特許 7256711 イオン生成装置およびイオン注入装置

(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】

(24)【登録日】2023-04-04

(45)【発行日】2023-04-12

(54)【発明の名称】イオン生成装置およびイオン注入装置

(51)【国際特許分類】

   H01J 27/08 20060101AFI20230405BHJP

   H01J 37/08 20060101ALI20230405BHJP

   H01J 37/317 20060101ALI20230405BHJP

   C23C 14/48 20060101ALI20230405BHJP

   H01L 21/265 20060101ALI20230405BHJP

【ＦＩ】

H01J27/08

H01J37/08

H01J37/317 Z

C23C14/48 Z

H01L21/265 603A

H01L21/265 Z

【請求項の数】 21

(21)【出願番号】P 2019131070

(22)【出願日】2019-07-16

(65)【公開番号】P2021015758

(43)【公開日】2021-02-12

【審査請求日】2022-05-18

(73)【特許権者】

【識別番号】000183196

【氏名又は名称】住友重機械イオンテクノロジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100116274

【弁理士】

【氏名又は名称】富所 輝観夫

(72)【発明者】

【氏名】室岡 博樹

【審査官】右▲高▼ 孝幸

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１５－５１２５５８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｊ ２７／０８

Ｈ０１Ｊ ３７／０８

Ｈ０１Ｊ ３７／３１７

Ｃ２３Ｃ １４／４８

Ｈ０１Ｌ ２１／２６５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

不純物元素の単体である第１固体材料と前記不純物元素を含む化合物である第２固体材料を混合した原料を加熱して、前記第１固体材料および前記第２固体材料から前記不純物元素を含む蒸気を生成するための蒸気生成室と、
前記蒸気を用いて前記不純物元素のイオンを含むプラズマを生成するプラズマ生成室と、を備えることを特徴とするイオン生成装置。

【請求項2】

前記不純物元素は、金属であることを特徴とする請求項１に記載のイオン生成装置。

【請求項3】

前記不純物元素は、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、ガリウム（Ｇａ）、スズ（Ｓｎ）、またはマグネシウム（Ｍｇ）のいずれかであることを特徴とする請求項２に記載のイオン生成装置。

【請求項4】

前記第２固体材料は、前記不純物元素を含むハロゲン化合物であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のイオン生成装置。

【請求項5】

前記第２固体材料は、前記不純物元素を含むフッ素化合物であることを特徴とする請求項４に記載のイオン生成装置。

【請求項6】

前記第１固体材料は、顆粒状、粒状、ショット状またはバルク状であり、
前記第２固体材料は、粉末状、顆粒状または粒状であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のイオン生成装置。

【請求項7】

前記原料に含まれる前記第１固体材料の重量割合は、５％以上９５％以下であり、前記原料に含まれる前記第２固体材料の重量割合は、５％以上９５％以下であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のイオン生成装置。

【請求項8】

前記蒸気生成室の前記原料と接触する内面がグラファイトで構成されることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のイオン生成装置。

【請求項9】

前記蒸気生成室内での前記原料の加熱温度は、５００℃以上１０００℃以下であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のイオン生成装置。

【請求項10】

前記不純物元素とは異なる元素の単体または前記不純物元素とは異なる元素を含む化合物であるアシストガスを前記プラズマ生成室に導入するガス導入部をさらに備え、
前記蒸気と前記アシストガスの混合ガスを用いて前記プラズマ生成室内で前記プラズマが生成されることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のイオン生成装置。

【請求項11】

前記アシストガスは、希ガス、水素化合物ガスまたはハロゲン化合物ガスであることを特徴とする請求項１０に記載のイオン生成装置。

【請求項12】

前記アシストガスは、フッ素化合物ガスであることを特徴とする請求項１１に記載のイオン生成装置。

【請求項13】

前記アシストガスは、三フッ化ホウ素（ＢＦ_３）ガスであることを特徴とする請求項１２に記載のイオン生成装置。

【請求項14】

前記第１固体材料はアルミニウムであり、前記第２固体材料は三フッ化アルミニウム（ＡｌＦ_３）であることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載のイオン生成装置。

【請求項15】

前記プラズマ生成室内で生成される前記プラズマからビーム電流量が５ｍＡ以上のアルミニウムイオンビームが引出可能であることを特徴とする請求項１４に記載のイオン生成装置。

【請求項16】

前記プラズマ生成室内で生成される前記プラズマから前記不純物元素の多価イオンのイオンビームが引出可能であることを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載のイオン生成装置。

【請求項17】

前記プラズマ生成室を区画し、前記プラズマ生成室内で生成される前記プラズマから前記不純物元素のイオンビームを引き出すためのスリットを有するアークチャンバと、
前記アークチャンバ内に熱電子を放出して前記プラズマを生成させるカソードと、を備えることを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載のイオン生成装置。

【請求項18】

請求項１から１７のいずれか一項に記載のイオン生成装置と、
前記イオン生成装置から引き出される前記不純物元素のイオンビームをウェハまで輸送するビームライン装置と、を備えることを特徴とするイオン注入装置。

【請求項19】

請求項１から１７のいずれか一項に記載のイオン生成装置と、
前記イオン生成装置から引き出される前記不純物元素のイオンビームをウェハまで輸送するビームライン装置と、を備え、
前記ビームライン装置は、前記イオン生成装置の下流に設けられる質量分析部を備え、
前記質量分析部は、前記イオン生成装置から引き出された前記不純物元素のイオンを含むイオンビームに磁場を印加する質量分析磁石と、前記質量分析磁石の下流に配置される質量分析スリットとを含み、前記不純物元素のイオンが前記質量分析スリットを選択的に通過するように前記磁場を調整し、前記ウェハまで輸送される前記不純物元素のイオンビームを生成することを特徴とするイオン注入装置。

