JP2011113714A - イオン注入装置のクリーニング方法及びクリーニング機構を備えたイオン注入装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＢＦ_３を原料ガスとするイオン注入を実施した後に、タングステンＷで構成される引き出し電極のスリット間のＷ堆積物を除去するため、複雑なパラメータ設定あるいは機構、クリーニング用ガスの導入系を別途設けることなく、原料ガスを用いたクリーニングを可能とするイオン注入装置のクリーニング方法及びそのための機構を有するクリーニング装置を提供する。
【解決手段】原料ガスであるＢＦ_３をイオン化し、Ｗ堆積物にＦイオンを作用させ、ＷＦｘとし、さらに気化電離したＷの正イオンを引き出し電極に正電位を印加して再付着を防止して排気系より排気する、あるいは、ＢＦ_３をイオン化することなく、Ｗ堆積物に加熱下接触させた後、Ｆを含まないガスをイオン化し、ガス中の重元素のイオンを処理後のＷ堆積物に衝突させて剥離除去する。
【選択図】図４

Description

本発明は、イオン注入装置のクリーニング方法及びクリーニング機構を備えたイオン注入装置に関し、特に、イオン注入装置の引き出し電極のスリット部に発生する堆積物をクリーニング除去する方法及びその機構に関する。

半導体装置の製造では、ソース／ドレイン領域などの形成にイオン注入が多用されており、様々なイオン注入装置が開発されている。

イオン注入装置は、運動エネルギーの付与されたイオンを物質に打ち込むための装置で、１）注入する元素をイオン化し、イオンビームとして引き出すイオン源系、２）必要とするイオンだけを選別する質量分析系、３）ビームを輸送、加速、整形、走査する機能を含むビームライン系、４）試料基板をセットし注入処理を行う試料室（エンドステーション）、から構成される。

また、イオン注入装置は、発生するイオンビームのビーム量及びエネルギーによって、中電流イオン注入装置、大電流イオン注入装置、高エネルギーイオン注入装置に大別される。

半導体装置のイオン注入プロセスでは、低エネルギー化、高ドーズ化が進んでおり、生産性を向上させるため、原料ガスを大量に導入しビーム電流の増加が図られている。

図1に従来のイオン注入装置の概略図を示す。イオン注入装置は、ガス供給源１、ソースチャンバ２、ソースチャンバからイオンを引き出すスリットを有する引き出し電極６、イオン注入すべきイオンを選別する質量分析器８、エンドステーション９から構成されている。イオンビームを加速するビームライン系等は省略している。ソースチャンバ２には、アーク電源３，バイアス電源４，フィラメント電源５などが接続されている。ガス供給源１から供給された原料ガスは、ソースチャンバ２でプラズマ化され、各種のイオン、ラジカル、中性粒子を生成する。ソースチャンバ２で発生したイオンは、引き出し電極６に負電位を与えることによってソースチャンバ２から引き出される。引き出し電極６のスリット部を通過したイオンは、質量分析器８で磁場によりその起動が曲げられ、その軌道は質量数と価数により決定されるため、所望のイオンがエンドステーション９に配置された被処理物である半導体に注入される。引き出し電極６と質量分析器８との間には真空ポンプ等の排気系１０が設けられており、不要な粒子を系外に排出して、主にソースチャンバ２と引き出し電極６を備えるイオン源内の真空度を維持している。質量分析器８が属する質量分析系や、エンドステーションには、通常それぞれ独立した排気系が設けられているが、説明を簡略化するために記載を省略している。

