JP6048829B2 - イオン源 - Google Patents

Description

本発明は、炭素イオンをシリコンウェハ等の半導体基板に照射するイオン注入装置で用いられるイオン源に関する。特に、イオンビーム生成の過程で、炭素含有のプロセスガスと希釈ガスとの混合ガスを用いるイオン源に関する。

炭素イオンを含むイオンビームを半導体基板に対して照射する手法は、基板深さ方向でのドーパントの拡散抑制やアモルファス層下方の結晶欠陥の低減等に利用されている。

しかしながら、炭素イオンを発生させる場合、イオン源の寿命が短くなるといった問題がある。例えば、炭素イオンを生成するガスの代表例として、二酸化炭素がある。二酸化炭素をプロセスガスとして用いた場合、酸素がイオン源を構成する金属部材と反応し、当該金属部材を酸化させてしまう。この酸化により、例えば、フィラメントからの熱電子の放出や反射電極による電子の反射がうまく機能せずに、イオン源の性能が劣化してしまうことが問題とされていた。

このような問題を解決すべく、近年では特許文献１に記載の技術が用いられている。特許文献１では、プロセスガスとして二酸化炭素を用いるとともに、これに希釈ガスとして水素を混合させている。

水素を混合させることで、二酸化炭素から分解された酸素と水素とが反応し、酸素とイオン源を構成する金属部材との反応が抑制されて、イオン源の性能劣化が緩和されるので、長期に渡りイオン源を安定稼働させることができるとされていた。

米国出願公開第２０１２/０１１８２３２号公報

しかしながら、二酸化炭素と水素を混合させたガスを用いたとしても、イオン源の性能を維持できる期間には限りがある。一方で、半導体製造装置の生産性向上の要求には限りがなく、より長期に渡ってイオン源を安定稼働させることが要求されている。

また、二酸化炭素から分解された炭素がイオン源のフィラメント等の金属部材と反応し、炭素化合物が生成される。イオン源で使用されるフィラメント等の金属部材は、一般には、タングステンで構成されており、これらの材料と炭素との反応物はイオン源の運転中に蒸発して、イオン源内で電気的に独立している部材間に入り込み、当該部材間を短絡させてしまうことが懸念されている。さらに、フィラメントが炭素と反応し、この反応物が蒸発すると、フィラメントがやせ細り、イオン源の寿命が極端に短くなってしまうことも懸念されている。これらの点については、水素を混合ガスとして用いた場合でも、依然として懸念事項として残っている。

上記した要求の達成、懸念事項の改善を目的とし、本願発明の発明者は鋭意研究を重ねた結果、水素に代わるガスとしてヘリウムを用いて、水素よりも遥かにイオン源を長期間に渡って安定稼働させることに成功した。

イオン源の具体的な構成としては、炭素イオンを含むイオンビームを発生させるイオン源であって、少なくとも炭素を含有するプロセスガスと少なくともヘリウムを含有する希釈ガスが供給されるプラズマ生成容器と、前記プラズマ生成容器の端部に容器壁面と電気的に離間するように配置され、熱電子を放出する熱電子放出部を備えている。

原理的には明確に解明されていないものの、水素を希釈ガスとして用いる場合と比較して、ヘリウムを希釈ガスとして用いることでイオン源内で生成されるプラズマの温度を下げることができ、これによりプロセスガスから分解された炭素とイオン源を構成する金属部材との反応物の蒸発を抑制することができるものと考えられる。その結果、水素を希釈ガスとして用いる場合に比べてイオン源を長期に渡って安定稼働させることができる。

前記プロセスガスは二酸化炭素であることが望ましい。

二酸化炭素は比較的安価で入手し易い。また、ヘリウムを希釈ガスとして利用した場合、プラズマ生成室内でＯ⁺イオンの生成を抑制できるといった格別な効果がある。二酸化炭素が分解されたとき、Ｃ⁺イオンと同程度のＯ⁺イオンが生成される。このＯ⁺イオンがイオン源を構成する金属部材を酸化する原因となるが、ヘリウムを使用することでＯ⁺イオンの生成を格段に抑制することができるので、イオン源を構成する金属部材の酸化が抑制され、イオン源を長期に渡り安定稼働させることができる。

前記希釈ガスはヘリウムとアルゴンであることが望ましい。

アルゴンは比較的安価で、質量数が大きい。しかも、他の物質と反応し難い性質を有している。このようなガスをヘリウムとともに用いることで、イオン源を構成する金属部材表面に生成された反応物をスパッタリング効果を利用して除去することができる。

