JPH1064470A - イオン注入装置の走査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 イオンビ−ムラインに沿って並ぶ二組の平行
平板電極に反対方向の電界を発生させイオンビ−ムを走
査し試料には垂直入射するようにした従来の走査装置
は、第２偏向電極の端部近くを通るイオンビ−ムが過偏
向となり試料に入射するときのビーム密度が一様になら
ず角度が直角でないという問題がある。ビーム入射密度
を一様にし、試料に一様入射させるようにする事が目的
である。 【構成】 第２偏向電極をコ字型電極として電極板に直
角な方向での電界強度を一様にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は半導体製造工程に
おけるイオン注入装置の走査装置に関する。イオン注入
装置は、加速されたイオンビ−ムを半導体ウエハ−など
の試料に注入する装置である。イオン源、質量分離器、
加速管、走査機構等を含む。

【０００２】イオン源は原料ガスを高周波、マイクロ
波、直流電界放電などによって励起しプラズマとし、電
界の作用によってビームとして引き出す。このビームは
所望のイオンだけでなく様々のイオンを含む。そこで磁
石によってビームを曲げ所望の質量のイオンだけを選択
する。これが質量分離器である。加速管はイオンを所望
のエネルギーに加速するものである。走査機構は細いイ
オンビ−ムを一次元的或いは二次元的に走査して広いウ
エハ−の全面にイオンビ−ムを注入するようにするもの
である。本発明はこの走査装置の改良に関する。

【０００３】

【従来の技術】走査装置は磁界を用いたものと、電界を
用いたものの２種類がある。走査というのは電界または
磁界を周期的に変化させ、ビーム経路を左右に振動させ
るものである。１回曲げるだけでも走査はできる。しか
しそれであると試料の端において入射するビームは面に
対して傾く。注入密度が面内で均一であることが強く要
望される。そこで一回曲げたビームを同じ角度だけ反対
方向に曲げて試料面に常に直角に入射するようにする装
置が増えてきた。すると磁石にせよ、電極にせよ二組の
ビーム偏向装置が必要になる。

【０００４】本発明は電界を用いてイオンビ−ムを走査
するものに関する。従来は単純な平行平板電極を用いて
イオンビ−ムの平行走査を行っていた。平行平板電極の
間に電圧を掛けると、その間にほぼ一様な電界が形成さ
れる。電界を正弦波的に振動させる。これにより電極間
で一様にビームを振る事ができる。初めの一組の平行平
板電極に周期的に変化する電圧を印加し、ビームを左右
に振動させる。次の平行平板電極は反対向きの電圧を同
期して印加し、ビームを反対側に曲げる。こうして常に
面に対して直角なビームとする。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし平行平板電極に
よっては一様な電界が形成されない。中央部と端部では
電界、電気力線の分布が異なる。このためにイオンに作
用するクーロン力が中央と端において相違する。従って
イオンビームの偏向量が一様にならない。

【０００６】より具体的に説明する。イオンビ−ムの平
行走査を２組の平行平板電極で行うとき、平行平板電極
間に形成される電気力線は図２のようになる。中央部で
はほぼ平行に分布する。しかし電極の両端では電気力線
が外側に膨らむ。電気力線は太鼓のような形状になる。
これは端での電気力線の密度を下げた方がマクスウエル
の応力を低くできるからである。中央部で電気力線の密
度を下げる事はできないから端だけで密度を下げる。た
めに端付近で電界が弱くなるのである。このとき等電位
線は図３のようになる。等電位面は電気力線に直交する
からこのように凹レンズのような分布になる。

【０００７】イオンビームは中央部から端部にかけて広
くに入射する。これが電界による力を受けて電気力線の
方向に曲がる。ところが電気力線の方向と強さが電極に
近い部位と電極から遠い部位によって異なる。ために端
部と中央部で走査の速度が異なってくるのである。イオ
ンビ−ムは電極間を通り過ぎるので、ビームの曲がりは
通過時間中に受けるクーロン力の和、つまり力積に比例
する。ところが通過する経路によって、力積が異なるか
ら、電界に比例した走査速度とはならない。座標系を取
って説明する。

