JP2018195806A - 半導体ウェハの中性子照射ドーピングのための装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】１つまたは複数の半導体ウェハを処理する方法を提供する。
【解決手段】方法は、１つまたは複数の半導体ウェハを照射チャンバ内に配置するステップと、照射チャンバに結合されたスパレーションチャンバ内で中性子束を生成するステップと、熱中性子束を生成するように中性子束を減速させるステップと、１つまたは複数の半導体ウェハ中にドーパント原子の生成を引き起こすように当該１つまたは複数の半導体ウェハに熱中性子束を照射するステップと、を有する。
【選択図】図５

Description

本願の開示内容は一般的に、核変換プロセスに基づいて半導体材料にドーピングを行うための装置および方法に関する。

半導体部品の製造では、当該半導体部品の所望の目的に応じて可能な限り正確に半導体材料の電気伝導率を設定できるようにすることが必要である。パワーエレクトロニクス用の半導体材料は特に、半導体材料の高い阻止能力と、半導体材料内に流れる電流が大きいこととにより、特異な材料特性を必要とする。電気的特性が不均一である半導体材料は、パワーデバイスを不安定にし、潜在的に危険にする原因となり得る。

半導体材料の電気的特性は、半導体材料に適切な不純物原子をドーピングすることによって設定される。指定された電力レベルおよび電圧読値でパワーデバイスが動作するためには、十分な阻止能力と半導体材料のバルク中の電流の均質な流れとを可能にする不純物を半導体材料にドーピングする必要がある。高電力の半導体材料に使用される１つの有効かつ正確なドーピング技術として、中性子照射ドーピング（ＮＴＤ）法がある。従来のＮＴＤ法は、原子炉内の半導体インゴットロッドに適切なエネルギーの中性子を適切な期間にわたって照射することにより実施される。

シリコンは現在のところ、パワー半導体デバイスに使用される最も一般的な半導体材料である。シリコンに関していえば、ＮＴＤ法は高抵抗のシリコン結晶において不均一性の効果的な除去とドーピング制御性とを実現する。シリコン材料に熱中性子を照射すると、シリコン材料中にリンドーパント原子が生成され、これによりシリコン材料の抵抗が変化する。特に、中性子が^３０Ｓｉ同位体と衝突して融合すると不安定な^３１Ｓｉ同位体が形成され、これはその後、β崩壊によって^３１Ｐ原子に変換し、この変換によってシリコン材料中にｎ型不純物のドーピングがなされる。

しかし中性子はシリコン中に吸収されるので、従来のＮＴＤ法を行うと、径方向にｎ型ドーピングの不所望の勾配が生じ、このシリコンインゴットロッドから製造されるパワー半導体デバイスの電気的特性が横方向においてばらつくこととなる。かかる不均質性の作用を最小限にするためには、シリコンインゴットロッドをたとえば原子炉内で回転させることにより、中性子照射がシリコンインゴットロッドの全方位から行われるようにすることができる。しかし、かかる措置にもかかわらず、たとえば約３００ｍｍ以上の径を有するシリコンインゴットロッドでは、上述の吸収現象に起因して依然として横方向の有意なばらつきが生じる。約３００ｍｍ以上の径を有するインゴットロッドの横方向のドーピング不均一性は、従来のＮＴＤでは解決が困難であった。

さらに、従来のＮＴＤ法は原子炉を用いて実施され、これは望ましくない。より大きな径の半導体インゴットを収容するように既存の原子炉を適合することは困難である。たとえば、約２００ｍｍを超える径を有するインゴットに照射することができない既存の原子炉は多く存在する。

複数の実施形態において、１つまたは複数の半導体ウェハを処理する方法を開示する。本方法は、１つまたは複数の半導体ウェハを照射チャンバ内に配置するステップと、照射チャンバに結合されたスパレーションチャンバ内で中性子束を生成するステップと、熱中性子束を生成するように中性子束を減速させるステップと、１つまたは複数の半導体ウェハ中にドーパント原子の生成を引き起こすように当該１つまたは複数の半導体ウェハに熱中性子束を照射するステップとを有する。

図面において、同様の符号は一般に、各異なる図を通じて同一部分を示している。図面は必ずしも実寸の比率通りではなく、一般に本発明の基本的構成の説明に主眼を置いている。以下の説明では、以下の図面を参照して本発明の複数の実施形態を説明する。

従来のＮＴＤ法のための典型的な構成を示す図である。 少なくとも１つの実施形態の非原子炉型ＮＴＤ反応器の側面断面図である。 少なくとも１つの実施形態の非原子炉型ＮＴＤ反応器の上面断面図である。 初期はドーピングされていないウェハの基本的なオーム抵抗特性を、複数の異なる中性子流について照射期間に依存して示すグラフである。 大きい径の半導体ウェハにおいて均一なドーピングを達成する、少なくとも１つの実施形態の方法のフローチャートである。 リチウムターゲットの場合の中性子エネルギースペクトルと角度分布とを示すグラフである。

以下、添付図面を参照して本発明の複数の異なる実施形態を詳細に説明する。しかし本発明は、ここで特に説明される実施形態に限定されるものではなく、むしろ、より適切に改良および変更することができる。１つの実施形態の個々の構成および構成の組み合わせと、他の実施形態の各構成および構成の組み合わせとを組み合わせて、本発明のさらに他の実施形態に想到することは、本発明の範囲に含まれる。

図面中、同一の要素には同一または類似の符号を付している。かかる要素については、重複を避けるため、繰り返しの説明を省略している。

本願の開示対象の基本的原理は、以下提示している実施例に基づいて理解することができる。

複数の実施形態において、大きい径（たとえば約３００ｍｍ〜約１，０００ｍｍに及ぶもの）を有する半導体インゴットが、均質かつ再現可能なドーピングを達成することができる。複数の実施形態において、約３００ｍｍ以上の径を有する１つの半導体インゴットを処理して、約７０，６８５ｍｍ^２を超える面積をそれぞれ有する複数の半導体ウェハを製造することができ、２×１０^１３ｃｍ^−３未満のｎ型ドーピング領域におけるドーピングを達成することができる。このドーピングレベルは、たとえば高電圧部品の場合に重要となる。典型的な適用分野はたとえば、高阻止性の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）またはダイオードである。

