JP2007266022A - プラズマ発生装置、これを用いたプラズマ処理装置および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】一つのイオン源を用いて、分子イオンも、原子イオンも効率よく発生させることのできるプラズマ発生装置を提供する。
【解決手段】プラズマ源のプラズマ室を形成する壁の１部もしくは全部に冷媒を通すチャネルと加熱するためのヒータとを設け、またはプラズマ室近傍にプラズマ室に密着もしくは近接できる温度コントロールプレートを設けることによってｉｎ ｓｉｔｕでプラズマ室内のガスの温度を調整し、プラズマ源を取出さずに分子や原子などの異なるイオン種を高い効率で生成する。
【選択図】図１

Description

本発明はプラズマ発生装置、これを用いたプラズマ処理装置および電子機器に係り、特に物質をイオン化した後運動エネルギを与えてこれを利用するもので、特にイオン注入やプラズマドーピング、プラズマ表面処理などの表面処理における温度制御に関する。

プラズマを発生させるプラズマ源もしくはイオン源は、プラズマプロセス装置やイオン注入装置等、様々な産業、研究分野で多様な用途に用いられている。プラズマ源に求められる性能はそれらの用途によって大きく異なり、例えば高エネルギのイオン注入の場合には高い効率で原子イオンを生成することが求められ、また表面改質（塗膜やエッチングを含む）などでは分子イオンの生成を求められることが多い。
図８はイオン注入機用のマイクロ波プラズマ源の主要部分の断面構造図である。プラズマ室１００に接続された導波管１１０に高周波１２０が導入され、プラズマ室１００に導かれる。このエネルギはソレノイドコイル１３０で損失の無いように制御され、プラズマ室１００内でプラズマが発生する。これを外部に引き出して、イオンビーム１４０を得る事ができる。

プラズマ源には直流放電を用いるタイプから高周波励起を用いるタイプを含めて多くの種類が存在するが、一般にそれぞれのタイプが発生させられるプラズマの性質には特徴的な違いがあり、このため例えば原子イオンの発生に適したプラズマ源では分子イオンを効率よく発生させることは困難であった。

例えば、マイクロ波やＩＣＰＲＦなどを使用した高周波イオン源によるプラズマ生成では、電子のみを励起する傾向が高いため、ガス温度が比較的低く保たれることから分子イオンの発生が多く、原子イオンの生成に適さなかった。又、直流放電イオン源など高温フィラメントを使用するイオン源では通常熱電子を発生させる陰極から熱の放出を伴うためにプラズマ室内のガス温度が高くなり、ＢＦ_２ ^＋やＢ_１０Ｈ_１４ ^＋等の分子イオンは容易に分解されて原子イオンが優勢に発生する傾向があった。

つまり、一つのイオン源を用いて、例えば、分子イオンも、原子イオンも大量に発生させる事。例えば原子イオンの発生に適したプラズマ源では分子イオンを効率よく発生させることは困難であった。従って、従来の技術では、使用目的に合わせて異なるプラズマ源を選択する方法を取らざるを得ず、少なくとも２種類のイオン源を保有もしくは使用せざるを得なかった。
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、一つのイオン源を用いて、分子イオンも、原子イオンも効率よく発生させることのできるプラズマ発生装置を提供することを目的とする。

本発明はイオン源をもつプラズマ室もしくはその近傍に温度調節機能を具備する。即ち、プラズマ源のプラズマ室を形成する壁の１部もしくは全部に冷媒を通すチャネルと加熱するためのヒータとを設け、またはプラズマ室近傍にプラズマ室に密着もしくは近接できる温度コントロールプレートを設けることによってｉｎ ｓｉｔｕでプラズマ室内のガスの温度を変えられるようにし、プラズマ源を取出さずに異なるイオン種を高い効率で生成する方法を提供する。これによって各種プラズマ源の単一構造での性能範囲を大きく拡大する事が可能になる。本発明は、従来の特定用途プラズマ源を高性能汎用プラズマ源に改良する技術を提供するものである。

本発明のプラズマ発生装置は、プラズマ発生室と、前記プラズマ発生室内で電子プラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記プラズマ生成手段で生成されるプラズマの温度を調整する温度調整手段を具備したことを特徴とする。

