JP3371229B2 - イオンビーム注入装置およびその方法 - Google Patents

イオンビーム注入装置およびその方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、加工部材を処理するた
めのイオン注入装置およびその方法に関するものであ
り、特に半導体ウェハにドーピング不純物を注入するの
に適したイオン注入装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】半導体の製造技術において、イオンビー
ムを利用して半導体ウェハにイオン不純物を注入するこ
とは公知である。ウェハ表面の横方向にビームを走査さ
せるか、または静止ビーム上でウェハを移動させること
によって、ウェハに均一にドーピングすることができ
る。
【0003】イオンビームがウェハ表面に衝突する角度
(ウェハ傾斜角)は、ウェハのイオン注入における重要
なパラメータである。半導体材処理における最近の傾向
は、ウェハ表面を横切る間のイオン衝突角度の変動を減
少させることを必要としている。
【0004】走査イオンビーム装置では、静電偏向プレ
ートがウェハ表面上にイオンビーム衝突ラスターパター
ンを形成する。1組のプレートによって1方向の高速前
後走査が行われ、第2組のプレートによって直交方向の
ビーム偏向が行われる。そのようなラスター走査の結
果、典型的なイオンビーム構造では200mmのウェハ
を横切る間の衝突角度変動は±4゜になる。
【0005】この衝突角度変動を減少させる方法が提案
されている。1つの提案は、水平方向に2組、垂直方向
に2組の4組の偏向プレートを用いるものであり、複式
偏向装置と呼ばれる。ビームをまず初期軌道から偏向さ
せた後、ウェハに衝突する直前で再び偏向させて、最初
の未偏向軌道に対して平行方向に戻すものである。
【0006】大径のウェハに複式偏向装置を用いる場
合、離設間隔を広くした偏向プレートが必要となる。こ
れには、第1組の偏向プレートに加えられる走査電圧と
正確に同期させて走査されなければならない高い偏向電
圧が必要である。別の問題として、走査プレートの開口
が大きくなるのに伴って、周囲の静電界の制御が難しく
なり、ビーム空間電荷効果の影響を受けやすくなる。
【0007】傾斜角変動を減少させる別の公知の方法
は、機械的に走査されるスピン式ディスクウェハ支持体
を用いるものである。スピン軸がビームに平行であれ
ば、衝突角度変動は存在しない。スピン式ディスク支持
体では、衝撃角度の変動に必要な状態を維持しながら衝
撃角度を制御することに問題がある。スピン式加工部材
支持体を設けた従来特許の一例として、マツカワの米国
特許第4,794,305号がある。
【0008】別の最近の方法に、ビームを1つの軸線方
向に静電的に走査させてから、高屈折率の曲げ磁石を用
いて平行リボンビームを発生するものがある。次に、ウ
ェハをリボンビームに直交する方向に機械的に走査させ
て、均一な二次元注入を行う。エンジ(Enge)の米国特許
第4,276,477号、マッキンタイア(McIntyre)他
の米国特許第4,687,936号及びベリアン(Berri
an) 他の米国特許第4,922,106号にそのような
装置が開示されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】このような事情に鑑み
て、本発明は、半導体ウェハ等の加工部材をそのウェハ
に制御された均一角度でイオンを衝突させて処理するイ
オンビーム注入装置を提供することを目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的を解決するた
め、本発明のイオンビーム注入装置は、イオン源(12)
と、加工部材をイオン源に対して所定向きに配置する支
持手段(59)と、ビーム形成手段(16、20) と、イオンビー
ム内のイオンを第1軌道から制御量だけ偏向させる電極
手段(26、28) と、イオンが加工部材に衝突する前に加速
する加速手段(30)と、イオンビームの制御手段(29)とを
備え、加速手段は、入口電極(32)と、追加電極(34)とを
有し、均一な角度で加工部材にイオンビームを衝突させ