図１は、ＮＴＤ法のための典型的な構成を示す図である。図１を参照すると、ＮＴＤ反応器１は原子炉８０と、当該原子炉８０の上方に配置された回転管８４と、を備えており、原子炉８０は、当該原子炉８０から上方向または側方に熱中性子束８２を送る。回転管８４内には、ドーピングされていないシリコンインゴットロッド８６がロードされ、このシリコンインゴットロッド８６は、熱中性子束８２内に来るように位置決めされる。シリコンインゴットロッド８６の中心軸は、熱中性子束８２の方向に対して垂直とすることができる。その照射持続時間は、原子炉８０の出力と初期インゴット抵抗と目標インゴット抵抗とに基づいて定まる。しかし、シリコンには中性子吸収現象が生じるので、ＮＴＤ法は通常、約２００ｍｍ以下の径を有する円柱形のインゴットロッドにより適している。

複数の実施形態において、ＮＴＤ法に使用できる中性子を生成するために原子炉を使用する代わりに、陽子線発生器と中性子生成物質とを使用することができる。核スパレーションは、中性子線を生成するために粒子加速器を使用できるプロセスの１つである。たとえば、中性子生成物質は、エネルギー粒子によって衝撃を受けたときにスパレーションを生じることができる物質とすることができる。核スパレーションでは、たとえば粒子加速器によって加速された陽子等の荷電粒子によって核が破砕することによって中性子が生成される。たとえばホウ素成分、リチウム、タングステン、タンタル、ウラニウム、またはこれらの化合物および合金等の物質から成るスパレーションターゲットに、１００ｋｅＶ〜約１ＧｅＶのエネルギーを有する陽子が衝突した場合、スパレーションターゲット物質に依存して、中性子は放出され得る。たとえば、リチウムまたは窒化ホウ素等の物質から成るスパレーションターゲットに、１ＭｅＶ〜約１０ＭｅＶの範囲のエネルギーを有する陽子が衝突した場合に、中性子は放出される。半導体デバイスの製造で通常使用される陽子注入装置またはイオン注入装置等の粒子加速器は、かかるターゲットに高エネルギーの陽子を照射して良好に規定された中性子流を生成するために用いることができる。適切な入射エネルギーと照射時間とを選択するため、ならびに入射陽子流の強度および持続時間を推定するためには、入射エネルギーに対する中性子生成物質の中性子収量データが必要である。

図２は、少なくとも１つの実施形態の非原子炉型ＮＴＤ反応器１０１の断面図である。図２を参照すると、反応器１０１は陽子線発生器１１０（図示されていない）を備えることができ、これは、照射チャンバ１０４に結合された中性子生成チャンバ１０２へ陽子線を放出するように構成されている。中性子生成チャンバ１０２は開口部１２１を備えることができ、この開口部１２１には、ターゲットマウント１２２に取り付けられた中性子生成ターゲット１２０が後置されており、これに中性子減速器１２６が後置されている。陽子線発生器１１０は、放出された陽子線が開口部１２１に入って中性子生成ターゲット１２０に衝突するように構成されている。照射チャンバ１０４は、半導体インゴットではなく１つまたは有利には複数の半導体ウェハ１４０を収容するように構成されている。照射チャンバ１０４は開口部１４１を有し、この開口部１４１はチャンバドア１５０によって封止することができる。複数の実施形態において、１つまたは複数の半導体ウェハ１４０は取り外し可能なウェハラック１４２に直立に保持される。

動作に関しては、図２を参照すると、陽子線発生器１１０がイオンビームまたは陽子線１１９を放出し、これが中性子生成ターゲット１２０と相互作用して、熱エネルギー領域を超える「ホット」中性子を含む中性子の流れ１２９を生成する。この中性子の流れ１２９は中性子減速器１２６へ導かれ、中性子の流れ１２９が中性子減速器を通過するときに中性子減速器１２６は中性子の熱エネルギーを低減する。大半が熱エネルギー領域の「冷たい」中性子すなわち熱中性子１４９から構成される、この減速された中性子の流れは、照射チャンバ１０４内に収容された１つまたは複数の半導体ウェハ１４０に照射するために使用される。

図２を参照すると陽子線発生器１１０は、たとえば約１ｍＡ〜約１００ｍＡの範囲の陽子（Ｈ^＋）ビーム流電流（すなわち線量率）を供給し、かつ最大１０ＭｅＶの領域の注入エネルギー（すなわち加速電圧）、たとえば約２ＭｅＶ〜約１０ＭｅＶの範囲の注入エネルギーを達成する従来の陽子注入装置またはイオン注入装置とすることができる。このビーム電流は、中性子生成ターゲットの入熱エネルギーによって制限され得る。複数の実施形態では、加速電圧は約２ＭｅＶとすることができる。複数の実施形態では、加速電圧は約４ＭｅＶ以下とすることができる。複数の実施形態では、約５ＭｅＶおよび約０．５ｍＡに及ぶパラメータ領域の陽子注入装置を使用することができる。陽子ビーム電流および照射エネルギーは、ＮＴＤ反応のために使用できる加速器の重要なパラメータである。ターゲット領域は、陽子線のスポットサイズによって決定することができる。典型的なイオン注入装置の近似的なスポットサイズは１ｃｍ^２〜数ｃｍ^２のオーダであるが、照射ターゲットと同じ幅のイオンビームを用いるシステムを達成することも可能である。

複数の実施形態では、陽子線を高電流Ｈ^＋注入装置によって生成することができる。たとえば高電流Ｈ^＋注入装置は、約２ＭｅＶに及ぶ陽子エネルギーと、約１００ｍＡに及ぶビーム電流と、を生成することができる。これに応じた、エネルギーのアップスケーリングが、技術的に可能になる。複数の実施形態では、不均質な線量を所望の放射状に注入できる能力を有する陽子注入装置を使用することもできる。この能力はたとえば、複数の異なるドーピングの作用を所望の態様で用いる必要がある場合に使用することができる。