半導体基板にＰ型不純物としてホウ素（Ｂ）イオンを注入するために、例えば、原料ガスとして三フッ化ホウ素（ＢＦ_３）を使用した場合、ソースチャンバ２内にはＢイオンの他、ＢＦ_２やＦの正イオンも発生し、Ｂイオンと同様に引き出し電極６に引き寄せられる。この時、Ｆの正イオンは、引き出し電極６を構成するタングステン（Ｗ）と反応し、タングステンのフッ化物を生成する。タングステンのフッ化物は気化しやすく、ソースチャンバ２内でプラズマ化され、ＷとＦが分離し、ＷとＦの正イオンをそれぞれ生成する。図２（ａ）に示すように、Ｗの正イオン１２もやはり負電位を有する引き出し電極６に引き寄せられるため、引き出し電極６のスリット部表面で電荷を失い、電荷を失ったタングステン１１が、図２（ｂ）に示すように、マクロ的にみると針状に結晶成長し、堆積物７を生じる。このような堆積物は、引き出し電極６のスリット間隔を狭め、注入するイオンの進路を妨げるため、ビーム電流が低下するだけでなく、イオンビームの均一性を損ねるという問題点がある。

Ｂイオンの原料ガスとして、ＢＦ_３に代えてジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）を使用しても良いが、浅い接合を形成するためには、ＢイオンよりもＢＦ_２イオンが有利であることから、Ｂイオンに加えてＢＦ_２イオンを注入するために別途ＢＦ_３を原料ガスとして用意する必要がある。その結果、原料ガスが複雑となり、コストも掛かるという新たな問題が発生する。また一方で、引き出し電極６の材料変更の候補としてモリブデン（Ｍｏ）を使用することも可能であるが、この場合には、ＢＦ_２イオンと質量分析器による分離が困難なＭｏ^２＋イオンが生成し、被処理物にＭｏ^２＋イオンも注入されてしまうという別の問題が生じる。

引き出し電極のスリット間に堆積する堆積物を除去するため、装置を停止し、引き出し電極を取り出して分解クリーニングすることで問題を解決することはできるが、その間、イオン注入装置を停止しているので、稼働率が低下するという問題がある。そこで、従来、分解クリーニングせずに堆積物を除去する方法がいくつか提案されている。

例えば、特許文献１（特開２００４−３６３０５０号公報）では、原料ガスの代わりにアルゴン等の希ガスをソースチャンバ２に導入し、希ガスのプラズマを生成して、ソースチャンバ２から引き出される希ガスのイオンビームのビーム径を各種パラメータ、例えば、引き出し電極６の引き出し電圧、希ガスの供給量、高周波電力量、希ガスに含まれる水素ガスの混合比などを調節して、電極上の堆積物をスパッタするためのビーム径の有効設定範囲を調整する方法が提案されている。しかし、この方法は、原料ガスとしてジボランを使用し、ソースチャンバの内壁及び引き出し電極系に堆積する絶縁膜としてのボロン膜を除去することを目的としており、ＢＦ_３ガスの使用によるＷの針状結晶生成についてはなんら開示されていない。

特許文献２（特開昭６２−２１７５４８号公報）では、Ａｒ等の不活性ガスをソースチャンバ内に供給するのではなく、ソースチャンバと引き出し電極間にガス導入口を設け、さらにソースチャンバと引き出し電極間にクリーニング用のプレート電極を設け、クリーニング時にソースチャンバ内にプラズマを生起せず、プレート電極と引き出し電極間に引き出し電極側が負となる電圧を印加し、プレート電極と引き出し電極間にプラズマを発生させ、正にイオン化した不活性ガスイオンを引き出し電極表面の付着物に衝突させ、その衝突力で付着物を除去する方法が開示されている。この方法では、ガス導入口を別に設け、さらにプレート電極の移動機構（イオン注入時にはプレート電極をイオンビームの軌道から外す）が必要であり、装置が複雑化するという問題がある。

