JP4665233B2 - イオンビームのための静電式平行化レンズ - Google Patents

Description

本発明は、イオン注入システムに関し、より詳しくは、イオンビームを構成するイオンを通過させ、それによって、イオンと加工物との衝突角度を制御するレンズを有するイオンビーム注入装置に関する。

本発明の譲受人であるアクセリス・テクノロジーズ社（Axcelis Technologies）は、集積回路の製造の間にシリコンウエハを処理するための製品を市販している。そのような製品またはツールの１つは、イオンビーム中に配置されたウエハの物理的特性を改質するためのイオンビームを発生させるものである。このような処理は、例えば、処理前のウエハを形成するシリコンにドープ処理を施して、半導体材料を製造するために使用することができる。イオン注入の前にレジスト材料を用いてマスクを形成する工程、および、ウエハ内に様々なドーパントによるパターンの層を形成する工程を制御することによって、無数の応用例の１つに適用される集積回路が製造される。

ダイクストラ（Dykstra）等に付与された米国特許第５，１７７，３６６号明細書（特許文献１）および米国特許第５，０９１，６５５号明細書（特許文献２）には、２対の静電走査電極を使用して、平行なイオンビームを生成する方法が記載されている。特許文献１に記載された発明は、平行に離間して配置され、制御回路によってバイアス電圧が印加された電極間をイオンビームを通過させ、イオンビームの初期軌道からの偏向を制御するイオン注入システムに関する。偏向後のイオンビームは、ビームの伝播経路に沿って配置された電極を通過すると、再度偏向されると共に所望の終期エネルギーまで加速される。ビーム中のイオンは、加速器から出ると、走査平面および直交する交差平面でのイオン集束により、均一かつ制御された衝突角度で加工物に衝突する。

特許文献２に記載の発明は、平行に離間して配置され、制御回路によってバイアス電圧が印加されたプレートを通過すると、初期軌道からの偏向が制御されるイオンビームに関する。偏向後、イオンビームは、加速を加速器に入り、そこで偏向後のイオンビームの再偏向と所望の終期エネルギーまでの加速が実施される。イオンビームが加速器を出ると、軌道に沿って移動して加工物に衝突する。イオンビームを構成するイオンは、すべて均一かつ制御された衝突角度で加工物に衝突する。

ナガイ（Nagai）等による『Ｎｉｓｓｉｎ ＮＨ−２０ＳＰ 中電流イオン注入装置』（非特許文献１）には、中電流イオン注入装置が記載されている。このイオン注入装置は、最初の電極群による横方向の走査を補償するため、一対の所謂キックバック電極Ｈ２を有している。Ｈ１電極およびＨ２に適用される掃引電圧波形は、デジタル波形発生器または波形コントローラによって発生される。

米国特許第５，１７７，３６６号明細書 米国特許第５，０９１，６５５号明細書 『Ｎｉｓｓｉｎ ＮＨ−２０ＳＰ 中電流イオン注入装置（The Nissin NH-20SP medium-current ion implanter）』

イオン注入装置は、イオン源材料から発生したイオンを出射するためのイオン源と、イオンを前記イオン源から出射するための構造体とを含んでいる。走査電極は、制御された方法でイオンを横方向に走査し、幅を有するイオンビームを形成する。レンズ構造体は、走査電極の下流においてイオンが通過する領域を形成し、イオンがレンズ構造体に入ると、イオンを初期軌道から偏向する。

このレンズ構造体は、レンズ構造体に入るイオンを偏向するために、イオンの伝播方向に沿って離間して配置され、かつ、イオンビームの幅を横断してビーム経路の両側に延びる第１の電極および第２の電極を含んでいる。レンズ構造体の一実施形態では、イオンは、まず、イオンを減速するための電極に遭遇し、次いで、イオンを加速するための電極に遭遇する。これらの電極の作用の組合せによって、レンズ構造体に入るイオンは、レンズ構造体に入るときのイオンの軌道に関わらず、ほぼ同一の出口軌道でレンズ構造体から出射する。別の構成では、レンズ構造体は、ビーム経路に沿って、まず、イオンを加速するための第１の電極を含み、この第１の電極の下流にイオンを減速するための第２の電極を含んでいる。この実施形態でも、レンズ構造体に入るイオンは、レンズ構造体に入るときのイオンの軌道に関わらず、ほぼ同一の出口軌道でレンズ構造体から出射する。

以下、本発明の上述した目的、特徴、および利点、並びに、他の目的、特徴、および利点は、本発明の例示的な実施形態を説明するために使用される添付図面と共に、詳細に説明する。

