JP4070602B2 - イオン注入用のハイブリッド走査システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明はここに参考文献として組み込まれる２０００年１１月２２日出願の米国仮特許出願第６０／２５２５４９号の優先権の利益を得るものである。

本発明はイオン注入装置の分野に関し、特に順次イオン注入装置に関する。

イオン注入において、高エネルギーイオンのビームはイオンを材料中に埋め込むか若しくは注入するために材料の表面に衝突する。イオン注入処理はバッチ及び順次処理に分類されている。順次処理は最も通常のタイプのイオン注入処理であり、中間ドーズ量注入に関連している。順次処理はしばしばビーム伝播方向に垂直の両軸線において静電偏向処理にさらされるプラズマイオンビームを使用する。静電偏向処理は密度及び進行方向によるイオンの均一な分布を与えるよう意図されているが、実際にはイオンビームはビーム伝播方向に関して約３°の角度だけ変化する。この変化は、Pollokにより米国特許第4,726,689号で報告されているように、イオン注入処理に不所望な影響を生じさせる。
米国特許第4,726,689号明細書

Bruneらによる米国特許第5,406,088号及び5,229,615号は大口径ウエハの増加する商業的使用に対応して開発された並列ビームイオン注入装置を説明している。ウエハ直径が４インチから６インチそして８インチへと大きくなると、ウエハの傾斜及び回転を制御しながら、均一な平行ビームでウエハの表面をたたくためのビームを生成することができる、順次注入装置への要求が高まった。
米国特許第5,406,088号明細書 米国特許第5,229,615号明細書

Whiteらによる米国特許第5,350,926号は、単一の横方向に移動する大きなリボン形状のビームを横切って均一性を確立するためのビーム制御強化システムを有する高電流ブロードビームイオン注入装置を説明している。イオン注入装置は、Freeman、Bernas若しくはイオンビームが平行側面の凸面スロットを通じてプラズマソースから引き出されるところのマイクロ波ソースを使用する。イオンビームはビーム伝播の方向に垂直な両軸にビームを平行にするために一対の分析磁石を通過する。同様にBerrianらによる米国特許第4,922,106号は、均一な注入を容易にする機械的かつ電気的走査制御とともに平行ビーム生成器を有するイオンビーム注入装置を示している。
米国特許第5,350,926号明細書 米国特許第4,922,106号明細書

ハイブリッド走査システムは最近の順次処理イオン注入装置において最もしばしば使用されるタイプのものである。処理は一回に一枚のウエハに対して行われる。中央断面側面図である図１に示されるように、ソース102から投射されるイオンビームである走査イオンビーム104にウエハを通過させることによって、一つの軸線上でウエハ100を機械的に走査することは通常行われている。水平イオンビーム104はウエハ移動の垂直軸108に関して横軸106を有する。図１に示されるように、軸106はビーム軸の平均を表す。イオンビーム104の一部はWhiteらによる米国特許第5,350,926号に示されるようにビーム成形電場要素によりわずかに軸外れしている。概して、ウエハ100はウエハ表面にわたって均一にイオンビームを分配するために水平に走査されたイオンビーム104を通じて軸108に沿って垂直に並進運動する。この走査方法によって均一な注入を達成するために、ウエハ100を注入する前に入射イオンビーム104をセットアップする必要がある。この処理はビーム注入真空チャンバ110内で行う。ウエハホルダ112は、アーム、直線コンベア、若しくはあらゆる他のタイプのウエハホルダから成る。ウエハホルダ112はイオンビーム104の効果によってイオン注入に有効なウエハ面114を与える。

中央断面平面図である図２に示されるように、均一な注入のための走査イオンビーム104のセットアップは、セットアップ面202におけるビーム軸線106に垂直な方向で全ビーム幅Wを水平に横切って移動するファラディカップ200でサンプリングすることにより達成される。理想的にはセットアップ面202はウエハ注入が面114上で生じるところに配置される。ファラディカップ200はセットアップ面202上のすべての位置でビーム均一性の正しい表現を与えるべく複数のサンプリングステーション204、206等に配置される。ファラディカップ200によって集められたイオンビーム電流はファラディカップ位置の関数として測定される。Whiteらによる米国特許第5,350,926号に教示されるように、ビーム電流を平らにならすための従来の手段によって引き続きソース102内のイオンビーム光学要素の調節が為される。ビーム電流の測定及びイオン光学系の調節は、ビーム電流が許容限界内で均一になるまで従来の方法にしたがって繰り返される。

