JPH0754690B2

JPH0754690B2 - イオン打込装置

Info

Publication number: JPH0754690B2
Application number: JP63239310A
Authority: JP
Inventors: 克彦酒井; 勝信安部
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-09-24
Filing date: 1988-09-24
Publication date: 1995-06-07
Anticipated expiration: 2010-06-07
Also published as: JPH0287450A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はイオン打込装置に関する。

〔従来の技術〕

従来より、イオンビームを照射してウエーハにイオン打
込みを行う場合、ウエーハ表面上に電気絶縁膜や比較的
高い抵抗値を持つ部分を有すると、これらの部分にイオ
ンビームによる正の電荷が帯電し、最悪の場合には絶縁
破壊等を生じてウエーハの歩留まりを低下させる原因と
なる。

そのため、従来より電子シャワーを用いてウエーハのイ
オンビーム照射領域に電子を供給して、電気的に中和さ
せる対処がなされている。

なお、ウエーハ等の被加工物に電子供給を行う従来技術
としては、特公昭58-42939号，特公昭58-43861号，特公
昭62-12625号，特開昭62-103951号，特開昭62-103952
号，特開昭62-35444号，特開昭62-15446号，特開昭62-1
5447号，特開昭62-14448号公報等の方法が知られてい
る。また、電子供給量の制御については、特開昭62-640
39号，特開昭62-154544号，特開昭62-15745号公報等の
方法が知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、それぞれ優れた点を持つている。しか
し、電子供給のための構成に関するものは、放出あるい
は供給する電子量（電子シャワー量）の決定及び制御に
ついては配慮されておらず、電子量の決定には条件出し
のための試行錯誤的，実験的操作が必要であつた。

また、制御に関する発明においては、電子供給のための
構成に十分な配慮がされておらず、電子量を制御しても
十分帯電を抑えるには至つていない場合があつた。すな
わち、被加工物上でイオンビームの照射領域よりも電子
シャワーの供給領域の方が広く、一致していなかつた。
例えば、イオンビーム照射による帯電量と電子の供給量
がほぼ同量の場合でも、イオンビームが照射されている
領域では電子が足らず帯電が十分に中和されない。一方
では電子だけしか照射されていない領域が生じ、その領
域では負の帯電が生ずるという状況になる。従来の電子
供給法では、言わば副作用のようなものがあつた。電子
が不十分では帯電を抑えられず、多過ぎると電子しか供
給されない領域で負の帯電を生ずるという副作用が出
て、どう電子量を制御しても帯電による不具合を完全に
抑えることは極めて困難であつた。

また、電子シャワー源を含む電子供給系がイオンビーム
電流の計測系に組み込まれている場合、電子供給系の動
作がイオン電流計測に悪影響を及ぼさぬよう構成する必
要がある。しかし、実際は放出した電子の一部が計測系
外に漏れ、少なからずイオンビーム電流の計測値を変動
させ勝ちであつた。

また、さらにイオンビーム照射による被加工物周囲の汚
れが上述の変動や電子供給条件を変化させるという問題
もあつた。すなわち、被加工物にイオンビームを照射す
ると、スパツタや真空度低下が起こる。これは、電子シ
ャワー源やフアラデーケージの内面の汚染の原因とな
り、各部品表面に絶縁性被膜ができることなどによつて
電子の供給条件を経時的に変化させてしまつたり、電子
シャワー源の碍子表面に導電性被膜を作り、耐電圧特性
を劣化させる等の危険があつた。

本発明の目的は、自動的に電子シャワー量を制御し、か
つ副作用なく十分帯電による悪影響を抑えて稼動及び処
理を行うことができるイオン打込装置を提供することに
ある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、真空中で回転支持体に装着されているウエー
ハに前記回転支持体を高速回転させながら並進運転を行
ってイオンビームを照射するイオン打込機構と、前記イ
オンビーム照射により前記ウエーハに帯電する正の電荷
を中和するための電子シャワーとを備えたイオン打込装
置において、前記回転支持体の前に、イオンビーム照射領域と電子シ
ャワー源から供給される電子の照射領域がほゞ一致する
ように規制するアパーチャを配置し、且つ、前記回転支持体及びその背後に位置するビームキ
ャッチャに流入する電流を計測する電流計と、この計測
された電流値が予め設定した負の数mAとなるように前記
電子シャワーの供給量をフィードバック制御する制御系
を有し、さらに、前記回転支持体及びビームキャッチャに正のバ
イアス電圧を印加するバイアス電源を備え、このバイア
ス電圧は前記回転支持体よりも前記ビームキャッチャの
方が正の電位が高くなるように設定したことを特徴とす
る。

