JP4345895B2

JP4345895B2 - イオン源の運転方法およびイオン注入装置

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Publication number: JP4345895B2
Application number: JP2005305365A
Authority: JP
Inventors: 裕井内; 正二郎土肥; 靖典安東; 恭博松田
Original assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Current assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Priority date: 2005-10-20
Filing date: 2005-10-20
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2025-10-20
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Description

この発明は、例えばイオン注入装置（この明細書では、イオンドーピング装置と呼ばれるものを含む。）に用いられるイオン源の運転方法および当該運転方法を実施することができるイオン注入装置に関する。この明細書において、イオンは正イオンを指し、イオンビームは正イオンビームを指す。

イオンビームを引き出すイオン源には、プラズマ室容器内でイオン源ガスをアーク放電等による電子衝撃によって電離させてプラズマを生成する、電子衝撃型のイオン源がある。

また、電子衝撃型のイオン源には、プラズマ室容器内の内壁付近にカスプ磁場（多極磁場）を形成するイオン源がある。このようなイオン源は、バケット型イオン源、多極磁場型イオン源またはマルチカスプ型イオン源とも呼ばれる。

上記のようなイオン源において、プラズマ室容器内のプラズマからイオンビームを引き出す引出し電極系の内の最プラズマ側の電極であるプラズマ電極の、プラズマ室容器に対する電位に着目すると、従来は、プラズマ室容器とプラズマ電極間を絶縁物で電気的に絶縁しておいて、プラズマ室容器に対するプラズマ電極の電位は、直流電源によって負電圧にバイアスするか、または、プラズマ室容器とプラズマ電極間を高抵抗で接続してフローティング（浮遊）電位にしていた。フローティング電位にしても、プラズマ中のイオンに比べて電子は軽くてその移動度が遙かに高いので、イオンビーム引出し時のプラズマ電極の電位は、電子が多く入射することによる自己バイアスによって負電位になる。

従っていずれにしても、従来は、イオンビーム引出し時のプラズマ室容器に対するプラズマ電極のバイアス電圧は負電圧にするのが一般的であった。その主な理由は、当該バイアス電圧を負電圧にすることによって、プラズマ中の電子が同極性のプラズマ電極側へ逃げにくくして電子の損失を少なくすると共に、プラズマ中のイオンが反対極性のプラズマ電極を通して効率良く引き出されるようにするためである。

上記バイアス電圧を負電圧にする技術に相当するものの一例として、特許文献１には、第１の引出し電極（プラズマ電極に相当）に引出し用電源の負極が接続された図が記載されている（図１参照）。

特開２００４−３６２９０１号公報（段落００４１、図１）

実験を行った結果、上記のような従来のバイアス電圧の印加方法、換言すればイオン源の運転方法では、イオン源ガスとしてホスフィン（ＰＨ₃）を含むガス（例えば、水素またはヘリウムでホスフィンを希釈したガス）を用いてイオンビームを引き出すときは、イオンビーム中に含まれる所望イオン、具体的にはＰＨ_x ⁺（ｘ＝０〜３。ｘ＝０の場合はＰ⁺。以下同様）の、他のイオン（例えば、Ｈ⁺、Ｈ₂ ⁺、Ｈ₃ ⁺）に対する比率を大きくすることができるけれども、イオン源ガスとして三フッ化ホウ素（ＢＦ₃）を含むガス（例えば１００％濃度の三フッ化ホウ素）を用いてイオンビームを引き出すときは、所望イオン、具体的にはＢ⁺の、他のイオン（例えば、Ｆ⁺、ＢＦ⁺、ＢＦ₂ ⁺）に対する比率を大きくするのが難しい、ということが分かった。

そこでこの発明は、イオン源ガスとして三フッ化ホウ素を含むガスを用いてイオンビームを引き出すときに、イオンビーム中のＢ⁺の比率を高めることができるイオン源の運転方法およびイオン注入装置を提供することを一つの目的としている。

また、イオン源ガスとして三フッ化ホウ素を含むガスとホスフィンを含むガスとを切り換えて用いてイオンビームを引き出すときに、前者のガスを用いるときにはイオンビーム中のＢ⁺の比率を高め、後者のガスを用いるときにはイオンビーム中のＰＨ_x ⁺の比率を高めることができるイオン源の運転方法およびイオン注入装置を提供することを他の目的としている。

