JP5393465B2 - イオン注入装置のためのセンサ - Google Patents

Description

本発明は、ファラデーからの材料の生成速度を抑えることによって、処理チャンバにおける堆積速度を下げ、結果として必要なメンテナンスの頻度を抑える、イオン注入装置に使用するための改良されたセンサに関する。

イオンビームを用いたウエハに対する照射によるシリコンウエハの処理に、イオン注入装置類を使用することができる。上記のようなイオンビーム処理の一つの使用として、制御濃度の不純物を用いてウエハを選択的にドープして、集積回路類の製造中に半導体を生成することが挙げられる。

一般的なイオン注入装置は、イオン源、イオン取り出し装置、質量分析装置、ビーム輸送装置、および、ウエハ処理装置を備える。イオン源は、所望の原子または分子のドーパント種のイオンを生成する。典型的には、イオン源からの各イオンの流れを加速する、および、上記各イオンの流れを方向付ける各電極のセットであるイオン取り出しシステムによって、上記各イオンがイオン源から取り出される。所望の各イオンは、質量分析器、典型的には、取り出されたイオンビームの質量分散を行う磁気双極子において、イオン源からの副産物類から分離される。ビーム輸送装置、典型的には各焦点調整装置の光学縦列を含む真空システムは、上記イオンビームをウエハ処理装置に輸送し、一方で、上記イオンビームの所望の各光学特性を維持する。最後に、半導体ウエハ類がウエハ処理装置内に取り付けられる。

バッチ処理のイオン注入装置類は、イオンビームに曝される複数の各シリコンウエハを移動させるための回転式盤状の支持体を備える。この支持体がイオンビームに曝されるようにウエハを回転させるにつれ、上記イオンビームが上記ウエハの表面に衝突する。

直列式の各イオン注入装置は、一度に一枚のウエハを処理する。上記ウエハ類がカセット内に支持されるとともに、一度に一個が引き出され、支持体上に載置される。上記ウエハは、その後、注入配向において向きが調整されて、上記イオンビームが単一のウエハに当たるようになる。これら直列式の各イオン注入装置は、上記イオンビームの初期軌道からイオンビームを偏向させるのにビーム整形機器を使用する。上記イオン注入装置類は、また、全ウエハ面を選択的にドープもしくは処理するために、適合化されたウエハ支持移動機構と併せて使用されることもある。

イオンビーム電流を計測するのにファラデーカップ類を用いる。これらのファラデーカップ類は、注入チャンバの上流もしくはイオンビーム電流を測定する被加工製品支持体の後方領域のいずれかにおいて、イオンビームの中に周期的に挿入される。ペトリらによる米国特許公報第６，９９２，３０９号明細書には、制御されたイオンビームの経路に沿った上記イオンビームの移動のために搭載されたファラデーカップを有する線量測定システムが記載されている。米国特許公報第６，９９２，３０９号の開示内容は、参照することによって本明細書に組み込まれている。

米国特許公報第６，９９２，３０９号

半導体処理ツールは、被加工製品に当たるようにイオンビームを導くことによって被加工製品を処理するための真空領域を有する。上記のようなツールのあるものは、イオン源と、イオンビームにおける各イオンを上記イオン源から被加工製品支持体に輸送するためのビーム輸送構造とを備える。被加工製品支持体は、注入チャンバ内に配置されている。イオン源から注入チャンバへの輸送経路は、注入チャンバと同様に低圧である。

センサは、導電性基板と、上記導電性基板に電気的に結合されたマスクとを備える。上記マスクは、イオンビームを形成するイオンを各領域または各区画に分離するものである。上記マスクは、上記センサにおける前方領域から上記基板に伸びる各壁を有する。これらの各壁は、上記センサに到達する各イオンが、上記処理ツールにおける真空領域に再び入るのを防止する。

本発明の開示のさらなる特徴は、本発明の技術分野に係る当業者であれば、添付の図面を参照しつつ下記の明細書を読むことによって明らかになるだろう。

支持体上に搭載されたシリコンウエハなどの被加工製品のイオンビーム処理のためのイオン注入装置を示す概略上面図である。 ビーム電流を感知するためのセンサを示す分解斜視図である。 図２に示された上記センサの前面図である。 図３における線４−４によって規定された平面から見た矢視断面図である。 図３における線５−５によって規定された平面から見た矢視断面図である。 図２の上記センサを示す側面図である。 図２の上記センサを示す背面図である。 本発明に用いる制御システムを示す概略ブロック図である。

