特許 6165241 ガリウムイオンを有するイオンビームを発生する方法及び装置

(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】6165241

(24)【登録日】2017年6月30日

(45)【発行日】2017年7月19日

(54)【発明の名称】ガリウムイオンを有するイオンビームを発生する方法及び装置

(51)【国際特許分類】

   H01J 27/08 20060101AFI20170710BHJP

   H01J 37/08 20060101ALI20170710BHJP

   H01L 21/265 20060101ALI20170710BHJP

【ＦＩ】

   H01J27/08

   H01J37/08

   H01L21/265 603A

【請求項の数】8

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2015-514039(P2015-514039)

(86)(22)【出願日】2013年5月3日

(65)【公表番号】特表2015-525438(P2015-525438A)

(43)【公表日】2015年9月3日

(86)【国際出願番号】US2013039437

(87)【国際公開番号】WO2013176867

(87)【国際公開日】20131128

【審査請求日】2016年3月18日

(31)【優先権主張番号】13/477,253

(32)【優先日】2012年5月22日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】500239188

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

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】100156867

【弁理士】

【氏名又は名称】上村 欣浩

(74)【代理人】

【識別番号】100149249

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 達也

(72)【発明者】

【氏名】コステル ビロイウ

(72)【発明者】

【氏名】クレイグ チェニー

(72)【発明者】

【氏名】ニール バッソン

(72)【発明者】

【氏名】ベンジャミン コロンボ

(72)【発明者】

【氏名】デニス ピー ロディエ

【審査官】 杉田 翠

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−２２１６２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−００３８８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−２１１５４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５７−０３０２５０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ２７／００−２７／２６

３７／０４

３７／０６−３７／０８

３７／２４８

３７／３０−３７／３６

Ｈ０１Ｌ２１／２６−２１／２６８

２１／３２２−２１／３２６

２１／４２−２１／４２５

２１／４２８

２１／４７７−２１／４７９

Ｈ０５Ｈ１／００−１／５４

ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガリウムイオンを有するイオンビームを発生する方法であって、
ガリウム化合物ターゲットの少なくとも一部分をプラズマチャンバ内に用意するステップであって、前記ガリウム化合物ターゲットは、ガリウム及び少なくとも１つの追加的元素を含むステップと；
少なくとも１つのガス種を用いて、前記プラズマチャンバ内でプラズマの発生を開始するステップと；
ガスエッチャント種の供給源を用意して、このガスエッチャント種を前記ガリウム化合物ターゲットと反応させて、揮発性のガリウム種を形成するステップと
を含み、
前記ガスエッチャント種の供給源を用意するステップが、エッチャントガスを前記プラズマチャンバ内に送達することを含み、
ＮＦ₃を、前記エッチャントガスとして供給し、酸化ガリウムを、前記ガリウム化合物ターゲットとして用意することを特徴とする方法。

【請求項2】

前記ガスエッチャント種の供給源を用意するステップが、前記ガスエッチャント種の前駆体物質を、前記ガリウム化合物ターゲット中に設けることを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記エッチャントガスを、前記ガリウム化合物ターゲットと反応して、ガリウム含有ガス種を生成すべく機能するガスとして供給することを、さらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記ガスエッチャント種の供給源が、８eVより大きいイオン化エネルギーを有する気相種を発生すべく機能することを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記ガリウム化合物ターゲットが、プラズマに晒されると、固体として凝結する副産物を生成することなしに、揮発性のガリウム種を産出するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記揮発性のガリウム種は、ＧａＦ₂を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項7】

ガリウムイオンビームを発生する装置であって、
少なくとも１つのガス種を有するプラズマを、プラズマチャンバ内に発生するプラズマ源と；
少なくとも部分的に前記プラズマチャンバ内に配置されたガリウム化合物ターゲットとを具え、前記ガリウム化合物ターゲットが、ガリウム及び少なくとも１つの追加的元素を有し、前記少なくとも１つのガス種のうち１つ以上と、前記ガリウム化合物ターゲットとが相互作用して、ガスエッチャント種を発生し、このガスエッチャント種が、前記ガリウム化合物ターゲットと反応して、揮発性のガリウム含有種を形成すべく機能し、
前記プラズマがＮＦ₃を含み、前記ガリウム化合物ターゲットが酸化ガリウムを含むことを特徴とするガリウムイオンビーム発生装置。

