JP4534055B2 - Ion source - Google Patents
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Description
この発明は、基板に対するドーパントのドーピング深さを広く可変することができるイオン源に関する。 The present invention relates to an ion source capable of widely varying a dopant doping depth with respect to a substrate.
超LSIなどの半導体デバイスを量産するとき、ドーパントのドーピング深さを変えるために、単原子イオンと分子イオンとを切り換えて基板に注入することができるイオン源が提案されている(特許文献1)。 In mass production of semiconductor devices such as VLSI, an ion source has been proposed in which monoatomic ions and molecular ions can be switched and implanted into a substrate in order to change the dopant doping depth (Patent Document 1). .
このものは、マイクロ波電力を投入して原料ガスをプラズマ化し、ドーピング用のイオンを放出するマイクロ波イオン源において、プラズマを生成するプラズマ室の容積を機械的に可変することにより、たとえばBF3 の原料ガスを使用してBF2 +またはB+ を選択して放出させることができる。なお、プラズマ室の容積は、プラズマ室の相対向する2壁面を逆方向に平行移動させ、または、プラズマ室に内蔵する可動部材を平行移動または回転移動させて変化させる。
かかる従来技術によるときは、プラズマ室は、その容積を機械的に可変するから、構造が複雑になるばかりでなく、可動部材を組み込むことにより内部の作動雰囲気を損うおそれがある上、マイクロ波イオン源であるため、プラズマ生成用の電子エネルギが高くなく、極深ドーピング用のB++の発生が困難であるという問題があった。 According to such a conventional technique, the volume of the plasma chamber is mechanically variable, so that not only the structure becomes complicated, but also the internal working atmosphere may be impaired by incorporating a movable member, and the microwave chamber may be damaged. Since it is an ion source, there is a problem that electron energy for plasma generation is not high and it is difficult to generate B ++ for extreme deep doping.
そこで、この発明の目的は、かかる従来技術の問題に鑑み、プラズマの生成手段を直流アーク放電、マイクロ波の一方または双方に切り換えることによって、放出するイオンの種類を電気的に選択し、ドーピング深さを広く可変することができるイオン源を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to switch the plasma generating means to one or both of direct current arc discharge and microwave, in view of such problems of the prior art, to electrically select the type of ions to be emitted, and to adjust the doping depth. An object of the present invention is to provide an ion source capable of widely varying the thickness.
かかる目的を達成するためのこの発明の構成は、フィラメントを組み込み、原料ガスを導入するプラズマ室と、長辺側をプラズマ室の軸方向にしてプラズマ室の周側面に接続する断面長方形の導波管と、導波管と相対向するプラズマ室のイオン引出口に付設する引出し電極とを備えてなり、プラズマ室は、直流アーク放電、導波管からのマイクロ波の一方または双方を選択して原料ガスをプラズマ化し、プラズマからのイオンをイオン引出口からイオンビームとして放出することをその要旨とする。 In order to achieve such an object, the structure of the present invention includes a plasma chamber in which a filament is incorporated and a raw material gas is introduced, and a waveguide having a rectangular cross section connected to the peripheral side surface of the plasma chamber with the long side as the axial direction of the plasma chamber. A tube and an extraction electrode attached to the ion extraction outlet of the plasma chamber opposite to the waveguide, and the plasma chamber selects one or both of DC arc discharge and microwave from the waveguide. The gist is that the source gas is turned into plasma and ions from the plasma are emitted as an ion beam from the ion extraction outlet.
なお、プラズマ室には、導波管からのマイクロ波に対する電子サイクロトロン共鳴磁界の数分の1の磁界を軸方向に加えることができ、磁界を10〜30mTに設定することができる。 In the plasma chamber, a magnetic field that is a fraction of the electron cyclotron resonance magnetic field with respect to the microwave from the waveguide can be applied in the axial direction, and the magnetic field can be set to 10 to 30 mT.
かかる発明の構成によるときは、プラズマ室は、フィラメントからの熱電子を利用する直流アーク放電を選択すると、直流放電型イオン源として作動させることができ、原料ガスをプラズマ化するプラズマ生成用の電子エネルギがアーク電圧相当の数10〜100eV程度となり、BF3 の原料ガスを使用して、B+ を主体とし、B++を含むイオンをイオンビームとして放出することができる。また、導波管からのマイクロ波を選択すると、マイクロ波イオン源として作動させることができ、電子エネルギ(電子温度)が1〜50eV程度となり、BF2 +やB+ の放出に適する。さらに、これらの両者を同時に選択すると、最大150eV程度の高い電子エネルギを実現し、特にB++を大量に放出することができる。プラズマを生成するための電子は、アーク電圧に加えて、導波管の短辺方向に発生するマイクロ波の電界によっても加速され、全体として十分大きな電子エネルギに加速することができるからである。 According to the configuration of the invention, the plasma chamber can be operated as a DC discharge type ion source by selecting a DC arc discharge utilizing the thermoelectrons from the filament, and plasma generating electrons for converting the source gas into plasma. energy is several 10~100eV about arc voltage equivalent, using a source gas of BF 3, a B + mainly, ions containing B ++ can be released as an ion beam. Further, when a microwave from the waveguide is selected, it can be operated as a microwave ion source, and the electron energy (electron temperature) is about 1 to 50 eV, which is suitable for the emission of BF 2 + and B + . Furthermore, when both of these are selected at the same time, a high electron energy of about 150 eV at the maximum can be realized, and in particular, a large amount of B ++ can be emitted. This is because electrons for generating plasma are accelerated not only by an arc voltage but also by a microwave electric field generated in the short side direction of the waveguide, and can be accelerated to sufficiently large electron energy as a whole.
