JP6933962B2

JP6933962B2 - イオン注入装置およびイオン注入装置の制御方法

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Publication number: JP6933962B2
Application number: JP2017225034A
Authority: JP
Inventors: 玄佐々木
Original assignee: 住友重機械イオンテクノロジー株式会社
Priority date: 2017-11-22
Filing date: 2017-11-22
Publication date: 2021-09-08
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Description

本発明は、イオン注入装置およびイオン注入装置の制御方法に関する。

イオン注入装置では、イオン源から引き出されるイオンから所望のイオン種のみを取り出すために質量分析装置が用いられる。例えば、質量数３１の１価のリンイオン（^３１Ｐ^＋）と質量数３０の１価のフッ化ホウ素イオン（^３０（ＢＦ）^＋）とを好適に分離するためには、質量分析装置の分解能として６０程度以上の値が必要とされる（例えば、特許文献１参照）。

特開平３−２０１３５６号公報

高エネルギービームを用いたイオン注入処理では、２価以上の多価イオンが使用されることがあり、多価イオンを好適に分離する質量分析装置が必要になる。質量分析装置ではイオンの質量電荷比Ｍ＝ｍ／ｑ（ｍ：質量、ｑ：価数）に応じて分析がなされる。イオンの価数ｑが２以上となる場合には異なる価数の異なるイオン種同士が同程度の質量電荷比を有することがあり、必要とされる質量分解能Ｍ／ｄＭが１００以上となることもある。一方で、分解能向上のために質量分析スリットの幅を単純に狭くしてしまうと、必要とするビーム電流量が得られなくなるおそれがある。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、イオン注入装置の質量分解能を必要に応じて向上させる技術を提供することにある。

本発明のある態様のイオン注入装置は、イオン源と、引出電極と、質量分析装置とを含むイオンビーム生成ユニットを備える。質量分析装置は、イオン源から引出電極により引き出されたイオンビームに磁場を印加して偏向させる質量分析磁石と、質量分析磁石の下流に設けられ、偏向されたイオンビームのうち所望のイオン種のイオンビームを選択的に通過させる質量分析スリットと、質量分析磁石と質量分析スリットの間に設けられ、質量分析スリットに向かうイオンビームに磁場および電場の少なくとも一方を印加してイオンビームの収束および発散を調整するレンズ装置と、を備える。質量分析装置は、質量分析スリットを挟んだ上流側から下流側までの所定の調整範囲内で質量分析スリットを通過するイオンビームの収束位置をレンズ装置を用いて変化させることにより質量分解能を調整する。

本発明の別の態様は、イオン注入装置の制御方法である。イオン注入装置は、イオン源と、引出電極と、質量分析装置とを含むイオンビーム生成ユニットを備える。質量分析装置は、イオン源から引出電極により引き出されたイオンビームに磁場を印加して偏向させる質量分析磁石と、質量分析磁石の下流に設けられ、偏向されたイオンビームのうち所望のイオン種のイオンビームを選択的に通過させる質量分析スリットと、質量分析磁石と質量分析スリットの間に設けられ、質量分析スリットに向かうイオンビームに磁場および電場の少なくとも一方を印加してイオンビームの収束および発散を調整するレンズ装置と、を備える。制御方法は、質量分析スリットを通過するイオンビームに対する質量分解能を算出することと、算出した質量分解能が目標値より小さい場合、質量分析スリットを挟んだ上流側から下流側までの所定の調整範囲内で質量分析スリットを通過するイオンビームの収束位置をレンズ装置を用いて変化させることにより質量分解能を高めることと、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、イオン注入装置の質量分解能を必要に応じて向上できる。

本発明のある実施の形態に係るイオン注入装置を概略的に示す上面図である。高エネルギー多段線形加速ユニットの概略構成を含む全体レイアウトを示す平面図である。高エネルギー多段線形加速ユニットの制御部の機能及び構成を説明するためのブロック図である。質量分析装置による質量分析の手法を模式的に示す図である。質量分析スペクトラムの計測例を示すグラフである。質量分析スペクトラムの計測例を示すグラフである。質量分析スペクトラムの計測例を示すグラフである。不純物の除去率をより高める方法を模式的に示す図である。イオン注入装置の制御方法の一例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

図１は、本発明のある実施の形態に係るイオン注入装置１００を概略的に示す上面図である。イオン注入装置１００は、いわゆる高エネルギーイオン注入装置である。高エネルギーイオン注入装置は、高周波線形加速方式のイオン加速器と高エネルギーイオン輸送用ビームラインを有するイオン注入装置であり、イオン源１０で発生したイオンを加速し、そうして得られたイオンビームＢをビームラインに沿って被処理物（例えば基板またはウェハ４０）まで輸送し、被処理物にイオンを注入する。

高エネルギーイオン注入装置１００は、イオンを生成して質量分離するイオンビーム生成ユニット１２と、イオンビームを加速して高エネルギーイオンビームにする高エネルギー多段線形加速ユニット１４と、高エネルギーイオンビームのエネルギー分析、軌道調整、エネルギー分散の制御を行うビーム偏向ユニット１６と、偏向された高エネルギーイオンビームをウェハ４０まで輸送するビーム輸送ラインユニット１８と、輸送された高エネルギーイオンビームを半導体ウェハに注入する基板処理供給ユニット２０とを備える。

