JP2009200050A - 注入角度に傾斜したワークピースにイオンビームを注入する方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】イオン注入に関し、イオンビームの平行度および注入角度を調整するための方法と装置を提供する。
【解決手段】スキャナー２０で走査されたイオンビームを角度補正器２４で平行化し、半導体ウエハ３４に注入するイオン注入装置において、先ず、測定システム８０でビーム平行度を測定し、その結果に基づいて角度補正器２４を制御して所望のビーム平行度になるよう調節する。次いで、ビームの向きを測定システム８０で測定し、その結果に基づいて所望の注入角度になるように傾斜機構８４を制御してプラテン３６を傾斜させ、注入を実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は，半導体ウエハ，その他ワークピースのイオン注入のためのシステムおよび方法に関し，特に，イオン注入器のビームの平行度を調節するための方法および装置に関する。

イオン注入は，半導体ウエハに電気伝導性を変える不純物を導入する標準的な技術である。所望の不純物がイオン源でイオン化され，イオンは所期のエネルギーをもつイオンビームを形成するために加速され，イオンビームはウエハの表面に向けられる。イオンビーム中のエネルギーをもつイオンは半導体材料のバルク内に侵入し，半導体材料の結晶格子内に埋め込まれ，所望の伝導性の領域を形成する。

イオン注入システムは通常，ガスまたは固体物質を，よく画成されたイオンビームに変換するためのイオン源を含む。イオンビームは不所望のイオン種を除去するために質量分析され，所望のエネルギーに加速され，ターゲット面に向けられる。ビームの走査，ターゲットの移動により，またはビームの走査とターゲットの移動を組み合わせることにより，ビームをターゲット領域にわたって分布させる。ビーム走査およびターゲットの移動の組み合わせを利用するイオン注入器が，Berrianらの，1990年5月1日に発行された米国特許第4,922,106号（特許文献１）に開示されている。

平行なイオンビームを半導体ウエハにもたらすことは，多くの適用例において，重要な条件である。平行なイオンビームは，半導体ウエハの表面にわたって平行なイオンの軌道をもたらす。イオンビームが走査される場合，走査ビームはウエハ表面にわたって平行となっている必要がある。平行なイオンビームは半導体ウエハの結晶構造において，入射イオンのチャネリングを防止し，チャネリングが必要な場合では，一様なチャネリングを可能にする。典型的に，連続イオン注入器が，高度のビーム平行度を必要とする場合に利用される。

米国特許第4,922,106号 米国特許第5,350,926号

一つのアプローチにおいて，ビームは，走査の原点として参照される点から発散するように一次元で走査される。走査ビームはつぎに，集束を行うイオン光学要素を通過する。イオン光学要素は発散するイオン軌道を，半導体ウエハに至る平行なイオン軌道に集束する。集束は，角度補正磁石により，または静電レンズにより行うことができる。角度補正磁石は，走査イオンビームの曲げおよび集束の両方を行う。平行度は静電レンズで達成されるが，エネルギー汚染という欠点がある。

角度補正磁石または他の集束化要素から出力したイオンビームは，イオンビームのパラメータおよび集束化要素のパラメータに依存して，平行化され，または集束または発散される。角度補正磁石が利用されると，平行度は，角度補正磁石の磁場を変化させることにより，調節することができる。角度補正磁石は典型的に，平行度および曲げ角の量を変化させ，またはビームの向きを変化させる一つの磁場調節機能をもつ。イオン注入器はしばしば，いろいろな種類のイオン種およびイオンエネルギーで走らせる必要があることは理解されよう。ビームパラメータが変化すると，角度補正磁石の再調整がビーム平行度を復元するために必要となる。

従来のイオン注入器において，角度補正磁石は典型的に，イオンビームがイオン注入器エンドステーションのウエハ面において，垂直な入射となるように，調節される。しかし，ウエハ面において垂直な入射を達成する角度補正調節は，最適な平行化よりもうまくいかない。特に，ウエハ面における垂直な入射のために調節されたイオンビームは多少発散または集束する。図８に示されているように，角度補正磁石は，イオンビーム200の中心線がウエハ面202に垂直であるように調節される。しかし，ビーム200がウエハ面202に垂直となるように調節されると，ビーム200の平行度はビームが集束または発散して悪化する。この平行度の悪化は非常に厳密な応用例において受け入れがたいものとなる。