図２を参照すると、陽子線発生器１１０が陽子線１１９を放出し、この陽子線１１９は中性子生成ターゲット１２０と相互作用して、複数の異種（ｐ，ｎ）の反応または同種の反応によって中性子の流れ１２９を生成することができる。複数の実施形態では、約１ｅ１２ｃｍ^−２ｓ^−１の中性子流を生成する必要がある。これにより、選択されるターゲット物質は、中性子の高効率の生成を可能にするものでなければならない。たとえば、かかるターゲット物質はリチウム、リチウム／炭素混合物、タングステン、またはホウ素およびホウ素化合物（たとえば窒化ホウ素）とすることができる。

中性子生成ターゲット１２０は円板形とすることができ、または矩形、楕円形、円錐形、トロイダル形等を含む他の任意の形状とすることもできる。中性子生成ターゲット１２０の中性子生成物質は固相とすることができ、または鋼製のターゲットチャンバ内を通るようにポンピングされる液相とすることができる。中性子生成ターゲット物質の厚さは、反応閾値を超えるように陽子を減速させるために十分でなければならない。

たとえば複数の実施形態では、陽子のビームを使用して厚いリチウム７ターゲットに衝突し、^７Ｌｉ（ｐ，ｎ）^７Ｂｅ反応によって中性子を生成することができる。リチウム７ターゲットは、約１ｍｍの厚さかつ少なくとも１ｃｍ^２の径を有する固相のリチウム７の円形のパックとすることができる。中性子収量は、陽子ビーム電流密度に依存する。^７Ｌｉターゲットと中性子減速器１２６との間の中性子収量は、約１ｅ１１ｎ／ｃｍ^２／ｍＡでなければならない。１０ｍＡの陽子線を使用した場合、上述の中性子収量は１ｅ１２ｎ／ｃｍ^２ｓの中性子流に相当し、１００ｍＡの陽子線を使用した場合には、１ｅ１３ｎ／ｃｍ^２ｓの中性子流に相当する。１００ｍＡの陽子電流の場合のウェハにおける中性子収量は、約２ｅ１２／ｃｍ^２ｓ〜６ｅ１２／ｃｍ^２ｓに及び得る。実際の中性子収量はさらに、照射チャンバおよび陽子注入装置の設計も含めた種々のファクタに依存し得る。

図４は、初期はドーピングされていないウェハの基本的なオーム抵抗特性を、複数の異なる中性子流について照射期間に依存して示すグラフである。半導体産業では、通常はドーパント濃度より抵抗の方が使用される。よって、抵抗とドーパント濃度との間の関係を先に確認する必要がある。

ｎ型シリコンドーピングの場合、抵抗（Ωｃｍ）は以下の式により与えられる：
ρ＝１／（［Ｄ］με）
ここで［Ｄ］はドーパント原子濃度（単位ｃｍ^−３）であり、εは電子電荷量、１．６０２×１０^−１９Ｃであり、μは、シリコン結晶格子中における電子のドリフト移動度である。電子自由度は温度に依存し、電子自由度は１２２０〜１５００ｃｍ^２／Ｖ・ｓの範囲とすることができる。３００Ｋでの通常の条件下では、シリコンの場合、電子自由度は通常は１３５０ｃｍ^２／Ｖ・ｓとしなければならない。

図４に示されているように、より高い出力の陽子線を使用すると、照射時間を短縮することができる。しかしこのことによって、中性子生成ターゲットの活性ターゲット領域における温度も上昇し得る。たとえば、約１００ｍＡにおいて約２ＭｅＶの陽子線は、活性ターゲット領域を約１００ｋＷ／ｃｍ^２のオーダに加熱し得る。活性ターゲット領域から熱を有効に除去することは、陽子線の強度と照射期間の持続時間を制限する要因となり得る。

陽子のエネルギー入力量は高いので、中性子生成ターゲット１２０を有効に冷却しなければならない。５００ｋＷ／ｃｍ^３／ｍＡに及ぶ熱エネルギーを中性子生成ターゲット１２０から放出しなければならない場合がある。それは、所望の陽子反応を達成するための入力断面積が相応に小さいからである。よって、中性子生成ターゲット１２０は良好な熱伝導性を有しなければならず、かつ／または相応に冷却しなければならない。

ターゲットマウント１２２は、中性子生成ターゲット１２０を有効に冷却できるように構成されている。その冷却は、中性子生成ターゲット１２０によって生成された中性子が吸収されないように行わなければならない。複数の実施形態では、ターゲットマウント１２２は冷却のための銅板を備えることができる。これに代えて、ターゲットマウント１２２は冷却液を備えることができる。たとえば、複数の実施形態では重水（Ｄ_２Ｏ）を使用することができ、これは噴射冷却用のものとすることができる。重水は吸収係数が最小である効果的な冷媒である。すなわち、重水は中性子を吸収しにくい。さらに、重水は良好な減速物質でもある。複数の実施形態では、ターゲット物質に依存して冷却液を液体金属とすることができる。

生成された中性子束のカバレッジの均一性は、ＮＴＤ反応におけるもう１つの側面である。たとえばシリコンのＮＴＤでは、引き起こされる^３１Ｐ濃度は、照射される中性子フルエンスに比例する。これは、中性子束と、一定の中性子束での照射時間と、反応断面積と、の積である。中性子断面積は中性子エネルギーによって変化するので、照射場所における中性子スペクトルから影響を受ける。

生成される中性子流のエネルギースペクトルおよび角度分布は、陽子線の入射ビームエネルギーと、陽子線の入射角と、中性子生成ターゲット１２０より後方の空間角と、に依存する。陽子は中性子生成ターゲット内を通過するとエネルギーを失うので、生成される中性子のエネルギースペクトルおよび角度分布が変化する。たとえば図６Ａおよび図６Ｂは、陽子線が０°の入射角でリチウムターゲットに衝突する場合における複数の異なる入射ビームエネルギーについての中性子収量のエネルギースペクトルおよび放出角の分布を示している。これによれば、中性子生成ターゲット１２０への陽子の照射は、中性子流が中性子生成チャンバ２および照射チャンバ１０４の断面積全体にわたって均質に分布するように行わなければならない。