図１は、例えば本発明の譲受人によって市販されているＡｘｃｅｌｉｓ Ｍｏｄｅｌ ＭＣ−３中電流イオン注入装置のような、イオン注入装置１０を概念的に示す図である。このような注入装置は、シリコンウエハのような加工物に対して選択的にドープ処理を実施するためのイオンビーム処理に使用される。このようなイオン注入装置において、イオンは、イオン源から注入ステーションまでビーム経路に沿って伝播した後、加工物に衝突する。図１に示すイオン注入装置１０は、中電流イオン注入装置であるが、本発明は、他のタイプのイオン注入装置に適用することもでき、そのようなイオン注入装置には、イオンビーム中のイオンを加速するための線形加速器を有する高エネルギー注入装置が含まれる。

図１に示すイオン注入装置１０は、イオン源材料から発生したイオンを出射するためのイオン源１２を含んでいる。典型的なイオン源材料は、イオン源ハウジング１４内に射出される気体、または、蒸発してイオン源ハウジング内にプラズマを生成する固体である。周知のように、イオン源１２は、通常、イオン源からのビーム経路に沿って、イオンをハウジング１４から出射するための引出電極を含んでいる。

また、図１に示すイオン注入装置１０は、イオン源の下流において、イオン伝播経路に沿った軌道からイオンを曲げ逸らすための質量分離磁石２０も含んでいる。イオン源１２において、異なる化学種の同種のイオンが発生し、磁石によって分離される。この磁石によって不要なイオンが濾過されるため、質量分離磁石２０を出るイオンは、加工物のイオンビーム処理で使用される単一化学種のイオンとなる。

イオン注入装置１０は、また、ビーム走査構造体３０も含んでおり、このビーム走査構造体は、質量分離磁石の後方でイオンを補足し、かつ、制御された方法でイオンを横方向に走査して、幅を有するイオンビームを形成するものである。走査電極３０は、２．５ｃｍの間隔をおいて配置された、長さが約２０ｃｍの２つの走査プレートを有している。この間隔は、外方に広がっており、２つの走査電極の出射端部で約７．５ｃｍの間隔となる。４０ｋＶの全プレート間電圧を達成するために、それぞれのプレートには適切な増幅器が接続されて、最大＋／−２０ｋＶ（キロボルト）の、電圧値が制御された電圧が印加される。

図２に詳細に示すレンズ構造体４０は、２つの走査電極の下流に配置されている。レンズ構造体４０は、拡散する経路に沿って伝播するイオンを受容し、それらを曲げ、レンズ構造体４０を出るイオンに対して平行なイオン軌道を形成する。図２および図３に示すように、レンズ構造体は、走査電極３０の領域を出た後にイオンが入る領域４２を形成する。イオンがレンズ構造体に入ると、レンズ構造体によって発生する電界によって、初期軌道に沿って移動するイオンの軌道が終期軌道へと偏向する。

図２に示すレンズ構造体４０は、イオンの伝播方向に沿って離間して配置された第１および第２の電圧ギャップ４４、４６を含んでいる。これらのギャップは、第１の電圧ギャップ上の電極６１、６２、および、第２の電圧ギャップ上の電極６３、６４によって形成される。これらの電極は、スロット状の開口部を有しており、それによってイオンビームを通過させることができる。電極６２と電極６３は、同一構造体の電気部品であり、電源１１０によって同一電位に設定される。電極６１および電極６４は、接地電位とすることができる。例示的な実施形態では、これらの電極はアルミニウムにより構成される。図２には、レンズ構造体の構成を説明するためのｘ−ｙ座標系が示されている。それぞれの電極は、走査イオンビームの幅を横断して、ビーム経路の中心４８の両側に、ｙ方向
に延びている。図示の例では、それぞれの電極は、走査平面（紙面）の上方および下方に、ｚ方向に延在する。電極のスロット状の開口部（ｚ方向に狭く、ｙ方向に広い）によって、走査ビームは４つの電極を通過することができる。電極６１〜６４は、ビームの中心線４８について対称である。図２に示すレンズ構造体は、イオンを減速するための第１の電圧ギャップ４４と、イオンを加速するための第２の電圧ギャップ４６とを含んでいる。これらの４つの電極によって発生する電界の作用の組合せによって、レンズ構造体４０に入るイオンは、すべての軌道が中心軸４８に略平行な状態で、レンズ構造体を出るものである。

