JP2016511504A - 炭素イオン注入のためのドーパント組成物の貯蔵及び準大気圧送達 - Google Patents

Abstract

ＣＯ含有ドーパント・ガス組成物を送達するための供給源が提供される。組成物は、キセノン及び水素などの制御された量の希釈ガス混合物を含み、それぞれ制御された体積比で提供されて、それにより最適な炭素イオン注入性能を確実にする。組成物は、ＣＯ含有供給源及び希釈混合物供給源からなるドーパント・ガス・キットとして充填することができる。或いは組成物は、デバイスの内部容積からイオン源装置までドーパント混合物の制御された流れが可能になるように、排出流路に沿って達成された準大気圧条件に応答して作動することができる単一供給源から予混合し導入することができる。

Description

本発明は、炭素注入に利用されるドーパント・ガス組成物を含む、改善されたＣＯ系配合物と、そのようなＣＯ系配合物の準大気圧送達及び貯蔵デバイスとに関する。

イオン注入は、半導体／マイクロエレクトロニクス製造における重要なプロセスである。イオン注入プロセスは、制御された量のドーパント・イオンを半導体ウエハに導入するために、集積回路の製作で使用される。イオン源は、ドーパント・ガスから、様々なイオン種についてよく定義されたイオン・ビームを発生させるのに使用される。ドーパント・ガスのイオン化は、後で所与の加工物に注入することができるイオン種を発生させる。

炭素は、共ドーパントの拡散を阻止し又はドープ領域の安定性を高めるなどの様々な材料修正適用例のために、半導体産業で広く使用されるドーパントとして浮上してきた。これに関し、二酸化炭素（ＣＯ_２）が、炭素イオン注入のための共通のドーパント源として浮上してきた。しかし、ＣＯ_２は、タングステン・イオン・チャンバ構成要素を酸化して、イオン装置の電極表面及びチャンバ構成要素に沿って様々な酸化タングステン（ＷＯｘ）堆積物を形成する傾向がある酸化ガスとして振る舞うことが観察された。そのような堆積物の出現は、電気的性質を劣化させ、それによって安定なプラズマを持続させるのにより高い電圧が必要になるので、厄介である。しかし、より高い電圧は、電圧の放電をもたらす可能性があり、これは、ビーム電流の電気的短絡及び瞬時降下を引き起こす。ビーム電流降下は、「ビーム・グリッチング」と一般に呼ばれる。ビーム・グリッチングは、プロセスが許容可能な効率で動作できない程度まで、イオン源の性能を低下させる。そのような場合、使用者は、注入操作を打ち切ってイオン源のメンテナンスを行うこと又はイオン源の交換をすることが必要になる可能性がある。そのような動作不能時間は、イオン注入システムの生産性の損失をもたらす。したがって、高品質注入プロセスを行うために、長時間にわたってイオン源の適正な機能を維持することが必要である。

イオン注入用のドーパント源としてのＣＯ_２に関連した望ましくない堆積物に鑑み、一酸化炭素（ＣＯ）が、ＣＯ中のより低い酸素含量の結果、代替のドーパント・ガス源として浮上してきた。より低い酸素含量は、ＷＯｘ形成の量を低減させる。しかしＣＯは、イオン源の操作中に、重炭素（Ｃ）及び炭化タングステン（ＷＣ）堆積物を形成することが観察された。Ｃ堆積物は、ＣＯのプラズマ分解の結果であり、それに対してＷＣ堆積物は、ＣＯ及びそのプラズマ断片化生成物とタングステン系チャンバ構成要素との相互作用の結果として形成される。Ｃ／ＷＣ堆積物は、ビーム・グリッチングを生成する可能性があり、それによって短いイオン源寿命という懸念が生ずる。

さらにＣＯは、著しい安全性及び環境の挑戦課題を課す毒性ガスである。ＣＯは、典型的には、高圧下でシリンダに貯蔵される。高圧下でのＣＯの貯蔵は、シリンダの漏れ又は壊滅的な破損が発生する可能性があるので、許容できない。したがってＣＯ用の標準的な高圧シリンダは、高圧シリンダからのこれら流体の意図しない放出という危険を引き起こす。

炭素系ドーパント・ガス源の安全な貯蔵及び送達デバイスのための方法及びシステムと共に炭素注入用の炭素系ドーパント・ガス源を利用するときの、イオン・チャンバ内の堆積物を低減させる必要性は満たされていない。本発明のその他の観点は、本明細書、図面、及びここに添付する特許請求の範囲を検討することによって当業者に明らかにされよう。

米国特許第５，９３７，８９５号 米国特許第６，０４５，１１５号 米国特許第６，００７，６０９号 米国特許第７，７０８，０２８号 米国特許第７，９０５，２４７号

本発明は、そのようなイオン源の改善された寿命及び性能を達成することが可能な、炭素イオン注入システム及びプロセスに関する。

本発明は、１つには、準大気圧（ｓｕｂ−ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ；大気圧より低い圧力）条件下で送達されるＣＯ系ドーパント・ガス混合物の単一供給源に関する。

第１の観点では、ドーパント・ガス混合物用の単一供給源であって：
希釈ガス混合物と所定の濃度で予混合された１種又は複数の炭素含有ドーパント源ガスであって、前記１種又は複数の炭素含有源が少なくともＣＯを含み、前記希釈ガス混合物が不活性ガス及び水素含有ガスを含む、１種又は複数の炭素含有ドーパント源ガスと；
準大気圧送達及び貯蔵デバイスであって、その内部容積内に加圧状態でドーパント・ガス混合物を維持する準大気圧送達及び貯蔵デバイスと
を有し、
前記送達デバイスが排出流路と流体連通し、また前記送達デバイスが、排出流路に沿って達成される準大気圧条件に応答して、デバイスの内部容積からのドーパント組成物の制御された流れを可能にするように作動する
単一供給源が提供される。

第２の観点では、イオン注入用のドーパント・ガス組成物を送達するための方法であって：
１種又は複数の炭素含有ドーパント・ガスを提供するステップと；
不活性ガス及び水素含有ガスを含む希釈ガス組成物を提供するステップと；
所定の真空条件に応答して、１種又は複数の炭素含有ドーパント・ガスの制御された流れを作動させるステップと；
所定の真空条件に応答して、希釈ガス組成物の制御された流れを作動させるステップと；
１種又は複数の炭素含有ドーパント・ガスをイオン源チャンバに導入するステップと；
希釈ガス組成物をイオン源チャンバに導入するステップと；
１種又は複数の炭素含有ドーパント・ガス源をイオン化して、炭素イオンを生成するステップと；
炭素イオンを基板に注入するステップと
を含み、
１種又は複数の炭素含有ドーパント・ガス源が希釈ガス組成物と相互作用することにより、純粋なＣＯに比べて炭素イオン・ビーム電流の実質的な低減をもたらすことなく炭素イオン源に沿った堆積物を低減させる
イオン注入用のドーパント・ガス組成物を送達するための方法が提供される。

第３の観点では、ガス組成物であって：
一酸化炭素を含む炭素系材料と；
キセノン（Ｘｅ）及び水素を含む不活性希釈ガス混合物であって、Ｘｅ及び水素が有効量で含有されており、この有効量は、Ｘｅ：Ｈ_２の体積比が約０．０２から約０．２０である、不活性希釈ガス混合物と；
を含み、
（Ｘｅ＋Ｈ_２）：ＣＯが、約０．１０から約０．３０に及ぶ体積比で含有される、ガス組成物が提供される。

本発明の目的及び利点は、その好ましい実施例の下記の詳細な説明から、全体を通して同様の符号が同じ構成を示している添付図面と併せてより良く理解されよう。

本発明の原理による、ＣＯ含有ドーパント組成物を吐出するための準大気圧送達及び貯蔵デバイスを示す図である。 図１Ａの送達及び貯蔵デバイスの内部に全体が配置された真空作動式逆止弁を示す図である。 弁体に圧力除去デバイスがないアルミニウム・シリンダであって、シリンダが、ＣＯ含有ドーパント・ガス組成物用に内部貯蔵容積を最大限にするように設計された寸法を有する状態を示す図である。 本発明の原理により使用されるイオン注入器を示す図である。 注入システム内の図３のイオン注入器と、炭素注入のためのプロセスとを示す図である。 ＣＯ＋Ｈ_２＋Ｘｅドーパント・ガス組成物の種々の組成に関する相対的なＣ^＋ビーム電流を示す図である。 ３つの異なるアーク電流レベルでの、ＣＯ＋Ｈ_２＋Ｘｅの種々のドーパント組成物に関する相対的なＣ^＋ビーム電流を示す図である。 ＣＯのみを利用した炭素注入の間の堆積物形成を示す図である。 本発明のＣＯ含有ドーパント組成物を利用した炭素注入の間の堆積物形成を示す図である。

