JP3926745B2 - イオン注入のための開口を制限する，調節可能なコンダクタンス - Google Patents

Description

本発明は，2001年1月18日に出願された米国仮特許出願第60/262594号に基づくもので，ここに参考文献として組み込まれる。
本発明は，一般的に半導体デバイスの製造に関し，特にイオン注入中に，フォトレジストのコートがされたウエハからビームラインへのガス流を減少させること関する。

イオン注入は，シリコンまたは他の半導体ウエアにドーパントの層を注入することにより，ウエハの特性を変化させる半導体デバイスの製造に使用されている。ドーパントは，ドーパントイオンを形成し加速し，そしてエネルギーをもったイオンをターゲットウエハに向けるイオン注入器を使用して注入される。ドーパントイオンのエネルギーを制御することにより，シリコンウエへのイオンの浸透の深さが制御される。共通したドーパントにはホウ素，リンおよびヒ素などがある。

イオン注入器において，ソースモジュールがドーパントガス分子をプラズマに変換する。イオンビームがソースモジュールから抽出される。抽出後，イオンビームは質量分析および加速を受ける。質量分析は，注入材として使用できるようにビーム中の特定のイオンを磁気的に選択することにより達成される。加速により，所望の注入深さに相応したイオンエネルギーが形成される。分析および加速に続いて，イオンビームは，ターゲットチェンバー内のターゲットウエハに向けられる。イオンビームは，ビームの走査，ウエハの移動，またはビームの走査とウエアの移動の組み合わせにより，ウエハにわたって分布することができる。イオン注入器のアーキテクチャーは特許文献1（Berrian等の1991年5月1日に発行された米国特許明細書），特許文献2（Freytsis等の1999年2月6日に発行された米国特許明細書）および特許文献3（White等の1994年9月27日に発行された米国特許明細書）に開示されている。
米国特許第4,922,106号明細書 米国特許第4,899,059号明細書 米国特許第5,350,926号明細書

イオン注入により処理される多くのウエハは注入マスクとしてフォトレジストを使用する。イオンがフォトレジストに衝突すると，多量のガス（主に水素ガス）が遊離し，これによりターゲットチェンバーおよびビームラインにおける圧力が上昇する。増加した圧力は，ビーム中のイオンが，遊離したガスの分子と衝突し，電荷の交換またはイオン化衝突を受ける確率を増加させる。これら衝突は，ビーム中のイオンの電荷状態，方向およびエネルギーを変化させ，その結果，ウエハにもたらされるイオン電流を正確に測定できなくなり，イオン注入の位置および深さを制御できなくなる。たとえば，中性化されたイオンが，これら中性化されたイオンがウエハに注入され，全ドーズ量に寄与するという事実にもかかわらず，ファラデービーム電流センサーにより測定されない。

種々のソースからの無関係な種の混入によるビームの変質から生じるイオンビーム測定における不正確さを補償するために開発がなされている。このような開発は，残余のバックグランドガスを検知すること，動作条件の下で生じた電荷変化衝突の確率に基づいた較正モデルにしたがって，イオンドーズ量を調節することによる。この技術は，たとえば，特許文献４（Farleyによる1985年9月3日に発行された米国特許明細書），特許文献５（Tokoroによる1994年6月7日に発行された米国特許明細書），特許文献６（Stackによる1992年9月8日に発行された米国特許明細書），および特許文献７（Benvenisteによる1998年9月29日）に説明されている。較正はしかし，難しく，較正モデルは較正動作条件を正確に反映していないことから，全体として満足のいくものではない。イオン注入器のためのイオンドーズ量測定が特許文献８（1999年12月15日に発行された欧州特許公開明細書）に説明されている。制限プレートを有する装置が，較正手続の間，ビームラインに配置され，ウエハへのイオン注入の間，ビームラインからずらされる。通過するイオンビーム電流の量を調節するための種々の開口を組み込むイオン注入器が特許文献９（Loomis等による2001年2月7日に発行された米国特許明細書）に説明されている。どの従来技術のアプローチも，イオン注入の間，ガスがフォトレジストがコートされたウエハから遊離されたときに生じる問題を解決する際に全体として満足のいくものではなかった。
米国特許第4,539,217号明細書 米国特許第5,319,212号明細書 米国特許第5,146,098号明細書 米国特許第5,814,823号明細書 欧州特許第0964426号明細書 米国特許第6,194,734号明細書

