(57)【要約】  従来の単原子ドーパントイオン種およびクラスターイオンの注入を可能にする、多目的イオン注入ビームライン構成であって、このビームライン構成は質量解析磁石を有し、質量解析磁石は、実質的に磁石の強磁性体の極間の幅の極ギャップ、および質量選択開口を画定する。この解析磁石は、スロット形状のイオン源引き出し開口からのイオンビームを受け入れ、且つ、質量選択開口における、ビーム幅に対応する面での分散を生じさせるように寸法決めされる。質量選択開口は、クラスターのビームを選択するために寸法決めされた質量選択幅を設定でき、また、質量選択開口は、実質的に狭い質量選択幅を設定できる。解析磁石は、質量選択開口において、実質的に単原子または単分子の質量の単原子ドーパントイオンのビームを選択するのに十分な分解能を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
従来の単原子ドーパントイオン種およびクラスターイオンの注入を可能にする多目的イオン注入ビームライン構成であって、
前記ビームライン構成は、質量解析磁石を有し、前記質量解析磁石は、質量選択開口および質量解析磁石の強磁性体の極間の実質的な幅の極ギャップを画定し、前記解析磁石は、少なくとも約８０ｍｍの高さおよび少なくとも約７ｍｍの幅の、スロット形状のイオン源引き出し開口からのイオンビームを受け入れるように寸法決めされ、且つ、ビーム幅に対応する面における、前記質量選択開口での分散を生成し、前記質量選択開口は、同種であるが段階的に分子量の異なるクラスターイオンのビームを選択するように寸法決めされた質量選択幅を設定することが可能であり、また、前記質量選択開口は、実質的に狭い質量選択幅を設定することが可能であり、且つ、前記解析磁石が、前記質量選択開口において、実質的に単一の原子量または分子量の単原子ドーパントイオンのビームの選択を可能にするのに十分な分解能を備える、ビームライン構成。
【請求項２】
請求項１に記載のイオン注入ビームラインであって、前記質量選択開口は、単原子イオン種のための第１の設定値、および、クラスターイオンを受け入れるために、前記第１の設定値の少なくとも１５倍の質量選択幅の第２の設定値を設定可能である、イオン注入ビームライン。
【請求項３】
請求項１または２に記載のイオン注入ビームラインであって、単原子ドーピングイオンのための、前記質量選択開口における前記質量分析磁石の分解能は、少なくとも６０である、イオン注入ビームライン。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記質量解析磁石は、前記質量選択開口において、イオン源の引き出し開口の幅の質量分散面で共役像を形成するように、構成および配置されるように寸法決めされる、イオン注入ビームライン。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記解析磁石の前記質量選択開口は、少なくとも３０ｍｍの開口幅を設定することができる、イオン注入ビームライン。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記解析磁石は、少なくとも１２ｍｍの幅および９０ｍｍの高さのスロット形状のイオン源引き出し開口から引き出されたビームを解析するように構成される、イオン注入ビームライン。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記スロット形状の引き出し開口幅は約１２．５ｍｍであり、高さが約１００ｍｍである、イオン注入ビームライン。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記質量選択開口は、単原子イオン種のために第１の設定値、および、クラスター化合物のから生成されたクラスターイオンを受け入れるために前記第１の設定値の少なくとも１５倍の質量選択幅の第２の設定値を設定可能であり、単原子ドーパントイオンのための前記質量選択開口における前記質量解析磁石の分解能は、少なくとも６０である、イオン注入ビームライン。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記イオン注入ビームラインは、形成された電子ビームを用いるイオン化モードにより約１ｍＡ／ｃｍ２までの電流密度のイオンを生成するように構成されたイオン源と組み合わされ、前記イオン源は、ガスおよび蒸気の形態の供給材料を二者択一に受け取るように構成される、イオン注入ビームライン。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記イオン源は、アーク放電を利用する第２のイオン化モードで代替的に機能する、イオン注入ビームライン。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記イオンビーム内で、ガスとイオンビームとの相互作用により負のイオンを発生させるために、前記ビームラインは、前記解析磁石の下流で、ガスを導入する手段を備える、イオン注入ビームライン。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記解析磁石は、単一のコイル対を備える扇形の双極子磁石であり、前記磁石は、入口および出口の極縁を備え、前記極縁は、前記極のギャップに出入りするイオンビーム経路の主軸に実質的に垂直であり、前記解析磁石は、前記扇形磁石内で、イオンビームの曲げ面に垂直な面におけるビームの集束効果を実質的に備えず、前記磁石に先立つイオン集束システムが、前記磁石の質量分散面に垂直なででのビーム集束を提供する、イオン注入ビームライン。
【請求項１３】
請求項１２に記載のイオン注入ビームラインであって、前記集束システムは、前記イオン源に関連したイオン引き出しシステムのレンズ要素を有する、イオン注入ビームライン。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記解析磁石の前記極ギャップは、実質的に、通過する最大サイズのイオンビームの対応する寸法よりも大きく、前記極の表面と前記ビーム経路との間にグラファイトまたはシリコンのライニングが存在する、イオン注入ビームライン。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記極ギャップを画定する極部材は、溝およびシムが形成された極表面を備え、前記溝およびシムは、前記ビーム経路の中間面に対してそれぞれ極表面を低くおよび高くし、極ギャップ寸法に対して相対的に小さな極幅を使用できるような磁場を成形する、イオン注入ビームライン。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記極ギャップを画定する極部材は、非磁性体の真空ハウジングの壁に埋め込まれ且つ該壁にシールされ、前記解析磁石の磁場にさらされながら前記真空ハウジングを通ってイオンビームが通過し、前記極部材間の磁石の強磁性体構造は、前記真空ハウジングの外側に配置される、イオン注入ビームライン。
【請求項１７】
請求項１乃至１６のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記解析磁石は、前記極ギャップ中に、約１０ｋガウスを超える磁場を含む、調節可能な磁場を生成するように構成された扇形磁石である、イオン注入ビームライン。
【請求項１８】
請求項１乃至１７のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、オクタデカボランから生成される約８０ｋｅＶのイオンを選択するように構成される、イオン注入ビームライン。
【請求項１９】
請求項１乃至１８のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記質量解析装置は、約４００ｍｍより大きな半径Ｒをもつ扇形磁石を備え、扇形の角度φは約９０度以上であり、有効極出口境界から質量分解開口までの距離ｂが約２００ｍｍであり、前記質量解析装置は約−１．２から−０．８０の拡大率Ｍを備えている、イオン注入ビームライン。
【請求項２０】
請求項１９に記載のイオン注入ビームラインであって、Ｒは約５００ｍｍ、φは約１２０°、ｂは約１９５ｍｍ、Ｍは約−０．８３であり、前記解析磁石は、開口幅約１２．５ｍｍのソースからのイオンビームを解析するように構成され、前記解析磁石は、約８８のオーダーの質量分解能ｍ／Δｍを備える、イオン注入ビームライン。
【請求項２１】
請求項１乃至２０のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記質量解析磁石は、約２０５ａｍｕと約２２０ａｕｍとの間の全質量範囲にわたってイオンを選択するように構成される、イオン注入ビームライン。
【請求項２２】
請求項１乃至２１のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記質量解析磁石は、約１１３ａｍｕと約１２３ａｍｕとの間の全質量範囲にわたってイオンを受け入れるように構成される、イオン注入ビームライン。
【請求項２３】
請求項１乃至２２のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記質量選択開口は、一対の反対回転する円筒形表面により画定され、前記円筒形表面は、平行な偏心軸を中心とする反対方向の同期した回転のために取り付けられる、イオン注入ビームライン。
【請求項２４】
請求項２３に記載のイオン注入ビームラインであって、前記円筒形の表面の少なくとも１つは、水冷式であり且つグラファイトまたはシリコンのカバーを備える、イオン注入ビームライン。
【請求項２５】
請求項１乃至２４のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記解析磁石の後続のビームラインの一部において、複数の素子の、四極子集束レンズを備え、前記レンズは、ビーム断面の直交方向のビームの寸法を制御するように構成される、イオン注入ビームライン。
【請求項２６】
請求項２５に記載のイオン注入ビームラインであって、前記レンズは、少なくとも３つの四極子素子を備え、かつ、ビームの断面の直交方向の角度発散および寸法を同時に制御するように構成される、イオン注入ビームライン。
【請求項２７】
請求項２５または２６に記載のイオン注入ビームラインであって、前記レンズは、三枚構造四極子集束レンズである、イオン注入ビームライン。
【請求項２８】
請求項２５乃至２７のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記レンズは、磁気三枚構造四極子集束レンズである、イオン注入ビームライン。
【請求項２９】
請求項２５乃至２８のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記ビームラインは、前記解析磁石内でイオンビームの曲げ面に垂直な面での長い寸法のビームプロファイルを備える、前記三枚構造四極子集束レンズに入る細長い断面プロファイルを備えるビームを生成するように構成され、前記三枚構造の第１のレンズ素子が、長いプロファイルの寸法を集束させ、第２のレンズ素子が、前記第１の素子と反対の極を持ち、短い寸法における集束および長い寸法におけるデフォーカスを生じさせ、第３のレンズ素子が、第１の素子と同じ極を持つように構成された制御装置と組み合わされ、前記細長いプロファイルの両方の寸法における同時の集束を達成するために、レンズ素子の場の強さはそれぞれ制御される、イオン注入ビームライン。
【請求項３０】
請求項２５乃至２９のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記ビームラインは、前記解析磁石の後に且つ前記四極子レンズの前に、減速ユニットを含み、前記レンズは、前記減速ユニットにおけるビームの減速により生じるビームの発散を制御するために制御される、イオン注入ビームライン。
【請求項３１】
請求項２５乃至３０のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記ビームラインは、前記クラスターイオンの少なくとも１つのイオンビームを生成するためのイオン源と組み合わされ、前記解析磁石の前記質量選択開口は、同一のクラスターイオン種の質量の範囲を伝達するように調整され、前記四極子レンズのレンズ要素の個別の場の強さは、同時且つ実質的に、ターゲット基板における、イオンビーム中の異なる質量の範囲により生じうる角度ずれを取り除くように調整される、イオン注入ビームライン。
【請求項３２】
請求項１乃至３１のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記ビームラインは、高電流のボロン含有クラスターイオンを低エネルギー且つ高ドーズ注入条件で生成するように構成される、イオン注入ビームライン。
【請求項３３】
請求項２５乃至３２のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記ビームラインは、４つの強磁性体コア部材の周りに個別的に巻かれた４つのコイルを備える磁気四極子レンズを有し、前記コア部材は強磁性体極部材に固定されており、前記強磁性体極部材は、ビームが通る非強磁性体の真空ハウジングを貫通し且つこれをシールし、隣接するコイルは、反対の極になるように巻かれて４つの極間の領域に四極子場を形成し、磁束は、１つの極から他の極へ磁気的に強磁性体ヨーク構造に結合されたコア部材を介して戻る、イオン注入ビームライン。
【請求項３４】
請求項２５乃至３３のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記ビームラインは、前記四極子レンズの後ろでイオンビームを走査するように構成されたスキャナと、前記スキャナと協働して、ターゲット基板に渡ってビームを平行に走査することを可能にするように構成されたコリメータとを含む、イオン注入ビームライン。
【請求項３５】
請求項２５乃至３４のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記ビームラインは、実質的に以下の値、すなわち
Ａ．解析磁石：Ｒ＝５００ｍｍ、φ＝１２０°；Ｇ＝１１８ｍｍ；ｓ１＝３１ｍｍ；ｓ２＝８．６ｍｍ；ｈ１＝８．７ｍｍ；ｈ２＝４．７ｍｍ；Ｗ＝１６６ｍｍ；曲げ力＝８０ｋｅＶ  オクタデカボラン
Ｂ．質量選択開口：最小約８ｍｍから最大約３８ｍｍ
Ｃ．三枚構造四極子集束レンズ：開口：８０極先端間の対角；極先端の場は０ガウスから５ｋガウスの範囲で調整可能、
のビームライン特徴およびパラメータを備える、イオン注入ビームライン。
【請求項３６】
関心ピーク付近の複数の質量のクラスターイオンの注入を可能にするための、イオン注入ビームライン構成であって、
前記ビームライン構成は、磁石の強磁性体の極の間の極ギャップおよび質量選択開口を画定する質量解析磁石を有し、前記極ギャップは、クラスターイオンを生成する低密度のイオン源からのイオンビームを受け入れるように寸法決めされ、前記質量選択開口は、同一のドーパント種であるが分子量が段階的に異なるクラスターイオンのビームを選択するように寸法決めされた質量選択幅を設定でき、前記イオン注入ビームラインは、前記解析磁石の後ろのビームラインの一部において、複数素子の集束システムを含み、前記集束システムは、複数の四極子集束素子を含み、前記レンズシステムのレンズ素子の個別的な場の強さは、ビーム断面の直交方向におけるビームの寸法を制御するように調整され、また、同時且つ実質的に、ターゲット基板における、イオンビーム中におけるクラスターイオンの異なる質量の範囲の結果として生じ得る角度ずれを取り除く、イオン注入ビームライン構成。
【請求項３７】
請求項３６に記載のイオン注入ビームラインであって、前記ビームラインは、形成された電子ビームを採用するイオン化モードにより約１ｍＡ／ｃｍ２までの電流密度のイオンを生成するように構成されたイオン源と組み合わされ、前記イオン源は、加熱された蒸気の形態の供給物質を受け取るように構成される、イオン注入ビームライン。
【請求項３８】
請求項３６または３７に記載のイオン注入ビームラインであって、前記質量選択開口は、約１１３ａｍｕから約１２３ａｍｕの範囲の質量を持つイオンを選択するように設定可能であり、また、約２０５ａｍｕから２２０ａｍｕの範囲の質量を持つイオンを選択するように設定可能である、イオン注入ビームライン。
【請求項３９】
