(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量分離したイオンを所定のエネルギーに加速もしくは減速し、ビームの基準軸を含む走査面内でのイオンビームの静電的走査と、該走査面に直交する直線に沿ってイオン注入される基板を移動させる機械的走査とを組み合わせたイオン注入装置に於いて、該イオンビームの経路に質量分離を行うための第１の扇形電磁石と質量分離スリットを設け、該質量分離スリットの前方にビームを走査するための静電偏向器と複数の円弧状の電極を備えた加速管とを順次設け、さらに該加速管の前方に偏向面が該静電偏向器の偏向面に一致する第２の扇形電磁石を設置し、該加速管の円弧状の電極の曲率中心と、該第２の扇形電磁石の入口側焦点とを、それぞれ該静電偏向器の偏向中心に一致させたことを特徴とするイオン注入装置。
【請求項２】
上記静電偏向器の代わりに走査用電磁石を設けたことを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
【請求項３】
上記質量分離スリットと上記静電偏向器または上記走査用電磁石との間に、偏向面が上記走査面と一致する第３の扇形電磁石を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のイオン注入装置。
【請求項４】
上記静電偏向器の代わりに偏向面が上記走査面に一致する第３の扇形電磁石を設け、上記イオンビームの通過する真空チャンバーのうちで該第３の扇形電磁石が設けられている部分を電気的に独立させ、さらに該第３の扇形電磁石を通過するイオンの電位を変調させることにより該走査面内でイオンビームを走査させることを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
【請求項５】
上記第３の扇形電磁石の偏向面を、質量分離を行うための上記第１の扇形電磁石の偏向面と一致させ、且つ該第３の扇形電磁石での磁場の向きを該第１の扇形電磁石での磁場の向きと逆にすることにより、この部分でのビームの基準軸をＳ字もしくはＺ字型としたことを特徴とする請求項３または請求項４に記載のイオン注入装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として半導体集積回路の製造工程に於いて、イオン化し且つ質量分離した化学元素を、基板への入射角度を一定に保ったまま、基板面上での注入量の分布として１％以下の均一性を保ちながら、数keVから数百keV程度のエネルギーで大径の基板に打ち込むためのイオン注入装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、中電流型イオン注入装置として例えば図７に示した構成の装置が知られている。この装置は、それぞれ独立した電位の与えられるイオン源ａおよび質量分離のための第１扇形電磁石ｂが配置され、該第１扇形電磁石ｂの前方には第１光軸ｃに沿って質量分離スリットｄ、円筒状の加速管ｅ、多極電極からなる第１静電偏向器ｆ、同じく多極電極からなる第２静電偏向器ｇが配置され、さらにその前方には固定された基板ｈが配置された構成を有する。
【０００３】
このイオン注入装置は、イオン源ａから例えば３０keVのエネルギーで引き出されたイオンは、第１扇形電磁石ｂと質量分離スリットｄを通過することにより所定の質量のイオンのみに選別された後、第１光軸ｃに沿って飛行し、加速管ｅで数keVから数百keVの所定のエネルギーまで加速または減速される。所定のエネルギーに達したイオンは、第１静電偏向器ｆで第１光軸ｃを含むある面内で偏向され、第２静電偏向器ｇで第１静電偏向器ｆとはほぼ逆の方向に偏向され、固定された基板ｈに入射する。第１静電偏向器ｆ及び第２静電偏向器ｇでの偏向角及び偏向面を変化させて２次元的に走査することにより、基板ｈに注入される角度を一定に保ったまま均一性良くイオンを注入することができる。
【０００４】
一般にイオン注入装置において、飛行中のイオンは、残留ガスとの衝突などによってその一部は電気的に中性となり、電磁的に制御できなくなる可能性がある。このような中性粒子を除去する目的で、第２静電偏向器ｇと基板ｈは、第１光軸ｃに対して例えば７度程度ずらした第２光軸ｉを基準に設置されている。
【０００５】
