CN103681183B - 离子生成方法以及离子源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种离子生成方法以及离子源。所述离子生成方法为抑制自由基对构成离子源的电弧室的作用的技术。离子生成方法为利用具备由高熔点材料构成的电弧室的直流放电型离子源的离子生成方法，其包括：离子产生工序，该工序使源气体的分子与热电子在电弧室内碰撞而引起等离子体放电，从而产生离子；以及反应工序，该工序使得在离子产生工序中产生的自由基与配置成覆盖电弧室内壁的至少一部分的衬套进行反应。衬套由比所述电弧室更容易与源气体分解时所产生的自由基反应的材料构成。

Description

离子生成方法以及离子源

本申请主张基于2012年8月28日申请的日本专利申请第2012-187168号的优先权。其申请的所有内容通过参考援用于本说明书中。

技术领域

本发明涉及一种离子生成方法以及离子源。

背景技术

在半导体制造工序中，以改变导电性为目的、改变半导体晶片的结晶结构为目的等，对半导体晶片注入离子的工序正在被规范地实施。在该工序中使用的装置通常被称作离子注入装置。

作为这种离子注入装置中的离子源，已知有直流放电型离子源。直流放电型离子源通过直流电流加热灯丝而产生热电子，阴极通过该热电子而被加热。并且，从被加热的阴极产生的热电子在电弧室内被加速，且与被导入的源气体分子碰撞，由此源气体分子中含有的原子被离子化（参考专利文献1）。

专利文献1：日本专利第3516262号公报

然而，作为被导入电弧室内的源气体分子，多使用氟化物或氯化物等卤化物。卤化物的源气体分子在离子化过程中产生卤自由基，该卤自由基作用于构成离子源的部件，例如对电弧室内壁的金属材料并进行化学结合。并且，进行化学结合的金属材料与源气体分子一同被离子化，并作为离子束从离子源被引出。

其结果，电弧室内壁的金属材料作为离子而被注入到半导体晶片中，存在晶片被金属等杂质离子污染的忧虑。尤其，在直流放电型离子源的情况下，电弧室内成为高温，因此有时在电弧室内壁中使用钼（Mo）、钨（W）、钽（Ta）等高熔点金属，然而，为了提高半导体元件的性能，希望尽可能降低缘于这些高熔点金属的污染。

发明内容

本发明是鉴于这种情况而完成，其目的在于提供一种抑制自由基对构成离子源的部分，尤其是对电弧室的作用的技术。

为了解决上述课题，本发明的一种方式的离子生成方法为使用具备由高熔点材料构成的电弧室的直流放电型离子源的离子生成方法，其包括：离子产生工序，该工序使源气体分子与热电子在电弧室内碰撞而引起等离子体放电，从而产生离子；反应工序，该工序使得在离子产生工序中产生的自由基与配置成覆盖电弧室内壁的至少一部分的衬套进行反应。衬套由比电弧室更容易与源气体分解时所产生的自由基反应的材料构成。

本发明的另一方式为离子源。该离子源具备：由高熔点材料构成的电弧室；向电弧室内放出热电子的热电子放出部；向电弧室内导入源气体的气体导入口；覆盖电弧室内壁的至少一部分的衬套；以及引出在电弧室内产生的离子的开口部。衬套由比电弧室更容易与源气体分解时产生的自由基反应的材料构成。

另外，即使将以上构成要件的任意组合、本发明的构成要件或表现，在方法、装置、系统等之间彼此置换，作为本发明的方式也有效。

发明效果

根据本发明，能够保护构成离子源的电弧室不受自由基的影响。

附图说明

图1是表示第1实施方式所涉及的离子源的电弧室内部的示意图。

图2是表示图1所示的离子源的A-A剖面的示意图。

图3是表示第2实施方式所涉及的离子源的电弧室内部的示意图。

图4是表示第3实施方式所涉及的离子源的电弧室内部的示意图。

图5是表示第4实施方式所涉及的离子源的电弧室内部的示意图。

图6是表示第5实施方式所涉及的离子源的电弧室内部的示意图。

图7是表示图6所示的离子源的C-C剖面的示意图。

图中：10-离子源，12-电弧室，12a-衬套包覆区域，12b-露出区域，14-热电子放出部，16-衬套，18-反射极，20-抑制电极，22-接地电极，24-气体导入口，26-前狭缝，28-灯丝，30-阴极，32-反射板，34-灯丝电源，36-阴极电源，38-电弧电源，40-热电子，42-等离子体，82-回流电子，84-回流照射部。

