JP4333996B2 - イオンビーム発生装置、イオンビーム発生方法および機能素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体集積回路（ＩＣ）やＴＦＴ液晶表示装置などの半導体デバイスの製造工程において、半導体または半導体層にイオン注入を行うために用いられるイオンビーム発生装置、これを用いたイオンビーム発生方法、およびこのイオンビーム発生装置を用いて作製される薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などの機能素子の製造方法に関する。

従来、例えば半導体集積回路（ＩＣ）やＴＦＴ液晶表示装置などの半導体デバイスの製造工程においては、所定の導電型の半導体または半導体層を形成するために、半導体または半導体層に対してイオン注入（イオンドーピング）処理が施される。

このイオン注入（イオンドーピング）処理工程では、放電などにより複数種のイオンが発生するイオン源から、複数種のイオンからなるイオンビームを出力させて、質量分離機を用いて特定イオンからなるイオンビームを抽出出力させるイオンビーム発生装置が用いられている。

このような従来のイオンビーム発生装置では、イオンビーム電流の増加に伴って、イオンビームの空間電荷によるビーム発散効果が顕著になって、出力されるイオンビーム電流が増大しなくなるという問題がある。

これを解決するための方法として、イオンビーム電流の増加に見合った電子をイオンビームに供給し、イオンビームの空間電荷を打ち消して中和させる方法が挙げられる。この一例を図６に示している。

図６は、従来のイオンビーム発生装置をイオン打ち込み装置に適用した場合の機構部の構成例を示す模式図である。

図６に示すように、イオン打ち込み装置は、イオンビーム発生装置１００と、打ち込み室１０６とを備えている。

イオンビーム発生装置１００は、イオン源１０１と、質量分離機１０２と、中和電子発生手段１０３と、ガス導入系１０４と、加速手段１０５とを有している。

イオン源１０１では、放電により複数種のイオンが生成されて、その生成された複数種のイオンを含むイオンビームが出力される。このイオンビームは、質量分離機１０２に通されて、必要とされる特定種類のイオンが分離抽出される。特定イオンに分離抽出されたイオンビームは、その後、加速手段１０５によって加速され、打ち込み室１０６の中に配置された試料基板１０７の半導体または半導体層にイオン注入される。

質量分離機１０２には、イオンビーム電流の増加に見合った電子をイオンビームに供給し、イオンビームの空間電荷を打ち消して中和させるために、中和電子発生手段１０３が取り付けられている。

質量分離機１０２には誘電体で真空封しされた開口部１０２ａが設けられており、中和電子発生手段１０３に備わったマイクロ波発振器１０３ａからのマイクロ波が導波管１０３ｂを通って開口部１０２ａから質量分離機１０２内に導入される。このマイクロ波の周波数は、質量分離機１０２の磁界によって電子サイクロトロン共鳴が発生するような周波数に設定されている。さらに、ガス導入系１０４によって質量分離機１０２内に微量の放電ガスが導入され、電子サイクロトロン共鳴によって放電ガスのプラズマが発生する。このプラズマ中の電子によって、イオンビームの空間電荷が打ち消され、イオンビームの発散が低減される。
特開平９−１８０６６２号公報

しかしながら、上記従来のイオンビーム発生装置１００では、イオンビームの電流を所定の値にするパラメータとして、イオン源１０１と質量分離機１０２の２つあり、同じ電流のイオンビームであっても、イオン源１０１と質量分離機１０２がとれる状態は複数存在し、異なる状態においては、イオンビームのイオン種が異なる。イオンビームのイオン種が異なると、正確なイオン注入ができない。しかし、イオンビームの電流目標値に対して、イオンビームの電流とイオン種が常に一定となるように、イオン源１０１と質量分離機１０２の状態を調整することは難しく、特に、実際の装置では、質量分離機１０２に加わる外乱（例えば装置壁面の状態変化に起因して生じるイオンビーム衝突時の２次電子発生量の変化など）により質量分離機１０２の状態が変化することから、調整がさらに難しくなるという問題があった。

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、質量分離機への外乱によらず、イオンビームの出力調整を容易に行うことができるイオンビーム発生装置、これを用いたイオンビーム発生方法および、このイオンビーム発生装置を用いて作製される機能素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明のイオンビーム発生装置は、放電により複数種のイオンを生成し、生成した該複数種のイオンからなる第１イオンビームを出力させるイオン源と、該イオン源から出力された該第１のイオンビームの中から、一または複数の特定種類のイオンを分離抽出した第２イオンビームを出力させる質量分離機と、該質量分離機内に中和用電子を供給する中和用フィラメントと、該イオン源の放電電力を観測する放電電力観測手段と、該質量分離機から出力される該第２イオンビームの電流を観測するビーム電流観測手段と、該放電電力観測手段の出力と該ビーム電流観測手段の出力との関係が所定の関係となるように、該中和用フィラメントの消費電力を制御する第１の制御手段と、該ビーム電流観測手段の出力が所定の値となるように、該イオン源の放電電力を制御する第２の制御手段とを有し、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における第１の制御手段は、前記放電電力観測手段の出力と前記ビーム電流観測手段の出力との関係が所定の関係となるように、前記中和用フィラメントの電力目標値を出力する第１演算手段と、前記中和用フィラメントで消費される電力と該中和用フィラメントの電力目標値とを比較する第１比較手段と、該第１比較手段による比較結果に基づいて、該中和用フィラメントで消費される電力と該中和用フィラメントの電力目標値とが一致するように該中和用フィラメントの消費電力を調整する第１電力調整手段とを有する。

