CN104637764A - 离子生成装置及离子生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种离子生成装置及离子生成方法，其目的在于提供一种在注入离子时减少重金属离子的污染、且生成高生产率的离子的技术。所述离子生成装置(10)具备：电弧室(12)，至少一部分由含有碳的材料构成；热电子放出部(14)，向电弧室(12)内放出热电子；及气体导入口(24)，将源气体及Cokes气体导入电弧室(12)内。导入电弧室的源气体中含有卤化物气体，导入电弧室的Cokes气体中含有具有碳原子及氢原子的化合物。

Description

离子生成装置及离子生成方法
技术领域
本申请主张基于2013年11月13日申请的日本专利申请第2013-235312号的优先权。该申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。
本发明涉及一种离子生成装置及离子生成方法。
背景技术
在半导体制造工序中，以改变导电性的目的、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。该工序中所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来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，并与所导入的源气体分子进行碰撞，从而包含在源气体分子中的原子被离子化(参考专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第3516262号公报
发明内容
本发明要解决的课题
作为被导入电弧室内的源气体分子，大多使用氟化物和氯化物等卤化物。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，例如作用于电弧室内壁的金属材料，并进行化学键合。并且，进行化学键合的金属材料与源气体分子一同被离子化，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，希望尽可能减少缘于这些高熔点金属的污染。
于是，作为电弧室的壁材，研究出使用碳而不使用所述高熔点金属的结构。然而，缘于离子化过程中所生成的卤化物的高反应性的自由基容易损耗碳。并且，若因损耗而飞散的碳堆积在腔室内的高温部成为导电性膜，则也会导致绝缘不良。因此，离子源的寿命显著缩短，且生产率降低。
本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种在离子注入过程中减少重金属离子的污染、且生成高生产率的离子的技术。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题，本发明的一种方式的离子生成装置具备：电弧室，至少一部分由含有碳的材料构成；热电子放出部，向电弧室内放出热电子；及气体导入部，将源气体及Cokes气体(コガス)导入电弧室内。导入电弧室的源气体中含有卤化物气体，导入电弧室的Cokes气体中含有具有碳原子及氢原子的化合物。
本发明的另一方式为离子生成方法。该方法具备：导入工序，将源气体及Cokes气体导入至少一部分由含有碳的材料构成的电弧室内；放出工序，向电弧室内部放出热电子；生成工序，通过源气体和热电子的碰撞而生成等离子体；及引出工序，从等离子体向外部引出离子。导入电弧室的源气体中含有卤化物气体，导入电弧室的Cokes气体中含有具有碳原子及氢原子的化合物。
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，作为本发明的方式仍有效。
发明效果
根据本发明，能够提供一种在注入离子时减少重金属离子的污染、且生成高生产率的离子的技术。
附图说明
图1是表示本实施方式所涉及的离子源的电弧室内部及气箱的示意图。
图2是表示图1所示的离子源的A-A剖面的示意图。
图3是用于说明碳源内所产生的损耗、堆积反应的示意图。
图4是表示将甲烷单体导入电弧室中进行离子化的情况的射束光谱的图。
图5是表示在由石墨(碳)构成电弧室的离子生成装置中导入BF3气体并进行离子化时的射束光谱的图。
图6是表示在由石墨(碳)构成电弧室的离子生成装置中导入BF3气体及甲烷气体并进行离子化时的射束光谱的图。
符号说明
10-离子生成装置，12-电弧室，14-热电子放出部，16-气箱，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，44-源气体气瓶，46-Cokes气体气瓶，48-稀有气体气瓶。