具体实施方式

以下，参考附图，对用于实施本发明的方式进行详细说明。另外，对于附图说明中的相同的要件附加相同的符号，适当地省略重复说明。并且，以下叙述的结构为示例，丝毫不限定本发明的范围。

（第1实施方式）

图1是表示第1实施方式所涉及的离子源的电弧室内部的示意图。图2是表示图1所示的离子源的A-A剖面的示意图。

第1实施方式所涉及的离子源10为直流放电型离子源，其具备电弧室12、热电子放出部14、衬套16、反射极18、抑制电极20、接地电极22以及各种电源。

电弧室12中形成有导入源气体的气体导入口24、和作为引出离子束的开口部的前狭缝26。

热电子放出部14向电弧室内放出热电子，且具有灯丝28和阴极30。反射极18设置在与热电子放出部14对置的位置上，且具有反射板32。阴极30和反射板32对置且大致平行地设置。衬套16设置成覆盖电弧室12的内壁。

灯丝28被灯丝电源34加热且在前端产生热电子。由灯丝28产生的（1次）热电子被阴极电源36加速并与阴极30碰撞，通过该碰撞时产生的热量加热阴极30。被加热的阴极30产生（2次）热电子40，该（2次）热电子40通过由电弧电源38在阴极30与电弧室12之间施加的电弧电压而被加速，且作为具有使气体分子电离所需的足够的能量的电子束而向电弧室12内放出。

另一方面，离子源10在连接阴极30和反射极18的轴向上被施加由源磁场线圈感应产生的外部磁场B。并且，由于与放出电子束的阴极30对置设置有反射极18，因此电子束沿磁场B在阴极30与反射极18之间往复移动，与导入电弧室12中的源气体分子碰撞电离并产生离子，在电弧室12内生成等离子体42。电子束通过施加磁场而存在于几乎被局限的范围内，因此离子主要在该范围内生成，通过扩散而到达电弧室12内壁、前狭缝26、阴极30以及反射极18，在壁面消失。

本实施方式所涉及的离子源10为放出（2次）热电子40的直流放电型离子源，电弧室12内部的温度变得非常高。因此电弧室12由高熔点材料构成，具体而言，由钨（W）、钼（Mo）、钽（Ta）等高熔点金属或它们的合金、石墨（C）等构成。从而，即使在如直流放电型离子源那样电弧室内部的温度变得比较高的环境下，也能够使电弧室不易熔化。

作为源气体，使用Ar等稀有气体或H₂、PH₃、AsH₃等氢化物、BF₃、GeF₄等氟化物或InCl₃等氯化物（卤化物）、CO₂、CO等氧化物。这些源气体被导入电弧室12中，通过（2次）热电子40被离子化，若被激发的离子入射于电弧室12内壁、前狭缝26、阴极30、反射极18而进行碰撞，则使各部分的构成材料（W、Ta、Mo、石墨等）通过溅射而磨耗。并且，当源气体为氟化物的情况下，例如为BF₃的情况下，通过离子化而生成B⁺、BF⁺、BF²⁺、F⁺、F²⁺，若这些离子在电弧室12内部的壁面被中性化，则生成F、F₂等高反应性氟自由基（通常在半导体制造工艺的Si或SiO₂膜的蚀刻中使用）。

氟自由基与构成离子源10的部件的材料化学结合，成为WF_x、TaF_x、MoF_x、CF_x等氟化物。这些氟化物在较低温度下被气化，因此在电弧室内与导入源气体一同被离子化，且作为W⁺、Ta⁺、Mo⁺等离子束而与导入源气体的主离子束一同被引出。

