JP4517204B2 - プラズマ引出し用アパーチャのマウント機構 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には、イオン注入システムに関し、より詳しくは、イオン注入システムにおけるプラズマ引出し用アパーチャのマウント機構に関する。

イオン注入は、集積回路の大量生産において、半導体に不純物をドーピングするための標準的な技術となっている。イオン線量およびエネルギーは、注入工程を規定するために使用される最も重要な２つの変数である。イオン線量は、所定の半導体材料に注入されるイオンの濃度に関連する。通常、高線量での注入処理には高電流注入装置（通常は１０ｍＡよりも大きなイオン電流）が使用され、一方、低線量での処理には、中電流注入装置（通常は、最大で１ｍＡのイオン電流が可能）が使用される。

イオンエネルギーは、半導体デバイスの接合部の深さを制御するために使用される主要なパラメータである。イオンビームを構成するイオンのエネルギーレベルによって、注入されるイオンの深度が決まる。半導体デバイス中にレトログレード・ウェル（retrograde well）を形成するために使用されるような高エネルギー処理では、最大で数百万エレクトロンボルト（ＭｅＶ）での注入が必要であり、一方、接合が浅い場合には、１キロエレクトロンボルト（Ｋｅｖ）よりも低いエネルギーしか必要としない場合もある。

典型的なイオン注入装置は、次の３つの部分またはサブシステムからなる。すなわち、（i）イオンビームを生成するイオン源、（ii）イオンビームを質量分析するための質量分析磁石を含むビームライン、（iii）イオンビームが注入される半導体ウエハまたは他の基板を収容するターゲットチャンバーである。半導体デバイスがますます微細化するにつれて、低エネルギーで高ビーム電流を供給するビームライン構造体が必要とされている。高ビーム電流によって必要な線量レベルが提供される一方、低エネルギーによって浅い注入が可能になる。例えば、半導体デバイスにおけるソース／ドレイン接合には、このような高電流かつ低エネルギーの処理を適用する必要がある。

イオン注入装置のイオン源では、通常、所望のドーパント元素を成分とするイオン源ガスをイオン源チャンバー内でイオン化し、イオン化されたイオン源ガスをイオンビームの形で引き出すことによって、イオンビームが生成される。このイオン化処理は、例えば加熱フィラメントまたは高周波（ＲＦ：radio frequency）アンテナ等の励起装置によって実施される。加熱フィラメントは、高エネルギーの熱電子を放出するものであり、一方、ＲＦアンテナは、高エネルギーのＲＦ信号をイオン源チャンバー内に供給するものである。

高エネルギー電子（加熱励起装置を使用する場合）またはＲＦ信号（ＲＦ励起装置の場合）のいずれかを使用して、イオン源チャンバー内のイオン源ガスにエネルギーを与え、そのイオン源ガスをイオン化する。イオン源ガスに含まれる所望のドーパント元素の例は、リン（Ｐ）またはヒ素（Ａｓ）である。イオン化のために加熱フィラメントを用いるイオン源では、イオン源チャンバーの温度は、通常、１０００°Ｃ程度に達する。

イオン源チャンバーの外部には１つまたは複数の引出電極が配置され、イオン源内で発生したイオンは、この引出電極を励起して発生した電界によって、細長いイオン源アパーチャまたはスリットを通じて引き出される。イオン源アパーチャおよび引出電極は、グラファイトからなるものであってもよい。それぞれの引出電極は、通常、互いに離隔して配置されて細長い引出用の間隙を形成する一対の部材からなり、その間隙中をイオンビームが通過する。引出電極は、イオン源アパーチャに対して電気的に負にバイアスされており（正イオンビームの場合）、複数の引出電極を使用する場合には、通常、複数の引出電極の電圧の大きさを、下流側に移動するにしたがって電極毎に増大するようにし、それによって、イオンビームの加速電界を形成するものである。

