JP4347068B2 - 基板をイオン注入する方法及びこの方法を実施する為のイオン注入装置 - Google Patents

Description

発明の分野

本発明は、基板とイオン注入用ビームとの間の相対的な移動を制御して、基板表面にわたり、イオン注入される種を所望の及び均一のドーズに維持するような基板のイオン注入方法に関する。又、本発明は、この方法を実施するように適応されたイオン注入装置にも関する。

発明の背景

典型的なイオン注入装置では、所望の原子種の比較的小さい断面のイオンビームが、イオン注入されるべき基板、通常、半導体ウェハに対して走査される。

固定のウェハに対してビームが二次元で横方向に走査されてもよいし、或いは固定のビームに対してウェハが二次元で走査されてもよい。又、ビームが１つの次元で走査される一方、ウェハが第２の、通常それに直交する方向に機械的に走査されるときの混成走査技術も存在する。

種々の技術には、利点と欠点がある。半導体ウェハのバッチ処理については、１つのバッチのウェハを回転ホイールに取り付け、次いで、ホイールの回転軸を前後に走査し、固定のビームを横切ってウェハの二次元の機械的走査を与えることができる。この種のバッチ式イオン注入装置の一例が、米国特許第５，３８９，７９３号に説明されている。

単一ウェハのイオン注入装置は、上述した混成の機械的及び静電的又は電磁的ビーム走査を使用することができる。このような構成は、本出願人の共通に譲渡された米国特許第５，８９８，１７９号に説明されている。ここでは、イオンビームが、イオン注入装置においてビーム軸に垂直な第１方向に電磁的に走査される一方、ウェハが、第２の一般的にそれに直交する方向に機械的に移動される。

イオン注入では、半導体ウェハ又は他の基板へイオン注入される所望の種の全ドーズが、基板表面全体にわたり所望レベルのドーズ均一性をもつように確保することが重要である。上述したバッチ式のイオン注入装置では、これは、イオン注入用ホイールを高速度でスピンさせると共に、ホイール軸を前後に走査して、ホイール上に取り付けられたウェハがイオン注入プロセス中に何回もビームを横切るようにさせることにより達成される。又、上述した混成単一ウェハイオン注入装置では、静電的又は電磁的ビーム走査を、イオン注入されるべきウェハの機械的移動に比して比較的高い速度で実行することにより、ドーズ均一性が維持される。ウェハの機械的移動方向におけるウェハ表面上のドーズ均一性は、この機械的移動速度を制御することにより確保されるが、機械的移動速度は、常に、ビーム走査速度より相当に低速である。

発明の概要

本発明の実施形態の目的は、以下の説明から明らかになる特定の効果を発揮することのできる新規な走査アルゴリズムを提供することである。

従って、本発明は、基板をイオン注入する方法であって、ａ）所望の原子種の測定可能な束を有するイオン注入用ビームを発生するステップと、ｂ）基板とビームとの間に、（ｉ）基板上にビームの少なくとも１つのパスを形成するための、ビームの方向を横切る第１方向、及び（ii）各々の前記パス中に基板上にビームの複数の走査を形成するための、上記ビーム方向及び前記第１方向を横切る第２方向、の両方に相対的移動を生じさせて、前記走査で、前記第１方向に所定間隔をもつ中間ポイントを有する線のラスタを基板上に描くようにするステップと、を備えた方法を提供する。上記走査は、基板の縁を越えて、ビーム束が基板により吸収されない位置まで延びるように構成される。ビーム束は、これらの位置で測定され、更に、基板上での次の前記走査の速度は、既に測定されたビーム束に応答して調整される。速度の調整は、前記パス中にビーム電流の変化を完全に補償するに充分なもので、基板上で単位走査長さ当たり前記原子種を基板にイオン注入する所望の割合をこの調整で維持するようにしてもよい。しかしながら、速度の調整は、部分的に補償するだけでもよく、又、例えば、線の中間ポイントの間隔及び／又はビーム電流自体に対して別の調整が行われてもよい。

この方法では、第１方向の移動を、ビームと基板との間の低速走査と称することができ、第２方向の移動を、高速走査と称することができる。好ましくは、高速走査によって基板に描かれるラスタ線が、均一に離間された中間ポイントを有するよう確保するために、低速走査移動が維持される。次いで、各高速走査により与えられる単位長さ当りのドーズ量は、高速走査の速度を調整することにより、測定されたビーム束に基づいて、走査ごとに制御される。

本発明は、低速走査方向においてビームと基板との間に連続的な相対的移動を使用して、基板上にジグザグ又は鋸歯状の走査パターンを形成するように使用されてもよい。しかしながら、非交差の均一に離間された実質的な平行線のラスタを基板上に走査で描く場合に、良好な結果が得られる。

従って、前記第１方向に基板上にビームの単一パスしかない場合でも、基板上に良好なドーズ均一性を得ることができる。

又、重要なことに、前記第２方向におけるビームの高速走査それ自体が、電磁／静電ビーム走査システムで達成できる走査速度に比して比較的低速である場合でも、良好なドーズ均一性が可能となる。その結果、この方法は、ビームに対するウェハの高速走査が、ウェハホルダ上のウェハの機械的往復移動により達成されるような単一ウェハ機械的走査システムに特に適用できる。機械的な往復走査システムでは、イオン注入用ビームを横切ってウェハを往復させることのできる最高速度が制限される。その結果、イオン注入されるべき所望の原子種の所定の束を有するイオン注入用ビームでは、走査経路において基板の各単位面積に与えられるドーズ量は、ビームがその領域を越える単一横断をなすときに、非常に高くなる。それ故、次々の高速走査間の間隔、特に、走査システムにより形成されるラスタの線間の間隔が大きくなる傾向となる。

