決めておいて、実際のイオン注入中はチャンバー内圧力を測定することで、ファラデーカップの測定値を補正する技術である。しかし、チャンバー内の圧力分布が経時変化することや実験で決めた関係式に含まれる誤差に起因して、補正後も数%の誤差が出ることは避けられない。また、圧力計が誤動作すると補正が正常に行えず、不良を発生してしまう原因となる。このことは、圧力計の交換時期直前に多い。
従来のイオン注入装置が抱えるこれらの課題の対して、半導体ウェハにイオンビームを照射しながら同時に照射しているイオンビームの電流値を測定でき、且つ、アウトガスが発生しても高精度でイオンビーム電流の測定が可能であって半導体ウェハへの注入量を精密に制御できるイオン注入装置の提供が求められていた。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のイオン照射装置は、イオン源から出射されるビーム電流に対応した磁場を検知する検知部と、磁束を前記測定部に伝達する磁束伝達部と、伝達された磁束に感応する超伝導素子と前記超伝導素子を貫く磁束の変化を打ち消すように帰還電流を流す帰還コイルを有する測定部と、前記検知部と前記磁束伝達部と前記測定部をイオンビームが流れる空間を含む外部空間から磁気遮蔽する超伝導体からなるギャップを有する磁気遮蔽部とを有するビーム電流強度測定装置を、前記イオン源である始端と、被照射部である終端との間に有し、前記磁束伝達部が、前記検知部に接続されたトランス入力コイルと、前記測定部に接続されたコイルと、磁束の変化を打ち消すためのコイルとを具備したトランスを有することを特徴とする。
ここでは、ビーム電流に対応した磁場を検知する検知部と、磁束を測定部に伝達する磁束伝達部と、伝達された磁束に感応する超伝導素子と超伝導素子を貫く磁束の変化を打ち消すように帰還電流を流す帰還コイルを有する測定部と、検知部と磁束伝達部と測定部をイオンビームが流れる空間を含む外部空間から磁気遮蔽する超伝導体からなるギャップを有する磁気遮蔽部を少なくとも有するビーム電流強度測定装置をビームラインの始端であるイオン源と終端であるプロセスチャンバの間に設置する。始端がイオン源であり、イオン源の後段にイオンビームを選別するイオンビーム選別部と選別されたイオンビームを加速して半導体ウェハに照射する加速部を少なくとも有し、終端は半導体ウェハが配置されるプロセスチャンバであるイオン注入装置では、ビーム電流強度測定装置はビームラインのイオンビーム選別部より後段で、且つ、プロセスチャンバより前段に設置する。さらに、ビームラインのビーム電流強度測定装置を設置した部分とプロセスチャンバの間に真空ポンプを設置することが望ましい。ここで、イオンビーム選別部とは半導体ウェハまで輸送するイオンのイオン種や電荷を所望のものだけに選別する部分であり、一般には質量分析器とその後段のスリットで構成される。イオンビーム選別部より後段に設置する理由を以下で説明する。イオンビーム選別部より前段では、所望ではないイオンを含んでおり、このイオンはイオンビーム選別部で除去される。これによりビーム電流強度はイオンビーム選別部を通過する過程で低減する。ここで、目的は半導体ウェハに単位時間に注入される不純物量を制御することであり、半導体ウェハに単位時間に注入される不純物量はイオンビーム選別部より後段に達したビーム電流強度と良好な比例関係にある。よって、ビーム電流強度測定装置はイオンビーム選別部より後段に設置する。次に、プロセスチャンバより前段に設置する理由を以下で説明する。アウトガスはイオン注入時に半導体ウェハに塗布したフォトレジストから発生する。半導体ウェハはプロセスチャンバ内に配置されているので、その前段に設置することでアウトガスと接触する以前にビーム電流強度を測定できるからである。さらに、真空ポンプを上記の位置に設置することが望ましい理由は、ビームラインに沿って上流の方に流れてきたアウトガスをビーム電流強度測定装置の設置部分より下流で除去できるからである。これによって、アウトガスの影響をより受けにくいビーム電流の測定が可能となる。
【０００８】
アウトガスが発生していないときにファラデーカップを用いてイオンビーム電流強度を測定しておき、その測定値を基準とする。ビーム電流強度測定装置での測定値の零点をファラデーカップで測定した基準と一致させる。アウトガスが発生するイオン注入中には、ビーム電流強度測定装置を用いて基準からの変化量を測定する。そして、基準と基準からの変化量の和を計算する機構を有する構成とする。このような機構はドーズコントローラに接続され注入量を制御する仕組みとする。
【０００９】
ビーム電流強度測定装置の検知部は超伝導線を軟磁性体のコアに巻いた構成とする。測定部の超伝導素子は超伝導磁束量子干渉計である。磁束伝達部には軟磁性体のコアに超伝導線を巻いたトランスを備えることが望ましい。イオンビーム電流の変化が数百μA以下と比較的小さい場合には、超伝導素子を貫く磁束の変化を打ち消すように帰還コイルに流される帰還電流を測定する。実際は帰還コイルに流される帰還電流が抵抗の両端につくる電圧を測定する。電圧の変化を測定することでイオンビーム電流強度の変化を測定する。また、イオンビーム電流の変化が数百μA以上であるような場合には、イオンビーム電流によって超伝導閉ループに誘起された磁束を検知部と磁束伝達部のどちらか一方、或いは両方で打ち消して測定部に伝達される磁束量を制御する回路をビーム電流強度測定装置に付加する。例えば、磁束伝達部のトランスを、検知部に接続したトランス入力コイルと、測定部に接続したコイルと、磁束の変化を打ち消すためのコイルから成るトランスとし、磁束の変化を打ち消すためのコイルに電流を流すことで測定部に伝達される磁束量を制御する仕組みとする。磁束の変化を打ち消すためのコイルに流した電流の変化は、超伝導素子を貫く磁束の変化を打ち消すように流された帰還電流の変化に対応する構成とする。そして、磁束の変化を打ち消すためのコイルに流した電流の変化を測定することでイオンビーム電流強度の変化を測定する。実際は電流が抵抗の両端につくる電圧を測定することで実現できる。
ところで、超伝導素子と超伝導体からなるギャップを有する磁気遮蔽部、および検知部と磁束伝達部と測定部に用いる超伝導線は高温超伝導体とする方が望ましい。ビーム電流に対する出力の感度を向上するためには、検知部の軟磁性体コアの透磁率は高い方が良い。しかし、一般に軟磁性体は使用温度が室温から液体ヘリウム温度に低下するに従って透磁率は低下する。実施例で使用した軟磁性体では、室温に比べて液体ヘリウム温度での透磁率は約1/4に低下した。高温超伝導体で作成した方が使用温度は室温により近くなるので出力の感度を高くできる。さらに、液体ヘリウムを使用せずに冷凍機だけで超伝導状態を実現できるので装置を小型化でき、且つ、運転コストを低減できる。
