JP4468336B2 - イオンビーム注入装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般的にイオン注入を実施するための装置に関する。本発明は具体的に、異なるイオンエネルギーで大電流／中電流イオン注入を実施するための装置および方法に関する。

イオン注入とは、一般にドーパントと称される原子または分子をターゲット基板に導入するために用いられる一種の弾丸プロセスであり、有用な性質をもつ物質を作り出す。イオン注入は現代の集積回路を作成するのに用いられる共通プロセスであり特に興味深い。また、イオン注入はフラットパネルディスプレイのような光学的またはディスプレイデバイスを製造するために、制御された厚みで所定の表面特性をもつ蒸着薄膜のために使用することもできる。

図１は、約３０年間製造されてきた一般的なタイプである従来のバッチ式注入システムを示す。その注入システムはイオンビーム１３を形成するイオンビーム源１４を含む。ビーム１３が、円盤状のターゲット基板ホルダー１１上に取り付けられた一群のターゲット基板１０に衝突するように向けられる。これらの要素は図示されていないが真空筐体の中に収められている。円盤状の基板ホルダーは軸１２（好ましくはビーム１３の軸と平行に）周りに回転し水平に移動して、軸１２とビーム１３間の距離Ｒが変えられる。均一なイオンの注入量(ｄoｓe)を達成するために、移動速度は距離Ｒに反比例する。

ある用途、特に３００ｍｍウエハーまたはそれより大きな基板を注入ターゲットとして用いる用途では、ビーム断面の一方向を他方向より非常に大きい高アスペクト比を有するリボン状ビーム形のイオンビームを生成することは有利である。これらのリボンビームは、シリコンウエハーまたはフラットパネルディスプレイのような単一の母材（ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ）がイオンビームを通して単一方向に移動するイオン注入装置および注入システムにおいて広く使用される。これらの場合、リボンイオンビームの断面は注入を行う母材の一方向寸法より大きい一方向を有するのが典型的である。その結果、イオンビームを１回またはそれ以上の通過により、均一なイオン注入量を母材に注入することができる。

これらの用途において、リボンビームは、半導体ウエハーまたはフラットガラスパネルにイオン注入するために適切な均一な電流密度プロフィールを与えるようにイオン軌道が平行かつ注意深い制御のもと移動するのが望ましい。イオン源供給材料および／またはイオン源それ自体の材料中に存在し得る望ましくない種が実質的に存在しないイオンビームであることもまた望ましい。長年に渡り、当業界の標準的技法として、これらのイオンビームから望ましくない種または成分を分離、除外するのにマグネット分析が行われてきた。しかしながら、大きなリボン状ビームに対しては一般的に、このタイプのマグネット分析およびイオンビーム純化はより困難となり高コストとなる。この具体的な問題の他に、リボンビームの分析および輸送の一般的な最新技術がホワイト氏（Ｗｈｉｔｅ）らの詳細な総説「大きさ２４インチまでの平行リボンイオンビームの均一性の制御」（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒｓ ｉｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ １９９８、ＡＩＰ，８３０頁１９９９年）に記載されており、その全文を明白に本明細書に援用する。

近年、商用に売り出されているイオン注入装置および注入システムの中で、日新イオン機器株式会社（日本、京都）、住友・Ｅａｔｏｎ−Ｎｏｖａ共同会社（日本、東京）および石川島播磨重工業株式会社（日本、東京）製のフラットパネルディスプレイのイオンビーム注入用のものが販売されている。これらのシステムの多くは、イオン源に残留するようなイオンビーム中にほとんど常に存在する望ましくない種の汚染物質を排除する能力がほとんどまたは全く無い。

それとは対照的に、三井造船は商用に注入装置およびシステムを製造しており、それらは質量分析された（すなわち、望ましくない種の除去によって純化されたビーム）均一なリボンビームでフラットパネルディスプレイに注入することができるが、いくつかの異なる商業的に有用な元素源のイオンビームから非常に大きな種の汚染物質を除去するには通常十分なだけの適度な分解能（すなわち、約１０の２乗）のマグネットを使用している。

シリコンウエハー用のイオン注入システムの１つのタイプとして、バリアン（Ｖａｒｉａｎ）半導体装置共同事業者（Ｇｌｏｃｅｓｔｅｒ， ＭＡ）製、モデルＳＨＣ ８０、ＶIIＳｔａ−８０およびＶIIＳｔａ ＨＣイオン注入システムが代表的である。このシステムを米国特許第５，３５０，９２６号の図１を改作して図２に示すが、それを本明細書に援用する。このシステムはイオンビーム１を発生させるためのイオン源２、分析用電磁石3、分解用アパチャ４および第二の電磁石５を含む。制御ユニット３６はビーム記録装置からライン３６ａでビーム強度情報を受け取り、磁石3の多極要素を制御するのに制御信号をライン３６ｂに沿って、またはビーム可変素子を制御するのにライン３６ｃに沿って送信する。磁石３がイオンビームを質量分析する。磁石5はビームの均一性を維持するため閉ループ制御の磁場を用いて分散面に沿ってビームを拡大する。その結果がターゲット７に入射するリボン状イオンビーム６である。さらに図２のシステムの詳細は略称９２６特許に記載されている。

イオンビームとビーム拡大のために適用される磁場間の複雑な相互作用によって、この方法はいくつかの技術上、実施上、工程関連上の問題を引き起こし、そのような装置の全製造コストが増加し、イオン注入を実行するための操作手順がより複雑となる。特に、このシステムを通過するビーム経路は相対的に長く、低エネルギーおよび高ビーム電流のとき、イオンビームの均一性およびビーム内の角度変動を一定の商業プロセスで要求される精度で制御するのが益々困難になる。