このようなイオン注入装置の設計において、イオン源で生成されて引き出されるイオンビームが、予め定められた所望の輸送経路を正確かつ確実にたどるようにすることが重要である。所定のビーム経路に一致するビーム経路を達成するためには、イオン源アパーチャに対する引出電極の位置が非常に重要であり、１つまた複数の引出電極をイオン源アパーチャに対して精度良く並べる必要がある。

引出電極は、通常、イオン源のハウジングに結合されてそこから延在する構造体上にマウントされる。この構造体は、注入処理の間にイオン源の動作によって発生する熱によって熱膨張し、その結果、イオン源アパーチャに対する引出電極の位置ずれが発生する場合がある。このような位置ずれによって、イオンビームの所定の経路からの望ましくない分裂が生じてビームの誤誘導（beam steering）が発生すると共に、イオンビームのエミッタンス品質に歪みが生じて、残りのビームラインを通じたイオンビームの輸送に障害が生じるおそれがある。

従来、イオン注入装置において、イオン源アパーチャに対する引出電極の位置を調整する機構が知られている。先行技術におけるそのような機構の１つを、図１に示す（トゥルエイラに付与され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許（特許文献１）、および、ベンヴェニスト等に付与され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許（特許文献２）も参照）。引出電極アセンブリー２は、アパーチャ６を有するアパーチャプレート４を備えたイオン源３に装着されている。引出電極アセンブリー２は、４つの電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄからなる。引出電極８ａはイオン源３に装着されており、引出電極８ｂは引出電極８ａに装着され、引出電極８ｃは引出電極８ｂに装着され、引出電極８ｄは引出電極８ｃに装着されている。イオン源アパーチャ６の中心と引出電極のアパーチャの中心は、イオンビーム軸Ｂに揃えられている。

４つの電極８ａ〜８ｄのそれぞれは、注入装置の動作中に、イオン源アパーチャおよびお互いに対して僅かに移動可能なように、それぞれ対応する支持構造体に装着されている。詳しくは、各電極の一端において固着具としてバネ付きネジ（図示せず）が使用され、隣接する電極間（または、第１引出電極８ａとイオン源３との間）には、セラミック製の球体９がピン留めされている。バネ付きネジとセラミック製の球体は、隣接する電極間（または、第１引出電極８ａとイオン源３との間）の所望の距離を保持するものである。セラミック製の球体によって、注入装置が高温で動作している間に、引出電極の間隙とイオン源アパーチャとの配列に対する微調整が可能になり、それによって、所望の距離を維持しつつ熱膨張に対応するものである。

米国特許第５，４２０，４２５号明細書 米国特許第５，６６１，３０８号明細書

図１に示す位置合わせ機構は、バネ付きネジを使用する場合、複雑であり、高精度の調整を要するものとなる。加えて、このような位置合わせ機構には、破損し易いという問題もある。したがって、本発明の目的は、イオン注入装置において、注入装置の動作中に発生する熱膨張作用に適合しつつ、引出電極とイオン源アパーチャとの高精度の配置および位置合わせを維持するための改善された機構を提供することにある。さらに、本発明は、イオン注入装置において、熱膨張作用に適合しつつ、連続する複数の引出電極間の高精度の配置と位置合わせを維持するための改善された機構を提供することを目的とする。本発明のさらに別の目的は、保守が容易でありかつ高精度な調整を要しないイオン注入装置のための上記機構を提供することにある。

イオン注入装置のための改善された電極サブアセンブリーが提供される。このサブアセンブリーは、（i）第１平面中に存在し、第１アパーチャを有する平面状の第１電極と、（ii）前記第１平面と平行な第２平面中に存在し、前記第１アパーチャと一列に並べられた第２アパーチャを有する平面状の第２電極と、（iii）前記第１電極と前記第２電極とを連結する一対の連結ロッドとを備えている。この連結ロッドによって、前記第２電極が前記第１電極に対して平行に連結ロッド上を滑り移動することが可能になる。

