JP4754684B2 - イオン注入装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造用のイオン注入装置に関し、更に詳しくは、イオン源から引き出したイオンを加速する加速器を小型化して装置占有面積の低減を図ったイオン注入装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオン注入装置は、運動エネルギーをもったイオンを照射して試料の物性を制御する装置として、半導体製造分野に広く用いられており、例えばＭＯＳＦＥＴにおけるソース／ドレイン、チャネル層（反転層）等の形成プロセスに利用されている。
【０００３】
従来のイオン注入装置の一構成例を図１０に示す。すなわち、従来のイオン注入装置１は、イオンを発生させるイオン源２と、被処理基体としての半導体ウェーハ（以下、単にウェーハという。）Ｗが収容配置されるエンドステーション３と、これらイオン源２とエンドステーション３との間に形成されるビーム経路とを有し、このビーム経路には、イオン源２から引き出したイオンを質量分離して所望のイオンを選択する質量分離器４と、質量分離されたイオンからなるイオンビームＬを所定のエネルギーにまで加速する加速器５と、加速されたイオンビームＬを集束するＱレンズ６と、イオンビームＬを静電界によってＹ方向に偏向させるＹ方向偏向器７と、同じくＸ方向に偏向させるＸ方向偏向器８とから構成されている。
【０００４】
従来のイオン注入装置１の加速器５は、絶縁体５ｂを介在させた電極５ａの多段構造を有し、これら電極５ａに所定の直流加速電圧を分割して印加することにより電極５ａ間に形成される電場によってイオンを加速するように構成されている。このため、イオン源２（引出電極を含む。）および質量分離器４を、イオンを上記所定の加速エネルギーに高めるための高電圧ターミナル９に収容しており、その外方には、シールドボックス１０を配置して高電圧ターミナル９と外部との間の電磁的相互作用を遮るようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
さて、従来のイオン注入装置１は、上述したようにイオンビームＬを加速する加速器５として直線的な加速管を用いているため、質量分離器４からエンドステーション３までの直線的距離が長くなるのは勿論、当該加速器５は直流電圧によってイオンビームを所定のエネルギーにまで加速するようにしているため、高電圧ターミナル９を当該加速電位に維持するための構造的不利を伴うとともに、高電圧ターミナル９とシールドボックス１０との間の空間耐圧を確保する関係上、当該シールドボックス１０に大きな容積が必要となり（縦、横、高さで約５ｍ〜６ｍ）、これによる装置の設置スペースの増大が余儀なくされているという問題を有している。また、高周波電極を多重に直列配置したリニアックも同様な問題がある。
【０００６】
特に、半導体装置の製造に用いられるイオン注入装置は、注入イオンの種類等に応じて多機種配備されるため、クリーンルーム内におけるイオン注入装置の設置占有面積の増大が大きな問題となっており、小型で高エネルギーのイオン加速が可能なイオン注入装置の実現が強く望まれているのが現状である。
【０００７】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、小型で、高エネルギーのイオン加速が可能なイオン注入装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以上の課題は、イオンを発生させるイオン源と、被処理基体が収容配置されるエンドステーションとの間に形成されるビーム経路に、前記イオン源から引き出したイオンを質量分離する質量分離器と、前記質量分離されたイオンからなるイオンビームを所定のエネルギーにまで加速する加速器とを少なくとも備えたイオン注入装置において、前記加速器が、前記イオンビームを周回させる環状通路と、前記環状通路内のイオンビームに所定電圧を印加する高周波電極と、前記環状通路内のイオンビームの軌道を修正するビーム偏向手段とを含むことを特徴とするイオン注入装置、によって解決される。
【０００９】
質量分離された所望のイオンからなるイオンビームは、加速器の環状通路に導入されるとともに、当該環状通路を周回する。イオンビームの周回周期に同期して上記高周波電極には所定電圧の交流電圧が印加され、イオンビームは当該高周波電極を通過する度に加速エネルギーが増大される。加速エネルギーが所定値に達すると、イオンビームは環状通路からビーム経路へ導出されて被処理基体へ照射される。このときイオンビームは、加速器からパルス状に出射される。