前記熱電子放出部は、前記プラズマ生成容器内に熱電子を放出するカソードと当該カソードを加熱するフィラメントから構成されていることが望ましい。

上記構成を採用し、傍熱型イオン源として知られるタイプのイオン源を用いることで、イオン源の寿命を更に延ばすことができる。

前記カソードの周囲には、環状の熱シールドが配置されていることが望ましい。

このような構成を用いることで、熱電子を放出するカソードを高温に保つことができる。また、ヘリウムを希釈ガスとして用いているので、カソードの周囲に環状の熱シールドを配置しても両部材間に、カソードと炭素との反応物が蒸発により付着し、両部材間の接触面積が増えてしまうことを抑制することができる。両部材間の接触面積が増えた場合、カソードの熱が熱シールドを通じて放熱されてしまうことになるが、ヘリウムの使用により両部材間の物理的な接触を抑制することができるので、カソードの温度を高温に維持できる。

ヘリウムを希釈ガスとして用いることで、プロセスガスから分解された炭素とイオン源を構成する金属部材との反応物の蒸発を抑制し、水素を希釈ガスとして用いた場合よりもイオン源を長期に渡って安定稼働させることができる。

本発明が適用されるイオン源の一例を表す概略図である。 異なる希釈ガスの条件下でのヒート電圧の時間変化を表すグラフである。 図１に記載のイオン源のカソード近傍の拡大図である。 図３に記載のＡ−Ａ線による断面図である。

図１には、本発明が適用されるイオン源の一例を表す概略図が描かれている。このイオン源ISはフィラメント３でカソード２を加熱し、カソード２からプラズマ生成容器１内に熱電子を放出する傍熱型イオン源と言われるタイプの一種である。この種のイオン源ISは、従来のバーナス型イオン源よりも寿命が長いと言われている。

本発明が適用されるイオン源ISは傍熱型イオン源に限らないが、この種のイオン源と組み合わせて本発明を使用することで、より長期に渡ってイオン源を安定稼働させることができる。なお、傍熱型イオン源の代わりに、図示されるカソード２のないバーナス型イオン源を用いても良い。本発明では、傍熱型イオン源を用いる場合にはカソード２とフィラメント３を組み合わせたものを熱電子放出部と呼んでおり、バーナス型イオン源を用いる場合にはフィラメント３を熱電子放出部と呼んでいる。

プラズマ生成容器１には、第一のガス供給路１０と第二のガス供給路１１が接続されている。これらのガス供給路は、流量調整器７を介して、第一のガスボトル５と第二のガスボトル６にそれぞれ接続されている。第一のガスボトル５には、例えば二酸化炭素が封入されており、第二のガスボトル６にはヘリウムとアルゴンからなる混合ガスが封入されている。

また、イオン源ISは図示されているように、カソード２と対向するプラズマ生成容器１の端部に反射電極４を備えている。この反射電極４は、カソード２から放出された熱電子をカソード２側に追い返す為に使用される。さらに、プラズマ生成容器１の外部には一対の磁石８が設けられていて、この磁石８によって、プラズマ生成容器１の内部に磁場Ｂが生成されている。なお、ここではプラズマ生成容器１の外部に配置された磁石８は、永久磁石であることを想定しているが、これに代えて電磁石を用いてもよい。

イオン源を構成する各部には、様々な電源が接続されている。フィラメント３の端子間にはフィラメント電源Vfが接続されていて、この電源によって、フィラメント３に流す電流量の調整が行われる。また、フィラメント３とカソード２の間には、ヒート電源Vhが接続されていて、このヒート電源Vhによりカソード２の温度調整が行われる。さらに、カソード２とプラズマ生成容器３の間には、アーク電源Varcが接続されており、この電源によりカソード２とプラズマ生成容器１との間でのアーク放電が実現される。そして、プラズマ生成容器１と反射電極４の間には、サブアーク電源Vsubが接続されていて、この電源により反射電極４の電位調整が行われる。

プラズマ生成容器１内に供給されたガスは、カソード２から放出された熱電子により電離され、プラズマ生成容器１内にプラズマが生成される。このプラズマからＺ軸方向側に設けられた図示されないプラズマ生成容器壁面の引出開口部を通して、イオンビームの引き出しが行われる。

