JPH0636734A - イオン注入法による基板製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 生成される価数の異なるイオンを効率よく利
用する。 【構成】 多価イオン生成部１のプラズマチャンバ内に
て同質量数で価数が異なる同種異価イオン群を生成し、
その同種異価イオン群をプラズマチャンバ内から引出し
たのち質量分析部４１で価数が同じ同種同価イオンごと
のイオンビームに分離し、それら同種同価イオンのイオ
ンビームをそれぞれポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ
５に導いてサブストレートｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４，ｓ
５に同時に照射する。 【効果】 生成される価数の異なるイオンを効率よく利
用でき、良好なコストパフォーマンスを得ることが出来
る。価数の大きな多価イオンが生成されるイオン源を用
いるときに特に有用である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、イオン注入法による
基板製造方法に関し、さらに詳しくは、電子サイクロト
ロン共振を利用し、供給される試料ガスなどを元にプラ
ズマチャンバ内でイオンを生成し、基板にイオン注入を
行うイオン注入法による基板製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板に不純物を添加する方法とし
て、また、耐摩耗性，耐食性などを向上させる表面改質
の方法としてイオン注入法が用いられている。図５は、
技術論文「イオン注入・ミキシング装置の開発」（日本
製鋼所技報４５号 Ｐ５３〜Ｐ５７，１９９１）に掲載
されたイオンビーム照射装置の説明図である。このイオ
ンビーム照射装置βでは、ＡｓガスとＮ₂ガス とが供給
されてイオン源１０１でＡｓ⁺¹とＮ₂ ⁺¹ との混合イオン
ビームを発生させる。その混合イオンビームは、集束装
置１０２を介して分析電磁石１０３へ導かれ、Ａｓ⁺¹ビ
ームとＮ₂ ⁺¹ビームとに分離される。分離されたＡｓ⁺¹
ビームは、偏向装置１０４，走査装置１０５を経て基板
ｓに照射される。また、Ｎ₂ ⁺¹ビーム は、偏向装置１０
４，スパッタターゲット１０６を経て基板ｓに照射され
る。

【０００３】こうして、このイオンビーム照射装置βで
は、１つのイオン源１０１で生成した２つのイオンＡｓ
⁺¹，Ｎ₂ ⁺¹ の両方を利用することによって、装置のコス
トパフォーマンスを高めている。

【０００４】

【発明が解決しょうとする課題】上記従来のイオンビー
ム照射装置βのイオン源１０１においては、Ａｓ⁺¹以外
にＡｓ⁺²が生成されている。また、Ｎ₂ ⁺¹以外にＮ₂ ⁺²が
生成されている。ところが、上述の如くＡｓ⁺¹，Ｎ₂ ⁺¹
の両方を利用してイオン注入を行っている際には、前記
Ａｓ⁺²やＮ₂ ⁺² を有効に利用できない問題点がある。そ
こで、この発明の目的は、生成される価数の異なるイオ
ンを効率よく利用できるイオン注入法による基板製造方
法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】第１の観点では、この発
明は、電子サイクロトロン共振を利用し、供給される試
料ガスなどを元にプラズマチャンバ内でイオンを生成
し、基板にイオン注入を行うイオン注入法による基板製
造方法において、プラズマチャンバ内にて同質量数で価
数が異なる同種異価イオン群を生成し、その同種異価イ
オン群をプラズマチャンバ内から引出したのち価数が同
じ同種同価イオン群ごとに分離し、分離したそれら同種
同価イオン群を用いて複数の基板にイオン注入を行うこ
とを特徴とするイオン注入法による基板製造方法を提供
する。

【０００６】第２の観点では、この発明は、電子サイク
ロトロン共振を利用し、供給される試料ガスなどを元に
プラズマチャンバ内でイオンを生成し、基板にイオン注
入を行うイオン注入法による基板製造方法において、プ
ラズマチャンバ内にて質量数，価数が異なる異種異価イ
オン群を生成し、その異種異価イオン群をプラズマチャ
ンバ内から引出したのち質量数，価数が同じ同種同価イ
オン群ごとに分離し、分離したそれら同種同価イオン群
を用いて複数の基板にイオン注入を行うことを特徴とす
るイオン注入法による基板製造方法を提供する。