本発明のイオンビーム発生装置は、放電により複数種のイオンを生成し、生成した該複数種のイオンからなる第１イオンビームを出力させるイオン源と、該イオン源から出力された該第１イオンビームの中から、一または複数の特定種類のイオンを分離抽出した第２イオンビームを出力させる質量分離機と、該質量分離機内に中和用電子を供給する中和用フィラメントと、該質量分離機から出力される該第２イオンビームの電流を観測するビーム電流観測手段と、該中和用フィラメントの消費電力を、該第２イオンビームの電流目標値によって決まる所定の値に制御する中和用電子供給制御手段とを有し、該中和用電子供給制御手段は、該第２イオンビームの電流目標値に対する該中和用フィラメントの電力目標値を出力する第２演算手段と、該中和用フィラメントで消費される電力と該中和用フィラメントの電力目標値とを比較する第２比較手段と、該第２比較手段による比較結果に基づいて、該中和用フィラメントで消費される電力と該中和用フィラメントの電力目標値とが一致するように該中和用フィラメントの消費電力を調整する第２電力調整手段とを有し、そのことにより上記目的が達成される。

さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置において、ビーム電流観測手段の出力が所定の値となるように、前記イオン源の放電電力を制御する第２の制御手段を更に有する。

また、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における第２の制御手段は、前記イオン源の放電電力を調整するイオン源用電力調整手段と、前記ビーム電流観測手段の出力と前記第２イオンビームの電流目標値とを比較する第３比較手段と、該第３比較手段による比較結果に基づいて、該ビーム電流観測手段の出力と該第２イオンビームの電流目標値とが一致するように放電電力目標値を出力する目標値出力手段と、前記放電電力観測手段の出力と該放電電力目標値とを比較する第４比較手段と、該第４比較手段による比較結果に基づいて、該放電電力観測手段の出力と該放電電力目標値とが一致するように該イオン源用電力調整手段を調整する第３電力調整手段とを有する。

本発明のイオンビーム発生方法は、放電により複数種のイオンを生成し、生成した該複数種のイオンからなる第１イオンビームをイオン源から出力させる第１イオンビーム出力処理と、該イオン源から出力した該第１のイオンビームの中から、一または複数の特定種類のイオンを分離抽出した第２イオンビームを質量分離機から出力させる第２イオンビーム出力処理と、該質量分離機内に中和用フィラメントから中和用電子を供給する中和用電子供給処理と、該イオン源の放電電力を放電電力観測手段で観測する放電電力観測処理と、 該質量分離機から出力される該第２イオンビームの電流をビーム電流観測手段で観測するビーム電流観測処理と、該放電電力観測手段の出力と該ビーム電流観測手段の出力との関係が所定の関係となるように、該中和用フィラメントの消費電力を調整する第１の制御処理と、該ビーム電流観測手段の出力が所定の値となるように、該イオン源の放電電力を制御する第２の制御処理とを有し、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の機能素子の製造方法は、請求項１〜６のいずれかに記載の上記イオンビーム発生装置を用いて所定の半導体または半導体層にイオン注入するイオン注入処理工程を有し、そのことにより上記目的が達成される。

上記構成により、以下に、本発明の作用について説明する。

本発明にあっては、放電により複数種のイオンを生成し、複数種のイオンからなる第１イオンビームを出力させるイオン源と、イオン源から出力された第１イオンビームの中から、一または複数の特定種類のイオンのみを分離抽出した第２のイオンビームを出力させる質量分離機と、質量分離機内にイオンビーム電流の増加に見合った電子を供給して、イオンビームの空間電荷を打ち消して中和させるための中和用フィラメントとを有し、放電電力観測手段（放電電力観測機）によってイオン源の放電電力を観測し、質量分離機から出力される第２のイオンビームの電流をビーム電流観測手段（ビーム電流観測機）によって観測する。第１の制御手段によって、放電電力観測手段の出力とビーム電流観測手段の出力との関係が所定の関係となるように、中和用フィラメントの電力を制御する。

放電電力観測手段の出力とビーム電流観測手段の出力とが所定の関係となるように中和用フィラメントの電力が調整されるため、質量分離機に外乱が加わっても、質量分離機の状態を所定に保つことができる。つまり、質量分離機へのイオンビームの入出力の関係を所定に保つことができる。

さらに、第２の制御手段によって、ビーム電流観測手段の出力が所定の値となるように、イオン源の放電電力を制御する。第１の制御手段により、質量分離機へのイオンビームの入力に対する出力が一意に定まっているため、第２のイオンビームの出力調整を容易に行うことができる。

また、本発明にあっては、放電により複数種のイオンを生成し、複数種のイオンからなる第１イオンビームを出力させるイオン源と、イオン源から出力された第１イオンビームの中から、一または複数の特定種類のイオンのみを分離抽出した第２イオンビームを出力させる質量分離機と、質量分離機内にイオンビーム電流の増加に見合った電子を供給して、イオンビームの空間電荷を打ち消して中和させるための中和用フィラメントとを有し、質量分離機から出力される第２イオンビームの電流をビーム電流観測手段（ビーム電流観測機）によって観測する。中和用電子供給制御手段によって、第２イオンビームの電流目標値によって決まる所定の値に、中和用フィラメントの電力を制御する。

質量分離機に外乱が発生しない場合には、質量分離機の状態を所定に保つには、中和フィラメントから供給される中和電子量を一定にすれば十分であり、このように、第２イオンビームの電流目標値によって決まる所定の値に中和用フィラメントの電力を調整することで、容易に質量分離機の状態を所定に保つことができる。

