JP3640947B2 - イオン源、イオン注入装置、半導体装置の製造方法 - Google Patents
イオン源、イオン注入装置、半導体装置の製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスをプラズマ化してイオンを発生するイオン源、そのようなイオン源を用いるイオン注入装置、およびイオン注入装置による半導体装置の製造方法に係り、特に、微細構造の半導体デバイスの製造に適用して好適なイオン源、イオン注入装置、および半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器、通信機器などに用いられる半導体デバイスは、ますます高集積化しかつ集積化される素子は微細化している。このように集積されたＬＳＩ（large scale integration）は、これらが使用される機器全体の性能に大きくかかわっているといってよい。
【０００３】
集積素子の微細化は、例えば、ＭＯＳ（metal oxide semiconductor）型電界効果トランジスタの場合であれば、ゲート長の短縮化およびソース・ドレイン領域の薄層化により実現できる。浅いソース・ドレイン領域を形成するためには、低加速イオン注入法が広く用いられている。この方法を用いて半導体基板にイオンを注入することで、現状で１００ｎｍ以下の浅いソース・ドレイン領域が形成され得る。
【０００４】
ところで、低加速イオン注入法を行なうためのイオン注入装置には、イオン源と、このイオン源から被処理基体（半導体基板）までのイオンの導出・案内系とが最低限必要である。このうちイオン源については、所定のガスをアーク放電でプラズマ化しイオンを発生させる装置が一般的である。プラズマ化するための装置には、大別して、熱電極を用いるバーナス（Burnus）型、およびフリーマン（Freeman）型とマグネトロンを用いるマイクロ波型とがある。なお、従来のイオン発生装置には例えば下記特許文献１記載のものがある。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−９３４３１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
イオン注入装置においては、イオン源をメンテナンス時に交換する形態が一般的である。これは、イオン注入装置を稼働させ半導体デバイス製造などに供用すると次第にイオン源が劣化し所期の動作がなされなくなるためである。例えば、バーナス型のイオン源を有し７０ｎｍ程度の深さのソース・ドレイン領域を形成するイオン注入装置では、イオン源の交換サイクルは平均して例えば１７０Ｈ（時間）である。
【０００７】
さらに、このようなイオン注入装置を例えば２０ｎｍ程度の深さのソース・ドレイン領域を形成するため用いるには、例えば、発生されたイオンに大きくとも５ｋｅＶ以下の低エネルギを与えて加速する方法を用いることができる。２０ｎｍ程度の深さのソース・ドレイン領域の形成は、さらに微細構造のＭＯＳトランジスタ（ゲート長でいうと１００ｎｍ以下ゲート長のＭＯＳ型トランジスタに相当）の製造に必須である。
【０００８】
しかしながら、イオン注入装置をこのような低加速用に適用した場合、イオン源の寿命が顕著に短縮することが確かめられた。その場合の寿命の平均値は例えば６０〜７０Ｈである。このような寿命の短縮は、低加速用にすることよって発生するイオンを外に引き出す効率が低下する結果、その効率低下に見合うだけイオンの発生を増加させなければならないことが原因と考えられる。後述するように、発生イオンはイオン源に対しては、劣化要因として作用する。
【０００９】
このようなイオン源の寿命の短縮は、半導体デバイス製造の生産性と製造コストに大きく影響する。その程度を試算すると、７０ｎｍ程度の深さのソース・ドレイン領域を形成する場合に比較して、１年にイオン源の交換部品が５０個ほど余計に必要であり、１回のメンテナンスで４時間の作業時間を要するとして作業時間は２００Ｈ程度増加する。これにより交換部品代および人件費として、イオン注入装置１台当たり年間で例えば１１，０００千円余の費用が新たに発生する。
【００１０】
本発明は、上記した事情を考慮してなされたもので、ガスをプラズマ化してイオンを発生するイオン源、そのようなイオン源を用いるイオン注入装置、およびイオン注入装置による半導体装置の製造方法において、微細構造の半導体デバイスの製造に適用したときの寿命延命に資することが可能なイオン源、イオン注入装置、および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係るイオン源は、内壁面と外壁面とを有するチャンバを具備し、かつ、前記チャンバに絶縁して設けられた、前記チャンバ内に熱電子を放出可能なカソードであって、前記チャンバの前記外壁面から前記内壁面へ貫通して設けられた開口部の外側から前記チャンバ内に突入するカソードキャップと、前記カソードキャップの内側に設けられたフィラメントとを有し、前記カソードキャップおよび／または前記フィラメントがタングステン（Ｗ）を主成分とし所定の金属元素を従成分として含む合金である前記カソードを具備し、前記チャンバの前記外壁面から前記内壁面へ貫通して設けられた前記開口部の前記カソードキャップに対向する部位が、テーパー形状を有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係るイオン注入装置は、内壁面と外壁面とを有するチャンバと、前記チャンバに絶縁して設けられた、前記チャンバ内に熱電子を放出可能なカソードであって、前記チャンバの前記外壁面から前記内壁面へ貫通して設けられた開口部の外側から前記チャンバ内に突入するカソードキャップと、前記カソードキャップの内側に設けられたフィラメントとを有し、前記カソードキャップおよび／または前記フィラメントがタングステン（Ｗ）を主成分とし所定の金属元素を従成分として含む合金である前記カソードとを備え、前記チャンバの前記外壁面から前記内壁面へ貫通して設けられた前記開口部の前記カソードキャップに対向する部位が、テーパー形状を有するイオン源を具備し、かつ、前記イオン源に接続して設けられ、前記イオン源に所定のガスを導入することにより前記イオン源にて発生されたイオンを導出・案内するイオン導出・案内系を具備し、かつ、前記イオン導出・案内系により導出・案内されたイオンが照射されるように被処理基体を保持し得るサセプタを具備することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、内壁面と外壁面とを有するチャンバと、前記チャンバに絶縁して設けられた、前記チャンバ内に熱電子を放出可能なカソードであって、前記チャンバの前記外壁面から前記内壁面へ貫通して設けられた開口部の外側から前記チャンバ内に突入するカソードキャップと、前記カソードキャップの内側に設けられたフィラメントとを有し、前記カソードキャップおよび／または前記フィラメントがタングステン（Ｗ）を主成分とし所定の金属元素を従成分として含む合金である前記カソードとを備え、前記チャンバの前記外壁面から前記内壁面へ貫通して設けられた前記開口部の前記カソードキャップに対向する部位が、テーパー形状を有するイオン源を具備し、かつ、前記イオン源に接続して設けられ、前記イオン源に所定のガスを導入することにより前記イオン源にて発生されたイオンを導出・案内するイオン導出・案内系を具備し、かつ、前記イオン導出・案内系により導出・案内されたイオンが照射されるように被処理基体を保持し得るサセプタを具備するイオン注入装置を用いる半導体装置の製造方法である。ここで、前記イオン源に前記所定のガスを導入する工程と、前記導入された所定のガスを前記カソードから放出される熱電子によりプラズマ化してイオンを発生させる工程と、前記発生されたイオンを前記イオン導出・案内系により前記イオン源から導出・案内し５ｋｅＶ以下のエネルギを与えて前記サセプタに保持された被処理基体に照射する工程とを具備することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係るイオン源、イオン注入装置、半導体装置の製造方法は、イオン源の内部構成として、以下のようなカソードを有するものを用いる。すなわち、ｉ）チャンバに絶縁して設けられた、チャンバ内に熱電子を放出可能なカソードであり、ｉｉ）チャンバの外壁面から内壁面へ貫通して設けられた開口部の外側からチャンバ内に突入するカソードキャップと、このカソードキャップの内側に設けられたフィラメントとを有するカソードであり、ｉｉｉ）カソードキャップおよび／またはフィラメントがタングステン（Ｗ）を主成分とし所定の金属元素を従成分として含む合金である。
