JP2010505238A - イオンビームの輸送を改善する技術 - Google Patents

Abstract

【課題】 イオン注入を改善する技術を開示する。
【解決手段】 一実施形態例において、当該技術は、イオンビームを生成するイオン源と、イオンビームが含むイオン粒子から所望のイオン種を選択する質量分析器と、イオンビームが含むイオンのエネルギーを低減するイオン減速器と、イオンビームが含むイオンを注入する少なくとも１つの加工対象物を支持するエンドステーションと、イオンビームがイオン減速器に到達する前に、イオンビームから中性に荷電されている粒子を除去する中性粒子分離部とを備えるイオン注入システムとして実現されるとしてもよい。
【選択図】図２

Description

本開示は、概して基板プロセス技術に関し、特に帯状ビーム型のイオン注入装置におけるイオンビームの輸送を改善するための技術に関する。

半導体製造工程では、イオン注入を用いて基板の一部分の材料の特性を変化させる。イオン注入は、伝導性を変化させるための不純物を半導体ウェハに導入してさまざまな半導体ベースの製品を生産する上で、標準的な技術として利用されるようになっている。イオン注入プロセスでは、所望の不純物材料を通常はイオン源でイオン化して、イオンを加速して所定のエネルギーのイオンビームを形成し、イオンビームを半導体ウェハの表面に対して方向付ける。イオンビームに含まれている、エネルギーを持つイオンは、バルク半導体材料に侵入して、ウェハのバルク半導体材料の結晶格子に埋め込まれて、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、気体または固体の材料を良好に画定されるイオンビームに変換するためのイオン源を備える。イオンビームは、質量分析が施されて所望されていない種を除去し、所望のエネルギーを有するべく加速され、通常は半導体材料のウェハの表面であるターゲット領域に向けられるとしてもよい。イオンビームをターゲット領域に当てる場合には、イオンビームを走査するとしてもよいし、ターゲット領域を移動させてもよいし、両者を組み合わせるとしてもよい。従来のイオン注入装置の例は、米国特許第４，２７６，４７７号（発明者：エンジュ（Ｅｎｇｅ）、発行日：１９８１年６月３０日）、米国特許第４，２８３，６３１号（発明者：ターナー（Ｔｕｒｎｅｒ）、発行日：１９８１年８月１１日）、米国特許第４，８９９，０５９（発明者：フライトシス（Ｆｒｅｙｔｓｉｓ）他、発行日：１９９０年２月６日）、米国特許第４，９２２，１０６号（発明者：ベリアン（Ｂｅｒｒｉａｎ）他、発行日：１９９０年５月１日）、および米国特許第５，３５０，９２６号（発明者：ホワイト（Ｗｈｉｔｅ）他、発行日：１９９４年９月２７日）に開示されている。

シリコンに対するイオン注入で現在利用されているイオン種には、１ｋｅＶ未満から８０ｋｅＶを超える範囲内のエネルギーを持つヒ素、リン光体、ゲルマニウム、ホウ素、および水素等がある。通常必要とされるイオン電流は、数マイクロアンペアから数ミリアンペアの範囲内である。約０．５ｍＡより大きい注入電流を供給する設備は通常、「高電流
」注入装置と呼ばれる。半導体産業では、イオン注入エネルギーが１ｋｅＶ未満であり、入射角の制御が１度未満で行われるイオン注入が主流になりつつある。

イオン注入システムの最近の改善点は、帯状ビーム技術の導入である。このような技術によれば、加工対象物に当てられるイオンは帯状のイオンビームに編成され、この帯状イオンビームは、加工対象物がビームの下を通過する際には加工対象物を一様に被覆する。このような帯状ビーム技術を利用することによって、コストの面で大きな利点が得られる。例えば、ディスク型の注入装置の場合、帯状ビーム技術によって、イオンビームに対してディスクを走査する必要がなくなる。単一ウェハ注入装置の場合、入射する帯状ビームの下で一次元にウェハを移動させるのみでよいので、エンドステーションの機械デザインが大幅に簡略化されると共に横方向の電磁走査の必要がなくなる。適切な形状の帯状ビームを用いることによって、一次元に一度加工対象物を通過させることで、加工対象物全体にわたって均一なドーズ密度を実現することができる。

帯状ビームの生成および取り扱いに関する技術的課題は、帯状ビーム／エンドステーションの装置は通常、１％より高いドーズ均一性が必要とされ、角度精度が１度よりも良くなければならず、１ｋｅＶ未満のイオンエネルギーで動作させなければならないので、容易に解決できるものではない。米国特許第５，３５０，９２６号（発明の名称：「高電流帯状ビームイオン注入装置、発明者：ホワイト（Ｗｈｉｔｅ）他）および米国特許第５，８３４，７８６号（発明の名称：「コンパクトな、高電流で広いビームのイオン注入装置」、発明者：ホワイト（Ｗｈｉｔｅ）他）では、帯状ビーム技術の特徴の一部を紹介している。

