JP5133253B2 - イオン注入装置のセグメント化された電界レンズを提供する技術 - Google Patents

Description

本開示は、概ね、イオン注入に関し、より詳しくは、イオン注入装置におけるセグメント化された静電レンズを提供する方法に関する。

半導体製造において、材料の導電性を選択的に変えるためにイオン注入装置が幅広く用いられている。典型的なイオン注入装置では、イオン源から生じたイオンは、１つ以上の分析マグネット、および、複数の電極を含む一連のビームライン構成要素を通じて導かれる。分析マグネットは、望ましいイオン種を選択し、コンタミネーションおよび不適当なエネルギーを有するイオンを除去して、ターゲットウェーハにおけるイオンビームの品質を調整する。適切な形状の電極は、イオンビームのエネルギーおよび形状を補正するのに用いられ得る。

図１は、イオン源１０２、引出電極１０４、９０度マグネットアナライザ１０６、第１の減速（Ｄ１）ステージ１０８、７０度マグネットアナライザ１１０、および、第２の減速（Ｄ２）ステージ１１２を含む既知のイオン注入装置１００を示す。Ｄ１およびＤ２減速ステージ（減速レンズとしても知られる）は、それぞれ、イオンビームが通過する定められたアパーチャを有する複数の電極を含む。これら複数の電極に異なる電位の組み合わせを印加することにより、Ｄ１およびＤ２減速レンズは、イオンエネルギーを操作し、ターゲットウェーハに望ましいエネルギーのイオンビームを照射することができる。

上記Ｄ１およびＤ２減速レンズは、一般的に、静電三極管（四極管）減速レンズである。図２は、従来の静電三極管減速レンズ２００の斜視図である。静電三極管減速レンズ２００は、複数の入口電極２０２（「ターミナル電極」とも呼ばれる）と、複数の抑制電極２０４（または「集束電極」）と、複数の出口電極２０６（「接地電極とも呼ばれるが、必ずしも接地されない」）との３組の電極を含む。従来の静電三極管減速レンズは、四極管レンズ抑制電極２０４と出口電極２０６との間に抑制電極（または集束電極）の追加の組を有することを除けば、静電三極管減速レンズ２００と同様である。

静電三極管減速レンズ２００では、それぞれの電極の組が（例えば、ビーム方向に沿った＋Ｚ方向に）イオンビーム２０を通過させる空間を有する。図２に示すように、電極の各組は、同じ電位を共有するよう互いに電気的に結合された２つの導電片を含み得る。あるいは、電極の各組は、イオンビーム２０を通過させるアパーチャを有する一枚構造であってもよい。そのような電極の各組は、事実上、単一の電位を有する単一の電極となる。説明を簡単にすべく、電極の各組は、単数とみなす。すなわち、複数の入口電極２０２は、１つの入口電極２０２とし、複数の抑制電極２０４は、１つの抑制電極２０４とし、複数の出口電極２０６は、１つの出口電極２０６とする。

動作中、入口電極２０２、抑制電極２０４、および、出口電極２０６は、イオンビーム２０のエネルギーが以下のように操作されるよう、別々にバイアスされる。イオンビーム２０は、入口電極２０２を介し静電三極管減速レンズ２００に入り、例えば、１０乃至２０ｋｅＶの初期エネルギーを有し得る。イオンビーム２０のイオンは、入口電極２０２と抑制電極２０４との間で加速され得る。抑制電極２０４に到達すると、イオンビーム２０は、例えば、ほぼ３０ｋｅＶかそれより高いエネルギーを有し得る。抑制電極２０４と出口電極２０６との間では、イオンビーム２０のイオンは、一般的に、ターゲットウェーハのイオン注入に用いられるのに近いエネルギーまで減速され得る。したがって、イオンビーム２０は、静電三極管減速レンズ２００を出るとき、例えば、ほぼ３乃至５ｋｅＶまたはそれより低いエネルギーを有し得る。

