JP2008294440A - プラズマイオン注入システム - Google Patents

Abstract

【課題】 プラズマイオン注入システムの提供。
【解決手段】 高い伝導温度によって、不必要なイオン生成及び重合ラジカルの過解離を誘発する誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）に代えて、イオン注入工程に必要なイオン及び重合ラジカルの成分のみを生成させることができるなど、イオン注入工程に有利な特性を持つ容量結合プラズマ（ＣＣＰ）を生成するとともに真空チャンバーを洗浄することによって、注入されるプラズマイオンを制御しやすく、加工対象物の表面での重合体膜の沈着を減少させて不必要な蒸着、汚染発生などの問題点を最小化し、プラズマイオン注入のために使われる成分の濃度を増加させ、平板型の電極の使用によってプラズマ均一度を調節しやすくし、加工対象物に注入されたプラズマイオンの均一度を確保しやすくする。
【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、プラズマイオン注入システムに関するもので、より詳細には、イオンビーム方式のイオン注入に比べて、注入されるイオンを制御しやすく、かつ、ウエハ表面における余分な蒸着、汚染発生などの問題が最小限に抑えられるプラズマイオン注入システムに関する。

プラズマを用いたイオン注入（Ｐｌａｓｍａ ｂａｓｅｄ ｉｏｎ ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ；ＰＢＩＩ）技術は、次世代８０ｎｍ以下の線幅を持つ半導体素子開発に必須とされる核心技術で、ＣＭＯＳを具現するためのＳｉ素子のイオンドーピング（ｄｏｐｉｎｇ）技術である。半導体単位素子の線幅が益々狭くなるにつれ、より薄い接合深さ（ｊｕｎｃｔｉｏｎ−ｄｅｐｔｈ）が要求され、また、半導体素子の動作速度を向上させるためにより多くのイオン注入を必要とする。しかしながら、既存のイオンビーム（Ｂｅａｍ Ｌｉｎｅ；ＢＬ）を用いたイオン注入技術を利用する場合、上記のような工程の要求条件を満たすには生産性が顕著に低くなるという問題点があった。かかる既存のＢＬ方式に比べて高い生産性を持つ、プラズマを用いたイオン注入工程方式が持つ利点は、注入イオンのエネルギーが低くなるにつれてより目立つことになる。のみならず、装備の構造が非常に単純である他、その大きさも相対的に小さく、かつ、価格も低廉であるという利点を有し、かつ、工程の再現性、均一性及び汚染粒子の発生といった観点でも、ＰＢＩＩ方式はＢＬ方式と対等な結果を見せている。

近年、下記の特許文献１及び２等、幾つかの類型のプラズマイオン注入システムが提案されてきている。その大部分は、注入されるイオンのエネルギーを正確に調節するために直角パルス型高電圧パルスをウエハに直接印加する。ただし、プラズマを発生させる方式においてはそれぞれ相違を持つ。最も単純な方式は、ウエハに印加された高電圧パルスを用いてプラズマの発生及びイオン注入工程を同時に進行する方式であり、他の方式は、プラズマを発生させる高電圧パルスとイオン注入工程のための高電圧パルスをそれぞれ独立的に使用する方式である。しかし、最近、最も広く使われている方式は、パルスではなく高周波（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ＲＦ）を印加してプラズマを生成する方式で、一般に、誘導結合プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）発生装置を用いている。

ＲＦを用いた誘導結合方式のプラズマ（ＩＣＰ）は、高電圧パルスを用いて発生させたプラズマに比べて工程領域が広く、アーク（ａｒｃｉｎｇ）発生頻度が非常に低いという長所を持っているが、何よりも、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を用いたイオン注入工程の最も重要な長所は、注入されるイオンの量とエネルギーを独立的に調節できるという点である。すなわち、印加するＲＦパワーを変化させてプラズマ密度を調節することができ、これを用いて、注入されるイオンの量を調節することが可能になる。また、ウエハに印加される高電圧パルスは、注入されるイオンのエネルギーを調節可能にする。

誘導結合プラズマ発生装置の場合、円筒形構造を持つプラズマチャンバーの上部に、電流が流れうる金属材質のコイルが設置されており、これは、その下に位置している絶縁物質からなるプレート（ｐｌａｔｅ）を介在してチャンバーと隔離されている。このような誘導結合プラズマ発生装置は、様々な放電条件（例えば、ガス種類、圧力、パワー等）で高い密度のプラズマを生成することができる。

