(57)【要約】  シリコン・イオン注入中にビーム電流を改善するための、ドーパント・ガス組成と、そのシステム及び方法とが提供される。シリコン・イオン注入プロセスは、第１のシリコンベースの共同種及び第２の種を利用するステップを伴う。第２の種は、活性シリコン・イオン種の生成及び注入の期間中に利用されるイオン源の動作アーク電圧において、第１のシリコンベースの種のイオン化断面積よりも大きいイオン化断面積を有するように選択される。この活性シリコン・イオンは、もっぱらＳｉＦ４から生成されたビーム電流と比較したとき、イオン源の劣化を招くことなくビーム電流レベルを維持するか又は増加することによって特徴付けられる、改善されたビーム電流を生成する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のシリコンベースの種及び第２の種を含むシリコンベースのドーパント・ガス組成であって、前記第２の種が、活性シリコン・イオンの生成及び注入の期間中に利用されるイオン源の動作アーク電圧において、前記第１のシリコンベースの種のイオン化断面積よりも大きいイオン化断面積を有するように選択される、シリコンベースのドーパント・ガス組成を含み、
前記シリコンベースのドーパント・ガス組成が、四フッ化シリコン（ＳｉＦ４）から生成されたビーム電流と比べて、前記イオン源を劣化させることなく、ビーム電流を維持する、又は増加するように、前記イオン・ビーム電流を改善するドーパント・ガス組成。
【請求項２】
前記第１のシリコンベースの種が、ＳｉＨ２Ｃ１２、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ４  ＳｉＦ２Ｈ２、ＳｉＦ４及びそれらの任意の組合せからなる群から選択される請求項１に記載のドーパント・ガス組成。
【請求項３】
前記第１のシリコンベースの種がＳｉＦ４である請求項１に記載のドーパント組成。
【請求項４】
前記第１のシリコンベースの種がＳｉＦ４であり、前記第２の種がジシラン（Ｓ２Ｈ６）である請求項１に記載のドーパント組成。
【請求項５】
前記Ｓ２Ｈ６が、前記組成の全体の体積に基づいて５０％未満の濃度を有する請求項４に記載のドーパント組成。
【請求項６】
前記Ｓ２Ｈ６が約１０％以下の濃度を有する請求項５に記載のドーパント組成。
【請求項７】
シリコン・イオンの注入中にビーム電流を改善するためのシステムであって、
アーク・チャンバの壁によって部分的に画定されたイオン源装置であって、前記チャンバが、前記チャンバ壁内に少なくとも部分的に配設されたシリコン・イオン源を備える、イオン源装置と、
前記イオン源装置と流体連通した１つ又は複数の供給容器であって、第１のシリコンベースの種及び第２の種を含むシリコンベースのドーパント・ガス組成を貯蔵し、前記第２の種が、活性シリコン・イオンの注入期間中の前記イオン源の動作アーク電圧において、前記第１のシリコンベースの種のイオン化断面積よりも大きいイオン化断面積を有するように選択される、供給容器と、
前記１つ又は複数の供給容器に対応する１つ又は複数の供給ラインであって、前記１つ又は複数の供給容器から、前記アーク・チャンバ壁を通って前記アーク・チャンバへと延在する供給ラインとを備え、
前記１つ又は複数の供給容器が、前記シリコンベースのドーパント組成を、前記供給ラインを通して前記イオン源装置へと分配するように構成されており、それによって、前記シリコン・イオン源が、少なくとも前記第１のシリコンベースの種から、前記活性シリコン・イオンの少なくとも一部分を生成するように、前記シリコンベースのドーパント・ガス組成をイオン化することができ、前記活性シリコン・イオンが、もっぱらＳｉＦ４から生成されたビーム電流と比べて増加したビーム電流を生成するシステム。
【請求項８】
前記第１のシリコンベースの種が、ＳｉＨ２Ｃ１２、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ４  ＳｉＦ２Ｈ２、ＳｉＦ４及びそれらの任意の組合せからなる群から選択される請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記第１のシリコンベースの種がＳｉＦ４であり、前記第２の種がシリコンベースの種であり、前記シリコンベースの種がＳｉ２Ｈ６を含む請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記Ｓｉ２Ｈ６が、全体のシリコンベースのドーパント組成に基づいて１〜１０ｖｏｌ％の濃度である請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
第１の供給容器及び第２の供給容器が、ガス・キットの一部分として用意され、前記第１の供給容器がＳｉＦ４を含み、前記第２の供給容器がＳｉ２Ｈ６を含み、前記第１の供給容器がＳｉＦ４を、前記第２の供給容器がＳｉ２Ｈ６を、それぞれ前記イオン源チャンバに、制御された流速で分配して、前記チャンバ内で、ＳｉＦ４及びＳｉ２Ｈ６を所定の濃度で含むシリコン含有ドーパント組成を生成し、それによってＳｉ２Ｈ６の濃度が約２０ｖｏｌ％未満になる請求項７に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ガス・キットが、第１の供給容器からのＳｉＦ４の流れを第１の流速で調節するための第１の流れコントローラを備え、前記ガス・キットが、第２の供給容器からのＳｉ２Ｈ６の流れを第２の流速で調節するための第２の流れコントローラをさらに備える請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
単一の供給容器に、シリコンベースのドーパント・ガス組成があらかじめ混合されており、さらに、前記供給容器が準大気圧で貯蔵して配送する容器である請求項７に記載のシステム。
【請求項１４】
前記Ｓ２Ｈ６の量が、前記組成の全体の体積に基づいて２．５ｖｏｌ％から５ｖｏｌ％の間にある請求項９に記載のシステム。
【請求項１５】
シリコン・イオンの注入中にビーム電流を増加するための方法であって、
第１のシリコンベースの種を選択するステップと、
活性シリコン・イオンの生成及び注入の期間中に利用されるべきイオン源の所定の動作アーク電圧において、前記第１のシリコンベースの種のイオン化断面積よりも大きいイオン化断面積を有する第２の種を選択するステップと、
前記第１のシリコンベースの種及び前記第２の種を、１つ又は複数の供給容器に供給するステップと、
前記第１のシリコンベースの種及び前記第２の種を、前記１つ又は複数の供給容器からイオン源装置へと流すステップと、
前記第１のシリコンベースの種をイオン化するステップと、
活性シリコン・イオンを生成するステップと、
もっぱらＳｉＦ４から生成されたビーム電流と比べて増加したビーム電流を生成するステップであって、前記増加したビーム電流が、もっぱらＳｉＦ４から生成されたビーム電流と比べて供給源寿命を延長する、ステップとを含む方法。
【請求項１６】
前記第２の種がシリコン含有種であり、前記第１及び第２のシリコン含有種が、ＳｉＨ２Ｃ１２、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ４、ＳｉＦ２Ｈ２、ＳｉＦ４及びそれらの任意の組合せからなる群から選択される請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１のシリコンベースの種がＳｉＦ４であり、前記第２の種が、前記イオン源装置の中の全体の組成に基づいて約２．５ｖｏｌ％と約５ｖｏｌ％の間の範囲のＳｉ２Ｈ６を含むシリコンベースの種である請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
