JPH1027553A - イオン源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ホウ素イオンを対象物に打ち込む為のイオン
源において、二価ホウ素Ｂ²⁺をより高密度に生成する装
置を与えること。 【構成】 ホウ素含有板（Ｂ単体、ＢＮ、Ｂ₄ Ｃ、ホウ
素化合物含有板）をイオン源チャンバの出口付近、その
他の内壁の一部に貼りつけてプラズマのスパッタリング
によって二価ホウ素イオンを大量に生成すること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はフリーマン型、バ
ーナス型などのイオン源において２価のホウ素イオンＢ
⁺⁺（Ｂ²⁺）をより多く発生させる改良に関する。イオン
源は、原料ガスをチャンバに導入し、熱、高周波電界、
磁場などの作用によってガスを励起しプラズマにしてこ
れからイオンビ−ムを引き出すようにした装置である。
熱励起するものは細いフィラメントに電流を流して熱電
子を発生させ熱電子とガス分子の衝突によりガスを励起
状態に押し上げる。さらに縦磁場をかけて電子イオンを
局在させて励起の効率を高めるものもある。

【０００２】それにもいくつかの種類がある。その内フ
リーマン型が良く知られている。チャンバの中に縦方向
に直線状のフィラメントを通す。フィラメントの方向と
磁場の方向が平行である。フィラメントにはフィラメン
ト電源によって電流が流れ、これによって発熱する。ま
たチャンバにはフィラメントに対向する位置に反射電極
（リフレクタ）がある。通常フィラメントと反射電極は
同一電位にバイアスする。

【０００３】フリーマン型はフィラメントの方向と磁場
の方向が同一である。図４の（ａ）にフリーマン型のイ
オン源の概念図を示す。フィラメントから生じた熱電子
はフィラメントの廻りを螺旋運動する。電子によって励
起されたイオンも磁場にとらえられてフィラメントの廻
りを螺旋運動する。電子、イオンは、フィラメントに巻
き付くような運動をする。運動エネルギーが小さいので
プラズマはフィラメントの表面から１ｍｍ以内の狭い範
囲に局在する。当然にイオン、電子（荷電粒子という）
とフィラメントの衝突の確率が高い。ためにフィラメン
トがスパッタリングされて消耗し断線しやすい。つまり
フィラメントの寿命が短い。フィラメントの直径やフィ
ラメント電流、温度にもよるがフィラメント寿命は１２
時間〜２４時間程度である。

【０００４】バーナス型というのはこのような欠点を解
決するために作られたものである。バーナス型イオン源
ではフィラメントがＵ字形をしている。図４の（ｂ）に
バーナス型をしめす。磁場は縦方向である。Ｕ字部分
で、磁場とフィラメントとの方向が異なる。すると初め
は電子やイオンが磁場の作用でフィラメントに巻き付く
ような運動をするが、Ｕ字の頂点近くで磁場方向とフィ
ラメントの方向が著しく食い違うので荷電粒子がフィラ
メントから離れる。

【０００５】離れた荷電粒子は空間中を螺旋運動し反射
電極に到る。イオン電子がフィラメントから離れるから
衝突の確率が低い。ためにスパッタリングされにくい。
フィラメントの寿命が延びる。同じ電流、同じフィラメ
ント直径の場合、フィラメント寿命がフリーマン型の２
〜３倍に増加する。本発明はフリーマン型にもバーナス
型にも適用できる。

【０００６】

【従来の技術】イオン源はどのようなイオンビ−ムを発
生させるためにも利用できる。本発明は特にホウ素イオ
ンをＳｉ等の半導体に注入する場合を目的にする。ホウ
素イオンはＳｉの内部に入って、ｐ型の不純物となる。
他の物質でもｐ型にできるがＳｉの場合は殆どがホウ素
によっている。ホウ素注入はイオン注入でも最も頻繁に
行われる。イオン源の原料ガスはホウ素イオンを生成す
る場合、フッ素とホウ素の化合物ガスを用いる。最も普
通に用いられるのはＢＦ₃ ガスである。これは電子との
衝突によってプラズマになる。この中には、一価のホウ
素Ｂ⁺ と中性のＢＦ、ＢＦ₂ 、ＢＦ₃ などが含まれる。

