(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン源（１２）の抽出アパーチャ（５０）から出力されるイオンビーム（２８）の電荷を中和するためのイオンビーム中和器（２２）であって、該イオンビーム中和器（２２）は、水源（５２）と；前記水源（５２）に接続され、前記水源（５２）の水を、液体状態から気体状態へ変換する気化器（５４）と；前記気化器（５４）に接続され、導管（６４）及び導管（６６）を備えた質量流量制御器（５６）であって、前記導管（６６）から流出される水蒸気の容積を計量するように作動する質量流量制御器（５６）と；前記質量流量制御器の導管（６６）に接続され、前記導管からの計量された流出量を受け取る注入ポート（６８）であって、前記イオンビームと前記水蒸気がイオンビームを中和するために相互に作用するように、前記抽出アパーチャ（５０）の直前に配置された注入ポート（６８）と；から構成されることを特徴とするイオンビーム中和器。
【請求項２】
前記イオンビーム（２８）は、主に、ボロンイオンと中性粒子から構成されることを特徴とする請求項１記載のイオンビーム中和器。
【請求項３】
前記イオンビーム（２８）は、１０キロエレクトロンボルト（１０ＫｅＶ）以下のエネルギレベルで存在することを特徴とする請求項２記載のイオンビーム中和器。
【請求項４】
更に、前記イオン源（１２）に取付けられたビームガイド（３０）を有し、前記質量流量制御器（５６）はビームガイド内の水蒸気の圧力を制御することを特徴とする請求項１記載のイオンビーム中和器。
【請求項５】
イオンビーム（２８）を出力し、抽出アパーチャ（５０）を実現するように少なくとも１つの電極（２７）を備えた抽出器アセンブリ（２０）を含むイオン源（１２）と；前記イオン源から出力されるイオンビームを受け取るように前記イオン源に接続されたビームガイド（３０）と；前記抽出アパーチャ（５０）から抽出されたイオンビーム（２８）の電荷を中和するためのイオンビーム中和器（２２）と；から構成されたイオン注入装置のターミナル（１７）であって、前記イオン中和器（２２）は、水源（５２）と；前記水源（５２）に接続され、前記水源（５２）の水を、液体状態から気体状態へ変換する気化器（５４）と；前記気化器（５４）に接続され、導管（６４）及び導管（６６）を備えた質量流量制御器（５６）であって、前記導管（６６）から流出される水蒸気の容積を計量するように作動する該質量流量制御器（５６）と； 前記質量流量制御器の導管（６６）に接続され、前記導管からの計量された流出量を受け取る注入ポート（６８）であって、前記イオンビームと前記水蒸気がイオンビームを中和するために相互に作用するように、前記抽出アパーチャ（５０）の直前に配置された注入ポート（６８）と；から構成されることを特徴とするターミナル。
【請求項６】
前記イオンビーム（２８）は、主に、ボロンイオンと中性粒子から構成されることを特徴とする請求項５記載のターミナル。
【請求項７】
前記イオンビーム（２８）は、１０キロエレクトロンボルト（１０ＫｅＶ）以下のエネルギレベルで存在することを特徴とする請求項６記載のターミナル。
【請求項８】
更に、前記イオン源（１２）に取付けられたビームガイド（３０）を有し、前記質量流量制御器（５６）はビームガイド内の水蒸気の圧力を制御することを特徴とする請求項５記載のターミナル。
【請求項９】
イオン源（１２）からイオンビーム（２８）を発生させること；抽出器アセンブリ（２０）内で抽出アパーチャ（５０）を介してイオンビームを抽出すること；前記イオン源に接続されたビームガイド（３０）に向けてイオンビームを方向づけること；及び、抽出アパーチャを介した抽出に続いて、ビームガイド（３０）内に入る前に、イオンビームの近くで水蒸気を導入することによってイオンビームを中和すること；の工程からなることを特徴とするイオンビーム（２８）の中和方法。
【請求項１０】
イオンビームの中和の工程が、水源（５２）と；前記水源（５２）に接続され、前記水源（５２）の水を、液体状態から気体状態へ変換する気化器（５４）と；前記気化器（５４）に接続され、導管（６４）及び導管（６６）を備えた質量流量制御器（５６）であって、前記導管（６６）から流出される水蒸気の容積を計量するように作動する該質量流量制御器（５６）と； 前記質量流量制御器の導管（６６）に接続され、前記導管からの計量された流出量を受け取る注入ポート（６８）であって、前記イオンビームと前記水蒸気がイオンビームを中和するために相互に作用するように、前記抽出アパーチャ（５０）の直前に配置された注入ポート（６８）と；から構成されたイオンビーム中和器（２２）を利用することに実施されることを特徴とする請求項９記載の中和方法。
