JPH1092371A - 拡張レンジイオン注入システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 イオンの直流加速装置及び方法を提供する。 【解決手段】 この発明は、あらゆる種類のイオンを数
ｋｅＶから数ＭｅＶのエネルギに直流加速する装置及び
方法に関する。この発明は特に、イオン注入による不純
物の追跡の導入が集積回路の製造において重要である半
導体材料の制御ドーピングと関連する。ここで開示され
る装置は、１段階として中性ドーパント原子の高速ビー
ムを採用する。この高速ビームは電位高化可能な絶縁ガ
ス又は蒸気セル内で正極性に変換される。セル内で発生
した正イオンがグランドに戻るとき、これらは要求され
るエネルギに加速或いは減速される。この技術の重要な
応用は遅延フィールド（retarding field)を使用してイ
オンを減速し、有用な中性ビームタイプのインプランタ
のエネルギレンジをｋｅＶ領域に広げることである。 ＜キーワード＞集積回路、ＭｅＶインプランテーショ
ン、中性ビーム、半導体ドーピング、イオンインプラン
テーション

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、１ｋｅＶから数
ＭｅＶのレンジのエネルギを有するイオン衝突による制
御イオン注入ドーピングに関する。

【０００２】

【従来の技術】２０ｋｅＶから２０００ｋｅＶのレンジ
のエネルギを有するイオンを用いたイオン衝突による半
導体材料のドーピングは確立された工業技術である。こ
のようなインプランテーションはほぼ全ての集積回路の
製造において重要なステップである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような集積回路の
特性サイズが小さくなるにつれ、低エネルギでイオンイ
ンプランテーションプロセスを実行する要求が高まって
いる。特に、１ｋｅＶ程度の低いエネルギでの注入の要
求が際だっている。更に、チェインドインプラント(cha
ined implats)として知られている新しい処理工程があ
り、そこでは半導体ウエハを注入ツールから移動するこ
となく、独立した数回のインプランテーションステップ
が実行される。しばしば、１又はそれ以上のこれらのス
テップは、低ドーズで低エネルギのインプラントの前
に、ＭｅＶインプランテーションを含む。従って、イン
プランタは１０ｋｅＶ以下から３０００ｋｅＶ程度まで
のレンジのエネルギを有するイオンビームを生成する必
要がある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この発明は、このような
要求に応えるものであり、またｋｅＶレンジ内で種々の
エネルギにおいてイオンを生成する方法を提供するもの
である。

【０００５】ここで述べる装置は、加速方法に重点が置
かれる。この加速方法はｄｃ加速技術と高速中性原子の
搬送、集束、発生とを結合する。本発明において、中性
ビーム成分は高エネルギドーパント原子を、グランド電
位のレンジから、粒子に運動エネルギを加えることなく
或いは減じることなく選択された高電圧に維持されるセ
カンドレンジへと搬送するのに効果的に使用される。こ
の搬送に続いて、中性粒子は、高ｄｃ電圧に維持される
領域内で正イオンに変換される。従って、これらのイオ
ンが高電圧領域を離れ、グランドに戻る時、これらは前
記高ｄｃ電圧の極性に応じてエネルギを得るか又は失
う。同様に、エネルギはインプランテーションに必要な
低エネルギを生成するために加減可能である。この低エ
ネルギイオン発生システムの特質は、ソースからのイオ
ン抽出に用いる電圧は高いことが可能であり、従来のイ
オンソース及び質量分析技術を使用可能にする。更に、
ビーム搬送システムの壁上の静電荷電により生じる偏向
とスペースチャージ(space charge)から効果を減じられ
る。本願出願人による１９９６年７月３日付け米国出願
（代理人番号５２７Ｐ００６）において開示され、ここ
に参考文献として合体される、中性ビームタイプＭｅＶ
インプランタにおいて、ｋｅＶエネルギイオンは特別な
目的のために必要であるかもしれない。この発明は、ド
ーパント原子を最終インプラントステーションに近い領
域まで効果的に搬送するために、どのように中性ビーム
が使用可能であるかを記述する。該最終インプラントス
テーションにおいて、これらは必要によりエネルギにお
いて減じることが可能な正イオンに変換され、質量分析
され、そして供給されるイオン価を統合するために従来
のファラデイコレクタを用いて計測される。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面に
基づいて説明する。図１は本発明の基本を示す概略図で
ある。

【０００７】正イオンは適当なイオンソース１から抽出
され、加速される。好適な実施例においては、限定はな
いが、抽出されるイオンのエネルギは３０ー１００ｋｅ
Ｖの範囲にあることが期待される。前記正イオンは、周
知の電気及び磁気フィールドの適宜の組み合わせを使用
して質量分析される。図１に示す好適な実施例において
は、シングル偏向マグネット２がこの目的のために用い
られている。質量スペクトラムは、質量限定開口６平面
において形成され、シングル偏向マグネット２内で磁場
の強度を変えることにより、どのような所望の質量も固
定限定開口６を通るように偏向可能である。

