JP2012082462A - イオン注入装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】材料ガスの効率的な使用を可能とするイオン注入装置を提供する。
【解決手段】イオンソースチャンバ２内のアークチャンバ３内に導入された材料ガスをイオン化し、イオン化したイオンを半導体基板に注入する際に、前記イオンソースチャンバ２内のガスを真空ポンプ２０によって排気する。排気されたガスの一部は廃棄ガス流路３１を介して除害装置２１に導き、無害化して大気放出する。残りは環流ガス流路３３を介して前記イオンソースチャンバ２に戻して再使用する。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、半導体製造におけるイオン注入技術に関する。

半導体製品の製造に使用されるイオン注入装置では、注入するイオンの材料ガスを分解・イオン化し、イオン化した粒子から所要の質量およびエネルギーを持ったものを選択し、選択したイオン化粒子を基板ウェハに加速して照射する。

特開平０３−２９１８４４号公報 特開平０７−２０９４９４号公報

このようなイオン注入装置においては、材料ガスの効率的な利用が求められている。

本発明の一つの実施形態は、材料ガスの効率的な使用を可能とするイオン注入装置および方法を提供することを目的とする。

本発明の一つの実施形態によれば、真空容器内に材料ガスを供給し、供給した材料ガスをイオン化し、イオン化したイオンを半導体基板に注入する。真空容器内のガスはポンプによって排気される。前記ポンプによって排気されたガスの一部は廃棄され、その残りは環流ガス流路を介して真空容器に戻される。

図１は、イオン注入装置の全体を模式的に示した図である。 図２は、比較例として示すイオン注入装置のイオンソースチャンバの排気部分の構成を模式的に示す図である。 図３は、第１の実施形態のイオン注入装置のイオンソースチャンバの排気部分の構成を模式的に示す図である。 図４は、アークチャンバ内のガス量の時間変化を示す図である。 図５は、第２の実施形態のイオン注入装置のイオンソースチャンバの排気部分の構成を模式的に示す図である。

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかるイオン注入装置を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態のイオン注入装置の全体を模式的に示した図である。図１において、注入すべきイオンの材料ガス（一般に三弗化ホウ素ＢＦ３、フォスフィンＰＨ３、アルシンＡｓＨ３等の何れか）は、処理レシピに定義された流量で、ガス供給流路１を介して真空容器としてのイオンソースチャンバ２内のアークチャンバ３内に導入される。アークチャンバ３内ではフィラメントから発生した熱電子をアーク電圧で加速し、加速した熱電子をアークチャンバ３内に導入した材料ガスに衝突させることで材料ガスの分解／イオン化（プラズマ化）を行い、これにより材料ガスのイオンを発生させる。アークチャンバ３はイオンを引出すためのスリット４を有し、引出電極５とアークチャンバ３との間に引き出し電圧６と呼ばれる電界を印加することで、スリット４を通してアークチャンバ３からイオンが引き出される。

イオン化した粒子は、引き出し電圧６によって引き出され、所望のエネルギーに加速される。加速されたイオンは質量分析マグネット７により所定の質量とエネルギーを持った特定のイオンのみが選択される。質量分析マグネット７で選択された特定のイオンビームは、イオン輸送系１１を経由して、プロセスチャンバ１０内のスキャナー８でウェハＷの大きさに応じてスキャンされ、さらにコリメータマグネット９によって平行ビームに変換された後、半導体基板としての基板ウェハＷに照射される。なお、イオンの加速（減速）と質量分析の順序（組み合わせ）には目的とするエネルギー等によって構成が異なる場合もあり、たとえばアークチャンバ３から引き出してまず３０ｋＶ程度に加速して質量分析を行った後で、目的のエネルギー（たとえば２００ｋＶ）に再度加速する、あるいは低いエネルギーに減速する構成をとっている装置もある。

アークチャンバ３に導入された材料ガスは、イオンとして引き出されるかあるいは中性のガス粒子（分子／ラジカル分子／原子）の状態でスリット４から自由拡散によってより真空度の高いイオンソースチャンバ２内へと拡散していく。処理中には常に一定の引き出し電流量を保持するために一定量の材料ガスの供給が行われている。

ここで、アークチャンバ３内に導入された材料ガス中に含まれる目的の原子のうちイオンとして引き出されるものは一般的に１０〜２０％程度である。残りは、分解後のラジカル分子・分解再結合した別の分子としてイオンソースチャンバ２内へ拡散し、イオンソースチャンバ２に取り付けられたポンプ２０により排気される。一部の分子はイオンソースチャンバ２からイオン輸送系１１、プロセスチャンバ１０へと拡散していく場合もあるが、全体に占める割合は小さく、大部分はイオンソースチャンバ２からポンプ２０によって排気される。