本発明の様々な要素の関係及び機能は、下記の詳細な説明によってより良く理解される。詳細な説明は、本開示の範囲内にあるような、構成（ｆｅａｔｕｒｅ）、観点、及び実施例を様々な順列組合せで考慮する。したがって本開示は、これらの特定の構成、観点、及び実施例、又はそれらから選択された１つ又は複数の、そのような組合せ及び順列のいずれかを含み、そのような組合せ及び順列のいずれかからなり、又はそのような組合せ及び順列のいずれかから本質的になるものとして特定されてもよい。

本明細書で使用されるように、別段示されない限り、全ての濃度は体積パーセンテージ（「体積％」）と表される。

本発明は、様々な組合せで下記の実施例のいずれかを含んでいてもよく、書き留められた記述で又は添付図面で以下に記述される任意のその他の観点を含んでいてもよい。

言及されたように、純粋なＣＯは比較的高いＣ^＋ビーム電流を発生させることができるが、著しい重炭素（Ｃ）及び炭化タングステン（ＷＣ）堆積物は、ビーム・グリッチングを生成してイオン源寿命を短縮する可能性がある。ＣＯへの水素（Ｈ_２）の添加は、堆積物形成を低減させることが知られている。Ｈ_２及びＣＯは相互作用して、炭素含有源材料としてＣＯを利用する場合にイオン・チャンバでの堆積物形成全体を低減させる。しかし、堆積物形成の低減は、より低いＣ^＋ビーム電流を犠牲にして生じる。

本発明は、言及されたようにＸｅを特定の体積比で添加することによって、ＣＯ−Ｈ_２混合物を改善し、その結果、Ｃ^＋ビーム電流が改善されるようになる。詳細には、実例に示されるように、Ｃ^＋イオンのビーム電流は、ＣＯ及びＨ_２からなるドーパント・ガス混合物を使用することによって得られたＣ^＋ビーム電流に比べて２０％超増大させることができる。このように、従来技術とは異なって、本発明は、ＣＯ及びＨ_２に比べて長いイオン源寿命を達成し且つＣ^＋ビーム電流を増大させる能力を得ることができる。

本発明の一実施例は、ＣＯ及び希釈混合物を好ましくは含有する炭素含有ドーパント・ガス組成物を対象とする。ＣＯは、不活性ガス及び水素含有ガスを含む希釈混合物と予混合されてもよい。ここで且つ本明細書全体を通して使用される「ドーパント・ガス組成物」という用語は、イオン源チャンバの上流又は内部で形成された、結果的に得られる組成物を指すものとする。ここで且つ本明細書全体を通して使用される「ドーパント・ガス組成物」という用語は、より詳細に説明されるように、単一供給源によって含有される混合物も指すものとする。

選択された体積比で不活性ガス及び水素含有ガスを含む希釈ガス混合物と共にＣＯを含むイオン源チャンバにドーパント・ガス組成物を導入することにより、イオン源寿命とイオン源性能との必要不可欠なバランスを達成できることがわかった。好ましい実施例では、ドーパント・ガス混合物は、本質的にキセノン（Ｘｅ）と水素（Ｈ_２）とからなる不活性希釈ガス混合物と組み合わせてＣＯを含む。ＣＯ、Ｘｅ、及びＨ_２は、特定の濃度範囲で存在する。ＣＯとＸｅ及びＨ_２との特定の範囲は、一般に少ない堆積物形成を犠牲にして高いＣ^＋ビーム電流を達成することしかできなかった従来の炭素イオン注入プロセスに比べ、共に改善されたイオン源寿命とイオン源性能とを達成する。

一実施例によれば、ドーパント・ガス組成物は、ＣＯ、Ｈ_２、及びＸｅが特定の体積比にある混合物である。Ｘｅ：Ｈ_２の体積比は、約０．０２〜０．２０に及ぶことができ、（Ｘｅ＋Ｈ_２）：ＣＯの体積比は、約０．１０〜０．３０に及ぶことができる。より好ましい実施例では、Ｘｅ：Ｈ_２の体積比は約０．０２〜０．０６に及ぶことができ、（Ｘｅ＋Ｈ_２）：ＣＯの体積比は約０．１５〜０．２０に及ぶことができる。そのような組成混合物は、炭素注入プロセス中に許容可能なレベルの炭素イオン（Ｃ^＋）ビーム電流を維持しながら、供給源の寿命を改善する。言い換えれば、組成物は、ＣＯのみから生成されたＣ^＋ビーム電流に比べ、Ｃ^＋ビーム電流を著しく低減させることなくイオン装置内の堆積物の蓄積を低減させる能力に、著しい影響を及ぼすことがわかった。

Ｘｅは比較的容易にイオン化する不活性ガスであり、その他のドーパント・ガスに比べてその比較的大きい原子サイズである結果、大きいイオン化断面を有する。ここで且つ本明細書全体を通して使用される「イオン化断面」という用語は、原子又は分子がイオン源フィラメントから放出された電子と衝突した場合にイオン化が生じることになる確率と定義される。ガス混合物中に存在するＸｅは、プラズマが形成されると容易にイオン化し、プラズマ相に存在するその他の化学種のイオン化を増大させる。Ｘｅのイオン化作用は、出願人が、イオン化中に、制御された量でＸｅをＣＯとＨ_２との混合物に添加したときに観察された。ビーム電流の改善は、実例で論じられるように最終的に観察された。

本発明は、炭素イオン注入中に改善された性能が達成されるよう、指定された組成範囲でＣＯ＋Ｈ_２混合物に添加されるＸｅの量を維持するように設計される。本発明は、Ｃ^＋ビーム電流が、ＣＯ及びＨ_２に添加されるＸｅの量に対して感度を有することを認識する。実例で示されるように、出願人は意外にも、イオン源チャンバへの正味の炭素含有ガス流が一定に維持されるにも関わらず、ガス混合物中のＸｅの割合が（Ｘｅ＋Ｈ_２）：ＣＯ及びＸｅ：Ｈ_２に関する体積比よりも十分高く増大したときに、Ｃ^＋ビーム電流が不利益にも低減することを観察した。

より高いＸｅレベルでのより低いＣ^＋ビーム電流に加え、意外にもＸｅの添加には、炭素以上に酸素を好ましくイオン化する傾向があることが観察された。この作用は、より高いＸｅレベルでより顕著である。特に、ドーパント・ガス組成物中のＸｅのレベルが、Ｈ_２に関する上側閾値を超えて増大するにつれ、Ｏ^＋とＣ^＋との比も増大する。Ｏ^＋とＣ^＋との比のそのような増大は、イオン源から引き出されたイオン中のＣ^＋の相対的な割合の降下を引き起こすので、望ましくない。追加のＯ^＋イオンは、アーク・チャンバ内でＷ成分と容易に反応し、望ましくないＷＯｘ堆積物を発生させる可能性がある。したがって本発明は、Ｃ^＋ビーム電流の損失及び／又は過剰なＷＯｘ形成の形成を回避するために、ドーパント・ガス組成物中のＸｅの量を制御する必要性を認識する。

一般に、イオン注入中、通常の動作値と比べたＣ^＋ビーム電流の増大は、プロセス要件を満たし且つ／又はイオン源設備の処理能力を改善するために望まれる。高いＣ^＋ビーム電流は、イオン源から外に引き出されるイオンの量が増大するように、より高いアーク電流でイオン源を操作することによって達成することができる。実例で説明されるように、出願人は、アーク電流レベルを高くすることによって、高いＣ^＋ビーム電流レベルが常に得られるとは限らないことを観察した。むしろ、アーク電流レベルを高くすることに対するドーパント・ガス組成物の応答は、ガス組成物のＣＯ、Ｘｅ、及びＨ_２の相対量に依存する。本発明は、アーク電流レベルに対するドーパント・ガス組成物の応答が、最適なドーパント・ガス混合組成物を最終的に配合する際に、重要な役割を果たすことを認識する。本発明は、アーク電流レベルを高くしたことに対して好ましい応答を有するドーパント・ガス組成物を配合するために、ＣＯ、Ｘｅ、及びＨの相対量の影響を考慮し、それによって最終使用者は、そのイオン源機器で高いＣ^＋ビーム電流を達成し且つ要件を満たすことができるようになる。