このような走査システムにおいて各高速走査の速度を、走査の直前に測定されたビーム束に基づいて制御すると、各高速走査で単位走査長さ当たり同じ割合でウェハにドーズを付与し、均一に離間された走査で低速走査にわたり均一なドーズが付与されるように確保する。

好ましくは、前記第２の方向における基板とビームとの間の前記相対的移動は、前記第２の方向に平行に基板を機械的に走査することにより発生され、更に、前記第１の方向における前記相対的な移動は、走査と走査との間の均一な距離だけ前記第１の方向に前記基板を機械的に並進移動することにより発生される。

又、本発明は、基板をイオン注入する方法であって、ａ）所望の原子種の所定ビーム束を有するイオン注入用ビームを発生するステップと、ｂ）ビームの方向を横切る第１方向に平行に基板を機械的に並進移動して基板上にビームの少なくとも１つのパスを発生するステップと、ｃ）ビーム方向及び前記第１方向を横切る第２方向に平行に基板を機械的に往復させて、各々の前記パス中に基板上に複数のビーム走査を発生し、これにより、前記走査で、前記第１方向に所定の間隔をもつ中間ポイントを有する線のラスタを基板上に描くステップと、ｄ）前記機械的に並進移動するステップを制御して、前記ラスタが、基板上に前記原子種をイオン注入するドーズについて前記第１方向に所望の均一性を与えるように、ラスタ線の前記中間ポイントの前記間隔を選択するステップと、を備えた方法が提供される。

この種の二次元の機械的走査手順は、上述したような混成走査単一ウェハイオン注入装置に使用されるビーム走査システムをもたずに、比較的簡単なビーム線を使用してウェハを１つずつ（即ちバッチ処理ではなく）イオン注入することができる。ウェハの往復機械的走査は、電気的なビーム走査に比しておそらく比較的低速であるので、プロセスレシピで指定された所要の原子種のドーズを基板に付与するのに、基板上で比較的少数のビーム走査しか要求されない。これは、走査プロセスにより形成されるラスタの個々の線がイオンビーム巾のほんの一部分だけ離間されてもよいことを意味する。又、完全なイオン注入を行うのに、基板上にビームの少数のパスしか必要としなくてよい（機械的往復方向即ち第２方向を横断する前記第１方向において）。

それにも関わらず、上述した本発明の方法は、ラスタ線の間隔が、基板上に所望のドーズ均一性を与えるものであることを保証する。この場合も、非交差の均一に離間された実質的な平行線のラスタが走査で基板に描かれた場合に最良の結果が得られ、これは、次々の走査の各対間で前記第１方向に複数の並進移動ステップを使用することにより達成できる。

上述した制御ステップは、少なくとも前記第１方向にイオンビームの断面プロフィールを測定する段階と、前記プロフィールから、前記所望の均一性を与える前記中間ポイントの前記間隔の最大値を計算する段階と、前記最大値を越えない前記間隔の値を選択するように機械的並進移動ステップを調整する段階とを含んでもよい。

前記測定されたプロフィールから、所望の均一性を与えるためのラスタ線間隔の最大値を計算する技術は、本発明の実施例の以下の説明において詳細に述べる。

それとは別に、又はそれに加えて、前記制御ステップは、上述した断面プロフィールを測定する段階と、前記ビーム束、前記機械的往復の速度、及びイオン注入されるべき基板の単位面積当りの所望ドーズを含むデータから、前記均一ラスタ線間隔の所望値を計算する段階と、前記イオンビームの前記測定された断面プロフィールを使用して、前記計算された所望の間隔値において得られることになるドーズ均一性を計算する段階と、前記計算された均一性が前記所望の均一性より悪くない場合だけ、前記所望の間隔値を、使用すべき均一間隔として選択する段階とを含んでもよい。

所望原子種の所定のビーム束、及び既知の走査速度が与えられると、例えば、ビームに対して基板の４つのパスを使用して、基板にレシピドーズをイオン注入するのに必要なラスタ線間隔を計算できることが理解されよう。しかしながら、所望のレシピドーズを得るためのこの所望のラスタ線間隔を使用してイオン注入できるのは、それが所望のドーズ均一性を生じる場合だけである。計算された均一性が所望の均一性より悪い場合には、ビーム束、ひいては、線間隔を、計算されたドーズ均一性が所望の均一性よりもはや悪くないレベルまで減少することができる。それとは別に、又はそれと共に、測定されたビームプロフィールの空間混合クオリティを改善するためのステップが行われてもよく、これについては、以下で詳細に説明する。

上述した概要及び以下の詳細な説明において、「ラスタ」という語は、イオン注入されている基板にイオンビームにより描かれた１組の走査線を示すのに使用される。単一ラスタの走査線は、ビームの単一パスにおいてウェハ上に描いてもよいし（低速走査方向に）、又は２つ以上の次々のパスにより描いてもよい。又、ラスタの単一走査線を、多数の重畳するビーム走査により基板上に描ける（高速走査方向に）ことにも注意されたい。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。

好ましい実施形態の説明

図１を参照すれば、図示されたイオン注入装置は、イオンソース１０を備え、ここからイオンビーム１１が抽出電極１２により抽出される。イオンビーム１１は、次いで、質量分析磁石１３を通過し、この質量分析磁石１３から出て来るビームのイオンであって、イオン注入されるべき原子種を含むイオンに対応する所望の質量を有するイオンが、質量分解スリット１４によりビームから選択される。

イオン注入装置のこれら要素は、標準的なもので、イオン注入の当業者に良く知られている。これらの要素が集まって、半導体ウェハにイオン注入するための所望の原始種を含むイオンのビームを発生するイオンビーム発生器が形成される。