したがって，イオン注入に際し，不所望のガスの悪影響を制限するための改良された方法および装置の需要がある。

本発明は，ターゲットウエハにビームが衝突する結果，ターゲットチェンバーに放出される無関係なガスのイオンビームにおける影響を最小にするイオン注入器に関する。特に，本発明は，ターゲットチェンバーを，ターゲットへビームが通過できる貫通開口をもつ分割器で，上流領域および下流領域に分割することに関する。貫通開口の大きさは，ビームの全てを通過させるが，ターゲットから分割器の上流側へのガス流を著しく制限するように調節される。好適には，貫通開口の大きさは異なるビーム構成に対して調節できるもので，ターゲットに接近して配置される。このようにして，本発明の装置は，無関係な種に晒されるビーム容積を最小化し，注入器の一部（イオン方向，エネルギーまたは電荷状態に実質的に影響を与えるところ）への衝突を制限する。本発明はしたがって，ビームを変更する衝突の可能性を減少させ，イオン注入のドーズ量および深さの高度な制御を行う。

本発明の一態様にしたがって，荷電粒子ビーム装置が提供される。荷電粒子ビーム装置は，荷電粒子ビームを，下流方向のビーム経路にそってターゲットに向ける荷電粒子ビームソース，およびターゲットチェンバーを画成する処理ステーションを含む。処理ステーションは，ターゲットの荷電粒子ビーム処理の間，ターゲットチェンバーを上流領域および下流領域に分割するチェンバー分割器を含む。ターゲットは，下流領域に位置し，分割器は，イオンビームが実質的に阻止されることなくターゲットへと通過でき，チェンバーの上流領域へのガスの逆流が制限されることのできる大きさの貫通開口をもつ。

好適に，荷電粒子ビーム装置はさらに，開口の大きさを調節するための開口調節機構を含む。イオン注入器は，イオンビームをビーム経路にそってターゲットに向けるイオンソース，イオンビーム中の所望のイオンを選択するビーム経路にそって配置される質量分析器，イオンビーム中の所望のイオンを所望のエネルギーへと加速するための，ビーム経路にそって配置される加速器，イオンビームをターゲットにわたって分布させるスキャナー，およびターゲットチェンバーを画成する処理ステーションを含む。処理チェンバーは，ターゲットのイオン注入の間，ターゲットチェンバーを上流領域と下流領域とに分割する分割器を含む。ターゲットは下流領域に位置し，チェンバー分割器は，イオンビームが実質的に阻止されることなくターゲットへと通過でき，チェンバーの上流領域へのガスの逆流が制限される大きさをもつ貫通開口を有する。

本発明の他の態様にしたがって，イオン注入器のターゲットチェンバー内で，ビームを変更する衝突の可能性を減少させる方法が提供される。ターゲットチェンバーは，フォトレジストを上にもつターゲットを覆うように適合させられる。本方法は，ターゲットのイオンビーム処理の間，ターゲットチェンバーを上流領域と下流領域に分割する分割器をターゲットチェンバー内に与えることを含む。ターゲットは下流領域に位置し，チェンバーの分割器は，イオンビームが実質的に阻止されることなく，ターゲットへと通過でき，チェンバーの上流領域へのガスの逆流が制限される大きさをもつ貫通開口を有する。

さらに，本発明の他の態様にしたがって，イオン注入器が半導体ウエハにイオンを注入するために提供される。イオン注入器は，イオンビームを発生するイオンビーム発生器，イオンビームを受け入れるターゲットチェンバーを画成する処理ステーションを含み，処理ステーションは，半導体ウエハのイオン注入の間，ターゲットチェンバーを上流領域と下流領域とに分割する分割器を含み，半導体ウエハは下流領域に位置し，分割器は，イオンビームが実質的に阻止されることなく，ターゲットへと通過でき，チェンバーの上流領域へのガスの逆流が制限される大きさをもつ貫通開口を有し，第一および第二の真空ポンプは，ターゲットチェンバーの上流領域および下流領域にそれぞれ結合される。

