(57)【要約】  炭素イオン注入のための方法及びシステムは、酸化炭素ガスとの複合ガスとして三フッ化リン（ＰＦ３）を利用することを含む。複数の実施形態では、ランタン入りタングステン合金イオン源の構成要素と組み合わせられ、カソード３０６及びカソードシールド３１６の酸化を最小限にするという結果を有利にもたらす。さらに、アークチャンバ３００の内部の構成上の炭素堆積物の許容可能なレベルが、ハロゲンサイクル、すなわち、ＷＦｘの形成における顕著な減少と同様に観察されている。
2020501009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素を基板に注入する方法であって、
イオン源チャンバ内において、酸化炭素ガス源と、三フッ化リンを含む複合ガスと、をイオン化して炭素イオン及び酸化リンを生成する工程と、
前記炭素イオンを前記基板内に注入する工程と、を含む、方法。
【請求項２】
前記酸化炭素源は、亜酸化炭素、一酸化炭素、二酸化炭素、炭素含有ガス及び酸素ガス混合物またはそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記イオン源チャンバは、ランタンタングステンから形成される、または、前記ランタンタングステンによって被覆される１つ以上の構成要素を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記１つ以上の構成要素は、カソード、カソードシールド、反射電極、ライナ、円弧スリット、源チャンバ壁、ライナ、開口プレート、引出電極及びアークチャンバ本体からなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記酸化炭素ガスに対する前記三フッ化リンは、前記酸化リンの形成が約ゼロとなる比率である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記酸化炭素ガスは、一酸化炭素であり、かつ、括弧内に示される対応する原子質量単位を有する以下の反応式Ｉにしたがって前記三フッ化リンと反応する、請求項１に記載の方法。
Ｉ．ＣＯ＋ＰＦ３→Ｃ（１２）＋Ｏ（１６）＋Ｆ（１９）＋ＣＯ（２８）＋Ｐ（３１）＋ＣＦ（３１）＋ＰＦ（５０）．
【請求項７】
前記酸化炭素ガスは、二酸化炭素であり、かつ、括弧内に示される対応する原子質量単位を有する以下の反応式ＩＩにしたがって前記三フッ化リンと反応する、請求項１に記載の方法。
ＩＩ．ＣＯ２＋ＰＦ３→Ｃ（１２）＋Ｏ（１６）＋Ｆ（１９）＋ＣＯ（２８）＋Ｐ（３１）＋ＣＦ（３１）＋ＰＦ（５０）．
【請求項８】
前記酸化炭素ガスは、一酸化炭素であり、かつ、括弧内に示される対応する原子質量単位を有する以下の反応式ＩＩＩにしたがって前記三フッ化リンと反応する、請求項３に記載の方法。
ＩＩＩ．１９ＣＯ＋７ＰＦ３＋ＬａＷ→１７Ｃ＋＋Ｏ＋２０Ｆ＋２ＣＯ＋Ｐ＋ＰＯ＋２Ｌａ２Ｏ３＋３Ｗ＋ＷＯ３＋Ｐ４Ｏ６．
【請求項９】
前記ランタン入りタングステンは、１〜３重量％の量のランタンを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
炭素イオンをワークピースに注入するための方法であって、
酸化炭素ガスと三フッ化リンガスとの混合物をイオン源に供給する工程と、
イオン化された炭素と、酸化リンを含む副生成物と、の供給流を生成するために有効な化学量論によって、前記酸化炭素ガス及び前記三フッ化リンガスを、前記イオン源を用いてイオン化する工程と、
プラズマ内における前記イオン化された炭素を抽出してイオンビームを形成する工程と、
前記ワークピースを前記イオンビームに曝露して、前記イオン化された炭素を前記ワークピースに注入する工程と、を含む、方法。
【請求項１１】
前記酸化炭素ガスは、一酸化炭素、二酸化炭素、亜酸化炭素、炭素含有ガス及び酸素ガス混合物並びにそれらの組み合わせからなるガスの群から選択される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記酸化炭素ガスに対する前記三フッ化リンガスは、前記酸化リンの形成が約ゼロであるような比率である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記イオン源チャンバから前記酸化リンを排気する工程をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記酸化炭素ガスは、一酸化炭素であり、かつ、括弧内に示される対応する原子質量単位を有する以下の反応式Ｉにしたがって前記三フッ化リンと反応する、請求項１０に記載の方法。
Ｉ．ＣＯ＋ＰＦ３→Ｃ（１２）＋Ｏ（１６）＋Ｆ（１９）＋ＣＯ（２８）＋Ｐ（３１）＋ＣＦ（３１）＋ＰＦ（５０）．
【請求項１５】
前記酸化炭素ガスは、二酸化炭素であり、かつ、括弧内に示される対応する原子質量単位を有する以下の反応式ＩＩにしたがって前記三フッ化リンと反応する、請求項１０に記載の方法。
ＩＩ．ＣＯ２＋ＰＦ３→Ｃ（１２）＋Ｏ（１６）＋Ｆ（１９）＋ＣＯ（２８）＋Ｐ（３１）＋ＣＦ（３１）＋ＰＦ（５０）．
【請求項１６】
前記イオン源と、前記イオン源を含むイオン注入システムとは、ランタンタングステンから形成される、または、前記ランタンタングステンによって被覆される１つ以上の構成要素を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記酸化炭素ガスは、一酸化炭素であり、かつ、括弧内に示される対応する原子質量単位を有する以下の反応式ＩＩＩにしたがって前記三フッ化リンと反応する、請求項１６に記載の方法。
