JPH0836988A - イオン注入装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 イオン源５から減速電極７および接地電極８
によりイオンビームＩを引き出し、負電位管１３により
さらに負電圧Ｖ_dtによるエネルギーを与える。これによ
り、イオンビームＩの引出方向への速度が高くなり、イ
オンビームＩの発散が抑えられる。また、外部の正電位
側に引き寄せられようとする負電位管１３内のエレクト
ロンを、サプレッサ電極１５・１６により負電位管１３
内に閉じ込めるので、イオンビームＩの中和が保たれて
イオンビームＩの発散がより抑えられることになる。ま
た、負電位管１３を出たイオンビームＩは、エネルギー
が与えられなくなるので、低エネルギーのまま輸送され
る。 【効果】 注入エネルギーが低い場合にはイオンビーム
は発散する傾向にあるが、その発散によるイオンビーム
の減少を回避してイオンビームを有効に注入に供するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＬＳＩ等の半導体デバ
イスへの不純物注入等に用いられるイオン注入装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造の分野においては、Ｂ、Ｐ、
Ａｓ等の不純物を基板に拡散する手段としてイオン注入
装置が用いられている。

【０００３】例えば、図６に示すようなイオン注入装置
では、イオン源４１から減速電圧Ｖ_dcl が印加される減
速電極４２および接地電位に固定される接地電極４３に
よりイオンビームが引き出される。このイオンビーム
は、引出電圧Ｖ_exによって与えられるエネルギーで分析
管４４に進入し、分析マグネット４５にて質量分離され
て目的のイオン種に選別され、分析スリット４６を通過
した後、真空チャンバ４７内のウェーハ４８…に注入さ
れる。

【０００４】ところで、ＬＳＩの高集積度化および微細
化が進展するのに伴い、デバイスの厚さが薄くなるいわ
ゆるシャロー化が進んできている。シャロー化が進むに
つれてターゲットにイオンを注入する深さが浅くなり、
より低いエネルギーで注入を行なうことが要求される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、イオン
注入装置の特性として、低いエネルギーになるほど、イ
オンの収量を多くすることが困難になること、および取
り出されたビームの発散角が大きくなるためにターゲッ
トまでの輸送効率が低下することにより、得られるビー
ム量が少なくなる。このため、低エネルギー注入におい
ては、注入のスループットがあまり高くなく生産性が低
いという問題点が生じていた。

【０００６】例えば、上記のイオン注入装置において
は、イオンビームに与えられるエネルギーが低エネルギ
ー（例えば、引出電圧Ｖ_exが１０ｋＶ以下）である場
合、引き出されたイオンビームの発散角がスペースチャ
ージ効果等により大きくなる。このため、同図に網線に
て示すように、イオンビームの一部が分析管４４あるい
はビーム輸送経路の壁面に衝突して、ウェーハ４８…ま
で輸送することができなくなっていた。

【０００７】この対策として、イオン源４１と分析マグ
ネット４５とを直結することが考えられる。しかしなが
ら、イオン源４１と分析マグネット４５との間には、イ
オン源４１の保守時に質量分析系内の真空を保持するた
めのゲートバルブ４９や、引出系や分析系を真空排気す
るための真空ポンプ５０を設ける必要があり、上記のよ
うな直結構造を採用することは難しい。

【０００８】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
のであって、低エネルギーによる注入においてビーム量
を増加させてスループットを向上させることを目的とし
ている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のイオン注入装置
は、イオン源より引き出したイオンビームから分析マグ
ネットにて所要のイオン種を取り出してイオン注入対象
物に注入するイオン注入装置において、上記の課題を解
決するために、以下の手段を講じていることを特徴とし
ている。

【００１０】すなわち、上記イオン注入装置は、上記イ
オン源と上記分析マグネットとの間に、上記イオン源か
ら高いエネルギーでイオンビームを輸送し、上記分析マ
グネットの直前で減速して所定のエネルギーにするビー
ム輸送手段が設けられている。