他のアプローチにおいて，角度補正磁石は，典型的な条件の下で，最適な平行となるように設計され，イオン注入エンドステーションは，ウエハ上でのイオンビームの入射が垂直となるように配置される。しかし，イオンの平行度および垂直な入射は，広範囲なビームのパラメータにわたって維持されず，エンドステーションの位置を変えることは非常に難しい。

そこで，イオン注入器におけるビームの平行度を調節する改良された方法および装置が必要となっている。

本発明の第一の態様にしたがって，ワークピースにイオンを注入する方法が提供される。本発明は，イオンビームを発生する工程と，所望の程度の平行度を達成するためにイオンビームを調節する工程と，調節されたイオンビームのビーム方向を測定する工程と，測定されたビームの向きを基準とした注入角度に，ワークピースを向ける工程と，その注入角度に向いたワークピースで，注入を実行する工程とを含む。

イオンビームの調節工程は，実質的に平行なイオンの軌道となるようにイオンビームを調節することを含み得る。一般的に，ビームの向きは，イオン注入器のビーム軸とは異なることがある。注入角度は，ワークピースが測定されたビームの向きに対して垂直な方向となっている場合には，ゼロ度となろう。

ワークピースは半導体ウエアであってもよく，ワークピースを向ける工程は，測定されたビームの向きを基準とした注入角度に，半導体ウエアを傾斜することを含んでもよい。

本方法はさらに，イオンビームの非平行度の角度を測定する工程を含み得る。イオンビームの調節工程は，非平行度の測定角度に基づいてもよい。イオンビームのビームの向きおよび非平行の角度は，可動なビームプロファイラーおよび一つ以上の検出器でもって測定することができる。

本発明の他の態様にしたがって，イオンをワークピースに注入する装置が提供される。本装置は，イオンを発生するための手段，イオンビームの平行度を測定する手段，測定された平行度に基づいて所望の平行度となるように，イオンビームを調節する手段，調節されたイオンビームのビームの向きを測定する手段，測定されたビームの向きを基準とした注入角度に，ワークピースを傾斜する手段，および測定したビームの向きを基準とした注入角度に傾斜したワークピースでもって，注入を実行する手段を含む。

さらに，本発明の他の態様にしたがって，イオンをワークピースに注入する装置が提供される。本装置は，イオンビーム発生器，所望の平行度となるようにイオンビームを調節するためのイオン光学要素，調節されたイオンビームのビームの向きを測定するための測定システム，および測定されたビームの向きを基準とした注入角度に，ワークピースを傾斜する傾斜機構を含む。測定されたビームの向きを基準とした注入角度に傾斜したワークピースでもって，注入が実行される。

イオン光学要素は，実質的に平行なイオン軌道となるように，イオンビームを調節する角度補正磁石を含んでもよい。測定システムは，可動なビームプロファイラーおよび一つ以上のビームの検出器を含むことができる。注入角度がゼロ度である場合，ワークピースは測定されたビームの向きに関して傾斜する。

本発明のよりよき理解のために，添付の図面が参照される。

図１は，本発明の実施に適した，イオン注入器の略示図である。 図２は，比較的大きな曲げ角度および集束イオン軌道に対する，角度補正磁石の動作を示す略示図である。 図３は，比較的大きな曲げ角度および発散イオン軌道に対する，角度補正磁石の動作を示す略示図である。 図４は，本発明の実施例にしたがったイオン注入器を調節するプロセスのフローチャートである。 図５は，本発明の実施例にしたがって，傾斜したウエハへの平行なイオンビームの入射の略示図である。 図６A−図６Cは，ビームの平行度およびビームの向きを測定するための装置の動作を示す略示図である。 図７A−図７Cは，図６A−図６Cにそれぞれ示されたイオン状態に対する，ビームプロファイラーの位置の関数となる，ビーム検出器の出力のグラフである。 図８は，ビームの平行度を調節する従来の方法を示す略示図である。

