JP2002056786A

JP2002056786A - イオン注入装置用のイオン源

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Publication number: JP2002056786A
Application number: JP2001233659A
Authority: JP
Inventors: Bo Harald Vanderberg; ハラルドバンデルバーグボー; Thomas N Horsky; ネイルホースキートーマス; Frank Raymond Trueira; レイモンドトルエイラフランク
Original assignee: Axcelis Technologies Inc
Current assignee: Axcelis Technologies Inc
Priority date: 2000-08-07
Filing date: 2001-08-01
Publication date: 2002-02-22
Also published as: KR20020012495A; TW503432B; EP1180783A3; EP1180783A2

Abstract

(57)【要約】【課題】イオン化室に強力で均一な磁界を作り出しかつ
それを維持して、非常に高いイオン化効率を可能にする
イオン注入装置用のイオン源を提供すること。【解決手段】本発明のイオン源は、部分的に壁によって
区画され、かつイオンビームが経路に沿って引き出され
る開口18を有するイオン化室と、イオン化室の全体を取
り囲み、閉じた形状のヨーク46を有して、このヨークの
まわりに少なくとも１つのコイル49,51が巻き付けられ
ている磁石アセンブリ45とを備える。ヨーク46は、一般
的にトロイダル形状であり、一対の対向磁極48a,48bを
含み、イオン源の動作中、コイルによって発生した磁力
線の大部分が、第１の対向磁極48aから出てイオン化室
を通過して第２の対向磁極48bに入る。磁石アセンブリ4
5から生じる浮遊磁界が、開口18から引き出されたイオ
ンビームの経路に直交する方向に指向し、イオン化室内
において比較的均一となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般的にイオン注
入装置等の半導体処理装置の分野に関し、特に、イオン
注入装置等に使用するためのイオン源において、磁界を
発生するための磁石に関する。

【０００２】

【従来の技術】集積回路の大規模製造において、イオン
注入は、シリコンウェハまたはガラス基板等の加工物(w
orkpiece) に不純物を注入するために産業界において標
準的に受け入れられた技術になってきた。従来のイオン
注入装置は、所望のドーパント元素をイオン化して、そ
れを加速して規定エネルギのイオンビームを形成できる
ようにするイオン源を含む。このビームは加工物の表面
に向けられ、加工物にドーパント元素を注入する。

【０００３】イオンビームの活性化イオンが加工物の表
面に貫入して、その物質の結晶格子に埋め込まれること
によって、所望の導電率を有する領域を形成する。この
イオン注入処理は、一般的に、ガス分子との衝突による
イオンビームの拡散を防止すると共に、空気中浮遊粒子
によって加工物が汚染される危険性を最小限に抑える高
真空処理室内で実施される。

【０００４】イオン線量及びイオンエネルギーは、注入
工程を定めるために用いられる２つの重要な変数であ
る。イオン線量は、与えられた半導体材料に対して注入
されたイオンの濃度に関係する。

【０００５】一般的に、高電流注入装置（イオンビーム
電流が約１０ミリアンペア（ｍＡ）以上）は高いイオン
線量の注入装置であり、中電流注入装置（イオンビーム
電流が約１ｍＡまで可能）は、低いイオン線量のために
使用される。

【０００６】イオンエネルギーは、半導体素子における
接合部深さを制御するために使用される。イオンビーム
を作り上げるイオンのエネルギーレベルは、注入された
イオンの深さの度合いを決定する。半導体素子における
レトログレード・ウエル(retrograde wells)を形成する
ために用いられる高いエネルギープロセスでは、数１０
０万電子ボルト（ＭｅＶ）に達する注入を必要とし、ま
た薄い接合部(shallowjunctions)を形成するために１０
００電子ボルト（１ＫｅＶ）以下のエネルギーが必要と
される。

