JP2012523092A - イオン注入システムで用いる電極用終端 - Google Patents

Abstract

イオン注入システムは静電レンズを含む。静電レンズは、ターミナル電極、接地電極及びターミナル電極と接地電極との間に配置された抑制電極を含む。イオンビームは、ターミナル電極を通って静電レンズに入り、接地電極を通って出る。各電極は関連する静電等電位線を有する。終板が、抑制電極の上部と底部との間、及び／又は接地電極の上部と底部との間に配置される。それぞれの終板は、イオンビームが静電レンズを通過する時にイオンビームの均一性を維持するために、特定の電極に関連する静電等電位線に対応する形状を有する。

Description

本発明は、イオン注入の分野に関する。特に、本発明は、不所望なビーム収差を制御するためにイオン注入ツールで用いる電極用終端に関する。

イオン注入は、イオンをワークピースにドープするために用いられるプロセスである。あるタイプのイオン注入が、半導体基板の製造中に所望の電気デバイス特性を得るために、不純物イオンを注入するのに用いられる。典型的には、基板にｎ型領域を形成するために、砒素又はリンをドープすることができ、基板にｐ型領域を形成するために、ガリウム又はインジウムをドープする。

例示的な高電流イオン注入ツール１００を図１に一般的に示し、これは、イオン源チャンバ１０２、及びイオンビームをウエハ又は基板に向ける一連のビームライン構成部品を含む。これらの構成部品は、真空環境に収納され、浅いイオン注入用に低エネルギーでのイオンドーズレベルを提供するように構成されている。特に、イオン注入装置１００は、所望種のイオンを生成するためのイオン源チャンバ１０２を含む。イオン源チャンバ１０２は、これに導入された供給ガスをイオン化して、荷電イオン及び電子（プラズマ）を形成するために、電源１０１により電力が供給される関連の加熱フィラメントを有する。加熱素子は、例えば、間接的に加熱されるカソードとすることができる。異なる供給ガスが、特定のドーパント特性を有するイオンを生成するために、イオン源チャンバに供給される。イオンは、イオン源チャンバ１０２から引き出されるイオンビーム９５を集束させるために所望の電場を創出するのに用いられる標準の３つの引き出し電極構成により、イオン源チャンバ１０２から引き出される。ビーム９５は、所望の電荷対質量比を有するイオンのみを分解アパーチャに通すように機能する磁石を有する質量分析チャンバ１０６を通過する。特に、質量分析チャンバの磁石は、不所望な電荷対質量比を有するイオンをビーム経路から離すよう偏向させる印加磁界にビーム９５をさらす湾曲経路を含む。減速ステージ１０８（減速レンズとも呼ぶ）は、規定のアパーチャを有する複数（例えば３つ）の電極を含み、イオンビーム９５を出力するように構成される。磁石分析器１１０が、減速ステージ１０８の下流に位置付けられ、これは、イオンビーム９５を平行な軌跡を有するリボンビームに偏向させるように構成される。磁場を用いて、磁石コイルを経るイオンの偏向を調整することができる。リボンビームは支持体又はプラテン１１４に取り付けたワークピースを標的にする。追加の減速ステージ１１２を、コリメータ磁石チャンバ１１０と支持体１１４との間に配置して用いることもできる。減速ステージ１１２（減速レンズとも呼ぶ）は、所望のエネルギーレベルで基板にイオン注入をするために、複数（例えば３つ）の電極を含むこともできる。イオンは、基板内の電子及び原子核と衝突すると、エネルギーを失うため、イオンは、加速エネルギーに基づいて、基板内の所望の深さにて止まる。

