JP5517132B2 - ガスを混合させることによってイオン源の性能を向上させると共にイオン源を長寿命化する技術 - Google Patents

Description

本開示は概して、半導体製造設備に関する。特に、ガスを混合させることによってイオン源の性能を向上させると共にイオン源を長寿命化する技術に関する。

イオン注入は、エネルギーが与えられたイオンを基板に直接衝突させることによって、基板に化学種を堆積させる処理である。半導体製造では、イオン注入装置は主に、ターゲット材料の伝導性の種類およびレベルを変化させるドーピング処理に用いられる。集積回路（ＩＣ）の基板および該基板の薄膜構造においてドーピングプロファイルの精度を高めることは通常、ＩＣの性能を適切なものとする上で重要である。所望のドーピングプロファイルを得るには、１種類以上のイオン種を、ドーズ量およびエネルギーレベルを互いに異ならせて、注入するとしてよい。

図１は、従来のイオン注入システム１００を示す図である。イオン注入システム１００は、イオン源１０２と、イオンビーム１０が通過する一連の構成要素とを備えるとしてよい。この一連の構成要素には、例えば、引出操作部１０４と、フィルタマグネット１０６と、加速コラムまたは減速コラム１０８と、分析マグネット１１０と、回転式質量スリット１１２と、スキャナ１１４と、補正マグネット１１６とが含まれるとしてよい。イオン注入装置の構成要素は、光ビームを操作する一連の光学レンズと同様に、イオンビーム１０をエンドステーション１２０に方向付ける前に、イオンビーム１０をフィルタリングして集束させることができる。

エンドステーション１２０は、イオンビーム１０の経路において処理対象物１２２等の１以上の処理対象物を支持しているので、所望の種のイオンが処理対象物１２２に注入される。処理対象物１２２は、例えば、半導体ウェハ、または、イオン注入を必要としているその他の同様のターゲット物体であってよい。エンドステーション１２０はまた、処理対象物１２２を支持するプラテン１２４を有するとしてよい。プラテン１２４は、静電力またはその他の同様の力を用いて処理対象物１２２を固定するとしてよい。エンドステーション１２０はさらに、所望の方向に処理対象物１２２を移動させる処理対象物用メカニカルスキャナ（不図示）を有するとしてよい。エンドステーション１２０はさらに、その他の構成要素を有するとしてよく、例えば、処理対象物１２２をイオン注入システム１００に入れて、イオン注入終了後には処理対象物１２２を取り出す処理対象物自動操作部を有するとしてよい。イオン注入システム１００はさらに、イオン注入システム１００のさまざまな下位システムおよび構成要素を制御するコントローラ（不図示）を有するとしてよい。イオン注入システム１００はさらに、複数の測定デバイスを有するとしてよい。例えば、ドーズ量制御用ファラデーカップ１１８、移動ファラデーカップ１２８、および設定用ファラデーカップ１２６を含むとしてよい。これらのデバイスに基づいて、イオンビーム条件を監視および制御するとしてよい。イオンビーム１０が横断する経路は全て、イオン注入中には通常真空状態となることは、当業者であれば想到するであろう。

イオン源１０２は、イオン注入システム１００の重要な構成要素である。イオン源１０２は、さまざまに異なるイオン種および引出電圧について、安定して且つ良好に画定されているイオンビーム１０を生成する必要がある。このため、メインテナンスまたは修理の必要なしにイオン源１０２が動作可能な期間を長くすることが望ましい。したがって、イオン源１０２の寿命または平均故障間隔（ＭＴＢＦ）は、イオン源１０２の性能の基準の１つであり、イオン注入システム１００の性能の測定基準として重要である。

図２は、イオン注入システム１００が備えるイオン源１０２の典型的な実施形態を示す図である。イオン源１０２は、高電流イオン注入機器で利用されることが多い、誘導加熱陰極（ＩＨＣ）イオン源であってよい。その他のさまざまな種類のイオン源もまた利用するとしてよい。イオン源１０２は、アークチャンバ（すなわちイオンソースチャンバ）２０６を画定しているアークチャンバ筐体２０２を有する。アークチャンバ筐体２０２はさらに、イオンビーム１０用の引出開口部２０４を含む。陰極２０８およびリペラ電極２１０（または対陰極）は、アークチャンバ２０６内に配置されるとしてよい。リペラ電極２１０は、電気的に絶縁されているとしてよい。陰極絶縁部２１２は、アークチャンバ筐体２０２から陰極２０８を電気的および熱的に絶縁するように、陰極２０８に対して相対的に配置されるとしてよい。陰極２０８はさらに、熱伝導を制御するための真空ギャップによって、絶縁部２１２から離間させられるとしてよい。フィラメント２１４は、陰極２０８を加熱するべく、アークチャンバ２０６の外側に陰極２０８に非常に近接させて、配置されるとしてよい。支持ロッド２１６は、陰極２０８およびフィラメント２１４を支持するとしてよい。陰極２０８は、フィラメント２１４から放出された電子を陰極２０８に向けて加速させるべく、フィラメント２１４に対して正のバイアスがかけられているとしてよい。また、アークチャンバ２０６内で陰極２０８に向かう方向（図２の矢印２２２を参照のこと）に磁場Ｂを発生させるべく、１以上のソースマグネット２２０が設けられるとしてよい。

引出電極部、例えば接地電極２４０およびサプレッション電極２４２は、引出開口部２０４の前方に配置されるとしてよい。接地電極２４０およびサプレッション電極２４２はそれぞれ、イオン注入システム１００で利用される良好に確定されたイオンビーム１０をアークチャンバ２０６から引出すべく、引出開口部２０４と位置合わせされた開口を持つ。

