JP2013543245A - 炭素注入のための水素補助ガス - Google Patents

Abstract

イオン注入装置でのイオン源の寿命を増加させるためのシステム、装置及び方法を提供するものである。自由酸素原子と反応し、水酸化物及び水を生成する水素補助ガスを利用することで、炭素及び酸素含有ソースガスにより発生するイオン源の酸化及びイオン源チャンバへの汚染を制御する。

Description

発明の詳細な説明

［分野］
本発明は、概して、半導体デバイス製造及びイオン注入に関するものであり、特に、イオン注入装置におけるイオン源のパフォーマンスを向上させ、当該イオン源の寿命を伸ばす方法に関するものである。

［背景］
イオン注入は、半導体および／またはウエハ材料へ選択的にドーパントを注入するために、半導体デバイス製造で用いられている物理的な処理である。そのため、注入するという処理は、ドーパントと半導体材料との間で生じる化学的な相互作用に依存しない。イオン注入を行う場合、ドーパントの原子／分子はイオン化され、加速され、ビームに変換され、分析され、そして、ウエハを横切って照射される。もしくはウエハがビームを通ることで照射される。ドーパントイオンは、物理的にウエハに当たり、その表面から入り、表面下においてドーパントイオンが持つエネルギーに関連する深さで止まる。

図１に示すように、システム１００は、ビームの軌道に沿ったイオンビームを作るためにイオン源１０２を備えている。イオン源１０２からのビームを受け取るために、イオン源１０２の下流にビームラインアセンブリ１１０が備えられている。ビームラインシステム１１０は、図示していないが、質量分析器及び加速構造を含んでいてもよい。上記加速構造は、例えば１つ以上のギャップ及び角度エネルギーフィルターを含んでいてもよい。ビームラインアセンブリ１１０は、ビームを受け取るために上記軌道に沿って配置されている。上記質量分析器は、磁石などのフィールド形成部品を含んでおり、質量（例えば、質量比に対する荷電）に応じて軌道を異ならせてイオンビームからイオンをそらすために、ビーム軌道を横断するフィールド（磁界）を作り出す。上記磁界を通るイオンは、所望の質量の個々のイオンを上記ビームの軌道に沿って導き、好ましくない質量のイオンを当該ビームの軌道から逸らす力を受ける。

プロセスチャンバ１１２は、システム１００に備えられている。システム１００は、ビームラインアセンブリからのイオンビームを受け取るターゲット部位を含み、最終の質量分析されたイオンビームを使う注入のための軌道に沿って、半導体ウエハなどの１つ以上の加工対象物１１４を保持する。そして、上記プロセスチャンバ１１２は、加工対象物１１４に対して導かれるイオンビームを受けとる。システム１００には、異なる種類のプロセスチャンバ１１２が備えられていることが好ましい。例えば、バッチタイプのプロセスチャンバ１１２は、回転する支持構造にて同時に複数の加工対象物１１４を支持できる。この構成において、全ての加工対象物１１４に完全に注入されるまで、イオンビームの軌道を通って上記加工対象物１１４は回転させられる。一方、シリアルタイプのプラズマチャンバ１１４は、１つの加工対象物１１４を、注入のための上記ビーム軌道に沿って支持する。この構成において、複数の加工対象物１１４は、シリアル方式で、一度に１つずつ注入される。各加工対象物１１４の注入は、次の加工対象物１１４の注入が始まる前に完全に完了する。上記プロセスチャンバ１１２は、上記加工対象物に対して上記ビームを移動させる、または、上記ビームに対して上記加工対象物を移動させる走査装置を備えていても構わない。

イオン注入装置内のイオン源は、通常イオンビームを生成する。その生成方法は、ソースチャンバ内のソースガス、所望のドーパント要素と成り得る成分をイオン化し、イオンビームの形で、イオン化されたソースガスを抽出することである。イオン化工程は、励振器によって行われる。この励振器は、熱されたフィラメント、カソード（間接的に熱せられるカソード“ＩＨＣ”）を熱するフィラメント、または高周波（ＲＦ）アンテナの形を成している。

ソースガスを構成する好ましいドーパント元素の例としては、とりわけ、炭素、酸素、ホウ素、ゲルマニウム、シリコンが含まれる。関心が高まっているのは、多くの注入段階、たとえば物質変化で利用される炭素の使用である。カーボン注入に対するもっとも一般的な前駆体は、二酸化炭素及び一酸化炭素を含んでいる。