請求項３６乃至３８のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記レンズシステムは、少なくとも３つの四極子素子を備え、かつ、四極子場によって、ビーム断面の直交方向のビームの寸法および角度発散を同時に制御するように構成される、イオン注入ビームライン。
【請求項４０】
請求項３６乃至３９のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記レンズシステムは、三枚構造四極子集束レンズである、イオン注入ビームライン。
【請求項４１】
請求項４０に記載のイオン注入ビームラインであって、前記レンズは、磁気三枚構造四極子集束レンズである、イオン注入ビームライン。
【請求項４２】
請求項４１に記載のイオン注入ビームラインであって、前記ビームラインは、前記解析磁石の曲げ面に垂直な面内にビームプロファイルの長い寸法を備える、前記三枚構造四極子集束レンズに入る細長い断面プロファイルを備えるビームを生成し、
前記三枚構造の第１のレンズ素子が、前記長いプロファイル寸法での集束を生じさせ、第２のレンズ素子が、前記第１の極と反対の極を持ち短い寸法での集束を生じさせかつ前記長い寸法においてデフォーカスを生じさせ、第３のレンズ素子が、前記第１の素子と同一の極を持つように構成された制御装置と組み合わされ、レンズ素子の場の強さは、それぞれ、前記細長いプロファイルの両方の寸法において同時の集束を達成するように制御される、イオン注入ビームライン。
【請求項４３】
請求項２４乃至２６のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、イオン源に関連付けられた調節可能な引き出し光学系は、前記解析磁石の非分散面における所定のビームの集束角度を生成し、数マイクロアンペアからすうミリアンペアまでの幅広いビーム電流、および約４ｋｅＶから約８０ｋｅＶまでの広い範囲のエネルギーにわたって、前記四極子への入口において受け入れられるようにビームを寸法決めするように最適化され、前記三枚構造四極子は、ウェハまたは基板において、ウェハまたは基板の非分散面（垂直）および分散面（水平）の両方でのビームサイズおよび角度発散の最終的な最適化を提供し、前記最終的な最適化は、エネルギーおよび電流の範囲にわたって前記引き出し光学系により導入されるビームサイズおよび角度の変化の補償を含む、イオン注入ビームライン。
【請求項４４】
請求項３６乃至４３のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記ビームラインは、前記解析磁石の後ろ且つ前記レンズシステムの四極子レンズ素子の前に減速ユニットを含み、この四極子レンズ素子は、前記減速ユニットにおけるビームの減速の結果として生じるビームの発散を制御するために制御される、イオン注入ビームライン。
【請求項４５】
請求項４４に記載のイオン注入ビームラインであって、三枚構造四極子レンズが前記減速ユニットの後ろに続く、イオン注入ビームライン。
【請求項４６】
請求項３６乃至４５のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記ビームラインは、前記解析磁石の後ろに続く減速ユニットを含み、前記減速ユニットは、一対の四極子集束素子の間に配置され、前記減速ユニットの先の四極子レンズ素子は、前記減速ユニットでのビームの減速の結果として生じるビーム発散を制御するように制御される、イオン注入ビームライン。
【請求項４７】
請求項４３乃至４６のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記減速ユニットは、イオン加速をも可能にするように構成される、イオン注入ビームライン。
【請求項４８】
請求項４３乃至４５のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記ビームラインは、前記減速器または加速器、およびそれに続く四極子素子の後ろに、少なくとも１つの磁気ビームライン素子を含み、前記減速器また加速器は、イオンビーム中のイオンの異なる質量に起因する、前記磁気ビームライン素子において生じる質量分散を相殺するため、イオンビーム中の異なる質量を持つイオンの交差を可能にする、イオン注入ビームライン。
【請求項４９】
請求項４３乃至４８のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、磁気スキャナおよび磁気コリメータの後ろに最終エネルギー磁石が存在し、前記磁気スキャナおよび前記磁気コリメータは同じ方向に調整され、最終エネルギー磁石は反対方向に調整される、イオン注入ビームライン。
【請求項５０】
請求項４３乃至４９のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、円筒形の３電極ポスト加速器構造が前記質量選択開口の先に存在し、前記３電極ポスト加速器は、ソース引き出しエネルギーから異なるエネルギーへイオンをポスト加速またはポスト減速でき、前記ポスト加速器の中心電極は、イオンが前記ポスト加速器領域を通るときに、イオンビームの様々な集束角度を得るために、調整可能な電圧が適用されるように連結され、四極子素子が、前記ポスト加速器の両側に位置し、前記ポスト加速器に続いて、ポスト加速（または減速）の間に不適切なエネルギーを持って生成されたイオンまたは中性粒子を取り除くための最終エネルギー磁石が存在し、前記最終エネルギー磁石の後ろには、磁気コリメータレンズと協働する磁気スキャナがあり、前記コリメータレンズは、ビームを前記スキャナ磁石と同じ方向に曲げ、前記ポスト加速器集束電極と協働する前記四極子素子の強さは、ターゲット基板でのビームサイズおよび角度発散を最適化し、複数の質量のイオンの存在により生じうる角度ずれを最小化するように調整される、イオン注入ビームライン。
【請求項５１】
請求項５０に記載のイオンビームラインであって、前記ポスト加速器集束電極と協働する前記四極子素子の強さは、ビーム中の複数の質量のイオンの存在に起因する、ターゲット基板におけるビームの広がりを実質的に取り除くために、前記最終エネルギー磁石に関して、同等に調節される、イオンビームライン。
【請求項５２】
請求項３６乃至５１のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記質量解析磁石のギャップは、前記解析磁石の曲げ面に垂直な方向における少なくとも８０ｍｍの最小断面寸法のイオン源引き出し開口からのイオンビームを受け入れるように寸法決めされる、イオン注入ビームライン。
【請求項５３】
請求項５２に記載のイオン注入ビームラインであって、前記解析磁石の前記質量選択開口は、約８ｍｍと約３８ｍｍとの間の幅の開口に調整できる、イオン注入ビームライン。
【請求項５４】
請求項３６乃至５３のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記ビームラインは、前記質量選択開口において、スロット形状イオン源引き出し開口から引き出されたビームを少なくとも１０ｍｍの幅に集束させるように構成される、イオン注入ビームライン。
【請求項５５】
請求項３６乃至５４のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記解析磁石の前記極ギャップは、実質的に、通過するイオンビームの最大サイズの対応する寸法よりも大きく、前記極の表面と前記ビーム経路との間にグラファイトまたはシリコンのライニングが存在する、イオン注入ビームライン。
【請求項５６】
請求項３６乃至５５のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記極ギャップを画定する極部材は、溝およびシムが形成された極表面を備え、前記溝およびシムは、前記ビーム経路の中間面に対してそれぞれ極表面を低くおよび高くし、前記極ギャップ寸法およびビームの断面寸法に関して相対的に小さな極幅の使用を可能にするような磁場を形成する、イオン注入ビームライン。
【請求項５７】
請求項３６乃至５６のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記極ギャップを画定する極部材は、非磁性体材料の真空ハウジングの壁に埋め込まれ且つ該壁にシールされ、イオンビームは、前記解析磁石の磁場にさらされながら前記真空ハウジングを通り、極部材間の磁石の強磁性体構造は、前記真空ハウジングの外側に位置する、イオン注入ビームライン。
【請求項５８】
請求項１乃至５７のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記解析磁石は、約５００ｍｍの半径を持つ扇形磁石であり、且つ、前記極ギャップ内に約１０ｋガウスを超える磁場を含む調整可能な磁場を生成するように構成される、イオン注入ビームライン。
【請求項５９】
請求項１乃至５８のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記ビームラインは、オクタデカボランから生成される約８０ｋｅＶのイオンを選択するように構成される、イオン注入ビームライン。
【請求項６０】
請求項１乃至５９のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記質量解析装置は、約４００ｍｍより大きい半径Ｒ、約９０°よりも大きい扇角φ、および約２００ｍｍの、極出口から質量選択開口までの距離ｂ、を備える扇形磁石を有する、イオン注入ビームライン。
【請求項６１】
請求項６０に記載のイオン注入ビームラインであって、Ｒは約５００ｍｍ、φは約１２０°、ｂは約１９５ｍｍ、およびＭは約０．８３であり、前記解析磁石は、約１２．５ｍｍの引き出し開口幅を持つイオン源からのイオンビームを解析するように構成される、イオン注入ビームライン。
【請求項６２】
請求項１乃至６１のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記ビームラインは、電子衝突によりクラスターイオンを生成するために材料をイオン化することができるイオン源を有し、前記イオン注入装置は、真空ハウジング内に、前記質量解析磁石に続いてビームスキャナおよびコリメータを備え、前記ビームラインは、ビームに中和のための負のイオンを提供するために、クラスターイオンビームとの相互作用により負のイオンを形成することができるガスを、前記スキャナまたはコリメータの真空ハウジングの領域に導入するためのシステムを備える、イオン注入ビームライン。
【請求項６３】
電子衝突イオン化によりクラスターイオンを生成するために、材料をイオン化することができるイオン源と組み合わされるイオン注入ビームラインであって、前記ビームラインは、関連する真空ハウジング部分内でおよび注入ステーションに先立ち、クラスターイオンビームを生成するために、イオン源からイオンを引き出すことができる引き出し電極アセンブリと、ビームのための質量解析磁石と、解析されたビームが通るイオンビームスキャナおよびイオンビームコリメータとを有し、前記イオンビームスキャナおよびイオンビームコリメータは、前記解析磁石の下流で、ビームを中和する負のイオンを提供するために、クラスターイオンビームとの相互作用により負のイオンを形成することができるガスを提供するシステムに組み合わされる、イオン注入ビームライン。
【請求項６４】
注入に好適なイオン種を生成するために、材料をイオン化することができるイオン源に組み合わされるイオン注入ビームラインであって、前記ビームラインは、関連する真空ハウジング部分内でおよび注入ステーションに先立ち、前記イオン種のビームを生成するために、イオン源からイオンを引き出すことができる引き出し電極アセンブリと、ビームのための質量解析磁石と、解析されたビームが通るイオンビームスキャナおよびイオンビームコリメータとを有し、前記イオンビームスキャナおよびイオンビームコリメータは、前記解析磁石の下流で、ビームを中和する負のイオンを提供するために、イオンビームとの相互作用により負のイオンを形成することができるガスを提供するシステムに組み合わされる、イオン注入ビームライン。
【請求項６５】
請求項１１、６２、６３または６４に記載のイオン注入ビームラインであって、前記ガスはＳＦ６である、イオン注入ビームライン。
【請求項６６】
請求項６５に記載のイオン注入ビームラインであって、前記ＳＦ６ガスは、約５×１０−７から１０−５torrの圧力で提供される、イオン注入ビームライン。
【請求項６７】
請求項１１および請求項６２乃至６６のいずれか一項に記載のイオン注入ビームラインであって、前記磁気解析装置の先にポスト加速器構造が存在し、前記ポスト加速器構造は、イオンをソース引き出しエネルギーから低いエネルギーまでポスト減速することができる、イオン注入ビームライン。
【請求項６８】
イオン注入ビームラインのための、調整可能な質量選択開口を提供する装置であって、前記質量選択開口は、平行な偏心した軸を中心に同期した回転のために取り付けられた一対の反対回転する円筒形表面により画定される、装置。
【請求項６９】
請求項６８に記載の装置であって、前記円筒形表面の少なくとも一方は水冷式であり、グラファイトまたはシリコンの被覆を備える、装置。
【請求項７０】
請求項６８または６９に記載の装置であって、前記装置は、２つのギア駆動の、反対回転する偏心する水冷式の非鉄材料の中空シリンダを有し、各シリンダは、グラファイトまたはシリコンのそれぞれのスリーブにより覆われ、前記シリンダは、反対回転するために、平行な偏心軸上に取り付けられて、イオン注入装置のビームラインに整合した、調整可能な質量選択開口を形成する、装置。
【請求項７１】
請求項６８、６９または７０に記載の装置であって、前記装置は、イオン注入のための最小分解スリット幅、および最小分解スリット幅の約４倍から６倍の幅を含む分解スリット幅を提供するように構成される、装置。
【請求項７２】
請求項６８乃至７１のいずれか一項に記載の装置であって、前記装置は、少なくとも約３８ｍｍの最大イオン注入スリット幅を備える、装置。
【請求項７３】
イオン注入ビームラインのための解析磁石であって、前記解析磁石は、約５００ｍｍの中心経路半径、約１２０°の扇角度、および少なくとも約８０ｍｍの極ギャップを備える扇形磁石を有し、前記磁石は、単一のコイル対に関連付けられ、前記磁石は、前記極ギャップに入り且つ出るイオンビームの主軸に実質的に垂直な、入口極縁および出口極縁を備え、前記磁石は、前記扇形磁石の曲げ面に垂直な面での、ビームの集束に実質的に影響を与えない、解析磁石。
【請求項７４】
請求項７３に記載の解析磁石であって、前記解析磁石は、前記磁石に先立つイオン集束システムと組み合わされ、前記イオン集束システムは、前記磁石の質量分散面に垂直な面でのビームの集束を提供する、解析磁石。
【請求項７５】
請求項７３または７４に記載の解析磁石であって、前記集束システムは、前記イオン源に関連付けられたイオン引き出しシステムのレンズ素子を有する、解析磁石。
【請求項７６】
請求項７３乃至７５のいずれか一項に記載の解析磁石であって、前記解析磁石の前記極ギャップは、イオンビームが通る対応するイオンビームの最大サイズの寸法よりも実質的に大きく、前記極表面とビーム経路との間にグラファイトまたはシリコンのライニングが存在する、解析磁石。
【請求項７７】
請求項７３乃至７６のいずれか一項に記載の解析磁石であって、前記極ギャップを画定する極部材は、溝およびシムが形成された極表面を備え、前記溝およびシムは、前記ビーム経路の中間面に対してそれぞれ極表面を低くおよび高くし、前記極ギャップ寸法関して相対的に小さな極幅の使用を可能にするような磁場を形成する、イオン注入ビームライン。
【請求項７８】
請求項７３乃至７７のいずれか一項に記載の解析磁石であって、前記極ギャップを画定する極部材は、非磁性材料の真空ハウジングの壁に埋め込まれかつシールされ、前記真空ハウジングを通って、イオンビームが前記解析磁石の磁場にされされながらが通過し、前記極部材間の前記磁石の強磁性体構造は、前記真空ハウジングの外側に位置する、解析磁石。
【請求項７９】
請求項７３乃至７８のいずれか一項に記載の解析磁石であって、前記解析磁石は、前記極ギャップにおいて、約１０ｋガウスを超える磁場を含む、調節可能な磁場を生成するように構成される扇形磁石である、解析磁石。
【請求項８０】
請求項７３乃至７９のいずれか一項に記載の解析磁石であって、前記解析磁石は、少なくとも１２ｍｍの幅および９０ｍｍの高さの、スロット形状イオン源引き出し開口から引き出されたイオンを解析するように構成される、解析磁石。
