JP5695805B2 - イオンビーム処理のための磁場低減装置及び磁気プラズマ供給システム - Google Patents

Description

本発明は、イオン注入およびイオンビーム処理に関し、より詳細には、イオンビームの最小の磁場摂動でプラズマをイオンビーム中に分布させるプラズマ供給装置に関するものである。

イオン注入は、ドーパント原子を半導体ウェーハ中に添加するために、そして処理表面のスパッタリングあるいは結晶格子のアモルファス化のような様々な材料変更のために、半導体製造業において日常的に使用されている。プラズマ供給装置は、半導体イオン注入ビームライン上で使用される場合が多い。それらは本来、電子をイオンビーム輸送領域に導入するのに使用される電子供給システムの代替物として発展した。供給電子は、処理表面にてイオンビームにより引き起こされる正電荷ダメージを最小化する働きをする。また、供給電子は、イオンビーム空間電荷を中性化してビーム広がりを低減する働きもする。しかし、電子供給システムは、時には負電荷ダメージを引き起こすことが明らかとなった。プラズマ供給は、正電荷ダメージおよび負電荷ダメージの双方をより有効に低減することが判明した。磁気フィルターの使用は、供給プラズマ自身を生成するのに使用される主電子に関連する負電荷ダメージを最小化するために発達した。

本発明者（Ｈｉｒｏ Ｉｔｏ）らによる以前の開示である、半導体処理におけるコールドプラズマ生成のための磁気フィルター装置および方法と題され、１９９６年８月１３日に発行された特許文献１、およびＨｉｒｏ Ｉｔｏらによる「ウェーハ電荷中性化のための高密度プラズマ供給システム」と題された非特許文献１も参照する。

電子供給システムに比べて、プラズマ供給システムの更なる利益は、特にプラズマイオン密度がイオンビーム粒子密度以上の場合における、より大きなビーム電荷中性化にある。完全に中性化されていないイオンビームは、電荷反発により高い広がりを有するだろう。これは空間電荷発散と呼ばれている。強い電場が存在する場合、例えば加速ギャップ中を除いて、ほとんどのイオンビームは部分的に中性化される。イオンビームに関連する高い正電荷ポテンシャルは、局所的な接地導体からの電子を引きつけ、エネルギー的に自由電子を捕獲する。また、多くのイオンビームは、背景ガスをイオン化するのに十分なエネルギーを有しており、ビームポテンシャルは、生成イオンを追い払いつつ生成電子を捕獲する。これらの組み合わせた処理に関連するビーム空間電荷中性化は、背景中性化と呼ばれ、かなり大きくなりうるが、通常は１００％未満である。

近年、１０ｋｅＶ未満のエネルギーを有する低エネルギーイオンビームが、ビームライン注入ツールにおける処理に対して重要になってきた。一般に、バックグラウンドガスのビームイオン化の断面積は、低エネルギーにて著しく低下する。つまり、低エネルギービームは、背景ガスのイオン化により比較的少ない自由電子を生成する。そのため、正電荷ダメージの制御が特定の処理に対して不要の場合であってもプラズマ供給の空間電荷中性化機能が特に重要となる。しかしながら、磁場供給電子がビームターゲットに到達して負電荷ダメージを引き起こすのを防止するのを補償するために、磁気フィルター効果はまだ必要である。

プラズマ供給装置は、典型的には直流アーク放電により電力供給される。従って、本開示は、アークベースの電力供給に注目する。しかし、自由電子への磁場効果は、起こりうる電子サイクルトロン共鳴およびプラズマカットオフによる問題もあるが、高周波電力供給プラズマ、あるいはマイクロ波電力供給プラズマにも当てはまる。

最も単純なプラズマイオン源は、適用磁場を使用せず、磁場フリーと呼ばれることもある。例えば、磁場フリーアークは、チャンバー、それ自身がチャンバーであってよいアノード、ガス源、およびカソードのみを有する。幾つかの市販のプラズマ供給システムは、磁場フリープラズマ源設計を使用している。「Ｗａｔｅｒ Ｃｏｏｌｅｄ Ｆｌｏｏｄ Ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ Ｉｎｔｅｎｓｅ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ」と題したＷａｎらによる非特許文献２を参照する。磁場フリーイオン源は、単純さの利点を有しているが、性能最適化の機会を限定する。

