特許 5652771 分子イオンを生成する方法および装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5652771

(24)【登録日】2014年11月28日

(45)【発行日】2015年1月14日

(54)【発明の名称】分子イオンを生成する方法および装置

(51)【国際特許分類】

   H01J 27/02 20060101AFI20141218BHJP

   H01J 27/16 20060101ALI20141218BHJP

【ＦＩ】

   H01J27/02

   H01J27/16

【請求項の数】25

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2013-506274(P2013-506274)

(86)(22)【出願日】2011年4月20日

(65)【公表番号】特表2013-525980(P2013-525980A)

(43)【公表日】2013年6月20日

(86)【国際出願番号】US2011033255

(87)【国際公開番号】WO2011149607

(87)【国際公開日】20111201

【審査請求日】2013年11月29日

(31)【優先権主張番号】12/763,652

(32)【優先日】2010年4月20日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】500324750

【氏名又は名称】バリアン・セミコンダクター・エクイップメント・アソシエイツ・インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110000877

【氏名又は名称】龍華国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】ゴデット、ルドヴィック

(72)【発明者】

【氏名】ラドバノフ、スベトラナ

(72)【発明者】

【氏名】ハテム、クリストファー、アール．

【審査官】 桐畑 幸▲廣▼

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０１６６５５４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００９／１０２７５２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ ２７／０２

Ｈ０１Ｊ ２７／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

分子イオンを生成する方法であり、
分子の第１種をイオン源に導入する段階と、
前記第１種から第１種イオンを形成する段階と、
前記第１種イオンを用い、前記第１種イオンの原子質量より大きな原子質量を持つ分子イオンを形成する段階と、
前記イオン源から第２チャンバーへ前記分子イオンを輸送する段階と、
前記第２チャンバーから前記分子イオンを抽出する段階と
を備える方法。

【請求項2】

前記分子イオンを形成する段階は、前記第１種イオンと前記第１種を組み合わせる段階を有する、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記第１種は化学式Ｃ_ａＨ_ｂを有するアルカンであり、前記分子イオンは、化学式Ｃ_ｘＨ_ｙ（ｘ＞ａ）を有する、請求項１または２に記載の方法。

【請求項4】

前記第１種が、アルカン、Ｂ_２Ｈ_６、ＣＯ_２、Ｃ_２Ｆ_４、ＢＦ_３、ＡｓＨ_３、ＰＨ_３、ＧｅＨ_４、ＧｅＦ_４、ＰＩ_３、ＡｓＩ_３、Ｎ_２、ＮＨ_３、Ｐ_ｘＨ_ｙ、Ｃ_ｘＦ_ｙ、Ａｌ_ｘＣｌ_ｙ、Ｇｅ_ｘＨ_ｙ、およびＧｅ_ｘＦ_ｙからなる群より選ばれる、請求項１または２に記載の方法。

【請求項5】

前記分子イオンが、Ｃ_ｘＨ_ｙ、Ｂ_ｘＨ_ｙ、Ｂ_ｘＦ_ｙ、Ａｓ_ｘＨ_ｙ、Ｐ_ｘＨ_ｙ、Ｃ_ｘＦ_ｙ、Ａｌ_ｘＣｌ_ｙ、Ｇｅ_ｘＨ_ｙ、およびＧｅ_ｘＦ_ｙからなる群より選ばれる、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

前記第１種および前記第１種イオンが分子を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

前記輸送する段階で前記分子イオンをフィルタリングする段階をさらに備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項8】

前記分子イオンを形成する段階の圧力は、前記分子イオンを抽出する段階における圧力よりも高い、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項9】

分子の第２種を前記イオン源に導入する段階をさらに備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項10】

前記第１種イオンを形成する段階が、ＲＦパルスまたはＤＣパルスを印加する段階を有する、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項11】

前記第１種イオンを形成する段階が、前記ＲＦパルスを印加する段階を含み、周波数、電力、およびデューティサイクルからなる群から選ばれるＲＦパラメータを調節し、前記ＲＦパルスを印加する段階で電子温度を調整する段階をさらに含む、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

前記第２チャンバーの面の温度を変化させ、前記第２チャンバー内の蒸着を減らす段階をさらに備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。

【請求項13】

前記分子イオンを被処理体に注入する段階をさらに備える、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。

【請求項14】

分子イオンを生成する方法であり、
第１ガスおよび第２ガスをイオン源へ導入する段階と、
前記第１ガスおよび前記第２ガスをイオン化し、第１ガスイオンおよび第２ガスイオンを形成する段階と、
前記第１ガスイオンおよび前記第２ガスイオンを組み合わせ、分子イオンを形成する段階と、
前記分子イオンを前記イオン源から第２チャンバーへ輸送する段階と、
前記第２チャンバーから前記分子イオンを抽出する段階と
を備える方法。