具体实施方式
以下，参考附图，对本发明的实施方式进行详细的说明。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，以下所叙述的结构为示例，并不限定任何本发明的范围。
图1是表示本实施方式所涉及的离子源的电弧室内部及气箱的示意图。图2是表示图1所示的离子源的A-A剖面的示意图。
本实施方式所涉及的离子生成装置10为直流放电型离子源，其具备电弧室12、热电子放出部14、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，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。
灯丝28被灯丝电源34加热，而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进行碰撞，通过该碰撞时所产生的热量而加热阴极30。被加热的阴极30产生(2次)热电子40，该(2次)热电子40通过电弧电源38在阴极30与电弧室12之间所施加的电弧电压而被加速，且作为在电离气体分子时保持足够的能量的电子束而向电弧室12内放出。
另一方面，离子生成装置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中生成等离子体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，并通过扩散而到达电弧室12的内壁、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生成装置10为放出(2次)热电子40的直流放电型离子源，电弧室12的内部温度变得非常高。因此电弧室12由高熔点材料构成，具体而言，由W、Mo、Ta等高熔点金属或它们的合金、石墨(C)等构成。从而，如同直流放电型离子源，即使在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，使用稀有气体或氢(H2)、磷化氢(PH3)、氢化砷(AsH3)等氢化物，三氟化硼(BF3)、四氟化锗(GeF4)等氟化物，三氯化铟(InCl3)等氯化物等卤化物。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，若被激励的离子入射于电弧室12的内壁、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)通过溅射或化学蚀刻而磨耗。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。
氟自由基与构成离子生成装置10的部件的材料进行化学键合，成为WFx、TaFx、MoFx、CFx等氟化物。由于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，近来在注入离子时，为了提高半导体元件的性能，对减少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(Metalcontamination)提出严格的要求。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键合而气化，并作为不必要的污染离子从电弧室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。
对上述现象进行更详细的说明。图3是用于说明碳源内所产生的损耗及堆积反应的示意图。如图3所示，尤其是高反应性氟自由基吸附(附着)于电弧室壁，与壁面部件(W、Mo、Ta、C等)进行化学键合，产生WFx、MoFx、TaFx、CFx等。这些氟化物在几百度以下的较低温度下进行气化，因此在进行运行时，从达到1000℃以上的源极壁面气化(蒸发)而蚀耗源极内壁。该气化的氟化物进而在高温的阴极周边和反射极的源极内壁面进行热分解，氟进行离解(脱离)，W、Mo、Ta、C等逐渐堆积。引起所谓的卤素循环。
若在电弧室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，或因初始间隙的减小等而引起绝缘不良或射束性能下降。尤其，高温石墨(碳)容易与氟进行反应而成为气态的CFx。并且，与源气体混合之后在电弧室内被离子化，产生大量的碳离子。该碳离子作为射束大量被引出，使射束引出效率下降。与此同时，该碳离子附着于引出电极的绝缘子等绝缘体表面而在短时间内导致绝缘不良，并需要更换绝缘子等频繁的维修。
