JP5357759B2 - イオンビームの磁場走査および補正のためのシステム - Google Patents

Description

本発明は、一般にイオン注入システムに関し、特にイオンビームを走査および補正するシステムおよび方法に関する。

半導体デバイスの製造において、半導体に不純物またはドーパントをドーピングするためにイオン注入法を使用する。ｎ型またはｐ型の不純物質によるドーピング処理、または集積回路の加工におけるパッシベーション層形成には、イオン注入器を使用してシリコンウエハをイオンビームで処理する。半導体ドーピング処理に使用する際には、選択したイオン種をイオン注入器から射出することによって所望の不純物質を生成する。アンチモン、砒素、リンなどのイオン源物質から生成されたイオンを注入すれば“ｎ型”の不純物質ウエハが得られる。また、“ｐ型”不純物質ウエハが所望であれば、ボロン、ガリウム、インジウムなどのイオン源物質で生成したイオンを注入すればよい。

イオン注入器は一般にイオン源物質から正に帯電したイオンを生成するイオン源を備えている。この生成イオンはビームを形成し、所定のビーム経路をたどって注入ステーションに導かれる。イオン注入器は、上記イオン源と上記注入ステーションとの間に延びた複数のビーム生成・成形構造物を備えていてもよい。このビーム生成・成形構造物はイオンビームを維持し、また、ビームが注入ステーションに到達する途中に通過する長く延びた内部凹部または通路の外縁を形成する。注入器の動作時にこの通路は排気可能であり、こうすることでイオンが気体分子と衝突する結果所定のビーム経路からそれる確率が減少する。

あるイオンの質量に対するその電荷の比（例えば、質量電荷比）は、そのイオンが磁場によってどの程度加速されるかに影響し、この影響は軸方向および横方向の両方向で発生する。したがって、半導体ウエハなどの対象物の所望の範囲に届くビームは高い純度にすることができる。なぜならば、所望しない分子量をもつイオンはウエハまたはビームから離れた位置にそれてしまい、所望の物質以外の注入が避けられるからである。所望の質量電荷比をもつイオンと非所望の質量電荷比をもつイオンとを選択的に分離するプロセスは、質量分析として知られている。質量分析器では一般に質量分析用磁石を使用して双極子磁場を作り出し、イオンビーム中の様々なイオンを磁気的に偏向させて弓形軌道に導く。こうすることによって質量電荷比が異なるイオンを効果的に分離する。

イオン注入システムによってはビームの物理的サイズが加工対象物より小さいものもあり、該加工対象物の表面を十分にカバーするためにビームを１つまたは複数の方向に走査する。静電気または磁場を利用したスキャナではイオンビームを高速走査方向に走査し、機械的なスキャナでは加工対象物を低速走査方向に移動させるのが一般的である。

例えば、静電スキャナは２つの電極を備え、その電極には経時変化する電圧が印加される。この静電スキャナは経時変化する電場を作り出し、この電場によってイオンビームの経路をずらすあるいは変更することで、スキャナ通過後のイオンビームが見かけ上頂点から発射されたようにする。つづいて、コリメータが、イオンビームのもともとの経路に平行に進むように再度導く。

静電スキャナの１つの短所は、空間電荷のブローアップを引き起こす可能性があり、それゆえ、加工対象物に供給可能なビーム電流の量が制限されることである。ビームブローアップとは、ビーム経路または軸にそって進むにつれてその距離にともなってビームの横方向の速度が増加することである。また、空間電荷ブローアップとは、ビーム内部の空間電荷力が原因となって起きるビームブローアップを言い、ビームパービアンスに比例する。電場の影響を受けない領域でイオンビームがドリフトする間、バックグラウンドガスとのイオン化衝突、または開口部との衝突による二次的な電子放射（例えば、自己中性化と呼ばれるプロセス）で生成された電子をイオンビームが引きつける。静電スキャナの非ゼロ電場は自己中性化で発生した電子を除去してスキャナ内のビームをブローアップさせ、この結果、ビーム包絡線が対処不可能なほどに大きくなり、ビーム電流に損失が発生する。

磁場スキャナは経時変化する磁場を形成し、ここをイオンビームが通過する。この経時変化する磁場はイオンビームの経路をずらすあるいは変更することで、スキャナ通過後のイオンビームが見かけ上頂点から発射されたようにする。つづいて、コリメータを使って、走査前のイオンビームと平行な方向にビームを曲げる。

静電スキャナとは異なり、磁場スキャナには、電場が原因となって空間電荷ブローアップが発生するという欠点がない。その結果、静電スキャナに替えて磁場スキャナを使用すれば、より大きなビーム電流が得られる。ただし、走査用磁石中の磁場の振幅がゼロ、またはほぼゼロのときに、イオンビームが異常な輸送段階を経ることには注意が必要である。この効果はゼロ場効果（ｚｅｒｏ−ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ、ＺＦＥ）と呼ばれており、自己中性化を起こす電子に対するサイクロトロン／ベータトロン効果や、自由電子の運動によってイオンビームがさらに中性化されることなどを含む、多数の効果が同時発生することによって引き起こされる。

異常な輸送段階に対する１つの対策は磁場スキャナを二次的な磁場の中に置いて電子が動かないようにすることである。一例が米国特許第５，４８１，１１６号明細書（Ｇｌａｖｉｓｈ ｅｔ ａｌ、出願日１９９４年６月１０日）に記載されている。この第２の磁場の存在によって非ゼロ磁場が常にイオンビームに印加され、異常な輸送段階が防止される。ただし、この手法では二次的な磁気回路を加える関係上、スキャナアセンブリが複雑になってしまう。また、この手法ではスキャナの内部の空間全体が最小磁場の中に置かれるが、ビーム輸送（つまり、付加的磁場の向きの制御と焦点合わせ）に対するその磁場の効果を考慮しなければならず、その分ビーム線の設計が複雑になる。さらに、第２の磁場が存在することで自己中性化が抑制され、スキャナを透過するビーム電流が削減または制限されることがある。

