JPH10261382A

JPH10261382A - イオン打込み装置、及びその方法

Info

Publication number: JPH10261382A
Application number: JP9066051A
Authority: JP
Inventors: Kensuke Amamiya; 健介雨宮; Katsumi Tokikuchi; 克己登木口; Junya Ito; 純也伊藤; Takayoshi Seki; 関　　孝義
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-03-19
Filing date: 1997-03-19
Publication date: 1998-09-29

Abstract

(57)【要約】【課題】従来なく広範囲のエネルギー領域で安定にイオ
ンビームを発生させ、しかもターゲットに均一にイオン
を注入できるイオン打込み装置を提供することを目的と
する。【解決手段】引出し電極に直流の高電圧を印加したイオ
ン源１０１から引き出された連続イオンビーム１０９
は、質量分離器１０２で偏向され、三段型の磁気四重極
レンズ１０３で収束された後、ＲＦＱ加速装置１０４に
入射する。ＲＦＱ回路に投入する電力は、パルス変調器
１０７で生成したパルス波形を電源でアンプしたもので
ある。パルス加速ビームを偏向器１０８でエネルギー分
別し、打込み室１０５に導入する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はイオン打込み装置、
及びその方法に係り、特に、半導体ウエハ等のターゲッ
トにイオンを広範囲のエネルギー領域で均一に打込むこ
とができるイオン打込み装置、及びその方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体デバイス製造用のイオン打
込み装置は「半導体イオン注入技術」(蒲生健次編集、
産業図書株式会社発行、１９８６年)の第１９１頁から
第２０８頁に記載されているように、全て、イオンビー
ムは連続ビームが使われている。これは、イオン打込み
装置が量産用半導体をターゲットにしていることが多く
スループットを第一に考えている点，パルスビームにす
る必要がなかった点などが主な理由として挙げられる。

【０００３】また、特開昭60−115199号公報に記載され
ているような高エネルギーのイオン打込み装置では、後
段加速部に図４に示すようなエネルギー可変型高周波四
重極加速器を取付け、時間的に連続した高エネルギーの
イオンビームを発生させ、これをターゲットに打込んで
いる。

【０００４】また、従来のイオンビームの均一打込み方
法は「電子・イオンビームハンドブック（第２版）」
（日本学術振興会第１３２委員会編、日本工業新聞社発
行、１９８６年）の第５９０頁から第５９２頁に記載さ
れているように、回転ディスク方式が最も広く採用され
ている。これは図３に示すように、アルミニウム製の回
転ディスク２０上にウエハ２１をセットし、この回転デ
ィスク２０を高速回転させながら、上下（あるいは左
右）に直線往復移動させるものである。これによって、
１０枚前後のウエハ２１に一括して均一にイオンビーム
２２を注入することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、比較
的低いエネルギーのイオンビームを使用する場合に、量
産用半導体をターゲットにして高スループットを得る点
では優れた技術であるが、さらに高いエネルギーのビー
ムを安定に出力して、これをターゲット上へ均一に打込
むという点については配慮がされておらず、高エネルギ
ー領域を含めた広範囲のエネルギー領域で均一にイオン
を打込めない点が問題であった。

【０００６】また、上記従来技術は、高エネルギーイオ
ン打込み装置の場合などに後段加速部に高周波加速装置
を取付けて大電流の連続ビームを得るという点では優れ
ているが、加速空洞に投入する高周波電力には限界があ
り、これによって加速エネルギーの上限が制限されてい
る点については考慮がなされていない。従って本従来例
では、加速エネルギーをあまり大きく取れないという点
が問題であった。

【０００７】一方、イオン打込み装置の打込み方式に関
する上記従来技術は、連続ビームを使用した場合には図
３のようなスキャン方式で均一にイオンを打込むことが
できるが、パルスビームを使用した場合にも均一にイオ
ンを打込むという点については考慮がなされていない。
従って本従来技術では、パルスイオン打込みを実施した
場合には連続ビームの時ほど打込み均一性が良くならな
いという点で問題があった。

