JP2000223039A - イオン注入装置のイオン源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】アークチャンバとフィラメントとを絶縁するイ
ンシュレータに付着あるいは堆積する反応物の生成を抑
制ないしは防止することで、連続稼働時間の長期化を図
る。 【解決手段】アークチャンバ３０と、ガス導入パイプ７
０と、フィラメント４０と、フィラメントとアークチャ
ンバとを電気的に絶縁するインシュレータ５０と、イオ
ン放出口３２ａとを備え、フィラメントとアークチャン
バとの間に電圧を印加してガスをイオン化し、イオン放
出口から生成されたイオンを放出するイオン源におい
て、インシュレータ５０の近傍において、アークチャン
バ内に導入されたガスを流動させるべく、このインシュ
レータ５０の近傍に通気孔３３ａを設け、この通気孔３
３ａから内部のガスを流出させるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
工程で用いられるイオン注入装置の一部を構成するイオ
ン注入装置のイオン源に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造工程において、運動エ
ネルギをもったイオンをＳｉウェーハに注入する従来の
イオン注入装置は、注入用のイオンを発生させるイオン
源、このイオン源により発生したイオンをイオン源から
引き出す引出電極系、質量分析系、注入室等により構成
されている。ここで、従来のイオン源としては、フリー
マン型イオン源、バーナス型イオン源等が一般的に使用
されている。

【０００３】フリーマン型イオン源１は、図６に示すよ
うに、略長方体の輪郭をなすモリブデン製のアークチャ
ンバ２と、このアークチャンバ２内に水平に配置された
長尺なフィラメント３と、アークチャンバ２とフィラメ
ント３とを電気的に絶縁する絶縁部材としてのインシュ
レータ４と、インシュレータ４よりも内側においてフィ
ラメント３と絶縁して配置された障壁プレート５と、ア
ークチャンバ２内にガスを導入するガス導入パイプ６等
を備えている。

【０００４】アークチャンバ２は、アーク放電を利用し
たプラズマ生成室であり、このアークチャンバ２とフィ
ラメント３との間に約１００Ｖの電圧が印加されること
によりフィラメント３から熱電子が放出されて、アーク
チャンバ２内でイオンが生成され、この生成されたイオ
ンが、外部の引き出し電極（不図示）等によりスリット
２ａを通してアークチャンバ２の外部に引き出され、高
速のイオンビームとして生成される。

【０００５】また、バーナス型イオン源１０は、図７に
示すように、略長方体の輪郭をなすモリブデン製のアー
クチャンバ１２と、アークチャンバ１２内の一方の側壁
１２ａ側に配置されたフィラメント１３と、アークチャ
ンバ１２とフィラメント１３とを電気的に絶縁する絶縁
部材としてのインシュレータ１４と、アークチャンバ１
２内の他方の側壁１２ｂ側に配置されて障壁として作用
するカーボンプレート１５と、アークチャンバ１２とカ
ーボンプレート１５とを電気的に絶縁する絶縁部材とし
てのインシュレータ１６と、アークチャンバ１２内にガ
スを導入するガス導入パイプ１７等を備えている。

【０００６】アークチャンバ１２は、アーク放電を利用
したプラズマ生成室であり、このアークチャンバ１２と
フィラメント１３との間に約１００Ｖの電圧が印加され
ることによりフィラメント１３から熱電子が放出され
て、アークチャンバ１２内でイオンが生成され、この生
成されたイオンが、外部の引き出し電極（不図示）等に
よりスリット１２ｃを通してアークチャンバ１２の外部
に引き出され、高速のイオンビームとして生成される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
なイオン源においては、半導体装置の製造工程におい
て、Ｓｉウェーハに対して連続的にイオンの注入を行な
う際に、導入されるガスを基にして反応物Ｒが生成さ
れ、この反応物Ｒが、インシュレータ４、１４等の表面
に付着して、アークチャンバ２、１２とフィラメント
３、１３との絶縁不良を引き起こす場合がある。この絶
縁不良が生じた場合は、その都度、イオン源を分解して
インシュレータ４、１４等を取り外し、物理的研磨ある
いは薬液洗浄を施して付着した反応物を取り除き、再び
取り付けて使用するという手間を要する。イオン源を構
成する材質あるいは構造の改良により、連続して稼働で
きる時間は序々に長期化しつつあるものの、さらなる改
善が求められている。

