JPH03263748A - イオン注入装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業−に〇〕利用分Ｗｆ） こ［株］発明は、半感体ω製造なとに用い（１れるイオ
ン注入装置ｃ：ｒ関するもωである。

〔従来の技術〕

第１５図は、たとえば特開昭６２〜２４１２４７号公報
に記載された、従来のイオン注入装置０）−例を示″す
構成図である。図において、２１はイオン往入室ナヤン
バ、２２はイメンビー・・ム、２３は被処理つ：３１、
ハ２４が載置されるデースフ、２６はディスク２３に接
続、された−（：４ンビーム電流萬１．２７はイオンじ
−ム補正レンズ、３２は電ｆ・レンズ２７を３ント１１
−ルする：２Ａント「ト・−ラ、３３はイオンビーＪ、
測定手段、８３４はソアラデーゲ・−ジである。

次に動作Ｃ＝ついヱ説明する。

・イオ：、／？主人室−ｆヤンバ２１中に紙面左ω方よ
りイオンじ−ム２２が飛来し、これが同転゛４るディス
ク２３Ｊ−に並次られた被処理つ〕、ハ２４　！ｒ′注
入される。このＹイスク２３はソアシデーゲー　：”、
Ｘ１３６の底４．形成Ｌ・ており、ディスク２３！ｊ接
続５〜れたイオンビーム電流側２６により、ソア・“ン
デ・−ゲージ３４に飛来する。イメンじ−・ム蓋４測定
することができる。ソアラデ　ゲージ３４に到達する直
前において、イオンビー・ム２２はイオンじ−ム補正レ
ンズ２７とイオンビーフ９測定”１段３３を通過する。

イオンビーム測定１段３３を被処即Ｔシエハ２４側から
見ると、第１６図に示すようになっＣいる。

同図を参照して、高融点金属からなるプローブ２９が七
−夕４０によって適当な角度回転駆動され、イオンビー
ム２２を垂直Ｇご横切ること心こより、電流５１４１に
電流が流れる。平−夕４０にはポテンショメータとロー
タリエンコーダが取旬つけであり、電流計４１か得られ
るイ言号を適当な量刑をとってオ：ン０ス：」−ブに描
かせるり、第１７脚に示すような波形が得られる。第１
７図の波形やａ。

ｂの位置から、イオンビームの縦方向の長さ、位置、ビ
ーｌ４山大まかな形状が得られる。この情報をコント０
−ラ３２が受けて処理し、イオンじ一ム補正しメンズ２
７を制御することにより、４オンビーム２２が補正され
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記のような従来σ〕イオン注入装置で
は、回転デＡスク２３の前に・イオンビーム補正レンズ
２７を挿入ずゐために、装置が大型化かつ複雑化し、生
産コストの高む）ものとなる。

また、ビーム補止レンズ２７が挿入されればビーム輸送
距離が続くなるため、輸送途中で中？／４粒子に衝突し
て散乱するイオンの数が増加し５、ビームの輸送効率が
下がる。これを肪東する必要性から特にビームの輸送効
率を重視する大電流型イオン注入装置では０、現在主流
となっ°こいるプリデボジシジン型注入装置（たとえば
「電子・イオンビームハンドブックｉ　ｆ１５８６参照
）のように、シー・・ムの輸送距離を極力短（するため
Ｃ，″イオンビーム補正レンズの挿入を断念せざるを得
す、イオンビーム電流および電流密度の適正化制御が困
難になるという問題点かあ、、た。

この発明は１：記問題点を解消するため、イオンビーム
補正レンズを用いない簡単な構成で、イオンビームの輸
送効率を落さずにイオンビームの電１Ｉｉｔ（１１およ
び電流密度分４］を「」動的に制御できる・イオン注入
装置を得ることを目的とする。また、この発明は、イオ
ンビーム電流密度分布測定装訂のないイオンｔ、を人装
置でもビームの電流密度分布の自動制御が可能なイオン
注入装置を得ること、ビー・ム水平・＠直ｈ’　ｌｉ’
ｉｌを同時に自動制御する高粕度なビームの制御ができ
るイオン注入装置を得ること、さらに素子の静電破壊率
の低減と同時に生産性の向上をも考慮したビーム制御の
で爲る・ｒオンン１人装置を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係るイオン注入装置は、ビーム引き田し７電
極の（１７置を内勤的に調整できる引き出し電極制御機
構を設け、アークチャンバとビーム引き出し電極上の間
の距離を調節することにより、イオンビームの電流景及
び電流密度分布を制御するようにしたものである。

また、この発明に係るイオン注入装置は、質量分離器の
磁極端角度のビーム入射側と出射側の両方を同時に自動
制御できる機構を設け、質量分離器の入射角と出射角の
両方を理論計算に基づいた定量化により同時に自動制御
するようにしたものである。

また、この発明に係るイオン注入装置は、イオン電流密
度分布測定装置を用いてフィードバック制御するに際し
て、設定最大電流密度をこえない最大注入電流量が得ら
れるようにフィードバック制御を行なうようにしたもの
である。

