JP2004530268A - イオンソースフィラメントおよび方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】イオンソースフィラメント、ならびにこれに関連した方法および装置が提供される。ソースフィラメントは、従前のソースフィラメントと比較して、電子が放出される比較的小さな表面領域を含む設計を有する。適切な設計は、従前のソースフィラメントのようにコイル状の活性部ではなく、V字形またはU字形の活性部を有するフィラメントを含む。本発明のソースフィラメントはイオンの発生、特に多重荷電したイオン種の発生の効率を高めることができる。高められたイオン発生効率は注入に適した比較的高いビーム電流をもつイオンビームの形成を可能にする。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、2001年4月3日に出願の米国仮出願第60/281,070号（「イオンソース装置におけるヘリウムイオン生成の強化方法」）および2001年4月3日に出願の米国仮出願第60/281,069号（「多重荷電フィラメント」）に基づくものであり、これらはここに、参考文献として組み込まれる。
【０００２】
本発明は、イオン注入に関し、特に、イオンソースフィラメント、ならびにこれに関連した方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
イオン注入は、半導体ウエハに、電気伝導性を変えるドーパントを導入する従来からの技術である。所望のドーパントガスをイオン化するために、イオンソースのアークチェンバー内で、アーク放電が発生される。イオンはそのソースから抽出され、半導体ウエハの面に向けることのできるイオンビームを形成する。ビーム内のイオンは、半導体ウエハに浸入し、注入領域を形成する。
【０００４】
イオンソースのいくつかのタイプは、アークチェンバー内に位置する電気的抵抗をもつフィラメントを含む。アーク放電を発生させるために、電流がフィラメントを流れるとともに、フィラメントと正の電極との間に、電圧が適用される。バーナスタイプのフィラメントとして知られる在来のフィラメントの設計では先端にフィラメントが含まれる。他のタイプや、設計のフィラメントもまた知られている。
【０００５】
イオン注入プロセスにおいて、多重荷電イオン種のようなイオン種の発生効率を増加させることが望まし。イオン化効率の増加は、たとえば、増加したビーム電流をもつイオンビームの形成を可能にする。イオン化効率を高める技術は、より高いアームパワーを与えるように、フィラメンを流れる電流または適用電圧を増加させることを含む。
【特許文献１】
米国特許第4691109号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、このような技術は典型的に、イオン注入器の性能を犠牲にし、コストの高いものにし、フィラメントの寿命を短くする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明はイオンソースフィラメント、ならびにそれに関連した方法および装置に関する。
【０００８】
ひとつの態様として、本発明はイオンソースを提供する。本イオンソースは、アークチェンバー、およびアークチェンバー内に少なくとも一部が位置するフィラメントを含む。フィラメントはコイル状ではない先端部により連結された一対のアーム部材を含むが、ここで先端部はV字状またはU字状に形成される。
【０００９】
他の態様として、本発明は、イオンソースにフィラメントを使用する方法を提供する。本方法は、第一の活性領域を有する活性部を含む第一のフィラメントを、ソースガスイオンを第一の効率で生成するために、第一の動作条件で使用することを含む。本方法は、第一のソースフィラメントを第二のソースフィラメントに取り替えることを含む。第二のソースフィラメントは、第一の活性領域よりも小さな第二の活性領域を有する活性部を含む。本方法は、第一の効率よりも高い第二の効率で、ソースガスイオンを生成するために、第一のソース動作条件で第二のソースフィラメントを使用する。
【００１０】
他の態様、特徴、利点は、特許請求の範囲とともに、以下の記述および図面から明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、イオンソースフィラメント、ならびにこれに関連した方法および装置を提供する。そのソースフィラメントは、従来のソースフィラメントと比較して比較的小さな表面領域（電子が放出されるところで、すなわち活性部である）を含む設計となっている。適切な設計には、従前のソースフィラメントのようなコイル状の活性部ではなく、V字形またはU字形の活性部が含まれる。下述するように、本発明のソースフィラメントはイオン発生効率、特に多重荷電したイオン種を増加させることができる。