【請求項20】

前記質量分析部は、前記イオン生成装置から引き出された前記不純物元素のイオンを含む種々のイオンを含むイオンビームに対して前記磁場を印加し、イオンの質量電荷比の値に応じて前記種々のイオンを異なる経路で偏向させることにより、前記不純物元素のイオンが前記質量分析スリットを選択的に通過するように前記磁場を調整することを特徴とする、請求項１９に記載のイオン注入装置。

【請求項21】

前記第１固体材料および前記第２固体材料を混合した前記原料を加熱して生成された蒸気を用いた前記不純物元素のイオンビームのビーム電流量の最大値は、前記第１固体材料または前記第２固体材料のみを加熱して生成された蒸気を用いた前記不純物元素のイオンビームのビーム電流量の最大値よりも大きいことを特徴とする請求項１９または２０に記載のイオン注入装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、イオン生成装置およびイオン注入装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体製造工程では、半導体の導電性を変化させる目的、半導体の結晶構造を変化させる目的などのため、半導体ウェハにイオンを注入する工程（イオン注入工程ともいう）が標準的に実施されている。この工程で使用される装置は、一般にイオン注入装置と呼ばれる。このようなイオン注入装置では、ソースガスをプラズマ化してイオンを生成するためのイオン生成装置が用いられる。ソースガスとして、不純物元素を含む固体材料を加熱して生成される蒸気が用いられることがある（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００４－３５９９８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ある種の不純物元素のイオンを取得する際に、単一種類の固体材料の加熱により生成される蒸気を用いてイオンを生成しようとすると、イオン生成装置から引き出されるイオンビームの電流量やイオン生成装置の寿命が不十分であった。

【0005】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、固体材料の加熱により生成される蒸気を原料に用いるイオン生成装置の性能を向上させる技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明のある態様のイオン生成装置は、不純物元素の単体である第１固体材料と不純物元素を含む化合物である第２固体材料を混合した原料を加熱して蒸気を生成するための蒸気生成室と、蒸気を用いて不純物元素のイオンを含むプラズマを生成するプラズマ生成室と、を備える。

【0007】

本発明の別の態様は、イオン注入装置である。イオン注入装置は、ある態様のイオン生成装置と、イオン生成装置から引き出される不純物元素のイオンビームをウェハまで輸送するビームライン装置と、を備える。

【0008】

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、固体材料の加熱により生成される蒸気を原料に用いるイオン生成装置の性能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施の形態に係るイオン注入装置の概略構成を示す上面図である。

【図2】図１のイオン注入装置の概略構成を示す側面図である。

【図3】実施の形態に係るイオン生成装置の構成を概略的に示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

【0012】

実施の形態を詳述する前に概要を説明する。本実施の形態は、イオン生成装置を備えるイオン注入装置である。イオン生成装置は、固体材料の原料を加熱して蒸気を生成するための蒸気生成室と、蒸気を用いて不純物元素のイオンを含むプラズマを生成するプラズマ生成室と、を備える。本実施の形態では、蒸気を生成するための原料として、不純物元素の単体である第１固体材料と、不純物元素を含む化合物である第２固体材料を混合した原料を使用する。原料として２種類の固体材料を混合して使用することにより、イオン生成装置から取り出し可能なイオンビームの電流量を高めるとともに、イオン生成装置の寿命を改善できる。

【0013】

図１は、実施の形態に係るイオン注入装置１０を概略的に示す上面図であり、図２は、イオン注入装置１０の概略構成を示す側面図である。イオン注入装置１０は、被処理物Ｗの表面にイオン注入処理を施すよう構成される。被処理物Ｗは、例えば基板であり、例えば半導体ウェハである。説明の便宜のため、本明細書において被処理物ＷをウェハＷと呼ぶことがあるが、これは注入処理の対象を特定の物体に限定することを意図しない。

【0014】

イオン注入装置１０は、ビームを一方向に往復走査させ、ウェハＷを走査方向と直交する方向に往復運動させることによりウェハＷの処理面全体にわたってイオンビームを照射するよう構成される。本書では説明の便宜上、設計上のビームラインＡに沿って進むイオンビームの進行方向をｚ方向とし、ｚ方向に垂直な面をｘｙ面と定義する。イオンビームを被処理物Ｗに対し走査する場合において、ビームの走査方向をｘ方向とし、ｚ方向及びｘ方向に垂直な方向をｙ方向とする。したがって、ビームの往復走査はｘ方向に行われ、ウェハＷの往復運動はｙ方向に行われる。

【0015】

イオン注入装置１０は、イオン生成装置１２と、ビームライン装置１４と、注入処理室１６と、ウェハ搬送装置１８とを備える。イオン生成装置１２は、イオンビームをビームライン装置１４に与えるよう構成される。ビームライン装置１４は、イオン生成装置１２から注入処理室１６へイオンビームを輸送するよう構成される。注入処理室１６には、注入対象となるウェハＷが収容され、ビームライン装置１４から与えられるイオンビームをウェハＷに照射する注入処理がなされる。ウェハ搬送装置１８は、注入処理前の未処理ウェハを注入処理室１６に搬入し、注入処理後の処理済ウェハを注入処理室１６から搬出するよう構成される。イオン注入装置１０は、イオン生成装置１２、ビームライン装置１４、注入処理室１６およびウェハ搬送装置１８に所望の真空環境を提供するための真空排気系（図示せず）を備える。