言及されたように、本発明は、ＣＯ−Ｈ_２−Ｘｅ組成物を、約０．１から約０．３に及ぶ（Ｘｅ＋Ｈ_２）：ＣＯの定められた比で利用する。選択される（Ｘｅ＋Ｈ_２）：ＣＯの正確な比は、イオン注入が実行される手法も含めた数多くの因子に依存する。例えば、いくつかの炭素イオン注入プロセスは、より多量の堆積物に耐えることができるが、より高いＣ^＋イオン・ビーム電流を必要とする（即ち、ビーム電流の希釈効果は低減する。）。その結果、（Ｘｅ＋Ｈ_２）：ＣＯの比は、定められた範囲の比の下端にあるように選択される。その他の炭素イオン注入の適用例は、少ない堆積物である必要があるが僅かに低いビーム電流に耐えることができ、それによって、定められた範囲の比の上端で組成物が選択される。

本発明は、好ましいドーパント混合物が、キセノン及び水素からなる不活性希釈混合物と予混合されたＣＯである、炭素イオン注入プロセスに特に有利である。好ましい実施例では、単一供給源からの混合物としてそのようなＣＯ−Ｈ_２−Ｘｅ組成物を送達する能力は、イオン注入プロセスの性能を改善することができる。さらに単一供給源は、所定の濃度での送達を安全且つ一貫した手法で確実にすることができる。

圧力下で貯蔵され単一供給源から送達されたＣＯ−Ｈ_２−Ｘｅの単一混合物として、本発明は、貯蔵中及び装置又は機器への最終送達時に、正しいブレンド濃度を維持することができる。

好ましい実施例では、単一供給源は、ＣＯ含有ドーパント・ガス混合物を貯蔵し送達するのに使用される、準大気圧貯蔵及び送達デバイスである。準大気圧貯蔵及び送達デバイスは、典型的には高圧シリンダに付随する漏れ又は壊滅的な破損が発生する危険性を最小限に抑え又はなくしながら、内部に加圧状態でドーパント混合物を維持するように設計される。デバイスは、排出流路に沿って準大気圧状態に達したときに、下流プロセスへのドーパント混合物の制御された流れが可能になるように真空作動する。ＣＯ系混合物の排出は、適切な排出条件がデバイスの外側に存在するときにのみ生じ、それによって、貯蔵及び送達デバイスからの毒性ＣＯ系混合物の意図しない放出が回避される。

図１Ａ及び１Ｂは、真空作動式過剰圧力逆止弁要素１０２を備えた、準大気圧貯蔵及び送達デバイス１００の実例を示す。真空作動式逆止弁要素１０２は、好ましくは全体が貯蔵容器又はシリンダ１０１内に配置される。準大気圧貯蔵及び送達デバイス１００は、Ｐｒａｘａｉｒ（登録商標）から販売されるような、また、参照によりその全ての全体が本明細書に組み込まれる米国特許第５，９３７，８９５号；第６，０４５，１１５号；第６，００７，６０９号；第７，７０８，０２８号；及び第７，９０５，２４７号に開示されるような、市販のＵｐｔｉｍｅ（登録商標）送達デバイスであってもよい。デバイス１００は、安全且つ制御された手法で、ＣＯ含有ガス混合物をシリンダ１０１から炭素注入用のイオン装置に吐出する。

デバイス１００は、加圧シリンダ１０１の出口と連通するポート本体１０４を含む。図１Ｂに示される可動弁要素１０５（例えば、ポペット）は、封止位置と開放位置との間を移動するように構成される。封止位置では、弁要素１０５は、シリンダ１０１の内部からの加圧されたＣＯ−ドーパント・ガス混合物の流れを遮断する。弁要素１０５の下流に位置付けられた伸張式ベロー１０３は、ベロー１０３の内側と外側との間に所定の圧力差が生じるまで弁要素１０５を封止位置に保つような態様で、弁要素１０５の運動を制御するために弁要素１０５に動作可能に連結される。ベロー１０３は、大気圧又はそれ以上で、且つ流体排出路に連通した状態で封止される。したがって、ベロー１０３の外側の圧力条件が準大気圧条件になると、ベロー１０３は、内部ベロー・チャンバ１０６と外側との間に圧力差が得られ、それがベロー１０３を伸張させる。ベロー１０３の伸長により、ピン１０７は弁要素１０５を開放構成まで移動させ、ＣＯ含有ドーパント混合物をシリンダ１０１の内部から流体排出ラインを経てイオン装置に流す流路を生成し、そこで炭素注入を行うことができる。毛管（キャピラリ）１０８などの制限流要素が任意選択で真空作動式逆止弁要素１０２に固定されることにより、シリンダ１０１からのドーパント・ガス混合物の流れをさらに制御し限定してもよい。有利には、流体排出ラインに沿って利用されるマス・フロー制御器で許容される圧力までシリンダ圧を低減させるのに、外圧調整器を必要としない。

図１Ｂをさらに参照すると、弁要素１０２は、下流のベロー・チャンバ１０３と連通するよう内部に挿入されたピン１０７を有する弁ベース又は接触板１０９を備えた、ポペット弁１０５を含む真空作動式逆止弁である。ピン１０７及び弁ベース１０９は、それらの間に通路を形成する。ピン１０７は、通路に沿ってガス流を遮断する封止位置と、通路に沿った流れを可能にする開放位置との間の往復運動に適応する。ベロー・チャンバ１０６は、弁ベース１０９及びピン１０７の下流に配置される。ベロー・チャンバ１０６は、ピン１０７の上流の圧力条件とは切り離された内部容積を画定する。ベロー・チャンバ１０６は、イオン・チャンバ内に延びる排出路との連通がベロー１０３の周りに真空状態を生成し且つピン１０７を開放位置に押し遣って弁ベース１０９の通路を通るガス流を可能にする場合、伸張するように適合される。

上記ピン−ポペット及びベロー配置構成は、下流の流れラインに所望の真空レベルが達成されたとき、確実に作動するよう設定することができる逆止弁アセンブリ１０２として機能する。このように、弁要素１０２の開放は、流体排出路に沿った圧力が真空状態になるまで防止される。典型的な最終使用者のイオン装置は１００ｔｏｒｒ以下の準大気圧で動作するので、真空、例えば５００ｔｏｒｒ以下の圧力でのＣＯ含有ドーパント・ガス混合物の吐出は、あらゆる漏れがイオン装置内にのみ漏れて、そこで迅速に検出できることが確実になる。その結果、ＣＯ系ドーパント混合物を送達するために準大気圧送達デバイス１００を利用するイオン注入プロセスは、漏れが存在しないことを確認する必要がない。

真空作動式送達及び貯蔵デバイス１００は、ＣＯ、キセノン、及び水素の予混合供給材を、炭素イオン注入を引き起こすのに十分な予め定められた流量で送達することができる。体積比Ｘｅ：Ｈ_２及び（Ｘｅ＋Ｈ_２）／ＣＯが本発明の範囲内に維持される限り、任意の流量が考えられる。制御された流量及び濃度で、希釈ガス混合物と同時にＣＯ系ドーパント・ガスを送達する能力は、希釈ガス混合物の存在によって炭素系堆積物を著しく低減させながら適切なビーム電流をイオン・チャンバ内で生成することを確実にする。このように、単一供給源は、最適な量のＣＯ系ドーパント・ガス及び希釈ガス混合物がイオン・チャンバ内で互いに相互作用できること、またその結果、必要な炭素イオン化を維持しながらイオン・チャンバ内の炭素系堆積物を低減させることを確実にする。単一供給源は、ドーパント・ガス及び希釈ガスを別々にイオン・チャンバ内に流すときに遭遇するプロセスの問題をなくすことができる。

本発明は、ドーパント・ガス混合物の準大気圧送達を達成するのに用いることができる、様々なその他のタイプの機械設計を企図している。例えば、１つ又は複数の弁要素及び／又は制限流要素を使用して、準大気圧でドーパント・ガスを吐出しその送達を制御することができる。弁要素は、準大気圧又は真空条件がシリンダの送達ポートに適用されたときに、ドーパント・ガスを開放し送達するように構成される。弁要素及び／又は制限流要素は、シリンダの内部から送達ポートへのガスの流れに対してシリンダ弁座の上流に位置付けられる。正確な場所は、ポート本体内、ネック・キャビティ内、又はシリンダ内とすることができる。或いは、弁デバイスは、３カ所全てに沿って延びるように位置付けることができる。