この発明に係るイオン源の運転方法は、イオン源ガスが導入され、内部でプラズマを生成するためのプラズマ室容器と、前記プラズマ室容器内でイオン源ガスを電子衝撃によって電離させてプラズマを生成する電離手段と、前記プラズマ室容器の開口部付近に設けられていて、前記プラズマからイオンビームを引き出すものであって１以上の電極を有する引出し電極系と、前記引出し電極系を構成する電極の内の最プラズマ側の電極であるプラズマ電極と前記プラズマ室容器との間を電気絶縁する絶縁手段と、前記プラズマ室容器の内壁付近にカスプ磁場を形成する複数の磁石とを備えるイオン源の運転方法であって、しかも前記イオン源ガスとして三フッ化ホウ素（ＢＦ ₃ ）を含むガスとホスフィン（ＰＨ ₃ ）を含むガスとを切り換えて用いるイオン源の運転方法において、前記イオン源は、前記イオンビームを引き出すときの前記プラズマ生成容器に対する前記プラズマ電極のバイアス電圧を正電圧と負電圧とに切り換え可能なバイアス手段を更に備えていて、前記イオン源ガスとして三フッ化ホウ素（ＢＦ₃）を含むガスを用いてイオンビームを引き出すときは、前記バイアス手段を切り換えて、前記プラズマ室容器に対する前記プラズマ電極のバイアス電圧を正電圧にし、前記イオン源ガスとしてホスフィン（ＰＨ₃）を含むガスを用いてイオンビームを引き出すときは、前記バイアス手段を切り換えて、前記プラズマ室容器に対する前記プラズマ電極のバイアス電圧を−３０Ｖ以上かつ０Ｖより小の範囲内の負電圧にすることを特徴としている。

上記運転方法によれば、上記バイアス電圧を上記のように切り換えることによって、イオン源ガスとして三フッ化ホウ素を含むガスを用いるときにはイオンビーム中のＢ⁺の比率を高め、ホスフィンを含むガスを用いるときにはイオンビーム中のＰＨ_x ⁺の比率を高めることができることが実験によって確かめられた。

この発明に係るイオン注入装置は、イオン源から引き出したイオンビームを基板に入射させてイオン注入を行う構成のイオン注入装置であって、（ａ）イオン源ガスが導入され、内部でプラズマを生成するためのプラズマ室容器と、このプラズマ室容器内でイオン源ガスを電子衝撃によって電離させてプラズマを生成する電離手段と、前記プラズマ室容器の開口部付近に設けられていて、前記プラズマからイオンビームを引き出すものであって１以上の電極を有する引出し電極系と、この引出し電極系を構成する電極の内の最プラズマ側の電極であるプラズマ電極と前記プラズマ室容器との間を電気絶縁する絶縁手段と、前記プラズマ室容器の内壁付近にカスプ磁場を形成する複数の磁石とを有するイオン源と、（ｂ）三フッ化ホウ素（ＢＦ₃）を含むイオン源ガスとホスフィン（ＰＨ₃）を含むイオン源ガスとを切り換えて前記イオン源のプラズマ室容器内に供給するガス供給手段と、（ｃ）前記イオン源からイオンビームを引き出すときの前記プラズマ室容器に対する前記プラズマ電極のバイアス電圧を正電圧と負電圧とに切り換え可能なバイアス手段と、（ｄ）前記ガス供給手段および前記バイアス手段を制御して、前記三フッ化ホウ素を含むイオン源ガスを前記プラズマ室容器内に供給するときは前記バイアス電圧を正電圧にし、前記ホスフィンを含むイオン源ガスを前記プラズマ室容器内に供給するときは前記バイアス電圧を−３０Ｖ以上かつ０Ｖより小の範囲内の負電圧にする制御手段とを備えていることを特徴としている。

上記イオン注入装置によれば、イオン源ガスを三フッ化ホウ素を含むガスとホスフィンを含むガスとに切り換えて、一つのイオン源から、ホウ素含有イオンを含むイオンビームと、リン含有イオンを含むイオンビームとを切り換えて引き出すことができ、しかも上記バイアス電圧を上記のように切り換えることによって、三フッ化ホウ素を含むイオン源ガスを用いるときにはイオンビーム中のＢ⁺の比率を高め、ホスフィンを含むイオン源ガスを用いるときにはイオンビーム中のＰＨ_x ⁺の比率を高めることができる。

上記イオン注入装置は、前記イオン源と前記基板の保持部との間に、前記イオン源から引き出したイオンビームの質量分離を行う質量分離手段を更に備えていても良い。

請求項１に記載の発明によれば、上記バイアス電圧を上記のように切り換えることによって、イオン源ガスとして三フッ化ホウ素を含むガスを用いるときにはイオンビーム中のＢ⁺の比率を高めてＢ⁺を効率良く引き出すことができ、ホスフィンを含むガスを用いるときにはイオンビーム中のＰＨ_x ⁺の比率を高めてＰＨ_x ⁺を効率良く引き出すことができる。

