(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022106692
(43)【公開日】2022-07-20
(54)【発明の名称】ガリウムを用いたイオン注入プロセスおよび装置
(51)【国際特許分類】
H01J 27/02 20060101AFI20220712BHJP
H01J 37/08 20060101ALI20220712BHJP
H01L 21/265 20060101ALI20220712BHJP
【ＦＩ】
H01J27/02
H01J37/08
H01L21/265 603A
【審査請求】未請求
【請求項の数】12
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2022038090
(22)【出願日】2022-03-11
(62)【分割の表示】P 2021512885の分割
【原出願日】2019-09-11
(31)【優先権主張番号】62/730,198
(32)【優先日】2018-09-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】505307471
【氏名又は名称】インテグリス・インコーポレーテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110002077
【氏名又は名称】園田・小林特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】スウィーニー， ジョーゼフ ディー．
(72)【発明者】
【氏名】デプレ， ジョセフ ロバート
(72)【発明者】
【氏名】タン， イン
(72)【発明者】
【氏名】イェデイブ， シャラド エヌ
(72)【発明者】
【氏名】ジョーンズ， エドワード エドミストン
(72)【発明者】
【氏名】バイル， オレグ
(57)【要約】 （修正有）
【課題】ガリウムドーパント種を注入するために、低蒸気圧のドーパント源材料を効率的に使用しることができるイオン源装置を提供する。
【解決手段】イオン源チャンバと、イオン源チャンバ内の、またはイオン源チャンバと関連付けられた消耗可能な構造物とを含むイオン注入のためのイオン源装置であって、消耗可能な構造物が、ガスの形態のドーパントをイオン源チャンバに放出するために、反応性ガスとの反応を受けやすい固体ドーパント源材料を含み、固体ドーパント源材料は、窒化ガリウム、酸化ガリウム（これらのいずれも、ガリウム同位体に関して同位体濃縮されていてもよい）、またはこれらの組合せを含む。
【選択図】図６
【解決手段】イオン源チャンバと、イオン源チャンバ内の、またはイオン源チャンバと関連付けられた消耗可能な構造物とを含むイオン注入のためのイオン源装置であって、消耗可能な構造物が、ガスの形態のドーパントをイオン源チャンバに放出するために、反応性ガスとの反応を受けやすい固体ドーパント源材料を含み、固体ドーパント源材料は、窒化ガリウム、酸化ガリウム（これらのいずれも、ガリウム同位体に関して同位体濃縮されていてもよい）、またはこれらの組合せを含む。
【選択図】図６
【特許請求の範囲】
【請求項1】
イオン源チャンバと、
前記イオン源チャンバ内の、または前記イオン源チャンバと関連付けられた消耗可能な構造物であって、窒化ガリウム、酸化ガリウム、またはこれらの組合せを含む消耗可能な構造物と
を備える、ガリウムイオンを生成することができるイオン源装置。
前記イオン源チャンバ内の、または前記イオン源チャンバと関連付けられた消耗可能な構造物であって、窒化ガリウム、酸化ガリウム、またはこれらの組合せを含む消耗可能な構造物と
を備える、ガリウムイオンを生成することができるイオン源装置。
【請求項2】
側壁、底部、および頂部を含む内面によって画定された内部と、
前記内部の陰極および対陰極と、
前記内部にあり、前記内面の１つまたは複数を覆う１つまたは複数のガリウム含有シート構造物であって、窒化ガリウム、酸化ガリウム、またはこれらの組合せを含む１つまたは複数のガリウム含有シート構造物と
を含むイオン源チャンバを備える、請求項１に記載のイオン源装置。
前記内部の陰極および対陰極と、
前記内部にあり、前記内面の１つまたは複数を覆う１つまたは複数のガリウム含有シート構造物であって、窒化ガリウム、酸化ガリウム、またはこれらの組合せを含む１つまたは複数のガリウム含有シート構造物と
を含むイオン源チャンバを備える、請求項１に記載のイオン源装置。
【請求項3】
前記１つまたは複数のガリウム含有シート構造物を前記内部から取り外すことができる、請求項２に記載の装置。
【請求項4】
前記１つまたは複数のガリウム含有シート構造物が少なくとも８０重量パーセントの窒化ガリウムを含む、請求項２に記載の装置。
【請求項5】
前記１つまたは複数のガリウム含有シート構造物が少なくとも８０重量パーセントの酸化ガリウムを含む、請求項２に記載の装置。
【請求項6】
前記１つまたは複数のガリウム含有シート構造物が少なくとも８０重量パーセントの酸化ガリウムと窒化ガリウムとの組合せを含む、請求項２に記載の装置。
【請求項7】
前記内部が、
少なくとも８０重量パーセントの窒化ガリウムを含む１つまたは複数のガリウム含有シート構造物と、
少なくとも８０重量パーセントの酸化ガリウムを含む１つまたは複数のガリウム含有シート構造物と
を含む、請求項２に記載の装置。
少なくとも８０重量パーセントの窒化ガリウムを含む１つまたは複数のガリウム含有シート構造物と、
少なくとも８０重量パーセントの酸化ガリウムを含む１つまたは複数のガリウム含有シート構造物と
を含む、請求項２に記載の装置。
【請求項8】
前記１つまたは複数のガリウム含有シート構造物が、前記チャンバの前記内面の全面積の約５パーセント～約８０パーセントを覆う、請求項２に記載の装置。
【請求項9】
前記窒化ガリウム、酸化ガリウム、またはこれらの組合せが、前記窒化ガリウム、酸化ガリウム、またはこれらの組合せの中のガリウムの全量（原子）に基づいて６０パーセントより多い６９Ｇａを含む、請求項２に記載の装置。
【請求項10】
前記窒化ガリウム、酸化ガリウム、またはこれらの組合せの中の６９Ｇａの量が、前記窒化ガリウム、酸化ガリウム、またはこれらの組合せの中のガリウムの全量（原子）に基づいて６５％～１００％の範囲にある、請求項１に記載の装置。
【請求項11】
前記窒化ガリウム、酸化ガリウム、またはこれらの組合せが、前記窒化ガリウム、酸化ガリウム、またはこれらの組合せの中のガリウムの全量（原子）に基づいて４０パーセントより多い７１Ｇａを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項12】
前記窒化ガリウム、酸化ガリウム、またはこれらの組合せの中の７１Ｇａの量が、前記窒化ガリウム、酸化ガリウム、またはこれらの組合せの中のガリウムの全量（原子）に基づいて４５％～１００％の範囲にある、請求項１に記載の装置。
【請求項13】
内面と流体連通する反応ガスのソースを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項14】
反応ガスが、ＢＦ３、Ｂ２Ｆ４、ＳｉＦ４、Ｓｉ２Ｆ６、ＧｅＦ４、ＰＦ３、ＰＦ５、ＡｓＦ３、ＡｓＦ５、ＸｅＦ２、ＸｅＦ４、ＸｅＦ６、ＷＦ６、ＭｏＦ６、ＣｎＦ２ｎ＋２、ＣｎＦ２ｎ、ＣｎＦ２ｎ－２、ＣｎＨｘＦ２ｎ＋２－ｘ、ＣｎＨｘＦ２ｎ－ｘ、ＣｎＨｘＦ２ｎ－２－ｘ（ｎ＝１、２、３．．、ｘ＝０、１、２．．．）、ＣＯＦ２、ＣＯ、ＣＯ２、ＳＦ６、ＳＦ４、ＳｅＦ６、ＮＦ３、Ｎ２Ｆ４、ＨＦ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｎ２、Ｈ２、ｅＢＦ３、ｅＧｅＦ４、およびこれらの組合せから選択される、請求項１に記載の装置。
【請求項15】
