JPH04230942A - イオンビーム制御システム - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、加工部材の処理のため
のイオンビーム・システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素材の製造に用いられるシリコン
・ウェーハ等の加工部材に対するイオンビーム処理は先
行技術においてよく知られている。これは、帯電したイ
オンを発生させ、特定の速度に加速して、シリコン・ウ
ェーハのような加工部材に衝突させるものである。先行
技術に見られる、シリコン・ウェーハに不純物を加えて
半導体素材を製造する方法では、大きくわけて２種類の
イオン注入法が用いられる。

【０００３】高濃度のイオンの注入法の場合、通常、イ
オン発生装置と、高エネルギーのイオンビームを特定の
行程に沿って発射する集中照射装置が使用される。注入
処理の対象となる加工部材は、注入ゾーンもしくは注入
ステーションにおいて、高エネルギーのイオンビームの
中を機械的手段によって動かされる。作業部材全体に対
して均一なイオンビーム処理を行うため、イオンビーム
は制御されている。先行特許としてイートン・コーポレ
ーションに譲渡された米国特許第４，２３４，７９７号
があり、リディングによる同特許においては、高エネル
ギーイオン注入システムの開示及び説明がなされている
。

【０００４】第二のイオン注入システムは、第一のもの
よりも濃度の低いイオンビームを用いるものである。こ
のようなイオンビームを制御されたやり方で初期軌道か
ら偏向させて、注入ステーションの異なるゾーンもしく
は区域に衝突させることができる。濃度の低いイオンを
用いたこの種の注入システムにも、イオンビーム発生装
置と、特定の軌道に沿ってイオンビームを発射する集中
照射装置が含まれている。ただし前記の軌道に沿って電
極を作り出す電界が設定され、かつこの電極が制御され
たやり方でエネルギーを与え、イオンビームを初期軌道
から偏向させて加工部材、通常は半導体の製造に用いら
れるシリコン・ウェーハの方に向けるのである。走査電
極を調整することにより、シリコン・ウェーハの均一な
イオン・ドーピングを行うことができる。

【０００５】低エネルギーイオン注入システムを開示し
た代表的な米国特許は、マイロンによる米国特許第４，
７３６，１０７　号である。この特許もイートン・コー
ポレーションに譲渡されており、その内容は参考のため
本書に添付されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上、大きく二分した
イオン注入システムはそれぞれに長所と短所を有してい
る。高圧電流イオンビーム注入法は一般にウェーハの処
理量が少なく、また、ウェーハをイオンビーム中で移動
させるために大規模で経費のかかるウェーハ処理ステー
ションが必要とされる。

【０００７】低圧電流イオンビームの注入に用いられる
偏向走査システムは、規模と単純性の面で利点を持って
いるが、電界の偏向がビームの非中性化を引き起こし、
ビームがブローアップする結果になるため、高圧電流と
ともに用いることができない。また、このシステムには
、イオンがウェーハ上に衝突する際にビームの入射角が
変化するという欠点もある。入射角の変化が起こるのは
、イオンビームがシリコン・ウェーハの表面を横断して
電極走査を行うためである。

【０００８】本発明は、低電圧・高電圧の電流を用いた
２種類のイオンビーム注入装置のそれぞれの長所を取入
れ、短所をできるだけ排したイオン注入システムを提供
することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に従って構築され
るイオン注入システムには、集合して加工部材注入ビー
ムを形成する複数のイオンビームを作り出すイオン発生
装置が含まれている。イオン発生装置は、複数のイオン
放出孔を備えた壁によって仕切られた区域内にイオンを
発生させる。特定の放出孔から出たイオンはビームの一
部、または「ビームレット」（小ビームの意）を形成す
る。複数のビームレットが集まって、処理対象の加工部
材の幅よりも大きな単一のイオンビームを形成するため
、ビームまたは作業部材の走査は必要ない。　　イオン
発生装置の近くには抽出プレートが配置される。このプ
レートは一定の電位に保たれており、発生装置から出た
イオンを引き付ける。抽出プレートは複数の抽出孔を持
っており、これらは一般にイオン発生装置にある複数の
イオン放出孔に沿って配置されている。電子の抽出のた
めにビームの一部が非中性化すると、その部分は急速に
拡散してイオンビームから失われる。

【００１０】本発明の理想的な実施例においては、抽出
プレートの出口側に、ビームレット中の電子を引き付け
るための導電リングが複数取り付けられている。導電リ
ングは、抽出プレートに塗布された絶縁層によって抽出
プレートから隔てられており、絶縁層に配置された導電
パターンによってエネルギー源と接続している。