静電三極管減速レンズ２００におけるイオンエネルギーに著しい変化があると、イオンビーム２０の形状に相当な影響を及ぼし得る。図３は、静電三極管減速レンズ２００の上面図を示す。周知のように、空間電荷効果は、高エネルギーイオンビームより低エネルギーイオンビームにおいて顕著に見られる。したがって、イオンビーム２０が入口電極２０２と抑制電極２０４との間で加速される場合、イオンビーム２０の形状にはほとんど変化が見られない。しかしながら、抑制電極２０４と出口電極２０６との間でイオンエネルギーが大幅に低下すると、イオンビーム２０の辺部は、ＸおよびＹ両次元に広がる傾向にある。その結果、相当数のイオンがターゲットウェーハに到達する前に失われ、イオンビーム２０の有効線量は減少する。

静電三極管レンズにおける上記空間電荷効果を抑制しようと試みられてきた。１つの方法としては、静電三極管減速レンズにおける各電極に、当業者にはよく知られているピアスジオメトリが導入される。すなわち、静電三極管レンズ内部の電界がイオンビームの辺部で空間電荷拡散効果を打ち消す集束力を生成するよう、各電極は、その先端を定められた角度に曲げられる。しかしながら、この方法では、イオンビーム形状を制御する上で、ある程度の成果を得られるに過ぎない。形状が変化してもなお、各電極は、単一の電位でバイアスされた１つの導電片のままである。その結果、イオンビームの辺部における集束力の生成は、電極に印加される全体の電位により抑制される。さらに、電極のある特定の形状は、１つの特定のビーム形状のみの調整、または、そのイオンビームの調達に役立つ。

上記に鑑み、上記欠点および短所を克服する静電レンズを提供する技術が望まれる。

イオン注入装置におけるセグメント化された静電レンズを提供する技術が開示される。１つの特定の例示的実施形態では、本技術は、イオン注入装置で用いられる静電レンズとして実現し得る。レンズは、第１の電位でバイアスされた入口電極を含み、この入口電極を通ってイオンビームが静電レンズに入る。レンズは、第２の電位でバイアスされた出口電極も含み、この出口電極を通ってイオンビームが静電レンズを出る。レンズは、さらに、入口電極と出口電極との間に配置された抑制電極を含み、この抑制電極は、イオンビームのエネルギーおよび形状を操作すべく個別にバイアスされる複数のセグメントを有する。

この特定の例示的実施形態の他の側面によれば、抑制電極と入口電極との間に第１の組の静電界が生成されてよく、この第１の組の静電界は、第１の電位に向かうイオンビームを加速させる。抑制電極と出口電極との間には第２の組の静電界が生成されることができ、この第２の組の静電界は、第２の電位に向かうイオンビームを減速させる。一実施形態によれば、入口電極、出口電極、および、抑制電極は、イオン注入装置内でリボン状イオンビームに第１（または第２）の減速ステージを提供するようバイアスされてよい。

この特定の例示的実施形態のさらなる側面によれば、複数のセグメントは、少なくとも１つの中心電極、および、少なくとも２つのサイド電極を含み得る。少なくとも１つのセンター電極は、イオンビームのエネルギーを操作するようバイアスされてよく、少なくとも２つのサイド電極は、少なくとも１つの中心電極とは別にバイアスされることにより、イオンビームの広がりを補正し得る。少なくとも２つのサイド電極は、イオンビームの辺部付近の空間電荷効果を相殺するようバイアスされてよい。少なくとも２つのサイド電極は、少なくとも１つの中心電極に関し対称的に配置されてよい。また、少なくとも２つのサイド電極は、対称的にバイアスされてもよい。

この特定の例示的実施形態のさらなる側面によれば、複数のセグメントは、少なくとも１つの中心電極と、外部の静電界から保護する２つ以上のエンド電極を含む。

この特定の例示的実施形態のさらなる側面によれば、イオンビームは、リボン形状であってよく、静電レンズは、リボン状イオンビームを収容し得る。

この特定の例示的実施形態のさらなる側面によれば、静電レンズの少なくとも１つの電極は、静電レンズ内部の電界をさらに変える湾曲辺を有し得る。

この特定の例示的実施形態のさらなる側面によれば、抑制電極は、１つの中心電極と、該中心電極の両側に対称的に配置された２つのサイド電極とを含み得る。あるいは、抑制電極は、１つの中心電極と、該中心電極の両側に非対称的に配置された２つのサイド電極とを含み得る。

