離子生成裝置及離子生成方法
【技術領域】
[0001]本申請主張基于2013年11月13日申請的日本專利申請第2013-235312號的優先權。該申請的全部內容通過參考援用于本說明書中。
[0002]本發明涉及一種離子生成裝置及離子生成方法。
【背景技術】
[0003]在半導體制造工序中，以改變導電性的目的、改變半導體晶片的結晶結構為目的等，對半導體晶片注入離子的工序正在被規范地實施。該工序中所使用的裝置通常被稱作離子注入裝置。
[0004]作為這種離子注入裝置中的離子源，已知有直流放電型離子源。直流放電型離子源通過直流電流來加熱燈絲而產生熱電子，陰極通過該熱電子而被加熱。并且，從被加熱的陰極產生的熱電子在電弧室內被加速，并與所導入的源氣體分子進行碰撞，從而包含在源氣體分子中的原子被離子化(參考專利文獻I)。
[0005]現有技術文獻
[0006]專利文獻
[0007]專利文獻1:日本專利第3516262號公報
【發明內容】
[0008]本發明要解決的課題
[0009]作為被導入電弧室內的源氣體分子，大多使用氟化物和氯化物等鹵化物。鹵化物的源氣體分子在離子化過程中產生鹵自由基，該鹵自由基作用于構成離子源的部件，例如作用于電弧室內壁的金屬材料，并進行化學鍵合。并且，進行化學鍵合的金屬材料與源氣體分子一同被離子化，作為離子束從離子源被引出。
[0010]其結果，電弧室內壁的金屬材料作為離子而被注入到半導體晶片中，存在晶片被金屬等雜質離子污染的憂慮。尤其，在直流放電型離子源的情況下，電弧室內成為高溫，因此有時在電弧室內壁使用鉬(Mo)、鎢(W)、鉭(Ta)等高熔點金屬，然而，為了提高半導體元件的性能，希望盡可能減少緣于這些高熔點金屬的污染。
[0011]于是，作為電弧室的壁材，研宄出使用碳而不使用所述高熔點金屬的結構。然而，緣于離子化過程中所生成的鹵化物的高反應性的自由基容易損耗碳。并且，若因損耗而飛散的碳堆積在腔室內的高溫部成為導電性膜，則也會導致絕緣不良。因此，離子源的壽命顯著縮短，且生產率降低。
[0012]本發明是鑒于這種情況而完成的，其目的在于提供一種在離子注入過程中減少重金屬離子的污染、且生成高生產率的離子的技術。
[0013]用于解決課題的手段
[0014]為了解決上述課題，本發明的一種方式的離子生成裝置具備:電弧室，至少一部分由含有碳的材料構成；熱電子放出部，向電弧室內放出熱電子；及氣體導入部，將源氣體及Cokes氣體(3力'又)導入電弧室內。導入電弧室的源氣體中含有鹵化物氣體，導入電弧室的Cokes氣體中含有具有碳原子及氫原子的化合物。
[0015]本發明的另一方式為離子生成方法。該方法具備:導入工序，將源氣體及Cokes氣體導入至少一部分由含有碳的材料構成的電弧室內；放出工序，向電弧室內部放出熱電子；生成工序，通過源氣體和熱電子的碰撞而生成等離子體；及引出工序，從等離子體向外部引出離子。導入電弧室的源氣體中含有鹵化物氣體，導入電弧室的Cokes氣體中含有具有碳原子及氫原子的化合物。
[0016]另外，即使將以上構成要件的任意組合、本發明的構成要件或表現，在方法、裝置、系統等之間彼此置換，作為本發明的方式仍有效。
[0017]發明效果
[0018]根據本發明，能夠提供一種在注入離子時減少重金屬離子的污染、且生成高生產率的離子的技術。
【附圖說明】
[0019]圖1是表示本實施方式所涉及的離子源的電弧室內部及氣箱的示意圖。
[0020]圖2是表示圖1所示的離子源的A-A剖面的示意圖。
[0021]圖3是用于說明碳源內所產生的損耗、堆積反應的示意圖。
[0022]圖4是表示將甲烷單體導入電弧室中進行離子化的情況的射束光譜的圖。
[0023]圖5是表示在由石墨(碳)構成電弧室的離子生成裝置中導入BF3氣體并進行離子化時的射束光譜的圖。
[0024]圖6是表示在由石墨(碳)構成電弧室的離子生成裝置中導入BF3氣體及甲烷氣體并進行離子化時的射束光譜的圖。
[0025]符號說明
[0026]10-尚子生成裝置，12-電弧室，14-熱電子放出部，16-氣箱，18-反射極，20-抑制電極，22-接地電極，24-氣體導入口，26-前狹縫，28-燈絲，30-陰極，32-反射板，34-燈絲電源，36-陰極電源，38-電弧電源，40-熱電子，42-等離子體，44-源氣體氣瓶，46-Cokes氣體氣瓶，48-稀有氣體氣瓶。
【具體實施方式】
[0027]以下，參考附圖，對本發明的實施方式進行詳細的說明。另外，對于【附圖說明】中的相同的要件附加相同的符號，適當地省略重復說明。并且，以下所敘述的結構為示例，并不限定任何本發明的范圍。
[0028]圖1是表示本實施方式所涉及的離子源的電弧室內部及氣箱的示意圖。圖2是表示圖1所示的離子源的A-A剖面的示意圖。
[0029]本實施方式所涉及的離子生成裝置10為直流放電型離子源，其具備電弧室12、熱電子放出部14、反射極18、抑制電極20、接地電極22以及各種電源。