前記連結ロッドは、互いに非平行に配置されており、前記第１および第２電極は、熱膨張時に、非平行の前記連結ロッド上を互いに対して滑り移動して、互いの平行関係を維持しながら、相互距離を増大または減少させるものである。好適な実施形態では、前記連結ロッドは石英からなり、円筒形を有している。この石英製の円筒形連結ロッドは、前記第１および第２電極の対応する円筒形の穿孔内に配置される。好ましくは、前記一対の連結ロッドは、互いに直交するように方向付けられている。

以下、添付図面を参照すると、図２には、イオン注入装置１０が示されており、このイオン注入装置１０は、イオン源１２、質量分析磁石１４、ビームラインアセンブリー１６、およびターゲットステーション（またはエンドステーション）１８を備えている。本発明の１つの応用例は、低エネルギー注入装置である。低エネルギービームは、下流での伝播中に膨張（すなわち、ブローアップ）する傾向があるため、このような装置におけるビームラインアセンブリー１６は、図２に示すように、比較的短いものである。ただし、本発明は、他の種類のイオン源を有する他の種類のイオン注入装置に適用することもできる。

イオン源１２は、プラズマチャンバー２２を形成するハウジング２０と、イオン引出アセンブリー２４から構成される。ビームラインアセンブリー１６は、（i）真空ポンプ２８により排気され、かつ、ターミナルアパーチャ３０、分解アパーチャ３２、およびファラデーフラッグ３４を含む分解ハウジング２６と、（ii）電子シャワー３８を含むビーム中性化装置３６とを備えており、これらのいずれも本発明の一部を構成するものではない。ビーム中性化装置３６の下流にはエンドステーション１８があり、エンドステーション１８には、処理対象のウエハがマウントされる円盤状のウエハ支持体４０が含まれている。本明細書において、ウエハは、イオンビームを使用して注入処理される任意の種類の基板を含むものである。

イオン化可能なドーパントガスにエネルギーを付与することによって、プラズマチャンバー２２内でイオンが発生する。発生するイオンは、一般に、正イオンであるが、本発明は、イオン源で負イオンを発生させるシステムに対しても適用可能なものである。正イオンは、少なくとも１つの（好ましくは、複数の）電極４２からなるイオン引出アンセブリー２４によってプラズマチャンバー２２から引き出される。このようにして、イオン引出アセンブリー２４は、プラズマチャンバーから正イオンのビーム４４を引き出し、引き出されたイオンビームを質量分析磁石１４へ向けて加速するように機能する。

質量分析磁石１４は、適切な電荷対質量比を有するイオンのみをビームラインアセンブリー１６へ通過させるように機能する。質量分析磁石１４には、イオン源１２に連結するアルミニウム製のビームガイド５０で形成された曲線状のビーム経路４８が含まれており、このビーム経路は、真空ポンプ２８、５４によって排気されている。この経路に沿って伝播するイオンビーム４４は、質量分析磁石１４により発生する磁界の作用を受ける。この磁界は、イオンビーム４４を、イオン源１２付近の第１または入口軌道５６から分解ハウジング２６付近の第２または出口軌道５８へと、曲線状のビーム経路４８に沿って移動させ、ビーム４４の不適切な電荷対質量比を有するイオンからなる部分４４’、４４’’の進路は、この曲線軌道から逸れてアルミニウム製のビームガイド５０の壁へと偏向する。このようにして、質量分析磁石１４は、ビーム４４中の所望の質量対電荷比を有するイオンのみを、ビームラインアセンブリー１６へと通過させるものである。

エンドステーション１８の円盤状のウエハ支持体４０は、モーター６２によって回転する。周知のように、ディスク状のウエハ支持体４０は、モーター６２によって一定の各速度で回転し、モーター６４および主ねじ（図示せず）によって垂直方向（図２の紙面に対して垂直方向）に移動する。