【００１１】

【作用】上記の構成では、イオン源から引き出されたイ
オンビームが、ビーム輸送手段により引出方向の速度が
高められて輸送され、イオンビームの引出方向の速度分
布が大きくなる。イオンビームは、引出方向だけでなく
引出方向に垂直な径方向への速度分布を有しているた
め、引出方向の速度分布に対する径方向の速度分布の比
が小さくなり、主に発散に関与する径方向の速度分布の
影響が少なくなる。

【００１２】それゆえ、イオンビームの発散角を小さく
抑えることができる。また、分析マグネットの直前で減
速するので、イオンビームが高エネルギーのまま分析マ
グネット以降で輸送されることはない。

【００１３】

【実施例】

〔実施例１〕本発明の第１の実施例について図１ないし
図４に基づいて説明すれば、以下の通りである。

【００１４】本実施例に係るイオン注入装置は、図１に
示すように、引出系１と、分析系２と、エンドステーシ
ョン３とを備えている。

【００１５】引出系１は、引出管４を有しており、この
引出管４の一端側にはイオン源５が配されている。イオ
ン源５は、図示しないプラズマチャンバ内でアーク放電
等によりイオンを含むプラズマを生成するようになって
おり、引出電源６によりＶ_exなる引出電圧（正電圧）が
引出管４を介して与えられている。

【００１６】イオン源５の付近には、イオン源５からイ
オンビームＩを引き出すための引出電極系として減速電
極７および接地電極８が配されている。減速電極７に
は、減速電源９により減速電圧Ｖ_dcl が与えられてい
る。また、接地電極８は、電極駆動系１０に取り付けら
れており、この電極駆動系１０により減速電極７ととも
にチルト角、水平位置、軸方向の位置の調整等のため
に、傾き、上下（左右）および前後に駆動されるように
なっている。

【００１７】引出管４のほぼ中央部分には、ゲートバル
ブ１１が設けられており、このゲートバルブ１１により
引出管４が前管部４ａと後管部４ｂとに分割されてい
る。また、前管部４ａは、ほぼ中央部に絶縁管４ｃが設
けられており、この絶縁管４ｃにより、引出電圧Ｖ_exが
印加されるイオン源５の周辺部と接地電位に固定される
引出電極系の周辺部とが電気的に絶縁されている。

【００１８】ゲートバルブ１１は、イオン源５の保守時
に後管部４ｂから後段の真空系の真空状態を保持するよ
うになっている。つまり、イオン源５の保守時には、ゲ
ートバルブ１１の弁体１１ａを閉じることにより、前管
部４ａ内が大気に開放されても、上記の真空系の真空状
態が保たれる。また、後管部４ｂには、引出系１および
分析系２の内部を排気して真空にするための真空排気ポ
ンプ１２が取り付けられている。

【００１９】引出管４内の上記の引出電極系の後段に
は、引出管４の他端側まで負電位管１３が配されてい
る。負電位管１３は、接地電位に対し電源１４によりＶ
_dtなる負電位が印加されている。また、負電位管１３
は、ゲートバルブ１１により第１管部１３ａと第２管部
１３ｂとに２分割されているので、その双方に対して負
電位Ｖ_dtが印加されるように構成されている。この負電
位管１３は、イオンビームＩにエネルギーを与えて引出
方向の速度を高めるようになっており、ビーム輸送手段
としての機能を有している。

【００２０】上記の負電位管１３は、メッシュ、パンチ
ボード等のように通気性のよい金属材料にて形成されて
いる。これにより、真空排気ポンプ１２により引出管４
および後述する分析管１８内を真空排気する際に、負電
位管１３内の排気を容易に行なうことができる。なお、
上記の金属材料に形成される孔の大きさは、電界を乱さ
ない程度であることが望ましい。

【００２１】さらに、負電位管１３の両端付近には、負
電位管１３内のエレクトロンを閉じ込めるためのサプレ
ッサ電極１５・１６が配置されている。サプレッサ電極
１５・１６は、ともにサプレッサ電源１７によりＶ_sup
なる負電位が与えられている。

