JP2004503064A - ガスクラスターイオンビーム処理による薄膜を改良するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、好ましくは、限定されるものではないが、絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）ウエハーまたは同様な薄膜電子および光材料（加工物）の頂部シリコン膜の表面粗さを減少させる（平滑化）および厚み均一性を改良する双方の仕事を実行するための装置および方法を提供する。また、本発明は、（好ましくは）ＳＯＩウエハー（加工物）の表面を平滑化するための、および、（好ましくは）ＳＯＩウエハーのシリコン膜の表面をより清潔かつ汚染物を含まないようにするための方法および装置を提供する。

Description

【０００１】
（発明の背景）
本発明は、一般に、薄膜の平滑化、さらに詳しくは、ガスクラスターイオンビーム（ＧＣＩＢ）装置による絶縁体上の薄膜の平滑化および均一性増強に関する。
【０００２】
集積回路（ＩＣ）の集積化および電力消費レベルの増大および宇宙および携帯エレクトロニクス適用の増加は、放射線硬化低電力エロクトロニクス（ＬＰＥ）の領域におけるかなりの努力を刺激した。特殊な技術および回路の構成は、低い供給電圧で作動し、性能を犠牲とすることなく低い電力レベルを消費する放射線硬化ＬＰＥを実現するために研究されている。絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）基材は、放射線効果に対する許容性を必要とする適用にとってそれを魅力的とする利点を有する。加えて、ＳＯＩの使用は、増加した回路密度、低下した電力消費、およびコスト的に効果的でかつ適宜なＳＲＡＭの改良された性能を同時に達成するための主要なアプローチである。ＳＯＩ適用における最近の進歩は、宇宙適用のための放射線硬化メモリー、Ｂｉ−ＣＭＯＳ、低電力エレクトロニクス、アナログおよびデジタル回路、高性能電力デバイス、ならびに高温（＞３５０℃）および極低温適用を含む。ＳＯＩ材料についてのそのような適用は広く普及した基材を使用してきた。
【０００３】
今日、市場で入手できる多くのＳＯＩ基材（ウエハー）タイプがある。例えば、ＳＯＩウエハーはいくつかの方法――注入酸素による分離（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｂｙ　ＩＭｐｌａｎｔｅｄ　Ｏｘｙｇｅｎ，　ＳＩＭＯＸ）ＳＯＩ、種々の形態のはり合わせエッチバック（Ｂｏｎｄ　ａｎｄ　Ｅｔｃｈ　ｂａｃｋ）ＳＯＩ（ＢＥ−ＳＯＩ）、ハイドロジェン−インプラント−アンド−リリースシリコン（ＳＭＡＲＴ　ＣＵＴ（商標）　ＳＯＩとしても知られている、「ＳＭＡＲＴ　ＣＵＴ」はＳ．Ｏ．Ｉ．　ＴＥＣ　Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　Ｓ．Ａ．の登録商標である）、またはシリコンへの酸素のプラズマ注入によって製造することができる。ＳＩＭＯＸおよびＢＥ−ＳＯＩは最も広く用いられるＳＯＩ材料であるが、ＳＭＡＲＴ　ＣＵＴ（商標）　ＳＯＩはより普及し始めている。かなりの簡略化、およびその結果としての半導体製造コストの低減化は、もし出発ＳＯＩ基材ウエハーがウエハー間および／またはバッチ間で合致するならば、多くの製品の製造間に達成されるであろう。
【０００４】
ＳＯＩ基材の商業的適用で遭遇する重要な問題は、ＣＭＯＳ回路のゲート酸化物集積化（ＧＯＩ）および埋め込み酸化物集積化の不一致である。大規模な集積化のためには、ゲート酸化物特徴と埋め込み酸化物の固有の破壊電圧との合致が、デバイスおよび回路操作の合致に必要である。ＳＯＩデバイスの一般的な閾値−電圧均一性は、もし出発の極薄シリコン層がＳＯＩウエハーを横切って２５オングストローム（Å）未満まで均一にできれば、大いに助けとなろう。ゲート酸化物集積化の不一致は、大部分は、出発ＳＯＩウエハーの表面粗さに帰せられてきた。ＳＯＩウエハーから製造されたトランジスターデバイスの一般的閾値−電圧均一性は、重なる（頂部）シリコン層（薄膜）の厚み均一性に依存する。
【０００５】
かくして、取り組まなければならない主な論点は、ＳＯＩ　基材または他のタイプの薄膜基材上の頂部極薄シリコン層の表面品質である。表面粗さ（空間的には表面形態の変化）は、典型的には、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、イメージング光学干渉計または透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で形成された測定の解析によって測定される。シリコン膜の厚みの均一性は、約２５Åより大きないずれかの不均一性については色縞模様として裸眼によって観察することができる。より大きな精度のためには、イメージング光学干渉計、マッピング分光エリプソメーターを使用することができる。標準ＩＣ製造で利用されるようなバルクシリコンウエハーは典型的には１Å未満の表面粗さを有するが、ＳＯＩウエハーは、ＳＯＩ製造の最終状態においてウエハーを横切って約３Åないし５０Åの最小表面粗さを有することが知られている。この不均一性は、同一ロット番号を持つウエハーのロットまたは「バッチ」、すなわち、同一の製造ラン内では合致する。ＳＩＭＯＸの場合には、表面粗さおよび不均一性は、それにより、酸素原子および分子の単一エネルギービームがシリコンウエハーの元の表面下ほぼ２００ｎｍまで注入される酸素−イオン注入プロセス、ならびに薄膜中深くの欠陥を修復するために必要な引き続いての熱アニールによって引き起こされる。ＢＥ−ＳＯＩの場合には、表面粗さおよび不均一性は、異常な工程が採用されない限り、シリコン層の実質的不均一性を固有に残すエッチーバックプロセスによって引き起こされる。ＳＭＡＲＴ　ＣＵＴ（商標）　ＳＯＩの場合には、（水素注入に続く）、切断プロセスは、シリコン表面に多くの原子工程を残す。ＳＯＩ基材製造のプラズマ注入プロセスの初期の指摘は、進入する酸素イオンのランダムなイオン化電荷による、シリコンおよび絶縁層の表面下損傷および不均一性を明らかにする。
【０００６】
絶縁体上シリコン材料は、シリコン表面の平滑化に独特の問題を抱えている。シリコンの平滑化または均一なシリコン層を提供するために適用される方法は有意な量（典型的には、９×１０１０原子／ｃｍ^２全金属含有量未満であることが必要とされる）の金属汚染に寄与するものであってはならず、かつ最小の表面シリコンを除去して、薄いシリコン層の除去を回避するものでなければならない。伝統的なバルク平滑化方法は、ミクロン厚みのオーダーのシリコン膜には満足できるものであるが、進歩したデバイスに必要とされるような、１０ないし２０ｎｍと薄いシリコンを有するＳＯＩ膜には適用することができない。
【０００７】
歴史的には、半導体分野においてシリコンの粗さを減少させるにはプラズマ研磨が用いられてきたが、プラズマ研磨に伴う不均一性および表面下損傷のため、接触研磨がより重要な適用においてプラズマ研磨をかなり置き換えてきた。
【０００８】
