JP3655491B2

JP3655491B2 - イオン発生方法およびイオン照射方法

Info

Publication number: JP3655491B2
Application number: JP12169299A
Authority: JP
Inventors: 篤村越; 恭一須黒
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-04-28
Filing date: 1999-04-28
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2019-04-28
Also published as: JP2000311619A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン発生方法およびイオン照射方法に係わり、特に浅い拡散層の形成に有効なイオン発生方法およびイオン照射方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオン注入法（イオン照射法）は、半導体基板に硼素（Ｂ）、燐（Ｐ）、砒素（Ａｓ）等の不純物を導入してｐｎ接合を形成する方法として、広く用いられている。イオン注入法によれば、目的とする場所に不純物の濃度と深さを精密にコントロールして導入することができる。
【０００３】
ＵＬＳＩの高集積化が進み、素子寸法が縮小化されるに伴い、浅いｐｎ接合の形成はその重要性を増してきている。上述のイオン注入法は半導体装置プロセスにおいて幅広く用いられるドーピング技術の一つであり、従来より後工程の熱処理（アニール）との組合せにより接合形成が行われている。
【０００４】
しかしながら、ｐ型ドーパントとしてＢを用いる浅いｐｎ接合の形成は、以下に説明するように困難な点が多い。まず、軽元素であるＢはイオン注人時のチャネリングテイルが顕著であるため、Ｂを浅く導人するための加速電圧の低エネルギー化は、反射・スパッタリングなどの影響による実効注入量の低下を招いたり、あるいは装置性能によっては電圧が低すぎるためにイオンを引き出せないなどの問題がある。また、Ｂはシリコン中での拡散係数が大きいために、例えばｐＭＯＳトランジスタの短チャネル効果の原因ともなる。
【０００５】
そこで、Ｂと同じｐ型ドーパントである、Ｇａ（ガリウム）やＩｎ（インジウム）といった重元素を使用するプロセスが注目されている。上述したようなイオン注入法（イオン照射法）を実施するイオン照射装置（イオン発生装置）は、一般的には、ガスをアークチャンバに導入するか、または固体もしくは液体を昇華させてその蒸気をアークチャンバに導入し、Ｉｎのイオン化を行っている。
【０００６】
Ｉｎのイオン注入の場合、固体ソースとして塩化物（ＩｎＣｌ₃）が知られているが、本発明者はこの種の固体を用いたｐ型ドーパントのイオン注入法には、以下のような問題があることを突き止めている。すなわち、塩化物の場合には、塩素によって装置の金属系の部材を腐食してしまう。
【０００７】
特に、アークチャノバおよびイオンソースチャンバ内でのエッチング反応が強い。したがって、熱電子を放出させるためのフィラメントをも腐食してしまい、Ｉｎのイオン化を安定に行うことができず、長時間の作業は極めて困難であるという問題がある。具体的には、１時間〜４時問程度の短い時間の作業しか行うことができず、実用的ではない。
【０００８】
一方、ガスソースとしては、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）やトリエチルインジウム（ＴＥＩ）などの有機ガスソースが知られている。トリメチルインジウムは常温で蒸気圧が得られることから、この蒸気を利用してＡｒなどのサポートガスによるイオン化によりＩｎのイオンビームを取り出してきた。
【０００９】
しかしながら、本発明者はこの種の有機ガスソースを用いたｐ型ドーパントのイオン注入法には、以下のような問題があることを突き止めている。すなわち、有機系ガスは、酸素および水分と劇的に反応を起こし非常に危険である。真空装置とはいえ、真空リーク等による大気の巻き込み、丁ＭＩ／ＴＥＩの充填、ＴＭＩ／ＴＥＩ使用後のイオンソースメンテナンス等を考慮すると、イオン照射装置のイオン源として使用するにはあまりにも危険である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、種々の問題があるＢの代わりに、Ｂと同じｐ型ドーパントであるＩｎを用いたイオン注入が注目されている。Ｉｎのイオンソースとしては、ＩｎＣｌ₃（固体ソース）や、ＴＭＩ／ＴＥＩ（ガスソース）が知られている。
【００１１】
しかしながら、ＩｎＣｌ₃を用いた場合、Ｃｌによる装置の腐食が起こり、Ｉｎのイオン化を安定に行えないという問題がある。一方、ＴＭＩ／ＴＥＩを用いた場合、これらの有機系ガスが酸素・水分と劇的に反応するため、イオンソースとして使用するには非常に危険であるという問題がある。
