JP4374487B2 - イオン源装置およびそのクリーニング最適化方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、イオン注入装置に用いるイオン源装置、特に、イオン源の室内および引き出し電極系に堆積したボロンまたはリン等の付着物を除去するためのクリーニング機能を備えたイオン源装置およびこの装置を用いたクリーニング最適化方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオン注入は、集積回路やフラットパネルディスプレイ等の製品を大規模生産する際に、シリコンウエハ又はガラス基板等の加工物に不純物を注入するために産業界において一般的に使用されている。従来のイオン注入装置は、所望のドーパント元素をイオン化して、それを加速して規定エネルギーのイオンビームを形成できるようにするイオン源を備えている。
【０００３】
イオン源は、グラファイト、アルミニウム等で形成される１つのプラズマ室と、プラズマ室内に閉じ込められたイオンを引き出すための引出電極系を有している。プラズマ室は、側壁、頂部壁、及び底部壁で囲まれたハウジングを形成し、頂部壁に、イオン源ガスのガス供給口とフィラメントまたはアンテナの導入口が設けられ、底部壁に、イオンビームを引き出すために出口開口が設けられている。
【０００４】
イオン源は、プラズマ室内に供給されるイオン源ガスをイオン化することによってイオンビームを発生する。イオン源ガスは、所望のドーパントガスであり、一般的に、水素希釈ジボランガス（Ｂ2Ｈ6／Ｈ2）、水素希釈ホスフィンガス（ＰＨ3／Ｈ2）、又は水素希釈アルシンガス（ＡｓＨ3／Ｈ2）が用いられる。
【０００５】
プラズマ室内のイオン化工程は、エキサイタ（アンテナ要素）により行われ、このアンテナ要素は、温度加熱されたフィラメントの形式または高周波（あるいはマイクロ波）を用いるアンテナの形式で構成されている。加熱されたフィラメントは、熱電子として高エネルギー電子を放出し、一方、高周波電力が印加されるアンテナは、プラズマ室内に高エネルギーの高周波（マイクロ波）の励起信号を発生する。
【０００６】
高エネルギーの電子または励起信号のいずれかが、プラズマ室内のイオン源ガスにエネルギーを与えて、イオン源ガスがイオン化される。イオン源ガスを構成する所望のドーパント要素の例としては、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、および砒素（Ａｓ）が含まれる。
【０００７】
引出電極系は、プラズマ室の底部側に設けられ、一般的に、４枚の孔のある電極が並列配置されている。これらの電極は、プラズマ室の底部壁に形成されるプラズマ電極、引出電極（引出電極）、サプレッション電極、及び接地電極からなる。プラズマ電極には、引出電源からイオンビーム引出用の正電圧が、引出電極には、加速電源からイオンビーム加速用の正電圧が、サプレッション電極には、サプレッション電源から逆流電子抑制用の負電圧が、それぞれ供給されている。また、接地電極は接地されている。
【０００８】
ウエハ等の加工物が処理室内に収納されて、この室内が真空排気されると、プラズマ室内にガス導入口から所望のガスが導入され、プラズマ室内のフィラメントから放出された電子がイオン化可能ガスと衝突してイオン化し、あるいは、アンテナに高周波電力が供給され、プラズマ室内のイオン源ガスを分解してイオン化することによって、共にプラズマが作られる。このプラズマ中のイオンは、高電圧を印加した引出電極系によってイオンビームとして引き出される。引き出されたイオンビームは、質量分離を行うことなく、あるいは、質量分析磁石に偏向されたイオンビームを用いて処理室内の加工物にイオンが注入される。
【０００９】
イオン源ガスは、通常、上述した、水素希釈のジボランガスを用いて、これをプラズマ室内に導入して、ボロンを含むイオンビームを引き出し、加工物にボロンイオンをドーパントとして注入したり、また、水素希釈のホスフィンガスを用いて、これをプラズマ室内に導入して、加工物にリンイオンをドーパントして注入する。
【００１０】
上記のようにして、イオンビームを長期間使用すると、プラズマ室の壁面に分解されたボロン及びリン等が付着し、これが種々のトラブルの原因となる。また、付着したボロン等がプラズマの熱によって再蒸発し、これがプラズマ中に混入する。そうすると、プラズマ中のイオン（例えば、ボロンイオン）の濃度がガス中の予め定めた元素（例えば、ボロン）の濃度以上になるため、しかもその増加の割合が不確定なため、注入量の制御性を悪化させる。これは、低濃度注入等の場合に問題になる。
【００１１】
また、質量分離をおこなわない場合、不必要なイオン（例えば、ボロンのドーピング中にリンイオン）が照射されることになり、これが、加工物の処理に悪影響を及ぼす。例えば、ウエハ等の加工物に半導体素子を形成する場合、その特性が悪化する。
【００１２】
上記の問題は、イオン源を頻繁に分解してクリーニングすれば、防ぐことができるが、それには多くの時間と手間がかかる。また、その間、注入装置が長時間停止するので、装置の稼働率も低下する。
【００１３】
それゆえ、これまでのイオン源のクリーニング方法としては、試料に対するイオン注入時以外の時に、イオン源にＨ2ガスを導入し、このイオン源において、水素プラズマを発生させることによって、プラズマ室内のクリーニングを行っている（例えば、特許文献１参照）。
【００１４】
この方法では、水素プラズマの熱、スパッタ等によってプラズマ室内の付着物が壁面から剥がされ、剥がされた付着物は、水素と結合して水素化合物を作り、真空排気される処理室を経由して外部に排出されるようになっている。
【００１５】
しかし、このＨ2ガスを用いる方法は、プラズマ室内のクリーニングに限られており、電極の表面に堆積するリン及びボロン等の付着物については、有効にクリーニングすることができない。その理由は、水素イオンビームは、処理室内に水素イオンを排出するので、クリーニング後に再開されたイオン注入動作時に、イオン源から引き出すイオンビーム中に水素イオンが多く含まれることになり、イオン注入の目的であるドーパントイオンと同時に余計の水素イオンが注入され、半導体デバイスの特性を悪化させる原因となる（例えば、特許文献２参照）。
【００１６】
また、イオン源内部のアノード電極及びイオン源内壁をプラズマから引き出した陽イオンのスパッタによりクリーニングする方法も開示されている。この方法では、クリーニング用のプラズマを発生させるガスとして、ドーピングに用いる材料ガス、アルゴンなどの希ガス、水素、あるいはそれらの混合ガスを用いる点について記載されている（例えば、特許文献３参照）。
【００１７】
しかしながら、上述したクリーニング方法及び従来のクリーニング方法では、イオン源のプラズマ室内のクリーニングであり、プラズマ室の外側に配置される引出電極系のクリーニングについては、着目していない。
【００１８】
引出電極系の表面も、プラズマ室の内壁と同様に、リンおよびボロン等の付着物が堆積して、絶縁膜を形成する。これらの絶縁膜には、電子が付着して帯電しやすく、直接放電の原因となる。また絶縁膜は厚くなると剥離して、電極に悪影響を与える。さらに、ボロン及びリンの付着部は、電極系を通過するイオンビーム形状の空間的不均一性を引き起こし、放電が起こりやすくなり、また、電極間の絶縁碍子の耐圧が低下して絶縁破壊が生じる原因ともなる。
【００１９】
【特許文献１】
日本特許第2956412号公報（段落番号00 15〜0018）
【００２０】
【特許文献２】
特開2000−48734号公報（段落番号0010〜00 14）
【００２１】
【特許文献３】
特開2000−340165号公報（段落番号0013〜0019）
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
このような事情に鑑みて、本発明は、プラズマ室内壁の他に、特に、引出電極系において、ボロン及びリン等のイオン源材料により生じる絶縁膜を取り除くためのクリーニング機能を有するイオン源装置およびそのクリーニング最適化方法を提供することを目的としている。
【００２３】
また、イオン注入積算時間とボロン及びリン等の絶縁物の堆積量に基づいて、クリーニングの時間と時期を決定し、適切なスパッタ用ガスの流量を最適化して、プラズマ室内壁及び引出し電極系に付着堆積する絶縁膜のクリーニング最適化方法を提供することを目的としている。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、各請求項に記載の構成を有する。本発明のクリーニング最適化方法は、引出電極系の各電極面に付着堆積したイオン源材料により生じる絶縁膜を除去するために、イオン源ガスの代わりに希ガス供給源から希ガスをプラズマ室内に供給して、前記希ガスによるプラズマを形成して前記希ガスのイオンビームを引き出し、前記プラズマ室から引き出された前記希ガスのイオンビームを前記引出電極系の各電極面に衝突させるとともに、該イオンビームが衝突する際の前記希ガスのイオンビームにおけるビーム径を変化させるために、設定パラメータである前記引出電極系の引出電圧と希ガスの供給量のいずれか一方または両方を調整し、かつ引き出された前記イオンビームのビーム径を監視し、前記引出電極系の各電極面に付着したイオン種とスパッタ率の関係に基づいて、前記絶縁膜をスパッタする強度が最大となる前記ビーム径寸法の有効設定範囲を設定し、前記希ガスのイオンビームを集束させて、前記絶縁膜をスパッタにより均一に除去する、各ステップを有することを特徴としている。