一方、特許文献３（特許第２７８９２４７号）には、ソースチャンバ内のＷフィラメントの消耗及び引き出し電極のスリット内部のプラズマ作用（スパッタリング、エッチング等）により削られて消耗して飛翔した分子が引き出し電極に付着した付着物を除去するため、原料ガス（ここでは、リン、ヒ素等の原料ガス）とは異なるクリーニング用ガス、例えば、フッ化ホウ素ガス（ＢＦ_３）、塩素ガス（Ｃｌ_２）、三フッ化窒素ガス（ＮＦ_３）をソースチャンバ内に供給し、イオン注入と同様にクリーニング用ガスをプラズマ化し、イオン源内を高真空下に保持して、このクリーニング用ガスの第１のプラズマを排気口からの排気による気体流によってイオン引き出し用スリットからソースチャンバの外に流出させ、引き出し電極に付着した付着物と接触させ、さらに引き出し電極にグロー放電が起こせるだけの電圧を印加することで、第２のプラズマのエッチング作用により付着物を除去する方法が開示されている。

また、特許文献４（特許第２８２１７５１号）では、クリーニング用ガスとして三フッ化塩素（ＣｌＦ_３）を用いたドライエッチング洗浄工程を設けることで、プラズマレスでイオン源をクリーニングする方法が開示されている。

しかしながら、これらの方法は、原料ガスとクリーニング用ガスとを切り替える必要があり、そのため、クリーニング用ガスの導入系を設ける必要がある。また、特許文献３では、２段階にプラズマを発生させる必要があり、その分多量に電力を消費する。

特開２００４−３６３０５０号公報 特開昭６２−２１７５４８号公報 特許第２７８９２４７号 特許第２８２１７５１号

本発明では、クリーニングのための複雑なパラメータ設定あるいは機構、クリーニング用ガスの導入系を別途設けることなく、原料ガスを用いたクリーニングを可能とするイオン注入装置のクリーニング方法及びそのための機構を有するクリーニング装置を提供することを目的とする。

本発明では、ＢＦ_３を原料ガスとするイオン注入を実施した後に、タングステンで構成される引き出し電極のスリット間に堆積する堆積物、主に針状に成長したタングステンの結晶状の堆積物を除去する方法を提供する。

すなわち、本発明の一実施形態によれば、
原料ガスを導入してプラズマを生起するプラズマ室と、プラズマ室で発生したイオンを引き出すために、プラズマ室に対して負電位が印加される引き出し電極とを含むイオン源を備えたイオン注入装置において、ＢＦ_３を原料ガスとするイオン注入を実施した後に、タングステンで構成される引き出し電極のスリット間に堆積する堆積物を除去するイオン注入装置のクリーニング方法であって、
プラズマ室でＢＦ_３ガスをイオン化し、引き出し電極に少なくとも正の電位を印加して、前記プラズマ室に対して前記引き出し電極の下流にある排気系による吸引力により、前記イオン化したイオンを前記引き出し電極のスリット間に通過させる工程を含むイオン注入装置のクリーニング方法
が提供される。

また、本発明の別の実施形態によれば、
原料ガスを導入してプラズマを生起するプラズマ室と、プラズマ室で発生したイオンを引き出すために、プラズマ室に対して負電位が印加される引き出し電極とを含むイオン源を備えたイオン注入装置において、ＢＦ_３を原料ガスとするイオン注入を実施した後に、タングステンで構成される引き出し電極のスリット間に堆積する堆積物を除去するイオン注入装置のクリーニング方法であって、
ＢＦ_３ガスをイオン化することなく、前記引き出し電極の加熱下に前記堆積物と接触させる工程と
前記引き出し電極を冷却後、フッ素を含まないガスを前記プラズマ室中でイオン化し、前記ガス中の重元素のイオンの衝突により前記堆積物を剥離する工程と
をこの順で有するイオン注入装置のクリーニング方法
が提供される。

本発明によれば、ＢＦ_３を原料ガスとするイオン注入を実施した後に、タングステンで構成される引き出し電極のスリット間に堆積する堆積物、主に針状に成長したタングステンの結晶状の堆積物を、原料ガスであるＢＦ_３を用いて除去することが可能となり、クリーニング用ガスを別途用いる必要がない。また、引き出し電極に対して負電位を印加する機構あるいは加熱機構を追加するだけでクリーニングが可能となり、また、煩雑なパラメータ設定も不要となる。