【０００８】特に、固体の砒素あるいは燐等をヒータに
より加熱して気化させ、この気化したガスをアークチャ
ンバ２、１２内に導入するような場合は、常温のガスを
導入する場合に比べて反応物の発生量が極端に増加し、
これに反比例して連続稼働時間が短くなる傾向にある。
Ｎ型の不純物を形成する場合は、上述のように気化させ
たガスを用いているため、連続稼働時間が短かくなり、
製品のスループットが低下し、生産性の面で多大な影響
を及ぼしている。

【０００９】本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて
成されたものであり、その目的とするところは、アーク
チャンバとフィラメントとを絶縁するインシュレータに
付着あるいは堆積する反応物の生成を抑制ないしは防止
することで、連続稼働時間の長期化を図れるイオン注入
装置のイオン源を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を
達成するべく鋭意検討を重ねた結果、以下の如き構成を
なす発明を見出すに至った。すなわち、本発明に係るイ
オン注入装置のイオン源は、プラズマ生成のためのアー
クチャンバと、このアークチャンバ内にガスを導入する
ガス導入通路と、アークチャンバ内に配置されたフィラ
メントと、このフィラメントとアークチャンバとを電気
的に絶縁する絶縁体と、アークチャンバに形成されたイ
オン放出口とを備え、ガス導入通路からガスを導入しつ
つフィラメントとアークチャンバとの間に電圧を印加し
てイオンを生成し、イオン放出口からイオンを放出する
イオン注入装置のイオン源であって、上記絶縁体の近傍
において、アークチャンバ内に導入されたガスを流動さ
せるガス流動発生手段を設けた、ことを特徴としてい
る。

【００１１】上記構成において、上記ガス流動発生手段
は、アークチャンバを囲繞する外側チャンバと、この外
側チャンバ内を真空引きする吸引手段と、絶縁体の近傍
においてアークチャンバに形成された通気孔と、を有す
る構成を採用することができる。

【００１２】また、上記構成において、上記アークチャ
ンバは多面体として形成され、上記絶縁体はアークチャ
ンバの一壁面に取付けられてアークチャンバの内部及び
外部に露出するように形成され、上記通気孔は絶縁体が
取付けられた一壁面とは異なる他の壁面に形成された構
成を採用することができる。

【００１３】また、上記構成において、上記通気孔はイ
オン放出口が形成された壁面とは異なる壁面に形成され
た構成を採用することができる。さらに、上記構成にお
いて、上記通気孔が複数の貫通孔として形成された構成
を採用することができる。

【００１４】本発明に係るイオン注入装置のイオン源に
おいては、Ｓｉウェーハ等へのイオン注入に際して、ア
ークチャンバ内にガスが導入されると共に、アークチャ
ンバとフィラメントとの間に所定の電圧が印加される
と、フィラメントから熱電子が放出され、導入されたガ
スに衝突してイオンが生成される。そして、生成された
イオンが、外部の引き出し電極等によりイオン放出口か
らイオンビームとして放出される。

【００１５】一方、アークチャンバに設けられたガス流
動発生手段により、アークチャンバとフィラメントとを
電気的に絶縁する絶縁体の周りのガスが流動させられ
る。このガス流動は、アークチャンバ内において反応物
が生成されるのを抑制し、あるいは、生成された反応物
をその流れに乗せて持ち去り、その結果、反応物が絶縁
体に付着あるいは堆積するのを防止ないしは抑制する。
したがって、アークチャンバとフィラメントとの絶縁が
確保され、長期に亘る連続稼働が可能となる。

【００１６】特に、上記ガス流動発生手段を、イオン源
を囲繞する外側チャンバと、この外側チャンバを真空引
きする吸引手段と、アークチャンバに形成された通気孔
とにより構成した場合は、吸引手段を作動させるだけ
で、圧力差によりアークチャンバ内のガスが通気孔を通
って外側に流れ出し、絶縁体の周囲においてガスの流動
が生じる。これにより、絶縁体への反応物の付着あるい
は堆積が防止ないしは抑制される。

【００１７】アークチャンバを多面体として形成し、絶
縁体をアークチャンバの一壁面に取付けかつアークチャ
ンバの内部及び外部に露出するように形成し、通気孔を
絶縁体が取付けられた一壁面とは異なる他の壁面に形成
した場合は、放出されるガスあるいは生成された反応物
が絶縁体から離れた方向に向けて外部に放出される。こ
れにより、特に、アークチャンバの外部に露出する絶縁
体への反応物の付着あるいは堆積が防止ないしは抑制さ
れる。

【００１８】イオン放出口が形成された壁面とは異なる
壁面に通気孔を形成した場合は、イオン放出口から放出
されるイオン流を妨げることなく、アークチャンバから
ガスあるいは生成された反応物が放出される。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、添
付図面に基づいて説明する。図１は本発明に係るイオン
源を備えたイオン注入装置の一部を示す概略構成図であ
り、図２はイオン源の一実施形態を示す斜視図であり、
図３はイオン源の横断面図である。