図２は、比較例として示すイオン注入装置のイオンソースチャンバ２の排気部分の構成を示すものである。この比較例では、定常的に一定量の材料ガスをイオンソースチャンバ２に供給し続けており、イオンソースチャンバ２からポンプ２０によって排気された材料ガスおよび材料ガスの副生成物（分解後のラジカル分子・分解再結合した別の分子など）は、全て除害装置２１を通して無毒化された後、大気放出されている。

このように比較例では、イオンソースチャンバ２に導入された材料ガスのうち８０〜９０％は使用されずに廃棄されるため、真に必要とされる５〜１０倍量の材料ガスを装置内に導入する必要があり、イオン注入処理コストの増加を招いている。また、排気ガスは一度除害装置を通して無毒化しないと大気放出することができないが、より多くの材料ガスを導入/廃棄しているため、排気ガスの除害のためにもより多くの設備費用・ランニングコストがかかっていた。

そこで、ポンプ２０から排出されたガスには、材料ガスおよび材料ガスの副生成物が含まれ、この材料ガスおよび材料ガスの副生成物はアークチャンバ３内でイオン化されるガスのイオン源となり得ることに着目し、実施形態のイオン注入装置においては、ポンプ２０によってアークチャンバ３から排気された排気ガスをアークチャンバ３に再導入し、イオンソースガスとして再使用する。図３は、第１の実施形態のガス循環系の構成例を示す図である。

図３において、材料ガス（一般に三弗化ホウ素ＢＦ３、フォスフィンＰＨ３、アルシンＡｓＨ３等の何れか）が充填されたガスボンベ４０はガス供給流路１の一端に接続され、ガス供給流路１の他端はイオンソースチャンバ２のアークチャンバ３に接続されている。ガス供給流路１の途中には、オンオフ弁３９および流量制御弁としてのマスフローコントローラ（以下、ＭＦＣと略す）３８が配置されている。ＭＦＣ３８は、ガス供給流路１と環流ガス流路３３との合流位置の上流側に設けられている。ドライポンプであるポンプ２０の排気側のガス流路３０は途中で二分岐されており、二分岐の一方側には廃棄ガス流路３１が接続され、二分岐の他方側には環流ガス流路３３が接続されている。

廃棄ガス流路３１は除害装置２１と接続され、廃棄ガス流路３１の途中にはＭＦＣ３４が設けられている。環流ガス流路３３は、ガス供給流路１に合流されており、環流ガス流路３３の途中には、オンオフ弁３５、逆止弁３６、ＭＦＣ３７が設けられている。制御部５０は、ポンプ２０の排出流量制御、ＭＦＣ３４、３７、３８の流量制御、オンオフ弁３５，３９のオンオフ制御などを実行する。

かかる構成においては、環流ガス流路３３には、ガス供給流路１側からオンオフ弁３５側へのガス流れを阻止し、オンオフ弁３５側からガス供給流路１側へのガス流れのみを受け入れる逆止弁３６が設けられている。また、制御部５０は、要求される引き出し電流量に応じて再利用するガス割合、すなわちポンプ２０によってアークチャンバ３から排気されて二分岐されるガスの流量配分制御を実行する。すなわち、制御部５０は、ＭＦＣ３４、３７に設定する目標流量値を調整することによって、除害装置２１を経由して大気放出されるガスの流量と、ガス供給流路１に環流されるガス流量の配分を調整する。さらに、制御部５０は、合流されたガスの流量配分制御、すなわち合流前のガス供給流路１を流れるガス流量と、環流ガス流路３３を流れるガス流量との流量配分を、ＭＦＣ３８、３７に設定する目標流量値によって調整する。

したがって、ポンプ２０によってアークチャンバ３から排気された材料ガスおよび材料ガスの副生成物の一部は、ガス流路３０、ＭＦＣ３４、廃棄ガス流路３１を経由して除害装置２１に回収され、ここで無毒化された後大気へ放出される。一方、ポンプ２０によってアークチャンバ３から排気された材料ガスおよび材料ガスの副生成物の残りは、環流ガス流路３３のオンオフ弁３５、逆止弁３６、ＭＦＣ３７を経由してガス供給流路１に合流され、これによりガスボンベ４０から供給される材料ガスおよびポンプ２０によって排気されたガスの一部が、ガス供給流路１を経由してイオンソースチャンバ２のアークチャンバ３に供給される。

