JPH09219173A

JPH09219173A - イオン注入装置

Info

Publication number: JPH09219173A
Application number: JP8047944A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Aoki; 正彦青木
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1996-02-09
Filing date: 1996-02-09
Publication date: 1997-08-19

Abstract

(57)【要約】【目的】大型の被処理物に対して温度上昇を抑え空間
的均一性を監視しながら高電流イオン注入を行うことが
できるイオン注入装置を提供する事。【構成】横長形状のイオン引き出し口を持つイオン源
を使用し、ウィーンフィルタによって質量分離を行い、
ビーム断面の短辺方向にウェファを走査して、必要なイ
オンのみを被処理物の全体にイオン注入する。ファラデ
ィカップによって不要イオンを検出し、横方向の電流の
ビーム均一性と全電流をチェックする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウェファの
ような大型の加工品に対する高電流イオン注入を余分な
イオンによる発熱を抑制することによりデバイスを損傷
することなく高能率で行うことのできるイオン注入装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】イオン注入装置は半導体、絶縁体などに
イオンビ−ムを高速で打ち込むものである。半導体の場
合は、ｐ型或いはｎ型の不純物を対象物に注入し伝導型
を変更する為に用いられる。イオンビ−ムの加速電圧に
よって注入の深さを制御できる。従来のイオン注入装置
には２種類のものがある。一つは細いビームを質量分離
し、左右上下に実効的に走査することによって、広い面
積をもつ対象面にイオン注入をするものである。もう一
つは大口径のイオン源から広いイオンビ−ムを引き出
し、質量分離をせずそのまま被照射物に当てるものであ
る。

【０００３】前者の走査法について述べる。走査といっ
てもビーム自体を振っても良いし、被処理物を左右に振
っても良い。何れであっても良い。半導体ウェファが対
象の場合は、回転可能なディスクを円周上に複数個有す
る回転円盤を用いる。半導体ウェファをディスクに取り
付ける。ディスクを回転させながら円盤を左右上下に移
動させ、順次細いイオンビ−ムを回転するウェファ全面
に均一になるように照射することもある。これを回転タ
ーゲット方式と呼ぶことにする。ウェファは回転と並進
の両方の走査を受ける。

【０００４】ビーム走査方式は、ビームが細いのでイオ
ン源から出た直後に扇形磁石からなる質量分離装置によ
って質量分離する。これによって不要なイオンを除去
し、必要なイオンのみをウェファに照射することができ
る。イオン源では必要なイオンを含む化合物のガスを原
料として、これをプラズマにしイオンビ−ムとして引き
出すから、イオンビ−ム中に不要なイオン、対象にとっ
て有害なイオンも含まれる。そこで、質量分離をして必
要なイオンだけを選んで対象たる被照射物に当てるので
ある。扇形の磁極を対向させ、磁芯に捲いたコイルに電
流を流し、磁極間に強い磁場を発生させる。磁力線を直
角に切るようにイオンビ−ムが走行するので、ファラデ
ィ力によってイオンの経路が曲げられる。曲げの加速度
は速度に比例し質量に反比例する。エネルギーが同一の
イオンであっても、質量、速度が違うので曲げの角度が
異なる。これによって質量分離する。

【０００５】質量分離をするので、不要なイオンや有害
な影響を持つイオンなどが被処理物に入るのを防ぐこと
ができる。これは対象物に及ぼす面からの利点である。
もう一つの利益は発熱を有効に防ぐことができるという
ことである。不要イオン、例えば水素を含むイオンなど
が被処理物に照射されると、運動エネルギーが全部熱に
変わるので多大の熱が発生する。不要イオンの入射がな
いので、熱の発生が少ないという利益がある。

【０００６】大口径のイオン源から引き出したイオンビ
−ムをそのまま被照射物に照射する方式のものはスルー
プットが高いという利益がある。イオンビ−ムの大きさ
がウェファの大きさより僅かに広いようにすると、１枚
のウェファのイオン注入においてウェファを動かす（走
査）必要がない。回転ターゲットに複数のウェファを取
り付けた場合、１枚１枚のウェファの処理において回転
ターゲットを静止しておき、１枚のウェファの処理が終
わるとターゲットを１枚分回転して次のウェファの処理
をすればよい。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ビーム走査を行う方式
では、ビーム光学系は比較的単純である。しかし反面エ
ンドステーションが複雑になる。例えばウェファを戴置
したディスクは、高速回転と、並進速度制御を行わなく
てはならない。並進速度制御は、イオンビ−ム電流に比
例し、ディスクの中心とビーム中心位置の距離に反比例
するような運動であってそれ自体かなり複雑である。こ
のように複雑なエンドステーションの機構は装置の価額
を押し上げる。またイオン注入の操作自体を難しくす
る。また処理速度を上げるために高電流密度のビームを
使うことが多いが、電流密度を上げるとチャージアップ
現象が顕著に現れる。チャージアップによって素子破壊
が起こる可能性がある。このために電流密度を上げるに
も限界がある。