【請求項８１】
イオン注入を行う方法であって、前記方法は、請求項１乃至８０のいずれか一項に記載の装置を採用する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェハおよびその他の基板ターゲットへのイオン注入に関する。特に、周期表のＣ、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎのようIV族の両側にあるＢ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｉｎ元素のような、電気的ドーパント種の原子を複数含む、分子イオンの効率的な注入に関する。また、たとえばアモルファス化、ドーパント拡散制御、ストレスエンジニアリング、欠陥ゲッタリングなどの半導体基板の改変を行うための、Ｓ、Ｓｉ、Ｇｅのような原子を複数含む分子イオンの効率的な注入に関する。このような分子の注入、特に、関心原子の大きな、すなわち４より大きい多重度の分子の注入は、６０ｎｍおよびそれ以下の臨界的な集積回路の製造に有効である。本発明は、また、一般的に使用されている単一原子ドーパントイオンに好適な注入装置の注入ビームライン構成、および、特に、多目的の注入装置のビームライン構成、上述の３つのクラスのイオンの注入に有効な構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
高ドーズ、低エネルギー注入の場合、関心元素の複数の原子を含む分子イオンを用いる潜在的な利点が、ここ数年よく認識されてきた。与えられたイオンビーム電流のため、関心元素の原子の多重度に比例してドーズ量は増加する。このようなイオンは、ソースから引き出され、関心元素の原子量に対する分子量の比に比例して、より高エネルギーで、ウェハまたは他のターゲット基板に輸送される。従って、比較的高ドーズの注入にとって、ウェハの処理量は、内部空間電荷力、イオンビーム中の固有熱イオン温度によりそれほど制限的されない。また、与えられたドーズ量のため、ビームによりウェアに運搬される電荷量は実質的に小さい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、このような分子イオンを従来の注入装置において使用することを試みるときに、いくつかの欠点を克服することが望まれる。第１に、従来の注入装置のイオン源は、比較的高密度であり、熱プラズマおよび重い分子イオンが実質的にこのようなソースにより崩壊され、しばしば、小さな分子イオンしか得られない。第２に、分子イオンは、しばしば、イオン内の水素原子の様々な量の結果として、および、発生したイオンに１つ以上の同位元素が存在する場合、同位体質量の二項分布の結果として、質量の範囲を伴って発生される。この異なる質量のイオンは、一般に、注入ビームラインを通して異なる経路を描き、結果として、ウェハ表面上への好ましくない角度および／またはドーズの変化をもたらす。第３に、比較的大きい分子イオンの質量は、単原子注入エネルギーを制限し、しばしば、従来の解析磁石（およびもしあれば他の磁気部品）のサイズおよび磁場の強さにより数ｋｅＶに制限する。
【０００４】
イオン注入装置の製造および運転に関する商業コストを最小限にするために、分子イオンの注入に関する不利益を克服するだけでなく、従来の単原子ドーパント種の注入もできる、多目的なイオン注入を提供することが望まれる。
【０００５】
さらに、主に従来の単原子ドーパント種を注入するために構成されたイオン注入装置でも、大きな動的なドーズ範囲に適合させるために、ビームの広範囲なイオン密度にわたる効率的な運転をできるようにすることが望まれる。これは、イオンのエネルギー分解能に関して、および半導体構造の質を低下させるイオン種からの自由に関して、主に、ターゲットにおいて高純度のイオンを提供するために必要であり、また、イオンを、ウェハ基板に、ウェハ表面にわたって小さな角度広がりで、よい角度定義で、よいドーズ均一性で衝突させるために必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
従来の単原子ドーパントイオン種、および以下に定義されるクラスターイオンの注入を可能にする多目的イオン注入ビームライン構成が特徴付けられる。ここで、クラスターイオンは、たとえば、ドーパント種の原子を多く含む実質的に大きな分子のイオンであり、これには、ボロハイドライド化合物のデカボランＢ１０Ｈ１４およびオクタデカボランＢ１８Ｈ２２から生成されるイオンが含まれる。このビームライン構成は、質量解析磁石を有し、質量解析磁石は、質量選択開口および質量解析磁石の強磁性体の極間の実質的な幅の極ギャップを画定し、解析磁石は、少なくとも約８０ｍｍの高さおよび少なくとも約７ｍｍの幅の、広い面積のスロット形状のイオン源引き出し開口からのイオンビームを受け入れるように寸法決めされ、且つ、ビーム幅に対応する面における、質量選択開口での分散を生成し、質量選択開口は、同種であるが段階的に分子量の異なるクラスターイオンのビームを選択するように寸法決めされた質量選択幅を設定することが可能であり、また、質量選択開口は、実質的に狭い質量選択幅を設定することが可能であり、且つ、解析磁石が、質量選択開口において、実質的に単一の原子量または分子量の単原子ドーパントイオンのビームの選択を可能にするのに十分な分解能を備える。
【０００７】
好ましい実施形態は、以下の１つまたはそれ以上の特徴を備える。
【０００８】
質量選択開口は、単原子イオン種のための第１の設定値、および、クラスターイオンを受け入れるために、第１の設定値の少なくとも１５倍の質量選択幅の第２の設定値を設定可能である。
【０００９】
単原子ドーピングイオンのための、質量選択開口における質量分析磁石の分解能は、少なくとも６０である。
【００１０】
質量解析磁石は、質量選択開口において、イオン源の引き出し開口の幅の質量分散面で共役像を形成するように、構成および配置されるように寸法決めされる。
【００１１】
質量選択開口は、少なくとも３０ｍｍの開口幅を設定することができる。
【００１２】
解析磁石は、少なくとも１２ｍｍの幅および９０ｍｍの高さのスロット形状のイオン源引き出し開口から引き出されたビームを解析するように構成される。
【００１３】
イオン源は、幅が約１２．５ｍｍであり、高さが約１００ｍｍのスロット形状の引き出し開口を備える。
【００１４】
質量選択開口は、単原子イオン種のために第１の設定値、および、クラスター化合物のから生成されたクラスターイオンを受け入れるために第１の設定値の少なくとも１５倍の質量選択幅の第２の設定値を設定可能であり、単原子ドーパントイオンのための質量選択開口における質量解析磁石の分解能は、少なくとも６０である。
【００１５】
イオン注入ビームラインは、形成された電子ビームを用いるイオン化モードにより約１ｍＡ／ｃｍ２までの電流密度のイオンを生成するように構成されたイオン源と組み合わされ、イオン源は、ガスおよび蒸気の形態の供給材料を二者択一に受け取るように構成される。このイオン化モードは、時々、電子衝突によるイオン化と言及される。
【００１６】
イオン源は、アーク放電を利用する第２のイオン化モードで代替的に機能する。
【００１７】
イオンビーム内で、ガスとイオンビームとの相互作用により負のイオンを発生させるために、ビームラインは、解析磁石の下流で、ガスを導入する手段が提供される。
【００１８】
解析磁石は、単一のコイル対に関連付けられた扇形の双極子磁石であり、磁石は、入口および出口の極縁を備え、極縁は、極のギャップに出入りするイオンビーム経路の主軸に実質的に垂直であり、解析磁石は、扇形磁石内で、イオンビームの曲げ面に垂直な面におけるビームの集束効果を実質的に備えず、磁石に先立つイオン集束システムが、磁石の質量分散面に垂直なででのビーム集束を提供する。
【００１９】
集束システムは、イオン源に関連したイオン引き出しシステムのレンズ要素を有する。
【００２０】
解析磁石の極ギャップは、実質的に、通過する最大サイズのイオンビームの対応する寸法よりも大きく、極の表面とビーム経路との間にグラファイトまたはシリコンのライニングが存在する。
【００２１】
極ギャップを画定する極部材は、溝およびシムが形成された極表面を備え、溝およびシムは、ビーム経路の中間面に対してそれぞれ極表面を低くおよび高くし、極ギャップ寸法に対して相対的に小さな極幅を使用できるような磁場を成形する。
【００２２】
極ギャップを画定する極部材は、非磁性体の真空ハウジングの壁に埋め込まれ且つ該壁にシールされ、解析磁石の磁場にさらされながら真空ハウジングを通ってイオンビームが通過し、極部材間の磁石の強磁性体構造は、真空ハウジングの外側に配置される。
【００２３】
解析磁石は、極ギャップ中に、約１０ｋガウスを超える磁場を含む、調節可能な磁場を生成するように構成された扇形磁石である。
【００２４】
オクタデカボランから生成される約８０ｋｅＶのイオンを選択するように構成される。
【００２５】
質量解析装置は、約４００ｍｍより大きな半径Ｒをもつ扇形磁石を備え、扇形の角度φは約９０度以上であり、有効極出口境界から質量分解開口までの距離ｂが約２００ｍｍであり、質量解析装置は約−１．２から−０．８０の拡大率Ｍを備えている。
【００２６】
半径Ｒは約５００ｍｍ、φは約１２０°、ｂは約１９５ｍｍ、Ｍは約−０．８３であり、解析磁石は、開口幅約１２．５ｍｍのソースからのイオンビームを解析するように構成され、解析磁石は、約８８のオーダーの質量分解能ｍ／Δｍを備える。
【００２７】
質量解析磁石は、約２０５ａｍｕと約２２０ａｕｍとの間の全質量範囲にわたってイオンを受け入れるように構成される。
【００２８】
質量解析磁石は、約１１３ａｍｕと約１２３ａｍｕとの間の全質量範囲にわたってイオンを受け入れるように構成される。
【００２９】
質量選択開口は、一対の反対回転する円筒形表面により画定され、円筒形表面は、平行な偏心軸を中心とする反対方向の同期した回転のために取り付けられる。
【００３０】
円筒形の表面の少なくとも１つは、水冷式であり且つグラファイトまたはシリコンのカバーを備える。
【００３１】
解析磁石の後続のビームラインの一部において、複数の素子の、四極子集束レンズを備え、レンズは、ビーム断面の直交方向のビームの寸法を制御するように構成される。レンズは、少なくとも３つの四極子素子を備え、かつ、ビームの断面の直交方向の角度発散および寸法を同時に制御するように構成される。レンズは、三枚構造四極子集束レンズであり、好ましくは磁気三枚構造四極子集束レンズである。
【００３２】
ビームラインは、解析磁石内でイオンビームの曲げ面に垂直な面での長い寸法のビームプロファイルを備える、三枚構造四極子集束レンズに入る細長い断面プロファイルを備えるビームを生成するように構成され、三枚構造の第１のレンズ素子が、長いプロファイルの寸法を集束させ、第２のレンズ素子が、第１の素子と反対の極を持ち、短い寸法における集束および長い寸法におけるデフォーカスを生じさせ、第３のレンズ素子が、第１の素子と同じ極を持つように構成された制御装置と組み合わされ、細長いプロファイルの両方の寸法における同時の集束を達成するために、レンズ素子の場の強さはそれぞれ制御される。
【００３３】
イオン注入ビームラインは、イオン源に関連付けられた調整可能な引出し光学系を備え、この光学系は、解析磁石の非分散面におけるビーム集束角を生成し、このビーム集束角は、総イオンビーム電流およびイオンエネルギーにの大きさにより変化し、また、数マイクロアンペアから数ミリアンペアのビーム電流の範囲にわたって、および約４ｋｅＶから８０ｋｅＶの広いエネルギー範囲にわたって、ビームが四極子の入口に受け入れられるように、ビームを寸法決めするように最適化され、三枚構造四極子は、注入されるウェハまたは基板での、非分散面（垂直）および分散面（水平）の両方におけるビームサイズおよび角度発散の最終的な最適化を提供し、この最適化には、エネルギーおよび電流の範囲にわたって引き出し光学系により導入されるビームサイズおよび角度の変化の補償を含む。
【００３４】
ビームラインは、解析磁石の後に且つ四極子レンズの前に、減速ユニットを含み、レンズは、減速ユニットにおけるビームの減速により生じるビームの発散を制御するために制御される。
【００３５】
ビームラインは、クラスターイオンの少なくとも１つのイオンビームを生成するためのイオン源と組み合わされ、解析磁石の質量選択開口は、同一のクラスターイオン種の質量の範囲を伝達するように調整され、四極子レンズのレンズ要素の個別の場の強さは、同時且つ実質的に、ターゲット基板における、イオンビーム中の異なる質量の範囲により生じうる角度ずれを取り除くように調整される。
【００３６】
ビームラインは、高電流のボロン含有クラスターイオンを低エネルギー且つ高ドーズ注入条件で生成するように構成される。
【００３７】
ビームラインは、４つの強磁性体コア部材の周りに個別的に巻かれた４つのコイルを備える磁気四極子レンズを有し、コア部材は強磁性体極部材に固定されており、強磁性体極部材は、ビームが通る非強磁性体の真空ハウジングを貫通し且つこれをシールし、隣接するコイルは、反対の極になるように巻かれて４つの極間の領域に四極子場を形成し、磁束は、１つの極から他の極へ磁気的に強磁性体ヨーク構造に結合されたコア部材を介して戻る。
【００３８】
ビームラインは、四極子レンズの後ろでイオンビームを走査するように構成された磁気スキャナと、スキャナと協働して、ターゲット基板に渡ってビームを平行に走査することを可能にするように構成されたコリメータとを含む。
【００３９】
ビームラインは、実質的に以下の値、すなわち
Ａ．解析磁石：Ｒ＝５００ｍｍ、φ＝１２０°；Ｇ＝１１８ｍｍ；ｓ１＝３１ｍｍ；ｓ２＝８．６ｍｍ；ｈ１＝８．７ｍｍ；ｈ２＝４．７ｍｍ；Ｗ＝１６６ｍｍ；曲げ力＝８０ｋｅＶ  オクタデカボラン
Ｂ．質量選択開口：最小約８ｍｍから最大約３８ｍｍ
Ｃ．三枚構造四極子集束レンズ：開口：８０極先端間の対角；極先端の場は０ガウスから５ｋガウスの範囲で調整可能、
のビームライン特徴およびパラメータを備える。
【００４０】
また、本発明の特徴は、関心ピーク付近の複数の質量のクラスターイオンの注入を可能にするための、イオン注入ビームライン構成であって、ビームライン構成は、磁石の強磁性体の極の間の極ギャップおよび質量選択開口を画定する質量解析磁石を有し、極ギャップは、クラスターイオンを生成する低密度のイオン源からのイオンビームを受け入れるように寸法決めされ、質量選択開口は、同一のドーパント種であるが分子量が段階的に異なるクラスターイオンのビームを選択するように寸法決めされた質量選択幅を設定でき、イオン注入ビームラインは、解析磁石の後ろのビームラインの一部において、複数素子の集束システムを含み、集束システムは、複数の四極子集束素子を含み、レンズシステムのレンズ素子の個別的な場の強さは、ビーム断面の直交方向におけるビームの寸法を制御するように調整され、また、同時且つ実質的に、ターゲット基板における、イオンビーム中におけるクラスターイオンの異なる質量の範囲の結果として生じ得る角度ずれを取り除く。
【００４１】
実施形態は、以下１つまたはそれ以上の特徴を備えることができる。
【００４２】
ビームラインは、形成された電子ビームを採用するイオン化モードにより約１ｍＡ／ｃｍ２までの電流密度のイオンを生成するように構成されたイオン源と組み合わされ、イオン源は、加熱された蒸気の形態の供給物質を受け取るように構成される。
【００４３】
質量選択開口は、約１１３ａｍｕから約１２３ａｍｕの範囲の質量を持つイオンを選択するように設定可能であり、また、約２０５ａｍｕから２２０ａｍｕの範囲の質量を持つイオンを選択するように設定可能である。
【００４４】
レンズシステムは、少なくとも３つの四極子素子を備え、かつ、四極子場によって、ビーム断面の直交方向のビームの寸法および角度発散を同時に制御するように構成される。
【００４５】
レンズシステムは、三枚構造四極子集束レンズである。
【００４６】
レンズは、磁気三枚構造四極子集束レンズである。ビームラインは、解析磁石の曲げ面に垂直な面内にビームプロファイルの長い寸法を備える、三枚構造四極子集束レンズに入る細長い断面プロファイルを備えるビームを生成し、三枚構造の第１のレンズ素子が、長いプロファイル寸法での集束を生じさせ、第２のレンズ素子が、第１の極と反対の極を持ち短い寸法での集束を生じさせかつ長い寸法においてデフォーカスを生じさせ、第３のレンズ素子が、第１の素子と同一の極を持つように構成された制御装置と組み合わされ、レンズ素子の場の強さは、それぞれ、細長いプロファイルの両方の寸法において同時の集束を達成するように制御される。
