JP6101266B2 - 三次元イオン処理装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、被加工材（ワークピース）への注入に関し、特にイオンの複数の分布を使用した、ワークピースへの注入方法及び装置に関する。

イオン注入は、基板の特性を変化させる不純物を基板に添加する標準技術である。所望の不純物材料がイオン源内でイオン化され、イオンは所定のエネルギーのイオンビームを形成するように加速され、イオンビームは基板の表面に方向づけられる。ビームのエネルギーイオンは基板材料の内層面に浸透し、基板材料の結晶格子に埋め込まれて、所望の伝導率又は材料特性の領域を形成する。

従来のビームラインイオン注入処理では、イオンを略平行に有するビームにより、イオンが基板に供給される。イオンは、イオンビームの主軸に対する基板の所定の方向に、同一の入射角で衝突する。これにより、イオンの注入方向が基板の所定の方向に対して明確に特徴づけられ、基板へのイオン注入の制御が容易になる。しかし、複数の角度の注入が好ましいとき、基板の方向若しくはビームの方向、又はこの双方を移動することが必要となる。また、イオンビームは、通常、基板の広範囲に広がるため、所望の範囲にのみ注入するためにマスキングをする必要がある。

近年では、技術及び装置が発達しており、様々な角度の範囲にわたって基板にイオンを供給できる。図１は、複数の角度でイオンを基板に供給する処理システムを示すブロック図である。処理システム１０は、プラズマ源１２、抽出プレート１４（又はシースエンジニアリングプレート）及び処理チャンバ１６を備える。ガス源１８は、処理チャンバ１６に接続される。プラズマ源１２又は処理システム１０の他の構成要素も、例えばターボポンプ等のポンプ（図示なし）に接続できる。図示されるように、プラズマ源１２は、ＲＦ発生器２０と、整合ネットワーク２２と、アンテナ２３とを備えるＲＦプラズマ源である。プラズマ源１２は、筐体２４と、処理チャンバ１６を筐体２４から分離する絶縁体２６とにより覆われている。処理チャンバ１６、プラズマ源１２又はワークピースホルダ２８は、接地されている。

バイアスがプラズマ３２とワークピース４０との間に印加される場合、抽出プレート１４は、ワークピース４０に注入するイオンビーム３０の形成に使用される。抽出プレート１４は冷却することができる。プラズマ源１２にはバイアスが印加され、プラズマ３２からイオンビーム３０を引き込むために、連続した又はパルスのバイアスを基板に印加するバイアス電源５２を設けてもよい。抽出プレート１４は、少なくとも１つの開口部３４を有し、開口部３４を介して、イオンビーム３０がワークピース４０に供給される。処理システムに関するさらなる説明は、米国特許第７７６７９７７号で発行された２００９年４月３日に出願の第１２／４１７９２９号、２０１０年４月３日に出願の願第１２／４１８１２０号、２００９年１２月２２日に出願の第１２／６４４１０３号、及び２０１０年８月２日に出願の第１２／８４８３５４号の同時係属の米国特許出願に記載され、これらの米国特許出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

処理システム１０を使用してプラズマから抽出されるイオンビーム３０は、複雑なマスキング又はリソグラフィ手法を用いることなく、必要に応じて様々な範囲の角度のプラズマ３２を同時にワークピース４０に供給することに使用されうる。イオンの広範な角度分布を生成するこの能力により、異なる方向から同時にイオンが供給されることが好ましい三次元形状を有する基板の処理が容易になる。さらに、ワークピース４０に供給されるイオンビーム３０の正確な角度分布は、処理システム１０内における特定の組のイオンビームの光学条件（パラメータ）に従って設定される。イオンビーム３０の角度分布に影響しうるパラメータは、開口部３４の形状及び大きさ、注入電圧（プラズマ３２とワークピース４０との電位差）、抽出プレート１４とワークピース４０との間隔、及びプラズマ密度を含む。従って、特定の組のパラメータは、イオンビーム３０の特定のイオン角度プロファイルを設定しうる。

しかしながら、イオンビーム３０の角度分布は、プラズマ密度としてかかるパラメータの影響を受けやすいため、時間の経過により処理システム１０内の動作パラメータ又は条件が変動し、角度分布が変化しがちとなる。さらに、処理システム１０の任意の単一の組の制御パラメータによる処理システム１０の使用によっては、イオンの所定の角度分布が得られない。

上記の点に鑑みると、イオン注入システムにおけるイオンの角度分布における改良された制御の提供が有用であることが理解されるだろう。

一実施形態において、ワークピースを処理する方法は、第１のイオンビームをワークピースの第１の領域に方向づけるステップを含み、第１のイオンビームは、抽出プレートの開口部を介して抽出された第１のイオンの第１のイオン角度プロファイルを有する。また、この方法は、第２のイオンビームをワークピースの第１の領域に方向づけるステップを含み、第２のイオンビームは、抽出プレートの開口部を介して抽出された第２のイオンの、第１のイオン分布とは異なる第２のイオン角度プロファイルを有する。

他の一実施形態において、処理システムは、ＲＦ信号を送信してプラズマを生成するように構成されたＲＦ発生器と、プラズマに対するバイアスを受けて、プラズマシースを越えてワークピースにイオンを引き込むように構成されたワークピースホルダとを備える。また、この処理システムは、開口部を有し、ワークピース上に様々な入射角の範囲にわたって分布されるイオンを有するイオンビームを供給する抽出プレートを備える。この処理システムは、イオンの第１及び第２の暴露をそれぞれ含む一連の暴露サイクルにおいて、制御信号をＲＦ発生器に送り、第１の振幅と第２の振幅との間で異なる方法によってＲＦ信号の振幅を変化させるように構成された制御部であって、イオンの第１及び第２の暴露は、それぞれ第１及び第２の振幅に対応し、開口部を介して抽出されるイオンの第１及び第２のイオン角度プロファイルをそれぞれ有する、制御部を備える。