帯状ビームイオン注入装置において、加工対象物で利用されるエネルギーは比較的低エネルギーであってよいが、ビームライン素子の大半においてイオンビームを輸送する際には比較的高エネルギーとするのが望ましいことが多い。これは、最終段で必要とされる相対的に低いエネルギーレベルでイオンビームを輸送すると、空間電荷膨張（ｂｌｏｗ−ｕｐ）が発生するためである。このため、一部のイオン注入装置では、減速器を用いて、基板にイオンビームを入射させる直前にイオンエネルギーを所望のレベルまで低減している。

従来の帯状ビーム注入装置に共通する問題として、ビームライン上で残留ガスとの荷電交換反応によって、電荷を失ってしまうイオンがあることが挙げられる。荷電交換反応を引き起こす原因となるイオン（本明細書では「中性粒子」と呼ぶ）は、減速器の影響を受けない。このため、中性粒子は、比較的高いエネルギーレベルでターゲットとなる基板に当たる可能性が高い。このような高エネルギーレベルによるターゲット基板の汚染は、好ましいものではなく、注入によって得られるデバイスに対して悪影響を明らかに与え得る。

中性粒子の影響を緩和する方法の１つに、イオン注入装置において減速器の段の直後にエネルギーフィルタを設ける方法が挙げられる。このようなエネルギーフィルタは通常、高エネルギーレベルの中性原子がターゲットに到達しないようにする効果を奏する。しかし、この解決方法には、減速された低エネルギーレベルのイオンビームは、空間電荷膨張が大きいので、短い距離であっても輸送するのが非常に困難であるという欠点がある。このため、エネルギーフィルタを介してイオンビームを輸送する場合には、フィルタリングの対象が過度に広くなる傾向があるので、問題となる。言い換えると、所望のイオンも減衰させてしまうので、所望のイオンが所望のエネルギー且つ濃度で基板に到達しなくなってしまうという問題が生じる。また、このようなフィルタを介して輸送される電流の量は限られるので、ビームの平行度が大幅に劣化することが多い。

以上を鑑みて、公知のシステムの上述した課題や欠点の一部または全てを解決するための、帯状ビームイオン注入装置において中性粒子からイオンを分離するための技術を提供することが望まれている。

イオンビームの輸送を改善するための技術を開示する。一実施形態例において、当該技術は、イオンビームを生成するイオン源と、イオンビームが含むイオン粒子から所望のイオン種を選択する質量分析器と、イオンビームが含むイオンのエネルギーを低減するイオン減速器と、イオンビームが含むイオンを注入する少なくとも１つの加工対象物を支持するエンドステーションと、イオンビームがイオン減速器に到達する前に、イオンビームから中性に荷電されている粒子を除去する中性粒子分離部とを備えるイオン注入システムとして実現されるとしてもよい。

別の実施形態例によると、上記技術は、イオン源でイオンビームを生成する段階と、イオンビームに対して質量分析を実行して特定のイオン種を選択する段階と、イオンビームをフィルタリングして中性粒子を除去する段階と、イオンビームを所望のエネルギーレベルまで減速する段階と、イオンビームを帯状ビームに変換する段階と、帯状ビームを基板に印加する段階とを備える注入システムにおいてイオンを注入する方法として実現されるとしてもよい。

さらに別の実施形態例によると、上記技術は、イオン注入システムにおいてイオンビームを減速する前に、静電偏向子で高エネルギーイオンビームをフィルタリングして、中性ガス粒子を除去する段階を備える、イオン注入システムにおいて帯状イオンビームから所望されない粒子を除去する方法として実現されるとしてもよい。

以下では、添付図面に図示されている実施形態例を参照しつつ、本開示をより詳細に説明する。本開示は、実施形態例に基づいて以下で説明されるが、それらに限定されるものではないと理解されたい。当業者であれば、本明細書の教示内容に基づき、更なる実施例、変形例、および実施形態に想到するであろうし、さらに、本明細書に記載する本開示の範囲内に含まれ、本開示が多大なる有用性を持つ他の利用分野にも想到するであろう。

本開示を理解し易く説明するべく、添付図面を以下で説明する。添付図面では、同様の構成要素は同様の参照番号を割り当てている。添付図面は、本開示を限定するものと理解されるべきではなく、本開示を例示する目的で供されている。