【００１５】
このようなカソードによれば、イオン源の劣化が抑制され、イオン源の延命を図ることができる。イオン源劣化が抑制されるのは、ひとつの要因として、カソードがイオンやラジカルに対して耐性を有するように合金化され、その結果、その蒸気化が抑えられ、再結晶化した金属によるイオン源各部の絶縁不良発生が軽減されるからである。また、合金化により、カソードキャップに対するピンホール発生が軽減されるか、またはカソードキャップの内側に設けられたフィラメントが断線に至るのを先延ばしするからである。
【００１６】
また前記チャンバの前記外壁面から前記内壁面へ貫通して設けられた前記開口部の前記カソードキャップに対向する部位が、テーパー形状を有する。テーパー形状にすることにより、金属を含む蒸気の再結晶化によりこの部位に堆積する金属膜がカソードキャップとチャンバとを絶縁不良にするまでに成長する時間が、延長される。よって、さらにイオン源の延命になる。
【００１７】
また、本発明の実施態様として、前記所定の金属元素は、ランタノイド系元素のうちの一、アクチノイド系元素のうちの一、レニウム（Ｒｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、またはバリウム（Ｂａ）である。タングステンにこのような金属元素を添加することにより、イオンやラジカルに対して好ましい耐性を有する合金を得ることができる。
【００１８】
また、実施態様として、タングステン（Ｗ）に対する前記所定の金属元素の含有量は、１重量％ないし３０重量％である。少なすぎると好ましい耐性が得られず、多すぎると電気抵抗が増加しカソードとして好ましくなくなるからである。
【００１９】
また、実施態様として、前記チャンバは、タングステン（Ｗ）製である。実験によると、チャンバをＷ製とすることにより、イオン源としてさらに好ましい延命化が達成される。
【００２０】
また、実施態様として、前記チャンバの前記外壁面から前記内壁面へ貫通して設けられた前記開口部の前記カソードキャップに対向する部位において、前記チャンバと前記カソードキャップとの最小間隙が１ｍｍ以下である。イオン源のチャンバとカソードキャップとの最小間隙が１ｍｍ以下である場合においても、金属を含む蒸気の再結晶化の程度が小さいので、これらの間の絶縁不良発生を軽減し好ましい適用が可能である。
【００２１】
また、実施態様として、前記テーパー形状は、前記チャンバの前記外壁面から前記内壁面へ貫通して設けられた前記開口部の前記内壁面側において１００μｍ以上前記開口部の面を後退させその後退角度が６５度以下２５度以上になるようにした形状であって、かつ前記チャンバの前記外壁面から前記内壁面へ貫通して設けられた前記開口部において前記内壁面側から前記外壁面側に向かって前記内壁面を１００μｍ以上後退させた形状である。金属を含む蒸気の再結晶化によりチャンバの開口部に堆積する金属膜を、より効果的にカソード側から遠ざけるためのテーパー形状である。
【００２２】
以上を踏まえ、以下では本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。本発明の実施の形態を説明するため、まずイオン源の寿命の定義について述べておく。イオン源の寿命は、イオン源をイオン注入装置内に搭載して使い始めてから次のイオン源に交換することを要するに至るまでの供用時間であり、交換を要する状態は、具体的には、次の３つが主である。
【００２３】
ひとつは、チャンバで短絡が起こっている状態である（アーク放電を起こすべきチャンバで短絡が生じているので、以下、「アーク短絡」という。）。２番目は、アーク放電が全く生じなくなる状態である（例えばフィラメントの断線）。３番目は、イオン源から導出・案内されるビーム電流（イオン電流）が正常時の９０％以下になる状態である。これらの状態に至るとイオン源は交換を要する。
【００２４】
図１は、特に改良を加えていないあるイオン注入装置におけるバーナス型のイオン源の交換ごとの寿命の一例を示す図（ランチャート）である。ここでは５ｋｅＶ以下の低加速度用として用いる場合を想定している。より具体的には、ゲート長１００ｎｍ以下の最先端ＭＯＳ型トランジスタを製造するプロセスで使用するであろう、０．５ｋｅＶないし１．５ｋｅＶのＡｓイオン、ＢＦ２イオン、またはＧｅイオンと、０．２ｋｅＶないし０．５ｋｅＶのＢイオンとを発生イオン種とした場合である。イオン源におけるイオンの発生は、ランダムかつ連続的に行なう。
【００２５】
この場合、図１に示すように、イオン源の平均寿命は６２Ｈであり、かつそのばらつきも非常に大きいものとなっていることがわかった。（なお、図１の最も右側は、このような複数回のデータを統計的意味付けをもってプロットする記号である。以下でも同様である。）
【００２６】
発明者は、図１に示すような寿命特性のイオン源において寿命が尽きる原因を解析した。その結果は、図２に示すようなフィッシュボーン図になる。
【００２７】
アーク短絡は、イオン源各部で絶縁不良が生じることが原因であり、具体的には、フィラメントインシュレータやカソードインシュレータの絶縁不良、チャンバとカソードとの間の絶縁不良などの不良モードが判明した。
【００２８】
アーク放電が生じなくなるのは、フィラメントを囲うカソードキャップが消耗し、ピンホールが形成され、タングステンのフィラメントが断線することが原因と判明した。
【００２９】
ビーム電流の低下は、ビームが通過する各部のスリットの幅が、スリットを構成する部材の消耗により広がってしまうことが原因と判明した。各部のスリットとしては、サプレッション電極スリット、グランド電極スリット、フロントスリットなどが挙げられる。
【００３０】
図３は、上記の解析の結果判明したイオン源の劣化の主なものをモデル化して説明するためのバーナス型イオン源の模式的断面図である。図３において、チャンバ壁３１内がアーク放電によりガスをプラズマ化しイオンを発生させる反応室である。チャンバ壁３１には、図示しないガス導入開口部と発生されたイオンの導出開口部とがある。ここでは、チャンバ壁３１はモリブデン（Ｍｏ）製である。
【００３１】
チャンバ壁３１には、図示するように、カソード３４用の開口部があり、カソード３４は、この開口部の面とある間隙（１ｍｍ以下、例えば０．７ｍｍ）をもってチャンバ壁３１内に突入している。カソード３４は、筒状のカソードキャップ３２と、カソードキャップ３２内に設けられたフィラメント３３とからなる。カソードキャップ３２とフィラメント３３とは、ここではＷ製である。
【００３２】
チャンバ壁３１、カソードキャップ３２、フィラメント３３などの部材は、各インシュレータにより絶縁されている。すなわち、チャンバ壁３１はチャンバ／カソードインシュレータ３６により、カソードキャップ３２はカソードインシュレータ３７により、フィラメント３３はフィラメントインシュレータ３８により、それぞれ絶縁されている。
【００３３】
イオン発生のための動作中において、フィラメント３３に電流を流すことにより発生する熱電子は、カソードキャップ３２の内壁面に衝突する。これにより、カソードキャップ３２の外壁面からチャンバ壁３１内に熱電子が放出される。そして、リフレクタ３５を対向電極とする熱電子の運動によりアーク放電を発生させチャンバ壁３１内に導入されているガスをプラズマ化しイオンを発生させる。
【００３４】
このような構成と動作原理を有するバーナス型イオン源では、ガスから発生するラジカルや生成されたイオンが、チャンバ壁３１やカソードキャップ３２への衝突４１を起こすので、少なからずこれらに対してスパッタリングや化学的エッチング４２、４３が生じる。スパッタリングでは、チャンバ壁３１を構成するＭｏやカソードキャップ３２を構成するＷがそのまま蒸発する。化学的エッチングでは、ＭｏやＷの例えばフッ化物（ＭｏＦ６、ＷＦ６）が合成されガスとして蒸発する。
【００３５】
このような蒸発したＭｏ、Ｗは、再結晶化してチャンバ壁３１内壁などへの堆積物４５となる。ここで、堆積物４５は、エッチングなどにより削られる速度より堆積する速度が大きい部位では、厚膜化する。厚膜化は、したがって、図示するように、カソードキャップ３２に近いチャンバ壁３１の内壁面や開口部面では顕著に生じることになる。さらには、内壁面と開口部面とが構成するかどのような部位では、形状的な要因により再結晶化が起こりやすく特に厚くなる。これが、前述した、チャンバとカソードとの間の絶縁不良へと発展することになる。
