複数の均一化レンズを備えるイオン注入装置および複数の均一化レンズの選択方法
【課題】イオンビームの低エネルギー化が進んだ場合においても、半導体基板に対して十分に均一な電流密度分布を有するイオンビームを照射することを主たる目的としている。
【解決手段】このイオン注入装置は、所望のエネルギーを有するリボン状のイオンビームを半導体基板に照射する為にリボン状のイオンビームを加速あるいは減速させる加減速器と、リボン状のイオンビームの長辺方向における電流密度分布を均一に制御する為の第１の均一化レンズおよび第２の均一化レンズと、半導体基板が配置される処理室と、処理室内に配置されリボン状のイオンビームの長辺方向における電流密度分布の測定を行うビーム電流計測器とを備えている。そして、処理室側からリボン状のイオンビームの経路を見た時、第２の均一化レンズ、加減速器、第１の均一化レンズの順に、イオンビームの経路に沿って配置している。
【解決手段】このイオン注入装置は、所望のエネルギーを有するリボン状のイオンビームを半導体基板に照射する為にリボン状のイオンビームを加速あるいは減速させる加減速器と、リボン状のイオンビームの長辺方向における電流密度分布を均一に制御する為の第１の均一化レンズおよび第２の均一化レンズと、半導体基板が配置される処理室と、処理室内に配置されリボン状のイオンビームの長辺方向における電流密度分布の測定を行うビーム電流計測器とを備えている。そして、処理室側からリボン状のイオンビームの経路を見た時、第２の均一化レンズ、加減速器、第１の均一化レンズの順に、イオンビームの経路に沿って配置している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、リボン状のイオンビームの長辺方向におけるイオンビームの電流密度分布が均一となるように制御する為の均一化レンズを複数有するイオン注入装置に関する。更には、複数の均一化レンズの使い分けの手法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、イオン注入装置には、シリコン等の半導体基板に所望のエネルギーを有するイオンビームを照射させる為に、イオンビームを加速あるいは減速させる機能を有する加減速器が備えられている。また、デバイスの製作にあたっては、半導体基板全面に渡って均一な特性を有するデバイスを製作することが望まれる。その為、イオン注入装置には半導体基板に照射されるイオンビームの電流密度分布を均一に制御する為の均一化レンズが備えられている。
【０００３】
一般に、イオンビームは空間電荷効果の影響で発散する。イオンビームの発散の度合いは、イオンビームの飛行距離が長くなるほど、イオンビーのエネルギーが低くなるほど、顕著となる。イオンビームが十分に発散してしまうと、ウェハに照射されるイオンビームのビーム径が大きくなって目的箇所へのビーム照射利用効率を下げると共に、ビーム径内での各イオン粒子の進行方向の角度が拡がり、照射時の基板への入射角度も拡がる。その為、設定角度から或る角度幅を持って入射角が悪化する。換言すれば、電流密度分布の均一性が悪化する。これを改善する為に、低いエネルギーのイオンビームを扱うイオン注入装置では、出きるだけ半導体基板が配置される処理室と近い位置に加減速器を設置し、半導体基板にイオンビームが照射される直前にイオンビームのエネルギーを低くしていた。
【０００４】
また、イオン注入装置で取り扱うイオンビームのエネルギー範囲は広い。例えば、電流のイオン注入装置では、取り扱うイオンビームのエネルギーの範囲は、数ｋeＶ〜数百ｋeＶに及ぶ。なお、ここで言うエネルギーは、半導体基板に照射されるイオンビームのエネルギーをさす。高いエネルギーを有するイオンビームを偏向させる場合は、強い電界や強い磁界が必要となる。一方、低いエネルギーを有するイオンビームの場合は、弱い電界や弱い磁界で良い。電界や磁界を発生させる為のレンズの駆動源として、通常は直流電源が、場合によっては交流電源が用いられる。均一化レンズで取り扱うイオンビームのエネルギーが広範囲に及ぶ場合には、この電源の電圧も広範囲に設定できるようなものを使用する必要がある。
【０００５】
一方で、広範囲に渡って電圧の設定が出来るような電源は高価であるので、あまり使用したくないという要望もある。その為、従来のイオン注入装置では、イオンビームが通過する経路において、加減速器の上流側に均一化レンズを配置し、加減速器にてイオンビームのエネルギーの変換が行われる前のイオンビーム（エネルギーの範囲が広域でないイオンビーム）に対して、均一化制御を行っていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−９７９７５号公報（段落０２７５−０２７６、段落０２２８−０２２９、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
半導体基板に形成される回路パターンは、年々、微細化の一途をたどっている。それに伴って、半導体基板の表面から浅い位置にイオンを注入することが重要となっている。半導体基板表面からどれぐらいの位置にイオンが注入されるのかは、イオンビームのエネルギーに依存している。半導体基板に照射されるイオンビームのエネルギーが低いほど、半導体基板表面から浅い位置にイオンが注入される。
【０００８】
今後、微細化が進むことで、更なるイオンビームの低エネルギー化が求められた場合、従来のイオン注入装置では半導体基板全面に渡って均一な特性を有するデバイスを製作することが困難になる。その理由としては、従来のイオン注入装置では、加減速器と半導体基板との間にイオンビームの均一化制御を行う為の均一化レンズが存在していない。これまでは、加減速器と半導体基板との間の物理的な距離に応じて、多少のイオンビームの発散があったにしろ、デバイスの製作にあたって、イオンビームの電流密度分布の均一性は許容範囲内であった。しかしながら、加減速器でイオンビームがこれまで以上に低いエネルギーに変換されると、更にイオンビームは発散することになり、最終的には許容出来る範囲を超えてしまう。
【０００９】
この為、従来のイオン注入装置では、イオンビームの低エネルギー化が進んだ場合、半導体基板に対して十分に均一な電流密度分布を有するイオンビームを照射させることが出来ないという課題があった。
【００１０】
そこでこの発明は、イオンビームの低エネルギー化が進んだ場合においても、半導体基板に対して十分に均一な電流密度分布を有するイオンビームを照射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】
この本発明に係るイオン注入装置は、所望のエネルギーを有するリボン状のイオンビームを半導体基板に照射する為に前記リボン状のイオンビームを加速あるいは減速させる加減速器と、前記リボン状のイオンビームの長辺方向における電流密度分布を均一に制御する為の第１の均一化レンズおよび第２の均一化レンズと、前記半導体基板が配置される処理室と、前記処理室内に配置され前記リボン状のイオンビームの長辺方向における電流密度分布の測定を行うビーム電流計測器と、を備えたイオン注入装置において、前記処理室側から前記リボン状のイオンビームの経路を見た時、前記第２の均一化レンズ、前記加減速器、前記第１の均一化レンズの順に、イオンビームの経路に沿って配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の１つの局面によれば、イオンビームの低エネルギー化が進んだ場合においても、半導体基板に対して十分に均一な電流密度分布を有するイオンビームを照射させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るイオン注入装置の一実施形態を示す平面図である。
【図２】イオンビームの斜視図である。
【図３】ビーム電流計測器の平面図である。
【図４】均一化レンズの斜視図である。
【図５】ビーム電流計測器によって計測されたＹ軸方向に沿った電流密度分布である。
【図６】図５に全体のビーム電流密度の平均値と所定範囲を追記した図である。
【図７】図５に所定範囲と各グループでのビーム電流密度の平均値を追記した図である。
【図８】均一化レンズによる制御を示すフローチャートである。
【図９】イオンビームのエネルギーによる均一化レンズの使い分け方法を示すフローチャートである。
【図１０】イオンビームの電流量による均一化レンズの使い分け方法を示すフローチャートである。
【図１１】他の様態における均一化レンズの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、この発明に係るイオン注入装置の一実施形態を示す平面図である。この図１において、Ｚ軸方向はイオン
ビーム２の進行方向をいう。
【００１５】
このイオン注入装置では、イオン源１より射出されたイオンビーム２は、Ｚ軸方向と互いに直交するＸ軸方向とＹ軸方向において長さを有しており、それぞれの長さを比較した場合、Ｘ軸方向よりもＹ軸方向の方が長い形状のイオンビームである。このような形状のビームは、リボンビームもしくはシートビーム、長尺ビームとも呼ばれている。なお、図１では、便宜上、イオンビーム２の軌跡としてその中心軌道のみを記載している。