本発明の種々の実施例は，例示として，添付図面を参照して説明される。

イオン注入器の構成および動作は当業者には周知のことである。従来技術のイン注入器の簡略化されたブロック図が図１に示されている。イオンソース10はイオンビーム12をビーム経路にそってターゲット14，典型的には半導体ウエハに向けられる。イオンビーム12は，質量分析磁石20により偏向され，集束される。イオンビームは，質量分解スリット組立体22の面に集束される。種々のスリット組立体の構成が，特許文献１０の回転シリンダー構成（従来のスリット組立体の構成は背景技術として説明されている）も含め，知られている。イオンビーム20は加速器24により所望のエネルギーへと加速され，ターゲットチェンバーを画成する処理ステーション25内に配置されたターゲット14に衝突する。イオンソース10とターゲット14との間の全領域は，イオン注入の間排気される。
米国特許第5,629,528号明細書

イオンビーム12は，ビームに関してターゲット14を機械的に走査することにより，ターゲットに関してイオンビームを走査することにより，またはビームの走査およびターゲットの走査の組み合わせにより，ターゲット14の表面にわたって分布させることができる。一枚のウエハを扱うイオン注入器が今現在，半導体製造者にとって好適である。ひとつのアーキテクチャーで，イオンビームは，ひとつの方向，すなわち，水平に走査され，ウエハは垂直方向に機械的に走査される。他のアーキテクチャーでは，イオンビームは固定されおり，ウエハと同じ幅のリボン形状をもつものである。ウエハは，リボン状のイオンビームの幅方向に対して垂直に走査される。好適ではないがバッチ処理のイオン注入器では，複数のウエハがイオン注入の間，回転ディスク上に取り付けられる。処理ステーション25は注入のために，ひとつ以上のターゲット位置に半導体ウエハを自動的にロードし，イオン注入後ウエハをターゲットチェンバーから取り出すシステムを含むことができる。

本発明の実施例を組み込んだイオン注入の，簡略化したブロック図が図２に示されている。図１および図２において同じ要素については，同じ符号が付されている。図２の実施例では，処理ステーション25は，ターゲットに近接配置された分離壁32のような分割器（ターゲットチェンバー26を上流領域28と下流領域30とに分離する）を含む。ターゲット14は下流領域30に配置される。特に，分離壁32はターゲット14とイオンソース10との間に位置し，ターゲット14に，実施可能な程度まで接近して配置される。分離壁32は，ターゲット14にイオン注入または他の処理の間，この位置にある。分離壁32は，開口34を備えるが，その位置および大きさは，ビームが壁32を，阻止されることなく実施的に通過できるようなものである。それ以外では，分離壁32は，少なくともイオン注入の間，領域28と30との間でガス流を実質的に妨げ，これにより下流領域30と上流領域28との間でのガスの逆流が防止される。

好適に，注入器の真空ポンプが，下流領域30でのガスの発生に関わらず，上流領域28を制御された低圧に維持するように構成されている。上流領域28および下流領域30の両方が下述するように真空排気される。

好適に，イオンビームの最終エネルギーおよび角度が決定され，イオン電流が，イオンが開口34を通過する前に測定されるように，分離壁32は構成される。すなわち，全ビームラインの構成要素は好適に，分離壁32の上流にある。フォトレジスト上へのビームの衝突により解離したガスはしたがって，ターゲット領域26の下流領域30にほとんど限定され，下流領域30において，イオンビームはこのようなガスの衝突による実質的な影響を受けない。したがって，イオンビームと無関係なガスとの衝突による電荷交換の確率，およびこのような衝突によるビーム角およびエネルギーの影響は制限される。

多くのイオン注入器において，イオンビーム12の構成は，異なるドーパントおよびエネルギーがいろいろな注入処理に対して必要となるたびに変更される。処理中にビームのイオンを浪費することなく，分離壁32の効果を最大にするために，開口34はイオンビーム12の通過には十分であるが，大きすぎないものとする。より大きいものも，より小さいものも利用できる。しかし，より小さい開口はイオンビームの一部を阻止し，したがって，所定のドーズ量とするには注入時間が増加し，一方より大きな開口は下流領域30から上流領域28へのガス流の増加をもたらす。そのためは，開口34の大きさは，各ビームの構成に対して最適になるように調節可能にする。ビームがターゲット14に対して電気的にまたは磁気的に走査される場合，開口34はビームの走査領域に適応する大きさとなる。

図３では，上流領域からみた分離壁32の好適な実施例が示されている。開口34は，垂直に可動なプレート40と42との間の空間により画成される矩形のスリットである。駆動機構50が，プレート40および42を制御して移動することを可能にしている。このように，開口34は所望に広く，または狭くすることができる。ファラデー組立体52により，イオンビーム電流が，開口34を通過する前に測定することができる。ポンプのポート54が，ターゲットチェンバーの上流領域28を補足的に排気することを可能にする。