第１の供給容器及び第２の供給容器が、ガス・キットの一部分として用意され、前記第１の供給容器がＳｉＦ４を含み、前記第２の供給容器がＳｉ２Ｈ６を含み、前記第１の供給容器がＳｉＦ４を、前記第２の供給容器がＳｉ２Ｈ６を、それぞれ前記イオン源チャンバに、並行して流す又は順次流すようにして、制御された流速で分配して、前記チャンバ内で、ＳｉＦ４及びＳｉ２Ｈ６を所定の濃度で含むシリコン含有ドーパント組成を生成し、それによって、Ｓｉ２Ｈ６の濃度が、全体の組成の体積に基づいて、約１ｖｏｌ％を上回り、約１０ｖｏｌ％を下回るものになる請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記所定の動作アーク電圧の範囲が約８０Ｖ〜１２０Ｖである請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
単一の供給容器が、約１０ｖｏｌ％以下のＳｉ２Ｈ６及び残部ＳｉＦ４を含む濃度を分配する請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン含有ドーパント組成の独特な組合せ、シリコン・イオンの注入プロセスを改善するためにそれを用いるシステム及び方法に関し、特に改善されたビーム電流に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン注入は、半導体／マイクロエレクトロニクス製造における重要なプロセスである。イオン注入プロセスは、集積回路作製において、半導体ウェーハ内にドーパント不純物を導入するために用いられる。所望のドーパント不純物が、所望の深さでドープ領域を形成するように、半導体ウェーハ内に導入される。ドーパント不純物は、半導体ウェーハ材料と結合して電気的キャリアを生成することにより、半導体ウェーハ材料の導電率を変えるように選択される。導入されたドーパント不純物の濃度が、ドープ領域の導電率を決定する。必然的に、多くの不純物区域が形成されて、トランジスタ構造、絶縁構造及び他の電子構造が形成され、集合的に半導体デバイスとして機能する。
【０００３】
ドーパント不純物は、一般に、ソース・ドーパント・ガスから導出されたイオンである。ドーパント・ガス源を様々なドーパント・イオン種へとイオン化するために、イオン源フィラメントが使用される。イオンが、イオン・チャンバ内のプラズマ環境をもたらす。次に、イオン・チャンバから、画定されたイオン・ビームの形でイオンが抽出される。結果として得られるイオン・ビームは、一般的にはビーム電流によって特徴付けられる。一般に、ビーム電流がより大きいほど、より多くのドーパント・イオン種がウェーハなど所与の被加工物に注入するために使用可能になり得る。このようにして、ソース・ドーパント・ガスの所与の流速に対して、ドーパント・イオン種の注入量をより多くすることができる。結果として得られるイオン・ビームは、質量分析器／フィルタを通って輸送され、次いで半導体ウェーハなどの被加工物の表面へ輸送されてよい。ビームの所望のドーパントのイオン種が、半導体ウェーハの表面に侵入して、所望の電気的特性及び／又は物理的特性を有する特定の深さのドープ領域を形成する。
【０００４】
シリコン注入は、半導体産業において、アモルファス化又はフォトレジスト改良など、多様な材料の改良の用途に広く用いられている。デバイス作製中に用いるＳｉ注入ステップが増加することにより、イオン源の寿命を損なうことなくビーム電流を増加することを特徴する、様々なＳｉイオンドーパント種を注入するためのプロセスの改善が必要とされている。ビーム電流がより大きければ、より高度な装置スループット及び顕著な生産性向上が可能になり得る。「Ｓｉイオン」、「Ｓｉイオン種」、「Ｓｉイオンのドーパント種」及び「Ｓｉ＋イオン」という用語は、本明細書の全体にわたって交換可能に用いられることを理解されたい。
【０００５】
四フッ化シリコン（ＳｉＦ４）は、シリコン・イオン注入のためのドーパント・ガス源として利用されている。しかしながら、ＳｉＦ４には様々な難点がある。特に重要なのは、ＳｉＦ４は、今日の用途で要求されている、より大きいビーム電流を確立するのに必要な量のＳｉ＋イオンをイオン化して生成する能力が制限されていることであろう。ＳｉＦ４から生成されるＳｉ＋イオンの量を増加させることは、一般的に、イオン源に入力されるエネルギー、別段当業界ではイオン源の動作アーク電圧と称されるものを増加させることを必要とする。しかしながら、増加したエネルギー・レベルで動作すると、イオン源の構成要素が損傷を受ける可能性があり、最終的には、イオン源が、動作中にＳｉ＋イオンを生成する能力が低減する恐れがある。たとえば、一般的なイオン注入プロセス中にアーク・チャンバの壁の温度が上昇するとき、ＳｉＦ４から放出される活性フッ素が、タングステンのチャンバ壁を、より急速にエッチングして腐食させる可能性があり、カソードが、Ｗ含有堆積物が増加することの影響を、より受け易くなる恐れがある。Ｗ含有堆積物は、イオン源の、プラズマを維持してＳｉ＋イオンを生成するのに必要な電子の閾値数を生成する能力を抑制する。加えて、より活発なフッ素イオンが得られるようになり、いわゆる有害な「ハロゲンサイクル」を広め、それにより、イオン源チャンバ壁及び他のチャンバ構成要素の化学的侵食が増加する可能性がある。したがって、ＳｉＦ４のイオン化を増進しようとして、より高いエネルギー・レベルでイオン源チャンバを運転すると、イオン源の寿命が短くなる恐れがあり、それによって、この動作モードは望ましくないとされる。
【０００６】
現在、イオン源チャンバ構成要素に損傷を与えることなく、Ｓｉ＋イオンのビーム電流を維持する、又は増加するための実行可能な技法は存在しない。イオン源の寿命を損なわずに所望のシリコン・イオン種のビーム電流を改善するのに役立つ組成と、それを利用するシステム及び方法とを開発する必要性は、満たされていないまま残されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５，９３７，８９５号明細書
【特許文献２】米国特許第６，０４５，１１５号明細書
【特許文献３】米国特許第６，００７，６０９号明細書
【特許文献４】米国特許第７，７０８，０２８号明細書
【特許文献５】米国特許第７，９０５，２４７号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、部分的には、シリコン・イオン源の性能を改善するビーム電流を改善するための組成と、それを利用するシステム及び方法とに関するものである。利用されたドーパント・ガスの組成は、ビーム電流を改善する能力に、かなりの効果があることが判明した。
【０００９】
第１の態様では、シリコンベースのドーパント・ガスの組成を含んでいるドーパント・ガスの組成が提供される。この組成は、第１のシリコンベースの種及び第２の種を含む。第２の種は、活性シリコン・イオンの生成及び注入の期間中に利用されるイオン源の動作アーク電圧において、第１のシリコンベースの種のイオン化断面積よりも大きいイオン化断面積を有するように選択される。シリコンベースのドーパント・ガス組成は、四フッ化シリコン（ＳｉＦ４）から生成されたビーム電流と比べて、前記イオン源を劣化させることなく、ビーム電流を維持する、又は増加するように、イオン・ビーム電流を改善する。
【００１０】
第２の態様では、シリコン・イオンの注入中にビーム電流を改善するためのシステムが提供される。このシステムは、アーク・チャンバ壁によって部分的に画定されたイオン源装置を備え、チャンバは、アーク・チャンバ壁内に少なくとも部分的に配設されたシリコン・イオン源を備える。前記イオン源装置と流体連通した１つ又は複数の供給容器が用意される。１つ又は複数の供給容器は、シリコンベースのドーパント・ガス組成を貯蔵する。この組成は、第１のシリコンベースの種及び第２の種を含み、第２の種は、活性シリコン・イオンの注入期間中のイオン源の動作アーク電圧において、第１のシリコンベースの種のイオン化断面積よりも大きいイオン化断面積を有するように選択される。１つ又は複数の供給ラインが、１つ又は複数の供給容器に対応する。１つ又は複数の供給ラインが、１つ又は複数の供給容器から、アーク・チャンバ壁を通ってアーク・チャンバへと延在する。１つ又は複数の供給容器は、シリコンベースのドーパント組成を、１つ又は複数の供給ラインを通して前記イオン源装置へと分配するように構成されており、それによって、シリコン・イオン源は、少なくとも前記第１のシリコンベースの種から、活性シリコン・イオンの少なくとも一部分を生成するように、シリコンベースのドーパント・ガス組成をイオン化することができる。活性シリコン・イオンは、もっぱらＳｉＦ４から生成されたビーム電流と比べて、ビーム電流の増加をもたらす。
