JP2009540534A - イオン注入に使用するためのイオンをイオン源から抽出するための方法および装置 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
半導体ウェーハ中にドーパント元素を導入するための従来の方法は、イオン注入のための制御されたエネルギーのイオンビームを導入する方法である。この方法によれば、半導体基板の材料中に所望の不純物種が導入され、所望の深さにドープ(すなわち「不純物」)領域が形成される。不純物元素は、半導体材料と結合して電気キャリアを生成し、したがって半導体材料の導電率が変化するように選択される。電気キャリアは、電子(N型ドーパントによって生成される)またはP型ドーパントによって生成される「正孔」(すなわち電子が存在しない)のいずれかであってもよい。このようにして導入されるドーパント不純物の濃度によってドープ領域の導電率が決まる。半導体デバイスとして集合的に機能するトランジスタ構造、隔離構造および他のこのような電子構造を形成するためには、多くのこのようなN型およびP型不純物領域を生成しなければならない。
通常、PまたはAsなどのN型ドーパントのイオンビームは、P型ドーパントイオンのいかなる有意部分も含んでいてはならず、また、BまたはInなどのP型ドーパントのイオンビームは、N型ドーパントイオンのいかなる有意部分も含んでいてはならない。このような状態は、「交差汚染」と呼ばれ、望ましくない状態である。交差汚染は、供給物質源がイオン源の中に蓄積し、次に、供給物質源が交換された場合に生じることがあり、たとえば、最初に単体リン供給物質を走らせてN型P+ビームを生成し、次にBF3ガスに切り換えてP型BF2 +ビームを生成する場合に生じることがある。
B10H14(デカボラン)およびB18H22(オクタデカボラン)などのホウ水素化物材料は、イオン注入源材料として注目を集めてきた。これらの材料は、正規の条件の下で、イオンB10Hx +、B10Hx −、B18Hx +およびB18Hx −を形成する。これらのイオンは、注入されると、CMOS製造における浅い接合を形成するための極めて浅い高ドーズP型注入を可能にする。これらの材料は室温で固体であるため、イオン化させるためにはそれらを気化させ、その蒸気をイオン源の中に導入しなければならない。これらの材料は低温材料であり(たとえばデカボランは100Cで融解し、室温で約0.2トールの蒸気圧を有する。また、デカボランは、350Cより高い温度で解離する)、したがって冷イオン源に使用しなければならない。これらの材料は壊れやすい分子であり、たとえば熱プラズマ源の中で容易に解離する。
デカボランおよびオクタデカボランなどのホウ水素化物には、イオン源の中で容易に解離する性質があり、したがってそれらを使用してイオンビームを生成する場合、重大な付着問題が露呈する。これらの材料がBernas型アーク放電イオン源および電子衝撃(「軟」)イオン源に使用されると、ホウ素を含有した付着物が相当な割合でイオン源の中に蓄積することが分かっている。実際、イオン源の中に導入されるホウ水素化物蒸気のうちの半分が、解離した凝縮物質としてイオン源の中に留まることがある。イオン源の設計によっては、蓄積した凝縮物質が最終的にはイオン源の動作を妨害し、そのためにイオン源の除去および浄化が余儀なくされることになる。
また、本発明は、イオン源および関連する抽出電極ならびにイオンビーム生成システムの同様のコンポーネントのためのインサイチュー浄化手順および装置であって、システムを分解する必要なく付着物が定期的に化学的に除去され、寿命が長くなり、かつ、性能が改善されるインサイチュー浄化手順および装置を特徴とする。
他の特徴は、一般に、抽出電極をイオン源への供給物質の凝縮温度より高い温度に加熱することであり、好ましい事例では、電極は、金属、好ましくはアルミニウムまたはモリブデンからなる。
反応性ガスのサプライが提供され、イオン源に導入される。また、原子フッ素Fまたは分子フッ素F2などのそのサプライからの反応生成物への露出によってイオン源および抽出電極がインサイチューで浄化される。原子または分子フッ素は、遠隔プラズマ源からイオン源に注入される。遠隔サプライから流れるガス状ClF3への露出によってイオン源および抽出電極が浄化される。浄化動作フェーズの間、電離装置の反応性コンポーネントが反応性ガスから遮蔽される。イオン源はアルミニウムでできており、抽出電極もアルミニウムでできている。抽出電極の前面は、鋭い形またはざらざらした形のデボイドである。抽出電極のプレートの温度は能動的に制御される。抽出電極のプレートは能動的に加熱される。抽出電極の加熱は放射性または抵抗性である。他の状況では、抽出電極のプレートは能動冷却される。
システムは、半導体ウェーハ中へのイオン注入に使用するために構築されており、電離箱は、約100ml未満の体積および約200cm2未満の内部表面積を有する。
抽出電極は、利用点への輸送に適した加速イオンのビームを生成するように構築されている。
抽出電極は、電離箱の中に生成されたイオンを抽出電極によって抽出している間、電極を高められた温度、たとえば固体誘導熱感応蒸気の凝縮温度より高く、その解離温度より低い温度に維持するために加熱器に結合される。