弁要素及び／又は制限流要素の組合せは、様々な配置構成にある圧力調整器、逆止弁、過流防止弁、毛管、及び制限流オリフィスを含むことができる。例えば２つの圧力調整器は、ドーパント・ガスのシリンダ圧力が、流体排出ラインに沿って含有される下流マス・フロー制御器に許容される所定の圧力まで下方制御されるよう、シリンダ内に直列に配置されてもよい。そのような圧力調整器の配置構成に適した設計には、ＡＴＭＩ，Ｉｎｃ．から市販されているＶＡＣ（登録商標）準大気圧送達デバイスが含まれる。

本発明のＣＯ含有ドーパント・ガス組成物を貯蔵する課題は、図１Ａ及び１Ｂの準大気圧デバイス１００の適正な設計によっても明らかにされなければならない。本発明は、その上に混合物を結合させるためにいかなる炭素系吸着媒体も用いない手法で、ＣＯ系ドーパント混合物の貯蔵を用いる。炭素含有吸着媒体は、ＣＯに、及びある程度まで水素に対して、親和性を有する。その他の吸着媒体は、ＣＯ含有ガスに対して親和性を有していてもよく、又はそうでない場合には、ＣＯ−ドーパント・ガス混合物の貯蔵及び送達に悪影響を及ぼす可能性がある。したがって、非吸着系貯蔵システムが、ＣＯ含有ドーパント・ガス混合物の化学的一体性を維持するのに且つＣＯ含有ガス混合物の適正な貯蔵及び準大気圧送達を確実にするのに用いられる。

さらに貯蔵は、貯蔵中にガスをイオン結合する目的でシリンダ内に永続的に維持されるいかなるイオン混合物も存在しない状態で行われる。本発明は、イオン溶液が、半導体産業におけるイオン注入プロセスに許容されないと見なされたレベルで汚染物質をＣＯ含有ドーパント混合物中に導入することを認識した。

さらに、本発明の送達及び貯蔵デバイスは、ドーパント・ガスとシリンダ壁とのいかなる反応も回避するために、化学的に不活性なシリンダ表面を用いる。詳細には、本発明で用いられるシリンダは、シリンダをドーパント混合物で満たす前に不動態化される。好ましくは、シリンダは、化学的に不活性なシリンダ壁の表面を生成するために、フッ素系材料で不動態化される。不動態化によって、水素含有希釈ガスがシリンダ壁の表面の酸化物と反応し水蒸気を形成し、それがドーパント混合物を汚染するような傾向がなくなる。

本発明のＣＯ含有ドーパント・ガス組成物を貯蔵する能力は、少なくとも部分的には、シリンダの構成材料によってさらに影響を受ける。この点に関し、本発明は、本発明のＣＯ含有ドーパント組成物を貯蔵するのに炭素鋼シリンダが適切でないことを認識するが、それは炭素鋼が、鉄カルボニル及び毒性の高いその他微量のカルボニル化合物の形成から生じる安全性の問題を投げかける可能性があるからである。

追加の安全性の問題は、ＣＯ、微量のＣＯ_２、及び水分の間の化学反応の結果、生じる可能性がある、応力腐食割れから生ずる炭素鋼シリンダの故障に関する。このように、本発明の原理によれば、ＣＯ含有ドーパント組成物は、炭素鋼シリンダ内に優先的に貯蔵されない。一実施例では、本発明のＣＯ系ドーパント混合物を含有するシリンダ用に選択された材料は、アルミニウムである。アルミニウム・シリンダは、概して、上述の安全上の危険を示さない。

好ましい実施例では、本発明のシリンダは、シリンダ寸法を、ネックを除いた高さを約３０．４８ｃｍ（１２インチ）以下及び直径を約１１．４３ｃｍ（４．５インチ）以下に維持することによって、圧力除去デバイス（ＰＲＤ：ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅｌｉｅｆ ｄｅｖｉｃｅ）を除外してもよい。図２は、アルミニウム構成材料のシリンダ２００の実例を示し、このシリンダは、高さ約３０．４８ｃｍ（１２インチ）及び直径約１１．４３ｃｍ（４．５インチ）である。そのような寸法は、米国連邦運輸省による、シリンダ２００の弁体上のＰＲＤに必要とされる寸法よりも小さい。シリンダ２００の弁体に固着されるＰＲＤの要件の範囲外にある、その他の高さ及び寸法も、本発明により考えられる。図２は、ＰＲＤを必要としないように設計された最大シリンダ容積を表す。

本発明のＣＯ−ドーパント組成物は毒性であるので、シリンダの弁体は一般に、圧力除去デバイス（ＰＲＤ）を所有する必要がある。ＰＲＤは、火災又は過度な加圧の場合にドーパント・ガスＣＯ含有生成物を排気するように設計される。しかし本発明は、図１Ｂの真空作動式逆止弁アセンブリ１０２及びシリンダの寸法により、ＰＲＤなしで安全な取扱い及び使用が維持されるように、十分な作り付けの安全上の構成を組み込む。弁体１１０からＰＲＤをなくすことにより、有毒なＣＯの潜在的な漏れ経路が除去され、それによって、本発明の送達デバイスの安全性及び構造的一体性がさらに高まる。そのような信頼性は、高圧シリンダを含めたその他の従来の貯蔵デバイスにおいて、以前は不可能であった。したがって、図１Ａ及び１Ｂに示されるような準大気圧送達パッケージ、及びシリンダがアルミニウムから形成され且つ図２に示されるようなＰＲＤを除外するその他のものが、本発明のＣＯ系ドーパント・ガス組成物の安全で改善された送達に好ましい。

貯蔵シリンダへのＣＯ含有ドーパント混合物の充填は、化学種の均質混合が可能になるように行われる。ドーパント混合物の化学種のそれぞれは、任意の順序で順に充填することができる。或いは、化学種のそれぞれを、シリンダの上流で予混合し、次いでその内部に単一混合物として導入することができる。

ＣＯ−ドーパント・ガス混合物が凝縮可能な化学種からなる場合、充填は、好ましくは、化学種のそれぞれの分圧がその飽和蒸気圧を超えないように行われる。またシリンダの最大充填圧は、化学種同士で相互作用を引き起こさないようにすべきである。例えば、ドーパント混合物がＣＯ、キセノン、及び水素を含む場合、充填圧は、キセノン及び水素のダイマー化が生じて化合物が形成され得る所定の閾値を超えることができない。下流イオン・チャンバに導入する前のキセノン−水素化合物の形成は、希釈ガス混合物がイオン・チャンバ内で炭素系及びタングステン系堆積物を低減させると共にＣ^＋ビーム電流を低減させる傾向による仕組みを、不利益にも変化させる可能性がある。したがって本発明は、シリンダ内で化学種の相互作用を引き起こさない加工条件の下、ＣＯ−ドーパント混合物の化学種の貯蔵及び準大気圧送達を維持する。

図３及び４を参照すると、本発明の原理による例示的なイオン注入装置３００が示されている。特に、一実例では、図３のイオン源装置３００を、Ｃ^＋イオンを注入するための電子ビームを生成するのに使用することができる。ＣＯ、Ｘｅ、及びＨ_２を含むドーパント・ガス混合物３０２を、アーク・チャンバ壁３１１内に延びるガス供給ライン３１３を通して、イオン源チャンバ３１２内に導入する。一実施例では、（Ｘｅ＋Ｈ_２）：ＣＯの体積比は約０．１から約０．３に及び、Ｘｅ：Ｈ_２の体積比は約０．０２〜０．２０に及ぶ。ドーパント・ガス混合物３０２の供給は、ガス・ボックス４０１内に収容される単一供給源４０２（図４）によって好ましくは行われる。供給源４０２は、好ましくは、その内部容積内に加圧状態でＣＯ＋Ｘｅ＋Ｈ_２を維持する図１Ａ及び１Ｂに示される単一準大気圧送達及び貯蔵デバイスである。図４は、送達及び貯蔵デバイス４０２が、イオン源装置３００内に延びる排出流路に流体連通していることを示す。準大気圧送達及び貯蔵デバイス４０２は、排出流路に沿って達成される準大気圧状態に応答して、デバイス４０２の内部容積からのドーパント・ガス混合物３０２の制御された流れが可能になるように作動する。

