JP6238689B2 - イオン生成装置およびイオン生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、イオン生成装置およびイオン生成方法に関する。

半導体製造工程では、導電性を変化させる目的、半導体ウエハの結晶構造を変化させる目的などのため、半導体ウエハにイオンを注入する工程が標準的に実施されている。この工程で使用される装置は、一般にイオン注入装置と呼ばれる。

このようなイオン注入装置におけるイオン源として、直流放電型のイオン源が知られている。直流放電型のイオン源は、直流電流によってフィラメントを加熱して熱電子を発生させ、その熱電子によってカソードが加熱される。そして、加熱されたカソードから発生した熱電子がアークチャンバ内で加速され、導入されているソースガス分子と衝突することで、ソースガス分子に含まれている原子がイオン化される（特許文献１参照）。

特許第３５１６２６２号公報

アークチャンバ内に導入されるソースガス分子には、フッ化物や塩化物等のハロゲン化物が用いられることが多い。ハロゲン化物のソースガス分子は、イオン化の過程でハロゲンラジカルを発生させ、このハロゲンラジカルがイオン源を構成する部品、例えばアークチャンバ内壁の金属材料に作用し、化学結合する。そして、化学結合した金属材料は、ソースガス分子とともにイオン化され、イオンビームとしてイオン源から引き出される。

その結果、アークチャンバ内壁の金属材料がイオンとして半導体ウエハに注入され、ウエハが金属等の不純物イオンで汚染される懸念がある。特に、直流放電型のイオン源の場合、アークチャンバ内が高温となるため、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）等の高融点金属をアークチャンバ内壁に用いる場合があるが、このような高融点金属による汚染は、半導体素子の性能向上のためにも極力低減することが望まれている。

そこで、アークチャンバの壁材として、前述の高融点金属ではなくカーボンを用いた構成が考案されている。しかしながら、イオン化の過程で生じるハロゲン化物由来の反応性の高いラジカルは、カーボンを容易に損耗する。また、損耗により飛散したカーボンがチャンバー内の高温部に堆積し、導電性膜となると、絶縁不良を招くことにもなる。そのため、イオン源の寿命が著しく短くなり、生産性が低下する。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、イオン注入における重金属イオンの汚染を低減し、生産性の高いイオン生成の技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のイオン生成装置は、少なくとも一部がカーボンを含む材料で構成されたアークチャンバと、アークチャンバ内に熱電子を放出する熱電子放出部と、アークチャンバ内にソースガスおよびコガスを導入するガス導入部と、を備える。アークチャンバに導入されるソースガスは、ハロゲン化物ガスが含まれており、アークチャンバに導入されるコガスは、炭素原子および水素原子を有する化合物が含まれている。

本発明の別の態様は、イオン生成方法である。この方法は、少なくとも一部がカーボンを含む材料で構成されたアークチャンバ内にソースガスおよびコガスを導入する導入工程と、アークチャンバ内に熱電子を放出する放出工程と、ソースガスと熱電子との衝突でプラズマを生成する生成工程と、プラズマからイオンを外部へ引き出す引き出し工程と、を備える。アークチャンバに導入されるソースガスは、ハロゲン化物ガスが含まれており、アークチャンバに導入されるコガスは、炭素原子および水素原子を有する化合物が含まれている。

なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、イオン注入における重金属イオンの汚染を低減し、生産性の高いイオン生成の技術を提供できる。

本実施の形態に係るイオン源のアークチャンバ内およびガスボックスを示す模式図である。 図１に示すイオン源のＡ−Ａ断面を示す模式図である。 カーボンソース内で生じる損耗、堆積反応を説明するための模式図である。 メタン単体をアークチャンバに導入しイオン化した場合のビームスペクトルを示す図である。 アークチャンバーをグラファイト（カーボン）で構成したイオン生成装置においてＢＦ_３ガスを導入しイオン化した場合のビームスペクトルを示す図である。 アークチャンバーをグラファイト（カーボン）で構成したイオン生成装置においてＢＦ_３ガスに加えてメタンガスを導入しイオン化した場合のビームスペクトルを示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

図１は、本実施の形態に係るイオン源のアークチャンバ内およびガスボックスを示す模式図である。図２は、図１に示すイオン源のＡ−Ａ断面を示す模式図である。

本実施の形態に係るイオン生成装置１０は、直流放電型のイオン源であり、アークチャンバ１２と、熱電子放出部１４と、リペラー１８と、サプレッション電極２０と、グランド電極２２と、各種電源とを備える。