【０００８】前記開口６を通る殆ど全ての正イオンは、
同一の荷電状態（１＋）を有することになり、また実質
的に同一の運動エネルギを有することになるので、適当
な静電或いは磁気レンズ３によりこれらのイオンは実質
的に平行又は収束ビームに集束可能である。この分野の
当業者であればこのような集束を達成するために種々の
方法が適用可能であることを認めるであろうが、この実
施例においては磁気４極3組レンズ(a magnetic quadrup
ole triplet lens)を使用している。

【０００９】当業者は、集束レンズ３の使用は本発明の
適用の成功に常に必要ではないことを認めるであろう。
特に、質量限定スリット６と中性化器４及び高化電位(e
levated potential)に維持可能なエレベーテッドカナル
(elevated canal)５間の距離が近い時は、粒子伝達効率
は集束レンズによる集束なしで十分であろう。図２はレ
ンズが不要な事例を示すもので、ヴァン・デ・グラフ(V
an de Graaff)タイプ加速器１８の高電圧ターミナル内
のイオンソース１７は、実質的に平行でセンチメートル
以下の直径を有し加速器の出口から数メートル離れてい
る高エネルギ正イオンビームを生成するように調整可能
である。このような条件下で当業者は、中性化器内の小
角度スキャッタリングはしばしば非常に小さいため、図
１における集束レンズ３等を用いることなくイオンビー
ムを中性化器とエレベーテッドカナルの両方を通過させ
ることが出来ることを、認めるであろう。

【００１０】図１と図２において、前記正イオンは中性
化器４を通過し、該中性化器４の中で到来するイオンの
十分なフラクション(fraction)が高速中性原子に変換さ
れる。このような相互作用の分配機能はA.B.Wittkower
及びH.DbetzによりAtomic Data, Volume 5, 133-166頁
（１９７３）により検討されている。この記事の実験結
果は全ての要素種とエネルギの組み合わせに必要かもし
れない所望のイオンと電荷変換媒体の組み合わせを正確
には含んでいないが、この記事から１７０ｋｅＶのエネ
ルギで平衡窒素ガスを通過する高速窒素原子に対して、
中性原子に変換される投射正イオンのフラクションは５
０％程度であることがわかる。最も重要なドーパント原
子であるボロンとリンの変換効率は、適当な中性化ガス
又は蒸気が選択されれば同程度のオーダであることが期
待される。小さなイオン化ポテンシャルを有するマグネ
シウムやナトリウムのような蒸気が荷電変換媒体として
使用される時中性化効率は幾分高くなることを、また小
角度スキャッタリングは低くなることを当業者であれば
認めるであろう。

【００１１】図１と図２において、中性化器４の後段の
電気又は磁気偏向器７は中性化器で中性化されずに残っ
た正イオンを偏向し、これらが後段の電場に進入するの
を防止する。これらリジェクトされチャージされたイオ
ンはビームダンプ８において止められる。

【００１２】高速中性原子が高電圧エンクロージャ１０
内にあるエレベーテッドカナル５に到達する時、これら
のエネルギは変換されていない。ここで、前記中性原子
は少なくとも１つの電子が剥がされ、正に荷電する。実
際には、荷電状態が０、１＋、２＋、３＋等に分散する
エレベーテッド・ガス・カナルを離れるイオンの集合が
存在する。前記したWittkower及びBetzによる実験は、
高速中性体をストリッピングして正極性とするのにヘリ
ウムが最も適当なガスであるが、アルゴン等の他の数種
のガスが中性ー正極性変換に効果的に用いられ得ること
を示している。ヘリウムガスを１００ｋｅＶのオーダの
エネルギで通過する高速ボロン原子に対して、平衡フラ
クションは１＋＝６６％、２＋＝２３％である。リンに
対して平衡フラクションは１＋＝４０％、２＋＝５０％
である。上記両方の１＋の成果はストリッピングカナル
５を平衡ガス厚以下で操作することにより幾分増加する
ことが予想される。

【００１３】正イオンがグランドに戻った時の最終イオ
ンエネルギは、エレベーテッドカナルを離れる時の個々
のイオンの荷電状態に直接依存する。即ち、望ましくな
い荷電状態のイオン及び残余中性原子を取り除く必要が
ある。基本的に、この除去は容易であり、高電圧エンク
ロージャ１０の内部においても行える。これは、前記米
国出願において述べられており、ここでは荷電状態間に
おける電気的安定性（electric rigidity）の相違が最
も大きいか、或いはグランドで除去を行うことが可能で
ある。図１及び図２に示す好適な実施例においては、磁
気又は静電偏向１３を用いてグランドでこの分離が実行
される。好適実施例において、望ましくない荷電粒子は
限定開口１６平面に阻止され、望ましくない中性体１４
は偏向されず、冷却ビームストップ内で止められること
が可能である。

【００１４】所望のイオンの最終エネルギは、図１に示
すイオンソース１又は図２に示す加速器構造１８を離れ
る抽出イオンのエネルギと、エレベーテッドカナル５に
適用され、限定開口１６を通過した前記正イオンにより
行われる荷電により増加される電位と、の間の差により
決定される。