さらに、２００ｅＶにまで低いエネルギーでイオンのミリアンペア電流を得ることが望ましい。最大のビーム電流は、ターゲットの直前でイオンビームを減速することにより得られる。しかしながら、この実施にはいくつかの知られている不利な点がある。１つの不利な点は、減速によって軌跡が変動し角度誤差が拡大し、リボンビームの均一性を制御することがより困難になることである。もう１つの不利な点は、一部のイオンが残存するガス状の原子や分子で電荷交換プロセスによって中和され、その結果、減速されないことである。これらのイオンは意図したよりさらにシリコンに浸透し、あるドーパントイオンのこの深い浸透が意図したプロセスを妨害し、さらに、それが真空システム内のシステム圧に依存するので、日々一定の条件を維持するのが困難であり、汚染の程度が許容されるほど十分一定でない。この問題は公知であり、米国特許第６，４８９，６２２ Ｂ１および６，７１０，３５８ Ｂ１号で解決法が提案されており、これらを本明細書に援用する。

その結果、これらのタイプのイオン注入システムは、形状および大きさが制御できる、高電流で高均一性イオンビームを有する順次様式の注入を実施するための可能な解決法でないことがよくある。集積回路形成の業界において、製造コストを下げ製造プロセスを簡略化しても追加の構成要素を必要としないで均一性を改良した高電流イオンビーム発生のための新しいシステム構成を提供するニーズがある。

本発明の１つの態様はイオン注入装置であって、イオン源、分岐引き出し光学を通ってイオンビームを引き出すための引き出しアセンブリ、質量分析マグネットおよびビーム密度制御器を含む。注入装置はさらに、注入のためのターゲットをのせるターゲット室を含む。例示的には、ターゲットは半導体ウエハーまたはフラットパネルディスプレイである。引き出し光学はビームが引き出し光学を出るとき分岐するビームを作るために凸形の形状を有する。イオンビームは分岐引き出し光学とビーム密度制御器によって形づけられるが、より長い方向がマグネットの非分散面内にある相対的に高く狭い断面を持つ。ビームが移動を続けるにつれ、ビームは、イオンビームがターゲットウエハーに届きウエハーの直径すべてを覆うのに十分な高さを有するように、分岐が引き続き起こるにつれ益々高くなる。イオン注入装置はさらに、イオンビームの長い横方向に渡って走査するためにターゲットウエハーの近くに設置されたファラデービーム電流測定デバイスを含み、ビームの均一性を測定し測定データをビーム密度制御器にフィードバックする。

本発明の他の態様では、単一の双極子マグネットを提供し、その主軸方向がイオン源から双極子磁場の方向に分岐を続けながらイオンビームを質量分析する。その態様は付加的に、必要な主寸法サイズに達すればイオンビームの分岐を止めて、ビームを視準すなわち平行にするためレンズを使用することができる。適切なレンズは、磁場または電場を使用でき、４極場を生じさせ、高アスペクト比のビーム進路をイオンビームのリボン形状に大体一致するようにしなければならない。

高電流低エネルギービームを使用するような特定の状況では、リボンビームは十分に均一であると保証することは不可能かもしれない。本発明の他の実施例では、リボン状イオンビームを発生するイオン源、磁気質量分析器、ビームを形作る焦点システムおよびシリコンウエハーまたはフラットパネルのような母材がイオンビームを通って機械的に移動できる加工場所を含む。イオンビームが質量分析器から離れると、１対の強磁性の支持体に配置された１対のコイルの配列を含む磁性多極レンズであり得る、最初のレンズは２つの様式で操作され得る。第一の様式では、この多極レンズのコイル中の電流は、イオンビームプロフィールの測定に対応して、このビームプロフィールの電流密度を制御するためにコントロールされる。イオンビームはその主寸法が母材の寸法を超えるリボン状ビームとして継続するようにできる。その後母材は単一経路に沿って、母材表面に所望のイオンの均一な注入量を注入するために１回またはそれ以上の回数でこのイオンビームを通って移動させられる。第二の様式では、この最初の多極レンズのコイル中の電流がリボンイオンビームをその主寸法に収束させる４極磁場を生じさせるように励起させて、それによって、母材のどちらかの寸法より両横方向で小さいビームスポットを下流地点に発生させる。それから母材は、その表面に部分的に重複する帯状の連続注入によって均一なイオンの注入量が注入されるようにイオンビームを通って２次元で往復する経路で移動する。

第二の様式は、空間電荷および他の影響によってビーム中の電流の均一性を正の制御で行うことをより困難にさせる条件下で高電流低エネルギービーム（例えば、エネルギーが３ｋｅＶより低く、１ｍＡより大きな）を用いる場合に有利になる可能性が高い。第一の様式がよりゆっくりした動きを必要とし、イオンビームプロフィールを満足できる制御が達成されるエネルギーで、より高い処理能力をもたらす可能性が高い。どちらの様式においても多極レンズ中の電流は、たとえ低エネルギーにおいてこの制御がリボンビームの１回の通過で均一な注入を確実にするのが不十分であっても、ビームの電流密度プロフィールを微調整するよう調節され得る。第二の様式において、このことは円滑なガウス形ビームプロフィールを近似するのに価値があろう。円滑なビームプロフィールでないと、イオンビームを通して一定の増分で母材を通過させる方法は母材中のイオンビーム注入量の変動を検知しうる縞の原因となろう。