アークチャンバ１２は、ソースガスを導入するガス導入口２４と、イオンビームが引き出される開口部としてのフロントスリット２６とが形成されている。

熱電子放出部１４は、アークチャンバ内に熱電子を放出するものであり、フィラメント２８とカソード３０とを有する。リペラー１８は、熱電子放出部１４と対向する位置に設けられており、リペラープレート３２を有する。カソード３０とリペラープレート３２は、対向してほぼ平行に設けられている。

フィラメント２８は、フィラメント電源３４で加熱され、先端に熱電子を発生させる。フィラメント２８で発生した（１次）熱電子は、カソード電源３６で加速され、カソード３０に衝突し、その衝突時に発生する熱でカソード３０を加熱する。加熱されたカソード３０は（２次）熱電子４０を発生し、この（２次）熱電子４０が、アーク電源３８によってカソード３０とアークチャンバ１２との間に印加されたアーク電圧によって加速され、ガス分子を電離するに十分なエネルギーを持ったビーム電子としてアークチャンバ１２中に放出される。

一方、イオン生成装置１０は、カソード３０とリペラー１８を結ぶ軸方向にソース磁場コイルにより誘起される外部磁場Ｂが印加されている。また、ビーム電子を放出するカソード３０と対向させてリペラー１８が設けられているため、ビーム電子は磁場Ｂに沿ってカソード３０とリペラー１８との間を往復移動し、アークチャンバ１２に導入されたソースガス分子と衝突電離しイオンを発生させ、アークチャンバ１２にプラズマ４２を生成する。ビーム電子は、印加磁場によってほぼ限定された範囲に存在するのでイオンはその範囲で主に生成され、拡散によりアークチャンバ１２内壁、フロントスリット２６、カソード３０、リペラー１８に到達し、壁面で失われる。

本実施の形態に係るイオン生成装置１０は、（２次）熱電子４０を放出する直流放電型のイオン源であり、アークチャンバ１２の内部は非常に高温になる。そのため、アークチャンバ１２は、高融点材料、具体的には、Ｗ，Ｍｏ，Ｔａなどの高融点金属やそれらの合金、グラファイト（Ｃ）等で構成されている。これにより、直流放電型イオン源のように、アークチャンバ内が比較的高温となる環境下でも、アークチャンバを溶けにくくできる。

ソースガスには、希ガスや、水素（Ｈ_２），ホスフィン（ＰＨ_３），アルシン（ＡｓＨ_３）等の水素化物、三フッ化ホウ素（ＢＦ_３），四フッ化ゲルマニウム（ＧｅＦ_４）等のフッ化物、三塩化インジウム（ＩｎＣｌ_３）等の塩化物、等のハロゲン化物が用いられる。これらのソースガスは、アークチャンバ１２に導入され、（２次）熱電子４０によりイオン化されるが、励起されたイオンは、アークチャンバ１２の内壁、フロントスリット２６、カソード３０、リペラー１８に入射して衝突すると、各部の構成素材（Ｗ，Ｔａ，Ｍｏ，グラファイト等）を、スパッタや化学的エッチングにより摩滅させる。また、ソースガスがフッ化物の場合、例えば、ＢＦ_３の場合、イオン化によりＢ^＋，ＢＦ^＋，ＢＦ_２ ^＋，Ｆ^＋，Ｆ_２ ^＋が生成され、これらのイオンがアークチャンバ１２の内部の壁面で中性化されると、Ｆ，Ｆ_２等の反応性の高いフッ素ラジカルが生成される。

フッ素ラジカルは、イオン生成装置１０を構成する部品の材料と化学結合し、ＷＦ_ｘ，ＴａＦ_ｘ，ＭｏＦ_ｘ，ＣＦ_ｘなどのフッ化物となる。これらフッ化物は、比較的低温でガス化するためアークチャンバー内で導入ソースガスとともにイオン化され、Ｗ^＋，Ｔａ^＋，Ｍｏ^＋などのイオンビームとして導入ソースガスの主イオンビームとともに引き出されてしまう。

一方、昨今のイオン注入では半導体素子の性能向上のため、高融点金属のような重金属イオン（Ｗ^＋，Ｔａ^＋，Ｍｏ^＋など）による金属汚染（メタルコンタミ）の低減が厳しく要求されている。しかしながら、前述のように、イオンソースガスに含まれるフッ素と、イオン源を構成するアークチャンバ１２などの高融点材料とが化学結合してガス化し、不必要な不純物イオンとしてアークチャンバ１２から引き出されることは好ましくない。