【００１０】
本発明によれば、高周波電源を加速源とするシンクロトロン方式の加速器を採用することによって、従来のイオン注入装置で用いられていた直線状の直流型や交流型の加速器を廃止することができ、また、従来のイオン注入装置で必要とされていた高圧ターミナルおよびシールドボックスの配備が不要となることから、小型で、高エネルギーのイオン加速が実現可能なイオン注入装置を得ることができる。
【００１１】
ビーム偏向手段としては、上記環状通路内にイオンビームの軌道修正用電場空間を形成する複数枚の電極群で構成することにより、簡素な構成で容易にイオンビームの軌道修正制御を行うことができる。なお、このような静電界によるビーム偏向に限らず、ローレンツ力（電磁力）によるビーム偏向を行うように構成してもよい。
【００１２】
本発明に係るイオン注入装置では、加速器から出射されるイオンビームはパルス状になる。そこで、上記環状通路をビーム経路に対して並列的に複数段配置し、これら複数の環状通路からイオンビームを同時または位相をずらして交互に出射させるようにすれば、単位時間当たりのイオン注入量（打込み量）を高めることが可能となる。
【００１３】
上記構成の加速器で所定のエネルギーに加速したイオンビームを被処理基体に対してスキャンするスキャナを設ける場合には、当該スキャナのスキャン周期を加速器から出射されるイオンビームのパルス間隔よりも小さく（好ましくは、パルス間隔の１／１０以下に）設定することによって、見かけ上、連続ビームとしてイオンビームを照射することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は本発明の第１の実施の形態によるイオン注入装置の概要を示している。本実施の形態のイオン注入装置２０は、イオンを発生させるイオン源２１と、被処理基体であるウェーハ（半導体ウェーハ）Ｗが収容配置されるエンドステーション２２とを結ぶビーム経路に、主として、引出電極２３、質量分離器２４、スリット２５、加速器２６、スキャナ２７及びビームマスク２８が、イオン源２１側から順に配置されている。
【００１６】
イオン源２１は公知の構成を有し、各種元素のプラズマを生成することによりイオンを発生させるもので、放電の種類により直流型、高周波型及びマイクロ波型に分類されるが、いずれのタイプでも適用可能である。引出電極２３は、イオン源２１で発生したイオンを外部へ引き出すためのもので、イオン源２１との間に所定の直流電圧が印加されている。また、イオンビームに集束作用をもたせるため、引出電極２３は２つの電極より構成されている。質量分離器２４もまた公知の構成を有し、イオン源２１から引き出した種々のイオンから、必要とするイオンのみを選択するための電磁石が設けられており、同一磁場中で各種イオンがその質量に従って異なる軌跡を描くのを利用して、磁場の強さを調整し、目的とするイオンのみを取り出すようにしている。
【００１７】
加速器２６は、従来の直流型加速管と異なり、イオンビームを周回させながら加速エネルギーを印加する方式のシンクロトロン加速器として構成される。すなわち、グランド電位に接続されたアルミニウム又はステンレス等の金属材料からなる加速器本体３１には、図２をも参照して、イオンビームの周回トラックとなる所定真空度に保たれた環状通路３２が形成されており、その通路断面の内径は例えば５０〜６０ｍｍとされる。この環状通路３２には、イオンビームに加速電圧を印加する高周波電極３３と、環状通路３２内においてイオンビームの軌道修正を行うためのビーム偏向手段として、複数の電極群３５ａ，３５ｂ，３６ａ，３６ｂとが設けられている。
【００１８】
図３に示すように、高周波電極３３は筒状を呈し、環状通路３２の周壁の一部を構成するように絶縁体３７を介して本体３１に配置されている。高周波電極３３とこれに交流電圧を印加する高周波電源３４との間は、本体３１に対して碍子３９で支持される導線３８を介して接続されている。高周波電源３４は、環状通路３２を周回するイオンビームの回転周期（例えば数ＭＨｚ）に同期した高周波電界を形成するように構成されている。また、高周波電源３４は１つとし、制御の容易化が図られている。
【００１９】