複数の実施形態では均質度は、複数のウェハの体積における照射チャンバ内の中性子束の均一度と、成長した結晶の純度と、によって決定される。中性子スペクトルと反応断面積とを監視するため、中性子フルエンスモニタを照射チャンバ内に設置することができる。この情報は、所望のドーピングを達成するようにＮＴＰ反応器を再調整するために用いることができる。

複数の実施形態では、陽子線は中性子生成ターゲット１２０におけるパターンをスキャンまたは追跡するように構成することができる。このことによって、中性子生成ターゲット１２０の物質に依存して中性子束を均質化することができる。またこのことによって、中性子生成ターゲット１２０の局所加熱を最小限にすることもできる。これに代えて、ターゲットマウント１２２を調整可能とすることができる。複数の実施形態では、中性子流の均質な分布を達成するように、または中性子生成ターゲット１２０の局所加熱を最小限にするように、ターゲットマウント１２２が中性子生成ターゲット１２０の位置を変更する構成とすることができる。

中性子流の角度分布は、壁に衝突した散乱中性子が再び照射チャンバ１０４に向けられるように、チャンバの壁の反射性に依存することもできる。中性子生成チャンバ１０２および照射チャンバ１０４の壁１３０ａ、１３０ｂは中性子ガイドとして作用し、中性子反射器として適した物質から成る。たとえばベリリウム、タングステン、ニッケル、鋼、グラファイト、または他の適した化学化合物を使用することができる。

図２を参照すると、中性子生成チャンバ１０２および照射チャンバ１０４の内壁１３０ａ、１３０ｂは、中性子の流れを中性子生成ターゲット１２０から照射チャンバ１０４内の１つまたは複数のウェハ１４０へ導く中性子ガイドとして作用すべきである。内壁１３０ａ、１３０ｂは中性子反射性の物質から成ることができる。たとえば中性子反射性の物質は、研磨された表面を有する固体、たとえばベリリウム、炭素、鋼またはシリコンを含むことができる。他の一例として、中性子反射性物質は、ニッケル、チタン、シリコンまたはニッケル／チタン合金の層をガラスまたは鋼の基材表面に有する中性子ミラーとすることができる。他の一例として、中性子反射性物質は中性子多層ミラーまたは中性子スーパーミラーとすることができる。チャンバ壁の厚さは、チャンバを構成するために使用される反射性物質に依存する。

複数の実施形態では、中性子生成チャンバおよび照射チャンバの壁１３０ａ、１３０ｂは、孔を有するベリリウムの固体の円柱形ブロックから製造することができ、この孔は、ブロックの中心を貫通する。孔の径は、半導体ウェハの径より僅かに大きくすることができる。たとえば複数の実施形態では、孔の径を約５００ｍｍとすることができる。これは、約４５０ｍｍ以下の径を有する半導体ウェハを収容するために十分な大きさである。ベリリウムのブロックの長さは、約１２０ｃｍとすることができる。このベリリウム反射器の厚さは、約６０ｃｍとすることができる。

生成された中性子はそのエネルギーに応じて、熱中性子（Ｅｎ＜０．５ｅＶ）、エピサーマル中性子（０．５ｅＶ＜Ｅｎ＜１０ｋｅＶ）または高速中性子（Ｅｎ＞１０ｋｅＶ）に分類することができる。中性子生成ターゲット１２０は、エピサーマル中性子および高速中性子を含む中性子の流れを生成することができる。たとえば、リチウムターゲットから放出された中性子のエネルギーは、約２５ｋｅＶ〜約１００ｋｅＶの範囲の中性子束スペクトルを有することができる。ＮＴＤ反応をトリガする中性子捕捉を開始するためには熱中性子が必要であり、エピサーマル中性子および高速中性子はウェハを損傷する可能性がある。エピサーマル中性子および高速中性子（すなわち「ホット」中性子）は、半導体ウェハに照射するために使用される前に減速物質を用いて冷却されて熱中性子（すなわち「冷たい」中性子）になることができる。

中性子減速器１２６は、中性子生成ターゲット１２０からエピサーマル中性子および／または高速中性子を含む中性子の流れ１２９を受け取り、当該中性子減速器１２６を通過する中性子のエネルギーを減少させることによって熱中性子の流れ１４９を１つまたは複数のウェハ１４０へ出力する。エピサーマル中性子および高速中性子は中性子減速器内を通過するとエネルギーを失い、減速物質と繰り返し衝突することによって熱領域内に落ちる。中性子減速物質は、固体、液体（適切なチャンバと共に）、または気体（適切なチャンバと共に）とすることができる。減速器として使用される物質は、中性子のいかなる有意な吸収も伴うことなく減速を引き起こす（すなわち、弾性散乱によって中性子エネルギーを減少させる）ものでなければならない。

減速物質として適し得る物質は種々存在する。減速物質は、半導体ウェハに到達する中性子数を最大限にするため、低い中性子吸収性と、高い中性子減速性と、低い反射性とを有しなければならない。重水（Ｄ_２Ｏ）は減速器として非常に効果的である。炭素または炭素化合物（たとえばメタン）も、減速器として適し得る。中性子減速器１２６の体積（幅、厚さ、高さ）は、対応する弾性散乱断面積（またはフェルミ年齢）を用いて計算することができる。

図２を参照すると複数の実施形態では、中性子減速器１２６は、３０ｃｍの厚さと中性子生成チャンバ１０２の径より大きい径とを有する炭素から成ることができる。中性子減速器１２６が中性子を効果的に冷却するためには、中性子減速器１２６を常温に維持しなければならない。

熱中性子の流れ１４９は、中性子生成チャンバ１０２に結合された照射チャンバ１０４へ導かれる。照射チャンバ内における熱中性子束の方向は、照射チャンバの軸方向に沿った方向である。照射チャンバ１０４は、照射対象の１つまたは複数の半導体ウェハ１４０を収容する。この１つまたは複数の半導体ウェハは、各ウェハの上表面および下表面が熱中性子束の方向に対して垂直となり、かつ照射チャンバと軸方向にアライメントするように配置することができる。