以下では発明の要点を簡潔に記述し、本発明の態様をいくつかとりあげてその基本的な理解に供する。この発明の概要は本発明のすべてを扱うものではない。また、本発明の鍵となる要素や不可欠な要素を特定したり、発明の権利範囲を定義したりすることを意図したものでもない。つまり、本発明の概要の目的は、本発明のコンセプトをいくつか簡潔に記述し、後述する詳細な記載に対する序文とすることにある。

本発明の態様では、磁場を利用したスキャナ内で磁場の振幅がゼロまたはほぼゼロの期間に典型的に発生するゼロ場効果を緩和するによって、イオン注入を容易にする。該磁場スキャナの入口および／または出口の周囲において一定の磁場をイオンビームに印加することで、ゼロ場効果を緩和して磁束プロファイルを平滑化する。

本発明のある態様によれば、磁場スキャナが複数の定磁場を使ってゼロ場効果を緩和する。このスキャナは、経時変化する振動磁場をイオンビームの経路を横切る方向に生成し、該イオンビームを走査方向へ偏向させる上側極子および下側極子を備えている。該スキャナの入口の周囲には入口磁石が１組配置されて、該イオンビームの経路を横切る方向に入口定磁場を生成する。この入口定磁場は経時変化する上記振動磁場とは向きが異なっていてもかまわない。該スキャナの出口の周囲には出口磁石が１組配置されて、該イオンビームの経路を横切る方向に出口定磁場を生成する。この出口定磁場は経時変化する上記振動磁場とは向きが異なっていてもかまわない。他のスキャナ、システム、方法についても開示する。

以下の記載と添付の図面は、本発明の態様と実施とを例示的に詳述するものであり、本発明の原理の多様な実施方法の数例を示すにすぎない。

図１は、本発明の一態様にかかわるイオン注入システムの一例を示す図である。 図２は、本発明の一態様にかかわるコリメータの断面図である。 図３は、本発明の一態様にかかわるコリメータで使用可能な双極子磁石断面図である。 図４ａは、本発明の一態様にかかわる複数の永久磁石を使用した磁場スキャナの断面図である。 図４ｂは、本発明の一態様にかかわる複数の電磁石を使用した磁場スキャナの断面図である。 図５は、本発明にかかわるスキャナの一例を使って磁束プロファイルを平滑化する様子を示すグラフである。 図６は、本発明の一態様にかかわる磁場スキャナにおいてゼロ場効果を緩和する方法示すフローチャートである。

次に本発明を図面を参照して記載する。この記載中では、同じ部材に対して同じ参照番号を使用し、また、図示した構造は必ずしも正しい縮尺で描いていない。

本発明の態様は、磁場を利用したスキャナ内で磁場の振幅がゼロまたはほぼゼロの期間に典型的に発生するゼロ場効果を緩和することによって、イオン注入を容易にする。イオンビームには、該磁場スキャナの近傍あるいは内部で定磁場を印加してゼロ場効果を緩和し、また、磁束プロファイルを平滑化する。

図１は、本発明の一態様にかかわるイオン注入システム１１０の一例を示す。このシステム１１０は例示にすぎず、本発明の態様は記載中のイオン注入システムに限定されるべきものではないことは言うまでもない。好適な他のイオン注入システムを使用してもよい。

システム１１０は、端末１１２と、ビームラインアセンブリ１１４と、エンドステーション１１６とを備えている。端末１１２は、高電圧電源１２２から電源供給されるイオン源１２０を備えている。この高電圧電源１２２は、イオンビーム１２４を生成してビームラインアセンブリ１１４に導く。イオン源１２０はイオンを生成し、そのイオンは抽出されてイオンビーム１２４を形成する。イオンビーム１２４はビームラインアセンブリ１１４中のビーム経路にそってエンドステーション１１６へ導かれる。

上記イオンを生成するために、これからイオン化するドーパント物質（図示しない）のガスがイオン源１２０の生成室１２１の内部に収められている。該ドーパントガスは生成室１２１に、例えば、図示しないガス源から供給すればよい。電源１２２に加えて、好適な機器を任意の台数（いずれも図示しない）使用して、イオン生成室１２１の内部で自由電子を励起させることができることは言うまでもない。このような機器の例としては、ＲＦまたはマイクロ波励起源、電子ビーム射出源、電磁気源、および／または該生成室内でアーク放電を発生させる陰極管などがあげられる。励起電子はドーパントガスの分子と衝突し、こうしてイオンが生成される。一般には正イオンが生成されるが、本開示は負イオンが生成されるシステムにも適用可能である。