【請求項15】

前記第１ガスと前記第２ガスとが、アルカン、Ｂ_２Ｈ_６、ＣＯ_２、Ｃ_２Ｆ_４、ＢＦ_３、ＡｓＨ_３、ＰＨ_３、ＧｅＨ_４、ＧｅＦ_４、ＰＩ_３、ＡｓＩ_３、Ｎ_２、ＮＨ_３、Ｐ_ｘＨ_ｙ、Ｃ_ｘＦ_ｙ、Ａｌ_ｘＣｌ_ｙ、Ｇｅ_ｘＨ_ｙ、およびＧｅ_ｘＦ_ｙからなる群より選ばれる、請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

前記分子イオンが、Ｐ_ｘＣ_ｙＨ_ｚ、Ｐ_ｘＣ_ｙＦ_ｚ、Ｐ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ、Ｂ_ｘＣ_ｙＨ_ｚ、Ｂ_ｘＣ_ｙＦ_ｚ、Ｂ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ、Ａｓ_ｘＣ_ｙＨ_ｚ、Ａｓ_ｘＣ_ｙＦ_ｚ、Ａｓ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ、Ｇｅ_ｘＣ_ｙＨ_ｚ、Ｇｅ_ｘＣ_ｙＦ_ｚ、Ｇｅ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ、Ａｌ_ｘＣ_ｙＨ_ｚ、Ａｌ_ｘＣ_ｙＦ_ｚ、Ａｌ_ｘＣ_ｙＣｌ_ｚ、およびＡｌ_ｘＰ_ｙＨ_ｚからなる群より選ばれる、請求項１４または１５に記載の方法。

【請求項17】

前記第１ガス、前記第２ガス、前記第１ガスイオン、および前記第２ガスイオンが、分子を含む、請求項１４から１６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項18】

前記輸送する段階で前記分子イオンをフィルタリングする段階をさらに備える、請求項１４から１７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項19】

前記第１ガスおよび前記第２ガスをイオン化する段階が、ＲＦパルスまたはＤＣパルスを印加する段階を含む、請求項１４から１８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項20】

前記第１ガスおよび前記第２ガスをイオン化する段階が、前記ＲＦパルスを印加する段階を含み、
周波数、電力、およびデューティサイクルからなる群から選ばれるＲＦパラメータを調節し、前記ＲＦパルスを印加する段階で電子温度を変化させる段階をさらに含む、請求項１９に記載の方法。

【請求項21】

前記第２チャンバーの面の温度を変化させ、前記第２チャンバー内の蒸着を減らす段階をさらに備える、請求項１４から２０のいずれか一項に記載の方法。

【請求項22】

前記分子イオンを被処理体に注入する段階をさらに備える、請求項１４から２１のいずれか一項に記載の方法。

【請求項23】

分子イオンを生成する方法であり、
ＲＦイオン源内で化学式Ｃ_ａＨ_ｂを有するアルカン種をイオン化する段階と、
前記ＲＦイオン源内で、前記アルカン種から化学式Ｃ_ｘＨ_ｙ（ｘ＞ａ）を有する分子イオンを生成する段階と、
前記ＲＦイオン源から前記分子イオンを抽出する段階と、
前記分子イオンを被処理体に注入する段階と
を備える方法。

【請求項24】

前記分子イオンを前記ＲＦイオン源から第２チャンバーへ輸送する段階と、前記分子イオンを前記第２チャンバーから抽出する段階とをさらに備える、請求項２３に記載の方法。

【請求項25】

請求項１から２４のいずれか一項に記載の方法により分子イオンを生成する装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願発明は、イオンの形成に関し、特に分子イオンの形成に関する。

【背景技術】

【0002】

イオン注入は、導電性を変化させる不純物を被処理体へ導入する標準的な技術である。所望の不純物材料がイオン源内でイオン化され、イオンが加速されて所定のエネルギーを持つイオンビームを形成し、イオンビームを被処理体の面へと照射する。ビーム中のエネルギーイオンが被処理体材のバルクへ浸透し、被処理体材の結晶格子内に埋め込まれ、所望の導電率を持つ領域が形成される。