図３に示すレンズ構造体４０’は、イオンの伝播方向に沿って離間して配置された第１および第２の電圧ギャップ４４’、４６’を含んでいる。それぞれの電圧ギャップは、走査イオンビームの幅を横断してビーム経路の両側に延びており、レンズ構造体に入るイオンを偏向するものである。図３に示すレンズ構造体は、イオンを加速するための第１の電圧ギャップ４４’と、イオンを減速するための第２の電圧ギャップ４６’とを含んでいる。この実施形態では、ビーム中のイオンは、電圧が印加された電極に遭遇した後に、電圧ギャップ４４’の接地された電極を通過する。したがって、イオンを加速するための電界の正成分が、ｘの正方向に存在する。これらの２つの電圧ギャップによって発生する電界の作用の組合せによって、レンズ構造体４０’に入るイオンは、その入射軌道が走査の頂点（scan vertex）位置の近傍から始まる場合、すべての軌道が中心線４８に略平行な状態で、レンズ構造体を出るものである。

イオンビームを構成するイオンは、図２および図３に示すレンズ構造体４０、４０’を出た後、略平行な方向に伝播してイオン注入チャンバー５０に入る。イオン注入チャンバー５０には、ウエハ支持体５２が収容されている。ウエハは、ロードロック５４によってチャンバー５２内に挿入される。チャンバー５０の外部では、ウエハはロボット５６によって操作され、このロボットは、保存カセット５８から未処理のウエハを取出し、また、処理後のウエハを第２のカセット６０か、あるいは、それらのウエハを取出した同じカセットに戻すものである。

図２に示す実施形態では、第１の電極または入口電極が、レンズ構造体に入るイオンに対する第１の電界の領域を形成する。入口電極は、レンズ構造体に入るイオンの領域から見て凹形をなす。第２の電極または出口電極は、入口電極を通過したイオンに対して、第２の電界を形成する。出口電極は、入口電極を境界とする領域から見て凸形をなす。

レンズ構造体４０は、ビームエネルギーを変更することなく、この構造体から出るイオンの角度を変更するものである。それぞれの電極６２、６３は、共通の電源１１０に接続されており、電源１１０は、ビームに対して電極６２、６３を支持する絶縁体１１６、１１８を通過する導電体１１２、１１４に接続された出力を有し、これらの導電体は、電極６２、６２に接続されて、電極に電圧を印加するものである。レンズ構造体４０は、１５０ｋＶよりも低い電源から直流信号を印加することによって、６００ｋｅＶの走査イオンビームの走査角度を補正することができる。本発明の図示した実施形態では、走査構造体の中心から第１の電極または入口電極までの距離は、約９７ｃｍである。２つの電圧ギャップ４４、４６は、略放物線状であり、焦点距離が２×Ｓの２つの薄肉レンズの形状を近似するものである。ここで、Ｓは、走査の頂点への距離であり、この例では、第１の電極６２について９７ｃｍである。電極６１、６２、６３、６４によって形成される減速および加速のための電圧ギャップの理想的な形状は、ビーム方向の最適補正を達成するための、電界および軌道の静電モデリングの問題である。ビームの中心線に沿った間隔は、それぞれの電圧ギャップにおける電極間の距離が約５ｃｍであり、電極６２と電極６３との間の中心線に沿った距離が約１０ｃｍである。

レンズ構造体の電極の電圧は、６００ｋｅＶのビームに対して１１７ｋＶであることが好ましい。減速用の電圧ギャップでは、Ｅ_P＝Ｅ_in−Ｒ×Ｅ_inである。ここで、Ｅ_Pは電圧ギャップ間のエネルギー、Ｒ×Ｅ_inは、電圧ギャップを通過した後のエネルギー変化であり、この例では、Ｒ＝０．１９５＝１１７／６００である。加速用の電圧ギャップでは、Ｅ_in＝Ｅ_P＋Ｒ×Ｅ_inである。電極６１の前縁に一致する点から電極６４の後縁までの、レンズ構造体を通じた経路長は、ビーム内におけるイオンのｙ方向の位置に応じて変動する。電極によって形成されるｚ方向の垂直開口は、約５ｃｍである。走査プレートおよびレンズ構造体に印加される正電位によりイオンビームから電子が引き出され、それによって、空間電荷効果が増大することをを避けるために、走査プレートおよびレンズ構造体の入口および出口には、サプレッサー（図示省略）が必要である。

図１または図２に示したようなアセンブリーを直列に２つ以上使用して、それぞれの電圧ギャップで生じる補正を小さくしつつ、角度補正を達成することも可能である。これによって、レンズ構造体で過大な電圧を使用することなく、高エネルギービームの軌道の平行化を達成することができる。

