(57)【要約】イオン源が、イオン源チャンバ、イオン源チャンバ内に配置され、電子を放出してアークプラズマを発生するように構成されたカソード、及び電子をアークプラズマ中に跳ね返すように構成されたリペラーを含む。イオン源チャンバ及びカソードは難溶性金属を含むことができる。イオン源チャンバは、ハロゲン種をイオン源チャンバに供給するように構成されたガス源をさらに含む。反応性挿入体はハロゲン種と相互作用して、第１組の動作条件下でイオン源チャンバ内の難溶性金属材料の第１エッチング速度を生じさせ、第１エッチング速度は、反応性挿入体をイオン源チャンバ内に配置しない際の第１組の条件下での、イオン源チャンバ内の難溶性金属材料の第２エッチング速度よりも低い。
2016522964.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン源チャンバと、
前記イオン源チャンバ内に配置され、電子を放出して前記イオン源チャンバ内にアークプラズマを発生するように構成されたカソードと、
電子を前記アークプラズマ中に跳ね返すように構成されたリペラーと、
前記イオン源チャンバ内に配置された反応性挿入体とを具えたイオン源であって、
前記イオン源チャンバ及び前記カソードは難溶性金属を含み、
前記反応性挿入体は、前記イオン源チャンバ内に導入されるハロゲン種と相互作用して、第１組の動作条件下で前記イオン源チャンバ内の前記難溶性金属の第１エッチング速度を生じさせ、この第１エッチング速度は、前記反応性挿入体を前記イオン源チャンバ内に配置しない際の前記第１組の動作条件下での、前記イオン源チャンバ内の前記難溶性金属の第２エッチング速度よりも低いことを特徴とするイオン源。
【請求項２】
前記反応性挿入体が酸化アルミニウムを含むことを特徴とする請求項１に記載のイオン源。
【請求項３】
前記反応性挿入体がシリコンを含むことを特徴とする請求項１に記載のイオン源。
【請求項４】
前記ハロゲン種がＢＦ3を含むことを特徴とする請求項１に記載のイオン源。
【請求項５】
前記反応性挿入体が、前記イオン源チャンバの第１領域内に配置された第１反応性挿入体であり、前記イオン源チャンバが、当該イオン源チャンバの第２領域内に配置された第２反応性挿入体を具えていることを特徴とする請求項１に記載のイオン源。
【請求項６】
前記カソードと前記リペラーとが、前記イオン源チャンバの対向する側面上に配置され、前記反応性挿入体が、前記カソードと前記リペラーとの間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のイオン源。
【請求項７】
前記ハロゲン種が、約１１eV未満のイオン化閾値を有する生成物種を発生するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のイオン源。
【請求項８】
前記難溶性金属がタングステンまたはモリブデンを含むことを特徴とする請求項１に記載のイオン源。
【請求項９】
前記リペラーが、前記カソードに対向して配置され、かつ難溶性材料で構成され、前記リペラー及び前記カソードがカソード電位に保持されることを特徴とする請求項１に記載のイオン源。
【請求項１０】
前記反応性挿入体が第１の表面積Ａ１を有し、前記イオン源チャンバの内部チャンバ壁が、前記カソード及び前記リペラーを一緒にして第２表面積Ａ２を有し、Ａ１／Ａ２の比率が約０．０１〜約０．２０に等しいことを特徴とする請求項８に記載のイオン源。
【請求項１１】
前記第１組の動作条件中の前記カソードの温度が約２０００℃以上であり、前記イオン源チャンバの壁面の温度が、５００℃〜８００℃の範囲内の温度を含むことを特徴とする請求項１に記載のイオン源。
【請求項１２】
イオン源を動作させる方法であって、
難溶性金属を有するイオン源チャンバにハロゲン種を供給するステップと、