このような誘導結合プラズマ発生装置は、高密度のプラズマを容易に生成させ、様々な半導体工程に広く使われている。しかし、既存の円筒形構造の誘導結合プラズマ発生装置をＰＢＩＩ工程に適用する場合、次の問題点が生じる。

ＰＢＩＩ工程は、プラズマ発生装置によって生成されたプラズマイオンを、ウエハに印加される高電圧パルスを用いて強く加速させ、ウエハ表面に深く注入させる工程である。したがって、効果的なイオン注入工程のためには、工程ガスの解離（ｄｉｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）を抑えてウエハ表面に余分な膜質形成を最小化し、イオンの注入を円滑にすることができるプラズマの生成が必要である。ところが、誘導結合プラズマの場合、容量結合プラズマに比べて高い伝導温度（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）を持っているから、イオン及びラジカルの生成を過誘発させ、結果として不必要なイオンの注入及び工程ガスの過解離によってウエハ表面における膜質蒸着や汚染発生などを招き、工程効率に否定的な影響を及ぼすことになる。また、誘導結合方式は、コイル周辺でフィールドが強く形成されてプラズマが集中するので、プラズマ均一度の調節に難があり、誘電体（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ）の使用によってプラズマ発生装置の構造が複雑になるという問題点があった。
米国特許第６，５２８，８０５号 米国特許第６，７１６，７２７号

本発明は上記の問題点を解決するためのもので、その目的は、誘導結合プラズマ発生方式が持つ問題点を解決しながら、広い工程領域でも相変らず効率的な放電が可能であり、かつ、不必要なイオン化及び解離を最小化して工程効率を上げながら、プラズマ均一度を確保することができるプラズマイオン注入システムを提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明のプラズマイオン注入システムは、加工対象物の表面にイオンを注入する装置であって、前記加工対象物が配置され、プラズマが発生する反応空間を持つ真空チャンバーと、前記真空チャンバーに反応ガスを供給する第１ガス供給装置と、前記真空チャンバーに洗浄ガスを供給する第２ガス供給装置と、前記真空チャンバー内に互いに対向して設置される上部電極と下部電極と、前記上部電極にプラズマ生成のために高周波電力を供給する高周波供給装置と、前記加工対象物と下部電極に高電圧を供給する高電圧供給装置とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、高い伝導温度によって、不必要なイオン生成及び重合ラジカルの過解離を誘発する誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）に比べて、容量結合プラズマ（ＣＣＰ）は、イオン注入工程に有利な特性を持つプラズマを発生させるので、イオン注入工程に必要なイオン及び重合ラジカルの成分のみを生成させることができ、注入されるプラズマイオンを制御しやすく、加工対象物の表面での重合体膜の沈着を減少させて不必要な蒸着、汚染発生などの問題点を最小化でき、プラズマイオン注入のために使われる成分の濃度を増加させ、平板型の電極の使用によってプラズマ均一度を調節するのに容易であり、加工対象物に注入されたプラズマイオンの均一度を確保するにも容易である。

また、本発明によれば、プラズマパラメータとイオンエネルギーパラメータを独立して制御することが可能になる。プラズマは、容量結合型プラズマ発生装置によって点火されて安定的に維持されることができる。

また、真空チャンバーの洗浄はいかなる種類のプラズマ発生装置でも避けられない。低エネルギー重合体形成成分は放電時に常に存在する。したがって、真空チャンバーの電気的特性を維持させるための方法は、効率的でなくてはならなく、かつ、チャンバー設計に当って統合されなければならない。本発明では、効率的なチャンバー洗浄を提供するために、遠隔洗浄用プラズマ発生装置とこれと関連した装置が提案される。洗浄とパワー分配のバランスをとるために、遠隔洗浄用プラズマ発生装置のダクトは、容量結合型プラズマＲＦ移送構造と一体化され、よって、洗浄とＲＦ発生器からのパワー分配のいずれにも悪影響を与えない。

また、本発明では、加工対象物表面の状態調節のために特殊な電圧パルスが提案される。四角の高電圧パルスを印加することによって、ほとんど正確なイオンエネルギー分配作用がなされる。同時に、陽または陰の電圧オフセットをメインパルス間で印加することによって加工対象物上でのイオンとラジカル成分の沈着を制御できるようにし、その結果、重合体膜が加工対象物上に沈着するのを防止し、かつ、加速されたイオンの後続注入に悪影響を及ぼさない。

