JP6624862B2 - イオン注入装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造工程において用いられるイオン注入装置及びイオン注入方法に関するものである。

半導体製造工程では、半導体装置として必要な特性を得るため、半導体基板に不純物の導入が必要である。半導体基板に不純物を導入する方法として、イオン注入により行うことが一般的である。このイオン注入には、イオン注入装置が用いられている。

図５は、イオン注入装置の構成図である。
イオン注入装置は、ガスボンベ１２に接続されたイオンを発生させるイオン発生装置１１と、このイオン発生装置１１から引き出されたイオンの中から必要なイオンを選別するための質量分析装置８と、質量分析装置８で選別されたイオンを加速させてイオンビームにする加速装置９と、半導体基板を保持し、イオンビームを半導体基板に照射して半導体基板にイオンを注入する注入室１０からなっている。イオン発生装置はアークチャンバ１と引き出し電極７からなり、アークチャンバ１で発生したイオンは引き出し電極７により引き出される。（例えば、非特許文献１を参照）

図４は、従来技術に係るアークチャンバの図であって、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は要部拡大断面図である。
アークチャンバ1内のフィラメント２に電流を流すことにより、フィラメント２が抵抗加熱され熱電子を放出する。そして、アークチャンバ1内に不純物ガスを導入すると、前記熱電子との衝突によりイオン化され、アークチャンバ1内はプラズマ状態となる。このプラズマ中のイオンは引き出し電極によってアークチャンバのフロントスリット３に設けられたスリット４Ａより引き出される。スリット４Ａは引き出されたイオンの経路を制限している。

「半導体プロセス教本」ＳＥＭＩジャパン出版、２００２年、Ｐ６５〜６７

しかしながら、従来のイオン発生装置では、アークチャンバのスリット部が、アークチャンバ内に発生したプラズマおよびスリット部を通過するイオンにより、摩耗し、スリット幅が広がってくるため、フロントスリットを定期的に交換する必要がある。フロントスリットの耐用寿命を延ばすことでランニングコストを抑えることが可能となり、イオン注入装置を用いて製造される半導体装置のコストも下げることが可能となる。
そこで、本発明は、耐用寿命が延ばされたフロントスリットを有するイオン注入装置および、イオン注入方法を提供する事を目的とする。

上記課題解決のために以下の手段を用いた。
まず、イオンを発生するアークチャンバを有するイオン注入装置において、前記アークチャンバは筐体と、前記筐体に設けられたフィラメントと、前記アークチャンバの一面に備えられたフロントスリットと、前記フロントスリットに固定されたスペーサ板と、からなり、前記スペーサ板にはスリット部が設けられていることを特徴とするものである。

また、前記スリット部における前記スペーサ板の第２のスリット幅は、前記フロントスリットの第１のスリット幅より大きいことを特徴とするイオン注入装置とした。
また、前記スリット部は、２枚の前記スペーサ板の離間領域であることを特徴とするイオン注入装置とした。
また、前記スリット部は、１枚の前記スペーサ板の中心部に設けられた開口部であることを特徴とするイオン注入装置とした。

また、前記スペーサ板は、複数の薄型スペーサ板の積層体からなることを特徴とするイオン注入装置とした。
また、前記スペーサ板はシリコンカーバイド、またはチタンカーバイドからなることを特徴とするイオン注入装置とした。

上記方法を用いることにより、アークチャンバのスリット部が、アークチャンバ内に発生したプラズマおよびスリット部を通過するイオンにより、摩耗しにくくなるので、長寿命化されたフロントスリットを有するイオン注入装置およびイオン注入方法の提供に貢献できる。

本発明の第１の実施形態に係るアークチャンバの図である。（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）要部拡大断面図である。 本発明の第２実施形態に係るアークチャンバの上面図である。 本発明の第３実施形態に係るアークチャンバの要部拡大断面図である。 従来技術に係るアークチャンバの図である。（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）要部拡大断面図である。 イオン注入装置の構成図である。

以下、図面を参考に本発明を実施例により説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るアークチャンバの図である。（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は要部拡大断面図である。