磁場は、電力効率、ガス効率、イオン種またはプラズマ源の寿命等の特定の性能特性を改善するために、プラズマ源において日常的に使用されている。

本発明者らの特許文献２に記載された原理に基づく市販のプラズマ供給システムが何年も利用可能となっている。それらは、高密度プラズマ供給システム（ＨＤＰＦＳ）と呼ばれることもあり、この呼び名は本発明の説明においても使用する。ＨＤＰＦＳの極めて模式的な上面断面図が図１に示されている。ここで、イオン種は、イオンビーム発生機１からイオンビーム２に沿って出る。イオンビーム発生機１の様々な要素、つまり、イオン源、アナライザー、加速システム、収束システム等は、単純化のために示されていない。唯一重要なのは、イオンビームが予め生成されていることである。ＨＤＰＦＳは、ビームラインガイドチューブ３上に処理ターゲット４の前方に固定されている。供給するプラズマは、アークチャンバー９において、ソース磁石７からの磁場中に形作られ位置しているカソードフィラメント６を用いて生成される。フィラメント、ソース磁石および磁石ヨーク８は、磁気フィルター効果を実現するように設計されており、フィラメントからの主電子は、処理表面へ移動するために自由になる前に磁場を横切らなければならない。加速された電子は、衝突事象により磁場を横切り、これによりエネルギー損失を生じる。

図２に、市販品に使用されている磁石配置１１の側面図が示されている。アークチャンバーに最も近い２つの磁石は、ソース磁石に面して反対の極性を有している。これは、磁束をソース磁場に結合させ、電子放出電流を増加させる。残るガイドチューブ磁石は、ビーム２を横切る磁束を最小化しつつ、放出電流をビーム断面の周囲に分散させる働きをする。これが市販の高密度プラズマ供給システムである。ＨＤＰＦＳのビームの発明以降、リボンビームと呼ばれる薄く大きく伸張した形状のビームが商業的に普及した。

米国特許第５５４５２５７号公報

１９９８ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｉｏｎ Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，Ｋｙｏｔｏ，Ｊａｐａｎ，ＮＪ−ＩＥＥＥ １９９９，ｐｐ．４７８−４８１． Ｐｒｏｃ． １４ｔｈ Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎ Ｉｏｎ Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈ．，Ｔａｏｓ，Ｎ．Ｍ．，Ｕ．Ｓ．Ａ．，ｅｄｉｔｅｄ ｂｙ Ｂ．Ｂｒｏｗｎ ｅｔ ａｌ．， ｐｐ４３２−４３５．

本発明の目的は、ＨＤＰＦＳにおいて使用される完全に連結されたガイドチューブ磁石を使用せずに、ビーム領域を横切る磁束を低減するコールドプラズマ磁場供給システムを提供することにある。別のシステムにも適しているが、本発明はイオンリボンビーム処理に適した磁場供給システムのためのものである。

先述のおよび別の目的を鑑みて、本発明に関連して、イオンビーム処理システムを提供し、該イオンビーム処理システムは、イオンビーム発生機と、イオンビーム中に荷電粒子を供給するように配置され、イオンビーム領域中にプラズマを放つプラズマ開口を有するプラズマ発生器を含むプラズマ発生機と、プラズマ生成のために第１の磁場を構築するように構成された第１の磁石と、イオンビームを横切るプラズマ開口の反対に配置され第１の磁場をずらしてイオンビームの領域中に実質的にヌル領域を生成するための第２の磁場を構築するように構成された少なくとも１つの第２の磁石とを有する磁石システムとを備える。