従来のイオン注入システムの一例を示す概略ブロック図である。

本開示のさまざまな実施形態に係るイオン注入装置のビームライン素子を示すブロック図である。

本開示のさまざまな実施形態に係るイオン注入装置で利用される、一組の線対称電極を備える静電エネルギーフィルタを示す断面図である。

本開示のさまざまな実施形態に係る注入設備で帯状イオンビームを生成する方法のステップを詳細に説明するためのフローチャートである。

図１は、本開示のさまざまな実施形態に係る、従来のイオン注入システム１００の一例を示す概略ブロック図である。システム１００は、ビーム経路に沿って帯状イオンビーム１１５を形成するイオン源１１０を備える。イオン源１１０は、例えば、特定の気体のプラズマ源１１２および対応する電源１１４を有する。プラズマ源１１２は、イオンビームが抽出されるプラズマ閉じ込めチャンバを含むとしてもよい。抽出されたイオンビームは、例えば、幅が約４００ｍｍで、３００ｍｍの半導体ウェハにイオン注入を行うための帯状イオンビーム１１５を含むとしてもよい。帯状ビーム生成イオン注入システムの一例は、本願と譲受人が共通している、米国特許第６，６３５，８８０号（発明の名称：「イオン注入装置用の、輸送が良好でエネルギーが低いビームライン構造」に説明されている。本特許の開示内容は全て、参照により本願に組み込まれる。

ビームラインアセンブリ１２０は、イオン源１１０の下流に配設されていて、ビーム１１５を受け取る。ビームラインアセンブリ１２０は、質量分析器１２２と、減速システム１２４と、偏向システム１２６とを有するとしてもよい。

ビームラインアセンブリ１２０は、ビーム経路に沿って配置され、ビーム１１５を受け取る。質量分析器１２２は、磁石（不図示）等の磁場生成素子を含み、イオンビームの経路を横切るような磁場を生成するべく動作して、イオンビーム１１５からイオンを偏向させる。この偏向の軌道は、ビーム１１５の各イオンの電荷質量比に応じて変化する。磁場を通過するイオンには、所望の質量分の各イオンをビームの経路に沿って方向付けて、所望されていない分の質量のイオンをイオンビームの経路から外れるように偏向する力が加えられる。図３を参照しつつさらに詳細に後述するが、質量分析器１２２はさらに、所望の質量分のイオンの軌道に応じて配向された開口を持つマスクを含むとしてもよい。このような構成とすることによって、所望されていない分の質量の他のイオンを遮蔽する。

減速システム１２４は、帯状ビーム１１５に対応するエネルギーを変化（つまり、低減）させるように、選択的に動作可能および制御可能である。例えば、中程度のエネルギーの場合、ビームエネルギーを大きく変化させることは必要なく、減速システム１２４は大きく変化させることなくビーム１１５を通過させる。これに代えて、低エネルギーの場合には（例えば、半導体部分で浅い接合を形成する場合には）、ビーム１１５のエネルギーを減速させる必要があり得る。このような場合には、減速システム１２４は、減速によって、ビーム１１５のエネルギーを所望のエネルギーレベルまで低減させる。

偏向システム１２６は、加工対象物に対する注入の前に減速を実行する低エネルギーシステムにおいて利用され得る。上述したように、偏向に基づいて、比較的高エネルギーの中性粒子によってターゲットの基板が汚染されるのを防ぐとしてもよい。偏向システム１２６は、例えば、ビームライン軸から離れるようにビームを偏向させ、エネルギー汚染物質となり得る中性粒子を、帯状ビームから除去する（中性粒子は、偏向磁場が存在する場合には、偏向しないことを利用して除去する）偏向電極を含むとしてもよい。

図１に図示する注入システム１００の一例を参照しつつ説明を続けると、さらにエンドステーション１３５が設けられており、ビームラインアセンブリ１２０から、質量分析が実行され、汚染物質が大きく除去されたイオンビーム１１５を受け取る。エンドステーション１３５は通常、帯状イオンビーム１１５を用いた注入処理の対象として、ビーム１１５の経路（しかし、偏向システム１２６によって、元々のビームライン軸からはオフセットされている経路）に沿って配置される半導体ウェハ（不図示）等の加工対象物を１以上支持する。エンドステーション１３５は通常、ウェハをビーム経路上に移動させたり、ウェハをビーム経路上から移動させたり、後続の処理の段にウェハを移動させたりするウェハ駆動システムを有する。ここでは、このようなエンドステーション１３５には、複数の加工対象物を回転させてビーム１１５を通過させているバッチ型システム、または、ビーム１１５を通過するように単一の加工対象物を走査するか、加工対象物を横切るようにビーム１１５を走査する単一加工対象物エンドステーションの利用を考えていることに留意されたい。エンドステーション１３５はさらに、ターゲット加工対象物に対するイオンのドーズレベルを検出する１以上の検出器（不図示）を有するとしてもよい。