〔作用〕

電子シャワー源とウエーハの間の遮蔽物の開口（アパー
チヤ）は、イオンビームが通過するぎりぎりの大きさを
持つているので、イオンビームの照射領域とほぼ重なつ
ていること見なせる。このアパーチヤによつて電子はウ
エーハ上のイオンビームが照射されている領域だけに供
給される。従つて、ウエーハ上で電子だけが供給される
といつた領域がなくなるので供給された電子によつて過
度に負に帯電するようなことはなくなる。

電子シャワー供給系がイオンビーム電流計測系に組み込
まれている場合、放出された電子が計測系外に漏れると
その漏れ分がイオンビーム量の測定誤差となる。しか
し、上述のアパーチヤを用いて電子の供給領域を制限す
ると、電子の不要な散逸を防ぎ、測定系に与える悪影響
を最小限にすることができる。

さらに、このアパーチヤによつて粒子線照射による汚れ
から電子供給部を保護し、汚染による損傷，経時変化を
最小限にすることができる。

また、ウエーハへのイオン打込みは、回転支持体を高速
回転させながら並進運転（イオンビーム照射領域への出
し入れ運動）を行ってなされるが、このとき、回転支持
体及びウエーハがイオンビーム照射領域にある場合に
は、ウエーハ及び回転支持体が受けるイオンビームと電
子の電流値の和が回転支持体に流入する電流として電流
計で測定され、回転支持体がイオンビーム照射領域から
並進運動によって外れた場合には、ビームキャッチャに
受けるイオンビームと電子の電流値の和が測定される。
この電流値は、イオンビーム照射領域の正と負の帯電の
中和度合いを示すもので、回転支持体及びビームキャッ
チャに流入する電流値の和が零であれば、正と負の電荷
が等量となり、帯電が零、すなわち中和されていること
になる。

しかし、上記電流値の和が零であった場合、ウエーハに
帯電がマクロ的には発生しないが、ミクロ的にみると正
負の電荷の偏在は残る。

これは、イオンビーム断面でイオンの分布は一様でな
く、イオンビーム内のイオン分布とそこへ供給される電
子の分布は必ずしも一致しているとは限らないためであ
る。また、多少電子過剰でも電子によるダメージはイオ
ン過剰によるダメージより極めて少ない。

以上の理由により、回転支持体及びビームキャッチャに
流入する電流が負の数mA程度になるように電子シャワー
の供給量を制御すれば、ウエーハへの帯電による不具合
を最も回避することができる。また、イオンビームの急
激な変動が生じたとしてもこれに追従する余裕ができ
る。これにより、ウエーハの歩留まりは、100％を達成
することができた。

また、このような電子シャワー供給量の制御は、イオン
ビームをビームキャッチャが受ける時（回転支持体がイ
オンビーム照射領域から外れている時）にも行われる
が、ウエーハ及び回転支持体が電子シャワーを受けてい
る場合とビームキャッチャが電子を受けている場合とを
比べると、ウエーハ及び回転支持体の方が電子シャワー
源に近いために定性的に前者の方が電子を受ける量が多
くなる。したがって、上記の電子シャワー供給のフィー
ドバック制御を行った場合、何らの対処がないと、回転
支持体の並進運動により電流計の値が大きく変化するた
め、電流計に生じる電流値が一定になるように制御する
にはその制御系の負担が大きくなり、また、回転支持体
が一旦イオンビームからはずれ、再び照射されるように
なったとき、放出していた電子量を元の値に戻すまでの
過渡的アンバランスがウエーハの帯電防止に悪影響をお
よぼす。