【０００７】

【作用】第１の観点によるこの発明のイオン注入法によ
る基板製造方法では、プラズマチャンバ内にて同質量数
で価数が異なる同種異価イオン群が生成される。例えば
Ａｓイオンに着目すると｛Ａｓ⁺¹，Ａｓ⁺²，…｝のよう
な同種異価イオン群が生成される。その同種異価イオン
群は、プラズマチャンバ内から引出されたのち価数が同
じ同種同価イオン群ごとに分離される。例えば｛Ａ
ｓ⁺¹，Ａｓ⁺²，Ａｓ⁺³｝のような同種異価イオン群であ
れば、価数＋１，＋２，＋３の３つの同種同価イオン群
｛Ａｓ⁺¹｝，｛Ａｓ⁺²｝，｛Ａｓ⁺³｝に分離されること
になる。そして、分離されたそれら同種同価イオン群を
用いて複数の基板にイオン注入が行われる。これによ
り、生成された価数の異なるイオンを効率よく利用でき
ることになる。

【０００８】第２の観点によるこの発明のイオン注入法
による基板製造方法では、プラズマチャンバ内にて質量
数，価数が異なる異種異価イオン群が生成される。例え
ば、｛Ａｓ⁺¹，Ａｓ⁺²，…，Ｎ₂ ⁺¹，Ｎ₂ ⁺²，…｝のよう
な異種異価イオン群が生成される。その異種異価イオン
群は、プラズマチャンバ内から引出されたのち質量数，
価数が同じ同種同価イオン群ごとに分離される。例えば
｛Ａｓ⁺¹，Ａｓ⁺²，Ａｓ⁺³，Ｎ₂ ⁺¹，Ｎ₂ ⁺²｝の異種異価
イオン群であれば、同種同価イオン群｛Ａｓ⁺¹｝，｛Ａ
ｓ⁺²｝，｛Ａｓ⁺³｝，｛Ｎ₂ ⁺¹｝，｛Ｎ₂ ⁺²｝に分離され
ることになる。そして、分離されたそれら同種同価イオ
ン群を用いて複数の基板にイオン注入が行われる。これ
により、生成された価数の異なる異種のイオンを効率よ
く利用できることになる。

【０００９】

【実施例】以下、図に示す実施例に基づいてこの発明を
さらに詳細に説明する。なお、これによりこの発明が限
定されるものではない。図１は、この発明の一実施例の
イオン注入法による基板製造装置の説明図である。この
基板製造装置αは、多価イオン生成部１と、質量分析部
４１と、ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５を有する
ビームポート５１とを備えている。ｇはガス導入管であ
り、ｍは導波管である。また、ｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ
４，ｓ５は基板である。なお、ｋ１，ｋ２，ｋ３，ｋ
４，ｋ５のそれぞれは、イオン（ビーム）の軌道を示し
ている。

【００１０】以下、各構成要素について説明する。図２
は、多価イオン生成部１の縦断面図である。なお、多価
イオンとは、一般に２価以上のイオンを意味するが、こ
の発明においては、５価〜２０価が好ましく、８価〜１
２価がさらに好ましい。この多価イオン生成部１は、そ
の中央部分に両端が開口した円筒状のプラズマチャンバ
２を備えており、その一方の開口端側（図中、右側）に
配設されたガス導入管ｇ（図１参照）と導波管ｍ（図１
参照）とからそれぞれ試料ガスとマイクロ波とが前記プ
ラズマチャンバ２の内部に導入されるようになってい
る。