以上説明したように、本発明によれば、放電電力観測手段（放電電力観測機）の出力とビーム電流観測手段（ビーム電流観測機）の出力とが所定の関係となるように中和用フィラメントの電力を調整し、外乱に影響されることなく質量分離機の状態を所定に保つことができる。つまり、質量分離機へのイオンビームの入出力の関係を所定に保つことができる。

さらに、ビーム電流観測手段（ビーム電流観測機）の出力が第２イオンビームの電流目標値に追従するようにイオン源の放電電力を制御することから、結局、第２イオンビームの目標値に対して、イオン源および質量分離機の状態が常に一定になる。つまり、イオンビームの電流は目標値と一致し、さらにイオン種も一定となる。このように、質量分離機に加わる外乱に影響されることなく、安定したイオンビームの電流とイオン種の調整を容易に行うことが可能となり、高精度でイオン注入を行うことができる。

また、本発明によれば、質量分離機に外乱が加わらない場合には、第２イオンビームの電流目標値によって決まる所定の値に中和用フィラメントの電力を調整するだけで、容易に質量分離機の状態を所定に保つことができ、安定したイオンビームの電流とイオン種の調整を行うことで、高精度でイオン注入を行うことができる。

以下に、本発明のイオンビーム発生装置およびこれを用いたイオンビーム発生方法の実施形態１，２について、図面を参照しながら詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１におけるイオンビーム発生装置の要部構成例を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態１のイオンビーム発生装置１０は、放電により複数種のイオンを生成し、生成した複数種のイオンからなる第１イオンビームＩａを出力させるイオン源１と、イオン源１から出力された第１イオンビームＩａの中から特定種類のイオンのみを分離抽出した第２イオンビームＩｂを出力させる質量分離機２と、質量分離機２内のイオンビームの発散を抑制するために中和用電子を供給する中和用フィラメント３と、イオン源１の放電電力を観測する放電電力観測手段（または放電電力観測機手段）としての放電電力観測機４と、質量分離機２から出力される第２イオンビームＩｂの電流を観測するビーム電流観測手段（ビーム電流観測機手段）としてのビーム電流観測機５と、放電電力観測機４の出力とビーム電流観測機５の出力とが入力されて両出力の関係が所定の関係となるように中和用フィラメント３の消費電力を制御して中和用フィラメント３から供給される中和用電子量を調整する第１の制御手段６と、ビーム電流観測機５の出力が所定の値（第２イオンビーム電流目標値）となるようにイオン源１の放電電力を制御する第２の制御手段７とを有している。

ここで、まず、イオン源１、質量分離機２および中和用フィラメント３からなる機構部について、図２を用いて詳細に説明する。

図２は、図１のイオンビーム発生装置をイオン打ち込み装置に適用した場合の機構部の構成例を示す模式図である。

図２に示すように、イオン打ち込み装置１０Ａは、イオン源１、質量分離機２および中和用フィラメント３などを有するイオンビーム発生装置１０と、イオンビーム発生装置１０に連通し、イオンビームの打ち込み処理を行う打ち込み室８とを備えている。

イオン源１では、例えば水素で希釈されたジボランなどの放電により複数種のイオンが生成され、生成された複数種のイオンからなる第１イオンビームＩａが出力される。

このイオン源１は、例えば電界を形成するためのアノード１ａおよびカソード１ｂと、これらに挟まれた放電空間１ｃと、この放電空間１ｃからイオンビームを引き出すための引出電極１ｄとを有している。このカソード１ｂには、第２の制御手段７の一部であるイオン源用フィラメント７ｅが設けられている。

このイオン源１の後段には、第１イオンビームＩａから特定種類のイオンを分離抽出して第２イオンビームＩｂを出力するための質量分離機２が設けられている。この質量分離機２は、９０度の円弧状のイオンビームの進行方向に対して垂直に磁界が印加されるように構成されている。磁界の印加手段としては、磁石またはコイルを巻いたヨーク材の磁極など、既知の手段が用いられる。

質量分離機２には、質量分離機２内のイオンビームが発散するのを防止するために、質量分離機２の内部に中和用フィラメント３が挿入されている。質量分離機２の出力部は、打ち込み室８内に連通されている。打ち込み室８の内部には、イオン注入される試料基板９が所定位置に設置されている。

次に、このイオン打ち込み装置１０Ａの機構部の動作について説明する。

上記構成により、まず、イオン打ち込み装置１０Ａは、イオン源１および質量分離機２および打ち込み室８の内部が、図示されていない真空ポンプにより真空状態に吸引され、イオン注入に用いられるイオンを生成するために、水素で希釈されたジボランなどの処理ガスが、図示されていないガス管からその内部に導入されて、イオン打ち込み装置１０Ａの内部が処理ガスで満たされる。

イオン源１では、アノード１ａとカソード１ｂとの間に所定の電圧が印加される。 後述する第２の制御手段７によってイオン源用フィラメント７ｅに所定の電圧が印加され、イオン源用フィラメント７ｅから熱電子が発生することよってアノード１ａとカソード１ｂとの間で処理ガスが放電し、その放電電力に応じて水素イオン、Ｂ１系のイオン、Ｂ２系のイオンが生成される。

さらに、イオン源１の出口側の引出電極１ｄにより、放電空間１ｃ中のプラズマに対して一定の電位差が与えられ、放電空間１ｃ内の複数種のイオンが引出電極１ｄ側に加速される。この引出電極１ｄにはスリットが設けられており、加速された複数種のイオンはこのスリットを通過して第１イオンビームＩａとなって質量分離機２側に入る。

