JPH117899A

JPH117899A - イオン注入装置

Info

Publication number: JPH117899A
Application number: JP9158568A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Ito; 庄一伊東
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1997-06-16
Filing date: 1997-06-16
Publication date: 1999-01-12

Abstract

(57)【要約】【課題】イオン密度の高いイオンビームを導出するよ
うにしたイオン注入装置を提供する。【解決手段】イオン注入装置のイオンソース部４０
は、熱電子を放出するフィラメント２４と、熱電子を反
転させるリフレクタ電極５２とを備えており、フィラメ
ント２４とリフレクタ電極５２とは、互いに対向してい
る。リフレクタ電極５２の電極面５３は、フィラメント
２４に対して凹に湾曲した半円筒面の一部であるように
形成されている。本発明に係るイオン注入装置を使用す
ると、フィラメントから放出された熱電子は、チャンバ
の中央ゾーン５４に向けて反転されて集束される。これ
により、チャンバの中央ゾーンの熱電子密度及び熱電子
の衝突によって生じるイオン密度は、従来に比べて遥か
に高くなり、この結果、チャンバから導出されるイオン
ビームのイオン密度は、従来に比べて遥かに高い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、イオン注入装置に
関し、更に詳しくは、熱電子を集束することにより、イ
オン密度の高いイオンビームを導出するようにしたイオ
ン注入装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの製造では、イオン注入
装置を用い、ウエハ等の被注入体にイオン注入すること
が多い。図７は、従来のイオン注入装置の構成を示す平
面図である。従来のイオン注入装置１０は、イオン発生
させるイオンソース部１２と、イオンソース部１２から
イオンをイオンビームとして導出する引き出し電極１４
と、イオン種を選別する質量分析部１６と、イオンを加
速するイオン加速部１８と、イオン注入するウエハ等の
被注入体を保持する試料室２０とを順次備えている。

【０００３】図８は、イオンソース部１２のチャンバ２
２の構成を示す側面断面図である。イオンソース部１２
は、アーク放電を生じさせるアークチャンバ（以下、簡
単のため単にチャンバと言う）２２と、チャンバ２２の
外側に設けられ、熱電子を閉じ込めるための磁場を印加
しているソースマグネット２３とを有する。チャンバ２
２内には、一般に、通電されることにより熱電子を放出
するフィラメント２４と、フィラメント２４に対向して
設けられ、熱電子を反転させる平板状のリフレクタ電極
２６と、イオン種となるソースガスを導入するガス導入
口２８と、ソースガスとして砒素（Ａｓ）蒸気等の蒸気
を導入する蒸気導入口３１と、イオンをイオンビームと
して導出するイオンビーム導出口３０とをそれぞれ有し
ている。尚、Ａｓ蒸気を通常のガス導入口３１から導入
することは、種々の理由で困難であるため、蒸気導入口
３１が設けられている。

【０００４】フィラメント２４及びリフレクタ電極２６
は、チャンバ２２に対して電気的に絶縁されている。ガ
ス導入口２８、蒸気導入口３１及びイオンビーム導出口
３０は、通常、フィラメント２４−リフレクタ電極２６
間に設けられている。また、チャンバ内では、ソーズマ
グネット２３により、フィラメント２４からリフレクタ
電極２６に向けて磁場Ｂが印加されている。尚、このよ
うな構成のチャンバを有するイオンソース部は、バーナ
ス型イオンソース部と言われることがある。

【０００５】図９は、イオンソース部１２の電気的な結
線状態を示す側面図である。イオンソース部１２は、フ
ィラメント２４に電圧を印加して加熱して熱電子を放出
させる直流式のフィラメント電源３２を備えている。フ
ィラメント電源３２は、印加電圧が例えば０Ｖ〜５Ｖの
範囲内、フィラメント２４に通電する電流が例えば０Ａ
〜２００Ａの範囲内である。熱電子の放出量は、一般
に、フィラメント電流値の大小によって決定される。イ
オンソース部１２は、更に、直流式のアーク放電用電源
３４を備えており、正極がチャンバ壁に、負極がフィラ
メント２４の正極側のリードに、それぞれ電気的に接続
されている。アーク放電用電源３４は、印加電圧が例え
ば０Ｖ〜１２０Ｖの範囲内、アーク放電電流が例えば０
Ａ〜９Ａの範囲内である。これらの電気接続により、各
電極の電位は、チャンバ２２、フィラメント２４、リフ
レクタ電極２６の低電位側、の順に低くなるようにされ
ている。尚、所望のアーク電流値にするために、フィラ
メント電源３２及びアーク放電用電源３４の印加電圧は
自動調整するように構成されていることが多い。

