JPH11273580A

JPH11273580A - イオン源

Info

Publication number: JPH11273580A
Application number: JP10342240A
Authority: JP
Inventors: G Dadonikov Badim; ジー、ダドニコフヴァディム; Nasa Goggi Meran; ナサー−ゴッヂメーラン
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1997-12-01
Filing date: 1998-12-01
Publication date: 1999-10-08
Also published as: US6184532B1

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】カソードからの金属の気化を防止して、これ
によって発生する短絡を防止し、稼動効率を向上させる
ことができるイオン源を提供する。【解決手段】所定の方向に延びる磁力線を生成するよ
うな磁石と、イオン化可能な材料源をもつソース部がと
もに用いられるように構成されるイオン源１００であっ
て、壁２０によって区画されたチャンバと、前記チャン
バにおいて生成したイオンをチャンバの外に出すための
狭い出口開口とを備え、前記チャンバは、カソード４０
およびチャンバの壁から離れておかれたアノード７０と
を収容し、前記アノードは、前記開口、前記カソードお
よび前記磁力線の所定の方向に対してチャンバの中で生
成されたイオンが前記開口の近傍に集中するように配置
されている。

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、イオン源に関
し、特に基板にイオンを注入するためのイオン注入装置
に用いるためのイオン源に関する。

【０００２】なお、本件出願は、１９９７年１２月１日
に出願された米国特許出願Ｎｏ．０８／９８０，５１３
の一部継続出願である。この出願は、本件出願と同時に
出願され且つ本件出願人に譲渡されている、“Space Ne
utralization of an Ion Beam”、“Ion Implantation
with Charge Neutralization”、及び、出願Ｎｏ．０８
／９８２，２１０の“Transmitting a Signal Using Du
ty Cycle Modulation”とそれぞれ題する米国特許出願
に関連するものであり、前記各米国特許出願は、ここで
参照することにより本明細書に含まれるものとする。

【０００３】

【従来の技術】イオン注入法によって半導体を製造する
場合にいくつかのタイプのイオン源が用いられる。イオ
ン注入法においては、動作時間の長い効率の良いイオン
源が必要とされている。イオン注入法において用いられ
ている１つのイオン源は、バーナスタイプのイオン源で
あって、これはイオン注入法において広く受け入れられ
ている。

【０００４】図１は、１つのフィラメントを有するよう
なバーナスタイプのイオン源１の上側の板が取り除かれ
た状態の上面図である。イオン源１がカソード１２とこ
れに接続されてカソード１２を熱電子放出するように駆
動する電源を有している。イオン源１の壁１４には、カ
ソード１２に対してバイアス電圧がかけられており、そ
れによってアノードとして動作するようになっている。
反射板１８がカソード１２の後ろ側に配置され、もう１
つの反射板１６がカソード１２の向こう側に配置されて
いる。

【０００５】イオン源は、図１に示すように、一方向の
磁界の中におかれている。稼動している間、イオン化さ
れるべきガスがチャンバの内部に放出され、そして、カ
ソード１２から放出された電子によってイオン化され
る。反射板１６，１８は、カソードから放出された初期
の高速電子を反射し、そして、磁界の軸に沿った電子の
往復運動を生成させる。このような方法で、カソード１
２と壁１４の間のイオン源の中にプラズマが生成され、
これはイオン源１の外に引出電極によって引き出され
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】イオン源が稼働すると
カソード１２から気化した金属のような材料が壁１４の
上に析出し、スパッタされる。そして、壁１４の上に膜
を形成する。この材料は、通常は、壁１４に対して付着
力が弱いので、パーティクルや列状の剥片を形成し、こ
れはさらに絶縁部材１９に跨って付着して、例えばカソ
ードとアノードをショートさせる。

【０００７】従って、この発明の目的は、カソードから
の金属の気化を防止して、これによって発生する短絡を
防止し、稼動効率を向上させることができるイオン源を
提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】１つの態様においては、
この発明は、所定の方向に延びる磁力線を生成するよう
な磁石と、イオン化可能な材料源をもつソース部がとも
に用いられるように構成されるイオン源であって、壁に
よって区画されたチャンバと、チャンバにおいて生成し
たイオンをチャンバの外に出すための狭い出口開口とを
備えている。チャンバは、カソードおよびチャンバの壁
から離れておかれたアノードとを収容し、アノードは、
開口、カソードおよび磁力線の所定の方向に対してチャ
ンバの中で生成されたイオンが開口の近傍に集中するよ
うに配置されている。

