(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビーム（１４）内の中和電子の移動を制御することによって、イオン源（１２）から加工片のイオンビーム処理を行う処理部へイオンビーム（１４）を誘導する方法であって、
ａ）イオンビームをイオン源（１２）からイオンビーム処理を行うためにターゲット加工片が置かれている注入部（１６）までイオンビーム経路に沿って誘導する段階と、
ｂ）イオンビームがターゲット加工片に接する前の中和位置で中和電子をイオンビーム内へ噴射する段階と、
ｃ）イオンが中和位置に達する前でイオンビームに隣接する地点に磁気抑制電極（１１０、１４０）を配置することによって、中和電子が中和位置から離れて上流側へ移動するのを防止するための磁界を形成する段階とを有していることを特徴とする方法。
【請求項２】
磁界を形成する段階は、イオンビーム経路に対して互いに対向する位置に離間して第１及び第２永久磁石（Ｍ１、Ｍ２）を取り付けることによって実施されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
磁界を形成する段階は、イオンビーム経路と交差する双極子磁界を形成することによって実施されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
イオン注入位置（１６）で加工片にイオンを衝突させることによって加工片を処理するためのイオン注入装置（１０）であって、
ａ）イオンを放出するイオン源（１２）と、
ｂ）イオンビームが進むイオン注入装置の排気内部領域を形成している構造体を含む、イオン源から放出されたイオンからイオンビーム（１４）を形成するイオンビーム形成構造部（２２、４０、５２）と、
ｃ）イオンビーム（１４）でビーム処理を行う位置に１つまたは複数の加工片を配置するための注入部（１６）と、
ｄ）注入部より上流側においてイオンビームの中和領域内へ中和電子を噴射するためのイオンビーム中和器（４４）と、
ｅ）イオンビーム中和器（４４）より上流側に配置されて、イオンビーム中和器（４４）より上流側の領域でイオンビーム（１４）と交差する磁界を形成することによって、イオンビームの中和領域から離れる方向への中和電子の移動を阻止する磁石手段（１１０、１４０）とを有することを特徴とするイオン注入装置。
【請求項５】
磁石手段は、イオンビーム（１４）の各側に離設された第１及び第２磁石（Ｍ１、Ｍ２）を備えて、イオンビーム中和器（４４）から離れる方向への電子の移動に影響を与えるように第１及び第２磁石（Ｍ１、Ｍ２）間の領域に磁界を形成するようにしたことを特徴とする請求項４記載のイオン注入装置。
【請求項６】
第１及び第２磁石（Ｍ１、Ｍ２）は、内向きの極面を備えてその間に双極子磁界を形成するための永久磁石であることを特徴とする請求項５記載のイオン注入装置。
【請求項７】
さらに、第１及び第２磁石（Ｍ１、Ｍ２）に近接した位置に支持されて、第１及び第２磁石間の領域での磁界集中を調節する磁界調節部材として第１及び第２の強磁性体（１４２、１４４）を有していることを特徴とする請求項５記載のイオン注入装置。
【請求項８】
第１及び第２永久磁石は細長い棒磁石であることを特徴とする請求項６記載のイオン注入装置。
【請求項９】
さらに、磁力線をイオンビームが占める領域に沿って集中させるために細長い棒磁石に隣接配置された強磁性体（１４２、１４４）を有していることを特徴とする請求項８記載のイオン注入装置。
【請求項１０】
強磁性体は、棒磁石の各々の両側に配置された強磁性バーであることを特徴とする請求項９記載のイオン注入装置。
【請求項１１】
イオン注入装置において電子の移動を制御するためのイオンビームリペラーであって、
ａ）細長い第１及び第２永久磁石（Ｍ１、Ｍ２）を有しており、イオンビーム内のイオンが前記細長い第１及び第２永久磁石間を通過でき、また前記細長い永久磁石間の磁界領域内に電子反発磁界を形成するように、イオンビーム経路に対して細長い第１及び第２永久磁石の向きが定められており、さらに、
ｂ）イオンビームが細長い永久磁石間の磁界領域に入る際に通過する入口窓を形成することによって、イオンビーム内のイオンと直接接触しないように磁石を遮蔽するグラファイトシールド手段と、
ｃ）イオンビームに沿った電子の流れを阻止するために、細長い第１及び第２永久磁石（Ｍ１、Ｍ２）とグラファイトシールド手段とをイオンビームに対して支持する支持構造部（１５０、１７０）とを有していることを特徴とするイオンビームリペラー。
【請求項１２】