【０００７】イオン注入装置は、イオン源に続いて、質
量分離器、加速管等を含む。質量分離器は磁場の作用に
よって必要な種類のイオンのみを選別するものである。
加速管はイオンを所望のエネルギーに加速するためのも
のである。Ｓｉウエハ−にイオンビ−ムを注入する場
合、注入量はイオンビ−ム電流と注入時間によって制御
できる。打ち込みの深さはイオンビ−ムのエネルギーに
よって決まる。つまり加速電圧によって制御される。注
入深さを深くするためには加速電圧を高くする。加速電
圧というのは、イオン源での引き出し電圧と加速管での
電圧の和によって与えられる。例えば、引き出し電圧を
３０ｋｅＶ、加速管電圧を１７０ｋｅＶとするとイオン
ビ−ムのエネルギーが２００ｋｅＶになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】さらにウエハ−の奥深
くまで注入したいという場合がある。加速電圧を高めれ
ば良いのであるが機構的な制約があるということもあ
る。本発明はそのような場合を想定している。加速電圧
を高くできなくても、エネルギーを高くするためには、
二価のホウ素を大量に生成しこれを加速し打ち込めば良
い。エネルギーは電荷と電圧の積によって与えられるか
ら、電荷が２倍であれば同じ電圧でも２倍のエネルギー
を賦与できる。例えば２００ｋＶで加速しても、エネル
ギーは４００ｋｅＶとなる。注入距離も二倍近くになる
はずである。奥深くまで注入することができる。

【０００９】二価ホウ素Ｂ⁺⁺（Ｂ²⁺）は一価ホウ素Ｂ⁺
をさらにもう一度励起し電子を飛ばすことによって生成
されるはずである。しかしこれは簡単にはできない。一
度目のイオン化より、２度目のイオン化は高いエネルギ
ーが必要である。さらにＢ⁺がまず存在しなくてはなら
ない。従来のように三フッ化ホウ素ＢＦ₃ を原料にする
と、二価ホウ素Ｂ⁺⁺の生成効率は極めて低い。

【００１０】一例を述べる。Ｕ字型フィラメントを用い
るバーナス型イオン源で、フィラメントの１００Ａの電
流を流し、アーク電圧を６０Ｖとし、３０ｋｅＶの電圧
で引き出した。イオンビ−ム電流は６００μＡであっ
た。しかしそのうち二価イオンＢ⁺⁺による電流は４０μ
Ａにすぎない。約１／１５程度である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】三フッ化ホウ素は常温で
気体であるから、イオン源の原料ガスとして使う事がで
きる。だからこれが専らホウ素源として利用される。ガ
スであるホウ素化物が他にないのでＢＦ₃ の使用はやむ
を得ない。目的が一価のホウ素イオンであればそれで差
し支えない。しかしＢＦ₃ は二価のホウ素イオンを生成
しようとすると必ずしも最適の材料でないということが
分かる。

【００１２】（１） ＢＦ₃ →ＢＦ₂ ＋Ｆ （２） ＢＦ₂ →ＢＦ＋Ｆ （３） ＢＦ→Ｂ⁺ ＋Ｆ^- （４） Ｂ⁺ →Ｂ⁺⁺＋ｅ^-

【００１３】という、多段階の反応を経てやっと二価の
ホウ素イオンになる。Ｂ⁺の生成の確率が低いし、これ
と電子や他の分子との衝突の断面積が小さい。それで、
二価ホウ素が殆ど生成されない。

【００１４】本発明は、ホウ素を含む板をイオン源の出
口叉は壁面に設け、イオンビ−ムがホウ素含有板に衝突
するようにし、イオンビ−ムの衝突によって一価のＢ⁺
を生成し、さらにイオンビ−ムのスパッタリングによっ
てＢ⁺ →Ｂ⁺⁺＋ｅ^- の反応をおこさせようとするもので
ある。ここでホウ素を含む板というのは、ホウ素単体
Ｂ、窒化ホウ素ＢＮ、炭化ホウ素Ｂ₄ Ｃ、ホウ素化合物
を分散させた固体などを指す。いずれも固体であるから
板に成形できる。

【００１５】Ｂ、ＢＮ、Ｂ₄ Ｃは常温で固体であってガ
スではない。だからホウ素のイオンを生成するための原
料ガスとして利用する事はできない。しかし既にプラズ
マが存在している場合は個体からでもホウ素イオンを作
り出すことができる。

【００１６】ガスはＢＦ₃ を使うのであるが、チャンバ
の壁面出口の一部叉は全部にＢＮ板、Ｂ板、Ｂ₄ Ｃ板、
或いはホウ素化合物を含む板などのホウ素含有板を張り
付けることにより、プラズマ中のイオン叉は電子によっ
てホウ素含有板をスパッタリングさせる。例えばＢＮが
スパッタリングされると、ただの一段階で一価ホウ素Ｂ
⁺ ができる。プラズマ中の一価ホウ素イオン濃度が増え
る。するともう一回の反応も起こり易くなるから二価ホ
ウ素Ｂ⁺⁺が大量に生成される。