【００１１】前記プラズマチャンバ２の外周には、永久
磁石３が設けられている。この永久磁石３は、前記プラ
ズマチャンバ２の径方向に６個の棒磁石を放射状に配置
してなる６極永久磁石の組をプラズマチャンバ２の軸線
方向に複数組だけ配列したものであって、その永久磁石
３により前記プラズマチャンバ２の径方向に磁場が形成
されるようになっている。

【００１２】前記永久磁石３の両側には、一対のソレノ
イドコイル４，５が配置されている。それらのソレノイ
ドコイル４，５は、その内外両側面及び外周面を取り囲
む鉄ヨーク６，７によってそれぞれ保持されている。そ
して、それら鉄ヨーク６，７の間は完全に切り離されて
いる。

【００１３】各鉄ヨーク６，７の外側壁６ａ，７ａ及び
内側壁６ｂ，７ｂのプラズマチャンバ側の端面は、いず
れもプラズマチャンバ２の軸線に平行とされている。そ
して、その外側壁６ａ，７ａのプラズマチャンバ側の端
面は、ソレノイドコイル４，５の内周面とほぼ同径位置
となるようにされている。また、その外側壁６ａ，７ａ
のプラズマチャンバ側の端部は、プラズマチャンバ側に
向かって延出するようにされ、端面の面積が大きくなる
ようにされている。こうして、鉄ヨーク６，７は、ソレ
ノイドコイル４，５をそれぞれ個々に保持するものとさ
れ、プラズマチャンバ２の軸線方向に独立して移動可能
とされている。

【００１４】プラズマチャンバ２の両端面には、それぞ
れＯリング８，９を介して絶縁碍子１０，１１が気密に
取り付けられている。また、その絶縁碍子１０，１１の
外端面には、それぞれＯリング１２，１３を介して鉄ヨ
ーク延長部材１４，１５が気密に取り付けられている。
それら鉄ヨーク延長部材１４，１５は鉄ヨーク６，７と
同様の強磁性材料からなるもので、プラズマチャンバ２
の入口側、すなわち図で右側の鉄ヨーク延長部材１４
は、プラズマチャンバ２の軸線方向に延びる円筒状のも
のとされている。また、プラズマチャンバ２の出口側、
すなわち図で左側の鉄ヨーク延長部材１５は、プラズマ
チャンバ２の軸線方向に延び、外側に向かって拡開する
円錐筒状のものとされている。

【００１５】こうして、図で右側の鉄ヨーク延長部材１
４から左側の鉄ヨーク延長部材１５に至るまでの内側
に、ソレノイドコイル４，５側から気密に遮蔽された空
間が形成され、その空間を真空吸引することによってプ
ラズマチャンバ２内が真空状態に保たれるようになって
いる。

【００１６】鉄ヨーク延長部材１４，１５には、プラズ
マチャンバ２の軸線に平行な円筒状の外周面が形成され
ている。そして、その外周面が鉄ヨーク６，７の外側壁
６ａ，７ａの端面に接するようにされ、それによって、
その間に磁気的に接続されるようになっている。

【００１７】プラズマチャンバ２の出口側の鉄ヨーク延
長部材１５には、その先端に引出し電極のカソード１６
が取り付けられている。そのカソード１６はプラズマチ
ャンバ２の中心軸線側に向かって突出するようにされて
いる。一方、プラズマチャンバ２の出口側の端部にはア
ノード１７が取り付けられている。そして、これらアノ
ード１７とカソード１６との間に１０〜２０kV程度の高
電圧が印加され、それによって、プラズマチャンバ２内
で生成されたイオンが出口側へと引き出されるようにな
っている。

【００１８】次に、この多価イオン生成部１の作用につ
いて説明する。プラズマチャンバ２の入口側の鉄ヨーク
延長部材１４には、ガス導入管ｇ，導波管ｍが気密に接
続される。そこで、ガス導入管ｇを利用してプラズマチ
ャンバ２内を真空吸引し、そのプラズマチャンバ２内を
１０^-7Torr程度の高真空に保つ。そして、そのプラズマ
チャンバ２内に試料ガス及びマイクロ波を導入する。す
ると、試料ガスはマイクロ波によって励起されてプラズ
マ状となる。