グラファイトシールド手段は、細長い第１及び第２永久磁石（Ｍ１、Ｍ２）をイオンビーム経路から分離させる支持構造部に連結された第１及び第２グラファイトシールド（１８０、１８２）であることを特徴とする請求項１１記載のイオンビームリペラー。
【請求項１３】
さらに、磁力線をイオンビームが占める領域に沿って集中させるために前記永久磁石に隣接配置された強磁性体（１４２、１４４）を有していることを特徴とする請求項１２記載のイオンビームリペラー。
【請求項１４】
磁石に隣接配置された強磁性体（１４２、１４４）は、各棒磁石の両側に配置された強磁性バーであることを特徴とする請求項１３記載のイオンビームリペラー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、注入ターゲットの表面全体においてイオン注入添加量の均一性を許容限度内に維持しながら、イオン注入装置におけるイオンビーム伝達を向上させるための方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高電流イオン注入装置では、イオンビームはイオン源から加工片へビームプラズマを介して伝播する。そのようなプラズマでは、イオンで発生した正空間電荷が、イオンビーム内及びその周囲を軌道運動する電子によって発生する負空間電荷によって補正される。これらの電子は準定常状態にあり、イオンビーム伝播方向に沿って移動しない。
【０００３】
これらの電子がビーム空間から除去されると、イオンによって発生して補正されない空間電荷が、ビーム中心に向かう半径方向の電界を発生するであろう。そのような電界の影響を受けて、イオンはビーム中心から離れる方向に逸れるため、ビームが拡散して断面が大きくなり、やがて使用可能な物理的包絡線内にはまらなくなる。この事象は一般的に「ビームブローアップ」と呼ばれる。
【０００４】
ビームターゲットすなわち加工片は、ＣＭＯＳ集積回路を作製する電気的絶縁シリコンウェハであることが多い。正荷電イオンビームがシリコンウェハに衝突した時、ウェハは実効正電荷を獲得する。この電荷を獲得することによって、ウェハの領域内に電界が発生し、これが中和電子をビームプラズマから引き付ける結果、ビームブローアップが発生する。
【０００５】
ＣＭＯＳ集積回路が正に荷電することの第２の結果として、回路が破損する可能性がある。実効正電荷が回路内に集まると、ウェハの表面に大きな電界が発達し、このため、それらの発生中に装置の接合部及びゲートが破損する可能性がある。
【０００６】
実効正電荷を有するイオンビームによって発生する損傷を防止するため、従来の注入装置は、「電子シャワー」または「電子フラッド」を用いてきた。そのような装置は、ターゲットのすぐ上流側に配置され、正イオンビーム流に等しい電子流を与えることによって、結果的に得られたイオンビームの実効電荷がゼロになるようにするものである。
【０００７】
イオン注入装置用の電子シャワーは、従来の注入装置に使用されてある程度の成功を収めているが、それらの使用には幾つかの問題点がある。電子シャワーは、イオン流を完全に中和するだけの十分な電子流を与えない場合がある。これが発生した時、ビームは部分的にブローアップして、許容できない注入添加量の不均一が発生する。従来の注入装置の経験から、ビームが完全には中和されていない場合でも、ビームブローアップの長さを限定すれば、ビームの均一性に対する悪影響が軽減されることがわかっている。
【０００８】
中和されていないビームによって発生する部分ブローアップの影響を限定するため、一般的に電子シャワーの上流側（イオン源の方向）に「バイアス開口」が配置されている。この開口は、ビームを包囲する負荷電金属リングである。この開口によってビームの中心に負の電位が発生し、このために、いずれの側（上流側または下流側）の電子もリングを通過して伝播されなくなる。この現象が、電子シャワーの上流側に配置された代表的な従来形電子抑制リングを説明している図２に示されている。
【０００９】
図２では、リングＲは、２つの接地導体部材Ｃ１、Ｃ２の間に配置されている。リングＲは、大地より２．５キロボルト低い電位に維持されており、従って、図２の電子の移動で示されているように、電子はリングＲの平面から離れる方向に逸れる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
残念ながら、電子がバイアスを掛けたリングＲを通過して伝播するのを防止する同じ磁界が、バイアスリングＲの約１リング直径分の距離内の電子を排除する。リングＲのこの距離内では、正イオン空間電荷が完全には補正されず、ビームのブローアップが発生するであろう。このビームブローアップによって発生する問題は、低エネルギイオン注入ビームの場合の方が顕著である。
【００１１】