上述したビーム発生器からの質量選択されたイオンビームは、排気されたプロセスチャンバーに入り、その一部分のチャンバー壁が１５で示されている。１６で一般的に示されたウェハ走査構成体は、プロセスチャンバーの壁１５に取り付けられ、ウェハホルダ１８に保持されたウェハ１７を、質量選択されたイオンビーム１９に対して横方向である２つの方向に走査するように動作できる。ウェハホルダ１８は、真空シール２２を通してプロセスチャンバーの内部から外部へ延びる走査アーム２１の遠方端２０に取り付けられる。真空シール２２は、走査アーム２１の長手軸に対して横方向に直線移動するようにロータリーキャリアプレート２４に取り付けられたスライドプレート２３に形成され、ロータリーキャリアプレート２４は、走査アーム２１に対して横方向の平面内でプロセスチャンバーの壁１５に対して回転移動するように取り付けられる。

走査アーム２１は、長手方向に移動するようにスライドプレート２３に取り付けられ、モーター２５により長手方向に前後に駆動することができる。走査アーム２２を支持するスライドプレート２３それ自体は、駆動モーター２６により走査アーム２１に対して横方向に駆動することができる。駆動モーター２５及び２６を適当に動作すると、ウェハホルダ１８及びその上の半導体ウェハの合成走査移動を、イオンビーム１９を横切る二次元走査パターンで生じさせる。

好都合な実施例では、走査システムのロータリー支持プレート２４は、米国特許第５，８９８，１７９号及びＧＢ−Ａ−２３６０３３２号に開示されたようなエアベアリング及び真空シール結合体によりプロセスチャンバーの壁１５に取り付けられる。同様に、スライドプレート２３は、これも前記米国特許の明細書に開示されたようなエアベアリング及び真空シール結合体により、直線運動するようにロータリー支持プレート２４に取り付けられる。走査アーム２１は、明細書の内容全体を参考としてここに援用する本出願人の出願中の米国特許出願第１０／１１９２９０号に開示されたリニアモーター及びそれに準拠するエアベアリング真空シール構成体により、スライドプレート２３の真空シール２２により長手方向に移動するように取り付けられるのが好ましい。

イオン注入装置のプロセスチャンバーでは、ウェハホルダ１８の下流で、ビーム１９のどの部分もホルダ１８のウェハ１７又は走査アーム２１に当たらないようにウェハホルダ１８が配置されたときに全イオンビーム１９を吸収する位置にファラディーが配置される。ファラディー３０によりイオンビームから吸収される全電荷は、イオン注入されるべき原子種を含むイオンのビーム１９における束の尺度を与える。コントローラ３１は、ファラディー３０からライン３２を経て信号を受信し、この信号から、所望の種の全ビーム束の値を導出するように動作する。又、コントローラ３１は、ドライブモーター２５及び２６の動作を制御して、走査アーム２１の走査運動を制御するようにも動作する。

好ましい構成では、コントローラ３１は、図１の紙面においてビーム１９を横切る一連の直線移動でウェハホルダ１８を移動するように動作し、各直線移動は、紙面に直角な段階的移動により分離される。それにより得られる走査パターンが図２に示されており、ここで、破線３５は、ウェハ１７の中心３６がＸ座標方向に走査アーム２１により前後に往復され且つ各往復ストロークの終りにＹ座標方向に平行に下方にインデックスされるときのウェハ１７の中心３６の軌跡である。

図２において、イオンビーム１９は、実質的に円形断面を有するものとして示され、その直径は、ウェハ１７の直径より実質的に小さい。実際に、ウェハ１７は、３００ｍｍの直径を有してもよく、一方、イオンビームの直径は、通常、５０ｍｍである。明らかなように、ウェハ１７の往復走査アクションは、ウェハ１７の全ての部分がイオンビーム１９に露出されるように確保する。ウェハ１７の移動は、ビーム１９がウェハ１７上を繰り返し走査するようにさせ、個々の走査は、平行で且つ等離間されたものであり、ビームがウェハ上に完全なパスを形成するまで行なわれる。

図２の線３５は、固定のイオンビーム１９に対するホルダ１８上のウェハ１７の移動を表わすが、線３５は、ウェハを横切るイオンビームの走査を目に見えるようにしたものでもある。このため、ウェハ１７は、図示された走査パターンの中心において破線輪郭１７ａで表わされ、イオンビームは、１９ａで表わされている。明らかに、ウェハ１７ａに対するイオンビーム１９ａの移動は、イオンビーム１９に対するウェハ１７の実際の移動に比して逆方向である。

この実施例では、コントローラ３１は、イオンビーム１９ａが非交差の均一離間された平行線のラスタを基板上に描くようにウェハ１７を走査する。各線３７は、基板上のイオンビームの単一走査に対応する。図示されたように、これらのイオンビーム走査は、ウェハ１７の縁を越えて延び、ビームの断面がウェハ１７ａを完全に越えてビーム束がウェハにより吸収されなくなる位置３８まで延びる。これらの位置では、ビーム１９ａの全束が、ウェハホルダ１８の下流に配置されたファラディー３０に到達し、従って、所望の種の全ビーム電流を、ライン３２の信号からコントローラ３１により決定することができる。ビーム１９ａがウェハ１７ａ上を走査する図２に示された可視表示では、ファラディー３０がビーム１９ａと共に効果的に移動することが明らかである。実際には、当然、ビーム１９及びファラディー３０が固定され、移動されるのはウェハ１７である。

イオン注入されるべき原子種のビーム束が時間と共に一定であると仮定すれば、ウェハ１７ａに付与される所望の種のドーズは、ラスタ線に沿ったウェハ１７の移動速度を一定に維持することにより、ラスタ線３７の座標方向Ｘにおいてウェハ上で一定に維持される。又、個々のラスタ線３７間の間隔が均一であるように確保することにより、座標方向Ｙに沿ったドーズ分布も、実質的に一定に維持される。