【００１９】このとき、プラズマチャンバ２内には永久
磁石３によって径方向の磁場が形成されている。また、
ソレノイドコイル４，５に通電することによって、各鉄
ヨーク６，７を通りその端部から出る磁力線が形成され
る。そして、各鉄ヨーク６，７の外側壁６ａ，７ａの端
部からそれに磁気的に接続されている鉄ヨーク延長部材
１４，１５内をとおり、その延長部材１４，１５間を結
ぶ磁力線２０が形成される。すなわち、プラズマチャン
バ２内に軸線方向の磁場が形成される。

【００２０】こうして、プラズマチャンバ２内に、永久
磁石３による径方向の磁場とソレノイドコイル４，５に
よる軸線方向の磁場とを重畳した合成磁場が形成され
る。そして、その合成磁場によって、プラズマチャンバ
２内のプラズマがほぼ軸線方向に向かうものを除いて閉
じ込められる。

【００２１】一方、プラズマチャンバ２内の試料ガスに
は、そのプラズマチャンバ２内に導入されるマイクロ波
の周波数とそのプラズマチャンバ２内に形成される磁場
の強さとを所定の条件に合致させることによって、電子
サイクロトロン共振が起こされる。したがって、その共
振によってプラズマ内の電子が加速され、高速電子とな
る。そして、その高速電子が試料ガスの粒子に衝突する
ことによって、その粒子のまわりの電子が跳ね飛ばされ
る。こうして、試料ガスの粒子が電離される。その場
合、試料ガスはプラズマ状として閉じ込められているの
で、一つの粒子に多数の高速電子が衝突する。その結
果、一つの粒子から複数個の電子が跳ね飛ばされ、その
粒子が多価イオンとなる。

【００２２】このようにして、プラズマチャンバ２内に
おいて多価イオンが生成される。例えばＡｓガスを試料
ガスとして導入すると、生成される多価イオンは、Ａｓ
⁺²，Ａｓ⁺³，…，Ａｓ⁺¹⁰，… からなる同種異価イオン
群である。なお、１価イオンのＡｓ⁺¹も生成されるが、
説明の都合上、無視する。そして、生成された多価イオ
ンは引出し電極のカソード１６によってプラズマチャン
バ２の出口側に引き寄せられ、軸線方向のイオン流（イ
オンビーム）としてプラズマチャンバ２から引き出され
る。

【００２３】ところで、この多価イオン生成部１におい
ては、鉄ヨーク６，７の外側壁６ａ，７ａの端部に鉄ヨ
ーク延長部材１４，１５がる接続され、その外側壁６
ａ，７ａの端部を内側に向かって延出させたのと同様と
されている。したがって、ソレノイドコイル４，５によ
って形成される磁力線はその延長部材１４，１５から出
ることになる。そして、その延長部材１４，１５と鉄ヨ
ーク６，７の内側壁６ｂ，７ｂの端部との間の距離は小
さくなっている。その結果、それらの間にも磁力線２
１，２２が形成されることになる。

【００２４】こうして、プラズマチャンバ２の端部近傍
には、一対の鉄ヨーク延長部材１４，１５間を結ぶ磁力
線２０，及び延長部材１４，１５と鉄ヨーク６，７の内
側壁６ｂ，７ｂの端部との間を結ぶ磁力線２１，２２が
形成される。したがって、その部分の磁束密度が高くな
り、磁場が強められる。その結果、ミラー磁場における
極大磁束密度が高められ、プラズマの閉じ込めが良好と
なる。また、引出し電極であるカソード１６付近の磁場
が高められることにより、プラズマの閉じ込め領域をそ
の引出し電極位置に近付けることが可能となるので、プ
ラズマチャンバ２内で生成されたイオンの引出しが効率
よく行われるようになり、大電流のイオンビームを得る
ことが可能となる。

