(57)【要約】  イオン注入のパフォーマンスを向上するためのイオン源アセンブリ及び方法が提供される。イオン源アセンブリは、イオン源チャンバを有し、ソースガス供給部がイオン源チャンバに分子状の炭素ソースガスを供給する。励起源が分子状の炭素ソースガスを励起し、炭素イオン及び原子状の炭素を生成する。引出電極はイオン源チャンバから上記炭素イオンを引き出し、イオンビームを発生する。過酸化水素の補助ガスの供給部は、過酸化水素の補助ガスを上記イオン源チャンバに供給する。過酸化水素の補助ガスは分解することで、原子状の炭素と反応し、上記イオン源チャンバ内で炭化水素を生成する。不活性ガスをさらに導入し、イオン化し、過酸化水素の分解によって、カソードの酸化を防ぐ。真空ポンプが炭化水素を除去し、これにより、原子状の炭素の堆積が減少し、イオン源チャンバの寿命が延びる。
2019535099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン注入のパフォーマンスを向上させるためのイオン源アセンブリであって、
イオン源チャンバと、
上記イオン源チャンバに分子状の炭素ソースガスを供給するように構成されたソースガス供給部と、
上記イオン源チャンバに向かう上記分子状の炭素ソースガスの流れを制御するように構成されたソースガスフローコントローラと、
上記分子状の炭素ソースガスを励起することにより、炭素イオン及び原子状の炭素を形成する励起源と、
上記イオン源チャンバから上記炭素イオンを引き出すことにより、イオンビームを形成する引出電極と、
上記イオン源チャンバに所定の濃度の過酸化水素ガスを供給するように構成された過酸化水素の補助ガス供給部と、
上記イオン源チャンバに向かう上記過酸化水素ガスの流れを制御するように構成された過酸化水素の補助ガスフローコントローラと、
真空ポンプシステムと、を備えており、
上記過酸化水素ガスは、上記イオン源チャンバ内で分解し、かつ、上記イオン源チャンバ内において上記分子状の炭素ソースガスに由来する原子状の炭素と反応することにより、上記イオン源チャンバ内において炭化水素を形成し、
上記真空ポンプシステムは、上記イオン源チャンバから上記炭化水素を除去するように構成されており、
上記イオン源チャンバ内における原子状の炭素の堆積が低減され、かつ、上記イオン源チャンバの寿命が増加させられる、イオン源アセンブリ。
【請求項２】
上記分子状の炭素ソースガスがトルエンを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
上記分子状の炭素ソースガスと上記過酸化水素の補助ガスとが、上記イオン源チャンバ内に同時に導入される、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
上記分子状の炭素ソースガスと上記過酸化水素の補助ガスとが、上記イオン源チャンバ内に逐次的に導入される、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
上記分子状の炭素ソースガスと上記過酸化水素の補助ガスとが、上記イオン源チャンバに導入される前に予備混合される、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
イオン注入機におけるイオン源のパフォーマンスを向上させるための装置であって、
イオン源チャンバに向かう分子状の炭素ソースガスの供給と速度とを制御する分子状の炭素ソースガスのコントローラと、
上記イオン源チャンバに向う過酸化水素ガスソースの供給と、速度とを制御する補助ガスのコントローラと、
上記イオン源チャンバに連結された真空ポンプシステムと、を備えており、
上記過酸化水素の補助ガスに由来する水素イオンが、分子状の炭素ソースガスと反応することで、炭化水素、二酸化炭素、及び一酸化炭素を形成し、
上記真空ポンプシステムは、上記イオン源チャンバから上記炭化水素、上記二酸化炭素、及び上記一酸化炭素を除去するように構成されており、
チャンバの汚染が低減され、かつ、上記イオン源の寿命が増加させられる、装置。
【請求項７】
上記分子状の炭素ソースガスのコントローラ及び上記補助ガスのコントローラは、別個のコントローラである、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
上記分子状の炭素ソースガスのコントローラ及び上記補助ガスのコントローラは、単一のコントローラである、請求項６に記載の装置。
【請求項９】
上記分子状の炭素ソースガス及び上記補助ガスが、別個の注入口を通して上記イオン源チャンバに供給される、請求項６に記載の装置。
【請求項１０】
上記分子状の炭素ソースガス及び上記補助ガスが、共通の注入口を介して上記イオン源チャンバに供給される、請求項６に記載の装置。
【請求項１１】