于是，经本发明人的深入的研究结果想出以下技术。即，通过有效地降低来自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、碳(石墨)构成的电弧室12进行化学键合，从而能够抑制重金属离子的产生和碳部件的损耗。并且，通过该技术，以使用碳(石墨)的电弧室12为代表的构成离子生成装置10的部件的损耗得到抑制，也能够实现延长离子生成装置10的寿命。
具体而言，本实施方式所涉及的离子生成装置10具备：至少一部分由含有碳的材料构成的电弧室12；向电弧室12的内部放出热电子的热电子放出部14；将源气体及Cokes气体导入电弧室12内的气体导入口24。导入电弧室12的源气体中含有卤化物气体，导入电弧室的Cokes气体中含有具有碳原子及氢原子的化合物。
并且，气体导入口24上连接有气箱16。气箱16收容有：源气体气瓶44，填充有源气体；Cokes气体气瓶46，填充有作为具有碳原子及氢原子的化合物的碳氢化合物Cokes气体；及稀有气体气瓶48，填充有稀有气体。并且，从各气瓶朝向气体导入口24的流路设有调整气体流量的气体控制器44a、46a、48a，可调整各气体的混合比和气体浓度。
并且，在离子生成装置10的电弧室12中，源气体在电弧室12内被离子化，其一部分作为卤自由基而生成。然而，卤自由基与包含在Cokes气体中的氢原子键合成为氢化合物，从而抑制与构成电弧室的部件的反应，抑制部件的损耗。
并且，作为氢原子的供给源，有时也可以使用氢气。然而，氢气的爆炸极限非常广而难以操作，设备也会变得昂贵。另一方面，与氢气相比，碳氢化合物Cokes气体的爆炸极限窄，操作起来比较容易，能够简单地对电弧室12的内部供给氢。尤其碳氢化合物优选为选自包括甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)的组的至少一种气体。从而，能够比较安全地对电弧室内部供给氢。尤其CH4的爆炸极限比较窄为5.3～14％，也可以作为家庭用燃料而使用，因此容易操作。
作为填充于源气体气瓶44中的气体，适合的是卤化物气体。具体而言，可举出BF3、GeF4、PF3等氟化物气体、InCl3等氯化物气体、InI等碘化物气体及InBr等溴化物气体。
另外，电弧室12的除灯丝28及阴极30之外的内壁表面也可以由碳构成。由此，与将Mo、W、Ta等高熔点金属用于电弧室内壁的情况相比，能够进一步减少注入离子时的重金属离子的污染。
接着，对导入碳氢化合物的效果进行说明。图4是表示将甲烷单体导入电弧室并进行离子化时的射束光谱的图。
CH4因电离能较低而容易被离子化，因此如图4所示，可知Hx+的峰值非常大，大量存在氢离子。另一方面，氟等卤素容易与氢进行反应而在常温下生成气态的氢化合物，因此，若将含大量的氢原子的碳氢化合物作为Cokes气体进行导入，则能够使氟化物等离子化时所产生的高反应性的氟(卤素)自由基等与氢进行反应，作为氢化合物气体有效地排出。由此，氟与电弧室的构成物质(例如碳)之间的反应得到抑制，CFx或WFx等氟化物的产生变少。
图5是表示在由石墨(碳)构成电弧室的离子生成装置中导入BF3气体进行离子化时的射束光谱的图。图6是表示由石墨(碳)构成电弧室的离子生成装置中导入BF3气体及甲烷气体进行离子化时的射束光谱的图。
如图5所示，可推测C+、F+、CFx+的峰值大，电弧室的碳被F损耗，成为CFx气体而被离子化。另一方面，如图6所示，可知当作为流量为1.68sccm的Cokes气体而导入CH4的情况下，C+的峰值降低为1/3，HF+的峰值增加，氟被有效地去除。并且，如图4所示，CH4离子化时所产生的CHx+(分子量大约为13～18)在图6中几乎未发现，因此可知包含在CHx+中的氢与氟进行反应。
这样，将氟化物、氯化物等卤化物作为源气体而使用的情况下，在常温下将气体状的碳氢化合物(甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等)作为Cokes气体同时导入到等离子体腔室内进行等离子化，从而，在碳氢化合物中包含有多个的氢原子容易与卤素进行反应，作为氟化氢或氯化氢等氢化物(卤化氢)气体排出。从而，能够向外部有效地排出电弧室内的卤素。
因此，构成电弧室的石墨的损耗变得非常少，并且氟化碳离子和氯化碳离子减少，因此可抑制碳堆积于高温部和导电性膜附着于绝缘物，实现了离子生成装置的长寿命化。并且，由于碳氢化合物的一个分子中含有多个氢原子，因此在导入氢原子时比氢更有效。
这样，通过导入源气体及含有氢的Cokes气体，电弧室12内的射束引出部的损耗减少，也长期保持形状，因此抑制了射束特性变差。并且，被离子化的氟化物减少，因此金属离子和碳离子的引出也减少，实现了金属污染的减少和引出电极的长寿命化。