本開示の理解のために添付の図面が参照され、これらの図面は参照により本明細書に組み込まれる。

単一の開口部を使用した処理システムのブロック図である。 本開示の一実施形態に関する処理システムの図である。 抽出プレートの一実施形態におけるイオンビームの配置の詳細を示す図である。 図２のシステムにより生成される例示的なイオン角度プロファイルを示す図である。 図２のシステムにより生成される例示的なイオン角度プロファイルを示す図である。 図２のシステムにより生成される例示的なイオン角度プロファイルを示す図である。 本開示の実施形態におけるある手順を示す図である。 本開示の実施形態における他の手順を示す図である。 図２のシステムにより生成される例示的なイオン角度プロファイルを同一座標上に重ね合わせた図である。 図７Ａのイオン角度プロファイルの総和を示す例示的なイオン角度プロファイルを示す図である。 図７Ａのイオン角度プロファイルを供給するシーケンスを示す図８Ａと、図８Ａのイオン角度プロファイルに対応するプラズマの出力レベルを含む出力曲線を示す図８Ｂと、図８Ｂの出力曲線とともに適用される例示的なバイアス電圧パルス列を示す図８Ｃとを示す図である。

本明細書において、ワークピース（基板）への注入に関するシステム及び方法を説明する。様々な実施形態において、本システムは、例えば、半導体基板、ビットパターン媒体、固体電池又はフラットパネルに使用される。従って、本発明は、以下説明する特定の実施形態に限定されない。

様々な実施形態において、イオン注入システムは、プラズマ源と、様々な入射角の範囲にわたって分布されるイオンを有するイオンビームを基板に方向づける抽出プレートと、イオン角の角度分布を調整して組み合わせる制御システムとを備える。様々な実施形態において、制御部は、イオンの角度分布（以下「イオン角度プロファイル」という）を取得又は維持するためにイオン注入システムの特定のパラメータを調整するように動作する。いくつかの実施形態において、制御部は、複数のイオン角度プロファイルの間でミリ秒時間又はマイクロ秒時間にわたってイオン角度プロファイルが変化するように、イオン注入システムのプラズマ出力を急激に変化させるように動作する。この方法により、いかなる単一イオン角度プロファイルにおいても達成できない分布を示す、複合イオン角度プロファイルが基板に供給される。

図２は、本開示の実施形態に関する処理システム２００を示す。処理システム２００は、処理チャンバ１６内でプラズマ３２を生成するプラズマ源２０１を備える。プラズマ源２０１は、ＲＦプラズマ源、誘電結合プラズマ（ＩＣＰ）源、間接加熱陰極（ＩＨＣ）、ヘリコン、グロー荷電源、又は当業者に周知の他のプラズマ源とすることができる。抽出プレート１４には、プラズマ３２の周縁に沿って、イオンビーム２０４が抽出される一以上の開口部３４が配置されうる。バイアス電圧源２１２を使用して、ワークピースホルダ２８とプラズマ３２との間にバイアス電圧が印加され、開口部３４を介して抽出されてワークピース４０に作用するイオンのイオンエネルギー及び投射量を決定する。いくつかの実施形態において、ワークピース４０は半導体基板である。ワークピースホルダ２８は、ワークピースホルダ２８をプラズマ３２に対して異なる方法でバイアスする電位を受信する。一実施形態において、ワークピースホルダ２８は接地電位を受信し、正の電位がプラズマ（源）に印加される。他の一実施形態において、ワークピースは負の電位を受信し、プラズマ（源）が、接地電位又はワークピースホルダよりも高い電圧に設定される。処理システム２００は、制御部２０２も備え、プラズマ出力と、ワークピースホルダ２８に印加されるバイアスとを、後述するように制御する。

処理システム２００は、ワークピース４０を支持するワークピースホルダ２８を含むワークピースチャンバ２０６も備える。処理システム２００は、ワークピースホルダ２８を抽出プレート１４に対して方向２１０に沿って移動させる走査デバイス２０８も備える。いくつかの実施形態において、抽出プレート１４が固定され、ワークピースホルダ２８が（例えば走査デバイス２０８を使用して）可動であってもよい。また、他の実施形態において、ワークピースホルダ２８が固定され、抽出プレート１４が可動であってもよい。さらに他の実施形態において、ワークピースホルダ２８と抽出プレート１４の双方が可動であってもよい。

図３は、様々な実施形態において、抽出プレート１４を使用して処理システム２００により生成されたイオンビームのイオンビーム配置の詳細を示す。抽出プレート１４は、プラズマシース３０２内の電場を修正し、プラズマ３２とプラズマシース３０２との間の開口部３４に近接するプラズマシース境界３０４の形状を制御するように構成される。この例においては、プラズマシース境界３０４は、ワークピース４０の面に対して凸形状を有する。プラズマシース３０２を越えてプラズマ３２から引き込まれるイオンビーム２０４のイオンは、広範囲にわたる入射角でワークピース４０に衝突する。図では、プラズマシース境界３０４から加速されたイオンのいくつかの異なる軌道が示される。イオンビーム２０４のイオンは、種々の方法で、プラズマシース３０２を越えてプラズマ３２から引き込まれる。一例において、ワークピース４０がバイアスされ、プラズマシース３０２を越えてプラズマ３２からイオンビーム２０４を引き込む。イオンビーム２０４のイオンは、Ｐ型のドーパント、Ｎ型のドーパント、水素、希ガス、又は当業者に知られた他の種とすることができる。

