KR0161363B1 - 이온 발생 장치, 이온 조사 장치, 및 반도체 장치의 제조 방법 - Google Patents

이온 발생 장치, 이온 조사 장치, 및 반도체 장치의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

이온 발생 장치는 내부에서 플라즈마가 생성되는 용기(51); 상기 용기(51)에 설치되어 상기 플라즈마에 의해 이온화하는 가스를 도입하는 제1의 개구부(52); 및 상기 이온화에 의해 생성된 이온을 도출하는 제2의 개구부(53)를 구비하고 있으며, 상기 용기(51)의 내벽면에 상기 이온화에 의해 생성되는 이온 및 라디칼에 의한 금속 재료의 에칭은 일어나지 않는다. 따라서, 이탈한 금속 재료의 필라멘트 및 인축 전극으로의 흡착 및 시료의 오염을 막을 수 있다.

Description

이온 발생 장치, 이온 조사 장지, 및 반도체 장치의 제조 방법
제1도는 종래의 이온 조사 장치의 구성을 나타낸 단면도.
제2도는 종래의 플리만형 이온원의 구성을 나타낸 단면도.
제3도는 종래의 바나스형 이온원의 구성을 나타낸 단면도.
제4도는 종래의 마이크로파형 이온원의 구성을 나타낸 단면도.
제5a도 내지 제5c도는 종래 기술을 설명하기 위한 필라멘트의 관찰도, 및 분석도.
제6a도 내지 제6c도는 종래 기술을 설명하기 위한 필라멘트의 관찰도 및 분석도.
제7도는 본 발명의 제1실시예에 관한 바나스형 이온원(이온 발생 장치)의 구성을 나타낸 단면도.
제8도는 통상의 벽구조를 나타내는 단면도.
제9도는 상기 실시예에 관한 제1의 벽구조를 나타낸 단면도.
제10도는 상기 실시예에 관한 제2의 벽구조를 나타낸 단면도.
제11도는 상기 실시예에 관한 제3의 벽구조를 나타낸 단면도.
제12도는 상기 실시예에 관한 제4의 벽구조를 나타낸 단면도.
제13도는 상기 실시예에 관한 제5의 벽구조를 나타낸 단면도.
제14도는 상기 실시예에 관한 제6의 벽구조를 나타낸 단면도.
제15도는 본 발명의 제2실시예에 관한 플리만형 이온원(이온 발생 장치)의 구성을 나타낸 단면도.
제16도는 제15도에 도시한 플리만형 이온원의 다른 실시예를 나타낸 단면도.
제17도는 제15도에 도시한 플리만형 이온원의 다른 실시예를 나타낸 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 이온원 챔버 2 : 인출 전극
3 : 분리 전자석 4 : 슬릿
5 : 가속기 57 : 텅스텐 필라멘트
58 : 장해벽
본 발명은 이온화해야할 가스 또는 증기를 도입하여 플라즈마를 일으켜 이온을 발생하는 이온 발생 장치, 이온 조사 장치, 및 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
근래에, 반도체 기판에 붕소(B)나 인(P) 등의 불순물을 첨가하여, pn 접합 등을 형성하는 방법으로서, 이온 주입법이 사용되고 있다. 이 이온 주입법에 의하면 목표로 하는 장소에 첨가하는 불순물의 농도와 깊이를 정밀하게 제어할 수 있다.
제1도는 종래의 이온 조사 장치의 구성을 나타낸 블록도이며, 이하에 그 구성을 간단히 설명한다.
이 장치에서는, 우선 이온원 챔버(1)에서 이온이 생성되고, 이 이온은 인출전극(2)에 의해 인출되어 분리 전자석(3)에 의해 질량 분석된다. 이어서, 슬릿(4)에 의해 완전히 분리된 소망의 이온을 가속기(5)에서 최종 에너지까지 가속한다. 그리고, 비임은 4극 렌즈에 의해 시료면(12)에 집속점을 갖도록 집속되고, 이어서 주사 전극(7,8)에 의해 시료면 전면에 일정하게 투입량이 분포되도록 주사된다. 편향 전극(9)은 잔류 가스와의 충돌로부터 생기는 중성 입자를 제거하기 위하여 이온 비임을 휘어지게 하여 취출하기 위한 것이다.
이와같은 이온 조사 장치(이온 발생 장치를 포함함)의 심장부가 되는 것은 이온원 챔버(1)이다. 이온원 챔버(1)에는 열전자를 사용한 플리만형, 바나스형, 및 마그네트론을 사용한 마이크로파형이 있다.
플리만형의 단면구조는 제2도에 도시한 것과 같은 구조로, 막대 모양 필라멘트(22)로부터 열전자를 방출시켜 플라즈마를 일으켜 전자석(21)에 의한 필라멘트(22)에 평행한 자계와, 필라멘트 전류에 의해 생기는 회전 자계, 및 리플렉터(25)의 작용에 의해 이온원 챔버(23)내에서 전자를 복잡하게 운동시킴으로써 이온화 효율을 높이고 있다. 생성된 이온은 챔버(23)의 슬릿을 통하여 필라멘트(22)와 직각의 방향으로 인출된다.
