JP2009535765A - イオンビームの粒子の捕獲及びイオンビームの集束のための方法及びシステム - Google Patents

Abstract

イオン注入のための、集束を行う粒子捕獲システムは、イオン注入の前にイオンビームから望まない粒子を除去する。入口の電極は、入口のアパーチャを備え、第１のベース電圧にバイアスされている。中央の電極は、入口の電極から間隔をおいて下流に配置され、中央のアパーチャを備えている。中央の電極は、第１のベース電圧よりも低い負の値にバイアスされている。出口の電極は、中央の電極から間隔をおいて下流に配置され、出口のアパーチャを備えている。出口の電極は、第２のベース電圧にバイアスされている。イオンビーム内の望まない粒子を捕獲するために、第１の静電場が、上記入口の電極から上記中央の電極に向けて生じており、第２の静電場が、上記出口の電極から上記中央の電極に向けて生じている。

Description

本発明は、主に、典型的には半導体デバイスの製造において用いられる、イオン注入に関するものであり、特に、イオンビームからのイオンビームの粒子の捕獲及びイオンビームの集束に関するものである。

イオン注入は、半導体デバイス製造において半導体材料及び／又はウェハ材料の中にドーパントを選択的に注入するために用いられる物理的なプロセスである。すなわち、注入の作用は、ドーパントと半導体材料との間の化学的相互作用に基づくものではない。イオン注入では、ドーパント原子／分子は、イオン化され、加速され、ビームに形成され、分析された後に、ウェハを横切って掃引されるか、又は、ウェハがビームを通って掃引される。ドーパントイオンは、ウェハに物理的に衝突し、表面に打ち込まれ、結果として該表面よりも下に、そのエネルギーに適応する深度において残留する。

イオン注入システムは、ドーパントイオンへの特定の作用を施す洗練されたサブシステムの集まりである。ドーパント成分は、気体又は固体の形態において、イオン化チャンバの内部に配置され、好適なイオン化プロセスによってイオン化される。一つの典型的なプロセスにおいて、チャンバは低圧力（真空）に維持されている。フィラメントがチャンバ内に配置され、フィラメント源から電子が生成される温度まで加熱される。負に帯電した電子は、同じチャンバ内にある逆に帯電した陽極に引き付けられる。電子は、フィラメントから陽極までの移動の間に、ドーパント源の成分（例えば分子又は原子）に衝突し、分子内の成分から、正に帯電した多数のイオンを生成する。

通常は、所望のドーパントイオンに加えて、他の陽イオンが生成される。所望のドーパントイオンは、分析プロセス、質量分析プロセス、選択プロセス、又はイオン分離プロセスと呼ばれるプロセスによって、他のイオンから選択される。選択は、イオン化チャンバからのイオンが通り抜けるための磁場を発生させる質量分析器を用いて遂行される。このイオンは、比較的高速度でイオン化チャンバを離れ、磁場によってアーク状に曲げられる。アークの半径は、個々のイオンの質量、速度、及び磁場の強度によって決定される。質量分析器の出口では、１種類のイオン、つまり所望のドーパントイオンのみが質量分析器から放出され得る。

所望のドーパントイオンを所定の運動量（ドーパントイオンの質量にその速度を乗じたもの）まで加速又は減速させて、ウェハの表面を貫通させるために加速システムが用いられる。加速システムは、加速のために、通常、その軸に沿って、電力が供給された環状の電極を有する直線状の設計になっている。システム内にドーパントイオンが入ると、ドーパントイオンは、システムによって加速される。

イオン注入システム又は他のイオンビーム装置（例えば、線形加速器）の操作は、汚染粒子を生じさせる場合がある。汚染粒子は、例えば、その大きさが約１μｍよりも小さいものであり得る。ビーム内のイオンが汚染粒子に衝突すると、そのイオンの運動量により、通常、イオンの速度よりも大きく遅い速度ではあるが、汚染粒子はビームとともに輸送される。その結果、イオンビームに同伴した汚染粒子は、ウェハ（又はその他の基質）までビームとともに輸送され、そして、ウェハにおいて望ましくない汚染を引き起こし得る。

イオン注入システムにおいて、汚染粒子の源の一つは、例えば、フォトレジスト物質である。フォトレジスト物質は、イオン注入の前、ウェハの表面を覆い、完成した集積回路上の回路の範囲を規定するために用いられる。イオンがウェハの表面に衝突すると、フォトレジスト被膜の粒子は、ウェハから除去され、イオンビームに同伴するようになることがある。イオン注入の際に半導体ウェハ又は他の基質に衝突又は付着する汚染粒子は、処理されるウェハ上に極微小的なパターンを規定することを必要とする半導体又は他のデバイスの製造における歩留まりの悪化の原因となり得る。

以下に、本発明の１つ以上の局面についての基本的な理解を提供するために、簡略化した概要を記す。本概要は、本発明の広範な要旨ではなく、本発明の主要な構成又は重要な構成を特定することを意図するものでもなく、本発明の範囲を線引きすることを意図するものでもない。むしろ、本概要の主たる目的は、本発明におけるいくつかの概念を、後述するより詳細な記載の前置きとして簡略化した形にて示すものである。

本発明は、イオン注入プロセスにおいて、イオンビームを集束させるとともにイオンビームから粒子を除去することにより、イオン注入プロセス及びシステムを促進する。イオンビームの粒子とは、イオンビーム内に存在し得る望ましくない粒子である。これらの粒子が除去されなかった場合、これらの粒子は、イオンビームによってウェハまで輸送され、そこで損傷の原因となるか、又はイオン注入若しくはそれに続くプロセスにおいて望ましくない影響を有する。すなわち、本発明は、下流のアパーチャがもたらすようなビームの流れの減衰を実質的に伴わずに、イオンビームから粒子を選別することを促進する。その結果として、望まない粒子をより少なく有する集束されたイオンビームを得ることができる。