るための空間的に不均一な電界を発生する電圧のバイア
スを加えるようにしたことを特徴としている。イオン源
で発生したイオンは質量分析磁石によって分析される。
分析磁石は、適当な質量のイオンで第1軌道に沿って移
動するイオンビームを形成する。電極対はイオンをこの
第1軌道から制御量だけ偏向させて、横方向走査を行
う。ビーム加速機が、制御量だけ偏向させたイオンを、
それらが加工部材に衝突する前に加速する。出力部を横
方向走査電極対に接続した制御回路が、イオンビームの
偏向を調節し、それによって加工部材のイオンビーム処
理を制御する。
【0011】ビーム加速機は、空間的に不均一な電界を
発生させる制御電圧のバイアスがかけられている入口電
極を有している。図示の好適な実施例では、この入口電
極は、弓形すなわち湾曲した導電性電極になっている。
不均一な電界によって、発散軌道に沿って移動するイオ
ンが再び偏向して、比較的均一な角度で加工部材にイオ
ンを衝突させることができる。1つまたは複数の追加電
極が、再度偏向した後のイオンを加速して、それらが適
当なエネルギで加工部材に衝突する。
【0012】
【作用】このように、本発明によれば、イオンビーム
は、制御回路によってバイアスがかけられている平行な
離設プレート間を通過する時、初期軌道から制御可能に
偏向する。偏向した後、イオンビームは加速機に入り、
そこで偏向イオンビームが再度偏向して所望の最終エネ
ルギまで加速される。ビームが加速機を出る時、ビーム
は加工部材に衝突する軌道に沿って移動する。イオンビ
ームを形成しているイオンはすべて、均一の制御された
衝突角度で加工部材に衝突する。イオンを再び偏向させ
るビーム加速機の一部を形成する電極を用いることによ
って、加工部材までのイオンビームの経路を短くするこ
とができる。言い換えれば、イオンの再偏向及び加速の
両方を、単一のビーム経路形成構造で実施することがで
きる。
【0013】
【実施例】図面において、イオン注入装置10は、イオ
ンビーム14を発生するイオン源12を備えている。注
出電源15が注出電極に電圧(約20kV)を加えてお
り、これによってイオン源12から出て軌道に沿ってイ
オン質量分析磁石16に到るイオンが加速される。磁石
16は、ビームをほぼ直角に屈曲させて、適当な質量の
イオンを移動経路に沿ってシャッター20へ送る。シャ
ッター20は、イオンビーム14から不適当な質量のイ
オンを除去する。
【0014】ビーム14は次に1対の偏向電極26、2
8を通過する。制御回路29によって電極26、28に
制御電圧が加えられているため、イオンビームは電界を
通過し、ここでイオンビーム14は制御量だけ偏向す
る。2つのプレート26、28間の電圧差の大きさが、
偏向量を制御する。偏向イオンビームはビーム加速機3
0へ入り、ここでイオンビーム14は、分析磁石16を
出た時の軌道にほぼ平行な移動経路に方向修正される。
ビーム加速機30には、湾曲した金属製の入口電極32
と、複数の離設された平行金属プレート34a〜d(図
2)とが設けられている。加速機30を通過後のビーム
内のイオンは、所望軌道へ方向修正されていると共に、
最終注入エネルギまで加速されている。
【0015】ビーム加速機30の下流にイオン注入部4
0が配置されており、これは平行プレート34a〜dに
よって加速されているイオンが当たる位置に半導体ウェ
ハ60を支持する構造体を含んでいる。イオンビームが
他の粒子と衝突するとビームの保全性が低下するため、
イオン源12から注入部40までのビーム通路全体を脱
気する。イオン注入部40の領域では、室42が脱気さ
れ、また室42の加圧及び減圧を繰り返さないようにす
るため、ウェハはロードロックに挿入され、それから引
き出される。カセット50からシャトル52で取り出さ
れたウェハを室42の外に配置された機械式アーム44
が把持する。アーム44は、最初に各未注入ウェハをウ
ェハ方向決め装置56上に載置する。方向決め装置56
は、イオン注入が行われる前に未注入ウェハを所定向き
へ回転させて、イオンがウェハに衝突する時、イオンは
結晶格子構造の特定の向きに当たるようにする。次に、
ウェハをロードロック58内へ移動させると、第2アー