リボンビームは、イオンをワークピースの結晶格子に注入するために、プラテン１１４により支持されたワークピースに直角に向けられる。イオン注入の深さは、イオン注入エネルギー及びイオンの質量に基づく。サイズが小さい電子デバイスは、低エネルギーレベル（例えば、≦２keV）でイオン注入される高ビーム電流密度を必要とする。典型的に、低エネルギーイオンビームは、空間電荷効果によるビームの「ブローアップ」のために、イオン注入装置を通過する時に発散する。この空間電荷効果は、ビーム内の正荷電イオンの相互反発により引き起こされ、ビームを発散させ、その断面を大きくする。従って、プラズマからビームを引き出し、比較的高エネルギーで所望のイオンを分析し、そして、ビームラインの終端の近くでビームを最終エネルギーに減速するだけとするのが、典型的となっている。これは、減速レンズにより達成される。電位の異なる組み合わせを複数の電極に印加することにより、減速レンズ１０８、１１２は、イオンビーム９５に関連するイオンエネルギーを操作して、イオン注入を制御するための所望のエネルギーレベルでイオンビームをワークピースに当てることができる。特に、イオンビームのイオンは、ビームがそれぞれの減速レンズ１０８、１１２を通過する時に、ビームの方向を変えずに減速レンズ１０８、１１２を用いて減速させることができる。しかしながら、イオンを減速するために電極に印加される電位は、電極のエッジにビーム形状を歪めるか又は広げる等電位線の収差も発生する。この問題は、典型的には、上述したようなリボンビームの高電流ツールにて生じるが、高電流、中電流又は高エネルギー用途に向けることができる走査型のビームツールでも生じる。これらの場合には、幅広の有効ビームを、高周波数で前後に掃引する狭いペンシルビームにより創出させる。

これらの収差を補正するか又は最小にするために、電極の形状を変更する試みが従来成されてきた。例えば、減速レンズ内の電極をエッジにて曲げたり、ある角度にしたりして、ビームを集束させて、広がり効果を是正していた。このような試みは、ある程度の成功を収めるに過ぎなかった。あるいは、収差がビーム経路のはるか外側に現れるように、ビームをより広く横切って延在するように電極を構成していた。しかしながら、これは、電極の幅が、イオン注入装置内の真空チャンバの機械的構造により抑えられる場合にしかうまくいかない。従って、ビームが減速レンズを通過する時に、ビームの光学特性を歪める収差を導入することなく、ビーム経路を横切る電極の関連する静電場を終了させる複数の電極を有する減速レンズのニーズがある。

本発明の例示的実施態様は、イオン注入装置に用いられる静電レンズに向けられる。一実施態様では、静電レンズアセンブリは、上部と底部との間でイオンビームを受けるように構成されたターミナル電極を含む。接地電極が、上部と底部との間で前記静電レンズアセンブリからイオンビームを出すように構成される。ターミナル電極と接地電極との間に配置される抑制電極が、上部及び底部により画定され、イオンビームはそれらの間に送られる。抑制電極は関連する静電等電位線を有する。終板が、抑制電極の上部と底部との間で、イオンビームのエッジに配置され、終板は、静電レンズの中央近くの抑制電極に関連する静電等電位線に対応する形状を有する。このように電極の終板を成形することにより、電場及びその結果としてのイオンの集束が、イオンビームの幅に渡って均一になるようにする。

従来のイオン注入ツールのブロック図である。 本発明の実施形態による例示的な静電レンズの斜視図である。 図２に示す電極の上面図であり、本発明の実施形態による関連する例示的電位分布を示す。 本発明の実施形態による、終板の構成を例示する電極のＡ−Ａ線に沿って見た部分断面図である。 本発明の実施形態による、電極の底部及び関連する終板の上面断面図である。

本発明を、以下に、本発明の望ましい実施形態を示す添付図面を参照して説明する。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具体化することができ、本明細書に記載の実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底的かつ完全となり、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるように提供される。図面において、同様の番号は全体にわたって同様の要素を示す。