【０００９】他の態様においては、この発明は、所定の
方向に延びる磁力線を生成するような磁石とともに用い
るために構成されるイオン源である。イオン源は、壁に
よって区画されたチャンバと、チャンバの中で形成され
たイオンがチャンバの外に出ていくための比較的狭く細
長い出口スリットとを備えている。チャンバは、カソー
ドと、該カソードおよびチャンバの壁から離れて配置さ
れたアノードとを収容している。アノードはスリットの
近傍にそれとほぼ平行に配置されている。イオン源と磁
石とは磁力線がアノードに対してほぼ平行で、アノード
とカソードの間に生成される電界に対して所定の角度を
もつように配置されている。

【００１０】さらに他の態様においては、この発明は、
ワークにイオンを注入するためのイオン注入装置であ
る。このイオン注入装置は、イオン源と、第１の方向に
イオンビームの焦点を合わせ、そして走査するための複
数の磁石と、ワークを保持して第１の方向に対して直交
する方向に動かすワークホルダーとを備えている。イオ
ン源は、所定の方向に延びる磁力線を生成するような磁
石とともに用いられるように構成されている。イオン源
は、壁によって区画されたチャンバと、チャンバで生成
されたイオンがチャンバの外に出ていくための比較的狭
い細長い出口スリットとを有している。チャンバの中に
は、カソードと、該カソードおよびチャンバの壁から離
れて配置されたアノードとが収容されている。アノード
は出口スリットの近傍にそれとほぼ平行に配置され、イ
オン源と磁石は、磁力線が、アノードとほぼ平行であ
り、アノードとカソードの間に生成される電界に対して
所定の角度をもっているように相対配置されている。

【００１１】発明の好ましい実施の形態は、以下の特徴
の１又はそれ以上を有することができる。開口は比較的
狭く細長いスリットである。アノードが細長く形成さ
れ、開口の近傍にそれと平行に配置され、スリット状の
開口のほぼ全長に渡って延びる。アノードがほぼ棒状で
ある。細長く延びたアノードが磁力線の所定の方向に対
して実質的に平行に配置されている。

【００１２】チャンバが細長く延びたスリットの方向に
延びており、２つの端部をもっているチャンバのそれぞ
れの端部にはカソードが配置されている。長く延びたス
リットとアノードに対してカソードはチャンバの両端部
に対称に配置されている。負電位にバイアスされた電極
を用いてもよく、それによってイオン化のためにチャン
バの中に材料をスパッタさせる。

【００１３】チャンバの壁が電子を偏向させるように選
択された電位を有するようにしてもよい。チャンバの壁
が実質的にカソードと同じ電位を有するようにしてもよ
い。カソードが間接的に加熱されたホットカソード、ま
たはコールドカソードであってもよい。カソードがタン
グステンワイヤのコイルであり、該コイルはほぼ円形形
状を有していてもよい。

【００１４】磁石が上述した所定の方向に沿って磁束を
有する磁界を生成する。アノードとチャンバが磁界の中
に配置されている。磁石は、開口とチャンバの中で形成
された電界状態に対し、開口の方向へイオンに力を及ぼ
すように配列されている。磁界がカソードとアノードの
間で生成された電界と交差している。アノードがカソー
ドに対してアノードとカソードの間の電界がアノードの
近傍にイオンを集中させるように配置されている。アノ
ードが、開口、カソードおよび磁力線に対して、アノー
ドの近傍のイオンが開口に向かってドリフトするように
配置されている。

【００１５】

【発明の実施の形態】図２は、本発明のイオン源が用い
られるようなイオン注入装置２００の実施の形態を示し
ている。このようなイオン注入装置の一般的な特徴は、
例えば米国特許５，３９３，９８４に開示されている。