另一方面，近来在离子注入时，为了提高半导体元件的性能，对降低由如高熔点金属之类的重金属离子（W⁺、Ta⁺、Mo⁺等）引起的金属污染（Metal contamination）提出了严格的要求。然而，如同上述，不优选离子源气体中所含有的氟与构成离子源的电弧室12等高熔点材料进行化学结合而气化，并作为污染离子从电弧室12引出。

并且，作为离子束而被引出的这些重金属离子，在射束线内堆积的同时，其一部分到达离子注入部而引起注入晶片的重金属污染，降低半导体元件的成品率。另外，氟自由基使高温离子源的构成物（阴极、反射极、前狭缝、电弧室等）在短时间内被蚀耗的同时，堆积在局部高温部件上，引起绝缘不良等不良情况。因此，需要频繁地更换各部件，缩短离子源或具备离子源的离子注入装置的维修周期，且降低其生产效率。

于是，经过本发明人深入研究的结果而想出以下技术。即，想到了通过有效地降低在高温离子源内产生的源物质的氟化物、氯化物等卤化物所产生的高反应性自由基，以免其与构成离子源的由高熔点金属构成的电弧室12化学结合，来能够抑制离子束中所含的离子源10的构成部件所产生的重金属离子这一点。并且，通过该技术，以电弧室12为代表的构成离子源10的部件的损耗得到抑制，也能够实现延长离子源10的寿命。

考虑这种见解，本实施方式所涉及的离子生成方法为，使用具备由高熔点材料构成的电弧室12的直流放电型离子源10的离子生成方法。该离子生成方法包括：离子产生工序，该工序使源气体分子与热电子40在电弧室12内碰撞而引起等离子体放电，从而产生离子；以及反应工序，该工序使得在离子产生工序中产生的自由基与配置成覆盖电弧室12的内壁的至少一部分的衬套16进行反应。衬套16由比电弧室12更容易与源气体分解时所产生的自由基反应的材料构成。

由此，在离子源10中，通过自由基与衬套16的反应，电弧室12内的自由基减少，自由基对于除衬套16以外的构成离子源的部分，例如电弧室12、反射极18、前狭缝26以及阴极30的作用减少。因此，例如对于电弧室12的作用得到抑制，从而能够减少电弧室12中所含有的高熔点材料作为离子而从前狭缝26被引出的现象。

本实施方式所涉及的源气体为卤化物或氧化物气体。具体而言，源气体为选自包括BF₃、GeF₄、PF₃、InCl₃、InI、InBr、CO₂以及CO的组的至少一种气体。这些气体即使在高温下也能够维持气体状态，因此适合作为直流放电型离子源中的源气体。

若这些源气体中的卤化物，例如BF₃、GeF₄等氟化物被导入离子源10的电弧室12中，则如同上述，在电弧室12内被等离子化以获得所希望的掺杂离子，生成各种离子。例如，在BF₃的情况下，所生成的离子为B⁺、BF⁺、BF²⁺、F⁺、F²⁺，这些离子的一部分从前狭缝26的开口部被引出且被质量分离，只有B⁺或BF²⁺被注入到半导体元件中。然而，大部分离子流入电弧室12、阴极30以及反射极18的表面而被中性化。

在这些离子中，F⁺、F²⁺被中性化，成为F或F₂的氟自由基。尤其是高反应性氟自由基吸附于电弧室12的内壁，与壁面部件（W、Mo、Ta以及C等）化学结合，产生WF_x、MoF_x、TaF_x、CF_x等。这些氟化物在几百度以下的较低温度下进行气化，因此在进行离子源10产生离子的运行时，从达到600℃以上（或者1000℃以上，或者1500℃以上）的电弧室12内的壁面气化而蚀耗电弧室12的内壁。