【００３６】
また、上記のようなカソードキャップ３２へのスパッタリングや化学的エッチングにより、ピンホール４４も生じる。ピンホール４４の発生は、フィラメント３３へのエッチングやスパッタが発生する原因になるので、前述した、Ｗのフィラメントが断線する不良につながる。
【００３７】
次に、本発明の一実施形態に係るイオン源の構成について図４を参照して説明する。図４は、本発明の一実施形態に係るイオン源の構成を示す模式的断面図である。図４において、図３に示した構成要素と同一のものには同一番号を付してある。この実施形態に係るイオン源は、チャンバ壁３１ａとカソード３４ａ（カソードキャップ３２ａ、フィラメント３３ａ）とを少なくとも図３に示したものと異ならせることができる。
【００３８】
すなわち、チャンバ壁３１ａはＷ製であり、かつカソードキャップ３２ａに対向する開口部面にはテーパー７１が形成されている（テーパー７１の形状については後述する。）。また、フィラメント３３ａには、レニウム（Ｒｅ）が２６重量％添加されたＷを用いている。カソードキャップ３２ａについても図３に示したＷ製のものとは異ならせることができるが、まず、図３に示したＷ製のカソードキャップ３２と同じものであるとして説明する。
【００３９】
図５は、この場合のイオン源の寿命を評価したときの結果を示す図である。図５における「改善前」は、図１に示したデータであり、これに対し、図５における▲４▼が、この場合の改善結果たるデータである。このように、「改善前」に平均６２Ｈでかつ大きなばらつきを有していたイオン源寿命は、平均が１９０Ｈ以上と大きく改善されかつそのばらつきも顕著に小さくなることがわかる。
【００４０】
図５における▲１▼、▲２▼、▲３▼は、それぞれ、上記の改良点それぞれの寄与分を評価するために一部のみ改良した場合のイオン源について、同様にイオン源寿命を評価したものである。▲１▼では、フィラメント３３ａをＲｅ添加のＷ製のものにし、チャンバ壁についてはＭｏ製でかつ開口部にテーパー加工を施さないままの場合を示す。この場合で、平均寿命は１２０Ｈ程度まで延びる。
【００４１】
▲２▼では、フィラメント３３ａをＲｅ添加のＷ製のものにし、かつ、チャンバ壁についてはＭｏ製のままであるが開口部にテーパー加工を施した場合を示す。この場合、さらに平均寿命は２０Ｈ以上延び、１４０Ｈ以上となる。▲３▼では、フィラメント３３ａをＲｅ添加のＷ製のものにし、かつ、チャンバ壁についてＷ製のものに変えるがその開口部にテーパー加工を施さない場合を示す。この場合でも平均寿命は１４０Ｈ以上となる。
【００４２】
これらの結果から、フィラメント３３ａをＲｅが２６重量％添加されたＷ製とするだけで、平均寿命を２倍程度とするなど顕著な効果があることがわかる。これは、フィラメント３３ａがエッチングやスパッタがされにくい合金となったため断線しにくくなったためと考えられる。
【００４３】
また、チャンバ壁の開口部にテーパー７１を設けることで、カソードキャップ３２ａとの短絡不良を起こりにくくする効果があり、さらに、チャンバ壁３１ａをＷ製とすることによる効果も発揮されていることがわかる。
【００４４】
図６は、チャンバ壁３１ａの開口部に設けられるテーパー形状について説明する図である。図６（ａ）に示すテーパー７１ａは、ひとつの好ましい形状を示すものである。この場合の形状は、外壁面７３から内壁面７２へ貫通して設けられた開口部の内壁面７２側において１００μｍ以上前記開口部の面７４を後退させ（図のａが１００μｍ以上、例えば１５０ないし３００μｍ）、かつこの開口部において内壁面７２側から外壁面７３側に向かって内壁面７２を上記ａと同程度に後退させた形状（図のｂがａと同程度）である。この結果、開口部面７４の後退角度θは、ほぼ４５度である。
【００４５】
このような形状により、内壁面７２と開口部面７４とが構成するかどが後退し（除去され）、かどに堆積する金属膜がカソードキャップ３２ａに近づくのを効果的に軽減することができる。上記の図５内に示した結果はこのテーパー７１ａの場合である。
【００４６】
また、図６（ｂ）に示すテーパー７１ｂは、上記とは異なる好ましい形状を示すものである。この場合の形状は、外壁面７３から内壁面７２へ貫通して設けられた開口部の内壁面７２側において１００μｍ以上前記開口部の面７４を後退させその後退角度θが６５度以下２５度以上になるようにした形状であって、かつ、この開口部において内壁面７２側から外壁面７３側に向かって内壁面７２が１００μｍ以上後退された形状である。
【００４７】
このようなテーパー７１ｂの形状でも、寸法ａが１００μｍ以上であることから、内壁面７２と開口部面７４とが構成するかどが後退し（除去され）、かどに堆積する金属膜がカソードキャップ３２ａに近づくのを効果的に軽減することができる。また、特に後退角度θが４５度以下２５度以上の場合には、図でＰで示す開口部面７４とテーパー７１ｂとが構成するかどがより鈍角になるのでこの部位に着接して再結晶化する金属の量が抑制され絶縁不良発生の抑制にさらに都合がよい。
【００４８】
なお、後退角度θが６５度を超えると図６（ｂ）に示す部位Ｐのかどが直角により近づき、何らテーパーを設けない場合に近づいてしまい、かどに堆積する金属膜をカソードキャップ３２ａに近づかせない効果が薄れる。また、後退角度θが２５度を切ると、もとの開口部面７４の面積が小さくなりカソードキャップ３２ａとの間隙としての機能が制御されにくくなる。また、寸法ａ、ｂについては、実験的に十分な効果がある寸法を割り出しここでは１００μｍ以上とした。
【００４９】
フィラメント３３ａに添加する金属については、Ｒｅ以外にも、ランタノイド系元素のうちの一、アクチノイド系元素のうちの一、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、またはＢａを考えることができる。これらの金属の添加されたＷでもよりエッチング等されにくくなる。また、その濃度については、概して多量に添加することでよりエッチング等されにくくなる。１重量％以上のように意図的に添加し、かつ電気抵抗が大きくなってフィラメントとして不適とならないよう３０重量％以下とするのが好ましい。
【００５０】
図７は、チャンバ壁３１ａの開口部にテーパー７１を設けることによる効果のみを調べるため、フィラメントについてはＲｅ添加のないＷ製のものにし、チャンバ壁３１ａをＭｏ製とした場合のイオン源の寿命を評価した結果である。図７において、「改善前」は図１に示したデータであり、「チャンバにテーパーあり」がこの場合の改善結果たるデータである。この場合で、平均寿命は１２０Ｈ程度まで延びる。この結果から、チャンバ壁３１ａの開口部にテーパーを設けるだけでも、平均寿命を２倍程度とするなど顕著な効果があることがわかった。
【００５１】
図８は、図５に示したデータ▲４▼の場合に対して、さらに改良を加えた場合のイオン源の平均寿命を評価した結果である。図５のデータ▲４▼は、前述のように、フィラメント３３ａにＲｅが２６重量％添加されたＷを用い、かつチャンバ壁３１ａのカソードキャップ３２ａに対向する開口部面にはテーパー７１が形成されており、かつチャンバ壁３１ａがＷ製である場合である。図８に示す場合は、さらに、カソードキャップ３２ａについてＷにＲｅまたはＹを添加したものを用いその添加濃度（単位：原子％）を振ったときのデータである。
【００５２】
図８に示すように、カソードキャップ３２ａとして、ＷにＲｅまたはＹを添加したものを用いると添加濃度が増加するにつれてイオン源寿命はさらに向上することがわかる。これは、カソードキャップ３２ａがエッチングやスパッタがされにくい合金となったため、カソードキャップ３２ａとチャンバ壁３１ａとの間隙に堆積する金属量が減少して絶縁不良が生じ難くなり、かつカソードキャップ３２ａにピンホールが形成されにくくなってフィラメント３３ａの断線も生じにくくなったからと考えられる。
【００５３】
カソードキャップ３２ａに添加する金属についても、フィラメント３３ａの場合と同様に、Ｒｅ、Ｙ以外に、ランタノイド系元素のうちの一、アクチノイド系元素のうちの一、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、またはＢａを考えることができる。また、その濃度についても、同様に、１重量％以上のように意図的に添加し、かつ３０重量％以下とするのが目安となる。