【0003】

分子イオンビームは、より高いエネルギーかつより低いビーム電流で、原子イオンビームよりも容易に輸送することが可能である。分子イオン中の原子（ドーパント種を含む）は、それぞれの原子質量に応じた、その分子イオンの全体の運動エネルギーを共有している。さらに、同用量を得るのに注入されるイオンがより少なくなることにより、イオンビーム中のあらゆる空間電荷効果、およびそれに伴ってビームの「ブローアップ」を最小限にすることが可能である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、イオン化または注入処理の間に分子イオンを形成し維持することは難しい。間接的に加熱されたカソード（ＩＨＣ）またはベルナス（Ｂｅｒｎａｓ）のイオン源などのイオン膜を用いると、分子を原子イオンへと分解してしまう。例えば、ＢＦ_３、ＰＨ_３、ＰＦ_５、ＡｓＨ_３、Ｂ_２Ｈ_４、またはＧｅＦ_５のようなドーパント分子は、ＩＨＣまたはベルナスのイオン源を用いて形成される熱プラズマ内で容易に解離してしまう。よって、分子イオンではなく、原子イオンが形成されてしまう。イオンおよび中性物質のプラズマを生成し、被処理体にバイアスをかけることにより注入を行うプラズマドープシステムでは、電子温度や、あるいは圧力、電力、周波数およびガスフローなどの他のプラズマ条件を十分に制御して分子イオンを形成することが出来ない。よって、分子イオンは、そのようなプラズマドープシステムの高電圧シース内で解離してしまう。高電圧シース内部の圧力がこの原因である。したがって、例えばＢＦ_３は、高電圧シースを横切り、被処理体に注入された後にＢ^＋イオンとしてのみ、残ることになる。加えて、従来のイオン源では、分子イオンの分子量が大きくなると、分子イオンから原子イオン、またはより小さな分子量の分子イオンへの解離を防ぐのはさらに難しくなる。他のイオン源システムでは、分子イオン形成によって引き起こされる、イオン源のコンポーネントへの蒸着に起因する、システムの寿命に関わる問題がある。特定のドーパントを用いた場合には、イオン源内の面への、例えばＢ、Ｃ、Ａｓ、またはＰなどの蒸着の蓄積が引き起こされる。したがって、当技術分野では、分子イオンを形成する改良された方法が必要とされている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本願発明の第１の態様によると、分子イオンの生成方法が提供される。当該方法は、分子の第１種をイオン源に導入する段階を備える。第１種から第１種イオンを形成する。第１種イオンを用いて分子イオンを形成する。当該分子イオンは、第１種イオンの原子質量より大きな原子質量を持つ。イオン源から第２チャンバーへ分子イオンを輸送し、第２チャンバーから抽出する。

【0006】

本願発明の第２の態様によると、分子イオンの生成方法が提供される。当該方法は、第１ガスおよび第２ガスをイオン源へ導入する段階を備える。第１ガスおよび第２ガスをイオン化し、第１ガスイオンおよび第２ガスイオンを形成する。第１ガスイオンおよび第２ガスイオンを組み合わせ、分子イオンを形成する。イオン源から第２チャンバーへ分子イオンを輸送し、第２チャンバーから抽出する。

【0007】

本願発明の第３の態様によると、分子イオンの生成方法が提供される。当該方法は、ＲＦイオン源内で化学式Ｃ_ａＨ_ｂを有するアルカン種をイオン化する段階を備える。ＲＦイオン源内で、アルカン種から化学式Ｃ_ｘＨ_ｙ（ｘ＞ａ）を有する分子イオンを生成する。ＲＦイオン源から分子イオンを抽出し、被処理体に注入する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

本開示をより良く理解出来るようにするべく、本明細書に参照として組み込む添付の図面に言及がなされる。

【図1】図１は、ビームラインイオン注入装置のブロック図である。

【図2】図２は、イオン源の第１実施形態のブロック図である。

【図3】図３は、イオン源の第２実施形態のブロック図である。

【図4】図４は、イオン源の第３実施形態のブロック図である。

【図5】図５は、分子イオンの生成方法のフローチャートを示す。

【図6】図６は、イオンフィルターの一実施形態の断面図である。

【図7】図７は、パルシングを用いた電子温度調節の例を示す。

【図8】図８は、本明細書に開示する実施形態を用いた、ＣＨ_４からの分子イオン形成を示す。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本明細書では、イオン注入装置に関する実施形態を説明する。しかし、これら様々な実施形態は、半導体製造に関わる他のシステムやプロセス、あるいはイオンを使用する他のシステムに用いることも可能である。よって、本願発明は以下に説明する特定の実施形態に限定されるものではない。

【0010】

図１は、ビームラインイオン注入装置のブロック図である。当業者であれば、ビームラインイオン注入装置１０５が、イオンを生成するビームラインイオン注入装置の多くの例のうち一例に過ぎないことを理解するであろう。一般的には、ビームラインイオン注入装置１０５は、イオンを生成するイオン源１０４を含み、生成されたイオンを抽出することにより、例えばリボンビームやスポットビームなどのイオンビーム１０２が形成される。一例では、イオンビーム１０２を質量分析し、分岐イオンビームから実質的に平行なイオン軌道を持つリボンイオンビームに変換してもよい。他の実施形態では、イオンビーム１０２は質量分析されない。ビームラインイオン注入装置１０５は、他の実施形態では、加速ユニット、または減速ユニットをさらに含んでもよい。