しかしながら、実際には、ウェハ１７がイオンビーム１９を越えて完全なパスを実行し、即ち図２に示すように線３７の全ラスタを完成するに要する時間中に、ビーム束が若干連続的に変動することがある。

走査ラスタ中のこのようなビーム束変動の影響を減少するために、コントローラは、全ビーム束がファラディー３０により吸収されるときに位置３８においてビーム束を測定し、次いで、その測定された束を使用して、ウェハホルダ１８が次の走査即ちラスタ線３７上を移動する速度を調整するように構成される。位置３８におけるビーム束測定で、ビーム束が少なくなったことが指示された場合には、コントローラは、ウェハホルダを次の走査線３７に沿って低速度で駆動して、走査線に沿ったウェハホルダ１８の単位進行距離当たり所要の原子種の所望のイオン注入率を維持するように確保する。このように、ウェハ上に走査線の完全なラスタを形成する間のビーム電流の変動が、走査線の間隔方向において基板に付与されるドーズに変動を生じさせることはない。

以上に述べた実施例では、半導体基板又はウェハとイオンビームとの間の相対的移動が、イオンビームに対して横方向の２つの方向に半導体ウェハを機械的に走査することにより与えられる。これは、イオンビーム偏向システムを使用してイオンビーム自体を走査する必要性を回避する。しかしながら、異なる実施例では、ウェハとビームとの間に二次元の相対的走査を与える２つの横断方向の少なくとも一方においてビーム偏向器によりビームが走査されてもよい。しかしながら、全ての場合に、走査システムは、１つ以上の各パスにおいてウェハ上に多数のビーム走査を発生し、これらの走査で、非交差の均一に離間された平行線のラスタを基板上に描く。又、ビーム束は、ウェハの縁を越えて走査が延びる位置において測定され、次の走査の速度は、走査の単位長さ当りのドーズ率を所望値に維持するように調整される。

図１及び図２を参照して上述した機械的走査システムでは、ウェハ１７が、各個々の走査間に、即ち走査アーム２１の、その軸に沿った往復運動の各個々のストローク間に、均一な距離だけ並進移動されて、図２に示すジグザグのラスタパターンを形成する。しかしながら、走査メカニズムは、ラスタの同じ線に沿って多数の走査が実行されるように制御されてもよい。例えば、各ラスタ線は、走査アーム２１の二重ストローク即ち往復を表わしてもよく、このとき、ウェハホルダ１８は、各二重ストロークの間にのみ均一な距離だけ並進移動される。これにより得られる走査パターンが図３に示されている。

又、図２は、Ｙ座標方向と平行なウェハ上の単一ビームパスしか示していないが、完全なイオン注入手順は、多数のパスを含んでもよい。次いで、イオン注入プロセスのこのような各パスは、均一に離間された平行線の各独立ラスタを描くように構成されてもよい。しかしながら、多数のパスの走査線は、複数のパスの走査から効果的に描かれた複合ラスタを描くように合成されてもよい。例えば、第２パスの走査を、第１パスの走査間の厳密に中間に描いて、各パスの次々の走査間の間隔の半分である均一なラスタ線間隔をもつ複合ラスタを形成することができる。

上述したように、純粋な機械的走査システムを使用すると、通常、半導体ウェハ上のイオンビームの最大進行速度が、ウェハホルダの機械的走査の最大速度により制限されることになる。図１に示され、且つ前記米国特許出願第１０／１１９２９０号に詳細に説明された種類の機械的走査システムでは、走査アーム２１の、その長手方向軸に沿った最大往復速度が１Ｈｚ程度であろう。イオン注入されるべき所望の原子種の所与のイオンビーム電流又は束に対して、イオン注入プロセス中に半導体ウェハをイオンビームに露出できる時間は、イオン注入されるべき原子種のレシピドーズで指定される。イオンビームに対するウェハのオーバー走査が、ウェハ上に均一なドーズ分布を確保するに必要な量、即ち図２に示す方形ラスタパターンに制限されると仮定すれば、イオン注入のための制限された全時間と、制限された機械的走査速度との結合により、各走査で個別の線が描かれるとして、ウェハ表面上に走査により描かれるラスタ線に対する間隔が指定されることが明らかである。

明らかに、ラスタ線間隔の方向にウェハに付与されるドーズの充分な均一性を確保するためには、この間隔即ち線ピッチが、線間隔方向（図１のＹ座標方向）におけるイオンビームの断面寸法より小さくなければならない。実際に、ドーズ均一性は、ラスタ線ピッチを小さくすることで改善される。

ビーム電流、走査メカニズムの機械的往復速度及び所要のレシピドーズにより指定される線ピッチで走査線のラスタを描く単一パスを実行することによりウェハにレシピドーズを付与することができる。しかしながら、イオンビームが当たることにより生じるウェハの熱的負荷を減少するには、イオンビームを横切るウェハの多数のパスにおいてウェハに同じレシピドーズを付与するのが好ましいことがある。従って、ドーズ均一性を最大にするために、各パス中に描かれる走査線は、以前のパスの走査線にインターリーブして、線ピッチが減少した複合ラスタを形成するように構成されるのが好ましい。

例えば、上述したようにレシピドーズ要求で指定される線ピッチをＴとすれば、４つのパスの各々は、走査を４Ｔだけ分離した状態で行うことができる。各パスは、そのパスの走査を量Ｔだけ空間的に位相シフトし、４つのパスで描かれた複合ラスタがピッチＴの線を有するように構成される。このようにして、ウェハの熱的負荷が減少される一方、ラスタ線ピッチが所望値Ｔに維持されるよう確保する。図４は、上述したように４つのインターリーブされたパスの走査パターンの一部分を示す。すなわち、基板は、第１方向に平行に機械的に並進移動されて、ビームを横切る複数のｎ個のパスを完成し、更に、異なるパスの並進ステップ移動は、同じ均一距離を有すると共に、空間的に位相が調和されて、複数のパスで描かれた複合ラスタが、ｎの整数因数をｍとすれば、並進ステップ移動の均一距離の１／ｍ倍である均一間隔でラスタ線を有するようにされている。