注入システム１００はさらに、コントローラ１５０および真空システム１４０を備えるとしてもよい。コントローラ１５０は、所望の入出力機能およびその他の機能を実行するようにプログラミングされている、汎用コンピュータまたは汎用コンピュータネットワークであってもよいし、そのような汎用コンピュータまたは汎用コンピュータネットワークを有するとしてもよい。さまざまな実施形態によると、コントローラ１５０は、半導体製造プロセスを実行するための命令コードでプログラミングされたデータプロセッサであってもよい。さまざまな実施形態によると、コントローラ１５０は、ビーム源１１０およびエンドステーション１３５等のさまざまなシステム構成要素に対する電力接続および／またはデータ接続を有するとしてもよい。コントローラ１５０はさらに、特定用途向け集積回路（例えば、ＡＳＩＣ）、その他のハードワイヤードの電子デバイスまたはプログラム可能な電子デバイス、ディスクリート素子回路、およびＦＰＧＡ等、別の電子回路または構成要素を有するとしてもよい。コントローラ１５０はさらに、所望の機能を実行するべく、ユーザ入出力デバイス（キーボード、タッチスクリーン、ユーザポインティングデバイス、ディスプレイ、プリンタ等）、通信デバイス、データストレージデバイス、機械駆動システム等のデバイスを有するとしてもよい。

コントローラ１５０は、ビーム１１５と相対的にウェハを移動させることができる、エンドステーション１３５のウェハ駆動システムと通信するとしてもよい。例えば、ウェハ駆動システムは、ビーム１１５を横切るようにウェハを走査して、イオンをウェハの表面に注入するとしてもよい。ウェハ駆動システムは、ウェハを所望の方向に物理的に移動させるためのさまざまな異なるデバイスまたはシステムを有するとしてもよい。例えば、ウェハ駆動システムは、サーボ駆動モータ、電磁弁、スクリュー駆動機構、１以上の空気ベアリング、位置エンコードデバイス、機械的リンク機構、ロボットアーム、またはウェハ移動用の素子として関連技術分野で公知のその他の任意の素子を有するとしてもよい。

真空システム１４０は、コントローラ１５０と通信して、例えば、注入プロセス中においてチャンバ１０５の１以上の箇所の現在真空レベルに関する情報をコントローラ１５０に与えるとしてもよい。真空システム１４０はさらに、チャンバ１０５内の圧力を監視して、圧力測定値をコントローラ１５０に与える１以上の圧力センサを有するとしてもよい。これに代えて、圧力センサは、真空システム１４０とは別個に設けられ、コントローラ１５０と直接通信するとしてもよい。

上述したように、半導体本体に浅い接合を形成するための場合のように、低エネルギーのイオンビームを利用することが望ましいイオン注入プロセスでは、ビーム１１５は、基板に入射する前は高エネルギーとするのが好適であることが多い。これは、イオンビーム輸送は高エネルギーで行うのが効率良く、空間電荷中性化損失およびビーム膨張の影響で、低エネルギーでは効率が悪くなるためである。このため、エンドステーション１３５に到達する前に、減速器を用いてビーム１１５のエネルギーを所望のより低いレベルにまで低減するとしてもよい。しかし、この減速だけでは、ビーム１１５のエネルギーを低減する効果は十分に得られない。これは、ビーム１１５が最終的なエネルギーレベルにまで減速される前に、ビーム１１５の経路に沿って、ビーム粒子が残留ガスで中性化されたり、または、表面から小さい角度で散乱したりすることによって、ビームがある程度汚染されてしまうからである。このような中性化や散乱は、ビーム１１５を減速する必要がある減速ギャップ等の、電界の一部の領域において特に深刻である。図１に図示した従来のシステムでは、減速システム１２４の後で偏向システム１２６を用いて、ビーム汚染を除去する。偏向システム１２６は、中性粒子に影響を与えることなく、イオンを偏向する。このような機能は、中性粒子を分離する効果は得られるが、ビーム１１５の質は劣化してしまう。つまり、最終的に注入が行われるデバイスの特性に影響を及ぼす要因である、ビームの強度および平行度が劣化する。低エネルギービームは、劣化に対して非常に弱い。低エネルギービームが、偏向システム１２６等の他の素子をさらに通過すると、ビームの質が劣化して、ビームの平行度が低減して、最終的には、ビームの制御精度が悪くなり、注入プロセスによって生産される素子の質が悪くなりかねない。

前述したように、図１のシステム１００で示した減速の後段に偏向システム１２６が設けられる構成に代えて、一部の従来のイオン注入装置では、エネルギーフィルタを用いて「高エネルギー」中性粒子がターゲットを汚染しないようにしている。しかし、エネルギーフィルタもまた、弱い低エネルギービームの質を劣化させ得る。

図２は、本開示の一実施形態に係るイオン注入システム２００のビームライン素子を示すブロック図である。図２に示すシステム２００においては、イオンビーム生成器２１０が所望の種のイオンビーム２０１を生成して、所望の輸送エネルギーレベルにまでイオンビーム２０１のイオンを加速して、イオンビームに対して質量／エネルギー分析を実行してエネルギーおよび質量に関する汚染物質を除去して、低エネルギーレベルのエネルギーを持つイオンビーム２０１を、シリコンウェハ等のターゲット加工対象物に印加する。