ＩＩＩ．１９ＣＯ＋７ＰＦ３＋ＬａＷ→１７Ｃ＋＋Ｏ＋２０Ｆ＋２ＣＯ＋Ｐ＋ＰＯ＋２Ｌａ２Ｏ３＋３Ｗ＋ＷＯ３＋Ｐ４Ｏ６．
【請求項１８】
前記ランタン入りタングステンは、構成要素または前記コーティングのそれぞれ１〜３重量％の量のランタンを含む、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔関連出願への相互参照〕
本出願は、２０１６年１１月２４日に出願された米国特許出願第６２／４２６，２４９号の非仮出願であり、その内容については、その全体が参照によって組み込まれる。
【０００２】
〔背景〕
本発明は、一般的に、イオン注入システムに関し、より詳細には、酸化炭素ガス及び三フッ化リン複合ガスを利用する炭素注入に関する。
【０００３】
半導体デバイスの製造において、イオン注入は、半導体に不純物をドープ（ドーピング）するために使用される。イオン注入システムは、ｎ型またはｐ型材料ドーピングを生じさせるために、または、集積回路の製造中にパッシベーション層を形成するために、イオンビームからのイオンによって半導体ウエハ等のワークピースをドープするためによく利用される。そのようなビーム処理は、集積回路の製造中に半導体材料を製造するために、所定のエネルギーレベルで、かつ、制御された濃度で、特定のドーパント材料の不純物をそのウエハに選択的に注入するためによく使用される。半導体ウエハをドーピングするために使用される場合、イオン注入システムは、所望の外因性材料（extrinsic material）を生成するために、選択されたイオン種をワークピースの内部に注入する。
【０００４】
一般的なイオン注入装置は、イオン源と、イオン抽出装置と、質量分析装置と、ビーム輸送装置と、ウエハ処理装置と、を含む。イオン源は、所望の原子または分子のドーパント種のイオンを生成する。これらのイオンは、抽出システム、一般的には一組の電極によってイオン源から抽出され、これらの電極はイオン源からのイオンの流れにエネルギーを与え、かつ、イオンの流れを方向付けることにより、イオンビームを形成する。所望のイオンは、質量分析装置、一般的には、抽出されたイオンビームの質量分散または質量分離を行う磁気双極子において、イオンビームから分離される。ビーム輸送装置、一般的には一連の焦点調節機構を含む真空システムは、イオンビームの所望の特性を維持しながら、イオンビームをウエハ処理装置に輸送する。最終的には、半導体ウエハは、ウエハハンドリングシステムを用いて、ウエハ処理装置の内外へと輸送される。当該ウエハハンドリングシステムは、処理されるウエハをイオンビームの前に配置し、処理されたウエハをイオン注入装置から取り出すために、１つ以上のロボットアームを含んでもよい。
【０００５】
イオン源（一般的には、アークイオン源とも称される）は、イオン注入装置で使用されるイオンビームを生成し、ウエハ処理のために適切なイオンビームに成形されるイオンを生成するための加熱フィラメントカソードを含むことができる。例えば、Ｓｆｅｒｌａｚｚｏらの米国特許第５，４９７，００６号は、イオン化電子をガス閉じ込めチャンバ内に放出するために、ベースによって支持され、ガス閉じ込めチャンバに対して配置されたカソードを有するイオン源を開示している。Ｓｆｅｒｌａｚｚｏらのカソードは、ガス閉じ込めチャンバ内に部分的に延びるエンドキャップを有する管状導電体である。フィラメントは、その管状本体内に支持され、電子衝撃によってエンドキャップを加熱する電子を放出し、それによって、イオン化電子をガス閉じ込めチャンバ内に熱電子的に（thermionically）放出する。
【０００６】
炭素は、多種多様な材料改質用途のための半導体産業において広く使用されているドーパントとして出現している。例えば、炭素注入は、複合ドーパントの拡散を阻止するために、または、ドープ領域の安定性を高めるためによく使用される。この点に関して、二酸化炭素及び／または一酸化炭素は、炭素注入のために一般的に使用される２つのドーパントガス源である。炭素分子の解離からの残留酸素は、チャンバライナ（chamber liners）を酸化し、カソードシールドを損傷し、イオン源の早期故障を引き起こす可能性がある。さらに、二酸化炭素及び／または一酸化炭素の分解による残留炭素の堆積及び剥離は、イオン源の寿命を短くすることも知られている。
【０００７】
〔概要〕
本明細書では、炭素を基板に注入するための方法及びシステムが開示される。１つ以上の実施形態では、炭素を基板に注入するための方法は、イオン源チャンバ内で酸化炭素ガス源と、三フッ化リンを含む複合ガスと、をイオン化して炭素イオン及び酸化リンを生成することと、炭素イオンを基板内に注入することと、を含む。
【０００８】
１つ以上の実施形態では、炭素イオンをワークピースに注入するための方法は、（１）酸化炭素ガスと三フッ化リンガスとの混合物をイオン源に供給することと、（２）イオン化された炭素と、酸化リンを含む副生成物と、の供給流を生成するために有効な化学量論によって、酸化炭素ガス及び三フッ化リンガスを、イオン源を用いてイオン化することと、（３）プラズマ内におけるイオン化された炭素を抽出してイオンビームを形成することと、（４）ワークピースをイオンビームに曝露して、イオン化された炭素をワークピースに注入することと、を含む。
【０００９】
本開示は、本開示の様々な特徴の以下の詳細な説明及びそこに含まれる実施例を参照することによって、より容易に理解され得る。