【００１６】
より詳細には、このようなイオンビームは、図２に示すように、Ｙ軸方向に沿って長さＢＨ（具体的には、約３００〜５００ｍｍ)を有し、Ｙ軸と直交するＸ軸方向に長さＢＷ（具体的には、約８０〜１００ｍｍ）を有する。
【００１７】
イオンビーム２はイオン源１より射出された後、質量分析マグネット３、分析スリット４を通過する。これによって、半導体基板８に注入されるべきイオン種の選別が行われる。この半導体基板８は、具体的には、シリコンウェハや半導体素子が表面に形成されているガラス基板である。
【００１８】
質量分析されたイオンビーム２は、第１の均一化レンズ５、加減速器６、第２の均一化レンズ７を通過した後、処理室９内に配置された半導体基板８に照射される。
【００１９】
イオンビーム２が処理室９内に配置された半導体基板８に照射されている間、半導体基板８の全面にイオンビーム２を照射させるために、図示されない駆動機構によって、半導体基板８はＸ軸と平行なＷの方向に往復走査させられる。この往復走査の際、半導体基板８は完全にイオンビーム２が半導体基板８上に照射されない領域まで移動させられる。なお、イオン注入装置のセットアップ時等の半導体基板８に対してイオン注入処理が実施されない間も、半導体基板８をイオンビーム２が照射されない位置に図示されない駆動機構によってイオンビームが通過する経路から半導体基板８は退避させている。
【００２０】
処理室９内において、半導体基板８の下流側には、イオンビーム２の中心軌道が通る位置にビーム電流計測器１０が配置されている。このビーム電流計測器１０は、複数のファラデーカップから構成されている。
【００２１】
ビーム電流計測器１０の一例は、図３に示されている。ここではビーム電流計測器１０は１６個のファラデーカップ１２から構成されており、各ファラデーカップ１２はＹ軸に沿って配列されている。これによって、半導体基板８にイオンビーム２が照射されていない間、つまりはイオン注入処理の途中あるいは装置のセットアップ等によるイオン注入処理の未実施時に、ビーム電流計測器１０にイオンビーム２が照射され、イオンビーム２の長辺方向におけるビーム電流密度分布計測が可能となる。なお、このビーム電流計測器１０のＹ軸方向の寸法は、処理室内で想定される設計上のイオンビーム２のＹ軸方向の寸法を十分にカバー出来るように設定されている。
【００２２】
ビーム電流計測器１０で計測されたビーム電流密度分布のデータは、図１の制御装置１１に送信され、送信されたデータを基に制御装置１１が第１の均一化レンズ５あるいは第２の均一化レンズ６を制御し、イオンビーム２の均一化制御が実施される。
【００２３】
ここで、制御装置１１による均一化制御の手法を説明する。
【００２４】
図４に、第１の均一化レンズ５、第２の均一化レンズ６の一例を示す。ここでは、均一化レンズとして電界レンズを用いている。この電界レンズには、イオンビーム２をＸ軸方向から挟むように設けられた電極Ａ１３、電極Ｂ１４からなる電極対１５がイオンビームの長辺方向に沿って９個配列されている。
【００２５】
この例では、９個の電極対１５をイオンビームの進行方向（Ｚ方向）から挟むとともに、Ｘ軸方向においてイオンビーム２と干渉しない位置に遮蔽板１６が配置されている。この遮蔽板１６は、電気的に接地されており、隣接する加減速器６からの電界が均一化レンズ側に漏れ出すのを防止する為に設けられている。なお、加減速器６に隣接していない側の均一化レンズの遮蔽板１６はイオンビーム２が均一化レンズを構成する電極対１５に衝突して、電極対の電位が変化してしまうのを防止する為に設けられている。処理室側に位置する均一化電極の遮蔽板は、均一化電極からの汚染物が処理室側へ流出するのを防止する役割を果たしている。
【００２６】
電極Ａ１３と電極Ｂ１４は図示されない導体によって電気的に接続されている。また、９個の電極対のそれぞれは、個別の直流電源に接続されている。そしてそれぞれの電極対１５に印加される電圧の値を異ならせることによって、電極対間に電界を発生させることが出来る。この電界により、イオンビームをその進行方向であるＺ軸方向からいくらかＹ軸方向に向けて偏向させることが出来る。
【００２７】
この例では、イオンビームは正の電荷を有するものとする。この時、均一化レンズの電極対１５のＹ軸方向において上から１番目の電極対に負の電圧を印加し、その他の電極対を接地しておく。そうすると、上から１番目と２番目の電極対間を通過する一部のイオンビームは、電極対間に発生した電界によってＺ方向からいくらか１番目の電極対側へ偏向させられる。つまり、この偏向により１番目と２番目の電極対間を通過する一部のイオンビームはＺ方向に対して角度をもつことになる。その他の電極対の部分では、電界が発生していないので、その他の電極対間を通過するイオンビームの偏向は生じない。このようにして、均一化レンズでは局所的なイオンビーム（イオンビーム全体の内、電界が発生している部分を通過する一部分のイオンビーム）の偏向を達成することが出来る。
【００２８】
電極対にどのような電圧を印加するのかは、電流密度分布の測定結果に応じて変更される。図４の例では均一化レンズを構成する電極対１５を９個としているので、Ｙ軸方向において電極対間の空間は８個存在することになる。一方、図３のビーム計測器を構成する１６個のファラデーカップを、隣り合うファラデーカップどうしを一組のグループとして、グループＡ〜Ｈの８個のグループに分け、前述の各電極対間に形成された８個の空間にそれぞれ対応させる。
【００２９】
図５〜７はビーム電流計測器１０によって計測されたビーム電流密度分布である。図の横軸にはビーム電流計測器１０でグループ分けされたグループＡ〜Ｈに対応する領域が示されており、縦軸にはイオンビーム電流密度が示されている。
【００３０】
図５〜７と図８に示す均一化制御のフローチャートと併せて説明する。
【００３１】
図８の均一化制御のフローチャートでは、まずＡ〜Ｈまでの各グループで計測されたビーム電流密度の平均値（ＡＶＥ Ａ〜Ｈ）と全体のビーム電流密度（Ａ〜Ｈまでの全グループで計測された電流密度の総和）の平均値（ＡＶＥ ＴＯＴＡＬ）をそれぞれ求める。
【００３２】
次に、図８のフローにおいて、各グループでの平均値が所定範囲内にあるかどうかの判定が行われる。仮に、所定範囲内にあれば、均一性が所望の条件を満たすとして、フローは終了する。なお、ここで言う所定範囲内とは、予めイオン注入装置のオペレーターにより設定される値で、所望されるイオンビームの電流密度分布の均一性の程度に応じて決定される。具体的には、所定範囲は全体のビーム電流密度の平均値を基準として設定される。
【００３３】
この部分の処理をより詳細に説明する為に、図６と図７を参照する。図６では、全体のビーム電流密度の平均値（ＡＶＥ ＴＯＴＡＬ）を二点鎖線で示すとともに、全体のビーム電流密度の平均値に対しての所定範囲は実線で示している。図７ではＡ〜Ｈまでの各グループで計測されたビーム電流密度の平均値（ＡＶＥ Ａ〜Ｈ）を一点鎖線で示している。なお、図７において、グループＥおよびＦにおけるビーム電流密度の平均値が所定範囲から外れていることがわかる。
【００３４】
次に、図８のフローにおいて、所定範囲を満たさなかったグループの電流密度の平均値を抽出する作業が行われる。以降、説明をよりわかり易くするために、一例として具体的な数字を用いて説明する。イオンビーム全体の電流密度の平均値を２００、所定範囲を全体の平均値から５％の範囲（１９０〜２１０）とし、グループＤ〜Ｇでの平均値をそれぞれ１９５、２１５、２２５、２００とする。なお、単位は省略する。
【００３５】
図７の計測結果によると、所定範囲外となる為、グループＥおよびＦの平均値データが抽出される。次に抽出されたグループの平均値が所定範囲の上限を超えているかどうかを判定する。この場合、いずれのグループにおいても上限を超えている。
【００３６】
次に、対象となるグループの平均値（この場合、グループＥとグループＦとの平均値）とそれに隣り合うグループの平均値との比較が行われる。まず、グループＥを対象に見ると、グループＥと隣り合うグループはグループＤとＦであり、それぞれの平均値は、グループＥが２１５、グループＤが１９５、グループＦが２２５である。次にそれぞれの差を計算し、比較を行う。グループＥとグループＤの差（２１５−１９５）は２０、グループＥとグループＦの差（２１５−２２５）は−１０となる。一方、グループＦを対象に見ると、グループＦと隣り合うグループはグループＥとＧであり、グループＦとグループＥの差（２２５−２１５）は１０、グループＦとグループＧの差（２２５−２００）は２５となる。
【００３７】
