JPH09298043A

JPH09298043A - イオン注入装置

Info

Publication number: JPH09298043A
Application number: JP8134411A
Authority: JP
Inventors: Kunihiko Takeyama; 邦彦武山
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1996-04-30
Filing date: 1996-04-30
Publication date: 1997-11-18
Anticipated expiration: 2016-04-30
Also published as: JP3235466B2

Abstract

(57)【要約】【目的】大面積のイオンビ−ムを発生し対象物にイオ
ンを注入する装置であって、対象物の過熱を防ぐために
不要なイオンと必要なイオンを質量分離できるようにし
たイオン注入装置を与える事。【構成】大面積イオン源の出口にスリット状の長穴あ
るいは小穴の集合を設け、イオン源において複数の平行
なシートビームを発生させ、シートビーム毎に磁石を設
けてシートビームと平行な方向にイオンビ−ムを曲げる
事により質量分離し、所望の質量のイオンのみが対象物
に照射されるようにした。さらにシートビームを面に直
角方向に走査させ或いは対象物を走査させてビームシー
トの隙間を埋め、対象物表面一様にイオンビ−ムを照射
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体素子製造のた
めのイオン注入装置（イオンドーピングを含む）に関す
る。特に大面積のイオン注入、イオンドープ装置であっ
て対象物が過熱されるのを防ぐことができるようにした
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】イオン注入装置は半導体、絶縁体などに
加速したイオンを打ち込む装置である。従来は比較的細
いビームをマグネットにより縦横に走査して被処理物に
打ち込むようになっていた。つまり従来のイオン注入装
置は、（ａ）原料ガスからイオンのスポットビームを発生させ
るイオン源（ｂ）質量分離電磁石（ｃ）ビーム又はウエハを走査し、ウエハ全面にビーム
を均一に注入する機構（ｄ）ウエハを保持冷却する機構

【０００３】などの要素から成っていた。イオンビーム
を作り出すためのガス原料は注入するための元素を含
む。その元素が気体の状態になるために化合物を使う事
が多い。例えばホウ素をイオンビ−ムにするためには、
ジボランを原料とする。つまりホウ素以外に水素を含
む。水素が加速されて被処理物に衝突すると運動エネル
ギーによって被処理物が強く加熱される。もちろん目的
物であるホウ素の入射によっても被処理物が加熱され
る。これはやむを得ない事である。過熱を避けるために
不要な水素は被処理物に注入されない方が良い。

【０００４】細いビームの場合は、扇形の磁石を用いて
質量分離を行うことができる。扇形磁石によって円弧状
にビームを曲げる。質量によって円弧軌跡が異なるから
スリットによって必要な元素のみを通すようにする。不
要イオンはスリットを通過できない。そのために不要な
イオンを除く事ができた。被処理物が小さい場合は、ビ
ームを走査させても範囲が狭いのでこれで十分であっ
た。扇形磁石は収束作用もあって質量分離のために広く
利用されてきた。

【０００５】しかし、近年被処理物が大面積化してき
た。例えば液晶ディスプレイを製造する時アモルファス
シリコンの層にボロンをイオン注入によってドープする
場合、大面積のガラス基板が被処理物になる。この場
合、細いビームを走査する方式では走査に時間がかかる
ので能率が悪い。スループットを上げるためには被処理
物の全体を覆うような大面積のイオンビ−ムを発生し照
射し一挙に処理したいものである。

【０００６】このような大面積のイオンビームを用いる
装置は、従来のイオン注入装置と区別してイオンドーピ
ング装置と呼ぶ事もある。イオンドーピング装置は、（ａ）大面積のイオンビ−ムを発生するイオン源（ｄ）ウエハを保持冷却する機構より成る。これは先程の（ｂ）質量分離電磁石、（ｃ）
走査機構などを不要とするので安価である、という利点
がある。ビーム電流密度が小さいので、低エネルギー大
電流ビームが得易いという長所もある。