【０００８】イオンビ−ムの方向をＺ軸に、電極面に直
交する方向をＸ軸にとり、電極面をＹＺ面とする。電極
のＺ方向の長さをＷ、Ｙ方向の長さをＨ、電極間隔をＢ
とする。電極間に印加する電圧はＶｓｉｎωｔという正
弦波によって示す事ができる。中央部での電界は（Ｖ／
Ｂ）ｓｉｎωｔとなる。その時刻時刻において一様な電
界となる。しかし電極板近く（ｘ＝±Ｂの近く）ではそ
うはゆかない。電極近傍においては、Ｘ軸方向に電気力
線が一様でない。つまり電界強度が不均一である。する
と走査量が異なってくる。

【０００９】従って、中央部を通過するイオンビ−ムと
電極近傍を通過するイオンビ−ムの偏向角度は異なる。
偏向電極が一組だけならばいいのであるが、二組使うの
で新たな問題が生ずる。どうして二組の偏向電極を使う
必要があるのかという事を述べる。

【００１０】ビームを左右に１回振っただけでは、試料
に直角にビームが入らない。振った角度だけ直角からず
れてくる。イオンビ−ム入射の均一性が厳しく要求され
る場合、面に直交する方向に入射することが求められ
る。すると一旦角度Θだけ振ったビームをもう一度反対
の方向に同じ角度−Θだけ振る必要がある。そのために
もう一つの電極を設ける。これで反対方向に同じだけ振
るようにする。

【００１１】すると試料面に常に直角にビームが入る事
になる。初めの電極を第１偏向電極と呼び、つぎの電極
を第２偏向電極と呼ぶ。図４はそのような２組の電極を
示す。ビームラインにそって第１偏向電極１、第２偏向
電極２、ターゲット３が並んでいる。イオン源（図示し
ない）から出たイオンビ−ムはＺ軸方向に進行する。第
１偏向電極１の中央部に入り、ここでＶｓｉｎωｔの力
を受けて左右（Ｘ方向）に走査される。

【００１２】これが第２偏向電極に入り反対の力−Ｕｓ
ｉｎ（ωｔ−τ）の力を受ける。Ｖ、Ｕは第１偏向電
極、第２偏向電極のＸ方向の電界振幅である。τはビー
ムが第１偏向電極の中心から第２偏向電極の中心に到る
までに要する遅延時間である。第１偏向電極１よりも第
２偏向電極２の方が電極間隔Ｂが広い。これは当然のこ
とである。既に左右に（Ｘ方向）振られたビームがやっ
てくるからである。長さＷも長くなる。電極間の距離Ｂ
が広いのに第１電極と同じ力積を与えなくてはならない
から電極の長さＷ（Ｚ方向）も大きくなるのである。

【００１３】イオン源から出たビームは細くて第１偏向
電極の中央に入るから余り問題はない。しかし第２偏向
電極に入るときは初めから端部（Ｘ方向に振れている）
に入るので平行平板電極が形成する電界不均一の影響が
強く現れる。但し注意しなければならない。図２におい
て電極近くを通るビームも、中央部を通るビームもＺ方
向には電極板の間の全長を通過するから、電気力線の乱
れのない部分を通過する時間がもっとも長い。電気力線
の乱れのあるｚ＝±Ｗ／２の部分を通る時間は短い。

