JP2011501382A - ダブルプラズマイオンソース - Google Patents

Abstract

イオンソース１００は、プラズマ生成部１０４と、第１ガスを受け取る第１ガス注入口１２２とを有する第１プラズマ室１０２であって、プラズマ生成部１０４および当該第１ガスが協働して上記第１プラズマ室１０４内に第１プラズマを生成し、上記第１プラズマ室１０２が、上記第１プラズマから電子を取り出す開口部１１４をさらに規定した第１プラズマ室１０２、および、第２ガスを受け取る第２ガス注入口１２４を有する第２プラズマ室１１６であって、第２プラズマ室１１６が、第１プラズマ室１０２の開口部１１４と合う位置に開口部１１７を規定し、当該開口部から取り出された電子を受け取り、電子および第２ガスが協働して第２プラズマ室１１６内に第２プラズマを生成し、第２プラズマ室１１６が、第２プラズマから各イオンを取り出す取り出し開口部１２０をさらに規定した第２プラズマ室１１６を有する。

Description

本発明は、概して、イオン注入装置、より具体的にはイオン注入のためのダブルプラズマイオンソースを利用するシステムおよび方法に関する。

半導体素子およびそれを使用した製品の製造において、半導体の半加工品、表示パネル、ガラス基板などにドーパント要素を注入するためにイオン注入システムが使用されている。

通常のイオン注入システム、すなわちイオン注入機は、不純物のイオンビームを用いて半加工品に注入し、ｎ−型ドープ領域、および／または、ｐ−型ドープ領域を生成する、または半加工品に保護層を形成する。半導体のドーピングに使用する場合、イオン注入システムは、選択されたイオン種を半加工品に注入し、所望の付加的な材料特性を半加工品に付与する。

一般的には、ドーパント原子または分子をイオン化して分離し、加速および／または減速させ、ビームに形成し、半加工品に注入する。ドーパントイオンを半加工品の表面に物理的に衝突させることで、半加工品の表面にドーパントイオンを進入させ、通常、半加工品の結晶格子構造を有する表面下に配置する。

通常のイオン注入システムは、概して、精密な各サブシステムの集合体であり、当該システムにおいて、各サブシステムのそれぞれがドーパントイオンに対して特定の作用を及ぼす。ドーパント要素をガス（例えばプロセスガス）の状態で供給してもよいし、または固体として供給し、その後、ガス化させてもよい。

このようにして供給されたドーパント要素は、イオン化室に供給されて、好適なイオン化処理によってイオン化される。高電流または中電流を使用するイオン注入システムの工業規格として、いわゆる「バーナス型（Bernas-style）」が、今日までの数十年間、一般的に受け入れられてきた。

例えば、イオン化室を低圧（例えば真空）に維持し、例えばフィラメントをイオン化室内に配置し、フィラメントから電子が放出される温度まで当該イオン化室を加熱する。そして、フィラメントから放出された負の電荷を帯びた電子は、イオン化室内における逆の電荷を帯びた陽極に引き寄せられる。

フィラメントから陽極への移動の間に、電子がドーパントソース要素（たとえば分子または原子）と衝突し、その結果、電子がソースガス材料から分離し、ソースガスをイオン化し、プラズマ、すなわちドーパントソース要素から得られた複数の正の電荷を帯びたイオンおよび負の電荷を帯びた電子が生成される。

そして、正の電荷を帯びたイオンが、取り出し電極介してスリットまたは開口部を通りイオン化室から取り出される。該イオンは、通常、半加工品に向かうイオンビーム経路に沿って方向付けられる。

通常、上述した型の加熱フィラメント陰極は、時間の経過に伴い急速に劣化する。その結果、上記型のイオンソースについての一般的な改良型が開発され、商業用イオン注入システムに採用されている。

当該イオン注入システムは、傍熱陰極（ＩＨＣ）を使用している。当該システムにおいて、電子エミッタは、代表的には直径１０ｍｍ、厚さ５ｍｍの円筒陰極であり、イオン化室内に設けられている。

この陰極は、陰極内に配置されているフィラメントから取り出される電子ビームにより加熱され、これによりイオン化室内の厳しい環境から守られている。ＩＨＣイオンソースの例としては、例えば同一出願人による特許文献１に示されているものが挙げられる。

フィラメント陰極では、陰極の加熱電力は約数百ワット、ＩＨＣの場合は約１キロワットである。三フッ化ホウ素（BF₃）やホスフィン（PH₃）、アルシン（AsH₃）などの標準的な注入ガスを用いて操作する場合、最大取り出しイオンビーム電流は、通常、５０ｍＡ〜１００ｍＡの範囲内であり、数百ワットの放電電力（陰極の電圧×陰極の電流）を必要とする。これらの陰極加熱電力および放電電力によって、イオンソースの壁は４００℃以上の温度に達する。

標準的なガスを使用する場合、これらの壁を高温にすることが好ましい。これは、これらの壁を高温にすると、壁にリンおよび砒素が凝縮することを防ぐことができ、これにより、使用するドーパント種を変えたときに各ドーパント種同士のクロスコンタミネーション（交差汚染）を大幅に低減できるからである。

デカボラン（B₁₀H₁₄）、およびオクタデルボラン（B₁₈H₂₂）などの大きい一価イオンなどを用いた低エネルギーのホウ素注入によってスループットを大幅に向上できることが実証された。