【請求項8】

前記プラズマチャンバが、前記ガリウム化合物ターゲットと反応してガリウム含有ガス種を生成すべく機能するエッチャントガスを受け入れるように構成されていることを特徴とする請求項７に記載の装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、イオン源に関するものであり、特に、半導体製造に関連してガリウム（Ｇａ）イオンを生成するための材料、システム、及び装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

イオン注入のような処理技術は、種々のイオン種を用いて基板を処理する能力を提供する。イオン注入システムでは、固体、液体、及び気体ベースのイオン源を含めた種々のイオン源が利用可能である。多数のイオン種に対して、種々の気体先駆物質が、基板を処理するために使用される材料の供給源としての役割を果たすべく利用可能である。しかし、一部のイオン種については、気体先駆物質が存在しないか、存在するにしても低いビーム電流を生じさせるかである。有効な気体先駆物質のないイオン種については、液体及び／または粉末先駆物質が利用可能なことがあるが、こうした先駆物質は、イオンが抽出されるイオン源用の気相種を生成するために、気化器の使用を必要とする。

【0003】

上記先駆物質に対する代わりの取り組みは、イオン源チャンバ内に挿入することのできる固体ターゲットの使用である。こうした構成では、不活性ガスイオンのような選定したイオン種をイオン源チャンバ内で用いて、プラズマを発生することができる。固体ターゲットは、プラズマイオン用のスパッタリング・ターゲットとして機能し、これらのプラズマイオンは、ターゲットに向けて加速されて、原子または原子群をターゲットからスパッタリングする。しかし、ターゲットが誘電体材料である場合、ターゲットに印加されるＤＣバイアスは、ターゲットにバイアスをかける効果がなく、このため、プラズマとターゲットとの間の実効的な電位降下は、プラズマ電位と、誘電体ターゲットの表面上に展開する浮動の自己バイアス電位との差と等価になる。一価イオンのeV単位のイオンエネルギーと等価な電圧であるこうした電位は、一般に、数ボルトから数十ボルトの範囲内であり、１００eVに満たないかもしれないエネルギーでターゲットに衝突するイオンを生じさせる。こうした低いエネルギー範囲では、大部分の材料についてのスパッタリング歩留まりが低いので、エッチャントガスをプラズマと共に使用して、ターゲット原子が気相になる歩留まり率を増加させることが望ましいことがある。

【0004】

ガリウムイオンは、集束イオンビーム処理において長らく使用され、この処理では、液体源からガリウムイオンを導出する。しかし、このことは、比較的大きな面積にわたって高い電流密度を必要とするシステムには適さないことがある。固体ターゲットの場合、固体Ｇａターゲットは、その元素金属の融点が低いため、直ちにイオン源用に使用することはできない。以上のことを考慮すれば、ガリウムイオン源における改良が必要であることは明らかである。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0005】

１つの好適例では、ガリウムイオンビームを発生する方法が、ガリウム化合物ターゲットをプラズマチャンバ内に用意するステップを含み、このガリウム化合物ターゲットは、ガリウム及び少なくとも１つの追加的元素を含む。この方法は、さらに、少なくとも１つのガス種を用いてプラズマチャンバ内でプラズマの発生を開始するステップと、ガスエッチャント種の供給源を用意し、このガスエッチャント種が、ガリウム化合物ターゲットと反応して揮発性のガリウム種を形成すべく機能するステップとを含む。

【0006】

１つの好適例では、ガリウムイオンを有するイオンビームを発生する方法が、ガリウム化合物ターゲットの一部分をプラズマチャンバ内に用意するステップを含み、このガリウム化合物ターゲットは、ガリウム及び少なくとも１つの追加的元素を含む。この方法は、さらに、少なくとも１つのガス種を用いて、プラズマチャンバ内でプラズマの発生を開始するステップと、ガスエッチャント種の供給源を用意して、このガスエッチャント種をガリウム化合物ターゲットと反応させて、揮発性のガリウム種を形成するステップとを含む。

【0007】

追加的な好適例では、ガリウムイオンビームを発生する装置が、プラズマチャンバ内にプラズマを発生するためのプラズマ源を含み、このプラズマは、少なくとも１つのガス種を有する。この装置は、少なくとも部分的にプラズマチャンバ内に配置されたガリウム化合物ターゲットも含み、このガリウム化合物ターゲットは、ガリウム及び少なくとも１つの追加的元素を含み、少なくとも１つのガス種のうち１つ以上とガリウム化合物ターゲットとが相互作用してガスエッチャント種を発生し、このガスエッチャント種は、ガリウム化合物ターゲットと反応して、揮発性のガリウム種を形成すべく機能する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】イオン源の実施形態を示す図である。