また、従来の中電流型イオン注入装置の他の例として、加速管より前方の構成が図８に示す構成としたものも知られている。同図において、図示してない加速管を通過した質量分離され且つ所定のエネルギーとなったイオンは、走査用電磁石ｊにおいて一定の面内で走査される。該走査用電磁石ｊの前方には、その偏向面が走査用電磁石ｊでの走査面に一致するように第２扇形電磁石ｋが設けられ、基板ｈはその走査面に直交する方向に機械的に駆動されるプラテンｌの上に設置されている。扇形電磁石は、一般にはイオンビームに対して凸レンズ作用を営むが、第２扇形電磁石ｋの入口側の焦点を走査用電磁石ｊでの偏向中心に一致させることにより、基板ｈに照射されるイオンの入射角度は、走査用電磁石ｊでの走査角度に関わりなく一定となる。走査用電磁石ｊでのイオンビームの走査とプラテンｌの機械的走査を併用することにより、基板ｈに注入される角度を一定に保ったままで均一性良くイオンを注入することができる。
【０００６】
従来の中電流型イオン注入装置の更に他の例として、図９に示す構成のものが知られている。この装置では、質量分離スリットｄの前方に一対の電極からなる静電偏向器ｍが設けられ、該静電偏向器ｍの前方にはイオンビームに対して強い凸レンズ作用を持たせた収束電磁石ｎを設け、その前方には静電偏向器ｍでの走査面に長手方向が一致する矩形加速管ｏが設けられる。基板ｈは、静電偏向器ｍでの走査面に直交する方向に機械的に駆動されるプラテンｌの上に設置されている。該収束電磁石ｎの入口側焦点を静電偏向器ｍでの偏向中心に一致させることにより、矩形加速管ｏに入射するビームの角度が走査角に関わらず一定となる。一般に加速管はイオンビームに対してレンズ作用を持つが、矩形の加速管の場合はその長手方向に関するレンズ作用は小さい。従って、矩形加速管ｏの長手方向を静電偏向器ｍでの偏向面に一致させることにより、基板ｈに照射されるイオンの入射角度は、静電偏向器ｍでの走査角度に関わりなく一定となる。静電偏向器ｍでのイオンビームの走査とプラテンｌの機械的走査を併用することにより、基板ｈに注入される角度を一定に保ったままで均一性良くイオンを注入することが出来る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
半導体集積回路は、デバイスの高速化に伴って集積度が年々高くなると同時に、製造に用いられる基板の大きさが直径１５０mmから２００、３００mmへと年々大きくなっている。
【０００８】
半導体集積回路の製造で用いられるイオン注入装置の場合、飛行中のイオンが残留ガスとの衝突などによる荷電変換が原因となり、所定のエネルギーとは異なるエネルギーで注入されてしまういわゆるエネルギー汚染や、基板上で空間的に偏って化学元素が注入される分布異常などが、生産性を悪化させる大きな問題になっている。半導体デバイスの集積度が高くなるのに従って、エネルギー汚染や分布異常を低減させる要求が強くなっている。
【０００９】
さらに、基板サイズの大型化が生産性の向上を主目的としているものであり、基板サイズが大きくなるにも関わらず基板１枚あたりの処理時間を短縮することの要望が存する。イオン注入装置の場合、基板サイズが大型化するのに伴いイオンビームの電流も増大する必要があるが、その増大で基板に投入される熱量は増大し、脱ガスは増える傾向になるため、エネルギー汚染や分布異常はますます深刻な問題となりつつある。
【００１０】
一方、イオン注入装置は半導体製造装置の中でも比較的大型であるため、装置が大型になることは量産工場のレイアウトからは望ましくない。基板サイズが大型になるのに伴って、エンドステーションは必然的に大きくならざるを得ないので、イオンビームが飛行する領域を出来るだけ小さくしなければこの要望に応えられない。
【００１１】
図７の従来のイオン注入装置において、第２静電偏向器ｇを通過中のイオンの荷電変換は、基板ｈでの異常分布につながる。一方、第２静電偏向器ｇの内径はほぼ基板ｈのサイズと同等もしくはそれ以上に大きいため、基板からの脱ガスはただちに第２静電偏向器ｇの内部に拡散しやすく、この領域での圧力が増加しやすい傾向を持つ。したがって、ビーム電流の増加にともなって基板から脱ガスが増え、分布異常を引き起こしやすい不都合がある。
【００１２】