本例では上記イオンが制御され、イオン抽出アセンブリ１２３によって生成室１２１のスリット１１８を通して抽出される。イオン抽出アセンブリ１２３は複数の抽出用および／または抑制用電極１２５を備えている。抽出アセンブリ１２３は、例えば、図示しない独立した抽出用電源を備え、抽出用および／または抑制用電極１２５にバイアスをかけて生成室１２１からのイオンを加速してもよい。イオンビーム１２４は複数の同じ帯電粒子からなるので、この同じ帯電粒子が互いに反発すると、ビームはブローアップまたは半径方向外向きに拡がる傾向を示すことがあると考えられる。また、低エネルギー・大電流（高パービアンス）のビームでは、多数の同じ帯電粒子（例えば大電流）が比較的低速度（例えば低エネルギー）で同じ方向に移動しており、その結果粒子間の反発力が強くなり、ビームブローアップがひどくなると考えられる。そこで、抽出アセンブリ１２３は、ビームブローアップを防止するために、一般にビームが高エネルギーで抽出されるように構成されている。また、この例においてビーム１２４は、通常システム全体を通じて比較的高エネルギーで輸送されており、加工対象物１３０の直前で減少させてビームの封じ込めを促進している。

ビームラインアセンブリ１１４は、ビームガイド１３２と、質量分析器１２６と、走査システム１３５と、コリメータ１３９とを備えている。本例で質量分析器１２６は約９０°の角度をなすように構成されており、その中で（双極子）磁場を作り出す役目を負う１つ以上の図示しない磁石からなっている。ビーム１２４が質量分析器１２６に入射すると、該ビーム１２４は磁場によって呼応するように曲げられ、その結果、不適切な質量電荷比のイオンが除去される。特に、質量電荷比が過大または過小なイオンは、ビームガイド１３２の側壁１２７に向かう方向に偏向する。このように、質量分析器１２６は、ビーム１２４中の所望の質量電荷比を有するイオンだけを通過させ、分解開口部１３４から出射させる。システム１１０内でイオンビームが別の粒子と衝突するとビームの品質が劣化することがあると考えられる。そこで、少なくともビームガイド１３２と質量分析器１２６とを排気するために、図示しないポンプを１台もしくは複数台設けてもよい。

図示した例では、走査システム１３５は磁場走査部材１３６と、磁気式または静電式焦点合わせおよび／または方向制御部材１３８とを備えている。電源１４９と１５０とがそれぞれ、走査部材１３６と焦点合わせ・方向制御部材１３８とに（具体的には、それぞれ、その中の極子１３６ａ・１３６ｂと電極１３８ａ・１３８ｂとに）動作可能なように接続されている。焦点合わせ・方向制御部材１３８は、質量分析後の比較的幅の狭いプロファイルのイオンビーム１２４（例えば、システム１１０に示す“鉛筆状”ビーム）を受ける。電源１５０によって電極板１３８ａ・１３８ｂに印加された電圧の作用により、ビームは焦点合わせが行われ、走査部材１３６の走査頂点１５１に導かれる。次に本例では電源１４９によって極子１３６ａ・１３６ｂを囲むコイルに印加された電圧波形により、ビーム１２４が走査動作を行う。走査頂点１５１とは、光学経路中の点であり、走査部材１３６によって走査動作をしている各小ビームまたはリボンビームの走査部分が見かけ上ここから発射されているように見える点であると定義できる。

磁場を利用してイオンビームを走査すると、走査用磁石内で磁場の振幅がゼロまたはほぼゼロのとき、ゼロ場効果、すなわち、異常な輸送段階が生じる。ゼロ磁場の近くでは少なくとも２つの効果が生じる。つまり、ビームの自由電子を閉じ込めるのに必要な場の値未満では、スキャナ外部からの電子がスキャナの内部の空間に自由に流れ込んでイオンビームの中性化を促進する。これらの電子は、磁場が増加することによってもサイクロトロン共鳴原理によって活性化されて、その結果、電子がエネルギーを獲得してスキャナの内部の空間から掃き出されてしまう。これらを合わせた効果、つまり、ゼロ場効果によって磁束プロファイルが不規則になり、走査用磁石の磁場の振幅がゼロまたはほぼゼロのときに電流密度は一時的に増加または減少する。

しかしながら、本発明では、走査部材１３６の周囲に補助的または付加的に設けた図示しない磁石を使って閉じ込めを強化している。例えば、第１の組の永久磁石を走査部材１３６の入口で使用し、第２の組の永久磁石を該走査部材の出口で使用する。また、別の例では図示しない更に小さな複数個のカスプ磁石を、走査部材１３６の複数の内部表面で付加的に使用する。この図示しない複数個のカスプ磁石は、軌道から外れかけている電子を導いてビーム１２４に戻す。さらに詳細な内容については後掲の図４ａおよび図４ｂを参照されたい。

次に、走査動作をしているビーム１２４は、図示した例では２つの双極子磁石１３９ａ・１３９ｂを備えたコリメータ／補正器１３９を通過する。この双極子はほぼ台形形状をしており、互いに向き合って配置されていて、ビーム１２４をほぼＳ字形に曲げる。言い換えれば、上記双極子は、角度と半径とが等しく、曲がる方向が逆である。

コリメータ１３９は、走査動作をしているビーム１２４の経路を変更して、走査角度に関わらずビーム軸に平行に進むようにする。この結果、注入角度は加工対象物１３０全体にわたって比較的均一になる。

本例では１つ以上の減速用ステージ１５７がコリメータ１３９の下流に設けられている。システム１１０におけるここまでの過程では、一般にビーム１２４を比較的高エネルギーレベルで輸送することで、ビームブローアップの発生可能性を抑えている。この発生可能性は、例えば分解開口部１３４などのビーム密度が上昇するところでは特に高くなることがある。減速用ステージ１５７は、ビーム１２４を減速させる作用のある１つ以上の電極１５７ａ・１５７ｂを備えている。電極１５７は通常ビームが通過する開口部であり、図１では直線で図示している。