前記イオン源チャンバ内に反応性挿入体を設けるステップであって、前記反応性挿入体が前記ハロゲン種と反応して１つ以上の生成物種を生成するように構成されているステップと、
前記ハロゲン種を含むアークプラズマを前記イオン源チャンバ内に発生するステップとを含み、
前記ハロゲン種と前記反応性挿入体とが相互作用して、第１組の動作条件下で前記イオン源チャンバ内の前記難溶性金属の第１エッチング速度を生じさせ、この第１エッチング速度は、前記反応性挿入体を前記イオン源チャンバ内に配置しない際の前記第１組の動作条件下での、前記イオン源チャンバ内の前記難溶性金属の第２エッチング速度よりも低いことを特徴とするイオン源の動作方法。
【請求項１３】
前記反応性挿入体を酸化アルミニウム挿入体として設けるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記反応性挿入体をシリコン挿入体として設けるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記ハロゲン種をＢＦ3として供給するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の好適例はイオン源の分野に関するものである。特に、本発明の好適例は、寿命を向上させたハロゲン種用のイオン源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
傍熱カソード（ＩＨＣ：indirectly heated cathode）型イオン源は、半導体基板の電子特性を制御するために半導体基板に注入されるドーパントイオンを含む種々のイオン種を発生するために用いられる。ドーパントイオン用の多数の前駆体は、フッ素のようなハロゲン種（ＢＦ3，Ｂ2Ｆ4，ＧｅＦ4，ＰＦ3、ＳｉＦ4等）を含み、これらはイオン源内に腐食性の環境を生成し得る。特に、ＩＨＣイオン源の寿命は、一般にイオン源のカソード及びリペラー（反射電極）部品の寿命によって制限される。動作中には、フッ素含有種のようなハロゲンに晒されるイオン源の部分に腐食が生じ得る。例えば、イオン源の構成部品は、少なくとも部分的にタングステンで構成されることがあり、このタングステンは動作中にフッ素種に晒される。イオン源内の比較的低温の表面からタングステンを除去して、このタングステンを高温の電極表面またはチャンバ壁のような比較的高温の表面上に再堆積させるハロゲンサイクルが確立され得る。その結果、一部の電極表面上に制御不能なタングステンの成長が生じることがあり、この成長は、イオン源の動作中にグリッチを生じさせ得る。グリッチとは、イオン源内部またはイオン抽出システム内のいずれかに発生するアーク放電によってイオン源の円滑な動作が乱される現象である。グリッチは、例えば尖鋭なタングステン突起が電極表面上に成長する際に悪化する。突起の表面では電界が桁違いに強まるので、こうした尖鋭な突起は、単極または双極のアーク放電（アークプラズマ）を容易に発生し得る。さらに、再堆積する金属材料の不規則な成長が進むに連れて、こうした成長は、イオン源の電極とチャンバ壁との間に電気的短絡を生じさせてアーク動作を不能にすることがある。これらのこと及び他のことの考慮に関して、本発明による改良が必要になった。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の好適例は、イオン源の寿命を延長するための改良型イオン源及び技術を含む。１つの好適例では、イオン源が、イオン源チャンバ、このイオン源チャンバ内に配置され、電子を放出してアークプラズマを発生するように構成されたカソード、及び電子をアークプラズマ中に跳ね返すように構成されたリペラーを含む。イオン源チャンバ及びカソードは難溶性金属を含むことができる。イオン源チャンバは、当該イオン源チャンバにハロゲン種を供給するように構成されたガス源、及び当該イオン源チャンバ内に配置された反応性挿入体をさらに含む。この反応性挿入体は、ハロゲン種と相互作用して、第１組の動作条件下でイオン源チャンバ内の上記難溶性金属材料の第１エッチング速度を生じさせ、この第１エッチング速度は、上記反応性挿入体をイオン源チャンバ内に配置しない際の上記第１組の動作条件下での、イオン源チャンバ内の上記難溶性金属材料の第２エッチング速度よりも低い。