【００２０】イオン注入装置は、イオン源２０の他に、
イオン源２０により発生したイオンをイオン源２０から
引き出す引出電極系（不図示）、発生したイオンを分離
する質量分析系（不図示）、高速の運動エネルギをもっ
たイオンをＳｉウェーハに注入する注入室（不図示）等
を備えており、これらイオン源２０等は外側チャンバと
しての真空室２５に囲繞されて、この真空室２５の内部
は吸引手段である真空ポンプ（不図示）により、排出口
２６を通して真空引きされている。

【００２１】イオン源２０は、フリーマン型のイオン源
であり、図２及び図３に示すように、水平方向に長尺な
モリブデン製のアークチャンバ３０と、このアークチャ
ンバ３０内を水平方向に貫通するように配置された長尺
なフィラメント４０と、アークチャンバ３０とフィラメ
ント４０とを電気的に絶縁する絶縁体としてのインシュ
レータ５０と、インシュレータ５０よりも内側において
フィラメント４０と絶縁して配置された障壁プレート６
０と、アークチャンバ３０内にガスを導入するガス導入
通路としてのガス導入パイプ７０等を備えている。

【００２２】アークチャンバ３０は、略長方体の輪郭を
なす多面体として形成され、その内部空間においてアー
ク放電を利用したプラズマを生成するものである。この
アークチャンバ３０の両側壁３１を貫通するように、長
尺なフィラメント４０が配置され、その両端部近傍がイ
ンシュレータ５０を介してアークチャンバ３０に固定さ
れている。

【００２３】インシュレータ５０は環状に形成されてお
り、その中心孔５１にフィラメント４０が挿通され、そ
の外周部が両側壁３１に形成された貫通孔３１ａに嵌合
されて、フィラメント４０をアークチャンバ３０に対し
て支持している。また、インシュレータ５０は、その一
部が貫通孔３１ａからアークチャンバ３０の内部空間に
向けて又外部に向けて露出した状態となっている。

【００２４】障壁プレート６０は、アークチャンバ３０
内のインシュレータ５０よりも中心寄りの位置におい
て、フィラメント４０から離隔した状態で固定されてい
る。この障壁プレート６０は、生成されたイオンが両側
壁側に向かって飛翔するのを抑制する役割をなすもので
あるが、フィラメント４０との絶縁性を確保するため、
フィラメント４０との間に間隙が設けられており、その
結果、生成されたイオン等の一部は、この間隙を通り抜
けて両側壁のインシュレータ５０に向かって流れるよう
になっている。

【００２５】アークチャンバ３０の前面３２には、図２
及び図３に示すように、内部で生成されたイオンを外部
に向けて放出するための横方向に長尺なスリット状のイ
オン放出口３２ａが形成されており、又、アークチャン
バ３０の上面３３には、図２に示すように、障壁プレー
ト６０が配置された位置よりも外側の領域において円形
形状をなす複数の通気孔３３ａが形成されている。した
がって、障壁プレート６０と側壁３１との間に流れ込ん
だガスあるいは反応物等は、この通気孔３３ａを通り抜
けて外部に放出されるようになっている。

【００２６】このように、イオン放出口３２ａが設けら
れた壁面（前面）３２とは異なる壁面（上面）３３に通
気孔３３ａを設けることにより、通気孔３３ａから放出
されるガス等の流れが、イオン放出口３２ａから放出さ
れるイオン流Ｆに影響を及ぼすことはなく、生成された
イオンを所望の方向に向けて確実に放出させることがで
きる。また、従来のアークチャンバに対して上記通気孔
３３ａを設けるだけで対処できるため、設備投資等の費
用の増加を招くことなく所期の目的を達成することがで
きる。

【００２７】アークチャンバ３０の背面３４には、図３
に示すように、その略中央部にて開口するようにガス導
入パイプ７０が取付けられている。この導入パイプ７０
からは、イオン化させるガス、例えば常温で気体のガス
を用いる場合はそのガスがそのまま導入され、常温で固
体の砒素、燐等を用いる場合はヒータ等により加熱され
て気化されたガスが導入されるようになっている。