【００１１】

【作用】エネルギー源は各導電リングの帯電状態を制御
することにより、ビーム断面全体におけるビームの分布
状況を調整する。これにより、比較的均一なイオン注入
と非均一に調整されたイオン注入との双方を加工部材に
施すことが可能である。

【００１２】

【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて説明する。 図１は低エネルギー（２ｋｖ）イオン発生装置１０を備
えたイオン注入システムを示したもので、イオン発生装
置が発生したイオンは抽出電極１２によって加速される
。イオン発生装置１０は複数の小さな断面を持ったビー
ムを発生させ、それらのビームは一定の行程をたどるう
ちに次第に拘束を失って拡散していく。こうした拡散に
より、発生装置１０から放出された個々の小ビームある
いはビームレットは集まって、いずれの小ビームよりも
大きな幅を持ったひとつのビーム１４を形成する。イオ
ンビーム１４の断面におけるイオンの密度は、ビームレ
ットが拡散してビーム１４を形成する前に、特定のビー
ムレットから中性化電子を除去することによって調整さ
れる。

【００１３】ビーム１４は、解析または分解能力を持つ
磁石１６を通って進み、磁石の部分でイオンビームはそ
の質量と電荷に応じて湾曲する。ビーム分解用磁石１６
の下流では、ビーム１４は金属製の分解スリット１８に
入り、散乱面においてビームにくびれが生じる。分解ス
リット１８を通過したイオンは、２つの加速チューブ１
９，２０　によって加速される。これらの加速チューブ
は、イオンを目標のエネルギーレベル（５〜２００ｋｖ
　）になるまで加速し、ビームを加工部材２２上に照射
する。１つの加速チューブ１９，２０　は望遠鏡と同様
の機能を果たし、加速エネルギーの大きさと２つの加速
チューブ１９，２０　間のビームの行程距離を調整する
ことにより、ビームが加工部材２２に衝突するときの角
度と衝撃の大きさが調整される。

【００１４】ウェーハ２２は、自動ウェーハ移動装置に
よってイオンビーム内を適切な位置および方向へ動かさ
れる。ビーム１４は発生源からウェーハ２２のある区域
に至るまで高度の真空状態を通過してくるため、ウェー
ハ移動装置は、大気圧から非常な低圧状態の中にウェー
ハを移動させなければならない。このような作業を行う
装置は、先行技術において知られている。

【００１５】発生装置１０は断面積が充分に大きなビー
ム１４を作り出し、ウェーハ２２の注入表面を覆うこと
ができるため、注入ステーションでのウェーハの走査が
不必要になる。さらに、走査電極も必要なく、そのよう
な電極の電圧を調整するために必要とされた電子機器も
不要になる。

【００１６】本発明の実施例の一つによれば、イオン発
生装置１０は複数の開口部を備えたカウフマン型の装置
であって、およそ１キロボルトの電圧と１平方センチメ
ートルあたりおよそ１０ミリアンペアの電流を持ったイ
オンを発生させることができる。この実施例に用いられ
ているイオン発生装置は図１に示されており、３センチ
メートルの幅を持ったイオン放出エリアには２８８　個
の開口部が配置され、開口部はおおむね６角形の形状を
なしていて、全体の電流容量は７０ミリアンペアである
。

【００１７】図１に示したビーム集束方法においては、
磁石１６が個々のビームレットを集めて単一の集束ビー
ム１４の形成を助け、集束したビームは１個のスリット
１８により分解された後に１本のビームとして加速され
る。集束ビーム法の使用には、それぞれのビームレット
を分解して加速する方法にはない利点がある。イオン発
生装置１０自体の断面が小さいためビーム分解用磁石の
隙間が小さく抑えられるのである。共通の分解スリット
１８の方が、それぞれのビームレットに対応した複数の
スリットよりも実現が容易である。それぞれのビームレ
ットごとに二重の加速電極が必要になることもないため
、ビームの分解とイオンの加速の実施もより容易になる
。さらに、加速装置後の機構が単純であり、凝縮したビ
ームを集積するための面も少なくてすむ。

【００１８】図２は、２８８　個の開口部をイオン放出
孔として備えた典型的な構造３０を図で示したもので、
開口部の配列はイオン発生装置１０の開口部周辺の壁３
２によって決定される。イオン発生装置１０の仕切りの
内部ではイオンプラズマが存在しており、プラズマ内の
イオンは、自然に壁３２の付近に、もっと詳しく言えば
壁に開けられた放出孔の付近に移動する。抽出電極１２
はアース電位に対して−１００　ボルトの電位を保って
おり、発生装置１０（装置はおよそ５ボルトの電位でバ
イアスされている）付近に電界を作り出し、開口部の電
極１２と発生装置１０との間の区域でプラズマ中のイオ
ンを加速する。これによって、ビームレット１４ａ　が
他のビームレットと結合してビーム１４を形成する動き
が生じる。