한편, 바나스형의 단면 구조는 제3도에 도시한 바와 같은 구조로, Mo를 주성분으로 하는 아아크 챔버(31)에 텅스텐 필라멘트(37) 및 대향 전극(34)을 설치하고 있다. 여기에서, BF3가스를 가스 라인(32)로부터 공급한다. 텅스텐 필라멘트(37)로부터 열전자를 방출시켜 아아크 챔버내에 도입된 BF3가스를 방전시켜 이온화시킨다.
한편, 마이크로파형의 단면 구조는 제4도에 도시한 바와 같은 구조로, 마그네트론(41)에서 발생한 마이크로파를 사용하여 방전 상자(43)내에서 플라즈마를 발생시킨다. 필라멘트를 사용하고 있지 않기 때문에, 반응성의 가스를 사용하여도 수명이 단축되는 일이 없고, 또한 필라멘트 재료로부터의 알칼리 금속 오염이 없는 등의 특징이 있다. 그러나, 이 장치에서는, 이온과 함게 금속이 챔버로부터 취출되고, 인출 전극(44) 표면에 흡착하여 소망의 전압을 인가할 수 없거나 또한 시료에 도달하여 오염이 생기는 경우가 있다.
이와같은 문제를 해결하기 위하여, Mo로 이루어진 챔버의 내벽에 탄소(C)를 도포하는 이온원이 제작되었다. 상기 장치에서 사용하는 가스는 BF3, PF3등이 종래 사용되어 왔다. 이들 가스를 챔버내에서 이온화시켜 시료의 소오스, 드레인 영역용의 이온 주입을 행하는데 사용해왔다. 또한, 다른 것에도 화합물 반도체 장치에서는 Si의 이온 주입이 행해지고 있다. 이 경우에는, SiF4가 소오스 가스로서 사용되고 있다.
더욱이, 이에 부가하여 근래에는 시료인 반도체 기판의 비결정질화 등의 목적으로 Ge 이온의 이온 주입이 연구되고 있다. 이 Ge의 이온 주입에서는주로 GeH4(겔만)가스가 이용되어 왔지만, 산소와 격렬한 반응을 일으켜 장치의 안정상 문제로 되는 것이 분명하게 되고 있다. 그래서, 최근에는 GeF4가 소오스 가스로서 사용되고 있다.
그런데, 상기 플리만형의 장치를 장시간 사용한 때에는, 필라멘트가 고저항화하고, 최종적으로는 단선되어 이온 생성이 불가능하게 되어 버린다. 또한, 절연지지 부재가 절연해야할 필라멘트와 챔버가 도통하여 방전이 일어나지 않게 되어 버리는 문제가 있었다.
한편, 상기 바나스형의 장치에 있어서는, BF3의 이온화에 의해 형성되는 불소이온, 라디칼 등의 영향에 의해 아아크 챔버내벽의 Mo가 에칭되어 Mo가 이탈되어 버린다. 이 이탈한 Mo가 텅스텐 필라멘트(37) 및 대향 전극(34)에 흡착하여, 열반응에 의해 Mo가 성장하고, W와 Mo가 합금화하여 버린다. 이 경우에는 W와 Mo가 합금화하여 버린 영역에서의 필라멘트로부터는 열전자의 방출이 방해되고, 필라멘트 표면에 Mo가 부착하여 있지 않은 영역에서만 열전자의 공급이 행해지는 것처럼 되고, 국소적으로 W 필라멘트(37)의 소모가 심각하게 되어 최종적으로는 W 팔라멘트(37)가 단선되어 버린다.
약 20시간의 사용에 의해 필라멘트가 단선하는 모양을 제5a도 내지 제5c도를 사용하여 설명한다. 제5a도에서는, 미사용의 W 필라멘트, 제5b도에서는, 3일 사용후의 W 팔라멘트 표면, 제5c도에서는 필라멘트가 단선하여 있는 영역에서의 형태관찰과 조성 분석한 결과이다. 제5b도에 도시한 3일간 사용후 필라멘트가 단선하지 않는 영역에서는 이물질이 발견된다. 이 이물질은 텅스텐 필라멘트상에 Mo가 부착하여 W 팔리멘트가 Mo가 합금화한 것이라는 것이 조성 분석한 결과로부터 알 수 있다. 한편, 필라멘트가 단선한 영역에서는, 이물질은 발견되지 않고 W 필라멘트가 세선화되어 있는 상태를 잘 알 수 있다. 또한, 이물질이 형성되어 있는 영역에서의 조성비는 W:Mo=26wt%: 74wt%와 이물질의 주성분이 Mo인 것에 비해서, W 필라멘트가 단선하여 있는 영역에서는 W:Mo=87wt%:13wt%로 되어 있다.
또한 상기 마이크로파형의 장치에 관하여 시작된 이온원에 있어서는, 표면의 C가 필라멘트 등에 흡착하거나, 시료의 오염원으로 되는 문제가 있었다.
상기 각종 방식에 의한 종래의 장치는 필라멘트의 단선이나 절연 지지 부재의 절연 불량 등이 다발하여 장치의 수명을 단축시키는 요인으로 되고 반도체 기판에 대한 오염 등도 초래하고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 장치의 수명 단축이나 시료의 오염을 방지하는 것이 가능한 이온 발생 장치, 이온 조사 장치, 및 반도체 장치의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명자들은 상기 문제를 검토한 결과, 이하에 설명하는 바와 같은 견해에 이르렀다.