【００２８】次に、上記構成をなすイオン源２０の動作
について説明する。Ｓｉウェーハ等にイオン注入を行な
うに際して、アークチャンバ３０とフィラメント４０と
の間に約１００Ｖの電圧が印加されると、このフィラメ
ント４０の表面からアークチャンバ３０の内部空間に向
けて熱電子が放出される。そして、この熱電子が、ガス
導入パイプ７０から導入されたガスに衝突してガスをイ
オン化し、イオンガス（単に、イオンと称する）を生成
する。そして、生成されたイオンが、外部の引出し電極
系によりイオン放出口３２ａから外部に放出され、その
後イオンビームとしてＳｉウェーハに照射される。

【００２９】このアーク放電を用いたイオン生成過程に
おいて、アークチャンバ３０の内部では、熱電子、イオ
ン等が障壁プレート６０に衝突し、又、障壁プレート６
０とフィラメント４０との間隙を通り抜けたイオンある
いはガス等が、図３に示すように、アークチャンバ３０
の上壁３３に形成された通気孔３３ａから外側チャンバ
すなわち真空室２５に向けて流れ出る。このガス等の流
れが、インシュレータ５０の近傍で停滞するガスを流動
化させ、アークチャンバ３０内での反応物の発生を抑制
し又インシュレータ５０への反応物の付着あるいは堆積
を抑制ないしは防止する。

【００３０】上記ガスの流動化の度合いを調整するに
は、通気孔３３ａの開口径、個数、形状等の他に、真空
室２５を真空引きする真空ポンプの作動条件を調節し
て、真空の度合いを調節することで対処することができ
る。

【００３１】ここで、本実施形態に係るイオン源２０に
おいて、砒素イオンビームを用いた連続稼働試験を行な
ったところ、図４に示すような結果が得られた。すなわ
ち、通気孔３３ａを設けない従来のフリーマン型イオン
源では、連続して稼働することができる時間が約１２時
間であるのに対して、通気孔３３ａを設けた本発明に係
るフリーマン型イオン源では、約１８時間の連続稼働が
可能であった。この結果から理解されるように、常温で
固体のものを気化させて用いるような反応物が堆積し易
いガスの場合、連続稼働時間を約１．５倍に長期化する
ことができる。尚、常温で気体のガスを用いる場合で
も、従来のものに比べて連続稼働時間を約１．２倍に延
ばすことが可能である。

【００３２】上記の実施形態においては、アークチャン
バ３０の上壁３３に設けた通気孔３３ａ、アークチャン
バ３０を囲繞する真空室２５、真空室２５を真空引きす
る真空ポンプ（不図示）等により、絶縁体すなわちイン
シュレータ５０の近傍において、アークチャンバ３０内
に導入されたガスを流動させるガス流動発生手段が構成
されている。

【００３３】ガス流動発生手段としては、上記の実施形
態に限るものではなく、インシュレータ５０の近傍にお
いて停滞するガスを流動化させるものであれば、ガスを
撹拌するようなフィンないしはプロペラ等をアークチャ
ンバ３０の内部に設けてもよく、アークチャンバ３０に
対して、内部のガスを直接吸引する吸引ポンプ等を設け
てもよい。

【００３４】上記実施形態においては、インシュレータ
５０の近傍からガスを排出させるべく、アークチャンバ
３０内の上壁３３に通気孔３３ａを設ける構成とした
が、これに限るものではなく、例えば、図５に示すよう
に、アークチャンバ３０の前面３２の両側部に排出パイ
プ８０を取付け、この排出パイプ８０の出口８０ａを水
平方向外側に向けた構成を採用することも可能である。
この構成によれば、アークチャンバ３０の前面３２から
吸い出されたガス等は、排出パイプ８０により左右外側
に向かう流れに変えられるため、イオン放出口３２ａか
ら放出されるイオン流Ｆを妨害することはなく、所望の
イオンビームを得ることがきる。

【００３５】尚、上記実施形態においては、フリーマン
型イオン源についてのみ説明したが、バーナス型イオン
源についても、本発明を適用できることは勿論であり、
又、アークチャンバ３０内に障壁プレート６０が設けら
れた場合について本発明を適用したが、この障壁プレー
ト６０がない構成において本発明を適用することも勿論
可能である。

【００３６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明に係るイオン
注入装置のイオン源によれば、フィラメントとアークチ
ャンバとを電気的に絶縁する絶縁体の近傍において、ア
ークチャンバ内に導入されたガスを流動させるガス流動
発生手段を設けたことにより、絶縁体の周りのガスが流
動させられる。このガス流動は、アークチャンバ内にお
いて反応物が生成されるのを抑制し、あるいは、生成さ
れた反応物をその流れに乗せて持ち去り、その結果、反
応物が絶縁体に付着あるいは堆積するのを防止ないしは
抑制することができる。したがって、アークチャンバと
フィラメントとの絶縁が確保され、長期に亘る連続稼働
が可能となる。