エンドステーション２６０は、半導体ウェハ２６２またはその他の加工対象物を支持するプラテン２６４を有する。プラテン２６４は、所望の種のイオンがウェハ２６２に注入され、ウェハ２６２のマスクされていない部分の材料特性を変化させるように、走査されるイオンビーム２０１の経路に、半導体ウェハ２６２またはその他の加工対象物を支持する。エンドステーション２６０はさらに、イオンビームドーズ量およびドーズ均一性を監視するべく、ファラデーカップまたはその他のドーズ検出器を有するとしてもよい。

図２に示すイオンビーム生成器２１０は、イオンビーム源２１４と、ビーム源フィルタ２１６と、イオンビーム２０１にエネルギーを与える電源２１２とを有する。ビーム源フィルタ２１６は、イオンビーム源２１４に近接した位置に設けるのが好ましい。加速／減速コラム２２０は、イオンビーム２０１に適切な輸送エネルギーを与えるべく、ビーム源フィルタ２１６と質量分析器２３０との間に配置される。質量分析器２３０は、双極子分析磁石２３２と、分解開口部２３６を持つマスク２３４とを有する。マスク２３４は、ビーム２０１の経路に沿って、所望の質量を持つイオンのみが開口部２３６を通過するような位置に配設され、イオンビーム２０１が所望の種のイオンのみを含有するように制御する。

さまざまな実施形態によると、システム２００が走査ビームを利用する場合には、ビーム２０１の経路に沿って、質量分析器２３０の後段に、走査部をさらに用いるとしてもよい。このような構成に代えて、ビーム２０１を固定して、エンドステーション２６０が、ビーム２０１を横切るようにターゲット加工対象物を移動させる走査機構を有するとしてもよい。

システム２００はさらに、ビーム２０１のイオンを偏向させて、平行なイオン軌道を持つ走査イオンビームを生成して、ビーム２０１を集中させるべく、角度補正部２４０を有するとしてもよい。特に、角度補正部２４０は、間隙を画定するように離間して設けられる複数の磁極部材と、電源（不図示）に接合されている磁気コイルとを含むとしてもよい。ビーム２０１は、磁極部材の間の間隙を通過して、当該間隙の磁場に応じて偏向されるとしてもよい。当該磁場は、磁気コイルを流れる電流を変更することによって調整され得る。

システム２００はさらに、静電偏向子２７０を備えるとしてもよい。さまざまな実施形態によると、角度補正部２４０はビーム２０１を集中させて、高エネルギー帯状ビームを生成する。本明細書に記載するように、質量分析器２３０によるマスキングにも関わらず、ビーム２０１は中性粒子によって汚染されている可能性がある。中性粒子は、残留ガスとの電荷交換反応によって生成される。残留ガスは、プラズマ源２１４によるものと、イオン注入中に加工対象物２６２の表面において発生するオフガスによるものがあるとしてもよい。中性粒子は、静電偏向子２７０でも形成され得る。

イオンビーム２０１が静電偏向子２７０に入射すると、偏向子２７０内の電極が、中性粒子には何ら影響を与えることなく、イオンの軌道をターゲットに向かうように変更する電界を生成する。このようにして、中性粒子は効率良くイオンから分離される。また、ビーム２０１の経路に沿って、ビーム２０１がまだ高エネルギーレベルである時点で、静電偏向子２７０を設けることによって、先行技術に係るビームライン構造に比べて、ビーム２０１の質は、劣化が見られず、および／または、劣化が最小限に抑えられる。

本開示のさまざまな実施形態に係る静電偏向子２７０の別の特徴として、静電偏向子２７０においてバックグラウンドガスを低温でトラップすることによってバックグラウンド圧力を低減することが挙げられる。上述したように、バックグラウンドガス圧力は、中性粒子生成率に直接関係し得る。このため、このガス圧力を低減することは、ビームの純度に直接影響を及ぼす。本開示のさまざまな実施形態では、液体窒素等の低温冷却源を用いて、静電偏向子２７０の電極を冷却して、凝結によってバックグラウンドガスをトラップするとしてもよい。

システム２００はさらに、１以上の減速素子から構成される減速段２５０を備えるとしてもよい。レンズまたはその他の公知の手段を用いてビーム２０１を減速するとしてよい。本開示のさまざまな実施形態は、減速光学系の光学系に基づく焦点補正を行い、減速段２５０等における相対的にエネルギーが低い領域において発生する空間電荷焦点ずれを補償する。