図面に関して言えば、図１は、イオンビーム注入装置１０の概略図である。上記イオンビーム注入装置は、イオンビーム１４を形成する各イオンを生成するためのイオン源１２を備える。上記イオンビーム１４は、整形されるとともに選択的に偏向されて、ビーム経路の末端すなわち注入ステーション２０まで移動する。上記注入ステーションは、内部領域を規定する真空つまり注入チャンバ２２を備える。上記注入チャンバ２２の内部において、半導体ウエハなどの被加工製品が、イオンビーム１４を形成する各イオンによる注入（打ち込み）のために配置される。

制御部の各電子機器（図８）は、イオン注入装置内の被加工製品が受けるイオン注入量を測定および制御するために設けられる。上記制御部の各電子機器に対するオペレータ入力は、上記注入ステーション２０の近くに配置されたユーザ制御卓（図示せず）を介して行われる。

上記イオンビーム１４における各イオンは、上記ビームが上記イオン源と上記注入チャンバとの間の領域を移動するにつれ、拡散する傾向がある。上記拡散を抑えるために、上記領域は、上記イオンビーム経路と流体連通している１つ以上の真空ポンプ２７によって低圧に維持されている。

上記イオン源１２は、内部領域を規定するプラズマチャンバを備えており、上記プラズマチャンバの中に、原料物質が投入される。この原料物質は、イオン化ガスまたは蒸気化された原料物質を含んでいてもよい。上記プラズマチャンバ内で生成された各イオンは、イオンビーム取り出しアセンブリ２８によって上記プラズマチャンバから取り出される。上記イオンビーム取り出しアセンブリ２８は、イオン加速電界を生成するための多数の各金属電極を備える。

上記イオンビーム１４の経路に沿って、分解用電磁石３０が、上記イオンビーム１４を屈曲させ、上記各イオンを方向付けて、ビーム中性化装置３２を通るように配置される。ビーム中性化装置は、上記イオンビームの中に各電子を投入して、上記イオンビームのブローアップを抑制するので、システムにおけるイオン輸送効率が向上する。上記ビーム中性化装置３２の下流側において、上記イオンビーム１４は、最小ビームウエストを規定する開口プレートである解像度用の開口部３６を通過する。解像度用の開口部から出る上記イオンビーム１４は、用途に適した大きさおよび形状となっている。

ウエハクランプとして知られる被加工製品支持体４０は、ポンプ（図示せず）と流体連通するポート４２に関連する位置（面する位置）に設けられる。ウエハは、支持体に対して静電的に固定されているとともに、ウエハを上方に回転させて上記イオンビームの中に設置し、その後、イオンビーム１４を基準として上下および左右に被加工製品をそれぞれ移動させる。上記各移動のシークエンスは、被加工製品２４の全注入面が均一にイオン注入されるように構成されている。典型的な用途としては、制御されたドーパント濃度によってウエハをドープするために、上記ウエハを処理することがある。注入チャンバの内部領域は真空排気されているので、被加工製品はロードロック５０を通ってチャンバに出入りする必要がある。本一実施形態によると、注入チャンバ２２内に配置されたロボットが、ロードロックまで、および、ロードロックから、ウエハ被加工製品を移動させる。ロボットは、アームを用いて、ロードロックから被加工製品支持体までウエハを移動させる。上記アームは、ロードロックの内部に到達し、注入チャンバにおける真空領域内部での移動のために被加工製品を把持する。注入の前に、被加工製品支持体の構造が、注入のために垂直または垂直に近い位置まで被加工製品を回転させる。被加工製品２４が垂直である場合、すなわち、上記イオンビーム１４を対して、被加工製品２４の表面の法線位置である場合、上記イオンビームと上記被加工製品の表面に対する法線との間である注入角または入射角は、０度である。

一般的な注入操作において、ドープされていない被加工製品（主に半導体ウエハ）が、チャンバ外のロボットによって、多数の各カセットのうちの１つから取り出される。このロボットが、被加工製品がロードロックの中にて所定の適切な向きとなるように、上記被加工製品を移動させる。ロードロックが閉じられ、ポンプによって所望の真空まで下げられる。そして、ロードロックが注入チャンバ２２に開口する。チャンバロボットのロボットアームが、被加工製品２４を把持し、それを注入チャンバ２２の中に運び、被加工製品支持体の構造における静電クランプ上、または、上記支持体の構造におけるチャック上に載置する。