【０００８】本発明の目的は、従来になく広範囲のエネ
ルギー領域でイオンビームを発生させることができるこ
と、また、ターゲットに均一にイオンを注入できるイオ
ン打込み装置、及びその方法を提供することにある。特
に、高いエネルギーのイオンビームを容易に発生させ、
その加速ビームを大面積のターゲットへ均一に打込むこ
とができる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的のうち、広範囲
のエネルギーのイオンビームを発生させることに関して
は、特に高いエネルギーのイオンビームを容易に発生さ
せるために、後段加速部に投入する高周波電力をパルス
的に与え、打込みイオンをパルス状のイオンビームにし
てターゲットへ打込むことによって、上記目的は達成さ
れる。

【００１０】上記目的のうち、パルスビームを使用した
場合にも均一にイオンを打込むことができることに関し
ては、パルスイオンビームの１パルスの照射時間内にス
キャンするスキャン回数を１回以上の整数回数に正確に
設定することによって、上記目的は達成される。

【００１１】また、ターゲットにイオンが打込まれない
間はスキャンを停止するように制御することによっても
上記目的は達成される。

【００１２】さらに、イオンビームの直径をウエハの直
径に対して縦横共にＮ分の１以上（Ｎは２以上の整数）
とするとともに、１回のスキャンの間にパルスイオンビ
ームを最低Ｎ回の照射を行うことによっても上記目的は
達成される。

【００１３】上記解決手段のうち、後段加速部に投入す
る高周波電力をパルス的に与えることで、パルス的では
あるが高エネルギービーム発生に寄与する加速電圧は確
保したまま、後段加速部に投入される平均的な電力量を
低く抑えることができる。

【００１４】これは、電力量（即ち加速器内部で蓄積さ
れる熱量）が電力（ワット）と時間の積（掛け算）で決
まるので、パルス化することによって加速器内部に蓄積
される熱量が低く抑えられ(例えば５０％デューティの
場合は半分の熱量になるので)、加速器内部の熱的に弱
いセラミックス硝子等の部品の寿命が増大する。この
時、加速電圧はパルス的に与える電力のピークの電力で
決まるので、平均電力が低く抑えられてもイオンの加速
エネルギーは従来と同様の加速エネルギーになっている
点が重要な点である。更に、従来は加速器内部の部品が
熱的に問題であり投入不可能であった高い電力であって
も、投入電力をパルス化することによってピーク電力を
従来以上にすることができるので、従来になく高エネル
ギーのイオンビームを発生させることができるようにな
る。

【００１５】上記解決手段のうち、パルスイオンビーム
の１パルスの照射時間内にスキャンするスキャン回数を
１回以上の整数回数に正確に設定すると、ウエハ上をス
キャンしている途中でイオン注入が途切れることがなく
なるため、パルスビームを使用した場合にも均一にイオ
ンを打込むことができる。

【００１６】これによって、従来になく広範囲のエネル
ギー領域でイオンビームを発生させ、しかも、ターゲッ
トに均一にイオンを注入できるイオン打込み装置を提供
することができるようになる。

【００１７】また、ターゲットにイオンが打込まれない
間はスキャンを停止するように制御をすることによって
も、ウエハ上をスキャンしている途中でイオン注入が途
切れる区間がなくなるため、パルスビームを使用した場
合にも均一にイオンを打込むことができる。

【００１８】これによって、従来になく広範囲のエネル
ギー領域でイオンビームを発生させ、しかも、ターゲッ
トに均一にイオンを注入できるイオン打込み装置を提供
することができるようになる。

【００１９】さらに、イオンビームの寸法をウエハの直
径に対して縦横共にＮ分の１以上（Ｎは２以上の整数）
とするとともに、１回のスキャンの間にパルスイオンビ
ームを最低Ｎ回の照射を行うと、ウエハ上の１回分の直
線スキャンを考えた場合に、連続した２回の打込み領域
は少なくとも半分は重なり合うこととなり、これで直線
スキャンをランダムに重ねることで、極端な打込み不均
一の生じることがなくなる。