【００１２】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、Ｉｎのイオン化を安定かつ安全に行えるイオン発生方法およびイオン照射方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
［構成］
上記目的を達成するために、本発明に係るイオン発生方法は、ＩｎＩからなるイオン源材料を加熱することによって、前記化合物の蒸気を生成する工程と、前記蒸気を放電させることによって、Ｉｎイオンを発生させる工程とを有し、前記ＩｎＩの粒径が１ｍｍから５ｍｍ、または、前記ＩｎＩの粒径は、前記ＩｎＩを放電させるためのアークチャンバに設けられたオープンノズルの径よりも大きい。
【００１４】
ＩｎＩを３００℃以上（ＩｎＩが蒸気になる温度以上）３８０℃以下の温度で加熱し、ＩｎＩの蒸気を生成することが好ましい。
【００１５】
また、本発明に係るイオン照射方法は、上記イオン発生方法により、Ｉｎイオンと、ヨウ素イオンとを発生させる工程と、前記Ｉｎイオンを選択的に試料に照射する工程とを有する。
【００１６】
［作用］
本発明者の研究によれば、発生するべきイオンの元素を含むヨウ素化合物は、腐食性が無く、イオン化を安定に行えることが分かった。さらに、この種のヨウ素化合物は酸素や水分とはほとんど反応せず、安全であることが分かった。したがって、本発明のように、発生するべきイオンの元素を含むヨウ素化合物をイオン源材料として用いれば、上記元素のイオン化を安定かつ安全に行えるイオン発生方法およびイオン照射方法を実現できるようになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態（以下、実施形態という）を説明する。
【００１８】
まず、図１を参照してイオン照射装置の概要を説明する。なお、本発明は、後述するようにイオン発生装置となるイオン源チャンバ１に導入する物質（イオン原材料）にその大きな特徴があり、図１に示したその他の構成は従来のイオン照射装置の構成と同様である。
【００１９】
図１に示したイオン照射装置では、まずイオン源チャンバ１でイオンが生成され（その詳細については後述する。）、このイオンが引き出し電極２によって引き出され、分離電磁石３によって質量分離される。
【００２０】
続いて、スリット４で完全に分離された所望のイオンが、加速器５によって最終エネルギーまで加速または減速された後、イオンビームが四極レンズ６によって試料１２（例えば半導体基板）の表面に集収束点を持つように収束される。
【００２１】
続いて、走査電極７，８により試料面全体で注入量が一様に分布されるように走査される。そして、残留ガスとの衝突で生じる中性子粒子を除去するために偏向電極９によりイオンビームが曲げられ、マスク１０を通して試料１２の表面にイオンビームが照射される。なお、図中、１１はアースを示している。
【００２２】
図２は、図１のイオン照射装置のイオン源チャンバ１の断面構造を示す図である。図２にはバーナス型のイオン源チャンバ１が示されているが、フリーマン型であっても良い。同図（ａ）はイオン源チャンバの上面に平行な断面を、同図（ｂ）はイオン源チャンバの横方向の側面に平行な断面を、それぞれ示したものである。
【００２３】
本装置の基本的な構成は、従来のバーナス型のイオン源チャンバの構成と同様である。すなわち、タングステンを主成分として構成されたアークチャンバ２１の一方の端面には絶緑支持部２２およびタングステンを主成分に構成されたリフレクタ２３（スペーサ）を介して、タングステンフィラメント２４が設けられており、アークチャンバ２１の他方の端面には絶縁支持部２２を介してタングステンを主成分とした対向電極２５が設けられている。
【００２４】
そして、第１のガス導入口２６からは例えばＡｒガスが供給される。これと同時に、オーブン２７内に粒径２ｍｍから５ｍｍのＩｎｌ（ヨウ化インジウム）を充墳し、オーブン２７によってＩｎＩを加熱して、Ｉｎｌの蒸気を得る。オーブン２７から導出される蒸気を、第２のガス導入口（オープンノズル）２９からアークチャンバ２１内に導入し、イオン化を行い、フロントプレートに設けたイオン引き出し口２８からイオンが取り出される。
【００２５】
このとき、オーブン２７に充墳するＩｎｌの粒径は、アークチャンバ２１につながる第２のガス導入口２９（本実施形態では直径１ｍｍを使用）よりも大きい方が良い。第２のガス導入口２９よりもＩｎｌの粒径が小さいと、イオンソースを真空に引いたときに、Ｉｎｌがオーブン２７から、アークチャンバ２１内に飛散するために、安定なイオン化が困難になってしまう。したがって、オーブン２７に充墳するＩｎｌの粒径は、オーブンノズル２９の直径よりも大きくすることが重要である。
【００２６】
表１に、図２におけるオーブン２７に充墳したＩｎｌの加熱温度（オーブン温度）とイオンビーム電流量（収量）との関係を示す。
【００２７】
【表１】