ビーム偏向手段としての複数の電極群３５ａ，３５ｂ，３６ａ，３６ｂは、環状通路３２のコーナー部（円弧状のトラック部分）にそれぞれ相対向して、図４に示すように環状通路３２の周壁に対し絶縁体４１を介して配置されている。そして、環状通路３２の外側に配置される一方側の電極３５ａ，３５ｂは、本体３１に対して碍子４３により支持される導線４４を介して可変直流電源４２の正極に接続され、また、環状通路３２の内側に配置される他方側の電極３５ｂ，３６ｂには、本体３１に対して碍子４６により支持される導線４７を介して可変直流電源４５の負極に接続されている。
【００２０】
各々の可変直流電源４２，４５は、イオンビームが環状通路３２の中心部を巡回するような電圧に設定されるとともに、イオンビームの周回数の増加に対応してその巡回軌道を維持するために、電源電圧がそれぞれ同期して時間的に増大するような構成が採られている。
【００２１】
なお、図２に示すように電極３５ａ，３５ｂが配置される円弧状トラック部分から電極３６ａ，３６ｂが配置される円弧状トラック部分へ向かう直線状トラック部分には、イオンビームを集束させるための集束レンズ４８ａ，４８ｂが設けられており、この位置でビーム形状の修復がなされる。
【００２２】
加速器２６の後段に位置するスキャナ２７は、ウェーハＷ上のイオン注入領域に対してイオンビームをスキャンするための偏光器として構成され、電磁式、静電式いずれの構成も採用可能である。ビームマスク２８は、ウェーハＷに対するイオンビームの照射領域を制限するための導電性のマスクとして構成され、イオンの通過を許容する開口の大きさが可変となっている。
【００２３】
次に、本実施の形態の作用について説明する。
【００２４】
イオン源２１にて生成されたイオンは、引出電極２３により引き出された後、質量分離器２４においてウェーハＷに注入すべきイオンが選択される。質量分離器２４から導出された所望のイオンからなるイオンビームは、スリット２５を介して加速器２６に導入される。
【００２５】
図２を参照して、加速器２６に導入されたイオンビームは、入口４９から環状通路３２に入り、高周波電極３３を通過する際に所定電圧（例えば１００ｋＶ）が印加され、加速される。すなわち、正電荷のイオンに対し、高周波電極３３は負極のときは引力として作用し、正極のときは斥力として作用するので、イオンが高周波電極３３へ進入する時と通過する時とで電極３３の極性を変化させることによって（進入時は負、通過時は正）、イオンが加速される。
【００２６】
高周波電極３３を通過し加速されたイオンビームは、電極３５ａ，３５ｂにより形成される電場空間で軌道が１８０°修正された後、集束レンズ４８ａ，４８ｂによる集束作用を受けてビーム形状が修復される。次いで、電極３６ａ，３６ｂにより形成される電場空間で軌道が更に１８０°修正され、再び高周波電極３３において所定電圧が印加され、加速される。
【００２７】
このようにして、加速器２６内においてイオンビームは環状通路３２を周回しながら加速され、これが所定のエネルギー（例えば１〜２ＭｅＶ）にまで加速されると、電極３５ａ，３５ｂ間への電圧印加が一時解除され、イオンビームが出口５０からウェーハＷへ向けて出射される。なお、その後、電極３５ａ，３５ｂ，３６ａ，３６ｂ間の電場の大きさは初期値に戻され、上記と同様な作用で次なるイオンビームの偏向が行われる。
【００２８】
イオンビームは加速器２６内の高周波電極３３で加速されることになるが、高周波電極３３が正極に変化してこれを通過するイオンに斥力を作用させる際、同時に高周波電極３３に進入するイオンにも斥力が作用して当該イオンの進入を妨げる。このため、加速器２６から出射されるイオンビームは、図５に示すようにパルス間隔τのパルスビームとなる。そこで、イオンビームのパルス間隔τは、なるべく短時間となるように設定するのが好ましく、これにより、１パルス当たりのビーム電流を大きくすることなく、単位時間当たりのイオン注入量を確保することが可能となる。
【００２９】
また、高周波電極３３におけるイオンビームの加速時、上述したように後続するイオンに対する高周波電極３３への進入阻害作用によって、当該イオンが飛散し環状通路３２の周壁との衝突によりコンタミを発生させるおそれがあるため、本実施の形態では図６に示すように、高周波電極３３の入口周辺にグラファイト又は炭化ケイ素（特に立方晶系閃亜鉛鉱型構造のβ型）等からなるビームダンパー５１を設置して、コンタミの発生を抑制するようにしている。
【００３０】
さて、加速器２６で所定のエネルギーに加速されたイオンビームは、スキャナ２７のスキャン作用を受けてウェーハＷ上のイオン注入領域へ照射される。このとき、スキャナ２７は、加速器２６から出射されるイオンビームのパルス間隔よりも小さい周期で、好ましくはパルス間隔の１／１０以下の周期で、イオンビームをスキャンする。これにより、イオン照射領域の偏在化を回避して、見かけ上、連続ビームとしてイオンビームを照射することが可能となる。