図１に示すイオン源チャンバを組み立てる時に、タングステン及びモリブデンなどの耐熱性のある金属は、一般的にカソード電極及びチャンバ１０２の内壁表面を形成するために使われる。二酸化炭素または一酸化炭素ソースガスを利用して炭素イオンが作られる間、自由酸素原子がイオンチャンバで作られ、上記電極、チャンバライナー、チャンバボデイ及びアークスリットを構成する物質と反応する。チャンバ１０２が自由酸素と反応し、タングステン及びモリブデンの酸化物を生成する。これらの酸化物は、チャンバ１０２の表面に蓄積し、そのために、イオン源の効率に悪影響を及ぼし、チャンバ１０２を汚染することになる。

その様な要因に対処するために、二酸化炭素ソースガスとともに補助ガスを用いて、自由酸素の有害な性質を和らげることが知られている。この目的で使用される補助ガスは、とりわけ、ホスフィン（ＰＨ_３）を含んでいる。しかしながら、ホスフィンの様な補助ガスは、ほかの代替物よりも高価で有害であり、さらにどんな使用可能な前駆体物質が加えられていなくても、イオン源へガスフロー及び圧力を加える。

［発明の概要］
以下では、本発明のいくつかの態様について基本的な理解をしてもらうために、簡単な概要を示している。この概要は本発明の広範囲な概観ではなく、本発明の重要な、または不可欠な要素を特定することを意図するものではく、本発明の範囲を規定するものでもない。本概要の第一の目的は、後述する詳細な説明の前置きとして、簡単な形で本発明のいくつかのコンセプトを示すことである。

本発明の態様は、イオン源を酸化させる（汚染する）、炭素含有ソースガスの解離及びイオン化により生成される酸素原子を除去し、それによって上記カソード電極からの電子放出を減らすことによってイオン注入処理を容易にする。それによって、ビーム電流が増加するとともにイオン源の寿命も増加する。上記方法を実行する関連装置及びイオン注入システムは、本明細書中に記載されている。

前述の目的及び関連する目的を成し遂げるために、本発明は、以下に十分に記載されている特徴点、特に請求項に示されている特徴点を含んでいる。以下の記述及び添付の図面は、本発明のいくつかの例示的な態様及び実施例を詳細に示している。しかしながら、これらは、本発明の原理を利用できる様々な方法の一部を示しているに過ぎない。本発明の他の目的、優位性及び新規な特徴点は、図面と関連づけて考えられた時、以下の本発明の詳細な記述から明らかになるであろう。

本発明の１つ以上の態様を実現するために適したイオン注入システムのブロック図である。 本発明の一態様に従った、イオン源アセンブリの１つの実施形態を示すイオン注入システムである。 本発明の一態様に従った、イオン源アセンブリの別の実施形態を示すイオン注入システムである。 本発明の一態様に従った、イオン源アセンブリのさらに別の実施形態を示すイオン注入システムである。 本発明の一態様に従った方法を示すフローダイアグラムである。 本発明の一態様に従った、水素の様々な比率についての二酸化炭素/水素のマススペクトルを示したグラフである。 本発明の一態様に従った、水素補助ガスの比率を変化させたときの実際のビーム電流を示すグラフである。

［発明の詳細な説明］
添付の図面を参照しながら本発明の説明を行う。全体を通して、同様の部材について言及する時は、同じ部材番号を使用する。本発明は、以下に図示され、記載されている典型的な実施例および態様に限られないことは、当業者によって認められるであろう。

図２に示しているように、本発明の１つ以上の態様を実現するために適したイオン注入システム２００がブロック図で表現されている。

上記システム２００は、ビームの軌道に沿ってイオンビーム２０４を発するために、イオン源アセンブリ２０２を備えている。イオンビームアセンブリ２０２は、例えば、付随する電源２０８とともにイオン源チャンバ２０６を備えている。イオン源チャンバ２０６は、例えば、比較的ライフタイムが長いプラズマを閉じ込めるチャンバを備えている。このチャンバからイオンビームが抽出され加速される。引き出し電極２０７は、イオン源チャンバ２０６からイオンビームを抽出するために配置されている。