【請求項１１】
前記イオンビーム（２８）は、主に、ボロンイオンと中性粒子から構成されることを特徴とする請求項１０記載の中和方法。
【請求項１２】
前記イオンビーム（２８）は、１０キロエレクトロンボルト（１０ＫｅＶ）以下のエネルギレベルで存在することを特徴とする請求項１１記載の中和方法。
【請求項１３】
前記質量流量制御器（５６）は、ビームガイド内の水蒸気の圧力を制御することを特徴とする請求項１０記載の中和方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はイオン注入装置の分野に関し、特に、中和媒体として水蒸気を利用した、イオン注入装置のイオンビームを中和するための改良されたシステム及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオン注入は、大規模な集積回路の製造において、半導体に不純物を添加する産業に好適な技術である。イオンドーズ及びイオンエネルギは、注入工程を定義するために使用される２つの最も重要な変数である。イオンドーズは、所定の半導体材料に対する注入されるイオンの濃度に関連している。一般に、高電流注入装置（ほぼ１０ミリアンペア（ｍＡ）以上のイオンビーム電流）は高ドーズ注入に使用され、一方、中電流注入装置（ほぼ１ｍＡのイオンビーム電流まで）は、より低いドーズ注入に適用される。
【０００３】
イオンエネルギは、半導体装置の接合深さ（junction depth）を制御するために使用される。イオンビームを構成するイオンのエネルギレベルは、注入されるイオンの深さの程度を決定する。半導体装置に逆行ウエル（retrograde wells）を形成するために使用されるような高エネルギプロセスでは、数百万エレクトロンボルト（ＭｅＶ）までの注入が必要であるが、一方、浅い接合では、１千エレクトロンボルト（１Ｋｅｖ）以下のエネルギを必要とするだけである。
【０００４】
一般的なイオン注入装置は、（ｉ）イオンビームを出力するイオン源；（ｉｉ）イオンビームの質量を分析するための質量分析磁石を含むビームライン；及び、（ｉｉｉ）イオンビームにより注入される半導体ウエハまたは他の基板を収容するターゲットチャンバ；の３つのセクションまたはサブシステムから構成される。半導体装置がますます小さくなる傾向につれて、低エネルギで、高ビーム電流を生み出すビームライン構成が必要となる。高ビーム電流は、必要なドーズ量レベルを実現し、また、低エネルギレベルは注入を浅くする。例えば、半導体装置のソース／ドレイン接合には、高電流、低エネルギを適用することが要求される。
【０００５】
所定のビームライン構成を介して伝搬された低エネルギビームは、ビーム“ブロー−アップ”（beam"blow-up"）として知られる状態、即ち、イオンビーム内で荷電イオン（陽イオン）が相互に反発し合う傾向と呼ばれている（または、空間電荷効果として知られている）状態にさらされる。このような相互反発は、別の望ましい形状のビームを意図するビームライン通路からそらす。ビームブロー−アップは、特に、高電流、低エネルギに適用する場合に問題となる。なぜなら、ビーム（高電流）内のイオンの高濃度は、イオンの相互反発力を増大させ、イオンの最小伝搬速度（低エネルギ）のためにイオンビームは相互反発力により長くさらされるからである。
【０００６】
イオン注入装置内の空間電荷効果が減少することによって、正に荷電された粒子、負に荷電された粒子、及び中性粒子からなるビームプラズマが生成される。ここで、ビームによって占有された空間内の正及び負に荷電された粒子の電荷密度は同じである。一般に、ビームプラズマは、正に荷電されたイオンビームが残余のバックグランドガスアトム（residual background gas atoms）と相互に作用した時に生成され、イオン化衝突によってイオン電子対が発生する。イオンビームは、飛行経路中で、バックグランド残余ガスとの相互作用によって部分的に中性化される。ビームラインは真空状態で作動されるが、留まっているバックグランド残余ガスは、極端に低い圧力（０．１３３３２２パスカル（Ｐａ）以下）でも高真空ポンプによって取り除かれていない。
【０００７】