反応ガスのソースが、ＢＦ３とＨ２、ＳｉＦ４とＨ２、ＢＦ３とＸｅ、ＳｉＦ４とＸｅ、ＢＦ３とＨ２とＸｅ、またはＳｉＦ４とＨ２とＸｅから選択される組合せを含む、請求項１４に記載の装置。
【請求項16】
イオン源チャンバでイオン化ガリウムを生成することであって、前記イオン源チャンバが、前記イオン源チャンバと関連付けられた消耗可能な構造物を有し、前記消耗可能な構造物が、ガスの形態のドーパントを前記イオン源チャンバに放出してその中でイオン化されてイオン化ドーパント種を形成するために、反応性ガスとの反応を受けやすい固体ドーパント源材料を含み、前記固体ドーパント源材料が窒化ガリウム、酸化ガリウム、またはこれらの組合せを含む、イオン化ガリウムを生成することと、
前記イオン化ガリウムを生成するために、前記消耗可能な構造物を反応ガスと接触させることと
を含む、ガリウムイオンを形成する方法。
前記イオン化ガリウムを生成するために、前記消耗可能な構造物を反応ガスと接触させることと
を含む、ガリウムイオンを形成する方法。
【請求項17】
前記イオン源チャンバが、
側壁、底部、および頂部を含む内面によって画定された内部と、
前記内部にある陰極および対陰極と
を含み、
前記消耗可能な構造物が、前記内部にあり、前記内面の１つまたは複数を覆う１つまたは複数のガリウム含有シート構造物を備え、前記１つまたは複数のガリウム含有シート構造物が窒化ガリウム、酸化ガリウム、またはこれらの組合せを含み、方法が、
前記反応ガスを前記内部に流すことを含み、前記反応ガスが前記窒化ガリウムまたは酸化ガリウムと反応して前記内部にガス状のガリウムを放出する、請求項１６に記載の方法。
側壁、底部、および頂部を含む内面によって画定された内部と、
前記内部にある陰極および対陰極と
を含み、
前記消耗可能な構造物が、前記内部にあり、前記内面の１つまたは複数を覆う１つまたは複数のガリウム含有シート構造物を備え、前記１つまたは複数のガリウム含有シート構造物が窒化ガリウム、酸化ガリウム、またはこれらの組合せを含み、方法が、
前記反応ガスを前記内部に流すことを含み、前記反応ガスが前記窒化ガリウムまたは酸化ガリウムと反応して前記内部にガス状のガリウムを放出する、請求項１６に記載の方法。
【請求項18】
前記消耗可能な構造物が取外し可能なライナである、請求項１６に記載の方法。
【請求項19】
１つまたは複数のガリウム含有シートが少なくとも８０重量パーセントの窒化ガリウムを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項20】
１つまたは複数のガリウム含有シートが少なくとも８０重量パーセントの酸化ガリウムを含む、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、ガリウム種がイオン注入装置のイオン源チャンバに供給され、またはその場で生成される、イオン注入システムおよび方法に関し、本システムおよび方法の例は、固体ガリウムドーパント前駆体組成物として窒化ガリウムおよび酸化ガリウム前駆体を含む。
【背景技術】
【0002】
イオン化してイオン注入のためのドーパント種を形成するためのドーパント源材料の使用において、ドーパント種を生成するための広範なドーパント源材料が開発されてきた。
【0003】
多くの場合、ドーパント源材料は、イオン注入システムのイオン源チャンバへの効率的な送達のための十分高い蒸気圧を有していない。したがって、蒸気圧の低いこのようなドーパント源材料の使用は、ドーパント源材料を十分に揮発させ、イオン注入システムの流れラインでのその凝縮および堆積を防ぐのに必要な高温での送達を可能にするために、イオン注入装置の実質的なツールの改造を必要とすることがある。したがって、このような高温動作に適応する蒸発器および流れ回路を使用しなければならない。
【0004】
しかしながら、高温の使用は、イオン注入された構造物およびデバイスの生産に対する許容範囲内にイオン注入プロセスを制御することを困難にする分解および副反応をドーパント源材料が受けやすくなる可能性があるので問題がある。さらに、高温の使用は制御バルブの使用に制限を課し、その結果、蒸気流制御に悪い影響を与える。これらの要因は、１つのドーパント源材料から別のドーパント源材料への切換時間を長くし、蒸発器の設置または交換または補給中に蒸発器が周囲環境から隔離されていないとき、安全上の問題をもたらす可能性もある。
【0005】
前述の問題は、ドーパント種としてガリウムをイオン注入する際に生じ、それに対して、イオン注入システムのイオン源チャンバに効率的に送達するために十分高い蒸気圧を有する供給材料が比較的少数であることにより、許容できるドーパント源材料の選択が限定される。したがって、イオン注入技術では、新しいガリウム前駆体組成物が探し続けられている。
【0006】
ガリウムドーパント種（高蒸気圧のドーパント前駆体が比較的少ない）の場合のように、対応するドーパント種を注入するためにイオン注入用途に低蒸気圧のドーパント源材料を効率的に使用することを可能にする新しい手法を提供することは、当該技術において実質的な進歩となろう。
【発明の概要】
【0007】
本開示は、固体の低蒸気圧ガリウム源材料の使用を可能にするようにガリウムドーパント種が生成される、イオン注入装置およびプロセスに関する。
【0008】
一態様では、本開示はイオン注入のためのイオン源装置に関し、本装置は、イオン源チャンバと、イオン源チャンバ内の、またはイオン源チャンバと関連付けられた消耗可能な構造物であって、窒化ガリウムまたは酸化ガリウムを含む固体ドーパント源材料を含む消耗可能な構造物とを備える。この窒化ガリウムまたは酸化ガリウムは、ガスの形態のガリウムをイオン源チャンバに放出するために、反応性ガスとの反応を受けやすい。
【0009】
別の態様では、本開示はイオン注入を実施する方法に関し、本方法は、前記イオン注入のためにイオン源チャンバでイオン化ガリウムを生成することであって、イオン源チャンバには、消耗可能な構造物が関連付けられており、消耗可能な構造物が、ガスの形態のガリウムをイオン源チャンバに放出してその中でイオン化されてドーパントとしてのイオン化ガリウムを形成するために、反応性ガスとの反応を受けやすい窒化ガリウムまたは酸化ガリウムを含む固体ドーパント源材料を含む、イオン化ガリウムを生成することを含み、前記方法は、イオン化ガリウムの前記生成のために、消耗可能な構造物を反応ガスと接触させることを含む。固体ドーパント源材料は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）、６９Ｇａもしくは７１Ｇａまたはこれらの組合せの天然存在量を超えるまで同位体濃縮されたガリウムを含む窒化ガリウム（ＧａＮ）または酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）の同位体濃縮された類似物を含むことができる。
【0010】
さらなる態様では、本開示は、ビーム電流、イオン源寿命、およびそのグリッチ率特性のうちの少なくとも１つに関するイオン注入システムの性能を改善する方法に関し、前記方法は、前記イオン注入システムのイオン源チャンバでイオン化ガリウムを生成することであって、イオン源チャンバには、消耗可能な構造物が関連付けられており、消耗可能な構造物が、窒化ガリウム、酸化ガリウム、または窒化ガリウムと酸化ガリウムとの組合せを含む固体ドーパント源材料を含み、固体ドーパント源材料が、ガスの形態のガリウムをイオン源チャンバに放出してその中でイオン化されてイオン化ガリウムを形成するために、反応性ガスとの反応を受けやすい、イオン化ガリウムを生成することを含み、前記方法は、消耗可能な構造物を反応ガスと接触させることを含む。
【0011】