駆動機構50は，ここで説明する可変な移動を達成するのに必要な従前のモータ，制御，ギア，リンクおよび係合構造からなってもよい。好適に，駆動機構のモータおよび他の大半の要素は高真空領域の外に位置するが，強流体シール駆動シリンダーまたはシャフトが，制御された機構の駆動をプレート40および42に伝える。

典型的に，垂直に可動なプレート40および42は制御可能で，同期して開閉する。これに代え，個々のプレートが独立して移動してもよい。固定したプレートに対してスライドする他のプレートを使用してもよい。スライドプレートに代え，開口の寸法が可変となるように制御する方法で，枢着されたプレートを回転させてもよい。

他の実施例では，開口34は，たとえば，水平に可動なプレート（図示はされていないが，駆動機構50により可動なもの）を設けることにより，水平および垂直の両方向の寸法を可変にしてもよく，このようにすると，開口の長さ，ならびに高さも調節することができる。さらに，矩形ではないビームの形状が注入器に利用されると，開口34の形状およびその調節可能は構成要素も対応して構成されることになる。

開口34の寸法はつぎのように調節することができる。開口は，ターゲット14に全イオンビーム12が衝突するのに必要となる以上の開口部となるようにセットされる。ファラデーカップのような従前のイオンビームセンサーが，ターゲットに衝突するビームをモニターするために使用される。イオンビームセンサーは分割壁32の下流に位置する。開口34の高さは，イオン電流の減少がビームセンサーにより検出されるまで，プレート40および42が閉じるように駆動機構50を稼働することで，減少する。垂直および水平の両方を調節する場合，開口の高さを調節するのと同じ技術を利用して，開口の長さを調節してもよい。これに代え，分離壁31の開口調節機構は，それに接続された適切な電流センサーとともに，電気的に浮かすことができ，開口は，ビームがプレート40および42に衝突するまで閉じるようにしてもよい。このような場合，開口の大きさは，電流の減少が検知された後に，開口を所定の距離，再度開いて最適にしてもよい。開口の寸法が決定され，セットされた後，ビームは注入のために用意され，ウエハは従前通り処理される。

従前の注入器で本発明を実施するとき，さらに真空ポンプの能力を高めることが望ましい。イオン注入器は，ターゲットチェンバー26の上流領域28の圧力が下流領域30に対して減少するように，ターゲットチェンバー26の上流領域28および下流領域30を，さらに真空排気されてもよい。図２において，真空ポンプ29が上流領域28に接続され，真空ポンプ31が下流領域に接続されてもよい。好適には，上流領域28は5×10^-6トル以下の圧力に真空排気されてもよい。

本発明の他の実施例において，二つ以上の調節可能な開口が，ここで記述されているように，注入器の最後のビームラインの要素の下流で，かつターゲットの上流に設けられ，各開口は，イオンビームがターゲットへの経路上に，各開口を通過するように，分割壁に設けられる。別の分割壁がさらに，ターゲットで生成されるガスを分離する。任意であるが，複数の分割器により形成されるサブチェンバーが個々に真空排気されてもよい。

市販のイオン注入器に，上記本発明を使用することで，200mmのウエハ上のドーズ量のシフトがスループットの損失，一様性の劣化なしに，4％から1パーセントに減少した。

上記説明は説明のためのものであり，網羅したものではない。当業者であれば，この説明から変形，変更をなし得るものである。このような変形，変更の全ては特許請求の範囲に属するものである。当業者であればまた，ここで説明された実施例と同等なもの（特許請求の範囲に属する）を思いつくであろう。さらに，特許請求の範囲の，独立形式の請求項に示された特徴は，本発明の範囲内で組み合わせることができ，したがって，本発明はこれら特徴のいろいろな組み合わせをもつ実施例を包含するものである。

図１は，従来技術にしたがったイオン注入器に簡略化されたブロック図である。 図２は，本発明の実施例にしたがった，ターゲットチェンバー内に分割器を組み込むイオン注入器の簡略化されたブロック図である。 図３は，本発明の実施例にしたがった関連駆動機構をもつターゲットチェンバー分割器の，上流からみた斜視図である。

Claims (17)