【０００７】大面積イオンビ−ムの場合は、扇形磁石に
よって質量分離する事が難しい。もしも質量分離しよう
とすると、ビームが大きいので巨大な扇形磁石が必要に
なる。製造コストや装置建屋の制限などがある。巨大磁
石を設置し駆動しイオンドープに利用するというような
事は容易な事ではない。まず不可能に近い。やむをえず
大面積イオンビ−ムは質量分離をすることなく被処理物
に照射しているのが現状である。すると不要イオンの照
射によって対象物が著しく発熱するという問題がある。

【０００８】図１によって従来例に係る大面積イオン注
入装置の概略を説明する。大面積のイオン源１は加速電
源２によって高圧に維持されている。この中へ原料ガス
が導入され、直流ア−ク放電、高周波放電、マイクロ波
などによって励起されプラズマとなる。イオン源の出口
に３枚（或いは２枚）の有孔の電極が設けられる。３枚
の場合は、電極は正電極、負電極、接地電極よりなる。
図１（ａ）の電極１９には同じ位置に多数のイオンビ−
ム通し穴２１が穿孔される。

【０００９】これらの全ての穴からイオンビ−ムが出る
ので大面積のビーム３となり得る。穴が稠密に分布して
いるからビームをことさらに曲げなくても被処理物面に
おいてはほぼ一様な分布になる。大面積イオンビ−ムが
対面に設けられるウエハ（或いはガラス基板）４に注入
される。ウエハ保持機構は冷却機構を兼ねている。ウエ
ハ保持冷却機構５には冷却水６が通っている。イオンビ
−ムはかなりの運動エネルギーを持ち、これがウエハで
全て熱に変わる。ウエハが強く加熱される。それで冷却
が不可欠である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】大面積のイオン注入装
置（イオンドーピング装置）においては質量分離できな
い。ためにプラズマに含まれる不要イオン（例えば水素
イオン）も被処理物に照射される。ボロンドープの場合
は水素イオンが全体のイオン電流の半分にも達する。電
流密度がそれほどでないとしても、全面積が広いので全
体としての発熱量はかなりのものである。もちろん基板
の裏面から冷却機構によって冷却する。

【００１１】しかしそれとてなお十分でない。冷却が弱
いとガラス基板、ウエハなどに塗布したレジストなどの
有機物を変質させる。またウエハの上にデバイスが既に
形成されている場合は、過度の発熱によってデバイスが
劣化するという事もある。扇形磁石による質量分離がで
きないのはイオンビ−ムが大面積であり、余程巨大な磁
石によらなければ磁場がビームの中心にまで至らないか
らである。たとえ中心近くまで磁場が到達したところ
で、磁場強度が一様でないから所望の質量のイオンを選
ぶ事はできない。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のイオン注入装置
は次の要素からなる。大面積のイオンビ−ムを生成し引き出し口が複数の
スロットになっているイオン源。これによってイオンビ
−ムは平行な複数のシート状になる。これをシートビー
ムと呼ぶ。

【００１３】シートに垂直な磁場を発生し各シート
ビームをシート面内に偏向させ質量分離を行う複数の磁
極を持つ電磁石。この電磁石は偏平であって互いに独立
していても良い。或いは一つの電磁石であって、複数の
中間磁極を持つものであっても良い。何れにしてもシー
トビームの間隙に磁石、中間磁極が位置するようにす
る。磁石、中間磁極がビームの通過を妨げないようにし
なければならない。ビームをシートに分けるので磁石間
の距離を減らし、磁場がビーム内に通り易くする。小さ
い磁石でも十分な磁界を発生させることができる。

【００１４】各シートビームをシートビーム間隔に
等しい幅で静電スキャンする機構。ビームをシート状に
するとどうしても空隙の部分が発生する。それで空隙を
埋める必要があり、その幅でビームを走査するのであ
る。静電スキャンのための電極として、隙間ごとに絶縁
された２枚の電極を必要とする。シートビームを介して
対向するように２枚の電極があり、この間に交流電圧を
加えてシートビームをシートと直角方向に走査する。交
番電圧の他に、静電スキャン電極には負のオフセット電
圧をかけて置く。

