JP4478841B2

JP4478841B2 - イオン源およびそのための蒸発器

Info

Publication number: JP4478841B2
Application number: JP11212499A
Authority: JP
Inventors: ネイルホースキートーマス
Original assignee: アクセリステクノロジーズインコーポレーテッド
Priority date: 1998-04-30
Filing date: 1999-04-20
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2019-04-20
Also published as: CN1227709C; EP0954008A3; JP2000030620A; EP0954008B1; EP0954008A2; US6107634A; CN1236181A; KR19990083598A; KR100419586B1; TW424251B; DE69940449D1

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のためのイオン源に関し、特に、イオン源のデカボラン(decaborane)蒸発器に関する。
【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、シリコンウェハまたはガラス基板等の加工物(workpiece) に不純物を注入するために産業界において標準的に受け入れられた技術になってきた。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のイオンビームを形成できるようにするイオン源を含む。このビームは加工物の表面に向けられ、加工物にドーパント元素を注入する。
【０００３】
一般的に、イオンビームの活性化イオンが加工物の表面に貫入して、その物質の結晶格子に埋め込まれることによって、所望の導電率を有する領域を形成する。このイオン注入処理は、一般的に、ガス分子との衝突によるイオンビームの拡散を防止すると共に、空気中浮遊粒子によって加工物が汚染される危険性を最小限に抑える高真空処理室内で実施される。
【０００４】
イオン線量及びイオンエネルギーは、注入工程を定めるために用いられる２つの重要な変数である。イオン線量は、与えられた半導体材料に対して注入されたイオンの濃度に関係する。
【０００５】
一般的に、高電流注入装置（イオンビーム電流が約１０ミリアンペア（ｍＡ）以上）は高いイオン線量の注入装置であり、中電流注入装置（イオンビーム電流が約１ｍＡまで可能）は、低いイオン線量のために使用される。
【０００６】
イオンエネルギーは、半導体素子における接合部深さを制御するために使用される。イオンビームを作り上げるイオンのエネルギーレベルは、注入されたイオンの深さの度合いを決定する。半導体素子におけるレトログレード・ウエル(retrograde wells)を形成するために用いられる高いエネルギープロセスでは、数１００万電子ボルト（ＭｅＶ）に達する注入を必要とし、また薄い接合部(shallowjunctions)を形成するために１０００電子ボルト（１ＫｅＶ）以下のエネルギーが必要とされる。
【０００７】
半導体素子が益々小さくなる傾向が続くと、高電流・低エネルギーを供給できるイオン源を備えたイオン注入装置が要求される。高ビーム電流は、必要なドーズ量レベルを供給するとともに、低エネルギーレベルによって薄い注入を可能にする。相補形金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）デバイスにおけるソース／ドレイン接合部は、このような高電流、低エネルギー利用を必要とする。
【０００８】