質量分離機２内には、例えばＢ１系のイオンというように、分離抽出したいイオンに応じて磁界が形成される。この磁界により質量分離機２に入った第１イオンビームＩａがローレンツ力により曲げられ、質量分離機２の円弧と軌道半径が等しいイオンだけが質量分離機２を通過する。実際の質量分離機２は、半径方向に厚みを有しているため、通過可能なイオンの軌道半径に幅が生じ、分離抽出したいイオンの他にも質量分離機２を通過可能なイオンが存在する。したがって、磁界に応じたイオン比を有する第２イオンビームＩｂが出力される。

また、後述する第１の制御手段６によって質量分離機２内に挿入された中和用フィラメント３に電圧が印加され、中和用電子となる熱電子が発生し、イオンの一部を中和する。これにより、イオン過多によるイオン同士の電気的な反発によってイオンビームが発散し、第２イオンビームＩｂが出力されなくなることを防止することができる。

質量分離機２から出力された第２イオンビームＩｂは、図示されていない加速器によって加速され、打ち込み室８内に設置された試料基板９の半導体または半導体層にイオン注入される。

次に、図１の放電電力観測機４およびビーム電流観測機５について詳細に説明する。

放電電力観測機４は、イオン源１の放電電力Ｗ１を測定する電力計である。

ビーム電流観測機５は、質量分離機２から出力される第２のイオンビームの電流を測定する測定器であり、例えばファラデーカップである。本実施形態１では、常にビーム電流観測機５の出力を用いて中和用フィラメント３の電力が制御されるため、ビーム電流観測機５は、処理時・非処理時に関わらず、常に第２イオンビームＩｂを測定可能な位置に設置される。よって、ビーム電流観測機５は、例えば、イオン打ち込み装置１０Ａでは、試料基板９と重ならない位置に設置される。

次に、第１の制御手段６および第２の制御手段７からなるイオンビーム発生装置１０の制御系の構成例について説明する。

第１の制御手段６では、放電電力観測機４の出力とビーム電流観測機５の出力とが入力されて、イオン源１の放電電力と質量分離機２から出力される第２イオンビームＩｂの電流値とが所定の関係となるように、中和用フィラメント３から放出される中和用電子量が調整される。

第２の制御手段７では、第１の制御手段６によってイオン源１の放電電力と第２イオンビームＩｂの電流値とが所定の関係に調整された状態で、第２イオンビームＩｂの電流値が第２イオンビーム電流目標値と一致するようにイオン源１の放電電力Ｗ１が調整される。

即ち、第１の制御手段６によって、イオン源１の放電電力とビーム電流観測機５から出力される第２イオンビームＩｂの電流値とが所定の関係を保つように制御されて、質量分離機２に加わる外乱によらず質量分離機２の状態が所定に保たれる。つまり、質量分離機２へのイオンビームの入出力の関係が所定に保たれる。

また、質量分離機２の状態が所定に保たれたまま、第２の制御手段７によって、第２イオンビームＩｂの電流値が第２イオンビーム電流目標値に一致するように制御される。

このように、本実施形態１では、質量分離機２への外乱によらず質量分離機２の状態を所定に保ったまま、第２イオンビームＩｂの電流の目標値への追従を行うことによって、従来技術では、第２イオンビーム電流目標値に対して、特に質量分離機２に外乱が加わる場合など、イオン源１と質量分離機２の状態が一定ではなく、電流が目標値と一致していてもイオン種が異なり、電流およびイオン種の両方を一定にする調整が困難だったのに対し、本実施形態では、質量分離機２に外乱が加わっても、第２イオンビーム電流目標値に対して、イオン源１と質量分離機２の状態つまり、イオンビームの電流とイオン種を常に一定に調整することが容易にできる。

次に、第１の制御手段６について具体的に説明する。

第１の制御手段６は、放電電力観測機４の出力とビーム電流観測機５の出力とが入力されて中和フィラメント電力目標値が出力される第１演算手段としての演算器６ａと、中和用フィラメント３で消費される電力である中和フィラメント電力と中和フィラメント電力目標値とが一致するように構成される第１のフィードバック制御系６Ａとを有している。

この第１のフィードバック制御系６Ａには、中和フィラメント電力と中和フィラメント電力目標値とを比較する第１比較手段としての比較器６ｂと、この比較器６ｂによる比較結果に基づいて、中和フィラメント電力と中和フィラメント電力目標値とが一致するように中和用フィラメント３に電圧を出力して中和用フィラメント３で消費される電力を調整する第１電力調整手段としての電圧調整回路６ｃとが設けられている。

図３は、図１の演算器６ａの動作を説明するための図である。なお、図３では、横軸にはイオン源１の放電電力が示され、縦軸には質量分離機２から出力される第２イオンビームＩｂの電流値が示されている。

図３に示すように、演算器６ａでは、例えばイオン源１の放電電力と第２イオンビームＩｂの電流値との関係（実線）が、破線で示すようにずれている場合に、これを補償するために中和フィラメント電力目標値が出力される。

即ち、第１の制御手段６では、この実線と破線とのずれが、質量分離機２に加わる外乱として検出され、この外乱が中和用フィラメント３から放出される中和用電子によって補償される。中和用電子によって質量分離機２に加わる外乱が補償される理由は、質量分離機２に加わる外乱が生じる原因として、質量分離機２の内壁へのイオンビームの衝突による２次電子の放出など、質量分離機２内の電子密度の変化によるところが大きいためである。