当該大分子プラズマにおける放電電力およびプラズマ密度は、分子の解離を避けるために、標準的なプラズマガスよりもずっと低いレベルにて維持する必要がある。代表的な構成としては、取り出されたイオン電流は５ｍＡ〜１０ｍＡであり、数十ワットの放電電力しか必要としない。

上述した標準的なソースは、標準的な注入ガスを用いた場合でも低電力にて安定的に動作するが、デカボランまたはオクタデカボランを使用する場合に問題が生じる。フィラメントがガスと接触するバーナス（Bernas）ソースの場合、この種のボランはフィラメントを攻撃するので、安定的な放電が維持できない。

ＩＨＣの場合、放電はずっと安定的であるが、この大きな分子の熱解離は許容できないほど高い。高い陰極の放射パワーのために低温に保つことが困難であるため、高熱になっている陰極および壁の両方において解離が生じる。

デカボランおよびオクタデカボランなどのガスを用いた場合に発生する上記問題は、イオン化室から電子ソースを除去することによって解決できる。特許文献２には、そのような解決策のひとつが記載されており、従来の広域ビーム電子銃がイオン化室に外付けされており、電子ビームが開口部を介してイオン化室の中に導かれる。

しかし、このソース形態では、電子銃の設計の根本的な制約により、イオン化室に注入される電子電流が数十ミリアンペアに制限される。５０ｍＡ〜１００ｍＡの標準的なイオンビーム電流での標準的な注入ガスを用いた構成では、数百ミリアンペア〜数百アンペアの電子電流を必要とすることから、上記イオンソースはこのような構成には不適である。

実際のところ、上記問題は、イオン注入システムの製造業者にはよく知られており、例えば、特許文献３に記載されたような１つの解決策が挙げられている。当該特許文献３では、イオン化室を低電子電力での電離適用モード、高電子電力での電離適用モードという２つの別個の動作モードに設定することが提案されている。

また、特許文献４には、第１電子ソースおよび第２電子ソースがアーク状のイオン化室の両端に配置されており、各電子ソースのそれぞれが、いわゆる高熱動作モードと低熱動作モードのうちの一方にて作動するイオンソースの構成が記載されている。

米国特許第５，４９７，００６号明細書（１９９６年３月５日登録） 米国特許第６，６８６，５９５号明細書（２００４年２月３日登録） 米国特許第７，０２２，９９９号明細書（２００６年４月４日登録） 米国特許公開第２００６／０１６９９１５号公報（２００６年８月３日公開）

したがって、イオン注入業界のニーズを満たすため、大分子ガス（いわゆる分子種）のためには、低いソース壁面温度、および低い放電電力をもって動作し、かつ、標準的な注入ガス（いわゆるモノマー種）のためには、高い壁面温度、および高い放電電力をもって動作するイオンソースが必要とされている。

本発明は、デカボランやオクタデカボランなどの大分子、およびＢＦ₃や、ＰＨ₃、ＡｓＨ₃などの標準的注入ガスの双方を使用可能とする、イオンソースを効率的に動作させる、２つのプラズマイオンソースシステムすなわちダブルプラズマイオンソースシステム、並びに、その動作方法を提供することによって、従来技術の制約を克服するものである。

したがって、本発明のいくつかの形態の基本を理解するために、以下に本発明の要約を記す。本要約は、本発明の広範囲に渡る概説ではない。本要約は、本発明のキー、すなわち重要な要素を特定するものではなく、本発明の範囲を表すものでもない。本要約の目的は、後述する、より詳しい説明の前置きとして、本発明のいくつかの概念を簡単な形で表すことにある。

本発明は、概して、イオン注入システムに使用するイオンソースに焦点を当てており、イオンソースは、２つ以上の各プラズマ室を内蔵しており、第１プラズマ室が第２プラズマ室に注入する電子を生成するように動作可能であり、それによって、第２プラズマ室がイオン注入システムのイオンビームラインに注入するための各イオンを効率的かつ効果的に生成することができる。

本発明の例示の実施形態によると、イオンソースは、以下では電子ソースプラズマ室と称される第１プラズマ室が、第１ソースガスのイオン化からプラズマを生成するプラズマ生成部を有し、以下ではイオンソースプラズマ室と称される第２プラズマ室の中に、電子ソースプラズマ室からの電子が注入され、第２ソースガスからプラズマを生成することを含むように構成されている。

イオンソースは、高電圧取り出しシステムを備えており、当該高電圧取り出しシステムは、イオンソースプラズマ室における取り出し開口部を介して当該イオンソースプラズマ室からイオンを取り出すように構成された電極システムを含む。

本発明に係る他の例示の実施形態によれば、第１プラズマ室に電子ソースプラズマを形成するステップと、第１プラズマ生成室において形成されたプラズマから電子を取り出し、取り出された電子を第２プラズマ室に方向付け、それによって取り出された電子が、第２プラズマ室内にプラズマを生成するステップと、第２プラズマ室に配置された取り出し開口部を介してイオンを取り出すステップとを含むイオン生成のための方法が開示されている。

