JP2015535648A - 複数のプラズマ源部を備えたイオン注入装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、高圧電流路ＰＥＴを介して基板電源ＡＬＴへ接続された基板支持台ＰＰＳを内部に有する容器ＥＮＶを含むイオン注入装置であって、該容器ＥＮＶはポンプ手段ＰＰ、ＰＳを備え、該容器ＥＮＶは少なくとも２個の、障害物を含まず、該基板支持台に面した筒状プラズマ源部ＣＳ１、ＣＳ２を有するイオン注入装置に関する。このイオン注入装置は、プラズマ源部ＣＳ１、ＣＳ２ごとに少なくとも一つの閉じ込め回路ＢＣＩ１−ＢＣＳ１、ＢＣＩ２−ＢＣＳ２を含む点に特徴がある。【選択図】図１

Description

本発明は、複数のプラズマ源部を備えたイオン注入装置に関する。本発明の技術分野は、プラズマ浸漬モードにおいて機能するイオン注入装置の技術分野である。

ここで、基板中にイオンを注入することは、プラズマ中に基板を浸漬し、基板に、数十ボルトから数十キロボルト（一般的に１００ｋｖ未満）の負の電圧のバイアスをかけ、プラズマのイオンを基板に向かって加速させることのできる電界を生成することを含む。

イオンの侵入深さは、その加速エネルギーによって定まる。それは、第一に、基板にかけられる電圧に、第二に、イオン及び基板のそれぞれの性質に依存する。注入された原子の濃度は、平方センチメータ（ｃｍ^２）当たりのイオンの数で表現される投与量、及び注入深さに依存する。

プラズマは基板支持台に面して配置されたプラズマ源部の内部で生成される。プラズマ源部は、内部に障害物が何もない筒状部分の形状である。プラズマ源部は、イオン注入装置の容器内に開かれている。それぞれのプラズマ源部の周囲には、プラズマを生成するために高周波アンテナが設置されている。一般的に、プラズマ源部を構成する筒は円筒である。

アンテナからの距離が増加するとプラズマ密度が減少するので、プラズマ源部の直径は必然的に限定される。プラズマ源部の中心で十分なプラズマ濃度を維持するために、この直径は一般的に１００ミリメータから２００ミリメータの範囲である。

プラズマはプラズマ源部から基板支持台に向けて双曲面の形状で広がる。その結果、大きなサイズの基板は、イオン注入がその全領域で生じるのが望ましいのであれば、基板支持台から比較的離れて配置する必要がある。

この配置は、基板のレベルにおいて、プラズマの密度を大幅に低下させる結果を生じる。その結果、所定の投与量に対して、イオン注入に要求される時間は、かなり増加する。

特許文献１は、イオン注入用のプラズマ源部の構成を開示している。イオン注入装置は、容器を有し、該容器内には、高圧電流路を介して基板電源に接続された基板支持台が配置されている。該容器は、ポンプ手段を備える。該容器は、さらに、障害物がなく、基板支持台に面して配置された筒状のプラズマ源部を含む。該容器は、同様に障害物がなく、同様に基板支持台に面して配置された、少なくとも一つの別の筒状のプラズマ源部を含む。

特許文献２は、上述の装置と類似のプラズマ浸漬によって機能するイオン注入システムを記載する。

両文献において、容器には、磁気閉じ込め手段が備わる。都合の悪いことに、そのような構成は、プラズマの均一性にはよくない。

EP0480688 US6300227

本発明の目的は、イオン注入装置がより均一なプラズマを供給するようにしながら、大きな寸法の基板に適し、大きなサイズの基板支持台上に配置された小さな寸法の多数の基板を処理することもできるイオン注入装置を提供することである。

本発明によれば、イオン注入装置は、高圧電流路を介して基板電源へ接続された基板支持台を内部に有する容器を有し、該容器はポンプ手段を備え、該容器は少なくとも２個の、障害物を含まず、該基板支持台に面した筒状プラズマ源部を有し、該イオン注入装置は、プラズマ源部ごとに少なくとも一つの閉じ込め回路を含むことを特徴とする。