已气化的氟化物引起所谓卤素循环，即进而在高温的阴极30的周边或反射极18的表面进行热分解，F进行离解，W、Mo、Ta以及C等进行堆积。若在电弧室12内引起缘于氟自由基的蚀耗或堆积，则如同上述，因部件形状的改变，或因初期间隙的降低等而引起绝缘不良或射束性能下降。

于是，本实施方式中，为了有效地去除这种自由基，作为衬套16的材料，使用熔点比W、Mo、Ta以及C等高熔点材料低的硅（Si）。在半导体工艺中的结晶Si或多晶Si（Polysilicon）的蚀刻中，经常使用CF₄的等离子体，与高熔点金属或碳（C）相比，Si相对于CF₄等离子体中的氟自由基或CF₂自由基的选择性非常高。

此时的反应可表示成Si（固体）+4F→SiF₄（气体）。

即，由Si构成的衬套16发挥比高熔点材料更容易被蚀刻的牺牲材料的功能。并且衬套16的Si作为SiF₄气体而排出，有效地进行Si的蚀刻。相反，若将Si设置在产生氟自由基的部位，则也能够有效地去除氟自由基。另外，自由基为氧自由基的情况下也相同。并且，排出气体中也可以含有SiF₃、SiO、SiO₂等硅化合物气体。

如此本实施方式所涉及的离子形成方法还包括排气工序，该工序中将在上述反应工序中生成的自由基和作为衬套材料的Si的化合物气体（SiF₄）从离子源10排出。从而，能够将自由基作为化合物气体而向电弧室12的外部有效地排出。

在反应工序中使用的衬套16，除了上述Si以外，也可以是含锗（Ge）或碳化硅（SiC）的材料。另外，优选Si的纯度为99.999%以上。

另外，Si也可以是单晶硅。由于单晶硅通过例如自由基而被蚀刻的速度快，因此能够使自由基更有效地变为化合物气体。并且，单晶硅也可以配置成与在电弧室内产生的等离子体对置的面成为（100）面。由于单晶硅的（100）面通过自由基而被蚀刻的速度快，因此能够使自由基更有效地变为化合物气体。

并且，硅也可以是多晶硅或非晶硅。与单晶硅相比，多晶硅或非晶硅被蚀刻的速度慢，因此能够延长衬套的寿命。

并且，若以其他方式表现本实施方式，则离子源10具备：由高熔点材料构成的电弧室12；向电弧室12的内部放出热电子的热电子放出部14；将源气体导入电弧室12内的气体导入口24；覆盖电弧室12的内壁的至少一部分的衬套16；以及引出在电弧室12内产生的离子的前狭缝26。衬套16由比电弧室12更容易与源气体分解时所产生的自由基反应的材料构成。

并且，衬套16的至少一部分也可以与电弧室12接触。由此，经由电弧室能够将衬套的热量向外部放出。

另外，也可以不设置与电弧室12不同部件的衬套16，而将Si、Ge等材料涂布于电弧室12、离子源10的其他构成部件的内壁侧表面。此时，其材料可适当地选自单晶、多晶以及非晶中的任一种。

（第2实施方式）

图3是表示第2实施方式所涉及的离子源的电弧室内部的示意图。第2实施方式所涉及的离子源50的衬套形状与第1实施方式所涉及的离子源10不同。

在离子源50中，电弧室12具有在热电子放出部14附近被衬套52覆盖的衬套包覆区域12a、和未被衬套52覆盖的露出区域12b。由于热电子放出部14附近容易产生自由基，因此通过在热电子放出部14附近配置衬套52，能够有效地去除自由基。另一方面，通过设置未被衬套覆盖的露出区域12b，能够减少衬套52的量，并抑制衬套52的材料产生过多的离子束。

（第3实施方式）

图4是表示第3实施方式所涉及的离子源的电弧室内部的示意图。第3实施方式所涉及的离子源60的衬套形状与第1实施方式所涉及的离子源10不同。

在离子源60中，电弧室12具有在与热电子放出部14对置的反射极18附近被衬套62覆盖的衬套包覆区域12a、和未被衬套62覆盖的露出区域12b。由于反射极18附近容易产生自由基，因此通过将衬套62配置于反射极18的附近，能够有效地去除自由基。另一方面，通过设置未被衬套62覆盖的露出区域12b，能够减少衬套62的量并抑制衬套62的材料产生过多的离子束。

