(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン源でプラズマを発生させ、加速電極系でプラズマ中のイオンをイオンビームとして出力し、出力されたイオンビームを基板に照射して基板上のシリコン膜に不純物を注入するイオン注入装置用の質量分析器であって、
該質量分析器は、イオン源と対向しかつ基板の周囲を通過したイオンビームの一部が入射する位置に設置されており、
入射したイオンビームに直交する方向に磁場を形成する磁石と、
前記磁場で曲げられたイオンビームが全て入射し、総イオン量と各イオン種量を測定可能なイオン量測定器と、
前記磁場で曲がらない中性粒子が全て入射するように配置された中性粒子測定器と、を備え、
前記イオン量測定器は、一端が前記中性粒子測定器に近接し、他端が磁場に入射したイオンビームの最大偏向位置まで延びる直線状または円弧状の長いファラデーカップと、
該ファラデーカップと前記磁場との間に位置し、イオンビームを遮蔽する可動式遮蔽板とからなり、
該可動式遮蔽板は、全開から全閉まで連続的に開閉可能に構成されている、ことを特徴とするイオン注入装置用の質量分析器。
【請求項２】
前記磁石は、永久磁石であり、
さらに、永久磁石を用いた磁場で２次電子抑制を行う２次電子抑制装置を備える、ことを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置用の質量分析器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上のシリコン膜に不純物を注入するイオン注入装置用の質量分析器に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン注入装置は、薄膜トランジスタ等の製造のため、ガラス基板等の基板上のシリコン薄膜に不純物を注入する装置である。かかるイオン注入装置は、例えば特許文献１〜３に開示されている。
これらのイオン注入装置において、注入する不純物は、リン（Ｐ）やボロン（Ｂ）などであり、フォスフィン（ＰＨ３）やジボラン（Ｂ２Ｈ６）の水素希釈ガスなどを材料ガスとして、装置内でプラズマを生成し、これからリン（Ｐ）やボロン（Ｂ）を含むイオンを引き出し、これを加速してイオンビームとして薄膜に照射して不純物を注入する。
【０００３】
しかし、材料ガスとして、フォスフィン（ＰＨ３）やジボラン（Ｂ２Ｈ６）の水素希釈ガスなどを使用するため、注入するＰイオンやＢイオンの他に水素イオンなどの不要なイオンが注入されることがある。
そのため、イオン注入装置には、イオンビーム中の必要なイオン種（Ｐ、Ｂ）の量を測定または制御する質量分析器が不可欠となる。
【０００４】
イオン注入装置用の質量分析器は、特許文献４，５にも開示されている。
質量分析器は、イオンビームの一部を分析して、測定した各イオンの電流量から必要なイオン種の比率を求め、これをイオン注入装置にフィードバックして薄膜への注入量を制御するために用いられる。
【０００５】
従来の質量分析器は、（１）電磁石又はコイルを用いる磁場分析方式、（２）電場と磁場の両方を用いるＥ×Ｂ分析方式、（３）四重極間の電場を用いた四重極分析方式などに大別することができる。
【０００６】
特許文献１は、図５に示すように、イオンの入射方向に対して垂直方向成分をもつ電場及び磁場を備えた電磁型エネルギー分析器５４を開示している。この電磁型エネルギー分析器５４は、Ｅ×Ｂ分析方式の質量分析器である。
【０００７】
特許文献２は、図６に示すように、イオン源６２から引き出したイオンビーム６６の一部を、ビームモニタ部６０で受けてイオンビーム電流を計測し、その間にそこを通過するイオンビーム６６を質量分析する質量分析器６４を開示している。この質量分析器６４は、磁極と電極を直交配置し、磁界および電界を用いるＥ×Ｂ分析方式の質量分析器である。
【０００８】
特許文献３は、図７に示すように、イオンビーム７１からイオン種と水素イオンとの比率を求めるためのＥ×Ｂモニタ７５を開示している。このＥ×Ｂモニタ７５は、磁界を与える１対の永久磁石と、磁界と直交する方向に電界を与える１対の電極を備えたＥ×Ｂ分析方式の質量分析器である。
【０００９】
特許文献４は、図８に示すように、透孔８１を塞ぐように設けられた質量分析器８４を開示している。この質量分析器８４は、曲げられた管体８６と、その管体８６の外部に設けられた磁場発生手段としてのコイル８８とで構成される。従って、この質量分析器８４は、コイルを用いる磁場分析方式の質量分析器である。
【００１０】
