JPH0636736A - イオン注入装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 イオン注入装置は、イオンビーム５のビーム
電流密度分布を検出してピーク電流密度を検出するビー
ムプロファイルモニタ１３を有する。ビームプロファイ
ルモニタ１３は、ピーク電流密度を監視しながら、イオ
ンビーム中性化装置６を制御してエレクトロンシャワー
の量を制御するコントローラ１２の設定値を調整し、ピ
ーク電流密度が所定値（チャージアップによる素子破壊
を起こすことのない値）以下になるように、コントロー
ラ１２の設定値を自動設定する。 【効果】 従来のようにオペレータがＴＥＧ（Test Ele
ment Group）評価等の煩雑な作業を強いられることがな
く、短時間で自動的にコントローラ１２の最適な設定値
（チャージアップによる素子破壊を起こすことのない条
件）が決定され、迅速にイオン注入処理に取りかかるこ
とが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、イオン照射対象物にイ
オンビームを照射した際の正極性の帯電をエレクトロン
シャワーにより中性化するイオンビーム中性化装置を備
えたイオン注入装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】イオン注入装置は、拡散したい不純物を
イオン化し、この不純物イオンを磁界を用いた質量分析
法により選択的に取り出してイオンビームとし、電界に
より加速してイオン照射対象物に照射することで、イオ
ン照射対象物内に不純物を注入するものであり、半導体
プロセスにおいてデバイスの特性を決定する不純物を任
意の量および深さに制御性良く注入できることから、現
在の集積回路の製造に重要な装置になっている。

【０００３】上記イオン注入装置において、電流密度が
高いイオンビームをイオン照射対象物へ照射すれば、イ
オン照射対象物に過剰な電荷を蓄積させてチャージアッ
プを生じさせ、デバイスの破壊を招来することになる。
このため、チャージアップの緩和には、ビーム電流密度
を所定値以下にする必要が生じる。そこで、通常、イオ
ン源のプラズマ生成室からイオンを引き出すための引出
電極のギャップ長（プラズマ生成室と引出電極との間の
距離）を調整し、イオンビームを発散させることによ
り、イオン照射対象物上のビーム電流密度をチャージア
ップを生じさせない程度に低下させる方法が用いられて
いる。

【０００４】しかしながら、イオン注入装置には、比較
的大きなビーム電流（１０μＡ〜１０ｍＡ程度）でイオ
ン注入処理が行える、いわゆる大電流イオン注入装置が
あり、このようなイオン注入装置の場合、上述の引出電
極のギャップ長の調整だけでは、チャージアップの防止
を図れる程ビーム電流密度を低下させることはできな
い。そこで、このようなイオン注入装置の場合、通常、
フィラメントより放出させた熱電子をイオン照射対象物
のビーム上流側に設けられたニュートラルカップの壁面
に衝突させることによって２次電子を発生させ、この２
次電子をイオン照射対象物にシャワー状に照射させるイ
オンビーム中性化装置を備えている。

【０００５】上記イオンビーム中性化装置を備えたイオ
ン注入装置は、上記のシャワー状の２次電子（以下、エ
レクトロンシャワーと称する）が、Ｂ⁺ 等の正イオンか
ら成るイオンビームを中性化させることによって該イオ
ンビームの電流密度を低下させ、イオン照射対象物の正
のチャージアップを防止できるようになっている。

【０００６】上記イオンビーム中性化装置の動作は、エ
レクトロンシャワーコントローラにより制御される。こ
のコントローラは、入力された設定値に応じて、イオン
ビーム中性化装置の動作を制御し、エレクトロンシャワ
ーの量を制御するようになっており、従来では、イオン
注入処理に入る前、エレクトロンシャワーの量が最適に
なるように、オペレータによって上記コントローラの設
定値が調整されるようになっている。

【０００７】エレクトロンシャワーの量が適正であるか
否かの判断は、通常、ＴＥＧ（TestElement Group）評
価によりなされる。このＴＥＧ評価とは、レジストマス
クによってコンデンサやトランジスタ等の素子パターン
が形成されているテスト用のウエハをイオン照射対象物
として使用し、エレクトロンシャワーの量を変化させた
（即ち、イオンビーム中性化装置の設定条件を変化させ
た）複数回の注入処理テストを行い、このテスト結果か
ら、チャージアップによる素子破壊を起こすことのない
エレクトロンシャワーの最適量（即ち、上記コントロー
ラの設定値）を決定するというものである。

