(57)【要約】  本発明は、アークチャンバの内面と反応することができるイオン化しうるソースガスのイオンの作用を、置換ガスのイオンをアークチャンバに導入することによって制御する方法であって、置換ガスイオンがソースガスのイオンより内面の物質とより化学的に反応する前記方法に関する。ソースガスイオンは、典型的には酸素イオンであり、そのとき置換ガスイオンはフッ素イオンであり、その場合、内面はタングステンを含んでいる。フッ素イオンは、例として、フッ素、四フッ化ケイ素又は三フッ化窒素から発生させることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に注入するイオンを生成させる方法であって、
酸素と反応して非導電性酸化物層を形成することができる物質の露出面をもつ電極を有するアークチャンバを準備するステップと、
該アークチャンバに酸素原子を含有するソースガスを送り込むステップと、
該アークチャンバ内の電極間にアークを生成させて、注入に所望される化学種のイオンがソースガスから形成されるプラズマを生成するステップであって、前記プラズマが酸素イオンを含有している前記ステップと、
前記ソースガスと同時にフッ素原子を含有する置換ガスをアークチャンバに送り込み、その結果、該電極面の前記物質が該置換ガスからのフッ素と反応して、酸素を置換して、前記酸化物層の形成を減少させるステップと、
を含む前記方法。
【請求項２】
該電極面の前記物質がタングステン、モリブデン及びそれらの合金より選ばれる、請求項１記載の方法。
【請求項３】
該置換ガスが四フッ化ケイ素である、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
該置換ガスが、Ｆ、ＮＦ３及びＢＦ３より選ばれる、請求項１又は２記載の方法。
【請求項５】
該ソースガスが二酸化炭素又は一酸化炭素である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
該ソースガスが酸素及び窒素酸化物より選ばれる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
該ソースガスがＳｂ２Ｏ３から得られる蒸気である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
基板に酸素イオンを注入する方法であって、
酸素と反応して非導電性酸化物層を形成することができる物質の露出面をもつ電極を有するアークチャンバを準備するステップと、
該アークチャンバに酸素原子を含有するソースガスを送り込むステップと、
該アークチャンバ内の該電極間にアークを生成させて、酸素イオンを含有するプラズマを生成させるステップと、
前記ソースガスと同時にフッ素原子を含有する置換ガスを該アークチャンバに送り込み、その結果、該電極面の前記物質が該置換ガスからのフッ素と反応し、酸素を置換して、前記酸化物層の形成を減少させるステップと、
該アークチャンバからイオンを抽出するステップと、
抽出した該イオンをろ過して、酸素イオンのビームが該基板に送られるステップと、
を含む前記方法。
【請求項９】
基板に炭素イオンを注入する方法であって、
酸素と反応して非導電性酸化物層を形成することができる物質の露出面をもつ電極を有するアークチャンバを準備するステップと、
該アークチャンバに酸素と炭素の原子を含有するソースガスを送り込むステップと、
該アークチャンバ内の該電極間にアークを生成させて、酸素イオンと炭素イオンを含有するプラズマを生成させるステップと、
前記ソースガスと同時にフッ素原子を含有する置換ガスを該アークチャンバに送り込み、その結果、該電極面の前記物質が該置換ガスからのフッ素と反応し、酸素を置換して、前記酸化物層の形成を減少させるステップと、
該アークチャンバからイオンを抽出するステップと、
抽出した該イオンをろ過して、炭素イオンのビームが該基板に送られるステップと、
を含む前記方法。
【請求項１０】
基板にアンチモンイオンを注入する方法であって、
酸素と反応して非導電性酸化物層を形成することができる物質の露出面をもつ電極を有するアークチャンバを準備するステップと、