イオン注入のための、集束を行う粒子捕獲システムは、イオン注入の前に、イオンビームから望まない粒子を除去する。入口の電極は入口のアパーチャを備えており、第１のベース電圧にバイアスされている。中央の電極は、入口の電極から間隔を置いて下流に配置され、中央のアパーチャを備えている。中央の電極は、第１のベース電圧よりも低い又はより陰性な、中央の電圧にバイアスされている。出口の電極は、中央の電極から間隔を置いて下流に配置され、出口のアパーチャを備えている。出口の電極は、第２のベース電圧にバイアスされている（例えば、接地されている）。イオンビーム内の望まない粒子を捕獲するために、第１の静電場は入口の電極から中央の電極へ向けて生成され、第２の静電場は出口の電極から中央の電極に向けて生成される。他のシステム、方法及び検出器もまた開示される。

上述した目的、及びこれに関連する目的を達成するために、本発明は、以下に詳細に記載される特徴、及び特に特許請求の範囲において示される特徴を備える。以下の記載及び添付の図面は、本発明の特定の局面及び実施形態を詳細に説明するものである。これらは、しかしながら、本発明の原理を用い得る様々な方法のうちのほんの数例を示すものである。本発明における以下の詳細な説明を図面と共に考慮すれば、本発明の他の目的、利点、及び新規な特徴が明確になるであろう。

ここで、本発明を、添付の図面を参照しながら説明する。ここでは全記載に亘って、同様の参照番号は同様の部材を参照するために用いられる。本発明は、以下に図示及び記載される典型的な実施形態及び局面に限定されるものでないことは、当業者には明らかであろう。

本発明は、イオン注入プロセスにおいて、イオンビームを集束させるとともにイオンビームから粒子を除去することにより、イオン注入プロセス及びシステムを促進する。イオンビームの粒子とは、イオンビーム内に存在し得る望ましくない粒子である。これらの粒子が除去されなかった場合、これらの粒子は、イオンビームによってウェハまで輸送され、そこで損傷の原因となるか、又はイオン注入若しくはそれに続くプロセスにおいて望ましくない影響を有する。すなわち、本発明は、下流のアパーチャがもたらすようなビームの流れの減衰を実質的に伴わずに、イオンビームから粒子を選別することを促進する。その結果として、望まない粒子をより少なく有する集束されたイオンビームを得ることができる。

最初に図１を参照すると、本発明の１つ以上の形態を実施するために適したイオン注入システム１００が、ブロック図の形に示されている。システム１００は、イオンビーム１０４をビーム経路に沿って生成するためのイオン源１０２を含む。イオン源１０２は、例えば、電源１０８につながったプラズマ源１０６を含む。プラズマ源１０６は、例えば、比較的長いプラズマ閉じ込めチャンバを含み、該チャンバからは、イオンビームが抽出される。

イオン源１０２の下流側には、イオン源１０２からビーム１０４を受け取るビームラインアッセンブリ１１０が設けられている。ビームラインアッセンブリ１１０は、質量分析器１１２、例えば１つ以上のギャップを含み得る加速システム１１４、及び角度エネルギーフィルタを含む。ビームラインアッセンブリ１１０は、ビーム１０４を受け取るために経路に沿って配置されている。質量分析器１１２は、磁石（図示せず）のような磁場発生要素を含んでおり、ビーム経路を横切る磁場を発生させることによって、イオンビーム１０４のイオンを、質量（例えば、電荷質量比）に基づく様々な軌道で偏向させる。磁場を通過するイオンは、所望の質量を有する個々のイオンをビーム経路に沿って方向付け、かつ不要な質量を有するイオンを偏向させビーム経路から取り除くような力を受ける。

加速システム１１４内の１つ又は複数の加速ギャップは、基材における所望の注入深度を得るために、ビーム内のイオンを加速及び／又は減速させることができる。すなわち、本明細書では「加速器」及び／又は「加速ギャップ」という用語を本発明の１つ以上の形態を説明する際に用いているが、これらの用語は、「加速」の文字通りの解釈に限定されるように狭く解釈されることを意図するものでなく、例えば、減速、及び方向の変更などを含むように広く解釈されるべきものであることは明らかであろう。加速／減速手段は、質量分析器１１２による磁気分析の後だけでなく前においても適用可能であることもまた明らかであろう。

イオンとバックグラウンド又は残余の粒子との衝突により、中性の及び／又は他の非選択のエネルギー範囲を含む汚染粒子がイオンビーム１０４内において生成され得ることは明らかであろう。そのような衝突は、イオンとバックグラウンド又は他の粒子との電荷の交換を引き起こし、イオンが中性の粒子又は汚染物質となることを招く。これらの中性の粒子は、ウェハの、イオンがドープされるべき領域に注入され得る。その結果、意図されるドープの度合いが弱まり、ドープのプロセスに対して不利な効果を与える。さらに重要なことに、これらの粒子は電気的に中性であるので、加速器、特に、上記電極によって作り出された静電場を、影響（例えば、加速、減速、集束、屈曲、又はその他の速度及び／若しくは方向の変化）を受けずに通過し得る。