特許文献５は、図９に示すように、基板を保持するサセプタのガラス基板周辺部に、ドープ量を計測する固定ファラデー９６を配置し、さらに質量分析を可能とする電磁石または永久磁石を固定ファラデーに設けたものが開示されている。従って、この質量分析器は、電磁石または永久磁石を用いる磁場分析方式の質量分析器である。
【００１１】
【特許文献１】特開平５−６７４５０号公報、「イオン注入装置」
【特許文献２】特開平６−３６７３７号公報、「イオン注入装置」
【特許文献３】特開平８−２２５９３８号公報、「イオンシャワードーピング装置」
【特許文献４】特開２００２−２３１６５２号公報、「不純物注入量計測装置および不純物注入量計測方法」
【特許文献５】特開２００２−３５８９２１号公報、「イオンドーピング装置及びそれに用いるドーズ量の管理方法」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の質量分析器には、以下の問題点があった。
（１）電磁石を用いる磁場分析方式では、電磁石自体の重量が重く体積も大きくなる。また、電磁石励起のため大電力が必要である。
これらの方式で電力を低減しようとすると分析長を長くとる必要があり、体積がさらに大きくなる。また、分離したイオンの検出のために、可動式のファラデーカップやスリットを組み込む必要があり、体積の増大につながっている。
（２）Ｅ×Ｂ分析方式は、磁場分析方式と比べれば小型にできるが、入射したイオンビームの全電流量の測定ができない。そのため、イオン種比率の正確な測定ができない。
（３）また、Ｅ×Ｂ分析方式や四重極分析方式では、広範囲な特性のイオンビームを分析するためには、電力または体積のいずれかを増す必要がある。
【００１３】
以下、問題点をさらに詳細に説明する。
【００１４】
（イオン量測定）
Ｅ×Ｂ分析方式や四重極分析方式では、各イオン量の総和と実際の総イオン量とが一致しないという不具合が生じる場合がある。また、磁場分析方式でも可動式の検出器を用いた場合には、総イオン量測定が確かでない問題がある。
【００１５】
（中性粒子測定）
Ｅ×Ｂ分析方式や四重極分析方式では、直進する方向にイオン検出器を設置するため、中性粒子の計測は事実上不可能であった。そのため、中性粒子量がイオン量に比べて無視できない量である場合、実際の注入量はイオン量の測定のみでは不正確になる。
【００１６】
（リアルタイム測定）
従来の質量分析器では、実際に基板に注入処理する直前にイオン種比率の計算を行い、これを注入量にフィードバックしていた。しかしこの場合では、イオン注入中のイオン種比率の変動は加味されない。
【００１７】
（消費電力の低減）
電磁石分析方式、Ｅ×Ｂ分析方式、四重極分析方式などはすべて励磁や電界形成のために電源を必要とする。
また、検出部のファラデーカップサイズには、電場による２次電子抑制機構が用いられてきた。
そのため、電源が不可欠であり、電源故障や配線不良など、電源関係の不具合の可能性があり、機器としての安定性や信頼性が低い。
【００１８】
（サイズ縮小）
従来の多くの分析器では、入射側から見て分析器を越えた位置に検出部を設置し、ビーム電流を測定している。この結果、分析器が入射方向に長くなり、結果的に装置全体の体積を増加させる要因となっていた。
【００１９】
本発明は、上述した種々の問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の第１の目的は、入射したイオンビームの全電流量（総イオン量）、イオンビーム中のイオン種比率、及びイオンビーム中の中性粒子量の正確な測定ができるイオン注入装置用の質量分析器を提供することにある。
また、第２の目的は、少なくともイオンビーム中のイオン種比率の測定を、実際のイオン注入中にできるイオン注入装置用の質量分析器を提供することにある。
また、第３の目的は、励磁、電界形成および２次電子抑制のための電源を不要にして小電力で作動でき、かつ装置全体を小型化できるイオン注入装置用の質量分析器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明によれば、イオン源でプラズマを発生させ、加速電極系でプラズマ中のイオンをイオンビームとして出力し、出力されたイオンビームを基板に照射して基板上のシリコン膜に不純物を注入するイオン注入装置用の質量分析器であって、
該質量分析器は、イオン源と対向しかつ基板の周囲を通過したイオンビームの一部が入射する位置に設置されており、
入射したイオンビームに直交する方向に磁場を形成する磁石と、
前記磁場で曲げられたイオンビームが全て入射し、総イオン量と各イオン種量を測定可能なイオン量測定器と、