本発明のプラズマ発生装置は、前記温度調整手段は前記プラズマ発生室に設けられたことを特徴とする。

本発明のプラズマ発生装置は、前記温度調整手段は前記プラズマ発生室の壁部に設けられたことを特徴とする。

本発明のプラズマ発生装置は、前記温度調整手段は前記プラズマ発生室を囲むように配設された温度調整ブロックである。

本発明のプラズマ発生装置は、前記温度調整ブロックは、前記プラズマ発生室との間隔が調整可能である。

本発明のプラズマ発生装置は、前記温度調整手段は前記プラズマ生成手段に設けられたことを特徴とする。

本発明のプラズマ発生装置は、前記温度調整手段が前記プラズマ生成手段を構成するフィラメントに設けられたものを含む。

本発のプラズマ発生装置は、前記温度調整手段が、供給電流を調整するように構成されたものを含む。

本発明のプラズマ発生装置は、前記温度調整手段は、熱媒体としての流体の流量を調整可能であるものを含む。

本発明のプラズマ発生装置は、前記温度調整手段は、熱媒体としての流体の熱伝導率を調整可能であるものを含む。

本発明のプラズマ発生装置は、前記温度調整手段は、空間的位置によって温度制御可能であるものを含む。

本発明のプラズマ発生装置は、被処理基体に対しプラズマ処理を行うように構成されたものを含む。

本発明の電子デバイスの製造方法は、被処理基体に対しプラズマ処理を行うことにより電子デバイスを形成する工程を含む。

本発明の電子デバイスは、上記プラズマ発生装置を用い、被処理基体に対しプラズマ処理を行うことにより形成される。

また、本発明のプラズマ発生装置は以下のもの含む。
（１）温度調整機能を具備したプラズマ発生装置
（２）物質を被照射対象に導入する機能を持つ機械装置であって、温度調整機能を具備したプラズマ発生装置を内蔵、もしくは結合されている事を特徴とする機械装置
（３）上記プラズマ発生装置であって、プラズマ発生装置の種類が高周波プラズマ発生装置であることを特徴とする、温度制御機能を具備するプラズマ発生装置。
（４）上記プラズマ発生装置であって、温度調節機能をプラズマ室に適用する事を特徴とする、温度制御機能を具備するプラズマ発生装置。
（５）上記プラズマ発生装置であって、電子発生の源になるフィラメントもしくは同等の機能構造の周辺に温度調整機能を具備させた事を特徴とする、温度制御機能を具備するプラズマ発生装置。
（６）上記プラズマ発生装置であって、温度調整機能として、電流量、流体の流量、熱伝導率の制御及び空間的位置関係の制御によって、温度調整を行う事を特徴とする、温度制御機能を具備するプラズマ発生装置。
（７）上記機械装置もしくは、この機械装置のプラズマ発生装置の特徴を持たせた機械装置を使用して作成する事を特徴とする電子デバイスの作成方法。
（８）上記の機械装置もしくは、この機械装置のプラズマ発生装置に上記の特徴を持たせた機械装置を使用して作成された電子デバイス。

（実施の形態１）
以下本発明の実施の形態１における高周波プラズマ発生装置に関して、図１から図４を参照しながら説明する。図１は背景技術の図８から、プラズマ室１００を取り出して、立体構造図として示したものであり、図２はこの構造を３面から断面図で表したものである。
高周波の導波管に接続されたプラズマ室１００は高周波が侵入可能な様に一部もしくは全部がセラミック、電気的絶縁物などで構成されている。このプラズマ室に、プラズマを発生する源になるガスを導入する。もしくは、ガス状態で得にくい物質は固体もしくは液体の状態で導入する（ガスなどの材料導入手段は図面には表現していない）。導入された物質はガスもしくはその他のものはガス化あるいはガスに混入させる形で、プラズマ室に侵入した高周波によってエネルギーを与えられプラズマが発生する。

高周波を利用したプラズマ源の場合、導入したガス分子を壊す事無く、分子レベルの構成から電子を奪って、分子イオンを生成する確率が高い。更にこの確率を高めるためには、プラズマ室１００を冷却し、プラズマと接触する外界即ちプラズマ室の壁の温度を下げると良い事が分かった。