この結果を踏まえて、イオンビームの局所的な偏向を実施する。具体的には、グループＥに対応する均一化レンズの電極対間に形成される空間からグループＤに対応する均一化レンズの電極対間に形成される空間に向けてイオンビームの局所的な偏向が達成されるように、各電極対に対して適当な電圧を印加させる。これと同時にグループＦに対応する均一化レンズの電極対間に形成される空間からグループＧに対応する均一化レンズの電極対間に形成される空間に向けて、イオンビームの局所的な偏向が達成されるように、各電極対に対して適当な電圧を印加させる。この均一化制御によって、全体に渡り電流密度の平均化が行われる。なお、その他の電極対間には、イオンビームの局所的な偏向を生じさせないように、電極対間の電位差がゼロになるように適当な電圧が印加されている。
【００３８】
均一化制御の結果、再度、それぞれのグループの平均値が所定範囲内に入ったかどうかの確認がなされる。この際、所定範囲外であれば、再び前述の均一化制御が行われる。
【００３９】
均一化制御にあたって各電極対に印加する電圧を適当な電圧としたが、これについて詳述しておく。
【００４０】
均一化レンズの電極対間に同じ強さの電界を発生させたとしても取り扱うイオンビームのエネルギーによってイオンビームの偏向量は異なる。その為、イオンビームのエネルギー、電極対間に発生させる電位差（電界の強さ）およびイオンビームの局所的な偏向量についての関係を、実際の均一化制御の前に、実験を行うことで予め調べておき、調べた結果をデータテーブルの形で制御装置１１に記憶させておく。
【００４１】
また、電界を発生させる電位差の値が分かっていても、具体的に電極対へ印加される電圧値は無数に選択出来てしまう。よって、イオンビームの偏向が必要のない部分に設けられた電極対は必ず接地（０Ｖ）されるようにしておき、この値を電位差に応じた電圧を印加する際の基準値とする。こうして基準値が設定されると、それをもとに、電位差の値に従って、それぞれの電極対に対して適切な電圧の印加が可能となる。但し、ここでは便宜上、０Ｖという数値を選択したが、他の値でも構わない。
【００４２】
一方で、イオン注入処理の実施前に、イオン注入装置のオペレーターによって設定されたイオンビームのエネルギーの値を、オペレーターが設定を行った段階で、インターフェース等を介して制御装置へ送信されるようにしておく。また、制御装置に対して直接に入力されるようにしておいても良い。
【００４３】
さらに、ビーム電流計測器によって測定されたビーム電流密度のデータ（図５〜７に記載されるデータ）もイオン注入処理の実施前あるいは実施中に、適宜、制御装置へ送信されるようにしておく。
【００４４】
また、均一化制御を行う場合、全体の電流密度を平らにさせる為に、均一化制御が繰り返されるに従って、イオンビームの偏向量を徐々に少なくなるように設定されることが考えられる。このようにすることで、制御の度に、常に大きな偏向量をもってイオンビームの遷移が行われる為に制御が収束しないといった問題や常に小さな偏向量をもってイオンビームの遷移が行われることで制御に時間を要するといった問題を解消することが出来る。
【００４５】
より具体的には、１回目、２回目、３回目・・・といったように均一化制御の回数毎にイオンビームの偏向量が徐々に小さくなるように、例えば２回目の偏向量は１回目の偏向量よりも数％小さくするといった予め決められた規則を用いて、制御装置に設定しておく。ここで言う均一化制御の回数は、最初に所定範囲内に個々のグループの平均値が入っているかどうかの判断を行ってから、再び同じ判断が行われるまでの一連の流れを１回とカウントしている。そして、何回目の均一化制御であるかは、均一化制御の開始から数えて何回のカウントがなされたかで決定される。
【００４６】
こうすることで、実際の均一化制御の際、ビーム電流計測器によって測定された結果とイオン注入装置のオペレーターによって設定されたイオンビームのエネルギーの値をもとにして、適宜、制御装置に予め記憶されているエネルギー、偏向量、電圧値からなるデータテーブルから制御装置が適当な値を読み出し、それをもとに均一化レンズによる均一化制御の自動化が実現できる。
【００４７】
なお、均一化制御は手動で行っても良い。その場合は、ビーム電流計測器１０によって得られる計測結果をイオン注入装置のオペレーターがモニターしながら、均一化レンズの各電極対に印加する電圧の設定値を調節することで行われる。
【００４８】
次に、第１の均一化レンズ５と第２の均一化レンズ７との使い分けについて説明する。これらの均一化レンズは半導体基板８に照射されるイオンビーム２のエネルギー、ビーム電流計測器１０で計測されるビーム電流量によって使い分けがなされる。
【００４９】
まずは、イオンビーム２のエネルギーによる使い分けについて説明する。
【００５０】
半導体基板８に照射されるイオンビーム２のエネルギーが高い場合、加減速器６でイオンビームは加速される。この為、第２の均一化レンズ７を通過するイオンビームのエネルギーは高くなる。第２の均一化レンズ７を使用して均一化制御を行う場合、強い電界を発生させる為の高電圧に対応した電源が必要となる。
【００５１】
このような高電圧の印加が可能な電源を用いることで一応のところイオンビームを局所的に偏向させ、イオンビームの均一化制御を行うことも出来るが、やはり高いエネルギーのイオンビームは偏向させ難いので、低いエネルギーのイオンビームに対しての制御と比べて制御が難しくなり、均一化制御を行う際の効率が低下する。
【００５２】
同じイオンビームの偏向量を達成させる場合、高いエネルギーのイオンビームは、低いエネルギーのイオンビームと比較してより広い範囲の電圧値が求められる。エネルギー大きさにもよるが、例えば、低いエネルギーのイオンビームをＺ軸方向に対してＹ軸方向に向けて０〜１０度偏向させる場合、均一化レンズの電極対に印加する電位差が０〜数Ｖで済む。これに対して、高いエネルギーのイオンビームの場合には、０〜数千Ｖといった広い範囲が必要とされる。
【００５３】
一方で、加減速器６を通過する前のイオンビーム２に対して均一化制御を実施することは従来から行われているように簡単である。これは取り扱うイオンビーム２のエネルギーが比較的低いからである。その為、半導体基板８に高いエネルギーのイオンビーム２を照射させる場合には、高いエネルギーに変換される前のイオンビーム２に対して均一化制御を行うことが均一化制御の効率の点からも望ましい。よって、半導体基板８に高いエネルギーのイオンビームを照射する場合には、加減速器６の上流側の第１の均一化レンズ５を用いて均一化制御を行う。
【００５４】
反対に、半導体基板８に低いエネルギーのイオンビーム２を照射する場合には、第１の均一化レンズ５を用いて均一化制御を行うことは難しい。これは低いエネルギーのイオンビーム２は空間電荷効果の影響を受けやすく、半導体基板８に到達するころには、もはやイオンビーム２としては発散してしまい、均一化制御が難しくなるからである。
【００５５】
これについて詳述すると、空間電荷効果によりイオンビーム２全体の外形は広がる。一方、マクロな視点で見た場合、つまりイオンビーム２の個々の部分に着目すると、空間電荷効果の影響をうけてイオンビーム２はあらゆる方向に進行している。どのような方向にイオンビーム２が進行するのかは、着目している部分のイオンビーム２の電荷の状態、イオンビーム経路中に存在する残留ガスの濃度あるいは残留ガスから電離される電子の量等の状況に依存する。これらの状況は、時間的に変化する。よって、空間電荷効果によってイオンビームの一部がどのような方向に進行するかを予想するということは非常に困難である。
【００５６】
半導体基板８に照射されるイオンビーム２のエネルギーが低い場合に、第１の均一化レンズ５を用いて均一化制御を実施する場合を考える。第１の均一化レンズ５から半導体基板８までの間には加減速器が存在している為、第１の均一化レンズ５から半導体基板８までの物理的な距離は遠い。よって、第１の均一化レンズ５で制御されたイオンビーム２は半導体基板８に到達するまでに空間電荷効果の影響を強く受けてしまう。
【００５７】
イオンビーム２の個々の部分を見た場合に、半導体基板８に到達するイオンビーム２は第１の均一化レンズ５で制御された進行方向とは異なる方向に進んでしまうことになるので、均一化制御によって十分に電流密度分布が均一なイオンビーム２を半導体基板８に照射させることが出来ない。
【００５８】
よって、本発明では、半導体基板８に照射されるイオンビーム２が低いエネルギーを有する場合には、第２の均一化レンズ７を用いて均一化制御を実施している。この様な使い分けをすることで、広範囲に電圧を設定出来る高価な電源が不要となる。さらには、第２の均一化レンズ７と半導体基板８との距離が近い。その為、空間電荷効果による影響がさほど発生しないので、十分に電流密度分布が均一なイオンビーム２を半導体基板８に照射させることが出来るといった点で従来技術と比較して有利となる。
【００５９】
なお、Ｘ軸方向における電流密度分布の均一性は、この実施例において問題とならない。本実施例では半導体基板をＸ軸と平行なＷの方向にイオンビームを横切るように走査しているので、Ｘ軸方向における電流密度分布が均一でなかったとしても、Ｙ軸方向でのビーム電流密度分布の均一性が保たれれば、半導体基板の全面に対して均一なイオン注入が可能となる。