すなわち、この発明は、直流アーク放電、マイクロ波の一方または双方を電気的に選択することにより、数nmオーダの極浅ドーピング用のBF2 +から、数100nmオーダの極深ドーピング用のB++までの各種のイオンを切り換えてそれぞれ大量にイオン注入することができ、ドーピング深さを広く可変することができる。また、プラズマ室は、機械的な可動部材を含まないため、それに伴う諸問題を生じるおそれが全くない。 That is, according to the present invention, by selecting one or both of direct current arc discharge and microwave, BF 2 + for extremely shallow doping on the order of several nm to B + for extremely deep doping on the order of several hundred nm. Various ions up to + can be switched and a large amount of ions can be implanted, and the doping depth can be varied widely. Moreover, since the plasma chamber does not include a mechanical movable member, there is no possibility of causing various problems associated therewith.
なお、プラズマ室は、縦長の円筒形ないし近似円筒形や、断面正方形または近似正方形の角筒形などとし、トロコイド運動を利用してプラズマ生成用の電子を閉じ込め、高密度のプラズマを安定に発生させるために、軸方向に磁界を加えるものとする。ただし、磁界は、マイクロ波に対する電子サイクロトロン共鳴磁界の数分の1とし、10〜30mT(100〜300ガウス)に設定することが好ましい。マイクロ波イオン源は、電子サイクロトロン共鳴磁界の数分の1程度の小さい磁界を加えることにより、BF2 +の放出特性にピークがあることが新たに判明したからである。また、このような磁界は、直流放電型イオン源として作動させるときにプラズマ室に加える磁界とほぼ同等であり、したがって、直流アーク放電、マイクロ波の一方または双方を選択するすべての作動モードに対し、磁界形成用の電磁石を共通に使用することができるからである。 The plasma chamber has a vertically long cylindrical shape or approximate cylindrical shape, a square cylinder with a square cross section or an approximate square shape, etc., and confines electrons for plasma generation using trochoidal motion to stably generate high-density plasma. Therefore, a magnetic field is applied in the axial direction. However, the magnetic field is preferably a fraction of the electron cyclotron resonance magnetic field for microwaves, and is preferably set to 10 to 30 mT (100 to 300 gauss). This is because it was newly found that the microwave ion source has a peak in the emission characteristics of BF 2 + by applying a magnetic field as small as a fraction of the electron cyclotron resonance magnetic field. Also, such a magnetic field is approximately equivalent to the magnetic field applied to the plasma chamber when operated as a DC discharge ion source, and thus for all modes of operation that select DC arc discharge, microwave, or both. This is because an electromagnet for forming a magnetic field can be used in common.
以下、図面を以って発明の実施の形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
イオン源は、プラズマ室11と、プラズマ室11に付設する導波管21、引出し電極31、32、33とを備えてなる(図1、図2)。
The ion source includes a
プラズマ室11は、縦長の近似円筒形に形成されている。プラズマ室11の周側面には、たとえば石英板のようなシール板15を介して閉じるマイクロ波MWの導入口11aと、引出し電極31を装着する縦長のイオン引出口11bとが相対向するようにして開口されている。導波管21は、図示しないマイクロ波発振器からのマイクロ波MWを伝送する断面長方形の導波管であって、フランジ21aを介し、長辺側をプラズマ室11の軸方向にして導入口11aに接続されている。そこで、マイクロ波MWの導入口11aは、導波管21に適合する縦長に形成されている。
The
プラズマ室11には、フィラメント12、電子リフレクタ13、アンチカソード14が組み込まれている。電子リフレクタ13は、プラズマ室11の上部に組み込むフィラメント12と一体にして、絶縁材12aを介してプラズマ室11から絶縁されて支持されている。また、アンチカソード14は、絶縁材14aを介してプラズマ室11から絶縁され、プラズマ室11の下部において、上部のフィラメント12、電子リフレクタ13と対向するようにして配置されている。なお、プラズマ室11には、原料ガスを導入する配管16が接続されており、図示しない電磁石により、フィラメント12、電子リフレクタ13とアンチカソード14とを結ぶ軸方向の磁界Bを加えることができる。