本開示はまた、イオン注入ならびに他の半導体製造および産業用途に有益であり、窒化ガリウム、酸化ガリウム、または両方を含み、アークチャンバの交換可能なライナとして使用することができる材料の固体シートの形態である固体ガリウム前駆体組成物に関する。
【0012】
本開示のさらなる態様はガリウムイオン注入プロセスに関し、本プロセスは、ガリウム前駆体をイオン化してガリウム注入種を形成することと、ガリウム注入種を基板に注入することとを含み、ガリウム前駆体は、６９Ｇａもしくは７１Ｇａまたはこれらの組合せの天然存在量を超えるまで同位体濃縮されたガリウムを含む窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）、またはこれらの組合せの同位体濃縮された類似物から選択される１つまたは複数の前駆体材料を含む。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】チャンバ内でのドーパント源ガスのイオン化のために、ドーパント源ガスをアークチャンバへ供給するためのガス供給ラインを有するアークチャンバを含むイオン注入システムの概略図である。
【図3】イオン源装置と、イオン源装置の熱管理のためのヒートシンク装置とを備えるイオン源アセンブリの断面斜視図である。
【図4】例示のイオン注入チャンバ内の基板のイオン注入ドーピングのために供給されるガスを含む貯蔵分注容器を含むイオン注入プロセスシステムの概略図である。
【図5】イオン注入システムのイオン源の断面図である。
【図6】プロセス監視制御システムを備えるイオン注入システムの概略図である。
【図7A】トリメチルガリウム前駆体を用いたビーム電流データを示す図である。
【図8A】消耗可能な構造物として酸化ガリウムの交換可能なライナを含む、記載のイオン源チャンバを上から下に見た図である。
【図8B】前駆体としての酸化ガリウムの交換可能なライナの使用によるガリウムイオンビーム電流データを示す図である。
【図8C】前駆体としての酸化ガリウムの交換可能なライナの使用によるガリウムイオンビーム電流データを示す図である。
【図8D】前駆体としての酸化ガリウムの交換可能なライナの使用によるガリウムイオンビーム電流データを示す図である。
【図8E】前駆体としての酸化ガリウムの交換可能なライナの使用によるガリウムイオンビーム電流データを示す図である。
【図9A】消耗可能な構造物として窒化ガリウムの交換可能なライナを含む、記載のイオン源チャンバを上から下に見た図である。
【図9B】前駆体としての窒化ガリウムの交換可能なライナの使用によるガリウムイオンビーム電流データを示す図である。
【図9C】前駆体としての窒化ガリウムの交換可能なライナの使用によるガリウムイオンビーム電流データを示す図である。
【図9D】前駆体としての窒化ガリウムの交換可能なライナの使用によるガリウムイオンビーム電流データを示す図である。
【図10A】消耗可能な構造物として酸化ガリウムの交換可能なライナを含み、消耗可能な構造物として窒化ガリウムの交換可能なライナも含む、記載のイオン源チャンバを上から下に見た図である。
【図10C】前駆体としての窒化ガリウムの交換可能なライナと酸化ガリウムの交換可能なライナとの組合せの使用によるガリウムイオンビーム電流データを示す図である。
【図10D】前駆体としての窒化ガリウムの交換可能なライナと酸化ガリウムの交換可能なライナとの組合せの使用によるガリウムイオンビーム電流データを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
本開示はイオン注入に関し、また、様々な態様において、ガリウムドーパントが、低蒸気圧ドーパント源材料を使用することを可能にするように生成される、装置および方法に関する。
【0015】
一態様では、本開示は、イオン注入のためのイオン源装置に関する。本装置は、イオン源チャンバと、イオン源チャンバ内の、またはイオン源チャンバと関連付けられた消耗可能な構造物とを含む。消耗可能な構造物は、ガスの形態のドーパントをイオン源チャンバに放出するために、反応性ガスとの反応を受けやすい固体ドーパント源材料を含む。固体ドーパント源材料は窒化ガリウム、酸化ガリウム、またはこれらの組合せを含む。任意選択で、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）、またはこれらの組合せのガリウムは、６９Ｇａもしくは７１Ｇａまたはこれらの組合せの天然存在量を超えるまで同位体濃縮されたガリウムを含んでもよい。
【0016】
イオン源装置の消耗可能な構造物は、イオン源チャンバのライナまたは他の構造構成要素など、イオン源チャンバに配置されたシート構造物を含んでもよい。ライナは取外し可能なライナであってもよく、これは、例えば２つの対向する主面とその間に厚さを有する消耗可能な構造物の平坦な、例えば平面状の部分を意味する。ライナは、矩形、湾曲した（例えば、丸みを帯びた）形状、角張った形状、またはその他の形状であってもよい。ライナは取外し可能であってもよく、これは、ライナをイオン源チャンバの内部空間に挿入することができる、および内部空間から取り外すことができることを意味する。取外し可能なライナは、ガリウムイオンが取外し可能なライナから生成される処理の期間中使用されてもよく、ガリウムイオンを生成するために有用な量を処理した後、取外し可能なライナはイオン源装置から取り外されて別の取外し可能なライナと交換されてもよい。
【0017】
本発明の他の実施形態では、シート構造物は、アークチャンバの内側にぴったり合うように様々な大きさおよび形状にすることができる。特定の実施形態では、アークチャンバの側壁、底部、または頂部のうちの１つまたは複数のシートはシート構造物によって置き換えることができる。
【0018】
有用なまたは好ましいイオン源チャンバの特定の例によれば、イオン源のチャンバの内部は１つまたは複数のシートまたはライナを含むことができ、１つまたは複数のシートまたはライナは取外し可能であり、チャンバの全内部表面積の約５パーセント～約８０パーセントを覆ってもよく、例えば、全内部表面積の１０、１５、２０、３０、５０、または７０パーセントを覆ってもよい。この計算では、全内部表面積は、対陰極、陰極、またはガスもしくはイオンがアークチャンバに入るもしくはアークチャンバを出ることを可能にする入口もしくは出口開口などの、望ましくは覆われなくてもよい機能部によって別に占められるまたは覆われる面積を含む内部のすべての平面状の面積を含む。
【0019】
他の例では、消耗可能な構造物は、イオン源チャンバに結合されている（が、イオン源チャンバ内部の外側にある）ガス送達管など、イオン源チャンバと他の態様で関連する構造物、または他の構造構成要素と接触する反応性ガスとの反応の結果としてガスの形態のドーパントをイオン源チャンバ内部に供給するように組み立てられた、または構成された関連する特徴部の構造構成要素であってもよい。
【0020】
イオン源チャンバは、異なるガリウム材料から作られた消耗可能な構造物を含んでもよい。単一のイオン源チャンバは、１つまたは複数の取外し可能なライナの組合せ、ガス送達管などを含んでもよく、この場合、異なる個々の取外し可能なライナまたはガス送達管は、同じイオン源チャンバ内にＧａＮとＧａ２Ｏ３との組合せを含み、単一のイオン源チャンバは、Ｇａ２Ｏ３を含む１つまたは複数のライナと組み合わせて、ＧａＮを含む１つまたは複数のライナを含んでもよく、すなわち、本記述の実施形態は、イオン源チャンバが２つのガリウム前駆体材料を含み、一方がＧａＮを含むように作られ、他方がＧａ２Ｏ３を含むように作られ、各前駆体材料が、取外し可能なライナまたはガス送達管などの消耗可能な構造物の一部であってもよい、イオン源チャンバ、およびこのイオン源チャンバを使用する方法を含む。
【0021】