【００２５】
この構成によれば、希ガスによるイオンビームが引出電極系の各電極面に付着堆積した絶縁膜に衝突するときのビーム径を、イオン源装置における設定パラメータによって調整することができる。
【００２６】
この設定パラメータとして、引き出し電極系の引出電圧、希ガスの供給量、さらには、アンテナ要素の高周波電力や希ガスに含まれるＨ2の混合比等を利用することができる。
【００２７】
たとえば、引出電極系の電極に印加される引出電圧の調整により、希ガスのイオンビームのビーム径を変化させて、最適ビーム径によって、それぞれの電極面に堆積した絶縁膜を均一に除去することが可能になる。
【００２８】
また、電極面に衝突する希ガスのイオンビームにおけるイオン成分要素、供給量等に応じて、堆積した絶縁膜を除去する際の効率が変わるため、スパッタを実施するためのイオンビーム径の有効設定範囲は、引出電極系の電極面に付着したイオン種とスパッタ率の関係に基づいて設定され、前記絶縁膜をスパッタする強度を最大にすることができる。
【００２９】
また、本発明に係る別のクリーニング最適化方法は、イオン注入積算時間と堆積量のテーブル化と、クリーニング時間とスパッタによる堆積量の変化量のテーブル化に基づいて、希ガス供給源からプラズマ室内にアルゴン等の希ガスを供給する時期を決定し、予備クリーニングによるサンプリング測定により得られた最適なガス流量で、必要な電極クリーニング時間の間、前記プラズマ室に前記希ガスによるプラズマを発生し、絶縁膜に衝突するイオンビームのビーム径の変化量に応じて絶縁膜をスパッタする強度が最大となるように引出電極系の引出電圧を調整し、このプラズマから引き出されるイオンビームにより、前記引出電極系の電極面に堆積した絶縁膜をスパッタして取り除く、各工程を含んでいることを特徴としている。
【００３０】
この方法では、イオン注入積算時間とボロン及びリン等の絶縁物の堆積量に基づいて、クリーニングの時間と時期を決定し、適切なスパッタ用ガスの流量を最適化して、プラズマ室内壁及び引出電極系の絶縁膜のクリーニング最適化を図る。
【００３１】
さらに、本発明は、イオン源ガスのガス供給口、イオンビームが引き出される出口開口、及び室内にプラズマを形成してイオンに運動エネルギーを与えるアンテナ要素を備えるプラズマ室と、前記プラズマから電界の作用でイオンビームを前記出口開口に位置するプラズマ電極から引き出すための複数の電極から構成される引出電極系とを含むイオン源装置において、
前記イオン源ガスの代わりに希ガスを前記プラズマ室内に供給して前記希ガスによるプラズマを形成するための希ガス供給源と、前記プラズマ室から引き出されて前記引出電極系の各電極に衝突する際の前記希ガスのイオンビームにおけるビーム径を変化させる設定パラメータを調整する手段と、イオン注入積算時間と引出電極系の電極に付着した絶縁膜の堆積量に基づいて、前記電極をクリーニングする時間と時期を決定するための手段とを備えることを特徴としている。
【００３２】
また、本発明の実施形態によれば、希ガスとしては、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ，Ｋｒ、Ｘｅが可能であり、好ましくは、純Ａｒガス、またはＨ2ガスとＡｒガスの混合ガスのいずれかで構成されている。引出し電極系は、プラズマ電極、引出電極、サプレッション電極、及び接地電極を含み、プラズマ電極に加える電圧及び引出電極に加える電圧における調整により、引出し電極系の電極面及びプラズマ室内壁の一方または両方に対するクリーニング比率を与えることができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係るイオン源装置１の概略断面構成図である。このイオン源装置１は、高周波放電によってプラズマ（プラズマ領域Ｐ）を発生するとともに、このプラズマを閉じ込めるためのプラズマ室２と、このプラズマ室内のプラズマから電界の作用でイオンビームを引き出すための引出電極系３とを備えている。
【００３４】
プラズマ室２は、イオン源ガス１０を供給するための入口開口１２を有する頂部壁４、この頂部壁４と一体に形成され、外周に永久磁石(図示略)を配置した側壁５、及び出口開口１３を有する底部壁６によって囲まれている。頂部壁４には、さらに、プラズマ室内に配置されるアンテナ要素（アンテナ）７に高エネルギーの励起信号を発生させるために、高周波またはマイクロ波発生器に接続するアンテナ導入口１５を有する。
【００３５】
また、底部壁６は、出口開口１３としての引出電極系のプラズマ電極２０を有し、プラズマからのイオンを引き出すため複数の開口１６を備えている。アンテナ要素７は、コイル形状をしたフィラメントまたはアンテナからなり、プラズマ室内に供給されたイオン源ガス１０をイオン化してプラズマを発生させる。図１は、高周波イオン源として構成され、アンテナ要素７は、整合器１１を介して高周波電源１４に接続されており、この高周波電源から高周波電力が供給され、プラズマ室内で高周波放電が生じてイオン源ガス１０が電離されてプラズマが形成される。
【００３６】
フィラメント形式のアンテナ要素は、電気リード線を介して電気的に励磁されるもので、タングステンフィラメントからなり、適当な温度に加熱して電子の熱イオン放出を行うものである。また、アンテナ形式のアンテナ要素は、イオン化した電子を発生し、プラズマ室内でこの電子によるプラズマが形成され、イオン源ガス１０と相互に反応してイオン化する。
【００３７】
プラズマは、プラズマ室内に形成され、出口開口１３の細長いスロットの長手方向軸線に平行に向いて頂部壁及び側壁の外側に配置された棒状の永久磁石（図示略）によって室の中央に集中する。永久磁石は、各磁石のＮ極とＳ極が磁石の断面方向の中心を境として分極化されるように前記壁面に磁極のどちらかが面するように配置されている。その結果、磁力線が隣接する磁石のＮ極からＳ極に走り、プラズマ室の中心に向けてプラズマを集中させるカスプ磁場を形成する。
【００３８】
引出電極系３は、図１、図２(a)に示すように、プラズマ室２から電界の作用でイオンビームを引き出すものであり、１枚以上、通常は、複数枚の電極２０，３０，４０，５０で構成されている。即ち、ここでは、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２０、引出電極３０、サプレッション電極４０、接地電極５０で構成されている。各電極は、通常は、複数の孔を有する多孔電極である。プラズマ電極２０、引出電極３０、サプレッション電極４０は、それぞれ電源Ａ，Ｂ，Ｃに接続されて、所定の引出電圧が供給される。
【００３９】
プラズマ電極２０には、引出電源から引出電極に対して、正の高電圧、例えば、１．５ｋＶが印加され、引出電極３０には、加速電源から接地電位に対して８．５ｋＶが印加される。このとき、イオンの受けるエネルギーは、１．５ｋＶ＋８．５ｋＶで計１０ｋＶとなる。サプレッション電極４０は、下流側からの電子の逆流を抑制する電極であり、抑制電源から接地電位を基準にしてプラズマ電極より低い電位の電圧−２ｋＶ（抑制電圧）が印加される。接地電極５０は接地されている。
【００４０】
従って、引出電極系におけるプラズマ電極２０から接地電極５０への各電極間に印加される電源電圧Ａ、Ｂ、Ｃは、図２(b)から明らかなように、それぞれ、１．５ｋＶ、１０.５ｋＶ、２ｋＶであり、図２(b)に示される加速電位分布のグラフが与えられる。このグラフに基づいて、引出ポテンシャルエネルギーは、約１０ｋｅＶとなる。
【００４１】
イオン源ガス１０は、イオン化可能なドーパントガスであり、圧縮ガスの発生源から直接または間接的に得られるもので、導管１６を介して圧力調整器１７により所定の圧力で質量流量コントローラ１８を介して所定の流量でプラズマ室内に噴射される。代表的なイオン源要素としては、ボロン（Ｂ）リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）であり、上述したように、ジボラン、ホスフィン、アルシン等のガス状の形で供給される。
【００４２】
本発明では、特に、イオン源ガスとして、ジボランを用いた場合にイオン源の内壁及び引出電極系に堆積する絶縁膜としてのボロン膜を除去することを目的としている。このために、イオン源ガスの供給回路に希ガス供給源６０が接続され、圧力スイッチ１９を介してイオン源ガスと希ガス（本実施例では、純ＡｒガスまたはＨ2ガスとＡｒガスの混合ガス）のいずれかを選択することができる。この希ガス供給源６０は、イオン源ガス１０の供給回路とは別個に構成することも可能である。
【００４３】