また、本発明によれば、ＲＦ発生器のより高い周波数は、プラズマ濃度とそれによる加工対象物表面でのイオンフラックスを制御するが、シース電圧またはイオンエネルギーには悪影響を及ぼさない。３０ＭＨｚまたは５０ＭＨｚを超過するより高い周波数を用いてより良い結果が得られる。いくつかの場合では、１６０ＭＨｚまたは２００ＭＨｚ以上と高いソースパワー周波数を有することができるので、適用範囲を非常に拡大することができる。

また、本発明によれば、ＩＣＰ放電の誘電体ドーム（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｏｍｅ）に比べて誘電体天井の面積を減少させる。ＩＣＰでは、ドーム表面が、ドーム表面に衝撃を加える高エネルギーイオンによってスパッタリングされ易くなる。

以下、本発明の好適な実施例を、添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。

本発明の実施例によるプラズマイオン注入システムが、図１Ａ乃至図４に示されている。まず、図１Ａに示すように、加工対象物（ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ）５０１は、真空チャンバー５００の内部で下部電極５５３上に配置されている。真空チャンバー５００は、側壁５０４と、ＲＦ容量結合型の上部電極５０２を備えた誘電体天井５０３とを有する。真空チャンバー５００の側壁５０４の面積は、加工対象物５０１の面積よりも大きい。上部電極５０２は、加工対象物の前方に所定の距離を置いて配置される。上部電極５０２には、高周波供給装置５０８，５０９が電気的に連結される。高周波供給装置５０８，５０９は、ＲＦ発生器５０８とＲＦ整合器５０９とを含む。反応ガスは、ガス供給装置５３４，５３５，５３８を通じて処理ゾーン（ｐｒｏｃｅｓｓ ｚｏｎｅ）へ移送される。本発明では、例えば、ＢＦ_３とＯ_２が上側ガス供給装置５３４から、上部電極５０２に形成されたシャワーヘッドタイプの多数のガス注入口５０２−１を介して移送されることができる。これらのガスは、上部電極５０２の中心部に形成された特殊ダクト５１１を通して真空チャンバー５００側に移送され、一連のガス注入口５０２−１を介して均一に分配される。工程、チャンバー洗浄、状態調節に必要な他のガスは、側壁５０４に形成されたノズルを通して移送されることができる。側壁５０４に備えられる一側のガス供給装置５３５は、ＮＦ_３とＡｒのような洗浄ガスを移送する役割を果たし、ガス分配リング５３６とガスノズル５３７とを含む。ＳｉＨ_４、Ｈｅ、Ｈ_２及びＡｒを移送する役割を果たす他側のガス供給装置５３８は、ガス分配リング５３９とガスノズル５３７−１とを含む。真空チャンバー５００は、真空ポンプ５１３と真空バルブ５１４とを含む真空装置によって、放電動作に好適な最適の圧力に保持される。

本発明の他の例が、図１Ｂに示されている。図１Ｂに示すように、真空チャンバー５００を洗浄するために、遠隔洗浄用プラズマ発生装置（ｒｅｍｏｔｅ ｐｌａｓｍａ ｃｌｅａｎｉｎｇ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）５０７が使われる。遠隔洗浄用プラズマ発生装置５０７は、真空チャンバー５００から隔たって設けられ、特殊ダクト５１１を通して真空チャンバー５００の内部と連通する。ＲＦパワーが遠隔洗浄用プラズマ供給装置５０７に流入するのを防止するために、絶縁体５１０が備えられる。図１Ａと同様に、ＮＦ_３のような洗浄ガスは、上側のガス供給装置５０７−１から移送され、ＢＦ_３のような反応ガスは、輪状のガス分配リング５３１とガスノズル５３２とを持つ側壁のガス供給装置５３０から移送される。

加工対象物は、高電圧供給装置５０５，５０６によって電気的に連結されている。高電圧供給装置５０５，５０６は、特別な形態の高電圧四角パルスを加工対象物に印加する高電圧変調器（ＨＶ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）５０５と、下部電極５５３に定電圧を印加するＤＣ供給器５０６とを含む。高電圧変調器５０５と加工対象物とは、参照番号５０１−１及び５５１−１で概略的に示された特別配線と伝達手段を介して電気的に連結される。加工対象物は、誘電体層５５２を介して加工対象物と下部電極５５３との間に形成される静電力によって支持台５５０に付着される。ＤＣ電源装置５０６は、下部電極５５３と連結される。