【００１６】イオン注入装置２００は、イオン源１００
と、引出電極２１４と、分析磁石２１６と、スキャナ磁
石２１８と、コリメータ磁石２２０と、プラズマ電荷中
和器２２２と、ウエハ２２４とを有する。一般的に、イ
オン注入装置２００は、リボン状のビームを発生し、こ
のビームは、いくつかの実施の形態においては、１ｋｅ
Ｖから１００ｋｅＶのエネルギ範囲を有している。ビー
ムは、上述の米国特許に説明されているように、高電流
で高パービアンスのビームである（いくつかの実施の形
態においては、ビームは０．０２（ｍＡ）（ａｍｕ）
^１／２（ＫｅＶ） ^−３／２）。ビームは、ウエハ面に渡
って一方向に磁気的に走査される。ウエハは別の方向に
動くこともでき、これにより、第２の方向における走査
を可能にする。

【００１７】イオン源１００は、注入のための正に帯電
したイオンを発生する。このイオンは、アルゴン、窒
素、解離したホウ素（ＢＦ_３の中に）、アルシン（arsi
ne）、及び、亜リン酸塩を含む。固体を蒸発後に注入す
ることもできる。そのような固体は、リン、砒素及びア
ンチモンを含む。他の物質を注入することもできる。イ
オンは、放出スリット１０（図３参照）から出て、イオ
ン源に比較して負の電位を有する引出電極２１４によっ
て引き出される。引出電極２１４の形状及び位置は、安
定したイオンビームが当該電極から出るように選択され
ている。

【００１８】次に、分析磁石２１６が、イオンの運動量
／電荷比（Ｍｖ／Ｑ：ｖはイオンの速度、Ｑはイオンの
電荷、Ｍはイオンの質量である）に応じて望ましくない
不純物を除去することにより、イオンビームを分析す
る。次に、スキャナ磁石２１８が、ビームの経路に垂直
にイオンビームを走査する。この走査の後に、コリメー
タ磁石２２０が、イオンビームの向きを変えて、該ビー
ムが全走査領域において平行になるようにする。

【００１９】イオン注入装置２００は、最大で３００ミ
リメートルの直径を有するウエハに注入を行えるような
寸法を有している。ウエハホルダ２２６が、ウエハに対
するビームの入射角のある範囲の中の選択された角度で
ウエハ２２４を保持する。この角度は、イオンビームに
対して直角入射から１０°未満であるのが好ましい。こ
の実施の形態においては、イオンビームは、イオン源に
おいて９０ｍｍ、ウエハにおいて６０ｍｍのビーム高さ
（すなわち、ビームの断面に沿ったビームの長さ）を有
するリボン状のビームである。

【００２０】図３および図４を参照すると、イオン源１
００は蒸気放出チャンバを形成する壁２０と前面板３０
を有する。前面板３０は、使用の際にイオン源１００が
置かれる磁界５０の磁力線に平行な方向に配列された放
出用スリット１０を有している。放出スリット１０によ
ってプラズマがイオン源１００からイオンビームの形状
で引き出される。また、イオン源１００はガス蒸気供給
ポート６０を有している。

【００２１】イオン源は２つのカソードフィラメント４
０を含んでおり、これはカソード４０を通して電気が流
れたときに生成する磁界５が、磁界５０の磁力線と平行
かつ同じ向きの磁力線を生成するように螺旋状に巻かれ
ている。カソード４０は、フィラメント絶縁部材５２に
よって壁２０から絶縁されている。

【００２２】また、イオン源１００は、絶縁部材２２に
よって壁２０から間隔をおいて配置されかつ絶縁されて
いるアノード７０を有している。イオン源１００の他の
構成部材に対するアノード７０の位置は以下に詳細に説
明する。しかしながら、簡単に説明すると、アノード７
０は放出スリットの近くにそして磁界５０に平行に設け
られている。使用されている間、電界がアノード７０、
カソード４０、プラズマおよび壁２０の間で生成される
（図５参照）。この電界は磁界５０を横切っている。ア
ノード７０は、互いに交差する磁界と電界がイオン源１
００の中で生成されたプラズマを放出スリット１０の方
向にドリフトさせ、それによって、高電流のイオンビー
ムをより引き出せるように配置されている（アノード７
０、カソード４０および放出スリットはイオン源の中で
対称的に配置されていることに留意する）。コネクタ８
０は稼動の間、カソード４０を電源に接続するように用
いられる。同様のコネクタ（図示略）は、アノード７０
を電源に接続するためにも設けられている。

