イオンビーム照射装置および半導体デバイスの製造方法
【課題】 電界放出型電子源を用いて、イオンビームの空間電荷を効率良く中和して、空間電荷によるイオンビームの発散を効果的に抑制することができる装置を提供する。
【解決手段】 このイオンビーム照射装置は、イオンビーム２の経路の近傍に設けられていて電子１２を放出する電界放出型電子源１０を備えている。電界放出型電子源１０は、それから放出するときの電子１２の、イオンビーム２の進行方向に平行な方向からの角度である入射角度が、−１５度から＋４５度（イオンビーム２の内向きが＋、外向きが−）の範囲内の角度を成す向きに配置されている。
【解決手段】 このイオンビーム照射装置は、イオンビーム２の経路の近傍に設けられていて電子１２を放出する電界放出型電子源１０を備えている。電界放出型電子源１０は、それから放出するときの電子１２の、イオンビーム２の進行方向に平行な方向からの角度である入射角度が、−１５度から＋４５度（イオンビーム２の内向きが＋、外向きが−）の範囲内の角度を成す向きに配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、イオン源から引き出したイオンビーム（この明細書では正イオンビーム）をターゲットに照射してイオン注入等の処理を施す構成のイオンビーム照射装置およびそれを用いた半導体デバイスの製造方法に関する。イオン注入を行う場合は、このイオンビーム照射装置はイオン注入装置とも呼ばれる。
【背景技術】
【０００２】
イオン源から引き出したイオンビームをターゲットに照射してイオン注入等の処理を施すイオンビーム照射装置においては、装置のスループットを高めると共に、ターゲット上に形成する半導体デバイスの微細化に対応するためにイオン注入深さを浅くする等の観点から、低エネルギーかつ大電流のイオンビームを効率良く輸送することが望まれている。
【０００３】
しかし、イオンビームが低エネルギーかつ大電流になるほど、イオンビームの空間電荷による発散が大きくなるため、イオンビームを効率良く輸送することが困難になる。この問題を解決する技術の一つとして、輸送中のイオンビームに外部から電子を供給して、当該電子によってイオンビームの空間電荷を中和する技術が知られている。
【０００４】
その場合、中和を効率良く行うと共に、供給した電子によるターゲット表面の負帯電を抑制する等の理由から、低エネルギーの電子を多量に発生させることができる電子源を用いるのが好ましい。
【０００５】
低エネルギーの電子を多量に発生させることができる電子源として、電界放出型電子源が特許文献１に記載されている。即ち、この文献には、低エネルギーの電子を多量に発生させることができる電界放出型電子源をターゲットの近くに配置し、当該電界放出型電子源から放出した電子をイオンビームの横からイオンビームにほぼ直角に入射させて、イオンビーム照射の際のターゲット表面の帯電（チャージアップ）を抑制する技術が記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２６１８９号公報（段落０００７−０００９、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載されたターゲット表面の帯電抑制と、イオンビームの空間電荷中和とは、互いに目的が違う異なる技術であるが、発明者達は、特許文献１に記載されたような電界放出型電子源を、イオンビームの空間電荷中和に利用することを思いつき、検討してみた。
【０００８】
しかし、特許文献１に記載の技術と同様に、電界放出型電子源から放出させた電子を横からイオンビームにほぼ直角に入射させても、イオンビームの空間電荷中和ひいてはイオンビームの発散抑制の効果は低いことが分かった。
【０００９】
これは、電子を上記のように入射させても、電子の多くは、電子が持つ運動エネルギーによって、あるいはイオンビームが持つ正のビームポテンシャルによる加速も加わって、イオンビームを通り抜けてイオンビームを跨ぐように運動し、そのために上記電子のイオンビーム中での存在確率が低く、従ってイオンビームの空間電荷を効率良く中和することが難しいからである。
【００１０】
そこでこの発明は、電界放出型電子源を用いて、イオンビームの空間電荷を効率良く中和して、空間電荷によるイオンビームの発散を効果的に抑制することができる装置を提供することを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係るイオンビーム照射装置は、イオンビームの経路の近傍に設けられていて電子を放出する電子源であって、導電性のカソード基板上に形成されていて先端が尖った形状をした多数の微小なエミッタ、および、この各エミッタの先端付近を微小な間隙をあけて取り囲む引出し電極を有する電界放出型電子源を備えており、かつ当該電界放出型電子源は、それから放出するときの電子の、前記イオンビームの進行方向に平行な方向からの角度である入射角度が、−１５度から＋４５度（イオンビームの内向きが＋、外向きが−）の範囲内の角度を成す向きに配置されている、ことを特徴としている。
【００１２】
電界放出型電子源を上記のような向きに配置して、電界放出型電子源から放出するときの電子のイオンビームに対する入射角度を上記範囲内にすると、当該電子のイオンビーム中での存在確率が高まる。その結果、イオンビームの空間電荷を効率良く中和して、空間電荷によるイオンビームの発散を効果的に抑制することができる。
【００１３】
上記入射角度は、−１５度から＋３０度の範囲内がより好ましく、実質的に０度から＋１５度の範囲内が更に好ましく、実質的に０度が最も好ましい。
【００１４】
上記電界放出型電子源は、イオンビームの進行方向の下流側に向けて電子を放出する向きに配置しても良いし、上流側に向けて電子を放出する向きに配置しても良い。
【００１５】
上記電界放出型電子源は、イオンビームの経路の片側に配置しても良いし、イオンビームの経路を挟んで両側に配置しても良い。
【００１６】
上記電界放出型電子源の位置において、イオンビームが、その進行方向Ｘと交差する面内におけるＹ方向の寸法が当該Ｙ方向と直交するＺ方向の寸法よりも大きい形状をしている場合、上記電界放出型電子源は、Ｙ方向に沿って伸びた形状をしているのが好ましい。
【００１７】
上記ターゲットを半導体基板とし、上記イオンビーム照射装置を用いて、当該半導体基板にイオンビームを照射してイオン注入を行って、当該半導体基板上に複数の半導体デバイスを製造しても良い。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１に記載の発明によれば、電界放出型電子源を上記のような向きに配置して、電界放出型電子源から放出するときの電子のイオンビームに対する入射角度を上記範囲内にすることによって、当該電子のイオンビーム中での存在確率が高まるので、イオンビームの空間電荷を効率良く中和して、空間電荷によるイオンビームの発散を効果的に抑制することができる。その結果、イオンビームの輸送効率を向上させることができる。
【００１９】
請求項２に記載の発明によれば、入射角度を上記範囲内にすることによって、電界放出型電子源から放出した電子によってイオンビームの空間電荷をより効率良く中和して、空間電荷によるイオンビームの発散をより効果的に抑制することができる。その結果、イオンビームの輸送効率をより向上させることができる。
【００２０】
請求項３に記載の発明によれば、入射角度を上記範囲内にすることによって、電界放出型電子源から放出した電子によってイオンビームの空間電荷をより一層効率良く中和して、空間電荷によるイオンビームの発散をより一層効果的に抑制することができる。その結果、イオンビームの輸送効率をより一層向上させることができる。
【００２１】
請求項４に記載の発明によれば、入射角度を実質的に０度にすることによって、電界放出型電子源から放出した電子によってイオンビームの空間電荷を更に効率良く中和して、空間電荷によるイオンビームの発散を更に効果的に抑制することができる。その結果、イオンビームの輸送効率を更に向上させることができる。
【００２２】