図１Ｃは、表面５０２−２がＡｌからなり、イオン注入特性に影響を及ぼす特殊物質で覆われた上部電極５０２を示す詳細図である。本発明の一実施例によれば、上部電極５０２はＳｉ（５０２−３）で覆われており、上部電極５０２に対応する位置にガス注入のためのガス注入口５０２−１が形成される。なお、加工対象物のＡｌによる汚染を防止するために、薄い厚さ（１０〜５０μｍ）のＡｌ_２Ｏ_３酸化被膜層を使用しても良い。

図２は、上部電極５０２−１０がシャワーヘッド形態を持ちなく、ＢＦ_３、О_２、Ａｒのような反応ガスが第１側壁のガス供給装置５３０からガスノズル５３２を通して真空チャンバー５００に移送され、ＮＦ_３、Ａｒのような洗浄ガスが、第２側壁のガス供給装置５３５からガスノズル５３７を通して真空チャンバー５００に移送される場合を示す。

真空チャンバー５００中のプラズマは、適切な整合器（ＲＦ ｍａｔｃｈｅｒ）５０９を介してＲＦ発生器（ＲＦ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）５０８に連結される上部電極５０２−１０によって形成される。

一方、図１Ａ乃至図２において、上部電極と下部電極間の間隔は、下部電極により限定された特定値に設定され、使われる電気パルスの電気的パラメータによって決定される。

図３は、真空チャンバー５００の側壁に形成されたガスノズルの一例を示す図である。図３に示すように、ＳｉＨ_４、Ｈｅ、Ｈ_２、Ａｒ等の反応ガスのための反応ガスノズル５３７が同一平面上に配置され、ＮＨ_３、Ａｒ等の洗浄ガスのための洗浄ガスノズル５３７−１が他の平面上に配置される方式で、ノズル開口部が真空チャンバー５００の側壁に沿って均一に配置される。洗浄ガスが移送されない陰影領域を最小化するために、洗浄ガスノズル５３７−１は反応ガスノズルごとに配置される。ノズルの長さは、真空チャンバーの条件によって最適化されるが、例えば、１０〜８０ｍｍとすることができる。

図４は、真空チャンバー５００の設計に当たって重要な要素とされる真空チャンバー５００内の上部電極と下部電極間の間隔５２０を示す。この間隔は、高電圧パルスが印加される際にプラズマシース厚さを超過するようにして決定される。シース厚さは、下記の式（１）または式（２）のようなチャイルド・ラングミュア（Ｃｈｉｌｄ−Ｌａｎｇｍｕｉｒ）の法則によって決定される。

（式中、ｊは電流密度、ｅは電子の電荷、Ｍは電子の質量、Ｖ_０は電極間の電位差、ｓは電極間の距離を表す。）
イオンがプラズマ境界から移動可能な最大距離を求めることができる。イオン注入パラメータのうち、イオン電流は１〜数アンペア（Ａ）の範囲となる。

これらのパラメータに基づき、プラズマと電極間のギャップは２０〜３０ｍｍと測定されることができる。より詳細には、このような測定は、−５０００Ｖの電圧が電極に印加され且つ電流密度が１ｍＡ／ｃｍ^２の時、プラズマが電極から、Ｂである場合２４ｍｍを移動し、ＢＦ_２の場合１７ｍｍを移動するということを意味する。

−１００００Ｖが印加される場合、ギャップ大きさの対応値は、それぞれイオン電流密度が同一レベルに保持されている状態で６８ｍｍと４８ｍｍまで増加する。典型的な容量結合型プラズマ反応装置が０〜３０ｍｍのギャップを持つことを勘案する時、プラズマイオン注入システムでギャップが大きい場合、放電は、上部電極と下部電極との間からよりは、かえって上部電極と壁体との間から始まることができる。