【００１０】
〔図面の簡単な説明〕
ここで図面を参照すると、同様の素子には同様の番号が付されている。
【００１１】
図１は、本開示の複数の態様による例示的なイオン注入システムのブロック図である。
【００１２】
図２は、本開示で使用するための例示的なイオン源の斜視図を示す。
【００１３】
図３は、本開示で使用するための例示的なアークチャンバの斜視図を示す。
【００１４】
図４は、２０時間の動作後の従来のタングステンカソード及びシールドを示す。
【００１５】
図５は、２０時間の動作後のランタン入りタングステンカソード及びシールドを示す。
【００１６】
図６は、複合ガスを用いずに３０時間運転させた後の従来のアークチャンバを示す。
【００１７】
図７は、複合ガスを用いずに様々な原材料を用いて３０時間運転させた後のランタン入りタングステンアークチャンバを示す。
【００１８】
図８は、純タングステン及びランタン入りタングステンの放出特性のグラフを示す。
【００１９】
図９は、様々な化合物の様々な特性を示すチャートである。
【００２０】
〔詳細な説明〕
本開示は、一般的に、酸化炭素ガスとの複合ガスとして三フッ化リンを利用する炭素注入に関する。１つ以上の実施形態では、複合ガスとして三フッ化リンを用いる炭素注入は、ランタン入りタングステンから形成された少なくとも１つの導電性構成要素をその中に含むイオン注入システムと組み合わせられる。適切な酸化炭素には、一酸化炭素、二酸化炭素、亜酸化炭素等及びそれらの混合物が含まれるが、これらに限定されない。１つ以上の実施形態では、炭素注入のためにイオン注入システムで利用されるイオン源及びビームライン構成要素は、イオン注入システムの寿命、安定性及び動作を改善するために、ランタン入りタングステン合金で形成された表面または構成要素（コンポーネント）を含む。炭素注入の場合、三フッ化リン（ＰＦ３）を酸化炭素との複合ガスとして利用し、複数の実施形態では、ランタン入りタングステン合金のイオン源の構成要素と組み合わせることで、カソード及びカソードシールドの酸化を最小限に抑え、それによって動作寿命を延ばすことを有利にできる。さらに、とりわけ円弧スリットを含むアークチャンバの内部の構成上の炭素堆積物の許容可能なレベルが、酸化タングステン形成（すなわち、ＷＯｘ（ここで、ｘは１〜６である））における顕著な減少と同様に観察されている。生成される炭素イオンは、対象となるワークピースにイオン注入するのに適した高速度で選択的に引き出され、加速されることが可能である。炭素注入は、一般的に、１〜３０ｋｅＶのエネルギーの範囲内であり、その投与量は、用途に応じて、少量から中間のＥ１３ｓ〜中間のＥ１５ｓまで（from low to mid E13s to mid E15s）変化する。
【００２１】
したがって、本開示は、ここで、図面を参照して説明され、同様の参照番号は、全体を通して、同様の要素を示すために使用され得る。これらの態様の説明は、単に例示的なものであり、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。以下の説明では、説明目的のために、本発明の完全な理解を提供するために、様々な特定の詳細が記載されている。しかし、本開示は、これらの具体的な詳細を用いずに実施され得ることが、当業者にとって明らかである。さらに、本開示の範囲は、添付の図面を参照して以下に説明される実施形態または例によって限定されることを意図するものではなく、添付の特許請求の範囲及びその同等物によってのみ限定されることを意図するものである。
【００２２】
また、図面は、本開示の実施形態の複数の態様の例示を与えるために提供されており、したがって、概略的なものとしてのみ見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、必ずしも互いに一定の縮尺ではなく、図面内の様々な構成要素の配置は、それぞれの実施形態の明確な理解を提供するように選択され、本開示の実施形態による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必ずしも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。
【００２３】
また、以下の説明では、図面に示した、または、本明細書で説明した機能ブロック、装置、構成要素、回路要素、または他の物理的もしくは機能的ユニット間の任意の直接接続または直接結合も、間接接続または間接結合によって実装できることを理解されたい。さらに、図面に示される機能ブロックまたはユニットは、一実施形態では、別個の特徴または回路として実装されてもよく、さらに、または代替として、別の実施形態では、共通の特徴または回路で完全にまたは部分的に実装されてもよいことを理解されたい。例えば、複数の機能ブロックは、信号プロセッサ等の共通のプロセッサ上で実行されるソフトウェアとして実装されてもよい。さらに、以下の説明において有線ベースであるとして説明される任意の接続は、反対のことが言及されない限り、無線通信として実装されてもよいことが理解されるべきである。
【００２４】
本開示の一態様によれば、図１は、例示的なイオン注入システム１００を示す。本実施例におけるイオン注入システム１００は、一般的に、端末１０２、ビームラインアセンブリ１０４及びエンドステーション１０６を含む。
【００２５】