このような事情に鑑みて、本発明は、中和電子の逆流を阻止してイオンビームを誘導する方法及びそのためのイオンビームリペラーとイオン注入装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の方法は、中和電子の逆流を阻止するが、負バイアスを掛けた電極を使用した場合とは異なって、イオンビームのある領域のすべての電子を排除することはない。
【００１３】
本発明の方法によれば、イオンビームが、イオン源からイオンビーム処理を行うためにターゲット加工片が置かれている注入部までビーム移動経路に沿って誘導される。イオンビームがターゲット加工片に接する前の中和位置で、中和電子がイオンビーム内へ噴射される。中和電子の逆流を防止するため、中和位置の上流側に磁界が形成される。
【００１４】
磁界の形成は最も好ましくは、ビームがビーム中和器に達する直前の位置でイオンビームの各側に永久磁石を配置することによって行われる。磁石は、イオンビームが通過する領域内に磁界を形成する。この磁界によって、電子は螺旋経路に沿って前後移動するが、それらがイオンビーム内のそれらの位置からはじき出されることはない。しかし、ビーム中和器の領域から離れてイオンビームを逆流する電子は、永久磁石によって発生した磁界によってはじき出される。
【００１５】
高密度集中磁力線がイオンビーム空間の領域の外側に位置する磁界を設けることによって、磁石の領域内の電子損失はさらに防止される。
【００１６】
本発明の上記及び他の目的、利点及び特徴は、添付の図面を参照した本発明の好適な実施例の詳細な説明から理解されるであろう。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照しながら説明すると、図１はイオン注入装置１０を示しており、これは、イオンビーム１４を形成するイオンを放出するイオン源１２を設けており、イオンビーム１４はイオンビーム経路を通って注入部１６へ進む。制御電子装置（図示せず）が、注入部１６の処理室１７内でウェハが受け取るイオン添加量を監視及び制御する。
【００１８】
イオン源１２には、原料物質がイオン化されるように噴射されるプラズマ室１８が設けられている。原料物質は、イオン化ガスまたは気化原料物質を含むことができる。原料物質にエネルギを加えると、正荷電イオンがプラズマ室１８内に発生する。正荷電イオンは、プラズマ室１８の開放側に重ねられたカバープレート２０の楕円形アークスリットを通ってプラズマ室内部から出る。
【００１９】
プラズマ室１８内のイオンは、プラズマ室のカバープレート２０のアークスリットから引き出されて、プラズマ室のカバープレート２０に近接した１組の電極によって質量分析磁石２２に向けて加速される。質量分析磁石２２は、磁石ハウジング３２内に支持されている。磁界の強さは、イオン注入装置の制御電子装置によって制御される。磁界は、磁石の界磁巻線を流れる電流を調節することによって制御される。質量分析磁石２２は、イオンビーム１４に沿って進むイオンを湾曲軌道で移動させることによって、適当な原子質量を備えたイオンだけがイオン注入部１６に到達する。
【００２０】
注入部に達する前に、イオンビーム１４はさらに成形、評価され、また質量分析磁石ハウジング３２の高圧から接地された注入室までの電圧降下によって加速される。イオン源から注入室１７までのイオンビーム経路は、ビーム線に沿って離設された真空ポンプＰ１、Ｐ２によって低圧に維持されている。
【００２１】
イオン注入装置は、磁石２２の下流側に、四極子アセンブリ４０と、回動形ファラディーカップ４２と、イオンビーム中和器４４とを有している。四極子アセンブリ４０は、イオンビーム１４の周囲に向けて配置された磁石組を備えており、それらが制御電子装置（図示せず）によって選択的に励磁されることによって、イオンビーム１４の高さを調節することができる。四極子アセンブリ４０は、注入装置ハウジング５０内に支持されている。磁石２２に面した四極子アセンブリ４０の端部にイオンビームシールドプレート５２が連結されている。シールドプレート５２は、質量分析磁石２２と協働して、イオンビーム１４から望ましくない種類のイオンを除去することができる。
【００２２】
従って、質量分析磁石２２、四極子アセンブリ４０、およびシールドプレート５２によってイオンビーム形成構造部が構成される。
【００２３】
ファラデーカップ４２は、四極子アセンブリ４０とイオンビーム中和器４４との間に配置されている。ファラデーカップは、ハウジング５０に回動可能に連結されて、ビーム特性を測定するためにイオンビーム１４を遮る位置へ回動させることができ、測定が満足できるものであれば、注入室１７でのウェハの注入を邪魔しないようにビーム線から後退する位置へ揺動することができる。