챔버내의 피처리 기판 근방에만 높은 플라즈마를 발생시키는 에칭 장치에서는 Mo의 화학적 에칭이 일어나지만, 이온 발생 장치와 같이 챔버의 내벽이 노출되는 플라즈마의 밀도가 낮은 것에서는 이온이나 라디칼과의 반응에 의해 내벽을 에칭하는 현상이 일어나는 것은 비교적 적은 현상으로 생각되어 왔다. 그러나, 화학적인 반응성의 에칭에 의한 문제의 가능성을 검토하기 위해, 이하의 측정을 하였다.
우선, 챔버내를 Nb에 의해 코팅한 이온 발생 장치에 GeF4가스를 도입하여 30초간 사용했다. 이 경우의 필라멘트의 표면 관찰도는 종래 기술의 설명에서 사용한 제5a도의 좌측에 도시한 것과 유사하다. 즉, W 표면은 다른 물질이 부착하지 않고 표면에서의 Nb와의 반응은 일어나지 않는 것을 알 수 있다.
또한, 필라멘트의 입사 에너지와 흡수 파수를 측정한 표면 분석의 결과(제5a도의 우측)에 나타난 바와 같이, W에 반응하는 입사 에너지 8.4KeV에서 흡수가 발견되고, Nb에 대한 입사 에너지 2.2KeV에서 흡수가 보이지 않는 것으로부터도 표면에서의 반응은 일어나지 않는 것을 알 수 있다.
이것은 본 발명자들이 착안한 점이고, F 등의 할로겐과 내벽 재료와의 화학반응이라고 하는 점을 할로겐과의 화합물의 증기압이 낮고 융점이 높은 Nb를 선택함으로써 문제가 해결되었다.
이에 비해, 제6a도는 챔버가 Mo로 이루어진 종래의 플리만형 이온원에서, GeF4가스를 도입하여 약 20시간 사용한 필라멘트의 단면 관찰도이지만, W의 표면에 Mo가 흡착하여 반응성에 의해 성장하고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 제6b도에 도시한 필라멘트의 표면 관찰도의 Mo의 입자(100), 및 제6c도에 도시한 입사광의 에너지에 대한 흡수 파수의 측정에 의한 분석 결과로부터도 반응하는 에너지값이 Mo의 성장을 나타내고 있다.
이것은 플라즈마중의 불소 이온, 라디칼과의 화학적 반응에 의해 내벽의 Mo가 에칭되어 내벽으로부터 이탈하고 필라멘트에 흡착하는 것에 기인하고 있다고 생각된다.
더욱이, 본 발명자들은 예의 검토를 진행하여 이른 견해를 이하에 나타낸다.
결국, 시료에 B 이온을 주입하기 위하여, 챔버에 BF3가스를 도입하는 때에 종래 장치의 챔버를 사용한 경우, 상술한 바와 같은 챔버 내벽에서의 Mo의 이탈 현상이 GeF4경우 그다지 격렬하지는 않지만 발생하는 것은 분명하였다.
예를들면, BF3가스를 사용한 챔버내의 필라멘트의 수명이 약 3개월이었던 것에 비해 GeF4가스를 사용한 챔버내의 필라멘트의 수명은 약 3주간이었다.
또한, BF3가스를 사용한 경우, 이탈이 일어나기 때문에, 상술한 필라멘트나 절연 지지부로의 흡착에 의한 수명의 단축의 문제, 및 이탈한 Mo가 챔버밖으로 취출되어 시료를 오염하는 문제가 발생하는 것이 분명하였다. GeF4가스 등을 사용한 경우에 문제가 현저하게 되는 것도 분명하였다.
이와 같이, GeF4가스를 사용한 경우에 문제가 현저하게 되는 것은 GeF4의 성질에 의한 것이라는 견해에 도달하였다. 결국, 1분자로부터 생성 가능한 1 이온에 대해서, BF3로부터는 라디칼이나 이온의 F가 3개 생성되고, GeF4로부터는 4개 생성된다. 이 때문에 BF3보다도 GeF4의 경우에 다량의 F 라디칼 및 F 이온이 생성되어 이들의 다수의 Mo 등과 반응하여 수명의 단축을 가속하고 있다고 생각된다. 이 이론은 SiF4에 대해서도 적용된다고 생각된다.
또한, 다른 이유로서, GeF4와 BF3이온화 효율의 차에 의한다고도 생각된다. 결국, Ge의 전기 음성도는 1.8이고, F의 전기 음성도는 4.0이며, 그 차이는 2.2.이다. 이에 비해, B의 전기 음성도는 2.0이기 때문에, F의 전기 음성도와의 차이는 2.0이 된다. 전기 음성도의 차이가 큰 것은 거의 이온화 효율이 크기 때문에, GeF4의 쪽이 분리하기 쉽고, 라디칼이나 이온의 F를 발생하기 쉬운 성질을 가지고 있기 때문에, 챔버내에서의 반응성의 할로겐을 다수 생성한 것으로 생각되어진다. 이 이론은 전기 음성도가 1.8인 Si에 대해서도 적용할 수 있는 것으로 생각된다.