（第4实施方式）

图5是表示第4实施方式所涉及的离子源的电弧室内部的示意图。在离子源70中，电弧室12具有在前狭缝26的周边部未被衬套覆盖的露出区域12b。衬套72通过自由基被蚀刻而减少。因此若设置衬套直到前狭缝26的边缘，则开口部附近的形态经时间而发生变化，存在从前狭缝26被引出的离子束的形状变得不稳定的忧虑。因此，通过不以衬套72覆盖前狭缝26的周边部，能够使离子束的形状稳定。

如此，关于离子束的引出性能是由向前狭缝26扩散开来的等离子体通过平行于磁场的狭缝而进行的，但被引出的束电流量或束发散量很大程度上被前狭缝部的磨损或源物质的堆积而引起的开口形状的变化所左右，甚至导致离子注入部的注入束电流的下降，且使离子注入装置的生产效率下降。

由此，通过设成本实施方式所涉及的衬套的形状，基于氟自由基的前狭缝26附近的蚀耗或源物质的堆积减少，且能够抑制开口形状的变化，因此对于射束形状的影响减少，且能够维持离子注入装置的稳定的运行。

（第5实施方式）

图6是表示第5实施方式所涉及的离子源的电弧室内部的示意图。图7是表示图6所示的离子源的C-C剖面的示意图。

在离子源80中，电弧室12具有在与前狭缝26对置的电弧室内壁未被衬套覆盖的露出区域12b。在与前狭缝26对置的电弧室内壁上，当引出离子束的时候，高能量的回流电子82从前狭缝26浸入于电弧室12内，且与对置于前狭缝26的电弧室内壁发生碰撞。因此，图6所示的回流照射部84成为高温，由此存在衬套86熔化的可能性。由此，通过不以衬套86覆盖与前狭缝26对置的电弧室内壁，能够防止衬套86熔解。

如同上述，尤其在高温下运行的离子源中，在将氟化物用作源气体的情况下，若将例如Si衬套配置于电弧室内，则氟自由基作为气体的SiF₄或SiF₂而有效地排出，且能够抑制高熔点金属或碳等的蚀耗或堆积。从而，源极寿命得到明显的改善。

并且，通过用Si衬套覆盖电弧室内壁，重金属或碳的氟化物变少，由此被引出的射束中的重金属离子也显著减少，也可以减少重金属污染。

另外，通常的离子源配置有绝缘体（绝缘子）以对引出电极施加电压，若重金属离子或碳离子被引出，则这些离子附着于该绝缘体表面，产生绝缘不良。另一方面，如上述实施方式，在Si衬套的情况下，由所产生的SiF₄气体被离子化的Si⁺也被引出，由于Si为绝缘体，因此即使堆积也不会产生绝缘不良。从而，引出电极或离子源周边的绝缘特性得到改善，且能够实现射束引出的稳定化。

以上，参考上述各实施方式说明了本发明，但是本发明并不限定于上述各实施方式，适当地组合或置换各实施方式的结构也包含在本发明中。并且，根据本领域技术人员的知识能够适当地改组各实施方式的组合或处理顺序，或对各实施方式追加各种设计变更等变形的实施方式也包含于本发明的范围。

上述衬套具有在所要求的离子源的寿命期间不会因蚀耗而贯穿的足夠的厚度（例如1mm以上）即可。并且，在衬套为单晶Si板的情况下，为了保持高温运行时的强度，沿解理（Cleavage）切出即可。并且，优选衬套接触等离子体的面为镜面。并且，为了降低衬套的成本，也可以是从晶块直接切出的Si基板。并且衬套也可以重叠多个薄Si基板而成。

并且，热电子放出部14也可以为通过从灯丝产生的（1次）热电子而直接离子化的电子碰撞型离子源，或者使得产生于灯丝的（1次）热电子与阴极罩碰撞，且从阴极罩产生（2次）热电子40的旁热式电子碰撞型离子源。

