JPH0334252A - 高エネルギイオン注入装置 - 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、半導体基板や金属材料等にイオンを打ち込む
装置に関する。

〈従来の技術〉 従来のイオン注入装置は、一般に、イオン源からのイオ
ンを直流電圧電源によって加速し、更にその加速後のイ
オンを電磁界もしくは機械的な手段を用いてスイープさ
せて、半導体基板等のターゲットに打ち込むように構成
されている。

〈発明が解決しようとする課題〉 ところで、近年、イオン注入技術が、半導体集積回路の
生産工程中におけるドーピング工程の重要技術となるに
つれて、従来よりも更に高エネルギかつ大電流のイオン
注入を行いたいとする要求が高まっている。

このような要求に応えるべく、従来の直流高電圧電源に
よる加速に代えて、より高エネルギ、大電流のイオンビ
ーム加速が可能な高周波加速器による加速方式が開発さ
れつつある。

高周波加速器のなかでも、特に高周波四重極加速器（Ｒ
ａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ
　Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ。

以下、ＲＦＱ加速器と称する）は、ビームを収束させつ
つ同時に加速するという特色を持っているため、大電流
のイオン・ビームを発散させずに加速することが可能で
あり、上記した要求に応えるイオン注入装置に適用する
に最適の加速器と考えられている。

ところが、高周波加速器では、一般に、共振周波数を連
続的に可変としない限り、加速エネルギは連続的に可変
とはならず、ＲＦＱ加速器も同様と考えられている（例
えばＮｕｃｌｅａｒ　ｒｎｓｔｒｕｍｅｎｅａｎｄ　Ｍ
ｅＬｈｏｄｓ　ｉｎ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｒｅ５ｅａｒｃ
ｈ　Ｂ３７／３８（１９８９）＋に、ＴＯＫＩＧＬＩＣ
ＨＩ　ｅｔ　ａｌ、＋”ｌｏｎ　Ｂｅａｍ　Ａｃｃｅｌ
ｅｒａｔｉｏｎ　Ｕｓ−ｉｎｇ　Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｆ
ｒｅｑｕｅｎｃｙ　ＲＦＱ）。一方、イオン注入装置で
は、加速エネルギの連続可変性を要求されることが多く
、そこで、ＲＦＱ加速器をこのような用途に用いるため
に、その共振周波数を可変化することが考慮されている
（同上文献）。

しかし、この試みは、共振周波数可変のＲＦＱ加速器の
構造が複雑で研究段階でのものであり、加えて、この周
波数可変型のＲＦＱ加速器は、周波数固定型のＲＦＱ加
速器に比べて共振Ｑ値が〜１０４レベルより〜１０″レ
ベルに低下してしまい、その結果多大な高周波パワー（
〜１０１００Ｋを消費してしまうこともあり、いまだ実
用化されていない。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであって、
ＲＦＱ加速器の共振周波数を変化させることなく、すな
わち複雑な共振周波数可変型のＲＦＱ加速器を用いるこ
となく、半導体基板等のターゲソトに打ち込むイオンの
エネルギを連続的に可変とすることのできる高エネルギ
イオン注入装置の提供を目的としている。

〈課題を解決するための手段〉 上記の目的を達成するための構成を、実施例に対応する
第１図を参照しつつ説明すると、本発明では、印加する
高周波電圧を変化させることにより一定の共振周波数を
維持した状態でイオン源１からのイオンの加速エネルギ
をステップ状に変化させ得るＲＦＱ加速器３と、そのＲ
ＦＱ加速器３による加速後のイオンを導入してそのイオ
ンを所定のエネルギ範囲で連続的に加減速する高周波加
速器（例えばシングルドリフトチューブライナック）４
を設けている。

〈作用〉 イオン源１からのイオンビームＢは、まずＲＦＱ加速器
３によって加速されるが、このＲＦＱ加速器３は、後述
するように印加する高周波電圧を変化させることによっ
て、その共振周波数を変化させることなく加速エネルギ
をステップ状に変化させることが可能である。

ＲＦＱ加速器３によって所望のエネルギレベルに加速さ
れたイオンビームＢは、選択された各ステップレベルに
おいて、次段の高周波加速器４によっであるエネルギ範
囲内で連続的に加減速され、装置全体として、大電流の
ビームの加速エネルギを低エネルギから高エネルギまで
連続的に可変とすることが可能となる。

ここで、ＲＦＱ加速器は、第６図にその概略を斜視図で
示すように、円筒タンク６０内に、その円筒の軸方向に
沿う波形が先端に形成された４個の電極６１ａ〜６１ｄ
（ベーンと称される）を配設してなる空胴共振器に、そ
の共振周波数の高周波電圧を印加することによってこれ
を共振させ、電極６１ａ〜６１ｄの先端に囲まれた空間
内に所定スピードのもとに荷電粒子を導くことによって
その荷電粒子を加速するもので、前記したようにその共
振周波数を変化させない限りその加速エネルギは変化し
ないと一般には考えられている。