한편, 문제성이 Ge에 비해서 작다고 하여도 BF3나 PF3에 대해서도 마찬가지의 문제가 생기고 있고, 이 문제는 화학적 에칭에 착안하여 내벽 재료를 상술한 바와 같이 선택하는 것으로 해결할 수 있는 것도 실험의 결과로부터 분명하게 되었다. 이와같이, 이탈이 격렬하게 일어나는 것으로부터, 상술한 필라멘트나 절연 지지 부재로의 흡착에 의한 수명의 단축의 문제나, 이탈한 Mo가 챔버밖으로 취출되어, 시료를 오염하는 문제는 BF3가스 등으로부터도 현저하게 되는 것이 분명하였다. Ge 이온의 생성에 사용한 장치에 있어서, Nb를 챔버 내벽에 코딩한 장치를 30시간 사용한 후의 필라멘트의 표면 관찰도, 및 필라멘트에의 입사 에너지와 흡수 파수의 측정에 의한 표면 분석의 결과는 이미 설명한 제5a도와 마찬가지이며, 내벽 재료의 이탈 및 필라멘트에의 흡수를 방지할 수 있다. 내벽 재료의 이탈이 방지됨으로써 절연 지지 부재로의 부착에 의한 절연 불량이나 챔버밖으로 취출되어 시료에 도달하여 오염원으로 되는 것도 막을 수 있게 되었다.
게다가, 챔버의 구조로서 절연 지지 부재(76)(제15도)는 생성 영역으로부터 격리되어 있고, 직접 플라즈마에 노출되기 어려운 것으로 되도록 제조하였다. 이에 의해, 장기간의 사용에 의한 필라멘트 자신의 이탈 등에 의해 절연 지지 부재에 필라멘트가 부착하는 것을 막는다.
이와 같이 함으로써, 종래 기술에 의한 절연 지지 부재(26)(제2도)는 상술한 바와 같이 플라즈마에 노출되어 장시간 사용한 결과, 챔버 내벽 및 필라멘트(22) 자신등을 구성하는 금속 재료의 이탈 등에 의해 절연 지지 부재(26)의 표면 부착이 생기고, 이 때문에, 역시 절연 불량이 발생하고 있는 것으로 생각된다.
또한, 종래의 마이크로파형 이온원에 있어서도, 챔버는 전리한 이온 및 라디칼이 플라즈마에 노출되는 Mo 내벽을 화학반응에 의해 에칭하여, 에칭에 의해 이탈한 Mo가 이온과 함께 챔버로부터 취출되어 인출 전극(44) 표면에 흠착하고, 소망의 전압을 인가할 수 없게 되거나 또한 시료에 도달하여 오염이 생기게 되는 것으로 생각된다.
이와 같은 원인을 해명을 위해, 본 발명은 상기 수단에 의해 생성된 이온 및 라디칼과의 반응에 의한 금속 재료의 에칭을 억제하는 것으로 하였다. 따라서, 이탈한 금속 재료의 필라멘트 및 인출 전극으로의 흡착, 및 시료의 오염을 막는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 제1특징에 따르면, 이온 발생 장치는 내부에 플라즈마가 발생되는 용기; 상기 용기에 설치되어 상기 플라즈마에 의해 이온화하는 가스를 도입하는 제1의 개구부: 및 상기 이온화에 의해 생성된 이온을 도출하는 제2의 개구부를 구비하고 있으며, 상기 용기의 내벽면에 상기 이온화에 의해 생성되는 이온 및 라디칼에 의한 화학적 에칭에 대해 내성을 갖는 금속이 코팅되어 있다.
이 경우, 상기 가스는 할로겐을 포함하는 화합물로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 가스로서는 BF3, PF3, SiF4, GeF4인 경우에 특히 효과를 발휘한다. 그중에서도, SiF4, GeF4에 대해서는 그 효과가 현저하다.
또한 상기 용기에는 열전자를 방출하는 것에 의해 상기 플라즈마를 생성하는 필라멘트가 설치된다. 그리고, 이 필라멘트상에는 상기 금속과 같은 것이 코딩되어 있는 것이 바람직하다.
용기의 내벽 재료로서는 금속 재료가 사용되고, 가스로서는 할로겐을 포함하는 화합물로 이루어진 가스를 이용하는 것이 바람직하다.
금속 재료는 할로겐과의 화합물의 증기압이 필라멘트 재료의 할로겐과의 화합물의 증기압보다도 낮은 것이 바람직하다.
금속 재료의 융점은 상기 용기내가 도달하는 온도보다도 고온인 것이 바람직하다.
이와같은 금속 재료로서는, 구체적으로 V, Nb, Ta, Cr, Ti, Zr, Hf, Pt 중 적어도 1개를 주성분으로 하는 것, 보다 양호하게는 V, Nb, Ta의 Va족 원소중 적어도 1개를 주성분으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속 재료를 용기 내벽에 코팅하는 경우에는, 상기 용기와 상기 금속과의 사이에는 상기 용기를 구성하는 재료가 그 금속 표면상에 배어나오는 것을 방지하는 장벽 금속이 설치되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우, Ti/TiN을 장벽 금속으로 하여 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 금속 재료를 코팅하고, 또한 최표면에는 질화물이 코팅되어 있는 것이 바람직하다. 이 질화물은 상기 금속 재료의 최표면을 질화하는 것에 의해 형성하여도 좋다.