【０００８】大口径イオン源を使いビームを走査しない
ものは、ビーム光学系がイオン引き出し系のみであるか
ら、前述のものよりさらに単純である。しかし大口径非
走査の装置は反対に次のような難点がある。イオンの質量分離を行わないので電極からの不純物が
被処理物に注入される。分子が注入される為、注入深さがプラズマの状態によ
って変化する。ためにデバイスの特性がばらつく。イオン源から出る不要なイオンも被処理物に注入され
るために、被処理物の温度上昇が著しい。温度上昇を抑
えるため、電流密度の上限が抑えられる。ためにスルー
プットをそれ以上上げることができない。

【０００９】の問題について更に説明する。例えばＳ
ｉにボロン（Ｂ）の注入を行う場合、原料ガスとしてジ
ボラン（Ｂ₂ Ｈ₆ ）を用いる。イオン源からボロンイオ
ンと共に水素イオンＨ⁺ 、Ｈ²⁺なども引き出される。質
量分離をしないので水素イオンもＳｉウェファに入射す
る。運動エネルギーがここで全て熱になる。運動エネル
ギーは、加速エネルギーｑＶにほぼ等しいので、水素イ
オンでもボロンイオンでもイオン１個当たりのエネルギ
ーはほぼ同じである。ボロンを含むイオンは有効なイオ
ンであるが、ボロンを含まない水素イオンは無効なイオ
ンである。無効であるだけでなくウェファを加熱し温度
を上げる。

【００１０】ウェファにはレジスト膜等が既に作製され
ているから、加熱すると特性が劣化する。例えば４００
Ｋ以上にしてはならない、などという制限が課される。
大口径イオン源非質量分離方式の場合、イオン全体の約
半分が無効な水素イオンである。水素イオン分の入射に
よってウェファの温度が余計に上がってしまう。もしも
イオンビ−ムから水素イオンを除けば、発熱を半分にす
ることができる。もっとも、水素イオンは拡散係数が高
いので、アニール処理によってウェファから抜けでて行
く。だからウェファにあまり悪影響を及ぼさないが、照
射時に基板温度をいたずらに押し上げるという欠点があ
る。

【００１１】それでは大口径ビームの場合も質量分離を
すれば良いように思える。それはそうなのであるが、断
面積の大きいビームの場合、従来のように扇形断面の磁
石によって質量分離をしようとすると、よほど大きい磁
極をもち強力な磁界を発生する巨大な磁石が必要にな
る。これは不可能とは言わないまでも経済的に得策でな
い。それで大口径ビームの場合、質量分離装置を設けな
いのである。質量分離を行わず大口径のウェファにイオ
ン注入する方法として、ＰＩＩＩ法（Plasma Immersion
Ion Implantation ）が提案されている。 Plasma Source Sci. Technol. 1 (1992) p1-6.

【００１２】これは負電圧にバイアスしたウェファをプ
ラズマ中にさらし、シース領域でイオンを加速し、イオ
ンをウェファ中に注入するとしている。イオン源の中に
ウェファを入れ、プラズマをウェファの負バイアスによ
って加速するもので巧みな方法である。イオンを引き出
す必要がないので引き出し電極が不要である。引出電極
がないので、そこから不純物が発生するということはな
い。前記のの問題を解決できる。

【００１３】しかし、の問題には尚無力である。ボ
ロンをドープする場合、ソースガスとしてジボラン（Ｂ
₂ Ｈ₆ ）が用いられるが、水素イオンのウェファへの混
入を避けることができない。ボロンの注入による加熱の
他に、水素イオンの注入による加熱もあって基板温度の
上昇が著しい。ために電流密度をある程度以上に上げる
ことができない。イオン電流を上げることができないの
でスループットが低い。この論文では１枚のＳｉウェフ
ァに対して、１０分かかって１．９×１０¹⁵／ｃｍ² の
ドーピングをしたという記載がある。しかしながら現在
の半導体工業ではそのように遅い処理では採用すること
ができない。１枚のウェファに処理が１分程度でなけれ
ばならない。つまりスループットが低すぎる。そういう
訳で前記のＰＩＩＩ法は現在のところ工業的には採用さ
れていない。