図３に示して以下に詳述するように、本発明は、引出アセンブリー２４をイオン源１２に装着するための機構に組み込まれている。本発明は、コールドウォール式のＲＦ電源付きイオン源に関連させて示されているが、他の種類のイオン源（例えば、熱陰極式イオン源、または、マイクロ波電源付きイオン源）にも適用可能なものである。加えて、図３には、単一の電極４２のみが示されているが、本発明は、複数の電極構成からなる引出アセンブリーとして実施することもできる。

プラズマチャンバー２２は、導電性のチャンバー壁１１４と略平面状のエンドプレート１１６、１１８とを有しており、これらの部材が、チャンバー内部のイオン化領域１２０を取り囲んでいる。側壁１１４は、プラズマチャンバー２２の中心軸１１５回りに円対称である。エンドプレート１１８は、プラズマチャンバー支持体１２２に連結され、少なくとも１つのイオン源アパーチャ１４８を有するイオン源アパーチャ挿入部１４６を含んでおり、このアパーチャを通じてイオンビームが引き出される。イオン源アパーチャ挿入部１４６は、グラファイトからなるものであってもよい。

引出電極４２は、略平面状であり、少なくとも１つの引出アパーチャ１２８を有する電極アパーチャ挿入部１４９を含んでいる。電極アパーチャ挿入部は、グラファイトからなるものであってもよい。少なくとも１つの引出アパーチャ１２８は、イオン源アパーチャ挿入部１４６中の少なくとも１つのイオン源アパーチャ１４８と一列に並べられている。図３には、各部材に対して１つのアパーチャのみが示されているが、各アパーチャ１２８、１４８は、指定されたパターンにしたがって配列された複数のアパーチャからなるものであってもよい。あるいは、各アパーチャとして、単一の細長いスリットを設けてもよい。さらに、引出電極４２は、一対の対向する半分の電極からなり、それらの間に引出スリットまたはアパーチャとして機能する間隔を有して分離されているものであってもよい。

動作の一例として、イオン化可能ドーパントガスは、質量流制御装置６８によって、圧縮ガス源６６から導管７０を通じて直接的にプラズマチャンバー２２に射出される。典型的なイオン源元素はリン（Ｐ）およびヒ素（Ａｓ）であり、これらの元素は、しばしば他の元素と化合した気体として備えられている。例えば、リンはホスフィン（ＰＨ₃）として、ヒ素はアルシン（ＡｓＨ₃）として備えられている。

プラズマチャンバー２２の外部の電源１３４は、金属製のアンテナ１３０を約１３．５６メガヘルツ（ＭＨｚ）の高周波（ＲＦ：radio frequency）信号で励起して、金属製のアンテナ中に、プラズマチャンバー内にイオン化電界を誘起する交流電流を供給するものである。プラズマチャンバー２２は、チャンバー内部の領域のアンテナ１３０とイオン源アパーチャ挿入部１４６との間に延在する磁気フィルターアセンブリー１４０を含んでいてもよい。

アンテナ１３０は、着脱自在の支持プレート１５０によってプラズマチャンバー２２の壁１１４に配置される。支持プレート１５０には、２つの負圧フィッティング１５６に適合する２つの貫通路も形成されている。アンテナ１３０の細長い脚部１５７がフィッティングに押し込まれた後、フィッティング１５６と脚部１５７との接触部分をシールするために、フィッティング上にエンドキャップ１５８がねじ込まれる。

プレート１５０のフランジ部１６４は、壁１１４の打抜き部分を取り囲む環状磁石１７０上に積層され、この環状磁石は、接続具１７２によって壁１１４に装着されている。アンテナを覆うように配置された２つのシールド１８０は、アンテナの支持プレート１５０付近の部分が、イオン注入装置の動作中にスパッタリングされた材料によって被覆されることを防止するものである。