이온 발생 장치의 용기가 Mo을 포함하고, F 가스가 사용되고 있는 경우에는, 금속 재료는 불소와의 화합물의 증기압이 MoF6보다도 낮은 것인 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 금속은 V, Nb, Ta, Cr, Ti, Zr, Hf, Pt 중 적어도 1개를 주성분으로 하는 것, 보다 양호하게는 V, Nb, Ta중 적어도 1개를 주성분으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 이온 발생 장치에는 필라멘트를 지지하는지지 절연체가 또한 구비되어 있고, 그 지지 절연체는 플라즈마의 생성 영역으로부터 격리하여 설치되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 상기 지지 절연체와 상기 필라멘트와의 사이에는 스페이서가 설치되어, 상기 필라멘트 또는 상기 용기의 내벽 또는 그 양방과 상기 스페이서와의 사이에 형성된 간격에 의해 상기 지지 절연체가 상기 플라즈마의 생성 영역으로부터 격리하여 설치되어 있는 것이 바람직하다.
상술한 이온 발생 장치는 플라즈마형 또는 바나스형 이온 발생 장치인 것이 바람직하다.
상기 금속 재료에 관해서는, 전기적인 아아크 방전을 일으켜 이온을 생성하는 이온원, 특히 플라즈마에 노출되는 영역을 불소를 포함한 플라즈마에 대해서 내성이 있는 귀금속 또는 전이 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 필라멘트로의 역스퍼터링 및 애노드 지지 절연체의 절연 불량을 억제하고, 이온원의 수명을 장기화시키는 것과 함께 안정한 이온 주입 작업을 실현할 수 있다.
또한, 본 발명의 제2특징에 따르면, 이온 조사 장치는 내부에 플라즈마가 생성되는 용기와; 상기 용기에 설치되어 상기 플라즈마에 의해 이온화하는 가스를 도입하는 제1의 개구부와; 상기 이온화에 의해 생성된 이온을 도출하는 제2의 개구부를 구비하고, 상기 용기의 내벽면에 상기 이온화에 의해 생성되는 이온 및 라디칼에 의한 화학적 에칭에 대해서 내성을 갖는 금속이 코팅되어 있는 이온 발생부; 및 상기 이온 발생부의 밖에 설치되어 상기 제2의 개구부로부터 도출되는 이온이 조사되도록 시료가 내부에 설치된 시료실을 구비하고 있다.
또한, 본 발명의 제2특징에 따르면, 반도체 장치의 제조 방법은 제1의 용기내에 가스를 도입하는 공정; 상기 제1의 용기내에 플라즈마를 생성하는 것에 의해 상기 가스를 이온화하는 공정; 및 상기 제1의 용기밖으로 도출한 이온을 상기 제1의 용기와는 별도의 제2의 용기에 설치한 시료에 조사하는 공정을 구비하고 있으며, 상기 제1의 용기의 내벽의 재료로서 상기 이온화에 의해 생성된 이온 및 라디칼에 의한 화학적 에칭에 대해서 내성을 갖는 금속이 사용된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다.
종래 기술에서의 Mo의 에칭 및 퇴적을 방지하기 위해서는, 할로겐을 포함하는 플라즈마에 노출되는 표면의 재료를 Va족 금속(V, Nb, Ta) 및 귀금속(Ni, Pt, Pb)로 피복하든가, 이온원의 벽재료 그 자체를 그들의 금속 또는 그들의 금속을 주성분으로 하는 합금으로 구성하는 것이 필요하다. 이온원 내부가 900℃ 이상으로 고온이 되는 경우에는, 귀금속보다도 융점이 높은 Va족 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 이하의 실시예에서는, 상기 관점에 근거하여 종래의 문제를 해결하고 있다.
[실시예 1]
우선, 본 발명의 제1실시예에 의한 바나스형 이온원(이온 발생 장치)의 일예를 제7도에 도시한다.
제7도에 도시한 바와 같이, Mo를 주성분으로 하는 아아크 챔버(51)에 TiN/Ti(Ti 막의 위에 TiN막을 퇴적함)을 각각 100nm/50nm 스퍼터링한 후 Ar 가스에 의해 Nb(60)을 3㎛ 스퍼터링하고, 이어서 Ar/N2 가스; 50%/50%의 비율로 NbN(60)을 1㎛ 스퍼터링 코팅(60)한다.
여기에서, 텅스텐 필라멘트(57)를 설치하고 있지만, Mo제 필라멘트 지지구(55)는 필라멘트대(56,59)와의 폭을 제어한 장해벽(58)을 설치함으로써, 아아크 챔버내에서의 플라즈마에 노출되지 않도록 되어 있다. 또한, 장해벽(58)은 몰리브덴(Mo)제이고, 할로겐화물에 의해 이탈하는 것을 방지하기 위해, 본 실시예와 같이 그의 표면이 코팅되어 있는 것이 바람직하다.
여기에 BF3가스를 가스 라인(52)으로부터 공급한다. 텅스텐 필라멘트(57)로부터 열전자를 방출시켜 아아크 챔버내의 BF3가스를 방전시켜 이온화시킨다.