機械的走査システムに使用できるラスタ線間隔は、上述したように、レシピドーズ及びビーム電流により指定されるが、それでも、線間隔又はピッチが、その間隔方向に所望のドーズ均一性を与えるに充分なほど小さくなるよう確保することが重要である。この均一性は、ビームプロフィールの形状及びラスタ線ピッチの関数である。ピッチが小さいほど、ウェハにわたるドーズ分布の均一性が高くなる。平行線の走査パターンに対する走査ピッチの関数として均一性がどのように変化するかを以下に数学的に説明する。分析にはドーズ分布の周期的パターンが含まれるので、フーリエ変換がツールとして使用される。

この研究において、ビーム電流及びプロフィールがイオン注入中に変化しないと仮定する。時間依存性は、非常に類似しているが、取り扱われない。表記τ、ｔ、μ、υ及びＴは、空間変数として使用され、同様に、ω及び１／Ｔは、空間周波数として使用される。

平行線スキャナでは、ウェハ上の位置ｔにおけるイオン注入用ドーズｈ（ｔ）は、周期的なδ関数を使用して、次のように書き表すことができる。

但し、ｂ（τ）は、低速走査方向（図２のｙ）におけるビームプロフィールであり、δ_Ｔ（τ）は、周期Ｔの周期的δ関数である。Ｔは、１つの並進移動ステップ、即ち複合ラスタにおけるラスタ線間の間隔に対応する。図５は、関数を示し、図６は、ラスタ走査パターンを示す。ウェハ１７は、ビーム１９の前方において一定距離Ｔだけ離間された平行線で走査される。簡単化のため、ｂ（τ）は、範囲［０、１］内で定義される。換言すれば、ステップＴは、実際のビームサイズに対して正規化される。式１は、１つの完全な低速走査、又は１／Ｔ高速走査を伴う１つの完全なラスタの後の位置ｔにおける累積ドーズを与える。ドーズｈ（ｔ）は、周期Ｔの周期的関数でもある。

式１の関数のフーリエ変換は、次のように定義される。

周期的δ関数のフーリエ変換も、周期的δ関数である。

畳み込み定理及び前記表記法を使用すると、式１は、次のように変換される。

これは、意義のある結果である。式３は、ドーズｈ（ｔ）のフーリエ変換が、一定のインターバルをもつ一連のインパルスω_０＝２π／Ｔより成り、且つω＝ｎω_０における各インパルスの振幅が、ω_０Ｂ（ｎω_０）に等しく、即ちω＝ｎω_０におけるビームプロフィールのスペクトル密度のω_０倍であることを示す。

イオン注入のバリアンスσ^２は、次のように定義される。

ｈ（ｔ）は、周期Ｔの周期的関数であるので、積分は、［０、Ｔ］の領域で実行される。

これは、ｆ（ｔ）の累乗の定義である。パーシバルの定理を使用すると、これは、次のように表わすことができる。

但し、｜Ｆ_ｎ｜は、Ｆのｎ番目の項の振幅である。

式３及び５から、次のようになる。

式６及び７は、ドーズの非均一性が、ω_０、ひいては、低速走査ステップＴにいかに依存するかを示すものである。周波数１／Ｔでイオン注入されるドーズの標準偏差は、ビーム関数のスペクトル密度においてＢ（ｎω_０）の振幅より成る（ω_０＝２π／Ｔ、ｎ＝１、２、・・・）。σは、ω≠ｎω_０についてもω＝０についても振幅Ｂ（ω）を含まない。式６及び７は、無限加算が実行されるときしか数学的に正確ではない。しかしながら、Ｂ（ω）は、通常、ωの高速減少関数であり、級数の若干の低調波項だけを加算することによりσ及びσ_ｒの非常に良好な近似が得られる。

連続周波数ドメインにおいてＢ（ω）を計算するには、非常に時間がかかる。むしろ、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を使用して、個別周波数ω_ｎ＝２ｎπ（ｎ＝０、１、２、・・・）に対してＢ（ω_ｎ）の値を導出することができる。２^Ｉ個のデータポイントより成るビームプロフィールのＦＦＴは、ω_Ｉ−１＝２π・２^Ｉ−１までのＢ（ω）を生じるに過ぎない。ビームプロフィール関数が測定されて、各エレメントが例えばｂ（Δτ・ｍ）、ｍ＝０、１、２、・・・２^７）に対応するようなベクトルとして知られている場合には、２^７−１＝６４Ｈｚの周波数までのＢ（ω）を得ることができる。従って、式６及び７は、２^７−２＝３２Ｈｚの周波数まで、σ及びσ_ｒの非常に正確な値を各々与える。Ｂ（ω）は、フーリエ変換のスケーリング特性を使用することにより、非整数周波数において導出することができる。α＞１をスケーリング係数とすれば、関数ｂ（αｔ）のフーリエ変換は、一連の周波数ω_ｎ＝２ｎπ／α（ｎ＝０、１、２、・・・）に対してＢ（ω）／αを生じさせる。

図７は、図５に示す任意のビームプロフィール関数について、周波数１／Ｔの関数として計算されたσ_ｒを示す。ＦＦＴは、長さ２^７までｂ（Δτ・ｍ）に対して実行される。典型的な要求は、σ_ｒがイオン注入の後に０．５％未満になることである。