【０００４】
他の好適例では、イオン源を動作させる方法が、イオン源のイオン源チャンバにハロゲン種を供給するステップを含み、このイオン源チャンバは難溶性金属を含む。この方法は、反応性挿入体をイオン源チャンバ内に設けるステップであって、この反応性挿入体がハロゲン種と反応して１つ以上の生成物種を生成するステップと、この反応種を含むアークプラズマをイオン源チャンバ内に発生するステップも含み、これらのハロゲンガスと反応性挿入体とが相互作用して、第１組の動作条件下でイオン源チャンバ内の上記難溶性金属の第１エッチング速度を生じさせ、この第１エッチング速度は、上記反応性挿入体をイオン源チャンバ内に配置しない際の上記第１組の動作条件下での、イオン源チャンバ内の上記難溶性金属材料の第２エッチング速度よりも低い。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１Ａ】好適なイオン源の側面図である。
【図１Ｂ】図１のイオン源の上面図である。
【図２Ａ】一組の条件下での好適なイオン源の動作中に生成される種の質量スペクトルを示す図である。
【図２Ｂ】他の一組の条件下での図２Ａの好適なイオン源の動作中に生成される種の他の質量スペクトルを示す図である。
【図２Ｃ】図２Ｂの一組の条件下での図２Ａの好適なイオン源の動作中に生成される種の他の質量スペクトルを示す図である。
【図３】追加的な一組の条件下での好適なイオン源の動作中に生成される種の他の質量スペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
以下、本発明を、添付した図面を参照しながらより十分に説明し、これらの図面にはいくつかの実施形態を示す。しかし、本発明の主題は、多数の異なる形態で具体化することができ、本明細書に記載する実施形態に限定されるものと解釈すべきでない。むしろ、これらの実施形態は、本開示を詳細かつ完全なものにして、本発明の主題の範囲を当業者に十分に伝えるように提供する。全図を通して、同様の番号は同様の要素を参照する。
【０００７】
種々の好適な実施形態では、イオン源が、イオン源の性能を向上させ、及び／または動作寿命を延長するように構成される。本実施形態により構成したイオン源は、難溶性金属で構成され高温で動作するように設計されたイオン源を含む。こうしたイオン源には傍熱カソード（ＩＨＣ）型イオン源が含まれ、ＩＨＣイオン源では、カソードが２０００℃を超える温度、例えば約２２００℃で動作することができる。これらのイオン源は、少なくとも部分的に、タングステン、モリブデン、または他の難溶性材料で構成することができる。動作中には、イオン源チャンバ壁のようなイオン源の他の部分が、５００℃〜約１０００℃、特に５００℃〜約８００℃の範囲内の温度に達し得る。本実施形態では、難溶性金属で構成されたイオン源に反応性挿入体をイオン源チャンバ内に配置して設け、この反応性挿入体は、アーク放電（アークプラズマ）をイオン源チャンバ内に点孤する際に発生するエッチング種に晒される。ハロゲンガス、ハロゲンガスまたはハロゲンガスの生成物のようなハロゲン種を用いたイオン源の動作中に、反応性挿入体がハロゲン種と共に相互作用して、イオン源チャンバ内での難溶性金属のエッチングを低減する。本明細書で用いる「ハロゲン種」とは、プラズマ中に生成され得るあらゆるハロゲン含有ガス化合物及びその誘導体を称する。