【００２５】更に、この多価イオン生成部１において
は、各ソレノイドコイル４，５を保持する鉄ヨーク６，
７が互いに独立したものとされるので、その鉄ヨーク
６，７を軸線方向に移動させることによって、ソレノイ
ドコイル４，５間の間隔を変えることができる。そし
て、一定位置にあるソレノイドコイル４，５によって形
成される磁場の磁束密度が図３に実線で示されているよ
うなものであるとき、ソレノイドコイル４，５間の間隔
を小さくすると、その磁束密度は図３に一点鎖線で示さ
れているように変化し、ソレノイドコイル４，５間の中
央部における磁束密度の極小値が高くなる。また、ソレ
ノイドコイル４，５間の間隔を大きくすると、図３に破
線で示されているように、その間の磁束密度の極小値が
低くなる。一方、その磁束密度の極大値はほとんど変化
しない。そして、ソレノイドコイル４，５によって形成
されるミラー磁場のミラー比は、それら磁束密度の極大
値と極小値との比によって決定される。

【００２６】したがって、ソレノイドコイル４，５間の
間隔を調整することによりミラー比を変えることがで
き、その最適化を図ることが可能となる。また、引出し
電極位置と電子サイクロトロン共振領域との位置関係も
最適化することができる。その結果、この多価イオン生
成部１により、大電流の多価イオンを効率よく得ること
が可能となる。

【００２７】なお、各鉄ヨーク６，７の外側壁６ａ，７
ａの端部を内側に延出させてその端面の面積を大きくす
ることにより、それらの鉄ヨーク６，７を軸線方向に移
動させたときにも鉄ヨーク延長部材１４，１５との接触
面積が十分に確保されるようにしているが、ミラー比の
調整のために移動される鉄ヨーク６，７の移動量は比較
的小さいので、そのような延出部は必ずしも必要ではな
い。そのような延出部をなくすと、ソレノイドコイル
４，５の装着がより容易となる。

【００２８】図１に戻り、質量分析部４１は、扇形の電
磁石を備えており、その電磁石により所定強度の磁場を
発生させて、前記多価イオン生成部１から引き出された
同種異価イオン群のイオンビームを価数が同じ同種同価
イオンごとのイオンビームに分離する。例えば、Ａｓ⁺⁶
のイオンビームは軌道ｋ１に，Ａｓ⁺⁷のイオンビームは
軌道ｋ２に，Ａｓ⁺⁸のイオンビームは軌道ｋ３に，Ａｓ
⁺⁹のイオンビームは軌道ｋ４に，Ａｓ⁺¹⁰ のイオンビー
ムは軌道ｋ５に沿うように分離される。

【００２９】前記所定強度の磁場内での軌道ｋ１，ｋ
２，ｋ３，ｋ４，ｋ５の旋回半径をそれぞれＲ１，Ｒ
２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５とすると、Ｒ１＞Ｒ２＞Ｒ３＞Ｒ
４＞Ｒ５である。なお、５価以下の同種同価イオンのイ
オンビームは旋回半径Ｒ１より大きな旋回半径に沿って
分離され、１１価以上の同種同価イオンのイオンビーム
は旋回半径Ｒ５より小さな旋回半径に沿って分離され
る。

【００３０】ビームポート５１は、前記軌道ｋ１，ｋ
２，ｋ３，ｋ４，ｋ５に沿ったイオンビームが通過可能
なポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５を備えている。
そこで、質量分析部４１で分離された同種同価イオンの
イオンビームのうち、前記軌道ｋ１，ｋ２，ｋ３，ｋ
４，ｋ５に沿った同種同価イオンのイオンビームは、そ
れぞれポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５へ導かれ、
ポートを通って基板ｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４，ｓ５に照
射される。例えば、軌道ｋ５に沿うように分離されたＡ
ｓ⁺¹⁰ のイオンビームはポートＰ５に導かれ、そのポー
トＰ５を通って基板ｓ５に照射される。