다음에, 통상의 이온원 내부의 벽구조를 제8도에 도시하고, 본 발명에 의한 이온원 내부의 기본적인 구조를 제9도 내지 제14도에 도시한다. 통상의 벽구조는 제8도에 도시한 바와 같이, 금속 Mo(60)으로 만들어져 있다. 이에 비해서, 할로겐, 특히 불소에 대해서 화학적으로 내성이 있는 Va족 금속(V, Nb, Ta)막(62)을 제9도와 같이 Mo(61)의 표면에 피복한 구조는 내벽 Mo를 보호하기 위하여 Mo가 에칭되는 일이 없다. 더욱이, 화학적인 에칭 속도를 저감하는 방법으로서, 제10도 도시한 바와 같이 금속 질화물(63)로 피복하는 방법이 유효하다.
또한, 이온원 내부가 1000℃이상, 특히 1500℃ 이상으로 고온으로 된 경우에는, Va족 금속과 모체 Mo가 반응하여 Va족 금속의 표면에 Mo가 삼출하도록 확산한다고 하는 문제가 생긴다. 이 경우에는, 제11도 및 제12도에 도시한 바와 같이, Va족 금속과 Mo계면에 반응 방지층(64)을 설치하는 것이 유효하고, 그 후보로서 TiN, TaN, NbN을 위시하는 금속 질화물이 열거된다. 이들 금속 질화물에는 Si나 C 및 Ge 등의 원소를 포함시킴으로써 고온까지 구조를 안정화시켜도 좋다.
더욱이, 모체인 Mo 재료와 금속 질화물의 사이의 밀착성을 양호하게 하기 위하여, 금속 질화물보다도 얇은 금속막을 계면에 설치하여도 좋다. 금속막으로서는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta 등의 금속이 밀착성을 높이는 것에 유효하다.
또한, 본 발명의 실시예로서 Mo 재료를 사용하지 않고 Va 금속을 주성분으로 하는 금속 재료를 제13도와 같이 단체로 사용하여도 좋다. 또한, 할로겐에 의한 화학적 에칭을 제어하기 위해서는, 제14도에 도시한 바와 같이 표면을 질화물로 피복하는 방법이 대단히 유효하다. 이 경우에는 선공정의 Mo를 내벽 재료로 하여 사용한 경우에 필요한 반응 방지 금속은 불필요하게 된다.
이상 설명한 제1실시예에 의하면, 불소등의 이온 또는 라디칼에 의한 아아크 챔버내에서의 에칭 등의 반응은 일어나지 않고, 텅스텐 필라멘트(57)에 이물질이 부착하는 것과 같은 현상은 보이지 않으며, W 필라멘트(57)이가 전체적으로 세선화하여 가고, 최종적으로 단선한다. 이 경우, W 필라멘트(57)의 수명은 종래 3일이었던 것에 비해 본 실시예에서는 약 20일간으로 대폭 수명이 길어지게 되었다.
또한, 상기 실시예에 의하면, BF2 +이온 주입시의 Mo 교차 오염(cross conta mination)을 방지하는 것이 가능하게 된다. Mo의 2가 이온에서의 질량수는 (98÷2=49) BF2 +이온과 동일하게 된다. 종래의 Mo를 주성분으로 한 아아크 챔버에서는, 주입량에 대해서 10~100ppm 상당의 오염이 발생하는 것에 대해, 본 실시예를 적용한 경우에는 Mo의 혼입은 일어나지 않고, 따라서, 실제 디바이스에서의 전기적 특성에 영향을 미치는 것은 없다. 청결한 이온 주입 공정을 실현할 수 있다.
[실시예 2]
본 발명의 제2실시예에 의한 플리만형 이온원(이온 발생 장치)의 일예를 제15도에 도시한다.
이 제2실시예에서는 챔버(73)는 Mo에 의해 형성되고, 플라즈마에 노출되는 내벽에는, Nb를 도포한다. 챔버의 사이즈는 예를 들면 가로 7cm, 높이 4cm, 깊이 4cm이다. 직경 약 2mm의 필라멘트(72)에는 종래와 마찬가지의 W를 사용하고, 필라멘트(72)의 양단에는 전자석(71)을 설치한다. 절연 지지 부재(76)는 필라멘트(72)와 챔버(73) 사이의 절연을 도모하기 위하여 설치되고, 양호하게 플라즈마를 발생시키기 위한 것이다. 이온원은 그 일단에 가스 주입구(77)을, 이것과는 다른 일단에 이온 취출용의 슬릿(74)을 갖는다.
이 이온원에 가스 주입구(77)로부터 GeF4가스를 공급하고, 필라멘트(72)로부터 열전자를 방출시킨다. 그리고, 챔버(73)내에서 GeF4가스를 방전시켜 이온화시킨다. 발생한 Ge 이온은 챔버(73)의 슬릿(74)를 통하여 막대 모양 필라멘트(72)와 직각의 방향으로 인출되어 이온 투입 장치 등에 의해 시료(도시안함)로 투입된다.
이 제2실시예에서는 플라즈마에 노출되는 챔버(73)의 내벽에는, 이온화에 의해 발생하는 불소 이온 및 불소 라디칼에 대하여 반응성이 없는 Nb가 도포되어 있다. 이 때문에, 불소 이온 및 불소 라디칼이 내벽을 에칭하는 일은 없다.
따라서, 내벽으로부터 이탈한 금속이 필라멘트(72) 및 절연 지지 부재(76)에 흡착하는 일은 없고, 필라멘트(72)의 저저항화, 필라멘트(72)와 챔버(73)의 절연 불량, 및 피처리 기판의 오염은 방지 가능하다.