消耗可能な構造物は、イオン源装置または付属機器の物理的完全性への悪影響なしに前駆体を形成するように反応ガスと反応することによって消耗可能となるような形状、形態、および大きさを有する、すなわち、消耗可能な構造物が完全に消費されたとしても、イオン源チャンバおよび付属機器はその物理的完全性を維持する。例えば、消耗可能な構造物は、反応ガス流路と同軸の管状部材を備えてもよく、この場合、消耗可能な管状部材の消費は、消耗可能な管状部材が配置された反応ガス流路の物理的完全性を損なわない。したがって、消耗可能な構造物は、反応性ガスに対する標的として、物理的な質量を備え、シート、棒、管、リング、円板、または他の適切な形態のものであってもよい。
【0022】
特定の例では、消耗可能な構造物は、窒化ガリウム、酸化ガリウム、またはこれらの組合せを含み、それらから構成され、あるいは実質的にそれらから構成されてもよい。例示的な消耗可能な構造物は、少なくとも５０、６０、７０、８０、９０、または９５重量パーセントの窒化ガリウム、酸化ガリウム、またはこれらの組合せを含んでもよい。本記述によれば、列挙された材料または材料の組合せ「から実質的に構成された」と述べられている材料または構造物は、列挙された材料または材料の組合せを含み、いかなる他の成分または材料が実質的な量以下である材料または構造物であり、したがって、窒化ガリウム、酸化ガリウム、またはこれらの組合せから実質的に構成された消耗可能な構造物は、少なくとも９７、９９、または９９．５重量パーセントの窒化ガリウム、酸化ガリウム、またはこれらの組合せを含み、いかなる他の材料も３、１、または０．５重量パーセント以下である。
【0023】
このような装置の動作において用いられる反応性ガスまたは混合ガスは、固体ドーパント源材料（窒化ガリウムまたは酸化ガリウム）と反応してガスの形態のガリウムをイオン源チャンバに放出するのに効果的な任意の適切なタイプのものであってもよい。このような目的に適する例示的なガスとしては、ＢＦ３、Ｂ２Ｆ４、ＳｉＦ４、Ｓｉ２Ｆ６、ＧｅＦ４、ＰＦ３、ＰＦ５、ＡｓＦ３、ＡｓＦ５、ＸｅＦ２、ＸｅＦ４、ＸｅＦ６、ＷＦ６、ＭｏＦ６、ＣｎＦ２ｎ＋２、ＣｎＦ２ｎ、ＣｎＦ２ｎ－２、ＣｎＨｘＦ２ｎ＋２－ｘ、ＣｎＨｘＦ２ｎ－ｘ、ＣｎＨｘＦ２ｎ－２－ｘ（ｎ＝１、２、３．．、ｘ＝０、１、２．．．）、ＣＯＦ２、ＣＯ、ＣＯ２、ＳＦ６、ＳＦ４、ＳｅＦ６、ＮＦ３、Ｎ２Ｆ４、ＨＦ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｎ２、Ｈ２が挙げられる。反応ガスの組合せの例としては、ＢＦ３とＨ２、ＳｉＦ４とＨ２、ＢＦ３とＸｅ、ＳｉＦ４とＸｅ、ＢＦ３およびＨ２とＸｅ、ならびにＳｉＦ４およびＨ２とＸｅが挙げられる。
【0024】
本開示のさらなる態様はイオン注入を実施する方法に関する。本方法は、イオン注入のためにイオン源チャンバでイオン化ガリウムを生成することであって、イオン源チャンバには、消耗可能な構造物が関連付けられており、消耗可能な構造物が、ガスの形態のガリウムをイオン源チャンバに放出してその中でイオン化されてイオン化ガリウム種を形成するために、反応性ガスとの反応を受けやすい固体ドーパント源材料を含む、イオン化ガリウムを生成することを含む。本方法は、イオン化ドーパント種を生成するために、消耗可能な構造物を反応ガスと接触させることを含む。固体ドーパント源材料は窒化ガリウム、酸化ガリウム、またはこれらの組合せを含む。固体ドーパント源のガリウムは任意選択で同位体濃縮されていてもよい。
【0025】
このような方法では、消耗可能な構造物は、イオン源チャンバの交換可能なライナまたは他のシート構造物など、イオン源チャンバに配置されたシート構造物を含んでもよい。消耗可能な構造物は、これに代えて、またはこれに加えて、イオン源チャンバと関連付けられた構造物、例えばイオン源チャンバに結合されたガス送達管を含んでもよい。
【0026】
本開示のさらなる態様は、ビーム電流、イオン源寿命、およびそのグリッチ率特性のうちの少なくとも１つに関するイオン注入システムの性能を改善する方法に関し、前記方法は、前記イオン注入システムのイオン源チャンバでイオン化ドーパント種を生成することであって、イオン源チャンバには、消耗可能な構造物が関連付けられており、消耗可能な構造物が、ガスの形態のドーパントをイオン源チャンバに放出してその中でイオン化されて前記イオン化ドーパント種を形成するために、反応性ガスとの反応を受けやすい固体ドーパント源材料を含む、イオン化ドーパント種を生成することを含み、前記方法は、イオン化ドーパント種の前記生成のために、消耗可能な構造物を反応ガスと接触させることを含む。固体ドーパント源材料は、窒化ガリウム、酸化ガリウム、またはこれらの組合せを含む。このような方法で用いられる固体ドーパント源材料は、これらの少なくとも１つの同位体の天然存在量を超えるまで同位体濃縮されたガリウムを含む同位体濃縮されたドーパント源材料を含んでもよい。
【0027】
様々な実施形態では、プロセスシステムは、窒化ガリウムまたは酸化ガリウムを含むガリウム反応物質が消耗可能な構造物の形でイオン注入システムのアークチャンバに組み込まれた、イオン注入システムであってもよい。プロセスシステムは、半導体プロセスシステム、例えばイオン注入システム、またはソーラーパネルもしくはフラットパネルディスプレイ製品を製造するためのプロセスシステムなど、他のプロセスシステムを含んでもよい。前駆体は、窒化ガリウム（ＧａＮ）または酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）などのガリウム反応物質からその場で生成されるガリウム前駆体を含んでもよい。このような装置の動作において用いられる反応性ガスまたは混合ガスは、固体ドーパント源材料（窒化ガリウムまたは酸化ガリウム）と反応してガスの形態のガリウムをイオン源チャンバに放出するのに効果的な任意の適切なタイプのものであってもよい。このような目的に適する例示的なガスとしては、ＢＦ３、Ｂ２Ｆ４、ＳｉＦ４、Ｓｉ２Ｆ６、ＧｅＦ４、ＰＦ３、ＰＦ５、ＡｓＦ３、ＡｓＦ５、ＸｅＦ２、ＸｅＦ４、ＸｅＦ６、ＷＦ６、ＭｏＦ６、ＣｎＦ２ｎ＋２、ＣｎＦ２ｎ、ＣｎＦ２ｎ－２、ＣｎＨｘＦ２ｎ＋２－ｘ、ＣｎＨｘＦ２ｎ－ｘ、ＣｎＨｘＦ２ｎ－２－ｘ（ｎ＝１、２、３．．、ｘ＝０、１、２．．．）、ＣＯＦ２、ＣＯ、ＣＯ２、ＳＦ６、ＳＦ４、ＳｅＦ６、ＮＦ３、Ｎ２Ｆ４、ＨＦ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｎ２、Ｈ２が挙げられる。反応ガスの組合せの例としては、ＢＦ３とＨ２、ＳｉＦ４とＨ２、ＢＦ３とＸｅ、ＳｉＦ４とＸｅ、ＢＦ３およびＨ２とＸｅ、ならびにＳｉＦ４およびＨ２とＸｅが挙げられる。さらに、他の反応ガスは、上のリストの濃縮されたガスを含むことができる。例えば、限定するものではないが、ｅＢＦ３、ｅＧｅＦ４がある。
【0028】
前述の方法では、ガス状の共反応物の流量を制御して、プロセスシステムにおいて反応生成物として生成される前駆体の流量を制御することができる。
【0029】
様々な特定の実施形態では、ガリウム反応物質は、プロセスシステムの反応器、例えば加熱される反応器に含まれてもよい。プロセスシステムは、これに対応して、反応器温度のガス状の共反応物流量が、所定のイオン注入ビーム電流を達成するように制御される、イオン注入システムを備えてもよい。
【0030】
前述の方法は、その場でのガリウム前駆体の形成が、次のうちの少なくとも１つを含む制御プロセスによって制御されるように実行されてもよい。（ｉ）ガス状の共反応物とガリウム反応物質との接触によって形成された前駆体の量の測定、（ｉｉ）ガス状の共反応物とガリウム反応物質との接触の反応生成物の特定と定量化、（ｉｉｉ）前記接触後の未反応のガス状の共反応物の量の検出、および（ｉｖ）ビーム電流の検出、ここで、プロセスシステムはイオン注入システムを含む。