上記分子状の炭素ソースガス及び上記補助ガスが、単一の供給源から上記イオン源チャンバに供給される、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
イオン注入機におけるイオン源の寿命を増加させる方法であって、
分子状の炭素ソースガスを上記イオン注入機のイオン源チャンバ内に導入する工程と、
過酸化水素の補助ガスを上記イオン注入機の上記イオン源チャンバ内に導入する工程と、
解離され、かつ、イオン化された炭素のプラズマを生成するために、上記分子状の炭素ソースガスを上記チャンバ内において励起する工程と、
解離され、イオン化された上記炭素を上記過酸化水素の補助ガスと反応させることにより、１つ以上の炭化水素を生成し、イオン源チャンバの汚染を低減し、かつ、イオン源の寿命を増加させる工程と、
真空ポンプシステムによって上記炭化水素を上記イオン源チャンバから除去する工程とを含む、方法。
【請求項１３】
上記分子状の炭素ソースガスがトルエンを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
上記過酸化水素の補助ガスが、上記分子状の炭素ソースガスと反応して、炭化水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素のうちの１つ以上を生成する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
上記分子状の炭素ソースガス及び上記過酸化水素の補助ガスが、上記イオン源チャンバ内に同時に導入される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
上記分子状の炭素ソースガス及び上記過酸化水素の補助ガスが、上記イオン源チャンバ内に逐次的に導入される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
上記分子状の炭素ソースガス及び上記過酸化水素の補助ガスが、上記イオン源チャンバに導入される前に予備混合される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
上記イオン源チャンバ内に不活性ガスを導入する工程と、上記不活性ガスをイオン化する工程と、をさらに含み、
これにより、上記イオン源チャンバのカソード表面が酸化することを概ね防止する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
上記不活性ガスがアルゴンを含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔関連出願の参照〕
本出願は、２０１６年９月３０日に出願された米国特許出願第１５／２８１，８４４号、発明の名称「イオン源内における炭素の堆積を最小化するために、一次ドーパント又はパージガスへの補助ガスとして過酸化水素を使用するインサイチュクリーニング」の利益を主張し、その内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
〔技術分野〕
本開示は、一般に、半導体デバイスの製造及びイオン注入に関し、より詳細には、パフォーマンスを向上し、イオン注入機におけるイオン源の寿命を延ばす方法に関する。
【０００３】
〔背景技術〕
イオン注入は、半導体及び／又はウエハ材料にドーパントを選択的に注入するために半導体デバイス製造において使用される物理的プロセスである。したがって、注入という行為は、ドーパントと半導体材料との間の化学的相互作用に依存しない。イオン注入の場合、ドーパント原子／分子は、イオン化され、加速され、ビームに形成され、分析され、ウエハを横切って走査されるか、又はウエハがビームを通り抜けて走査される。ドーパントイオンは、ウエハに物理的に衝突し、表面に入り、それらのエネルギーに関係する深さで表面下に静止する。
【０００４】
図１を参照すると、装置１００は、ビーム経路１０６に沿ってイオンビーム１０４を生成するためのイオン源１０２を含む。ビームラインアセンブリ１１０は、イオン源１０２の下流に設けられ、そこからビームを受ける。ビームラインシステム１１０は、質量分析器（図示せず）、加速機構（例えば、１つ以上のギャップ、及び角度エネルギフィルタを含み得る）を含んでいてもよい。ビームラインアセンブリ１１０は、ビームを受けるための経路に沿って配置される。質量分析器は、マグネットなどの場を発生する構成要素を含み、ビーム経路１０６を横切る場を提供するように動作することで、質量（例えば、電荷質量比）に従って変化する軌道でイオンビーム１０４からイオンを偏向させる。磁場を通過するイオンは、所望の質量の個々のイオンをビーム経路１０６に沿って導き、望ましくない質量のイオンをビーム経路から離れるように偏向させる力を受ける。
【０００５】