図４は、図３に示した実施形態におけるアークチャンバ３内のガス量（ガス圧）の時間変化を示すものである。図４では、材料ガスとして１００％フォスフィンＰＨ３を採用し、２０％のＰがイオン源として消費されるとしている。また、この場合、ガスボンベ４０からは１．０ｓｃｃｍの流量の材料ガスが供給されているとし、フォスフィン分子ＰＨ３換算のリン原子の量を表している。図４において、大きめの白四角がＰＨ３のガス量を示し、小さめの斜線入り四角が水素分子Ｈ２換算の水素原子の量を示している。材料ガスとしてフォスフィンＰＨ３が採用された場合、ポンプ２０によってアークチャンバ３から排気されるガスには、ＰＨ、ＰＨ３、Ｐ、Ｐ２Ｈ４等が含まれている。具体的には、アークチャンバ３内で反応したＰＨ３が分解され、Ｐラジカル、ＰＨラジカル、ＰＨ２ラジカル、Ｈラジカル等が発生し、それらが結合することによって中性分子であるＰＨ、ＰＨ３、Ｐ、Ｐ２Ｈ４等が排気される。

イオン注入装置では目的とするイオンを取り出すことが目的であるため、一旦反応したガスであっても所望の元素を含むガスであればアークチャンバ３に再度供給し、ソースガスとして用いることができる。ポンプ２０によって排気したガスを廃棄することなく全てのガスをアークチャンバ３に環流させた場合は、水素はアークチャンバ３内で消費されないので、環流が進むに従ってアークチャンバ３内に供給されたガス中におけるＰ原子の割合は低くなっていく。これに対し、ポンプ２０によって排気したガスの一部を廃棄し、その残りを環流させた場合は、ポンプ２０の排出流量、ＭＦＣ３４，３７，３８の流量を制御部５０によって調整することで、アークチャンバ３内のガス量を、或る程度時間が経過した後、一定値、すなわち定常状態に維持することが可能となる。図４では、一例として、ポンプ２０から排気されたガスの２０％を廃棄し、残りをアークチャンバ３に再度供給している。時点ｔ１以降に、アークチャンバ３内のＰＨ３換算のリン原子の量が定常状態に維持されている。また、これと同様に、アークチャンバ３内のＨ２換算の水素原子の量も、或る程度時間が経過した後、一定値、すなわち定常状態に維持することが可能となる。図４では、時点ｔ２以降に、アークチャンバ３内のＨ２換算の水素原子の量が定常状態に維持されている。

このようにこの実施形態によれば、ポンプ２０によってアークチャンバ３から排気された材料ガスおよび材料ガスの副生成物の一部を、環流ガス流路３３を経由してガス供給流路１に合流させてアークチャンバ３に環流させることで、アークチャンバ３から排気された材料ガスを再使用している。イオン注入装置では目的とするイオンを取り出すことが目的であるため、一旦反応して異なる複数の分子からなるガスであっても所望の元素を含むガスであればアークチャンバ３に再度供給し、ソースガスとして用いることができる。それによって、材料ガスを効率良く用いることができ、材料ガスの供給量を低減することができる。また、材料ガスの廃棄量を低減することで除害装置の負荷を低減でき、半導体製品のコストを低減できる。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態のガス循環系の構成例を示す図である。第２の実施形態のガス循環系においては、ポンプ２０から排気された材料ガスおよび材料ガスの副生成物の一部を直接イオンソースチャンバ２のアークチャンバ３に環流させている。

この第２の実施形態においても、ポンプ２０によってアークチャンバ３から排気された材料ガスおよび材料ガスの副生成物の一部は、ガス流路３０、廃棄ガス流路３１を経由して除害装置２１に回収され、ここで無毒化された後大気へ放出される。一方、ポンプ２０によってアークチャンバ３から排気された材料ガスおよび材料ガスの副生成物の残りは、環流ガス流路３３のオンオフ弁３５、逆止弁３６、ＭＦＣ４２を経由してアークチャンバ３に直接環流される。したがって、アークチャンバ３には、ガス供給流路１を経由したガスボンベ４０からの材料ガスと、環流ガス流路３３を経由した再使用の材料ガスが供給される。逆止弁３６は、アークチャンバ３からのガス流れを阻止する。

この第２の実施形態においても、ポンプ２０の排出流量、ガス供給流路１に設けられるＭＦＣ４１および環流ガス流路３３に設けられるＭＦＣ４２の流量を制御部５０によって適正に制御することで、アークチャンバ３内のリン原子の量及び水素原子の量を、或る程度時間が経過した後、一定値、すなわち定常状態に維持することが可能となる。