上記粒子は、典型的には直径が０．１から１０μｍの位数であり、例えば、数千から数百万の原子を含み得る。もし、イオンビーム１０４に粒子が入り込んだ場合、ビーム１０４内のイオンは、上記粒子に消灯して当該粒子にビーム経路と同方向の運動量を与える。粒子捕獲器１１６に入る前は、上記粒子は高い正の実効電荷を有していない。これは、イオンビーム１０４内には、上記粒子上に正電荷を形成することを平衡、阻止又は抑制する、十分な数の電子も又存在するからである。

静電的粒子捕獲及び集束器１１６は、加速ギャップ１１４からの、加速又は減速されたイオンビーム１１６を受容し、イオンビーム１０４を選択的に集束し、イオンビーム１０４から望まない粒子を排除又は除去する。

粒子捕獲器１１６は、入口の集束領域、焦点ぼかし領域及び出口の集束領域を含んでいる。ビーム１０４内の電子は、負にバイアスされた中央電極によって弾かれ、粒子の正電荷を増強する。望まない粒子を含んだイオンビーム１０４は、入口の集束領域を通過する。次いで、イオンビーム１０４は、イオンビーム１０４の焦点を若干ぼかす（ｄｅｆｏｃｕｓ）焦点ぼかし領域を通過し、続いて、イオンビーム１０４を選択的に集束する出口の集束領域に伝播する。ここで、イオンビーム１０４内の上記粒子は、正電荷を蓄え続ける。これにより、焦点ぼかし領域は、上記粒子を大幅に偏向させ、上記粒子がイオンビーム１０４の残りの成分とともに焦点ぼかし領域を通り過ぎることを防ぐ。上記粒子は、焦点ぼかし領域内を軌道運動し、例えば電極のような物体に衝突するまで、正電荷の増強を維持する。

粒子捕獲器１１６は、集束領域及び焦点ぼかし領域を確立する多数の電極を含んでいる。いくつかの形態において、電極又は電極の部分は、ビームの一つ以上の方向における分岐を緩和するように形成され得る。

イオンビームを構成する正に荷電したイオンは、いわゆる「空間電荷力」により、互いに反発する。空間電荷効果は、イオンビームのエネルギーが減少するのに伴い増加し、よって、ビーム内のイオンが減速されるに伴い増加され得、ビームを散乱又は発散され易くする。空間電荷力により、イオンビームの側面への広がりは、

に比例する。なお、ｍはイオンの質量を、ｑはイオンの電荷を、Ｉはビーム電流を、Ｕはビームのエネルギーを、そしてｚはイオンビームの移動距離を示し、イオンビームは一様で円形の断面を有するものとする。従って、ビームの移動する距離が増加するにつれ、ビームが発散する確率が増加することは明らかであろう。よって、イオンビームがウェハまで長距離を移動する場合、特に、大きなビーム電流又はビーム内に高い密度のイオンが存在した場合、すべてのイオンがウェハに到達することはより困難になる。

なお、粒子捕獲器１１６は、ビームラインアッセンブリ１１０内に分離された部材として記述されていることに注意されたい。しかしながら、本発明の他の形態において、例えば、粒子捕獲器１１６が加速器１１４の一部である等、他の配置及び設計が意図されることは明らかである。

システム１００には、ビームラインアッセンブリ１１０からのイオンビーム１０４の先に、さらに最終ステーション１１８が設けられている。最終ステーション１１８は、質量分析されたイオンビーム１０４を用いてイオン注入するために、半導体ウェハ（図示せず）などの１つ以上の基材を、ビーム経路に沿って支持している。最終ステーション１１８は、１つ以上のターゲットの基材とイオンビーム１０４とを相対的に平行移動又は走査するための、ターゲットスキャンニングシステム１２０を有している。ターゲットスキャンニングシステム１２０は、例えば、所定の環境、操作パラメータ及び／又は目的に応じた、一括注入又は連続注入を提供し得る。

図２は、本発明の一形態における、集束を行う粒子捕獲器２００の断面図である。粒子捕獲器２００は、典型的なイオンビーム２０２のようなイオンビームに対して操作可能であり、空間電荷の発散等を和らげるためにイオンビームを集束するとともに、イオンビームから粒子を選択的に除去する。集束を行う粒子捕獲器２００は、典型例であり、自然なものであり、その変形は、本発明の意図するところであり、本発明に適合することは明らかであろう。

粒子捕獲器２００は、入口の電極２０４、中央の電極２０８及び出口の電極２１２を備えている。入口の電極２０４は、導電性の物質からなり、典型的なイオンビーム２０２が通過するアパーチャ２０６を備えている。アパーチャ２０６は、イオンビーム２０２が実質的に通過し得るような形をしている。入口の電極２０４は、例えば、中央の電極２０８よりも、電圧が低く、又はより正の電圧にバイアスされている（例えば、接地されているか、０Ｖにバイアスされている）。

中央の電極２０８は、入口の電極２０４の下流に配置されており、同様に導電性の物質からなり、典型的なイオンビーム２０２が入口のアパーチャ２０６を通過した後に、通過する中央のアパーチャ２１０を備えている。中央の電極２０８は、入口の電極２０４の電圧よりも低い、例えば、−１７ｋＶのような負の電圧にバイアスされている。その結果、第１の静電場２１８が、入口の電極２０４から中央の電極２０８に向けて生じる。第１の静電場２１８は、まず、イオンビーム２０２を集束するが、次いで、入口の電極２０４から中央の電極２０８への道程のおよそ半ばで、イオンビーム２０２の焦点をぼかす。