炭素含有ソースガスを備えているソースガス供給部２１６は、共通注入口２２４を介してイオン源チャンバ２０６へ繋がっている。上記ソースガス供給部は、炭素含有ソースガス、例えば、二酸化炭素または一酸化炭素を含んでいる。ガス流量調整部２１８は、イオン源チャンバ２０６へ注入するソースガス２１６の量と割合とを制御している。水素補助ガスを備えている補助ガス供給部２２０は、共通注入口２２４を介して、ソース源チャンバ２０６へ繋がっている。ガス流量調整部２２２は、イオン源チャンバ２０６へ供給される補助ガスの量と割合とを制御している。

イオン源チャンバ２０６が動作している間、炭素含有ソースガス２１６及び水素補助ガス２２０は、注入口２２４を経由して、イオン源チャンバ２０６へ注入される。炭素含有ソースガス２１６は、炭素イオンと酸素イオンとを含んだ帯電した粒子のプラズマを作るために解離されるか、イオン化されるか、もしくはその両方が生じる。自由酸素イオンは、水素補助ガス２２０と反応し、水分子及び水酸化物を生成する。これら水分子及び水酸化物は、真空ポンプシステム２３４によって上記チャンバ２０６から除去される。

図２Ｂから２Ｃは、本発明の別の実施形態を示している。前述の実施形態では、ソースガス２１６及び補助ガス２２０は、分離された供給部から得られ、イオン源チャンバ２０６へ注入される前に注入口２２４にて混合される。図２Ｂに示すように、ソースガス２１６及び補助ガス２２０が事前に混合され、１つのガスとしてイオン源チャンバ２０６へ供給されてもよい。ここで、ソースガスと補助ガスとの混合ガス２２６は１つの供給源に供給され、関連するガス流量メーター２２８を使って、イオン源チャンバ２０６へ注入される混合ガス２２６の割合と流れとが制御される。単一ソース２２６は、注入口２２４を通ってイオン源チャンバ２０６へ入る。

イオン源チャンバ２０６が動作している間、炭素含有ソースガスと補助ガスとの混合ガス２２６は、注入口２２４を経由してイオン源チャンバ２０６へ注入される。炭素含有ソースガスは、炭素イオンと酸素イオンとを含んだ帯電した粒子のプラズマを作るために、解離されるか、イオン化されるか、もしくはその両方が生じる。自由酸素イオンは、上記補助ガスに由来する水素イオンと反応し、水分子及び水酸化物を生成する。これら水分子及び水酸化物は、真空ポンプシステム２３４によって上記チャンバ２０６から除去される。

図２Ｃは、さらに別の実施形態を示している。本実施形態は、２つの別々の注入口２３０及び２３２を備えている。２つの別々の注入口は、１つはソースガス２１６用で、１つは補助ガス２２０用である。ガス２１６及び２２０は、イオン源チャンバ２０６の内部で混ぜられる。ソースガス２１６のためのガス流量メーター２１８及び補助ガス２２０のためのガス流量メーター２２４は、イオン源チャンバ２０６へガスを注入させるために注入口２３０及び２３２を通るガスの流量を制御している。

図３は、方法３００を示すフローダイアグラムである。方法３００とは、本発明の一態様に従ったイオン注入装置において、炭素含有ソースガスを利用するイオン源のパフォーマンスを向上させ、当該イオン源の寿命を伸ばす方法である。方法３００では、イオン注入システムが動いている間、炭素含有ソースガスが使われたときに発生する自由酸素の除去を促すために水素補助ガスを使用している。この方法３００について、さらなる説明のために上述の図面及び記述を参照することができる。

方法３００は、炭素含有ソースガスと水素補助ガスとが供給されるブロック３０２より始まる。上記方法は、ブロック３０６へと続き、ここで上記ソースガスと補助ガスとがイオン源チャンバへ注入され、ここで正極より放射された電子は加速され、ブロック３０８において、イオン源チャンバ内でソースガスのガス分子をイオン化し、ソースガスが分解されて、所望のイオンが生成される。ブロック３１０では、水素補助ガスは、自由酸素イオンと反応し、水または水酸化物を生成する。ブロック３１２において、イオン化された炭素イオン、炭素同位体及び酸素が抽出される。そしてブロック３１４において、水及び水酸化物分子は、真空ポンプシステムにて除去される。ブロック３１６において、抽出された炭素イオンは、イオンビームから加工対象物へと注入される。