一般的に言えば、端末１０２内のイオン源１０８は、電源１１０に結合されて、ドーパントガス１１２（すなわち、原料ガス）を複数のイオンにイオン化して、イオン源からイオンビーム１１４を形成する。イオンビーム１１４は、質量分析器１１７の入口１１６を通って、開口１１８から出てエンドステーション１０６に向かう。エンドステーション１０６では、イオンビーム１１４が、チャック１２２、例えば、静電チャックに選択的にクランプされるか、または、取り付けられるワークピース１２０に衝突する。一旦、ワークピース１２０の格子に埋め込まれると、注入されたイオンは、ワークピースの物理的及び化学的特性を変化させる。このため、イオン注入は、半導体デバイスの製造及び金属仕上げ並びに材料科学研究における様々な用途に使用される。
【００２６】
本開示のイオンビーム１１２は、ペンシルビームもしくはスポットビーム、リボンビーム、走査ビームまたは任意の他の形態等、任意の形態をとることができ、そのような形態は全て、本開示の範囲内に含まれると考えられる。当該任意の他の形態は、イオンがエンドステーション１０６に向けられる形態である。
【００２７】
例示的な一態様によれば、エンドステーション１０６は、真空チャンバ１２６等の処理チャンバ１２４を含み、処理環境１２８がその処理チャンバに関連付けられる。処理環境１２８は、一般的に、処理チャンバ１２４内に存在し、一実施例では、処理チャンバ１２４に結合され、かつ、処理チャンバ１２６を実質的に排気するように構成された真空源１３０（例えば、真空ポンプ）によって生成される真空を含む。さらに、イオン注入システム１００の全体的な制御のために、コントローラ１３２が設けられている。
【００２８】
イオン源１０８（イオン源チャンバとも称される）は、例えば、高融点金属（Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ等）及びグラファイトを使用して、適切な高温性能を提供するように構成することができ、それによって、そのような材料は、半導体チップの製造業者によって一般的に受け入れられている。原料ガス（ソースガス）１１２は、イオン源１０８内で使用され、原料ガスは、本質的に導電性であってもなくてもよい。しかし、一旦、原料ガス１１２が分解または断片化されると、イオン化されたガスの副生成物は、非常に高い腐食性を有しうる。本開示において、原料ガスは、酸化炭素と少なくとも三酸化リンとを複合ガスとして含む混合物である。
【００２９】
より長い原料寿命、増加したイオンビームの電流、イオンビームの安定性及び非専用種の操作に対するデバイスの製造業者からの要求は、従来のイオン源の設計をそれらの限界まで押し上げてきた。しかし、これらの要求の各々は、相互に排他的ではなく、それによって、１つ以上の性能特性は、一般的には、早期に故障しないイオン源を提供するために犠牲にされる。
【００３０】
一酸化炭素（ＣＯ）及び／または二酸化炭素（ＣＯ２）及び／または亜酸化炭素（Ｃ３Ｏ２）のような分解する酸化炭素から生成されるフッ化物及び酸化物の高い腐食性の性質によって、例えば、イオン源１０８及びそれに関連する構成要素のような異なるイオン注入構成要素を構成するために使用される従来の高融点金属に挑む。例えば、二酸化タングステン（ＷＯ２）及び三酸化タングステン（ＷＯ３）の形成は、内部ソースの構成要素上において、酸化タングステンから放出される残留酸素がある閾値以下になるまで、１１Ｂ及び４９ＢＦ２のような他の種へのイオン注入遷移に悪影響を及ぼし得る。
【００３１】
１つ以上の実施形態では、本開示は、イオン源１０８に関連する構成要素（例えば、内部のアークチャンバ構成要素）のために、ランタン入りタングステン合金を利用する、またはランタン入りタングステン合金を、所定の割合の希土類金属で合金化された他の高融点金属と一緒に利用する。多くの場合、このようなランタン入りタングステン合金構成要素を設けることにより、残留酸素による損傷を防止することができる。多くの場合では、このようなランタン入りタングステン合金構成要素を設けることにより、残留フッ素及び／または残留酸素による損傷を防止することができる。例えば、Ｏ−とランタンとの反応は、２０００℃を超える温度で安定性が非常に高い保護表面層を生じ、一方、酸化タングステンは、揮発性が非常に高く（例えば、ハロゲンサイクル）、イオン源の寿命を短くし、イオンビームの不安定性を増大させる。さらに、ランタン入りタングステン合金から形成される場合の本開示のイオン源は、当該イオン源の仕事関数が低く、カソード先端上の炭化タングステンまたは酸化物の形成量が減少したため、改善されたカソード電子の放出を提供する。したがって、炭素注入のためのカソード電子の放出を減少することができる。
【００３２】
アーク内部構成要素を構成するために、ランタン入りタングステン合金を利用する、またはランタン入りタングステン合金を、所定の割合の希土類金属で合金化された他の高融点金属と一緒に利用することに加えて、アークチャンバ本体及びアークチャンバの下流にあるイオン注入システムの他の構成要素も、そのような材料を利用して構成することができる。例えば、引出電極光学部材（例えば、抑制開口及び接地開口）及び任意の他の下流に位置するイオンビーム画定開口、ライナ及びイオンビームストライクプレートは、このようなランタン入りタングステン材料から形成され得る。抽出された酸素イオンによるエッチングまたはスパッタリングを受けやすい任意の構成要素は、そのような材料から形成される候補として考慮され、従来のシステムで形成される揮発性腐食性導電性ガスは、一般的には、重要な絶縁体を被覆する。