【００１４】第２電極での電界不均一の二つの影響を受
けるから、ターゲット（試料）に入った時におけるビー
ムの位置はｓｉｎωｔからはずれてしまう。それだけで
なく入射角も端部と中央部では相違する。ビームが電極
の極近傍（ｘ＝±Ｂ／２）へ走査されたときは第２偏向
電極での偏向が過度になる傾向にある。つまりビームが
内側に曲がってしまう。これでは試料（ターゲット）面
内に均一にイオンビ−ムを注入することができない。こ
れは図２によって直観的に理解される。ｘ＝０のあたり
をＺ方向に抜ける時やや弱い電場を感じるが、ｘ＝±Ｂ
／２の近傍ではより強い電場を感じる。つまりｘ＝０近
傍の電場Ｅ₀ の方が、ｘ＝±Ｂ／２の近傍での電場Ｅ₁
よりも僅かに小さい。Ｅ₀ ＜Ｅ₁ である。このような不
一致があるから、周辺を通るイオンビ−ムは過偏向にな
るのである。

【００１５】イオンビ−ムの注入量の均一性の要求は厳
しく、面内で揺らぎが０．５％以下であることが望まれ
る。すると平行平板電極を２組のイオンビ−ム経路に並
べた従来の走査装置ではその要求を満足する事ができな
い。

【００１６】

【課題を解決するための手段】イオンビ−ムの平行走査
を行う偏向電極をコ字形状のものに（図１参照）にす
る。こうすることによって、電気力線を図５のように矯
正することができる。但し図２はＸＺ面の断面図、図５
はＸＹ面の断面図である。切断面が違う。しかし平行平
板電極であるから、ＸＹ面においても図２と同じような
電気力線の分布になる。

【００１７】図２の場合電気力線が中央部で膨らむ凸レ
ンズ型になるのに反し、コ字型電極の場合は中央で窪む
凹レンズ型になる。ｘ＝０の線に沿って進行するイオン
ビ−ムに加わる電界Ｅ₀ が強化される。周辺ｘ＝±Ｂ／
２の近くを通るビームが感じる電界Ｅ₁ が相対的に弱く
なる。ためにＥ₀ ＝Ｅ₁ となる。周辺での過度の偏向が
是正されるので、図４に示したような周辺ビームの過偏
向の問題を解決することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明は、少なくとも第２偏向電
極に図１のようなコ字型電極を用いる。コ字型電極を用
いたときのＸＹ面での電界および等電位線はおのおの図
５及び図６のようになる。電極が両端袖Ｌを持ってい
る。図５に現れるように、電気力線が袖Ｌに垂直に交差
するために内側に狭い凹レンズ型の分布になる。イオン
ビ−ムは、中央に描いた線（ｙ＝０）の上を左右に揺れ
る（Ｘ方向）。中央付近の電界Ｅ₀ が強化される。同じ
事は図６の等電位面の分布の変化を見てもわかる。両袖
Ｌが等電位面を両側で持ち上げるから、ｙ＝０の線上に
おけるｘ＝±Ｂ／２の近傍の電界Ｅが減少する。つまり
ｙ＝０の線にそってビームが走査されるが、その線にお
いてＥが一様になる。Ｅ₀ ＝Ｅ₁ となるのである。

【００１９】電極近傍を通るビームの過偏向を防ぎ、試
料には同時に垂直入射する事ができるようになる。図１
のコ字型電極において、両袖Ｌの寸法は、電極間隔Ｂの
０．０５以上であれば、中央部の電界Ｅ₀ を強化する効
果がある。０．１以上であればより効果的である。もち
ろん０．５を越えることはできない。０．２〜０．４程
度でＥ₀ ＝Ｅ₁ とすることができる。

【００２０】図４において第１偏向電極の長手方向の長
さをｇとし電界をＦとし、電子質量をｍとする、イオン
ビ−ムのＸ方向の速度をｕ、Ｚ方向の速度をｗ（一定）
とする。長さｇだけで電界Ｅを感ずるとする。第１偏向
電極での運動方程式は、