前記磁場で曲がらない中性粒子が全て入射するように配置された中性粒子測定器と、を備えたことを特徴とするイオン注入装置用の質量分析器が提供される。
【００２１】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記イオン量測定器は、一端が前記中性粒子測定器に近接し、他端が磁場に入射したイオンビームの最大偏向位置まで延びる直線状または円弧状の長いファラデーカップと、
該ファラデーカップと前記磁場との間に位置し、イオンビームを遮蔽する可動式遮蔽板とからなり、
該可動式遮蔽板は、全開から全閉まで連続的に開閉可能に構成されている。
【００２２】
また、前記磁石は、永久磁石であり、
さらに、永久磁石を用いた磁場で２次電子抑制を行う２次電子抑制装置を備える。
【発明の効果】
【００２３】
上記本発明の構成によれば、磁場で曲げられたイオンビームが全て入射するイオン量測定器（すなわち直線状または円弧状の長いファラデーカップ）を備えるので、これにより入射したイオンビームを全て検出でき、総イオン量の測定が正しく行える。
また、ファラデーカップと磁場との間にイオンビームを遮蔽する可動式遮蔽板を備えるので、これを連続的に開閉してファラデーカップの検出範囲を変化させることで、ファラデーカップサイズとその電流との関係によりイオンスペクトルが得られる。
さらに、イオン量測定器のみで総イオン量と各イオン種量を測定できるため、正確なイオン種比率を計算することができる。
【００２４】
また本発明では、永久磁石で形成する磁場によってイオンビームを曲げて分析するため、分析部（磁場中）を直進する中性粒子も中性粒子測定器で分離検出することができる。これにより、実際に薄膜に注入される粒子はイオンと中性粒子の両方であるため、中性粒子量を測定できることで注入量の信頼性が向上する。
【００２５】
また本発明の質量分析器は、注入中でも測定できる位置にあり、また特定のイオン種量を連続測定することができる。これにより注入中のイオン種量変動を捉えて、注入量にフィードバックすることが可能である。
【００２６】
また、磁場形成のために永久磁石を使用することで、電磁石を使用した場合と比べて、重量、体積を大幅に縮小できる。
さらに、電磁石分析方式、Ｅ×Ｂ分析方式、四重極分析方式などはすべて励磁や電界形成のために電源を必要とするが、永久磁石では不要である。
【００２７】
また、本発明では、永久磁石を用いた磁場で２次電子抑制を行う２次電子抑制装置を備えるので、分析部と検出部に永久磁石を用いることで、電源を不要とし、電源故障や配線不良など、電源関係の不具合の心配がなくなり、機器としての安定性や信頼性が向上する。
【００２８】
さらに本発明では、強力な磁場を形成して、分析部で分解されたビームを大きな偏向角で曲げ、分析部と並ぶ位置に設置した検出器へ飛行させる機構とした。これにより分析器の長さを短縮でき、分析器のサイズ低減により装置全体の体積削減が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００３０】
図１は、本発明の質量分析器を備えたイオン注入装置の全体構成図であり、図２は別の実施形態を示す図である。
図１及び図２において、イオン注入装置１は、イオン源２でプラズマ３を発生させ、加速電極部４でプラズマ中のイオンをイオンビーム５として出力し、出力されたイオンビーム５を基板（液晶ガラス基板）６に照射して基板上のシリコン膜に不純物を注入するようになっている。
また、これらの図で、２ａは熱電子を発生するためのフィラメント、２ｂはプラズマ閉じ込めのための磁石である。
【００３１】
本発明の質量分析器１０は、イオン注入装置１の構成機器の１つであり、図のようにプロセス室のイオン源２と対向する位置（この例で下部）で、基板６の周囲を通過したイオンビーム５の一部が入射する位置に設置されている。
【００３２】
イオン（不純物）としては、リン（Ｐ）やボロン（Ｂ）を注入するため、材料ガスとしては、フォスフィン（ＰＨ３）やジボラン（Ｂ２Ｈ６）を水素希釈したガスなどが使用される。そのため、注入するイオンビームには、例えばジボランの場合には、Ｂ２Ｈｘイオン、ＢＨｘイオン、Ｈｘイオン（ｘは０以上の整数）などの複数種のイオンが含まれる。注入に必要なＢ２Ｈｘイオンの量を測定するために、質量分析器１０が用いられる。
【００３３】
本発明の質量分析器１０は、分離部１２と検出部１４の２つの部分で構成されている。
分離部１２には、入射したイオンビーム５に直交する方向（この図で紙面に垂直方向）に磁場を形成する磁石１３が設けられている。この磁石１３はこの例では永久磁石１３であるが、電磁石でもよい。
