离子生成装置及离子生成方法
【技术领域】
[0001]本申请主张基于2013年11月13日申请的日本专利申请第2013-235312号的优先权。该申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。
[0002]本发明涉及一种离子生成装置及离子生成方法。
【背景技术】
[0003]在半导体制造工序中，以改变导电性的目的、改变半导体晶片的结晶结构为目的等，对半导体晶片注入离子的工序正在被规范地实施。该工序中所使用的装置通常被称作离子注入装置。
[0004]作为这种离子注入装置中的离子源，已知有直流放电型离子源。直流放电型离子源通过直流电流来加热灯丝而产生热电子，阴极通过该热电子而被加热。并且，从被加热的阴极产生的热电子在电弧室内被加速，并与所导入的源气体分子进行碰撞，从而包含在源气体分子中的原子被离子化(参考专利文献I)。
[0005]现有技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献1:日本专利第3516262号公报
【发明内容】
[0008]本发明要解决的课题
[0009]作为被导入电弧室内的源气体分子，大多使用氟化物和氯化物等卤化物。卤化物的源气体分子在离子化过程中产生卤自由基，该卤自由基作用于构成离子源的部件，例如作用于电弧室内壁的金属材料，并进行化学键合。并且，进行化学键合的金属材料与源气体分子一同被离子化，作为离子束从离子源被引出。
[0010]其结果，电弧室内壁的金属材料作为离子而被注入到半导体晶片中，存在晶片被金属等杂质离子污染的忧虑。尤其，在直流放电型离子源的情况下，电弧室内成为高温，因此有时在电弧室内壁使用钼(Mo)、钨(W)、钽(Ta)等高熔点金属，然而，为了提高半导体元件的性能，希望尽可能减少缘于这些高熔点金属的污染。
[0011]于是，作为电弧室的壁材，研宄出使用碳而不使用所述高熔点金属的结构。然而，缘于离子化过程中所生成的卤化物的高反应性的自由基容易损耗碳。并且，若因损耗而飞散的碳堆积在腔室内的高温部成为导电性膜，则也会导致绝缘不良。因此，离子源的寿命显著缩短，且生产率降低。
[0012]本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种在离子注入过程中减少重金属离子的污染、且生成高生产率的离子的技术。
[0013]用于解决课题的手段
[0014]为了解决上述课题，本发明的一种方式的离子生成装置具备:电弧室，至少一部分由含有碳的材料构成；热电子放出部，向电弧室内放出热电子；及气体导入部，将源气体及Cokes气体(3力'又)导入电弧室内。导入电弧室的源气体中含有卤化物气体，导入电弧室的Cokes气体中含有具有碳原子及氢原子的化合物。
[0015]本发明的另一方式为离子生成方法。该方法具备:导入工序，将源气体及Cokes气体导入至少一部分由含有碳的材料构成的电弧室内；放出工序，向电弧室内部放出热电子；生成工序，通过源气体和热电子的碰撞而生成等离子体；及引出工序，从等离子体向外部引出离子。导入电弧室的源气体中含有卤化物气体，导入电弧室的Cokes气体中含有具有碳原子及氢原子的化合物。
[0016]另外，即使将以上构成要件的任意组合、本发明的构成要件或表现，在方法、装置、系统等之间彼此置换，作为本发明的方式仍有效。
[0017]发明效果
[0018]根据本发明，能够提供一种在注入离子时减少重金属离子的污染、且生成高生产率的离子的技术。
【附图说明】
[0019]图1是表示本实施方式所涉及的离子源的电弧室内部及气箱的示意图。
[0020]图2是表示图1所示的离子源的A-A剖面的示意图。
[0021]图3是用于说明碳源内所产生的损耗、堆积反应的示意图。
[0022]图4是表示将甲烷单体导入电弧室中进行离子化的情况的射束光谱的图。
[0023]图5是表示在由石墨(碳)构成电弧室的离子生成装置中导入BF3气体并进行离子化时的射束光谱的图。
[0024]图6是表示在由石墨(碳)构成电弧室的离子生成装置中导入BF3气体及甲烷气体并进行离子化时的射束光谱的图。
[0025]符号说明
[0026]10-尚子生成装置，12-电弧室，14-热电子放出部，16-气箱，18-反射极，20-抑制电极，22-接地电极，24-气体导入口，26-前狭缝，28-灯丝，30-阴极，32-反射板，34-灯丝电源，36-阴极电源，38-电弧电源，40-热电子，42-等离子体，44-源气体气瓶，46-Cokes气体气瓶，48-稀有气体气瓶。
【具体实施方式】
[0027]以下，参考附图，对本发明的实施方式进行详细的说明。另外，对于【附图说明】中的相同的要件附加相同的符号，适当地省略重复说明。并且，以下所叙述的结构为示例，并不限定任何本发明的范围。
[0028]图1是表示本实施方式所涉及的离子源的电弧室内部及气箱的示意图。图2是表示图1所示的离子源的A-A剖面的示意图。