【００６０】
これまでに説明した均一化レンズの使い分けの具体例を図９に示す。
【００６１】
空間電荷効果の影響は、イオンビーム経路の距離とエネルギーに依存することについて述べてきた。ここでは、その点に着目して、均一化レンズの使い分けを行っている。
【００６２】
図９に示すフローチャートでは、まず半導体基板８に照射されるイオンビーム２のエネ
ルギーの設定を行う。これについてはイオン注入装置のオペレーターが適宜行う。次に設定されたエネルギー（便宜上、最終エネルギーと呼ぶ）と予め設けられている所定のエネルギー（便宜上、基準エネルギーと呼ぶ）との比較を行う。
【００６３】
基準エネルギーは各イオン注入装置の構成に依存して設定される。このように設定される理由は、各イオン注入装置で加減速器と半導体基板までの距離が一定ではない為、同じエネルギーを有するイオンビームを取り扱う場合でも空間電荷効果の影響が異なってくるからである。なお、この基準エネルギーは、高いエネルギーと低いエネルギーの境界のエネルギーを意味しており、イオン注入装置を用いた実験や設計者の経験則から決定される値である。
【００６４】
比較の結果、最終エネルギーが基準エネルギーよりも小さければ、最終エネルギーは低いエネルギーであるので、加減速器６の下流側に設けられた第２の均一化レンズ７を用いて均一化制御が実施される。反対に、最終エネルギーが基準エネルギーよりも大きければ、最終エネルギーは高いエネルギーであるので、加減速器６の下流側に設けられた第１の均一化レンズ５を用いて均一化制御が実施される。
【００６５】
図９に示されるフローチャートに示される判定機能を制御装置１１に設けておいても良い。その場合、予め制御装置１１に基準エネルギーの値を記憶させておく。後は、イオン注入装置のオペレーターが、最終エネルギーの設定を行った際に、適宜、その情報が制御装置１１にユーザーインターフェースを介して入力されるようにしておく。そうすると、使用する均一化レンズの選択判断と選択された均一化レンズを用いての均一化制御の実施とを、全て自動化して行うことが出来る。
【００６６】
一方、イオン注入装置のオペレーターが手動で行うことも可能である。予め基準エネルギーの値を求めておき、最終エネルギーを設定する際に、適宜、オペレーターが比較を行って使用する均一化レンズを選択すれば良い。
【００６７】
エネルギーの値に基づいて均一化レンズの使い分けを行う方法について説明したが、ビーム電流計測器によるビーム電流値（ビーム電流量）に基づいて均一化レンズの使い分けをしても良い。
【００６８】
低いエネルギーのイオンビームは、空間電荷効果の影響を強く受ける為、高いエネルギーのイオンビームと比べると、イオンビームの外形が大きく広がってしまう。その為、複数のファラデーカップからなるビーム電流計測器１０で計測されるビーム電流量に着目すると、低いエネルギーのイオンビームの電流量は高いエネルギーのイオンビームの電流量よりも小さくなる。つまり、低いエネルギーのイオンビームではその外形が広がってしまう為、ビーム電流計測器からはみ出てしまう。その為、全てのイオンビームに対しての計測が出来ないので、ビーム電流量は減少する。
【００６９】
この場合における具体的な手法は、図１０に従って行われる。ビーム電流量の場合もエネルギーの場合と同じく、予め実験を行って基準となる所定のビーム電流量を決定しておく。そして、実際にビーム電流計測器で測定されたビーム電流量と所定のビーム電流量との比較を行い、適宜、使用する均一化レンズの選択を行う。
【００７０】
このビーム電流量を用いた選択方法の場合もエネルギーを用いた選択方法の場合と同様に、制御装置で行うようにしても良いし、オペレーターの判断に任せても良い。
【００７１】
なお、これまでイオンビームのエネルギーとイオンビーム電流量に基づいて均一化レンズを使い分ける手法を述べてきたが、例えば、イオンビーム全体の広がり角度を用いても同様に均一化レンズの使い分けを行うことが出来る。何故なら、これらのパラメーターは半導体基板に照射されるイオンビームに対して空間電荷効果の影響がどの程度現れるかを示すものである。よって、本発明で着目すべきパラメーターは、イオンビームのエネルギーや電流量に限られず、イオンビームのエネルギーの違いによって半導体基板に照射されるイオンビームに対しての空間電荷効果の影響度を示すその他のパラメーターであっても構わない。
【００７２】
＜その他の実施形態＞
前述の実施形態に限らず、次のような形態を採用しても良い。
【００７３】
第１の均一化レンズ５と第２の均一化レンズ７は、異なる部材であってもよいが、制御性の観点から同一の部材を用いるのが望ましい。また、一例として図４に示される静電レンズアレイからなる電界レンズを用いるものを挙げたが、これに限らず、従来からビーム電流密度の均一化に用いられている磁界レンズを使用しても構わない。
【００７４】
また、均一化レンズとしては、より細かな制御を行う為に図１１に示すようなレンズを使用しても良い。図１１のレンズは、Ｚ方向に図２に示した２つの均一化レンズを配置するとともに、片方のレンズの電極対間に、もう片方のレンズの電極対が配置されるようにＹ軸方向にずらして配置された均一化レンズである。このような均一化レンズを用いれば、
均一化制御の精度を向上させることが出来る。
【００７５】
さらに、ビーム電流計測器１０として、処理室内に配置され、Ｙ軸方向に沿って複数のファラデーカップが配列されたものを一例として挙げたが、これに限られない。例えば、ビーム電流計測器を１つのファラデーカップで構成する。これと組み合わせて、ビーム電流計測器をＹ軸方向に沿って移動可能な駆動機構を設けることで、同等の機能を有するビーム電流計測器が実現できる。
【００７６】
その上、低いエネルギーのイオンビームを取り扱う場合、イオンビームの外形が広がってしまう。これによって、半導体基板に達するまでにイオンビームがイオン注入装置を構成する部材等に衝突し、消滅してしまう可能性もある。その為、低いエネルギーを有するイオンビームに対しては、第２の均一化レンズで均一化制御を実施する前に、第１の均一化レンズ５で、一旦、イオンビームの外形を狭めるような制御を行うようにしておいても良い。
【符号の説明】
【００７７】
１ イオン源
２ イオンビーム
３ 質量分析マグネット
４ 分析スリット
５ 第１の均一化レンズ
６ 加減速器
７ 第２の均一化レンズ
８ 基板
９ 処理室
１０ ビーム電流測定器
１１ 制御装置
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、リボン状のイオンビームの長辺方向におけるイオンビームの電流密度分布が均一となるように制御する為の均一化レンズを複数有するイオン注入装置に関する。更には、複数の均一化レンズの使い分けの手法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、イオン注入装置には、シリコン等の半導体基板に所望のエネルギーを有するイオンビームを照射させる為に、イオンビームを加速あるいは減速させる機能を有する加減速器が備えられている。また、デバイスの製作にあたっては、半導体基板全面に渡って均一な特性を有するデバイスを製作することが望まれる。その為、イオン注入装置には半導体基板に照射されるイオンビームの電流密度分布を均一に制御する為の均一化レンズが備えられている。
【０００３】
一般に、イオンビームは空間電荷効果の影響で発散する。イオンビームの発散の度合いは、イオンビームの飛行距離が長くなるほど、イオンビーのエネルギーが低くなるほど、顕著となる。イオンビームが十分に発散してしまうと、ウェハに照射されるイオンビームのビーム径が大きくなって目的箇所へのビーム照射利用効率を下げると共に、ビーム径内での各イオン粒子の進行方向の角度が拡がり、照射時の基板への入射角度も拡がる。その為、設定角度から或る角度幅を持って入射角が悪化する。換言すれば、電流密度分布の均一性が悪化する。これを改善する為に、低いエネルギーのイオンビームを扱うイオン注入装置では、出きるだけ半導体基板が配置される処理室と近い位置に加減速器を設置し、半導体基板にイオンビームが照射される直前にイオンビームのエネルギーを低くしていた。
【０００４】
また、イオン注入装置で取り扱うイオンビームのエネルギー範囲は広い。例えば、電流のイオン注入装置では、取り扱うイオンビームのエネルギーの範囲は、数ｋeＶ〜数百ｋeＶに及ぶ。なお、ここで言うエネルギーは、半導体基板に照射されるイオンビームのエネルギーをさす。高いエネルギーを有するイオンビームを偏向させる場合は、強い電界や強い磁界が必要となる。一方、低いエネルギーを有するイオンビームの場合は、弱い電界や弱い磁界で良い。電界や磁界を発生させる為のレンズの駆動源として、通常は直流電源が、場合によっては交流電源が用いられる。均一化レンズで取り扱うイオンビームのエネルギーが広範囲に及ぶ場合には、この電源の電圧も広範囲に設定できるようなものを使用する必要がある。