本発明において使用するスパッタ用ガスとして、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ，Ｋｒ、Ｘｅの希ガスを用いることができる。なお、特に、ボロンの絶縁体膜を除去するには、純Ａｒガス、またはＨ2ガスを含む混合アルゴンガスのいずれかを使用することが望ましい。スパッタ用ガスは、プラズマ室内に均等に供給されるようにするために、アンテナ７を挟む形で対称位置に配置されたノズル３２から導入される。図５ａ及び図５ｂには、アンテナ７が４つの場合と３つの場合におけるノズルの配置が示されている。また、図６の導入装置では、導入管からイオン源内に直接導入する場合に、拡散板３４を用いて、プラズマ室の頂部壁の内壁との隙間をできるだけ少なくして、拡散板の周囲からスパッタ用ガスが均等に導入される構造となっている。
【００４４】
Ａr（アルゴン）ガス６０は、後述するイオン注入積算時間とボロン及びリンの付着物の堆積量に基づいて、イオン源ガス１０の代わりにプラズマ室内に供給され、プラズマ室２及び引出電極系３の各電極に堆積したリンまたはボロンの付着物、即ち、絶縁膜２１を除去するクリーニング作業のために使用される。
【００４５】
イオン源ガスのイオン化により発生するイオンビームがプラズマ室の出口開口から引き出されて、処理室内のウエハ等の加工物にイオン注入作業が実行されると、図１及び図３、図４において、引出電極系の各電極２０,３０には、イオン源ガスの種類により、ボロン及びリン等の付着物である絶縁膜２１が形成される。この絶縁膜２１を形成する付着物は、図３、図４に示すように、引出電極系の電極面２０,３０に堆積し、各電極の前側表面には厚い絶縁膜２１aが形成され、電極の開口部の側面及び裏面２０aには、薄い絶縁膜２１ｂが形成される。この堆積量は、イオン注入積算時間、イオン源ガスのプラズマ室内への単位時間当たりの供給流量等、さらに、後述するビームシャッター（図４参照）の影響等により異なる。
【００４６】
そのため、予め設定された時間間隔で、常に、電極のクリーニングを行う必要がある。それゆえ、このような電極に付着する絶縁膜の層形成に基づいて最適なスパッタ用ガスの最適な流量設定を行うためのガス流量の最適化方法が必要となる。
【００４７】
この観点に関して、以下に説明する。本発明のクリーニング最適化方法では、イオン源ガス１０の代わりに希ガスをプラズマ室内に供給して、この希ガスによるプラズマを形成する。そして、プラズマ室２から引き出された希ガスのイオンビームが引出電極系３の各電極面に衝突する。このとき、絶縁膜を均一にスパッタするためには、引出電極系の電極面に付着堆積した絶縁膜に当たる希ガスのイオンビームのビーム径を調整することが重要である。
【００４８】
このビーム径は、イオン源装置１における設定パラメータを調整することにより変化させることができる。この調整により、絶縁膜をスパッタする強度が高くなるような上記ビーム径の有効設定範囲に、希ガスのイオンビームを集束させて、絶縁膜を均一に除去することができる。
【００４９】
希ガスのイオンビーム径は、イオン源装置の設定パラメータ、即ち、引出電極系の引出電圧および希ガスの供給量のいずれか一方または両方の調節により、最適なビーム径が選択される。また、この設定パラメータとして、アンテナの高周波電力（W)と、希ガスに含まれるＨ2の混合比を用いることもできる。
【００５０】
上記本発明の基本的なクリーニング工程の１つの実施形態としては、引出電極系３の引出電圧Ａ,Ｂ,Ｃまたは希ガスの供給量を所定の値に変化させて、希ガスによるプラズマから引き出されたイオンビームのビーム径を監視し、絶縁膜２１に衝突するイオンビームのビーム径の変化量に応じて、絶縁膜をスパッタする強度が最大となるように、引出電極系の引出電圧または希ガスの供給量の一方を調整する。
【００５１】
また、別の実施形態では、引出電極系３の引出電圧Ａ,Ｂ,Ｃまたは希ガスの供給量を所定の値に変化させて、希ガスによるプラズマから引き出されたイオンビームのビーム径を監視し、絶縁膜２１に衝突するイオンビームのビーム径の変化量に応じて、絶縁膜をスパッタする強度が最大となるように、引出電極系の引出電圧及び希ガスの供給量の両方を調整する。
【００５２】
ここで、絶縁膜が均一に除去されたかを測定するために、例えば、アルゴンクリーニング後、ボロンまたはリン等を所定量注入している間に、ドーズカップを用いて測定することができる。
【００５３】
このようにして、本発明のクリーニング最適化方法を実行できる。さらに、本発明の実施形態レベルでは、以下のように、イオン源装置の動作手順に従って実行される。
【００５４】
イオンビームが、各電極の開口を通過して処理室内に配置されたウエハ等の加工物に注入されると、図１に示すように、イオンビームがそれぞれの電極に衝突して、電極面にボロン及びリン等の付着物の絶縁膜が形成される。
【００５５】
この絶縁膜２１の形成は、イオン注入時間に比例して堆積量が増加するが、これは、イオン注入時間に対する絶縁膜の堆積厚さを測定して全体の堆積量を推定するとともに、イオン注入時間と堆積量との相関関係をテーブル化することが可能である。
【００５６】
また、これに対応して、実際に所定時間のクリーニング結果に基づき、希ガスのイオンビームによるスパッタによって、絶縁膜２１の堆積量がどの程度に減少したかを測定する。その結果、クリーング時間に対する堆積変化量のテーブル化が得られる。
【００５７】
イオン注入積算時間と引出電極系の電極に付着した絶縁膜の堆積量（予想堆積量または膜厚）に基づいて、クリーニングの時間と時期を決定するための手段は、この２つのテーブル化データを用いるものであり、このデータによって、クリーニングまでの装置稼働時間を決定し、クリーニング時間とその時期を決定する。
【００５８】
このための手順としては、まず、最適なガス流量は、予備クリーニングによるサンプリングによって最小流量で最大効果が得られるように決定される。これは、一般的にガス流量は、調整・記憶・設定に基づいて効率の良いものを選択するが、少量のガス流量では、クリーニング時間がかかりすぎ、またガス流量が多量になると、ガス流の成分が残留し、クリーニング効果が果たせなくなる。従って、図６に示すように、時間に対する流量の関係を示す双曲線グラフが形成されており、１分間当りの流量をccで換算して本実施例では、数１０sccm（cc/min)のときが、最適な必要クリーニング時間となる。
【００５９】
また、クリーニング回数及びスケジュールは、一般的に、１００時間の注入作業時間あたり４〜５時間のクリーニング量、即ち、４〜５％をクリーニング時間に割り当てることが適切であることを見出した。
【００６０】
このクリーニングの必要性の判断は、ファラデーカップを用いて、イオンビームをスキャン測定し、ビーム電流の変化量に基づいて、引出電極系に堆積したボロン膜等の絶縁膜によって引き起こされるイオンビームの空間的な不均一性が許容範囲を越えた時点を、クリーニングの実施時期であると決定することができる。
【００６１】
また、本発明のイオン源装置によれば、ＡrガスとＨ2ガスとの混合比によって引出電極系のみと、引出電極系とプラズマ室内への両方のクリーニングを行うことができる。それは、引出電極系のみのクリーニングの場合、ＡrガスとＨ2ガスの混合比を約１:１とし、また、引出電極系とプラズマ室内の両方をクリーニングする場合、ＡrガスとＨ2ガスの混合比を約 0.1:１とすることによって達成される。また、ＡrガスとＨ2ガスの混合ガスの混合比は、Ａrガスに対して、Ｈ2ガスを約１０％〜９０％の割合で加えることができる。
【００６２】
また、引出電極系の電極間の電位を制御することにより、希ガスのイオンビームの引き出しを調整することができる。例えば、プラズマ電極２０と引出電極３０間の可変電源Ａの電圧を０Ｖにすると、イオンビームは引き出されなくなり、プラズマ室内のみで、例えば、アルゴンプラズマによるスパッタにより、プラズマ室内壁のクリーニングを行うことができる。また、可変電源Ａの電圧をプラス電位にすると、プラズマ室からイオンビームが引き出され、更に、引出電極３０とサプレッション電極４０間の電源をプラス電位にすると、イオンビームのイオンが加速され、スパッタの効果が強くなる。
【００６３】
従って、プラズマ室内のクリーニング時には、可変電源Ａの電位を低く抑える。この場合、可変電源Ｂの電位が引出電極３０に印加されており、かつプラズマ自体も電位を有するので、プラズマ室内でアルゴンイオンの衝突が発生する。このため、プラズマ室内壁の付着物をクリーニングすることができる。さらに、可変電源Ｂの電圧が増加すればするほど、アルゴンイオンの引き出しが強くなり、プラズマ電極系のクリーニングが良く実施される。
【００６４】
また、図４に示すように、プラズマ電極２０の前側にビームシャッター２４を設ける方法がある。このビームシャッター２４は、低ドーズ量の場合、出口開口を小さくし、また高ドーズ量の場合は、出口開口を大きくするものである。図４の例では、プラズマ電極２０前側の開口底部側にアンダーカット部２４aを有するカーボン製のビームシャッター２４が配置される。このため、このシャッターをスライドさせて大きい開口または小さい開口のいずれかにイオンビーム100を通過させるようになっている。それゆえ、シャッターの開口幅を広げることにより、プラズマが引出し部に近づくため、イオンビームが引き出されやすくなる。シャッターを挟んで前側と後側に高密度プラズマと低密度プラズマが形成され、プラズマ電極の前側表面位置に低密度プラズマのプラズマ境界Ｌがあり、このプラズマ境界は、プラズマ電極２０の表面に絶縁膜２１ａが形成されると、プラズマ電極２０より後退し、イオンビーム100の引き出しが悪くなる。