本発明の作動過程によれば、反応ガスは、一連のノズル５３２，５３７，５０２−１（図１Ａ及び図１Ｂ参照）を通って工程チャンバー５００中に注入され、ＲＦパワーは、ＲＦ発生器５０８から対応する整合器５０９を介して上部電極５０２に印加される。電源が印加されると、振動（ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ）電磁気場が、ガスが移送される真空チャンバー５００の空間を満たし、容量結合が、上部電極５０２と導電性チャンバー壁体５０４との間、そして上部電極５０２と加工対象物５０１と注入されたイオンが向かう他の対応構造物（例えば、加工対象物を取り囲むリング５５１）との間から始まる。したがって、容量シースは、最初ゼロ電位を持つガスと上部電極５０２との間で形成される。ＲＦ電流は、シースを通過して流れ、バルクガスプラズマで電子の無作為衝突のない加熱（ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｌｅｓｓ ｈｅａｔｉｎｇ）と抵抗加熱（ｏｈｍｉｃ ｈｅａｔｉｎｇ）を招く。

もし、加工対象物５０１が、ｐ−タイプ導電性不純物が部分的に注入されている結晶質シリコン加工対象物である場合では、ガス供給装置５３０または５３４は、ホウ素を不純物成分として含むＢＦ_３を供給する。一般的に、ドーパント含有ガスは、ホウ素（シリコンでｐ−タイプ導電性不純物）と揮発成分のような不純物を含む化学物質である。ＢＦ_３のようなドーパントガスのフッ化物を含有するプラズマにおいて、ＢＦ２＋、ＢＦ＋、Ｂ＋、Ｆ＋、Ｆ−等の様々なイオン成分の分配がなされる。全タイプの成分はシースを通過して加速され、加工対象物の表面に注入される。

ドーパント原子は、充分に高いエネルギーで加工対象物に衝突する際に、通常、揮発成分から解離される。

ドーパント成分は、真空チャンバー５００内部の反応空間に生成されるプラズマ５４０に形成される。ドーピング（ｄｏｐｉｎｇ）成分を加工対象物５０１に向かわせるために、１〜１０ｋＶ大きさの陰極性の連続した高電圧パルスが、高圧変調器５０５から下部電極５５０、特に、加工対象物５０１と加工対象物５０１を覆う導電リング５５１に印加される。導電リング５５１は、加工対象物領域の付近で静電界をより均一にさせる役割を果たす。もし電界が均一でなければ、加工対象物に向くイオン成分が、加工対象物の表面からはずれたり、または、加工対象物の表面層に非垂直に衝突し、加工対象物の隅領域における注入効果を低下または不所望に変更させたりすることができる。

いくつかの場合において、上部電極５０２は、図１Ｃに示すように、それぞれ異なる伝導性を持つ物質からなる特殊層で被覆されることができる。これは、真空チャンバーの内部表面と加工対象物５０１表面の汚染を減らすためである。一例として、加工対象物上に落ちるＡｌ粒子から真空チャンバー５００を保護するために、Ａｌ_２Ｏ_３の薄い誘電体陽極酸化層５０２−４を使用する。誘電体層上におけるバイアシングの結果として、プレートの前方に形成された電圧は高くない。プレートは、１０〜５０μｍの薄い厚さを持ち、よって、高電圧が高圧変調器５０５からプラズマに印加される時間内で充電されるように高い容量を有する。パルス−オフ時間の間に誘電体層は放電されることができる。他の例として、Ａｌ電極上にＳｉ層５０２−３を使用する。Ｓｉは、その前方のバイアス電圧が高くなく、そのスパッタリングが顕著に起こるのを防ぐ導体として考慮されることができる。

図１Ａ及び図３に示すように、ガスノズル５３７，５３７−１は、様々なガスを真空チャンバー５００に移送させる。このようなガスノズルの一セットは、装置洗浄のためのＮＦ_３のような洗浄ガスを移送するのに使われることができる。その場合、図１Ｂの遠隔洗浄用プラズマ発生装置５０７を使用する必要がなくなる。また、ガスノズル５３７−１は、真空チャンバー５００とガスラインの浄化ガス（Ａｒ）、ＳｉＨ_４移送のための希釈ガス（Ｈｅ）、及び、Ｈ_２によるチャンバー洗浄及び状態調節のために使われる。Ｈ_２は、Ｈ_２＋Ｆ→ＨＦ＋Ｈの反応でＦを除去する。また、ＳｉＨ_４は、チャンバー壁体から過度なＦを除去するために、真空チャンバー５００内に放電されることなく移送される。いくつかの他の場合においては、反応ガスを側壁から移送し、シャワーヘッドを通じてチャンバー５００を洗浄しても良い。