また、イオンビームとして引き出されたこれらの重金属イオンは、ビームライン内に堆積するとともに、その一部はイオン注入部に到達して、注入ウエハの重金属汚染を引き起こし、半導体素子の歩留りを低下させる。さらに、フッ素ラジカルは高温のイオン源の構成物（カソード、リペラー、フロントスリット、アークチャンバ等）を短時間で蝕耗させるとともに、一部の高温部材に堆積し、絶縁不良等の不具合を引き起こす。そのため、各部品を頻繁に交換する必要があり、イオン源やイオン源を備えるイオン注入装置のメンテナンスサイクルを短くしその生産性を低下させることになる。

上述の現象をより詳述する。図３は、カーボンソース内で生じる損耗、堆積反応を説明するための模式図である。図３に示すように、特に反応性の高いフッ素ラジカルはアークチャンバー壁に吸着（付着）し、壁面部材（Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｃ等）と化学的に結合し、ＷＦｘ，ＭｏＦｘ，ＴａＦｘ，ＣＦｘなどが生じる。これらのフッ化物は、数百度以下の比較的低温で気化するため、運転時に１０００℃以上に達するソース壁面より気化（蒸発）してソース内壁を蝕耗する。その気化したフッ化物は、更に高温のカソード周辺やリペラーのソース内壁面で熱分解しフッ素が解離（脱離）し、Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｃ等が堆積してゆく。いわゆる、ハロゲンサイクルが起こる。

アークチャンバー内でフッ素ラジカルによる蝕耗や堆積が起こると、前述したように部材の形状変化や、初期隙間の低下等により絶縁不良やビーム性能の低下が起きてくる。特に、高温のグラファイト（カーボン）はフッ素と容易に反応してガス体のＣＦｘとなる。そして、ソースガスと混合してアークチャンバー内でイオン化され、多量のカーボンイオンを発生させる。そのカーボンイオンがビームとして多量に引き出され、ビーム引き出し効率を低下させる。これとともに引き出し電極のインシュレータ等の絶縁体表面に付着して短時間で絶縁不良を招き、インシュレータの交換等の頻繁なメンテナンスが必要になる。

そこで、本発明者が鋭意検討した結果、以下の技術に想到した。つまり、高温のイオンソース内で生じるソース物質のフッ化物や塩化物等のハロゲン化物由来の反応性の高いラジカルを、イオン源を構成する高融点金属やカーボン（グラファイト）からなるアークチャンバ１２と化学結合しないように、効率よく低減することで、重金属イオンの発生やカーボン部材の損耗を抑制できる点に想到した。また、この技術により、カーボン（グラファイト）が用いられたアークチャンバ１２をはじめとするイオン生成装置１０を構成する部品の損耗が抑えられ、イオン生成装置１０の長寿命化を図ることも可能となる。

具体的には、本実施の形態に係るイオン生成装置１０は、少なくとも一部がカーボンを含む材料で構成されたアークチャンバ１２と、アークチャンバ１２内に熱電子を放出する熱電子放出部１４と、アークチャンバ１２内にソースガスおよびコガスを導入するガス導入口２４と、を備える。アークチャンバ１２に導入されるソースガスは、ハロゲン化物ガスが含まれており、アークチャンバに導入されるコガスは、炭素原子および水素原子を有する化合物が含まれている。

また、ガス導入口２４には、ガスボックス１６が接続されている。ガスボックス１６は、ソースガスが充填されているソースガスボトル４４と、炭素原子および水素原子を有する化合物としての炭化水素コガスが充填されているコガスボトル４６と、希ガスが充填されている希ガスボトル４８と、を収容している。また、各ボトルからガス導入口２４へ向かう流路には、ガス流量を調整するガスコントローラー４４ａ，４６ａ，４８ａが設けられており、各ガスの混合比やガス濃度の調整が可能である。

そして、イオン生成装置１０のアークチャンバ１２においては、アークチャンバ１２内でソースガスがイオン化され、その一部がハロゲンラジカルとして生成される。しかしながら、ハロゲンラジカルは、コガスに含まれる水素原子と結合し水素化合物となることで、アークチャンバを構成する部材との反応が抑制され、部材の損耗が抑制される。

また、水素原子の供給源として水素ガスそのものを使う場合もあり得る。しかしながら、水素ガスは爆発限界が非常に広いため取扱いが難しく、設備も高価になりがちである。一方、炭化水素コガスは、水素ガスと比較して爆発限界が狭く、取扱いが比較的容易であり、アークチャンバ１２内に簡易に水素を供給できる。特に、炭化水素は、メタン（ＣＨ_４）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）およびブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）からなる群より選択された少なくとも一種のガスが好ましい。これにより、アークチャンバ内に比較的安全に水素を供給できる。特にＣＨ_４は爆発限界が５．３〜１４％と狭く、家庭用燃料としても使用されているため、取扱いが容易である。