本発明に係るさらなる他の実施形態では、イオン注入システムは、半加工品への注入のためにイオンビームラインにイオンを注入するイオンソースを有するように構成されており、当該イオンソースは、第１ソースガスのイオン化によってプラズマを生成する第１プラズマ室（電子ソースプラズマ室）、および第２プラズマ室（イオンソースプラズマ室）を有し、当該第２プラズマ室の中に電子ソースプラズマ室からの電子が注入され、第２ソースガスからプラズマを生成する。イオン注入システムは、取り出しシステムを備えており、当該取り出しシステムは、イオンソースプラズマ室における取り出し開口部を介してイオンソースプラズマ室からイオンを取り出すように構成された電極を含む。

上述の目的および関連する目的を達成するために、本発明は、以下に詳述する特徴、および請求項において特に記載した特徴を含む。下記説明および添付の図面は、本発明の特定の例示の実施形態を詳述する。しかし、これらの実施形態は、本発明の本質を使用する可能性がある様々な方法を示す。図面と組み合わせて考えると、本発明の下記詳細な説明から、本発明の他の目的、利点および新規な特徴が明らかとなる。

本発明の一実施形態に係る、例示のイオンソースの等測図法による斜視図である。 本発明の一実施形態に係る例示のイオンソースの部分断面斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る、イオンソースからイオンを生成および取り出すための例示の方法を示すブロック図である。 本発明の他の実施形態に係る、例示のイオンソースを使用した例示のイオン注入システムの概略図である。

本発明は、主に、イオン注入に使用される改良型のイオンソース装置を目的としている。より詳しくは、本発明に係るシステムおよび方法は、三フッ化ホウ素、ホスフィン、およびアルシンなどのモノマーイオン注入種の生成のための標準的なイオン化ガスだけではなく、例えばカルボラン、デカボラン、オクタデカボラン、およびイコサボランなどの分子イオン注入種の生成のための大きい分子のイオン化ガスを効率的にイオン化する方法を提供する。

上述したイオン注入種のリストは、例示のみを目的としており、イオン注入種を生成するのに使用され得るイオン化ガスの完全なリストを示すと捉えるべきではないことを理解されたい。したがって、本発明について、図面を参照しながら説明するが、全文を通して同様の部材番号は同様の部材を表すのに使用されている。これらの形態についての説明は単なる例示であり、限定的に捉えられるべきではない。下記の説明では、説明を目的として本発明の理解を深めるために、具体的な詳細を数多く記載しているが、当業者であればこれらの詳細がなくとも、本発明を実施できるだろう。

図１および図２には、本発明に係る簡略化されたイオンソース１００が示されており、イオンソース１００は、本発明の１つ以上の形態を実施するのに適している。図１に示されたイオンソース１００は、例示を目的としており、イオンソースの全ての形態、構成要素および特徴を含むことを意図しておらず、本発明についての理解を深めるために例示されているものである。

例えばイオンソース１００は、第２プラズマ室１１６に隣り合って配置された第１プラズマ室１０２を有する。第１プラズマ室１０２は、ガスソース供給ライン１０６を備え、第１ソースガスからプラズマを生成するためのプラズマ生成部１０４を備えるように構成されている。ガス供給ライン１０６によって、第１プラズマ室１０２内にソースガスが注入される。

ソースガスは、アルゴン（Ａｒ）や、キセノン（Ｘｅ）などの不活性ガス、三フッ化ホウ素（BF₃）、アルシン（AsH₃）やホスフィン（PH₃）などの標準的なイオン注入ガス、および酸素（O₂）や三フッ化窒素（NF₃）などの反応性ガスの少なくとも１つを含む。繰り返しになるが、前述したソースガスのリストは、例示のみを目的としており、第１プラズマ室に分配され得るソースガスの完全なリストと解釈されるべきではないことを理解されたい。

プラズマ生成部１０４は、陰極１０８／陽極１１０の組み合せを有している。陰極１０８は、簡素なバーナス（Bernas）型フィラメント構成を含むか、または図１および図２に図示されたタイプの傍熱陰極を含む。また、本願と譲請人を同じくする米国特許第５，６６１，３０８号明細書に記載されているように、プラズマ生成部１０４は、高周波伝導セグメントを有し、支持されたＲＦ誘導コイルアンテナを有していてもよく、当該高周波伝導セグメントは、ガス閉じ込めチェンバ内に直接設けられており、イオン化エネルギーをガスイオン化領域に伝送するものである。

第１プラズマ室すなわち電子源プラズマ室１０２は、高真空領域のイオン注入システムへの経路を形成する開口部１１２を規定して有している。上記高真空領域は、第１プラズマ室１０２におけるソースガスの圧力よりも圧力がずっと低い領域である。開口部１１２は、以下に詳述するように、ソースガスの純度を高レベルに保つためのポンピング開口部となる。

また、電子ソースプラズマ室１０２は、電子ソースプラズマ室１０２から電子を取り出すための取り出し開口部を形成する開口部１１４を規定して有している。好適な実施形態では、図２に示されたように、取り出し開口部１１４は、取り外し可能な陽極要素１１０の形状にて設けられている。陽極要素１１０は、その中に形成された開口部１１４を有している。

以上のように、当業者であれば、電子ソースプラズマ室１０２が、いわゆる非反射モードにおいてプラズマから電子を誘引するための（陰極１０８に対して）正のバイアスをかけられた電極１１９を有するように構成されていてもよいことがわかるであろう。