【０００７】通常のイオン源は、圧縮されたガス源から
直接、または蒸発させる固体から間接的に得られるイオ
ン化可能なドーパントガスを用いる。代表的なイオン源
となる元素は、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、ガリウム
（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、
ひ素（Ａｓ）である。これらの元素は、固体またはガス
状態の形式で供給され、例えば、ボロンは、固体状態の
ボロンと、ガス状態の三フッ化ボロン（ＢＦ₃）のいず
れかで供給される。

【０００８】図１には、固体状態からイオン化を行う原
子を得るための一般的なイオン源１０が示されている。
このイオン源は、陽極として作用するアーク室ＡＣと、
この室内に置かれ陰極として作用するフィラメントＦと
を有している。動作において、アーク電圧がフィラメン
トＦとアーク室ＡＣの壁との間に加えられる。熱的に活
性したフィラメントは、高エネルギーの電子Ｅを放出
し、電気的にアース側となる（即ち、比較的に正にバイ
アスされた）アーク室ＡＣの壁に向けて加速される。ガ
スを含むボロンまたは燐が入口Ｉを介してアーク室ＡＣ
に供給される。

【０００９】リペラＲは、フィラメントＦに対向するア
ーク室ＡＣ内に配置されている。セラミックの絶縁体Ｃ
は、アーク室の壁からフィラメントとリペラの両方を絶
縁する。このアーク室は、一般的にアース電位に維持さ
れている。このリペラは、静電的にフィラメントから放
出された電子Ｅを反射し、これらの電子をフィラメント
とリペラとの間のイオン化領域内の経路Ｐ１に閉じ込め
る。電子Ｅは、イオン化領域内でガス分子と衝突して、
解離および／またはイオン化する。このイオン化領域で
は、イオン化可能なガス分子と衝突する電子の数が最大
となる。正のイオンは、フィラメントが放出した電子Ｅ
によって電子がガス分子の外殻から分離されるときに作
り出される。このように、プラズマは、少なくとも部分
的に正に帯電したイオンから作り出される。一般的に正
に帯電したイオンビームは、負にバイアスされた電極
（図示略）によってアーク室内のイオン源開口ＳＡを通
ってこのプラズマから引き出される。

【００１０】リペラＲに加えて、一般的に、イオン源
は、イオン源磁石ＳＭを含む。このイオン源磁石ＳＭ
は、アーク室に沿って磁界を誘導する。この磁界によっ
て、螺旋軌道となるようにフィラメントＦによって放出
された電子Ｅの経路Ｐ１が生じる。このため、さらに、
ガス分子と衝突する数が増加する。これにより、イオン
源磁石は、アーク室内のイオン化の効率を向上させる。
イオン源磁石の電流は、電源（図示略）によって調整さ
れ、引き出されたイオンビーム電流を最大にする。した
がって、イオン源磁石ＳＭとリペラＲは、アーク室のイ
オン化領域内にフィラメントＦによって放出された高エ
ネルギーの電子を閉じ込める機能を果たす。

【００１１】所定の電子温度での電子の閉じ込め効率
は、磁界の強さに従って増加し、ガスのイオン化速度
は、上昇する電子温度に従って増加する。それゆえ、イ
オン源のイオン化室内に強い磁界が誘導されることが望
ましい。しかし、イオン化室外、特に、イオンビーム経
路内における磁界は低く維持されるべきであり、その結
果、イオン注入装置の光学機器が逆に影響を受けないこ
とになる。最終的に、イオン化室の中央部分において、
均一な磁界が形成されることが望ましく、その理由は、
低い磁界勾配によって、より電子の閉じ込めが良くな
り、プラズマも安定する。

