JP2024094041A - Method for generating cluster ion beam and method for implanting cluster ions - Google Patents
Method for generating cluster ion beam and method for implanting cluster ions Download PDFInfo
- Publication number
- JP2024094041A JP2024094041A JP2022210748A JP2022210748A JP2024094041A JP 2024094041 A JP2024094041 A JP 2024094041A JP 2022210748 A JP2022210748 A JP 2022210748A JP 2022210748 A JP2022210748 A JP 2022210748A JP 2024094041 A JP2024094041 A JP 2024094041A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- hydrocarbon compound
- cluster
- ion beam
- deuterium
- cluster ion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 title claims abstract description 71
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 title claims abstract description 48
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 42
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims abstract description 101
- YZCKVEUIGOORGS-OUBTZVSYSA-N Deuterium Chemical compound [2H] YZCKVEUIGOORGS-OUBTZVSYSA-N 0.000 claims abstract description 59
- 229910052805 deuterium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 59
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical group [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 19
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 10
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 27
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 27
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 27
- YZCKVEUIGOORGS-IGMARMGPSA-N Protium Chemical compound [1H] YZCKVEUIGOORGS-IGMARMGPSA-N 0.000 claims description 24
- 241000720974 Protium Species 0.000 claims description 24
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 6
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims description 4
- -1 deuterium Chemical class 0.000 claims description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 abstract description 21
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 abstract description 21
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 17
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 abstract description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 15
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 11
- XDTMQSROBMDMFD-UHFFFAOYSA-N Cyclohexane Chemical compound C1CCCCC1 XDTMQSROBMDMFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 10
- 238000001819 mass spectrum Methods 0.000 description 8
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 7
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 5
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 5
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 5
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 5
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 4
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 3
- 150000001721 carbon Chemical group 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 3
- 238000005160 1H NMR spectroscopy Methods 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N Tritium Chemical compound [3H] YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 229940032122 claris Drugs 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 125000004431 deuterium atom Chemical group 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 2
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- IHCDKJZZFOUARO-UHFFFAOYSA-M sulfacetamide sodium Chemical compound O.[Na+].CC(=O)[N-]S(=O)(=O)C1=CC=C(N)C=C1 IHCDKJZZFOUARO-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 229910052722 tritium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- 238000007259 addition reaction Methods 0.000 description 1
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical group [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000004945 aromatic hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical group [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000000753 cycloalkyl group Chemical group 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- 238000005247 gettering Methods 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 1
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 1
- 125000004437 phosphorous atom Chemical group 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 229930195734 saturated hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 241000894007 species Species 0.000 description 1
- 229930195735 unsaturated hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
- 238000004857 zone melting Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
【課題】軽水素及び重水素を同時に含むイオンビームを安定的に制御して生成することのできるクラスターイオンビーム生成方法を提供する。【解決手段】重水素を含む第1の炭化水素系化合物と、少なくとも一部に軽水素を含む第2の炭化水素系化合物とを混合して炭化水素系化合物混合原料を得る炭化水素系化合物混合工程と、前記炭化水素系化合物混合材料をイオン化して、軽水素を含むクラスターイオン及び重水素を含むクラスターイオンの両方を含む質量数の選択範囲を選択してクラスターイオンビームの収束範囲を決定する質量数選択工程と、を含み、前記第1の炭化水素系化合物原料と前記第2の炭化水素系化合物原料とは同じ炭素骨格である。【選択図】図1[Problem] To provide a cluster ion beam generating method capable of stably controlling and generating an ion beam containing hydrogen and deuterium simultaneously. [Solution] The method includes a hydrocarbon compound mixing step of obtaining a hydrocarbon compound mixed material by mixing a first hydrocarbon compound containing deuterium with a second hydrocarbon compound containing at least a portion of hydrogen, and a mass number selection step of ionizing the hydrocarbon compound mixed material and selecting a selection range of mass numbers that includes both cluster ions containing hydrogen and cluster ions containing deuterium to determine the focusing range of the cluster ion beam, the first hydrocarbon compound raw material and the second hydrocarbon compound raw material having the same carbon skeleton. [Selected Figure] Figure 1
Description
本発明は、クラスターイオンビームの生成方法及びクラスターイオンの注入方法に関する。 The present invention relates to a method for generating a cluster ion beam and a method for injecting cluster ions.
本明細書において単に水素又は水素原子と記載する場合、広義の水素(又は水素原子)を指し、陽子1つの水素原子全てを指す。そして、陽子1つだけ(すなわち質量数1)のものを軽水素と記載し、化学記号Hで示す。また、陽子1つに対し中性子1つ(質量数2)のものを二重水素と記載し化学記号Dで示す。なお、中性子が2つ(質量数3)の三重水素(トリチウム:化学記号T)も広義の重水素に含まれるが、本明細書において単に「重水素」と記載するときは二重水素を指す。 When simply referring to hydrogen or hydrogen atom in this specification, this refers to hydrogen (or hydrogen atom) in the broad sense, and all hydrogen atoms with one proton. An atom with only one proton (i.e. mass number 1) is described as light hydrogen, with the chemical symbol H. An atom with one proton and one neutron (mass number 2) is described as deuterium, with the chemical symbol D. Tritium (tritium: chemical symbol T), which has two neutrons (mass number 3), is also included in the broad definition of deuterium, but when simply referring to "deuterium" in this specification, this refers to deuterium.