この構成によれば、磁界は、プラズマが形成される場所で最大となる。磁界は、容器内でフレアを並べ、それによって、プラズマが拡張され、その結果、基板支持台のレベルにおいて、より広い領域に良好な均一性が達成される。さらに、それぞれの閉じ込めコイルによって生成された磁界を調整することができ、それによって、処理される面上の均一性を改善するためにさらに調整を行うことができる。

プラズマ源部のそれぞれは、外部の高周波アンテナを備えているのが有利である。

本発明のさらなる特徴によれば、イオン注入装置は、高周波アンテナの全てに対して共通の高周波発生器を含む。

第１の実施形態において、イオン注入装置は、該高周波発生器と該高周波アンテナとの間に配置された単一のチューニングボックスを含む。

第２の実施形態において、イオン注入装置は、該高周波発生器から下流に、チューニングボックスとそれに続く分離器とを含む。

第３の実施形態において、イオン注入装置は、該高周波発生器から下流に、分離器と、それに続く、プラズマ源部の数に等しい数のチューニングボックスとを含む。

本発明は、説明のための実施形態の以下の記載により、また添付の図面を参照することにより、より詳細に示される。

本発明のイオン注入装置の縦断面図である。 該イオン注入装置の平面図である。 基板電源の第１の実施形態を示す図である。 基板電源の第２の実施形態を示す図である。 基板電源の第３の実施形態を示す図である。 イオン注入装置のタイミングチャートを示す図である。 プラズマ源部電源の第１の実施形態を示す図である。 プラズマ源部電源の第２の実施形態を示す図である。 プラズマ源部電源の第３の実施形態を示す図である。

二以上の図面に現れる構成要素には、それぞれの図面において同じ符号が与えられている。

図１に示すように、イオン注入装置は、真空容器ＥＮＶの内側及び外側に配置された複数の構成要素を含む。マイクロエレクトロニクスの応用には、鉄、クロム、ニッケル、またはコバルトなどの金属元素からの汚染を制限するのが望ましいならば、アルミ合金製の容器（または、実際には、アルミ合金のプレートで保護されたステンレス鋼製の容器）を使用するのが推奨される。ケイ素または炭化ケイ素製の塗膜を使用することもできる。

鉛直軸ＡＸＴの周りに回転するように取り付けることもできる、水平面内の円板の形状の基板支持台ＰＰＳは、イオン注入を受ける基板ＳＵＢを収容する。

容器ＥＮＶの底部に形成された高圧電流路ＰＥＴは、支持台の鉛直軸ＡＸＴ、さらには基板支持台を、基板電源ＡＬＴへ電気的に接続する。

図３を参照すると、第１の実施形態において、この基板電源ＡＬＴは、その正極を接地した直流（ＤＣ）電圧発生器ＳＯＵを含む。直列に接続されたキャパシタＣＤＳと抵抗ＲＥＳが、上記電圧発生器と並列に接続されている。この抵抗は、電圧発生器ＳＯＵの負極へ接続されている。基板支持台ＰＰＳは、キャパシタＣＤＳと抵抗ＲＥＳとの間の共有点に接続される。

キャパシタＣＤＳは、それが放電している間に、基板の電圧がゼロに近い値に次第に戻るように、低い値のキャパシタンスを有する。

図４を参照すると、第２の実施形態において、この基板電源ＡＬＴは、その正極を接地したＤＣ電圧発生器ＳＯＵを含む。キャパシタＣＤＤが、上記電圧発生器と並列に接続されている。スイッチＳＷが、電圧発生器ＳＯＵの負極と基板支持台ＰＰＳとの間に接続されている。このスイッチＳＷは、金属酸化物半導体（ＭＯＳ）技術、または絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）技術によって作られる。