請求項５に記載の発明によれば、電界放出型電子源を下流側に向けて配置することによって、電界放出型電子源をターゲットよりも上流側に離して配置して、ターゲットまでの長い距離に亘ってイオンビームの発散を効果的に抑制することができる。
【００２３】
請求項６に記載の発明によれば、電界放出型電子源を上流側に向けて配置することによって、電界放出型電子源から放出した電子によってイオンビームの空間電荷を効率良く中和して空間電荷によるイオンビームの発散を効果的に抑制することができることに加えて、電界放出型電子源から放出した電子がターゲットに入射しにくくなるので、当該電子によるターゲット表面の負帯電を抑制することができるという更なる効果を奏する。これは、電界放出型電子源から放出する電子のエネルギーがあまり低くない場合に特に大きな効果を発揮する。
【００２４】
請求項７に記載の発明によれば、電界放出型電子源をイオンビームの経路を挟んで両側に配置することによって、イオンビームにその両側から電子を供給することができるので、イオンビームの空間電荷をより効率良く中和して、空間電荷によるイオンビームの発散をより効果的に抑制することができる。
【００２５】
請求項８に記載の発明によれば、電界放出型電子源がＹ方向に沿って伸びた形状をしているので、イオンビームが、Ｙ方向の走査を経ることによって、または走査を経ることなく、Ｙ方向に長い形状をしていても、イオンビームのより広い領域に亘ってより均一にイオンビームの空間電荷を中和することができる。
【００２６】
請求項９に記載の発明によれば、空間電荷が中和されて発散の少ないイオンビームを用いて、半導体基板上に複数の半導体デバイスを製造することができるので、同一の半導体基板上に特性の揃った複数の半導体デバイスを製造することができる。その結果、歩留まりが向上し、半導体デバイスの生産効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１は、この発明に係るイオンビーム照射装置の一実施形態を示す概略側面図である。このイオンビーム照射装置は、イオン源１から引き出したイオンビーム２を、ホルダ６に保持されたターゲット４に照射して、ターゲット４にイオン注入等の処理を施すよう構成されている。ホルダ６は、例えば、接地電位にある。イオンビーム２の輸送経路およびホルダ６は、図示しない真空容器内に配置されていて、真空雰囲気中に置かれる。
【００２８】
ターゲット４は、例えば、半導体基板、ガラス基板等である。
【００２９】
イオン源１からホルダ６までのイオンビーム２の輸送経路には、必要に応じて、イオンビーム２の質量分離を行う質量分離器、イオンビーム２の走査を行う走査器等が設けられる。
【００３０】
イオンビーム２の経路の近傍に、電子１２を放出する電界放出型電子源１０が設けられている。この実施形態では、電界放出型電子源１０は、イオンビーム２の進行方向Ｘの下流側に向けて電子１２を放出する向きに配置されている。更に、電界放出型電子源１０は、イオンビーム２の経路を挟んで両側（Ｚ方向の両側）に配置されている。
【００３１】
電界放出型電子源１０の位置において、イオンビーム２は、断面形状がスポット状をしていても良いし、図２に示す例のように、イオンビーム２の進行方向Ｘと交差する面内におけるＹ方向の寸法が当該Ｙ方向と交差するＺ方向の寸法よりも大きい（より具体的には、十分に大きい）、いわゆるリボン状（これはシート状または帯状とも呼ばれる）の形状をしていても良い。リボン状と言っても、厚さが紙のように薄いという意味ではない。
【００３２】
リボン状のイオンビーム２は、例えば図２に示すようなスポット状のイオンビーム２ａをＹ方向に往復走査することによってリボン状をしていても良いし、走査を経ることなく、イオン源１から引き出した状態でリボン状をしていても良い。
【００３３】
ターゲット４は、この実施形態では、ホルダ６と共に、ターゲット駆動装置８によって、Ｙ方向と交差する方向（即ち、Ｚ方向に沿う方向、またはそれから傾いた方向）に機械的に往復駆動される。イオンビーム２のＹ方向の幅は、ターゲット４の同方向の寸法よりも若干大きく、このことと、上記往復駆動とによって、ターゲット４の全面にイオンビーム２を照射することができる。
【００３４】
なお、上記Ｙ方向を水平方向と見てもよいし、垂直方向と見ても良いし、それらから傾いた方向と見ても良い。
【００３５】
電界放出型電子源１０は、図３にその一部分を拡大して示すように、導電性のカソード基板１６と、このカソード基板１６の表面に形成されていて先端が尖った形状をした多数の微小なエミッタ１８と、この各エミッタ１８の先端付近を微小な間隙２６をあけて取り囲む、各エミッタ１８に共通の引出し電極（ゲート電極とも呼ばれる）２２と、この引出し電極２２とカソード基板１６との間に設けられていて両者間を絶縁する絶縁層２０とを備えている。カソード基板１６と各エミッタ１８とは互いに電気的に導通している。
【００３６】
各エミッタ１８は、先端が鋭く尖った形状をしている。換言すれば、先端ほど尖った形状をしている。図３に示した例は円錐状をしているが、それ以外に角錐状等の形状をしていても良い。
【００３７】
引出し電極２２は、各エミッタ１８に対応する位置に微小な小孔２４を有している。各小孔２４は、例えば円形をしており、この各小孔２４の中心部に各エミッタ１８の先端付近が、小孔２４の内壁との間に微小な間隙２６をあけて位置している。
【００３８】
各エミッタ１８の高さ、基底部の直径Ｄ3 、各小孔２４の直径、各間隙２６の寸法は、μｍ単位の微小なものである。
【００３９】
上記のようなエミッタ１８をカソード基板１６上に多数形成している。多数というのは数十個〜数百個というような数ではなく、簡単に言えば、少なくとも１万個程度以上ということである。具体例を示せば、この実施形態の電界放出型電子源１０は、図２に示すように、１個の電界放出型電子源１０内に、複数個の電子源アレイ１４を有しており、各電子源アレイ１４はそれぞれ１万〜２万個程度のエミッタ１８を有している。各電界放出型電子源１０を構成する電子源アレイ１４の数は、図２に示す３個に限られるものではない。
【００４０】
再び図３を参照して、電界放出型電子源１０のカソード基板１６と引出し電極２２との間には、引出し電極２２を正極側にして、各エミッタ１８から電界放出によって電子１２を放出させる引出し電圧Ｖ1 を印加する直流の引出し電源３２が接続されている。引出し電圧Ｖ1 は、例えば、５０Ｖ〜１００Ｖ程度である。
【００４１】
カソード基板１６と接地電位部との間には、必要に応じて、図３に示す例のように、電界放出型電子源１０から放出する電子１２のエネルギーを調整するエネルギー調整電源３６を接続しておいても良い。その出力電圧Ｖ3 は、例えば、０Ｖ〜５０Ｖ程度である。
【００４２】
この電界放出型電子源１０は、上記のような低い引出し電圧Ｖ1 で電子１２を放出させることができるので、低エネルギーの電子１２を放出することができる。しかも、多数のエミッタ１８を有しているので、電子１２を多量に発生させることができる。例えば、１個の電子源アレイ１４から１００μＡ〜１ｍＡ程度の電子１２を発生させることができる。電子源アレイ１４を複数個有していれば、その個数倍の量の電子１２を発生させることができる。
【００４３】
また、電界放出型電子源１０は、半導体デバイスに似た構造をしているので、非常に小型化することができる。しかも、イオンビーム２の経路を真空雰囲気に保つ真空容器内に配置して動作させることができる。従って、電界放出型電子源１０をイオンビーム２の経路に非常に近づけて配置することができる。
【００４４】
電界放出型電子源１０は、図４に示す例のように、引出し電極２２よりも電子１２の放出方向側に引出し電極２２に沿って設けられていて、多数の小孔３０を有する第２引出し電極２８を更に備えるものでも良い。両引出し電極２２、２８間は、空間または図示しない絶縁層等を介して電気的に絶縁されている。カソード基板１６と第２引出し電極２８との間には、両者間に、電界放出型電子源１０から放出する電子１２のエネルギーを調整する第２引出し電圧Ｖ2 を印加する直流の第２引出し電源３４が接続されている。Ｖ2 ＞Ｖ1 とすれば、放出する電子１２のエネルギーをより大きくする加速モードで運転し、Ｖ2 ＜Ｖ1 とすれば、放出する電子１２のエネルギーをより小さくする減速モードで運転することができる。