【０００８】即ち、上記従来のイオン注入装置の場合、
実際の注入動作に入る前に、先ずオペレータが上記ＴＥ
Ｇ評価によりエレクトロンシャワーコントローラの設定
値を決定し、その後、ＴＥＧ評価により決定された条件
でイオンビーム中性化装置を動作させて、実際のイオン
注入処理を行うようになっている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のイオン注入装置では、エレクトロンシャワーコント
ローラの設定値を決定するために、テスト用のウエハを
用いて何度も注入処理を行うＴＥＧ評価が必要であるの
で、オペレータにとっては大変煩雑な作業を強いられる
ことになると共に、設定値を決定するまでに長時間を有
し、実際のイオン注入処理に迅速に取りかかれないとい
う問題を有している。

【００１０】本発明は、上記に鑑みなされたものであ
り、その目的は、短時間でイオンビーム中性化装置の設
定条件が自動的に決定され、オペレータがＴＥＧ評価等
の煩雑な作業を強いられることがなく、迅速にイオン注
入処理に取りかかることが可能なイオン注入装置を提供
することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のイオン注入装置
は、上記課題を解決するために、エレクトロンシャワー
によってイオンビームを中性化するイオンビーム中性化
装置と、入力された設定値に応じてイオンビーム中性化
装置の動作を制御してエレクトロンシャワーの量を制御
するエレクトロンシャワー制御手段とを備えたイオン注
入装置であって、以下の手段を講じている。

【００１２】即ち、イオンビームの電流密度分布を求
め、求めた電流密度分布よりビーム電流密度の最大値を
検出するビーム電流密度最大値検出手段と、このビーム
電流密度最大値検出手段により検出されたビーム電流密
度の最大値が所定値以下になるように、上記エレクトロ
ンシャワー制御手段の設定値を変化させる設定値調整手
段とを備えている。

【００１３】

【作用】上記の構成によれば、エレクトロンシャワー制
御手段に対して設定値の入力を行えば、その設定値に応
じてエレクトロンシャワー制御手段がイオンビーム中性
化装置の動作を制御してエレクトロンシャワーの量を制
御する。また、エレクトロンシャワーの量を制御するこ
とによりイオンビームの電流密度を調整することができ
る。即ち、エレクトロンシャワー制御手段の設定値を調
整することにより、イオンビームの電流密度を調整する
ことができる。

【００１４】上記エレクトロンシャワー制御手段の設定
値の入力（調整）は設定値調整手段により行われる。こ
の設定値調整手段は、ビーム電流密度最大値検出手段に
より検出されたイオンビームのビーム電流密度の最大値
が所定値（実験的に求められたチャージアップによる素
子破壊を起こすことのない値）以下になるように、エレ
クトロンシャワー制御手段の設定値を変化させるように
なっている。このように、設定値調整手段は、ビーム電
流密度の最大値を監視しながら、エレクトロンシャワー
制御手段の設定値を調整するようになっているので、本
イオン注入装置では、従来のようにオペレータがＴＥＧ
評価等の煩雑な作業を強いられることがなく、短時間で
自動的にエレクトロンシャワー制御手段の最適な設定値
（チャージアップによる素子破壊を起こすことのない条
件）が決定され、迅速にイオン注入処理に取りかかるこ
とが可能となる。

【００１５】

【実施例】本発明の一実施例を図１に基づいて説明すれ
ば、以下の通りである。

【００１６】本実施例に係るイオン注入装置は、図１に
示すように、ビーム照射対象物としてのウェハ３を円周
上に複数枚装着することができる回転ディスク４を備
え、この回転ディスク４を定速で回転させながら往復並
進移動させるメカニカルスキャン型のものである。

【００１７】上記イオン注入装置は、基本的には、注入
元素をイオン化し、引出電源によりイオンビームとして
引き出すイオン源部、所定の注入イオンのみを選別して
取り出す質量分析部と、ビームを輸送する中でビーム形
状を整形するビームライン部と、注入処理を行うエンド
ステーション部とから構成され、これらの内部は真空と
なっている。

