JP2002289106A - イオン注入装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】イオン注入装置において使用されるガスの供給
に起因する装置の生産性の低下を防ぐことができ、安全
性を向上させることができるイオン注入装置を提供す
る。 【解決手段】被対象物にイオンを注入するイオン注入装
置であって、装置筐体内に内蔵され、被対象物に注入す
べきイオンを生成する第１のプラズマ生成室としてのア
ークチャンバ７と、アークチャンバ７に装置筐体の外部
からキャリアガスＣＧを供給するガス供給管５と、アー
クチャンバ７から被対象物に向けて電界によって引き出
されたイオンビームＩＢとともに被対象物に注入するた
めのエネルギ電子を生成する第２の生成室としてのアー
クチャンバ３６と、アークチャンバ３６に装置筐体の外
部からプラズマ生成用ガスＧを供給するガス供給管３１
とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば、半導体
製造プロセスに用いられるイオン注入装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造プロセス等に用いられるイオ
ン注入装置は、ウェーハ等の試料に運動エネルギをもっ
たイオンを照射して、試料の物性を制御するための装置
である。このイオン注入装置は、たとえば、ビーム発生
部、ビームライン部、プロセス部等の要素から構成され
る。ビーム発生部で発生されたイオンビームは、ビーム
ライン部を通ってプロセス部に配置されたウェーハに注
入される。 このようなイオン注入装置では、たとえ
ば、数十ｋｅＶ〜数百ｋｅＶ程度の高いエネルギのビー
ム電流を発生するものが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な高エネルギのビーム電流を発生するイオン注入装置で
は、高電圧を使用する。ビーム発生部では高電圧を使用
するため、キャリアガス、イオン種となるガス等のビー
ム発生部で使用される全ての材料ガスは、装置内に設け
られたガスボンベから供給される。なお、キャリアガス
は固体蒸発源でアークを安定的に発生させるためのガス
であり、たとえば、アルゴンガスやキセノンガス等の不
活性ガスが用いられる。装置内に設けられたガスボンベ
からキャリアガス等の供給を行うと、ガスボンベを定期
的に交換する必要がある。ガスボンベを交換する作業
は、ガス抜き、ボンベ交換、真空引き、気密性の確認等
の各種の作業を要し、長時間を要する作業であった。こ
のため、ガスボンべの交換作業が装置の段取り時間の増
加につながり、装置の生産性を低下させる一因でもあっ
た。また、ガスボンベを交換するためには、装置内にお
いて作業する必要があるが、生産性、安全性等の観点か
ら装置内にける作業を可能な限り削減することへの要請
が強かった。

【０００４】本発明は、上述の問題に鑑みて成されたも
のであって、イオン注入装置において使用されるガスの
供給に起因する装置の生産性の低下を防ぐことができ、
安全性を向上させることができるイオン注入装置を提供
することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の観点に係
るイオン注入装置は、被対象物にイオンを注入するイオ
ン注入装置であって、装置筐体内に内蔵され、前記被対
象物に注入すべきイオンを生成する第１のプラズマ生成
室と、前記第１のプラズマ生成室に前記装置筐体の外部
からキャリアガスを供給する第１のガス供給管とを有す
る。

【０００６】本発明の第２の観点に係るイオン注入装置
は、前記第１のプラズマ生成室から前記被対象物に向け
て電界によって引き出されたイオンビームとともに前記
被対象物に注入するためのエネルギ電子を生成する第２
の生成室と、前記第２の生成室に前記装置筐体の外部か
らプラズマ生成用ガスを供給する第２のガス供給管とを
さらに有する。

【０００７】好適には、前記第１のガス供給管は、前記
装置筐体において絶縁性材料によってシールドされてい
る。

【０００８】さらに好適には、前記第１のガス供給管
は、前記装置筐体内に設けられ、前記第１のプラズマ生
成室に供給すべきソースガスを収容するガスキャビネッ
トのガス供給系統に共通に接続されており、前記第１の
ガス供給管から供給されたキャリアガスは、前記ガスキ
ャビネットのガス供給系統を通じて前記第１のプラズマ
生成室に供給される。

【０００９】本発明の第３の観点に係るイオン注入装置
は、被対象物にイオンを注入するイオン注入装置であっ
て、装置筐体内に内蔵され、前記被対象物に注入すべき
イオンを生成する第１のプラズマ生成室と、前記第１の
プラズマ生成室から電界によって前記被対象物に向けて
引き出されたイオンビームとともに前記被対象物に注入
するためのエネルギ電子を生成する第２のプラズマ生成
室と、前記第１および第２のプラズマ生成室の少なくと
も一方に接続され、前記装置筐体の外部からプラズマ生
成用のガスを供給するガス供給管とを有する。