図２は、ターミナル電極２１０、抑制電極２２０及び接地電極２３０を有する図１に示す例示的な静電レンズ１０８又は１１２の斜視図である。電極２１０、２２０及び２３０の各々は、ｙ方向にある距離だけ離されたそれぞれの上部２１０ａ、２２０ａ、２３０ａ及び底部２１０ｂ、２２０ｂ、２３０ｂにより規定される。その距離は、各電極のそれぞれの上部と底部との間のアパーチャを規定し、そのアパーチャをｘ方向に幅及びｙ方向に高さを有するビーム９５が静電レンズを通ってｚ方向に通過する。抑制電極２２０は、単一の弓状電極として例示されるが、個々の電位でバイアスをかけられる分割電極であってもよい。その代わりに、抑制電極２２０は非分割電極であってもよい。ターミナル電極２１０、抑制電極２２０及び接地電極２３０の各々の上部と底部との間の電圧差を用いて、ビーム９５が静電レンズを通過する時に、そのビームを偏向させることができる。その代わりに、各電極の上部及び底部は、同一の電位を共有するように電気的に結合させることができる。

静電レンズ１０８（以後、静電レンズは１０８のことをいうが、その記載は静電レンズ１１２についても云えることである）は、イオンビーム９５を減速して、ビームを所望のイオン注入エネルギーで目標のワークピースに当てるように構成された減速レンズであり得る。電位差をターミナル電極２１０、抑制電極２２０及び接地電極２３０の各々に印加して、ビームが静電レンズを通過する時に、ビームのイオン注入エネルギーを操作することができる。特に、イオンビーム９５は１０〜２０keVの初期エネルギーを有することができ、特定の電位を有するターミナル電極２１０を通って静電レンズに入る。ビーム９５内のイオンは、ターミナル電極２１０と抑制電極２２０との間で加速することができ、例えば、３０keVのエネルギーを有することができる。抑制電極は、負の電位でバイアスをかけられ、接地電極２３０は、イオンが抑制電極２２０から接地電極２３０へと通過する時に、イオンが減速するように、ターミナル電極よりもっと正の電圧でバイアスをかけられる。ビーム９５は、接地電極２３０を通って静電レンズから出る時に、例えば、３〜５keV以下のエネルギーを有することができる。しかしながら、イオンエネルギーが抑制電極２２０と接地電極２３０との間で低減すると、イオンビーム９５は、電極のエッジにて少なくともｘ方向に広がるか又は発散する傾向がある。

図３は、図２に示す電極の上面図であり、ターミナル電極２１０、抑制電極２２０及び接地電極２３０に関連する例示的な電位分布を示す等電位線２４０を含む。ビーム９５は、レンズを通ってｚ方向に進み、ｘ方向に沿う０°の中央のライン９５ａと、外周のライン９５ｂ（例えば、中央のライン９５ａから８°）及び９５ｃ（例えば、中央のライン９５ａから−８°）により規定される。抑制電極２２０についての領域２５０での等電位線２４０は、ビームがレンズを通ってｚ方向に進む時に、中央のライン９５ａでのビーム軌跡に対しほぼ垂直である。しかしながら、ビーム９５の外周のライン９５ｂ及び９５ｃでは、ビーム軌跡は等電位線に対し垂直ではない。例えば、ビームライン９５ｂは、抑制電極２２０に関連する矢印２５１、２５２、２５３及び２５５により示す等電位部分に垂直にならない。さらに、ビームライン９５ｂは、ターミナル電極２１０に関連する矢印２５４により示す等電位部分に対しても垂直にならない。これは、ビームの均一性が電極のエッジで少なくともｘ方向に維持されず、イオンビーム９５のイオンは、抑制電極２２０及び接地電極２３０を経てレンズを通って進む時に、方向を変えることを示す。これは、例えば矢印２５１、２５２、２５３、２５４及び２５５で示すような、電極のエッジでの収差によるものである。これらの収差は、ビーム９５がレンズを通って進む時に、ビームの形状を歪める。ビーム９５は、ターミナル電極２１０を通って進む時には、中央のライン９５ａからは著しくは発散しないため、ターミナル電極２１０のエッジ２１１、２１２での収差は、ビーム９５の経路内にはなく、ビーム光学特性を損ねない。

