JP6379187B2 - 基板電荷中和用ピンチ・プラズマブリッジ・フラッドガン - Google Patents

基板電荷中和用ピンチ・プラズマブリッジ・フラッドガン Download PDF

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Description

関連出願のクロスリファレンス
本願は、係属中の米国特許仮出願第６１／８９５７８７号、発明の名称”Pinched Plasma Bridge Gun for Substrate Charge Neutralization”、２０１３年１０月２５日出願の非仮出願であり、その全文を参照する形で本明細書に含める。
発明の背景
発明の分野
本発明の好適例は、半導体構造のイオン注入の分野に関するものである。特に、本発明は、低エネルギーのプラズマを発生し指向させてイオンビームと接触させるためのピンチ出口装置を有するプラズマフラッドガンに関するものである。
関連技術の説明
イオン注入は、不純物イオンを例えば半導体ウェハーのような基板内にドープするために用いられるプロセスである。一般に、イオンビームはイオン源チャンバから基板に向けて指向される。異なる供給ガスをイオン源チャンバに供給して、特定のドーパント特性を有するイオンビームを形成するために使用するプラズマを得る。例えば、供給ガスPH3、BF3、またはAsH3から、種々の原子及び分子イオンがイオン源内に生成され、その後に加速されて質量選択される。発生したイオンを基板内に注入する深さは、イオン注入エネルギー及びイオンの質量に基づく。１種類以上のイオン種を、ターゲット（対象物）のウェハーまたは基板内に異なるドーズ量及び異なるエネルギーレベルで注入して、所望のデバイス特性を得ることができる。基板内の精密なドーピング・プロファイルが、適正なデバイス動作にとって重要である。
注入プロセス中には、ターゲット基板に対する正電荷イオンの衝撃が、ウェハー表面の絶縁部分上への正電荷の蓄積を生じさせて、この部分上に正電位をもたらすことができる。これらの高エネルギーイオンは、ウェハーからの二次電子放出による更なるウェハー帯電にも寄与することができる。結果的な正電位は、一部の微小構造内に強い電界を生成して、恒久的な損傷を生じさせることがある。プラズマフラッドガン（ＰＦＧ：plasma flood gun）を用いて、こうした電荷蓄積を軽減することができる。特に、ＰＦＧは、一般に、入射するイオンビームに近いプラテン付近の、イオンビームがウェハーまたはターゲット基板に衝突を行う直前に置くことができる。ＰＦＧはプラズマチャンバを具えることが多く、このプラズマチャンバ内で、アルゴン（Ar）、キセノン（Xe）またはクリプトン（Kr）のような不活性ガスの原子のイオン化によりプラズマが発生する。プラズマからの低エネルギー電子は、イオンビーム中に導入されてターゲットウェハーに向けて引き付けられて、過度に正帯電したウェハーを中和する。
既存のＰＦＧは多数の欠点が問題となる。１つの大きな欠点は、金属汚染の欠点である。特に、特定の従来型ＰＦＧは、高温のタングステン・フィラメントをプラズマ発生用に用いる。動作中には、タングステン・フィラメントが徐々に消耗して、タングステン原子がイオン注入システム並びにプロセス・ウェハーを汚染させ得る。他の一般的な金属汚染源は、ＰＦＧチャンバ自体である。プラズマチャンバの内面は、１つ以上の金属または金属化合物を含有することが多い。内面がプラズマ放電に絶えず晒されることにより、金属原子がイオン注入システム内に解放され得る。プラズマチャンバ内に配置された金属電極または他の金属化合物も、同様の汚染を生じさせ得る。
こうした汚染の問題は、プラズマチャンバを実質的に誘電材料で構成することによって軽減することができるが、こうした解決策は望ましくないことがある、というのは、非導電性の内面はプラズマ電位を増加させ、その結果、放出電子のエネルギーに悪影響を与えるからである。イオン注入システムにおける電荷中和のためには、比較的低い電子エネルギーが一般に好ましい。低エネルギーの電子は、正電位のイオンビーム内に容易に捕捉されて、イオンビーム内を正帯電したウェハーに向けて進むことができる。それに比べて、過度に高エネルギーの電子は、ビームから脱出することができ、ウェハーに到達しない。また、過度に高エネルギーの電子は、ウェハーに到達すれば、ウェハー表面上に負帯電をもたらし得る。このことは過剰な負電荷の蓄積をウェハー表面上に生じさせることがあり、こうした負の静電荷がウェハー表面上に蓄積し得る度合いは、ウェハーに到達する電子のエネルギーに関係する。