【００４５】
図５に示すように、電界放出型電子源１０から放出するときの電子１２の、イオンビーム２の進行方向Ｘに平行な方向４０からの角度θを入射角度と呼ぶことにする。この入射角度θは、イオンビーム２の内向きが＋（正）、外向きが−（負）とする。
【００４６】
上記特許文献１に記載されている電界放出型電子源は、この入射角度θでいえば、それが約９０度を成す向きに配置されている。これに対して、この実施形態では、各電界放出型電子源１０は、入射角度θが例えば−１５度から＋４５度の範囲内の角度を成す向きに配置されている。
【００４７】
各電界放出型電子源１０を、このような９０度よりも十分に小さい入射角度θの向きに配置することができるのは、前述したように、各電界放出型電子源１０は非常に小型化することができ、かつ真空雰囲気中で動作させることができるので、各電界放出型電子源１０をイオンビーム２の経路に非常に近づけて配置することができるからである。
【００４８】
また、各電界放出型電子源１０から電子１２を上記のような小さい入射角度θで放出しても、イオンビーム２内およびその周りにはイオンビーム２が作る正のビームポテンシャルＶP が存在するので、当該ビームポテンシャルＶP によって電子１２はイオンビーム２に引き込まれて、イオンビーム２の空間電荷の中和に寄与することができる。
【００４９】
しかも、各電界放出型電子源１０から放出するときの電子１２の入射角度θを上記範囲内にすると、電子１２がイオンビーム２を通り抜けてイオンビーム２を跨ぐように運動する割合が減るので、電子１２のイオンビーム２中での存在確率が高まる。その結果、イオンビーム２の空間電荷を効率良く中和して、空間電荷によるイオンビーム２の発散を効果的に抑制することができる。従って、イオンビーム２の輸送効率を向上させることができる。
【００５０】
上記電子１２の入射角度θとイオンビーム２の中和、即ち発散抑制との関係をシミュレーションした結果を次に説明する。
【００５１】
図７に、電子１２を供給しないときのイオンビーム２の空間電荷による発散の一例を示す。これ以下のシミュレーションにおいて、イオンビーム２のイオン種は31Ｐ+ 、エネルギーは５００ｅＶ、電流は２５μＡ、Ｘ＝０ｍｍの位置における直径Ｄ1 は５０ｍｍとした。電子１２を供給しないときは、Ｘ＝３５０ｍｍの位置において、イオンビーム２の直径Ｄ2 は１９３ｍｍであり、大きく発散していることが分かる。
【００５２】
図８に、電子１２を供給してイオンビーム２の中和を行うシミュレーションの初期条件を示す。Ｘ＝０ｍｍの位置において、ＹＺ平面内に、イオンビーム２を構成するイオン２ｂを分散させて配置し、その周囲に電子１２を円形に配置した。この電子１２を、様々な入射角度θで放出した。このとき、電子１２のエネルギーは１０ｅＶ、イオンビーム電流Ｉi に対する電子電流Ｉe の比Ｉe ／Ｉi は３４にした。
【００５３】
図９に、入射角度θが８９度の例を示す。これは、特許文献１に記載された電界放出型電子源の配置に近いものである。電子１２はイオンビーム２を何度も通り抜けて往復振動していることが分かる。Ｘ＝３５０ｍｍの位置におけるイオンビーム２の直径Ｄ2 は１８６ｍｍであり、イオンビーム２は大きく発散しており、電子１２はイオンビーム２の空間電荷中和に殆ど寄与していないことが分かる。
【００５４】
図１０に、入射角度θが３０度の例を示す。電子１２の殆どがイオンビーム２の軌道内に捕捉されていることが分かる。Ｘ＝３５０ｍｍの位置におけるイオンビーム２の直径Ｄ2 は１１６ｍｍであり、電子１２がイオンビーム２の空間電荷中和に効率良く寄与して、イオンビーム２の発散が効果的に抑制されていることが分かる。
【００５５】
図１１に、入射角度θが１５度の例を示す。電子１２の殆どがイオンビーム２の軌道内に捕捉されていることが分かる。Ｘ＝３５０ｍｍの位置におけるイオンビーム２の直径Ｄ2 は１１３ｍｍであり、電子１２がイオンビーム２の空間電荷中和により効率良く寄与して、イオンビーム２の発散がより効果的に抑制されていることが分かる。
【００５６】
図１２に、入射角度θが０度の例を示す。Ｘ＝３５０ｍｍの位置におけるイオンビーム２の直径Ｄ2 は１１１ｍｍであり、電子１２がイオンビーム２の空間電荷中和に更に効率良く寄与して、イオンビーム２の発散が更に効果的に抑制されていることが分かる。
【００５７】
図１３に、入射角度θが−１５度の例を示す。入射角度θが負でも、その絶対値がこのように小さければ、電子１２の殆どが、イオンビーム２の正のビームポテンシャルによってイオンビーム２の軌道内に捕捉されることが分かる。Ｘ＝３５０ｍｍの位置におけるイオンビーム２の直径Ｄ2 は１２０ｍｍであり、電子１２がイオンビーム２の空間電荷中和に効率良く寄与して、イオンビーム２の発散が効果的に抑制されていることが分かる。
【００５８】
上記以外の入射角度θでもシミュレーションを行った。図１４に、各シミュレーションにおけるＸ＝３５０ｍｍの位置でのイオンビーム２の直径Ｄ2 を、電子１２の入射角度θとの関係でまとめて示す。入射角度θが負側に大きくなるとイオンビーム２の発散が大きくなるのは、電子１２がイオンビーム２から遠ざかる方向に放出され、イオンビーム２の正のビームポテンシャルに捕捉されにくくなるからであると考えられる。この図からも分かるように、電子１２の入射角度θは、−１５度から＋４５度の範囲内が好ましく、−１５度から＋３０度の範囲内がより好ましく、実質的に０度から＋１５度の範囲内が更に好ましく、実質的に０度が最も好ましい。
【００５９】
上記シミュレーションは、電子１２をイオンビーム２の周囲から放出したものであるのに対して、図１の実施形態はイオンビーム２を挟む両側から、即ちイオンビーム２を挟む両側に配置された電界放出型電子源１０から電子１２を放出するものである点で両者は条件が若干異なるけれども、イオンビーム２の近傍から電子１２を放出する点では共通しているので、上記実施形態の場合も、電界放出型電子源１０から放出する電子１２の入射角度θを上記のような範囲にすることによって、上記シミュレーションと同じような傾向の結果が得られることは、上記シミュレーションの結果から推定することができよう。
【００６０】
即ち、上記各電界放出型電子源１０は、それから放出する電子１２の入射角度θが、−１５度から＋４５度の範囲内の角度を成す向きに配置するのが好ましく、−１５度から＋３０度の範囲内の角度を成す向きに配置するのがより好ましく、実質的に０度から＋１５度の範囲内の角度を成す向きに配置するのが更に好ましく、実質的に０度の角度を成す向きに配置するのが最も好ましい。入射角度θを小さくするほど、空間電荷によるイオンビーム２の発散をより抑制して、イオンビーム２の輸送効率をより向上させることができる。
【００６１】
再び図１を参照して、電界放出型電子源１０は、イオン源１からホルダ６までのイオンビーム２の経路のどこに配置しても良いけれども、イオンビーム２に電界や磁界を印加する機器が存在するとそこを電子１２が通り抜けるのが難しくなるので、そのような機器とイオンビーム２の発散を抑制したい場所との間に、例えばそのような機器よりも下流側に配置するのが好ましい。イオン源１からホルダ６までのイオンビーム２の経路の複数箇所に電界放出型電子源１０を設けても良い。
【００６２】
電界放出型電子源１０を、図１に示す実施形態のように下流側に向けて配置することによって、電界放出型電子源１０をターゲット４よりも上流側に離して配置して、ターゲット４までの長い距離に亘ってイオンビーム２の発散を効果的に抑制することができる。
【００６３】
電界放出型電子源１０は、イオンビーム２の経路の片側に配置しても良いけれども、例えば図１、図２に示す実施形態のように、イオンビーム２の経路を挟んで両側に配置するのが好ましい。そのようにすると、イオンビーム２にその両側から電子１２を供給することができるので、イオンビーム２の空間電荷をより効率良く中和して、空間電荷によるイオンビーム２の発散をより効果的に抑制することができる。必要に応じて、イオンビーム２の経路を取り囲む四方に、電界放出型電子源１０を配置しても良い。そのようにすれば、上述したシミュレーションにより近づく。