【００１０】
被照射体にイオン照射を行いながら、且つ、正確にビーム電流値を測定して照射量制御することで、従来よりも誤差の少ない照射量制御が可能なイオン照射装置を提供できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を以下で説明する。
（本発明による大電流イオン注入装置）
ここでは大電流イオン注入装置を実施例として説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。中電流イオン注入装置や電子ビーム露光装置に適用することで同様の作用を実現できる。
【００１２】
図１は本発明による大電流イオン注入装置の半導体ウェハ７交換時の概略構成図である。ビームラインはイオン源１を始端とし、半導体ウェハ７を設置したプロセスチャンバ１１を終端とする。イオン源１の後段には質量分析器２が配置され、所望の質量電荷比を持つイオンを選択的に通過させる。通過したイオンは図１には示していない分解スリットを使用して再度選別される。本実施例では質量分析器２と分解スリットがイオンビーム選別部である。分解スリットを通過したイオンは加速管３で加速され、ビーム電流強度測定装置１０の検出部を通過した後、半導体ウェハ７を載置した回転盤８の隣を通過してファラデーカップ６で受け止められる。新たな半導体ウェハ７を回転盤８に設置し、ビームラインの真空が所望の真空度に達した後にファラデーカップ６でビーム電流値を測定する。測定したビーム電流値は図１には図示しないコンピューター３２に送られて記憶される。
【００１３】
図２は本発明による大電流イオン注入装置を用いたイオン注入中の概略構成図である。図１から回転盤８が半導体ウェハ７にイオンが照射される位置まで移動することで図２の状態に移行する。回転盤８には半導体ウェハ７が２４枚載置されており、回転盤８を振り子運動させつつ高速回転させることにより、イオンビーム５を半導体ウェハ７の面に走査させながら照射してイオン注入を行う。イオンが半導体ウェハ７に照射されると、半導体ウェハ７に塗布されたレジストからアウトガス４が発生する。アウトガス４は加速管３側に流入するが、ビーム電流強度測定装置１０と半導体ウェハ７の間に真空ポンプ９を配置することで、アウトガス４がビーム電流強度測定装置１０まで到達しない構成としている。イオン注入中はビーム電流強度測定装置１０でビーム電流値の初期値からの変化を測定し、図２には図示しないコンピューター３２に0.1 msec.毎に送られる。そして、コンピューター３２で記憶しておいた初期値と変化した値の和を計算することでビーム電流値を0.1 msec.毎にモニターする。これにより0.1 msec.周期で精度良くビーム電流値をモニターできるので、このデータをもとにドーズコントローラによって精度の良い注入量制御が可能となる。イオン注入終了後は、回転盤８が半導体ウェハ７にイオンが照射されない位置、すなわち図１の位置まで移動して半導体ウェハ７の交換作業をし、これを繰り返す。
（ビーム電流強度測定装置）
図３は本発明の大電流イオン注入装置に使用したビーム電流強度測定装置１０の回路図である。図３のビーム電流１３は図１のイオンビーム５に対応する。
【００１４】
ビーム電流強度測定装置１０は、ビーム電流に対応した磁場を検知する検知部と、磁束を測定部に伝達する磁束伝達部と、伝達された磁束に感応する超伝導素子と超伝導素子を貫く磁束の変化を打ち消すように帰還電流を流す帰還コイルを有する測定部と、検知部と磁束伝達部と測定部をイオンビームが流れる空間を含む外部空間から磁気遮蔽する超伝導体からなるギャップを有する磁気遮蔽部と、イオンビーム電流によって誘起された磁束を検知部と磁束伝達部のどちらか一方で、或いは両方で打ち消して測定部に伝達される磁束量を制御する回路を少なくとも有する。
【００１５】
検知部は、軟磁性コアに超伝導線を4ターン巻いたものを検知コイル１２として用いた。軟磁性コアの寸法は内径φ250 mm、外径φ320 mm、高さ30 mmである。軟磁性コアは保磁力が小さく透磁率の大きいアモルファス材を用いた。
【００１６】
磁束伝達部は、トランス入力コイル１４と測定部に接続したコイル１５と磁束の変化を打ち消すためのコイル１６が軟磁性コアに巻かれたトランスと、検知部と測定部を接続する超伝導線から構成される。トランス入力コイル１４は検知コイル１２に接続されている。磁束の変化を打ち消すためのコイル１６は、トランス入力コイル１４に流れる電流によってトランスの軟磁性コア内部に誘起される磁束を打ち消すためのコイルである。トランスの軟磁性コアは検知コイル１２のコアと同じ材質のものを用いた。トランスの軟磁性コアの寸法は内径φ10 mm、外径φ12.5 mm、高さ5 mmとした。トランス入力コイル１４は100ターン、測定部に接続したコイル１５は15ターン、磁束の変化を打ち消すためのコイル１６は10ターンとした。
【００１７】
測定部は、超伝導素子にDC SQUIDを用いた超伝導回路とした。超伝導回路のSQUID２０とSQUID入力コイル１９、帰還コイル１７、ワッシャ―コイル１８はSQUIDチップ２９の上に構成されている。
【００１８】
超伝導磁気遮蔽は、検知部と磁束伝達部と測定部を取り囲む。囲まれた部分を超伝導磁気遮蔽で囲まれた範囲３０に示した。ただし、完全に取り囲んだ構造ではなく、検知部を取り囲む部分にギャップをもつ構造とした。ギャップの幅は0.5 mmとした。超伝導磁気遮蔽の材質は鉛を用いた。これら検知部と磁束伝達部と測定部と超伝導磁気遮蔽はクライオスタットの内部にいれて液体ヘリウム温度に冷却した。
【００１９】
ある強度のビーム電流IB１３が検知コイル１２を貫いている状態を初期状態とする。ビーム電流IB１３の初期値はファラデーカップ６で測定され、コンピューター３２に送られる。その値に対応して信号出力部３４から、電圧υC３５が出力されて抵抗RC３６に電流を流し、且つ、ビーム電流値表示部３３に電圧υC３５が入力される。さらに、信号出力部３４からは可変抵抗RB２８の値を設定する信号が可変抵抗RBの制御部３１に出力され、ビーム電流IB１３の初期値に対応した値に可変抵抗RB２８が切り替わる。電圧υC３５が印加されることで帰還電流IF３８が流れる。このときの帰還電流IF３８は、電圧υC３５と抵抗RC３６の比であり、IF=υC／RCである。一方、ビーム電流IB１３は、検知コイル１２とトランス入力コイル１４がつくる超伝導閉回路に検知電流IP３７を誘起する。検知電流IP３７と帰還電流IF３８は、それぞれトランス入力コイル１４と磁束の変化を打ち消すためのコイル１６に流れて、トランスの軟磁性コアに磁束を誘起する。ここで、帰還電流IF３８は電圧υC３５により可変なのでトランスの軟磁性コア内部の磁束がゼロとなるように設定できる。電圧υC３５の設定は、ビーム電流IB１３の様々な初期値に対応する値をあらかじめ実験で決めておいて、コンピューター３２で自動設定できるようにしておく。このように、初期状態において検知電流IP３７と帰還電流IF３８がトランスの軟磁性コアに誘起する磁束の和はゼロで釣り合っており、このとき、測定部に接続したコイル１５に電流は誘起されない。よって、SQUIDチップ２９にはSQUID入力電流IT３９は流れていない。