【００１４】大口径イオンビ−ムでは何ゆえに質量分離
ができないのか？扇形の磁極を持つ電磁石によって質量
分離をするが、ビーム径が大きいと、磁極を大きくし磁
力も大きくしなければならず、工業的には難しい。しか
し、そういうものと水素イオンなど不要なイオンビ−ム
のウェファへの入射による加熱の問題を最終的に解決す
るためには、どうしても大口径イオンビ−ムを質量分離
する必要がある。

【００１５】大口径のイオンビ−ムを質量分離する手段
を備えたイオン注入装置を提供することが本発明の第１
の目的である。質量分離することにより不要イオンが試
料に入射し試料を加熱することのないようにしたイオン
注入装置を提供することが本発明の第２の目的である。
試料のビームによる加熱を抑える事によって、スループ
ットを上げる事のできるイオン注入装置を提供する事が
本発明の第３の目的である。ビームの空間的な一様性、
時間的な変動を実時間で測定できる手段を備えたイオン
注入装置を提供することが本発明の第４の目的である。
ビームの空間的均一性が低下した場合これを監視しイオ
ン注入を停止できる装置を備えたイオン注入装置を提供
することが本発明の第５の目的である。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明のイオン注入装置
は、短辺と長辺よりなる矩形状断面の帯状イオンビ−ム
を引き出すことのできるイオン源と、帯状ビームの断面
の長辺方向に磁場を短辺方向に電場を印加でき直交する
磁場と電場の組み合わせによって帯状のイオンビ−ムを
質量分離する複数のウィーンフィルタと、所定の質量を
持つ帯状のイオンビ−ムを通す細長い穴のあるスリット
と、スリットのさらに下流側にあって被照射物を支持す
る支持台と、ウィーンフィルタによって経路が曲げられ
た不要イオンの経路上に設けられた複数個のイオン検出
装置と、支持台をスリットの穴の短辺の方向に移動させ
る走査機構とよりなる。

【００１７】本発明はまずイオン源において従来の装置
とは異なる。本発明のイオン源は細長い断面のビームを
発する。本発明のビームは、先述の走査方式のように丸
い断面をもつ細いビームでもなく、先述の大口径イオン
ビ−ムのように広い正方形のビームでもない。細長い断
面を持つ帯状のビームである。被照射物の直径をＷとす
る。走査方式のビームはｒ＝ｂの小さい円形断面のビー
ムを実効的に左右前後に走査する（ｂ＜Ｗ）。大口径非
走査ビーム方式の場合は、ビームの断面は、Ｑ×Ｒであ
って、Ｑ、Ｒの何れもウェファの口径Ｗよりも大きい
（Ｑ＞Ｗ、Ｒ＞Ｗ）。本発明のイオンビ−ムはｃ×Ｄの
断面を持つが、ｃはウェファの直径Ｗより小さい。Ｄは
Ｗより大きい。ｃ＜Ｗ＜Ｄである。だから帯状のビーム
となるのである。走査についても従来例とは異なる。左
右上下に二次元的に走査しない。かと言って全く非走査
であるのでもない。本発明は、短辺ｃの方向に走査し、
長辺Ｄの方向には走査しない。一次元的な走査を行う。

【００１８】

【発明の実施の形態】イオン源からは例えば横長形状の
イオンビ−ムが、引出電圧に比例したエネルギーを持っ
て引き出される。図１は本発明の構成の概略を示す。イ
オン源１には、イオンにするべき原料ガスを導入し、放
電によってガスをプラズマにし、引き出し電圧を加えて
プラズマ中のイオンをイオンビ−ム２として外部に引き
出す機構が設けられている。引出電極の形状に工夫があ
って、スリット状（帯状）のビームを引き出すようにな
っている。ビーム断面の長い方の辺の方向をＸ軸に、短
い方の辺の方向をＹ軸に取る。ビームの進行方向をＺ軸
とする。ビームはＸ方向にＤの、Ｙ方向にｃの長さ幅を
持つ。

【００１９】ウィーンフィルタ３が帯状のイオンビ−ム
を質量の違いによって分離する。試料（被処理物）に照
射すべきイオンは直進し、その他のイオンは屈折するよ
うにする。ウィーンフィルタ３の前方には細長い穴７を
持つスリット６が設けられる。イオン源の引き出し口、
ウィーンフィルタ中心、穴７は一直線上にある。所定の
質量をもつイオンは直進して穴７を通過できる。それ以
外の質量のイオンはスリット６の板面に当たる。質量の
異なるイオンは試料に照射されないので、試料の温度が
上がるのを防ぐことができる。これが本発明の最も大き
い利点である。