引出電源２４８は、アークチャンバ２０６からイオンビーム１０を引出すべく、アークチャンバ２０６と接地電極２４０との間に引出電圧を印加するとしてよい。引出電圧は、イオンビーム１０のエネルギーの所望のレベルに応じて調整されるとしてよい。サプレッション電源２４６は、イオンビーム１０内での電子の損失を防ぐ（イオン源１０２に逆流させることによって）ことを目的として、接地電極２４０に対してサプレッション電極２４２を負にバイアスするとしてよい。イオン注入システム１００には、フィラメント電源またはアーク電源等、１以上の電源をさらに追加するとしてよい。フィラメント電源（不図示）は、フィラメント２１４を加熱するための電流をフィラメント２１４に印加するとしてよく、加熱の結果電子が発生し、当該電子は陰極２０８を加熱するべく陰極２０８に向けて加速される。アーク電源（不図示）は、アークチャンバ筐体２０２に結合されるとしてよく、陰極２０８からアークチャンバ２０６内に形成されたプラズマ２０に電子を容易に放出させるとしてよい。この電力によって、陰極２０８が、アークチャンバ２０６に対して相対的に負の電位にバイアスされるとしてよい。

イオン源コントローラ２５０は、イオン源１０２を制御する。例えば、イオン源コントローラ２５０は、イオン源に対するさまざまな電力供給を制御するとしてよく、および／または、ドーパントガス源２６０からアークチャンバ２０６へのドーパントガスの流量を制御するとしてよい。イオン源コントローラ２５０は、プログラミング済みコントローラであってもよいし、または、専用の特定用途向けコントローラであってもよい。一実施形態によると、イオン源コントローラ２５０は、イオン注入システム１００のメイン制御コンピュータに組み込まれるとしてよい。

ドーパントガス源２６０は、ガス流量コントローラ２６６を介してアークチャンバ２０６に所定量のドーパントガスを注入するとしてよい。ドーパントガス源２６０は、所望のドーパント元素を含有する特定のドーパントガスを供給するとしてよい。例えば、ドーパント元素は、ホウ素（Ｂ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、リン光体（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、またはケイ素（Ｓｉ）を含むとしてよく、フッ素含有ガス、例えば、三フッ化ホウ素（ＢＦ_３）、四フッ化ゲルマニウム（ＧｅＦ_４）、三フッ化リン光体（ＰＦ_３）、または四フッ化ケイ素（ＳｉＦ４）として供給されるとしてよい。その他のさまざまなドーパントガスおよび／またはドーパント元素もまた、例えば、アルゴン（Ａｒ）、キセノン（Ｘｅ）等の不活性ガスも利用されるとしてよい。

イオン源が故障する原因として一般的なものに、イオン注入システム１００の利用期間が長くなると陰極表面に一部の材料が蓄積される点が挙げられる。このように蓄積された材料によって、陰極表面からのソースイオンの熱イオン放出率が下がってしまう。この結果、所望のビーム電流が得られなくなり、イオン注入システム１００の適切な動作を維持するべくイオン源１０２を交換する必要が出てくる可能性がある。さらに、堆積物が伝導性を有する場合、陰極２０８とアークチャンバ２０６との間で短絡が発生する可能性があるので、イオン源１０２でプラズマが生成されず、イオン源１０２を交換または再形成する必要がある。さらに、陰極２０８、リペラ電極２１０、または接地電極２４０の条件がこのように変化すると、イオン源１０２からのイオン出力が不安定になってしまう場合があり、これは非常に望ましくないことである。結果としてビーム電流ドリフト、場合によっては、より高周波のグリッチが発生する可能性があり、これらはどちらもイオン源の性能に対して重要な測定基準である。結果として、イオン源１０２の性能が劣化して寿命が短くなると、イオン注入システム１００の生産性が大幅に悪化する。

上述した問題は特に、しかしこれらに限定されるわけではないが、ゲルマニウムイオンの注入において重大な影響を及ぼす。ゲルマニウムイオン注入は、チャネリング効果を防止するべくシリコンウェハをプリアモルファス化する方法として、半導体産業において広く利用されている。プリアモルファス化のためのゲルマニウムイオン注入に対する需要は今後、半導体デバイス製造分野において大きく成長することが期待される。ゲルマニウムイオンビームに対するソースガスとして最も一般的なものの１つに、化学特性が安定しており、性能価格比が高い四フッ化ゲルマニウム（ＧｅＦ_４）がある。しかし、ＧｅＦ_４をドーパントガスとして動作すると、イオン源の寿命が非常に短くなってしまうことが分かっている。

ゲルマニウムイオン注入において用いられるイオン源の寿命が短い理由は、ＧｅＦ_４分子が化学的に解離してしまう結果、アークチャンバ２０６内に自由なフッ素原子の量が過剰になってしまうためと考えられ得る。特に、アークチャンバ筐体２０２の材料は、これらの自由なフッ素原子との化学反応によって、エッチングによって除去されてしまう場合がある。アークチャンバ筐体２０２の材料はその結果、陰極２０８の表面に堆積され、陰極２０８の表面から電子の放出を劣化させてしまうことになる。

尚、ゲルマニウムイオン注入に関する問題を上述したが、その他のフッ素含有ドーパントガス、例えば、三フッ化ホウ素（ＢＦ_３）、三フッ化リン光体（ＰＦ_３）、および、四フッ化ケイ素（ＳｉＦ_４）等もまた、上述したような材料が陰極２０８に堆積される結果イオン源１０２の性能および寿命に悪影響を及ぼす同様の問題を抱えているものと理解されたい。アルゴン、キセノン等の不活性ガスがドーパントガスとして利用され得るが、フッ素を含有していないにもかかわらず、不活性ガスを利用するとビーム電流が低減してしまう。この結果、イオン源の動作、例えば、性能および寿命はやはり大きく低減してしまう。