図５を参照すると、特許文献WO01/15200に記載されたものに類似した第３の実施形態において、基板電源ＡＬＴは、
その正極を接地したＤＣ電圧発生器ＳＯＵと、
電圧発生器ＧＥＮに並列なキャパシタＣｔと、
その第１の極を電圧発生器ＳＯＵの負極に接続し、その第２の極を電源の出力に接続した第１のスイッチＩＴ１と、
その第１の極を同様に上記出力に接続し、その第２の極を中和端子に接続した第２のスイッチＩＴ２と、を含み、この中和端子は、接地されるか、放電抵抗を介して（数十ボルトの）低い電圧へ接続される。

さらに、ポンプ手段も、容器ＥＮＶの底部に配置される。主ポンプＰＰは、バルブＶＡＫを有する配管を介して容器ＥＮＶへ接続された吸気口と排気配管ＥＸＧを介して外気へ接続された排気口とを有する。副ポンプＰＳは、バルブＶＡｉを備えた配管を介して容器ＥＮＶへ接続された吸気口と、バルブＶＡｊを有する配管を介して主ポンプＰＰの吸気口へ接続された排気口とを有する。配管は参照しない。

本例において、イオン注入装置は、４個の同一のプラズマ源部を有する。図１にはそのうちの２個のみが示されている。プラズマ源部は、容器ＥＮＶ内に開かれた底面と、プレートによって閉じられた上面とを有する筒状部分の形状である。これらのプラズマ源部は、障害物を何も含まないので、プラズマはその中を自由に伝搬することができる。

図１及び図２を参照すると、容器ＥＮＶの上部は、基板支持台ＰＰＳに面する４個のプラズマ源部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４を収納する。これらのプラズマ源部は、石英製である。外側において、それぞれのプラズマ源部は、ほぼ中央に位置する高周波アンテナＡＮＴ１、ＡＮＴ２、ＡＮＴ３及びＡＮＴ４に囲まれている。それぞれのプラズマ源部は、プラズマ生成ガスの吸気口ＩＮＧ１、ＩＮＧ２、ＩＮＧ３及びＩＮＧ４を備える。吸気口は、プラズマ源部の上部のプレート上の中心に位置する。

４個のプラズマ源部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４は、高周波アンテナＡＮＴ１、ＡＮＴ２、ＡＮＴ３またはＡＮＴ４と容器ＥＮＶとの間に位置するそれぞれの底部磁気閉じ込めコイルによって囲まれているのが有利である。プラズマ源部ごとに一つのコイルを使用するのが好ましい。このように、図１において、第１のプラズマ源部ＣＳ１用の第１の閉じ込めコイルＢＣＩ１及び第２のプラズマ源部ＣＳ２用の第２の閉じ込めコイルＢＣＩ２が示されている。

４個のプラズマ源部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４は、それぞれの上部磁気閉じ込めコイルＢＯＣｓによっても囲まれているのが好ましい。上部磁気閉じ込めコイルは、わかりやすくするために、図２から削除されている。これらの上部磁気閉じ込めコイルのそれぞれは、高周波アンテナＡＮＴ１、ＡＮＴ２、ＡＮＴ３またはＡＮＴ４のうちの一つと対応するプラズマ源部の上面との間に位置する。同様に、第１のプラズマ源部ＣＳ１用の第１の閉じ込めコイルＢＣＳ１及び第２のプラズマ源部ＣＳ２用の第２の閉じ込めコイルＢＣＳ２が存在する。

放電、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）、ヘリコン、マイクロ波、アークなどどのようなタイプのパルスプラズマ源を使用することもできる。これらのプラズマ源は、高電圧の支持台ＰＰＳと接地電圧の容器ＥＮＶとの間に生成される磁界が、プラズマ源のパルス動作を妨げるおそれのある放電プラズマを発火させないことを確実にするのに十分に低い圧力レベルで機能する必要がある。

プラズマ源は、２０ボルト（Ｖ）未満のプラズマ電圧を有することが可能なように選択すべきである。イオン加速エネルギーは、プラズマ電圧と基板の電圧との差である。イオン加速エネルギーは、このように、基板にかけられる電圧のみによって制御される。マイクロエレクトロニクスの応用に当てはまるように、非常に低い、５００電子ボルト（ｅＶ）未満のイオン加速エネルギーを有するのが望ましい場合には、この点は、最も重要である。