複数の実施形態では、照射チャンバ１０４に収容される半導体ウェハ１４０の数は、約１０個〜約１００個の範囲とすることができる。同時に照射できる半導体ウェハの数は、ウェハの厚さｄ_ｗに基づいて計算することができる。従来のＮＴＤ反応器では、照射中にウェハを回転させる場合、吸収現象の有意なリスクを伴うことなく、２００ｍｍの径のシリコンインゴットに径方向に照射することができる。したがって、たとえば最初のシリコンウェハと最後のシリコンウェハとの間の最大距離として１００ｍｍを仮定し、かつシリコンウェハ厚さが７５０μｍであると仮定すると、照射チャンバ内において１００ｍｍ／ｄ_ｗ個のシリコンウェハ、すなわち１００個より多くのシリコンウェハに同時に照射することができる。

複数の実施形態では、照射チャンバ内に配置されるウェハラックに半導体ウェハを配置することができる。ウェハラックは取り外し可能とすることができ、照射チャンバは、取り外し可能な半導体ウェハを搭載するためにスライドレールアセンブリを備えることができる。

複数の実施形態では、ウェハの半導体材料と相互作用し得る周囲異物を低減するために、照射チャンバ１０４をクリーンルーム環境下に維持することができる。

図２を参照すると、複数の実施形態ではチャンバドア１５０は、照射チャンバ１０４に繰り返し立ち入ることができるように構成されている。これは、中性子吸収材の複数の層から成ることができる。チャンバドア１５０の構造は、有効な法律に遵守したものでなければならない。たとえば複数の実施形態では、チャンバドア１５０は３層を有することができる。第１の層として適した材料は、ホウ素もしくはその化合物、パラフィンワックス、および水（非常に良好な吸収材）を含むことができる。第２の層として適した材料は、鉛であり得る。第３の層として適した材料は鉄筋コンクリートとすることができ、これは構造支持体としても機能し得る。

図５は、大きい径の半導体ウェハの均一なドーピングを達成する、少なくとも１つの実施形態の方法３００のフローチャートである。この均質なドーピングの手順により、各ウェハにおけるドーピングレベルの分散は８％未満となる。他の実施形態では、５％未満または３％未満または２％未満にすることも可能である。図５を参照すると、ステップ３０２において、アンドープの半導体インゴットまたは低ドーピングを有する半導体インゴットから１つまたは複数の半導体ウェハをカットする。他の実施形態では、半導体インゴットを、チャンバ内での照射のためにたとえば約１００ｍｍの長さを有するログにカットすることができ、ＮＴＰプロセスの後、このログは処理されてウェハにされる。ステップ３０４において、半導体ウェハを洗浄し、酸化物によって被覆する。たとえば、シリコンウェハを洗浄して二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）によって被覆することができ、または従来技術のシリコンウェハ洗浄技術を用いて洗浄するだけとすることが可能である。

ステップ３０６において、半導体ウェハを照射チャンバ内に配置する。半導体ウェハは、ウェハの中心が軸方向において互いにアライメントし、かつ半導体ウェハの面が中性子流の方向に対して垂直になるように位置決めすることができる。たとえば、半導体ウェハの相互間の間隔を等間隔とすることができる。各ウェハ間の間隔は、隣のウェハを引っ掻くことなくウェハのロードおよびアンロードを行えるようにするために十分に大きく、かつ周囲の不純物によるコンタミネーションを最小限にするために十分に小さくなければならない。中性子生成ターゲットと照射すべきウェハとの間の距離は、処理の要求に依存して可変に設定することができるが、通常は、可能な限り短いプロセス持続時間を保証するために可能な限り小さくなければならない。

ステップ３０８において、陽子線を生成して、照射チャンバに向かう方向に中性子の流れすなわち中性子束を生成するために、この陽子線を中性子生成ターゲットへ送る。ステップ３１０において、中性子生成チャンバ内および照射チャンバ内において均一なカバレッジを有する中性子束にするために、陽子線の入射角および／または入射エネルギーを調整することができる。この調整は、照射チャンバの径に基づいて行うことができる。というのも、均一なカバレッジは照射チャンバの断面積に依存し得るからである。ステップ３１２において、中性子束は中性子減速器を通過し、中性子減速器は熱中性子束を得るために、中性子束中のエピサーマル中性子および高速中性子を減速する。

ステップ３１４において、均一なカバレッジを有する熱中性子束を照射チャンバへ導く。照射チャンバ内における熱中性子束の方向は、照射チャンバの軸方向に沿った方向である。ウェハには、適切な期間にわたって照射する。たとえば、リチウムターゲットとシリコンウェハとを用いる複数の実施形態において、６０Ωｃｍの抵抗のＳｉを達成するためには、照射時間は１ｅ１２ｎ／ｃｍ^２ｓで約１０時間でなければならない。

ステップ３１６において、各ウェハ間の照射のより均質な分布を保証するため、または照射されるウェハ数を増加させるため、照射期間の前半の終了時にウェハラックを照射チャンバから取り出し、前後反転させてから、その後に当該照射期間の後半のために照射チャンバ内に配置し戻すことができる。このようにして、中性子減速器により近接していたウェハはチャンバドアに近接し、逆に、チャンバドアにより近接していたウェハは中性子減速器に近接する。ステップ３１８において、照射期間の終了時に１つまたは複数のウェハを取り出してリンシングする。ステップ３２０において、照射された半導体材料に対し、ドーパント原子を生成する変換核反応を行うための時間を与えるべく、照射されたウェハを貯蔵する。この核反応はγ線を生成するので、照射されたウェハは、冷却およびシールドされたチャンバ内で貯蔵される。このチャンバは、冷却された水が充填された２重壁の鋼製容器とすることができる。その貯蔵時間は、半導体材料と、ドーパント原子を生成するＮＴＰ反応の半減期と、に依存する。シリコン半導体材料の場合、リンドーパント原子を生じさせる核反応の半減期は２．６２時間である。よって、照射されたシリコンウェハは、冷却およびシールドされたチャンバ内に約３日間貯蔵しなければならない。