【００１５】静電走査電極の下流に設けたスリット
があり接地されたシールド電極。との構成により、
大面積のビームをシートビームに分割し、それぞれを電
磁石によって曲げるようにしている。質量によって曲げ
量が違うので質量分離することができる。これによって
不要なイオン、例えば水素イオンを除去できる。水素イ
オンはイオンビ−ム電流の５０％を占める程なので、水
素イオンを除去すると対象物の発熱を約半分に抑える事
ができる。

【００１６】シートに分離し薄いビームとしているから
電磁石により軌道を曲げる事ができる。大断面積のまま
であれば如何に強力な磁石を使ってもビームを等しく曲
げることはできない。本発明の第１の特徴は大断面積ビ
ームをシート状の多数のビーム群に分けた事である。そ
してシート状のイオンビ−ムをそれぞれ磁石によってシ
ートと平行な方向に曲げるようにしている。

【００１７】の走査装置によってスリットにより縞状
に分割されたビームを全面に均一に分布するような大面
積ビームに戻す。の構成によって、静電場によって空
間電荷中和がくずされる領域を最小限にすることができ
る。もしも接地シールド電極と、スキャン電極に負電圧
を印加しなければ、静電場によって空間電荷が発生しビ
ームが通り難くなる。はこれを避けるという効果があ
る。

【００１８】シートビーム走査機構はこれに限らない。
ビーム自体をこのようにシートと直交方向に振るという
他に、ウエハ（対象物）の方を振るということも可能で
ある。ウエハの保持機構（サセプタ）をシートビームの
面と直角の方向に走査することによってウエハの全面に
一様なイオンビ−ムの注入を行う事ができる。このよう
にウエハ自体を面と平行な方向に振ると、空間に電圧を
印加する必要がない。ためシールド電極のようなものも
不要になる。

【００１９】

【発明の実施の形態】図２は本発明のイオン注入装置の
一例を示す平面図である。図３は同じものの側面図であ
る。図４、図５はイオンビ−ムを引き出す電極板の穴の
配置例を示す正面図である。イオン源１はガスを原料と
してこれをプラズマとし、大面積のイオンビ−ムを生成
できる装置である。引き出し電極は、正電極、負電極、
接地電極などよりなるが、いずれもシート状のビーム群
を生成するために、多数の穴或いはスリット状に穴が穿
孔されている。

【００２０】イオン源１からはｎ枚のシート状のイオン
ビ−ム３が出てくる。これは図４のように電極板１９に
平行線状の穴２０、２０…を穿孔するか、あるいは、図
５のように、電極板１９に多数の穴２１を平行線に沿っ
て何組も穿孔する事によってビームの出口を線分状にす
ることによってなされる。

【００２１】イオンビ−ムをＢ₁ 、Ｂ₂ 、…、Ｂ_n とす
る。ビームの進行方向には、ｎ＋１個の電極を持つ電磁
石１２が設置される。電磁石１２は、それぞれコア１３
とその周囲に巻き廻したコイル１４とよりなる。座標系
を次のように定義する。イオンビ−ムの出て行く方向を
Ｘ軸、上下の方向をＺ軸とする。複数の電磁石１２の並
列の方向がＹ軸である。電磁石をＭ₁ 、Ｍ₂ 、Ｍ₃ 、
…、Ｍ_n+1 とする。これはＹ方向に並ぶ複数の独立した
磁石群、あるいは複数の磁極をもつ一つの磁石である。
いずれにしても、磁石はＹ方向に磁力線を発生するよう
にＹ方向に並べられる。隣接磁石の間隙がビームの通過
経路になるようにして、ビームのＸ方向の流れを妨げな
いようにする。磁場の存在する部分の長さをｓ、磁束密
度をＢ、イオンの速度をＶ、イオンの質量をＭ、イオン
の電荷をｑとすると、曲がり角Θは

【００２２】Θ＝ｑＢｓ／ＶＭ（１）

【００２３】によって与えられる。実際には経路ｓに沿
って磁場Ｂが変化するので、経路の積分によってΘを求
める必要がある。磁場Ｂ（ｘ，ｙ）が分かっていれば、

【００２４】ｄΘ＝（ｑＢ／ＶＭ）ｄｓ（２）ｓｉｎΘ＝ｄｙ／ｄｘｃｏｓΘ＝ｄｘ／ｄｓ（３）

【００２５】などからΘを計算できる。所望イオンの曲
がり角を例えば１０゜〜３０°程度に決める。するとそ
れより軽い水素イオン（Ｈ⁺ 、Ｈ₃ ⁺…）などがさらに強
く曲がるので完全に分離できる。