本発明は、イオン注入装置１０の動作中に発生する熱膨張作用に適合しつつ、引出電極４２とイオン源アパーチャ挿入部１４６との高精度の配置および位置合わせを維持するための改善された機構に具現化されている。この改善された機構は、好適な実施形態では、一対の細長いロッド１８２、１８４を備えており、これらのロッドは、エンドプレート１１８および引出電極４２中の対応する穿孔に滑り嵌めされている。詳しくは、ロッド１８２の一端は、エンドプレート１１８中の穿孔１８６に嵌め込まれ、ロッド１８２の対向する側の一端は、引出電極４２中の穿孔１９０に嵌め込まれている。同様に、ロッド１８４の一端は、エンドプレート１１８中の穿孔１８８に嵌め込まれ、ロッド１８４の対向する側の一端は、引出電極４２中の穿孔１９２に嵌め込まれている。

好適な実施形態において、ロッド１８２、１８４は、石英または同様の材料からなるものである。石英の電気的絶縁性により、イオン源（エンドプレート１１８）と引出電極４２とを異なる電圧で動作させることが可能となる。通常、イオン源アパーチャ１４８から正イオンビームを引き出すために、引出電極４２は、イオン源（エンドプレート１１８）に対して負電位にバイアスされている。特定のセラミックス材料は、ロッド１８２、１８４を構成するために適格な熱的絶縁性および電気的絶縁性を有しているが、石英には、セラミックス材料よりも金属が付着し難いことが分かっている。

石英のロッド１８２、１８４は、厳密な公差で機械加工して形成するものであってもよい。イオン源のエンドプレート１１８および引出電極４２の穿孔１８６、１８８、１９０、１９２も、同様に機械加工することができる。エンドプレート１１８と引出電極４２は、いずれもアルミニウムからなるものであってもよい。あるいは、これらの部材は、アパーチャ挿入部を使用しない場合、グラファイトからなるものであってもよい。

エンドプレート１１８と引出電極４２からなるサブアセンブリーの構成する際に、これらの２つの部材の間にＧ（図３参照）の幅を有するスペーサ（図示せず）を配置し、その後、２つの部材を互いに固定する。同一の穿孔工程により、プレート１１８を貫通するように穿孔１８６を研削し、電極４２を部分的に穿つように穿孔１９０を研削する。同様に、穿孔１９２は電極４２を貫通するように研削され、穿孔１８８はプレート１１８を部分的に穿つように研削される。好ましくは、これらの止まり孔は、互いに直交（９０°）するように（そして、イオンビームの経路１１５に対して４５°となるように）研削されるものである。

次いで、石英製のロッド１８２、１８４を、それぞれの穿孔に（冷間）滑り嵌めする。これらの穿孔は、開いた端部と閉じた端部とを有する止まり孔であるため、ロッドは、重力によってそれぞれの穿孔内の適正な位置に保持される。その後、エンドプレート１１８と引出電極４２との間の間隙Ｇを残して、スペーサを取り除くことができる。このように、本発明では、ブッシング、調整ネジ、または他のハードウェアは必要としない。加えて、石英製のロッドの露出部分（間隙Ｇ内）およびイオンビームが見えなくなるように、シールド機構（図示せず）を追加してもよい。

イオン源１２は高温で動作するため、エンドプレート１１８と引出電極４２は、熱膨張する可能性がある。連結ロッド１８２、１８４によって、これらの２つの部材が互いに離れるように、または、互いに近付くように移動することが可能となるため、略平面状のエンドプレート１１８と引出電極４２との平行関係を維持しつつ、熱膨張の差異に対応することが可能となる。このようにして、イオン源アパーチャ１４８と引出アパーチャ１２８との所望の配列が維持される。これらの２つの部材間の間隙Ｇの変動によってイオン源から引き出されるイオンビーム電流が変動する場合、その変動に応じて電極４２の電圧を変動させるものであってもよい。