図２には、異なる希釈ガスの条件下でのヒート電圧の時間変化を表すグラフが描かれている。このグラフは、実験データを模式的に表したものである。

図２のグラフは、イオン源ISのヒート電源Vhの値を除いた各種パラメーター（ガス流量や各電源電圧の値）を一定に保っておいた上で、アーク電流（カソード２とプラズマ生成容器１間に流れる電流）が一定となるように、ヒート電源Vhの値を変化させた時の様子を表している。

また、図２には３種類のグラフが描かれているが、それぞれプラズマ生成容器１に供給されるガスの種類が異なっている。一点鎖線で描かれるグラフは二酸化炭素のみをプラズマ生成容器１に供給した場合を表し、破線で描かれるグラフは二酸化炭素に水素を混合したガスをプラズマ生成容器１に供給した場合を表し、実線で描かれるグラフは二酸化炭素にヘリウムを混合したガスをプラズマ生成容器１に供給した場合を表す。

通常、カソード２は、経時変化により減少するので、同じアーク電流を得ようとした場合、ヒート電源によって印加される電圧値は時間とともに大きくなる。しかしながら、ヒート電源の定格は電源の仕様により決定されているので、定格以上の電圧を印加することはできない。

図２のグラフより、ヒート電源の定格が８０Ｖの場合、希釈ガスなしでは約３６時間で所望するアーク電流を得ることが出来なくなる。同様に、希釈ガスとして水素を用いる場合では約４４時間で、希釈ガスとしてヘリウムを用いる場合では約５２時間で、それぞれ所望するアーク電流を得ることが出来なくなる。

この実験結果より、希釈ガスとしてヘリウムを用いた場合、水素を用いる場合に比べて、約１．２倍の時間、イオン源ISを安定稼働させることができる。つまり、イオン源ISの寿命が約１．２倍長くなる。この実験結果を考慮し、本発明では従来の特許文献１で用いられていた水素に代えて、ヘリウムをプロセスガスとの混合ガスとして用いている。何故、ヘリウムの方が水素よりも優れているかの理由については、原理的には明らかに解明されていないものの、水素を希釈ガスとして用いる場合と比較して、ヘリウムを希釈ガスとして用いることでイオン源IS内で生成されるプラズマの温度を下げることができ、これによりプロセスガスから分解された炭素とイオン源ISを構成する金属部材（図１の例では、カソード２や反射電極４等）との反応物の蒸発を抑制することができるものと考えられる。

図３には図１に記載のイオン源ISのカソード２近傍の拡大図が描かれている。傍熱型イオン源ISでは、カソード２から熱電子の放出が行われる。熱電子を効率的に放出させるには、カソード２を高温に保っておく必要がある。この目的を達成する為に、カソード２の周囲には環状の熱シールド１４が配置されている。この熱シールド１４はカソード２からの輻射熱を閉じ込めて、カソード２の温度を高温に保つために使用される。

図４には図３に記載のＡ−Ａ線による断面図が描かれている。カソード２の端部には環状の溝１２が形成されていて、ここにワイヤー１３が係止されている。カソード２のホルダーを兼ねる熱シールド１４は、一部がカソード２側に突出しており、この突出部分がワイヤー１３の下部に当接している。なお、イオン源ISにカソード２を取り付ける場合、Ｙ軸方向が鉛直下方となるので、熱シールド１４にワイヤー１３がひっかかる為に、カソード１２は熱シールド１４から脱落しない。また、カソード２の背面にはフィラメント３が配置されていて、フィラメント３と熱シールド１４はそれぞれ図示されないクランパーにより個別に支持されている。

水素を希釈ガスとして用いる場合に、カソード２や熱シールド１４の材料がタングステンであって、プロセスガスが炭素を含有していれば、炭素との反応によりカソード２や熱シールド１４の表面に炭化タングステンが生成される。この炭化タングステンは融点が比較的低く、高温のプラズマ生成容器１内では蒸発して、カソード２と熱シールド１４の間に形成された隙間に入り込み、そこでタングステンに戻ってしまうことが考えられる。

こうなると、熱シールド１４とカソード２が物理的に接触する。この接触面積が増加した場合、カソード２の熱が熱シールド１４を介して放熱されてしまうので、ヒート電圧をより高い値に設定しなければ同じアーク電流を得ることが出来なくなる。

一方、ヘリウムを混合ガスとして使用する場合、前述したようにイオン源IS内の金属部材と炭素との反応物の蒸発を抑制することができるので、カソード２と熱シールド１４との物理的な接触の発生を抑制して、カソード２の温度を高温に保っておくことが可能となる。このような事情から、水素に代えて、ヘリウムを混合ガスとして使用している。