該アークチャンバに酸素とアンチモンの原子を含有するソースガス（又は蒸気）を送り込むステップと、
該アークチャンバ内の該電極間にアークを生成させて、酸素イオンと炭素イオンを含有するプラズマを生成させるステップと、
前記ソースガスと同時にフッ素原子を含有する置換ガスを該アークチャンバに送り込み、その結果、該電極面の前記物質が該置換ガスからのフッ素と反応し、酸素を置換して、前記酸化物層の形成を減少させるステップと、
該アークチャンバからイオンを抽出するステップと、
抽出した該イオンをろ過して、アンチモンイオンのビームが該基板に送られるステップと、
を含む前記注入する方法。
【請求項１１】
該電極の該露出面の該物質がタングステン、又はモリブデン、及びそれらの合金より選ばれる、請求項１及び８〜１０のいずれか１項に記載の注入する方法。
【請求項１２】
該ソースガスが二酸化炭素及び一酸化炭素より選ばれる、請求項８又は９記載の注入する方法。
【請求項１３】
該ソースガスが酸素及び窒素酸化物より選ばれる、請求項８記載の注入する方法。
【請求項１４】
該ソースガスがＳｂ２Ｏ３から得られる蒸気である、請求項１０記載の注入する方法。
【請求項１５】
該置換ガスがＦ、ＳｉＦ４、ＮＦ３及びＢＦ３より選ばれる、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の注入する方法。
【請求項１６】
基板に注入するのに所望されるイオンのビームを生成させるイオン源を備えたイオン注入装置であって、該イオン源が
酸素と反応して非導電性酸化物層を形成しうる物質の露出面をもつ電極を有するアークチャンバと、
酸素原子を含有するソースガスの供給源と、
フッ素原子を含有する置換ガスの供給源と、
該アークチャンバ内にプラズマを与える該アークチャンバ内の前記電極間にアーク電圧を印加するアーク供給源と、
該チャンバからイオンを抽出するためにバイアスをかけることができる抽出電極と、
抽出された該イオンをろ過して、所望される該イオンのビームが基板に送られるマスアナライザと、
前記ソースガスと前記置換ガスを、同時に前記供給源からアークチャンバに送り込み、その結果、該電極面の前記物質が該置換ガスからのフッ素と反応して、前記酸化物層の形成を減少させるコントローラと、
を含む、前記イオン注入装置
【請求項１７】
該電極の該露出面の該物質が、タングステン、モリブデン及びそれらの合金より選ばれる、請求項１６記載のイオン注入装置。
【請求項１８】
該ソースガスが、酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、窒素酸化物、及びＳｂ２Ｏ３蒸気より選ばれる、請求項１６又は１７記載のイオン注入装置。
【請求項１９】
該置換ガスが、Ｆ、ＳｉＦ４、ＮＦ３、ＢＦ３、ＣＦ４、ＳＦ６及びＧｅＦ４より選ばれる、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載のイオン注入装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の内容】
【０００１】
発明の分野
本発明は、イオン源の改善又はイオン源に関係のある改善に関し、特に、半導体デバイスの製造において、半導体基板にイオンを注入するために用いられる注入装置内で又はその注入装置と共に用いられるだけではないイオン源の改善又はイオン源に関係のある改善に関する。
発明の背景
本発明に関するタイプの典型的なイオン源は、イオン化、又はアーク、原料物質を導入することができるチャンバ（しばしばプラズマチャンバとも呼ばれる）を備えている。原料物質がイオン化されるチャンバ内でプラズマが生成され、イオンは１以上の抽出電極によって出口を通ってチャンバから引き出される。典型的な一つのイオン化チャンバは、一方が陰極、他方が対陰極と呼ばれる、逆の関係で配置された一対の陰極をもっている。使用時、陰極は加熱され、電子を放出する。その後、対陰極は電子をはねつけ、その結果、電子は２つの電極間を移動する。対陰極は、陰極と同一電位であるように接続することができ、フロートすることを可能にすることもできる。