【００４７】
ビームラインは、解析磁石の後ろ且つレンズシステムの四極子レンズ素子の前に減速ユニットを含み、この四極子レンズ素子は、減速ユニットにおけるビームの減速の結果として生じるビームの発散を制御するために制御される。
【００４８】
三枚構造四極子レンズが減速ユニットの後ろに続く。
【００４９】
ビームラインは、解析磁石の後ろに続く減速ユニットを含み、減速ユニットは、一対の四極子集束素子の間に配置され、減速ユニットの先の四極子レンズ素子は、減速ユニットでのビームの減速の結果として生じるビーム発散を制御するように制御される。
【００５０】
減速ユニットは、イオン加速をも可能にするように構成される。ビームラインは、減速器または加速器、およびそれに続く四極子素子の後ろに、少なくとも１つの磁気ビームライン素子を含み、減速器また加速器は、イオンビーム中のイオンの異なる質量に起因する、磁気ビームライン素子において生じる質量分散を相殺するため、イオンビーム中の異なる質量を持つイオンの交差を可能にする。
【００５１】
磁気スキャナおよび磁気コリメータの後ろに最終エネルギー磁石が存在し、磁気スキャナおよび磁気コリメータは同じ方向に調整され、最終エネルギー磁石は反対方向に調整される。
【００５２】
円筒形の３電極ポスト加速器構造が質量選択開口の先に存在し、３電極ポスト加速器は、ソース引き出しエネルギーから異なるエネルギーへイオンをポスト加速またはポスト減速でき、ポスト加速器の中心電極は、イオンがポスト加速器領域を通るときに、イオンビームの様々な集束角度を得るために、調整可能な電圧が適用されるように連結され、四極子素子が、ポスト加速器の両側に位置し、ポスト加速器に続いて、ポスト加速（または減速）の間に不適切なエネルギーを持って生成されたイオンまたは中性粒子を取り除くための最終エネルギー磁石が存在し、最終エネルギー磁石の後ろには、磁気コリメータレンズと協働する磁気スキャナがあり、コリメータレンズは、ビームをスキャナ磁石と同じ方向に曲げ、ポスト加速器集束電極と協働する四極子素子の強さは、ターゲット基板でのビームサイズおよび角度発散を最適化し、複数の質量のイオンの存在により生じうる角度ずれを最小化するように調整される。
【００５３】
ポスト加速器集束電極と協働する四極子素子の強さは、ビーム中の複数の質量のイオンの存在に起因する、ターゲット基板におけるビームの広がりを実質的に取り除くために、最終エネルギー磁石に関して、同等に調節される。
【００５４】
質量解析磁石のギャップは、解析磁石の曲げ面に垂直な方向における少なくとも８０ｍｍの最小断面寸法のイオン源引き出し開口からのイオンビームを受け入れるように寸法決めされる。
【００５５】
解析磁石の質量選択開口は、約８ｍｍと約３８ｍｍとの間の幅の開口に調整できる。
【００５６】
ビームラインは、質量選択開口において、スロット形状イオン源引き出し開口から引き出されたビームを少なくとも１０ｍｍの幅に集束させるように構成される。
【００５７】
解析磁石の極ギャップは、実質的に、通過するイオンビームの最大サイズの対応する寸法よりも大きく、極の表面とビーム経路との間にグラファイトまたはシリコンのライニングが存在する。
【００５８】
極ギャップを画定する極部材は、溝およびシムが形成された極表面を備え、溝およびシムは、ビーム経路の中間面に対してそれぞれ極表面を低くおよび高くし、極ギャップ寸法およびビームの断面寸法に関して相対的に小さな極幅の使用を可能にするような磁場を形成する。
【００５９】
極ギャップを画定する極部材は、非磁性体材料の真空ハウジングの壁に埋め込まれ且つ該壁にシールされ、イオンビームは、解析磁石の磁場にさらされながら真空ハウジングを通り、極部材間の磁石の強磁性体構造は、真空ハウジングの外側に位置する。
【００６０】
解析磁石は、約５００ｍｍの半径を持つ扇形磁石であり、且つ、極ギャップ内に約１０ｋガウスを超える磁場を含む調整可能な磁場を生成するように構成される。
【００６１】
ビームラインは、オクタデカボランから生成される約８０ｋｅＶのイオンを選択するように構成される。
【００６２】
質量解析装置は、約４００ｍｍより大きい半径Ｒ、約９０°よりも大きい扇角φ、および約２００ｍｍの、極出口から質量選択開口までの距離ｂ、を備える扇形磁石を有する。
【００６３】
扇形磁石の半径Ｒは約５００ｍｍ、φは約１２０°、ｂは約１９５ｍｍであり、解析磁石は、約１２．５ｍｍの引き出し開口幅を持つイオン源からのイオンビームを解析するように構成される。
【００６４】
上述のいずれかのビームラインは、電子衝突によりクラスターイオンを生成するために材料をイオン化することができるイオン源を有し、イオン注入装置は、真空ハウジング内に、質量解析磁石に続いてビームスキャナおよびコリメータを備え、ビームラインは、ビームに中和のための負のイオンを提供するために、クラスターイオンビームとの相互作用により負のイオンを形成することができるガスを、スキャナまたはコリメータの真空ハウジングの領域に導入するためのシステムを備える。
【００６５】
本発明の他の側面は、電子衝突イオン化によりクラスターイオンを生成するために、材料をイオン化することができるイオン源と組み合わされるイオン注入ビームラインであって、ビームラインは、関連する真空ハウジング部分内でおよび注入ステーションに先立ち、クラスターイオンビームを生成するために、イオン源からイオンを引き出すことができる引き出し電極アセンブリと、ビームのための質量解析磁石と、解析されたビームが通るイオンビームスキャナおよびイオンビームコリメータとを有し、イオンビームスキャナおよびイオンビームコリメータは、解析磁石の下流で、ビームを中和する負のイオンを提供するために、クラスターイオンビームとの相互作用により負のイオンを形成することができるガスを提供するシステムに組み合わされる。
【００６６】
本発明の他の側面は、注入に好適なイオン種を生成するために、材料をイオン化することができるイオン源に組み合わされるイオン注入ビームラインであって、ビームラインは、関連する真空ハウジング部分内でおよび注入ステーションに先立ち、イオン種のビームを生成するために、イオン源からイオンを引き出すことができる引き出し電極アセンブリと、ビームのための質量解析磁石と、解析されたビームが通るイオンビームスキャナおよびイオンビームコリメータとを有し、イオンビームスキャナおよびイオンビームコリメータは、解析磁石の下流で、ビームを中和する負のイオンを提供するために、イオンビームとの相互作用により負のイオンを形成することができるガスを提供するシステムに組み合わされる。
【００６７】
このようなガス供給を備えるイオン注入ビームラインの実施形態は、以下の１つまたはそれ以上の特徴を備えることができる。
【００６８】
ガスはＳＦ６である。
【００６９】
ＳＦ６ガスは、約５×１０−７から１０−５torrの圧力で提供される。
【００７０】
磁気解析装置の先にポスト加速器構造が存在し、ポスト加速器構造は、イオンをソース引き出しエネルギーから低いエネルギーまでポスト減速することができる。
【００７１】
また、本発明の特徴は、イオン注入ビームラインのための、調整可能な質量選択開口を提供する装置であって、質量選択開口は、平行な偏心した軸を中心に同期した回転のために取り付けられた一対の反対回転する円筒形表面により画定される。
【００７２】
好ましい実施形態は、以下の１つまたはそれ以上の特徴を備えることができる。
【００７３】
円筒形表面の少なくとも一方は水冷式であり、グラファイトまたはシリコンの被覆を備える。
【００７４】
装置は、２つのギア駆動の、反対回転する偏心する水冷式の非鉄材料の中空シリンダを有し、各シリンダは、グラファイトまたはシリコンのそれぞれのスリーブにより覆われ、シリンダは、反対回転するために、平行な偏心軸上に取り付けられて、イオン注入装置のビームラインに整合した、調整可能な質量選択開口を形成する。
【００７５】
装置は、イオン注入のための最小分解スリット幅、および最小分解スリット幅の約４倍から６倍の幅を含む分解スリット幅を提供するように構成される。
【００７６】
装置は、少なくとも約３８ｍｍの最大イオン注入スリット幅を備える。
【００７７】
説明される特徴として、商用のイオン注入装置のためのビームラインおよびイオン源システムが提供され、６０ｎｍおよびそれ以下の臨界的な寸法の集積回路の製造に必要とされる、高ドーズ、低エネルギー注入への挑戦に適合することができる。ソースから生成されるＢ１０Ｈｘ＋、またはＢ１８Ｈｘ＋の強いボロハイドライドイオンビームは、ポリゲートおよびソースドレインエクステンション注入のような低エネルギー、高ドーズ応用での、商業的に許容できるウェハスループットを達成するために用いられる。イオン源からウェハへのビーム輸送要素は、注入エネルギー２−４ｋｅＶで３０ｐｍＡより大きいウェハボロン電流を達成する、また、２００ｅＶ程度の低エネルギーで３ｐｍＡより大きい電流を達成するように構成される。これらの高電流は、低エネルギーで、ウェハの直前で減速する必要なく達成される。従って、ウェハまたは他のターゲット表面へのビームの衝突は、エネルギー的に極めて純粋であり、一般に浅い接合注入の品質を低下させる高エネルギーの素子が無い。
【００７８】
複数の四極子ビーム集束素子（たとえば、三枚構造磁気四極子）は、ターゲット表面における角度分散を避けるために、イオン注入ビームラインの質量分散特性を補償する。これがなければ、この角度分散が、選択されたボロハイドライドイオンビーム中の異なる質量の範囲に起因して生じる。
【００７９】
本発明のこの側面の好ましい実施形態は、以下の１つまたはそれ以上の特徴を備えることができる。
【００８０】
非常に高電流のボロハイドライドイオン源が採用され、これは、高密度プラズマではなく、形成された電子ビームをボロハイドライド蒸気をイオン化するために用いる。
【００８１】
解析磁石は、イオン源の大きな開口（たとえば、１２．５ｍｍ幅×１００ｍｍ高さ）からのビームを受け入れるための大きなワーキング開口を備える。
【００８２】
解析磁石は、８０ｋｅＶのオクタデカボランイオンを解析でき、これは４ｋｅＶの粒子ボロン注入エネルギー（または、デカボランの場合は７ｋｅＶ）に相当する。
【００８３】
ビームラインは、ドリフトモードにおいて、ウェハ直前で減速させる必要なく高ビーム電流を達成できるように構成され、それゆえ、減速の前または減速中に中和された高エネルギー粒子の望ましくない注入を避けることができる。
【００８４】
幅広のソーススリット幅とともに、解析磁石システムは、ｍ／Δｍ＞６０の質量分解能を持ち、これは、用いられるボロハイドライドイオンと同様に従来のイオンを使用できる程度に十分に高い。
【００８５】
ビームラインは、ボロハイドライドイオンを用いることにより得られる高ウェハスループット性能を備えるとともに、ビームラインシステムはまた、たとえば、１２．６ａｍｕ−ＭｅＶの質量−エネルギー能力を備える、８０ｋｅＶの最大エネルギーまでの、従来の単原子イオンの輸送を可能にするように構成される。
【００８６】
ビームラインは、広くまたは十分に利用できる道具の要求に適合するために、従来のイオンおよびボロハイドライドイオンの両方を提供することができる一般的なイオン源に適合し、これは、効果において、６０ｎｍおよびそれ以下の臨界的な寸法を持つ装置の製造コストを最小化する。
【００８７】
本発明の他の側面によれば、説明されたシステムは、１００−２００Ｈｚの範囲の周波数で、ウェハに渡って、磁気的にイオンビームを平行に走査するように構成される。
【００８８】
本発明の他の側面によれば、複数の四極子ビーム集束素子（たとえば、三枚構造磁気四極子）は、ターゲット表面における角度分散を避けるために、イオン注入ビームラインの質量分散特性を補償する。これがなければ、この角度分散が、選択されたボロハイドライドイオンビーム中の異なる質量の範囲に起因して生じる。そして、ビームラインシステムは、分散素子が後に続く、イオンビーム経路において交差ポイントを備え、このシステムは、角度ずれとともに、ターゲット表面における水平方向の広がりを取り除くように構成され、これらは、複数の質量のイオンの存在に起因して生じ得る。
【００８９】
本発明の上述の側面および特徴の１つまたはそれ以上の実施形態の詳細は、添付の図面および以下の説明により説明される。本発明のその他の特徴、目的、利点は詳細な説明、図面、および特許請求の範囲から明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】扇形質量分析磁石を備えるイオン注入装置の概略図である。
【図２】図１の線分Ａ−ＡおよびＢ−Ｂに沿った、磁気分析装置を通る断面図である。
【図３】図１の減速器の拡大図である。
【図４】分析装置磁石の高電圧分離コイルの断面図である。
【図５】図４に示すコイルの断面の一部の拡大図である。
【図６】異なる質量のイオンの経路を示す概略図である。
【図７】曲げ角に対する分散（Ｄ／Ｒ）の変化を示す図である。
【図８Ａ】分析装置の極の形状の断面図である。
【図８Ｂ】分析装置の極の形状の断面図である。
【図８Ｃ】極の取り付けの拡大詳細図である。
【図９】オクタデカボランの高分解能質量スペクトルを示す図である。
【図１０Ａ】調整可能な質量分解アパーチャ装置を示す図である。
【図１０Ｂ】調整可能な質量分解アパーチャ装置を示す図である。
【図１０Ｃ】調整可能な質量分解アパーチャ装置を示す図である。
【図１０Ｄ】調整可能な質量分解アパーチャ装置を示す図である。
【図１１】イオン源の領域における水平面でのビームの包絡線を示す図である。
【図１２Ａ】縦方向に３枚構造の四極磁石を示す図である。
【図１２Ｂ】四極磁石の横断断面図である。
【図１３】磁気走査ビームラインの中間面の断面を示す斜視図である。
【図１４】図１から図１３の実施形態に有効なイオン源のイオンビーム引き出し面の垂直断面図である。
【図１４Ａ】図１から図１３の実施形態に有効なイオン源の他の有効な電極形状の例を示す図である。
【図１５Ａ】ビームラインの分散面における、図１４のイオン源に関するイオン引き出しシステムを示す図である。
【図１５Ｂ】ビームラインの非分散面における、図１４のイオン源に関するイオン引き出しシステムを示す図である。
【図１６Ａ】ビームラインの分散面における、図１２Ａおよび１２Ｂの３枚構造の四極磁石を通るイオンビーム包絡線を示す図である。
【図１６Ｂ】ビームラインの非分散面における、図１２Ａおよび１２Ｂの３枚構造の四極磁石を通るイオンビーム包絡線を示す図である。
【図１７】図１３のシステムの運転中に測定した注入エネルギーに対するボロン粒子ビーム電流のプロットを示す図である。
【図１７Ａ】ＳＦ６および減速器を用いた注入エネルギーに対するボロン粒子ビーム電流のプロットを示す図である。
【図１８】図１４に類似するデュアルモードイオン源を示す図である。
【図１９】中位電流注入装置のためのビームラインの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００９１】
ここで図面を参照すると、図面では、同一の部分は同一の参照符号で示され、機能的に類似の部分は図１の参照符号にアクセントをつけて示されており、これらの図は、特に分子イオンを注入するのに有効なイオン注入装置の実施形態を概略的に示している。ここで分子イオンは、Ｂ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ元素のような電気的ドーパント種の原子を複数含み、これらは、周期表のＣ、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎのＩＶ族元素の両側に位置する。また、図面は、半導体基板を実施化するために修正するのに有効なＣ、Ｓｉ、Ｇｅ元素のような原子を複数含む分子イオンの効率的な注入のための実施形態を示す。基板の修正は、たとえば、アモルファス化、ドーパント拡散制御、ストレスエンジニアリング、欠陥ゲッタリングなどである。このような分子イオンは、臨界的な寸法である６０ｎｍおよびそれ以下の寸法の集積回路を製造するのに有効である。以下において、このようなイオンを集合的に「クラスター」イオンと記載する。
【００９２】
１価の電荷のクラスターイオンの化学構造は、一般式
ＭｍＤｎＲｘＨｙ＋    （１）