次に、第２の制御手段７について具体的に説明する。

第２の制御手段７では、イオン源１の放電電力を調整することによって、第２イオンビームＩｂの電流を所定の値に調整する。

具体的には、第２の制御手段７には、第２イオンビーム電流目標値とビーム電流観測機５の出力である第２イオンビームＩｂの電流値とが一致するようにイオン源１の放電電力を調整する第２のフィードバック制御系７Ｂが構成されている。

第２のフィードバック制御系７Ｂには、第２イオンビーム電流目標値とビーム電流観測機５の出力である第２イオンビームＩｂの電流値とを比較する第３比較手段としての比較器７ａと、第２イオンビーム電流目標値とビーム電流観測機５の出力である第２イオンビームＩｂの電流値とが一致するように放電電力目標値を出力する目標値出力手段としての目標値出力回路７ｂと、イオン源１の放電電力が放電電力目標値と一致するように構成された第３のフィードバック制御系７Ｃとが設けられている。

第３のフィードバック制御系７Ｃには、放電電力目標値とイオン源１の放電電力とを比較する第４比較手段としての比較器７ｃと、イオン源用電力調整手段としてのイオン源用フィラメント７ｅと、これに電圧を出力して電力調整を行う第３電力調整手段としての電圧調整回路７ｄとが設けられている。この電圧調整回路７ｄからは、放電電力目標値とイオン源１の放電電力とが一致するように、イオン源用フィラメント７ｅに電圧が印加されて電力供給が為される。

次に、第１の制御手段６および第２の制御手段７を有する本実施形態１のイオンビーム発生装置１０における制御系の動作および作用について説明する。

上記構成により、本実施形態１のイオンビーム発生装置１０は、質量分離機２に外乱が加わったとしても、質量分離機２へのイオンビームの入出力の関係を所定に保ってから、第２イオンビームＩｂの目標値への追従を行うことで、イオンビーム電流目標値に対して、イオンビームの電流とイオン種を一定にすることが容易に可能であり、その動作は質量分離機２の状態を所定にする動作と追従動作の二つに分けられる。

図４は、本実施形態１のイオンビーム発生装置１０の動作の概略を説明するための図である。

図４に示すように、まず、一つ目の「質量分離機の状態を所定にする動作」では、第１の制御手段６によって、イオン源１の放電電力と質量分離機２から出力される第２イオンビームＩｂの電流値とが所定の関係になるように、中和用フィラメント３の電力が制御されて中和用フィラメント３から出力される中和用電子量が調整される。これによって、質量分離機２に加わる外乱の影響が補償され、質量分離機２の状態が所定に保たれる。

二つ目の「第２イオンビームＩｂの電流目標値への追従動作」では、第２の制御手段７によって、イオン源１の放電電力が調整される。これによって、一つ目の動作によって質量分離機２から出力される一意に定められた第２イオンビームＩｂの電流値を、第２イオンビーム電流目標値に追従させることができる。

第２イオンビームＩｂの出力中は、常に上記二つの動作を行うように制御が行われる。

以下に、上記一つ目の「質量分離機の状態を所定にする動作」の動作とその作用について、さらに具体的に説明する。

第１の制御手段６では、放電電力観測機４の出力とビーム電流観測機５の出力とが演算器６ａに入力され、この演算器６ａからは、イオン源１の放電電力と第２イオンビームＩｂの電流値とが、後述する所定の関係になるように、中和フィラメント電力目標値が出力される。

演算器６ａからの中和フィラメント電力目標値と、中和用フィラメント３で消費される中和フィラメント電力とは、比較器６ｂを介して電圧調整回路６ｃに入力される。電圧調整回路６ｃでは、比較器６ｂによる比較結果に基づいて、中和フィラメント電力目標値と中和フィラメント電力との両者が一致するように、電圧調整回路６ｃから中和用フィラメント３に電圧が印加されて電力供給される。

中和用フィラメント３からは、中和フィラメント電力に応じた量の中和用電子が放出されて質量分離機２内に供給される。この中和用電子量の増減によって質量分離機２から出力される第２イオンビームＩｂの量が変化し、質量分離機２に加わる外乱による第２イオンビームＩｂの変化量が補償される。

放電電力を観測することの意味を説明する。放電電力は、イオン源１において主に処理ガスの励起および電離に用いられる電力であるから、放電電力によってイオン源１内のイオン密度が決定される。さらにイオン源１内のイオン密度によって、イオン源１から出力される第１イオンビームＩａの密度、即ち、電流値が決定される。したがって、イオン源１の放電電力を観測することは、第１イオンビームＩａの電流値を観測することに相当する。
放電電力を用いて第１イオンビームＩａを観測する効果を説明する。直接第１イオンビームＩａの電流を測定することが考えられるが、この場合、新たにイオンビーム電流の測定器を設置する必要がある。さらに、第１イオンビームＩａが通過する位置に設置する必要があるため、少なからず第１イオンビームＩａを遮断し、効率の低下、および、第１イオンビームＩａの不均一といった問題が発生する。さらに、測定器への皮膜などによる測定値の変化の問題が発生する。これに比べ、放電電力を観測することは、これらの問題が発生しないため非常に有効である。

