JP4920033B2 - イオン源におけるカソード及びカウンターカソード配置 - Google Patents

Description

発明の分野

本発明は、イオン注入装置に適したカソード及びカウンターカソードを備えるイオン源に関する。

発明の背景

本発明が意図する１つの用途は、半導体デバイス又は他の物質の製造に使用できるイオン注入装置であるが、多数の他の用途も考えられる。このような用途では、半導体ウエハは、導電率の変化する領域を形成するために所望のドーパント種の原子をウエハの本体内へ注入することにより、変性される。通常のドーパントの例としては、ホウ素、リン、ヒ素及びアンチモンがある。

典型的に、イオン注入装置は、真空チャンバ内に真空下に保持されたイオン源を含む。このイオン源は、アークチャンバ内に生成されるプラズマを使用してイオンを生成する。プラズマイオンは、アークチャンバから引き出され、そして、「イオンシャワー」モードにおいて、それらイオンは、半導体ウエハの如きターゲットに注入すべく進行する。別の仕方として、それら引き出されたイオンは、質量分析ステージに通され、所望の質量及びエネルギーのイオンが選択されて、半導体ウエハに注入すべく前進させられる。イオン注入装置のより詳細な説明は、米国特許第４，７５４，２００号に見ることができる。

典型的なベルナスタイプの源においては、熱電子がカソードから電界の影響下で放出されて加速され、磁界によって抑制されてカウンターカソードに向かうスパイラル経路に沿って進行する。アークチャンバ内の前駆体ガス分子の相互作用により、所望のプラズマが生成される。

１つの既知の配置では、カウンターカソードがカソードに接続され、それらが共通の電位とされる（米国特許第５，５１７，０７７号及び米国特許第５，９７７，５５２号）。カウンターカソードは、負にバイアスされ、それが、カソードから進行してくる電子をはね返して、イオン源を通してのスパイラル経路の数を増大させてアークチャンバにおけるイオン化効率を増大させるようにする。

別の既知の配置では、カウンターカソードは、電気的に分離され、プラズマの電位近くに浮動とされる（米国特許第５，７０３，３７２号）。

注入装置の質量分析ステージは、磁界の制御により作動させられ、所望の質量のイオンを選択（それらの運動量又は質量対荷電状態比による）し且つ不所望のイオンを阻止（それらが磁界における異なる経路に従う範囲で）するようにする。

ホウ素ドーピングの場合には、例えば、ＢＦ_３が、通常、前駆体ガスとして使用される。アークチャンバにおける解離の結果として、典型的には、Ｂ^＋、Ｆ^＋、ＢＦ^＋及びＢＦ_２ ^＋イオンを含むプラズマが生成される。このようなイオンの混合体が引き出され、質量分析ステージに入り、そこで、好ましいＢ/ＢＦ_Ｘ種のみが半導体ウエハへ供給されるよう確保される。多くの注入レシピはＢ^＋イオンが注入されることを要求するが、ＢＦ_２ ^＋イオンを使用するその他のものもある。このＢＦ_２ ^＋イオンは半導体ウエハと衝突するとき解離するので、その結果生じるホウ素原子は、エネルギーの減じた状態で注入され、ある幾つかの用途において必要とされるような浅いドーピング層を生成する。

発明の概要

本発明の目的は、イオン源の動作の融通性を増大することであり、例えば、共通の原料物質から引き出せる異なる種を注入するためそのイオン源を最適化すること、又は、特定の供給物質からの特定のイオン種の出力を最適化することである。

第１の態様によれば、本発明は、プラズマを生成し収容するように配置されたアークチャンバと、上記アークチャンバ内へ電子を放出するように配置されたカソードと、上記カソードにより放出された電子が入射するように上記アークチャンバに配置された電極と、上記電極をバイアスするように構成された１つ以上の電位源と、上記電極をアノードとして作用するように正にバイアスする上記電位源と、上記電極をカウンターカソードとして作用するように負にバイアスする上記電位源との間を切り換えるように作動できる電位調整器と、を備えるイオン注入装置のためのイオン源にある。

「カウンターカソード」という用語は、普遍的に認識されているとは思われない。用語「アンチカソード」及び「リフレクター」も、当業技術分野内で同意語的に使用されていると思われる。用語「カウンターカソード」は、以下において、このような電極を示すものとして使用され、特許請求の範囲の記載における用語「カウンターカソード」は、これに準じて解釈されるべきである。本質的に、これは、アークチャンバを横切ってカソードと対向し、且つ前もってカソードの電位に結合されるか、又はプラズマの電位近くで浮動するのを許すように電気的に分離された電極である。