高電圧パルスが印加される時、加工対象物５０１とバルクプラズマ５４０との間には、イオン成分の加速が起きるシース５６０−１（図４）が形成される。特定の技術要件によって印加された電圧が１０ｋＶになる時、シース厚さは２０〜７０ｍｍとなることができる。

加工対象物に印加された高電圧バイアスパルスの形態を、図５Ａ乃至図５Ｃに概略的に示す。パルスは、陰の極性を持つ。Ｕ−パルス５７１の大きさは１〜１０ｋＶに達し、Ｔ−パルス５７２のパルス持続時間は１〜１０μｓ、Ｔ−オフセット５７３パルス間の距離は１０〜１００μｓになることができる。印加されるパルスの立ち上がり及び立ち下がり時間は、略５０〜１００ｎｓである。Ｔ−オフセットの周期の間に、電圧が加工対象物に印加（図５Ａ）されるだけでなく、非ゼロ（ｎｏｎ−ｚｅｒｏ）オフセット電圧も印加（図５Ｂ及び図５Ｃ）される。図５Ｂでは、Ｕ−オフセット非ゼロ陽電圧５７４が印加され、図５ＣではＵ−オフセット非ゼロ陰電圧５７５が印加される。

オフセット電圧の印加によって、重合体膜が沈着する問題点を解決することができる。パルスを用いた注入システムの長所の一つは、重合体膜がパルス間の一時停止時間の間に沈着するということである。陰（ｎｅｇａｔｉｖｅ）バイアス（０〜２００Ｖ）を印加することによって、基板表面に適切なエッチングがなされるようにし、表面の汚染を防止することができる。

加速されたドーピングイオンのエネルギーは、シース領域を通過しながら衝突によって減少するので、加工対象物５０１に印加される電圧に相応しない。２０ｍＴｏｒｒの条件で、下部電極に印加される電圧が５〜７ｋＶであるとしても加工対象物と衝突するイオン成分の有効エネルギーは１〜２ｋＶとなる。したがって、イオンエネルギーをモニターするための独立したシステムが要求されることができる。総注入効果は、加工対象物の表面層に沈着するイオン量によって決定されるので、イオン電流を測定することも重要である。イオンエネルギーと電流の測定は、図４に示すように、ファラデーカップ５６０とイオンエネルギー分析器５７０とを含む診断装置５６０，５７０のような特殊技術を用いて達成できる。診断装置５６０，５７０は、関連データを実時間で追跡してモニターできるデータ取得装置５８０と連結されることができる。

半導体の注入領域の伝導性は、接合深さと、後続のアニール工程以降の活性化した注入ドーパント成分の体積濃度によって決定される。接合深さは、高圧変調器５０５の電圧レベルによって制御される加工対象物上のバイアス電圧によって決定される。注入領域におけるドーパント濃度は、ドーパントの注入時間と、イオンフラックスの持続時間における加工対象物表面でのドーパントイオンフラックスとによって決定される。イオンフラックスの全体時間は、“イオンドーズ（ｉｏｎ ｄｏｓｅ）”と称する。ドーパントイオンフラックスは、ＲＦ発生器５０８から放出されるＲＦパワーの大きさによって決定される。このような配列は、注入時間、注入領域の伝導性及び接合深さの独立した制御を可能にする。一般に、高圧変調器５０５とＲＦ発生器５０８のパワー出力レベルのような制御パラメータは、伝導性と接合深さの目標値を充足させながら注入時間を最小化するように選択される。イオンエネルギーとドースのより直接的な制御のために、バイアス電極は、イオンドーズを測定するためのファラデーカップ５６０とイオンエネルギーを測定するためのイオンエネルギー分析器５７０のような特殊診断装置を有する。

本発明は、真空チャンバー５００の内部表面を周期的に洗浄することによってチャンバーの汚染を防止する方法をさらに含む。工程サイクルの間において、遠隔洗浄用プラズマ発生装置５０７によってエッチング成分が、例えば、ＮＦ_３のようなエッチングガスの放電を基に解離され、活性フッ化物が真空チャンバー５００の壁体５０４または下部電極５５３の汚染された部分と反応して重合体フィルム汚染が除去され、ポンピング装置５１３，５１４によって送り出される。この場合において、真空チャンバー５００の内部表面の伝導性が一定に維持され、真空チャンバー５００の壁体５０４上の誘電体フィルムでのセルフバイアシングを避けることが可能になる。これにより、パワー損失及び／またはチャンバー内部におけるアークの発生といった危険を減少させることができる。