ただし、イオン抽出アセンブリ１２３と、焦点合わせ・方向制御部材１３８と、減速用ステージ１５７との例では、電極１２５ａ・１２５ｂ、１３８ａ・１３８ｂ、および１５７ａ・１５７ｂがそれぞれ２つずつ図示されているが、これらの部材１２３・１３８・１５７は、好適な任意の個数の電極を備えていてもよいことは言うまでもない。これらの電極を配置してバイアスをかければ、イオンの加速および／または減速だけでなく、イオンビーム１２４の焦点合わせ、屈曲、偏向、集光、発散、走査、平行化、および／または純化も可能である。この構成例は米国特許第６，７７７，６９６号明細書（Ｒａｔｈｍｅｌｌ ｅｔ ａｌ．）に開示されており、その内容全てがこの参照によって本発明の開示に含まれているものとする。また、上記の焦点合わせ・方向制御部材１３８は複数の静電偏向板（例えば１対以上）を備えていてもよく、さらに、アインツェルレンズや四極子などの焦点合わせ部材を備えてイオンビームの焦点合わせをしてもよい。

次にエンドステーション１１６は、加工対象物１３０に向かって導かれているイオンビーム１２４を受ける。注入器１１０では、異なる種類のエンドステーション１１６を複数台使用してもよいことは言うまでもない。例えば、いわゆる“一括処理型”のエンドステーションであれば、複数の加工対象物１３０を回転支持構造物上で同時に支持ことが可能である。この場合、複数の加工対象物１３０は、加工対象物１３０全てに対して注入が完了するまで、イオンビーム経路中を回転しながら通過する。一方で、“逐次処理型”のエンドステーションであれば、ビーム経路にそって単一の加工対象物１３０を支持し注入を行う。この場合、複数の加工対象物１３０に対しては一つずつ逐次式に注入を行い、一つの加工対象物１３０の注入が完了してから次の加工対象物１３０の注入を開始する。ハイブリッドシステムでは、加工対象物１３０を第１の方向（Ｙ方向、あるいは低速走査方向）に機械的に並進運動させる一方、ビームを第２の方向（Ｘ方向、あるいは高速走査方向）に走査して、ビーム１２４処理を加工対象物１３０全体に施してもよい。

図示した例ではエンドステーション１１６は、ビーム経路にそって加工対象物１３０を一つ支持して注入を行う“逐次型”のエンドステーションである。エンドステーション１１６内の加工対象物の近くには、注入量測定システム１５２が備えられていて、各回の注入に先立って較正測定を行う。較正の間、ビーム１２４は注入量測定システム１５２を通過する。この注入量測定システム１５２は、プロファイラ経路１５８を連続的に横断する１つ以上のプロファイラ１５６を備えていて、こうすることで走査ビームのプロファイルを測定する。

本例ではプロファイラ１５６は、走査ビームの電流密度を測定するファラデーカップなどの電流密度センサを備えていてもよい。ここで電流密度とは、注入角（例えば、ビームと加工対象物の力学的表面との間の相対的な向き、および／またはビームと加工対象物の結晶の格子構造との間の相対的な向き）の関数である。この電流密度センサは一般に走査ビームに対して直交するように移動し、したがって通常はリボンビームを幅方向に横断する。上記注入量測定システムは、例えば、ビームの密度分布と角度分布との両方を測定する。

上記イオン源１２０と、質量分析器１２７と、磁場スキャナ１３６と、コリメータ１３９と、注入量測定システム１５２とを制御し、これらの部材と通信し、および／または、これらの部材を調節することのできる制御システム１５４が設けられている。この制御システム１５４は、コンピュータやマイクロプロセッサを備えていてもよく、ビーム特性の測定値を受け取り、これに応じてパラメータを調節可能になっていてもよい。制御システム１５４はイオンビームを生成する端末１１２に接続してもよく、また、ビームラインアセンブリ１１４の質量分析器１２６、（例えば電源１４９を経由して）走査部材１３６、（例えば電源１５０を経由して）焦点合わせ・方向制御部材１３８、コリメータ１３９、および、減速用ステージ１５７と接続してもよい。こうすることで、これらのどの部材も制御システム１５４で調節可能になり、所望のイオンビーム特性が容易に実現できる。例えば、ビームのエネルギーレベルを合わせて、イオン抽出アセンブリ１２３内の電極と減速用ステージ１５７内の電極とに印加するバイアスを調節することによって、ジャンクション深度を調節することができる。質量分析器１２６によって生成された磁場の強度と向きとは、例えば、その中の界磁巻線を流れる電流の大きさを、所望のイオンビームの経路の曲がり具合を変更するように規定することで調節可能である。さらに、注入角度は、例えば、方向制御部材１３８に印加する電圧を調節することで制御可能である。

図２は、本発明の一態様にかかわるコリメータ１３９の断面図である。本図は例示にすぎず、本発明の態様は図示したコリメータに限定されるものではない。

コリメータ１３９は、第１および第２の双極子１３９ａ・１３９ｂを備えている。双極子１３９ａ・１３９ｂは、ビーム１２４のもともとの軌道または軸に平行な方向１４３に対して角度θ１４１だけ走査ビームを曲げ、その結果、ビームはほぼＳ字形になる。例えばθ１４１は約３０°である。いずれの場合においても、２つの双極子１３９ａ・１３９ｂが互いに向き合っているので、各小ビーム１２４ａは経路長１３７がほぼ等しく（図１）、このことが、コリメータから出射する走査リボンビームをより均一なものにしている。一実施形態では、コリメータを横断している各小ビーム１２４ａがコリメータの双極子の入口と出口とで同じ焦点合わせを受ける。また、各小ビームの経路長は等しいので、コリメータ通過後のビームのサイズまたは角度は走査角度にかかわらず同じ変化をする。空間電荷力が原因となって各小ビームがビームブローアップを起こすと（エネルギーが低いと特にその可能性が高い）、空間電荷力がビームに対して作用する距離が等しいので、各小ビームは再びコリメータの出口でサイズが等しくなる。双極子１３９ａ・１３９ｂ内では小さな曲げ角を採用することによって、小ビーム１２４ａの長さ１３７を比較的短く保っておいた方が有利であることは言うまでもない。こうすれば、少なくとも、ビームがビームブローアップを起こす可能性のあるドリフトの長さを最小限に抑えられること、また、全体的に注入システム１００の設置面積が小さくてすむことにおいて有利である。