【0031】
専用の反応器が用いられる他の実施形態では、反応器は、ガリウム反応物質が消耗する終了状態に達したときに、複数の反応器床の１つから、ガリウム反応物質を含む前記複数の反応器床のうちの別の反応器床に反応ガス流を切り替えるように構成された前記複数の反応器床を含むことができる。
【0032】
このような複数床の反応器構成体では、切り替えるための終了状態を、ガス状の共反応物のトータル流量の予め決められた検出を行う、ビーム電流が少なくなることを検出する、および複数の反応器床のうちの使用中の床から出るガスを分析する、のうちの１つまたは複数によって決定することができる。
【0033】
上記の方法は、少なくとも１つの同位体の天然存在量を超えるまで濃縮された前駆体ガリウム反応物質をさらに用いてもよい。
【0034】
他の実施形態では、所望のように、例えば希釈剤、平衡指向（ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ－ｄｉｒｅｃｔｉｎｇ）ガス、洗浄ガスなど、共に流されるガスがプロセスシステムへ流されるまたはプロセスシステムを通って流される、上記の方法を実行することができる。
【0035】
次に図を参照すると、図１は、チャンバ内でのドーパント源ガスのイオン化のために、ドーパント源ガスをアークチャンバへ供給するためのガス供給ライン１４を有するアークチャンバ１２を含むイオン注入システム１０の概略図である。したがって、アークチャンバ１２はイオン源チャンバを提供し、イオン源チャンバ内にまたはイオン源チャンバと関連して、ガスの形態のガリウムをチャンバに放出するために、反応性ガスとの反応を受けやすい窒化ガリウムまたは酸化ガリウムを含む固体ドーパント源材料を含む消耗可能な構造物を設けることができる。
【0036】
図２は、図１のイオン注入システム１０の断面図であり、このようなシステムのアークチャンバ１２内でのプラズマ１６の生成を概略的に示している。ドーパントガスは、矢印Ａによって示される方向にドーパントガス供給ライン１４内へ流され、ドーパントガス供給ライン１４は、供給ライン、およびアークチャンバに入るガスの熱的状態の質を判定するために監視するという関係でドーパントガス供給ライン１４に監視熱電対ＴＣ１およびＴＣ２が固定されており、これは、イオン注入システムのための熱管理システムの使用に関連して望ましいものとなり得る。ドーパントガス供給ライン１４は、ガスの形態のドーパントをイオン源チャンバに放出するために、反応性ガスとの反応を受けやすい固体ドーパント源材料から形成された内層を有するパイプまたは導管を備えてもよい。このように、反応性キャリアガスをドーパントガス供給ラインに流して、ドーパント種（すなわちガリウム）を反応的に生成することができる。ドーパント種は、反応性キャリアガスによってイオン注入システムのイオン源チャンバ内に運ばれる。
【0037】
図３は、イオン源装置７０と、システムの熱管理のための任意選択のヒートシンク装置５０とを備えるイオン源アセンブリの断面斜視図である。この断面図は、ガス供給プラグのガス流路８４に接続して、イオン源と関連付けられたガスブッシングのガス流路８６に接続しているドーパント源ガス供給ライン７２を示す。
【0038】
図３に示すイオン源装置は、ドーパントをイオン源チャンバに供給するその場生成手法として、ガスの形態のドーパントをイオン源チャンバに放出するために反応性ガスとの反応を受けやすい固体ドーパント源材料（例えば窒化ガリウムまたは酸化ガリウム）から形成することができるベースライナ８０を含む。ライナ８０は開口８２を含むように修正されて、分解しやすいドーパント源ガスが使用されるとき、イオン源の動作寿命をさらに改善することができる。
【0039】
前述の構成は、ガスの形態のドーパントをイオン源チャンバに放出するために、反応性ガスとの反応を受けやすい固体ドーパント源材料（例えば窒化ガリウムまたは酸化ガリウム）を含む、イオン源チャンバ内にまたはイオン源チャンバと関連して消耗可能な構造物を備えることを示している。消耗可能な構造物は、イオン注入システムの消耗可能な構成要素として、動作寿命のために監視され、進行中のメンテナンススケジュールに従って交換されてもよい。
【0040】
図４は、例示のイオン注入チャンバ３０１内の基板３２８のイオン注入ドーピングのために、イオン源チャンバ内でのドーパント源反応物質（すなわち窒化ガリウムまたは酸化ガリウム）とその場反応してドーパント種（ガリウム）を生成するために供給される反応ガスを保持する貯蔵分注容器３０２を含むイオン注入プロセスシステム３００の概略図である。
【0041】
貯蔵分注容器３０２は、反応ガスを保持する内部容積を取り囲む容器壁３０６を備える。
【0042】
容器は、ガスのみを保持するように構成された内部容積を有する従来のタイプのガスボンベであってもよいし、または、これに代えて、容器は、反応ガスに対し吸着親和性を有する吸着材料を含んでもよく、共反応源ガスは、分注状態の下で容器から排出するために吸着材料から脱着可能である。
【0043】
貯蔵分注容器３０２は、排出ライン３１２とガス流連通状態で結合されたバルブヘッド３０８を含む。圧力センサ３１０は、質量流量コントローラ３１４とともにライン３１２に配置される。他の監視および検知構成要素はラインと結合されてもよく、アクチュエータ、フィードバックおよびコンピュータ制御システム、サイクルタイマなどの制御手段とインターフェースされてもよい。
【0044】
イオン注入チャンバ３０１は、ライン３１２から分注された反応ガスを受けとるイオナイザ３１６を含み、反応ガスは、イオナイザチャンバ内にまたはイオナイザチャンバと関連して供給されるドーパント源反応物質と反応して、イオナイザチャンバ内のイオン化状態の下でイオンビーム３０５を生じるドーパント種（ガリウム）を生成する。イオンビーム３０５は、必要なイオンを選択し、選択されないイオンを排除する質量分析ユニット３２２を通過する。
【0045】
選択されたイオンは加速電極アレイ３２４を、次いで偏向電極３２６を通過する。結果として得られる集束イオンビームは、スピンドル３３２に取り付けられた回転可能なホルダ３３０に配置された基板素子３２８に衝突して、イオン注入製品としてドープされた（ガリウムをドープされた）基板を形成する。
【0046】
イオン注入チャンバ３０１のそれぞれの部分は、それぞれ、ポンプ３２０、３４２、および３４６によってライン３１８、３４０、および３４４を通して排気される。
【0047】
図５は、図４に示されたタイプのイオン注入システムに有用に使用することができるようなイオン源で、２０００年１０月２４日にＭ．Ａ．Ｇｒａｆらに交付された米国特許第６，１３５，１２８号に、より完全に記述されているイオン源の断面図である。
【0048】
イオン源１１２は、プラズマチャンバ１２２を画定するハウジングとイオン抽出アセンブリを備える。ドーパント源反応物質と反応ガスとによって形成されるイオン化可能なドーパントガスにエネルギーが付与されてプラズマチャンバ１２２内でイオンを生成する。通常は陽イオンが生成されるが、その代わりに、システムは陰イオンを生成するように構成されてもよい。陽イオンは、プラズマチャンバ１２２のスリットを通って複数の電極１４２を備えるイオン抽出アセンブリ１２４によって抽出される。したがって、イオン抽出アセンブリは、プラズマチャンバから抽出アパーチャプレート１４６を介して陽イオンのビームを抽出し、抽出したイオンを質量分析磁石（図５に図示せず）に向けて加速するよう機能する。
【0049】