イオン源の故障の原因として一般的な別の理由を挙げると、イオン源の動作中において陰極２０８から材料がストリッピング（またはスパッタリング）されてしまうことがある。例えば、陰極２０８から金属材料（例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等）が、プラズマ２０からのイオンがアークチャンバ２０６内で陰極２０８に向けて加速されて衝突することによって、除去されてしまいがちである。スパッタリング率はプラズマ２０内のイオンの質量によって決まるので、イオン質量が大きくなるほど、スパッタリング効果が悪化し得る。実際、材料に対するスパッタリングが継続すると、陰極２０８が「薄く」なってしまい、最終的には陰極２０８内に孔または開口が形成されてしまう可能性がある。このため、ホウ素（Ｂ）または炭素（Ｃ）のようなより軽い元素を用いる場合に比べて、例えばゲルマニウム（Ｇｅ）、ヒ素（Ａｓ）、キセノン（Ｘｅ）、インジウム（Ｉｎ）、アンチモン（Ｓｂ）等の重い元素を含有するドーパントガスを利用する場合、イオン源１０２の性能および寿命が大幅に低減してしまう。このような悪影響は、水素化物（例えば、ＡｓＨ_３、ＰＨ_３、ＣＨ_４等）、不活性ガス（Ａｒ、Ｘｅ等）、またはこれらの混合物を、所望の種の注入の原材料として利用する場合に特に顕著である。

以上を鑑みると、上述した欠点および不備を克服するような、イオン源の性能を改善すると共にイオン源を長寿命化する技術を提供することが望まれている。

ガスを混合させることによってイオン源の性能を向上させると共にイオン源を長寿命化する技術を開示する。１つの具体的な実施形態例によると、当該技術は、イオン注入装置のイオン源の性能を向上させると共にイオン源を長寿命化する方法として実現されるとしてよい。当該方法は、イオン源チャンバに所定量の第1のドーパントガスを放出する段階を備えるとしてよい。ドーパントガスは、一のドーパント種と第１の種とを含むとしてよい。当該方法はさらに、イオン源チャンバに所定量の希釈ガスを放出する段階を備えるとしてよい。希釈ガスは、ドーパント種と、第１の種とは異なる第２の種とを含むとしてよい。さらに、第１のドーパントガスと第１の希釈ガスをイオン化し、イオンを生成する段階を備えてよい。
また、引出電極を用いて前記イオン源チャンバからイオンを引き出す段階を備えてよい。希釈ガスは、ドーパントガスを希釈して、イオン源の性能を向上させると共にイオン源を長寿命化するとしてよい。

本実施形態例の別の側面によると、ドーパントガスは、ハロゲン含有ガスを含むとしてよく、希釈ガスは、水素含有ガスおよび不活性ガスのうち少なくとも１つを含むとしてよい。

本実施形態例の異なる側面によると、ドーパントガスは、水素含有ガスを含むとしてよく、希釈ガスは、ハロゲン含有ガスおよび不活性ガスのうち少なくとも１つを含むとしてよい。

本実施形態例の更なる側面によると、当該方法はさらに、所定量の別の希釈ガスをイオン源チャンバに放出する段階を備えるとしてよい。別の希釈ガスは、ハロゲン含有ガス、水素含有ガス、および、不活性ガスのうち少なくとも１つを含む。

本実施形態例の別の側面によると、希釈ガスは、ＣＯ種を含むとしてよい。

本実施形態例の異なる側面によると、希釈ガスは、ドーパントガスと互いに補完的な関係にあるとしてよく、ドーパント種はＣＯ種と同一であってよい。

本実施形態例の別の側面によると、ドーパント種は、ＣＯ種とは異なるとしてよい。

別の実施形態例によると、上述した技術は、イオン注入装置のイオン源の性能を改善すると共にイオン源を長寿命化する装置として実現されるとしてよい。当該装置は、ドーパントガス源からイオン源チャンバに所定量のドーパントガスを放出するドーパントガスコントローラを備えるとしよい。ドーパントガスは一のドーパント種と第１の種とを含むとしてよい。当該装置はさらに、第１の希釈ガス源からイオン源チャンバに所定量の第１の希釈ガスを放出する第１の希釈ガスコントローラを備えるとしてよい。第１の希釈ガスは、ドーパント種と、第１の種とは異なる第２の種とを含んでよい。さらに、イオン源チャンバの引出開口の前方に配置され、イオン源チャンバ内で生成されたイオンを引き出す引出電極を備えてよい。第１の希釈ガスは、ドーパントガスを希釈して、イオン源の性能を改善すると共にイオン源を長寿命化するとしてよい。

別の実施形態例によると、上述した技術は、イオン注入装置のイオン源の性能を改善すると共にイオン源を長寿命化する装置として実現されるとしてよい。当該システムは、ドーパントガス源からイオン源チャンバに所定量のドーパントガスを放出するドーパントガスコントローラを有するイオン源を備えるとしてよい。ドーパントガスは一のドーパント種と第１の種とを含むとしてよい。当該システムはさらに、１以上の希釈ガス源からイオン源チャンバに所定量の１以上の希釈ガスを放出する１以上の希釈ガスコントローラを備えるとしてよい。１以上の希釈ガスはドーパント種と、第１の種とは異なる第２の種とを含むとしてよい。当該システムは、さらに引出電極を含み、イオン源チャンバの引出開口の前方に配置され、前記イオン源チャンバ内で生成されたイオンを引き出すようにしてもよい。ドーパントガスおよび１以上の希釈ガスは、補完的なガス混合体を形成して、イオン源の性能を改善すると共にイオン源を長寿命化するとしてよい。