本発明の更なる特徴に関連して、前記システムの第１の磁石は、プラズマ供給装置のアークチャンバー中に配置されたソース磁石である。アークチャンバー内の磁場を強めるおよび／または形作るためにソース磁石ヨークを用いてもよい。ヨークおよびチャンバーは分離しても、あるいは分離しなくてもよいことは当業者には理解されよう。典型的には、分離チャンバーを使用して、ヨークに熱分離を提供するとともに金属汚染を低減する。

付随する本発明の特徴に関連して、イオンビームの断面に実質的に対応する磁場ヌルを生成するために、ビームの反対側に配置された複数の永久磁石として少なくとも１つの追加の磁石を設ける。

ＨＤＰＦＳにおいて、ソース磁気ヨークは、カソードで得られる磁場強度を強める働きをする。ガイドチューブ磁石は複数の目的を果たす。すなわち、第１に、それらは開口を介したガイドチューブ中への正味の荷電粒子電流（放出電流とも呼ばれる）を増加させるために単一カスプソース磁場への磁気的結合を提供する。第２に、それらは供給電子をガイドチューブの周囲に分布させる。第３に、それらは、ガイドチューブの中心におけるビーム輸送領域中に低磁場領域（磁場ヌルとも呼ばれる）を形成する。アークによりエネルギー供給されるプラズマの場合、カソードフィラメントの加熱電流も磁場に寄与する。しかし、ヒーター電流の双極子場がビーム領域中に延在しないように設計することができる。

磁場ヌルの目的は、供給磁場によるイオンビームの摂動を最小化することにある。ビーム輸送領域を横切る著しく大きな供給磁場が存在すると、荷電粒子が磁場を横切る際に基本的なｖ×Ｂ力により引き起こされるビームの均一性に有害となり得るだろう。典型的には、ツールアクセプタンスのためには規定された処理均一性が要求されるため、上記供給は「著しく大きな」ビーム不均一性を引き起こすべきではない。これに関連して、「著しく大きな」との概念は、プロセス規定そして利用者規定であり、常に発展する。例えば、今日何人かの顧客により２％未満のドーズの不均一性が、特定のプロセスに対しては別の顧客により１．５％未満が要求されうる。ツール診断および制御システムは、ビーム非均一性をある程度補償でき、例えば、あるシステムにおいては、２％のドーズ均一性を５％のビーム密度非均一性で達成できる。しかしながら、プロセス仕様ビーム実現への圧力は非常に大きいため、非摂動供給設計が好ましい。

上述のように、ＨＤＰＦＳの発達によりリボンビームが普及した。リボンビームは、スポットビームとは対照的にある方向に伸張しており、他の方向には相対的に薄く、その結果、リボンとの用語になる。例として、ビームは、例えば３ｃｍの名目断面幅と例えば２０ｃｍの名目断面長さを有することができる。

本発明によれば、イオンビームと連通する磁気プラズマ源は、供給磁束によりイオンビームの摂動を低減するために、イオンビームの領域中を横切る磁場において磁場ヌルを生成する磁場デザインを含んでいる。本発明は、最少２つの磁石を組み込む。ソース磁場は、電力効率、ガス効率または装置寿命等の所望のアーク性能特性を向上させる働きをし、制御を変更するために磁気フィルター効果を含むことができる。プロセスイオンビームを横切る全磁束が明確に低減するために、少なくとも１つの追加磁石が組み込まれる。

本発明にとって特徴的と思われる別の特徴は、添付の請求項に記載されている。

本発明は、イオンビーム処理のための磁場低減装置および磁気プラズマ供給システムとして図示して説明するが、本発明の精神から離れることなく請求項の等価物の範囲内で様々な変更および構造変更を行うことができるため、示される詳細に限定されることを意図していない。