マイクロエレクトロニクスや医療分野の部品の取り扱いなど、低レベルの金属汚染が要求される応用に対しては、プラズマ源は、プラズマと接触する汚染金属元素をもたらしてはならない。示された実施形態では、石英の管で形成される高周波ソースＲＦは、上述のように外部の高周波アンテナＡＮＴ及び磁気閉じ込めコイルＢＯＣｉ及びＢＯＣｓと結合している。代替的に、プラズマ源部は、アルミナ製であってもよい。

どのようなプラズマ生成種を使用してもよい。Ｎ_２, Ｏ_２, Ｈ_２, Ｈｅ, Ａｒ, ＢＦ_３, Ｂ_２Ｈ_６, ＡｓＨ_３, ＰＨ_３, ＳｉＨ_４, または Ｃ_２Ｈ_４などの気体状の前駆物質から始めることもできる。また、Ｂ_２Ｈ_６＋Ｈ_２, ＡｓＨ_３＋Ｈ_２, ＰＨ_３＋Ｈ_２などの気体の混合物を使用することもできる。また、ＴｉＣｌ_４, Ｈ_２Ｏなどの液体前駆物質や、実際には、固体前駆物質から始めることもできる。固体前駆物質の場合に、熱蒸発システム（燐）またはホロー陰極システムを使用するのが適切である。

図３を参照して説明した基板電源の第１の実施形態において、イオン注入装置を使用するイオン注入方法は、以下の４または５の段階を周期的に繰り返す。

（プラズマ源がオフで）放電電圧が得られるまで発生器ＳＯＵからキャパシタＣＤＳを充電する段階。

基板の電圧が放電電圧に達したときに開始される、プラズマに点火する段階。プラズマのインピーダンスはもはや無限大ではないので、キャパシタＣＤＳはプラズマを通して放電する。

キャパシタＣＤＳを放電する段階。この段階で、イオン注入が実施され、プラズマシースが広がる。

先行する段階が所望の期間継続したときに開始される、プラズマを消火する段階。プラズマのインピーダンスは再び無限大となり、充電段階を繰り返すことができる。

オプションの待機段階。この段階では何も起こらず、したがって繰返し周期を調整することができる。

一つのプラズマパルスの期間継続する放電段階の間に、イオン化された気体の雲（クラウド）によって構成されるプラズマ拡大ゾーンがプラズマ源部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４と基板支持台ＰＰＳとの間に生じる。粒子は、基板ＳＵＢの内部に貫通することを可能にするエネルギーで、注入のために基板ＳＵＢに突き当たる。

図４を参照して説明した基板電源の第２の実施形態において、イオン注入装置を使用するイオン注入方法は、次のように進行する。

スイッチＳＷが開いている間に、キャパシタＣＣＤは、発生器ＳＯＵの通常の電圧まで次第に充電される。

スイッチＳＷが閉じられると、プラズマが点火され、装置の等価キャパシタンスの結果として、及びプラズマシースのキャパシタンスの結果として電流が生じる。装置の等価キャパシタンスは、装置を構成するすべての構成要素のキャパシタンスである。特に、ケーブル、電流路、絶縁トランスのキャパシタンス、及び基板支持台と容器との間のキャパシタンスである。

スイッチＳＷは、通常、５マイクロ秒（μｓ）から１００μｓの範囲の期間閉じられたままとなる。正のイオンが負にバイアスされた基板にひきつけられるので、この段階でイオン注入が起こる。

キャパシタは、高いキャパシタンス（通常、３００ナノファラッド（ｎＦ）から１．５マイクロファラッド（μＦ）の範囲）を示すので、その端子間の電圧はイオン注入の間に落ちることはない。

注入段階の後、スイッチＳＷは開かれ、発生器ＳＯＵは、キャパシタＣＣＤを再び充電する。

この間に、装置の等価キャパシタンスは、プラズマに全面的に放電し、基板は浮遊電圧に戻る。その結果、プラズマの電子は、イオン注入中に正に充電された基板の絶縁ゾーンを中性化する。