【図2】本実施形態によりガリウムイオンを発生するシナリオを示す図である。

【図3】窒化ガリウムについてのスパッタ歩留まり曲線を示す図である。

【図4】ガリウムリンについてのスパッタ歩留まり曲線を示す図である。

【図5】ガリウムヒ素についてのスパッタ歩留まり曲線を示す図である。

【図6】プラズマに晒したガリウムヒ素ターゲットによって生成されるイオン種を示す図である。

【図7】酸化ガリウムについてのスパッタ歩留まり曲線を示す図である。

【図8】一実施形態による、プラズマに晒される酸化ガリウム・ターゲットによって生成されるイオン種を示す図である。

【図9】一実施形態による、他のプラズマに晒される酸化ガリウム・ターゲットによって生成されるイオン種を示す図である。

【図10】好適なイオン注入システムを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本明細書に開示する実施形態は、改良されたガリウムイオン用の供給源を提供する。種々の実施形態では、改良された供給源が、傍熱陰極（ＩＨＣ：indirectly heated cathode）イオン源のようなプラズマベースのイオン源用の、固体ガリウム化合物ターゲットと雰囲気ガス種との新規な組合せを含むことができる。本実施形態は、例えば、ビームライン・イオン注入システムを含むイオン注入システムにおいて用いることができ、こうしたシステムでは、ガリウムイオンをイオン源から抽出して、ターゲットに向けて供給する。特定の実施形態は、傍熱陰極源、あるいは固体ターゲットを用いる他のプラズマベースのイオン源において使用されるターゲット／ガスの組合せに指向している。

【0010】

集束イオンビーム技術では、Ｇａイオンが用いられてきたが、高電流、高性能のＧａイオン源の開発は、上述した理由で遅れていた。高電流用途の一例では、シリコンのようなＩＶ族半導体用のアクセプタ型（ｐ型）ドーパントとして、Ｇａを用いることができる。しかし、従来の市販のイオン注入システムは、ｐ型ドーパントとして、ガリウムよりもホウ素に焦点を当ててきた。高電流ガリウムイオン源の開発は、市販の半導体ウェハー基板のような大型基板におけるドーパントとしてのガリウムの使用を促進することができる。特に、本実施形態は、固体ガリウムベースのターゲット材料を提供し、このターゲット材料は、イオン注入用のイオンを供給するように構成されたイオン源内にガリウムイオンを生成するために、種々のエッチャントガスと共に使用することができる。図１に、好適なイオン源１００を示し、このイオン源は、ターゲットホルダ１０２、ターゲット１０４、及び電極１０６を含む。一部の実施形態では、図１に示すように、陰極（カソード）１０６を、フィラメント１０８によって加熱される傍熱陰極とすることができる。イオン源１００は、反射（リペラー）電極１１０及び抽出開口１１２も含む。

【0011】

イオン源１００の動作は、従来のＩＨＣイオン源の動作に類似している。例えば、バイアス電源（図示せず）が、陰極１０６に接続された正端子、及びフィラメント１０８に接続された負端子を有することができる。このバイアス電源は、フィラメント１０８が放出する電子を陰極１０６に向けて加速させて、陰極１０６の加熱を生じさせる。その代わりに、図示しないフィラメント電源がフィラメント１０８を加熱することができ、フィラメント１０８が、陰極１０６に向けて加速される電子を発生して、加熱を生じさせる。抽出開口１１２は、抽出電極及び抑制電極（共に図示せず）を含むことができ、現在技術において既知であるように、これらは抽出開口１１２に位置合わせされている。

【0012】

イオン源１００が動作中である際には、フィラメント１０８がフィラメント電流Ｉ_Fによって熱放射温度まで抵抗加熱され、この熱放射温度は、例えば２２００℃のオーダーとなり得る。フィラメント１０８が放出する電子は、フィラメント１０８と陰極１０６との間のバイアス電圧Ｖ_Bによって加速されて、陰極１０６に衝突してこれを加熱する。陰極１０６が放出する電子は、イオン源１００のプラズマチャンバに印加することのできるアーク電圧によって加速されて、ガス源１１４から受けたガス分子をチャンバ１１６内でイオン化することができ、これによりプラズマ１１８を形成することができる。反射電圧１１０は、入射電子の結果として負電荷を増加させ、最終的に、電子をチャンバ１１６内に押し戻すのに十分な負電荷を有して、追加的なイオン化衝突を生成する。