【００１２】しかし、このように、イオン源磁石をイオ
ン化室に近接して配置すると、イオンビームに悪影響を
与える浮遊磁界が誘導される。特に、イオン化室外の浮
遊磁界は、引出し電極の領域に伸びるイオンビーム経路
に平行であるので、放射特性に影響を与える。さらに、
従来のイオン源磁石は、イオン化室内に非均一磁界を与
え、イオン化室において、イオン化の不安定と電磁ノイ
ズをもたらす。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、イ
オン源のイオン化室に強力で均一な磁界を作り出しかつ
それを維持して、非常に高いイオン化効率を可能にする
イオン注入装置用のイオン源を提供することを目的とし
ている。本発明のさらなる目的は、磁界がイオン化室内
に導かれ、かつ集中するような機構を提供することであ
る。また、本発明の別な目的は、このような磁界を発生
するとともに、イオン化室外の浮遊磁界を最小にして、
イオンビームの放射特性を改善することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、各請求項に記載の構成を有する。本発明
のイオン源は、少なくとも部分的に壁によって区画さ
れ、かつイオンビームが経路に沿って引き出される開口
を有するイオン化室と、イオン化室の全体を取り囲み、
閉じた形状のヨークを有して、このヨークのまわりに少
なくとも１つのコイルが巻き付けられている磁石アセン
ブリとを備えている。

【００１５】少なくとも１つのコイルは、一対のコイル
からなり、ヨークは、さらに、一対の対向磁極を含み、
前記イオン源の動作中、前記コイルによって発生した磁
力線の大部分が、第１の対向磁極から出てイオン化室を
通過して第２の対向磁極に入るようになっている。さら
に、他の実施形態によれば、ヨークは、一般的にトロイ
ダル形状であり、このトロイダルヨークは、イオン化室
の周囲を取り囲んでいる。

【００１６】また、磁石アセンブリによって生じる浮遊
磁界（stray magnetic fields)が、開口から引き出され
たイオンビームの経路に直交する方向に指向する。磁石
アセンブリによって生じる磁界は、イオン化室内におい
て比較的均一となっている。磁石アセンブリによって出
力される主たる磁界は、イオン化室内で比較的均一であ
り、それゆえ、この磁石アセンブリの効率が高められ
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。図２において、イオン注入装置のための
イオン源１０が示されており、このイオン源には、本発
明のリペラ（repeller)１００を含んでいる。イオン源
１０は、イオン化室を区画する壁１２を含み、このイオ
ン化室１４内にプラズマが形成される。イオン源の開口
プレート１６は、その中に開口１８を有し、引出し電極
２０，２２によってイオン化室１４からイオンビームＢ
を経路Ｐ２に沿って引き出すことができる。

【００１８】引出し電極は、一般的に開口プレート１６
及び他のイオン化室の壁１２に対して負にバイアスされ
ており、イオン化室から引き出されたイオンビームは、
主として正イオンを含んでいる。アルミニウムの支持脚
２４，２６は、それぞれハーフリング２８，３０を支持
し、イオン源ハウジング３４内のグラファイト製インサ
ート３２を介してイオンビームＢを導いている。

【００１９】イオン源アセンブリの支持管３６は、イオ
ン化室を取り囲んで支持し、かつ取り付けフランジ３８
に隣接している。絶縁体４０は、イオン源ハウジング３
４上の取り付けフランジ３８とフランジ４２を電気的に
絶縁する。この絶縁体４０は、必要とされる励起電圧か
らイオン源ハウジング３４を絶縁しており、この励起電
圧が、アーク室１４内にイオンを発生し、そして、この
室から放出されたイオンを加速する。

【００２０】イオン化室１４の壁１２内には、間接的に
加熱された陰極４４内に少なくとも部分的に含まれるフ
ィラメント（図示略）がある。イオン化室の一端には、
陰極４４があり、また、陰極の反対側の他端には、リペ
ラ１００が配置されている。アルゴン（Ａｒ）等のスパ
ッタ用ガスは、入口３５を介してイオン化室１４に放出
され、フィラメントは、熱的に励起されて電子を放出す
る。これらのフィラメントにより放出された電子は、間
接的に熱せられた陰極４４に向けて加速され、そしてこ
の陰極に衝突し、今度は、アーク室内から正イオンを作
り出す電子を放出する。

【００２１】負電位にあるリペラ（または反陰極）１０
０は、以下で説明するようにエンドキャップの陰極４４
に向けて戻る電子を反射する。これによって、リペラ１
００は、イオン化室内の陰極によって放出された電子を
中央に閉じ込めるように働く。これらの電子がスパッタ
用ガス分子と衝突する数が増加し、ガス分子がイオン化
される。