これを防ぐため、ビームキャッチャの電位を回転支持体
よりも高くなるようにバイアス電位を印加することによ
り、ビームキャッチャにおける電子シャワーを受ける量
を回転支持体及びウエーハが受ける量と同じ程度とす
る。したがって、回転支持体の並進運動時の上記の電流
計の大きな変動を防止し、安定した電子シャワー供給を
保証すると共に、制御系の負担を軽減することができ
る。

また、回転支持体にも正の電位となるようにバイアス電
圧が印加されるため（ただし、この電位は上記したよう
に電流計の大きな変動を防止するためビームキャッチャ
より低くしてある）、より多くの電子をウエーハに集電
させることができ効率の良い電子シャワーを実現させる
ことができる。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を第１図〜第４図を用いて詳細に説
明する。

第１図は本発明の粒子線照射装置をイオン打込装置に適
用した一実施例を示す構成図である。第１図において、
加速電源１によつて昇圧され、イオン源制御電源によつ
て制御されているイオン源３からイオンビーム４を引き
出し、負電圧が印加されている減速電極５を通過した
後、質量分離磁場６によつて所望の質量のイオンビーム
（粒子線）４のみを通過させる。その後、質量分離スリ
ツト7,サプレツサ電極８を通過し、フアラデーケージ９
に入り、本発明に係るイオンビーム４が通過するぎりぎ
りの大きさのアパーチヤ10を経て回転円板（回転支持
体）11上に支持されたウエーハ（被加工物）12にイオン
ビーム４が打ち込まれる。ウエーハ12全面にイオンビー
ム４が打ち込まれるように回転円板11は高速で回転しな
がら並進運動を行う。回転円板11が完全にイオンビーム
からはずれると、ビームキヤツチ13がイオンビームを受
ける。イオン打ち込みと同時にフアラデーケージ９内に
電子14を放出するように電子源（電子シャワー源）15を
設けてある。この電子14は、例えば、Ｗフイラメントを
加熱して熱電子を作り、電界によつて引き出したもので
もよい。電子源15はウエーハ12から見えない位置にある
ことが望ましい。

電子源15から出た電子14は、電子14の進行方向と直角方
向に印加された磁場16によつてウエーハ12の方向へ偏向
される。このとき電子14の一部はアパーチヤ10によつて
ウエーハ12に届くことを制限される。ウエーハ12へ届く
のはアパーチヤ10を通り抜けたものだけとなる。このア
パーチヤ10によつて電子14はウエーハ12上でイオンビー
ム４が照射されている部分にのみ供給される。従つて、
電子14のみが照射されるために生ずる負の帯電や電子14
のリーク等の不具合の懸念がなくなる。

アパーチヤ10は、また、イオンビーム４をウエーハ12及
び回転円板11等に照射するときに発生するスパツタ等の
汚染から電子源15及びフアラデーケージ９の内面を保護
する役割も有している。

電子源15が汚染されると、以下のような不具合が発生す
ることが予想される。

A.フイラメント等の高温になる部分に汚染物質が付着す
ると、汚染物質とフイラメントが化合してフイラメント
が劣化し寿命が縮まり、また、汚染物質が再び蒸散して
ウエーハ12を汚染する（クロスコンタミネーシヨン）。

B.電子源15の高電圧部に汚染物質が付着し被膜となる
と、その被膜がはがれるときに電荷を持つて低電圧部に
飛散して行くために、電圧印加部の過電流放電となり、
電源を損傷させる。

C.電子源15の高圧絶縁部、例えば、碍子等に汚染物質が
付着すると、絶縁耐圧が劣化し、電圧を印加できなくな
る。

また、フアラデーケージ９の内面に汚染物質が付着する
と、 i.フアラデーケージ９内で発生する２次電子の量及びエ
ネルギー分布が変化し、電子による中和効果及び効率が
変化する。

ii.特に汚染物質によつてできた表面被膜が絶縁性の場
合、表面が帯電して放出した電子の軌道が変化し、ま
た、放出した電子をフアラデーケージ9,ウエーハ12,回
転円板11,ビームキヤツチヤ13等の間で保護しきれずリ
ークしてしまい、イオンビーム４の電流値を変化させ、
照射量（打ち込み量）を変化させてしまう。このとき、
フアラデーケージ９内面の汚染が電子のリークに最も影
響する。

