(57)【要約】      （修正有）【課題】イオン化チャンバ内の電子ビーム通路に均一な磁場を生成する磁場装置を提供する。【解決手段】電子衝撃イオン源用の磁場装置において、イオン化チャンバ内の電子ビーム通路に均一な磁束線１１９を生成させるために、一対の永久磁石５１０Ａ、５１０Ｂにより生成された磁束が、磁気ヨークアセンブリ５００を経て、電子ビーム通過用の一対の整列した開口５３０Ａ、５３０Ｂを有する磁極片５２０Ａ、５２０Ｂの間の間隙を通って戻るようにする。【選択図】図７Ａ
2010262930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）水素化ホウ素ＢnＨm（式中、ｎ及びｍは整数、かつ、ｎ＞１０及びｍ≧０である。）のある一定容積の気相分子を生成する段階と、
（ｂ）前記水素化ホウ素分子をイオン化し、イオン化された水素化ホウ素分子を形成する段階と、
（ｃ）前記イオン化された水素化ホウ素分子を電界によってターゲット内に加速する段階と、
を含むことを特徴とする、イオンを注入する方法。
【請求項２】
段階（ａ）は、オクタデカボランＢ18Ｈ22のある一定容積の気相分子を生成する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
段階（ｃ）は、Ｂ18Ｈx+（式中、０≦ｘ≦２２である。）の分子を加速する段階を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
段階（ｃ）は、Ｂ18Ｈx-（式中、０≦ｘ≦２２である。）の分子を加速する段階を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】
段階（ａ）は、２０℃を超える加熱により、固体の昇華によってある一定容積のガスを生成する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
段階（ｃ）は、前記水素化ホウ素イオンをシリコンターゲット内に加速する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
段階（ｃ）は、水素化ホウ素イオンをシリコン・オン・インシュレータ基板ターゲット内に加速する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
段階（ｃ）は、水素化ホウ素イオンを歪み超格子基板ターゲット内に加速する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
段階（ｃ）は、水素化ホウ素イオンを基板のシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）歪み超格子ターゲット内に加速する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
（ａ）水素化ホウ素ＢnＨm（式中、ｎ及びｍは整数、かつ、ｎ＞１０及びｍ≧０である。）のある一定容積の気相分子を生成する段階と、
（ｂ）水素化ホウ素分子と、水素化ホウ素イオンと、電子とを包含するプラズマを形成する段階と、
（ｃ）前記水素化ホウ素イオンを電界によって加速してターゲット内に注入し、半導体のドーピングを実行する段階と、
を含むことを特徴とする、イオンを注入する方法。
【請求項１１】
前記電界は、時間的に変動する電界またはパルス駆動する電界であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記電界は、一定電界またはＤＣ電界であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
段階（ａ）は、オクタデカボラン蒸気Ｂ18Ｈ22を生成する段階を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
段階（ｂ）は、Ｂ18Ｈx+（式中、０≦ｘ≦２２である。）イオンのプラズマを形成する段階を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
段階（ａ）は、２０℃を超える加熱により、固体の昇華によってある一定容積のガスを生成する段階を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
段階（ｃ）は、前記水素化ホウ素イオンをシリコンターゲット内に加速する段階を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
段階（ｃ）は、前記水素化ホウ素イオンをシリコン・オン・インシュレータ基板ターゲット内に加速する段階を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
段階（ｃ）は、前記水素化ホウ素イオンを歪み超格子基板ターゲット内に加速する段階を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
段階（ｃ）は、前記水素化ホウ素イオンをシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）歪み超格子ターゲット内に加速する段階を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項２０】
一対の磁極片で形成されたヨークと、
ヨークアセンブリを形成する前記磁極片の間に配置された対向するＮ及びＳ磁極を有する一対の永久磁石と、
前記磁極片に形成された一対の整列した開口と、
を含むことを特徴とする、磁場を生成するための磁気ヨークアセンブリ。
【請求項２１】
前記永久磁石は、該永久磁石の前記Ｎ及びＳ磁極が整列するように構成されることを特徴とする請求項２０に記載の磁気ヨークアセンブリ。
【請求項２２】
第１の軸線の回りに巻かれた磁気コイルと、
前記磁気コイルの反対端に磁気的に結合した上部ヨーク及び下部ヨークと、
を含み、
前記上部及び下部ヨークは、開口を通る線が前記第１の軸線とほぼ平行になるように構成された整列した開口を用いて形成される、
ことを特徴とする磁気ヨークアセンブリ。
【請求項２３】
前記上部及び下部ヨークの延長端部に磁気的に結合した一対の磁極片を更に含むことを特徴とする請求項２２に記載の磁気ヨークアセンブリ。
【請求項２４】
基板を有する金属酸化膜半導体（ＭＯＳ）素子を形成する方法であって、
（ａ）基板の第１の領域に井戸と対向するトレンチ隔離とを形成する段階と、
（ｂ）（ｉ）ゲート誘電体を堆積又は成長させる段階、
（ｉｉ）ポリシリコンゲート電極を堆積させる段階、及び
（ｉｉｉ）パターン形成してゲートスタックを形成する段階、
を含む、前記基板の露出部分を形成する前記対向するトレンチ隔離の間の該基板上にゲートスタックを形成する段階と、
（ｃ）前記基板の前記露出部分上及び前記ゲートスタックの上にパッド酸化物を堆積させる段階と、
（ｄ）Ｂ18Ｈx+イオンを注入して前記ゲートスタックと前記対向するトレンチ隔離の間にドレーン延長部を形成する段階と、
（ｅ）前記ゲートスタックに隣接してスペーサを形成する段階と、
（ｆ）Ｐ型クラスターイオンを注入してソース及びドレーン領域を形成する段階と、
（ｇ）熱処理を行って前記ドーピング段階によって注入された材料を活性化し、それによってＰ型金属酸化膜半導体（ＭＯＳ）素子（ＰＭＯＳ）を形成する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２５】
（ａ）前記基板上の第１及び第２の領域を隔離する段階と、
（ｂ）第１の領域に前記ＰＭＯＳ素子を形成する段階と、
（ｃ）第２の領域にＮＭＯＳ素子を形成する段階と、
を更に含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
段階（ｃ）は、Ｎ型クラスターイオンを前記第２の領域に注入する段階を含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記Ｎ型クラスターイオンは、Ａｓ4Ｈx+（式中、０≦ｘ≦６である。）であることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
ガスの供給源と、
１つ又はそれ以上の電子ビームを受け取るための１つ又はそれ以上の電子入口開口、イオン化されたビームを抽出することを可能にするイオン抽出開口、及びガス入口開口を用いて形成され、電子衝撃による前記ガスのイオン化を可能にするように構成された、前記ガス供給源と流体連通したイオン化チャンバと、
前記イオン化チャンバの外側に配置された、１つ又はそれ以上の電子ビームを生成するための１つ又はそれ以上の電子源と、
前記イオン化チャンバの外側に配置された磁気ヨークアセンブリを含み、該イオン化チャンバ内に磁場を生成する磁束の第１の供給源と、
を含むことを特徴とするイオン源。
【請求項２９】
前記磁気ヨークアセンブリは、永久磁石を含むことを特徴とする請求項２８に記載のイオン源。
【請求項３０】
前記磁気ヨークアセンブリは、電磁石を含むことを特徴とする請求項２８に記載のイオン源。
【請求項３１】
前記１つ又はそれ以上の電子源は、前記電子ビームが前記１つ又はそれ以上の電子入口開口を含む１つ又は複数の平面とほぼ平行になるように構成され、
前記１つ又はそれ以上の電子ビームを曲げて前記１つ又はそれ以上の電子入口開口を含む前記１つ又は複数の平面とほぼ垂直になるようにするための１つ又はそれ以上のビーム・ステアラー、
を更に含むことを特徴とする請求項２８に記載のイオン源。
【請求項３２】
前記１つ又はそれ以上のビーム・ステアラーの各々は、磁束の第２の供給源を含むことを特徴とする請求項２８に記載のイオン源。
【請求項３３】
前記磁気ヨークアセンブリによって生成された電界が前記電子源の領域内に貫通するのを実質的に防止するために、該電子源と該磁気ヨークアセンブリの間に磁気シールドを更に含むことを特徴とする請求項２８に記載のイオン源。
【請求項３４】
るつぼを収容するための容積を形成する気化器本体と、
前記るつぼと流体連通した導菅と、
前記導菅に結合した少なくとも１つの遮断弁と、
イオン化チャンバのための蒸気供給器を形成する蒸気導菅を用いて形成されたソースブロックと、
前記気化器本体、少なくとも１つの遮断弁、及びソースブロックの温度を別々に制御するための多段温度システムと、
を含むことを特徴とする、イオン源のための蒸気供給源。
【請求項３５】
前記るつぼ及び気化器本体容積は、ぴったりと嵌るものであり、その間の間隙は、ガスで充填され、前記るつぼ及び気化器本体容積の間の熱的接触をもたらすことを特徴とする請求項３４に記載の蒸気供給源。
【請求項３６】
前記ガスは、大気圧又はほぼ大気圧あることを特徴とする請求項３５に記載の蒸気供給源。
【請求項３７】
前記間隙は、真空シールによって真空から分離されることを特徴とする請求項３５に記載の蒸気供給源。
【請求項３８】
前記多段温度制御システムは、前記気化器本体、少なくとも１つの遮断弁、及びソースブロックの各々と熱的に接触した抵抗加熱器を含み、
前記抵抗加熱器を制御するための多段温度コントローラ、
を更に含むことを特徴とする請求項３４に記載の蒸気供給源。
【請求項３９】
前記多段温度コントローラは、前記気化器本体、少なくとも１つの遮断弁、及びソースブロックの温度を別々に制御することを可能にする３段温度コントローラであることを特徴とする請求項３８に記載の蒸気供給源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、「イオン注入装置及び水素化ホウ素クラスターイオンの注入による半導体製造方法」という名称の２００３年４月１８日出願の米国特許仮出願出願番号第６０／４６３，９６５号、及び「電子衝撃イオン源」という名称の２００２年６月２６日出願の米国特許出願出願番号第１０／１８３，７６８号の一部継続出願である。
本発明は、イオン化水素化ホウ素分子から形成されたイオンビームの注入によってＰ型ドーピングが達成される半導体製造法に関するものであり、このイオンは、１００≦ｎ≦１００及び０≦ｘ≦ｎ＋４の時に、ＢnＨx+及びＢnＨx-という形をとる。
【背景技術】
【０００２】
イオン注入処理
半導体素子の製造では、ドープ領域を形成するために半導体基板内への不純物の導入が部分的に行われる。不純物元素は、電気担体を作り出すことによって半導体材料の導電率を変えるために、半導体材料と適切に結合されるように選択される。電気担体は、電子（Ｎ型ドーパントによって生成）又は正孔（Ｐ型ドーパントによって生成）とすることができる。このようにして導入されたドーパント不純物の濃度により、得られる領域の導電率が決まる。集合的に半導体素子として機能するトランジスタ構造、隔離構造、及び他のそのような電子構造を形成するために、多くのこのようなＮ型及びＰ型不純物領域が作り出されるべきである。
【０００３】