抽出電極は、滑らかな、特徴のないアスペクトを有する。
システムは、質量分析計を介してイオンビームを導くように構築されており、反応性ガス浄化システムは、サービス設備を質量分析計と共有するように構築され、かつ、配置されている。
システムは、反応性ガスと、イオンビームを生成するためのシステムの表面の汚染との反応の実質的な完了の検出を少なくとも補助するように適合された終点検出システムと組み合わされている。
反応性ガスとシステムの表面の汚染との発熱反応の実質的な終了を検出するための温度検出器が配置されている。
コンポーネントを遮蔽するための手段は、反応性ガスを通さない遮蔽部材を備える。
システムは、電離箱への供給蒸気を生成するために、凝縮可能な固体供給物質の蒸発器に結合されている。
イオン源は、ホウ素を含有したイオンビームを生成するように適合されており、好ましい実施形態では、気化ホウ水素化物材料、とりわけデカボランB10H14またはオクタデカボランB18H22のいずれかをイオン源に供給することにより、ホウ素を含有したイオンビームが生成される。
イオン源は、リンを含有したイオンビームを生成するように適合されている。
イオン源の電離箱はアルミニウムでできている。
本発明の他の特定の態様は、上で説明したシステムのうちの任意のシステムを使用し、あるいはイオン注入器に結合された任意のイオン源および温度制御イオン抽出電極を使用したインサイチュー浄化方法であり、イオン源およびイオン抽出電極の電力が遮断され、かつ、真空下にある間、反応性ハロゲンガスがイオン源に流入する。
反応性ハロゲンガスがフッ素Fである。
反応性ハロゲンガスが塩素Clである。
フッ素ガスがNF3プラズマによって遠隔プラズマ源の中に生成される。
フッ素ガスがC3F8プラズマまたはCF4プラズマによって遠隔プラズマ源の中に生成される。
イオン源がデカボランB10H14をイオン化した後の付着物を除去するために浄化手順が実行される。
イオン源がアルシンAsH3または単体ヒ素Asなどのヒ素を含有した化合物をイオン化した後の付着物を除去するために浄化手順が実行される。
イオン源がトリメチルアンチモンSb(CH4)3または五フッ化アンチモンSbF5などのアンチモンを含有した化合物をイオン化した後の付着物を除去するために浄化手順が実行される。
本発明の他の特定の態様は、イオン源と、イオン源からイオンを抽出するための抽出電極とを有するイオン注入システムである。抽出電極は、イオン化されるガスまたは蒸気の電極上への凝縮、およびガスまたは蒸気から生成される生成物の電極上への凝縮を実質的に抑制するだけの十分に高められた温度に電極を維持するように構築された加熱器を備える。他の態様は、このようなシステムに本質的に有用な抽出電極である。
電極はアルミニウムでできている。
電極はモリブデンでできている。
抵抗性加熱エレメントによって電極が加熱される。
電極の温度が所望の温度に制御され、これらの実施形態では、温度は150Cと250Cの間である。
電極は、イオン源からのビーム経路に沿って緊密に連続するように構築され、かつ、配置された少なくとも2つの電極エレメントを備える。電極エレメントは、細長いスロット状のビーム開口を有し、このビーム開口を通ってリボン様のイオンビームが通過する。加熱器は、スロット状開口の長辺の各々に配置された加熱器部分を備える。いくつかの好ましい形態では、少なくとも1つの電極エレメントは、そのビーム開口を画定する内部部分および内部部分に対して熱伝導関係にある外部部分を備える。外部部分は、放射熱を吸収するための熱受容体面を画定する。いくつかの好ましい形態では、複数の電極エレメントのうちの少なくとも1つは、そのビーム開口を画定する部分を備え、この部分が露出されて、放射熱を吸収するための受容体になる。
反応性ハロゲンガスがフッ素Fまたは塩素Clである。
フッ素ガスが、遠隔プラズマ源から、抽出電極が存在している真空ハウジングの中に導入される。
フッ素ガスがC3F8プラズマまたはCF4プラズマによって遠隔プラズマ源の中に生成される。
イオン源がデカボランB10H14をイオン化した後の付着物を除去するために浄化手順が実行される。
イオン源がアルシンAsH3または単体ヒ素Asなどのヒ素を含有した化合物をイオン化した後の付着物を除去するために浄化手順が実行される。
異なるイオン種を注入するためにイオン源供給物質を交換している間に浄化手順が実行される。
好ましい実施形態によれば、イオン源および抽出電極をイオンビーム生成システムに設置したままの状態でイオン源およびイオン抽出電極から付着物を有効に除去するために、原子Fガスがインサイチュー化学浄化プロセスに利用される。好ましい実施形態では、冷却されたチャンバ壁を備えた電子衝撃イオン源が使用される。電離箱およびイオン源ブロックならびに抽出電極は、アルミニウムでできていること、つまり、これらは、Fによるそれ以上の化学腐食を防止するパッシベーティング層として作用させるために、アルミニウムの表面にフッ化アルミニウムを生成することができるアルミニウムまたはアルミニウムを含有した合金から製造されることが好ましい。アセンブリの絶縁体は、同じくFによる腐食に対して耐性のあるアルミナ(Al2O3)から形成されることが好ましい。