本発明のさらになる態様は、第一の多極レンズの後に第二のレンズを設けるものであり、その機能はイオンビームを平行にすることである。これは特に第一の操作様式において、すなわち、そうしないと母材の面を横切って注入角度の系統的な変動が生じるであろうリボンビームの場合に重要である。それは第二の様式でイオンビームの角度変動の範囲を減少させるのにも重要である。

本発明のさらなる態様は、湾曲イオンビーム経路を用いるイオンビーム減速の任意選択的な手段を提供するが、リボンビームあるいは２Ｄ走査ビームの様式でイオン注入する用途に対し、低エネルギーで高ビーム電流を、高エネルギー汚染物をフィルターで取り除きながら伝送するための手段である。本発明のこの態様によると、ビームは標準条件から少しだけ異なる角度に湾曲され、イオンビームは減速場で電場の２つの相反する連続する横向きの成分を重ね合わせる一組の電極を用いた手段で減速させ、イオンビームをＳ形状に曲がって偏向させ、その偏向が各々少なくとも１０度の角度になるようにしてイオンビームの幅の数倍の横の変位を与えるようにする。ビームのどちらかの側でビーム停止を与えることによって、伝送されるイオンは正しい電荷とエネルギーをもつものだけであり、高エネルギー中性原子のような汚染物を除去することができる。

本発明の装置および方法によって、
１．高分解能で短く比較的単純なビームライン中、単一分析マグネットで効率的に質量分析されるイオン注入用リボンビームを発生すること、
２．ビームが注入のターゲットより小さく、そのターゲットは均一な注入が達成されるように２Ｄパターンで走査される第二の操作様式を与えること、
３．ターゲット表面に渡り、イオンビームの平行と注入角度の変動を制御すること、
４．高エネルギー中性原子でｂ通常の汚染を除去する方式における、どちらかの注入様式のイオンビームを減速する手段を与えること、
５．イオンビームにおける電流密度の変化と制御の手段
を与えること、が可能となる。

本発明のこれら及び他の目的と利点は、以下の詳細な説明によって当業者にとっては明らかになるであろう。

図３は本発明のイオン注入システムの第一の実施例の斜視図である。システムは図２に示すものと類似の分岐引き出し光学から発するイオンビーム１００を作るイオン源１０２、質量分析マグネット４１４およびコリメータレンズ２００を含む。当業者には理解されるように、これらの構成要素は真空筐体（表示せず）に収められている。マグネット４１４は上下コイル１２０，１２１および入射アパチャ１６４と出射アパチャ１６６を有するヨーク１１０を含む。マグネットは約９０度の弧で曲げられる。イオンビームの断面は、比較的に高く薄く、断面のより長い方向がマグネット１１０の非分散面内にある。イオンビームは引き出し電極を出る際にわずかに分岐しており、ビームがビーム経路に沿って進むにつれ、ビーム光が引き続き分岐されるにつれてより高くなり、ビームがターゲット（例えば、半導体ウエハーの可能性がある）に近づくと、その主寸法が注入ターゲットサイズ、すなわちシリコンウエハーでは２００または３００ｍｍ、よりも大きくなる。コリメータレンズ２００は分岐を止め、ターゲットの注入面を横切る注入角度の変化を制御しながらビームを平行にする。

図３の分析マグネットは入射アパチャ１６４から出射アパチャ１６６まで平行である上部および下部を有するビームに対し中央通路をもつ。従って、図３のＡ−Ａ’線に沿ってとられたマグネット断面はマグネットの曲率半径に沿う任意の点で同じである。しかしながら、イオンビームは分岐している。第二の実施例において、マグネットの構成が図４ａ、４ｂ、４ｃの３つの断面図で示されるように変更され、マグネットを通ってビーム通路の高さはビームが拡大するにつれて増加する。特に、マグネットの入射アパチャ１６４に最も近い断面を表す図４ａで示すように、中央通路１６０の高さが最も小さい。出射アパチャ１６６に最も近い断面を表す図４ｃに示すように、中央通路の高さが最も大きく、図４a、４ｃ間の断面を表す図４ｂに示すように、その高さは他の２つの中間である。その結果、ビームは磁場が発生する体積の大きな分率を占め、使用されない磁場の発生における電力の無駄がより少ない。

質量分析マグネット４１４の好適な実施例は、図６および１１の斜視図に、図４aから図４ｃの断面図に示されている。マグネットは強磁性物質の弓形ヨーク１１０、上部下部コイル１２０および１２１を含む。ヨークおよびコイルは０．２５と２メートルの範囲の曲率半径で、範囲が約４５度以上約１１０度未満の曲率の弧で曲線を描くイオンビームの経路を取り囲む。ヨークは一般的に、意図するビーム経路の上下に同じ距離で位置する上部と下部、および意図するビーム経路を取り囲む空間体積を包含する垂直側を有する長方形の断面をしている。コイル１２０および１２１は鞍形（寝台架形とも呼ばれる）をしており、中間平面の相互鏡像である。イオンビームを湾曲させるのに必要な磁場はこれら２つのコイルを通過する電流によって発生する。磁場の方向は一般に垂直であり、磁力線は内面に垂直なヨークの上部および下部の部分で終わる。