ドーパントを半導体基板内に導入する従来の方法は、イオン注入によるものである。イオン注入においては、望ましい元素を含有する供給材料をイオン源に導入し、供給材料をイオン化するためにエネルギが導入されて、ドーパント元素（例えば、シリコンにおいては、75Ａｓ、31Ｐ、及び121Ｓｂは、ドナー又はＮ型ドーパントであり、一方、11Ｂ及び115Ｉｎは、アクセプタ又はＰ型ドーパントである）を含有するイオンを作り出す。一般的に正電荷のイオンを抽出して加速し、従ってイオンビームを作り出すために（いくつかの場合では、負電荷のイオンを代わりに使用することができる）、加速電界が設けられる。次に、当業技術で公知のように、質量分析を使用して注入される種が選択され、質量分析されたイオンビームは、次に、半導体基板又は加工物内に向けられる前にその最終速度を変更するか又はその空間分布を変えるイオン光学要素を通過することができる。加速イオンは、各エネルギ値において明確な所定の深さまでイオンがターゲットを貫通することを可能にする明確な運動エネルギを有する。イオンのエネルギ及び質量の両方によってターゲットへの貫通の深さが決まり、イオンのエネルギが高いほど及び／又は質量が小さいほど、その速度が大きくなるためにターゲット内に深く貫通することができる。イオン注入システムは、イオンエネルギ、イオン質量、イオンビーム流（電荷／単位時間）、及びターゲットにおけるイオン線量（ターゲット内に貫通する単位面積あたりのイオンの総数）のような注入処理における重要な変数を慎重に制御するように構成される。更に、ビーム角の広がり（イオンが基板に当たる角度の変動）及びビームの空間的均一性及び範囲もまた、半導体素子収率を維持するために制御されるべきである。
【０００４】
半導体製造の重要な工程は、半導体基板内のＰ−Ｎ接合の生成である。これには、Ｐ型及びＮ型ドーピングの隣接領域の形成が必要である。このような接合の形成の重要な例は、既にＮ型ドーパントの均一な分布を含む半導体領域へのＰ型ドーパントの注入である。この場合、重要なパラメータは、接合深さであり、これは、Ｐ型及びＮ型ドーパントが等しい濃度を有する半導体表面からの深さとして定義される。この接合深さは、注入されたドーパントの質量、エネルギ、及び線量の関数である。
【０００５】
最新の半導体技術の重要な一面は、より小型及び高速の素子に向かう連続的な進化である。この過程は、スケーリングと呼ばれる。スケーリングは、リソグラフィ処理方法の連続的な進歩によって推し進められ、集積回路を含む半導体基板における形態の更なる小型化の定義を可能にするものである。一般的に受け入れられているスケーリング理論は、半導体素子設計の全ての面の同時すなわち各技術又はスケーリングノードでの適切なサイズ変更においてチップ製造業者を補助するために開発されたものである。イオン注入処理に及ぼすスケーリングの最大の影響は、素子寸法の小型化に伴って益々浅い結合が要求される接合深さのスケーリングである。集積回路技術の尺度としての益々浅くなる接合に関するこの要件は、各スケーリング段階でイオン注入エネルギを低減すべきであるという要件に変わる。最新の０．１３ミクロン以下の素子によって求められる極めて浅い結合は、「超浅結合」又はＵＳＪと呼ばれる。
【０００６】
低エネルギビーム移送に対する物理的限界
ＣＭＯＳ処理における接合深さの積極的なスケーリングのために、多くの重要な注入に必要とされるイオンエネルギは、元来エネルギが遥かに高いビームを生成するように開発された従来のイオン注入システムがウェーハに遥かに少ないイオン電流を供給してウェーハ処理量を低減するまでに減少している。低ビームエネルギでの従来のイオン注入システムの限界は、イオン源からのイオンの抽出、及び注入装置のビームラインを通るその後の移送において最も明白である。イオン抽出は、チャイルド−ラングミュア関係によって支配され、これは、抽出されたビーム電流密度が抽出電圧（すなわち、抽出時のビームエネルギ）の３／２乗に比例するというものである。図２は、最大抽出ホウ素ビーム電流に対する抽出電圧を示すグラフである。簡素化のために、11Ｂ+イオンのみが抽出ビーム内に存在すると仮定している。図２は、エネルギが小さくなると、抽出電流が急速に落ちることを示す。従来のイオン注入装置においては、この「抽出制限」作動のレジームは、約１０ｋｅＶよりも少ないエネルギで見られる。同様の制約は、抽出後の低エネルギビームの移送に影響を及ぼす。エネルギが小さくなるほど、イオンビームは小さな速度で移動し、従って、ビーム電流の所定の値に対してイオンが互いに接近し、すなわち、イオン密度が大きくなる。これは、Ｊ＝ηｅｖの関係に見ることができ、ここで、ＪはｍＡ／ｃｍ2単位でのイオンビーム電流密度、ηはイオン／ｃｍ-3単位でのイオン密度、ｅは電荷（＝６．０２ｘ１０-19クーロン）、及び、ｖはｃｍ／ｓ単位での平均イオン速度である。更に、イオン間の静電力は、それらの間の距離の二乗に反比例することから、静電反発は、低エネルギ時の方が遥かに強く、その結果、イオンビームの分散が大きくなる。この現象を「ビーム・ブローアップ」と呼び、低エネルギ移送におけるビーム損失の主な原因である。注入装置ビームラインに存在する低エネルギ電子は、正電荷のイオンビームによって捕捉され、移送中の空間−電荷ブローアップを補償する傾向があるが、それでもブローアップは依然として発生し、結び付きが緩く移動性の高い補償電子をビームから剥ぎ取る傾向がある静電式集光レンズが存在する場合に最も顕著である。特に、Ｐ型ドーパントホウ素のような質量が僅か１１ａｍｕである軽いイオンについては、抽出及び移送に関する厳しい問題が存在する。ホウ素原子は、軽量であるために他の原子よりも基板内に深く貫通し、従って、ホウ素に対する所要の注入エネルギは、他の注入種よりも低い。事実、いくつかの最先端ＵＳＪ処理については、１ｋｅＶよりも少ない極めて低い注入エネルギが必要とされている。実際には、一般的なＢＦ3ソースプラズマから抽出して移送したイオンの大部分は、望ましいイオン11Ｂ+ではなく、むしろ19Ｆ+及び49ＢＦ2+などのイオンフラグメントであり、これらのイオンは、抽出イオンビームの電荷密度及び平均質量を大きくすることによって空間−電荷ブローアップを更に大きくする働きがある。所定のビームエネルギについては、質量が大きくなると、結果的にビームのパービアンスが大きくなり、重いイオンほど移動速度が遅くなることから、所定のビーム電流に対してイオン密度ηが大きくなり、上述の内容に従���て空間電荷効果が大きくなる。
【０００７】
分子イオンの注入
上述のチャイルド−ラングミュア関係によって課される制限を克服する１つの方法は、単一のドーパント原子ではなく、関連するドーパントを含む分子をイオン化することによってドーパントイオンの移送エネルギを大きくすることである。このようにして、分子の運動エネルギは移送中の方が大きいけれども、分子は、基板に入ると構成原子に分解し、質量分布に従って個々の原子間で分子のエネルギを共有し、その結果、ドーパント原子の注入エネルギは、分子イオンの元の移送運動エネルギよりも遥かに小さくなる。ラジカル「Ｙ」に結び付いたドーパント原子「Ｘ」を考察する（説明の都合上、「Ｙ」が素子形成工程に影響を与えるか否かの問題は無視する）。Ｘ+の代わりにイオンＸＹ+が注入された場合、ＸＹ+は、ＸＹの質量÷Ｘの質量に等しい係数だけ増加したより大きなエネルギで抽出されて移送されるべきであり、これによって、いずれの場合もＸの速度が確実に同じものとなる。上述のチャイルド−ラングミュア関係で説明した空間−電荷効果は、イオンエネルギに関して超線形であることから、最大移送可能イオン電流が大きくなる。従来から、低エネルギ注入の問題を改善するための多原子分子の使用は、当業技術で公知である。一般的な例は、Ｂ+の代わりに、低エネルギホウ素の注入にＢＦ2+分子イオンを使用することである。この処理によってＦＢ3供給ガスが注入用のＢＦ2+に分解される。このようにして、イオン質量が４９ＡＭＵに大きくなり、単一のホウ素原子の使用を凌いで、抽出及び移送エネルギを４倍よりも大きく（すなわち、４９／１１）増大させる。しかし、ホウ素エネルギは、注入されると、（４９／１１）という同じ係数だけ小さくなる。この手法では、ビーム内の単位電荷当たりのホウ素原子は１つしかないことから、ビーム内の電流密度が小さくならないことは注目に値することである。更に、この処理はまた、フッ素原子をホウ素と共に半導体基板に注入するが、フッ素が半導体素子に悪影響を示すことが公知であるから、これは、この技術の望ましくない特徴である。
【０００８】
クラスター注入
原理的には、上述のＸＹ+モデルよりも有効な線量率の増大方法は、ドーパント原子のクラスター、すなわち、ＸｎＹｍ+形の分子イオンを注入することであり、この場合、ｎ及びｍは整数であり、ｎは１よりも大きい。近年、デカボランをイオン注入の供給材料として使用する独創性に富んだ仕事が行われた。注入された粒子は、１０個のホウ素原子を含み、従って、ホウ素原子の「クラスター」であるデカボラン分子Ｂ10Ｈ14の陽イオンであった。この技術は、デカボランイオンＢ10Ｈx+が１０個のホウ素原子を有することから、イオンの質量、従って、移送イオンエネルギを大きくするばかりでなく、所定のイオン電流に対する注入線量率を実質的に大きくするものである。重要な点として、イオンビームで搬送される電流をかなり小さくすることにより（デカボランイオンの場合は１０分の１に）、空間−電荷効果が小さくなり、ビーム伝達率が大きくばかりでなく、ウェーハ荷電効果も小さくなる。陽イオン照射は、ウェーハを荷電することによって素子収率を小さくし、特に敏感なゲート隔離を損傷することが公知であるから、クラスターイオンビームの使用によるこのような電流低減は、薄肉化するゲート酸化物及び非常に低いゲート閾値電圧にますます適合させる必要があるＵＳＪ素子製造業者には非常に魅力的である。従って、今日、半導体製造業界が直面している２つの明確な問題、つまり、ウェーハ荷電及び低エネルギイオン注入における低い生産性を解決するという極めて重要な必要性がある。本明細書で後述するように、本発明は、ｎ＞１０を有する相当に大きな水素化ホウ素クラスターを使用して、クラスター注入の利点を更に大きくすることを提案するものである。特に、本出願人は、Ｂ18Ｈx+イオンを既に注入しており、更に、固体供給材料オクタデカボラン、つまりＢ18Ｈ22を使用してＢ36Ｈx+イオンを注入することを提案する。最初に、この技術がホウ素クラスター注入におけるこれまでの試みを凌ぐ大きな進歩であることを示す結果を以下に説明する。
【０００９】
イオン注入システム
イオン注入装置は、従来、３つの基本的なカテゴリ、つまり、高電流、中電流、及び高エネルギ注入装置に分けられる。クラスタービームは、高電流及び中電流注入処理に有用である。特に、今日の高電流イオン注入装置は、主として、ドレーン構造などのトランジスタの低エネルギ高線量領域の形成、及びポリシリコンゲートのドーピングに使用される。一般的に、それらは、バッチ注入装置であり、すなわち、回転するディスク上に取り付けられた多くのウェーハを処理し、イオンビームは静止状態である。高電流移送システムは、中電流移送装置よりも単純である傾向があり、イオンビームの大量受け入れを組み込んでいる。低エネルギ及び高電流では、従来技術の注入装置は、基板において大きな角度発散（例えば、最大７°までの半角）で大きくなる傾向のあるビームを生成する。これとは対照的に、中電流注入装置は、一般的に、高傾斜機能（例えば、基板法線から最大６０°まで）を提供する連続（一度にウェーハ１つ）処理チャンバを組み込んでいる。イオンビームは、広域カバレッジで基板に亘って線量の均一性が得られるように、一般的に、一方向（横方向）に最大約２キロヘルツまでの高周波数でウェーハに亘って電磁的又は電気力学的に走査し、直交方向（例えば、垂直）に１ヘルツ未満の低周波数で機械的に走査する。中電流注入の処理要件は、高電流注入よりも複雑なものである。分散が僅か数パーセントである一般的な商業レベルの注入線量均一性及び繰返し性に関する要件を満たすために、イオンビームは、優れた角度及び空間的均一性（例えば、１°以下のウェーハに当たるビームの角度均一性）を有するべきである。これらの要件のために、中電流ビームラインは、受け入れ量の低減という犠牲を払って優れたビーム制御を行うように設計される。すなわち、注入装置を通るイオンの伝達効率は、イオンビームの放射によって制限される。目下、低エネルギ（１０ｋｅＶ未満）での高電流（約１ｍＡ）イオンビームの生成は、ウェーハ処理能力が、特定の低エネルギ注入（例えば、最先端ＣＭＯＳ処理においてソース及びドレーン構造を生成する際）に対して容認できないほど低いように、連続注入装置では問題がある。また、５ｋｅＶ／イオン未満の低ビームエネルギにおいて、バッチ注入装置（回転ディスク上に取り付けられた多くのウェーハを処理する）に対して同様の移送問題が存在する。
【００１０】
ほとんど収差のないビーム移送光学要素を設計することは可能であるが、それでもイオンビーム特性（空間的範囲、空間的均一性、角度発散、及び角度均一性）は、主としてイオン源自体の放射特性（すなわち、注入装置光学要素がイオン源から放射される時にビームを集光及び制御することができる程度を決めるイオン抽出時のビーム特性）で決まる。単量体ビームではなくクラスタービームの使用は、ビーム移送エネルギを大きくしてビームによって搬送される電流を小さくすることにより、イオンビームの放射を大幅に高めることができる。しかし、従来技術のイオン注入に対するイオン源は、所要のＮ型及びＰ型ドーパントのイオン化クラスターを生成又は維持する時には有効ではない。すなわち、ターゲット上により良く集束し、より視準され、より厳しく制御されたイオンビームを供給し、更に、半導体製造において有効線量率及び処理能力を向上させるためのクラスターイオン及びクラスターイオン源技術の必要性が存在する。
【００１１】