【0016】

ビームライン装置１４は、ビームラインＡの上流側から順に、質量分析部２０、ビームパーク装置２４、ビーム整形部３０、ビーム走査部３２、ビーム平行化部３４および角度エネルギーフィルタ（ＡＥＦ；Angular Energy Filter）３６を備える。なお、ビームラインＡの上流とは、イオン生成装置１２に近い側のことをいい、ビームラインＡの下流とは注入処理室１６（またはビームストッパ４６）に近い側のことをいう。

【0017】

質量分析部２０は、イオン生成装置１２の下流に設けられ、イオン生成装置１２から引き出されたイオンビームから必要なイオン種を質量分析により選択するよう構成される。質量分析部２０は、質量分析磁石２１と、質量分析レンズ２２と、質量分析スリット２３とを有する。

【0018】

質量分析磁石２１は、イオン生成装置１２から引き出されたイオンビームに磁場を印加し、イオンの質量電荷比Ｍ＝ｍ／ｑ（ｍは質量、ｑは電荷）の値に応じて異なる経路でイオンビームを偏向させる。質量分析磁石２１は、例えばイオンビームにｙ方向（図１および図２では－ｙ方向）の磁場を印加してイオンビームをｘ方向に偏向させる。質量分析磁石２１の磁場強度は、所望の質量電荷比Ｍを有するイオン種が質量分析スリット２３を通過するように調整される。

【0019】

質量分析レンズ２２は、質量分析磁石２１の下流に設けられ、イオンビームに対する収束／発散力を調整するよう構成される。質量分析レンズ２２は、質量分析スリット２３を通過するイオンビームのビーム進行方向（ｚ方向）の収束位置を調整し、質量分析部２０の質量分解能Ｍ／ｄＭを調整する。なお、質量分析レンズ２２は必須の構成ではなく、質量分析部２０に質量分析レンズ２２が設けられなくてもよい。

【0020】

質量分析スリット２３は、質量分析レンズ２２の下流に設けられ、質量分析レンズ２２から離れた位置に設けられる。質量分析スリット２３は、質量分析磁石２１によるビーム偏向方向（ｘ方向）がスリット幅となるように構成され、ｘ方向が相対的に短く、ｙ方向が相対的に長い形状の開口２３ａを有する。

【0021】

質量分析スリット２３は、質量分解能の調整のためにスリット幅が可変となるように構成されてもよい。質量分析スリット２３は、スリット幅方向に移動可能な二枚の遮蔽体により構成され、二枚の遮蔽体の間隔を変化させることによりスリット幅が調整可能となるように構成されてもよい。質量分析スリット２３は、スリット幅の異なる複数のスリットのいずれか一つに切り替えることによりスリット幅が可変となるよう構成されてもよい。

【0022】

ビームパーク装置２４は、ビームラインＡからイオンビームを一時的に退避し、下流の注入処理室１６（またはウェハＷ）に向かうイオンビームを遮蔽するよう構成される。ビームパーク装置２４は、ビームラインＡの途中の任意の位置に配置することができるが、例えば、質量分析レンズ２２と質量分析スリット２３の間に配置できる。質量分析レンズ２２と質量分析スリット２３の間には一定の距離が必要であるため、その間にビームパーク装置２４を配置することで、他の位置に配置する場合よりもビームラインＡの長さを短くすることができ、イオン注入装置１０の全体を小型化できる。

【0023】

ビームパーク装置２４は、一対のパーク電極２５（２５ａ，２５ｂ）と、ビームダンプ２６と、を備える。一対のパーク電極２５ａ，２５ｂは、ビームラインＡを挟んで対向し、質量分析磁石２１のビーム偏向方向（ｘ方向）と直交する方向（ｙ方向）に対向する。ビームダンプ２６は、パーク電極２５ａ，２５ｂよりもビームラインＡの下流側に設けられ、ビームラインＡからパーク電極２５ａ，２５ｂの対向方向に離れて設けられる。

【0024】

第１パーク電極２５ａはビームラインＡよりも重力方向上側に配置され、第２パーク電極２５ｂはビームラインＡよりも重力方向下側に配置される。ビームダンプ２６は、ビームラインＡよりも重力方向下側に離れた位置に設けられ、質量分析スリット２３の開口２３ａの重力方向下側に配置される。ビームダンプ２６は、例えば、質量分析スリット２３の開口２３ａが形成されていない部分で構成される。ビームダンプ２６は、質量分析スリット２３とは別体として構成されてもよい。

【0025】

ビームパーク装置２４は、一対のパーク電極２５ａ，２５ｂの間に印加される電場を利用してイオンビームを偏向させ、ビームラインＡからイオンビームを退避させる。例えば、第１パーク電極２５ａの電位を基準として第２パーク電極２５ｂに負電圧を印加することにより、イオンビームをビームラインＡから重力方向下方に偏向させてビームダンプ２６に入射させる。図２において、ビームダンプ２６に向かうイオンビームの軌跡を破線で示している。また、ビームパーク装置２４は、一対のパーク電極２５ａ，２５ｂを同電位とすることにより、イオンビームをビームラインＡに沿って下流側に通過させる。ビームパーク装置２４は、イオンビームを下流側に通過させる第１モードと、イオンビームをビームダンプ２６に入射させる第２モードとを切り替えて動作可能となるよう構成される。

【0026】

質量分析スリット２３の下流にはインジェクタファラデーカップ２８が設けられる。インジェクタファラデーカップ２８は、インジェクタ駆動部２９の動作によりビームラインＡに出し入れ可能となるよう構成される。インジェクタ駆動部２９は、インジェクタファラデーカップ２８をビームラインＡの延びる方向と直交する方向（例えばｙ方向）に移動させる。インジェクタファラデーカップ２８は、図２の破線で示すようにビームラインＡ上に配置された場合、下流側に向かうイオンビームを遮断する。一方、図２の実線で示すように、インジェクタファラデーカップ２８がビームラインＡ上から外された場合、下流側に向かうイオンビームの遮断が解除される。