ＳＯＩウエハー上のゲート酸化物集積化の最近の研究（Ｗ．　Ｍａｓｚａｒａ，　ｅｔ　ａｌ．，Ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ＳＯＩ　ｆｉｌｍ　ａｆｔｅｒ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ　ｗｉｔｈ　Ｈ　ａｎｎｅａｌｉｎｇ，　ｔｏｕｃｈ　ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ，　Ｐｒｏｃ．　１９９７　ＩＥＥＥ　Ｉｎｔ’ｌ．　ＳＯＩ　Ｃｏｎｆ．，Ｏｃｔ６−９，　１９９７，　ｐ．１３０）は、水素アニーリングおよび接触研磨を行って、ゲート酸化物集積化に対する表面粗さの効果を調べた。例えば、１，１５０℃／１時間の水素アニーリングは、表面から〜１０ｎｍないし１５ｎｍのＳｉを除去し、それらの接触研磨方法は〜５０ｎｍないし７５ｎｍのシリコンを除去した。ＳＩＭＯＸの５０ｎｍないし２００ｎｍの厚みのシリコン層では、そのような多量のシリコン除去は重要であり、ほとんどの商業的使用の場合には、許容できない。Ｍａｓｚａｒａは、ＳＯＩ表面厚みの変動は、現在、０．３ｎｍないし１．５ｎｍのオーダーであると結論づけた。これは、１０ｎｍのゲート酸化物の１５％と多くの厚み変動を構成し、得られたゲート閾値電圧変動は進歩した回路で適しないようである。さらに、ＳＯＩ構造の表面粗さは、ゲート酸化物／シリコンインターフェースに捕らえられた表面電荷に寄与するダングリングシリコン結合を提供し得る。これらは、今度は、回路の放射線硬度または一般的な閾値電圧挙動に影響し得る。
【０００９】
硬い材料のドライエッチング、クリーニング、および平滑化のためにＧＣＩＢを使用する概念は当該分野で知られており、米国特許第５，８１４，１９４号「基材表面処理方法」、１９９８においてＤｅｇｕｃｈｉらによって記載されている。数千のオーダーのガス原子または分子を含有するイオン化クラスターは数千エレクトロンボルトのオーダーの中程度のエネルギーに形成し加速することができるのでクラスター中の個々の原子または分子は、各々、数エレクトロンボルトのオーダーの平均エネルギーを有するに過ぎない。Ｙａｍａｄａ（米国特許第５，４５９，３２６号）の教示より、そのような個々の原子は、有意に表面に侵入して、典型的にはプラズマ研磨に伴う残存表面下損傷を引き起こすのにエネルギー的に十分ではないことが知られている。それにもかかわらず、クラスターそれ自体は、硬い表面を効果的にエッチングし、平滑化しまたは洗浄するのに十分なエネルギーをもつ（数千エレクトロンボルト）。
【００１０】
ガスクラスターイオン内の個々の原子のエネルギーは非常に小さい（典型的には、数ｅＶ以下）ので、原子は、衝撃の間に標的表面の、せいぜい、数個の単層に進入するに過ぎない。全クラスターイオンによって運ばれる全エネルギーは、結果として、約１０ないし１２秒と短い間に衝撃部位において極端に小さな容量に蒸着される。クラスターイオンの高い全エネルギーおよび極端に小さな相互作用容量のため、衝撃部位における蒸着したエネルギー密度は、通常のイオンによる衝撃の場合よりもはるかに大きく、得られた熱的スパイク条件はかなり増強される。コンピューターシミュレーションは、クラスターイオン衝撃部位におけるメガバールの瞬間的圧力と共に１０５°Ｋのオーダーの瞬間的温度を提示している。クラスターイオンからのガス原子および標的材料原子の間の完全な混合と組み合わせて、極端な瞬間温度および圧力条件は、化学反応の効果をかなり高める原因になると考えられている。以前に報告された高められた化学反応の効果は、Ｏ_２およびＣＯ_２クラスターイオンによって生じた酸化効果を含めていた。制御可能な厚みのＳｉＯ_２誘電体層が、首尾よく、室温にてシリコン上に製造されている。高品質の超平滑ＰｂＯ膜がガラス上に蒸着されており、高伝導率インジウム−スズ−酸化物透明導体膜が室温で蒸着されている。
【００１１】
従って、本発明の目的は、ＳＯＩウエハーのような加工物の表面を平滑化するための方法および装置を提供することにある。
【００１２】
従って、本発明の目的は、厚みがより均一なＳＯＩウエハーのシリコン膜を製造するための方法および装置を提供することにある。
【００１３】
本発明のさらなる目的は、例えばより清潔でより汚染物が無いＳＯＩウエハーのシリコン膜のような加工物の表面を作成するための方法および装置を提供することにある。
【００１４】
（発明の概要）
本発明の前記した目的ならびにさらなるおよび他の目的および利点は、後記する本発明の具体例によって達成される。
【００１５】
本発明は、加工物、好ましくは、限定されるものではないが、絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）ウエハーの頂部シリコン膜または同様な薄膜電子および光材料の表面粗さの低減（平滑化）および厚み均一性の改良の双方の仕事を行うための装置および方法を提供する。また、本発明は、加工物、好ましくは、限定されるものではないが、ＳＯＩウエハーの表面を平滑化するための、および好ましくは、より清潔でより汚染物が無いＳＯＩウエハーのシリコン膜のような加工物の表面を作成するための方法および装置を提供する。ＳＯＩは以下のタイプ：セパレーション−バイ−インプランテッド−オキシジェン（ＳＩＭＯＸ）、ボンド−アンド−エッチ−バック（ＢＥ−ＳＯＩ）、（ＳＭＡＲＴ　ＣＵＴ（商標）　ＳＯＩとしても知られている）ハイドロジェン−インプラント−アンド−リリースシリコン、ならびに他のタイプのＳＯＩ材料のいずれかであってよく、その全ては、その高い結晶品質、非常に高い純度、表面粗さの欠如と共にシリコン層の必要な厚みおよび均一性のため独自の目標を提起している。
【００１６】
本発明は真空ＧＣＩＢエッチングおよび平滑化プロセスを利用し、ＳＯＩウエハー表面を照射するＧＣＩＢ装置を含む。加工物に対して行われる測定は、粗さおよび厚みの不均一性についての、および粗さおよび厚みの不均一性の処理誘導変化についての情報を提供する。該情報はフィードバックされて、ＧＣＩＢ装置による処理を制御し、所望の表面特性が得られるまで表面を改良する。
【００１７】
その他のおよびさらなる目的と共に、本発明をよりよく理解するために、添付の図面および詳細な記載を参照し、その範囲は添付の請求の範囲で指摘される。
【００１８】
（好ましい具体例の詳細な記載）
図１は、先行技術で知られた形態のＧＣＩＢプロセッサー１００についての典型的な配置を示し、これは以下に記載され：真空容器１０２は３つの連絡するチャンバー、源チャンバー１０４、イオン化／加速チャンバー１０６、および処理チャンバー１０８に分割される。該３つのチャンバーは、各々、真空ポンプ系１４６ａおよび１４６ｂおよび１４６ｃによって適当な操作圧力まで真空に引かれる。シリンダー１１１に貯蔵された凝縮可能な源ガス１１２（例えば、アルゴンまたはＮ_２）はガス計量バルブ１１３およびガス供給チューブ１１４を通ってよどみチャンバー１１６へと加圧下に置かれ、適切な形状のノズル１１０を通って実質的により低い圧力の真空に注入される。超音速ガスジェット１１８が得られる。該ジェット中での膨張に由来する冷却は、ガスジェット１１８の一部をクラスターに凝集させ、その各々は、数個ないし数千個の弱く結合した原子または分子よりなる。ガススキマー開口１２０は、部分的に、クラスタージェットからクラスタージェットの凝縮されなかったガス分子を分離して、かかる高圧が有害であろう下流領域（例えば、イオナイザー１２２、高電圧電極１２６、およびプロセスチャンバー１０８）での圧力を最小化する。適当な凝縮可能な源ガス１１２は、必ずしも限定されるものではないが、アルゴン、窒素、二酸化炭素、酸素を含む。
【００１９】
ガスクラスターを含有する超音速ガスジェット１１８が形成された後、クラスターはイオナイザー１２２でイオン化される。イオナイザー１２２は、典型的には、１以上の白熱フィラメント１２４から熱電子を生じさせ、電子を加速し方向付け、ガスジェット１１８中のガスクラスターと衝突させ、ここで、ジェットはイオナイザー１２２を通過する、電子衝撃イオナイザーである。電子衝撃はクラスターから電子を飛び出させ、クラスターの１部を正にイオン化させる。適切にバイアスされた１組の高電圧電極１２６の組はイオナイザーからクラスターイオンを抽出し、ビームを形成し、次いで、それを所望のエネルギー（典型的には、１　ｋｅＶないし数十ｋｅＶ）まで加速し、それを収束させて、初期弾道１５４を有するＧＣＩＢ１２８を形成する。フィラメント電源１３６は電圧Ｖ_Ｆを供して、イオナイザーフィラメント１２４を加熱する。陽極電源１３４は電圧Ｖ_Ａを供して、フィラメント１２４から発せされた熱電子を加速して、クラスター含有ガスジェット１１８を衝撃させ、イオンを生じさせる。抽出電源１３８は電圧Ｖ_Ｅを供して、高電圧電極をバイアスさせて、イオナイザー１２２のイオン化領域から電子を抽出し、ＧＣＩＢ１２８を形成する。加速器電源１４０は電圧Ｖ_{Ａ ｃｃ}を供して、イオナイザー１２２に関して高電圧電極をバイアスし、その結果、全ＧＣＩＢ加速エネルギーは、Ｖ_{Ａ ｃｃ}エレクトロンボルト（ｅＶ）と等しくなる。１以上のレンズ電源（例えば、１４２および１４４で示される）を設けて、電位（例えば、Ｖ_Ｌ１およびＶ_Ｌ２）で高電圧電極をバイアスし、ＧＣＩＢ１２８を収束させる。