図１には、固体状態からイオン化を行う原子を得るための一般的なイオン源１０が示されている。このイオン源は、一対の蒸発器１２，１４と、イオン室１６を有している。蒸発器の各々は、るつぼ１８を備え、このるつぼ内に固体要素または化合物が置かれ、加熱コイル２０により熱せられ、固体源材料を蒸発させてガス状態にする。加熱コイルの導入部２２は、電流を加熱コイル２０に導き、サーモカップル２４が温度フィードバック機構を与える。また、空冷導管２６と水冷導管２８が設けられている。
【０００９】
ガス化したイオン源材料は、グラファイト製のノズル保持器３２によってるつぼ１８に固定されているノズル３０を通り、蒸発器の入口３４を介してイオン室１６内に入る。これとは別に、圧縮ガスが、ガスライン３８を介してガス入口３６によってイオン室に直接供給することができる。いずれの場合も、ガス状／蒸発したイオン源材料は、熱電子放射するために加熱されるアーク室のフィラメント４０によりイオン化される。
【００１０】
通常のイオン源は、圧縮されたガス源から直接、または蒸発させる固体から間接的に得られるイオン化可能なドーパントガスを用いる。代表的なイオン源要素は、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、ひ素（Ａｓ）である。これらのイオン源要素の多くは、ボロンを除いて固体状態で供給され、ホウ素は、例えば、三フッ化ホウ素（ＢＦ₃ ）として一般的にガス状態で与えられる。
【００１１】
三フッ化ホウ素を注入する場合、個々に荷電したホウ素（Ｂ＋）イオンを含むプラズマが作り出される。ホウ素の十分に高いドーズ量を作り出しそして基板に注入することは、ビームのエネルギーレベルがファクターとならない場合においては通常問題とはならない。しかし、低エネルギーの利用では、ホウ素イオンのビームは、ビーム発散(beam blow up)として知られる状態を発生し、イオンビーム内の同類の荷電イオンが相互に反発する傾向を呈する。
【００１２】
このような相互反発によって、イオンビームは、搬送中その直径を拡大し、ビームラインの多数の開口によってビームがぼやけて集束しなくなる。これは、ビームエネルギーが弱まるにつれて、ビームの伝達が減少する。
【００１３】
デカボラン（Ｂ₁₀Ｈ₁₄）は、ホウ素を注入するためにホウ素のイオン源としてこれまで用いられなかった化合物である。デカボランの蒸発は、図１のイオン源でのるつぼ内において最適に制御することができない。それは、固体状態のデカボランの融点が１００℃であるからである。アーク室１６内で発生した熱は、蒸発器のヒータが活性化されない場合でも、るつぼが上記の融点温度に達するので、アーク室に固相の材料を近づけると、放射熱を生じることになる。このため、イオン源材料の局所的な環境内の適度の温度（２００℃以下）熱平衡を保つことができない。（一方、リンの蒸発は、融点が約４００℃なので１のイオン源でのるつぼ内において最適に制御することができる。）
【００１４】
しかし、デカボランは、ホウ素注入用の供給材料としては優れたものであり、蒸発及びイオン化させるときにデカボラン分子は、１０のホウ素原子から構成されるイオン分子を与えることができる。このようなイオン源は、薄い接合部を作るのに用いられる高ドーズ量／低エネルギーイオン注入工程に特に最適なものであり、その理由は、デカボラン分子のイオンビームは、単体のホウ素イオンビームを用いる場合より、単位電流当たり１０倍のホウ素ドーズ量を注入することができるからである。
【００１５】
さらに、デカボラン分子は、加工物表面で元のビームエネルギーの約１／１０に相当する個別のホウ素原子に分割するので、このビームは、ドーズ量が等価な単体のホウ素イオンビームのエネルギーの１０倍ほど搬送可能である。この特徴により、イオンビーム分子が、低エネルギーのイオンビーム搬送により運ばれる伝達損失を避けることができる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、従来のイオン源の欠点を解消するために、本発明の目的は、デカボランまたは他の適当な注入材料を、正確にかつ制御可能に蒸発させるためのイオン注入装置のイオン源を提供することである。