本発明に適したイオン注入器の例の，簡略化したブロック図が図１に示さている。イオンビーム発生器10が所望の種のイオンビームを発生し，所望のエネルギーをもつまでイオンビームを加速し，エネルギーおよび質量汚染を除去するために，イオンビームの質量/エネルギー分析を実施し，エネルギーおよび質量汚染が低レベルのイオンビーム12を供給する。走査システム16（スキャナー20および角度補正器24を含む）が，平行あるいは平行に近い軌道をもつ，走査されたイオンビーム30を形成するために，イオンビームを偏向する。エンドステーション32が，所望の種のイオンが半導体ウエハ34に注されるように，走査されたイオンビーム30の経路に，半導体ウエハ34（または他のワークピース）を支持するプラテン36を含む。イオン注入器は従来から周知の付加的な要素を含み得る。たとえば，エンドステーション32は典型的に，ウエハをイオン注入器に導入し，注入後ウエハを除去する自動化した取り扱い設備，電子供給銃などを含む。イオンビームが通過する全経路はイオン注入の間，排気されることは理解されよう。

イオンビーム発生器10の主要な要素は，イオンビームソース40，ソースフィルター42，加減速カラム44および質量分析計50を含む。ソースフィルター42は好適に，イオンビームソース40に近接して配置される。加減速カラム44はソースフィルター42と質量分析計50との間に位置する。質量分析計50はダイポール分析磁石52および分解開口56を有するマスク54を含む。

スキャナー20（静電スキャナーであってもよい）は，走査原点60から発散するイオン軌道をもつ走査されたイオンビームを形成するために，イオンビーム12を偏向する。スキャナー20は走査発生器に連結された，間隔の空けられた走査プレートを含んでもよい。走査発生器は，走査プレートの間の電界にしたがって，イオンビームを走査するために，鋸歯状波形のような，走査電圧波形を適用する。

角度補正器24が，平行なイオン軌道をもつ，走査されたイオンビーム30を形成するために，したがって，走査されたイオンビームを集束するために，走査されたイオンビーム中のイオンを偏向するように設計されている。特に，角度補正器24は，間隙を画成するために間隔が空けられた磁気ポールピース，および電源28に接続された磁石コイル（図示せず）を含み得る。走査されたイオンビームは，ポールピース26の間を通過し，間隙内の磁場にしたがって偏向される。磁場は，磁石コイルを流れる電流を変えることで調節することができる。ビームの走査およびビームの集束は，水平面のような選択された面において達成される。

図１において，エンドステーション32はビーム平行度および向き測定システム80を含む。システム80は下述するように，ビームの平行度および向きを測定する。さらに，エンドステーション32は，走査されたイオンビーム30に関して，ウエハ支持プラテン36を傾斜する，傾斜機構84を含む。一実施例において，傾斜機構84は二つの直交する軸に関して，ウエハ支持プラテン36を傾斜することができる。

角度補正器24の動作例は，図２および図３に示されている。図示のように，角度補正器24のポールピース26は，異なるイオン軌道が，ポールピースの間の間隙を通過する，異なる経路長さを有するように，くさび状またはこれと似た形状をもつことができる。図３の例において，比較的低強度の磁場が適用されている。イオンの軌道は比較的小さな曲がり角度をもち，それらは角度補正器24からでるときに発散する。したがって，走査されたイオンビーム30は，図２の例においては，ウエハ面70に対する垂線に関して，正の角度72をもってウエハ面70に入射し，図３に例においては，ウエハ面70に関して負の角度74をもってウエハ面70に入射する。平行またはほぼ平行なイオン軌道が角度補正器24の磁場を適宜調整することにより，形成されることは理解されよう。しかし，一般的に，最もよい平行度を与える磁場は，必ずしも，ウエハ面70上に対し，走査されたイオンビーム30を垂直に入射するわけではない。

本発明の実施例にしたがったイオン注入の調節およびイオン注入の実行のためのプロセスのフローチャートが図４に示されている。工程100において，イオンビームが発生し，イオン注入器のビームラインにそって運ばれる。図１に示されているように，イオンビーム12はイオンビーム発生器10により発生し，スキャナー20および角度補正器24を通過して，エンドステーション32に至る。

工程102において，イオンビームの平行度は，半導体ウエハまたは他のワークピースにイオンビームが入射する面またはその近くで測定される。イオンビーム平行度の測定技術の例は，図６A−図６C，および図７A−図７Cに関連して下述される。平行度測定は典型的に，イオンビームの非平行度の角度を与え，特にイオンビームの収束または発散の半角を与える。非平行度の測定角度は，イオンビームの中線からのイオンビームの軌道の最大偏位を示す。