【００３１】
以上のように本実施の形態のイオン注入装置２０によれば、イオンビームを所定のエネルギーに加速する加速器２６を高周波電源３４を加速源とするシンクロトロン型の加速器で構成したので、従来のような直流直線型加速管等を用いたイオン注入装置と比較して、質量分離器２４からエンドステーション２２までの幾何学的距離を短くでき、また、高圧ターミナルおよびシールドボックスの配備が不要となることから、装置の設置占有面積を大きく低減することができる。
【００３２】
特に、本実施の形態では加速器本体３１は、少なくとも縦、横が１ｍ程度、高さが十数ｃｍ程度あれば十分であるので、従来に比べてはるかに小型化することが可能となるとともに、イオン源２１からエンドステーション２２までのビーム経路を１つの真空チャンバで構成することも可能となる。
【００３３】
図７は本発明の第２の実施の形態によるイオン注入装置の概要を示している。なお、図において上述の第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。
【００３４】
本実施の形態のイオン注入装置６０は、加速器６１の本体６２内に、上述と同様な構成の環状通路６３Ａ，６３Ｂ，６３Ｃをビーム経路に対して並列的に複数段（本実施の形態では３段）配置形成した点が、第１の実施の形態の構成と異なる。質量分離器２４で選択された所望のイオンからなるイオンビームは、スキャナ６８その他の適当な偏向器を用いて各環状通路６３Ａ〜６３Ｃの入口６５Ａ〜６５Ｃに平行に入射させ、高周波電極６４Ａ〜６４Ｃによって各イオンビームをそれぞれ所定のエネルギーに達するまで環状通路６３Ａ〜６３Ｃを周回させた後、偏光器６９ａ及び６９ｂによってスキャナ２７へ導く構成となっている。
【００３５】
そして、スキャナ６８のスキャン作用によりイオンビームを環状通路６３Ａ〜６３Ｃへ所定の位相差をつけて交互に入射させるようにすれば、上述の第１の実施の形態と同様に各々パルス間隔τで加速器６１の出口６６Ａ〜６６Ｃから出射されるイオンビームＡ〜Ｃが、図８に示すように全体的にパルス間隔がτ’で出射されることになり、第１の実施の形態に比べてイオンビームのパルス間隔の短縮化を図ることが可能となる。これにより、ほとんど連続ビームとしてウェーハＷへイオンを照射して、単位時間当たりのイオン注入量（打込み量）を増大させることができる。
【００３６】
一方、出口６６Ａ〜６６Ｃから同時にイオンビームＡ〜Ｃを出射させるようにすれば、１パルス当たりのビーム電流を大きくしてイオン注入量の増加を図ることができる。
【００３７】
本実施の形態のイオン注入装置６０によれば、上述のような作用効果を得ることができるとともに、加速器本体６２をそれほど大きくすることなく加速器６１を構成することができるので、第１の実施の形態におけるイオン注入装置２０と同程度の設置占有面積で据え付けることが可能である。
【００３８】
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれらに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００３９】
例えば、エンドステーション２２に設けられるマスク２８の開口の大きさを、ウェーハＷに形成される半導体チップの大きさに略等しくするとともに、この開口を通過するイオンビームがウェーハＷに対して垂直に入射するようにウェーハＷをティルトさせることにより、ウェーハ全面に対するイオンの注入均一性を高めることができる。
【００４０】
また、上記マスク２８に代えて、例えば図９に示すようにウェーハＷに対するイオン注入領域を定める開口部７２ａを備えた導電性のマスク部材７２をウェーハＷに離間して配置するようにすれば、ウェーハＷにレジストパターンを形成することなく所望の注入領域へイオンを注入することができ、これにより、従来行われているウェーハＷへのレジスト塗布、露光、現像、イオン注入後のレジストアッシング及びレジスト剥離の各工程を不要として、半導体装置の製造プロセスの簡素化を図ることが可能となる。
【００４１】
なお、マスク部材７２は、イオンビームが通過する透孔７３ａを備えたホルダ７３に対して静電チャック７４を介して支持され、ステージ（プラテン）７１上に載置されたウェーハＷの上面に対して数μｍ〜数十μｍの間隙をおいて対向配置される。
【００４２】