等の不具合が発生する。アパーチヤ10は、これらの不具
合を防ぎ、また、電子源15,フアラデーケージ９のクリ
ーニング周期を飛躍的に長く延ばすことができる。

ウエーハ12に打ち込まれるイオンビーム４の電流値は、
電流計17によつて計測され、デイジタル信号に変換され
てCPU18へ送られる。CPU18では電流値に基づいて打ち込
み時間や回転円板11の並進運転を制御する。

イオンビーム４の打ち込み電流とは別にウエーハ12,回
転円板11,ビームキヤツチヤ13で受けるイオンビーム４
と電子14の電流値の和は電流計19で測定される。この値
は、電子源制御電源20及びCPU18に伝送される。電流計1
9の値が正の大きな値であれば、ウエーハー12の表面は
帯電し、静電被壊等の不具合の発生の危険があるので、 a.イオン源制御電源２を制御してイオンビーム４の電流
値を下げる。

b.電子源制御電源20を制御して放出される電子14の量を
上げる。

等の制御を行う。

理想的には電流計19の値が零になれば、イオンビーム４
が照射されている領域では正と負の電荷が等量となり、
互いに電荷を相殺してウエーハ12上の帯電に生じないは
ずである。

しかし、この場合、イ．イオンビーム断面でイオンの分布が一様でない。

ロ．イオンビーム４内のイオン分布とそこへ供給される
電子14の分布は必ずしも一致しているとは限らない。

ハ．電子14のエネルギーが高々10V程度になるように構
成すれば、多少電子過剰でも電子14によるダメージはイ
オン過剰によるダメージより極めて少ない。

以上の理由により、電流計19の値が−１〜−2mA程度に
なるようイオンビーム４と電子14の値を設定すれば、そ
れぞれの急激な変動が生じたとしても追従する余裕がで
き、不具合の発生を防ぎやすい。

誤差増幅器23には上記したI_d設定値と実I_dが入力され、
その出力は電子制御電源20に帰還されているので、I_d設
定値になるように電子量が制御される。

絶縁物表面を持つウエーハ12にイオンを照射したとき、
ウエーハ12表面の電荷が回転円板11を通じて測定し得る
のは、（１）イオン照射時に生ずる２次電子の移動。

（２）イオン照射時にウエーハ12の表面層に生ずる電子
正孔対による電気伝導。

のためと考えられる。このため、（Ａ）回転円板11の金属部分がウエーハ12と同時にイオ
ンビーム４にさらされる（照射される）こと。

（Ｂ）回転円板11と接触または接続されている金属部品
の一部がウエーハ12表面と接していること。

などが望ましい。

回転円板11は、半導体ウエーハ12の汚染を配慮し、材質
がアルミニウムかシリコンで製作することが望ましい。

さて、帯電に敏感なデバイスウエーハでも微少電流で打
ち込めば不具合が回避されることがあることから、帯電
はおおむねどこかのリークパスから微量ずつであつても
放電して行く可能性があると考えられる。従つて、回転
円板11の流入する電流もしくは電位上昇をモニタするこ
とは、間接的ではあるが、イオンが打ち込まれているウ
エーハ12表面の状態を表わしていると考えることができ
る。

回転円板11がイオンビーム４からはずれると、ビームキ
ヤツチヤ13がイオンビーム４を受けることになる。同様
に放出されている電子14もウエーハ12及び回転円板11を
通る代りにビームキヤツチヤ13を経て電流計19を通る。
しかし、ウエーハ12及び回転円板11が電子14を受けてい
る場合とビームキヤツチヤ13が電子14を受けている場合
とを比べると、ウエーハ12,回転円板11の方が電子源15
に近いため、定性的に前者の方が電子14を受ける量が多
くなる。従つて、回転円板11の出し入れ（並進運動）に
よつて電流計19の値が変動することになる。この様子を
第２図に示す。本制御方式では、電流計19に生ずる電流
値が一定になるように電子制御電源20及びその他を制御
することになるので、このような構造的要因による電流
値変動にも追従しなければならない。

これは、制御系への負担が大きいだけでなく、電子源15
への負担も大きくなる。また、回転円板11が一坦イオン
ビーム４からはずれ、再び照射されるようになつたと
き、放出していた電子量を元の値に戻すまでの過渡的ア
ンバランスが打ち込み及びウエーハ12の帯電防止に悪影
響を及ぼす恐れもある。