ム46がウェハを室42内の注入位置へ移動させること
ができる。注入位置では、ウェハ支持体59が、ウェハ
60を一定である特定の傾斜角度でイオンビームに対し
て所定向きに配置する。
【0016】走査電極26、28は、制御回路29の指
令に基づいて制御量の横方向ビーム走査を行う。回路に
は、このウェハの走査を行うことができるように走査電
極電圧を調整するためのプログラマブル制御装置が設け
られている。図1に示されている装置は横方向の走査を
行うだけであるため、図1に示されているような円形ウ
ェハの加工表面全体にイオン注入するためには、さらに
偏向イオンビームと加工部材との間を相対移動させるこ
とが必要である。本実施例では、(リボンイオンビーム
の平面に直交する方向の)ウェハ60の前後方向の線形
移動が、支持体59に取り付けられた適当な駆動機構
(図示せず)によって実施される。
【0017】イオンビームによる処理によってウェハ6
0のドーピングが完了すると、そのウェハは第3アーム
62によって注入部40から取り出される。このアーム
62がウェハ60をロードロック64へ送ることによっ
て、第4の機械式アーム66がウェハをシャトル68へ
移送することができ、シャトルは注入済みウェハをカセ
ット70へ移動させる。
【0018】図1ないし図3にわかりやすく示されてい
るように、加速機30の入口電極32は、弓形の入口湾
曲導電体によって構成されている。この電極32は、イ
オン源12、分析磁石16及び偏向電極26、28を支
持しているハウジング100と同じ電位に維持されてい
る。第2電極34a(図2)には、高電圧電源102
(図1)によって正バイアスがかけられている。湾曲電
極32と第1のほぼ平面状の電極34aとの間の電圧差
は、レンズ電源104によって維持されている。
【0019】レンズ電源104が約60キロボルト、注
出電源15が20キロボルト、高電圧電源102が12
0キロボルトである代表電圧によって、正電荷のイオン
が約200keV の最終エネルギまで加速される。これら
の電圧は、入口表面の断面がほぼ円形で、曲率半径が1
3インチであって、偏向電極26、28の位置の走査頂
点から約24インチ離して湾曲入口電極32を設けた図
2の注入装置に適している。この構造に対応させて電極
32に形成された入口開口112の幅W(図4)は約1
2インチである。
【0020】図3の実施例では、電極34aが、入口電
極32の前後表面の曲率とほぼ同じ曲率の入口表面10
6を備えている。この実施例では、表面106が湾曲電
極32の外形に「平行である」と言える。一般的に、電
極34aは、湾曲状、平面状、または電極32とは異な
った形状の湾曲状にすることができる。
【0021】図2及び3に示されているように、電極3
4a〜34dを分離させている絶縁体110は、各電極
を隣接の電極から電気的に絶縁していると共に、電極を
互いに離設させている。3つのバイアス抵抗Rが、電源
102に並列に電極34a、34b、34c、34dに
接続されており、隣接電極間の電圧差をほぼ同じにして
いる。各抵抗の抵抗値は約50メグオームである。
【0022】図5には、図2の実施例の場合の等電位線
111が示されており、湾曲入口電極32及び後続の平
面電極34a〜34dを通過するイオンに対してビーム
加速機30が与える影響を説明している。入口電極32
と平面電極34aとの間の領域内の等電位線は湾曲して
いる。第1平面電極34aと最後の平面電極34dとの
間の等電位線はほぼ平行であって、イオン軌道に直交し
ている。加速機30によって形成された電界によって、
電極26、28の横方向走査のために発散経路で移動し
ているイオンが再び偏向して、互いにほぼ平行になる。
再偏向されたイオンは、加速機30で加速されて、目標
物60に比較的均一の衝撃角度で衝突する軌道で加速機
30から出る。支持体の適当な方向決めによりこの衝撃
角度は垂直となりまたはある所定の衝撃角度となること
ができる。
【0023】制御回路29が横方向走査させることによ
って、電極32、34a〜dに形成される開口112を
細長いスロットにして、それを通って偏向イオンが加速
機30へ入ることによって、再偏向及び加速が行われる