【0013】

抽出開口１１２による抽出用のガリウムイオンを生成するために、ターゲット１０４は、チャンバ１１６に運ばれ、イオン化され、そして知抽出開口１１２を通るように加速されるガリウムの供給源を提供することができる。本発明の発明者は、ガリウムイオン源用に用いることのできるガリウム化合物ターゲット／ガス種システムを開発するための、一組の基準、及びこれらの基準の新規な組合せを識別した。ＩＨＣイオン源のようなイオン源における固体ターゲットとして有用であり得るガリウム化合物は、１つ以上の所望のパラメータを満足することができる。例えば、ターゲット材料として用いられるガリウム化合物は、高いスパッタリング率を有する。高いスパッタリング率は、イオン源プラズマからのイオンによる衝突を受けた際に、ターゲットの表面からガリウム含有材料がスパッタリングされる（運動量移動プロセスにより出射される）ことを表す。このようにして、比較的多数のガリウムイオンを、イオン源のプラズマ中に、所定のスパッタリングイオン密度で生成することができる。

【0014】

実現することのできる他の要素は、化合物ターゲットのガリウムと他の構成物質との間で、スパッタリング歩留まりの差が大きくない、ということである。多数の既知の化合物ターゲットでは、１つの構成要素が他の構成要素に対して優先的に除去されることにより、スパッタリングがターゲット組成の変化を生じさせる。このプロセスは、除去される材料の組成に不安定なドリフト（ゆらぎ）を生じさせることがあり、そして、ターゲット表面に不所望な変化を生じさせることがある。安定したターゲット組成を維持することが関心事でないイオン源チャンバでは、ターゲットの他の構成要素よりも高い比率のガリウムをターゲットから産出し、これにより、スパッタリングされるターゲットから生成されるイオンが、より大きい比率のガリウムを含むことが望ましいことがある。

【0015】

他の望ましい要素は、ターゲット用に用いるガリウム化合物が高い融点を有することである。より高い融点は、ターゲットの加熱が重要であり得るＩＨＣ源のようなイオン源内での使用を促進する。このことは、上述したように、金属ガリウムのような低融点材料の使用を解消する。

【0016】

イオン源内に生成される気体のガリウム含有種は、イオン源の内部に堆積し得る固体の副産物を形成しない。このことは、イオン源内の不所望な表面堆積を回避するために望ましいことがある。考慮することのできる他の要素は、プラズマから供給される１つ以上のイオン種によって、ガリウム化合物材料に化学的エッチングを施すことができる、ということである。

【0017】

図２に、本実施形態による、ガリウム化合物ターゲット１０４からＧａイオンを生成するための好適なプロセスを示す。図に示す実施形態では、プラズマ１１８が、（正に帯電した）イオン２０２、並びに中性種２０４、及び（負に帯電した）電子２０５を含む。イオンがプラズマシース境界２０６に到達すると、イオンはシースを越えて加速して、プラズマとターゲットとの間の電位降下と等価なエネルギーでターゲット１０４に当たることができる。絶縁ターゲットについては、こうしたＩＨＣプラズマ源内の電位降下は、一般に数ボルトから数十ボルトとなり得る。従って、これらのイオン２０２は、一般に約１００eV未満のエネルギーでターゲット１０４に当たることができる。こうしたイオンエネルギー範囲内では、スパッタ歩留まりは、一般に、大部分の材料について得られる最大スパッタリング歩留まりよりも大幅に低く、この最大スパッタリング歩留まりは、一般に１０００V〜１００００Vの範囲内のイオンエネルギーで発生し得る。従って、ターゲット上に入射するイオン２０２毎の、スパッタリングによってターゲット１０４から除去されるガリウム原子２０８の数は、比較的小さい。従って、ターゲット１０４からガリウムを除去するためには、追加的な供給源を用意することが有用であり得る。