【００１０】本発明では、第１のプラズマ生成室へのキ
ャリアガスの供給および第２のプラズマ生成室へのプラ
ズマ生成用ガスの供給を装置筐体の外部から行う。この
ため、キャリアガスやプラズマ生成用ガスを供給するた
めのガスボンベを装置筐体内に設置する必要がなくな
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形
態に係るイオン注入装置の構成を示す側面図である。図
１に示すように、イオン注入装置１は、ビーム発生部２
と、ビームライン部３０と、プロセス部５０とから構成
されている。このイオン注入装置１は、装置筐体内部に
各種の構成要素を内蔵している。

【００１２】ビーム発生部２は、イオンビームを生成す
るためのイオンソース部３を内蔵している。このイオン
ソース部３は、生成されたイオンを引き出してプロセス
部５０に導くための電界を生成するため、たとえば、数
十ｋＶの高電圧が印加される。このため、イオンソース
部３と装置筐体との間には、絶縁碍子４が介在してい
る。

【００１３】イオンソース部３には、アークチャンバ７
が設けられている。このアークチャンバ７は、アーク放
電を利用したプラズマ生成室である。

【００１４】アークチャンバ７は、固体ソースあるいは
ソースガスからアーク放電を利用してイオンを生成す
る。固体ソースを用いてイオンを生成する場合には、キ
ャリアガスＣＧが必要となる。固体ソースとしては、た
とえば、砒素（Ａｓ）、燐（Ｐ）等が用いられ、ソース
ガスとしては、たとえば、三フッ化ホウ素（ＢＦ₃ ）、
ホスフィン（ＰＨ₃ ）、アルシン（ＡｓＨ₃ ）等が用い
られる。

【００１５】キャリアガスＣＧは、固体ソースからの固
体蒸気をイオン化する際に、アーク（気体を通して起き
る電気放電の一種）を安定的に発生させるために用いら
れるガスである。このキャリアガスＣＧには、たとえ
ば、アルゴンガス、キセノンガス等の不活性ガスが用い
られる。

【００１６】キャリアガスＣＧのアークチャンバ７への
供給は、装置筐体の外部に設けられた図示しないガス供
給装置に連通するガス供給管５によって行われる。この
ガス供給管５は、装置筐体の天井部分を通じて配設され
ている。ガス供給管５は絶縁材料で形成されている。ガ
ス供給管５の装置筐体とイオンソース部３との間は、絶
縁碍子６によってシールドされている。絶縁碍子６によ
ってシールドする理由は、イオンソース部３に高電圧が
印加されるため、この高電圧からガス供給管５を保護す
るためである。

【００１７】図２は、イオンソース部３の具体的構成を
示す図である。図２に示すように、イオンソース部３
は、上記したアークチャンバ７、ベーパライザ２１、引
出し電極２８、ソースマグネット２６、ガスキャビネッ
ト１１等から構成されている。

【００１８】アークチャンバ７は、内部にフィラメント
２７を備えている。このフィラメント２７には、図示し
ない直流電源が接続され、この直流電源から、たとえ
ば、０〜７．５Ｖ、０〜３００Ａの電力が供給される。
これよってフィラメント２７は加熱され熱電子を放出す
る。放出される熱電子の量は、印加される電圧によって
コントロールされる。

【００１９】アークチャンバ７とフィラメント２７との
間には、図示しないアーク電源により、アーク電圧が印
加される。これによりアークが発生し、イオンが生成さ
れる。アークチャンバ７へのイオン種の供給は、ベーパ
ライザ２１あるいはガスキャビネット１１によって行わ
れる。ベーパライザ２１は、固体ソースを加熱すること
により、固体の蒸気をアークチャンバ７へ送り込む。固
体ソースとしては、たとえば、砒素（Ａｓ）が用いられ
る。

【００２０】ガスキャビネット１１は、供給管２０を介
してアークチャンバ７と接続されている。このガスキャ
ビネット１１は、複数種のソースガスを供給するための
ガス供給系統１１ａおよび１１ｂを備えている。これら
ガス供給系統１１ａおよび１１ｂには、ソースガスを収
容するガスボンベ１２および１３が接続されている。ガ
ス供給系統１１ａおよび１１ｂは、ガスボンベ１２およ
び１３側から順に、手動弁１４、空気動作弁１５、手動
弁１６、空気動作弁１７およびマスフローコントローラ
１７を備えている。