【００２０】これによって、パルスビームを使用した場
合にも均一にイオンを打込むことができ、従来になく広
範囲のエネルギー領域でイオンビームを発生させ、しか
も、ターゲットに均一にイオンを注入できるイオン打込
み装置を提供することができるようになる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図１を
用いて説明する。

【００２２】図１は本発明の第１実施例の構成を示す配
置図である。該図において、イオン源１０１にはＤＣ１
０ｋＶ〜ＤＣ１００ｋＶ程度の直流の高電圧を引出し電
極に印加し、連続ビームを引き出す。イオン源１０１か
ら出射した連続イオンビーム１０９は、質量分離器１０
２で偏向される。イオン源１０１はマイクロ波放電型，
フィラメント型等の通常のプラズマ方式の正イオン源で
ある。質量分離器102は扇型電磁石で、大電流を通過さ
せるために磁極間のギャップ長（ビームの通過領域）は
６０mm以上に広くとってある。質量分離された連続イオ
ンビーム１０９は三段型の磁気四重極レンズ１０３で収
束された後、ＲＦＱ加速装置１０４に入射する。ＲＦＱ
加速装置１０４はエネルギー可変型の高周波四重極加速
装置で、最大出力１００ｋＷの高周波電源（１０〜３０
ＭＨｚ）１０６からの高周波電力をＲＦＱ回路へ投入し
て、ＲＦＱ電極間に加速電圧を発生させる。今回は、2
0.1ＭＨｚの共振周波数で実験した。この時、ＲＦＱ回
路に投入する電力は電源からパルス的に出力されたもの
で、これはパルス変調器１０７で生成したパルス波形を
電源でアンプして出力したものである。パルス変調の繰
り返し周波数は１Ｈｚで、パルス幅は２５０ミリ秒であ
る（デューティ：２５％）。加速エネルギーは投入電力
の平方根に比例して増加するので、デューティを２５％
にして運転すれば、従来と同様の平均投入電力でピーク
電力は４倍になる。従って、この時には、従来の２倍の
加速エネルギーのビームが得られることになる。

【００２３】パルス加速ビーム１１１を偏向器１０８で
エネルギー分別し、打込み室１０５に導入する。打込ま
れるビームは、パルス幅２５０ミリ秒の中に、ＲＦＱ加
速器によって２０.１ＭＨｚの周波数でバンチングされ
たビームが連続して含まれていて、このパルス幅２５０
ミリ秒の長いパルスが１Ｈｚの間隔で打込み室に導入さ
れることになる。打込み室１０５には、１０枚の６イン
チシリコンウエハが円周上に設置されている。シリコン
半導体ウエハの他、鋼，チタン等の金属材料を設置する
こともできる。打込み方式は回転ディスク方式で、回転
数は７２０回転／分、左右の直線スキャン周期は往復で
約１分程度の周期である。１Ｈｚの運転では１スキャン
の間に片道３０分に３０回注入されるので、イオンビー
ムの寸法はウエハの直径（６インチ：約１５０mm）に対
して１／３０以上である３０mm（１／５）に調整して注
入試験を行った。

【００２４】これによって、１回の片道のスキャンの間
を考えたときに、隣り合わせのパルスビームがウエハ上
で必ず重なって注入されることになり、少なくとも全く
イオンが打込まれない領域が生じることがなくなり、良
好な均一性が得られるようになる。１×１０¹⁴cm~²のド
ーズ量の打込み試験を行い、打込み均一性（１σ）が１
％以下の従来並みの良好な均一性が得られた。