【００６５】
以上、説明したことから、本発明のイオン源装置におけるクリーニングの最適化法は、イオン注入積算時間と堆積量のテーブル化と、クリーニング時間とスパッタによる堆積量の変化量のテーブル化に基づいて、希ガス供給源からプラズマ室内にアルゴン等の希ガスを供給する時期を決定し、予備クリーニングによるサンプリング測定に従って予め設定された適量の値のガス流量で必要なクリーニング時間の間、プラズマ室にアルゴン等の希ガスによるプラズマを発生し、絶縁膜に衝突するイオンビームのビーム径の変化量に応じて絶縁膜をスパッタする強度が最大となるように前記引出電極系の引出電圧を調整し、このプラズマから引き出されるイオンによって引出電極系の電極面に堆積した絶縁膜をスパッタにより取り除く、各工程を含んでいる。
【００６６】
また、希ガスを供給する時期を決定する工程は、イオン注入中のイオンビームをスキャン測定し、空間的なビーム電流の変化量に基づく均一性の許容値を越えた場合に、前記希ガスによるプラズマから引き出されたイオンビームによるスパッタを実施するステップを有する。希ガス供給源から供給されるガスは、アルゴンと水素との混合ガスであり、プラズマ電極２０と引出電極３０間の電圧、及び引出電極３０とサプレッション電極４０間の電圧を制御して、プラズマ室内壁および引出電極系における電極面の一方または両方のクリーニングを実施することができる。
【００６７】
スパッタ現象を取り扱う上でのパラメータとして、スパッタ率があり、これは、除去すべきターゲット（絶縁膜）に入射した粒子（イオン）の数をｎi、この粒子によりスパッタされるターゲットの原子（または分子）の数をｎsとした場合、スパッタ率Ｓは、次式で表される。
【００６８】
Ｓ ＝ （ｎs／ｎi）
このスパッタ率は、イオンエネルギー、イオンの種類、絶縁膜の材料、絶縁膜の表面に対するイオンの入射角度などにより異なる値を示す。イオンエネルギーとスパッタ率の関係は、ある一定以上のイオンエネルギーがなければスパッタが進行しないという閾値エネルギーが存在し、その値以上でスパッタ率はイオン加速電圧に対して単調に増加する。しかし、あるエネルギーで極大値となり、それ以上エネルギーを与えてもスパッタ率は減少してしまう。イオン種とスパッタ率の関係において、おおむね、原子番号が大きくなるにつれて、スパッタ率が大きくなる傾向にあり、ターゲット表面で反応層を形成しやすい。相互作用の少ないＮｅ、Ａｒ，Ｋｒ、Ｘｅといった希ガスのイオンで極大値をとる。それゆえ、材料単価が比較的安くかつボロンやリンよりも原子番号が大きいアルゴンがスパッタ用ガスとして最適である。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明は、アルゴン等の希ガスをイオン源ガスの代わりにプラズマ室内に供給し、希ガスのプラズマによるイオンビームのイオンをスパッタ用として使用するので、引出電極系の各電極の表面及び裏面に付着堆積した絶縁膜を容易にかつ迅速に取り除くことができ、しかも、希ガスのイオンビームのビーム径を、イオン源装置の設定パラメータに応じて変化させることによって、最適なビーム径に調整して、各電極面に付着した絶縁膜を均一に除去することができる。
【００７０】
また、本発明の最適クリーニング方法によれば、引出電極系に堆積したボロン膜等の絶縁膜が電子と帯電して起こる直接放電をなくし、さらに、ボロン及びリンの付着物を取り除くことにより、引出電極系を通過するイオンビーム形状の空間的不均一性を回復できる。また、イオン源のメンテナンス周期を延ばして、装置の耐久性を向上させることができる。
【００７１】
本発明は、スパッタ用ガス源として、ＡrガスとＨ2ガスの混合ガスを使用し、その混合比により、プラズマ室内壁と引出電極系の一方または両方に付着した絶縁物を取り除くことができる。また、高周波またはマイクロ波を用いてアンテナに励起信号を供給するので、ＡrガスとＨ2ガスのスパッタ効果をより高めることができる。さらに、引き出し電極系の電極間に印加する電圧を調整することにより、プラズマ室内壁と引出電極系を必要に応じて一方または他方を、さらには、両方を一緒にクリーニングすることもできる。
【００７２】
また、本発明のクリーニング最適化方法によれば、イオン注入積算時間と堆積量のテーブル化と、クリーニング時間とスパッタによる堆積量の変化量のテーブル化に基づいて、希ガス供給源からプラズマ室内にアルゴン等の希ガスを供給する時期を決定することができ、作業の精度向上と効率化を図ることできる。さらに、予備クリーニングによるサンプリング測定に従って予め設定された最適なガス流量を与えて、必要なクリーニング時間において、前記引出電極系の電極面に堆積した絶縁膜をスパッタにより取り除くことができる。
【００７３】
上述した記述は、本発明の一例を示すものであり、本発明は、個々に記載の特定の実施形態に制限されるものではなく、特許請求の範囲に記載の構成に基づいて、種々の再構成、修正、及び変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係るイオン源装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】図２は、本発明に係るイオン源装置の引出電極系における各電極に印加される電圧と、引出しポテンシャルエネルギーとの関係を示す概略図である。
【図３】図３は、引出電極系に堆積する絶縁膜の状態を示するとともに、絶縁膜のクリーニング動作を説明する断面構成図である。
【図４】図４は、図３において、さらに、ビームシャッターを配置した場合の、絶縁膜のクリーニング動作を説明する断面構成図である。
【図５】図５は、プラズマ室内に配置した拡散板の代わりにノズルを使用した場合において、(a)は、アンテナを３個配置した例、(b)は、アンテナを４個配置した例を示す頂部壁を底部側から見た配置図である。
【図６】図６は、本発明に係るプラズマ室内にアルゴンガスを噴射するための拡散板を配置した側面図である。
【図７】図７は、最適なスパッタ用ガスの流量を示すための単位時間当たりの流量と時間の関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１ イオン源装置
２ プラズマ室
３ 引出電極系
４ 頂部壁
５ 側壁
６ 底部壁
７ アンテナ要素（アンテナ）
１０ イオン源ガス
１２ 入口開口
１３ 出口開口
１６ 導管
１７ 圧力調整器
１８ 質量流量コントローラ
２０ プラズマ電極
２１ 絶縁膜
３０ 引出電極
４０ サプレッション電極
５０ 接地電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、イオン注入装置に用いるイオン源装置、特に、イオン源の室内および引き出し電極系に堆積したボロンまたはリン等の付着物を除去するためのクリーニング機能を備えたイオン源装置およびこの装置を用いたクリーニング最適化方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオン注入は、集積回路やフラットパネルディスプレイ等の製品を大規模生産する際に、シリコンウエハ又はガラス基板等の加工物に不純物を注入するために産業界において一般的に使用されている。従来のイオン注入装置は、所望のドーパント元素をイオン化して、それを加速して規定エネルギーのイオンビームを形成できるようにするイオン源を備えている。
【０００３】
イオン源は、グラファイト、アルミニウム等で形成される１つのプラズマ室と、プラズマ室内に閉じ込められたイオンを引き出すための引出電極系を有している。プラズマ室は、側壁、頂部壁、及び底部壁で囲まれたハウジングを形成し、頂部壁に、イオン源ガスのガス供給口とフィラメントまたはアンテナの導入口が設けられ、底部壁に、イオンビームを引き出すために出口開口が設けられている。
【０００４】
イオン源は、プラズマ室内に供給されるイオン源ガスをイオン化することによってイオンビームを発生する。イオン源ガスは、所望のドーパントガスであり、一般的に、水素希釈ジボランガス（Ｂ2Ｈ6／Ｈ2）、水素希釈ホスフィンガス（ＰＨ3／Ｈ2）、又は水素希釈アルシンガス（ＡｓＨ3／Ｈ2）が用いられる。
【０００５】
プラズマ室内のイオン化工程は、エキサイタ（アンテナ要素）により行われ、このアンテナ要素は、温度加熱されたフィラメントの形式または高周波（あるいはマイクロ波）を用いるアンテナの形式で構成されている。加熱されたフィラメントは、熱電子として高エネルギー電子を放出し、一方、高周波電力が印加されるアンテナは、プラズマ室内に高エネルギーの高周波（マイクロ波）の励起信号を発生する。
【０００６】