好ましい実施形態では、反応性ガス源は、NF3またはC3F8などの食刻供給ガスを補助電離箱の中に導入するプラズマ源である。補助電離箱の中でプラズマを持続させることにより、FおよびF2などの反応性ガスが生成され、主イオン源に導入されるこれらの反応性ガスが付着した物質を化学的に腐食させる。気相中に解放された副産物が電離箱の抽出開口から引き出され、抽出電極を通り越して、設備の真空システムによってポンプ除去され、電離箱およびイオン抽出電極が浄化される。
2つの物体が相互作用すると複数の結果が存在し得ることは、一般的に観察される物理学の原理である。また、可能なすべての結果を考慮する場合、それらの個々の確率の合計が100%になるように個々の結果に確率すなわち尤度を割り当てることができる。原子物理学および分子物理学では、このような可能な結果は、場合によっては「チャネル」と呼ばれ、また、個々の相互作用チャネルと結合した確率は、「断面積」と呼ばれる。より詳細には、互いに少しでも相互作用している2つの粒子(たとえば電子とガス分子)の尤度は、「総断面積」であり、一方、特定のタイプの相互作用(電子自らがガス分子に取り付き、したがって負のイオンが形成されるような相互作用、または電子がガス分子から除去され、したがって正のイオンが形成されるような相互作用、または分子が断片に解離するような相互作用、または分子からのその分子の化学的な変化を伴わない弾性散乱のような相互作用など)の尤度は「部分断面積」である。
とりわけホウ水素化物に適したイオン源は、温度が完全に制御される電子衝撃イオン源である(いずれも参照により本明細書に組み込まれている米国特許第6,452,338号および第6,686,595号ならびに国際出願第PCT/US03/20197号を参照されたい)。また、同じく図7を参照されたい。このイオン源には、アーク放電プラズマを衝突させてイオンを生成する代わりに、1つまたは複数の集束電子ビームの形態で注入される高エネルギー電子によるプロセスガスの「軟」電子衝撃電離が使用されている。この「軟」電離プロセスによれば、これらの大型分子が保存され、したがってイオン化されたクラスタが形成される。図7に示されるように、固体ホウ水素化物材料が蒸発器の中で加熱され、蒸気コンジットを通って金属チャンバすなわち電離箱へ蒸気が流れる。電離箱の外側に配置された電子銃によって電離箱の中に高エネルギー電子の大きな電流の流れが引き渡され、この電子流が、概ね平行に、かつ、電離箱の前面に展開しているスロットに隣接して導かれる。このスロットからイオン抽出電極によってイオンが抽出され、高エネルギーイオンビームが形成される。昇華したホウ水素化物蒸気を電離箱へ輸送している間、蒸気の凝縮を防止するために、すべての表面が蒸発器の温度より高い温度(ただし解離温度より十分に低い温度)に保持される。何時間に及ぶ試験の結果、このような温度制御を実施すると、蒸気供給表面および弁が真にきれいな状態を維持することが確認された。
イオン源の寿命(保全間隔)に対する蒸気流量の影響が定量的な方法で研究された。電子衝撃イオン源が、物質の蓄積によってデカボランビーム電流が著しく減少したことが決定されるまで、デカボラン供給物質を使用して、所与の蒸気流で、制御された条件の下で連続的に運転された。約0.40sccmから1.2sccmまでの範囲に及ぶ5つの異なる流量が試験された。その結果、質量分析されたデカボランビーム電流(B10Hx +)の範囲は、約150μAから700μAであった。イオン注入に使用されるイオン源内における典型的な供給ガス流の範囲は、1sccmから約3sccmまでであり、したがってこの試験範囲は、「低」流量レジームと見なされることに留意されたい。
(3) (流量)×(流れの継続期間)=定数
で表すことができる。
イオン源およびイオン抽出電極をインサイチューで浄化するための反応性ガスを補助イオン源を使用して生成することには、いくつかの極めて重要な利点がある。プロセス排気システム(Advanced Energy社により提供されるLitmus 1501など)からの廃物除去アプリケーションのため、および大型CVDプロセスチャンバ(MKS Astron反応性ガス発生器など)を浄化するためのこのようなプラズマ源が開発されているが、本発明者の知識によれば、イオンビームを生成するために使用されるイオン源の電離箱および抽出電極をインサイチューで浄化するために遠隔反応性ガス発生器を有効に適用することができることは、これまでに未だ認識されていない。プロセスチャンバ(つまり半導体ウェーハが処理される比較的大きい真空チャンバ)を浄化するためにMKS Astronなどの遠隔反応性ガス発生器が使用されており、そのアプリケーションには、大量の供給ガスの流れ(1分当たり数標準リットル(SLM))が使用され、また、大きなRF電力(約6kW)がプラズマ源に印加される。本発明によるシステムは、浄化されるイオン源の電離箱の体積が極めて小さい場合、はるかに適度な供給ガス流量を使用することができ、たとえば約0.5SLM未満のNF3を使用することができ、また、はるかに少ないRF電力(約2.5kW未満)を使用することができる(半導体ウェーハの注入器の場合、電離箱の体積は、通常、約100ml未満であり、たとえば約75mlにすぎず、また、電離箱の表面積は、約200cm2未満、たとえば約100cm2である)。電離箱に流入する反応性ガスは、毎分約2標準リットル未満である。