〔作用〕

本発明においては、アークチャンバとビーム引き出し電
極との間の距離を調節することにより、イオンビームの
電流量及び電流密度分布を制御するようにしたから、イ
オンビーム補正レンズが不要となり、ビーム輸送効率の
低下を防止できる。

またビーム引き出し電極位置を自動制御することにより
、ビーム引き出し部での規格化パービアンスを考慮した
ビームの制御が可能となる。上記の制御をパービアンス
の概念を用いた理論計算に基づく定量化によって行えば
、ビーム電流密度分布測定装置のない、もしくは簡易的
な測定装置しか持たないイオン注入装置でもイオンビー
ムの制御が可能となる。ビーム電流密度分布測定装置の
設置されているイオン注入装置では、より高精度なビー
ム制御が可能となる。

また、この発明においては、質量分離器の入射角と出射
角の両方を理論計算に基づいた定量化により同時に自動
制御するようにしたから、ビームの垂直方向、水平方向
の両方の広がりを同時に制御することができ、被処理ウ
ェハ上で精度よく所望のビームサイズを得ることができ
る。

さらに、この発明においては、イオン電流密度分布測定
装置を用いたフィードバック制御が、設定最大電流密度
をこえない最大注入電流量が得られるように行なう構成
としたから、生産性と歩留り（低静電破壊率）を高い次
元で満足するイオンビームの制御が可能となる。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を図について説明する。

第１図は本発明の第１の実施例によるイオン注入装置の
構成を示す図であり、図において、１はイオンを発生す
るアークチャンバ２とアークチャンバ２よりイオンを引
き出す引き出し電極３とを有するイオン源、５はイオン
注入室、６はイオン注入室５内に設けられた回転ディス
クであり、回転ディスク６に被処理ウェハ２８が載置さ
れる。

また７はイオンビーム測定手段、８はビーム引キ出し電
極駆動手段、ｌＯは制御手段である。

次に動作について説明する。

イオン源ｌ内のアークチャンバ２から発生したイオンは
ビーム引出電極３によって引出され、イオンビームｌｌ
ａとなって射出される。イオンビームｌｌａは質量分離
器２５を通過することによって、必要とするイオン種の
イオンビームｌｌｂのみがイオン注入室５へ照射される
。イオン注入室５内へ照射されたイオンは、イオン注入
室５内に設けられた回転ディスク６の上に載置された被
処理ウェハ２８に注入される。

イオンビームｌｌｂが照射される位置に対応する回転デ
ィスク６の下方には、イオンビームの電流量および電流
密度分布を測定するイオンビーム測定手段７が配されて
いる。このイオンビーム測定手段７によって得られた計
測データを制御手段１０が受けて処理し、それに基づい
て引出電極駆動手段８の駆動が制御される。その結果ア
ークチャンバ２と引出電極３の距離が調整され、イオン
ビーム１１ａ、１１ｂが補正される。

このイオンビーム測定手段７としては、たとえばマルチ
ホールファラデ一方式のイオンビーム検知器を走査する
方法のものが最も精度良く測定できると考えられるが、
第１５図の従来装置におけるイオンビーム測定手段３３
と同様のものを用いることも可能である。

第１図において、アークチャンバ２からビーム引出電極
３によってイオンビームが引出される。

イオンビームは、正の電荷を持ったイオンの集まりであ
るため、特にイオンの密度が高いときにはイオン相互間
の反発力番７よってビームが拡がる現象が仕じる。これ
を一般に「イオンの持つ空間電荷による発散（と呼んで
いるが、まず、この空間電荷によるビームの発散を無視
した場合の制？ＩＩＩ（第一次制御）を朽なう。空間電
荷によるビームの発散を無視した場合の最小のビーム発
散角を４えるビーム引出電極２３とアークチャンバ２２
の距ＨＤは、たとえば「石用顧三著、イオン源工学。

アイオニクス株式会社発行Ｊ　Ｔ）　１．７８〜・ｐ　
１１３６の理論および数式から導かれ、次のように表さ
れる。

ここで、Ｓは引出孔の面積、Ｃは引出孔が円孔のとき０
８６、スリットのとき０．６８となる定数、ε。は真空
の誘電率、αは実効比電荷、Ｉは引出電流、■は引出電
圧である。

但し上配実効比１！１．荷αは以下の式で表される。

ここでｍｉ、Ｚｉ、Ｉｔはそれぞれ■に含１Ｌれる各種
イオンの質量、イオン価数、電流量、ｅは素電荷である
。

Ｌ記の式におけるＳ、Ｃは各装置に応じて決まる定数で
あり、注入条件とし２てｖ、１が設定される。このとき
の１に応じたαが実験など番こより既知であれば、制御
手段３０が各種演算処理を施すことによりＤの値を計算
し、ビーム引出電極２３の位置調整を駆動手段３１を通
じて行なうことにより、空間電荷による発散が無視でき
るときの最も収束性の良いビーム引出しが実現されるこ
とになる。以上が第一次制御である。