工程104において，イオンビームは所望の平行度，典型的にはほぼゼロの発散または集束の測定をなすように調節される。図５において，イオンビームの平行度は，電源28から磁石コイルへの電流を調節することにより変化させることができる。電流を調節することにより，角度補正器24の磁場が変化し，そしてイオンビームのイオンの軌道が変化する。この調節は，電源28が調節されるときに，走査イオンビーム30の，測定された平行度をモニターすることによって行われる。最適な平行度が達成されると，工程104の調節プロセスは終了する。典型的に，イオンビームは，発散または収束の半角，0.1度以内に調節することができる。

工程106において，調節されたイオンビームの向きが測定される。特に，ウエハ面70の垂線に対する，調節されたイオンビームの角度120が測定される。イオンビームの向きを測定する技術の例が，図６A−図６C，および図７A−図７Cを参考にして下述される。ビーム平行度およびビームの向きは，イオンビームの走査および収束面において測定される。

工程108において，注入角度は，調節されたイオンビームの向きに関してセットされ，符号120で示されている。注入角度は，傾斜機構84を使用して，注入器のウエハ面70に関して，ウエハ支持プラテン36を傾斜させてセットされる。平行な走査イオンビーム30が垂直ウエハ34上に垂直入射することを望む場合，ウエハ支持プラテン36を，角度120に等しい角度122，傾斜させる。したがって，プラテン36にウエハ支持面は，平行な走査イオンビーム30に対して垂直となる。ゼロでない注入角度を望む場合は，ウエハ支持プラテン36を測定したビームの向きに対して傾斜させる。測定されたビームの向きはしたがって，注入角度をセットするための基準である。ゼロでない注入角度は，走査および収束面に平行な向きに傾斜することによりセットすることができ，または走査および収束面に垂直な向きにウエハを傾斜することによりセットすることができる。いずれの場合も，ゼロでない注入角度は，測定されたビームの向きとして参照される。

工程110において，測定されたビームの向きを基準とした所望の注入角度をもつウエハ支持プラテン，および最適な平行度となるように調節した，走査イオンビーム30でもって，注入が実行される。したがって，最適な平行度は所望の注入角度で達成される。

イオンビームの平行度および向きを測定する技術の例が，図６A−図６Cおよび図７A−図７Cを参照して記述される。図６A-図６Cは，ビームプロファイラーおよび二つのビーム検出器による，異なるイオンビームの測定を示す。図７A−図７Cはプロファイルの位置の関数となるビーム検出器の出力を図示する。

図６A−図６Cに示されているように，イオンビーム平行度および向きは，可動ビームプロファイラー150および間隔があけられたビーム検出器152および154（これらはビームの平行度および向きを測定するシステム80（図１）に対応する）を使用して測定される。ビームプロファイラー150は，イオンビームを部分的に阻止し，イオンビームに対して横方向に移動可能なものであってもよい。検出器152および154はたとえば，入射イオンビームに対応した電気的な出力信号を形成するファラデーカップであってもよい。プロファイラー150は，イオンビームを横切るように移動すると，イオンビームの一部を阻止しイオンビーム陰を形成する。このイオンビーム陰は，検出器152および154を横切るように移動し，負の出力電流パルスをもつ出力信号を形成する。

図６Aに示されているように，平行な走査イオンビーム160がウエハ面170に垂直に入射する。プロファイラー150が各検出器に整合して位置するとき，検出器152および154は，図７Ａに示されているように出力パルスを形成する。検出器の出力パルスが発生するプロファイラーの位置は，イオンビーム160が平行な軌道をもち，ウエハ面170に対して垂直となっていることを判定するために，使用することができる。

図６Ｂに示されているように，発散イオンビーム162はウエハ面170に対して垂直になっていない。この場合，プロファイラー150が検出器152の右側に位置するときに，検出器152は図７Ｂに示されているように出力パルスを形成し，プロファイラー150が検出器152の左側に位置するときに，検出器154は出力パルスを形成する。検出器の出力パルスが発生するプロファイラーの位置は，イオンビーム162の集束角度を決定するために，使用することができる。集束するイオンビーム（図示せず）に応答して，プロファイラー150が検出器152の左側に位置するときに，検出器152は出力パルスを形成し，プロファイラー150が検出器154の右側に位置するときに，検出器154は出力パルスを形成する。検出器の出力パルスが発生するプロファイラーの位置は，イオンビームの集束角度を決定するために使用することができる。

