特許 5775551 イオン注入プロセスにおいて同位体的に富化されたレベルのドーパントガス組成物を用いる方法

(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】5775551

(24)【登録日】2015年7月10日

(45)【発行日】2015年9月9日

(54)【発明の名称】イオン注入プロセスにおいて同位体的に富化されたレベルのドーパントガス組成物を用いる方法

(51)【国際特許分類】

   H01J 27/02 20060101AFI20150820BHJP

   H01J 27/08 20060101ALI20150820BHJP

   H01J 37/317 20060101ALI20150820BHJP

   H01J 37/08 20060101ALI20150820BHJP

   H01L 21/265 20060101ALI20150820BHJP

【ＦＩ】

   H01J27/02

   H01J27/08

   H01J37/317 Z

   H01J37/08

   H01L21/265 603A

   H01L21/265 603Z

【請求項の数】20

【外国語出願】

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2013-193605(P2013-193605)

(22)【出願日】2013年9月19日

(65)【公開番号】特開2014-216311(P2014-216311A)

(43)【公開日】2014年11月17日

【審査請求日】2014年10月21日

(31)【優先権主張番号】13/869,456

(32)【優先日】2013年4月24日

(33)【優先権主張国】US

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】392032409

【氏名又は名称】プラクスエア・テクノロジー・インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110000855

【氏名又は名称】特許業務法人浅村特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】アシュウィニ ケイ．シンハ

(72)【発明者】

【氏名】チン アイ．リ

【審査官】 遠藤 直恵

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−３１１６１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０１４２１７４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ ２７／００−２７／２６，３７／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

イオン源の安定性を維持するのに十分な流量で富化ドーパントガスを導入し、ここで、前記富化ドーパントガスは、その中に、天然存在量レベルの９０％以上の同位体の富化レベルを有し、
前記富化ドーパントガスに対応するドーパントガスとして前記富化ドーパントガスよりも富化の少ないまたは非富化のドーパントガスが用いられるときの前記流量で導入するために前記イオン源に入力される全電力レベルと比較して、低下した全電力レベルで前記イオン源を操作し、次いで、
前記富化ドーパントガスをイオン化して、前記流量で、富化ドーパントガスよりも富化の少ないまたは非富化の前記ドーパントガスを用いて生じるビーム電流を発生させ、かつそれを維持する、
ことを含む、富化ドーパントガスを用いる方法。

【請求項2】

前記流量で、富化の少ないまたは非富化の前記ドーパントガスが用いられるときの前記イオン源の操作温度と比較して低下した温度で前記イオン源を操作し、次いで、
アーク電圧、アーク放電によって生じるバイアス電圧、フィラメント電力またはその組合せを低下させることによって、前記低下した全電力レベルで操作する、
ことを更に含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

１ｓｃｃｍと等しい、またはそれよりも大きな流量において前記富化ドーパントガスを導入することによって前記イオン源の安定性を維持することを更に含む、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記富化ドーパントガスが、^７２Ｇｅが少なくとも５５％の富化レベルの^７２ＧｅＦ_４を含む、請求項３に記載の方法。

【請求項5】

５ｓｃｃｍにおける、またはそれ未満の流量を維持することによって再結合反応を回避する工程を更に含む、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

低下した全電力レベルで操作する前記工程が、制御された量で富化ドーパントガスのイオン化効率を降下させて、富化の少ないまたは非富化の前記ドーパントガスによって維持されるイオンビーム電流と同一のイオンビーム電流を維持することを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

少なくとも７５％の富化の^７２Ｇｅを含む富化^７２ＧｅＦ_４ドーパントガスで前記イオン源を操作し、
前記流量で、前記富化^７２ＧｅＦ_４ドーパントガスに対応するドーパントガスとして、前記富化^７２ＧｅＦ_４ドーパントガスよりも富化の少ないまたは非富化の^７２ＧｅＦ_４ドーパントガスが用いられるときの操作温度と比較して低下した温度で前記イオン源を操作し、ここで、前記イオン源として用いられるイオン源チャンバーの壁の温度は４００℃〜９００℃の範囲であり、次いで、
前記イオン源チャンバー内のフィラメントおよび陰極の間のバイアス電圧を低下させる、
工程を更に含む、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

低下した全電力レベルで操作する前記工程が、前記イオン源において、プラズマのイオン化効率を降下させるように低下されたアーク電圧で操作することによって行われる、請求項１に記載の方法。

【請求項9】

１〜５ｓｃｃｍの範囲の流量で富化ドーパントガスを導入し、ここで、前記富化ドーパントガスは、^７２Ｇｅの同位体が５５％よりも大きい富化レベルを有する^７２ＧｅＦ_４からなり、
前記富化^７２ＧｅＦ_４ドーパントガスに対応するドーパントガスとして前記富化^７２ＧｅＦ_４ドーパントガスよりも富化の少ないまたは非富化の^７２ＧｅＦ_４ドーパントガスが用いられるときの前記流量で導入するためにイオン源に入力される全電力レベルと比較して、低下した全電力レベルでイオン源を操作し、
前記流量で、富化の少ないまたは非富化の前記^７２ＧｅＦ_４ドーパントガスが用いられるときのイオン源の操作温度と比較して、前記イオン源を低下した温度で操作し；次いで、
前記^７２ＧｅＦ_４ドーパントガスをイオン化して、前記流量で、富化の少ないまたは非富化の前記^７２ＧｅＦ_４を用いて生じるビーム電流を維持する、
ことを含む、富化ドーパントガスを用いる方法。

【請求項10】

前記イオン源を操作することを更に含み、それにより、前記イオン源として用いられるイオン源チャンバーの壁は、前記イオン源のフィラメントおよび陰極の間のバイアス電圧を低下させることによって、前記流量で、富化の少ないまたは非富化の前記^７２ＧｅＦ_４と比較して、４００℃〜９００℃の範囲の低下した温度を有する、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

低下した全電力レベルで操作する前記工程が、前記富化^７２ＧｅＦ_４ドーパントガスに対応するドーパントガスとして富化の少ないまたは非富化の前記^７２ＧｅＦ_４ドーパントガスが用いられるときの前記操作と比較して、より低いアーク電圧、より低いバイアス電圧でアーク放電によって生じるバイアス電圧、より低いフィラメント電力、またはその組合せで操作することによって行われる、請求項９に記載の方法。

【請求項12】

前記富化ドーパントガスが、^７２Ｇｅ同位体が７５％以上の高度に富化されたレベルを有する^７２ＧｅＦ_４からなる、請求項９に記載の方法。

【請求項13】

ウエハに注入すべき原子種を有するドーパントガスを選択し、
その中に天然存在量レベルを超える少なくとも９０％に富化されるように前記原子種の質量同位体を選択し、
亜大気圧の貯蔵および送達容器中に前記ドーパントガスの富化質量同位体を供し、
イオン源の安定性を維持するのに十分な流量にて前記ドーパントガスの富化質量同位体を導入し、
前記の同位体的に富化されたドーパントガスに対応するドーパントガスとして前記の同位体的に富化されたドーパントガスよりも富化の少ないまたは非富化のドーパントガスが用いられるときの前記流量で導入するために前記イオン源に入力される全電力レベルと比較して、低下した全電力レベルで前記イオン源を操作し、次いで、
前記ドーパントガスのうちの富化された質量同位体をイオン化して、前記流量で、富化の少ないまたは非富化の前記ドーパントガスを用いて生じるビーム電流を維持する、
工程を含む、イオン注入プロセス用の高度に同位体的に富化されたドーパントガスを用いる方法。

