JP6969065B2

JP6969065B2 - イオン注入方法、イオン注入装置

Info

Publication number: JP6969065B2
Application number: JP2017226077A
Authority: JP
Inventors: 琢巳湯瀬; 充矢作; 聡豊田
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2017-11-24
Filing date: 2017-11-24
Publication date: 2021-11-24
Anticipated expiration: 2037-11-24
Also published as: JP2019096517A

Description

本発明は、イオン源に関し、特に、イオン注入装置に用いるイオン源のメンテナンス技術に関する。

近年、既存のシリコン（Ｓｉ）基板と比較して耐熱性・耐電圧性に優れた炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板の製造方法が確立し、比較的安価に手に入るようになっている。
ＳｉＣ基板を用いたプロセスではアルミニウムイオンをドーパントとして注入するプロセスがあり、アルミニウムイオンビームを生成するイオン源を有するイオン注入装置が使用されている。

図２は、従来のイオン生成室５０の内部を示す断面図である。
このイオン生成室５０は、真空槽５１を有しており、真空槽５１の内部にはイオン生成容器５２が配置されている。
真空槽５１の側壁には開口５１ｂが設けられており、開口５１ｂは蓋部５１ｃによって密閉されている。イオン生成容器５２は保持機構５４によって蓋部５１ｃに固定されている。

真空槽５１の外部にはガス供給容器５９が配置されている。基板等の注入対象物に注入する原子を有する原材料は、ガス供給容器５９に配置されている場合とイオン生成容器５２の内部に配置される場合とがあり、ガス供給容器５９の内部に配置された場合は原材料はガス供給容器５９の内部で気化され、生成された原材料ガスがガス供給容器５９からイオン生成容器５２に供給される。

イオン生成容器５２に原材料が配置された場合はガス供給容器５９に反応性ガスが配置され、ガス供給容器５９から供給された反応性ガスと原材料とがイオン生成溶器５２の内部で反応し、気体が生成される。
いずれの場合もイオン生成容器５２の内部の気体は電離され、プラズマが形成される。

イオン生成容器５２の一側壁は真空槽５１の壁面と対面して配置されており、対面したイオン生成容器５２の一側壁と真空槽５１の壁面との間には引出電極５３が配置されている。引出電極５３は碍子５７によって真空槽５１に固定されている。

イオン生成容器５２は、蓋部５１ｃと保持機構５４とを介して引出電源５６に接続されており、引出電極５３は、加減速電源５８に接続されている。
真空槽５１は接地電位に接続されており、イオン生成容器５２は引出電源５６によって正電圧が印加され、引出電極５３には加減速電源５８によって負電圧が印加されるようになっている。

ここでは、イオン生成容器５２の内部には、アルミナイトライドが原材料として配置されており、ガス供給容器５９からイオン生成容器５２にＰＦ₃ガスが反応性ガスとして供給されるようになっており、イオン生成容器５２の内部で原材料と反応性ガスとが反応し、アルミニウムを含む化合物ガスが生成され、電子線照射等によって、プラズマが生成される。

互いに対面したイオン生成容器５２の一側壁と真空槽５１の壁面と、また、その間に配置された引出電極５３とには、それぞれ引出孔５２ａ、５１ａ、５３ａが設けられており、イオン生成容器５２の内部で生成されたイオンは、引出電極５３とイオン生成容器５２とが形成する電界によって、イオン生成容器５２の外部に引き出され、真空槽５１の引出孔５１ａから真空槽５１の外部に射出される。

このようなイオン生成室５０において、アルミニウムイオンを生成する場合には、ガス供給容器５９にフッ素系ガス（例えばＰＦ₃）を反応性ガスとして配置すると共に、イオン生成容器５２の内部にアルミナイトライド又はアルミナを原材料として配置し、イオン生成容器５２の内部に反応性ガスを導入し、反応させてＡｌイオンを生成し、引出孔５２ａ、５３ａ、５１ａを通過させて真空槽５１の外部に放出する。

しかし、このようなアルミナイトライド等とＰＦ₃を反応させる方法では副生成物として絶縁性のフッ化アルミニウム（ＡｌＦ_x）が発生し、この発生したフッ化アルミニウムが、真空槽５１内の内壁面に付着して絶縁膜６０、６１を形成すると、真空槽５１内において異常放電が発生するという問題がある。

このような異常放電が発生すると、イオンビーム電流が変動して注入対象物の歩留まりが低下することに加え、電磁ノイズによってイオン注入装置の電源や真空ポンプの故障を引き起こすこともある。