分離部１２では、入射したイオンビーム５をコリメートした後で磁場発生部１２ａを通過させて質量によって分離する。磁場発生部１２ａは永久磁石１３を用いた磁気回路により磁場を形成している。
【００３４】
永久磁石１３による強力な磁場により図に示すように、水素などの軽いイオンビーム５ａは偏向を受けて検出部１４のファラデーカップ１５に到達する。またＰＨｘやＢ２Ｈｘなどの重いイオンビーム５ｂはより低い角度で偏向してファラデーカップ１５に到達する。
各イオンの質量と加速エネルギーによって偏向角が異なるため、到達位置とそこで検出される電流を計測することで、各イオン量を測定できる。
【００３５】
検出部１４は、イオン量測定器１５，１６と中性粒子測定器１７とを備える。イオン量測定器１５，１６は、ファラデーカップ１５と可動式遮蔽板１６とからなり、磁場発生部１２ａの磁場で曲げられたイオンビーム５が全て入射し、総イオン量と各イオン種量を測定可能に構成されている。
中性粒子測定器１７は、磁場発生部１２ａの磁場で曲がらない中性粒子５ｃが全て入射するように、入射したイオンビーム５の延長上に配置されている。
【００３６】
検出部１４では、磁場で分離したイオンビーム５ａ，５ｂをファラデーカップ１５で検出して電流を測定する。また直進する方向に設置された中性粒子検出器１７で中性粒子５ｃの量を測定する。
【００３７】
ファラデーカップ１５は、分離されたイオンビーム５ａ，５ｂの全てを検出できるように、一端が中性粒子測定器１７に近接し、他端が磁場に入射したイオンビームの最大偏向位置まで延びる形状をしている。この形状は図１では円弧状であり、図２では直線状である。
この構成により、分離したイオンビーム５ａ，５ｂを全て検出できるため、総イオン量の測定が正しく行える。
【００３８】
また、可動式遮蔽板１６は、ファラデーカップ１５と磁場発生部１２ａの磁場との間に位置し、イオンビーム５を遮蔽する全開から全閉まで、図示しない駆動装置で連続的に開閉可能に構成されている。
【００３９】
すなわちファラデーカップ１５のビーム入射側に設置した可動式遮蔽板１６により、ファラデーカップ１５のサイズを可変にしている。ファラデーカップサイズとその電流との関係によりイオンスペクトルが得られる。例えば、初めに遮蔽板１６を全て閉じ、測定開始とともに遮蔽板１６を開いていく。ファラデーカップサイズが徐々に大きくなり、分離されたイオンが低い質量数から順に流入するようになる。
可動式遮蔽板１６の開度（ファラデーカップのサイズ）をイオンの質量に変換してファラデーカップに流れる電流をプロットすればイオンスペクトルが得られ、各イオン種の量とそれらの総和としての総イオン量が測定可能である。
この結果からビーム中の必要なイオン種の比率が計算できる。
【００４０】
可動式遮蔽板１６の機構としては、直線状では回転駆動を直線移動に変換した機構、円弧状の場合には回転駆動をそのまま遮蔽板の駆動としたものを用いることができる。
【００４１】
検出部１４のファラデーカップ１５には、イオンビーム５ａ，５ｂが照射されることによって発生する２次電子を抑制してファラデーカップに戻すための２次電子抑制装置１８が付加されている。（図３参照）
【００４２】
図３は、本発明の２次電子抑制装置１８の模式図である。この図に示すように、本発明の２次電子抑制装置１８は、永久磁石１９を用いた磁場で２次電子抑制を行うものであり、永久磁１９を用いてファラデーカップの入口に磁場を形成し、発生した２次電子を捕捉してファラデーカップに戻すことができる。
従来の電気的な抑制機構では電源が必要であるが、永久磁石回路を用いることで電源が不要となる。また電源を不要とした分離部とともに電源関係の不具合の可能性を本質的になくすことができる。
【００４３】
質量分析器１０は図示しないプロセス室とバルブで分離することができる。質量分析器１０には真空ポンプが設置され差動排気し、またプロセス室とは独立して大気開放と真空引きができる構造となっている。
またイオンビーム５または材料ガスにより、ファラデーカップなどの真空部品が汚染されるため、定期的にメンテナンスする必要がある。そのため真空容器にはメンテナンス用ハッチがあり、交換部品の取付け、取外しができるようになっている。
【００４４】
イオンスペクトル測定は、制御装置２０により自動で行われる。制御装置２０からの指令でファラデーカップ１５の前面にある可動式遮蔽板１６を移動する。希望する質量測定範囲を遮蔽板位置に変換し、その範囲を遮蔽板が移動する。遮蔽板移動開始と同時にイオン量測定器１５，１６でファラデーカップ電流を測定開始するように指令する。可動式遮蔽板１６が目的の移動を終了すると電流計測も終了する。