で示され、ここでＭはＣ、ＳｉまたはＧｅのような基板の材料改変に有効な原子であり、Ｄは、基板中に電荷キャリアを注入するためのＢ、Ｐ、Ａｓ、ＳｂまたはＩｎのようなドーパント原子（周期表のＩＩＩまたはＩＶ族）であり、Ｒは、ラジカル、リガンド、または分子であり、Ｈは水素原子である。一般的に、ＲまたはＨは、安定なイオンを生成または形成するために必要とされる完全な化学構造の一部であり、注入プロセスのためには特に必要ではない。一般に、Ｈは、注入プロセスに特に有害ではない。これは、Ｒにも同様に当てはまる。たとえば、Ｆｅのような金属原子、またはＢｒのような原子を含むＲは望ましくない。上述の式において、ｍ、ｎ、ｘ、ｙは０以上の整数であり、ｍとｎの和は２以上、すなわちｍ＋ｎ≧２である。イオン注入の特別の関心は、高いＭおよび／またはＤ原子多重度を持つ、すなわちｍ＋ｎ≧４のクラスターイオンである。これは、低エネルギー、高ドーズ注入のための改良された効率のためである。
【００９３】
材料改変のために用いることができるクラスターイオンの例は、ベンゼン環から派生する、Ｃ７Ｈｙ＋、Ｃ１４Ｈｙ＋、Ｃ１６Ｈｙ＋、およびＣ１８Ｈｙ＋である。ドーピングに使うことができるクラスターイオンの例は、
・ボロハイドライドイオン：Ｂ１８Ｈｙ＋、Ｂ１０Ｈｙ＋
・カルボランイオン：Ｃ２Ｂ１０Ｈｙ＋、Ｃ４Ｂ１８Ｈｙ＋
・フォスフォラスハイドライドイオン：Ｐ７Ｈｙ＋、Ｐ５（ＳｉＨ３）５＋、Ｐ７（ＳｉＣＨ３）３＋
・ヒ素ハイドライドイオン：Ａｓ５（ＳｉＨ３）５＋、Ａｓ７（ＳｉＣＨ３）３＋
である。
【００９４】
当業者は、上述の例のリスト以外のクラスターイオンを用いることができる可能性があることを認識できる。これには、材料改変のためのＳｉおよびＧｅを含むイオン、ドーパント原子の異なる量および同位体のイオン、異なる等軸構造のイオンが含まれる。また、２価の電荷のクラスターイオンでは、一般により小さい歩留まりになり、この場合、高ドーズ、低エネルギー注入にそれほど有効でない。
【００９５】
本発明の技術分野は、また、従来用いられていた単原子ドーパントイオンに好適な注入ビームライン構成に関連し、特に、上述のイオンの３つのクラス全ての注入に有効な多目的注入ビームライン構成に関連する。
【００９６】
引き出し電極１４とイオン源チャンバ１０との間に印加される、典型的には１ｋＶから８０ｋＶの範囲の加速電圧（Ｖｅ）１３により、イオンは、イオン源本体１１内のイオン源チャンバ１０から開口１２を通って、引き出される。逆流電子は、絶縁フィードスルー８を介して、イオン源真空ハウジング１５に対してマイナス２ｋＶから１０ｋＶの電圧（Ｖｓ）９の引き出し電極１４、および抑制電極７、を適用することにより抑制される。抑制電極７は、イオン源真空ハウジング１５と同じ電位である。イオン源本体１１は、イオン源真空ハウジング１５から環状絶縁体１６により絶縁される。商業的に利用できる一実施形態において、開口１２は、幅Ｗｓ＝１２．５ｍｍ、高さｈｓ＝１００ｍｍのスロット形状である。このような開口幅は、Ｂ＋、Ｐ＋、Ａｓ＋、ＢＦ２＋等のような従来のイオンの生成に用いられる典型的な従来のイオン源に用いられる約３ｍｍから５ｍｍの間の範囲よりも大きい。１２５ｍｍ２の総面積を提供する、イオン源の大きな開口幅および高さの目的は、引き出しクラスターイオンへの大きな面積を提供するためである。これは、イオン密度がチャンバ１０内で低い、クラスターイオン（図１４−１６Ｂおよび関連説明を参照）の生成のための有効なソースの１タイプのためである。これは、イオン源は、クラスターイオンを生成する蒸気をイオン化するために、高密度プラズマよりもむしろ形成された電子ビームを用いるからである。たとえば、このようなタイプのイオン源は、ソースの中のボロハイドライド蒸気を有意に分解することなく、ボロハイドライドイオンを生成でき、大きなサイズの開口により、ボロハイドライドイオンの高い電流を生成し、これは非常に高いドーズのデュアルポリゲート構造および中位ドーズであるが非常に低いエネルギーのボロンソースドレインエクステンション注入の、今日の重要な商用ウェハのスループット要求に適合する。
【００９７】
真空ポンプ１７によりイオン源の真空ハウジング１５の真空度は、典型的には１０−６torrから１０−４torrの間に維持される。図１１を参照すると、引き出し電極１４とイオン源本体１１との間の電場、および開口１２は、ほぼ単一エネルギーのリボン形状のイオン１９のビームを形成し、このビームは、イオン開口高さｈｓの高さに類似する高さ寸法、イオン源開口１２の幅ｗｓ（５）の半分にほぼ等しい最小幅ｗｂ（５６）、すなわちｗｂ≒０．５ｗｓ、を備える。この幅ｗｂはイオン源開口１２および引き出し電極の領域５９に位置する。イオン源開口と引き出し電極との間の空間ｄ（５７）は、概ね、与えられるイオン種、イオンエネルギー、イオン質量、およびイオンビーム電流のための引き出しおよびビーム形成に最適化するように調整される。
【００９８】
イオン源１１からの引き出しの後、ビーム１９は、真空ハウジング２０を通過し、その後、双極磁石２１の磁場ギャップＧに入り、ここで、ビーム包絡線は楕円形状になる（図１、２参照）。磁石２１は、電流運搬コイル４０、および以下の強磁性体の要素部分、すなわち、極２６、コア２８、ヨークチーク３０、ヨークリターン３２および３４を有する。特に図２を参照すると、コイルアセンブリ４０を通る通過ＤＣ電流は、概ね、極２６間のギャップ内に垂直方向に静磁場２４を生成し、ここで、「垂直」とはイオン源開口１２の長い方向の向きであると定義され、図１および２に示す実施形態では、この方向は、概ね磁石２１の「水平」曲げ（分散）面に直交する。
【００９９】
イオン源１１からのガスの排出は、イオン源ハウジング上に配置される真空ポンプ１７により取り除かれる。真空ポンプは、イオン源ハウジング１５の真空圧力を、約１０−６から３×１０−５torrの間に維持できる十分な能力（たとえば１０００から２０００リットル／秒）を備える。イオン源１０、１１のメンテナンスの便宜のため、イオン源ハウジング１５は、真空弁２３により磁石真空ハウジング２０から分離可能である。磁石ハウジング２０は、磁性体との相互作用を防止するために、非強磁性体材料（たとえばアルミニウム）である。これは、真空ポンプ２９により排気される。
【０１００】
磁場２４により生成される半径方向の力は、イオンの電荷に作用し、この力は、イオンが磁石２１の水平曲げ面内で実質的に円形の軌道４２、４３、４４を描くように作用する。イオン源チャン１０から引き出されたイオンは全てほぼ同じエネルギーを有しているので、磁石２１は、磁石の極のギャップの中心の経路４６を通るイオン４２よりも、それぞれ高いおよび低い質量を備えるイオン４３および４４の軌跡を空間的に分離する。磁石を適当に大きく構成することにより、磁場２４は、１ｋガウス未満から約１２ｋガウスの範囲で設定され、磁場は、中心経路４６に向かうイオン４２に対応する質量を選択するために、質量の範囲にわたって広範囲に調整可能である。一実施形態において、中心経路４６は約５００ｍｍの半径を持ち、この場合、１２ｋガウスの磁場で、磁場解析装置は、オクタデカボラン（Ｂ１８Ｈ２２）蒸気から生成される８０ｋｅＶのイオンを選択することができる。これは、４ｋｅＶボロン注入エネルギーに相当し、今日のデュアルポリゲートドーピングに必要な典型的な最も高いエネルギーである。同様に、７ｋｅＶのボロン注入エネルギーに相当する、デカボラン（Ｂ１０Ｈ１４）蒸気から生成される８０ｋｅＶのイオンを選択することができる。
【０１０１】
図１および１１を参照すると、イオン４２の経路は、引き出し電極１４から始まり、水平面内で、中心参照経路４６に対して概ね−５０ミリラジアンから＋５０ミリラジアンの角度範囲をもつ。これは、イオン源チャンバ１０内でのイオンの発生源での熱運動、および同一電荷間に作用するクーロン力のような要因により発生する。一実施形態において、極２６の形状は、質量選択を可能にするために、選択された質量のイオンの経路を、水平面内で、磁石の出口におけるスリット形状の質量分解開口５０に向かって再集束させるような磁場をギャップ内に発生させる。磁場解析装置２１のこの実施形態の重要な点は、この質量選択開口５０がビーム経路に沿う位置に位置しているということであり、この位置は、横向きの、水平のイオンの運動に関する、イオンの開口幅１２の光学的共役像の近くである。共役像の光学倍率Ｍは、典型的には、約−０．８から約−１．２であり、マイナス符号は、実際の逆像の構成を意味している。質量分解スリット５０の幅ｗｒが、ビームウェスト幅ｗｂ≒０．５ｗｓと倍率Ｍとの積に等しい、すなわち
ｗｒ≒０．５｜Ｍ｜ｗｓ    （１）
であるなら、約−５０ミリラジアンから約＋５０ミリラジアンの水平角度内のイオン源１１から発生した、選択された質量ｍのほとんどのイオン４２は、分解スリット５０を通して集束される（真空ハウジング２０内の残留ガスとの衝突により逸れまたは中和された、数パーセントの少量のイオンを除く）。
【０１０２】
図６を参照すると、磁気解析システム２１の性質は、質量分解開口５０において、ｍ±Δｍの質量のイオン（１０２，１０３）が、ビーム経路４６の中心を通る選択された質量ｍのイオン（１０４）から距離Δｘ（１０１）だけ分離されるように、ビームを分散させる。望んでいない質量のイオンは、図示しないブロック板または開口５０を形成する材料の本体５１により遮蔽される。従来の単原子ドーパントイオンの場合には、一般的にｍ／Δｍ≧６０の質量分解能が必要とされ、これは、６０ａｍｕの質量のイオンが分解開口５０の中心を通る場合、６１ａｍｕ以上のイオンまたは５９ａｍｕ以下のイオンはブロックされるということを意味する。双極磁石における集束および分散の効果の原理は、Engeにより、「Focusing of Charged Particles」, Chapter 4.2 Deflecting Magnets, Ed. A. Septier, pp203-264の中で詳細に述べられている。
【０１０３】
図３および６を参照すると、ビームの中心経路４６が極エッジ４９に対して実質的に垂直であり、中心経路４６についてのビーム２２の領域にわたる極間の磁場が実質的に均一かつ垂直である場合、Δｍ／ｍの質量変化による分離Δｘは、おおむね
Δｘ＝Ｄ（Δｍ／２ｍ）    （２）
であり、ここで、Ｄは磁気分散とよばれ、
Ｄ≒Ｒ（１−ｃｏｓφ）＋ｂｓｉｎφ    （３）
で与えられる。上式において、Ｒは中心経路４６の半径５３であり、φは中心経路４６に沿って磁石を通るイオンが曲がる角度４６であり、ｂ（５５）は出口極の有効磁場境界から質量分解開口５０への距離である。分解開口幅ｗｒによりｍ／Δｍの質量分解能を達成するために、式（１）−（３）から
ｍ／Δｍ＝Ｄ／２ｗｒ≒Ｄ／｜Ｍ｜ｗｓ≒｛Ｒ（１−ｃｏｓφ）＋ｂｓｉｎφ｝／｜Ｍ｜ｗｓ    （４）
が導かれる。上述のように、高いボロハイドライド電流を引き出すために、およびデュアルポリゲートおよびソースドレインエクステンションボロン注入に対する今日のウェハスループット要求に適合するために、大きなソース開口幅ｗｓが必要である。このような磁気解析装置の実施形態の重要な点は、このような大きなソース開口幅ｗｓにおいても、これらが十分に高い質量分解能を備えた多目的システムを提供するということである。式（３）を参照すると、これは十分に大きなＲおよび曲げ角φを用いることで達成できることが分かる。商用に有効な一実施形態において、Ｒ＝５００ｎｍ、φ＝１２０°、ｂ＝１９５ｍｍ、Ｍ＝−０．８３であり、この場合、ソース開口幅ｗｓ＝１２．５ｍｍのために、質量分解能はｍ／Δｍ≒８８であり、そのため、従来のイオンに対して十分である。大きな曲げ角φを採用する意義は図７に示されており、ここで、ｂ＝１９５ｍｍの共役像のために、Ｄ／Ｒはφに対してプロットされている。曲げ角を６０°から１２０°に２倍にすることは、分散Ｄを２倍にすること、すなわち質量分解能ｍ／Δｍを２倍にする以上のことである。
【０１０４】
図８Ａおよび図８Ｂを参照すると、ビームが通過する極２６間の空間はギャップ高さＧ（１０６）を備え、これは典型的にはソース開口の高さｈｓよりも１０から２０ｍｍ高い。これは、磁石を通るビームのクリアな通路を提供するためであり、また、極表面をたとえばグラファイト（１１６）やシリコンで裏打ちできるようにするためである。これは、ビームストライクによる、強磁性体の極材料からの望ましくない重金属不純物の放出を防止するためである。与えられる最大の磁場容量のため、磁石の質量は、ギャップ内のワーキング磁気容積Ｖに比例し、これは、極を通る経路長φＲ、ギャップ寸法Ｇ、および極の幅Ｗの積、すなわち、
Ｖ≒φＲＧＷ    （４）
である。
式３から分かるように、幅広のソーススリットｗｓのための質量分解能ｍ／Δｍを実現するために、高分散の要求は、大きな値のφおよびＲを必要とする。次に、高いボロハイドライドイオン電流を実現するために、ギャップＧは、大きな高さのソース開口からのイオンを収容できるように大きくなければならない。集合的に、これらの要求は、式４に従って、適切な高いワーキング磁気容積による高い磁石質量によって実現できる。最後に、８０ｋｅＶのオクタデカボランを用いて、デュアルポリゲート注入のための４ｋｅＶのボロン注入を実行できるようにするために、ヨークおよびコイルの質量は、ギャップ内の対応する大きな磁場を支持できるように十分大きくなければならない。これは１２ｋガウスであり、Ｒ＝５００ｍｍの曲げ半径の場合に相当する。式４によれば、ワーキング磁気容積Ｖを最小化するのに利用できる唯一の頼りは、極幅Ｗ（１０８）を最小化することである。不運にも、この幅は、ギャップ寸法Ｇ（１０６）およびビーム２２の断面寸法との関係で自由に減少させることができない。二次以上の項がギャップの磁場で増大し、これが質量分解開口５０におけるビームの広がりから収差を発生させ、これが質量分解力を低下させるからである。商用に有用な一実施形態において、図８Ａおよび８Ｂに示されているように、極２６の外縁は、溝１１２およびシム１１１を備えるように形成され、これらはそれぞれ中間面１１７に向かって極２６の面より低くおよび高くなっている。片側にある２つのシムは、幅ｓ１（１０７）および中央領域に対する高さｈ２（１１５）を持つ。このそれぞれのシムのすぐ内側に位置する溝は、幅ｓ２（１０９）およびシムの頂上に対する深さｈ１（１１４）を持つ。この技術は、有意に小さな極幅Ｗ（１０８）を、ギャップ寸法Ｇ（１０６）およびビーム２２の断面寸法との関係において使用できるようにし、ワーキングギャップの磁場形状の十分な制御を維持し、二次、三次、四次の収差を分解開口５０におけるビームの広がりから防止する。
【０１０５】
さらに三次の収差を制御するために、他の実施形態は、図８Ａの左側および右側でわずかに異なる溝およびシムのパラメータを用いることができる。
【０１０６】
公称上均一な１１８ｍｍのギャップＧおよび１６６ｍｍの極幅ｗを備える図示の例は、イオン源開口から出るビームを受け入れるのに十分であり、まら、極表面をカバーするグラファイトまたはシリコンのライナー１１６のための空間を提供する。
【０１０７】
この例において、単純で強靭な設計を達成するために、磁石の入口および出口の極エッジは、ビームの軸に垂直であり、磁石のワーキングギャップ内において有意な一次の磁場勾配は存在しない（すなわち、磁石は、非分散の垂直面においてなんらの集束も発生させず、これは、以下に説明される他の設備により操作される）。従って、分散面において、ソース物体及び質量分解開口５０のための共役像の位置は、単純に幾何学的規則（Barber’s rule）により決定される（Enge, Focusing of Charged Particle, Chapter 4.2 Deflecting Magnets, Ed. A. Septier, pp203-264参照）。特定の例において、ソース物体の位置は、有効入口磁場境界の４００ｍｍ手前に位置し、質量分解開口は、磁石の有効出口磁場境界からｂ＝１９５ｍｍのところに位置する。４００ｍｍの物体距離は、高速真空引きが可能なポンプ１７のための空間、直列式真空分離弁２３のための空間、および広エネルギー範囲の引き出し光学システム１４、７のための空間を提供する。
【０１０８】
この設計は、本発明の広範囲な側面のために、広範囲にわたって優れた能力を提供する一方で、磁気解析システムは、上述の説明に限定されるべきではない。当業者は、所望の多目的な能力を提供するために、解析光学系の様々な実施形態を認識することができる。これには、非均一で、集束、収差、分散を制御するために一次および二次の勾配を備える極間の磁場の利用；曲げ角、半径、極間のギャップ、磁場の範囲の選択；磁石入口に対するイオン源の位置；磁石出口に対する質量分解開口の位置および寸法、および共役像位置に対する正確な位置；質量分解開口において広がる一次および二次の像を最小化するための、特定のシムおよび溝の極形状の選択；などが含まれる。