【００６４】
イオンビーム２が、例えば図２に示す例のようにリボン状の形状をしている場合、電界放出型電子源１０は、例えば図２に示す例のように、Ｙ方向に、即ちリボン状のイオンビーム２の幅方向に沿って長く伸びた形状をしているのが好ましい。そのようにすれば、イオンビーム２がＹ方向に長い形状をしていても、イオンビーム２のより広い領域に亘ってより均一にイオンビーム２の空間電荷を中和することができる。
【００６５】
電界放出型電子源１０は、図６に示す実施形態のように、イオンビーム２の上流側に向けて電子１２を放出する向きに配置しても良い。この場合、電界放出型電子源１０はホルダ６の上流側近傍に配置するのが好ましい。これ以外の事項については、上記実施形態の場合と同様であるので、重複説明を省略する。
【００６６】
電界放出型電子源１０を上流側に向けて配置しても、それから放出した電子１２は上流側に向かって移動しつつイオンビーム２が持つ正のビームポテンシャルＶP によって捕捉されるので、電界放出型電子源１０を下流側に向けて配置した上記実施形態の場合と同様の作用によって、イオンビーム２の空間電荷を効率良く中和して空間電荷によるイオンビーム２の発散を効果的に抑制することができる。
【００６７】
しかも、電界放出型電子源１０を上流側に向けて配置することによって、電界放出型電子源１０から放出した電子１２がターゲット４に入射しにくくなるので、電子１２がターゲット４に入射することによってターゲット４の表面に負帯電が生じるのを抑制することができる。これは、電界放出型電子源１０から放出する電子１２のエネルギーがあまり低くない場合に特に大きな効果を発揮する。
【００６８】
上記ターゲット４を半導体基板（例えばシリコン基板）として、上記各実施形態のイオンビーム照射装置を用いて、当該半導体基板に上記イオンビーム２を照射してイオン注入を行って、当該半導体基板上に複数の半導体デバイスを製造しても良い。例えば、上記各実施形態のイオンビーム照射装置を、イオン注入によって半導体基板の表面または表層部の所要領域に所要のイオン（例えば不純物となるイオン）を注入する工程に用いて、半導体基板上に半導体デバイスとして複数の集積回路（例えばシステムＬＳＩ等）を製造しても良い。
【００６９】
近年は、半導体基板上に形成する半導体デバイスの微細化が非常に進んでおり（換言すれば、超高集積化しており）、そのような半導体デバイスにイオン注入を行う場合、半導体基板の表面に形成された溝または凸状の部分に、イオン注入されない陰の部分が生じるのを防止することが課題となっている。そうしないと、形成される半導体デバイスの特性にばらつきが生じる。不良デバイスが生じることもある。
【００７０】
上記課題を解決するためには、平行性の良いイオンビームを半導体基板に照射する必要があるが、イオンビームの空間電荷による発散が大きいと、平行性の良いイオンビームを半導体基板に照射することは難しい。これに対して、上記各実施形態のイオンビーム照射装置を用いれば、空間電荷が中和されて発散の少ないイオンビーム２を用いて、半導体基板上に複数の半導体デバイスを製造することができるので、同一の半導体基板上に特性の揃った複数の半導体デバイスを製造することができる。その結果、歩留まりが向上し、半導体デバイスの生産効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】この発明に係るイオンビーム照射装置の一実施形態を示す概略側面図である。
【図２】図１に示す電界放出型電子源およびイオンビームの例を線Ａ−Ａ方向に見て示す正面図である。
【図３】１引出し電極型の電界放出型電子源の一つのエミッタ周りを拡大して、電源の一例と共に示す図である。
【図４】２引出し電極型の電界放出型電子源の一つのエミッタ周りを拡大して、電源の一例と共に示す図である。
【図５】電界放出型電子源から放出される電子のイオンビームに対する入射角度を説明するための図である。
【図６】この発明に係るイオンビーム照射装置の他の実施形態を示す概略側面図である。
【図７】電子を供給しないときのイオンビームの空間電荷による発散をシミュレーションした結果の一例を示す図である。
【図８】電子を供給してイオンビームの中和を行うシミュレーションの初期条件を示す図である。
【図９】イオンビームに電子を８９度の入射角度で供給したときの電子の軌道およびイオンビームの発散をシミュレーションした結果の一例を示す図である。
【図１０】イオンビームに電子を３０度の入射角度で供給したときの電子の軌道およびイオンビームの発散をシミュレーションした結果の一例を示す図である。
【図１１】イオンビームに電子を１５度の入射角度で供給したときの電子の軌道およびイオンビームの発散をシミュレーションした結果の一例を示す図である。
【図１２】イオンビームに電子を０度の入射角度で供給したときの電子の軌道およびイオンビームの発散をシミュレーションした結果の一例を示す図である。
【図１３】イオンビームに電子を−１５度の入射角度で供給したときの電子の軌道およびイオンビームの発散をシミュレーションした結果の一例を示す図である。
【図１４】Ｘ＝３５０ｍｍの位置でのイオンビームの直径を、電子の入射角度との関係でまとめて示す図である。
【符号の説明】
【００７２】
１ イオン源
２ イオンビーム
４ ターゲット
６ ホルダ
１０ 電界放出型電子源
１２ 電子
１６ カソード基板
１８ エミッタ
θ 入射角度
【技術分野】
【０００１】
この発明は、イオン源から引き出したイオンビーム（この明細書では正イオンビーム）をターゲットに照射してイオン注入等の処理を施す構成のイオンビーム照射装置およびそれを用いた半導体デバイスの製造方法に関する。イオン注入を行う場合は、このイオンビーム照射装置はイオン注入装置とも呼ばれる。
【背景技術】
【０００２】
イオン源から引き出したイオンビームをターゲットに照射してイオン注入等の処理を施すイオンビーム照射装置においては、装置のスループットを高めると共に、ターゲット上に形成する半導体デバイスの微細化に対応するためにイオン注入深さを浅くする等の観点から、低エネルギーかつ大電流のイオンビームを効率良く輸送することが望まれている。
【０００３】
しかし、イオンビームが低エネルギーかつ大電流になるほど、イオンビームの空間電荷による発散が大きくなるため、イオンビームを効率良く輸送することが困難になる。この問題を解決する技術の一つとして、輸送中のイオンビームに外部から電子を供給して、当該電子によってイオンビームの空間電荷を中和する技術が知られている。
【０００４】
その場合、中和を効率良く行うと共に、供給した電子によるターゲット表面の負帯電を抑制する等の理由から、低エネルギーの電子を多量に発生させることができる電子源を用いるのが好ましい。
【０００５】
低エネルギーの電子を多量に発生させることができる電子源として、電界放出型電子源が特許文献１に記載されている。即ち、この文献には、低エネルギーの電子を多量に発生させることができる電界放出型電子源をターゲットの近くに配置し、当該電界放出型電子源から放出した電子をイオンビームの横からイオンビームにほぼ直角に入射させて、イオンビーム照射の際のターゲット表面の帯電（チャージアップ）を抑制する技術が記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２６１８９号公報（段落０００７−０００９、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載されたターゲット表面の帯電抑制と、イオンビームの空間電荷中和とは、互いに目的が違う異なる技術であるが、発明者達は、特許文献１に記載されたような電界放出型電子源を、イオンビームの空間電荷中和に利用することを思いつき、検討してみた。
【０００８】
しかし、特許文献１に記載の技術と同様に、電界放出型電子源から放出させた電子を横からイオンビームにほぼ直角に入射させても、イオンビームの空間電荷中和ひいてはイオンビームの発散抑制の効果は低いことが分かった。