プロセスチャンバ１１２がシステム１００に設けられており、ビームラインアセンブリ１１０からイオンビーム１０４を受け、最終的に質量分析されたイオンビームを用いることによる注入のため、例えば、半導体ウエハ等である１つ以上のワークピース１１４をビーム経路１０６に交わるように支持するターゲット位置を含んでいる。次いで、プロセスチャンバ１１２は、ワークピース１１４に向けられたイオンビーム１０４を受ける。種々のプロセスチャンバ１１２を装置１００に使用できることが理解されよう。例えば、「バッチ」式のプロセスチャンバ１１２は、回転する支持構造体上に複数のワークピース１１４を同時に支持することができ、ここで、ワークピース１１４は、すべてのワークピース１１４が完全に注入されるまで、イオンビーム１０４の経路を通り抜けるように回転される。一方、「連続」式プロセスチャンバ１１２は、注入のためにビーム経路１０６に沿って単一のワークピース１１４を支持し、ここで、複数のワークピース１１４が一度に１つずつ直列に注入され、それぞれのワークピースは次のワークピースの注入が開始される前に完全に注入される。プロセスチャンバ１１２は、イオンビーム１０４をワークピース１１４に対して、又はワークピースをイオンビームに対して移動させるための走査装置（図示せず）を含んでもよい。
【０００６】
イオン注入機におけるイオン源は、典型的には、ソースチャンバ１０２内において、ソースガス（その構成要素は、所望のドーパント元素であり得る）をイオン化し、イオン化されたソースガスをイオンビームの形態で引き出することによって、イオンビーム１０４を生成する。イオン化プロセスは、熱的に加熱されたフィラメント、カソードを加熱するフィラメント（間接的に加熱されたカソード「ＩＨＣ」）、又は高周波（ＲＦ）アンテナの形態をとることができる励起源（exciter）によって行われる。
【０００７】
ソースガスに含まれる所望のドーパント元素の例は、特に、カーボン、酸素、ホウ素、ゲルマニウム、ケイ素を含むことができる。関心が高まっているのは炭素の使用であり、材料の改質などの多くの注入工程で利用することができる。炭素注入のための最も一般的な前駆体ソースガスは、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む。
【０００８】
図１に示されるイオン源チャンバ１０２の構成において、タングステン及びモリブデンなどの耐熱性の金属がチャンバ１０２のカソード電極及び内壁表面を形成するために一般に使用される。炭素を含有する材料を利用した炭素イオンの生成中に、原子状の炭素がイオンチャンバ内において形成され、電極、チャンバライナー、チャンバ本体、及びアークスリットから材料と反応する。炭素元素は、これらの表面上に蓄積する傾向があり、イオン源の効率に悪影響を与え、チャンバ１０２を汚染する。
【０００９】
〔発明の概要〕
本開示は、炭素注入のためのイオン注入システムにおけるイオン源のパフォーマンスを向上し、寿命を延ばすためのシステム、装置、及び方法を提供することによって、従来技術の制限を克服する。したがって、以下は、本開示の簡略化された発明の概要を提示することで、本開示のいくつかの態様の基本的な理解を提供する。この発明の概要は、本開示の外延の総覧ではない。これは、本発明の重要な又は臨界的な要素を識別すること、本発明の範囲を線引きすることを意図していない。その目的は、後に提示されるより詳細な説明の前置きとして、本開示のいくつかの概念を簡略化された形態で提示することである。
【００１０】
本開示の態様によれば、イオン源に関連する構造上に堆積し得る、分子状の炭素ソースガスの解離及びイオン化に起因して発生する炭素原子を除去することによってイオン注入プロセスを容易にし、それによってカソードからの電子放出を低減する。これにより、イオン源の寿命だけでなく、ビーム電流も増加する。本方法を実施するための関連する装置及びイオン注入システムを本明細書に開示する。
【００１１】
１つの典型的な態様によれば、イオン注入のパフォーマンスを向上するためのイオン源アセンブリが提供される。イオン源アセンブリは、イオン源チャンバと、イオン源チャンバに向かって分子状の炭素ソースガス（a molecular carbon source gas）を供給するように構成されたソースガス供給部とを備える。例えば、分子状の炭素ソースガスは、トルエン、又は他の炭化水素源である物質を含む。ソースガスフローコントローラが備えており、イオン源チャンバに向かう分子状の炭素ソースガスの流れを制御するように構成されている。
【００１２】
励起源は、例えば、分子状の炭素ソースガスを励起するように構成されており、これにより、炭素イオン及び原子炭素を生成する。引出電極がさらに構成され、イオン源チャンバからの炭素イオンを引き出し、これにより、イオンビームを発生する。
【００１３】