并且，也可以将气体导入口24或前狭缝26附近的衬套设为石墨，除此之外的衬套设为Si。

并且，在衬套为Si单晶的情况下，也可以沿解理切出。由此能够确保高温运行时的强度。

并且，关于衬套的表面粗糙度，为了提高与氟自由基等的反应性，尤其是也可以将接触等离子体的区域的粗糙度变粗以加大表面积。

另外，上述离子源也可以使将衬套作为源极的Si束发挥产生装置的作用。并且也可以通过RF天线等其他机构产生等离子体。

Claims (15)

1.一种离子生成方法，其为使用具备由高熔点材料构成的电弧室的直流放电型离子源的离子生成方法，其特征在于，包括：

离子产生工序，该工序使源气体分子与热电子在所述电弧室内碰撞而引起等离子体放电，从而产生离子；以及

反应工序，该工序使得在所述离子产生工序中产生的自由基与配置成覆盖电弧室内壁的至少一部分的衬套进行反应，

所述衬套由比所述电弧室更容易与所述源气体分解时所产生的自由基反应的材料构成，

所述衬套至少覆盖所述电弧室内壁中、形成有引出离子束的开口部的内壁的一部分，

所述电弧室具有在所述开口部的周边部未被所述衬套覆盖的露出区域。

2.根据权利要求1所述的离子生成方法，其特征在于，

所述离子生成方法还包括排气工序，该工序将在所述反应工序中产生的自由基和衬套材料的化合物气体从离子源排出。

3.根据权利要求1或2所述的离子生成方法，其特征在于，

在所述反应工序中使用的衬套为含有硅或锗的材料。

4.根据权利要求3所述的离子生成方法，其特征在于，

所述硅为单晶硅。

5.根据权利要求4所述的离子生成方法，其特征在于，

所述单晶硅被配置成与在电弧室内产生的等离子体对置的面成为(100)面。

6.根据权利要求3所述的离子生成方法，其特征在于，

所述硅为多晶硅。

7.根据权利要求3所述的离子生成方法，其特征在于，

所述硅为非晶硅。

8.根据权利要求1或2所述的离子生成方法，其特征在于，

所述源气体为卤化物或氧化物的气体。

9.根据权利要求1或2所述的离子生成方法，其特征在于，

所述源气体为选自包括BF₃、GeF₄、PF₃、InCl₃、InI、InBr、CO₂以及CO的组的至少一种气体。

10.根据权利要求1或2所述的离子生成方法，其特征在于，

所述高熔点材料为含有钨、钼、钽以及碳中的至少一种原子的材料。

11.根据权利要求1或2所述的离子生成方法，其特征在于，

所述离子产生工序中电弧室内的温度为600℃以上。

12.一种离子源，其特征在于，具备：

电弧室，由高熔点材料构成；

热电子放出部，向所述电弧室内放出热电子；

气体导入口，向所述电弧室内导入源气体；

衬套，覆盖所述电弧室内壁的至少一部分；以及

开口部，引出在所述电弧室内产生的离子，

所述衬套由比所述电弧室更容易与所述源气体分解时所产生的自由基反应的材料构成，

所述衬套至少覆盖所述电弧室内壁中、形成有所述开口部的内壁的一部分，

所述电弧室具有在所述开口部的周边部未被所述衬套覆盖的露出区域。

13.根据权利要求12所述的离子源，其特征在于，

所述电弧室具有：

在所述热电子放出部附近被所述衬套覆盖的衬套包覆区域；以及

未被所述衬套覆盖的露出区域。

14.根据权利要求12所述的离子源，其特征在于，

所述电弧室具有：

在与所述热电子放出部对置的反射极附近被所述衬套覆盖的衬套包覆区域；以及

未被所述衬套覆盖的露出区域。

15.根据权利要求12所述的离子源，其特征在于，

所述电弧室具有在与所述开口部对置的电弧室内壁未被所述衬套覆盖的露出区域。