JPH01252772A - イオン注入装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、イオン源で生成したイオンを質量分析系に入
れ、所要の運動エネルギと質量とをもったイオンを取り
出し、これを加速管で加速しな後、偏向走査系を介して
試料に注入するようにしたイオン注入装置に関するもの
である。

［従来の技術］ 周知のようにイオン注入技術は、イオンを加速して試料
表面に照射させることにり不純物ドーピングや材料合成
等を行うものであり、試料表面の状態に影響されずにド
ーピングでき、きわめて高精度でしかも清浄な不純物添
加技術であり、この特徴を生かしてＬＳＩ　、超ＬＳＩ
素子の製造や合金または非晶質材料の合成等に利用され
ている。

ところで、イオン注入装置は、一般に添付図面の第６図
に示すように、イオン源Ａと、分析マグネットＢｆ！−
備え、イオン源Ａで生成されたイオンから所要の運動エ
ネルギと質量とをもったイオンを取り出す質量分析系と
、取り出したイオンを加速する加速管Ｃから成る加速系
と、集束レンズ系りと、Ｙ方向走査電極ＥおよびＸ方向
走査型ｆｆ１Ｆを備えた偏向走査系と、イオン注入すべ
き試料Ｇを収容した試料室とから成っている。イオン注
入装置においてはドーピングの高い均一性を得る上でイ
オン源や走査系の安定化および中性ビームの発生を抑え
ることは重要なことである。中性ビームは、イオンビー
ムがイオン源から試料に到達するまでに残留ガス分子と
衝突し、荷電交換により発生され、この確率は真空度が
悪い程また輸送される距離が長い程大きくなる。そのた
め、イオン注入装置では中性ビームの発生を抑えるため
、真空度を上げると共に第６図に示すように中性ビーム
が試料に入射しないようにビームラインを偏向走査系に
おいて曲げる（７°程度）等の手段が講じられている。

すなわち、電気的にはＸ方向走査ｔ　ｉｆ　Ｆの走査用
三角波にイオンビームを７°閑向させるためのＤＣバイ
アスを重畳させて電圧制御されている。

［発明が解決しようとする課題］ 従来のこの種のイオン注入装置では、偏向走査系におい
て、端部における電場の乱れのため有効ｉ￥ｉ′ｉ域が
狭く、幅を大きく取らなければならす、電極が大きくな
り、電気容量が大きくなると共に閑向歪がかなり大きく
なる。また偏向走査系の少なくとも一方の走査電極に走
査用三角波電圧と中性粒子除去用の偏向電圧とを重畳さ
せて印加しているため、電極に印加する電圧が高くなり
、高電圧の発生が必要となる。そのなめ、高速で走査す
る場合、三角波電圧が鈍ってしまい、また電圧が１０に
νを越えるとコロナ放電やリーゲージ対策が困難となり
、電源の設計、製作が雑しく、コストの面でも高くなる
。また電源の寿命も短く、さらには電力損失の点でも問
題がある。

さらに、従来のイオン注入装置では、中性子粒子除去の
ためＱレンズの後方で定角偏向を行っているためイオン
源からのイオンビームラインと走査系の光軸とが平行で
なく、装置の組み立てや配置が離しくなっている。

一方、近年イオン注入技術においてウェハの微細化が進
み、パターン幅が狭くなるにつれてシャドーイングが問
題となってきた。このため、ウェハの全面にわたって一
定の方向からイオン注入を行う必要があるが、従来のイ
オン注入装置ではウェハの中心から半径が大きくなるに
つれて偏向角θは増加し、イオンの注入深さは垂直成分
で決まるのでウェハの外周にいく程浅く注入されること
になり、ウェハ面内の注入分布が−様でなくなる。

仮に径の大きなウェハへの注入において痢向角θをある
レベル以内に抑えようとすると、ビーム輸送系を長く取
る必要があり、装置全体が大きくなり、設置面積が増え
、生産コストに響くことになる。