【００５４】
次に、以上説明した実施形態たるイオン源を用いるイオン注入装置について図９を参照して説明する。図９は、本発明の一実施形態たるイオン注入装置の構成を模式的に示す図であり、イオン源５１と、引き出し電極５２からアパーチャまたはマスク５８までのイオン案内・導出系と、被処理基体６１を保持するサセプタ５９とを構成要素として有する。
【００５５】
このイオン注入装置では、まずイオン源５１でイオンが生成される。イオン源５１については上記で述べた通りである。次に、生成されたイオンは、イオン源５１に隣接して設けられた引き出し電極５２によってイオン源５１のイオン導出開口部から引き出され、イオンビーム６０となって質量分離電磁石５３に導入される。
【００５６】
質量分離電磁石５３では、電荷と質量に応じてイオン種ごとに質量分離がなされる。質量分離電磁石５３を通過したイオンは、続いてアパーチャ５４に導入され、そこで所望のイオン種のみが完全に分離される。分離された所望のイオン種は、加速／減速器５５によって所望の最終エネルギー（例えば５ｋｅＶ以下）まで加速または減速される。
【００５７】
そして、所望のエネルギーを持ったイオンビームが、四重極レンズ５６によって、サセプタ５９上に設けられた被処理基体６１（例えば半導体基板）の表面に集束点を持つように集束される。ここで、イオンビームは、走査器５７により被処理基体６１面全体で注入量が一様になるように走査される。そして、アパーチャまたはマスク５８を通して被処理基体６１表面にイオンビームが照射され、被処理基体６１にイオン注入がなされる。
【００５８】
本実施形態に係るイオン注入装置によれば、ゲート長が１００ｎｍ以下であるような最先端のＭＯＳ型トランジスタの製造においてイオン源５１の交換頻度を小さくし、生産性向上、低コスト化を実現できる。
【００５９】
図１０は、本発明の別の実施形態たるイオン注入装置の構成を模式的に示す図である。図１０において図９と同一の構成要素には同一番号を付してある。この実施形態は、図９に示した場合に比較してイオン案内・導出系の構成が異なる。
【００６０】
このイオン注入装置では、まずイオン源５１でイオンが生成され、次に、生成されたイオンが、イオン源５１に隣接して設けられた引き出し電極５２によってイオン源５１のイオン導出開口部から引き出されるところまでは、図９に示した実施形態と同様である。
【００６１】
次に、引き出し電極５２によって引き出されイオンは加速／減速器５５に導入され、これにより所望の最終エネルギー（例えば５ｋｅＶ以下）まで加速または減速されたイオンビーム６０ａを得る。このイオンビーム６０ａは、質量分離電磁石５３に導入され、ここで、電荷と質量に応じてイオン種ごとに質量分離がなされる。質量分離電磁石５３を通過したイオンは、続いてアパーチャ５４ａに導入され、そこで所望のイオン種のみが完全に分離される。
【００６２】
分離された所望のイオン種は、四重極レンズ５６ａによって、サセプタ５９上に設けられた被処理基体６１の表面に集束点を持つように集束される。集束されたイオンビームは、アパーチャ６２を介して、走査器５７ａにより被処理基体６１面全体で注入量が一様になるように走査される。走査に際しては、コリメーションマグネット６３によりイオンビームを平行化して広げ、これにより、アパーチャまたはマスク５８を通して被処理基体６１表面にイオンビームを照射する。イオンビーム照射により被処理基体６１にイオン注入がなされる。
【００６３】
本実施形態に係るイオン注入装置によっても、ゲート長が１００ｎｍ以下であるような最先端のＭＯＳ型トランジスタの製造においてイオン源５１の交換頻度を小さくし、生産性向上、低コスト化を実現できる。
【００６４】
以上、本発明の実施形態について述べたが、イオン源については、イオン注入装置に適用する以外に、例えば、被処理基体に対してエッチングを行なうエッチング装置用として用いることもできる。
【００６５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係る、イオン源、イオン注入装置、半導体装置の製造方法によれば、イオン源の内部構成としてのカソードが、ｉ）チャンバに絶縁して設けられた、チャンバ内に熱電子を放出可能なカソードであり，ｉｉ）チャンバの外壁面から内壁面へ貫通して設けられた開口部の外側からチャンバ内に突入するカソードキャップと、このカソードキャップの内側に設けられたフィラメントとを有するカソードであり、ｉｉｉ）カソードキャップおよび／またはフィラメントがタングステン（Ｗ）を主成分とし所定の金属元素を従成分として含む合金である。イオン源の劣化が抑制され、イオン源の延命を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】あるイオン注入装置におけるバーナス型イオン源の交換ごとの寿命の一例を示す図（ランチャート）。
【図２】図１に示すような寿命特性のイオン源において、寿命が尽きる原因を示すフィッシュボーン図。
【図３】イオン源の劣化をモデル化して説明するバーナス型イオン源の模式的断面図。
【図４】本発明の一実施形態に係るイオン源の構成を示す模式的断面図。
【図５】図４に示す実施形態のイオン源の寿命を評価した結果を示す図。
【図６】図４に示すチャンバ壁３１ａの開口部に設けられるテーパー形状について説明する図。
【図７】図４に示す実施形態において、フィラメントについてはＲｅ添加のないＷ製のものにし、チャンバ壁３１ａをＭｏ製として開口部にテーパーを設けた場合のイオン源の寿命を評価した結果を示す図。
【図８】図５に示したデータの場合に対して、さらに改良を加えた場合のイオン源の平均寿命を評価した結果を示す図。
【図９】本発明の一実施形態たるイオン注入装置の構成を模式的に示す図。
【図１０】本発明の別の実施形態たるイオン注入装置の構成を模式的に示す図。
【符号の説明】
３１ａ…チャンバ壁 ３２ａ…カソードキャップ ３３ａ…フィラメント ３４ａ…カソード ３５…リフレクタ ３６…チャンバ／カソードインシュレータ３７…カソードインシュレータ ３８…フィラメントインシュレータ ５１…イオン源 ５２…引き出し電極 ５３…質量分離電磁石 ５４、５４ａ…アパーチャ ５５、５５ａ…加速／減速器 ５６、５６ａ…四重極レンズ ５７、５７ａ…走査器 ５８…アパーチャまたはマスク ５９…サセプタ ６０、６０ａ…イオンビーム ６１…被処理基体 ６２…アパーチャ ６３…コリメーションマグネット ７１、７１ａ、７１ｂ…テーパー ７２…内壁面 ７３…外壁面 ７４…開口部面
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスをプラズマ化してイオンを発生するイオン源、そのようなイオン源を用いるイオン注入装置、およびイオン注入装置による半導体装置の製造方法に係り、特に、微細構造の半導体デバイスの製造に適用して好適なイオン源、イオン注入装置、および半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器、通信機器などに用いられる半導体デバイスは、ますます高集積化しかつ集積化される素子は微細化している。このように集積されたＬＳＩ（large scale integration）は、これらが使用される機器全体の性能に大きくかかわっているといってよい。
【０００３】
集積素子の微細化は、例えば、ＭＯＳ（metal oxide semiconductor）型電界効果トランジスタの場合であれば、ゲート長の短縮化およびソース・ドレイン領域の薄層化により実現できる。浅いソース・ドレイン領域を形成するためには、低加速イオン注入法が広く用いられている。この方法を用いて半導体基板にイオンを注入することで、現状で１００ｎｍ以下の浅いソース・ドレイン領域が形成され得る。
【０００４】
ところで、低加速イオン注入法を行なうためのイオン注入装置には、イオン源と、このイオン源から被処理基体（半導体基板）までのイオンの導出・案内系とが最低限必要である。このうちイオン源については、所定のガスをアーク放電でプラズマ化しイオンを発生させる装置が一般的である。プラズマ化するための装置には、大別して、熱電極を用いるバーナス（Burnus）型、およびフリーマン（Freeman）型とマグネトロンを用いるマイクロ波型とがある。なお、従来のイオン発生装置には例えば下記特許文献１記載のものがある。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−９３４３１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