このことは、イオン源構成部品の腐食を低減すると共に、エッチングされた難溶性金属の再堆積によって生じるイオン源の高温表面上の難溶性金属成長を防止する有益な効果を有する。難溶性金属成長の低減は、再成長する難溶性金属堆積物によって発生し得る不安定性及び／または短絡を低減または防止する。以下に詳述するように、ハロゲン種及び／または反応性挿入体は、イオン化ポテンシャルの低いガス種を発生するように動作することができ、このイオン化ポテンシャルは約１１eV以下である。このことは、アークプラズマ中の電子温度を低下させ、暗示的にプラズマ電位を低下させ、これにより、アークチャンバ壁の前方またはアーク電極の前方にあるシースを横断するイオンの低い衝撃エネルギーを生じさせる、という効果を有する。低いイオンエネルギーは、難溶性金属表面のイオンスパッタ量の低減に形を変える。反応性挿入体は、ハロゲン種を有する反応生成物を発生し、これによりハロゲン種と難溶性金属表面との反応を低減するための犠牲材料としても機能し、これにより、イオン源の動作中に、こうした表面のエッチング速度が、反応性挿入体が無い際のエッチング速度に比べて低下する。
【０００８】
図１Ａに、本発明の実施形態によるイオン源１００の一般的特徴を示す。イオン源１００は、イオン源チャンバ１０２を含む傍熱カソード（ＩＨＣ）型イオン源であり、イオン源チャンバ１０２は、カソード１０４、リペラー１０８、及び抽出スリット１１３を有する抽出プレート１１２を収容する。イオン源１００は、カソード１０４を加熱するためのフィラメント１０６も含む。動作中には、気体種のような種が、ガス・マニホールド（多岐管）１１０によってガス注入口１１１を通してイオン源チャンバ１０２の内部１１４に供給される。ガス・マニホールド１１０は、気体種または蒸気の形態の供給原料を供給することができ、この供給原料はイオン源チャンバ１０２内でイオン化される。本発明によれば、適切な供給原料は、ホウ素（Ｂ）、炭素（Ｃ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、珪素（Ｓｉ）、水素（Ｈ）、及びフッ素（Ｆ）の気体化合物を１つ以上含む。実施形態はこの関係に限定されない。
【０００９】
カソード１０４が加熱され、チャンバ１０２とカソード１０４及びリペラー１０８との間に電位差（電圧）が印加されると、プラズマ１１６を発生することができ、カソードとリペラーとは同じ電位に保持される。イオン源１００は、カソード１０４及びフィラメント１０６用の電源を含む種々の従来構成要素に結合され、これらの構成要素は明瞭にするために図示しない。種々の実施形態では、イオン源チャンバ、及びカソード１０４及びリペラー１０８を含むその内部の構成要素が、タングステン、モリブデン、または他の難溶性金属で構成される。種々の実施形態では、供給原料をハロゲン種の形態で供給することができる。例えば、イオン源１００は、Ｂ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｉ、または他の種のイオン注入用の従来のビームライン装置内で使用することができ、これらの種の各々はハロゲン含有前駆体種から導出することができる。イオン源１００が発生するイオン用の前駆体として用いることができるハロゲン種の例は、とりわけ、ＢＦ3、ＰＦ3、ＳｉＦ4、Ｂ2Ｆ4、ＧｅＦ4を含む。さらに、ハロゲン種は他のハロゲン種の生成物を含む。例えば、ＢＦ3ガスをイオン源に供給して、とりわけ、ＢＦ3イオン、ＢＦ2中性体、ＢＦ2イオン、ＢＦ中性体、ＢＦイオン、Ｆ中性体、Ｆの正及び負イオン、及び他の中性ラジカルまたはイオンＢxＦyのすべてを、元のＢＦ3ガスから１つ以上のプロセスを通して生成することができ、すべてがハロゲン種であると考えられる。実施形態はこの関係に限定されない。
【００１０】