【0018】

一部の実施形態では、ガリウムを除去するための追加的な供給源が、ガリウム化合物ターゲットと反応して揮発性のガリウム種を形成すべく機能するガスエッチャント種の形を採ることができる。換言すれば、揮発性のガリウム種は、ターゲット１０４の表面から解離されて、プラズマ１１８に入ることのできる気体分子を形成するガリウム含有種とすることができる。このガスエッチャント種は、イオン、中性、またはその両方とすることができる。図２に示すように、例えば、中性種２０４が、ターゲット１０４の表面でガリウムイオンと反応して、ガリウム含有ガス種２１０を形成することができる。一例では、揮発性のガリウム種、即ち、ガリウム含有種２１０をＧａＦ₂とすることができ、これは、以下に説明するように、ターゲット１０４の表面におけるガリウムとフッ素含有種との反応によって形成することができる。種々の実施形態では、以下に詳述するように、ガスエッチャント種の供給源を、イオン源チャンバに供給されるガスとすること、及び／または、ガリウム化合物ターゲット自体の構成要素とすることができる。種々のガリウム化合物が、本発明の発明者によって検討され、このことが、高電流ガリウムイオン源用の新規な材料系の発見をもたらし、これについては以下でより詳細に説明する。

【0019】

図３に、シミュレーションによるＧａＮのスパッタリング歩留まりの例を示し、この例は、２０００℃を超える高い融点を示し、従って、ＩＨＣ源において使用される潜在的候補である。図に示すように、ＧａＮは、１０００eVでおよそ１のオーダーの比較的高い平均スパッタリング歩留まりを示し、１００eVでも、約０．２の相当量のスパッタリング歩留まりを示している。さらに、相対的なスパッタリング歩留まりは、ＮとＧａとの間でおよそ等しく、このことは、プラズマ・スパッタリング構成においてＧａＮターゲットが比較的安定し得ることを示している。

【0020】

図４に、シミュレーションによるＧａＰのスパッタリング歩留まりの例を示し、この例は、比較的高いスパッタリング歩留まりを示し、かつ、ガリウムが優先的にスパッタリングされているが、比較的小さいスパッタリング歩留まりの差に過ぎないことを示している。例えば、ＧａＰは、約１１００eVでおよそ１のスパッタリング歩留まりを示している。しかし、ＧａＰは、約９００℃で解離することが知られている。これに加えて、ＧａＰは、不所望なリン材料を、ＧａＰをスパッタリングするために使用されるプラズマチャンバ内に堆積させることが観測されている。

【0021】

図５に、シミュレーションによるＧａＡｓのスパッタリング歩留まりの例を示し、この例は、約１２３８℃の高い融点を示し、従って、これもＩＨＣ源において使用される潜在的候補である。ＧａＡｓの構成物質の各々のスパッタリング歩留まりも、例えばＧａＰに比べれば、比較的ロバスト（頑健）である。

【0022】

特に、図６に、固体ＧａＡｓターゲットを含むイオン源から抽出したイオンビームの質量分光分析測定の結果を示す。この現象は、ＧａＡｓターゲットを用いたイオン源から抽出したイオンを測定することによって調査した。ＧａＡｓターゲットと共に使用したプラズマは、ＮＦ₃ガスを含んでいた。質量スペクトル６００は複数のピークを含み、これらのピークは、⁶⁹Ｇａ⁺、⁷¹Ｇａ⁺、⁶⁹Ｇａ²⁺、⁷¹Ｇａ²⁺、⁶⁹Ｇａ⁺⁷⁵Ａｓ²⁺、及び⁷⁵Ａｓ³⁺を含む異なるＧａ及びＡｓ種を表す。質量スペクトル６００より明らかなように、Ａｓの相対的な存在量は、ガリウムよりもずっと大きい。

【0023】

酸化ガリウムベースのターゲットを含む他の材料も調査した。例えば、化合物Ｇａ₂Ｏ₃は、１９００℃の融点を有し、従って、ＩＨＣイオン源のような高温を発生するイオン源雰囲気中での動作に十分適している。特に、図７は、Ｇａ₂Ｏ₃（以下では単に「酸化ガリウム」とも称する）についての、スパッタリング歩留まりのシミュレーション結果の例を示す。酸化ガリウム化合物ターゲット中のガリウムの総スパッタリング率は、ガリウムヒ素、ガリウムリン、及び窒化ガリウムにおけるよりも低いが、酸化ガリウム材料は熱的に安定であり、イオン源内に不所望に堆積し得る固体の副産物を形成しない。

【0024】

種々の実施形態によれば、安定な高電流ガリウムイオン源を作り出すための、ガス種とガリウム化合物ターゲットとの新規な組合せが提示される。プラズマベースのイオン源内での動作については、高いガリウムイオンビーム電流を供給するのに十分なガリウムを発生するために、固体ターゲットがガリウムの高いスパッタリング歩留まりを発生することが望ましいが、ガリウムイオンの高電流を生成するに当たり、他の要因を考慮することもできる。例えば、上述したように、ガリウム原子と反応して揮発性のガリウム含有種を生成するに当たっては、化学エッチャントとして機能する種が有効であり得る。