【0011】

エンドステーション１０３は、イオンビーム１０２のパス上にある例えば被処理体１００などの１以上の被処理体を支持し、所望の種のイオンが被処理体１００に注入される。被処理体１００は、例えば、半導体ウエハー、太陽電池、平面パネル、発光ダイオード（ＬＥＤ）、またはその他当業者に公知の被処理体である。エンドステーション１０３は、被処理体１００を支持するプラテン１０１を含んでもよい。また一実施形態では、エンドステーション１０３は、イオンビーム１０２断面の長手寸法に対し垂直な方向に被処理体１００を移動させるスキャナーも含み、被処理体１００の全面にイオンを行き渡らせるようにしてもよい。イオン注入装置１０５は、自動化された被処理体ハンドリング装置、ファラデーセンサー、または電子フラッドガンなどの当業者に公知のコンポーネントをさらに含んでもよい。当業者は、イオンビーム１０２が横切るパス全体をイオン注入の間、退避させることを理解するであろう。他の実施形態では、ビームラインイオン注入装置１０５には、イオンの高温注入または低温注入が組み込まれていてもよい。

【0012】

特定のビームラインイオン注入装置１０５を説明するが、本明細書で説明する実施形態は、他のイオン注入装置またはプラズマ処理システムに適用してもよい。例えば、プラズマドープツール（例えば被処理体にバイアスをかけて注入を行うもの）、プラズマ浸漬ツール、フラッド注入装置、集束イオンビームツール、またはプラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）システムなどが本明細書に説明する実施形態の利点を生かすことが出来るであろう。

【0013】

図２は、イオン源の第１実施形態のブロック図である。図１のイオン源１０４に対応するイオン源２０８は、一例では、複数の作動モードを有してもよく、第１イオン源２００を含む。第１イオン源２００は、ガス供給２０３で接続されたガス源２０２を有する。ガス源２０２は、例えば、ガス容器または気化器である。

【0014】

ガス源２０２は、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_４、他のアルカン、Ｂ_２Ｈ_６、ＣＯ_２、Ｃ_２Ｆ_４、ＢＦ_３、ＡｓＨ_３、ＰＨ_３、ＧｅＨ_４、ＧｅＦ_４、ＰＩ_３、ＡｓＩ_３、Ｎ_２、ＮＨ_３、または当業者に公知の他の種などの第１種２１１を供給し得る。第１種２１１は、特定の一実施形態では分子である。他の実施形態では、化学式Ｃ_ａＨ_ｂを有するアルカンが供給される。また、第１種２１１は、化学式Ｐ_ｘＨ_ｙ、Ｃ_ｘＦ_ｙ、Ａｌ_ｘＣｌ_ｙ、Ｇｅ_ｘＨ_ｙ、またはＧｅ_ｘＦ_ｙなどを有するものであってもよい。ここでｘとｙは０よりも大きい。当業者に公知の他の有機金属分子を第１種２１１として用いてもよい。

【0015】

第１イオン源２００は、例えば、ＲＦパルスイオン源またはＤＣパルスイオン源であってもよい。アンテナ２０９は電源２１０からのＲＦ電流またはＤＣ電流と共振する。一例では、アンテナ２０９は、ＲＦマッチング回路に取り付けられる。電源２１０は、ＲＦ電源およびＤＣ電源のいずれかであってよい。これにより、第１イオン源２００内で、ＲＦ電流またはＤＣ電流を誘導する振動磁界が形成される。第１イオン源２００内のＲＦ電流またはＤＣ電流は、第１種２１１を部分的に励起し、イオン化し、第１種イオン２１２（図２中、プラス記号で示す）を形成する。第１イオン源２００は、フローティング状態であっても、バイアスがかかった状態であってもよい。第１イオン源２００は、他の実施形態では、ＲＦアンテナをプラズマ内に有していてもよく、あるいは、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）イオン源またはマイクロ波イオン源であってもよい。

【0016】

特定の一実施形態では、第１イオン源２００は、マルチセットポイントＲＦイオン源である。マルチセットポイントＲＦイオン源によって、ＲＦ電力の、時間の経過に応じた調節が可能となる。そのようなＲＦ信号源は、パルスを発生出来る電源に接続されていてもよい。このようなイオン源を用いて、ＲＦ周波数、電力、またはデューティサイクルを変化させられる。このことを利用し、第１イオン源２００内で起こるあらゆる反応のバランスをとることが可能である。例えば、波長が短く高電力のＲＦパルスを用いることで、第１イオン源２００内で高密度プラズマを形成し、さらに多くの電子を生成し、電荷蓄積を取り除ける。さらに他の例では、デューティサイクルを減らすことにより、蒸着を減らしたり、第１イオン源２００内でのエッチングを減らしたり出来る。

【0017】

一実施形態では、バイポーラバイアス電源を用い、ＲＦパルシングの互いに異なる期間において、特定のエネルギーにて電子または正イオンを抽出出来る。正バイアスは、負イオンを引き寄せ、負バイアスは、正イオンを引き寄せる。