또한, 리플렉터(스페이서)(75)는 필라멘트(72)에 대해 수직 방향으로 연장하고, 동시에 챔버(73)의 내벽을 따라서 연장한 구조로 되어 있다. 그리고, 절연 지지 부재(76)는 챔버(73)의 외측으로부터 부착된 상태로 되어 있다. 이에 의해, 챔버(73)와 스페이서(75) 사이에 있어서 좁은 간격(a)이 형성되고, 절연 지지 부재(76)가 플라즈마에 노출되는 일을 방지하고 있다.
또한, 스페이서(75)가 챔버(73)와 절연 지지 부재(76)와의 경계로부터 연장하는 길이는 x라고 하고, 필라멘트(72)에 대해서 수직으로 연장하는 스페이서(75)의 챔버 중심에 대향하는 면과 반대측의 면이 챔버(73)의 내벽과 이루는 간격을 y라고 하면, x/y가 1 이상으로 되도록 한 구조로 하였다.
이와같이 함으로써, 절연 지지 부재(76)가 직접 플라즈마 영역에 노출되지 않는 것에 부가하여, 활성인 F 이온 및 F 라디칼은 내벽에 충돌하여 랜덤하게 운동하거나, 이온화 시의 분리에 의해 역시 랜덤하게 직선운동을 한다. 이렇게 하여 F 라디칼 및 F 이온의 침입을 막아진다. 따라서, 장시간의 사용에 의한 필라멘트 자신의 이탈에 의해 절연 지지 부재에 필라멘트재가 부착하는 일은 막아진다.
또한, 이 제2실시예에서는, y를 2~3mm로 하고, x를 3~4mm로 한다. x/y를 1 이상으로 함으로써 간극을 좁아지게 되고, 이탈한 금속이 간극 부분에 부착하는 일에 의해서도 단락은 일어날 가능성이 있다. 그러나, 이 제2실시예에서는, 금속 이탈을 방지하는 처리를 실시하고 있기 때문에, 상기와 같은 문제는 없다.
이들의 효과에 의해, 본 장치의 수명을 길게 하고, 시료의 오염을 막을 수 있다.
제16도는 상기 플리만형 이온원(제15도)의 다른 실시예를 나타낸다. 즉, 도시한 바와 같이, 스페이서(75)와 필라멘트(72)가 일체로 하여 형성되어 있다.
이와같은 구조로 함으로써, 장치의 구성이 간결하게 되고, 동작중에 있어서의 구조상의 문제가 발생하기 어렵게 된다. 또한, 장치의 제작이 용이하게 되고, 제조상의 단가를 저감시키는 것이 가능하게 된다.
제17도도 마찬가지로, 상기 플리만형 이온원(제15도)의 다른 실시예를 나타낸다. 즉, 도시한 바와 같이, 챔버(73)의 내벽 뿐만 아니라 스페이서(75) 및 필라멘트(72)의 표면에도 Nb가 도포되어 있다. 또한, 스페이서(75)와 필라멘트(72)의 양쪽이 아니라 스페이서(75)와 필라멘트(72)중 어느 한쪽만에 Nb가 도포되어 있어도 상관없다.
이와 같은 구조로 함으로써, 스페이서 및 필라멘트 자신의 이탈을 막을 수 있고, 절연 불량을 보다 한층 일어나기 어렵게 하고, 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위내에서 여러 가지 변형하여 실시하는 것이 가능하다. 예를들어, 본 발명에서는 이온화시키는 가스, 증기는 BF3및 GeF4에 한정하는 것은 아니다. 또한, 필라멘트는 텅스텐에 한정하는 것은 아니다.
또한, 본 발명은 특히 필라멘트를 사용하는 플리만 이온원 또는 바나스 이온원에 적용한 경우에 그 효과가 크지만, 필라멘트를 사용하는 이온원에 한정하는 것은 아니다. 이온화시키는 방식을 갖는 모든 장치에 대해서 적용할 수 있다.
상기 실시예에서는 이온원(이온 발생 장치)에 대해서 설명하였지만, 본 발명은 상기 이온 발생 장치외에 이온 조사 장치에 적용하는 것이 가능하다. 예를들면, 상기와 같이 발생시켜 이온을 사용하여 막 형성, 에칭 프로세스를 행할 수 있다.
더욱이, 반도체 장치의 제조 방법 및 장치에 적용하는 것도 가능하다. 예를들면, 반도체 기판에 B나 P 등의 불순물을 첨가하여 MOS형 전계 효과 트랜지스터의 소오스, 드레인 등의 불순물 확산층을 형성할 수 있다. 또한, Ge 이온을 실리콘 기판에 이온 주입하여 확산층에 대한 접촉 저항을 저감하거나 SIO(Silicon On Insulator) 기판에 형성된 n형의 반도체의 MOS형 전계 효과 트랜지스터에 있어서, 밴드 갭이 작은 반도체 층을 소오스로 형성하고, 소오스 단부에 오올이 축적하는 것에 의한 트랜지스터 특성의 열화를 불순물의 혼입을 방지하면서 용이하게 억제할 수 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 용기의 내벽면에 이온화에 의해 생성된 이온이나 라디칼에 의한 화학적 에칭에 대해서 내성을 갖는 금속이 코딩되어 있기 때문에, 장기간 안정한 이온 주입 작업이 가능하게 된다.