【0027】

インジェクタファラデーカップ２８は、質量分析部２０により質量分析されたイオンビームのビーム電流を計測するよう構成される。インジェクタファラデーカップ２８は、質量分析磁石２１の磁場強度を変化させながらビーム電流を測定することにより、イオンビームの質量分析スペクトラムを計測できる。計測した質量分析スペクトラムを用いて、質量分析部２０の質量分解能を算出することができる。

【0028】

ビーム整形部３０は、収束／発散四重極レンズ（Ｑレンズ）などの収束／発散装置を備えており、質量分析部２０を通過したイオンビームを所望の断面形状に整形するよう構成されている。ビーム整形部３０は、例えば、電場式の三段四重極レンズ（トリプレットＱレンズともいう）で構成され、三つの四重極レンズ３０ａ，３０ｂ，３０ｃを有する。ビーム整形部３０は、三つのレンズ装置３０ａ～３０ｃを用いることにより、イオンビームの収束または発散をｘ方向およびｙ方向のそれぞれについて独立に調整しうる。ビーム整形部３０は、磁場式のレンズ装置を含んでもよく、電場と磁場の双方を利用してビームを整形するレンズ装置を含んでもよい。

【0029】

ビーム走査部３２は、ビームの往復走査を提供するよう構成され、整形されたイオンビームをｘ方向に走査するビーム偏向装置である。ビーム走査部３２は、ビーム走査方向（ｘ方向）に対向する走査電極対を有する。走査電極対は可変電圧電源（図示せず）に接続されており、走査電極対の間に印加される電圧を周期的に変化させることにより、電極間に生じる電界を変化させてイオンビームをさまざまな角度に偏向させる。その結果、イオンビームがｘ方向の走査範囲全体にわたって走査される。図１において、矢印Ｘによりビームの走査方向及び走査範囲を例示し、走査範囲でのイオンビームの複数の軌跡を一点鎖線で示している。

【0030】

ビーム平行化部３４は、走査されたイオンビームの進行方向を設計上のビームラインＡの軌道と平行にするよう構成される。ビーム平行化部３４は、ｙ方向の中央部にイオンビームの通過スリットが設けられた円弧形状の複数の平行化レンズ電極を有する。平行化レンズ電極は、高圧電源（図示せず）に接続されており、電圧印加により生じる電界をイオンビームに作用させて、イオンビームの進行方向を平行に揃える。なお、ビーム平行化部３４は他のビーム平行化装置で置き換えられてもよく、ビーム平行化装置は磁界を利用する磁石装置として構成されてもよい。

【0031】

ビーム平行化部３４の下流には、イオンビームを加速または減速させるためのＡＤ（Accel／Decel）コラム（図示せず）が設けられてもよい。

【0032】

角度エネルギーフィルタ（ＡＥＦ）３６は、イオンビームのエネルギーを分析し必要なエネルギーのイオンを下方に偏向して注入処理室１６に導くよう構成されている。角度エネルギーフィルタ３６は、電界偏向用のＡＥＦ電極対を有する。ＡＥＦ電極対は、高圧電源（図示せず）に接続される。図２において、上側のＡＥＦ電極に正電圧、下側のＡＥＦ電極に負電圧を印加させることにより、イオンビームを下方に偏向させる。なお、角度エネルギーフィルタ３６は、磁界偏向用の磁石装置で構成されてもよく、電界偏向用のＡＥＦ電極対と磁石装置の組み合わせで構成されてもよい。

【0033】

このようにして、ビームライン装置１４は、ウェハＷに照射されるべきイオンビームを注入処理室１６に供給する。

【0034】

注入処理室１６は、ビームラインＡの上流側から順に、エネルギースリット３８、プラズマシャワー装置４０、サイドカップ４２、センターカップ４４およびビームストッパ４６を備える。注入処理室１６は、図２に示されるように、１枚又は複数枚のウェハＷを保持するプラテン駆動装置５０を備える。

【0035】

エネルギースリット３８は、角度エネルギーフィルタ３６の下流側に設けられ、角度エネルギーフィルタ３６とともにウェハＷに入射するイオンビームのエネルギー分析をする。エネルギースリット３８は、ビーム走査方向（ｘ方向）に横長のスリットで構成されるエネルギー制限スリット（ＥＤＳ；Energy Defining Slit）である。エネルギースリット３８は、所望のエネルギー値またはエネルギー範囲のイオンビームをウェハＷに向けて通過させ、それ以外のイオンビームを遮蔽する。

【0036】

プラズマシャワー装置４０は、エネルギースリット３８の下流側に位置する。プラズマシャワー装置４０は、イオンビームのビーム電流量に応じてイオンビームおよびウェハＷの表面（ウェハ処理面）に低エネルギー電子を供給し、イオン注入で生じるウェハ処理面の正電荷のチャージアップを抑制する。プラズマシャワー装置４０は、例えば、イオンビームが通過するシャワーチューブと、シャワーチューブ内に電子を供給するプラズマ発生装置とを含む。

