JPH11142599A

JPH11142599A - イオン注入装置のためのリボンフィラメント及びその組立体

Info

Publication number: JPH11142599A
Application number: JP10259774A
Authority: JP
Inventors: Peter L Kellerman; ローレンスケラーマンピーター
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1997-09-16
Filing date: 1998-09-14
Publication date: 1999-05-28
Also published as: TW385477B; KR19990029596A; EP0911861A1; US5856674A

Abstract

(57)【要約】【課題】長さ方向に沿って均一な温度を与え、均一な熱
電子放出を供給するイオン注入装置のプラズマシャワー
用フィラメントを提供すること。【解決手段】熱電子放出用に、長さ、幅、及び厚さによ
り定められた構造を有する細長い本体からなるリボンフ
ィラメント86を備え、前記長さは、中央部分と、この両
側に位置する第１，第２端部とで構成され、中央部分の
幅は、第１，第２端部の部分よりも大きく、前記厚さ
は、フィラメントの全長に沿う幅よりもかなり小さい。
このリボンフィラメント86は、単一のらせんコイルで構
成され、第１，第２脚部85に取付られた第１，第２端部
分を有してそれぞれスロット内に配置される。好ましく
は、フィラメント86はタングステンで構成され、第１，
第２脚部85もまたタングステンで構成される。

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
注入装置の分野に関し、より特定すれば、イオン注入装
置における改良したプラズマシャワー用フィラメントに
関する。

【０００２】

【従来の技術】イオン注入装置は、集積回路の大規模製
造において、これまで半導体に不純物をドープするため
に、この産業界において良く用いられる技術となってき
た。一般的なイオン注入装置は、３つの部分またはサブ
システム、すなわち、(a) イオンビームを出力するため
のターミナルと、(b) このターミナルによって出力され
たイオンビームを指向しかつ調整するためのイオンビー
ムラインと、(c) 調整されたイオンビームによって注入
されるべき半導体ウエハを含むターゲット室とを含んで
いる。

【０００３】ターミナルは、正に帯電したイオンのビー
ムが引き出されるイオン源を含む。ビームラインの構成
部品は、ターゲットウエハに向かう途中で、引き出され
た正電荷イオンビームのエネルギーレベルとその集束を
調整する。

【０００４】このようなイオン注入装置を使用する場合
の問題点は、ウエハのチャージングの問題である。正電
荷イオンビームは、ターゲットウエハに衝突しつづける
ので、ウエハの表面は、好ましくない過度の正電荷が蓄
積する。この蓄積された正電荷は、ウエハの表面を横切
る方向における電荷の分配がしばしば不均一となる。ウ
エハ表面に生じた電界は、ウエハ上の微小回路に損傷を
与える。この蓄積された表面電荷の問題は、注入される
回路要素が小さくなればなるほど大きくなる。その理由
は、より小さな回路要素は、電界により生じるダメージ
をより多く受けるからである。

【０００５】このウエハのチャージング現象の公知の解
決法は、プラズマシャワーを用いることである。一般的
に、プラズマシャワーは、アーク室とプラズマ室を有
し、アーク室内で不活性ガスがイオン化して、少なくと
も部分的に低エネルギーの電子を含むプラズマを生じ、
このプラズマがアーク室から引き出されプラズマ室を通
ってイオンビームを通過させるようになっている。この
プラズマ室は、この室内で電気的に熱せられて高エネル
ギーの電子を熱電子放出するフィラメントを含んでい
る。

【０００６】高エネルギーの電子が不活性ガス分子と衝
突して、プラズマを作り出し、イオンビーム内に捕捉さ
れる低エネルギーの電子を含むプラズマを作り出す。捕
捉される低エネルギーの電子は、これにより、イオンビ
ームの正味電荷を中性化し、そして、イオンビームがウ
エハ表面に衝突するとき、ウエハ上に正電荷が蓄積され
るのを減少させる。