イオン注入装置においては、イオン源をメンテナンス時に交換する形態が一般的である。これは、イオン注入装置を稼働させ半導体デバイス製造などに供用すると次第にイオン源が劣化し所期の動作がなされなくなるためである。例えば、バーナス型のイオン源を有し７０ｎｍ程度の深さのソース・ドレイン領域を形成するイオン注入装置では、イオン源の交換サイクルは平均して例えば１７０Ｈ（時間）である。
【０００７】
さらに、このようなイオン注入装置を例えば２０ｎｍ程度の深さのソース・ドレイン領域を形成するため用いるには、例えば、発生されたイオンに大きくとも５ｋｅＶ以下の低エネルギを与えて加速する方法を用いることができる。２０ｎｍ程度の深さのソース・ドレイン領域の形成は、さらに微細構造のＭＯＳトランジスタ（ゲート長でいうと１００ｎｍ以下ゲート長のＭＯＳ型トランジスタに相当）の製造に必須である。
【０００８】
しかしながら、イオン注入装置をこのような低加速用に適用した場合、イオン源の寿命が顕著に短縮することが確かめられた。その場合の寿命の平均値は例えば６０〜７０Ｈである。このような寿命の短縮は、低加速用にすることよって発生するイオンを外に引き出す効率が低下する結果、その効率低下に見合うだけイオンの発生を増加させなければならないことが原因と考えられる。後述するように、発生イオンはイオン源に対しては、劣化要因として作用する。
【０００９】
このようなイオン源の寿命の短縮は、半導体デバイス製造の生産性と製造コストに大きく影響する。その程度を試算すると、７０ｎｍ程度の深さのソース・ドレイン領域を形成する場合に比較して、１年にイオン源の交換部品が５０個ほど余計に必要であり、１回のメンテナンスで４時間の作業時間を要するとして作業時間は２００Ｈ程度増加する。これにより交換部品代および人件費として、イオン注入装置１台当たり年間で例えば１１，０００千円余の費用が新たに発生する。
【００１０】
本発明は、上記した事情を考慮してなされたもので、ガスをプラズマ化してイオンを発生するイオン源、そのようなイオン源を用いるイオン注入装置、およびイオン注入装置による半導体装置の製造方法において、微細構造の半導体デバイスの製造に適用したときの寿命延命に資することが可能なイオン源、イオン注入装置、および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係るイオン源は、内壁面と外壁面とを有するチャンバを具備し、かつ、前記チャンバに絶縁して設けられた、前記チャンバ内に熱電子を放出可能なカソードであって、前記チャンバの前記外壁面から前記内壁面へ貫通して設けられた開口部の外側から前記チャンバ内に突入するカソードキャップと、前記カソードキャップの内側に設けられたフィラメントとを有し、前記カソードキャップおよび／または前記フィラメントがタングステン（Ｗ）を主成分とし所定の金属元素を従成分として含む合金である前記カソードを具備し、前記チャンバの前記外壁面から前記内壁面へ貫通して設けられた前記開口部の前記カソードキャップに対向する部位が、テーパー形状を有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係るイオン注入装置は、内壁面と外壁面とを有するチャンバと、前記チャンバに絶縁して設けられた、前記チャンバ内に熱電子を放出可能なカソードであって、前記チャンバの前記外壁面から前記内壁面へ貫通して設けられた開口部の外側から前記チャンバ内に突入するカソードキャップと、前記カソードキャップの内側に設けられたフィラメントとを有し、前記カソードキャップおよび／または前記フィラメントがタングステン（Ｗ）を主成分とし所定の金属元素を従成分として含む合金である前記カソードとを備え、前記チャンバの前記外壁面から前記内壁面へ貫通して設けられた前記開口部の前記カソードキャップに対向する部位が、テーパー形状を有するイオン源を具備し、かつ、前記イオン源に接続して設けられ、前記イオン源に所定のガスを導入することにより前記イオン源にて発生されたイオンを導出・案内するイオン導出・案内系を具備し、かつ、前記イオン導出・案内系により導出・案内されたイオンが照射されるように被処理基体を保持し得るサセプタを具備することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、内壁面と外壁面とを有するチャンバと、前記チャンバに絶縁して設けられた、前記チャンバ内に熱電子を放出可能なカソードであって、前記チャンバの前記外壁面から前記内壁面へ貫通して設けられた開口部の外側から前記チャンバ内に突入するカソードキャップと、前記カソードキャップの内側に設けられたフィラメントとを有し、前記カソードキャップおよび／または前記フィラメントがタングステン（Ｗ）を主成分とし所定の金属元素を従成分として含む合金である前記カソードとを備え、前記チャンバの前記外壁面から前記内壁面へ貫通して設けられた前記開口部の前記カソードキャップに対向する部位が、テーパー形状を有するイオン源を具備し、かつ、前記イオン源に接続して設けられ、前記イオン源に所定のガスを導入することにより前記イオン源にて発生されたイオンを導出・案内するイオン導出・案内系を具備し、かつ、前記イオン導出・案内系により導出・案内されたイオンが照射されるように被処理基体を保持し得るサセプタを具備するイオン注入装置を用いる半導体装置の製造方法である。ここで、前記イオン源に前記所定のガスを導入する工程と、前記導入された所定のガスを前記カソードから放出される熱電子によりプラズマ化してイオンを発生させる工程と、前記発生されたイオンを前記イオン導出・案内系により前記イオン源から導出・案内し５ｋｅＶ以下のエネルギを与えて前記サセプタに保持された被処理基体に照射する工程とを具備することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係るイオン源、イオン注入装置、半導体装置の製造方法は、イオン源の内部構成として、以下のようなカソードを有するものを用いる。すなわち、ｉ）チャンバに絶縁して設けられた、チャンバ内に熱電子を放出可能なカソードであり、ｉｉ）チャンバの外壁面から内壁面へ貫通して設けられた開口部の外側からチャンバ内に突入するカソードキャップと、このカソードキャップの内側に設けられたフィラメントとを有するカソードであり、ｉｉｉ）カソードキャップおよび／またはフィラメントがタングステン（Ｗ）を主成分とし所定の金属元素を従成分として含む合金である。
【００１５】
このようなカソードによれば、イオン源の劣化が抑制され、イオン源の延命を図ることができる。イオン源劣化が抑制されるのは、ひとつの要因として、カソードがイオンやラジカルに対して耐性を有するように合金化され、その結果、その蒸気化が抑えられ、再結晶化した金属によるイオン源各部の絶縁不良発生が軽減されるからである。また、合金化により、カソードキャップに対するピンホール発生が軽減されるか、またはカソードキャップの内側に設けられたフィラメントが断線に至るのを先延ばしするからである。
【００１６】
また前記チャンバの前記外壁面から前記内壁面へ貫通して設けられた前記開口部の前記カソードキャップに対向する部位が、テーパー形状を有する。テーパー形状にすることにより、金属を含む蒸気の再結晶化によりこの部位に堆積する金属膜がカソードキャップとチャンバとを絶縁不良にするまでに成長する時間が、延長される。よって、さらにイオン源の延命になる。
【００１７】
また、本発明の実施態様として、前記所定の金属元素は、ランタノイド系元素のうちの一、アクチノイド系元素のうちの一、レニウム（Ｒｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、またはバリウム（Ｂａ）である。タングステンにこのような金属元素を添加することにより、イオンやラジカルに対して好ましい耐性を有する合金を得ることができる。
【００１８】
また、実施態様として、タングステン（Ｗ）に対する前記所定の金属元素の含有量は、１重量％ないし３０重量％である。少なすぎると好ましい耐性が得られず、多すぎると電気抵抗が増加しカソードとして好ましくなくなるからである。
【００１９】
また、実施態様として、前記チャンバは、タングステン（Ｗ）製である。実験によると、チャンバをＷ製とすることにより、イオン源としてさらに好ましい延命化が達成される。