【0037】

サイドカップ４２（４２Ｒ，４２Ｌ）は、ウェハＷへのイオン注入処理中にイオンビームのビーム電流を測定するよう構成される。図２に示されるように、サイドカップ４２Ｒ，４２Ｌは、ビームラインＡ上に配置されるウェハＷに対して左右（ｘ方向）にずれて配置されており、イオン注入時にウェハＷに向かうイオンビームを遮らない位置に配置される。イオンビームは、ウェハＷが位置する範囲を超えてｘ方向に走査されるため、イオン注入時においても走査されるビームの一部がサイドカップ４２Ｒ、４２Ｌに入射する。これにより、イオン注入処理中のビーム電流量がサイドカップ４２Ｒ、４２Ｌにより計測される。

【0038】

センターカップ４４は、ウェハ処理面におけるビーム電流を測定するよう構成される。センターカップ４４は、駆動部４５の動作により可動となるよう構成され、イオン注入時にウェハＷが位置する注入位置から待避され、ウェハＷが注入位置にないときに注入位置に挿入される。センターカップ４４は、ｘ方向に移動しながらビーム電流を測定することにより、ｘ方向のビーム走査範囲の全体にわたってビーム電流を測定することができる。センターカップ４４は、ビーム走査方向（ｘ方向）の複数の位置におけるビーム電流を同時に計測可能となるように、複数のファラデーカップがｘ方向に並んでアレイ状に形成されてもよい。

【0039】

サイドカップ４２およびセンターカップ４４の少なくとも一方は、ビーム電流量を測定するための単一のファラデーカップを備えてもよいし、ビームの角度情報を測定するための角度計測器を備えてもよい。角度計測器は、例えば、スリットと、スリットからビーム進行方向（ｚ方向）に離れて設けられる複数の電流検出部とを備える。角度計測器は、例えば、スリットを通過したビームをスリット幅方向に並べられる複数の電流検出部で計測することにより、スリット幅方向のビームの角度成分を測定できる。サイドカップ４２およびセンターカップ４４の少なくとも一方は、ｘ方向の角度情報を測定可能な第１角度測定器と、ｙ方向の角度情報を測定可能な第２角度測定器とを備えてもよい。

【0040】

プラテン駆動装置５０は、ウェハ保持装置５２と、往復運動機構５４と、ツイスト角調整機構５６と、チルト角調整機構５８とを含む。ウェハ保持装置５２は、ウェハＷを保持するための静電チャック等を含む。往復運動機構５４は、ビーム走査方向（ｘ方向）と直交する往復運動方向（ｙ方向）にウェハ保持装置５２を往復運動させることにより、ウェハ保持装置５２に保持されるウェハをｙ方向に往復運動させる。図２において、矢印ＹによりウェハＷの往復運動を例示する。

【0041】

ツイスト角調整機構５６は、ウェハＷの回転角を調整する機構であり、ウェハ処理面の法線を軸としてウェハＷを回転させることにより、ウェハの外周部に設けられるアライメントマークと基準位置との間のツイスト角を調整する。ここで、ウェハのアライメントマークとは、ウェハの外周部に設けられるノッチやオリフラのことをいい、ウェハの結晶軸方向やウェハの周方向の角度位置の基準となるマークをいう。ツイスト角調整機構５６は、ウェハ保持装置５２と往復運動機構５４の間に設けられ、ウェハ保持装置５２とともに往復運動される。

【0042】

チルト角調整機構５８は、ウェハＷの傾きを調整する機構であり、ウェハ処理面に向かうイオンビームの進行方向とウェハ処理面の法線との間のチルト角を調整する。本実施の形態では、ウェハＷの傾斜角のうち、ｘ方向の軸を回転の中心軸とする角度をチルト角として調整する。チルト角調整機構５８は、往復運動機構５４と注入処理室１６の内壁の間に設けられており、往復運動機構５４を含むプラテン駆動装置５０全体をＲ方向に回転させることでウェハＷのチルト角を調整するように構成される。

【0043】

プラテン駆動装置５０は、イオンビームがウェハＷに照射される注入位置と、ウェハ搬送装置１８との間でウェハＷが搬入または搬出される搬送位置との間でウェハＷが移動可能となるようにウェハＷを保持する。図２は、ウェハＷが注入位置にある状態を示しており、プラテン駆動装置５０は、ビームラインＡとウェハＷとが交差するようにウェハＷを保持する。ウェハＷの搬送位置は、ウェハ搬送装置１８に設けられる搬送機構または搬送ロボットにより搬送口４８を通じてウェハＷが搬入または搬出される際のウェハ保持装置５２の位置に対応する。

【0044】

ビームストッパ４６は、ビームラインＡの最下流に設けられ、例えば、注入処理室１６の内壁に取り付けられる。ビームラインＡ上にウェハＷが存在しない場合、イオンビームはビームストッパ４６に入射する。ビームストッパ４６は、注入処理室１６とウェハ搬送装置１８の間を接続する搬送口４８の近くに位置しており、搬送口４８よりも鉛直下方の位置に設けられる。

【0045】

図３は、実施の形態に係るイオン生成装置１２の構成を概略的に示す断面図である。イオン生成装置１２は、蒸気生成装置６０と、プラズマ生成装置７０とを備える。蒸気生成装置６０は、イオンビームＩＢの素となる不純物元素を含む蒸気を生成し、生成した蒸気をプラズマ生成装置７０に供給する。プラズマ生成装置７０は、蒸気生成装置６０から供給される蒸気をイオン化させ、不純物元素のイオンを含むプラズマＰを生成する。プラズマ生成装置７０にて生成されるイオンは、引出電極８８によりイオンビームＩＢとして引き出される。