また、イオンビームは、イオンビームがこれらの電極を通過するにつれて、電極の周縁部の電界により、走査平面に直交する平面内で集束されるものである（図４参照）。その焦点距離は、ビームエネルギーに相対的な電圧ギャップの電圧、開口部の高さ（ｚ方向）、および、電圧ギャップの（伝播方向（ｘ）に沿った）幅によって決定される。この構造体の静電モデリングを使用して、レンズ構造体を通過後の垂直方向の集束が、すべてのｙ位置でほぼ同一になるようにすることができる。ここで、垂直方向の集束は、電極６１、６２、６３、６４が互いに略平行に配置されている電圧ギャップの場合に生じるものである。これによって、走査ビームまたはリボン形ビームに対して垂直方向の集束作用を有するレンズが形成される。

上述した２つの実施形態のそれぞれは、ビームの伝播経路に沿って配置された、電圧が印加された２つの電極と、接地された２つの電極とを有しており、それによって、イオンの通過に際して、加速用の電圧ギャップと減速用の電圧ギャップを形成するものであった。ただし、２つ以上の電極を、より低電圧で使用して、２つ以上の電圧ギャップを形成することも可能である。したがって、例えば、レンズ構造体は、より低い電圧の電極により減速用の電圧ギャップを形成し、その直後に第２の減速用電圧ギャップを配置するものであってもよく、この第２の減速用電圧ギャップは、同様の近似的な放物線をなす適切な電極によって実施されるものである。以上、本発明の例示的な実施形態を詳細に説明したが、本発明は、開示された例示的な設計に対して、添付請求項の精神および範囲内にあるすべての修正および変更を含むものである。

図１は、本発明を使用するイオン注入装置の概要を示す図である。 図２は、本発明の例示的な実施形態で使用されるレンズ構造体を示す平面図である。。 図３は、本発明の別の例示的な実施形態で使用されるレンズ構造体を示す平面図である。 レンズ構造体の垂直方向の集束作用を示すための、図２のレンズ構造体の断面図である。

Claims (18)