ウェハのｆｆ１ＡＥｌ化に伴ってトレンチのアスペクト
比が大きくなってきており、このようなトレンチの底部
にイオン注入する場合、注入ずべきイオンビームが偏向
角θをもっていると底部全域に及ばない、これはウェハ
を回転させながら注入することによっである程度緩和で
きるが、十分ではない。

またトレンチの側面への注入においては、シャドーイン
グを防ぐためトレンチのアスペクト比に応じてウェハを
傾けているが−様な注入分布を得ることは困難であり、
しかもトレンチの側面に対して斜めにイオンを注入する
と、注入されずに跳ね返ってくるイオンもあったり、あ
るいはイオン注入されない側面がでてくる恐れがある。

すなわち、ウェハが６インチ、８インチと大口径化し、
４Ｍビット、１６Ｍビットと線幅が小さくなるにつれて
平行イオンビームでイオン注入を行うことが望まれるよ
うになってきた。

このような観点から、本発明が解決しようとする課題は
、偏向走査系の電源に伴う問題の解決および装置の組み
立て容易化とアライメント精度の向上並びにイオンの平
行注入によるイオン注入の均−化にある。

［課題を解決するための手段］ 上記の本発明の課題を解決するために、本発明は、偏向
走査系の偏向機能と走査機能とを分離し、中性粒子除去
用偏向部でイオン源からのイオンビームラインと走査系
の光軸とを平行にさせるようにしたイオン注入装置を提
供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明によるイオン注入
装置は、上記偏向走査系が独立して電圧制御される中性
粒子除去用静電偏向器と走査用多重９１痢向器とを備え
、上記中性粒子除去用静電偏向器に上記中性粒子除去用
静電偏向器からのイオンビームを上記中性粒子除去用静
電偏向器に入る前のイオンビームの光軸に平行に偏向さ
せる別の静電偏向器を組み合わせ、これら二つの静電偏
向器を集束レンズの前段に位置決したことを特徴として
いる。

また本発明によるイオン注入装置では、上記走査用多重
極偏向器は、第１多重極閏向器と、この第１多重極偏向
器と相似形の構造をもち、第１多重極偏向器で偏向され
たイオンビームの方向を試料面に対して一定方向にする
第２多重極而向器とで構成される。

走査用多重極偏向器は好ましくはへ重蔭走査電瘉から成
り得る。

［作　　　用］ このように構成した本発明によるイオン注入装置におい
ては、中性粒子除去用静電偏向器にＤＣ電圧が印加され
、走査用多重極１櫃向器には走査用電圧が印加され、こ
れら両電圧は独立して制御され得、比較的電圧を低く抑
えることができる。

中性粒子除去用静電偏向器と組合わされた別の静電偏向
器はイオンビームを中性粒子除去用静電偏向器による偏
向と逆向きに同じ角度偏向させ、中性粒子除去用静電偏
向器に入る前のイオンビームの光軸と走査系を通る光軸
とが互いに平行に成るように作用する。

また二組の走査用多重ｌＦＳ！偏向器によりイオンビー
ムを光軸に平行にすることができ、試料に注入されるイ
オンの均一性を向上させることができる。

［実　施　例］ 以下添付図面を参照して本発明の実施例について説明す
る。

第１図には本発明によるイオン注入装置の一実施例を示
し、１はイオン源、２はイオン源１からのイオンから所
要の運動エネルギと質量とをもったイオンを収り出す分
析マグネット、また３は分析マグネット２で取り出した
イオンを加速する加速管である。４は加速管３を通って
加速されてきたイオンから中性子粒子を除去するための
定角静電偏向器であり、５は中性子粒子除去用定角静電
偏向器４で定角偏向されたイオンビームをイオン源１か
ら分析マグネット２および加速管３を通る光軸に平行に
再度偏向させる同様な構造の定角静電偏向器であり、こ
の定角静電偏向器５は中性子粒子除去用定角静電偏向器
４と大きさが同じで向きの逆な閤内角をもつように構成
されている。