炭素含有ソースガス及び水素補助ガスの選択された流量比は変えることができるため、上記ビーム電流に悪影響を及ぼさずに酸素イオンの最大量を除去できる。供給される補助ガスの流量を、動作中にビームの組成を分析することによって、少なくとも部分的に決めることができる。図４には、様々な比率の水素ガスを用いて、ソースガスとして二酸化炭素を使用した場合のイオン注入方法の質量スペクトルのグラフが示されている。全ての場合において、炭素１２の質量ピークは同じ値に標準化されている。ＣＯ_２の流量を３ｓｃｃｍに固定し、上記水素の流量を０から４ｓｃｃｍまで変化させた。鍵となるＡＭＵピーク１２（炭素）、１６（酸素）、２８（一酸化炭素）を観察するために、各流量レベルにて質量スペクトルが測定された。上記水素が増加するにつれて、ＡＭＵピーク１６及び２８の両方が、炭素ピークと比較して減少した。このことは、酸素が水素補助ガスと反応していることを示す。このことは、ＡＭＵ１６のピーク／最大値の右側（原子質量単位のより高い方）へ移動することによってさらに示された。この肩部は、原子質量単位１７（水素化物）での酸化水素の生成及びＡＭＵ１８での水の生成によるものである。

図５には、様々な割合の補助ガスから得られた、炭素１２及びその他の興味あるピークの両方に関する、実際のビーム電流のグラフが示されている。さらにこの図で示されているものは、流れの中で混合されたガス中の炭素量の関数としての、炭素ビーム電流の伝送（抽出電流と抑制電流との差によってビーム電流を割ることにより定義されている）である。基準として補助ガスなしに設定したビームを使うと、水素流量を増加させることにより、水素と酸素との間の還元反応が促進され、他の全てのピーク（酸素及び一酸化炭素）強度が減っていくことが分かる。上記伝送が、水素の増加とともに増え続ける間、炭素ビーム電流は、水素の流量を異ならせても、過度の補助ガスの注入を示す３ｓｃｃｍにおいて減少し始めるまで、ほとんど一定である。この特定の場合では、水素流量が１から３ｓｃｃｍの間で基本的に一定であるとき、最適の比率は流量比３：２ｓｃｃｍの設定であることが分かる。この設定は、カソード、リペラ及び他の内部のチャンバ部品の酸化を最小限にした。酸素を補助ガスと反応させることで、上記ソースのライフ全体を通して、安定的なビーム電流が得られるというもう１つの利益と共に、アークチャンバの寿命は劇的に増加された。

説明の簡略化を目的として、方法３００は、順次実行する様に描かれ、記載されているが、本発明は図示されている順序に限られないことが理解され、認められるであろう。本発明に従って、いくつかの態様が、異なる順序で行われるか、本明細書に図示され、記載されている態様に基づく他の態様と同時に行われるか、もしくはその両方が行われてもよい。例えば、イオン源チャンバへ流入する炭素含有ソースガス及び水素補助ガスの流れが、同時に起こっても構わない。もう１つ別の形態では、ソースガス及び補助ガスの流れが順番に発生してもよい。例えば、炭素含有ソースガスをイオン源チャンバに注入した後、水素含有補助ガスをイオン源チャンバへ注入してもよい。さらに、本発明の態様に従って方法を実現するために、図示された特徴点及びブロックの全てが必要であるわけではない。

上記発明は、１つ以上の実施例に関して、図示および記載されているが、当業者であれば、この明細書と添付の図面を読み、理解すれば、同等の変更または修正について着想するであろう。特に、上述の部品（アセンブリ、デバイス、回路、システム等）により実行される様々な機能に関して、それらの部品を記載するのに使われる用語（「手段」を指す用語言及を含む）は、別段の記載がない限り、たとえ本発明の典型的な実施例として図示されている機能を実行するために表示されている構造が、構造的に同等ではなくても、記載されている部品の特定の機能を実行する任意の部品（例えば、機能的に同等な部品）に相当すると意図されている。加えて、複数の実施例のうちの１つのみに関して、本発明の特有の特徴点が開示されているが、それらの特徴点は、任意の所定または特定の用途に関して望ましく、優位な他の実施例の１つ以上の特徴点と組み合わせられてもよい。さらに、「含んでいる」、「含む」、「有している」、「有する」、「付帯している」、または、それらの変形が、発明の詳細な説明及び特許請求の範囲のいずれかにおいて用いられている範囲において、それらの用語は、「備えている」という用語と同様に、包含的なものとして意図されている。加えて、「典型的な」という用語は、最良または優れた態様または実施例でなく、一例を示すことが意図されている。

Claims (19)