近年、固体表面に衝突させる表面加工技術として、クラスターイオンビーム技術が半導体デバイス、磁性・誘電体デバイス、光学デバイスなど、種々のデバイスへのナノ加工プロセスにおいて、注目されている。 In recent years, cluster ion beam technology, which bombards solid surfaces with ions, has been attracting attention as a surface processing technique for nanofabrication of various devices, including semiconductor devices, magnetic and dielectric devices, and optical devices.
特許文献1において、C(炭素)及びH(軽水素)を構成元素に含むクラスターイオンを所定のビーム電流にてシリコンウェーハに照射し、該シリコンウェーハの表層部に、前記クラスターイオンの構成元素が固溶した改質層を形成するクラスターイオンビーム照射工程と、前記シリコンウェーハの改質層上にエピタキシャル層を形成する工程と、を有するエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法を提案されている。ここでいうクラスターイオンは、電子衝撃法により、炭化水素系化合物混合材料としてのガス状分子に電子を衝突させてガス状分子の結合を解離させることで得られる種々の原子数のイオンのことである。
特許文献1に記載の技術では、優れたゲッタリング能力が得られるだけでなく、クラスターイオンに含まれる軽水素により、エピタキシャル層における点欠陥のパッシベーション効果も得ることが期待されている。
The technology described in
また、特許文献2では、ウェーハに対し重水素でアニール処理を行う方法が開示されている。特許文献2によれば、軽水素アニール処理では、トレンチの内壁層の結晶欠陥は十分に修復されず、また、トレンチの内壁層に界面(表面)準位が形成される傾向があったところ、重水素でアニールすることによりこれらの問題点が解消される。具体的には、ウェーハ中に生じた結晶欠陥に重水素原子が結合することで、結晶欠陥が修復され、内壁層の結晶欠陥に重水素原子が結合することで、トレンチの内壁層に形成される界面準位も低減される。 Patent Document 2 also discloses a method of annealing a wafer with deuterium. According to Patent Document 2, deuterium annealing does not sufficiently repair crystal defects in the inner wall layer of the trench, and there is a tendency for interface (surface) states to form in the inner wall layer of the trench, but annealing with deuterium solves these problems. Specifically, deuterium atoms bond to crystal defects that occur in the wafer, repairing the crystal defects, and deuterium atoms bond to crystal defects in the inner wall layer, reducing the interface states formed in the inner wall layer of the trench.
軽水素は、拡散及び反応性に優れる利点がある一方で、重水素には結合力が強いという利点がある。本発明者はシリコンウェーハに炭素、軽水素及び重水素の両方を構成元素とするクラスターイオンビームを注入することにより、炭素及び軽水素からなるクラスターイオンを注入する場合との異同を解明したいと考えた。しかしながら、軽水素と重水素との両者を構成元素に含むクラスターイオンビームを工業利用可能な程度に安定的に生成する方法自体が未確立である。 While hydrogen has the advantage of excellent diffusion and reactivity, deuterium has the advantage of strong bonding strength. The inventors wanted to elucidate the differences between implanting a cluster ion beam containing carbon, hydrogen, and deuterium as constituent elements into a silicon wafer and implanting cluster ions consisting of carbon and hydrogen. However, the method itself for stably generating a cluster ion beam containing both hydrogen and deuterium as constituent elements to an extent that it can be used industrially has not yet been established.
そこで、本発明は上記課題に鑑み、軽水素及び重水素を同時に含むイオンビームを安定的に制御して生成することのできるクラスターイオンビーム生成方法を提供することを目的とする。さらに、本発明は、こうして生成したクラスターイオンビームをシリコンウェーハの表面に注入する、クラスターイオンの注入方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention aims to provide a cluster ion beam generation method that can stably control and generate an ion beam that simultaneously contains hydrogen and deuterium. Furthermore, the present invention aims to provide a cluster ion implantation method that implants the cluster ion beam thus generated into the surface of a silicon wafer.
上記課題を解決すべく本発明者は鋭意検討した。そして、重水素を含む炭化水素系化合物と、少なくとも一部に軽水素を含む炭化水素系化合物とを原料として用いることを本発明者は着想した。そして、イオン化の際に適切な質量数の選択範囲を選択して所望のクラスターイオンを抽出することで、軽水素及び重水素を同時に含むイオンビームを安定的に制御して生成できることを本発明者は知見した。上記知見に基づき完成した本発明の要旨構成は以下のとおりである。 The present inventors have conducted extensive research to solve the above problems. They came up with the idea of using a hydrocarbon compound containing deuterium and a hydrocarbon compound containing at least a portion of protium as raw materials. They have discovered that by selecting an appropriate range of mass numbers during ionization to extract the desired cluster ions, it is possible to stably control and generate an ion beam that simultaneously contains protium and deuterium. The gist of the present invention, which was completed based on the above findings, is as follows.
(1) 重水素を含む第1の炭化水素系化合物と、少なくとも一部に軽水素を含む第2の炭化水素系化合物とを混合して炭化水素系化合物混合原料を得る炭化水素系化合物混合工程と、
前記炭化水素系化合物混合材料をイオン化して、軽水素を含むクラスターイオン及び重水素を含むクラスターイオンの両方を含む質量数の選択範囲を選択する質量数選択工程と、を含み、
前記第1の炭化水素系化合物原料と前記第2の炭化水素系化合物原料とは同じ炭素骨格である、クラスターイオンビーム生成方法。
(1) a hydrocarbon compound mixing step of mixing a first hydrocarbon compound containing deuterium with a second hydrocarbon compound containing at least a portion of protium to obtain a hydrocarbon compound mixed raw material;
A mass number selection step of ionizing the hydrocarbon compound mixture material to select a mass number range including both cluster ions including protium and cluster ions including deuterium,
A cluster ion beam generating method, wherein the first hydrocarbon compound source and the second hydrocarbon compound source have the same carbon skeleton.