【００２５】以下、本発明の別の実施例を図２を用いて
説明する。

【００２６】図２は本発明の第２実施例のスキャン周期
とパルスビームの関係を示した図である。

【００２７】本実施例の場合も、装置の配置は図１と同
様の配置図であるが、ビームのスキャンは磁場による左
右方向のスキャン方式をとり、スキャン周期をパルスビ
ームのパルス幅に比べて相対的に早くした。図２に示す
ように、１パルスの間にちょうど３往復（６スキャン）
するように設定した。パルスビームの繰り返し周波数は
１／６Ｈｚで、パルス幅は３秒である（デューティ：５
０％）。３秒のパルス幅の間に、ビームを１秒のスキャ
ン周期で走査する。このように、１パルスの照射時間内
にスキャンするスキャン回数を１回以上の整数回数にす
ることで、パルスビームを使用した場合にも、従来並の
均一度でウエハにイオンを注入することができる。この
場合にも、１×１０¹⁴cm~²のドーズ量の打込み試験を行
った結果、打込み均一性（１σ）が１％以下の従来並み
の良好な均一性が得られた。

【００２８】また、第１実施例及び第２実施例ともに、
打込み室に導入したパルス状イオンのうち、ターゲット
にイオンが打込まれない間は上記スキャンを停止するよ
うに制御することによっても、従来並の均一度でウエハ
にイオンを注入することができる。

【００２９】即ち、打込み室に導入するパルス状イオン
が途切れる間だけ、ウエハをセットした回転ディスクの
横方向のスキャンを停止させれば、実質的にウエハへの
照射は連続ビームが照射されたのと同じことになるの
で、結果的に従来並の均一度でウエハにイオンを注入す
ることができるようになる。

【００３０】この場合には、第１実施例のビーム寸法、
あるいは第２実施例の整数回スキャンの調整を行わなく
ても良いが、両者を併用することで、さらに均一度の高
い打込みが実現できる。

【００３１】以上の実施例ともに、パルスビームを使用
することで、従来になく高いエネルギーのイオンをター
ゲットに長時間安定に注入できるようになり、しかもパ
ルスビームを使用した場合にも均一にイオンを打込むこ
とが可能となる。これにより、従来になく広範囲のエネ
ルギー領域でイオンビームを発生させ、しかも、ターゲ
ットに均一にイオンを注入できるイオン打込み装置を提
供することができるようになる。

【００３２】ここで、高周波四重極加速装置で使用する
高周波四重極電極の代わりに、六極以上の偶数極を持つ
多重極電極を使用た場合、あるいはエネルギー固定型の
高周波加速装置を使用して本発明を適用した場合にも同
等の効果がある。

【００３３】

【発明の効果】以上説明した本発明によれば、従来の高
周波加速装置を備えた高エネルギーイオン打込み装置を
安定に運転できるようになるばかりではなく、従来以上
の高エネルギー領域のイオンビームを発生できるので、
従来になく広範囲のエネルギー領域でイオンビームを発
生させ、しかも、ターゲットに均一にイオンを注入でき
るという効果がある。

【００３４】そして本発明により、装置寸法制約の厳し
い半導体製造工場の大量生産工程に、大電流ＭｅＶイオ
ンビ−ムが利用できるようになるばかりではなく、金
属，セラミックス等の材料表層改質を短時間で行える大
量生産用イオン処理装置が実現できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の高エネルギーイオン打込
み装置の配置図である。

【図２】本発明の第２実施例のスキャン周期とパルスビ
ームの関係を示した図である。

【図３】従来の回転ディスク方式の均一イオン打込み方
法を示す図である。

【図４】従来のエネルギー可変型ＲＦＱ加速装置の構造
図である。

【符号の説明】

１′，２′，３′，４′…四重極電極、５…加速管、１
１…絶縁物、１２…インダクタンス、１３…可変コンデ
ンサ、１４…カップリングコイル、１５…増幅器、１６
…連続発振器、１０１…イオン源、１０２…質量分離
器、１０３…磁気四重極レンズ、１０４…ＲＦＱ加速装
置、１０５…打込み室、１０６…高周波電源、１０７…
パルス変調器、１０８…偏向器、１０９…連続イオンビ
ーム、110…マッチングボックス、１１１…パルス加速
ビーム。