【００２３】以上にイオン源１００の構成を説明したの
で、以下にイオン源１００の動作について説明する。図
４は、イオン源が使用される間、接続される態様を示し
ている。カソード４０はコネクタ８０を介して電源９０
（図６参照）に接続されている。電源９０は、高電流電
源であって、カソード４０を熱電子放出温度である例え
ば２５００℃まで加熱するように動作する。この温度
で、カソード４０はイオン源１００のチャンバの中に電
子を放出し始める。アノード７０とプラズマはカソード
４０からさらに電子を引き出す。

【００２４】バイアス用電源９２（図６参照）が、カソ
ード４０に対してアノードを、例えば、数百または数千
ボルトのオーダーで正電位にバイアスするように、カソ
ード４０とアノード７０に接続されている。壁２０は電
源９２のマイナス側端子に抵抗９４（図６参照）を介し
て接続されており、これにより、壁２０をカソード４０
とほぼ同じ電圧をもつフローティングポテンシャル（浮
遊電位）に維持している。つまり、アノード７０が、壁
から分離され絶縁されているので、壁はアノード７０に
近い電位になるのではなくカソード４０に近い電位にフ
ロートするように接続されることができる。

【００２５】壁２０はカソード４０に近い電圧をもって
いるので、絶縁部材５２に跨ってカソード４０と壁２０
との間にアークが発生する可能性が減少する。詳細に言
えば、もし壁２０がアノード７０と同じまたは近い電位
にある場合は、絶縁部材５２を横切ってアークの発生が
起こり得る。このような可能性は、カソードから気化し
たような材料が絶縁部材５２の上に析出するに従って増
加する。絶縁部材５２に跨るアークの発生は、イオン源
１００をショートさせる。アークの発生は、また、析出
した材料が分離して、プラズマの中で異物粒子となっ
て、プラズマを汚染する原因となる。しかしながら、こ
のイオン源１００においては、壁はカソード４０の電圧
に近い電位に維持されているので、絶縁部材５２に跨る
電位差は最小に維持され、従って、絶縁部材５２に跨る
アークの発生の可能性は少ない。

【００２６】さらに、このイオン源１００の稼動中に内
部に析出した材料が壁２０に強固に結合しており、剥が
れて剥片を発生することが少ないことが観測された。こ
のような壁に対する強固な付着は、壁２０がカソード４
０の電位に近い電位に維持されており、それによって、
壁２０の上にイオンによって補助された材料の析出が起
こるからかもしれない。つまり、アノード７０に対して
壁２０をバイアスすることによって、イオン源の中の正
イオンは壁２０に引きつけられる。従って、イオンは壁
２０に衝突し、壁２０に析出していた弱く結合していた
原子を分離させる。従って、強く結合した原子のみが壁
２０に残っている。これらの原子は、剥片を作り出すこ
とがより少ない。

【００２７】また、壁２０に維持されている電圧は、プ
ラズマの生成を補助する。カソード４０から放出された
電子が、イオン源１００の中を通過する。磁界５０は電
子を壁２０から偏向し、それによって電子がイオン源１
００のチャンバの中でスピンする。それぞれのカソード
４０とその反射板５４はまた、電子をそれらから離れる
ように反射する。さらに、壁２０もまたカソードと近い
電圧をもっているため、電子を反射する。アノード７０
は壁２０よりも表面積がちいさいので、電子は再吸収の
ためのターゲットがより小さくなり、従ってイオン源１
００の中で、もし壁がアノード電位にあった場合よりも
長い寿命を有する。従って、電子は、概ねイオン源の中
で拡張された経路を走り、イオン源の中でガスをイオン
化してプラズマを生成するためにより長い期間を有す
る。さらに、全ての電子が最終的にアノード７０に向か
って動くので、プラズマ生成の一部はアノード７０の近
傍に、つまり放出スリット１０の近傍に集中する。