【００２４】
一般的に電子シャワーと呼ばれる従来のイオンビーム中和器４４が、１９９２年１１月１７日に発行されかつ本発明の譲受人に譲渡されている、ベンベニステ（Benveniste) の米国特許第５，１６４，５９９号に開示されている。その開示内容全体は、参考として本説明に含まれる。
【００２５】
プラズマ室１８から引き出されたイオンは正に帯電している。イオンの正電荷がウェハの注入前に中和されない場合、ドーピングを行ったウェハは実効正電荷を示す。上記のように、またベンベニステの米国特許第５，１６４，５９９号に記載されているように、ウェハ上のそのような実効正電荷は望ましくない特性を備えている。
【００２６】
従来のイオンビーム中和器が、１９９５年８月２８日にブレイク(Blake) が出願した同時係属中の米国特許出願第０８／５１９，７０８号に開示されている。この同時係属中の米国特許出願の開示内容は参考として本説明に含まれる。
【００２７】
中和器４４のすぐ上流側に磁気リペラー１１０が配置されている。リペラー（repeller) １１０の構成要素が、図３に概略的に示されている。リペラー１１０には、中和器から電子が逆流しないようにするための永久磁石Ｍ１、Ｍ２が設けられている。磁石Ｍ１、Ｍ２は、図２に関連して説明されているバイアスリング開口Ｒに代わるものである。
【００２８】
図１に開示されている中和器４４は、中和電子がイオンビーム内へ噴射される間、ビームが邪魔されないで通過できるようにする大きさの端部開放形の円筒状内部領域を形成している。中和器４４及びリペラー１１０は、図１には一体装置として示されて、ハウジング５０に取り付けられた共通ベース５２によって支持されている。
【００２９】
注入室１７内にディスク形のウェハ支持体（図示せず）が回転可能に支持されている。ビームで処理されたウェハは、ウェハ支持体の周縁部付近に配置され、支持体はモータ（図示せず）によって約１２００ＲＰＭで回転する。イオンビーム１４が円形経路で回転中のウェハに衝突してそれを処理する。多数のウェハがウェハ支持体の縁部の周りに支持されて、ローディング及びアンローディング中もビーム線を真空中に維持できるようにするため、ロードロックを介してローディング及びアンローディングが行われる。
【００３０】
注入部１６は、ハウジング５０に対して回動可能であり、それに可撓性ベローズ９２で連結されている。注入部１６を回動させることができることによって、注入室内でビームがウェハに衝突する時のイオンビーム１４の入射角を調節することができる。
【００３１】
磁気リペラー１１０
図３は、磁石手段としての磁気リペラー１１０の作用を概略的に示している。２つの永久磁石Ｍ１、Ｍ２が、イオンビーム１４の各側に離設されている。第１磁石Ｍ１のＮ極面１２２がイオンビームの一方側に面しており、第２磁石Ｍ２のＳ極面１２４がイオンビームの他方側に面している。２つの磁石間の磁力線が図３に示されている。磁気リペラー１１０の上流側または下流側の位置からイオンビームを通過する電子は、それらが磁石Ｍ１、Ｍ２間の磁界に入った時に力を受ける。
【００３２】
本発明の重要な利点が図３に説明されている。既に２つの磁石Ｍ１、Ｍ２間にある電子は、イオンビーム内のそれらの位置から取り除かれない。磁界内の負に荷電した電子は、それらが移動中でなければ力を受けない。これらの荷電した電子がイオンビーム内での任意移動のために力を実際に受けた場合、それらは螺旋経路１３０に沿って前後移動しながらイオンビーム１４を横切ろうとする。これらの電子は、従来形抑制電極すなわちリングＲ（図２）によって形成された磁界の存在によってビームから取り除かれるのではなく、ビームの中和を助け続ける。
【００３３】
図４及び図５は、２つの細長い棒磁石Ｍ１、Ｍ２を囲む磁界形成構造体を備えた磁気リペラーの変更実施例を示している。強磁性材からなる細長いバー（磁界調整部材としての第１，第２強磁性体）１４２、１４４が、磁力線をイオンビーム１４の側部に集中させる。磁気バーの存在によって、磁力線がＳ極からＮ極へ横切ることができるが、高密度集中磁力線が発生する領域が制限される。
【００３４】
図７〜図９は、中和器４４から分離した磁石手段としてのリペラー１４０を取り付けるための現時点で好適な変更構造を示している。注入装置ハウジング５０によって支持された金属ベース１５０に設けられた内向き表面１５２が、ハウジング５０のアクセス開口の周囲に当接している。磁気リペラー１１０，１４０は、磁気抑制電極としての機能を果たしている。
【００３５】