【００１２】
典型的なイオン注入システム10の略示ブロック図が図１に示されている。システムのイオンソース12がアークチェンバー16に連結されたソースガス供給源14を含む。さらに下述するように、電流をフィラメントに流し、電圧をフィラメントにかけることにより、アーク放電がアークチェンバーに発生する。アーク放電は、イオン化したソースガス分子を含む。イオンは、半導体ウエハ20のようなターゲットに向いたビーム経路にそって向けられるイオンビーム18を形成するために、イオンソースから抽出される。
【００１３】
イオンビーム18は質量分析磁石22により偏向され収束される。質量分析磁石22の下流で、イオンビームは質量分解スリット組立体26の面に収束される。イオンビーム18は加速器28により所望のエネルギーに加速され、エンドステーション29内に配置されたウエハ20上に衝突する。イオンソース12とウエハ20との間の全領域はイオン注入中、排気される。
【００１４】
イオンビーム18は、ウエハをビームに関して機械的に走査することにより、イオンビームをウエハに関して走査することにより、またはこれらの技術を組み合わせることにより、ウエハ20の表面にわった分配される。ウエハは、たとえば、イオン注入中、回転ディスク上に取り付けられる。エンドステーション29は、半導体ウエハをひとつ以上の注入位置に自動的に装填し、イオン注入後ウエハの位置からウエハを除去するシステムを含む。イオン注入システムは、他の要素、図示はされていないが当業者に明らかな、ドーズ量測定システム、電子供給システム、および傾斜角度モニタリングシステムを含むことができる。
【００１５】
図２Aは、従前の設計をもつフィラメント32aを含むイオンソースのアークチェンバー30を示す。この図示の実施例では、フィラメント32aはコイル状の先端部34aを含む。図２Bは、本発明にしたがった設計をもつフィラメント32bを含みイオンソースのアークチェンバー30を示す。フィラメント32bはV字形をし、コイル状となっていない先端部34bを含む。それぞれのフィラメント32a、32bの活性部36a、36bは距離A、アークチェンバー内に伸びている。ここで使用する用語「活性部」は、アークチェンバー内に配置されたフィラメントの一部を示す。活性部36a、36bの直径は同じであるが、しかし、活性部36bの全長は、活性部36aの長さより短い。したがって、活性部36bの表面領域は、活性部36aの表面領域よりも小さい。さらに下述するように、より小さな活性領域は、本発明のフィラメント（たとえば、32b）が従前のフィラメント（たとえば、32a）よりもより高い効率でイオンを生成することができるようにする。
【００１６】
本発明のフィラメントの設計はまた、コイル状の先端部を含まない設計を有する従前のフィラメントよりも小さな活性表面領域を含むことができる。
【００１７】
使用中、供給源14（図１）からのガス分子は、入口38を通してチェンバーに供給される。電流がフィラメント32a（図２b、32b）を流れ、活性部36a（図２b、36b）は加熱され、その表面から電子を熱的に放出する。約30ボルトと約150ボルトとの間の電圧（すなわち、アーク電圧）がフィラメントと正の電極（チェンバー壁）との間に適用される。フィラメントから放出された電子は、ガス分子と衝突し、ガスイオンを含むアーク放電を発生する。装置内の電子路を増加させ、チェンバー内におけるガス分子の衝突の可能性を高めるために、電場に垂直に、磁場が適用される。上述したように、ソースガスイオンはイオンビーム（図１）を形成するために抽出される。
【００１８】
活部36aと比較して、小さな活性部36bの表面領域は、同じ動作条件（すなわち、フィラメント電流、アーク電圧など）で活性部36aより高い温度まで活性部36bを加熱することができる。より高い温度により、より高いエネルギーをもつ電子が、活性部36bから熱的に放出される。より高い電子エネルギーは、ガス分子をイオン化することができる衝突の頻度を増加させる。したがって、より高いイオン化効率は、同じ条件の動作で、フィラメント32aと比較して、フィラメント32bを使用することで達成することができる。
【００１９】