静電レンズは、抑制電極と出口電極との間に追加の抑制電極をさらに含んでよい。

他の特定の例示的実施形態では、技術は、イオン注入装置に用いられる静電レンズを提供する方法として実現し得る。この方法は、第１の電位でバイアスされた入口電極を提供することを含む。方法は、また、第２の電位でバイアスされた出口電極を提供することも含む。方法は、さらに、入口電極と出口電極との間に配置された、複数のセグメントを有する抑制電極を提供することを含む。方法は、また、抑制電極における複数のセグメントを個別にバイアスすることにより、入口電極を通って静電レンズに入り、出口電極を通って静電レンズを出て行くイオンビームのエネルギーおよび形状を操作する電界を生成する。

この特定の例示的実施形態の他の側面によれば、電界は、イオンビームのエンベロープの角形状を操作し得る。

この特定の例示的実施形態のさらなる側面によれば、複数のセグメントは、少なくとも１つの中心電極と、少なくとも２つのサイド電極とを含み得る。少なくとも１つの中心電極は、イオンビームのエネルギーを操作するようバイアスされ、少なくとも２つのサイド電極は、イオンビームの広がりを補正するよう、少なくとも１つの中心電極とは別にバイアスされてよい。方法は、さらに、イオンビームの辺部付近の空間電荷効果を相殺するよう少なくとも２つのサイド電極をバイアスすることを含んでよい。方法は、また、少なくとも１つの中心電極に関し対称的に少なくとも２つのサイド電極を位置決めしてバイアスすることを含み得る。

この特定の例示的実施形態のさらなる側面によれば、方法は、抑制電極と出口電極との間に追加の抑制電極を提供することをさらに含み得る。

以下、添付の図面に示されるように、例示的実施形態を参照して本開示をさらに詳細に説明する。本開示は、例示的施形態を参照して説明されるが、それに制限されないと理解されたい。本願明細書中の教示に接する機会のある当業者であれば、他の使用分野のみならず、追加的な実装、修正、実施形態も理解できるであろうし、それらは、本願明細書中に記載される本開示の範囲に含まれ、本開示の重要な有用性に関する。

本開示のより完全な理解を促すべく、添付の図面を参照されたい。同様の構成要素には、同様の参照符号が付される。これらの図面は、本発明を限定するよう解釈されるべきでなく、単なる例と意図される。

従来のイオン注入装置を示す。

従来の静電三極管レンズとそれが抱える課題を示す。

本開示の一実施形態における静電三極管レンズの斜視図である。

本開示の一実施形態における静電レンズの上面図である。

本開示の一実施形態における他の静電レンズの上面図である。

本開示の一実施形態におけるさらなる静電レンズの斜視図である。

本開示の一実施形態におけるさらなる静電レンズの斜視図である。

本開示の実施形態は、１つ以上のセグメント化された抑制電極を有する改良型静電レンズを示す。それらの電極は、それぞれ個別にバイアスされる複数のセグメントを含み、それによって、イオンビームのエネルギーおよび形状を柔軟かつ有効に操作し得る。

図４を参照すると、本開示の一実施形態に従う静電レンズ４００の斜視図が示されている。静電レンズ４００は、従来の静電三極管レンズと幾分似通っており、入口電極４０２、および、出口電極４０６を含み得るが、単一の抑制電極ではなく、入口電極４０２と出口電極４０６との間に複数の電極（まとめて「抑制電極４０４」と称する）を含んでよい。換言すると、単一の抑制電極だったものは、静電レンズ４００内に望ましい電界を生成するよう個別に位置決めされてバイアスされ得る複数の電極（またはセグメント）にセグメント化されてよい。典型的な静電レンズ４００では、抑制電極４０４は、中心電極４０４ａ、および、２つのサイド電極４０４ｂ、４０４ｃという３つの電極にセグメント化されるか、あるいは、これら３つの電極を含み得る。サイド電極４０４ｂおよび４０４ｃは、中心電極４０４ａに関し対称的に位置決めされてよい。入射するイオンビームの形状、および、望ましい形状変化次第で、入口電極４０２と抑制電極４０４との間のギャップ４０３は、定められた曲率を有する輪郭を有し得る。同様に、抑制電極４０４と出口電極４０６との間のギャップ４０５も、定められた曲率を有する輪郭を有し得る。