従来のイオン注入装置の一例を示す概念図である。 従来のイオン注入装置における問題点を説明する概念図であり、（ａ）は引き出し電極のスリット間の微視的な概念図であり、（ｂ）は巨視的な概念図である。 第１の実施形態例になるイオン注入装置の一例を示す概念図である。 第１の実施形態例によるクリーニング方法を説明するための概念図である。 第２の実施形態例になるイオン注入装置の一例を示す概念図である。 第２の実施形態例によるクリーニング方法の工程を説明するフロー図である。 第２の実施形態例によるクリーニング方法を説明するための概念図である。

図３及び図５に、本発明によるイオン注入装置の構成例の概略図を示す。これらの実施形態例による構成は、ほぼ従来のイオン注入装置と同じであるが、通常、負電位のみが与えられる引き出し電極に正電位を与える機構１３（図３参照）、引き出し電極を加熱する機構（加熱制御系１４を含む）（図５）のいずれかまたは両方が備わっている。

第１の実施形態例
第１の実施形態例によるイオン注入のクリーニング装置及びクリーニング方法について説明する。

本実施形態例によるクリーニングは、被処理物である半導体基板にイオン注入処理を行っていない状態で、定期的に実施するのがよい。まず、スリット部を構成する引き出し電極６に電源１２より正の電位を与えた状態で、ソースチャンバ２にイオン注入に用いる原料ガスであるＢＦ_３を供給する。次に、ＢＦ_３をソースチャンバ２内でプラズマ化すると、従来のイオン注入時と同様、各種のイオン、ラジカル、中性粒子が発生する。引き出し電極６には正電位が与えられているので、電位によって発生した正のイオンを吸引することはできないが、この時、引き出し電極６と質量分析器８との間に設けられた真空ポンプ等の排気系１０の吸引力によって、発生したイオンは引き出し電極方向に移動させられる。引き出し電極６のスリット間を通過するとき、Ｆイオンがスリット部表面に針状に結晶成長して堆積物７となったＷと反応し、タングステンのフッ化物ＷＦ_ｘとして気化する。タングステンのフッ化物はさらにＷとＦの正のイオンにそれぞれ分離するが、引き出し電極６には正の電位が与えられているため、図４に示すように、これらの正イオン（Ｗイオン１３）は引き出し電極６の表面の正電荷と反発し合い、そのまま排気系１０により系外に排出される。

ここで、引き出し電極６に与える正電位としては、Ｗイオン１３が引き出し電極６と反発し得るに十分な電位が与えられていれば良く、一方、あまり高い電位を与えすぎるとスリット間に反応に必要なＦの正イオンを通過させることが困難となる。通常、２０〜５０ｋＶ程度の正電位が付与されるのが好ましい。また、本実施形態例では、引き出し電極６に与える電位の正負を交互に入れ替えても良い。負電位が与えられている間は、ソースチャンバ２からＦイオンが引き出し電極６のスリット間に引き寄せされて、堆積物のＷ針状結晶と反応してフッ化物を生成し、その後正電位を与えることで、気化して電離したＷイオン１３の再付着を防止することができる。好ましくは、一連の動作を繰り返すことで効率的に堆積物を除去する。

本実施形態例では、原料ガスを用いてクリーニングすることができるため、クリーニング用ガスを別途導入する必要がない。また、通常、負電位が印加される引き出し電極に対して、正電位を印加する機構とするだけでクリーニング可能となるため、電源系の変更のみで簡易にクリーニングすることができる。例えば、電源として高電圧が印加でき、かつ極性変換が可能な電源や、通常の負電位を与える電源に加えて、正電位を与える電源を追加することで対応することができる。