ワークピース４０がバイアスされたとき、開口部３４を介して、プラズマシースを越えてイオンが引き込まれる。例えば、軌道経路３０６に沿ったイオンは、平面３２０ｃに対して＋θ°の角度でワークピース４０に衝突する。軌道経路３０８に沿ったイオンは、同じ平面３２０ｃに対して約０°の角度でワークピース４０に衝突する。軌道経路３１０に沿ったイオンは、平面３２０ｃに対して−θ°の角度でワークピース４０に衝突する。従って、入射角の範囲は、広範囲にわたって変化し、いくつかの実施形態において、役０°を中心にして＋６０θ°と−６０θ°との間の範囲で変化する。加えて、経路３０６及び３１０のようないくつかのイオン軌道は、互いに交差する。開口部３４の横方向の幅Ｗ、ワークピース４０上の抽出プレート１４の垂直方向の空間（Ｚ）、抽出プレート１４の誘電率、又はプラズマ３２の他の処理パラメータを含む要素の数によって、入射角の範囲（θ）は変化するが、要素は上述の例に限られない。

図３にさらに記載されているように、種々の実施形態において、抽出プレート１４は、ワークピース４０及び抽出プレート１４の間において、ワークピース４０の前面（上面）により規定される平面３２０ｃに垂直な方向３１２に沿った異なる垂直方向の空間（Ｚ）に配置される。間隔Ｚにより、イオンビーム２０４の形状及び幅が変化する。例えば、平面３２０ｃに対応する間隔Ｚ３の場合、イオンビーム２０４は、まず点Ｐにおいて焦点を形成し、その後発散して、ワークピース４０に衝突したときに幅Ｇを有する発散ビームを形成する。一方、間隔が平面３２０ｂすなわち焦点の平面において構成される場合、イオンビーム２０４は、ワークピース４０に衝突したときに狭いビーム幅を形成する。平面３２０ａに対応する間隔Ｚ１においては、図示するように、収束イオンビーム２０４は、点Ｐよりも広い領域でワークピース４０に衝突する。

Ｚの変化に加え、さらなる実施形態において、他のパラメータが変化し、イオンビーム２０４のビーム形状及び大きさが変化する。これらのパラメータは、特に、開口幅（又は円形開口の場合には開口径）Ｗ及びプラズマ３２のプラズマ密度を含む。

ワークピース４０の上面におけるイオンビーム２０４のイオン分布は、種々の観点により特徴付けられる。一例において、イオン電流密度は、イオンビーム電流のプロファイルを生成する位置関数として算出される。他の方法において、イオンビーム２０４は、イオンの入射角の関数としてイオンの相対数をプロットした曲線で示されるイオン角度プロファイルを決定することにより特徴付けられる。

図４Ａ−４Ｃは、本開示の実施形態における処理システム２００のようなシステムにより生成される、例示的なイオン角度プロファイル４０２、４１２及び４２２を示す。いくつかの実施形態において、３つのイオン角度プロファイルが、処理システム２００の単一のパラメータ（例えばプラズマ３２に印加されるプラズマ出力）を変化させることにより生成される。一般に、出力レベルが高いほど、プラズマ３２内のイオン密度及び電子密度が増加するので、プラズマ出力は、プラズマ密度に直接的に関係しうる。プラズマ出力を変化させ、その結果としてプラズマ密度を変化させることにより、プラズマシース３０２の厚さが変化する。とりわけ、プラズマ密度の増加は、プラズマシース３０２の厚さを減少させうる。シースの厚さが増加すると、イオン角度プロファイルが、より平行な分布（４２２）から、より幅広いイオン角度プロファイル（４０２、４１２）に変化し、又は、所与の開口部の幅Ｗによっては、その反対の傾向を示す。加えて、所定のシースの厚さにおいて、幅Ｗが増加すると、イオンの平行分布が増加する。従って、ある開口幅Ｗにおいて、プラズマ密度を単調に増加させることにより（プラズマシース３０２の厚さが減少し）、一連のイオン角度プロファイル４０２、４１２及び４２２が生成され、一方、他の開口幅Ｗにおいて、プラズマ密度を単調に減少させることにより（プラズマシース３０２の厚さが増加し）、一連のイオン角度プロファイル４０２、４１２及び４２２が生成される。

特に、イオン角度プロファイル４０２は、−Ｘ°から＋Ｘ°までの広範な入射角を示し、垂直入射角（０°）から両側に２つのピーク４０４及び４０６が分布する二峰性分布を形成する。このことは、より多くのイオンが、実質的に垂直入射と異なる角度でワークピース４０に作用することを示す。垂直入射において、イオン角度プロファイル４０２は最小値を示し、他の角度で入射するイオンよりも少ない垂直入射イオンがワークピース４０に作用することを示す。イオン角度プロファイル４１２は、イオン角度プロファイル４０２の生成に使用された出力レベルと異なる出力レベルで生成されたイオンビームに対応し、分布が２つのピーク４１４及び４１６を有するという点において、定性的にイオン角度プロファイル４０２に類似した形状を示す。この場合、ピークの間隔は、イオン角度プロファイル４０２よりも小さく、ピーク４１４及び４１６に対応するピークの入射角が、ピーク４０４及び４０６よりも垂直に近いことを示す。一方、イオン角度プロファイル４２２は、垂直入射に集中した単峰性分布（単一のピーク）４２４を示し、上述したようなより平行なイオンビームを示す比較的狭いイオン角度プロファイルを示している。