【０００７】このようなシステムは、ファーレイ(Farle
y)の米国特許第４，８０４，８３７号明細書に示されて
おり、この特許は、本発明の譲受人に譲渡され、ここに
参考として包含されている。

【０００８】正電荷のイオンビームを中和するためのプ
ラズマシャワーは、一般的に全長に沿って均一な断面積
を有する、らせんコイルまたはピグテイル(pigtail) 型
フィラメントを用いて、熱電子を放出させる（例えば、
ロバートソン(Robertson) 他の米国特許第４，４６３，
２５５号及び伊藤(Ito) 他の米国特許第５，３９９，８
７１号を参照）。

【０００９】しかし、このようならせんコイルフィラメ
ントは、作業上いくつかの障害を呈する。例えば、コイ
ルフィラメントの均一な断面積によって、その長さ方向
に沿う均一な抵抗を与え、そのために、その長さ方向に
沿って対応した均一な熱の発生を伴う。（すなわち、フ
ィラメントの中央部分に導かれる熱と同量の熱が、フィ
ラメントの脚部または両端部に導かれる。）こうして、
フィラメントの両端部（脚部）は、フィラメントにおけ
る熱の伝導／消散の全量のかなりの部分を占める。さら
に、ピグテイルフィラメントの均一な断面積は、フィラ
メントの長さ方向に沿って、コイルの中央部（最も熱い
部分）からコイルの脚部（最も冷たい部分）への温度勾
配の確定に影響する。

【００１０】電子放出は、空間電荷に制限されるので、
好ましい電子放出をもたらすためにフィラメントの大き
な熱電子放出面積が必要となる。フィラメントの十分な
面積を、熱電子放出を達成するのに必要とされる温度に
まで高めるために、フィラメントの温度勾配の範囲で、
一般的にコイル長さの中央部分近くに、「ホットスポッ
ト(hot spot)」を作り出す必要がある。熱電子放出率
は、この中心部近くの方がコイルの長さ方向に沿うより
低温度の領域よりも大きい。

【００１１】タングステン（Ｗ）等のフィラメント材料
の蒸発は、熱電子放出率に対して指数関数的に変化する
ので、ウエハの表面へ向かう通路で見つけることができ
るホットスポットでタングステンの蒸発が多く生じ、そ
の結果、ウエハを汚染する。る。さらに、ホットスポッ
ト近くでタングステンの高率の蒸発により、コイルフィ
ラメントの作業上の寿命が減少する。

【００１２】標準のピグテイル型フィラメントの長さ方
向に沿ってタングステンの不均一な蒸発は、ウエハの汚
染、フィラメント自体の化学的汚染を生じさせる。例え
ば、高温のタングステンフィラメントは、イオン注入中
にフォトレジスト被膜のウエハからガス放出される窒素
（Ｎ）と化学的に結合し、フィラメント上に二窒化タン
グステン（ＷＮ2 ）を形成する。フィラメント上に形成
された二窒化タングステンは、熱電子放出率を減少させ
る。好ましいレベルの放出率を回復するために、フィラ
メントにより多くの電流を供給する必要があり、このた
めさらにその効率と寿命が減少する。

【００１３】標準コイルフィラメント（即ち、その長さ
方向にわたり円形断面）のほぼ円筒形状の本体は、高い
熱伝導性と熱容量により特徴づけられるフィラメントを
形成する。このようなフィラメントは、対応する電流変
化に応答して迅速な熱電子放出を示さない。フィラメン
トの迅速な応答によって、ガス放出の期間中フィラメン
ト電流を制御できることは重要である。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、フィラメントの長さ方向に沿って均一な温度を
与えて、対応した均一な熱電子放出を供給するイオン注
入装置のプラズマシャワー用フィラメントを提供するこ
とである。

【００１５】さらに本発明の目的は、熱電子放出が入力
電流における変化に迅速に応じるような低い熱容量と熱
導電性を有するプラズマフィラメントを提供することで
ある。