【００２８】
ｌｎには、質量数１１３のものと、質量数１１５の同位体が存在する。表１には質量数１１３、質量数１１５の両方を載せている。この表におけるＩｎＩのイオン化は、アーク電圧９０Ｖ、アーク電流２Ａ、ソースマグネット４０Ａ、引き出し電圧−２．１３ｋＶ、加遠電圧３０ｋｅＶと固定した場合のイオンビーム電流量を示している。この値は最大ビーム電流量ではない。また、図１における引き出し電極２での印加電圧を３０ｋｅＶとしてイオンビームを引き出している。
【００２９】
ここで、オーブン２７の初期温度は２００℃としている。表１から、この温度においてＩｎ（インジウム）およびＩ（ヨウ素）のイオンビームはほとんど得られておらず、ＩｎＩの蒸気が生成されていないことが分かる。
【００３０】
また、表１から、オーブン２７での加熱温度が２７５℃以下ではほとんどイオンビーム電流量は得られず、３００℃近辺からイオンビーム電流量が増大していることが分かる。
【００３１】
また、表１から、３８０℃以上の温度では、イオンビーム電流量は得られるものの、イオンビームの安定性は極めて不安定であることが分かる。
【００３２】
ここで、３８０℃以上のオーブン温度の場合について、オーブン２７の冷却後にオーブン２７中に残存しているＩｎｌの状態観察を行ったところ、２〜５ｍｍの粒径であったＩｎｌが完全に溶解していることが確認された。
【００３３】
これは、３８０℃以上に高温化することにより、オーブン２７内のＩｎｌが煮沸し、安定な蒸気が得られなかったことを示している。すなわち、安定なＩｎイオンビームを得るためには、粒状のままＩｎｌを維持する必要があり、好ましくは２７５℃以上、３７０℃以下の範囲でオーブン温度を制御し、ＩｎＩの蒸気を得るのが最適である。
【００３４】
また、表１から、オーブン温度が２７５℃〜３８０℃の範囲においては、オーブン温度の上昇とともに、イオンビーム電流値も増大しているが、３５０℃から３８０℃の範囲内ではあまり変化が見られないことから、この３５０℃から３８０℃の範囲が最も安定したＩｎＩのイオン化が行える温度範囲であることが分かる。
【００３５】
そこで、オーブン温度を３５０℃に固定して、最大ビーム電流量を調べてみたところ、約１２ｍＡのイオンビーム電流量が得られた。この３５０℃のオーブン温度で、１０時間イオン化を行い、イオンビームの変動量を調べてみた。ここでは、最大ビーム電流の８０％として約１０ｍＡのイオンビーム電流量で、そのイオンビーム電流量の安定性を調べた。その結果、イオンビーム変動量は±５％以内と、極めて安定なＩｎＩのイオン化が行われていることが確認された。
【００３６】
比較として、従来から一般的に使用されているＩｎＣＩ₃（塩化インジウム）を図２におけるオーブン２７に充填し、３５０℃でイオン化を行った。このときに得られたビーム電流は約１６ｍＡと、Ｉｎｌ（ヨウ化インジウム）よりも高い電流量であった。
【００３７】
しかしながら、最大ビーム電流量の８０％として約１２ｍＡで１０時間のイオン化を行ったところ、４時間を経過した時点でイオン化が不安定となり、約６時問でイオン化を行うことが不可能となってしまった。
【００３８】
アークチャンバ２１内を調べてみたところ、タングステンアークチャンバ２１がエッチング反応により表面荒れを起こし、アークチャンバ２１内に大量の反応生成物が確認された。また、タングステンフィラメントも消耗が激しく、本来絶縁される部位に反応生成物が付着し、ショートしていることが確認された。これは、ＩｎＣｌ₃のイオン化に伴い発生する塩素イオンやラジカルタングステン等と上記部位とが劇的に反応してしまうために、長時問安定したイオン化が困難であることを示している。
【００３９】
しかし、本実施形態のようにＩｎｌを使用することにより、イオン源チャンバ１を腐食することなく、安定なイオン化が可能となる。ヨウ素は、水や酸素に対して安定であり、塩化物のような腐食性も無く、さらにトリメチルインジウム（ＴＭＩ）やトリエチルインジウム（ＴＥＩ）とは異なり、爆発的に水や酸素と燃焼反応するなどの危険性は無く、安全性からもイオン源材料として適した材料であるといえる。
【００４０】
また、オーブン２７はＦｅ（鉄）で形成されているため、ＩｎＣｌ₃ を用いると、オーブン２７の内部が塩素蒸気で腐食され、Ｉｎ²⁺と同じ質量数（１１２、１１３）のＦｅ⁺ が発生する。Ｉｎ²⁺とＦｅ⁺は分離電磁石３で分離できないので、試料にはＦｅ⁺も注入されることになる。その結果、ドーズ量が変化したり、リーク電流が増加するという問題が生じる。
【００４１】
しかし、Ｉｎｌを使用すれば、オーブン２７をエッチングするようなイオンは発生しないので、ドーズ量の変化、リーク電流の増加という問題は起こらない。
【００４２】
表２に、図２におけるオーブン２７に充墳したＩｎｌ₃の加熱温度（オーブン温度）とイオンビーム電流量（収量）との関係を示す。
【００４３】
【表２】