スイッチＳＷが開かれたままである中性化段階は、通常１μｓから８０μｓの範囲の期間継続する。

中性化段階が終了すると、消火段階の間プラズマを消火してもよい。消火段階は、プラズマと表面との間の相互作用を減少させ、熱的コストを減少させ、粒子生成を最小化するという利点を示す。この消火段階は、通常、２０μｓから２００μｓの期間を有し、この段階の間、スイッチＳＷは開いたままである。

上述のサイクルを繰り返すことができる。

イオン注入段階、
中性化段階、及び
消火段階

図５を参照して説明した基板電源の第３の実施形態において、図６を参照して、イオン注入装置を使用するイオン注入方法は、次のように進行する。

初期状態
プラズマ電源ＡＬＰは非作動状態である。

第１のスイッチＩＴ１が開かれている。

第２のスイッチＩＴ２が開かれている。

図６において点Ａで表される初期化ステップとともに、サイクルの始めであるイオン注入段階が始まる。

この初期化ステップは、第１のスイッチＩＴ１を閉じることによって始まる。初期化ステップは、通常１μｓから５μｓの範囲である安定化期間続く。

この初期化ステップの後、作動状態化段階(図６の点Ｂ)となる。この段階で、プラズマ電源ＡＬＰが作動状態となる。この作動状態化段階の期間は、５μｓから１００μｓの範囲である。

その後に消火ステップ(図６の点Ｃ)が続く。消火ステップの始めにプラズマ電源ＡＬＰは非作動状態とされる。プラズマが消火されているこのステップは、通常２０μｓから２００μｓの期間である。消火ステップは、イオン注入段階を終了させる。

休止ステップ(図６の点Ｄ)は、第１のスイッチＩＴ１を開くことによって始まり、中性化段階の始めで終了する。休止ステップは、第１のスイッチＩＴ１が完全に開いていない期間、及びプラズマが完全に消火されていない期間だけ継続する必要があるので、比較的短くてよい。休止ステップの期間は、０．１μｓよりも長く、通常は、１μｓから１０μｓの範囲である。

中性化段階は、準備ステップ(図６の点Ｅ)とともに始まる。準備ステップの始めに、第２のスイッチＩＴ２が閉じられる。この準備ステップは、基板支持台の電圧が、中性化端子Ｎにかけた電圧に戻らない期間継続する。その期間は、通常１μｓから４０μｓの範囲である。

その後にゼロ化ステップ（図６の点Ｆ）が続く。ゼロ化ステップの間にプラズマ電源ＡＬＰが作動状態とされる。プラズマ内の電子は、基板の正に帯電されているゾーンにひきつけられ、その正の電荷を中性化するように機能する。ゼロ化ステップの期間は、通常１μｓから８０μｓの範囲である。

その後に非作動状態化ステップ(図６の点Ｇ）が続く。非作動状態化ステップの始めにプラズマ電源が非作動状態とされる。このステップの期間は、通常数十マイクロ秒である。

サイクルは、中断ステップ(図６の点Ｈ）によって終了する。中断ステップは、第２のスイッチＩＴ２を開くことによって始まる。この中断ステップは、初期状態に戻るために、第２のスイッチが完全に開いていない期間、及びプラズマが完全に消火されていない期間継続する。

その後、新たなサイクルが開始される。

プラズマ電源ＡＬＰが非作動状態とされている緩和段階(図６の点Ｃと点Ｆとの間)がイオン注入段階及び初期化段階と重なっていることがわかる。

図７を参照して、プラズマ源部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４用のプラズマ電源ＡＬＰの第１の実施形態の説明を続ける。高周波発生器ＲＦの後に４個のアンテナＡＮＴ１、ＡＮＴ２、ＡＮＴ３及びＡＮＴ４にパワーを供給するチューニングボックスＢＡが接続されている。この実施形態は、簡単で安価であるという利点を有する。しかし、それぞれの電源をきわめて高度にバランスさせる必要がある。