本開示では、過酸化水素の補助ガス供給部が提供され、所定の濃度の過酸化水素ガスをイオン源チャンバに供給するように構成されている。過酸化水素の補助ガスフローコントローラは、一例として、イオン源チャンバに向かう過酸化水素ガスの流れを制御するように構成され、過酸化水素ガスは励起源を経由してイオン源チャンバ内で分解するように構成され、そこで遊離した水素及び酸化物のラジカルを生成する。遊離した水素ラジカル及び酸化物のラジカルは、イオン源チャンバ内において分子状の炭素ソースガスに由来する原子状の炭素とさらに反応し、これにより、イオン源チャンバ内において二次的な炭化水素、並びに、二酸化炭素、一酸化炭素、及び水のうちの１つ以上を生成する。真空ポンプシステムがさらに提供され、イオン源チャンバから炭化水素を除去するように構成されており、これにより、イオン源チャンバ内における原子状の炭素（atomic carbon）の堆積が低減され、イオン源チャンバの寿命が延びる。
【００１４】
分子状の炭素ソースガス及び過酸化水素の共ガスは、イオン源チャンバ内に同時に又は逐次的に導入される。あるいは、分子状の炭素ソースガス及び過酸化水素補助ガスは、イオン源チャンバに導入する前に予備混合される。例えば、過酸化水素の補助ガスは、注入と同時に分子状の炭素ソースガスとの補助ガスとして、非注入時のパージガスとして、又はその両方として利用することができる。例えば、残留炭素は、過酸化物に由来する酸素と反応し、一酸化炭素又は二酸化炭素ガスを生成し、これらはポンプで排出される。したがって、炭素層の堆積は、イオン源チャンバ内で最小限に抑えられる。例えば、アルゴンのような不活性ガスは、化学反応に大きく寄与することなく、アークプラズマをさらに安定化する。
【００１５】
上記の概要は、本開示のいくつかの実施形態のうちのいくつかの特徴の簡単な概要を提供することを単に意図したものであり、他の実施形態は、上述の態様の他に、追加の及び／又は異なる特徴を含み得る。特に、この概要は、本出願の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。したがって、上述し関連する目的を達成するために、本開示は、以下に記載され、特に特許請求の範囲において示された特徴を含む。以下の記載及び添付の図面は、本発明の特定の説明に役立つ実施形態を詳細に記載する。しかしながら、これらの実施形態は、本開示の原理が採用され得る様々な方法のうちのいくつかを示す。本開示における他の目的、利点、及び新規な特徴は、図面と併せて考慮すると、本開示の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１６】
〔図面の簡単な説明〕
図１は、本開示の１つ以上の態様を実施するのに適したイオン注入システであり、ブロック線の形成で示されている。
【００１７】
図２Ａは、本開示の一態様に従った、イオン源アセンブリの１つの実施形態を説明するイオン注入システムである。
【００１８】
図２Ｂは、本開示の一態様に従った、イオン源アセンブリの別の実施形態を説明するイオン注入システムである。
【００１９】
図２Ｃは、本開示の一態様に従った、イオン源アセンブリのさらなる実施形態を説明するイオン注入システムである。
【００２０】
図３は、本開示の一態様に従い、イオン源チャンバ内の分子状の炭素における正規化されたビーム強度の質量スペクトルを説明するグラフである。
【００２１】
図４は、本開示の一態様に従い、過酸化水素の補助ガスを含むトルエンのビーム電流の質量スペクトルを説明するグラフである。
【００２２】
図５は、本開示の一態様に従い、アルゴンと過酸化水素の補助ガスとを含むトルエンのビーム電流の質量ペクトルを説明するグラフである。
【００２３】
図６は、本開示の一態様に従い、その方法を説明するフローチャートである。
【００２４】
〔発明の詳細な説明〕
本開示は、概して、イオン注入システムのイオン源における炭素の堆積を最小限に抑えるためのシステム、装置、及び方法に関する。したがって、本開示は、これから図面を参照して記載されており、同様の参照番号は、全体を通して同様の構成要素を指すために使用され得る。これらの態様の記載は単に例示であり、それらは限定的な意味で解釈されるべきではないことを理解されたい。以下の記載では、説明の目的で、本開示の完全な理解を提供するために、多数の具体的な詳細が記載される。しかしながら、本開示がこれらの特定の詳細なしに実施され得ることは、当業者には明らかであろう。さらに、本発明の範囲は、添付の図面に引用して以下に説明される実施形態又は実施例によって限定されることを意図されず、添付の特許請求の範囲及びその均等物によってのみ限定されることを意図される。
【００２５】