このグラフから、イオン注入走査空間周波数として１／Ｔ＞８を選択することができる。従って、低速走査ステップ、即ち正規化された走査ラスタ線間隔Ｔは、必要なドーズ均一性σ_ｒ＜０．５％を満足するために間隔方向（Ｙ）においてビーム寸法の１／８未満でなければならない。

図８には、２つの異なるαの値でＢ（ω）にスケーリング特性を適用した後のσ_ｒのプロットが示されている。

図９において、ＦＦＴ結果が、式４による厳密な計算の結果と比較される。ビームプロフィールｂ（ｔ）が２^７＝１２８ポイントでしかサンプリングされなかったにも関わらず、ＦＦＴは厳密な曲線に充分合致する。σ_ｒは、周波数が上昇するときに高速減少傾向に加えて周期的パターンをもつことに注意されたい。

ビームプロフィール関数がガウスである場合には、図１０に示すように、走査ピッチが減少するにつれて、σ_ｒが非常に急速に減少する。これは、以下に示すように、ガウス関数のフーリエ変換もガウスであるからである。

項｜Ｂ(ｎω_０)｜^２＝１／(２・α^２)・exp(−ｎω_０ ^２／２α^２)であるために、σは急速に０に接近することが明らかである。式８における小さな値ａは、広いプロフィールと、σの迅速な減少を与える。

図１１に示すグラフは、ａ＝５．７の場合を示す。σ_ｒは、１／Ｔ＝４．３Ｈｚにおいて０．５％より下がる。これは、図５の任意のビームプロフィールの周波数のほぼ半分である。

以上を要約すると、高速フーリエ変換方法を使用して、ラスタ線ピッチをもつラスタ線の間隔方向におけるウェハを横切るドーズ均一性の変化を、その間隔方向における特定のビームプロフィール関数として計算することができる。動作中に、前記計算は、イオン注入装置の他の制御機能に使用されるコンピュータのようなコンピュータにより迅速に実行することができる。この目的で既知のＦＦＴプロセッサ又はソフトウェアアプリケーションが使用されてもよい。ＦＦＴ技術に代わって、コンピュータシミュレーションの使用のような他の方法で均一性の計算が実行されてもよい。

上述した走査プロセスを使用してイオン注入を実行するときには、走査のラスタ線間隔の値は、間隔方向におけるドーズ均一性が、上述した実施例では＜０．５％である所要の標準を満足するよう確保するために、間隔方向にビーム寸法に対して充分に小さい値が選択される。

又、多数の異なる手順を使用して、ドーズ均一性の前記計算に使用するためのラスタ線間隔方向におけるイオンビームのプロフィール関数を決定してもよい。例えば、前記米国特許出願第１０／１１９２９０号に開示された構成が使用されてもよい。この構成では、通常１ｃｍ^２の開口を有する小さなファラディーが走査アーム２１に取り付けられ、モーター２５及び２６を適切に動作して走査アーム２１をその２つの成分方向に駆動することによりイオンビームを横切ってそのファラディーを走査させることができる。次いで、全二次元マップをＸ及びＹの両方向にビーム断面プロフィールで形成できると共に、Ｙ方向における有効プロフィール関数を計算することができる。

Ｙ方向における測定されたプロフィール関数を使用して、所望のドーズ均一性を与えることのできるラスタ線間隔又はピッチの最大値を上述したように計算することができる。次いで、イオン注入を実行するときには、使用するラスタ線間隔がその計算された最大値を越えないよう確保するように、走査メカニズムが制御される。

実際には、使用可能なビーム電流、イオン注入レシピに基づきウェハの単位面積当たりにイオン注入されるべきイオンのドーズ、及び走査メカニズムがビームを横切り所望本数のパスを完成できる速度（これは、ひいては、Ｘ方向における最大走査速度に依存する）から計算されている走査のためのラスタ線間隔を使用するのがしばしば望ましい。従って、イオン注入を実行する前に、ビーム断面プロフィール及び使用可能なビーム電流を測定して、ラスタ線間隔のこの所望値が計算される。次いで、計算された所望の間隔値が所要のドーズ均一性を与えるよう確保するために、この所望の線間隔が、異なる線間隔に対して得られたドーズ均一性の計算された変化と比較される。計算された間隔値が満足な均一性を与える場合だけイオン注入が進められる。

所望の間隔値を使用して計算された均一性が、所望の均一性より悪い場合には、ビーム束が減少されてもよい。ビーム束が減少されると、計算された線間隔も減少される。ビーム束は、計算されたドーズ均一性が所要の標準を満足するレベルまで減少される。ビーム束は、イオンソースのアークチャンバーへの供給ガスの供給率、カソード電力、抽出電圧、及びイオンソースから抽出電極までの間隔を含むイオンソースの動作パラメータの１つ以上を調整することにより減少されてもよい。当業者であれば、適切な調整が分かるであろう。或いは又、ビーム束は、ビーム経路に沿って選択された位置にあるビームアパーチャーを変更して、そのアパーチャーを通過するビームの電流を減少することにより調整することもできる。

それとは別に、又はそれと共に、ビームプロフィールを変更することにより、計算された均一性を改善することもできる。上述したように、ビームプロフィールがガウスの形状に接近している場合には、ビームの混合特性を実質的に改善し、より大きなラスタ線間隔で良好なドーズ均一性を得ることができる。当業者に良く理解されたやり方でビームを返送すると、ビームプロフィールを改善することができる。この返送は、イオンソースからプロセスチャンバーへビームを通過するときのビームの切り取りを最小にし、ビームプロフィールの望ましからぬ非対称性又はピークを除去することができる。例えば、イオンソースのアークチャンバーに対してイオンソースの抽出電極の横方向位置を調整して、抽出されたビームがイオン注入装置のビーム線に沿った最適なフライト経路に沿って中央に向けられるよう確保することにより、ビームを返送することができる。又、ビーム線に単一の磁気四極子を導入して、Ｙ方向にビームの所望の拡散を生じさせることにより、ビームプロフィールが変更されてもよい。