図３を参照すると、チャンバ３１２内のドーパント・ガス混合物３０３は、傍熱陰極（ＩＨＣ：ｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙ ｈｅａｔｅｄ ｃａｔｈｏｄｅ）３１５に近接して位置決めされたフィラメント３１４を抵抗加熱するために、電源（図示せず）から所定の電圧を印加することにより、イオン化に供される。フィラメント３１４は、ＩＨＣ３１５に対し、負にバイアスされている。絶縁体３１８が、アーク・チャンバ壁３１１からＩＨＣ３１５を電気的に且つ熱的に絶縁する。フィラメント３１４から放出された電子は、ＩＨＣ３１５に向かって加速して、ＩＨＣ３１５をそれ自体の熱電子放出温度まで加熱する。ＩＨＣ３１５により放出された電子は、イオン・チャンバ３１２内に向かって加速し移動して、内部に位置付けられたドーパント・ガス混合物３０３をイオン化する。ドーパント・ガス混合物３０３のイオン化されたガス分子は、プラズマ環境を生成する。リペラ電極３１６を、ＩＨＣ３１５とは全く正反対の位置に配置して、プラズマ環境を画定し且つチャンバ３１２内でのドーパント・ガス混合物３０３のイオン化を持続させ制御するようにしてもよい。リペラ電極３１６は負電荷を蓄積して、電子をドーパント・ガス混合物３０３に向かって跳ね返し、衝突させ、ドーパント・ガス混合物３０３のイオン化を持続させる。

ドーパント・ガス混合物３０３のイオン化によって、炭素はイオン、ラジカル、又はこれらの組合せとして放出される。本発明によりＸｅとＨ_２との比を制御することにより且つＸｅ＋Ｈ_２とＣＯとの比を制御することにより、Ｃ^＋ビーム電流は十分であり続け、Ｃ系及び酸化物系堆積物などの堆積物は低減して、イオン源３００の持続的な動作が可能になる。Ｃ^＋ビーム電流は、イオン注入プロセスの全体を通して持続される。

炭素イオンは、所望のエネルギーを持つ炭素イオン・ビームの形で、イオン源チャンバ３１２から引き出される。適切な引出し技法は、抑制電極３１９及び接地電極３２０からなる引出し電極の両端に高電圧を印加することによって実施することができる。図３に示されるように、これらの抑制及び接地電極３１９及び３２０のそれぞれは、それぞれが引出しアパーチャ３１７に位置合わせされたアパーチャを有し、その結果、確実に、アーク・チャンバ３１２の外に引き出された炭素イオン・ビーム３２１がよく定義される。

図４は、炭素ビーム・ライン・イオン注入システム４００に組み込まれた、図３のイオン源装置３００を示す。ドーパント・ガス混合物３０２は、ガス・ボックス４０１から導入される。ドーパント・ガス混合物３０２はイオン源チャンバ３００内に導入され、そこでエネルギーがチャンバ内に導入されて、図３を参照して記述されたようにＣＯをイオン化する。

所望の電流で所望の炭素イオン・ビームが発生したら、イオン・ビーム引出しシステム４０１を使用して、所望のエネルギーを持つイオン・ビーム４２１の形でイオン源チャンバ４１３からイオン及びラジカルを引き出す。引出しは、引出し電極の両端に高電圧を印加することによって実施することができる。引き出されたビーム４２１は、質量分析器／フィルタ４０５を通して移送されることにより、注入される炭素イオンが選択される。次いでフィルタリングされたイオン・ビーム４０７を加速／減速４０６させ、加工物４０９に炭素イオン（即ち、Ｃ^＋）を注入するために、エンド・ステーション４１０に位置決めされたターゲット加工物４０９の表面に移送することができる。ビームの炭素イオンは加工物４０９の表面に衝突し、特定の深さまで透過して、所望の電気的及び物理的性質を有するドープ領域を形成する。本発明は、長い供給源寿命及び十分なＣ^＋ビーム電流の結果、生産性の維持及び増大を可能にする。

図３のイオン源３００の他、例えばフリーマン源、ベルナス源、及びＲＦプラズマ源を含めたイオン源のその他の適切なタイプを用いることができることを理解すべきである。

ガス状化学種のそれぞれの送達は、単一供給源（例えば、準大気圧送達デバイス）から行うことができるが、ＣＯ、Ｘｅ、及びＨ_２化学種の１種又は複数は、それらがイオン源チャンバの上流で又は内部で化合してドーパント組成物を本発明の体積比で形成するように、専用の供給源から導入できることを理解すべきである。一実例では、第１の供給容器がＣＯを含み、第２の供給容器がＸｅ及びＨ_２を含む。第１及び第２の供給容器は、ガス・キットの一部として提供される。このように、ＣＯ、Ｘｅ、及びＨ_２は、同時に流すことができ（即ち、チャンバ内へのガスの流れが実質的に同時に生じてもよい。）、又は任意の順序でイオン源チャンバ内に順次流すことができる。例として、ＣＯは、単一準大気圧送達デバイスから送達されてもよく、Ｈ_２及びＸｅは、別の準大気圧送達デバイスから送達されてもよい。送達デバイスは、図４に示されるガス・ボックス４０１内に構成することができる。ＣＯ、Ｘｅ、及びＨ_２は、結果的に得られる組成混合物を、イオン源チャンバ３００の上流又はイオン源チャンバ３００の内部に形成する。

別の実例では、ＣＯ、Ｘｅ、及びＨ_２ガス混合物のそれぞれが、個々のシリンダから、好ましくは図１Ａの場合のような準大気圧送達及び貯蔵デバイスから供給される。動作中、ＣＯ、Ｘｅ、及びＨ_２は、本発明による（Ｘｅ＋Ｈ_２）：ＣＯ及びＸｅ：Ｈ_２の最適な体積比が生成され且つ炭素注入プロセスの全体を通してイオン源チャンバ３００の上流又は内部で維持されるのを確実にする特定の流量で、イオン源チャンバ３００内に同時に流すことができ、又は順次流すことができる。

ＣＯは、所望のドーパント・ガス混合物を達成するために、複数の炭素系含有ガスと混合されてもよい。一実施例では、ＣＯを、一般式ＣｘＦｙを有するフッ素含有ガスと混合することができる。フッ素含有ガスは、ＣＦ_４、Ｃ_２Ｆ_６、Ｃ_２Ｆ_４、Ｃ_２Ｆ_２、Ｃ_３Ｆ_８、及びＣ_４Ｆ_８、及びこれらの任意の混合物から選択されてもよいが、これらに限定するものではない。

ＣＯとフッ素含有ガスとが特定の濃度範囲にある組合せであって希釈ガス混合物に予混合されたものの準大気圧送達は、ＣＯ及びフッ素含有ガスがそれぞれ炭素イオンを提供して十分なビーム電流を有する炭素イオン・ビームを生成する能力を損なうことなく、チャンバの表面の広く様々な問題のある堆積物を最小限に抑えることが可能な、改善されたドーパント・ガス混合物を生成する。例えば、５体積％のＣＦ_４とＣＯとの混合物は、著しく低い炭化物系堆積物をイオン源チャンバ内にもたらす可能性がある。ガス組成物へのキセノン及び水素の添加は、チャンバ壁でのタングステンのエッチングの程度を著しく低減させる。好ましくは、混合物は、準大気圧送達デバイスなどの単一源から貯蔵され送達される。しかし、２つ以上のデバイスを、イオン源チャンバ内に送達するのに使用してもよい。本発明は、炭素注入中のイオン源の性能に改善が見られるように、そのような化学種を安全に貯蔵し且つ準大気圧で送達する能力を提供する。

さらに、希釈ガス組成物に関しては、本発明は、Ｈ_２の他に様々な水素含有ガスを企図するものである。例として、水素含有ガスは、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_２、Ｃ_２Ｈ_４、Ｃ_２Ｈ_６、及びこれらの任意の混合物を含有することができる。キセノンの他に、例えばアルゴン、ネオン、又はクリプトンなどのその他の不活性ガスを利用することができる。アルゴン、ネオン、クリプトン、及びキセノンの任意の組合せが本発明により企図される。本明細書に開示される代替の炭素含有、水素含有、及び不活性ガスは、ＣＯ、Ｘｅ、及びＨ_２で利用される体積比で、予混合することができ又は個々に流す（例えば、同時に流し又は順次流す）ことができる。