【０００２】
陰極と対陰極は、典型的には、高融点（約３７００oＫ）をもつタングステンで作られ、あるチャンバにおいては、チャンバの内面がタングステンで形成されているか、又はタングステンで被覆されている。融点が高いため、タングステンは、通常、プラズマを生成し維持するのにチャンバに電子を放出する以外、チャンバ内で生じる温度（約１０００℃）の影響を受けない。チャンバは、典型的には、電子が陰極と対陰極の間の固定した通路（例えば、らせん）で移動する磁場の中にある。原料物質のイオン化は、多くの異なる方法で、例えば、陰極とチャンバ本体の間にアーク電位を印加することによって、又は高周波又はマイクロ波エネルギーの使用による他のタイプのイオン化チャンバ内で、原料物質にエネルギーを適用することによって達成される。チャンバ自体に相対して負のバイアスがかけられた（正イオンに対して）抽出電極は、チャンバからの出口、典型的にはチャンバの外側に取り付けられる。負のバイアスがかけられた抽出電極は出口を通ってイオンを引き出し、その後、イオンは、イオン注入装置の残りに抽出電極のアパーチャを通過する。
【０００３】
多くの異なるタイプのイオンが基板に注入され、得られた基板に必要とされる特性と性質を与える。
【０００４】
炭素又は酸素を基板に注入することが望ましい場合、豊富で、使用するのに比較的安全で、生成するのに安価なため、炭素イオンに最も好ましい原料として二酸化炭素が選ばれ、それは酸素イオンにも適している。
【０００５】
炭素イオンを生成する場合、イオン収量は一酸化炭素からのほうが多いが、一酸化炭素の既知の毒性により、一酸化炭素よりも二酸化炭素を用いることが好ましい。
【０００６】
しかしながら、アークチャンバで二酸化炭素を用いる際に、チャンバ内に酸素イオンが実際に存在すると、電極と、他のタングステン面がチャンバ内に存在する場合、それらの表面にも、タングステンの化学量論的と非化学量論的の酸化物が生成されるために、イオン源の耐用年数が減少することがわかった。これらの酸化物はチャンバ内に形成し、イオン源はこれらの酸化物の形成によって汚染され、数十時間内で効率よく機能するのを停止することが見出された。酸化物は、タングステン電極からの電子の放出に対して、また、陽極を形成しているチャンバの他のタングステン面での伝導に対して、バリヤを形成するために蓄積する。この作用はアークチャンバの‘ポイズニング’とみなされ、炭素イオンがイオン源から抽出される場合、また、酸素イオンが抽出される場合の双方で生じる。
【０００７】
米国特許第６,１３５,１２８号（Ｇｒａｆら）には、プラズマチャンバを備えたイオン源を洗浄する方法であって、リン（Ｐ）を含むホスフィン（ＰＨ３）、ヒ素（Ａｓ）を含むアルシン（ＡｓＨ３）、ゲルマニウム（Ｇｅ）を含むゲルマン（ＧｅＨ４）と四フッ化ゲルマニウム（ＧｅＦ４）の双方、及びホウ素（Ｂ）を含むジボラン（Ｂ２Ｈ５）より選ばれたドーパントガスが、洗浄ガスとしての三フッ化窒素（ＮＦ３）とともに、プラズマチャンバに導入され、約１０００℃の温度でイオン化される、前記方法が提案されている。洗浄ガスを導入する目的は、リン又はヒ素又はゲルマニウム又はホウ素の堆積物を、場合によっては、洗浄ガスが存在せずに、表面上にそのような堆積物をきわめて容易に形成する場合、プラズマチャンバの内面から除去することである。プラズマチャンバがイオンのみのこれらの化学種の一方又は他方を生成するために作動している場合、問題の元素の堆積物を形成するという事が問題ではない。しかしながら、典型的には、プラズマチャンバは種々の化学種のイオンを生成するために用いられ、プラズマチャンバの内壁上の一物質の残渣によって、他のイオン化学種のイオンビームを生成するときに存在する不純物や汚染物が生じる。
【０００８】
Ｇｒａｆらの開示内容は、プラズマチャンバから堆積可能な物質の除去に関する。このことは、形成されるにつれて堆積することがあるあらゆる物質を除去するために洗浄ガスの流量を変えることによって達成することができる。
発明の概要