【００１９】抽出電極１２には配列された開口部５０が
あり、これらはイオン発生装置の壁３２にある開口部の
配列にあわせて編成され、電極の開口部３４は図２に示
した開口部３０に対応している。抽出電極１２の表面は
、厚膜被覆技術を用いて、シリコン二酸化物の層３６で
被覆されている。この方法においては、抽出プレートの
それぞれの孔もしくは開口部はシリコン二酸化物の層３
６の存在を想定してやや大きく作られる。

【００２０】図２に明瞭に示されている通り、抽出電極
にあるそれぞれの開口部は、制御電極もしくはリング４
０によって区切られている。これらの電極もしくはリン
グは、電極に電圧が加えられると、ビームレット１４ａ
　内の電子を引き付け、ビームレットの単位体積あたり
につき正味の正電荷を発生させる。すると、イオン間の
斥力によってビームレットの不安定化が急速に進む。こ
の過程は、ビームが電極４０を経由してからごくわずか
な距離を進む間に起こるため、イオンビーム１４が蒙る
開口部３０からの影響は減少する。

【００２１】図３に示されている通り、抽出電極１２の
個々の開口部周辺における電極の配列５０は概ね６角形
もしくは６辺形状をなしている。たとえば３つのリング
５０ａ　、５０ｂ　、５０ｃ　のそれぞれのグループは
、電気的に互いに結合している。前記の３つのリング５
０ａ　、５０ｂ　、５０ｃ　は導電体５２によって電源
６０に接続されている（図１参照）。プログラム可能な
制御装置６２の制御により、電源６０はそれぞれのリン
グに対して定期的に＋１５　ボルトの電圧（抽出電極１
２の−１００　ボルトの電位を上回る１１４　ボルトの
電圧）をかけ、制御された配列を持つグループとなし、
集束ビーム１４の特定の部分においてビームの強度が減
少した場合に、グループにまとめられたリングがその部
分のイオンビームを同じ配列５０内の他のグループより
もを長時間にわたって活性化できるようになっている。 理想的な設計においては、プログラム可能な制御装置６
２はディスクから読み込まれた制御プログラムを実行し
、配列５０内のリングのグループのそれぞれの電圧を加
える時間を調整する。

【００２２】先行技術においてよく知られているプリン
ト回路被覆技術を用いて、図３、図４に示したようなリ
ングとさまざまな母線が抽出電極５４を覆っている。配
列５０内のそれぞれのリングは、リングの帯電信号を伝
える導電体ごとに分類される。

【００２３】電極もしくはリングの配列５０は３つの部
分に分けられる。それぞれの部分は、抽出電極１２の外
側の部分から内側に放射状に広がっている導電体から電
圧を受けて機能する。それぞれの配列部分の導電体が結
合して母線を形成する。すなわち、図３に見られるよう
に３本の母線８０、８１、８２のそれぞれに複数の導電
体が含まれており、導電体はシリコン二酸化物の層３６
に配置され、その配置パターンがリングの配列５０に達
するようになっている。理想的な実施例においては、電
源６０は、８４、８５、８６の地点で抽出電極１２に接
続している集積回路によって提供されている。電極のア
ドレス情報に基づいた適当な帯電信号が、８７の地点で
電極に接続したコネクタを通して流れ、プログラム可能
な制御装置６２に伝えられる。

【００２４】理想的な実施例の設計においては、３つの
リングによってひとつのリンググループが形成されてお
り、同一の電位において電圧が加えられるようになって
いるが、配列中の個々のリングを別々に制御することも
可能である。さらに、ビームの強度の制御にそれほどの
精度を必要としない場合には、リングの結合にジャンパ
ーや導電パターンを使用することもできる。

【００２５】ビームレットの保全性に関するビームレッ
ト内の帯電空間の非中性化作用は、図５及び６に示され
ている。これら２つの図は、典型的なビームレットの断
面のイオン密度を示したものである。

【００２６】図５では、ラスター走査プロセスによって
得られる１次元的な図形１１０　が示されている。スパ
イク状の山（あるいは図形１１０　の各部分に沿った凹
凸）はそれぞれ、ビームレットの部分を通過する線に沿
ったイオン分布を積分した線を表している。イオンの密
度が高い場所を通過するほど大きな山が描かれる。