また、図８で示す従来のイオン注入装置においては、走査電磁石ｊでの走査角度に関わらず一定の角度でイオンが基板ｈに注入されるためには、走査電磁石ｊは第２扇形電磁石ｋの入口側焦点におかれている必要がある。第２扇形電磁石ｋを通過するイオンのエネルギーは注入エネルギーに等しい。代表的な注入イオンである燐（Ｐ）を３００keVで注入することを想定して第２扇形電磁石ｋに要求される仕様の例を挙げると、磁束密度が０．３ステラ、偏向角度が４５度、軌道半径が１メートル、電磁石の入口から入口側焦点までの距離が１メートルとなる。その結果、走査電磁石ｊから基板ｈまでに必要な距離は３メートルにもなる。
【００１３】
さらに図９に示す構成のイオン注入装置も公知であり、この装置においては、収束電磁石ｎを通過するイオンのエネルギーはイオン源から引き出された際のエネルギーに等しいので、一般には３０keV程度と比較的低い。したがって収束電磁石ｎは比較的小型で済み、図８の従来装置のように走査用電磁石ｊから第２扇形電磁石ｋまでの距離が長くなると言った問題は起こらない。しかし図９の装置では、基板ｈからの脱ガスは比較的容易に矩形加速管ｏの内部へ拡散しやすい構造のため、矩形加速管ｏにおいて加速もしくは減速されるイオンがガスとの衝突により荷電変換をおこし、所定のエネルギーとは異なったエネルギーで基板に注入され、エネルギー汚染を引き起こしやすい。
【００１４】
本発明は、上記の問題を解決し、基板サイズが大型になっても装置が大型化せず、エネルギー汚染や分布異常の少ないイオン注入装置を提供することを目的とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明では、質量分離したイオンを所定のエネルギーに加速もしくは減速し、ビームの基準軸を含む走査面内でのイオンビームの静電的走査と、該走査面に直交する直線に沿ってイオン注入される基板を移動させる機械的走査とを組み合わせたイオン注入装置に於いて、該イオンビームの経路に質量分離を行うための第１の扇形電磁石と質量分離スリットを設け、該質量分離スリットの前方にビームを走査するための静電偏向器と複数の円弧状の電極を備えた加速管とを順次設け、さらに該加速管の前方に偏向面が該静電偏向器の偏向面に一致する第２の扇形電磁石を設置し、該加速管の円弧状の電極の曲率中心と、該第２の扇形電磁石の入口側焦点とを、それぞれ該静電偏向器の偏向中心に一致させることにより、上記の目的を達成するようにした。該静電偏向器の代わりに走査用電磁石を設けることも可能であり、該質量分離スリットと該静電偏向器または走査用電磁石との間に、偏向面が上記走査面と一致する第３の扇形電磁石を設けることが好ましい。該静電偏向器の代わりに偏向面が上記走査面に一致する第３の扇形電磁石を設け、上記イオンビームの通過する真空チャンバーのうちで該第３の扇形電磁石が設けられている部分を電気的に独立させ、さらに該第３の扇形電磁石を通過するイオンの電位を変調させることにより該走査面内でイオンビームを走査してもよい。更に、該第３の扇形電磁石の偏向面を、質量分離を行うための上記第１の扇形電磁石の偏向面と一致させ、且つ該第３の扇形電磁石での磁場の向きを該第１の扇形電磁石での磁場の向きと逆にすることにより、この部分でのビームの基準軸をＳ字もしくはＺ字型とすることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づき説明すると、図１に於いて符号１はイオンをビーム状に出射するイオン源を示し、該イオン源１の前方にはイオンビーム中から特定のイオンのみを質量分離するための第１の扇形電磁石２と質量分離スリット３が設けられ、該スリット３の前方には一定の面内でイオンビームを走査するための一対の電極４ａ、４ｂからなる静電偏向器４が設けられる。これらは電気的にグランドレベルから独立した電位にある高電圧ターミナル５の内部に置かれる。該静電偏向器４の前方には、その曲率中心が静電偏向器４における偏向中心４ｃに一致する円弧状の電極からなる加速管６が設けられ、その前方には、その入口側焦点が偏向中心４ｃに一致する位置に第２の扇形電磁石７を設け、さらにその前方に該静電偏向器４での走査面に直交する直線すなわち紙面に垂直方向の直線に沿って機械的に駆動できるプラテン９を設け、イオン注入されるべき基板８を該プラテン９に固定した。尚、静電偏向器４の代わりに走査用の電磁石（図示せず）を用いてもよい。
【００１７】