【請求項14】

前記流量が、再結合反応が起こる上限を超えない、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記イオン源が、前記流量で、富化の少ないまたは非富化の前記ドーパントガスと比較して低下した温度で操作される、請求項１３に記載の方法。

【請求項16】

前記富化ドーパントガスが、^７２Ｇｅの富化を５５〜６０％で有する^７２ＧｅＦ_４である、請求項１３に記載の方法。

【請求項17】

前記富化ドーパントガスが、^７２Ｇｅの富化を５５〜７０％で有する^７２ＧｅＦ_４であって、前記低下した全電力レベルが、１〜３ｓｃｃｍの流量において、それよりも富化の少ないまたは非富化の^７２ＧｅＦ_４ドーパントガスを用いる前記イオン源に入力される全電力レベルと比較して５〜２０％だけ低下している、請求項１３に記載の方法。

【請求項18】

前記富化ドーパントガスが、^７２Ｇｅの富化レベルが７０〜８０％の範囲の^７２ＧｅＦ_４であり、それよりも富化の少ないまたは非富化の^７２ＧｅＦ_４ドーパントガスを用いる前記イオン源に入力される全電力レベルよりも２０〜３０％低い、請求項１３に記載の方法。

【請求項19】

前記富化ドーパントガスが、^７２Ｇｅの富化レベルが５８％以上の^７２ＧｅＦ_４であり、低下したフィラメント電力レベルが２００〜５００Ｗの範囲にあり、前記チャンバー壁が４００℃〜９００℃の範囲の低下した温度を有し、および前記流量が１ｓｃｃｍ〜３ｓｃｃｍの範囲にある、請求項１３に記載の方法。

【請求項20】

富化の少ないまたは非富化の前記ドーパントガスを用いる前記イオン源に入力される全電力レベルと比較して全電力レベルを低下させるようにフィラメントに対して入力される電力およびアーク放電によるバイアスを維持しつつ、イオン源のチャンバーにおいて、低アーク電圧で操作することを更に含む、請求項１９に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、イオン注入プロセス用のドーパントガスを富化された、および高度に富化されたレベルで利用するための新規な方法に関する。

【背景技術】

【0002】

イオン注入は、半導体／マイクロエレクトロニクス製造における重要なプロセスである。イオン注入プロセスは、ドーパント不純物を半導体ウエハに導入するために集積回路の製造で用いられる。イオン源を用いて、ドーパンドガスから種々のイオン種についてよく規定されたイオンビームを発生させる。ドーパントガスのイオン化はイオン種を発生させ、これは引き続いて、所与の加工品に注入することができる。

【0003】

同位体的に富化されたドーパントガスは、半導体産業においては、広く用いられるドーパントガス前駆体として出現した。ここで用いられ、かつ明細書を通じて用いられる場合、用語「同位体的に富化された」ドーパントガスおよび「富化された」ドーパントガスは相互に交換可能に用いられ、ドーパントガスが天然に生じる同位体の分布とは異なる質量同位体の分布を含有し、それにより、質量同位体の１つが天然に生じるレベルで存在するよりも高い富化レベルを有することを意味する。例えば、５８％^７２ＧｅＦ_４とは、５８％の富化で質量同位体^７２Ｇｅを含有する、同位体的に富化された、または富化されたドーパントガスをいい、他方、天然に生じるＧｅＦ_４は２７％天然存在量レベルで質量同位体^７２Ｇｅを含有する。

【0004】

注入されるべき所望の原子種が富化されたドーパントガスを所与の流量で用いることによって、同一の流量で利用される対応する非富化ドーパントガスと比較して、イオンビームは、より高いビーム電流を生じる。例えば、所与の流量では、５８％富化にて質量同位体^７２Ｇｅが富化された５８％^７２ＧｅＦ_４は、２７％の天然存在量レベルで質量同位体^７２Ｇｅを有する天然に生じるＧｅＦ_４で生じたビーム電流の２倍高いビーム電流を生じさせることができる。換言すれば、天然に生じるＧｅＦ_４と比較して、５８％^７２ＧｅＦ_４を利用すると、２倍多くの^７２Ｇｅイオンが流量の単位容積当たりイオンチャンバーで生じる。より高いビーム電流に加えて、富化されたドーパントガスは、対応する非富化ドーパントガスと比較してより少量のドーパントガスを利用する所望の原子種の必要な注入量を達成する能力を可能とする。

【0005】

そのようなプロセスの利点は、富化されたドーパントガスが、タングステンイオンチャンバーの壁をエッチングし、かつそこでタングステンを蒸着させることができる熱源フィラメントまで移動することができるフッ化タングステン（ＷＦｘ）種を形成することがよく知られた、フッ素含有ガスである場合に特に有利である。タングステン蒸着物は、グリッチングまたはアーク放電として知られたビーム電流における瞬間的な降下を引き起こしかねない。最終的に、グリッチングおよび／またはグリッチングの周波数がイオン装置が許容できる効率で操作できないような上方閾値に到達すると、イオン源性能が経時的に劣化し、かつ悪化し得る。そのようなシナリオにおいて、ユーザーは注入操作を停止し、かつ蒸着物を清浄化し、またはイオン源を置き換えるようなメンテナンスを行わなければならない。そのような休止時間の結果、イオン注入システムの生産性の喪失が生じる。結局、対応して富化されたフッ素含有ドーパントガスを用いることによって、所望の原子種の必要な注入量を達成すれば能力は、より少量のフッ素しかイオン源チャンバーに導入せず、それにより、タングステン蒸着物を低下させ、かつイオン源の寿命を潜在的に延長させる。

【0006】

さらに、その非富化ドーパントガスと同一の流量で種々の富化されたドーパントガスを使用すれば、増大したスループットおよび収率の利点が提供される。その非富化ドーパント類似体と比較して、富化されたドーパントガスの単位流量当たりの注入でより多くのドーパント原子種が利用可能である。その結果、富化されたドーパントガスを利用した場合、生産性および収率についての潜在能力は増大する。