【００３３】
例えば、図２に示すイオン源２００では、六フッ化タングステンまたは他の得られた材料は、カソード２０４、反射電極（リペラ）２０６及びイオン源のアークチャンバ２０８に関連する円弧スリット光学部材（図示せず）の表面等、イオン源の様々な内部構成要素２０３の表面２０２上で分解してもよい。これは、式に示すようにハロゲンサイクルと呼ばれるが、結果として得られる材料は、壁２１０またはライナ２１２またはアークチャンバ２０８の他の構成要素、並びに汚染物質２１４（例えば、固体状態の粒子状汚染物質）の形態の円弧スリット上に沈殿及び／または凝縮して戻ることもできる。ライナ２１２は、例えば、アークチャンバ２０８の本体２１６に動作可能に結合された交換可能な部材２１５を備え、前記ライナは、グラファイトまたは様々な他の材料から構成される。交換可能な部材２１５は、例えば、アークチャンバ２０８の動作期間後に容易に交換することができる摩耗表面を提供する。
【００３４】
内部構成要素２０３上に堆積される汚染物質２１４の別の発生源は、カソードが間接的に加熱されるとき（例えば、タングステンまたはタンタルから構成されるカソード）、カソード２０４から生じ、それによって、間接的に加熱されるカソードは、イオン源プラズマ（例えば、熱電子放出）を開始及び維持するために使用される。間接的に加熱されたカソード２０４及び反射電極２０６（例えば、アンチカソード）は、例えば、アークチャンバ２０８の本体２１６に対して負の電位にある。そして、カソード及び反射電極の両方は、イオン化されたガスによってスパッタリングされ得る。反射電極２０６は、例えば、タングステン、モリブデン、またはグラファイトから構成され得る。アークチャンバ２０８の内部構成要素２０３上に堆積される汚染物質２１４のさらに別の発生源は、ドーパント材料（図示せず）それ自体である。時間の経過に伴い、これらの汚染物質２１４の堆積膜は、応力の発生による剥離が起こり得る。このため、イオン源２００の寿命が短くなる。
【００３５】
本開示は、有利なことに、炭素注入中のエッチング及び汚染の問題を軽減するために、イオン注入システムにおけるランタン入りタングステン合金の使用を含み得る。１つ以上の実施形態では、三フッ化リンは、一酸化炭素及び／または二酸化炭素等の炭素源ガスとの複合ガスとして利用され、本明細書に記載のランタン入りタングステン合金のイオン源の構成要素と組み合わせて利用される。１つ以上の他の実施形態では、イオン注入システムの導電性構成要素は、タングステン等で形成される。炭素注入のための複合ガスとしての三フッ化リンの使用及びランタンタングステン合金で形成または被覆された構成要素は、多くの利点を提供する。
【００３６】
例えば、炭素注入のためのドーパントガスとして一酸化炭素及び／または二酸化炭素を使用する場合の主な故障モードは、カソード及びカソードシールドの酸化及びその後の質量の減少である。長時間運転する場合、カソードシールドが非常に高速で酸化することは珍しいことではなく、源の早期故障につながる。一酸化炭素及び／または二酸化炭素ガスとの複合ガスとしての三フッ化リンの導入は、延長された時間帯を超えた、安定したカソードの電力性能及び炭素ビーム電流をもたらす。理論に結び付けられることは望まれないが、リンの存在は、それぞれ２３．８℃及び４２２℃の比較的低い融点を有するＰ４Ｏ６及びＰ４Ｏ１０等の酸化リンの生成をもたらすと考えられる。これらの化合物は、蒸気の形態でチャンバからポンプ輸送することができ、それによって、カソード及びカソードシールドの酸化を有意に最小限にする。その結果、利用可能な酸素の量に基づいて、カソードシールドの酸化速度と炭素堆積物との間のバランスを達成することができる。さらに、ランタン入りタングステン構成要素の任意の使用は、安定したランタン酸化化合物、例えば、Ｌａ２Ｏ３の形成によるカソードシールドの酸化速度をさらに低下させる。
【００３７】
三フッ化リンに対する酸化炭素の比率は、原子質量単位（ａｍｕ）のスペクトル分析に基づいて酸化リンの形成を検出することによって容易に最適化することができる。この比率は、酸化リンがもはや検出できなくなり、相対的なビーム電流が望ましい量に維持されると最適化される。三フッ化リン複合ガスは、異なるストリングからの別のガスとして挿入することができ、または所望の比率が決定されると、同じボトル内で事前に混合することができる。イオン源内の動作圧力は、低圧から中間のＥ−５Ｔｏｒｒまでの範囲である。高電流のイオン源の寿命は、種の使用に伴って変化するが、数百時間となり得る。
【００３８】
炭素堆積物は、円弧スリット開口とも呼ばれるイオン抽出光学部材内に、かつそれに沿って形成することができ、抽出されたイオン電流を減少させ、続いて所望のドーパントビーム電流を減少させる。これらの堆積物は、所望の炭素ドーパントを生成することの直接的な結果として形成される、または、副生成物とアークチャンバが構築される高融点金属とのイオン化の相互作用を形成する。これらの炭素堆積物は、アークチャンバの内面から層間剥離しやすく、これは、カソード及び反射電極のアセンブリを電気的に短絡させる可能性がある。これが起こると、アークチャンバは、炭素堆積物を除去するために洗浄される必要がある。三フッ化リンの使用は、ＣＦｘ及びＣＯガスを形成することによって炭素堆積物の生成を低減し、これらのガスは、チャンバから容易にポンプ輸送されることが可能であり、それによって、これらの堆積物によって生じる損傷を最小限に抑える、及び／または、排除する。