反応ガスは、このようなガスの供給源１６６から流され、質量流量コントローラ１６８を中に含む導管１７０を通って、ドーパント源反応物質を含むプラズマチャンバ１２２内に、またはプラズマチャンバ１２２と関連付けられたドーパント源反応物質を有するプラズマチャンバ内に注入することができる。供給源１６６は、吸着剤ベースのガス貯蔵供給容器、例えば、ＳＤＳの商標の下でＥｎｔｅｇｒｉｓ，Ｉｎｃ．（Ｂｉｌｌｅｒｉｃａ、Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ、ＵＳＡ）から市販されているタイプのもの、内部のガス圧調整器を含む圧力調整容器、例えば、ＶＡＣの商標の下でＥｎｔｅｇｒｉｓ，Ｉｎｃ．（Ｂｉｌｌｅｒｉｃａ、Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ、ＵＳＡ）から市販されているタイプのものを含んでもよく、または、固体共反応材料を用いる場合、供給源１６６は固体源容器、例えば、ＰｒｏＥ－Ｖａｐの商標の下でＥｎｔｅｇｒｉｓ，Ｉｎｃ．（Ｂｉｌｌｅｒｉｃａ、Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ、ＵＳＡ）から市販されているタイプのものを含んでもよい。プラズマチャンバ１２２は、ドーパント源反応物質と反応ガスとの反応生成物のイオン化のためのチャンバ内部のイオン化ゾーン４２０の境界となる導電チャンバ壁４１２、４１４、４１６を有する。側壁４１４は、プラズマチャンバ１２２の中心軸線４１５に対して円対称である。分析マグネットに面する導電壁４１６は、プラズマチャンバ支持体４２２に接続される。壁４１６は複数の開口を有するアパーチャプレート１４６を支持し、アパーチャプレート１４６は、イオンがプラズマチャンバ１２２を出て、次いで、間隔をおいて配置され電気的に絶縁された複数の抽出電極１２４の下流の位置でイオンビームを形成するように結合することを可能にする。アパーチャプレート１４６は特定のパターンで配置された多数の開口を含み、これらの開口は、間隔をおいて配置された抽出電極１４２に同様に構成された複数のアパーチャと位置が合っている。図５には、このようなアパーチャが１つだけ示されている。
【0050】
金属アンテナ４３０は、プラズマチャンバ１２２内にエネルギーを放射するためにチャンバ内部に露出された金属面４３２を有する。プラズマチャンバ１２２の外部にある電源４３４は、適切な特性の無線周波数（ＲＦ：ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号、例えば、およそ１３．５６メガヘルツ（ＭＨｚ）のＲＦ信号で金属アンテナ４３０にエネルギーを与えて、金属アンテナ内に交流電流を発生させて、プラズマチャンバ１２２内にイオン化電界を引き起こす。アンテナの電力は、特定のイオン化動作に適した任意の大きさでもあってよく、例えば５００～３０００ワット（Ｗ）程度の電力である。イオン源チャンバ内の圧力は、例えば１～１０ミリトール（ｍｉｌｌｉｔｏｒｒ）程度とすることができ、その結果、イオン源１１２は低圧力、高密度の誘導源として機能する。プラズマチャンバ１２２はまた、アンテナ４３０とアパーチャプレート１４６との間のチャンバ内部の領域の中を延在する磁気フィルタアセンブリ４４０を含んでもよい。
【0051】
アンテナ４３０は、取外し可能な支持プレート４５０によってプラズマチャンバ１２２内に配置することができる。支持プレート４５０は、アンテナが通り抜けて延在する円形の切抜部４５２を有する位置で側壁４１４によって支持される。アンテナ４３０のための支持プレート４５０は、アンテナ４３０の露出されたＵ字形金属部４３２をイオン化ゾーン４２０内に配置しながら、チャンバ壁４１４の切抜部４５２に嵌まり込むような大きさである。
【0052】
支持プレート４５０は、２つの真空圧フィッティング４５６を収める２つの貫通通路を画定する。アンテナ４３０の細長い脚部４５７がフィッティングに押し込まれた後、エンドキャップ４５８がフィッティングにねじ込まれてフィッティング４５６と脚部４５７との間の接触領域を封止する。アンテナ４３０は、放射放出領域ではＵ字形が好ましく、例えば、アルミニウムから構築されてもよい。管の外径は、圧力フィッティング４５６の中を通るような寸法である。使用中、アンテナはその周囲から熱を吸収する。この熱を放散させるために、冷却剤が管の中心を通る。
【0053】
プレート４５０は、プラズマチャンバの内部に露出された概ね平面状の表面４６０を有し、チャンバ内部とは反対側を向く平行な外面４６２を含む。プレート４５０のフランジ部４６４は、壁４１４の切抜部を取り囲みコネクタ４７２によって壁４１４に取り付けられたリング磁石４７０に被さる。プレート４５０が切抜部４５２内に配置されると、強磁性インサート４７４と磁石４７０とが互いに引き合って、アンテナ４３０がチャンバ内部に延在した状態でプレート４５０を定位置に固定するように、支持プレート４５０に取り付けられた強磁性インサート４７４は磁石４７０を覆って嵌合する。
【0054】
イオン源の動作中、熱が発生し、この熱は壁４１２、４１４、４１６、４１８によって吸収される。壁の中の通路に水を導くためのフィッティング４７６によって導入され、第２の出口フィッティング（図示せず）によってチャンバから出ていく冷却剤によって、吸収された熱をチャンバ１２２から取り除くことができる。この構成によって、壁の温度は１００℃より低い温度に維持することができ、その結果、イオン源１１２は冷温壁イオン源として機能する。
【0055】
支持プレート４５０近くのアンテナ４３０の領域は特に、イオン注入器の動作中にスパッタされた材料で被覆されやすい。このようなスパッタリングの影響を最小限にするために、アンテナを支持プレート４５０に挿入する前にアルミニウムのアンテナに２つのシールド４８０を被せることができる。これらのシールドはアルミニウムから構築されることが好ましく、シールドとアンテナ４３０の露出したアルミニウムの外面との間の摩擦嵌めによって定位置に維持される。
【0056】
イオン源１１２の動作中、ドーパント要素の堆積物が、イオン化ゾーン４２０の境界となる内壁４１２、４１４、および４１６に形成されることがある。通常の動作状態の下でイオン源１１２を動作させている間、反応ガスと同時に洗浄ガスを流してもよい。洗浄ガス源４８２および対応する質量流量コントローラ４８４が設けられてもよく、質量流量コントローラ４８４の洗浄ガス出力は、プラズマチャンバ１２２に送達される前に導管１７０の質量流量コントローラ１６８の反応ガス出力と結合される。これに代えて、反応ガスおよび洗浄ガスは、プラズマチャンバに別々に送達されてもよい。さらなる代替として、洗浄ガスは、その有効なイオン注入動作後にプラズマチャンバに流されてもよい。
【0057】
反応ガス源１６６は、洗浄材料および／または希釈剤、平衡指向材料、冷却剤などの他の材料と組み合わせた反応ガスを含んでもよいことは理解されよう。
【0058】
図６は、イオン源チャンバ５４４およびプロセス監視制御システムを備えるイオン注入システム５００の概略図である。
【0059】
図示のように、イオン注入システム５００は、流量制御バルブ５２４を有する分注ライン５１８に結合された反応ガスボンベ５１２と、流量制御バルブ５２６を有する分注ライン５２０に結合された洗浄流体ボンベ５１４と、流量制御バルブ５２８を有する分注ライン５２２に結合された希釈流体ボンベ５１６とを含むガス供給ボンベが配置されたガスボックス５１０を含む。ボンベ５１２内の反応ガスは、イオン源チャンバ５４４内にまたはイオン源チャンバ５４４と関連して供給されるドーパント源反応物質（図６に図示せず）と反応するように配置される。
【0060】
バルブ５２４、５２６、および５２８は、それぞれ信号伝送ライン５３０、５３６、および５３４によって中央処理装置（ＣＰＵ：ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）に接続されており、それによって、ＣＰＵは、サイクルタイムプログラムに応答して、またはＣＰＵによって監視されるプロセス状況および／または構成要素に応じてバルブを調節するＣＰＵの他の信号生成能力に応答して、それぞれのバルブを特定の範囲に開閉するよう動作することができる。