イオンビーム生成ユニット１２は、イオン源１０と、引出電極１１と、質量分析装置２２と、を有する。イオンビーム生成ユニット１２では、イオン源１０から引出電極１１を通してビームが引き出されると同時に加速され、引出加速されたビームは質量分析装置２２により質量分析される。質量分析装置２２は、質量分析磁石２２ａ、質量分析スリット２２ｂ、質量分析レンズ装置２２ｃを有している。質量分析レンズ装置２２ｃは、イオンビームの収束位置を変化させることにより質量分析装置２２の質量分解能を調整する。質量分析スリット２２ｂは、質量分析磁石２２ａの直後に配置される場合もあるが、実施例では、その次の構成である高エネルギー多段線形加速ユニット１４の入り口部内に配置される。質量分析装置２２による質量分析の結果、注入に必要なイオン種だけが選別され、選別されたイオン種のイオンビームは、次の高エネルギー多段線形加速ユニット１４に導かれる。

図２は、高エネルギー多段線形加速ユニット１４の概略構成を含む全体レイアウトを示す平面図である。高エネルギー多段線形加速ユニット１４は、イオンビームの加速を行う複数の線形加速装置、すなわち、一つ以上の高周波共振器１４ａを挟む加速ギャップを備えている。高エネルギー多段線形加速ユニット１４は、高周波（ＲＦ）電場の作用により、イオンを加速することができる。

高エネルギー多段線形加速ユニット１４は、高エネルギーイオン注入用の基本的な複数段の高周波共振器１４ａを備える第１線形加速器１５ａを備える。高エネルギー多段線形加速ユニット１４は、超高エネルギーイオン注入用の追加の複数段の高周波共振器１４ａを備える第２線形加速器１５ｂを付加的に備えてもよい。高エネルギー多段線形加速ユニット１４により、さらに加速されたイオンビームは、ビーム偏向ユニット１６により方向が変化させられる。

高周波（ＲＦ）加速を用いたイオン注入装置においては、高周波のパラメータとして電圧の振幅Ｖ[ｋＶ]、周波数ｆ［Ｈｚ］を考慮しなければならない。更に、複数段の高周波加速を行う場合には、お互いの高周波の位相φ［ｄｅｇ］がパラメータとして加わる。加えて、加速の途中や加速後にイオンビームの上下左右方向への広がりを収束・発散効果によって制御するための磁場レンズ（例えば、四重極電磁石）や電場レンズ（例えば、電場四重極電極）が必要である。これらのレンズ装置の運転パラメータは、対象となるレンズ装置を通過する時点でのイオンのエネルギーによって最適値が変わることに加え、加速電界の強度もイオンビームの収束・発散に影響を及ぼすため、高周波のパラメータを決めた後にそれらの値を決めることになる。

図３は、複数の高周波共振器先端の加速電場（加速ギャップ）を直線状に並べた高エネルギー多段線形加速ユニット及び収束発散レンズの制御部１２０の構成を示すブロック図である。

高エネルギー多段線形加速ユニット１４には一つ以上の高周波共振器１４ａが含まれている。高エネルギー多段線形加速ユニット１４の制御に必要な構成要素としては、オペレータが必要な条件を入力するための入力装置５２、入力された条件から各種パラメータを数値計算し、更に各構成要素を制御するための制御演算装置５４、高周波の電圧振幅を調整するための振幅制御装置５６、高周波の位相を調整するための位相制御装置５８、高周波の周波数を制御するための周波数制御装置６０、高周波電源６２、収束発散レンズ６４のための収束発散レンズ電源６６、運転パラメータを表示するための表示装置６８、決定されたパラメータを記憶しておくための記憶装置７０が必要である。また、制御演算装置５４には、あらかじめ各種パラメータを数値計算するための数値計算コード（プログラム）が内蔵されている。

高周波線形加速器の制御演算装置５４では、内蔵している数値計算コードによって、入力された条件を基にイオンビームの加速並びに収束・発散をシミュレーションし、最適な輸送効率が得られるよう高周波パラメータ（電圧振幅、周波数、位相）を算出する。また同時に、効率的にイオンビームを輸送するための収束発散レンズ６４のパラメータ（Ｑコイル電流、またはＱ電極電圧）も算出する。計算された各種パラメータは、表示装置６８に表示される。高エネルギー多段線形加速ユニット１４の能力を超えた加速条件に対しては、解がないことを意味する表示が表示装置６８に表示される。

電圧振幅パラメータは、制御演算装置５４から振幅制御装置５６に送られ、振幅制御装置５６が、高周波電源６２の振幅を調整する。位相パラメータは、位相制御装置５８に送られ、位相制御装置５８が、高周波電源６２の位相を調整する。周波数パラメータは、周波数制御装置６０に送られる。周波数制御装置６０は、高周波電源６２の出力周波数を制御するとともに、高エネルギー多段線形加速ユニット１４に配置される高周波共振器１４ａの共振周波数を制御する。制御演算装置５４はまた、算出された収束発散レンズパラメータにより、収束発散レンズ電源６６を制御する。

イオンビームを効率的に輸送するための収束発散レンズ６４は、高周波線形加速器の内部あるいはその前後に、必要な数が配置される。すなわち、複数段の高周波共振器１４ａの先端の加速ギャップの前後には交互に発散レンズまたは収束レンズが備えられている。また、第２線形加速器１５ｂの終端には横収束レンズおよび縦収束レンズが配置され、高エネルギー多段線形加速ユニット１４を通過する高エネルギー加速イオンビームの収束と発散を調整して、後段のビーム偏向ユニット１６に最適な二次元ビームプロファイルのイオンビームを入射させるようにしている。

図１及び図２に示されるように、ビーム偏向ユニット１６は、エネルギー分析電磁石２４と、エネルギー分散を抑制する横収束四重極レンズ２６と、エネルギー分析スリット２８と、ステアリング（軌道補正）を提供する偏向電磁石３０とを有する。なお、エネルギー分析電磁石２４は、エネルギーフィルター電磁石（ＥＦＭ）と呼ばれることもある。高エネルギーイオンビームは、ビーム偏向ユニット１６によって方向転換され、ウェハ４０の方向へ向かう。