図５は、本開示の一実施形態における静電レンズ４００の上面図を示す。イオンビーム４０は、入口電極４０２を通り静電レンズ４００に入る。イオンビーム４０は、ｙ方向の高さよりｘ方向の幅の方が大きいリボン状イオンビームであってよい。イオンビーム４０は、例えば、ほぼ１０乃至２０ｋｅＶの初期エネルギーを有し得る。イオンビーム４０が主に正イオンからなると仮定すると、入口電極４０２は、入射イオンビーム４０と同じまたは同様の電位でバイアスされてよく、セグメント化された抑制電極４０４の中心電極４０４ａは、入口電極４０２よりかなり低い電位でバイアスされ得る。例えば、一実施形態によれば、入口電極４０２は、２２ｋＶでバイアスされてよく、中心電極４０４ａは、−１１ｋＶでバイアスされてよい。その結果、強い電界が生じ、正イオンは、入口電極４０２から抑制電極４０４へと向かうにしたがい加速されていく。出口電極４０６は、イオンビーム４０を受けるターゲットウェーハと同じまたは同様の電位でバイアスされる。例えば、この実施形態では、出口電極４０６は、グラウンド電位でバイアスされ、イオン４０をほぼ３乃至５ｋｅＶまたはそれより低いエネルギーまで減速させる。他の実施形態では、入口電極４０２は、−１２ｋＶでバイアスされ、セグメント化された抑制電極４０４の中心電極４０４ａは、−２ｋＶでバイアスされ、出口電極４０６は、グラウンド電位でバイアスされ得る。その結果、ほぼ１５ｋｅＶの初期エネルギーをもつイオンビーム４０は、減速レンズ４００を出ると即座にほぼ３ｋｅＶまで減速され得る。また、サイド電極４０４ｂおよび４０４ｃは、中心電極４０４ａとは別に位置決めおよび／またはバイアスされ、イオンビーム４０の形状に望ましい補正をもたらす。イオン注入装置における特定の用途（例えば、図１に示すＤ１またはＤ２減速レンズなど）により、静電レンズ４００は、イオンビーム４０の広がり角を調整するか、または、イオンビーム４０の幅を変更するか、あるいは、どちらも行うようにできる。それに応じて、サイド電極４０４ｂおよび４０４ｃは位置決めされてバイアスされる。この実施形態における静電レンズ４００の主な目的は、イオンビーム４０の広がり角を小さくすることである。したがって、サイド電極４０４ｂおよび４０２ｃは中心電極４０４ａと同じ面に配置され、中心電極４０４ａに関し対称的に位置決めされる。サイド電極４０４ｂおよび４０４ｃは、どちらも−８．５ｋＶでバイアスされ、それによって空間電荷の非集束効果を補償する集束力がイオンビーム４０の辺部に沿って生じる。その結果、イオンビーム４０は、抑制電極４０４および出口電極４０６との間で減速された後、少し広がるかまたはまったく広がらない。さらに、電極の曲率は、集束または非集束力を生じさせるよう、（例えば、ギャップ４０３および４０５における）電界を望みどおりにさらに調整することができる。

説明の便宜上、静電レンズ４００の各電極における上下の部分は、同じ形状で同じバイアスを取るとしていることに留意されたい。しかしながら、これは、イオンビームが対称であるかまたはｙ方向に広がらない場合のみ必要とされる事柄である。本願明細書中に記載される静電レンズ技術は、ｘ方向にもｙ方向にも適用され得る。また、静電四極管レンズにおける抑制電極のいずれかまたは両方とも本願明細書中に記載されるようにセグメント化され得る。

図６は、本開示の一実施形態に従う静電レンズ６００の上面図を示す。静電レンズ６００は、入口電極６０２、抑制電極６０４、および、出口電極６０６を含み得る。なお、抑制電極６０４は、中心電極６０４ａ、および、４つのサイド電極６０４ｂ、６０４ｃ、６０４ｄ、６０４ｅの５つのセグメントを含む。サイド電極は、中心電極６０４ａと同じ平面内にあってよい。サイド電極６０４ｂおよび６０４ｃは、中心電極６０４ａに関し対称的に位置決めされてよい。同様に、サイド電極６０４ｄおよび６０４ｅは、中心電極６０４ａに関し対称的に位置決めされてよい。中心電極６０４ａが入口電極６０２に対しバイアスされることにより入射するイオンビーム６０は加速され、また、中心電極６０４ａが出口電極６０６に対しバイアスされることにより、そのイオンビーム６０は減速される。一実施形態によれば、サイド電極６０４ｂおよび６０４ｃは、中心電極６０４ａにおける電位とは別の第１の電位を共有し得る。同様に、サイド電極６０４ｄおよび６０４ｅは、第１の電位とは別の第２の電位、または、中心電極６０４ａの電位を共有してもよい。