以下の実例は、表１に列挙した種々のＣＯ系ドーパント・ガス組成物をイオン源チャンバ内に導入し、評価したことを示す。混合物のそれぞれをイオン化して、対応するＣ^＋ビームを生成し、それを引き続き引き出した。全ての組成物のスプリットに関し、ＣＯの流れは一定に保たれ、その結果、同量の炭素含有ガスが確実にイオン源に導入された。種々の組成物に関する［Ｘｅ＋Ｈ_２］：ＣＯ比の比も０．２０で維持することにより、非炭素含有ガスで希釈の程度が一定に保たれた。この比は、アーク・チャンバ内の総流量及び圧力などの臨界プロセス条件が全ての試験操作で類似することも確実にし、それによって、希釈ガスに添加されるＸｅとＣＯとの様々な割合の効果の適正な比較及び評価が可能になった。さらに説明されるように、ＣＯ及びＨ_２へのＸｅの添加の効果を評価するために、図５の結果がＣＯ＋Ｈ_２に関して正規化される。さらに、特定のＣＯ＋Ｘｅ＋Ｈドーパント組成物を利用したときのビーム電流の減少の程度を評価するために、図６の結果が３１０ｍＡアーク電流で、ＣＯのみ（ガス混合物＃１）に関して正規化される。

比較例１（ＣＯのみ）
実験を、ＣＯのみのドーパント・ガス組成物（表１に列挙される、ガス混合物１）を使用しながら、イオン源の性能を評価するために、特にＣＯのイオン化から得られたＣ^＋ビーム電流を評価するために、実行した。利用されたイオン源は、熱陰極スタイルのデザインであり、これは螺旋状フィラメントと、このフィラメントの軸に直交して配置された陽極とからなるものである。

ＣＯをイオン源チャンバ内に導入した。ＣＯを、Ｐｒａｘａｉｒ，Ｉｎｃ．から市販されている単一準大気圧送達ＵｐＴｉｍｅ（登録商標）デバイスを使用して供給した。

電力をフィラメントに印加して、電子を発生させた。フィラメントは陰極としても働き、したがって陽極とフィラメントとの間に電位差が発生し、プラズマが生成されて、イオン源チャンバ内に存在するＣＯガスをイオン化した。フィラメントに印加された電力は、種々のアーク電流が得られるように様々であった。特に、実験は、３つの異なるアーク電流設定で、即ち２７５ｍＡ、３１０ｍＡ、及び３４０ｍＡで実行した。３つの異なるアーク電流のそれぞれでのＣ^＋ビーム電流を、測定した。さらに、イオン化は、ＣＯのイオン化中に形成された堆積物の量及び性質を評価するために、長い持続時間でも実行した。

ビーム電流の結果を図６に示す。図６は、ＣＯのみの利用が、全てのアーク電流レベルで最も高いビーム電流を発生させたことを示す。しかし堆積物の蓄積が最も高くなることが観察された（図７Ａ）。図７Ａは、Ｃ及び炭化タングステン（ＷＣ）を含有する堆積物が、陽極領域で観察されたことを示す。さらに図７Ａは、Ｃ含有ウィスカ及びいくらかのＷＯｘ堆積物も、イオン源アーク・チャンバ壁上に観察されたことを示す。

比較例２（ＣＯ＋Ｈ_２）
実験を、ＣＯ＋Ｈ_２のドーパント・ガス組成物（表１に列挙される、ガス混合物４）を使用しながら、イオン源の性能を評価するために、特にＣＯ＋Ｈ_２混合物のイオン化から得られたＣ^＋ビーム電流を評価するために実行した。イオン源は、螺旋状フィラメントと、このフィラメントの軸に直交して配置された陽極とからなる熱陰極スタイルであった。電力をフィラメントに印加して、電子を発生させた。フィラメントは、陽極とフィラメントとの間に電位差を生成してプラズマを生成し、それがイオン源チャンバ内に存在するガスをイオン化するように、陰極としても働く。

ＣＯ及びＨ_２を、表１に示されるように１．０：０．２０の体積比でＣＯ及びＨ_２を含有する準大気圧送達ＵｐＴｉｍｅ（登録商標）デバイスを使用して供給した。ＣＯの流量は、等量の炭素含有ガスがイオン源に導入されるのを確実にするために、比較例１のＣＯの流量に等しくなるよう維持した。

フィラメントに印加された電力は、２７５ｍＡ、３１０ｍＡ、及び３４０ｍＡという異なる設定が得られるように様々に変化させた。アーク電流が変更されると、異なるＣ^＋ビーム電流が生成された。異なるアーク電流のそれぞれでのＣ^＋ビーム電流を、図６に示すように測定した。特に実験は、２７５ｍＡ、３１０ｍＡ、及び３４０ｍＡという３つの異なるアーク電流設定で実行した。アーク電流の増大に望ましい応答は、アーク電流が増大するにつれてＣ^＋ビーム電流が増大する場合に観察された。しかし、ＣＯ＋Ｈ_２混合物により得られたＣ^＋ビーム電流は、アーク電流レベルの全てに関して、ＣＯのみ（図６）を使用して得られたビーム電流よりも平均して２５％低かった。ＣＯのみと比べたビーム電流の著しい降下により、堆積物の性質を評価するための長期にわたる試験運用は、有用とは見なされなかった。

比較例３（ＣＯ＋Ｘｅ＋Ｈ_２）
実験を、ＣＯ＋Ｘｅ＋Ｈ_２のドーパント・ガス組成物（表１に列挙される、ガス混合物５）を使用しながら、イオン源の性能を評価するために、特にそのような組成物のイオン化から得られたＣ^＋ビーム電流を評価するために実行した。イオン源は、螺旋状フィラメントと、このフィラメントの軸に直交して配置された陽極とからなる熱陰極スタイルであった。電力をフィラメントに印加して、電子を発生させた。フィラメントは陰極としても働き、陽極とフィラメントとの間の電位差がプラズマを生成して、イオン源チャンバ内に存在するガスをイオン化した。

ＣＯと、Ｘｅ＋Ｈ_２の予混合された混合物（５０体積％のＸｅ、残りはＨ_２）とを、個別の準大気圧送達ＵｐＴｉｍｅ（登録商標）デバイスを使用してそれぞれ供給した。ＣＯ及びＸｅ＋Ｈ_２を流れライン内で混合し、その後、イオン源に導入した。ＣＯと、Ｘｅ＋Ｈ_２の混合物との流量は、以下の表１に示されるように、ＣＯ：（Ｘｅ＋Ｈ_２）の所望の体積比１．０：０．２が達成されるように制御した。ＣＯの流れは、等量の炭素含有ガスがイオン源に導入されることを確実にするために、比較例１のＣＯ流に等しくなるよう維持した。

フィラメントに印加される電力は、種々のアーク電流が得られるように様々にした。アーク電流が変化すると、異なるＣ^＋ビーム電流が生成された。異なるアーク電流のそれぞれでのＣ^＋ビーム電流を、図６に示すように測定した。特に実験は、２７５ｍＡ、３１０ｍＡ、及び３４０ｍＡという３つの異なるアーク電流設定で実行した。ガス混合物＃２とは対照的に、ＣＯ＋Ｈ_２＋Ｘｅガス組成物は、アーク電流に対して負の相関を示し（図６）、アーク電流の増大がＣ^＋ビーム電流の減少をもたらした。平均すると、図６は、ガス混合物がＣＯのみに比べて３５％低いビーム電流を示したことを示す。さらに図５は、ＣＯ＋Ｈ_２のガス混合物（比較例２）に比べて１０％超のビーム電流の低減を示し、それによって、Ｘｅの添加がＣ^＋ビーム電流を実際に低下させたことが実証される。ビーム電流の著しい降下により、堆積物の性質を評価するための長期にわたる操作は、有用とは見なされなかった。

比較例４（ＣＯ＋Ｘｅ）
実験を、ＣＯ＋Ｘｅのドーパント・ガス組成物（表１に列挙される、ガス混合物６）を使用しながら、イオン源の性能を評価するために、特にそのような組成物のイオン化から得られたＣ^＋ビーム電流を評価するために実行した。イオン源は、螺旋状フィラメントと、このフィラメントの軸に直交して配置された陽極とからなる熱陰極スタイルであった。電力をフィラメントに印加して、電子を発生させた。フィラメントは陰極としても働き、陽極とフィラメントとの間に電位差が生成されて、イオン源チャンバ内に存在するガスをイオン化するためのプラズマを生成した。ＣＯ及びＸｅを、表１に示されるように、１．０：０．０５の体積比でＣＯ及びＸｅを含有する準大気圧送達ＵｐＴｉｍｅ（登録商標）デバイスを使用して供給した。ＣＯの流量は、等量のＣ含有ガスがイオン源に導入されることを確実にするために、比較例１のＣＯ流量に等しくなるよう維持した。