コイル１２０および１２１はそれぞれ、３次元経路に続く長方形の断面の包絡線を満たすように巻かれる導電ワイヤーの１巻きまたは複数巻きを含む。図１１に詳細に示すように、上部コイル１２０の経路は以下の多極セグメントを含む。
１）ヨーク３１０の入口で意図するビーム軸の右に始まり、意図するビーム軸にほぼ平行にヨークの出口まで弓形の経路をとり、ヨークの側壁と意図するビーム経路の間を通過する、セグメント１２０ａ
２）上向きに約９０度湾曲するセグメント１２０ｂ
３）ヨークの出口に近くビーム経路の上部を越えて約１８０度左に円弧をなすセグメント１２０ｃ（このセグメントは任意選択的に２つの弧状セグメントと１つの直線部分に再分割できる）
４）ヨーク出口に向かって約９０度湾曲する１２０ｄ
５）ヨーク出口から始まり、ヨークの入口まで、ビームの意図する道程の反対方向に、ヨークの側壁と意図するビーム経路間を通過する、意図するビーム軸にほぼ平行な弓状経路をとるセグメント１２０ｅ
６）上向きに約９０度湾曲するセグメント１２０ｆ
７）ヨークの入口に近くビーム経路の上部を越えて約１８０度の右に円弧をなすセグメント１２０ｇ（このセグメントは任意選択的に２つの弧状セグメントと１つの直線部分に再分割できる）
８）ヨークの入口に向かって９０度湾曲し、回路を完成させるように、コイル包絡線の経路の始点で連結しているセグメント１０２ｈ。
従って、下部コイルは上部コイルの鏡像である。

このように、一対の鞍形コイルは、
（ｉ）配列において他の環状コイルの２つの丸みのある傾斜端部に対して湾曲方向と対向する１つの環状のコイルの２つの丸みのある傾斜端部に湾曲方向を与え、
（ｉｉ）２つのコイルのそれぞれに閉ループの空洞体積を経由して中央開空間チャネルを与え、前記中央開空間チャネルが、前記傾斜ループ端のそれぞれから配列の直線寸法距離を越えて他の端部に伸び、
（ｉｉｉ）前記弓形ヨーク構成の２つの対向する壁の内面に沿って前記内部空間領域内に配置してあり、１対の配置された丸みのある傾斜ループ端が前記弓形ヨーク構成の２つの開端部のそれぞれから身長して隣接し、
（ｉｖ）前記曲線状の中央軸および、ビームが前記弓形ヨーク構成の前記内部空間内に位置する前記２つのループ状コイル間に存在する隙間空間内を進行するにつれ、連続するリボンイオンビームの意図する弧状の経路、とを限定する境界としての役割をする。

このように説明された経路に沿って長方形の包絡線は経路に沿って予め決められた導体の巻き数で巻くことにより満たされる。形成されたコイルは剛体を形成するために任意選択的に樹脂に浸漬することができる。下部のコイルは上部のコイルと同様に形成される。両方のコイルは１つの電流源または、各コイルに対し１つで２つの電流源に直列に接続され、使用できる。意図するビーム経路の弓形部分は上部および下部コイルセグメントによって左右が、ヨークの鉄部分の上部と底部位置で包含される。コイルを通って電流が通過する効果は、コイルおよびヨークの上部と底部で境界づけられた囲まれた体積内で実質的に均一な垂直に配向した磁場を発生させ、磁場がヨークからゼロ近辺値までの距離と共に急激に低下する入口および出口での領域を提供することである。磁場は全体として、リボン状イオンビームを、意図する経路に沿ってアパチャを通って汚染を除去しながら、偏向するのに効果的である。マグネット２１４の中央平面および非分散面はイオン源から分散面に垂直なターゲットまで伸びる。

コリメータレンズ２００の好適な実施例を図１２に示すが、それは２００４年３月２４日に出願された米国特許出願番号第１０／８０７，７７０号、現在、米国特許出願公開第２００５／００１７２０２号「連続するイオンビームの電流均一性の調整と制御のための電磁調整器アセンブリ」の第７図から改作したものである。この出願を全体として本明細書に援用する。図１２に示すように、コリメータレンズ２００は２つの強磁性体棒１１２０および１２２０を含み、それぞれが制御を意図した走行イオンビームのＸ軸寸法より直線距離で幾分長い寸法で、平行に、互いに予め選択された隙間距離１１４４で位置するように配向されている。各強磁性体棒１１２０および１２２０は直線の指示棒としての役割をするが、棒の周りに複数の個々のワイヤコイル１１２２および１２２２が予め決められた数で異なる位置で直角に巻かれ、独立し分離し隣接して位置するコイル巻きの軸方向に配列された連続体を全体として作り出している。

コリメータレンズの構成部分は指示棒１１２０および１２２０の固定長に沿って直角に配置された各々独立に隣接して位置を合わせたワイヤコイル１１２２および１２２２を通して可変電流（アンペア）の電気エネルギーを供給するために要求に応じる手段（図示せず）である。適当な電流の電気エネルギーの流れが与えられると、各々隣接配置され電圧を加えられたワイヤコイル１１２２および１２２２は独立に直交して拡張する、限定された幅の調整可能な傾斜磁場を発生させ、複数の限定された幅の隣接して拡張する傾斜磁場が共同的に合体して隣接磁場を形成し、隣接磁場内の限定された幅の各々の磁場の強度は、電流を変化させることにより個別に自由に変更でき、隣接磁場に渡って調整可能かつ制御可能な傾斜磁場を作る。

特に、略称７７０出願の図２および３に示すように、並びに下記の図６および７に関連して説明するように、巻き線１１２２および１２２２はイオンビームの形状および／または均一性を変更するように選択的に励起できる。従って、イオンビームの電流蜜度プロフィールは、以下のどれか１つのプロフィールに近いビームプロフィールを母材の位置で作り出すように変更できる。
１）母材の寸法を超えて伸長する一様なプロフィール
２）ガウス形または他の所望のプロフィール
３）母材の寸法を超えて伸びる直線的に変わるプロフィール
４）イオンビームプロセスに有用ないかなる他の予め決められたビームプロフィール
さらに、半値幅のような測定値が意味を持つガウス形ビームプロフィールおよび他のプロフィールの場合には、ビームプロフィールの半値幅を制御できる。