再び図２を参照すると、様々な実施形態において、処理システム２００のパラメータが変化し、ワークピースを処理するための所望のイオン角度プロファイルが確立される。いくつかの実施形態において、イオン注入のようなイオンビーム処理での目標イオン角度プロファイルが設定される。この目標イオン角度プロファイルは、所望の処理でウエハーに確実に均一な処理を行うために、定期的に再設定される。特に、図５及び６に関して下記に説明されるように、イオンビーム２０４が算出され、処理システム２００の動作パラメータが、イオンビーム２０４における一以上の目標イオン角度プロファイルが確立されるまで調整される。この調整を注入プロセスの開始前に実行し、所望の間隔で実行して、注入プロセス開始後であればイオンビーム２０４を変化させるような想定されうるシステムのパラメータに変動又はシステム内における変化を把握する。

一度、一以上の目標イオン角度プロファイルが確立されると、目標イオン角度プロファイルの確立に使用された関連するパラメータの試行値を処理システム２００に適用することにより、ワークピースへのイオン注入が開始される。様々な実施形態において、図７Ａ及び７Ｂに関連して後述するように、複数のイオン角度プロファイルが組み合され、複合イオン角度プロファイルが生成される。後者の方法によれば、別の方法では処理システム２００のような所与の処理システムにおいてなしえない、新規なイオン角度プロファイルが生成される。

次に、図５を参照すると、本開示のいくつかの実施形態におけるイオン角度プロファイルを調整する方法５００が開示される。図５及びそれに続く図６の説明において、例として、図４Ａのイオン角度プロファイル４０２を参照する。ブロック５０２で、イオン角度プロファイルの目標最大角度が入力される。例えば、この値は、入力されて、イオン注入システムのメモリに格納される。ブロック５０４で、イオンビームのイオン角度プロファイルの最大値が測定される。図４Ａに示されるように、最大角度４０８ａ及び４０８ｂは、軌道が（基板に垂直な）ゼロ度の入射に対して最大の角度を形成するようなイオンの角度を示す。従って、最大角度は、視射角においてワークピースに入射するイオンに対応する。ブロック５０６で、測定された最大角度が目標最大角度と一致する場合、この方法は、ブロック５０８に進み、ウエハーが処理される。測定された最大角度が目標最大角度と一致しない場合この方法はブロック５１０に進み、関連する制御パラメータが調整される。例えば、イオン角度プロファイルにおいて測定された最大角度が、目標最大角度未満の場合、システムにおいて印加されるプラズマ出力が調整される。再び図３を参照すると、プラズマ３２におけるプラズマ出力の調整により、プラズマシース境界３０４の形状が変化し、これによってプラズマから出るイオンの角度分布が変化し、イオン角度プロファイルにおける最大角度を目標値の方へ移動させる。この方法は、次に、ブロック５０４に進み、その後さらに、目標最大角度が得られるまで、イオンビームの測定とパラメータの調整とが繰り返し実行される。

図６は、さらなる実施形態におけるイオン角度プロファイルを調整する方法６００のステップの例を示す。この方法では、異なる角度におけるイオン電流の所望の比率が得られるまで、２以上のパラメータが、反復処理により調整される。これは、高い入射角である第１の角度においてイオンの所定比率を注入し、ゼロ度のような低い入射角においてイオンの別の所定比率を注入することが好ましい場合に有用である。図４Ａも参照すると、イオン角度プロファイル４０２は目標曲線であり、角度θの関数として所望の相対イオン電流を示す。一態様において、イオン角度プロファイルは、部分的には、２つの異なる角度４１０及び４１１におけるイオン電流の比率によって規定されうる。角度４１０は、ゼロ度の入射、すなわち垂直入射に対応し、この角度において、相対イオン電流は低い。換言すれば、イオン角度プロファイル４０２は、垂直入射におけるワークピースへの注入が最小化されるイオン注入処理において使用される。角度４１１は、最大イオン電流における所望の角度に対応し、これは、イオン注入に好ましい角度を示す。前述のように、イオン角度プロファイル４０２は、ピーク４０４及び４０６が存在する二峰性の分布であり、垂直入射に対して同一の絶対値の角度を形成するような軌道を示す。

ブロック６０２において、第１の角度及び第２の角度における目標電流が、目標全体イオンビーム電流とともに入力される。これらの値は、角度４１１及び４１０における目標イオン電流を示す。ブロック６０４において、電流が第１の角度で測定される。この方法は、続いてブロック６０６に進む。第１の角度における電流が最大の電流を示さない場合、つまり角度４１１がピーク４０６と一致しない場合、この方法は、ブロック６０８に進み、処理システムの第１のパラメータが調整される。第１のパラメータは、例えば、プラズマ出力である。この方法は、次にブロック６０４に進み、第１の角度における電流が再び測定される。第１の角度がピーク４０６と一致すると、この方法はブロック６１０に進む。

第１の角度における電流が最大値に対応するとき、ブロック６１０において、電流が、角度４１０である第２の角度において測定される。この方法は次にブロック６１２に進み、第２の角度において電流が測定されると、第１及び第２の電流の比率が決定される。この比率が目標比率に対応すると、この方法は次にブロック６１４に進む。例えば、角度４１０よりも角度４１１におけるイオン電流は１０倍であることが好ましい。角度１及び角度２において測定された電流の比率が目標値と一致しない場合、この方法はブロック６１６に進み、イオン注入システムの第２のパラメータが調整される。第２のパラメータは、例えば、ワークピース４０と抽出プレート１４との間隔Ｚである。間隔Ｚを調整することにより、図３に関連して上述の通り説明したように、ワークピースの表面における厳密なイオン分布が変化する。この方法は続いてブロック６１０に戻り、第２の角度における電流が再測定される。