ビーム輸送ラインユニット１８は、ビーム偏向ユニット１６から出たイオンビームＢを輸送するものであり、収束／発散レンズ群から構成されるビーム整形器３２と、ビーム走査器３４と、ビーム平行化器３６と、最終エネルギーフィルター３８（最終エネルギー分離スリットを含む）とを有する。ビーム輸送ラインユニット１８の長さは、イオンビーム生成ユニット１２と高エネルギー多段線形加速ユニット１４との長さに合わせて設計されており、ビーム偏向ユニット１６で結ばれて、全体でＵ字状のレイアウトを形成する。

ビーム輸送ラインユニット１８の下流側の終端には、基板処理供給ユニット２０が設けられる。処理室２１の中には、イオンビームＢのビーム電流、注入位置、注入角度、収束発散角、上下左右方向のイオン分布等を計測するビームモニター、イオンビームＢによるウェハ４０の帯電を防止する帯電防止装置、ウェハ４０を搬入搬出し適正な位置・角度に設置するウェハ搬送機構、イオン注入中にウェハ４０を保持するＥＳＣ（Electro Static Chuck）、注入中ビーム電流の変動に応じた速度でウェハ４０をビームスキャン方向と直角方向に動かすウェハスキャン機構が収納されている。

このようにして、イオン注入装置１００のビームライン部は、対向する２本の長直線部を有する水平のＵ字状の折り返し型ビームラインに構成されている。上流の長直線部は、イオン源１０で生成したイオンビームＢを加速する複数のユニットで構成される。下流の長直線部は、上流の長直線部に対し方向転換されたイオンビームＢを調整してウェハ４０に注入する複数のユニットで構成される。２本の長直線部はほぼ同じ長さに構成されている。２本の長直線部の間に、メンテナンス作業のために十分な広さの作業スペースＲ１が設けられている。

このように各ユニットをＵ字状に配置した高エネルギーイオン注入装置１００は、設置面積を抑えつつ良好な作業性が確保されている。また、高エネルギーイオン注入装置１００においては、各ユニットや各装置をモジュール構成とすることで、ビームライン基準位置に合わせて着脱、組み付けが可能となっている。

また、高エネルギー多段線形加速ユニット１４と、ビーム輸送ラインユニット１８とが折り返して配置されるため、高エネルギーイオン注入装置１００の全長を抑えることができる。従来装置ではこれらがほぼ直線状に配置されている。また、ビーム偏向ユニット１６を構成する複数の偏向電磁石の曲率半径は、装置幅を最小にするように最適化されている。これらによって、装置の設置面積を最小化するとともに、高エネルギー多段線形加速ユニット１４とビーム輸送ラインユニット１８との間に挟まれた作業スペースＲ１において、高エネルギー多段線形加速ユニット１４やビーム輸送ラインユニット１８の各装置に対する作業が可能となる。また、メンテナンス間隔が比較的短いイオン源１０と、基板の供給／取出が必要な基板処理供給ユニット２０とが隣接して配置されるため、作業者の移動が少なくてすむ。

図４は、質量分析装置２２によるイオンビームＢの質量分析を模式的に示す図である。質量分析磁石２２ａに入射するイオンビームＢは、質量分析磁石２２ａの磁場により偏向され、イオンの質量電荷比Ｍ＝ｍ／ｑ（ｍは質量、ｑは電荷）の値に応じて異なる経路で偏向される。このとき、所望の質量電荷比Ｍを有するイオン種のビームＢ１が質量分析スリット２２ｂを通過するように質量分析磁石２２ａの磁場強度が選択される。その結果、所望の質量電荷比Ｍとは異なる値（例えば、Ｍ−ｄＭ，Ｍ＋ｄＭ）のイオン種のビームＢ２，Ｂ３は、質量分析スリット２２ｂにより遮蔽され、所望の質量電荷比Ｍのイオン種のみを質量分析装置２２の下流側に通過させることができる。

質量分析装置２２は、質量分析レンズ装置２２ｃを含む。質量分析レンズ装置２２ｃは、質量分析磁石２２ａから出射されるビームＢ１，Ｂ２，Ｂ３の収束および発散を調整する。質量分析レンズ装置２２ｃは、質量分析磁石２２ａの磁場印加方向（縦方向）Ａ１と直交する方向（横方向）Ａ２にビームを収束または発散させるように配置される。質量分析レンズ装置２２ｃは、例えば、図４に示されるビーム軌道が破線から実線に変化するようにビームを発散させることで、質量分析装置２２の質量分解能Ｍ／ｄＭを向上できる。

質量分析レンズ装置２２ｃは、ビームに対する収束／発散力を調整することにより、質量分析スリット２２ｂを通過するイオンビームＢ１の収束位置を所定の調整範囲（範囲Ｃ）内で変化させる。質量分析レンズ装置２２ｃは、ビーム収束位置をビーム軌道に沿う方向に変化させるよう構成され、例えば、質量分析スリット２２ｂが設けられる中心位置ｆｃと、中心位置ｆｃより上流側の上流端位置ｆａと、中心位置ｆｃより下流側の下流端位置ｆｂとを含む調整範囲Ｃにてビーム収束位置を調整する。例えば、ビーム収束位置が中心位置ｆｃとなる状態よりもビームの発散力を強める（または収束力を弱める）と、ビーム収束位置は下流側（下流端位置ｆｂに近い位置）にずれる。一方、ビーム収束位置が中心位置ｆｃとなる状態よりもビームの発散力を弱める（または収束力を強める）と、ビーム収束位置は上流側（上流端位置ｆａに近い位置）にずれる。