上式で、NFは原子/cm3単位のフッ素濃度であり、Tはケルビン単位の基板温度である。)
事実上、イオン注入のためのすべてのイオン源には熱フィラメントが組み込まれており、また、多くの場合、イオン源チャンバも同じくMoおよびWまたは黒鉛(Fによって侵略的に腐食される)などの耐火金属でできているため、これらのイオン源は、高温動作条件下で急速に機能が停止し、食刻浄化プロセスが使用不能になる。
有効性に関する定量的な情報および浄化プロセスの必要な継続期間を得ることができ、また、化学浄化プロセスの再現性を保証することができるよう、浄化プロセスの間、終点検出が提供されることが有利であることを認識されたい。図3は、浄化プロセスをサンプリングする差動ポンプ四重極質量分析計(Residual Gas Analyzer、RGA)を示したものである。たとえばF、Cl、BF3、PF3、AsF3、AlF3、WF6などの浄化ガス生成物の濃度をモニタすることにより、浄化プロセスを調整し、かつ、検証することができる。別法としては、プロセスをモニタする光学手段を利用することも可能である。FTIR光学分光計は、注入器のイオン源の真空ハウジング内に存在するガスをビューポートを通してモニタすることができる。化学種を識別するためのこの非侵略性(エクスサイチュー)手段は、場合によってはインサイチュー・モニタリング・デバイスより好ましい。別法としては、図4に示されるように、抽出性FTIR分光計をイオン源真空ハウジングに結合して終点をモニタすることも可能である。終点検出を達成するための新規な手段は、浄化中、電離箱の温度をモニタすることからなる。化学反応が発熱反応であるため、反応中にエネルギーが解放され、電離箱の温度が上昇する。原理的には、この効果を使用して、反応速度が減速したことを決定することができる。
デカボランおよびオクタデカボランなどのホウ水素化物は感熱物質である。これらの物質は、20Cと100Cの間の温度で蒸発し、かつ、凝縮する。したがって、凝縮を防止するためには、これらの物質と接触するすべての表面の温度を蒸発器の温度より高い温度(ただしそれらが解離する温度より低い温度)に維持することが重要である。本出願人らは、抽出電極の汚染は、このようなホウ水素化物を使用する場合に問題になることを見出した。ホウ素を含有したこれらの層は、電気絶縁体として出現するため、イオンビームの直接的な衝突および凝縮した供給蒸気またはその分子解離の生成物の両方が、イオンビームを形成する光学系の動作を劣化させる可能性がある。電気絶縁体層が付着すると、それらは電荷を獲得し(「チャージアップ」)、崩壊時に、真空放電すなわち「グリッチ」が生成される。このような放電は、イオンビーム電流を不安定にし、また、イオンビームが導かれるプロセスチャンバに到達する可能性のある粒子が生成される原因になることがある。1時間当たりに多くのグリッチに遭遇するイオンビーム生成システムを有するイオン注入器は、近代の半導体製造設備においては、製造するに足るイオン注入器とは見なされない。さらに、このような放電が存在しない場合であっても、絶縁コーティングが分厚くなると、電極表面の電荷によって、ビームステアリング効果をもたらし、ビームを損失させ、また、イオンビームの品質に悪影響を及ぼすことになる望ましくない漂遊電界が生成される。
図1は、イオンビーム生成システムを示したものである。この実施例に示されるように、イオンビーム生成システムは、半導体ウェーハまたはフラット・パネル・ディスプレイに注入するためのイオン注入チャンバへ輸送するためのイオンビームを生成するように適合されている。図には、イオン源400、抽出電極405、真空ハウジング410、電気絶縁性材料の電圧隔離ブッシング415、真空ポンプシステム420、真空ハウジング隔離弁425、反応性ガス入口430、供給ガスおよび蒸気入口441、蒸気源445、供給ガス源450、反応性ガス源455、イオン源高電圧電源460および得られるイオンビーム475が示される。イオンビーム輸送ハウジングは411で示される。イオン源400は、クラスタイオンおよび分子状イオンを提供するように構築されており、たとえばホウ水素化物イオンB10Hx +、B10Hx −、B18Hx +およびB18Hx −、あるいはこれらの他にもっと伝統的なP+、As+、B+、In+、Sb+、Si+およびGe+などのイオンビームを提供するように構築されている。イオン源400は、たとえば、イオン注入のために最も広く使用されているBernas型アーク放電イオン源、イオンを生成するためのRF(高周波)電界を形成する液浸RFアンテナを使用する「バケット」型水冷イオン源、マイクロ波イオン源、または電子衝撃イオン源であってもよい。イオン化すべきガス状の状態の供給物質のためのガスおよび蒸気入口441は、適切な蒸気源445に接続されている。この蒸気源445は、ガスおよび蒸気入口441の近傍に配置することも、あるいはターミナルエンクロージャ内のどこかに配置されたガス分配箱の中などのもっと離れた場所に配置することもできる。ターミナルエンクロージャは、図には示されていないが、イオンビーム生成システムを密閉している金属箱である。この金属箱には、ポンプシステム、配電設備、ガス分配設備および制御設備などのイオン源のための必要な設備が含まれる。質量分析を使用してビーム中のイオン種を選択する場合、質量分析システムを同じくこのターミナルエンクロージャの中に配置することができる。