【0018】

イオン源２００は、第１種２１１を部分的にイオン化し、第１種イオン２１２を形成する。第１種イオン２１２の電荷は、正負のいずれでもよい。分子イオン２１３（図２中、黒で示す）は、第１種イオン２１２および／または第１種２１１から形成される。例えば、第１種２１１および第１種イオン２１２を組み合わせて、分子イオン２１３を形成してもよい。また、第１種イオン２１２の２つを組み合わせて、分子イオン２１３を形成してもよい。この反応を引き起こすには、特定のプラズマエネルギーが必要な場合もある。分子イオン２１３を形成する衝突は、ガス相で発生する。第１種２１１の２つの分子の結合性イオン化衝突、または第１種２１１の分子と第１種イオン２１２との結合性イオン化衝突は、分子イオン２１３の形成を引き起こす１つのメカニズムであり得るが、他のメカニズムも考えられる。他の例では、分子イオン２１３は、二体再結合か、または三体再結合によって、例えば第１種２１１の分子と、イオン化において形成される何らかの原子とが第１種イオン２１２と反応することによって、形成されてもよい。これらのメカニズムは、プラズマ内か、または第１イオン源２００の面上で発生する。

【0019】

分子イオン２１３は、例えばＣ_ｘＨ_ｙ、Ｂ_ｘＨ_ｙ、Ｂ_ｘＦ_ｙ、Ａｓ_ｘＨ_ｙ、Ｐ_ｘＨ_ｙ、Ｃ_ｘＦ_ｙ、Ａｌ_ｘＣｌ_ｙ、Ｇｅ_ｘＨ_ｙ、またはＧｅ_ｘＦ_ｙである。ここでｘとｙは０より大きい。これらの分子イオン２１３は、第１種２１１または第１種イオン２１２よりも大きな原子質量を持つ。特定の一実施形態では、第１種２１１は化学式Ｃ_ａＨ_ｂを有するアルカンである。分子イオン２１３は、化学式Ｃ_ｘＨ_ｙを有するアルカンである。この例では、ｘ＞ａである。よって、大きなアルカン分子イオンを、小さなアルカン分子イオンから生成出来る。他の特定の一実施形態では、ＢＦ_３が第１種２１１であり、形成される分子イオン２１３はＢ_２Ｆ_３^＋、Ｂ_２Ｆ_４^＋、またはＢ_２Ｆ_５^＋である。電力、周波数、デューティサイクル、圧力、またはガスフローなどのプラズマパラメータを調節することにより、生成または保持される分子イオン２１３を増やすことが出来、結果として、より多くの分子イオン２１３を形成することが可能である。

【0020】

第１イオン源２００がパルスモードで作動することにより、分子イオン２１３の形成が促進される。例えば、第１イオン源２００のパルシングにより、平均電子温度を調節し、第１種イオン２１２および／または第１種２１１の再結合が促進される。平均電子温度は、マクスウェル・ボルツマン分布に従った速度を持つ電子群の温度か、またはそのような電子群の平均エネルギーの割合である。第１イオン源２００のパルシングにより、イオンおよび電子の密度、電子温度、またはプラズマ電位など、プラズマおよびイオンのパラメータを変化させられる。そのような変化によって、分子イオン２１３を形成する特定の反応の発生に影響を及ぼすことが可能である。電子温度の変化によって、分子イオン２１３、または所望の分子イオン２１３を形成する反応を起こすことが出来る。例えば、低い電子温度により、分子イオン２１３を形成する吸着および再結合を増加させられる。他の例では、低い電子温度により、特定の分子イオン２１３と、背景ガスまたは第１種２１１などの中性分子との再結合が可能となり、分子イオン２１３を大きく出来る。また、第１イオン源２００のパルシングにより、形成される第１種イオン２１２を変化させられる。例えば、ＢＦ_３を第１種２１１として用いた場合、第１種イオン２１２としてＢ^＋イオンを形成するのに必要なエネルギーは、ＢＦ_２^＋を形成するよりも高い。一例では、Ｂ^＋を形成するには３０ｅＶが必要であり、ＢＦ_２^＋を形成するには１６ｅＶが必要である。

【0021】

また、パルスのデューティサイクルは、第１種２１１に合わせて最適化することも可能である。第１種２１１として用いられる特定の各分子にはそれぞれ、分子イオン２１３の生成を増やすのに最適な特定のデューティサイクルがある。デューティサイクルを変化させることにより、分子イオン２１３を形成する特定の反応の発生を変化させられる。各反応に要するエネルギーは異なり、発生に要する時間も異なる。例えば、質量が大きな分子イオン２１３は、アフターグロー期間に生成され得るが、第１種２１１がイオン化されている間に破壊され得る。そのため、デューティサイクルを調整し、分子イオン２１３の形成速度を解離速度よりも早くする。