【０００５】
一方で、広範囲に渡って電圧の設定が出来るような電源は高価であるので、あまり使用したくないという要望もある。その為、従来のイオン注入装置では、イオンビームが通過する経路において、加減速器の上流側に均一化レンズを配置し、加減速器にてイオンビームのエネルギーの変換が行われる前のイオンビーム（エネルギーの範囲が広域でないイオンビーム）に対して、均一化制御を行っていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−９７９７５号公報（段落０２７５−０２７６、段落０２２８−０２２９、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
半導体基板に形成される回路パターンは、年々、微細化の一途をたどっている。それに伴って、半導体基板の表面から浅い位置にイオンを注入することが重要となっている。半導体基板表面からどれぐらいの位置にイオンが注入されるのかは、イオンビームのエネルギーに依存している。半導体基板に照射されるイオンビームのエネルギーが低いほど、半導体基板表面から浅い位置にイオンが注入される。
【０００８】
今後、微細化が進むことで、更なるイオンビームの低エネルギー化が求められた場合、従来のイオン注入装置では半導体基板全面に渡って均一な特性を有するデバイスを製作することが困難になる。その理由としては、従来のイオン注入装置では、加減速器と半導体基板との間にイオンビームの均一化制御を行う為の均一化レンズが存在していない。これまでは、加減速器と半導体基板との間の物理的な距離に応じて、多少のイオンビームの発散があったにしろ、デバイスの製作にあたって、イオンビームの電流密度分布の均一性は許容範囲内であった。しかしながら、加減速器でイオンビームがこれまで以上に低いエネルギーに変換されると、更にイオンビームは発散することになり、最終的には許容出来る範囲を超えてしまう。
【０００９】
この為、従来のイオン注入装置では、イオンビームの低エネルギー化が進んだ場合、半導体基板に対して十分に均一な電流密度分布を有するイオンビームを照射させることが出来ないという課題があった。
【００１０】
そこでこの発明は、イオンビームの低エネルギー化が進んだ場合においても、半導体基板に対して十分に均一な電流密度分布を有するイオンビームを照射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】
この本発明に係るイオン注入装置は、所望のエネルギーを有するリボン状のイオンビームを半導体基板に照射する為に前記リボン状のイオンビームを加速あるいは減速させる加減速器と、前記リボン状のイオンビームの長辺方向における電流密度分布を均一に制御する為の第１の均一化レンズおよび第２の均一化レンズと、前記半導体基板が配置される処理室と、前記処理室内に配置され前記リボン状のイオンビームの長辺方向における電流密度分布の測定を行うビーム電流計測器と、を備えたイオン注入装置において、前記処理室側から前記リボン状のイオンビームの経路を見た時、前記第２の均一化レンズ、前記加減速器、前記第１の均一化レンズの順に、イオンビームの経路に沿って配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の１つの局面によれば、イオンビームの低エネルギー化が進んだ場合においても、半導体基板に対して十分に均一な電流密度分布を有するイオンビームを照射させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るイオン注入装置の一実施形態を示す平面図である。
【図２】イオンビームの斜視図である。
【図３】ビーム電流計測器の平面図である。
【図４】均一化レンズの斜視図である。
【図５】ビーム電流計測器によって計測されたＹ軸方向に沿った電流密度分布である。
【図６】図５に全体のビーム電流密度の平均値と所定範囲を追記した図である。
【図７】図５に所定範囲と各グループでのビーム電流密度の平均値を追記した図である。
【図８】均一化レンズによる制御を示すフローチャートである。
【図９】イオンビームのエネルギーによる均一化レンズの使い分け方法を示すフローチャートである。
【図１０】イオンビームの電流量による均一化レンズの使い分け方法を示すフローチャートである。
【図１１】他の様態における均一化レンズの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、この発明に係るイオン注入装置の一実施形態を示す平面図である。この図１において、Ｚ軸方向はイオン
ビーム２の進行方向をいう。
【００１５】
このイオン注入装置では、イオン源１より射出されたイオンビーム２は、Ｚ軸方向と互いに直交するＸ軸方向とＹ軸方向において長さを有しており、それぞれの長さを比較した場合、Ｘ軸方向よりもＹ軸方向の方が長い形状のイオンビームである。このような形状のビームは、リボンビームもしくはシートビーム、長尺ビームとも呼ばれている。なお、図１では、便宜上、イオンビーム２の軌跡としてその中心軌道のみを記載している。
【００１６】
より詳細には、このようなイオンビームは、図２に示すように、Ｙ軸方向に沿って長さＢＨ（具体的には、約３００〜５００ｍｍ)を有し、Ｙ軸と直交するＸ軸方向に長さＢＷ（具体的には、約８０〜１００ｍｍ）を有する。
【００１７】
イオンビーム２はイオン源１より射出された後、質量分析マグネット３、分析スリット４を通過する。これによって、半導体基板８に注入されるべきイオン種の選別が行われる。この半導体基板８は、具体的には、シリコンウェハや半導体素子が表面に形成されているガラス基板である。
【００１８】
質量分析されたイオンビーム２は、第１の均一化レンズ５、加減速器６、第２の均一化レンズ７を通過した後、処理室９内に配置された半導体基板８に照射される。
【００１９】
イオンビーム２が処理室９内に配置された半導体基板８に照射されている間、半導体基板８の全面にイオンビーム２を照射させるために、図示されない駆動機構によって、半導体基板８はＸ軸と平行なＷの方向に往復走査させられる。この往復走査の際、半導体基板８は完全にイオンビーム２が半導体基板８上に照射されない領域まで移動させられる。なお、イオン注入装置のセットアップ時等の半導体基板８に対してイオン注入処理が実施されない間も、半導体基板８をイオンビーム２が照射されない位置に図示されない駆動機構によってイオンビームが通過する経路から半導体基板８は退避させている。
【００２０】
処理室９内において、半導体基板８の下流側には、イオンビーム２の中心軌道が通る位置にビーム電流計測器１０が配置されている。このビーム電流計測器１０は、複数のファラデーカップから構成されている。
【００２１】
ビーム電流計測器１０の一例は、図３に示されている。ここではビーム電流計測器１０は１６個のファラデーカップ１２から構成されており、各ファラデーカップ１２はＹ軸に沿って配列されている。これによって、半導体基板８にイオンビーム２が照射されていない間、つまりはイオン注入処理の途中あるいは装置のセットアップ等によるイオン注入処理の未実施時に、ビーム電流計測器１０にイオンビーム２が照射され、イオンビーム２の長辺方向におけるビーム電流密度分布計測が可能となる。なお、このビーム電流計測器１０のＹ軸方向の寸法は、処理室内で想定される設計上のイオンビーム２のＹ軸方向の寸法を十分にカバー出来るように設定されている。
【００２２】
ビーム電流計測器１０で計測されたビーム電流密度分布のデータは、図１の制御装置１１に送信され、送信されたデータを基に制御装置１１が第１の均一化レンズ５あるいは第２の均一化レンズ６を制御し、イオンビーム２の均一化制御が実施される。
【００２３】
ここで、制御装置１１による均一化制御の手法を説明する。
【００２４】
図４に、第１の均一化レンズ５、第２の均一化レンズ６の一例を示す。ここでは、均一化レンズとして電界レンズを用いている。この電界レンズには、イオンビーム２をＸ軸方向から挟むように設けられた電極Ａ１３、電極Ｂ１４からなる電極対１５がイオンビームの長辺方向に沿って９個配列されている。
【００２５】
この例では、９個の電極対１５をイオンビームの進行方向（Ｚ方向）から挟むとともに、Ｘ軸方向においてイオンビーム２と干渉しない位置に遮蔽板１６が配置されている。この遮蔽板１６は、電気的に接地されており、隣接する加減速器６からの電界が均一化レンズ側に漏れ出すのを防止する為に設けられている。なお、加減速器６に隣接していない側の均一化レンズの遮蔽板１６はイオンビーム２が均一化レンズを構成する電極対１５に衝突して、電極対の電位が変化してしまうのを防止する為に設けられている。処理室側に位置する均一化電極の遮蔽板は、均一化電極からの汚染物が処理室側へ流出するのを防止する役割を果たしている。
【００２６】
