JPS62502925A - 入射角を一定にして高電流イオンビ−ムを走査する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 入射角を一定にして高電流イオンビームを走査する装置 背景技術 本発明はイオン光学の分野に関するもので、特に。

入射角を実質的に一定に維持しつつ被加工物の表面全体にわたってイオンビーム を走査する装置に関する０ イオン注入法は半導体に不純物を導入するための標準的な技術となってきている 。イオンビームは発生源で生成され、いろいろな程度に加速されてターゲットウ ェハに向けられる。イオン注入装置は、典型的にイオン源、不要なイオン物を除 去しそのビームを集束する光学系、イオンビームをターゲット領域全体にわたっ て偏向する手段、及びウェハを取り付け、取りはずすためのエンドステーション から成るものである。

多くの場合、イオンビームの断面領域はターゲットウェハの領域よりも実質的に 小さいものである。

したがって、ウェハ面とイオンビームとの間の相対的な移動が注入量を分布させ るために必要となる。

ターゲットをその平面で移動させ、ビームを固定する場合（機械的に走査を行う 典型的な場合である）、ビームの入射角は明らかに一定に維持される。通常の装 置において、イオンビームは磁気的及び静電的偏向場によって被加工物全体にわ たって一次元又は二次元の方向に走査される。仁のような場合、入射角はビーム 偏向角とともに変化する。結果として、被加工物の単位面積当りのイオン量は偏 向角の正弦（ｓｉｎｅ）で変化する。

半導体ウェハの半径は経済的な規模を達成するためによシ大きなもの（８インチ （２０，３２ｃｒｎ）まで至っている）となってきている。半導体の寸法が増大 すると、注入量もまた、必要となるよシ大きな偏向角によシ増加する。偏向角を 一定に維持するためには、走査装置の長さを増加させることでも行える。しかし 、このようなことは、注入量の一様性がより厳密であり、一方で清潔な室内の空 間は貴重であることから受け入れ難いものである。走査角による注入量の変化は 、米国特許第４，２８３．６３１号及び第４，４４９，０５１号に記載されてい るようにして補償することができる。しかし、このような補償を必要としないで 入射角を一定に維持することが望まれている。更に、後述するチャネリング効果 は容易に補償することができない。

イオンビームの入射角が変化することにより、チャネリング効果と関連した問題 が現われる。あるエネルギーを有する入射イオンも、いろいろな結晶面に関する 入射角に依存して様々な距離をもってターゲットの結晶格子の中に浸入すること は知られている。したがって、走査されるイオンビームの入射角が変化すると、 侵入の深さが変化し、それに対応してウェハ表面領域全体にわたるディバイスの 特性が変化する。このような効果を補償することは困難である。イオン注入にお いて、通常チャネリング効果を最小化するために入射イオンビームに関して僅が だけシリコンウェハを傾むける。好適には、入射角はウェハの表面個域全体にわ たって一定に維持されるべきである。一定な角度の入射は、米国特許第４゜１０ １．８１３号及び第４．１１７，３３９号に開示されているように磁気的及び静 電的二重偏向定食を利用する電子ビームで達成された。二重偏向システムは、典 型的には僅かな電子流及び僅かな電子の質量の場合に用いられている。二重偏向 システムの一つの欠点は、偏向要素に印加する、時間とともに変化する電気的入 力を注意深く同期する必要がある点である。

二重偏向システムは理論上イオンビームシステムに応用できるけれども、これら システムは実用上厳格な制限がある。イオン注入システムは、１００　ｍＡに至 るまでの範囲内のビームで動作すること及び高質量イオン（ひ素のようなもの） を注入することが要求される。このような高電流イオンビームは、電荷同士の斥 力によるビームの膨張あるいはふくらみを避けるためビームとともに移動する電 子によって空間電荷の中性化がなされなければならない。高ビーム電流に対し静 電偏向要素を使うと、中性化電子が除去され、空間電荷の斥力により許容し難い ビームの膨張が生ずる。磁気的要素は中性化されたビームから電子を除去するこ とはないが、高原子質量イオンに対して磁気偏向要素は大きく、重くそして大電 力を要する。イオン注入装置に使用する磁気二重偏向システムが米国特許第４． ３６７．４１１号に開示されている。

