JP3608416B2 - プラズマ源 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、ターゲットにイオンビームを照射するイオンビーム照射装置(例えばイオン注入装置)において、イオンビームにプラズマを供給して当該プラズマ中の電子によってイオンビームの中性化を図ってターゲットの帯電を防止すること等に用いられるプラズマ源に関し、より具体的には、放出プラズマ中に高エネルギー電子が含まれることを防止する手段に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば半導体ウェーハのようなターゲットにイオンビームを照射してイオン注入等の処理を施す場合に、イオンビームの正電荷によってターゲットが正に帯電(チャージアップ)するという問題が生じる。
【0003】
この帯電の問題を解決するために、例えば特開平5−234562号公報および特開平5−47338号公報に記載されているように、ターゲットの近くにプラズマ源を設けて、イオンビームにプラズマを供給して、当該プラズマ中の電子によって、イオンビームの中性化を図ってターゲットの帯電を防止する技術が提案されている。なお、このような目的で使用されるプラズマ源は、イオンビーム中性化装置とも呼ばれる。
【0004】
これを図面を参照して説明すると、図6に、従来のプラズマ源をイオンビーム照射装置に取り付けた一例を示す。
【0005】
この装置は、真空容器32内において、ホルダ38に保持されたターゲット36にイオンビーム34を照射して、当該ターゲット36に、イオン注入、イオンビームエッチング等の処理を施すよう構成されている。ターゲット36は、例えば、半導体ウェーハ、その他の基板等である。
【0006】
ターゲット36の近くの真空容器32の側壁部に開口部33を設けており、その外側近傍に、絶縁物30を介して、プラズマ源2を取り付けている。
【0007】
このプラズマ源2は、ECR(電子サイクロトロン共鳴)型のものであり、プラズマ20を生成するための金属製のプラズマ室容器4と、このプラズマ室容器4内に例えばアルゴン、キセノン等のプラズマ生成用のガス12を導入するガス導入管10(ガス導入手段)と、プラズマ室容器4内に例えば2.45GHzの周波数のマイクロ波15を導入する金属製のアンテナ14(マイクロ波導入手段)と、プラズマ室容器4内に、電子サイクロトロン共鳴を起こさせる強さ(例えばマイクロ波15が2.45GHzの場合は約87.5mT)の磁界Bをプラズマ放出方向22に沿って発生する磁気コイル18とを備えている。16はコネクタである。
【0008】
プラズマ室容器4と真空容器32との間には、真空容器32内へのプラズマ20の引き出しを容易にするために、この例のように、直流の引出し電源28から真空容器32側を正極にして直流電圧(引出し電圧)を印加できるようにしておくのが好ましい。
【0009】
プラズマ室容器4の前面部は、この例では、プラズマ放出孔8を有する前面板6で構成されており、プラズマ室容器4内でマイクロ波放電および電子サイクロトロン共鳴によって効率良く生成されたプラズマ20は、このプラズマ放出孔8から真空容器32内に放出され、イオンビーム34に供給される(これはプラズマブリッジとも呼ばれる)。それによって、プラズマ20中の電子によってイオンビーム34の中性化を図って、イオンビーム照射に伴うターゲット36の正帯電を抑制することができる。
【0010】
また、このプラズマ源2では、プラズマ20の生成にマイクロ波15を用いていて、フィラメントを用いていないので、フィラメント構成物質がプラズマ放出孔8から放出されてターゲット36を汚染することを防止することができる。
【0011】
更に、このプラズマ源2では、特開平9−245997号公報に記載の技術と同様に、プラズマ室容器4の内壁およびアンテナ14を絶縁物製のカバー24および26で覆っているので、金属製のプラズマ室容器4、その前面板6およびアンテナ14がプラズマ20によってスパッタされ、金属スパッタ粒子がプラズマ放出孔8から放出されてターゲット36を汚染することを防止することができる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなプラズマ源2から放出されるプラズマ20中に含まれる電子のエネルギーが高いと、この高エネルギーの電子がターゲット36に到達して、当該電子のエネルギーに相当する電圧まで、ターゲット36が負に帯電(チャージアップ)する可能性がある。このターゲット36の負帯電の問題は、看過することができない。
【0013】
例えば、近年は、ターゲットウェーハの表面に形成するトランジスタ(FET)のサイズが微細化(例えば一辺が0.18μm程度)しており、かつそのゲート酸化膜の膜厚が極薄化(例えば5nm程度)しているので、処理中のチャージアップ電圧を非常に低く(例えば5V程度以下に)抑える必要がある。そうしないと、このチャージアップによって絶縁破壊が生じて、トランジスタの歩留まり低下や信頼性低下が起こる。