中和用電子の出力調整が、中和フィラメント電力目標値を設定することによって行われる理由は以下の通りである。

中和用電子は中和用フィラメント３から放出される熱電子であるため、中和用フィラメント３の温度、即ち、中和フィラメントの消費電力を一定とすることによって、中和用電子量を一定に保つことができる。したがって、中和用フィラメントの使用によりその抵抗が変化したとしても、中和フィラメントの消費電力を制御することによって、中和用電子量を正確に制御することができるからである。

また、従来例では中和電子発生手段として電子サイクロトロン共鳴を用いていたが、本発明で中和フィラメント３を用いる理由は以下の通りである。電子サイクロトロン共鳴を用いる場合、電子サイクロトロン共鳴の磁界と質量分離に用いる磁界を共有しているため、イオン種に応じて磁界を変更するには、放電に用いるマイクロ波の周波数を変更する必要があり、イオン種に応じた磁界の変更が容易ではない。さらに、質量分離機２内で新たな放電を発生させることから、この放電によりイオンビームの状態が変化し、イオンビームの制御がより難しくなる。また、開口部１０２ａを真空封しする誘電体には徐々に膜が生成されるため、質量分離機２へ供給されるマイクロ波が減少することから、この補正を行う制御が必要になる。しかし、中和用フィラメント３を用いるとこれらの問題が発生しない。

次に、イオン源１の放電電力と質量分離機２から出力される第２イオンビームＩｂの電流値との所定の関係は、以下のように設定される。例えば、メンテナンス後など、装置状態が標準と思われるとき、第２イオンビームＩｂの電流値を第２イオンビーム電流目標値に一致させたときの放電電力観測機４の出力とビーム電流観測機５の出力との関係を、事前に演算器６ａに保存しておく。これは、例えば図３に実線で示すような関係となる。この関係を、質量分離機２に加わる外乱がないときの基準とする。

質量分離機２に外乱が加わることによって、放電電力観測機４の出力とビーム電流観測機５の出力との関係が基準からずれて、例えば図３に破線で示すような関係となると、演算器６ａでは、イオン源１への放電電力と第２イオンビームＩｂの電流値とが基準の関係に戻るように、即ち、外乱による基準からのずれが補償されるように、中和フィラメント電力目標値が出力される。

次に、二つ目の「第２イオンビームＩｂの電流目標値への追従動作」の動作とその作用について、さらに具体的に説明する。

第２の制御手段７では、ビーム電流観測機５の出力と第２イオンビーム電流目標値とが比較器７ａを介して目標値出力回路７ｂに入力され、比較器７ａによる比較結果に基づいて、ビーム電流観測機５の出力と第２イオンビーム電流目標値との両者が一致するように目標値出力回路７ｂから放電電力目標値が出力される。

この放電電力目標値は、比較器７ｃを介して、イオン源用フィラメント７ｅに電圧を印加する電圧調整回路７ｄに入力される。また、電圧調整回路７ｄには、さらに、イオン源１の放電電力が比較器７ｃを介して入力され、比較器７ｃによる比較結果に基づいて、これら放電電力目標値とイオン源１の放電電力との両者が一致するように電圧調整回路７ｄからイオン源用フィラメント７ｅに電圧が出力されて電力供給される。

イオン源用フィラメント７ｅでは、印加された電圧値に応じて熱電子が発生し、これによってイオン源１が放電し、イオンが生成されて、第１イオンビームＩａがイオン源１から出力される。

放電電力目標値により放電電力が調整される理由について、以下に説明する。

イオン源１内のイオン種およびイオン密度は、放電電力によって決定されるため、この放電電力を制御することによって、イオン源用フィラメント７ｅの抵抗変化の影響を受けることなく、イオン源１言い換えれば第１イオンビームＩａのイオン種およびイオン密度を一定に保つことができるからである。

以上のように、本実施形態１のイオンビーム発生装置１０によれば、上記一つ目の「質量分離機の状態を所定にする動作」によって、質量分離機２に加わる外乱によらず質量分離機２が所定の状態に保たれ、質量分離機２へ入る第１イオンビームＩａに対して、一意の第２イオンビームＩｂが出力される。そして、二つ目の「第１イオンビームＩｂの電流目標値への追従動作」により、質量分離機２の入力に対して一意に定まった第２イオンビームＩｂの電流値を第２イオンビーム電流目標値に追従させる。

このようにすることで、質量分離機２に加わる外乱によらず、第２イオンビーム電流目標値に対して、常にイオン源１と質量分離機２の状態を一定にする調整が容易に行え、イオンビームの電流とイオン種を、第２イオンビーム電流目標値に対して、常に一定に保つことができる。
（実施形態２）
図５は、本発明の実施形態２のイオンビーム発生装置における概略構成例を示すブロック図である。

図５に示すように、本実施形態２のイオンビーム発生装置２０は、放電により複数種のイオンを生成し、生成した複数種のイオンからなる第１イオンビームＩａを出力させるイオン源１と、このイオン源１から出力された第１イオンビームＩａの中から特定種類（一または複数種類）のイオンのみを分離抽出して第２イオンビームＩｂを出力させる質量分離機２と、質量分離機２内のイオンビームの発散を抑制するために中和用電子を供給する中和用フィラメント３と、イオン源１の放電電力を観測する放電電力観測機４と、質量分離機２から出力される第２イオンビームＩｂの電流値を観測するビーム電流観測機５と、中和用フィラメント３の電力を第２イオンビームＩｂの電流目標値によって決まる所定の値（中和フィラメント電力目標値）に制御する中和用電子供給制御手段１６と、ビーム電流観測機５の出力が所定の値（第２イオンビーム電流目標値）となるようにイオン源１への放電電力を制御する第２の制御手段７とを有している。