本開示は以下で、添付図面に図示する本開示の実施形態例を参照しつつより詳細に説明する。以下では実施形態例を参照しつつ本開示を説明するが、本開示は記載する実施形態例に限定されるものではないと理解されたい。本明細書に記載する教示内容を参考にすることで、当業者は、その他の利用可能分野と共に更なる実装例、変更例および実施形態を認識することであろう。このような実装例、変更例および実施形態は、本明細書に記載する本開示の範囲内に含まれるものであり、本開示に大きな有用性を与え得る。

本開示に対する理解を深めていただくべく、以下では添付図面を説明する。添付図面では、同様の構成要素は同様の参照番号で指定される。これらの図面は、本開示を限定するものと解釈されるべきではなく、例示のみを目的としている。

従来のイオン注入システムを示す図である。

図１に示す従来のイオン注入システムが備える従来のイオン源を示す図である。

本開示の実施形態に係るイオン源構成の一例を示す図である。

本開示の実施形態に係るイオン源構成の別の例を示す図である。

本開示の実施形態に係るイオン源構成のさらに別の例を示す図である。

本開示の実施形態は、ガスを混合させることによって、イオン源の性能を向上させると共にイオン源を長寿命化する。

図３Ａから図３Ｃは、本開示の実施形態に係るイオン源の構成例２０２ａおよび２０２ｂを示す図である。当業者におかれては、図２に示した構成要素は全て図３Ａから図３Ｃに組み込まれるものと理解されたい。このため、図３Ａから図３Ｃに示す構成要素の大半は、図２に図示した構成要素に関連付けて理解されたい。

図３Ａを参照しつつ説明すると、イオン源２０２ａは、１以上の希釈ガス源を備えるとしてよく、該希釈ガス源は、ドーパントガス源２６０からのドーパントガスを希釈するべくアークチャンバ２０６に１以上の希釈ガスを放出する。例えば、希釈ガス源２６２および対応するガス流量コントローラ２６８は導管２８０を介してアークチャンバ２０６に所定量の希釈ガスを供給して、ドーパントガス源２６０からのドーパントガスを希釈するとしてよい。

一実施形態によると、図３Ａに図示するように、ドーパントガスおよび１以上の希釈ガスは、アークチャンバ２０６に対して供給される場合に、同一の導管２８０を通過させられるとしてよい。このような構成とすることによって、１以上の希釈ガスは、アークチャンバ２０６に流入する前に、導管２８０において予めドーパントガスと混合させられるとしてよい。別の実施形態によると、図３Ｂに図示するように、イオン源２０２ｂにおいて、ドーパントガスおよび１以上の希釈ガスは、アークチャンバ２０６に対して供給される際に、異なる導管２８０ａおよび２８０ｂを通過させられるとしてもよい。このような場合は、１以上の希釈ガスとドーパントガスとは、アークチャンバ２０６内で混合させられる。

ドーパントガスは、所望のイオン注入に応じてさまざまなドーパント種（例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ホウ素（Ｂ）、リン光体（Ｐ）、ケイ素（Ｓｉ）、ヒ素（Ａｓ）等）を含むとしてよい。一実施形態によると、ドーパントガスは、ハロゲン含有ガスとして、ドーパントガス源２６０から放出されるとしてよい。別の実施形態によると、ドーパントガスは、水素化物（または水素含有）ガスとして、ドーパントガス源２６０から放出されるとしてよい。例えば、表１は、各ドーパント種について、１以上の水素化物ガスおよび１以上のハロゲン化物ガスを示す。

別の実施形態によると、ドーパントガスはさらに、不活性ガスを含むとしてよい。例えば、該不活性ガスは、アルゴン（Ａｒ）またはアルゴン含有ガス、キセノン（Ｘｅ）またはキセノン含有ガス等であってよい。その他の組み合わせおよびさまざまなドーパントガスも考慮され得る。

これに代えて、別の実施形態によると、図３Ｃに図示するように、ガス素子３９０が設けられるとしてよい。ガス素子３９０は、ヒータ（不図示）を有するとしてよく、ドーパント先駆体を蒸発させて、該ドーパント先駆体を（気体状態で）導管２８０を介してアークチャンバ２０６に運ぶ。一実施形態によると、ガス素子３９０は、蒸発源であってよい。この場合、ヒータは、例えば、蒸発源内で固体ソースを加熱して、ドーパント先駆体を蒸発させるとしてよい。別の実施形態によると、ガス素子３９０は気泡生成器であってよい。この例によると、ヒータは、例えば、気泡生成器内で液体ソースを加熱して、ドーパントガスを蒸発させるとしてよい。さらに、気泡生成器は、導管２８０を介してアークチャンバ２０６に気体状のドーパントガスを搬送するべくキャリアガスを含むとしてよい。さらに別の実施形態によると、ガス素子は、ドーパント種の元素形態、例えば、リン光体、金属等そのものを利用するとしてよく、導管２８０を介してアークチャンバ２０６にこれらの蒸気を搬送するとしてよい。その他のさまざまな実施形態もまた提供され得る。

本開示の一実施形態によると、希釈ガスは、水素（Ｈ_２）または水素含有ガスを含むとしてよい。別の実施形態によると、希釈ガスは、ハロゲンまたはハロゲン含有ガス（例えば、Ｆ_２、Ｃｌ_２等）を含むとしてよい。その他の組み合わせおよびさまざまな希釈ガスも利用され得る。