図３は、本発明の一態様にかかわるコリメータ内で使用可能な双極子磁石の断面図である。本例ではカスプ磁石１４５が上記双極子磁石の上下の極子それぞれに設けられている。図３はその上下極子上で可能な配置を示している。カスプ磁石１４５は、電子を閉じ込めることでそこを通過するイオンビーム１２４の封じ込めなどの制御に寄与する（ただし、図７では双極子１３９ａを１つたけしか示していない）。カスプ磁石１４５の動作については、米国特許第６，４１４，３２９号明細書（Ｂｅｎｖｅｎｉｓｔｅ ｅｔ ａｌ．）に記載されており、その内容全てがこの参照によって本発明の開示に含まれているものとする。具体的には、二極性磁石１４５は、その生成する個々の磁場が互いに強めあって図示しないビームに向かって伸びるような方向を向いている。カスプ磁石１４５の好適な向き（および／または拡大縮小および／または間隔および／または数番号）については可能な構成が多数あり、どの構成も（例えば、所望のビーム封じ込めおよび／または制御という目標を達成する目的で）本開示範囲に含まれるものとする。ビームガイドの壁では電子を効率よく閉じ込められるように強いカスプ磁場を、ただし、壁から離れるとイオンビーム輸送に影響しないように振幅が急速に低下するよう、複数のカスプ磁場を設計すれば場合によっては有利である。

また、ＲＦ波エネルギーまたはマイクロ波エネルギーが双極子１３９に供給されるところでは、磁場と電場との間の協調的な相互作用によって、磁石１４５間で電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）状態１５５が作り出される。このようなＥＣＲ状態では、双極子１３９を進む図示しない上記イオンビームに対応するビームプラズマが強化され、これによってビームの品質が向上するという長所がある。ＥＣＲ状態をイオンビームの周辺に作り出すと、プラズマ電子を活性化してイオン化衝突によってより多くのプラズマを生成することで、ビームブローアップが抑制される。これによってプラズマ密度が高められ、イオンビームの空間電荷の外部における中性化が促進される。静磁力線の周囲における帯電粒子の自然回転周波数に電場周波数が一致するような交流電場を静磁場中の帯電粒子に印加すると、電子サイクロトロン共鳴状態が作り出される。この共鳴状態が作り出されるところ（例えば、領域１５５内）では、単一周波数の電磁波で非常に効率よく帯電粒子を加速することができる。

図４ａは、本発明の一態様にかかわる永久磁石を複数個使用した磁場スキャナ４００の断面図を示している。この永久磁石はスキャナ４００の入口および出口に設けられ、ゼロ場効果に起因する磁束のバラツキを抑制する。

スキャナ４００は経時変化する振動磁場を生成する上側極子４０２と下側極子４０４とを備えていて、この振動磁場によって、イオンビーム４０６が頂点４０８から紙面の手前側に向かって走査（ｘ）方向に偏向する。その結果、イオンビーム４０６は走査方向に振動する。極子４０２・４０４は電子的に駆動され、電流が流れる図示しないコイルを備えている。磁場の振動を制御し、また、走査方向におけるイオンビーム４０６の曲がり具合あるいは拡がり具合を制御するために、電源または他の制御可能な電源デバイス（図示しない）が上記コイルに接続されている。

また、スキャナ４００は、ビーム束のバラツキを抑制するための複数個の入口磁石４１０と複数個の出口磁石４１２とを１組備えている。この入口磁石４１０と出口磁石４１２とは、イオンビーム４０６を横切る定磁場を維持する１つ以上の永久磁石を含んでなる。入口磁石および出口磁石４１０・４１２は、イオンビーム４０６に及ぼす効果が比較的小さくかつ一定であるように、極性を逆にして配置されている。

本例では入口磁石４１０は１対の永久磁石４１０ａ・４１０ｂであり、それぞれのＳ極とＮ極が図示したごとくになる方向を向いている。同様に、本例では出口磁石４１２は１対の永久磁石４１２ａ・４１２ｂであり、それぞれのＳ極とＮ極が図示したごとくになる方向を向いていて、スキャナ４００の出口付近に設置されている。入口磁石および出口磁石４１０・４１２は、スキャナ４００内部に配置してもよく、スキャナ４００の外部に配置してもよい。外部構造物は、スキャナ４００の内部の空間に電子が出入りするのを防ぎ、例えば、サイクロトロン効果でスキャナの内部の空間から掃き出されたり、磁場がゼロになるときに進入したりすることのないようにする仕切りとしての役割がある。本発明の別の態様では、上記永久磁石の代わりまたはそれに加えて、電磁石を入口磁石および出口磁石として使用してもよい。