【００２０】
ＧＣＩＢ処理によって処理されるべき半導体ウエハーまたは他の加工物であってもよい加工物１５２は、ＧＣＩＢ１２８の経路に設けられた加工物フォルダー１５０に保持される。ほとんどの適用では空間的に均一な結果を伴う大きな加工物の処理が考えられるので、大きな面積を横切ってＧＣＩＢ１２８を均一にスキャンして、空間的に均質な結果を生じさせるにはスキャンニングシステムが望ましい。２対の直角に向けられた静電スキャンプレート１３０および１３２を利用して、所望の処理領域を横切ってラスターまたは他のスキャンニングパターンを生じさせることができる。ビームスキャンニングが行われる場合、スキャンジェネレーター１５６は、各々、リード対１５８および１６０を通じてスキャンプレート１３０および１３２にＸ−軸およびＹ−軸スキャンニングシグナル電圧を供する。スキャンニングシグナル電圧は、ＧＣＩＢ１２８をスキャンされたＧＣＩＢ１４８に変換させる異なる周波数の通常は三角波であり、これは加工物１５２の全表面をスキャンする。
【００２１】
図面の図１に示したタイプの典型的なＧＣＩＢ装置内に一体化させて、本発明を以下に記載する。しかしながら、本発明は同様に他のＧＣＩＢ装置に一体化させることもできることは理解されるべきである。さらに、本発明はＳＯＩウエハーを平滑化しおよび／または洗浄するのにその主な適用が見出されるが、それは、その全てを加工物または加工物類とも本明細書中でいう広く種々の他のウエハー等で利用することができる。
【００２２】
図面の先行技術の図２Ａないし２Ｄは、典型的なＳＯＩ材料に対して高エネルギー（２０ｋｅＶ）アルゴンＧＣＩＢプロセスを用いて処理したＳＯＩ表面の２μｍ^２平方領域の前後特徴を示す。図２Ａの原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）イメージは、ＧＣＩＢ処理前に、表面がファセッティングおよび比較的大きな小規模粗さを呈したことを示す。図２Ｂは、ＧＣＩＢ処理に先立って、２ミクロン領域についてのピーク−対−谷表面粗さ（３σ）が５３Åであり、平均粗さＲａが７．１Åであり、根平均二乗粗さＲｒｍｓが８．９Åであったことを示す。図２Ｃは、先行技術の２０ｋｅＶアルゴン処理後になされたＡＦＭイメージであり、改良された小規模粗さを持つ表面を示す。図２Ｄは、高エネルギー（２０ｋｅＶ）ＧＣＩＢ処理でもって、２ミクロン領域についてのピーク−対−谷表面粗さ（３σ）が５３Åから２４Åまで低下したことを示す。同様に、Ｒａは７．１Åから３．１Åまで低下し、Ｒｒｍｓが８．９Åから３．９Åまで低下した。光学測定は、表面シリコンの〜３５０Åが、ＧＣＩＢプロセスについての選択されたパラメーターでもって除去され、表面平滑化に十分であることを明らかにした。
【００２３】
図３は、ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって製造された商業的に入手可能なモデルＵＶ−１２８０ＳＥ薄膜測定装置を用いる分光的偏光解析法によって測定されたＳＩＭＯＸ　ＳＯＩウエハーの先行技術ＳＯＩ膜−厚みのマップを示す。該図は、位置の関数としての、基材上の薄膜（ＳＯＩ）の厚みをマップする能力を示す。そのような測定は、数Åまたはそれ以上の精度内までなすことができる。
【００２４】
本発明は、公知のＧＣＩＢ処理技術を修飾して、表面平滑性および表面層厚みの均一性の実質的改良を生じさせ、高エネルギープロセスに続く低エネルギーＧＣＩＢプロセスの使用、または高エネルギープロセスの代わりに低エネルギープロセスを用いて、ＳＯＩ表面粗さの有意な低下を達成することを組み込むことができる。また、本発明は、公知のＧＣＩＢ処理を修飾して、同時に、ＳＯＩ表面の表面を平滑化し、不純物を取り除き、除去する。
【００２５】
シミュレーション（Ｔ．Ａｏｋｉ，　ｅｔ　ａｌ．，　“Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄａｍａｇｅ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｂｙ　ｃｌｕｓｔｅｒ　ｉｏｎ　ｉｍｐａｃｔ”，　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｉｎｓｔｒ．　ａｎｄ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　Ｂ，　１２１　（１９９７）４９参照）は、ＧＣＩＢ処理に低エネルギーを用いる場合、超狭表面処理が可能であることを示している。これらおよび他のコンピューターシミュレーションは、低エネルギーおよび高原子クラスターの組み合わせの超狭表面相互作用により、低（１−５ｋｅＶ）エネルギーＧＣＩＢプロセスを用い、０．０５ｎｍないし０．１ｎｍ（０．５ないし１．０Å）表面平滑を達成できることを提案した。ＳＯＩおよび他の薄膜重層材料のＧＣＩＢ平滑化が、低エネルギー（１０ｋｅＶより小またはそれと等しいエネルギー）を用いる場合の超狭表面修飾を提供する。全て、適切に平滑なＳＯＩ層を達成する試みにおいて許容できない多量の表面原子を除去し、および／または表面近くの損傷および汚染を引き起こす、化学機械的研磨、接触研磨、水素アニーリング、プラズマ平滑化、および高エネルギーＧＣＩＢ処理とは異なり、本発明による低エネルギーＧＣＩＢ処理の使用は、数個とほとんど原子層を除去せずに、最良に利用できるバルクシリコン基材のそれに匹敵する平滑性を生じさせることができる。本発明のＧＣＩＢプロセスで達成させる超狭表面処理のため、必要であれば、５００Å以上と多くから、１Åと少なくまで、表面から除去することができる。
【００２６】
ＧＣＩＢ処理によって除去される材料の量は用量およびエネルギーに依存し、用量またはエネルギーが高くなるにつれて、必要であれば、膜を平滑化するために、または膜の厚みを調整するために、特定のＳＯＩ表面から数ミクロンと多くを除去することができる。平滑化のために表面から除去されなければならない材料の量は、出発ＳＯＩ（または他の薄膜）重層の初期粗さに依存する。表面膜の厚みを調整して、それを厚みが空間的により均一とすることが望まれる場合、除去されなければならない量は、一般には、図３のそれと同様な測定マップに示すことができるようにウエハー表面上の位置の関数として変化する。
【００２７】