【００２６】電磁石のさらに先に、走査電極８が設けら
れる。これはｎ個の対向電極よりなる。これをＦ₁ 、Ｈ
₁ 、Ｆ₂ 、Ｈ₂ ……Ｆ_n 、Ｈ_n とする。いずれもＹ方向
に対向するように設けられ、交流電源９によってそれぞ
れに交流電圧が掛けられている。Ｙ方向に対向する対に
なった電極Ｆ_j とＨ_j の間に交番電圧が発生する。シー
トビームはＹ方向には薄いが電界によってＹ方向に走査
される。電界の振幅と周波数は、ビームを間隙幅全体に
走査できる程度とする。

【００２７】バイアス電源１０によっていずれの電極に
も負電圧が掛かっている。Ｆ₁ 、Ｆ₂…には同じ電圧
が、Ｈ₁ 、Ｈ₂ …にも同じ電圧が掛かっている。ビーム
の通る空隙には同じ方向に同じ大きさの電界が形成され
る。しかしビームの通らないＦ電極、Ｈ電極の空隙には
反対方向に電界が生ずる。さらにその前方には多数の通
し穴Ｇ₁ 、Ｇ₂ …、Ｇ_n を持つシールド電極１１があ
る。これは大地電位である。

【００２８】図３に示すように、所望の質量、エネルギ
ーのイオンビ−ムが電磁石によって曲げられたビームの
方向をＸ軸とする。これよりも質量の軽い水素イオンは
Ｘ軸より下にそれた下向きビーム１５となる。所望イオ
ンよりも重いイオンビ−ムは反対に上向きのビームとな
る。所定の質量のビームはウエハ４に衝突する。ウエハ
保持冷却機構５は冷却水６が循環しこれによって常に冷
却される。

【００２９】図１の場合は水素イオンなどもウエハに当
たるから過度に加熱されるが、本発明の場合は不要なイ
オンビ−ムが上下にそれ、ウエハに当たらない。ウエハ
の加熱の程度が少なくなる。

【００３０】図６に磁石の部分と、電極の部分を示す。
磁石はＺ方向に長いコアの廻りにコイルを巻いたもので
ある。例えばビームの流れ方向（Ｘ軸方向、短軸方向）
にはコア長さが１５０ｍｍ、コイルの厚みが８０ｍｍと
なっている。つまりビーム流れ方向には、３１０ｍｍで
ある。そのような偏平な磁石板がｎ＋１個Ｙ軸方向に並
んでいる。

【００３１】図６において磁石のさらに前には、電極が
あるが、この電極はＦ電極とＨ電極が空隙を介して対向
するようになっている。一方の電極Ｈ_j は隣接する電極
Ｆ_j+1との間に絶縁板２２がある。交流電源９によって
両方の電極の間に交番電界が発生する。絶縁板を介して
も反対方向の交番電圧が生じるが、それはイオンビ−ム
に作用しない。

【００３２】走査に必要な電圧を電極Ｆ、Ｈ間に印加す
れば良い。シールド電極の穴の幅Ｗを、スキャナ電極８
の中央からシールド電極までの距離Ｌ割った値Θ＝Ｗ／
Ｌだけビームを振らなくてはならない。一例ではＷ＝２
０ｍｍ、Ｌ＝７００ｍｍである。Θ＝３０ｍｒａｄとな
る。加速電圧Ｖ_acc の大きさによって、必要な走査振幅
電圧が変わってくる。

【００３３】例えば加速電圧が１００ｋＶとすると、走
査電極の電圧振幅Ｖ_def は、Ｖ_def ／Ｖ_acc ＝２Θｄ／
ｌによって計算できる。ただしΘはふれ角であり、ｄは
電極間隔、ｌは電極のＸ方向の長さである。Θ＝０．５
ｒａｄ、ｄ＝３０ｍｍ、ｌ＝９００ｍｍとすると、Ｖ
_def ／Ｖ_acc ＝１／５０となる。加速電圧が１００ｋＶ
の場合は、Ｖ_def ＝２ｋＶである。