ひいては、次のような効果を奏することができる。即ち、所望イオンとしてＢ⁺とＰＨ_x ⁺とを切り換えて用いる場合に、いずれの場合にも、不必要なイオンを加速する割合を減らすことができるので、イオンビームを加速するための加速電源の容量を小さくすることができる。また、イオン源の下流側に質量分離手段が設けられている場合に、当該質量分析手段において上記不必要なイオンが壁面に衝突することによって発生するアウトガスおよびメタルコンタミネーション（金属物質による基板の汚染。以下同様）の問題を少なくすることができる。

請求項２に記載の発明によれば、イオン源ガスを三フッ化ホウ素を含むガスとホスフィンを含むガスとに切り換えて、一つのイオン源から、ホウ素含有イオンを含むイオンビームと、リン含有イオンを含むイオンビームとを切り換えて引き出すことができ、しかも上記バイアス電圧を上記のように切り換えることによって、三フッ化ホウ素を含むイオン源ガスを用いるときにはイオンビーム中のＢ⁺の比率を高めてＢ⁺を効率良く引き出すことができ、ホスフィンを含むイオン源ガスを用いるときにはイオンビーム中のＰＨ_x ⁺の比率を高めてＰＨ_x ⁺を効率良く引き出すことができる。

ひいては、次のような効果を奏することができる。即ち、基板にイオン注入を行うドーパントイオンとしてＢ⁺とＰＨ_x ⁺とを切り換えて用いる場合に、いずれの場合にも、不必要なイオンを加速する割合を減らすことができるので、イオンビームを加速するための加速電源の容量を小さくすることができる。また、イオン源と基体保持部との間に質量分離手段が設けられている場合に、当該質量分析手段において上記不必要なイオンが壁面に衝突することによって発生するアウトガスおよびメタルコンタミネーションの問題を少なくすることができる。

請求項３に記載の発明によれば、イオン源と基板の保持部との間に質量分離手段を備えているので、基板に対してドーパントイオン以外の不必要なイオンが注入されるのを抑制することができる。しかも、上述したように、当該質量分離手段において不必要なイオンが壁面等に衝突することによって発生するアウトガスおよびメタルコンタミネーションの問題を少なくすることができる。

図１は、この発明に係るイオン注入装置の一実施形態を示す概略平面図である。このイオン注入装置は、イオン源２から引き出したイオンビーム４を、基板駆動装置１４の保持部１２に保持された基板１０に入射させて、基板１０にイオン注入を行うよう構成されている。イオン源２から基板駆動装置１４までのイオンビーム４の経路（ビームライン）は、図示しない真空容器によって囲まれており、イオン注入時は真空雰囲気に保たれる。

イオン源２から引き出して基板１０に入射させるイオンビーム４は、この実施形態では、図１の紙面の表裏方向であるＹ方向の幅Ｗ（図２参照）が、それに直交する方向の厚さＴよりも十分に大きいシート状をしている。基板に入射するときのイオンビーム４の幅Ｗは、基板１０の同方向の寸法よりも若干大きくしている。

イオン源２と保持部１２との間には、この実施形態では、イオン源２から引き出したイオンビーム４の質量分離を行う質量分離手段を構成する質量分離マグネット６および分離スリット８が設けられている。質量分離マグネット６は、イオンビーム４をその厚さＴ方向に曲げて所望のイオンを選別して導出するものである。分離スリット８は、質量分離マグネット６の下流側に設けられていて、質量分離マグネット６と協働して、上記所望のイオンを選別して通過させるものである。

基板駆動装置１４は、この実施形態では、その保持部１２に保持した基板１０を、基板１０に入射するイオンビーム４の厚さＴに沿う方向（換言すれば幅Ｗに交差する方向）であるＸ方向に機械的に往復駆動する。この実施形態では、基板駆動装置１４自身が、図示しないレールに沿って、Ｘ方向に往復運動をする。この基板１０の往復駆動と、イオンビーム４がシート状をしていることとによって、基板１０の全面にイオンビーム４を入射させてイオン注入を行うことができる。

上記イオン注入は、例えば、フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）用の基板（例えばガラス基板）１０の表面に多数の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成する工程に用いることができる。その場合のイオン注入をイオンドーピングと呼び、イオン注入装置をイオンドーピング装置と呼ぶことがある。基板１０は、上記以外の基板、例えば半導体基板等でも良い。

上記イオン源２周りの詳細例を図２に示す。このイオン源２は、イオン源ガス５０が導入され、内部でプラズマ２２を生成するためのプラズマ室容器２０と、プラズマ室容器２０内でイオン源ガス５０を電子衝撃によって電離させてプラズマ２２を生成する電離手段（より厳密に言えばその一部）を構成する１以上の（この例では複数の）フィラメント２４と、プラズマ室容器２０の開口部付近に設けられていてプラズマ２２から電界の作用でイオンビーム４を加速して引き出す引出し電極系３０とを備えている。