(2) 前記第1の炭化水素系化合物及び前記第2の炭化水素系化合物は、炭化水素である、前記(1)に記載のクラスターイオンビームの生成方法。 (2) The method for generating a cluster ion beam according to (1), wherein the first hydrocarbon compound and the second hydrocarbon compound are hydrocarbons.
(3) 前記第1の炭化水素系化合物は、一般式CnHxDy(x+y=2n+2であって、nは5~7の整数)であり、前記第2の炭化水素系化合物は、一般式CnH2n+2(nは5~7の整数)である、前記(2)に記載のクラスターイオンビームの生成方法。 (3) The method for generating a cluster ion beam according to (2) above, wherein the first hydrocarbon compound is of the general formula C n H x D y (x+y=2n+2, n is an integer from 5 to 7), and the second hydrocarbon compound is of the general formula C n H 2n+2 (n is an integer from 5 to 7).
(4) 前記第1の炭化水素系化合物は一般式CmHzDw(z+w=2mであって、mは5~7の整数)であり、前記第2の炭化水素系化合物は、一般式CmH2m(mは5~7の整数)である、前記(2)に記載のクラスターイオンビームの生成方法。 (4) The method for generating a cluster ion beam according to (2) above , wherein the first hydrocarbon compound is of the general formula CmHzDw (z+w= 2m , m is an integer from 5 to 7), and the second hydrocarbon compound is of the general formula CmH2m (m is an integer from 5 to 7).
(5) 前記(1)~(4)に記載のクラスターイオンビームの生成方法を用いて生成したクラスターイオンビームをシリコンウェーハの表面に注入する、クラスターイオンの注入方法。 (5) A method for implanting cluster ions, which comprises implanting a cluster ion beam generated using the method for generating a cluster ion beam described in (1) to (4) into a surface of a silicon wafer.
本発明によれば、軽水素及び重水素を同時に含むクラスターイオンビームを安定的に制御して生成することのできるクラスターイオンビーム生成方法を提供することができる。さらに、本発明は、こうして生成したクラスターイオンビームをシリコンウェーハの表面に注入する、クラスターイオンの注入方法を提供することができる。 The present invention provides a cluster ion beam generation method that can stably control and generate a cluster ion beam that simultaneously contains hydrogen and deuterium. Furthermore, the present invention provides a cluster ion implantation method that implants the cluster ion beam thus generated into the surface of a silicon wafer.
(クラスターイオンビーム生成方法)
本発明に従うクラスターイオンビーム生成方法は、重水素を含む第1の炭化水素系化合物と、少なくとも一部に軽水素を含む第2の炭化水素系化合物とを混合して炭化水素系化合物混合原料を得る炭化水素系化合物混合工程と、炭化水素系化合物混合材料をイオン化して、軽水素を含むクラスターイオン及び重水素を含むクラスターイオンの両方を含む質量数の選択範囲を選択する、質量数選択工程と、を含む。また、第1の炭化水素系化合物原料と第2の炭化水素系化合物原料とは同じ炭素骨格である。以下、各工程の詳細を順次説明する。
(Method of generating cluster ion beam)
The cluster ion beam generating method according to the present invention includes a hydrocarbon compound mixing step of mixing a first hydrocarbon compound containing deuterium with a second hydrocarbon compound containing at least a portion of protium to obtain a hydrocarbon compound mixed material, and a mass number selection step of ionizing the hydrocarbon compound mixed material to select a mass number selection range that includes both cluster ions containing protium and cluster ions containing deuterium. The first hydrocarbon compound raw material and the second hydrocarbon compound raw material have the same carbon skeleton. Details of each step will be described below in order.
<炭化水素系化合物混合工程>
まず、炭化水素系化合物混合工程では、重水素を含む第1の炭化水素系化合物と、軽水素を含む第2の炭化水素系化合物とを混合して炭化水素系化合物混合原料を得る。炭化水素系化合物混合原料は第1及び第2の炭化水素系化合物の他に、必要であれば別途の化合物及び不可避の不純物を含んでいてもよい。
<Hydrocarbon compound mixing process>
First, in the hydrocarbon compound mixing step, a first hydrocarbon compound containing deuterium and a second hydrocarbon compound containing protium are mixed to obtain a hydrocarbon compound mixed raw material. In addition to the first and second hydrocarbon compounds, the hydrocarbon compound mixed raw material may contain other compounds and unavoidable impurities if necessary.
<<第1の炭化水素系化合物>>
第1の炭化水素系化合物は、重水素を含む炭化水素系化合物であれば、特に分子種や構造は限定されない。ここでいう「重水素を含む」とは、炭化水素系化合物の炭素骨格中の構成元素のうちの軽水素原子を重水素原子に人工的に一定量置換させた炭化水素化合物である。なお、自然界に存在する水素原子のうち重水素の割合は0.015%である。そのため、本明細書における第1の炭化水素系化合物は、天然の炭化水素系化合物に意図せずに含まれた重水素の含有割合とは大幅に異なる。
<<First Hydrocarbon Compound>>
The first hydrocarbon compound is not particularly limited in molecular species or structure as long as it is a hydrocarbon compound containing deuterium. Here, "containing deuterium" refers to a hydrocarbon compound in which a certain amount of light hydrogen atoms among the constituent elements in the carbon skeleton of the hydrocarbon compound are artificially replaced with deuterium atoms. The proportion of deuterium among hydrogen atoms present in nature is 0.015%. Therefore, the first hydrocarbon compound in this specification is significantly different from the content of deuterium unintentionally contained in natural hydrocarbon compounds.