【００１７】ＢＦ₃ であると、３つのフッ素と１つのホ
ウ素が化合しているから、前記の（１）〜（４）の反応
を経て、３つのフッ素をたたき出して初めてホウ素イオ
ンができる。ところがＢＮは違う。ＢＮは一つのホウ素
と一つの窒素の化合物である。ＢＮ固体をイオンで叩く
と、一回の分解でホウ素イオンができる。もう一回叩く
と二価ホウ素が生成される。またＢ単体の板を使う場合
は、一度の反応でＢ⁺ が生成される。Ｂ₄ Ｃを用いる場
合は一度の反応で一つあるいは二つのＢ⁺ を生成でき
る。

【００１８】［ＢＮの場合］ （ａ） ＢＮ→Ｂ⁺ ＋Ｎ^- （ｂ） Ｂ⁺ →Ｂ²⁺＋ｅ^- というふうに段階の反応で二価ホウ素ができる。あるい
は１段階で直接に （ｃ） ＢＮ→Ｂ²⁺＋Ｎ^2- というふうに二価ホウ素イオンが生成される。 ［Ｂの場合］ （ａ）’ Ｂ→Ｂ⁺ ＋ｅ^- となり、さらに２価の硼素イオンになる。

【００１９】いずれにしても反応の階層が少ないから二
価のホウ素イオンがより容易に生成されるのである。Ｂ
Ｎ板を取り付ける部位はイオンビ−ムの出口に限らな
い。底面の一部であっても良い。側面の一部であっても
差し支えない。チャンバの内壁全体であっても良いので
ある。バ−ナス型の場合はスパッタの最も激しい部分
（ア−クチャンバ）にＢを含む板を設け、交換しやすい
構造をすることが望ましい。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施例を示す。こ
れはバーナス型イオン源に本発明を適用した場合の構成
を示す。アークチャンバ１は有底の容器である。これは
Ｍｏ、ステンレス等である。開口部には、上板２が固定
される。上板もＭｏ、ステンレス等で作る。チャンバ１
と上板２によって、閉空間ができる。内部は真空に引か
れている。上板には中央に開口部がある。ビームを引き
出すためのスリット３である。

【００２１】一方の壁面には、Ｕ字型のフィラメント５
が取り付けられる。電流導入端子９によって、外部から
フィラメント電流が導入される。フィラメント５と反対
側の壁面には、反射電極（リフレクタ）６が固定され
る。チャンバ１の適当な箇所に原料ガスの入口（図示し
ない）がある。真空に引いたあと、原料ガスをチャンバ
に入れる。フィラメントに通電し熱電子を発生させる。
熱電子がガス分子と衝突し物理的にこれを励起するか
ら、原料ガスが分解し、中性のラジカルとイオンと電子
になる。これがプラズマ４である。

【００２２】チャンバ外部にはコイルがあってこれに電
流を流すことによって、縦方向（軸方向）ソース磁場Ｂ
を発生させる。バーナス型イオン源であるから、フィラ
メントの先はＵ字型になっている。熱電子やイオンは磁
力線に絡み付いてドリフトする。従ってフィラメントか
ら飛び出した直後の電子やそれによって励起されたイオ
ンは初めフィラメント廻りを螺旋運動するがＵ字の頂点
でフィラメントと離れて、反射電極（リフレクタ）６に
向けてさらにドリフトする。

【００２３】本発明が目的にするのは二価ホウ素イオン
を生成することである。ホウ素を含むガスを原料ガスと
する。ここでは原料ガスはＢＦ₃ である。先述のよう
に、プラズマは、Ｂ⁺ 、Ｂ、Ｆ、ＢＦ₂ ⁺、ＢＦ₃ 、ｅ
^- 、Ｆ^- を含む。

【００２４】上板２のスリット３の近くにはＢＮの板８
が張り付けて有る。ＢＮ板は図２に示すようにイオンビ
−ムを外部のだすための細い穴がある。本発明の特徴は
ホウ素含有板を内壁に付けたというところにある。ここ
ではＢＮ板を実施例としている。他のホウ素含有板でも
よいのは勿論である。バーナス型イオン源の形状はこれ
を除いて従来のものと異ならない。

【００２５】フィラメントの近傍でできた電子、イオン
は磁力線の廻りを廻りながら反射電極（リフレクタ）６
に向けてドリフトするのであるが、運動エネルギーが大
きく、また螺旋運動の中心位置もばらついているから、
その一部はＢＮ板８に衝突する。磁場は例えば３００ガ
ウスである。衝突のエネルギーによってＢＮをスパッタ
リングするから、

【００２６】（ａ）ＢＮ→Ｂ⁺ ＋Ｎ^- （ｂ）Ｂ⁺ →Ｂ²⁺＋ｅ^- （ｃ）ＢＮ→Ｂ²⁺＋Ｎ^2-

【００２７】などの反応が起こる。（ａ）式で作られた
一価のＢ⁺ もさらに励起され（ｂ）のように一部が二価
のホウ素イオンになる。（ｃ）式の反応は一挙に二価ホ
ウ素イオンを作るものである。