【００２１】ガスキャビネット１１は、上記のガス供給
系統１１ａおよび１１ｂに加えて、キャリアガスＣＧを
アークチャンバ７へ供給するためのガス供給系統１１ｃ
を備えている。このガス供給系統１１ｃは、手動弁１
４、空気動作弁１５、手動弁１６、空気動作弁１７およ
びマスフローコントローラ１７を備えており、手動弁１
４側に、上記したガス供給管５が接続されている。ガス
供給系統１１ａ，１１ｂおよび１１ｃは、供給管２０に
空気動作弁１９を介して並列に接続されている。すなわ
ち、ガス供給系統１１ｃは、ガス供給系統１１ａおよび
１１ｂで構成されるソースガスの供給系統に共通に接続
されており、ソースガスの供給系統を共用している。

【００２２】ガス供給系統１１ｃは、アークチャンバ７
において、固体蒸気を用いてイオンを発生させる際に、
アークを安定に発生させるためにキャリアガスＣＧをア
ークチャンバ７に供給する。固体蒸気がアークチャンバ
７においてアークを維持するのに充分な量となった時点
で、通常、キャリアガスＣＧの供給は遮断される。

【００２３】アークチャンバ７の周囲には、ソースマグ
ネット２６が配置されている。このソースマグネット２
６は、アークチャンバ７に所定の向きの磁場を与える。
この磁場の付与により、アークチャンバ７内での電離
（イオン化）プロセスを効率良く行わせる。この磁場
は、電子の軌道をアークチャンバ７の縦方向に沿ってス
パイラルとする効果を有しており、このような電子の軌
道はガス分子との衝突の可能性を増加させ、結果とし
て、電離の効率を向上させる。

【００２４】アークチャンバ７は、イオンビームＩＢを
引き出すためのスリット７ａを備えており、このスリッ
ト７ａの前方に引出し電極２８が配置されている。アー
クチャンバ７と引出し電極２８との間には、図示しない
引出し電源が接続され、たとえば、０〜数十ｋＶの高電
圧が印加される。なお、アークチャンバ７には正の高電
圧が印加され、ガスキャビネット１１もアークチャンバ
７と同じ電位となる。この電圧の印加により、アークチ
ャンバ７と引出し電極２８との間に強い電界が形成さ
れ、この電界がアークチャンバ７内部からイオンビーム
ＩＢを引出し、これを加速する。

【００２５】ビームライン部３０は、イオンソース部３
で生成されたイオンビームＩＢをプロセス部５０に導
く。このビームライン部３０には、プラズマシャワー部
３５が設けられている。プラズマシャワー部３５は、プ
ロセス部５０に設置されたイオン注入される被対象物と
してのウェーハの周辺の電気的な環境に応じて低エネル
ギ電子をイオンソース部３から引き出されたイオンビー
ムとともにウェーハに照射するチャージアップ防止のた
めの装置である。

【００２６】図１に示すように、プラズマシャワー部３
５には、装置筐体の外部に設けられた図示しないガス供
給装置に連通するガス供給管３１から、たとえば、アル
ゴンガスやキセノンガス等の不活性ガスが供給される。
ガス供給管３１は、絶縁性の材料で形成されている。こ
のガス供給管３１は、上記したガス供給管５のように、
外周を絶縁碍子６によってシールドされていない。プラ
ズマシャワー部３５は、イオンソース部３のような高電
圧が印加されることがないからである。

【００２７】図３は、プラズマシャワー部３５の構成を
示す図である。図３に示すように、プラズマシャワー部
３５は、アークチャンバ３６を備えている。アークチャ
ンバ３６には、上記したガス供給管３１が減圧弁４７を
介して接続されており、たとえば、アルゴンガスやキセ
ノンガス等のガスＧがアークチャンバ３６内に供給され
る。ガスＧは、アークチャンバ３６内で安定なプラズマ
を生成するために供給される。なお、ガスＧの圧力調整
は、減圧弁４７によって可能となっている。

【００２８】アークチャンバ３６内には、フィラメント
３７が設置されており、フィラメント３７にフィラメン
ト電源４０が接続されている。このフィラメント電源４
０によってフィラメント３７に、たとえば、１５０〜１
９０Ａ程度の電流を流すと、フィラメント３７は２００
０℃以上に加熱され、熱電子を放出する。

【００２９】アークチャンバ３６とフィラメント３７と
の間には、アーク電源４１が接続されている。アーク電
源４１は、アークチャンバ３６とフィラメント３７との
間に、たとえば、数十Ｖのアーク電圧を印加する。