ベース１５０は、ハウジング５０の適当な位置の開口にはめ込まれたねじコネクタ１５４によって注入装置ハウジング５０に固定されている。ベースの溝１６２（図８）にエラストマーガスケット１６０がはめ込まれて注入装置の内部を密封していることによって、注入装置１０を常態大気圧以下の圧力まで減圧することができる。リペラー１４０を取り外すためには、コネクタ１５４を緩めて、ベースを注入装置ハウジング５０から持ち上げる。鉛シールド１６２がベース１５０の上に重なって、注入装置の領域内のイオン化照射を受けないようにリペラー１４０の領域を遮蔽している。
【００３６】
ベース１５０に取り付けられたブラケット１７０が、支持フレーム１７２で連結されている。支持フレーム１７２には４辺が設けられ、図９に示されているように、平面図はほぼ矩形である。４つの連結された側壁１７３〜１７６が、イオンビーム１４を包囲して、リペラー１４０を直接的に支持している。このようにして、金属ベース１５０とブラケット１７０により、リペラー１４０の支持構造部が形成される。
【００３７】
リペラー１４０には、フレーム１７２によって支持された２つの磁石Ｍ１、Ｍ２と２つのグラファイトシールド１８０、１８２とが設けられている。グラファイトシールド１８０、１８２は、グラファイトシールド手段を構成し、イオンビーム１４が磁石Ｍ１、Ｍ２と直接接触しないようにする。磁石Ｍ１、Ｍ２は、磁石間の領域内にほぼ均一な双極子磁界を形成する。この磁界によって形成された磁力線が、リペラー１４０の図９に示されている。
【００３８】
図７の磁石Ｍ１のような各磁石は、図８に点線で示されている２つの突き合わせ棒磁石１９０、１９２で形成されている。磁石１９０、１９２は、一方の磁石のＳ極が他方の磁石のＮ極に当接するようにして、端部同士で整合している。リペラーは、好ましくはサマリウムコバルトからなる表面磁界強さが少なくとも２５００ガウスの４つの同一磁石を用いている。一般的な注入装置では、イオンビームは中和器４４を通過する位置の幅が約０．７インチになるように成形される。イオンビームが磁気リペラー１４０を邪魔されないで通過できるようにするため、２つの磁石Ｍ１、Ｍ２の間隔を約２．８インチにする。
【００３９】
図６は、イオンビーム伝達量を質量分析磁石２２から出たビームの割合で示すグラフである。この効率がビームエネルギｋｅｖの関数として描かれている。２種類のデータが記入されている。負電位のバイアスを掛けた抑制電極すなわちリングＲを用いた従来のイオン注入装置のデータ点が、グラフに「ｘ」で示されている。グラフ上に「ｏ」で示されているデータ点は、図７〜図９に示されているリペラー１４０などの磁気リペラーを備えたイオン注入装置のものである。伝達効率は、従来の注入装置の場合の約６０％から磁気リペラー１４０を用いた注入装置の場合の８０％以上まで向上していることがわかる。
【００４０】
以上に本発明をある程度特定化して説明してきたが、添付の請求項に記載されている発明の特許請求の範囲内において追加、変更、削除を加えることができることは当業者には理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】イオン源、ビーム形成及び成形構造部及び注入室を備えたイオン注入装置の、一部断面図で示す上面図である。
【図２】イオン注入装置のイオンビーム中和器より上流側に位置する従来形抑制電極の領域の拡大断面図である。
【図３】イオンビーム中和器からの逆流を防止するための磁界が形成されている領域におけるイオンビーム注入装置の拡大断面図である。
【図４】イオンビーム経路の永久磁石付近の領域の斜視図である。
【図５】電子の逆流を防止する磁界の磁力線がイオンビーム経路の外側に集中している領域におけるイオン注入装置の拡大断面図である。
【図６】２つの電子逆流制御を対比した、すなわち一方は、従来技法であり、他方は本発明に従って実行される技法である場合の伝達効率をイオンビームエネルギの関数として示したグラフである。
【図７】本発明に従って構成された好適な磁気リペラーの断面図である。
【図８】図７の８−８面から見た好適な磁気リペラーの図面である。
【図９】図８の９−９面から見た磁気リペラーの図面である。
【符号の説明】
１０  イオン注入装置
１２  イオン源
１４  イオンビーム経路
１６  注入部
２２  質量分析磁石
４０  四極子アセンブリ
４４  中和器
５２  シールドプレート
１１０，１４０  磁気リペラー
１４２，１４４  細長いバー
【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８】
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【図９】
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