【００１７】
【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。本発明のイオン注入装置のイオン源は、(a) 昇華すべきイオン源材料を受入れ、かつこのイオン源材料を昇華するためのキャビティを有する昇華器と、(b) 前記昇華器をイオン室に接続するための供給チューブと、(c) 前記昇華器と前記供給チューブの少なくとも一部分を加熱するための加熱媒体と、(d) 前記加熱媒体(70)の温度を制御する制御装置と、(e) 前記昇華器から離れて配置されかつ昇華されたイオン源材料をイオン化するためのイオン室(58)とを含み、
前記供給チューブ(62)は、シース(90)によって取り囲まれ、このシース内を通って、前記加熱媒体(70)が循環しており、
前記イオン源材料は、デカボラン、または、蒸気圧が１０^-2〜１０³ トルの範囲内で、昇華温度が２０〜１５０℃の範囲にある固体分子であることを特徴としている。
【００１８】
制御装置は、加熱媒体を加熱するための加熱要素と、前記加熱媒体を循環させるポンプと、前記加熱媒体から温度フードバックを供給するための少なくとも１つのサーモカップルと、前記加熱要素に第１制御信号を出力するために前記温度フィードバックに応答するコントローラとを含んでいる。
【００１９】
昇華器がイオン室から遠く離れて配置されているので、昇華器内の温度は、温度的に隔離され、イオン室内の温度によって影響されない温度的に安定な環境を与えている。このように、デカボランを昇華させる工程において、昇華器の温度は、イオン室の動作温度と無関係に、正確な温度範囲（１℃以内）で制御できる。
【００２０】
【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２において、本発明に従って構成されたイオン注入装置のイオン源５０における第１実施形態が示されている。イオン源５０は、非反応性の、熱伝導性を有する昇華器またはるつぼ５２、加熱媒体の貯蔵部５４、加熱媒体用ポンプ５５、温度コントローラ５６、イオン室５８、及び（第１実施形態では、さらに）質量流量コントローラ６０を含んでいる。るつぼ５２は、イオン室５８から遠くに離れて配置され、水晶またはステンレススチールで作られた供給チューブ６２が接続されている。この第１実施形態において、供給チューブ６２は、その長さのほぼ全体に渡り外側に単一の室を有する環状シース９０によって囲まれている。
【００２１】
るつぼ５２は、イオン源材料６８を含むキャビティ６６を含む容器６４を備える。この容器は、デカボラン等の十分な量のイオン源材料を保有することができる、好ましくは、ステンレススチール、グラファイト、水晶、窒化ホウ素から作られている。
【００２２】
本発明は、デカボランに関してのみ記載されているけれども、本発明の原理では、例えば、塩化インジウム（ＩｎＣｌ）等の他の固体分子のイオン源材料を用いることができると考える。この塩化インジウムは、低い融点（２０〜１５０℃の範囲の昇華温度）と大きな蒸気圧（即ち、１０^-2〜１０³ トルの範囲）を有することを特徴とする。
【００２３】
デカボランは、貯蔵部５４内に含まれる加熱媒体７０を用いて容器６４の壁を加熱することにより、昇華工程を介して蒸発する。この昇華工程は、固体状態から中間の液体状態を通過することなく蒸発状態に変移することを含む。ワイヤメッシュ７１により、蒸発しないデカボランが、るつぼ５２から排出されるのを防止する。完全に蒸発したデカボランは、供給チューブ６２を介してるつぼ５２を出て、蒸気の流れを制御する質量流量コントローラ６０に入る。そして、従来公知のように、イオン室に供給される、蒸発したデカボランを測定する。
【００２４】