半導体ドーピングのためのビームラインイオン注入の代替手法は、いわゆる「プラズマ浸漬」である。この技術は、半導体業界では、ＰＬＡＤ（プラズマドーピング、ＰＬＡｓｍａ  Ｄｏｐｉｎｇ）、ＰＰＬＡＤ（パルス化プラズマドーピング、Ｐｕｌｓｅｄ  ＰＬＡｓｍａ  Ｄｏｐｉｎｇ）、及びＰＩ3（プラズマ浸漬イオン注入）のようないくつかの他の名称で公知である。これらの技術を使用するドーピングでは、ガス抜きして、次に三フッ化ホウ素、ジボラン、アルシン、又はホスフィンなどの選択されたドーパントを含有するガスで埋め戻された大型真空容器内でプラズマを当てることが必要である。プラズマは、定義により、その内部に陽イオン、陰イオン、及び電子を有する。次に、ターゲットに負バイアスをかけることにより、プラズマ内の陽イオンがターゲットに向けて加速される。イオンのエネルギは、式Ｕ＝ＱＶで説明され、ただし、Ｕはイオンの運動エネルギ、Ｑはイオンに対する電荷、Ｖはウェーハに対するバイアスである。この技術では、質量分析は行われない。プラズマ内の全ての陽イオンは、加速されてウェーハ内に注入される。従って、極めて清浄なプラズマが生成されるべきである。このドーピング技術により、ジボラン、ホスフィン、又はアルシンガスのプラズマが形成され、続いてウェーハに対して負バイアスが掛けられる。このバイアスは、時間で一定、又は時間的に変動つまりパルス駆動させることができる。線量は、容器内の蒸気圧、温度、バイアスのマグニチュード、バイアス電圧のデューティサイクル、及びターゲット上のイオン到達率の間の関係を知ることにより、パラメータ的に制御することができる。また、ターゲット上の電流を直接に測定することが可能である。プラズマドーピングは開発中の新しい技術と見なされているが、それは、特に大きなフォーマット（例えば、３００ｍｍ）ウェーハの場合は、低エネルギ高線量注入を行うウェーハ当たりの経費を低減する可能性を有することから魅力的である。一般的に、このようなシステムのウェーハ処理能力は、ウェーハ又はウェーハバッチが処理チャンバに装填される度に処理チャンバをガス抜きし、パージし、処理ガスを再導入することを含むウェーハ処理時間によって制限される。この要件により、プラズマドーピングシステムの処理能力は、約１００ウェーハ／時間（ＷＰＨ）に低減されており、これは、２００ＷＰＨよりも多く処理することができるビームラインイオン注入システムの最大機械的処理機能をかなり下回るものである。
【００１２】
陰イオン注入
陰イオンを注入することによって陽イオン注入を凌ぐ利点が得られることが近年認識されている（例えば、Ｊｕｎｚｏ  Ｉｓｈｉｋａｗａ他「陰イオン注入技術」、物理学研究における核計装及び方法、Ｂ９６（１９９５年）７〜１２頁を参照）。陰イオン注入の１つの非常に重要な利点は、ＣＭＯＳ製造におけるＶＬＳＩ素子のイオン注入で誘導される表面電荷を低減することである。一般的に、陽イオンの高電流（１ｍＡ程度又はそれ以上）の注入は、ゲート酸化物及び半導体素子の他の構成要素上にゲート酸化物の損傷閾値を容易に超える可能性がある陽電位を生成する。陽イオンが半導体素子の表面に衝突すると、正味の正電荷を堆積するばかりでなく、同時に二次電子を遊離させ、荷電効果が倍増する。従って、イオン注入システムの機器販売業者は、注入処理中に低エネルギ電子を正電荷イオンビーム内及び素子ウェーハ表面上に導入するための最先端の荷電制御装置、いわゆる電子フラッドガンを既に開発している。このような電子フラッドシステムは、付加的な変数を製造工程に導入し、表面電荷による収率損失を完全に排除することはできない。半導体素子がますます小型化すると、トランジスタ作動電圧及びゲート酸化物肉厚も小さくなり、半導体素子製造における損害閾値が小さくなり、収率を更に減少させる。従って、陰イオン注入は、潜在的に多くの最先端処理に対して従来の陽イオン注入を凌ぐ大幅な収率改善をもたらす。残念ながら、この技術は、まだ商業的に利用可能ではなく、実際に、本発明人の知り限りでは、陰イオン注入は、研究開発においてさえも集積回路の製造には使用されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許仮出願出願番号第６０／４６３，９６５号
【特許文献２】米国特許出願出願番号第１０／１８３，７６８号
【特許文献３】ＰＣＴ出願ＵＳ０１／１８８２２
【特許文献４】特許出願ＰＣＴ／ＵＳ０３／１９０８５
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Ｊｕｎｚｏ  Ｉｓｈｉｋａｗａ他「陰イオン注入技術」、物理学研究における核計装及び方法、Ｂ９６（１９９５年）
【非特許文献２】Ｙ．−Ｋ．ＫＩＭ、ＨＷＡＮＧ、Ｎ．Ｍ．ＷＥＩＮＢＥＲＧＥＲ、Ｍ．Ａ．ＡＬＩ、及び、Ｍ．Ｅ．ＲＵＤＤ、「Ｊ．ＣＨＥＭ．ＰＨＹＳ．」、１０６、１０２６（１９９７年）
【非特許文献３】Ｗ．ＨＷＡＮＧ、Ｙ．−Ｋ．ＫＩＭ、及び、Ｍ．Ｅ．ＲＵＤＤ、「Ｊ．ＣＨＥＭ．ＰＨＹＳ．」、１０４、２９５６（１９９６年）
【非特許文献４】Ｎ．ＤＪＵＲＩＣ、Ｄ．ＢＥＬＩＣ、Ｍ．ＫＵＲＥＰＡ、Ｊ．Ｕ．ＭＡＣＫ、Ｊ．ＲＯＴＨＬＥＩＴＮＥＲ、及び、Ｔ．Ｄ．ＭＡＲＫ、「要約」、第１２回原子及び電気的衝突の物理に関する国際会議、Ｓ．ＤＡＴＺ編（ＧＡＴＬＩＮＢＵＲＧ、１９８１年）
【非特許文献５】Ｍ．Ｖ．Ｖ．Ｓ．ＲＡＯ、及び、Ｓ．Ｋ．ＳＲＩＶＡＳＴＡＶＡ、「Ｊ．ＰＨＹＳ．」、Ｂ２５，２１７５（１９９２年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的は、半導体基板においてＰ型（すなわち、アクセプタ）導電率の超浅不純物ドープ領域を形成することができる、半導体素子を製造する方法を提供し、更に、高い生産性でそれを行うことである。
【００１６】
本発明の別の目的は、１０＜ｎ＜１００及び０≦ｘ≦ｎ＋４の場合にＢnＨx+及びＢnＨx-の形のイオン化クラスターを使用して、半導体基板においてＰ型（すなわち、アクセプタ）導電率の超浅不純物ドープ領域を形成することができる、半導体素子を製造する方法を提供することである。
【００１７】
本発明の更に別の目的は、ｘが２２に等しいか又はそれ以下の整数である場合にＢ18Ｈx+又はＢ18Ｈx-の形のオクタデカボランＢ18Ｈ22のイオン化分子を注入することにより半導体素子を製造する方法を提供することである。
【００１８】
本発明の更に別の目的は、クラスターイオンを使用して半導体基板においてＮ又はＰ型導電率を有する超浅不純物ドープ領域を形成するように設計された半導体素子を製造するためのイオン注入システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の１つの態様によれば、各々がイオン化チャンバに入る複数のドーパント原子を含有する分子の供給を準備する段階と、この分子をドーパントクラスターイオンにイオン化する段階と、ドーパントクラスターイオンを電界によって抽出して加速する段階と、望ましいクラスターイオンを質量分析によって選択する段階と、分析後イオン光学要素を通じてクラスターイオンの最終注入エネルギを修正する段階と、ドーパントクラスターイオンを半導体基板内に注入する段階とを含む、クラスターイオンを注入する方法が提供される。
【００２０】
本発明の別の目的は、一度に１つの原子を注入するのではなく、ｎ個のドーパント原子のクラスター（Ｂ18Ｈx+の場合はｎ＝１８）を注入することにより、低エネルギイオンビームを抽出する際の困難を半導体素子製造業者が改善することを可能にする方法を提供することである。クラスターイオン注入手法は、クラスターの各原子がほぼＥ／ｎというエネルギで注入されることから、遥かに低いエネルギによる単原子注入と同等である。従って、注入装置は、所要の注入エネルギのほぼｎ倍の高い抽出電圧で作動され、これは、特にＵＳＪ形成で必要とされる低い注入エネルギにおいて、より高いイオンビーム電流を可能にする。更に、クラスター電流の各１ミリアンペアは、単量体ホウ素の１８ｍＡと同等である。イオン抽出段階を考慮すると、クラスターイオン注入によって可能にされる移送効率の相対的な改善は、チャイルド−ラングミュア限界を計算することによって定量化することができる。この限界は、以下によって近似することができることが認識される。
Ｊmax＝１．７２（Ｑ／Ａ）1/2Ｖ3/2ｄ-2      （１）
【００２１】
ただし、ＪmaxはｍＡ／ｃｍ2単位であり、Ｑはイオン電荷状態、ＡはＡＭＵ単位によるイオン質量、ＶはｋＶ単位による抽出電圧、ｄはｃｍ単位による間隙幅である。図２は、ｄ＝１．２７ｃｍの11Ｂ+の場合の式（１）のグラフであり、抽出ビームの平均質量は、１５ＡＭＵと仮定されている。実際には、多くのイオン注入装置によって使用される抽出光学要素をこの限界値に接近させることができる。式（１）の延長により、以下のメリット数Δを定義し、単原子注入に対するクラスターイオン注入に関する処理量又は注入線量率の増加を定量化することができる。
Δ＝ｎ（Ｕn／Ｕ1）3/2（ｍn／ｍ1）-1/2      （２）
【００２２】
ここで、Δは、Ｕi＝ｅＶである場合にエネルギＵ1における質量ｍ1の原子の単一原子注入に対するエネルギＵnでの関連ドーパントのｎ個の原子のクラスター注入によって達成される線量率の相対的改善（原子／秒）である。Ｕnを単原子（ｎ＝１）の場合と同じドーパント注入深さが得られるように調節した場合は、式（２）は、以下のようになる。
Δ＝ｎ2      （３）
【００２３】
従って、ｎ個のドーパント原子のクラスターの注入は、単一原子の従来の注入よりもｎ2だけ高い線量率をもたらす可能性を有する。Ｂ18Ｈxの場合、この最大線量率改善は、３００を超える。イオン注入に対するクラスターイオンの使用は、低エネルギ（特にｋｅＶ以下）イオンビームの移送に明確に対処するものである。クラスターイオン注入処理では、従来の場合のように全てのドーパント原子に１つの電荷を担持させるのではなく、クラスター当たりに１つの電荷を必要とするだけであることに注意すべきである。従って、電荷密度の減少に伴って分散クーロン力が低減するので、移送効率（ビーム伝達）が改善される。重要な点として、所定の線量率に対してウェーハに入るビーム電流は大幅に低減されることから、この特徴は、ウェーハ荷電の低減を可能にする。また、本発明は、Ｂ18Ｈx-のような水素化ホウ素の多量の陰イオンを生成することから、高い線量率での陰イオン注入の商業化を可能にする。陰イオン注入は、陽イオン注入よりもウェーハ荷電生成が少ないことから、かつ、これらの電流はまたクラスターを使用することにより大幅に低減されることから、ウェーハ荷電による収率損失を更に低減することができる。従って、単一原子ではなくｎ個のドーパント原子のクラスターでの注入は、低エネルギイオン注入における基本的な移送問題を改善し、大幅に増大した生産性を有する処理を可能にする。
【００２４】
本方法を実施可能にするには、クラスターイオンの形成が必要である。市販のイオン注入装置で使用される従来技術のイオン源では、それらの単量体の生成に対して単に少ない割合の主として低次（例えば、ｎ＝２）クラスターしか生成されず、従って、これらの注入装置では、上述の低エネルギクラスタービーム注入の利点を実質的に実現することができない。実際に、多くの従来のイオン源によってもたらされる非常に強いプラズマは、むしろ分子及びクラスターを成分元素に分解する。本明細書で説明する新しいイオン源は、「ソフト」イオン化処理、すなわち、電子衝突イオン化の使用により、クラスターイオンを豊富に生成する。本発明のイオン源は、明示的にドーパントクラスターイオンを生成及び保存する目的で設計されるものである。本発明のイオン源は、アーク放電プラズマを当ててイオンを生成するのではなく、１つ又はそれ以上の集束電子ビームの形で注入された電子による処理ガスの電子衝突イオン化を用いるものである。
【００２５】
本発明の上記及び他の利点は、以下の詳細及び添付図面を参照すれば容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１Ａ】本発明による例示的な高電流クラスターイオン注入システムの概略図である。
【図１Ｂ】図１Ａの注入システムで使用される加速−減速電極の概略図である。
【図１Ｃ】本発明による高電流クラスターイオン注入システムの代替実施形態を示す図である。
【図１Ｄ】本発明による高電流クラスターイオン注入システムの別の代替実施形態を示す図である。
【図１Ｅ】本発明による例示的な中電流クラスターイオン注入システムの概略図である。
【図２】式（１）のチャイルド−ラングミュア法則による最大11Ｂ+ビーム電流と抽出エネルギを示すグラフである。
【図３】内部構成要素を露出させるために切取図で示す本発明によるイオン源の斜視図である。
【図４Ａ】電子ビーム及び磁場を上に重ねて示す、切取図による図３のイオン源の一実施形態の一部分の側面図である。
【図４Ｂ】図４Ａと類似であるが、２つの電子ビーム源を有する代替構成を示す図である。
【図５Ａ】イオン化領域の詳細を示す、図３のクラスターイオン源の斜視図である。
【図５Ｂ】図５Ａと類似であるが、２つの電子ビーム源を有する代替構成を示す図である。
【図５Ｃ】図５Ｂに示すイオン源の電子ビーム形成領域の簡素化した上面図である。
【図６】本発明のイオン源で使用される３区分温度制御システムの図である。
【図７Ａ】永久磁石を含む磁気回路を示す磁気ヨークアセンブリの斜視図である。
【図７Ｂ】本発明のイオン源のイオン化チャンバに一体化された磁気ヨークアセンブリの斜視図である。
【図７Ｃ】ｘｙ平面における磁気ヨークアセンブリの断面を通る磁束の図である。
【図７Ｄ】電磁石を含む、図７Ａに示す磁気ヨークアセンブリの代替実施形態の斜視図である。
【図７Ｅ】図７Ｄに示す実施形態に関連することを除き、図７Ｂと類似の図である。
【図７Ｆ】ｙｚ平面において図７Ｅに示す磁気ヨークアセンブリの断面を通る磁束の図である。