さらに、活性部36bが活性領域32aよりも小さい表面をもつことから、活性部32bからの電子放出は、活性部36aからのものよりもより小さい領域でイオン化されるものと信じられている。活性部36b付近の領域は、したがって、活性部36a付近の領域と比較して、増加した電子密度をもつ。増加した電子密度は、その領域でのソースガス分子が何度も衝突する可能性（ひとつ以上の電子が高エネルギーをもって衝突する）を高める。このことはまた、同じ動作条件では、特に多重荷電したイオンの生成に関しては、フィラメント32aと比較して、フィラメント32bのイオン化効率を増加させるものと信じられている。
【００２０】
本発明のフィラメントを使用して達成可能な、より高いイオン化効率は一般的にフィラメント寿命を犠牲にすることなく得られる。このことは、アーク電流および/またはアーク電圧（いずれもフィラメント寿命を短くする）を増加させることで、アーク電力を増加させることに関する技術のような、イオン化効率を増加させるための在来の技術を越えた利点を示す。
【００２１】
本発明のフィラメントの大きさは、それらが使用されるシステムおよびプロセスに多少なりとも依存する。一般的に、フィラメントは同じ断面を有し、在来のフィラメントの設計と同じ距離、チェンバーに伸長することが望ましい。このことは、既存のイオン注入システムと本発明のフィラメントの互換性を高め、従前のフィラメントを本発明のフィラメントに取り換えることを容易にする。上述したように、本発明のフィラメントは、従前のフィラメントと比較して、活性部の長さを短くすることができる。いくつかの実施例では、本発明のフィラメントの活性部（32b）の長さは、従前のフィラメントの活性部（32a）の長さの約50％から約80％の間である。ある実施例では、本発明の活性部の長さは、従前のフィラメントの活性部の長さの約60％から約70％の間である。たとえば、約1.3インチ（3.3cm）の活性部の長さをもつ本発明のフィラメントが、コイル状の先端部をもつ約2.0インチ（5.1cm）を有する従前のフィラメントと取り替えて使用することができる。
【００２２】
しかし、本発明のフィラメントが従前のフィラメントと同じ長さをもつことができることは理解されよう。このような実施例では、本発明のより小さな活性表面領域は、より小さな断面をもつ結果となる。
【００２３】
図３および図４は、さらに、本発明の一実施例にしたがったフィラメント42の設計を示す。図示のように、フィラメント42は、V字形の先端部48により連結した実質的に平行なアーム部材44、46を含む。他の実施例では、先端部は、U字形のものでもよく、曲率半径を定義してもよい。他の実施例では、先端部は他の形状ももち得る。アーム部材は平行でなくともよい。
【００２４】
図３および図４の実施例において、アーム部材44，46は、角度Dを形成する、先端部48により画成される面Cと交差する第一の面Bを画成する。この設計は、ある場合では好適となる、アークチェンバー内のガス入口の近傍に、先端部48を容易に配置することができる。先端部48が典型的に、フィラメントの最も熱い部分であることから、先端部をガス入口に近くにもってくることにより、イオン化効率を高めることができるこの領域での放出電子の密度を高めることができる。
【００２５】
アーム部材44，46および先端部48が本発明の実施例では同じ面にあってもよいことは理解されよう。
【００２６】
本発明に関連して使用されるフィラメントは、タングステン、タンタルまたは従来より知られた適切な材料で作られてもよい。
【００２７】
本発明のフィラメントは適切なイオン注入システムにおいて使用することができる。フィラメントは、いずれのタイプのソースガスのイオン化効率も高めることができる。しかし、フィラメントは特に、ヘリウムのような高いイオン化ポテンシャルをもつソースガスからのイオンの形成を増加させるために、または多重荷電したイオン種の形成を増加させるために有用である。特に、He⁺⁺の形成の効率は本発明のフィラメントを使用して、高めることができる。ある実施例では、混合ガスがアークチェンバー内に与えられ、イオン化され得る。たとえば、ある実施例では、ヘリウムのイオン化ポテンシャルをさらに増加させるために、アークチェンバー内にヘリウムガス/第二のガスの混合物を与えることが望ましい。適当なヘリウム混合物およびプロセスが、たとえば、共に2002年4月3日に出願された、本出願人に譲渡された米国特許出願（「ヘリウムイオン生成方法および装置」）（ここに参考文献として組み込まれる）に記述されている。
【００２８】