フィラメントに印加される電力は、種々のアーク電流が得られるように様々にした。アーク電流が変化すると、異なるＣ^＋ビーム電流が生成された。異なるアーク電流のそれぞれでのＣ^＋ビーム電流を、図６に示すように測定した。特に実験は、２７５ｍＡ、３１０ｍＡ、及び３４０ｍＡという３つの異なるアーク電流設定で実行した。このＣＯ＋Ｘｅガス組成物は、アーク電流に対して負の相関を示した。平均すると、図６は、ガス組成物混合物がＣＯのみ（比較例１）に比べて３５％低いＣ^＋ビーム電流を示すことを示した。このＣＯ＋Ｘｅ混合物で得られたＣ^＋ビーム電流は、ＣＯのみを使用して得られたビーム電流よりも平均して２０％〜４０％低かった。

さらにイオン化は、ＣＯ＋Ｘｅ混合物というこの特定のガス組成物のイオン化中に形成された堆積物の量及び性質を評価するために、長い持続時間で実行した。陽極領域内及びアーク・チャンバ壁上に、大量のＷＯｘ及びＣ系堆積物が観察された。

「実例１」（ＣＯ＋Ｘｅ＋Ｈ_２）
実験を、ＣＯ＋Ｘｅ＋Ｈ_２のドーパント・ガス組成物（表１に列挙される、ガス混合物２）を使用しながら、イオン源の性能を評価するために、特にそのような組成物のイオン化から得られたＣ^＋ビーム電流を評価するために実行した。イオン源は、螺旋状フィラメントと、このフィラメントの軸に直交して配置された陽極とからなる熱陰極スタイルであった。電力をフィラメントに印加して、電子を発生させた。フィラメントは陰極としても働き、陽極とフィラメントとの間に電位差が生成されて、イオン源チャンバ内に存在するガスをイオン化するためのプラズマを生成した。

ＣＯと、Ｘｅ＋Ｈ_２（４体積％のＸｅ、残りはＨ_２）の予混合された希釈混合物とを、ＣＯと、希釈Ｘｅ＋Ｈ_２混合物とに用いられる個別の準大気圧送達ＵｐＴｉｍｅ（登録商標）デバイスを使用して供給した。ＣＯ及び希釈混合物を流れライン内で混合し、その後、イオン源に導入した。ＣＯと、Ｘｅ＋Ｈ_２の混合物との流量は、表１に示されるように、ＣＯ：Ｘｅ＋Ｈ_２の所望の体積比１．０：０．２が達成されるように制御した。ＣＯの流れは、等量のＣ含有ガスがイオン源に導入されることを確実にするために、比較例１のＣＯの流れに等しくなるよう維持した。

フィラメントに印加される電力は、種々のアーク電流が得られるように様々にした。アーク電流が変化すると、異なるＣ^＋ビーム電流が生成された。異なるアーク電流のそれぞれでのＣ^＋ビーム電流を、図６に示すように測定した。特に実験は、２７５ｍＡ、３１０ｍＡ、及び３４０ｍＡという３つの異なるアーク電流設定で実行した。アーク電流の増大に対する望ましい応答は、アーク電流の増大と共にＣ^＋ビーム電流が増大した場合に観察された。平均すると、このＣＯ＋Ｈ_２＋Ｘｅガス混合物は、ＣＯのみ（図６）と比べたときに僅か１０％低いビーム電流を、しかしＣＯ＋Ｈ_２ガス混合物（図５）と比べたときに約２０％高いビーム電流を示した。

さらにイオン化は、ＣＯ＋Ｘｅ＋Ｈ_２混合物というこの特定のガス組成物のイオン化中に形成された堆積物の量及び性質を評価するために、長い持続時間で実行した。データを図７Ｂに示す。図７Ｂは、ガス混合物が、図７Ａに示されるＣＯのみの場合よりも著しく低いＣ、ＷＣ、及びＷＯｘ含有堆積物を生成することが、観察されたことを示す。

「実例２」（ＣＯ＋Ｘｅ＋Ｈ_２）
実験を、ＣＯ＋Ｘｅ＋Ｈ_２のドーパント・ガス組成物（表１に列挙される、ガス混合物３）を使用しながら、イオン源の性能を評価するために、特にそのような組成物のイオン化から得られたＣ^＋ビーム電流を評価するために実行した。イオン源は、螺旋状フィラメントと、このフィラメントの軸に直交して配置された陽極とからなる熱陰極スタイルであった。電力をフィラメントに印加して、電子を発生させた。フィラメントは陰極としても働き、陽極とフィラメントとの間に電位差が生成されて、イオン源チャンバ内に存在するガスをイオン化するためのプラズマを生成した。

ＣＯと、Ｘｅ＋Ｈ_２（１５体積％のＸｅ、残りはＨ_２）の予混合された希釈混合物とを、ＣＯと、希釈Ｘｅ＋Ｈ_２混合物とに用いられる個別の準大気圧送達ＵｐＴｉｍｅ（登録商標）デバイスを使用して供給した。ＣＯ及び希釈混合物を流れライン内で混合し、その後、イオン源に導入した。ＣＯと、Ｘｅ＋Ｈ_２の混合物との流量は、ＣＯ：Ｘｅ＋Ｈ_２の所望の体積比１．０：０．２が達成されるように制御した。ＣＯの流れは、等量のＣ含有ガスがイオン源に導入されることを確実にするために、比較例１のＣＯ流の流れに等しくなるよう維持した。

フィラメントに印加される電力は、種々のアーク電流が得られるように様々にした。アーク電流が変化すると、異なるＣ^＋ビーム電流が生成された。異なるアーク電流のそれぞれでのＣ^＋ビーム電流を、図６に示すように測定した。特に実験は、２７５ｍＡ、３１０ｍＡ、及び３４０ｍＡという３つの異なるアーク電流設定で実行した。Ｃ^＋ビーム電流は、アーク電流が２７５ｍＡから３１０ｍＡに増大したときに増大した。ビーム電流の限界降下は、アーク電流が３１０ｍＡまで増大したときに観察された。平均すると、ガス混合物は、ＣＯのみに比べて約２０％低いビーム電流を示した。

実例は、ＣＯ、Ｘｅ、及びＨ_２を制御された量で含むドーパント組成物を、イオン・チャンバに導入する利益を実証する。実例はさらに、相対的なＣ^＋ビーム電流がＸｅに対して感度を有し且つＸｅ／Ｈの比が制御された範囲内に維持されるべきことを実証する。Ｘｅの添加は、Ｃ^＋ビーム電流を、ＣＯ＋Ｈ_２（図５に示される。）に比べて約２０％増大させることができ、それによって、ＣＯのみ（比較例１及び図６）に比べてＣ^＋ビーム電流のかなりの減少が防止される。しかし、Ｘｅの過剰な添加は、Ｃ^＋ビーム電流を、ＣＯ＋Ｈ_２（図５に示される。）に比べて低下させる可能性があり、したがって、ＣＯのみ（比較例１及び図６）に比べてＣ^＋ビーム電流の著しい減少をもたらす可能性がある。さらに、過剰なＸｅは、残念ながらアーク電流の増大に対して負の相関を生成する可能性がある。さらになお、過剰なＸｅは、望ましくない堆積物の形成をもたらす可能性があり、それがイオン源寿命を短縮する可能性がある。したがって本発明は、ＣＯ及びＨ_２にＸを制御された量で添加することによって、許容されるＣ^＋ビーム電流を生成し且つ堆積物の形成を低減させることができると認識する。本発明は、先に相互排他的と見なされた性能特性の組合せを有する独自のＣＯ−ドーパント組成物を提供する。

したがって本発明のドーパント・ガス混合物は、炭素注入のためにＣＯ系ドーパント・ガス源を利用する場合にイオン・チャンバ内の堆積物を低減させると共に、十分なＣ^＋ビーム電流レベルをさらに発生させることが観察された。