高エネルギーの電子または励起信号のいずれかが、プラズマ室内のイオン源ガスにエネルギーを与えて、イオン源ガスがイオン化される。イオン源ガスを構成する所望のドーパント要素の例としては、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、および砒素（Ａｓ）が含まれる。
【０００７】
引出電極系は、プラズマ室の底部側に設けられ、一般的に、４枚の孔のある電極が並列配置されている。これらの電極は、プラズマ室の底部壁に形成されるプラズマ電極、引出電極（引出電極）、サプレッション電極、及び接地電極からなる。プラズマ電極には、引出電源からイオンビーム引出用の正電圧が、引出電極には、加速電源からイオンビーム加速用の正電圧が、サプレッション電極には、サプレッション電源から逆流電子抑制用の負電圧が、それぞれ供給されている。また、接地電極は接地されている。
【０００８】
ウエハ等の加工物が処理室内に収納されて、この室内が真空排気されると、プラズマ室内にガス導入口から所望のガスが導入され、プラズマ室内のフィラメントから放出された電子がイオン化可能ガスと衝突してイオン化し、あるいは、アンテナに高周波電力が供給され、プラズマ室内のイオン源ガスを分解してイオン化することによって、共にプラズマが作られる。このプラズマ中のイオンは、高電圧を印加した引出電極系によってイオンビームとして引き出される。引き出されたイオンビームは、質量分離を行うことなく、あるいは、質量分析磁石に偏向されたイオンビームを用いて処理室内の加工物にイオンが注入される。
【０００９】
イオン源ガスは、通常、上述した、水素希釈のジボランガスを用いて、これをプラズマ室内に導入して、ボロンを含むイオンビームを引き出し、加工物にボロンイオンをドーパントとして注入したり、また、水素希釈のホスフィンガスを用いて、これをプラズマ室内に導入して、加工物にリンイオンをドーパントして注入する。
【００１０】
上記のようにして、イオンビームを長期間使用すると、プラズマ室の壁面に分解されたボロン及びリン等が付着し、これが種々のトラブルの原因となる。また、付着したボロン等がプラズマの熱によって再蒸発し、これがプラズマ中に混入する。そうすると、プラズマ中のイオン（例えば、ボロンイオン）の濃度がガス中の予め定めた元素（例えば、ボロン）の濃度以上になるため、しかもその増加の割合が不確定なため、注入量の制御性を悪化させる。これは、低濃度注入等の場合に問題になる。
【００１１】
また、質量分離をおこなわない場合、不必要なイオン（例えば、ボロンのドーピング中にリンイオン）が照射されることになり、これが、加工物の処理に悪影響を及ぼす。例えば、ウエハ等の加工物に半導体素子を形成する場合、その特性が悪化する。
【００１２】
上記の問題は、イオン源を頻繁に分解してクリーニングすれば、防ぐことができるが、それには多くの時間と手間がかかる。また、その間、注入装置が長時間停止するので、装置の稼働率も低下する。
【００１３】
それゆえ、これまでのイオン源のクリーニング方法としては、試料に対するイオン注入時以外の時に、イオン源にＨ2ガスを導入し、このイオン源において、水素プラズマを発生させることによって、プラズマ室内のクリーニングを行っている（例えば、特許文献１参照）。
【００１４】
この方法では、水素プラズマの熱、スパッタ等によってプラズマ室内の付着物が壁面から剥がされ、剥がされた付着物は、水素と結合して水素化合物を作り、真空排気される処理室を経由して外部に排出されるようになっている。
【００１５】
しかし、このＨ2ガスを用いる方法は、プラズマ室内のクリーニングに限られており、電極の表面に堆積するリン及びボロン等の付着物については、有効にクリーニングすることができない。その理由は、水素イオンビームは、処理室内に水素イオンを排出するので、クリーニング後に再開されたイオン注入動作時に、イオン源から引き出すイオンビーム中に水素イオンが多く含まれることになり、イオン注入の目的であるドーパントイオンと同時に余計の水素イオンが注入され、半導体デバイスの特性を悪化させる原因となる（例えば、特許文献２参照）。
【００１６】
また、イオン源内部のアノード電極及びイオン源内壁をプラズマから引き出した陽イオンのスパッタによりクリーニングする方法も開示されている。この方法では、クリーニング用のプラズマを発生させるガスとして、ドーピングに用いる材料ガス、アルゴンなどの希ガス、水素、あるいはそれらの混合ガスを用いる点について記載されている（例えば、特許文献３参照）。
【００１７】
しかしながら、上述したクリーニング方法及び従来のクリーニング方法では、イオン源のプラズマ室内のクリーニングであり、プラズマ室の外側に配置される引出電極系のクリーニングについては、着目していない。
【００１８】
引出電極系の表面も、プラズマ室の内壁と同様に、リンおよびボロン等の付着物が堆積して、絶縁膜を形成する。これらの絶縁膜には、電子が付着して帯電しやすく、直接放電の原因となる。また絶縁膜は厚くなると剥離して、電極に悪影響を与える。さらに、ボロン及びリンの付着部は、電極系を通過するイオンビーム形状の空間的不均一性を引き起こし、放電が起こりやすくなり、また、電極間の絶縁碍子の耐圧が低下して絶縁破壊が生じる原因ともなる。
【００１９】
【特許文献１】
日本特許第2956412号公報（段落番号00 15〜0018）
【００２０】
【特許文献２】
特開2000−48734号公報（段落番号0010〜00 14）
【００２１】
【特許文献３】
特開2000−340165号公報（段落番号0013〜0019）
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
このような事情に鑑みて、本発明は、プラズマ室内壁の他に、特に、引出電極系において、ボロン及びリン等のイオン源材料により生じる絶縁膜を取り除くためのクリーニング機能を有するイオン源装置およびそのクリーニング最適化方法を提供することを目的としている。
【００２３】
また、イオン注入積算時間とボロン及びリン等の絶縁物の堆積量に基づいて、クリーニングの時間と時期を決定し、適切なスパッタ用ガスの流量を最適化して、プラズマ室内壁及び引出し電極系に付着堆積する絶縁膜のクリーニング最適化方法を提供することを目的としている。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、各請求項に記載の構成を有する。本発明のクリーニング最適化方法は、引出電極系の各電極面に付着堆積したイオン源材料により生じる絶縁膜を除去するために、イオン源ガスの代わりに希ガス供給源から希ガスをプラズマ室内に供給して、前記希ガスによるプラズマを形成して前記希ガスのイオンビームを引き出し、前記プラズマ室から引き出された前記希ガスのイオンビームを前記引出電極系の各電極面に衝突させるとともに、該イオンビームが衝突する際の前記希ガスのイオンビームにおけるビーム径を変化させるために、設定パラメータである前記引出電極系の引出電圧と希ガスの供給量のいずれか一方または両方を調整し、かつ引き出された前記イオンビームのビーム径を監視し、前記引出電極系の各電極面に付着したイオン種とスパッタ率の関係に基づいて、前記絶縁膜をスパッタする強度が最大となる前記ビーム径寸法の有効設定範囲を設定し、前記希ガスのイオンビームを集束させて、前記絶縁膜をスパッタにより均一に除去する、各ステップを有することを特徴としている。
【００２５】
この構成によれば、希ガスによるイオンビームが引出電極系の各電極面に付着堆積した絶縁膜に衝突するときのビーム径を、イオン源装置における設定パラメータによって調整することができる。
【００２６】
この設定パラメータとして、引き出し電極系の引出電圧、希ガスの供給量、さらには、アンテナ要素の高周波電力や希ガスに含まれるＨ2の混合比等を利用することができる。
【００２７】
たとえば、引出電極系の電極に印加される引出電圧の調整により、希ガスのイオンビームのビーム径を変化させて、最適ビーム径によって、それぞれの電極面に堆積した絶縁膜を均一に除去することが可能になる。
【００２８】
また、電極面に衝突する希ガスのイオンビームにおけるイオン成分要素、供給量等に応じて、堆積した絶縁膜を除去する際の効率が変わるため、スパッタを実施するためのイオンビーム径の有効設定範囲は、引出電極系の電極面に付着したイオン種とスパッタ率の関係に基づいて設定され、前記絶縁膜をスパッタする強度を最大にすることができる。
【００２９】
また、本発明に係る別のクリーニング最適化方法は、イオン注入積算時間と堆積量のテーブル化と、クリーニング時間とスパッタによる堆積量の変化量のテーブル化に基づいて、希ガス供給源からプラズマ室内にアルゴン等の希ガスを供給する時期を決定し、予備クリーニングによるサンプリング測定により得られた最適なガス流量で、必要な電極クリーニング時間の間、前記プラズマ室に前記希ガスによるプラズマを発生し、絶縁膜に衝突するイオンビームのビーム径の変化量に応じて絶縁膜をスパッタする強度が最大となるように引出電極系の引出電圧を調整し、このプラズマから引き出されるイオンビームにより、前記引出電極系の電極面に堆積した絶縁膜をスパッタして取り除く、各工程を含んでいることを特徴としている。