1. ターゲットにイオンを注入するイオン注入器であって，
   イオンビームを生成するためのイオンビーム生成器と，
   イオンビームを受け入れるための，ターゲットチェンバーを画成する処理ステーションであって，ターゲットのイオン注入の間，ターゲットチェンバーを上流領域および下流領域に分割するための分割器を含むところの処理ステーションと，
   ターゲットチェンバーの上流領域および下流領域に，それぞれ連結される第一および第二の真空ポンプと，
   を含み，
   ターゲットは下流領域に配置され，分割器は，イオンビームが実質的に阻止されることなく通過するとともに，チェンバーの下流領域から上流領域へのガスの逆流を制限する大きさをもつ貫通開口を有し，前記処理ステーションはさらに，前記開口の大きさを調節するための開口調節機構を有する，イオン注入器。
2. 前記開口調節機構が，前記開口の向かい合った端部を画成し，互いに接近し，遠ざかるように可動な一対のプレートを有する，請求項１に記載のイオン注入器。
3. 前記開口調節機構がさらに，開口の大きさを調節するために，互いに接近し，遠ざかるように前記プレートを動かすための駆動機構を有する，請求項２に記載のイオン注入器。
4. さらに，前記プレートにビームが衝突したことを示す信号を生成するように構成されたビームセンサーを有し，
   前記駆動機構が開口の大きさをビームの大きさへと調節するために前記信号に応答する，請求項３に記載のイオン注入器。
5. 前記開口調節機構がひとつ以上の回転可能なパネルを有する，請求項１に記載のイオン注入器。
6. さらに，ビームの大きさを示す信号を生成するように構成されたビームセンサーを有し，
   開口調節機構が開口の大きさをビームの大きさへと調節するために前記信号に応答する，請求項１に記載のイオン注入器。
7. さらに，ビーム電流が前記開口を通過したことを示す信号を生成するために，前記チェンバー分割器の下流に位置するビームセンサーを有し，
   開口調節機構が，ビーム電流が検出されるまで開口の大きさを調節するために前記信号に応答する，請求項１に記載のイオン注入器。
8. さらに，動作中，ターゲットチェンバーの上流領域内の圧力を，5×10^-6トル以下に維持するための真空ポンプを含む，請求項１に記載のイオン注入器。
9. 全てのベースラインの構成要素が分割器の上流にあるように，前記分割器が前記ターゲットチェンバー内に配置される，請求項１に記載のイオン注入器。
10. さらに，ターゲットチェンバーの上流領域内にビーム電流センサーを有する，請求項１に記載のイオン注入器。
11. 開口をそれぞれが有する，チェンバー内に連続して配置されるふたつ以上の分割器を有する，請求項１に記載のイオン注入器。
12. 各開口の大きさが開口調節機構により調節できる，請求項１１に記載のイオン注入器。
13. 各分割器が，チェンバーの領域の，そのすぐ上流側を真空に維持するための関連真空ポンプを有する，請求項１１に記載のイオン注入器。
14. イオンビーム生成器が，
    イオンビームをビーム経路にそってターゲットへと向けるイオンソースと，
    前記イオンビーム中の所望のイオンを選択するための，前記ビーム経路にそって配置される質量分析器と，
    前記イオンビーム中の選択されたイオンを所望のエネルギーに加速するための，前記ビーム経路にそって配置される加速器と，
    イオンビームをターゲットにわたって分布させるスキャナーと，
    を含む，請求項１に記載のイオン注入器。
15. 前記開口調節機構がひとつ以上の可動プレートを含む，請求項１に記載のイオン注入器。
16. フォトレジストを上に有するターゲットを包含するように適合された，イオン注入器のターゲットチェンバー内で，イオンビームとガスとの間で，ビームを変更する衝突の確率を減少させる方法であって，ターゲットのイオンビーム処理の間，ターゲットチェンバーを上流領域および下流領域に分割する，ターゲットチェンバー内にある分割器を用意する工程からなり，ターゲットは下流領域に配置され，チェンバー分割器は，イオンビームが実質的に阻止されることなく通過できるとともに，チェンバーの上流領域へのガスの逆流が制限される大きさをもつ貫通開口を有し，ビーム経路の構成が調節可能で，分割器の貫通開口の大きさが，ビーム経路の構成が調節されたときに，ビーム経路の大きさに調節される，ところの方法。
17. ビームの最終エネルギーが決定され，ビームが前記開口を通過する前にイオン電流が測定されるように，分割器が配置される，請求項１６に記載の方法。

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