このため、従来は、異常放電が頻発した場合にはイオン生成室５０の真空槽５１を大気に開放して絶縁膜６０、６１を除去するようにしているが、従来技術では、このようなメンテナンスを頻繁に行わなければならず、生産効率を悪化させるという課題があった。

そこで、絶縁膜を発生させない原材料が求められており、Ａｌイオンの発生源としてＡｌ(ＣＨ₃)₃があるが、この化合物については気化させて電離させると電荷質量比の値がＡｌイオンと同じ”２７”の炭化水素イオン(Ｃ₂Ｈ₃ ⁺)が発生し、分離させることが困難である。

他方、注入するイオンとして、半導体単結晶ウェハーに数ミクロンの深さで高濃度に注入する水素が注目されており、注入後、熱処理するとシリコン結晶の結合が切断され、単結晶ウェハーの全表面をミクロン寸法の厚みで剥がすことができる(スマートカット技術)。また、水素注入は、ＬｉＮｂＯ₃基板等の薄膜加工や次世代太陽電池用の単結晶シリコン薄膜などの作製にも用いられるようになっている。

従って、水素をドーパントとしたイオン注入も注目されている。
また、ホウ素はＳｉパワー半導体の不純物としてＳｉ基板表面に導入されており、これらのことから異なるイオンを注入する多種類の注入対象物に簡単に対応できるイオン注入装置が求められている。

特開平５−１８２６２３号公報

本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、イオン源での異常放電を発生させないイオン注入装置を提供することにある。
また、本発明は、原材料を交換せずに、アルミニウムイオンとホウ素イオンと水素イオンとのうちからイオンの種類を選択して注入することができるイオン注入装置を提供することにある。

上記課題を解決するためになされた本発明は、水素化ホウ素アルミニウムを気化させて水素化ホウ素アルミニウムガスを生成し、前記水素化ホウ素アルミニウムガスを分解させてプラズマを形成し、前記プラズマから陽イオンを引き出し、水素イオン、ホウ素イオン、又はアルミニウムイオンの三種類のイオンのうちからいずれか一種の所望の陽イオンを電荷質量比に基づいて選別し、選別した陽イオンを注入対象物に照射して前記注入対象物に注入させるイオン注入方法である。
また本発明は、前記水素化ホウ素アルミニウムの液体を容器内に配置し、前記容器内を真空排気して前記水素化ホウ素アルミニウムガスを生成するイオン注入方法である。
また本発明は、水素化ホウ素アルミニウムが原料液として配置され、前記原料液を気化して原料ガスを生成するガス供給装置と、前記ガス供給装置によって気化された前記原料ガスが供給され、前記原料ガスを電離させてプラズマを形成するイオン生成容器と、前記プラズマから陽イオンを引き出す引出電極と、前記引出電極によって引き出された陽イオンから、水素イオン、ホウ素イオンまたはアルミニウムイオンの三種類のイオンのうちの所望の一種の陽イオンを通過させる質量分析装置と、前記質量分析装置を通過した陽イオンが照射される注入対象物が配置される基板配置装置と、を有するイオン注入装置である。

本発明は、イオン生成室内には絶縁膜が堆積されないので、絶縁膜の付着を原因とするイオン源での異常放電の発生が無い。
本発明は、アルミニウムイオンとホウ素イオンと水素イオンとを含有するプラズマが生成されるので、質量分析装置の磁界強度を変更するだけで、アルミニウムイオンとホウ素イオンと水素イオンとのうちのいずれかのイオンを通過させて注入対象物に注入することができる。

また、炭化水素イオンが発生せず、炭化水素が注入対象物に注入されることがない。
水素化ホウ素アルミニウムは室温でも真空雰囲気中に置くだけで蒸気を得ることができるので、気化装置を必要としない。

本発明のイオン源を用いたイオン注入装置の全体を示す概略構成図従来のイオン源の一例の内部構成を示す部分断面図

図１の符号２は、本発明の一例のイオン注入装置である。
このイオン注入装置２は、イオン生成室１２と、主真空室１１と、注入室１３と、を有している。イオン生成室１２と注入室１３とは主真空室１１によって接続されている。

少なくとも注入室１３には真空排気装置１９が接続されており、イオン生成室１２の内部と主真空室１１の内部と注入室１３の内部とは真空雰囲気にされている。
注入室１３の内部には、基板配置装置３６が配置されている。図１では、基板配置装置３６には、イオンを注入する基板である注入対象物１５が配置されている。