そのために用いた手法は２つある。１つは、プラズマ室にチャネルを穿ち、その経路を利用して、冷媒もしくは熱伝導性の良い流体を流し、冷却する。この場合はプラズマ室を構成する材料も熱伝導性を考慮して良好なものを選択する。即ち、図１においてプラズマ室１００の構成材料に、例えば、冷却管１６０を穿ち、又、別の部分に経路を設けここにヒータ１７０を設置する。この二者は冷却もしくは加熱を行うのは勿論であるが、両者を同時に設置する事も可能で、両者の組み合わせで冷却管１６０に流れる冷媒とヒータ１７０に流れる電流とを温度モニタ装置１８０を介してフィードバック制御することにより、自身の温度を制御する事も可能である。この実施例では主に冷却機能を利用して冷却した。温度測定には温度モニタ機能を有する装置１８０をプラズマ室１００の構成壁内に埋設した。これは接触させても良いし、非接触で例えば赤外線を測定するなどの手法をとっても良い。図２は図１の立体構造図を３面から見た断面構造図に分解したものである。上面図を見ると、プラズマ室の周辺にプラズマ室を構成する壁があり、その内部に冷却管１６０やヒータ１７０、温度モニタ装置１８０が設置されている。

第２の手法を図３及び４を引用しながら説明する。これは、プラズマ室の材質の性格上内部に流路を確保する事が工作上難しいもしくは適さない場合に、プラズマ室に隣接して冷却機構として、温度コントロールプレート２００を持った機能部品を設置して、プラズマ室と機能部品の間の間隙２１０に熱伝導性の良い気体、例えば、Ｈｅを流し、熱を奪い冷却する。温度コントロールプレート２００の中には、先に説明した通り、内部に冷却管１６０やヒータ１７０を設置する。プラズマ室と温度コントロールプレート２００の距離を機械的に変更できるようにしておく事も可能。これによって、熱伝導に関する距離を制御し、所定の壁温度にする事ができる。勿論、プラズマ室１００と温度コントロールプレート２００の間の間隙２１０をゼロにし、完全に接触させる事もできる。図４は図３の立体構造図を１方向から見た断面構造図である。

（実施の形態２）
同じく、図１から４を用いて、温度を上昇させる場合の実施例を説明する。高周波の導波管に接続されたプラズマ室１００は高周波が侵入可能な様に一部もしくは全部がセラミック、電気的絶縁物などで構成されている。このプラズマ室に、プラズマを発生する源になるガスを導入する。もしくは、ガス状態で得にくい物質は固体もしくは液体の状態で導入する（ガスなどの材料導入手段は図面には表現していない）。導入された物質はガスもしくはその他のものはガス化あるいはガスに混入させる形で、プラズマ室に侵入した高周波によってエネルギーを与えられプラズマが発生する。

高周波を利用したプラズマ源の場合、導入したガス分子を壊す事無く、分子レベルの構成から電子を奪って、分子イオンを生成する確率が高い。この本質的な特性を抑制して、原子イオンプラズマを優勢にするためには、プラズマ室１００を加熱し、プラズマと接触する外界即ちプラズマ室の壁の温度を上げると良い事が分かった。

そのために用いた手法は３つある。１つは、プラズマ室にチャネルを穿ち、その経路を利用して、ここにヒータ１７０を設置する。この場合はプラズマ室を構成する材料も熱伝導性を考慮して良好なものを選択する。即ち、図１においてプラズマ室１００の構成材料に、例えば、冷却用管１６０を穿ち、又、別の部分に経路を設け冷媒もしくは熱伝導性の良い流体を流し、冷却する。この二者は加熱もしくは冷却を行うのは勿論であるが、両者を同時に設置する事も可能で、両者の組み合わせで温度制御する事も可能である。この実施例では主に加熱機能を利用して加熱した。温度測定には温度モニタ機能を有する装置１８０をプラズマ室１００の構成壁内に埋設した。これは接触させても良いし、非接触で例えば赤外線を測定するなどの手法をとっても良い。図２は図１の立体構造図を３面から見た断面構造図に分解したものである。上面図を見ると、プラズマ室の周辺にプラズマ室を構成する壁があり、その内部に冷却管１６０やヒータ１７０、温度モニタ装置１８０が設置されている。