可動式遮蔽板１６を連続で移動させて、その間にファラデーカップ電流を連続で測定し、一連の測定が終了した後に遮蔽板の位置とファラデーカップ電流を同期させてプロットすることでビームのイオンスペクトルが得られる。
【００４５】
図４は、イオンビームの質量数と電流量との関係図である。この図において、横軸はイオンビームの質量数であり、左端は遮蔽板の全閉位置、右端は全開位置に相当する。
また左側の縦軸は電流量すなわちファラデーカップ電流であり、図中の太い実線に対応する。さらに右側の縦軸は電流量の差分であり、図中の細線に対応する。
なおこの例は、材料ガスとしては、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）を水素希釈したガスを用いた場合であり、図中の細線の山は、左からＨｘ，ＢＨｘ，Ｂ２Ｈｘにそれぞれ対応する。
【００４６】
従来のイオンスペクトル測定では遮蔽板を逐次移動させて位置を確認し、その度にファラデーカップ電流を計測する方式がとられていた。そのため、測定に長時間を要していた。
これに対し、本発明では一体のファラデーカップ１５を用いてファラデーカップ電流を一括で測定する方式をとることにより、可動式遮蔽板１６を全開から全閉に移動するだけの短時間にイオンスペクトル測定ができる。従って、従来と比較して測定時間を大幅に短縮することができる。
【００４７】
この一括測定方式により、可動式遮蔽板１６の位置情報をイオンの質量に変換して、その情報とファラデーカップ１５の電流情報とを組み合わせて図４の電流量のようなビームのイオンスペクトルが得られる。この電気量から、例えばＢ２Ｈｘを対象イオンとした場合、その必要イオン種電気量と総電気量の比率を容易に求めることができる。
【００４８】
またこの電流値を差分表示することで、図４の変換データのような、一般的なピーク分布表示ができ、質量数と各イオン量の関係がより明確になる。
【００４９】
さらに、図１及び図２において、制御装置２０により必要なイオン種の比率を求め、その結果を装置の運転条件（注入量設定値、電極電圧等）にフィードバックすることにより、必要なイオンの注入量の精度を向上することができる。
また希望するイオン種のみを連続して測定する定点測定を可能とした。イオンスペクトル測定は実際の注入処理の直前に実施され、注入量の設定値にフィードバックされる。
【００５０】
質量分析器１０は注入中もイオンビームを取り込んで測定可能なように、基板の外側に設置されている。そのため例えば、イオンスペクトル測定でＢ２Ｈｘイオンの検出範囲を特定し、その範囲のみを検出できるよう他の部分を複数の可動式遮蔽板１６で覆い、ファラデーカップ電流を連続的に測定することにより、Ｂ２Ｈｘイオン量の変動を注入中でも観測することができる。この変動をリアルタイムで注入量にフィードバックすることにより、より正確な注入が可能となる。
【００５１】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の質量分析器を備えたイオン注入装置の全体構成図である。
【図２】本発明の質量分析器を備えた別のイオン注入装置の全体構成図である。
【図３】本発明の２次電子抑制装置の模式図である。
【図４】イオンビームの質量数と電流量との関係図である。
【図５】特許文献１の装置の模式図である。
【図６】特許文献２の装置の模式図である。
【図７】特許文献３の装置の模式図である。
【図８】特許文献４の装置の模式図である。
【図９】特許文献５の装置の模式図である。
【符号の説明】
【００５３】
１  イオン注入装置、２  イオン源、２ａ  フィラメント、２ｂ  磁石、
３  プラズマ、４  加速電極部、５，５ａ，５ｂ  イオンビーム、
５ｃ  中性粒子、６  基板（ガラス基板）、
１０  質量分析器、１２  分離部、１２ａ  磁場発生部、
１３  永久磁石、１４  検出部、１５  ファラデーカップ、
１６  可動式遮蔽板、１７  中性粒子検出器、
１８  ２次電子抑制装置、１９  永久磁石、２０  制御装置
【図１】
0004822055.tif 000002
【図２】
0004822055.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004822055.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
0004822055.tif 000008
【図８】
0004822055.tif 000009
【図９】
0004822055.tif 000010