【００４４】
ＩｎＩ₃（三ヨウ化インジウム）はヨウ素の脱離が激しく、ＩｎＩに比べて、ｌｎのイオン化が困難である。ＩｎＩ₃の融点は、Ｉｎｌよりも低く、約２１０℃であるが、２００℃に加熱して蒸気を得ようとすると、ヨウ素とＩｎＩに分離して蒸気圧が得られる。
【００４５】
このとき、ヨウ素が大量に発生するため、イオン源チャンバ１内の真空度が劣化し、イオン化が困難となるために、Ｉｎのイオンビーム電流量が著しく低下してしまう。
【００４６】
したがって、ＩｎのイオンソースとしてＩｎＩ₃を使用する場合には、一旦ＩｎＩ₃を加熱し、ヨウ素を脱離させた後に冷却し、オープン２７中に残存したＩｎＩ（ヨウ素の方が蒸気圧が高いため、Ｉｎｌが残りやすい）を再加熱し、イオン化を行ことが好ましい。
【００４７】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、ヨウ素化合物がＩｎｌの場合について説明したが、その他に、例えばＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｔｉの３族元素（ｎ型ドーパント）のヨウ素化合物も使用することが可能である。具体的には、Ｇａの場合であれば、ＧａＩ₃（融点２２２℃）、ＧａＩがあげられる。
【００４８】
また、ｐ型ドーパントのイオン注入の場合について説明したが、本発明はｎ型ドーパントのイオン注入にも適用できる。この場合には、例えば、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉの５族元素のヨウ素化合物を使用する。例えば砒素・燐のイオン注入の場合には、固体砒素・固体燐を使用すると良い。さらには上述した元素から選ばれた２つ以上の元素のヨウ素化合物でも良い。
【００４９】
また、ｐ型およびｎ型ドーパントのイオン注入は、イオン源材料が異なるだけで、これらのイオン注入は同じ装置で行える。しかも、その装置も従来と同じものを使用でき、専用の装置を製造せずに済むので、コストを招くという問題もない。
【００５０】
また、上記実施形態ではイオン照射装置を用いた具体的な半導体プロセスは説明しなかったが、例えば２５６メガ以降のＤＲＡＭプロセス、すなわちメモリセルのＭＯＳトランジスタのソース拡散層、ドレイン拡散層を形成するためのイオン注入工程があげられる。また、本発明はイオンビームミキシングにも適用可能である。
【００５１】
また、上記実施形態では、アークチャンバ２１はタングステンを主成分としたものであったが、他の金属を主成分としたものであっても良い。ただし、ヨウ素と反応する金属、例えばＡｌは使用しないことが好ましい。
【００５２】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。
【００５３】
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、発生するべきイオンの元素を含むヨウ素化合物をイオン源材料として用いることによって、上記元素のイオン化を安定かつ安全に行えるイオン発生方法およびイオン照射方法を実現できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るイオン照射方法を実施するために使用するイオン照射装置を示す模式図
【図２】図１のイオン照射装置のイオン源チャンバの断面構造を示す図
【符号の説明】
１…イオン源チャンバ
２…引き出し電極
３…分離電磁石
４…スリット
５…加速器
６…四極レンズ
７，８…走査電極
９…偏向電極
１０…マスク
１１…アース
２１…アークチャンバ
２２…絶緑支持部
２３…リフレクタ（スペーサ）
２４…タングステンフィラメント
２５…対向電極
２６…ガス導入口
２７…オーブン
２８…ガス導入口

Claims

ＩｎＩからなるイオン源材料を加熱することによって、前記化合物の蒸気を生成する工程と、
前記蒸気を放電させることによって、Ｉｎイオンを発生させる工程と
を有し、
前記ＩｎＩの粒径が１ｍｍから５ｍｍ、または、前記ＩｎＩの粒径は、前記ＩｎＩを放電させるためのアークチャンバに設けられたオープンノズルの径よりも大きいことを特徴とするイオン発生方法。
前記ＩｎＩを３００℃以上３８０℃以下の温度で加熱し、前記ＩｎＩの蒸気を生成することを特徴とする請求項１に記載のイオン発生方法。
前記ＩｎＩを３５０℃以上３８０℃以下の温度で加熱し、前記ＩｎＩの蒸気を生成することを特徴とする請求項１に記載のイオン発生方法。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のイオン発生方法により、Ｉｎイオンと、ヨウ素イオンとを発生させる工程と、
前記Ｉｎイオンを選択的に試料に照射する工程と
を有することを特徴とするイオン照射方法。