図５ａに示すように本発明の好適な実施例において、イオン注入システムは、イオン源４１０、引き出し光学４１２、分析マグネット４１４、焦点システム４３０、制御器４４０、ターゲット室４５０およびウエハー搬送システム４７５を含む。イオン注入システムはまた不要なイオンを吸収するビームダンプ５０５、およびターゲット室４５０内にあるファラディビームプロフィール測定システム４２０をも含む。

イオン源４１０はベルナス（Ｂｅｒｎａｓ）タイプのイオン源が好ましく、引き出し光学は僅かに凸状である。質量分析マグネットは上記の段落[００２２]〜[００２５]で詳細に説明した図３のシステムと同じものが好ましい。さらに焦点システム４３０は第一組の多極マグネット４０２のおよび第二組の多極マグネット４０４を含む。多極マグネットの各組は図３のシステムのコリメータレンズ２００のものと類似の構成を有する。そのような多極マグネット構成は、上記の段落[００２６]〜[００２８]および上記引用した米国特許出願第１０／８０７，７７０号によりさらに詳細に記載されている。焦点システムの操作は下記の段落[００３５]〜[００３９]に記載されている。ターゲット室４５０（図５a）は静電気チャック４７１および２方向にのせて動く輸送台も含む。図５ａでは、これらの方向は典型的には中央平面に対して上下（すなわち紙面の内外）および非分散面の左右（すなわち紙面の上下）である。ウエハー搬送システム４７５はさらに荷重ロック４７４ａおよび４７４ｂ、イオン注入するためウエハーを荷重ロックから搬送機構へ、そして注入したウエハーを搬送機構から荷重ロックへ移動するロボットアーム４７５を含む。

母材に対し好適な機械的２次元走査システムのさらなる詳細は、本明細書に全体として援用している米国特許出願公開番号第ＵＳ２００５／０１７３６５６ Ａ１の図１０から改作した図８に示されている。母材４６０用の静電気チャック４７１はアーム４７２上に取り付けられ、そのアームは、この例では母材の中心から９００ｍｍ、ビーム軸５０１に平行の位置にある水平軸４９０の周りに旋回する。イオンビーム経路の一方の側にチャックを位置させるため回転したアームで、回転の第二の軸はチャックを水平位置に旋回させ、ロボットアーム４７５ａが母材を荷重部分４７４ａまたは４７４ｂからチャックに着脱させる。ひとたび母材がチャックにのせられると、チャックは、母材表面の法線が予め決められた角度でビーム軸５０１（通常０度）になるまで水平軸４９０の周りに回転する。

リボンビームが用いられる場合、アームの高さはリニアモーター（図示せず）によってスライディングシール４８０に沿って機構を滑らせることにより調整され、母材の軌跡がビーム上に集められ、その点でアームは軸４９０の周りを制御された速度で回転させることができ、必要に応じて前後に母材を、リボンビームを通して通過させ母材に所望のイオン注入量を注入する。

２次元走査で注入を実行するには、アームはスライディングシール４８０上をその移動の底まで動かされ、その高さは、母材に均一な注入量を注入するために、ビームを通って（この場合、ビームは母材より小さい点に焦点を合わせて）母材を湾曲したジグザグ模様に通過させるためにあちこちとアームを旋回するにつれて、順次増加させる。

図５ａのシステムを操作する場合、ベルナスタイプイオン源４１０を使用して幅よりずっと高いイオンビーム４００をつくる。１組の引き出し光学４１２が用いられ、第一電極上に相対的に負の電位を加えてビームを引き出す。発生したビームはマグネット４１４の非分散面に関して僅かに分岐した光経路を有する。その結果、非分散面内に位置するより長い寸法を有する長方形の断面のリボン状ビームがつくられる。そのイオンビームは適切な電荷と質量の比に対する所望のイオンを選択する質量分析マグネット４１４方向に向けられる。その後所望のイオンは、ファラディビームプロフィール測定システム４２０からのフィードバックを経由して開または閉ループ操作のどちらかで制御される第一組の多極マグネット４０２を横断する。第一組の多極マグネット４０２はファラディビームプロフィール測定システム４２０によってビームプロフィールの測定に応じて操作され、高さ当たりの全イオン注入量率の量が使用点すなわちターゲットウエハー４６０で均一になるのを保証するようにビームの大きさおよび電流密度プロフィールを制御する。これを行うために、第一組の多極マグネットのコイルが傾斜場の重ね合わされた制御可能な領域を有する４極場全体を作り出す。イオンビームが第一組の多極マグネット４０２を通過後、ビーム経路に沿って第二組の多極マグネット４０４まで続く。第二組の多極マグネットのコイルはまた、以下説明するように分析マグネット４１４の非分散面内にイオンビームの平行に適する４極場を発生させるためにも使用でき、それによってイオンビームの発散または収束を相殺できる。第二組のマグネットのコイルはさらに傾斜場の制御可能な領域を重ね合わせるために用いることができ、第一組の多極マグネット４０２により発生した変動を含む、ビーム内の角度変動を減少させる。所望のイオンがこのレンズの極間の選択された隙間を通過し、所望のイオンだけがターゲット室４５０に届くように、適切な材料からなるビームダンプ５０５が散在したビームイオンの全ての他の経路を妨害する。ターゲット４６０は、ターゲットの均一な注入範囲を提供するためにビームに垂直で紙面内の方向に機械的に走査され得る。