本発明の主な目的は、チャンバ、いわゆる“ポイズン”チャンバ内で生成されたプラズマ中に存在する成分のイオン化学種と反応することができる、内面、特に、電極面を備えたアークチャンバをもつイオン源の効率を改善することである。
【０００９】
一態様においては、本発明は、基板に注入するイオンを生成させる方法であって、酸素と反応して非導電性酸化物層を形成することができる物質の露出面をもつ電極を有するアークチャンバを準備するステップと、アークチャンバに酸素原子を含有するソースガスを送り込むステップと、アークチャンバ内の電極間にアークを生成して、注入に所望される化学種のイオンがソースガスから形成されるプラズマを生成するステップであって、前記プラズマが酸素イオンを含有している前記ステップと、前記ソースガスと同時にフッ素原子を含有する置換ガスをアークチャンバに送り込み、その結果、電極面の前記物質が置換ガスからのフッ素と反応して、酸素を置換し、前記酸化物層の形成を減少させるステップとを含む、前記方法を提供する。
【００１０】
本明細書全体のガス、例えば、“ソースガス”又は“置換ガス”とは、標準温度と圧力でのガスだけでなく、蒸気のようなガス状物質も包含することを意味すると理解されるべきである。
【００１１】
フッ素含有置換ガスが存在すると、アークチャンバの電極上に形成する酸化物を悪くする傾向を減少させ、それによって、注入に所望されるイオンの生成効率の維持を援助する。
【００１２】
本発明は、ソースガスとしてＣＯ２を用いて、炭素イオンビーム又は酸素イオンビームを生成するためにイオン源を作動させている場合に特に有用である。置換ガスとしてＳｉＦ４を用いると、アークチャンバから抽出された得られたイオン化学種が、必要とされる１２Ｃから容易に質量分離されうるので、特に炭素イオンには好ましい。しかしながら、他のフッ素含有ガス、例えば、ＢＦ３、ＮＦ３、又はＣＦ４、又はフッ素ガス自体を用いることができる。
【００１３】
イオン源アークチャンバ内の陰極は、典型的には、タングステン又はモリブデン、又はこれらの合金のような耐火金属から作られている。通常、アークチャンバの本体は、陽極を形成し、チャンバの内面は、通常はタングステン、モリブデン、又はこれら金属の合金でも裏打ちされている。
【００１４】
炭素又は酸素イオンビームに対して、ソースガスとしてＣＯ２の代わりにＣＯを用いることができる。酸素イオンビームに対して、ソースガスは酸素ガス又は一酸化窒素のような他のあらゆる気体の酸化物であってもよい。
【００１５】
本発明は、また、一般の供給物質がＳｂ２Ｏ３であるアンチモン（Ｓｂ）の注入にも有用でありうる。これは天然では固体であり、蒸発炉から蒸気としてアークチャンバに送られる。
【００１６】
本発明は、また、酸素、炭素又はアンチモンのイオンを注入する方法を提供する。
【００１７】
本発明は、更に、基板に注入するのに所望されるイオンのビームを生成させるイオン源を備えた注入装置であって、該イオン源が、酸素と反応して非導電性酸化物層を形成しうる物質の露出面をもつ電極を有するアークチャンバと、酸素原子を含有するソースガスの供給源と、フッ素原子を含有する置換ガスの供給源と、アークチャンバ内にプラズマを与えるアークチャンバ内の前記電極間にアーク電圧を印加するアーク供給源と、チャンバからイオンを抽出するためにバイアスをかけることができる抽出電極と、抽出されたイオンをろ過して送られた所望されるイオンのビームを基板に与えるマスアナライザと、前記ソースガスと前記置換ガスを、同時に前記供給源からアークチャンバへ送り、その結果、電極面の前記物質が置換ガスからのフッ素と反応して、前記酸化物層の形成を減少させるコントローラとを備えている、注入装置を提供する。
好適な実施形態の詳細な説明
図１は、１０で一般的に示されたイオン注入装置を示す図である。この装置は半導体基板又はウエハにイオンを注入するために用いられ、その１つが１１上に取り付けられた１２で示されている。イオンは、１４で一般的に示されるイオン源によって生成される。イオンは、３０で一般的に示されたマスアナライザによって、ビーム３４の形で基板１２に向かって送られる。質量分析は、アナライザによって行われ、その後、所望されるイオンが、基板に進む所望の質量/電荷比をもつイオンの通過のみを可能にするスリット３２によって選ばれる。イオン源１４、マスアナライザ３０、ウエハ支持体１１は、すべて、２４で概略的に示された１つ以上の真空ポンプによって真空中で維持される真空チャンバ１５内に取り付けられている。