【００１８】上記回転ディスク４は、上記エンドステー
ション部に備えられており、回転ディスク４のビーム進
行方向の上流側には、イオンビーム５の通過経路を囲む
ようにして形成されたニュートラルカップ１が配設され
ている。このニュートラルカップ１の開口部付近には、
負の電圧が印加されたサプレッサ電極（図示せず）が設
けられ、ニュートラルカップ１からの電子の流出および
外部からニュートラルカップ１への電子の流入が抑制さ
れている。

【００１９】また、上記ニュートラルカップ１の側面壁
には、通過孔１ａが形成されており、この通過孔１ａの
側方には、後述のエレクトロンシャワーによってＢ⁺ 等
の正イオンから成るイオンビーム５を中性化するイオン
ビーム中性化装置６が設けられている。このイオンビー
ム中性化装置６は、熱電子ｅ₁ を放出するフィラメント
７およびフィラメント７に接続されたフィラメント電源
８を有しており、上記該フィラメント７は、フィラメン
ト電源８からフィラメント電流が通電されることによっ
て発熱し、熱電子ｅ₁ を放出するようになっている。

【００２０】上記フィラメント７と通過孔１ａとの間に
は、熱電子ｅ₁ の放出量を調整するゲート電極９が設け
られている。このゲート電極９には、ゲート電極９に印
加されるゲート電圧を調整するゲート電圧制御電源１０
が接続されている。上記ゲート電圧制御電源１０の出力
電圧が０（ゼロ）の場合、上記ゲート電極９には電源１
１より一定の負電圧が印加されるので、フィラメント７
から放出された熱電子ｅ₁ が通過孔１ａを通過すること
はない。一方、上記ゲート電圧制御電源１０の出力電圧
を高めてゲート電極９に正電圧が印加されるようにする
ことにより、フィラメント７から放出された熱電子ｅ₁
が電界により引き出され、通過孔１ａを通過する。この
熱電子ｅ₁ は、ニュートラルカップ１の内側壁に衝突
し、このとき衝突面からエレクトロンシャワーを構成す
る２次電子ｅ₂ が飛び出す。このように、ゲート電圧制
御電源１０の出力電圧を調整することにより、エレクト
ロンシャワーの量を調整することができるようになって
いる。

【００２１】上記イオンビーム中性化装置６の動作は、
エレクトロンシャワー制御手段としてのエレクトロンシ
ャワーコントローラ１２により制御される。即ち、この
エレクトロンシャワーコントローラ１２は、イオンビー
ム中性化装置６の各電源８・１０・１１のＯＮ／ＯＦＦ
制御を行うと共に、エレクトロンシャワーの量を制御す
べく、入力された設定値に基づいて電圧制御電源１０の
出力電圧を調整するようになっている。尚、このエレク
トロンシャワーコントローラ１２に対する設定値の入力
は、後述のビームプロファイルモニタ（以下、ＢＰＭと
称する）１３によって行われるが、オペレータによるキ
ー入力操作によっても可能である。

【００２２】また、本イオン注入装置は、上記イオンビ
ーム５のビーム電流密度分布およびビーム形状を検出可
能なＢＰＭ（ビーム電流密度最大値検出手段、設定値調
整手段）１３を備えている。このＢＰＭ１３は、イオン
ビーム５のビーム電流を検出する複数のビーム電流測定
子１４…と、ビーム電流計測回路１５と、Ｉ／Ｏ回路１
６と、ＣＰＵ１７と、画像処理回路１８と、ＬＣＤ１９
とメモリ２０とを有している。

【００２３】上記複数のビーム電流測定子１４…は、上
記回転ディスク４の後方（ビーム下流側）に設けられた
キャッチプレート２内に、Ｘ方向（例えば水平方向）お
よびＹ方向（例えば垂直方向）に所定のピッチで例えば
１７行１７列に配設されている。また、ビーム電流測定
子１４…は、イオンビーム５の電流密度分布および形状
が測定可能なように、イオンビーム５の進行方向に対し
て垂直方向に面状に配設されている。