【００２０】
また、実施態様として、前記チャンバの前記外壁面から前記内壁面へ貫通して設けられた前記開口部の前記カソードキャップに対向する部位において、前記チャンバと前記カソードキャップとの最小間隙が１ｍｍ以下である。イオン源のチャンバとカソードキャップとの最小間隙が１ｍｍ以下である場合においても、金属を含む蒸気の再結晶化の程度が小さいので、これらの間の絶縁不良発生を軽減し好ましい適用が可能である。
【００２１】
また、実施態様として、前記テーパー形状は、前記チャンバの前記外壁面から前記内壁面へ貫通して設けられた前記開口部の前記内壁面側において１００μｍ以上前記開口部の面を後退させその後退角度が６５度以下２５度以上になるようにした形状であって、かつ前記チャンバの前記外壁面から前記内壁面へ貫通して設けられた前記開口部において前記内壁面側から前記外壁面側に向かって前記内壁面を１００μｍ以上後退させた形状である。金属を含む蒸気の再結晶化によりチャンバの開口部に堆積する金属膜を、より効果的にカソード側から遠ざけるためのテーパー形状である。
【００２２】
以上を踏まえ、以下では本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。本発明の実施の形態を説明するため、まずイオン源の寿命の定義について述べておく。イオン源の寿命は、イオン源をイオン注入装置内に搭載して使い始めてから次のイオン源に交換することを要するに至るまでの供用時間であり、交換を要する状態は、具体的には、次の３つが主である。
【００２３】
ひとつは、チャンバで短絡が起こっている状態である（アーク放電を起こすべきチャンバで短絡が生じているので、以下、「アーク短絡」という。）。２番目は、アーク放電が全く生じなくなる状態である（例えばフィラメントの断線）。３番目は、イオン源から導出・案内されるビーム電流（イオン電流）が正常時の９０％以下になる状態である。これらの状態に至るとイオン源は交換を要する。
【００２４】
図１は、特に改良を加えていないあるイオン注入装置におけるバーナス型のイオン源の交換ごとの寿命の一例を示す図（ランチャート）である。ここでは５ｋｅＶ以下の低加速度用として用いる場合を想定している。より具体的には、ゲート長１００ｎｍ以下の最先端ＭＯＳ型トランジスタを製造するプロセスで使用するであろう、０．５ｋｅＶないし１．５ｋｅＶのＡｓイオン、ＢＦ２イオン、またはＧｅイオンと、０．２ｋｅＶないし０．５ｋｅＶのＢイオンとを発生イオン種とした場合である。イオン源におけるイオンの発生は、ランダムかつ連続的に行なう。
【００２５】
この場合、図１に示すように、イオン源の平均寿命は６２Ｈであり、かつそのばらつきも非常に大きいものとなっていることがわかった。（なお、図１の最も右側は、このような複数回のデータを統計的意味付けをもってプロットする記号である。以下でも同様である。）
【００２６】
発明者は、図１に示すような寿命特性のイオン源において寿命が尽きる原因を解析した。その結果は、図２に示すようなフィッシュボーン図になる。
【００２７】
アーク短絡は、イオン源各部で絶縁不良が生じることが原因であり、具体的には、フィラメントインシュレータやカソードインシュレータの絶縁不良、チャンバとカソードとの間の絶縁不良などの不良モードが判明した。
【００２８】
アーク放電が生じなくなるのは、フィラメントを囲うカソードキャップが消耗し、ピンホールが形成され、タングステンのフィラメントが断線することが原因と判明した。
【００２９】
ビーム電流の低下は、ビームが通過する各部のスリットの幅が、スリットを構成する部材の消耗により広がってしまうことが原因と判明した。各部のスリットとしては、サプレッション電極スリット、グランド電極スリット、フロントスリットなどが挙げられる。
【００３０】
図３は、上記の解析の結果判明したイオン源の劣化の主なものをモデル化して説明するためのバーナス型イオン源の模式的断面図である。図３において、チャンバ壁３１内がアーク放電によりガスをプラズマ化しイオンを発生させる反応室である。チャンバ壁３１には、図示しないガス導入開口部と発生されたイオンの導出開口部とがある。ここでは、チャンバ壁３１はモリブデン（Ｍｏ）製である。
【００３１】
チャンバ壁３１には、図示するように、カソード３４用の開口部があり、カソード３４は、この開口部の面とある間隙（１ｍｍ以下、例えば０．７ｍｍ）をもってチャンバ壁３１内に突入している。カソード３４は、筒状のカソードキャップ３２と、カソードキャップ３２内に設けられたフィラメント３３とからなる。カソードキャップ３２とフィラメント３３とは、ここではＷ製である。
【００３２】
チャンバ壁３１、カソードキャップ３２、フィラメント３３などの部材は、各インシュレータにより絶縁されている。すなわち、チャンバ壁３１はチャンバ／カソードインシュレータ３６により、カソードキャップ３２はカソードインシュレータ３７により、フィラメント３３はフィラメントインシュレータ３８により、それぞれ絶縁されている。
【００３３】
イオン発生のための動作中において、フィラメント３３に電流を流すことにより発生する熱電子は、カソードキャップ３２の内壁面に衝突する。これにより、カソードキャップ３２の外壁面からチャンバ壁３１内に熱電子が放出される。そして、リフレクタ３５を対向電極とする熱電子の運動によりアーク放電を発生させチャンバ壁３１内に導入されているガスをプラズマ化しイオンを発生させる。
【００３４】
このような構成と動作原理を有するバーナス型イオン源では、ガスから発生するラジカルや生成されたイオンが、チャンバ壁３１やカソードキャップ３２への衝突４１を起こすので、少なからずこれらに対してスパッタリングや化学的エッチング４２、４３が生じる。スパッタリングでは、チャンバ壁３１を構成するＭｏやカソードキャップ３２を構成するＷがそのまま蒸発する。化学的エッチングでは、ＭｏやＷの例えばフッ化物（ＭｏＦ６、ＷＦ６）が合成されガスとして蒸発する。
【００３５】
このような蒸発したＭｏ、Ｗは、再結晶化してチャンバ壁３１内壁などへの堆積物４５となる。ここで、堆積物４５は、エッチングなどにより削られる速度より堆積する速度が大きい部位では、厚膜化する。厚膜化は、したがって、図示するように、カソードキャップ３２に近いチャンバ壁３１の内壁面や開口部面では顕著に生じることになる。さらには、内壁面と開口部面とが構成するかどのような部位では、形状的な要因により再結晶化が起こりやすく特に厚くなる。これが、前述した、チャンバとカソードとの間の絶縁不良へと発展することになる。
【００３６】
また、上記のようなカソードキャップ３２へのスパッタリングや化学的エッチングにより、ピンホール４４も生じる。ピンホール４４の発生は、フィラメント３３へのエッチングやスパッタが発生する原因になるので、前述した、Ｗのフィラメントが断線する不良につながる。
【００３７】
次に、本発明の一実施形態に係るイオン源の構成について図４を参照して説明する。図４は、本発明の一実施形態に係るイオン源の構成を示す模式的断面図である。図４において、図３に示した構成要素と同一のものには同一番号を付してある。この実施形態に係るイオン源は、チャンバ壁３１ａとカソード３４ａ（カソードキャップ３２ａ、フィラメント３３ａ）とを少なくとも図３に示したものと異ならせることができる。
【００３８】
すなわち、チャンバ壁３１ａはＷ製であり、かつカソードキャップ３２ａに対向する開口部面にはテーパー７１が形成されている（テーパー７１の形状については後述する。）。また、フィラメント３３ａには、レニウム（Ｒｅ）が２６重量％添加されたＷを用いている。カソードキャップ３２ａについても図３に示したＷ製のものとは異ならせることができるが、まず、図３に示したＷ製のカソードキャップ３２と同じものであるとして説明する。
【００３９】
図５は、この場合のイオン源の寿命を評価したときの結果を示す図である。図５における「改善前」は、図１に示したデータであり、これに対し、図５における▲４▼が、この場合の改善結果たるデータである。このように、「改善前」に平均６２Ｈでかつ大きなばらつきを有していたイオン源寿命は、平均が１９０Ｈ以上と大きく改善されかつそのばらつきも顕著に小さくなることがわかる。
【００４０】
図５における▲１▼、▲２▼、▲３▼は、それぞれ、上記の改良点それぞれの寄与分を評価するために一部のみ改良した場合のイオン源について、同様にイオン源寿命を評価したものである。▲１▼では、フィラメント３３ａをＲｅ添加のＷ製のものにし、チャンバ壁についてはＭｏ製でかつ開口部にテーパー加工を施さないままの場合を示す。この場合で、平均寿命は１２０Ｈ程度まで延びる。