図８を参照して、第２の実施形態において、この状況は改善される。高周波発生器ＲＦの後にチューニングボックスＢＡが接続されているが、チューニングボックスＢＡは、アンテナＡＮＴ１、ＡＮＴ２、ＡＮＴ３及びＡＮＴ４のそれぞれに接続されたチャネルを有する４チャネル分離器ＳＥＰに接続されている。この構成は、プラズマ源部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４のそれぞれに対して、パワーが等しくなるようにパワーを分配することを可能とする。しかし、特に、プラズマを点火する段階の間は、チューニングを実施することが困難である。

図９を参照して、第３の実施形態において、この状況は改善される。この実施形態において、高周波発生器ＲＦの後に４チャネル分離器ＳＥＰが接続されている。第１のチャネルは、第１のアンテナＡＮＴ１にパワーを共有する第１のチューニングボックスＢＡ１に接続されている。第２のチャネルは、第２のアンテナＡＮＴ２にパワーを共有する第２のチューニングボックスＢＡ２に接続されている。第３のチャネルは、第３のアンテナＡＮＴ３にパワーを共有する第３のチューニングボックスＢＡ３に接続されている。第４のチャネルは、第４のアンテナＡＮＴ４にパワーを共有する第４のチューニングボックスＢＡ４に接続されている。

もちろん、調整の観点から最善の解決策は、プラズマ源部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４のそれぞれに対して、電源及びチューニングボックスを設けることである。しかし、そのような解決策は、高価であり、必要となる装置は大型となる。さらに、種々の電源の同期をとることが必要となる。

本発明の上述の実施形態は、具体的な性質のために選択されたものである。しかし、本発明に含まれるすべての実施形態を網羅的に識別することは不可能である。特に、記載されたいずれの手段も、本発明の範囲を超えることなく、等価の手段と置き換えてもよい。

Claims (6)

1. 高圧電流路(ＰＥＴ)を介して基板電源(ＡＬＴ)へ接続された基板支持台 (ＰＰＳ)を内部に有する容器(ＥＮＶ)を含むイオン注入装置であって、該容器(ＥＮＶ)はポンプ手段(ＰＰ、ＰＳ)を備え、該容器(ＥＮＶ)は少なくとも２個の、障害物を含まず、該基板支持台 (ＰＰＳ)に面した筒状プラズマ源部（ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、ＣＳ４）を有し、プラズマ源部（ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、ＣＳ４）ごとに少なくとも一つの閉じ込め回路(ＢＣＩ１−ＢＣＳ１、ＢＣＩ２−ＢＣＳ２)を含むイオン注入装置。
2. プラズマ源部（ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、ＣＳ４）のそれぞれが、外部の高周波アンテナ(ＡＮＴ１、ＡＮＴ２、ＡＮＴ３、ＡＮＴ４)を備えた請求項１に記載のイオン注入装置。
3. 高周波アンテナ(ＡＮＴ１、ＡＮＴ２、ＡＮＴ３、ＡＮＴ４)の全てに対して共通の高周波発生器（ＲＦ）を含む請求項１または２に記載のイオン注入装置。
4. 該高周波発生器（ＲＦ）と該高周波アンテナ(ＡＮＴ１、ＡＮＴ２、ＡＮＴ３、ＡＮＴ４)との間に配置された単一のチューニングボックス(ＢＡ)を含む請求項３に記載のイオン注入装置。
5. 該高周波発生器（ＲＦ）から下流に、チューニングボックス(ＢＡ)とそれに続く分離器(ＳＥＰ)とを含む請求項３に記載のイオン注入装置。
6. 該高周波発生器（ＲＦ）から下流に、分離器(ＳＥＰ)と、それに続く、プラズマ源部（ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、ＣＳ４）の数に等しい数のチューニングボックス(ＢＡ１、ＢＡ２、ＢＡ３、ＢＡ４)とを含む請求項３に記載のイオン注入装置。

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