【００２２】イオン化室のまわりには磁石アセンブリ４
５があり、これは、イオン源アセンブリの支持管３６に
取り付けられている。磁石アセンブリ４５は、一対のコ
イル４９，５１（図３参照）が巻きつけられた環状ヨー
ク４６と、ヨーク４６から伸び互いに径方向に対向する
磁極４８と、磁極４８の各々に取り付けられた熱シール
ド５０とを含んでいる。また、非磁気シールド５２が、
磁石アセンブリ全体の回りを取り囲み、この磁石アセン
ブリ４５を、逆流する電子からシールドする。磁界は、
イオン化室１４内に集中し、プラズマイオン化の比率を
高める。

【００２３】磁石アセンブリ４５は、図３において詳細
に示されている。環状（またはトロイダル形状）のヨー
クは、２つの鉄片４６a,４６ｂを一体に取り付けてリン
グを形成し、その回りにコイル４９，５１を巻き付ける
ことにより構成されている。磁極４８aは、ヨークの半
分４６aの一部分として形成され、磁極４８ｂは、ヨー
クの半分４６ｂの一部分として形成される。熱シールド
５０a、５０ｂは、それぞれイオン化室１４内に発生す
る熱から磁極４８a、４８ｂを保護する。熱シールド５
０a,５０ｂは、固定具５６,５６ｂによって適所に固定
される。

【００２４】従来良く知られているように、コイル４
９，５１に供給される電流によって、磁石に、環状ヨー
クの閉ループ構造を通る磁束を形成することができる。
図３は、各コイルによって発生した磁力線Ｆの方向を示
す。コイル４９，５１は、環状ヨークの周囲に関して反
対方向の磁力線を導く。磁束の大部分は、トロイダルヨ
ークによって導かれる。コイルによって誘導され磁極４
８ｂを出る磁力線は、イオン化室１４を通り反対の磁極
４８aに向けて、イオン化室１４を通る共通の戻り経路
を有する。磁力線Ｆの一部は、トロイダル（環状体）の
外側を回る。

【００２５】コイルは、イオン源および磁石アセンブリ
が配置されている真空中にコイルからの洩れ磁界を発生
している。従って、イオン化室内の正味の磁界は、ヨー
クから磁極片を通る戻り磁界と、コイルから真空中を通
る漏れ磁界との重ね合わせである。

【００２６】図４〜図６は、３つの直交平面において形
成された、イオン源の磁石アセンブリによって発生する
磁界の強さの異なるパターン６２，６４を示している。
図４は、ヨーク４６の平面における磁界の強さを示す。
図４に示すように、磁界の強さは、コイルの近くが最も
強力であり、そこから急勾配となり、イオン化室がある
平面の中央部分６０では比較的均一である。このコイル
に対する中央部分領域６０の磁界の強さは、起磁力が２
５（Ａ）×２２５（巻数）に対して５００ガウスのオー
ダーである。この磁界の強さは、コイル４９，５１、お
よびイオン化室１４に密接するヨークを配置することに
よって最大となる。

【００２７】図５は、ヨークの面に対して直交しかつ各
コイル４９，５１によって二分する平面における磁界の
強さを示す。また、図５は、この平面の中央部分６２内
に強力で均一な磁界を、かつイオンビームの経路に低い
磁界強度の磁界があることを示している。

【００２８】図６は、ヨークの面に対して直交し、かつ
各磁極４８a、４８ｂを二分する面に形成される磁界の
強さを示している。この平面における磁界のプロフィー
ルは、開口１８に平行なイオン化室の中心軸に沿って対
称である。強力な磁界の勾配は、イオンビームの経路に
より低い磁界を有し、さらに、この磁界がトロイダルヨ
ークの中央を通っていることを示している。