【００２０】穴７を通過したイオンは、戴置台８の上に
固定した試料（ウェファ）９に照射される。ビームのウ
ェファ面への投影はｃ×Ｄの細長い矩形状である。Ｄ＞
Ｗとすると、Ｘ方向のビームの広がりは十分である。そ
こでＹ方向に戴置台を走査する。そのための走査機構が
あるがここでは図示しない。Ｙ方向の走査によってウェ
ファの全面にビームを注入できる。イオンビ−ム電流は
電流計２０によって測定される。

【００２１】スリット６の穴７の下方にファラディカッ
プ１１が設置される。これは質量の異なるイオンビ−ム
を受けてその電流量を測定する。同じ原料ガスであれ
ば、所望のイオンの量は不要イオンの量に比例する。フ
ァラディカップに入るイオンビ−ム電流によって、試料
に入るイオンビ−ム電流を評価できる。

【００２２】さらにビームの広がりの方向（Ｘ方向）に
等間隔に複数のファラディカップを設けることによっ
て、不要イオンビ−ムのＸ方向の分布を時事刻々知るこ
とができる。同じガスであれば必要イオンビームと不要
イオンビ−ムの量は比例するので、これによってイオン
ビ−ムの均一性を監視できる。空間的なビームの均一性
を監視し不均一であればイオン源やウィーンフィルタを
調整する。調整がうまくゆかない時はイオン注入を中止
する。

【００２３】

【実施例】図１に示すように、イオン源から横長形状
（ｃ×Ｄ）のイオンビ−ムが引き出し電圧に相当するエ
ネルギーをもって引き出される。これがウィーンフィル
タ３によって質量によって異なる経路を取るように分離
される。ビームの短辺に平行に電界Ｅｙが、長辺に平行
に磁界Ｂｘが印加される。直交する電界と磁界の作用に
よって、所望のエネルギー、質量のイオンのみを直進さ
せる。ファラディ力ＦはＦ＝ｑ（Ｅ＋ｖ×Ｂ）によって
表される。

【００２４】ウィーンフィルタの内部で磁場、電場が一
様であるという仮定をすると、ファラディ力のｘ成分は
０で、ｙ成分はＦｙ＝ｑ（Ｅｙ−ｗＢｘ）となる。ｗ＝
Ｅｙ／Ｂｘのイオンのみが、Ｆｙ＝０となりウィーンフ
ィルタを直進できる。ｗはｚ方向の速度であるが、加速
エネルギーが同一であるから、質量の同じものは同じ力
を受ける。必要なイオン、例えばボロンのみが所定の速
度Ｅｙ／Ｂｘを持つように調整しておくと、ボロンのみ
がウィーンフィルタを直進できる。

【００２５】電界がビームの短辺に平行になっているか
ら、静電遮蔽が起こらない。そのかわり磁界のかかる方
向がビーム断面の長辺に平行であるから、強い磁石が必
要になる。磁極間距離が広くて、端面磁界が強いものが
用いられる。磁界の方向にビームが太いのであるが、磁
場は電界程には荷電粒子によって遮蔽されず、磁場の力
はビームの内部までに及ぶ。だから幅の広い方向に磁界
を、幅の狭い方向に電界を加えるようにする。

【００２６】例えば、ボロンイオンを注入する場合を例
として説明する。ビームのエネルギーを５０ｋｅＶと想
定する。例えば磁場強度Ｂを１ｋＧとしよう（０．１テ
スラ）。ボロンを直進させるための電界は９３３２６．
６Ｖ／ｍとなる。例えば電極のギャップを１０ｃｍとす
ると、電極間に印加するべき電圧は約９．３ｋＶであ
る。イオンビ−ムの断面の長い方に沿って磁場を形成す
るために、ポールピースの間隔はビームの長辺よりも長
くなくてはならない。たとえば３０ｃｍの広さを取る。
それに応じて磁石も大きくなる。

【００２７】このような電場磁場の組み合わせによって
ボロンを直進させる。ボロン（分子量１１）を注入する
時にはジボランを原料ガスに用いるが、イオン源から出
るイオンの中で最も多い物は水素分子イオンである。し
かし水素イオンはボロンドープという目的からみると不
要なイオンである。質量分離をしないで、水素分子イオ
ンが５０ｋｅＶのエネルギーをもって試料に衝突する
と、それと同じだけの熱を発生する。不要イオンの為に
試料が著しく加熱されてしまう。本発明の場合はウィー
ンフィルタによる質量分離をするので、水素分子は試料
に注入されない。

