JP3653547B2

JP3653547B2 - 大面積負イオン源

Info

Publication number: JP3653547B2
Application number: JP2002181340A
Authority: JP
Inventors: 哲三重野; 修一鶴田
Original assignee: Shizuoka University NUC
Current assignee: Shizuoka University NUC
Priority date: 2002-06-21
Filing date: 2002-06-21
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2022-06-21
Also published as: JP2004030962A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体メモリーなどのプラズマエッチングに使用される大面積負イオン源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、反応性プラズマを用いて集積回路の微細プラズマエッチングが行われている。上記反応性プラズマを用いる微細プラズマエッチング方法の場合、集積回路の加工サイズが０．１μｍ以下になると、エッチング基板に蓄積する正イオンが大きな電場を発生し、これが絶縁破壊を生じさせて、基板に孔を開けてしまい、製品の歩留まりが悪くなるという問題がある。
【０００３】
この正電荷の効果を取り除くためには、大面積負イオンビームを用いた微細プラズマエッチングが有利である。この場合、基板に入射した負イオンからは、容易に電子が脱離して正電荷と結合し中和されるので、電荷蓄積の効果がほとんどなく、絶縁破壊が起きないので、製品の歩留りを良くすることが可能となる。
【０００４】
従来、負イオンビーム用の負イオン源としては、アルカリ金属を触媒に使って負イオンを生成するアルカリ金属導入型負イオン源や磁気フィルター型負イオン源が開発されている。
【０００５】
しかし、上記アルカリ金属導入型負イオン源の場合には、そもそも半導体プロセスにはアルカリ金属が含まれないとの条件があり適用できないものであり、磁気フィルター型負イオン源の場合には、密度が薄く半導体プロセスのように高密度であるとの条件に適合しない等いずれも不十分であるという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような点に基づいてなされたものでその目的とするところは、大面積で高密度であり且つ定常的に負イオンを生成することができる大面積負イオン源を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するべく本発明の請求項１記載の大面積負イオン源は、一方向に長く形成され内部を真空引きされる真空容器と、上記真空容器の外周に設けられ上記真空容器内の長手方向に沿って磁場を形成する磁場発生手段と、上記真空容器内に負性ガスを供給する供給手段と、上記真空容器内にマイクロ波を照射するマイクロ波照射手段と、上記真空容器内の後部側に配置され多数の孔が穿設された孔付き遮蔽板と、真空容器の終端に設けたグリッド状加速電極と、を具備したことを特徴とするものである。
【０００８】
【作用】