寄生的な核変換が生じ得る。たとえば、
³¹Si(n, γ) ³²Si → (β^-)³²P (T_1/2=〜172 y) → (β^-)³²S (T_1/2=14.3d)
³²P(n, γ) ³²P → (β^-) ³²S (T_1/2=14.3d)
しかしこれは、十分に短い照射時間の場合には無視することができる。炭素および酸素はＮＴＤプロセスによって影響を受けず、シリコン中に酸素および炭素として残留する。

ステップ３２２において、適切な貯蔵時間量（シリコン半導体材料の場合には３日間）の後、各半導体ウェハを測定して、残留放射線が存在するか否かを判断しなければならない。ステップ３２４において、ウェハが放射線検査に合格した後、酸化物被覆が存在する場合には、たとえばフッ化水素等を用いて酸化物被覆を各ウェハからエッチングにより除去することができる。その後、ステップ３２６において、放射線により引き起こされたあらゆる結晶損傷を修復するため、この被覆されていない状態の半導体ウェハをアニールチャンバ内に配置することができる。アニールチャンバは、大径のインゴットおよびウェハを収容できる従来技術の炉とすることができる。

複数の実施形態では、照射チャンバ内において複数のシリコンウェハに同時に中性子を照射することができる。各ウェハの上表面および下表面が中性子束の方向に対して垂直となるように複数のシリコンウェハを配置することができ、ウェハ数は、有意な吸収作用のおそれが無いように決定される。インゴットとしてシリコン材料に径方向に照射するのではなく、ウェハとして軸方向に照射するので、達成される径方向均質性を緻密に制御および最適化することができる。

たとえば複数の実施形態では、約３００ｍｍ以上の径を有するシリコンウェハに中性子を照射して、約１００Ω／ｃｍ〜約１，０００Ω／ｃｍの範囲の均一なベース抵抗を得ることができる。複数の実施形態では、約２００Ω／ｃｍ〜約７００Ω／ｃｍの範囲の均一なベース抵抗を得ることができる。たとえば１つのウェハは、約１００Ω／ｃｍ〜約１，０００Ω／ｃｍの範囲から選択された目標ベース抵抗値を有することができ、実際のベース抵抗値の均一度は、±８．０％以上の良好さでなければならない。一部の実施形態では、ベース抵抗の均一度は±３．０％以上の良好さとすることができる。他の実施形態では、ベース抵抗の均一度は±１．０％以上の良好さとすることができる。他の一実施例では、１つのウェハは約２００Ω／ｃｍ〜約７００Ω／ｃｍの範囲から選択された目標ベース抵抗値を有することができ、実際のベース抵抗値の均一度（最大値／最小値）は、±８．０％を上回る良好さでなければならない。他の実施形態では、ベース抵抗の均一度は±２．５％以上の良好さとすることができる。他の実施形態では、ベース抵抗の均一度は±１．０％以上の良好さとすることができる。

スタッフの安全性および健康を保証するため、照射の開始時から半導体ウェハの放射線が除去されるまで、半導体ウェハの取扱いを完全自動で行うことができる。

陽子線発生器１１０が緊急停止される場合には、再始動がなされるまで半導体ウェハは照射チャンバ１０４内に残留することができる。複数の半導体ウェハ１４０を取り出す必要がある場合には、冗長構成のハンドリングロボットの非常用エネルギー供給源を設けなければならない。

ＮＴＤ反応器の外部の適切な位置に、中性子検出器とγ線検出器とを取り付ける必要がある。緊急停止の場合には、この場所を一時的に完全に閉鎖できるようにしなければならない。当該場所の比較的長時間の稼働中に生じ得るα粒子は、磁界を用いてゲッタターゲット（たとえばパラフィン）へ導くことができる。

複数の実施形態では、冷却水および半導体ウェハはプロセス後は放射能を有してはならず、フィルタリング後（汚れ／途切れ目、後続の処理のためにウェハのコンタミネーションを回避するため）に再使用することができる。

複数の実施形態では、連続監視または周期的なプロービングのために、中性子生成チャンバおよび照射チャンバ内に種々の監視用または測定用のセンサを搭載することができる。たとえば、チャンバは外観検査のために１つまたは複数のカメラを備えることができ、かつ／または中性子束（たとえば中性子検出器）、温度（たとえば温度センサ）もしくは陽子束（たとえば陽子検出器）を測定または監視するための１つもしくは複数のセンサを備えることができる。

複数の実施形態では、ＮＴＰ反応器は１つの陽子線発生器と２つの中性子生成／照射チャンバアセンブリとを備えることができ、各中性子生成／照射チャンバアセンブリは、図２および図３に示されているものと同様のものとすることができる。たとえば、各中性子生成チャンバの開口部の向きが同様になるように各中性子生成／照射チャンバアセンブリを互いに隣り合って配置することができ、また、常に少なくとも１つの照射チャンバに照射できるように、１つの陽子線発生器が各中性子生成／照射チャンバアセンブリへ陽子線を送るように構成することができる。かかる構成により、ウェハのハンドリングのために陽子線を中断することなく、一方の照射チャンバ内へウェハをロードおよびアンロードすることができる。

複数の実施形態では、陽子線をレーザイオン加速器によって生成することができる。たとえば陽子線発生器１１０は、陽子生成物質から成るターゲットに向けられるレーザとすることができる。具体的には、高エネルギーの短時間パルスのビームを生成するレーザを使用して陽子生成物質に照射し、陽子生成物質が高エネルギーの陽子を放出することによって陽子線を生成することができる。たとえば複数の実施形態では、レーザイオン加速器が、約１００ｆｓ超の持続時間で約１００ＴＷ超のエネルギーを有するパルスビームを生成するペタワットレーザと、たとえばアルミニウムまたは金等の陽子生成金属から成る箔ターゲットと、を備えることができる。生成されたイオンは、ターゲット表面に対して垂直方向に加速される。そのイオンビームの強度は、レーザパルスの持続時間とターゲットの厚さとによって制御することができる。