以上、イオン源アパーチャに対してプラズマ引出アパーチャをマウントするための方法およびシステムの好適な実施形態について説明したが、この説明は専ら例示のためになされたものである。別の例として、引出電極をイオン源のエンドプレートに装着するためのこの機構は、引出アセンブリー中の下流側の引出電極を互いに結合するために繰返して使用することもできる。本発明は、ここに記載された特定の実施形態に限定されるものではなく、添付請求項およびその均等物による本発明の範囲を逸脱することなく、上述した説明に関して種々の再構成、修正、および代替が実施できることを理解されたい。

図１は、先行技術における引出アセンブリーをイオン源アパーチャに装着された状態で示す断面図である。 図２は、本発明の原理に従って構成されたイオン源／引出電極アセンブリーの一実施形態が組み込まれたイオン注入システムを示す透視図である。 図３は、図２に示すイオン注入システムのイオン源／引出電極アセンブリーを示す断面図である。

符号の説明

１２：イオン源、２０：ハウジング、２２：プラズマチャンバー、２４：イオン引出アセンブリー（電極サブアセンブリー）、４２：引出電極（第２電極）、１１８：エンドプレート（第１電極）、１２８：引出アパーチャ（第２アパーチャ）、１４８：イオン源アパーチャ（第１アパーチャ）、１８２，１８４：ロッド（連結ロッド）

Claims (10)

1. イオン注入装置のための電極サブアセンブリーであって、
   （i）第１平面中に存在し、第１アパーチャを有する平面状の第１電極と、
   （ii）前記第１平面と平行な第２平面中に存在し、前記第１アパーチャと一列に並べられた第２アパーチャを有する平面状の第２電極と、
   （iii）互いに非平行に配置されて前記第１電極と前記第２電極とを連結し、前記第２電極が前記第１電極に対して平行に連結ロッド上を滑り移動することを可能にする一対の前記連結ロッドとを備え、
   前記第１および第２電極は、熱膨張時に、非平行の前記連結ロッド上を互いに対して滑り移動して、互いの平行関係を維持しながら、相互距離を増大または減少させることを特徴とする電極サブアセンブリー。
2. 前記連結ロッドは、石英からなることを特徴とする請求項１に記載の電極サブアセンブリー。
3. 前記連結ロッドは円筒形であり、円筒形の前記連結ロッドは、前記第１および第２電極中の対応する円筒形の穿孔内に配置されることを特徴とする請求項２に記載の電極サブアセンブリー。
4. 前記一対の連結ロッドは、互いに直交するように方向付けられていることを特徴とする請求項３に記載の電極サブアセンブリー。
5. 前記アパーチャの少なくとも１つは、グラファイトによって取り囲まれていることを特徴とする請求項３に記載の電極サブアセンブリー。
6. （i）電離プラズマが生成されるプラズマチャンバーを形成するハウジングと、
   （ii）前記ハウジングに装着され、第１平面中に存在して第１アパーチャを有する平面上の第１電極と、
   （iii）前記第１平面と平行な第２平面中に存在し、前記第１アパーチャと一列に並べられた第２アパーチャを有する平面状の第２電極と、
   （iv）互いに非平行に配置されて前記第１電極と前記第２電極とを連結し、前記第２電極が前記第１電極に対して平行に連結ロッド上を滑り移動することを可能にする一対の前記連結ロッドとを備え、
   前記第１および第２電極は、熱膨張時に、非平行の前記連結ロッド上を互いに対して滑り移動して、互いの平行関係を維持しながら、相互距離を増大または減少させることを特徴とするイオン源。
7. 前記連結ロッドは、石英からなることを特徴とする請求項６に記載のイオン源。
8. 前記連結ロッドは円筒形であり、円筒形の前記連結ロッドは、前記第１および第２電極中の対応する円筒形の穿孔内に配置されることを特徴とする請求項７に記載のイオン源。
9. 前記一対の連結ロッドは、互いに直交するように方向付けられていることを特徴とする請求項８に記載のイオン源。
10. 前記アパーチャの少なくとも１つは、グラファイトによって取り囲まれていることを特徴とする請求項８に記載のイオン源。

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