【０００６】イオン注入装置１０を用いてウエハ（図示
せず）にイオン注入するには、アーク放電用電源３４を
作動させ、ガス導入口２８又は蒸気導入口３１からイオ
ン源となるガスを導入しつつ、フィラメント２４に、通
常、１００Ａ〜１８０Ａの電流を流して、フィラメント
２４から熱電子を放出する。フィラメント電源３２の印
加電圧は、例えば５Ｖ、フィラメント電流は、例えば２
００Ａである。アーク放電用電源３４の印加電圧は、例
えば１００Ｖ、アーク放電電流は、例えば５Ａである。

【０００７】フィラメント２４から放出された熱電子
は、磁場Ｂによりフレミングの左手の作用を受けつつ、
フィラメント２４からリフレクタ電極２６に向かって移
動し、リフレクタ電極２６の電位に反発し、更に、アー
ク電圧により形成される電界により、チャンバ壁に向か
って進行し、衝突する。この過程で、熱電子は、導入さ
れたガス分子に衝突して正電荷を有する数種類のイオン
が発生する。上述の熱電子の移動により、フィラメント
２４−チャンバ２２間でアーク放電が生じる。チャンバ
内のイオンは、イオンビーム導出口３０からイオンビー
ムとして導出され、被注入体に注入される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来のイオン注入装置では、フィラメントに流す電流値の
割には、高いイオン密度のプラズマを得ることができな
い。このため、イオン密度の高いイオンビーム、言い換
えればビーム電流の高いイオンビームを導出することが
できないという問題があった。また、チャンバ壁の損傷
が激しいという問題もあった。以上のような事情に照ら
して、本発明の目的は、チャンバ壁の損傷を抑え、しか
も、イオン密度の高いイオンビームを導出するようにし
たイオン注入装置を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は、リフレクタ
電極が平板状であり、熱電子の反転される方向は特に制
御されておらず、チャンバ壁に衝突する熱電子量が多い
ことに着目した。そこで、熱電子を集束することによ
り、イオン密度の高いプラズマゾーンを形成するような
イオンソース部の構成を検討した。そして、リフレクタ
電極をフィラメントに対して凹状にすることにより、熱
電子をフィラメントとリフレクタ電極との間に集束させ
ることが可能なことを見い出し、本発明を完成するに至
った。

【００１０】上記目的を達成するために、本発明に係る
イオン注入装置は、イオンビーム導出口を有するチャン
バ内に、熱電子を放出するフィラメントと、フィラメン
トに対向し、熱電子を反転させる電極面を有するリフレ
クタ電極とを備え、チャンバ内でアーク放電を生じさせ
てイオンを発生させ、イオンビームとして導出し、被注
入体に注入するようにしたイオン注入装置において、リ
フレクタ電極の電極面は、熱電子がフィラメントとリフ
レクタ電極との間のゾーンの少なくとも一部に集束する
ように、フィラメントに対して凹であることを特徴とし
ている。

【００１１】チャンバ内に導入するイオン種となるガス
は、例えば、ＢＦ₃ガス、ＰＦ₃ガスやＡｓ蒸気である。
好適な一例としては、リフレクタ電極の電極面は、半筒
面の一部である。半筒面は、例えば円筒面や角筒面であ
る。また、別の好適な一例としては、リフレクタ電極の
電極面は、半球面の一部である。ここで、球とは、断面
楕円状の球も含める。尚、熱電子の集束するゾーンが、
チャンバのイオンビーム導出口の近くであると、イオン
密度の高いイオンビームを導出し易い。

【００１２】本発明により、フィラメントから放出され
た熱電子は、リフレクタ電極により、フィラメントに向
けて反転され、フィラメント−リフレクタ電極間のゾー
ンの少なくとも一部に集束する（以下、熱電子の集束す
るチャンバ内のゾーンを集束ゾーンと言う）。集束ゾー
ンは、通常、チャンバ中央のゾーンである。よって、集
束ゾーンでは、熱電子の密度が高く、熱電子の衝突によ
って発生するイオン密度も高い。従って、イオン化効率
が、従来に比べて遥かに向上する。また、リフレクタ電
極により反転した熱電子は、フィラメントから放出され
る熱電子に反発し、再度反転してリフレクタ電極に向か
って進行するものが多い。このことは、集束ゾーンの熱
電子の密度を更に高めている。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態例を
添付図面を参照しつつ、好適な実施例の形で具体的かつ
詳細に説明する。実施例１本実施例は、本発明の好適な一実施例である。本実施例
のイオン注入装置は、従来のイオン注入装置１０に比
べ、イオンソース部１２に代えて、リフレクタ電極２６
とは形状の異なるリフレクタ電極を有するイオンソース
部４０を備えている。図１は、本実施例のイオン注入装
置のイオンソース部４０の斜視図、図２はイオンソース
部４０の構成を示す側面断面図である。図１及び図２で
は、図７と同じものには同じ符号を付してその説明を省
略する。