【図７Ｇ】ｘｚ平面における磁束を示すことを除き、図７Ｆと類似の図である。
【図７Ｈ】図７Ｂのヨークアセンブリと電子銃の間の高透過性磁気シールドを有する本発明のイオン源を示す図である。
【図８Ａ】本発明のイオン源を用いるオクタデカボランビーム電流及び蒸気圧に対する気化器温度のグラフである。
【図８Ｂ】Ｂ18Ｈ22分子のボールアンドスティックモデルを示す図である。
【図９】高質量分解能で収集された本発明のイオン源で生成されたＢ18Ｈ22の陽イオン質量スペクトルを示すグラフである。
【図１０】高質量分解能で収集され、かつ本発明のイオン源で生成されたＢ18Ｈ22の陽イオン質量スペクトルと重ね合わされたＢ18Ｈ22の陰イオン質量スペクトルを示すグラフである。
【図１１Ａ】低質量分解能で収集された、本発明のイオン源で生成されたＢ18Ｈ22の陽イオン質量スペクトルを示すグラフである。
【図１１Ｂ】個々のイオン質量を分解することができるように最も高い質量分解能及び伸ばした水平方向スケールで収集された、本発明のイオン源で生成されたＢ18Ｈ22の正の質量スペクトルを示すグラフである。
【図１２】本発明のクラスターイオン注入システムによってウェーハ位置の近くで測定された、ビーム抽出エネルギの関数としてのＢ18Ｈx+ビーム電流のグラフである。
【図１３】本発明のクラスターイオン注入システムを使用してホウ素注入エネルギの関数としてのホウ素線量率に変換された（Ｂ18Ｈx+注入を用いて）図１２のデータのグラフである。
【図１４】ＮＭＯＳドレーン延長部形成中のＣＭＯＳ製造シーケンスの図である。
【図１５】ＰＭＯＳドレーン延長部形成中のＣＭＯＳ製造シーケンスの図である。
【図１６】Ｎ型ドレーン延長部注入の段階におけるＮＭＯＳ半導体素子を製造する工程での半導体基板の図である。
【図１７】ソース／ドレーン注入の段階におけるＮＭＯＳ半導体素子を製造する工程での半導体基板の図である。
【図１８】Ｐ型ドレーン延長部注入の段階におけるＰＭＯＳ半導体素子を製造する工程での半導体基板の図である。
【図１９】ソース／ドレーン注入の段階におけるＰＭＯＳ半導体素子を製造する段階での半導体基板の図である。
【図２０】本発明のクラスターイオン注入システムによってシリコンウェーハに注入された２０ｋｅＶＢ18Ｈx+イオンビームからのホウ素濃度の注入時ＳＩＭＳプロフィールを示すグラフである。
【図２１】アンモニア（ＮＨ3）に対する電子エネルギＴの関数としてのイオン化断面σを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
クラスターイオン注入システム
図１Ａは、本発明による高電流型のクラスターイオン注入システムの概略図である。図１Ａに示すもの以外の構成も可能である。一般的に、イオン注入装置の静電光学要素は、リボンビーム、すなわち、１つの方向に延ばされたビームを生成する傾向がある、異なる電位で保持された導電板に組み込まれたスロット（１つの方向に大きな縦横比を示す開口）を使用する。この手法は、空間−電荷力を低減するのに有効であることが証明されており、分散性（短軸）及び非分散性（長軸）方向における集光要素の分離を可能にすることによってイオン光学要素を簡素化するものである。本発明のクラスターイオン源１０は、Ｂ18Ｈx+又はＡｓ4+のようなクラスターイオンを含むイオンビーム２００を生成するために抽出電極２２０と結合される。イオンは、抽出電極２２０により、イオン抽出開口というイオン源１０内の細長いスロット１０から抽出され、抽出電極２２０は、イオン抽出開口よりも若干大きな寸法のスロットレンズを組込み、イオン抽出開口の一般的な寸法は、例えば、高さ５０ｍｍｘ幅８ｍｍとすることができるが、他の寸法も可能である。電極は、四極菅構成の加減速電極であり、すなわち、電極は、高いエネルギでイオンをイオン源から抽出し、その後、電極から出る前にイオンを減速する。
【００２８】
加減速電極の概略図を図１Ｂに示す。電源Ｖｓによってバイアスされる抑圧板３００、電源Ｖｆによってバイアスされる抽出板３０２、及び注入装置端子接地にある接地板３０４（減速機内のアース接地とは限らない）から成る。イオン抽出開口板８０は、電源Ｖａによってイオン源電位に保持されるイオン源１０のイオン化チャンバ４４と均一電位に保持される。陽イオンの生成については、Ｖａ＞０、Ｖｆ＜０、及びＶｓ＜０である。陰イオンの生成については、Ｖａ＜０、Ｖｆ＝０、及びＶｓ＞０である。例えば、２０ｋｅＶ陽イオンを生成するには、一般的な電圧は、Ｖａ＝２０ｋＶ、Ｖｓ＝−５ｋＶ、Ｖｆ＝−１５ｋＶとなる。尚、これは、様々な板の実際の電圧が、抽出開口板８０＝２０ｋＶ、抑圧板３００＝−２０ｋＶ、抽出板３０２＝−１５Ｖ、接地板３０４＝０Ｖであることを意味する。陰イオンの生成については、電源電圧は逆になる。双極性電源を使用することにより、図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ、及び図１Ｄの新しい注入装置設計によって陰イオン又は陽イオンを生成することができる。従って、イオンは、イオン源から高エネルギで抽出され、接地板３０４を出る時に減速されることにより、高い抽出電流及び得られるイオンビーム２００の集光及び伝達の改善が可能となる。
【００２９】
イオンビーム２００（図１Ａ）は、一般的に多くの異なる質量のイオン、すなわち、イオン源２１０内で生成された特定の電荷極性を有するイオン種の全てを含む。イオンビーム２００は、その後、分析器磁石２３０に入る。分析器磁石２３０は、磁石コイル内の電流の関数としてイオンビーム移送経路内に双極子磁場を生成する。磁場の方向は、図１Ａの面に垂直であるとして示されており、これはまた、一方向光学要素の非分散性軸線に沿ったものである。また、分析器磁石２３０は、質量分解開口２７０の位置にイオン抽出開口（すなわち、光学的「被写体」つまりイオン源）の実像を形成する集光素子である。従って、質量分解開口２７０は、イオン抽出開口と類似の縦横比であるが若干大きな寸法を有するスロットの形態を有する。一実施形態では、分解開口２７０の幅は、注入装置の質量分解能の選択を可能にするために連続的に可変である。この特徴は、例えば、図１１Ａに示すように、１ＡＭＵによって分離されたいくつかのイオン状態を示す水素化ホウ素クラスターイオンの放出ビーム電流を最大にする上で重要なものである。分析器磁石２３０の主要な機能は、イオンビームを曲げて半径が個別のイオンの質量対電荷比に依存するアークにすることにより、イオンビームを空間的に分離又は分散させて一組の構成ビームレットにすることである。このようなアークを、ビーム成分２４０を選択されたイオンビームとして図１Ａに示す。分析器磁石２３０は、特定のビームを以下の式（４）によって得られた半径に沿って曲げる。
Ｒ＝（２ｍＵ）1/2／ｑＢ      （４）
ただし、Ｒは曲げ半径、Ｂは磁束密度、ｍはイオン質量、Ｕはイオン運動エネルギ、ｑはイオン電荷状態である。
【００３０】
選択されたイオンビームは、磁石によるイオンビームの曲げ半径がそのビームを質量分解開口２７０を通って送るように、狭い範囲の質量−エネルギ積のみのイオン質量から成る。選択されていないビームの成分は、質量分解開口２７０を通過しないが、他の場所で捕らえられる。例えば、１又は２ＡＭＵの質量を有する水素イオンで構成された、選択されたビーム２４０よりも小さい質量対電荷比ｍ／ｑを有するビーム２５０の場合、磁場は、小さな曲げ半径を誘発し、ビームは、磁石真空チャンバの内径壁３００又は質量分解開口の上流側のどこかを捕える。選択されたビーム２４０よりも大きい質量対電荷比を有するビーム２６０の場合、磁場は、大きな曲げ半径を誘発し、ビームは、磁石チャンバの外径壁２９０又は質量分解開口の上流側のどこかに当たる。当業技術で十分に確立されているように、分析器磁石２３０と質量分解開口２７０の組合せは、イオン源１０から抽出された多重種ビーム２００からイオンビーム２４０を選択する質量分析システムを形成する。その後、選択されたビーム２４０は、分析後加減速電極３１０を通過する。この段階３１０は、ビームエネルギを、特定の注入処理に必要とされる望ましい最終エネルギ値に調節することができる。例えば、低エネルギ高線量処理においては、イオンビームが、高エネルギで形成及び移送された後に、ウェーハに到達する前に望ましい低いイオン注入エネルギに減速された場合は、より高い電流を得ることができる。分析後加減速レンズ３１０は、構造は減速電極２２０と類似の静電レンズである。低エネルギ陽イオンビームを生成するには、注入装置の前部は、端子外被２０８によって密封されてアースよりも下方に浮かされる。接地ファラデー箱２０５は、安全上の理由から外被２０８を取り囲む。従って、イオンビームは、高エネルギで伝達して質量分解し、加工物に到達する前に減速することができる。減速電極３００は強集光レンズであるから、二重四極子３２０は、イオンビーム２４０を再集光して角度発散及び空間的範囲を低減する。分解開口と基板３１２の間で電荷交換又は中性化反応を受けた（従って、正しいエネルギを有していない）イオンが基板３１２に伝播するのを防止するために、中性ビームフィルタ３１０ａ（又は、「エネルギフィルタ」）がこのビーム経路に組み込まれる。例えば、図示の中性ビームフィルタ３１０ａは、選択されたビーム２４０が印加されたＤＣ電磁場を通じて追随するように制限された「ドッグレッグ」つまり角度の小さい振れをビーム経路に組み込むが、電気的に中性又は多重電荷となったビーム成分は、この経路を決して辿らないであろう。従って、関連するかつ正しいイオンエネルギを有するイオンのみが、フィルタ３１０ａの出口開口３１４の下流に送られる。
【００３１】
ビームが四極子対３２０によって成形されて中性ビームフィルタ３１０ａによって濾過された状態で、イオンビーム２４０は、ウェーハ処理チャンバ３３０に入り、高真空環境内に保持され、そこで、ビームは、回転ディスク３１５上に取り付けられた基板３１２に当たる。シリコン、シリコン・オン・インシュレータ歪み超格子基板、及びシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）歪み超格子基板のような様々な基板用材料が本発明に関して適切である。多くの基板に対して同時に、すなわちバッチモードで注入を行うことができるように、多くの基板をディスク上に取り付けることができる。バッチシステムにおいては、ディスクの回転によって半径方向の機械的走査が行われ、回転ディスクの垂直又は水平走査も同時に行われ、イオンビームは、静止したままである。
【００３２】
高電流注入装置の代替実施形態を図１Ｃ及び図１Ｄに示す。特に、図１Ｃは、二重四極子３２０及び中性ビームフィルタ３１０ａの除去によってビームラインが大幅に短縮される点を除き、図１Ａで説明するものと類似の加減速注入装置を示す。この構成では、結果的に注入装置を通じてビーム伝達が改善され、基板３１２上の高いビーム電流をもたらす。
【００３３】
図１Ｄは、非加減速注入装置、すなわち、注入装置全体の真空システムがアース接地されたものを示す。従って、図１Ｄにおいては、図１Ｃに示す実施形態に対して減速レンズ３１０及び端子外被２０８が削除されている。このクラスタービーム注入方法では、減速がなくても非常に高い有効ドーパントビーム電流がｋｅＶ以下のエネルギで供給される。図１Ｄに示すクラスタービーム注入装置の方が大幅に簡素化され、製造する上で経済的になっている。また、ビームラインが短くなっており、その結果、基板３１２へのビーム伝達量が多くなっている。
【００３４】
図１Ｅは、本発明を組み込む提案する中電流注入装置を概略的に示す。図１Ｅに示すものに対して多くの代替構成が存在する。一般的に高さ数センチ及び幅１センチ未満のイオンビームがイオン源４００において生成され、抽出電極４０１によって抽出され、分析器磁石４０２及び質量分解開口４０３を通じて移送される。これによって、特定の質量−エネルギ積のビーム４０４が生成される。エネルギは、抽出電圧によって固定されることから、一般的に、特定の分析器磁石４０２による磁場では、単一の質量が質量分析器及び分解開口を通過する。先の式（４）は、この処理を説明するものである。水素化ホウ素クラスターイオンビームは、質量分解開口を出ると加減速電極４０５に入る。この電極は、エネルギをイオンビームに追加するか又はイオンビームのエネルギを低減するように特別設計されたものである。低エネルギ注入の場合、より高いエネルギでビームを抽出し、その後に減速電極内のエネルギを低減することによって注入移送が高められる。図２に示すように、チャイルド−ラングミュア法則では、イオン源から抽出することができる電流が制限される。Ｕを抽出エネルギとした時のエネルギに対する電流密度限界のＵ3/2従属性は、より高い抽出エネルギでの電流増加の原因となる。より高いエネルギでの注入の場合、加減速電極は、イオンビームのエネルギを抽出エネルギを超えるエネルギまで大きくするのに使用される。抽出エネルギは、一般的に２０ｋｅＶから４０ｋｅＶであり、１ｋｅＶ未満に減速するか、又は、一回の荷電によるイオンの場合は最高２００ｋｅｖのエネルギまで、複数回の荷電によるイオンの場合は、最高５００ｋｅｖのエネルギまで加速することができる。加速後に、ビームは、エネルギが加減速電極によって調節された後にビームを再集光するように四極子レンズ４０６に移送される。この段階により、注入装置の残りを通じて伝達効率が大きくなる。加減速領域を出る時点にビームを拡張させる場合、ビームは、ビームラインの壁部に当たり、ビームライン４０８の壁部に当ってターゲットへの注入には利用可能ではないビームによって粒子を生成させる。次に、ビームは、走査モジュール４０７に到達し、走査モジュール４０７は、ビームを１つの方向、典型的には水平方向に走査する。走査周波数は、キロヘルツの範囲であることが多い。これによって、ビームは、非常に大きな角変動を有し、その結果、ビームが異なる角度でターゲットの異なる部分でターゲットに当たる。この走査によって誘発される角度発散を解消するために、ビームは、ビーム視準器４１０を通るように導かれる。ビーム視準器は、磁気又は静電視準器であり、幅の広い平行ビーム４０９が得られる。また、この視準器は、ビームラインで受ける電荷交換による反応により、ターゲットにするものと異なるエネルギにあるビームからイオンを除去する。ビームは、視準器を出るとウェーハ処理チャンバ４１１に入り、ターゲット４１２に当たる。中電流注入装置は、通常、一度に１つのウェーハを処理する。これは、順次処理として業界で公知である。ウェーハの広域カバレッジは、ビーム走査の方向と直交する方向、例えば、垂直方向にウェーハを平行移動させることによって達成される。垂直方向の周波数は、「高速」走査周波数に比較すると非常に遅く、５〜１０秒又はそれ以上／サイクルの周期を有する。ウェーハ上の線量（イオン／ｃｍ2）は、ウェーハの隣に取り付けられたファラデーカップ４１３内のビーム電流をモニタすることによって制御される。各走査で一回、走査の一番最後に、ビームは、ファラデーカップに入りモニタされる。これによって、ビームの走査周波数に等しい割合、例えば、毎秒１０００回でビーム電流を測定することができる。その後、この信号は、ウェーハに亘って均一な線量を得るために、ビーム走査に対して直交する方向に垂直平行移動速度を制御するのに使用される。更に、順次処理チャンバは、イオンビームに対してウェーハを配向する自由度を考慮している。注入処理中にウェーハを回転させることができ、また、ビーム垂線に対して最大６０°という大きな角度まで傾かせることができる。