【0061】
それぞれのボンベに結合された分注ライン５１８、５２０、および５２２は、混合チャンバ５３２で終端となり、その結果、それぞれの反応ガス、洗浄流体、および希釈流体のうちの複数の流体は、所望のように選択的に互いと混合することができる。これに代えて、単一のボンベ、すなわち反応ガスボンベ５１２は、その内容物をチャンバ５３２に分注し、そこから、圧力トランスデューサ５４０および質量流量コントローラ（ＭＦＣ：ｍａｓｓ ｆｌｏｗ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）５４２を含む供給ラインへ、それからイオン源チャンバ５４４へ流れるように構成することができる。イオン源チャンバ５４４はイオン化動作するように構成され、反応ガスとドーパント源反応物質との反応によって生成されるドーパント源をイオン化する。イオン化動作は、イオン注入器チャンバ５４６に伝送されるイオンビームを生成するように行われる。イオン注入器チャンバ５４６にはその中に半導体または他のマイクロ電子デバイスの基板が取り付けられ、選択されたイオン化ドーパント種が基板に注入される。
【0062】
図６のこの例示的なシステムでは、イオン源への供給ラインの圧力トランスデューサ５４０は、信号伝送ライン５３８によって信号伝送関係でＣＰＵに結合される。質量流量コントローラも、信号伝送ラインによって信号伝送関係でＣＰＵに結合される。圧力トランスデューサのこの配置により、供給ラインの圧力と相関性のある信号が生成され、監視目的のためにライン５３８内をＣＰＵに伝送される。
【0063】
反応ガスがイオン源に流れている間、供給ラインの圧力は圧力トランスデューサ５４０によって検知され、信号伝送ライン５３８内をＣＰＵに伝送される。
【0064】
次いで、ＣＰＵはそれに応答して、イオン源チャンバへの反応ガスの流れを調節することができる。ＣＰＵはまた、信号伝送ライン５３６内をバルブに送られる制御信号によって流量制御バルブ５２６を開けることによって、ボンベ５１４から供給ラインへの洗浄流体の流れを制御することができる。これに代えて、イオン源へのアーク電力を下げることができる。さらなる代替として、信号伝送ライン５３０内をバルブ５２４に伝送される制御信号によってバルブを開けることによって反応ガスの流量を増大させることによって、ならびに／または、体積流量の全体的な増大によって流れ回路およびイオン源チャンバ内での反応ガスの滞留時間を短くするように洗浄流体および／もしくは希釈流体を加えることによって、反応性ガスの滞留時間を短くすることができる。このように、イオン注入システムが適切に動作するように、反応ガスとドーパント源反応物質との反応を制御可能に調節することができる。
【0065】
別の態様では、本開示は、ガリウム前駆体をイオン化してガリウム注入種を形成することと、ガリウム注入種を基板に注入することとを含むガリウムイオン注入プロセスに関する。ガリウム前駆体は、窒化ガリウム、酸化ガリウム、または６９Ｇａまたは７１Ｇａの天然存在量を超えるまで同位体濃縮されたガリウムを含む窒化ガリウムまたは酸化ガリウムの同位体濃縮された類似物を含み、任意選択で消耗可能な構造物の形態とすることができる。
【0066】
特定の実施形態は、ガリウム前駆体が６９Ｇａの天然存在量を超えるまで同位体濃縮されるプロセス、およびガリウム前駆体が７１Ｇａの天然存在量を超えるまで同位体濃縮されるプロセスを含む。
【0067】
さらなる態様において、上で概説したイオン注入プロセスは、６０％を超える６９Ｇａの同位体濃縮されたガリウム前駆体を含む前駆体材料を用いて実施されてもよい。例えば、前駆体のガリウムの全量の中の６９Ｇａの量は、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、および９５％の中から選択される下限と、下限より多く、７５％、８０％、８５％、９０％、９５％、９８％、９９％、９９．５％、９９．８％、９９．９％、および１００％の中から選択される上限とを有する範囲にあってもよい。様々な実施形態では、前駆体のガリウムの全量の中の６９Ｇａの量は６５％～１００％の範囲にあってもよい。
【0068】
これに代えて、上で概説したイオン注入プロセスは、４０％を超える７１Ｇａの同位体濃縮されたガリウム前駆体を含む前駆体材料を用いて実施されてもよい。このような前駆体のガリウムの全量の中の７１Ｇａの量は、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、および９５％の中から選択される下限と、下限より多く、７５％、８０％、８５％、９０％、９５％、９８％、９９％、９９．５％、９９．８％、９９．９％、および１００％の中から選択される上限とを有する範囲にあってもよい。特定の実施態様では、前駆体のガリウムの全量の中の７１Ｇａの量は４５％～１００％の範囲にあってもよい。
【実施例0069】
本発明によれば、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む、または酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）、またはこれらの混合物を含む固体前駆体は、例えば交換可能なライナの形態でアークチャンバに使用されるとき、有用なまたは比較的長期間のイオン源寿命にもなりながら有用または有利なビーム電流を生成することができる。特に、前駆体としてガス状のトリメチルガリウムＧａ（ＣＨ３）３を使用するのに比べると、イオン源チャンバにおいて、例えば、交換可能なイオン源チャンバライナとして形成された、本書に記載の窒化ガリウムまたは酸化ガリウムからなる固体前駆体は、有用または有利な高ビーム電流を生成することができ、ガス状のトリメチルガリウムによって供給される場合より実質的に長時間にわたって連続的に供給することができるガリウムイオン源を提供することができる。
【0070】
１．ガス状のトリメチルガリウム前駆体（比較）
図７Ａは、以下の試験反応器条件を用いて、様々な流量レベルのトリメチルガリウムを前駆体として用いて得られたＧａ＋ビーム電流の例を示す。
アーク電圧＝６０Ｖ
ソースビーム＝２０ｍＡ
図７Ａは、以下の試験反応器条件を用いて、様々な流量レベルのトリメチルガリウムを前駆体として用いて得られたＧａ＋ビーム電流の例を示す。
アーク電圧＝６０Ｖ
ソースビーム＝２０ｍＡ
【0071】
図７Ａに示すように、１ｓｃｃｍ、アーク電圧６０Ｖ、およびソースビーム２０ｍＡにおいて、最高４．７２８ｍＡのＧａ＋ビーム電流が得られた。１．２５ｓｃｃｍでは、４．８１８ｍＡのビーム電流が得られた。しかし、このとき、ビームは安定していなかった。
【0072】
ソースは、ビームが不安定になる前、最長約２時間だけ動作することができた。ビームの不安定さは、内部に形成された、トリメチルガリウム由来の炭素／ガリウムの形態のイオンチャンバの汚染によるものと考えられた。
【0073】
２．酸化ガリウム前駆体
図８Ａ～図８Ｅは、共反応物のタイプと量を変え、以下の概略的な試験条件を用いて、交換可能なチャンバライナとして固体の酸化ガリウムを使用することによって得られたＧａ＋ビーム電流の実験的な例を示す。
アーク電圧＝変数（６０Ｖ、９０Ｖ、１２０Ｖ）
ソースビーム＝２０ｍＡ
共反応物＝変数
図８Ａ～図８Ｅは、共反応物のタイプと量を変え、以下の概略的な試験条件を用いて、交換可能なチャンバライナとして固体の酸化ガリウムを使用することによって得られたＧａ＋ビーム電流の実験的な例を示す。
アーク電圧＝変数（６０Ｖ、９０Ｖ、１２０Ｖ）
ソースビーム＝２０ｍＡ
共反応物＝変数
【0074】