【００２７】図５に見られる一連の同心円状の線１１２
　はラスター走査のデータから得られたものである。（
地形図と同様）２次元の等高線による地図の形をとって
いる。等高線はイオンの密度が等しい点を結んでおり、
中心線は最も密度が高い場所を表す。そのすぐ外側にあ
る等高線は最初の密度の８分の１の場所を示している。

【００２８】図５は狭い間隔をおいて平行したビームレ
ットを示したもので、最も外部の等高線の２分の１の大
きさが直径１センチメートル程度である。図６は、電子
の抽出によって広範囲に散乱したビームを示したもので
ある。等高線は数センチメートルにわたって広がり、走
査機器の対象範囲の外にはみ出ている。これらのビーム
レットの断面のイオン密度の測定は抽出孔３４（図２参
照）から１５センチメートルの距離で行われている。す
なわち、図５の場合には１／２　発散角度がおよそ２度
であり、図６の場合には１０度を超えていることになる
。

【００２９】多数のビームレットを生み出すような断面
積の大きな発生装置を使用すると、加工部材のイオン注
入用として、走査が不要で拡散の生じないイオンビーム
装置ができる。本発明の理想的な実施例について以上に
説明してきたが、本発明は、添付された請求項に示され
た趣旨もしくは範囲を逸脱しない限りにおいて、前記の
実施例を変更したものを含むものとする。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、発生装置１０が断面積
が充分に大きなビーム１４を作り出し、ウェーハ２２の
注入表面を覆うことができるため、ウェーハの移動がな
くなり、注入ステーションでのウェーハの走査が不必要
になる。さらに、走査電極も必要なく、そのような電極
の電圧を調整するために必要とされた電子機器も不要に
して加速後の機構を簡素化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】イオン注入システムのが概略構成図を示したも
のである。

【図２】イオン放出孔とイオン発生室からのイオンを集
める抽出電極を示す一部断面図である。

【図３】イオン発生装置からイオンを抽出する抽出プレ
ートの出口側から見た平面図である。

【図４】図３の抽出プレートに配置される導電リングの
配列を示す一部拡大平面図である。

【図５】典型的なビームの中性的帯電状態において、イ
オン濃度をひとつの小ビーム内部の位置の関数として示
したグラフである。

【図６】図５とは別のビームの中性的帯電状態において
、イオン濃度をひとつの小ビーム内部の位置の関数とし
て示したグラフである。

【符合の説明】

１０…イオン発生装置 １２，５４　…抽出電極 １４…ビーム １６…磁石 １８…分解スリット １９，２０　…加速チューブ ２２…ウェーハ ３０，３４，５０…開口部 ３２…壁 ４０…リング ６０…電源 ６２…制御装置