【００２８】このような反応によって、Ｂ²⁺イオンをよ
り多く生成できる。これらが上板のスリットから引き出
される。引き出されたイオンはＢ⁺ 、Ｂ²⁺、Ｎ^- 、Ｆ^-
などを含むが、質量分離をするからＢ²⁺だけを取り出す
ことができる。

【００２９】もちろんＢ⁺ もＢ²⁺も質量は変わらない
が、引き出しエネルギーが２倍違うから速度が異なり磁
場による湾曲角が異なる。であるから、Ｂ²⁺とＢ⁺ を区
別できる。これを加速管で適当な電圧を掛けて加速す
る。ビームが細く、試料が広い場合はビームを左右に走
査する。走査は一次元の場合と二次元の場合がある。走
査のあと、イオンビ−ムは試料に照射される。加速エネ
ルギーに応じて結晶の内部まで到達しエネルギーを失っ
て停止する。注入の深さはエネルギーとともに増える。
二価のイオンを打ち込むことによって、注入深さを大幅
に増やすことができる。

【００３０】

【実施例】出口裏面にＢＮを固定した図１の装置におい
て、アーク電圧を１００Ｖとし、フィラメント電流を１
００Ａ流した。ソースマグネットによる磁場は３００ガ
ウスである。イオン源の引き出し電圧は３０ｋＶとし
た。加速管における加速電圧は１７０ｋＶである。一価
イオンのエネルギーは２００ｋｅＶである。二価イオン
エネルギーは４００ｋｅＶである。ホウ素イオンを二価
にして４００ｋｅＶでＳｉに注入する実験を行った。

【００３１】本発明において、６００μＡのイオンビ−
ム電流の時に、二価ホウ素の電流が４５〜５０μＡにな
った。フィラメント寿命は３６時間〜４８時間である。
同じ条件でＢＮ板がない場合、６００μＡのイオンビ−
ム電流において、二価ホウ素電流は４０μＡにしかなら
ない。これに比較してＢＮ板を固定した本発明は１０％
〜２０％も二価ホウ素イオンが増加している。

【００３２】ＢＮ板のない従来法でも全体としてのイオ
ンビ−ム電流を増やすと二価ホウ素の量を増やすことが
できる。しかしそうするとア−ク電流も増やさなくては
ならない。４５μＡ〜５０μＡの二価ホウ素電流を得よ
うとするとバーナス型で同じフィラメントでも寿命が２
４時間以下になる。

【００３３】

【発明の効果】本発明は、ホウ素含有板をチャンバ内に
貼り付けホウ素含有板板をイオンによってスパッタリン
グするようにしている。ＢＮの場合はＢＮ→Ｂ⁺ ＋Ｎ
^- 、Ｂ⁺→Ｂ²⁺＋ｅ^- 或いはＢＮ→Ｂ²⁺＋Ｎ^2-という反
応によって、従来のイオン源よりも、二価のホウ素イオ
ンビ−ムをより多く生成することができる。Ｂの場合は
Ｂ→Ｂ⁺ ＋ｅ^- 、Ｂ⁺ →Ｂ²⁺＋ｅ^- という反応によっ
て、二価のホウ素イオンをより多く作ることができる。
Ｂ₄ Ｃの場合は、Ｂ₄ Ｃ→Ｂ＋Ｂ₃ Ｃ^- 、Ｂ₄ Ｃ→２Ｂ
⁺ ＋Ｂ₂ Ｃ^2-等の反応でＢ⁺ が出来てさらにＢ²⁺とな
る。二価イオンは、同じ加速電圧であっても、一価イオ
ンの２倍のエネルギーを持つので試料の中へより深く打
ち込むことができる。加速管で印加できる電圧よりも高
い運動エネルギーのホウ素イオンを必要とする場合に最
適のイオン源を与える。フィラメント電流をより小さく
できるからフィラメントの寿命を延ばすこともできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例にかかるバーナス型イオン源の
縦断面図。

【図２】アークチャンバ上板の平面図。

【図３】アークチャンバ上板の底面図。

【図４】フリーマン型イオン源（ａ）とバーナス型イオ
ン源（ｂ）の場合のフィラメントと磁場の方向を示す概
略図。

【符号の説明】

１ アークチャンバ ２ アークチャンバ上板 ３ ビーム引出用スリット ４ プラズマ ５ フィラメント ６ リフレクタ ８ ＢＮ板 ９ 電流導入端子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 イオン源の内壁の一部にＢを含む板を張
   り付けプラズマがＢを含有する板に衝突することによっ
   て２価のホウ素イオンＢ²⁺が生成されるようにしたこと
   を特徴とするイオン源。