また、電極１１９は、陰極１０８に対して負のバイアスをかけられ、いわゆる反射モードにおいて電子を電子ソースプラズマ室１０２内に弾き返すように構成されていてもよい。上記反射モードの形態は、プラズマ室壁に適切なバイアスを印加し、ならびに電極１１９を電気的に絶縁させた上で別途バイアスを印加することを必要とすることが理解されよう。

上述したように、本発明に係るイオンソース１００は、第２イオンソース室、すなわちイオンソース室１１６を有する。第２イオンソースプラズマ室１１６は、ソースガスを第２イオンソースプラズマ室１１６に注入する第２ガスソース供給ライン１１８を有しており、さらに電子ソースプラズマ室１０２からの電子を受け取るように構成されている。これにより、電子と第２ソースガス間での衝突を介して第２イオンソースプラズマ室１１６内にプラズマが生成される。

第２ソースガスは、電子ソースプラズマ室１０２について上述したガスのうちのいずれか、またはカルボラン（C₂B₁₀H₁₂）や、デカボラン（B₁₀H₁₄）、オクタデカボラン（B₁₈H₂₂）、イコサデカボランなどの大分子ガスのいずれかを含んでいてもよい。繰り返しになるが、上述したソースガスは例示のみを目的として挙げられており、第２プラズマ室１１６に分配され得るソースガスの完全なリストを表すものと捉えられるべきではないことを理解されたい。

第２プラズマ室、すなわちイオンソースプラズマ室１１６は、第１プラズマ室１０２の取り出し開口部１１４の位置に合わせて配置された開口部１１７を規定して有しており、電子が第１プラズマ室１０２から第２プラズマ室１１６に流入できるように、取り出し開口部１１４と開口部１１７との間には経路が形成されている。

好適には、イオンソースプラズマ室１１６は、正のバイアスをかけられた電極１１９を有するように構成されている。電極１１９は、いわゆる非反射モードにおいて、イオンソースプラズマ室１１６に注入された電子を誘引し、電極とガス分子との間に所望の衝突を生じさせ、イオン化プラズマを生成する。また、電極１１９は、いわゆる反射モードにおいて、負のバイアスをかけられ、イオンソースプラズマ室１１６内に電子を弾き返すという構成であってもよい。

取り出し開口部１２０は、第２プラズマ室１１６内に配置され、一般的な方法にて注入するイオンビームの形成のための各イオンを取り出すように構成されている。

外付けのバイアス用の電源１１５によって、第２プラズマ室１１６が第１プラズマ室１０２に対して正のバイアスをかけられることに注目されたい。その結果、電子が電子ソースプラズマ室１０２から取り出され、イオンソースプラズマ室１１６に注入される。

このとき、第２プラズマ室内１１６において、第１プラズマ室１０２に供給される電子と、第２ガスソース供給ライン１１８を介して第２プラズマ室１１６に供給される供給ガスとの間において、衝突が誘発され、プラズマが生成される。

第１プラズマ室１０２および第２プラズマ室１１６は、ガス注入口（例えば第１ガス供給入口１２２および第２ガス供給入口１２４）、高真空領域への開口部（例えばポンピング開口部１１２および取り出し開口部１２０）、および第１プラズマ室１０２および第２プラズマ室１０４の間の共通経路をそれぞれ形成する各共通境界部開口部１１４、１１７という、開口部を備えた３つの各開境界部を有している。

好適には、各共通境界部開口部１１４、１１７の領域は、下記の理由から、高真空領域に面する、各開口部１１２、１２０、すなわち第１プラズマ室開口部１１２および第２プラズマ室開口部１２０と比較して小さい形状に維持されている。

本発明に係る例示のイオンソース形態では、本発明のイオンソースは、マサチューセッツ州ビバリーのアクセリステクノロジーズが製造販売している型の標準的ＩＨＣイオンソースの要素を備え、当該イオンソースにおいて、イオンソースプラズマ室は、標準的陽極、取り出しシステムおよびソース供給管を備えるように構成された標準的アーク室を有する。

本発明に係る例示のイオンソース形態では、本発明のイオンソースは、標準的ＩＨＣソースの内部加熱陰極要素を除去し、当該要素のあった場所に小型の電子ソースプラズマ室を代わりに配置したものである。当該小型の電子ソースプラズマ室は、マサチューセッツ州ビバリーのアクセリステクノロジーズが製造販売している型の標準的ＩＨＣイオンソースと同様の要素を含み、アーク室、標準的内部加熱陰極要素およびソース供給管を含む。

両方の各プラズマ室が、標準的なアクセリスのソース磁石（部材番号１３０として示す）によって設けられた、取り出し開口部に沿って配向された磁場を共有する。イオン化工程（およびこの場合電子生成工程）は、プラズマ生成室において、垂直方向の磁場を形成することによって、より効率的になり得ることはよく知られている。

このように、好適な実施形態では、電磁石部材１３０は、第１プラズマ室１０２および第２プラズマ室１１６の外に、好適にはそれらの間の共有された境界部の軸に沿って配置されている。これらの電磁石要素１３０は、電子を閉じ込める磁界を形成し、イオン化工程の効率性を高める。

電子ソース室１０２は、好適には、イオンソースプラズマ室１１６から、上記両者の間に配置された絶縁部材１２６を介して熱分離される。イオンソースプラズマ室１１６に接続された唯一の電力は、通常、約１０Ｗといった小さな放電力量である。