該加速管６は、図２に示したように、同心円筒の一部からなる円弧状の３枚の電極６ａ、６ｂ、６ｃから構成されたもので、その第１の電極６ａは高電圧ターミナル５と同電位であり、最終の電極６ｃは電気的にグランドレベルにある。中間の電極６ｂの電位は任意であり、さらに同図においては中間の電極６ｂが１枚であるが必要に応じて２枚以上で構成してもよい。ただし、全ての電極は、走査器である静電偏向器４の偏向面４ｄにおける曲率中心が、該偏向器４での偏向中心４ｃに合致していることが必要である。
【００１８】
この例では、同心円筒の一部からなる円弧状の電極６ａ、６ｂ、６ｃにより作られる電場は、そこに形成される電位に関わりなく、同心円の周方向（即ち角度の方向）の成分を持たない。従って、静電偏向器４で走査面４ｄ内で走査された荷電粒子は、加速管６での加速もしくは減速に関わらず、走査面４ｄ内での軌道は変化しないで直線運動を続ける。さらに、第２扇形電磁石７の入口側焦点が該偏向器４の偏向中心４ｃに一致しているので、第２扇形電磁石７を通過して基板８に入射するイオンは、該偏向器４での走査角および加速管６での加速もしくは減速に関わらず、基板８に対し一定の角度になる。このビームの走査と同時に、走査面４ｄに直交する直線に沿ってプラテン９が基板８を機械的に走査することにより、基板８に対する角度を一定に保ったまま、均一性良くイオンを基板８に注入することが出来る。
【００１９】
一般に分布異常は、基板８にイオンビームが照射される際に生じる脱ガスによって引き起こされる。本発明はこの分布異常を解消することを一課題としており、これに関する影響を説明すれば以下の通りである。基板８のサイズが直径３００mmの場合、ビームの走査する幅はほぼ４０cm程度は必要である。この場合、図７に示した従来の装置における第２静電偏向器ｇの開口面積は１１７０ｃｍ2程度以上となるが、本発明の図１の例では、第２扇形電磁石７の開口の高さは１０ｃｍ以下で十分であるので、その開口面積は４００ｃｍ2程度となり、従来例の１／３程度になる。従って、第２扇形電磁石７の内部においてイオンビームが残留ガスと衝突して荷電変換を起こし、所定の軌道からずれて分布異常を引き起こす程度は、従来の第２静電偏向器ｇの場合に比べて数分の１以下となる。
【００２０】
本発明は加速もしくは減速の際に生じる荷電変換によって引き起こされるエネルギー汚染を解消することも課題としており、エネルギー汚染に関する影響を説明すれば次の通りである。一般に扇形電磁石の内部における荷電粒子の軌道半径Ｒは、Ｒ＝（２Ｍφ／ｅ）1/2／Ｂで与えられる。ここでＭは荷電粒子の質量、φは静電ポテンシャル、ｅは電荷、Ｂは扇形電磁石の磁束密度である。加速もしくは減速の途中で荷電変換を起こした場合、荷電粒子の電荷ｅや静電ポテンシャルφが大きく変化する。従って、これらの粒子の第２扇形電磁石７における軌道は所定のものと大きく異なり、その大部分は基板８に到達しないと予測される。また、基板８と加速管６の間に第２扇形電磁石７が存在するため、基板８から発生した脱ガスが加速管６の内部にまで拡散する程度は図９の従来例に比べて圧倒的に小さくなる。従って、本発明によれば、エネルギー汚染が従来のものより圧倒的に少なくなる。
【００２１】
更に、本発明の装置では、静電偏向器４と第２扇形電磁石７との間に加速管６が組み込まれているので、従来装置のように加速管を静電偏向器とイオン源の間、もしくは収束電磁石と基板との間に置く必要がなく、この間の距離が有効に活用されている。また、図８の装置では、基板に注入されるエネルギーにまで加速されているイオンビームを走査するものであり、最高では３００keV程度の高エネルギーのイオンビームを数度程度偏向する必要があるが、本発明の装置では、イオンビームのエネルギーが３０keV程度と比較的小さい状態で偏向するから、静電偏向器４の大きさは図８の装置の第２走査用電磁石ｊの半分以下の大きさでよい。一般に加速管の長さは０．５ｍないし１．０ｍ程度であり、３００keV程度のイオンビームを偏向する偏向器の長さも０．５ｍ程度は必要である。本発明の場合、装置のビーム系の長さを図８のものに比べて少なくとも１ｍ程度は短く実現することができる。
【００２２】