なお、αは質量分離器２５を用いて実験的に容易に求め
られる。

引出されたイオンビームは質量分離器２５を通過後必要
なイオン種のみのビームに分離された後、イオン注入室
５に設８８れた回転ディスク６１′：の被処理つ１ハ２
８に照射される。イオンビーム測定手段７は被処理ウェ
ハ２８に照射されるビームの電流蓋および電流密度分布
を測定する。このとき、空間電荷によるビー１、の発散
が無視できる場合には、測定される電流蓋は最大値を示
すことになる。

しかし、空間電荷効果が無視できず電流蓋が最大でない
場合、もしくは電流蓋が最大でも電流密度に大きな偏り
がありこれを補０したい場合には、さらに下記σ）よう
なより精密な制御すなわち第二次制御を行う。

第１１図は、イオンビーム測定手段７によって実測され
たイオンビームの電流蓋および電流密度分布（ＤＤ（ア
ークチセンバε引赤出し電極の距離）依存性をグラフに
表才〕シたものである。　１ＩｉＪ図の横軸は、２．ｈ
、ｃ、ｄの順にＤが等差的に大きくなることを示してい
る。またａ　−ｄにおけるディスク走査方向の積算ビー
ム電流密度分布は、第１２図に示すＬおりである。第１
１図および第１２図かられかるようＣ４こ、■）の変化
はビームに対して収束レンズと同様の効果を持つ。従っ
“Ｃ，電流蓋を最大にしよう占する場をにはＤ（７３値
をｄの方向へ変化させ、イオンビーム測定手段７によっ
てｚ定される電流蓋が最大になるように制御手段１０が
フィードバック制御を行なう。また、電流密度分布の均
一化を図ろうとする場合には、Ｄの値をａの方向へ変化
させ、イオンビーム測定手段７の電流密度分布を監視し
ながら制御手段１０がフィードバック制御を行なう。こ
のときの監視パラメータとしては、たとえば最大電流！
Ｊｆ、もしくは最大ｉｉ清流密度平均電流密度の値を設
定し、これらの値を越えない最大の電流量が得られるよ
るに制御手段］Ｏが制御を行なう。

以上のような制御を行なえば、イオンビーム補正レンズ
を挿入せずにイオンビームの調節を行な・うため、ビー
ムの輸送距離が増加せず、したがってビームの輸送効率
を低下することなくイオンビーム電流置および電流密度
分布の目動制御が行なえる。

なお上記の制御が、リアルタイムで連続制御を行な・）
シリアル制御および適当な時間間隔をあけてイオンビー
ム調整を行なうバッチ処理のいずれにも通用できるこε
は言うまでもない。

また、上記第二次制御は、第一次制御で用いたＤの関係
式を補正する意味を持つ、上記りの関係式の中で変更可
能なパラメータはＤと１であり、上記実施例ではＩを固
定としＤを調整することにより補正を行なったが、逆に
Ｄを固定としＩを調整する制御としてもよい、■はプラ
ズマ密度に比例し、プラズマ密度はアーク電流に比例す
るため、一般に夏はアーク放電電流によって変化させて
いる。したがって上記第二次制御はＤの代わりにアーク
放電電流の微調整をすることによっても同様の効果が得
られる。

さらに、上記実施例ではこれらの制御を質量分離後のイ
オンビームをモニタすることにより行なっているが、質
量分離前のビームのモニタによる制御も可能である。こ
のとき特に電流密度分布の制御時には、質量分離前と分
離後のイオンビームの電流密度分布の相関を計算等によ
り予め求めておく必要がある。

第９図は例えば特開昭６２−２４３２３１号公報に示さ
れた従来のイオン注入装置の概略を示す図であり、図に
おいて、１０１はイオンビーム、９２はイオン源アーク
チャンバー（イオンソース）、９３は引き出し電極、９
４は質量分離器（アナライザマグネット）、９９は質量
分離器のポールチップ、１０２は可動分析スリット、１
０３は底形スリット（マスク）、１０４はウェハ、９７
はイオンビーム１ｉ流密度測定装置（プローブ）、１０
０はイオンビームプロファイル制御手段、１０５はイオ
ンビームの焦点、１０６はイオンビーム電流密度分布測
定手段、１０７は最大イオンビーム電流密度設定手段、
１０Ｂはイオン注入決定手段、１０９はプローブ位置制
御手段、１１０はポールチップの回転軸である。