しかしながら、本発明の構成および動作は、追加の目的およびその利点とともに、添付の図面に関連して読むことにより、以下の特定の実施形態の説明から最も理解されよう。

従来技術によるイオンビームシステムのための高密度プラズマ供給システムの極めて模式的な上面断面図である。 従来技術による高密度プラズマ供給システムのビームラインおよび磁場供給システムを通る模式的な側面断面図である。 磁石およびヨークを示す、従来技術による高密度プラズマ供給システムの模式的な側面断面図である。 図３Ａのアセンブリの磁場の横成分の強度の等高線を示している。 従来技術による、図３Ｂに磁場を横切るイオンビームの模式的なアウトラインを追加した図である。 従来技術による、リボンジオメトリでイオンビームに適合した磁場供給システムの更なる実施形態を示す図である。 従来技術による、リボンジオメトリでイオンビームに適合した磁場供給システムの更なる実施形態を示す図である。 従来技術による、リボンジオメトリでイオンビームに適合した磁場供給システムの更なる実施形態を示す図である。 本発明によるリボンビーム供給システムの変更を示すダイヤグラムであり、連結ガイドチューブ磁石の幾つかを削除している。 本発明による磁場供給システムのためのガイドチューブ磁石の設置の更なる代表的な実施形態を説明する同様のダイヤグラムである。 本発明による単一のソース磁石および単一のガイドチューブ磁石を有する簡略化されたシステムを示している。 本発明による単一のソース磁石および単一のガイドチューブ磁石を有する簡略化されたシステムを示している。 本発明による単一のソース磁石および単一のガイドチューブ磁石を有する簡略化されたシステムを示している。 ２つのイオンビームおよび反対向きに配置された２つの供給システムを有する本発明の代表的な実施形態を示すダイヤグラムである。 単一のイオンビームおよび反対向きに配置された２つのプラズマ供給システムを有する本発明の代表的な実施形態を示す類似のダイヤグラムである。

ここで、図面を詳細に参照し、まず、それらの中でも特に図１および２を詳細に参照してＨＤＰＦＳの主な重要な構成要素を示す。ＨＤＰＦＳは、ソース磁石７と、ソース磁気ヨーク８と、アークチャンバー９と、フィラメントカソード６と、ガスフィードと、ガイドチューブ３とを含む。イオンビームの向きは、図２における面に垂直である。従来技術のシステムのビーム２はスポットビームである。この点、本発明はリボンビームを扱う。一般的にまた、リボンビームシステムは、単一のウェーハ４に注入する。しかし、複数のウェーハシステムも提供できる。

より詳細には、図１は、従来技術によるイオンビームシステムのための高密度プラズマ供給システムを示している。このシステムは、イオンビーム発生機１と、イオンビーム２と、ビームライン３（要すれば壁も）と、処理ターゲット４と、アークチャンバー５と、カソードフィラメント６と、ソース磁石７と、磁石ヨーク８と、アーク空間９とを含む。

ヨークをアーク熱から分離してアークをヨーク金属から分離するために、アークチャンバー５および磁石ヨーク８は物理的に別々であることが多いことを理解されるだろう。

図２における高密度プラズマ供給装置の模式的な側面図は、従来技術のビームラインおよび磁場供給システムを通るように得られている。この場合、ビーム２は「ガイドチューブ」（これは機能を記載した名前ではない）と呼ばれる壁３により囲まれており、この壁は、連結された１組の磁石１０を固定する働きをする。図２におけるビームの向きは、図の奥または図の手前に向かうだろう。この市販品において、ガイドチューブ磁石は、等しい寸法であり、磁気的に連結されている。アークチャンバーに最も近い２つの磁石は、反対の極性を有しており、ソース磁石に面している。これは、磁束をソース磁場に連結させ、電子放出電流を増加させる。残りのガイドチューブ磁石は、ビーム２を横切る磁束を最小化しつつ、放出電子をビーム断面の周囲に分布させる働きをする。

磁気システムは、ソース磁石ヨーク８とともにソース磁石７およびガイドチューブ磁石９を含んでいる。特許文献１に記載されたコールドプラズマ磁気フィルター効果は、ソース磁石の設計および主電源（この場合、カソードフィラメント）により達成される。本発明者らの以前の特許文献１は追加の詳細を記載しており、ここで参照として完全に組み込む。