質量分析スリット２２ｂは、開口幅が可変となるように構成されてもよい。質量分析スリット２２ｂは、例えば、開口幅方向に移動可能な二枚の遮蔽体により構成され、二枚の遮蔽体の間隔を変化させることにより開口幅が調整可能となるよう構成されてもよい。なお、開口幅の異なる複数の質量分析スリット２２ｂが設けられ、複数の質量分析スリット２２ｂのいずれかに切り替えることにより開口幅が可変となるよう構成されてもよい。質量分析スリット２２ｂの開口幅を変化させることで質量分析装置２２の質量分解能を調整できる。

質量分析スリット２２ｂの下流には、ビーム電流を計測するためのファラデーカップ２２ｄが設けられる。質量分析装置２２は、質量分析磁石２２ａの磁場強度を変化させながらファラデーカップ２２ｄにてビーム電流を計測することにより、質量分析スペクトラムを取得する。質量分析装置２２は、取得したスペクトラムの波形から質量分解能を算出する。

図５は、質量分析スペクトラムの計測例を示すグラフである。図５は、質量数７５の２価の砒素イオン^７５Ａｓ^２＋（質量電荷比３７．５）と、質量数１８６の５価のタングステンイオン^１８６Ｗ^５＋（質量電荷比３７．２）とを含むイオンビームの計測例を示す。この例では、イオン注入処理の目的となるイオンが砒素イオン（^７５Ａｓ^２＋）であり、除去されるべきイオンがタングステンイオン（^１８６Ｗ^５＋）である。質量分析スペクトルの計測結果はグラフ中の曲線Ｇで示され、これには砒素イオン（^７５Ａｓ^２＋）のビーム強度分布を示すＧ１と、タングステンイオン（^１８６Ｗ^５＋）のビーム強度分布を示すＧ２とが含まれている。実際上の質量分析スペクトルでは、タングステンイオンの強度分布Ｇ２は、砒素イオンの強度分布Ｇ１よりも二桁から三桁以上小さいが、図５では説明を分かりやすくする目的で、タングステンイオンの強度分布Ｇ２を実際より大きくしている。

質量分析装置２２の質量分解能Ｍ／ｄＭは、例えば、質量分析スペクトラムにおけるピーク波形のピーク位置の質量電荷比Ｍと、ピーク強度がピークの半分となる半値幅ｄＭと、を用いて算出できる。図５に示す例では、半値幅ｄＭ≒０．６であり、ピーク位置Ｍ≒３７．５であるため、質量分解能Ｍ／ｄＭ≒６２．５となる。なお、砒素イオン（^７５Ａｓ^２＋）とタングステンイオン（^１８６Ｗ^５＋）の質量電荷比の差は０．３であるため、タングステンイオンを好適に除去するためにはＭ／ｄＭ＝３７．５／０．３＝１２５以上の質量分解能が必要とされる。したがって、図５に示される状態では質量分解能が目標値に満たないと言える。

質量分析装置２２は、複数の動作モードを有する。第１モードは、ビーム電流量を優先させた低分解能モードであり、第２モードは、質量分解能を優先させた高分解能モードである。質量分析装置２２は、質量分析レンズ装置２２ｃの収束／発散力、質量分析スリット２２ｂのスリット幅、質量分析磁石２２ａの磁場強度を調整することで動作モードを切り替える。質量分析装置２２の動作モードは、例えば、イオン注入処理の注入条件に応じて選択される。

第１モードでは、例えば、ビーム収束位置が質量分析スリット２２ｂが設けられる中心位置ｆｃに一致するように質量分析レンズ装置２２ｃを動作させる。また、質量分析スリット２２ｂのスリット幅として相対的に大きいスリット幅（第１スリット幅）が選択される。第１モードにおける質量分析装置２２の質量分解能Ｍ／ｄＭの値は１００未満であり、例えば７５未満または５０未満である。

第１モードでは、質量分析スリット２２ｂを通過するイオンビームの電流量が最大化されるように質量分析磁石２２ａの磁場強度が調整される。具体的には、所望の質量電荷比Ｍの近傍においてファラデーカップ２２ｄで計測されるビーム電流量が最大となるように質量分析磁石２２ａの磁場強度が調整される。

第２モードでは、ビーム収束位置が第１モードより下流側に位置するように質量分析レンズ装置２２ｃを動作させる。つまり、第１モードと比較した場合、質量分析スリット２２ｂを通過するビームＢ１が発散するように質量分析レンズ装置２２ｃを動作させる。これにより、第２モードでは、第１モードよりも質量分解能Ｍ／ｄＭが大きくなる。第２モードにおける質量分析装置２２の質量分解能Ｍ／ｄＭは１００以上であり、例えば１２５以上である。

第２モードでは、ファラデーカップ２２ｄを用いて質量分析スペクトラムが取得され、質量分解能が目標値に満たしているどうかが判定される。質量分解能が目標値より小さい場合、ビーム収束位置がさらに下流側に移動するように質量分析レンズ装置２２ｃの収束／発散力を変えたり、質量分析スリット２２ｂのスリット幅を小さくしたりして質量分解能を調整する。

図６は、質量分析スペクトラムの計測例を示し、第２モードにて質量分解能を高めた場合について示す。図６では、図５に示す場合よりも質量分析装置２２の質量分解能を高めているため、砒素イオン（^７５Ａｓ^２＋）のビーム強度分布Ｇ１およびタングステンイオン（^１８６Ｗ^５＋）のビーム強度分布Ｇ２の分布幅が狭くなっている。また、ファラデーカップ２２ｄで計測される質量分析スペクトルＧのピーク波形の半値幅ｄＭも狭くなっている。図６に示す例では、半値幅ｄＭ≒０．３であり、ピーク位置Ｍ≒３７．５であるため、質量分解能Ｍ／ｄＭ≒１２５となる。したがって、図６は質量分解能の目標値がおおむね達成された状態と言える。