【0025】

一旦、ガリウム種が、スパッタリングによるか、揮発性のガリウム含有ガス種の形成によるかのいずれかで、ガリウム含有ターゲットの表面を離れると、ガリウム種は、イオン源プラズマ中でイオン化される。プラズマ構成物質の組成次第で、他の気相種に対する相対的なガリウム種のイオン化が促進される。従って、種々の実施形態では、ガリウム化合物ターゲットにおいて、スパッタリングと化学エッチングとの組合せを、ガリウム種の選択的イオン化と共に生じさせる、ガリウム・ターゲットとガス種との組合せを開示する。

【0026】

図８に、ＢＦ₃^-含有プラズマに晒される固体の酸化ガリウム・ターゲットを含むイオン源から抽出したイオンビームの質量分光分析測定値を提示する。好適な実施形態では、酸化ガリウム・ターゲットをイオン源チャンバ内に配置し、このイオン源チャンバ内にＢＦ₃ガスを導入してプラズマを発生する。酸化ガリウム・ターゲットからガリウム原子をスパッタリングすることのできるイオンを供給することに加えて、ＢＦ₃^-含有プラズマは、ＢＦ₃分子から導出されるエッチャント種を供給する。これらの種は、固体の酸化ガリウムからガリウムをエッチングすべく機能し、これにより、ガリウムイオンの高電流のために十分なガリウムを発生する。図８の質量スペクトル８００は複数のピークを示し、これらのピークは、⁶⁹Ｇａ⁺、⁷¹Ｇａ⁺、⁶⁹Ｇａ²⁺、⁷¹Ｇａ²⁺を含む異なるＧａ種、並びに種々の酸素含有種及びフッ素含有種を表す。明らかなように、（個別のガリウムイオンピークの合計である）ガリウムイオンビーム電流が、上述した酸素含有種またはフッ素含有種によって生成される非ガリウムイオンビーム電流よりも相対的に大きい。イオンビーム中で測定されるガリウムイオンの生成は、次の様式で生起することができる：一部のＧａ種を、固体の酸化ガリウム・ターゲットからスパッタリングして、イオン源プラズマ中に取り出す間に、他のＧａ種を、ＢＦ₃ガスから導出した種によって化学的にエッチングして、イオン源プラズマに入る気体のガリウム含有種を形成する。イオン源プラズマ中のガリウム中性種は、プラズマ中にあるエネルギーを有する種との衝突によってイオン化され、そして、抽出系（例えば、抽出開口１１２）を通して抽出して、ガリウムイオンビームを形成することができる。特に、ＢＦ₃は、次のメカニズムにより、ガリウム含有種をプラズマ中に発生することができる。最初のステップでは、ＢＦ₃ガス種がプラズマ中で解離し、これにより、フッ素原子（Ｆ）ガス種を含む種々の生成物を産出することができる。酸化ガリウム・ターゲットからのガリウム原子のエッチング、及びその後のガリウムイオンの発生は、次の様式で進めることができる：
Ｇａ(s)＋２Ｆ(g)＞ＧａＦ２(g) (1)
ＧａＦ２(g)＋ｅ＞ＧａＦ(g)＋Ｆ(g)＋ｅ (2)
ＧａＦ(g)＋ｅ＞Ｇａ(g)＋Ｆ(g)＋ｅ (3)
Ｇａ(g)＋ｅ＞Ｇａ⁺＋ｅ＋ｅ (4)

【0027】

放電中のＧａ及びＦの解離後に、解離プロセスから発生した気相(g)の２つのフッ素原子が、反応(1)により固体のターゲット(s)と結合して、不安定な化合物ＧａＦ₂を形成し、これが気相に入る。このＧａＦ₂(g)は、反応(2)及び(3)により、容易に解離してＧａ(g)及びＦ(g)となる。Ｇａ(g)種は、プラズマ中に存在することができ、その後に、反応(4)により、プラズマ中でエネルギーを有する電子とのイオン化衝突を行って、Ｇａ⁺を形成する。