フロントページの続き (72)発明者関孝義茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発本部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】イオン源と、該イオン源から引き出された
イオンビームを収束させる四重極レンズと、該四重極レ
ンズからの収束ビームを追加速する後段加速器と、該後
段加速器からの加速ビームをターゲットに打込むイオン
打込み室とを備えたイオン打込み装置において、前記後段加速器の駆動電源をパルス出力が可能な電源と
したことを特徴とするイオン打込み装置。
【請求項２】イオン源と、該イオン源から引き出された
イオンビームを質量分離する質量分離器と、該質量分離
器からの質量分離ビームを収束させる四重極レンズと、
該四重極レンズからの収束ビームを追加速する後段加速
器と、該後段加速器からの加速ビームをターゲットに打
込むイオン打込み室とを備えたイオン打込み装置におい
て、前記後段加速器の駆動電源をパルス出力が可能な電源と
したことを特徴とするイオン打込み装置。
【請求項３】請求項１、又は２記載のイオン打込み装置
において、前記後段加速器にエネルギー可変型の高周波四重極加速
器を使用したことを特徴とするイオン打込み装置。
【請求項４】請求項１，２、又は３記載のイオン打込み
装置において、前記イオン打込み室の直前に、前記後段加速器からの加
速ビームのエネルギーを選別する偏向器を備えたことを
特徴とするイオン打込み装置。
【請求項５】イオン源で生成したイオンを加速し、該加
速イオンをターゲットに打込むイオン打込み方法におい
て、前記打込みイオンをパルス状のイオンビームにしてター
ゲットへ打込むことを特徴とするイオン打込み方法。
【請求項６】イオン源で生成したイオンを加速し、該加
速イオンを質量分離し、該質量分離イオンをターゲット
に打込むイオン打込み方法において、前記打込みイオンをパルス状のイオンビームにしてター
ゲットへ打込むことを特徴とするイオン打込み方法。
【請求項７】前記ターゲットに打込む前に後段の高周波
加速器で追加速し、該追加速イオンをターゲットに打込
むことを特徴とする請求項５、又は６記載のイオン打込
み方法。
【請求項８】前記打込みイオンをパルス状のイオンビー
ムにする方法として、後段の追加速装置をパルス運転す
る方法で打込みイオンをパルス化したことを特徴とする
請求項５，６、又は７記載のイオン打込み方法。
【請求項９】ターゲット上でイオンビームをスキャンす
る方式、またはイオンビームを固定してターゲットをス
キャンする方式、あるいは上記二方式を同時に行う方式
の何れかの方式でターゲットへ均一にイオンを打込むイ
オン打込み室を具備した請求項１乃至４に記載のイオン
打込み装置で、パルス状のイオンビームをターゲットに
打込む際に、該パルスビームの１パルスの照射時間内にスキャンする
スキャン回数が１回以上の整数回数であることを特徴と
するイオン打込み方法。
【請求項１０】ターゲット上でイオンビームをスキャン
する方式、またはイオンビームを固定してターゲットを
スキャンする方式、あるいは上記二方式を同時に行う方
式の何れかの方式でターゲットへ均一にイオンを打込む
イオン打込み室を具備した請求項１乃至４記載のイオン
打込みでパルス状のイオンビームをターゲットに打込む
際に、該パルス状イオンのうち、ターゲットにイオンが打込ま
れない間は上記スキャンを停止するように制御すること
を特徴とするイオン打込み方法。
【請求項１１】ターゲット上でイオンビームをスキャン
する方式、またはイオンビームを固定してターゲットを
スキャンする方式、あるいは上記二方式を同時に行う方
式の何れかの方式でターゲットへ均一にイオンを打込む
イオン打込み室を具備した請求項１乃至４記載のイオン
打込み装置でパルス状のイオンビームをターゲットに打
込む際に、イオンビームの直径をウエハの直径に対して縦横共にＮ
分の１以上（Ｎは２以上の整数）とするとともに、１回
のスキャンの間にパルスイオンビームを最低Ｎ回の照射
を行うことを特徴とするイオン打込み方法。