また６は、中性子粒子除去用定角静電偏向器４で中性子
粒子を除去され、定角静電偏向器５で定角静電偏向器４
に入る前の光軸に平行に偏向されたイオンビームを集束
させる四重極レンズずなわち集束レンズであり、この集
束レンズ６の後には、集束されたイオンビームの方向を
中心軸線としてイオンビームをＸ方向およびＹ方向に同
時に走査する八重極電極から成る走査闇向器が設けられ
ている。この走査用閣内器は二組の八重極電極すなわち
第２の定角静電偏向器５で一定角度痢向されたイオンビ
ームの方向を中心軸線とする第１のへ重′！ｆ！偏向器
７と、第１の八重極電極７と相似形で後で例を挙げて説
明するように第１のへ重ｔｉｆＡ電極７より寸法の大き
い第２の八重極電極８とから成っている。第１の八本Ｎ
！電極７および第２の八重極電極８は第２図に示すよう
に電気的に接続され、すなわち第１の八重極電極７にお
ける各電極は中心軸線に対して対称位置にある第２の八
重極電極８における電極に接続され、図示してない四つ
の鋸歯状波電源によりそれぞれ図示したような電圧が印
加される。

なお、第１図において９はイオン注入すべき試料を示す
。

次に第３図を参照して第２図に示す装置の動作原理につ
いて説明する。

第３図に示すように、第１の八重極型ｆ！７の直径をｄ
ｌ、その長さをＱｌ、第２の八重極を極８の直径をｄ２
、その長さをＱ２、両へ重極電極間の距＾ｔをし、第１
の八重極電極７内の電場をＥｌ、第２の八重極電極８内
の電場をＥ２、第１の八重極電極７の出口側におけるイ
オンビームの中心軸線に対する出射角（偏向角）をθ１
、第２の八重極電極８の出口側におけるイオンビームの
中心軸線に対する出射角（偏向角）を０２、また第１の
八重極ｔｉ７に入る前のイオンのエネルギをＵＯとする
と、 ｔａｎθ１　＝ＥＩ　Ｑｌ　／２　ＵＯｔａｎθ２　＝
Ｅ１　Ｑｌ　／２ＵＯ −Ｅ２Ｑ２／２ＵＯ（１） となる、ここで ＥＩＱ１／２ＵＯ＝Ｅ２Ｑ２／２ＵＯ（２）が成立ずれ
ば、ｔａｎθ２＝０となり、平行掃引の条件が得られる
ことになる。

ところで、第１、第２の八重極電極７．８は相似形であ
り、第２図に示すように第１の八重極電極７の電極７ａ
と第２のへｆ！＆電［８の電極８ａとにｙ４極７ｂト電
極８ｂとに１／￥２　　（Ｕ＋ｖ）　　、電極７Ｃ１８
ＣにＵというように同一の電圧を印加すると、電場Ｅ１
、Ｅ２は互いに平行で方向が逆となり、それぞれ次式で
与えられる。

Ｅ１＝　Ａ　Ｖ／ｄ１、Ｅ２＝　λＶ／ｄ２　　　　（
３）これを式（２）に代入すると、 λＶ／ＵＯ−Ｑｌ　／ｄ１ ＝λＶ／ＵＯ・　Ｑ２　／ｄ２ と表わされ、ここで第１、第２の八重極電極７．８が相
似形であるので、 Ｑｌ　／ｄｌ＝　Ｑ２　／ｄ２　　　　　　　　（４）
である、この式の両辺にＡＶを掛けるとＡＶ　・Ｑｌ　
／ｄ１＝４Ｖ　、　　Ｑ２　／ｄ２が得られ、従って ＥＩ　Ｑｌ　＝Ｅ２　Ｑ２ となり、式（２）の平行掃引の条件が満たされ得る。

また第１、第２の八重極電極の各電極に印加する電圧に
ついて考察すると、今便宜上第５図に示すような円筒状
の偏向器を考え、Ｘ方向に−様な電場Ｖ／ｒｏを生じさ
せるためにはその断面の円周上にどのような電位を与え
ればよいかを考えてみる。