図１にさらに示すように、イオン源１００は一対の反応性挿入体１１８を含む。図に示す例では、第１反応性挿入体１１８をイオン源チャンバ１０２の第１領域（上部）内に示すのに対し、第２反応性挿入体をイオン源チャンバの第２領域（下部）内に示す。他の実施形態では、単一の反応性挿入体または３つ以上の反応性挿入体をイオン源内に含めることができる。特に、他の実施形態では、図１Ｂの透視図に見られるように、一対の反応性挿入体を、イオン源チャンバ１０２のそれぞれ左部領域及び右部領域内に配置することができる。以下に詳述するように、反応性挿入体１１８は、ハロゲン含有種と反応して、イオン源チャンバ１０２内での難溶性金属材料のエッチングまたは腐食を制限するように構成されている。カソード１０４及びリペラー１０８は共に難溶性金属で構成されているので、こうした腐食の低減は両者の寿命を増加させ、この増加がイオン源の寿命を向上させる。
【００１１】
タングステンで構成されたＩＨＣイオン源の場合、本発明の発明者は、挿入体１１８に用いられる材料と、イオン源チャンバ１０２に供給されるハロゲン種との特定の組合せが、タングステンの腐食を低減するに当たり特に有効であることを発見した。従来の動作では、いわゆるハロゲンサイクルが、フッ素種のようなハロゲン種の存在下で、比較的低温の表面からのタングステン原子の除去、及びこれらの原子の比較的高温の表面上への再堆積を生じさせる。イオン源１００の動作中に、反応性挿入体１１８と反応種との組合せを提供することによって、アークプラズマ１１６の化学的性質及びエネルギー論を、タングステン・エッチングを低減する様式に変化させることができる。
【００１２】
一組の実験では、単一プレートから成るα−アルミナ（「酸化アルミニウム」または「Ａｌ2Ｏ3」）挿入体をタングステンＩＨＣイオン源チャンバ内に配置し、このチャンバ内に、異なるフッ素化ガスを用いて放電を生成した。特に、ＮＦ3をイオン源チャンバに供給しながら、イオン源内のアークプラズマを６５時間動作させた。動作後には、カソードの表面上の厚さ約１〜２cmのタングステン堆積物を含む大量のタングステン堆積物が、イオン源チャンバ全体にわたって観測された。特に、一例では、ＮＦ3をイオン源チャンバに供給しながら、イオン源内のアークプラズマを６５時間動作させた。動作後には、カソード及びリペラーの表面上の厚さ約１〜３mmの堆積物を含む大量のタングステン堆積物が、イオン源チャンバ全体にわたって観測された。第２の例では、ほぼ同一の動作条件下で、但しＢＦ3をイオン源チャンバに供給して、イオン源内のアークプラズマを１２０時間動作させた。動作後には、小量のタングステン再堆積しか観測されなかった。
【００１３】
他の実験では、ＮＦ3及びＢＦ3ベースのアークプラズマの両者を用いたイオン源の動作中に抽出したイオンビームの質量スペクトルを収集して比較した。図２Ａに、ＩＨＣイオン源に２．１sccm（標準状態で２．１cm3/分）のＮＦ3及び０．４sccmのＨ2を供給した際に、このＩＨＣイオン源から抽出したイオンの質量スペクトル２００を例示する。イオン電流をイオン質量／電荷の比率の関数としてプロットした質量スペクトルは、ラベル付けした複数のピークによって特徴付けられる。これらは、アルミニウム種、及びＮＦ3先駆体種から導出された副産物を含む。特に、スペクトル領域２０２は、一価アルミニウムＡｌ+に起因する約４mAの電流を表すピークを含み、その質量／電荷比は約２７amu（atomic mass unit：原子質量単位）である。質量スペクトル２００はピーク２０４及びピーク２０５も含み、それぞれＡｌＦ2+及びＡＬＦ+を示し、これらは、ＮＦ3から導出されたフッ素種のＡｌ2Ｏ3との反応の結果として形成され得る。また、質量スペクトル２００中には広幅のピーク２０６も存在し（これは、６つの同位体の畳み込みである）、そのピーク電流は約１mAであり、Ｗ2+に起因する。これらの結果は、６５時間の動作後にカソード上に大量に再堆積したタングステンの観測と併せて、２．１sccmのＮＦ3及び０．４sccmのＨ2のガス流量条件下で大量のタングステン元素種がイオン源放電中に生成されることを示している。