典型的なイオン注入装置または陽子注入装置は、真空封止された環境下で動作する。真空封止された環境は、中性子生成ターゲットを包含するように及ばなければならない。たとえば、中性子生成ターゲットは、空気に対して高反応性の材料から成ることができ、中性子生成ターゲットを真空封止された環境に封入しなければならない。真空封止された環境はさらに、減速器まで及ぶことができる。たとえば、中性子生成ターゲットは機械的に脆弱とし、真空封止された環境は減速器まで及ぶことができ、減速器は剛性の構造でなければならない。

複数の実施形態では、開口部１２１と中性子生成ターゲット１２０との間に真空ポンプを配置することができる。真空ポンプは、陽子線発生器１１０と干渉し得る粒子を除去する。たとえば、固体のリチウムターゲットに陽子が衝突すると、リチウム原子が放出されることができ、またはヘリウム原子を生成する２次反応が生じ得る。

複数の実施形態では、中性子源への中性子の後方反射が最小限になるように、中性子減速器の表面を改質することができる。たとえば、減速物質およびそのケーシングの表面を研磨してはならない。むしろ粗い表面の方が、中性子の反射の低減に寄与する。

複数の実施形態では、中性子生成ターゲットまたは中性子減速器または双方に接近できるようにするため、チャンバ壁にポートを設けることができる。

図３は、非原子炉型ＮＴＤ反応器２０１の複数の実施形態の上面断面図である。図３を参照すると非原子炉型ＮＴＤ反応器２０１は、中性子生成チャンバ２０２が約９０°の角度で照射チャンバ２０４に結合されている点を除いて、非原子炉型ＮＴＤ反応器１０１と同様である。中性子減速器２２６はさらに、中性子流の方向転換を行うように構成されている。中性子減速器２２６の１つの表面は、鏡面を有するように構成することができる。

半導体ウェハの価格は格段に安価になるはずである。というのも、新規の本ＮＴＤプロセスは、非常に高い成功率を比較的簡単に達成できるからである。複数の実施形態では、同等のコストでより高いウェハ品質と均質性とを達成することができる。

複数の実施形態では、複数の半導体ウェハがゲルマニウム（Ｇｅ）またはガリウム（Ｇａ）またはこれらの化合物から成ることができる。たとえば、自然のゲルマニウムに熱中性子を照射すると、電子捕捉とある程度のβ崩壊とによって、以下の反応によりガリウム３１を形成することができる：
^７０Ｇｅ＋ｎ→^７１Ｇｅ→（ＥＣ）^７１Ｇａ
^７１Ｇａは、周期表の第１３族に属する不純物であるから、ゲルマニウムへの中性子照射によってｐ型不純物ドーピングが可能である。

以下、本願の開示内容の複数の異なる側面を説明する。

例１は、１つまたは複数の半導体ウェハの処理方法である。本方法は、１つまたは複数の半導体ウェハを照射チャンバ内に配置するステップと、照射チャンバに結合されたスパレーションチャンバ内で中性子束を生成するステップと、熱中性子束を生成するように中性子束を減速させるステップと、１つまたは複数の半導体ウェハ中にドーパント原子の生成を引き起こすように当該１つまたは複数の半導体ウェハに熱中性子束を照射するステップとを有する。

例２では、例１の主題はオプションとして、中性子束を生成するステップが陽子線の生成と、陽子線を中性子生成ターゲットへ送ることによって中性子束を生成することとを有することを具備することができる。

例３では、例２の主題はオプションとして、前記送ることがさらに、陽子線と中性子生成ターゲットとの間の空間角を照射チャンバの径に応じて調整することを含むことを具備することができる。

例４では、例２または例３の主題はオプションとして、陽子線の生成が、レーザビームを陽子生成ターゲットへ送ることにより陽子線を生成することを含むことを具備することができる。

例５では、例１〜４のいずれか１つの例の主題がオプションとして、本方法がさらに、１つまたは複数の半導体ウェハを照射チャンバ内に配置するための支持体に配置するステップと、第１の照射期間後に照射チャンバ内に支持体を再配置するステップとを有することを具備することができる。

例６では、例１〜５のいずれか１つの例の主題がオプションとして、本方法がさらに、中性子生成ターゲットを冷却することを有することを具備することができる。

例７では、例１〜６のいずれか１つの例の主題がオプションとして、本方法がさらに、各半導体ウェハの上表面および下表面を熱中性子束に対して垂直にするように１つまたは複数の半導体ウェハを配置することを具備することができる。

例８は、１つまたは複数の半導体ウェハを処理するための装置である。本装置は、スパレーションチャンバと、スパレーションチャンバ内に搭載された中性子生成物質と、スパレーションチャンバ内に搭載された中性子減速器と、スパレーションチャンバに結合された照射チャンバと、を備えており、照射チャンバは、１つまたは複数の半導体ウェハを収容する。

例９では、例８の主題はオプションとして、中性子生成物質がリチウム、リチウム／炭素混合物、タングステン、ホウ素および／またはホウ素化合物を含み、または実質的にこれから成ることを具備することができる。

例１０では、例８または例９の主題はオプションとして、本装置がさらに、調整可能なマウントを備えていることを具備することができる。調整可能なマウントに中性子生成物質が搭載されている。

例１１では、例８〜１０のいずれか１つの例の主題はオプションとして、本装置がさらに、中性子生成物質に向けられる陽子線発生器を備えていることを具備することができる。

例１２では、例１１の主題はオプションとして、陽子線発生器が陽子注入装置であることを具備することができる。

例１３では、例１１または例１２の主題はオプションとして、陽子線発生器が陽子生成物質と、当該陽子生成物質へ向けられるレーザ発生器と、を備えていることを具備することができる。レーザ発生器は、レーザビームを出力するように構成されている。

例１４では、例１１〜１３のいずれか１つの例の主題はオプションとして、本装置がさらに、中性子生成物質の陽子線発生器側の表面と隣り合って配置された真空ポンプを備えていることを具備することができる。