【００２８】図２に水素分子イオンがウィーンフィルタ
の内部でどのように偏向するかを計算した結果を示す。
横軸はウィーンフィルタの入り口からの距離ｚ（ｍ）で
ある。フィルタの軸方向の長さｋを２０ｃｍとすると、
フィルタの出口での水素分子イオン（分子量２）の偏奇
は２５ｍｍである。ここで水素分子イオンは流れの方向
がＺ軸から傾いているから、スリットにおいてはさらに
大きく偏奇する。ウィーンフィルタの中心からスリット
までの距離をＬとすると、偏奇量ΔはΔ＝０．０２５Ｌ
（ｍ）となる。

【００２９】生産用イオン注入装置にはなによりも、高
いスループットが要求される。現在のところ、８インチ
ウェファの場合、ドーズ量が５×１０¹⁵／ｃｍ² のとき
において、毎時１００枚の処理能力が要求される。つま
り１枚当たりの処理時間が３６秒である。搬送の時間も
含んでいるから、イオン注入に使える時間は１枚当たり
３０秒以下である。

【００３０】このような高いスループットを実現するた
めに、必要な枚数のウェファを円形の戴置台に固定し、
戴置台の全体をビームの短辺の方向に平行移動する。つ
まりｙ方向に平行移動する。この際、イオンビ−ムの電
流量の変化に応じて並進速度を変化させる必要がある。
イオンビ−ム電流は常にモニタしているので電流値をフ
ィードバックして並進速度を制御できる。

【００３１】ウェファの戴置台は、ウェファを固定しウ
ェファを冷却する。ウェファには高電圧に加速されたイ
オンビ−ムが照射されその運動エネルギーが全て熱に変
わるのであるから基板が著しく加熱される。それを放置
すると、ウェファの上に形成された半導体デバイスが破
壊されたり劣化したりする。加熱を避けるために、ウェ
ファの冷却は必須である。冷却方式としては、静電吸着
力を利用した冷却装置、ガス冷却装置などがある。いず
れの冷却装置を用いても良い。何れにしても冷却能力に
は限界がある。冷却能力の限界が、スループットを規定
する。しかし本発明は不要なイオンが試料に注入されな
いのでその分の熱の注入が少ない。例を挙げて述べる。

【００３２】質量分離後のイオン電流Ｉが２０ｍＡ、ビ
ームサイズＲが２０ｃｍ×５ｃｍ（ｃ＝５０ｍｍ、Ｄ＝
２００ｍｍ）であるとする。これは注入面積Ｓ（ウェフ
ァの面積）が２０ｃｍ×２５ｃｍであるとする。ドーズ
量Φは先述のように５×１０¹⁵ｃｍ^-2とする。ビームの
１辺の長さと、ウェファの一辺の長さが等しいので、必
要な注入時間Ｔ_imp は単純に、Ｔ_imp ＝ｑΦＳ／Ｉによ
って表される。

【００３３】上のパラメータに対して１枚あたりの注入
時間はＴ_imp ＝２０秒となる。ウエハ注入からウェファ
注入迄に要するロスタイムを１０秒と仮定する。これは
十分に実現可能な値である。すると１枚のウェファを処
理するために３０秒かかり、スループットは毎時１２０
枚となる。十分に満足できるスループットである。イオ
ンビ−ム電流が所定の値だけ得られない場合、或いはウ
ェファ温度上昇を避けるためにイオンビ−ム電流をあま
り高くできないときは、ウェファを一度に２枚処理して
スループットを高くすることもできる。この場合はビー
ムの長手方向の寸法を約２倍にする必要がある。

【００３４】所望の質量を持つイオンはスリット６の通
し穴７を通過する。しかしそれ以外の質量を持つイオン
は質量分離器によって偏向される。例えば水素イオンは
強く偏向される。質量分離器によって偏向されたイオン
ビ−ムは、ウェファ手前に設置されたスリット板６に衝
突する。スリット板６の手前にファラディカップ１１を
設置することにより、イオンビ−ムをモニタするように
できる。図１ではファラディカップは一つしか現れない
が、実際にはＸ方向に複数のファラディカップが並んで
設置されている。図３にこの様子が現れる。

【００３５】この例では４つのファラディカップ１１
ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが等間隔で同じＹ、Ｚ座標
をもつ直線上に並んでいる。もちろんファラディカップ
の数はもっと多くしてもよい。通し穴７を通過できなか
ったイオンビ−ムの全てがファラディカップに入るので
はない。しかし通し穴を通るイオンビ−ム量Ａ、通し穴
を通らずファラディカップに入るイオンビ−ム量Ｂ、通
し穴を通らずファラディカップにも入らないイオンビ−
ム量Ｃは比例するし、その成分比も同じであるはずであ
る。知りたいのはＡであるが、これをＢによって検出す
ることができる。４つのファラディカップに流れる電流
をそれぞれの電流計２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄに
よって求める。これをＡ／Ｄ変換器２１によってデジタ
ル信号に変換する。