上記請求項１記載の大面積負イオン源の場合には、真空引きした真空容器内に定常磁場を作り、内部に負性ガスを供給してマイクロ波を照射する。電子サイクロトロン共鳴によりフッ化炭素などの負性ガスを放電させ磁化プラズマを作る。磁化プラズマは磁極線に沿って流れる性質があり、真空容器内の後部側に配置した孔付き遮蔽板の孔からストリングプラズマが放出される。このストリングプラズマは負イオンと正イオンにより成り立っているが、ストリングプラズマの周囲に負イオンが染み出してくる性質がある。これらストリングプラズマを適切な間隔で多数発生させることにより、周囲に高密度の負イオンを蓄積させることが可能となる。よって、この原理を利用し、真空容器の容量、孔付き遮蔽板の面積、孔の数などによって大面積、且つ高密度の負イオンを定常的に作ることができる。そして、この負イオンを真空容器の終端に設けたグリッド状加速電極によって電場加速するにより定常的に負イオンビームとして取り出すことが可能である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図８を参照して本発明の第１の実施形態を説明する。図５、図６は本発明の負イオン源の構成を示している。また、図１は、ストリングプラズマＳＰの周囲に負イオンＭが染み出した状態を示し、図４は多数のストリングプラズマＳＰの周囲に負イオンが蓄積し大面積負イオンＭを生成する状況を示している。本発明の負イオン源は、ステンレス製で一方向に長い円筒状の真空容器１から構成されている。上記真空容器１の外周に長手方向に沿って磁場発生手段３としてのソレノイドコイル３ａ、３ｂを環状に配置し、上記ソレノイドコイル３ａ、３ｂの働きにより長手方向に直線の磁場を作る。
【００１０】
また、真空容器１は前後２箇所でターボ分子ポンプＰと接続され、内部が真空引きされる。また、真空容器１には負性ガスであるフッ化炭素ＣＦ4 を供給する負性ガス供給手段５が設けられる。真空容器１の図中右側部分は、ソレノイドコイル３ａによる低磁場部分が作られ、また、マイクロ波を石英ガラス７ごしに照射するマイクロ波照射手段９が設けられている。上記マイクロ波照射手段９により真空容器１の図中右側部分にマイクロ波の電場を作り、その中にフッ化炭素ガスＣＦ4 を入れるとフッ化炭素ＣＦ4 が電離され、放電が起きる。この領域が電子サイクロトロン共鳴領域ＥＣＲであり、フッ化炭素ＣＦ4 のプラズマを発生させることができる。
【００１１】
上記真空容器１の後部側には多数の孔１３を穿った孔付き遮蔽板１１が配置されている。発生したプラズマは磁力線に沿って流れる性質があり、図中左側に流れ、この孔１３から左側へストリングプラズマＳＰが流出する。ストリングプラズマＳＰ自身は電子、負イオンなどが混在するものであるが、図１に示すように、ストリングプラズマＳＰの周囲には負イオンＭが染み出してくるという性質があり、図４に示すように、多数のストリングプラズマＳＰの周囲に負イオンＭが蓄積し、大面積の負イオンＭが生成される。真空容器１の終端には金属製グリッド１５が設けられ、電場加速により負イオンＭを加速してイオンビームとして取り出すことが可能となる。
【００１２】
以上の構成を基にその作用を説明する。真空容器１の始端側は電子サイクロトロン共鳴領域ＥＣＲであり、まず、真空容器１内をターボ分子ボンプＰにより真空引きして高度の真空状態とする。真空容器１内にはその周囲に長手方向に沿って環状に配置されたソレノイドコイル３ａ、３ｂにより長手方向に直線の磁場が作られる。真空容器１の図中右側部分は、ソレノイドコイル３ａによる低磁場部分が形成される。この部分にマイクロ波照射手段９によりマイクロ波を石英ガラス７ごしに照射し、マイクロ波の電場を作る。そして、真空容器１内に負性ガス供給手段５によりフッ化炭素ＣＦ4 を供給する。こうするとフッ化炭素ＣＦ4 が電離され、放電が起きる。この工程が電子サイクロトロン共鳴であり、電子サイクロトロン共鳴領域ＥＣＲにフッ化炭素ＣＦ4 のプラズマが発生する。
【００１３】
発生したプラズマは磁力線に沿って流れる性質があり、図中左側に流れる。真空容器１の後部側には多数の孔１３を穿った孔付き遮蔽板１１が配置されている。この孔１３から左側へ糸状をなすストリングプラズマＳＰが流出する。ストリングプラズマＳＰ自身は電子、負イオンなどが混在するものであるが、図１に示すように、ストリングプラズマＳＰの周囲には負イオンＭが染み出てくるという性質があり、図４に示すように、多数のストリングプラズマプラズマＳＰを集積させれば、各ストリングプラズマＳＰの周囲に負イオンＭが集積されて、それらが大面積の負イオンＭを形成する。