【００１６】さらに、本発明の目的は、活動的な中央部
分から脚部に向かう熱伝導性を減少するとともに、この
中央部分で十分な放出面積を維持し、中央部分に熱発生
が集中し、脚部に伝導されないようにする、プラズマフ
ィラメントを提供することである。

【００１７】さらにまた、本発明の目的は、フィラメン
ト境界面の回りにガスを漏出させるような電位を減じる
プラズマシャワー用フィラメントを提供し、かつこのフ
ィラメントが内部に取付られるプラズマガス室を提供す
ることである。

【００１８】

【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備えている。本発
明の好ましい実施形態は、以下に記載される。本発明の
リボンフィラメントは、熱電子放出装置として設けられ
る。このフィラメントは、長さ、幅、及び厚さにより定
められた構造を有する細長い本体からなる。前記長さ
は、中央部分と、この中央部分の両側に位置する第１，
第２端部とで構成され、前記中央部分の幅は、前記第
１，第２端部の部分よりも大きく、前記厚さは、前記フ
ィラメントの全長に沿う幅よりもかなり小さくなってい
ることを特徴とする。したがって、リボンフィラメント
は、長さ方向全体にわたりその断面積が不均一となる。

【００１９】好ましい実施形態によれば、リボンフィラ
メントは、単一のらせんコイルとして形作ることがで
き、このコイルは、それぞれ第１，第２脚部に取付られ
た第１，第２端部分を有し、これらの端部分がそれぞれ
スロット内に配置される。好ましくは、フィラメント
は、タングステンで構成され、第１，第２脚部もまたタ
ングステンで構成される。

【００２０】

【発明の実施の形態】次に図面を参照すると、図１は、
全体を１０で示したイオン注入装置を開示しており、こ
れは、ターミナル１２と、ビームライン組立体１４と、
ターゲット、即ち、端部ステーション１６を備えてい
る。一般的に、ターミナル１２は、イオンビームを出力
し、ビームライン組立体１４は、イオンビームの焦点と
エネルギーレベルを調整し、かつ端部ステーション１６
に配置されたウエハＷに向かってイオンビームを指向さ
せる。

【００２１】ターミナル１２は、イオン源１８を含み、
このイオン源は、ガスボックス２０からドーパントガス
を噴射する室を有する。エネルギーは、イオン化可能な
ドーパントガスに分与されてイオン室内で正イオンを発
生する。高電圧源２４により出力される引出し電極２２
は、イオン室から正イオンのビーム２６を引出し、引き
出されたイオンを質量分析磁石２８に向けて加速する。

【００２２】質量分析磁石２８は、適当な電荷／質量比
のイオンだけをビームライン組立体１４へ進ませること
ができる。質量分析磁石２８により設けられるビーム通
路２９は、真空ポンプ３０によって排気される。

【００２３】ビームライン組立体１４は、直角レンズ(q
uadrature lens) ３２、フラグファラデー３４、プラズ
マシャワー３６、さらに、任意選択可能なイオンビーム
加速／減速電極（図１では図示略）を含んでいる。直角
レンズ３２は、ターミナル１２によってイオンビーム出
力を集束させる。そして、フラグファラデー３４は、シ
ステム立ち上げ時のイオンビーム特性を測定する。

【００２４】プラズマシャワー３６は、新規なフィラメ
ント組立体を含み、更に、以下で説明される。加速／減
速電極は、集束したイオンビームをターゲットステーシ
ョン１６において、ウエハにイオン注入する前の所望の
エネルギーレベルに加速したり減速したりするのに用い
られる。ビームライン組立体１４によって設けられたビ
ーム径路を真空排気するために真空ポンプ３８が設けら
れる。