ＦＰＧを設計するに当たっての更なる挑戦は、既存のイオン注入システムの大幅な改変を必要とせずに、既存のＦＰＧ用に用意された所定空間に収まるのに十分なほど小型にすることである。成熟したイオン注入システムを、新型のＰＦＧを収容するだけのために改変することは、経済的に実現不可能であることが多い。従って、現状でも動作可能なイオン注入装置向けにＰＦＧを能力向上させることは、現在のシステム内に容易に組み込むことができるＰＦＧ設計を必要とする。従って、上述した不備及び短所を克服するＰＦＧを提供する必要性が存在する。
イオン注入システム内で使用されるプラズマフラッドガンを開示する。このプラズマフラッドガンは、基（ベース）部及び中央本体部を有する絶縁ブロック部と、基部上に、かつ中央本体部の互いに反対側に配置された第１及び第２導電性ブロック部と、第１導電性ブロックを第２導電性ブロックに結合する導電ストラップとを具えている。第１及び第２導電性ブロック部及び中央本体部は、その内部に形成されたそれぞれの凹部を含むことができ、これらの凹部は閉ループ型プラズマチャンバを形成する。第１及び第２導電性ブロック部は、無線周波数（ＲＦ：radio frequency）電力を受けて、ガス状物質を励起することによって閉ループ型プラズマチャンバ内にプラズマを発生させることができる。第２導電性ブロック内のそれぞれの凹部はピンチ領域を含むことができ、このピンチ領域は、閉ループ型プラズマチャンバにおける当該ピンチ領域に直に隣接した部分の断面寸法よりも小さい断面寸法を有する。このピンチ領域は、出口開口を有する出口部に直に隣接した位置に置くことができる。
イオン注入システム内のプラズマフラッドガン用のプラズマループ・アセンブリを開示する。このプラズマループ・アセンブリは、絶縁ブロック部、及び絶縁ブロック部の互いに反対側に配置された第１及び第２導電性ブロック部を含むことができる。第１及び第２導電性ブロック部、及び絶縁ブロック部は、それぞれの凹部を有することができ、これらの凹部が閉ループ型プラズマチャンバを形成する。このプラズマループ・アセンブリは、第１及び第２導電性ブロック部間に結合された導電ストラップを更に含むことができる。第１及び第２導電性ブロック部は、無線周波数（ＲＦ）電力を受けて、ガス状物質を励起することによって閉ループ型プラズマチャンバ内にプラズマを発生させることができる。第２導電性ブロック部内のそれぞれの凹部は、出口開口に直に隣接した位置にあるピンチ領域を含むことができる。このピンチ領域は、出口開口を通るプラズマの容易な移送を可能にすることができ、この出口開口は、プラズマの荷電粒子が当該出口開口を通って流れることを可能にするサイズを有する。
材料処理用途向けのプラズマループ・アセンブリを開示する。このプラズマループ・アセンブリは、絶縁ブロック部、及び絶縁ブロック部の互いに反対側に配置された第１及び第２導電性ブロック部を含むことができる。第１及び第２導電性ブロック部及び絶縁ブロック部は、それぞれの凹部を有することができ、これらの凹部が閉ループ型プラズマチャンバを形成する。第２導電性ブロック部内のそれぞれの凹部は出口開口を含むことができ、この出口開口は、プラズマの荷電粒子が当該出口開口を通って流れることを可能にするサイズを有する。このプラズマループ・アセンブリは、第１導電性ブロック部を第２導電性ブロック部に結合する導電ストラップを更に含むことができる。第１及び第２導電性ブロック部は、無線周波数（ＲＦ）電力を受けて、ガス状物質を励起することによって閉ループ型プラズマチャンバ内にプラズマを発生させることができる。第１導電性ブロック部内、第２導電性ブロック部内、または絶縁ブロック部内のうち少なくとも１つにあるそれぞれの凹部を、出口開口に結合にすることができる。