図６の例では、質量分析スリット２２ｂの開口幅に対応する範囲ｄＭにタングステンイオン（^１８６Ｗ^５＋）のビーム強度分布Ｇ２の一部（斜線領域Ｒ）が含まれている。高分解能が要求される第２モードでは、斜線領域Ｒに含まれるような不要なイオン種をさらに除去できることが好ましい。その一方で、ビーム収束位置がさらに下流側に移動するように質量分析レンズ装置２２ｃの収束／発散力を変えたり、質量分析スリット２２ｂのスリット幅をさらに狭くしたりするなどして質量分解能をさらに高めようとすると、必要なビーム電流量を確保することが難しくなることがある。

図７は、質量分析スペクトルの計測例を示し、図６に示す場合よりも質量分析装置２２の質量分解能を高めた状態を示す。図７に示す例では、半値幅ｄＭ≒０．１５であり、ピーク位置Ｍ≒３７．５であるため、質量分解能Ｍ／ｄＭ≒２５０となる。その結果、半値幅ｄＭの範囲にタングステンイオンのビーム強度分布Ｇ２が含まれておらず、砒素イオン（^７５Ａｓ^２＋）とタングステンイオン（^１８６Ｗ^５＋）を好適に分離できている。しかしながら、半値幅ｄＭを非常に小さくしているため、得られるビーム電流量も小さい。

そこで、第２モードでは、不要なイオン種をより好適に除去するため、目的とする質量電荷比のイオンが質量分析スリット２２ｂの中心からずれた位置を通るように質量分析磁石２２ａの磁場強度を調整してもよい。例えば、目的とする第１質量電荷比Ｍ_１を有する第１イオンに対して第２質量電荷比Ｍ_２を有する第２イオンを除去しようとする場合、質量分析磁石２２ａの中心磁場強度を第１質量電荷比Ｍ_１に対応する値からずらすとともに、第２質量電荷比Ｍ_２に対応する値から遠ざかるように調整してもよい。

図８は、不純物の除去率をより高める方法を模式的に示す図である。図８では、図６の質量分析スペクトラムが得られる状態において質量分析磁石２２ａの中心磁場強度を大きくする方向にずらし、砒素イオン（^７５Ａｓ^２＋）のビーム強度分布Ｇ１のピークが質量分析スリット２２ｂの開口範囲に対応する質量電荷比の幅Ｓの中心からずれた位置となるようにしている。つまり、除去すべきタングステンイオン（^１８６Ｗ^５＋）のビーム強度分布Ｇ２から質量分析スリット２２ｂの開口範囲に対応する質量電荷比の幅Ｓが遠ざかるように質量分析磁石２２ａの中心磁場強度が設定されている。これにより、質量分析スリット２２ｂの開口範囲に対応する質量電荷比の幅Ｓに含まれるタングステンイオン（^１８６Ｗ^５＋）の量（斜線領域Ｒ）を小さくし、不要なイオン種をより好適に除去できる。

なお、不純物を除去するための中心磁場強度のずれ量に対応する質量電荷比の差δは、質量分析スリット２２ｂの開口範囲に対応する質量電荷比の幅Ｓの１／３未満とすることが好ましく、例えば、開口範囲に対応する質量電荷比の幅Ｓの１％〜２０％程度とすることが好ましい。具体例を挙げれば、目的とする第１イオン（例えば^７５Ａｓ^２＋）が有する第１質量電荷比Ｍ_１と、除去すべき第２イオン（例えば^１８６Ｗ^５＋）が有する第２質量電荷比Ｍ_２とを用いて、質量分析磁石２２ａの中心磁場強度に対応する質量電荷比Ｍｃが｛（ｋ＋１）Ｍ_１−Ｍ_２｝／ｋ（ｋ＞３）に対応する値となるようにしてもよい。

第１モードおよび第２モードのいずれにおいても、質量分析装置２２の最適化のために質量分析磁石２２ａの中心磁場強度が調整される。このとき、質量分析磁石２２ａの磁場強度の変化の前後において質量分解能が実質的に変化しないようビーム収束位置を一定に維持することが好ましい。しかしながら、質量分析レンズ装置２２ｃの動作パラメータを一定にしたまま質量分析磁石２２ａの中心磁場強度を変化させると、質量分析スリット２２ｂを通過するイオンの質量電荷比が変化することから、変化後の質量電荷比のイオンに対する収束／発散力が変化し、ビーム収束位置の変動（すなわち質量分解能の変化）につながる。したがって、質量分析磁石２２ａの磁場強度を変化させる場合には、変化前後のイオンに対する収束／発散力が同等となるように質量分析レンズ装置２２ｃの動作パラメータを調整する必要がある。

質量分析レンズ装置２２ｃは、例えば、磁場式の四重極レンズにより構成される。磁場式のレンズ装置でビームを収束または発散させる場合、その収束または発散の程度はビームの磁気剛性に依存する。例えば、所定の大きさの収束／発散力を得ようとする場合、ビームの磁気剛性が大きいほどより大きな磁場強度が必要となる。質量分析スリット２２ｂを通過するビームＢ１の磁気剛性は質量分析磁石２２ａの磁場強度に比例することから、質量分析磁石２２ａの磁場強度に比例して質量分析レンズ装置２２ｃの磁場強度を変化させることで、ビーム収束位置を一定に保つことができる。