次に動作について説明する。

イオンソース９２は、不純物イオンのプラズマを作り、
引き出し電極９３はプラズマ中からイオンビーム１０１
を引き出す。アナライザマグネット９４は、磁界をイオ
ンビーム１０１に対し垂直に発生させ、イオンビーム１
０１の進行方向を曲げる。ポールチップ９９は、ポール
チップ回転軸１１０を中心にして、イオンビーム１０１
の出射角Ａを変えられるようになっている。この出射角
Ａの変化により、イオンビームの焦点１０５の位置が、
アナライザマグネット９４側に近づいたり、遠ざかった
りする。分析スリット１０２はイオンビーム１０１を分
析し、イオンビーム１０１の純度を高める。マスク１０
３はイオンビーム１０１が必要以上に広がることを抑え
るものである。プローブ９７はＭＯＳ−Ｉ　Ｃ等が形成
される半導体ウェハ１０４にイオン注入を行う前に、イ
オンビーム１０１を受け、イオンビーム電流密度分布測
定手段１０６により、イオンビーム電流密度分布を測定
する。最大イオンビーム電流密度設定手段１０７により
、最大イオンビーム電流密度値を設定し、この値と測定
した値とをイオン注入決定手段１０８で判定し、判定結
果が注入実行可能であれば、プローブ位置制御手段１０
”９によってプローブ９７の位置を制御する。上記判定
結果が注入実行不可能であれば、イオンビームプロファ
イル制御手段１００がポールチップ９９を動かす。

以上のようにしてイオンビーム最大電流密度分布が制御
され、静電破壊による歩留りの低下を低（抑えることが
できる。

しかしながら、上記従来装置による制御の方法では、ビ
ーム電流密度分布測定装置のないイオン注入装置に適用
することは不可能である。また、質量分離器のビーム出
射角のみによりビームのプロファイルを制御しているの
で、ビームの垂直方向かもしくは水平方向のみに着目し
た制御しかできず、ビームの水平・垂直方向を同時に自
動制御することは不可能である。さらに、静電破壊率は
最大電流密度に依存し、生産性は注入電流量に依存する
が、上記制御では最大電流密度のみの制御、つまり静電
破壊率のみに着目した制御であり、生産性を考慮してい
なかった。なぜなら、例えば第６図に示すように、はと
んど同じ最大電流密度を持ちながら電流量が明らかに違
う場合が存在するからである。なお、第６図（ａ）は２
次元電流密度分布を示し、第６図（ｂ）はそのＡ−Ａ’
断面の電流密度分布を示している。

第１０図は本発明の第２の実施例によるイオン注入装置
の構成を示す図であり、図において、第」図と同一符号
は同−又は相当部分であり、３５はビーム引き出し部で
の規格化パービアンスの概念を用いた理論計算に基づい
た定置化により、アークチャンバ２と引合出し電極３と
の間の距離を制御する制御手段である。

次に動作について説明する。

第１０図においで、ア・−クチャンパー２で捗戊された
プラズマから引合出し電極３によってイオンビームｌｌ
ａが引合出きれる。引き幽されたビーム１１は買置分離
器４を通過後、必要なイオン種のみのビーム１１．　ｂ
に分離された後、イオン注入室５に導入され、回転ディ
スク６上に保持きれたウェハ２８に照射されることにな
る。

ここで、引き出し電極位置における最外部粒子の発散角
ωは前閉の１イオン源工学ｊ　ｐ、　１８３〜・１８６
により、空間電荷が無視できるとき第１次近似では次式
のよう・に表きれる。

（ｉ）単孔電極 ここで２ａは引合出し間［１部の長さ、ｄはアークチャ
ンバーと引き出し電極との距離である。

（１１）スリット電極系 ここでＰはビーム引き出し部での実測バ・−ビアンスで
あり、以下ω式で与えられる。

ｐ　＝　ｘ　ｉｘ／Ｖ”” Ｌｘは引き出し電流、Ｖは加速電圧（引きＳＪ　Ｌ　）
である。

また、Ｐｃは平行平板近似耐算によるビーム弓き出し部
でのパービアンスであり、以下の式でｉｌｉえられる。

ε。は真空の誘電率、Ｓはビーム引合出し７部の開口１
１ｉＩ積、Ｚはイオン価数、ｅは素電荷、ｍ、はイオン
の買置である。

また、ビーム発散角ωとＸ（１”、　　ｙｅ’□との関
係は次のようになる。

−ム引き出し部での規格化パービアンスＰ　／　Ｐ　ｅ
がわかればウェハ上でのビームサイズの計算が司能とな
るためＰ　／　Ｐ　ｅの値を制御するこＬによりウェハ
上でのビームサイズの制御が可能となる。

なお実際のイオン注入装置では装置に止って引き出し系
の条件の違い、例えば引き出し電極の形状の違いにより
、上記計算をそのまま通用で赤ない場合もある。モの場
合には、その装置固ものファクターをかけた、ｆＰ／Ｐ
ｃの（直で制御ずれは［良い、ＰおよびＰｃの式から、
Ｐ　／　Ｐ　ｅ　＠変化させるには！。、Ｖ、ｄを変化
きせるとよいことがわかる。しかしプロセス側から注入
深さ等を指定されるε■は一定値に定まり、ｉｔｘは注
入１を情景と深（係わっており注入電流型は制御の対象
さなることから、ｌＥｘは注入電流型の制御に用いるべ
きである。従ってＰ／Ｐｃ制御には６の値を用いるとよ
い。例えば第７図から、あるイオン注入装置においてア
ーク電流は一定で、ｄを８＋５！ａ−１４！［１１１に
渡って変化させるとＰ　／　Ｐ　ｃは０．２２から０．
６８の範囲で変化しているがＩ［Ｘの値はほとんど−・
定であることがわかる。これは、アーク電流を変化さセ
ない限りプラズマ密度は一定であることによる。また例
えば第８図から、ある注入装置においてＰ　／　Ｐ　ｅ
の値が同じであればｌ。が違ってもビームプロファイル
はほぼ同じような形をとることがわかる（電極景による
ビーム分布の違いが島るのは、ビーム引き田しの後の空
間電荷効果によるものと考えることができる）６従って
ウェハｔで所望されるビームのサイズを設定すれば、引
き出し電流量などの測定値などからａｔ算・制御手段３
ｂがｄの値を計算し、引き出し電極駆動機構８を動かし
“てビーム１１を制御することが可能になる。このとき
の制御アルゴリズムの一例を第２圓に；ｊＸｌ。