【０００９】
これは、電子を上記のように入射させても、電子の多くは、電子が持つ運動エネルギーによって、あるいはイオンビームが持つ正のビームポテンシャルによる加速も加わって、イオンビームを通り抜けてイオンビームを跨ぐように運動し、そのために上記電子のイオンビーム中での存在確率が低く、従ってイオンビームの空間電荷を効率良く中和することが難しいからである。
【００１０】
そこでこの発明は、電界放出型電子源を用いて、イオンビームの空間電荷を効率良く中和して、空間電荷によるイオンビームの発散を効果的に抑制することができる装置を提供することを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係るイオンビーム照射装置は、イオンビームの経路の近傍に設けられていて電子を放出する電子源であって、導電性のカソード基板上に形成されていて先端が尖った形状をした多数の微小なエミッタ、および、この各エミッタの先端付近を微小な間隙をあけて取り囲む引出し電極を有する電界放出型電子源を備えており、かつ当該電界放出型電子源は、それから放出するときの電子の、前記イオンビームの進行方向に平行な方向からの角度である入射角度が、−１５度から＋４５度（イオンビームの内向きが＋、外向きが−）の範囲内の角度を成す向きに配置されている、ことを特徴としている。
【００１２】
電界放出型電子源を上記のような向きに配置して、電界放出型電子源から放出するときの電子のイオンビームに対する入射角度を上記範囲内にすると、当該電子のイオンビーム中での存在確率が高まる。その結果、イオンビームの空間電荷を効率良く中和して、空間電荷によるイオンビームの発散を効果的に抑制することができる。
【００１３】
上記入射角度は、−１５度から＋３０度の範囲内がより好ましく、実質的に０度から＋１５度の範囲内が更に好ましく、実質的に０度が最も好ましい。
【００１４】
上記電界放出型電子源は、イオンビームの進行方向の下流側に向けて電子を放出する向きに配置しても良いし、上流側に向けて電子を放出する向きに配置しても良い。
【００１５】
上記電界放出型電子源は、イオンビームの経路の片側に配置しても良いし、イオンビームの経路を挟んで両側に配置しても良い。
【００１６】
上記電界放出型電子源の位置において、イオンビームが、その進行方向Ｘと交差する面内におけるＹ方向の寸法が当該Ｙ方向と直交するＺ方向の寸法よりも大きい形状をしている場合、上記電界放出型電子源は、Ｙ方向に沿って伸びた形状をしているのが好ましい。
【００１７】
上記ターゲットを半導体基板とし、上記イオンビーム照射装置を用いて、当該半導体基板にイオンビームを照射してイオン注入を行って、当該半導体基板上に複数の半導体デバイスを製造しても良い。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１に記載の発明によれば、電界放出型電子源を上記のような向きに配置して、電界放出型電子源から放出するときの電子のイオンビームに対する入射角度を上記範囲内にすることによって、当該電子のイオンビーム中での存在確率が高まるので、イオンビームの空間電荷を効率良く中和して、空間電荷によるイオンビームの発散を効果的に抑制することができる。その結果、イオンビームの輸送効率を向上させることができる。
【００１９】
請求項２に記載の発明によれば、入射角度を上記範囲内にすることによって、電界放出型電子源から放出した電子によってイオンビームの空間電荷をより効率良く中和して、空間電荷によるイオンビームの発散をより効果的に抑制することができる。その結果、イオンビームの輸送効率をより向上させることができる。
【００２０】
請求項３に記載の発明によれば、入射角度を上記範囲内にすることによって、電界放出型電子源から放出した電子によってイオンビームの空間電荷をより一層効率良く中和して、空間電荷によるイオンビームの発散をより一層効果的に抑制することができる。その結果、イオンビームの輸送効率をより一層向上させることができる。
【００２１】
請求項４に記載の発明によれば、入射角度を実質的に０度にすることによって、電界放出型電子源から放出した電子によってイオンビームの空間電荷を更に効率良く中和して、空間電荷によるイオンビームの発散を更に効果的に抑制することができる。その結果、イオンビームの輸送効率を更に向上させることができる。
【００２２】
請求項５に記載の発明によれば、電界放出型電子源を下流側に向けて配置することによって、電界放出型電子源をターゲットよりも上流側に離して配置して、ターゲットまでの長い距離に亘ってイオンビームの発散を効果的に抑制することができる。
【００２３】
請求項６に記載の発明によれば、電界放出型電子源を上流側に向けて配置することによって、電界放出型電子源から放出した電子によってイオンビームの空間電荷を効率良く中和して空間電荷によるイオンビームの発散を効果的に抑制することができることに加えて、電界放出型電子源から放出した電子がターゲットに入射しにくくなるので、当該電子によるターゲット表面の負帯電を抑制することができるという更なる効果を奏する。これは、電界放出型電子源から放出する電子のエネルギーがあまり低くない場合に特に大きな効果を発揮する。
【００２４】
請求項７に記載の発明によれば、電界放出型電子源をイオンビームの経路を挟んで両側に配置することによって、イオンビームにその両側から電子を供給することができるので、イオンビームの空間電荷をより効率良く中和して、空間電荷によるイオンビームの発散をより効果的に抑制することができる。
【００２５】
請求項８に記載の発明によれば、電界放出型電子源がＹ方向に沿って伸びた形状をしているので、イオンビームが、Ｙ方向の走査を経ることによって、または走査を経ることなく、Ｙ方向に長い形状をしていても、イオンビームのより広い領域に亘ってより均一にイオンビームの空間電荷を中和することができる。
【００２６】
請求項９に記載の発明によれば、空間電荷が中和されて発散の少ないイオンビームを用いて、半導体基板上に複数の半導体デバイスを製造することができるので、同一の半導体基板上に特性の揃った複数の半導体デバイスを製造することができる。その結果、歩留まりが向上し、半導体デバイスの生産効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１は、この発明に係るイオンビーム照射装置の一実施形態を示す概略側面図である。このイオンビーム照射装置は、イオン源１から引き出したイオンビーム２を、ホルダ６に保持されたターゲット４に照射して、ターゲット４にイオン注入等の処理を施すよう構成されている。ホルダ６は、例えば、接地電位にある。イオンビーム２の輸送経路およびホルダ６は、図示しない真空容器内に配置されていて、真空雰囲気中に置かれる。
【００２８】
ターゲット４は、例えば、半導体基板、ガラス基板等である。
【００２９】
イオン源１からホルダ６までのイオンビーム２の輸送経路には、必要に応じて、イオンビーム２の質量分離を行う質量分離器、イオンビーム２の走査を行う走査器等が設けられる。
【００３０】
イオンビーム２の経路の近傍に、電子１２を放出する電界放出型電子源１０が設けられている。この実施形態では、電界放出型電子源１０は、イオンビーム２の進行方向Ｘの下流側に向けて電子１２を放出する向きに配置されている。更に、電界放出型電子源１０は、イオンビーム２の経路を挟んで両側（Ｚ方向の両側）に配置されている。
【００３１】
電界放出型電子源１０の位置において、イオンビーム２は、断面形状がスポット状をしていても良いし、図２に示す例のように、イオンビーム２の進行方向Ｘと交差する面内におけるＹ方向の寸法が当該Ｙ方向と交差するＺ方向の寸法よりも大きい（より具体的には、十分に大きい）、いわゆるリボン状（これはシート状または帯状とも呼ばれる）の形状をしていても良い。リボン状と言っても、厚さが紙のように薄いという意味ではない。
【００３２】
リボン状のイオンビーム２は、例えば図２に示すようなスポット状のイオンビーム２ａをＹ方向に往復走査することによってリボン状をしていても良いし、走査を経ることなく、イオン源１から引き出した状態でリボン状をしていても良い。