上記電力は、陰極１０８から、各開口部１１４、１１７によって形成される共通境界部開口部を介して供給される。デカボランまたはオクタデカボランの放電のためのイオンソースプラズマ室１１６への電子電流の注入に関連した放電電力は、通常、１０Ｗである。

イオンソースプラズマ室１１６に接続された低電力量は、大分子ガスの解離を防止するには十分な低温度に壁面温度を維持する。電子ソース室１０２は、絶縁部材１２６によってイオンソースプラズマ室１１６から電気的に分離されている。

好適な実施形態では、イオンソースプラズマ室１１６は、約３００ｍｍ²（５ｍｍ×６０ｍｍ）の領域を有する、取り出し開口部１２０を備えるように構成されている。また、電子ソース室１０２は、全領域が３００ｍｍ²のポンピング開口部１１２を備えるように構成されている。２つの各プラズマ室が共有する各開口部１１４、１１７によって形成された共通境界部開口部は、好適には約３０ｍｍ²（４×７．５ｍｍ）の領域を有する。

本形態では、電子ソースプラズマ室に連結されたアルゴンガスソース、およびイオンソースプラズマ室１１６に連結されたデカボランまたはオクタデカボランガスを用いて動作することによって、取り出された約５ｍＡのイオンビーム電流が取り出し開口部１２０を介して容易に得られる。

これらの条件下では、電子ソース室１０２の、通常では、約４０Ｖにて０．２Ａのアルゴン放電の電流および電圧によって、０．１Ａの電子電流がイオンソースプラズマ室１１６に注入される（バイアス電源１１５における電圧設定が１００Ｖである）。

同様の物理形態では、イオンソースプラズマ室１１６においてガスソースとしてホスフィンに切り替え、６０Ｖにて５０Ａまで電子ソースプラズマ放電パラメータを増大させることによって、イオンソースプラズマに注入される電子電流がバイアス供給において１２０Ｖの設定にて３Ａまで増大することができ、５０ｍＡを超えるイオンビーム電流が取り出し開口部１２０を介して取り出される。

上述したように、電流ソースプラズマ室のポンピング開口部１１２およびイオンソースプラズマ室の取り出し開口部１２０の領域の選択は、各開口部１１４、１１７によって生成された共通境界部開口部よりも好適には大きく、その結果、各室１０２、１１６における比較的高濃度のガス純度が得られる。

上記例を参照すると、アルゴンが３０ｍｍ²の共通取り出し開口部１１４からイオンソースプラズマ室１１６に流入し、３００ｍｍ²の取り出し開口部１２０から流出する。その結果、イオンソースプラズマ室１１６におけるアルゴン濃度は、電子ソースプラズマ室１０２の１０％のみである。

同じ理由から、ガス供給ライン１１８を介してイオンソースプラズマ室１１６に供給される第２ガスの濃度は、イオンソースプラズマ室１１６におけるガスの濃度の１０％のみであり、当該ガスは、電子ソースプラズマ室１０２に流入し得る。代表的な応用例では、電子ソースプラズマ室１０２のアルゴン濃度、およびイオンソースプラズマ室１１６の第２ガス濃度がほぼ同一であり、各プラズマ室のガスは、約９０％の純度である。

上述したイオンソースハードウエア形態の結果、本発明者は、第１プラズマ室１０２からの電子を利用した、第２プラズマ室１１６内におけるデカボラン（B₁₀H₁₄）またはオクタデカボラン（B₁₈H₂₂）の各イオンなどの分子イオン種の形成によって、陰極に関する、通常のイオンソース汚染問題を回避することができる。

例えば、当該ハードウエアのワット損特性によって、通常、分子種のイオン化に関する電子電流イオン化の適用例、および、通常、モノマー種イオン化に関する高電子電流イオン化の適用例といった、広範囲の電子電流イオン化の適用を可能とする。

図３に示されたように、本発明に係る方法２００は、真空状態にある第１プラズマ室１０２（図１参照）にガス供給ライン１０６を介して第１ガスを供給し、真空状態である第２プラズマ室１１６（図１参照）に第２ガスソース供給ライン１１８を介して第２ガスを供給することによって開始される（２０２）。

例えば、イオンソース１００（図１）は、第１プラズマ室１０２を備えており、第１プラズマ室１０２は、第１ガスを含み、第１ガスからプラズマを生成するプラズマ生成部１０４（図１）を備えるように構成されている。

２０４では、プラズマ生成部１０４（図１参照）は、プラズマ生成部１０４と第１ソースガス（例えばアルゴン）との相互作用から、第１プラズマ室１０２（図１参照）においてプラズマを生成するように作動される。例えば、上記プラズマは、０．４ミリアンペアの放電電流および６０ボルトの放電電圧による直流放電によって生成されてもよい。

２０６において、第１プラズマ室１０２（図１参照）にて生成されたプラズマから電子が取り出され、各開口部１１４、１１７によって形成された共通境界部領域を介して第２プラズマ室１１６（図１参照）に注入される。当該共通境界部領域は、第１プラズマ室１０２および第２プラズマ室１１６にそれぞれ形成された各開口部１１４、１１７によって形成されており、その間を流体連通できるように構成されている（例えば、流体は、電子、イオン、およびプラズマからなる）。

ガスライン１１８を介して供給される第２プラズマ室１１６内の第２ガスは、第１プラズマ室１０２（図１参照）から取り出された電子との衝突によって衝撃が付与され、その結果、第２プラズマ室１１６（図１参照）において第２プラズマを形成する（２０８）。最後に、取り出し開口部１２０（図１）を介して第２プラズマ室１１６（図１参照）におけるプラズマから各イオンを取り出す（２１０）。