Ｘ方向に対して角度θを成す半径ＯＰを考え、Ｐ点の電
位をφとすると、 φ＝Ｖ／ｒｏ　−ｒｏ　ｓ　ｉ　ｎθ＝Ｖｓｉｎθとな
る。すなわち、円周上にＶｓｉｎθのような電位分布を
与えると、円筒内のＸ方向においてＶ　／　ｒ　Ｏの−
様な電場が生じることになる。同様にしてＵｃｏｓθの
ような電位分布を与えると円筒内のＸ方向にＵ／ｒｏの
−様な電場が生じることになる。そこで円周上にＶｓ　
ｉ　ｎθ＋Ｕｃｏｓθのような電位分布を与えると、Ｕ
　／　ｒ　Ｑの大きさをもつＸ方向の電場とＶ／ｒｏの
大きさをもつＸ方向の電場とを重ね合わせた−様な電場
Ｅが得られる０図示実施例の電極の場合には、Ｖｓｉｎ
θ＋Ｕｃｏｓθは第２図に示すようになる。

第５図には電圧波形の一例を示し、ｉ　／　Ｊ　２（Ｕ
＋Ｖ）等は加算器を用いてＵ、Ｖ波形から合成して形成
され得る。

ところで、図示実施例では電極型の走査電極を用いてい
るが、当然電極以下または以上の多重極走査電極を用い
ることができる。

また図示実施例においてイオンビームを平行走査する必
要のない場合には、走査問向器は羊−段の八重極電極で
楕成し、第２図の第１八重極電極と同じ電圧を印加する
こともできる。

［発明の効果］ 以上説明してきたように、本発明によるイオン注入装置
においては、偏向走査系を互いに独立して電圧制御され
る中性粒子除去用静電偏向器と走査用多重外偏向器とで
構成したことにより、偏向器にχ・１する電源が簡単と
なり、しかも印加される電圧は重畳されないので比教的
低く保つことができる。

また二つの静電偏向器を用いてイオン源からのイオンビ
ームの光軸と中性粒子除去後の光軸とを互いに平行にな
るように構成したことにより、装置の組み立てや光軸合
わせが容易となるだけでなく、アライメントの精度を上
げることができる。

さらに、走査用に多重極偏向器を二組用いて平行走査を
行うことにより、イオン注入の有効範囲を平行平板電極
を用いた場合に比較して広く取れ、しかも試料に注入さ
れるイオンの均一性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概路線図、第２図は第
１図における走査面向器の各電極間の電気的接続および
電圧の印加状態を示す概路線図、第３図は平行走査の原
理の説明図、第４図は各電極への電圧印加方法の説明図
、第５図は各電極に印加される電圧波形を例示する波形
線図、第６図は従来のイオン注入装置の概路線図である
。 図　　　中 １：イオン源 ２：分析マグネット ３：加速管 ４：中性粒子除去用の静電偏向器 ５：第２の静電偏向器 ６：４Ａ束レンズ ７：平行走査用第１多重！ｆ１ｍ向器 ８：平行走査用第２多重極偏向器 ９：イオン注入すべき試料 第３図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、イオン源で生成したイオンを質量分析系に入れ、所
   要の運動エネルギと質量とをもつたイオンを取り出し、
   これを加速管で加速した後、偏向走査系を介して試料に
   注入するようにしたイオン注入装置において、上記偏向
   走査系が独立して電圧制御される中性粒子除去用静電偏
   向器と走査用多重極偏向器とを備え、上記中性粒子除去
   用静電偏向器に上記中性粒子除去用静電偏向器からのイ
   オンビームを上記中性粒子除去用静電偏向器に入る前に
   イオンビームの光軸に平行に偏向させる別の静電偏向器
   を組み合わせ、これら二つの静電偏向器を集束レンズの
   前段に位置決めしたことを特徴とするイオン注入装置。 ２、偏向走査系における走査用多重極偏向器が第１多重
   極偏向器と、上記第１多重極偏向器と相似形の構造をも
   ち、上記第１多重極偏向器で偏向されたイオンビームの
   方向を試料面に対して一定方向にする第２多重極偏向器
   とから成る請求項１に記載のイオン注入装置。 ３、偏向走査系における走査用多重極偏向器が八重極走
   査電極である請求項１または請求項２に記載のイオン注
   入装置。