【００３３】
ターゲット４は、この実施形態では、ホルダ６と共に、ターゲット駆動装置８によって、Ｙ方向と交差する方向（即ち、Ｚ方向に沿う方向、またはそれから傾いた方向）に機械的に往復駆動される。イオンビーム２のＹ方向の幅は、ターゲット４の同方向の寸法よりも若干大きく、このことと、上記往復駆動とによって、ターゲット４の全面にイオンビーム２を照射することができる。
【００３４】
なお、上記Ｙ方向を水平方向と見てもよいし、垂直方向と見ても良いし、それらから傾いた方向と見ても良い。
【００３５】
電界放出型電子源１０は、図３にその一部分を拡大して示すように、導電性のカソード基板１６と、このカソード基板１６の表面に形成されていて先端が尖った形状をした多数の微小なエミッタ１８と、この各エミッタ１８の先端付近を微小な間隙２６をあけて取り囲む、各エミッタ１８に共通の引出し電極（ゲート電極とも呼ばれる）２２と、この引出し電極２２とカソード基板１６との間に設けられていて両者間を絶縁する絶縁層２０とを備えている。カソード基板１６と各エミッタ１８とは互いに電気的に導通している。
【００３６】
各エミッタ１８は、先端が鋭く尖った形状をしている。換言すれば、先端ほど尖った形状をしている。図３に示した例は円錐状をしているが、それ以外に角錐状等の形状をしていても良い。
【００３７】
引出し電極２２は、各エミッタ１８に対応する位置に微小な小孔２４を有している。各小孔２４は、例えば円形をしており、この各小孔２４の中心部に各エミッタ１８の先端付近が、小孔２４の内壁との間に微小な間隙２６をあけて位置している。
【００３８】
各エミッタ１８の高さ、基底部の直径Ｄ3 、各小孔２４の直径、各間隙２６の寸法は、μｍ単位の微小なものである。
【００３９】
上記のようなエミッタ１８をカソード基板１６上に多数形成している。多数というのは数十個〜数百個というような数ではなく、簡単に言えば、少なくとも１万個程度以上ということである。具体例を示せば、この実施形態の電界放出型電子源１０は、図２に示すように、１個の電界放出型電子源１０内に、複数個の電子源アレイ１４を有しており、各電子源アレイ１４はそれぞれ１万〜２万個程度のエミッタ１８を有している。各電界放出型電子源１０を構成する電子源アレイ１４の数は、図２に示す３個に限られるものではない。
【００４０】
再び図３を参照して、電界放出型電子源１０のカソード基板１６と引出し電極２２との間には、引出し電極２２を正極側にして、各エミッタ１８から電界放出によって電子１２を放出させる引出し電圧Ｖ1 を印加する直流の引出し電源３２が接続されている。引出し電圧Ｖ1 は、例えば、５０Ｖ〜１００Ｖ程度である。
【００４１】
カソード基板１６と接地電位部との間には、必要に応じて、図３に示す例のように、電界放出型電子源１０から放出する電子１２のエネルギーを調整するエネルギー調整電源３６を接続しておいても良い。その出力電圧Ｖ3 は、例えば、０Ｖ〜５０Ｖ程度である。
【００４２】
この電界放出型電子源１０は、上記のような低い引出し電圧Ｖ1 で電子１２を放出させることができるので、低エネルギーの電子１２を放出することができる。しかも、多数のエミッタ１８を有しているので、電子１２を多量に発生させることができる。例えば、１個の電子源アレイ１４から１００μＡ〜１ｍＡ程度の電子１２を発生させることができる。電子源アレイ１４を複数個有していれば、その個数倍の量の電子１２を発生させることができる。
【００４３】
また、電界放出型電子源１０は、半導体デバイスに似た構造をしているので、非常に小型化することができる。しかも、イオンビーム２の経路を真空雰囲気に保つ真空容器内に配置して動作させることができる。従って、電界放出型電子源１０をイオンビーム２の経路に非常に近づけて配置することができる。
【００４４】
電界放出型電子源１０は、図４に示す例のように、引出し電極２２よりも電子１２の放出方向側に引出し電極２２に沿って設けられていて、多数の小孔３０を有する第２引出し電極２８を更に備えるものでも良い。両引出し電極２２、２８間は、空間または図示しない絶縁層等を介して電気的に絶縁されている。カソード基板１６と第２引出し電極２８との間には、両者間に、電界放出型電子源１０から放出する電子１２のエネルギーを調整する第２引出し電圧Ｖ2 を印加する直流の第２引出し電源３４が接続されている。Ｖ2 ＞Ｖ1 とすれば、放出する電子１２のエネルギーをより大きくする加速モードで運転し、Ｖ2 ＜Ｖ1 とすれば、放出する電子１２のエネルギーをより小さくする減速モードで運転することができる。
【００４５】
図５に示すように、電界放出型電子源１０から放出するときの電子１２の、イオンビーム２の進行方向Ｘに平行な方向４０からの角度θを入射角度と呼ぶことにする。この入射角度θは、イオンビーム２の内向きが＋（正）、外向きが−（負）とする。
【００４６】
上記特許文献１に記載されている電界放出型電子源は、この入射角度θでいえば、それが約９０度を成す向きに配置されている。これに対して、この実施形態では、各電界放出型電子源１０は、入射角度θが例えば−１５度から＋４５度の範囲内の角度を成す向きに配置されている。
【００４７】
各電界放出型電子源１０を、このような９０度よりも十分に小さい入射角度θの向きに配置することができるのは、前述したように、各電界放出型電子源１０は非常に小型化することができ、かつ真空雰囲気中で動作させることができるので、各電界放出型電子源１０をイオンビーム２の経路に非常に近づけて配置することができるからである。
【００４８】
また、各電界放出型電子源１０から電子１２を上記のような小さい入射角度θで放出しても、イオンビーム２内およびその周りにはイオンビーム２が作る正のビームポテンシャルＶP が存在するので、当該ビームポテンシャルＶP によって電子１２はイオンビーム２に引き込まれて、イオンビーム２の空間電荷の中和に寄与することができる。
【００４９】
しかも、各電界放出型電子源１０から放出するときの電子１２の入射角度θを上記範囲内にすると、電子１２がイオンビーム２を通り抜けてイオンビーム２を跨ぐように運動する割合が減るので、電子１２のイオンビーム２中での存在確率が高まる。その結果、イオンビーム２の空間電荷を効率良く中和して、空間電荷によるイオンビーム２の発散を効果的に抑制することができる。従って、イオンビーム２の輸送効率を向上させることができる。
【００５０】
上記電子１２の入射角度θとイオンビーム２の中和、即ち発散抑制との関係をシミュレーションした結果を次に説明する。
【００５１】
図７に、電子１２を供給しないときのイオンビーム２の空間電荷による発散の一例を示す。これ以下のシミュレーションにおいて、イオンビーム２のイオン種は31Ｐ+ 、エネルギーは５００ｅＶ、電流は２５μＡ、Ｘ＝０ｍｍの位置における直径Ｄ1 は５０ｍｍとした。電子１２を供給しないときは、Ｘ＝３５０ｍｍの位置において、イオンビーム２の直径Ｄ2 は１９３ｍｍであり、大きく発散していることが分かる。
【００５２】
図８に、電子１２を供給してイオンビーム２の中和を行うシミュレーションの初期条件を示す。Ｘ＝０ｍｍの位置において、ＹＺ平面内に、イオンビーム２を構成するイオン２ｂを分散させて配置し、その周囲に電子１２を円形に配置した。この電子１２を、様々な入射角度θで放出した。このとき、電子１２のエネルギーは１０ｅＶ、イオンビーム電流Ｉi に対する電子電流Ｉe の比Ｉe ／Ｉi は３４にした。
【００５３】
図９に、入射角度θが８９度の例を示す。これは、特許文献１に記載された電界放出型電子源の配置に近いものである。電子１２はイオンビーム２を何度も通り抜けて往復振動していることが分かる。Ｘ＝３５０ｍｍの位置におけるイオンビーム２の直径Ｄ2 は１８６ｍｍであり、イオンビーム２は大きく発散しており、電子１２はイオンビーム２の空間電荷中和に殆ど寄与していないことが分かる。
【００５４】
図１０に、入射角度θが３０度の例を示す。電子１２の殆どがイオンビーム２の軌道内に捕捉されていることが分かる。Ｘ＝３５０ｍｍの位置におけるイオンビーム２の直径Ｄ2 は１１６ｍｍであり、電子１２がイオンビーム２の空間電荷中和に効率良く寄与して、イオンビーム２の発散が効果的に抑制されていることが分かる。