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ）　複数の放出孔（３０）を有する壁
   （３２）によって仕切られた区域内にイオンのプラズマ
   を発生し、（ｂ）　１本のイオンビームを形成するため
   に集束させる複数のビーム構成部分を形成するため、前
   記放出孔の近くに電界を作り出して前記放出孔を通過す
   るイオンを加速することにより、前記区域内からイオン
   を抽出させ、（ｃ）　イオンが放出孔を通過する際に前
   記イオンビーム構成部分から荷電中性化粒子を引き付け
   て、イオンビーム構成部分の選択されたものを減衰させ
   、イオンビーム内部の位置の関数として表されるイオン
   ビームの強度を制御する、各過程を含むことを特徴とす
   るイオンビーム形成方法。
2. 【請求項２】　　抽出過程が、金属製の抽出電極（１２
   ）に電圧を加えるという下位の過程を含み、前記抽出電
   極の開口部（３４）は、抽出電極を貫通して伸びるとと
   もに前記壁にある複数の放出孔に沿って配列されている
   開口パターンを有していることを特徴とする請求項１の
   方法。
3. 【請求項３】　　荷電中性化粒子の引き付け過程が抽出
   電極の開口部に密接した複数のビーム強度制御電極（４
   ０）を位置決めし、かつ前記制御電極に対し電子を引き
   付ける電圧を加えることにより前記制御電極のそれぞれ
   を作動させるという下位過程を含んでいることを特徴と
   する請求項２の方法。
4. 【請求項４】（ａ）　イオンを仕切られた区域内に作り
   出すイオン発生装置であって、イオンを仕切られた区域
   から放出させ、イオンビームの構成部分を形成せしめる
   ための複数の放出孔（３０）を有する仕切り壁を含み、
   前記イオンビーム構成部分が互いに集束して、個々のビ
   ーム構成部分よりも大きな断面積を持った単一のイオン
   ビームを形成するものと、 （ｂ）　イオンをその発生装置から引き付けるために、
   ある電位に保たれた導電抽出プレート（１２）で構成さ
   れ、前記導電抽出プレートは、前記イオン発生装置の壁
   内にある複数の放出孔にほぼ合わせて配列されている複
   数の抽出用開口部（３４）を備えている抽出装置と、（
   ｃ）　導電抽出プレートの周辺領域においてビーム構成
   部分から電子を抽出し、イオンビーム断面のビーム密度
   を制御するためのビーム強度制御装置（４０）と、を備
   えていることを特徴とするイオンビーム制御装置。
5. 【請求項５】　　ビーム強度制御装置が、抽出プレート
   に対して固定され、かつ電気的に抽出プレートから絶縁
   された複数の導電リングを含んでいることを特徴とする
   請求項４の装置。
6. 【請求項６】　　さらに、導電抽出プレート表面を被覆
   する絶縁層（３６）を含み、かつ導電リングが前記絶縁
   層に固定され、絶縁層に配置された導電パターンによっ
   て電源に結合していることを特徴とする請求項５の装置
   。
7. 【請求項７】　　イオン注入システムにおいて、イオン
   ビームを制御された軌道に沿って指向し、ウェーハに衝
   突させるための装置であって、 （ａ）　複数の比較的小さな断面を有するイオンビーム
   構成部分（１４ａ）　を発生させるイオン発生装置（１
   ０）であって、前記イオンビーム構成部分が、処理され
   るウェーハの表面積に比較してより大きな断面積を持つ
   １本のイオンビーム（１４）に形成するために集束する
   ものと、（ｂ）　小さな断面積を持ったイオンビーム構
   成部分の少なくともいくつかにおいて、電荷を選択的に
   非中性化するために複数の間隔をあけて配置された電極
   （４０）を備えるイオン分布制御装置（１２）と、 （ｃ）　イオン分布制御装置を通過したイオンを解析し
   、かつウェーハの処理軌道に沿って特定のイオンを指向
   させるための解析装置（１６）と、 （ｄ）　前記の特定イオンが解析装置を通過した後に、
   その特定イオンを遮る位置にウェーハを配置するための
   ウェーハ処理ステーションと、 （ｅ）　イオン分布制御装置と結合され、間隔を置いて
   配置された電極のバイアス電圧を個々に制御し、ウェー
   ハ処理ステーションにおいてウェーハの表面に衝突する
   イオンの制御されたイオン分布を与えるスイッチ装置（
   ６２）と、を備えていることを特徴とする装置。
8. 【請求項８】　　イオン発生装置がイオンを封じ込める
   ための発生室を含み、該発生室が、その室内の壁（３２
   ）を貫通するイオン放出孔（３０）のパターンを有し、
   かつ室内のイオンが、小さな断面面積を持ったイオンビ
   ーム構成部分の一つに与えられた開口を通って前記室内
   から放出されることを特徴とする請求項８の装置。
9. 【請求項９】　　イオン発生装置が、イオン発生室の放
   出孔に沿って配列された開口部（３４）の列を有する抽
   出電極プレートを備え、前記電極プレートは発生室に対
   してある電位を保ち、発生室から放出されるイオンを加
   速することを特徴とする請求項８の装置。
10. 【請求項１０】　　イオン分布制御装置が、導電リング
    の配列（４０）を含み、それぞれのリングは抽出電極プ
    レートの開口部に対して同心円状に配列されており、ス
    イッチ装置により前記リングに電位を与え、イオンビー
    ム構成部分が抽出電極プレートを通過する際に電子を抽
    出することを特徴とする請求項９の装置。
11. 【請求項１１】　　導電リングの配列（４０）が、抽出
    電極プレートと結合されており、しかも抽出電極に被覆
    された絶縁層（３６）によって抽出電極プレートの導電
    表面からリングが隔てられていることを特徴とする請求
    項１０の装置。
12. 【請求項１２】　　スイッチ装置が、 （ａ）　プログラム可能な制御装置（６２）と、（ｂ）
    　抽出励磁信号を前記配列中のリングに伝えるために絶
    縁層に配置された母線システム（８０，８１，８２）と
    、（ｃ）　プログラム可能な制御装置からリングのアド
    レス情報を解読し、それらのアドレス情報に基づいて配
    列内の選択されたパターンのリング（５０ａ，５０ｂ，
    ５０ｃ）　に電圧を加える複数の回路を含んでいること
    を特徴とする請求項１１の装置。