【００３１】なお、上記実施例では、試料ガスとしてＡ
ｓガスを用いた場合について説明したが、ＩｎとＳｂの
混合ガスなどを用いることも出来る。例えばＩｎとＳｂ
の混合ガスを試料ガスとして導入すると、多価イオン生
成部１では、Ｉｎ⁺¹，Ｉｎ⁺²，…，Ｓｂ⁺¹，Ｓｂ⁺²，…
からなる異種異価イオン群が生成される。その異種異価
イオン群は、質量分析部４１で略同様にして質量数，価
数が同じ同種同価イオンごとのイオンビームに分離され
る。

【００３２】そして、図４に示すように、分離された同
種同価イオンのイオンビームのうち、Ｉｎ⁺⁴のイオンビ
ームＢａ，Ｓｂ⁺⁵のイオンビームＢｂをそれぞれポート
Ｐ２，Ｐ３に導いて、基板ｓに照射させる。この際に、
矢印のように基板ｓを移動させてやると、基板ｓの表面
に異種の不純物が注入されたヘテロ層ｔａ，ｔｂを形成
させることが出来る。なお、上記実施例において、各ポ
ート間の距離が調整可能なビームポートを用いることが
望ましい。また、多価イオン生成部１の後段に、イオン
ビームが発散するのを抑制するための静電レンズなどを
備えてもよい。

【００３３】

【発明の効果】この発明のイオン注入法による基板製造
方法によれば、生成される価数の異なるイオンを効率よ
く利用できるため、イオンの打込み深さの異なる基板で
の浅層部から深層部までの改質が可能となる。また、異
種イオンの積層なども可能となり、半導体製造や機能性
材料製造に有効である。また、良好なコストパフォーマ
ンスを得ることが出来るようになる。このため、価数の
大きな多価イオンが生成されるイオン源を用いるときに
は、特に有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のイオン注入法による基板製造装置の
一実施例の説明図である。

【図２】図１の装置の多価イオン生成部についての縦断
面図である。

【図３】図２の多価イオン生成部に係る一対のソレノイ
ドコイル間の間隔を変えたときの磁束密度の変化を示す
グラフである。

【図４】図１の装置に係る異種のイオンビームによるイ
オン注入の説明図である。

【図５】従来のイオンビーム照射装置の一例の説明図で
ある。

【符号の説明】

α 基板製造装置 １ 多価イオン生成部 ２ プラズマチャンバ ３ 永久磁石 ４１ 質量分析部 ５１ ビームポート ｇ ガス導入管 ｍ 導波管 ｓ１ 基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 磯谷 嘉彦 千葉県四街道市鷹の台一丁目３番 株式会 社日本製鋼所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子サイクロトロン共振を利用し、供給
   される試料ガスなどを元にプラズマチャンバ内でイオン
   を生成し、それらイオンを基板に注入するイオン注入法
   による基板製造方法において、 プラズマチャンバ内にて同質量数で価数が異なる同種異
   価イオン群を生成し、その同種異価イオン群をプラズマ
   チャンバ内から引出したのち価数が同じ同種同価イオン
   群ごとに分離し、分離したそれら同種同価イオン群を用
   いて複数の基板にイオン注入を行うことを特徴とするイ
   オン注入法による基板製造方法。
2. 【請求項２】 電子サイクロトロン共振を利用し、供給
   される試料ガスなどを元にプラズマチャンバ内でイオン
   を生成し、それらイオンを基板に注入するイオン注入法
   による基板製造方法において、 プラズマチャンバ内で質量数，価数が異なる異種異価イ
   オン群を生成し、その異種異価イオン群をプラズマチャ
   ンバ内から引出したのち質量数，価数が同じ同種同価イ
   オン群ごとに分離し、分離したそれら同種同価イオン群
   を用いて複数の基板にイオン注入を行うことを特徴とす
   るイオン注入法による基板製造方法。