【００２０】
初期状態からビーム電流IB１３の強度が変化すると、変化量に比例して検知電流IP３７が変化する。ビーム電流IB１３の変化をΔIBとし、検知電流IP３７の変化量をΔIPとする。ΔIPはΔIBに比例してΔIP=α・ΔIBと表せる。ΔIPにより、トランスの軟磁性コアに誘起された磁束の和は釣り合ったゼロの状態から、ΔIPに比例した有限の磁束量となる。これにより、測定部に接続したコイル１５とワッシャ―コイル１８とSQUID入力コイル１９がつくる超伝導閉回路にSQUID入力電流IT３９が誘起される。SQUID入力電流IT３９は、SQUID入力コイル１９に流れてSQUID２０を貫く磁束量を変化させようとするが、SQUID２０を貫く磁束量が変化しないように帰還コイル１７に帰還電流If４０が流れる。帰還電流If４０は帰還抵抗RA２４の両端に電圧を発生させる。これを出力電圧υA２５とする。出力電圧υA２５は電子回路２６に入力される。
【００２１】
次に、図４に示すように電子回路２６が積分器４１で構成された実施例について説明する。積分器４１は、入力信号である出力電圧υA２５が閾値を超えると、ある時定数をもって出力電圧υB２７を上昇させる。出力電圧υA２５が閾値内であるときはそのまま一定の出力電圧υB２７を出力する。出力電圧υA２５が閾値を下回ると、ある時定数をもって出力電圧υB２７を降下させる。出力電圧υB２７の発生によって、可変抵抗RB２８に電流υB／RBが流れて帰還電流IF３８に加えられる。前節と同様に、ΔIFはΔIF=υB／RBであり、ΔIFによって磁束の変化を打ち消すためのコイル１６に誘起された磁束により、ΔIPがトランス入力コイル１４に誘起した磁束が打ち消される。トランス入力コイル１４の巻き数をN14、磁束の変化を打ち消すためのコイル１６の巻き数をN16とする。ΔIF=（N14／N16）・ΔIPであり、ΔIPはΔIBに比例しているので、ΔIF=（N14／N16）・α・ΔIBである。出力電圧υB２７は、υB=（N14／N16）・α・RB・ΔIBである。よって、出力電圧υB２７を測定することでビーム電流IB１３の変化ΔIBに比例した出力を得ることができる。ここで、測定精度は閾値の設定で決めることができる。例えば出力電圧υA２５の閾値を±500 mVと設定すると、これはビーム電流IB１３に換算して約±100 nAであり、ビーム電流IB１３の精度を約±100 nAで測定できる。このとき、測定レンジは基本的に制限はなく、（N14／N16）・α・RBを設定することで出力電圧υB２７の大きさが決まる。例えば（N14／N16）・αを約1/100、可変抵抗RB２８を150 kΩとしたとき、ΔIBの10 mAの変化に対して15 Vの出力電圧υB２７を得る。つまり、10 mAのビーム電流IB１３を約±100 nAの精度で測定できる。さらに、例えば、出力電圧υA２５の閾値を±50 mVと設定すると、これはビーム電流IB１３に換算して約±10 nAである。（N14／N16）・αを約1/100、可変抵抗RB２８を1.5 MΩとすると、ΔIBの1 mAの変化に対して15 Vの出力電圧υB２７を得る。つまり、1 mAのビーム電流IB１３を約±10 nAの精度で測定できる。このように、出力電圧υA２５の閾値と可変抵抗RB２８の設定を変えることで、適切に測定精度と出力電圧υB２７を調整することができるので、ビーム電流IB１３の測定レンジは基本的に制限はなくなる。
【００２２】
ビーム電流IB１３の強度は、初期状態のビーム電流IB１３とその変化ΔIF２８を加算することで求める。実際には、ビーム電流値表示部３３において、IF=υC／RCとΔIF=υB／RBの和IF+ΔIFを計算する。そして別途実験で決めておいた帰還電流IF３８とビーム電流IB１３の関係からビーム電流IB１３を算出する。
（ビーム電流強度測定装置の設置方法）
図５はビーム電流強度測定装置１０を本発明の大電流イオン注入装置に設置した要部断面図である。ビームラインに外周形状が円筒で長さが40 cmの設置スペースを設けた。ビーム電流強度測定装置１０は設置スペースのビームパイプ４３を取り囲むように設置した。ビームパイプ４３は、一部分がビームパイプ４３の長さ方向に垂直な平面で切った断面がセラミックの絶縁体となる構成となるようにセラミックパイプ４２を設けた。また、セラミックの封着金属は非磁性体のキュプロニッケルを使用した。これにより、ビーム電流１３によって誘起されるビームパイプ４３の壁面を流れる電流を遮断できるので、ビーム電流１３がつくる磁場を検知コイル１２で収集することが可能となる。また、ビームラインの真空にも影響を及ぼさない。
（比較例１）
図６は従来の大電流イオン注入装置の例１である。回転盤８には小孔が設けられており、小孔を通過したイオンビーム５をファラデーカップ６で受け止めてビーム電流を測定する。これにより約200 msec.の周期でビーム電流値をモニターできる。しかし、アウトガス４中を通過してきたイオンビーム５を測定しているので半導体ウェハ７に注入された実際の値よりも小さいビーム電流値が出力される。そこで、プロセスチャンバ１１の圧力を図示しない圧力計で測定しておいて、圧力とアウトガス４によってイオンの電荷が中和される割合の関係からビーム電流の測定値を補正する方法が採られている。しかし、圧力計が設置された場所とイオンビーム５が通過した場所の圧力の関係が時間的に常に一定でないことなどの要因で、関係式には誤差が含まれている。これらのことが原因でビーム電流の測定値に数％の誤差を含むことは避けられなかった。
（比較例２）
図７は従来の大電流イオン注入装置の例２である。回転盤８を半導体ウェハ７がイオンビーム５にあたらない位置まで走査させて、イオンビーム５を遮断しない位置にきたときにファラデーカップ６でビーム電流を測定する。アウトガス４による影響はないが、走査の周期毎にしかビーム電流値を測定できない。つまり20〜30秒周期の測定となり、その間のビーム電流値の変化は測定できなかった。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように、本発明では半導体ウェハにイオンビームを照射しながら同時に照射しているイオンビームの電流値を測定でき、且つ、アウトガスが発生しても高精度でイオンビーム電流の測定が可能であって半導体ウェハへの注入量を精密に制御できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による大電流イオン注入装置の半導体ウェハ交換時の概略構成図