ソースガスボトル４４に充填されるガスとしては、ハロゲン化物ガスが好適である。具体的には、ＢＦ_３、ＧｅＦ_４，ＰＦ_３等のフッ化物ガス、ＩｎＣｌ_３等の塩化物ガス、ＩｎＩ等のヨウ化物ガス、ＩｎＢｒ等の臭化物ガスが挙げられる。

なお、アークチャンバ１２は、フィラメント２８およびカソード３０を除く内壁の表面がカーボンで構成されていてもよい。これにより、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ等の高融点金属をアークチャンバ内壁に用いる場合と比較して、イオン注入における重金属イオンの汚染をより低減できる。

次に、炭化水素導入の効果について説明する。図４は、メタン単体をアークチャンバに導入しイオン化した場合のビームスペクトルを示す図である。

ＣＨ_４はイオン化エネルギーが低いため容易にイオン化されるため、図４に示すように、Ｈｘ＋のピークが非常に大きく、水素イオンが多量に存在することがわかる。一方、フッ素等のハロゲンは容易に水素と反応して常温で気体の水素化合物を生成するため、水素原子を多量に含む炭化水素をコガスとして導入すると、フッ化物等のイオン化時に生じる反応性の高いフッ素（ハロゲン）ラジカル等を水素と反応させて、水素化合物ガスとして効率的に排気することが可能となる。これにより、フッ素とアークチャンバーの構成物質（例えばカーボン）との反応は抑制され、ＣＦｘやＷＦｘ等のフッ化物の発生は少なくなる。

図５は、アークチャンバーをグラファイト（カーボン）で構成したイオン生成装置においてＢＦ_３ガスを導入しイオン化した場合のビームスペクトルを示す図である。図６は、アークチャンバーをグラファイト（カーボン）で構成したイオン生成装置においてＢＦ_３ガスに加えてメタンガスを導入しイオン化した場合のビームスペクトルを示す図である。

図５に示すように、Ｃ＋，Ｆ＋，ＣＦｘ＋のピークが大きく、アークチャンバーのカーボンがＦで損耗し、ＣＦｘガスとなりイオン化されていることが推測される。一方、図６に示すように、ＣＨ_４を流量１．６８ｓｃｃｍのコガスとして導入した場合、Ｃ＋のピークが１／３に低下し、ＨＦ＋のピークが増加しており、効率的にフッ素が除去されていることがわかる。また、図４に示したように、ＣＨ_４のイオン化時に生じるＣＨｘ＋（分子量が約１３〜１８）が図６ではほとんど見られないことから、ＣＨｘ＋に含まれていた水素がフッ素と反応していることがわかる。

このように、フッ化物や塩化物等のハロゲン化物をソースガスとして使用する場合に、常温でガス状の炭化水素（メタン、エタン、プロパン、ブタン等）をコガスとして同時にプラズマチャンバーに導入してプラズマ化することにより、炭化水素に多数個含まれる水素原子がハロゲンと容易に反応して、フッ化水素若しくは塩化水素等の水素化物（ハロゲン化水素）のガスとして排出される。したがって、アークチャンバ内のハロゲンを効率よく外部へ排出できる。

そのため、アークチャンバーを構成するグラファイトの損耗が非常に少なくなるとともに、フッ化炭素イオンや塩化炭素イオンが減少するため、高温部へのカーボンの堆積や絶縁物への導電性膜の付着が抑制され、イオン生成装置の長寿命化が図られる。また、炭化水素は一分子に多数の水素原子を含むため、水素原子の導入には水素より効率的でもある。

このように、ソースガスとともに水素を含むコガスを導入することで、アークチャンバ１２内のビーム引き出し部の損耗が少なくなり、形状も長期にわたって保たれるため、ビーム特性の悪化が抑制される。また、イオン化されるフッ化物ガスが減少するので、金属イオンやカーボンイオンの引き出しも減少し、メタルコンタミの低減や引き出し電極の長寿命化が図られる。

上述の内容をイオン生成方法として捉えると、この方法は、少なくとも一部がカーボンを含む材料で構成されたアークチャンバ内にソースガスおよびコガスを導入する導入工程と、アークチャンバ内に熱電子を放出する放出工程と、ソースガスと熱電子との衝突でプラズマを生成する生成工程と、プラズマからイオンを外部へ引き出す引き出し工程と、を備える。アークチャンバに導入されるソースガスは、ハロゲン化物ガスが含まれており、アークチャンバに導入されるコガスは、炭素原子および水素原子を有する化合物が含まれている。