本発明によって提供される配置では、カソードと、アノードとして作用するカウンターカソードとの間にアークを当てることができる。その上、カウンターカソードの正にバイアスされた電位により、カソードによって放出された電子は、吸引され、カウンターカソードへと進行して、そこに収集される。従って、電子は、（対向したカソード及びカウンターカソードの従来の配置が使用されると仮定して）アークチャンバを一回だけ横切る傾向にある。それら電子のアークチャンバ内での平均寿命は、負にバイアスされたカソード及びカウンターカソードを有する従来技術の配置（反射動作モード）と比べてより短い。

反射動作モードでは、カウンターカソードは、電子が繰り返し反射されるように、カソードと同じ電位に保持されている。これにより、カソードによって放出された電子のアークチャンバにおける寿命が延長され、より強いプラズマが生成され、原料ガス分子のイオン化及び分解が高められる。本新規な非反射動作モードでは、電子は、正のカウンターカソードへ吸引され、そこに収集される。その結果として、アークチャンバ内の電子の寿命は、減少させられる。

しかしながら、電子寿命が減少した結果、分子の分解が減少することが分かった。例えば、ＢＦ_３が前駆体ガスとして使用されるならば、生成されるＢ^＋及びＢＦ^＋イオンがより少なくなる。このことは、プラズマにおいて生成されるイオンはより少なくなるが、それらのより多くの部分がＢＦ_２ ^＋イオンとして留まることを意味している。驚くべきことに、そのような分解の減少により、ＢＦ_２ ^＋の如きより大きなイオンの生成が増大され、この増大は、全イオン生成における減少を補償するに十分であることが分かった。前駆体ガスとしてＢＦ_３を使用した実験によれば、ＢＦ_２ ^＋イオンビーム電流の７０％程の高さの増大がなされることが示された（これは、質量分析ステージから出るＢＦ_２ ^＋イオンの測定値である）。

従って、本新規な配置は、より低い質量の分解生成物よりもむしろ、ＢＦ_２ ^＋の如きより高い質量の分子イオンが注入のために使用されるべき場合に効果的である。

更に又、本新規な配置は、必要とされる注入に従って最も適当な動作モードを選択できるようにする。注入レシピに依存して、例えば、それぞれＢ^＋生成又はＢＦ_２ ^＋生成に有利な動作モードのいずれかを選択することができる。

任意であるが、イオン源は、更に、真空チャンバを備え、電位調整器は、大気中に配設される。こうすることにより、電位調整器にアクセスするために真空チャンバを大気へと通気する必要なしに、動作モードを切り換えることができるようになる。

非反射モードにて作動するとき、電子がカウンターカソードへと進行するようにさせるため、アークチャンバ壁部を負にバイアスするのが好ましい。別の仕方として、アークチャンバ壁部は、正にバイアスされるか、又は、電気的に分離してプラズマの電位近くに浮動するようにさせることができる。反射モードでは、そのチャンバ壁部は、必要とされるアークを生じさせるためのアノードを与えるように正にバイアスされる。結果として、イオン源は、アークチャンバ壁部を正にバイアスし又はアークチャンバ壁部を負にバイアスするように動作できる別の電位調整器を備えると都合がよい。この場合も又、真空チャンバを通気する必要を排除するため、その別の電位調整器は、大気中に配設されるとよい。

好ましくは、そのイオン源は、更に、各々、カウンターカソードが正にバイアスされ且つアークチャンバ壁部が負にバイアスされるように、また、各々その逆となるように、少なくとも第１のイオン生成モード及び第２のイオン生成モードに対してその電位調整器及び別の電位調整器がセットされた状態で作動するように構成されるとよい。これは、各々、非反射モード及び反射モードに対応する。任意であるが、更に、最初の切り換えが、通常、負のバイアスから正のバイアスへ、であるようにして、その電位調整器及び別の電位調整器を順次に作動させることで、第１のイオン生成モードと第２のイオン生成モードとの間で切り換え及びその逆に切り換えできるようにイオン源を構成すると効果的である。こうすることで、常に、アノードを使用することができ、アークを連続して発生させることができ、アークチャンバにプラズマを維持することができる。このようにして、アークチャンバは、高い動作温度に維持される。

任意であるが、この電位調整器は、更に、カウンターカソードを電気的に分離するように構成され、そのイオン源は、更に、カウンターカソードが電気的に分離され且つアークチャンバ壁部が正にバイアスされるような第３のイオン生成モードに対してその電位調整器及び別の電位調整器がセットされた状態で作動するように構成される。

これにより、カウンターカソードの電位が、プラズマによりセットされる電位に対して浮動することが許される第３（浮動）の動作モードが与えられる。これにより、カウンターカソードによる電子反射の中間レベル、ひいては、分解の中間レベルが与えられる。