出口の電極２１２は、中央の電極２０８の下流に配置され、中央の電極２０８及び入口の電極２０４の両方に対して実質的に平行である。また、出口の電極２１２は導電性の物質からなり、典型的なイオンビーム２０２が中央のアパーチャ２１０を通過した後に、通過する出口のアパーチャ２１４を備えている。出口の電極２１２は、より正の値、例えば接地、又は０Ｖにバイアスされている。その結果、第２の静電場２２０が、出口の電極２１２から中央の電極２０８に向けて生じる。第２の静電場２２０は、まず、上記ビーム（正の電荷を有している）内の上記イオン及び粒子の速度を遅くし、中心軸から焦点をそらす（Ｄｅｆｏｃｕｓ）。中央の電極２０８と出口の電極２１２との間のおよそ中間点で、静電場２２０は、イオンビーム２０２を集束する。

この典型的な形態において、イオンビーム２０２は、正の荷電したイオンからなる。また、望まない粒子もイオンビーム２０２内に含まれている。上記粒子は、典型的には、初めは、中性であり、比較的静止しており、また、通常、上記イオンビーム内のイオンよりもはるかに大きい。正に荷電したイオンが上記粒子に衝突すると、当該粒子は、イオンビーム２０２の方向に沿って下流に移動するようになる。上記望まない粒子の速度は、イオンビーム２０２内の上記イオンよりも、実質的にはまだなお遅い。

入口の電極２０４を粒子が通過するとき、当該粒子は陽イオンに衝突され続ける。この領域では、電子は、陰性の電極により弾かれ、上記粒子の正の電荷が増強される。上記粒子は、入口及び中央の電極間における電場の長手方向成分により加速される。中央の電極を粒子が通過するとき、当該粒子は、中央及び出口の電極間における電場の長手方向成分により減速される。上記粒子の電荷はより陽性になり続けるので、出口側における負にバイアスされた中央の電極の電場の効果は、入口側におけるものよりも大きくなる。その結果、上記粒子の減速は、加速よりも大きくなり、当該粒子の動きは反転する。そして、例えば、上記粒子が入口の電極の方向へと戻るときにも、このサイクルが繰り返される。よって、上記粒子は、中央の電極に周囲の領域に捕獲（Ｔｒａｐ）される。

また、上記粒子は、主に、入口の電極２０４及び中央の電極２０８の中間点から中央の電極２０８及び出口の電極２１２の中間点までの範囲の焦点ぼかし領域２１６において捕獲される。この領域では、電場の側面方向成分は、中心から外に向かっている。この領域において上記イオンは、若干焦点がぼかされているが、上記粒子は、そのより長い滞留時間によって大幅に焦点がぼかされている。その結果、上記粒子は、イオンビーム２０２の伝播の中心軸から逸れ、中央の電極２０８のような何らかの物体に衝突するまで、焦点ぼかし領域内において一回又はそれ以上の回数周回する。

一例として、単一の典型的な粒子２２２が、イオンビーム２０２に入り、イオンビーム２０２とともに下流に移動することが描写される。イオンビーム２０２に入ると、粒子２２２は、より陽性に荷電するようになる。焦点ぼかし領域２１６に入ると、粒子２２２は負にバイアスされた中央の電極２０８に向けて引き寄せられる。本例において、粒子２２２は、その速度により、中央の電極２０８をそのまま通過するが、ついには、その方向を中央の電極２０８の方へと反転させる。そして、粒子２２２は、中央の電極２０８のような何らかの物体に衝突するまで、焦点ぼかし領域２１６の辺りにおいて軌道運動を続ける。

図３Ａは、本発明の一形態における、粒子捕獲器の焦点ぼかし領域を移動する粒子の典型的なシミュレーションのグラフ３０１である。上記粒子捕獲器は、その設定及び操作において、図２の粒子捕獲器２００と類似するものである。グラフ３０１は、シミュレーションの結果を示すものであり、本発明の理解を助けるために提供されるものであり、本発明をそこに示された特定の値又は特徴に限定するものではない。

グラフ３０１は、焦点ぼかし領域内において捕獲された、サイズが１μｍの粒子の位置に対する速度を示す。中央の電極は、−１５．０ｋＶにバイアスされており、入口及び出口の電極は接地されている（０Ｖにバイアスされている）。ｘ軸は、ミリメートル単位での距離を表し、ｙ軸は毎秒メートル単位での速度を表す。この例では、入口の電極は、およそ１０００ｍｍに配置され、中央の電極はおよそ１０２０ｍｍに配置され、出口の電極はおよそ１０４０ｍｍに配置される。捕獲器内の上記粒子の持続時間は、約０．００２秒である。

最初、上記粒子は、比較的遅い速度（１００ｍ／ｓより遅い）である。粒子捕獲器に入ると、様々な電極によって生成された電場及び負にバイアスされた中央の電極に向かうその引力によって、その速度が実質的に変化することが判る。最終的には、上記粒子は、中央の電極のような物体に衝突して、その正電荷を失う。

図３Ｂは、本発明の一形態における、粒子捕獲器の焦点ぼかし領域を移動する粒子の典型的なシミュレーションの他のグラフ３０２である。このシミュレーションは、図３Ａにおいて既に記載したものである。

ここで、グラフ３０２は、焦点ぼかし領域内において捕獲された、サイズが１μｍの粒子の位置に対する電荷を示す。中央の電極は、−１５．０ｋＶにバイアスされており、入口及び出口の電極は接地されている（０Ｖにバイアスされている）。ｘ軸は、ミリメートル単位での距離を表し、ｙ軸は電荷を表す。この例では、入口の電極は、およそ１０００ｍｍに配置され、中央の電極はおよそ１０２０ｍｍに配置され、出口の電極はおよそ１０４０ｍｍに配置される。最初、上記粒子は、比較的低い正電荷を有しているが、その電荷は、捕獲器内において徐々に増加する。