図３Ａに戻って、フィラメント２１４が対応する電源によって熱イオン放出温度まで加熱されると、フィラメント２１４から放出された電子は、陰極にかけられたフィラメントと相対的に正のバイアスによって（不図示）陰極２０８に対して加速され、陰極２０８を熱イオン放出温度まで加熱する。陰極２０８から放出された電子は、アークチャンバと相対的に負のアーク電圧によって陰極から離れるように加速されて、アークチャンバ２０６内でドーパントガス源２６０によって供給されるドーパントガスのガス分子をイオン化して、プラズマ２０を生成するとしてよい。アークチャンバ２０６内の電子は、磁場Ｂ２２２によってらせん状の軌道を描き、イオン化衝突の回数を多くする。リペラ電極２１０は、負の電荷を蓄積して、電子を反発させてアークチャンバ２０６に戻して、イオン化衝突をさらに発生させる。一実施形態によると、リペラ電極２１０は、独自の電源によって独立してバイアスされるとしてもよく、または、陰極２０８と共通の電源によってバイアスされるとしてよく、原子を効率よくイオン化できるように陰極２０８とリペラ電極２１０との間に電子を確実に閉じ込めるとしてよい。イオン源２０２ａの寿命は、ハロゲン含有（例えば、フッ素含有）ドーパントガス、例えば、ＢＦ_３、ＧｅＦ_４、ＰＦ_３およびＳｉＦ_４を用いる場合、プラズマ２０に対して露出されたアークチャンバ素子における金属成長（例えば、タングステン（Ｗ）の堆積）によって限定され得る。このような素子には、陰極２０８およびリペラ電極２１０が含まれるとしてよい。特に、アークチャンバの壁からのタングステンが例えばフッ素と結合してＷＦ_６が発生すると、このＷＦ_６は、アークチャンバ筐体の壁の温度よりも高い温度、引出開口部２０４、陰極２０８、およびリペラ電極２１０の温度よりも低い温度に露出されない限り、気体状態を維持する。このため、ＷＦ_６分子は最も温度が高い表面で分解され、その表面上でタングステンが蓄積されてしまう可能性がある。このように温度が高い表面上に蓄積されるタングステンは、プラズマ２０内のフッ素（Ｆ）ラジカルとの反応によって、アークチャンバの壁から除去されるタングステンの量によって決まるとしてよい。このため、アークチャンバの壁から除去されるタングステンの割合は、プラズマ２０内の自由なフッ素ラジカルの濃度の関数となるとしてよい。このため、プラズマ２０内の自由なフッ素ラジカルの濃度を制御することによって、陰極２０８およびリペラ２１０に蓄積されるタングステンの割合を調整することができるとしてよい。このため、アークチャンバ２０６に所定量のドーパントガスを放出すると共に、水素含有希釈ガス（または不活性ガス）等の１以上の希釈ガスを所定量放出することによって、金属成長率またはタングステン蓄積率が低減され得る。

不活性ガスを希釈ガスとして追加すると、アークチャンバの壁のタングステン（またはその他の金属）を酸化（または除去）するプラズマ２０内のフッ素ラジカルの濃度が低減され得る。水素含有希釈ガスによって生成される水素ラジカルはさらに、アークチャンバ２０６内の余分な自由フッ素分子を捕捉して、ＷＦ_６（または、チャンバの壁の構成材料によっては、その他の揮発性金属ハロゲン化物となる）の形成を低減するとしてよい。この結果、１以上の水素原子の放出、水素含有希釈ガスの放出とドーパントガスとを混合させることによって、イオン源の性能を向上させると共に、イオン源を長寿命化することができるとしてよい。

また、ドーパントガスがフッ素ではなくハロゲンを含有するドーパントガスである場合には、１以上の希釈ガスによってタングステンの蓄積が低減され得ることを理解されたい。したがって、このようなドーパントガスを希釈するべく１以上の希釈ガスを追加すると、イオン源の性能が改善されると共に長寿命が実現され得る。このような希釈ガスには、例えば、上述したように不活性ガスまたは水素含有ガスが含まれるとしてよい。

水素または水素含有ガス等の希釈ガスを１以上利用することの利点をいくつか挙げる。第一に、水素または水素含有ガスは、その他の希釈ガスに比べると比較的入手が容易であることが多い。このため、イオン源の性能を改善すると共にイオン源の長寿命化を図る上で、より高い費用対効果が得られるとしてよい。さらに、水素または水素含有ガス用の希釈ガス源は、多くのイオン源構成に比較的組み込みやすい場合が多い。このため、水素または水素含有希釈ガスを利用することによって、イオン源の性能を改善すると共にイオン源を長寿命化する上で簡単な方法を提供し得る。

しかし、特に希釈ガスが水素含有ガスである場合に、希釈ガスを利用すると生じ得る１つの問題には、イオンビーム電流の低減が含まれる。あるドーパント種を含むドーパントガスと、該ドーパント種とは異なるＣＯ種（ｃｏ−ｓｐｅｃｉｅｓ）を持つ水素含有希釈ガスとが混合されると、イオンビーム電流が低減してしまう場合がある。例えば、水素含有希釈ガス、例えばＡｓＨ_３がＧｅＦ_４ドーパントガスと混合されると、自由なフッ素分子と自由な水素が結合するという効果が得られ、イオン源を長寿命化するという利点は継続して得られる。しかし、所望のドーパント種（この場合はＧｅ）のイオンビーム電流は、プラズマ２０のＣＯ種にドーパント（Ｇｅ）が存在しないために、低減されてしまう可能性がある。このため、Ｇｅを注入するためのイオンビーム電流は、ドーパントガスの種とは異なるＣＯ種を持つ水素含有希釈ガスを利用する場合には、低減されてしまう可能性がある。