【００２８】前記に簡単に説明したように、図５を参照
するとアノード７０、カソード４０および壁２０の間の
電位差は、磁界５０の磁力線を横切るような電界を発生
させる。互いに交差する電界および磁界は、プラズマを
放出スリット１０に向かってドリフトさせ、そして、高
密度のイオンが放出スリット１０の近傍に集まって引き
出されるようにする。

【００２９】アノード７０の磁界５０に対する相対的な
位置が、そのようなドリフトの方向を決定する。なぜな
ら、アノード７０は磁界５０の磁力線に対する電界の方
向を決定するからである。一般的には、イオン源１００
の中の電界は、イオン源１００の中の正イオンに対して
電界の方向に沿った力を及ぼす。磁界５０はさらに、電
界の中において、その移動する面に対して直交するよう
な偏向力をイオンに及ぼす。この偏向力の方向は、いわ
ゆる「右手の法則」によって決定される。この右手の法
則によれば、もし人がその右手を親指、人差し指、中指
が全て互いに直交するように、そして、人差し指が正イ
オンの動きの方向（つまり電界の方向）を表し、中指が
磁界の方向を表すとすると、親指は正イオンに及ぼされ
る力の方向を表すことになる。このイオン源１００の場
合は、アノードが、正イオンにかかる力が放出スリット
１０に向かって上向になるように配置されている。その
結果、プラズマは放出スリット１０に向かって流れ、そ
れによって、引出電極によってより効率的な引き出しが
なされ、より高いビーム電流が得られる。さらにアノー
ド７０は放出スリット１０の近くに配置されており、そ
れによって、放出スリット１０の近傍へのプラズマの集
中を補助する。

【００３０】図７は、このイオン源のここに開示したよ
うな原則によって組み立てられた実施の形態の実験の結
果を示す。この実験においては、１０ＫｅＶ、１１Ｂ^＋
のビームが生成された。分析磁石の後ろ側にファラデー
カップが置かれた。オシロスコープが、アーク電流を変
動させたときにファラデーカップに到達したビームの電
流を記録した。このアーク電流は、カソードとアノード
の間の電位差を一定に保持しつつ、フィラメントの加熱
を変えることによって変えられた。グラフ２００は、壁
がアノードとして使用された場合のビーム電流とアーク
電流の関係を示す。グラフ２０２は、アノード７０に類
似のアノードが用いられ、壁がカソードの電位に近い電
位でフロートするようにされたときの関係を示す。グラ
フから容易に分かるように、同じアーク電流であって
も、アノード７０に類似のアノードが使われたときには
イオンビーム電流がアノードとして壁を用いたときより
も高かった。

【００３１】特許請求の範囲に入る他の実施の形態は以
下の通りである。例えば、図８を参照すると、イオン源
１００はスパッタリング電極１１０を含んでいる。この
電極は、注入されるべき固体材料でコーティングされて
いてもよい。代わりに、電極１１０を注入されるべき材
料から作成してもよい。この電極は、アノード７０に対
して負電位に維持され、それによって、チャンバの中の
正イオンを引き付けるように作用するようにしてもよ
い。これらのイオンは電極に衝突して、電極１１０の材
料の原子をイオン源のチャンバの中にスパッタするよう
に作用する。この材料はプラズマを形成し、これは、さ
らにイオン注入のために引き出される。典型的には、電
極１１０に衝突する正イオンは、プラズマに中における
正イオンである。アルゴンのような不活性ガスを用いて
プラズマを形成してもよく、それによって、スパッタプ
ロセスを始めたり、スパッタプロセスを補助することが
できる。

【００３２】発明の他の実施の形態は、コールドカソー
ド、間接的に加熱されるカソードまたはフリーマン（Fr
eeman）ソースのような他のタイプのイオン源におい
て、本発明の原理を用いるものを含むことができる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、カソードからの金属の気化を防止して、これによっ
て発生する短絡を防止し、イオン注入装置の稼動効率を
向上させることができる。さらに、発明の好ましい実施
の形態は、以下の利点の１又はそれ以上を有することが
できる。