図５ａおよび５ｂのイオン注入システムは図６および７に示した２つの様式で操作することができる。図６および７は、本発明のこの態様の理解を容易にするため、極めて単純化された形で図５ａおよび５ｂのシステムを示している。特に、質量分析マグネット４１４、第一組と第二組の多極マグネット４０２、４０４を有する焦点システム４３０、制御器４４０およびターゲット４６０のみを示している。

図６に示された操作の第一の様式において、イオンビームはその主寸法が母材の寸法を超えるリボン状ビームとして続くことができる。従って、焦点レンズ４３０は、イオンビームがターゲット４６０より大きくなるまで拡大できるように第一の様式で操作される。第二組の多極マグネット４０４のコイル中の電流はイオンビームプロフィールの測定に応じて制御され、このビームプロフィール中の電流密度をコントロールする。特に、その電流はイオンビームを平行にするために用いられ、ビーム内のイオンは、ビームが室４５０内のターゲット４６０に向けられるにつれて実質的に平行となる。母材は単一経路に沿ってこのイオンビームを通って、１回またはそれ以上移動し、その表面に所望の均一なイオン注入量を注入する。例示的に、母材は図６の矢印で示すように、ビームを通って単純に横方向に動くことができる。しかしながら、図５ａおよび５ｂに示す実施例において、弓形の経路を移動するが、これにはビーム内の電流密度がターゲット母材の局所走査速度に比例し、その速度はアームの旋回軸からの距離に比例するようにビームの均一性が制御されることが必要である。

このようなリボンビームでの注入操作はイオン注入操作において高処理能力を与える一方、例えば現代の集積回路の製造に必要な高電流かつ極小エネルギーでのイオンビームの十分な均一性を確保するのは不可能とはいえないまでも非常に困難である。特に、電流が１ｍＡより大きく、イオンエネルギーが約３ｋｅＶより小さい場合、空間・電荷中和を確立するように注意を払っても、空間電荷効果によってイオンビームに大きな錯乱が起こり、半導体ウエハーのイオン注入に必要な均一性を有するリボンビームを保証することは不可能である。

この状況において、イオンビームを注入ターゲットより小さな断面のビーム７０１に焦点を合わせるように、焦点レンズシステム４３０は図７に例示する第二の様式で、操作される。より具体的には、第二の様式において、第一組の多極マグネット４０２のコイル中の電流を励起し、リボンイオンビームをその主寸法に収束させる４極磁場を発生させ、それによってターゲット母材４６０のどちらかの寸法よりも両方の横断寸法が小さいビーム点が下流位置に発生する。ここでも、多極マグネット４０４の第二の様式はイオンビームの角度変動の範囲を減少するために用いられる。操作の第二の様式において、母材はその表面にイオンの均一な注入量を注入するように、イオンビームを通って２次元に往復経路で移動する。例示的には、ターゲットは中央平面を基準に上下に、非分散面を横切って左右に走査し、減少された寸法の全半導体ウエハーターゲットに照射されることを保証する。

有利なことに、多極レンズの操作の２つの様式は、システム制御器４４０の制御下でマグネット４０２および４０４の組の個々のコイルに異なる電流を与えることによって達成される。同時に制御器はまた、１次元または２次元走査を提供するように移動台の操作を制御する。

本発明の好適な実施例では、図５ａに示すように、分析マグネットの後で別にイオンビーム経路５０１および５０２を用いる。そのような経路によって、焦点システム４３０どちらかの操作の様式で、イオン注入用のより低いエネルギーでより高いビーム電流の供給が容易になる。分析マグネットは調節されて、イオンビームをその初期の軸５０１から５度追加して軸５０２に偏向させ、Ｓ湾曲を組み込んで軸５０１に再び合わせることが見られる。この軸に沿って通過する進路において、イオンビームは、初期エネルギーの３％〜２０％の範囲程度に予め決められたエネルギーに減速される。この変化をもたらすには、第一組の多極マグネット４０２を矢印４０３で示すような軌道上で動かしてこの修正されたビーム軸５０２の中心に位置させて、イオンビームが第二組の多極マグネット４０４を通過するところで第二のビームチャネルが与えられ、そこで磁場の方向がその方向から軸５０１に都合よく逆転される。適切な第二のビーム経路を提供する他の方法やこの方法の変化も描かれる。

これらの焦点デバイスを通過した後、図９により詳細に示すように、ビームは減速される前に加速電場の短い領域を通過する。図９のイオンビーム経路９０１および９０２は図５ａのイオンビーム経路５０１および５０２に対応する。第一組の電極９１０が初期エネルギーを規定し、第二組の電極９１１ａ〜ｃは電子を抑制するためのより大きい負の電圧で、第三組の電極９１２ａ、９１２ｂは中間の正の電位で、第四組の電極９１３は最終電位である。例示的に、図９においてホウ素イオンの１０ｍＡビームは最初４ｋｅＶで移動する。抑制電位は約―３ｋｅＶで電極５１０と５１３の間の電位差は３８００Ｖである。