図１（ａ）の断面図に示すように、アークチャンバ１の筐体の側面にはフィラメント２が取付けられ、上面にはフロントスリット３が設けられている。フロントスリット３は断面視的に周辺部が肉厚で中心部が肉薄という形状である。そして、中心部には開口部である第１のスリット４Ａを有している。第１のスリット４Ａを含む領域の断面図における下面、すなわち、フロントスリット３が筐体と向かいあう面であるロントスリット３の内面には２枚のスペーサ板６が脱着可能に固定されている。図１（ｂ）の上面図に示すように、フロントスリット３の中心に設けられた第１のスリット４Ａは横長の矩形で長さ１０〜５０ｍｍ、幅１〜４ｍｍ、周囲の肉厚である厚さは０．５〜１ｍｍである。

スペーサ板６は離間して２枚設けられ、離間した領域が第１のスリット部４Ａに対応しており、離間した領域が第２のスリット４Ｂを形成している。第１のスリット４Ａと第２のスリット４Ｂとは重なるように配置され、スリット部４を形成している。イオンが通過するスリット部４の幅であるスリット幅はスペーサ板の間隔で決まるように設定する。一方、スリット幅に直交するスリット長さはフロントスリット３に設けられた第１のスリット４Ａによって決められる。なお、スペーサ板６の材料には高融点金属のモリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）などの他、多元系物質であるシリコンカーバイド（ＳｉＣ）、タングステンカーバイド（ＷＣ）、チタンカーバイド（ＴｉＣ）、モリブデンカーバイド（Ｍｏ２Ｃ）などを利用しても良い。

Ａ−Ａにおける断面を拡大した図が１（ｃ）である。フロントスリット３は外周部で一定の厚みを有し、中心に向うに従い漸減する。そして中心部には第１のスリット幅Ｓ１を有する第１のスリット４Ａが形成されている。フロントスリット３の下面には第１のスリット４Ａを挟んでより狭い第２のスリット４Ｂを形成するように左右２枚のスペーサ板６がフロントスリットに重畳して固定されている。左右２枚のスリット板６は第２のスリット幅Ｓ２の隙間をもって離間している。ここで、第２のスリット幅Ｓ２は第１のスリット幅Ｓ１と同等か、それより狭くなるように調整され、Ｓ２の隙間からフロントスリット３の端部が露出することはない。図４（ｃ）に示した従来技術のアークチャンバにおいては、フロントスリット自身でスリット幅Ｓ２を有するスリット４Ａを形成していたが、本発明では、フロントスリット下のスペーサ板によって第２のスリット幅Ｓ２のスリット部を形成するという構成となっている。

なお、このアークチャンバ１を含むイオン注入装置は図５に示す構成である。すなわち、基本となる構成は変わらず、イオン注入装置は、ガスボンベ１２に接続されたイオンを発生させるイオン発生装置１１と、このイオン発生装置１１から引き出されたイオンの中から必要なイオンを選別するための質量分析装置８と、質量分析装置８で選別されたイオンを加速させてイオンビームにする加速装置９と、半導体基板を保持し、イオンビームを半導体基板に照射して半導体基板にイオンを注入する注入室１０からなっている。イオン発生装置にはアークチャンバ１と引き出し電極７からなり、アークチャンバ１で発生したイオンを引き出し電極７で引き出される。

アークチャンバ1内のフィラメント２に電流を流すことにより、フィラメント２が抵抗加熱され熱電子を放出する。そして、アークチャンバ1内に不純物ガスを導入すると、前記熱電子との衝突によりイオン化されアークチャンバ1内はプラズマ状態となる。このプラズマ中のイオンは引き出し電極によってアークチャンバのスリット部４より引き出され、アークチャンバのスリット部が、アークチャンバ内に発生したプラズマおよびスリット部を通過するイオンにより、スリット部が摩耗し、そのスリット幅が広がるという課題を有していたが、本発明の場合はスペーサ板６のみが摩耗し、その上のフロントスリット３はダメージを受けにくい構成である。よって、フロントスリット３の定期的交換は抑制され長寿命化が図れる。フロントスリット３はモリブデンを材料とする非常に高価なものであるが、それに比べて薄く、平面積の小さい平板であるスペーサ板は相対的に安価であるので、定期的交換におけるランニングコストを低減することができる。また、左右のスペーサ板が均等ではなく片側が特に摩耗することでスリット幅が変化する場合は片側のスペーサ板の交換だけで良い。または、交換せずに片側のスペーサ板の位置調整を行うことで再度使用可能となる。