ところで、上記第１の実施例は、ビーム引轟出し時のビ
ーム発散角の制御を行なうものであるが、本実施例のよ
うなビーム輸送系でのウェハ上でのビームの位相座標は
、例えば「イオンビームズウィズアプリケーショントゥ
イオンインブランテーシッンＪ　　（”ＩＯＮ　ＢＩＩ
ＡＭＳ　ｗｉｔｈ　ａｐｐＨｃａｔｌｏｎ　ｔｏ　１ｏ
ｎｉｓ−ｐｌａｕｔａｌｌｏｎ”　Ｐ、２０７〜Ｐ、２
１３　）よりマトリンクス表示を用いて次のように求め
ることができる。

２はその距離 二分析電磁石出口の端部効果によるものなお、βはビー
ム出射角である。

二分析電磁石 ρは曲率半径、φは偏向角 Ｘ：水平方向 ｙ：垂直方向 ここで（Ｍ）は各部でのトランスファーマトリクスで、
各々次のように与えられる。

：分析１ｔｉｉ石出口からウェハまでの直線部、Ｌ：分
析電磁石入口の端部効果によるものなお、αはビーム入
射角である。

：イオン源から分析電磁石入口までの直線部、ＬＬはそ
の距離 ：分析１ｉ磁石出口の端部効果によるもの：分析電磁石 ；分析電磁石入口の端部効果によるものただし、ρは曲
率半径、φは偏向角である。

従って、イオンビームを構成する粒子のうち、所望する
イオン種の最外部軌道を上式を用いて計算すればウェハ
上でのビームサイズが得られることになる。

即ち、上記式のより質量分離器２５の入射角及び出射角
を変化させることによっても（ｘ’ｙ’　）の値の制御
が可能である。

第１３図はこの点に着目した本発明の第３の実施例によ
るイオン注入装置の質量分離器の制御構成を示す図であ
り、図においてｉはイオンビームを出射するイオン源、
１４は出射されたイオンビームのビーム軸である。また
１２は質量分析電磁石であり、上記第１．第２の実施例
において質量分離器を構成するものである。１９ａ、１
９ｂはそれぞれ質量分析電磁石１２の入射角可変磁極。

出射角可変磁極であり、パルスモータ等により駆動され
る。２４は被処理ウェハ、７はビーム強度分布検出器、
３１はビーム強度分布検出器７の出力に基づいて質量分
析電磁石１２の制御を行なう制御計算器である。

次に動作について説明する。

イオン注入装置の用途は様々であり、例えば半導体製造
に使用する場合、ウェハに任意のイオンを打ち込んで必
要な原子の層を作りだすのに利用される。ウェハに注入
するイオンの種類はボロン（Ｂ）、ヒ素（Ａ　ｓ　）等
数多く要求され、例えばボロンを注入する場合、まずイ
オン源１にボロンのガスを入れイオン化し、必要なエネ
ルギーで引き出す、しかし、引き出されたボロンビーム
の中には必要な１１Ｂ以外に１ｃ′Ｂ等の不要なイオン
が存在する。そのため質量分析電磁石２を通すことによ
り様々なイオンを振り分は必要なＩＩＢだけをウェハに
輸送する。ここで、ウェハ設定位置上で要求きれるビー
ムサイズはり工への大水さより決められるが、・イ寸ン
源１から引き出されたビー・ムは一般的なセクター型分
析！磁石を通過する場合、水平方向には集束きれるが、
垂直方向には何σ）イ１用も受けないためつエバ上でビ
ームは雉直方１ｉｉｊ　Ｃご大きく拡かつでしまう。

モのため、本実施例の分析！磁石１２は１ｉ１分離の機
能に加えて水平、垂直の二重の集束作用を持たセでビー
ムの整形を行な・）ための入射角ｌｌ１１変磁極１９ａ
と電対角可変磁極１．９　ｂを設けたも山である。

