TWI483280B

TWI483280B - Ion generation method and ion source

Info

Publication number: TWI483280B
Application number: TW102129471A
Authority: TW
Inventors: Masateru Sato
Original assignee: Sen Corp
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2013-08-16
Publication date: 2015-05-01
Also published as: US9208983B2; JP5925084B2; CN103681183A; US20140062286A1; KR102005119B1; CN103681183B; KR20140030052A; TW201411679A; JP2014044886A

Description

離子生成方法及離子源

本發明係有關一種離子生成方法以及離子源。

在半導體製造製程中，以改變導電性為目的、改變半導體晶圓的結晶結構為目的等，對半導體晶圓植入離子之製程正在被規範地實施。於該製程中使用之裝置通常被稱作離子植入裝置。

作為該種離子植入裝置中的離子源，已知有直流放電型離子源。直流放電型離子源藉由直流電流加熱燈絲而產生熱電子，陰極藉由該熱電子而被加熱。並且，從被加熱之陰極產生之熱電子在電弧腔室內被加速，且與被導入之來源氣體分子碰撞，藉此來源氣體分子中含有之原子被離子化(參閱專利文獻1)。

(先前技術文獻) (專利文獻)

專利文獻1：日本專利第3516262號公報

然而，作為被導入電弧腔室內之來源氣體分子，多使用氟化物或氯化物等鹵化物。鹵化物的來源氣體分子在離子化過程中產生鹵自由基，該鹵自由基作用於構成離子源之組件，例如電弧腔室內壁的金屬材料並進行化學結合。並且，進行化學結合之金屬材料與來源氣體分子一同被離子化，並作為離子束從離子源被引出。

其結果，電弧腔室內壁的金屬材料作為離子而被植入到半導體晶圓中，存在晶圓被金屬等雜質離子污染之憂慮。尤其，在直流放電型離子源的情況下，電弧腔室內成為高溫，因此有時在電弧腔室內壁中使用鉬(Mo)、鎢(W)、鉭(Ta)等高熔點金屬，然而，為了提高半導體元件的性能，希望盡可能降低緣於該些高熔點金屬之污染。

本發明係鑒於該種情況而完成者，其目的為提供一種抑制自由基對構成離子源之部份，尤其對電弧腔室的作用之技術。

為了解決上述課題，本發明的一種態樣的離子生成方法為使用具備由高熔點材料構成之電弧腔室之直流放電型離子源之離子生成方法，其包括：離子產生製程，該製程使來源氣體分子與熱電子在電弧腔室內碰撞而引起電漿放電，從而產生離子；反應製程，該製程使得在離子產生製程中產生之自由基與配置成覆蓋電弧腔室內壁的至少一部份之襯墊進行反應。襯墊由比電弧腔室更容易與來源氣體分解時所產生之自由基反應之材料構成。

本發明的另一態樣為離子源。該離子源具備：由高熔點材料構成之電弧腔室；向電弧腔室內放出熱電子之熱電子放出部；向電弧腔室內導入來源氣體之氣體導入口；覆蓋電弧腔室內壁的至少一部份之襯墊；以及引出在電弧腔室內產生之離子的開口部。襯墊由比電弧腔室更容易與來源氣體分解時產生之自由基反應之材料構成。

另外，即使將以上構成要件的任意組合、本發明的構成要件或表現，在方法、裝置、系統等之間彼此置換，作為本發明的態樣亦有效。

依本發明，能夠保護構成離子源之電弧腔室不受自由基的影響。

10‧‧‧離子源

12‧‧‧電弧腔室

12a‧‧‧襯墊被覆區域

12b‧‧‧露出區域

14‧‧‧熱電子放出部

16‧‧‧襯墊

18‧‧‧反射極

20‧‧‧抑制電極

22‧‧‧接地電極

24‧‧‧氣體導入口

26‧‧‧前狹縫

28‧‧‧燈絲

30‧‧‧陰極

32‧‧‧反射板

34‧‧‧燈絲電源

36‧‧‧陰極電源

38‧‧‧電弧電源

40‧‧‧熱電子

42‧‧‧電漿

82‧‧‧返流電子

84‧‧‧返流照射部

第1圖係表示第1實施形態之於離子源的電弧腔室內部之示意圖。

第2圖係表示第1圖所示之離子源的A-A剖面之示意圖。

第3圖係表示第2實施形態之離子源的電弧腔室內部之示意圖。

第4圖係表示第3實施形態之離子源的電弧腔室內部之示意圖。

第5圖係表示第4實施形態之離子源的電弧腔室內部之示意圖。

第6圖係表示第5實施形態之離子源的電弧腔室內部之示意圖。

第7圖係表示第6圖所示之離子源的C-C剖面之示意圖。

以下，參閱附圖，對用於實施本發明的形態進行詳細說明。另外，對於附圖說明中的相同的要件附加相同的元件符號，適當地省略重複說明。並且，以下敘述之結構為示例，絲毫不限定本發明的範圍。