또한, 용기와 그 용기의 내벽에 코딩된 금속과의 사이에 장벽 금속을 설치하거나, 코딩되어 있는 금속의 표면상에 상기 금속의 질화물을 코팅하거나 함으로써 보다 한층 장시간 안정한 이온 주입 작업이 가능하게 된다.

Claims (20)

  1. 내부에는 플라즈마가 생성되는 용기(51,61)와; 상기 용기에 설치되어 있고, 상기 플라즈마에 의해 이온화하는 가스를 도입하는 제1의 개구부(52); 및 상기 이온화에 의해 생성된 이온을 도출하는 제2의 개구부(53)을 구비하고 있는 이온 발생 장치에 있어서, 상기 용기(51,61)의 내벽면이 상기 이온화에 의해 생성되는 이온 및 라디칼에 의한 화학적 에칭에 대해서 내서을 갖는 금속(60,62)으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 이온 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가스는 할로겐을 포함하는 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이온 발생 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 가스는 GeF4, SiF4, BF3, PF3, 및 AsF3중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이온 발생 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 용기에 설치되어 열전자를 방출함으로써 상기 플라즈마를 생성하는 필라멘트(57)를 더 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 이온 발생 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 필라멘트(57)상에는 상기 금속(60,62)과 같은 것이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 이온 발생 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 필라멘트(57)를 지지하는 지지 절연체(55)를 더 구비하고 있으며, 상기 지지 절연체(55)는 상기 플라즈마의 생성 영역으로부터 격리하여 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 이온 발생 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 지지 절연체(55)와 상기 필라멘트(57)과의 사이에는 스페이서(58)이 설치되고, 상기 필라멘트(57) 또는 상기 용기(51,61)의 내벽 또는 그 양쪽과, 상기 스페이서(58)과의 사이에 형성된 간격에 의해, 상기 지지 절연체(55)가 상기 플라즈마의 생성 영역으로부터 격리하여 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 이온 발생 장치.
  8. 제2항에 있어서, 상기 금속(60,62)은 그의 할로겐과의 화합물의 증기압이 상기 필라멘트(57)의 재료의 할로겐과의 화합물의 증기압보다도 낮은 것을 특징으로 하는 이온 발생 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 금속(60,62)의 융점은 상기 용기(51,61)내가 도달하는 온도보다도 고온인 것을 특징으로 하는 이온 발생 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 금속(60,62)은 V, Nb, Ta, Cr, Ti, Zr, Hf, Pt 중 적어도 하나를 주성분으로 하고 있는 것을 특징으로 하는 이온 발생 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 용기(51,61)는 Mo를 포함하고, 상기 가스는 F를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 이온 발생 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 금속(60,62)은 불소와의 화합물의 증기압이 MoF6보다도 낮은 금속인 것을 특징으로 하는 이온 발생 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 금속(60,62)은 상기 용기의 내벽면에 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 이온 발생 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 금속(60,62)은 V, Nb, Ta중 적어도 하나를 주성분으로 하고 있는 것을 특징으로 하는 이온 발생 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 용기(51,61)와 상기 금속(60,62)과의 사이에, 상기 용기(51,61)를 구성하는 재료가 그의 금속(60,62) 표면상으로 스며나오는 것을 막는 장벽 금속(64)이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 이온 발생 장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 금속(60,62)의 표면상에는 상기 금속(60,62)의 질화물(63)이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 이온 발생 장치.
  17. 제1항에 있어서, 상기 이온 발생 장치는 플리만형 이온 발생 장치인 것을 특징으로 하는 이온 발생 장치.
  18. 제1항에 있어서, 상기 이온 발생 장치는 바나스형 이온 발생 장치인 것을 특징으로 하는 이온 발생 장치.
  19. 내부에서 플라즈마가 생성되는 용기(51,61)와, 상기 용기(51,61)에 설치되어 상기 플라즈마에 의해 이온화하는 가스를 도입하는 제1의 개구부(51), 및 상기 이온화에 의해 생성된 이온을 도출하는 제2의 개구부(53)를 구비하고 있는 이온 발생부; 및 상기 이온 발생부의 밖에 설치되어 상기 제2의 개구부(53)으로부터 도출되는 이온이 조사되도록 시료가 내부에 설치된 시료실을 구비하고 있는 이온 조사 장치에 있어서, 상기 용기(51,61)의 내벽면에 상기 이온화에 의해 생성된 이온 및 라디칼에 의한 화학적 에칭에 대해서 내성을 갖는 금속(60,62)가 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 이온 조사 장치.
  20. 제1의 용기(51,61)내로 가스를 도입하는 공정과; 상기 제1의 용기(51,61)내에 플라즈마를 생성함으로써 상기 가스를 이온화하는 공정과; 상기 이온화에 의해 생성된 이온을 상기 제1의 용기(51,61)밖으로 도출하는 공정; 및 상기 제1의 용기(51,61)밖으로 도출한 이온을 상기 제1의 용기(51,61)과는 다른 제2의 용기에 설치된 시료에 조사하는 공정을 구비하고 있는 반도체 장치의 제조 방법에 있어서, 상기 제1의 용기(51,61)의 내벽의 재료로서, 상기 이온화에 의해 생성되는 이온 및 라디칼에 의한 화학적 에칭에 대하여 내성을 갖는 금속(60,62)이 사용되고 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
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