したがって、本発明は「ダブルプラズマイオンソース」を記述する。上述したダブルプラズマイオンソースは、図４に例示したイオン注入システム３００に図示されているように、イオン注入システムに使用するために組み込まれている。

イオン注入装置３００（イオン注入機とも称される）は、イオン注入装置３００において実施される様々な動作および処理を制御するコントローラ３０２に動作可能に接続されている。

本発明によると、イオン注入装置３００は、上述のような、ダブルプラズマイオンソースアセンブリ３０６を有しており、ダブルプラズマイオンソースアセンブリ３０６は、イオンビーム経路Ｐに沿って移動するイオンビームを生成するための、大量の各イオンを生成し、半加工品支持プレート３１２上に保持された半加工品３１０（例えば半導体半加工品、表示パネルなど）にイオンを注入する。

上記各イオンは、アルゴン（Ａｒ）およびキセノン（Ｘｅ）などの不活性ガス、三フッ化ホウ素（BF₃）、アルシン（AsH₃）およびホスフィン（PH₃）などの標準的イオン注入ガス、酸素（O₂）および三フッ化窒素（NF₃）などの反応性ガス、並びにデカボラン（B₁₀H₁₄）およびオクタデカボラン（B₁₈H₂₂）などの大分子ガスなどから形成することが可能である。

イオンソースアセンブリ３０６は、第１プラズマ室３１４（例えばプラズマ室またはアーク室）および第２プラズマ室３１６を有している。第１プラズマ室３１４は、プラズマ生成部３１８を備えるように構成されている。

当該プラズマ生成部３１８は、陰極１０８（図２参照）および陽極１１０（図２参照）を含んでいてもよい。陰極１０８および陽極１１０は、第１ガス供給源３０１から第１ガス供給ライン３２２を介して第１プラズマ室３１４内に注入される第１ガスからプラズマを生成する。また、プラズマ生成部３１８は、ＲＦ誘導コイルなどを代わりに備えていてもよい。

第１ガスは、アルゴン（Ａｒ）や、キセノン（Ｘｅ）などの不活性ガス、三フッ化ホウ素（BF₃）、アルシン（AsH₃）やホスフィン（PH₃）などの標準的なイオン注入ガス、および、酸素（O₂）や三フッ化窒素（NF₃）などの反応性ガスの少なくとも１つを含んでいてもよい。

第２プラズマ室３１６は、第１プラズマ室３１４と第２プラズマ室３１６との間に形成された共通境界部開口部３２６を介して第１プラズマ室３１４と流体連通するように配置されており、第２ガス供給ライン３２８によって第２ガス供給源３２０から注入される第２ガスを含む。

第２ガスは、アルゴン（Ａｒ）や、キセノン（Ｘｅ）などの不活性ガス、三フッ化ホウ素（BF₃）、アルシン（AsH₃）やホスフィン（PH₃）などの標準的なイオン注入ガス、および酸素（O₂）や三フッ化窒素（NF₃）などの反応性ガス、およびデカボラン（B₁₀H₁₄）およびオクタデカボラン（B₁₈H₂₂）などの大分子ガスの少なくとも１つを含んでいてもよい。

第２プラズマ室３１６は、バイアス用の電源３３２によって第１プラズマ室３１４に対して正のバイアスが印加され、第２プラズマ室３１６に注入する電子を第１プラズマ室３１４から取り出すことができる。取り出された電子が第２プラズマ室３１６において第２ガスと衝突すると、第２プラズマ室３１６において、上記電子および第２ガスがプラズマを生成する。第２プラズマ室３１６内に取り出し開口部３３４が設けられており、第２プラズマ室３１６内で形成されたプラズマからイオンを取り出す。

イオン注入システム３００は、ソースアセンブリ３０６に関連する取り出し電極アセンブリ３３１をさらに有している。取り出し電極アセンブリ３３１は、取り出し開口部を介した取り出しのために、ソースアセンブリ３０６から荷電イオンを引き出すようにバイアスが印加されている。

ビームラインアセンブリ３３６が、イオンソースアセンブリ３０６の下流側にさらに設けられており、通常、ソース３０６からの荷電イオンを受け取る。ビームラインアセンブリ３３６は、例えば、ビームガイド３４２、マスアナライザー３３８、および解像度調整用開口部３４０を有している。ビームラインアセンブリ３３６は、半加工品３１０に各イオンを注入するためにイオンビーム経路Ｐに沿って上記各イオンを搬送するように動作可能である。

例えば、マスアナライザー３３８は、磁石（図示せず）などの磁場形成要素をさらに有しており、マスアナライザー３３８は、通常、イオンビーム３０８を横切る磁界を提供し、ソース３０６から取り出された各イオンに関する、マス（質量）に対する電荷の比に応じて異なる軌道にて、イオンビーム３０８から上記各イオンを偏向させる。

例えば、磁界を通って移動する各イオンは、所望のマス／電荷の比を備えた個々のイオンをビーム経路Ｐに沿って方向付けるように偏向させる力を受けると共に、所望しないマス／電荷の比を備えた個々のイオンをビーム経路Ｐから離れるように偏向させる力を受ける。