先行技術の平滑化技術の欠点を克服する本発明の操作の原理を以下に詳細に記載する。本発明のシステムでは、（荷電され、サイズが、クラスター当たりほぼ数個ないし数千個の原子または分子の範囲である）イオン化されたクラスターのビームが、薄膜、好ましくはＳＯＩウエハー表面に衝突する。アルゴンのような不活性ガスが、クラスターイオンビームを形成するために特に有用である。実質的に全ての凝縮可能なガスがクラスタービームを形成することができるが、最も普通に利用されるのはアルゴン、酸素、窒素および二酸化炭素である。クラスターイオンは、衝撃に際してウエハー表面で壊れて離れ、元々のＳＯＩ製造処理によって引き起こされたものを含めた表面形態の不規則性を平滑化する。平滑化プロセスにおいて、（慣用的なイオンビームエッチングまたはミリングとは異なり）平滑化も生じる本質的にイオン―エッチングタイプのプロセスによって、頂部シリコン膜の厚みが減少する（すなわち、薄くなる）のは避けられない。典型的な表面では、クラスターイオンビームの用量を増加させると、用量が大きい場合に漸近線に近づく単調に減少する粗さがもたらされる。また、平滑化プロセスは、その漸近的平滑化限界に向けて実質的に進行する、すなわち、限界がＧＣＩＢへの任意に長い曝露に到達するには、初期平均粗さＲａがエッチングで除去されなければならない。ＧＣＩＢは荷電されているので、ビーム電流を収集するためのファラデーカップの使用を含むことができるが、必ずしも含まない慣用的電流測定技術によって用量を測定することができる。ＧＣＩＢの以前のスキャンニングでは、静電スキャンニング装置を用いて加工物表面にわたってＧＣＩＢビームスポットを移動させ、それにより、ビームスポットそれ自体よりも大きなプロセス領域、およびそのような方法を本発明で用いることができる。しかしながら、加工物をビームを介して移動させる静止ＧＣＩＢおよび機械的手段の使用が本発明で好ましい。典型的には、以前のＧＣＩＢスキャンニング適用では、処理すべき表面の全ての部分に送達された用量において高度の不均一性をもたらすビーム−スキャンパターンを使用することにかなりの注意が払われた。静電スキャンニングは、通常、スキャンプレート、Ｘ−軸およびＹ−軸（ここに、Ｚ−軸はビーム方向である）の２対によって行われ、可変電圧がそれらのプレートに加えられる。これらの電圧は、歴史的には、加工物の面におけるＸ−Ｙ方向におけるビーム変位の矩形ラスターパターンを生じさせるための所定のスキームに従って変化された。
【００２８】
本発明においては、スキャンニングは、加工物の表面にわたってＧＣＩＢを偏向するための静電スキャンニング、または好ましくは、ビームに対して加工物を移動させるための機械的スキャンニング方法を使用することができる。本発明においては、加工物およびＧＣＩＢは相互に対して移動して、加工物の表面の異なる位置において異なる処理用量を供し、表面に厚み均一性を回復させる要求に従い、エッチング量が変化する。好ましい具体例において、ビームおよび加工物の間の相対的な移動は、限定されるものではないが、ＧＣＩＢビーム強度を実質的に一定に維持しつつ、加工物表面の異なる領域において変動するドエル時間のビームを供するように予め配置されたラスターまたは同様なスキャンニング運動を用い、実質的に静止したビームに対して加工物を好ましくは機械的にスキャンニングすることによって達成される。特異的なプロフィールのＧＣＩＢ曝露の効果は、最初はより薄いウエハー表面領域においてシリコン（または他の重ね膜）材料を少なく除去し、最初はより厚いウエハー表面領域においてシリコン（または他の重ねフィルム）材料をより多く除去し、かくして、表面膜を特異的かつ個々に処理して、同時にミクロ領域を平滑化しつつ、膜厚みにおいて均一性を達成することであろう。全頂部シリコン膜の平均厚みは、本発明の平滑化および選択的にスキャンされたビームの処理の結果として、少なくとも幾分は低下することに注意するのは重要である。かくして、本発明は、しばしば、ＧＣＩＢプロセスによって処理された後の膜について望まれるよりも幾分大きな平均厚みを持つシリコンの初期膜（頂部層）を意図的に製造する。表面を平滑化し、それを厚みがより均一とし、膜の厚みを減少させるプロセスのこの最初の部分の間に、比較的高いＧＣＩＢエネルギー、典型的には、１０ｋｅＶを超える、好ましくは２０−５０ｋｅＶを用いる。
【００２９】
ＳＯＩ基材の初期厚み不均一性は、分光偏光解析法または他の適当な慣用的技術によってＧＣＩＢ装置によりｅｘ　ｓｉｔｕで特徴付けることができる。そのような技術は、図３に示したように、厚み輪郭（または同様なもの）まで減少させることができる点間膜厚みを生じさせることができる。同様に、分光偏光解析法または他の適当な慣用的膜厚みマッピング技術を用いるｉｎ　ｓｉｔｕ不均一マッピング装置を、図４に示し、後記するように、本発明のプロファイリングプロセスをガイドするためＧＣＩＢ装置内に組み込むことができる。いずれの場合においても、不均一性測定は、標準的コンピューターによって、正確なウエハーの位置に関して一連の厚み点として貯蔵することができる。分光偏光解析法のような膜測定方法を用いて、基材厚みの変動とは独立して、頂部膜層のみの厚みをマップし、基礎膜の厚みまたは表面平坦性がＳＯＩウエハーで求められ、それは、第１に、構築に現実に参画する頂部シリコン膜であり、エレクトロニクスデバイス、例えば、トランジスターの挙動に影響する。本発明によれば、膜厚みマップの情報は、データファイルとして、ＧＣＩＢビーム制御装置に供給される。以前に測定されたビーム除去関数ならびに（ＧＣＩＢエネルギーおよびクラスター種を含めた）ＧＣＩＢパラメーターの特定の組についてのエッチング速度および用量の間の以前に測定された関係を用い、次いで、不均一性データを採用し、ビームスポットエッチングパターンを逆にして、不均一性プロフィールに適合させ、ビーム−用量輪郭を生じさせ、選択的に表面材料を除去し、それにより、均一な厚みの膜を達成する数学的アルゴリズムを使用する。数学的アルゴリズムの選択に対する多くの異なるアプローチを本発明でうまく用いることができる。
【００３０】
最初の近似では、ビームプロフィールは、座標系のＺ軸としてビーム増殖軸を持つ円筒座標におけるビームのいずれかの断面スライスについてのガウス関数となる。ビームドエル時間における変動によるプロファイリングの場合では、実行しなければならない数学的変換および逆重畳は単純化される。というのは、試料の応答関数は用量の変化に対して直線的であるからである。よって、ビーム除去関数は、ビーム強度プロフィールと実質的に同一の数学的関数形状を有する。もしオングストロームスケールの均一性が望まれれば、各系統的に変化するＳＯＩバッチにつき、ビーム−スキャンパターンを直接的に決定するビームドウェル時間マップを実行しなければならない。一旦ＧＣＩＢ仕様まで処理すれば、ウエハー（類）の均一性をｉｎ　ｓｉｔｕまたはｅｘ　ｓｉｔｕで調べることができ、適宜繰り返し、プロセスを終了または改良する。
【００３１】
本発明によると、図４に示した好ましいＧＣＩＢ装置は、ＧＣＩＢ装置に対してｉｎ　ｓｉｔｕまたはｅｘ　ｓｉｔｕいずれかで確立された、不均一性マップデータからの直接的フィードバックによるビーム−スキャンプロフィールの制御のための設備を有する。さらに、ｉｎ　ｓｉｔｕ測定方法が好ましい。というのは、それは最も時間効率の良い方法であり、反復された真空／大気サイクルに基材を曝露することなく繰り返しを可能とするからである。図４に示された本発明のＧＣＩＢ処理装置２００を参照し、実質的に静止したＧＣＩＢ２０２が、ＳＯＩウエハー等であり得る加工物２１０に向けられる。加工物２１０は、加工物を２つの軸に移動させるように操作でき、効果的にＧＣＩＢ２０２に対して加工物２１０をスキャンするＸ−Ｙ位置決定テーブル２０４上に保持される。加工物２１０の表面の突出した衝撃領域２４４において、ＧＣＩＢ２０２は加工物２１０に衝突する。Ｘ−Ｙ移動によって、加工物２１０の表面の各領域が、ＧＣＩＢによる処理のための突出した衝撃領域２４４と一致するようにできるように、テーブル２０４は、ＧＣＩＢ２０２の経路中に、加工物２１０の表面の各部分を位置づけることができる。Ｘ−Ｙコントローラー２１６は、Ｘ−軸およびＹ−軸方向の各々において位置および速度を制御するために電気ケーブル２１８を通じてＸ−Ｙ位置決定テーブル２０４に対して電気シグナルを供給する。Ｘ−Ｙコントローラー２１６は、ケーブル２２６を通じてシステムコントローラー２２８から制御信号を受け取り、該システムコントローラー２２８によって作動できる。Ｘ−Ｙ位置決定テーブル２０４は、突出した衝撃領域２４４内に加工物２１０の異なる領域を位置させるための慣用的Ｘ−Ｙテーブル位置決定技術に従って、連続的運動または段階的運動によって移動する。