【００２２】引出系１の後段に設けられる分析系２は、
分析管１８を有している。分析管１８は、引出管４に接
続される一端側（導入口）付近から徐々に屈曲して形成
されており、他端側（取出口）では導入口に対しビーム
輸送経路が９０°をなすように形成されている。分析管
１８には、屈曲部分を覆うように分析マグネット１９が
設けられている。

【００２３】分析マグネット１９は、引出系１からのイ
オンビームＩに特定の磁場を印加することで所要の質量
のイオン種を所定の軌道に偏向させるようになってい
る。この分析マグネット１９は、図２（図１のＡ−Ａ線
矢視図）に示すように、分析管１８の両側部の上下に２
段のコイル２０・２１が設けられ、その回りが磁極を形
成するための鉄心２２にて覆われる構造になっている。
このような構造により、コイル２０・２１にて発生する
磁場を鉄心２２にて形成される磁気回路を通じて分析管
１８に作用させ、分析管１８内を通過するイオンビーム
Ｉに含まれる各イオンをその質量に応じた曲率で偏向さ
せるようになっている。

【００２４】また、分析マグネット１９には、イオンビ
ーム入射側と出射側とにそれぞれポールピース２３・２
４が設けられている。ポールピース２３・２４は、イオ
ンビーム焦点位置を調整するためのレンズ電極であり、
収束・発散の度合いが可変となるように分析マグネット
１９に対し回動自在に取り付けられている。

【００２５】ポールピース２４からさらに下流側の分析
管１８における直管部分には、分析スリット２５が設け
られている。分析スリット２５は、分析マグネット１９
のイオンビーム焦点位置に配されており、分析マグネッ
ト１９により質量分離されたイオンビームＩを最終的に
選別するようになっている。

【００２６】エンドステーション３は、分析管１８の後
段に設けられており、真空チャンバ２６を有している。
真空チャンバ２６は、分析管１８に接続されており、注
入時に図示しない真空ポンプにより真空状態に保たれて
いる。この真空チャンバ２６内には、イオン注入対象物
としての複数のウェーハ２７…を固定保持するディスク
２８が配されている。

【００２７】ディスク２８は、図示しない駆動系により
駆動されて回転運動および並進運動し、メカニカルスキ
ャンを行なうようになっている。また、エンドステーシ
ョン３には、図示はしないが、ウェーハ２７…のディス
ク２８に対する装着および取外しを行なうローダ／アン
ローダ系等が設けられている。

【００２８】上記のように構成されるイオン注入装置で
は、イオン源５から減速電極７および接地電極８により
イオンビームＩが引き出される。このイオンビームＩ
は、引出電圧Ｖ_exによるエネルギーが与えられるが、両
電極７・８を通過して負電位管１３内に進入すると、負
電位管１３によりさらに負電圧Ｖ_dtによるエネルギーが
与えられる。例えば、Ｖ_exを５ｋＶとし、Ｖ_dtを２０ｋ
Ｖとすれば、イオンビームＩには、２５ｋＶによるエネ
ルギーが与えられることになる。

【００２９】これにより、引出方向への速度が高くな
り、イオンビームＩの発散が抑えられる。また、外部の
正電位側に引き寄せられようとするエレクトロンが、サ
プレッサ電極１５・１６により負電位管１３内に閉じ込
められるので、イオンビームＩの中和が保たれてイオン
ビームの発散がより抑えられることになる。

【００３０】イオンビームＩは、負電位管１３から出る
と、負電位管１３による作用が及ばなくなるので減速し
て発散角が大きくなった状態で分析マグネット１９に入
射する。分析マグネット１９をビーム収束のためのレン
ズとみなす場合、発散角が大きくなるということは、物
体とレンズとの間の距離が短くなることに相当する。す
なわち、距離が短くなった分だけイオンビームＩの発散
量が抑えられ、効率良く分析系２にイオンビームＩが入
射する。そして、減速により発散角が大きくなることの
対応として、分析マグネット１９がその発散角に応じて
イオンビームＩを適切な位置に収束させるように、ポー
ルピース２３・２４により入射角と出射角とが調整され
る。