静電クランプは、注入の間に被加工製品２４を定位置に保持するように作動される。適した静電クランプは、ブレークらの１９９５年７月２５日に特許された米国特許公報第５，４３６，７９０号、および、ブレークらの１９９５年８月２２日に特許された米国特許公報第５，４４４，５９７号において開示されており、この両特許は、本発明の譲受人に譲渡されている。上記各特許公報の両方が、それらの個々の全体について参照することによって本明細書に組み込まれている。

イオンビームが上記被加工製品２４を処理した後、被加工製品支持体の構造が被加工製品２４を水平の向きまで戻し、静電クランプは、被加工製品の固定を開放する。上記イオンビーム処理の後でチャンバロボットが被加工製品を把持し、それを支持体からロードロックの中に戻すように移動させる。注入チャンバ２２の外にあるロボットのロボットアームが、注入処理された被加工製品２４を、ロードロックから、貯蔵カセットのうちの一つ戻すように移動させる。上記カセットとは、最も一般的には、被加工製品２４が初めにそこから引き出されたカセットである。

〔ファラデーカップ〕ファラデーカップのセンサ１１０は、被加工製品支持体４０の後方領域１１２において、イオンの注入チャンバ２２の内壁に搭載されている。図２に示された分解斜視図において、上記センサ１１０は、導電性基板１２０と、該導電性基板１２０と電気的に結合されたマスク構造１２２とを備えるように図示されている。

上記マスク構造１２２は、入射されたイオンビームを分割し、そのイオンビームを、各中間壁１３２によって境界付けられた、基板１２０に向かう複数の各経路（各チャネル）１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃなど（図５）の中に送り、実質的には、互いに近接した多数の非常に深さが深い各ファラデーカップを形成する。上記各中間壁は、上記マスク構造の前縁、つまり、上記マスク構造における入射口１３４から上記基板１２０まで延伸している。上記各中間壁１３２は、上記イオンビームにおける各イオンが基板にて反射すること、および、処理ツールにおける真空領域に再入射することを防止する。上記各中間壁１３２は、また、基板から離脱した材料が、ファラデーカップのセンサ１１０からイオンの注入チャンバ２２の中に噴出することを防止する役割を果たす。

ファラデーカップのセンサ１１０は、イオンビームを包囲する内部境界部１４２を備える、前板つまり入口板１４０を有する。上記内部境界部によって、各イオンが注入チャンバにおける注入領域を通過してマスク／基板の連結部に衝突することができる。マスク構造１２２と入口板１４０との間に多数の各磁石１５０が搭載されている。これらの各磁石１５０は、長方形状の磁石支持体１５２に搭載されている。上記各磁石は、基板またはマスクに対する各イオンの衝突時に生成される各電子が、注入チャンバ２２の中に逆流することを妨げる。上記各磁石が生成する磁界は、上記各磁石の間のギャップ１５４においてほぼ均一であり、各電子を側面側に偏向させる。この領域における各電子は、ファラデーカップにおける各側壁１５６に向かって偏向される。

上記基板１２０は、イオンビームに相対する位置に上記マスク構造１２２を支持するとともに、各側壁１５６および後壁１５７を有する。上記各側壁１５６および後壁１５７は、上記マスク構造を境界付けるカップを規定するとともに、磁石支持体１５２およびセンサ１１０のための筺体１６０内部に嵌合する。上記筺体は、その各角部において各凸部１６２が規定されており、これらの各凸部は、対応するねじ式コネクタを収容するねじ式開口部を有する。ねじ式コネクタは、注入チャンバ２２の各壁から離れた側の面上で、入口板１４０における開口部を通る。チャンバの壁に対向するこれらの各凸部１６２における同様のねじ式開口部は、センサをチャンバの内壁に接続させる取り付け板１６４を通した各コネクタと歯合する。

注入管１６６および排出管１６７によって、センサ１１０の上記領域の内部に水が送られる。上記注入管および排出管は、冷却液（典型的には、水）をヒートシンク１７０に入り、出てくるように上記冷却液を導くとともに、基板１２０における後壁１７４に隣接するヒートシンク１７０における熱吸収部１７２を通るように冷却液を送るための経路を規定する。図５から最もはっきりとわかるように、流体コネクタ１７６がヒートシンク１７０に接続されており、取り付け板１６４における開口部１８０を通って伸びている。クイック切断連結部は、チャンバ外の地点における大気圧において、容易に接続および切断される。

幾つかの各イオン注入方法では、傾斜注入が必要とされる。上記傾斜注入の各要件を満たすために、処理用の注入チャンバ２２が図１の垂直軸を中心として回転し、イオンビームに対する被加工製品の角度を変える。上記マスク構造の利点を維持するために、高注入角においても、ファラデーカップの構造における第二領域は、角度が付けられて形成されている。