この手順では、ビームプロフィールが再測定されると共に、所望の線間隔を使用して得られる均一性が、所要の均一性仕様を満足するという観点で再計算される。

上述した本発明の実施例では、走査メカニズムは、次々の高速走査間に均一なステップ移動を与えるようにしてステップ式低速走査を行って、ウェハ上に平行な走査線を形成するように制御される。本発明の他の実施形態では、連続的な低速走査アクションを、同時の高速走査と共に使用して、例えば、図１２に示すように、ウェハ上にジグザグ状の走査パターンを形成してもよい。例えば、次々の走査の中間ポイント４１、４２が低速走査方向に均一に離間される場合には、低速走査方向４０に許容ドーズ均一性を依然得ることができる。しかしながら、次々の線対間の間隔が次第に異なる状態となる中心線４４の各側のウェハ４３の縁に向ってドーズ均一性が次第に妥協されることが明らかである。それでも、ピッチ（線の中間ポイント間）が低速走査方向にビームサイズに比して充分に小さい場合には、全ウェハにわたり充分な均一性を得ることができる。所望の均一性を与えるに充分なほど小さい線の中間ポイント間隔を得るように、高速走査繰り返し率に対して低速走査速度を制御することが依然重要である。低速走査方向におけるドーズ均一性は、ジグザグ走査パターンによって均一性が最も妥協されるウェハの縁付近の位置で計算することができる。これらの計算は、平行線走査について上述したものと同様のフーリエ変換技術を使用して実行することができる。或いは又、コンピュータシミュレーション技術を使用してもよい。

低速走査方向に良好な全体的均一性を確保するために、最小ピッチサイズ（線の中間ポイント間の）が、ビームプロフィール形状の知識から計算により決定される。従って、ウェハのその後の走査は、この計算された最小値以下にピッチサイズを維持しなければならない。

平行線走査の場合と同様に、ビーム電流を減少し又はビームプロフィールを改善して、ウェハに対する必要なレシピドーズを越えずに必要な最小ピッチサイズを得ることが必要であろう。

パス中のビーム電流の変動を補償するために、次々の高速走査間の転換ポイントにおいてこれが測定されて、その後の高速走査の速度がそれに応じて制御される。高速走査の繰り返し率は一定に維持されるのが好ましく、従って、高速走査速度の変化が走査線の中間ポイント間のピッチに影響することはない。これは、例えば、高速走査速度の減少の結果生じる高速走査時間の増加を受け入れるために、各高速走査転換に使用できるある程度のデッドタイムを必要とすることがある。

上述した実施例では、そこに開示された機械的システムが、前記米国特許出願第１０／１１９２９０号に説明された構造に基づくものである。又、他の形式の機械的走査構成を使用して、所望の等離間された平行ラスタ線を発生するようにしてもよい。例えば、２００２年６月２１日に出願された英国特許出願第０２１４３８４．０号に開示された関節型アーム走査メカニズムが使用されてもよい。

又、平行ラスタ線を形成する基板ホルダの走査は、厳密に直線的である必要はなく、例えば、同心円の円弧として形成することもできる。

特許請求の範囲に規定された本発明の本質的な特徴を提供するのに多数の他の構成が使用されてもよい。

本発明の一実施形態を示すイオン注入装置の概略図である。 所望のラスタを発生するために図１のイオン注入装置により実行される機械的走査パターンの概略図である。 実行することのできる別の走査パターンを示す図である。 更に別の走査パターンを示す図である。 １つの次元における任意のイオンビーム強度プロフィール関数のグラフ表示である。 イオン注入されるべき半導体ウェハを示す図で、基板上の走査ラスタを示すと共に、任意のビーム形状を示す図である。 高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により計算された、基板ウェハ上の走査ラスタ線の空間周波数に対するドーズ均一性を示すグラフである。 空間周波数に対するドーズ均一性の同様のグラフで、フーリエ変換のスケーリング特性を使用することによりプロットされた付加的なポイントを示すグラフである。 更に正確に計算されたラスタの空間周波数に対するドーズ均一性を示す更に別のグラフである。 理想的なビームプロフィールをガウス関数の形態で示すグラフである。 図１０のガウスプロフィールの場合に走査ラスタ線の空間周波数に対して計算されたドーズ均一性を示すグラフである。 図１２は、ウエハ上に形成されるジグザグ状の走査パターンを示す。

符号の説明

１０・・・イオンソース、１１・・・イオンビーム、１２・・・抽出電極、１２・・・質量分析磁石、１４・・・質量分解スリット、１５・・・チャンバー壁、１６・・・ウェハ走査構成体、１７、１７ａ・・・ウェハ、１８・・・ウェハホルダ、１９、１９ａ・・・イオンビーム、２１・・・走査アーム、２２・・・真空シール、２３・・・スライドプレート、２４・・・ロータリーキャリアプレート、２５、２６・・・モーター、３０・・・ファラディー、３１・・・コントローラ、３５・・・破線、３６・・・ウェハの中心、３７・・・線、３８・・・位置

Claims (16)