【００１４】イオンソース部４０は、図１又は図２に示
すように、ヒートシールド４１の端部に設けられ、アー
ク放電を生じさせるチャンバ４３と、ソースマグネット
２３と、フィラメント２４と、フィラメント２４に接続
されたフィラメントリード４４と、ガス導入口２８に接
続されたガスフィードライン４６と、蒸気導入口３１に
接続され、Ａｓ蒸気をチャンバ４３内へ導入するベーパ
ライザフィード４８とを備えている。フィラメントリー
ド４４とチャンバ４３とは、電気絶縁体５０により電気
的に絶縁されている。図３（ａ）及び（ｂ）は、それぞ
れ、イオンソース部４０のリフレクタ電極の形状を示す
正面図及び平面図である。チャンバ４３内のリフレクタ
電極５２の電極面５３は、図２及び図３（ａ）及び
（ｂ）に示すように、フィラメント２４に対して凹に湾
曲した半円筒の一部であるように形成されている。電極
面５３の円筒軸Ｐ₁は、イオンビーム導出口３０の中心
軸Ｐ₁’に対してほぼ直交している（図２参照）。尚、
チャンバ４３の構造は、リフレクタ電極５２の中心軸Ｃ
₁（図３参照）の回りにリフレクタ電極５２を９０°回
転した状態でチャンバ内に備えている構造であってもよ
い。

【００１５】また、チャンバ４３には、ソースマグネッ
ト２３により、従来と同様、熱電子を閉じ込めるための
磁場Ｂが、チャンバ４３の長手方向でフィラメント２４
からリフレクタ電極５２に向けて印加されている。

【００１６】本実施例のイオン注入装置を用いるには、
従来と同様、予め、ウエハを試料室に保持する。次い
で、ガス導入口２８又は蒸気導入口３１からイオン種と
なるガスをチャンバ４３内に導入しつつ、フィラメント
２４から熱電子を放出し、リフレクタ電極５２の電位に
よりチャンバの中央ゾーン５４に向けて熱電子を反転さ
せる。これにより、中央ゾーン５４は、熱電子が集束す
る集束ゾーン５４となり、熱電子密度及び熱電子の衝突
によって生じるイオン密度は、従来に比べて遥かに高く
なる。よって、イオンビーム導出口３０から導出される
イオンビームのイオン密度は、従来に比べて遥かに高
い。また、中央ゾーン（集束ゾーン）５４では、フィラ
メント２４から放出された熱電子と反転した熱電子とが
更に反発し、リフレクタ電極５２により反転した熱電子
は再度反転されてリフレクタ電極５２に向かって進行す
る。チャンバ内では、このことを繰り返す熱電子が多
い。これにより、中央ゾーン５４の熱電子の密度は、更
に高められている。

【００１７】実施例１の改変例本改変例のイオン注入装置は、実施例１に比べ、リフレ
クタ電極５２に代えて、フィラメント２４に対して凹
で、電極面５３と同じ形状の電極面５３’を有するよう
に直方体状のリフレクタ電極材を加工したリフレクタ電
極５５を備えている。尚、図４（ａ）及び（ｂ）は、そ
れぞれ、リフレクタ電極５５の正面図及び平面図であ
る。尚、本実施例のイオン注入装置のチャンバは、実施
例１と同様、リフレクタ電極５５の中心軸Ｃ₂の回りに
リフレクタ電極５５を９０°回転した状態で備えている
構造であってもよい。本実施例のイオン注入装置を使用
することにより、実施例１と同様の効果を奏することが
できる。

【００１８】実施例２本実施例のイオン注入装置は、実施例１に比べ、リフレ
クタ電極５２に代えて、フィラメント２４に対して凹
で、半角筒面の一部であるリフレクタ電極５６を備えて
いる。図５（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、リフレクタ
電極５６の正面図及び平面図である。尚、本実施例のイ
オン注入装置のチャンバは、実施例１と同様、リフレク
タ電極５６の中心軸Ｃ₃の回りにリフレクタ電極５６を
９０°回転した状態で備えている構造であってもよい。
本実施例のイオン注入装置を使用することにより、実施
例１と同様の効果を奏することができる。