電極Ａ１３と電極Ｂ１４は図示されない導体によって電気的に接続されている。また、９個の電極対のそれぞれは、個別の直流電源に接続されている。そしてそれぞれの電極対１５に印加される電圧の値を異ならせることによって、電極対間に電界を発生させることが出来る。この電界により、イオンビームをその進行方向であるＺ軸方向からいくらかＹ軸方向に向けて偏向させることが出来る。
【００２７】
この例では、イオンビームは正の電荷を有するものとする。この時、均一化レンズの電極対１５のＹ軸方向において上から１番目の電極対に負の電圧を印加し、その他の電極対を接地しておく。そうすると、上から１番目と２番目の電極対間を通過する一部のイオンビームは、電極対間に発生した電界によってＺ方向からいくらか１番目の電極対側へ偏向させられる。つまり、この偏向により１番目と２番目の電極対間を通過する一部のイオンビームはＺ方向に対して角度をもつことになる。その他の電極対の部分では、電界が発生していないので、その他の電極対間を通過するイオンビームの偏向は生じない。このようにして、均一化レンズでは局所的なイオンビーム（イオンビーム全体の内、電界が発生している部分を通過する一部分のイオンビーム）の偏向を達成することが出来る。
【００２８】
電極対にどのような電圧を印加するのかは、電流密度分布の測定結果に応じて変更される。図４の例では均一化レンズを構成する電極対１５を９個としているので、Ｙ軸方向において電極対間の空間は８個存在することになる。一方、図３のビーム計測器を構成する１６個のファラデーカップを、隣り合うファラデーカップどうしを一組のグループとして、グループＡ〜Ｈの８個のグループに分け、前述の各電極対間に形成された８個の空間にそれぞれ対応させる。
【００２９】
図５〜７はビーム電流計測器１０によって計測されたビーム電流密度分布である。図の横軸にはビーム電流計測器１０でグループ分けされたグループＡ〜Ｈに対応する領域が示されており、縦軸にはイオンビーム電流密度が示されている。
【００３０】
図５〜７と図８に示す均一化制御のフローチャートと併せて説明する。
【００３１】
図８の均一化制御のフローチャートでは、まずＡ〜Ｈまでの各グループで計測されたビーム電流密度の平均値（ＡＶＥ Ａ〜Ｈ）と全体のビーム電流密度（Ａ〜Ｈまでの全グループで計測された電流密度の総和）の平均値（ＡＶＥ ＴＯＴＡＬ）をそれぞれ求める。
【００３２】
次に、図８のフローにおいて、各グループでの平均値が所定範囲内にあるかどうかの判定が行われる。仮に、所定範囲内にあれば、均一性が所望の条件を満たすとして、フローは終了する。なお、ここで言う所定範囲内とは、予めイオン注入装置のオペレーターにより設定される値で、所望されるイオンビームの電流密度分布の均一性の程度に応じて決定される。具体的には、所定範囲は全体のビーム電流密度の平均値を基準として設定される。
【００３３】
この部分の処理をより詳細に説明する為に、図６と図７を参照する。図６では、全体のビーム電流密度の平均値（ＡＶＥ ＴＯＴＡＬ）を二点鎖線で示すとともに、全体のビーム電流密度の平均値に対しての所定範囲は実線で示している。図７ではＡ〜Ｈまでの各グループで計測されたビーム電流密度の平均値（ＡＶＥ Ａ〜Ｈ）を一点鎖線で示している。なお、図７において、グループＥおよびＦにおけるビーム電流密度の平均値が所定範囲から外れていることがわかる。
【００３４】
次に、図８のフローにおいて、所定範囲を満たさなかったグループの電流密度の平均値を抽出する作業が行われる。以降、説明をよりわかり易くするために、一例として具体的な数字を用いて説明する。イオンビーム全体の電流密度の平均値を２００、所定範囲を全体の平均値から５％の範囲（１９０〜２１０）とし、グループＤ〜Ｇでの平均値をそれぞれ１９５、２１５、２２５、２００とする。なお、単位は省略する。
【００３５】
図７の計測結果によると、所定範囲外となる為、グループＥおよびＦの平均値データが抽出される。次に抽出されたグループの平均値が所定範囲の上限を超えているかどうかを判定する。この場合、いずれのグループにおいても上限を超えている。
【００３６】
次に、対象となるグループの平均値（この場合、グループＥとグループＦとの平均値）とそれに隣り合うグループの平均値との比較が行われる。まず、グループＥを対象に見ると、グループＥと隣り合うグループはグループＤとＦであり、それぞれの平均値は、グループＥが２１５、グループＤが１９５、グループＦが２２５である。次にそれぞれの差を計算し、比較を行う。グループＥとグループＤの差（２１５−１９５）は２０、グループＥとグループＦの差（２１５−２２５）は−１０となる。一方、グループＦを対象に見ると、グループＦと隣り合うグループはグループＥとＧであり、グループＦとグループＥの差（２２５−２１５）は１０、グループＦとグループＧの差（２２５−２００）は２５となる。
【００３７】
この結果を踏まえて、イオンビームの局所的な偏向を実施する。具体的には、グループＥに対応する均一化レンズの電極対間に形成される空間からグループＤに対応する均一化レンズの電極対間に形成される空間に向けてイオンビームの局所的な偏向が達成されるように、各電極対に対して適当な電圧を印加させる。これと同時にグループＦに対応する均一化レンズの電極対間に形成される空間からグループＧに対応する均一化レンズの電極対間に形成される空間に向けて、イオンビームの局所的な偏向が達成されるように、各電極対に対して適当な電圧を印加させる。この均一化制御によって、全体に渡り電流密度の平均化が行われる。なお、その他の電極対間には、イオンビームの局所的な偏向を生じさせないように、電極対間の電位差がゼロになるように適当な電圧が印加されている。
【００３８】
均一化制御の結果、再度、それぞれのグループの平均値が所定範囲内に入ったかどうかの確認がなされる。この際、所定範囲外であれば、再び前述の均一化制御が行われる。
【００３９】
均一化制御にあたって各電極対に印加する電圧を適当な電圧としたが、これについて詳述しておく。
【００４０】
均一化レンズの電極対間に同じ強さの電界を発生させたとしても取り扱うイオンビームのエネルギーによってイオンビームの偏向量は異なる。その為、イオンビームのエネルギー、電極対間に発生させる電位差（電界の強さ）およびイオンビームの局所的な偏向量についての関係を、実際の均一化制御の前に、実験を行うことで予め調べておき、調べた結果をデータテーブルの形で制御装置１１に記憶させておく。
【００４１】
また、電界を発生させる電位差の値が分かっていても、具体的に電極対へ印加される電圧値は無数に選択出来てしまう。よって、イオンビームの偏向が必要のない部分に設けられた電極対は必ず接地（０Ｖ）されるようにしておき、この値を電位差に応じた電圧を印加する際の基準値とする。こうして基準値が設定されると、それをもとに、電位差の値に従って、それぞれの電極対に対して適切な電圧の印加が可能となる。但し、ここでは便宜上、０Ｖという数値を選択したが、他の値でも構わない。
【００４２】
一方で、イオン注入処理の実施前に、イオン注入装置のオペレーターによって設定されたイオンビームのエネルギーの値を、オペレーターが設定を行った段階で、インターフェース等を介して制御装置へ送信されるようにしておく。また、制御装置に対して直接に入力されるようにしておいても良い。
【００４３】
さらに、ビーム電流計測器によって測定されたビーム電流密度のデータ（図５〜７に記載されるデータ）もイオン注入処理の実施前あるいは実施中に、適宜、制御装置へ送信されるようにしておく。
【００４４】
また、均一化制御を行う場合、全体の電流密度を平らにさせる為に、均一化制御が繰り返されるに従って、イオンビームの偏向量を徐々に少なくなるように設定されることが考えられる。このようにすることで、制御の度に、常に大きな偏向量をもってイオンビームの遷移が行われる為に制御が収束しないといった問題や常に小さな偏向量をもってイオンビームの遷移が行われることで制御に時間を要するといった問題を解消することが出来る。
【００４５】
より具体的には、１回目、２回目、３回目・・・といったように均一化制御の回数毎にイオンビームの偏向量が徐々に小さくなるように、例えば２回目の偏向量は１回目の偏向量よりも数％小さくするといった予め決められた規則を用いて、制御装置に設定しておく。ここで言う均一化制御の回数は、最初に所定範囲内に個々のグループの平均値が入っているかどうかの判断を行ってから、再び同じ判断が行われるまでの一連の流れを１回とカウントしている。そして、何回目の均一化制御であるかは、均一化制御の開始から数えて何回のカウントがなされたかで決定される。
【００４６】
こうすることで、実際の均一化制御の際、ビーム電流計測器によって測定された結果とイオン注入装置のオペレーターによって設定されたイオンビームのエネルギーの値をもとにして、適宜、制御装置に予め記憶されているエネルギー、偏向量、電圧値からなるデータテーブルから制御装置が適当な値を読み出し、それをもとに均一化レンズによる均一化制御の自動化が実現できる。
【００４７】
なお、均一化制御は手動で行っても良い。その場合は、ビーム電流計測器１０によって得られる計測結果をイオン注入装置のオペレーターがモニターしながら、均一化レンズの各電極対に印加する電圧の設定値を調節することで行われる。