第１及び第２の角度におけるイオン電流の比率が目標値に一致したとき、この方法は、ブロック６１４に進む。ブロック６１４において、何らかの調整が行われた場合、第１の角度における電流がイオン電流のピークに対応するか否かが新たに決定される。第１の角度における電流がイオン電流のピークに対応しない場合、この方法はブロック６０２に進む。第１の角度における電流がピークの位置を構成する場合、この方法は、ブロック６１８に進む。

ブロック６１８において、イオンビームにおける全体イオン電流が決定される。全体イオンビーム電流は、検流器を設け、所定の期間においてワークピースに入射した全範囲にわたるイオンを検出することにより決定される。この方法は、次にブロック６２０に進み、測定された電流が目標全体イオンビーム電流と一致しないとき、この方法はブロック６２２に進む。ブロック６２２において、ワークピースに供給されるイオンのデューティサイクルが調整される。これは、ワークピースホルダに印加されるバイアス電圧パルスのパルス幅を変えることにより実現される。イオンをプラズマから引き込むためにワークピースホルダにバイアス電圧が印加される「オン」期間には、イオンビームは、抽出プレートの開口部を通して加速され、ワークピースに作用する。ワークピースにバイアス電圧が印加されない「オフ」期間には、プラズマチャンバ内のイオンは、ワークピースに向かって加速されない。従って、「オン」期間の相対的な継続時間と、全期間にわたる平均のイオン束の相対的な量は、パルスサイクルの期間（「オン」及び「オフ」期間の合計）を一定に保つ一方でバイアス電圧パルスを変更することにより調整される。

ブロック６２２の後、この方法はブロック１８に戻り、全体イオンビーム電流が再度測定される。ブロック６２０において、測定されたイオン電流の合計が目標値に一致する場合、この方法は、ブロック６２４に進み、この時点までに処理システムにおいて確立されたパラメータに従って、ウエハー（ワークピース）が処理される。パラメータにより、処理システムは、目標イオン角度プロファイル及び合計ビーム電流を有するイオンビームをワークピースに方向づける。いくつかの実施形態において、方法６００は、全体イオン角度プロファイルが生成されるまで、角度の追加が繰り返される。

方法６００において、イオン角度プロファイルとワークピースに方向づけられるイオン線量との双方は、イオン線量及びイオン角度プロファイルの一貫性を維持するために、定期的に確認及び調整される。様々な実施形態において、方法５００及び６００における動作パラメータの調整は、数ミリ秒又は数秒にわたって実行される。従って、いくつかの実施形態において、調整は、イオン注入処理の開始時又は連続するウエハーの注入の間又はウエハーのバッチ間に実行される。

いくつかの実施形態において、複数のイオン角度プロファイルが組み合され、ワークピースに方向づけられるイオンの複合イオン角度プロファイルが形成される。例えば、いくつかの実施形態において、第１及び第２のイオン角度プロファイルが組み合わされ、第３のイオン角度プロファイルが形成される。他の実施形態において、図７Ａ及び７Ｂに示すように、第１、第２及び第３のイオン角度プロファイルが組み合され、第４のイオン角度プロファイルが形成される。図７Ａは、３つのイオン角度プロファイルを示し、それぞれ個別イオン角度プロファイル７０２、７１２及び７２２は、処理システム２００において異なるプラズマ密度で得られた分布を示す。例えば、イオン角度プロファイル４０２、４１２及び４２２と同様に、３つのイオン角度プロファイル７０２、７１２及び７２２は、処理システム２００における３つの異なるプラズマ出力レベルで得られた分布に対応する。

しかしながら、イオン角度プロファイル７４０のような平坦なイオン角度プロファイルが好ましい場合、イオン角度プロファイル７０２、７１２及び７２２に対応するプラズマ出力レベルのいずれも所望のイオン角度プロファイル７４０に近くないことが明らかである。

しかしながら、図７Ｂを参照すると、３つの個別のイオンのイオン角度プロファイル７０２、７１２及び７２２の総和を示す複合イオン角度プロファイル７３０は、所望のイオン角度プロファイル７４０に近い。特定の実施形態において、複合イオン角度プロファイル７３０は、処理システム２００の運転条件を、第１、第２及び第３のプラズマ出力間で切り替えることにより、ワークピースに供給される。

複合イオン角度プロファイル７３０が、如何なる瞬間においてもワークピースに供給されないことは明確である。換言すれば、複合イオン角度プロファイル７３０は、３つの異なるイオン角度プロファイルを有するイオンに対して、それぞれ３つの分離した期間に行われる、３つの異なる暴露を示す。しかしながら、イオン角度プロファイルを制御する選択パラメータを急速に調整することにより、３つの異なるイオン角度プロファイルは、高速に連続してワークピースに供給される。ワークピースは、複合イオン角度プロファイル７３０の形状を有する単一イオン角度プロファイルが瞬時に基板に供給されるのと同様の効果を有するように、実質的に複合イオン角度プロファイル７３０に暴露される。