ようにすることができる。イオン注入装置10の代表的
な用途が、円形またはほぼ円形の半導体ウェハのドーピ
ングであるから、得られたリボンイオンビームによる加
工部材60の前後走査は、ウェハ支持体59の機械的並
進移動によって達成される。
【0024】図6は、加速機30のための変更形励起構
造を示している。本例では、出口電極34dが接地され
ており、高電圧電源102のプラス端子が入口電極32
に接続している。レンズ電極が、入口電極32と電極3
4aとの間に電位差を発生させている。
【0025】図1に示されている構造では、所望イオン
エネルギは、イオン源から放出されたイオンに電位を加
えた合計になる。適当なイオンエネルギは、高電圧電源
102の電圧を調節することによって得られる。式で表
すと次のようになる。
【0026】(1) hvps=所望エネルギ−レンズ
電源−注出電源 図6の構造では、所望エネルギが、電圧電源に注出電源
を加えた合計である。 (2) hvps=所望エネルギ−注出電源 図6の構造では、レンズ電源102の電圧の変動は、イ
オンエネルギに影響を与えないが、ビームの平行性にい
くらかの影響を与える。図6の構造では、注出電源電圧
程度の低いエネルギが可能である。
【0027】以上に本発明の実施例を説明してきた。正
のイオンを注入するのに適した電圧極性の好適なイオン
注入装置を説明してきたが、負のイオンを注入する装置
も可能である。従って、発明の精神を逸脱しない範囲内
において様々な変更を加えることができる。
【0028】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、イオン
が加工部材に衝突する前に加速する手段と、イオンビー
ムの制御手段とを備え、加速手段が、均一な角度で加工
部材にイオンビームを衝突させるための空間的に不均一
な電界を発生する電圧のバイアスを加えるようにしたの
で、イオンの再偏向及び加速の両方を、単一のビーム経
路で形成する構造として加工部材までのイオンビームの
経路を短くするとともに、ウェハ表面を横切る間のイオ
ン衝突角度の変動を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるイオン注入装置の概略図である。
【図2】イオンビーム加速機の拡大平面図である。
【図3】イオンビーム加速機の変更例の拡大平面図であ
る。
【図4】イオンビーム加速機の入口部分の立面図であ
る。
【図5】イオンを再び偏向させて加速する図2に示され
ている加速機によって発生する電界線を概略的に示して
いる。
【図6】図2及び3に示されている加速機のための変更
形励起構造を示している。
【符号の説明】
10 イオン注入装置 12 イオン源 14 イオンビーム 16 分析磁石 20 シャッタ 26、28 偏向プレート 29 制御回路 30 加速機 32 入口電極 34 平面電極 59 支持体 60 加工部材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 モンロー リー キング アメリカ合衆国 テキサス 78753 オ ースチン チルドレス ドライブ 9824 (56)参考文献 特開 昭62−285354(JP,A) 特開 昭62−295347(JP,A) 特開 平2−18853(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01J 37/317 H01J 37/12

Claims (16)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 加工部材(60)を制御可能に処理するため
    のイオンビーム注入装置(10)であって、 a)加工部材を処理するためのイオンを発生するイオン
    源手段(12)と、 b)加工部材をイオン源手段に対して所定向きに配置す
    る支持手段(59)と、 c)イオンをイオン源手段で放出させて第1軌道に沿っ
    て移動するイオンビーム(14)を形成するビーム形成手段
    (16、20) と、 d)前記イオンビーム内のイオンを前記第1軌道から制