新規な能動加熱抽出電極
抽出電極のイオン加速およびイオンビーム形成効果(「イオン光学効果」)については、イオン注入システムの設計分野の当業者には良く理解されている。
図1は、たとえばAl2O3などの絶縁性セラミックを使用して製造することができる高電圧ブレーク431を組み込んだ反応性ガス入口430を備えた、終端電位における反応性ガス源455を示す。イオン注入のためのイオン源は、通常、約90kVの最大電圧までバイアスすることができるため、この高電圧ブレーク431は、そのアプリケーションのためには90kVを隔離しなければならない。以下で説明するように、浄化システムは、イオン源のみを使用して、高電圧がオフ(電力が遮断された状態)で使用されるため、真空ハウジング410が高電圧スタンドオフ・クリアランス要求事項により容易に合致する高真空下にある場合に存在するのは、ブレーク431の両端間の高電圧のみである。化学浄化の間、真空ハウジング410と連絡している専用終端検出器470を使用して、反応性ガス生成物がモニタされる。
図1に類似した多くの特徴を有する図3の実施形態は、クラスタイオンおよび単量体イオンの両方を選択的に生成するように構築されている。この実施形態は、通常はガス状の状態の供給物質のための専用ガス入口435を有し、ホウ水素化物および他の気化供給物質を生成するための蒸気源445と弁443を介して連絡している。イオン源および電極をインサイチューで化学浄化するために、遠隔プラズマ源455は、浄化ガスサプライ465によって供給されるガス、たとえばNF3を、F、F2およびNを含有した化合物などの分解生成物に解離させる。浄化が望ましい場合、イオン源の電力を遮断した後、分解生成物が専用反応性ガス入口430によって遠隔プラズマ源455の出口456から電離箱の中へ供給される。遠隔プラズマ源455は、電圧隔離ブッシング415の終端電位側に取り付けられている。イオン源400は高い電圧で動作するため、真空中の高電圧ブレーク431によって電圧隔離が提供される。
図7は、好ましいイオン源10およびその様々なコンポーネントの線図であり、図7Aを参照されたい。その構造ならびにその好ましい動作モードの詳細は、いずれも参照により本明細書に組み込まれている、Horskyらによって開示された、2003年6月26日出願の国際出願第PCT/US03/20197号「An ion implantation device and a method of semiconductor manufacturing by the implantation of boron hydride cluster ions」、およびHorskyによって開示された、2002年6月26日出願の米国特許出願第10/183,768号「Electron impact ion source」に類似している。イオン源10は、新規な電子衝撃電離システムの一実施形態である。図7は、イオン源の構造を略断面図で示したもので、イオン源10を構築しているコンポーネントの機能を明確にする。イオン源10は、取付けフランジ36によってイオン注入器の排気真空チャンバにインタフェースするように構築されている。したがって、図7に示される、イオン源10のうちのフランジ36の右側の部分は、高真空下にある(1×10−4トール未満の圧力)。ガス状の物質が電離箱44の中に導入され、電離箱44の中で、電子ビーム70’がイオン抽出開口81と整列する(つまりイオン抽出開口81に隣接して、平行に展開する)ように電子入口開口71を通って電離箱44に流入する電子ビーム70による電子衝撃によってガス分子がイオン化される。したがって、イオン抽出開口プレート80中のスロットとして出現するイオン抽出開口81に隣接してイオンが生成される。次に、生成されたイオンが、イオン抽出開口プレート80の前面に配置されている抽出電極220(図8および9)によって抽出され、高エネルギーイオンビーム475が形成される。図7を参照すると、たとえばアルゴン、ホスフィンまたはアルシンなどのガスをガスコンジット33を介して電離箱44の中に供給することができる。蒸発器28の中でデカボランまたはオクタデカボランなどの固体供給物質29を蒸発させ、その蒸気をイオン源ブロック35内の蒸気コンジット32を介して電離箱44の中に供給することができる。通常、電離箱44、イオン抽出開口プレート80、イオン源ブロック35(蒸気コンジット32を含む)および蒸発器ハウジング30は、すべてアルミニウムを使用して製造される。固体供給物質29は、蒸発器ハウジング30の閉ループ温度制御によって一様な温度に保持される。昇華した蒸気50は、バラスト体積31中に蓄積し、コンジット39を介して、また、絞り弁100および遮断弁110を介して供給される。