複数のフィラメント２４は、プラズマ室容器２０内に、イオンビーム４の幅Ｗ方向に沿って並べて設けられており、各フィラメント２４にはそれを加熱するフィラメント電源２６が接続されている。また、各フィラメント２４の一端（この例では正極端）とプラズマ室容器２０との間には、後者を正極側にして、直流のアーク電源２８が接続されており、プラズマ室容器２０は陽極を兼ねている。各フィラメント２４とプラズマ室容器２０との間でアーク放電を生じさせて、その際に発生する電子の衝撃によってイオン源ガス５０を電離させて、イオンビーム４の幅Ｗ方向に長く分布したプラズマ２２をプラズマ室容器２０内に均一性良く生じさせることができる。即ちこの例では、フィラメント２４、フィラメント電源２６およびアーク電源２８によって上記電離手段を構成している。このイオン源２は、前述したように、電子衝撃型のイオン源である。

プラズマ室容器２０の周りには、即ちこの例ではプラズマ室容器２０の側面の周囲および背面には、プラズマ室容器２０の内壁付近にカスプ磁場（より厳密に言えばマルチカスプ磁場。多極磁場とも言う）を形成する複数の（この例では多数の）磁石４０が配置されている。各磁石４０は、この例では永久磁石であるが、電磁石でも良い。このイオン源２は、前述したように、バケット型イオン源等とも呼ばれる。

引出し電極系３０は、１以上の電極を有している。この例では、最プラズマ側から下流側に向けて配置されたプラズマ電極３１、引出し電極３２、抑制電極３３および接地電極３４を有している。各電極３１〜３４は、この例では、多数のイオン引出し孔を相対応する位置にそれぞれ有している。

プラズマ電極３１とプラズマ室容器２０との間には、両者間を電気的に絶縁する絶縁手段として絶縁物３６が設けられている。また、各電極３１〜３４間は、例えば絶縁物３８によって、互いに電気的に絶縁されている。

簡単に言えば、プラズマ電極３１は引き出すイオンビーム４のエネルギーを決める電極であり、後述するバイアス回路６４を介してこのプラズマ電極３１には、プラズマ室容器２０に対して正または負のバイアス電圧Ｖ_Bが印加され、更にプラズマ室容器２０には、直流の加速電源４２から接地電位を基準にして正の高電圧（加速電圧）が印加される。引出し電極３２は、プラズマ電極３１との間に電位差を生じさせそれによる電界によってプラズマ２２からイオンビーム４を引き出す電極であり、直流の引出し電源４４からプラズマ室容器２０の電位を基準にして負の電圧（引出し電圧）が印加される。抑制電極３３は、下流側からの電子の逆流を抑制する電極であり、直流の抑制電源４６から接地電位を基準にして負の電圧（抑制電圧）が印加される。接地電極３４は接地されている。

プラズマ室容器２０内には、ガス供給手段を構成するガス供給源４８から、三フッ化ホウ素（ＢＦ₃）を含むイオン源ガス５０を供給することができる。

あるいはガス供給源４８として、三フッ化ホウ素を含むイオン源ガス５０と、ホスフィン（ＰＨ₃）を含むイオン源ガス５０とを切り換えてプラズマ室容器２０内に供給することができるものを採用しても良い。そのようなガス供給源４８の一例を図３に示す。

図３に示すガス供給源４８は、ガス源５２からの三フッ化ホウ素を含むガス５４と、ガス源５６からのホスフィンを含むガス５８とを、弁６０、６２で切り換えてイオン源ガス５０としてプラズマ室容器２０内に供給することができる。この弁６０、６２の切り換え、ひいてはイオン源ガス５０の切り換えは、手動操作で行っても良いが、この例のように弁６０、６２を操作弁にして、制御装置８０（図１参照。以下同様）から供給される制御信号Ｓ₁によって行うのが好ましい。

なお、図２中の点ａ〜ｄと、図３〜図５中の点ａ〜ｄとは、それぞれ対応している。

三フッ化ホウ素は、通常、１００％またはそれに近い濃度で使用される。その場合でも、この明細書では、三フッ化ホウ素を含むガスと総称している。ホスフィンは、通常、水素またはヘリウムで適度に希釈して使用される。この場合は文言どおり、ホスフィンを含むガスである。

再び図２を参照して、プラズマ室容器２０とプラズマ電極３１との間には、イオンビーム４を引き出すときのプラズマ室容器２０に対するプラズマ電極３１の電位（換言すればプラズマ室容器２０を基準にしたプラズマ電極３１の電位）であるバイアス電圧Ｖ_Bを制御するバイアス手段を構成するバイアス回路６４が接続されている。バイアス回路６４は、上記バイアス電圧Ｖ_Bを正電圧にすることができる。あるいは、バイアス回路６４として、上記バイアス電圧Ｖ_Bを正電圧と負電圧とに切り換え可能なものを採用しても良い。