【００２４】上記各ビーム電流測定子１４…は、ビーム
電流計測回路１５に接続されている。そして、上記回転
ディスク４がイオンビーム５の軌道から外れた位置にあ
るとき、ビーム電流測定子１４…にイオンビーム５が照
射され、上記ビーム電流計測回路１５により各ビーム電
流測定子１４に照射されたイオンビーム５のビーム電流
が計測されるようになっている。上記ビーム電流測定子
１４による計測値データは、Ｉ／Ｏ回路１６を介してＣ
ＰＵ１７に取り込まれる。このＣＰＵ１７は、入力され
る計測値データをビーム電流測定子１４…のアドレスと
共にメモリ２０に記憶させると共に、メモリ２０に記憶
されたアドレスおよび計測値データを基にして所定の演
算を行い、イオンビーム５の電流密度分布および形状を
求めると共に、この演算結果を画像処理回路１８を制御
してＬＣＤ１９に表示させるようになっている。

【００２５】また、上記ＣＰＵ１７は、求めたビーム電
流密度分布からビーム電流密度の最大値（以下、ピーク
電流密度と称する）を演算できるようになっている。そ
して、ＣＰＵ１７は、このピーク電流密度が所定値であ
る0.２ｍＡ／ｃｍ² を超えている場合、ピーク電流密度
が所定値以下になるように、Ｉ／Ｏ回路１６を介して上
記エレクトロンシャワーコントローラ１２に設定値信号
を送出するようになっている。尚、上記の所定値とは、
ビーム電流密度が所定値以下であれば、ウェハ３のチャ
ージアップを防止できる値のことである。上記のよう
に、ビーム電流密度を0.２ｍＡ／ｃｍ² 以下に抑制する
ことにより、ウェハ３におけるチャージアップを防止で
きることが実験によって確認されている。

【００２６】また、上記ニュートラルカップ１、キャッ
チプレート２および回転ディスク４は、カレントインテ
グレータ（Ｃ／Ｉ）２１に接続されており、このカレン
トインテグレータ２１により、注入処理中のイオンビー
ム電流がカウントされるようになっている。

【００２７】上記の構成において、イオン注入装置の動
作について説明する。

【００２８】先ず、イオン源から引き出されたイオンビ
ームが、質量分析器によって質量分析されることによっ
て、特定の正イオン（例えばＢ⁺ ）からなる不純物イオ
ンのイオンビーム５とされることになる。そして、この
イオンビーム５は、必要により加速、整形、偏向等の処
理が行われた後、キャッチプレート２に導入されること
になる（回転ディスク４は、イオンビーム５の軌道から
外された退避位置で停止している）。

【００２９】一方、イオンビーム中性化装置６は、フィ
ラメント電流がフィラメント電源８からフィラメント７
に通電されることによって、フィラメント７から熱電子
ｅ₁が放出されてはいるが、最初、エレクトロンシャワ
ーコントローラ１２の設定値はエレクトロンシャワーの
量がゼロになるように設定されており、熱電子ｅ₁ は、
ニュートラルカップ１内には導入されない。

【００３０】したがって、上記イオンビーム５は、エレ
クトロンシャワーの量がゼロの状態で、キャッチプレー
ト２のビーム電流測定子１４…に到達することになり、
このとき各ビーム電流測定子１４…は、上記イオンビー
ム５の各部の密度に応じた電流を発生することになる。
そして、この電流はビーム電流計測回路１５において計
測され、これらの計測値データがＩ／Ｏ回路１６を介し
てＣＰＵ１７に取り込まれる。ＣＰＵ１７は、上記計測
値データからビーム電流密度分布、ビーム形状、および
ピーク電流密度を演算し、これらの演算結果を画像処理
回路１８を介してＬＣＤ１９に表示させる。

【００３１】また、上記ＢＰＭ１３のＣＰＵ１７は、上
記ピーク電流密度が0.２ｍＡ／ｃｍ² を超えている場
合、Ｉ／Ｏ回路１６を介して上記エレクトロンシャワー
コントローラ１２に設定値信号を送出し、エレクトロン
シャワーの量を増加させる方にエレクトロンシャワーコ
ントローラ１２の設定値を変化させる。

【００３２】このとき、エレクトロンシャワーコントロ
ーラ１２は、設定値に応じてゲート電圧制御電源１０の
出力電圧を高める。これにより、ゲート電極９が正電位
となり、フィラメント７から放出された熱電子ｅ₁ が電
界により引き出されてニュートラルカップ１内に導入さ
れ、この熱電子ｅ₁ の衝突面から２次電子ｅ₂ が飛び出
してエレクトロンシャワーが形成される。このエレクト
ロンシャワーによりイオンビーム５が中性化され、この
結果、ＢＰＭ１３のＣＰＵ１７において検出（演算）さ
れるピーク電流密度もシャワー量に応じて低下する。