【００１１】
第３の態様では、シリコン・イオンの注入中にビーム電流を増加する方法が提供される。この方法は、第１のシリコンベースの種と、活性シリコン・イオンの生成及び注入の期間中に利用されるべきイオン源の所定の動作アーク電圧において、第１のシリコンベースの種のイオン化断面積よりも大きいイオン化断面積を有する第２の種とを選択するステップを含む。第１のシリコンベースの種及び第２の種は、１つ又は複数の供給容器に供給される。第１のシリコンベースの種及び第２の種は、１つ又は複数の供給容器からイオン源装置へと流される。第１のシリコンベースの種はイオン化する。活性シリコン・イオンが生成される。もっぱらＳｉＦ４から生成されたビーム電流と比べて増加したビーム電流が生成され、前記ビーム電流が増加することにより、もっぱらＳｉＦ４からビーム電流を生成するのと比べて、供給源寿命が延びる。
【００１２】
本発明の目的及び利点は、その好ましい実施例の以下の詳細な説明から、全体にわたって類似の番号が同一の特徴を示す添付図と関連してよりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の原理を組み込んだイオン注入装置を示す図である。
【図２】シリコン注入システム内の図１のイオン注入装置を示す図である。
【図３】本発明のシリコンベースのドーパント・ガス組成のビーム電流レベルの、他のタイプのシリコンベースのドーパント・ガス材料との比較を示す図である。
【図４】異なるＳｉ含有ガスのイオン化断面積を異なるエネルギー・レベルにおいて示す図である。
【図５】異なるシリコン含有ドーパント組成での動作後のアーク・チャンバの堆積物を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の様々な要素の関係及び機能は、以下の詳細な説明によって、よりよく理解される。この詳細な説明は、様々な置換及び組合せの特徴、態様並びに実施例を、本開示の範囲内として企図するものである。したがって、本開示は、基本的に、これらの選択された１つ又は複数の特定の特徴、態様、及び実施例の、そのような組合せ及び置換のうち、任意のものを備える、任意のもので構成される、任意のものからなると特定されてよい。
【００１５】
本明細書で、全体にわたって用いられる場合、「Ｓｉイオン」という用語は、様々なシリコン・イオン・ドーパント種を意味し、基板に注入するのに適しているシリコン・イオン又はシリコン含有プラス・イオンを含む。
【００１６】
本明細書で用いられる場合、濃度は、別様に示されなければ、すべて体積百分率（「ｖｏｌ％」）として表現される。
【００１７】
本開示は、一態様では、従来のシリコン・ドーパント源と比べてＳｉビーム電流を増加するための斬新なシリコン含有ドーパントの組成、システム、及びその使用方法に関するものである。本明細書で、全体にわたって用いられる場合、本発明の「シリコンベースのドーパント・ガス組成」という用語は、本明細書で説明されるように、選択されたイオン注入の動作条件（たとえばアーク電圧、すなわちイオン源に対する入力エネルギー）において、第２の種が、第１のシリコンベースの種よりも大きいイオン化断面積を有するように選択された、第１のシリコンベースの種及び第２の種を指すように意図されている。「イオン化断面積」は、原子又は分子がイオン源から放射された電子と衝突するときにイオン化が起こる確率（面積単位で測定したもの）と定義される。第２の種は、イオン源が、シリコン注入のためのイオン注入プロセスにおいて、ＳｉＦ４のみを利用するのと比べて、より長い期間にわたってその効率を維持するのを支援する条件で動作することを可能にする相補的ガスである。本明細書で説明される本発明のシリコンベースのドーパント・ガス組成は、イオン源の寿命を損なうことなく、以前のシリコン・ドーパント源の材料と比べてイオン源の性能を改善する。「イオン源性能」は、ビーム電流の安定性、供給源の寿命、及びビーム・グリッチの範囲を含む主要な性能メトリックを考慮に入れるものである。本明細書で用いられる場合、「ビーム・グリッチ」という用語は、ビーム電流を瞬間的に低下させ得る電圧放電を指すことになる。本開示が、本明細書で、様々な実施例において、本発明の様々な態様及び特徴を参照しながら詳述される。
【００１８】
独特なシリコンベースのドーパント・ガス組成は、シリコン・イオン注入で一般的に利用される他の従来のソース・ドーパント・ガスに対して、イオン源の寿命を損なうことなくビーム電流を増加することができる。第１のシリコンベースの種と第２の種の多数の組合せが用いられ得る。たとえば、第１のシリコンベースの種はＳｉ２Ｈ６を含み得て、第２の種はＸｅ又は他の不活性ガスを含み得る。他の代表的な実例では、ＳｉＨ４が、Ｘｅ又は他の不活性を含む第２の種とともに用いられてよい。或いは、ＳｉＨ２Ｃｌ２又はＳｉＦ２Ｈ２が、Ｘｅ及び／又はＫｒなどの様々な希釈剤を含んでいる第２の種とともに用いられてもよい。それぞれの実例において、イオン源が、その動作中に劣化することなくビーム電流を維持する、又は増加するように動作するアーク電圧（すなわちイオン源に対する入力エネルギー）の好ましい範囲にわたって、第２の種は、第１のシリコンベースの種よりも大きいイオン化断面積を有するように選択されなければならない。
【００１９】
好ましい実施例では、第１のシリコンベースの種には、イオン源装置１００の入口及び／又は内部に含有された所定の濃度のＳｉＦ４が含まれる。本発明の原理によれば、ＳｉＦ４は、任意の適切な不活性ガス又は希釈ガス、第２のシリコンベースの共同種又はその組合せを含んでいる第２のガス種と組み合わせて利用され得る。たとえば、希釈ガスはキセノン又はクリプトンを含んでよく、どちらも、イオン注入プロセスにおいて、イオン源に入力される選択された動作エネルギー・レベルにおいて、ＳｉＦ４よりも大きいイオン化断面積で用いられる。ＮｅＨｅ、Ａｒ又はＮ２を含む他の適切な希釈ガス又は不活性ガス、水素含有ガス、又はそれらの任意の組合せが利用されてもよい。
【００２０】
好ましい実施例では、第１のガス種はＳｉＦ４であり、第２のガス種は、第２のシリコンベースの共同種を含み、所定の量がＳｉＦ４に追加される。イオン源プロセスの動作条件において所定の濃度の第２のシリコンベースの共同種を追加すると、第２のＳｉベースの共同種がＳｉＦ４のイオン化断面積よりも大きいイオン化断面積を有するようになり、動作パラメータにおけるいかなる追加の変更も必要なく、Ｓｉ＋ビーム電流が増加する傾向があることが示された。さらに、シリコン含有ガス混合物の特定の好ましい組成では、より低いアーク電圧でイオン源を運転して、その運転中に、イオン源の構成要素の劣化をさらに低減することが可能であることが判明した。
【００２１】
好ましくは、第２のシリコンベースの共同種はジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を含む。共同種Ｓｉ２Ｈ６とＳｉＦ４を特定の比で組み合わせると、所与の基板に注入するのに利用可能なシリコン・イオンの供給源をもたらすことができる。一実施例では、全体的なシリコンベースのドーパント・ガス組成の体積に基づいて、約１〜１０ｖｏｌ％のＳｉ２Ｈ６共同種が含有される。別の実施例では、約２〜７ｖｏｌ％のＳｉ２Ｈ６共同種が含有される。以下で論じられるように、本発明では、選択されたドーパント・ガス混合物のイオン化条件及びイオン・チャンバの動作条件の下でのＳｉＦ４に対するＳｉ２Ｈ６の特定の組成の範囲が、ビーム電流を改善することができ、それによって、イオン源を劣化させることなくビーム電流を増加することができることが発見された。このようにして、供給源寿命が短縮されるような容認できないレベルまで堆積物を蓄積させることなく、シリコン・イオン・ビーム電流を増加することができる。イオン源が、ＳｉＦ４のみを利用するイオン注入プロセスと比べて、より長い期間にわたってその効率を維持するのを支援される条件で動作することが可能になり得る好ましい濃度のＳｉ２Ｈ６は、相補的ガスとして働き、このことは以下の実例で明示される。
【００２２】