若将上述内容理解为离子生成方法，则该方法具备：导入工序，将源气体及Cokes气体导入到至少一部分由含有碳的材料构成的电弧室内；放出工序，向电弧室内部放出热电子；生成工序，通过源气体与热电子的碰撞而生成等离子体；及引出工序，从等离子体向外部引出离子。被导入电弧室的源气体中含有卤化物气体，被导入电弧室的Cokes气体中含有具有碳原子及氢原子的化合物。
由此，源气体在电弧室内被离子化，其一部分作为卤自由基而生成。然而，卤自由基与包含在Cokes气体中的氢原子键合而成为氢化合物，因此抑制了与构成电弧室的部件的反应，并抑制了部件的损耗。另外，在电弧室12内，生成等离子体时的温度优选为600℃以上。并且，从气箱16除导入源气体及Cokes气体之外，还可以导入稀有气体。稀有气体为氩(Ar)、氖(Ne)、氙(Xe)等。
以上，参考上述实施方式说明了本发明，但是本发明并不限定于上述实施方式，适当地组合或置换实施方式的构成仍包括在本发明中。并且，根据本领域技术人员的知识能够适当地改变各实施方式的组合或处理顺序，或对实施方式追加各种设计变更等变形，追加这种变形的实施方式也包括在本发明的范围内。
具备气箱16的气瓶未必如同上述被分成三个，而也可以使用源气体与Cokes气体以规定的浓度比混合的源气体气瓶44和稀有气体气瓶48这两个气瓶。并且，也可以使用稀有气体与Cokes气体以规定的浓度比混合的Cokes气体气瓶46和源气体气瓶44这两个气瓶。
并且，热电子放出部14也可以是通过从灯丝产生的(1次)热电子而直接离子化的电子碰撞型离子源，或者是使产生于灯丝的(1次)热电子与阴极罩碰撞，使(2次)热电子40从阴极罩产生的旁热式电子碰撞型离子源。

Claims (15)

1.一种离子生成装置，其特征在于，具备：
电弧室，至少一部分由含有碳的材料构成；
热电子放出部，向所述电弧室内放出热电子；及
气体导入部，将源气体及Cokes气体导入所述电弧室内，
导入所述电弧室的所述源气体含有卤化物气体，
导入所述电弧室的所述Cokes气体含有具有碳原子及氢原子的化合物。
2.根据权利要求1所述的离子生成装置，其特征在于，
所述Cokes气体为碳氢化合物。
3.根据权利要求2所述的离子生成装置，其特征在于，
所述碳氢化合物为选自包括CH4、C2H6、C3H8及C4H10的组的至少一种气体。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的离子生成装置，其特征在于，
所述源气体含有氟化物气体。
5.根据权利要求4所述的离子生成装置，其特征在于，
所述氟化物气体为选自包括BF3、GeF4及PF3的组的至少一种气体。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的离子生成装置，其特征在于，
所述源气体含有选自包括氯化物气体、碘化物气体及溴化物气体的组的至少一种气体。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的离子生成装置，其特征在于，
所述电弧室的除灯丝及阴极之外的内壁表面由碳构成。
8.一种离子生成方法，其特征在于，具备：
导入工序，将源气体及Cokes气体导入至少一部分由含有碳的材料构成的电弧室内；
放出工序，向所述电弧室内部放出热电子；
生成工序，通过所述源气体和所述热电子的碰撞而生成等离子体；及
引出工序，从所述等离子体向外部引出离子，
导入所述电弧室的所述源气体中含有卤化物气体，
导入所述电弧室的所述Cokes气体中含有具有碳原子及氢原子的化合物。
9.根据权利要求8所述的离子生成方法，其特征在于，
所述生成工序中电弧室内的温度为600℃以上。
10.根据权利要求8或9所述的离子生成方法，其特征在于，
所述Cokes气体为碳氢化合物。
11.根据权利要求10所述的离子生成方法，其特征在于，
所述碳氢化合物为选自包括CH4、C2H6、C3H8及C4H10的组的至少一种气体。
12.根据权利要求8～11中任一项所述的离子生成方法，其特征在于，
所述源气体含有氟化物气体。
13.根据权利要求12所述的离子生成方法，其特征在于，
所述氟化物气体为选自包括BF3、GeF4及PF3的组的至少一种气体。
14.根据权利要求8～13中任一项所述的离子生成方法，其特征在于，
在所述导入工序中，除导入所述源气体及所述Cokes气体之外，还导入稀有气体。
15.根据权利要求8～14中任一项所述的离子生成方法，其特征在于，
所述离子生成方法还具备排出工序，该排出工序将包含在所述卤化物气体中的卤素作为卤化氢而排出。
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