【図２】本発明による大電流イオン注入装置を用いたイオン注入中の概略構成図
【図３】本発明の大電流イオン注入装置に使用したビーム電流強度測定装置の回路図
【図４】電子回路２６の例１を示す図
【図５】本発明に用いたビーム電流強度測定装置設置例の要部断面図
【図６】従来の大電流イオン注入装置の例１を示す図
【図７】従来の大電流イオン注入装置の例２を示す図
【符号の説明】
１ イオン源
２ 質量分析器
３ 加速管
４ アウトガス
５ イオンビーム
６ ファラデーカップ
７ 半導体ウェハ
８ 回転盤
９ 真空ポンプ
１０ ビーム電流強度測定装置
１１ プロセスチャンバ
１２ 検知コイル
１３ ビーム電流IB
１４ トランス入力コイル
１５ 測定部に接続したコイル
１６ 磁束の変化を打ち消すためのコイル
１７ 帰還コイル
１８ ワッシャーコイル
１９ SQUID入力コイル
２０ SQUID
２１ 直流電源
２２ プリアンプ
２３ 積分器Ａ
２４ 帰還抵抗RA
２５ 出力電圧υA
２６ 電子回路
２７ 出力電圧υB
２８ 可変抵抗RB
２９ SQUIDチップ
３０ 超伝導磁気遮蔽で囲まれた範囲
３１ 可変抵抗RBの制御部
３２ コンピューター
３３ ビーム電流値表示部
３４ 信号出力部
３５ 電圧υC
３６ 抵抗RC
３７ 検知電流IP
３８ 帰還電流IF
３９ SQUID入力電流IT
４０ 帰還電流If
４１ 増幅器
４２ セラミックパイプ
４３ ビームパイプ
４４ クライオスタットの断熱層
４５ 液体ヘリウム貯留層
４６ 超伝導磁気遮蔽および検知コイル
４７ SQUID収納部
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビームラインに始端と終端を有し高精度のイオン照射量制御が要求されるイオン照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ビームラインに始端と終端を有するイオン加速器には、イオン注入装置や電子ビーム露光装置のようにターゲットにイオンを照射するための装置がある。これらは半導体製造において広く用いられている。イオン注入装置は半導体ウェハに不純物を導入するイオン注入工程で使用されるが、イオン注入工程では半導体ウェハへのイオン注入量を精密に制御することが求められる。一般に、イオン注入量はイオンビームのビーム電流値を半導体ウェハの背後、又は、両隣に配置したファラデーカップで測定してドーズコントローラで制御する。ここで、イオン注入量の精密制御のためには、ビーム電流値を正確に測定することが要求される。ところで、ビームラインの途中におけるビーム電流値を測定したいときは、ビームライン途中に配置したファラデーカップが用いられる。このファラデーカップは、半導体ウェハにイオンビームを照射中はイオンビームに接触しない位置にあり、必要に応じてイオンビームを捉えられる位置に移動して測定を行う。ただし、測定中はイオンビームを遮断してしまうので半導体ウェハにビームを照射することはできない。
【０００３】
このようなイオン注入装置では、ビーム電流値を測定すると同時に半導体ウェハにイオンビームを照射することができなかった。この課題に対して様々な方法が開示されている。例えば、大電流イオン注入装置では、プロセスチャンバに設けられている回転円板に複数の基盤を載置して、この回転盤を振り子運動させつつ、回転させることによりイオンビームを基板面に走査させながら照射してイオン注入を行う。ここで、例えば、回転盤に小孔を設けておいて通過してくるイオンビームをファラデーカップで受け止めて測定する技術がある。また、例えば、中電流イオン注入装置では、基盤の両隣にファラデーカップを配置しておき、イオンビームを基盤面に走査させるときにファラデーカップの上までオーバースキャンさせることでイオンビームの電流値を測定する技術がある。これらの技術により、大電流イオン注入装置では約200 msec. の周期で、中電流イオン注入装置ではそれより速い周期でイオンビームの電流値を測定できるようになった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のようにビーム電流値をファラデーカップで測定する方式のイオン注入装置で、半導体ウェハにイオンビームを照射しながら上記のように短い周期でビーム電流値を測定するためには、ファラデーカップを半導体ウェハの近傍に設置することが不可欠であった。つまり、ファラデーカップはその原理から測定時にイオンビームを遮断してしまうので、測定時のイオンビームの軌道は半導体ウェハから離れたある距離が必要である。一方、半導体ウェハへの照射時には、そこからイオンビームの軌道を移動させるか、又は、半導体ウェハを移動させるかをしてイオンビームが半導体ウェハに到達するようにしなければならない。ここで、測定時と照射時の時間差を短くするためには、移動速度を速めて、移動距離を短くすることが必要となる。半導体ウェハを移動させた例としては、上記従来の技術で示した大電流イオン注入装置が挙げられる。また、イオンビームの軌道を移動させた例としては、上記従来の技術で示した中電流イオン注入装置が挙げられる。ここで、イオンビームの軌道を大きく変えることは、大きな電界か磁界が必要で、且つ、大きなスペースを要するために実用的ではない。よって、どちらの場合も移動距離を短くすることが必要となり、このためにファラデーカップを半導体ウェハの近傍に設置することが必要となる。このとき、測定されるイオンビームは測定前に半導体ウェハの近傍を通過したものとなることが避けられない。
【０００５】
ところが、半導体ウェハの近傍を通過したイオンビームは、一部が半導体ウェハに塗布されたレジストからイオン注入中に発生するアウトガスに電荷を奪われてしまう。以下に詳しく説明する。アウトガスの主成分はH2ガスである。イオンがアウトガスに衝突すると中性化されて原子となる。この衝突過程で運動エネルギーはほとんど減少せず、原子は基盤中に不純物として導入される。中性化されるイオンの割合はアウトガスの圧力にもよるが、例えば、100個のイオンが加速されてきたと仮定すると、90個程度はイオンのまま基盤に到達するが、10個程度はアウトガスと衝突して電荷を失い中性化される。ここで、半導体ウェハ中の不純物量は100個であるが、ファラデーカップは90個程度の不純物を注入したと測定してしまいオーバードーズしてしまうという課題があった。この課題は、半導体ウェハの近傍を通過したイオンビームを測定するために避けられない課題であった。