【００２１】ｍｄｕ／ｄｔ＝Ｆｅ （１） ｗｄｔ＝ｄｚ （２）

【００２２】（２）はＺ方向の速度が一定であることを
利用し、独立変数をｔからｚにおき変えるための式であ
る。これを解いて第１偏向電極の端でのビームの偏奇と
傾きが分かる。それを延長し第２偏向電極の始端でのビ
ーム偏奇ｘ₀ と傾きｄｘ／ｄｚが決まる。

【００２３】ｘ₀ ＝ＦｅｇＳ／２ｍｗ² （３） ｄｘ／ｄｚ＝Ｆｅｇ／ｍｗ² （４）

【００２４】となる。第２偏向電極の入口の真中に座標
系をとる。第２偏向電極の電界をＥとする。長さＷで電
界が一定値を保持しその間でのみ電界を感じるとする
と、第２偏向電極における運動方程式は、

【００２５】ｍｄｕ／ｄｔ＝Ｅｅ （５） ｗｄｔ＝ｄｚ （６）

【００２６】これを解いて、 ｄｘ／ｄｚ＝（ｅＦｇ／ｍｗ² ）−（ｅＥｚ／ｍｗ² ） （７） ｘ＝（ｅＦｇｚ／ｍｗ² ）−（ｅＥｚ² ／２ｍｗ² ）＋（ｅＦｇＳ／２ｍｗ² ） （８）

【００２７】となる。ビームが軸線方向に平行になるの
は（７）式が０となるところである。このときのｚは ｚ＝Ｆｇ／Ｅ （９）

【００２８】である。第１偏向電極の電界Ｅは（時間的
には変化するが）空間的には一定である。ところが第２
偏向電極の電界Ｅは空間的に一様でない。ビームの入射
点が違うからである。ｘ＝０の中央部での値Ｅ₀ は小さ
く、ｘ＝±Ｂ／２の電極近くでの値Ｅ₁ が大きい。する
とビームが軸線平行になるｚの値が中央部で大きく、電
極近くで小さいということになる。もしも中央部でビー
ムが軸線平行になるように、第２偏向電極の長さＷを決
めたとすると、

【００２９】Ｗ＝Ｆｇ／Ｅ₀ （１０）

【００３０】となる。この長さは、電極近くを通るビー
ムに対しては長すぎる。電極近くのビームは既に内向き
に曲がっている。これが過偏向の原因である。過偏向は
ビームを非平行にするだけではない。試料の入射面での
ビーム密度を不均一にする。もしも第２偏向電極の電界
が一様であるとすると、ｚ＝Ｗでのｘの値は、Ｗ＝Ｆｇ
／Ｅを（８）に代入して、

【００３１】 ｘ＝（ｅＦｇ／２Ｍｗ² ）｛Ｓ＋（Ｆｇ／Ｅ）｝ （１１）

【００３２】となる。もしも第２偏向電極の電界が空間
的に一様であれば、Ｅ→Ｅｓｉｎωｔ、Ｆ→Ｆｓｉｎω
ｔと置き換えたものが時間変化を与える式になる。これ
は、

【００３３】 ｘ＝（ｅＦｇ／２Ｍｗ² ）｛Ｓ＋（Ｆｇ／Ｅ）｝ｓｉｎωｔ （１２）

【００３４】となり常に平行ビーム（ｄｘ／ｄｚ＝０）
である。そのままの密度を保って試料に入射する事がで
きる。試料面では一様分布のイオンビ−ムが注入される
ことになる。ところがＥが空間的に一様でなく電極近く
では強く過偏向になる。試料面での入射角Φの９０゜か
らのズレの角の変動と、入射ビーム不均一の関係は次の
ような式によって評価する事ができる。