バイアス電圧Ｖ_Bを正電圧にする場合のバイアス回路６４は、図２に示すように、プラズマ室容器２０に対して、プラズマ電極３１に正のバイアス電圧Ｖ_Bを印加する直流のバイアス電源６６で構成すれば良い。このバイアス電源６６は、その出力電圧が可変のものが好ましい。後述する他の例のバイアス電源６６についても同様である。このようなバイアス回路６４は、三フッ化ホウ素を含むイオン源ガス５０をプラズマ室容器２０内に供給して、当該イオン源ガス５０を用いてイオンビーム４を引き出すときに用いる。

バイアス電圧Ｖ_Bを正電圧と負電圧とに切り換え可能にする場合のバイアス回路６４は、例えば、上記バイアス電源６６を、その出力電圧を正電圧および負電圧にすることができる両極性電源にすれば良い。その場合のバイアス電源６６の出力電圧の極性の切り換え（換言すれば反転。以下同様）は、手動操作で行っても良いが、この例のように制御装置８０からの制御信号Ｓ₂によって行うのが好ましい。

あるいは、バイアス回路６４は、例えば図４または図５に示す構成にしても良い。

図４に示すバイアス回路６４は、通常の（即ち出力電圧の極性が一つの。以下同様）直流のバイアス電源６６と、それからの出力電圧を正負反転させて点ａ、ｂ間に出力する２連の切換スイッチ６８とを有している。この切換スイッチ６８の切り換え、ひいては上記バイアス電圧Ｖ_Bの極性の切り換えは、手動操作によって行っても良いが、この例のように制御装置８０からの制御信号Ｓ₂によって行うのが好ましい。

図５に示すバイアス回路６４は、通常の直流のバイアス電源６６と、それに直列接続されたスイッチ７０と、この両者の直列回路に並列接続された抵抗器７２とを有している。抵抗器７２には、プラズマ電極３１をフローティング電位にする高抵抗値（例えば１ｋΩ〜１ＭΩ程度）のものを用いれば良い。スイッチ７０をオンにすると、バイアス電源６６からの出力電圧によって上記バイアス電圧Ｖ_Bを正電圧にすることができる。スイッチ７０をオフにすると、抵抗器７２によってプラズマ電極３１はフローティング電位になり、イオンビーム引出し時の前述した電子入射による作用によってプラズマ電極３１の電位を負電位にして上記バイアス電圧Ｖ_Bを負電圧にすることができる。このスイッチ７０のオンオフ、ひいては上記バイアス電圧Ｖ_Bの極性の切り換えは、手動操作によって行っても良いが、この例のように制御装置８０からの制御信号Ｓ₂によって行うのが好ましい。

制御装置８０は、制御信号Ｓ₁およびＳ₂を用いてガス供給源４８およびバイアス回路６４を上記のように制御して、三フッ化ホウ素を含むイオン源ガス５０をプラズマ室容器２０内に供給するときは上記バイアス電圧Ｖ_Bを正電圧にし、ホスフィンを含むイオン源ガス５０をプラズマ室容器２０内に供給するときは上記バイアス電圧Ｖ_Bを負電圧にする機能を有している。

上記イオン源２の第１の運転方法を説明すると、イオン源ガス５０として上記三フッ化ホウ素を含むガスを用いてイオンビーム４を引き出すときは、上記バイアス電圧Ｖ_Bを正電圧にする。それによって、バイアス電圧Ｖ_Bを負電圧や０Ｖにする場合に比べて、イオンビーム４中のＢ⁺の比率を高めることができる。即ち、Ｂ⁺を効率良く引き出すことができる。

イオン源ガス５０として１００％ＢＦ₃（即ち、１００％の濃度のＢＦ₃）を用いて、バイアス電圧Ｖ_Bを変えたときのイオンビーム４中の各種イオン電流の比率を測定した結果の一例を図６に示す。これは、Ｂ⁺を２５０〜２７０μＡ／ｃｍのイオン電流で引き出したときの例であり、このときの条件は、イオン源ガス５０の流量が６ｃｃｍ、アーク電源２８からのアーク電圧が８０Ｖ、アーク電流が２２Ａ、加速電源４２からの加速電圧が５０ｋＶ、引出し電源４４からの引出し電圧が７〜１２ｋＶ、抑制電源４６からの抑制電圧が０．５ｋＶである。