本開示の別の実施形態によると、イオンビーム電流が低減しないように、イオン注入において、ドーパントガスと希釈ガスを互いに補完し合うように組み合わせる（または混合する）としてよい。さらに、ドーパントガスを補完する希釈ガスを利用する場合も、イオン源の寿命に関して望まれる効果はすべて変わらず実現されるとしてよい。例えば、ＧｅＦ_４ドーパントガスは、特に所望されるＧｅドーパント種を含有するとしてよい。しかし、ドーパントガスの種とは異なるＣＯ種を持つ１以上の水素含有ガスを導入すると、イオンビーム電流が大きく低減されてしまう可能性がある。このため、一実施形態によると、Ｇｅ種を持つＧｅＦ_４ドーパントガスには、ＧｅＣＯ種を持つ補完的な希釈ガスを所定量混合させて、Ｇｅイオンビーム電流が低減しないようにするとしてよい。表１を参照すると、例えば、ＧｅＦ_４ドーパントガスについて補完的な希釈ガスは、ＧｅＨ_４希釈ガスであってよい。本例によると、ＧｅＨ_４希釈ガスおよびＧｅＦ_４ドーパントガスは、この場合はＧｅであるが、対象となる種が同一である。このため、ガス同士が混合させられると、自由な水素と自由なフッ素とが結合されてイオン源の寿命が改善されるだけでなく、ドーパントガスおよび希釈ガスの両方にＧｅ種が含まれているので、イオンビーム電流の損失を防ぎ得る。

互いに補完し合うドーパントガスおよび希釈ガスの組み合わせの１つとしてＧｅＨ_４およびＧｅＦ_４の組み合わせを挙げたが、その他のさまざまな組み合わせを利用し得るものと理解されたい。一実施形態によると、表１に示すように、特定のドーパント種を持つハロゲン化物ドーパントガスはいずれも、該ドーパント種と同一のＣＯ種を持つ水素化物希釈ガスであればどのようなものとも補完または混合させられるとしてよい。別の実施形態によると、ドーパントガスは水素化物の状態にあるとしてよく、１以上の希釈ガスはハロゲン化物の状態にあるとしてよい。例えば、ＧｅＨ_４がドーパントガスであって、ＧｅＦ_４が希釈ガスであってよい。この場合も、互いに補完的なドーパントガス−希釈ガスの混合物が生成され得る。さらに別の実施形態によると、水素ガス（Ｈ_２）を、イオンビーム電流を低減することなくイオン源を長寿命化することを目的として、任意のドーパントガス−希釈ガス混合体と共に、追加希釈ガスとして、放出するとしてよい。互いに補完的なドーパントガスおよび希釈ガスを混合させて形成する混合物はそれぞれ、ドーパントガスおよび１以上の希釈ガスの濃度および量が異なるとしてよい。上記以外にもさまざまな混合物および組み合わせが考えられ得る。

図３Ａおよび図３Ｂを参照しつつ説明した希釈ガスは１種類のみであるが、複数の希釈ガス、希釈ガス源、および希釈ガス流量コントローラを実装するとしてよいと理解されたい。

イオン源の安定性および寿命を改善するようにガス混合体を選択するが、この選択は上述した方法に基づいて行われるとしてよい。互いに補完し合うドーパントガスと希釈ガスの組み合わせを最適化することで、化学的にプラズマ２０内の反応種の濃度の均衡を取ること、および／または、濃度を制御することによって、イオン源の動作を改善させるとしてよい。希釈ガスと同一の種を持つドーパントガスを利用することの利点は上述した通りであるが、プラズマ２０内でのエッチング効果および／または堆積効果の実質濃度の均衡を取るべく、電気陰性度が異なるＣＯ種を利用し得ると理解されたい。上記以外に、ドーパントガスおよび希釈ガスについては、さまざまな組み合わせおよび混合物が利用され得る。

本開示の実施形態は、特定のイオン注入システムにおいてイオン源の性能を改善すると共にイオン源を長寿命化することを目的として、１以上の希釈ガスを導入することに関するが、その他の実装例も提供され得ると理解されたい。例えば、１以上の希釈ガスを導入する方法は、多岐にわたるその他の種類のイオン源、例えば、バーナス（Ｂｅｒｎａｓ）型、フリーマン（Ｆｒｅｅｍａｎ）型、誘導加熱陰極（ＩＨＣ）型、または、これらの応用例、もしくは、プラズマベースイオン注入システム、例えば、グロー放電プラズマドーピング（ＧＤ−ＰＬＡＤ）システム、または、高周波プラズマドーピング（ＲＦ−ＰＬＡＤ）システムに応用され得る。上記以外に、さまざまな実装例が提供され得る。

イオン注入において１以上の希釈ガスを利用する本願で開示される技術は、イオン注入システムが備えるイオン源の性能を改善すると共にイオン源を長寿命化することに加えて、ほかの効果をも奏するとしてよい。例えば、従来のイオン注入方法では非効率的で、効果の得られない、冗長なステップのために時間およびコストが超過していたが、このような超過時間および超過コストは、本開示に係る希釈ガス利用技術によって、低減および／または解消され得るので、イオン源をより効率よく利用することが出来るようになるとしてよい。このため、本開示の実施形態は、ガスを混合させることによってイオン注入システムが備えるイオン源の動作を改善して、例えば、性能を向上させると共に長寿命化して、従来のイオン注入方法およびイオン注入システムがより広く利用されることを可能とするとしてよい。