【００３９】
水素をベースにした複合ガスを、炭素をベースにしたドーパントと共に使用する場合、Ｂ１１Ｈ１（ＡＭＵ  １２）及びＣ１２の形成に起因して、エネルギー的な相互汚染が存在する。一酸化炭素及び／または二酸化炭素との複合ガスとして三フッ化リンを使用する場合、Ｂ１１及びＣ１２の相互汚染がないことも観察されている。例えば、４９ＢＦ２インプラントは、以下の反応式（Ｉ）及び（ＩＩ）に示されるように、１つの原子質量単位（ａｍｕ）の分類を有し、これは、公知の技術を使用して容易に分解され得る。
【００４０】
Ｉ．ＣＯ２＋ＰＦ３→Ｃ（１２）＋Ｏ（１６）＋Ｆ（１９）＋ＣＯ（２８）＋Ｐ（３１）＋ＣＦ（３１）＋ＰＦ（５０）
ＩＩ．ＣＯ＋ＰＦ３→Ｃ（１２）＋Ｏ（１６）＋Ｆ（１９）＋ＣＯ（２８）＋Ｐ（３１）＋ＣＦ（３１）＋ＰＦ（５０）
さらに、ランタンタングステンの構成要素を組み合わせて、一酸化炭素ガスまたは二酸化炭素ガスとの複合ガスとして三フッ化リンを利用する炭素注入は、他の利点の中でもとりわけ、構成要素の寿命を増大させる。三フッ化リンの分解は、リン及びフッ素を生じ、上述のように、リンは、カソードシールドを損傷することが知られている利用可能な酸素の量を有利に減少させることができる。一方、フッ素は、利用可能なタングステンと反応して、ハロゲンサイクル（すなわち、ＷＦｘ、ここでｘは１〜６である）を生成する。得られたフッ化タングステンは、カソード、カソードシールド及び反射電極等の高温表面上に堆積するタングステンを腐食し、イオン源の寿命を短くする。本明細書に記載されるような内部のアークチャンバ構成要素を構成するためのランタンタングステンの使用と組み合わせたＰＦ３複合ガスの存在は、以下の反応式（ＩＩＩ）において証明されるように、ハロゲンサイクルを最小限にし、制御する。
【００４１】
ＩＩＩ．１９ＣＯ＋７ＰＦ３＋ＬａＷ→１７Ｃ＋＋Ｏ＋２０Ｆ+２ＣＯ＋Ｐ＋ＰＯ＋２Ｌａ２Ｏ３＋３Ｗ＋ＷＯ３＋Ｐ４Ｏ６．
ＬａＦ３またはＬａ２Ｏ３の保護膜が製造され、これらはそれぞれ約１４９０℃及び約２３００℃まで熱的に安定する。ＷＬａＯ３はタングステン粒子の境界内に存在するので、ＷＬａＯ３は連続的に表面に拡散し、保護被覆を補充する。これは、同様に、揮発性高融点ガスの形成を低減する。タングステン、酸素及び／またはフッ素を含むアークチャンバ内にランタンをスパッタリング、エッチングまたは蒸発させると、ランタンは、ＭｏＦｘ、ＷＦｘ及びＴａＦｘ等の反応性が高く不安定な成分を形成しない。代わりに、ランタンの存在は、安定した酸化物またはフッ化物の化合物の形成をもたらし、これらはまた、アークチャンバの内面上に堆積され、これは、内面をさらに保護する。
【００４２】
図３は、本開示を利用することができる例示的なイオン源３００（アークチャンバまたはイオン源チャンバとも呼ばれる）を示す。図３のアークチャンバ３００は、図２のアークチャンバ２０８と多くの点で類似している。図３に示すように、アークチャンバ３００は、アークチャンバの内部領域３０４を画定する本体３０２を有する。アークチャンバ３００は、例えば、１つ以上の電極３０４を備える。１つ以上の電極３０５は、例えば、カソード３０６及び反射電極３０８を含む。アークチャンバ３００は、例えば、アークチャンバからイオンを抽出するための円弧スリット３１０をさらに備える。１つ以上のライナ３１２は、アークチャンバ３００の本体３０２に動作可能に結合される。本体３０２は、例えば、本体に動作可能に連結される、または一体化される１つ以上の壁３１４をさらに備えてもよい。一実施例では、カソードシールド３１６は、一般的に、カソード３０６の周囲を取り囲む。
【００４３】
本開示によれば、１つ以上の電極３０５（例えば、カソード３０６及び反射電極３０８のうち１つ以上）、カソードシールド３１６は、ランタン入りタングステンを含む、またはランタン入りタングステンから構成される。さらに、アークチャンバ３００のライナ３１２、壁３１４及び／または抽出口３１０のうちの１つ以上は、ランタン入りタングステンを含むことができる、またはランタン入りタングステンから構成され得る。本開示は、ランタン入りタングステンが、従来のイオン源で使用される純粋なタングステンと比較して、化学的浸食に対してより耐性を有することを現在認識している。現在考慮されている理論は、ランタン入りタングステンが、アークチャンバ３００内で行われるイオン化プロセスの間に、露出した表面上に酸化ランタン層を形成するというものである。この酸化ランタン層は、従来の化学品よりも化学的に安定しているため、一般的に、さらなる腐食を抑制する。
【００４４】
図４は、ＣＯ２を２０時間流し込んだ後の従来のカソード４００及びそれに対応するカソードシールド４０２（例えば、カソードを覆う管状部材）を示しており、カソード及びカソードシールドはタングステンで形成されている。図４に示すように、カソードシールド４０２の激しい酸化４０４と、カソード側の壁４０６上への熱分解によるその後の堆積と、が存在する。図４に示すように、カソードシールド４０２は、そのカソードシールドが２つの構成要素４０８Ａ，４０８Ｂに有害に分離されるように酸化されている。
【００４５】
図５は、ＣＯ２を２０時間流し込んだ後のカソード５００及び対応するカソードシールド５０２を示し、カソード及びカソードシールドはランタンタングステンから構成される。図５に示すように、カソードシールドの酸化状態での減少及びカソード側の壁５０４上へのタングステン堆積の減少は、図４の従来のカソード及びシールドと比較すると容易に明らかである。
【００４６】