図４は、本発明の一形態における、粒子捕獲器を用いて粒子を捕獲するための中央の電圧の最小値を示すグラフ４００である。上記粒子捕獲器は、その設定及び操作において、図２の粒子捕獲器２００と類似するものである。グラフ４００は、シミュレーションの結果を示すものであり、本発明の理解を助けるために提供されるものであり、本発明をそこに示された特定の値又は特徴に限定するものではない。

中央の電極は、負の電圧にバイアスされており、入口及び出口の電極は接地されている。また、上記電極間のギャップは、約４ｍｍである。ｘ軸は、マイクロメートル単位での粒子の直径を表し、ｙ軸は粒子捕獲器の中央の電極に印加される負の電圧のバイアスの度合いを表す。

第１のライン４０１は、イオンビーム内の望まない粒子を表す。上記ビームは、当該ビーム内のヒ素イオンにより、平方メートル辺り約２アンペアの電流密度を有している。通常、より小さい粒子はより大きい負のバイアス値を必要とし、より大きい粒子はより小さい負のバイアス値を必要とする。ここで、０．１μｍよりも小さい、比較的小さい粒子が、比較的小さい電圧（＜約２ｋＶ）により捕獲され得ることが判る。第２のライン４０２は、平行メートル当たり約２０アンペアの電流密度の、イオンビーム内の粒子を表す。より高い電流密度は、より大きな負のバイアスを必要とする（直径がより小さい粒子に対しても約４ｋＶ）。第３のライン４０２は、平行メートル当たり約２００アンペアの電流密度の、イオンビーム内の粒子を表す。このなおさらに高い電流密度は、なお大きい負のバイアス電圧を必要とする。

図５は、本発明の一形態における、他の、集束を行う粒子捕獲器５００の断面図である。粒子捕獲器５００は、例えば、典型的な楕円形のイオンビーム５０２のようなイオンビームを操作することができ、空間荷電の発散等を緩和するためにイオンビームを集束するとともにイオンビームから粒子を選択的に除去する。集束を行う粒子捕獲器５００は、例示であり、自然なものであり、その変形は意図されるものであり、本発明に適合することは明らかであろう。

この例において、典型的なイオンビームは、楕円形の形状を有しており、ｘ方向（水平方向）において、ｙ方向（垂直方向）に比べて狭くなっている。このようなイオンビームは、ｘ及びｙ方向において空間荷電が発散され得る。ｘ方向における空間荷電の発散は、より強いｘ方向の集束をもたらす、より高い電圧の採用により、緩和することができるが、ｙ方向への空間荷電の発散は、スリットレンズの近似がスリットレンズの高さ方向において拘束されないために、この方法では実質的に低減させることができない。その結果、粒子捕獲器５００は、ｙ方向へのこのような問題を緩和するために、湾曲した表面を有する電極を用いている。

粒子捕獲器５００は、入口の電極５０４、中央の電極５０８及び出口の電極５１２を備えている。入口の電極５０４は、導電性の物質からなり、典型的なイオンビーム５０２が通過するアパーチャ５０６を備えている。入口の電極５０４は、比較的平坦な第１の表面と、中央の電極５０８に対向する凹状の第２の表面とを備えている。アパーチャ５０６は、イオンビーム５０２が実質的に通り抜けられるような形をしている。入口の電極５０４は、中央の電極５０８よりも、電圧が低く、又はより正の電圧にバイアスされている（例えば、接地されているか、０Ｖにバイアスされている）。凹状の第２の表面は、ビームエネルギーに比べたときの印加される電圧に応じて、曲率半径よりも焦点距離が長くなるような形をしている。

中央の電極５０８は、入口の電極５０４の下流に配置されており、同様に導電性の物質からなり、典型的なイオンビーム５０２が、入口のアパーチャ５０６を通り抜けた後に、通り抜ける中央のアパーチャ５１０を備えている。中央の電極５０８は、入口の電極５０４に対向する第１の凸状の表面と、出口の電極５１２に対向する第２の平坦な表面とを備えている。中央の電極５０８は、入口の電極５０４の電圧よりも低い、例えば、−１７ｋＶのような負の電圧にバイアスされている。その結果、第１の静電場５１８が、入口の電極５０４から中央の電極５０８に向けて生じる。第１の静電場５１８は、最初、入口の電極５０４から中央の電極５０８にかけてイオンビーム５０２を加速させる。また、第１の凸状の表面は、中央の電極５０８に印加される電圧に応じて、曲率半径よりも焦点距離が長くなるような形をしている。

出口の電極５１２は、中央の電極５０８の下流に配置され、中央の電極５０８及び入口の電極５０４の両方に対して実質的に平行である。この典型的な形態において、出口の電極は、中央の電極５０８に対向する比較的平坦／平面的な第１の表面と、中央の電極５０８とは異なる方向を向く第２の比較的平坦／平面的な表面とを備えている。また、出口の電極５１２は導電性の物質からなり、典型的なイオンビーム５０２が中央のアパーチャ５１０を通り抜けた後に、通り抜ける出口のアパーチャ５１４を備えている。出口の電極５１２は、より正の値、例えば接地、又は０Ｖにバイアスされている。その結果、第２の静電場５２０が、出口の電極５１２から中央の電極５０８に向けて生じる。第２の静電場５２０は、上記ビーム（正の電荷を有している）内の上記イオン及び粒子の速度を遅くする。上記粒子は、その高い正の電荷により、大幅に減速される。また、電極（６０４、５０８及び５１２）の第１及び第２の表面は、様々なイオンビームの形状を補償するために、上述し図５に描いた形状から変形した形状を有していてもよいことは明らかであろう。