また、図面は、本発明の実施形態のいくつかの態様を例示するために提供されており、したがって、概略図に過ぎないとみなされるべきであることにも留意されたい。特に、図面に示される構成要素は、互いに縮尺を合わせる必要はなく、図面における様々な要素の配置は、それぞれの実施形態を明確に理解するために選択され、必ずしも、本開示の実施形態に従った実施における様々な構成要素の実際の相対位置の表現であると解釈されるべきではない。さらに、本明細書で説明される様々な実施形態及び実施例の特徴は、特に断らない限り、互いに組み合わせることができる。
【００２６】
また、以下の記載において、機能的ブロック、デバイス、構成要素、回路素子、又は図面に示され、又は本明細書で説明される他の物理的若しくは機能的なユニットの間の任意の直接的な接続又は結合は、間接的な接続又は結合によっても実施され得ることが理解されるべきである。さらに、図面に示される機能的ブロック又はユニットは、１つの実施形態において別個の特徴又は回路として実施されてもよく、同様に又は代替的に、別の実施形態において一般的な特徴又は回路において完全に又は部分的に実施されてもよいことを理解されたい。一例として、いくつかの機能的ブロックは、シグナルプロセッサなどの一般的なプロセッサ上で動作するソフトウエアとして実施されてもよい。さらに、以下の明細書において有線ベースであるとして説明されている任意の接続は、逆のことが言及されない限り、ワイヤレス通信として実施されてもよいことを理解されたい。
【００２７】
近年、イオン注入システムにおいて、プレアモルファス化種として炭素を使用することに大きな関心が寄せられている。その低い質量のため、線量が１×１０１５ｃｍ−２をはるかに超えない限り、従来のワークピース温度において、モノマーカーボン（monomer carbon）を用いてプレアモルファス化することは一般的に困難である。しかしながら、マサチューセッツ州、ビバリー所在のAxcelis Technologies社製である、Optima HDx、又はPurion H 注入機などのスポットイオンビーム注入機を介して注入すると、シリコンウエハ中における炭素に対するアモルファス化閾値は、注入中においてウエハが冷却され、炭素ビームの密度が十分に高い場合、５×１０１４ｃｍ−２まで低減することができる。シリコンウエハのアモルファス化は、−３０℃から−５０℃の範囲のウエハ温度においてモノマーカーボン（Ｃ）注入を用いて行うことができる。しかしながら、モノマーカーボンを使用する冷間インプラントの１つの欠点は、単位時間当たりにインプラントされるウエハ（一般にウエハ／時（ＷＰＨ）として知られている）の量が減少することである。
【００２８】
さらに、イオン注入中におけるワークピースの低温化は、結晶格子上におけるインプラントの成分を「自己アニール」することを最小限に抑えるという作用を有し、イオンがウエハの格子構造に侵入した後、極めて短時間においてダメージの緩和が起こる。拡散プロセスは、基板温度にも敏感である。自己アニーリングを減少又は排除することは、原子のより大きな正味の変位、及び変化した損傷プロフィールをもたらし、したがって、より厚いアモルファス層の形成と、デバイスのリークの原因となり得る注入飛程の端部（end‐of-range）（ＥＯＲ）の損傷の減少とをもたらす。
【００２９】
代替的なアプローチは、同様により高いエネルギーにて分子状の炭素（molecular carbon）を使用することであり、シリコン結晶におけるモノマーカーボン（Ｃ）アモルファス化と同様の効果を達成するが、外気温度においてである。材料が損傷する物理的な過程は、高温での固相エピタキシャル再成長後に類似しており、注入飛程の端部（end‐of‐range）の転位のループを減少させ、修復することができる。アニール中の固相エピタキシャル再成長の改善、アモルファス／結晶のより明確な境界、及び過渡増速拡散（ＴＥＤ）に由来するドーパント移動の減少などの他の改善も達成することができる。
【００３０】
半導体処理におけるダメージエンジニアリングのためのトルエン（Ｃ７Ｈ８）のような分子状の炭素の使用は、Ｃ７のような大きな分子を注入する間、基板をゼロ以下の温度に冷却しなければならないという付加的な費用及び複雑さを回避し、トルエン分子のサイズに起因して予め定められたエネルギーにおける衝突は、半導体ワークピースの結晶構造をアモルファス化し、したがって、より厚い損傷層と改善されたデバイスのパフォーマンスとをもたらす。
【００３１】
最初に図２Ａを参照すると、例示的なイオン注入システム２００がブロック図の形態で提供され、ここで、イオン注入システムは、本開示における１つ以上の態様を実施するのに適している。システム２００は、ビーム経路２０５に沿ってイオンビーム２０４を発生するためのイオン源アセンブリ２０２を含む。イオンビームアセンブリ２０２は、一例として、関連する電源２０８を備えたイオン源チャンバ２０６を含む。イオン源チャンバ２０６は、一例として、イオンビーム２０４が引き出され、加速される比較的長いプラズマ閉じ込めチャンバを含んでいてもよい。引出電極２０７は、イオン源チャンバ２０６からイオンビームを引き出すために配置されている。