【０００６】
この課題に対して、アウトガスのある圧力に対して中性化されるイオンの割合がほぼ一定であることを利用した技術が開示されている。この技術は、チャンバー内圧力と中性化するイオンの割合の関係式を実験で予め決めておいて、実際のイオン注入中はチャンバー内圧力を測定することで、ファラデーカップの測定値を補正する技術である。しかし、チャンバー内の圧力分布が経時変化することや実験で決めた関係式に含まれる誤差に起因して、補正後も数%の誤差が出ることは避けられない。また、圧力計が誤動作すると補正が正常に行えず、不良を発生してしまう原因となる。このことは、圧力計の交換時期直前に多い。
従来のイオン注入装置が抱えるこれらの課題の対して、半導体ウェハにイオンビームを照射しながら同時に照射しているイオンビームの電流値を測定でき、且つ、アウトガスが発生しても高精度でイオンビーム電流の測定が可能であって半導体ウェハへの注入量を精密に制御できるイオン注入装置の提供が求められていた。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のイオン照射装置は、イオン源から出射されるビーム電流に対応した磁場を検知する検知部と、磁束を前記測定部に伝達する磁束伝達部と、伝達された磁束に感応する超伝導素子と前記超伝導素子を貫く磁束の変化を打ち消すように帰還電流を流す帰還コイルを有する測定部と、前記検知部と前記磁束伝達部と前記測定部をイオンビームが流れる空間を含む外部空間から磁気遮蔽する超伝導体からなるギャップを有する磁気遮蔽部とを有するビーム電流強度測定装置を、前記イオン源である始端と、被照射部である終端との間に有し、前記磁束伝達部が、前記検知部に接続されたトランス入力コイルと、前記測定部に接続されたコイルと、磁束の変化を打ち消すためのコイルとを具備したトランスを有することを特徴とする。
ここでは、ビーム電流に対応した磁場を検知する検知部と、磁束を測定部に伝達する磁束伝達部と、伝達された磁束に感応する超伝導素子と超伝導素子を貫く磁束の変化を打ち消すように帰還電流を流す帰還コイルを有する測定部と、検知部と磁束伝達部と測定部をイオンビームが流れる空間を含む外部空間から磁気遮蔽する超伝導体からなるギャップを有する磁気遮蔽部を少なくとも有するビーム電流強度測定装置をビームラインの始端であるイオン源と終端であるプロセスチャンバの間に設置する。始端がイオン源であり、イオン源の後段にイオンビームを選別するイオンビーム選別部と選別されたイオンビームを加速して半導体ウェハに照射する加速部を少なくとも有し、終端は半導体ウェハが配置されるプロセスチャンバであるイオン注入装置では、ビーム電流強度測定装置はビームラインのイオンビーム選別部より後段で、且つ、プロセスチャンバより前段に設置する。さらに、ビームラインのビーム電流強度測定装置を設置した部分とプロセスチャンバの間に真空ポンプを設置することが望ましい。ここで、イオンビーム選別部とは半導体ウェハまで輸送するイオンのイオン種や電荷を所望のものだけに選別する部分であり、一般には質量分析器とその後段のスリットで構成される。イオンビーム選別部より後段に設置する理由を以下で説明する。イオンビーム選別部より前段では、所望ではないイオンを含んでおり、このイオンはイオンビーム選別部で除去される。これによりビーム電流強度はイオンビーム選別部を通過する過程で低減する。ここで、目的は半導体ウェハに単位時間に注入される不純物量を制御することであり、半導体ウェハに単位時間に注入される不純物量はイオンビーム選別部より後段に達したビーム電流強度と良好な比例関係にある。よって、ビーム電流強度測定装置はイオンビーム選別部より後段に設置する。次に、プロセスチャンバより前段に設置する理由を以下で説明する。アウトガスはイオン注入時に半導体ウェハに塗布したフォトレジストから発生する。半導体ウェハはプロセスチャンバ内に配置されているので、その前段に設置することでアウトガスと接触する以前にビーム電流強度を測定できるからである。さらに、真空ポンプを上記の位置に設置することが望ましい理由は、ビームラインに沿って上流の方に流れてきたアウトガスをビーム電流強度測定装置の設置部分より下流で除去できるからである。これによって、アウトガスの影響をより受けにくいビーム電流の測定が可能となる。
【０００８】
アウトガスが発生していないときにファラデーカップを用いてイオンビーム電流強度を測定しておき、その測定値を基準とする。ビーム電流強度測定装置での測定値の零点をファラデーカップで測定した基準と一致させる。アウトガスが発生するイオン注入中には、ビーム電流強度測定装置を用いて基準からの変化量を測定する。そして、基準と基準からの変化量の和を計算する機構を有する構成とする。このような機構はドーズコントローラに接続され注入量を制御する仕組みとする。
【０００９】
ビーム電流強度測定装置の検知部は超伝導線を軟磁性体のコアに巻いた構成とする。測定部の超伝導素子は超伝導磁束量子干渉計である。磁束伝達部には軟磁性体のコアに超伝導線を巻いたトランスを備えることが望ましい。イオンビーム電流の変化が数百μA以下と比較的小さい場合には、超伝導素子を貫く磁束の変化を打ち消すように帰還コイルに流される帰還電流を測定する。実際は帰還コイルに流される帰還電流が抵抗の両端につくる電圧を測定する。電圧の変化を測定することでイオンビーム電流強度の変化を測定する。また、イオンビーム電流の変化が数百μA以上であるような場合には、イオンビーム電流によって超伝導閉ループに誘起された磁束を検知部と磁束伝達部のどちらか一方、或いは両方で打ち消して測定部に伝達される磁束量を制御する回路をビーム電流強度測定装置に付加する。例えば、磁束伝達部のトランスを、検知部に接続したトランス入力コイルと、測定部に接続したコイルと、磁束の変化を打ち消すためのコイルから成るトランスとし、磁束の変化を打ち消すためのコイルに電流を流すことで測定部に伝達される磁束量を制御する仕組みとする。磁束の変化を打ち消すためのコイルに流した電流の変化は、超伝導素子を貫く磁束の変化を打ち消すように流された帰還電流の変化に対応する構成とする。そして、磁束の変化を打ち消すためのコイルに流した電流の変化を測定することでイオンビーム電流強度の変化を測定する。実際は電流が抵抗の両端につくる電圧を測定することで実現できる。