A
引出し電極31、32、33には、それぞれプラズマ室11のイオン引出口11bに対応するスリット31a、32a、33aが形成されている。引出し電極31は、イオン引出口11bに直接装着されており、引出し電極32、33は、それぞれ図示しない円筒状の絶縁材を介し、引出し電極31から適切な間隔を隔てて配置されている。ただし、引出し電極31、32、33を支持する絶縁材は、プラズマ室11の導波管21を接続する側に付設する図示しないベースフランジとともに、プラズマ室11、引出し電極31、32、33を一体にシールするものとする。
In the
プラズマ室11内のフィラメント12は、図示しない外部の電源によって加熱することができる。また、フィラメント12、電子リフレクタ13とプラズマ室11との間には、アーク放電用の電源E1 が接続され、プラズマ室11は、電源E2 を介し、引出し電極31とともに対地電圧がたとえば+100kV程度に保持されている。なお、アンチカソード14は、図示しない外部のリード線を介し、フィラメント12、電子リフレクタ13と同電位に保持されている。一方、引出し電極32は、電源E3 を介し、対地電圧がたとえば−1kV程度に保持され、引出し電極33は、直接接地されている。
The
プラズマ室11の軸方向に数10mTの磁界Bを加え、フィラメント12を加熱して、アーク放電用の電源E1 を作動させ、配管16を介してたとえばBF3 の原料ガスをプラズマ室11に導入すると、フィラメント12からの熱電子を利用して原料ガスをプラズマ化し、プラズマ室11内に直流アーク放電を生じて、プラズマ室11内に安定な高密度のプラズマPを生成することができる。なお、このとき、熱電子は、電子リフレクタ13、アンチカソード14の間で反転しながら保持され、したがって、プラズマ室11は、いわゆるBernas型の直流放電型イオン源として作動する。プラズマPからのイオンは、引出し電極31、32間の加速用電界、引出し電極32、33間の減速用電界を介し、イオン引出口11b、引出し電極31、32、33のスリット31a、32a、33aを通して外部にイオンビームIb として放出される。ただし、このときのイオンは、B+ が大部分であり、少量のB++を含む。
When a magnetic field B of several tens of mT is applied in the axial direction of the
一方、フィラメント12の加熱を停止し、アーク放電用の電源E1 を停止させ、導波管21に接続するマイクロ波発振器を作動させると、プラズマ室11内の原料ガスに導波管21からのマイクロ波MWを投入して原料ガスをプラズマ化し、プラズマ室11をマイクロ波イオン源として作動させることができる。すなわち、イオン引出口11b、引出し電極31、32、33のスリット31a、32a、33aを介し、BF2 +、B+ を主とするイオンビームIb を引き出すことができる。ただし、このとき、プラズマ室11の軸方向に加える磁界Bを適切に設定すると、BF2 +の放出量を特に多くすることができる。マイクロ波イオン源は、2.45GHz のマイクロ波MWに対する電子サイクロトロン共鳴磁界Bo =87.5mTの数分の1相当の磁界B=10〜30mTを加えることにより、放出するBF2 +のイオンビームIb に顕著なピークを生じるからである(図3)。
On the other hand, when the heating of the
また、フィラメント12を加熱して、アーク放電用の電源E1 を作動させ、マイクロ波発振器を併せて作動させると、プラズマ室11は、直流放電型イオン源、マイクロ波イオン源の両者を併用するイオン源として動作し、主としてB++のイオンを大量に放出することができる。プラズマ室11内のプラズマ生成用の電子は、アーク電圧と、磁界Bとによるトロコイド運動に加えて、マイクロ波MWの投入によっても加速され、B++を放出させるに十分な運動エネルギを獲得することができるからである。すなわち、このときのイオンビームIb は、単に直流放電型イオン源として作動させる場合に比して、格段に大きくすることができる。
Further, when the
以上の説明において、プラズマ室11は、Bernas型に代えて、Freeman型、PIG型などの他の型式の直流放電型イオン源として構成してもよい。ただし、プラズマ室11の軸方向に加える磁界Bは、マイクロ波イオン源として作動させるときの磁界B=10〜30mTを含み、すべての作動モードに対して共通の電磁石を使用して実現することが好ましい。
In the above description, the
また、この発明において、原料ガスは、必要なドーパントの種類に応じて、BF3 以外の各種を使用することができる。 In the present invention, as the source gas, various materials other than BF 3 can be used depending on the type of dopant required.
P…プラズマ
B…磁界
MW…マイクロ波
Ib …イオンビーム
11…プラズマ室
11b…イオン引出口
12…フィラメント
21…導波管
31、32、33…引出し電極
特許出願人 学校法人 金沢工業大学
代理人 弁理士 松 田 忠 秋
P ... Plasma B ... Magnetic field MW ... Microwave Ib ...
Patent Applicant School Corporation Kanazawa Institute of Technology
Attorney Tadaaki Matsuda, Attorney
Claims (3)
3. The ion source according to claim 2, wherein the magnetic field is set to 10 to 30 mT.
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JP2004294599A JP4534055B2 (en) | 2004-10-07 | 2004-10-07 | Ion source |
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