【００３２】
分子状の炭素ソースガス２１１を含むソースガス供給部２１０は、共通の注入口２１２経てイオン源チャンバ２０６に連結されている。イオン源チャンバ２０６に付随する励起源（exciter）２１４は、一例として、分子状の炭素ソースガス２１１にエネルギーを与えるように構成され、そこでプラズマを形成する。励起源２１４は、一例として、熱加熱フィラメント、カソード（間接的に加熱されたカソード「ＩＨＣ」）を加熱するフィラメント、又は電源２０８に操作可能に結合された高周波アンテナを含んでいてもよい。次いで、イオンビーム２０４は、引出電極２０７を通り抜けて引き出され、プロセスチャンバ２１８内に配置されたワークピース２１６（例えば、シリコンなどの半導体ウエハ）に向けられ、ここで、イオンがワークピースに注入される。
【００３３】
一例として、分子炭素ソースガス２１１は、トルエン（Ｃ７Ｈ８）又は別の炭化水素（ＣｘＨｘ）などの炭化水素を含むことができる。トルエンは、一例として、結合を解離するために一般的に最小のエネルギーを必要とするという、弱い結合の分子である。したがって、電源２０８は、一般的に、非常に低いアーク電圧で稼働され、したがって、低い加速電位に変換され、イオンが電場に移動することができる。従来、時間が経つにつれて、トルエンは、励起源２１４（例えば、カソードの表面）の作業機能を害する（poison）か、又は変化させ、従って、電子放出と所望のイオンの関連する生成とを減少させる。電子放出を維持するのに必要な電圧が電源２０８の定格を超えるので、大きな陰極電源を使用するなどといった励起源２１４の表面の汚染を克服するための従来の試みは失敗した。したがって、電源２０８がその最大値に達すると、電源は開ループであり、適切にセルフサーボされない状態で稼働する。別の代替例は、より低い作業機能を有するタンタルのような高い融点の金属を伴い、励起源２１４に対して質量の小さいカソードチップを利用することである。アルゴン又は類似の不活性ガスの添加は、過酸化水素の導入によるカソードの酸化を排除するために求められる。イオン化された不活性ガスを用いずにスパッタ洗浄すると、カソード表面の電子放出はその後イオンビーム電流の減少を伴って減少する。一例として、残留炭素は過酸化物に由来する酸素と反応して一酸化炭素又は二酸化炭素ガスを形成し、ポンプで排出される。したがって、炭素の層の蓄積がイオン源チャンバ内において最小限に抑えられる。一例として、不活性ガスをさらに導入し、イオン化することで、過酸化水素の分解によるカソードの酸化を防ぐ。アルゴンのような不活性気体は、例えば、以下のような化学反応をもたらすことなく、アークプラズマをさらに安定化する：
Ｃ７Ｈ８＋Ｈ２Ｏ２＋Ａｒ→Ｃ１Ｈ１＋Ｃ２Ｈ２＋Ｃ３Ｈ３＋Ｃ４Ｈ４＋Ｃ５Ｈ５＋Ｃ６Ｈ６＋Ｃ７Ｈ７＋ＯＨ＋Ｈ２Ｏ＋Ａｒ      （１）。
【００３４】
トルエンなどの分子状の炭素ソースガス２１１中の炭素は、一般的には、信頼できる動作をサポートするのに十分な蒸気を生成するために、３０℃において約３６．７Ｔｏｒｒに相当する圧力を伴い、通常の流量よりも高い流量（例えば、約１０ｓｃｃｍ）よりも高い流量を必要とする。分子状の炭素のこのようなより高い流れは、イオン源チャンバ２０６の内側と、引出電極２０７及び関連する光学部品上とに対する原子状の炭素の堆積の増加をもたらす。したがって、残留する原子状の炭素は、イオン源チャンバ２０６の内面上に蓄積し、典型的には高いストレスを受け、それによって、残留する原子状の炭素は、イオン源チャンバ２０６が冷却されるときに、その表面から典型的には剥がれるか又は剥がれ落ちる。したがって、イオン源チャンバ２０６の過剰なアーク放電と寿命の短縮とが、従来のシステム及び方法を使用することで経験されてきた。
【００３５】
したがって、本開示によれば、ソースガスフローレギュレータ２１９が、イオン源チャンバ２０６に向かう分子状の炭素ソースガス２１１の量及び割合を制御する。さらに、過酸化水素の補助ガス２２１を含む過酸化水素の補助ガス供給部２２０が、共通の注入口２１２を経てイオン源チャンバ２０６にさらに結合される。補助ガスのレギュレータ２２２は、イオン源チャンバ２０６に供給される過酸化水素の補助ガス２２１の量及び割合を制御する。一例として、過酸化水素の補助ガス２２１は、５０％以上の遊離剤（free agent）を含む。
【００３６】
図２Ｂ〜２Ｃは、本開示の別の実施形態を図示している。ここで、ソースガス２１１及び過酸化水素の補助ガス２２１が、別個の供給部から得られ、前述の実施形態におけるイオン源チャンバ２０６に入る前に注入口２１２で混合され、分子状の炭素ソースガス２１１及び過酸化水素の補助ガス２２１は、図２Ｂに図示されているように、予備的に混合された生成物として得られ、１つの生成物としてイオン源チャンバ２０６に供給されてもよいことも意図される。したがって、ソースガスと補助ガスとの混合物２２６が、イオン源チャンバ２０６内部への混合物２２６の比率及び流量を制御する関連ガス流量計２２８を備えた単一の供給部に供給される。単一の供給部２２６は、注入口２１２を通ってイオン源チャンバ２０６に入る。