【００３０】
この方法では、イオン注入積算時間とボロン及びリン等の絶縁物の堆積量に基づいて、クリーニングの時間と時期を決定し、適切なスパッタ用ガスの流量を最適化して、プラズマ室内壁及び引出電極系の絶縁膜のクリーニング最適化を図る。
【００３１】
さらに、本発明は、イオン源ガスのガス供給口、イオンビームが引き出される出口開口、及び室内にプラズマを形成してイオンに運動エネルギーを与えるアンテナ要素を備えるプラズマ室と、前記プラズマから電界の作用でイオンビームを前記出口開口に位置するプラズマ電極から引き出すための複数の電極から構成される引出電極系とを含むイオン源装置において、
前記イオン源ガスの代わりに希ガスを前記プラズマ室内に供給して前記希ガスによるプラズマを形成するための希ガス供給源と、前記プラズマ室から引き出されて前記引出電極系の各電極に衝突する際の前記希ガスのイオンビームにおけるビーム径を変化させる設定パラメータを調整する手段と、イオン注入積算時間と引出電極系の電極に付着した絶縁膜の堆積量に基づいて、前記電極をクリーニングする時間と時期を決定するための手段とを備えることを特徴としている。
【００３２】
また、本発明の実施形態によれば、希ガスとしては、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ，Ｋｒ、Ｘｅが可能であり、好ましくは、純Ａｒガス、またはＨ2ガスとＡｒガスの混合ガスのいずれかで構成されている。引出し電極系は、プラズマ電極、引出電極、サプレッション電極、及び接地電極を含み、プラズマ電極に加える電圧及び引出電極に加える電圧における調整により、引出し電極系の電極面及びプラズマ室内壁の一方または両方に対するクリーニング比率を与えることができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係るイオン源装置１の概略断面構成図である。このイオン源装置１は、高周波放電によってプラズマ（プラズマ領域Ｐ）を発生するとともに、このプラズマを閉じ込めるためのプラズマ室２と、このプラズマ室内のプラズマから電界の作用でイオンビームを引き出すための引出電極系３とを備えている。
【００３４】
プラズマ室２は、イオン源ガス１０を供給するための入口開口１２を有する頂部壁４、この頂部壁４と一体に形成され、外周に永久磁石(図示略)を配置した側壁５、及び出口開口１３を有する底部壁６によって囲まれている。頂部壁４には、さらに、プラズマ室内に配置されるアンテナ要素（アンテナ）７に高エネルギーの励起信号を発生させるために、高周波またはマイクロ波発生器に接続するアンテナ導入口１５を有する。
【００３５】
また、底部壁６は、出口開口１３としての引出電極系のプラズマ電極２０を有し、プラズマからのイオンを引き出すため複数の開口１６を備えている。アンテナ要素７は、コイル形状をしたフィラメントまたはアンテナからなり、プラズマ室内に供給されたイオン源ガス１０をイオン化してプラズマを発生させる。図１は、高周波イオン源として構成され、アンテナ要素７は、整合器１１を介して高周波電源１４に接続されており、この高周波電源から高周波電力が供給され、プラズマ室内で高周波放電が生じてイオン源ガス１０が電離されてプラズマが形成される。
【００３６】
フィラメント形式のアンテナ要素は、電気リード線を介して電気的に励磁されるもので、タングステンフィラメントからなり、適当な温度に加熱して電子の熱イオン放出を行うものである。また、アンテナ形式のアンテナ要素は、イオン化した電子を発生し、プラズマ室内でこの電子によるプラズマが形成され、イオン源ガス１０と相互に反応してイオン化する。
【００３７】
プラズマは、プラズマ室内に形成され、出口開口１３の細長いスロットの長手方向軸線に平行に向いて頂部壁及び側壁の外側に配置された棒状の永久磁石（図示略）によって室の中央に集中する。永久磁石は、各磁石のＮ極とＳ極が磁石の断面方向の中心を境として分極化されるように前記壁面に磁極のどちらかが面するように配置されている。その結果、磁力線が隣接する磁石のＮ極からＳ極に走り、プラズマ室の中心に向けてプラズマを集中させるカスプ磁場を形成する。
【００３８】
引出電極系３は、図１、図２(a)に示すように、プラズマ室２から電界の作用でイオンビームを引き出すものであり、１枚以上、通常は、複数枚の電極２０，３０，４０，５０で構成されている。即ち、ここでは、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２０、引出電極３０、サプレッション電極４０、接地電極５０で構成されている。各電極は、通常は、複数の孔を有する多孔電極である。プラズマ電極２０、引出電極３０、サプレッション電極４０は、それぞれ電源Ａ，Ｂ，Ｃに接続されて、所定の引出電圧が供給される。
【００３９】
プラズマ電極２０には、引出電源から引出電極に対して、正の高電圧、例えば、１．５ｋＶが印加され、引出電極３０には、加速電源から接地電位に対して８．５ｋＶが印加される。このとき、イオンの受けるエネルギーは、１．５ｋＶ＋８．５ｋＶで計１０ｋＶとなる。サプレッション電極４０は、下流側からの電子の逆流を抑制する電極であり、抑制電源から接地電位を基準にしてプラズマ電極より低い電位の電圧−２ｋＶ（抑制電圧）が印加される。接地電極５０は接地されている。
【００４０】
従って、引出電極系におけるプラズマ電極２０から接地電極５０への各電極間に印加される電源電圧Ａ、Ｂ、Ｃは、図２(b)から明らかなように、それぞれ、１．５ｋＶ、１０.５ｋＶ、２ｋＶであり、図２(b)に示される加速電位分布のグラフが与えられる。このグラフに基づいて、引出ポテンシャルエネルギーは、約１０ｋｅＶとなる。
【００４１】
イオン源ガス１０は、イオン化可能なドーパントガスであり、圧縮ガスの発生源から直接または間接的に得られるもので、導管１６を介して圧力調整器１７により所定の圧力で質量流量コントローラ１８を介して所定の流量でプラズマ室内に噴射される。代表的なイオン源要素としては、ボロン（Ｂ）リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）であり、上述したように、ジボラン、ホスフィン、アルシン等のガス状の形で供給される。
【００４２】
本発明では、特に、イオン源ガスとして、ジボランを用いた場合にイオン源の内壁及び引出電極系に堆積する絶縁膜としてのボロン膜を除去することを目的としている。このために、イオン源ガスの供給回路に希ガス供給源６０が接続され、圧力スイッチ１９を介してイオン源ガスと希ガス（本実施例では、純ＡｒガスまたはＨ2ガスとＡｒガスの混合ガス）のいずれかを選択することができる。この希ガス供給源６０は、イオン源ガス１０の供給回路とは別個に構成することも可能である。
【００４３】
本発明において使用するスパッタ用ガスとして、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ，Ｋｒ、Ｘｅの希ガスを用いることができる。なお、特に、ボロンの絶縁体膜を除去するには、純Ａｒガス、またはＨ2ガスを含む混合アルゴンガスのいずれかを使用することが望ましい。スパッタ用ガスは、プラズマ室内に均等に供給されるようにするために、アンテナ７を挟む形で対称位置に配置されたノズル３２から導入される。図５ａ及び図５ｂには、アンテナ７が４つの場合と３つの場合におけるノズルの配置が示されている。また、図６の導入装置では、導入管からイオン源内に直接導入する場合に、拡散板３４を用いて、プラズマ室の頂部壁の内壁との隙間をできるだけ少なくして、拡散板の周囲からスパッタ用ガスが均等に導入される構造となっている。
【００４４】
Ａr（アルゴン）ガス６０は、後述するイオン注入積算時間とボロン及びリンの付着物の堆積量に基づいて、イオン源ガス１０の代わりにプラズマ室内に供給され、プラズマ室２及び引出電極系３の各電極に堆積したリンまたはボロンの付着物、即ち、絶縁膜２１を除去するクリーニング作業のために使用される。
【００４５】
イオン源ガスのイオン化により発生するイオンビームがプラズマ室の出口開口から引き出されて、処理室内のウエハ等の加工物にイオン注入作業が実行されると、図１及び図３、図４において、引出電極系の各電極２０,３０には、イオン源ガスの種類により、ボロン及びリン等の付着物である絶縁膜２１が形成される。この絶縁膜２１を形成する付着物は、図３、図４に示すように、引出電極系の電極面２０,３０に堆積し、各電極の前側表面には厚い絶縁膜２１aが形成され、電極の開口部の側面及び裏面２０aには、薄い絶縁膜２１ｂが形成される。この堆積量は、イオン注入積算時間、イオン源ガスのプラズマ室内への単位時間当たりの供給流量等、さらに、後述するビームシャッター（図４参照）の影響等により異なる。
【００４６】
そのため、予め設定された時間間隔で、常に、電極のクリーニングを行う必要がある。それゆえ、このような電極に付着する絶縁膜の層形成に基づいて最適なスパッタ用ガスの最適な流量設定を行うためのガス流量の最適化方法が必要となる。
【００４７】