(第1實施形態)

第1圖係表示第1實施形態之離子源的電弧腔室內部之示意圖。第2圖係表示第1圖所示之離子源的A-A剖面之示意圖。

第1實施形態之離子源10為直流放電型離子源，其具備電弧腔室12、熱電子放出部14、襯墊16、反射極18、抑制電極20、接地電極22以及各種電源。

電弧腔室12中形成有導入來源氣體之氣體導入口24、和作為開口部而引出離子束之前狹縫26。

熱電子放出部14係向電弧腔室內放出熱電子者，且具有燈絲28和陰極30。反射極18設置在與熱電子放出部14對置之位置上，且具有反射板32。陰極30和反射板32對置且大致平行地設置。襯墊16設置成覆蓋電弧腔室12的內壁。

燈絲28被燈絲電源34加熱且在前端產生熱電子。由燈絲28產生之(1次)熱電子被陰極電源36加速並與陰極30碰撞，以進行該碰撞時產生之熱量加熱陰極30。被加熱之陰極30產生(2次)熱電子40，該(2次)熱電子40藉由電弧電源38在陰極30與電弧腔室12之間施加之電弧電壓而被加速，且作為具有充份的能量使氣體分子電離之電子束而向電弧腔室12內被放出。

另一方面，離子源10在連接陰極30和反射極18的軸向上被施加由源磁場線圈引起之外部磁場B。並且，與放出電子束之陰極30對置設置有反射極18，因此電子束沿磁場B在陰極30與反射極18之間往復移動，與導入電弧腔室12中之來源氣體分子碰撞電離並產生離子，在電弧腔室12內生成電漿42。電子束藉由施加磁場而存在於幾乎被局限之範圍內，因此離子主要在該範圍內生成，藉由擴散而到達電弧腔室12內壁、前狹縫26、陰極30以及反射極18，在壁面消失。

本實施形態之離子源10為放出(2次)熱電子40之直流放電型離子源，電弧腔室12內部的溫度變得非常高。因此電弧腔室12由高熔點材料構成，具體而言，由鎢(W)、鉬(Mo)、鉭(Ta)等高熔點金屬或它們的合金、石墨(C)等構成。從而，如直流放電型離子源那樣，即使在電弧腔室內部的溫度變得比較高之環境下，亦能夠使電弧腔室不易融化。

作為來源氣體，使用Ar等稀有氣體或H₂ 、PH₃ 、AsH₃ 等氫化物、BF₃ 、GeF₄ 等氟化物或InCl₃ 等氯化物(鹵化物)、CO₂ 、CO等氧化物。該些來源氣體被導入電弧腔室12中，藉由(2次)熱電子40被離子化，若被激勵之離子入射於電弧腔室12內壁、前狹縫26、陰極30、反射極18而進行碰撞，則使各部份的構成材料(W、Ta、Mo、石墨等)藉由濺射而磨耗。並且，當來源氣體為氟化物之情況下，例如為BF₃ 之情況下，藉由離子化而生成B⁺ 、BF⁺ 、BF²⁺ 、F⁺ 、F²⁺ ，若該些離子在電弧腔室12內部的壁面被中性化，則生成F、F₂ 等高反應性氟自由基(通常在半導體製程的Si或SiO₂ 膜的蝕刻中使用)。

氟自由基與構成離子源10的組件之材料化學結合，成為WF_x 、TaF_x 、MoF_x 、CF_x 等氟化物。該些氟化物在較低溫度下被氣化，因此在電弧腔室內與導入來源氣體一同被離子化，且作為W⁺ 、Ta⁺ 、Mo⁺ 等離子束而與導入來源氣體之主離子束一同被引出。

另一方面，近來在離子植入時，為了提高半導體元件的性能，對降低由如高熔點金屬之類的重金屬離子(W⁺ 、Ta⁺ 、Mo⁺ 等)引起之金屬污染(材料污染)提出嚴格的要求。然而，如同前述，離子來源氣體中所含有之氟與構成離子源之電弧腔室12等高熔點材料進行化學結合而氣化，並作為污染離子從電弧腔室12引出不為佳。