[0029]本实施方式所涉及的离子生成装置10为直流放电型离子源，其具备电弧室12、热电子放出部14、反射极18、抑制电极20、接地电极22以及各种电源。
[0030]电弧室12中形成有导入源气体的气体导入口 24和作为引出离子束的开口部的前狭缝26。
[0031]热电子放出部14向电弧室内放出热电子，具有灯丝28和阴极30。反射极18设置在与热电子放出部14对置的位置上，且具有反射板32。阴极30和反射板32对置且大致平行地设置。
[0032]灯丝28被灯丝电源34加热，而且在前端产生热电子。由灯丝28产生的(I次)热电子被阴极电源36加速并与阴极30进行碰撞，通过该碰撞时所产生的热量而加热阴极
30。被加热的阴极30产生(2次)热电子40，该(2次)热电子40通过电弧电源38在阴极30与电弧室12之间所施加的电弧电压而被加速，且作为在电离气体分子时保持足够的能量的电子束而向电弧室12内放出。
[0033]另一方面，离子生成装置10在连接阴极30和反射极18的轴向上被施加由源磁场线圈感应产生的外部磁场B。并且，由于与放出电子束的阴极30对置设置有反射极18，因此电子束沿磁场B在阴极30与反射极18之间往复移动，与导入电弧室12中的源气体分子碰撞电离并产生离子，在电弧室12中生成等离子体42。电子束通过施加磁场而存在于几乎被局限的范围内，因此离子主要在该范围内生成，并通过扩散而到达电弧室12的内壁、前狭缝26、阴极30以及反射极18，在壁面消失。
[0034]本实施方式所涉及的离子生成装置10为放出(2次)热电子40的直流放电型离子源，电弧室12的内部温度变得非常高。因此电弧室12由高熔点材料构成，具体而言，由W、Mo、Ta等高恪点金属或它们的合金、石墨(C)等构成。从而，如同直流放电型离子源，即使在电弧室内部的温度变得比较高的环境下，也能够使电弧室不易熔化。
[0035]作为源气体，使用稀有气体或氢(H2)、磷化氢(PH3)、氢化砷(AsH3)等氢化物，三氟化硼(BF3)、四氟化锗(GeF4)等氟化物，三氯化铟(InCl3)等氯化物等卤化物。这些源气体被导入电弧室12中，通过(2次)热电子40被离子化，若被激励的离子入射于电弧室12的内壁、前狭缝26、阴极30、反射极18而进行碰撞，则使各部分的构成材料(W、Ta、Mo、石墨等)通过溅射或化学蚀刻而磨耗。并且，当源气体为氟化物的情况下，例如为情况下，通过离子化而生成矿、8?+、8?2+、？+、？2+，若这些离子在电弧室12内部的壁面被中性化，则生成F、匕等高反应性氟自由基。
[0036]氟自由基与构成离子生成装置10的部件的材料进行化学键合，成为WFx、TaFx,MoFxXFx等氟化物。由于这些氟化物在较低温度下被气化，因此在电弧室内与导入源气体一同被离子化，且作为W+、Ta+、Mo+等离子束而与导入源气体的主离子束一同被引出。
[0037]另一方面，近来在注入离子时，为了提高半导体元件的性能，对减少由如高熔点金属之类的重金属离子(W+、Ta+、Mo+等)引起的金属污染(Metalcontaminat1n)提出严格的要求。然而，如同上述，不优选:离子源气体中所含有的氟与构成离子源的电弧室12等高熔点材料进行化学键合而气化，并作为不必要的污染离子从电弧室12引出。
[0038]并且，作为离子束而被引出的这些重金属离子，在射束线内堆积的同时，其一部分到达离子注入部而引起注入晶片的重金属污染，降低半导体元件的成品率。另外，氟自由基使高温离子源的构成物(阴极、反射极、前狭缝、电弧室等)在短时间内蚀耗的同时堆积在局部高温部件上，引起绝缘不良等不良情况。因此，需要频繁地更换各部件，缩短离子源或具备离子源的离子注入装置的维修周期，且降低其生产效率。
[0039]对上述现象进行更详细的说明。图3是用于说明碳源内所产生的损耗及堆积反应的示意图。如图3所示，尤其是高反应性氟自由基吸附(附着)于电弧室壁，与壁面部件(W、Mo、Ta、C等)进行化学键合，产生WFx、MoFx、TaFx、CFx等。这些氟化物在几百度以下的较低温度下进行气化，因此在进行运行时，从达到1000°c以上的源极壁面气化(蒸发)而蚀耗源极内壁。该气化的氟化物进而在高温的阴极周边和反射极的源极内壁面进行热分解，氟进行离解(脱离)，W、Mo、Ta、C等逐渐堆积。引起所谓的卤素循环。
[0040]若在电弧室内引起缘于氟自由基的蚀耗或堆积，则如同上述，因部件形状的改变，或因初始间隙的减小等而引起绝缘不良或射束性能下降。尤其，高温石墨(碳)容易与氟进行反应而成为气态的CFx。并且，与源气体混合之后在电弧室内被离子化，产生大量的碳离子。该碳离子作为射束大量被引出，使射束引出效率下降。与此同时，该碳离子附着于引出电极的绝缘子等绝缘体表面而在短时间内导致绝缘不良，并需要更换绝缘子等频繁的维修。
[0041]于是，经本发明人的深入的研宄结果想出以下技术。即，通过有效地降低来自在高温离子源内产生的源物质的氟化物、氯化物等卤化物所产生的高反应性自由基，以免其与构成离子源的由高熔点金属、碳(石墨)构成的电弧室12进行化学键合，从而能够抑制重金属离子的产生和碳部件的损耗。并且，