ところで、超伝導素子と超伝導体からなるギャップを有する磁気遮蔽部、および検知部と磁束伝達部と測定部に用いる超伝導線は高温超伝導体とする方が望ましい。ビーム電流に対する出力の感度を向上するためには、検知部の軟磁性体コアの透磁率は高い方が良い。しかし、一般に軟磁性体は使用温度が室温から液体ヘリウム温度に低下するに従って透磁率は低下する。実施例で使用した軟磁性体では、室温に比べて液体ヘリウム温度での透磁率は約1/4に低下した。高温超伝導体で作成した方が使用温度は室温により近くなるので出力の感度を高くできる。さらに、液体ヘリウムを使用せずに冷凍機だけで超伝導状態を実現できるので装置を小型化でき、且つ、運転コストを低減できる。
【００１０】
被照射体にイオン照射を行いながら、且つ、正確にビーム電流値を測定して照射量制御することで、従来よりも誤差の少ない照射量制御が可能なイオン照射装置を提供できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を以下で説明する。
（本発明による大電流イオン注入装置）
ここでは大電流イオン注入装置を実施例として説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。中電流イオン注入装置や電子ビーム露光装置に適用することで同様の作用を実現できる。
【００１２】
図１は本発明による大電流イオン注入装置の半導体ウェハ７交換時の概略構成図である。ビームラインはイオン源１を始端とし、半導体ウェハ７を設置したプロセスチャンバ１１を終端とする。イオン源１の後段には質量分析器２が配置され、所望の質量電荷比を持つイオンを選択的に通過させる。通過したイオンは図１には示していない分解スリットを使用して再度選別される。本実施例では質量分析器２と分解スリットがイオンビーム選別部である。分解スリットを通過したイオンは加速管３で加速され、ビーム電流強度測定装置１０の検出部を通過した後、半導体ウェハ７を載置した回転盤８の隣を通過してファラデーカップ６で受け止められる。新たな半導体ウェハ７を回転盤８に設置し、ビームラインの真空が所望の真空度に達した後にファラデーカップ６でビーム電流値を測定する。測定したビーム電流値は図１には図示しないコンピューター３２に送られて記憶される。
【００１３】
図２は本発明による大電流イオン注入装置を用いたイオン注入中の概略構成図である。図１から回転盤８が半導体ウェハ７にイオンが照射される位置まで移動することで図２の状態に移行する。回転盤８には半導体ウェハ７が２４枚載置されており、回転盤８を振り子運動させつつ高速回転させることにより、イオンビーム５を半導体ウェハ７の面に走査させながら照射してイオン注入を行う。イオンが半導体ウェハ７に照射されると、半導体ウェハ７に塗布されたレジストからアウトガス４が発生する。アウトガス４は加速管３側に流入するが、ビーム電流強度測定装置１０と半導体ウェハ７の間に真空ポンプ９を配置することで、アウトガス４がビーム電流強度測定装置１０まで到達しない構成としている。イオン注入中はビーム電流強度測定装置１０でビーム電流値の初期値からの変化を測定し、図２には図示しないコンピューター３２に0.1 msec.毎に送られる。そして、コンピューター３２で記憶しておいた初期値と変化した値の和を計算することでビーム電流値を0.1 msec.毎にモニターする。これにより0.1 msec.周期で精度良くビーム電流値をモニターできるので、このデータをもとにドーズコントローラによって精度の良い注入量制御が可能となる。イオン注入終了後は、回転盤８が半導体ウェハ７にイオンが照射されない位置、すなわち図１の位置まで移動して半導体ウェハ７の交換作業をし、これを繰り返す。
（ビーム電流強度測定装置）
図３は本発明の大電流イオン注入装置に使用したビーム電流強度測定装置１０の回路図である。図３のビーム電流１３は図１のイオンビーム５に対応する。
【００１４】
ビーム電流強度測定装置１０は、ビーム電流に対応した磁場を検知する検知部と、磁束を測定部に伝達する磁束伝達部と、伝達された磁束に感応する超伝導素子と超伝導素子を貫く磁束の変化を打ち消すように帰還電流を流す帰還コイルを有する測定部と、検知部と磁束伝達部と測定部をイオンビームが流れる空間を含む外部空間から磁気遮蔽する超伝導体からなるギャップを有する磁気遮蔽部と、イオンビーム電流によって誘起された磁束を検知部と磁束伝達部のどちらか一方で、或いは両方で打ち消して測定部に伝達される磁束量を制御する回路を少なくとも有する。
【００１５】
検知部は、軟磁性コアに超伝導線を4ターン巻いたものを検知コイル１２として用いた。軟磁性コアの寸法は内径φ250 mm、外径φ320 mm、高さ30 mmである。軟磁性コアは保磁力が小さく透磁率の大きいアモルファス材を用いた。
【００１６】
磁束伝達部は、トランス入力コイル１４と測定部に接続したコイル１５と磁束の変化を打ち消すためのコイル１６が軟磁性コアに巻かれたトランスと、検知部と測定部を接続する超伝導線から構成される。トランス入力コイル１４は検知コイル１２に接続されている。磁束の変化を打ち消すためのコイル１６は、トランス入力コイル１４に流れる電流によってトランスの軟磁性コア内部に誘起される磁束を打ち消すためのコイルである。トランスの軟磁性コアは検知コイル１２のコアと同じ材質のものを用いた。トランスの軟磁性コアの寸法は内径φ10 mm、外径φ12.5 mm、高さ5 mmとした。トランス入力コイル１４は100ターン、測定部に接続したコイル１５は15ターン、磁束の変化を打ち消すためのコイル１６は10ターンとした。
【００１７】
測定部は、超伝導素子にDC SQUIDを用いた超伝導回路とした。超伝導回路のSQUID２０とSQUID入力コイル１９、帰還コイル１７、ワッシャ―コイル１８はSQUIDチップ２９の上に構成されている。
【００１８】
超伝導磁気遮蔽は、検知部と磁束伝達部と測定部を取り囲む。囲まれた部分を超伝導磁気遮蔽で囲まれた範囲３０に示した。ただし、完全に取り囲んだ構造ではなく、検知部を取り囲む部分にギャップをもつ構造とした。ギャップの幅は0.5 mmとした。超伝導磁気遮蔽の材質は鉛を用いた。これら検知部と磁束伝達部と測定部と超伝導磁気遮蔽はクライオスタットの内部にいれて液体ヘリウム温度に冷却した。
【００１９】