ビーム／バックグランドガスの相互作用に基づくイオンビームの中和の程度は、低エネルギで高電流ビームを維持するには不十分であるので、より活性的な空間電荷中和機構が相互作用を補足するために使用される。活性的な中和機構の１つは、イオンビームが伝搬されるビームラインにガスを直接注入することによって、ビーム中和の程度を決定する１つの要素である、バックグランドガスの組成を制御することである。
【０００８】
既知の活性的な中和機構は、質量分析磁石の位置で注入装置のビームラインに気体窒素（または、アルゴン、ネオン、キセノン）を導入することである。ビームラインへのゆっくりした窒素の導入（抽気；bleeding）は、正の荷電イオンが相互に作用するバックグランドガス粒子の数を増加させる。窒素抽気は、ひ素及び燐のイオンビームが低エネルギ（１０ＫｅＶ以下）状態で移動される電流レベルを押し上げることがわかっている。しかしながら、窒素抽気は、低エネルギ状態でボロンイオンビームの電流レベルをほとんど上昇させないし、ある場合には、ボロンイオンビームの電流レベルを減少させるように働く。
【０００９】
高電流、低エネルギのボロンイオンビームに関する窒素抽気の不十分さは、電荷交換現象によって説明される。上述したプラズマ生成に加えて、ビームとバックグランドガスとの相互作用は、（ｉ）バックグランドガスからの正に荷電された高エネルギボロンイオンによる電子の捕捉、及び（ｉｉ）非エネルギ中性バックグランドガスによる電子の消失を特徴とする電荷交換の原因となる。エネルギ中性ボロン粒子は、ゆっくりとした動きの、非エネルギ、正に荷電されたガスイオンに沿って生成される。エネルギ中性ボロン粒子は、最適な電荷−質量比の粒子のみを通す機能を有する質量分析磁石において消滅するので、ビーム電流の総量は減少する。
【００１０】
ボロン原子は、ひ素や燐よりも大きい断面を有するので、特に電荷交換効果を受けやすい。そのために、ボロンイオンビームの経路に抽気される既知のガスは、重要な電荷交換を引き起こす。加えて、低ビームエネルギレベルで、多数のガス粒子（または、高圧ガス）がビームを効果的に中和するために必要となり、更に、電荷交換を増進させる結果となる。このように、一般的なガス抽気は、ボロンイオンビーム搬送のような低エネルギへの適用が制限されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、空間電荷効果を抑制し、低エネルギ状態で搬送可能なビーム電流を最大にするようにイオンビームを中和するための方法及びシステムを提供することにある。
【００１２】
更に、本発明の目的は、ビーム密度及びビーム電流が最大になるポイントで、イオン源の近くに組み込まれるイオンビーム中和システム及び方法を提供することにある。
【００１３】
また更に、本発明の目的は、特に、ボロンイオンビームを中和するために有益な、イオンビーム中和システム及び方法を提供することにある。
【００１４】
また更に、本発明の目的は、非毒性で、非汚染性の中和媒体を利用するイオンビーム中和システム及び方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、イオン注入装置における改良されたイオンビーム中和器及びイオンビームの中和方法が提供される。中和システムは、水源、水源に接続された気化器、気化器に接続された質量流量制御器、及び、質量流量制御器に接続されたインレットを有している。気化器は、水源の水を液体状態から気体状態へ変換する。質量流量制御器は、気化器から水蒸気を受け取り、質量流量制御器の導管から流出される水蒸気の容量を計量する。
【００１６】
インレットは、イオンビームの抽出アパーチャの直前に配置された注入ポートを備えており、質量流量制御器から計量された容積を受け取る。注入ポートは、抽出アパーチャの近くに配置されているので、イオンビーム及び水蒸気は、イオンビームを中和するように相互に作用する。改良されたイオンビーム中和器は、特に、低エネルギ（１０キロエレクトロンボルト（１０ＫｅＶ）以下）ビームに適用すると効果的である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、イオン注入装置は符号１０で示されており、イオン源１２、質量分析磁石１４、ビームラインアセンブリ１５、及びターゲットまたはエンドステーション１６から構成されている。イオン源１２及び質量分析磁石１４は、各々の電源と共に、ターミナル１７として参照される。図１に示された本発明の実施の形態は、低エネルギ注入装置であり、ビームラインアセンブリ１５は、低エネルギビームが伝搬中に拡大される（即ち、“ブロー−アップ”）傾向があるので、比較的短い。