【００１４】
これとは対照的に、図２Ｂは、２．３sccmのＢＦ3をイオン源チャンバに供給した際にＩＨＣイオン源から抽出されたイオンから収集した質量スペクトル２１０を例示する。図２Ａ中に観測される結果と同様に、スペクトル領域２１２は、一価アルミニウムＡｌ+に起因する約４．５mAの電流を表すピークを含み、その質量／電荷比は約２７amuである。しかし、質量スペクトル２１０は非常に小さなピークを領域２１４内に示し、このピークはＷ2+に起因する。さらに、図２Ｃに示すように、拡張した質量スペクトル２２０を２００amu/電荷まで収集すると、それぞれＷ2+及びＷ+を表すピーク２２２及び２２４は、Ａｌ+のピークに対して非常に小さい。これらの結果は、アルミナ挿入体の存在下で、２．３sccmのＢＦ3のガス流量条件下でのイオン源の動作が、２．１sccmのＮＦ3／０．１sccmのＨ2の下でのイオン源の動作に比べて大幅に低下したイオン源放電中のタングステンのエッチング速度を生じさせることを示している。
【００１５】
これらの結果は、イオン源内でアークプラズマを点孤する際に行われる基本プロセスのエネルギー論の考察によって説明することができる。ＢＦ3ベースのプラズマとＮＦ3ベースのプラズマとの間の変化が、所定の一組の動作条件についてのプラズマ密度の大幅な変化を生じさせることが観測されている。このことは、プラズマ電位の大幅な変化、及び暗示的に、チャンバ壁、リペラー、カソード、及びフェースプレート（面板）を含むイオン源チャンバの表面に衝突するイオン種の運動エネルギーの大幅な変化を生じさせ得る。特に、アークプラズマ中のプラズマの形成は、プラズマ中の電荷密度と、チャンバ及び電極の電位に対するプラズマ電位とのバランスを生じさせる。特に、このプラズマは電気的に準中性であり、このことはイオンの数が電子の数に等しいことを意味する。プラズマ密度が比較的小さいと、プラズマプルーム（アークプラズマ）とカソード電位との電位差（「カソード降下」と称する）は比較的高い。プラズマ密度が減少するに連れて、カソード降下はより大きくなるように調整され、これにより、プラズマプルームを出るイオンのより高い運動エネルギーをもたらす。このことは、イオン衝撃下でのカソードからのより高い二次電子放出を生じさせる。この電子放出の増加は、プラズマが動的平衡を維持することを可能にする。プラズマ密度が比較的高ければ、カソード降下は比較的小さくなる。こうした場合、平衡を維持するために、プラズマからカソードに向けて加速されるイオンに与えられるより小さいイオンエネルギーは、カソードに衝突するより多数のイオンによって補償される。
【００１６】
ＢＦ3プラズマとＮＦ3プラズマとの間でのプラズマ特性の変化は、少なくとも部分的に、ＢＦ3プラズマ中に発生するイオン化ポテンシャルのＮＦ3プラズマに対する差によって説明することができる。表１に、ＢＦ3プラズマ及びＮＦ3プラズマ中のイオン化エネルギーを、関係するいくつかの種について例示する。特に断りのない限り、本明細書で用いる「イオン化エネルギー」とは、第１イオン化エネルギーを称する。ＢＦ3プラズマでは、ＢＦ3分子が、とりわけＢＦ2、ＢＦ、及びＢに分離することができる。表１に例示するように、これらの分離生成物種の各々が８〜１１eVのイオン化エネルギーを有し、このイオン化エネルギーは、Ｆ（１７．４２eV）、Ｎ（１４．７１eV）、Ｎ2（１５．７５eV）を含むＮＦ3プラズマの分離生成物についてのイオン化エネルギーよりも大幅に低い。イオン化断面積が少ししか相違しないものとすれば、このことは、ＢＦ3からのホウ素分離生成物について、ＮＦ3プラズマからの分離生成物に比べてより高いイオン化率係数を生じさせる。