複数のイオン角度プロファイルを供給して複合イオン角度プロファイルを生成することの利点は、複合イオン角度プロファイルが、単一イオン角度プロファイルでは得られない分布を示すことである。特に、単一イオン角度プロファイルとして得られるイオン角度プロファイルの種類は、システムのイオンビーム光学により提供される所定の形状に限定される。一方、本実施形態は、ワークピースを異なる個別イオン角度プロファイルに急速に暴露することによって、所望のイオン角度プロファイルを生成する手段を供給する。例えば、個別イオン角度プロファイル７０２、７１２及び７２２の形状は、低プラズマ出力では垂直入射（ゼロ度）でイオン束がほとんど照射されず、一方で、高プラズマ出力ではイオン束が垂直入射で最大となるものの極めて狭い分布を形成することを示す。広範な角度範囲に広がる平坦なプロファイルは、いずれの場合にも生じない。しかし、個別イオン角度プロファイル７０２、７１２及び７２２を互いに加えることにより、複合イオン角度プロファイル７３０は、イオン角度プロファイル７４０の幅広で平坦なプロファイルに適度に近似する。

より一般化すれば、本発明の実施形態は、任意の所望の個数の個別イオン角度プロファイルを組み合わせて所望の形状の複合イオン角度プロファイルの形成を行うことができる。例えば、異なる実施形態５、１０又は２０の個別イオン角度プロファイルは、それぞれの分布に対応するプラズマ出力の設定値の間で、プラズマ出力を急速に変化させることにより、例えば、プラズマ出力の設定値を数マイクロ秒から約数百ミリ秒の時間スケールで変化させることにより、組み合される。

図８Ａ−８Ｃは、ワークピースを複数のイオン角度プロファイルに暴露する方法に係る実施形態を示す。図７Ａ及び７Ｂにおいて説明したように、イオン角度プロファイル７０２、７１２及び７２２は、複合イオン角度プロファイルを供給するように組み合される。図８Ａは、イオン角度プロファイルを供給するシーケンスを示す。図示されるシーケンスにおいて、それぞれのイオン角度プロファイル７０２、７１２及び７２２が、一連の２つの暴露サイクル８０２ａ及び８０２ｂとして、連続して供給される。単一暴露サイクル８０２ａ及び８０２ｂのそれぞれは、イオン角度プロファイル７０２、７１２及び７２２として分布するイオンそれぞれへの１回の暴露を含む。様々な実施形態において、暴露サイクル８０２ａ及び８０２ｂは、ワークピースを処理する間に複数回繰り返される。従って、各暴露サイクルは、複合イオン角度プロファイル７３０へのワークピースの暴露を含む。図８Ａ−８Ｃの実施形態において、暴露サイクル８０２ａ及び８０２ｂは、それぞれ同じ期間実行される。

図８Ｂ及び８Ｃは、それぞれ、プラズマのプラズマ出力曲線と、暴露サイクル８０２ａ及び８０２ｂの生成に相互に利用可能なワークピースのバイアス曲線を示す。特に、図８Ｂは、異なるＲＦ出力レベルを含むプラズマ出力曲線８１０を示す。異なるプラズマ出力レベルは、ＲＦ発生器により確立される。ＲＦ発生器は、アンテナ（図２のアンテナ２３を参照）に送信されるＲＦ信号の振幅を変化させてプラズマ出力を変化させ、それによってプラズマ密度を変化させる。図８Ａに示されるように、各イオン角度プロファイル７０２、７１２及び７２２は、イオンが抽出されるプラズマの異なるＲＦ出力レベルに対応する。従って、プラズマ出力曲線８１０の部分８１２ａにおいて、ＲＦ出力は中間出力レベルに設定され、これは、ゼロ度周辺の入射角において比較的狭い二峰性の分布により特徴付けられるイオン角度プロファイル７１２ａを生成する。部分８１４ａは、単一モードのイオン角度プロファイル７２２ａを生成する高ＲＦ出力レベルに対応する。部分８１６ａは、二峰性の分布の入射角が比較的幅広いイオン角度プロファイル７０２ａを生成する、低ＲＦ出力レベルに対応する。部分８１２ｂ、８１４ｂ及び８１６ｂにおいて、一連の中間−高−低出力レベルが繰り返される。図８Ｂにさらに図示されるように、イオン暴露の継続時間は、異なる出力レベルによって変化しうる。異なる出力レベルにおいて、相対的な暴露時間を変化させることにより、複合イオン角度プロファイルの形状がさらに調整される。換言すれば、複合イオン分布７３０は、個別イオン角度プロファイル７０２、７１２及び７２２において重み付けされた時間平均と考えることができる。異なるイオン角度プロファイルの相対的な暴露の継続時間を変化することにより、複合分布は、より長い継続時間を有する、１以上の個別の分布に重みづけられたものとなる。

図８Ｃは、プラズマ出力曲線８１０により出力が規定されるプラズマへの暴露中に、ワークピースとプラズマとの間に印加される例示的なバイアス電圧のパルス列８２０を示す。「オン」期間８２４において、負の電圧パルス（−Ｖ）が印加され、プラズマからのイオンは、抽出プレートを通ってプラズマから抽出され、バイアス電圧により規定されるエネルギーでワークピースに引き込まれる。「オフ」期間８２２において、パルス電圧はゼロであり、イオンは、ワークピースに引き込まれず、ワークピースに作用しない。その結果、イオン角度プロファイル７０２、７１２及び７２２は、「オン」期間８２４で生成され、「オフ」期間では生成されない。