この図６から分かるように、バイアス電圧Ｖ_Bを正電圧にし、かつその絶対値を大きくするほど、Ｂ⁺の比率が相対的に大きく、他のイオンの比率が相対的に小さくなっている。換言すれば、正のバイアス電圧Ｖ_Bの大きさによって、イオンビーム４中に含まれるＢ⁺等のイオン種の比率を制御することができる。図６には示されていないけれども、バイアス電圧Ｖ_Bを負電圧にすると、Ｂ⁺の比率は更に小さく、ＢＦ₂ ⁺の比率は更に大きくなる。

上記のような結果が得られる原理は、正確には解明していないけれども、バイアス電圧Ｖ_Bを正電圧にすると、しかもその正電圧を大きくすると、負電圧にする場合に比べて、プラズマ２２がプラズマ電極３１に近づき、プラズマ電極３１付近で、断面積の大きいＢＦ₂ ⁺、ＢＦ⁺等が電子との再結合により中性化する確率がＢ⁺の場合に比べて大きくなるからではないかと考えられる。

上記図６から、イオンビーム４中のＢ⁺の比率を高めるためには、バイアス電圧Ｖ_Bは、０＜Ｖ_B≦１０［Ｖ］程度の範囲内にするのが好ましいと言うことができる。バイアス電圧Ｖ_Bの上限は、１０Ｖよりももう少し高く、例えば１５Ｖ程度にしても良い。

上記のようにしてイオンビーム４中のＢ⁺の比率を高めることができることによって、次のような効果を奏することができる。即ち、Ｂ⁺を所望イオン（例えば基板１０にイオン注入を行うドーパントイオン）として用いる場合に、それ以外の不必要なイオンを加速する割合を減らすことができるので、イオンビーム４を加速するための加速電源の容量を小さくすることができる。この加速電源は、図２の例では加速電源４２である。イオン源２の下流側に、例えば図１に示す質量分離マグネット６と分離スリット８との間に、後段加速器を設けている場合はそれ用の加速電源も該当する（以下同様）。

また、例えば図１に示す実施形態のように、イオン源２の下流側に質量分離手段（具体的には質量分離マグネット６および分離スリット８）が設けられている場合に、上記不必要なイオンが質量分離マグネット６の壁面や分離スリット８に衝突することによって発生するアウトガスおよび当該衝突によって放出される金属物質による基板１０の汚染（即ち、メタルコンタミネーション）の問題を少なくすることができる。

上記イオン源２の第２の運転方法を説明すると、イオン源ガス５０として上記三フッ化ホウ素を含むガスを用いてイオンビーム４を引き出すときは、上記バイアス電圧Ｖ_Bを正電圧にし、イオン源ガス５０として上記ホスフィンを含むガスを用いてイオンビーム４を引き出すときは、上記バイアス電圧Ｖ_Bを負電圧にする。バイアス電圧Ｖ_Bをこのように切り換えることによって、イオン源ガス５０として三フッ化ホウ素を含むガスを用いるときにはイオンビーム４中のＢ⁺の比率を高めてＢ⁺を効率良く引き出すことができ、ホスフィンを含むガスを用いるときにはイオンビーム４中のＰＨ_x ⁺の比率を高めてＰＨ_x ⁺を効率良く引き出すことができる。

イオン源ガス５０として１００％ＢＦ₃を用いた場合の測定結果は、図６を用いて説明したとおりである。イオン源ガス５０として４０％ＰＨ₃／Ｈ₂（即ち、水素で希釈した４０％濃度のＰＨ₃）を用いて、バイアス電圧Ｖ_Bを変えたときのイオンビーム４中の各種イオン電流の比率を測定した結果の一例を図７に示す。同図中のＰＨ_x ⁺は、質量数が３１〜３４［ａｍｕ］のイオンであるＰ⁺、ＰＨ⁺、ＰＨ₂ ⁺、ＰＨ₃ ⁺を総合したものである。

図７は、ＰＨ⁺を３７５〜５１０μＡ／ｃｍのイオン電流で引き出したときの例であり、このときの条件は、イオン源ガス５０の流量が１４ｃｃｍ、アーク電源２８からのアーク電圧が４０Ｖ、アーク電流が２２Ａ、加速電源４２からの加速電圧が６５ｋＶ、引出し電源４４からの引出し電圧が７ｋＶ、抑制電源４６からの抑制電圧が０．５ｋＶである。

この図７から分かるように、バイアス電圧Ｖ_Bを負電圧にし、かつその絶対値を大きくするほど、ＰＨ_x ⁺の比率が相対的に大きく、他のイオンの比率が相対的に小さくなっている。換言すれば、負のバイアス電圧Ｖ_Bの大きさによって、イオンビーム４中に含まれるＰＨ_x ⁺等のイオン種の比率を制御することができる。バイアス電圧Ｖ_Bを０Ｖあるいは正電圧にすると、ＰＨ_x ⁺の比率は小さくなる。