任意であるが、その電位調整器は、カウンターカソードを正にバイアスするように配置された第１の位置と、カウンターカソードを負にバイアスするように配置された第２の位置との間を切り換えるように構成された二方スイッチでよい。或いは又、その電位調整器は、カウンターカソードを正にバイアスするように配置された第１の位置と、カウンターカソードを負にバイアスするように配置された第２の位置と、カウンターカソードを電気的に分離するように配置された第３の位置との間を切り換えるように構成された三方スイッチでよい。

任意であるが、その別の電位調整器は、アークチャンバを正にバイアスするように配置された第１の位置と、アークチャンバを負にバイアスするように配置された第２の位置との間を切り換えるように構成されたスイッチである。これら電圧調整器又はスイッチは、アークチャンバ壁部及びカウンターカソードを同じ電位とするように構成するのも任意である。

任意であるが、イオン源は、更に、カソードによって放出された電子のための電子経路を画成する磁界をアークチャンバに与えるように配置されたマグネットアセンブリを備える。こうすることで、さもなければ、アークチャンバ壁部がカソードに対して正の電位となるようなモードで動作するときにその隣接アークチャンバ壁部へと直接的に吸引されてしまう熱電子に対して電子経路長さをより長くすることができる。その磁界は、例えば、カソード及びカウンターカソードがアークチャンバの対向端部に配設されるようなアークチャンバの長手方向に沿って電子が通過するようにそれら電子を抑制する。

第２の態様によれば、本発明は、前述したようなイオン源のいずれかを含むイオン注入装置にまで拡張される。任意であるが、アークチャンバは、更に、出口開口を備え、イオン注入装置は、更に、アークチャンバ内に含まれたプラズマから上記出口開口を通して電子を引き出し且つ又その引き出された電子をターゲットに注入すべく供給するように動作できる引出電極を備える。任意であるが、イオン注入装置は、更に、アークチャンバから引き出されたイオンを受け入れるように配設され且つターゲットへ注入するために特定のエネルギーにて選択された質量及び荷電状態のイオンを供給するように動作できるような質力分析ステージを備えることができる。

第３の態様によれば、本発明は、カソード及びカウンターカソードを有するイオン源を作動させる方法であって、上記カソードを負にバイアスし、チャンバ壁部を正にバイアスして、カソードと上記チャンバ壁部との間にプラズマを生ぜしめ、上記カウンターカソードを負にバイアスして電子をはね返すようにすることを含む第１の反射動作モードと、上記カソードを負にバイアスし、上記カウンターカソードを正にバイアスして上記カソードとカウンターカソードとの間にプラズマを生ぜしめることを含む第２の非反射動作モードと、を含む方法にある。この方法の好ましい特徴は、特許請求の範囲の記載に限定されている。

本発明による方法及び装置の実施例について、添付図面を参照して以下に説明する。

発明の詳細な説明

本発明の技術関連事項の理解を深めるため、典型的な応用例を図１に示しているが、これは、本発明の応用例の一例に過ぎず、本発明をこれに限定しようとしているものではないことを理解されたい。

図１は、本発明によるイオン源１４を含む、半導体ウエハ１２にイオンを注入するための既知のイオン注入装置１０を示している。イオンは、イオン源１４によって生成され、引き出されて、この実施形態では、質量分析ステージ３０に通される。所望の質量のイオンが選択されて、質量分解スリット３２を通過して、それから、半導体ウエハ１２に当たるようにされる。

このイオン注入装置１０は、真空チャンバ１５内に配設される、所望の種のイオンビームを生成するためのイオン源１４を含む。このイオン源１４は、一般的に、一方の端部に配設されたカソード２０を含むアークチャンバ１６を備える。従来技術によれば、イオン源１４は、アノードがアークチャンバ１６の壁部１８によって与えられるように作動される。カソード２０は、熱電子を生成するに十分に加熱される。

カソード２０によって放出された熱電子は、アノード、この場合には、隣接チャンバ壁部１８へと吸引される。それら熱電子は、アークチャンバ１６を横切って行くにつれてガス分子をイオン化し、それにより、プラズマを形成し、所望のイオンを生成する。

それら熱電子が辿る経路は、従来技術に従って、それら電子がチャンバ壁部１８への最短の経路を単に辿らないように、制御される。マグネットアセンブリ４６は、熱電子がアークチャンバ１６の対向端部に配設されたカウンターカソード４４に向かってアークチャンバ１６の長手方向に沿うスパイラル経路を辿るように、アークチャンバ１６を通して延びる磁界を与える。