図３に示されるように、ハイブリッド注入システムは、例えばSmickらによる米国特許第5,898,179号に記載されるように、注入中にウエハ表面114に関するイオンビーム入射角度300を制御する処理を要求する。しばしばこの制御はウエハホルダ112内のウエハ100を傾けることによって達成される。この傾斜は入力イオンビーム104とウエハ表面114との間の入射角度300を生成し、それはウエハ上のどこでも一定である。ウエハ100の機械的並進運動は前と同様に軸線108に沿って垂直方向に継続する。概して入射角度300は０°から４５°の範囲であり、軸線106に沿ったイオンビーム軌道と注入されるウエハ面114に垂直な軸線304との間でｙ軸面内で測定される。例えば、ウエハ注入面114が軸線106に沿ったイオンビーム軌道に関して９０°に方向付けられるとき、０°の注入角度が生じる。

ウエハ面114のある領域はセットアップ面202と同じ焦点面で注入されないため、機械的走査軸108に関してウエハを傾けることはイオン注入の均一性に有害な影響を及ぼす。この問題は、現在のトレンドであるウエハの大口径化により、セットアップ面202とウエハ面114との間の距離が大きくなると、より顕著となる。ウエハ100が機械的走査軸108に関する回転により傾けられる場合、ウエハの一端306は入射イオンビーム104の方向へ回転し、他端308はそこから離れて回転する。ウエハ100の中央領域310はセットアップ面にある。例えば、水平傾斜軸がウエハ100の下側に完全に配置されれば、ウエハ全体はセットアップ面202から外れて移動する。イオンビーム電流の均一性は実際に測定されるセットアップ面202以外では特にわからない。したがって、注入及びセットアップ面は同一平面でなければならない。

イオンビーム104は正に荷電したプラズマ粒子を含み、それは正味電荷をウエハ100に付与するよう面114に衝突する。この付与電荷の効果は電子流314を放出するフラッドガン312を利用することにより、従来の手法に従いキャンセルされる。蓄積されたプラズマ電荷を中和する際に使用するためのフラッドガンを含むイオン注入システムの例は、RadonovらによるIn Situ Charging Potential Monitoring for a High Current Ribbon Beam (a Varian Trade Publication 2001)に説明されるようなバリアン・セミコンダクター・エクイップメント社製のVIISta 80イオン注入装置である。電子流314は正味電荷をキャンセルするようウエハ100に衝突する。ウエハ100が角度300を増加して傾けられるに従い、面114は電子流314により多く晒され、電子流314とウエハ100に影響を与える関連正味電荷との接触が対応して増加する。同様に、面114は、ウエハ100上の正味電荷効果に関連するこの傾斜に基づいて、イオンビーム104に晒される量が少なくなる。これらの正味電荷効果は、角度300の大きさ及びイオンビーム104の移動距離の関連する変化の関数としてイオンビーム104の均一性を変化させる問題となる局所的な場の歪みを生成する。

傾斜走査システムの試された改良点は、ウエハ移動軸が新しい軸108’への角度300の関数として移動するように、ウエハ移動システムに対する調節を含む。チャンバ110内の全ウエハ走査装置はこの効果を達成するために水平軸上で傾けられる。並進運動軸108を軸108’へ傾けて置き換えることは、イオンビーム104の中心が角度300の大きさに無関係に一定の焦点距離で面114のすべてのポイントに衝突することを保証する。したがって、当該方法はビーム焦点面の外側に注入することなく選択された角度300での平行走査注入を生成する。これらの改良された方法に従いイオンビーム104のセットアップは図２に示されるように水平方向に進められる。

これらの改良は軸108’に沿った走査ストローク長の増加のような多くの問題を伴い、そのことは真空チャンバ110内に起動装置を構築する際に質量、複雑さ及びコストの増加をもたらす。ウエハ供給及び配置システムのようなウエハハンドリング構造体は、さまざまな角度で傾斜した軸108’とともに動作することができなければならない。しばしばフラッドガン312はウエハ100へ非常に近接配置されるためフラッドガンは注入チャンバ110内のウエハハンドリング及び移送システムの動きと干渉する。システム信頼性及び反復可能性はこれらの複雑さによって低減し、ウエハハンドリング能力は減少する。

本発明のハイブリッド走査システム及び方法は、機械的走査軸全体を傾けることなく、セットアップ面からウエハを傾ける際に均一性を達成するイオン注入システムを与えることによって上記問題を解決する。要するに、システムは注入角度を与えるべく典型的なセットアップファラディサンプル面から外れてウエハを故意に傾ける。２軸ファラディは、焦点面のずれの問題を解消するために正確な注入角度の注入面内で、ビームセットアップを実行する。システム全体が、より単純で、より小さく、より信頼性が高く、かつ従来のシステムより使用コストが安いことが利点である。