磁石４１０・４１２を上記のように配置することで、イオンビームの伝播方向に垂直な磁場が生成される。磁石４１０・４１２の磁場の振幅は、磁石４１０・４１２の近傍では比較的高いが、他では弱い。比較的高い磁場振幅を得るのに好適な物質の一つの例としてコバルト／サマリウム化合物が挙げられるが、他の好適な物質を使用してもかまわない。このような構成によると、磁場を横切って電子が遊離するのを弱い磁場が抑制し、この場合、上側極子４０２および下側極子４０４の中間付近を進むイオンビーム４０６に対する影響が緩和される。また、図４ａに図示した外部構造物が、極子４０２・４０４によって生成された振動磁場による消磁を抑制する。

上述のように、入口磁石４１０および出口磁石４１２としての上記永久磁石の代わりに電磁石を使用してもよい。この電磁石はスキャナ４００の入口および出口に設けられ、イオンビームの伝播の方向に垂直な磁場を生成するように配置されている。

上記スキャナ４００は、本例では磁束のバラツキを抑制しやすくするカスプ磁石４１４・４１６をさらに備えている。付加的なカスプ磁石は、さらにスキャナ４００の側面、上面、底面、入口面、出口面に設けてもよい。ただし、これら変形例全てを図４ａと図４ｂとに示したわけではない。

カスプ磁石は、スキャナ内部での電子の損失を抑制する。スキャナ内部において、電子は磁力線にそって自由に移動するが、適切に閉じ込めないと極子に到達する。ゼロ場遷移の間、イオンビーム４０６の電子は、入口磁石および出口磁石４１０・４１２によってそれぞれ生成された入口磁場と出口磁場とによって閉じ込められ、また、イオンビーム４０６が進むスキャナの内部空間の内側表面の少なくともいくつか、または全ての内側表面で起こるカスプ閉じ込めによっても閉じ込められる。例えば、上記カスプ磁石および／または入口磁石および出口磁石４１０・４１２は、渦電流損失を抑制するためにセラミック磁石などの電気導通性が低い物質からなる。

図４Ｂは、本発明の一態様にかかわる、電磁石を使用して複数のカスプ磁場を生成する磁場スキャナの断面図である。スキャナ４００は、図４Ａのスキャナ４００とほぼ同様である。ただし本例では図４Ａのカスプ磁石４１４・４１６を使用する代わりに、電磁石のワイヤ４２０を流れる電流によってカスプ磁場を生成するように電磁石が配置されている。この電磁石は、走査磁場から電磁巻線を経由してつながる磁束が無視できるように配置されている。例えば電磁石を直列に接続して、走査磁場からの個々の磁束連結が打ち消しあうようにしている。

図４Ａおよび図４Ｂに関して図示および記載した上記スキャナの構成は、本発明の一態様にかかわる一例として提示したのであって、該配置の変形例も記載の範囲内に含み、本発明の別の態様と矛盾するものではないことは言うまでもない。

図５は、本発明にかかわる一例としてのスキャナを使用して、磁束プロファイルを平滑化する様子を示すグラフ５００である。グラフ５００は、従来の磁場スキャナと本発明にかかわるスキャナとを磁束プロファイルについて比較して示している。グラフ５００は本質的に概要を示すにすぎず、実際の値あるいは実験値を示すことを狙ったものではない。

ｘ軸は、対象物となるウエハ全面を左から右へ、ウエハ上の位置を示している。ｙ軸は対象物ウエハにおけるイオンビームの電流密度を示している。グラフ５００では、イオンビームを生成し磁場走査を利用して、対象物ウエハ全面をイオンビームで走査するイオン注入システムを仮定している。線５０２は、従来の磁場スキャナのプロファイルを示している。ここでは、ゼロ場効果の結果生じる、バラツキをもつ磁束プロファイルを図示している。対象物ウエハの磁場がゼロまたはほぼゼロの部分の近く、またはその近傍では電流密度が大幅に増加することが読み取れるであろう。その結果、対象物ウエハのこの部分では、ドーパント濃度が所望の値あるいは選択した値より高くなる。また、線５０２の別の部分は、それ以外の部分では電流密度が下がり、例えば長い注入時間が要求されることを示している。なお、上述のゼロ場効果が発生するのは、通常、走査期間と比較して比較的短い期間内に限られる。一方で、走査ビームによって生じる空間的な磁束分布は、それぞれある幅をもった鉛筆状ビームの重ね合わせであると見ることができる。大電流注入器の場合に典型的に見られるが、鉛筆状ビームの幅は、走査幅全体の何分の一かであり、その比は走査期間に対するゼロ場効果時間の比よりずっと大きく、したがって、鉛筆状ビームのサイズが非常に小さければ磁束が急峻に増加するところや減少するところを含んだ分布となって現れるものを空間的に平滑化した結果が、上記磁束分布である。

線５０４は、本発明の一態様にかかわる磁場スキャナの磁束プロファイルを示している。磁場スキャナは、スキャナの入口と出口との領域に永久磁石を配してゼロ場効果を緩和している。図４は、本発明にかかわるふさわしい磁場スキャナの一例を示している。線５０４を、スキャナに入射する鉛筆状ビームの幅が同じだと仮定した線５０２と比較することで、磁束プロファイルが従来のスキャナより平滑であることが図から読み取れる。また、線５０４については、高い電流密度が得られているが、これは、静双極子場内でカスプ閉じ込めが生む有利な効果と同様、スキャナ内で電子の閉じ込めがうまく行われてスキャナ全体を通じてビーム輸送の向上を促した結果である。複数のカスプ磁場を好適に使用した例が米国特許第６，４１４，３２９号明細書（Ｂｅｎｖｅｎｉｓｔｅ ｅｔ ａｌ．）に記載されており、その内容全てがこの参照によって本発明の開示に含まれているものとする。