【0007】

加えて、必要なイオン注入量を生じさせるのに十分なレベルまでの所望の原子種の同位体富化は、他の種での二次汚染の問題を排除することができる。今日、イオン源（ソース）ツールの多くは非専用であり、これは、いくつかの異なる原子種が同一のツールを用いて注入されることを意味する。例えば、天然に生じる、または非富化四フッ化ゲルマニウム（ＧｅＦ_４）が、^７４Ｇｅイオン種を注入するのに用いられてきた。なぜならば、それは、ＧｅＦ_４の他の安定な同位体（すなわち、^７０Ｇｅ、^７２Ｇｅ、^７３Ｇｅおよび^７６Ｇｅ）と比較して、天然に生じるＧｅＦ_４（すなわち、ＧｅＦ_４）において３７％で最も豊富であるからである。これらの源ツールの多くは、また、^７５Ａｓを処理し、かつ注入し、これは^７４Ｇｅでの二次汚染問題を生じさせる。というのは、イオン磁気分離器は、^７５Ａｓおよび^７４Ｇｅ種の間のただ１原子質量単位（ａ．ｍ．ｕ．）の差による２つの原子種の間の差を認識しないからである。換言すれば、イオン源チャンバーは、従前の生産運転から得られたイオンビームにおける残存^７５Ａｓを分解し、または濾過することができない。というのは、慣用的なビームの質量分解能は、^７４Ｇｅおよび^７５Ａｓ原子種の差を認識できないからである。その結果、^７４Ｇｅおよび^７５Ｇｅの双方の種は加工品に誤って注入されかねず、それにより、マイクロエレクトロニクスデバイスを汚染させ、かつその意図された目的に潜在的に適合しなくさせる。汚染は、意図されたゲルマニウム量の６％またはそれ以上に到達できることが示されている。

【0008】

そのような二次汚染を軽減するためには、^７５Ａｓから２ａ．ｍ．ｕ．以上離れた同位体的に富化された原子種を利用することができると認識されていた。したがって、^７２Ｇｅにおける天然に生じるＧｅＦ_４の同位体富化は、^７２ＧｅＦ_４の濃度を上昇させることができ、それにより、質量数７２のゲルマニウム同位体は、必要なＧｅ量が^７５Ａｓ二次汚染なくして生じ得るように、２７％の天然存在量レベルから約５２％またはそれよりも高くまで富化される。^７２ＧｅＦ_４の富化されたレベルは、より少量の全ガスを導入するような必要量を達成する。加えて、富化された^７２ＧｅＦ_４によるより少ない消費は、また、チャンバー成分をエッチングし、タングステンを源フィラメント上に蒸着させるのに利用できるより少量のフッ素イオンを移動させる。

【0009】

そのようなプロセスの利点は、半導体製造工場のようなユーザーが、そのイオン注入プロセスにおける慣用的な非富化ドーパントガスを、対応する富化されたおよび高度に富化されたドーパントガス類似体で置き換えることを促進した。一般に、マイクロエレクトロニクス産業においては、イオン源ツールが、必要な注入量でもって許容できるウエハを正確かつ信頼性良く製造する能力を示す確立された加工パラメータにて操作するのに従前は適格だったので、イオン注入加工パラメータは、好ましくは、対応する富化されたドーパントガスを利用する場合に不変なままである。

【0010】

しかしながら、前記したプロセスの利点に拘わらず、半導体製造工場は、イオン源ツールの従前には適格だった操作パラメータから有意に逸脱しないように富化ドーパントガス類似体を用いる困難に遭遇している。特に、非富化またはあまり富化されていないドーパントガスで従前に使用されたのと同一の富化ドーパントガスの流量でイオン源ツールを操作することは、ビーム電流を、適格なイオンビーム電流からの逸脱を表すレベルまで増大させる。その結果、許容できない製造休止時間に事実上達する時間のかかるプロセスである全イオン注入プロセスを再度適格なものとしなければならない。加えて、増大したイオンビーム電流は、富化ドーパントガスのイオン化が、フッ化タングステン（ＷＦｘ）の種々のイオン種を形成できる大量の遊離した利用可能なフッ素イオンを生じさせる富化されたフッ素含有ドーパントガスで特に問題である。前記したように、ＷＦｘ種は、そこでそれらがタングステンを蒸着させることができ、かつグリッチングを潜在的に引き起こし、イオン源を短絡させ得る陰極または源フィラメントを含めたイオン源チャンバー中のより熱い表面まで移動する傾向がある。タングステンが蒸着されるに従い、原子状または分子状フッ素が放出され、さらなるタングステン壁をエッチングするいわゆる「ハロゲンサイクル」を継続するのに利用できる。その結果、末端ユーザーは、フッ素含有富化ガスの使用は、いくつかの場合において、ハロゲンサイクルを加速することによって源寿命を短くし得ることを観察している。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

前記した問題は、より高いレベルの富化ドーパントガスを利用する場合に潜在的に悪化する。従って、イオン注入のユーザーは、元来意図された同位体的に富化されたドーパントガスのプロセス利点を達成できないであろう。前記した問題を排除する富化ドーパントガスを利用するプロセスの利点を実現できるイオン注入プロセスに対する未だ対処されていない要望が存在する。

【課題を解決するための手段】

【0012】

第一の態様において、イオン源の安定性を維持するのに十分な流量で富化ドーパントガスを導入し、ここで、該富化ドーパントガスは、その中に、天然存在量レベルの９０％以上の同位体の富化レベルを有し；該流量において対応するあまり富化されていないまたは非富化ドーパントガスで利用される電力レベルと比較して、イオン源の低下した全電力レベルで操作し；次いで、ドーパントガスをイオン化して、該流量において対応するあまり富化されていないまたは非富化ドーパントガスを用いて生じるビーム電流を発生させ、かつそれを維持することを含む、富化ドーパントガスを用いる方法が提供される。

【0013】

第二の態様において、１〜５ｓｃｃｍの範囲の流量で富化ドーパントガスを導入し、ここに、該富化ドーパントガスは、実質的に、５５％よりも大きな^７２Ｇｅの同位体における富化レベルを有する^７２ＧｅＦ_４よりなり；対応するあまり富化されていないまたは非富化ドーパントガスＷで利用される全電力レベルと比較して、イオン源の低下した全電力レベルで操作し；該流量において対応するあまり富化されていないまたは非富化ドーパントガスと比較して、イオン源の低下した温度で操作し；次いで、該富化ドーパントガスをイオン化して、該流量において対応するあまり富化されていないまたは非富化ドーパントガスを用いて生じるビーム電流を達成し、かつそれを維持することを含む、富化ドーパントガスを用いる方法が提供される。

【0014】

第三の態様において、ウエハに注入すべき原子種を有するドーパントガスを選択し；該ドーパントガスの質量同位体を、その中に天然存在量レベルを超える少なくとも９０％に富化されるように選択し；亜大気圧貯蔵および送達容器中に該ドーパントガスの質量同位体を供し；イオン源の安定性を維持するのに十分な流量にて該ドーパントガスの質量同位体を導入し；対応するあまり富化されていないまたは非富化ドーパントガスで利用される電力レベルと比較して、該イオン源の低下した電力レベルで操作し；次いで、該ドーパントガスをイオン化して、該流量において対応するあまり富化されていないまたは非富化ドーパントガスを用いて生じたビーム電流を維持する工程を含む、イオン注入プロセス用の同位体的に富化されたドーパントガスを用いる方法が提供される。

【0015】

本発明の前記および他の態様、特徴、および利点は、以下の図面と一緒に供される以下のより詳細な記載からより明らかとなるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の原理を取り込んだイオン源装置を示す。