さらに、ＳｉＦ４にとって好ましい動作条件又は最適な動作条件において、そのイオン化断面積がＳｉＦ４のイオン化断面積よりも大きい第２のＳｉベースの種の所定量を追加すると、もっぱらＳｉＦ４を利用するときのイオン注入の動作パラメータに対していかなる追加の変更を加える必要性もなく、生成されるＳｉ＋ビーム電流を増加することができることが示された。たとえば、本発明は、ＳｉＦ４とＳｉ２Ｈ６の混合物を好ましい濃度範囲で利用するとき、イオン源に追加のエネルギーを入力する必要なくビーム電流を改善する（すなわち、イオン源の寿命を短縮することなく、生成されたビーム電流を維持する、又は増加する）ことができる。言い換えれば、ビーム電流と、もっぱらＳｉＦ４から生成されたビーム電流でのスループットと比較したスループットとを増加するように、上限を超えない量のＳｉ２Ｈ６がＳｉＦ４に追加される。
【００２３】
さらに、本発明によって企図されたＳｉガス混合物の特定の組成で、イオン源を、ビーム電流の顕著な減少を伴うことなく、より低いアーク電圧で動作させることができ、有利なことに、イオン注入操作を通じてイオン源構成要素の劣化がさらに低減され得ることが判明した。
【００２４】
以下の実例で説明される好ましい実施例では、Ｓｉイオンは、所定の濃度範囲のＳｉ２Ｈ６及びＳｉＦ４を含んでいるＳｉ含有混合物から注入される。任意の適切なイオン注入装置が、Ｓｉ２Ｈ６とＳｉＦ４の混合物とともに利用されてよい。図１を参照すると、Ｓｉ２Ｈ６及びＳｉＦ４から導出したＳｉイオンを注入するための代表的なイオン注入装置１００が示されている。図１に示されたイオン源装置１００の様々な構成要素には、本発明のシリコンベースのドーパント・ガス組成を、その対応するシリコン活性イオンへとイオン化するためのイオン源として働く間接加熱カソード（ＩＨＣ）１１５も含まれる。シリコンベースのドーパント・ガス組成は、たとえばＦｒｅｅｍａｎ供給源、Ｂｅｒｎａｓ供給源及びＲＦプラズマ供給源を含む、当技術分野で既知の他のタイプのイオン源に対して適切であることを理解されたい。
【００２５】
図１のイオン源装置１００は、シリコンの活性イオンを半導体基板に注入するための電子ビームを生成するのに使用することができる。シリコン活性イオンは、もっぱらＳｉＦ４から生成されたビーム電流と比べて、より大きいＳｉ＋ビーム電流を生成するようにして、ＳｉＦ４とＳｉ２Ｈ６をイオン化することから生成される。いかなる特定の理論にも束縛されることなく、Ｓｉ２Ｈ６に対するＳｉＦ４の特定の構成の範囲及びイオン源装置１００の注意深く選択された動作条件の下では、ＳｉＦ４とＳｉ２Ｈ６は、増加され、且つ改善されたビーム電流を生成するために、Ｓｉ＋活性イオンの生成量を増加するイオン化メカニズムをもたらすように、相乗効果があるように相互作用すると考えられる。
【００２６】
図４は、異なるシリコン化合物のイオン化断面積をエネルギーの関数として図示するものである。Ｓｉ２Ｈ６は、ＳｉＦ４のイオン化が起こり得るイオン源の好ましい動作エネルギー・レベル又はアーク電圧で、ＳｉＦ４よりも大きいイオン化断面積を示す。言い換えれば、図４は、Ｓｉ２Ｈ６が、イオン源のそのようなアーク電圧動作条件の下でイオンを生成する、より高い可能性を有することを示す。Ｓｉ２Ｈ６から生成されたイオンの存在によって、ＳｉＦ４のイオン化プロセスが強化され、より大きいＳｉ＋ビーム電流がもたらされる。逆に、図４は、ＳｉＨ４のイオン化断面積がＳｉＦ４のものよりも小さく、したがって、ＳｉＦ４がＳｉＨ４のイオン化された種と相互作用したり衝突したりして、イオン化されたＳｉＦ４種へとイオン化するための正味の確率が低下し、それによってＳｉ＋ビーム電流が減少することを示す。
【００２７】
図４を参照すると、Ｓｉ２Ｈ６は、ＳｉＦ４のイオン化が起こる約８０Ｖ〜１２０Ｖの選択された動作アーク電圧で、ＳｉＦ４のものよりも大きいイオン化断面積を示す。この選択された動作様式の範囲内では、Ｓｉ２Ｈ６は、様々なシリコン含有イオンを生成する、より高い可能性を有する。Ｓｉ２Ｈ６から導出されたシリコン含有イオンの存在によって、ＳｉＦ４のイオン化プロセスが強化され、イオン源の供給源フィラメントを劣化させることなく、より大きいＳｉ＋ビーム電流がもたらされる。しかしながら、ビーム電流の改善が示されるＳｉ２Ｈ６の濃度は、約５０％未満、好ましくは約４０％未満、より好ましくは２０％未満、最も好ましくは１０％未満といった特定の範囲内だけであることが発見された。
【００２８】
以下の実例で図３と関連して示されるように、Ｓｉ２Ｈ６の濃度を約５０％以上に高めた総体のガス混合物では、希釈されていない（すなわち純粋な）ＳｉＦ４から生成されたビーム電流と比べて、ビーム電流が減少する。さらに、８０％のＳｉ２Ｈ６と２０％のＳｉＦ４では、ビーム電流がかなり減少する。約５０％以上といった高いＳｉ２Ｈ６濃度の条件下では、プラズマによるアーク・チャンバからのシリコン・イオンの抽出が少ないことが観測され、ビーム電流がより少なかった。図３は、異なるｓｉ−含有ガス混合物をイオン化している間に得られたＳｉ＋ビーム電流を示す。Ｓｉ２Ｈ６含有ガス混合物（５％のＳｉ２Ｈ６、残部ＳｉＦ４）は、希釈されていないＳｉＦ４と比べて、Ｓｉ＋ビーム電流の約２０％の増加を示した。さらに、図３は、ＳｉＦ４に他のＳｉ含有の相補的種を追加することにより、ビーム電流が減少したことを示す。たとえば、以下の実例で論じられるように、５０％のＳｉＦ４と５０％のＳｉＨ４のガス混合物は、希釈されていないＳｉＦ４のケースから生成されたビーム電流と比べて、ビーム電流が約５％低下することを示した。
【００２９】
加えて、これらの５０％以上の高いｄｉｌｓｉｌａｎｅ濃度でＳｉ含有堆積物が認められ、それによって、イオン源の、運転中のビーム電流の減少と、早期故障とをもたらす。
【００３０】
Ｓｉ２Ｈ６を所定の上限未満に保つことの結果として、ＳｉＦ４にとって好ましい動作条件又は最適な動作条件で、イオン化断面積においてＳｉＦ４よりも大きく、量においてＳｉＦ４よりも少ない第２のＳｉベースの共同種を追加すると、アーク電圧を増加することなど、動作パラメータにおける追加の変更なしで、得られるＳｉ＋ビーム電流を増加し得ることが示された。逆に、本発明では、驚くべきことに、Ｓｉ２Ｈ６とＳｉＦ４の特定の組成において、供給源寿命を延ばす（すなわち、カソード薄化及び／又はフッ素腐食の結果としてのイオン源構成要素の劣化を防止する）一方で、実質的に同一のビーム電流を維持することができる、より低いアーク電圧で、イオン源を実際に動作させ得ることが判明した。図４に示されたＳｉ２Ｈ６とＳｉＦ４の対応するイオン化断面積の曲線の結果として、低下したアーク電圧で動作し、それでもなお実質的に同一のビーム電流を維持する能力が可能である。たとえば、図４に示されるように、より低いアーク電圧におけるＳｉ２Ｈ６とＳｉＦ４のイオン化断面積の曲線間の差が増加することにより、アーク電圧の約１１０Ｖから約８０Ｖへの低下が生じ得る。Ｓｉ２Ｈ６とＳｉＦ４の間のイオン化断面積の差より大きな差が、比較的低いアーク電圧で生じることに関わり、十分な数のＳｉ活性イオンが生成されて、アーク電圧がより低いために総合的ビーム電流が低下するいかなる傾向も相殺される可能性が、より高くなり得る。言い換えれば、アーク電圧がより低ければ、生成されるＳｉの合計のイオン量も低下する可能性があり、イオン化断面積の差が増大することによる十分なイオン化によってビーム電流を維持することができる一方で、フッ素腐食及びカソード薄化がかなり低減され、それによってイオン源の寿命が延び、最終的にはスループットが改善される。最適な動作電圧（すなわちイオン源へのエネルギー入力）の選択は、ガス種及びそれらの対応するイオン化断面積の曲線の関数である。アーク電圧が最適であれば、イオン源を劣化させることなく、ビーム電流を維持するか又は増加させることが可能になるはずである。一実施例では、最適電圧は８５〜９５Ｖの間の範囲で生じる。
【００３１】