この図７から、イオンビーム４中のＰＨ_x ⁺の比率を高めるためには、バイアス電圧Ｖ_Bは、負電圧に設定されることが好ましく、具体的にはこの例では−３０≦Ｖ_B＜０［Ｖ］程度の範囲、とりわけ−３０≦Ｖ_B≦−１０［Ｖ］の範囲にするのがより好ましいと言うことができる。

バイアス回路６４を構成するバイアス電源６６を上述したように両極性電源で構成する場合は、その出力電圧の可変範囲は、上記範囲を総合すると、例えば−３０Ｖ〜＋１５Ｖの範囲にすれば良い。

以上のように、第２の運転方法によれば、所望イオン（例えば基板１０にイオン注入を行うドーパントイオン）としてＢ⁺とＰＨ_x ⁺とを切り換えて用いる場合に、いずれの場合にも、上記第１の運転方法の場合と同様に、加速電源の容量を小さくすることができる。また、質量分離手段が設けられている場合のアウトガスおよびメタルコンタミネーションの問題を少なくすることができる。

また、上記ガス供給源４８として、三フッ化ホウ素を含むイオン源ガス５０をプラズマ室容器２０内に供給するものを備え、バイアス回路６４として、三フッ化ホウ素を含むイオン源ガス５０を用いてイオンビーム４を引き出すときの上記バイアス電圧Ｖ_Bを正電圧にするものを備えている場合の図１および図２に示したイオン注入装置を第１のイオン注入装置と呼ぶと、イオン源２の上記第１および第２の運転方法等の説明を参照すれば明らかなように、この第１のイオン注入装置によれば、三フッ化ホウ素を含むイオン源ガス５０を用いてイオン源２からホウ素含有イオンを含むイオンビーム４を引き出すことができ、しかも上記バイアス電圧Ｖ_Bを正電圧にして、イオンビーム４中のＢ⁺の比率を高めることができる。即ち、Ｂ⁺を効率良く引き出すことができる。

ひいては、次のような効果を奏することができる。即ち、Ｂ⁺を基板１０にイオン注入を行うドーパントイオンとして用いる場合に、それ以外の不必要なイオンを加速する割合を減らすことができるので、イオンビーム４を加速するための上記加速電源の容量を小さくすることができる。また、イオン源２と基板１０の保持部１２との間に質量分離手段が設けられている場合に、上述したように、当該質量分離手段において上記不必要なイオンが壁面等に衝突することによって発生するアウトガスおよびメタルコンタミネーションの問題を少なくすることができる。

また、図１に示す実施形態のように質量分離手段を備えている場合は、その質量分離作用によって、基板１０に対してドーパントイオン以外の不必要なイオンが注入されるのを抑制することができる（以下に述べる第２のイオン注入装置においても同様）。

上記ガス供給源４８として、三フッ化ホウ素を含むイオン源ガス５０とホスフィンを含むイオン源ガス５０とを切り換えてプラズマ室容器２０内に供給するものを備え、バイアス回路６４として、イオン源２からイオンビーム４を引き出すときの上記バイアス電圧Ｖ_Bを正電圧と負電圧とに切り換え可能なものを備え、かつ、このガス供給源４８およびバイアス回路６４を制御して、三フッ化ホウ素を含むイオン源ガス５０をプラズマ室容器２０内に供給するときは上記バイアス電圧Ｖ_Bを正電圧にし、ホスフィンを含むイオン源ガス５０をプラズマ室容器２０内に供給するときは上記バイアス電圧Ｖ_Bを負電圧にする制御装置８０を備えている場合の図１、図２等に示したイオン注入装置を第２のイオン注入装置と呼ぶと、イオン源２の上記第１および第２の運転方法等の説明を参照すれば明らかなように、この第２のイオン注入装置によれば、イオン源ガス５０を三フッ化ホウ素を含むガスとホスフィンを含むガスとに切り換えて、一つのイオン源２から、ホウ素含有イオンを含むイオンビーム４と、リン含有イオンを含むイオンビーム４とを切り換えて引き出すことができ、しかも上記バイアス電圧Ｖ_Bを上記のように切り換えて、三フッ化ホウ素を含むイオン源ガス５０を用いるときにはイオンビーム４中のＢ⁺の比率を高めてＢ⁺を効率良く引き出すことができ、ホスフィンを含むイオン源ガス５０を用いるときにはイオンビーム４中のＰＨ_x ⁺の比率を高めてＰＨ_x ⁺を効率良く引き出すことができる。

ひいては、次のような効果を奏することができる。即ち、基板１０にイオン注入を行うドーパントイオンとしてＢ⁺とＰＨ_x ⁺とを切り換えて用いる場合に、いずれの場合にも、第１のイオン注入装置の場合と同様に、加速電源の容量を小さくすることができる。また、質量分離手段が設けられている場合のアウトガスおよびメタルコンタミネーションの問題を少なくすることができる。