開示する本発明の実施形態によるプラズマフラッドガンを内蔵するイオン注入システムを示す図である。 開示する本発明の実施形態によるプラズマフラッドガンの透視図である。 図３Ａは、開示する図２のプラズマフラッドガンの回転した透視図である。図３Ｂは、開示する図２のプラズマフラッドガンの、図３Ａの線３Ｂ−３Ｂに沿って切り取った断面図である。 開示する図２のプラズマフラッドガンの一部分の等角図である。 開示する図２のプラズマフラッドガンの一部分を裏面から透視した等角図である。 図６Ａは、開示する図２のプラズマフラッドガンの一部分を図５の線６Ａ−６Ａに沿って切り取った断面図である。図６Ｂは、図６Ａの断面図を回転した詳細図である。 開示する図２のプラズマフラッドガンの一部分を図５の線７−７に沿って切り取った断面図である。 開示する図２のプラズマフラッドガンの一部分を図７の線８−８に沿って切り取った、底面からの透視図である。 図９Ａは、図２のプラズマフラッドガンのプラズマループ・アセンブリの出口部の部分断面図である。図９Ｂは、図２のプラズマフラッドガンのプラズマループ・アセンブリの出口部の部分断面図である。 開示するプラズマフラッドガンを内蔵する図１のイオン注入システムの概略図である。 図１１Ａは、開示するプラズマフラッドガンの一部分の等角図であり、本発明の実施形態による代案のプラズマチャンバ装置を示す。図１１Ｂは、図１１Ａの線１１Ｂ−１１Ｂに沿って切り取った、図１１Ａの代案のプラズマチャンバ装置の断面図である。 図１１Ｂの断面図の一部分の詳細図である。
実施形態の説明
イオン注入装置は、半導体製造において材料の導電性を選択的に変化させるために広く用いられている。代表的なイオン注入装置では、イオン源から発生したイオンを、一連のビームライン構成要素を通して指向させ、これらのビームライン構成要素は、１つ以上の分析磁石及び複数の電極を含むことができる。これらのビームライン構成要素は、所望のイオン種を選択し、汚染種、及び不所望なエネルギーを有するイオンをフィルタ処理して除去して、ターゲット基板におけるイオンビーム品質を調整する。適切に整形された電子が、イオンビームのエネルギー及び形状を修正することができる。
好適な高電流イオン注入装置１００を全体的に図１に示し、イオン注入ツールは、イオン源チャンバ１０２、及びイオンビームを基板に指向させる一連のビームライン構成要素を含み、好適な非限定的実施形態では、この基板をシリコンウェハーとすることができる。これらの構成要素は、真空環境内に収容することができ、所望の注入プロファイルに基づくイオンのドーズ量レベルを高エネルギーまたは低エネルギーの注入で提供するように構成されている。特に、イオン注入装置１００は、所望種のイオンを発生させるためのイオン源チャンバ１０２を含む。イオン源チャンバ１０２は、電源１０１によって給電される関連の熱陰極（ホットカソード）を有して、イオン源チャンバ１０２内に導入される供給ガスをイオン化してプラズマを形成し、このプラズマは、イオン及び自由電子を含有するイオン化ガス（電離気体）を含む。熱陰極は、例えば加熱フィラメントまたは傍熱陰極とすることができる。
種々の異なる供給ガスをイオン源チャンバ１０２に供給して、特定のドーパント特性を有するイオンを発生させる。これらのイオンは、標準的な３つの引き出し電極構成によりイオン源チャンバ１０２から抽出することができ、この引き出し電極構成を用いて、イオン源チャンバ１０２から抽出されたイオンビーム９５をフォーカスさせる（焦点を結ばせる）ための所望の電界を生成する。イオンビーム９５は、磁石を有する質量分析チャンバ１０６を通過し、この磁石は、所望の電荷対質量比を有するイオンのみを分解開口に向けて通過させるように機能する。特に、質量分析チャンバ１０６の磁石は曲線経路を含むことができ、この経路で、ビーム９５が印加された磁界にさらされ、この磁界は、不所望な電荷対質量比を有するイオンを、ビーム経路から離れるように偏向させる。減速段１０８（減速レンズとも称する）は、所定の開口を有する複数（例えば３つ）の電極を含むことができ、イオンビーム９５を出力するように構成されている。コリメータ磁石チャンバ１１０は、減速段１０８の下流の位置に置かれ、イオンビーム９５を偏向させて平行な軌跡を有するリボンビームにする。磁界を用いて、磁気コイルによるイオンの偏向を調整することができる。