【００３５】ＴｄΦ／ｄｘ （１３）

【００３６】Ｔは第２偏向電極と試料の距離である。本
発明は第２偏向電極の電極板の両側に折れ曲がり部Ｌを
作っているから、ｙ＝±Ｈ／２の近傍で電気力線を絞
り、ｘ→０の方へ引き寄せるので、ｙ＝０の近傍でのＥ
のｘ依存性を少なくする事ができる。つまりδＥ／δｘ
＝０（ｙ＝０）とすることができる。するとｚ＝Ｗの面
でのビームは常にＺ軸に平行となる。すると試料面への
入射点の変化は（１２）によって与えられる。走査関数
ｓｉｎωｔと全く同じ変動をするから入射ビーム密度が
均一になる。

【００３７】

【実施例】図４における第２偏向電極を図１のようなコ
字型電極とした。すると中央部の電界強度が増えて、周
辺部の強度が相対的に低下し、過偏向の問題が矯正され
る。より一様な偏向をする事ができる。本発明は、二組
の偏向電極を組み合わせたイオンビ−ム走査装置におい
て、特に第２偏向電極にコ字型電極を用いて電界分布を
電極垂直方向に一様にしたので、試料入射時のイオンビ
−ムの空間分布が一様になり、入射角度が９０゜にそろ
うようになる。ウエハ−に対してドーパントを一様に注
入することができる。精度の高い不純物注入を行うこと
ができる。もちろん第１偏向電極もコ字型電極にするこ
ともできる。

【００３８】図７は従来の平行平板電極を使用した走査
装置によってビーム走査した時の、試料面でのビームの
注入角の９０゜からのズレをウエハ−面内で測定した結
果を示すグラフである。Ｐ⁺ イオンを５０ｋｅＶに加速
してこれを二組の偏向電極によって偏向したものであ
る。ウエハ−は直径２００ｍｍの８インチウエハ−であ
る。横軸はウエハ−のＸ軸に平行な直径に沿う端から中
心を経て他の端に至るまでの点である。縦軸はビームの
入射角の９０゜からのずれである。角度の１目盛りは
０．２゜である。

【００３９】曲線が２本あるがこれはビームがウエハ−
を往復するときの経路が異なることによる。電極には正
弦波の電圧ｓｉｎωｔを掛けているが行きと帰りで必ず
しも同一の角度にならないようである。行きにビームは
−０．２゜から＋０．２゜まで振れている。帰りのビー
ムは−０．３゜から＋０．１゜程度まで振れている。上
下で０．４゜程度の振れである。これは見方によっては
微小な角度ゆらぎに過ぎない。しかし要求水準がより厳
しい場合もあり、９０゜からのふれが、０．２゜或いは
０．１゜以下であることが要求される事もある。

【００４０】従来の平行平板電極はそのような厳しい条
件に答えることができない。これはビームの平行度（９
０゜からのずれ）の測定結果であるが、平行度からのず
れはビーム分布の乱れと直接の関係があるから、これは
ビーム分布揺らぎを表していると考えて良い。ビーム入
射密度揺らぎは測定し難いので角度揺らぎをここでは測
定している。

【００４１】図８は本発明の実施例に係るコ字型電極を
使用した時のウエハ−への入射角度の９０゜からのズレ
角のＸ軸に平行な直径に沿う面内分布の測定結果を示す
グラフである。図１の寸法において、Ｌ：Ｂ＝０．３：
１である。これも行きと帰りによってビームの経路が僅
かに異なる。９０゜からの負のズレがある。これはウエ
ハ−面内において−０．１゜〜−０．２゜の範囲に収ま
っている。振れの角度は最大で−０．１゜に過ぎない。
全体に９０゜からずれているがそれはあまり差し支えな
いことである。面内での角度揺らぎが少なければ良いの
である。

【００４２】図９は、ビームエネルギーを３０ｋｅＶ〜
１３０ｋｅＶの範囲で変えたときの、試料面での入射ビ
ーム角度の揺らぎ測定の結果を示す。これは９０゜から
のズレの角度の最大値から最小値を差し引いたものであ
る。これは標準偏差σではない。