【００１５】図３に上記した基本の応用を示す。ここで
は前記米国出願に記載されたタイプの中性ビームＭｅＶ
インプランタを用い、ｋｅＶイオンの高強度を発生して
いる。このようなインプランタにおいて、強中性ビーム
２０は既に発生され、前記特許出願において、どのよう
にこれらの中性粒子が高電圧ターミナル２３に位置する
カナル２２内で第２の正イオンビーム２１に変換される
か記載されている。ガス又は蒸気がエントリポート３２
から前記カナル２２に導入されない場合、中性ビーム２
０はカナル２２を損失なく通過し、加速チューブ２４内
のドリフトを継続して、残余真空内に存在する分子によ
る荷電変換相互作用による減衰以外の減衰なしでグラン
ドに戻る。ガス又は蒸気が前記カナル２２に導入されな
い時、第２の正イオンビームが正常に加速器を離れるポ
イント２５において、通常１−２センチメートルのオー
ダの直径を有する中性ビーム２７が存在するであろう。

【００１６】中性ビーム２７の全て又は一部が、加速器
からの出口の直後に位置し、ガス又は蒸気を含む適当な
荷電変換セル２６を通過することにより、正イオンが製
造され得る。パワーサプライ２９を用いて中性ビーム２
７の電位を上昇させることにより、正イオンのエネルギ
は正イオンがグランド電位に戻る時に減ずることが可能
である。所望のイオンの最終エネルギは中性ビーム内の
原子のエネルギと、最終分析ステージ２８により受けら
れる前記正イオンの荷電により増加され、セル２６に適
用される電位との間の差により決定される。

【００１７】当業者は、正イオン遅延モードにおいて操
作される時、正イオンはアナライザ領域２８からカナル
２６へ引きつけられることを認めるであろう。正イオン
電流は望ましくないであろうし、適宜の電圧がサプレッ
サエレクトロード３０に与えられることが必要であろ
う。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の中性ビームインプランタの一実施形態
を示す概略図。

【図２】本発明の中性ビームインプラタの第２の実施形
態を示す概略図。

【図３】ウエハインプラント領域の近くで低エネルギ正
イオンの高流量を生成するための中性ビームの使用を示
す説明図。

【符号の説明】

１：イオンソース、２：シングル偏向マグネット、３：
レンズ、４：中性化器、５：エレベーテッドカナル、
６：開口、７：偏向器、８：ビームダンプ、９：中性ビ
ーム、１０：高電圧エンクロージャ、１１：電源、１
２：正イオンプラス中性体、１３：偏向、１４：中性
体、１５：ウエハ、１６：開口、１７：イオンソース、
１８：加速器、２０：中性ビーム、２１：第２の正イオ
ンビーム、２２：カナル、２３：高電圧ターミナル、２
４：加速チューブ、２５：ポイント、２６：荷電変換セ
ル、２７：中性ビーム、２８：最終分析ステージ、２
９：パワーサプライ、３０：サプレッサエレクトロー
ド、３２：エントリポート。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 597101454 360 Ｎｏｒｔｈ Ｅｍｅｒｓｏｎ Ｒｏ ａｄ Ｌｅｘｉｎｇｔｏｎ， Ｍａｓｓａ ｃｈｕｓｅｔｔｓ 02173 Ｕ．Ｓ．Ａ.

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体又はフラットパネルディスプレイ
   の表面近傍領域に対して特定のエネルギを有する所望の
   原子を注入するための装置であって、 前記原子又は分子をイオン化し、所望イオンの第１のビ
   ームを形成するために適用されるイオンソースと、 前記所望イオンの第１のビームのフラクションを中性原
   子又は分子のビームに変形する中性化器と、 前記中性ビームが前記中性粒子から電子を除去し第２の
   正イオンビームを形成するように前記中性ビームが向け
   られる高化電位に維持されるストリッパと、 前記第２の正イオンビームがエネルギにおいて変換され
   る前記高化電位のストリッパとグランド電位間の適宜の
   電場と、 前記第２の正イオンビームが半導体の表面に向けられる
   ことが可能なための手段と、 を備えたことを特徴とする装置。
2. 【請求項２】 半導体の表面近傍領域に対して特定のエ
   ネルギを有する所望の原子又は分子を注入するための方
   法であって、 荷電変換セルを高化電位の領域内に維持し、 イオン化原子又は分子のビームを形成するために前記所
   望の原子又は分子をイオン化し、 中性化原子又は分子のビームを形成するために前記原子
   又は分子のイオン化ビームを中性化し、 前記荷電変換セルを通して前記中性粒子のビームを搬送
   し、 最終正イオンビームを形成するために前記中性化原子又
   は分子から電子を除去し、 上昇電位における領域からグランドまでの前記最終正イ
   オンの通過により前記最終正イオンビームを加速し、 これらの正イオンを前記表面近傍領域に向ける、 段階を有する方法。
3. 【請求項３】 エネルギにおいて変換された前記第２の
   正イオンが、他の全てのリジェクトされた粒子と共にエ
   ネルギについて分析される、請求項１に記載の装置。