好ましい配置において、Ｘ−Ｙ位置決定テーブル２０４は、プログラム可能な速度にて、ＧＣＩＢ２０２によるＧＣＩＢ処理のための突出した衝撃領域２４４を介して加工物２１０のいずれかの部分をスキャンするシステムコントローラー２２８によってプログラム可能に作動できる。位置決定テーブル２０４の加工物保持表面２６０は導電性であり、電気的リード２１２によって慣用的線量測定プロセッサー２１４に結合される。位置決定テーブル２０４の電気絶縁層２５８は、加工物２１０および加工物保持表面２６０を、位置決定テーブル２０４の他の部分から離す。ＧＣＩＢ２０２ストライキング加工物２１０によって加工物に誘導された電荷は、加工物２１０、加工物保持表面２６０、および電気的リード２１２を通って、測定のために線量測定プロセッサー２１４まで導かれる。線量測定プロセッサー２１４は、ＧＣＩＢ電流を積分して、ＧＣＩＢ処理用量を決定するための積分手段を有する。ある場合には、電子（時々、電子フラッドという）の標的―中和源（示されていない）を用いるのが望ましいことが認識される。そのような場合、ファラデーカップ（やはり示さず）を用いて、付加された電荷源にかかわらず、正確な線量測定を保証することができる。ビームゲート２２０はＧＣＩＢ２０２の経路中に設けられる。ビームゲート２２２は開いた状態および閉じた状態を有する。制御ケーブル２２４は線量測定プロセッサー２１４からの制御シグナルをビームゲート２２２まで導き、該制御は、加工物２１０のＧＣＩＢ処理を可能とするまたは不能とするためにその開いたまたは閉じた状態のいずれかにビームゲート２２２を制御可能にスイッチングするシグナルを出す。処理チャンバー１０８は、各々、２つの光学ウィンドウ２３０および２３２を有する。さらなる伝達オプティックス２３６をも有することができる光学伝達トランスデューサー２３４およびさらなる受領オプティックス２４０をも有することができる光学受領トランスデューサー２３８は、慣用的光学装備系を形成する。光学装備系の伝達トランスデューサー２３４は、電気ケーブル２４６を通じてシステムコントローラーから制御電気シグナルを受け取り、それに応答し、光学装備系の受領トランスデューサー２３３は、電気ケーブル２４２を通じて測定シグナルをシステムコントローラーに送る。
【００３２】
光学装備系は、ＧＣＩＢ処理の進行を測定するための種々の異なる装備のいずれかを含むことができる。例えば、光学装備系は、図３のマップを作成するのに用いられるものと同様な、加工物の上方膜層（好ましくは、ＳＯＩ）の厚みを測定するかマッピングするための分光偏光解析法系を構成することができる。もう１つの例として、光学装備系は、米国特許第３，９２２，０９３号においてＤａｎｄｌｉｋｅｒらによって使用されたものと同様の測定技術を用い、加工物表面の平滑性を測定またはマッピングするためのスキャタロメーターを含むことができる。システムコントローラー２２８の制御下にて、かつＸ−Ｙ位置決定テーブル２０４と組み合わせて操作することによって、光学装備は加工物の１以上の特徴をマップすることができる。本発明のＧＣＩＢ処理装置は、不活性源ガス１１２、アルゴン等を含有する慣用的源ガスシリンダー１１１を有する。それは、例えば、限定されるものではないが、酸素、窒素、二酸化炭素、一酸化窒素、亜酸化窒素、もう１つの酸素−含有凝縮性ガス、または六フッ化硫黄であり得る反応性ガス２５２を含有するための第２のガスシリンダー２５０を有する。２つのシャットオフバルブ２４６および２４８は、ＧＣＩＢ処理用に源ガス１１２または源ガス２５２いずれかを選択するためにシステムコントローラー２２８によって電気ケーブル２５４を通じて伝達されるシグナルによって作動可能である。モノマーまたはモノマーおよび軽いクラスターイオンをＧＣＩＢから排除するために、ビームフィルター２５６を設ける。ビームフィルターは、例えば、米国特許第５，１８５，２７２号または米国特許第４，７３７，６３７号に記載された慣用的技術を用いる。
【００３３】
線量測定プロセッサー２１４は、当該分野で知られており、その制御システムの１部として、プログラム可能なコンピューターシステムの全てまたは１部を含むことができる多くの慣用的用量制御回路のうちの１つであり得ることが認識される。Ｘ−Ｙコントローラー２１６は、その論理の１部として、プログラム可能なコンピューターシステムの全てまたは１部を含むことができる。線量測定プロセッサー２１６は、その論理の１部として、プログラム可能なコンピューターシステムの全てまたは１部を含むことができる。Ｘ−Ｙコントローラー２１６および線量測定プロセッサー２１６の論理のいくつかまたは全ては、システムコントローラー２２８を含めたＧＣＩＢ処理装置の他の部分をも制御する小さな汎用目的コンピューターによって行うことができる。操作において、線量測定プロセッサー２１４は、ビームゲート２２２の開口に信号を送って、加工物にＧＣＩＢ２０２を照射する。線量測定プロセッサー２１４は、加工物２１０によって集められたＧＣＩＢ電流Ｉｂを測定して、加工物２１０によって受領された蓄積用量ｄを計算する。加工物２１０によって受領された用量ｄが所定の必要な用量に達すれば、用量プロセッサーはビームゲートを閉じ、加工物２１０の処理は完了する。加工物２１０の処理の間に、用量速度は、電気ケーブル２２０上の電気シグナルによって、線量測定プロセッサー２１４によりシステムコントローラー２２８に連絡されて、ＧＣＩＢビームフラックスが実質的に一定であることを確認する。Ｘ−Ｙコントローラー２１６は、電気ケーブル２２６を超えて伝達されるシステムコントローラー２２８からのシグナルに応答する。Ｘ−Ｙコントローラー２１６はＸ−Ｙ位置決定ケーブルをスキャンして、所望の厚みをエッチングにより除去して、均一な厚みの膜を供するのに適したビームドエル時間をもたらす所定の速度に従って、処理のために加工物２１０の各部分を位置付ける。
【００３４】
別の方法として、ビームは、固定されたパターンにて、表面を横切る一定速度でスキャンされるが、ＧＣＩＢ強度は変調され（しばしば、Ｚ−軸変調という）、それにより、意図的に不均一な用量を試料に送達する。ＧＣＩＢ強度は、例えば、限定されるものではないが、ＧＣＩＢ源供給ガス流を変化させることにより；フィラメント電圧Ｖ_Ｆを変化させるか、または陽極電圧Ｖ_Ａを変化させることによりイオナイザーを変調することによって；レンズ電圧Ｖ_Ｌ１および／またはＶ_Ｌ２を変化させることによりレンズ焦点を変調させることにより；または可変ビームブロック、調整可能なシャッターまたは可変開口によってビームの一部を機械的にブロックすることによって、これらを含めたいずれかまたは種々の方法によって変調することができる。変調変化は連続的アナログ変化または時間変調スイッチングまたはゲーティングであり得る。図５Ａは、例えば、理想的なＳＯＩウエハー３００の断面図の模式図を示す。基材３０２はシリコン等であり、二酸化ケイ素等である埋め込まれた絶縁体層３０４を有する。シリコン等の薄い頂部膜３０６は均一な厚みであり、拡大図３１０に示したように平滑な表面３０８を有する。図５Ｂは、一般的な欠陥の形態を有する典型的な製造の先行技術ＳＯＩウエハーの模式図を示す。基材３５２は均一な埋め込まれた絶縁体層３５４を有するが、薄い頂部膜３５６は均一な厚みではない。表面３５８は拡大図３６０に示すごとく粗い。図５Ｃは、もう１つの一般的な欠陥の形態を有する典型的な製造の先行技術ＳＯＩウエハーの模式図を示す。基材４０２は厚みが均一な埋め込まれた絶縁体層４０４を有するが、一定深さではない。結果として薄い頂部膜４０６は均一な厚みではなく、頂部表面を平面化し、研磨する慣用的技術によってそうはできない。表面４０８は拡大図４１０に示すごとく粗い。図５Ｄは、一般的な欠陥の形態両方を有する典型的な製造の先行技術ＳＯＩウエハー４５０の模式図を示す。基材４５２は、厚みは均一であるが、一定の深さのものではない埋め込まれた絶縁体層４５４を有する。頂部膜４５６は、平坦ではない頂部表面４５８を有し、その結果、薄い頂部膜４５６は均一な厚みではなく、頂部表面を平面化し、研磨する慣用的な技術によってそうはできない。表面４５８は拡大図４６０に示すごとく粗い。図５Ｅは、図５Ｃまたは５Ｄに示されたタイプの欠陥付きで製造されたＳＯＩウエハー５００の模式図を示す。本発明の方法による処理の後、結果は、埋め込まれた絶縁体層５０４を有する基材５０２および均一な厚みである薄い頂部膜５０６であり、拡大図５１０に示したように平滑な表面５０８を有する。図５Ｂに示したタイプの欠陥付きで製造されたＳＯＩウエハーでは、本発明の方法による処理の結果、図５Ａに示した理想的な特徴に近づくＳＯＩウエハーができる。５Ａまたは５Ｅに示した特徴を有するＳＯＩウエハーは、上側膜の均一性および埋め込まれた絶縁体膜の均一性のため、集積回路または半導体デバイスを製造するのに共に理想的である。さらに、前述した本発明の方法の使用はＳＯＩウエハーに限定されず、同様の粗さおよびフィルム厚みの問題を有する他のタイプの加工物の平滑化および／または洗浄で用いることができるのは理解されるべきである。