【０１０９】
しばしば出会う、クラスターイオンの特性、およびドーピング種の原子を多く含むボロハイドライドイオンを用いるときに生じる特性は、イオンが異なる数の水素イオンを含んで生成されることであり、それゆえ質量が異なることである。図９を参照すると、同図は、図１４および図１５Ａとともにより完全に説明するような、形成された電子ビームを採用するタイプのイオン源中でオクタデカボランＢ１８Ｈ２２蒸気をイオン化することにより発生するイオンの高分解能質量スペクトルを示しており、この質量スペクトルは、発生するイオンの質量の範囲を示しており、これは、異なる量の水素原子を含む１価のイオン、および１８個のボロンを１つのイオンに含み、２つのボロン同位体質量の異なる混合物を含むの１価のイオンの構成に対応する。高イオン電流を達成するという視点から、図９から、生成されるイオンの総量は、広範囲な質量ピークにわたって広がり、それゆえ、約２０５ａｍｕから約２２０ａｍｕの質量のイオン全てを受け入れることが有効であることが明らかであり、これはｍ／Δｍ≒１６に相当する。これらの全ての範囲の質量を、分解開口５０を通って伝達するために、質量分解開口の幅ｗｒは、半導体ウェハにおける従来のイオン注入の場合よりも約４から６倍の広さが必要であり、たとえば、約８ｍｍから３８ｍｍの範囲の開口が必要である。同様の考えをデカボランＢ１０Ｈ１４から生成されるイオンにも適用し、ここで、約１１３ａｍｕから約１２３ａｍｕの範囲の質量のイオンを受け入れることが有利である。ボロハイドライドの質量は、望まれない不純物イオンの質量よりも十分に大きな値なので、このような相応して低い質量分解能の幅広の分解開口が許容されることがわかる。従来のイオンのための小さい幅からボロハイドライドイオンの複数のピークを受け入れる大きな幅まで、連続的または段階的に調節可能な質量分解開口幅は、多目的質量解析システムの実施形態の重要な側面である。同様の考えを、概ね他のクラスターイオンについても適用でき、特に、上述の異なる有用なクラスターイオンの例に適用できる。
【０１１０】
図１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃおよび１０Ｄを参照すると、商用に有用な、連続的に調整可能な質量分解開口の一実施形態が示されており、この実施形態は、２つのギア駆動の、反対回転する、水冷式偏心シリンダ１４０を備え、このシリンダ１４０はステンレス鋼または他の適当な非鉄金属からなる。円筒形スリーブ１４２は、イオンビーム１４４の入射によりシリンダ１４０から望ましくない重金属不純物がはじき出されないように、シリンダの外側の全面においてグラファイトが固定されている。（シリコンのスリーブ１４２を同様に採用することもできる。）シリンダ１４０およびそれぞれのグラファイトスリーブ１４２は、偏心中心１４３および１４５上で反対方向に回転し、軸方向に整合した調整可能な質量分解開口幅を形成し、最小幅１５０が図１０Ａに示され、１８０°回転した後の最大幅１５１が図１０Ｂに示されている。一実施形態において、最小開口幅１５０は約８ｍｍであり、最大開口幅約３８ｍｍである。シリンダ１４０およびスリーブ寸法１４２の適切な調整、および回転中心１４３および１４５の位置により、他の値や範囲も可能である。冷却水または他の適当な流体は、シリンダ１４０の穴１４６を通って通過できる。冷却は、一般に、ビームの遮断により発生する熱を取り除くために必要とされ、特に、イオンビーム１４４が高電流、高エネルギーな従来のイオンを含む場合である。電気駆動モータ１４８は、ギア１５２、ベアリングブロック、および回転真空シール１５４を介してシリンダ１４０を回転させる。アセンブリ全体は、フランジ１５６上に取り付けられ、フランジ１５６は、解析磁石真空ハウジング２０に嵌りシールされる。出口開口１６１を備えるグラファイト板１５９は、以下に説明される減速システムの第１の電極として機能することができる。
【０１１１】
調整可能な質量分解開口（質量選択スリット）は、上述の説明に限定されるべきではない。当業者は、様々な実施形態を認識可能であり、これには、冷却部、伝動部、モータ駆動部、取り付け機構、回転角度、真空シール部などの異なる幾何学的配置；シリンダの代りに回転翼の使用；回転運動ではなく直線運動の使用などが含まれる。
【０１１２】
図２および図８Ａに示す実施形態において重要な点は、極２６が真空ハウジングを貫通しかつシールされることであり、この構成は、極間の空間が、典型的には真空ハウジングの構造に用いられる非強磁性体材料の存在により減少しないので、効果において、磁気の効率を最大化する。極２６とコア２８との間の隣接面に空気ギャップが存在しないので、磁気効率はさらに改良される。真空ハウジング２０および極２６は、コア２８の表面の間に挟まれるが、磁石の他の部分を分解することなく容易に引き出すことができ、これは、効果において、メンテナンスコストを最小化する。
【０１１３】
極のシール構成が図８Ｃに示されている。極２６は極２６のそれぞれの縁に沿って延びる、側方に突出するリブ２６Ａを備える。各リブは、ハウジング壁の極へ開口部分に形成された棚部２０Ａと、図示しないねじ固定具によりハウジングに固定される、覆い被さる保持ストリップ２７との間に捕捉される。圧縮可能な真空シール要素は、リブ２６Ａの外縁面とハウジング２０の表面および保持ストリップ２７との間に捕捉され圧縮される。
【０１１４】
図１および図２を参照すると、双極磁石の一対のコイルアセンブリ４０は、極間のワーキングギャップの外側の浮遊磁場を最小化するため、そして、ヨーク部材３０、３２、３４の重量およびコストを最小化するために、極２６およびコア２８の一般的な平面図形状を取り囲みかつこれに追従するように形成される。図４に示される商用に有効な一実施形態において、コイルアセンブリ４０は、電気的に直列に接続される４つの別々の巻き要素８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃ、８０Ｄを含む。巻き要素８０Ａ−Ｄは、たとえば、１．６２６ｍｍ×３８．１ｍｍの寸法の銅を６０回巻いて、０．０８ｍｍの厚さの巻き間電気絶縁体ともに連続的に巻きつけることで作ることができる。マイラー（ＭＹＬＡＲ；登録商標）またはカプトン（ＫＡＰＴＯＮ；登録商標）などの絶縁体が好適である。コイル電流は２４０Ａ程度であり、また、コイル端の間の総電圧は１２０Ｖｄｃ程度であり、これは、２８．８ｋＶＡの総コイル電力に対応する。これは、１２０ｍｍのギャップ寸法を持つ極２６間に、１０キロガウス以上の磁場２４を発生させるのに十分である。
【０１１５】
一実施形態において、３つの冷却板８２Ｂ、８２Ｃ、８２Ｄが、隣接して配置された巻き要素８０Ａ−Ｄのそれぞれの対の間に配置される。外側の冷却板８２Ａおよび８２Ｅが、巻き要素８０Ａおよび８０Ｄの外側表面に配置される。冷却板８２Ａ−Ｅは、任意の適当な厚さ、たとえば１０ｍｍ、を備えることができる。冷却板８２Ａ−Ｅは、巻き要素８０Ａ−Ｄを通って通過する電流により生成されるオーム熱を取り除くまたは放熱させる手段を備える。水のような冷却流体が、冷却管８４を介して冷却板８２Ａ−Ｅを通って循環する。冷却管８４は、たとえば冷却板８２Ａ−Ｅに挿入された銅管である。説明された実施形態の構造の重要な点は、冷却管８４の巻き要素８０Ａ−Ｄからの電気的絶縁である。水冷式の場合、冷却管８４の巻き要素８０Ａ−Ｄからの電気的絶縁は、電気分解および脱イオン冷却水の使用の必要性を除去する。これは、運転コストおよびメンテナンスを最小化する効果がある。
【０１１６】
図５を参照し、一実施形態において、巻き要素８０Ａ−Ｄを冷却板８２Ａ−Ｅから電気的に絶縁するために一手段として、挟み込まれたファイバーグラスの布８１を使することができる。また、コイルアセンブリ４０の全体は、単一の堅固な不透過性のコイルアセンブリ４０を実現するために、ファイバーグラステープで包み、エポキシ樹脂を注入して排気するこができる。コイルアセンブリ４０は、運転中における熱膨張および収縮により発生する応力に対する高い信頼性を備えなければならない。巻き要素８０Ａ−Ｄの縁と冷却板８２Ａ−Ｅの隣接表面との間のファイバーグラスに注入された樹脂は、効率的な熱伝達のための十分に高い熱伝導性を提供する。一実施形態では、これは２９ｋＷになる。
【０１１７】
コイルアセンブリの実施形態は、上述の説明に限定されない。当業者は様々な実施形態を認識でき、これには、機能し得る任意の数の巻き要素８０Ａ−Ｄおよび冷却板８２Ａ−Ｅ（たとえば、それぞれ２つおよび３つ）；アルミニウムのような巻き要素８０Ａ−Ｄに用いられる他の適当な材料、が含まれる。さらに、巻き要素８０Ａ−Ｅは、ストリップではなく長方形、正方形または円形の固体の銅またはアルミニウムワイヤを用いて作ることができる。代替実施形態において、冷却板８２Ａ−Ｅへの熱伝導による間接的な冷却を使用する代りに、伝導管の穴を通って流れる脱イオン冷却流体を通過させることにより直接的に冷却される、長方形、正方形、または円形の銅またはアルミニウムを巻き要素８０に用いることができる。
【０１１８】
巻き間絶縁は、絶縁テープで導体を包む、絶縁スリーブを導体上にスライドさせる、たとえばエナメル銅または陽極酸化処理したアルミニウムのように絶縁フィルムで導体を被覆する等のように、他の方法または材料により実現することができる。
【０１１９】
一実施形態において、イオンビームを、質量分解開口５０から出た後に減速することができる。減速は、低エネルギー、高ドーズの注入の場合に有用となり得る。これは、従来のイオンまたはボロハイドライドイオンが、最終注入エネルギーよりも高いエネルギーで、ソースから引き出され、解析磁石を通って輸送されることがあるからである。このような高エネルギーにおいて、ビーム内の空間電荷力および熱イオン温度の効果は、分解開口５０において実現されるビーム電流の大きさに対する制限が小さい。一実施形態において、減速は、図１および図３に示されるように、ビームを連続する３つの非強磁性体の電極６０、６１、６２を通して通過させることで実現される。減速電圧（Ｖｄ）６４は、典型的には０−３０ｋＶであり、電極６０と電極６２との間に印加でき、イオンを減速して低エネルギーにする。図１に示す減速装置の実施形態は、真空ハウジング２０内に組み込まれ、最終エネルギー電極６２は、ハウジング２０から絶縁体６６により絶縁される。減速電場の存在下において、空間電荷中和電子はビームの外に押しだされる。結果として生じる発散する空間電荷力は、真空ハウジング２０に取り付けられたフィードスルー６３を介して集束電極６１に電圧（Ｖｆ）６５を適用することにより、打ち消される。電圧Ｖｆは、典型的には電極６２に対してマイナス０−３０ｋＶである。
【０１２０】
イオン減速のための実施形態は図１および図３に示される特定の構成に限定されない。当業者は、特定の入射イオンの条件のためにイオン減速を最適化するための様々な実施形態を認識できる。これには、機能し得る任意の数の電極（たとえば、２個、３個、４個など）；円形またはスロット形状の開口を持つ電極；平面または湾曲した電極；アルミニウム、グラファイトまたはモリブデンなどの電極を構成する、軽量または重量の非強磁性体材料；および電極が磁気真空ハウジング２０内に取り付けられる、または電極がイオン注入装置の特定の構成に依存した別個の真空ハウジング内に取り付けられる、等の様々な真空構成、などが含まれる。
【０１２１】
イオン減速装置が駆動されるとき、磁石真空ハウジング２０、および極２６、コア２８、ヨーク部３０、３２、３４等の電気的に真空ハウジングに接続された磁石の他の部分は、すべてアース電位から、減速電圧Ｖｄ（６４）に対応する電圧、すなわちアース電位に対してマイナス０−３０ｋＶの範囲の電圧により、電気的にバイアスされる。
【０１２２】
この実施形態の１つの重要な側面において、巻き部８０Ａ−Ｄおよび冷却板８２Ａ−Ｅは、ファイバーグラスのような多孔性の絶縁材料で包まれてエポキシが真空注入され、コイルアセンブリ４０全体の周りに約６−８ｍｍの厚さの不透性の被覆８６を形成する。他の実施形態において、エポキシを充填するために、ファイバーグラスの代りにアルミニウム酸化物のような絶縁パウダーを用いることができ、被覆は鋳型を用いて形成される。絶縁被膜８６は、コイルアセンブリを磁石構造の残りの部分、つまりコア２８、極２６、真空ハウジング２０、ヨーク部材３０、３２、３４から３０ｋＶ程度まで電気的に隔離することを可能にする。それゆえ、磁石の残りの部分がアース電位に対してマイナス３０ｋＶ程度のバイアスを持ったとしても、巻き部８０Ａ−Ｄ及び冷却板８２Ａ−Ｅは、公称上、アース電位のままであり、これは、効果において、実質的なコスト利益をもたらす。これは、コイルの電力供給機１００（図２）は、標準の接地ａｃ電源１０２を用いてアース電位において運転することができるからである。説明された実施形態は、コイル電力供給機１００に３０ｋＶに対する絶縁を提供する必要性をなくす。さらに、重要なことに、コイル電力供給機１００のための３０−４０ｋＶＡ入力ａｃ電力のための３０ｋＶ絶縁変圧器を使用する必要性をなくす。さらなる利点は、冷却板８２Ａ−Ｅに集められた熱を取り除くために必要な流体冷却は、たとえば一実施形態では２９ｋＷであるが、脱イオン流体を用いる必要なくアース電位源９８から提供することができる、という事実に基づいている。実際、冷却流体は通常の脱イオンしていない生水とすることができる。
【０１２３】
図１および図２を参照すると、コイル端子８７と磁石の周囲との間で生じるアーク放電および電気絶縁破壊することなく、３０ｋＶ程度の電圧隔離が巻き部８０Ａ−Ｄおよび冷却板８２Ａ−Ｅに適用されるように、巻き部の電流の端子８７は、磁石の任意の隣接する部品から典型的には４０ｍｍの距離またはそれより大きい距離の位置で被覆８６を貫通する。同時に、冷却管８８は、アーク放電および電気絶縁破壊を防止するために、磁石の周囲から少なくとも４０ｍｍの安全ワーキング距離を提供するような方法で、被覆８６を通って外に出る。冷却管は、コロナ放電を避けえるために丸い縁および角を備えるように構成されたマニホルド８９に溶接される。
【０１２４】
電流導線９０および冷却ライン９２は、磁石リターンヨークを通過する絶縁ＰＶＣスリーブ９４を介して、コイルからアース包囲部９６まで通る。
【０１２５】
隔離被膜を形成する実施形態および、巻き部端子および冷却管をコイルの外に出す実施形態は、上述の方法に限定されない。当業者は、異なるタイプのエポキシレシピおよび絶縁物質の利用を含む様々な実施形態を認識できる。
【０１２６】
図１を参照すると、磁気解析に続いて、ビームは、三枚構成の四極磁石２１０を通過し、最後に真空下でビームライン７６を通ってウェハ処理チャンバに輸送されてウェハ７０に照射される。ウェハは連続的に所定時間に１度処理されるか、または、ビームを通るバッチウェハの繰り返しの機械的な通過により、所定時間に数度処理される。ウェハ７０は、ドアおよび真空ロックなどの適切な電子機械機構を介してクリーンルーム領域から出し入れされる。
【０１２７】
ビームラインおよびプロセスチャンバの実施形態は、特定の構成に限定されない。たとえば、当業者は、ビームラインは、単なる弾道のドリフト領域とすることができることを認識でき、または、他の多くの特徴を備えることがでる。たとえば、ビームが三枚構造の４極磁石２１０に入る前に減速される場合において発生する中性粒子を除去するための曲げ磁石のようなイオン光学系が含まれる。このような中性粒子は、減速されたイオンよりも大きなエネルギーを有し、これをビームから除去しないと、ウェハ７０のより深いところに注入され、半導体装置の性能を有意に低下させる。また、ビームライン７６は、ビームをウェハ上で一方向に平行に走査するために、結合されたコリメータ磁石を備える、磁気式または電気式ビームスキャナーを備えてもよい。これは、商用の注入装置に有益である。最終的に均一なドーズを達成するために、ウェハを単にビームの走査方向に直交する方向に機械的に走査する必要があるだけであるからである。
【０１２８】