【００３０】イオンビームＩＢが通過するチューブ３８
がアークチャンバ３６に隣接して設けられている。チュ
ーブ３８は、アークチャンバ３６と同電位に保たれてい
る。また、アークチャンバ３６およびチューブ３８と接
地電位との間には、引出し電源４２が設けられている。
チューブ３８に隣接してイオンビームＩＢの上流側にバ
イアスプレート３９が設けられている。バイアスプレー
ト３９には、バイアス電源４３が接続されている。バイ
アス電源４３は、たとえば、２ｋＶの電圧をバイアスプ
レート３９に印加可能となっている。チューブ３８およ
びバイアスプレート３９は、イオンビームＩＢの周辺へ
の飛散や上流方向への飛散を防ぐ働きをもつ。

【００３１】上記構成のプラズマシャワー部３５では、
フィラメント３７から放出された熱電子は、アーク電圧
によって加速され、アークチャンバ３６内に供給された
ガス原子と衝突してイオン化されるとともに、新たな電
子が生成される。さらに、アーク電圧によって、アーク
チャンバ３６とフィラメント３７との間には、プラズマ
が生成される。

【００３２】安定にプラズマが生成された状態におい
て、アークチャンバ３６の引出し孔３６ａの外側をイオ
ンビームＩＢが通過すると、イオンビームＩＢがもつ正
のポテンシャルによってアークチャンバ３６内に生成さ
れたプラズマから電子が引き出され加速される。

【００３３】この電子と、アークチャンバ３６内でイオ
ン化されずに引出し孔３６ａから噴出する中性ガス原子
が衝突してアークチャンバ３６とイオンビームＩＢとの
間に、再び密度の低いプラズマが生成される。この密度
の低いプラズマは、プラズマブリッジと呼ばれており、
空間電荷制限電流をはるかに上回る量の電子をイオンビ
ームＩＢに供給する働きをもつ。

【００３４】また、引出し電源４２によって、アークチ
ャンバ３６の電位を接地電位よりも数Ｖ下げておくと、
イオンビームＩＢに供給される電子はさらに増大する。
このようにしてプラズマシャワー部３５を通過したイオ
ンビームＩＢは、プロセス部５０に設置されたウェーハ
Ｗに注入される。

【００３５】次に、上記構成のイオン注入装置１の動作
の一例について説明する。イオンビームＩＢの固体ソー
スとして、砒素（Ａｓ）を用いた場合には、まず、イオ
ンソース部３に装置外部からガス供給管５を通じて、た
とえば、アルゴンガスからなるキャリアガスＣＧが供給
される。供給されたキャリアガスＣＧは、ガス供給系統
１１ｃによって一定の流量、圧力に調整され、供給管２
０を通じてアークチャンバ７に供給される。

【００３６】アークチャンバ７では、キャリアガスＣＧ
の供給およびアーク電圧の印加により、アークが生成さ
れる。アークの生成と並行して、アークチャンバ７には
ベーパライザ２１からＡｓの蒸気が供給され、電子と衝
突してイオン化される。

【００３７】アークチャンバ７でイオン化されたＡｓ
は、引出し電極２８とアークチャンバ７との間に高電圧
が印加されることで生成された電界により、アークチャ
ンバ７のスリット７ａから外部にイオンビームＩＢとし
てビームライン部３０に向けて引き出される。

【００３８】一方、ビームライン部３０のプラズマシャ
ワー部３５のアークチャンバ３６にも、装置外部からガ
ス供給管３１を通じて、たとえば、アルゴンガスからな
るキャリアガスＣＧが供給される。アークチャンバ３６
では、プラズマが生成される。アークチャンバ３６の外
側をイオンビームＩＢが通過すると、アークチャンバ３
６内に生成されたプラズマから電子が引き出される。

【００３９】プラズマシャワー部３５において電子が供
給されたイオンビームＩＢは、プロセス部５０に設置さ
れたウェーハＷに注入される。

【００４０】本実施形態に係るイオン注入装置１では、
イオンソース部３に必要なキャリアガスＣＧおよびプラ
ズマシャワー部３５に必要なガスＧを装置の外部から供
給するため、キャリアガスＣＧおよびガスＧの供給作業
を装置外部から操作することが可能となる。このため、
イオンソース部３のような高電圧領域へのアクセス回数
を削減することができ、作業者の安全性を向上させるこ
とができる。また、イオンソース部３およびプラズマシ
ャワー部３５に必要なガスの残量を管理する必要がなく
なり、作業者の作業を軽減することが可能となる。さら
に、イオン注入装置１では、キャリアガスＣＧおよびガ
スＧを供給するためのガスボンベを使用しないため、こ
れらの交換作業が必要なくなり、結果として、イオン注
入装置１の稼働率を向上させることが可能となる。