【００３７】また、ガス流動発生手段を、アークチャン
バを囲繞する外側チャンバと、この外側チャンバ内を真
空引きする吸引手段と、絶縁体の近傍においてアークチ
ャンバに形成された通気孔とにより構成する場合は、吸
引手段を作動させるだけで、圧力差によりアークチャン
バ内のガスを通気孔を介して外側に流出させ、絶縁体の
周囲においてガスの流動を生じさせることができる。こ
れにより、絶縁体への反応物の付着あるいは堆積を防止
ないしは抑制することができる。

【００３８】また、アークチャンバを多面体として形成
し、通気孔を絶縁体が取付けられた壁面とは異なる他の
壁面に形成した場合は、放出されるガスあるいは生成さ
れた反応物を絶縁体から離れた方向に向けて外部に放出
させることができ、特に、アークチャンバの外部に露出
する絶縁体への反応物の付着あるいは堆積を防止ないし
は抑制することができる。

【００３９】さらに、通気孔をイオン放出口が形成され
た壁面とは異なる壁面に形成した場合は、イオン放出口
から放出されるイオン流を妨げることなく、アークチャ
ンバからガスあるいは生成された反応物を放出させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るイオン源を備えたイオン注入装置
の一実施形態を示す概略構成図である。

【図２】本発明に係るイオン源の一実施形態を示す斜視
図である。

【図３】図２に示すイオン源の横断面図である。

【図４】本発明に係るイオン源と従来のイオン源とを用
いて連続稼働試験を行なった結果を示す図である。

【図５】本発明に係るイオン源の他の実施形態を示す横
断面図である。

【図６】従来のフリーマン型イオン源を示す概略構成図
である。

【図７】従来のバーナス型イオン源を示す概略構成図で
ある。

【符号の説明】

２０・・・イオン源、２５・・・真空室（外側チャン
バ）、３０・・・アークチャンバ、３１・・・側壁、３
１ａ・・・貫通孔、３２・・・前面（壁面）、３２ａ・
・・イオン放出口、３３・・・上面（壁面）、３３ａ・
・・通気孔（ガス流動発生手段）、３４・・・背面（壁
面）、４０・・・フィラメント、５０・・・インシュレ
ータ（絶縁体）、６０・・・障壁プレート、７０・・・
ガス導入パイプ（ガス導入通路）、８０・・・排出パイ
プ（ガス流動発生手段）。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマ生成のためのアークチャンバ
   と、前記アークチャンバ内にガスを導入するガス導入通
   路と、前記アークチャンバ内に配置されたフィラメント
   と、前記フィラメントとアークチャンバとを電気的に絶
   縁する絶縁体と、前記アークチャンバに形成されたイオ
   ン放出口とを備え、前記ガス導入通路からガスを導入し
   つつ前記フィラメントとアークチャンバとの間に電圧を
   印加してイオンを生成し、前記イオン放出口からイオン
   を放出するイオン注入装置のイオン源であって、 前記絶縁体の近傍において、前記アークチャンバ内のガ
   スを流動させるガス流動発生手段を設けた、ことを特徴
   とするイオン注入装置のイオン源。
2. 【請求項２】 前記ガス流動発生手段は、前記アークチ
   ャンバを囲繞する外側チャンバと、前記外側チャンバ内
   を真空引きする吸引手段と、前記絶縁体の近傍において
   前記アークチャンバに形成された通気孔と、を有するこ
   とを特徴とする請求項１記載のイオン注入装置のイオン
   源。
3. 【請求項３】 前記アークチャンバは多面体として形成
   され、 前記絶縁体は、前記アークチャンバの一壁面に取付けら
   れて前記アークチャンバの内部及び外部に露出するよう
   に形成され、 前記通気孔は、前記絶縁体が取付けられた一壁面とは異
   なる他の壁面に形成されている、ことを特徴とする請求
   項２記載のイオン注入装置のイオン源。
4. 【請求項４】 前記通気孔は、前記イオン放出口が形成
   された壁面とは異なる壁面に形成されている、ことを特
   徴とする請求項２記載のイオン注入装置のイオン源。
5. 【請求項５】 前記通気孔は、複数の貫通孔として形成
   されている、ことを特徴とする請求項２記載のイオン注
   入装置のイオン源。
6. 【請求項６】 前記通気孔は、複数の貫通孔として形成
   されている、ことを特徴とする請求項３記載のイオン注
   入装置のイオン源。
7. 【請求項７】 前記通気孔は、複数の貫通孔として形成
   されている、ことを特徴とする請求項４記載のイオン注
   入装置のイオン源。