この観点に関して、以下に説明する。本発明のクリーニング最適化方法では、イオン源ガス１０の代わりに希ガスをプラズマ室内に供給して、この希ガスによるプラズマを形成する。そして、プラズマ室２から引き出された希ガスのイオンビームが引出電極系３の各電極面に衝突する。このとき、絶縁膜を均一にスパッタするためには、引出電極系の電極面に付着堆積した絶縁膜に当たる希ガスのイオンビームのビーム径を調整することが重要である。
【００４８】
このビーム径は、イオン源装置１における設定パラメータを調整することにより変化させることができる。この調整により、絶縁膜をスパッタする強度が高くなるような上記ビーム径の有効設定範囲に、希ガスのイオンビームを集束させて、絶縁膜を均一に除去することができる。
【００４９】
希ガスのイオンビーム径は、イオン源装置の設定パラメータ、即ち、引出電極系の引出電圧および希ガスの供給量のいずれか一方または両方の調節により、最適なビーム径が選択される。また、この設定パラメータとして、アンテナの高周波電力（W)と、希ガスに含まれるＨ2の混合比を用いることもできる。
【００５０】
上記本発明の基本的なクリーニング工程の１つの実施形態としては、引出電極系３の引出電圧Ａ,Ｂ,Ｃまたは希ガスの供給量を所定の値に変化させて、希ガスによるプラズマから引き出されたイオンビームのビーム径を監視し、絶縁膜２１に衝突するイオンビームのビーム径の変化量に応じて、絶縁膜をスパッタする強度が最大となるように、引出電極系の引出電圧または希ガスの供給量の一方を調整する。
【００５１】
また、別の実施形態では、引出電極系３の引出電圧Ａ,Ｂ,Ｃまたは希ガスの供給量を所定の値に変化させて、希ガスによるプラズマから引き出されたイオンビームのビーム径を監視し、絶縁膜２１に衝突するイオンビームのビーム径の変化量に応じて、絶縁膜をスパッタする強度が最大となるように、引出電極系の引出電圧及び希ガスの供給量の両方を調整する。
【００５２】
ここで、絶縁膜が均一に除去されたかを測定するために、例えば、アルゴンクリーニング後、ボロンまたはリン等を所定量注入している間に、ドーズカップを用いて測定することができる。
【００５３】
このようにして、本発明のクリーニング最適化方法を実行できる。さらに、本発明の実施形態レベルでは、以下のように、イオン源装置の動作手順に従って実行される。
【００５４】
イオンビームが、各電極の開口を通過して処理室内に配置されたウエハ等の加工物に注入されると、図１に示すように、イオンビームがそれぞれの電極に衝突して、電極面にボロン及びリン等の付着物の絶縁膜が形成される。
【００５５】
この絶縁膜２１の形成は、イオン注入時間に比例して堆積量が増加するが、これは、イオン注入時間に対する絶縁膜の堆積厚さを測定して全体の堆積量を推定するとともに、イオン注入時間と堆積量との相関関係をテーブル化することが可能である。
【００５６】
また、これに対応して、実際に所定時間のクリーニング結果に基づき、希ガスのイオンビームによるスパッタによって、絶縁膜２１の堆積量がどの程度に減少したかを測定する。その結果、クリーング時間に対する堆積変化量のテーブル化が得られる。
【００５７】
イオン注入積算時間と引出電極系の電極に付着した絶縁膜の堆積量（予想堆積量または膜厚）に基づいて、クリーニングの時間と時期を決定するための手段は、この２つのテーブル化データを用いるものであり、このデータによって、クリーニングまでの装置稼働時間を決定し、クリーニング時間とその時期を決定する。
【００５８】
このための手順としては、まず、最適なガス流量は、予備クリーニングによるサンプリングによって最小流量で最大効果が得られるように決定される。これは、一般的にガス流量は、調整・記憶・設定に基づいて効率の良いものを選択するが、少量のガス流量では、クリーニング時間がかかりすぎ、またガス流量が多量になると、ガス流の成分が残留し、クリーニング効果が果たせなくなる。従って、図６に示すように、時間に対する流量の関係を示す双曲線グラフが形成されており、１分間当りの流量をccで換算して本実施例では、数１０sccm（cc/min)のときが、最適な必要クリーニング時間となる。
【００５９】
また、クリーニング回数及びスケジュールは、一般的に、１００時間の注入作業時間あたり４〜５時間のクリーニング量、即ち、４〜５％をクリーニング時間に割り当てることが適切であることを見出した。
【００６０】
このクリーニングの必要性の判断は、ファラデーカップを用いて、イオンビームをスキャン測定し、ビーム電流の変化量に基づいて、引出電極系に堆積したボロン膜等の絶縁膜によって引き起こされるイオンビームの空間的な不均一性が許容範囲を越えた時点を、クリーニングの実施時期であると決定することができる。
【００６１】
また、本発明のイオン源装置によれば、ＡrガスとＨ2ガスとの混合比によって引出電極系のみと、引出電極系とプラズマ室内への両方のクリーニングを行うことができる。それは、引出電極系のみのクリーニングの場合、ＡrガスとＨ2ガスの混合比を約１:１とし、また、引出電極系とプラズマ室内の両方をクリーニングする場合、ＡrガスとＨ2ガスの混合比を約 0.1:１とすることによって達成される。また、ＡrガスとＨ2ガスの混合ガスの混合比は、Ａrガスに対して、Ｈ2ガスを約１０％〜９０％の割合で加えることができる。
【００６２】
また、引出電極系の電極間の電位を制御することにより、希ガスのイオンビームの引き出しを調整することができる。例えば、プラズマ電極２０と引出電極３０間の可変電源Ａの電圧を０Ｖにすると、イオンビームは引き出されなくなり、プラズマ室内のみで、例えば、アルゴンプラズマによるスパッタにより、プラズマ室内壁のクリーニングを行うことができる。また、可変電源Ａの電圧をプラス電位にすると、プラズマ室からイオンビームが引き出され、更に、引出電極３０とサプレッション電極４０間の電源をプラス電位にすると、イオンビームのイオンが加速され、スパッタの効果が強くなる。
【００６３】
従って、プラズマ室内のクリーニング時には、可変電源Ａの電位を低く抑える。この場合、可変電源Ｂの電位が引出電極３０に印加されており、かつプラズマ自体も電位を有するので、プラズマ室内でアルゴンイオンの衝突が発生する。このため、プラズマ室内壁の付着物をクリーニングすることができる。さらに、可変電源Ｂの電圧が増加すればするほど、アルゴンイオンの引き出しが強くなり、プラズマ電極系のクリーニングが良く実施される。
【００６４】
また、図４に示すように、プラズマ電極２０の前側にビームシャッター２４を設ける方法がある。このビームシャッター２４は、低ドーズ量の場合、出口開口を小さくし、また高ドーズ量の場合は、出口開口を大きくするものである。図４の例では、プラズマ電極２０前側の開口底部側にアンダーカット部２４aを有するカーボン製のビームシャッター２４が配置される。このため、このシャッターをスライドさせて大きい開口または小さい開口のいずれかにイオンビーム100を通過させるようになっている。それゆえ、シャッターの開口幅を広げることにより、プラズマが引出し部に近づくため、イオンビームが引き出されやすくなる。シャッターを挟んで前側と後側に高密度プラズマと低密度プラズマが形成され、プラズマ電極の前側表面位置に低密度プラズマのプラズマ境界Ｌがあり、このプラズマ境界は、プラズマ電極２０の表面に絶縁膜２１ａが形成されると、プラズマ電極２０より後退し、イオンビーム100の引き出しが悪くなる。
【００６５】
以上、説明したことから、本発明のイオン源装置におけるクリーニングの最適化法は、イオン注入積算時間と堆積量のテーブル化と、クリーニング時間とスパッタによる堆積量の変化量のテーブル化に基づいて、希ガス供給源からプラズマ室内にアルゴン等の希ガスを供給する時期を決定し、予備クリーニングによるサンプリング測定に従って予め設定された適量の値のガス流量で必要なクリーニング時間の間、プラズマ室にアルゴン等の希ガスによるプラズマを発生し、絶縁膜に衝突するイオンビームのビーム径の変化量に応じて絶縁膜をスパッタする強度が最大となるように前記引出電極系の引出電圧を調整し、このプラズマから引き出されるイオンによって引出電極系の電極面に堆積した絶縁膜をスパッタにより取り除く、各工程を含んでいる。
【００６６】
また、希ガスを供給する時期を決定する工程は、イオン注入中のイオンビームをスキャン測定し、空間的なビーム電流の変化量に基づく均一性の許容値を越えた場合に、前記希ガスによるプラズマから引き出されたイオンビームによるスパッタを実施するステップを有する。希ガス供給源から供給されるガスは、アルゴンと水素との混合ガスであり、プラズマ電極２０と引出電極３０間の電圧、及び引出電極３０とサプレッション電極４０間の電圧を制御して、プラズマ室内壁および引出電極系における電極面の一方または両方のクリーニングを実施することができる。
【００６７】
スパッタ現象を取り扱う上でのパラメータとして、スパッタ率があり、これは、除去すべきターゲット（絶縁膜）に入射した粒子（イオン）の数をｎi、この粒子によりスパッタされるターゲットの原子（または分子）の数をｎsとした場合、スパッタ率Ｓは、次式で表される。
【００６８】