なお、本発明は、プラズマドーピング法を用いたイオン注入装置にも適用可能である。プラズマドーピング法を用いたイオン注入装置においては、電位制御される試料台を真空容器内に設置し、真空容器内にドーピング原料ガスを供給し、ポンプで真空容器内を減圧することで、真空容器内を一定圧に保つ。プラズマ源によって真空容器内にプラズマを形成し、試料台に高電圧パルスを加えることでプラズマ中のイオンを試料台上のウェハに引きつけてウェハ内に注入する。このようなプラズマドーピング法を用いたイオン注入装置においても、本実施形態を適用し、ポンプによって排出した材料ガスの一部を廃棄し、その残りを真空容器内に戻すようにしてもよい。

また、本発明では、材料ガスとしては、材料ガスを希釈ガスで希釈した高圧ガスを使用しても良い。材料ガスとしてフォスフィンＰＨ３が採用される場合、希釈ガスとしては水素ガスＨ２が採用される。さらに、本発明では、材料ガスをＳＤＳ（セイフ・デリバリー・ソース）ガスボンベからアークチャンバ３に供給するようにしてもよい。ＳＤＳボンベでは、シリンダー内部にガス成分を吸着する吸着剤が充填されており、イオンソースのガスはこの吸着剤に取り込まれ、大気圧より低い圧力を保持する。ＳＤＳボンベ方式では、ＳＤＳボンベ内圧力と、イオンソースチャンバ２内の高真空との圧力差により、ガスを供給する。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ ガス供給流路、２ イオンソースチャンバ、３ アークチャンバ、４ スリット、５ 引出電極、６ 引き出し電圧、７ 質量分析マグネット、８ スキャナー、９ コリメータマグネット、１０ プロセスチャンバ、１１ イオン輸送系、２０ ポンプ、２１ 除害装置、３０ガス流路、３１ 廃棄ガス流路、３３ 環流ガス流路、３６ 逆止弁、４０ ガスボンベ、５０ 制御部、Ｗ 基板ウェハ。

Claims (13)

1. 真空容器内に供給された材料ガスをイオン化し、イオン化したイオンを半導体基板に注入するイオン注入装置において、
   前記真空容器に前記材料ガスを供給するガス供給路と、
   前記真空容器からガスを排気するポンプと、
   前記ポンプによって排気されたガスを前記真空容器に戻すことが可能な環流ガス流路と、
   前記ポンプによって排気されたガスの一部を廃棄可能な廃棄ガス流路と、
   を備えることを特徴とするイオン注入装置。
2. 前記ポンプによって排気されたガスには、材料ガスおよび材料ガスの副生成物が含まれ、この材料ガスおよび材料ガスの副生成物は前記イオン化されるガスのイオン源となり得ることを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
3. 前記真空容器は、材料ガスを導入してイオン化するアークチャンバが収容されるイオンソースチャンバであることを特徴とする請求項１または２記載のイオン注入装置。
4. 前記ポンプによって排気されたガスの一部を除害して大気放出する除害装置を前記廃棄ガス流路に設けることを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載のイオン注入装置。
5. 前記環流ガス流路は、廃棄ガス流路と分岐されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一つに記載のイオン注入装置。
6. 前記環流ガス流路は、前記ポンプによって排気されたガスを前記ガス供給路に合流させることを特徴とする請求項１〜５の何れか一つに記載のイオン注入装置。
7. 前記環流ガス流路に、前記ガス供給路からのガス流れを阻止する逆止弁を設けることを特徴とする請求項６に記載のイオン注入装置。
8. 前記環流ガス流路は、前記ポンプによって排気されたガスを前記真空容器に直接戻すことを特徴とする請求項１〜５の何れか一つに記載のイオン注入装置。
9. 前記環流ガス流路に、前記真空容器からのガス流れを阻止する逆止弁を設けることを特徴とする請求項８に記載のイオン注入装置。
10. 前記ガス供給路における前記合流部の上流側と、前記環流ガス流路と、前記廃棄ガス流路とに、流量制御弁を夫々設けることを特徴とする請求項６または７に記載のイオン注入装置。
11. 前記ガス供給路および前記環流ガス流路に流量制御弁を夫々設けることを特徴とする請求項８または９に記載のイオン注入装置。
12. 前記ポンプの吸出流量、前記複数の流量制御弁の制御して真空容器内の材料ガス量が定常状態になるよう制御する制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１０または１１に記載のイオン導入装置。
13. 真空容器内に供給された材料ガスをイオン化し、イオン化したイオンを半導体基板に注入するイオン注入方法において、
    ポンプによって前記真空容器からガスを排気し、
    前記ポンプによって排気されたガスを前記真空容器に戻して再使用し、前記排気されたガスの一部を廃棄する
    ことを特徴とするイオン注入方法。

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