1. イオン源材料から発生したイオンを出射するためのイオン源と、
   該イオン源の下流におけるイオン伝播経路に沿った軌道から、イオンを曲げ逸らすための質量分離磁石と、
   該質量分離磁石の後方でイオンを補足し、かつ、制御された方法でイオンを横方向に走査して、幅を有するイオンビームを形成するために配置された走査電極と、
   該走査電極の下流において初期軌道からイオンを偏向するために、イオンが通過する領域を形成するレンズ構造体と、を含むイオン注入装置であって、
   前記レンズ構造体は、該レンズ構造体に入るイオンを偏向するために、イオンの伝播方向に沿って離間して配置され、かつ、イオンビームの幅を横断してビーム経路の両側に延びる第１の電極および第２の電極を含むと共に、イオンを加速するための１つの電極と、前記イオンを減速するための１つの電極とを含んでおり、これによって、前記レンズ構造体に入るイオンを、該イオンが前記レンズ構造体に入るときの軌道に関わらず、ほぼ同一の出口軌道で前記レンズ構造体から出射させることを特徴とするイオン注入装置。
2. 前記第１の電極と前記第２の電極のそれぞれに静電電圧を印加する電源をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
3. 前記電源は、前記第１の電極および前記第２の電極のそれぞれに同一の電圧を印加することを特徴とする請求項２に記載のイオン注入装置。
4. 前記第１の電極は、前記レンズ構造体に入るイオンに対して第１の電界領域を形成する入口電極を含み、該入口電極は、前記レンズ構造体に入るイオンの領域から見て凹形をなしており、また、前記第２の電極は、前記入口電極を通過したイオンに対して第２の電界領域を形成する出口電極を含み、該出口電極は、前記入口電極を境界とする領域から見て凸形をなすことを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
5. 前記第１の電極は、前記レンズ構造体に入るイオンに対して第１の電界領域を形成する入口電極を含み、該入口電極は、前記レンズ構造体に入るイオンの領域から見て凸形をなしており、また、前記第２の電極は、前記入口電極を通過したイオンに対して第２の電界領域を形成する出口電極を含み、該出口電極は、前記入口電極を境界とする領域から見て凹形をなすことを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
6. イオンビーム経路に沿って伝播するイオンが最初に遭遇する電極は加速用の電極であり、前記イオンが２番目に遭遇する電極は減速用の電極であることを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
7. イオンビーム経路に沿って伝播するイオンが最初に遭遇する電極は減速用の電極であり、前記イオンが２番目に遭遇する電極は加速用の電極であることを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
8. 前記第１の電極および前記第２の電極は、前記第１の電極および前記第２の電極からそれぞれ離間しかつより低い電位を有する電極に関連して配置されており、それによって、前記イオンが通過する電圧ギャップを形成する第１の電界および第２の電界を発生することを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
9. 加工物の処理前に横方向に偏向されたイオンビームを有するイオン注入装置で使用するためのレンズ構造体であって、
   前記レンズ構造体は、該レンズ構造体に入るイオンの初期軌道からイオンを偏向するために、前記イオンが通過する領域を形成すると共に、前記レンズ構造体に入るイオンを偏向するために、イオンの伝播方向に沿って離間して配置され、かつ、イオンビームの幅を横断してビーム経路の両側に延びる第１の高電位電極および第２の高電位電極と、前記第１の高電位電極および前記第２の高電位電極よりも低い電位に保持され、かつ、前記第１の高電位電極および前記第２の高電位電極から離間して配置された、電圧ギャップを形成するための第１の基準電極および第２の基準電極を有しており、前記第１の高電位電極および前記第２の高電位電極の一方はイオンを加速し、前記第１の高電位電極および前記第２の高電位電極の他方は、前記イオンを減速し、これによって、前記レンズ構造体に入るイオンを、該イオンが前記レンズ構造体に入るときの軌道に関わらず、ほぼ同一の出口軌道で前記レンズ構造体から出射させることを特徴とするレンズ構造体。
10. 前記第１の高電位電極と前記第２の高電位電極に同一の電圧を印加する電源をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載のレンズ構造体。
11. イオン注入装置で使用するためのイオンビームを形成するための方法であって、
    イオン源材料から発生したイオンを加速してイオンビームを形成するステップと、
    前記イオンビーム中のイオンを制御された方法で横方向に走査して、幅を有する薄いイオンビームを形成するステップと、
    イオンの伝播方向に沿って離間して配置された第１の高電位電極および第２の高電位電極と、前記第１の高電位電極および前記第２の高電位電極のそれぞれに対して配置され、イオンが通過する際に該イオンを加速または減速するための電圧ギャップを形成する第１の基準電極および第２の基準電極によりレンズ構造体を形成すると共に、前記第１の高電位電極および前記第２の高電位電極に電圧を印加することによって、偏向領域に入るイオンを偏向するための電界を発生し、前記薄いイオンビームを構成するイオンが前記偏向領域に入るときに、該イオンを初期軌道から偏向するステップと、を含んでおり、
    前記第１の高電位電極および前記第２の高電位電極の一方によって発生する電界はイオンを加速し、前記第１の高電位電極および前記第２の高電位電極の他方によって発生する電界は、前記イオンを減速し、これによって、前記偏向領域に入るイオンを、該イオンが前記偏向領域に入るときの初期軌道に関わらず、ほぼ同一の出口軌道で前記偏向領域から出射させることを特徴とする方法。
12. 前記第１の高電位電極および前記第２の高電位電極は、前記薄いイオンビームの幅を横断する方向に対して曲線を形成しており、それによって、前記薄いイオンビームの幅を横断する方向に非均一な電界を発生することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記電圧ギャップに加速電界および減速電界を発生するために、前記第１の高電位電極と前記第２の高電位電極に同一の静電電圧を印加することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
14. 前記第１の高電位電極および前記第２の高電位電極と、前記第１の基準電極および前記第２の基準電極との間に印加されるバイアス電圧は、前記電圧ギャップにおいて、イオンが最初に加速され、その後減速されるように制御されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
15. 前記第１の高電位電極および前記第２の高電位電極と、前記第１の基準電極および前記第２の基準電極との間に印加されるバイアス電圧は、前記電圧ギャップにおいて、イオンが最初に減速され、その後加速されるように制御されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
16. 前記イオンビーム中のイオンを加速および減速するために、イオンビーム経路に沿って追加の高電位電極を配置することをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
17. 前記第１の高電位電極、前記第２の高電位電極、および前記追加の高電位電極は、イオンが通過する関連する電圧ギャップを形成するための関連する基準電極を有することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 前記追加の高電位電極は、直列に構成された複数のレンズ部を形成するように、前記イオンビームに対して前記第１の高電位電極および前記第２の高電位電極と同様に構成されており、前記追加の高電位電極、並びに、前記第１の高電位電極および前記第２の高電位電極に印加される電圧は、前記第１の高電位電極および前記第２の高電位電極のみを有する単一のレンズ部に対して必要な電圧レベルよりも低いことを特徴とする請求項１６に記載の方法。

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