【００２５】ターゲットステーション１６は、複数のタ
ーゲットウエハがその上に取り付けられる１つのディス
ク４０と、このディスクに回転動作を与える回転駆動機
構４２と、ディスクに線形動作を与える線形駆動機構４
４とを含んでいる。また、ロボットアーム４６は、ウエ
ハをロードロック室４８を介してディスク４０上に載置
する。この装置の動作は、ターゲットステーション１６
の端部に配置されたオペレータ制御ステーション５０に
よって制御される。

【００２６】プラズマシャワー３６は、図２に詳細に示
されており、電磁式反射器６０とフラッドガン(flood g
un) 組立体６２を含む。電磁式反射器６０は、イオンビ
ームが通過する開口６６を備えるバイアスされた電極６
４を有し、この電極が２つの接地電極６７，６８の間に
挟まれている。

【００２７】接地電極６７，６８は、永久磁石によって
形成されている。電源ＰＳ１は、バイアス電極６４に−
１ｋＶ〜−３ｋＶの間の電圧を加える。電磁式反射器６
０は、電子が上流のターミナル１２の方に戻るようなド
リフトを防止する。ビームが低エネルギーにあるとき、
バイアス電極６４は、ターンオフされ、その結果、反射
器６０は磁気反射のみ行って伝達電力損失をなくすよう
にする。

【００２８】フラッドガン組立体６２は、アーク室７
０、ビーム室チューブ７２、及び延長チューブ７４を含
む。アーク室内には、フィラメント組立体７６が設けら
れ、この組立体は、図３〜図６に見られるように、フィ
ラメント８６を含んでいる。フィラメント８６は、熱電
子放出温度（約２６００°Ｋ）に電気的に加熱される。
フィラメント電流は、フィラメント用電源ＰＳ２（約−
５Ｖ）によって与えられる。アーク電流は、アーク電源
ＰＳ（約−２５Ｖ〜−３５Ｖ）によってフィラメント８
６とアーク室壁７８との間を流れ、その結果、フィラメ
ント８６と壁７８の間に生じる電位差は、約−２０Ｖ〜
−３０Ｖである。この電圧は、フィラメントの回りに形
成する薄いプラズマシース(plasma sheath) 間に現れ、
フィラメントからの熱電子流が６アンペアまで引き出す
ことができる電界を与える。

【００２９】アルゴン等の供給源８０からの不活性ガス
は、従来公知の入口バルブ８１と質量流量コントローラ
８２によって室７０内に噴射される。低エネルギーの電
子を含む高密度のプラズマは、フィラメント８６によっ
て放出されたより高いエネルギーの電子と衝突する不活
性ガス分子によってアーク室７０内に発生する。この高
密度のプラズマは、両極性拡散(ambipolar diffusion)
工程を介してアーク室壁７８に設けた小さな開口を通っ
て拡散する。

【００３０】定電圧源（１２Ｖより小さい）ＰＳ４は、
引出し開口に電位を印加して、拡散工程を加速する。こ
の拡散された高密度のプラズマは、ビームプラズマと相
互作用してビームプラズマを高める。高密度のプラズマ
内の低エネルギー電子は、一般的に正に帯電したイオン
ビーム内に捕捉されるようになり、ビームの正味電荷を
中性化する。そして、イオンビームがウエハ表面に衝突
するとき、ウエハＷ上に蓄積する正電荷が減少する。

【００３１】図３〜図５では、フィラメント組立体７６
が詳細に示されている。この組立体７６は、一対の脚部
８５と、単一のコイルリボンで形成されたフィラメント
８６とを含んでいる（図６において、まだコイルされて
いない状態で分離して示されている。）。好ましい実施
形態では、この脚部８５は、タングステンから作られ、
フィラメント８６もタングステンから作られている。タ
ングステン脚部８５の各々は、シャフト８８と、このシ
ャフトよりも径が太い末端部９０とを有する。肩部９２
は、この末端部９０からシャフト８８を分離する。