【0046】

蒸気生成装置６０は、外側容器６１と、内側容器６２と、蓋６３と、電熱線６６とを備える。外側容器６１および内側容器６２は、原料９０を加熱して蒸気を生成するための蒸気生成室６８を区画する。外側容器６１および内側容器６２は、筒状の二重構造となっており、外側容器６１の内側に内側容器６２が嵌め込まれている。蓋６３は、内側容器６２の開口端６２ａに取り付けられ、蒸気生成室６８を塞ぐよう構成される。蓋６３には蒸気導入管６４が設けられる。蒸気導入管６４は、蒸気生成室６８で生成される蒸気をプラズマ生成装置７０に導く。

【0047】

内側容器６２は、外側容器６１に対して着脱可能である。例えば、内側容器６２の開口端６２ａの外周面に雄ねじが形成され、外側容器６１の開口端６１ａの内周面に雌ねじが形成され、これらのねじ切り構造が互いに係合する。蓋６３は、内側容器６２に対して着脱可能である。例えば、内側容器６２の開口端６２ａの内周面に雌ねじが形成され、蓋６３の外周面に雄ねじが形成され、これらのねじ切り構造が互いに係合する。

【0048】

外側容器６１は、例えば、ステンレス鋼などの金属材料で構成される。内側容器６２および蓋６３は、例えば、グラファイトで構成される。内側容器６２および蓋６３をグラファイトで構成することにより、加熱された原料９０が内側容器６２や蓋６３のねじ切り構造に固着して蓋６３を開けるのが困難となることを防ぐようにする。内側容器６２は、蒸気生成室６８において原料９０と接触する内面を構成するライナーとして機能する。

【0049】

電熱線６６は、外側容器６１の外側に設けられ、例えば、外側容器６１の外周面に巻き付けられている。電熱線６６に電流を流すことで外側容器６１が加熱され、外側容器６１の昇温により内側容器６２が加熱される。これにより、蒸気生成室６８は、２００℃～１０００℃程度に加熱される。蒸気生成室６８にて加熱された原料９０は、気化して蒸気となり、蒸気導入管６４を通じてプラズマ生成装置７０に供給される。

【0050】

プラズマ生成装置７０は、アークチャンバ７２と、カソード７４と、リペラー７６とを備える。アークチャンバ７２は、略直方体の箱形状を有する。アークチャンバ７２は、プラズマＰが生成されるプラズマ生成室７８を区画する。アークチャンバ７２の前面にはイオンビームＩＢを引き出すためのスリット８０が設けられる。スリット８０は、カソード７４からリペラー７６に向かう方向に延びる細長い形状を有している。

【0051】

カソード７４は、プラズマ生成室７８に熱電子を放出する。カソード７４は、いわゆる傍熱型カソード（ＩＨＣ；Indirectly Heated Cathode）であり、フィラメント７４ａと、カソードヘッド７４ｂとを有する。カソードヘッド７４ｂは、フィラメント７４ａで発生した１次熱電子により加熱され、プラズマ生成室７８に２次熱電子を供給する。なお、カソード７４は、いわゆる直熱型カソードであってもよい。

【0052】

リペラー７６は、カソード７４と対向する位置に設けられる。リペラー７６は、プラズマ生成室７８に供給される電子を跳ね返し、プラズマ生成室７８に熱電子を滞留させてプラズマ生成効率を高める。

【0053】

アークチャンバ７２の側壁には、ガス導入部８２および蒸気導入部８４が設けられる。ガス導入部８２は、図示しないガスボンベ等からアシストガスをプラズマ生成室７８に供給する。ガス導入部８２は、例えば、プラズマ生成室７８を挟んでスリット８０とは反対側の位置に設けられる。蒸気導入部８４は、蒸気生成装置６０にて生成される蒸気をプラズマ生成室７８に供給する。蒸気導入部８４は、例えば、スリット８０やガス導入部８２が設けられる側壁とは異なるアークチャンバ７２の側壁に設けられる。

【0054】

プラズマ生成室７８には、カソード７４からリペラー７６に向かう方向に磁場Ｂが印加されている。プラズマ生成室７８に供給される熱電子は、プラズマ生成室７８に印加される磁場Ｂに束縛され、磁場Ｂに沿って螺旋状に運動する。プラズマ生成室７８において電子を螺旋状に運動させることにより、プラズマ生成効率を高めることができる。

【0055】

本実施の形態において、イオン生成装置１２は、アルミニウム（Ａｌ）のイオンビームＩＢを生成するために用いられる。Ａｌイオンビームを生成する場合、従来、原料として純アルミニウム（金属アルミニウム）、三フッ化アルミニウム（ＡｌＦ_３）、または、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの固体材料のいずれかが単独で用いられてきた。しかしながら、これらの固体材料を単独で用いる場合、イオンビームの電流量やイオン生成装置の寿命が不十分であった。本発明者は、二種類の固体材料を混合させた原料９０を用いることで、イオンビームＩＢの電流量およびイオン生成装置１２の寿命の双方を向上できることを見出した。

【0056】

蒸気生成装置６０の蒸気生成室６８に充填される原料９０は、第１固体材料９１と、第２固体材料９２とを含む。第１固体材料９１は、不純物元素の単体であり、例えば純アルミニウムである。第２固体材料９２は、不純物元素の化合物であり、例えばアルミニウムのハロゲン化合物（ＡｌＦ_３、ＡｌＣｌ_３、ＡｌＢｒ_３、ＡｌＩ_３）である。第２固体材料９２は、扱いやすさ等を考慮すると、アルミニウムのフッ素化合物（ＡｌＦ_３）であることが好ましい。