【００３７】
イオン源チャンバ２０６の作動中、分子状の炭素ソースガスと過酸化水素の補助ガスとの混合物２２６は、注入口２１２を通ってイオン源チャンバ２０６内に放出される。分子状の炭素ソースガス及び過酸化水素ガスは、解離及び／又はイオン化されて、炭素イオン、水素イオン及び酸素イオンを含有する荷電粒子のプラズマを形成する。遊離酸素イオンは、両方のガスに由来する水素イオンと反応して水分子及び水酸化物を生成し、これらは真空ポンプシステム２３４によってチャンバ２０６から除去される。
【００３８】
図２Ｃは、２つの別個の注入口２３０、２３２が設けられ、１つは分子状の炭素ソースガス２１１用であり、１つは過酸化水素の補助ガス２２１用である、さらなる実施形態を図示している。次に、ガス２１１、２２１は、イオン源チャンバ２０６内で混合される。ソースガス２１０用のガス流量計２１８及び補助ガス２２０用のガス流量計２１２は、イオン源チャンバ２０６に入るために、注入口２３０及び２３２をそれぞれ通るガスの流れを制御する。イオン源チャンバ２０６の作動中、分子状の炭素ソースガス２１１及び過酸化水素の補助ガス２２１は、注入口２１２を通ってイオン源チャンバ２０６に導入される。分子状の炭素ソースガス２１１は、解離及び／又はイオン化されて、炭素イオン及び酸素イオンを含む荷電粒子のプラズマを形成する。遊離した酸素イオンは、過酸化水素の補助ガス２２１と反応して、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、並びに水分子及び水酸化物を形成し、これらは、真空ポンプシステム２３４によってチャンバ２０６から除去される。
【００３９】
図３は、一例として、分子状の炭素ソースガス２１１としてトルエン（Ｃ７Ｈ８）を利用した典型的なビームスペクトル２４０を示し、ここで、トルエンは、対応する原子質量単位（ＡＭＵ）である９１を有し、多くを占めるピークである。残りのピークは、イオン注入では一般に利用されず、使用不可能な副産物であるが、図２Ａ〜２Ｃのイオン源チャンバ２０６内での炭素蓄積に寄与する。使用不可能な副生成物及び残存する一酸化炭素、二酸化炭素、及び水は、真空ポンプシステム２３４を介して除去される。例えば、分子状の炭素ソースガス２１１及び過酸化水素の補助ガス２２１の化学反応は、以下のように記載することができ、
ａＨ２Ｏ２＋ｂＣｘＨｘ    →    ｃＨｘＣｘ（ｇ）＋ｄＨ２Ｏ      （２）
ここで、定数ａ、ｂ、ｃ、及びｄは、注入のために選択される所望の分子炭素ソースガスに従ってバランスされる。
【００４０】
図４に示されるように、分子状の炭素ソースガス２１１及び過酸化水素の補助ガス２２１としてのトルエンのビームスペクトル２４２が示され、ＡＭＵ２６、２８及び２９のピークは、使用不可能な炭素イオンがＯ−と反応しており、イオン源チャンバ内に堆積されるのではなく、図２Ａ〜２Ｃの真空ポンプシステム２３４を介してイオン源チャンバ２０６から除去され得ることを示す。
【００４１】
図５は、イオン源チャンバ内への過酸化水素の高流量と併せて、低流量のアルゴンの影響を示すビームスペクトル２４４を示す。アルゴン又は同様の不活性ガスのイオン化は、カソード表面の酸化及びそれに続くカソード電子放出の減少（例えば、イオンビーム電流の減少をもたらす）を防止するのに役立つ。ＡＭＵ１２、１３、１４、及び２８を有するピークは、図２Ａ〜２Ｃのイオン源チャンバ２０６内の炭素堆積物が、本開示の別の例示的な態様に従って、過酸化水素の補助ガス２２１の導入によって除去されることを示し、図６は、本開示の一態様に従って、イオン注入機において分子状の炭素ソースガスを利用することでイオン源のパフォーマンスを改善し、寿命を延ばす例示的な方法３００を示す。方法３００は、分子状の炭素ソースガスが利用されるときに生成される炭素の除去を容易にするために、イオン注入システムの動作中に過酸化水素の補助ガスを使用する。上記の図及び説明は、さらなる説明のためにこの方法３００で参照することもできる。
【００４２】
例示的な方法が、一連の動作又はイベントとして本明細書で例示及び説明されているが、いくつかのステップは、本開示に従って、本明細書で例示及び説明されたものとは別に、異なる順序で、及び／又は他のステップと同時に起こり得るので、本開示は、そのような動作又はイベントの例示された順序によって限定されないことに留意されたい。さらに、本開示による方法を実施するために、例示されたステップのすべてが必要とされるわけではない。さらに、これらの方法は、ここで図示しかつ記載されたシステムに関連して、また、説明しない他のシステムとも関連して包含させることができる。