【００１４】
この負イオンＭは、真空容器１の終端に設けたグリッド状加速電極１５に電圧をかけ、電場加速により負イオンＭを加速してイオンビームとして取り出され、反応性プラズマを用いる微細プラズマエッチング等に使用されることになる。
【００１５】
次に実施例により本発明を説明する。
（実験条件）
上記負イオン源の実験条件は以下のように設定した。
真空容器：直径２０ｃｍφ×２ｍ
磁束密度：負イオン部で０．１９Ｔ（テスラー）、電子サイクロトロン共鳴部分で０．０８８Ｔ
ガス：フッ化炭素ＣＦ４，圧力ｐ＝０．２Ｔｏｒｒ〜２ｍＴｏｒｒ
マイクロ波：２．４５ＧＨｚ，パワーＰ RF ＝０〜２５０Ｗ
孔付き遮蔽版：ステンレスＳＵＳ３０４製直径２００ｍｍ、穴の直径２０ｍｍ、穴の数１０個、穴間の距離６０ｍｍ。
プラズマ柱：２０ｃｍφ×ｌ５６ｃｍ
負イオン蓄積部：２０ｃｍφ×ｌ４５ｃｍ
【００１６】
（負イオン測定法）
加熱可能なタンタルワイヤー型ラングミュアプローブ（直径０．２ｍｍ，長さ３．１ｍｍ）にて図５中に表示した位置で測定。
電子飽和電流Ｊesはバイアス電圧−３０Ｖで測定。
正イオン飽和電流Ｊisはバイアス電圧＋３０Ｖで測定。
【００１７】
（実験結果）
まず、図１は、直線磁場中でストリングプラズマを作った時、ＣＦ4 などの負性ガスを導入すると、正イオン−負イオンプラズマができ、プラズマの周囲に負イオンが蓄積することを示す概念図である。このことを実証するのが図２で、放電電圧Ｖｄ＝３８Ｖ，放電電流ｌｄ＝０．２０Ａ，ＣＦ４ガス圧力ｐ＝０．２７ｍＴｏｒｒという条件にて熱電子放出の熱陰極放電によりＣＦ4 ガスを放電させ、ストリングプラズマを発生させ、ｒ＝−１〜１ｃｍのプラズマ周辺の電子密度と負イオン密度の径方向分布を示した。図２によれば、中央のプラズマ柱部分には電子が高密度で存在し、周囲のプラズマのない部分には負イオンＭの蓄積が見られる。さらに、図２と同じプラズマ条件にて、このプラズマの正負イオンをサイクロトロン共鳴質量分析器で測定した結果が図３である。図３によれば正イオンはＣＦ3 ＋イオン、負イオンは、Ｆ−イオンである。
【００１８】
次に、図７はＣＦ4 ガス圧力ｐ＝１．８５ｍＴｏｒｒ，マイクロ波パワーＰRF＝１６０Ｗという条件下にて、マルチストリングプラズマ内での電子飽和電流（丸）とイオン飽和電流（四角）の径方向分布をラングミュアプローブで取った結果である。通常の場合、観測地点に電子が存在している時には、電子飽和電流がイオン飽和電流に比較して数十倍に増えるという性質がある。しかし、負イオンのみが存在している場合、負イオン飽和電流と正イオン飽和電流が同じ値をとる。図７によれば、電子飽和電流とイオン飽和電流の絶対値がほとんど変わらないことが見て取れる。従って、観測地点は主に負イオンによって構成されていることがわかる。
【００１９】
更に、図７の結果から負イオンの密度を計算することができ、計算した結果が図８である。およそ２〜４×１０の８乗程度の密度の負イオンが、プラスマイナス１０センチの間に蓄積されているというデータが得られた。今回実施した図５、６の装置によって生成した負イオンの密度は１０⁸ 〜１０⁹ ｃｍ^-3であるが、ＥＣＲプラズマ密度などを上げることにより更に高密度の負イオンの発生が可能である。
【００２０】