第２の手法を図３及び４を引用しながら説明する。これは、プラズマ室の材質の性格上内部に流路を確保する事が工作上難しいもしくは適さない場合に、プラズマ室に隣接して加熱機構として、温度コントロールプレート２００を持った機能部品を設置して、プラズマ室と機能部品の間の間隙２１０に熱伝導性の良い気体、例えば、Ｈｅを流し、熱を伝え加熱する。温度コントロールプレート２００の中には、先に説明した通り、内部にヒータ１７０や冷却管１６０を設置する。プラズマ室と温度コントロールプレート２００の距離を機械的に変更できるようにしておく事も可能。これによって、熱伝導に関する距離を制御し、所定の壁温度にする事ができる。勿論、プラズマ室１００と温度コントロールプレート２００の間の間隙２１０をゼロにし、完全に接触させる事もできる。図４は図３の立体構造図を１方向から見た断面構造図である。
第３は、第２と同様であるが、図４に示したとおり、赤外線ランプ２２０などを保持できる機能部品を設置して、主に輻射熱によって、温度を上昇させる。
これらにより、プラズマ室１００の壁温度が上昇し、高周波プラズマ発生装置であっても、原子イオンプラズマを優勢に発生させる事が可能となる。

（実施の形態３）「フィラメントを冷却」
フィラメントを保有する直流プラズマ発生装置は、半導体のイオン注入機のプラズマ源として広く使用されてきた。主な目的は、原子イオンプラズマを大量に発生させ、これらのイオンを高エネルギに加速して半導体基板に注入する事であった。
本発明によれば、この直流プラズマ発生装置を用いても、比較的大量の分子イオンプラズマを発生させる事ができた。装置の構造概念は既に説明した、実施の形態１と同様であるが、図５を引用して説明する。これは図２で説明した高周波プラズマ源とは異なり、フィラメント２２４を具備する。このフィラメントに電流を流す事によって熱電子を発生させ、プラズマを発生させる。これにより原子イオンプラズマが優勢に発生する。そこで、高周波の場合と同様に、プラズマ室１００の構成壁にチャネルを穿ち、冷却管１６０として機能させ、ここに冷媒などの流体を導入し、冷却する。又直接プラズマ室にチャネルを穿つ事が難しいか、もしくは、適切で無い場合は、実施の形態１で図４を引用しながら説明した様に、冷却管１６０などを具備する温度コントロールプレートを設置すればよい。又、プラズマ室に一部ヘリウムなどの熱伝導性の高いガスを導入する事もプラズマ室冷却に効果がある。

（実施の形態４）
イオン注入機という機械は、既に述べたプラズマ源をイオンの源として、原則的には、エネルギーと物質を分離するための電磁場印加機構を保有する。最終的には目的物、例えば、半導体産業ではシリコン半導体基板に所定のエネルギで必要な物質を注入する目的で構成されている。図６を引用しながら説明すると、イオンの源はプラズマ源２３０であり、ここで発生したイオンを引き出し電極２４０で引き出す。引き出されてイオンビーム１４０が形成される。これを分析する為に、質量分析マグネット２６０を経由し、後段加速減速電極２７０で所定のエネルギに調整され、ウエーハ２８０上に到達する。イオン注入機は真空装置なので、真空ポンプ２９０が数台設置され、イオンの電荷を中和するための、電荷中和装置３００が設置される。