図２は、ソース磁石７、ソース磁石ヨーク８および多くの方策的に配置されたガイドチューブ磁石１０の分配の基本的なダイヤグラムを示している。図２におけるビームの向きは、図の奥または図の手前に向かうだろう。表示したスケールは、これに関連して使用されたガイドチューブが約１０ｃｍの直径を有していることを示している。

図のスケールに示されているように、ＨＤＰＦＳは、約１０〜２０ｃｍ横切っている。供給効率のために、放出電流により性能が追跡される。しかし、そのために、磁場摂動がビームが横切る横磁場の全ガウス-ｃｍに比例して存在する。よって、ビーム領域における磁場強度よび磁場の深さの双方が重要である。また、ウェーハからの距離は、制御を変更するために必要は放出電流に悪影響を与えるが、その他ツール間で著しく異なる。一般的に、ウェーハの近くで供給することが最善であるが、実際の位置は、通常、特定のビームラインアーキテクチャーに左右される。

図３Ａ、３Ｂおよび３Ｃは、ＨＤＰＦＳのリボンイオンビームへの直接適用を示している。そこで、この適用は、ガイドチューブ磁石が、幅広であるが薄いビームのために、磁気的連結を保持するように追加されていることを特徴としている。ビーム２は、楕円で示されている。ビームの境界は示されているように鋭くないことを理解するだろう。しかし、それは単なる近似に過ぎない。磁石の分配は、中心にビームの形状に近似される磁場ヌルを引き起こすことが分かる。

図４Ａ、４Ｂおよび４Ｃは、リボンビーム供給を追加の方策的に配置されたガイドチューブ磁石とともに示している。得られた磁場が図４Ｂに示されており、イオンビーム２の近似領域が図４Ｃに示されている。

図３Ａ、３Ｂおよび３Ｃ並びに図４Ａ、４Ｂおよび４Ｃにおける連結されたＨＤＰＦＳ磁場ジオメトリは、長いリボンビームにおいては実用的ではないかもしれない。

図５は、ビーム領域における横方向磁束を最小化するように設計されたリボンビーム供給をＨＤＰＦＳ配置の磁気的連結なしに示している。つまり、図５のＨＤＰＦＳ磁気的設計は、頂部および底部を連結する端の磁石を除去することにより長いリボンビームに適合されている。この配置は、横方向磁場を最小化するが、磁束のソース磁場への連結は維持しており、放出電流分布を補償するのを助ける。磁石の極性の配置は、ガイドチューブ磁石１０の方向配置により示されている。

ソース磁場の品質相殺は、図６に例として示したように数個の磁石のみで達成できる。そこでは、放出電流を増大させるようにソース付近の２つのガイドチューブ磁石が使用されており、ソースと反対側の５つの磁石が、ビーム領域における正味のソース磁場をゼロとするように使用されている。ビーム領域において著しく伸張された磁場がないため、この配置はリボンビームとともに使用できる。

主要な目的の１つは、磁場ヌルを形成するのに使用される磁石の数を低減することにより、好ましくは１つに低減することにより、システムを単純化することにある。このような変更は、図７Ａ、７Ｂおよび７Ｃに示されており、ここでは、分離されたガイドチューブ構造が除かれており、単一のヌル磁石９が、ビームライン上で単一カスプのソース磁石の反対側に固定されている。換言すれば、小さい横磁場を生成するのに必要な磁石の最小数は１個である。こうして、図７の配置は、正味のソース磁場をゼロにしてビーム領域中に弱い横磁場を形成するための、イオン源と反対側にある単一の磁石７を示している。ビーム領域には拡張された磁場は存在しないため、この配置は、リボンイオンビームジオメトリと互換性がある。ソース磁石ヨークは、カソード領域における磁場強度を増大させる働きをし、ビーム領域における磁場ヌルの位置に影響を与える。

ソース磁石ヨークは、ビームのために低い横磁場領域を形成するのに必ずしも要求されない。本発明によれば唯一必要な磁気的構成要素は、ソース磁石７および反対側に配置されたヌル磁石１０である。