【００３６】これをディスプレイ２２に表示する。画面
にはそれぞれのファラディカップに入るイオンビ−ムに
比例した高さの棒グラフを例示している。これはウィー
ンフィルタを通過した細長いイオンビ−ムの長手方向
（Ｘ方向）に沿ったビーム密度に比例する。つまりこれ
は通し穴７を通過するイオンビ−ムのＸ方向の密度分布
を示す事になる。これによってイオンビ−ムの空間的な
均一性、不均一性を即時に知る事ができる。不要なビー
ムの量を観測するのであるから必要なイオンの照射量が
減るわけではない。オンラインでイオンビ−ムの空間的
ばらつきをモニタできるので、制御性、即時性において
極めて優れている。

【００３７】ファラディカップはスリット板に平行な方
向に移動可能となっている。偏向され検出されるイオン
ビ−ムの種類、イオン源の加速エネルギーによってファ
ラディカップの通し穴からの距離を適当に変更する必要
がある。不要イオン（通し穴を通らない）の内最も多い
のは水素イオンであるから、水素イオンを検出するのが
最も便利であろう。その場合でもイオン源の加速エネル
ギーが違うので、ファラディカップの位置を調整しなけ
ればならない。

【００３８】空間的分布を監視しており、もしもビーム
の均一性が悪くなったときは警報を出してイオン注入を
中断することができる。ビームシャッターをビームの経
路に挿入し、これを遮断することによって注入を中止す
ることもできる。しかし本発明の場合は、ウィーンフィ
ルタの条件を変更することによって、それまで注入され
ていたイオンが通し穴を通過せずスリット板に当たる
か、ファラディカップに入るかするようにできる。イオ
ンビ−ムの空間的均一性が悪くなるのはイオン源の調子
が悪いからである。イオン源のパラメータを調べ、これ
を再調整することによって均一性を改善する。その作業
が完了すれば再びイオン注入を開始する。

【００３９】

【発明の効果】大面積のイオンビ−ムに対してウィーン
フィルタを使って質量分離を行う。このために従来の細
いイオンビ−ムを扱うイオン注入装置と同じように、不
純物を含まないイオン注入が可能になる。高品質のイオ
ン注入処理が可能になる。従来法のように質量分離をし
ないとイオン源から発生する物質が被処理物を汚染す
る。それでイオン源の電極材料や壁面材料その他の部材
の材料が限定され、しかも表面処理などを行わなければ
ならなかった。本発明の場合、イオン源の素材の自由度
が高まり、表面処理などの特別な加工が不要になる。

【００４０】不要なイオンビ−ム、特に水素イオンビ−
ムなどが被処理物に照射されなくなる。ために対象物の
温度上昇がより少なくなる。イオンの種類、エネルギー
などにもよるが、例えば注入されるイオン電流が約半分
に減少し、被処理物に与えられる熱量も半減する。する
と冷却も容易になる。冷却機構もより簡単化される。反
対に同じ温度まで上がって良いとすれば、イオンビ−ム
電流を約２倍に上げることができる。

【００４１】温度上昇が抑制されるというのが本発明の
最も大きい特徴である。この点を例証するために具体的
な計算例を示す。本発明のように質量分離をする場合
と、質量分離をしない場合の温度上昇を比較する。注入
時間が同じになるように、それぞれのビームパラメータ
を調整し、ウェファの温度上昇の違いを調べた。Ｓｉに
ｐ型不純物としてのボロンをイオン注入する場合を例と
する。水素ガスとジボランガスなどを利用するから、ボ
ロンイオンの他に水素イオンも混ざっている。質量分離
をしない場合、ボロンをドープする際、ボロンイオン以
外に水素イオンが混在しており、水素イオンも被処理物
に注入される。

【００４２】典型的な値としては、ボロンイオン：水素
イオン＝１：１である。従ってイオンビ−ムの内約半分
が水素イオンである。水素イオンが注入されるのでウェ
ファが余計に加熱され温度が上がる。ところで、イオン
注入量（或いはドーズ量）は、実際にはボロンイオンの
注入量によって決まる。従って注入時間はボロンイオン
ビーム量によって計算しなければならない。ここで、質
量分離ありの場合と、質量分離なしの場合の違いを評価
するために、注入時間が同じになるようにしてビームパ
ラメータを調整し、ウェファ温度上昇を解析した。