第１３図巾のα、βは前述の座標決定σ〕たぬσ）式の
説明中で与えｈれるα、βにそれぞれ対応′づるもので
あり、図におい・で矢印ω方１ｉ１がρ〉０（このと春
夏−＊収束１　ｙ→発散〉、矢印巾方向がα（０（こω
εをＸ−＋発散、ｙ〜◆収東）である、即ち、共にｆ山
場合は水平方向に集束力１垂直力間に発散力をちえ、真
の場合にはくの逆の力をり、える、このようなビー１．
輸送系における粒子０振舞いは上述したｔおりであるが
、入射角と用射角を変えることによりウェハＬで任意の
ビー・ムサイズが得られるため、本実施例のように入射
角と１１１制角をを角変できるようにしζおけば、装置
製作後たとえＡオン源から所定のビームが得られなか９
゜た場合でも入射角と出射角を適切に同時心こ変えるご
とにまり、リエハ上で折重のビ・〜ムジイズが得られる
。

このように本実施例では入射角α、出射角βの値を創算
により導出し７、欠。ｙ力向に丁型ω収束作用を持た七
でビーム整形を行・）ことがでΔるため高猜度なビー・
ムの０動制御がｒｉＪ能となる。

さらに、例えば末弟３の実施例による制御と４−２記第
２山実施例による引き出し電極３の位置制御とを組み会
わせること番こより、質量分離器４に入射する前のビー
ムの発散角を引き黒し電極によりできるだけ小さく押ぎ
え、入・出射角α。β乙こよリビームの整形を行うどい
・う形で制御すれば、ビーム輸送効率が高くなり、か−
ノビーム高精度な制御が８１能となる。こｍときの制御
アルゴリズノ・の例遠第３図に示す。またこのと永引き
出し電極３による制御をイオン源の変動などに対処し７
た一定のビームを引き出すための制御と見なせば、制御
範囲が広がったと解釈することもできる。また、引き出
し電極３の制御と山射角β（もしくは入射角α）の制御
を組み合わせるだけでも、出射角βのみの制御に比べて
制御範囲は法くなる。

上記第２゜第３の実施例の動作説明におし１で述べた制
御はビ〜ムω空間電荷効果による発散が無視できる場合
には有効であるが、空間電殉効象が無視で赤ない場合に
は空間を荷効果を取り入れた計算により制御を行う必要
がある。このａｌ・算方法の概要は前舵の方法とほぼ同
じであるが、モの上に空間１を荷効果の影響を薄肉レン
ズ近似して耐算従って、水平・垂直方向共に発散力を４
えるレンズがビーム輸送系にＥの間陽で配置された形と
なる。その薄肉レンズのしランスファーマトリクスはビ
ームの電荷密度分布が均一であるｔすると次式′ｃ、％
−えられる・ ここで、εは電荷数／質景数、ηは中和率、ｍ。ｃ２は
陽子の静止エネルギー、βはイオン速度／光速、ａはビ
ーム断面を楕円とした時の水平方向半径、ｂはビーム断
面を楕円とした時ｌ１７′）乗直力向半径である。

上式からも分かるようＧ二空間電荷の影響による発散力
はビーム径に関辱しているため、実際ａ）計算ではビー
ム径をビーム軌道に沿って顧次計算しながら発散力をち
えている。つまり、イオン源から１１．だけ空間電荷の
影響を無視して進んだ時ωビーム径を求め、奇のビーム
径から空間電荷の影響による発散力を止式を使って求め
てビームに発散力をｂえ、それにより変わった工Ｑ７タ
ンスの形を初期値として同様の計算を続けて行く。この
制御ではあらかじめイオンビームの電子による中和率を
実験等により求めておけばより正確な制御が可能となる
。

以上のようにすれば計算によりウェハ上のビームサイズ
を自動制御でき、ひいてはビーム電流密度の自動制御が
可能となる。しかし、上記の自動制御よりもさらに精度
の高い電流密度分布の自動制御が必要な場合やビームの
非線形効果が無視できない場合などには電流密度分布測
定装置７を用いた測定結果をもとにフィードバック制御
を行うと良い、このときの制御アルゴリズムの一例を第
４図に示す。

これまで述べてきた制御は静電破壊率のみに着目した制
御であったが、生産性の向上を図るためには高電流量か
つ低静電破壊率であることが望まれる。従って、実際に
は電流密度と注入電流量の両方を高い次元で融合させた
制御が望ましい、その自動制御アルゴリズムの一例を第
５図に示す。

このアルゴリズムは、設定最大電流密度の値を起えない
最大注入電流量が得られるようになっている。

以上のような制御を行えば、従来の注入装置より歩留り
及び生産性の向上したイオン注入装置を得ることができ
る。

上述のように、引き出し部分でのパービアンスの概念を
用いた理論計算に基づいた定量化によりアークチャンバ
と引き出し電極の間の距離を制御する手段、上述の理論
計算に基づいた定量化によって質量分離器へのイオンビ
ームの入射角及び出射角を制御する手段に加え、上述の
フィードバック制御のためのイオンビーム測定手段を備
えた構成の、本発明の第４の実施例を第１４図に示す。

図において、ｌはイオン源、２はアークチャンバー、３
はビーム引き出し電極、４は質量分離器、５はイオン注
入室、６は回転ディスク、７はビーム測定装置、８は引
き出し電極駆動系、９ａ、９ｂは質量分離器の入射・出
射角可変機構、１０は計算制御系、１１はイオンビーム
である。