一旦、マスアナライザー３３８を通過すると、イオンビーム３０８は、解像度調整用開口部３４０を通過するように方向付けられる。このとき、イオンビーム３０８は、末端ステーション３４４内に配置された半加工品３１０に注入するために、加速、減速、収束または補正されてもよい。

特定の好適な実施形態に関して本発明を説明しているが、当業者が本明細書および添付の図面を読んで理解すれば、同等の変形および修正を考えることができることは明らかである。特に上述した要素（アセンブリ、装置、回路など）によって実施される様々な機能に関して、当該要素を記述するのに使用した用語（「手段」を含む）は、特に指定しない限りは、本発明の例示の実施形態に示された機能を実施する開示の構造と構造的に異なっていたとしても、上述した要素の特定の機能を実施するあらゆる要素に対応することを意図している。加えて、複数の実施形態のうちのただ１つについて、本発明に係る特定の実施形態を開示してきたが、あらゆる既定の用途のために望ましく好適であると考えられる他の実施形態の１つ以上の特徴と当該特徴とを組み合わせてもよい。

Claims (25)

1. 第１ガスを受け取るための第１ガス注入口とプラズマ生成部とを有する第１プラズマ室であって、当該プラズマ生成部および当該第１ガスが協働して上記第１プラズマ室内に第１プラズマを生成し、上記第１プラズマ室が、上記第１プラズマから電子を取り出す開口部をさらに規定している第１プラズマ室、および、
   第２ガスを受け取るための第２ガス注入口を有する第２プラズマ室であって、上記第２プラズマ室が、上記第１プラズマ室の開口部と実質的に合う位置に開口部を規定しており、上記開口部から取り出された電子を受容し、上記電子および上記第２ガスが協働して上記第２プラズマ室内に第２プラズマを生成し、上記第２プラズマ室が、上記第２プラズマからイオンを取り出す取り出し開口部をさらに規定している第２プラズマ室を備えているイオンソース。
2. 上記第１プラズマ室が、高真空領域への経路を形成するポンピング開口部を規定しており、上記ポンピング開口部が、上記第１プラズマから電子を取り出すための上記開口部の面積寸法よりも大きい面積寸法を有している請求項１に記載のイオンソース。
3. 上記プラズマ生成部は、陰極および陽極を有している請求項１に記載のイオンソース。
4. 上記プラズマ生成部は、ＲＦアンテナを有している請求項１に記載のイオンソース。
5. 上記第１プラズマ室と上記第２プラズマ室との間に相対的電圧差を生じさせ、上記第１プラズマ室から取り出された電子を上記第２プラズマ室に移動させるためのバイアス電源をさらに有している請求項１に記載のイオンソース。
6. 上記第１ガスが、アルゴン（Ａｒ）や、キセノン（Ｘｅ）などの不活性ガス、三フッ化ホウ素（BF₃）、アルシン（AsH₃）やホスフィン（PH₃）などの標準的なイオン注入ガス、および三フッ化窒素（NF₃）や酸素（O₂）などの反応性ガスの少なくとも１つを含む請求項１に記載のイオンソース。
7. 上記第２ガスが、アルゴン（Ａｒ）やキセノン（Ｘｅ）などの不活性ガス、三フッ化ホウ素（BF₃）や、アルシン（AsH₃）、ホスフィン（PH₃）などの標準的イオン注入ガス、三フッ化窒素（NF₃）や酸素（O₂）などの反応性ガス、およびデカボラン（B₁₀H₁₄）やオクタデカボラン（B₁₈H₂₂）などの大分子ガスの少なくとも１つを含む請求項１に記載のイオンソース。
8. 上記取り出し開口部に関連する取り出し電極アセンブリをさらに備えており、
   上記取り出し電極アセンブリは、上記イオンソースから各イオンを取り出してイオンビームを生成するように動作可能なものである請求項１に記載のイオンソース。
9. イオンソースにおけるイオン生成方法であって、
   第１プラズマ室に第１プラズマを生成するステップと、
   上記第１プラズマ室によって規定された開口部を介して上記第１プラズマから電子を取り出すステップと、
   第２プラズマ室に上記取り出された電子を方向付け、上記第２プラズマ室内に第２プラズマを生成するステップと、
   上記第２プラズマ室によって規定された取り出し開口部を介して上記第２プラズマから各イオンを取り出すステップを含む方法。
10. 上記取り出された電子は、上記第１プラズマ室と上記第２プラズマ室との間の電圧差によって生じる請求項９に記載の方法。
11. プラズマ生成部１０４と、第１ガスを受け取るための第１ガス注入口１２２とを有する第１プラズマ室１０２であって、当該プラズマ生成部１０４および当該第１ガスが協働して上記第１プラズマ室１０４内に第１プラズマを生成し、上記第１プラズマ室１０２が、上記第１プラズマから電子を取り出す開口部１１４をさらに規定している第１プラズマ室１０２、および、
    第２ガスを受容するための第２ガス注入口１２４を有する第２プラズマ室１１６であって、上記第２プラズマ室１１６が、上記第１プラズマ室１０２の開口部１１４と実質的に流体連通する開口部１１７を規定しており、当該開口部から取り出された電子を受け取り、上記電子および上記第２ガスが協働して上記第２プラズマ室１１６内に第２プラズマを生成し、当該第２プラズマ室１１６が、上記第２プラズマから各イオンを取り出す取り出し開口部１２０をさらに規定している第２プラズマ室１１６を有するイオンソース１００を備えたイオン注入システム。