イオンビーム９５は、支持体またはプラテン１１４に取り付けられたワークピース（加工片）を目標としてこれに向けられる。コリメータ磁石チャンバ１１０と支持体１１４との間に配置された追加的な減速段１１２を利用することもできる。減速段１１２（減速レンズとも称する）は、プラテン１１４上のターゲット基板に近い位置に置くことができ、そして複数（例えば３つ）の電極を含んで、イオンを所望のエネルギーレベルでターゲット基板内に注入することができる。これらのイオンは、基板内の電子及び原子核と衝突するので、その加速エネルギーに基づく基板内の所望深度で静止する。イオンビーム９５は、ビーム走査によって、プラテン１１４を用いた基板の移動によって、あるいはビーム走査と基板移動との組合せによって、ターゲット基板全体にわたって配分することができる。プラズマフラッドガン（ＰＦＧ）１１６は、プラテン１１４のすぐ上流の位置に置いて、イオンビーム９５が基板に衝突する直前に、プラズマをイオンビーム９５に当てることができる。ＰＦＧ１１６は、図１の高電流イオン注入装置１００で使用するものを例示しているが、ＰＦＧ１１６は、他の高電流イオン注入装置、及び中電流（ＭＣ：medium current）及び高エネルギー（ＨＥ：high energy）イオン注入装置のような他のイオン注入装置で利用することができる。
図２〜５を参照すれば、好適なＰＦＧ１１６が示され、このＰＦＧ１１６は、一般に、筐体（ハウジング）１１８、筐体１１８の第１端１２２に配置されたフランジ１２０、及び第１及び第２開口１２４、１２６を具え、これらの開口から正イオン及び／または自由電子が出ることができる。フランジ１２０は、ＰＦＧ１１６を、ＲＦ電力の供給を制御するための適切な制御システム１２１に結合することができ、これについては後により詳細に説明する。図３Ａ及び３Ｂに見られるように、一対のプラズマループ・アセンブリ１２８（図４、５）を筐体１１８内に配置することができ、各プラズマループ・アセンブリ１２８の出口部１３０は、第１及び第２開口１２４、１２６内に突出し、これにより、プラズマループ・アセンブリ１２８内に発生したプラズマが、出口から流出してイオンビーム９５と係り合うことができる。好適なＰＦＧ１１６は、一対のプラズマループ・アセンブリ１２８及び第１及び第２開口１２４、１２６を有するものとして図示しているが、要望に応じてより多数またはより少数のプラズマループ・アセンブリ及び開口を、例えばイオンビーム９５の幅に応じて用いることができることは明らかである。
図４及び５を参照すれば、プラズマループ・アセンブリ１２８のうち代表的なものが、基部１３４及び中央本体部１３６を有する絶縁ブロック部１３２、及び基部１３４上に、かつ中央本体部１３６の互いに反対側に配置された第１及び第２導電性ブロック部１３８、１４０を有する。一対の導電ストラップ１４２Ａ、Ｂが、（図６Ａ及び６Ｂのように）第１及び第２導電性ブロック部を結合し、これにより、絶縁ブロック部１３２の中央本体部１３６の第１及び第２側面１４４、１４６をブリッジ接続（橋絡）する。一方の導電ストラップ１４２はＲＦ電源８０４（図１０）に結合されるのに対し、他方の導電ストラップ１４２Ｂは、第１及び第２導電性ブロック部１３８、１４０をブリッジ接続してループを完成させる。エンドキャップ１４８を、第１導電性ブロック部１３８の端部１５０上に設ける。好適な非限定的実施形態では、絶縁ブロック部１３２がセラミックを含む。適切なセラミックの非限定的な例は、アルミナ、石英、及び窒化ホウ素を含む。第１及び第２導電性ブロック部１３８、１４０、及びエンドキャップ１４８は、アルミニウム、炭素（即ち、黒鉛）または他の適切な導電材料を含むことができる。図示する実施形態では、個別の要素を、押さえねじのような適切な締結具を用いて一緒に結合する。しかし、このことは重要でなく、要素間の接続は、ろう付けによって、適切な接着剤を用いて、等で行うことができる。
図６Ａ及び６Ｂに見られるように、第１及び第２導電性ブロック部１３８、１４０、及び絶縁ブロック部１３２の中央本体部１３６は、内部に形成されたそれぞれの凹部１５２Ａ、Ｂ、Ｃを有し、これらの凹部は、上記の要素が一緒に結合されると三次元の閉ループ型プラズマチャンバ１５４を形成する。図示する実施形態では、この閉ループ型プラズマチャンバ１５４が、絶縁ブロック部１３２の基部１３４に平行な平面内に配向された第１部分１５６、及びプラズマループ・アセンブリ１２８の側面から見ると第１部分１５６に直交する第２部分１５８を有する。図示する実施形態では、第１部分１５６が略Ｕ字形のチャンバを形成するが、このことは重要でなく、第１部分１５６は、Ｖ字形、半球形、半長方形、等のような他の形状を有することができる。