本発明の応用として、典型的にＢ_１０Ｈ_１４を導入した際の例を述べる。この応用は半導体に対する不純物ドーピングの際に、用いる。通常はＢＦ_３やＢ_２Ｈ_６などのガスを用いて、Ｂ^＋やＢＦ_２ ^＋として、ボロンの原子イオンを半導体基板に導入してトランジスタを形成している。この際に使用するイオン注入機は元々が加速器であるから、エネルギが比較的高いところで、効率良く運転できるように設計されてきた。トランジスタの微細化に伴って急速にエネルギを低下させる必要があるが、そうすると、イオン電流量が急速に減少する。ここで、Ｂ_１０Ｈ_１４を利用して、ＢＦ_３やＢ_２Ｈ_６と同等のプラズマ密度が得られれば、等価的に１０倍の電流量が得られ、１０分の１に低下したエネルギでドーピングが可能となる。つまり、工業的に使用できる１ＫＥＶのイオン注入機の電流量が１ＭＡだとすると、等価的に１００ＥＶのエネルギで１０ＭＡでドーピングが可能となる。ところが、プラズマ源におけるもともとの密度が低下しては、本来の目的が達成できなくなる。ここで本発明のプラズマ室に対する工夫を採用し、図６で説明したプラズマ源２３０を本発明で既に説明したプラズマ発生装置に交換すれば同一のイオン注入機の限定されたプラズマ室の大きさで得られるプラズマ密度を効率よく発生させる事ができるので、分子イオンを発生させたとしても、十分に大きな電流量になり、所定の目的を達成する事ができた。ところで、この方法を既に産業界に売却されているイオン注入機に装着させる事ができると、現在の装置の寿命が延命でき、廃棄物の削減などの課題にも一石を投じる発明であると言える。

（実施の形態５）
最近半導体や液晶のトランジスタ微細化に伴い、必要とされるイオンのエネルギは低下し、電流量は増加する傾向にある。そもそもプラズマドーピングはこの要請に応えて開発されたものであるが、更に効率を向上する必要性もある。それは、ウエーハや液晶の基板面積が引き続き増大し、装置自体のコスト増が予想されるからである。原理的に大量のイオン電流を基板に導入する為に設計されたプラズマドーピング装置では、プラズマ源に、高密度プラズマを発生する高周波プラズマ源を用いる事が多い。これを本発明によって、更に２通りに活用する。図７は図４のプラズマ室１００内部に被処理物体である、ウエーハ２８０を設置した概念断面図である。原理的には、プラズマ室に被処理物を載置してプラズマ処理を行うのがプラズマドーピングである。先ず、１つは、プラズマ源の冷却の応用である。実施例１に既に記載した様に、プラズマ室の壁を冷却する事によって、ドーピングガスの分解が抑制され、より高い効率で分子イオンプラズマを発生させる事ができる。プラズマ室１００をウエーハ２８０が載置できるように設計し、このプラズマ室に対して、周辺に温度コントロールプレートを配して、温度を冷却する。

逆にこの様な、高周波プラズマ源を用いながら、原子イオンプラズマを優勢に発生させたい場合の応用には、図２の例を応用する形でプラズマ源のプラズマ室の壁にヒータを設置して、壁の温度を上昇させるのは、通常真空度を向上させるための設備を応用してもできるが、高精度に制御する為に、プラズマ室外部から、ビューワを通して、赤外ランプ２２０から赤外線などを照射し、プラズマ室壁を熱したり、プラズマ室内部にランプや赤熱ヒータなどを設置し、壁に対して、熱伝導もしくは、輻射熱で温度上昇を行う事ができる。この事により、熱電子が盛んに放出されるようになり、ドーピングガス物質の解離が促進され、原子イオンプラズマが優勢なプラズマを生成する事ができた。

（実施の形態６）
ここでは、図面を引用しないが、実施の形態４，５で説明した、イオン注入機やプラズマドーピング装置を用いて作成した半導体デバイスに関して説明する。イオン注入機には高周波プラズマ源を用いても良いし、直流プラズマ源を用いても良い。過去大量に販売された、直流プラズマ源に本発明の冷却の効果を取り込んで、Ｂ_１０Ｈ_１４プラズマが大量に発生する。これを利用して、加速エネルギー１．５ＫＥＶで０．５ＭＡの電流を取り出した。これは、ボロン原子に換算して、エネルギー１５０ＥＶ、電流量５ＭＡに匹敵する。このボロンなどを、ＭＯＳトランジスタの所謂ソースドレインエクステンション作成に応用した。深さ１５ＮＭ、シート抵抗１０００Ω／□の接合が得られ、ゲート長２５ＮＭのＭＯＳトランジスタに適用し、トランジスタ特性、ショートチャネル効果などに良好な結果を得た。