【００３５】
Ｂ18Ｈx+又はＡｓ4Ｈx+などのクラスターイオンビームの使用により、ビーム抽出及び伝達をＢ+及びＡｓ+などの単量体の場合よりも高いエネルギで行うことができる。イオンエネルギは、ターゲットに当たると、個々の構成原子の質量比によって分割される。Ｂ18Ｈ22の場合、有効ホウ素エネルギは、ビームエネルギの１０．８／２１６．４であり、これは、平均ホウ素原子の質量が１０．８であり、分子の平均質量が２１６．４ａｍｕであるからである。これによって、ビームを抽出して注入エネルギの２０倍のエネルギで移送することができる。更に、線量率は、単量体イオンの場合の１８倍である。この結果、処理量が高くなり、ウェーハの荷電量が少なくなる。単量体ビームで注入された全ての原子に対して１つの電荷というのではなく、ウェーハに注入される１８個の原子に対して電荷は１つだけであるために、ウェーハの電荷が低減される。
【００３６】
クラスターによるプラズマドーピング
半導体ドーピングのためのビームラインイオン注入の代替手法は、いわゆる「プラズマ浸漬」である。この技術は、半導体業界では、ＰＬＡＤ（プラズマドーピング、ＰＬＡｓｍａ  Ｄｏｐｉｎｇ）、ＰＰＬＡＤ（パルス化プラズマドーピング、Ｐｕｌｓｅｄ  ＰＬＡｓｍａ  Ｄｏｐｉｎｇ）、及びＰＩ3（プラズマ浸漬イオン注入）のようないくつかの他の名称で公知である。これらの技術を使用するドーピングでは、ガス抜きして、次に三フッ化ホウ素、ジボラン、アルシン、又はホスフィンなどの選択されたドーパントを含有するガスで埋め戻された大型真空容器内でプラズマを当てることが必要である。プラズマは、定義により、その内部に陽イオン、陰イオン、及び電子を有する。次に、ターゲットに負バイアスをかけることにより、プラズマ内の陽イオンがターゲットに向けて加速される。イオンのエネルギは、式Ｕ＝ＱＶで説明され、ただし、Ｕはイオンの運動エネルギ、Ｑはイオンに対する電荷、Ｖはウェーハに対するバイアスである。この技術では、質量分析は行われない。プラズマ内の全ての陽イオンは、加速されてウェーハ内に注入される。従って、極めて清浄なプラズマが生成されるべきである。このドーピング技術では、Ｂ18Ｈ22などのホウ素クラスター又はＡｓ4Ｈxなどのヒ素クラスターの蒸気を容器内に導入し、プラズマを点火し、次に、ウェーハ上に負のバイアスを掛けることができる。このバイアスは、時間で一定、又は時間的に変動つまりパルス駆動させることができる。これらのクラスターの使用は、ドーパント原子と水素の比（例えば、Ｂ18Ｈ22対Ｂ2Ｈ6及びＡｓ4Ｈx対ＡｓＨ3を使用）が、単一の水素化物の場合よりも水素化物クラスターの場合の方が大きく、線量率が、クラスターを使用した時の方が遥かに高いものになる可能性があることから有用なものとなる。線量は、容器内の蒸気圧、温度、バイアスのマグニチュード、バイアス電圧のデューティサイクル、ターゲット上のイオン到達率の間の関係を知ることにより、パラメータ的に制御することができる。また、ターゲット上の電流を直接に測定することが可能である。ビームライン注入の場合と同様に、オクタデカボランを使用すれば、線量率を１８倍に高めることができ、オクタデカボランが選択された蒸気であった場合は、所要加速電圧の２０倍に高めることができる。Ａｓ4Ｈxが使用されたとしたら、線量率は４倍に高められ、所要電圧は４倍に高められるであろう。また、クラスターを利用するビームライン注入の場合と同様に、荷電量が低減されると考えられる。
【００３７】
クラスターイオン源
図３は、クラスターイオン源１０及びその様々な構成要素の図である。その構成並びに好ましい作動モードの詳細は、本明細書において引用により組み込まれている、発明人Ｔ・Ｎ・ホースキーによって２００２年６月２６日に提出された「電子衝撃イオン源」という名称の本出願人所有の米国特許出願第１０／１８３，７６８号に詳細に開示されている。イオン源１０は、新しい電子衝撃イオン化供給源の一実施形態である。図３は、イオン源１０を構成する構成要素の機能性を明らかにするのに役立つイオン源構成の断面概略図である。イオン源１０は、取付けフランジ３６により、イオン注入装置又は他の処理ツールの排気真空チャンバと接続するようにされる。すなわち、図３に示すイオン源１０のフランジ３６の右寄りの部分は、高い真空状態（圧力＜１ｘ１０-4Ｔｏｒｒ）になっている。ガス状材料は、ガス分子が電子ビーム７０Ａ又は７０Ｂからの電子衝撃によってイオン化されるイオン化チャンバ４４に導入され、この電子ビームは、電子ビーム７０Ａ又は７０Ｂがイオン抽出開口８１に整列して電子出口開口７１Ａを通じてイオン化チャンバ４４を出るように、電子入口開口７１Ｂを通じてイオン化チャンバ４４に入る。図４Ａ及び図５Ａに示す単一の電子銃及びビームダンプを組み込む一実施形態では、電子ビームは、イオン化チャンバ４４を出た後に、イオン化チャンバ４４の外部に位置するビームダンプ７２によって止められる。従って、イオンは、イオン抽出開口８１の近くに生成され、イオン抽出開口は、外見的にはイオン抽出開口板８０におけるスロットである。その後、イオンは、イオン抽出開口板８０の前に位置する抽出電極（図示せず）によって抽出され、強力なイオンビームに形成される。イオン化領域を図４Ａ及び図４Ｂと図５Ａ及び図５Ｂに更に詳細に示す。
【００３８】
ここで図３を参照すると、ガスは、ガス導菅３３を通じてイオン化チャンバ４４に供給することができる。固体供給材料を気化器２８内で気化し、蒸気をソースブロック３４ａ内の蒸気導菅３２を通じてイオン化チャンバ４４に供給することができる。有孔分離バリア３４ａの下に位置する固体供給材料２９は、気化器ハウジング３０の温度制御によって均一の温度に保持される。バラスト容積３１に蓄積された蒸気５０は、導菅３９及び１つ又はそれ以上の遮断弁１００及び１１０の中に供給される。遮断弁１１０内の蒸気５０の公称圧力は、容量圧力計ゲージ６０によってモニタされる。蒸気５０は、ソースブロック３５内に位置する蒸気導菅３２を通じてイオン化チャンバ４４に供給される。従って、ガス状及び固体のドーパント担持材料の両方をこのイオン源によってイオン化することができる。
【００３９】
図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、及び図５Ｂは、イオン源の光学設計の代替実施形態を示す。特に、図４Ａ及び図５Ａは、単一電子源を組み込む本発明の一実施形態を示す。図４Ｂ及び図５Ｂは、二重電子源を組み込む代替実施形態を示す。
【００４０】
単一電子源
特に、図４Ａは、本発明によるイオン源構成の光学設計の一実施形態を示す断面側面図である。本発明のこの実施形態では、電子ビーム７０は、加熱フィラメント１１０から放射され、例えば、静的磁場Ｂ１３５をイオン化チャンバ４４に組み込む（図示のように紙の平面に垂直な方向に）ビーム・ステアラーの影響による９０°の軌道を辿り、最初に底板１０５の底板開口１０６を通り、次にイオン化チャンバ４４の電子入口開口７０ａを通過する。イオン化チャンバ４４全体を通過する（すなわち、電子入口開口７０ａ及び電子出口開口７１を通って）電子は、ビームダンプ７２によって捕えられる。エミッタシールド１０２は、底板１０５とはユニポテンシャルになっており、伝播中の電子ビーム７０に対して静電遮断を行う。電子ビーム７０が伝播して底板開口１０６を通過すると、いずれもイオン化チャンバ４４に対してバイアスされた底板１０５への電圧Ｖａの印加（正の電源１１５によって行われる）及びフィラメント１３５への電圧Ｖｃの印加（負の電源１１６によって行われる）により、イオン化チャンバ４４に入る前に減速される。ビーム形成及び移送領域内でのイオン化に一般的に望ましい位置よりも実質的に高い位置、すなわち、イオン化チャンバ４４の外側に電子ビームエネルギを維持することが重要である。これは、ビーム電流を厳しく低減して低エネルギで電子ビーム径を大きくする空間電荷効果によるものである。従って、この領域において電子ビームエネルギを約１．５ｋｅＶと５ｋｅＶの間に維持することが望ましい。
【００４１】
電圧は、全てイオン化チャンバ４４に対するものである。例えば、Ｖｃ＝−０．５ｋＶ、Ｖａ＝１．５ｋＶである場合、電子ビームのエネルギは、ｅ（Ｖａ−Ｖｃ）で表され、ここで、ｅは電子電荷（６．０２ｘ１０-19クーロン）である。従って、この例においては、電子ビーム７０は、２ｋｅＶのエネルギで形成されて偏向されるが、電子入口開口７０ａに入ると、そのエネルギは僅か０．５ｋｅＶである。
【００４２】
図４Ａに示す他の要素としては、抽出イオンビーム１２０、ソース静電シールド１０１、及びエミッタシールド１０２がある。エミッタシールド１０２は、電子ビーム７０を底板１０５とイオン化チャンバ４４に対してユニポテンシャルになっているソースシールド１０１との間の電位差に関連した電界から遮蔽する。ソースシールド１０１は、イオンビーム１２０を底板１０５とイオン化チャンバ４４との間の電位差によって生成される電界から遮蔽し、また、イオン源元素に衝突する可能性がある迷走電子及びイオンを吸収する働きがある。こういう理由で、エミッタシールド１０２及びソースシールド１０１は、モリブデンのような耐火金属で製作される。代替的に、電磁ステンレス鋼のような強磁性物質でソースシールド１０１を作製することにより、磁場Ｂ１３５及びＢ’１１９からのイオンビーム１２０のより完全な遮蔽を達成することができる。
【００４３】
図５Ａは、機械的な詳細を示して図４Ａの内容が図３のイオン源にどのように組み込まれるかを例示的に示す切取り図である。電子は、熱イオン的にフィラメント１１０から放射され、陽極１４０まで加速されて電子ビーム７０が形成される。電子ビーム７０はイオン化チャンバの外部で生成されることから、エミッタの寿命は、公知の構成に対しては長くなるが、これは、イオン源が位置する注入装置真空ハウジングの低圧環境にエミッタがあるからであり、また、エミッタがイオン衝撃から実質的に保護されるからである。
【００４４】
永久磁石１３０及び磁極アセンブリ１２５からの磁束は、電子ビーム７０が伝播する磁極アセンブリ１２５の両端間の空隙に亘って均一な磁場を確立することによってビームを案内するのに使用される。磁場Ｂ１３５及び電子ビーム７０の電子ビームエネルギは、電子ビーム７０が約９０°偏向されると図示のようにイオン化チャンバ４４に入るように適合させられる。電子ビームを例えば９０°偏向することにより、エミッタ１１０とイオンを含むイオン化チャンバ４４との間には視線がなく、その結果、強力な荷電粒子によるエミッタの衝撃が防止される。
【００４５】
Ｖａはイオン化チャンバ４４に対して正電圧であることから、電子ビーム７０は、底板開口１０６と電子入口開口７０ａとによって構成された間隙を通過する時に減速される。従って、底板開口１０６と電子入口開口７０ａとの組合せ及びその間の間隙により、静電レンズ、この場合は減速レンズが形成される。減速レンズを使用することにより、電子ビーム生成及び偏向に実質的に影響を与えることなく、電子ビームのイオン化エネルギを調節することができる。
【００４６】
この間隙は、底板１０５を支えてイオン化チャンバの電位にあるソースブロック３５から孤立するように作用する１つ又はそれ以上のセラミックスペーサ１３２によって確立することができる。セラミックスペーサ１３２は、電気的分離及び機械的支持の両方を行う。尚、分かりやすくするために、エミッタシールド１０２及びソースシールド１０１は、図５Ａには示されていない。また、図７Ａ〜７Ｈに示す磁気ヨークアセンブリも示されていない。
【００４７】