以上本実施の形態によると次のような効果を奏することができる。まず、電子サイクロトロン共鳴磁化プラズマ装置に孔付き遮蔽板１１を取り付け、マルチストリングプラズマＳＰを定常的に生成することができる。また、生成したマルチストリングプラズマＳＰの周囲に定常的に負イオンＭを蓄積することができる。よって、真空容器１の容量、孔付き遮蔽板１１の面積、孔１３の数などによって大面積、且つ高密度の負イオンを定常的に作ることができる。この負イオンを加速電極などによって電場加速することにより定常的に負イオンビームとして取り出すことが可能である。また、アルカリ金属導入型負イオン源のようにアルカリ金属を使用しないので半導体プロセス等に適したものであり、また、磁気フィルター型負イオン源のように密度が薄いものに比べ、大面積で且つ高密度のイオンビームを定常的に生成することができる。
【００２１】
本発明の負イオン源は、上記第１の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で適宜変更できることは勿論である。例えば、上記実施形態の場合、負イオン密度は１０⁸ −１０⁹ ｃｍ^-3であるが、ＥＣＲプラズマ密度を上げることにより更に高密度の負イオン発生が可能である。さらに、負イオン源の直径は２０センチであるが、真空容器の直径を大きくすることにより、さらに大面積にすることができる。
【００２２】
また、負性ガスとしては、フッ化炭素のほか、塩素、臭素、酸素を使用でき、この場合にも本発明の負イオン源により、負イオンを定常的に発生させることができる。また、本発明の負イオン源を使用して、フラーレン負イオンビームを作ることも可能であり、ダイヤモンドなどの炭素薄膜合成に用いることも可能である。
【００２３】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明の大面積負イオン源によると、まず、ＥＣＲ磁化プラズマ装置を使用してマルチストリングプラズマを定常的に生成することができる。また、生成したマルチストリングプラズマの周囲に定常的に負イオンを蓄積することができる。よって、真空容器の容量、孔付き遮蔽板の面積、孔の数などによって任意の大面積、且つ高密度の負イオンを定常的に作ることができる。また、この負イオンをグリッド状加速電極によって電場加速することにより定常的に負イオンビームとして取り出すことが可能となる。
【００２４】
また、本発明の大面積負イオン源はアルカリ金属導入型負イオン源のようにアルカリ金属を使用しないので半導体プロセス等に適したものであり、また、磁気フィルター型負イオン源のように密度が薄いものに比べ、大面積で且つ高密度のイオンビームを定常的に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ストリング状磁化プラズマの周囲に負イオンが蓄積する状態を示す斜視図である。
【図２】ストリングプラズマ周辺の電子密度と負イオン密度の径方向分布を示す図である。
【図３】プラズマの正負イオンをサイクロトロン共鳴質量分析器で測定した結果を示す図である。
【図４】直線磁場中で多数のストリング状磁化プラズマの周囲に負イオンが蓄積した状態を示す斜視図である。
【図５】本発明の第１の実施形態を示す図で、大面積負イオン源の構成を示す断面図である。
【図６】孔付き遮蔽板の正面図である。
【図７】マルチストリングプラズマ内での電子飽和電流とイオン飽和電流の径方向分布をラングミュアプローブで取った結果を示す図である。
【図８】図７のラングミュアプローブ測定結果より負イオン密度を計算した結果を示す図ある。
【符号の説明】
１真空容器
３磁場発生手段
５負性ガス供給手段
７石英ガラス
９マイクロ波照射手段
１１孔付き遮蔽板
１３孔
ＳＰストリングプラズマ
Ｍ負イオン
Ｐターボ分子ポンプ

Claims

一方向に長く形成され内部を真空引きされる真空容器と、上記真空容器の外周に設けられ上記真空容器内の長手方向に沿って磁場を形成する磁場発生手段と、上記真空容器内に負性ガスを供給する供給手段と、上記真空容器内にマイクロ波を照射するマイクロ波照射手段と、上記真空容器内の後部側に配置され多数の孔が穿設された孔付き遮蔽板と、真空容器の終端に設けたグリッド状加速電極と、を具備したことを特徴とする大面積負イオン源。