【００４８】
次に、第１の均一化レンズ５と第２の均一化レンズ７との使い分けについて説明する。これらの均一化レンズは半導体基板８に照射されるイオンビーム２のエネルギー、ビーム電流計測器１０で計測されるビーム電流量によって使い分けがなされる。
【００４９】
まずは、イオンビーム２のエネルギーによる使い分けについて説明する。
【００５０】
半導体基板８に照射されるイオンビーム２のエネルギーが高い場合、加減速器６でイオンビームは加速される。この為、第２の均一化レンズ７を通過するイオンビームのエネルギーは高くなる。第２の均一化レンズ７を使用して均一化制御を行う場合、強い電界を発生させる為の高電圧に対応した電源が必要となる。
【００５１】
このような高電圧の印加が可能な電源を用いることで一応のところイオンビームを局所的に偏向させ、イオンビームの均一化制御を行うことも出来るが、やはり高いエネルギーのイオンビームは偏向させ難いので、低いエネルギーのイオンビームに対しての制御と比べて制御が難しくなり、均一化制御を行う際の効率が低下する。
【００５２】
同じイオンビームの偏向量を達成させる場合、高いエネルギーのイオンビームは、低いエネルギーのイオンビームと比較してより広い範囲の電圧値が求められる。エネルギー大きさにもよるが、例えば、低いエネルギーのイオンビームをＺ軸方向に対してＹ軸方向に向けて０〜１０度偏向させる場合、均一化レンズの電極対に印加する電位差が０〜数Ｖで済む。これに対して、高いエネルギーのイオンビームの場合には、０〜数千Ｖといった広い範囲が必要とされる。
【００５３】
一方で、加減速器６を通過する前のイオンビーム２に対して均一化制御を実施することは従来から行われているように簡単である。これは取り扱うイオンビーム２のエネルギーが比較的低いからである。その為、半導体基板８に高いエネルギーのイオンビーム２を照射させる場合には、高いエネルギーに変換される前のイオンビーム２に対して均一化制御を行うことが均一化制御の効率の点からも望ましい。よって、半導体基板８に高いエネルギーのイオンビームを照射する場合には、加減速器６の上流側の第１の均一化レンズ５を用いて均一化制御を行う。
【００５４】
反対に、半導体基板８に低いエネルギーのイオンビーム２を照射する場合には、第１の均一化レンズ５を用いて均一化制御を行うことは難しい。これは低いエネルギーのイオンビーム２は空間電荷効果の影響を受けやすく、半導体基板８に到達するころには、もはやイオンビーム２としては発散してしまい、均一化制御が難しくなるからである。
【００５５】
これについて詳述すると、空間電荷効果によりイオンビーム２全体の外形は広がる。一方、マクロな視点で見た場合、つまりイオンビーム２の個々の部分に着目すると、空間電荷効果の影響をうけてイオンビーム２はあらゆる方向に進行している。どのような方向にイオンビーム２が進行するのかは、着目している部分のイオンビーム２の電荷の状態、イオンビーム経路中に存在する残留ガスの濃度あるいは残留ガスから電離される電子の量等の状況に依存する。これらの状況は、時間的に変化する。よって、空間電荷効果によってイオンビームの一部がどのような方向に進行するかを予想するということは非常に困難である。
【００５６】
半導体基板８に照射されるイオンビーム２のエネルギーが低い場合に、第１の均一化レンズ５を用いて均一化制御を実施する場合を考える。第１の均一化レンズ５から半導体基板８までの間には加減速器が存在している為、第１の均一化レンズ５から半導体基板８までの物理的な距離は遠い。よって、第１の均一化レンズ５で制御されたイオンビーム２は半導体基板８に到達するまでに空間電荷効果の影響を強く受けてしまう。
【００５７】
イオンビーム２の個々の部分を見た場合に、半導体基板８に到達するイオンビーム２は第１の均一化レンズ５で制御された進行方向とは異なる方向に進んでしまうことになるので、均一化制御によって十分に電流密度分布が均一なイオンビーム２を半導体基板８に照射させることが出来ない。
【００５８】
よって、本発明では、半導体基板８に照射されるイオンビーム２が低いエネルギーを有する場合には、第２の均一化レンズ７を用いて均一化制御を実施している。この様な使い分けをすることで、広範囲に電圧を設定出来る高価な電源が不要となる。さらには、第２の均一化レンズ７と半導体基板８との距離が近い。その為、空間電荷効果による影響がさほど発生しないので、十分に電流密度分布が均一なイオンビーム２を半導体基板８に照射させることが出来るといった点で従来技術と比較して有利となる。
【００５９】
なお、Ｘ軸方向における電流密度分布の均一性は、この実施例において問題とならない。本実施例では半導体基板をＸ軸と平行なＷの方向にイオンビームを横切るように走査しているので、Ｘ軸方向における電流密度分布が均一でなかったとしても、Ｙ軸方向でのビーム電流密度分布の均一性が保たれれば、半導体基板の全面に対して均一なイオン注入が可能となる。
【００６０】
これまでに説明した均一化レンズの使い分けの具体例を図９に示す。
【００６１】
空間電荷効果の影響は、イオンビーム経路の距離とエネルギーに依存することについて述べてきた。ここでは、その点に着目して、均一化レンズの使い分けを行っている。
【００６２】
図９に示すフローチャートでは、まず半導体基板８に照射されるイオンビーム２のエネ
ルギーの設定を行う。これについてはイオン注入装置のオペレーターが適宜行う。次に設定されたエネルギー（便宜上、最終エネルギーと呼ぶ）と予め設けられている所定のエネルギー（便宜上、基準エネルギーと呼ぶ）との比較を行う。
【００６３】
基準エネルギーは各イオン注入装置の構成に依存して設定される。このように設定される理由は、各イオン注入装置で加減速器と半導体基板までの距離が一定ではない為、同じエネルギーを有するイオンビームを取り扱う場合でも空間電荷効果の影響が異なってくるからである。なお、この基準エネルギーは、高いエネルギーと低いエネルギーの境界のエネルギーを意味しており、イオン注入装置を用いた実験や設計者の経験則から決定される値である。
【００６４】
比較の結果、最終エネルギーが基準エネルギーよりも小さければ、最終エネルギーは低いエネルギーであるので、加減速器６の下流側に設けられた第２の均一化レンズ７を用いて均一化制御が実施される。反対に、最終エネルギーが基準エネルギーよりも大きければ、最終エネルギーは高いエネルギーであるので、加減速器６の下流側に設けられた第１の均一化レンズ５を用いて均一化制御が実施される。
【００６５】
図９に示されるフローチャートに示される判定機能を制御装置１１に設けておいても良い。その場合、予め制御装置１１に基準エネルギーの値を記憶させておく。後は、イオン注入装置のオペレーターが、最終エネルギーの設定を行った際に、適宜、その情報が制御装置１１にユーザーインターフェースを介して入力されるようにしておく。そうすると、使用する均一化レンズの選択判断と選択された均一化レンズを用いての均一化制御の実施とを、全て自動化して行うことが出来る。
【００６６】
一方、イオン注入装置のオペレーターが手動で行うことも可能である。予め基準エネルギーの値を求めておき、最終エネルギーを設定する際に、適宜、オペレーターが比較を行って使用する均一化レンズを選択すれば良い。
【００６７】
エネルギーの値に基づいて均一化レンズの使い分けを行う方法について説明したが、ビーム電流計測器によるビーム電流値（ビーム電流量）に基づいて均一化レンズの使い分けをしても良い。
【００６８】
低いエネルギーのイオンビームは、空間電荷効果の影響を強く受ける為、高いエネルギーのイオンビームと比べると、イオンビームの外形が大きく広がってしまう。その為、複数のファラデーカップからなるビーム電流計測器１０で計測されるビーム電流量に着目すると、低いエネルギーのイオンビームの電流量は高いエネルギーのイオンビームの電流量よりも小さくなる。つまり、低いエネルギーのイオンビームではその外形が広がってしまう為、ビーム電流計測器からはみ出てしまう。その為、全てのイオンビームに対しての計測が出来ないので、ビーム電流量は減少する。
【００６９】
この場合における具体的な手法は、図１０に従って行われる。ビーム電流量の場合もエネルギーの場合と同じく、予め実験を行って基準となる所定のビーム電流量を決定しておく。そして、実際にビーム電流計測器で測定されたビーム電流量と所定のビーム電流量との比較を行い、適宜、使用する均一化レンズの選択を行う。
【００７０】
このビーム電流量を用いた選択方法の場合もエネルギーを用いた選択方法の場合と同様に、制御装置で行うようにしても良いし、オペレーターの判断に任せても良い。
【００７１】