【００４３】質量分離なしのイオン源から引き出される
ビームのエネルギーが５０ｋｅＶであるとする。ボロン
のイオン電流密度ｊは３０μＡ／ｃｍ² とする。所望の
ボロン濃度Φが５×１０¹⁵／ｃｍ² とする。これはＦＥ
Ｔのソース、ドレインを作るための普通の濃度である。
被処理物の寸法を８インチ角とする。これだけのボロン
イオンを一括ドープする。注入時間Ｔ_imp は、

【００４４】Ｔ_imp ＝ｑΦ／ｊ

【００４５】によって与えられる。ｑは電荷単位（１．
６×１０^-19 Ｃ）である。この計算によると注入時間は
２７秒である。ところが、実質的なイオン電流密度とい
う表現は、今の場合ボロンイオンのみを表している。ボ
ロンと水素が半々であるとすれば、イオン源から引き出
されるイオン電流密度は前記の密度を２倍して、６０μ
Ａ／ｃｍ² の程度である。８インチ角であるから面積を
これに乗じて、全イオン電流は２４ｍＡであり、ボロン
の実質的な電流は１２ｍＡである。

【００４６】ウェファに投入されるイオンビ−ムのパワ
ーＰは、Ｐ＝Ｖｊであるから、３Ｗ／ｃｍ² となる。こ
の時のウェファの温度上昇を測定した。図４にこの結果
を示す。横軸は時間、縦軸は温度である。１０秒の注入
によって温度は約１２０℃上昇する。２０秒程度で温度
上昇が飽和し、約１５０℃上昇する。２７秒では、ほぼ
４５０Ｋつまり１７７℃になる。これが質量分離をしな
いときの試料の温度上昇である。

【００４７】本発明のように質量分離をする場合を考え
る。ウィーンフィルタを使うので、８インチ角（２０ｃ
ｍ×２０ｃｍ）の大口径ビームをそのまま使うことはで
きない。より細長い短冊型断面のビームを用いる。１辺
を共通とし、２０ｃｍ×５ｃｍの断面のイオンビ−ムを
使う事にしよう。オーバースキャンを考慮し、注入面積
は２０ｃｍ×２５ｃｍとする。この条件において２７秒
の注入時間を維持するとするとビーム量Ｉは１５ｍＡで
ある。これはＩ＝ｑΦＳ／ｔによって求めた値である。
１５ｍＡというのはボロンイオン電流である。本発明で
は質量分離するのでイオン源から出た全イオン電流は３
０ｍＡである。

【００４８】ウェファの単位面積当たりに投入されるイ
オンビームパワーは１．５Ｗ／ｃｍ² である。これは前
記の質量分離しない場合の値３Ｗ／ｃｍ² の半分であ
る。水素イオンが入らないから、それによる１．５Ｗ／
ｃｍ² だけ減少している。所定の注入時間（２７秒）
で、２往復のスキャンによって注入を完了するべきもの
とする。スキャン速度は、２５×４／２７＝３．７ｃｍ
／ｓとなる。

【００４９】このような条件でウェファの温度変化を測
定すると図５のようになる。ある領域にビームが照射さ
れている時その温度は急上昇する。しかしビームが遠ざ
かると放熱（熱伝導と輻射）によって温度が下がる。温
度は図５のように鋸状の変動をする。これは１００秒ま
での温度変化を測定したものである。この例では２７秒
で所望の５×１０¹⁵／ｃｍ² のドープができるから２７
秒でイオン注入を打ち切れば良い。試料の温度は初め３
８０Ｋまで上がり、３１５Ｋまで下がる。さらに３９０
Ｋまで上がって３２０Ｋまで下がる。最終的に室温から
１００℃以下の温度変化しかしない。図４の場合は温度
は単調に増大し４５０Ｋにまで到達する。本発明の場合
はそれより５０℃以上低い事になる。

【００５０】その原因は、水素イオンビ−ムを分離しこ
れが試料に入射しなくなったことである。イオンビ−ム
が約半分になるから加熱の度合いも弱くなる。もう一つ
はビームが帯状に細くて短辺の方向に走査しなければな
らず、走査のために放熱がされ易いということである。
温度上昇が少ないから素子が破壊されない。これは本発
明の優れた利点である。この例について数値を表にして
示す。

【００５１】

【表１】

【００５２】表１によって、大口径のイオンビ−ムに対
して質量分離を行う本発明の優れた点が明らかになる。
試料の温度上昇が、質量分離をしないものに比較して少
なくなる。この例では水素イオンとボロンイオンの比が
１：１であるから試料に与える熱量はほぼ半分になる。
これ以外の場合でも、水素イオンなど不要なイオンの試
料への注入を防ぐ事ができるので試料の温度上昇を効果
的に抑制することができる。