ガス供給路２２は、アークチャンバ１６にＢＦ_３の如き前駆体ガス種を充填する。アークチャンバ１６は、真空チャンバ１５内の減少した圧力に保持されている。アークチャンバ１６を通して進行する熱電子は、前駆体ＢＦ_３ガス分子をイオン化し、また、ＢＦ_３分子を分解して、ＢＦ_２、ＢＦ及びＢ分子及びイオンを形成する。プラズマ中に生成されたイオンは、微量の汚染イオン（例えば、チャンバ壁部の物質から生成される）も含む。

アークチャンバ１６内からのイオンは、負にバイアスされた引出電極２６を使用して、出口開口２８を通して引き出される。引き出されたイオンを加速するため、イオン源１４と次の質量分析ステージ３０との間に、電力供給源２１によって電位差が加えられる。ここで、イオン源１４と質量分析ステージ３０とは、絶縁体（図示していない）によって、互いに電気的に分離されている。引き出されたイオンの混合体は、それから、質量分析ステージ３０に通されて、磁界の影響下で湾曲経路を辿るようにされる。どのイオンについても、その進行する湾曲経路の曲率半径は、そのイオンの質量、荷電状態及びエネルギーによって決定され、磁界は、設定されたビームエネルギーについて、所望の質量対荷電比及びエネルギーを有するイオンのみが質量分解スリット３２と一致した経路に沿って出て行くように、制御される。こうして出されたイオンビームは、それから、ターゲット、即ち、注入されるべき基板ウエハ１２へ移送されるか、又は、ターゲット位置にウエハ１２がないときには、ビームストップ３８へと移送される。他のモードでは、ビームは、質量分析ステージ３０とターゲット位置との間に配置されたレンズアセンブリを使用して、加速されたり又は減速されたりすることもできる。

半導体ウエハ１２は、ウエハホルダー３６上に取り付けられ、ウエハ１２は、直列注入のため連続してウエハホルダー３６へ移送され、ウエハホルダー３６から移送されていく。別の仕方として、並列処理を使用することができ、この場合には、多数のウエハ１２が回転コンベヤー３６上に配置され、この回転コンベヤーは、それらウエハ１２を順次に入射イオンビームに対してさらすように回転する。

図２及び図３は、図１のイオン注入装置１０に使用できる２つの既知のイオン源１４をより詳細に示している。図２は、フィラメント配置に対応しており、図３は、間接加熱カソード配置に対応している。

先ず、図２を参照するに、カソードとして作用するフィラメント４０が、電子リフレクター４２の前に位置するように、アークチャンバ１６の一方の端部に配置されている。電子リフレクター４２は、フィラメント４０と同じ負の電位に保持されており、それらが共に負にバイアスされ電子をはね返すようにされている。電子リフレクター４２と、アークチャンバ１６の最も内側の部分を構成するライナー５６との間には、小さなギャップがある。このギャップは、電子リフレクター４２が通常のようにアノードとして作用するライナー５６から電気的に分離されるようにする。この間隔は、アークチャンバ１６から前駆体ガスが失われるのを避けるため最少とされている。カウンターカソード４４が、アークチャンバ１６の遠い端部に、ライナー５６との間に小さな分離をもって配設されており、電気的分離を行い且つガス漏れを最少とするようにされている。マグネットアセンブリ４６（図１にのみ示されている）は、フィラメント４０から放出された電子がカウンターカソード４４に向かうアークチャンバ１６の長手方向にそうスパイラル経路３４を辿るようにさせる磁界を与えるように作動しうる。アークチャンバ１６は、ガス供給路２２又は固体又は液体を加熱することができる１つ又はそれ以上の気化器２３によって前駆体ガス種を充填される。

フィラメント４０は、各々が絶縁ブロック５２を使用してイオン源１４の本体５０に接続された２つのクランプ４８により所定位置に保持されている。絶縁ブロック５２には、アークチャンバ１６から逃げたいずれのガス分子もその絶縁ブロックに達しないようにするためのシールド５４がはめ込まれている。

明らかなように、図３は、大部分は、図２に対応しており、従って、同様の部分については、簡略化のため繰り返し説明しない。また、同様の部分については、同様の参照符号を使用している。

図２と図３との間の相違点は、図３では間接加熱カソード配置として示されているアークチャンバ１６の頂部にある。カソードは、アークチャンバ６２内へ僅かに突き出したチューブ６０のエンドキャップ５８によって与えられ、このチューブ６０は、加熱フィラメント６２を収容している。これら加熱フィラメント６２及びエンドキャップ５８は、フィラメント６２によって放出された熱電子がエンドキャップ５８へと加速されるようにするため、異なる電位に維持されており、チューブ６０とアークチャンバ１６のライナー５６との間には、電気的分離を維持するため、ギャップが残されている。エンドキャップ５８へ電子を加速することにより、エネルギーがエンドキャップ５８へ移され、そのエンドキャップ５８が熱電子をアークチャンバ１６内へと放出するに十分に加熱される。