なお、これまでイオンビームのエネルギーとイオンビーム電流量に基づいて均一化レンズを使い分ける手法を述べてきたが、例えば、イオンビーム全体の広がり角度を用いても同様に均一化レンズの使い分けを行うことが出来る。何故なら、これらのパラメーターは半導体基板に照射されるイオンビームに対して空間電荷効果の影響がどの程度現れるかを示すものである。よって、本発明で着目すべきパラメーターは、イオンビームのエネルギーや電流量に限られず、イオンビームのエネルギーの違いによって半導体基板に照射されるイオンビームに対しての空間電荷効果の影響度を示すその他のパラメーターであっても構わない。
【００７２】
＜その他の実施形態＞
前述の実施形態に限らず、次のような形態を採用しても良い。
【００７３】
第１の均一化レンズ５と第２の均一化レンズ７は、異なる部材であってもよいが、制御性の観点から同一の部材を用いるのが望ましい。また、一例として図４に示される静電レンズアレイからなる電界レンズを用いるものを挙げたが、これに限らず、従来からビーム電流密度の均一化に用いられている磁界レンズを使用しても構わない。
【００７４】
また、均一化レンズとしては、より細かな制御を行う為に図１１に示すようなレンズを使用しても良い。図１１のレンズは、Ｚ方向に図２に示した２つの均一化レンズを配置するとともに、片方のレンズの電極対間に、もう片方のレンズの電極対が配置されるようにＹ軸方向にずらして配置された均一化レンズである。このような均一化レンズを用いれば、
均一化制御の精度を向上させることが出来る。
【００７５】
さらに、ビーム電流計測器１０として、処理室内に配置され、Ｙ軸方向に沿って複数のファラデーカップが配列されたものを一例として挙げたが、これに限られない。例えば、ビーム電流計測器を１つのファラデーカップで構成する。これと組み合わせて、ビーム電流計測器をＹ軸方向に沿って移動可能な駆動機構を設けることで、同等の機能を有するビーム電流計測器が実現できる。
【００７６】
その上、低いエネルギーのイオンビームを取り扱う場合、イオンビームの外形が広がってしまう。これによって、半導体基板に達するまでにイオンビームがイオン注入装置を構成する部材等に衝突し、消滅してしまう可能性もある。その為、低いエネルギーを有するイオンビームに対しては、第２の均一化レンズで均一化制御を実施する前に、第１の均一化レンズ５で、一旦、イオンビームの外形を狭めるような制御を行うようにしておいても良い。
【符号の説明】
【００７７】
１ イオン源
２ イオンビーム
３ 質量分析マグネット
４ 分析スリット
５ 第１の均一化レンズ
６ 加減速器
７ 第２の均一化レンズ
８ 基板
９ 処理室
１０ ビーム電流測定器
１１ 制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所望のエネルギーを有するリボン状のイオンビームを半導体基板に照射する為に前記リボン状のイオンビームを加速あるいは減速させる加減速器と、 前記リボン状のイオンビームの長辺方向における電流密度分布を均一に制御する為の第１の均一化レンズおよび第２の均一化レンズと、 前記半導体基板が配置される処理室と、 前記処理室内に配置され前記リボン状のイオンビームの長辺方向における電流密度分布の測定を行うビーム電流計測器と、を備えたイオン注入装置において、 前記処理室側から前記リボン状のイオンビームの経路を見た時、前記第２の均一化レンズ、前記加減速器、前記第１の均一化レンズの順に、イオンビームの経路に沿って配置されていることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項２】
前記第１の均一化レンズと前記第２の均一化レンズとが、同一の構成を有する均一化レンズであることを特徴とする請求項１記載のイオン注入装置。
【請求項３】
前記半導体基板に照射される前記リボン状のイオンビームのエネルギーの値と基準となるエネルギーの値とを比較することによって、前記第１の均一化レンズと前記第２の均一化レンズのいずれを用いて前記リボン状のイオンビームの長辺方向における電流密度分布の均一化制御を行うかを判定する機能を有した制御装置を備えていることを特徴とする請求項１記載のイオン注入装置。
【請求項４】
前記ビーム電流測定器により測定されたビーム電流量と基準となるビーム電流量の値を比較することによって、前記第１の均一化レンズと前記第２の均一化レンズのいずれを用いて前記リボン状のイオンビームの長辺方向における電流密度分布の均一化制御を行うかを判定する機能を有した制御装置を備えていることを特徴とする請求項１記載のイオン注入装置。
【請求項５】
所望のエネルギーを有するリボン状のイオンビームを半導体基板に照射する為に前記リボン状のイオンビームを加速あるいは減速させる加減速器と、 前記リボン状のイオンビームの長辺方向における電流密度分布を均一に制御する為の第１の均一化レンズおよび第２の均一化レンズと、 前記半導体基板が配置された処理室と、 前記処理室内に配置され前記リボン状のイオンビームの長辺方向における電流密度分布の測定を行うビーム電流計測器を備え、 前記処理室側からイオンビームの経路を見た時、前記第２の均一化レンズ、前記加減速器、前記第１の均一化レンズの順番に配置されているイオン注入装置において、 前記リボン状のイオンビームの長辺方向における電流密度分布の均一制御を行うにあたり、前記半導体基板に照射されるイオンビームのエネルギーあるいはイオンビームの電流量に応じて、前記第１の均一化レンズと前記第２の均一化レンズとを使い分けることを特徴とする均一化レンズの選択方法。
【請求項１】
所望のエネルギーを有するリボン状のイオンビームを半導体基板に照射する為に前記リボン状のイオンビームを加速あるいは減速させる加減速器と、 前記リボン状のイオンビームの長辺方向における電流密度分布を均一に制御する為の第１の均一化レンズおよび第２の均一化レンズと、 前記半導体基板が配置される処理室と、 前記処理室内に配置され前記リボン状のイオンビームの長辺方向における電流密度分布の測定を行うビーム電流計測器と、を備えたイオン注入装置において、 前記処理室側から前記リボン状のイオンビームの経路を見た時、前記第２の均一化レンズ、前記加減速器、前記第１の均一化レンズの順に、イオンビームの経路に沿って配置されていることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項２】
前記第１の均一化レンズと前記第２の均一化レンズとが、同一の構成を有する均一化レンズであることを特徴とする請求項１記載のイオン注入装置。
【請求項３】
前記半導体基板に照射される前記リボン状のイオンビームのエネルギーの値と基準となるエネルギーの値とを比較することによって、前記第１の均一化レンズと前記第２の均一化レンズのいずれを用いて前記リボン状のイオンビームの長辺方向における電流密度分布の均一化制御を行うかを判定する機能を有した制御装置を備えていることを特徴とする請求項１記載のイオン注入装置。
【請求項４】
前記ビーム電流測定器により測定されたビーム電流量と基準となるビーム電流量の値を比較することによって、前記第１の均一化レンズと前記第２の均一化レンズのいずれを用いて前記リボン状のイオンビームの長辺方向における電流密度分布の均一化制御を行うかを判定する機能を有した制御装置を備えていることを特徴とする請求項１記載のイオン注入装置。
【請求項５】
所望のエネルギーを有するリボン状のイオンビームを半導体基板に照射する為に前記リボン状のイオンビームを加速あるいは減速させる加減速器と、 前記リボン状のイオンビームの長辺方向における電流密度分布を均一に制御する為の第１の均一化レンズおよび第２の均一化レンズと、 前記半導体基板が配置された処理室と、 前記処理室内に配置され前記リボン状のイオンビームの長辺方向における電流密度分布の測定を行うビーム電流計測器を備え、 前記処理室側からイオンビームの経路を見た時、前記第２の均一化レンズ、前記加減速器、前記第１の均一化レンズの順番に配置されているイオン注入装置において、 前記リボン状のイオンビームの長辺方向における電流密度分布の均一制御を行うにあたり、前記半導体基板に照射されるイオンビームのエネルギーあるいはイオンビームの電流量に応じて、前記第１の均一化レンズと前記第２の均一化レンズとを使い分けることを特徴とする均一化レンズの選択方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−１８５７８（Ｐ２０１１−１８５７８Ａ）
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６２８０３（Ｐ２００９−１６２８０３）
【出願日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【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２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【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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