図８Ａは、対陰極（図では、チャンバの左端）に隣接する内部の底面に酸化ガリウムの交換可能なシートを含むイオン源チャンバの内部を上から下に見た図である。イオン源チャンバの他の内面のすべて（底部の残りの部分、側部、および頂部）はタングステンである。
【0075】
図８Ｂは、異なるＢＦ３流量およびアーク電圧で有用なビーム電流が得られたことを示す。
【0076】
【0077】
３．窒化ガリウム
図９Ａ～図９Ｄは、窒化ガリウムを使用し、共反応物を変え、以下の概略的な試験条件を用いて得られたビームＧａ＋電流の例を示す。
アーク電圧＝変数（６０Ｖ、９０Ｖ、１２０Ｖ）
ソースビーム＝２０ｍＡ
共反応物＝変数
図９Ａ～図９Ｄは、窒化ガリウムを使用し、共反応物を変え、以下の概略的な試験条件を用いて得られたビームＧａ＋電流の例を示す。
アーク電圧＝変数（６０Ｖ、９０Ｖ、１２０Ｖ）
ソースビーム＝２０ｍＡ
共反応物＝変数
【0078】
図９Ａは、対陰極（図では、チャンバの左端）に隣接する内部の底面に酸化ガリウムの交換可能なシートを含むイオン源チャンバの内部を上から下に見た図である。イオン源チャンバの他の内面のすべてはタングステンである。
【0079】
図９Ｂは、異なるＢＦ３流量およびアーク電圧で有用なビーム電流が得られたことを示す。
【0080】
【0081】
４．イオン源チャンバ内で別個の酸化ガリウムの消耗可能な構造物と組み合わせた窒化ガリウム消耗品
図１０Ａ～図１０Ｄは、単一のイオン源チャンバ内で別個の酸化ガリウムの消耗可能な構造物（交換可能なライナ）と組み合わせた消耗可能な構造物（交換可能なライナ）として窒化ガリウムを使用し、共反応物を変え、以下の概略的な試験条件を用いて得られたＧａ＋ビーム電流の例を示す。
アーク電圧＝変数（６０Ｖ、９０Ｖ、１２０Ｖ）
ソースビーム＝２０ｍＡ
共反応物＝変数
図１０Ａ～図１０Ｄは、単一のイオン源チャンバ内で別個の酸化ガリウムの消耗可能な構造物（交換可能なライナ）と組み合わせた消耗可能な構造物（交換可能なライナ）として窒化ガリウムを使用し、共反応物を変え、以下の概略的な試験条件を用いて得られたＧａ＋ビーム電流の例を示す。
アーク電圧＝変数（６０Ｖ、９０Ｖ、１２０Ｖ）
ソースビーム＝２０ｍＡ
共反応物＝変数
【0082】
図１０Ａは、対陰極（図では、チャンバの左端）に隣接する内部の底面に酸化ガリウムの交換可能なシート、および陰極（図では、チャンバの右端）に隣接する内部の底面に第２の交換可能なシートある窒化ガリウムを含むイオン源チャンバの内部を上から下に見た図である。図１０Ｂは、内部の底面に酸化ガリウムおよび窒化ガリウムの交換可能なシートを有する内部の側面斜視図である。
【0083】
イオン源チャンバの他の内面のすべてはタングステンである。
【0084】
図１０Ｃは、異なるＢＦ３流量で有用なビーム電流が得られ、ビーム電流はＢＦ３の流量が増大してもビーム電流低下がなかったことを示す。
【0085】
図１０Ｄは、共反応ガスとしてキセノンが使用されたときの有用なビーム電流値を示す。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図8E】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図9D】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図10D】
【手続補正書】
【提出日】2022-05-10
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ガリウムイオンを生成することができるイオン源装置であって、当該イオン源装置が、
側壁、底部、および頂部を含む内面によって画定された内部を含むアークチャンバ、
前記アークチャンバの前記内部と流体連通する反応ガスのソース、並びに
前記アークチャンバ内に配置され、且つ前記アークチャンバの前記内面の１つまたは複数を覆う消耗可能な構造物であって、窒化ガリウム、酸化ガリウム、またはこれらの組合せを含む消耗可能な構造物
を備える、イオン源装置。
側壁、底部、および頂部を含む内面によって画定された内部を含むアークチャンバ、
前記アークチャンバの前記内部と流体連通する反応ガスのソース、並びに
前記アークチャンバ内に配置され、且つ前記アークチャンバの前記内面の１つまたは複数を覆う消耗可能な構造物であって、窒化ガリウム、酸化ガリウム、またはこれらの組合せを含む消耗可能な構造物
を備える、イオン源装置。
【請求項2】
前記反応ガスがフッ素含有ガスである、請求項１に記載のイオン源装置。
【請求項3】
前記反応ガスがＢＦ３またはＳｉＦ４である、請求項１に記載のイオン源装置。
【請求項4】
前記反応ガスが、Ｂ２Ｆ４、ＧｅＦ４、Ｓｉ２Ｆ６、ＰＦ３、ＰＦ５、ＡｓＦ３、ＡｓＦ５、ＸｅＦ２、ＮＦ３、Ｎ２Ｆ４、ＨＦ、ＷＦ６、ＭｏＦ６、ＳＦ６、ＳＦ４、ＳｅＦ６、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、ＣＯＦ２、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨ３Ｆおよびこれらの組合せから選択される、請求項１に記載のイオン源装置。
【請求項5】
前記反応ガスが、ＢＦ３およびＨ２；ＳｉＦ４およびＨ２；ＢＦ３およびＸｅ；ＳｉＦ４およびＸｅ；ＢＦ３、Ｈ２、およびＸｅ；またはＳｉＦ４、Ｈ２、およびＸｅから選択される混合ガスを含む、請求項１に記載のイオン源装置。
【請求項6】
前記反応ガスがエンリッチガスである、請求項１に記載のイオン源装置。
【請求項7】
前記消耗可能な構造物が１つまたは複数のシート状構造物であって、前記１つまたは複数のシート状構造物が、前記アークチャンバの前記内面の１つまたは複数を覆う、請求項１に記載のイオン源装置。
【請求項8】
前記消耗可能な構造物が、前記アークチャンバの前記内部から取り外すことができる、請求項１または７に記載のイオン源装置。
【請求項9】
ガリウムガスを形成する方法であって、当該方法が
側壁、底部、および頂部を含む内面によって画定された内部を含むアークチャンバに反応ガスを導入すること、ここで前記アークチャンバは内部に消耗可能な構造物を有し、前記消耗可能な構造物は前記アークチャンバの前記内面の１つまたは複数を覆い、前記消耗可能な構造物は窒化ガリウム、酸化ガリウム、またはこれらの組合せを含み、及び
ガリウムイオンを生成するために、前記消耗可能な構造物を反応ガスと接触させること
を含む、方法。
側壁、底部、および頂部を含む内面によって画定された内部を含むアークチャンバに反応ガスを導入すること、ここで前記アークチャンバは内部に消耗可能な構造物を有し、前記消耗可能な構造物は前記アークチャンバの前記内面の１つまたは複数を覆い、前記消耗可能な構造物は窒化ガリウム、酸化ガリウム、またはこれらの組合せを含み、及び
ガリウムイオンを生成するために、前記消耗可能な構造物を反応ガスと接触させること
を含む、方法。
【請求項10】
前記反応ガスがＢＦ３またはＳｉＦ４である、請求項９に記載の方法。
【請求項11】
前記反応ガスが、Ｂ２Ｆ４、ＧｅＦ４、Ｓｉ２Ｆ６、ＰＦ３、ＰＦ５、ＡｓＦ３、ＡｓＦ５、ＸｅＦ２、ＮＦ３、Ｎ２Ｆ４、ＨＦ、ＷＦ６、ＭｏＦ６、ＳＦ６、ＳＦ４、ＳｅＦ６、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、ＣＯＦ２、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨ３Ｆおよびこれらの組合せから選択される、請求項９に記載の方法。
【請求項12】
前記反応ガスが、ＢＦ３およびＨ２；ＳｉＦ４およびＨ２；ＢＦ３およびＸｅ；ＳｉＦ４およびＸｅ；ＢＦ３、Ｈ２、およびＸｅ；またはＳｉＦ４、Ｈ２、およびＸｅから選択される混合ガスを含む、請求項９に記載の方法。
【外国語明細書】