【００１８】
イオン源１２は、プラズマチャンバ１８、イオン引き出しアセンブリ２０、及び本発明の原理に基づいて構成されたイオンビーム中和器２２を区画するハウジング１３を有している。ビームラインアセンブリ１５は、（ｉ）真空ポンプ４３によって排気され、ターミナルアパーチャ２１、分解アパーチャ２３、及びフラッグファラデー（flag Faraday）４２を含むレゾルバーハウジング１９、及び（ｉｉ）本発明の一部を構成するものではないエレクトロンシャワー４５を含む下流ビーム中和器２４を備えている。ビーム中和器２４の下流はエンドステーション１６であり、処理されるウエハが装着されるディスク形状のウエハ支持部２５を有している。ここで使用されるウエハは、イオンビームが注入されるあらゆる種類の基板を含む。ウエハ支持部２５は、注入ビームの方向にほぼ垂直に向けられているターゲット面内に存在する。
【００１９】
イオン源１２から出力されるイオンビーム２８は、適正な電荷−質量比のイオンのみをビームラインアセンブリ１５へ通過させる機能を有する質量分析磁石１４に向かって移動する。質量分析磁石１４は、イオン源１２に接続されたアルミニューム製のビームガイド３０によって区画され、真空ポンプ３１及び４３によって排気される湾曲したビーム通路２９を有している。この通路に沿って伝搬するイオンビーム２８は、質量分析磁石１４によって励起された磁場に影響される。磁場は、イオンビーム２８を、イオン源１２近くの第１のまたは入口軌道３４からレゾルバーハウジング１９近くの第２または出口軌道３５へ、湾曲したビーム通路２９に沿って移動させる。不適正な電荷−質量比のイオンを構成するビーム２８の部分２８’及び２８”は、湾曲した軌道からアルミニューム製のビームガイド３０の壁に偏向させられる。このように、質量分析磁石１４は、好適な電荷−質量比を有するビーム２８内のイオンのみをビームラインアセンブリ１５へ通過させる。
【００２０】
エンドステーション１６のディスク形状のウエハ支持部２５は、モータ４６によって回転される。イオンビームは、円形軌道を移動する支持部に装填されたウエハに衝突する。エンドステーション１６は、２つの軸、すなわち、イオンビーム通路に対して垂直な軸と、公称ビーム−ターゲット交差部と交差する軸に関して軸支可能である。このように、イオン注入の角度は、垂直からわずかに変えられている。従来技術としてよく知られているように、ディスク形状の支持部２５は、一定の角速度でモータ４７により回転され、また、支持部２５は、モータ４９及びリードスクリュ（図示しない）によって垂直方向（図１の紙面に垂直の方向）に動かされる。
【００２１】
本発明のイオンビーム中和器２２は、図１のイオン注入装置１０のイオン源領域に組み込まれている。イオン源１２は、Ｌ字形状のフレーム２６に装着されている。圧縮ガスの形態で直接的に、または固体形態から気化された形態で間接的に得られるイオン化可能なドーパントガスは、プラズマチャンバ１８内に注入される。一般的なイオン源の原料は、ボロン（Ｂ）、燐（Ｐ）、ガリウム（Ｇａ）、インジューム（Ｉｎ）、アンチモン（Ｓｂ）及びひ素（Ａｓ）である。これらの原料は、ボロンを除いて固体形態で提供される。ボロンは、三フッ化ホウ素またはジボランの気体形態で提供される。
【００２２】
エネルギは、プラズマチャンバ１８内でイオンを発生させるためにイオン化可能なドーパントガスに与えられる。一般に、陽イオンが生成されるが、本発明が適用されるシステムでは、陰イオンが生成される。陽イオンは、複数の電極２７を構成するイオン抽出アセンブリ２０によってスリットを介してプラズマチャンバ１８に抽出される。したがって、イオン抽出アセンブリは、抽出アパーチャ５０を介してプラズマチャンバから陽イオンのビーム２８を抽出し、抽出されたイオンを質量分析磁石１４に向けて加速させるように機能する。
【００２３】
図２は、本発明の原理に基づいて構成されたイオンビーム中和器２２を概略的に示している。中和器は、水源５２、気化器５４、質量流量制御器５６、及びインレット６０を備えている。水源５２は導管６２を介して気化器５４に接続されており、気化器５４は、導管６４を介して質量流量制御器５６に接続されており、また質量流量制御器５６は、導管６６を介してインレット６０に接続されている。インレット６０は、電極２７の抽出アパーチャ５０の直前に配置されている注入ポート６８を備えている。
【００２４】