システム２００はさらに、レンズ補正部２８０を備える。レンズ補正部２８０は、減速段２５０の出射領域の直後に配設するのが好ましい。さまざまな実施形態によると、このレンズ補正部は、米国特許出願公報第２００６／０１６９９２４号および２００５／０２４２２９４号（共に、発明の名称は「注入装置のイオンビームの特性の制御」）に記載されている構造を利用するとしてもよい。当該公報の開示内容はすべて参照により本願に組み込まれる。レンズ補正部２８０は、平行度について最終的な補正を行って低エネルギー劣化を補正することによって、ターゲット基板２６２に到達する帯状ビーム２０１が高精度となるようにするので、一様にイオンをドーピングすることが可能となるとしてもよい。

図３は、本開示のさまざまな実施形態に係るイオン注入装置で利用される、一組の線対称電極を備える静電エネルギーフィルタ２７０を示す断面図である。静電フィルタ（偏向子）２７０は、イオンビーム経路２０１に沿って設けられている入射領域２７２を含む。本明細書で示すように、この高エネルギービームは、イオンを含むと共に、中性粒子によって幾分か汚染されている可能性がある。バックグラウンド圧力の増加は、バックグラウンドガスが存在していることを指し示し、中性粒子の発生を大きくし得る。さまざまな実施形態によると、電圧源（不図示）によって電荷が電極２７４、２７５、２７６に印加され、電極２７４、２７５、２７６の付近に電界を発生させる。この電界は、荷電イオンのビームの経路に影響を及ぼすが、中性粒子の軌道には影響を持たない。このため、静電偏向子２７０は、所望のイオンのみをターゲットに向けて偏向するように設計され、中性粒子は処理チャンバにおいて減衰せずに進むか、またはトラップもしくは抑制され、ターゲットに到達しないように制御される。

図３に示すエネルギーフィルタ２７０の一例によると、エネルギーフィルタを組み込んだコンパクトな設計と減速器とを組み合わせる。この例によると、入射するイオンビームは、一組の平行な第１電極２７４が生成する電界、エンドステーションに向けてビームを偏向する曲率中心を指し示す電界を生成する一組の弓形の第２電極２７５が生成する第２の電界、および第１の電極２７４よりも高い電位の一組の平行な最終電極２７６を経て、最終エネルギーまでイオンを減速する。さまざまな実施形態では、上述した米国特許出願公報第２００６／０１６９９２４号および２００５／０２４２２９４号で開示しているようなレンズ補正部を、図２および図４を参照しつつさらに詳細に記載しているように、最終減速電極２７６の直後に配置して、ビームの平行度を最終補正している。

イオンを偏向することに加えて、本開示のさまざまな実施形態に係る静電偏向子２７０はさらに、バックグラウンド圧力を低減する機構を含み、ビーム経路に沿ってさらなる中性粒子の形成を抑制する。さまざまな実施形態によると、図２を参照しつつ説明しているように、この機構は、電極２７４、２７５および２７６を低温冷却することで実現されるバックグラウンドガストラップを有する。静電フィルタは、例えば液体窒素等を含む低温材料などの冷却源に電極２７４、２７５および２７６を接続する、外壁等の熱経路を含むとしてもよい。低温材料は、電極２７４、２７５および２７６を熱伝導に基づいて冷却するべく利用されるとしてもよいし、電極２７４、２７５、および２７６と接触している構造であってもよい。このような構成とすることによって、注入プロセスおよび／またはイオンビーム輸送においてバックグラウンドガスが発生すると、電極２７４、２７５および２７６によって、バックグラウンドガスは凝結して液体となり、ガスを効率よくトラップすることができる。凝結物は低温の表面に蓄積され、「再生」と呼ばれるメインテナンス動作において、電極表面を室温まで昇温させるだけで、定期的に蒸発させられる。低温材料は、注入装置のチャンバ内の容器から供給されるとしてもよいし、１以上の供給ラインを介して外部から供給されるとしてもよい。さまざまな実施形態によると、この処理は、注入システムのコントローラによって制御される。電極構造は、イオンに対する障害を最小限に抑えるようにイオンを偏向する電界を生成するように設計される。一方、中性粒子は直線状に伝播して、電界および表面間での跳ね返りに影響されない。表面には凹凸加工が施されて、斜めに跳ね返ってくる中性粒子に対して略垂直の障害となるようにして（ノコギリ歯パターン）、粒子を好ましくは後方に跳ね返らせて、一般的には高ビームエネルギー領域にガスが拡散しないようにするとしてもよい。

図４は、本開示の一実施形態に係るイオン注入設備で帯状イオンビームを生成する方法のステップを詳細に説明するためのフローチャートである。尚、図４に詳細に説明しているステップに加えて他のステップを実行するとしてもよい。つまり、図４は処理が含むステップを網羅的に説明するものではない。