図４、５に示される３セグメント構造、および、図６に示される５セグメント構造のどちらにおいても、個別にバイアスされる電極に印加される実際の電位は、数学的モデルに基づきコンピュータで決定されるか、または、バイアス電圧の調整および角度応答関数の測定を繰り返すことにより実験的に決定される。あるいは、バイアス電圧の決定において、コンピュータによる方法、および、実験的方法を組み合わせてもよい。一実施形態によれば、計算時間または調整時間を節約すべく、抑制電極のセグメント数は増やさないのが望ましい。

図７は、本開示の一実施形態に従う静電レンズ７００の斜視図である。静電レンズ７００は、入口電極７０２、抑制電極７０４、および、出口電極７０６を含み得る。抑制電極７０４は、中心電極７０４ａおよびエンド電極７０４ｂを含み得る。中心電極７０４ａが第１の電位でバイアスされる一方で、エンド電極７０４ｂは、第２の電位でバイアスされ得る。一実施形態によれば、このような構成は、図１に示すようなＤ２減速レンズでも用いられ得る。イオンビームは、Ｄ１減速レンズのときよりＤ２減速レンズのときのほうがより広く高くなり得る。イオンビームの幅、および、広がり角の両方を調整することが望ましいかもしれない。適切にバイアスされたエンド電極７０４ｂは、イオンビームの幅および広がり角を小さくするために必要な集束力を提供し得る。また、エンド電極７０４ｂは、不必要な電磁妨害を遮断する。

図８は、本開示の一実施形態における静電レンズ８００の斜視図である。静電レンズ８００は、入口電極８０２、抑制電極８０４、および、出口電極８０６を含み得る。抑制電極８０４は、中心電極８０４ａと、サイド電極８０４ｂおよび８０４ｃと、エンド電極８０４ｄとを含み得る。静電レンズ７００と比べ、静電レンズ８００は、さらにサイド電極８０４ｂおよび８０４ｃを含むので、電界を成形する能力はより高くなる。一方、追加のサイド電極８０４ｂおよび８０４ｃは、対応する追加変数も意味してよい。

本開示は、本願明細書中に記載される特定の実施形態によって範囲を限定されない。実際に、当業者にとっては、本願明細書中に記載される実施形態に加え、他のさまざまな実施形態および本開示への修正も上記説明および添付の図面から明らかであろう。したがって、そのような他の実施形態および修正は、本開示の範囲内に含まれるものと意図する。さらに、本開示は、特定の目的のための特定の環境における特定の実施という状況で説明されてきたが、当業者であれば、その有用性を限定するものではなく、本開示は、いかなる目的のためのあらゆる環境においても有益に実施し得ると理解できよう。したがって、添付の請求項は、本願明細書中に記載される本開示の全範囲に鑑みて解釈されるべきである。

Claims (20)