【００３２】フィラメント組立体７６は、プラズマシャ
ワー３６内に設けられており、太い末端部９０がアーク
室７０内に全体的に配置され、かつシャフト８８がこの
アーク室壁７８を通過して伸び、そして電源ＰＳ２に導
体を介して接続されている。これにより、脚部８５上の
肩部９２が壁７８の内部にある。分子が逃げるとき、脚
部室の境界を通過する不活性ガスの漏れを、この肩部９
２によって最小にする。それは、ガス分子が逃げるため
には、壁７８に沿う第１方向（シャフトの軸線に対して
直交する）に先ず移動し、次にシャフトの軸線に沿う第
２方向に移動しなければならないからである。

【００３３】リボンフィラメント８６（図６参照）は、
単一のコイルに形成され、その両端部が、脚部８５の末
端部に設けたスロット９４内に嵌め込んで、その場所に
電子ビームを統合する。リボンフィラメント８６自体
は、２つの細い端部分（第１，第２端部分）９８の間に
幅広の中央部分９６を有する。この中央部分９６は、十
分な表面積を有し、ここから熱電子放出が起こる。１つ
の実施例では、リボンフィラメント８６は、長さが約
５．０〜６．０ｃｍ、幅が２．０〜３．０ｃｍ、厚さが
約０．５ｃｍである。

【００３４】フィラメントの細い端部９８における小さ
な断面積は、広い中央部分９６から脚部８５への熱の伝
導率を減少させる。この一様でない断面積の形状は、ま
たフィラメントの全長に沿って公平な熱の消散をもたら
し、そのためフィラメント内に熱くなった個所が形成さ
れることがない。このようなリボンフィラメントの幅を
作ることにより、均一な温度がフィラメント長さ全体に
わたって得られ、これにより、リボンフィラメントから
の熱電子放出が均一となり、タングステンの蒸発が高く
なるのを避けることができる。、フィラメント８６の長
さに沿って熱くなった個所が形成されてないので、ウエ
ハのタングステン汚染が最小化される。例えば、新規な
フィラメントを用いると、処理されたウエハ上のタング
ステン汚染のレベルを下げることができ、従来のフィラ
メントでは、その汚染が５０ｐｐｍより大きいものが、
５ｐｐｍ以下になる。さらに、フィラメント上での熱く
なった個所が除去されることから、十分な電子放出が可
能となり、比較的低エネルギーレベルで作動できる。

【００３５】本発明のフィラメント組立体７６の電力消
費は、公知のプラズマシャワーフィラメントでは約７０
０ワットの消費に対して、３００ワット程度である。こ
のフィラメント組立体７６によって発生／消散されるパ
ワー（熱）の大部分は、脚部ではなくフィラメント８６
によって消費される。これは、フィラメントの電気抵抗
が脚部のそれよりも大きいからである。

【００３６】さらに、フィラメント８６のリボン形状
は、円形断面の公知のピグテイル(pigtail) 型フィラメ
ントよりも熱伝導率と熱容量が小さい。ここで用いられ
る「リボン」フィラメントは、例えば、円形断面である
公知のフィラメントに対立するものとしてその長さ方向
に沿って、一方の寸法（例えば、幅）が他方の寸法（例
えば、厚さ）よりもかなり大きくなるような断面積を有
するフィラメントを意味している。

【００３７】したがって、リボンフィラメントは、公知
のフィラメントよりも入力電力の変化に対する熱応答性
がより高い。その結果、フィラメント電流源（ＰＳ２）
及びアーク電流源（ＰＳ３）は、ウエハのガス放出時の
起こる電流変化（例えば、アーク電流のドロップアウ
ト）、およびフィラメント上に二窒化タングステン(tun
gsten dinitride)が形成されることから生じる熱電子放
出での変化に、共に迅速に反応できる。