イオン注入システムは、第１軸に沿って直線的に走査され、該第１軸に垂直でかつ一方の寸法が他より少なくとも２倍の大きさである２次元断面を有する平行経路扇形ビームのようなイオンビームを生成するイオンソースを含む。ウエハホルダのような被処理体ホルダは、第１軸に垂直な移動経路に沿った直線的な動作で機械的に走査するよう構成される。この構成は、例えば、伸長する軸線の回りに回転可能である第１の垂直に伸長可能な駆動アームを使用することで達成される。被処理体が被処理体ホルダ内にインストールされる際、選択された角度で被処理体上の注入面を方向付けるために、垂直に伸長可能な移動経路の方向を回転軸として使って被処理体を回転するための、選択的に調節可能な回転制御構造が利用される。ファラディカップのようなビーム測定装置が、注入面の所定位置を表す線に沿って走査するよう構成され、該所定位置を表す線と一致するセットアップ面を与える。したがって、被処理体ホルダが回転されるとき、ビーム測定のセットアップ面はイオンビーム伝播の方向と垂直ではない。

他の態様及び手段は、電子フラッドガン若しくはプラズマブリッジのような少なくともひとつの電荷中和装置を使用することを含み、それはビーム蓄積電荷の中和のために被処理体ホルダ方向へ向けられる。被処理体ホルダに対してアライメントして電荷中和装置を保持するよう回転可能機構が構成される。例えば、電荷中和装置は伸長する軸線の回りに回転可能である第２の垂直に伸長可能な駆動アーム上に設置される。電荷中和装置は、回転可能機構により、選択的に調節可能な回転制御構造と直線的にアライメントし、かつ第１の垂直に伸長可能な駆動アームとアライメントした状態で回転する。このアライメントは電荷中和装置及び被処理体ホルダの回転方向及び間隔を維持する。

上記システムは被処理体へのイオン注入方法で使用され、当該方法は、X軸及びY軸を有する第１XY面に垂直なイオンビームを生成する工程と、第１XY面のX軸に沿って被処理体にわたってビームを走査する工程と、Y軸の回りに第１XY面を回転することによって第２面を同定する工程と、ビーム強度信号を与えるべく、Y軸と直交する第２面内の線に沿って有効イオンビーム強度を測定する工程と、第２面内の線に沿ってより均一なイオンビーム強度を有する調節されたイオンビームを得るためにビーム強度信号に基づいてイオンビームを調節する工程と、第２面とアライメントした注入面を与えるよう被処理体を回転する工程と、被処理体へのイオン注入を達成するべく、調節されたイオンビーム内で被処理体を通過させるよう、回転した被処理体をY軸に沿って並進移動させる工程から成る。当該方法はさらに、被処理体の回転工程の前に被処理体に対してアライメントした位置に電化中和装置を配置する工程と、被処理体の回転工程の後にアライメントした位置へ電荷中和装置を再びアライメントする工程から成る。

上記システム及び方法はいくつかの利点を提供する。注入面及びセットアップ面は同一平面であり、ビームの高さ及び／または注入角度によって影響されない。走査軸は全く傾斜していないので、走査ストロークは最小化され及びウエハ交換の高さは典型的であり単純に最適化される。傾斜は非常に小さい慣性質量を回転することにより達成されるため、それはウエハのスループットを最大化するために素早く実行される。傾斜動作は注入とウエハロード位置との間でのウエハ移動には使用されないため、軸傾斜動作に必要な角度範囲は９０°の代わりに注入に必要な４５°だけである。これはウエハ交換に必要な時間を減少させるためウエハのスループットを増加させる。傾斜される慣性質量が小さいことは、より小さくかつ低コストの小パワー装置によって動きが与えられることを意味する。付加的なフラッドガンは容易にウエハに近接配置され、フラッドガンとウエハの位置関係は注入角度のすべての範囲にわたって一定に保たれる。これは注入チャンバの天井からフラッドガンを単純に吊り下げかつ注入角度に一致するように走査軸の回りに回転することによって達成される。

図４は本発明のさまざまな実施例及び手段に従うイオン注入システム400を示す中央断面平面図である。イオンビームソース402がイオンビーム404を生成するために使用され、それはイオン注入の目的に適したあらゆるタイプのイオンビームである。例えば、イオンビーム404は扇形ビーム若しくは平行ビームである。イオンビームソース402はビーム幅Wを横切って達するリボンビームのようなイオンビーム404を付加的に投射し、若しくはイオンビーム404は磁気的若しくは電気的にビーム幅Wを横切って走査される。概して、イオンビーム404はビーム軸406に沿って進行し、それはシステム400のｚ軸408と平行である。ｘ軸410はビーム幅Wと平行である。好適実施例において、ビームソース402は、イオン密度及びイオン化粒子方向のようなイオンビーム404の特性を調節するのに使用される従来の選択的に調節可能なビーム品質制御システムを有する。イオンビームソース402はイオンビーム404をイオン注入チャンバ412内に投射する。