【００４３】
方法３００は、ブロック３０２で始まり、分子状の炭素ソースガス及び過酸化水素の補助ガスが供給される。この方法は、３０６に続き、ここで、ソースガス及び補助ガスがイオン源チャンバ内に供給され、ここで、カソードによって放出された電子が加速され、イオン源チャンバ内の３０８でソースガスのガス分子をイオン化して、ソースガスを分解し、所望のイオンを生成する。３１０において、過酸化水素の補助ガスを遊離した酸素イオンと反応させて水又は水酸化物を生成する。イオン化した炭素イオン、炭素同位体、及び酸素は、３１２で引き出される。次いで、３１４において、真空ポンプシステムによって水及び水酸化物分子を除去する。３１６において、引き出された炭素イオンは、イオンビームからワークピースに注入される。
【００４４】
分子状の炭素ソースガス及び過酸化水素の補助ガスの選択された流量は、ビーム電流に有害な影響を与えることなく最大量の酸素イオンが除去されるように変化させることができる。供給される補助ガスの量は、少なくとも部分的に、作動中のビーム組成の分析によって決定することができる。
【００４５】
説明を簡単にする目的で、方法３００は、連続的に実行するものとして描写及び説明されるが、本開示は図示された順序によって制限されないことが理解及び認識されるべきであり、本開示に従って、いくつかの態様のように、本明細書の描写及び説明されたものとは異なった順序で、及び／又は他の態様と同時に起こり得る。例えば、イオン源チャンバ内への分子状の炭素ソースガス及び過酸化水素の補助ガスの流れは、同時に起こり得ると考えられる。別の実施形態では、これらのガスの流れは、分子状の炭素ソースガスがイオン源チャンバに導入され、続いて水素を含有する補助ガスがイオン源チャンバに流入するように、逐次的に生じ得ることが意図される。さらに、本開示の一態様による方法を実施するために、図示された特徴又はブロックの全てが必要とされるわけではない。
【００４６】
本発明は、１つ以上の実施に関して例示及び説明されたが、同等の変更及び修正は、本明細書及び添付の図面を読んで理解すれば、当業者に想到できるであろう。特に、上述の構成要素（アセンブリ、デバイス、回路、システムなど）によって実行される様々な機能に関して、そのような構成要素を記述するために使用されるターム（「手段」への言及を含む）は、特に指示がない限り、本明細書で例示される実施形態において機能を実行する開示された構成と構造的に同等ではないが、説明された構成要素の指定された機能を実行する（例えば、機能的に同等である）任意の構成要素に対応することが意図される。さらに、本開示の特定の特徴は、いくつかの実施形態のうちの１つのみに関して開示されている可能性があるが、そのような特徴は、任意の所与の又は特定の用途に対して所望及び有利であり得るように、他の実装の１つ又は複数の他の特徴と組み合わされ得る。さらに、用語「含む」、「有する」、「備える」、又は、それらの変形が、詳細な説明及び特許請求の範囲のいずれかにおいて使用される限り、そのような用語は、用語「含む」と同様の方法で包含的であることが意図される。さらに、「例」という用語は、最良又はより優れた態様又は実現形態を示すというよりは、単に例を示すものとして用いられている。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】図１は、本開示の１つ以上の態様を実施するのに適したイオン注入システであり、ブロック線の形成で示されている。
【図２Ａ】図２Ａは、本開示の一態様に従った、イオン源アセンブリの１つの実施形態を説明するイオン注入システムである。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本開示の一態様に従った、イオン源アセンブリの別の実施形態を説明するイオン注入システムである。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本開示の一態様に従った、イオン源アセンブリのさらなる実施形態を説明するイオン注入システムである。
【図３】図３は、本開示の一態様に従い、イオン源チャンバ内の分子状の炭素における正規化されたビーム強度の質量スペクトルを説明するグラフである。
【図４】図４は、本開示の一態様に従い、過酸化水素の補助ガスを含むトルエンのビーム電流の質量スペクトルを説明するグラフである。
【図５】図５は、本開示の一態様に従い、アルゴンと過酸化水素の補助ガスとを含むトルエンのビーム電流の質量ペクトルを説明するグラフである。
【図６】図６は、本開示の一態様に従い、その方法を説明するフローチャートである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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