図１２Ａを参照すると、３枚構造の磁気四極子２１０は、下流のビームライン７６の構成要素の詳細に関わらず、従来のイオンおよびクラスターイオンの両方の場合の商用のイオン注入装置に有効である。第１に、三枚四極子の３つの独立の要素２１１、２１２、２１３の磁場の強さは独立に調整でき、ウェハ７０におけるビームの垂直および水平の両方の方向における寸法および角度発散を制御でき、それによって、ウェハ７０上のビーム注入条件を最適化できる。これは、商用のイオン注入装置において、特に、ビームラインの下流の構成要素は、通常、容易に調整できる広範囲な集束能力を備えていないので、高品質な注入を達成するために重要である。第２に、従来の、イオンビームの減速が生じる場合、３枚四極子は、また、減速プロセスの後にしばしば少なくとも一方向生じるビームの発散を制御するのに有効である。共通の一実施形態において、ビームが入る３枚四極子２１０は、垂直方向に長手方向をもつリボン形状である。この場合、第１要素２１１は、極性が操作され、これが、水平方向のデフォーカスとともに、垂直方向の集束を生じさせる。第２要素２１２は、水平方向の集束および垂直方向のデフォーカスを生じさせる、第１要素２１１と反対の極性を備える。最後に、第３要素２１３は、第１要素２１１と同様の極性を備える。集束（Ｆ）およびデフォーカス（Ｄ）の組み合わせは、それゆえ、水平面はＤＦＤであり垂直面はＦＤＦである。それぞれの要素２１１、２１２、２１３において適切な磁場強度をそれぞれ用いることにより、垂直面および水平面の両方において、総合的に正味の集束が同時に達成される。
【０１２９】
とても重要なことに、クラスターイオンの場合において、質量分解開口５０が、所定範囲のイオン質量、たとえば、オクタデカボランの場合は約２０５ａｍｕから約２１８ａｍｕの範囲、デカボランの場合は約１０８ａｍｕから約１１５ａｍｕの範囲、を通過させられるように十分に広く設定されるとき、３枚構造の四極子の個別の要素の磁場強度は、同時に且つ実質的に、ウェハ７０において角度偏差を取り除くように調整することができる。これがなければ、イオンビーム中にある範囲の異なる質量のイオンが存在する場合、一般に、ウェハ７０において角度偏差が生じる。図１２Ａを参照すると、質量ｍ±Δｍの選択されたイオンは、水平経路に沿って四極子に入り、この経路は、イオン質量ｍに対応する中央イオン経路からわずかに異なる角度を持ってずれている。図１とともに前述したように、これらの分離は、複数の質量のイオンが解析磁石を通って輸送されるので生じる。ＤＦＤ集束シーケンスの適切な調整により、イオン経路２０３は、互いにほぼ平行に四極子から出る。このような角度ずれを取り除くことは商業的に重要である。なぜなら、それにより、ウェハに衝突するビーム中に１つ以上のイオン質量が存在することにより生じるウェハ７０上での注入角度の質を低下させることなく、高電流のクラスターイオンを、低エネルギー、高ドーズの注入応用に用いることができるからである。
【０１３０】
１つまたはそれ以上の質量分散要素が、ビームラインの３枚四極子の下流に存在する場合、３枚構造の差分調整が、異なる質量のクラスターイオンの全体の範囲のための解析磁石の質量分散効果とともに、これらの下流の要素の質量分散効果を補償する。
【０１３１】
図１２Ａおよび図１２Ｂを参照すると、一実施形態において、四極子の磁場は、コイル２０６を通る電流の通過により発生する。各四極子要素は、４つの強磁性体コア部材２１７の周りに独立に巻きつけられた４つのコイルを備える。コア部材は強磁性体の極部材２１４に固定される。極部材２１４は、真空ハウジング２１９を貫通してこれをシールする。真空ハウジング２１９は、アルミニウムやステンレス鋼のような非強磁性体材料から構成される。隣接するコイルは、４つの極の間の領域にいわゆる四極子磁場を形成するために、反対の極性に巻かれる。磁束は、１つの極から他の極へコア部材２１７を介して戻り、コア部材２１７は、強磁性体ヨーク構造２２１を介して磁気的に結合されている。コイル２０６の巻き部は、矩形区分銅管２１５から作られ、これは直接に水または他の適当な冷却流体により冷却される。グラファイトライナー２１６は、ビームが極２１４の表面および真空ハウジング２１９の内側壁に当たり、重金属がはじき出されることを防止する。
【０１３２】
四極構造は、上述した図１２Ａおよび１２Ｂの説明に限定されず、当業者は様々な実施形態を認識できる。これには、ＤＦおよびＦＤシーケンスを提供するために３つではなく２つの要素を用い、垂直面および水平面の全体にわたる集束を得ること；および、四極磁場ではなく静電力を用いること、が含まれる。
【０１３３】
従来のイオンとともに、クラスターイオンをイオン注入するのに好適であり、磁気スキャンビームラインを採用する一実施形態が図１３に示されている。リボン形状のビーム３００が、図１とともに説明したように、イオン源から、１２．５ｍｍの開口幅ｗｓおよび１００ｍｍの高さｈｓで引き出される。ビームは、図２、４、５に図示し、説明したうように、分離コイル３０４を備える１２０度の扇形磁石３０２で磁気的に解析される。極の形状は、図８Ａおよび８Ｂに図示し、説明したように極縁シムを備える。ビームは、図１０Ａ−Ｄに示すよう調整可能な質量分解（選択）開口、図３に示されるような３電極減速ユニット３０６、および図１２Ａおよび１２Ｂに示されるような３枚磁気四極子３８０を通って進む。その後、ビームは、磁気スキャナー３１０およびコリメータ３１２を通り、これらは共同で、ビームを水平方向に、ウェハ７０に渡って一方の側３２０から他方の側３２１まで平行に走査する。図１３を参照すると、ウェハの一方の側のビーム３１４、ウェハの中心のビーム３１８、他方の側のビーム３１６が概略的に示されている。この実施形態の重要な点は、ビームスキャナおよびコリメータの両方は、ビームを同じ方向に曲げるという事実である。従って、イオンビームの経路長およびスキャナおよびコリメータの組み合わせの磁気集束特性は、３つのビーム位置３１４、３１８、３１６に関して類似する。従って、ウェハ上のビームの水平方向のスキャン位置に関わらず、３つの磁気四極子要素に対して１組の磁場強度設定を用いることができ、四極子は、同時にビームサイズ、角度広がりを最適化して、そしてとても重要なことに、複数の質量のボロハイドライドイオンおよびクラスターイオンが一般的に用いられる場合において、角度偏差を取り除く。
【０１３４】
図１３に示される、商業的に有用な一実施形態において、前述のビームラインパラメータは位階の値を持つ。
Ａ．解析磁石：Ｒ＝５００ｍｍ、φ＝１２０°；Ｇ＝１１８ｍｍ；ｓ１＝３１ｍｍ；ｓ２＝８．６ｍｍ；ｈ１＝８．７ｍｍ；ｈ２＝４．７ｍｍ；Ｗ＝１６６ｍｍ；曲げ力＝８０ｋｅＶ  オクタデカボラン、ソース開口ｗｓ＝１２．５およびｈｓ＝１００ｍｍからのイオンを受け入れる
Ｂ．質量分解開口：最小値約８ｍｍから最大値約３８ｍｍ、連続的に調整可能。
Ｃ．減速電極：開口サイズ５０ｍｍ幅×１１８ｍｍ高さの３つの平面
Ｄ．３枚四極子：開口：８０、極先端の間の対角；極先端磁場、０−５ｋガウス、調整可能
Ｅ．ビームスキャン磁石：垂直ギャップ＝８０ｍｍ；曲げ力＝８０ｋｅＶ  オクタデカボラン
Ｆ．コリメータ：曲げ半径９００ｍｍ；極ギャップ＝８０ｍｍ；曲げ力＝８０ｋｅＶ  オクタデカボラン
スキャナ３１０およびコリメータ３１２により共同で生成される総方向偏差は、３０°である。イオン注入装置の幅を最小化するために、曲げ方向は解析磁石の曲げ方向と反対方向であり、これは、コストおよび設置面積を減らす効果をもたらす重要な考慮事項である。
【０１３５】
ウェハでのビームサイズおよび角度発散は、３枚四極子の個別の四極子要素の強度を区別して調整することによって制御される。重要なことに、一般にボロハイドライドイオンおよびクラスターイオンの場合、３枚四極子は、解析磁石、磁気ビームスキャナおよび磁気コリメータによって導入された集団的な質量分散を補償する。四極子要素の強度を適切に設定することによって、複数の質量の成分から生じる角度偏差は、実質的に取り除かれる、すなわち全体の走査範囲にわたって０．１５°以下に減少させることができる。
【０１３６】
質量選択開口に続く減速の後に、ビームに残っている高エネルギーの粒子は、ウェハに到達しない、これらの粒子は、スキャナおよびコリメータによる組み合わされたビーム偏向によりビームから取り除かれるからである。
【０１３７】
図１および図１３の実施形態において使用する図１４および図１４Ａのイオン源１１はクラスターイオンを生成し、たとえば、Ｂ１８Ｈ２２またはＢ１０Ｈ１４蒸気からのボロハイドライドイオンＢ１８Ｈｘ＋、またはＢ１０Ｈｘ＋である。図１および図６において前述したように、および本実施形態のために図１４および図１５Ｂに示すように、イオンは、静電引き出し電極システムによりイオン化チャンバから引き出される。引き出し電極システムは、抑制電極および接地電極を有し、イオンは、幅ｗｓおよび高さｈｓを持つイオン源本体の正面プレートにおける垂直方向を向いたスロット状に形成された引き出し開口１２を通って引き出される。イオンビームラインの分散面は図１５Ａにおける幅ｗｓの方向であり、非分散面は図１５Ｂにおける高さｈｓの方向である。
【０１３８】
図１４は、クラスターイオン引き出しシステムの２つのタイプの分散面断面を示している。引き出し電極システムは３つのプレートからなる。すなわち、イオン引き出し開口（Ｉ）であり、ここを通ってイオンがソース電位（たとえば、電極電位より６０ｋＶ高い）でイオン源から引き出される。それから、逆流電子を抑制するために典型的には電極接地電位よりも数ｋＶ低く維持される、抑制電極（ＩＩ）である。そして、電極電位に保持される接地電極（ＩＩＩ）である。
【０１３９】
引き出し開口プレート（Ｉ）は約２０ｍｍの厚さである。引き出し開口に隣接する平坦な部分は両タイプ（Ｉ）において同一である。第１のタイプにおいて、斜面はプレートの厚さ全体にわたって均一の角度であり、一方、第２のタイプにおいて、傾斜は増加する角度の２つの斜面がある。
【０１４０】
両方の設計のシステムは、広い角度に渡って調整可能である。
【０１４１】
図１４、１４Ａ、１５Ａ、１５Ｂの実施形態は、イオン化チャンバ１０´内でクラスターイオンを生成するために、形成された加速電子のビーム３３０を用いる。このタイプのイオン源は、引き出し電極１４´が、イオン源本体の正面プレート３７０に機械加工されたスロット開口１２´から約１ｍＡ／ｃｍ２の電流密度を引き出すことを可能にするために、分子イオンの十分な密度を生成する。図１および図６に使用するのに好ましい実施形態において、スロット寸法は約１００ｍｍの高さｈｓ、１２．５ｍｍの幅ｗｓである。より大きなまたはより小さなスロットは、実質的に類似のピーク引き出し電流密度を備えるそれぞれより大きなまたはより小さな量の総引き出しイオン電流を生成するであろう。
【０１４２】
前述のT.Horskyにより説明される原理を利用すると、これらの図のイオン源１１´は、イオン化される蒸気の完全性を保護するのに必要な穏やかなイオン化を提供するために、エネルギーが与えられた電子ビーム３３０（図１４）の衝突を用いる。また、このようなイオン源は、ボロハイドライド供給物質の蒸気を用いてよいビーム電流性能を提供するように構成されるとき、従来のガスボックスおよびイオン化チャンバ１０´へのガス材を用いて、ヒ素ガスおよびホスフィンガスから数ｍＡのヒ素イオンおよびリンイオンビームを生成することができる。図１４のイオン源は、形成された加速電子のビームを生成するために、離れて配置された電子銃３４０を採用し、電子銃３４０は、フィラメントおよびイオンチャンバ１０´外の電子光学システムを備える。イオンの侵食によるフィラメントの摩損はこのように最小化され、フィラメントの長い寿命を保証するのを助ける。外部で発生されたエネルギーが与えられた電子ビーム３３０は、長方形スロット１２´のすぐ後ろに全体の長さに沿ってイオンの領域を形成し、ここからイオンがイオン光学システムによって引き出される。この目的のため、電子銃３４０は、１ｍＡから１００ｍＡまでの電子ビームを生成する。この電子ビームは、磁気双極場によって９０度曲げられる。曲げられたら、ビームはイオン化チャンバ１０´に注入され、引き出しスロット開口１２´の長さに平行な垂直経路を横断する。電子ビームは、垂直方向を向いた磁場３５０によりこの経路に閉じ込められ、磁気閉じ込めは、各設計において、注入電子ビームのイオン化効率を最大化するために最適化される。引き出し開口１２´の後ろを通過した後、電子ビーム３３０の使われなかった部分は、ビームダンプ３６０で遮断される。
【０１４３】
電子の放出電流およびイオン源１１への供給材料の流れを変化させることで、５μＡから３ｍＡの安定した電気的イオンビーム電流が達成される。一例として、典型的には、Ｂ１８Ｈ２２またはＢ１０Ｈ１４蒸気が、外側に取り付けられた加熱される蒸発装置から、イオン化チャンバ１０´に入る蒸気の流れを規制する圧力制御装置を通って、イオン源へ導入される。アルシンおよびホスフィンのようなソースガスの形態の供給物質のために、分離したガス供給通路がイオン化チャンバに提供される。
【０１４４】
このような大きなギャップのビームラインシステムの利点は、従来のイオンを採用する場合でも、大きな総ビーム電流および良好なビーム輸送を含む。大きな引き出し開口を用い、低イオン密度で引き出すことにより、ビーム電流密度におけるチャイルド・ラングミュア限界が避けられ、大きなギャップのシステムを通る輸送のための大きな総ビーム電流が引き出される。また、引き出したイオンビームの低イオン密度、およびそれゆえ低電荷密度のために（従来のバーナス型のイオン源に対して）、内部のクーロン空間電荷力による拡散は減少する。これは、イオンビームが小さな角度発散でターゲットに到達することを可能にし、ターゲット表面に対する改良された入射角度の均一性を可能にする。熱運動と同様に空間電荷力は、引き出しイオンビームが、分散面および非分散面の両方において広がる原因になる。図１５Ａおよび図１５Ｂのイオン光学引き出しシステムは、イオンビームを分散面および非分散面において、レンズ電圧の適用により、効率的に形成および集束させるように構成される。
【０１４５】
図１５Ａは、イオンチャンバ１０´の前面プレート３７０、このプレートに形成された引き出しスロット開口１２´、抑制電極１４´、および接地電極７´を示し、すべて水平断面で示され、図の面は分散面である。分散面において、イオンビーム１９´は、図１の解析磁石２１の受け入れ部にｗｂで集束される。イオン源の開口プレート３７０に対するビーム方向に沿う方向の電極要素７´および１４´の位置は、本技術分野において知られている運動制御装置により変更できる。
【０１４６】
この好ましい実施形態において、図１５および図１５Ｂに示すように、イオン源チャンバ１０´の前面プレート３７０は、スロット開口１２´においてナイフエッジ１２Ａとして形成され、また、調整可能なレンズ素子として機能する。この目的のために、T.Horskyらにより前述されたように、開口プレート３７０´は、イオン源本体の他の部分から、絶縁体１２Ｂにより電気的に分離される。
【０１４７】
ビームウェストｗｂを生成するための分散面におけるこのレンズシステムの焦点距離は、形状および適用される電圧によるとともに、ビームエネルギーおよび電極素子の位置により決定される。前述のように、ビーム２２は、その後、解析磁石により集束され、図３とともに説明したように、質量選択開口５０のところで幅ｗｒの分散面における共役像を形成し、その後、ビーム２１０は、３枚構造に入るのに適切なサイズで、３枚構造四極子に到達する。中心質量ピークの場合の、３枚構造２１０を通過する水平面での典型的なビーム包絡線が、図１６Ａに示されている。質量ピークの範囲の分離および主光線経路は、図１２Ａにおいて前述されている。
【０１４８】
図１および図１３のシステムにおいて、Ｙ（非分散）平面内で、３枚四極子２１０への集束は、イオン源の引き出し光学系によりなされ、非Ｙ方向の集束は、解析磁石において生じる。図１５Ｂの実施形態において、非分散面においてイオンビームを集束させることは、抑制プレート７´および接地プレート１４´は、開口スロット１２´のナイフエッジ１２Ａと同様に、おのおのがイオン源に対して凸状の形状を備え、下流ビームラインに対して凹面の形状を備えるような曲率半径で製造される。この曲率は、図１Ｂに示されているように、引き出しビーム１９´の高さの集束を生成する。本実施形態において、１メートルの曲率半径Ｒが採用される。他の実施形態において、他の半径も採用可能であり、一般に、引き出しプレートに適用される小さな半径は、短い分散面の焦点距離を生成し、つまり大きな集束角度を生成し、そして大きな半径についてはその逆である。形成された三極管を用いることにより、非分散面における単純な空間的に効率的な集束が達成され、図１６Ｂを参照すると、解析されたビーム２２´は、非分散面において３枚構造２１０に入るように寸法決めされた包絡線内で、３枚四極子２１０に到達する。
【０１４９】