図４は、図３のＡ−Ａの方向で中央のライン９５ａに沿って見たターミナル電極２１０、抑制電極２２０及び接地電極２３０の部分断面図であり、それぞれの上部２１０ａ、２２０ａ、２３０ａと底部２１０ｂ、２２０ｂ、２３０ｂとの間の終板をもっと詳細に例示している。特に、終板３２０は抑制電極２２０の上部２２０ａと底部２２０ｂとの間に配置される。抑制電極２２０は、例えば、ターミナル電極２１０より低い電位でバイアスをかけることができる。これにより、イオンがレンズ内でターミナル電極２１０から抑制電極２２０の方へ進む時に、ビーム９５の正イオンを加速する比較的強い電界を生成する。終板３２０は、抑制電極２２０内に位置する（図３に示す）第２のエッジ２２２に近接して上部２２０ａと底部２２０ｂとの間に配置された対応する終板と共に、抑制電極の（図３に示す）第１のエッジ２２１に近接して位置付けた第１の終板であり得る。図に示すように、終板３２０は、横断部分３２２により連結される一対の対向する湾曲部３２１を有する一般的に砂時計の形状をしている。終板３２０は、ビームが静電レンズを通って進む時に、ｘ方向のビームの均一性を維持するために、抑制電極２２０に関連する静電等電位線に対応する形状を有する。終板は、実質上堅牢でなければならず、上部電極の支持体として用いることができる。終板３２０は、アルミニウム及び／又は黒鉛のような導電性材料から作られる。各終板３２０は、導電体とするため、ビーム９５が電極を通って進む時に、それぞれのエッジ２２１、２２２で抑制電極２２０の導電性表面に等電位境界条件を課す。このように、電極の中央近くの等電位線に似ている形状を有する終板を採用することにより、ビームがレンズを通って進む時に、ビーム９５の均一性は、抑制電極のエッジまでｘ方向に沿って維持される。

終板３３０は、接地電極２３０の上部２３０ａと底部２３０ｂとの間に配置される。終板３３０の形状は、接地電極２３０に関連する静電等電位線に対応する。上記のように、接地電極には、例えば、イオンビーム９５を受ける目標のワークピースの電位と等しいか、又は、類似の電位でバイアスをかけることができる。本実施形態では、接地電極２３０には、ビーム９５内のイオンを注入用に減速する接地電位でバイアスをかける。図４に示す終板３３０は、接地電極２３０の（図３に示す）第２のエッジ２３２に近接して上部２３０ａと底部２３０ｂとの間に配置された対応する終板と共に、接地電極の（図３に示す）第１のエッジ２３１に近接して位置付けられた第１の終板であり得る。図に示すように、終板３３０は、抑制電極２２０に面して配置される一般的に凹形の内部断面３３１を有する。終板３３０の形状は、ビームが静電レンズを通って進む時に、ビームのｘ方向の均一性を維持するために、接地電極２３０に関連する静電等電位線に対応する。抑制電極２２０の終板３２０と同様に、接地電極の終板３３０は、アルミニウム及び／又は黒鉛のような導電性材料から作られ、接地電極２３０の導電性表面に等電位境界条件を課す。このように、接地電極の等電位線に似ている形状を有する終板３３０を採用することにより、ビームがレンズを通って進む時に、ビーム９５の均一性は、ｘ方向に沿って維持される。

終板３１０は、ターミナル電極２１０の上部２１０ａと底部２１０ｂとの間に配置される。ターミナル電極２１０には、例えば、入ってくるイオンビーム９５と等しいか、又は、類似の電位でバイアスをかけることができる。上記のように、ビーム９５は、ターミナル電極２１０を通って進む時に、中央のライン９５ａ（図３に示す）から著しくは発散しなかった。ターミナル電極２１０のエッジ２１１、２１２での等電位収差は、ビーム９５の経路からｘ方向に遠く離れており、ターミナル電極を通るイオンに影響を及ぼさない。従って、終板３１０の特別な形状は、ビームの均一性を維持するために、本例示的実施形態では、必要ない。