【００５５】
図１１に、入射角度θが１５度の例を示す。電子１２の殆どがイオンビーム２の軌道内に捕捉されていることが分かる。Ｘ＝３５０ｍｍの位置におけるイオンビーム２の直径Ｄ2 は１１３ｍｍであり、電子１２がイオンビーム２の空間電荷中和により効率良く寄与して、イオンビーム２の発散がより効果的に抑制されていることが分かる。
【００５６】
図１２に、入射角度θが０度の例を示す。Ｘ＝３５０ｍｍの位置におけるイオンビーム２の直径Ｄ2 は１１１ｍｍであり、電子１２がイオンビーム２の空間電荷中和に更に効率良く寄与して、イオンビーム２の発散が更に効果的に抑制されていることが分かる。
【００５７】
図１３に、入射角度θが−１５度の例を示す。入射角度θが負でも、その絶対値がこのように小さければ、電子１２の殆どが、イオンビーム２の正のビームポテンシャルによってイオンビーム２の軌道内に捕捉されることが分かる。Ｘ＝３５０ｍｍの位置におけるイオンビーム２の直径Ｄ2 は１２０ｍｍであり、電子１２がイオンビーム２の空間電荷中和に効率良く寄与して、イオンビーム２の発散が効果的に抑制されていることが分かる。
【００５８】
上記以外の入射角度θでもシミュレーションを行った。図１４に、各シミュレーションにおけるＸ＝３５０ｍｍの位置でのイオンビーム２の直径Ｄ2 を、電子１２の入射角度θとの関係でまとめて示す。入射角度θが負側に大きくなるとイオンビーム２の発散が大きくなるのは、電子１２がイオンビーム２から遠ざかる方向に放出され、イオンビーム２の正のビームポテンシャルに捕捉されにくくなるからであると考えられる。この図からも分かるように、電子１２の入射角度θは、−１５度から＋４５度の範囲内が好ましく、−１５度から＋３０度の範囲内がより好ましく、実質的に０度から＋１５度の範囲内が更に好ましく、実質的に０度が最も好ましい。
【００５９】
上記シミュレーションは、電子１２をイオンビーム２の周囲から放出したものであるのに対して、図１の実施形態はイオンビーム２を挟む両側から、即ちイオンビーム２を挟む両側に配置された電界放出型電子源１０から電子１２を放出するものである点で両者は条件が若干異なるけれども、イオンビーム２の近傍から電子１２を放出する点では共通しているので、上記実施形態の場合も、電界放出型電子源１０から放出する電子１２の入射角度θを上記のような範囲にすることによって、上記シミュレーションと同じような傾向の結果が得られることは、上記シミュレーションの結果から推定することができよう。
【００６０】
即ち、上記各電界放出型電子源１０は、それから放出する電子１２の入射角度θが、−１５度から＋４５度の範囲内の角度を成す向きに配置するのが好ましく、−１５度から＋３０度の範囲内の角度を成す向きに配置するのがより好ましく、実質的に０度から＋１５度の範囲内の角度を成す向きに配置するのが更に好ましく、実質的に０度の角度を成す向きに配置するのが最も好ましい。入射角度θを小さくするほど、空間電荷によるイオンビーム２の発散をより抑制して、イオンビーム２の輸送効率をより向上させることができる。
【００６１】
再び図１を参照して、電界放出型電子源１０は、イオン源１からホルダ６までのイオンビーム２の経路のどこに配置しても良いけれども、イオンビーム２に電界や磁界を印加する機器が存在するとそこを電子１２が通り抜けるのが難しくなるので、そのような機器とイオンビーム２の発散を抑制したい場所との間に、例えばそのような機器よりも下流側に配置するのが好ましい。イオン源１からホルダ６までのイオンビーム２の経路の複数箇所に電界放出型電子源１０を設けても良い。
【００６２】
電界放出型電子源１０を、図１に示す実施形態のように下流側に向けて配置することによって、電界放出型電子源１０をターゲット４よりも上流側に離して配置して、ターゲット４までの長い距離に亘ってイオンビーム２の発散を効果的に抑制することができる。
【００６３】
電界放出型電子源１０は、イオンビーム２の経路の片側に配置しても良いけれども、例えば図１、図２に示す実施形態のように、イオンビーム２の経路を挟んで両側に配置するのが好ましい。そのようにすると、イオンビーム２にその両側から電子１２を供給することができるので、イオンビーム２の空間電荷をより効率良く中和して、空間電荷によるイオンビーム２の発散をより効果的に抑制することができる。必要に応じて、イオンビーム２の経路を取り囲む四方に、電界放出型電子源１０を配置しても良い。そのようにすれば、上述したシミュレーションにより近づく。
【００６４】
イオンビーム２が、例えば図２に示す例のようにリボン状の形状をしている場合、電界放出型電子源１０は、例えば図２に示す例のように、Ｙ方向に、即ちリボン状のイオンビーム２の幅方向に沿って長く伸びた形状をしているのが好ましい。そのようにすれば、イオンビーム２がＹ方向に長い形状をしていても、イオンビーム２のより広い領域に亘ってより均一にイオンビーム２の空間電荷を中和することができる。
【００６５】
電界放出型電子源１０は、図６に示す実施形態のように、イオンビーム２の上流側に向けて電子１２を放出する向きに配置しても良い。この場合、電界放出型電子源１０はホルダ６の上流側近傍に配置するのが好ましい。これ以外の事項については、上記実施形態の場合と同様であるので、重複説明を省略する。
【００６６】
電界放出型電子源１０を上流側に向けて配置しても、それから放出した電子１２は上流側に向かって移動しつつイオンビーム２が持つ正のビームポテンシャルＶP によって捕捉されるので、電界放出型電子源１０を下流側に向けて配置した上記実施形態の場合と同様の作用によって、イオンビーム２の空間電荷を効率良く中和して空間電荷によるイオンビーム２の発散を効果的に抑制することができる。
【００６７】
しかも、電界放出型電子源１０を上流側に向けて配置することによって、電界放出型電子源１０から放出した電子１２がターゲット４に入射しにくくなるので、電子１２がターゲット４に入射することによってターゲット４の表面に負帯電が生じるのを抑制することができる。これは、電界放出型電子源１０から放出する電子１２のエネルギーがあまり低くない場合に特に大きな効果を発揮する。
【００６８】
上記ターゲット４を半導体基板（例えばシリコン基板）として、上記各実施形態のイオンビーム照射装置を用いて、当該半導体基板に上記イオンビーム２を照射してイオン注入を行って、当該半導体基板上に複数の半導体デバイスを製造しても良い。例えば、上記各実施形態のイオンビーム照射装置を、イオン注入によって半導体基板の表面または表層部の所要領域に所要のイオン（例えば不純物となるイオン）を注入する工程に用いて、半導体基板上に半導体デバイスとして複数の集積回路（例えばシステムＬＳＩ等）を製造しても良い。
【００６９】
近年は、半導体基板上に形成する半導体デバイスの微細化が非常に進んでおり（換言すれば、超高集積化しており）、そのような半導体デバイスにイオン注入を行う場合、半導体基板の表面に形成された溝または凸状の部分に、イオン注入されない陰の部分が生じるのを防止することが課題となっている。そうしないと、形成される半導体デバイスの特性にばらつきが生じる。不良デバイスが生じることもある。
【００７０】
上記課題を解決するためには、平行性の良いイオンビームを半導体基板に照射する必要があるが、イオンビームの空間電荷による発散が大きいと、平行性の良いイオンビームを半導体基板に照射することは難しい。これに対して、上記各実施形態のイオンビーム照射装置を用いれば、空間電荷が中和されて発散の少ないイオンビーム２を用いて、半導体基板上に複数の半導体デバイスを製造することができるので、同一の半導体基板上に特性の揃った複数の半導体デバイスを製造することができる。その結果、歩留まりが向上し、半導体デバイスの生産効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】この発明に係るイオンビーム照射装置の一実施形態を示す概略側面図である。
【図２】図１に示す電界放出型電子源およびイオンビームの例を線Ａ−Ａ方向に見て示す正面図である。