本実施形態２のイオンビーム発生装置２０において、上記実施形態１のイオンビーム発生装置１０と異なる点は、質量分離機２の状態を所定に保つための制御系の構成であり、上記実施形態１（図１）の場合と同じ部分については同じ符号を用いてその説明を省略する。

本実施形態２のイオンビーム発生装置２０は、質量分離機２に外乱が加わらない場合に適しており、上記実施形態１のイオンビーム発生装置１０における第１の制御手段６に代えて、図５の中和用電子供給制御手段１６が用いられる。

以下に、図５の中和用電子供給制御手段１６の構成例について詳細に説明する。

中和用電子供給制御手段１６は、第２イオンビーム電流目標値とが入力されて中和フィラメント電力目標値が出力される第２演算手段としての演算器１６ａと、中和用フィラメント３で消費される電力である中和フィラメント電力と中和フィラメント電力目標値とが一致するように構成される第４のフィードバック制御系１６Ｄとを有している。

この第４のフィードバック制御系１６Ｄには、中和フィラメント電力と中和フィラメント電力目標値とを比較する第２比較手段としての比較器１６ｂと、この比較器１６ｂによる比較結果に基づいて、中和フィラメント電力と中和フィラメント電力目標値とが一致するように中和用フィラメント３に電圧を出力して中和用フィラメント３で消費される電力を調整する第２電力調整手段としての電圧調整回路１６ｃとが設けられている。

次に、中和用電子供給制御手段１６の動作および作用について説明する。

上記構成により、中和用電子供給制御手段１６では、第２イオンビーム電流目標値が演算器１６ａに入力され、演算器１６ａからは、後述する所定の中和フィラメント電力目標値が出力される。

演算器１６ａからの中和フィラメント電力目標値と、中和用フィラメント３で消費される中和フィラメント電力とは、比較器１６ｂを介して電圧調整回路１６ｃに入力される。比較器１６ｂによる比較結果に基づいて、中和フィラメント電力目標値と中和フィラメント電力との両者が一致するように、電圧調整回路１６ｃから中和用フィラメント３に電圧が印加される。

中和用フィラメント３からは、中和フィラメント電力に応じた量の中和用電子が放出されて質量分離機２内に供給され、質量分離機２から出力される第２イオンビームＩｂが決定される。

中和用電子はイオンビームの発散を抑制するものであるので、イオンビームの強度に応じて、適切な中和用電子量が存在する。中和用電子供給制御手段１６の演算器１６ａからは、第２イオンビーム電流目標値に対して適切な中和用電子量となるように、中和フィラメント電力目標値が出力される。このため、演算器１６ａには、事前に第２イオンビーム電流目標値に対する適切な中和フィラメント電力目標値が保存される。

第２イオンビーム電流目標値に対する適切な中和フィラメント電力目標値とは、例えば、メンテナンス後などの標準的な装置状態において、第２イオンビームＩｂの電流値を第２イオンビーム電流目標値に一致させたときの、第２イオンビーム電流目標値に対する中和フィラメント電力目標値である。

以上により、本実施形態２のイオンビーム発生装置２０によれば、質量分離機２に外乱が加わらない場合には、上記実施形態１よりも簡単な制御によって質量分離機２を所定の状態に調整することができる。

また、上記実施形態１，２で説明した本発明のイオンビーム発生装置１０，２０を用いて、特定のイオンを所望のイオンビーム電流値に制御して発生させ、この発生させた特定のイオンを所望のドーズ量で精度良く半導体または半導体層に注入することができる。これによって、所定の導電型の半導体または半導体層を形成し、この半導体または半導体層を用いて、半導体集積回路（ＩＣ）やＴＦＴ液晶表示装置などの半導体デバイスを良好に製造することができる。

また、このようにして製造された機能素子としての半導体デバイスは、高スイッチング特性、低消費電力、および、高信頼性のデバイスとして、非常に有用である。

また、上記実施形態１，２では、第１の制御手段６または中和用電子供給制御手段１６と、第２の制御手段７とを共に用いて構成したが、これに限らず、第１の制御手段６または中和用電子供給制御手段１６だけであってもよく、これによっても、本発明の効果を奏する。

以上のように、本発明の好ましい実施形態１，２を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１，２に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１，２の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

本発明は、例えば半導体集積回路（ＩＣ）やＴＦＴ液晶表示装置などの半導体デバイスの製造工程において、半導体または半導体層にイオン注入を行うために用いられるイオンビーム発生装置、これを用いたイオンビーム発生方法、およびこのイオンビーム発生装置を用いて作製される薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などの機能素子の製造方法の分野において、所定の導電型の半導体または半導体層を形成するために半導体または半導体層にイオン注入（イオンドーピング）処理を行う際に、質量分離機に加わる外乱によらず、イオンビーム電流の目標値に対して、質量分離機およびイオン源の状態を一定とする調整が容易にでき、イオンビーム電流の目標値に対して、イオンビームの電流およびイオン種を一定とし、高精度でイオン注入を行うことができる。

本発明の実施形態１のイオンビーム発生装置の要部構成例を示すブロック図である。 図１のイオンビーム発生装置をイオン打ち込み装置に適用した場合の機構部の構成例を示す模式図である。 図１のイオンビーム発生装置における演算器の動作を説明するための図である。 図１のイオンビーム発生装置の動作を説明するための図である。 本発明の実施形態２のイオンビーム発生装置の要部構成例を示すブロック図である。 従来のイオンビーム発生装置をイオン打ち込み装置に適用した場合の機構部の構成例を示す模式図である。