いくつかの実施形態において、異なるプラズマ出力レベル間の変位は、ワークピースへのバイアスパルスの印加と同期され、変位はパルス「オフ」期間８２２に生じる。例えば、「オフ」期間８２２の中間に対応する時間ｔ１において、中間出力レベル（部分８１２ａ）と高出力レベル（部分８１４ａ）との間で、変位が発生する。同様に、異なるＲＦ出力レベル間の変位に対応する時間ｔ２、ｔ３及びｔ４が示される。いくつかの実施形態において、「オン」及び「オフ」の継続期間８２４及び８２２は、それぞれ約１０μｓから１ｍｓである。ＲＦ出力レベルが１つのレベルから他のレベルに変化したとき、約１０μｓ程度の間で、プラズマにおける異なるプラズマ密度間の変位が実行される。従って、プラズマ出力曲線８１０とバイアス電圧パルス列８２０とを適切に同期することにより、異なるプラズマ密度（すなわち異なるイオン角度プロファイル）間の変位が、「オフ」期間の間に完全に実行される。この方法により、バイアス電圧パルス列８２０の「オン」期間８２４が開始される前に、各イオン角度プロファイル７０２、７１２及び７２２を生成する適切な出力レベルが、完全に確立され、そのため、結果として得られる複合イオン角度プロファイルの制御が容易になる。

様々な実施形態において、所定のＲＦ出力レベルにおける暴露の継続期間は、約数μｓから数ｍｓである。従って、例えば、部分８１２ａ、８１４ａ及び８１６ａは、それぞれ時間間隔３００、１００及び２００μｓに対応し、８０２ａのような単一暴露サイクルが６００μｓ継続する。上述したように、様々な実施形態において、暴露サイクル８０２ａ及び８０２ｂは複数回繰り返されうる。例えば、再び図２を参照すると、暴露サイクル８０２ａ及び８０２ｂの間にワークピース４０は、開口部３４を介して走査され、ワークピース全体又はワークピースの大部分が、複合イオン角度プロファイル７３０に暴露される。ワークピース４０が走査されている間、制御部２０２はＲＦ電源２０に信号を送信し、出力のセットポイント（レベル）を定期的に変化させ、さらに、制御信号がバイアス電圧源２１２に送信されて、暴露サイクル８０２ａ及び８０２ｂを生成するプラズマ出力曲線８１０とバイアス電圧パルス列８２０とが生成される。

各暴露サイクル８０２ａ及び８０２ｂは、数マイクロ秒又は最大約１００ミリ秒の継続時間であるため、ワークピース４０が開口部３４の下で、何秒もかかる走査が行われる間に、何百又は何千回もの暴露サイクルが実行される。これにより、複合イオン角度プロファイル７３０のような複合イオン角度プロファイルに代表される効果的なイオン角度プロファイルを、ワークピースが「調査する」結果となる。例えば、ワークピースの走査速度が１ｍｍ／ｓであり、ワークピース４０におけるイオンビームの幅が５ｍｍであると仮定すると、ワークピース上の任意の点Ｒは、５秒以内にイオンビーム２０４により走査される。暴露サイクル８０２ａ及び８０２ｂにおける６００μｓの継続時間の例を用いると、任意の点Ｒがイオンビーム２０４の下を横切る間に、全体で約８３００回の暴露サイクル８０２ａ及び８０２ｂが、ワークピース４０に供給される。従って、ワークピース４０は、イオンビームの幅で、暴露サイクル８０２ａ及び８０２ｂの継続時間内（この例では１／８３００）というわずかな時間で進行するため、複合イオン角度プロファイル７３０は、走査中にワークピース４０の各部分に効率的に供給される。これは、暴露サイクル８０２ａ及び８０２ｂの暴露中にワークピースが固定される、ワークピースの固定暴露についても同様である。

イオン注入におけるイオン角度プロファイルを処理する方法及びシステムの提供に加え、本開示の実施形態は、他の目的でワークピースを処理するために使用されるイオンビームのイオン角度プロファイルの供給、調整及び維持を行う方法及びシステムを包含する。いくつかの実施形態において、イオン角度プロファイルは、三次元表面形状を処理するように、ワークピースに供給されうる。例えば、複合イオン角度プロファイルは、他の実施形態において、基板表面上のフォトレジストレリーフ形状を処理、又は三次元レリーフ形状を部分的にアモルファス化するように供給されうる。

本明細書に記載の方法は、例えば、命令を実行可能な機械によって読取り可能であるコンピュータ読取可能記憶媒体に、命令のプログラムとして具体化することにより自動化できることは明らかである。かかる機械の一例は、汎用コンピュータである。本技術分野において周知の適切な記憶媒体には、読取可能又は書込可能なＣＤ、フラッシュメモリチップ（例えばサムドライブ）、様々な磁気記憶媒体等が含まれるが、これらに限定されない。

特に、ＤＣ抽出電圧及び／又はワークピース走査速度を変化させるステップは、電子プロセッサ、コンピュータ可読メモリ、及び／又はコンピュータ可読プログラムの組合せにより、少なくとも部分的に実行されうる。コンピュータのメモリは、さらに、例えば記憶された電圧値のように、処理の履歴情報をプラズマシステムの動作と関連付けて受信し、表示し、記憶するように構成される。

本開示は、本明細書に記載された特定の実施形態の範囲に限定されない。実際、本技術分野の通常の知識を有するものにとって、上述の説明及び添付図面から、本明細書の記載に加えて、本開示の他の様々な実施形態及び変形形態が明らかだろう。従って、このような他の実施形態及び変形形態は、本開示の範囲内に含まれることが意図される。さらに、本開示は、本明細書において、特定の実施形態で、特定の環境下で、特定の目的のために記載されているが、本技術分野における通常の知識を有する者は、その実用性がこれらに限定されず、本開示が如何なる環境下で如何なる目的においても有益に実施できることを理解できるであろう。従って、本開示の主題は、本明細書に記載された本開示の全ての範囲及び精神を考慮して解釈されるべきである。

Claims (15)