【００３１】このとき、Ｖ_ex＋Ｖ_dtの値に応じて負電位
管１３から出たときのイオンビームＩの発散角が決まる
ので、その電圧に応じてポールピース２３・２４の角度
を調整する。あるいは、ポールピース２３・２４を固定
用のボルト等を緩めて半固定（仮固定）の状態で角度を
調整してから固定し、Ｖ_exの値に応じてＶ_dtを最適値に
設定する方法を採ってもよい。

【００３２】イオンビームＩは、分析マグネット１９お
よび分析スリット２５により所要のイオン種が選別され
て、真空チャンバ２６内のウェーハ２７…に注入され
る。真空チャンバ２６内では、ディスク２８が回転運動
および並進運動を行なうことにより、複数のウェーハ２
７…に対し均一に注入が行なわれる。

【００３３】以上のように、本実施例に係るイオン注入
装置では、負電位管１３およびサプレッサ電極１５・１
６によりイオンビームＩの発散が抑えられるので、低エ
ネルギーの場合において、引き出し後のイオンビームＩ
が大きく発散することを防止できる。

【００３４】本実施例に係るイオン注入装置は、図３に
示す第１の変形例のように構成されていてもよい。

【００３５】本イオン注入装置は、上記のイオン注入装
置と異なり、サプレッサ電極１５が省かれている。その
代わり、接地電極８が第１管部１３ａと同じ電位、すな
わちＶ_dtに固定されている。このため、接地電極８と電
極駆動系１０との間には、絶縁物２９が介装されてい
る。また、Ｖ_dcl 、Ｖ_sup およびＶ_dtが、｜Ｖ_dcl ｜≧
｜Ｖ_sup ｜＞｜Ｖ_dt｜という関係になるように設定され
ている。これは、接地電極８および／または負電位管１
３、および／またはサプレッサ電極１６（１５）から発
生する二次電子をイオン源５側へ逆流させずに負電位管
１３内に封じ込めて、負電位管１３内のビームの中和を
保つためである。

【００３６】上記のような電位関係により、イオンビー
ムＩが接地電極８から負電位管１３と同じ負電位により
加速されるようになり、上記のイオン注入装置のように
接地電極８の部分で接地電位になるためにイオンビーム
Ｉが減速することはない。これにより、効率良くビーム
輸送を行なうことができる。

【００３７】また、本イオン注入装置では、減速電極７
がサプレッサ電極の機能を兼ねているので、サプレッサ
電極１５が必要ないのである。勿論、この変形例におい
ても、図１に示すイオン注入装置と同様に、サプレッサ
電極１５を設けてもよい。

【００３８】なお、上記の変形例においては、サプレッ
サ電源１７が設けられているが、図４に示す第２の変形
例のように、サプレッサ電源１７を用いずに減速電源９
を共用してもよい。

【００３９】この構成では、減速電極７およびサプレッ
サ電極１６に減速電源９による減速電圧Ｖ_dcl が与えら
れる。なお、この場合は、Ｖ_dcl およびＶ_dtが、｜Ｖ
_dcl ｜＞｜Ｖ_dt｜という関係になるように設定されてい
る。これにより、減速電極７と接地電極８との間に電子
が封じ込められ、その間のイオンビームＩの中和を保つ
ことができる。

【００４０】〔実施例２〕本発明の第２の実施例につい
て図５に基づいて説明すれば、以下の通りである。な
お、本実施例において前記の第１の実施例における構成
要素と同等の機能を有する構成要素については、同一の
符号を付記してその説明を省略する。

