JPH0746591B2 - イオン打込装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、イオン打込装置、特に、半導体素子製造プロ
セスにおいて用いられるイオン打込装置に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

半導体製造プロセスにおける不純物拡散工程に用いられ
るイオン打込法においては、ウエーハにイオンを注入す
る条件として、打込み深さを決めるエネルギーが10〜20
0kV,生産性を上げるためにビーム電流が１〜10mAの大電
流打込装置が用いられるようになつた。すなわち、ウエ
ーハ全面にわたりイオンを均一に打込むにはイオンビー
ムとウエーハを数多く横断させることが必要で、このよ
うに打込はエネルギーパワーの大きい大電流機には、例
えば、イオンインプランテーシヨン技術（ION IMPLANTA
TION TECHNIQUES），電子物理10のスプリンガーシリー
ズ（SPRINGER SERIES IN ELECTROPHYSICS 10），スプリ
ンガーフエルラーグ（SPRINGER−VERLAG）に開示されて
いるように、（ａ）ハイブリツドスキヤン，（ｂ）チエ
ン・ホイール，（ｃ）フエリス・ホイール，（ｄ）磁場
走査される回転円板，（ｅ）二重に機械走査される回転
板等を用いる方法が知られている。

また、特定のイオン種を選別する質量分離用電磁石は電
磁石が小型化できるので、イオンビームの偏向角が60°
あるいは90°の扇形磁場が多く用いられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述の従来の技術において、（ａ）のハイブリツドスキ
ヤンを用いる方法は、平行電極を用いてイオンビームを
偏向して走査しているので、イオンビームのウエーハの
打込み角度が変わり、最近のように、素子が微細化して
くると、打込み影の点で問題がある。（ｂ）のチエン・
ホイール，（ｃ）のフエリス・ホイールを用いる方法
は、素子パターンを形成するホトレジスト付ウエーハの
場合にはウエーハ冷却が難かしく、ホトレジストが焼損
することおよび自動ウエーハ交換が困難である。これに
対して、（ｄ）の磁場走査される回転円板を用いる方
法，（ｅ）の二重に機械走査される回転板を用いる方法
は冷却効果の点は良いが、（ｄ）の方法は打込み角度調
整電磁石を用いているので、装置が大型になり、しか
も、イオンビームの偏向に際し、収束性が損われるとい
う問題があり、（ｅ）の方法は、ビーム形状は一定であ
るが、円板を回転と並進運動させる複雑な二軸機械走査
であるため、走査速度を速くすることができず、ウエー
ハの温度が上昇すること、および大型で重量のある円板
システムを高真空中で駆動するため、真空の保持と、駆
動機構の複雑さで信頼性に乏しいという欠点がある。

また、前述の如く、イオンビームの偏向角が60°あるい
は90°の扇形磁場を用いる場合には、これらの扇形磁場
はイオンビームの収束点が斜め線上になるので、イオン
ビームを走査するとウエーハへの入射角が変化するとい
う欠点があるので、質量分離用磁場は一定でイオンビー
ムを固定する方式が用いられている。

本発明の目的は、均一打込みの可能な小型で、制御性，
信頼性の高いイオン打込装置を提供可能とすることにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

前述の問題点を解決するために、本発明のとつた構成
は、イオンを生成するイオン源と、該イオン源からのイ
オンビームを180°偏向する質量分離用電磁石と、イオ
ンが打込まれるウエーハが周辺部に装着され高速回転す
る回転円板と、前記イオンビームを該イオンビームの収
束線に沿って電磁的に走査する手段と、該イオンビーム
の電磁的走査速度を前記回転円板の回転中心と前記イオ
ンビームの中心との間の距離に反比例し、かつ、前記イ
オンビーム量の大きさに比例して制御する手段と、前記
イオンビームの電磁的な走査と同期して、前記イオンビ
ームの収束線上に沿って移動し、隣接するイオンビーム
を遮断し、所要のイオンビームのみをウエーハに導く分
離スリツトとを有していることを特徴とするものであ
る。