【００３８】したがって、上記において、イオン注入装
置のプラズマシャワーの改良されたフィラメントの好ま
しい実施形態を説明してきた。しかし上記記載におい
て、これら記載は、例示として示されたものであり、本
発明は、ここに記載の特定の実施形態に限定されるもの
ではなく、種々の再構成、修正、及び置換は、付随する
特許請求の範囲及びこれらの同等のものによって限定さ
れた本発明の範囲から逸脱しない範囲において包含でき
るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理に従って構成されたフィラメント
組立体の一形態を含むプラズマシャワーを有しているイ
オン注入装置の平面図である。

【図２】図１のイオン注入装置のプラズマシャワーの拡
大平面図である。

【図３】本発明の原理に従って構成された図２のプラズ
マシャワーに用いられるフィラメント組立体の平面図で
ある。

【図４】図３のフィラメント組立体の側面図である。

【図５】図３のフィラメント組立体の端面図である。

【図６】図３〜図５のフィラメント組立体の細長く伸び
たフィラメント部分の取付け前の状態を示す平面図であ
る。

【符号の説明】

１０イオン注入装置１２ターミナル１４ビームライン組立体１６ターゲットステーション６２フラッドガン組立体６４バイアス電極６７，６８接地電極７６フィラメント組立体８５脚部８６リボンフィラメント９２肩部９４スロット９６中央部分９８端部分

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 390033020 ＥａｔｏｎＣｅｎｔｅｒ，Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ，Ｏｈｉｏ 44114，Ｕ．Ｓ．Ａ.

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱電子放出装置用のリボンフィラメント(8
6)であって、長さ、幅、及び厚さにより定められた構造を有する細長
い本体からなり、前記長さは、中央部分(96)と、この中
央部分の両側に位置する第１，第２端部分(98)とで構成
され、前記中央部分の幅は、前記第１，第２端部分より
も大きく、前記厚さは、前記フィラメントの全長に沿う
幅よりもかなり小さくなっていることを特徴とするリボ
ンフィラメント。
【請求項２】前記フィラメントは、単一のらせんコイル
として形作られていることを特徴とする請求項１記載の
リボンフィラメント。
【請求項３】前記フィラメントは、タングステンからな
ることを特徴とする請求項１記載のリボンフィラメン
ト。
【請求項４】前記長さは、約５．０ｃｍ〜６．０ｃｍの
範囲にあり、前記幅は、約２．０ｃｍ〜３．０ｃｍの範
囲にあり、前記厚さは、約０．５ｃｍであることを特徴
とする請求項１記載のリボンフィラメント。
【請求項５】(i) 長さ、幅、及び厚さにより定められた
構造を有する細長い本体からなり、前記長さは、中央部
分(96)と、この中央部分の両側に位置する第１，第２端
部分(98)とで構成され、前記中央部分の幅は、前記第
１，第２端部分よりも大きく、前記厚さは、前記フィラ
メントの全長に沿う幅よりもかなり小さくなっている、
熱電子放出装置用のリボンフィラメント(86)と、(ii)
前記第１，第２端部分(98)にそれぞれ取付けられた第
１，第２の脚部(85)とを含むことを特徴とするフィラメ
ント組立体。
【請求項６】前記フィラメント(86)は、単一のらせんコ
イルとして形作られていることを特徴とする請求項５記
載のフィラメント組立体。
【請求項７】前記フィラメント(86)は、タングステンか
らなり、前記第１，第２の脚部もタングステンからなる
ことを特徴とする請求項５記載のフィラメント組立体。
【請求項８】前記第１，第２の脚部は、スロット(94)を
備えており、このスロット内に前記第１，第２の端部分
(98)が挿入されることを特徴とする請求項５記載のフィ
ラメント組立体。
【請求項９】前記脚部(85)の各々には、シャフト(88)
と、肩部(92)によって分離された末端部(90)とが設けら
れていることを特徴とする請求項５記載のフィラメント
組立体。
【請求項１０】前記末端部(90)は、前記シャフト(88)よ
りも径が太いことを特徴とする請求項９記載のフィラメ
ント組立体。