第1の炭化水素系化合物は、市販品を用いてもよいし、合成品を用いてもよい。合成方法としては、一般的には、重水素を含む炭化水素系化合物は、重水素還元による付加反応を用いて重水素を付加することにより得ることができる。なお、当該炭化水素化合物に含まれる重水素の割合は1H-NMR等によって確認することができるが、測定方法は限定されない。また、天然の炭化水素系化合物に含まれる重水素含有の炭化水素系化合物を抽出して当該抽出したものを濃縮して得たものを第1の炭化水素系化合物に用いてもよい。 The first hydrocarbon compound may be a commercially available product or a synthetic product. In general, a hydrocarbon compound containing deuterium can be obtained by adding deuterium using an addition reaction by deuterium reduction. The proportion of deuterium contained in the hydrocarbon compound can be confirmed by 1H-NMR or the like, but the measurement method is not limited. Alternatively, a deuterium-containing hydrocarbon compound contained in a natural hydrocarbon compound may be extracted and the extract may be concentrated to obtain the first hydrocarbon compound.
第1の炭化水素系化合物は重水素を含む。そのため、後述する質量数選択工程におけるイオン化の際に、第1の炭化水素系化合物から得られる種々のクラスターイオンの中には、構成元素の少なくとも一部に重水素を含むクラスターイオンが含まれる。 The first hydrocarbon compound contains deuterium. Therefore, during ionization in the mass number selection step described below, the various cluster ions obtained from the first hydrocarbon compound include cluster ions whose constituent elements contain deuterium at least in part.
<<第2の炭化水素系化合物>>
第2の炭化水素系化合物は、少なくとも一部に軽水素を含む炭化水素系化合物である。ここで、「少なくとも一部に軽水素を含む」とは、炭化水素化合物の少なくとも一部に軽水素を含んでいればよく、水素原子の全てが軽水素であってもよい。
<<Second Hydrocarbon Compound>>
The second hydrocarbon compound is a hydrocarbon compound that at least partially contains protons. Here, "at least partially containing protons" means that at least a portion of the hydrocarbon compound contains protons, and all of the hydrogen atoms may be protons.
ここで、第1の炭化水素系化合物と、第2の炭化水素系化合物とは同じ炭素骨格であるものを採用する。ここで本発明において、「同じ炭素骨格である」とは、水素原子のすべてを軽水素に置換した場合に互いに同じ骨格構造式となる形である場合いう。 Here, the first hydrocarbon compound and the second hydrocarbon compound have the same carbon skeleton. In the present invention, "having the same carbon skeleton" refers to a structure in which the skeleton structure is the same when all hydrogen atoms are replaced with hydrogen atoms.
第2の炭化水素系化合物は、市販品を用いてもよいし、合成品を用いてもよいが、第1の炭化水素系化合物と軽水素原子数及び重水素原子数が全く同一のものは除くものとする。なお、当該炭化水素化合物に含まれる重水素の割合は1H-NMR等によって確認することができるが、測定方法は限定されない。 The second hydrocarbon compound may be a commercially available product or a synthetic product, except for those having the same number of hydrogen atoms and deuterium atoms as the first hydrocarbon compound. The proportion of deuterium contained in the hydrocarbon compound can be confirmed by 1H-NMR or the like, but the measurement method is not limited.
第2の炭化水素系化合物は少なくとも一部に軽水素を含む。そのため、後述する質量数選択工程におけるイオン化の際に、第2の炭化水素系化合物から得られる種々のクラスターイオンの中には、構成元素の少なくとも一部に軽水素を含むクラスターイオンが含まれる。 The second hydrocarbon compound contains at least a portion of protons. Therefore, during ionization in the mass number selection step described below, the various cluster ions obtained from the second hydrocarbon compound include cluster ions containing protons as at least a portion of the constituent elements.