すなわち、高周波加速器では、粒子の入射スピード（エ
ネルギ）、電極の配設位置（ＲＦＱ加速器ではベーン波
形の周３１．ＩＩ）および印加する高周波電圧値は互い
に密接な関係を持つファクタであり、例えば高周波電圧
値を変化させても、他のファクタが一定である限り加速
エネルギは変化せずに一定であり、むしろ、高周波電圧
値を大幅に低下させると荷電粒子をまったく加速できな
くなるとされている。その理由として、高周波電圧を低
下させると、加速電界中において荷電粒子のスピードが
遅くなり、電極波形の周期等との関連において加速条件
を満足しなくなるためであると一般には説明されている
。

このような一般論に対し、本発明者らは、ＲＦＱ加速器
の電極に印加する高周波電圧を、荷電粒子の導入スピー
ドと、印加される高周波電圧の周波数（共振周波数）、
および電極に形成された波形の周期に基づく加速条件を
満足する電圧値よりも下方に所定量シフトすることによ
って、共振周波数を変化させることなく加速エネルギを
変化すせる方法を発明し、すでに提案している（特願昭
６３−１７６５４０号）。

この加速エネルギの制御方法によれば、ある−定のスピ
ードに加速したイオンをＲＦＱ加速器に導入し、高周波
電圧のみを本来の設計電圧値から所定量下方ヘシフトす
ることで、その加速エネルギをステップ状に変化させる
ことができ、このことは実験によって確かめられている
。

本発明はこの点を利用し、イオン源からのイオンのエネ
ルギを、まずＲＦＱ加速器によってその共振周波数を変
化させることなくステップ状に選択的に加速し、次段の
シングルドリフトチューブライナック等の所定のエネル
ギ範囲内で連続的に加速エネルギが可変の高周波加速器
に導くことによって、全体として広いエネルギ範囲で連
続的に加速エネルギを変化させることを実現するもので
ある。

〈実施例〉 第１図は本発明実施例の横取を示すブロック図である。

イオン源１より発生したイオンは、イオン源１に供給さ
れる直流電圧によって所定の初期エネルギにまで加速さ
れる。これによって生ずるイオンビームＢは、まず、前
段マグネット２によって質量分析されて目的イオンのみ
のビームとなった後、周波数固定のＲＦＱ加速器３に入
射する。

このＲＦＱ加速器３は、その構造は第６図に示した従来
のものと同等であるが、前記した印加高周波電圧のシフ
トによる加速エネルギの制御方法を採用したもので、後
述するＲＦＱ加速器用アンプ７から供給される高周波パ
ワーＰ１の大小によって、共振周波数は固定のままで加
速エネルギをステップ的に変化させることができる。

このＲＦＱ加速器３によって加速されたイオンビームＢ
は、次いでシングルドリフトチューブライナック４に入
射し、ここで更に加速もしくは減速される。

このシングルドリフトチユーブライナツク４は、第２図
に断面図で示す構造を持ち、後述するように投入する高
周波パワーＰ２とその位相を変化させることにより、そ
の加速（減速）エネルギを連続的に変化させることがで
きる。

そしてこのシングルドリフトチューブライナック４を経
たイオンビームＢは、後段マグネット５によって再び質
量分析を受けた後、エンドステーション６内で回転およ
び並進運動が与えられるウェハＷに導かれる。

さて、ＲＦＱ加速器３には、ＲＦＱ加速器用アンプ７か
らの高周波パワーＰ、が導入されるが、このＲＦＱ加速
器用アンプ７は発振器８からの一定の周波数（共振周波
数）信号を入力し、その入力信号を増幅して高周波パワ
ーＰ、を得る。そして、この高周波パワーＰ、の電圧振
幅値は、ＲＦＱ加速器用アンプ７に付設された電圧設定
器の操作によって任意に変化させることができる。なお
、実際には、ＲＦＱ加速器３に印加されている電圧は電
圧検出器によって検出されるとともに、その検出信号が
電圧設定値と比較され、その結果に基づき、高周波パワ
ーＰ１が設定された振幅値を保つようにＲＦＱ加速器用
アンプ７の増幅度が自動的に調整される。

ＲＦＱ加速器３では、このようにして投入される高周波
パワーＰ、の大小で、その加速エネルギを第３図（ａ）
〜（ｃ）に示す巳。〜Ｅ２のいずれかの加速エネルギを
ステップ的に選択することができる。

一方、シングルドリフトチューブライナック４には、シ
ングルドリフトチューブライナック用アンプ９から高周
波パワーＰ２が供給されるが、その高周波の位相はフェ
ーズシフタ１ｏによって発振器８からの高周波信号に対
してΔφだけシフトされている。