第２の実施形態例
次に、第２の実施形態例によるイオン注入装置のクリーニング方法について説明する。本実施形態例によるクリーニングも、第１の実施形態例と同様に、被処理物である半導体基板にイオン注入処理を行っていない状態で定期的に実施するのがよい。まず、図６のフロー図に示すように、ＢＦ_３を原料ガスとするイオン注入処理を行った後、イオン注入を停止する。次に図５に示すように、引き出し電極６に設けられた加熱機構（不図示）に加熱制御系１４より、所定の温度、例えば３００℃程度まで加熱するように制御し、原料ガス供給源１よりＢＦ_３ガスを供給する。この時、ソースチャンバ２ではプラズマを発生させていない。図７（ａ）に示すように引き出し電極６のスリット間に到達したＢＦ_３の分子１５は、針状に結晶成長して堆積物７となったＷに接触し、熱拡散によって堆積物７の内部に入り込む。ＢＦ_３が十分に供給された後、加熱機構による加熱を停止し、引き出し電極６を冷却する。ガス供給源から、例えば稀釈ガスとして使用される窒素（Ｎ_２）ガス等の不活性ガスを流し込み、スリット間を通過させることで冷却効率を高めても良い。ＢＦ_３ガスを排気後、原料ガス供給源１よりスパッタリング効果のある重元素のガス、例えばアルゴン（Ａｒ）ガスを供給して、ソースチャンバ内でプラズマ化させ、Ａｒイオンを発生させる。引き出し電極６に通常のイオン注入時と同様に負電位を与えておくと、図７（ｂ）に示すように、Ａｒイオン１６は引き出し電極６のスリット間に引き寄せられ、ＢとＦを含むＷの堆積物７’に衝突する。ＷはＢとＦを含んだ状態では脆くなっているため、Ａｒイオンの衝突（スパッタリング効果）により容易に剥離され、排気系１０から系外に排出される。また、必要により、上記のクリーニング工程を繰り返しても良い。Ｗの堆積物７’を剥離させるためのイオン種としては、フッ素を含まないガスをイオン化して生起したイオン、特にスパッタリング効果のある重元素のイオンであれば、Ａｒ以外でも良く、例えば、Ｎ型イオンを注入するためのアルシン（ＡｓＨ_３）を原料ガス供給源１より供給して、ソースチャンバ２内でヒ素（Ａｓ）イオンを発生させても効率的に堆積物７’を除去することができる。これらのＮ_２ガス、Ａｒガス、アルシンの導入系は、イオン注入装置の原料ガス系に通常的に設置されていることが多く、別途ガス導入系を設ける必要はない。

加熱機構としては、引き出し電極６を所望の温度に加熱できるものであれば、いずれの方法によるものでも良く、例えば、誘導加熱によるヒータ系やランプ系などの公知の加熱機構が採用できる。加熱制御系１４は、これらの加熱機構を制御できるものであればいずれのものでも良い。また、イオン注入の直後であれば、イオン源は数百度の温度を有しており、自然に冷却されるまでに１時間以上は掛かることから、別途加熱機構を設けずにこの熱を利用してＢＦ_３分子をＷ堆積物７と接触させ、熱拡散させても良い。なお、本発明で規定する加熱機構とは、引き出し電極を所望の温度に制御して加熱する機構であり、プラズマ室からの輻射熱等による加熱は含まない。

加熱温度としては、２５０℃以上であることが好ましく、３００℃以上であることがより好ましい。加熱温度の上限としては、特に規定はないが、９００℃以下であることが好ましく、８００℃以下であることがより好ましい。また、ＢＦ_３ガスの導入時の条件は、わずかにでもＷの針状結晶中にＢとＦとが拡散すれば、未処理のものより剥離しやすくなるため特に制限はないが、例えば、ガス供給量として２ｓｃｃｍであることが好ましい。

本実施形態例によるクリーニング方法の特徴は、原料ガスであるＢＦ_３ガスをプラズマ化することなく堆積物７と接触させ、熱拡散により堆積物７の内部に拡散させることで剥離しやすい堆積物７’としている点にあり、重元素イオンによるスパッタリング効果をより効果的に発揮できる。この結果、特許文献１に示すような複雑なパラメータを設定する必要はなく、また、特許文献２のような複雑な機構も不要となる。