【００１９】実施例３本実施例のイオン注入装置は、実施例１に比べ、リフレ
クタ電極５２に代えて、フィラメント２４に対して凹
で、かつ、半球面の一部である電極面を有するリフレク
タ電極５８を備えている。図６は、リフレクタ電極５８
の平面図である。尚、本実施例のイオン注入装置のチャ
ンバは、実施例１と同様、リフレクタ電極５８を中心軸
Ｃ₄の回りに９０°回転した状態で備えている構造であ
ってもよい。本実施例のイオン注入装置を使用すること
により、実施例１と同様の効果を奏することができる。

【００２０】

【発明の効果】本発明の構成によれば、チャンバ内のリ
フレクタ電極の電極面は、熱電子がフィラメントとリフ
レクタ電極との間のゾーンの少なくとも一部に集束する
ように、フィラメントに対して凹形状である。本発明に
係るイオン注入装置を使用すると、フィラメントから放
出された熱電子は、チャンバの中央ゾーンに向けて反転
されて集束される。反転した熱電子は、フィラメントか
ら放出される熱電子に反発し、再度反転してリフレクタ
電極に向かって進行することが多い。また、このような
反転を繰り返す熱電子が多い。これにより、中央ゾーン
では、熱電子密度及び熱電子の衝突によって生じるイオ
ン密度は、従来に比べて遥かに高くなり、この結果、チ
ャンバから導出されるイオンビームのイオン密度は、従
来に比べて遥かに高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１のイオン注入装置のイオンソース部の
斜視図である。

【図２】実施例１のイオン注入装置のイオンソース部の
チャンバの構成を示す側面断面図である。

【図３】図３（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、実施例１
のイオンソース部のリフレクタ電極の形状を示す正面図
及び平面図である。

【図４】図４（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、実施例１
の改変例のイオンソース部のリフレクタ電極の形状を示
す正面図及び平面図である。

【図５】図５（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、実施例２
のイオンソース部のリフレクタ電極の形状を示す正面図
及び平面図である。

【図６】実施例３のイオンソース部のリフレクタ電極の
形状を示す平面図である。

【図７】従来のイオン注入装置の構成を示す平面図であ
る。

【図８】従来のイオン注入装置のイオンソース部の構成
を示す平面図である。

【図９】従来のイオン注入装置のイオンソース部の電気
的な結線状態を示す側面図である。

【符号の説明】

１０……イオン注入装置、１２……イオンソース部、１
４……引き出し電極、１６……質量分析部、１８……イ
オン加速部、２０……試料室、２２……チャンバ、２３
……ソースマグネット、２４……フィラメント、２６…
…リフレクタ電極、２８……ガス導入口、３０……イオ
ンビーム導出口、３１……蒸気導入口、３２……フィラ
メント電源、３４……アーク放電用電源、４０……イオ
ンソース部、４１……ヒートシールド、４３……チャン
バ、４４……フィラメントリード、４６……ガスフィー
ドライン、４８……ベーパライザフィード、５０……電
気絶縁体、５２……リフレクタ電極、５３、５３’……
電極面、５４……中央ゾーン、５５……リフレクタ電
極、５６……リフレクタ電極、５８……リフレクタ電
極。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】イオンビーム導出口を有するチャンバ内
に、熱電子を放出するフィラメントと、フィラメントに
対向し、熱電子を反転させる電極面を有するリフレクタ
電極とを備え、チャンバ内でアーク放電を生じさせてイ
オンを発生させ、イオンビームとして導出し、被注入体
に注入するようにしたイオン注入装置において、リフレクタ電極の電極面は、熱電子がフィラメントとリ
フレクタ電極との間のゾーンの少なくとも一部に集束す
るように、フィラメントに対して凹であることを特徴と
するイオン注入装置。
【請求項２】リフレクタ電極の電極面は、半筒面の一
部であることを特徴とする請求項１に記載のイオン注入
装置。
【請求項３】半筒面が、円筒面又は角筒面であること
を特徴とする請求項２に記載のイオン注入装置。
【請求項４】リフレクタ電極の電極面は、半球面の一
部であることを特徴とする請求項１に記載のイオン注入
装置。
【請求項５】熱電子の集束するゾーンは、チャンバの
イオンビーム導出口の近くであることを特徴とする請求
項１から４のうち何れか一項に記載のイオン注入装置。