更に、以上の各実施の形態によれば、環状通路３２，６３Ａ〜６３Ｃを本体３１，６２内に形成したが、これに限らず、これらの環状通路を環状のチューブ体で構成するようにしてもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のイオン注入装置によれば、装置の設置占有面積を従来よりもはるかに小さくしながら、高エネルギーのイオン加速を実現することができる。
【００４４】
また、簡素な構成で容易にイオンビームの軌道修正制御を行うことができ、単位時間当たりのイオン注入量を高めることができる。更に、見かけ上、連続ビームとしてイオンビームを照射することができる。
【００４５】
最後に、請求項５の発明によれば、ウェーハ面内における注入均一性を高めることができる。あるいは、従来行われているウェーハＷへのレジスト塗布、露光、現像、イオン注入後のレジストアッシング及びレジスト剥離の各工程を不要として、半導体装置の製造プロセスの簡素化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるイオン注入装置の概略構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における加速器の概略構成図である。
【図３】図２における要部の詳細を示す側断面図である。
【図４】図２における他の要部の詳細を示す側断面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態におけるイオンビームの発生形態を示す図である。
【図６】図２における更に他の要部の詳細を示す側断面図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態によるイオン注入装置の概略構成図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態におけるイオンビームの発生形態を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態の変形例を示す要部の側断面図である。
【図１０】従来のイオン注入装置の一構成例を示す図である。
【符号の説明】
２０ イオン注入装置
２１ イオン源
２２ エンドステーション
２３ 引出電極
２４ 質量分離器
２６ 加速器
２７ スキャナ
２８ マスク
３１ （加速器）本体
３２ 環状通路
３３ 高周波電極
３４ 高周波電源
３５ａ，３５ｂ，３６ａ，３６ｂ 電極（ビーム偏向手段）
６０ イオン注入装置
６１ 加速器
６２ （加速器）本体
６３Ａ〜６３Ｃ 環状通路
６４Ａ〜６４Ｃ 高周波電極
７２ マスク部材
Ｗ ウェーハ（被処理基体）

Claims (4)

1. イオンを発生させるイオン源と、
   被処理基体が収容配置されるエンドステーションと、
   前記イオン源と前記エンドステーションとの間に形成されるビーム経路に配置され、前記イオン源から引き出したイオンを質量分離する質量分離器と、
   前記質量分離されたイオンからなるイオンビームを周回させる環状通路と、前記環状通路内のイオンビームに所定電圧を印加する高周波電極と、前記環状通路内のイオンビームの軌道を修正するビーム偏向手段とを含み、前記イオンビームを所定のエネルギーにまで加速する加速器とを備え、
   前記環状通路が、前記ビーム経路に対して並列的に複数段配置され、これら複数の環状通路から前記所定のエネルギーに達したイオンビームが同時に、または交互に出射される
   ことを特徴とするイオン注入装置。
2. 前記ビーム偏向手段が、前記環状通路内に前記イオンビームの軌道修正用電場空間を形成する電極群からなることを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
3. 前記加速器にて加速されたイオンビームを前記被処理基体に対してスキャンするスキャナが設けられ、該スキャナのスキャン周期が、前記加速器からパルス状に出射されるイオンビームのパルス間隔よりも小さく設定されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のイオン注入装置。
4. 前記エンドステーションには、前記被処理基体に対するイオン照射領域またはイオン注入領域を定める開口部を備えた導電性のマスク部材が、前記被処理基体に離間して配置される請求項１から請求項３のいずれかに記載のイオン注入装置。

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