イオン生成室１２の内部にはイオン生成容器２２が配置されており、イオン生成室１２の外部にはガス供給装置２１が配置されている。
ガス供給装置２１は容器状であり、イオン生成容器２２に接続されており、イオン生成容器２２は主真空室１１に接続されている。

ガス供給装置２１には液体の水素化ホウ素アルミニウム(Ａｌ(ＢＨ₄)₃)である原料液が配置されている。この原料液の化合物はアルミニウムボロヒドリド（aluminium borohydride）とも呼ばれている。

水素化ホウ素アルミニウムの沸点は４５℃であり、イオン生成室１２や主真空室１１が真空排気されてイオン生成容器２２の内部とガス供給装置２１の内部も真空排気され、原料液が真空雰囲気中に置かれると、原料液は気化されて原料ガスが生成される。原料液が室温であっても原料液が真空雰囲気に置かれるだけで気化は発生し、ガス供給装置２１の内部は原料ガスで充満される。

ガス供給装置２１の内部の原料ガスは、ガス供給装置２１からイオン生成容器２２に移動し、イオン生成容器２２の内部で電子線が照射されて分解し、Ａｌ⁺とＨ⁺とＢ⁺とが含有されたプラズマが形成される。

Ａｌ(ＢＨ₄)₃は炭素原子が含有されておらず、分解されても炭素を含むイオンは生成されず、固体の絶縁物は発生しないので、絶縁物の膜は堆積されず、ガス管等の閉塞や異常放電は発生しない。

イオン生成容器２２は主真空室１１の走行部１４に接続されており、走行部１４の内部には、スリット２０とイオン引出電極２３とが配置されている。

主真空室１１と、注入室１３と、イオン生成室１２とは接地電位に接続され、イオン生成容器２２には正電圧が印加され、イオン引出電極２３には負電圧が印加されている。符号３１はイオン生成容器２２とイオン引出電極２３とに電圧を印加する電源である。

イオン引出電極２３とイオン生成容器２２とによって形成された電界により、イオン生成容器２２の内部に形成されたプラズマから陽イオンがスリット２０を通過して走行部１４の内部に引き出され、引き出された陽イオンは走行部１４の内部を進行する。

引き出された陽イオンの進行方向前方の主真空室１１には質量分析装置２４が設けられている。
質量分析装置２４は電磁石２５ａ、２５ｂを有している。

主真空室１１の外部には、制御装置１８と分析用電源３２とが配置されており、電磁石２５ａ、２５ｂには分析用電源３２から電流が供給され、質量分析装置２４の内部に磁界が形成される。

分析用電源３２は制御装置１８に接続されており、分析用電源３２が電磁石２５ａ、２５ｂに供給する電流は制御装置１８によって制御されている。従って、質量分析装置２４の内部に形成される磁界の強度は制御装置１８によって制御されている。

イオン引出電極２３によって引き出されたイオンが質量分析装置２４の内部に入射すると、入射したイオンは電磁石２５ａ、２５ｂが形成する磁界によってローレンツ力を受け、イオンの電荷質量比の値と、形成された磁界の強度とに応じてイオンの飛行方向が湾曲される。

主真空室１１のうち、質量分析装置２４が設けられた部分の槽壁は所定方向に湾曲されており、飛行方向が槽壁の湾曲に対応して湾曲されたイオンが質量分析装置２４を通過する。イオンのうち、他の湾曲率のイオンは、主真空室１１の湾曲した槽壁に設けられた部材に衝突し、質量分析装置２４を通過できない。

イオンの飛行方向の湾曲は、質量分析装置２４の内部に形成された磁界の強度とイオンの電荷質量比の値によって決まる大きさであり、制御装置１８が電磁石２５ａ、２５ｂへの通電量を制御することで磁界強度が変化され、所望の電荷質量比を有するイオンを通過させることができる。この場合は他の電荷質量比を有するイオンは質量分析装置２４を通過できない。

質量分析装置２４を通過したイオンは、所定の電荷質量比を有するイオンであり、その進行方向前方の主真空室１１には、加速部２８が配置されている。
加速部２８は、第一スリット２６と、第一スリット２６よりもイオンの進行方向前方に配置された第二スリット２７とを有しており、第一スリット２６と第二スリット２７との間には、複数の加速電極２９が配置されている。