第1の炭化水素系化合物及び第2の炭化水素系化合物は炭化水素であることが好ましく、鎖式飽和炭化水素、鎖式不飽和炭化水素、環式炭化水素、芳香族炭化水素のいずれであってもよいし、官能基を有してもよいし、炭素素及び水素以外に酸素原子、リン原子、ヒ素原子、アンチモン原子を有してもよい。なかでも、第1の炭化水素系化合物及び第2の炭化水素化合物はイオン化の際に、所望のクラスターイオンを容易に抽出できる化合物であることが好ましい。例えば、第1の炭化水素系化合物は、一般式CnHxDy(x+y=2n+2であって、nは5~7の整数)であり、第2の炭化水素系化合物は、一般式CnH2n+2(nは5~7の整数)であることが好ましい。他にも、第1の炭化水素系化合物は一般式CmHzDw(z+w=2mであって、mは5~7の整数)であり、第2の炭化水素系化合物は、一般式CmH2m(mは5~7の整数)であることも好ましい。なお、このとき、x、y、z、wはそれぞれ整数である。例えば、シクロヘキサンにおいて、水素が全て二重水素に置換されたもの(すなわち、一般式:C6D12)を第1の炭化水素化合物として用い、この場合にシクロヘキサンC6H12を第2の炭化水素に用いることができる。 The first and second hydrocarbon compounds are preferably hydrocarbons, and may be any of chain saturated hydrocarbons, chain unsaturated hydrocarbons, cyclic hydrocarbons, and aromatic hydrocarbons, may have functional groups, and may have oxygen atoms, phosphorus atoms, arsenic atoms, and antimony atoms in addition to carbon and hydrogen. In particular, the first and second hydrocarbon compounds are preferably compounds that can easily extract desired cluster ions during ionization. For example, the first hydrocarbon compound is preferably a general formula C n H x D y (x+y=2n+2, n is an integer of 5 to 7), and the second hydrocarbon compound is preferably a general formula C n H 2n+2 (n is an integer of 5 to 7). In addition, it is also preferable that the first hydrocarbon compound is a general formula C m H z D w (z+w=2m, m is an integer of 5 to 7), and the second hydrocarbon compound is preferably a general formula C m H 2m (m is an integer of 5 to 7). In this case, x, y, z, and w are each an integer. For example, cyclohexane in which all hydrogen atoms are replaced with deuterium (i.e., general formula: C 6 D 12 ) can be used as the first hydrocarbon compound, and in this case, cyclohexane C 6 H 12 can be used as the second hydrocarbon.
<質量数選択工程>
質量数選択工程では、前工程で得た炭化水素系化合物混合材料をイオン化して、軽水素を含むクラスターイオン及び重水素を含むクラスターイオンの両方を含む質量数の選択範囲を選択する。以下で、質量数選択工程について図1を用いて模式的に例示説明する。
<Mass Number Selection Step>
In the mass number selection step, the hydrocarbon compound mixture material obtained in the previous step is ionized to select a range of mass numbers including both cluster ions containing protium and cluster ions containing deuterium. The mass number selection step will be described below with reference to FIG.
まず、第1の炭化水素系化合物と第2の炭化水素系化合物とを混合して得られた炭化水素系化合物混合原料をイオン化チャンバ内に供給する。次に電子衝撃法により、イオン化チャンバ内にて炭化水素系化合物混合原料に電子を衝突させて炭化水素系化合物混合原料に含まれる第1及び第2の炭化水素系化合物のそれぞれの結合を解離させ、イオン化した種々のクラスターイオンを生成する。第1及び第2の炭化水素系化合物は同じ炭素骨格を有するため、気化条件及びイオン化に要するエネルギーが近く、同一チャンバ内でのイオン化条件において同時にそれぞれのクラスターイオンを生成することができる。 First, a hydrocarbon compound mixed material obtained by mixing a first hydrocarbon compound and a second hydrocarbon compound is supplied into an ionization chamber. Next, electrons are bombarded with the hydrocarbon compound mixed material in the ionization chamber by electron bombardment to dissociate the bonds of the first and second hydrocarbon compounds contained in the hydrocarbon compound mixed material, generating various ionized cluster ions. Since the first and second hydrocarbon compounds have the same carbon skeleton, the vaporization conditions and the energy required for ionization are similar, and the respective cluster ions can be generated simultaneously under ionization conditions in the same chamber.
生成されたクラスターイオンのうち、第1の炭化水素系化合物に由来するイオンの中には重水素を含むものがあり、第2の炭化水素系化合物に由来するイオンの中には少なくとも一部に軽水素を含むものがある。この段階で重水素を含むクラスターイオン及び軽水素を含むクラスターイオンがチャンバ内でそれぞれ得られる。そして、生成したクラスターイオンのうち、重水素を含むクラスターイオン及び軽水素を含むクラスターイオンの両方を得られるように、所望の質量数の選択範囲を選択して質量分離を行って、クラスターイオンを選択的に抽出する。次いで、当該クラスターイオンを所定の加速電圧により引き出し、クラスターイオンを真空中で加速及び集束してクラスターイオンビームの形態とする。こうして得られたクラスターイオンビームには、炭素、軽水素及び重水素が少なくとも含まれる。 Among the cluster ions generated, some ions derived from the first hydrocarbon compound contain deuterium, and some ions derived from the second hydrocarbon compound contain at least a portion of protium. At this stage, cluster ions containing deuterium and cluster ions containing protium are obtained in the chamber. Then, a desired range of mass numbers is selected and mass separation is performed to selectively extract the cluster ions so that both cluster ions containing deuterium and cluster ions containing protium are obtained from the generated cluster ions. Next, the cluster ions are extracted using a predetermined acceleration voltage, and the cluster ions are accelerated and focused in a vacuum to form a cluster ion beam. The cluster ion beam thus obtained contains at least carbon, protium, and deuterium.
本工程をより具体的に説明する。第1の炭化水素系化合物としてシクロヘキサン(C6D12)を用い、第2の炭化水素系化合物としてシクロヘキサン(C6H12)を用いた場合の炭化水素系化合物混合材料のマススペクトル(実線)を図2に示す。図2ではさらに、この実線部分のマススペクトルから、シクロヘキサン(C6D12)単体でイオン化した場合のマススペクトルを破線でスペクトル分離し、シクロヘキサン(C6H12)単体でイオン化した場合のマススペクトルを点線でスペクトル分離した。混合物から得られる実線部分のマススペクトルにおいて、破線及び点線の両方のピークを有する質量数の範囲からクラスターイオンビームとして収束させることで、重水素及び軽水素の両方を含むクラスターイオンを抽出することができる。 This step will be described in more detail. Figure 2 shows the mass spectrum (solid line) of a hydrocarbon compound mixture material in which cyclohexane (C 6 D 12 ) is used as the first hydrocarbon compound and cyclohexane (C 6 H 12 ) is used as the second hydrocarbon compound. In Figure 2, the mass spectrum of the solid line portion is further separated by a dashed line to show the mass spectrum when cyclohexane (C 6 D 12 ) is ionized alone, and the mass spectrum of cyclohexane (C 6 H 12 ) is ionized alone is separated by a dotted line. In the mass spectrum of the solid line portion obtained from the mixture, the cluster ion beam is focused from the mass number range having both the dashed and dotted line peaks, thereby allowing cluster ions containing both deuterium and protium to be extracted.