12. 上記第１プラズマ室は、高真空領域への経路を形成するポンピング開口部をさらに規定し、
    上記ポンピング開口部は、上記第１プラズマから電子を取り出す上記開口部に関する面積寸法よりも大きい面積寸法の領域を有している請求項１１に記載のイオンソース。
13. 上記プラズマ生成部は、陰極ヒータおよび陽極を有している請求項１１に記載のイオンソース。
14. 上記プラズマ生成部は、ＲＦアンテナを有している請求項１１に記載のイオンソース。
15. 上記第１プラズマ室と上記第２プラズマ室との間に相対的電圧差を生じさせ、上記第１プラズマ室から取り出された電子を上記第２プラズマ室に搬送させるバイアス電源をさらに有している請求項１１に記載のイオンソース。
16. 上記第１ガスが、アルゴン（Ａｒ）や、キセノン（Ｘｅ）などの不活性ガス、三フッ化ホウ素（BF₃）、アルシン（AsH₃）やホスフィン（PH₃）などの標準的なイオン注入ガス、および三フッ化窒素（NF₃）や酸素（O₂）などの反応性ガスの少なくとも１つを含む請求項１１に記載のイオンソース。
17. 上記第２ガスが、アルゴン（Ａｒ）やキセノン（Ｘｅ）などの不活性ガス、三フッ化ホウ素（BF₃）や、アルシン（AsH₃）、ホスフィン（PH₃）などの標準的イオン注入ガス、三フッ化窒素（NF₃）や酸素（O₂）などの反応性ガス、およびデカボラン（B₁₀H₁₄）やオクタデカボラン（B₁₈H₂₂）などの大分子ガスの少なくとも１つを含む請求項１１に記載のイオンソース。
18. 上記取り出し開口部に関する取り出し開口部をさらに有しており、
    上記取り出し開口部は、上記イオンソースからイオンを取り出し、イオンビームを形成するように動作可能なものである請求項１１に記載のイオンソース。
19. イオンビームを生成するダブルプラズマイオンソースと、
    上記イオンソースから上記イオンビームを受け取り、所望の質量／エネルギーの範囲のイオンを含むマスアナライズされたイオンビームを提供するマスアナライザーを有しているビームラインアセンブリと、
    加速、減速および収束を含む上記イオンビームの特性を変更するための解像度調整用開口部と、
    上記イオンビームを用いて半加工品にイオン注入を行うように構成された末端ステーションとを有するイオン注入システム。
20. イオンソース１００が、
    プラズマ生成部１０４と、第１ガスを受容するための第１ガス注入口１２２とを有する第１プラズマ室１０２であって、当該プラズマ生成部１０４および当該第１ガスが協働して上記第１プラズマ室１０２内に第１プラズマを生成し、上記第１プラズマ室１０２が、上記第１プラズマから電子を取り出す開口部１１４をさらに画成している第１プラズマ室１０２、および、
    第２ガスを受容するための第２ガス注入口１１８を有する第２プラズマ室１１６であって、上記第２プラズマ室１１６が、上記第１プラズマ室１０２の開口部１１４と合った位置に開口部１１７を規定しており、当該開口部から取り出された電子を受け取り、上記電子および上記第２ガスが協働して上記第２プラズマ室１１６内に第２プラズマを生成し、当該第２プラズマ室１１６が、上記第２プラズマからイオンを取り出す取り出し開口部１２０をさらに規定している第２プラズマ室１１６を有している請求項１９に記載のイオン注入システム。
21. 上記イオンソースの第１ガスが、アルゴン（Ａｒ）や、キセノン（Ｘｅ）などの不活性ガス、三フッ化ホウ素（BF₃）、アルシン（AsH₃）やホスフィン（PH₃）などの標準的なイオン注入ガス、および三フッ化窒素（NF₃）や酸素（O₂）などの反応性ガスの少なくとも１つを含む請求項２０に記載のイオン注入システム。
22. 上記イオンソースの第２ガスが、アルゴン（Ａｒ）やキセノン（Ｘｅ）などの不活性ガス、三フッ化ホウ素（BF₃）や、アルシン（AsH₃）、ホスフィン（PH₃）などの標準的イオン注入ガス、三フッ化窒素（NF₃）や酸素（O₂）などの反応性ガス、およびデカボラン（B₁₀H₁₄）やオクタデカボラン（B₁₈H₂₂）などの大分子ガスの少なくとも１つを含む請求項２０に記載のイオン注入システム。
23. イオンソース１００が、上記取り出し開口部１２０に関する取り出し装置をさらに有しており、
    上記取り出し装置が、上記イオンソース１００からイオンを取り出し、イオンビームを形成するように動作可能なものである請求項１９に記載のイオン注入システム。
24. 上記第１プラズマ室１０２と上記第２プラズマ室１１６との間に相対的電圧差を生じさせ、上記第１プラズマ室１０２から取り出された電子を上記第２プラズマ室１１６に搬送させるためのバイアス電源をさらに有する、請求項１９に記載のイオン注入システム。
25. イオンソース１００が、陰極ヒータフィラメント、陽極およびＲＦアンテナを有しているプラズマ生成部１０４をさらに含む請求項１９に記載のイオン注入システム。

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