粒子捕獲器５００の操作は、図２の粒子捕獲器２００の操作と、実質的には同様である。さらに、イオンビーム５０２は、正に荷電したイオンからなるが、ｙ方向がより長い比較的楕円形の形状を有している。また、フォトレジスト残渣等の望まない粒子もまた、イオンビーム５０２内に含まれている。上記粒子は、典型的には、初めは、中性であり、比較的静止しており、また、通常、上記イオンビーム内のイオンよりも数倍大きい。正に荷電したイオンが上記粒子に衝突すると、当該粒子は、イオンビーム５０２の方向に沿って下流に移動するようになる。上記粒子は、通常、上記イオンよりもかなり大きい質量を有しているため、当該粒子は、イオンビーム内のイオンよりもかなり大きい正の電荷を蓄えることができる。しかしながら、望まない粒子の速度は、イオンビーム５０２内の上記イオンよりも、実質的にはまだなお遅い。

図６Ａ及び図６Ｂは、本発明の一形態における、典型的な、集束を行う粒子捕獲器６００を示す。粒子捕獲器６００は、本質的には典型例であり、本発明に係る、集束を行う粒子捕獲器の一つの可能性のある設定及び組合せを説明するために提供される。本発明において、他の組合せ及び設定を用いることができることは明らかであろう。

図６Ａは、本発明の一形態における、粒子捕獲器６００の典型的な実装の斜視図である。粒子捕獲器６００は、入口の電極６０４、中央の電極６０６及び出口の電極６０８を備えており、イオン注入システムのビームラインアッセンブリ（図示せず）内又は近くに配置するための台６１２に取り付けられている。粒子捕獲器６００の操作は、図６の粒子捕獲器６００の操作と実質的に同様である。

入口の電極６０４及び中央の電極６０６の間並びに中央の電極６０６及び出口の電極６０８の間にギャップが示されている。前方板６０２は、入口の電極６０４の第１の表面に取り付けられている。前方板６０２は、入口の電極６０４のアパーチャと並べられたアパーチャ６１０を備えている。イオンビームが通過するアパーチャ（見えない）はまた、中央の電極６０６及び出口の電極６０８にも存在している。一つかそれ以上の電源が、適切な電圧のバイアスを印加するために、電極６０４、６０６及び６０８に電機的に接続されている。

図６Ｂは、本発明の一形態における、粒子捕獲器６００の分解斜視図である。この図は、より明確に個々の電極及び典型的な形状を示す。本図は、板６０２、入口の電極６０４、中央の電極６０８及び出口の電極６０８についてより詳細に描写する。

入口の電極６０４は、本発明をより完全に描写するために二つの部品に分けられて示されている。入口の電極６０４の第２の表面６１４は、ｙ方向に沿った分散を緩和するために、凹状である。同様に、中央の電極６０６の第１の表面６１６は、ｙ方向に沿った分散を緩和するために、凸状である。アパーチャ６１０並びに電極６０４、６０６及び６０８のアパーチャは、楕円形のイオンビームに適合するような形状に示されている。

図７は、本発明の一形態における、イオンビームから粒子を除去し、イオンビームを集束する方法７００を説明するフロー図である。方法７００は、焦点ぼかし領域を備えた集束を行う粒子捕獲器を用いるものであり、イオンビームから粒子を除去することをもたらすものであり、典型的には、イオン注入システム内において実施される。さすれば、イオン注入プロセスのパフォーマンスは向上し、粒子の望ましくない注入は抑制される。

方法７００は、望まない粒子を自イオンビーム内に含み得るイオンビームが供給されるブロック７０２から開始する。上記粒子は、イオンビーム内に存在するようになり、当該粒子に衝突する個々のイオンにより、イオンビームに沿って下流へと押される。また、イオンビーム内のイオンは正電荷を有しているので、上記粒子をより陽性に荷電させる。さらに、上記粒子は、より大きい質量を有しているので、より多くの電荷を蓄える傾向にあり、ビーム内のイオンよりもより陽性に荷電されるようになる。

イオンビーム及び粒子は、まず、ブロック７０４において、第１の静電場の集束部により集束される。第１の静電場は、イオンビームが通り抜ける、入口のアパーチャを備える入口の電極と、中央のアパーチャを備える中央の電極とに適切な電圧を印加することにより生成される。入口の電極及びアパーチャ並びに中央の電極及びアパーチャは、入口の電極から中央の電極に向けて導かれる第１の静電場が、所望の、ｘ及びｙ方向の両方における集束及び焦点ぼかしを提供することができ、例えば、鉛筆状又はリボン状のような、イオンビームの形状に適合するような形をしている。また、場の強度は、入口の電極が典型的には接地されている一方、中央の電極を負の電圧に適切にバイアスすることにより、調整することができる。第１の静電場の集束部は、入口の電極から始まり、中央の電極への中間点において終わる。また、ビーム内の電子が、負にバイアスされた中央の電極により排除されるため、集束部において、上記粒子には正電荷が蓄えられる。

続いて、ブロック７０６において、第１の静電場の焦点ぼかし部と第２の静電場の焦点ぼかし部とからなる焦点ぼかし領域により、イオンビームは焦点がぼかされる。中央の電極と、イオンビームが通り抜ける、出口のアパーチャを備えた出口の電極とにバイアスを印加することにより、第２の静電場が生成される。出口の電極及びアパーチャ並びに中央の電極及びアパーチャは、出口の電極から中央の電極に向けて導かれる第２の静電場が、所望の、ｘ及びｙ方向の両方における集束及び焦点ぼかしを提供することができ、例えば、鉛筆状又はリボン状のような、イオンビームの形状に適合するような形をしている。また、場の強度は、出口の電極が典型的には接地されている一方、中央の電極を負の電圧に適切にバイアスすることにより、調整することができる。