【図2】ビーム・ライン・イオン注入システムに一体化された図１のイオン源装置を示す。

【発明を実施するための形態】

【0017】

本明細書中で用いる場合、そうでないことが示されるのでなければ、全ての濃度は容量％（「ｖｏｌ％」）として表される。

【0018】

同位体的に富化されたドーパントガスを用いる利点の１つは、同様なビーム電流を達成する非富化ドーパントガスと比較したガスの総じての流量の低下であると認識されてきたが、富化ドーパントガスの利用には限界が存在する。富化ドーパントガスの流量を低下させて、適するイオンビーム電流レベルを維持する試みは可能でないであろう。なぜならば、ドーパントガスの流量の必要な低下は、プラズマを維持することができないようにイオン源を不安定化させるからである。従って、低下した流量で富化ドーパントガス類似体を利用する場合、イオンビーム電流レベルは許容される適格な範囲内に留まることはできない。

【0019】

本発明は、所定の閾値を超えて同位体的に富化されたドーパントガスの流量を降下させることがイオンツールを不安定化させ、それにより、チャンバー中の圧力は臨界的閾値を超えて低下することも認識している。低下した圧力は、電子とドーパントガスとの間に、プラズマを持続させ、かつイオン源をアーク放電モードで操作する衝突が不十分に生じることを意味する。換言すれば、電子、イオンおよび中性体の間の衝突についての平均自由行程が増加する。例えば、５１％のその対応するあまり富化されていないバージョンと比較して３０％以上、５８％^７２ＧｅＦ_４の流量を低下させることは、イオン源ツールを、イオン源ツール中の低下した圧力の結果として不安定化させることが判明している。たとえプラズマが持続されても、ユーザーは、低下したプラズマ効率のためビーム電流のかなりの降下を観察するであろう。一般に、流量についての下限は、いずれのタイプの富化ドーパントガスを用いる場合にも、約０．５ｓｃｃｍ未満まで落とすべきではないことが観察されている。

【0020】

加えて、低下した圧力下での富化ドーパントガスの低下した流量は、アークチャンバーの壁がより熱くなるようにする。より少量のガスはプロセスのいずれの所与の時点においてもアークチャンバーを専有し、それにより、ガスの冷却効果を低下させ、その結果、ハロゲンサイクルの反応速度は、有意に増加し、活性なフッ素はより高い温度でタングステンチャンバーの壁をより迅速にエッチングし、腐食させることができる。

【0021】

本発明は、前記プロセスの限界を認識し、かつ考慮して、イオン注入用の富化ドーパントガスを用いるためのユニークな解決策を提供する。ここで、種々の実施形態において詳細に記載されるように、本発明は、富化されたおよび高度に富化されたドーパントガスをイオン注入する場合に、種々のアプローチを利用して、制御された量だけイオン源に入力される全電力レベルを降下させる。

【0022】

本発明の第一の実施形態において、イオン注入プロセスは、全入力電力をイオン源に対して低下させることによって操作することができる。低下した全入力電力レベルは、対応するあまり富化されていない、または非富化ドーパントガスで使用される全電力レベルと比較してより低い。ここで用い、かつ明細書を通じて用いる場合、フレーズ「低下した全電力レベル」は、同一流量において対応するあまり富化されていない、または非富化ドーパントガスを用いて生じさせたのと実質的に同様なビーム電流を生じさせる所与の流量において富化ドーパントガスをイオン注入することに関連するイオン源に入力される全電力レベルを意味する。富化ドーパントガスの流量は、あまり富化されていない、または非富化ドーパントガスの流量と実質的に同一のままとして、イオン注入プロセスを通じてプラズマを持続させるのに十分な少なくとも最小圧力が達成され、かつ維持されるのを確実とすることが意図される。このように、ガスの流量の維持はイオン源の不安定性を回避する。一般に、全電力レベルが対応するあまり富化されていない、または非富化ドーパントガスで使用される電力レベルに対して低下されるパーセンテージは５〜３０％の範囲であってよい。低下した全電力レベルは、富化ドーパントガスに利用可能とされた正味の全電力入力が、あまり富化されていない、または非富化ドーパントガスを利用する場合に生じたドーパントイオンの実質的に同一の量を維持するレベルまで低下されるように選択される。具体的な低下された全電力レベルの決定は、具体的なドーパントガスのイオン化効率、その富化レベルおよび流量を含めた多数の変数の関数である。

【0023】

低下した全電力レベルで操作することによって、富化ドーパントガスのイオン化効率は、非富化ドーパントガスで従前適格であったのと実質的に同一のイオンビーム電流を維持する制御された量まで降下する。換言すれば、イオン源に入力される低下した全電力レベルは、直接的にまたは間接的に富化ドーパントガスのイオン化効率を意図的に低下させるように設計される。イオン化効率は、電子の数、および富化ドーパントガスと衝突し、かつそれと相互作用する陰極から放出された電子のエネルギーに依存する。富化ガスは単位流量容量当たりより多くのドーパント原子種を含有するので、低下したイオン化効率における生じた富化ドーパントイオンの数は、あまり富化されていない、または非富化ガスを使用する場合のそれと同一または実質的に同様なままである。このように、非富化またはあまり富化されていないドーパントガスで従前に適格だったビーム電流が維持される。

【0024】

いくつかの適用において、平均したイオン化効率は、対応するあまり富化されていない、または非富化ドーパントガスと比較して３倍の大きさだけ低下させてもよい。正確なイオン化効率は、少なくとも部分的には、ドーパントガスのタイプおよびそのドーパントガスの富化のレベルに依存するであろう。本発明は、富化ドーパントガスがフッ素含有ガスである場合に特に有利である。というのは、少量の遊離フッ素がチャンバーに導入され、それにより、ハロゲンサイクルの有害効果を低下させるからである。例えば、質量数７２ゲルマニウム同位体が２７％の天然存在量レベルから７０％の富化レベルまで富化された^７２ＧｅＦ_４のようなフッ素含有ドーパントガスを利用するイオン注入プロセスが、２．５倍だけ低下されるイオン化効率を有してもよいが、依然として、非富化ＧｅＦ_４で適格なビーム電流を保有する。

【0025】

入力全電力をイオン源に対して低下させるための多数の手段が考えられる。１つの実施形態において、源フィラメントそれ自体に入力される電力が低下される。本発明の原理に従うと、より低い電力レベルにおいて、より少量の電子が陰極から放出され、それにより、富化ドーパントガスのより少ないイオン化がもたらされる。ユーザーは、好ましくは、イオン注入が行われる所定のフィラメント電力を選択することによってプロセスの間に生じた所与のイオンの量を制御することができる。富化ドーパントガスの流量は、非富化またはあまり富化されていないドーパントガスの流量と実質的に同一のままであって、プラズマを維持するのに十分な最小圧力を確保する。フィラメント電力は低下されて、富化ドーパントガスのイオン化効率を低下させて、それにより、非富化またはより低い富化ドーパントガスのそれと同様なより高い富化ドーパントガスから生じたドーパントイオンの数を維持する。その結果、ビーム電流は不変のままである。典型的なフィラメント電力レベルは１００〜１０００Ｗ、好ましくは２００〜５００Ｗ、より好ましくは１５０〜３５０Ｗの範囲とすることができる。最適なフィラメント電力レベルは、少なくとも部分的には、イオン注入プロセスで利用される具体的なドーパントガスおよびドーパントガスの富化の程度に応じて変化するであろう。例えば、１つの実施形態において、低下した電力操作下では、フィラメント電力は、そのあまり富化されていないまたは非富化アナログから変化していない流量において５８〜７５％富化での^７２ＧｅＦ_４の高度に同位体的に富化されたドーパントガスをイオン注入する場合には、１７５〜３５０Ｗの範囲に維持することができる。