【0022】

第１イオン源２００で形成される分子イオン２１３を、プラズマ管２０４を用いて第２チャンバー２０１へと輸送する。プラズマ管２０４は、複数のリング磁石２０５を有する。リング磁石２０５は、マルチカスプ型構造を形成し、最適なプラズマまたはイオンの閉じ込めを提供してもよい。これらのリング磁石２０５をアルミコーティングすることにより、コンタミネーションを防げる。他の実施形態では、プラズマ管２０４はソレノイドである。ソレノイドによってプラズマ閉じ込めが提供され、特定の一実施形態では、ソレノイドの駆動電力の調整により、可変的な閉じ込めが提供される。抽出光学系を第１イオン源２００とプラズマ管２０４との間、もしくはプラズマ管２０４と第２チャンバー２０１との間に配置することにより、分子イオン２１３を抽出出来る。一実施形態では、アインツェル（Ｅｉｎｚｅｌ）レンズを用いることが可能である。

【0023】

第２チャンバー２０１は、拡散チャンバーでも、アークチャンバーでもよい。アークチャンバーは、既存のイオン注入装置の一部分であってもよく、また例えばＩＨＣまたはベルナスのイオン源を含むものであってもよい。アークチャンバーは、分子イオン２１３が第２チャンバー２０１へ輸送されている間は、作動していても作動していなくてもよい。一実施形態では、第２チャンバー２０１内の面は、分子イオン２１３がその面上で解離するのを防ぐ触媒でコーティングされていてもよい。

【0024】

一実施形態では、第２チャンバー２０１はアークチャンバーであり、別体のガス供給器を有する。よって、イオン源２０８は、「高温」モードと「低温」モードの両方で作動することが出来、幅広い種類の原子イオンおよび分子イオンを提供出来る。例えば、「高温」モードでＢＦ_３をアークチャンバーに供給し、Ｂ^＋イオンを生成することや、「低温」モードで第１イオン源２００が分子イオン２１３を提供することも可能である。よって、イオン源２０８は部分的に、既存のイオン源の改良であってもよい。

【0025】

その後、分子イオン２１３は、第２チャンバー２０１から分子イオン２０７として抽出される。分子イオン２０７は、図１に示すイオンビーム１０２のようなイオンビームであってもよい。分子イオン２０７は、低圧力で抽出することにより、原子イオンへの解離を最小限に抑えられる。この抽出では、特定の一実施形態ではアインツェルレンズである、抽出光学系２０６を用いてもよい。分子イオン２０７は、続いて、質量分析されてもされなくてもよい。よって、イオン源２０８は、プラズマドープ、プラズマ浸漬、フラッド注入、またはシース調節ツールなどに用いることが可能である。

【0026】

第２チャンバー２０１の圧力は、第１イオン源２００の圧力よりも低くてよい。第１イオン源２００内の高い圧力から第２チャンバー２０１内の低い圧力にかけて、プラズマ管２０４内で圧力勾配が生まれる。例えば図１に示すビームラインイオン注入装置１０５、または分子イオン２０７を抽出する他の部位での圧力は、第２チャンバー２０１の圧力よりも低くてよい。第１イオン源２００、第２チャンバー２０１、およびプラズマ管２０４の間のバルブによって、圧力を制御出来る。イオン源２０８の領域内での低圧力によって、例えば分子イオン２１３同士の衝突を減らせる。衝突確率を下げることにより、分子イオン２１３の解離を減らせる。

【0027】

第１イオン源２００、第２チャンバー２０１、およびプラズマ管２０４の温度を制御することによって、イオン源２０８の面上の蒸着を減らしたり、制御したりすることが可能となる。例えば、温度を下げると、Ｂ_２Ｈ_４イオンからのＢの蒸着を減らせる。しかし、温度を上げると、ＢＦ_３イオンからのＢＦ_ｘの蒸着、またはＣ_２Ｆ_４イオンからのＣＦ_ｘイオンの蒸着を減らせる。一例では、加熱器、冷却管、または冷却ジャケットを用いることが可能である。

【0028】

また、温度を制御することにより、分子イオン２１３の形成や保持を促進出来る。高温状態は分子イオン２１３の解離を引き起こす。他の実施形態では、第１イオン源２００、第２チャンバー２０１、およびプラズマ管２０４の温度の制御は、これらシステムの壁部分に水または流体の配管などのアクティブ冷却を用いることによって可能である。