当該方法は、ステップ３００で開始され、ステップ３０５に進む。ステップ３０５では、イオンビームが生成される。さまざまな実施形態によると、帯状イオンビームを生成することや、または後に１以上のビーム輸送素子を用いて帯状ビームへと変換されるイオンビームを分離することを含むとしてもよい。さまざまな実施形態によると、ビームエネルギーが１ｋｅＶ未満から８０ｋｅＶ以上の範囲内にある、ヒ素、リン光体、ゲルマニウム、ホウ素、および水素から成る群から選択される１つのイオン種を用いることを含む。さまざまな実施形態によると、ビーム加速器によって適切な輸送エネルギーレベルにまでイオンビームを加速することをさらに含むとしてもよい。

さらに図４を参照しつつ説明を続けると、ステップ３１０に進む。ステップ３１０において、質量分析を行う。関連技術分野で公知のように、それぞれのイオンの電荷質量比に基づいて、磁界を用いて複数の異なる軌道で複数のイオンを送り出すことを含む。イオンには、磁界を通過する際に、所望されている分の質量の各イオンをビームの経路に沿うように方向付け、所望されていない分の質量のイオンはビームの経路から離れるように偏向する力が加えられる。さまざまな実施形態によると、所望されている質量のイオンの軌道に沿って配置されている開口を有するマスクを用いて、ビームを精製して、当該ビームに対応するイオンのみが含まれるようにする。続いて、ステップ３１５では、イオンビームを集中させる。さまざまな実施形態によると、発散ビームを平行な帯状ビームに変換し、ビームの平行度を向上させ、またはビームのその他の特性を実現する角度補正部等、１以上の光学素子または磁気素子を用いてビームを調整することを含むとしてもよい。さまざまな実施形態では、このステップを省略するとしてもよい。

続いて、ステップ３２０において、イオン分離を実行する。さまざまな実施形態によると、ビームの経路に沿って配置されている静電偏向子に高エネルギーイオンビームを与えることを含む。本明細書に記載するように、静電偏向子を用いてイオンをターゲットに向かってイオンを偏向させて、中性粒子とは別の軌道に偏向されたイオンを乗せて、中性粒子が過剰なエネルギーでターゲットを汚染しないようにする。また、さまざまな実施形態によると、イオンを分離することは、冷却機構を偏向子の電極に用いて、イオン注入時に中性粒子の発生に関連し得るバックグラウンドガスをトラップすることを含む。

続いて、ステップ３２０でイオン分離を行った後、ステップ３２５に進む。ステップ３２５では、イオンビームを減速して、ビームのエネルギーを注入に適したレベルまで低減させる。本明細書で説明しているように、さまざまな光学素子、電気素子および／または磁気素子を用いて、相対的に低いエネルギー領域で発生する空間電荷焦点ずれを補償するべくビームを集中させるとしてもよい。

続いて、ステップ３３０において、イオンビームを減速させた後、当該ビームを多極補正部に与えて、ビームがターゲットに入射する前に、平行度を最終的に補正する。さまざまな実施形態によると、前述した米国特許出願公報第２００６／０１６９９２４号および２００５／０２４２２９４号に記載されているように、ビームがレンズ補正部を通過するように制御することを含む。このようなレンズ補正部は、高透磁率で矩形のスチール構造を有することを特徴とするとしてもよい。このスチール構造は、長軸が帯状ビームの幅に対して平行になり、幾何学的中心が帯状ビームの幾何学的中心に一致するように位置合わせされる。長軸部分を取り囲む支持コイルにより、帯状ビームを形成するイオンがその間で方向付けられる間隙に、所望の磁界を生成する。さまざまな実施形態によると、ステップ３３０で多極補正部を利用することによって、加工対象物における帯状ビームの幅の調整、帯状ビームの幅方向の強度分布の間違いの補正、加工対象物における入射角度の補正、空間電荷膨張に起因するビーム拡張現象に対するおおよその補償を実行することが可能となり、均一性および角度制度が良好なビームを得ることができる。

ステップ３３５において、ビームの調整が完了した後、帯状イオンビームを用いてターゲットに対してイオンを注入する。さまざまな実施形態では、特定のデバイス製造方法によると、帯状イオンビームは固定位置で与えられ、プラテンに取り付けられたウェハ走査部が、ビームを横切るように一定の速度でウェハを移動させる。さまざまな実施形態では、ターゲットウェハに対してビームを移動させるとしてもよく、ビームの移動とウェハの移動とを組み合わせるとしてもよい。当該方法は、ステップ３４０で終了する。

尚、図４のフローチャートに要約したステップは、帯状ビームを用いるイオン注入装置を前提として説明したが、他の種類のイオン注入装置および他の半導体処理設備に一般的に応用可能であるとしてもよい。例を挙げると、堆積処理、除去処理、パターニング処理、基板材料の電気特性を変更する処理に利用される設備に応用されるとしてもよい。