【図３】１引出し電極型の電界放出型電子源の一つのエミッタ周りを拡大して、電源の一例と共に示す図である。
【図４】２引出し電極型の電界放出型電子源の一つのエミッタ周りを拡大して、電源の一例と共に示す図である。
【図５】電界放出型電子源から放出される電子のイオンビームに対する入射角度を説明するための図である。
【図６】この発明に係るイオンビーム照射装置の他の実施形態を示す概略側面図である。
【図７】電子を供給しないときのイオンビームの空間電荷による発散をシミュレーションした結果の一例を示す図である。
【図８】電子を供給してイオンビームの中和を行うシミュレーションの初期条件を示す図である。
【図９】イオンビームに電子を８９度の入射角度で供給したときの電子の軌道およびイオンビームの発散をシミュレーションした結果の一例を示す図である。
【図１０】イオンビームに電子を３０度の入射角度で供給したときの電子の軌道およびイオンビームの発散をシミュレーションした結果の一例を示す図である。
【図１１】イオンビームに電子を１５度の入射角度で供給したときの電子の軌道およびイオンビームの発散をシミュレーションした結果の一例を示す図である。
【図１２】イオンビームに電子を０度の入射角度で供給したときの電子の軌道およびイオンビームの発散をシミュレーションした結果の一例を示す図である。
【図１３】イオンビームに電子を−１５度の入射角度で供給したときの電子の軌道およびイオンビームの発散をシミュレーションした結果の一例を示す図である。
【図１４】Ｘ＝３５０ｍｍの位置でのイオンビームの直径を、電子の入射角度との関係でまとめて示す図である。
【符号の説明】
【００７２】
１ イオン源
２ イオンビーム
４ ターゲット
６ ホルダ
１０ 電界放出型電子源
１２ 電子
１６ カソード基板
１８ エミッタ
θ 入射角度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン源から引き出したイオンビームをターゲットに照射する構成のイオンビーム照射装置において、
前記イオンビームの経路の近傍に設けられていて電子を放出する電子源であって、導電性のカソード基板上に形成されていて先端が尖った形状をした多数の微小なエミッタ、および、この各エミッタの先端付近を微小な間隙をあけて取り囲む引出し電極を有する電界放出型電子源を備えており、
かつ前記電界放出型電子源は、それから放出するときの電子の、前記イオンビームの進行方向に平行な方向からの角度である入射角度が、−１５度から＋４５度（イオンビームの内向きが＋、外向きが−）の範囲内の角度を成す向きに配置されている、ことを特徴とするイオンビーム照射装置。
【請求項２】
前記電界放出型電子源は、前記入射角度が、−１５度から＋３０度の範囲内の角度を成す向きに配置されている、請求項１記載のイオンビーム照射装置。
【請求項３】
前記電界放出型電子源は、前記入射角度が、実質的に０度から＋１５度の範囲内の角度を成す向きに配置されている、請求項１記載のイオンビーム照射装置。
【請求項４】
前記電界放出型電子源は、前記入射角度が、実質的に０度の角度を成す向きに配置されている、請求項１記載のイオンビーム照射装置。
【請求項５】
前記電界放出型電子源は、前記イオンビームの進行方向の下流側に向けて電子を放出する向きに配置されている、請求項１ないし４のいずれかに記載のイオンビーム照射装置。
【請求項６】
前記電界放出型電子源は、前記イオンビームの進行方向の上流側に向けて電子を放出する向きに配置されている、請求項１ないし４のいずれかに記載のイオンビーム照射装置。
【請求項７】
前記電界放出型電子源は、前記イオンビームの経路を挟んで両側に配置されている、請求項１ないし６のいずれかに記載のイオンビーム照射装置。
【請求項８】
前記電界放出型電子源の位置において、前記イオンビームは、その進行方向Ｘと交差する面内におけるＹ方向の寸法が当該Ｙ方向と直交するＺ方向の寸法よりも大きい形状をしており、前記電界放出型電子源は、Ｙ方向に沿って伸びた形状をしている、請求項１ないし７のいずれかに記載のイオンビーム照射装置。
【請求項９】
前記ターゲットが半導体基板であり、請求項１ないし８のいずれかに記載のイオンビーム照射装置を用いて、当該半導体基板に前記イオンビームを照射してイオン注入を行って、当該半導体基板上に複数の半導体デバイスを製造することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項１】
イオン源から引き出したイオンビームをターゲットに照射する構成のイオンビーム照射装置において、
前記イオンビームの経路の近傍に設けられていて電子を放出する電子源であって、導電性のカソード基板上に形成されていて先端が尖った形状をした多数の微小なエミッタ、および、この各エミッタの先端付近を微小な間隙をあけて取り囲む引出し電極を有する電界放出型電子源を備えており、
かつ前記電界放出型電子源は、それから放出するときの電子の、前記イオンビームの進行方向に平行な方向からの角度である入射角度が、−１５度から＋４５度（イオンビームの内向きが＋、外向きが−）の範囲内の角度を成す向きに配置されている、ことを特徴とするイオンビーム照射装置。
【請求項２】
前記電界放出型電子源は、前記入射角度が、−１５度から＋３０度の範囲内の角度を成す向きに配置されている、請求項１記載のイオンビーム照射装置。
【請求項３】
前記電界放出型電子源は、前記入射角度が、実質的に０度から＋１５度の範囲内の角度を成す向きに配置されている、請求項１記載のイオンビーム照射装置。
【請求項４】
前記電界放出型電子源は、前記入射角度が、実質的に０度の角度を成す向きに配置されている、請求項１記載のイオンビーム照射装置。
【請求項５】
前記電界放出型電子源は、前記イオンビームの進行方向の下流側に向けて電子を放出する向きに配置されている、請求項１ないし４のいずれかに記載のイオンビーム照射装置。
【請求項６】
前記電界放出型電子源は、前記イオンビームの進行方向の上流側に向けて電子を放出する向きに配置されている、請求項１ないし４のいずれかに記載のイオンビーム照射装置。
【請求項７】
前記電界放出型電子源は、前記イオンビームの経路を挟んで両側に配置されている、請求項１ないし６のいずれかに記載のイオンビーム照射装置。
【請求項８】
前記電界放出型電子源の位置において、前記イオンビームは、その進行方向Ｘと交差する面内におけるＹ方向の寸法が当該Ｙ方向と直交するＺ方向の寸法よりも大きい形状をしており、前記電界放出型電子源は、Ｙ方向に沿って伸びた形状をしている、請求項１ないし７のいずれかに記載のイオンビーム照射装置。
【請求項９】
前記ターゲットが半導体基板であり、請求項１ないし８のいずれかに記載のイオンビーム照射装置を用いて、当該半導体基板に前記イオンビームを照射してイオン注入を行って、当該半導体基板上に複数の半導体デバイスを製造することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００７−３３５１１０（Ｐ２００７−３３５１１０Ａ）
【公開日】平成１９年１２月２７日（２００７．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１６２３９４（Ｐ２００６−１６２３９４）
【出願日】平成１８年６月１２日（２００６．６．１２）
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【出願人】（３０２０５４８６６）日新イオン機器株式会社 (161)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月２７日（２００７．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月１２日（２００６．６．１２）
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【出願人】（３０２０５４８６６）日新イオン機器株式会社 (161)
【Ｆターム（参考）】
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