【００３４】イオン源の実施の形態においては、アノー
ドがイオン源の壁と離れているのでイオン源の壁がアノ
ードに対してフロートし、カソードの電位に近い電位に
達することができる。これにより、壁がアノードよりも
電子の反射板として作用する。従って、電子は壁よりも
小さいアノードによってのみ吸収される。従って、電子
はイオン源の中で長い経路をたどるのでイオン源の効率
が向上する。

【００３５】いくつかの実施の形態においては、壁に析
出した材料が壁に強固に付着し、析出材料が剥がれにく
い。これにより剥片がイオン源を短絡させる可能性を低
減させる。他の実施の形態においては、カソードと壁が
同じ電位を持っているので、イオン源におけるアークの
発生が減少する。

【００３６】他の実施の形態においては、イオン源が稼
動する磁界に対するアノードの配置によって、プラズマ
がイオン源の放出スリットに向かってドリフトし、放出
スリットの近傍に集中する。これにより、イオン源から
のイオンの引き出しの効率と引き出されるビームの電流
が増加する。

【図面の簡単な説明】

【図１】典型的なバーナスタイプのイオン源の上板を取
り除いて示す上面図である。

【図２】本発明のイオン源が用いられている注入装置の
平面図である。

【図３】本発明のイオン源の１実施の形態の斜視図であ
る。

【図４】図２のイオン源の上部板を取り除いた上面図で
ある。

【図５】イオン源の上面図であって、磁界と電界の関係
を示す図である。

【図６】イオン源が使用される場合のそれに接続された
電気回路を示す図である。

【図７】本発明の１実施の形態の性能に関して行われた
実験の結果を示す図である。

【図８】本発明のイオン源の他の実施の形態を示す図で
ある。

【符号の説明】

１０放出スリット２０壁４０カソード５２絶縁部材７０アノード１００イオン源２００イオン注入装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の方向に延びる磁力線を生成するよ
うな磁石と、イオン化可能な材料源をもつソース部がと
もに用いられるように構成されるイオン源であって、壁によって区画されたチャンバと、前記チャンバにおいて生成したイオンをチャンバの外に
出すための狭い出口開口とを備え、前記チャンバは、カソードおよびチャンバの壁から離れ
ておかれたアノードとを収容し、前記アノードは、前記開口、前記カソードおよび前記磁
力線の所定の方向に対してチャンバの中で生成されたイ
オンが前記開口の近傍に集中するように配置されている
ことを特徴とするイオン源。
【請求項２】所定の方向に延びる磁力線を生成するよ
うな磁石とともに用いるために構成されるイオン源であ
って、壁によって区画されたチャンバと、チャンバの中で形成されたイオンがチャンバの外に出て
いくための比較的狭く細長い出口スリットとを備え、前記チャンバは、カソードと、該カソードおよび前記チ
ャンバの壁から離れて配置されたアノードとを収容し、前記アノードは前記スリットの近傍にそれとほぼ平行に
配置され、前記イオン源と前記磁石とは磁力線がアノードに対して
ほぼ平行で、前記アノードと前記カソードの間に生成さ
れる電界に対して所定の角度をもつように配置されてい
ることを特徴とするイオン源。
【請求項３】ワークにイオンを注入するためのイオン
注入装置であって、イオン源と、第１の方向にイオンビームの焦点を合わせ、そして走査
するための複数の磁石と、前記ワークを保持して第１の方向に対して直交する方向
に動かすワークホルダーとを備え、前記イオン源は、所定の方向に延びる磁力線を生成する
ような磁石とともに用いられるように構成され、該イオン源は、壁によって区画されたチャンバと、前記チャンバで生成されたイオンをチャンバから排出す
るための比較的狭い細長い出口スリットとを有し、該チャンバの中には、カソードと、該カソードおよび前
記チャンバの壁から離れて配置されたアノードとが収容
され、アノードは前記出口スリットの近傍にそれとほぼ平行に
配置され、前記イオン源と前記磁石は、前記磁力線が、アノードと
ほぼ平行であり、前記アノードと前記カソードの間に生
成される電界に対して所定の角度をもっているように相
対配置されていることを特徴とするイオン注入装置。