〔作用〕

本発明は、イオンビームの出射方向が一定な180°偏向
型電磁石を採用している。従つて、この磁場の入口に入
射したイオンビームは、イオンビームの加速電圧と磁場
強度に関係した半径をもつて飛行し、磁場と直角に出射
してくる。一定の加速電圧と一定の質量・電荷比のイオ
ンビームは、磁場強度に応じ軌道半径が変わるが、出射
してくるイオンビームの収束点は、磁場端に直線上に並
び、イオンビームは移動するが、出射角は90°一定であ
るので、ウエーハへの打込角は一定に保たれ、かつ、収
束線上にあることは、デンプスター（Dempster）の質量
分析計と同様である。（Phys,Rev.11.316（1918）） 質量分離用電磁石のみで、特定なイオン種を選別すると
共に、イオンビームの電磁的走査により、回転するウエ
ーハに対し、イオンビームをくり返し横断させて走査す
るようになつており、ウエーハを装着した回転円板の回
転のみで複雑な並進運動は行わずに、所期の目的を達成
することができる。また、イオンビームを電磁的に高速
走査できるので、ウエーハの冷却には効果的である。

すなわち、180°型質量分析計と回転円板方式のウエー
ハへの打込み装置とを組み合わせることにより、打込角
と収束条件を一定に保ちながら、ウエーハへの均一なイ
オン打込みを可能としたものである。

〔実施例〕

以下、実施例について説明する。

第１図は一実施例の原理説明図で、１はイオン源、２は
スリツト、3,3′はイオンビーム、４は分離電磁石、５
は分析管、６はウエーハ、７は回転円板、８は排気装
置、９はモータを示している。

イオン源１において、電子などによりガスがイオン化さ
れる。イオン源１は、通常、接地電位のスリツト２に対
し、加速電圧Ｖだけ高電位に保たれており、イオン源１
で生成されたイオンはスリツト２に対し加速出射され、
イオンビーム3,3′，…として分離電磁石４の磁場に入
る。磁場は対向するポールピースを形成し、そのギヤツ
プ間にイオンビーム3,3′，…が真空中を通過する分析
管５が設けられている。分離電磁石４の磁場の磁束の方
向はイオンビーム3,3′，…と直角でイオンビーム3,
3′，…は第１図に示されているように偏向される。質
量分析器の原理から明らかな如く、単一電荷をもつイオ
ンの質量をM,磁場強度をＢガウス，イオン軌道半径をRc
m,イオンのエネルギーをＶボルトとすると、 の関係がある。従つて、特定のイオンを一定の加速エネ
ルギーで分離電磁石４の磁場に入射させ、磁場強度Ｂを
変えると、イオンビーム3,3′，…のように、それぞれ
軌道半径R,R′，…で飛行し、収束点D,D′…に達する。
この場合、180°偏向するので、均一磁場を用いると、
スリツト２をやや広がつて出たイオンビームは、分離電
磁石４の磁場の出口端で収束し、収束点は線上に位置
し、イオンビーム3,3′，…は分離電磁石４の磁場と直
角でしかも互いに平行に出る。ウエーハ６の全面にイオ
ンを均一に打込むには、ウエーハ６とイオンビーム3,
3′，…を数多く横断させることが必要であり、さら
に、ウエーハ６上に半導体素子を作製するホトレジスト
パターンが画かれている場合には、ウエーハ６を150℃
以下に保つ必要があり、mA級の大電流を用いるので、ウ
エーハ６は水冷された回転円板７の周辺に装着し、回転
軸８を中心に高速回転し、イオンを断続的に打込む方式
を用いている。そして、打込みの均一性をよくするた
め、回転しながら、ウエーハ６に対しイオンビーム3,
3′，…をくり返し横断させるようにして、回転円板７
を高速回転しながら並進走査する場合のように機構が複
雑とならないようにして、優れた信頼性が得られるよう
になつている。イオン源1,イオンビーム3,3′，…回転
円板７は排気装置８により高真空に保たれている。イオ
ン打込みの深さ方向は加速電圧Ｖを一定に保つことによ
り制御されるので、イオンビーム3,3′，…のように走
査するには、分離電磁石４の磁場の強度Ｂ（ガウス）を
変化させればよい。また、ウエーハ６へのイオンビーム
3,3′，…の入射角度は一定に保たないと、結晶軸の配
置から、チヤネリングと呼ばれるイオンの通過深さが関
係することと、半導体素子の微細化による打込角度のパ
ターン影の問題のため、打込角度は一定又は直角とする
必要があるが、180°偏向磁場の特徴は、イオンビーム
3,3′，…が分離電磁石４の磁場の端面でそれぞれ収束
し、かつ、出射方向が磁場と直角で互いに平行であるの
で、ウエーハ６の全面への均一打込みのためのイオンビ
ーム3,3′…の走査は分離電磁石４の磁場の強度Ｂを変
化させればよく、走査速度は機械的でなく、電磁的に行
えるので、より高速な走査が可能で、単位時間当りの走
査回数を上げることにより、くり返し打込みの回数が増
え、ウエーハ６もよく冷却される。回転円板７は、回転
シール８を介し、モータ９で回転される。