この配置は、フィラメント４０がプラズマの反応性イオンにより、また、イオン衝撃によりより急速に腐食させられてしまうような図３の配置に比べて、改善される。この問題点を解消するため、間接加熱カソードの加熱フィラメント６２は、イオンがこの加熱フィラメント６２に接触しないように、包囲チューブ６０内に収容されている。

次に、新規なバイアス配置を有するイオン源１４について、図４から図７を参照して説明する。

先ず、図４を参照するに、ここには、電力供給装置６４と並べて、図３のアークチャンバ１６の簡略図が示されている。点線で示すボックス６６は、真空チャンバ１５内に収容される構成部分と大気７０中に配置される構成部分との間の境界を示している。明らかなように、大気７０中に配設された構成部分は、真空を解く必要なしに、容易に調整することができる。

図４から分かるように、大気７０中に配設された一連の３つの電力供給源により、異なる電位にてイオン源１４の種々な構成部分へ電流が与えられる。このイオン源１４は、間接加熱カソードを含む。フィラメント供給源７２は、間接加熱カソードのフィラメント６２へ比較的に高い電流を与える。バイアス供給源７４は、フィラメント６２から放出された熱電子がエンドキャップ５８の方へ加速されるように、フィラメント６２に対して正にエンドキャップ５８をバイアスするのに使用される。アーク供給源７６は、プラズマを生じさせ、それからそのプラズマを維持するように、エンドキャップに対して大きな正の電位を設定することにより、アノードを生成するのに使用される。

従来技術に従って、イオン源１４は、アノードを与えるようにチャンバ壁部１８が正にバイアスされ且つ電子をはね返すようにカウンターカソード４４が負にバイアスされた状態で反射モードにて作動される。

本発明は、カウンターカソード４４がアノードとして作用するように正にバイアスされ、チャンバ壁部１８が電子をはね返すように負にバイアスされるような新規な非反射動作モードを提供する。これらの電位は、エンドキャップ５８から放出された電子がカウンターカソード４４へ進行してそこで電気回路を閉成するようにそれら電子を導くように作用する。別の仕方として、チャンバ壁部１８は、正にバイアスされることもあるし、又は、チャンバ壁部１８は、プラズマによって設定された電位に対して浮動となるように電気的に分離されることもある。

図４のイオン源は、反射動作モード（図４に示されたような）又は非反射動作モード（図４に示されていないが、単にスイッチ８２及び８４が反対側に切り換えられたものに相当する）にて動作できる。このような融通性は、正又は負のバイアスがカウンターカソード４４及びチャンバ壁部１８に印加されうるようにする１対のスイッチ８２及び８４によって可能とされる。

カウンターカソード４４及びチャンバ壁部１８から電気接続が延びて、それぞれスイッチ８２及び８４への電気接続を与えている。スイッチ８２及び８４は、大気７０中に配設されており、従って、それら電気接続は、真空/大気インターフェース６６にて真空フィードスルー８０を通して延びている。これらスイッチ８２及び８４を大気７０中に置くことにより、真空チャンバ１５を大気へ通気する必要なく動作モードの切り換えを行うことができるようになる。別々のフィードスルー８０を使用してもよいし、共通のフィードスルー８０を使用することもできる。フィラメント供給源７２及びバイアス供給源７４からの電気接続も、真空フィードスルー８０に通される。別々のフィードスルー８０を使用することができるが、これら電気接続のすべてを通すように単一フィードスルー８０を使用するのが好ましい。別の仕方として、スイッチ８２、８４を真空チャンバ１５内に配設することができる。

スイッチ８２は、カウンターカソード４４を１対の端子のうちのいずれかに接続する二方スイッチである。これらの端子は、アーク供給源７６のいずれかの側に電気的に接続され、カウンターカソード４４に対して正及び負のバイアスを与える。スイッチ８４についても同様の配置が使用され、即ち、スイッチ８４は、チャンバ壁部１８をアーク供給源７６のいずれかの側から取られる正又は負の電位にバイアスさせる。

図４は、反射モードで作動するイオン源１４を示している。従って、スイッチ８２は、カウンターカソード４４が負にバイアスされるように、その負の端子にセットされている。スイッチ８４は、チャンバ壁部１８が正にバイアスされるように、その正の端子にセットされている。

新規な非反射モードの動作の場合には、図４に示したスイッチ８２及び８４の位置が単に反転させられ、カウンターカソード４４が正にバイアスされ、チャンバ壁部１８が負にバイアスされるようにする。このモードで動作するときは、マグネット４６をスイッチオフするか、又はマグネット４６を低電流で動作させるか、するのが好ましい。