【００１８】
イオン源１４は、図２に更に詳細に示されている。図２を参照すると、これはバーナスイオン源１４を断面で示し、図１の図面の一側面から断面で見た図である。イオン源１４は、アークチャンバ又はイオン化チャンバ３２を備え、図２で見ることができるように、形がほぼ直方体のハウジングによって画成され、端壁３８、４０と、側壁、そのうちの１つだけ４１が示されていると、前壁４２と、後壁４４とを備えている。イオン化チャンバの壁は、理想的には、例えば、タングステン又はグラファイトの物質から形成されるか又はそれらで裏打ちされている。
【００１９】
フィラメント３３は一方の端で壁４０を通って伸び陰極を形成し、対陰極３９はイオン化チャンバのもう一方の端の壁３８を通って伸びている。リフレクタ３５が、更に、フィラメント３３とチャンバの壁４０の間にある。
【００２０】
動作中、フィラメント３３は熱電子を放出するために電流によって加熱され、陰極フィラメント３３は対陰極３９とリフレクタ３５双方とともに、ハウジング３２に相対して実質的に負電位でバイアスがかけられる。放出電子はバイアス場によって加速され、外部磁極間（図には示されていない）とフィラメントと対陰極の間に伸びている磁場３６によって、フィラメント３３と対陰極３９の間のらせん通路で進むように制約される。図２に示される直接加熱されたフィラメント陰極３３の代わりに、直接加熱されない陰極を国際出願第０３/０７５３０５号、英国出願第２３８７９６３号、米国出願第６２５９２１０号に記載されているように備えてもよい。
【００２１】
ソースガスの供給源４６は第一注入口３７を介してイオン化チャンバ３２に接続され、置換ガスの供給源４７は更に別の注入口４８によってアークチャンバ３２に接続されている。代わりに、ソースガスと置換ガスを合わせて単一注入口を通ってアークチャンバに送ることもできる。
【００２２】
ガスはチャンバ３６に入るにつれて、解離及び/又はイオン化されて荷電粒子のプラズマを形成する。イオン化チャンバと抽出電極４９の間の抽出電位によって、正に荷電したイオンが前壁４２のスリット１３を通ってイオン化チャンバから抽出され、マスアナライザ３０に送られる。
【００２３】
図２に示されるイオン化チャンバを構成する際に、陰極電極と陽極を備えるチャンバ３０の内壁面にタングステンやモリブデンのような耐火金属を用いることが一般的である。しかしながら、以前にソースガス（そこから炭素と酸素のイオンを得ることができる）を供給するために二酸化炭素が単独で用いられていたとき、電極及びチャンバの壁又はライナの表面が酸素イオンの存在によって影響を受けて、その結果、タングステンが酸素イオンで酸化物を形成するということがわかった。酸素イオンがタングステンの結晶構造を透過し、最終的に電子が電極から出なくなるか又は壁ライナに吸収されなくなるまでイオン源の効率が低下するような程度まで、特に電極及びライナ上に酸化物が蓄積する。このプロセスは供給源の“ポイズニング”と呼ばれる。
【００２４】
供給源４７によって供給される置換ガスはこの問題を減少させる。
【００２５】
置換ガスはフッ素原子を含み、イオン化されたとき、酸素よりもタングステンに対して親和性の大きいイオンになり、それにより、チャンバ内の電極面上での酸化物の形成を逆転、遅延及び/又は防止する。フッ素は、タングステンと混合した場合に酸素を置換し、酸化物が形成された場合、プラズマに酸素を遊離することによりフッ化タングステンに変換することがわかった。
【００２６】