【００４１】また、キャリアガスＣＧをイオンソース部
３に設けられたガス供給系統１１ｃを通じて供給するこ
とにより、キャリアガスＣＧの供給量および圧力をイオ
ン注入装置１側で調整可能となる。

【００４２】なお、上述した実施形態では、キャリアガ
スＣＧおよびガスＧとしてともに同一のガス（アルゴン
ガス）を用いた場合について説明したが、この場合に
は、装置外部に設置された共通のアルゴンガス供給装置
から供給することができる。さらに、ガス供給管５およ
びガス供給管３１を途中まで共通の配管で構成すること
ができ、配管を簡略化することが可能となる。

【００４３】本発明は、上述した実施形態に限定されな
い。上述した実施形態では、イオンソース部３およびプ
ラズマシャワー部３５にそれぞれ外部からガスを供給す
るガス供給管５およびガス供給管３１を設ける構成とし
たが、イオンソース部３あるいはプラズマシャワー部３
５のいずれか一方にのみ設ける構成としてもよい。ま
た、上述した実施形態では、イオンソース部３における
ソースガスの供給は、ガスキャビネット１１内に設けた
ガスボンベ１２，１３により行う構成としたが、これら
のソースガスの供給も装置外部から行うことが可能であ
る。この場合には、ガス供給管５と同様のガス供給管お
よびこれらをシールドする絶縁碍子が必要である。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、イオン注入装置におい
て使用されるガスの供給に起因する装置の生産性の低下
を防ぐことができる。また、本発明によれば、イオン注
入装置における高電圧部へのアクセス回数を削減するこ
とができ、安全性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るイオン注入装置の構
成を示す図である。

【図２】ビーム発生部２の具体的構成を示す図である。

【図３】ビームライン部３０に設けられたプラズマシャ
ワー部３５の具体的構成を示す図である。

【符号の説明】

１…イオン注入装置、２…ビーム発生部、３…イオンソ
ース部、４…絶縁碍子、５…ガス供給管、６…絶縁碍
子、７…アークチャンバ、３０…ビームライン部、３１
…ガス供給管、３５…プラズマシャワー部、３６…アー
クチャンバ、５０…プロセス部、Ｇ…ガス、ＣＧ…キャ
リアガス。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被対象物にイオンを注入するイオン注入装
   置であって、 装置筐体内に内蔵され、前記被対象物に注入すべきイオ
   ンを生成する第１のプラズマ生成室と、 前記第１のプラズマ生成室に前記装置筐体の外部からキ
   ャリアガスを供給する第１のガス供給管とを有するイオ
   ン注入装置。
2. 【請求項２】前記第１のプラズマ生成室から前記被対象
   物に向けて、電界によって引き出されたイオンビームと
   ともに前記被対象物に注入するためのエネルギ電子を生
   成する第２の生成室と、 前記第２の生成室に前記装置筐体の外部からプラズマ生
   成用ガスを供給する第２のガス供給管とをさらに有する
   請求項１に記載のイオン注入装置。
3. 【請求項３】前記第１のガス供給管は、前記装置筐体に
   おいて絶縁性材料によってシールドされている請求項１
   に記載のイオン注入装置。
4. 【請求項４】前記第１のガス供給管は、前記装置筐体内
   に設けられ、前記第１のプラズマ生成室に供給すべきソ
   ースガスを収容するガスキャビネットのガス供給系統に
   共通に接続されており、 前記第１のガス供給管から供給されたキャリアガスは、
   前記ガスキャビネットのガス供給系統を通じて前記第１
   のプラズマ生成室に供給される請求項１に記載のイオン
   注入装置。
5. 【請求項５】前記第１のプラズマ生成室は、絶縁材料に
   よって前記装置筐体と電気的に絶縁ざれている請求項１
   に記載のイオン注入装置。
6. 【請求項６】前記キャリアガスは、不活性ガスである請
   求項１に記載のイオン注入装置。
7. 【請求項７】前記プラズマ生成用ガスは、不活性ガスで
   ある請求項２に記載のイオン注入装置。
8. 【請求項８】被対象物にイオンを注入するイオン注入装
   置であって、 装置筐体内に内蔵され、前記被対象物に注入すべきイオ
   ンを生成する第１のプラズマ生成室と、 前記第１のプラズマ生成室から電界によって前記被対象
   物に向けて引き出されたイオンビームとともに前記被対
   象物に注入するためのエネルギ電子を生成する第２のプ
   ラズマ生成室と、 前記第１および第２のプラズマ生成室の少なくとも一方
   に接続され、前記装置筐体の外部からプラズマ生成用の
   ガスを供給するガス供給管とを有するイオン注入装置。