並且，作為離子束而被引出之該些重金屬離子，在射束線內堆積，並且其一部份到達離子植入部而引起植入晶圓的重金屬污染，降低半導體元件的成品率。另外，氟自由基使高溫離子源的構成物(陰極、反射極、前狹縫、電弧腔室等)在短時間內被蝕耗，並且堆積在局部高溫構件上，引起絕緣不良等不良情況。因此，需要頻繁地更換各組件，縮短離子源或具備離子源之離子植入裝置的維修週期，且降低其生產效率。

於是，經過本發明人深入研究之結果而想出以下技術。亦即，有效地降低來自在高溫離子源內產生之源物質的氟化物或氯化物等鹵化物的高反應性自由基，以免其與由構成離子源之高熔點金屬組成之電弧腔室12化學結合，藉此想出能夠抑制來自離子束中所含有之離子源10的構成構件之重金屬離子這一點。並且，藉由該技術，以電弧腔室12為代表之構成離子源10之組件的損耗得到抑制，亦能夠實現延長離子源10的壽命。

考慮該種見解，本實施形態之離子生成方法為，使用具備由高熔點材料構成之電弧腔室12之直流放電型離子源10之離子生成方法。該離子生成方法包括：離子產生製程，該製程使來源氣體分子與熱電子40在電弧腔室12內碰撞而引起電漿放電，從而產生離子；以及反應製程，該製程使得在離子產生製程中產生之自由基與配置成覆蓋電弧腔室12的內壁的至少一部份之襯墊16進行反應。襯墊16由比電弧腔室12更容易與來源氣體分解時所產生之自由基反應之材料構成。

藉此，在離子源10中，藉由自由基與襯墊16的反應，電弧腔室12內的自由基減少，自由基對於構成除襯墊16以外的離子源之部份，例如電弧腔室12、反射極18、前狹縫26以及陰極30的作用減少。因此，例如對於電弧腔室12的作用得到抑制，從而能夠減少電弧腔室12中所含有之高熔點材料作為離子而從前狹縫26被引出之現象。

本實施形態之來源氣體為鹵化物或氧化物氣體。具體而言，來源氣體為選自BF₃ 、GeF₄ 、PF₃ 、InCl₃ 、InI、InBr、CO₂ 以及CO中的至少一種氣體。該些氣體即使在高溫下亦能夠維持氣體狀態，因此適合作為直流放電型離子源中的來源氣體。

若該些來源氣體中的鹵化物，例如BF₃ 、GeF₄ 等氟化物被導入離子源10的電弧腔室12中，則如同前述，在電弧腔室12內被等離子化以獲得所希望之摻雜離子，生成各種離子。例如，在BF₃ 的情況下，所產生之離子為B⁺ 、BF⁺ 、BF²⁺ 、F⁺ 、F²⁺ ，該些離子的一部份從前狹縫26的開口部被引出且被質量分離，只有B⁺ 或BF²⁺ 被植入到半導體元件中。然而，大部份離子流入電弧腔室12或陰極30以及反射極18的表面而被中性化。

在該些離子中，F⁺ 、F²⁺ 被中性化，成為F或F₂ 的氟自由基。尤其是高反應性氟自由基吸附於電弧腔室12的內壁，與壁面構件(W、Mo、Ta以及C等)化學結合，生成WF_x 、MoF_x 、TaF_x 、CF_x 等。該些氟化物在幾百度以下的較低溫度下進行氣化，因此在進行離子源10產生離子之運行時，從達到600℃以上(或者1000℃以上，或者1500℃以上)之電弧腔室12內的壁面開始氣化而蝕耗電弧腔室12的內壁。

已氣化之氟化物引起所謂鹵素循環，亦即進而在高溫的陰極30的周邊或反射極18的表面進行熱分解，F進行離解，W、Mo、Ta以及C等進行堆積。若在電弧腔室12內引起緣於氟自由基之蝕耗或堆積，則如同前述，因構件形狀的改變，或因初期間隙的降低等而引起絕緣不良或射束性能下降。