また、本発明は、図６に示すように、診断装置５６０，５７０からデータが転送され、コンピューターネットワークを介して工程チャンバーパラメータを制御及びモニタリングするクラスターツールコントローラ６００と連結されるデータ取得装置５８０を含むことができる。参照符号６０１〜６０３は、データラインである。

図７Ａに示すように、高圧変調器５０５が多重接触点５５５−１，５５５−２，５５５−３で加工対象物５０１と連結され、これらの多重接触点は、図７Ｂに示すように、加工対象物と接触時に対称構造を形成する。

図７Ａで、ＤＣ供給器５０６から配線５５３−１を介して下部電極５５３に印加される電圧は、誘電体層５５２からシステムの接地構造に印加される電圧を減少させる陽（ｐｏｓｉｔｉｖｅ）の極性を持つ。一方、図７Ｃの場合では、ＤＣ供給器５０６−１から生成された電圧が接地電位に対して陰の極性を持つようにすることによって、加工対象物５０１から誘電体層５５２を経て下部電極５５３までの全体電圧が減少するようにする。例えば、高圧変調器５０５からの電圧パルスが−１０ｋＶの大きさを有し、ＤＣ供給器５０６からの電圧が−１ｋＶの大きさを有すると、誘電体層５５２を通過する総電圧の差は単に９ｋＶである。両側電極間の電位差は、静電クランピング（ｃｌａｍｐｉｎｇ）に充分な力を提供できるほど、相変らず高い。高電圧パルス間で、加工対象物は０電位を有し、下部電極５５３は−１ｋＶ電位を有することによって、加工対象物５０１を本来の位置にクランピングさせるように反対方向の誘電体層５５２を通過する静電界が相変らず存在することになる。

本発明の第１実施例によるプラズマイオン注入システムを示す構成図である。 本発明の第２実施例によるプラズマイオン注入システムを示す構成図である。 図１Ａの上部電極の構造を拡大した図である。 本発明の第３実施例によるプラズマイオン注入システムを示す構成図である。 図１Ａにおいて真空チャンバーの両側壁に設置されたガス供給装置のノズル配列を示す図である。 本発明の第４実施例によるプラズマイオン注入システムを示す構成図である。 加工対象物に印加された高電圧バイアスパルスの形態を概略的に示す図である。 加工対象物に印加された高電圧バイアスパルスの形態を概略的に示す図である。 加工対象物に印加された高電圧バイアスパルスの形態を概略的に示す図である。 本発明のプラズマイオン注入システムと外部システムのネットワーク構成を示す図である。 図１Ａにおいて加工対象物と高圧変調器との間の電圧配線、及び下部電極とＤＣ供給器との間の電圧配線を拡大した図である。 図７Ａにおいて加工対象物と高圧変調器との間の多重接触点の軸方向及び方位角対称の様々な幾何学的配列を示す図である。 図７ＡにおいてＤＣ供給器が下部電極に陰の定電圧を印加することを示す図である。

符号の説明

５００ 真空チャンバー
５０１ 加工対象物
５０２ 上部電極
５０２-１ ガス注入口
５０３ 天井
５０４ 側壁
５０５ 高圧変調器
５０６ ＤＣ供給器
５０８ ＲＦ発生器
５０９ 整合器
５１３ 真空ポンプ
５１４ 真空バルブ
５３４，５３５，５３８ ガス供給装置
５５０ 支持台
５５１ 導電リング
５５２ 誘電体層
５５３ 下部電極
５５１−１，５０１−１ 配線

Claims (25)