容量マノメータであることが好ましい加熱圧力計60によって、絞り弁100と遮断弁110の間の蒸気50の公称圧力がモニタされる。蒸気50は、イオン源ブロック35内に配置された蒸気コンジット32を介して電離箱44の中へ供給され、また、ガスコンジット33を介してガスが電離箱44の中へ供給されるため、必要に応じて、分子状イオン(B18Hx +など)または単量体イオン(As+など)のいずれかからなるイオンビーム475を生成することができるこのイオン源によって、ガス状の物質と気化した物質の両方をイオン化することができる。イオン源は、あるいは、2006年4月4日発行の、「Ion Implantation Ion Source,System and Method」という名称の米国特許第7,022,999号、あるいは2005年11月7日出願の、「Dual Mode ion Source for Ion Implantation and Forming N−Type Regions with Phosphorus and Arsenic Ions」という名称の米国特許出願第11/268,005号に記載されているような多重モードイオン源であってもよい。上記文献の内容は、それぞれ、多重モードイオン源が記述されている範囲まで、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている。
図7(同じく図7Bを参照されたい)の電離箱への蒸気の流れは、蒸気供給通路32の直前の領域、つまり図7の遮断弁110内の蒸気圧によって決定される。この蒸気圧は、絞り弁100と遮断弁110の間に配置された、たとえば容量マノメータなどの圧力計60によって測定される。通常、流量は、蒸気圧に比例する。したがって、圧力信号を使用して流量を表すことができ、また、流量を選択するための設定点としてこの圧力信号を使用することができる。所望の蒸気流をイオン源の中に生成するために、蒸発器ハウジング30は、絞り弁100が完全に開いた位置にある場合に、所望の流量を超えるようにその温度が設定される。次に、所望の圧力出力に到達するように絞り弁100が調整される。
図14に示されるデカボラン寿命試験の間、新規な加熱アルミニウム電極が使用された。図9は、一次元「スロット」開口レンズの分散平面における抽出システムの基本光学設計の上面図を示したものである。使用された注入器の場合、イオン源の電離箱490は、図8に示されるように、正の高電圧電源VAによって所望のイオンビームエネルギーに保持された。たとえば、20keVのイオンビームが望ましい場合、VA=20kVである。イオン抽出開口プレート500は、バイポーラ電源VBによって−750Vから750Vまでバイアスすることができるよう、電離箱490から電気的に隔離されている。この隔離は、イオン抽出開口プレート500と電離箱490の間にはさまれた熱伝導電気絶縁ポリマーガスケットによって達成される。イオン源ボディのうちの蒸気に露出される部分(図7のイオン源ブロック35、電離箱44および抽出開口プレート80)は、イオン源動作の間、制御された温度表面を維持するために、互いに良好な熱接触で維持される。電離箱490の中に生成されたイオンは、サプレッション電極510および接地電極520からなる抽出電極540によって、イオン抽出開口プレート500内の開口を介して抽出される。イオンは、集束イオンビームとして、ビーム軸530に沿って伝搬する。電源VSによって数千ボルトの負の電圧にバイアスされたサプレッション電極510は、ビームが衝突することによってサプレッション電極の下流側に生成される二次電子を抑制する働きをし、正にバイアスされたイオン源へのこれらの高エネルギー電子の逆流を防止する。電離箱490、イオン抽出開口プレート500、サプレッション電極510および接地電極520は、すべてアルミニウムを使用して製造され、局部電界を最小にするために、滑らかな、慎重に研磨された表面を有する。
図14は、広範囲にわたるデカボラン流量に対するイオン源寿命試験の結果を示したものである。これらのデータに対する当てはめは、式(3)によるものである。これらの試験の間、イオン源の故障は記録されず、個々の試験は、むしろ、デカボランイオン電流がその最初のレベルのほぼ半分に低下した時点で終了された。イオン源を検査した結果、ホウ素を含有したかなりの量の物質が電離箱の中に付着し、その大半が電離箱の内壁に粘着していたことが分かった。イオン抽出開口が部分的に塞がれている場合もあった。式(3)のモデルは、データを良好に当てはめているように思われ、インサイチュー化学浄化手順とインサイチュー化学浄化手順の間または分解と分解の間のイオン源の寿命を長くするためには、「低品質の」動作がその秘訣であることを示唆する。