これにより、アークチャンバ内でソースガスがイオン化され、その一部がハロゲンラジカルとして生成される。しかしながら、ハロゲンラジカルは、コガスに含まれる水素原子と結合し水素化合物となることで、アークチャンバを構成する部材との反応が抑制され、部材の損耗が抑制される。なお、アークチャンバ１２内において、プラズマを生成する際の温度は６００℃以上が好ましい。また、ガスボックス１６からソースガスおよびコガスに加えて希ガスを導入してもよい。希ガスは、アルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）、キセノン（Ｘｅ）等である。

以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

ガスボックス１６が備えるガスボトルは、必ずしも上述のように３つに分かれている必要はなく、ソースガスとコガスとが所定の濃度比で混合されているソースガスボトル４４と、希ガスボトル４８との２つを用いてもよい。また、希ガスとコガスとが所定の濃度比で混合されたコガスボトル４６と、ソースガスボトル４４との２つを用いてもよい。

また、熱電子放出部１４は、フィラメントから発生させた（１次）熱電子により直接イオン化させる電子衝突型イオンソースや、フィラメントから発生させた（１次）熱電子をカソードキャップに衝突させカソードキャップから（２次）熱電子４０を発生させる傍熱型電子衝突型イオンソースであってもよい。

１０ イオン生成装置、 １２ アークチャンバ、 １４ 熱電子放出部、 １６ ガスボックス、 １８ リペラー、 ２０ サプレッション電極、 ２２ グランド電極、 ２４ ガス導入口、 ２６ フロントスリット、 ２８ フィラメント、 ３０ カソード、 ３２ リペラープレート、 ３４ フィラメント電源、 ３６ カソード電源、 ３８ アーク電源、 ４０ 熱電子、 ４２ プラズマ、 ４４ ソースガスボトル、 ４６ コガスボトル、 ４８ 希ガスボトル。

Claims (9)

1. 少なくとも一部がカーボンを含む材料で構成されたアークチャンバと、
   前記アークチャンバ内に熱電子を放出する熱電子放出部と、
   前記アークチャンバ内にソースガスおよびコガスを導入するガス導入部と、を備え、
   前記アークチャンバに導入される前記ソースガスは、ＢＦ _３ 、ＧｅＦ _４ およびＰＦ _３ からなる群より選択された少なくとも一種のガスが含まれており、
   前記アークチャンバに導入される前記コガスは、炭化水素が含まれている、
   ことを特徴とするイオン生成装置。
2. 前記炭化水素は、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_３Ｈ_８およびＣ_４Ｈ_１０からなる群より選択された少なくとも一種のガスであることを特徴とする請求項１に記載のイオン生成装置。
3. 前記ソースガスは、塩化物ガス、ヨウ化物ガスおよび臭化物ガスからなる群より選択された少なくとも一種のガスを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のイオン生成装置。
4. 前記アークチャンバは、フィラメントおよびカソードを除く内壁の表面がカーボンで構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のイオン生成装置。
5. 少なくとも一部がカーボンを含む材料で構成されたアークチャンバ内にソースガスおよびコガスを導入する導入工程と、
   前記アークチャンバ内に熱電子を放出する放出工程と、
   前記ソースガスと前記熱電子との衝突でプラズマを生成する生成工程と、
   前記プラズマからイオンを外部へ引き出す引き出し工程と、を備え、
   前記アークチャンバに導入される前記ソースガスは、ＢＦ _３ 、ＧｅＦ _４ およびＰＦ _３ からなる群より選択された少なくとも一種のガスが含まれており、
   前記アークチャンバに導入される前記コガスは、炭化水素が含まれている、
   ことを特徴とするイオン生成方法。
6. 前記生成工程は、アークチャンバ内の温度が６００℃以上となることを特徴とする請求項５に記載のイオン生成方法。
7. 前記炭化水素は、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_３Ｈ_８およびＣ_４Ｈ_１０からなる群より選択された少なくとも一種のガスであることを特徴とする請求項５または６に記載のイオン生成方法。
8. 前記導入工程は、前記ソースガスおよび前記コガスに加えて希ガスを導入することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載のイオン生成方法。
9. 前記ソースガスに含まれているハロゲンをハロゲン化水素として排出する排出工程を更に備えることを特徴とする請求項５乃至８のいずれか１項に記載のイオン生成方法。

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