図２は、本発明の第２実施形態に係るアークチャンバの上面図である。第１の実施形態との違いはスペーサ板６が一枚の板であって、その中心部にスリット４Ｂを有している点である。当然、スリット４Ｂの幅はスペーサ板６の幅よりも小さいことになる。このように一体型のスペーサ板６を用いることで定期交換時のスリット幅調整を省くことが可能となる。

図３は、本発明の第３実施形態に係るアークチャンバの要部拡大断面図である。
フロントスリット３は外周部で一定の厚みを有し、中心に向うに従い漸減する。そして中心部では第１スリット幅Ｓ１の第１のスリット４Ａを有する。フロントスリット３の下面にはスリット部を挟んで左右２枚のスペーサ板６がフロントスリットに重畳して脱着可能に固定されており、第２のスリット４Ｂを形成している。左右２枚のスリット板６は第２のスリット幅Ｓ２の隙間をもって離間している。ここで、第２のスリット幅Ｓ２は第１のスリット幅Ｓ１と同等か、それより狭くなるように調整され、Ｓ２の隙間からフロントスリット３の端部が露出することはない。図３（ａ）に示すようにスペーサ板６は３層構造で薄型スペーサ板６１、６２、６３を重ね合わせたものである。重畳した３枚の薄型スペーサ板はいずれも第２のスリット幅Ｓ２を有するように配置されることが望ましいが、少なくとも、最上位の薄型スペーサ板６３が第２のスリット幅Ｓ２を有することが必要で、中位の薄型スペーサ板６２や最下位の薄型スペーサ板６１におけるスリット幅はＳ２より僅かに大きくても構わない。

なお、ここでは３層構造をなす薄型スペーサ板６１、６２、６３は左右２枚のスリット板から構成されるとして説明したが、図２と同様に薄型スペーサ板６１、６２、６３は各々その中心部にスリット４Ｂを有する一枚の板であってもよい。

図３（ｂ）は、プラズマやイオンによるダメージを受け部分的に欠損部を有するスペーサ板の要部拡大断面図である。最下位の薄型スペーサ板ほど欠損部が大きくなっている。
そこで、図３（ｃ）に示すように、最下位の薄型スペーサ板６１を外して最上位に新たな薄型スペーサ板６４を固定することでスペーサ板６の修復することがこの実施例の構成においては可能となっている。

１ アークチャンバ
２ フィラメント
３ フロントスリット
４ スリット部
５ イオンビーム
６ スペーサ板
７ 引き出し電極
８ 質量分析器
９ 加速器
１０ 注入室
１１ イオン発生装置
１２ ガスボンベ
１３ 欠損部
６１ 薄型スペーサ板
６２ 薄型スペーサ板
６３ 薄型スペーサ板
６４ 薄型スペーサ板
Ｓ１ 第１のスリット幅
Ｓ２ 第２のスリット幅

Claims (4)

1. イオンを発生するアークチャンバを有するイオン注入装置であって、
   前記アークチャンバは、
   筐体と、
   前記筐体に設けられたフィラメントと、
   前記アークチャンバの一面に備えられた第１のスリットを有するフロントスリットと、
   前記フロントスリットの内面に固定された、第２のスリットを規定しているスペーサ板と、からなり、
   前記第１のスリットと前記第２のスリットは重なり合って、スリット部を形成しており、
   前記スペーサ板は、複数の薄型スペーサ板の積層体であって、
   前記フロントスリットと接する最上位の前記薄型スペーサ板は、前記第１のスリットの幅である第１のスリット幅を超えない前記第２のスリットの幅である第２のスリット幅を有し、前記スリット部の幅を実質的に規定しており、中位および最下位の前記薄型スペーサ板のスリット幅は、前記第２のスリット幅よりも大きいことを特徴とするイオン注入装置。
2. 前記第２のスリットは、２枚の前記スペーサ板の離間領域であることを特徴とする請求項１記載のイオン注入装置。
3. 前記第２のスリットは、１枚の前記スペーサ板の中心部に設けられた開口部であることを特徴とする請求項１記載のイオン注入装置。
4. 前記スペーサ板は、シリコンカーバイド、または、チタンカーバイドからなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のイオン注入装置。

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