【0014】
ところが、上記従来のプラズマ源2では、プラズマ室容器4内において電子サイクロトロン共鳴用の磁界Bを、プラズマ放出孔8からのプラズマ放出方向22に沿って発生させており、プラズマ室容器4内のプラズマ20中の電子は電子サイクロトロン共鳴によってこの磁界Bに沿って加速され、この電子の加速方向にプラズマ放出孔8が存在するため、高速(即ち高エネルギー)の電子がプラズマ放出孔8から放出され、これがイオンビーム34に供給され、ひいてはターゲット36に到達してターゲット36のチャージアップ電圧が高くなるという課題がある。
【0015】
例えば、詳細は図4を参照して後述するけれども、従来のプラズマ源2から放出されるプラズマ20中の電子のエネルギーは、数eV〜100eV程度にまで広く分布している。従って、ターゲット36のチャージアップ電圧は、最大で100V近くにまで上昇し得ることになる。
【0016】
そこでこの発明は、放出プラズマ中に高エネルギー電子が含まれることを防止することを主たる目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
この発明のプラズマ源は、前記電子サイクロトロン共鳴を起こさせる磁界を、前記プラズマ室容器内において、前記プラズマ放出孔からのプラズマ放出方向に交差する方向に発生させる磁界発生手段を備えることを特徴としている。
【0018】
上記構成によれば、プラズマ室容器内において電子サイクロトロン共鳴によって加速される電子は、プラズマ放出方向に交差する方向の磁界に沿って運動するので、プラズマ室容器の内壁部に衝突して消滅することになる。従って、プラズマ放出孔から放出される電子は、当該プラズマ放出孔付近に拡散したプラズマ中の低速の電子のみになる。その結果、放出プラズマ中に高エネルギー電子が含まれることを防止することができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
図1は、この発明に係るプラズマ源をイオンビーム照射装置に取り付けた例を示す縦断面図である。図2は、図1の線A−Aに沿う拡大横断面図である。図6に示した従来例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明する。
【0020】
このプラズマ源2aは、従来のプラズマ源2と同様にECR型のものであり、前述した磁界発生手段の一例として、前記プラズマ室容器4内において、前記プラズマ放出孔8からのプラズマ放出方向22に交差(例えば直交またはほぼ直交)する方向に、前記電子サイクロトロン共鳴を起こさせる磁界Bを発生させる電磁石40を備えている。
【0021】
前記アンテナ14は、この例ではプラズマ放出方向22に平行に配置されているので、上記磁界Bは、換言すれば、アンテナ14に交差(例えば直交またはほぼ直交)する方向に発生させられる。
【0022】
プラズマ室容器4内における上記磁界Bの強さは、前述したように、例えば、マイクロ波15の周波数が2.45GHzの場合、約87.5mT(875ガウス)である。磁界Bの向きは、図示例とは逆方向でも良い(図3の例の場合も同様)。
【0023】
電磁石40は、この例では、プラズマ室容器4を挟んで横方向に相対向する一対の磁極42と、各磁極42にそれぞれ巻かれたコイル46と、両磁極42間を接続するヨーク44とを備えている。両コイル46は、図示しない直流電源によって駆動(励磁)される。
【0024】
このプラズマ源2aによれば、プラズマ室容器4内で生成されるプラズマ20中の電子は、電子サイクロトロン共鳴によって加速されるけれども、当該電子は、プラズマ放出方向22に交差する方向の磁界Bに沿って運動するので、プラズマ室容器4の内壁(または当該内壁を覆うカバー24)に衝突して消滅することになる。従って、プラズマ放出孔8から放出される電子は、当該プラズマ放出孔8付近に拡散したプラズマ20中の低速の電子のみになる。その結果、このプラズマ源2aから放出するプラズマ20中に高エネルギー電子が含まれることを防止することができる。
【0025】
従って、このプラズマ源2aを、この例のようにイオンビーム34の中性化に(換言すればイオンビーム中性化装置として)用いた場合に、ターゲット36の負のチャージアップ電圧を小さく抑えることができる。これによって例えば、ターゲットウェーハの表面に形成するトランジスタの歩留まり向上および信頼性向上等を図ることができる。
【0026】
上記のような磁界Bを発生させる磁界発生手段は、永久磁石で構成しても良い。そのようにした例を図3に示す。この例では、プラズマ室容器4を挟んで横方向に相対向する一対の永久磁石50を備えており、これによって上記のような磁界Bを発生させるようにしている。