Ｓ ＝ （ｎs／ｎi）
このスパッタ率は、イオンエネルギー、イオンの種類、絶縁膜の材料、絶縁膜の表面に対するイオンの入射角度などにより異なる値を示す。イオンエネルギーとスパッタ率の関係は、ある一定以上のイオンエネルギーがなければスパッタが進行しないという閾値エネルギーが存在し、その値以上でスパッタ率はイオン加速電圧に対して単調に増加する。しかし、あるエネルギーで極大値となり、それ以上エネルギーを与えてもスパッタ率は減少してしまう。イオン種とスパッタ率の関係において、おおむね、原子番号が大きくなるにつれて、スパッタ率が大きくなる傾向にあり、ターゲット表面で反応層を形成しやすい。相互作用の少ないＮｅ、Ａｒ，Ｋｒ、Ｘｅといった希ガスのイオンで極大値をとる。それゆえ、材料単価が比較的安くかつボロンやリンよりも原子番号が大きいアルゴンがスパッタ用ガスとして最適である。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明は、アルゴン等の希ガスをイオン源ガスの代わりにプラズマ室内に供給し、希ガスのプラズマによるイオンビームのイオンをスパッタ用として使用するので、引出電極系の各電極の表面及び裏面に付着堆積した絶縁膜を容易にかつ迅速に取り除くことができ、しかも、希ガスのイオンビームのビーム径を、イオン源装置の設定パラメータに応じて変化させることによって、最適なビーム径に調整して、各電極面に付着した絶縁膜を均一に除去することができる。
【００７０】
また、本発明の最適クリーニング方法によれば、引出電極系に堆積したボロン膜等の絶縁膜が電子と帯電して起こる直接放電をなくし、さらに、ボロン及びリンの付着物を取り除くことにより、引出電極系を通過するイオンビーム形状の空間的不均一性を回復できる。また、イオン源のメンテナンス周期を延ばして、装置の耐久性を向上させることができる。
【００７１】
本発明は、スパッタ用ガス源として、ＡrガスとＨ2ガスの混合ガスを使用し、その混合比により、プラズマ室内壁と引出電極系の一方または両方に付着した絶縁物を取り除くことができる。また、高周波またはマイクロ波を用いてアンテナに励起信号を供給するので、ＡrガスとＨ2ガスのスパッタ効果をより高めることができる。さらに、引き出し電極系の電極間に印加する電圧を調整することにより、プラズマ室内壁と引出電極系を必要に応じて一方または他方を、さらには、両方を一緒にクリーニングすることもできる。
【００７２】
また、本発明のクリーニング最適化方法によれば、イオン注入積算時間と堆積量のテーブル化と、クリーニング時間とスパッタによる堆積量の変化量のテーブル化に基づいて、希ガス供給源からプラズマ室内にアルゴン等の希ガスを供給する時期を決定することができ、作業の精度向上と効率化を図ることできる。さらに、予備クリーニングによるサンプリング測定に従って予め設定された最適なガス流量を与えて、必要なクリーニング時間において、前記引出電極系の電極面に堆積した絶縁膜をスパッタにより取り除くことができる。
【００７３】
上述した記述は、本発明の一例を示すものであり、本発明は、個々に記載の特定の実施形態に制限されるものではなく、特許請求の範囲に記載の構成に基づいて、種々の再構成、修正、及び変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係るイオン源装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】図２は、本発明に係るイオン源装置の引出電極系における各電極に印加される電圧と、引出しポテンシャルエネルギーとの関係を示す概略図である。
【図３】図３は、引出電極系に堆積する絶縁膜の状態を示するとともに、絶縁膜のクリーニング動作を説明する断面構成図である。
【図４】図４は、図３において、さらに、ビームシャッターを配置した場合の、絶縁膜のクリーニング動作を説明する断面構成図である。
【図５】図５は、プラズマ室内に配置した拡散板の代わりにノズルを使用した場合において、(a)は、アンテナを３個配置した例、(b)は、アンテナを４個配置した例を示す頂部壁を底部側から見た配置図である。
【図６】図６は、本発明に係るプラズマ室内にアルゴンガスを噴射するための拡散板を配置した側面図である。
【図７】図７は、最適なスパッタ用ガスの流量を示すための単位時間当たりの流量と時間の関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１ イオン源装置
２ プラズマ室
３ 引出電極系
４ 頂部壁
５ 側壁
６ 底部壁
７ アンテナ要素（アンテナ）
１０ イオン源ガス
１２ 入口開口
１３ 出口開口
１６ 導管
１７ 圧力調整器
１８ 質量流量コントローラ
２０ プラズマ電極
２１ 絶縁膜
３０ 引出電極
４０ サプレッション電極
５０ 接地電極
Claims (10)
- プラズマ室内にイオン源ガスを供給してプラズマを形成し、複数の電極からなる引出電極系によって前記プラズマから電界の作用でイオンビームを引き出すイオン源装置において、前記引出電極系の各電極面に付着堆積したイオン源材料により生じる絶縁膜を除去するクリーニング最適化方法であって、
前記イオン源ガスの代わりに希ガス供給源から希ガスを前記プラズマ室内に供給して、前記希ガスによるプラズマを形成して前記希ガスのイオンビームを引き出し、
前記プラズマ室から引き出された前記希ガスのイオンビームを前記引出電極系の各電極面に衝突させるとともに、該イオンビームが衝突する際の前記希ガスのイオンビームにおけるビーム径を変化させるために、設定パラメータである前記引出電極系の引出電圧と希ガスの供給量のいずれか一方または両方を調整し、かつ引き出された前記イオンビームのビーム径を監視し、
前記引出電極系の各電極面に付着したイオン種とスパッタ率の関係に基づいて、前記絶縁膜をスパッタする強度が最大となる前記ビーム径寸法の有効設定範囲を設定し、前記希ガスのイオンビームを集束させて、前記絶縁膜をスパッタにより均一に除去する、各ステップを有することを特徴とする方法。 - イオン注入積算時間と引出電極系の電極に付着堆積した絶縁膜の堆積量とのテーブル化と、クリーニング時間とスパッタによる堆積量の変化量のテーブル化に基づいて、前記希ガス供給源からプラズマ室内にアルゴン等の希ガスを供給する時期を決定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
- 前記設定パラメータは、さらに、アンテナの高周波電力（W)と、希ガスに含まれるＨ2の混合比を含んでいることを特徴とする請求項１記載の方法。
- イオン注入積算時間と前記電極面に付着した絶縁膜の予想堆積量または膜厚に基づいて、前記電極面をクリーニングする時間と時期を決定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
- 前記希ガスは、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ，Ｋｒ、Ｘｅのグループの中から選択されることを特徴とする請求項１記載の方法。
- 前記希ガスは、純Ａrガス、またはＡrガスとＨ2ガスの混合ガスであることを特徴とする請求項１記載の方法。
- 前記ＡrガスとＨ2ガスの混合ガスの混合比は、Ａrガスに対して、Ｈ2ガスを約１０％〜９０％の割合で加えることを特徴とする請求項６記載の方法。
- 前記引出し電極系は、プラズマ電極、引出電極、サプレッション電極、及び接地電極を含み、前記プラズマ電極に加える電圧及び引出電極に加える電圧における調整により、前記引出し電極系の電極面とプラズマ室内壁のいずれか一方または両方に対するクリーニング比率を与えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- イオン源ガスのガス供給口、イオンビームが引き出される出口開口、及び室内にプラズマを形成してイオンに運動エネルギーを与えるアンテナ要素を備えるプラズマ室と、前記プラズマから電界の作用でイオンビームを前記出口開口に位置するプラズマ電極から引き出すための複数の電極から構成される引出電極系とを含み、請求項１に記載の各ステップを順次実行するクリーニング最適化方法を用いるイオン源装置であって、
前記イオン源ガスの代わりに希ガスを前記プラズマ室内に供給して前記希ガスによるプラズマを形成するための希ガス供給源と、
前記プラズマ室から引き出されて前記引出電極系の各電極に衝突する際の前記希ガスのイオンビームにおけるビーム径を変化させるため、前記引出電極系の引出電圧と希ガスの供給量のいずれか一方または両方を調整する手段と、
イオン注入積算時間と引出電極系の電極に付着した絶縁膜の堆積量に基づいて、前記電極をクリーニングする時間と時期を決定するための手段とを備えることを特徴とするイオン源装置。 - アンテナ要素は、温度加熱されたフィラメント形式、または高周波あるいはマイクロ波を用いるアンテナ形式のいずれかで構成されていることを特徴とする請求項９記載のイオン源装置。
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