本発明は、図示のためのであり、本発明の範囲を制限するものではない以下の例により図示される。
【００２９】
例１
この例は、従前のフィラメントと比較して、減少した活性表面領域をもつ本発明のフィラメントを使用して、イオンソースにより多重荷電したヘリウムイオン（He⁺⁺）を含むイオンビームの形成を図示する。
【００３０】
バリアン・セミコンダクター・エクイップメント・アソシエイツ・インコーポレイテッド（VSEA）のモデルEHPi-500、中間電流イオン注入器が、250ボルト（V）および4アンペアー（A）のアーク電力源を含み、市販の装置の構成で可能な、最大で約10トルの約三倍のガス圧力を可能にするように改良された。注入器はまた、50Aのソース磁石電流を可能にし、25ミリアンペア（mA）の抽出電流を可能にするために改良された。
【００３１】
注入器に使用されたフィラメントは、このタイプのイオン注入器に典型的に使用されるコイル状の先端部を含む従前のバーナス（Bernas）タイプのフィラメントと同じ直径および長さをもつ、チェンバー内に突き出た活性部の有する。使用されたフィラメントの活性部の全長は、従前のフィラメントの場合の2.0インチ（5.1cm）より短い約1.3インチ（3.3cm）である。
【００３２】
ヘリウムがソースガスとして使用された。イオンソースは、アーク電圧が約240ボルト、アーク電流が約4.3A、ソース圧が約25トル、抽出電流が約1.5mAで動作した。これら動作条件では、He⁺⁺のセットアップ電流として約47μAが測定された。このセットアップ電流は、ターゲットウエハにおいて、約40μAのH⁺⁺電流に変わる。
【００３３】
表１は他の動作条件および測定されたHe⁺およびHe⁺⁺セットアップ電流を示す。
【表１】

【００３４】
例２
この例は、従前のフィラメントと比較して、本発明にしたがって減少した活性表面をもつフィラメントを使用して得られた、増加したビーム電流、したがってイオン化効率を示す。
【００３５】
例１のイオン注入器が使用された。リンのガスソースが使用された。従前のフィラメント（2.0インチの活性部）が一つの試行のために使用された。減少した表面領域のフィラメント（1.3インチの活性部）が他の試行のために使用された。従前のフィラメントおよび減少した表面領域フィラメントは同じ直径をもち、チェンバーに同じ長さ、伸長していた。
【００３６】
両フィラメントでの試行は、ガス圧が約3.85トルで、アーク電流が約4アンペアで実行された。両方の試行とも、アーク電圧は、約20ボルトから150ボルトに増加した、P⁺⁺およびP⁺⁺⁺のビーム電流は10ボルト毎に測定された。図５で、従前のフィラメントを使用して得られたP⁺⁺イオンのビーム電流と、面積領域が減少したフィラメントを使用して得られたP⁺⁺のビームとの比較が示されている。図６では、従前のフィラメントを使用して得られたP⁺⁺⁺イオンのビーム電流と、面積領が域減少したフィラメントを使用して得られたP⁺⁺⁺のビームとの比較が示されている。図５および図６に示されているように、面積領域が減少したフィラメントを使用して得られた両P⁺⁺イオンおよびP⁺⁺⁺イオンのビーム電流は、従前のフィラメントを使用して得られたものよりも高い。このことは、面積領域が減少したフィラメントを使用して得られたリンのイオン化が増加したことを示す。
【００３７】
さらに、両フィラメントを使用した試行は、ガス圧が約3.85トル、アーク電圧が120ボルトで、実行された。両試行とも、アーク電流は約0アンペアから4.5アンペアに増加した。P⁺⁺⁺イオンのビーム電流は、0.5アンペア毎に、測定された。図７では、従前のフィラメントを使用して得られたP⁺⁺⁺イオンのビーム電流と、面積領域が減少したフィラメントを使用して得られたP⁺⁺⁺のビームとの比較が示されている。図７に示されているように、面積領域が減少したフィラメントを使用して得られたP⁺⁺⁺イオンのビーム電流は、従前のフィラメントを使用して得られたものよりも高い。このことは、面積領域が減少したフィラメントを使用して得られたリンのイオン化が増加したことを示す。
【００３８】
上述した記述および例は図示のためであり、すべてというものではない。記述は、当業者に種々の変化、変更を示唆する。これらの変更、変化は特許請求の範囲内に含まれる。当業者であれば、ここで記述した特定の実施例と同等のもの（特許請求の範囲に含まれるのと同等のもの）を認識できるであろう。さらに、独立項に示された特徴は、従属項の特徴が組み合わせられるように、本発明の範囲内で組み合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は、本発明の実施例に関連して使用することができるイオン注入システムを略示する。