加えて、本発明で開示されたドーパント・ガス組成により、従来型のシリコン・ドーパント・イオン注入設備と比べて、好ましくは、少なくとも部分的に、イオン源装置１００の動作中の供給源カソード１１５の重量変化の最低速度に基づいて、イオン源カソード１１５の寿命を延長することが可能になる。最終的には、供給源カソード１１５の早期故障の可能性が低下することにより、イオン源カソード１１５の動作可能期間が延長されてスループットが向上する。このようにして、本発明は、もっぱらＳｉＦ４から生成されたビーム電流と比べて、シリコン・イオン・ビーム電流を維持するか又は増加することができる独特なシリコンベースのドーパント・ガス組成を有する一方で、同時に、ＳｉＦ４などの、これまで可能であった従来型のシリコン前駆物質を利用するものよりも長い期間にわたって供給源フィラメント１１５の完全性を維持するものである。
【００３２】
引き続き図１のイオン源装置１００を参照して、ＳｉＦ４とＳｉ２Ｈ６を所定の比で含んでいるシリコン・ドーパント・ガス組成の流れ１０２が、アーク・チャンバ壁１１１を通って延在するガス供給ラインを通じてイオン源チャンバ１１２の中に導入される。一実施例では、Ｓｉ２Ｈ６は、総合的な組成流れ１０２に基づき、５０％未満に維持される。別の実施例では、Ｓｉ２Ｈ６は１〜２０％の間の濃度に維持される。さらに別の実施例では、Ｓｉ２Ｈ６は約１０％以下である。供給源チャンバ１１２の内部のシリコン・ドーパント・ガス組成１０３が、ＩＨＣ  １１５に近接して配置されたタングステン・ベースのフィラメント１１４に電源（図示せず）から所定の電圧が印加されて抵抗加熱され、イオン化される。フィラメント１１４には、ＩＨＣ  １１５に対してマイナスのバイアスをかけてよい。電源によってフィラメント１１４に電流を印加して、フィラメント１１４を抵抗加熱する。アーク・チャンバ壁１１１からカソード１１５を電気的に絶縁するために、絶縁体１１８が設けられている。
【００３３】
カソード１１５によって電子が放出される。放出された電子により、シリコン・ドーパント組成１０３の分子のＳｉＦ４及びＳｉ２Ｈ６が加速され、且つイオン化されて、チャンバ１１２内のプラズマ環境を生成する。リペラ電極１１６が、シリコン・ドーパント組成１０３の分子のイオン化を維持するために電子をはね返すためのマイナス電荷を確立することにより、アーク・チャンバ１１２内のプラズマ環境を維持する。リペラ電極１１６は、チャンバ１１２内のドーパント・ガス組成１０３のイオン化を維持するように、好ましくはＩＨＣ  １１５に対して実質的に直径方向で対向して構成されている。アーク・チャンバ壁１１１は抽出開口１１７を含み、それを通って明確なシリコン・イオン・ビーム１２１が、アーク・チャンバ１１２から抽出される。この抽出システムは、抽出電極１２０と、抽出開口１１７の前に配置された抑止電極１１９とを含む。抽出電極１２０と抑止電極１１９は、どちらも、シリコン・イオン注入に用いられ得る明確なイオン・ビーム１２１を抽出するために、抽出開口１１７と整列したそれぞれの開口を有する。
【００３４】
シリコンベースのドーパント・ガス組成１０３のイオン化によって、ＳｉＦ４とＳｉ２Ｈ６の相乗的相互作用から生成され得る様々なイオン化された種には、共同種のＳｉＦ４から放出されるＦイオン、フッ化シリコン・イオン及び様々なシリコン含有イオンと、共同種のＳｉ２Ｈ６から放出される水素イオン、水素化シリコン・イオン及びさらなるシリコン含有イオンとが含まれる。放出された大量のＦイオンは、水素による掃気が可能である。加えて、放出されたＦイオンは、ドーパント・ガス混合物のイオン化から形成されたシリコン・ガス・イオンのいくらかと再結合する可能性がある。しかしながら、イオン源装置１００内のＳｉＦ４とＳｉ２Ｈ６の相乗的相互作用を好都合に可能にするアーク電圧の選択を含む十分な動作条件の下で、選択された動作アーク電圧（図４）におけるそれらの対応するイオン化断面積によって、また、イオン・チャンバの中に導入されるＳｉＦ４とＳｉ２Ｈ６の相対量を、本発明の原理に従って制御することにより、Ｆイオンと再結合するシリコン・イオンの量は、ビーム電流を増加するイオン注入に利用可能な活性シリコン・イオンの最大の濃度レベルを生じさせるように実質的に最小化される。その結果、Ｆイオンを掃気する方法により、イオン源装置１００からＷベースのチャンバ構成要素をエッチングしてＷ含有堆積物を形成するＦイオンがより低減され、一方、注入するための十分な量の活性シリコン・イオンが維持される。Ｗ含有堆積物の形成が低減されると、ＩＨＣ  １１５のより高温の表面上の、Ｗ含有堆積物の拡散及び分解がより少なくなる。したがって、イオン源装置１００の動作中のＩＨＣ  １１５の増量の割合が、実質的に低減される。最終結果として、ビーム・グリッチは頻度が低下するか又は解消され、それによってビーム安定性が向上し、イオン源装置１００の動作寿命が延長される。
【００３５】
ＳｉＦ４とＳｉ２Ｈ６の共同種の相互作用によるＦイオンの掃気は、ＳｉＦ４とＳｉ２Ｈ６を個々にイオン化することによって得られる合計のＳｉイオンの単純な相加効果よりも大きい増加した量の活性シリコン・イオンを生成する、増強されたイオン化メカニズムの生成を、少なくとも部分的に支援することができる。さらに、ＳｉＦ４とＳｉ２Ｈ６共同種の組合せは、それらのイオン化断面積に関して説明されたような好ましいように相互作用し得、それぞれのイオン化特性が改善される。比電離メカニズムは完全には理解されていないが、シリコン・イオンの放出の総合的な効果は、改善され且つ維持されるビーム電流をもたらす相乗作用であり、希釈ガスとともに用いられる、又は希釈ガスなしで用いられるシリコン・ドーパント・ガスによって一般的に観測されるように、これによって電流が瞬間的に減少することはない。本発明は、シリコン・イオンが導出される特定の比の２つのシリコン共同種を利用するので、イオン注入のために利用可能なシリコン・イオンの活性濃度は、少なくとも部分的には十分なレベルに維持される。さらに、堆積物の蓄積が、防止されるか又は実質的に最小化され、それによって、希釈剤又は不活性ガスを組み込む必要性が解消する。本発明の、改善され、且つ維持されたビーム電流は、より大きいスループット及び生産性をもたらし、基板の中に、必要なシリコン・イオン量を短期間で注入することができる。
【００３６】
このようにして、本発明は、従来技術とは異なり、好ましい濃度のＳｉＦ４及びＳｉ２Ｈ６などの２重目的のシリコン・ドーパント・ガス組成を利用し、注意深く選択されたイオン化条件の下で、タングステン・ベースのフィラメント１１４に入力されるエネルギーにより、イオン源寿命を損なうことなくシリコン・ビーム電流を増加することができる。ＳｉＦ４とＳｉ２Ｈ６は、相補的ガス種Ｓｉ２Ｈ６が、８０Ｖ〜１２０Ｖの選択された動作範囲内で示す、ＳｉＦ４のものよりも大きいイオン化断面積により、さらには、Ｓｉ２Ｈ６の濃度が５０％以下という所定の上限未満に維持されるので、少なくとも部分的にＳｉ＋イオンの生成量を増加するイオン化メカニズムをもたらすように、相乗効果があるようにして相互作用する。
【００３７】
図２は、シリコン・イオン注入システム２００に組み込まれた図１のイオン源装置１００を示す。図１のイオン源装置１００のすべての要素が図２に組み込まれていることを、当業者は理解するべきである。その結果、図２に示されているイオン源装置１００の要素及び特徴は、図１に示された要素及び特徴に関連して理解されるべきである。
【００３８】
図２は、シリコンベースのドーパント・ガス組成がドーパント・ガス・ボックス２０１から供給され得ることを示す。シリコンベースのドーパント・ガス組成は、ガス・ボックス２０１内の単一の供給容器の中のあらかじめ混合された組成として、所望の構成で用意され得る。或いは、ガス・ボックス２０１は、シリコン共同種ＳｉＦ４及びＳｉ２Ｈ６のそれぞれが、ガス・キットの一部分としての独立した分配容器で供給され得るように構築され、且つ配置されてもよく、ＳｉＦ４及びＳｉ２Ｈ６は、次いで、ガス・キットの一部分と見なされ得る対応する流量コントローラを利用して、制御された流速で、連続的に、又は半連続的に、一緒に、又は順次流される。Ｓｉ２Ｈ６及びＳｉＦ４の流速は、制御されてイオン源装置１００の方へ導かれ、所望のシリコンベースのドーパント・ガス組成を好ましい濃度範囲で生成する。そのようなドーパント・ガス組成は、供給源チャンバ１００の入口及び／又は内部のいずれかで生成され得る。個々の共同種が集束するポイントが、イオン源装置１００の上流に、又は装置１００のチャンバ１１２内に生じ得る。