1. イオン注入装置で用いられる静電レンズであって、
   第１の電位でバイアスされた入口電極と、
   第２の電位でバイアスされた出口電極と、
   前記入口電極と前記出口電極との間に配置され、イオンビームのエネルギーおよび形状を操作するよう個別にバイアスされる複数のセグメントを含む抑制電極と、
   を含み、
   前記イオンビームは、前記入口電極を通って前記静電レンズに入り、前記出口電極を通って前記静電レンズを出る、
   前記複数のセグメントは、
   中心電極と、
   前記中心電極の両端側に前記中心電極に対して垂直に延伸するように配置された複数のエンド電極と、
   を含む
   静電レンズ。
2. 前記抑制電極と前記入口電極との間には第１の組の静電界が生成され、該第１の組の静電界は、第１の電位に向かう前記イオンビームを加速させ、
   前記抑制電極と前記出口電極との間には第２の組の静電界が生成され、該第２の組の静電界は、第２の電位に向かう前記イオンビームを減速させる、
   請求項１に記載の静電レンズ。
3. 前記複数のセグメントは、少なくとも２つのサイド電極を更に含み、
   それぞれのサイド電極は、前記中心電極と前記複数のエンド電極のうちの１つとの間に、前記中心電極に対して平行に配置され、
   前記中心電極は、前記イオンビームの前記エネルギーを操作するようバイアスされ、前記少なくとも２つのサイド電極は、前記イオンビームの広がりを補正するよう、前記中心電極とは別にバイアスされる、請求項１または２に記載の静電レンズ。
4. 前記少なくとも２つのサイド電極は、前記イオンビームの辺部付近の空間電荷効果を相殺するようバイアスされる、請求項３に記載の静電レンズ。
5. 前記少なくとも２つのサイド電極は、前記中心電極に関し対称的に配置される、請求項３または４に記載の静電レンズ。
6. 前記少なくとも２つのサイド電極は、対称的にバイアスされる、請求項５に記載の静電レンズ。
7. 前記複数のエンド電極は、外部の静電界を遮断する、
   請求項１から６の何れか１項に記載の静電レンズ。
8. 前記イオンビームは、リボン状イオンビームであり、前記静電レンズは、前記リボン状イオンビームを調整する、請求項１から７の何れか１項に記載の静電レンズ。
9. 前記電極の少なくとも１つは、前記静電レンズ内の電界をさらに変更する湾曲辺を有する、請求項１から７の何れか１項に記載の静電レンズ。
10. 前記少なくとも２つのサイド電極は、前記中心電極の両側に対称的に配置される請求項３から５の何れか１項に記載の静電レンズ。
11. 前記少なくとも２つのサイド電極は、前記中心電極の両側に非対称的に配置される請求項３から５の何れか１項に記載の静電レンズ。
12. 前記抑制電極と前記出口電極との間に追加の抑制電極をさらに含む、請求項１から１１の何れか１項に記載の静電レンズ。
13. 前記入口電極、前記出口電極、および、前記抑制電極は、前記イオン注入装置におけるリボン状イオンビームに第１の減速ステージを提供するようバイアスされる、請求項１から１２の何れか１項に記載の静電レンズ。
14. 前記入口電極、前記出口電極、および、前記抑制電極は、前記イオン注入装置におけるリボン状イオンビームに第２の減速ステージを提供するようバイアスされる、請求項１から１２の何れか１項に記載の静電レンズ。
15. イオン注入装置で用いられる静電レンズを提供する方法であって、
    第１の電位でバイアスされる入口電極を提供することと、
    第２の電位でバイアスされる出口電極を提供することと、
    前記入口電極と前記出口電極との間に配置され、複数のセグメントを含む抑制電極を提供することと、
    前記抑制電極における前記複数のセグメントを個別にバイアスすることにより、前記入口電極を通って前記静電レンズに入り、前記出口電極を通って前記静電レンズを出るイオンビームのエネルギーおよび形状を操作する電界を生成することと、
    を含み、
    前記複数のセグメントは、
    中心電極と、
    前記中心電極の両端側に前記中心電極に対して垂直に延伸するように配置された複数のエンド電極と、
    を含む
    方法。
16. 前記電界は、前記イオンビームのエンベロープの角形状を操作する、請求項１５に記載の方法。
17. 前記複数のセグメントは、少なくとも２つのサイド電極を更に含み、
    それぞれのサイド電極は、前記中心電極と前記複数のエンド電極のうちの１つとの間に、前記中心電極に対して平行に配置され、
    前記中心電極は、前記イオンビームの前記エネルギーを操作するようバイアスされ、前記少なくとも２つのサイド電極は、前記イオンビームの広がりを補正するよう前記中心電極とは別にバイアスされる、請求項１５または１６に記載の方法。
18. 前記イオンビームの辺部付近の空間電荷効果を相殺するよう、前記少なくとも２つのサイド電極をバイアスすることをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記中心電極に関し対称的に前記少なくとも２つのサイド電極を位置決めしてバイアスすることをさらに含む、請求項１７または１８に記載の方法。
20. 前記抑制電極と前記出口電極との間に追加の抑制電極を提供することをさらに含む、請求項１５から１９の何れか１項に記載の方法。

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