置換ガスはフッ素ガス、三フッ化ホウ素（ＢＦ３）、三フッ化窒素（ＮＦ３）、四フッ化ケイ素（ＳｉＦ４）及び四フッ化炭素（ＣＦ４）より選ぶことができる。注入に所望される化学種が炭素である場合、１２Ｃに近い原子量をもち、それ故、マスアナライザで分離することができない、ホウ素（１１Ｂ）で基板に送られる炭素イオンビームを汚染する問題があることからＢＦ３は避けることが最良である。他の可能なガスは、ＳＦ６やＧｅＦ４であってもよいが、ＳＦ６は絶縁体であるイオウの望まれていない堆積物を生じることがあり、ＧｅＦ４も望まれていない堆積物を生じる。
【００２７】
図３は、ソースガスＣＯ２と同時に置換ガスとしてＳｉＦ４を供給することにより炭素を注入した時に得ることができる性能の改善を示す図である。
【００２８】
例えば、ソースガスとしてＣＯ２を単独で用いて、数時間炭素を注入するためにインプランタを用いた後、利用できる炭素イオンのビーム電流が下降しうるのはわずかだけである。しかしながら、ホウ素のような他の化学種を注入するためにインプランタを切り替えるとき、利用できるホウ素イオンのビーム電流が著しく減少することがあり、２時間以上ホウ素ビームを流した後のみ、十分に予想されたホウ素ビーム電流が回復し得られるようになることができる。
【００２９】
図３において、ソースガスとしてＣＯ２を単独で用いて炭素ビームを流すことによるポイズニング後、ホウ素ビームを流すイオンソースの緩慢な回復は、下の曲線で示されている。十分に予想されたビーム電流に近づくことへの回復（ｙ軸の基準化性能指数の１００％）には１０タイムユニットかかってしまう（例えば、２時間半）。
【００３０】
図３の上の曲線は、同じ炭素ビームを同じ時間、しかし、ＣＯ２ソースガスに加えてＳｉＦ４置換ガスと流した後の回復率を示している。ＣＯ２ソースガス単独では５０％である代わりに、はじめの性能が予想された電流の約７０％であるだけでなく、十分な回復時間は約４ユニットに減少する（例えば、１時間）。
【００３１】
最良の性能を達成するのに必要とされるＳｉＦ４の流量は、経験的に設定することができる。ＳｉＦ４の流れがソースガス（例えば、ＣＯ２）の流れに比例して少なすぎる場合には、有利な作用が失われ、供給源のポイズニングは減少しない。ＳｉＦ４の相対量が高すぎると、利用できるＣ＋イオン電流の対応する減少とともにプラズマ内のＣ＋イオンの収量が減少することがある。また、混合ガスの流量が高すぎると、ソース圧力が増大し、抽出電極間等のアーク放電の危険が増大する。必要とされるＣ＋イオンのビーム電流を達成することができても、アークチャンバから抽出されたビーム中のＳｉ＋とＦ＋イオンの電流が過度であると、インプランタのビームラインに沿って侵食や汚染の問題が生じることがある。図３に示される改善は、ＣＯ２とＳｉＦ４の相対流量が６：１で得られた。
【００３２】
図３に示される例は、ソースガスとしてＣＯ２、置換ガスとしてＳｉＦ４、タングステン面をもつ電極を用いて炭素ビームを生成することに関するが、抽出されたイオンから酸素ビームを選んだ場合に、同様の性能改善が得られる。また、タングステンと、モリブデンやそれらの合金のような他の電極金属を用いることができる。上記のポイズニング作用を減少させるために、酸素原子を含む他のソースガスをフッ素原子を含む他の置換ガスと用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、イオンインプランタの概略図である。
【図２】図２は、本発明による方法が行われうるイオン源の概略図である。
【図３】図３は、本発明の例の利点を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１０…イオン注入装置、１１…支持体、１４…イオン源、２４…真空ポンプ、３４…ビーム、３０…マスアナライザ、３２…ハウジング、３３…フィラメント、３５…リフレクタ、３６…磁場、３７…注入口、３８…端壁、３９…対電極、４０…端壁、４２…前壁、４４…後壁、４６…供給源、４７…供給源、４８…注入口、４９…抽出電極。
【図１】
2007531214.tif 000003
【図２】
2007531214.tif 000004
【図３】
2007531214.tif 000005
【国際調査報告】
2007531214.tif 000006
2007531214.tif 000007
2007531214.tif 000008