さらに、本発明においては、第１の実施形態例と第２の実施形態例とを組み合わせることもできる。例えば、第１の実施形態例に第２の実施形態例による加熱機構を組み合わせ、ＷとＦとの反応を促進するようにしても良い。あるいは、第１の実施形態例によるクリーニング方法を実施した後、重元素のイオンを用いたスパッタリング処理を行っても良く、第１の実施形態例によるクリーニング方法とスパッタリング処理とを交互に複数回繰り返しても良い。また、逆に第２の実施形態例でスパッタリングによる堆積物の剥離の後、残存する堆積物を第１の実施形態例のクリーニング方法を実施することにより、クリーニング時間の短縮を図ることができる。

１ ガス供給源
２ ソースチャンバ
３ アーク電源
４ バイアス電源
５ フィラメント電源
６ 引き出し電極
７ 堆積物
７’ 堆積物（Ｂ及びＦが熱拡散したもの）
８ 質量分析器
９ エンドステーション
１０ 排気系
１１ タングステン
１２ タングステンの正イオン
１３ 引き出し電極に正電位を与える電源
１４ 加熱制御系
１５ ＢＦ_３分子
１６ Ａｒイオン

Claims (8)

1. 原料ガスを導入してプラズマを生起するプラズマ室と、
   プラズマ室で発生したイオンを引き出すために、プラズマ室に対して負電位が印加される引き出し電極と
   を含むイオン源を備えたイオン注入装置において、
   ＢＦ_３を原料ガスとするイオン注入を実施した後に、タングステンで構成される引き出し電極のスリット間に堆積する堆積物を除去するイオン注入装置のクリーニング方法であって、
   プラズマ室でＢＦ_３ガスをイオン化し、引き出し電極に少なくとも正の電位を印加して、前記プラズマ室に対して前記引き出し電極の下流にある排気系による吸引力により、前記イオン化したイオンを前記引き出し電極のスリット間に通過させる工程を含むイオン注入装置のクリーニング方法。
2. 前記イオン化したイオンを前記引き出し電極のスリット間に通過させる際に、前記引き出し電極に正及び負の電位を交互に印加することを特徴とする請求項１に記載のクリーニング方法。
3. 前記イオン化したイオンを前記引き出し電極のスリット間に通過させる際に、前記引き出し電極を加熱した状態で前記イオンを通過させることを特徴とする請求項１または２に記載のクリーニング方法。
4. 原料ガスを導入してプラズマを生起するプラズマ室と、
   プラズマ室で発生したイオンを引き出すために、プラズマ室に対して負電位が印加される引き出し電極と
   を含むイオン源を備えたイオン注入装置において、
   ＢＦ_３を原料ガスとするイオン注入を実施した後に、タングステンで構成される引き出し電極のスリット間に堆積する堆積物を除去するイオン注入装置のクリーニング方法であって、
   ＢＦ_３ガスをイオン化することなく、前記引き出し電極の加熱下に前記堆積物と接触させる工程と
   前記引き出し電極を冷却後、フッ素を含まないガスを前記プラズマ室中でイオン化し、前記ガスのイオンの衝突により前記堆積物を剥離する工程と
   をこの順で有するイオン注入装置のクリーニング方法。
5. 前記衝突させるイオンが、ＡｒイオンまたはＡｓイオンである請求項４に記載のクリーニング方法。
6. 前記引き出し電極の冷却に際して、イオン源内に不活性ガスを導入する請求項４または５に記載のクリーニング方法。
7. 原料ガスを導入してプラズマを生起するプラズマ室と、
   プラズマ室で発生したイオンを引き出すための引き出し電極と
   を含むイオン源を備えたイオン注入装置において、
   前記引き出し電極に、プラズマ室に対して正及び負の電位を印加する機構を有するイオン注入装置。
8. 原料ガスを導入してプラズマを生起するプラズマ室と、
   プラズマ室で発生したイオンを引き出すための引き出し電極と
   を含むイオン源を備えたイオン注入装置において、
   前記引き出し電極を温度を制御して加熱する加熱機構を有するイオン注入装置。