半導体製造におけるイオン注入機のように、原子や分子を含む異なるイオン種をプラズマ源を変えずに高電流で取出す技術は極めて需要が高く、特に大量生産を必要とする工場では高い生産性による経済効果を発揮できる。

プラズマ室の構成壁に冷却加熱機構を埋め込んだ例の立体構造図である。 プラズマ室の構成壁に冷却加熱機構を埋め込んだ例の３方向からの断面構造図である。 プラズマ室の近傍に温度コントロールパネルを設置した例の立体構造図である。 プラズマ室の近傍に温度コントロールパネルを設置した例の断面構造図である。 フィラメントを要する直流プラズマ発生装置のプラズマ室の構成壁に冷却加熱機構を埋め込んだ例の３方向からの断面構造図である。 イオン注入機を説明する為の断面構造図である。 プラズマドーピングの基本原理を説明するための断面構造図である。 背景技術を説明する為の、既存のマイクロ波プラズマ源の中心部分の断面構造図である。

符号の説明

１００ プラズマ室
１１０ 導波管
１２０ 高周波
１３０ ソレノイドコイル
１４０ イオンビーム
１６０ 冷却管
１７０ ヒータ
１８０ 温度モニタ装置
２００ 温度コントロールプレート
２１０ 間隙
２２０ 赤外ランプ
２２４ フィラメント
２３０ プラズマ源
２４０ 引き出し電極
２６０ 質量分析マグネット
２７０ 後段加速減速電極
２８０ ウエーハ
２９０ 真空ポンプ
３００ 電荷中和装置

Claims (14)

1. プラズマ発生室と、
   前記プラズマ発生室内で電子プラズマを生成するプラズマ生成手段と、
   前記プラズマ生成手段で生成されるプラズマの温度を調整する温度調整手段を具備したプラズマ発生装置
2. 請求項１に記載のプラズマ発生装置であって、
   前記温度調整手段は前記プラズマ発生室に設けられたことを特徴とするプラズマ発生装置。
3. 請求項２に記載のプラズマ発生装置であって、
   前記温度調整手段は前記プラズマ発生室の壁部に設けられたことを特徴とするプラズマ発生装置。
4. 請求項２に記載のプラズマ発生装置であって、
   前記温度調整手段は前記プラズマ発生室を囲むように配設された温度調整ブロックであることを特徴とするプラズマ発生装置。
5. 請求項４に記載のプラズマ発生装置であって、
   前記温度調整ブロックは、前記プラズマ発生室との間隔が調整可能であることを特徴とするプラズマ発生装置。
6. 請求項１に記載のプラズマ発生装置であって、
   前記温度調整手段は前記プラズマ生成手段に設けられたことを特徴とするプラズマ発生装置。
7. 請求項６に記載のプラズマ発生装置であって、
   前記温度調整手段は前記プラズマ生成手段を構成するフィラメントに設けられたことを特徴とするプラズマ発生装置。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載のプラズマ発生装置であって、
   前記温度調整手段は、供給電流を調整するように構成されたことを特徴とするプラズマ発生装置。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載のプラズマ発生装置であって、
   前記温度調整手段は、熱媒体としての流体の流量を調整可能であることを特徴とするプラズマ発生装置。
10. 請求項１乃至８のいずれかに記載のプラズマ発生装置であって、
    前記温度調整手段は、熱媒体としての流体の熱伝導率を調整可能であることを特徴とするプラズマ発生装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載のプラズマ発生装置であって、
    前記温度調整手段は、空間的位置によって温度制御可能であることを特徴とするプラズマ発生装置。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載のプラズマ発生装置を用い、被処理基体に対しプラズマ処理を行うように構成されたプラズマ処理装置。
13. 請求項１乃至１１のいずれかに記載のプラズマ発生装置を用い、被処理基体に対しプラズマ処理を行うことにより電子デバイスを形成する工程を含む電子デバイスの製造方法。
14. 請求項１乃至１１のいずれかに記載のプラズマ発生装置を用い、被処理基体に対しプラズマ処理を行うことにより形成された電子デバイス。

Images