【００３４】図９はシートビームの流れを直観的に示す
概略斜視図である。ここではシートビームの数は４枚の
ものを示すが、これは簡略化したものである。実際には
さらに数多くのシートに分割する。ここではマグネット
は一つであってｎ＋１個の磁極（２つの端部電極と（ｎ
−１）個の中間電極）があるようにしているものを図示
している。コイルは縦方向に巻いてあるが図示を略して
いる。磁場は磁極面に直角方向に形成される。

【００３５】必要なボロン等にイオンビ−ムは、所定の
角度だけ曲がって静電スキャナの間隙を通る。水素イオ
ンビ−ムはもっと強く曲げられるから下方（Ｚ軸方向）
へそれる。静電スキャナはビームをＹ方向に走査する。
すると電極は空間電荷領域を制限する。所望の質量のイ
オンビ−ムはシールド電極の穴を通り、ウエハに表面に
衝突する。Ｙ方向にビームをスキャンしているからウエ
ハの表面へ一様にイオンビ−ム照射することができる。

【００３６】

【実施例】図７には、ジボランガス（Ｂ₂ Ｈ₆ ＋Ｈ₂ ）
を用いて、ボロンビームをＳｉウエハに注入する場合の
シート面（ｙｚ面）状でのイオンビ−ムの軌道を示す。ビームエネルギー１００ｋｅＶフィルタ磁石の強さ２．６ｋＧ磁石のビーム方向の長さ１５０ｍｍビームの偏向角（ボロンイオン）１５゜ウエハＳｉ位置ボロンモノマー（ＢＨ_n ⁺）とボロンダイマー
（Ｂ₂ Ｈ_n ⁺）の軌跡が重なる領域

【００３７】横軸Ｓ、縦軸Ｔは、Ｘ軸、Ｚ軸とある角度
Φをなす。水素イオンＨ⁺ は強く下方へ曲げられる。次
いでＨ₃ ⁺イオンも下方へ曲がる。次の一団は一つのホウ
素を含むイオンであるＢＨ₂ ⁺、ＢＨ⁺ 、Ｂ⁺ などであ
る。もっとも曲がりの小さいのは二つのホウ素を含むＢ
₂ ⁺、Ｂ₂ Ｈ₂ ⁺、Ｂ₂ Ｈ₄ ⁺である。水素イオンなどは入ら
ないが、ボロンを一つ含むイオンも二つ含むイオンも入
射できる近接位置にウエハを設置する。この例では、磁
極から約０．８ｍの付近にウエハを置いている。Ｈ ⁺ は
勿論、水素原子を３個含むＨ₃ ⁺もウエハに入らない。水
素ビームＨ_n ⁺（ｎ＝１、２、３）は完全に除去される。

【００３８】

【発明の効果】大面積のイオンビ−ムを生成しこれを質
量分離せずに対象物に注入する従来のイオンドーピング
装置に比べて、本発明は質量分離をして不要イオンが対
象物に入らないようにする。それによって対象物の発熱
を抑える。ボロンＢ、砒素Ａｓ、燐ＰなどをＳｉウエハ
にドーピングするとき水素化物を原料とするのでイオン
ビームの半分は水素である。水素を除去できるからウエ
ハの加熱を約半分にすることができる。サセプタにはも
ちろん冷却機構があるが、それでも不十分であって過熱
されることもある。本発明は初めから発熱量が半分に減
るから、ウエハの熱によるダメージを防ぐことができ
る。冷却機構の負担も軽減される。

【００３９】従来はイオンドーピングの速度が主に冷却
機構の冷却能力の上限から決まっていた。本発明は発熱
を抑えることができるから、処理能力をさらに上げるこ
とができる。発熱量が約半分になるから例えばイオンビ
−ム電流密度を約２倍にし、処理速度を約２倍に高める
こともできる。