本開示の範囲は、本明細書に記載した具体的な実施形態に限定されるものではない。実際のところ、上記の説明および添付図面を参照すれば、当業者には、本明細書に記載したものに加えて、本開示のその他のさまざまな実施形態および変更例が明らかになるであろう。このため、これらのその他の実施形態および変更例は、本開示の範囲内に含まれるものとされる。さらに、本開示は、本明細書において特定の目的を実現するべく特定の環境における特定の実装例に沿って説明されているが、当業者であれば、本開示の利用可能性は本明細書の記載内容に限定されるものではなく、任意の数の目的を実現するべく任意の数の環境において実装されて効果を奏し得ることを認めるであろう。従って、本願の請求項は、本明細書で説明する本開示の範囲および精神を最大限に広く鑑みて解釈されるべきである。
［項目１］
イオン注入装置のイオン源の性能を向上させると共に前記イオン源を長寿命化する方法であって、
イオン源チャンバにドーパント種を含む所定量の第１のドーパントガスを導入する段階と、
前記イオン源チャンバに前記第１のドーパントガスを希釈して前記イオン源の性能を向上させると共に前記イオン源を長寿命化する所定量の第１の希釈ガスを導入する段階と
を備える方法。
［項目２］
前記第１のドーパントガスは、ハロゲン含有ガスであって、前記第１の希釈ガスは、水素含有ガスまたは不活性ガスである項目１に記載の方法。
［項目３］
前記第１のドーパントガスは、水素含有ガスであって、前記第１の希釈ガスは、ハロゲン含有ガスまたは不活性ガスである項目１に記載の方法。
［項目４］
所定量の第２の希釈ガスを前記イオン源チャンバに放出する段階をさらに備える、項目１から３の何れか１項に記載の方法。
［項目５］
前記第２の希釈ガスは、ハロゲン含有ガス、水素含有ガス、および、不活性ガスのうち少なくとも１つを含む項目４に記載の方法。
［項目６］
前記第２の希釈ガスは、第２のドーパントガス、第３の希釈ガス、ハロゲンガス、水素ガス、および、不活性ガスのうち少なくとも１つを含む項目４に記載の方法。
［項目７］
前記第１の希釈ガスは、ＣＯ種を含む項目１から６の何れか１項に記載の方法。
［項目８］
前記ドーパント種は、前記ＣＯ種と同一である項目７に記載の方法。
［項目９］
前記ドーパント種は、前記ＣＯ種とは異なる
項目７に記載の方法。
［項目１０］
前記第１のドーパントガスは、前記ドーパント種の水素化物を含み、前記第１の希釈ガスは同一の前記ドーパント種のハロゲン化物を含む項目１に記載の方法。
［項目１１］
前記第１のドーパントガスは、前記ドーパント種のハロゲン化物を含み、前記第１の希釈ガスは、同一の前記ドーパント種の水素化物を含む項目１に記載の方法。
［項目１２］
イオン注入装置のイオン源の性能を改善すると共にイオン源を長寿命化する装置であって、
ドーパントガス源からイオン源チャンバに所定量の第１のドーパントガスを放出するドーパントガスコントローラと、
第１の希釈ガス源から前記イオン源チャンバに所定量の第１の希釈ガスを放出する希釈ガスコントローラと
を備え、
前記第１のドーパントガスはドーパント種を含み、
前記第１の希釈ガスは前記第１のドーパントガスを希釈して、前記イオン源の性能を改善すると共に前記イオン源を長寿命化する装置。
［項目１３］
前記第１のドーパントガスは、ハロゲン含有ガスであって、前記第１の希釈ガスは、水素含有ガスまたは不活性ガスである項目１２に記載の装置。
［項目１４］
前記第１のドーパントガスは、水素含有ガスであって、前記第１の希釈ガスは、ハロゲン含有ガスまたは不活性ガスである項目１２に記載の装置。
［項目１５］
前記希釈ガスコントローラはさらに、所定量の第２の希釈ガスを前記イオン源チャンバに放出する、項目１２から１４の何れか１項に記載の装置。
［項目１６］
前記第２の希釈ガスは、ハロゲン含有ガス、水素含有ガス、および、不活性ガスのうち少なくとも１つを含む項目１５に記載の装置。
［項目１７］
前記第２の希釈ガスは、第２のドーパントガス、第３の希釈ガス、ハロゲンガス、水素ガス、および、不活性ガスのうち少なくとも１つを含む項目１５に記載の装置。
［項目１８］
前記第１の希釈ガスは、ＣＯ種を含む項目１２から１７の何れか１項に記載の装置。
［項目１９］
前記ドーパント種は、前記ＣＯ種と同一である項目１８に記載の装置。
［項目２０］
前記ドーパント種は、前記ＣＯ種とは異なる項目１８に記載の装置。
［項目２１］
前記第１のドーパントガスは、前記ドーパント種の水素化物を含み、前記第１の希釈ガスは同一の前記ドーパント種のハロゲン化物を含む項目１２に記載の装置。
［項目２２］
前記第１のドーパントガスは、前記ドーパント種のハロゲン化物を含み、前記第１の希釈ガスは、同一の前記ドーパント種の水素化物を含む項目１２に記載の装置。
［項目２３］
イオン注入装置のイオン源の性能を改善すると共に前記イオン源を長寿命化するシステムであって、
ドーパントガスコントローラと、１以上の希釈ガスコントローラと、イオン源チャンバとを有するイオン源
を備え、
前記ドーパントガスコントローラは、ドーパントガス源から前記イオン源チャンバに所定量のドーパントガスを放出して、前記ドーパントガスはドーパント種を含み、
前記１以上の希釈ガスコントローラは、１以上の希釈ガス源から前記イオン源チャンバに所定量の１以上の希釈ガスを放出して、前記１以上の希釈ガスは１以上のＣＯ種を含み、
前記ドーパントガスおよび前記１以上の希釈ガスは、補完的なガス混合体を形成して、前記イオン源の性能を改善すると共に前記イオン源を長寿命化するシステム。
［項目２４］
前記ドーパント種は、前記１以上のＣＯ種のうち少なくとも１つと同一である項目２３に記載のシステム。
［項目２５］
前記１以上の希釈ガスは、ハロゲン含有ガスおよび水素含有ガスのうち少なくとも１つを含む項目２３に記載のシステム。