なお、第２図はウエーハ６を装着した回転円板７とイオ
ンビーム3,3′，…の関係を示すもので、イオンビーム
３と３′の位置では、回転円板７が回転しているので、
イオン量が同じ場合、単位時間内に入射するイオン量は
イオンビーム３′（円板７の中心側）の方が多くなる。
また、イオン量が増えた時も、その位置でのイオン入射
量が増える。いずれの場合もその時のイオンビーム3,
3′の走査速度を早くすることで単位時間の入射イオン
量を一定に保ち、均一打込みが可能となる。

この実施例のイオン打込装置によれば、質量分離用電磁
石を用いてウエーハ打込み面に対し、ビーム収束性と打
込み角度を一定に保つたまま、高速にくり返しイオンビ
ームを走査することができるので、簡単な構造で均一な
イオン打込みが可能で、装置が小型化できる効果があ
る。すなわち、特別なイオンビーム走査用磁場や、機械
走査が不要なので、装置の制御性，信頼性が向上し、価
格の低減する効果もある。

第３図は他の実施例の原理を示す要部説明図で、省略し
てある部分は第１図と同一であり、第１図と同一の部分
には同一の符号が付してあり、10は分離スリツト、11は
ベローズ、12はスリツト走査機構、13は走査制御装置を
示しており、矢印でスリツトとイオンビームの移動方向
が示してある。

第１図の実施例のイオン打込装置では、イオンビーム3,
3′，…が異なるイオン種である場合に、その収束位置
D,D′，…がウエーハ６の大きさに比べて小さい時、す
なわち、イオンの質量が大きくなると異なるイオンがウ
エーハ６に打込まれることになる。この実施例のイオン
打込装置は、このような場合に使用するもので、収束点
に分離スリツト10を設置して、電磁走査と連動して特定
のイオンビームのみを通過させるようにしたものであ
る。

この実施例では、真空中における分離スリツト10の移動
をベローズ11を用いている。分離スリツト10はスリツト
走査機構12（例えばボールネジの回転送り等）により、
磁場走査と連動して、走査制御装置により、イオンビー
ム3,3′，…の移動とマツチして移動させる。分離スリ
ツト10の開口幅は打込み対象とするイオン種により設定
してもよい。すなわち、打込み開始時、第２図でＡ点で
示したウエーハ６の一方の端にイオンビーム３があり、
分離電磁石４の磁場強度を増していくと、イオンビーム
３はイオンビーム３′の方向に移動する。このイオンビ
ーム3,3′と連動し、分離スリツト10を第３図Ｂ点で示
したイオンビームと同じ方向に移動し、ウエーハ６の全
面にイオン打込みを実行する。この際の移動速度をイオ
ンビームの移動速度と、イオンビーム強度に応じ、単位
時間当りのイオンの個数が、ウエーハ６の位置により一
定になるよう制御することは言うまでもない。

この実施例のイオン打込装置も前述の実施例と同様に使
用され、同様の効果を得ることができるが、異なるイオ
ン種の収束位置が隣接している場合には特に効果的であ
る。

〔発明の効果〕

本発明は、均一な打込みの可能な小型で、制御性，信頼
性の高いイオン打込装置を提供可能とするもので、産業
上の効果の大なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のイオン打込装置の一実施例の説明図、
第２図は同じくウエーハとイオンビームとの関係説明
図、第３図は他の実施例の要部説明図である。 １…イオン源、２…スリツト、3,3′…イオンビーム、
４…分離電磁石、５…分析管、６…ウエーハ、７…回転
円板、９…回転駆動機構、10…分離スリツト、12…スリ
ツト走査機構、13…走査制御装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】イオンを生成するイオン源と、該イオン源
   からのイオンビームを180°偏向する質量分離用電磁石
   と、イオンが打込まれるウエーハが周辺部に装着され高
   速回転する回転円板と、前記イオンビームを該イオンビ
   ームの収束線に沿って電磁的に走査する手段と、該イオ
   ンビームの電磁的走査速度を前記回転円板の回転中心と
   前記イオンビームの中心との間の距離に反比例し、か
   つ、前記イオンビーム量の大きさに比例して制御する手
   段と、前記イオンビームの電磁的な走査と同期して、前
   記イオンビームの収束線上に沿って移動し、隣接するイ
   オンビームを遮断し、所要のイオンビームのみをウエー
   ハに導く分離スリツトとを有していることを特徴とする
   イオン打込装置。