【0026】

さらに、本発明の原理に従うと、所定のより低い電力でのフィラメントの操作は、好ましくは、陰極の温度および陰極から放出された電子の対応する数を低下させるように行われる。より低い操作フィラメントおよび陰極の温度は、イオンチャンバーのタングステンチャンバーの壁の温度を直接的に降下させる。タングステンチャンバー壁のより低い温度は、ハロゲンサイクルの反応速度を効果的に低下させる。具体的には、揮発性ＷＦｘ種を形成するための活性フッ素の反応によって生じるタングステン壁のエッチングの速度は、より低い温度で低下する。プラズマ相で生じた揮発性ＷＦｘ種の正味の量は、チャンバー壁の腐食の有意な低下によって低下される。そのような低下したフィラメントおよび陰極の温度では、Ｗを陰極の表面に再度蒸着させるＷＦｘの還元速度が低下する。よって、ハロゲンサイクルのより遅い反応速度はフィラメント上のタングステン蒸着物を最小化し、それにより、非富化またはあまり富化されていないドーパントガスに従前は適格であったのと同一のビーム電流を依然として維持しつつ、イオン源の寿命を延長させる。チャンバーのフッ素攻撃および陰極上へのＷ再蒸着はイオン源の寿命を短くし得る。かくして、操作フィラメント温度を低下させ、かつ低下したイオン化効率を作り出すのに十分なより低い電力下での操作は、非富化またはあまり富化されていないドーパントガスに適格なのと同一のビーム電流を有利にも依然として提供しつつ、イオン源の寿命を改良し、かつ延長することができる。

【0027】

本発明は、源フィラメントの温度および陰極からの放出された電子の数の間の関係を利用して、生じるドーパントイオンの全数を制御する。具体的には、源フィラメントが、陰極または陰極カップに向かって加速される電子を生じさせて、温度をその熱イオン放出温度まで上昇させることを担う。陰極から生じた電子は、アークチャンバーに導入された同位体的に富化されたドーパントガスと相互作用し、かつそれと衝突して、異なるイオンおよび中性体を生じさせる。例えば、その特定の安定な同位体の１つが富化されたＧｅＦ_４の場合には、生じたイオンおよび中性体はＧｅ^＋、Ｆ^＋、ＧｅＦ_２^＋、ＧｅＦ^＋、Ｆ_２^＋、Ｇｅ、Ｆ、ＧｅＦ_２等を含むことができる。熱陰極からの放出電子密度（すなわち、陰極から生じ、放出され得る電子の数）は、以下に示されるリチャードソン−ダッシュマン方程式によってその温度に関連付けられる：
Ｊ_ｅ＝ＡＴ^２ｅｘｐ（−φ／／ｋＴ）・・・・・（１）
［式中、Ｊ_ｅ＝アンペア／ｃｍ^２の単位を有する電子放出電流密度；
Ａ＝定数（１２０アンペア／ｃｍ^２／Ｋ^２）；
Ｔ＝Ｋの単位を有する陰極の温度；
φ＝ｅＶの単位を有する陰極仕事関数；および
ｋ＝ボルツマン定数（１１，６００ｅＶ／Ｋ）］。
前記方程式は、陰極から生じ、放出され得る電子の数（すなわち、放出電流密度）が、源フィラメントによって加熱される陰極の温度に直接的に関連することを示す。陰極の温度を降下させることによって、先に示したようにより少数の電子が生じ、これは、陰極からの生じた電子との相互作用および衝突から生じるより少数の全富化ドーパントガスイオンに移動する。このように、本発明は、源フィラメントの電力レベルおよび温度の低下が、対応するあまり富化されていないまたは非富化ドーパントガスで生じたのと比較して同一のビーム電流を維持するようにより少数のドーパントガスイオンを生じさせることを認識している。

【0028】

低下した陰極温度は、イオン源チャンバー壁のより低い操作温度に移る。最も冷たい領域および最も熱い領域におけるイオン源チャンバー壁の操作温度についての典型的な範囲は、各々、５００℃〜１１００℃のどこかの範囲とすることができる。代替実施形態においては、該温度は４００℃〜９００℃の範囲とすることができる。一般に、ドーパントガスのより高い富化レベルは、従前に適格であったビーム電流を維持し、それにより、イオン源の温度を低下させるのにより低いイオン化効率（すなわち、富化ドーパントガスの所与の流量をイオン化するためのより小さなエネルギー）を必要とするであろう。最適な温度は、少なくとも部分的には、イオン注入プロセスで利用される特定のドーパントガス、ドーパントガスの富化の程度およびハロゲンサイクルについての既知の反応速度に応じて変化するであろう。例えば、１つの実施形態においては、前記した所定の低下した電力設定下では、最も低温の領域から最も高温の領域までの低下した操作温度は、対応するドーパントガスのより低い富化レベルの利用から変化しない所与の流量についての約７５％富化での^７２ＧｅＦ_４の高度に同位体的に富化されたドーパントガスをイオン注入する場合、各々、４００℃〜９００℃の範囲に維持することができる。タングステンチャンバー壁のより低い温度は、ハロゲンサイクルの速度を低下させ、それにより、イオン源の寿命を延長する。

【0029】

イオン源に対する全電力を低下させるための他の手段が本発明によって考えられる。例えば、代替実施形態において、より低い陰極温度下での操作の同様な効果が、フィラメントおよび陰極の間のバイアス電圧を低下させることによって達成することができる。富化ドーパントガスの流量は、プラズマを維持するのに十分な最小圧力を確保するために、非富化ドーパントガスの流量と実質的に同一なままである。バイアス電圧は１００Ｖ〜６００Ｖの範囲とすることができる。もう１つの実施形態において、バイアス電圧は１００Ｖ〜５７５Ｖの範囲、または別法として、１００Ｖ〜５５０Ｖの間の範囲まで低下させることができる。

【0030】

本発明のなおもう１つの実施形態において、イオンチャンバーにおけるアーク電圧は、所定量降下させて、イオン源に入力される全電力を低下させることができる。本明細書中で用いられる「アーク電圧」は、陰極およびチャンバー壁の間の電位の差と定義される。アーク電圧を所定量だけ低下させることによって、陰極から生じた電子に付与されるエネルギーが低下する。アーク電圧の所定量だけの適切な低下は、好ましくは、プラズマのイオン化効率を降下させる。この実施形態において、プラズマのより低いイオン化効率の結果、より少数の生じたイオンおよび生じたイオンの各々についての低下したエネルギーがもたらされる。高度に富化されたドーパントガスから生じたドーパントイオンの量は、対応する非富化またはあまり富化されていないドーパントガスから生じた対応するドーパントイオンの数に実質的に等しく維持されるが、（イオンおよび中性体を含めた）生じた活性フッ素の正味の量はより少ない。フッ素はハロゲンサイクルの出現のための前駆体であるので、プラズマ相におけるより低いフッ素濃度の結果、ハロゲンサイクルの出現はより低くなり、それにより、イオン源の寿命を改良し、延長する。本発明のアーク電圧は５０Ｖ〜１５０Ｖの範囲とすることができる。もう１つの実施形態において、アーク電圧は５０Ｖ〜１４０Ｖの範囲とすることができる。なおもう１つの実施形態において、アーク電圧は５０Ｖ〜１２０Ｖまたは７０Ｖ〜１１０Ｖの範囲とすることができる。適当なアーク電圧は、少なくとも部分的には、ドーパントガスのタイプおよびその富化レベルに基づいて決定されるであろう。一般に、より低い操作アーク電圧は、ドーパントガスのより高い富化レベルで可能である。