於是，本實施形態中，為了有效地去除該種自由基，作為襯墊16的材料，使用熔點比W、Mo、Ta以及C等高熔點材料低的矽(Si)。在半導體工藝中的結晶Si或聚Si的蝕刻中，經常使用CF₄ 的電漿，與高熔點金屬或碳(C)相比，Si相對於CF₄ 電漿中的氟自由基或CF₂ 自由基的選擇性非常高。

此時的反應可表示成Si(固體)+4F→SiF₄ (氣體)。

亦即，由Si構成之襯墊16發揮比高熔點材料更容易被蝕刻之犧牲材料的功能。並且襯墊16的Si作為SiF₄ 氣體而排出，有效地進行Si的蝕刻。相反，若將Si設置在產生氟自由基之部位，則亦能夠有效地去除氟自由基。另外，自由基為氧自由基之情況下亦相同。並且，排出氣體中亦可以含有SiF₃ 、SiO、SiO₂ 等矽化合物氣體。

如此，本實施形態之離子形成方法還包括排氣製程，該製程中將在前述反應製程中生成之自由基和作為襯墊材料之Si的化合物氣體(SiF₄ )從離子源10排出。從而，能夠將自由基作為化合物氣體而向電弧腔室12的外部有效地排出。

在反應製程中使用之襯墊16，除了前述Si以外，亦可以為含鍺(Ge)或碳化矽(SiC)之材料。另外，Si的純度為99.999%以上為較佳。

另外，Si亦可以為單晶矽。由於單晶矽藉由例如自由基而被蝕刻之速度快，因此能夠使自由基更有效地變為化合物氣體。並且，單晶矽亦可以配置成與在電弧腔室內產生之電漿對置之面成為(100)面。由於單晶矽的(100)面藉由自由基而被蝕刻之速度快，因此能夠使自由基更有效地變為化合物氣體。

並且，矽亦可以為多晶矽或非晶矽。與單晶矽相比，多晶矽或非晶矽被蝕刻之速度慢，因此能夠延長襯墊的壽命。

並且，若以其他態樣表現本實施形態，則離子源10具備：由高熔點材料構成之電弧腔室12；向電弧腔室12的內部放出熱電子之熱電子放出部14；將來源氣體導入電弧腔室12內之氣體導入口24；覆蓋電弧腔室12的內壁的至少一部份之襯墊16；以及引出在電弧腔室12內產生之離子之前狹縫26。襯墊16由比電弧腔室12更容易與來源氣體分解時所產生之自由基反應之材料構成。

並且，襯墊16的至少一部份與電弧腔室12接觸。藉此，經由電弧腔室能夠將襯墊的熱量向外部放出。

另外，亦可以不設置與電弧腔室12不同構件之襯墊16，而將Si或Ge等材料塗佈於電弧腔室12或離子源10的其他構成組件的內壁側表面。此時，其材料可適當地選自單晶、多晶以及非晶中的任一種。

(第2實施形態)

第3圖係表示第2實施形態之離子源的電弧腔室內部之示意圖。第2實施形態之離子源50的襯墊形狀與第1實施形態之離子源10不同。

在離子源50中，電弧腔室12具有在熱電子放出部14附近被襯墊52覆蓋之襯墊被覆區域12a、和未被襯墊52覆蓋之露出區域12b。由於熱電子放出部14附近容易產生自由基，因此藉由在熱電子放出部14附近配置襯墊52，能夠有效地去除自由基。另一方面，藉由設置未被襯墊覆蓋之露出區域12b，能夠減少襯墊52的量，並抑制襯墊52的材料產生過多的離子束。

(第3實施形態)

第4圖係表示第3實施形態之離子源的電弧腔室內部之示意圖。第3實施形態之離子源60的襯墊形狀與第1實施形態之離子源10不同。

在離子源60中，電弧腔室12具有在與熱電子放出部14對置之反射極18附近被襯墊62覆蓋之襯墊被覆區域12a、和未被襯墊62覆蓋之露出區域12b。由於反射極18附近容易產生自由基，因此，藉由將襯墊62配置於反射極18的附近，能夠有效地去除自由基。另一方面，藉由設置未被襯墊62覆蓋之露出區域12b，能夠減少襯墊62的量並抑制襯墊62的材料產生過多的離子束。

(第4實施形態)

第5圖係表示第4實施形態之離子源的電弧腔室內部之示意圖。在離子源70中，電弧腔室12具有在前狹縫26的周邊部未被襯墊覆蓋之露出區域12b。襯墊72藉由自由基被蝕刻而減少。因此若設置襯墊直到前狹縫26的邊緣，則開口部附近的形態經時間而發生變化，存在從前狹縫26被引出之離子束的形狀變得不穩定的憂慮。因此，藉由不以襯墊72覆蓋前狹縫26的周邊部，能夠使離子束的形狀穩定。