これら２つのモードの間の動作切換えは、プラズマを消滅させる必要なしに、次のようにして行うことができる。図４に例示した反射動作モードから始めるときには、先ず、スイッチ８２を切り換えてカウンターカソード４４が正にバイアスされるようにし、その後、スイッチ８４を切り換えて、チャンバ壁部１８が負にバイアスされるようにする。こうすることにより、常にカソードとアノードとの間に十分な電位差があるので、プラズマが維持される。非反射動作モードから反射モードへ変えるためには、先ず、スイッチ８４を切り換えて、チャンバ壁部１８が正にバイアスされるようにし、その後、スイッチ８２を切り換えて、カウンターカソード４４が負にバイアスされるようにする。この場合にも、プラズマは維持される。

図５は、大部分において、図４に対応しているので、簡略化のため、同様の部分については繰り返し説明しない。また、同様の部分については、同様の参照符号にて示す。

図５は、図４と類似しているが、間接加熱カソードでなくフィラメント４０を有する配置を示している。図５のイオン源１４は、電子リフレクター４２の前に配設されたフィラメント４０を備える。これらフィラメント４０及び電子リフレクター４２は、真空６８内に配設される電気接続を介して常に共通の負の電位に保持される。また、フィラメント４０と電子リフレクター４２との間に電位差がないので、別個のバイアス供給源７４を設ける必要はない。従って、単一のアーク供給源７６により、壁部１８（又はライナー５６）に対する電子リフレクター４２及びフィラメント４０の電位が設定される。

その他の点では、図５の実施形態は、図４の実施形態に対応している。従って、カウンターカソード４４及びチャンバ壁部１８の電位は、両方の動作モードを可能とするため、前述したように切り換えることができる。

図６は、大部分において、図４と対応しており、従って、同様の部分については再度説明しない。また、同様の部分は、同様の参照符号で示す。図６は、二向スイッチ８２が三方スイッチ８２′によって置き換えられている点で、図４と異なる。スイッチ８２′は、カウンターカソード４４が正及び負の両方にバイアスされうるように、同じ正及び負の端子を有している。しかしながら、カウンターカソード４４を電気的に分離するように単に作用する第３のスイッチが設けられている。この浮動動作モードは、チャンバ壁部１８が正であるときに使用されるだけのものである。このイオン源１４は、浮動動作モードのために構成されている。この浮動動作モードは、中間の電子寿命を与えるものであり、ここでは、電子は、カウンターカソード４４が負に保持されているときのようにそのカウンターカソード４４によって強くは反射されないが、カウンターカソード４４が正に保持されているときよりは多く反射されるのである。

カウンターカソード４４の電位が負に保持されているときには、アークチャンバ１６におけるＢＦ_３分子の分解する確率は、アークチャンバ１６における電子密度がより高いことにより、増大される。従って、プラズマ中における他のイオンタイプ（例えば、ＢＦ及びＢＦ_２イオン）の総計に対するホウ素イオンの割合は増大する。カウンターカソード４４が分離されて、プラズマによって設定される電位に対して浮動とされているときには、分解が減少され、プラズマ中により多くの分子イオン（例えば、ＢＦ^＋及び／又はＢＦ_２ ^＋）が留まる。カウンターカソード４４が正にバイアスされているときには、分解は更に減少される。前述したように、半導体ウエハ１２のイオン注入のためには、ホウ素又はＢＦ_２ ^＋イオンかが好ましいものである。カウンターカソード４４の電位を切り換えることにより、質量分析ステージ３０に入射するので、半導体ウエハ１２へと前進させることのできる好ましいイオンの数を最大とすることができる。従って、カウンターカソード４４は、優先的に特定のドーパントを生成するようにバイアスすることができる。

図７は、図５のイオン源に適用される同じ三方スイッチ（結果として３つの動作モード）を示している。スイッチ８２が、図示されるように、第３の端子にセットされるときには、カウンターカソード４４は、アークチャンバ１６内のプラズマの電位に対して浮動とされている。

本発明の範囲から逸脱することなく、前述の実施形態に対して種々な変形がなされうることは、当業者には理解されよう。

前述したように、チャンバ壁部は、正のバイアス、負のバイアス又は電気的に分離した状態で動作することができる。図４から図７は、バイアスを正から負に、また、負から正へ切り換えられるようにする二方スイッチ８４、８４′を示している。このスイッチ８４、８４′を図６及び図７のスイッチ８２′と類似の三方スイッチに置き換えることにより、正のバイアス、負のバイアス及び電気的分離の間の三方切換えを行うことができる。