【００２９】このように、閉ループのヨーク４６および
コイル４９，５１を含む本発明の新規な磁石アセンブリ
４５を用いることによって、強力でかつ均一な磁界がイ
オン源のイオン化室内に作り出され、ビーム発散特性に
影響を与えることなく、イオン化速度とプラズマの安定
性を向上させることができる。さらに、コイル４９，５
１によって発生する浮遊磁界が、イオンビーム経路に直
交する方向に向き、かつ低い状態で残り、また、この浮
遊磁界は、引出し電極１６によって占有される領域内に
伸びない。このように、ビームラインの光学機器は影響
されることがない。

【００３０】以上、本発明におけるイオン源用の新規な
磁石アセンブリの好ましい実施形態について記載してき
た。しかし、上述したこれらの記載は、単に例示のため
になされたものであり、本発明は、ここに記載した実施
形態に限定されるものではなく、種々の変更及び修正を
含み、添付された特許請求の範囲またはその技術的思想
から逸脱しない上述の記載を含むものとする。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のイオン源を示す断面図である。

【図２】本発明の原理に従って構成されたイオン源の断
面図である。

【図３】図２のイオン源の３−３線に沿って見たイオン
源の前側から見た断面図である。

【図４】イオン源の磁石アセンブリによって発生する磁
界強さの一例を示す概略図である。

【図５】イオン源の磁石アセンブリによって発生する直
交平面における磁界強さのパターンの一例を示す斜視図
である。

【図６】イオン源の磁石アセンブリによって発生する直
交平面における磁界強さのパターンの他の例を示す斜視
図である。

【符号の説明】

１０イオン源１２壁１４イオン化室１８開口４４電子源３５入口４５磁石アセンブリ４６ヨーク４８磁極４９，５１コイル１００リペラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者トーマスネイルホースキーアメリカ合衆国マサチューセッツ 01719 ボックスボローデポットロード 816 (72)発明者フランクレイモンドトルエイラアメリカ合衆国メイン 03909 ヨークブルーストーンレイン 60 Ｆターム(参考） 5C030 DD10 DE07 DG09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも部分的に壁（12）によって区画
され、かつイオンビーム（Ｂ）が経路(Ｐ２)に沿って引
き出される開口（18）を有するイオン化室（14）と、前記イオン化室（14）の全体を取り囲み、閉じた形状の
ヨーク（46）を有して、このヨークのまわりに少なくと
も１つのコイル（49,51）が巻き付けられている磁石ア
センブリ（45）と、を備えていることを特徴とするイオ
ン注入装置用のイオン源。
【請求項２】少なくとも１つのコイルは、一対のコイル
（49,51）からなり、前記ヨーク（46）は、さらに、一
対の対向磁極（48a,48b) を含み、前記イオン源の動作
中、前記コイルによって発生した磁力線（Ｆ）の大部分
が、前記第１の対向磁極（48a)から出てイオン化室（1
4）を通過して第２の対向磁極に入るようになっている
ことを特徴とする請求項１記載のイオン源。
【請求項３】前記ヨーク（46）は、一般的にトロイダル
形状であり、このトロイダルヨークは、前記イオン化室
（14）の周囲を取り囲んでいることを特徴とする請求項
２記載のイオン源。
【請求項４】前記対向磁極（48a,48b)にそれぞれ取付け
られる熱シールド（50a,50b) をさらに含むことを特徴
とする請求項２記載のイオン源。
【請求項５】前記磁石アセンブリ（45）を取り囲む非磁
性シールドをさらに含み、前記磁石アセンブリが逆流す
る電子からシールドされていることを特徴とする請求項
２記載のイオン源。
【請求項６】前記磁石アセンブリ（45）から生じる浮遊
磁界が、前記開口（18）から引き出されたイオンビーム
（Ｂ）の経路(Ｐ２）に直交する方向に指向することを
特徴とする請求項５記載のイオン源。
【請求項７】前記磁石アセンブリ（45）から生じる前記
磁界は、前記イオン化室（14）内において比較的均一で
あることを特徴とする請求項６記載のイオン源。