イオンビームリソグラフは被加工物の表面全体にわたって偏向し得る、精密に集 束されたイオンビームを利用する。入射角度を一定にして走査することが、イオ ン注入に関して上述したのと同じ理由からイオンビームリソグラフの場合も望ま れる。

本発明の主要な目的は新規なイオンビーム走査装置を提供することである。

本発明の他の目的は、イオンビームと被加工物との間の入射角が一定の高電流イ オン注入装置を提供することである。

更に、本発明の他の目的は、イオンビームと被加工物との間の入射角を一定に維 持するために空間電荷レンズを利用したイオン注入装置を提供することである。

本発明に従うと、これら及び他の目的、並びに効果が被加工物を荷電粒子ビーム で処理するための装置において達成できる。本発明の装置は、予め定められたパ ラメータの荷電粒子ビームを形成する手段、荷電粒子ビームの経路にほぼ被加工 物を配置する手段、及び被加工物の表面全体にわたってビームを少なくとも一方 向に偏向する走査手段から成る。本発明に従う装置は更に、被加工物と走査手段 との間に配置され、ビームが被加工物に一定の角度で入射するように走査ビーム を進行させる空間電荷手段を有する。空間電荷レンズは、走査ビームが横切る領 域内にほぼ一様な空間分布を有する電子雲を限定するために静電場及び磁場を形 成する手段を有する。走査手段の仮想の偏向中心は好適に空間電荷レンズ手段の 焦点と一致する。

第１因は本発明を好適に利用したイオン注入装置の°略示図である。

ある。

第３図は入射角を一定にして二次元のイオンビーム走査を行う装置を示す図であ る。

発明の詳細な説明 本発明を実施したイオン注入装置が第１図に示されている。高電位ターミナル２ が高電源４によシアースに対し高電位に維持きれている。ターミナル２は、所望 の種類のイオンビームを形成するのに必要なイオン源装置を含む。通常、イオン 源８がガス取扱い装置６から導出されたガスをイオン化するため、あるいは固体 材料を蒸発させるために備えられている。典型的なイオン源は、イオン化放電を 維持するための電源ｌＯ１放電領域に横切る軸線方向の磁場をかけるための電源 １２、及びイオン源の穴に電場を生成し、イオン源から良く画成された高電流イ オンビームを効率よく引き出すために抽出電徊１６と協働する、バーニア１４′ を苓した抽出源１４から成る。

いろいろなイオン源が従来から知られている。例えイオン源８から導出されたイ オンビーム１８が分析磁石２０で運動量分析される。その磁石２０は分析電源２ ２から付勢される。分析さ、れたビームは分析器の出口スリット２４を通過し、 加速器管２６に入る。その管２６では、高電位ターミナルの電位からアースの電 位までの電場の傾が注意深く設計されている。三組の四重極２８．３０．３２、 あるいは他の焦点化要素を形成し得る四重極レンズ、及びこれに関連した制御装 置３４のような光学要素がターゲット３６に空間及びエネルギの焦点を形成する ために動作する。

Ｘ軸及びｙ軸方向の静電偏向板から成る偏向装置４０がターゲット３６の所定の 領域全体にわたってビームを走査する。偏向板に印加される波形の形成及び所望 の走査プログラムを形成するそれらの同期化は走査制御装置４２によシ行なわれ る。ビーム１８は、余分なガスと荷電ビームとの間の電荷交換衝突により主に生 じる中性成分からビームを完全に分離するのに十分な軸線４４からの角度だけ偏 向される。

空間電荷レンズ４６が偏向装置とターゲット３６との間でビームの経路にそって 配置されている。その空間電荷レンズ４６はレンズ電力源４８によって付勢され る。偏向装置４０及び空間電荷レンズ４６の動作は以後で詳Ｈに説明する。ター ゲットチェンバ５０はビーム画成穴、ビームモニタ及び集積装置、及び被加工物 、典型的には半導体ウェハを真空装置に導入し、イオン注入の間ウェハを冷却す る装置を有する。ターゲットは在来の手段で取シ付は得るが、典型的にはターゲ ットの周囲をビームからのエネルギに対するヒートシンクとして作用するプラテ ンに留め付ける。発生源とターゲットとの間でイオンビームが横切る全領域が真 空ポンプ装置（図示せず）によシ高真空に維持されることが理解されるだろう。