前述した実施形態では、スイッチ８２及び８４を使用して、アーク供給源７６のいずれかの側へ接続することによりカウンターカソード４４及びチャンバ壁部１８の電位を変えることができるようにしているが、他の配置も可能である。例えば、カウンターカソード４４及び／又はチャンバ壁部１８を１つ又はそれ以上の代替電力供給源へ接続するようなスイッチを使用することができる。代替電力供給源は、図４から図７に示されたもののうちの１つであってもよく、又は、それらは、更に別の電力供給源であってもよい。前述した切換え配置は、それらが簡単であることが好ましい。更に別の代替物は、分圧電位を与えるように接続された分圧器及びカウンターカソード４４をカソード２０又は分圧電位のうちの一方へ接続するように動作できる作動しうるスイッチである。更に又、カウンターカソード４４及び／又はチャンバ壁部１８へ選択された電圧を供給するように、可変電力供給源又は可変抵抗又は可変ポテンショメータを使用することもできる。

スイッチ８２及び８４は、どのような標準仕様にても実施することができる。スイッチは単なる一例であり、多くの他の配置が可能である。

明らかなように、イオン源１４の構成に使用される物質及び構成部分の特定の配置は、必要に応じて選択することができる。

前述した実施形態は、本発明をイオン注入装置１０のイオン源１４として適用するものであったが、本発明は、イオン源１４から引き出されたイオンが質量分析を受けずにターゲットへと注入されるようなイオンシャワーシステムの如き他の多くの応用例、又は選択性イオン化及び／又は分子分解が望まれるようなカウンターカソード４４を使用する任意の他のイオン源１４、に使用することができるものである。

イオン注入装置の概略図である。 第１のイオン源の側面図である。 間接加熱カソード配置を備える第２のイオン源の側面図である。 本発明の第１の実施形態によるバイアス配置を示す、間接加熱カソード配置を有するイオン源の簡略図である。 本発明の第２の実施形態によるバイアス配置を示す、簡単フィラメント配置を有するイオン源の簡略図である。 図４に対応しているが、カウンターカソードの電位を設定するための三方スイッチを備える本発明の第３の実施形態を示している。 図５に対応しているが、カウンターカソードの電位を設定するための三方スイッチを備える本発明の第４の実施形態を示している。

符号の説明

１０…イオン注入装置、１２…半導体ウエハ（基板ウエハ）、１４…イオン源、１５…真空チャンバ、１６…アークチャンバ、１８…アークチャンバ壁部、２０…カソード、２１…電力供給源、２２…ガス供給路、２３…気化器、２６…引出電極、２８…出口開口、３０…質量分析ステージ、３２…質量分解スリット、３４…スパイラル経路、３６…ウエハホルダー（回転コンベヤー）、３８…ビームストップ、４０…フィラメント、４２…電子リフレクター、４４…カウンターカソード、４６…マグネットアセンブリ、４８…クランプ、５０…イオン源の本体、５２…絶縁ブロック、５４…シールド、５６…ライナー、５８…エンドキャップ、６０…チューブ、６２…加熱フィラメント、６４…電力供給装置、６６…境界、６８…真空、７０…大気、７２…フィラメント供給源、７４…バイアス供給源、７６…アーク供給源、８０…真空フィードスルー、８２…二方スイッチ、８２′…三方スイッチ、８４…二方スイッチ、８４′…二方スイッチ

Claims (22)