1. 抽出プレートの開口部を介して抽出された第１のイオンの第１のイオン角度プロファイルを有する第１のイオンビームを、ワークピースの第１の領域に方向づけるステップと、
   前記第１のイオン角度プロファイルとは異なる第２のイオン角度プロファイルを有する、前記抽出プレートの前記開口部を介して抽出された第２のイオンの第２のイオンビームを、前記ワークピースの前記第１の領域に方向づけるステップと
   前記第１のイオン角度プロファイルを前記ワークピースに方向づける前に、前記第１のイオン角度プロファイルを最大化するステップであって、
   前記第１のイオン角度プロファイルの第１の試行最大角度を測定するステップと、
   前記第１の試行最大角度を第１の目標最大角度と比較するステップと、
   前記第１の試行最大角度が前記第１の目標最大角度と異なるとき、制御パラメータを調整するステップと
   を含む最適化するステップと
   を含むワークピースの処理方法。
2. 前記第１及び第２のイオン角度プロファイルを、１００ミリ秒未満の継続時間を有するそれぞれ第１及び第２の期間でそれぞれ複数回供給するステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の期間は前記第２の期間とは異なる、請求項２に記載の方法。
4. 前記第１及び第２のイオン角度プロファイルを、複数回交互に供給するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記第１のイオン角度プロファイルは一峰性の分布であり、前記第２のイオン角度プロファイルは二峰性の分布である、請求項１に記載の方法。
6. 前記第２のイオン角度プロファイルを供給する前に、前記第２のイオン角度プロファイルを最適化するステップであって、
   前記第２のイオン角度プロファイルの第２の試行最大角度を測定するステップと、
   前記第２の試行最大角度を第２の目標最大角度と比較するステップと、
   前記第２の試行最大角度が前記第２の目標最大角度と異なるとき、制御パラメータを調整するステップと
   を含む最大化するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 抽出プレートの開口部を介して抽出された第１のイオンの第１のイオン角度プロファイルを有する第１のイオンビームを、ワークピースの第１の領域に方向づけるステップと、
   前記第１のイオン角度プロファイルとは異なる第２のイオン角度プロファイルを有する、前記抽出プレートの前記開口部を介して抽出された第２のイオンの第２のイオンビームを、前記ワークピースの前記第１の領域に方向づけるステップと
   前記第１のイオン角度プロファイルを前記ワークピースに方向づける前に、前記第１のイオン角度プロファイルを最適化するステップであって、
   第１の目標角度における第１の電流を測定するステップと、
   前記第１の電流がピーク電流を示さないとき、前記ワークピースにイオンを注入するイオン注入システムの制御パラメータに第１の調整を行うステップと、
   第２の目標角度における第２の電流を測定するステップと、
   前記第２の電流に対する前記第１の電流の比率が目標比率と一致しないとき、前記イオン注入システムの制御パラメータに第２の調整を行うステップと、
   を含む最適化するステップと
   を含むワークピースの処理方法。
8. 前記第２の調整の後、
   前記第１のイオン角度プロファイルの全体イオン電流を測定するステップと、
   前記全体イオン電流が目標全体イオン電流と異なるとき、抽出パルスシーケンスのデューティサイクルを調整するステップと
   をさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記第１及び第２のイオン角度プロファイルを組み合わせて形成される第３のイオン角度プロファイルをワークピースに供給する間に、前記抽出プレートに対してワークピースを走査するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法
10. 前記第１及び第２のイオン角度プロファイルを供給するステップは、第１の振幅の第１のＲＦ信号と、第２の振幅の第２のＲＦ信号とを、ＲＦ発生器からアンテナに送信するステップを含む、請求項１に記載の方法。
11. バイアス電圧パルス列を前記ワークピースに供給するステップであって、イオンが前記ワークピースに引き込まれるオン期間に、前記第１及び第２のイオン角度プロファイルが確立され、前記バイアス電圧のパルス列においてイオンが前記ワークピースに引き込まれないオフ期間に、前記第１の振幅及び前記第２の振幅の変位が実行されるステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記ワークピースの前記第１の領域に、前記抽出プレートから抽出された第１及び第２のイオンの前記第１及び第２のイオン角度プロファイルとは異なる、第４のイオン角度プロファイルを供給するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
13. ＲＦ信号を送信して、プラズマを生成するように構成されたＲＦ発生器と、
    前記プラズマに対するバイアスを受けて、プラズマシースを越えてワークピースにイオンを引き込むように構成されたワークピースホルダと、
    開口部を有し、前記ワークピース上に様々な入射角の範囲にわたって分布されるイオンを有するイオンビームを供給する抽出プレートと、
    イオンの第１及び第２の暴露をそれぞれ含む一連の暴露サイクルにおいて、制御信号を前記ＲＦ発生器に送り、第１の振幅と第２の振幅との間で異なる方法によって前記ＲＦ信号の振幅を変化させるように構成された制御部であって、イオンの第１及び第２の暴露は、それぞれ前記第１及び第２の振幅に対応し、前記開口部を介して抽出されるイオンの第１及び第２のイオン角度プロファイルをそれぞれ有する、制御部と
    を備えるプラズマ処理システム。
14. 前記ワークピースホルダは、一連の暴露サイクルの間に前記抽出プレートの前記開口部に対してワークピースを走査するように構成され、各暴露サイクルは、前記ワークピースが前記イオンビームの幅に等しい距離を走査するために必要な継続時間の１０パーセント未満である、請求項１３に記載のプラズマ処理システム。
15. 前記イオンの第１の暴露は、前記イオンの第２の暴露よりも長い、請求項１３に記載の処理システム。