【００３９】
引き続き図２を参照して、イオン源チャンバ１００に入るシリコンベースのドーパント・ガス組成の濃度を測定するために、当技術分野で知られている適切な市販の分析器を使用することができる。一実施例では、シリコン・ドーパント・ガス組成は、残部ＳｉＦ４に対して約１〜２０ｖｏｌ％の範囲のＳｉ２Ｈ６の濃度を有する。好ましい実施例では、シリコン・ドーパント・ガス組成は、残部ＳｉＦ４に対して約２〜１０ｖｏｌ％の範囲のＳｉ２Ｈ６の濃度を有する。より好ましい実施例では、シリコン・ドーパント・ガス組成は、残部ＳｉＦ４に対して約２〜５ｖｏｌ％の範囲のＳｉ２Ｈ６の濃度を有する。
【００４０】
引き続き図２を参照して、シリコンベースのドーパント・ガス組成が、あらかじめ混合された単一の供給源として、又はＳｉＦ４とＳｉ２Ｈ６の個々の種として、ボックス２０１から、上記で直前に説明されたように、一緒に、又は順次流されて、イオン源装置１００の中に導入される。装置１００の選択されたアーク電圧を生成するために、チャンバ１１２（図１）の中にエネルギーを導入することするための手段として、イオン源フィラメント１１４に電圧が印加され、シリコンベースのドーパント・ガス組成をイオン化して、注入のために利用可能な活性シリコン・イオンの十分な濃度をもたらす。好ましくは、イオン源１１４に入力されるエネルギー（すなわちアーク電圧）は、活性Ｓｉ＋イオンの生成量が増加するイオン化メカニズムをもたらすように、相乗効果があるようにして、ＳｉＦ４とＳｉ２Ｈ６の相互作用を可能にするように、約８０Ｖ〜１２０Ｖの範囲に保たれる。結果として、チャンバ１１２内にプラズマ環境がもたらされる。イオン・ビーム抽出システム２０１が含んでいる抽出電極１２０及び抑止電極１１９は、図２に示されるようなシリコン含有ドーパント供給システムの一部分を形成し、シリコン・イオンを注入するために用いられる明確なシリコン・ビーム１２１を抽出するように構成されている。ビーム１２１は、注入される他の種からシリコン・イオン種を選択して磁気的に捕捉するように、任意選択の質量分析器／フィルタ２０５を通って輸送される。具体的には、質量分析器／フィルタ２０５は、対象の活性シリコン・イオンのみが処理チャンバ又はエンド・ステーション２１０内に進むことを許すように構成されている。次いで、シリコンリッチ・イオン・ビーム２０７は、必要に応じて加速／減速ユニット２０６によって加速／減速され得て、次いで、被加工物２０９内に活性シリコン・イオンを注入するために、エンド・ステーション２１０に位置決めされたウェーハ又は対象の被加工物２０９の表面へ輸送され得る。ビームの活性シリコン・イオンは、被加工物２０９の表面と衝突し、所望の深さに侵入して、所望の電気的特性及び物理的特性を有する領域を形成する。本発明のプロセス及び技法を採用することにより、イオン源寿命の低下を招くことなく、システム２００内に含まれるイオン源装置１００のビーム電流が、従来型のシリコン・ドーパント・システムに対してかなり増加され得る。そのため、本発明は、プロセスの数ある利点の中でも、イオン源装置１００のスループットが向上するという、シリコン・イオン注入産業の進歩を示すものである。
【００４１】
シリコン注入プロセス２００の構造及び設計の多くの変形形態が、本発明の異なる実施例で採用され得ることに留意されたい。さらに、構成及び設計の詳細は、それらが、イオン源装置１００及び対応する注入プロセス２００で用いられるシリコンベースのドーパント組成に関するものであることを除けば、本発明の性能において重要ではない。
【００４２】
図２に示される本発明の好ましい態様では、あらかじめ混合されたＳｉ２Ｈ６とＳｉＦ４を含むシリコンベースのドーパント・ガス組成の制御された流れが、イオン源装置１００のイオン源チャンバ１１２に供給され、イオン源チャンバ１１２では、Ｓｉ２Ｈ６の濃度の範囲は、全体の混合物に基づいて約１〜１０ｖｏｌ％である。シリコンベースのドーパント・ガス組成は、あらかじめ高圧シリンダで混合されてパッケージ化され得る。或いは、ドーパント・ガス組成は、例として、米国特許第５，９３７，８９５号、米国特許第６，０４５，１１５号、米国特許第６，００７，６０９号、米国特許第７，７０８，０２８号、及び米国特許第７，９０５，２４７号に開示されているようなＵｐＴｉｍｅ（登録商標）準大気圧配送システムなどの準大気圧配送パッケージから配送されてもよく、これらの米国特許のすべてが、全体を参照することによって本明細書に組み込まれる。他の適切な準大気圧配送デバイスは、圧力調整器、逆止弁、過流防止弁及び流れ抑制オリフィスを様々な配置で含み得る。たとえば、ドーパント・ガスのシリンダ圧力を、流体排出ラインに沿って含まれる下流の質量流量コントローラにとって許容できる所定の圧力に下げる方向で調節するために、２つの圧力調整器が、シリンダ内に直列に配設されてよい。準大気圧パッケージは、その安全性が高いので、ガス配送のための好ましいモードである。一実施例では、流速の範囲は、約０．１〜１００ｓｃｃｍ、好ましくは０．５〜５０ｓｃｃｍ、より好ましくは約１〜１０ｓｃｃｍであり得る。イオン源装置１００には、ＦｒｅｅｍａｎとＢｅｒｎａｓのタイプの供給源、間接加熱カソードの供給源及びＲＦプラズマ供給源など、商用イオン注入装置で一般に使用されているイオン源のうち任意のものが含まれ得る。Ｓｉ２Ｈ６及びＳｉＦ４を含むシリコンベースのドーパント・ガス組成の所望のイオン化を達成するために、選択された各パラメータの下で、Ｓｉ２Ｈ６のイオン化断面積をＳｉＦ４のものよりも大きくすることにより、本発明の原理によって、活性Ｓｉイオンのイオン化及び生成を増強するように、圧力、フィラメント電流及びアーク電圧を含むイオン源動作パラメータが調整される。
【００４３】
本発明の別の実施例では、Ｓｉ含有ドーパント組成は、適切なイオン注入用途向けのより低いアーク電圧で動作し得る上記で論じられた所定濃度における、ＳｉＦ４とＳｉ２Ｈ６の混合物である。電圧がより低ければ、チャンバ構成要素の腐食が低減され得る。特に、より低いアーク電圧で動作すれば、構成要素の物理的侵食並びに化学的侵食が低減され、それによってイオン源の寿命が延長される。より低いアーク電圧で動作させると、好ましくはビーム電流が実質的に維持される。ビームが、もっぱら、希釈されていないＳｉＦ４から生成される場合には、フィラメント上にＷ含有堆積物が蓄積し、イオン源の電子放出効率が低下して、原料ガスのイオン化が不十分になるために、ビーム電流の損失をもたらす可能性があるが、有利には、アーク電圧を低くすると、堆積物が蓄積したり、ビームが不安定になったりすることがない。
【００４４】
本出願人は、本発明のシリコンベースのドーパント・ガス組成を他のドーパント・ガス材料と比較するためにいくつかの実験を行なっており、次に以下の実例で論じる。以下で説明されるすべてのテストに関して、イオン源フィラメントの増量又は減量は、当技術分野で知られているように、テスト前後にイオン源フィラメントの重量を測定することによって測定されたことに留意されたい。電流は、当技術分野で周知の標準化された技法により、ファラデー・カップを使用して測定された。すべてのテストが１００Ｖで実行された。
【００４５】
比較例１（希釈されていないＳｉＦ４）
ＳｉＦ４のみ（すなわち希釈されていないもの）のドーパント・ガス組成から導出したイオン・ビームのイオン・ビーム性能を評価するためにイオン化テストを行なった。チャンバの内部は、ヘリカル・フィラメントと、ヘリカル・フィラメントの軸に対して垂直に置かれたアノードとを含むように構築されたイオン源からなるものであった。イオン化プロセス中にアノードを静止させておくように、アノードの前に基板を位置決めした。イオン源チャンバの中にＳｉＦ４を導入した。イオン源に電圧を印加し、ＳｉＦ４をイオン化して、シリコン・イオンを生成した。測定されたビーム電流を図３に示す。ビーム電流は、イオン注入に用いることができる明確なシリコン・イオン・ビームを生成する目的に対して許容できるものと見なされた。しかしながら、表１に示されるように、０．０２ｇｍ／ｈｒの顕著なフィラメント増量が観測され、且つ測定された。テストを通じて、フィラメント上に様々なＷ含有堆積物が蓄積して電子放出効率が低下し、原料ガスのイオン化が不十分になって、最終的にはビーム電流の損失をもたらし、テストを中断しなければならなかった。これらの結果は、Ｓｉ＋ドーパント源として単独でＳｉＦ４を利用することに伴う典型的な問題であると考えられた。