図５は、一例示的実施形態での、電極の底部及び関連する終板の位置決めの上面断面図である。特に、ビーム９５は、ターミナル電極２１０を通ってレンズ１１８に入り、ｚ方向に進む。ターミナル電極２１０は、第１のエッジ２１１に位置付けられる終板３１０ａと第２のエッジ２１２に位置付けられる終板３１０ｂとを含む。抑制電極２２０をターミナル電極２１０と接地電極２３０との間に配置する。抑制電極２２０は、３つの部分、すなわちセグメント２２０_１、２２０_２及び２２０_３を有する分割電極として例示するが、単一の弓状電極でもあり得る。終板３２０ａは抑制電極２２０の第１のエッジ２２１に位置付け、終板３２０ｂは抑制電極２２０の第２のエッジ２２２に位置付ける。第１のエッジ２２１はセグメント２２０_１に付いており、第２のエッジはセグメント２２０_３に付いている。しかしながら、抑制電極２２０は、分割電極ではなく、その代わりに、単一構成のものとすることができる。本例の実施形態では、終板３２０ａ、３２０ｂを、ｚ方向のイオンビーム軌跡に対して角度αで位置付ける。終板３２０ａ、３２０ｂの位置付けを、広い集束ビームを収容するために、抑制電極のエッジに例示する。その代わりに、終板３２０ａ、３２０ｂは、もっと集束したビーム軌跡を収容するために、もっとビーム９５の中央のライン９５ａに向けて位置付けることもできる。終板３３０ａは接地電極２３０の第１のエッジ２３１に位置付け、終板３３０ｂは接地電極２３０の第２のエッジ２３２に位置付ける。終板３３０ａ、３３０ｂは、ｚ方向のイオンビーム軌跡に対して角度βで位置付ける。

本発明は、ある実施形態を参照して開示したが、添付の特許請求の範囲で特定しているような本発明の範囲から逸脱することなく、記載した実施形態に対する多くの変更及び修正が可能である。従って、本発明は、記載した実施形態に限定すべきではなく、以下の特許請求の範囲及びその均等物の用語により特定する全範囲を含むことを意図している。

Claims (19)