【0027】
なお、上記前面板6は、鉄、磁性ステンレス鋼等の磁性体で形成するのが好ましい。そのようにすれば、上記電磁石40または永久磁石50からの漏れ磁界がプラズマ放出孔8の外側へ広がるのを前面板6によって抑制することができるので、プラズマ放出孔8から放出されるプラズマ20中の電子が上記漏れ磁界によって曲げられたり、漏れ磁界に捕捉されたりすることを防止することができ、電子の引出し効率が向上する。この効果は、プラズマ放出孔8から放出される電子のエネルギーが低エネルギーの場合により顕著になる。
【0028】
プラズマ室容器4の内壁およびアンテナ14を覆う上記カバー24、26は、例えばアルミナ、窒化ホウ素等の不純物放出の少ないセラミックス、または重金属汚染の問題のないシリコンまたはカーボン等で形成するのが好ましい。
【0029】
しかし、前面板6の内壁を含めたプラズマ室容器4の内壁の全てを絶縁物で覆うと、電子が流れなくなって電子の放出が困難になるので、これを防止するためには、プラズマ室容器4の内壁のカバーの少なくとも一部を、導電性材料で形成するのが好ましい。図1の例では、プラズマ放出孔8付近を覆うカバー27を、シリコンまたはカーボン等の導電性材料で形成している。
【0030】
プラズマ室容器4内へマイクロ波15を導入するマイクロ波導入手段は、アンテナ14以外のもの、例えばマイクロ波15の導波管および導入窓で構成しても良い。
【0031】
【実施例】
下記の実験条件で、図6に示した従来のプラズマ源2から放出したプラズマ20中の電子のエネルギー分布の測定結果の一例を図4に示し、図1に示したこの発明に係るプラズマ源2aから放出したプラズマ20中の電子のエネルギー分布の測定結果の一例を図5に示す。測定は、静電型のエネルギー分析器で行った。
【0032】
導入ガス:キセノン、0.2ccm
投入マイクロ波電力:100W
引出し電圧:30V
【0033】
図4に示すように、従来のプラズマ源2から放出されたプラズマ20中の電子のエネルギーは、数eV〜100eV程度にまで広く分布しており、高エネルギーの電子が多量に放出されていることが分かる。
【0034】
これに対して、図5に示すように、図1のプラズマ源2aから放出されたプラズマ20中の電子は、その殆ど全てが5eV前後のエネルギーのものであり、高エネルギー電子がプラズマ20中に含まれるのを防止することができていることが分かる。
【0035】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、プラズマ放出孔からのプラズマ放出方向に交差する方向に磁界を発生させる磁界発生手段を備えているので、プラズマ放出孔から放出される電子は、当該プラズマ放出孔付近に拡散したプラズマ中の低速の電子のみになり、従って放出プラズマ中に高エネルギー電子が含まれることを防止することができる。その結果、ターゲットの負のチャージアップ電圧を小さく抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係るプラズマ源をイオンビーム照射装置に取り付けた例を示す縦断面図である。
【図2】図1の線A−Aに沿う拡大横断面図である。
【図3】磁界発生手段に永久磁石を用いた例を示す横断面図であり、図2の例に対応している。
【図4】図6に示す従来のプラズマ源から放出されたプラズマ中の電子のエネルギー分布の測定結果の一例を示す図である。
【図5】図1のプラズマ源から放出されたプラズマ中の電子のエネルギー分布の測定結果の一例を示す図である。
【図6】従来のプラズマ源をイオンビーム照射装置に取り付けた例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
2a プラズマ源
4 プラズマ室容器
8 プラズマ放出孔
14 アンテナ
15 マイクロ波
20 プラズマ
22 プラズマ放出方向
40 電磁石(磁界発生手段)
50 永久磁石(磁界発生手段)
B 磁界
Claims (1)
- ターゲットにイオンビームを照射して処理を施すイオンビーム照射装置に用いられるものであって、マイクロ波が導入されるプラズマ室容器内において電子サイクロトロン共鳴を利用してプラズマを生成し、このプラズマをプラズマ室容器の前面部に設けたプラズマ放出孔から放出させる構成をしていて、当該放出させたプラズマ中の電子によってイオンビームの中性化を図るプラズマ源において、前記電子サイクロトロン共鳴を起こさせる磁界を、前記プラズマ室容器内において、前記プラズマ放出孔からのプラズマ放出方向に交差する方向に発生させる磁界発生手段を備えることを特徴とするプラズマ源。
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