図６は、複合ガスを用いることなくＧｅＦ４を３０時間流し込んだ後の従来のアークチャンバ４１０内の従来のカソードを示す。カソード４００及び反射電極４１４上へのタングステン４１２の過剰な堆積及びアークチャンバライナ４１６，４１８のエッチングが明らかに存在する。
【００４７】
図７は、ＧｅＦ４、ＳｉＦ４及びＢＦ３をそれぞれ１０時間、複合ガスを用いることなく流し込んだ後、ランタンタングステンから形成された１つ以上の構成要素（例えば、カソード５００、カソードシールド５０２、反射電極５１０、チャンバ壁５１２、抽出開口（図示せず）、ライン（lines）５１４等のうちの１つ以上）を有するアークチャンバ５０８を示す。図７に示すように、アークチャンバ内の露出面５１６の全ては、ランタン入りタングステンで形成されているが、このような例は、限定的であると考慮されるべきではない。図６に示すように、１つ以上のアークチャンバライナ５１４のエッチングの兆候が最小である場合、カソード及び反射電極上へのタングステンの意味のある堆積はない（例えば、ハロゲンサイクルは存在しない）。
【００４８】
図８は、純タングステン及びランタン入りタングステンの放出特性を示すグラフ６００であり、４Ａ／ｃｍ２の最大安定放出は、１９００Ｋにおいて生じている（参照：例えば、トリウム入りタングステンでは、２１００Ｋにおいて３Ａ／ｃｍ２）。例えば、純タングステンに関する熱電子放出は、〜２３００Ｋにおいて、１００分の１未満である。
【００４９】
図９は、フッ素及び酸素と反応した後の様々な材料の特性を示す表７００である。例えば、酸化ランタンは、通常の二酸化タングステンよりも約１０００℃高い融点を有し、これは、酸化ランタンがはるかに安定していることを意味する。上述したアークチャンバライナは、一般的には約７００〜８００℃で動作し、カソードは約２５００℃で動作し、カソードシールドは約２０００℃で動作する。その結果、ランタン入りタングステン構成要素は、フッ素と反応した後に高温で容易に分解しない安定した化合物を提供する。
【００５０】
本開示は、アークチャンバ（例えば、イオン源チャンバ）及び／または他の電極部品の構築のために、合金、または、他の高融点金属（例えば、モリブデン、タンタル等）と混合されたものとしてのランタン入りタングステンを提供する。本開示は、所定量のランタン（例えば、構成要素の１〜３重量％のランタン粉末）を有するランタン入り合金を提供する。例えば、所定量のランタンを所望の金属（例えば、タングステン）と混合し、平衡にプレスして構成要素を形成する。例えば、ランタン入りタングステンは、構成要素全体を画定することができる、または、構成要素は、当該構成要素の上に被覆される、または、他の方法で堆積させることができる。本開示のランタン入りタングステンの構成要素がプロセスガスに曝される場合、得られる化合物は、一般的に、イオン源の動作温度で安定する。例えば、Ｌａ２Ｆ３は、フッ素の存在下で形成され、１４００℃を超えるまで安定する。これにより、イオン源に関連する表面は、不動態化されている（passivated）と考えることができる。同様に、ランタン入りタングステンが処理条件下で酸素に曝されると、酸化物化合物が形成され、これも極めて安定する。したがって、ランタン入りタングステンは、フッ素または酸素を「結合」させ、一般的に、フッ素または酸素がタングステンを構成要素からエッチング除去することを防止する。一実施例では、アークチャンバ内でプラズマに曝される任意の構成要素は、ランタン入りタングステンを含む、または、ランタン入りタングステンから構成される。
【００５１】
フッ素に関連するハロゲンサイクル（例えば、ＷＦｘ、ここでｘは１〜６である）は、例えば、高温表面に曝されると、揮発性であり、かつ、その後分解するガスを提供する。そして、残留タングステンが残される。それにより、フッ素がプラズマに戻り、より多くのタングステンを捕捉（scavenge）する。プラズマに曝される構成要素を、ランタン入りタングステンから構成されるものとして提供することによって、ハロゲンサイクルは、基本的に排除または遮断される。このように、ＷＦｘは、最小限に形成される、または、全く形成されず、高温表面上で分解する材料がより少なくなり、当該高温表面の質量を増加させる。
【００５２】
従来、フッ素をベースにしたドーパントガスを利用する場合、ハロゲンサイクルが問題となっていた。例えば、ゲルマニウムが最も悪いケースであり、ＢＦ３及びＳｉＦ４がその次に悪い。これにより、イオン源のライナ及び他の構成要素は、従来通りにエッチングが生じたり、穴が開いたりなどしていた。酸素と共に使用された場合、カソードは酸化され得る。タングステンと共に使用された場合、酸化タングステンの中でも、ＷＯ２が形成される。
【００５３】
カソード上に炭素を堆積させると、炭化タングステンをさらに生成することができる。カソードは、間接的に加熱されるため、約２５００℃で電子を放出する。これが起こると、ソースは電子を放出しない。これにより、プラズマアーク電流が低下するとともに、プラズマ密度が低下し、イオンビーム電流が低下する。ランタン入りタングステンから構成されるカソードを提供することによって、例えば、炭素とともに複合ガスを流す必要もなくなる。ランタンによってカソードの放射率（emissivity）が低下するため（例えば、標準的なタングステンよりも１００倍優れている）、複合ガスを用いることなくイオン源を動作させてもよい。このように、イオン源は、一般的に、当該イオン源自体を保護し、前記イオン源の仕事関数が低く、そして、前記イオン源は、より低電力でより容易に電子を放出することができる。