このことは、Ａｌ2Ｏ3挿入体を用いたＩＨＣイオン源の動作中の測定によって確認され、同じ全供給放電電力に対して、ＢＦ3ベースのプラズマについては〜２５mAの電流が生成され、ＮＦ3ベースのプラズマについては〜１６mAの電流しか生成されない。プラズマ密度が高いほど、より小さいプラズマ電位が生じ、結果的に、イオンがプラズマから加速されてイオン源チャンバ内の表面に当たる際に、プラズマプルームとイオン源チャンバの表面との間により小さい電位差が生じ、この電位差は、イオン源チャンバの金属表面に当たるイオンのエネルギーをより低くする。従って、ＢＦ3ベースのプラズマでは、観測されるように、タングステンのような材料のスパッタリングがより小さいことが期待される。
【００１７】
【表１】
2016522964.tif 000003
【００１８】
なお、ＮＦ3ベースのプラズマまたはＢＦ3ベースのプラズマについてアークプラズマを点孤する際に、アルミナ挿入体自体から導出されたガス種が、プラズマ特性を調整する働きをすることができる。例えば、アルミニウム及びフッ化アルミニウムの生成物は、酸化アルミニウムがフッ素含有前駆体に晒されるプラズマ中に生成される。金属アルミニウムは５．９９eVの第一イオン化ポテンシャルを有するので、アルミナ挿入体から発生するアルミニウム種は、アルミナ挿入体からアルミニウムがエッチングされる際に、ＮＦ3ベースのプラズマまたはＢＦ3ベースのプラズマ中のプラズマ密度を増加させる働きをすることができる。しかし、ＮＦ3ベースのプラズマの存在下では、上記に示す分離生成物についてのイオン化閾値が約１５eV以上であり、アルミニウム種は、イオンエネルギーを金属タングステンのスパッタリングが抑制される点まで低減する程度までプラズマ密度を増加させるのに十分な寄与をもたらさない。他方では、アルミナ挿入体とＢＦ3との組合せは、その両者が１１eV未満のイオン化エネルギーを有する種を生成し、十分に高いプラズマ密度を発生するのに十分であり、従って、より低いイオン衝撃エネルギーを発生して、イオン源チャンバ内のタングステンのスパッタリングを抑制する。
【００１９】
追加的な実施形態では、反応性挿入体１１８を固体シリコン製とすることができる。イオン源１００の動作中には、固体シリコンが犠牲材料として機能することができ、この犠牲材料はフッ素化ガスまたはフッ素ラジカルによって優先的にエッチングされ、こうして、イオン源チャンバ１０２のタングステンまたはモリブデン表面のエッチング及び堆積を抑制する。一実施形態では、反応性挿入体１１８が固体シリコン挿入体として構成され、ＢＦ3ガスがイオン源チャンバ１０２内に供給される。フッ素ガス及びフッ素化ガスは、シリコンと容易に反応してＳｉＦ2及びＳｉＦ4のようなフッ化シリコンを生成することができ、イオン源チャンバ１０２の代表的な動作温度では、これらの各々が気相種である。従って、こうしたＳｉＦ2及びＳｉＦ4生成物は、動作中にイオン源チャンバ１０２から容易に排出することができる。反応性挿入体１１８内のシリコンの存在はタングステン材料のエッチングを抑制するが、イオン源チャンバ１０２内のタングステン表面のような露出面は、まだフッ素含有ガス種とある程度反応してフッ化タングステンを生成し得る。このフッ化タングステンが反応性（シリコン）挿入体１１８と反応して、当該フッ化タングステンを金属タングステンに還元しながらフッ化シリコンを生成することができる。反応性挿入体１１８はシリコン表面を呈示し、このシリコン表面はイオン源１００の動作中にアークプラズマ１１６に晒されるので、放電１１６からのイオンによるＳｉ表面のスパッタリングが、タングステンのパシベーション層が反応性挿入体１１８上に形成されることを防止することができる。従って、反応性挿入体１１８は、シリコン挿入体として構成されるとエッチング可能なシリコンの連続供給をもたらし、このエッチング可能なシリコンは、イオン源チャンバ１０２の表面からのタングステンまたは他の難溶性金属のエッチングを低減する。従って、シリコン材料を反応性挿入体１１８に用いることは、ＢＦ3のようなガスと併せて、イオン源１０２内のカソード１０４、リペラー１０８、及び他所上の難溶性金属のエッチング及び再堆積の低減に有効であり、従って、イオン源の寿命を増加させるのに有効である。