1. 基板をイオン注入する方法であって、
   ａ）所望の原子種の所定ビーム束を有するイオン注入用ビームを発生するステップと、
   ｂ）上記ビームの方向を横切る第１方向に平行に上記基板を機械的に並進移動して、上記基板上に上記ビームの少なくとも１つのパスを発生するステップと、
   ｃ）上記ビーム方向及び前記第１方向を横切る第２方向に平行に上記基板を機械的に往復させて、各々の前記パス中に上記基板上に上記ビームの複数の走査を発生し、これにより、前記走査で、線の長さに沿って中間ポイントを有する前記線であって、当該中間ポイントが前記第１方向に所定の一定間隔をもつように描かれる前記線のラスタを上記基板上に描くステップと、
   ｄ）機械的に並進移動するステップ移動を制御して、前記ラスタが、上記基板上に前記原子種をイオン注入するドーズについて前記第１方向に所望の均一性を与えるように、上記ラスタ線の前記中間ポイントの前記間隔を選択するステップと、
   を備えた方法。
2. 前記制御ステップは、少なくとも前記第１方向に上記イオンビームの断面プロフィールを測定する段階と、前記プロフィールから、前記所望の均一性を与える前記中間ポイントの前記間隔の最大値を計算する段階と、前記最大値を越えない前記間隔の値を選択するように上記機械的に並進移動するステップ移動を調整する段階とを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記制御ステップは、少なくとも前記第１方向に上記イオンビームの断面プロフィールを測定する段階と、前記ビーム束、前記機械的往復の速度、及びイオン注入されるべき基板の単位面積当りの所望ドーズを含むデータから、前記間隔の所望値を計算する段階と、上記イオンビームの前記測定された断面プロフィールを使用して、上記計算された所望の間隔値において得られることになるドーズ均一性を計算する段階と、前記計算された均一性が前記所望の均一性より悪くない場合だけ、前記所望の間隔値を、使用すべき間隔として選択する段階とを含む、請求項１に記載の方法。
4. 上記計算された均一性が前記所望の均一性より悪い場合には、上記ビーム束を、前記計算されたドーズ均一性が前記所望の均一性よりもはや悪くないレベルまで減少する、請求項３に記載の方法。
5. 上記計算された均一性が前記所望の均一性より悪い場合には、前記ビームプロフィールの空間混合クオリティを改善するように上記イオンビームを変更して、上記計算された均一性が改善されるようにする、請求項３に記載の方法。
6. 上記基板は、前記パス上を連続移動で前記第１方向に平行に機械的に並進移動される、請求項１から５のいずれかに記載の方法。
7. 前記ビームを横切る基板の前記パスを完成するために、上記基板は、上記ビームの次々の走査の各対間で行われる複数の並進ステップ移動でステップ状に前記第１方向に平行に機械的に並進移動されて、これにより、前記走査で、非交差の均一に離間された実質的に平行線のラスタを上記基板に描く、請求項１から５のいずれかに記載の方法。
8. 前記並進ステップ移動は均一距離のものである、請求項７に記載の方法。
9. 上記並進ステップ移動の前記均一距離は、前記パスで描かれたラスタ線の均一間隔が前記所望のドーズ均一性を与えるように選択される、請求項７に記載の方法。
10. 上記基板は、前記第１方向に平行に機械的に並進移動されて、前記ビームを横切る複数のｎ個の前記パスを完成し、更に、異なる前記パスの上記並進ステップ移動は、同じ均一距離を有すると共に、空間的に位相が調和されて、上記複数のパスで描かれた複合ラスタが、ｎの整数因数をｍとすれば、前記並進ステップ移動の前記均一距離の１／ｍ倍である均一間隔でラスタ線を有するようにした、請求項８に記載の方法。
11. 所望の原子種の所定ビーム束を有するイオン注入用ビームを発生するイオンビーム発生器と、
    イオン注入されるべき基板を保持するための基板ホルダと、
    上記ホルダ上の基板を、上記ビームの方向を横切る第１方向に平行に並進移動して上記基板上に上記ビームの少なくとも１つのパスを形成すると共に、上記ビーム方向及び前記第１方向を横切る第２方向に平行に上記基板を機械的に往復させて、各々の前記パス中に上記基板上に上記ビームの複数の走査を形成し、これにより、前記走査で、線の長さに沿って中間ポイントを有する前記線であって、当該中間ポイントが前記第１方向に所定の一定間隔をもつように描かれる前記線のラスタを上記基板に描くよう動作できる機械的走査装置と、
    前記走査装置のためのコントローラであって、上記基板の前記並進移動を制御し、前記ラスタが、上記基板上に前記原子種をイオン注入するドーズについて前記第１方向に所望の均一性を与えるように、前記中間ポイントの前記均一間隔を選択するためのコントローラと、
    を備えたイオン注入装置。
12. 前記機械的走査装置は、上記ホルダ上の基板を、前記パス上の連続的移動で前記第１方向に平行に並進移動するよう動作する、請求項１１に記載のイオン注入装置。
13. 前記ビームを横切る基板の前記パスを完成するために、前記機械的走査装置は、上記ホルダ上の基板を、上記ビームの次々の走査の各対間で行われる複数の並進ステップ移動でステップ状に前記第１方向に平行に並進移動して、これにより、前記走査で、非交差の均一離間された実質的に平行線のラスタを上記基板に描くように動作する、請求項１１に記載のイオン注入装置。
14. 前記並進ステップ移動は均一距離のものである、請求項１３に記載のイオン注入装置。
15. 前記コントローラは、前記パスで描かれたラスタ線の均一間隔が前記所望のドーズ均一性を与えるように、上記並進ステップ移動の上記均一距離を選択するよう動作する、請求項１４に記載のイオン注入装置。
16. 前記機械的走査装置は、上記基板を並進移動して、前記ビームを横切る複数のｎ個の前記パスを完成するように動作し、更に、前記コントローラは、同じ均一距離を有するように異なる前記パスの上記並進ステップ移動を維持すると共に、それらを空間的に位相が調和するように動作して、上記複数のパスで描かれた複合ラスタが、ｎの整数因数をｍとすれば、前記並進ステップ移動の前記均一距離の１／ｍ倍である均一間隔でラスタ線を有するようにする、請求項１４に記載のイオン注入装置。

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