電子入口開口１０６は、電子ビーム７０の伝達量を制限することができることから、底板１０５は、強力な電子ビーム７０の大部分を捕らえることができる。従って、底板１０５は、能動的に冷却されるか又は受動的に冷却されるべきである。能動的冷却は、水のような液体冷却剤を底板１０５に通すか又は圧縮空気を強制的に底板１０５に通すことによって達成することができる。代替実施形態では、受動的冷却は、底板１０５が周囲に放熱することによって冷却温度になるようにすることで達成される。この定常状態の温度は、捕らえられたビームパワー、底板の表面積及び放射率、及び周囲構成要素の温度に依存する。底板１０５を高い温度、例えば２５０℃で作動させることは、露出した低温表面上に汚染及び粒子形成フィルムを形成する可能性がある凝縮可能ガスを流す時に有利である。
【００４８】
二重電子源
図４Ｂは、二重電子ビームイオン源構成を示す光学設計の代替実施形態である。本発明のこの実施形態では、一対の空間的に離れた加熱フィラメント１１０ａ及び１１０ｂから一対の空間的に離れた電子ビーム７０ａ及び７０ｂが放射されると、ビーム・ステアラー、つまり静的磁場Ｂ１３５ａ及び１３５ｂ（図示のように紙の平面に垂直な方向）の影響によって９０°の軌道を辿ってイオン化チャンバ４４に入り、最初に一対の底板開口１０６ａ及び１０６ｂ及び一対の間隔の空いた底板１０５ａ及び１０５ｂを通り、次に一対の電子入口開口７１ａ及び７１ｂを通過する。イオン化チャンバ４４全体を通過する（すなわち、電子入口開口７１ａ及び７１ｂの両方を通る）電子は、ビーム・ステアラー、つまり静的磁場１３５ａ及び１３５ｂによってエミッタシールド１０２ａ及び１０２ｂに向けて曲げられる。電子ビームが伝播して底板開口１０６ａ及び１０６ｂを通る時に、それらは、イオン化チャンバ４４に入る前に底板１０５ａ及び１０５ｂへの電圧Ｖａの印加（正の電源１１５によって行われる）及びフィラメント１３５ａ及び１３５ｂへの電圧Ｖｅの印加（負の電源１１６によって行われる）によって減速される。ビーム形成及び移送領域内でのイオン化に一般的に望ましい位置よりも実質的に高い位置、すなわち、イオン化チャンバ４４の外側に電子ビームエネルギを維持することが重要である。これは、ビーム電流を厳しく低減して低エネルギで電子ビーム径を大きくする空間電荷効果によるものである。従って、この領域において、電子ビームエネルギを約１．５ｋｅＶと５ｋｅＶの間に維持することが望ましい。
【００４９】
単一電子源の実施形態と類似のものであるが、二重電子源の電圧はまた、全てイオン化チャンバ４４に対して負電圧である。例えば、Ｖｅ＝−０．５ｋＶ、Ｖａ＝１．５ｋＶの場合、電子ビームのエネルギは、ｅ（Ｖａ−Ｖｅ）で表され、ここで、ｅは電子電荷（６．０２ｘ１０-19クーロン）である。従って、この例においては、電子ビーム７０ａ及び７０ｂは、２ｋｅＶのエネルギで形成されて偏向されるが、電子入口開口７１ａ及び７１ｂに入ると、そのエネルギは僅か０．５ｋｅＶである。
【００５０】
下表は、エネルギＥで電子ビームを９０°曲げるのに必要とされる磁場Ｂの近似値を示す。
【００５１】
（表１）
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【００５２】
図４Ｂに示す他の要素として、抽出イオンビーム１２０ａ、ソース静電シールド１０１ａ、及び一対のエミッタシールド１０２ａ及び１０２ｂがある。これらのエミッタシールド１０２ａ及び１０２ｂは、２つの目的、すなわち、電磁場からの遮蔽を行うこと及び迷走電子又は電子ビームからの遮蔽を行うことに役立つ。例えば、エミッタシールド１０２ａ及び１０２ｂは、底板１０５ａ及び１０５ｂとソースシールド１０１との間の電位差に関連した磁場から電子ビーム７０ａ及び７０ｂを保護すると共に、対向する電子エミッタからの迷走電子ビームのダンプとしての働きをする。ソースシールド１０１は、底板１０５ａ及び１０５ｂとイオン化チャンバ４４との間の電位差によって生成された磁場からイオンビーム１２０を保護すると共に、イオン源元素に衝突するような迷走電子及びイオンを吸収する働きをする。こういう理由で、エミッタシールド１０２ａ及び１０２ｂの両方、並びに、ソースシールド１０１は、モリブデン又はグラファイトのような耐火金属製である。代替的に、電磁ステンレス鋼のような強磁性物質でソースシールド１０１ａを作製することにより、磁場Ｂ１３５ａ及び１３５ｂからのイオンビーム１２０ａのより完全な遮蔽を達成することができる。
【００５３】
図５Ｂは、機械的な詳細を示して図４Ｂの内容が図３のイオン源にどのように組み込まれるかを例示的に示す切取り図である。電子は、フィラメント１１０ａ及び１１０ｂのうちの１つ又はそれ以上から熱イオン的に放射され、電子ビーム７０ａ及び７０ｂを形成する一対の対応する陽極１４０ａ及び１４０ｂまで加速される。このような構成は、いくつかの利点を有する。第１に、フィラメント１１０ａ及び１１０ｂは、別々に又は協働して作動させることができる。第２に、電子ビーム７０ａ及び７０ｂは、イオン化チャンバの外部で生成されることから、エミッタの寿命は、公知の構成に対しては長くなるが、これは、エミッタが、イオン源が位置する注入装置真空ハウジングの低圧環境にあるからであり、また、エミッタが、イオン衝撃から実質的に保護されるからである。
【００５４】
永久磁石１３０ａ及び１３０ｂ、及び一対の磁極アセンブリ１２５ａ及び１２５ｂからの磁束は、電子ビーム７０ａ及び７０ｂが伝播する磁極アセンブリ１２５ａ及び１２５ｂの両端間の空隙に亘って均一の磁場を確立するために使用されるビーム・ステアラーを形成するのに使用される。磁場１３５ａ及び１３５ｂ、及び電子ビーム７０ａ及び７０ｂの電子ビームエネルギは、電子ビーム７０ａ及び７０ｂが９０°偏向されて図示のようにイオン化チャンバ４４に入るように適合させられる。電子ビーム７０ａ及び７０ｂを例えば９０°偏向させることにより、エミッタ１１０とイオンを含むイオン化チャンバ４４との間に視線がなく、その結果、強力な荷電粒子によるエミッタの衝撃が防止される。
【００５５】
Ｖａは、イオン化チャンバ４４に対して正電圧であることから、電子ビーム７０Ａ及び７０Ｂは、底板開口１０６ａ及び１０６ｂと電子入口開口７１ａ及び７１ｂとによって構成された間隙を通過する時に減速される。従って、底板開口１０６ａと電子入口開口７１ａ及び底板開口１０６ｂと電子入口開口７１ｂの組合せ、及びその間の間隙により、その各々は、静電レンズ、この場合は減速レンズを形成する。減速レンズを使用することにより、電子ビーム生成及び偏向に実質的に影響を与えることなく、電子ビームのイオン化エネルギを調節することができる。
【００５６】
この間隙は、各底板１０５ａ及び１０５ｂを支えてイオン化チャンバの電位にあるソースブロック３５から孤立するように作用する１つ又はそれ以上のセラミックスペーサ１３２ａ及び１３２ｂによって達成することができる。セラミックスペーサ１３２ａ及び１３２ｂは、電気的分離及び機械的支持の両方を行う。尚、分かりやすくするために、エミッタシールド１０２及びソースシールド１０１は図３には示されていない。
【００５７】
電子入口開口１０６ａ及び１０６ｂは、電子ビームの伝達量を制限することができることから、底板１０５ａ及び１０５ｂは、強力な電子ビーム７０ａ及び７０ｂの一部分を捕らえることができる。従って、底板１０５ａ及び１０５ｂは、能動的に冷却されるか又は受動的に冷却されるべきである。能動的冷却は、水のような液体冷却剤を底板１０５ａ及び１０５ｂに通すか又は圧縮空気を強制的に底板１０５ａ及び１０５ｂに通すことによって達成することができる。代替的に、受動的冷却は、底板１０５ａ及び１０５ｂが周囲に放熱することによって冷却温度になるようにすることで達成される。この定常状態の温度は、捕らえられたビームパワー、底板の表面積及び放射率、及び周囲構成要素の温度に依存する。底板１０５ａ及び１０５ｂを高い温度、例えば２５０℃で作動させることは、低温表面に汚染及び粒子形成フィルムを形成する可能性がある凝縮可能ガスを流す時に有利であると考えられる。
【００５８】
図５Ｃは、図４Ｂ及び図５Ｂに示すソースの電子ビーム形成領域の簡素化された上面図である。フィラメント１１０ｂは、イオン化チャンバ４４（図３）に対して電位Ｖｅ、例えば−０．５ｋｅＶであり、陽極１４０ｂ、磁極アセンブリ１２５ｂ、底板１０５ｂ、及びエミッタシールド１０２ｂは、全て陽極電位Ｖａ、例えば１．５ｋｅＶである。従って、電子ビームエネルギは２ｋｅＶである。電子ビーム７０ｂは、電子ビーム７０ｂが底板開口１０６ｂを通過するように、磁極アセンブリ１２５ｂの両極間の間隙において磁場１３５ｂによって偏向される。底板開口１０６ａ及び１０６ｂ、及び電子入口開口７１ａ及び７１ｂの一般的な値は、全て直径が１ｃｍであるが、これよりも大きいか又は小さい開口も可能である。
【００５９】
イオン化確率
図２１は、イオン化確率が電子衝撃によるイオン化に対していかに電子エネルギに依存するかを示すものである。アンモニア（ＮＨ3）は、一例として使用されている。確率は、断面σとして１０-16ｃｍ2という単位で表されている。電子エネルギ（Ｔ）は、ｅＶ、すなわち電子電圧となっている。第１の原理から計算されたＢＥＢ（垂直ＩＰ）及びＢＥＢ（断熱ＩＰ）とマーク付けされた二組の理論曲線と、Ｄｊｕｒｉｃ他（１９８１年）の論文及びＲａｏ及びＳｒｉｖａｓｔａｖａ（１９９２年）の論文からの二組の実験データとが示されている。図２１は、特定の範囲の電子エネルギによって他のエネルギ範囲よりも多くのイオン化が行われることを示す。一般的に、横断面は、約５０ｅＶと５００ｅＶの間の電子衝撃エネルギの場合が最も大きく、ピークは約１００ｅＶとなっている。従って、電子ビームがイオン化チャンバ４４に入る時のエネルギは、本発明のイオン源の作動に影響を与える重要なパラメータである。図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、及び図５Ｂに示す特徴は、イオン源の電子ビーム形成領域及び偏向領域においてほぼ一定の状態で作動しながら電子衝撃イオン化エネルギの幅広い制御を可能にする電子光学要素を組み込む本発明の方法を示すものである。
【００６０】
温度制御
本発明のイオン源の１つの態様は、イオン化チャンバ温度並びにソースブロック及び弁の温度のユーザによる制御である。この特徴は、凝縮可能ガスを蒸発させて凝縮物質による表面のかなりのコーティングを防止し、導菅３９、弁１００及び１１０、及び蒸気供給器３２を通る蒸気の効率的な移送を保証する時に有利である。イオン源は、イオン源温度の正確な制御を達成するために加熱と冷却の組合せを利用する。気化器２８、遮断弁１００及び１０１、及びソースブロック３５について別々の制御が行われる。イオン化チャンバ４４は、抽出開口板８０と同様に、電子ビーム７０との相互作用によって受動的に加熱され、ソースブロック温度＜イオン化チャンバ温度＜抽出開口温度になるように、ソースブロック３５とイオン化チャンバ４４との間及びイオン化チャンバ４４と抽出開口板８０との間の熱伝導インタフェースを通じて安定した作動温度を維持する。温度制御には、外部電子コントローラ（オムロン型式Ｅ５ＣＫなど）が使用される。加熱は、埋設抵抗加熱器によって行われ、その加熱電流は、電子コントローラによって制御される。冷却は、例えば、本出願人所有のＰＣＴ出願ＵＳ０１／１８８２２、及び米国特許出願第１０／１８３，７６８号で更に説明されているように、対流ガス冷却法及び誘導ガス冷却法の組合せによって行われ、この両方の特許は、本明細書において引用により組み込まれている。
【００６１】
図６は、３つの独立した温度帯に関する閉ループコントローラを示しており、３つの温度帯を気化器本体３０については区分１、隔離弁１００及び１０１については区分２、ソースブロック３５については区分３と定めた好ましい実施形態のブロック図を示す。各区分は、専用のコントローラ、例えば、オムロンＥ５ＣＫデジタルコントローラを有する。最も簡素化された場合には、室温を超えるように、例えば１８℃から２００℃又はそれ以上の間に温度を能動的に制御するために加熱要素のみが使用される。従って、カートリッジ式抵抗加熱器を気化器本体３０（加熱器１）及びソースブロック３５（加熱器２）に埋設することができ、一方、弁１００及び１０１には、抵抗要素がワイヤ又は箔片であるシリコーンストリップヒータを巻き付けることができる。図６でＴＣ１、ＴＣ２、及びＴＣ３とラベル付けされた３つの熱電対は、３つの構成要素３０、３５、１００（１１０）の各々に埋設することができ、また、３つの専用温度コントローラの各々によって連続的に読み取ることができる。温度コントローラ１、２、及び３は、それぞれ、温度設定値ＳＰ１、ＳＰ２、及びＳＰ３でユーザによってプログラムされる。一実施形態では、温度設定値は、ＳＰ３＞ＳＰ３＞ＳＰ１となるようなものである。例えば、気化器温度が３０℃であることが望ましい場合、ＳＰ２は５０℃、ＳＰ３は７０℃とすることができる。コントローラは、一般的に、ＴＣのリードバックが設定値と符合しない時にコントローラの比較器が必要に応じて冷却又は加熱を開始するように作動する。例えば、温度を変えるために加熱のみが用いられる場合、比較器出力は、ＴＣ１＜ＳＰ１でない限りゼロである。コントローラは、ＳＰ１とＴＣ１の間の温度差の非線形関数としての出力電力のルックアップテーブルを含み、プログラムされた設定値に温度を円滑に調節するためにコントローラの加熱器電源に適切な信号を供給することができる。加熱器電力を変更する一般的な方法は、電源のパルス幅変調によるものである。この技術は、電力を最大測定限界の１％と１００％の間に調節するのに使用することができる。このようなＰＩＤコントローラは、一般的に温度設定値を０．２℃以内に保持することができる。
【００６２】