    御量だけ偏向させる電極手段(26、28) と、 e)前記制御量だけ偏向させたイオンを、前記イオンが
    加工部材に衝突する前に加速する加速手段(30)と、 f)前記電極手段に接続される出力部が前記イオンビー
    ムの偏向を調節して加工部材のイオンビーム処理を制御
    する制御手段(29)とを有しており、 g)前記加速手段は、入口電極(32)と、前記イオンを衝
    撃エネルギまで加速する1つまたは複数の追加電極(34)
    とを備え、前記入力電極はイオンビームが加工部材へ進
    む途中に通過する開口(112)を形成した弓形電極であ
    り、この弓形電極及び前記追加電極中の第1電極(34a)
    には、空間的に不均一な電界を発生するためのバイアス
    電圧が加えられて、発散軌道に沿って移動しているイオ
    ンを再び偏向させ、このイオンが比較的均一な角度で加
    工部材に衝突するようにしたことを特徴とするイオンビ
    ーム注入装置。
  2. 【請求項2】 電極手段及び加速手段は固定されてお
    り、支持手段は、加工部材表面全体を処理するように加
    工部材をイオンビームに対して移動させる手段を含むこ
    とを特徴とする請求項1のイオンビーム注入装置。
  3. 【請求項3】 少なくとも2つの追加電極(34)を有して
    おり、前記追加電極は、弓形電極の開口を通って加工部
    材に進むイオンを通過させるための開口を有する平行に
    離設された電極プレートであることを特徴とする請求項
    1のイオンビーム注入装置。
  4. 【請求項4】 前記追加電極の少なくとも1つが、入口
    電極の湾曲表面から離設された湾曲入口表面(106)を備
    えた離設電極プレートを有していることを特徴とする請
    求項1のイオンビーム注入装置。
  5. 【請求項5】 離設電極プレートの湾曲入口表面が、入
    口電極の湾曲表面とほぼ同じ曲率であることを特徴とす
    る請求項4のイオンビーム注入装置。
  6. 【請求項6】 前記電極プレートは絶縁体(110) で分離
    されていることを特徴とする請求項3または4のイオン
    ビーム注入装置。
  7. 【請求項7】 少なくとも2つの追加電極(34)を有して
    おり、第1追加電極(34a) は第1の電圧に維持され、第
    2追加電極(34b) は第2の電圧に維持されており、入口
    電極には、前記第1追加電極とは異なったバイアス電圧
    がレンズ電源(104) によってかけられることを特徴とす
    る請求項1のイオンビーム注入装置。
  8. 【請求項8】 レンズ電源は、第1追加電極よりも大き
    い一定の電位のバイアスを入口電極にかけて、入口電極
    と第1追加電極との間に静電界が形成されることを特徴
    とする請求項7のイオンビーム注入装置。
  9. 【請求項9】 正電荷イオンがイオン源手段から注出電
    源(15)によって加速され、加工部材に衝突するイオンエ
    ネルギは、高電圧電源(102) 、注出電源及びレンズ電源
    の合計に等しいことを特徴とする請求項8のイオンビー
    ム注入装置。
  10. 【請求項10】 少なくとも2つの追加電極(34)を有し
    ており、入口電極には一定の正電位のバイアスが高電圧
    電源(102) によってかけられ、第1追加電極には低電位
    のバイアスがレンズ電源(104) によってかけられている
    のに対して、第1追加電極よりも下流側のイオンビーム
    経路に隣接した第2追加電極は、帯電イオンを加速する
    ように第3の一定電位に維持されていることを特徴とす
    る請求項1のイオンビーム注入装置。
  11. 【請求項11】 レンズ電源は、第1追加電極に入口電
    極よりも小さいバイアス電圧をかけることを特徴とする
    請求項10のイオンビーム注入装置。
  12. 【請求項12】 イオンがイオン源手段から注出電源に
    よって加速され、加工部材に衝突するイオンエネルギ
    は、高電圧電源と注出電源の合計に等しいことを特徴と
    する請求項11のイオンビーム注入装置。