解析磁石の非分散面における、イオン源の引き出し光学系により生成されるビームの集束角度は、総クラスターイオン電流の大きさおよびイオンエネルギーの範囲で変化し、四極子への入口において、数ミクロンアンペアから数ミリアンペアの範囲にわたるビーム電流、および４ｋｅＶから８０ｋｅＶの範囲のエネルギーにわたって受け入られるようにビームを寸法決めするように最適化される。３枚四極子は、ウェハ７０において、非分散面（垂直）および分散面（水平）の両方におけるウェハでのビームサイズおよび角度分散の最終的な最適化を提供する。
【０１５０】
しかし、解析磁石の前の非分散面のビーム集束のためのシステムの実施形態は、特定の構成に限定されない。開口プレートがレンズ素子として機能しないシステム、追加のレンズ素子が採用されるシステム、または四極子集束素子が含まれるシステムが可能である。
【０１５１】
解析磁石に先立つ光学システムにより非分散面での集束を提供することにより、解析磁石の設計要求が単純化され、一方で、解析磁石および解析後の３枚四極子２１０を通る高効率なイオンビーム伝達が提供される。低イオン密度引き出しにより得られる低減された発散とともに、これは、通路壁へのイオンの衝突を減らす傾向にあり、有害な堆積を減らし、ビーム電流の有用性を向上させ、ビームの汚染を減らす。図１６Ｂに示すように、このように生成された、約６ｍｍの垂直高さを備えるよくコリメートされたビームは、ビームは１０ｃｍの高さの引き出しスロットから生成されているが、示された非分散面の集束とともに３枚四極子に入ることができる。
【０１５２】
図１７は、磁気的に走査された、オクタデカボラン由来のボロン粒子電流を示しており、ここでは、図１３による走査システム、図１４、１５Ａ、１５Ｂによるイオン源を採用している。電流は、図１３のコリメータ３１２の真空ハウジングの出口ポートにおいて測定された。ビーム電流は、ｄｃから１７０Ｈｚの走査周波数範囲の全走査にわたって、本質的に変化しなかった。これらの測定された粒子ビーム電流は、従来の固定ビーム、高電流イオン注入装置からこれまで報告されたものよりもとても高い。さらに、これらのビーム電流は、ウェハの直前に減速器を用いる必要なしに達成された。従来の高電流注入装置において、低エネルギービーム電流を高めるためにしばしば用いられる技術であるが、（ａ）ウェハへのイオン注入の数度の大きな角度広がりを導入すること、（ｂ）減速後の中性粒子フィルタがない場合において、高エネルギーの粒子が減速中またはその前に中性化されてウェハに到達することを許す、という不利益をもつ。このような高エネルギーの粒子は、ウェハ中により深く進入し、これは一般に注入の質を低下させ、今日の極浅ＣＭＯＳ接合の製造には望ましくない。
【０１５３】
バーナス型のイオン源から、Ｂ＋、Ｐ＋、Ａｓ＋のような単原子ドーピングイオンのとても高いビーム電流（５ｍＡ以上）を低エネルギー（１０ｋｅＶ以下）で引き出し、解析するのが非常に困難であることはよく知られている。たとえイオン源自体から高電流を引き出すことに成功したとしても、磁気解析装置への注入および輸送は困難であることが分かる。これは、低エネルギーにおいては、イオンビーム内の電子を中和する空間電荷を形成するためのイオンのイオン化断面積は、非常に小さく、１０ｋｅＶから１５ｋｅＶのエネルギー状態より低いエネルギーに急速に落ちるからである。直接的に電子をビームに挿入することによる、または、電子プラズマ銃を介して導入することによる、ビームの中和を改良する試みは、解析装置自身の磁場の存在により不都合であり、それゆえ、一般に商用のイオン注入装置には不向きな技術である。
【０１５４】
他のよく知られた技術は、ビーム内の低速の負イオンを中和させるより多くの空間電荷を発生させるために、ガスまたは蒸気をイオン源の真空ハウジングおよび／または解析磁石に導入し、ビーム経路を高圧のガスで満たす。Ｐ＋、Ａｓ＋イオン電流は、窒素ガスの導入により若干増加するが、これは一般に、Ｂ＋イオン電流を減少させる。Sinclairら（米国特許第５，８１４，８１９号）は、水蒸気が、バーナス型イオン源から引き出され、解析磁石を通って輸送される単原子のボロン電流を増強することを発見した。これらの中和方法は、広くは成功しておらず、あるいは、商業的な注入装置には採用されていない。これは、低エネルギーでの高ビーム電流は、一般に、特に解析磁場の存在下では、安定的なプラズマの物理的状態を超えるからである。従って、生成されたイオンは、しばしば不安定であり、この不安定性は、ビームサイズおよびイオン源から引き出された電流の統計的な小さなゆらぎにより生じる。ビーム電流はしばしば再現性がなく、温度変化に関連する正確なイオン源パラメータのチューニングおよび変更に過度に依存する。
【０１５５】
図１４、１４Ａ、１５Ａ、１５Ｂに示されるクラスタータイプのイオン源の利点は、追加的なバックグラウンドのガス中和が一般に必要とされないということである。これは、実際のクラスターイオンビームは、比較的に有効な単原子イオンビームの場合よりも、より高エネルギーでかつより低電流であり、そのためプラズマの不安定性を導く状態を避けられるからである。
【０１５６】
図１３に示されるような長いビームラインの場合、解析装置の出口からウェハまでの経路長は、２ｍよりも長く、ビームラインの四極子、スキャニング磁石、コリメータ磁石、および最終処理チャンバを通る０．５ｍから０．７ｍのドリフトを収容するために３ｍ程度の長さであり、これは低エネルギーにおいて有利であることが分かった。ここで、イオンビームは、完全には電子により中和されておらず、ビームは、スキャナやコリメータのような磁場を通らなければならず、ウェハへのビーム輸送を改善するために、スキャナおよびコリメータ領域に少量の電気的に負に帯電したＳＦ６のようなガスを追加し、ウェハにおけるビームサイズを減少させ、これらの両者は、ウェハのスループットおよび注入効率を改善する。
【０１５７】
図１３および図１７を参照すると、単一粒子の１ｋｅＶより小さい注入エネルギーにおいて、ウェハ上のビーム電流は、少量のＳＦ６ガスを、流れ制御弁３０７および管３０９を介して押し出し磁石３１０の真空ハウジング中に入れることにより、１．５から２．０のファクターで有意に高まる。これは、ＳＦ６は、クラスターイオンビーム内で、クラスターイオンとの相互作用を介して容易に負のイオンを形成するからである。このような負の重イオンは低い移動度を持ち、電気ポテンシャル井戸内にエネルギー的にトラップされることは、ビーム内で内部空間電荷力を中和するのに有効であり、さもなくばビームが、ビームラインの許容開口を超えて発散する原因になる。また、ＤＦ６の存在は、コリメータ３１２の出口とウェハ７０の位置との間のドリフト領域におけるビームの発散が減少する結果、５０％から７０％、ウェハ上でのビームサイズを有意に減少させる。ＳＦ６のビーム電流を向上させるのに必要な典型的な流速は、０．１標準ｃｃ／分であり、２−３Ｅ−６torrの増圧を生成する。ＳＦ６は比較的不活性なガスであり、このような低圧で使用することは、直接的に用いる場合でもあるいはクラスターイオンビームとの相互作用を介する場合でも、一般的に注入プロセスに有害ではないと考えられる。
【０１５８】
図１７Ａを参照すると、図１３の実施形態において、１ｋｅＶ以下、特に０．５ｋｅＶ以下のビーム電流は、図３に示す３電極減速システム３０６を駆動することにより、さらに増強される。最適な操作において、減速率は約２：１であり、これは、最終的に減速されたエネルギーが、解析磁石３０２を通るビームのエネルギーの約半分であることを意味する。中心集束電極６１（図３参照）上の電圧Ｖｆ６５は、約１ｋＶから３ｋＶだけ、解析磁石の解析真空ハウジング２０よりもわずかにマイナスである。この現象は完全には理解されていないが、低エネルギー様式において、少し小さな約１００Ｖの減速電圧Ｖｄを適用することにより、ビーム電流は、１０％から３０％改善されることが分かった。
【０１５９】
図１７Ａのデータに示されるように、減速システム３０６の後続の領域に注入されるＳＦ６のような中和ガスの使用は、減速に続く低エネルギーのビームおよび図１３に示されるような、長いビームラインにおける空間電荷の発散に対する影響されやすさのために、特に有効である。
【０１６０】
当業者は、低エネルギーのイオンビームの内在する正の空間電荷を実質的に中和するガスまたは蒸気を使用する他の実施形態を認識でき、これには、水蒸気（Ｈ２Ｏ）またはＢＦ３のような他の負に帯電するガスを利用し、長いビームラインの解析磁石の後の、四極子またはコリメータ真空チャンバのようなその他の領域に、このガスまたは蒸気を導入することを含み、ここでこのビームは、低エネルギーで、空間電荷の拡散に対して影響されやすい。
【０１６１】
このシステムの性能は、一般に、クラスターイオン、特にボロハイドライドイオンを用いることで実現できるドリフトモードビーム電流における顕著な改良および実効性を示す。この結果は、新しい世代のイオン注入装置への道を提供し、真空システムおよびイオン注入装置において従来用いられていた一般的なビームライン構成において、このようなビームを輸送するのが困難であり、および走査するのが困難であるという、以前の幾分広く残る懸念に対処した。スキャン磁石およびコリメータ磁石を通る長いビーム経路であっても、ガスの減衰測定は、ガス散乱、中和、イオンの崩壊によるビームの損失が数パーセントだけであることを示す。
【０１６２】
図１および図１３の代替実施形態はデュアルモードイオン源を採用する。T.Horskyによって前述したように、デュアルモードイオン源の一形態は、先ほど説明した、たとえば、分子イオンを生成するための電子衝突モード、または、単量体および多価イオンの高電流を生成するためのアーク放電モード、のいずれかで動作することができる。各操作モードで生成されたイオンは、同一のイオン光学システムによって、同一のスロット形状開口を通って引き出すことができ、解析磁石の同じ大きさのギャップを通り、図４または図１０Ａ−１０Ｄの質量選択開口５０の適切な経路とともに、説明されたイオン注入装置のビームラインを通る。このように、狭い、たとえば、６ｍｍから８ｍｍ開口を用いて、単量体ドーパントの質量分解能≧６０の利点が得られ、一方で、多くの質量ピークからの電流を用いるために、複数のドーパント原子を含む分子イオンのための、より大きな質量選択開口を採用することができる。たとえば、Ｂ１８ＨｘおよびＢ１０Ｈｘのイオンのために２８ｍｍまたは２９ｍｍの開口である。
【０１６３】
好ましい一形態において、デュアルモードイオン源は、形成された電子ビームおよび別個のアークエミッタを提供する電子銃を備えるように構成される。電子衝突イオン化のために、大きな単量体電流および多価イオンを生成するために電子銃のみが用いられ、アーク操作のみが用いられ、アークエミッタは、典型的にはバーナスイオン源において従来用いられていたのよりも小さな強度で、バーナス型のイオン源に類似のプラズマ放電を打つ。このようなデュアルモードイオン源は蒸気およびガスの両方の入口通路を含む。
【０１６４】
デュアルモードイオン源の一例が図１８に示されている。イオン源１１´´は図１４のイオン源に類似しているが、図１４のビームダンプ３６０が部材３８０に代えられている。この部材は、アーク放電モードの間、フィラメント３９０により加熱される間接的な加熱カソードとして機能する。一般に知られているように、間接的な加熱カソードを用いることは、ソースプラズマから離れて高真空環境に配置されたフィラメントのために、むきだしのフィラメントエミッタよりも長い寿命をもたらす。
【０１６５】
電子衝突イオン化モードでは、図１８の実施形態の電子銃３４０´および関連する磁場は、図１４について説明したのと同様に機能する。電子のビーム使われなかった部分を、部材３８０（この部材は、アーク放電モードの間はカソードとして機能するようにスイッチされる）により提供されるビームダンプにより遮断することができる。
【０１６６】
アーク放電モードにおいて、電子銃３４０´は使われない。カソード部材３８０は、加熱フィラメント３９０によりエネルギーが与えられて、チャンバ１０´´の壁にアーク放電が生成される。これは、磁場３５０´の方向に沿ってプラズマ柱を形成し、磁場は典型的には約１００ガウスよりも小さいけれど、プラズマ閉じ込めを提供できる程度に十分に大きい。本稿で説明された前述の図の大きなギャップのビーム輸送光学系の利点を用いる実施形態において、イオン引き出しスロット１２´´は８０ｍｍの高さｈｓ、１０ｍｍの幅ｗｓとすることができる。
【０１６７】
本稿で説明された大きなギャップのビーム輸送を採用することができる他の実施形態において、引き出しスロットはたとえば１００ｍｍの高さ、１２．５ｍｍの幅に大きくすることができ、その一方で、６０より大きな質量分解能を達成することができる。他のより小さな寸法もまた、採用可能である。これらの実施形態の、従来のバーナス型のプラズマ源に対して大きな引き出し領域により、また、アーク放電の小さな強度により、アーク放電モードで生成されるプラズマ密度は、典型的なバーナス型のプラズマ源よりも小さく、しかし、典型的には１０１１ｉｏｎｓ／ｃｍ３よりも大きく、中くらいのドーズ量の従来の注入装置、および高ドーズ、低エネルギーのクラスタードーピングおよび材料改変注入を提供することができる万能のイオン注入装置に非常に有効である。
【０１６８】
図１９を参照すると、中くらいの電流イオン注入装置のための他の実施形態が示されている。ボロハイドライドイオンの運転のために、引き出し電極４１４に電圧を印加することにより、異なる質量４１６、４１７、４１８のイオンがイオン源４１０から開口４１２を通って引き出される。その後、イオンは、９０度の解析磁石４２６を通過し、調整可能な分解質量選択開口４５０を通る。円筒形の３つの電極のポスト加速構造４４１、４４２、４４３は、イオンを、４０ｋｅＶのソース引き出しエネルギーから、５ｋｅＶから２５０ｋｅＶの範囲の最終的なエネルギーを与えるためにポスト加速または減速することができる。ポスト加速器の中心の電極は、ポスト加速器領域および、磁気的または電気的にポスト加速器の両側に位置している四極子４４０、４４１を通過したときに、イオンビームを様々な角度で集束させるために、調整可能な電圧が付与される。ポスト加速器に続いて、最終エネルギー磁石４４４が存在し、これは、ポスト加速器（または減速器）において発生した不適切なエネルギーを持つイオンまたは中性粒子を取り除く。最終エネルギー磁石の後ろには磁気スキャナ４４６があり、これはスキャナ磁石４４６と同じ方向にビームを曲げるコリメータ４４８と共同で動作する。
【０１６９】
四極子４４０および４４１の強さは、ポスト加速器の集束電極４４２の電圧と共同して、ウェハ７０での、ビームサイズおよび垂直方向および水平方向での角度発散を最適化するために調節可能することができる。さらに、とても重要なことに、ボロハイドライドイオン、さらには一般的にはクラスターイオンのために、同時に、角度ずれを最小化することを可能にする。角度ずれがあると、複数の質量のイオンが存在することになる。最終エネルギー磁石４４４があるので、四極子４４０および４４１の強さを、ポスト加速器の集束電極４４２と共同して、調節することができ、複数の質量のイオンによる角度ずれが実質的に除かれるだけでなく、ウェハ７０をスキャンするときに、複数の質量のイオンの存在による水平方向の広がりを、ビームから実質的に除くことができる。異なる質量のイオン４１６、４１７、４１８の中心の光線の経路は、集束電極４４２の近くの地点４１９で交差する。これは、その後の、最終エネルギー電極４４４、ビームスキャナ磁石４４６、コリメータ４４８で生じる集合的な質量分散を補償する。このような特徴は、中くらいの電流の注入装置において、商業的に有用であり、注入の質を向上し、ウェハのスループットを最大化する。
【０１７０】
図１９の実施形態で採用されるイオン源および引き出し光学系は、図１４−１６Ｂおよび図１８において説明されたものを適切に寸法変更したものとすることができる。
【０１７１】
多くの実施形態が説明された。それにもかかわらず、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な変形形態を作成することができることを理解されたい。従って、他の実施形態も、添付の特許請求の範囲に含まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１４Ａ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１７Ａ】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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