符号の説明

１ イオン源
２ 質量分離機
３ 中和用フィラメント
４ 放電電力観測機
５ ビーム電流観測機
６ 第１の制御手段
６ａ 演算器
６ｂ 比較器
６ｃ 電圧調整回路
６Ａ，７Ｂ，７Ｃ，１６Ｄ フィードバック制御系
７ 第２の制御手段
７ａ，７ｃ 比較器
７ｂ 目標値出力回路
７ｄ 電圧調整回路
７ｅ イオン源用フィラメント
１０，２０ イオンビーム発生装置
１６ 中和用電子供給制御手段
１６ａ 演算器
１６ｂ 比較器
１６ｃ 電圧調整回路
Ｉａ 第１イオンビーム
Ｉｂ 第２イオンビーム

Claims (7)

1. 放電により複数種のイオンを生成し、生成した該複数種のイオンからなる第１イオンビームを出力させるイオン源と、
   該イオン源から出力された該第１のイオンビームの中から、一または複数の特定種類のイオンを分離抽出した第２イオンビームを出力させる質量分離機と、
   該質量分離機内に中和用電子を供給する中和用フィラメントと、
   該イオン源の放電電力を観測する放電電力観測手段と、
   該質量分離機から出力される該第２イオンビームの電流を観測するビーム電流観測手段と、
   該放電電力観測手段の出力と該ビーム電流観測手段の出力との関係が所定の関係となるように、該中和用フィラメントの消費電力を制御する第１の制御手段と、
   該ビーム電流観測手段の出力が所定の値となるように、該イオン源の放電電力を制御する第２の制御手段とを有するイオンビーム発生装置。
2. 前記第１の制御手段は、
   前記放電電力観測手段の出力と前記ビーム電流観測手段の出力との関係が所定の関係となるように、前記中和用フィラメントの電力目標値を出力する第１演算手段と、
   前記中和用フィラメントで消費される電力と該中和用フィラメントの電力目標値とを比較する第１比較手段と、
   該第１比較手段による比較結果に基づいて、該中和用フィラメントで消費される電力と該中和用フィラメントの電力目標値とが一致するように該中和用フィラメントの消費電力を調整する第１電力調整手段とを有する請求項１に記載のイオンビーム発生装置。
3. 放電により複数種のイオンを生成し、生成した該複数種のイオンからなる第１イオンビームを出力させるイオン源と、
   該イオン源から出力された該第１イオンビームの中から、一または複数の特定種類のイオンを分離抽出した第２イオンビームを出力させる質量分離機と、
   該質量分離機内に中和用電子を供給する中和用フィラメントと、
   該質量分離機から出力される該第２イオンビームの電流を観測するビーム電流観測手段と、
   該中和用フィラメントの消費電力を、該第２イオンビームの電流目標値によって決まる所定の値に制御する中和用電子供給制御手段とを有し、
   該中和用電子供給制御手段は、
   該第２イオンビームの電流目標値に対する該中和用フィラメントの電力目標値を出力する第２演算手段と、
   該中和用フィラメントで消費される電力と該中和用フィラメントの電力目標値とを比較する第２比較手段と、
   該第２比較手段による比較結果に基づいて、該中和用フィラメントで消費される電力と該中和用フィラメントの電力目標値とが一致するように該中和用フィラメントの消費電力を調整する第２電力調整手段とを有するイオンビーム発生装置。
4. 前記ビーム電流観測手段の出力が所定の値となるように、前記イオン源の放電電力を制御する第２の制御手段を更に有する請求項３に記載のイオンビーム発生装置。
5. 前記第２の制御手段は、
   前記イオン源の放電電力を調整するイオン源用電力調整手段と、
   前記ビーム電流観測手段の出力と前記第２イオンビームの電流目標値とを比較する第３比較手段と、
   該第３比較手段による比較結果に基づいて、該ビーム電流観測手段の出力と該第２イオンビームの電流目標値とが一致するように放電電力目標値を出力する目標値出力手段と、
   前記放電電力観測手段の出力と該放電電力目標値とを比較する第４比較手段と、
   該第４比較手段による比較結果に基づいて、該放電電力観測手段の出力と該放電電力目標値とが一致するように該イオン源用電力調整手段を調整する第３電力調整手段とを有する請求項１または３に記載のイオンビーム発生装置。
6. 放電により複数種のイオンを生成し、生成した該複数種のイオンからなる第１イオンビームをイオン源から出力させる第１イオンビーム出力処理と、
   該イオン源から出力した該第１のイオンビームの中から、一または複数の特定種類のイオンを分離抽出した第２イオンビームを質量分離機から出力させる第２イオンビーム出力処理と、
   該質量分離機内に中和用フィラメントから中和用電子を供給する中和用電子供給処理と、
   該イオン源の放電電力を放電電力観測手段で観測する放電電力観測処理と、
   該質量分離機から出力される該第２イオンビームの電流をビーム電流観測手段で観測するビーム電流観測処理と、
   該放電電力観測手段の出力と該ビーム電流観測手段の出力との関係が所定の関係となるように、該中和用フィラメントの消費電力を調整する第１の制御処理と、
   該ビーム電流観測手段の出力が所定の値となるように、該イオン源の放電電力を制御する第２の制御処理とを有する記載のイオンビーム発生方法。
7. 請求項１〜５のいずれかに記載のイオンビーム発生装置を用いて所定の半導体または半導体層にイオン注入するイオン注入処理工程を有する機能素子の製造方法。
   

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