【００３５】
図６は、本発明のこの方法の第１の具体例を実施するための工程を示すフローチャート５５０であり、ここに、頂部膜の不均一性の測定およびマッピングはｅｘ　ｓｉｔｕで測定される。工程５５２はプロセスの出発を表す。工程５５４において、頂部膜の初期平均厚みを測定し、頂部膜の初期厚みの変動はウエハー上の位置の関数として測定される。すでに述べたように、種々の慣用的装備技術は、限定されるものではないが、分光偏光解析法を含めたそのような測定をすることができる。工程５５６において、初期厚みおよび厚みの変動のマップを解析し、処理スキャンプログラムを計算して、頂部膜層の厚みの均一性を改良するＧＣＩＢエッチング処理がもたらされる。残りの膜を所望の最終厚みとするのに必要ないずれかのさらなる厚み減少も決定される。スキャンプログラムおよびさらなる薄化のパラメーターはＧＣＩＢ処理システムコントローラーに貯蔵される。工程５５８において、処理すべき（好ましくは、ＳＯＩウエハーである）加工物をＧＣＩＢ処理装置（処理システム）に負荷する。工程５６０において、工程５５６で計算された処理スキャンプログラムを実行する。それは、典型的には、速いエッチングおよび中程度の平滑化（Ｒａ〜数Åまで）のためのエネルギー的（２０−５０ｋｅＶ）ＧＣＩＢでもってなされる。もし、頂部膜の所望の最終厚みを生じさせる必要があれば、工程５６２において、プロセスを工程５６６に進める。もし所望の最終厚みを生じさせるのにさらなるエッチングが必要であれば、さらなるエッチングを工程５６４で行う。工程５６６において、ＧＣＩＢエネルギーを低エネルギー（好ましくは、１−１０ｋｅＶ）まで低下させ、最終平滑化プロセスを行う。低エネルギーでのさらなる用量は、無視できるさらなるエッチングで〜１Å以下までＲａの値を低下させる。最終平滑化プロセスの後に、工程５６８において、処理された基材をＧＣＩＢ処理装置から除去する。工程５７０において、本発明の方法の最初の具体例の方法を行う。
【００３６】
図７は、本発明の方法の第２の具体例を実行するための工程を示すフローチャート６００であり、ここで、頂部膜の不均一性の測定およびマッピングをｉｎ　ｓｉｔｕで測定する。工程６０２はプロセスのスタートを表す。工程６０４において、処理すべき（好ましくはＳＯＩウエハーである）加工物をＧＣＩＢ処理装置（処理システム）にかける。工程６０６において、例えば、限定されるものではないが、例えば分光偏光解析法システムであり得る、本発明の装置のｉｎ　ｓｉｔｕ光学装備系を用い、頂部フィルムの初期厚みの変動をウエハー上の位置の関数として測定する。工程６０８において、厚み変動マップを解析し、処理スキャンプログラムを計算して、頂部膜層の厚みの均一性を改良するＧＣＩＢエッチング処理がもたらされる。スキャンプログラムおよびさらなる薄化のパラメーターはＧＣＩＢ処理システムコントローラーに貯蔵する。工程６１０において、工程６０８で計算した処理スキャンプログラムを実行する。これは、典型的には、速いエッチングおよび中程度の平滑化（Ｒａ〜数Åまで）のためのエネルギー的（２０−５０ｋｅＶ）ＧＣＩＢでなされる。工程６１２において、ウエハー上の位置の関数としての、頂部膜の残存平均厚みおよび頂部膜の残存厚み変動を測定する。工程６１４において、残存厚み均一性を均一性の所望のレベルと比較する。もし満足できなければ、プロセスを工程６０８に繰り返す。もし残存厚み均一性が満足されれば、残存平均厚み測定を工程６１６でテストする。もし残存平均厚みが満足されれば、頂部膜の所望の最終厚みを生じさせるのにさらなるエッチングは必要でなく、プロセスを工程６２０において継続する。もし残存平均厚みが余りにも大きいと、工程６１８においてさらに均一にスキャンされたエッチングを行う。これは、典型的には、速いエッチングおよび中程度の平滑化（Ｒａ〜数Åまで）のためのエネルギー的（２０−５０ｋｅＶ）ＧＣＩＢでもってなされる。工程６２０において、ＧＣＩＢエネルギーは低エネルギー（好ましくは１−１０ｋｅＶ）まで低下させ、最終平滑化プロセスを行う。低エネルギーにおけるさらなる用量は、無視できるさらなるエッチングでＲａの値を〜１Å以下まで低下させる。最終平滑化プロセスの後、工程６２２において、処理した基材をＧＣＩＢ処理装置から取り出す。工程６２４において、本発明の方法の第２の具体例の方法を行う。
【００３７】
本発明の方法の第３の具体例は、不活性ＧＣＩＢ（例えば、アルゴン）および反応性ＧＣＩＢ（例えば、酸素）処理を交互に行い、薄膜処理で有用な処理を行う。ＳＯＩを処理する場合、交互ガスビームを用いるための例示的理由は：（１）酸素ビーム下では、シリコン表面がＳｉＯ_２またはＳｉＯＸの表面膜に変換されること（例えば、ゲッタリングのため）、および（２）引き続いてのアルゴンビーム下では、表面は、オングストローム−レベルの汚染除去、エッチングおよび平滑化を経験し、かくして、表面の平滑化および精製を一緒に供することである。この方法の反応性処理部分では、窒素または他の反応性ガスを用いることもできる。本発明のこの第３の具体例は、シリコンの外側表面を持つＳＯＩまたは他のウエハー、またはその上にＧＣＩＢ反応によって表面膜を成長させることができるいずれかの材料で利用することができる。この具体例はＧＣＩＢ処理の２工程メカニズムを容易とする：（Ａ）酸素クラスターの作用によって、シリコン表面を化学的にＳｉＯ_２などに変換して、酸化物膜を生じさせ、（Ｂ）次いで、アルゴンクラスターによってこの酸化物膜をエッチングし、完全に除去することができる。この具体例に対する有用な変形は、窒素ＧＣＩＢおよびアルゴンＧＣＩＢの使用を組み合わせる。この変形において、窒素クラスターは表面シリコンを窒化ケイ素化合物に変換し、その際、アルゴンクラスターは装置によって供されて、引き続いて、窒化ケイ素膜をエッチングする。
【００３８】
図８は、本発明の方法の第３の具体例を実施するための工程を示すフローチャート６５０であり、ここで、表面平滑化および表面洗浄を共に行う。ＧＣＩＢプロセスを用いて、（金属種のような）汚染を表面から除去し、同時に表面平滑性を改良する。工程６５２はプロセスの開始を表す。工程６５４において、図４に先に示した本発明のＧＣＩＢ処理装置におけるような、処理すべき（好ましくは、ＳＯＩウエハーである）加工物を、選択可能な不活性または反応性源ガスを有するＧＣＩＢ処理装置（処理システム）にかける。工程６５６において、反応性ガス含有ＧＣＩＢでの処理のためにＧＣＩＢ処理条件を確立して、ビーム中の反応性成分をシリコン頂部膜の表面と反応させる。源ガスは酸素、窒素、二酸化炭素、またはもう一つの酸素または窒素含有凝縮性源ガスまたは他の反応性凝縮性源ガスであり得る。工程６５８において、頂部膜の表面を反応性ＧＣＩＢで処理し、頂部膜の表面での酸化物または窒化物または他の反応性生成物の犠牲膜の成長を引き起こす。犠牲膜は、引き続いての除去のために、加工物の表面に存在し得る表面不純物を取り除くかまたは捕獲し、それを固定化する。工程６６０において、反応性ガス流を不活性ガス流、例えばアルゴンで置き換え、不活性ガスよりなるＧＣＩＢでの処理のためにビーム条件が確立される。工程６６２において、基材の頂部フィルムを不活性ＧＣＩＢで処理し、工程６５８ですでに形成された犠牲膜をエッチングにより除去し、頂部膜の表面を平滑化する。工程６６４において、もし所望の数の反復が完了すれば、測定を行い、もしそうでなければ、プロセスを工程６５６から反復する。所望の数の反復が完了すれば、工程６６６において、処理された基材をＧＣＩＢ処理装置から取り除く。工程６６８において、処理は完了する。