被処理体ホルダ414はウエハ416のような被処理体を内部真空若しくはクランプ構造（図示せず）によって保持する。ウエハ416はイオン注入のためにイオンビーム404からの注入イオンを受取る注入面418を与える。線420は注入面418に垂直である。線422はｘ軸410に平行でかつ線420がビーム軸406と平行のとき注入面418がゼロ度の回転角度を占める位置を表す。被処理体ホルダ414の時計回り若しくは反時計回りの回転が回転角度426を生成するように、被処理体ホルダ414はｚ−ｘ軸面424内で選択的に回転可能である。被処理体416が未回転状態であり、線420がビーム軸406と平行でかつ注入面418が線422とアライメントする際、回転角度426は９０°である。被処理体ホルダ414はｚ−ｘ面424内であらゆる範囲の回転自由度を有するが、回転角度426が４５°から１３５°の範囲であるように好適には−４５°から４５°の範囲の回転自由度を有する。例えば、被処理体ホルダ414が０°から４５°の範囲の回転自由度を有する場合、回転角度は４５°から９０°まで変化する。ウエハ416が被処理体ホルダ414内に配置されるとき、被処理体ホルダ414の回転により注入面418は対応して回転する。したがって、平坦な注入面若しくは必要によりカーブした面は、注入面418の面積の拡大に応じて、イオン注入動作中に注入面418の所定のまたは実際の位置を表す線428に沿って伸びる。

線428に一致する面に沿ってイオンビーム404のイオン密度を測定するために、ファラディカップ430がイオン注入チャンバ412内に存在する。モータードライブ線形シャフトのような駆動アーム432はｘ軸410と平行にファラディカップ430の並進運動動作を制御する。イオン注入チャンバ412は、ｚ軸408と平行に壁436をスライドさせることにより容易となる駆動アーム432のｚ軸並進運動動作とともに駆動アーム432の通過を許すスロット434を含む。壁436のこのｚ軸並進運動動作は、例えば矢印440の方向へモータードライブ線形シャフト438の伸長若しくは収縮によって容易となる。壁436は上方及び下方トラックアセンブリ（図示せず）によりスロット434を取り囲む真空シール442とともに真空チャンバ412上に保持され、その結果イオン注入チャンバ412内の真空状態は面444上の真空圧力の作用によるシール442への力によって強化される。

これらの手段によって、ファラディカップ430は少なくとも２つの並進運動自由度、すなわちｘ軸及びｚ軸方向の自由度を有する。その結果、ファラディカップ430は、線428をたどって線428と一致するセットアップ面を形成し、注入動作中の注入面418の所定位置を決定する。被処理体ホルダ414はファラディカップ430用の空間を作るべくセットアップ動作中は下げられる。図５は、ファラディカップ430の中心がアーム432及びシャフト438の作用によって線428上に略中心配置された面を横切って移動するように、線428と平行に存在する移動線500と関連したファラディカップ430を示す。ファラディカップは移動線500に沿った位置502及び504のような複数の選択された位置でイオンビームから測定値を得る。

図６はイオン注入システム400の中央断面側面図を示す。被処理体ホルダ414はイオンビーム404によって被処理体416の面418を完全に通過するのに充分にｙ軸方向602に走査されるモーター駆動シャフト600に設置されている。シャフト600は垂直走査機構の一部である。サーボ制御ナックル604により、被処理体ホルダ414及び被処理体416は図６に示される垂直位置と従来のウエハ搬送装置（図示せず）と干渉する水平位置との間で軸605の回りに回転することが可能となる。モーター612は装置のｙ軸602に平行な軸614の回りでシャフト600を回転するために適応される。被処理体ホルダ414及び被処理体416は図４に示されるような異なる回転角度426を生じさせるさまざまな選択的に調節可能な回転の固定位置に回転される。回転角度426の大きさはモーター612の作用によって調節される。

フラッドガン618はアーム620によって垂直走査機構のスリーブ622に取り付けられる。フラッドガン618は電荷中和用に被処理体416の正面に配置されかつイオンビーム404をブロックしないように配置される。アーム620及びスリーブ622は、フラッドガン618が被処理体ホルダ414と同じ角度で軸614の回りに回転するように構成される。被処理体ホルダ414がシャフト600により垂直に走査される際、フラッドガン618の角度は固定されたままである。したがって、フラッドガン618から放出された電子は、被処理体ホルダ414及び被処理体416に対して、回転方向角度について一定を維持する。