【００４１】本実施例に係るイオン注入装置は、図５に
示すように、前記の第１の実施例におけるイオン注入装
置と異なり、ゲートバルブ１１が分析スリット２５の下
流側に設けられている。このため、引出系１の引出管３
１および加速手段としての負電位管３２は、それぞれゲ
ートバルブ１１により分割されない一体構造になってい
る。また、引出管３１は、イオン源５の周辺の前管部３
１ａと引出電極系の周辺から端部までの後管部３１ｂと
に分割され、これらが絶縁管３１ｃにより絶縁されてい
る。

【００４２】前記の第１実施例に係るイオン注入装置で
は、負電位管１３がゲートバルブ１１の弁体１１ａの部
分で分割されているので、この箇所で負電位管１３によ
る電界が乱れてしまう。これに対し、本実施例に係るイ
オン注入装置では、上記のように負電位管３２が分割さ
れないので、負電位管３２による電界が乱れることはな
い。

【００４３】また、本実施例に係るイオン注入装置は、
引出管３１および負電位管３２がそれぞれ一体の構造で
あるので、引出管３１および負電位管３２を容易に製造
することができる。しかも、イオン源５と分析マグネッ
ト１８との間の距離を短くすることができ、ビーム輸送
効率が向上する。ただし、本イオン注入装置では、イオ
ン源５の保守時には引出系１だけでなく分析系２も大気
圧になってしまう。したがって、保守性よりビーム輸送
効率を重視するシステムには、本イオン注入装置が適し
ている。

【００４４】なお、本実施例においても、Ｖ_dcl 、Ｖ
_sup およびＶ_dtが、｜Ｖ_dcl ｜≧｜Ｖ_sup ｜＞｜Ｖ_dt｜
という関係になるように設定されている。

【００４５】

【発明の効果】本発明のイオン注入装置は、以上のよう
に、イオン源と分析マグネットとの間に、イオン源から
高いエネルギーでイオンビームを輸送し、分析マグネッ
トの直前で減速して所定のエネルギーにするビーム輸送
手段が設けられている構成であるので、イオンビームの
引出方向の速度分布が大きくなり、主に発散に関与する
イオンビームの径方向の速度分布の影響が少なくなる。

【００４６】それゆえ、イオンビームの発散角を小さく
抑えることができ、イオン源から引き出されたイオンビ
ームが大きく発散することを分析マグネットの直前まで
防止できる。また、分析マグネット直前の減速部分でイ
オンビームの発散角が大きくなるが、分析マグネットの
レンズ特性を調整することにより、効率良く注入対象物
までビームを輸送することができる。そして、分析マグ
ネットの直前でイオンビームが減速して所定のエネルギ
ーになるので、イオンビームが高エネルギーのまま分析
マグネット以降で輸送されることはない。

【００４７】したがって、本発明のイオン注入装置を採
用すれば、注入エネルギーが低い場合に、発散によるイ
オンビームの減少を回避してイオンビームを有効に注入
に供することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係るイオン注入装置の
概略構成を示す平面図である。

【図２】イオン注入装置における分析マグネットの構成
を示す図１のＡ−Ａ線矢視方向の正面図である。

【図３】本発明の第１の実施例についての第１の変形例
に係るイオン注入装置の概略構成を示す平面図である。

【図４】本発明の第１の実施例についての第２の変形例
に係るイオン注入装置の概略構成を示す平面図である。

【図５】本発明の第２の実施例に係るイオン注入装置の
概略構成を示す平面図である。

【図６】従来のイオン注入装置の概略構成を示す平面図
である。

【符号の説明】

５ イオン源 １３ 負電位管（加速手段） １９ 分析マグネット ２７ ウェーハ（イオン注入対象物） ３２ 負電位管（ビーム輸送手段）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】イオン源より引き出したイオンビームから
   分析マグネットにて所要のイオン種を取り出してイオン
   注入対象物に注入するイオン注入装置において、 上記イオン源と上記分析マグネットとの間に、上記イオ
   ン源から高いエネルギーでイオンビームを輸送し、上記
   分析マグネットの直前で減速して所定のエネルギーにす
   るビーム輸送手段が設けられていることを特徴とするイ
   オン注入装置。