【0031】

本発明の原理によると、所与の流量では、富化ドーパントガスに供給された正味の全電力はアーク電圧、アークバイアスおよびフィラメント源への入力電力から決定される。本発明による所与の流量についての３つの操作パラメータの各々の注意深い選択は、種々の富化ドーパントガスを利用して延長されたイオン源の寿命が達成されるのを可能とする。例えば、３つのパラメータのうちの１つは低下させて、総じての全電力を降下させることができる。別法として、３つのパラメータの各々はわずかに低下させて、総じての全電力を降下させることができる。双方の例において、全電力レベルは、対応するあまり富化されていないまたは非富化ドーパントガスで利用された全電力レベルと比較して低下させることができる。正味の全電力の低下は、富化ドーパントガスのイオン化効率を低下させて、対応するあまり富化されていないまたは非富化ドーパントガスを用いて生じたであろうビーム電流を維持し、それにより、双方の場合における非富化および富化ドーパントガスの流量は不変なままである。

【0032】

種々のドーパントガスを用いて、本発明を実施することができる。例示的なドーパントガスとしてはＢＦ_３、ＧｅＨ_４、Ｂ_２Ｈ_６およびＢＣｌ_３が挙げられる。多数の安定な同位体を含有する他のドーパントガスを用いてもよい。好ましい実施形態において、ドーパントガスは、Ｇｅイオンを注入するための、ＧｅＦ_４のようなフッ素含有ガスである。Ｇｅドーパント種のいずれの富化レベルも考えられる。可能な富化レベルの例としては、限定されるものではないが、５０％を超える、５５％を超える、６０％を超える、７０％を超える、８０％を超える、または９０％を超える^７２ＧｅＦ_４が挙げられる。富化ＧｅＦ_４および他の同位体的に富化されたドーパントガスは、ウレンコ（Ｕｒｅｎｃｏ）（登録商標）のように、種々の製造供給業者から商業的に入手可能である。用いられるＧｅＦ_４または他のドーパントガスの富化レベルは、そのうちのいくつかが、ドーパントガスの流量、必要な注入量のレベル、イオン源の安定性を維持するのに必要な最小流量ならびに陰極の操作全電力レベルおよび温度を含んでもよいパラメータの組合せに基づく。ＧｅＦ_４の所与の富化レベルでは、従前に適格であったレベルから逸脱しないビーム電流を維持するために、全電力およびイオン源温度は、好ましくは、対応するあまり富化されていないまたは非富化ドーパントレベルで操作した場合に利用されるレベルと比較して、所定の量だけ低下させるべきである。

【0033】

富化ＧｅＦ_４および他のフッ素含有ガスに関しては、より低い温度におけるフィラメントまたは陰極の操作はタングステンチャンバーの壁の温度を降下させ、それにより、活性なフッ素イオンを介するチャンバー壁の攻撃を低下させる。その結果、より少ないＷＦｘ種がプラズマ相に生じる。加えて、低下した陰極温度では、陰極上にＷを再蒸着させるためのＷＦｘ還元の反応速度もまた低下する。より少量の全ＷＦｘは元素Ｗとして陰極源フィラメント上に再蒸着され、それにより、イオン源の寿命を延長させる。

【0034】

１つの実施形態において、^７２ＧｅＦ_４は５５％および７０％の間の富化レベルにおいて選択される。５５％〜７０％の富化レベルにおける^７２ＧｅＦ_４、および対応する非富化ドーパントガスで利用されたのと同一の流量（例えば、１〜３ｓｃｃｍの範囲の流量）範囲の維持を仮定すれば、電力レベルを低下させることができるパーセンテージは、対応するあまり富化されていないまたは非富化ドーパントガスについて利用される入力全電力レベルと比較して５〜２０％である。一般に、より高い富化レベルは、富化ドーパントガスのイオン化効率を減少させるのに電力レベルのより大きな低下を必要とするであろう。別法として、５５〜６０％の^７２Ｇｅの富化を有する^７２ＧｅＦ_４を利用することができ、そこでは、入力全電力レベルは、流量が１〜３ｓｃｃｍの範囲にある場合、対応するあまり富化されていないまたは非富化^７２ＧｅＦ_４ドーパントガスで利用される入力全電力レベルと比較して５〜１５％だけ低下する。さらにもう１つの実施形態において、約５８％富化された１〜３ｓｃｃｍの^７２ＧｅＦ_４をイオンチャンバー内に流動させる場合、入力全電力レベルは、約２００〜４００Ｗ、好ましくは２００〜３７５Ｗ、より好ましくは２００〜３５０Ｗの範囲とすることができる源フィラメントに対する入力電力の低下でもって操作することによって低下させることができる。

【0035】

もう１つの実施形態において、^７２ＧｅＦ_４は５８％以上の^７２Ｇｅの富化において選択され、２００〜５００Ｗの低下したフィラメント電力レベルは、チャンバーの壁が４００℃〜９００℃の範囲の低下した温度を有し、かつ流量が１ｓｃｃｍ〜３ｓｃｃｍの範囲にあるように選択される。

【0036】

もう１つの実施形態において、^７２ＧｅＦ_４の高度に富化されたレベルは本発明の原理に従って選択することができる。例えば、７０％を超え、かつ８０％未満の富化レベルを用いてもよい。７０％および８０％間の富化レベルの^７２ＧｅＦ_４をイオン注入し、かつ対応する非富化またはあまり富化されていないＧｅＦ_４ドーパントガスで利用されるのと同一のイオン源チャンバーへの流量範囲（例えば、１〜３ｓｃｃｍ）に維持すると、電力レベルを低下させることができるパーセンテージは２０％〜３０％であってよい。源フィラメントに供給される現実の電力は約１７５〜３５０Ｗ、好ましくは１７５〜３２５Ｗ、より好ましくは１７５〜３００Ｗの範囲であってよい。

【0037】

低下した電力レベルは、好ましくは、富化^７２ＧｅＦ_４の適切なイオン化を付与して^７２Ｇｅの必要な注入量を達成するのに十分であるが、ハロゲンサイクルの効果が最小化されるようにチャンバー壁および源フィラメントの温度を降下させるのに十分低いエネルギーを維持するように選択される。その結果、富化^７２ＧｅＦ_４を用いる場合、ハロゲンサイクルによるイオン源チャンバー中の望まない蒸着物を低下させることができる。慣用的なプロセスとは異なり、本発明は、富化ドーパントガスの流量を低下させる必要性なくしてより高い富化ドーパントガスを用いる場合に、イオン源の寿命が延長されるのを可能とする。