図６は、本発明の一態様にかかわる磁場スキャナについて、ゼロ場効果を緩和する方法６００を示すフローチャートである。この方法６００では、イオンビームを横切る方向に印加した永久磁場を使って、ゼロ場効果を緩和する。

方法６００は、イオンビームが生成されるステップ６０２で始まる。イオン源を使用して、始めに、イオンビームをイオン源物質から発生させる。このイオンビームは、選択したドーパントまたはイオンを１種類以上含む。このドーパントとイオンとは通常正に帯電しているが、必ずしも正に帯電している必要はない。

ステップ６０４では、イオンビームに対して質量分析が実施される。選択した質量電荷比にしたがって、イオンビームの経路を横切る方向に磁場が作り出される。その結果、選択したドーパントまたはイオンは所望の経路を進み、通過してしまう一方、他のイオン、粒子、および汚染物質はそうなならず、結果的にイオンビームから除去される。

ステップ６０６では、磁場スキャナの入口で第１の永久磁場または定磁場が上記イオンビームに印加される。この第１の磁場は、使用した磁石の比較的近傍では振幅が比較的大きいが、そこから離れるにつれて比較的弱くなる。例えば、第１の磁場は、磁場スキャナの入口に位置した１対の永久磁石で生成される。

次にステップ６０８で、所望の角度でイオンビームを曲げるあるいは拡げるために、経時変化する振動磁場が磁場スキャナ内でイオンビームに印加される。この経時変化する磁場は、上側の電磁石と下側の電磁石とのコイルに経時変化する電流を供給することで得られる。

ステップ６１０では、磁場スキャナの出口で第２の永久磁場がイオンビームに印加される。一般に、この第２の磁場は、使用した磁石の比較的近傍では振幅が比較的大きいが、そこから離れるにつれて比較的弱くなる。例えば、第２の磁場は、磁場スキャナの出口に位置した１対の永久磁石で生成される。どちらの永久磁場も、イオンビームを横切る方向に非ゼロ磁場を維持することによって、大きさがゼロまたはほぼゼロの磁場がイオンビームを横切る方向に発生するのを抑制する役目がある。第２の磁場と第１の磁場とは、イオンビームの走査に対するその影響を緩和するために、向きについて経時変化する振動磁場からオフセットされている。第２の磁場と第１の磁場とは、同じ方向を向いていてもよく、異なる方向を向いていてもよい。

さらに、ステップ６１２では、電子がスキャナから遊離していくのを抑制するために、スキャナカスプ磁場が複数個生成される。スキャナカスプ磁場は、一般に磁場スキャナの１つ以上の表面全面にわたって設けられている。好ましいカスプ磁場の付加的記載は上記の通りである。

次にイオンビームは、曲がったあるいは拡がったイオンビームを、共通軸に平行な軸にそって修正することによって、ステップ６１４で平行化される。ステップ６１６では電子の遊離を抑制するために補正カスプ磁場が複数個生成される。一般に、補正カスプ磁場は補正器またはコリメータの１つ以上の内部表面にそって設けられている。

イオンビームはステップ６１８で１つ以上の選択ドーパントまたはイオンを加工対象物に注入する。第１の永久磁場および／または第２の永久磁場からは、電流のバラツキを抑制し、磁束プロファイルを平滑化し、ゼロ場効果を緩和することで、加工対象物全体にわたって比較的平滑な磁束プロファイルが得られる。

ステップ６２０では加工対象物の近傍でイオンビーム電流を測定する。例えば、ビーム電流は、スキャナの一定距離下流に設けた大きなファラデー板を使って、プロファイラカップをイオンビームを横切る方向に進めながら測定する。

本発明について、１つ以上の態様に照らして図示および説明したが、請求項の精神および範囲から逸脱することなく、図示されている実施例に変化および／または変形を加えることができる。特に、前述した部品または構造（ブロック、ユニット、エンジン、アセンブリ、デバイス、回路、システム等)によって実行される様々な機能に関し、このような部品を説明するために用いられている用語（「意味している」という表現を含む）は、本明細書に示されている本発明の典型的な態様における機能を実行する開示された構造と構造的に同等ではない場合であっても、別段の記載がない限りは、説明されている当該部品の特定の機能を実行する（すなわち、機能的に同等である)あらゆる部品に対応するものとして用いられている。さらに、本発明の特定の特徴について、複数ある態様のいずれか１つのみに照らして開示されている場合がある。しかしこのような特徴は、所定あるいは特定のアプリケーションにおいて望ましく有利である場合には、他の態様の１つ以上の別の特徴と適宜組み合わせることができる。本明細書において用いられている「典型的な」という表現は、一実施例を示すための表現であって、最良または優位な実施例を示す表現ではない。さらに、詳細な説明および特許請求の範囲において、「有している」、「有する」、「備えている」、「備える」、「〜を持つ」、あるいは同様の表現が用いられているが、これらの表現は、「含んでいる」という表現と同様に包括的な意味で用いられている。

Claims (24)