【００４６】
比較例２（ＳｉＦ４＋２０％のＸｅ／Ｈ２）
ＳｉＦ４と、全体のガス混合物の２０ｖｏｌ％のキセノン／水素の希釈ガス混合物との混合物からなる、シリコンベースのドーパント・ガス組成から得られたイオン・ビーム電流を評価し、併せて特定の期間にわたるイオン化の過程を通じてイオン源の性能を評価するために、イオン化テストを行なった。比較例１のベースラインのＳｉＦ４テストを行なったときと同一のイオン源チャンバを利用した。ＳｉＦ４と希釈剤のキセノン／水素とを個別の供給源からイオン源チャンバの中に導入して、チャンバ内で所望のドーパント・ガス組成を生成した。イオン源に電圧を印加し、ＳｉＦ４をイオン化して、シリコン・イオンを生成した。図３のケースＢに示されるように、ビーム電流を、ＳｉＦ４のみを利用して生成したものよりも約１０％小さくするように測定して求めた。ビーム電流を、比較例１からのＳｉＦ４のビーム電流に対して正規化したものを図３に示す。表１に示すように、フィラメントの増量は０．００１７ｇｍ／ｈｒであった。堆積物によるフィラメントの増量が比較例１からのＳｉＦ４のものより少なく、ハロゲンサイクルを維持し、したがって、さらなるタングステン・チャンバ構成要素をエッチングし得る活性Ｆイオンが、より少ないことを示している。その結果、ハロゲンサイクルは比較例１のものに対して低減された。生じたビーム・グリッチは、比較例１のものよりも少なかった。しかしながら、キセノン／水素の希釈剤によるハロゲンサイクル及びＷ含有堆積物の低減は、単独でＳｉＦ４を利用したときよりもビーム電流が小さくなる（図３）という犠牲を払ったものである。これらの結果は、希釈ガスを用いる従来型のシリコン・ドーパント・ガス前駆物質を示すものであった。
【００４７】
比較例３（５０％のＳｉＦ４＋５０％のＳｉＨ４）
ＳｉＦ４と、ＳｉＨ４との混合物からなる、シリコンベースのドーパント・ガス組成から得られたイオン・ビーム電流を評価し、併せて特定の期間にわたるイオン化の過程を通じてイオン源の性能を評価するために、イオン化テストを行なった。混合物の濃度は、５０ｖｏｌ％のＳｉＦ４及び５０ｖｏｌ％のＳｉＨ４であった。比較例１及び２のテストを行なったときと同一のイオン源チャンバを利用した。ＳｉＦ４とＳｉＨ４の混合物を個別の供給源からイオン源チャンバの中に導入して、チャンバ内で所望のドーパント・ガス組成を生成した。濃度測定値を得て、目標の濃度が達成されたことを確認した。イオン源に電圧を印加し、ドーパント・ガス混合物をイオン化して、シリコン・イオンを生成した。図３のケースＣに示されるように、測定されたビーム電流を、ＳｉＦ４のビーム電流に対して正規化した。測定されたビーム電流は、比較例２の、ＳｉＦ４と希釈剤のキセノン／水素混合物とを利用したとき生成されたものよりも大きかったが、比較例１の、ＳｉＦ４のみ利用したとき生成されたビーム電流を下回るものであった。この結果は、ＳｉＨ４が、イオン源に入力される実質的にすべての動作エネルギー・レベルにおいてＳｉＦ４よりも低いイオン化定数を有することを示す図４を参照することにより、少なくとも部分的には説明され得る。そのため、ＳｉＨ４とＳｉＦ４の衝突に由来する活性の低いシリコン・イオンが生成されたわけである。ＳｉＨ４のイオン化断面積がＳｉＦ４のものよりも小さいので、ＳｉＦ４が衝突してイオン化する正味の可能性が低下することにより、シリコン・イオン・ビーム電流が全体的に低下する。表１に示されるように、０．００２５ｇｍ／ｈｒのフィラメントの減量があった。イオン・チャンバ内のＳｉＦ４及びＳｉＨ４の対応するプラスのイオン種によって起こり得るフィラメントの物理的スパッタリングの結果として、フィラメントの薄化が観測された。したがって、５０ｖｏｌ％のＳｉＦ４と５０ｖｏｌ％のＳｉＨ４ドーパント・ガス混合物は、過度のイオン源フィラメント薄化のために早期故障をもたらす可能性があるとの結論に至った。
【００４８】
比較例４（ＳｉＦ４＋５０％のＳｉ２Ｈ６）
ＳｉＦ４と、５０ｖｏｌ％のＳｉ２Ｈ６との混合物からなる、シリコンベースのドーパント・ガス組成から得られたイオン・ビーム電流を評価し、併せて特定の期間にわたるイオン化の過程を通じてイオン源の性能を評価するために、イオン化テストを行なった。比較例１、２、３のテストを行なったときと同一のイオン源チャンバを利用した。シリコンベースのドーパント・ガス組成を、個別のＳｉＦ４供給源及びＳｉ２Ｈ６供給源によってチャンバの中に導入し、イオン源チャンバの上流のフロー・ラインの中で混合した。濃度測定値を得て、目標の濃度が達成されたことを確認した。イオン源に電圧を印加し、ドーパント・ガス組成をイオン化して、シリコン・イオンを生成した。ビーム電流を測定して、ＳｉＦ４のビーム電流に対して正規化した。図３のケースＦは、得られたビーム電流がＳｉＦ４のもの（比較例１）を約１０％下回ることを示す。フィラメントの減量は０．００２３ｇｍ／ｈｒの割合であった。２０時間にわたる連続運転の後で、図５Ｂに示されるように、イオン源アーク・チャンバの表面に沿って、顕著なＳｉ含有堆積物が観測された。堆積物のそのような蓄積は、イオン源の、運転中のビーム不安定性と、最終的な早期故障との原因となった。したがって、このガス組成はＳｉ注入操作用には望ましくないとの結論に至った。
【００４９】
比較例５（ＳｉＦ４＋８０％のＳｉ２Ｈ６）
ＳｉＦ４と、８０ｖｏｌ％のＳｉ２Ｈ６からなる、シリコンベースのドーパント・ガス組成から得られたイオン・ビーム電流を評価し、併せて特定の期間にわたるイオン化の過程を通じてイオン源の性能を評価するために、イオン化テストを行なった。シリコンベースのドーパント・ガス組成を、個別のＳｉＦ４供給源及びＳｉ２Ｈ６供給源によってチャンバの中に導入し、イオン源チャンバの上流のフロー・ラインの中で混合した。比較例１、２、３及び４のテストを行なったときと同一のイオン源チャンバを利用した。あらかじめ混合してあるシリコンベースのドーパント・ガス組成を、チャンバの中に導入した。濃度測定値を得て、目標の濃度が達成されたことを確認した。イオン源に電圧を印加し、ドーパント・ガス組成をイオン化して、シリコン・イオンを生成した。ビーム電流を測定して、ＳｉＦ４のビーム電流に対して正規化した。８０％のＳｉ２Ｈ６と残部ＳｉＦ４の混合物の測定されたＳｉ＋ビーム電流は、比較例１の希釈されていないＳｉＦ４ベースラインの場合と比べて、かなり小さいものであった。図３のケースＧは、ビーム電流がＳｉＦ４のもの（比較例１）を６０％超下回ることを示す。さらに、運転中にイオン・ビームが不安定性を示し、最終的にはイオン源の早期故障の原因となった。フィラメントの減量は、以下で表１に示されるように−０．００２５ｇｍ／ｈｒの割合であった。図５Ａは、２０時間にわたる連続運転の後に、望ましくない量のＳｉ含有堆積物がアーク・チャンバの表面に沿って観測されたことを示す。したがって、このＳｉ含有ドーパント・ガス組成はＳｉイオン注入操作用には望ましくないとの結論に至った。
【００５０】
「実例１」（ＳｉＦ４＋２．５ｖｏｌ％のＳｉ２Ｈ６）
ＳｉＦ４と、２．５ｖｏｌ％のＳｉ２Ｈ６との混合物からなる、シリコンベースのドーパント・ガス組成から得られたイオン・ビーム電流を評価し、併せて特定の期間にわたるイオン化の過程を通じてイオン源の性能を評価するために、イオン化テストを行なった。比較例１、２、３、４及び５のテストを行なったときと同一のイオン源チャンバを利用した。純粋なＳｉＦ４の流れが、５％のＳｉ２Ｈ６／ＳｉＦ４混合物を希釈して２．５のｖｏｌ％  Ｓｉ２Ｈ６を生成するように、５％のＳｉ２Ｈ６／ＳｉＦ４混合物と純粋なＳｉＦ４の流れを、選択された流速でチャンバ内に並行して流すことにより、シリコンベースのドーパント・ガス組成を生成した。目標の２．５ｖｏｌ％のＳｉ２Ｈ６が生成されたことを確認するために濃度測定を行なった。イオン源に電圧を印加し、シリコンベースのドーパント・ガス組成をイオン化して、シリコン・イオンを生成した。ビーム電流を測定して、ＳｉＦ４のビーム電流に対して正規化した。図３のケースＥに示されるようなビーム電流が求められ、ＳｉＦ４を利用したとき生成されたビーム電流を上回るものであった。表１に示されるように、−０．０００９ｇｍ／ｈｒのフィラメントの減量があった。シリコンベースのドーパント組成がもたらしたフィラメントの重量変化は、すべてのテストのうちで最小量であった。さらに、図５Ｃは、アーク・チャンバの表面に沿って堆積物が実質的に観測されなかったことを示す。したがって、ＳｉＦ４と２．５ｖｏｌ％のＳｉ２Ｈ６のドーパント・ガス組成は、ＳｉＦ４よりも大きいビーム電流を生成することができる一方で、供給源フィラメント上のＷベースの堆積物をかなり低減する上に、フィラメントの物理的スパッタリングも防止するとの結論に至った。