【0038】

低下したガス消費が主たる設計の目的であれば、低下した流量の同位体的に富化されたドーパントガスを、安定化ガスと組み合わせてチャンバーに導入してよいことは理解されるべきである。安定化ガスの説明に役立つ実例としては、限定されるものではないが、アルゴン、クリプトン、キセノン、水素、種々の他の不活性ガスおよびそのいずれかの組合せが挙げられる。安定化ガスは、ガスの合計最小流量を、少なくとも、イオン源中の最小圧力を維持して、プラズマを持続するのに必要な最小閾値まで増大させる。チャンバーに導入された富化ドーパントガスのより低い流量に応答して、イオン源に入力された全電力レベルは、同一に富化されたドーパントガス（例えば、５８％^７２ＧｅＦ_４）についての流量が低下しない先の実施形態に記載されたものよりもわずかに高く設定してもよい。このように、比較的わずかにより高い電力は、制御器によりドーパントガス（例えば、５８％^７２ＧｅＦ_４）のイオン化効率を増大させて、低下した流量によって、チャンバーに導入された^７２Ｇｅドーパント種の低下した数を埋め合わせる。それ自体、製造される^７２Ｇｅイオンの合計数は一定なままであり、適格なビーム電流が達成され、かつイオン注入プロセスの間に維持されることを可能とする。そのような技術は、同等な注入量を実施するのに、より少ないガスの消費を可能とする。１つの例において、質量^７２Ｇｅの５８％の富化レベルの０．７ｓｃｃｍ ^７２ＧｅＦ_４は、安定化ガスなくして１ｓｃｃｍの５８％^７２ＧｅＦ_４で用いられる低下した電力レベルと比較してわずかに増大した（例えば、１〜１０％）電力レベルにおいて０．３ｓｃｃｍの安定化ガス（例えば、アルゴン）と共に流動させることができる。別法として、０．３ｓｃｃｍの不活性化ガスで０．７ｓｃｃｍの５８％^７２ＧｅＦ_４をイオン化する場合の電力レベルは、例えば、^７２Ｇｅイオンが双方の場合において同一の量で生じるように、約１ｓｃｃｍにてチャンバーに導入される５０％の対応するあまり富化されていない^７２ＧｅＦ_４で使用される実質的に同一の電力レベルであるレベルまで増加させてもよい。限定されるものではないが、ドーパントガスの選択、ドーパントガスの富化レベル、富化ドーパントガスの流量、安定化ガスの選択、安定化ガスの流量、イオン源チャンバーの温度、およびイオン源に入力された全電力レベルを含めた種々の鍵となる設計変数の具体的な組合せがイオン源の寿命に影響するであろう。

【0039】

本発明の原理に従い、安定化ガスを含まない富化ドーパントガスについての流量は、少なくとも下限に、またはそれを超えて維持して、イオン源の安定性を維持すべきであるが、それを超えては、イオン源チャンバー中の圧力が、再結合反応が起こり得るように不合理に高くなる上限を超えるべきではない。具体的には、ドーパントイオンは再結合して、中性相化合物を形成する傾向がある。正味の効果は生じたイオンの総じての低下した数であり得るが、これは、比例して、注入で利用可能な低下したビーム電流に移って、必要な量を達成する。加えて、富化ドーパントガスが^７２ＧｅＦ_４のようなフッ素含有ガスであれば、上限を超える流量での操作は過剰なフッ素をイオンチャンバーに導入し、それにより、ハロゲンサイクルの効果を悪化させ、かつ該源の寿命を短縮させる。一般に、流量についての上限は５ｓｃｃｍを超えるべきではない。５ｓｃｃｍでの、またはそれ未満での操作は、フッ素含有ガスを使用すれば、ハロゲンサイクルの効果の加速を抑制することができる。従って、最適なイオン注入プロセスは、好ましくは、１ｓｃｃｍ以上のドーパントガスの流動富化レベルを使用して、イオン源の不安定性を克服し、および５ｓｃｃｍ以下のドーパントガスの流動富化レベルを使用して、再結合反応およびビーム電流の低下を回避する。好ましい実施形態において、流量は、前記した低下した電力レベルで操作する場合、７５％以上に^７２Ｇｅが富化された^７２ＧｅＦ_４については１〜３ｓｃｃｍの間の範囲である。上方および下方流量の間の富化ガスの適当な流量の選択は、種々の前記した鍵となるプロセスパラメータを含めた、具体的なイオン注入プロセスそれ自体に依存するであろう。

【0040】

いずれの亜大気圧貯蔵および真空作動送達デバイスを利用して、富化ドーパントガスを貯蔵し、送達することもできることが理解されるべきである。好ましい実施形態において、プラクスエア（Ｐｒａｘａｉｒ）（登録商標）によって商業的に入手可能であって、その全てがここに引用してその全体が援用される米国特許第５，９３７，８９５号；同第６，０４５，１１５号；同第６，００７，６０９号；同第７，７０８，０２８号；および同第７，９０５，２４７号に開示されたアップタイム（Ｕｐｔｉｍｅ）（登録商標）送達デバイスを本発明で使用して、制御された流量の富化ドーパントガスをイオン源に安全に送達することができる。圧力条件が亜大気圧条件を達成すると、該送達デバイスは、拘束された富化ドーパントガスが流体放出ラインを通ってシリンダーからイオン装置に流動することを可能とする。

【0041】

図１および２を参照し、本発明の原理に従った例示的なイオン注入装置１００が示される。具体的には、１つの例において、^７２Ｇｅイオンを半導体基板に注入するための電子ビームを生じさせるのに図１のイオン源装置１００を用いることができる。^７２Ｇｅイオンは、５５％以上に^７２Ｇｅが富化された^７２ＧｅＦ_４のイオン化から生じる。富化^７２ＧｅＦ_４は、好ましくは、流れ１０２として入口ライン１１３を通って亜大気圧貯蔵および送達容器２０１（図２）からチャンバー１０３に導入される。流れ１０２は、約１〜５ｓｃｃｍ、またはより好ましくは１〜３ｓｃｃｍの範囲の流量で導入することができる。イオン源１００に入力された全電力レベルは、あまり富化されていないまたは非富化ＧｅＦ_４ドーパントガスで利用される全電力レベルと比較して低下される。一般的に言えば、^７２ＧｅＦ_４のより高い富化レベルの利用は、イオン源１００に入力される全電力レベルがさらに減少して、チャンバー１１３への単位流動当たりの生じた^７２Ｇｅイオンの数の低下を可能とすることを必要とするであろう。

【0042】

図１に描かれたイオン源１００は、富化^７２ＧｅＦ_４をその対応するイオンにイオン化するためのイオン源として働く間接的に加熱された陰極（ＩＨＣ）１１５の源フィラメント１１４を含めた種々の構成要素を有する。例えば、フリーマン（Ｆｒｅｅｍａｎ）源、ベルナス（Ｂｅｒｎａｓ）源およびＲＦプラズマ源を含めた、当該分野で知られた他の適当なタイプのイオン源を使用することができるのは理解されるべきである。