1. ビーム電流を向上させるイオン注入システムであって、
   炭素含有ソースガス及び関連するガス流制御装置、水素補助ガス及び関連するガス流量制御装置、及びイオン源チャンバを備えるイオン源アセンブリと、
   上記イオン源からイオンビームを受け取り、当該イオンビームを処理するビームラインアセンブリと、
   上記ビームラインアセンブリからのイオンビームを受け取るターゲット部位とを含み、
   上記水素補助ガスからの水素イオンが、上記ソースガスからの酸素原子と反応することにより、上記イオン源チャンバの汚染を減らし、上記イオン源の寿命を増加させることを特徴とするイオン注入システム。
2. 上記炭素含有ソースガスは、二酸化炭素または一酸化炭素を含むことを特徴とする請求項１に記載のイオン注入システム。
3. 上記炭素含有ソースガス及び上記水素補助ガスは、同時に上記イオン源チャンバに注入されることを特徴とする請求項１に記載のイオン注入システム。
4. 上記炭素含有ソースガス及び上記水素補助ガスは、順番に上記イオン源チャンバに注入されることを特徴とする請求項１に記載のイオン注入システム。
5. 上記炭素含有ソースガス及び上記水素補助ガスは、上記イオン源チャンバに注入される前に混合されることを特徴とする請求項２に記載のイオン注入システム。
6. 水分子及び水酸化物を、上記イオン源チャンバから除去する真空ポンプシステムをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のイオン注入システム。
7. イオン注入装置におけるイオン源のパフォーマンスを向上させる装置であって、
   イオン源チャンバへの炭素含有ソースガスの供給と割合とを制御するソースガス制御装置と、
   上記イオン源チャンバへの水素ガス源の供給と割合とを制御する補助ガス制御装置とを備え、
   上記水素補助ガスからの水素イオンが、上記ソースガスからの酸素原子と反応することにより、上記イオン源チャンバの汚染を減らし、上記イオン源の寿命を増加させることを特徴とするイオン源の動作を向上させる装置。
8. 上記ソースガス制御装置及び上記補助ガス制御装置は、別々の制御装置であることを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 上記ソースガス制御装置及び上記補助ガス制御装置は、同じ制御装置であることを特徴とする請求項７に記載の装置。
10. 上記ソースガス及び上記水素補助ガスは、別々の注入口より上記イオン源チャンバへ供給されることを特徴とする請求項７に記載の装置。
11. 上記ソースガス及び上記水素補助ガスは、共通の注入口より上記イオン源チャンバへ供給されることを特徴とする請求項７に記載の装置。
12. 上記ソースガス及び上記水素補助ガスは、１つの供給源より上記イオン源チャンバへ供給されることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. イオン注入装置におけるイオン源の寿命を増加させる方法であって、
    上記イオン注入装置のイオン源チャンバに、炭素含有種を含む気体状の物質を注入する工程と、
    水素補助ガスを上記イオン注入装置のイオン源チャンバに注入する工程と、
    上記炭素を含む気体状の種を上記チャンバ内で励起し、解離及びイオン化された炭素及び酸素の成分のプラズマを生成する工程と、
    上記解離及びイオン化された、上記炭素を含む気体状の種の酸素成分と、上記水素補助ガスとを反応させることにより、上記イオン源チャンバの汚染を減らし、上記イオン源の寿命を増加させることを特徴とするイオン源の寿命増加方法。
14. 炭素含有種を含む上記気体状の物質は、二酸化炭素または一酸化炭素を含むことを特徴とする請求項１３に記載のイオン源の寿命増加方法。
15. 上記水素補助ガスは、水または水酸化物を生成するために酸素と反応することを特徴とする請求項１３に記載のイオン源の寿命増加方法。
16. 上記気体状の物質と上記水素補助ガスとが同時に上記イオン源チャンバに注入されることを特徴とする請求項１３に記載のイオン源の寿命増加方法。
17. 上記炭素含有ソースガスと上記水素補助ガスとが順番に上記イオン源チャンバに注入されることを特徴とする請求項１３に記載のイオン源の寿命増加方法。
18. 上記気体状の物質及び上記水素補助ガスは、上記イオン源チャンバに注入される前に混合されることを特徴とする請求項１６２に記載のイオン源の寿命増加方法。
19. 上記水または水酸化物は、真空ポンプシステムによって上記イオン源チャンバより除去されることを特徴とする請求項１５に記載のイオン源の寿命増加方法。

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