質量分析レンズ装置２２ｃは、電場式の四重極レンズで構成されてもよい。電場式のレンズ装置でビームを収束または発散させる場合、その収束または発散の程度はビームに含まれるイオンのエネルギーＥと電荷ｑの比Ｅ／ｑに比例する。一方、質量分析磁石２２ａの偏向量は（２ｍＥ）^１／２／ｑに比例する。したがって、質量分析磁石２２ａの磁場強度を変化させる場合、質量分析磁石２２ａの磁場強度を（２ｍＥ）^１／２／ｑに比例するように変化させ、質量分析レンズ装置２２ｃの電場強度をＥ／ｑに比例するように変化させることによりビーム収束位置を一定にできる。

質量分析レンズ装置２２ｃを用いてビーム収束位置を変化させる場合、質量分析装置２２の下流に設けられる高エネルギー多段線形加速ユニット１４の動作パラメータを適宜調整することが好ましい。具体的には、質量分析スリット２２ｂを通過するビームの収束位置に応じて、高エネルギー多段線形加速ユニット１４の入口に設けられる収束レンズ（例えば、図１の収束発散レンズ６４ａ）のレンズパラメータを適切な値に変化させることが好ましい。質量分析装置２２から出射するビームの収束位置に応じて高エネルギー多段線形加速ユニット１４の収束レンズのパラメータを適切に設定することで、より効率的にイオンビームを加速させることができる。

図９は、イオン注入装置１００の制御方法の一例を示すフローチャートである。ビーム電流量を優先する第１モードが選択される場合（Ｓ１０のＹ）、質量分析スリット２２ｂとして相対的に広いスリット幅である第１スリット幅が設定され、質量分析磁石２２ａから出射するビームの収束位置が第１ビーム収束位置となるように質量分析レンズ装置２２ｃの動作パラメータが設定される（Ｓ１２）。つづいて、ファラデーカップ２２ｄにて測定されるビーム電流量が最大化されるように質量分析磁石２２ａの中心磁場強度が調整される（Ｓ１４）。ビーム電流量が目標値を満たしていれば（Ｓ１６のＹ）、調整されたイオンビームをウェハに照射するイオン注入処理がなされる（Ｓ１８）。ビーム電流量が目標値に満たなければ（Ｓ１６のＮ）、ビーム電流量が不足する旨のアラートが出力される（Ｓ２０）。

一方、質量分解能を優先する第２モードが選択される場合（Ｓ１０のＮ）、質量分析スリット２２ｂとして相対的に狭いスリット幅である第２スリット幅が設定され、ビーム収束位置が第１ビーム収束位置より下流側の第２ビーム収束位置となるように質量分析レンズ装置２２ｃの動作パラメータが設定される（Ｓ２２）。つづいて、ファラデーカップ２２ｄを用いて質量分析スペクトラムを計測し、質量分解能Ｍ／ｄＭを算出する（Ｓ２４）。質量分解能が目標値を満たしており（Ｓ２６のＹ）、ビーム電流量が目標値を満たしていれば（Ｓ１６のＹ）、調整されたイオンビームをウェハに照射するイオン注入処理がなされる（Ｓ１８）。ビーム電流量が目標値に満たなければ（Ｓ１６のＮ）、ビーム電流量が不足する旨のアラートが出力される（Ｓ２０）。

質量分解能が目標値に満たない場合（Ｓ２６のＮ）、ビーム収束位置および／またはスリット幅の調整余地があれば（Ｓ２８のＹ）、ビーム収束位置をさらに下流側にしたり、スリット幅を狭くしたりする調整をし（Ｓ３２）、質量分解能を再度算出する（Ｓ２４）。一方、スリット幅およびビーム収束位置の調整余地がなければ（Ｓ２８のＮ）、質量分析磁石２２ａの中心磁場強度をずらして、除去すべきイオンの除去率が高まるようにする（Ｓ３０）。中心磁場強度をずらした状態において、ビーム電流量が目標値を満たしていれば（Ｓ１６のＹ）、調整されたイオンビームをウェハに照射するイオン注入処理がなされる（Ｓ１８）。ビーム電流量が目標値に満たなければ（Ｓ１６のＮ）、ビーム電流量が不足する旨のアラートが出力される（Ｓ２０）。

なお、Ｓ１４やＳ３０の処理において質量分析磁石２２ａの磁場強度を変化させる場合、質量分析磁石２２ａの磁場強度の変化の前後において質量分析スリット２２ｂを通過するイオンビームの収束位置の変化が低減されるように質量分析レンズ装置２２ｃの収束／発散力が調整されることが好ましい。

本実施の形態によれば、質量分析磁石２２ａから出射されるビームの収束位置が相対的に下流側に位置するように質量分析レンズ装置２２ｃを用いてビームを発散させることで、質量分解能をより向上させることができる。また、質量分析磁石２２ａの中心磁場強度をずらすことで、目的とするイオンに近い質量電荷比を有する不純物がビームに含まれる場合であっても不純物をより効果的に除去することができる。価数の異なる複数種のイオンが含まれることにより目的とする第１イオンと除去すべき第２イオンの質量電荷比の差が小さい値（例えば０．５以下）となる場合であっても、不純物を効果的に除去できる。したがって、本実施の形態によれば、より高純度のイオンビームを提供してイオン注入処理の品質を向上させることができる。

以上、本発明を実施の形態にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

上述の実施の形態では、質量分析装置２２が複数の動作モードを有する場合ついて示したが、変形例においては質量分析装置２２が第２モードのみで動作してもよい。

上述の実施の形態では、ビーム電流量を優先する第１モードでの第１ビーム収束位置が質量分析スリット２２ｂの位置に一致し、質量分解能を優先する第２モードでの第２ビーム収束位置が質量分析スリット２２ｂより下流側となる場合について示した。変形例では、第１ビーム収束位置が質量分析スリット２２ｂよりも下流側に設定され、第２ビーム収束位置が第１ビーム収束位置よりもさらに下流側に設定されてもよい。その他、第１ビーム収束位置が質量分析スリット２２ｂより上流側に設定されてもよい。この場合、第２ビーム収束位置が質量分析スリット２２ｂの位置に一致するよう設定されてもよいし、質量分析スリット２２ｂより上流側または下流側に設定されてもよい。