質量数の選択範囲は、例えば重水素及び軽水素のクラスターイオンに由来する狙いの二つのピークを共に含む質量数の値を選択してもよいが、選択値から前後にある程度幅を持った範囲でビーム収束させる方が、ビーム電流を増大でき、好ましい。例えば、軽水素を含むクラスターイオンに由来するピークについては質量数41を選び、重水素を含むクラスターイオンに由来するピークについては質量数43を選ぶために、質量数の選択範囲としては質量数選択値42±1とすることができる。例として図2に質量数選択値を42とした場合の質量数選択範囲42±3の範囲を点線枠で示す。 The mass number selection range may be a mass number value that includes both of the target peaks derived from deuterium and protium cluster ions, for example, but it is preferable to focus the beam within a range with a certain width before and after the selected value, as this increases the beam current. For example, to select mass number 41 for the peak derived from cluster ions containing protium and mass number 43 for the peak derived from cluster ions containing deuterium, the mass number selection range can be set to a mass number selection value of 42±1. As an example, the mass number selection range of 42±3 when the mass number selection value is 42 is shown in Figure 2 with a dotted line frame.
質量数選択工程では、質量数選択値±3以内の範囲のクラスターイオンをビームとして収束させることが好ましい。クラスターイオンを抽出する質量数の選択範囲を選択値そのものよりも大きな範囲とすることにより、多くのクラスターイオンをビームとして収束しやすいためである。 In the mass number selection process, it is preferable to focus cluster ions within a range of the mass number selection value ±3 as a beam. This is because by setting the selection range of the mass numbers for extracting cluster ions to a range larger than the selection value itself, it becomes easier to focus many cluster ions as a beam.
<<クラスターイオンのピーク>>
クラスターイオンのピークは、最も質量分解能が高い条件でイオンビームを形成した後に、測定されるビーム電流値の質量数依存性を測定したスペクトルを用いる。
<<Cluster ion peaks>>
The peak of the cluster ions is determined by forming an ion beam under the condition of highest mass resolution and then measuring the mass number dependency of the measured beam current value.
クラスターイオンの質量数の制御は、ノズルから噴出されるガスのガス圧力および真空容器の圧力、イオン化する際のフィラメントへ印加する電圧などを調整することにより行うことができる。なお、各クラスターイオンの質量数は、四重極高周波電界による質量分析またはタイムオブフライト質量分析により各クラスターの個数分布を求め、各クラスターの個数の平均値をとることにより求めることができる。そうしてクラスターイオンビームとして収束させるための特定のクラスターイオンは、イオン化された種々の原子数のクラスターイオンの質量分離を行って、特定の質量数のクラスターイオンを抽出することで得ることができる。 The mass number of the cluster ions can be controlled by adjusting the gas pressure of the gas ejected from the nozzle, the pressure of the vacuum vessel, the voltage applied to the filament during ionization, etc. The mass number of each cluster ion can be determined by determining the number distribution of each cluster using mass analysis with a quadrupole radio frequency field or time-of-flight mass analysis, and then taking the average number of each cluster. Specific cluster ions to be focused into a cluster ion beam can be obtained by mass separation of ionized cluster ions of various atomic numbers and extracting cluster ions of specific mass numbers.
(クラスターイオンの注入方法)
また、本発明によるクラスターイオンの注入方法は、上述のクラスターイオンビームの生成方法を用いて生成したクラスターイオンビームをシリコンウェーハSの表面に注入する方法である(図1参照)。
(Method of Injecting Cluster Ions)
The method for implanting cluster ions according to the present invention is a method for implanting a cluster ion beam generated by the above-mentioned method for generating a cluster ion beam into the surface of a silicon wafer S (see FIG. 1).
上述のクラスターイオンビームの生成方法で得られたクラスターイオンビームは、任意のシリコンウェーハの表面に対して照射することができる。なお、シリコンウェーハは、チョクラルスキ法(CZ法)や浮遊帯域溶融法(FZ法)により育成された単結晶シリコンインゴットをワイヤーソー等でスライスしたシリコンウェーハを使用することができる。また、シリコンウェーハには、炭素および/または窒素を添加してもよい。また、任意の不純物ドーパントを添加して、n型またはp型としてもよい。また、シリコンウェーハとしては、バルクのシリコンウェーハ表面にシリコンエピタキシャル層が形成されたエピタキシャルシリコンウェーハを用いることもできる。 The cluster ion beam obtained by the above-mentioned method for generating a cluster ion beam can be irradiated onto the surface of any silicon wafer. The silicon wafer can be a silicon wafer obtained by slicing a single crystal silicon ingot grown by the Czochralski method (CZ method) or the floating zone melting method (FZ method) with a wire saw or the like. Carbon and/or nitrogen may be added to the silicon wafer. Any impurity dopant may be added to make the wafer n-type or p-type. The silicon wafer can also be an epitaxial silicon wafer in which a silicon epitaxial layer is formed on the surface of a bulk silicon wafer.