【0057】

第１固体材料９１は、顆粒状、粒状、ショット状またはバルク状である。一方、第２固体材料９２は、粉末状、顆粒状または粒状である。ここで、粉末状、顆粒状、粒状、ショット状およびバルク状とは、材料のサイズまたは粒径により定義される。粉末状は粒径が０．１ｍｍ以下であり、顆粒状は粒径が０．１ｍｍ～１ｍｍ程度であり、粒状は粒径が１ｍｍ～５ｍｍ程度であり、ショット状は粒径が５ｍｍ～１０ｍｍ程度であり、バルク状は粒径が１０ｍｍ超である。したがって、第１固体材料９１の粒径は０．１ｍｍ以上であり、第２固体材料９２の粒径は５ｍｍ以下である。

【0058】

原料９０に含まれる第１固体材料９１の重量割合は、５％以上９５％以下、２５％以上７５％以下、または、４０％以上６０％以下とすることができる。同様に、原料９０に含まれる第２固体材料９２の重量割合は、５％以上９５％以下、２５％以上７５％以下、または、４０％以上６０％以下とすることができる。一例を挙げれば、第１固体材料９１および第２固体材料９２のそれぞれの重量割合は５０％程度である。

【0059】

第１固体材料９１をＡｌとし、第２固体材料９２をＡｌＦ_３とする場合、蒸気生成室６８の加熱温度は５００℃～１０００℃程度にすればよい。一例を挙げれば、蒸気生成室６８の加熱温度を７００℃～８５０℃程度にすることが好ましく、例えば８００℃程度に設定すればよい。

【0060】

プラズマ生成装置７０には、蒸気生成装置６０からＡｌを含む蒸気を供給するだけでなく、ガス導入部８２からアシストガスを供給することが好ましい。アシストガスを用いることにより、アシストガスを用いない場合に比べて、プラズマ生成室７８におけるプラズマの生成を安定化できる。また、アシストガスの供給量を調整することにより、プラズマ生成室７８にて生成されるプラズマ密度を調整することができ、プラズマ生成装置７０から引き出されるイオンビームＩＢの電流量を調整しやすくなる。さらに、アシストガスの種類によっては、アークチャンバ７２の内面への汚れの付着を抑制することができ、プラズマ生成装置７０の寿命を向上させることができる。特に、フッ化物ガスをアシストガスとして用いることにより、アークチャンバ７２の内面への汚れの付着を好適に抑制できる。

【0061】

アシストガスは、イオンビームＩＢとして引き出されるべき不純物元素とは異なる元素の単体または化合物で構成される。アシストガスは、例えば、希ガス、水素化合物ガス、ハロゲン化合物ガスである。アシストガスとして、例えば、窒素ガス（Ｎ_２）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、キセノン（Ｘｅ）、アルシン（Ａ_ＳＨ_３）、ホスフィン（ＰＨ_３）、三フッ化ホウ素（ＢＦ_３）、三フッ化リン（ＰＦ_３）、三フッ化砒素（ＡｓＦ_３）などを用いることができる。

【0062】

つづいて、実施例について説明する。実施例１では、第１固体材料９１として粒状（粒径２～３ｍｍ）程度のアルミニウムを使用し、第２固体材料９２として粉末状または顆粒状（粒径０．１ｍｍ～０．５ｍｍ程度）の三フッ化アルミニウムを使用し、第１固体材料９１と第２固体材料９２の重量割合を５０％とした。アシストガスとして三フッ化ホウ素を使用した。引出電極８８による引出電圧を１０ｋＶ～９０ｋＶとした場合、５ｍＡ程度のアルミニウムの１価イオン（Ａｌ^＋）のビームを１００時間にわたって連続的に得ることができた。また、イオンビームの電流量が１ｍＡ程度であれば、アルミニウムの１価イオン（Ａｌ^＋）のビームを３００時間にわたって連続的に得ることができた。なお、アルミニウムの２価イオン（Ａｌ^２＋）や３価イオン（Ａｌ^３＋）の取得も可能であった。

【0063】

実施例２は、アシストガスとしてアルゴンガスを使用した点を除いて実施例１と共通である。実施例２では、最大で１ｍＡ程度のアルミニウムの１価イオン（Ａｌ^＋）のビームを得ることができた。実施例３は、アシストガスとしてホスフィンを使用した点を除いて実施例１，２と共通である。実施例３においても、最大で１ｍＡ程度のアルミニウムの１価イオン（Ａｌ^＋）のビームを得ることができた。実施例４では、アシストガスを使用していない点を除いて実施例１～３と共通である。実施例４においても、最大で１ｍＡ程度のアルミニウムの１価イオン（Ａｌ^＋）のビームを得ることができたが、プラズマの安定性が低下する傾向が見られた。

【0064】

一方、比較例１として、純アルミニウムのみを原料として使用した場合、最大で０．２ｍＡ程度のビーム電流量しか得られなかった。また、比較例２として、三フッ化アルミニウムのみを原料として使用した場合、最大で０．５ｍＡ程度のビーム電流量しか得られなかった。なお、比較例１および比較例２では、Ａｒ、ＢＦ_３、ＰＨ_３等のアシストガスを使用している。

【0065】

以上より、２種類の固体材料を混合させて使用することにより、１種類の固体材料を単独で使用する場合に比べて、得られるビーム電流量の最大値を高めることができる。また、連続的に高電流量のイオンビームを１００時間または３００時間にわたって引き出すことができ、１ｍＡ以上のビーム電流量とする場合であっても、イオン生成装置１２の寿命を長くできる。なお、一般にビーム電流量と寿命は相反関係にあり、ビーム電流量を大きくするほど寿命が短くなる傾向にある。