磁気ヨークアセンブリ
一実施形態では、イオン化チャンバ４４内への図７Ａに示す永久磁気ヨークアセンブリ５００の組込みにより、イオン化チャンバ４４内に均一磁場Ｂ’１１９が確立される。ここで図７Ａを参照すると、磁束は、一対の永久磁石、例えばサマリウムコバルト磁石１５０ａ及び５１０ｂによって生成され、Ｃ字形対称磁極片５２０ａ及び５２０ｂの間の間隙を通る磁気ヨークアセンブリ５００を通って戻る。電子ビーム７０は、ヨーク５２０ａの正孔５３０ａから入り、ヨーク５２０ｂの正孔５３０ｂから出る。図７Ｃは、磁気ヨークアセンブリ５００が、イオン化チャンバ４４とどのように一体化されるかを示す。図７Ｂにおいては、イオン化チャンバ４４は、磁気ヨークアセンブリ５００の表面５５０及びイオン化チャンバ４４の表面が同一面であるように、磁気ヨークアセンブリ５００及び磁極５２０ａ及び５２０ｂを受け取るミルドアウト部分を有する。イオン化チャンバ４４の一部として機械加工された狭い環５４０ａ及び５４０ｂ（図示せず）の内部壁は、電子入口開口７０ａ及び電子出口開口７１を形成し、確実に磁気ヨークアセンブリ５００の強磁性体が電子ビームに露出されないようにすることにより、イオン化チャンバ４４のイオン化容積内の鉄類の汚染の可能性を低減する。図７Ｃは、磁場モデル化ソフトウエアで計算されたヨークアセンブリ５００のｘｙ平面（ｘは水平、ｙは垂直で図５に示すように電子ビーム７０の伝播方向と逆平行）を含む断面に沿った磁束線を示す。電子ビーム７０の伝播容積内に、非常に均一な磁場線１１９が生成される。Ｂ’１１９は、電子ビーム７０を閉じ込めるために入射電子ビーム７０と平行に方向付けられる。
【００６３】
磁気ヨークアセンブリの異なる実施形態を図７Ｄに示す。この実施形態は、磁気コイル６１０、上部ヨーク６２０ａ、上部磁極６３０ａ、下部ヨーク６３０ａ、下部磁極６３０ｂから成り、ボビンコア６００が、上部磁極６３０と下部磁極６３０ｂの間の間隙を通じて磁束を戻す磁気回路において上部ヨーク６２０ａと下部ヨーク６３０ｂを接続する。磁束は、コイル６１０ワイヤを通じて電気回路によって生成される。磁束は、ボビンコア６００によって上部及び下部ヨーク６３０ａ及び６３０ｂに搬送される。コイル電流を変えることにより、磁束密度（すなわち、磁場の強度）を次に真空間隙において変えることができる。
【００６４】
図７Ｅは、本発明のイオン源に一体化された図７Ｄの磁気ヨークアセンブリの切取り図（ＹＺ平面を含む）を示す。図７Ｅに示すヨークアセンブリの幾何学形状は、図７Ｂに示すヨークアセンブリと著しく異なる。図７Ｂからの大きな逸脱は、Ｙ方向（イオンビームの伝播方向と逆平行）に沿って向けられたヨーク６２０ａ及び６２０ｂの幾何学形状にある。図７Ｅのヨークアセンブリはまた、図７Ａに示す磁気ヨークアセンブリ５００の二対の戻りヨークではなく、戻りヨーク６２０ａ及び６３０ｂの対を１つだけ有するより単純な磁気回路を利用するものである。コイル６１０は、温度制御されたソースブロック３５（図７Ｅには図示せず）にコイルの放熱をもたらすためにソースブロック３５に組み込まれる。
【００６５】
図７Ｆは、図７Ｄの磁気ヨークアセンブリを通る磁束経路及び磁束密度を示す。漏れ磁束は、ビーム経路から外れたイオン源の前部に主として限定され、一方、比較的均一な磁束密度は、電子ビーム７０を収容するイオン化容積にある磁極６３０ａ及び６３０ｂの間で生成される。３０００アンペア巻回のコイル電流で、約１００ガウスの磁束密度をＺ方向（上部磁極６３０ａと下部磁極６３０ｂの中心を結ぶ線）に沿って生成することができる。従って、コイル６１０を通る電流を制御することにより、ユーザ選択可能な磁束密度が、０から１００ガウスまでＺに沿って生成される。ここで図７Ｇを参照すると、イオン化領域内、及び抽出板８０’及びイオン抽出開口８１’を含むＸ−Ｚ平面内の磁束線が示されている。磁束のＺ成分は、イオン抽出開口８１’のすぐ近くのこの領域ではかなり均一である。イオン抽出８１’開口は、紙の平面のＺに沿って向けられるであろう。
【００６６】
図７Ｈは、磁極６３０ａによって生成された磁場が、電子ビームが９０°案内される領域６５０に貫通するのを防止するために行われる、電子銃の底板１０５の下への高透過性磁気シールド６４０の組込みを示す。遮蔽６４０がなければ、垂直つまりｙ方向に沿った迷走磁場によって横方向つまりｘ方向での電子ビームの不要な偏向が引き起こされ、イオン化チャンバ４４に入る前に電子ビームの軌道６６０に誤差が発生する。
【００６７】
図７Ｈに示すように、図７Ｂの磁気ヨークアセンブリを例えば図４Ａのイオン源に組み込むことにより、結果的な閉じ込め磁場の使用は、減速後、すなわち、イオン化チャンバ４４に入った時に電子ビーム７０をブローアップするであろう分散的空間−電荷力を相殺する一助となることが認められる。これには、電子ビーム７０のより高い電荷密度、従って、イオン抽出開口８１近くの好ましいイオン化領域の近くのより高いイオン密度を可能にするという利点があり、その結果、イオン電流１２０は大きくなる。電源１１７により、イオン化チャンバ４４に対してビームダンプ７２を負電圧Ｖｒにバイアスすることにより、更なる利得を実現することができる。例えば、Ｖｒ≦Ｖｃの場合、反射モードを確立することができ、これによって、電子ビーム７０に含まれた主要な電子がビームダンプ７２から反射されることにより、電子の有効経路長が長くなる。十分に低い電子エネルギで閉じ込め電界Ｂ’１１９が存在することにより、反射電子は、Ｂ’の方向に沿って螺旋形軌道を辿る。Ｂ１３５及びＢ１１９は、方向的には直交しており、Ｂ１３５は、電子ビーム７０をイオン化チャンバ４４内に偏向させ、Ｂ’１１９は、得られるビームを閉じ込めることが分かり、従って、底板１０５の底に磁気シールド１１８が追加される。磁気シールド１１８は、２つの磁場が混ざり合うのを防止するために高透過性金属で作られる。これによって、電子ビーム７０の経路は、２つの磁場領域、つまり、イオン化チャンバ４４の外側及びイオン化チャンバ４４の内部に分離される。
【００６８】
水素化ホウ素クラスターイオンを生成する方法
本明細書で説明する方法は、本発明のイオン化チャンバの通常の作動と考えることができ、他の作動モードとの唯一の相違点は、イオン源パラメータ（供給材料、供給ガス流量、電子イオン化エネルギ及び電流、ソース構成要素温度）に対する値のユーザの選択である。図３に示す気化器及びイオン源を使用することにより、Ｂ18Ｈx+の形の水素化ホウ素クラスターイオンを生成するのに固形オクタデカボランＢ18Ｈ22を使用することができる。オクタデカボランは、室温で安定した固体であり、数ミリトルの蒸気圧を有する。約１ｓｃｃｍのオクタデカボラン蒸気３２の有用な質量流を生成するために、気化器２８を約９０℃に保持することができる。図８Ａは、気化器温度の関数としての２つの変数のプロットを示す。右の縦軸は気化器圧力であり、イオン電流は、図１ｄに示すものと類似の高電流注入装置の分析後ファラデーカップに供給される。再び図３を参照すると、気化器圧力は、弁１１０に連通した容量圧力計６０で測定した。一般的なイオン源作動パラメータは、弁（１００及び１１０）温度＝１２０℃、ソースブロック３５温度＝１２０℃、電子イオン化エネルギ＝１ｋｅＶ、電子ビーム電流≒７０ｍＡである。これは、Ｖｃ＝−１ｋｅＶ、Ｖａ＝１．３ｋＶ、Ｖｒ＝−１ｋＶ、及びフィラメント放射電流＝１６０ｍＡと設定することによって達成された。
【００６９】
図８ｂは、Ｂ18Ｈ22の分子構造を示し、また、Ｈ原子（明い球）及びＢ原子（暗い球）の相対位置を示す。
【００７０】
図９は、図１Ｄで開示したものと類似のクラスターイオン注入システムにおいて、図８Ａを生成するのに使用されるのと類似の状態で回収されたオクタデカボラン質量スペクトルを示す。可変分解開口２７０は、下流側ファラデーカップに対する４ＡＭＵ幅イオンビーム２４０を選択する高質量分解能に設定された。図１０は、図９のデータを生成するために使用されたものと類似の条件で収集された陰イオン及び陽イオンの両方のオクタデカボラン質量スペクトルを示す。全ての注入装置電源の極性は、陰イオンと陽イオンの間で切り換えるように逆にされ、これらは、互いから数分以内で収集されて同じプロット上に記録された。Ｂ18Ｈx+及びＢ18Ｈx-ピークは、２１０ＡＭＵであり、それぞれ、Ｂ18Ｈ16+及びＢ18Ｈ16-のイオンに対する最も可能性の高い化学式を暗示している。図１１Ａは、図９のデータを収集するのに使用したものと類似の条件で収集したものであるが、分解開口２７０は、約１８ＡＭＵを下流側に通過させ、遥かに高いＢ18Ｈx+電流を可能にするように設定された。しかし、主ピークにおいて構造がないことは、質量分解能が落ちていることを明らかにしている。図１１は、最高の質量分解能で収集された詳細である。分解開口を１ｍｍ未満に設定すると、１ＡＭＵのみがファラデーの下流側に通された。すなわち、１ＡＭＵによって分離された個々の水素化ホウ素ピークをはっきりと見ることができる。図１２は、図１１Ａの低い質量分解能で収集したイオンビームを一切減速しない状態におけるファラデーでのビーム電流に対する抽出電圧のプロットを示す。図１３は、単量体ホウ素注入との比較手段として、原子ホウ素電流に対する有効注入エネルギに変換した図１２のデータを示す。原子ホウ素電流は、１８Ｘオクタデカボランファラデー電流であり、有効注入エネルギは、１１／２１０Ｘ抽出電圧である。これらの電流は、特にイオン減速なしでは、従来の単量体ホウ素注入で現在利用可能な電流よりも何倍も大きいものである。
【００７１】
半導体のホウ素ドーピングのＢ18Ｈx+の注入プロフィールを特徴付けるために、市販のシリコンウェーハをＨＦ溶液に漬けていかなる自然酸化物も除去し、図１Ｄで開示したものと類似のクラスターイオン注入システムで注入した。１．１ｘ１０15ｃｍ-2のＢ18Ｈx+線量を注入することにより、２ｘ１０16ｃｍ-2のホウ素線量を放出した。Ｂ18Ｈx+のイオンエネルギは、注入中は２０ｋｅｖであり、その結果、有効ホウ素注入エネルギは、約１ｋｅＶ／ホウ素原子であった。図２０は、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分光分析）によって判断した注入時ホウ素プロフィールを示す。プロフィールのピークは、約５０Åであり、これは、１ｋｅＶホウ素注入に対するＴＲＩＭ計算によって予想された５８Åという予測範囲に十分に一致する。
【００７２】
Ｎ型及びＰ型の浅い接合の形成
本方法の重要な用途は、ＣＭＯＳ製造シーケンスの一部としてのＮ型及びＰ型の浅い接合形成のためのクラスターイオン注入の使用である。ＣＭＯＳは、現在用いられている有力なデジタル集積回路技術であり、その名称は、同じチップ上のＮチャンネル及びＰチャンネルＭＯＳトランジスタ（相補的ＭＯＳ、Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  ＭＯＳ：Ｎ及びＰの両方）の形成を表している。ＣＭＯＳの成功を収めた点は、回路設計者が、より良い回路つまり代替技術よりも引き出すアクティブパワーの少ない回路を作るために相対するトランジスタの相補的性質を利用することができるという点である。Ｎ及びＰという用語は、負（Ｎｅｇａｔｉｖｅ）及び正（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ）（Ｎ型半導体は、負の大多数のキャリヤを有し、その逆も正しい）に基づくものであり、Ｎチャンネル及びＰチャンネルトランジスタは、各領域の型（極性）が逆になった互いの複製であることに注意すべきである。同じ基板上の両方の型のトランジスタの製造には、Ｎ型不純物及び次にＰ型不純物を、フォトレジストの遮蔽層で他方の型の素子を保護しながら連続的に注入することが必要である。各トランジスタの型では、両方の極性の領域が正しく作動する必要があるが、浅い結合を形成するインプラントは、トランジスタと同じ型のものであることに注意すべきである。Ｎ型の浅いものは、Ｎチャンネルトランジスタに注入され、Ｐ型の浅いものは、Ｐチャンネルトランジスタに注入される。この処理の一例を図１４及び図１５に示す。特に、図１４は、Ｎ型クラスターインプラント８８によりＮチャンネルドレーン延長部８９を形成する方法を示し、図１５は、Ｐ型クラスターインプラント９１によるＰチャンネルドレーン延長部９０の形成を示す。Ｎ型及びＰ型トランジスタには、類似の幾何学形状の浅い接合が必要であり、従って、Ｎ型及びＰ型の両方のクラスターインプラントを有することは、高度ＣＭＯＳ構造の形成に有利であることに注意すべきである。
【００７３】
本方法の用途の一例をＮＭＯＳトランジスタ形成の場合について図１６に示す。この図は、半導体素子製造のフロントエンド処理段階のいくつかを受ける半導体基板４１を示す。例えば、この構造は、Ｐ井戸４３、トレンチ隔離４２、及びゲートスタック形成４４及び４５の各段階を通して処理されるＮ型半導体基板４１から成る。ゲートスタック、Ｐ井戸、及びトレンチ隔離を形成するための例示的な処理は、代理人ドケット番号第２１１８４３／０００３０号の「半導体素子及び半導体素子の製造方法」という名称の２００３年６月１８日出願で現在特許出願中の特許出願ＰＣＴ／ＵＳ０３／１９０８５に開示されている。
【００７４】