また、クラスターイオンの注入条件は、クラスターイオンのサイズ(質量数選択範囲)、ドーズ量、加速電圧、ビーム電流値およびイオン照射時間を制御することにより調整することができる。クラスターイオンの炭素原子当たりのドーズ量は、例えば1.0×1012~1.0×1016atoms/cm2とすることができる。このような原理を用いたクラスターイオン注入装置として、例えば日新イオン機器株式会社製のCLARIS(登録商標)を用いることができる。 The implantation conditions of the cluster ions can be adjusted by controlling the size of the cluster ions (mass number selection range), the dose, the acceleration voltage, the beam current value, and the ion irradiation time. The dose of the cluster ions per carbon atom can be, for example, 1.0×10 12 to 1.0×10 16 atoms/cm 2. As a cluster ion implantation device using such a principle, for example, CLARIS (registered trademark) manufactured by Nissin Ion Equipment Co., Ltd. can be used.
こうして得られたシリコンウェーハは表層部において軽水素及び重水素をそれぞれ含むことができる。 The silicon wafer obtained in this way can contain hydrogen and deuterium in the surface layer.
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below using examples, but the present invention is not limited to the following examples.
(実施例1)
イオン発生装置(日新イオン機器社製、型番:CLARIS(登録商標))を用いて、シクロヘキサン(C6H12;質量数84.16)10g及びシクロヘキサン(C6D12;質量数96.23)10gを原料として用いてイオン化チャンバ内に導入し、質量数選択値を42としてクラスターイオンビームを生成した。また、クラスターイオンの注入条件は、加速電圧80keV/Cluster(水素1原子あたりの加速電圧1.9keV/atom、炭素1原子あたりの加速電圧22.8keV/atom)とし、ドーズ量を3.3×1014ion/cm2(炭素1原子あたりのドーズ量としては1.0×1015ion/cm2)とした。また、得られたクラスターイオンのビーム電流値は700μAであった。
Example 1
Using an ion generator (manufactured by Nissin Ion Equipment Co., Ltd., model number: CLARIS (registered trademark)), 10 g of cyclohexane (C 6 H 12 ; mass number 84.16) and 10 g of cyclohexane (C 6 D 12 ; mass number 96.23) were introduced into the ionization chamber as raw materials, and a cluster ion beam was generated with a mass number selection value of 42. The cluster ion injection conditions were an acceleration voltage of 80 keV/Cluster (acceleration voltage per hydrogen atom 1.9 keV/atom, acceleration voltage per carbon atom 22.8 keV/atom) and a dose amount of 3.3×10 14 ions/cm 2 (dose amount per carbon atom was 1.0×10 15 ions/cm 2 ). The beam current value of the obtained cluster ions was 700 μA.
(実施例2)
質量数選択値を46とした以外は実施例1と同様の条件でクラスターイオンビームを生成した。
Example 2
A cluster ion beam was generated under the same conditions as in Example 1, except that the mass number selection value was 46.
(実施例3)
質量数選択値を48とした以外は実施例1と同様の条件でクラスターイオンビームを生成した。
Example 3
A cluster ion beam was generated under the same conditions as in Example 1, except that the mass number selection value was 48.
実施例1~3でクラスターイオンのイオン化の際に得られたマススペクトルは先に参照した図2のとおりである。また、生成したクラスターイオンビームを注入したエピタキシャルシリコンウェーハの、深さ方向におけるイオン注入プロファイルを図3~5に示し、炭素、軽水素及び重水素のプロファイルをそれぞれ実線、破線及び点線で示した。 The mass spectra obtained during ionization of cluster ions in Examples 1 to 3 are as shown in Figure 2, which was referenced above. In addition, the ion implantation profiles in the depth direction of the epitaxial silicon wafer implanted with the generated cluster ion beam are shown in Figures 3 to 5, with the carbon, protium, and deuterium profiles shown by the solid line, dashed line, and dotted line, respectively.
<SIMSによる水素及び重水素の濃度プロファイル評価>
上記の製造条件で得た、クラスターイオンビームを注入したエピタキシャルシリコンウェーハについて、SIMS測定により、エピタキシャル層表面からの深さ方向における炭素、軽水素及び重水素の濃度プロファイルを測定した。その結果、シリコンウェーハの表層部50nm付近において、水素(軽水素)のピークが観察され、100nm付近において、重水素のピークが観察され、それぞれ深さの異なる領域に存在が確認された。
<Evaluation of hydrogen and deuterium concentration profiles by SIMS>
For the epitaxial silicon wafer implanted with a cluster ion beam obtained under the above manufacturing conditions, the concentration profiles of carbon, protium, and deuterium in the depth direction from the surface of the epitaxial layer were measured by SIMS. As a result, a hydrogen (protium) peak was observed at about 50 nm in the surface layer of the silicon wafer, and a deuterium peak was observed at about 100 nm, confirming the presence of each at different depth regions.