ある強度のビーム電流IB１３が検知コイル１２を貫いている状態を初期状態とする。ビーム電流IB１３の初期値はファラデーカップ６で測定され、コンピューター３２に送られる。その値に対応して信号出力部３４から、電圧υC３５が出力されて抵抗RC３６に電流を流し、且つ、ビーム電流値表示部３３に電圧υC３５が入力される。さらに、信号出力部３４からは可変抵抗RB２８の値を設定する信号が可変抵抗RBの制御部３１に出力され、ビーム電流IB１３の初期値に対応した値に可変抵抗RB２８が切り替わる。電圧υC３５が印加されることで帰還電流IF３８が流れる。このときの帰還電流IF３８は、電圧υC３５と抵抗RC３６の比であり、IF=υC／RCである。一方、ビーム電流IB１３は、検知コイル１２とトランス入力コイル１４がつくる超伝導閉回路に検知電流IP３７を誘起する。検知電流IP３７と帰還電流IF３８は、それぞれトランス入力コイル１４と磁束の変化を打ち消すためのコイル１６に流れて、トランスの軟磁性コアに磁束を誘起する。ここで、帰還電流IF３８は電圧υC３５により可変なのでトランスの軟磁性コア内部の磁束がゼロとなるように設定できる。電圧υC３５の設定は、ビーム電流IB１３の様々な初期値に対応する値をあらかじめ実験で決めておいて、コンピューター３２で自動設定できるようにしておく。このように、初期状態において検知電流IP３７と帰還電流IF３８がトランスの軟磁性コアに誘起する磁束の和はゼロで釣り合っており、このとき、測定部に接続したコイル１５に電流は誘起されない。よって、SQUIDチップ２９にはSQUID入力電流IT３９は流れていない。
【００２０】
初期状態からビーム電流IB１３の強度が変化すると、変化量に比例して検知電流IP３７が変化する。ビーム電流IB１３の変化をΔIBとし、検知電流IP３７の変化量をΔIPとする。ΔIPはΔIBに比例してΔIP=α・ΔIBと表せる。ΔIPにより、トランスの軟磁性コアに誘起された磁束の和は釣り合ったゼロの状態から、ΔIPに比例した有限の磁束量となる。これにより、測定部に接続したコイル１５とワッシャ―コイル１８とSQUID入力コイル１９がつくる超伝導閉回路にSQUID入力電流IT３９が誘起される。SQUID入力電流IT３９は、SQUID入力コイル１９に流れてSQUID２０を貫く磁束量を変化させようとするが、SQUID２０を貫く磁束量が変化しないように帰還コイル１７に帰還電流If４０が流れる。帰還電流If４０は帰還抵抗RA２４の両端に電圧を発生させる。これを出力電圧υA２５とする。出力電圧υA２５は電子回路２６に入力される。
【００２１】
次に、図４に示すように電子回路２６が積分器４１で構成された実施例について説明する。積分器４１は、入力信号である出力電圧υA２５が閾値を超えると、ある時定数をもって出力電圧υB２７を上昇させる。出力電圧υA２５が閾値内であるときはそのまま一定の出力電圧υB２７を出力する。出力電圧υA２５が閾値を下回ると、ある時定数をもって出力電圧υB２７を降下させる。出力電圧υB２７の発生によって、可変抵抗RB２８に電流υB／RBが流れて帰還電流IF３８に加えられる。前節と同様に、ΔIFはΔIF=υB／RBであり、ΔIFによって磁束の変化を打ち消すためのコイル１６に誘起された磁束により、ΔIPがトランス入力コイル１４に誘起した磁束が打ち消される。トランス入力コイル１４の巻き数をN14、磁束の変化を打ち消すためのコイル１６の巻き数をN16とする。ΔIF=（N14／N16）・ΔIPであり、ΔIPはΔIBに比例しているので、ΔIF=（N14／N16）・α・ΔIBである。出力電圧υB２７は、υB=（N14／N16）・α・RB・ΔIBである。よって、出力電圧υB２７を測定することでビーム電流IB１３の変化ΔIBに比例した出力を得ることができる。ここで、測定精度は閾値の設定で決めることができる。例えば出力電圧υA２５の閾値を±500 mVと設定すると、これはビーム電流IB１３に換算して約±100 nAであり、ビーム電流IB１３の精度を約±100 nAで測定できる。このとき、測定レンジは基本的に制限はなく、（N14／N16）・α・RBを設定することで出力電圧υB２７の大きさが決まる。例えば（N14／N16）・αを約1/100、可変抵抗RB２８を150 kΩとしたとき、ΔIBの10 mAの変化に対して15 Vの出力電圧υB２７を得る。つまり、10 mAのビーム電流IB１３を約±100 nAの精度で測定できる。さらに、例えば、出力電圧υA２５の閾値を±50 mVと設定すると、これはビーム電流IB１３に換算して約±10 nAである。（N14／N16）・αを約1/100、可変抵抗RB２８を1.5 MΩとすると、ΔIBの1 mAの変化に対して15 Vの出力電圧υB２７を得る。つまり、1 mAのビーム電流IB１３を約±10 nAの精度で測定できる。このように、出力電圧υA２５の閾値と可変抵抗RB２８の設定を変えることで、適切に測定精度と出力電圧υB２７を調整することができるので、ビーム電流IB１３の測定レンジは基本的に制限はなくなる。
【００２２】
ビーム電流IB１３の強度は、初期状態のビーム電流IB１３とその変化ΔIF２８を加算することで求める。実際には、ビーム電流値表示部３３において、IF=υC／RCとΔIF=υB／RBの和IF+ΔIFを計算する。そして別途実験で決めておいた帰還電流IF３８とビーム電流IB１３の関係からビーム電流IB１３を算出する。
（ビーム電流強度測定装置の設置方法）
図５はビーム電流強度測定装置１０を本発明の大電流イオン注入装置に設置した要部断面図である。ビームラインに外周形状が円筒で長さが40 cmの設置スペースを設けた。ビーム電流強度測定装置１０は設置スペースのビームパイプ４３を取り囲むように設置した。ビームパイプ４３は、一部分がビームパイプ４３の長さ方向に垂直な平面で切った断面がセラミックの絶縁体となる構成となるようにセラミックパイプ４２を設けた。また、セラミックの封着金属は非磁性体のキュプロニッケルを使用した。これにより、ビーム電流１３によって誘起されるビームパイプ４３の壁面を流れる電流を遮断できるので、ビーム電流１３がつくる磁場を検知コイル１２で収集することが可能となる。また、ビームラインの真空にも影響を及ぼさない。
（比較例１）
図６は従来の大電流イオン注入装置の例１である。回転盤８には小孔が設けられており、小孔を通過したイオンビーム５をファラデーカップ６で受け止めてビーム電流を測定する。これにより約200 msec.の周期でビーム電流値をモニターできる。しかし、アウトガス４中を通過してきたイオンビーム５を測定しているので半導体ウェハ７に注入された実際の値よりも小さいビーム電流値が出力される。そこで、プロセスチャンバ１１の圧力を図示しない圧力計で測定しておいて、圧力とアウトガス４によってイオンの電荷が中和される割合の関係からビーム電流の測定値を補正する方法が採られている。しかし、圧力計が設置された場所とイオンビーム５が通過した場所の圧力の関係が時間的に常に一定でないことなどの要因で、関係式には誤差が含まれている。これらのことが原因でビーム電流の測定値に数％の誤差を含むことは避けられなかった。
（比較例２）