【0029】

第２チャンバー２０１は、第２ガス供給器を有していてもよい。第２チャンバー２０１にガスを供給し、第２チャンバー２０１の圧力を制御したり、第２チャンバー２０１の面の汚れを取り除いたりすることが可能である。例えば、ＮＦ_３、Ａｒ、ＮＨ_３またはこれらの組み合わせにより、第２チャンバー２０１の面の汚れを取り除ける。特定の一実施形態では、これらのクリーニング種をリモートプラズマ源によってイオン化出来る。第２ガス供給器によって圧力を制御することにより、第２チャンバー２０１内の分子イオン２１３の形成や保持が促進される。一例では、この促進が可能になる少なくとも部分的な理由として、第２チャンバー２０１内の圧力が第１イオン源２００内の圧力よりも低いことが挙げられる。また、ＨｅやＡｒなどの背景ガスを用い、第２チャンバー２０１の面上での分子イオン２１３の損失を減らせる。

【0030】

図３は、イオン源の第２実施形態のブロック図である。この特定の実施形態では、プラズマ管２０４が曲げられている。プラズマ管２０４の曲率によって、プラズマ管２０４内で分子イオン２１３をフィルタリング出来る。プラズマ管２０４内での磁気閉じ込めによって、分子イオン２１３またはプラズマの輸送が促進される。図６は、イオンフィルターの一実施形態の断面図である。リング磁石２０５は、パス６００によって示されるように、所望の分子イオン２１３のみが第２チャンバー２０１へ通過するように構成することが可能である。所望されない分子イオン２１３、第１種イオン２１２、第１種２１１、または他の原子種、分子種、原子イオン、分子イオンが、パス６０１、６０２で示すように、リング磁石２０５の磁場により、プラズマ管２０４の壁部分に衝突し得る。よって、イオン種、中性粒子、および所望されない分子イオンがプラズマ管２０４によってフィルタリングされる。

【0031】

図４は、イオン源の第３実施形態のブロック図である。この特定の実施形態では、第２ガス源４００は、第２ガス供給器４０１によって第１イオン源２００へと接続されている。第２ガス源４００は、第２種４０２（図４中、四角で示す）を供給する。第２種４０２がイオン化され、正イオン、または負イオンである第２種イオン４０３（図４中、プラス記号で示す）を形成する。第１種２１１、第１種イオン２１２、第２種４０２および／または第２種イオン４０３の結合により、分子イオン２１３が形成される。第１種２１１と第２種４０２とは両方ともガスであり、例えば、Ｂ_２Ｈ_６、ＣＯ_２、Ｃ_２Ｆ_４、ＢＦ_３、ＡｓＨ_３、ＰＨ_３、ＧｅＨ_４、ＧｅＦ_４、ＰＩ_３、ＡｓＩ_３、Ｎ_２、ＮＨ_３、または当業者に公知の他のアルカンまたは他の種であってよい。また第１種２１１および第２種４０２は、化学式Ｐ_ｘＨ_ｙ、Ｃ_ｘＦ_ｙ、Ａｌ_ｘＣｌ_ｙ、Ｇｅ_ｘＨ_ｙ、またはＧｅ_ｘＦ_ｙを有するものであってもよい。また、当業者に公知の他の有機金属分子を第１種２１１または第２種４０２として用いることも可能である。生成される分子イオン２１３は、例えば、Ｐ_ｘＣ_ｙＨ_ｚ、Ｐ_ｘＣ_ｙＦ_ｚ、Ｐ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ、Ｂ_ｘＣ_ｙＨ_ｚ、Ｂ_ｘＣ_ｙＦ_ｚ、Ｂ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ、Ａｓ_ｘＣ_ｙＨ_ｚ、Ａｓ_ｘＣ_ｙＦ_ｚ、Ａｓ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ、Ｇｅ_ｘＣ_ｙＨ_ｚ、Ｇｅ_ｘＣ_ｙＦ_ｚ、Ｇｅ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ、Ａｌ_ｘＣ_ｙＨ_ｚ、Ａｌ_ｘＣ_ｙＦ_ｚ、Ａｌ_ｘＣ_ｙＣｌ_ｚ、Ａｌ_ｘＰ_ｙＨ_ｚ、または当業者に公知の分子イオンであってよい。ｘ、ｙ、およびｚは０よりも大きい。また、炭素、ホウ素、またはリンを含有する金属を組み合わせて、他の分子イオン２１３を形成することが可能である。当業者には公知であるようにこれら上に挙げた分子イオン２１３は、他の形態のものも含み、例えば上に挙げたＢ_ｘＣ_ｙＨ_ｚはＣ_ｘＢ_ｙＨ_ｚを含む。当然ながら、２以上の種を提供し、３以上の種の混合する実施形態で分子イオン２１３を形成することが可能である。特定の一実施形態では、ＣＨ_４およびＰＨ_３が第１種２１１および第２種４０２である。これらによって、本明細書に開示する実施形態を用い、Ｃ_２ＰＨ_ｘ^＋またはＣＰ_２Ｈ_ｘ^＋イオンを分子イオン２１３として形成する。