【0028】

このＧａ₂Ｏ₃／ＢＦ₃系を用いれば、比較的少量の不所望な酸素イオン電流しか生成されず、より大きな割合のフッ素含有イオンが、ＢＦ₃から生成される。従って、Ｇａ₂Ｏ₃／ＢＦ₃から抽出される「ガリウム」イオンビームは、比較的大量のフッ素含有イオンを混入物質として生成する。

【0029】

他の実施形態では、酸化ガリウム・ターゲットをイオン源チャンバ（例えば１１６）内に配置し、このイオン源チャンバ内に、ＮＦ₃ガスを導入してプラズマを発生する。プラズマイオン源内でＮＦ₃ガスをＧａ₂Ｏ₃と共に使用することは、複数の利点を有する。例えば、ＮＦ₃は容易に解離して、フッ素を含む反応生成物となり、これにより、反応(1)〜(4)で示すように、酸化ガリウム・ターゲット中のガリウムと反応して、気相ガリウムを生成する。

【0030】

これに加えて、図９に示すように、ＮＦ₃の使用は、プラズマ中に形成される非ガリウムイオンの相対量を低減する。特に図９は、ＮＦ₃含有プラズマに晒される固体酸化ガリウム・ターゲットを含むイオン源から抽出したイオンビームの質量分光分析測定の結果を提示する。この場合、ガリウムイオンビーム電流は、図８に示すＢＦ₃／酸化ガリウム系に比べて約２倍に増加する。さらに、非ガリウムイオンによって伝えられる電流の相対量は、比較すれば、より小さくなる。この差は、ＮＦ₃プラズマと対照させたＢＦ₃プラズマ中のイオン化特性の差によって説明することができる。表１に例示するように、ガリウムのイオン化エネルギーは５．９９eVであり、これは比較的低い値であり、上記の反応(4)によって与えられるように、ガリウム中性種が、プラズマに入ると、エネルギーを有する電子との衝突によって容易にイオン化され得ることを示している。特に断りのない限り、本明細書で用いる「イオン化エネルギー」とは、最初のイオン化エネルギーを称する。ＢＦ₃プラズマ中では、ＢＦ₃分子が解離して、とりわけ、ＢＦ₂、ＢＦ、及びＢとなることができる。表１に例示するように、これらの解離生成物種の各々が、８〜１１eVの範囲内のイオン化エネルギーを有し、このイオン化エネルギーは、ガリウムのイオン化エネルギーよりも幾分高いが、ＢＦ₃の一部の解離生成物が、ガリウムイオンを含むプラズマ中でイオン化されるイオン化エネルギーに十分近い。ＮＦ₃プラズマ中では、ＮＦ₃分子が容易に解離して、フッ素及び窒素種になる。表１中にさらに示すように、窒素及びフッ素のイオン化エネルギーは、ガリウムのイオン化電位よりも、それぞれ８eV及び１１eVだけ高い。従って、ＮＦ₃プラズマ中では、電子エネルギー分布がＧａ（５．９９eVのイオン化エネルギー）によってクランプ（固定）され、これにより、窒素及びフッ素のような高いイオン化エネルギーを有する他の種のイオン化を、ずっと生起しにくくする。

【0031】

【表1】

【0032】

代案実施形態では、ガリウム化合物ターゲットをエッチングするために供給されるエッチャント種が、ガリウム化合物ターゲット自体から発生する。例えば、ガリウム化合物ターゲットは、ガリウム用のエッチャントの供給源として使用される前駆体物質を含むように製造することができる。種々の例では、トリハロガリウムをターゲット材料として用いることができる。化合物ＧａＣｌ₃，ＧａＩ₃、及びＧａＢｒ₃は、すべて２５０℃以下の融点を有し、このことは、これらの化合物をＩＨＣイオン源内で使用するには魅力のないものにし、ＩＨＣイオン源内では、より上昇した目標温度が一般的である。しかし、化合物ＧａＦ₃（本明細書では「フッ化ガリウム」とも称する）は、約１０００℃と推定される融点を有する。従って、一部の実施形態では、ＧａＦ₃ターゲットをＩＨＣイオン源のようなイオン源内で用いて、ガリウムイオンを含むイオンビームを生成する。特に、プラズマ放電は、不活性ガスのようなガスを用いて開始することができる。適切な不活性ガスの例は、Ｈｅ、Ａｒ，Ｋｒ、及びＸｅ、及びその混合物を含む。次に、不活性ガスプラズマからのイオンが、ＧａＦ₃ターゲットと反応して、ＧａＦ₃ターゲットから放出される揮発性のガリウムを発生するガスエッチャント種を生成することができる。例えば、これらの不活性ガスイオンは、ＧａＦ₃からの材料をスパッタリングすることができ、フッ素原子を含むフッ素種をイオン源チャンバ内で気相にして発生する。このフッ素種は、その後に、反応(1)〜(3)に示すように、ＧａＦ₃ターゲット中のガリウムと反応して、ターゲットのエッチング、及びガリウムを気相にする放出を生じさせることができる。これに加えて、フッ素イオンをプラズマ中に生成することができる。