【００２０】
反応性シリコン挿入体を有するイオン源を動作させる効果を評価するために一組の実験を行い、この実験では、固体シリコン挿入体が存在する動作中及び存在しない動作中に、ＩＨＣイオン源から質量スペクトルを収集した。図３に実験の結果を示し、この結果は、シリコン挿入体を有するＩＨＣイオン源の動作中に収集した質量スペクトル３０２（連続線）、及びシリコン挿入体なしのＩＨＣイオン源の動作中に収集した質量スペクトル３０４（破線）を含む。上述したように、各質量スペクトルは、異なる質量／電荷比を表す一連のピークを含む。特に、質量スペクトル３０２は、図に示すように、シリコンイオンまたはフッ化シリコンイオンを表す複数のピーク３０６、３０８、３１０、３１２、３１４、３１６を含む。これらの各々は質量スペクトル３０４中には存在せず、ピーク３０６〜３１６がシリコン挿入体の存在によって発生することを示している。他のホウ素、フッ素、及びフッ化ホウ素のピークは、質量スペクトル３０２及び質量スペクトル３０４の両者に共通であり、ＢＦ3ガスから導出された生成物のイオン種を表している。さらに、質量スペクトル３０４は、質量スペクトル３０２中には存在しない（あるいは大幅に低減された）ピーク３１８を含む。ピーク３１８はＷ2+に割り当てることができ、これにより、シリコン挿入体が無い際のアークプラズマ中の実質的なタングステン種の存在を示すことができる。質量スペクトル３０２中の約９２amuの質量／電荷比におけるＷ2+のピークの低減は、シリコン挿入体の使用によってハロゲンサイクルが大幅に抑制されることを示している。シリコンを反応性挿入体として使用する実施形態の利点は、イオン源の金属表面のエッチングを低減することに加えて、追加的な金属種がシリコン挿入体からアークプラズマ中に導入されないことを含む。これに加えて、イオン源を用いてシリコンに注入する用途では、犠牲シリコン挿入体の存在がアークプラズマ中でイオン化される気相シリコンの供給を増加させ、これにより、所定電力レベルでイオン源から抽出することができるシリコンビーム電流を増加させる。
【００２１】
なお、本発明の実施形態では、イオン源チャンバ内の難溶性金属表面のエッチングを抑制するのに有効な反応性挿入体が、イオン源チャンバの比較的小さい部分を占めるだけで済む。一部の実施形態では、反応性挿入体が、イオン源チャンバの内壁、カソード、及びリペラーの表面積を含む表面積Ａ２の何割かの表面積Ａ１を有することができる。一部の場合には、Ａ１／Ａ２が約０．０１〜０．２に等しい。従って、その表面積が、難溶性金属が呈する表面積のこうした適度な比率を構成する反応性挿入体は、イオン源の他の構成要素の実質的な再設計を必要としない。
【００２２】
本発明は、本明細書に記載する特定実施形態によってその範囲を限定されない。実際に、本明細書に記載するものに加えて、本発明の他の種々の実施形態及び変更は、以上の説明及び添付する図面より当業者にとって明らかである。従って、こうした他の実施形態及び変更は、本発明の範囲内に入ることを意図している。さらに、本明細書では、本発明を特定環境における特定目的での特定の実現に関連して説明してきたが、本発明の有用性はこれらの実現に限定されず、本発明は多数の環境において多数の目的で有益に実現することができることは、当業者の認める所である。従って、本発明の主題は、本明細書に記載された開示の全体及び精神を考慮して解釈すべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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