図５から最もはっきりとわかるように、上記マスク構造は、各側面部Ｐ１、Ｐ２に分けられる２つの各側面部を有する。これら各側面部は、２つの代替的な各マスク形態を説明するために図示されている。代替的な各形態において、全経路が同じ構造でできている。しかし、センサの操作において、単一マスクにおける代替的設計の使用を妨げるものではない。左側において（図５からわかるように）、上記マスク構造は、各経路１３０ａ、１３０ｂなどを規定して、上記基板に各イオンが達することを妨害しない経路を提供する。上記マスク構造の右側において、経路１９０ａ、１９０ｂなどは、上記マスク構造における入射口１３４の前側表面に対して（約３０度〜３５度）傾斜された各中間壁１９２によって境界付けられている。この角度は、高注入角の最も広範囲に渡って、既定の配置に関して最良の結果が得られるように選択される。

図１に戻ると、被加工製品の位置とほぼ合致するｙ軸を中心として支持体４０とともに注入チャンバ２２の全体が回転する。これによって、上記イオンビーム１４とウエハ被加工製品との間の入射角を調節できる。上記回転が起こると、上記センサ１１０が別の位置に向かって旋回する。図５からわかるように、上記イオンビーム１４と被加工製品との間の入射角が直角であるとき、センサ部Ｐ１における左側の位置において、（経路から外れた支持体４０によって）ビームがセンサ１１０に当たる。チャンバがその極度の左回り位置まで回転されるとき、ビームは該部分の右側に沿って部分Ｐ２に当たる。２つの異なる部分が図示されているが、２つを超える、互いに異なる各角度を使用することができ、例えば、マスク構造の幅方向に対して交差する各角度の連続体を使用できることがわかる。

例示の実施形態において、上記マスク構造および上記基板の両方がグラファイトから形成されている。上記両方が互いに電気的に接続されており、イオン衝撃による電流は、センサ１１０に接続された導体２１０を通って接地に送られる。２つの各増幅器２１２、２１４を有する可変利得電流センサが、この導体２１０を通る電流を測定し、電流を電圧に変換する。電流センサからの出力は、Ａ／Ｄ変換器２１６に結合されるとともに、制御部２２０に上記電流の大きさを表示する。上記制御部２２０は、支持体が注入処理のためにウエハ被加工製品をビームの中に配置するとき、イオンビームパラメータを調整してイオン注入量を制御するのに使用される。

前線面領域の最小化と上記各経路の直径面比率に対する深さの最大化との間の最適化が、最も効率的なマスク構造をもたらす。ツールにおける物理的空間、製造可能性、材料の選択、および、材料の特性などの制約が、この最適化において極めて重要な役割を果たす。製造が容易であるので、略円筒形の中間壁を有する円形経路が好ましい。イオンを集める点において六角形の形態の方が円形経路より効率的であり得るが、構築がそれより困難になり得る。正方形の形態は、円形経路より構築が容易であり得るが、それより効率的でない可能性がある。本発明の目的は、注入チャンバ２２の領域において過度の浸食無しにて、イオン捕捉を最大化させるとともに、後方散乱を抑えることにある。特定の配置、材料の選択、および、用途によって、マスク構造の最適寸法が決められる。

ある程度の具体性をもって本発明の例示の実施形態を説明したが、添付の請求項の本質または範囲内であれば、この実施形態からの変更および修正が本発明に含まれることがわかるだろう。

Claims (19)