【0033】

アルゴンのような不活性ガスを用いたイオン源チャンバ内でのプラズマの発生開始後に、イオン化ガスのフッ素種が、自立したプラズマを生成するのに十分になるのと共に、イオン源チャンバ内への不活性ガスの流入を次第に減少及び／または終了させ、ここではプラズマ用のイオンの供給源がＧａＦ₃ターゲットである。ＧａＦ₃ターゲットを用いて、ＮＦ₃のようなフッ化物ガスなしにガリウムイオンビームを発生することの１つの利点は、ガス供給ラインのようなイオン源ハードウェアに対するフッ化物ガスの腐食効果が解消させることにある。

【0034】

上述したように、ガリウムイオン源は、ビームライン・イオン注入システム内に採用することができる。図１０は、こうしたイオン注入装置のブロック図であり、本発明の実施形態において用いることのできるイオン注入装置の一般的な特徴機能を例示する。システム１０００は、イオン源１００２を含む。電源１００１は、ガリウムイオンを発生するように構成されたイオン源１００２に、必要なエネルギーを供給する。発生したガリウムイオンは、一連の電極１００４（抽出電極）を通してイオン源から抽出されてビーム１００５に整形され、ビーム１００５は質量分析磁石１００６を通過する。この質量分析器は、特定の磁界で構成され、これにより、所望の質量対電荷比を有するイオンのみが、分析器を通って進むことができる。ガリウムイオンは、減速段１００８を通過して補正磁石１０１０に至る。補正磁石１０１０は、印加される磁界の強度及び向きに応じてイオン・ビームレット（小ビーム）を偏向させるようにエネルギーを供給されて、支持体（例えばプラテン）上に配置されたワークピースまたは基板を標的として向かうビームを供給する。一部の場合には、第２減速段１０１２を、補正磁石１０１０と支持体１０１４との間に配置することができる。ガリウムイオンは、電子及び基板中の原子核と衝突すると、エネルギーを失って、加速エネルギーに基づく基板内の所望の深さに落ち着く。

【0035】

本発明の実施形態によれば、基板を、ビーム１００５のようなビームに対する一組の相対運動を行うように構成された可動ステージに取り付けることができる。このことは、平行移動運動、ねじれ（ツイスト）運動、及び傾斜運動を含むことができる。注入システム１０００は、入射ビームに対する基板の傾斜を行う傾斜ステージを含み、この傾斜は、例えば基板の法線に対して約−７５度〜＋７５度である。

【0036】

以上で詳述した実施形態は、ＩＨＣ源をビームライン注入システム内で使用するガリウムイオンビーム生成に焦点を当てているが、他の実施形態は、ＲＦ励起源または他の発生源を用いてプラズマを発生することのできる固体ターゲットのガリウムイオン源に拡張される。さらに、本実施形態のイオン源は、高いガリウムイオン電流を必要とするあらゆる装置またはプロセスにおける使用に展開することができる。

【0037】

これに加えて、本実施形態は、固体ターゲットからガリウムをエッチングするためのエッチャントを提供し、かつ、窒素及びフッ素のようにガリウムよりも高いイオン化エネルギーを有する構成要素を提供するあらゆるガスの使用を含む。

【0038】

本発明は、本明細書に記載された特定実施形態に範囲を限定されるべきものではない。実際に、本明細書に記載されたものに加えて、本発明の他の種々の実施形態及び変形例は、以上の説明及び添付した図面より、通常の当業者にとって明らかである。

【0039】

従って、こうした他の実施形態及び変形例は、本発明の範囲内に入ることを意図している。さらに、本明細書では、本発明を、特定環境における特定目的での特定の実現に関連して説明してきたが、その有用性は、これらの実現に限定されず、本発明は、多数の目的で多数の環境において有益に実現することができることは、通常の当業者の認める所である。従って、以下に記載する特許請求の範囲は、本明細書に記載された本発明の全幅及び精神全体を考慮して解釈すべきものである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】