【0043】

電力供給源（図示せず）は、陰極１１５に近接して位置したタングステン系フィラメント１１４を抵抗により加熱する。フィラメント１１４は陰極１１５に対して負にバイアスをかけてもよい。電力供給源を通って電流がフィラメント１１４に印加されて、フィラメント１１４を抵抗により加熱する。インシュレーター１１８が設けられて、陰極１１５をアークチャンバー壁１１４から電気的に隔離する。低下した電力レベルは、好ましくは、陰極１１５の温度を降下させるが、富化^７２ＧｅＦ_４の適切なイオン化を維持して、^７２Ｇｅの必要な注入量を達成するように選択される。イオンチャンバー１１２の壁および源フィラメント１１４の温度も低下され、それにより、ハロゲンサイクルの有害効果を緩和する。

【0044】

低下した電力および温度は、より少数の電子を陰極１１５から発生させ、これは陰極１１５からの発生した電子との相互作用および衝突から生じるより少数の総じての^７２Ｇｅイオンに移動する。陰極１１５は、また、より低いエネルギーのものであるより少数の電子を生じさせる。同様に、同一のビーム電流が、対応するあまり富化されていないＧｅＦ_４（例えば、富化ＧｅＦ_４からの５０〜５２％で富化された^７２Ｇｅ）または非富化ＧｅＦ_４（すなわち、非富化ＧｅＦ_４から２７％の天然存在量レベルで天然に生じる^７２Ｇｅ）のように生じ得るが、それにより、イオン源１００の寿命は、チャンバー１１３で生じたより少ない遊離フッ化物イオンおよびタングステンチャンバーの壁に沿ってのその中のより低い温度の結果として延長される。

【0045】

依然図１を参照し、陰極１１５からの放出された電子は富化^７２ＧｅＦ_４を加速し、それをイオン化して、チャンバー１１２内でプラズマ環境を生じさせる。１〜３ｓｃｃｍの流量は、イオン注入プロセスの間にチャンバー１１２中のプラズマの安定性を維持するのに十分高い。リペラ電極１１６は負の電荷を形成して、電子を富化^７２ＧｅＦ_４に向けて遠ざけ、それと衝突させ、富化^７２ＧｅＦ_４のイオン化を持続する。このように、プラズマ環境が、イオン源１００の安定性を維持するのに十分なままである圧力にてアークチャンバー１１２において維持される。

【0046】

リペラ電極１１６は、好ましくは、富化^７２ＧｅＦ_４のイオン化をチャンバー１１２内に維持するように、陰極１１５に対して実質的に直径方向に対向して構成される。アークチャンバーの壁１１１は、それを通ってよく規定されたイオンビーム１２１がアークチャンバー１１２から外に取り出される取出開口１１７を含む。取出システムは、取出開口１１７の前方に位置した、取出電極１２０および抑制電極１１９を含む。取出および抑制電極１２０および１１９の双方は、よく規定されたイオンビーム１２１の取出のための取出開口１１７と整列した各開口を有する。

【0047】

図２は、ビーム・ライン・イオン注入システム２００に組み込まれた図１のイオン源装置１００を示す。５５％以上の富化^７２ＧｅＦ_４がガスボックス２０１から導入される。富化^７２ＧｅＦ_４はイオン源チャンバー１００に導入され、そこで、エネルギーがチャンバーに導入されて、既に記載されたように^７２ＧｅＦ_４をイオン化する。質量流量制御器および弁を含む流動制御デバイス２１９を用いて、１〜３ｓｃｃｍの所望の流量に富化ドーパントガスの流動を制御する。

【0048】

あまり富化されていない^７２ＧｅＦ_４または非富化ＧｅＦ_４から生じたビームと同様に維持された所望の電流における所望の^７２Ｇｅイオンビームの発生に際し、イオンビーム取出システム２０１を用いて、所望のエネルギーのイオンビーム１２１の形態にてイオン源チャンバー１１３からイオンを取り出す。取出は、取出電極を横切って高い電圧を印加することによって行うことができる。取り出されたビーム２２１は質量アナライザー／フィルター２０５を通って輸送されて、注入すべき^７２Ｇｅ種を選択する。次いで、濾過されたイオンビーム２０７を加速／減速し２０６、および^７２Ｇｅドーパント原子種の標的加工品２０９への注入のために末端ステーション２１０に位置した該加工品２０９の表面まで輸送することができる。ビームの^７２Ｇｅイオンは、所望の電気および物理特性を持つ領域を形成する特異的な深さにて該加工品２０９の表面と衝突し、該表面を貫通する。

【0049】

代替実施形態において、５５％以上の富化^７２ＧｅＦ_４を約１〜３ｓｃｃｍの範囲の流量で導入し、それにより、フィラメント１１４および陰極１１５の間のバイアスは低下する。バイアス電圧は１００Ｖ〜６００Ｖの間の範囲とすることができる。このように、チャンバー１１３中の富化ＧｅＦ_４ドーパントガス１０３に付与された正味のイオン化エネルギーが低下して、所望の数の^７２Ｇｅイオンを生じさせて、適格なビーム電流を維持する。さらに、低下したバイアス電圧は陰極１１５のより低い温度を生じさせ、それにより、ハロゲンサイクルの有害な効果を低下させる。

【0050】

さらなる代替実施形態において、イオンチャンバー１１３におけるアーク電圧を所定の量だけ降下させることができる。具体的には、陰極１１５およびチャンバー壁１１１の間のポテンシャルの差が低下する。１つの実施形態において、本発明のアーク電圧は５０Ｖ〜１５０Ｖの範囲とすることができる。アーク電圧を所定の量だけ低下させることによって、陰極１１５から発生した電子に付与されたエネルギーは低下する。アーク電圧の適当な低下は、好ましくは、プラズマのイオン化効率を降下させて、対応する非富化またはあまり富化されていない^７２ＧｅＦ_４から生じた対応する^７２Ｇｅイオンの数と実質的に同等な^７２Ｇｅイオンの量を維持する。このように、（イオンおよび中性体を含めた）生じた活性なフッ素の正味の量は少量であり、その結果、ハロゲンサイクルの出現は少なくなり、それにより、イオン源の寿命を改良し、延長する。

【0051】

別法として、アークバイアス、アーク電圧および陰極１１５に対する入力電力のいずれの組合せを低下させて、イオン源１００に入力された総じての全電力を降下させることができるのは理解されるべきである。全電力レベルの低下は、ユーザーが、富化されたおよび高度に富化されたドーパントガスをイオン注入するプロセスの利点を実現するのを可能とする。

【0052】

本発明の一部の実施形態であると考えられるものを示し、かつ記載してきたが、もちろん、発明の精神および範囲を逸脱することなく、形態または詳細の種々の改変および変更を容易になすことができると理解されるであろう。従って、本発明は示しかつ記載した本明細書中における正確な形態および詳細に限定されるものではなく、また本明細書中に開示され、かつ以下に特許請求される発明の全体未満のものに限定されないことが意図される。

【図1】

【図2】