1. イオンビームを導いて被加工製品に当てることによって、被加工製品を処理するための真空領域を有する半導体の処理ツールに使用するために、
   注入ステーションにおける１つ以上の被加工製品上に衝突するイオンビームにおける各イオンの移動経路を規定する、イオン源、ビーム輸送構造、および被加工製品支持体と、
   センサとを有しており、
   上記センサは、導電性基板、および、上記イオンビームにおけるビーム横断面での各領域にイオンを分割するためのマスクを備え、
   上記マスクは、上記センサに達した各イオンが反射して上記処理ツールにおける上記真空領域の中に入ることを妨げるための、上記基板に向かって延伸する各壁を含み、
   上記マスクが、前面から上記マスクを介して上記基板における略平面の受板に延伸する、径より深さが大きい各貫通経路のアレイを含み、
   上記各貫通経路の配向角が、上記センサの幅方向に対する交差角において互いに異なる、装置。
2. 上記センサが、注入チャンバにおける可動式の被加工製品支持体に対して固定されている、請求項１に記載の装置。
3. さらに、上記センサに衝突する各荷電イオンの電荷を測定するための上記センサに結合された制御部を有している、請求項１に記載の装置。
4. 上記マスクにおける上記各壁が、上記基板と電気接続されている単一センササブアセンブリからなる、請求項１に記載の装置。
5. 上記各貫通経路が、略円筒形である、請求項１に記載の装置。
6. 上記円筒形の各貫通経路が、上記マスクにおける前表面に対して２つ以上の異なる角度を形成する、請求項５に記載の装置。
7. 上記円筒形の各貫通経路の一部分が、第二部分における上記円筒形の各貫通経路の軸に対して３０度および３５度の間の角度で形成される軸を有する、請求項６に記載の装置。
8. 上記注入ステーションが、回転のために搭載されたチャンバを含み、
   上記センサが、上記チャンバに搭載されており、
   上記チャンバが回転するときに上記イオンビームと上記マスクとの間の入射角が変わるようなっている、請求項１に記載の装置。
9. 上記基板および上記マスクがグラファイトからなる、請求項４に記載の装置。
10. 上記マスクが、上記マスクにおける周辺領域に対する比率が約１４％である前表面を有する、請求項４に記載の装置。
11. 上記基板が、上記センサ内部において、上記マスクを定位置に支持するカップを形成している、請求項４に記載の装置。
12. さらに、上記基板における上記領域から上記注入ステーションの中への各電子の逆流を防ぐために、各イオンが上記マスクまたは基板に当たる位置の前位置に、上記移動経路を境界付ける複数の各磁石を有している、請求項１に記載の装置。
13. 半導体の処理アセンブリにおいて、
    真空領域において処理するとともに、各イオンのビームを用いて、ビーム移動経路を規定する真空領域を介してイオン源から被加工製品に上記各イオンを加速させることによって、上記被加工製品に制御可能に衝突させるために、被加工製品を搭載する工程と、
    イオンビーム電流データを集めるために、感知面を配置するか、または、上記ビーム移動経路においてセンサを配置する工程と、
    上記ビーム移動経路における上記感知面から上流側に、上記センサに到達する上記イオンを分割する各境界壁を有する、分割用の複数の各チャネルのマスクを挿入する工程と、を有し、
    上記マスクは、グラファイト材料からなり、上記グラファイトの中に機械加工される各貫通経路における２つの異なる各領域を有しており、注入チャンバの回転が、上記イオンビームによる異なる各経路領域への入射をもたらし、
    上記各境界壁は、上記感知面に各イオンが衝突した後で上記感知面から離脱した材料が逆流するのを防止して、上記処理アセンブリの内部のコンタミネーションを低減および制御するための方法。
14. 上記感知面および上記マスクの両方は、導電性であり、互いに電気的に接続されて搭載されている、請求項１３に記載の方法。
15. 上記マスクは、複数の各チャネルを形成するように、グラファイトの１片から機械加工されている、請求項１３に記載の方法。
16. 上記感知面は、上記イオンビームと上記被加工製品との間の衝突の角度を変更するための軸を中心として回転する注入チャンバの内部に搭載されている、請求項１３に記載の方法。
17. 上記感知面および上記マスクは、上記イオンビームのイオンが上記マスクに接触する角度を上記注入チャンバの回転によって変えることができるように、上記注入チャンバに搭載されている、請求項１６に記載の方法。
18. ａ）導電性の受板であって、上記受板に当たる各イオンを測定するためであるとともに、上記導電性の受板に当たるイオンビーム電流の表示を得るための回路に結合された導電性の受板と、
    ｂ）上記受板に導かれた上記各イオンを、上記導電性の受板に当たる各イオンの逆流を防止するための各側壁を有する各チャネルに分割するためのマスクと、を備え、
    上記マスクが、導電性であるとともに、径より深さが大きい各チャネルまたは各貫通経路が通るように伸びる厚さを有しており、
    上記各チャネルまたは各貫通経路によって、上記マスクにおける領域に到達するイオンビームにおける各イオンが、上記マスクを通過して上記受板に接触することができ、
    上記マスクが、２つ以上の各領域を有しており、一領域の各貫通経路が、上記各領域のうちの異なる他の領域における各貫通経路に対して傾斜されている、イオンビーム電流センサ。
19. 上記マスクおよび上記導電性の受板は、互いに隣接している、請求項１８に記載の電流センサ。

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