【００３９】
反応性および不活性ＧＣＩＢ処理を反復して交互に行うことの代替法として、図８の工程６５６ないし６６４におけるように、不活性および反応性ガスの所定の混合物を含有するＧＣＩＢを用いて、表面汚染物と連続的かつ同時に反応させ、それらをエッチングにより除去することができる。図９は、本発明の処理方法の第４の具体例のフローチャート７５０であり、ここに、表面平滑化および表面洗浄は、共に、組み合わせた不活性および反応性成分を持つＧＣＩＢでの処理によって行われる。工程７５２はプロセスの開始を表す。工程７５４において、図４にすでに示した本発明のＧＣＩＢ処理装置におけるごとく、処理すべき（好ましくは、ＳＯＩ基材である）加工物を、不活性および反応性源ガス双方を有するＧＣＩＢ処理装置（処理システム）にかける。工程７５６において、不活性および反応性ガス含有ＧＣＩＢでの処理のためにＧＣＩＢ処理条件が確立される。図４を参照すると、シャットオフバルブ２４６および２４８の双方が開かれ、シリンダー１１１からの不活性ガス１１２およびシリンダー２５０からの反応性ガス２５２の混合物を、混合されたＧＣＩＢ２０２の生産のための源ノズル１１０に導く。別法として、不活性および反応性ガスの予め混合した混合物を単一シリンダー中に設け、単一シャットオフバルブを通して源ノズルに導くことができる。反応性源ガスは酸素、窒素、二酸化炭素、またはもう１つの酸素または窒素含有凝縮性源ガスまたは他の反応性凝縮性源ガスであり得る。不活性ガスは例えばアルゴンであり得る。図９を再度参照すると、工程７５８において、処理物（好ましくは、ＳＯＩ基材）を混合された不活性／反応性ＧＣＩＢで処理して、表面を平滑化しつつ、表面汚染物と連続的かつ同時に反応させ、それらをエッチングにより除去する。処理が完了すれば、工程７６０において、処理された処理物をＧＣＩＢ処理装置から取り出す。工程７６２において、本発明の方法の第４の具体例のプロセスがなされる。
【００４０】
また、本発明のもう一つの代替法は基材の表面を低圧反応性雰囲気に曝しつつ、基材を不活性ＧＣＩＢで処理することであると認識される。
【００４１】
図１０は、不活性ＧＣＩＢ処理の間に、加工物２１０を反応性ガス雰囲気に曝すための手段を有する本発明のＧＣＩＢ処理装置７００の模式図である。シリンダー７０４は、例えば、反応性ガス７０２、酸素、窒素、水蒸気または酸素または窒素含有ガスを含む。ガス送達チューブ７０６および計量バルブ７０８は、反応性ガスを、ノズル７１０を通って加工物表面の近くまで送達する。不活性ＧＣＩＢ２０２が加工物表面を洗浄しエッチングするにつれて、新たに露出された表面は低圧反応性ガス雰囲気と容易に反応し、表面不純物と反応して、それがエッチングされ平滑化されつつ、表面を取り除く。かくして、表面の洗浄および精製を、不活性ＧＣＩＢエッチングおよび／または平滑化で同時に行う。
【００４２】
本発明の装置ｉｎ　ｓｉｔｕ光学装備系、例えば、これに限定されるものでもないが、分光偏光解析法システムを用い、頂部膜の初期厚みの変動をウエハーの位置の関数として測定する。図７に戻りそれを参照すると、工程６０８において、厚み変動マップを解析し、処理スキャンプログラムを計算して、頂部膜層の厚みの均一性を改良するＧＣＩＢエッチング処理が得られる。スキャンプログラムおよび更なる薄化のパラメーターをＧＣＩＢ処理システムコントローラーに貯蔵する。工程６１０において、工程６０８で計算した処理スキャンプログラムを実行する。これは、典型的には、速いエッチングおよび中程度の平滑化（Ｒａ〜数Åまで）のためのエネルギー的（２０−５０ｋｅＶ）ＧＣＩＢでなされる。工程６１２において、ウエハー上の位置の関数としての、頂部膜の残存平均厚みおよび頂部膜の残存厚み変動を測定する。工程６１４において、残存厚みの均一性を所望のレベルの均一性と比較する。もし満足できなければ、処理を工程６０８まで反復する。もし、残存厚みの均一性が満足できれば、残存平均厚み測定を工程６１６でテストする。もし残存平均厚みが満足できれば、所望の最終厚みの頂部膜を生じさせるのに更なるエッチングは必要ではなく、工程６２０において処理を継続する。もし残存平均厚みが余りにも大きければ、更に均一にスキャンされたエッチングを工程６１８で行う。これは、典型的には、速いエッチングおよび中程度の平滑化（Ｒａ〜数Åまで）のためのエネルギー的（２０−５０ｋｅＶ）ＧＣＩＢで行う。工程６２０において、ＧＣＩＢエネルギーを低エネルギー（好ましくは、１−１０ｋｅＶ）まで低下させ、最終平滑化プロセスを行う。低エネルギーにおける更なる用量は、無視できる更なるエッチングでＲａの値を〜１Å以下まで低下させる。最終平滑化プロセスの後、工程６２２において、処理された基材をＧＣＩＢ処理装置から取り出す。工程６２４において、本発明の方法の第２の具体例の方法を行う。
【００４３】
種々の具体例に関して本発明を記載してきたが、本発明の精神および範囲内で本発明は広く種々な更に他の具体例を成すことができることは認識されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、先行技術のＧＣＩＢ処理システムの基本的エレメントを示す模式図である。
【図２Ａ】図２Ａは、製造されたＳＩＭＯＸタイプＳＯＩのファセッティングおよび表面粗さを示す先行技術の原子間力顕微鏡イメージを示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、製造されたＳＩＭＯＸタイプＳＯＩの平均粗さ（Ｒａ）根平均二乗粗さ（Ｒｒｍｓ）および３σ範囲を示す原子間力顕微鏡イメージの振幅値の先行技術ヒストグラムを示す。
【図２Ｃ】図２Ｃは、先行技術ＧＣＩＢ処理（図２Ａと同一スケール）後におけるＳＩＭＯＸ　ＳＯＩ表面での粗さの低下（図２Ａと同一）を示す先行技術原子間力顕微鏡イメージである。
【図２Ｄ】図２Ｄは、先行技術ＧＣＩＢ処理後における（図２Ｂにおけるような）ＳＩＭＯＸ　ＳＯＩ表面でのＲａ、Ｒｒｍｓおよび３σ範囲粗さの低下を示す原子間力顕微鏡で測定された振幅値の先行技術ヒストグラムである。
【図３】図３は、ＳＩＭＯＸ　ＳＯＩウエハーの先行技術分光偏光解析法膜−厚みマップを示す。
【図４】図４は、ＳＯＩウエハーについてのｉｎ　ｓｉｔｕプロセスモニター能力を持つ本発明のＧＣＩＢ装置の模式図である。
【図５Ａ】図５Ａは、最適平滑性を有する理想的ＳＯＩウエハーの模式図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、粗い不均一な表面層を有する先行技術ＳＯＩウエハーの模式図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、不均一な深さの埋め込まれた層を有する先行技術ＳＯＩウエハーの模式図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、不均一な深さの埋め込まれた層及び粗く不均一な表面層を有する先行技術ＳＯＩの模式図である。
【図５Ｅ】図５Ｅは、本発明の使用に由来する平滑で均一な表面層を有する改良されたＳＯＩウエハーの模式図である。