Ｐ井戸４３は、井戸４３内のトランジスタに対する接合隔離をもたらすＮ型基板４２との接合を形成する。トレンチ隔離４２は、Ｎ井戸とＰ井戸の間（すなわち、ＣＭＯＳ構造全体における）の横方向誘電隔離をもたらす。ゲートスタックは、ゲート酸化物層４４及びポリシリコンゲート電極４５をトランジスタゲートスタックを形成するようにパターン形成して構成される。フォトレジスト４６が付加され、ＮＭＯＳトランジスタ用の区域は露出されるが基板４１の他の区域は遮蔽されるようにパターン形成される。フォトレジスト４６が付加された後に、基板４１は、素子製造工程によって必要とされる最も浅いドーピング層であるドレーン延長注入に対して準備完了となる。０．１３μｍ技術ノードの最先端素子の一般的な処理要件は、１ｋｅＶと２ｋｅＶの間のヒ素注入エネルギ、及び５ｘ１０14ｃｍ-2のヒ素線量である。クラスターイオンビーム４７、この場合はＡｓ4Ｈx+は、ゲートスタックによる遮断を回避するために、イオンビームの伝播方向が基板と垂直であるように半導体素子に向けられる。Ａｓ4Ｈx+クラスターのエネルギは、望ましいＡｓ+注入エネルギの４倍、例えば４ｋｅＶと８ｋｅＶの間であるべきである。クラスターが基板に対する衝撃で分離すると、ドーパント原子は、ドレーン延長領域４８を形成する半導体基板の表面近くの浅い層に存在するようになる。同じインプラントがゲート電極４９の表層に入り、ゲート電極の更なるドーピングが行われることに注意すべきである。従って、図１６で説明されている処理は、提案する発明の１つの重要な用途である。
【００７５】
本方法の用途の更に別の例を図１７に示し、それは、深いソース／ドレーン領域の形成である。この図は、半導体素子製造の更なる処理段階の実行後の図１６の半導体基板４１を示す。付加的な処理段階には、ゲートスタック側壁でのパッド酸化物５１形成及びスペーサ５２形成がある。パッド酸化物５１は、露出基板区域、ゲート電極４９の上部、及び潜在的に露出されるゲート誘電体縁部を保護するのに使用される薄い酸化物層（二酸化珪素）である。パッド酸化物５１は、一般的に、５〜１０ｎｍの厚さまで熱的に成長する。他方、スペーサ５２は、ゲートスタックの側面上にあってゲート電極を絶縁する役目をする誘電性の二酸化珪素又は窒化珪素又はこれらの組合せの領域である。それはまた、トランジスタが確実に作動するようにゲート縁部から後方に間隔を置くべきであるソース／ドレーンインプラント（例えば、５４）のアラインメントガイドの役目もする。スペーサ５２は、二酸化珪素及び／又は窒化珪素層の堆積によって形成され、その後、ソース／ドレーン領域から誘電体を除去しながら残留層をゲートスタック側面に残すように、この層はプラズマエッチングされる。
【００７６】
スペーサ５２をエッチングした後、フォトレジスト層５３を付加し、注入が行われるトランジスタ、この場合はＮＭＯＳトランジスタを露出させるためにパターン形成が行われる。次に、ソース及びドレーン領域５５を形成するためのイオン注入が行われる。この注入は、低エネルギでの高い線量が必要であることから、提案するクラスター注入処理の適切な用途である。０．１３μｍ技術ノードの一般的な注入パラメータは、ヒ素線量５ｘ１０15ｃｍ-2で約６ｋｅＶ／ヒ素原子（５４）であるから、従って、２４ｋｅＶの１．２５ｘ１０15ｃｍ-2Ａｓ4Ｈｘ+インプラント、１２ｋｅＶの２．５ｘ１０15ｃｍ-2Ａｓ2Ｈx+インプラント、又は６ｋｅＶの５ｘ１０15ｃｍ-2Ａｓ+インプラントが必要である。図１６に示すように、ソース及びドレーン領域５５は、このインプラントによって形成される。これらの領域は、回路相互接続（処理において後で形成される）と、チャンネル領域５６及びゲートスタック４４及び４５と共にドレーン延長部４８によって形成される固有トランジスタとの間の高導電率接続を提供する。ゲート電極４５は、このインプラントに露出することができ（図示のように）、これが可能な場合は、ソース／ドレーンインプラントは、ゲート電極の主要なドーピング源になる。これをポリドーピング層５７として図１７に示す。
【００７７】
ＰＭＯＳドレーン延長部１４８、及びＰＭＯＳソース及びドレーン領域１５５の形成を示す詳細図をそれぞれ図１８及び図１９に示す。構造及び処理は、図１７及び図１８と同じものであり、ドーパントの型が逆になっている。図１８においては、ＰＭＯＳドレーン延長部１４８は、ホウ素クラスターインプラント１４７の注入によって形成される。この注入の一般的なパラメータは、０．１３μｍ技術ノードの場合は、注入エネルギ５００ｅＶ／ホウ素原子及び線量５ｘ１０14ｃｍ-2となる。すなわち、２１１ＡＭＵでのＢ18Ｈx+インプラントは、オクタデカボラン線量２．８ｘ１０13ｃｍ-2では、９．６ｋｅＶとなる。図１９は、同じくオクタデカボランのようなＰ型クラスターイオンビーム１５４の注入によるＰＭＯＳソース及びドレーン領域１４８の形成を示す。この注入の一般的なパラメータは、０．１３μｍ技術ノードの場合は、エネルギ約１ｋｅＶ／ホウ素原子及びホウ素線量５ｘ１０15ｃｍ-2（すなわち、２．８ｘ１０14ｃｍ-2で３８．４ｋｅＶオクタデカボラン）になると考えられる。
【００７８】
一般的に、有効な半導体接合の形成には、イオン注入だけでは不十分であり、注入されたドーパントを電気的に活性化するには熱処理が必要である。注入後は、半導体基板の結晶構造は大幅に損傷しており（基板原子は、結晶格子位置から移動される）、注入されたドーパントは、基板原子と弱く結合されているに過ぎず、その結果、注入された層の電気特性は貧弱なものである。高温（９００℃を超える）での熱処理、すなわち焼き鈍しが一般的に行われ、半導体結晶構造を修復し、ドーパント原子を置換的に、すなわち、結晶構造内の基板原子の１つの位置に位置決めする。この置換により、ドーパントは、基板原子と結合して電気的に活性になることができる。すなわち、半導体層の導電率を変更することができる。しかし、この熱処理は、注入されたドーパントの拡散が熱処理中に起こるので浅い接合の形成には不利に作用する。事実、熱処理中のホウ素拡散は、０．１ミクロン以下の領域においてＵＳＪを達成する際の制限的な要素である。浅い注入ドーパントの拡散を最小限に抑えるために、「スパイク焼き鈍し」のようなこの熱処理に対する高度な方法が開発されている。スパイク焼き鈍しは、最高温度での滞留時間がゼロに近づく急激な熱処理であり、その温度は、可能な限り迅速に上下する。従って、注入されたドーパントの拡散が最小限に抑えられている間に、注入されたドーパントを活性化するのに必要な高い温度となる。最終半導体素子の製造においてその利点を最大にするために、本発明と共にこのような高度な熱処理の利用が予想される。
【００７９】
明らかに、以上の教示内容に照らして本発明の多くの修正及び変形が可能である。すなわち、特許請求の範囲において、具体的に上述した以外に本発明を実施することができることを理解すべきである。
【００８０】
請求する内容及び米国特許証に含められるように望む内容は、特許請求の範囲の通りである。
【符号の説明】
【００８１】
２００  イオンビーム
２２０  抽出電極
３１２  基板
３２０  二重四極子
３３０  ウェーハ処理チャンバ
【図１Ａ】
2010262930.tif 000004
【図１Ｂ】
2010262930.tif 000005
【図１Ｃ】
2010262930.tif 000006
【図１Ｄ】
2010262930.tif 000007
【図１Ｅ】
2010262930.tif 000008
【図２】
2010262930.tif 000009
【図３】
2010262930.tif 000010
【図４Ａ】
2010262930.tif 000011
【図４Ｂ】
2010262930.tif 000012
【図５Ａ】
2010262930.tif 000013
【図５Ｂ】
2010262930.tif 000014
【図５Ｃ】
2010262930.tif 000015
【図６】
2010262930.tif 000016
【図７Ａ】
2010262930.tif 000017
【図７Ｂ】
2010262930.tif 000018
【図７Ｃ】
2010262930.tif 000019
【図７Ｄ】
2010262930.tif 000020
【図７Ｅ】
2010262930.tif 000021
【図７Ｆ】
2010262930.tif 000022
【図７Ｇ】
2010262930.tif 000023
【図７Ｈ】
2010262930.tif 000024
【図８Ａ】
2010262930.tif 000025
【図８Ｂ】
2010262930.tif 000026
【図９】
2010262930.tif 000027
【図１０】
2010262930.tif 000028
【図１１Ａ】
2010262930.tif 000029
【図１１Ｂ】
2010262930.tif 000030
【図１２】
2010262930.tif 000031
【図１３】
2010262930.tif 000032
【図１４】
2010262930.tif 000033
【図１５】
2010262930.tif 000034
【図１６】
2010262930.tif 000035
【図１７】
2010262930.tif 000036
【図１８】
2010262930.tif 000037
【図１９】
2010262930.tif 000038
【図２０】
2010262930.tif 000039
【図２１】
2010262930.tif 000040
【手続補正書】
【提出日】平成22年5月18日(2010.5.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の磁極片で形成されたヨークと、
ヨークアセンブリを形成する前記磁極片の間に配置された対向するＮ及びＳ磁極を有する一対の永久磁石と、
前記磁極片に形成された一対の整列した開口と、
を含むことを特徴とする、磁場を生成するための磁気ヨークアセンブリ。
【請求項２】
前記永久磁石は、該永久磁石の前記Ｎ及びＳ磁極が整列するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の磁気ヨークアセンブリ。
【請求項３】
第１の軸線の回りに巻かれた磁気コイルと、
前記磁気コイルの反対端に磁気的に結合した上部ヨーク及び下部ヨークと、
を含み、
前記上部及び下部ヨークは、開口を通る線が前記第１の軸線とほぼ平行になるように構成された整列した開口を用いて形成される、
ことを特徴とする磁気ヨークアセンブリ。
【請求項４】
前記上部及び下部ヨークの延長端部に磁気的に結合した一対の磁極片を更に含むことを特徴とする請求項３に記載の磁気ヨークアセンブリ。
【請求項５】
ガスの供給源と、
１つ又はそれ以上の電子ビームを受け取るための１つ又はそれ以上の電子入口開口、イオン化されたビームを抽出することを可能にするイオン抽出開口、及びガス入口開口を用いて形成され、電子衝撃による前記ガスのイオン化を可能にするように構成された、前記ガス供給源と流体連通したイオン化チャンバと、
前記イオン化チャンバの外側に配置された、１つ又はそれ以上の電子ビームを生成するための１つ又はそれ以上の電子源と、
前記イオン化チャンバの外側に配置された磁気ヨークアセンブリを含み、該イオン化チャンバ内に磁場を生成する磁束の第１の供給源と、
を含むことを特徴とするイオン源。
【請求項６】
前記磁気ヨークアセンブリは、永久磁石を含むことを特徴とする請求項５に記載のイオン源。
【請求項７】
前記磁気ヨークアセンブリは、電磁石を含むことを特徴とする請求項５に記載のイオン源。
【請求項８】
前記１つ又はそれ以上の電子源は、前記電子ビームが前記１つ又はそれ以上の電子入口開口を含む１つ又は複数の平面とほぼ平行になるように構成され、
前記１つ又はそれ以上の電子ビームを曲げて前記１つ又はそれ以上の電子入口開口を含む前記１つ又は複数の平面とほぼ垂直になるようにするための１つ又はそれ以上のビーム・ステアラー、
を更に含むことを特徴とする請求項５に記載のイオン源。
【請求項９】
前記１つ又はそれ以上のビーム・ステアラーの各々は、磁束の第２の供給源を含むことを特徴とする請求項５に記載のイオン源。
【請求項１０】
前記磁気ヨークアセンブリによって生成された電界が前記電子源の領域内に貫通するのを実質的に防止するために、該電子源と該磁気ヨークアセンブリの間に磁気シールドを更に含むことを特徴とする請求項５に記載のイオン源。
【請求項１１】
るつぼを収容するための容積を形成する気化器本体と、
前記るつぼと流体連通した導菅と、
前記導菅に結合した少なくとも１つの遮断弁と、
イオン化チャンバのための蒸気供給器を形成する蒸気導菅を用いて形成されたソースブロックと、
前記気化器本体、少なくとも１つの遮断弁、及びソースブロックの温度を別々に制御するための多段温度システムと、
を含むことを特徴とする、イオン源のための蒸気供給源。
【請求項１２】
前記るつぼ及び気化器本体容積は、ぴったりと嵌るものであり、その間の間隙は、ガスで充填され、前記るつぼ及び気化器本体容積の間の熱的接触をもたらすことを特徴とする請求項１１に記載の蒸気供給源。
【請求項１３】
前記ガスは、大気圧又はほぼ大気圧あることを特徴とする請求項１２に記載の蒸気供給源。
【請求項１４】
前記間隙は、真空シールによって真空から分離されることを特徴とする請求項１２に記載の蒸気供給源。
【請求項１５】
前記多段温度制御システムは、前記気化器本体、少なくとも１つの遮断弁、及びソースブロックの各々と熱的に接触した抵抗加熱器を含み、
前記抵抗加熱器を制御するための多段温度コントローラ、
を更に含むことを特徴とする請求項１１に記載の蒸気供給源。
【請求項１６】
前記多段温度コントローラは、前記気化器本体、少なくとも１つの遮断弁、及びソースブロックの温度を別々に制御することを可能にする３段温度コントローラであることを特徴とする請求項１５に記載の蒸気供給源。