【００４３】黒角点が第２偏向電極を平行平板電極にし
たものである。今度は測定点が先ほどの２００ｍｍでは
なくて、図７、図８の横軸範囲いっぱいでの最大値−最
小値を求めている。範囲が約３００ｍｍである。

【００４４】平行平板電極の場合、１３０ｋｅＶに加速
したビームの面内最大角度偏差は０．３６゜である。本
発明のコ字型電極の場合は０．１８゜である。約半分に
減っている。コ字型電極が特に第２偏向電極として優れ
た効果のあることが如実に分かる。５０ｋｅＶに加速し
た場合も、平行平板電極での最大最小角度差は０．４９
゜、本発明では０．２６゜というふうに十分に減少して
いる。

【００４５】これは最大値−最小値を測定した結果であ
る。標準偏差はもっと小さい。３００ｍｍの範囲で０．
１゜程度である。これは現在の半導体生産技術の厳しい
要求にも十分に答えることができるものである。

【００４６】

【発明の効果】本発明は、二組の偏向電極を組み合わせ
たイオンビ−ム走査装置において、特に第２偏向電極に
コ字型電極を用いて電界分布を電極垂直方向に一様にし
たので、試料入射時のイオンビ−ムの空間分布が一様に
なり、入射角度が９０゜にそろうようになる。ウエハ−
に対してドーパントを一様に注入することができる。精
度の高い不純物注入を行うことができる。

【００４７】入射ビーム密度の揺らぎの方が、角度揺ら
ぎよりも重大な問題である。ここでは密度揺らぎの代わ
りに角度の揺らぎを測定している。両者は相関が強く、
角度の揺らぎが大きいと密度揺らぎも大きくなるから、
後者を前者によって評価することができる。

【００４８】この結果を比較すると、本発明はビーム平
行度の向上に著しい効果を得られることが確認できる。
つまり、ビーム入射密度も一様であるということであ
る。８インチウエハ−において、ビーム入射角の面内の
揺らぎを０．１゜以下にすることも可能である。密度揺
らぎを０．５％以下にできる。優れた発明である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が提案するコ字型電極の軸線方向に直角
な面で切断した断面図。

【図２】従来例に係る平行平板電極による電気力線を描
いた説明図。

【図３】従来例に係る平行平板電極による等電位面を描
いた説明図。

【図４】イオン注入装置における水平走査のためにふた
つの偏向電極を含む走査装置の概略図。

【図５】コ字型電極が形成する電気力線の分布を示す概
略断面図。

【図６】コ字型電極が形成する等電位面の分布を表す概
略断面図。

【図７】平行平板電極二組を組み合わせた従来例に係る
平行走査装置によって走査されるイオンビ−ムがウエハ
−に入射する時の入射角度のウエハ−面内分布を示すグ
ラフ。

【図８】コ字型電極二組を組み合わせた本発明の実施例
に係る平行走査装置によって走査されるイオンビ−ムが
ウエハ−に入射する時の入射角度のウエハ−面内分布を
示すグラフ。

【図９】第２偏向電極を平行平板電極とする従来例と、
平行コ字型電極とする本発明において、ビームエネルギ
ーと試料入射角度の９０゜からのばらつきの関係につい
ての測定結果を示すグラフ。

【符号の説明】

１ 第１偏向電極 ２ 第２偏向電極 ３ ターゲット（試料）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体ウエハに注入されるイオンビ−ム
   を一定方向に平行走査するための装置であって、イオン
   ビームにそって設けられる平行電極２枚を対向させ交番
   電界を発生させる第１偏向電極と、イオンビ−ムにそっ
   て第１偏向電極の後方に設けられ平行電極２枚を対向さ
   せ第１偏向電極の電界と反対方向の交番電界を印加する
   第２偏向電極とよりなり、少なくとも第２偏向電極の平
   行電極はビームに平行な端部が内側に折曲がった形状の
   コ字型電極であることを特徴とするイオン注入装置の走
   査装置。