図３に示した装置は、本発明の他の実施例であり、これに於いては質量分離スリット３と静電偏向器４との間に第３の扇形電磁石１０を設けた構成が図１のものと相違する。この第３の扇形電磁石１０のイオン光学上の意味を図４ａ及び図４ｂに基づき原理的に説明すると以下の通りである。イオン注入装置においては、既に述べたように、基板への入射角度を一定に保ったままビームを基板上で走査する必要がある。これと同時に、イオンが均一性良く基板に照射されるためには、基板上でのビームスポットの大きさが基板の大きさに比較して十分に小さいことが望ましい。この二つの要件を満たすためには、質量分離スリット、ビームを走査する偏向器の偏向中心、凸レンズとしての第２扇形電磁石、基板、が図４ａのような関係にあることが要求される。即ち、質量分離スリットＡの凸レンズＣによる像Ａ’が基板Ｄ上に結像し、かつ偏向中心Ｂが凸レンズＣの入口側焦点Ｅに一致することが必要である。この原理図４ａから明らかなように、上記の条件は、質量分離スリットＡと偏向中心Ｂはある程度の距離だけ離れていないと実現できない。これに対して、図４ｂに示したように、質量分離スリットＡと偏向中心Ｂとの間に第２の凸レンズＦを挿入することにより、この距離を大幅に短縮することが出来る。さらにイオンビームに対するレンズとして、図３のように第３の扇形電磁石１０を採用することにより、質量分離スリット３と偏向器４との距離を短縮できるだけでなく、図３に示したように高電圧ターミナル５の内部におけるビームの基準軸がＵ字型となり、装置の全長を大幅に短縮することが出来る。
【００２３】
図５に示した装置は、本発明の更に他の実施例であり、これに於いては第３の扇形電磁石１０に囲まれる真空チャンバー部分が電気的に独立とされ、且つ静電偏向器４が除かれた構成が図３のものと相違する。この例では、イオンビームの通過する真空チャンバーのうちで、前記第３扇形電磁石１０を設けているチャンバー部分１３を絶縁碍子１２および絶縁碍子１４により電気的に独立させた。このチャンバー部分１３の電位を高電圧ターミナル５に対して変調することにより、第３扇形電磁石１０での偏向角を変化させ、これによりビームを走査することが出来る。この実施例では、図３の実施例で扇形電磁石１０の前方に設けられていた偏向器４を省略することができるので、図３の例よりも更に装置の全長を短くすることが出来る。
【００２４】
図６は本発明の更に他の実施例を示し、これに於いては第１扇形電磁石２でのビーム偏向方向を第３扇形電磁石１０のそれと逆にした。イオン注入装置において最も頻繁にメンテナンスを必要とするのはイオン源１であり、図３の例ではイオン源１の着脱は高電圧ターミナル５と図示してないエンドステーションの間の空間から行う必要があるが、この図６の実施例では、イオン源１の着脱は装置の外側から行える。従ってこの場合は、装置を大型にすることなくイオン源のみを突出させて装置を構成することが出来ると共にメンテナンスが容易になる。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように本発明によるときは、イオンビームの静電的走査と基板の機械的走査とを組み合わせたイオン注入装置にのイオンビーム経路に、第１扇形電磁石、質量分離スリット、静電偏向器、複数の円弧状からなる加速管、偏向面が該静電偏向器の偏向面に一致する第２の扇形電磁石を設置し、該加速管の円弧状の電極の曲率中心と、該第２の扇形電磁石の入口側焦点とを、それぞれ該静電偏向器の偏向中心に一致させたので、基板サイズが大型でも基板にイオンの分布異常やエネルギー汚染の少ないイオン注入を行え、装置を小型に構成できメンテナンスの容易なイオン注入装置が得られる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す一部切断平面図
【図２】図１の加速管の模式的な斜視図
【図３】本発明の他の実施の形態を示す一部切断平面図
【図４】図３の例での光学的な原理の説明図
【図５】本発明の更に他の実施の形態を示す一部切断平面図
【図６】本発明の更に他の実施の形態を示す一部切断平面図
【図７】従来の中電流型イオン注入装置の説明図
【図８】従来の他の中電流型イオン注入装置の説明図
【図９】従来の更に他の中電流型イオン注入装置の説明図
【符号の説明】
１  イオン源、２  第１の扇形電磁石、３  質量分離スリット、４  静電偏向器、５  高電圧ターミナル、６  加速管、７  第２の扇形電磁石、８  基板、９  プラテン、１０  第３の扇形電磁石、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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