【００５４】
酸素とともに炭素含有ガス、一酸化炭素または二酸化炭素（または酸素とともに炭素含有ガス）を流し込む場合、アークチャンバ内にかなりの量の二酸化タングステン及び三酸化タングステンを形成することができる。ホウ素（Ｂ１１，ＢＦ３）へのその後の遷移が望まれる場合、イオン源は、その中に配置された酸素が除去されるまで不安定である。したがって、酸素が除去されるまで、イオン源に関連する従来のチューニング溶液（previous tuning solution）はうまく機能しない。したがって、本開示によれば、酸化タングステンは形成されないので、ランタン入りタングステンはチャンバの不動態化（passivating）を提供し、それゆえに、チャンバを保護する。
【００５５】
一実施例によれば、イオン源（例えば、光学プレート）からイオンを抽出するのに利用される引出電極をタングステンで作ることができる。例えば、フッ素が従来のタングステン引出電極で利用される場合、フッ素は開口をスパッタリングし、結合して腐食性のフッ化タングステン（ＷＦｘ）ガスを形成する。さらに、絶縁体が引出プレートの間に設けられることが多く、それによってフッ化タングステンが絶縁体（Ａｌ２Ｏ３）を侵食し、それがさらに絶縁体上に有害な導電性被覆を生成する。したがって、本開示によれば、開口プレートは、ランタン入りタングステンから形成され、それゆえに、そのような有害な導電を軽減する。
【００５６】
本開示は、イオン源、引出電極光学部材及びソースチャンバの出口等のＡＭＵ磁石の上流の構成要素が、ランタン入りタングステンから構成されることを熟慮する。イオン源チャンバに関連する任意のライナ、アークスリット、カソード、反射電極及びカソードシールド等のアークチャンバの内部構成要素は、ランタン入りタングステンから構成されてもよい。さらに、ＡＭＵの入口開口は、ランタン入りタングステンから形成することもできる。その上、ＡＭＵのさらに下流の構成要素（例えば、ビームラインに沿った任意の場所）は、同様の方法でランタン入りタングステンから構成されてもよい。
【００５７】
本発明は、特定の１つ以上の実施形態に関して示され、説明されたが、上述の実施形態は、本発明の複数の実施形態の実施のための例としてのみの役目を果たし、本発明の適用は、これらの実施形態に限定されないことに留意されたい。特に上述の構成要素（アセンブリ、装置、回路等）によって実行される種々の機能に関して、そのような構成要素を説明するために使用される用語（「手段」に対する参照を含む）は、他に示されていなければ、例え開示された構成に構造的に同等でなくても、本明細書で図示された本発明の例示的な実施形態において、その機能を果たすものであれば、説明された構成要素の特定された機能を実行する（即ち、機能的に同等である）いずれかの構成要素に相当するものと意図されている。さらに、本発明の特定の特徴が複数の実施形態のうちのただ一つに対して開示されてきたが、そのような特徴は、任意の所定又は特定の用途にとって望ましくかつ有利な他の実施形態における一つ以上他の特徴と組み合わされ得るものである。したがって、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲及びその同等物によってのみ限定されることが意図される。
【００５８】
本明細書は、最良の形態を含めて、本発明を開示するために、また、当業者が本発明を作成し、使用することを可能にするために、実施例を使用する。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含んでもよい。構成要素が特許請求の範囲に記載のものと相違ない場合、又は特許請求の範囲に記載のものとそれほど相違ない同等の構成要素を含む場合、このような他の例は特許請求の範囲内であるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本開示の複数の態様による例示的なイオン注入システムのブロック図である。
【図２】本開示で使用するための例示的なイオン源の斜視図を示す。
【図３】本開示で使用するための例示的なアークチャンバの斜視図を示す。
【図４】２０時間の動作後の従来のタングステンカソード及びシールドを示す。
【図５】２０時間の動作後のランタン入りタングステンカソード及びシールドを示す。
【図６】複合ガスを用いずに３０時間運転させた後の従来のアークチャンバを示す。
【図７】複合ガスを用いずに様々な原材料を用いて３０時間運転させた後のランタン入りタングステンアークチャンバを示す。
【図８】純タングステン及びランタン入りタングステンの放出特性のグラフを示す。
【図９】様々な化合物の様々な特性を示すチャートである。
【図１】
2020501009.tif 000003
【図２】
2020501009.tif 000004
【図３】
2020501009.tif 000005
【図４】
2020501009.tif 000006
【図５】
2020501009.tif 000007
【図６】
2020501009.tif 000008
【図７】
2020501009.tif 000009
【図８】
2020501009.tif 000010
【図９】
2020501009.tif 000011
【国際調査報告】
2020501009.tif 000012
2020501009.tif 000013
2020501009.tif 000014