【図２】図２Aは従前のフィラメントを含むイオンソースの略示図である。図２Aは本発明の一実施例にしたがったフィラメントを含むイオンソースの略示図である。
【図３】図３は本発明の一実施例にしたがったフィラメントの側面図である。
【図４】図４は図３のフィラメントの平面図である。
【図５】図５は、従前のフィラメントと例１に記載の本発明のフィラメントを使用して得られた、種々のアーク電圧におけるP⁺⁺ビーム電流を比較するグラフである。
【図６】図６は、従前のフィラメントと例１に記載の本発明のフィラメントを使用して得られた、種々のアーク電圧におけるP⁺⁺⁺ビーム電流を比較するグラフである。
【図７】図７は、従前のフィラメントと例２に記載の本発明のフィラメントを使用して得られた、種々のアーク電圧におけるP⁺⁺⁺ビーム電流を比較するグラフである。

Claims (23)

1. イオンソースであって、
   アークチェンバーと、
   該アークチェンバー内に配置される一部を少なくとも有するフィラメントと、
   を有し、
   フィラメントは、コイル状ではない先端部により連結された一対のアーム部材を含み、
   先端部は、V字形またはU字形に形成される、
   上記イオンソース。
2. アーム部材が一般的に平行である、請求項１に記載にイオンソース。
3. アーム部材が第一の面を画成し、先端部が第一の面と鋭角に交差する第二の面を画成する、請求項１に記載のイオンソース。
4. フィラメントが、タングステンまたはタンタルにより作られる、請求項１に記載のイオンソース。
5. さらに、チェンバー内にソースガス入口が形成されてなる、請求項１に記載のイオンソース。
6. 先端部がソースガス入口に最も接近するフィラメント部である、請求項５に記載のイオンソース。
7. フィラメントの活性部がアークチェンバー内に伸長する、請求項１に記載のイオンソース。
8. さらに、ソースガス供給源を含む、請求項１に記載のイオンソース。
9. ソースガスがヘリウムである、請求項１に記載のイオンソース。
10. イオンガスがヘリウムと第二のガスとの混合物である、請求項１に記載のイオンソース。
11. イオンソースのフィラメントを作動する方法であって、
    第一の活性表面領域を有する活性部を含む第一のソースフィラメントを、ソースガスイオンを第一の効率で発生させるために、第一のソース作動条件で使用する工程と、
    第一の活性表面領域よりも狭い第二の活性表面領域を有する活性部を有する第二のソースフィラメントで、第一のソースフィラメントを取り替える工程と、
    第一の効率よりも高い第二の効率で、ソースガスイオンを発生させるために、第一の作動条件で、第二のソースフィラメントを使用する工程と、
    を含む方法。
12. 第二のソースフィラメントの活性部の全長が、第一のソースフィラメントの活性部の全長よりも短い、請求項１１に記載の方法。
13. 第二のソースフィラメントの活性部が、第一のソースフィラメントの活性部の全長の、約50％から約80パーセントの間である、請求項１２に記載の方法。
14. 第二のソースフィラメントの活性部が、第一のソースフィラメントの活性部の全長の、約60％から約70パーセントの間である、請求項１２に記載の方法。
15. 第二のソースフィラメントの活性部の断面積が、第一のソースフィラメントの活性部の断面積と同じである、請求項１２に記載の方法。
16. 第二のソースフィラメントの活性部の全長が、第一のソースフィラメントの活性部の全長と同じで、第二のソースフィラメントの活性部の断面積が、第一のソースフィラメントの活性部の断面積よりも小さい、請求項１１に記載の方法。
17. 第二のソースフィラメントが、コイル状ではない先端部により連結された一対のアーム部材を含む、請求項１１に記載の方法。
18. コイル状ではない先端部がV字形またはU字形に形成される、請求項１７に記載の方法。
19. アーム部材が第一の面を画成し、先端部が、第一の面と鋭角に交差する第二の面を画成する、請求項１７に記載の方法。
20. 第一のソースフィラメントがコイル状の先端部を含む、請求項１１に記載の方法。
21. 発生したソースガスイオンが多重荷電されたものである、請求項１１に記載の方法。
22. 発生したソースガスイオンがヘリウムイオンである、請求項１１に記載の方法。
23. ソースガスがヘリウムを含む請求項１１に記載の方法。

Images