第２の静電場の集束部は、中央の電極から始まり、下流の、出口の電極への中間点まで続く。この点において、第２の静電場の集束部での集束が始まり、出口の電極に到達するまで続く。

並行して、ブロック７０８において、第１の静電場の焦点ぼかし部と第２の静電場の焦点ぼかし部とからなる焦点ぼかし領域により、上記粒子は実質的に焦点がぼかされ、焦点ぼかし領域内を軌道運動させられる。上記粒子は、ビーム内のイオンよりも大きい質量及び正電荷を有しており、その結果として、イオンビームの経路から容易に分散又は焦点が逸らされる。その結果として、上記粒子は、焦点ぼかし領域内を軌道運動するようになり、イオンビームから出て、中央の電極のような物体に衝突するまで正電荷を蓄え続ける。

ブロック７１０において、イオンビームは、第２の静電場の集束領域により集束される。上記粒子又は上記粒子の少なくとも一部は、イオンビームが第２の静電場の集束領域に入る前に除去されている。その結果、イオンビーム内の実質的にイオンのみが、ｘ及びｙ方向に集束される。

ブロック７１２において、イオンビームは、ターゲットのウェハに向けて導かれ、イオンビーム内のイオンがターゲットのウェハ内に注入される。上記粒子の少なくとも一部は除去されているため、上記注入は、より均一に、かつ、上記粒子による汚染を少なく実施される。その結果、より均一なデバイス動作及びパフォーマンスを得ることができる。

方法７００、及びその異なった形態は、本発明の他の図面を参照することによってさらに理解し得ることは明らかである。加えて、方法７００及びそれについての記載によって、上述した本発明の他の局面についてもより良好に理解することが可能である。

説明を簡略化するために、方法７００は、連続的に実施されるものとして図示及び記載されたが、本発明は図示された順番に限定されるものではなく、本発明に係るいくつかの局面は、本明細書に図示及び記載された他の局面と、異なる順番及び／又は同時に行われてもよいことは理解されるべきである。

本発明を、１つ以上の実施形態に関して図示及び記載したが、当業者は、本明細書及び添付の図面を読み、かつ理解することによって、等価な変更例及び修正例に想到するであろう。特に上述の構成要素（アッセンブリ、装置、回路、システム等）によって行われる様々な機能に関して、このような構成要素を記載するために用いられる用語（「手段」への言及を含む）は、他に指摘がない限り、記載される構成要素の特定の機能を実施する任意の構成要素（例えば機能的に等価なものなど）に相当することが意図されており、たとえ本明細書に図示される本発明の典型的な形態において、その機能を実施するものとして開示される構造と、構造的には一致していなくてもよい。さらに、本発明における特定の特徴は、いくつかの実施形態における１つのみについて開示されているが、このような特徴を、望ましいように、かつ所定の又は特定のどんな用途のためにも有利となるように、他の実施形態における１つ以上の他の特徴と組み合わせてもよい。さらに、用語「含んでいる」、「含む」、「有している」、「有する」又はこれらの変形例が、発明の詳細な説明及び特許請求の範囲のどちらかにおいて用いられている場合、このような用語は、用語「包含する」とある程度同じような意味を含んでいることを意図している。さらに、「典型的な」という用語は、一例を示すことを意図しており、決して、最善又は最良の局面又は実施形態を示すことを意図したものではない。

本発明の１つ以上の形態を実施するために好適なイオン注入システムを、ブロック図の形に示す図である。 図２は、本発明の一形態における、集束を行う粒子捕獲器の断面図である。 図３Ａは、本発明の一形態における、粒子捕獲器の焦点ぼかし領域を移動する粒子の典型的なシミュレーションのグラフである。 図３Ｂは、本発明の一形態における、粒子捕獲器の焦点ぼかし領域を移動する粒子の典型的なシミュレーションの他のグラフである。 図４は、本発明の一形態における、粒子捕獲器を用いて粒子を捕獲するための中央の電圧の最小値を示すグラフである。 図５は、本発明の一形態における、他の、集束を行う粒子捕獲器の断面図である。 図６Ａは、本発明の一形態における、粒子捕獲器の典型的な実装の斜視図である。 図６Ｂは、本発明の一形態における、粒子捕獲器の分解斜視図である。 図７は、本発明の一形態における、イオンビームから粒子を除去し、イオンビームを集束する方法を説明するフロー図である。

Claims (23)