【0066】

なお、２種類の固体材料を混合させることでプラズマ生成装置７０から引き出し可能となるイオンビームの電流量が増えるメカニズムの詳細は分かっていない。発明者の仮説として、２種類の固体材料を混合して加熱することにより、蒸気生成室６８にて不純物元素を含む中間化合物が生成されることが考えられる。蒸気生成装置６０からプラズマ生成装置７０に中間化合物を含む蒸気が供給されることで、単独の固体材料を用いる場合よりも蒸気に含まれる不純物元素の量が増加することが考えられる。純アルミニウムと三フッ化アルミニウムを用いる場合であれば、ＡｌＦやＡｌＦ_２といった中間化合物の蒸気が蒸気生成装置６０により生成され、プラズマ生成装置７０に供給されることが考えられる。

【0067】

本実施の形態によれば、アシストガスを併用することで、プラズマ生成装置７０によるプラズマ生成を安定化させ、不純物元素のイオンを効率的に生成できる。アルミニウムなどの金属元素の場合、イオンの平均自由工程が短いためにイオン化したとしても安定な金属状態に戻りやすいため、イオンを継続して安定的に生成しにくい傾向にある。一方、本実施の形態によれば、アシストガスを併用することで、アシストガスのプラズマによりアルミニウムなどの金属元素をイオン化することができ、イオン状態を維持しやすくなる。その結果、プラズマ生成装置７０からより多くの不純物元素のイオンを引き出すことができ、引き出されるイオンビームＩＢの電流量を高めることができる。

【0068】

本実施の形態によれば、アシストガスを併用することで、アークチャンバ７２の温度を７００℃～２０００℃程度の高温に維持することができる。特に、アシストガスとしてＢＦ_３を用いる場合、アークチャンバ７２の温度を２０００℃程度にできる。その結果、アークチャンバ７２の内面に付着する汚れを高温の環境下で昇華させることができ、アークチャンバ７２への汚れの付着を抑制できる。また、アークチャンバ７２の内面に付着するＡｌやＡｌＦ_ｘなどの不純物元素を含む物質を昇華させ、プラズマ生成室７８にて再度イオン化させることで、より多くの不純物元素のイオンを生成できる。

【0069】

本実施の形態によれば、アシストガスを併用することで、ビーム電流量の調整が容易となる。具体的には、アシストガスの流量を制御することにより、Ａｌイオンビームの電流量を０．１ｍＡ～５ｍＡの範囲において安定的に調整できる。

【0070】

本実施の形態により生成されるＡｌイオンビームは、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）半導体へのイオン注入処理に用いることができる。

【0071】

以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれ得る。

【0072】

上述の実施の形態では、不純物元素がＡｌである場合を示した。別の実施の形態では、他の不純物元素を用いてもよく、例えば、インジウム（Ｉｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、ガリウム（Ｇａ）、スズ（Ｓｎ）、または、マグネシウム（Ｍｇ）といった金属元素を含む第１固体材料および第２固体材料を混合させた原料を用いてもよい。

【0073】

第１固体材料が純インジウムである場合、第２固体材料として三フッ化インジウム（ＩｎＦ_３）、三塩化インジウム（ＩｎＣｌ_３）、三臭化インジウム（ＩｎＢｒ_３）、一ヨウ化インジウム（ＩｎＩ）、三ヨウ化インジウム（ＩｎＩ_３）などを用いることができる。このような第１固体材料と第２固体材料を混合させた原料を用いることで、インジウムのイオンビームを生成できる。

【0074】

第１固体材料が純アンチモンである場合、第２固体材料として三フッ化アンチモン（ＳｂＦ_３）、三塩化アンチモン（ＳｂＣｌ_３）、三臭化アンチモン（ＳｂＢｒ_３）、三ヨウ化アンチモン（ＳｂＩ_３）などを用いることができる。このような第１固体材料と第２固体材料を混合させた原料を用いることで、アンチモンのイオンビームを生成できる。

【0075】

第１固体材料が純ガリウムである場合、第２固体材料として三フッ化ガリウム（ＧａＦ_３）、三塩化ガリウム（ＧａＣｌ_３）、三臭化ガリウム（ＧａＢｒ_３）、三ヨウ化ガリウム（ＧａＩ_３）などを用いることができる。このような第１固体材料と第２固体材料を混合させた原料を用いることで、ガリウムのイオンビームを生成できる。

【0076】

第１固体材料が純スズである場合、第２固体材料として二フッ化スズ（ＳｎＦ_２）、四フッ化スズ（ＳｎＦ_４）、二塩化スズ（ＳｎＣｌ_２）、二臭化スズ（ＳｎＢｒ_２）、二ヨウ化スズ（ＳｎＩ_２）、四ヨウ化スズ（ＳｎＩ_４）などを用いることができる。このような第１固体材料と第２固体材料を混合させた原料を用いることで、スズのイオンビームを生成できる。

【0077】

第１固体材料が純マグネシウムである場合、第２固体材料として二フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、二塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ_２）、二臭化マグネシウム（ＭｇＢｒ_２）、二ヨウ化マグネシウム（ＭｇＩ_２）などを用いることができる。このような第１固体材料と第２固体材料を混合させた原料を用いることで、マグネシウムのイオンビームを生成できる。

【符号の説明】

【0078】

１０…イオン注入装置、１２…イオン生成装置、１４…ビームライン装置、６０…蒸気生成装置、６８…蒸気生成室、７０…プラズマ生成装置、７２…アークチャンバ、７４…カソード、７６…リペラー、７８…プラズマ生成室、８０…スリット、８２…ガス導入部、８４…蒸気導入部、８８…引出電極、９０…原料、９１…第１固体材料、９２…第２固体材料、ＩＢ…イオンビーム。

【図1】

【図2】

【図3】