[0030]電弧室12中形成有導入源氣體的氣體導入口 24和作為引出離子束的開口部的前狹縫26。
[0031]熱電子放出部14向電弧室內放出熱電子，具有燈絲28和陰極30。反射極18設置在與熱電子放出部14對置的位置上，且具有反射板32。陰極30和反射板32對置且大致平行地設置。
[0032]燈絲28被燈絲電源34加熱，而且在前端產生熱電子。由燈絲28產生的(I次)熱電子被陰極電源36加速并與陰極30進行碰撞，通過該碰撞時所產生的熱量而加熱陰極
30。被加熱的陰極30產生(2次)熱電子40，該(2次)熱電子40通過電弧電源38在陰極30與電弧室12之間所施加的電弧電壓而被加速，且作為在電離氣體分子時保持足夠的能量的電子束而向電弧室12內放出。
[0033]另一方面，離子生成裝置10在連接陰極30和反射極18的軸向上被施加由源磁場線圈感應產生的外部磁場B。并且，由于與放出電子束的陰極30對置設置有反射極18，因此電子束沿磁場B在陰極30與反射極18之間往復移動，與導入電弧室12中的源氣體分子碰撞電離并產生離子，在電弧室12中生成等離子體42。電子束通過施加磁場而存在于幾乎被局限的范圍內，因此離子主要在該范圍內生成，并通過擴散而到達電弧室12的內壁、前狹縫26、陰極30以及反射極18，在壁面消失。
[0034]本實施方式所涉及的離子生成裝置10為放出(2次)熱電子40的直流放電型離子源，電弧室12的內部溫度變得非常高。因此電弧室12由高熔點材料構成，具體而言，由W、Mo、Ta等高恪點金屬或它們的合金、石墨(C)等構成。從而，如同直流放電型離子源，即使在電弧室內部的溫度變得比較高的環境下，也能夠使電弧室不易熔化。
[0035]作為源氣體，使用稀有氣體或氫(H2)、磷化氫(PH3)、氫化砷(AsH3)等氫化物，三氟化硼(BF3)、四氟化鍺(GeF4)等氟化物，三氯化銦(InCl3)等氯化物等鹵化物。這些源氣體被導入電弧室12中，通過(2次)熱電子40被離子化，若被激勵的離子入射于電弧室12的內壁、前狹縫26、陰極30、反射極18而進行碰撞，則使各部分的構成材料(W、Ta、Mo、石墨等)通過濺射或化學蝕刻而磨耗。并且，當源氣體為氟化物的情況下，例如為情況下，通過離子化而生成礦、8?+、8?2+、？+、？2+，若這些離子在電弧室12內部的壁面被中性化，則生成F、匕等高反應性氟自由基。
[0036]氟自由基與構成離子生成裝置10的部件的材料進行化學鍵合，成為WFx、TaFx,MoFxXFx等氟化物。由于這些氟化物在較低溫度下被氣化，因此在電弧室內與導入源氣體一同被離子化，且作為W+、Ta+、Mo+等離子束而與導入源氣體的主離子束一同被引出。
[0037]另一方面，近來在注入離子時，為了提高半導體元件的性能，對減少由如高熔點金屬之類的重金屬離子(W+、Ta+、Mo+等)引起的金屬污染(Metalcontaminat1n)提出嚴格的要求。然而，如同上述，不優選:離子源氣體中所含有的氟與構成離子源的電弧室12等高熔點材料進行化學鍵合而氣化，并作為不必要的污染離子從電弧室12引出。
[0038]并且，作為離子束而被引出的這些重金屬離子，在射束線內堆積的同時，其一部分到達離子注入部而引起注入晶片的重金屬污染，降低半導體元件的成品率。另外，氟自由基使高溫離子源的構成物(陰極、反射極、前狹縫、電弧室等)在短時間內蝕耗的同時堆積在局部高溫部件上，引起絕緣不良等不良情況。因此，需要頻繁地更換各部件，縮短離子源或具備離子源的離子注入裝置的維修周期，且降低其生產效率。
[0039]對上述現象進行更詳細的說明。圖3是用于說明碳源內所產生的損耗及堆積反應的示意圖。如圖3所示，尤其是高反應性氟自由基吸附(附著)于電弧室壁，與壁面部件(W、Mo、Ta、C等)進行化學鍵合，產生WFx、MoFx、TaFx、CFx等。這些氟化物在幾百度以下的較低溫度下進行氣化，因此在進行運行時，從達到1000°c以上的源極壁面氣化(蒸發)而蝕耗源極內壁。該氣化的氟化物進而在高溫的陰極周邊和反射極的源極內壁面進行熱分解，氟進行離解(脫離)，W、Mo、Ta、C等逐漸堆積。引起所謂的鹵素循環。
[0040]若在電弧室內引起緣于氟自由基的蝕耗或堆積，則如同上述，因部件形狀的改變，或因初始間隙的減小等而引起絕緣不良或射束性能下降。尤其，高溫石墨(碳)容易與氟進行反應而成為氣態的CFx。并且，與源氣體混合之后在電弧室內被離子化，產生大量的碳離子。該碳離子作為射束大量被引出，使射束引出效率下降。與此同時，該碳離子附著于引出電極的絕緣子等絕緣體表面而在短時間內導致絕緣不良，并需要更換絕緣子等頻繁的維修。
[0041]于是，經本發明人的深入的研宄結果想出以下技術。即，通過有效地降低來自在高溫離子源內產生的源物質的氟化物、氯化物等鹵化物所產生的高反應性自由基，以免其與構成離子源的由高熔點金屬、碳(石墨)構成的電弧室12進行化學鍵合，從而能夠抑制重金屬離子的產生和碳部件的損耗。并且，