気化器５４は、水源５２の水を液体状態から気体状態へ変換する。質量流量制御器５６は、従来技術として知られているように作動して、導管６６から流出される水蒸気の容積を計量して、インレット６０へ送る。質量流量制御器は、約０．１３３３２２パスカル（Ｐａ）の圧力までビームガイド３０内の水蒸気の圧力を制御する。そのため、水蒸気は、ビームガイド３０で主たる圧力の原因となる。
【００２５】
インレット６０の注入ポート６８は、イオンビームの抽出アパーチャ５０の近くに配置されているので、水蒸気は、ビーム電流（強度）、及び空間電荷効果が最大である、注入装置のビームラインへ導入（抽気）される。このように、水蒸気とイオンビーム２８との相互作用は極限まで増大される。水蒸気分子は、一般的な抽気システムによって導入される他の公知のガスよりも高い確率でビーム分子と衝突する。水蒸気とイオンビームとの相互作用は、一般的な窒素ガス抽気システムとは対照的に、電荷交換効果を減少させる。更に、水蒸気とイオンビームとの相互作用は、負に荷電されたＯＨ-イオンを生成する。このイオンは、一般的な窒素ガス抽気システムによって供給された負に荷電された電子イオンよりもイオンビームを良く中和させるように機能する。
【００２６】
電荷交換効果の減少は、（ｉ）イオンビームを構成する正に荷電された高エネルギイオンによって捕捉される電子がほとんどない、また、（ｉｉ）非エネルギ中性残余バックグランドガスによって消失される電子がほとんどない、という事実からわかる。このように、ほんの少しのゆっくりとした動きの、非エネルギで、正に荷電されたバックグランドガスイオンに沿って、生成されるエネルギ中性イオンビーム粒子はほとんどない。エネルギ中性ビーム粒子がほとんど供給されないので、このような粒子をストップさせ、対応するビーム電流を減少させる質量分析磁石の傾向は小さくなる。ボロンイオンビームの場合、減少した電荷効果は、０．１３３３２２パスカル（Ｐａ）までのビームライン圧力で維持可能であることがわかっている。
【００２７】
ビームと水蒸気との相互作用によって生成される、負に荷電されたＯＨ-イオンは、ビームを中性化する機能がある。ＯＨ-イオンは、水酸化物基の非化学的な特性の結果として生成される。その結果、ビームプラズマは、ＯＨ-イオン、電子、正に荷電されたビームイオン、及び、ゆっくりとした動きの、非エネルギの、正に荷電されたバックグランドガスイオンを含む。ＯＨ-イオン及び電子の両方は、正に荷電されたビームを中和するように働くが、ＯＨ-イオンは電子よりも重い。ビームプラズマ内での相互作用の結果、割合に大きいＯＨ-イオンは、電子とは対照的に、速度は比較的小さい。そのために、ＯＨ-イオンは、電子よりも長くビームの閉じ込め空間（confines）内に留まり、エネルギ及び熱を得て、ビームを脱出するのに適している。イオンビームの閉じ込め空間に留まることによって、ＯＨ-イオンは、イオンビームの空間電荷効果を減少させるように機能する。
【００２８】
ＯＨ-イオンと電荷交換効果の減少の両方の形態により、他の既知のガスよりも水蒸気がイオンビームをより効果的に中和する。本発明は、低エネルギ（１０ＫｅＶ以下）のボロンイオンビームを中和するのに特に効果的であることがわかる。超低エネルギ（５ＫｅＶ以下）に適用した場合、ボロンビームは、一般的な窒素ガス抽気システムに比べて、強度（ビーム電流）が４０％増加することがわかった。
【００２９】
以上、イオン注入装置において、水蒸気を使用したイオンビームの中和システム及び中和方法についての実施の形態を説明してきた。しかしながら、上記した説明によって、これらの説明は単なる例示であり、本発明は特定の実施の形態に制限されず、請求の範囲に記載された発明の精神及び範囲内において、形態及び詳細についての種々の変更が可能であることは理解されるところである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の原理に基づいて構成されたイオンビーム中和システムの実施の形態に係るイオン注入システムの透視図である。
【図２】図２は、図１のイオンビーム中和システムの概略図である。
【符号の説明】
１０  イオン注入装置
１２  イオン源
１７  ターミナル
２０  抽出アセンブリ
２２  イオンビーム中和器
２７  電極
２８  イオンビーム
３０  ビームガイド
５０  抽出アパーチャ
５２  水源
５４  気化器
５６  質量流量制御器
６０  インレット
６２、６４、６６  導管
６８  注入ポート
【図１】
0003932522.tif 000002
【図２】
0003932522.tif 000003