イオン室５８は、質量流量コントローラ６０、または、圧縮されたガス源からのガス供給口７２によって供給される、蒸発したデカボランをイオン化する。アンテナ等のＲＦエキサイタ７４は、蒸発したデカボラン分子をイオン化するＲＦ信号を放出するように活性化させてプラズマを作り出す。磁気フィルタ７６は、プラズマを濾過し、引出し電極（図示略）は、イオン室５８の出口開口７８の外側に配置され、従来公知のように、プラズマを開口から引出する。この引き出されたプラズマはイオンビームを形成し、さらにイオンビームは調整されて目標加工物に向けられる。このようなイオン室の例は、本発明の譲受人に譲渡され、かつ個々に参考文献として包含される米国特許第５，６６１，３０８号明細書に開示される。
【００２５】
本発明のイオン源５０は、るつぼ５２の動作温度とともに蒸発したデカボランをイオン室に導く供給チューブの動作温度を制御するための制御装置を備える。加熱媒体７０は、抵抗体または同様の加熱要素８０によって貯蔵部５４内で加熱される。温度制御手段は、温度コントローラ５６からなり、このコントローラは、入力温度が貯蔵部５４からフィードバックする入力温度をサーモカップル９２を介して得て、さらに、以下で説明するように、制御信号が加熱要素８０に出力され、その結果、貯蔵部内の加熱媒体７０を適当な温度に加熱する。
【００２６】
加熱媒体７０は、高い熱容量を与える鉱油または他の適当な媒体（例えば、水）からなる。この鉱油は、加熱要素によって２０℃〜１５０℃の温度範囲に加熱され、ポンプ５５によってシース９０を通って、るつぼ５２および供給チューブ６２の回りを循環する。ポンプ５５は、入口８２と出口８４を備え、また貯蔵部５４も、同様に入口８６と出口８８を備えている。るつぼ５２および供給チューブ６２の回りの加熱媒体の流れパターンは、図２において、単方向の時計回りであるが、るつぼ５２および供給チューブ６２の回りに加熱媒体が好適に循環すればどのようなパターンでもよい。
【００２７】
別の第２実施形態では、毛細管チューブおよびシース９０の形式で設けられる供給チューブ６２が、同軸で二重室になったシースになっており、内側シース９Ａとその回りを囲む外側シース９０Ｂとを有する（図３参照）。加熱媒体は、内側シース９０Ａ（毛細管チューブ６２に隣接して配置された）に供給され、外側シース９０Ｂ（内側シース９０Ａから半径方向外側に配置された）から排出される。
【００２８】
この第２実施形態において、質量流量コントローラ６０は、供給チューブとイオン室間に配置された加熱型シャットオフ弁（図示略）に置き換えられ、質量流量は、貯蔵部５４の温度を直接変化させることによって増減する。毛細管チューブの回りに同軸シースを配置することによって、毛細管チューブの内径部分を囲む絶縁シースを設けて、より均一な温度を維持する利点がある。
【００２９】
図２に戻って、るつぼのキャビティ６６は、圧力が加えられており、その結果、るつぼ５２から供給チューブ６２を介してイオン室５８に蒸発した（昇華した）デカボランの材料移送を容易にする。キャビティ６６内の圧力が上昇すると、それに応じて材料移送率が増加する。真空に近い圧力（約１ミリトル）でイオン室を動作させると、るつぼ６２からイオン室５８への供給チューブの全長に沿って圧力勾配が発生する。るつぼの圧力は、一般的に、１トル程度である。
【００３０】
図４Ａは、るつぼとイオン室間の距離ｄによって測定したときの、本発明の第１実施形態（図２）における供給チューブ６２の長さ方向に沿う圧力勾配の代表値を示す。この圧力曲線は、質量流量コントローラ６０まで、直線的に供給チューブに沿って降下し、さらに、イオン室５８まで残りの距離ｄに対して直線的に降下を続ける。好ましい形態では、距離ｄは、概算で約２４インチまである。しかし、このような距離は、単に例示のために設けたものである。本発明は、イオン室から遠くの距離に配置された昇華器／蒸発器を包含するものであり、この遠隔位置を表す特定の距離に制限されない。
【００３１】
図４Ｂは、るつぼとイオン室／シャットオフ弁インタフェース間の距離ｄによって測定したときの、本発明の第２実施形態（図３）における供給チューブ６２の長さ方向に沿う圧力勾配の代表値を示す。シャットオフ弁が開かれると、圧力曲線は、るつぼからイオン室／シャットオフ弁インタフェースまで、直線的に供給チューブに沿って降下する。シャットオフ弁が閉じられると、圧力勾配は発生しない。上述したように、第２実施形態では、質量流量コントローラは使用されない。