例１５では、例８〜１４のいずれか１つの例の主題はオプションとして、本装置がさらに、中性子生成物質に結合された冷却ユニットを備えていることを具備することができる。

例１６において、例８〜１５のいずれか１つの例の主題はオプションとして、中性子減速器が重水、炭素、または炭素化合物を含み、またはこれから成ることを具備することができる。

例１７では、例８〜１６のいずれか１つの例の主題はオプションとして、照射チャンバが１つまたは複数の半導体ウェハを収容し、半導体ウェハが軸方向に照射チャンバとアライメントすることを具備することができる。

例１８では、例８〜１７のいずれか１つの例の主題はオプションとして、照射チャンバ内に搭載された、中性子束を監視するように構成された１つまたは複数または複数のセンサを本装置がさらに備えていることを、具備することができる。

例１９は、約３００ｍｍ以上の径を有する半導体ウェハであり、半導体ウェハはさらに、約１００Ω／ｃｍ〜約１，０００Ω／ｃｍの範囲の均一なベース抵抗を有し、ベース抵抗の均一度は約±８％以内（最大値／最小値）である。

例２０では、例１９の主題はオプションとして、均一なベース抵抗が約２００Ω／ｃｍ〜約７００Ω／ｃｍの範囲であり、ベース抵抗の均一度（最大値／最小値）は約±２．５％以内であることを具備することができる。

とりわけ特定の実施形態を参照して本発明を図示および説明したが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲によって特定される発明の思想および範囲から逸脱することなく、形態および詳細の種々の変更を施すことが可能であると解すべきものである。よって、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって示されるものであり、したがって、特許請求の範囲の均等の範囲および意味に属する全ての変更も包含することを意図したものである。

Claims (20)

1. １つまたは複数の半導体ウェハの処理方法であって、
   １つまたは複数の半導体ウェハを照射チャンバ内に配置するステップと、
   前記照射チャンバに結合されたスパレーションチャンバ内で中性子束を生成するステップと、
   熱中性子束を生成するように前記中性子束を減速させるステップと、
   前記１つまたは複数の半導体ウェハ中にドーパント原子の生成を引き起こすように前記１つまたは複数の半導体ウェハに前記熱中性子束を照射するステップと、
   を有する方法。
2. 前記中性子束を生成するステップは、
   陽子線を生成するステップと、
   中性子束を生成するために前記陽子線を中性子生成ターゲットへ送るステップと、
   を有する、
   請求項１記載の方法。
3. 前記送るステップはさらに、
   前記陽子線と前記中性子生成ターゲットとの間の空間角を前記照射チャンバの径に応じて調整するステップを含む、
   請求項２記載の方法。
4. 前記陽子線を生成するステップは、
   陽子線を生成するためにレーザビームを陽子生成ターゲットへ送るステップを含む、
   請求項２記載の方法。
5. 前記方法はさらに、
   前記１つまたは複数の半導体ウェハを前記照射チャンバ内に配置するための支持体に配置するステップと、
   第１の照射期間後に前記照射チャンバ内に支持体を再配置するステップと、
   を有する、
   請求項１記載の方法。
6. 前記方法はさらに、
   中性子生成ターゲットを冷却するステップを有する、
   請求項１記載の方法。
7. 前記方法はさらに、
   各半導体ウェハの上表面および下表面を前記熱中性子束に対して垂直にするように前記１つまたは複数の半導体ウェハを配置するステップを含む、
   請求項１記載の方法。
8. １つまたは複数の半導体ウェハを処理するための装置であって、
   スパレーションチャンバと、
   前記スパレーションチャンバ内に搭載された中性子生成物質と、
   前記スパレーションチャンバ内に搭載された中性子減速器と、
   前記スパレーションチャンバに結合された照射チャンバと、
   を備えており、
   前記照射チャンバは、１つまたは複数の半導体ウェハを収容する、
   装置。
9. 前記中性子生成物質は、リチウム、リチウム／炭素混合物、タングステン、ホウ素またはホウ素化合物を含む、
   請求項８記載の装置。
10. 前記装置はさらに、調整可能なマウントを備えており、
    前記調整可能なマウントに前記中性子生成物質が搭載されている、
    請求項８記載の装置。
11. 前記装置はさらに、
    前記中性子生成物質に向けられる陽子線発生器を備えている、
    請求項８記載の装置。
12. 前記陽子線発生器は、陽子注入装置である、
    請求項１１記載の装置。
13. 前記陽子線発生器は、
    陽子生成物質と、
    前記陽子生成物質に向けられるレーザ発生器と、
    を備えており、
    前記レーザ発生器は、レーザビームを出力するように構成されている、
    請求項１１記載の装置。
14. 前記装置はさらに、
    前記中性子生成物質の前記陽子線発生器側の表面と隣り合って配置された真空ポンプを備えている、
    請求項１１記載の装置。
15. 前記装置はさらに、
    前記中性子生成物質に結合された冷却ユニットを備えている、
    請求項８記載の装置。
16. 前記中性子減速器は、重水、炭素または炭素化合物を含む、
    請求項８記載の装置。
17. 前記照射チャンバは、１つまたは複数の半導体ウェハを収容し、前記１つまたは複数の半導体ウェハは、軸方向に前記照射チャンバとアライメントする、
    請求項８記載の装置。
18. 前記装置はさらに、
    前記照射チャンバ内に搭載された１つまたは複数または複数のセンサを備えており、
    前記１つまたは複数のセンサは、中性子束を監視するように構成されている、
    請求項８記載の装置。
19. 約３００ｍｍ以上の径と、
    約１００Ω／ｃｍ〜約１，０００Ω／ｃｍの範囲の均一なベース抵抗と、
    を有する半導体ウェハであって、
    前記ベース抵抗の均一度は、約±８％以内である、
    半導体ウェハ。
20. 前記均一なベース抵抗は、約２００Ω／ｃｍ〜約７００Ω／ｃｍの範囲であり、
    前記ベース抵抗の均一度は、約±２．５％以内である、
    請求項１９記載の半導体ウェハ。