上述の実施の形態では、質量分析レンズ装置２２ｃの収束／発散力、質量分析スリット２２ｂのスリット幅、質量分析磁石２２ａの磁場強度を総合的に調整することにより、高分解能を実現する場合を示した。変形例においては、これらの一部のみを調整して高分解能を実現してもよい。例えば、質量分析スリット２２ｂのスリット幅を変えずに質量分析レンズ装置２２ｃによるビーム収束位置の変化のみを用いて質量分解能を調整してもよい。

上述の実施の形態では、線形加速部を持つ高エネルギーイオン注入装置を例示して説明したが、本実施の形態に係る質量分解能の調整方法は、線形加速部を持たないイオン注入装置にも適用可能である。

１０…イオン源、１１…引出電極、１２…イオンビーム生成ユニット、１４…高エネルギー多段線形加速ユニット、１４ａ…高周波共振器、２２…質量分析装置、２２ａ…質量分析磁石、２２ｂ…質量分析スリット、２２ｃ…質量分析レンズ装置、６４ａ…収束発散レンズ。

Claims

イオン源と、引出電極と、質量分析装置とを含むイオンビーム生成ユニットを備えるイオン注入装置であって、前記質量分析装置は、
前記イオン源から前記引出電極により引き出されたイオンビームに磁場を印加して偏向させる質量分析磁石と、
前記質量分析磁石の下流に設けられ、前記偏向されたイオンビームのうち所望のイオン種のイオンビームを選択的に通過させる質量分析スリットと、
前記質量分析磁石と前記質量分析スリットの間に設けられ、前記質量分析スリットに向かうイオンビームに磁場および電場の少なくとも一方を印加して前記イオンビームの収束および発散を調整するレンズ装置と、を備え、
前記質量分析装置は、前記質量分析スリットを挟んだ上流側から下流側までの所定の調整範囲内で前記質量分析スリットを通過するイオンビームの収束位置を前記レンズ装置を用いて変化させることにより質量分解能を調整し、
前記質量分析装置は、前記質量分析スリットを通過するイオンビームの収束位置が前記質量分析スリットより下流側に位置するように前記レンズ装置を用いて前記イオンビームを発散させ、前記質量分析スリットを通過するイオンビームの収束位置が前記質量分析スリットの位置に一致する場合よりも質量分解能を高めることを特徴とするイオン注入装置。
イオン源と、引出電極と、質量分析装置とを含むイオンビーム生成ユニットを備えるイオン注入装置であって、前記質量分析装置は、
前記イオン源から前記引出電極により引き出されたイオンビームに磁場を印加して偏向させる質量分析磁石と、
前記質量分析磁石の下流に設けられ、前記偏向されたイオンビームのうち所望のイオン種のイオンビームを選択的に通過させる質量分析スリットと、
前記質量分析磁石と前記質量分析スリットの間に設けられ、前記質量分析スリットに向かうイオンビームに磁場および電場の少なくとも一方を印加して前記イオンビームの収束および発散を調整するレンズ装置と、を備え、
前記質量分析装置は、前記質量分析スリットを挟んだ上流側から下流側までの所定の調整範囲内で前記質量分析スリットを通過するイオンビームの収束位置を前記レンズ装置を用いて変化させることにより質量分解能を調整し、
前記質量分析装置は、前記質量分析スリットを通過するイオンビームのビーム電流量を優先する第１モードと、前記質量分析スリットを通過するイオンビームに対する質量分解能を優先する第２モードとを有し、
前記第２モードにおいて、前記第１モードよりも前記質量分析スリットを通過するイオンビームの収束位置が下流側となるように前記レンズ装置の収束／発散力が調整されることを特徴とするイオン注入装置。
前記質量分析スリットは、開口幅が可変となるよう構成され、
前記第２モードにおいて、前記第１モードよりも前記質量分析スリットの開口幅が小さいことを特徴とする請求項２に記載のイオン注入装置。
前記質量分析装置は、開口幅の異なる複数の質量分析スリットを有し、前記複数の質量分析スリットのいずれかに切り替えることにより開口幅を調整することを特徴とする請求項３に記載のイオン注入装置。
前記質量分析スリットは、開口幅方向に移動可能な二枚の遮蔽体により構成され、前記二枚の遮蔽体の間隔を変化させることにより開口幅を調整することを特徴とする請求項３に記載のイオン注入装置。
前記質量分析装置は、目的とする質量電荷比のイオンビームが前記質量分析スリットの中心を通過するように前記質量分析磁石の磁場強度を調整することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のイオン注入装置。
イオン源と、引出電極と、質量分析装置とを含むイオンビーム生成ユニットを備えるイオン注入装置であって、前記質量分析装置は、
前記イオン源から前記引出電極により引き出されたイオンビームに磁場を印加して偏向させる質量分析磁石と、
前記質量分析磁石の下流に設けられ、前記偏向されたイオンビームのうち所望のイオン種のイオンビームを選択的に通過させる質量分析スリットと、
前記質量分析磁石と前記質量分析スリットの間に設けられ、前記質量分析スリットに向かうイオンビームに磁場および電場の少なくとも一方を印加して前記イオンビームの収束および発散を調整するレンズ装置と、を備え、
前記質量分析装置は、前記質量分析スリットを挟んだ上流側から下流側までの所定の調整範囲内で前記質量分析スリットを通過するイオンビームの収束位置を前記レンズ装置を用いて変化させることにより質量分解能を調整し、
前記質量分析装置は、目的とする質量電荷比のイオンビームが前記質量分析スリットの中心からずれた位置を通過するように前記質量分析磁石の磁場強度を調整することを特徴とするイオン注入装置。