【００３２】
イオン室５８から遠くに離れたるつぼ５２を配置することによって、るつぼのキャビティ６６内の温度は、熱的に隔離され、これによってイオン室５８における温度により影響されない温度的に安定な環境を与える。このように、るつぼのキャビティ６６の温度は、デカボランを昇華させる工程において、イオン室５８の動作温度に無関係に、正確な温度範囲（１℃以内）に制御することができる。また、蒸発したデカボランの温度を、加熱された供給チューブ６２を介してイオン室５８へ移送する間、一定に維持することによって、このデカボランの蒸気ガスが圧縮されたりまたは熱的分解されることがない。
【００３３】
温度コントローラ５６は、加熱媒体７０のための加熱要素８０の動作を制御することによってるつぼ５２と供給チューブ６２の温度を制御する。サーモカップル９２は、貯蔵部７０の温度を感知し、温度フィードバック信号９３を温度コントローラ５６に送る。温度コントローラ５６は、既知の方法で入力フィードバック信号に応答し、貯蔵部の加熱要素８０に第１制御信号９４を出力する。こうして、均一な温度が全ての表面に与えられ、固体状態のデカボランと蒸発したデカボランが、イオン室の位置まで晒される。
【００３４】
本システム（ポンプ５５を介する）における加熱媒体の循環および加熱媒体（加熱要素を介する）の温度を制御することにより、イオン源５０は、２０℃〜１５０℃（±１℃）の動作温度に制御することができる。正確な温度制御は、イオン室に最も近い供給チューブの端部と比較して、るつぼの位置において、るつぼの圧力と、るつぼからの蒸気ガスの流れ速度を制御することがより重要である。イオン注入装置において、図２のイオン源５０の実施形態を用いて、全体の全分子（１０ホウ素原子）が加工物に注入される。この分子は、各ホウ素原子のエネルギー１０が、ホウ素原子の集合体（Ｂ₁₀Ｈ₁₄の場合）におけるエネルギーの約１／１０となるように、加工物の表面で分割される。
【００３５】
こうして、このイオンビームは、所望のホウ素注入エネルギーを１０倍移送することができ、かなり大きなビーム伝達損失を生じることなく非常に薄い注入を行うことができる。さらに、一定のビーム電流で、単位電流毎に加工物に１０倍のドーズ量を供給できる。最後に、単位ドーズ量あたりの電荷は、単一原子のビームによる注入の場合の１／１０となるので、加工物への荷電の問題も、与えられたドーズ量に対して厳格に検討する必要がない。
【００３６】
以上、本発明における改良されたイオン源の好ましい実施形態について記載してきた。しかし、上述したこれらの記載は、単に例示のためになされたものであり、本発明は、ここに記載した実施形態に限定されるものではなく、種々の変更及び修正を含み、添付された特許請求の範囲またはその技術的思想から逸脱しない上述の記載を含むものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】イオン注入装置のための通常のイオン源の部分断面を含む透視図である。
【図２】本発明の原理に従って構成されたイオン注入装置のイオン源の第１実施形態を示す一部断面概略図である。
【図３】図２の線３−３に沿って見たイオン源の別の実施形態における接続チューブの断面図である。
【図４】図４Ａは、図２に示す接続チューブの第１実施形態の長さ方向に沿う圧力勾配を表すグラフ図であり、図４Ｂは、図３に示す接続チューブの第２実施形態の長さ方向に沿う圧力勾配を表すグラフ図である。
【符号の説明】
５０イオン源
５２るつぼ
５５ポンプ
５６温度コントローラ
５８イオン室
６２供給チューブ
６６キャビティ
６８イオン源材料
７０加熱媒体
８０加熱要素
９０シース
９２サーモカップル
９４第１制御信号

Claims