【0032】

他の実施形態では、第１種２１１を第２種４０２と第１イオン源２００内で混ぜ合わせ、分子イオン２１３が形成される。この例では、第２種４０２は不活性である。ＨｅやＡｒなどの不活性準安定原子によって、電子温度の制御がしやすくなり、分子イオン２１３の形成を促進する。さらに他の実施形態では、プラズマ管２０４を図３に示すように曲げ、分子イオン２１３をフィルタリングすることが可能である。

【0033】

図５は、分子イオンの生成方法のフローチャートを示す。少なくとも第１種が導入される５００。第１種がイオン化され、結合し、分子イオンを形成する５０１。分子イオンが第２チャンバーへ輸送され５０２、第２チャンバーから抽出される５０３。当然ながら、他のガスが導入されてもよく、または第１種および第２種を結合させて分子イオンを形成してもよい。他の実施形態では、２以上の種が導入され、分子イオンを形成する。当然ながら、分子イオン２１３を生成し、第２チャンバーを通過させることなく抽出してもよい。

【0034】

図７は、パルシングを用いた電子温度調節の例を示す。パルシングが電子温度に影響を与え、結果として分子イオン２１３を形成するプラズマ内の反応速度が変化する。電子温度（Ｔｅ）は、特定の一実施形態において約２０ｅＶよりも低くなるよう調節される。図７には、パルシング間の３つの期間が示されている。低電力期間７００と、高電力期間７０１と、オフ期間７０２である。一例では、低電力期間７００では約７５０Ｗで作動する。パルシングの期間が、低電力期間７００、高電力期間７０１、オフ期間７０２と移行することにより、電子温度が変化する。パルス期間またはパルシング時のバイアスを変化させることにより電子温度が変わり、分子イオン２１３を発生させる反応が異なったものになる。一実施形態では、１％から９５％の間でデューティサイクルを変化させることにより、１５５Ｈｚの周波数で出力２５％のＲＦを用いることが出来る。

【0035】

図８は、本明細書に開示する実施形態を用いた、ＣＨ_４からの分子イオン形成を示す。図８の結果は、図２および３の実施形態によって得られる。図８に示すように、ＣＨ_４から、Ｃ_２Ｈ_ｘ^＋、Ｃ_３Ｈ_ｘ^＋、およびＣ_４Ｈ_ｘ^＋を形成することが可能である。さらに、Ｃ_５Ｈ_ｘ^＋、Ｃ_６Ｈ_ｘ^＋、またはＣ_７Ｈ_ｘ^＋などのさらに大きな分子を形成することも可能である。本明細書に開示する実施形態によると、ＣＨ_４から形成される支配的なイオンは、Ｃ_３Ｈ_ｘ^＋である。これは、プラズマ中で発生する他の反応と比較し、または電子衝撃イオン化を用いたＣＨ_ｘ^＋の形成と比較し、電子エネルギーが高く、Ｃ_３Ｈ_ｘ^＋の形成速度が低いためかもしれない。よって、本明細書で開示する実施形態を用い、形成される分子イオン２１３の原子質量を大きく出来る。続いて分子イオン２１３は、質量分析し、特定のイオンを選択することが出来、または、所望のイオンが形成されるようパラメータを構成することも可能である。

【0036】

多くの適用例に、分子イオン２１３を用いることが可能である。被処理体のドープ、被処理体の歪みの改質、または被処理体の他の材料改質などがそれらの適用例に含まれる。材料改質には、例えば、被処理体の非晶質化や損傷工学などが含まれる。また、分子イオン２０７は、極浅接合（ＵＳＪ）のため、低誘電率層間絶縁膜を製造するため、光学コーティングを作製するため、または被処理体を三次元表面構造に埋め込むためなどに用いることが可能である。

【0037】

本明細書に開示したイオン源の実施形態は複数の利点を持つ。まず、生成される原子イオン減らしつつ、または分子イオンから原子イオンへの解離を減らしつつ分子イオンを生成することが可能である。次に、イオン化による蒸着を減らすことが可能である。このことにより動作可能時間を増やし、予防的メンテナンスの頻度を減らすことが可能である。３つ目の利点として、より安価かつ一般的な種を用いて、より高価かつ一般的でない分子イオンを形成することが可能である。これにより、材料コストを低減出来る。

【0038】

本開示は、本明細書に記載された特定の実施形態によって範囲を限定されない。事実、本明細書に記載されたものに加えて、本開示のその他の多様な実施形態および本開示に対する変更が、上記の記載および添付の図面から当業者には明らかになるであろう。したがって、このようなその他の実施形態および変更は、本開示の範囲に含められることが意図されている。さらに、本開示は、本明細書において、特定の目的に対する特定の環境における特定の実施例を背景として記載されたが、本開示の有用性はこれに限定されず、いかなる数の目的に対するいかなる数の環境においても有利に実施し得ることが当業者には認識されるであろう。したがって、以下に記載される特許請求の範囲は、本明細書に記載された本開示の全範囲および全趣旨に鑑みて解釈されるべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】