なお、この発明における自動制御はリアルタイムな連続
制御（シリアル制御！ｌ）にも、適当な時間間隔をあけ
て行うビーム調整（バッチ処理）にも適用できる。

Ｐ　／　Ｐ　ｃの値を用いた自動制御においては理論計
算を行う部分が装置の一部として存在しても良いし、計
算のみ他の装置で行うかもしくはＰ／ＰＣに応じたビー
ムの測定を行って最適なＰ　／　Ｐ　ｃの値を前もって
ｌｉｔ認しておき、その値を設定することにより装置は
ただＰ　／　Ｐ　ｃＯ値に応じた位置にｄの値を自動制
御するという形でも良い。

電流密度分布測定装置７を用いたフィードバック制御に
おいては理論計算の補正という形で用いても良いし、フ
ィードバック制御単独で用いても良い、さらに従来の例
のフィードバック制御においては質量分離後のビームを
計測することにより行っているが、質量分離前のビーム
のモニターによる自動制御も可能である。この場合は質
量分離前と分離後のビーム相関を計算もしくは実験によ
り確認しておく必要がある。

最大電流密度を制御パラメーターとして用いる自動制御
においては、最大電流密度のかわりにウェハのファース
トスキャン方向の積算電流密度の最大値もしくは、積算
電流密度に素子の横幅をかけあわせた素子への注入電流
量を制御パラメータとして自動制御を行っても同様の効
果が得られる。

また、これまで述べてきた自動制御においてはイオン源
が（ある程度）正常な状態であることを想定した制御と
なっている。しかし、フィラメント変換時にイオン源の
セツティングがずれ、引き出し電極とアークチャンバー
のビーム引き出し部が軸ずれを起こしてしまった場合や
、フィラメントの消耗が端部などに集中してしまいプラ
ズマ分布に大きな片寄りが出来てしまった場合には、注
入されるイオンビームの分布にも大きな片寄りが出来て
しまい、これらの自動制御が有効に働かない場合も起こ
り得る。従って簡易的なものも含めてイオンビーム電流
密度分布測定装置が付加されているイオン注入装置にお
いては、ビーム分布を測定した際に分布に大きな片寄り
がある場合にはアラームを出すようにすればよい、この
アラームが、イオン源のセツティング直後に出きれれば
、ビーム分布の片寄りがなくなるように引嚢出し電極も
しくはアークチャンバーのセツティングを調整すれば良
いし、またこωアラームが、イオン源セツティング（フ
ィラメンＬ交換）後、ある程度の時間を経て出されたの
であれば、フィラメントが切れてなくてもフィラメント
変操を行えぽ段い。

このようにすれば、じ−ムの分布は大きく片寄ることが
なくなり、上記の０動制御は有効に１１用する。

また、実施例のなかで示した自動制御゛アルゴリズムの
うち第２図〜第３図では、最初にビームのサイズを設定
するようにしである。しかし静電破壊率の低減占いう観
点からは、例えばビー・ム０身がファラデーカップの側
壁に当たって電流！読み取り誤差を起こきなし１範囲で
広がっているのが良く、またこの広がり（すなわちビー
ムサイズ）は装置固有のものであるｋめ、あらかじめＬ
ｏ−ムサイズを定数として計算装置に記憶させても良い
。

なお、これまで述べてきた発明は主にＴ導体の製造に用
いられるイオン注入装置に関するものであったが、ビー
ム分布の均〜化自動制御という観点からは他の目的（例
えば金属の表向改質等）に用いられるイオン注入装置な
どＣも適用範囲を広げることができる。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、アークチャンバとビー
ム引き出し電極、！：ｒＤ間の距離を調節することによ
り、イオンビームの電流量及び電流密度分布を制御する
ようにしまたから、イオンビーム補止レンズが不要とな
り、ビーム輸送効率の低ｒを防止できる効果がある。ま
た、Ｌ記アークチャンバとビーム引き出し電極と０間の
ｉｌ！！！離の調節はビーム引き田し部における規格化
バー・ビアンスの概念を用いた理論計算に基づ（定置化
により可能なため、ビーム輸送路連山、あるいはイオン
注入室でのイオンビーム測定手段を持たな（とも制御が
可能であり、装置規模の小型化を図ることがで赤る効果
がある。

また、この発明によれば、買置分離器の入射角と出射角
の両方を理論計算に基づいた定量化（、：より同時に目
動制御するよらにしたから、ビームの垂直方向、水平方
向の両方の広がりを制御することができ、非処理ウェハ
」−で精度よく所望のじ−ムサイズを得るこｔがで肖る
効果がある。