【００４１】
▲２▼では、フィラメント３３ａをＲｅ添加のＷ製のものにし、かつ、チャンバ壁についてはＭｏ製のままであるが開口部にテーパー加工を施した場合を示す。この場合、さらに平均寿命は２０Ｈ以上延び、１４０Ｈ以上となる。▲３▼では、フィラメント３３ａをＲｅ添加のＷ製のものにし、かつ、チャンバ壁についてＷ製のものに変えるがその開口部にテーパー加工を施さない場合を示す。この場合でも平均寿命は１４０Ｈ以上となる。
【００４２】
これらの結果から、フィラメント３３ａをＲｅが２６重量％添加されたＷ製とするだけで、平均寿命を２倍程度とするなど顕著な効果があることがわかる。これは、フィラメント３３ａがエッチングやスパッタがされにくい合金となったため断線しにくくなったためと考えられる。
【００４３】
また、チャンバ壁の開口部にテーパー７１を設けることで、カソードキャップ３２ａとの短絡不良を起こりにくくする効果があり、さらに、チャンバ壁３１ａをＷ製とすることによる効果も発揮されていることがわかる。
【００４４】
図６は、チャンバ壁３１ａの開口部に設けられるテーパー形状について説明する図である。図６（ａ）に示すテーパー７１ａは、ひとつの好ましい形状を示すものである。この場合の形状は、外壁面７３から内壁面７２へ貫通して設けられた開口部の内壁面７２側において１００μｍ以上前記開口部の面７４を後退させ（図のａが１００μｍ以上、例えば１５０ないし３００μｍ）、かつこの開口部において内壁面７２側から外壁面７３側に向かって内壁面７２を上記ａと同程度に後退させた形状（図のｂがａと同程度）である。この結果、開口部面７４の後退角度θは、ほぼ４５度である。
【００４５】
このような形状により、内壁面７２と開口部面７４とが構成するかどが後退し（除去され）、かどに堆積する金属膜がカソードキャップ３２ａに近づくのを効果的に軽減することができる。上記の図５内に示した結果はこのテーパー７１ａの場合である。
【００４６】
また、図６（ｂ）に示すテーパー７１ｂは、上記とは異なる好ましい形状を示すものである。この場合の形状は、外壁面７３から内壁面７２へ貫通して設けられた開口部の内壁面７２側において１００μｍ以上前記開口部の面７４を後退させその後退角度θが６５度以下２５度以上になるようにした形状であって、かつ、この開口部において内壁面７２側から外壁面７３側に向かって内壁面７２が１００μｍ以上後退された形状である。
【００４７】
このようなテーパー７１ｂの形状でも、寸法ａが１００μｍ以上であることから、内壁面７２と開口部面７４とが構成するかどが後退し（除去され）、かどに堆積する金属膜がカソードキャップ３２ａに近づくのを効果的に軽減することができる。また、特に後退角度θが４５度以下２５度以上の場合には、図でＰで示す開口部面７４とテーパー７１ｂとが構成するかどがより鈍角になるのでこの部位に着接して再結晶化する金属の量が抑制され絶縁不良発生の抑制にさらに都合がよい。
【００４８】
なお、後退角度θが６５度を超えると図６（ｂ）に示す部位Ｐのかどが直角により近づき、何らテーパーを設けない場合に近づいてしまい、かどに堆積する金属膜をカソードキャップ３２ａに近づかせない効果が薄れる。また、後退角度θが２５度を切ると、もとの開口部面７４の面積が小さくなりカソードキャップ３２ａとの間隙としての機能が制御されにくくなる。また、寸法ａ、ｂについては、実験的に十分な効果がある寸法を割り出しここでは１００μｍ以上とした。
【００４９】
フィラメント３３ａに添加する金属については、Ｒｅ以外にも、ランタノイド系元素のうちの一、アクチノイド系元素のうちの一、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、またはＢａを考えることができる。これらの金属の添加されたＷでもよりエッチング等されにくくなる。また、その濃度については、概して多量に添加することでよりエッチング等されにくくなる。１重量％以上のように意図的に添加し、かつ電気抵抗が大きくなってフィラメントとして不適とならないよう３０重量％以下とするのが好ましい。
【００５０】
図７は、チャンバ壁３１ａの開口部にテーパー７１を設けることによる効果のみを調べるため、フィラメントについてはＲｅ添加のないＷ製のものにし、チャンバ壁３１ａをＭｏ製とした場合のイオン源の寿命を評価した結果である。図７において、「改善前」は図１に示したデータであり、「チャンバにテーパーあり」がこの場合の改善結果たるデータである。この場合で、平均寿命は１２０Ｈ程度まで延びる。この結果から、チャンバ壁３１ａの開口部にテーパーを設けるだけでも、平均寿命を２倍程度とするなど顕著な効果があることがわかった。
【００５１】
図８は、図５に示したデータ▲４▼の場合に対して、さらに改良を加えた場合のイオン源の平均寿命を評価した結果である。図５のデータ▲４▼は、前述のように、フィラメント３３ａにＲｅが２６重量％添加されたＷを用い、かつチャンバ壁３１ａのカソードキャップ３２ａに対向する開口部面にはテーパー７１が形成されており、かつチャンバ壁３１ａがＷ製である場合である。図８に示す場合は、さらに、カソードキャップ３２ａについてＷにＲｅまたはＹを添加したものを用いその添加濃度（単位：原子％）を振ったときのデータである。
【００５２】
図８に示すように、カソードキャップ３２ａとして、ＷにＲｅまたはＹを添加したものを用いると添加濃度が増加するにつれてイオン源寿命はさらに向上することがわかる。これは、カソードキャップ３２ａがエッチングやスパッタがされにくい合金となったため、カソードキャップ３２ａとチャンバ壁３１ａとの間隙に堆積する金属量が減少して絶縁不良が生じ難くなり、かつカソードキャップ３２ａにピンホールが形成されにくくなってフィラメント３３ａの断線も生じにくくなったからと考えられる。
【００５３】
カソードキャップ３２ａに添加する金属についても、フィラメント３３ａの場合と同様に、Ｒｅ、Ｙ以外に、ランタノイド系元素のうちの一、アクチノイド系元素のうちの一、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、またはＢａを考えることができる。また、その濃度についても、同様に、１重量％以上のように意図的に添加し、かつ３０重量％以下とするのが目安となる。
【００５４】
次に、以上説明した実施形態たるイオン源を用いるイオン注入装置について図９を参照して説明する。図９は、本発明の一実施形態たるイオン注入装置の構成を模式的に示す図であり、イオン源５１と、引き出し電極５２からアパーチャまたはマスク５８までのイオン案内・導出系と、被処理基体６１を保持するサセプタ５９とを構成要素として有する。
【００５５】
このイオン注入装置では、まずイオン源５１でイオンが生成される。イオン源５１については上記で述べた通りである。次に、生成されたイオンは、イオン源５１に隣接して設けられた引き出し電極５２によってイオン源５１のイオン導出開口部から引き出され、イオンビーム６０となって質量分離電磁石５３に導入される。
【００５６】
質量分離電磁石５３では、電荷と質量に応じてイオン種ごとに質量分離がなされる。質量分離電磁石５３を通過したイオンは、続いてアパーチャ５４に導入され、そこで所望のイオン種のみが完全に分離される。分離された所望のイオン種は、加速／減速器５５によって所望の最終エネルギー（例えば５ｋｅＶ以下）まで加速または減速される。
【００５７】
そして、所望のエネルギーを持ったイオンビームが、四重極レンズ５６によって、サセプタ５９上に設けられた被処理基体６１（例えば半導体基板）の表面に集束点を持つように集束される。ここで、イオンビームは、走査器５７により被処理基体６１面全体で注入量が一様になるように走査される。そして、アパーチャまたはマスク５８を通して被処理基体６１表面にイオンビームが照射され、被処理基体６１にイオン注入がなされる。
【００５８】
本実施形態に係るイオン注入装置によれば、ゲート長が１００ｎｍ以下であるような最先端のＭＯＳ型トランジスタの製造においてイオン源５１の交換頻度を小さくし、生産性向上、低コスト化を実現できる。
【００５９】
図１０は、本発明の別の実施形態たるイオン注入装置の構成を模式的に示す図である。図１０において図９と同一の構成要素には同一番号を付してある。この実施形態は、図９に示した場合に比較してイオン案内・導出系の構成が異なる。