1. イオン注入装置用の静電レンズアセンブリであって、
   該アセンブリは、
   上部及び底部により規定されるターミナル電極であって、前記上部及び底部の各々はそれぞれのエッジを有し、前記上部と底部との間でイオンビームを受けるように構成されたターミナル電極と、
   上部及び底部により規定される接地電極であって、前記上部と底部との間にて前記アセンブリから前記イオンビームが出るように構成された接地電極と、
   上部及び底部により規定される抑制電極であって、前記イオンビームは前記上部と底部との間に送られ、前記ターミナル電極と前記接地電極との間に配置され、関連する静電等電位線を有する抑制電極と、
   前記抑制電極の前記上部及び底部のそれぞれのエッジの間に配置された終板であって、前記抑制電極の領域に関連する前記静電等電位線に対応する形状を有する終板と、を備える、静電レンズアセンブリ。
2. 前記イオンビームは、ｚ方向に前記静電レンズアセンブリを通って送られる時に、ｘ方向の幅とｙ方向の高さとにより規定され、前記終板は、前記イオンビームが前記静電レンズを通って送られる時に、前記イオンビームに関連する収差を低減するように構成される、請求項１に記載の静電レンズアセンブリ。
3. 前記終板は、前記抑制電極の第１のエッジに位置付けた第１の終板であり、
   前記アセンブリは、さらに、
   前記抑制電極の第２のエッジに位置付けられ、前記抑制電極の前記上部と底部との間に配置された第２の終板を備え、
   該第２の終板は、前記抑制電極に関連する前記静電等電位線に対応する形状を有する、請求項２に記載の静電レンズアセンブリ。
4. 前記抑制電極の前記上部は、前記抑制電極の前記底部からｙ方向に変位しており、前記抑制電極の前記上部及び底部は、それらの間に送られる前記イオンビームが偏向されるように電位差を有する、請求項３に記載の静電レンズアセンブリ。
5. 前記接地電極の前記上部は、前記接地電極の前記底部からｙ方向に変位しており、前記接地電極の前記上部及び底部は、それらの間に送られる前記イオンビームが偏向されるように電位差を有する、請求項３に記載の静電レンズアセンブリ。
6. 前記終板は、実質的に骨格プロファイルを有する、請求項１に記載の静電レンズアセンブリ。
7. 前記イオンビームが前記ターミナル電極、前記抑制電極及び前記接地電極を通って送られる時に、前記ターミナル電極、前記抑制電極及び前記接地電極にバイアスをかけて、前記イオンビームを減速させるようにした、請求項１に記載の静電レンズアセンブリ。
8. 前記接地電極は、関連する静電等電位線を有する、請求項１に記載の静電レンズアセンブリ。
9. 前記終板は、第１の終板であり、
   前記アセンブリは、さらに、
   前記接地電極の前記上部及び底部の間に配置された第２の終板を備え、
   該第２の終板は、前記接地電極に関連する前記静電等電位線に対応する形状を有する、請求項８に記載の静電レンズアセンブリ。
10. 前記終板は、前記抑制電極に関連する前記静電等電位線が、前記静電レンズを通ってｚ方向に送られる前記イオンビームに対して実質的に直角となるように、導電性材料から作られる、請求項２に記載の静電レンズアセンブリ。
11. 前記イオンビームは、中央平面に沿ってｚ方向に前記静電レンズを通って送られ、前記終板は、前記中央平面に対して鋭角で位置付けられる、請求項２に記載の静電レンズアセンブリ。
12. 前記イオンビームは、中央平面に沿ってｚ方向に前記静電レンズを通って送られ、前記第２の終板は、前記中央平面に対して鋭角で前記第２の端部に位置付けられる、請求項３に記載の静電レンズアセンブリ。
13. イオン注入装置用の静電レンズアセンブリであって、
    該アセンブリは、
    上部及び底部により規定されるターミナル電極であって、前記上部と底部との間でイオンビームを受けるように構成されたターミナル電極と、
    上部及び底部により規定される接地電極であって、前記上部と底部との間で前記アセンブリから前記イオンビームが出るように構成され、関連する静電等電位線を有する接地電極と、
    上部及び底部により規定される抑制電極であって、前記イオンビームは前記上部と底部との間に送られ、前記ターミナル電極と前記接地電極との間に配置された抑制電極と、
    前記接地電極の前記上部と底部との間に配置された終板であって、前記接地電極に関連する前記静電等電位線に対応する形状を有する終板と、を備える、静電レンズアセンブリ。
14. 前記イオンビームは、ｚ方向に前記静電レンズアセンブリを通って送られる時に、ｘ方向の幅とｙ方向の高さとにより規定され、前記第１の終板は、前記イオンビームが前記接地電極の前記上部と底部との間に送られる時に、前記イオンビームの発散を低減するように構成される、請求項１４に記載の静電レンズアセンブリ。
15. 前記終板は、前記接地電極の第１のエッジに位置付けた第１の終板であり、
    前記アセンブリは、さらに、
    前記接地電極の第２の端部に位置付けられ、前記接地電極の前記上部と底部との間に配置された第２の終板を備え、
    該第２の終板は、前記接地電極に関連する前記静電等電位線に対応する形状を有する、請求項１３に記載の静電レンズアセンブリ。
16. 前記終板は、実質的に骨格プロファイルを有する、請求項１３に記載の静電レンズアセンブリ。
17. 前記終板は、前記抑制電極に関連する前記静電等電位線が、前記静電レンズを通ってｚ方向に送られる前記イオンビームに対して実質的に直角となるように、導電性材料から作られる、請求項１４に記載の静電レンズアセンブリ。
18. 前記イオンビームは、中央平面に沿ってｚ方向に前記静電レンズを通って送られ、前記終板は、前記中央平面に対して鋭角で位置付ける、請求項１４に記載の静電レンズアセンブリ。
19. 前記イオンビームは、中央平面に沿ってｚ方向に前記静電レンズを通って送られ、前記第２の終板は、前記中央平面に対して鋭角で前記第２の端部に位置付けられる、請求項１５に記載の静電レンズアセンブリ。

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