本発明のガス組成物にはその他の適用例があることを理解すべきである。例えばガス組成物は、薄膜炭素層の堆積が引き起こされるようにガス混合物の化学的性質を変化させるのに適切な加工条件の下、化学気相成長又は原子層堆積プロセスで利用することができる。或いは、ガス組成物は、金属酸化物層を金属層に還元するのに利用することもできる。例として、酸化タングステンは、ＣＯ及び／又はＣＦ_４環境でアニールして、酸化タングステンを金属タングステン層に還元することができる。ＣＯは、酸化タングステン層から酸素を抽出する還元ガスとして作用し、それによって、酸化タングステンは元素のタングステンに還元される。さらに、ＣＦ_４の存在は、酸化タングステン層を潜在的にフッ素化することによって酸化タングステンから元素タングステンへの還元を加速させ、それによってその除去率が高まる可能性がある。正味の結果は、酸化タングステンが純粋なタングステンの層に、より迅速に戻ることができることである。

これまで、何が本発明のある特定の実施例と見なされるかについて図示し記述してきたが、当然ながら、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形又は詳細の様々な修正及び変更を容易に行うことができることが理解されよう。したがって本発明は、本明細書に図示され記述される正確な形及び詳細に限定されるものでもなく、また本明細書に開示され且つ以下の特許請求の範囲で主張される本発明の全体の範囲内にあるいずれかに限定するものもない。

Claims (22)

1. ドーパント・ガス混合物用の単一供給源であって、
   希釈ガス混合物と所定の濃度で予混合された１種又は複数の炭素含有ドーパント源ガスであって、前記１種又は複数の炭素含有源が少なくともＣＯを含み、前記希釈ガス混合物が不活性ガス及び水素含有ガスを含む、１種又は複数の炭素含有ドーパント源ガスと、
   準大気圧送達及び貯蔵デバイスであって、その内部容積内に加圧状態で前記ドーパント・ガス混合物を維持するための準大気圧送達及び貯蔵デバイスと
   を有し、
   前記送達デバイスが排出流路と流体連通し、また前記送達デバイスが、前記排出流路に沿って達成される準大気圧条件に応答して、前記デバイスの内部容積からの前記ドーパント組成物の制御された流れを可能にするように作動する、ドーパント・ガス混合物用の単一供給源。
2. 前記不活性ガスが、キセノン、アルゴン、ネオン、クリプトン、又はこれらの任意の組合せからなる群から選択される、請求項１に記載のドーパント・ガス混合物用の単一供給源。
3. 前記１種又は複数の炭素含有源が、Ｃ_２Ｆ_６、ＣＦ_４、Ｃ_４Ｆ_８、Ｃ_２Ｆ_４、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_２、及びこれらの混合物からなる群から選択される、請求項１に記載のドーパント・ガス混合物用の単一供給源。
4. 前記１種又は複数の炭素含有源がＣＯであり、前記希釈ガス混合物が本質的にキセノン及び水素からなる、請求項１に記載のドーパント・ガス混合物用の単一供給源。
5. 前記準大気圧送達及び貯蔵デバイスが、アルミニウムから形成されたシリンダと、弁体とを有し、さらに、前記弁体は、圧力除去デバイスが存在しないことによって特徴付けられる、請求項１に記載のドーパント・ガス混合物用の単一供給源。
6. 前記準大気圧送達及び貯蔵デバイスが、圧力調整器、逆止弁、過流防止弁、及び制限流オリフィスの群から選択される１つ又は複数の弁要素及び／又は制限流要素の組合せを有する、請求項１に記載のドーパント・ガス混合物用の単一供給源。
7. 前記送達及び貯蔵デバイスが、前記シリンダの内部に直列に配置された１つ又は複数の圧力調整器を有する、請求項６に記載のドーパント・ガス混合物用の単一供給源。
8. 前記制限流要素が毛管を有する、請求項６に記載のドーパント・ガス混合物用の単一供給源。
9. 前記送達及び貯蔵デバイスがシリンダを有し、該シリンダが、壁の表面を不動態化することによって画定された内部を有する、請求項１に記載のドーパント・ガス混合物用の単一供給源。
10. 前記送達及び貯蔵デバイスは、内部に含有される吸着媒体又はイオン混合物が存在しないことによって特徴付けられる、請求項１に記載のドーパント・ガス混合物用の単一供給源。
11. イオン注入用のドーパント・ガス組成物を送達するための方法であって、
    少なくともＣＯを含む１種又は複数の炭素含有ドーパント・ガスを提供するステップと、
    不活性ガス及び水素含有ガスを含む希釈ガス組成物を提供するステップと、
    所定の真空条件に応答して、１種又は複数の炭素含有ドーパント・ガスの制御された流れを作動させるステップと、
    所定の真空条件に応答して、前記希釈ガス組成物の制御された流れを作動させるステップと、
    前記１種又は複数の炭素含有ドーパント・ガスをイオン源チャンバに導入するステップと、
    前記希釈ガス組成物を前記イオン源チャンバに導入するステップと、
    前記１種又は複数の炭素含有ドーパント・ガス源をイオン化して、炭素イオンを生成するステップと、
    前記炭素イオンを基板に注入するステップと
    を含み、
    前記１種又は複数の炭素含有ドーパント・ガス源が前記希釈ガス組成物と相互作用し、それにより、純粋なＣＯに比べて炭素イオン・ビーム電流の実質的な低減をもたらすことなく前記炭素イオン源に沿った堆積物を低減させる、方法。
12. 前記１種又は複数の炭素含有源がＣＯを含み、前記希釈ガス組成物がＸｅ及びＨ_２を含み、前記Ｘｅ及びＨ_２が、約０．０２から約０．２０に及ぶ事前に定められた体積比にあり、（Ｘｅ＋Ｈ_２）：ＣＯが、約０．１０から約０．３０に及ぶ事前に定められた体積比で含有される、請求項１１に記載の方法。
13. ＣＯ、キセノン、及び水素を予混合するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
14. 前記予混合するステップが、
    準大気圧送達及び貯蔵デバイスをＣＯで満たすステップと、
    前記デバイスをＸｅ及びＨ_２で満たすステップと、
    加圧混合物を生成するステップと、
    真空作動式弁を封止構成内に保持して、前記混合物を所定の貯蔵圧力で前記デバイス内に維持するステップと
    を含む、請求項１３に記載の方法。
15. ＣＯの流れをＸｅ及びＨ_２の流れと同時に流す又は順次流すステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
16. 一酸化炭素を含む炭素系材料と、
    キセノン（Ｘｅ）及び水素（Ｈ_２）を含む不活性希釈ガス混合物であって、前記Ｘｅ及び前記Ｈ_２が有効量で含有され、前記有効量は、Ｘｅ：Ｈ_２が約０．０２から約０．２０までの体積比である、前記不活性希釈ガス混合物と
    を含み、
    前記（Ｘｅ＋Ｈ_２）：ＣＯは、約０．１０から約０．３０に及ぶ体積比で含有される、ガス組成物。
17. 前記ガス組成物が、単一供給源内にドーパント混合物として予混合される、請求項１６に記載のガス組成物。
18. 前記単一供給源が、準大気圧送達及び貯蔵デバイスであって、その内部容積内に加圧状態で前記ドーパント混合物を維持する準大気圧送達及び貯蔵デバイスであり、前記送達デバイスが排出流路に流体連通し、また前記送達デバイスが、前記排出流路に沿って且つイオン源チャンバ内に延びて達成された準大気圧条件に応答して、前記デバイスの前記内部容積からの前記ドーパント混合物の制御された流れが可能になるように作動する、請求項１７に記載のガス組成物。
19. 前記Ｘｅ：Ｈ_２が、約０．０２から約０．０６に及ぶ体積比で含有される、請求項１６に記載のガス組成物。
20. 前記（Ｘｅ＋Ｈ_２）：ＣＯが、約０．１５から約０．２０に及ぶ体積比で含有される、請求項１６に記載のガス組成物。
21. 第１の供給容器がＣＯを含み、第２の供給容器がＸｅ及びＨ_２を含み、前記第１及び第２の容器がガス・キットの一部として提供される、請求項１６に記載のガス組成物。
22. 前記第１及び第２の供給容器のそれぞれが、準大気圧送達及び貯蔵デバイスであって、その内部容積内に加圧状態でＣＯとＸｅ及びＨ_２と維持する準大気圧送達及び貯蔵デバイスであり、前記第１及び第２の供給容器のそれぞれが、前記排出流路に沿って且つイオン源チャンバ内に延びて達成された準大気圧条件に応答して、前記対応する第１及び第２の供給容器の前記内部容積からのＣＯとＸｅ及びＨ_２との制御された流れが可能になるように作動する、請求項２１に記載のガス組成物。