  13. 【請求項13】 イオンビーム注入装置に使用されるイ
    オン加速機であって、 a)前記イオン注入装置内を発散軌道で移動しているイ
    オンを偏向させて、加工部材に比較的均一角度でイオン
    を衝突させる非均一な電界を発生させるバイアス電圧が
    かけられている弓形入口電極(32)と、 b)前記イオンを、加工部材に衝突する前に衝突エネル
    ギまで加速するための複数の離設された追加電極(34)
    と、 c)前記電極を分離させる複数の絶縁体(110)と、 d)複数の追加電極とは異なった電位の電気的なバイア
    スを弓形入口電極にかけて不均一電界を発生させると共
    に、イオンを加速するように複数の離設された追加電極
    に電気的なバイアスをかける電源(104) とを有している
    ことを特徴とするイオン加速機。
  14. 【請求項14】 加工部材を制御可能に処理するための
    イオンビーム注入装置であって、 a)加工部材を処理するためのイオンを発生するイオン
    源手段(12)と、 b)加工部材をイオン源手段に対して所定向きに配置す
    る支持手段(59)と、 c)イオン源手段で発生したイオンから第1軌道に沿っ
    て移動するイオンビームを形成するビーム形成手段(1
    6、20) と、 d)前記イオンビーム内のイオンを前記第1軌道から制
    御量だけ偏向させる電極手段(26、28) と、 e)前記制御量だけ偏向させたイオンを、前記イオンが
    加工部材に衝突する前に加速する加速手段(30)と、 f)前記電極手段に接続される出力部が前記イオンビー
    ムの偏向を調節して加工部材のイオンビーム処理を制御
    する制御手段(29)とを有しており、 g)前記加速手段は、 i)電極手段を通過した後に発散軌道に沿って移動して
    いるイオンを再び偏向させて比較的均一な角度で加工部
    材に衝突させる不均一な電界を発生する、非偏向イオン
    ビーム経路を中心に対称的な弓形の入口電極(32)と、 ii)前記イオンを衝撃エネルギまで加速する複数の離設
    された平行な追加電極プレート(34)と、 iii)前記プレートを分離させる複数の絶縁体(110) と、 iv)前記複数の平行電極プレートに対して前記弓形の入
    口電極にバイアスをかける電源手段(104) とを有してお
    り、第1追加電極(34a) は高電圧電源によって一定の電
    圧に維持され、第2追加電極(34b) は接地されており、
    前記入口電極には、第1追加電極より高い電圧のバイア
    スがレンズ電源によってかけられており、 正電荷イオンは、加工部材に衝突する時に制御イオンエ
    ネルギまで加速されていることを特徴とするイオンビー
    ム注入装置。
  15. 【請求項15】 さらに、加工部材をイオンビームに対
    して移動させる支持手段(59)を有していることを特徴と
    する請求項14のイオンビーム注入装置。
  16. 【請求項16】 加工部材(60)にイオンビームを注入す
    る方法であって、 a)イオンビームを初期軌道に沿って移動させる段階
    と、 b)加工部材を目標位置に配置する段階と、 c)イオンを初期軌道から発散させて前後に走査するた
    めに、少なくとも加工部材と同じ幅の広がりを持った細
    いイオンビームを形成する段階と、 d)イオンが初期軌道から発散する領域よりも下流側に
    おいて、平面電極(34)に対して弓形電極(32)にバイ
    アスをかけることによって空間的に不均一な静電界を発
    生させ、前記弓形電極の開口(112)に入るイオンが、
    前記静電界で偏向され、そして前記平面電極の開口を通
    過してから加工部材に衝突するように前記イオンの再偏
    向と加速の双方を行う段階と、 e)加工部材を前後方向に移動させて、静電界を通過し
    たイオンが加工部材の表面全体を処理する段階とを含ん
    でいるイオンビーム注入方法。
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