また、図3~5で示されるように、質量数選択値を42とした場合には水素の濃度の方が重水素の濃度よりも大きく、質量数選択値を上げていくのに従い、重水素の割合が増加し、質量数選択値が48の結果では重水素の割合の方が水素の割合より大きいことが確認できる。このことは、図2で確認したクラスターイオンのマススペクトルにおいて、質量数40以上の領域においては、質量数が多いものほど重水素を含むクラスターイオンの量が多くなっていることと整合する。したがって、この実施例1~3を踏まえると、軽水素及び重水素の注入量のバランスを考慮すれば、質量数選択値の最適値として47を選択することが考えられる。 As shown in Figures 3 to 5, when the mass number selection value is 42, the hydrogen concentration is greater than the deuterium concentration, and as the mass number selection value is increased, the proportion of deuterium increases, and when the mass number selection value is 48, the proportion of deuterium is greater than the proportion of hydrogen. This is consistent with the fact that in the mass spectrum of cluster ions confirmed in Figure 2, in the region of mass numbers of 40 and above, the amount of cluster ions containing deuterium increases as the mass number increases. Therefore, in light of Examples 1 to 3, and taking into account the balance of the implantation amounts of protium and deuterium, it is thought that 47 can be selected as the optimal mass number selection value.
本発明によれば、本発明によれば、軽水素及び重水素を同時に含むクラスターイオンビームを安定的に制御して生成することのできるクラスターイオンビーム生成方法を提供することができる。さらに、本発明は、こうして生成したクラスターイオンビームをシリコンウェーハの表面に注入する、クラスターイオンの注入方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a cluster ion beam generation method capable of stably controlling and generating a cluster ion beam that simultaneously contains hydrogen and deuterium. Furthermore, the present invention can provide a cluster ion implantation method in which the cluster ion beam thus generated is implanted into the surface of a silicon wafer.
S シリコンウェーハ S Silicon wafer
Claims (5)
前記炭化水素系化合物混合材料をイオン化して、軽水素を含むクラスターイオン及び重水素を含むクラスターイオンの両方を含む質量数の選択範囲を選択する質量数選択工程と、を含み、
前記第1の炭化水素系化合物原料と前記第2の炭化水素系化合物原料とは同じ炭素骨格である、クラスターイオンビーム生成方法。 a hydrocarbon compound mixing step of mixing a first hydrocarbon compound containing deuterium with a second hydrocarbon compound containing at least a portion of protium to obtain a hydrocarbon compound mixed raw material;
A mass number selection step of ionizing the hydrocarbon compound mixture material to select a mass number range including both cluster ions including protium and cluster ions including deuterium,
A cluster ion beam generating method, wherein the first hydrocarbon compound source and the second hydrocarbon compound source have the same carbon skeleton.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022210748A JP2024094041A (en) | 2022-12-27 | 2022-12-27 | Method for generating cluster ion beam and method for implanting cluster ions |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022210748A JP2024094041A (en) | 2022-12-27 | 2022-12-27 | Method for generating cluster ion beam and method for implanting cluster ions |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2024094041A true JP2024094041A (en) | 2024-07-09 |
Family
ID=91804958
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2022210748A Pending JP2024094041A (en) | 2022-12-27 | 2022-12-27 | Method for generating cluster ion beam and method for implanting cluster ions |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2024094041A (en) |
-
2022
- 2022-12-27 JP JP2022210748A patent/JP2024094041A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7259036B2 (en) | Methods of forming doped and un-doped strained semiconductor materials and semiconductor films by gas-cluster-ion-beam irradiation and materials and film products | |
US7410890B2 (en) | Formation of doped regions and/or ultra-shallow junctions in semiconductor materials by gas-cluster ion irradiation | |
US7396745B2 (en) | Formation of ultra-shallow junctions by gas-cluster ion irradiation | |
US20070178678A1 (en) | Methods of implanting ions and ion sources used for same | |
US20070178679A1 (en) | Methods of implanting ions and ion sources used for same | |
US3933530A (en) | Method of radiation hardening and gettering semiconductor devices | |
EP1908095A2 (en) | Replacement gate field effect transistor with germanium or sige channel and manufacturing method for same using gas-cluster ion irradiation | |
US20200013621A1 (en) | Methods for increasing beam current in ion implantation | |
KR101524858B1 (en) | Ethane implantation with a dillution gas | |
US9437341B2 (en) | Method and apparatus for generating high current negative hydrogen ion beam | |
JP6982614B2 (en) | In situ cleaning using hydrogen peroxide as an auxiliary gas to the primary dopant or purge gas to minimize carbon deposition in the ion source | |
US8524584B2 (en) | Carbon implantation process and carbon ion precursor composition | |
JPS59101826A (en) | Method for pretreating photoresist pretreatment of charged particle beam | |
JP2024094041A (en) | Method for generating cluster ion beam and method for implanting cluster ions | |
KR20200044930A (en) | Method for manufacturing epitaxial silicon wafer, method for manufacturing epitaxial silicon wafer, and solid-state imaging device | |
JP2024094045A (en) | Method for generating cluster ion beam and method for implanting cluster ions | |
JP3655491B2 (en) | Ion generation method and ion irradiation method | |
US6639229B2 (en) | Aluminum implantation method | |
KR102165217B1 (en) | Cluster ion beam generation method and cluster ion beam irradiation method using the same | |
WO2003044837A2 (en) | Ion imlantation method and apparatus | |
JP7259706B2 (en) | Passivation effect evaluation method for epitaxial silicon wafers | |
Perel et al. | A decaborane ion source for high current implantation | |
CN103413746A (en) | Germanium implanting method for improving service cycle of ion implanter | |
JP2003188110A (en) | Doping method and ion implantation apparatus | |
Tang et al. | Source Materials and Methods for Gallium Ion Implantation |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20250106 |