図7のイオン源10を備えたシステムを使用して、電離箱44の内側に付着した厚さ1mmのケイ素クーポンに対するF浄化プロセスが、以下の修正を加えて試験された。専用反応性供給コンジットを組み込む代わりに、蒸気供給コンジット32を使用して反応性ガスが導入された。FによるSiの食刻は十分に理解されており、また、純粋なSi材料を利用してSiウェーハを形成することができるため、Siが使用された。この試験には、浄化サイクルと浄化サイクルの間、蒸発器を除去する必要があった。反応性ガス入口(つまり蒸気供給32)と視線関係を有する位置と、視線を有していない位置の2つのクーポン位置が試験された。図15は、NF3の流量を関数とした食刻速度を示したものである。このプロセスの間、遠隔プラズマ源への700sccmのアルゴンの流れが維持され、一方、NF3の流量は、50sccmから500sccmまで変化した。視線幾何学は、食刻速度が約5倍以上速くなることを示しており、したがって、一様に実施することができる場合、好ましい幾何学である。そのためには、図3に示される幾何構造は、図4に示される幾何構造より、イオン源電離箱44のより良好な食刻一様性を提供しなければならない。また、この試験は、食刻に敏感なコンポーネントをある程度保護するためには、ガスの流れから遮蔽されたこれらのコンポーネントの位置が有効であることを示す。
図16は、図7のイオン源を組み込んだ新規なイオンビーム生成システムの実施形態が設置された商用イオン注入器の基本構成要素を示したものである。イオン源10は、イオン注入器のイオン源真空ハウジング209の中に挿入されている。イオン源10は、絶縁体211によってハウジング209から電気的に絶縁されている。イオン抽出電極220は、イオン源10からイオンを抽出し、かつ、加速させてイオンビーム200を形成する。イオンビーム200は、真空中をその全体にわたって伝搬し、電極220から分析計ハウジング290、300に入り、そこで、ダイポール分析計磁石230によって湾曲し、かつ、それらの電荷対質量比によって異なる個別のビームレットに分散する。重要なイオンビームレットが質量分解開口270を通過して、最終加速(または減速)ステージ310に入る。このようにして生成され、選択され、かつ、加速されたイオンビーム240がイオンビーム形成システム208から離れ、プロセスチャンバ330に導入される。イオンビーム240は、そこで、回転円板314上の1つまたは複数のデバイスウェーハ312によって遮られる。イオン源真空ハウジング209は、隔離弁210を閉じることによって注入器の真空システムの残りの部分から隔離することができる。たとえば、隔離弁210は、イオン源およびイオン抽出電極220のインサイチュー浄化に先立って閉められる。抽出電極220は、上で説明した任意の方法で温度制御することができる。
Claims (35)
- 低温動作モードを有するイオン源を有するイオン注入システムに使用するために構築されたイオン抽出電極であって、前記イオン抽出電極が、イオン注入のために表面に輸送するためのイオンビームとして前記イオン源からイオンを抽出するように構築かつ適合され、前記イオン抽出電極が、前記イオン源から離れるガスまたは蒸気が前記電極に凝縮するのを阻止するために、前記抽出電極を高められた温度に維持するように構築された制御可能な加熱器と組み合わされたイオン抽出電極。
- アルミニウムからなる、請求項1に記載のイオン抽出電極。
- モリブデンからなる、請求項1に記載のイオン抽出電極。
- アルミニウムからなり、かつ、比較的高い温度動作モードを有するイオン源を有するイオン注入システムに使用するために構築された、請求項1に記載のイオン抽出電極であって、前記イオン抽出電極が、前記イオン源の高温動作中における動作のために冷却デバイスと組み合わされ、かつ、前記電極を約400C未満の温度に冷却するために前記加熱器の電力が遮断される、請求項1に記載のイオン抽出電極。
- 約150Cと250Cの間の温度に加熱されるように構築かつ配置された、請求項1に記載のイオン抽出電極。
- デカボランまたはオクタデカボランのための蒸発器を備えた、低温で動作するイオン源と共に使用するために構築された、請求項1に記載のイオン抽出電極。
- デカボランおよびオクタデカボランとの交互動作のために約150Cに加熱することができる、請求項6に記載のイオン抽出電極。
- 真空ハウジング内の、イオン源に隣接する所定の位置に設置された、注入のためのイオンビームを形成するために前記イオン源から抽出開口を介してイオンを抽出するための、請求項1、2または4に記載のイオン抽出電極を備えたイオン注入システム。
- 前記イオン抽出電極が、前記真空ハウジング内にある間、反応性ハロゲンを含有したガスへの露出によって定期的に浄化されるようになされた、請求項8に記載のイオン注入システム。
- 前記電極が、前記イオン源の電離箱からイオン抽出開口を介して発散する、反応性ハロゲンを含有したガスに露出されるようになされた、請求項9に記載のイオン注入システム。
- イオン源から正に帯電したイオンを抽出するために構築された、請求項1に記載のイオン抽出電極であって、少なくとも2つの電極エレメントを備え、これらの電極エレメントがこれらの電極エレメントを通るイオンビーム経路に沿って連続しており、前記電極エレメントが、前記イオン源に向かう電子の移動を抑制するために、後続する電極エレメントよりさらに負の電圧に維持されるように適合されたサプレッション電極を備えた前記イオン源に最も近くなるように構築された、請求項1に記載のイオン抽出電極。
- 前記加熱器が、放射によって前記イオン抽出電極を加熱するように構築された、請求項1に記載のイオン抽出電極。