図７は従来の大電流イオン注入装置の例２である。回転盤８を半導体ウェハ７がイオンビーム５にあたらない位置まで走査させて、イオンビーム５を遮断しない位置にきたときにファラデーカップ６でビーム電流を測定する。アウトガス４による影響はないが、走査の周期毎にしかビーム電流値を測定できない。つまり20〜30秒周期の測定となり、その間のビーム電流値の変化は測定できなかった。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように、本発明では半導体ウェハにイオンビームを照射しながら同時に照射しているイオンビームの電流値を測定でき、且つ、アウトガスが発生しても高精度でイオンビーム電流の測定が可能であって半導体ウェハへの注入量を精密に制御できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による大電流イオン注入装置の半導体ウェハ交換時の概略構成図
【図２】本発明による大電流イオン注入装置を用いたイオン注入中の概略構成図
【図３】本発明の大電流イオン注入装置に使用したビーム電流強度測定装置の回路図
【図４】電子回路２６の例１を示す図
【図５】本発明に用いたビーム電流強度測定装置設置例の要部断面図
【図６】従来の大電流イオン注入装置の例１を示す図
【図７】従来の大電流イオン注入装置の例２を示す図
【符号の説明】
１ イオン源
２ 質量分析器
３ 加速管
４ アウトガス
５ イオンビーム
６ ファラデーカップ
７ 半導体ウェハ
８ 回転盤
９ 真空ポンプ
１０ ビーム電流強度測定装置
１１ プロセスチャンバ
１２ 検知コイル
１３ ビーム電流IB
１４ トランス入力コイル
１５ 測定部に接続したコイル
１６ 磁束の変化を打ち消すためのコイル
１７ 帰還コイル
１８ ワッシャーコイル
１９ SQUID入力コイル
２０ SQUID
２１ 直流電源
２２ プリアンプ
２３ 積分器Ａ
２４ 帰還抵抗RA
２５ 出力電圧υA
２６ 電子回路
２７ 出力電圧υB
２８ 可変抵抗RB
２９ SQUIDチップ
３０ 超伝導磁気遮蔽で囲まれた範囲
３１ 可変抵抗RBの制御部
３２ コンピューター
３３ ビーム電流値表示部
３４ 信号出力部
３５ 電圧υC
３６ 抵抗RC
３７ 検知電流IP
３８ 帰還電流IF
３９ SQUID入力電流IT
４０ 帰還電流If
４１ 増幅器
４２ セラミックパイプ
４３ ビームパイプ
４４ クライオスタットの断熱層
４５ 液体ヘリウム貯留層
４６ 超伝導磁気遮蔽および検知コイル
４７ SQUID収納部
Claims (19)
- イオン源から出射されるビーム電流に対応した磁場を検知する検知部と、磁束を前記測定部に伝達する磁束伝達部と、伝達された磁束に感応する超伝導素子と前記超伝導素子を貫く磁束の変化を打ち消すように帰還電流を流す帰還コイルを有する測定部と、前記検知部と前記磁束伝達部と前記測定部をイオンビームが流れる空間を含む外部空間から磁気遮蔽する超伝導体からなるギャップを有する磁気遮蔽部とを有するビーム電流強度測定装置を、前記イオン源である始端と、被照射部である終端との間に有し、
前記磁束伝達部が、前記検知部に接続されたトランス入力コイルと、前記測定部に接続されたコイルと、磁束の変化を打ち消すためのコイルとを具備したトランスを有することを特徴とするイオン照射装置。 - 始端と終端の間にイオンと相互作用する物質が存在することを特徴とする請求項1記載のイオン照射装置。
- 相互作用が電荷の交換であることを特徴とする請求項2記載のイオン照射装置。
- 相互作用する物質が半導体ウェハにイオンビームを照射したときに半導体ウェハに塗布したフォトレジストから発生するアウトガスであることを特徴とする請求項2記載のイオン照射装置。
- アウトガスがH2ガスであることを特徴とする請求項4記載のイオン照射装置。
- 始端はイオン源であり、且つ、イオン源の後段にイオンビームを選別するイオンビーム選別部と選別されたイオンビームを加速して半導体ウェハに照射する加速部を少なくとも有し、且つ、終端は半導体ウェハが配置されるプロセスチャンバであるイオン照射装置において、ビームラインのイオンビーム選別部より後段で、且つ、プロセスチャンバより前段にビーム電流強度測定装置を少なくとも有することを特徴とする請求項1記載のイオン照射装置。
- アウトガスが発生していないときにファラデーカップで測定したイオンビーム電流強度の測定値を基準とし、且つ、基準が零点となるようにビーム電流強度測定装置の測定値の零点を設定して、且つ、基準とビーム電流強度測定装置で測定した基準からの変化量の和からアウトガス発生中に半導体ウェハに照射されているイオンビームのビーム電流強度を求める機構を有することを特徴とする請求項4又は 6記載のイオン照射装置。
- ビーム電流強度の測定値はドーズコントローラで計算処理されることを特徴とする請求項７記載のイオン照射装置。
- ビームラインのビーム電流強度測定装置を設置した部分とプロセスチャンバの間に真空ポンプを有することを特徴とする請求項6記載のイオン照射装置。
- ビーム電流によって誘起された磁束を検知部と磁束伝達部のどちらか一方、或いは両方で打ち消して測定部に伝達される磁束量を制御する回路を少なくとも有することを特徴とする請求項1記載のイオン照射装置。
- ビーム電流強度測定装置の検知部が超伝導線を軟磁性体のコアに巻いた構成であることを特徴とする請求項1記載のイオン照射装置。
- ビーム電流強度測定装置の磁束伝達部は軟磁性体のコアに超伝導線を巻いたトランスを少なくとも有することを特徴とする請求項1記載のイオン照射装置。
- ビーム電流強度測定装置の磁束の変化を打ち消すためのコイルに電流を流すことで測定部に伝達される磁束量を制御することを特徴とする請求項１記載のイオン照射装置。
- ビーム電流強度測定装置の磁束の変化を打ち消すためのコイルに流した電流の変化は、超伝導素子を貫く磁束の変化を打ち消すように流した帰還電流の変化に対応していることを特徴とする請求項１３記載のイオン照射装置。
- ビーム電流強度測定装置の磁束の変化を打ち消すためのコイルに流した電流の変化を測定することでイオンビーム電流強度の変化を測定することを特徴とする請求項１４記載のイオン照射装置。
- ビーム電流強度測定装置の超伝導素子が超伝導磁束量子干渉計であることを特徴とする請求項1記載のイオン照射装置。
- ビーム電流強度測定装置の超伝導素子と超伝導体からなるギャップを有する磁気遮蔽部が高温超伝導体であることを特徴とする請求項1記載のイオン照射装置。
- 請求項1記載のイオン照射装置がイオン注入装置であることを特徴とする請求項1記載のイオン照射装置。
- 請求項1記載のイオン照射装置が電子ビーム露光装置であることを特徴とする請求項1記載のイオン照射装置。
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