1. イオンビームを生成するイオン源と、
   上記イオン源から上記イオンビームを受け取るビームラインアッセンブリと、
   上記ビームラインアッセンブリから上記イオンビームを受け取る最終ステーションとを備えており、
   上記ビームラインアッセンブリは、
   選ばれたイオンを選択的に通過させる質量分析器と、
   上記質量分析器から上記イオンビームを受け取り、当該イオンビームのエネルギーレベルを変化させる加速／減速器と、
   上記加速／減速器から上記イオンビームを受け取り、当該イオンビームから粒子を除去する、集束を行う静電的粒子捕獲器とを備えており、
   上記集束を行う静電的粒子捕獲器は、
   入口のアパーチャを備え、第１のベース電圧にバイアスされている入口の電極と、
   上記入口の電極から間隔をおいて下流に配置され、中央のアパーチャを備え、上記第１のベース電圧よりも低い中央の電圧にバイアスされている中央の電極と、
   上記中央の電極から間隔をおいて下流に配置され、出口のアパーチャを備え、第２のベース電圧にバイアスされている出口の電極とを備えており、
   第１の静電場が、上記入口の電極から上記中央の電極に向けて生じており、
   第２の静電場が、上記出口の電極から上記中央の電極に向けて生じていることを特徴とするイオン注入システム。
2. 上記中央の電極のための上記中央の電圧が、上記粒子のサイズ及び速度に基づいて設定されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 上記中央の電極のための負の電圧が、−１７ｋＶであり、
   上記第１のベース電圧が約０であり、
   上記第２のベース電圧が約０であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. 上記入口のアパーチャ、上記中央のアパーチャ及び上記出口のアパーチャが楕円形であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
5. 上記入口のアパーチャ、上記中央のアパーチャ及び上記出口のアパーチャが円形であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
6. 上記加速／減速器が、上記粒子を上記イオンビームに導入することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
7. 上記第１の静電場が、
   およそ上記入口の電極で始まり、およそ上記中央の電極及び上記入口の電極の中点で終わる集束部と、
   およそ上記中点で始まり、およそ上記中央の電極で終わる焦点ぼかし部とを備えていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
8. 上記第２の静電場が、
   およそ上記中央の電極で始まり、およそ上記中央の電極及び上記出口の電極の中点で終わる焦点ぼかし部と、
   およそ上記中点で始まり、およそ上記出口の電極で終わる集束部とを備えていることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
9. 上記第１の静電場の上記焦点ぼかし部及び上記第２の静電場の上記焦点ぼかし部は、上記粒子がその中で軌道運動し、捕獲される焦点ぼかし領域を備えていることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
10. 入口のアパーチャを備え、第１のベース電圧にバイアスされている入口の電極と、
    上記入口の電極から間隔をおいて下流に配置され、中央のアパーチャを備え、中央の電圧にバイアスされている中央の電極と、
    上記中央の電極から間隔をおいて下流に配置され、出口のアパーチャを備え、第２のベース電圧にバイアスされている出口の電極とを備えており、
    上記第１のベース電圧及び上記第２のベース電圧は、上記中央の電圧よりも高く、
    第１の静電場が、上記入口の電極から上記中央の電極に向けて生じており、
    第２の静電場が、上記出口の電極から上記中央の電極に向けて生じていることを特徴とするイオン注入のための、集束を行う粒子捕獲システム。
11. 上記中央の電極のための上記中央の電圧が、約−１８ｋＶであり、
    上記第１のベース電圧が約１ｋＶであり、
    上記第２のベース電圧が約０であることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
12. 選ばれたイオンと粒子とを含むイオンビームが上記入口のアパーチャ、上記中央のアパーチャ及び上記出口のアパーチャを通り抜けることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
13. 上記入口の電極が、上記中央の電極に対向しない前方の表面と、上記中央の電極に対向する後方の表面とを備えており、
    上記後方の表面が、凹状の形状を有していることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
14. 上記中央の電極が、上記入口の電極に対向する前方の表面と、上記出口の電極に対向する後方の表面とを備えており、
    上記前方の表面が、凸状の形状を有していることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
15. 上記第１の静電場が、
    およそ上記入口の電極で始まり、およそ上記中央の電極及び上記入口の電極の中点で終わる集束部と、
    およそ上記中点で始まり、およそ上記中央の電極で終わる焦点ぼかし部とを備えており、
    上記第２の静電場が、
    およそ上記中央の電極で始まり、およそ上記中央の電極及び上記出口の電極の中点で終わる焦点ぼかし部と、
    およそ上記中点で始まり、およそ上記出口の電極で終わる集束部とを備えていることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
16. 上記第１の静電場の上記焦点ぼかし部及び上記第２の静電場の上記焦点ぼかし部は、上記粒子がその中で周回運動して捕獲される焦点ぼかし領域を備えていることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
17. 上記第２の静電場の上記集束部は、イオンビーム内のイオンのみを選択的に集束することを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
18. イオンビーム内に粒子及びイオンを含んでいる当該イオンビームを供給する工程と、
    第１の集束領域により上記イオンビームを集束する工程と、
    焦点ぼかし領域内において、上記イオンビーム内の上記イオンの焦点をぼかす工程と、
    上記イオンビームから上記粒子を除去するために上記イオンビームの上記粒子の焦点をぼかすことにより、上記焦点ぼかし領域内の上記粒子を捕獲する工程と、
    第２の集束領域内において上記イオンビームの上記イオンのみを集束する工程とを包含していることを特徴とするイオンビームを集束し、当該イオンビーム内の粒子を捕獲する方法。
19. 上記第１の集束領域を規定する集束部と焦点ぼかし部とを含んでいる第１の静電場を、入口の電極と中央の電極との間に生成する工程をさらに包含していることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 上記第２の集束領域を規定する集束部と焦点ぼかし部とを含んでいる第２の静電場を、上記中央の電極と出口の電極との間に生成する工程をさらに包含しており、
    上記第１の静電場の上記焦点ぼかし部及び上記第２の静電場の上記焦点ぼかし部が上記焦点ぼかし領域を規定することを特徴とする請求項１９に記載の方法。
21. 上記第１の静電場を生成する工程は、上記入口の電極を接地し、上記中央の電極を負の値にバイアスすることを包含することを特徴とする請求項１９に記載の方法。
22. 上記供給されるイオンビームが楕円形であることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
23. 上記粒子を除いた上記イオンビームを、目的のウェハに向けて導く工程をさらに包含することを特徴とする請求項１８に記載の方法。

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