- イオン注入のために表面に輸送するために、リボン様イオンビームを通過させるように適合された細長いスロット状の開口を有する、請求項1に記載のイオン抽出電極。
- 前記加熱器が、前記スロット状開口の長辺の各々に配置された加熱器部分を備えた、請求項13に記載のイオン抽出電極。
- 前記加熱器が、前記スロット状開口の前記長辺の各々に配置された部分を有する連続電気抵抗エレメントを備えた、請求項14に記載のイオン抽出電極。
- 前記加熱器が、前記電気抵抗エレメントが展開している管を備えた管状加熱器を備え、前記管状加熱器の一部が前記スロット状開口の前記長辺の各々に配置された、請求項15に記載のイオン抽出電極。
- 前記加熱器が複数の離散カートリッジ加熱器ユニットを備え、前記複数の加熱器ユニットのうちの少なくとも1つが前記スロット状開口の長辺の各々に配置された、請求項13に記載のイオン抽出電極。
- 前記抽出電極の少なくとも1つの電極エレメントが、ビーム開口を画定する内部部分および前記内部部分に対して熱伝導関係にある外部部分を備え、前記外部部分が、前記加熱器から放射される熱を吸収するための熱受容表面を画定する、請求項1に記載のイオン抽出電極。
- 前記熱受容表面が、概ね前記電極を通るビーム経路の範囲の方向に面しており、前記加熱器が、前記熱受容表面からの前記ビーム経路の範囲の方向に間隔を隔てている、請求項18に記載のイオン抽出電極。
- 前記熱受容表面が円板の形態である、請求項19に記載の抽出電極。
- 熱を吸収するための熱受容表面を個々に有する2つの電極エレメントが存在し、前記加熱器が、前記2つの電極エレメントの前記熱受容表面の間の、それぞれ放射によって加熱する所定の位置に配置された熱ラジエータを備えた、請求項19に記載のイオン抽出電極。
- 前記エレメントの各々の前記熱受容表面が円板の形態であり、前記加熱器が、前記ビーム経路を実質的に取り囲むように形成された管状加熱器ユニットを備えた、請求項21に記載のイオン抽出電極。
- 前記電極エレメントの間に配置された第3の電極エレメントを有する、請求項21に記載のイオン抽出電極であって、前記抽出電極の前記第3の電極エレメントが、ビーム開口および前記加熱器から放射される熱を吸収するための熱受容表面の両方を画定する部分を備えた、請求項21に記載のイオン抽出電極。
- 前記抽出電極の少なくとも1つの電極エレメントが、ビーム開口および前記加熱器から放射される熱を吸収するための熱受容表面の両方を画定する部分を備えた、請求項1に記載のイオン抽出電極。
- 前記低温で動作するイオン源が、デカボランまたはオクタデカボランのための蒸発器を備えた、請求項8に記載のイオン注入システム。
- デカボランおよびオクタデカボランとの交互動作のために前記イオン抽出電極を約150Cに加熱することができる、 請求項29に記載のイオン注入システム。
- 真空ハウジング内の、イオン源に隣接する所定の位置に設置された、注入のためのイオンビームを形成するために前記イオン源から抽出開口を介してイオンを抽出するためのイオン抽出電極を備えたイオン注入システムであって、前記イオン源が高温動作モードを有し、前記イオン抽出電極がアルミニウムからなり、前記イオン源が高温で動作している間の動作のために、前記電極を約400C未満の温度に冷却するための冷却デバイスと組み合わされたイオン注入システム。
- 前記電極が、前記真空ハウジング内にある間、反応性ハロゲンを含有したガスへの露出によって定期的に浄化されるようになされた、請求項27に記載のイオン注入システム。
- 前記電極が、前記イオン源の電離箱からイオン抽出開口を介して発散する、反応性ハロゲンを含有したガスに露出されるようになされた、請求項28に記載のイオン注入システム。
- 真空ハウジング内の、イオン源に隣接する所定の位置に設置するための、注入のためのイオンビームを形成するために前記イオン源から抽出開口を介してイオンを抽出するためのイオン抽出電極であって、前記イオン源が高温動作モードを有し、前記イオン抽出電極がアルミニウムからなり、前記イオン源が高温で動作している間の動作のために、前記電極を約400C未満の温度に冷却するための冷却デバイスと組み合わされたイオン抽出電極。
- イオン注入のために表面に輸送するためのイオンビームを生成するためにイオン源および抽出電極を使用した、イオン注入のためのイオンビームを生成する方法であって、電気加熱器を使用して前記抽出電極を加熱するステップを含む方法。
- 前記イオン源が選択された温度で動作し、前記抽出電極が電気加熱によって前記選択された温度より高い温度に維持される、請求項31に記載の方法。
- 前記イオン源を使用して、選択されたホウ水素化物のイオンが生成され、また、前記抽出電極が、約150Cと250Cの範囲の温度に加熱される、請求項32に記載の方法。
- 前記イオン源を使用して、デカボランまたはオクタデカボランのイオンが生成され、また、前記抽出電極が約150Cに加熱される、請求項33に記載の方法。
- 加熱するステップが電気加熱器からの放射による、請求項31に記載の方法。
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