上記した配置は、リボンビームにおける放出電子の空間分布を補助するために、単一のプラズマ供給源およびガイドチューブ磁石を配置する様々な方策を使用している。最少の磁石配置は、単一のヌル磁石のみを使用しており、供給電子分布を補償するために正味のビームプラズマ空間電荷閉じ込めに依存している。しかし、大きなリボンビームのための適切な放出電流を生成するために複数のプラズマ供給源が好ましいかもしれない。また、２以上のプラズマ供給源を２以上のリボンビームと組み合わせることが可能である。

２供給源２ビームシステムが図２に示されている。ここでは、互いに平行に伝わる２つのビーム２が提供されている。ビーム２は、ライナー１１により分離されている。２つの供給源は、互いに面してかつ２つのビーム２に向かって配置されている。プラズマ供給源の磁石７は、ライナー１１に組み込まれているヌル磁石により反対にされている。

本発明による２供給源１ビームシステムが図９に示されている。磁石１０を有するライナー１１が除去され、ビーム２はここでは単一のビーム領域２であることを除いて図８の図と非常に類似している。この場合、最適な磁場ヌルは、供給源、つまり、磁石７（ヨーク８とともに、またはなしに）を互いに反対に固定することにより実現される。ガイドチューブ磁石は、磁場ヌルが２つのマグネット７により規定されるため必要ではない。非常に均一な供給電子分布を生成できないかもしれないため、システムは慎重に設計されなければならない。更なる変更を施して複数の供給源を並べて固定することにより、各供給源に反対に固定されたガイドチューブ磁石をなくして有利な供給分布を得ることができる。

Claims (9)

1. イオンビーム処理システムであって、
   イオンビーム発生機および処理ターゲットと、
   荷電粒子をイオンビーム領域に供給するように配置されたプラズマ供給装置であって、前記イオンビーム領域にプラズマを放つ開口を有するプラズマ発生機を含む、プラズマ供給装置と、
   前記プラズマ発生機のカソード領域において有効な第１の磁場を構築するように構成された第１の磁石と、前記第１の磁石の反対側に配置され、前記イオンビームを横切り、前記第１の磁場をずらして低磁場領域を生成するのに有効な第２の磁場を構築するように構成された少なくとも１つの第２の磁石とを有する磁石システムと、
   を備えることを特徴とするイオンビーム処理システム。
2. 前記イオンビームラインは、一方向に相対的に狭い幅と前記一方向に垂直な方向に相対的に広い幅を有するリボンビームを案内するために矩形の断面を有している、請求項１に記載のイオンビーム処理システム。
3. 前記プラズマ発生機は、交流／直流アーク放電により電力供給される交流／直流供給発生機である、請求項１に記載のイオンビーム処理システム。
4. 前記プラズマ発生機は、直流電源または交流電源により電力供給されるフィラメントカソードを含む、請求項３に記載のイオンビーム処理システム。
5. 前記磁石システムの前記第１の磁石は、前記プラズマ供給装置のアークチャンバー内に配置されたソース磁石であり、前記アークチャンバーはソース磁石ヨークを形成するように構成されている、請求項１に記載のイオンビーム処理システム。
6. 前記少なくとも１つの第２の磁石は、リボンジオメトリを有する前記イオンビームの断面に対応する伸張された低磁場領域を生成するために前記イオンビームガイドに配置された複数の永久磁石の１つである、請求項１に記載のイオンビーム処理システム。
7. 前記プラズマ発生機は、高周波（ＲＦ）電源により電力供給され、前記カソードは、前記アークチャンバーの内部又は外部に配置されたＲＦカプラおよび電源により置換される、請求項３に記載のイオンビーム処理システム。
8. 前記プラズマ発生機はマイクロ波電源により電力供給され、前記カソードはマイクロ波カプラおよび電源により置換される、請求項３に記載のイオンビーム処理システム。
9. 前記磁石システムは、前記プラズマ発生機の前記カソード領域において有効な第１の磁場を構築するように構成された前記第１の磁石と、前記イオンビームの領域に低磁場領域を生成するように配置された単一の第２の磁石とからなる、請求項１に記載のイオンビーム処理システム。
   

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