半導体の集積回路を製作する際、一様で且つ繰返し可能なディバイスの特徴を得 るために、半導体ウェハの表面領域全体にわたって高度に一様な注入量の分布を なすようにイオンを注入することは重要である。上述したように、走査イオンビ ーム装置は注入量のばらつきやチャネリング効果のためにその均一性を妨げる。

したがって、入射角を一定にした走査が望ましいが、しかし、今日までターゲッ トを固定イオンビームに関して機械的に走査するか、あるいは重量があシミ力を 消費する磁気要素を使用する高電流イオンビーム装置において利用できるのみで あった。

本発明に従い、空間電荷レンズ４６は、走査ビームを平行にするために偏向装置 ４０とターゲット３６との間に配置され、これによりターゲット３６上の入射角 を一定セすることができる。本発明の一次元の実施例が第２図に示されている。

偏向装置４０は、仮想の偏向中心がレンズ４６の焦点６０と一致するように配置 されている。第２図の実施例において、偏向装置４０は一対の静電偏向板から成 る。その偏向板に時間とともに変化する走査電位を印加すると、偏向板を通過す るイオンビーム１８は軌道ａ、ｂ、ｃ、ｄ及びＣに連続的に偏向される。これら ビームの軌道はレンズ４６の焦点６０で生じるので、それらはレンズにより平行 な軌道ａ′、ｂ′、Ｃ′、ｄ、ｅに変換される。したがって、走査イオンビーム はターゲット３６に一定の入射角で衝突する。第２図にいくつかの軌道が示され ているけれども、ビームはある瞬間に１つの軌道を通ることは理解されよう。正 常の走査が第２図に図示されているけれども、ターゲット３６を走査イオンビー ムに関して所定の角度だけ傾むけることができ、一定の入射角が維持されること が理解されよう。空間電荷レンズ４６は、イオンビームを平行な軌道にするほか に、都合よく高電流イオンビームの空間電荷の中性化を維持するものであり、か つ比較的軽く、コンパクト々ものである。

第２図の装置は、１つの軸線の偏向板をｘｙ偏向装置に置き替えることにより二 次元のものに拡張できる。しかし、実際上正確な二次元の静電偏向は小さなコン パクト領域では行えない。典型的には、イオン注入ｉｔにおいて直交するＸ軸及 びｙ軸方向の偏向は、ビーム経路にそって離れて設置された偏向板の組によって 行われる。偏向板の各組が関連した仮想の偏向中心を有するので、このような配 置は本発明の趣旨からいって望ましくない。一定角の走査をなすために空間電荷 レンズを利用するならば、仮想の偏向中心は空間電荷レンズの焦点に一致する必 要がめる。二次元の走査のための配置が第３図に示されている。ビーム１８を１ つの軸線（、）にそって偏向するための第１組の偏向板７０が、その仮想の偏向 中心が空間電荷レンズ４６の焦点と一致するように配置されている。直又する方 向０・）に偏向するための走盃板が走青板７０の両側に配置されている。したが って、ｙ軸偏回板は上流にある偏向板の対７２と下流にある偏向板の対７４から 成る。偏向板７２．７４により２段階で行なわれるｙ軸偏向は仮想の偏向中心を 点６０にあるものとすることができる。

空間電荷レンズ４６の要素は第３図に示されている。空間電荷レンズ、又はガー バー（Ｇａｂｏｒ）レンズブース等、Ｖｏｌ、　１５１（１９７８）ｐｐ、１４ ３−１４７）に記載されている。二次元の走査の場合に、軸対称の空間電荷レン ズが必要となる。空間電荷レンズは、所定の領域内で電子雲を限定するために静 電場及び磁場を利用する。電子が軸対称々領緘に一様に分布すると、半径方向の 電場が電子雲のところに存在し、その強度は軸線からの距離に比例する。その結 果、電子雲は半径に比例する力を移動する荷電粒子に作用し、そのためレンズと して機能する。