【図６】図６は、本発明の方法の具体例による、ＳＯＩのＧＣＩＢ処理のモニターおよび制御のための一連の動作を示すフローチャートである。
【図７】図７は、本発明の方法の第２の具体例による、ＳＯＩのＧＣＩＢ処理のモニターおよび制御についての一連の動作を示すフローチャートである。
【図８】図８は、本発明の方法の第３の具体例による、ＳＯＩの複数ガスＧＣＩＢ処理についての一連の動作を示すフローチャートである。
【図９】図９は、本発明の方法の第４の具体例による、ＳＯＩのＧＣＩＢ処理のモニター及び制御のための一連の動作を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、ＳＯＩウエハーを処理するための、雰囲気ガス制御能力を持つ本発明のＧＣＩＢ装置の模式図である。

Claims (37)

1. 真空エンクロージャー；
   ＧＣＩＢを生産するための真空エンクロージャー内に位置するＧＣＩＢ源、該ＧＣＩＢはビーム経路、ビーム強度および制御可能なビームエネルギーを有し；
   処理するためのＧＣＩＢの経路中に加工物を配するための手段；
   加工物およびＧＣＩＢの間の相対的な運動を制御可能に生じさせて、ＧＣＩＢで加工物の表面をスキャンするための手段；
   加工物の不均一性のデータマップを貯蔵するための手段；および
   加工物の表面の処理量を変調して表面を修飾するための、不均一性の貯蔵されたデータマップに応答する手段；
   を含むことを特徴とする、その表面に最初は不均一な薄膜を有する加工物のＧＣＩＢ処理のための装置。
2. 加工物の不均一性が薄膜の厚さ、表面粗さまたは表面汚染である請求項１記載の装置。
3. 表面修飾が不均一性を低下させる請求項１記載の装置。
4. 表面修飾が、加工物の表面に、領域間の意図した変動を特異的に生じさせる請求項１記載の装置。
5. ＧＣＩＢがイオン化されたクラスターを含み、該イオン化されたクラスターがヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、窒素、酸素、二酸化炭素、六フッ化硫黄、一酸化窒素、亜酸化窒素およびそのいずれかの組合せよりなる群から選択される請求項１記載の装置。
6. イオン化されたクラスターがアルゴンであり、クラスターサイズが約１００ないし約１０，０００原子であって、イオン化されたクラスターが約５ｋＶないし約５０ｋＶの電位を通じて加速される請求項５記載の装置。
7. ＧＣＩＢが加工物に対して移動されて、ＧＣＩＢで加工物の表面をスキャンする請求項１記載の装置。
8. 加工物がＧＣＩＢに対して機械的に移動され、ＧＣＩＢで加工物の表面をスキャンする請求項１記載の装置。
9. 加工物およびＧＣＩＢの間の相対的運動が、加工物の表面の処理量を変調するように変化させる請求項１記載の装置。
10. 相対的運動における変動が、経時的に不均一性を変化させ、表面を横切るビーム／スキャン速度を変調させる駆動電圧が供給されるビーム／スキャン偏向プレートによって達成される請求項９記載の装置。
11. 加工物およびＧＣＩＢの間の相対的運動が均一であって、ＧＣＩＢの強度を変化させて、加工物の表面の処理量を変調させる請求項１記載の装置。
12. 加工物が、不均一なシリコン薄膜の厚みを有する絶縁体上シリコンの半導体ウエハーである請求項１記載の装置。
13. 加工物が、単結晶シリコンウエハー上に形成された二酸化ケイ素薄膜上に製造された単結晶シリコンよりなり、いくつかの手段のいずれかによる該製造が酸化物およびシリコン膜の蒸着、単結晶シリコンウエハーへの酸素のインプランテーションによる形成、２つの単結晶シリコンウエハーの結合、続いてのそれらのウエハーの内の１つのほとんど全てのエッチングバック、または単結晶シリコンウエハーへの水素のインプランテーション、続いてのこのウエハーのもう１つの単結晶シリコンウエハーへの結合、続いての水素がインプラントされた層における過剰シリコンの層剥離を含む請求項１２記載の装置。
14. プロセス変調が、ＧＣＩＢ源供給ガス流を変化させることによって、フィラメント電圧Ｖ_Ｆを変化させることによるか、または陽極電圧Ｖ_Ａを変化させることによってイオナイザーを変調することによって、レンズ電圧Ｖ_Ｌ１および／またはＶ_Ｌ２を変化させることによってレンズ焦点を変調することによって、可変ビームブロック、調整可能なシャッター、もしくは可変開口またはそのいずれかの組合せによってビームの一部を機械的にブロックすることによって行われる請求項１記載の装置。
15. さらに、加工物の不均一性を測定しマッピングするための手段を含む請求項１記載の装置。
16. 測定手段が、光線、Ｘ線または電子を用いる反射散乱、回折、分光学、または偏光検出を利用する請求項１５記載の装置。
17. 測定手段がスペクトル偏光解析法技術を利用する請求項１５記載の装置。
18. 測定手段がスキャタロメトリー技術を利用する請求項１５記載の装置。
19. 測定手段が真空エンクロージャーの外にあり、真空エンクロージャー中の透明ポートを通じて測定を行う請求項１５記載の装置。
20. さらに、反応のために加工物表面近くに反応性ガスを導入するための手段を含む請求項１記載の装置。
21. 反応性ガスが酸素、窒素、水蒸気、酸素担持ガス、または窒素担持ガスである請求項２０記載の装置。
22. ａ．測定技術によって加工物の不均一性をマッピングし；
    ｂ．ＧＣＩＢを加工物の表面に向け；次いで、
    ｃ．マッピング情報に従って、加工物の表面のＧＣＩＢ処理を変調する；
    ことを特徴とする、ＧＣＩＢ処理によって不均一性を有する加工物の表面を修飾する方法。
23. 加工物の不均一性が薄膜の厚さ、表面粗さ、または表面汚染である請求項２２記載の方法。
24. 表面修飾が不均一性を低下させる請求項２２記載の方法。
25. 表面修飾が、加工物の表面に領域間の意図した変動を特異的に生じさせる請求項２２記載の方法。
26. ＧＣＩＢがイオン化されたクラスターを含み、該イオン化されたクラスターがヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、窒素、酸素、二酸化炭素、六フッ化硫黄、一酸化窒素、亜酸化窒素およびそのいずれかの組合せよりなる群から選択される請求項２２記載の方法。
27. イオン化されたクラスターがアルゴンであり、クラスターのサイズが約１００ないし約１０，０００原子であって、イオン化されたクラスターが約５ｋＶないし約５０ｋＶの電位を通じて加速される請求項２６記載の方法。
28. プロセス変調が、加工物の表面を横切るビーム／スキャン速度またはＧＣＩＢ強度を変化させることによって達成される請求項２２記載の方法。
29. プロセス変調が、時間変化供給ガスフラックス、ゲートイオナイザー、プロセス面積の静電偏向、変調されたイオン−レンズ焦点、物理的ビームブロックおよび位置作動によって変調された開口、またはそのいずれかの組合せによってなされる請求項２２記載の方法。
30. 加工物が、不均一なシリコン薄膜の厚みを有する絶縁体上シリコン半導体ウエハーである請求項２２記載の方法。
31. 測定技術が、光線、Ｘ線または電子を用いる反射散乱、回折、分光学または偏光検出を利用する請求項２２記載の方法。
32. 測定技術がスペクトル偏光解析法技術を利用する請求項２２記載の方法。
33. 測定技術がスキャタロメトリー技術を利用する請求項２２記載の方法。
34. マッピング工程がＧＣＩＢ装置内で行われる請求項２２記載の方法。
35. さらに、工程ａおよびｃを反復することを含む請求項３４記載の方法。
36. さらに、反応のために加工物の表面近くに反応性ガスを導入することを含む請求項２２記載の方法。
37. 反応性ガスが酸素、窒素、水蒸気、酸素担持ガスまたは窒素担持ガスである請求項３６記載の方法。

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