図６Ｃに示されているように，平行なイオンビーム164はウエハ面170に角度166で入射する。この場合，検出器152および154は，プロファイラー150が各検出器152，154の左側に位置するときに，図７Ｃに示されているように，出力パルスを形成する。検出器の出力パルスが発生するプロファイラーの位置は，イオンビーム164の向きおよび平行度を決定するために使用することができる。

一般に，イオンビームは発散または集束し，ウエハ面に対したゼロでない入射ビーム角度をもつ。検出器の出力パルスが発生するプロファイラーの位置は，イオンビームの平行度および向きの両方を決定するために分析することができる。平行度は，発散または分散の半角として特定され，ビームの向きはウエハ面170に対する垂線に関して特定される。イオンビームの平行度および向きを測定する技術の詳細は，米国特許出願第09/588,419号（ここに参考文献として組み込まれる）に記述されている。

本発明の範囲内で，イオンビームの平行度および向きを測定する種々の技術を使用できることは理解されよう。さらに，本発明は走査されたイオンビームとともに使用するものに限定されない。たとえば，本発明は，White等による米国特許第5,350,926号（1994年9月27日発行）（特許文献２）に開示のリボン状イオンビームとともにも使用することができる。

本発明の好適実施例が開示され，説明されてきたが，当業者には，特許請求の範囲により画成される本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更，修正がなし得ることは明らかである。

１０ イオンビーム発生器
１２ イオンビーム
１６ 走査システム
２０ スキャナー
２４ 角度補正器
２６ ポールピース
２８ 電源
３０ イオンビーム
３２ エンドステーション
３４ 半導体ウエハ
３６ プラテン
４０ イオンビームソース
４２ ソースフィルター
４４ 加減速カラム
５０ 質量分析計
５２ ダイポール分析磁石
５４ マスク
５６ 分解開口
６０ 走査原点
７０ ウエハ面
８０ 測定システム
８４ 傾斜機構

Claims (12)

1. イオンをワークピースに注入する方法であって，
   イオンビームを発生する工程と，
   平面内で、イオンビームのビームの方向を測定する工程と，
   測定されたビームの向きを基準とした注入角度に，前記平面に垂直な軸に関してワークピースを傾斜する工程と，
   注入角度に傾斜したワークピースでもって，注入を実行する工程と，
   を含む方法。
2. ワークピースを傾斜する工程が半導体ウエハを傾斜することを含む，請求項１に記載の方法。
3. ワークピースを傾斜する工程が，測定されたビームの向きに実質的に垂直な軸に関して半導体ウエハを傾斜することを含む，請求項１に記載の方法。
4. さらに，所望の平行度となるように，イオンビームを調節する工程を含む，請求項１に記載の方法。
5. イオンをワークピースに注入する装置であって，
   イオンビームを発生する手段と，
   平面内で、イオンビームのビームの方向を測定する手段と，
   測定されたビームの向きを基準とした注入角度に，前記平面に垂直な軸に関してワークピースを傾斜する手段と，
   を含み，
   注入角度に傾斜したワークピースでもって注入が実行される，ところの装置。
6. 前記ワークピースを傾斜する手段がイオンビームに対して半導体ウエハを傾斜する傾斜機構を含む，請求項５に記載の装置。
7. 前記ワークピースを傾斜する手段が，測定されたビームの向きに実質的に垂直な軸に関して半導体ウエハを傾斜する傾斜機構を含む，請求項５に記載の装置。
8. さらに，所望の平行度となるように，イオンビームを調節する手段を含む，請求項５に記載の装置。
9. イオンをワークピースに注入する装置であって，
   イオンビーム発生器と，
   平面内で、イオンビームのビームの向きを測定する測定システムと，
   測定されたビームの向きを基準とした注入角度に，前記平面に垂直な軸に関してワークピースを傾斜する傾斜機構と，
   を含み，
   注入角度に傾斜したワークピースでもって注入が実行される，ところの装置。
10. 前記傾斜機構が半導体ウエハを傾斜するように構成される，請求項９に記載の装置。
11. 前記傾斜機構が，測定されたビームの向きに実質的に垂直な軸に関して半導体ウエハを傾斜するように構成される，請求項９に記載の注入装置。
12. さらに，所望の平行度となるように，イオンビームを調節する光学要素を含む，請求項９に記載の注入装置。

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