これを防ぐため、定電圧電源21によつてビームキヤツチ
ヤ13の電位を回転円板11より高くし、電子14を受ける量
が同じ程度になるように調節しておくと電流計19の変動
が抑えられ、不要な負担がかからなくて済むようにな
る。

また、回転円板11にも数ボルトの電圧が印加されるよう
定電圧電源22を入れると、フアラデーケージ９内の低エ
ネルギー電子を吸い寄せ、より多くの電子がウエーハ12
及び回転円板11に達するようになる。このため、相対的
に電子源15から放出される電子14の量を低く抑えること
ができ、効率が高まる。回転円板11に印加する電圧と流
入する電流を第３図に示す。

第４図に本構成を用いたイオン打込装置の回転円板11に
流入する電流I_dと半導体デバイス素子（ウエーハ12）の
不良率の関係を示す。第４図から回転円板11に流入する
電流値I_dの管理による制御方式の妥当性と電子照射によ
る負の帯電による不具合（不良）が極めて少ないという
ことが言える。

〔発明の効果〕

本発明によれば、イオンビームと電子シャワーとをそれ
ぞれ同じ領域に供給，照射することができるので、電子
シャワーによりウエーハの帯電抑制を有効に図ることが
でき、また、偏在的な電子供給を防止して過度の負の帯
電を防止し、さらに、イオンビームと電子シャワーの総和の計測電流
値が、零より若干低い負の電流値となるように電子シャ
ワーの供給量をフィードバック制御することで、実際の
ウエハに対するマクロ及びミクロ的に偏在する帯電を最
も良好に中和することで、ウエーハの歩留まりを高める
ことができ、さらに、回転支持体及びビームキャッチャに正のバイア
ス電圧を印加しつつ、このバイアス電圧は前記回転支持
体よりも前記ビームキャッチャの方が正の電位が高くな
るように設定することで、回転支持体への電子シャワー
の供給効率の向上と、上記電子シャワー供給制御に用い
る電流計測値の変動を抑制して制御系の負担軽減，電子
シャワーの適正量供給を回転支持体並進運動時にも保証
するといった効果を奏することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の粒子線照射装置をイオン打込装置に適
用した一実施例を示す構成図、第２図は第１図の装置に
おいてビームキヤツチヤと回転円板に入るイオンビーム
と電子と電流値の和と回転円板の位置の関係を示す図、
第３図は回転円板に印加した電圧による放出電子量と回
転円板に流入する電流の関係を示す線図、第４図は回転
円板に流入する電流と半導体デバイス素子の不良率との
関係を示す図である。１……イオン源加熱電源、２……イオン源制御電源、３
……イオン源、４……イオンビーム、９……フアラデー
ケージ、10……アパーチヤ、11……回転円板、12……ウ
エーハ、13……ビームキヤツチヤ、14……電子、15……
電子源、16……電子偏向磁場、17……イオン電流計、18
……CPU、19……回転円板電流計、20……電子制御電
源、21……ビームキヤツチヤバイアス電源、22……回転
円板バイアス電源、23……誤差増幅器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空中で回転支持体に装着されているウエ
ーハに前記回転支持体を高速回転させながら並進運転を
行ってイオンビームを照射するイオン打込機構と、前記
イオンビーム照射により前記ウエーハに帯電する正の電
荷を中和するための電子シャワーとを備えたイオン打込
装置において、前記回転支持体の前に、イオンビーム照射領域と電子シ
ャワー源から供給される電子の照射領域がほゞ一致する
ように規制するアパーチャを配置し、且つ、前記回転支持体及びその背後に位置するビームキ
ャッチャに流入する電流を計測する電流計と、この計測
された電流値が予め設定した負の数mAとなるように前記
電子シャワーの供給量をフィードバック制御する制御系
を有し、さらに、前記回転支持体及びビームキャッチャに正のバ
イアス電圧を印加するバイアス電源を備え、このバイア
ス電圧は前記回転支持体よりも前記ビームキャッチャの
方が正の電位が高くなるように設定したことを特徴とす
るイオン打込装置。