1. イオン注入装置のためのイオン源において、
   プラズマを生成し収容するように配置されたアークチャンバと、
   上記アークチャンバ内へ電子を放出するように配置されたカソードと、
   上記カソードによって放出された電子が向けられるように上記アークチャンバに配置された電極と、
   上記電極をバイアスするように構成された１つ以上の電位源と、
   上記電極をアノードとして作用するように正にバイアスする上記電位源と、上記電極をそのカウンターカソードとして作用するように負にバイアスする上記電位源との間を切り換えるように作動できる電位調整器と、
   アークチャンバ壁部に対する正のバイアスと、上記アークチャンバ壁部に対する負のバイアスとの間を切り換えるように構成された別の電位調整器と、
   を備えるイオン源。
2. 真空チャンバを更に備え、上記電位調整器は、大気中に配設される、請求項１に記載のイオン源。
3. 真空チャンバを備え、上記別の電位調整器は、大気中に配設される、請求項１又は２に記載のイオン源。
4. 更に、上記電極が正にバイアスされ且つ上記アークチャンバ壁部が負にバイアスされ、また、各々その逆となるように、少なくとも第１のイオン生成モード及び第２のイオン生成モードに対して上記電位調整器及び上記別の電位調整器がセットされた状態で作動するように構成される、請求項１から３のいずれかに記載のイオン源。
5. 更に、最初の切り換えが負のバイアスから正のバイアスへとなるようにして、上記電位調整器及び上記別の電位調整器を順次に作動させることにより、第１のイオン生成モードと第２のイオン生成モードとの間で切り換え及びその逆に切り換えるように構成される、
   請求項４に記載のイオン源。
6. 上記電位調整器は、更に、上記電極を電気的に分離させるように構成される、請求項１から５のいずれかに記載のイオン源。
7. 上記別の電位調整器は、更に、上記アークチャンバ壁部を電気的に分離させるように構成される、請求項１に記載のイオン源。
8. 上記電位調整器は、更に、上記電極を電気的に分離させるように構成され、上記イオン源は、更に、上記電極が電気的に分離され且つ上記アークチャンバが正であるような第３のイオン生成モードに対して上記電位調整器及び上記別の電位調整器がセットされた状態で作動するように構成される、請求項４又は５に従属するときの請求項６に記載のイオン源。
9. 上記電位調整器は、上記電極を正にバイアスする第１の位置と、上記電極を負にバイアスする第２の位置との間を切り換えるように構成されたスイッチである、請求項１から８のいずれかに記載のイオン源。
10. 上記電位調整器は、上記電極を正にバイアスする第１の位置と、上記電極を負にバイアスする第２の位置と、上記電極を電気的に分離させる第３の位置との間を切り換えるように構成されたスイッチである、請求項６から８のいずれかに記載のイオン源。
11. 上記別の電位調整器は、上記カソードに関して正の電位を上記アークチャンバ壁部に与えるように配置された第１の位置と、上記電極に関して負の電位を上記アークチャンバ壁部に与えるように配置された第２の位置との間を切り換えるように構成されたスイッチである、請求項１に記載のイオン源。
12. 上記別の電位調整器は、上記アークチャンバ壁部を正にバイアスするように配置された第１の位置と、上記アークチャンバ壁部を負にバイアスするように配置された第２の位置と、上記アークチャンバ壁部を電気的に分離させるように配置された第３の位置との間を切り換えるように構成されたスイッチである、請求項７に記載のイオン源。
13. 上記カソードは、間接加熱カソードタイプのイオン源のチューブのエンドキャップ又はフィラメントである、請求項１から１２のいずれかに記載のイオン源。
14. 上記カソードは、イオン源のフィラメントに隣接して配設された電子リフレクターとして作動できる電極を更に備える、請求項１３に記載のイオン源。
15. 上記カソードによって放出された電子のための電子経路を画成する磁界を上記アークチャンバに与えるように構成されたマグネットアセンブリを更に備える、請求項１から１４のいずれかに記載のイオン源。
16. 請求項１から１５のいずれかに記載のイオン源を含むイオン注入装置。
17. 上記アークチャンバは、更に、出口開口を備え、上記イオン注入装置は、更に、上記アークチャンバ内に含まれたプラズマから上記出口開口を通してイオンを引き出し、その引き出されたイオンをターゲットに注入するために供給するよう作動できる引出電極を備える、請求項１６に記載のイオン注入装置。
18. 上記アークチャンバから引き出されたイオンを受け入れるように配設され且つターゲットへ注するため特定のエネルギーにて選択された質量及び荷電状態のイオンを供給するように作動できる質量分析ステージを更に備える、請求項１７に記載のイオン注入装置。
19. カソード及びそのカウンターカソードを有するようなイオン源を作動させるための方法であって、上記カソードを負にバイアスし、チャンバ壁部を正にバイアスして、カソードと上記チャンバ壁部との間にプラズマを生ぜしめ、上記カウンターカソードを負にバイアスして電子をはね返すことを含む第１の反射動作モードと、上記カソードを負にバイアスし、上記カウンターカソードを正にバイアスして、上記カソードとそのカウンターカソードとの間にプラズマを生ぜしめるようにすることを含む第２の非反射動作モードと、
    アークチャンバ壁部のバイアスを負から正へと切り換え、次いで、上記カウンターカソードのバイアスを正から負へ切り換えることにより、上記非反射モードから上記反射モードへ切り換えること、
    を含む方法。
20. 上記非反射動作モードにおいてアークチャンバ壁部を電気的に分離させることを更に含む、請求項１９に記載の方法。
21. 上記カウンターカソードが電気的に分離されるように上記カウンターカソードを切り離すことを更に含む、請求項１９に記載の方法。
22. 上記アークチャンバ壁部のバイアスが正であるようにし且つ上記カウンターカソードが電気的に分離されるように上記カウンターカソードを切り離すことにより、第３の動作モードへ切り換えることを更に含む、請求項１９から２１のいずれかに記載の方法。

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