これまでの実施形態では、安価で入手し易いことから、二酸化炭素をプロセスガスとして使用していた。二酸化炭素をプロセスガスとして使用し、ヘリウムを希釈ガスとして使用すると、次の点において格別な効果を得ることが出来る。

二酸化炭素がプラズマ化されると、Ｃ⁺イオンと同程度のＯ⁺イオンが生成される。このＯ⁺イオンがイオン源を構成する金属部材を酸化する原因となるが、ヘリウムを混合させた場合、Ｏ⁺イオンの生成を格段に抑制することができるので、イオン源内を構成する金属部材の酸化が抑制され、イオン源を長期に渡り安定稼働させることができる。

ヘリウムを希釈ガスとして用いても、イオン源を構成する金属部材上にはプロセスガスとの反応物が堆積する。この堆積物がイオン源の性能に悪影響を及ぼす為、図１に記載した構成のようにヘリウムと一緒にアルゴンを希釈ガスとして用いることが考えられる。アルゴンを混合させておくと、アルゴンによるスパッタ作用にて、前述の堆積物が大きな塊となるまでに取り除くことができる。なお、アルゴンに代えてキセノン等の他の希ガスを用いてもよい。アルゴンを用いる理由は、価格が比較的安価で入手し易く、質量数もある程度大きいといった理由による。

＜その他の変形例＞
プラズマ生成容器１の壁面も高融点金属で構成されていることから、この部分にプロセスガスとの反応物が堆積することが考えられる。堆積物が大きくなって、これが剥がれ落ちると、イオン源内に配置された電位の異なる部材間を短絡させてしまうことが懸念される。そこで堆積物の剥がれ落ちを抑制する為に、プラズマ生成容器１の壁面を凹凸状に加工しておいてもよい。

実験データから、ヘリウムと二酸化炭素の混合比としては同程度とし、アルゴンはそれよりも少なく、例えばヘリウムの30%以下にすることが望ましいことがわかっている。これは、ヘリウムを極端に増やし過ぎる（例えば、二酸化炭素の２倍以上にする）と、炭素イオンを含有するイオンビームの電流量が減少し、ヘリウムを減らし過ぎると金属部材の蒸発等の問題が生じてしまうからである。

前述の実施形態では、第一のガスボトル５に二酸化炭素が封入されていたが、これに代えて、一酸化炭素を用いるようにしてもよい。また、ガスボトルに代えて、シクロヘキサン、シクロペンテン等の炭化水素化合物が使用できるようなオーブンを用いるようにしてもよい。さらに、ジベンジルのような固体材料を用いるのであれば、ガスボトルの代わりに材料を高温に加熱することが可能なベーパライザーを用いて、材料を気化させてプラズマ生成容器１へ供給できるようにしておけばよい。

また、プラズマ生成容器１へのガスの供給路はプロセスガスと希釈ガスで別々に分けておく必要はない。例えば、各ガスボトルからの供給路を途中で接続しておき、最終的なプラズマ生成容器１へのガスの供給路を１つにしておいてもよい。また、希釈ガスを第二のガスボトル６内で初めから混合させておく必要はなく、ヘリウムとアルゴンを個別のガスボトルに封入しておき、各ガスを独立してプラズマ生成容器１内に供給するように構成しておいてもよい。

さらに、図１では、カソード２はプラズマ生成容器１の外側に配置されていたが、カソード１の配置はプラズマ生成容器１の内側に配置されていてもよい。

前述した以外に、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行っても良いのはもちろんである。

１ プラズマ生成容器
２ カソード
３ フィラメント
５ 第一のガスボトル
６ 第二のガスボトル
１４ 熱シールド

Claims (5)

1. 炭素イオンを含むイオンビームを発生させるイオン源であって、
   少なくとも炭素を含有するプロセスガスと少なくともヘリウムを含有する希釈ガスが供給されるプラズマ生成容器と、
   前記プラズマ生成容器の端部に容器壁面と電気的に離間するように配置され、熱電子を放出する熱電子放出部とを備えたイオン源。
2. 前記プロセスガスは二酸化炭素である請求項１記載のイオン源。
3. 前記希釈ガスはヘリウムガスとアルゴンガスからなる請求項１または２記載のイオン源。
4. 前記熱電子放出部は、前記プラズマ生成容器内に熱電子を放出するカソードと当該カソードを加熱するフィラメントからなる請求項１乃至３のいずれか一項に記載のイオン源。
5. 前記カソードの周囲には、環状の熱シールドが配置されている請求項４記載のイオン源。