電極９１１ａ〜ｃにおける負の抑制電位の機能は、イオンビーム内の電子がイオン減速領域の中で加速されるのを妨げるということであり、これは公知のことである。抑制領域に続いて、正のバイアス電極９１２ａがイオンビームの片側に設置される。その電極は偏向場を発生させビーム軸上の電位を上昇させる２つの機能をもち、それにより部分的にビームが減速する。ビームは約２０度、左に偏向された後、電極９１０ｒにより形成された規制アパチャを通過する。ビームが偏向される量は電極９１１ａおよび９１１ｂの抑制電位を変更することで調整かつ制御できる。このアパチャ通過後、ビームは大幅に減速される一方、右に偏向されて初期ビーム経路に融合される。最終のビームエネルギーはイオン源と注入ターゲットの間の電位により規定される。最終電極９１３は注入ターゲットの電位にあるが、しかし、減速ならびに偏向場を生じるように形作られている。電極９１３ｍは矢印で示すように可動であり、その位置の調整は初期のビーム軸９０１と正確に融合するためにイオンビームの調整において有用であるが、初期エネルギーのはるかに少数である。減速構造に達するイオンビーム内の中性原子は偏向されずに中性ビームダンプ内に収集される。このＳ湾曲構造を通過しながら電荷交換を受けるイオンもまたほとんどビームを抜けていくであろう。図９の構造を出る際に、ウエハーに達することができるであろう方法でイオンを電荷交換できるほんの短い小さい領域が存在する。

実験的に、ａ）２００〜５００ｅＶイオンビーム内のエネルギー汚染水準は０．０５％未満であろう、ｂ）このビーム内に存在する最大のエネルギーは、たとえビームが最終エネルギーの１０〜２０倍のエネルギーから減速されたものであっても最終エネルギーの２倍を超えない、ｃ）ほとんど純粋な低エネルギービームのビーム電流は他のタイプの注入装置で現在得られるものより何倍も大きいことが判明した。

ビームラインの第二の様式において減速されるこのＳ湾曲の使用は、２次元走査を均一な注入量を得るために用いることができ、それと同時にリボンビームの均一性の正確な制御がもはや必要でないことを意味する。

本発明の他の実施例において、イオンビームを平行または集中するために焦点システム４３０における磁気レンズの代わりに静電気レンズを用いる。そのようなレンズの例を、本明細書に援用する米国特許公開２００４／０２６２５４２ Ａ２号の図２から改作して図１０に示す。第一対の電極１０６１と１０６２が第一の電圧ギャップを確立し、第二対の電極１０６３と１０６４が第二の電圧ギャップを確立する。電極におけるスロット形の開口によって、イオンビーム１０４８が通過できる。略称５４２特許の段落［００２１］および［００２２］においてより十分に説明されるように、電極により作られた電場の作用によってレンズに進入してくるイオンを軸１０４８とほぼ平行な軌跡でレンズから出すことになる。

本発明のイオン注入システムは従来技術のイオン注入システムよりも顕著な優位性を有する。直列様式の注入は処理能力の考慮および機械破損時の製品損失のリスク軽減の理由でバッチ様式よりも好ましい。直列イオン注入システムはまた、非常により単純かつ低価なウエハー搬送システムを有するので開発、製造および運転コストがバッチ様式システムよりも低い。本発明のシステム設計および配置を実施することで、装置供給業者は、信頼でき競争力のあるプロセス制御能力を持つ注入応用の直列装置の挑戦をたすことができる。さらに本発明が今教示する新規の配置は、顕著な成功を成しえなければならないが、他の直列式高電流法と比較して相対的にわずかな部品しか必要としない。最近、バッチ様式の装置が高電流注入機ニッチに入ってきているが、本発明は半導体産業、特に低エネルギーおよび３００ｍｍ適用に対し、すばらしい製品を提供する。

イオン注入に加えて、本発明のプロセスおよび装置は膜塗工または他のタイプの表面加工用途の実施に使用できる。小さな分岐角を有する分岐ビームとしてビームが照射されるので、高度に均一なビーム密度は、拡大したビームがターゲット表面に到達するとき、より高レベルの均一性を達成するために注入用または粒子蒸着用に提供される。その結果、本発明は、表面に光学フィルター塗膜形成のための蒸着または、ガラス、金属または幅広い種類の材料上に異なるタイプの表面加工機能ための応用がある。

本発明はいくつかの実施例で説明してきたが、そのような開示が制限するものとして解釈されるべきでないことは理解すべきである。種々の変更および修正は上記の開示を読んだ後、当業者には疑いなく明らかとなろう。従って、添付した特許請求の範囲は、本発明の主旨および範囲にある全ての変更および修正を含んでいると解釈されることを意図する。

注入ターゲットを保持する回転盤が運動の１つの方向を、その盤の移動が第２の方向を与える、従来の先行技術であるバッチ式イオン注入システムの機能ブロック図である。 注入ターゲットが１つの方向でリボンビームを通って移動する、従来の技術であるリボンビーム注入機の機能ブロック図である。 イオンビームが分析マグネットを通って分岐しレンズによって平行になる本発明によるリボンビームシステムの斜視図である。 拡大するイオンビームに適合するように調整されるマグネットの連続する断面図を示す。 拡大するイオンビームに適合するように調整されるマグネットの連続する断面図を示す。 拡大するイオンビームに適合するように調整されるマグネットの連続する断面図を示す。 ２つの多極レンズが分析マグネットに続き、そのビームは２つの可能な経路を有し、１つの経路は高エネルギー中性原子またはイオンによる汚染がない超低エネルギーに到達するように減速されるＳ湾曲を通る本発明の１つの実施例を示す。 ターゲット母材がビーム経路を通って２次元で動くことのできる走査システムを示す図５ａの斜視図である。 ターゲットより高く狭いビームを発生するために図５の実施例の使用を表す。 ターゲットより小さい点ビームを発生するために図５の実施例の使用を表す。 １次元または２次元いずれかにイオンビームを通してターゲットを走査するための装置を示す。 図５ａおよびｂのシステムで用いるＳ形状の減速領域の詳細を表す。 イオンビームの平行を制御するために本発明において用いることができ、代わりとなる先行技術である静電気レンズを示す。 適切なマグネットコイルの詳細な構成を示す。 多極レンズの詳細な構成を示す。