(a) 昇華すべきイオン源材料(68)を受入れ、かつこのイオン源材料を昇華するためのキャビティ(66)を有する昇華器(52)と、
(b) 前記昇華器(52)をイオン室(58)に接続するための供給チューブ(62)と、
(c) 前記昇華器(52)と前記供給チューブ(62)の少なくとも一部分を加熱するための加熱媒体(70)と、
(d) 前記加熱媒体(70)の温度を制御する制御装置と、
(e) 前記昇華器から離れて配置されかつ昇華されたイオン源材料をイオン化するためのイオン室(58)とを含み、
前記供給チューブ(62)は、シース(90)によって取り囲まれ、このシース内を通って、前記加熱媒体(70)が循環しており、
前記イオン源材料は、蒸気圧が１０⁻ ²〜１０³ トルの範囲内で、昇華温度が２０〜１５０℃の範囲にある固体分子であることを特徴とする、イオン注入装置のイオン源。
前記制御装置は、前記加熱媒体(70)を加熱するための加熱要素(80)と、前記加熱媒体を循環させるポンプ(55)と、前記加熱媒体(70)から温度フィードバックを供給するための少なくとも１つのサーモカップル(92)と、前記加熱要素に第１制御信号を(94)を出力するために前記温度フィードバックに応答するコントローラ(56)とを含んでいることを特徴とする請求項１記載のイオン源。
前記加熱媒体(70)は、水であることを特徴とする請求項１記載のイオン源。
前記加熱媒体(70)は、鉱油であることを特徴とする請求項１記載のイオン源。
前記イオン源材料は、デカボランであることを特徴とする請求項１記載のイオン源。
前記供給チューブ(62)は、水晶から構成されていることを特徴とする請求項１記載のイオン源。
前記供給チューブ(62)は、ステンレススチールから構成されていることを特徴とする請求項１記載のイオン源。
前記イオン室(58)は、圧縮ガス源からのガスを受け入れる入口(72)を含んでいることを特徴とする請求項１記載のイオン源。
前記シース(90)は、外側シース(90B) によって囲まれる内側シース(90A)を含むことを特徴とする請求項１記載のイオン源。
イオン注入装置のイオン源（50）に用いられる蒸発器であって、
(a) 昇華すべきイオン源材料(68)を受入れ、かつこのイオン源材料を昇華するためのキャビティ(66)を有する昇華器(52)と、
(b) 前記昇華器から離れて配置されかつ昇華されたイオン源材料をイオン化するためのイオン室（58）に、前記昇華器(52)を接続する供給チューブ(62)と、
(c) 前記昇華器(52)と供給チューブ(62)の少なくとも一部分を加熱するための加熱媒体(70)と、
(d) 前記加熱媒体(70)の温度を制御する制御装置とを含み、
前記供給チューブ(62)は、シース(90)によって取り囲まれ、このシース内を通って、前記加熱媒体(70)が循環しており、
前記イオン源材料は、蒸気圧が１０ ^{− 2} 〜１０ ³ トルの範囲内で、昇華温度が２０〜１５０℃の範囲にある固体分子であることを特徴とする蒸発器。
前記制御装置は、前記加熱媒体(70)を加熱するための加熱要素(80)と、前記加熱媒体を循環させるポンプ(55)と、前記加熱媒体(70)から温度フィードバックを供給するための少なくとも１つのサーモカップルと、前記加熱要素に第１制御信号を(94)を出力するために前記温度フィードバックに応答するコントローラ(56)とを含んでいることを特徴とする請求項１０記載の蒸発器。
前記加熱媒体(70)は、水であることを特徴とする請求項１０記載の蒸発器。
前記加熱媒体(70)は、鉱油であることを特徴とする請求項１０記載の蒸発器。
前記イオン源材料は、デカボランであることを特徴とする請求項１０記載のイオン源。
前記供給チューブ(62)は、ステンレススチールから構成されていることを特徴とする請求項１０記載の蒸発器。
前記供給チューブ(62)は、水晶から構成されていることを特徴とする請求項１０記載の蒸発器。
前記シース(90)は、外側シース(90B) によって囲まれる内側シース(90A) を含むことを特徴とする請求項１０記載の蒸発器。