本開示のさまざまな実施形態では、イオンおよび中性粒子の分離は静電フィルタリングに基づいて実現され、空間電荷焦点ずれの補償は減速光学系によって実現され、処理チャンバのバックグラウンド圧力の低減つまり中性粒子の発生抑制を実現し、減速後の最終ビーム補正を実現することによって、既存の処理に比べてより高精度で、ビーム輸送特性が改善されたイオン注入プロセスが得られる。

本開示の範囲は、本明細書に記載した具体的な実施形態に限定されない。本明細書に記載した実施形態以外の、本開示のさまざまな別の実施形態および変形例は、前述した説明および添付図面から当業者には明らかである。そのような上記以外の実施形態および変形例は、本開示の範囲内に含まれるものである。また、本明細書では特定の実施例を前提として特定の環境下で特定の目的を実現するものとして本開示を説明してきたが、当業者であれば、本開示の有用性は上記に限定されるものではなく、任意の環境下で任意の目的を実現するべく実施しても本開示は有益であり得ることに想到するであろう。したがって、特許請求の範囲を解釈する際には、その最も広い範囲および本明細書に記載した本開示の精神を考慮されたい。

Claims (18)

1. イオンビームを生成するイオン源と、
   前記イオンビームが含むイオン粒子から所望のイオン種を選択する質量分析器と、
   前記イオンビームが含むイオンのエネルギーを低減するイオン減速器と、
   前記イオンビームが含むイオンを注入する少なくとも１つの加工対象物を支持するエンドステーションと、
   前記イオンビームが前記イオン減速器に到達する前に、前記イオンビームから電荷が中和された粒子を除去する中性粒子分離部と
   を備えるイオン注入システム。
2. 前記イオンビームが前記少なくとも１つの加工対象物に入射する前に、前記所望のイオン種のイオンを偏向して、前記イオンビームを帯状イオンビームに変換する角度補正磁石
   をさらに備える、請求項１に記載のイオン注入システム。
3. 前記中性粒子分離部は、エネルギーフィルタを有する
   請求項１に記載のイオン注入システム。
4. 前記エネルギーフィルタは、静電偏向子を含む
   請求項３に記載のイオン注入システム。
5. 前記イオン減速器は、多段光学イオン減速器を有する
   請求項１に記載のイオン注入システム。
6. 前記中性粒子分離部は、注入中において前記少なくとも１つの加工対象物の表面において発生するガスをトラップするガストラップ機構を有する
   請求項１に記載のイオン注入システム。
7. 前記ガストラップ機構は、前記中性粒子分離部の一部分を冷却する冷却機構を含む
   請求項６に記載のイオン注入システム。
8. 前記ガストラップ機構は、前記冷却される一部分における冷却された粒子の凝結によってバックグラウンドガスをトラップする
   請求項７に記載のイオン注入システム。
9. 前記中性粒子分離部は、前記少なくとも１つの加工対象物から離れるように中性粒子を偏向する１以上の面を有する
   請求項１に記載のイオン注入システム。
10. 前記イオン減速器の後に配置される多極補正部
    をさらに備える、請求項１に記載のイオン注入システム。
11. 注入システムにおいてイオンを注入する方法であって、
    イオン源でイオンビームを生成する段階と、
    前記イオンビームに対して質量分析を実行して特定のイオン種を選択する段階と、
    前記イオンビームをフィルタリングして中性粒子を除去する段階と、
    前記イオンビームを所望のエネルギーレベルまで減速する段階と、
    前記イオンビームを帯状ビームに変換する段階と、
    前記帯状ビームを基板に印加する段階と
    を備える方法。
12. 前記イオンビームをフィルタリングして中性粒子を除去する段階は、前記イオンビームが静電偏向子を通過するように制御する段階を含む
    請求項１１に記載の方法。
13. 前記静電偏向子は、バックグラウンドガスを冷却して凝結させることに基づいて、バックグラウンド圧力を低減する
    請求項１２に記載の方法。
14. 前記静電偏向子は、所望のイオンのみを偏向する
    請求項１２に記載の方法。
15. 前記静電偏向子は、所望されない粒子を、前記基板から離れるように偏向する
    請求項１２に記載の方法。
16. イオン注入システムにおいて帯状イオンビームから所望されない粒子を除去する方法であって、
    イオン注入システムにおいてイオンビームを減速する前に、静電偏向子で高エネルギーイオンビームをフィルタリングして、中性ガス粒子を除去する段階
    を備える方法。
17. 前記静電偏向子の周囲のバックグラウンド圧力を低減する段階
    をさらに備える、請求項１６に記載の方法。
18. 前記バックグラウンド圧力を低減する段階は、前記静電偏向子の少なくとも一部を低温冷却して、凝結によりバックグラウンドガスの分子をトラップする段階を含む
    請求項１７に記載の方法。

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