【００５３】エンドステーションが、従来のように回転
と並進の組合わさった運動を行う複雑な機構でなく、単
に並進機構のみで済む。これによってエンドステーショ
ンの構造を簡略化できるので、コストダウンが可能とな
る。その並進運動にしても、イオンビ−ム量にのみ追随
するだけでよいので制御が簡単になる。

【００５４】従来の機構は回転ターゲットを用い、ビー
ムを絞って試料に照射していたが、本発明はビームを収
束する必要がない。為にウェファにおけるビームの電流
密度をより小さくできる。チャージアップ抑制する事が
可能である。例えば通常の回転ターゲット方式の場合、
約０．６ｍＡ／ｃｍ² 〜１ｍＡ／ｃｍ² の電流密度のビ
ームを照射するが、本発明の場合０．１５ｍＡ／ｃｍ²
程度でよく、半分以下の電流密度で十分である。回転タ
ーゲットの場合にビームを収束させる必要があるのは、
ビームサイズが回転ターゲットの注入面積に比較して大
きい場合、注入均一性が保証されないからである。

【００５５】本発明は基本的にイオンビ−ムを直進させ
る。ウィーンフィルタを用いて質量分離を行うからであ
る。直進するビームを扱うから、ビーム光学系の補正な
どを考慮する必要がない。光学系の設計が容易である。
ウィーンフィルタ内の磁場強度と電界強度がビーム存在
領域において均一であれば良い。電界の均一性を得るた
めに、例えば、電極の端に突起を付けるという事が行わ
れる。突起によって電界強度が補正され均一性が高ま
る。

【００５６】またビームを短辺と長辺よりなる矩形断面
のビームとし、長い辺と磁界の方向を平行にしている。
このためにフィルタからスリットまでの距離を長く取る
必要がない。これも大きな利点である。選択されないビ
ームは電界の方向（Ｙ方向）に曲がるから、電界の方向
に薄いと僅かな変位でビームを分離することができる。
図６にこれを示す。図６（ａ）、（ｂ）のように本発明
では、ビームは偏平で電界の方向に薄く、磁場の方向に
は厚い。

【００５７】薄い方向にビームが質量分離するから、フ
ィルタからスリット迄の距離を短くできる。もしも反対
に、磁場の方向に薄いビームとする（図６（ｃ）、
（ｄ））と、ビームを分離するために、フィルタからス
リットまでの距離を長くしなければならない。ウィーン
フィルタの磁場と電場の非対称性を巧みに利用したビー
ム断面の選択である。不要イオンを単に排除するだけで
はない。これを積極的に利用し、スリット板の前にファ
ラディカップを設け、ビームの空間的均一性をモニタし
ている。ビームの不安定性を検出し直ちに対処すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のイオン注入の概略構成図。

【図２】ウィーンフィルタの内部において水素イオンビ
−ムが描くビーム軌跡の図。横軸がフィルタ内のビーム
進行方向の距離、縦軸は水素イオンビ−ムの中心軸線か
らの変位量。

【図３】スリット板の前に設けるファラディカップ群の
概略図。

【図４】質量分離を行わない場合においてウェファの温
度上昇の時間的推移を示すグラフ。横軸はイオン注入の
時間、縦軸は温度。

【図５】質量分離を行う本発明においてウェファ温度上
昇の時間的推移を示すグラフ。横軸はイオン注入の時
間、縦軸は温度。

【図６】ウィーンフィルタ内のビームの方向の違いによ
って分離に必要なビームラインが異なることを説明する
ための図。

【符号の説明】

１イオン源２イオンビ−ム３ウィーンフィルタ４直進するイオンビ−ム５偏奇するイオンビ−ム６スリット板７イオンビ−ム通し穴８ウェファ戴置台９ウェファ１１ファラディカップ２０電流計２１Ａ／Ｄ変換器２２ディスプレイ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の帯状のイオン引き出し口から引き
出されるイオンビ−ムに対してウィーンフィルタにより
注入するべきイオンを直進させ他のイオンは質量分離
し、分離したイオンを複数個等間隔で並んだファラディ
カップにより測定し、イオンビ−ムの均一性と照射量を
監視し、エンドステーションによって試料を保持し、イ
オンビ−ム断面の短辺方向のみにビームに対して試料を
走査し、イオン電流の値によって走査速度を制御するよ
うにしたことを特徴とするイオン注入装置。