Claims (18)

1. イオン注入装置のイオン源の性能を向上させると共に前記イオン源を長寿命化する方法であって、
   イオン源チャンバにドーパント種と第１の種とを含む所定量の第１のドーパントガスを導入する段階と、
   前記イオン源チャンバに前記第１のドーパントガスを希釈して前記イオン源の性能を向上させると共に前記イオン源を長寿命化する所定量の第１の希釈ガスであって、前記ドーパント種と、前記第１の種とは異なる第２の種とを含む前記第１の希釈ガスを導入する段階と、
   前記第１のドーパントガスと前記第１の希釈ガスをイオン化し、イオンを生成する段階と、
   引出電極を用いて前記イオン源チャンバからイオンを引き出す段階と、
   を備える方法。
2. 前記第１のドーパントガスは、ハロゲン含有ガスであって、前記第１の希釈ガスは、水素含有ガスである請求項１に記載の方法。
3. 前記第１のドーパントガスは、水素含有ガスであって、前記第１の希釈ガスは、ハロゲン含有ガスである請求項１に記載の方法。
4. 所定量の第２の希釈ガスを前記イオン源チャンバに放出する段階をさらに備える、請求項１から３の何れか１項に記載の方法。
5. 前記第２の希釈ガスは、ハロゲン含有ガス、水素含有ガス、および、不活性ガスのうち少なくとも１つを含む請求項４に記載の方法。
6. 前記第２の希釈ガスは、ハロゲンガス、水素ガス、および、不活性ガスのうち少なくとも１つを含む請求項４に記載の方法。
7. 前記第１のドーパントガスは、前記ドーパント種の水素化物を含み、前記第１の希釈ガスは同一の前記ドーパント種のハロゲン化物を含む請求項１に記載の方法。
8. 前記第１のドーパントガスは、前記ドーパント種のハロゲン化物を含み、前記第１の希釈ガスは、同一の前記ドーパント種の水素化物を含む請求項１に記載の方法。
9. イオン注入装置のイオン源の性能を改善すると共にイオン源を長寿命化する装置であって、
   ドーパントガス源からイオン源チャンバに所定量の第１のドーパントガスを放出するドーパントガスコントローラと、
   第１の希釈ガス源から前記イオン源チャンバに所定量の第１の希釈ガスを放出する希釈ガスコントローラと、
   前記イオン源チャンバの引出開口の前方に配置され、前記イオン源チャンバ内で生成されたイオンを引き出す引出電極と、
   を備え、
   前記第１のドーパントガスはドーパント種と第１の種とを含み、
   前記第１の希釈ガスは前記ドーパント種と、前記第１の種とは異なる第２の種とを含み、
   前記第１の希釈ガスは前記第１のドーパントガスを希釈して、前記イオン源の性能を改善すると共に前記イオン源を長寿命化する、
   装置。
10. 前記第１のドーパントガスは、ハロゲン含有ガスであって、前記第１の希釈ガスは、水素含有ガスである請求項９に記載の装置。
11. 前記第１のドーパントガスは、水素含有ガスであって、前記第１の希釈ガスは、ハロゲン含有ガスである請求項９に記載の装置。
12. 前記希釈ガスコントローラはさらに、所定量の第２の希釈ガスを前記イオン源チャンバに放出する、請求項９から１１の何れか１項に記載の装置。
13. 前記第２の希釈ガスは、ハロゲン含有ガス、水素含有ガス、および、不活性ガスのうち少なくとも１つを含む請求項１２に記載の装置。
14. 前記第２の希釈ガスは、ハロゲンガス、水素ガス、および、不活性ガスのうち少なくとも１つを含む請求項１２に記載の装置。
15. 前記第１のドーパントガスは、前記ドーパント種の水素化物を含み、前記第１の希釈ガスは同一の前記ドーパント種のハロゲン化物を含む請求項９に記載の装置。
16. 前記第１のドーパントガスは、前記ドーパント種のハロゲン化物を含み、前記第１の希釈ガスは、同一の前記ドーパント種の水素化物を含む請求項９に記載の装置。
17. イオン注入装置のイオン源の性能を改善すると共に前記イオン源を長寿命化するシステムであって、
    ドーパントガスコントローラと、１以上の希釈ガスコントローラと、イオン源チャンバとを有するイオン源と、引出電極と
    を備え、
    前記ドーパントガスコントローラは、ドーパントガス源から前記イオン源チャンバに所定量のドーパントガスを放出して、前記ドーパントガスはドーパント種と第１の種とを含み、
    前記１以上の希釈ガスコントローラは、１以上の希釈ガス源から前記イオン源チャンバに所定量の１以上の希釈ガスを放出して、前記１以上の希釈ガスは前記ドーパント種と、前記第１の種とは異なる第２の種とを含み、
    前記引出電極は、前記イオン源チャンバの引出開口の前方に配置され、前記イオン源チャンバ内で生成されたイオンを引き出し、
    前記ドーパントガスおよび前記１以上の希釈ガスは、補完的なガス混合体を形成して、前記イオン源の性能を改善すると共に前記イオン源を長寿命化する
    システム。
18. 前記１以上の希釈ガスは、ハロゲン含有ガスおよび水素含有ガスのうち少なくとも１つを含む請求項１７に記載のシステム。

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