ここで、シングルドリフトチューブライナックは、一般
に、イオンビームが入射するときの高周波の位相φ五、
およびドリフトチューブに発生する電圧Ｖにより、イオ
ンビームにＶ−ｃｏｓφ、１１のエネルギ変化を与え、
同様に出射するときにＶ・ｃｏｓφ。。

のエネルギ変化を与えるので、合計”Ｌ（ｃｏｓφ、９
＋ｃｏｓφ。、〉の変化を与えることになる。

さて、第１図の実施例におけるシングルドリフトチュー
ブライナック４は、φＩ、ｌはフェーズシフタ１０によ
ってΔφで制御されており、また、■もシングルドリフ
トチューブライナック用アンプ９によりφ、７とは独立
に、投入パワーＰ２で制御されるので、Ｖ−ｃｏｓφ、
７は連続的に変化し得る量となる。また、φ。、は■・
ｃｏｓφ８．％が決定されれば一意的に定まるので、結
局■・（ｃｏｓφｉ、＋　Ｃｏｓφ。ｕＬ）が連続的に
変化し得る量となる。よってシングルドリフトチューブ
ライナック４はイオンビームＢを連続的に加減速するこ
とができる。

このシングルドリフトチューブライナック４による連続
加減速範囲をδＥ（−１■・（ｃｏｓφム４＋ｃｏｓφ
ｏｕｔ）　ｌ　）とする。

そして、ＲＦＱ加速器３によって選択可能なエネルギレ
ベルＥ０〜Ｅ２のそれぞれのステップ幅を第３図に示す
ようにΔＥ、およびΔＥ２としたとき、シングルドリフ
トチューブライナック４の各入射エネルギにおける連続
加減速範囲δＥ　ｏ、　　δＥ１およびδＥ２を、第４
図に示すように、ΔＥ、およびΔＥ２とほぼ同程度にし
て、互いに若干オーバーラツプするように選定すれば、
装置全体として第５図に示すように広範囲なエネルギ連
続可変性を実現することができる。

なお、印加高周波電圧を変化させることによって加速エ
ネルギをステップ状に変化させる方法では、出射するイ
オンのエネルギピークが複数出現することがある。そこ
で、目的とするエネルギのイオンのみをシングルドリフ
トチューブライナック４に導くためには、第１図の実施
例においてシングルドリフトチューブライナック４と後
段マグネット５の位置を入れ換えてもよい。ただし、第
１図の配置においてもシングルドリフトチューブライナ
ック４の後段で質量分析を行うので、ウェハＷには結局
所望のエネルギのイオンだけが導かれることになり、こ
の位置はどちらでもよい。

また、第１図の実施例では、シングルドリフトチューブ
ライナック４に供給する高周波の位相をフェーズシフタ
１０によって制御したが、シングルドリフトチューブラ
イナック４のＲＦＱ加速器３に対する位置を変化させて
も同様の作用を得ることができる。

更に、ＲＦＱ加速器の後段の加減速器として、シングル
ドリフトチューブライナック以外の他のエネルギ連続可
変の高周波加速器を用い得ることは勿論である。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明によれば、？１９ｆｔで高
コストであるが故に未だ実用化されていない共振周波数
可変のＲＦＱ加速器を用いることなく、ＲＦＱ加速器の
周波数を変化させずにその加速エネルギをステップ状に
変化させる手法を用い、イオンビームをまずこのような
制御方法を適用したＲＦＱ加速器によって加速した後、
次段のシングルドリフトチューブライナックに導いて連
続的に加減速することによって、広範囲のエネルギ連続
可変性を持つ高エネルギイオン注入装置が実現でき、半
導体製造プロセスに革新的進歩をもたらすものと期待さ
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の横取を示すブロック図、第２図
はそのシングルドリフトチューブライナック４の構造を
示す断面図、第３図はＲＦＱ加速器３による加速エネル
ギのステップ状の変化の説明図、第４図はシングルドリ
フトチューブライナック４によるエネルギの連続加減速
範囲の説明図、第５図は全体的なエネルギの連続可変範
囲の説明図、第６図はＲＦＱ加速器の構造を示す部分断
面図である。 １・・・・イオン源 ２・・・・前段マグネット ３・・・・ＲＦＱ加速器 ４・・・・シングルドリフトチユ−ブラライナ・ンク５
・・・・後段マグネット ６・・・・エンドステーション ７・・・・ＲＦＱ加速器用ＲＦアンプ ８・・・・発振器 ９・・・・シングルドリフトチューブライナシク用アン
プ １ ０・・・・フェーズシフタ Ｂ・・・・イオンビーム Ｗ・・・・ウェハ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. イオン源と、印加する高周波電圧を変化させることによ
   り一定の共振周波数を維持した状態で上記イオン源から
   のイオンの加速エネルギをステップ状に変化させ得る高
   周波四重極加速器と、その高周波四重極加速器による加
   速後のイオンを導入してそのイオンを所定のエネルギ範
   囲で連続的に加減速する高周波加速器とを備えてなる高
   エネルギイオン注入装置。