【００６０】
このイオン注入装置では、まずイオン源５１でイオンが生成され、次に、生成されたイオンが、イオン源５１に隣接して設けられた引き出し電極５２によってイオン源５１のイオン導出開口部から引き出されるところまでは、図９に示した実施形態と同様である。
【００６１】
次に、引き出し電極５２によって引き出されイオンは加速／減速器５５に導入され、これにより所望の最終エネルギー（例えば５ｋｅＶ以下）まで加速または減速されたイオンビーム６０ａを得る。このイオンビーム６０ａは、質量分離電磁石５３に導入され、ここで、電荷と質量に応じてイオン種ごとに質量分離がなされる。質量分離電磁石５３を通過したイオンは、続いてアパーチャ５４ａに導入され、そこで所望のイオン種のみが完全に分離される。
【００６２】
分離された所望のイオン種は、四重極レンズ５６ａによって、サセプタ５９上に設けられた被処理基体６１の表面に集束点を持つように集束される。集束されたイオンビームは、アパーチャ６２を介して、走査器５７ａにより被処理基体６１面全体で注入量が一様になるように走査される。走査に際しては、コリメーションマグネット６３によりイオンビームを平行化して広げ、これにより、アパーチャまたはマスク５８を通して被処理基体６１表面にイオンビームを照射する。イオンビーム照射により被処理基体６１にイオン注入がなされる。
【００６３】
本実施形態に係るイオン注入装置によっても、ゲート長が１００ｎｍ以下であるような最先端のＭＯＳ型トランジスタの製造においてイオン源５１の交換頻度を小さくし、生産性向上、低コスト化を実現できる。
【００６４】
以上、本発明の実施形態について述べたが、イオン源については、イオン注入装置に適用する以外に、例えば、被処理基体に対してエッチングを行なうエッチング装置用として用いることもできる。
【００６５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係る、イオン源、イオン注入装置、半導体装置の製造方法によれば、イオン源の内部構成としてのカソードが、ｉ）チャンバに絶縁して設けられた、チャンバ内に熱電子を放出可能なカソードであり，ｉｉ）チャンバの外壁面から内壁面へ貫通して設けられた開口部の外側からチャンバ内に突入するカソードキャップと、このカソードキャップの内側に設けられたフィラメントとを有するカソードであり、ｉｉｉ）カソードキャップおよび／またはフィラメントがタングステン（Ｗ）を主成分とし所定の金属元素を従成分として含む合金である。イオン源の劣化が抑制され、イオン源の延命を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】あるイオン注入装置におけるバーナス型イオン源の交換ごとの寿命の一例を示す図（ランチャート）。
【図２】図１に示すような寿命特性のイオン源において、寿命が尽きる原因を示すフィッシュボーン図。
【図３】イオン源の劣化をモデル化して説明するバーナス型イオン源の模式的断面図。
【図４】本発明の一実施形態に係るイオン源の構成を示す模式的断面図。
【図５】図４に示す実施形態のイオン源の寿命を評価した結果を示す図。
【図６】図４に示すチャンバ壁３１ａの開口部に設けられるテーパー形状について説明する図。
【図７】図４に示す実施形態において、フィラメントについてはＲｅ添加のないＷ製のものにし、チャンバ壁３１ａをＭｏ製として開口部にテーパーを設けた場合のイオン源の寿命を評価した結果を示す図。
【図８】図５に示したデータの場合に対して、さらに改良を加えた場合のイオン源の平均寿命を評価した結果を示す図。
【図９】本発明の一実施形態たるイオン注入装置の構成を模式的に示す図。
【図１０】本発明の別の実施形態たるイオン注入装置の構成を模式的に示す図。
【符号の説明】
３１ａ…チャンバ壁 ３２ａ…カソードキャップ ３３ａ…フィラメント ３４ａ…カソード ３５…リフレクタ ３６…チャンバ／カソードインシュレータ３７…カソードインシュレータ ３８…フィラメントインシュレータ ５１…イオン源 ５２…引き出し電極 ５３…質量分離電磁石 ５４、５４ａ…アパーチャ ５５、５５ａ…加速／減速器 ５６、５６ａ…四重極レンズ ５７、５７ａ…走査器 ５８…アパーチャまたはマスク ５９…サセプタ ６０、６０ａ…イオンビーム ６１…被処理基体 ６２…アパーチャ ６３…コリメーションマグネット ７１、７１ａ、７１ｂ…テーパー ７２…内壁面 ７３…外壁面 ７４…開口部面
Claims (5)
- 内壁面と外壁面とを有するチャンバと、
前記チャンバに絶縁して設けられた、前記チャンバ内に熱電子を放出可能なカソードであって、前記チャンバの前記外壁面から前記内壁面へ貫通して設けられた開口部の外側から前記チャンバ内に突入するカソードキャップと、前記カソードキャップの内側に設けられたフィラメントとを有し、前記カソードキャップおよび／または前記フィラメントがタングステン（Ｗ）を主成分とし所定の金属元素を従成分として含む合金である前記カソードとを具備し、
前記チャンバの前記外壁面から前記内壁面へ貫通して設けられた前記開口部の前記カソードキャップに対向する部位が、テーパー形状を有すること
を特徴とするイオン源。 - 前記所定の金属元素は、ランタノイド系元素のうちの一、アクチノイド系元素のうちの一、レニウム（Ｒｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、またはバリウム（Ｂａ）であることを特徴とする請求項１記載のイオン源。
- 内壁面と外壁面とを有するチャンバと、前記チャンバに絶縁して設けられた、前記チャンバ内に熱電子を放出可能なカソードであって、前記チャンバの前記外壁面から前記内壁面へ貫通して設けられた開口部の外側から前記チャンバ内に突入するカソードキャップと、前記カソードキャップの内側に設けられたフィラメントとを有し、前記カソードキャップおよび／または前記フィラメントがタングステン（Ｗ）を主成分とし所定の金属元素を従成分として含む合金である前記カソードとを備え、前記チャンバの前記外壁面から前記内壁面へ貫通して設けられた前記開口部の前記カソードキャップに対向する部位が、テーパー形状を有するイオン源と、
前記イオン源に接続して設けられ、前記イオン源に所定のガスを導入することにより前記イオン源にて発生されたイオンを導出・案内するイオン導出・案内系と、
前記イオン導出・案内系により導出・案内されたイオンが照射されるように被処理基体を保持し得るサセプタと
を具備することを特徴とするイオン注入装置。 - 前記所定の金属元素は、ランタノイド系元素のうちの一、アクチノイド系元素のうちの一、レニウム（Ｒｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、またはバリウム（Ｂａ）であることを特徴とする請求項３記載のイオン注入装置。
- 内壁面と外壁面とを有するチャンバと、前記チャンバに絶縁して設けられた、前記チャンバ内に熱電子を放出可能なカソードであって、前記チャンバの前記外壁面から前記内壁面へ貫通して設けられた開口部の外側から前記チャンバ内に突入するカソードキャップと、前記カソードキャップの内側に設けられたフィラメントとを有し、前記カソードキャップおよび／または前記フィラメントがタングステン（Ｗ）を主成分とし所定の金属元素を従成分として含む合金である前記カソードとを備え、前記チャンバの前記外壁面から前記内壁面へ貫通して設けられた前記開口部の前記カソードキャップに対向する部位が、テーパー形状を有するイオン源と、前記イオン源に接続して設けられ、前記イオン源に所定のガスを導入することにより前記イオン源にて発生されたイオンを導出・案内するイオン導出・案内系と、前記イオン導出・案内系により導出・案内されたイオンが照射されるように被処理基体を保持し得るサセプタとを具備するイオン注入装置を用いる半導体装置の製造方法であって、
前記イオン源に前記所定のガスを導入する工程と、
前記導入された所定のガスを前記カソードから放出される熱電子によりプラズマ化してイオンを発生させる工程と、
前記発生されたイオンを前記イオン導出・案内系により前記イオン源から導出・案内し５ｋｅＶ以下のエネルギを与えて前記サセプタに保持された被処理基体に照射する工程と
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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