第３図に示されているように、空間４１荷レンズ４６は円筒形の中央電極８０を 有し、この電極は約１−・１０　ｋＶでバイアスされている。円筒形電極８２． ８４は中央電極８０の両側で且つ軸線方向に整合するように配置されておシ、そ れらはアースさｎている。電流キャリングコイル８６、Ｓ８が円筒形電接８０の 外側のまわシに＾シ゛介されている。コイル８６．８８は、円筒形電極８０の中 にほぼ一様な軸対称な磁場を生成するヘルムホルツ型のものでよい。典型的には 、３００ガウスの磁場が必要である。電極８０の中の閉じた磁場及び電場により 、電子雲はその中でテーパーがつけらておシ、アースされた電極８２．８４によ シその漏れが防止されている。電子雲は半径方向の′ｔＭ、場を形成する。

半径の増加とともに強度が増加する半径方向の電場を形成するよう所定の領域内 に電子雲を限定する静電場及び盛場が形成できれば、他の形状の電極を本発明に 利用できることは理解されよう。レンズの直径は、走査ビームを軌道から外れな いような程度のものにしなければならない。更に、走査手段の仮想の偏向中心が 空間電荷レンズの焦点と一致するように配置されるのであれば、どの偏向装置も 利用し得る。入射角が一定の走査は、ビームがふくらむという望ましくない効果 を避け、大きく重量のある要素を使用することなく高電流イオンビームに対して 実施される。その結果、広い領域のターゲットについてのイオンビーム走査が非 常に一様な量の分布をなして実施される。当業者であれば、記載の発明がいかな る走査荷電粒子ビームにおいて利用され得ることは理解されるだろう。

ここで、本発明の好適実施例を記載し、説明してきたけれども、当業者であれば 請求の範囲に記載された発明の範囲から逸脱することなくいろいろな変形、変更 をなし得ることは明らかである。

補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の７１１項）昭和６２年１月７６日

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．被加工物を荷電粒子ビームで処理する装置であつて、 所定のパラメータの荷電粒子ビームを形成する手段と、 被加工物をほぼ荷電粒子ビームの経路に配置する手段と、 被加工物の表面全体にわたつて少なくとも一次元方向にビームを偏向する走査手 段と、前記被加工物と前記走査手段との間に設置され、被加工物に一定の入射角 となるように走査ビームを進行させるための空間電荷レンズ手段と、から成り、 前記空間電荷レンズ手段が、走査ビームの横切る領域内にほぼ一様な空間分布を 有する電子雲を限定するための靜電場及び磁場を形成する手段を含む、装置。
2. ２．走査手段が、前記空間電荷レンズ手段の焦点と一致する仮想の偏向中心を有 する、 請求の範囲第１項に記載された装置。
3. ３．走査ビームの軸線が前記空間電荷レンズ手段の焦点を通過する、 請求の範囲第１項に記載された装置。
4. ４．前記空間電荷レンズ手段が軸対称である、請求の範囲第１項に記載された装 置。
5. ５．前記走査手段が二次元の走査を行えるように調整でき その走査手段が、一方向にビーム偏向をする第１の偏向板セツトと及び前記一方 向に垂直な方向にビーム偏向をする２つの偏向板セツトから成り、前記２つの偏 向板セツトは前記第１の偏向板の両側で軸線上の上流及び下流に配置されている 、請求の範囲第２項に記載された装置。
6. ６．前記空間電荷レンズが、 正にバイアスされた第１の円筒形電極と、第１の円筒形電極の両端近傍に配置さ れ、アースされた円筒形電極と、 第１の円筒形電極内に軸線方向の磁場を形成する電流キヤリングコイルと、 から成る、 請求の範囲第５項に記載された装置。
7. ７．半導体ウエハに不純物のイオン注入を行うための装置である、 請求の範囲第１項に記載された装置。