如此，關於離子束的引出性能由向前狹縫26擴散開來之電漿通過平行於磁場之狹縫而進行，但被引出之束電流量或束發散量很大程度上被前狹縫部的磨損或源物質的堆積而引起之開口形狀的變化所左右，甚至導致離子植入部的植入束電流的下降，且使離子植入裝置的生產效率下降。

藉此，藉由設成本實施形態之襯墊的形狀，基於氟自由基之前狹縫26附近的蝕耗或源物質的堆積減少，且能夠抑制開口形狀的變化，因此對於射束形狀的影響減少，且能夠維持離子植入裝置的穩定的運行。

(第5實施形態)

第6圖係表示第5實施形態之離子源的電弧腔室內部之示意圖。第7圖係表示第6圖所示之離子源的C-C剖面的示意圖。

在離子源80中，電弧腔室12具有在與前狹縫26對置之電弧腔室內壁未被襯墊覆蓋之露出區域12b。在與前狹縫26對置之電弧腔室內壁上，當引出離子束之時，高能量的返流電子82從前狹縫26浸入於電弧腔室12內，且與對置於前狹縫26之電弧腔室內壁發生碰撞。因此，第6圖所示之返流照射部84成為高溫，藉此存在襯墊86融化之可能性。藉此，藉由不以襯墊86覆蓋與前狹縫26對置之電弧腔室內壁，能夠防止襯墊86溶出。

如同上述，尤其在高溫下運行之離子源中，在將氟化物用作來源氣體之情況下，若將例如Si襯墊配置於電弧腔室內，則氟自由基作為氣體之SiF₄ 或SiF₂ 而有效地排出，且能夠抑制高熔點金屬或碳等的蝕耗或堆積。從而，源極壽命得到明顯的改善。

並且，藉由用Si襯墊覆蓋電弧腔室內壁，重金屬或碳的氟化物變少，藉此被引出之射束中的重金屬離子亦顯著減少，亦可以減少重金屬污染。

另外，通常的離子源配置有絕緣體(絕緣子)以對引出電極施加電壓，若重金屬離子或碳離子被引出，則該些離子附著於該絕緣體表面，產生絕緣不良。另一方面，如上述實施形態，在Si襯墊的情況下，被離子化之Si⁺ 亦從所產生之SiF₄ 氣體引出，由於Si為絕緣體，因此即使堆積亦不會產生絕緣不良。從而，引出電極或離子源周邊的絕緣特性得到改善，且能夠實現射束引出的穩定化。

以上，參閱上述各實施形態說明了本發明，但是本發明並不限定於上述各實施形態，適當地組合或置換各實施形態的結構亦包含於本發明中。並且，依本領域技術人員的知識能夠適當地改組各實施形態的組合或處理順序，或對各實施形態追加各種設計變更等變形之實施形態亦包含於本發明的範圍。

上述襯墊具有在所要求之離子源的壽命期間不會因蝕耗而貫穿之足夠的厚度(例如1mm以上)即可。並且，在襯墊為單晶Si板之情況下，為了保持高溫運行時的強度，沿裂紋切出即可。並且，襯墊接觸電漿之面為鏡面為較佳。並且，為了降低襯墊的成本，亦可以為從晶塊直接切出之Si基板。並且襯墊亦可係重疊複數個薄Si基板而成者。

並且，熱電子放出部14亦可以為藉由從燈絲產生之 (1次)熱電子而直接離子化之電子碰撞型離子源，或者使得產生於燈絲之(1次)熱電子與陰極罩碰撞，且從陰極罩產生(2次)熱電子40之傍熱式電子碰撞型離子源。

並且，亦可以將氣體導入口24或前狹縫26附近的襯墊設為石墨，除此之外的襯墊設為Si。

並且，於襯墊為Si單晶之情況下，亦可以沿裂紋切出。藉此能夠確保高溫運行時的強度。

並且，襯墊的表面粗糙度提高與氟自由基等的反應性，因此，尤其亦可將接觸電漿之區域的粗糙度變粗以加大表面積。

另外，上述離子源亦可以使將襯墊作為源極之Si束發揮產生裝置的作用。並且亦可以藉由RF天線等其他機構產生電漿。