1. ビーム経路にそって進むイオンビームを生成するイオン源と、
   上記イオン源の下流に位置し、上記イオンビームに対して質量分析を行う質量分析部と、
   上記質量分析部の下流に位置し、経時変化する振動磁場を上記ビーム経路のある一部分を横切る方向に生成する磁場スキャナと、
   上記磁場スキャナの入口周囲に位置し、上記ビーム経路を横切る方向に第１の磁場を生成し、かつ、第１の極性配置を有する第１の永久磁石の組と、
   上記磁場スキャナの出口周囲に位置し、上記ビーム経路を横切る方向に第２の磁場を生成し、かつ、上記第１の極性配置とは逆の第２の極性配置を有する第２の永久磁石の組と、
   上記磁場スキャナの下流に位置し、共通軸に平行に上記イオンビームを再度導くコリメータと、
   上記コリメータの下流に位置し、上記イオンビームを受けるエンドステーションとを備え、
   上記第１の磁場の強度は、第１の永久磁石の組の近傍では大きく他では弱く、
   上記第２の磁場の強度は、第２の永久磁石の組の近傍では大きく他では弱い、イオン注入システム。
2. 上記磁場スキャナの複数の内部表面の少なくとも一部にそって位置し、複数のカスプ磁場を生成して電子の閉じ込めを容易にする複数のカスプ磁場生成器をさらに備えている請求項１に記載のシステム。
3. 上記コリメータの複数の内部表面の少なくとも一部にそって位置し、複数のカスプ磁場を生成して電子の閉じ込めを容易にする複数のカスプ磁場生成器をさらに備えている請求項１に記載のシステム。
4. 上記第１の永久磁石の組は、上記磁場スキャナの入口の周囲に１対の永久磁石を備えている請求項１に記載のシステム。
5. 上記第１の永久磁石の組は、上記磁場スキャナの外部に１対の永久磁石を備えている請求項１に記載のシステム。
6. 上記第２の永久磁石の組は、上記磁場スキャナの出口の周囲に１対の永久磁石を備えている請求項１に記載のシステム。
7. 上記第２の永久磁石の組は、上記磁場スキャナの外部に１対の永久磁石を備えている請求項１に記載のシステム。
8. 上記第１の永久磁石の組は、上記磁場スキャナの内部に１対の永久磁石を備えている請求項１に記載のシステム。
9. 上記第１の永久磁石の組は、上記磁場スキャナの周囲に１対の電磁石を備えている請求項１に記載のシステム。
10. 上記第１の永久磁石の組は、コバルト・サマリウム化合物を含んでなる１対の永久磁石を備えている請求項１に記載のシステム。
11. 上記コリメータの下流に加減速アセンブリをさらに備えている請求項１に記載のシステム。
12. 磁場スキャナであって、
    経時変化する振動磁場をイオンビームの経路を横切る方向に生成し、該イオンビームを走査方向へ偏向させる上側極子および下側極子と、
    上記磁場スキャナの入口の周囲に位置し、上記イオンビームの経路を横切る方向に第１の磁場を生成し、かつ第１の極性配置を有する第１の永久磁石の組と、
    上記磁場スキャナの出口の周囲に位置し、上記イオンビームの経路を横切る方向に第２の磁場を生成し、かつ上記第１の極性配置とは逆の第２の極性配置を有する第２の永久磁石の組とを備え、
    上記第１の磁場の強度は、第１の永久磁石の組の近傍では大きく他では弱く、
    上記第２の磁場の強度は、第２の永久磁石の組の近傍では大きく他では弱い、磁場スキャナ。
13. 上記第１の永久磁石の組が、Ｓ極が下側極子に向き、Ｎ極が上側極子に向く１対の永久磁石を含んでなる請求項１２に記載の磁場スキャナ。
14. 上記第２の永久磁石の組が、Ｓ極が下側極子に向き、Ｎ極が上側極子に向く１対の永久を含んでなる請求項１２に記載の磁場スキャナ。
15. 経時変化する上記振動磁場は、上記上側極子および上記下側極子の内部の面に垂直である請求項１２に記載の磁場スキャナ。
16. 上記上側極子および上記下側極子が、上記経時変化する振動磁場を誘起する経時変化する電流が流れるコイルを含んでなる請求項１２に記載の磁場スキャナ。
17. 上記上側極子および上記下側極子のコイルに接続した、制御可能な電源をさらに備えている請求項１６に記載の磁場スキャナ。
18. 上記上側極子の内部の面と上記下側極子の内部の面とにそって位置し、電子の閉じ込めを容易にする複数のカスプ磁石をさらに備えている請求項１２に記載の磁場スキャナ。
19. ビーム経路にそって進むイオンビームを生成するステップと、
    上記イオンビームに対して質量分析を行うステップと、
    磁場スキャナの入口に第１の極性配置を有する第１の磁場を印加するステップと、
    上記磁場スキャナ内部でイオンビームに対して経時変化する振動磁場を印加し、走査方向にイオンビームを走査するステップと、
    上記磁場スキャナの出口に上記第１の極性配置とは逆の第２の極性配置を有する第２の磁場を印加するステップとを含み、
    上記第１の磁場の強度は、磁場スキャナの入口の近傍では大きく他では弱く、
    上記第２の磁場の強度は、磁場スキャナの出口の近傍では大きく他では弱い、
    イオン注入システムの操作方法。
20. 上記第１の磁場と上記第２の磁場とは、ゼロ場効果を緩和する方向を向いている請求項１９に記載の方法。
21. 上記第２の磁場を印加した後に上記イオンビームを平行光にするステップをさらに含む請求項１９に記載の方法。
22. 上記磁場スキャナの複数の内部表面の近傍で複数のカスプ磁場を生成して、上記イオンビームからの電子の遊離を抑制するステップをさらに含む請求項１９に記載の方法。
23. エンドステーションで上記イオンビームを受けるステップをさらに含む請求項１９に記載の方法。
24. 加工対象物の近傍で上記イオンビームのビーム電流を測定するステップをさらに含む請求項１９に記載の方法。

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