この回転方向の角度の一致は、イオンビーム404からのイオン注入が電子放出の変化及び被処理体416上での関連する電場効果により影響されないことを保証する。また、図７A及び７Bに示されるように、被処理体416は常に電子放出フラッドガン618に対し一定の断面積を与える。この一定の断面積により異なる被処理体回転角度に対してフラッドガン618の電子出力を調節する必要がなくなる。

制御器634はファラディカップ430からの測定に応答して、イオンビーム404の品質制御など、すべてのシステム構成要素の制御を与える。このビーム制御は、セットアップ面がビーム軸406に垂直であった従来技術に対して、線428を含むセットアップ面での測定値に応答して、イオンビーム404の特性を調節できるという点で、従来技術の手法と異なる。制御器634はまた、上記した動作原理にしたがうシャフト600、モーター612、ナックル604及びスリーブ622の動作並びにウエハハンドリングのための制御命令を与える。

より広い態様における本発明は、特定の詳細な説明、代表的な装置及び方法、並びに説明された実例に制限されない。したがって、特許請求の範囲で定義されるような発明概念の思想若しくは態様から離れることなく詳細な説明から変更が為され得る。

図１は、従来技術で使用されるイオン注入システムの中央側面断面図である。 図２は、走査イオンビームと垂直であるセットアップ面にわたってファラディカップを使用する従来技術のサンプリングシステムの中央断面平面図である。 図３は、注入角度の調節用の傾斜ウエハシステムを含む従来技術のイオン注入装置を示す中央断面側面図である。 図４は、注入角度を調節するのに使用される回転駆動アームを含むイオン注入システムの中央断面平面図である。 図５は、図４に示されるシステムとともに使用されるイオンビームセットアップサンプリングシステムを示す中央断面平面図である。 図６は、図４に示されるシステムの中央断面側面図である。 図７A及び７Bは被処理体の異なる回転角度に対する、図６に示されるシステムの平面図である。

Claims (6)

1. イオン注入装置であって、
   第１軸を有するイオンビームを生成するイオンソースと、
   第１軸に垂直な移動経路に沿った直線的な動作で機械的に走査するように構成された被処理体ホルダと、
   被処理体が被処理体ホルダに載置されるとき、被処理体の注入面を選択された回転角度で方向付けるために、前記移動経路を回転軸として前記被処理体を回転するのに使用するための選択的に調節可能な回転制御構造と、
   ビーム測定装置と、
   から成り、
   前記ビーム測定装置はある面上を移動し、該ある面とは前記方向付けられた被処理体の注入面と一致する面であり、前記ビーム測定装置の移動の方向とは前記被処理体の前記移動経路に直交する方向であり、
   ことを特徴とする装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、前記イオンビームは一方の寸法が他方の少なくとも２倍である第１軸に垂直な２次元断面を有する平行経路扇形ビームから成ることを特徴とする装置。
3. 請求項１に記載の装置であって、さらに
   蓄積したビーム電荷を中和するために被処理体ホルダへ方向付けられた電子フラッドガン及びプラズマブリッジから成るグループから選択される少なくともひとつの電荷中和部材と、
   電荷中和部材を被処理体ホルダに対してアライメントして保持するよう構成された回転可能機構と、
   から成る装置。
4. 請求項３に記載の装置であって、前記回転可能機構は、前記選択的に調節可能な回転制御構造で回転することを特徴とする装置。
5. 請求項３に記載の装置であって、前記回転可能機構は、前記被処理体ホルダと前記電荷中和部材と間隔を一定に維持するよう適応されたアームを含むことを特徴とする装置。
6. 被処理体へのイオン注入方法であって、
   X軸及びY軸を有する第１XY面に垂直なイオンビームを生成する工程と、
   第１XY面をY軸の回りに回転することによって第２面を同定する工程と、
   ビーム密度信号を与えるべく、Y軸と直交する第２面内の線に沿って有効イオンビーム密度を測定する工程と、
   第２面内の線に沿って所望のイオンビーム密度を有する調節されたイオンビームを得るようビーム密度信号に基づいてイオンビームを調節する工程と、
   第２面とアライメントした注入面を与えるよう被処理体を回転する工程と、
   被処理体へのイオン注入を達成するべく、調節されたイオンビーム内で被処理体を通過させるよう、回転した被処理体をY軸に沿って並進移動させる工程と、
   から成る方法。

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