1. 加工対象物の表面にイオンを注入する装置であって、
   前記加工対象物が配置され、プラズマが発生する反応空間を持つ真空チャンバーと、
   前記真空チャンバーに反応ガスを供給する第１ガス供給装置と、
   前記真空チャンバーに洗浄ガスを供給する第２ガス供給装置と、
   前記真空チャンバー内に互いに対向して設置される上部電極及び下部電極と、
   前記上部電極にプラズマ生成のために高周波電力を供給する高周波供給装置と、
   前記加工対象物と下部電極に高電圧を供給する高電圧供給装置と、
   を含むプラズマイオン注入システム。
2. 前記第１ガス供給装置は、前記真空チャンバーの側壁に設置される請求項１に記載のプラズマイオン注入システム。
3. 前記第１ガス供給装置は、前記真空チャンバーの側壁及び天井に設置される請求項１に記載のプラズマイオン注入システム。
4. 前記第２ガス供給装置は、前記真空チャンバーの側壁に設置される請求項１に記載のプラズマイオン注入システム。
5. 前記第２ガス供給装置は、ＮＦ_３を含む洗浄ガスを供給する請求項１記載のプラズマイオン注入システム。
6. 前記第１ガス供給装置と前記第２ガス供給装置は、前記真空チャンバーの側壁に互いに対向して設置される請求項１に記載のプラズマイオン注入システム。
7. 前記真空チャンバー内から、化学反応希釈ガス、洗浄ガス及びその他ガスの副産物を送り出すポンピング装置をさらに含む請求項１に記載のプラズマイオン注入システム。
8. 前記加工対象物を取り囲む導電リングをさらに含む請求項１に記載のプラズマイオン注入システム。
9. 前記加工対象物側に設けられ、前記真空チャンバー内のイオン電流とイオンエネルギーを測定して診断する診断装置をさらに含む請求項１に記載のプラズマイオン注入システム。
10. 前記導電リングは、高圧変調器に電気的に連結される請求項８記載のプラズマイオン注入システム。
11. 前記高電圧供給装置は、高圧変調器とＤＣ供給器とを含む請求項１に記載のプラズマイオン注入システム。
12. 前記高圧変調器は、前記加工対象物に高電圧パルスを印加する請求項１１に記載のプラズマイオン注入システム。
13. 前記高圧変調器は、前記加工対象物に少なくとも０．１ｋＶの大きさと少なくとも０．１μｓの持続時間と少なくとも０．５μｓのパルス間間隔を有し、作動時に、連続した範囲のいずれか一箇所では、１〜１０ｋＶの大きさと１〜１０μｓの持続時間と１０〜１００μｓのパルス間間隔を持つ四角形状の高電圧パルスを印加する請求項１２に記載のプラズマイオン注入システム。
14. 前記高圧変調器は、前記高電圧パルスを前記加工対象物に、前記ＤＣ供給器によって印加される陽極性の静電圧オフセットが０〜１０００Ｖの間隔範囲または陰極性の静電圧オフセットが０〜−１０００Ｖの間隔範囲内で前記高電圧パルス間の間隔の間に印加する、請求項１３に記載のプラズマイオン注入システム。
15. 前記高電圧パルスの立ち上がり時間と立ち下がり時間は、前記高電圧パルスの大きさの持続時間よりも短い請求項１４に記載のプラズマイオン注入システム。
16. 前記ＤＣ供給器は、クランピング静電力を提供するために前記加工対象物に陰の極性で電気的に連結されたことを含む請求項１に記載のプラズマイオン注入システム。
17. 前記加工対象物は、複数の接触点で、前記高圧変調器から高電圧パルスを移送するための配線によって連結される請求項１２に記載のプラズマイオン注入システム。
18. 前記複数の接触点は、前記加工対象物の表面にわたって軸方向対称または方位角対称構造を有する請求項１７に記載のプラズマイオン注入システム。
19. 前記上部電極の一部は、Ａｌ_２Ｏ_３またはＳｉ層などの付加層で覆われる請求項１に記載のプラズマイオン注入システム。
20. 前記真空チャンバーの側壁の面積は、前記加工対象物の面積よりも大きい請求項１に記載のプラズマイオン注入システム。
21. 前記第１ガス供給装置が前記真空チャンバーの天井に設置された場合、遠隔洗浄用プラズマ発生装置が前記真空チャンバーの外部から前記第１ガス供給装置のガス供給経路上に設置され、ここで、遠隔洗浄用プラズマ発生装置は、前記上部電極に形成されたガス注入口に特殊ダクトを介して連結される請求項１に記載のプラズマイオン注入システム。
22. 前記特殊ダクトは、アルミナセラミックのような誘電体物質からなる請求項２１に記載のプラズマイオン注入システム。
23. 前記高周波供給装置は、ＲＦ整合器とＲＦ発生器とを含む請求項１に記載のプラズマイオン注入システム。
24. 前記ＲＦ発生器は、５００ｋＨｚ〜２００ＭＨｚ範囲の高周波を発生させる請求項２３に記載のプラズマイオン注入システム。
25. 前記加工対象物は、前記下部電極表面に形成された誘電体層に配置される請求項１に記載のプラズマイオン注入システム。

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