各加速電極２９には所定の電圧が印加されており、加速部２８に入射して第一スリット２６を通過したイオンは複数の加速電極２９の間を通過する際に加速電極２９によって加速され、第二スリット２７を通過する。符号３７は加速電極２９に電圧を印加する電源を示している。

第二スリット２７を通過したイオンの進行方向前方には、静電スキャン部３３が配置されている。
静電スキャン部３３の内部には複数の制御電極３４が配置されており、各制御電極３４には電圧が印加され、静電スキャン部３３の内部に電界が形成されている。符号３８は制御電極３４に電圧を印加する電源を示している。

第二スリット２７を通過したイオンは静電スキャン部３３の内部に形成された電界の中に入射すると、電界によって飛行方向が湾曲されて静電スキャン部３３を通過する。
静電スキャン部３３を通過したイオンの進行方向前方には、注入室１３が配置されており、静電スキャン部３３を通過したイオンは注入室１３の内部に入射する。

注入室１３に入射したイオンの進行方向前方には、基板配置装置３６が設けられており、注入室１３に入射したイオンは、基板配置装置３６に配置された注入対象物１５に照射され、注入対象物１５の表面に注入される。

制御電極３４に電圧を印加する電源３８は制御装置１８に接続され、制御電極３４に出力する電圧の大きさが制御装置１８によって制御されており、イオンの飛行方向の湾曲の大きさが制御装置１８によって変化され、基板配置装置３６上の所望の位置にイオンが照射されるようになっており、制御装置１８によってイオンビームの照射位置が移動され、注入対象物１５の片面全部に所定量のイオンが照射され、注入される。

注入対象物１５の表面へ所定量のイオンが注入されるとその注入対象物１５に対するイオン注入作業は終了し、注入室１３から外部に搬出される。

ここで、電磁石２５ａ、２５ｂが形成する磁界により、Ａｌイオンが質量分析装置２４を通過するようにされている場合は、注入対象物１５にＡｌイオンが照射され、Ａｌが注入対象物１５の表面に所定量が注入される。Ａｌが注入された注入対象物１５が注入室１３から搬出された後、Ｂを注入する注入対象物が注入室１３に搬入され、基板配置装置３６に配置された場合には、分析用電源３２が電磁石２５ａ、２５ｂに供給する電流量が変化され、質量分析装置２４をＢイオンが通過し、注入対象物に照射される。また、Ｈを注入する注入対象物が基板配置装置３６に配置された場合は、Ｈイオンが質量分析装置２４を通過するように、分析用電源３２が電磁石２５ａ、２５ｂに供給する電流量が変化され、注入対象物にＨイオンが照射される。

このように、本発明のイオン注入装置２の質量分析装置２４は、イオン引出電極２３によってイオン生成容器２２から引き出された陽イオンから、水素イオン、ホウ素イオンまたはアルミニウムイオンの三種類のイオンのうち、所望の一種のイオンを通過させることができるようになっている。

２……イオン注入装置
１２……イオン生成室
１５……注入対象物
２１……ガス供給装置
２２……イオン生成容器
２４……質量分析装置

Claims

水素化ホウ素アルミニウムを気化させて水素化ホウ素アルミニウムガスを生成し、
前記水素化ホウ素アルミニウムガスを分解させてプラズマを形成し、前記プラズマから陽イオンを引き出し、水素イオン、ホウ素イオン、又はアルミニウムイオンの三種類のイオンのうちからいずれか一種の所望の陽イオンを電荷質量比に基づいて選別し、選別した陽イオンを注入対象物に照射して前記注入対象物に注入させるイオン注入方法。
前記水素化ホウ素アルミニウムの液体を容器内に配置し、前記容器内を真空排気して前記水素化ホウ素アルミニウムガスを生成する請求項１記載のイオン注入方法。
水素化ホウ素アルミニウムが原料液として配置され、前記原料液を気化して原料ガスを生成するガス供給装置と、
前記ガス供給装置によって気化された前記原料ガスが供給され、前記原料ガスを電離させてプラズマを形成するイオン生成容器と、
前記プラズマから陽イオンを引き出す引出電極と、
前記引出電極によって引き出された陽イオンから、水素イオン、ホウ素イオンまたはアルミニウムイオンの三種類のイオンのうちの所望の一種の陽イオンを通過させる質量分析装置と、
前記質量分析装置を通過した陽イオンが照射される注入対象物が配置される基板配置装置と、
を有するイオン注入装置。