さらに、この発明によれば、イオン電流密度分布測定装
置を用いたフィードバック制御が５．設電最大を液密度
をこえない最大注入１流景が得られるように行なう構成
としたから、低静電破壊率でかつ生産性の向上したイオ
ン注入装置を得ることがでΔる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例によるイオン注入袋Ｘ
の構成を示す図、第２図は！ご一ム引き出し部での規格
化パービアンスの概念を用いた理論計算に基づいてアー
クチャンバとビーム引きｉｌ電極間の距離を調整してｄ
オ・ンビーム制御を行なう制御アルゴリズムの一例を示
す図、第３図はアークチャンバとビーム引き出し電極間
の距離及び質量分離器の入射鈎、出射角の調整をし７″
″１４オンビーム制御を行なう制御アルゴリズムの一例
を示す図、第４図は理論計算によるアークチャンバとじ
−ト引含出（７に極間の距離及び買置分離器の入射鈎、
出射角の調整に加えてイオン電流密度分布測定装置を用
いたフィ・−ドパツク制御によりイオンビーム制御を行
なう制御アルゴリズムの一例を示す図、第５図は理論計
算心ごよるアークチャンバとビーム引き出し電極間の距
離及び質置分Ｈ器の入射角、出射角の調整に加えてイオ
ン電流密度分布測定装置を用い設・足間大電流密度を越
えないようにフィードバック制御し１イオンビーム制御
を行なう制御アルゴリズムの−・−例を示す図、第６図
は注入１ｆ流鳳と電流密度分布の相関を示す図、第７図
は引き田し電極とアークチャンバ間の距ＭＬ引き出し、
電極及び規格化パービアンスの関係を示す図、第８図は
規格化パービアンス及びビーム電流をパラメータとした
と赤の２次元電ｉ密度分布を示す図、第９図は従来の質
量用ＭＨを備えたイオン注入装置の−・例を示す図、第
１０図は本発明の第２の実施例にまるイオン注入装置ω
Ｉｌｌ戒を示す図、第１１図は第２の実施例におけるア
ークチャンバとビーム引き出し電極との距＠Ｄとイオン
ビームの電流及び電流密度分布との関係を示す図、第１
２図は第１１図のＤがａ　−ｄのときのディスク走査方
向の積算ビーム電流分布を示す図、第１３図は本発明の
第３の実施例によるイオン注入装置の質量分離器の制御
構成を示す図、第１４図は本発明の第４の実施例による
イオン注入装置の構成を示す図、第１５図は従来のイオ
ンビーム補正レンズを備えたイオン注入装置の一例を示
す図、第１６図は第１５図の装置のイオンビーム測定手
段を示す図、第１７図は第１６図のイオンビーム測定手
段によって検出された電流密度分布をオシロスコープで
表示した様子を示す図である。 ｌはイオン源、２はアークチャンバ、３はビーム引き出
し電極、４．２５は質量分離器、５はイオン注入室、６
は回転ディスク、７はイオンビーム測定手段、８はビー
ム引き出し電極駆動手段、９ａは入射角可変機構、９ｂ
は出射角可変機構、１０．３１．３５は制御手段、ｌｌ
ａ、ｌｌｂはイオンビーム、１２は質量分析ｔｍ石、１
４はビーム軸、１９ａは入射角可変磁極、１９ｂは出射
角可変磁極、２８は被処理ウェハ。 なお図中同一符号は同−又は相当部分である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）イオンを発生するアークチャンバ及び該アークチ
   ャンバよりイオンを引き出す引き出し電極を備えたイオ
   ン源と、引き出されたイオンのうち注入に必要なイオン
   のみを抽出しイオン注入の対象となる被処理物に輸送す
   る質量分離器と、上記被処理物を載置するイオン注入室
   とを有するイオン注入装置において、 注入するイオン種、加速電圧、電流量などの設定に応じ
   て上記アークチャンバーと上記引き出し電極間の距離を
   ビーム引き出し部での規格化パービアンスの概念を用い
   た理論計算に基づいた定量化により自動制御する制御手
   段を備えたことを特徴とするイオン注入装置。
2. （２）請求項１記載のイオン注入装置において、イオン
   ビーム電流密度分布測定装置と、 該測定装置の測定結果をもとに設定最大電流密度を起え
   ない最大注入電流量が得られるようにアークチャンバー
   と引き出し電極間距離を自動制御する制御手段とを備え
   たことを特徴とするイオン注入装置。
3. （３）イオンを発生するアークチャンバ及び該アークチ
   ャンバよりイオンを引き出す引き出し電極を備えたイオ
   ン源と、引き出されたイオンのうち注入に必要なイオン
   のみを抽出しイオン注入の対象となる被処理物に輸送す
   る質量分離器と、上記被処理物を載置するイオン注入室
   とを有するイオン注入装置において、 上記質量分離器のビーム入射角・出射角の両方を理論計
   算に基づいた定量化によって自動 制御する制御手段を備えたことを特徴とするイオン注入
   装置。
4. （４）請求項３記載のイオン注入装置において、イオン
   ビーム電流密度分布測定装置と、 該測定装置の測定結果をもとに設定最大電流密度を起え
   ない最大注入電流量が得られるように質量分離器のビー
   ム入射角・出射角の両方を同時にフィードバック制御す
   る制御手段とを備えたことを特徴とするイオン注入装置
   。