Claims (12)

1. ターゲットにイオン注入する装置であって、
   イオン源と、
   イオンビームをイオン源から引き出すための引き出し装置と、
   イオンビームを質量対電荷比に従う軌跡に沿って導くための磁気質量分析機と、
   イオンビームをＳ字状に湾曲させて減速させるビームダンプと、を含み、
   前記磁気質量分析機は、
   ３次元形状を有する１対の対称的なコイルと、
   縦断面を長方形状としイオンビームを伝送する進路を有する強磁性のヨークと、を含み、
   前記進路にコイルを通して制御された電流を流すことによって、コイルおよびヨークで境界をつけられた進路に実質的に閉じ込められる双極子磁場を発生させ、
   分岐したイオンビームから磁気質量分析機の非分散面に１つのより長い寸法を有する連続したリボンビームを形成することを特徴とする、装置。
2. 前記磁気質量分析機の下流に、イオンビームの均一性を制御するための多極レンズをさらに含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記多極レンズの下流に、連続するリボン状イオンビームの平行を制御するための焦点レンズをさらに含む、請求項２に記載の装置。
4. 前記焦点レンズが、ビームを平行にするために適切な磁場を発生させることのできる４極レンズまたは２極レンズである、請求項３に記載の装置。
5. 前記多極レンズが、イオンビームの大きさを制御するためにも使用される、請求項２乃至４の何れか１項に記載の装置。
6. ターゲットをイオンビーム軸の横断方向のうち少なくとも１方向に動かす手段をさらに含む、請求項１乃至５の何れか１項に記載の装置。
7. 前記イオンビームがターゲットの寸法以上の寸法に分岐し、該ターゲットが１方向のみに掃引される、請求項６に記載の装置。
8. 前記イオンビームのより長い寸法がターゲットより小さく、そのターゲットが２方向に掃引される、請求項６に記載の装置。
9. 前記ターゲットが半導体ウエハーであり、イオンビームによって掃引される、請求項１乃至８の何れか１項に記載の装置。
10. 前記ヨークがイオンビームの経路を取り囲む弓形ヨークであり、前記コイルがイオンビームの経路に沿って伸長する鏡面対称の１対の鞍形コイルである、請求項１乃至９の何れか１項に記載の装置。
11. 前記鞍形コイルは、直列に連続して接続された８つの導電セグメントであって、
    ビーム軸の曲面セグメントとほぼ平行にビーム軸の中央平面に対して接線方向に位置する第一の曲面セグメントと、
    ビーム軸の中央平面から外に約９０度曲がっている第二の曲面セグメントと、
    ビーム軸を横切って１８０度円弧する第三の曲面セグメントと、
    第二のセグメントとほぼ平行に位置する約９０度の第四の曲面セグメントと、
    湾曲したビーム軸セグメントと平行に、第一のセグメントに対向して位置する第五の曲面セグメントと、
    ビーム軸の中央平面から外に９０度曲がっている第六のセグメントと、
    ビーム軸を横切って後ろに１８０度円弧する第七のセグメントと、
    ９０度向きをかえて第一の曲面セグメントに接続する第八のセグメントとを含む、請求項１０に記載の装置。
12. 前記弓形ヨークの経路が、０．２５と２ｍの範囲の半径を有する曲線および範囲が約４５度以上１１０度未満の曲率の円弧であり、
    前記弓形ヨークは、少なくとも一部が強磁性体から形成され、固定した寸法および実質的に直方形の断面を有する弓形壁構造と、移動するビームの入口と出口の役割をする２つの別個の開口端と、移動するビームの空間進路の役割をする確定可能な体積の内部空間領域とを含み、
    前記鞍形コイルは、位置合わせした配列として平行に設けられ、
    （ａ）位置合わせした配列の１対の各々別個のコイルは、２つの丸い傾いたループ端を持つ伸張された完全なループであり、その各々は同一方向に曲げられ、内部空間領域の対向する側にあるループ両端を接続する２組の多極導体セグメントであり、更に、
    （ｂ）前記鞍形コイルの位置合わせした配列が、
    （ｉ）配列における他のループ状コイルの２つの丸い傾斜端に対して湾曲方向が対向する１つのループ状コイルの２つの丸い傾斜端に対して湾曲方向を与え、
    （ｉｉ）２つのコイルの各々の閉ループの空洞体積を経由して中央開空間チャネルを提供し、前記中央開空間チャネルは前記傾斜ループ端の各々から配列の直線寸法距離を越えて他の端に伸長し、
    （ｉｉｉ）前記弓形ヨーク構造の２つの対向する壁の内部表面に沿って前記内部空間領域内に位置し、１対の位置合わせをした丸い傾斜したループ端が前記弓形ヨーク構成の２つの開口端の各々から伸長し隣接して、
    （ｉｖ）前記曲線の中央軸および、リボンビームが前記弓形ヨーク構成の前記空間領域内に位置する前記２つのループ状コイル間に出て行く空隙空間内を移動するにつれて、連続するリボンビームの意図する弧状経路、とに対して限定する境界としての役割をすることを含む、請求項１０又は１１に記載の装置。

Images