【００３３】上記ＣＰＵ１７は、ピーク電流密度が0.２
ｍＡ／ｃｍ² 以下になるまで、エレクトロンシャワーの
量を増加させる方向に、エレクトロンシャワーコントロ
ーラ１２の設定値を変化させ続ける。そして、ピーク電
流密度が0.２ｍＡ／ｃｍ² 以下になれば、続いてウェハ
３が装着された回転ディスク４が注入位置に配され、実
際のイオン注入動作に移行される。

【００３４】以上のように、本実施例のイオン注入装置
は、イオンビーム５のピーク電流密度を検出可能なＢＰ
Ｍ１３を備えており、このＢＰＭ１３は、検出したピー
ク電流密度が0.２ｍＡ／ｃｍ² 以下になるように、エレ
クトロンシャワーコントローラ１２の設定値を変化させ
るようになっている。したがって、本実施例のイオン注
入装置においては、短時間で自動的にエレクトロンシャ
ワーコントローラ１２の最適な（チャージアップによる
素子破壊を起こすことのない）設定値が決定され、従来
のようにオペレータがＴＥＧ評価等の煩雑な作業を強い
られることがないと共に、迅速にイオン注入処理に取り
かかることが可能となる。

【００３５】尚、本実施例では、イオンビームのピーク
電流密度を検出するビーム電流密度最大値検出手段と、
ピーク電流密度が所定値以下になるように設定値を変化
させる設定値調整手段とが、共にＢＰＭ１３により構成
されているが、勿論、ビーム電流密度最大値検出手段と
設定値調整手段とがそれぞれ独立した構成であってもよ
い。

【００３６】

【発明の効果】本発明のイオン注入装置は、以上のよう
に、イオンビームの電流密度分布を求め、求めた電流密
度分布よりビーム電流密度の最大値を検出するビーム電
流密度最大値検出手段と、このビーム電流密度最大値検
出手段により検出されたビーム電流密度の最大値が所定
値以下になるように、エレクトロンシャワーの量を制御
する上記エレクトロンシャワー制御手段の設定値を変化
させる設定値調整手段とを備えている構成である。

【００３７】それゆえ、本イオン注入装置では、従来の
ようにオペレータがＴＥＧ評価等の煩雑な作業を強いら
れることがなく、短時間で自動的にエレクトロンシャワ
ー制御手段の最適な設定値（チャージアップによる素子
破壊を起こすことのない条件）が決定され、迅速にイオ
ン注入処理に取りかかることが可能になるという効果を
奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すものであり、イオンビ
ーム中性化装置を備えたイオン注入装置のエンドステー
ションの要部の構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ ニュートラルカップ ２ キャッチプレート ３ ウェハ ５ イオンビーム ６ イオンビーム中性化装置 １２ エレクトロンシャワーコントローラ（エレクト
ロンシャワー制御手段） １３ ビームプロファイルモニタ（ビーム電流密度最
大値検出手段、設定値調整手段） １４ ビーム電流測定子 １５ ビーム電流計測回路 １６ Ｉ／Ｏ回路 １７ ＣＰＵ １８ 画像処理回路 １９ ＬＣＤ ２０ メモリ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｊ 37/04 Ａ Ｈ０１Ｌ 21/265

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エレクトロンシャワーによってイオンビー
   ムを中性化するイオンビーム中性化装置と、入力された
   設定値に応じてイオンビーム中性化装置の動作を制御し
   てエレクトロンシャワーの量を制御するエレクトロンシ
   ャワー制御手段とを備えたイオン注入装置において、 イオンビームの電流密度分布を求め、求めた電流密度分
   布よりビーム電流密度の最大値を検出するビーム電流密
   度最大値検出手段と、このビーム電流密度最大値検出手
   段により検出されたビーム電流密度の最大値が所定値以
   下になるように、上記エレクトロンシャワー制御手段の
   設定値を変化させる設定値調整手段とを備えていること
   を特徴とするイオン注入装置。