【００５１】
「実例２」（ＳｉＦ４＋５ｖｏｌ％のＳｉ２Ｈ６）
ＳｉＦ４と、５ｖｏｌ％のＳｉ２Ｈ６との混合物からなる、シリコンベースのドーパント・ガス組成から得られたイオン・ビーム電流を評価し、併せて特定の期間にわたるイオン化の過程を通じてイオン源の性能を評価するために、イオン化テストを行なった。比較例１、２、３及び実例１のテストを行なったときと同一のイオン源チャンバを利用した。個別の供給源からシリコンベースのドーパント・ガス組成を導入し、チャンバの上流であらかじめ混合した。目標の５ｖｏｌ％のＳｉ２Ｈ６が生成されたことを確認するために濃度測定を行なった。イオン源に電圧を印加し、ドーパント・ガス組成をイオン化して、シリコン・イオンを生成した。ビーム電流を測定して、ＳｉＦ４のビーム電流に対して正規化した。図３のケースＤに示されるようなビーム電流が求められ、テストしたすべてのドーパント・ガス組成の中で最大のものであった。フィラメントの増量又は侵食の結果としての早期のビーム・グリッチは生じなかった。表１に示されるように、−０．００１２ｇｍ／ｈｒのフィラメントの減量があった。フィラメントの重量変化は、比較例１〜３のすべてよりも少なく、実例１の重量変化と同等であった。テストを通じて、堆積物は観測されなかった。実例１のＳｉＦ４＋２．５ｖｏｌ％のＳｉ２Ｈ６のものをわずかに上回る重量低減があったが、この重量低減によるビームの不安定化はなかった。したがって、ＳｉＦ４と５ｖｏｌ％のＳｉ２Ｈ６のドーパント・ガス組成は、ＳｉＦ４のみを利用したものよりも大きいビーム電流を生成することができる一方で、供給源フィラメント上のＷベースの堆積物及び物理的スパッタリングをかなり低減するとの結論に至った。
【００５２】
【表１】
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【００５３】
これらの実例が示すところによれば、本発明で開示されたドーパント・ガス組成の利点を実現するためには、Ｓｉ２Ｈ６とＳｉＦ４の混合物におけるＳｉ２Ｈ６の濃度に上限がある。図５Ａ〜図５Ｃは、ＳｉＦ４とＳｉ２Ｈ６の混合物におけるＳｉ２Ｈ６の異なる濃度を用いて連続運転した後のアーク・チャンバの内部を示す。８０％のＳｉ２Ｈ６を有する組成と５０％のＳｉ２Ｈ６を有する組成とは、２０時間にわたる連続運転の後に、どちらもアーク・チャンバ内に望ましくない量の堆積物が提示されたが、２．５％のＳｉ２Ｈ６とＳｉＦ４の混合物については、６０時間の連続運転の後でさえ、堆積物は観測されなかった。加えて、５０％及び８０％のより高いＳｉ２Ｈ６組成におけるイオン化プロセスが、アーク・チャンバの内部にＳｉ含有堆積物及び／又はＷ含有堆積物をもたらすことが発見された。そのような堆積物は望ましいものではなく、活性Ｓｉイオンをより低減させ、運転中にＳｉ＋ビーム電流の低下をもたらす。その結果、後にイオン源の早期故障が生じる恐れがある。これらの観察報告により、運転中にイオン源が劣化することなくビーム電流が増加することによって特徴付けられた、改善されたビーム電流の利点を実現するために、Ｓｉ２Ｈ６とＳｉＦ４の混合物の好ましい組成に対する上限が決められる。
【００５４】
本発明は、本発明のシリコンベースのドーパント・ガス組成を用いると、チャンバ壁構成要素からの、Ｗ含有堆積物及び他の様々なタイプの堆積物によるエッチングがかなり低減されることをさらに示す。堆積物が低減すれば、ビーム不安定性と、結果として生じるビーム・グリッチとが低減するか又は解消され、それによって、イオン・チャンバの供給源寿命の期間中、ビーム電流が改善される。さらに、従来技術の方法とは異なり、本発明のために用いる組成、システム及び方法は、イオン源寿命を損なったり短縮したりすることなく、ビーム電流を増加することができる。驚くべきことに、図３に示されるように、希釈されていないＳｉＦ４と比べてビーム電流を増加することができる。希釈されていない、又は純粋なＳｉＦ４と比べて、ガス流れの単位体積当りのＳｉドーパントの活性イオン数を増加する能力により、イオン源を劣化させることなく、同一量のガス流れに対するＳｉビーム電流が増加する。イオン源の寿命延長と結び付けられたビーム電流の増加により、スループットの向上と、プロセス被加工物の必要なドーパント用量を達成するためのサイクル時間を短縮する機会とがもたらされる。
【００５５】
イオン化の見地から、実例１及び実例２は、やはり本発明の特定のシリコン含有組成が、イオン源を劣化させることなく活性イオン及び増加したビーム電流を生成し得ることを示す。特に、選択されたアーク電圧の動作条件における好ましい濃度範囲内のＳｉ２Ｈ６とＳｉＦ４の混合物は、相乗効果があるようにして相互作用を促進して、ＳｉＦ４とＳｉ２Ｈ６を個々にイオン化することによって利用可能な合計のシリコン・イオンの簡単な相加効果よりも大きい増加した量の活性シリコン・イオンを生成することができる、イオン化メカニズムをもたらす。正味の効果は、従来型のシリコン前駆物質を採用する従来のシステム及びプロセスと比べて、ビーム電流が改善されることである。
【００５６】
加えて、本発明は、堆積物を低減するための希釈ガスを必要とする従来型のシリコン・イオン注入のシステム及び方法の難点を克服することができる。希釈ガスは、イオン源チャンバ内にの単位ガス流れ当りで利用可能な活性シリコン・イオンの数を減少させる傾向があり、それによってスループットが低下する。したがって、この、いわゆる「希釈効果」は、希釈ガスを有するドーパント・ガスを採用している従来型のシリコン・ドーパント組成に一般的に生じるものであり、シリコン・イオン・ビーム電流を減少させるが、本発明では解消される。本発明は、供給源寿命を延長する目的で希釈ガスの取込みに依存することはない。しかしながら、本発明は、特定の事例において、特定の方法で、第２の種として希釈剤又は不活性ガスの取込みを企図することにより、第２の種が、第１のシリコン含有種よりも大きいイオン化断面積を有する。このようにして、本発明は、シリコン・イオン・ビーム電流を維持するか又は増加することができる独特なシリコンベースのドーパント・ガス組成と、同組成を用いるシステム及び方法とを有する一方で、同時に、これまで可能であった従来型のシリコン前駆物質を利用するものよりも長い期間にわたって供給源フィラメント１１５の完全性を維持するものである。
【００５７】
本発明は、他のプロセスの利点も提供する。たとえば、本発明ではビーム電流を増加することができるので、いかなる付加的なガス・スティック（たとえば流量制御デバイス、圧力監視デバイス、弁及び電子インターフェース）も不要になり得て、したがって、利用する付加的なガス・スティックと関連した資本支出の顕著な低減を提供する。
【００５８】
本発明の特定の実施例であると考えられるものが示され、且つ説明されてきたが、もちろん、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形式又は詳細における様々な修正形態及び変更形態を容易に製作し得ることが理解されよう。したがって、本発明は、本明細書で示され、且つ説明されたものと全く同一の形式及び詳細に限定されるものではなく、本明細書で開示され、以下で特許請求される、本発明の全体よりも範囲の狭い、いかなるものにも限定されないように意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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