前記質量分析装置は、前記質量分析磁石の磁場強度を変化させる場合、前記質量分析磁石の磁場強度の変化に起因する前記質量分析スリットを通過するイオンビームの収束位置の変化が低減されるように前記レンズ装置の収束／発散力を調整することを特徴する請求項１から７のいずれか一項に記載のイオン注入装置。
前記レンズ装置は、磁場式の四重極レンズであり、
前記質量分析装置は、前記質量分析磁石の磁場強度を変化させる場合、前記質量分析磁石の磁場強度と比例するように前記レンズ装置の磁場強度を変化させることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のイオン注入装置。
前記レンズ装置は、電場式の四重極レンズであり、
前記質量分析装置は、前記質量分析磁石の磁場強度を変化させる場合、目的とするイオンビームのエネルギーＥ、質量ｍ、電荷ｑを用いて、前記質量分析磁石の磁場強度を（２ｍＥ）^１／２／ｑに比例するように変化させ、前記レンズ装置の電場強度をＥ／ｑに比例するように変化させることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のイオン注入装置。
前記質量分析装置は、イオンの質量ｍと電荷ｑの比である質量電荷比Ｍ＝ｍ／ｑを基準とする質量分解能Ｍ／ｄＭが１００以上となるよう調整可能であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載のイオン注入装置。
前記質量分析装置は、目的とするイオンが質量数７５の２価の砒素イオン^７５Ａｓ^２＋であり、除去されるイオンが質量数１８６の５価のタングステンイオン^１８６Ｗ^５＋であり、質量分解能Ｍ／ｄＭが１２５以上となるよう調整可能であることを特徴とする請求項１１に記載のイオン注入装置。
前記イオン注入装置は、前記イオンビーム生成ユニットの下流に設けられる多段線形加速ユニットをさらに備え、
前記多段線形加速ユニットは、前記質量分析装置から出射されるイオンビームを加速させるよう構成される複数段の高周波共振器と、各段の高周波共振器の前後に配置され、加速されるイオンビームのビームプロファイルを整えるよう構成される複数段の収束レンズとを含み、前記質量分析スリットを通過するイオンビームの収束位置に応じて異なる収束レンズパラメータが設定されることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載のイオン注入装置。
イオン源と、引出電極と、質量分析装置とを含むイオンビーム生成ユニットを備えるイオン注入装置の制御方法であって、前記質量分析装置は、
前記イオン源から前記引出電極により引き出されたイオンビームに磁場を印加して偏向させる質量分析磁石と、
前記質量分析磁石の下流に設けられ、前記偏向されたイオンビームのうち所望のイオン種のイオンビームを選択的に通過させる質量分析スリットと、
前記質量分析磁石と前記質量分析スリットの間に設けられ、前記質量分析スリットに向かうイオンビームに磁場および電場の少なくとも一方を印加して前記イオンビームの収束および発散を調整するレンズ装置と、を備え、
前記制御方法は、
前記質量分析スリットを通過するイオンビームに対する質量分解能を算出することと、
前記算出した質量分解能が目標値より小さい場合、前記質量分析スリットを挟んだ上流側から下流側までの所定の調整範囲内で前記質量分析スリットを通過するイオンビームの収束位置を前記レンズ装置を用いて変化させることにより質量分解能を高めることと、を備え、
前記算出した質量分解能が目標値より小さい場合、前記質量分析スリットを通過するイオンビームの収束位置が前記質量分析スリットより下流側に位置するように前記レンズ装置を用いて前記イオンビームを発散させ、前記質量分析スリットを通過するイオンビームの質量分解能を高めることを特徴とするイオン注入装置の制御方法。
前記算出した質量分解能が目標値より小さい場合、前記質量分析スリットの開口幅を小さくすることをさらに備えることを特徴とする請求項１４に記載のイオン注入装置の制御方法。
イオン源と、引出電極と、質量分析装置とを含むイオンビーム生成ユニットを備えるイオン注入装置の制御方法であって、前記質量分析装置は、
前記イオン源から前記引出電極により引き出されたイオンビームに磁場を印加して偏向させる質量分析磁石と、
前記質量分析磁石の下流に設けられ、前記偏向されたイオンビームのうち所望のイオン種のイオンビームを選択的に通過させる質量分析スリットと、
前記質量分析磁石と前記質量分析スリットの間に設けられ、前記質量分析スリットに向かうイオンビームに磁場および電場の少なくとも一方を印加して前記イオンビームの収束および発散を調整するレンズ装置と、を備え、
前記制御方法は、
前記質量分析スリットを通過するイオンビームに対する質量分解能を算出することと、
前記算出した質量分解能が目標値より小さい場合、前記質量分析スリットを挟んだ上流側から下流側までの所定の調整範囲内で前記質量分析スリットを通過するイオンビームの収束位置を前記レンズ装置を用いて変化させることにより質量分解能を高めることと、を備え、
前記算出した質量分解能が目標値より小さい場合、目的とする質量電荷比のイオンビームが前記質量分析スリットの中心からずれた位置を通過するように前記質量分析磁石の磁場強度を調整することをさらに備えることを特徴とするイオン注入装置の制御方法。
前記質量分析磁石の磁場強度を調整する場合、前記質量分析磁石の磁場強度の変化に起因する前記質量分析スリットを通過するイオンビームの収束位置の変化が低減されるように前記レンズ装置の収束／発散力を調整することをさらに備えることを特徴とする請求項１４から１６のいずれか一項に記載のイオン注入装置の制御方法。