【００４０】図８にイオン注入密度と処理速度（枚／時
間）の一例を示す。冷却能力が１ｋＷとする。イオンの
加速電圧は１００ｋｅＶである。冷却能力とつり合う電
流は１０ｍＡである。１００ｋｅＶ×１０ｍＡ＝１ｋ
Ｗ。横軸は注入量（／ｃｍ² ）である。縦軸は処理速度
（枚／時間）である。冷却能力が一定としているから、
冷却能力と釣り合う時のドーズ量を示すこの曲線はウエ
ハの大きさを表現しているということもできる。ドーズ
量（密度）が大きいということはウエハが小さいという
事である。曲線部において全体のドーズ量は１０ｍＡで
ある。

【００４１】ドーズ量が小さい場合、つまり５×１０¹⁴
ｃｍ^-2以下の場合は本発明でも質量分離をしない従来法
でも変わりはない。しかしドーズ量がそれ以上になると
本発明の優越性が明確になる。曲線アが本発明による処
理速度を、イが質量分離をしない従来のイオンドーピン
グ装置の速度を表している。必要なドーズ密度が５×１
０¹⁵ｃｍ^-2の場合、本発明（ア）の速度は毎時１００枚
である。質量分離しない従来法の場合（イ）は毎時６０
枚である。本発明の方が約２倍の処理速度となる。

【００４２】単純に言えば次のようなことである。冷却
能力一杯で１０ｍＡのイオンビ−ムをウエハに当てるこ
とができる。本発明はその１０ｍＡの全てがドーパント
を含むイオンである。従来のイオンドーピング装置は半
分の約５ｍＡがドーパントを含むイオンである。ドーピ
ングの能力が従来では本発明の半分になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】大面積のイオン源から発生した広いビームをそ
のまま質量分離せずに対象物に照射する従来例に掛かる
イオンドーピング装置の概略図。（ａ）は引出電極の穴
配置を示す図。（ｂ）は装置の概略正面図。

【図２】本発明のイオン注入装置の概略平面図。

【図３】本発明のイオン注入装置の概略側面図。

【図４】本発明のイオン源の引出電極の穴構造を示す
図。スリット状の穴の場合。

【図５】本発明のイオン源の引出電極の穴構造を示す
図。直線に沿って並ぶ穴の場合。

【図６】本発明の装置において、質量分離のためにシー
ト状の磁石とシート状の走査電極を示す拡大平面図。

【図７】ジボランガスを用いて１００ｋｅＶに加速した
イオンビ−ムをＳｉウエハに打ち込む事によってボロン
をドープする時、２．６ｋＧの磁場を発生する電磁石に
よりビームを曲げるとして、水素イオンやボロンを含む
イオンの軌道を示す図。

【図８】冷却能力を１ｋＷとし、本発明（ア）と従来例
（イ）における必要なイオン注入量と処理速度の関係を
示すグラフ。

【図９】本発明の装置においてビームの流れを直観的に
示す概略の斜視図。

【符号の説明】

１イオン源２加速電源３イオンビ−ム４ウエハ５ウエハ保持冷却機構６冷却水８スキャン用電極（走査電極）９走査用交流電源１０バイアス電源１１シールド電極１２電磁石１３コア１４コイル１５水素イオンビ−ム１９電極板２０スリット状穴２１直線に沿って並ぶ穴

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】大面積のイオンビ−ムを生成し引き出し
口が複数のスロットになっており平行な複数のシート状
のシートビームを引き出すイオン源と、シートビームの
間隙部分に設けられシートビームに垂直な磁場を発生し
各シートビームをシート面内に偏向させ質量分離を行う
複数の偏平な磁極を持つ磁石或いは複数の偏平な独立し
た磁石群と、所望の質量を持つイオンビ−ムが通過する
位置に対象物を保持する保持機構とを含むことを特徴と
するイオン注入装置。
【請求項２】磁石に続いて各シートビームの間隙に設
けられシートビーム毎に対向する２電極をもち対向電極
に交流電圧を印加することによってシートビームを面と
直角の方向に走査する静電走査電極と、走査されたシー
トビームを通す平行な長穴が設けられ大地電位にあるシ
ールド電極とを含み、磁石によって質量分離されたシー
トビームを走査して対象物の全面にビームが入射するよ
うにしたことを特徴とする請求項１に記載のイオン注入
装置。