この発明に係るイオン注入装置の一実施形態を示す概略平面図である。図１中のイオン源周りの詳細例を示す図である。図２中のガス供給源の一例を示す図である。図２中のバイアス回路の他の例を示す図である。図２中のバイアス回路の更に他の例を示す図である。イオン源ガスとして１００％ＢＦ₃を用いてバイアス電圧を変えたときのイオンビーム中の各種イオン電流の比率を測定した結果の一例を示す図である。イオン源ガスとして４０％ＰＨ₃／Ｈ₂を用いてバイアス電圧を変えたときのイオンビーム中の各種イオン電流の比率を測定した結果の一例を示す図である。

符号の説明

２イオン源
４イオンビーム
６質量分離マグネット
８分離スリット
１０基板
１２保持部
２０プラズマ室容器
２２プラズマ
３０引出し電極系
３１プラズマ電極
３６絶縁物
４８ガス供給源
５０イオン源ガス
６４バイアス回路
６６バイアス電源
８０制御装置

Claims

イオン源ガスが導入され、内部でプラズマを生成するためのプラズマ室容器と、
前記プラズマ室容器内でイオン源ガスを電子衝撃によって電離させてプラズマを生成する電離手段と、
前記プラズマ室容器の開口部付近に設けられていて、前記プラズマからイオンビームを引き出すものであって１以上の電極を有する引出し電極系と、
前記引出し電極系を構成する電極の内の最プラズマ側の電極であるプラズマ電極と前記プラズマ室容器との間を電気絶縁する絶縁手段と、
前記プラズマ室容器の内壁付近にカスプ磁場を形成する複数の磁石とを備えるイオン源の運転方法であって、しかも前記イオン源ガスとして三フッ化ホウ素（ＢＦ ₃ ）を含むガスとホスフィン（ＰＨ ₃ ）を含むガスとを切り換えて用いるイオン源の運転方法において、
前記イオン源は、前記イオンビームを引き出すときの前記プラズマ生成容器に対する前記プラズマ電極のバイアス電圧を正電圧と負電圧とに切り換え可能なバイアス手段を更に備えていて、
前記イオン源ガスとして三フッ化ホウ素（ＢＦ₃）を含むガスを用いてイオンビームを引き出すときは、前記バイアス手段を切り換えて、前記プラズマ室容器に対する前記プラズマ電極のバイアス電圧を正電圧にし、
前記イオン源ガスとしてホスフィン（ＰＨ₃）を含むガスを用いてイオンビームを引き出すときは、前記バイアス手段を切り換えて、前記プラズマ室容器に対する前記プラズマ電極のバイアス電圧を−３０Ｖ以上かつ０Ｖより小の範囲内の負電圧にすることを特徴とするイオン源の運転方法。
イオン源から引き出したイオンビームを基板に入射させてイオン注入を行う構成のイオン注入装置であって、
イオン源ガスが導入され、内部でプラズマを生成するためのプラズマ室容器と、このプラズマ室容器内でイオン源ガスを電子衝撃によって電離させてプラズマを生成する電離手段と、前記プラズマ室容器の開口部付近に設けられていて、前記プラズマからイオンビームを引き出すものであって１以上の電極を有する引出し電極系と、この引出し電極系を構成する電極の内の最プラズマ側の電極であるプラズマ電極と前記プラズマ室容器との間を電気絶縁する絶縁手段と、前記プラズマ室容器の内壁付近にカスプ磁場を形成する複数の磁石とを有するイオン源と、
三フッ化ホウ素（ＢＦ₃）を含むイオン源ガスとホスフィン（ＰＨ₃）を含むイオン源ガスとを切り換えて前記イオン源のプラズマ室容器内に供給するガス供給手段と、
前記イオン源からイオンビームを引き出すときの前記プラズマ室容器に対する前記プラズマ電極のバイアス電圧を正電圧と負電圧とに切り換え可能なバイアス手段と、
前記ガス供給手段および前記バイアス手段を制御して、前記三フッ化ホウ素を含むイオン源ガスを前記プラズマ室容器内に供給するときは前記バイアス電圧を正電圧にし、前記ホスフィンを含むイオン源ガスを前記プラズマ室容器内に供給するときは前記バイアス電圧を−３０Ｖ以上かつ０Ｖより小の範囲内の負電圧にする制御手段とを備えていることを特徴とするイオン注入装置。
前記イオン源と前記基板の保持部との間に、前記イオン源から引き出したイオンビームの質量分離を行う質量分離手段を更に備えている請求項２記載のイオン注入装置。