閉ループ型プラズマチャンバ１５４の第２部分１５８は、第２導電性ブロック部１４０内に配置されている。第２部分１５８の中心領域は、プラズマループ・アセンブリ１２８の出口部１３０（図４）内に配置されている。一実施形態では、出口部１３０が開口プレート１３１を具えている。出口開口１６０が、開口プレート１３１内に設けられている。後により詳細に説明するように、出口開口１６０は、閉ループ型プラズマチャンバ１５４の第２部分１５８と連通することができる。図４に見られるように、プラズマループ・アセンブリ１２８の出口部１３０は、開口プレート１３１を含めて、絶縁ブロック部１３２の基部１３４内の開口１３５を通って突出する。動作中には、閉ループ型プラズマチャンバ１５４内に発生したプラズマが出口開口１６０から出て、出て来るプラズマからの荷電粒子が、隣接するイオンビーム９５が占める領域に入ることができる。
図６Ｂ、７及び８に示すように、閉ループ型プラズマチャンバ１５４の第１部分１５６は、プラズマチャンバ幅「ＰＣＷ」及びプラズマチャンバ高「ＰＣＨ」を有する。図示する実施形態では、プラズマチャンバ幅「ＰＣＷ」とプラズマチャンバ高「ＰＣＨ」とがほぼ等しいが、このことは重要でなく、種々の実施形態では、プラズマチャンバ幅「ＰＣＷ」をプラズマチャンバ高「ＰＣＨ」よりも大きく、あるいは小さくすることができる。図７に最も良く見られるように、閉ループ型プラズマチャンバ１５４の第２部分１５８は、第１部分１５６から大まかに絞られて「ピンチ」領域１６２を形成する。図７は、ピンチ領域１６２の構成を、開口プレート１３１を除去して示す。ピンチ領域１６２は開口プレート１３１内の出口開口１６０に隣接して（即ち、その直上に）配置することができ（図９Ａ、９Ｂ参照）、これにより、プラズマがピンチ領域１６２を通して「絞られる」際に、プラズマの一部が出口開口１６０を通って出る。
図７に見られるように、閉ループ型プラズマチャンバ１５４の第２部分１５８は一対の脚部１６４を含み、これらの脚部はピンチ領域１６２で収束する。一対の脚部１６４は、プラズマループ・アセンブリ１２８の側面から見ると、閉ループ型プラズマチャンバ１５４の第１部分１５６に直交して配向される。図７に見られるように、一対の脚部１６４は、プラズマループ・アセンブリ１２８の端部から見れば、閉ループ型プラズマチャンバ１５４の第１部分１５６に対して傾斜角を有するようにも配向されている。図８は、第２導電性ブロック１４０の一部分の底面からの透視図であり、ピンチ領域１６２を含む。ここでも、明瞭にするために、開口プレート１３１はこの図に示していない。図９Ａ及び９Ｂは、ピンチ領域１６２に直に隣接した位置に置かれた出口開口１６０に対する、開口プレート１３１の相対的位置決めを示す。ピンチ領域１６２は、出口開口１６０の直上に位置するように示しているが、こうした特定の配向は重要ではなく、もちろん、ＰＦＧ１１６を設置する向きに依存することは明らかである。例えば、プラズマループ・アセンブリ１２８を水平から９０度回転させた場合、ピンチ領域１６２は出口開口１６０の「傍らに」（まだ隣接してはいるが）位置することができる。ピンチ領域の配向を選ぶ能力は、既存のシステムにおける小型パッケージ化のための利点を提供する。
図４及び９Ａに最も良く見られるように、出口開口１６０は円錐形状を有し、この円錐形状は、ピンチ領域１６２に直に隣接して位置する相対的に小さい直径、及び開口プレート１３１の出口側１６１に位置する相対的に大きい直径を有する。開口プレート１３１の出口側１６１により大きい直径を設け、最小の直径に短い長さを与えることによって、より大量のプラズマをイオンビーム９５の領域内に伝えることができる。こうした円錐形状は重要ではない。例えば、滑らかな円錐部分の代わりに、出口開口１６０は、出口開口１６０の「広がり」を急速に生じさせる一連の段階または他の形状を有することができる。一部の実施形態では、出口開口１６０の出口側１６１が円筒形であり、その下方が円錐形状に開口する。こうした出口開口１６０の円筒形部分は、プラズマが「膨れ出る」ことを可能にするのに十分なほど薄くするべきである。出口開口１６０は、その出口側１６１を、テーパー付き楕円形の形状にすることができる。この楕円形は、ピンチ領域１６２の幅「ＰＲＷ」にわたることができる。この楕円形は、イオンビーム９５の進行方向に直交するように延びて、電子分布をイオンビームの幅全体にわたって最大にすることができる。
一部の実施形態では、ピンチ領域１６２が、出口開口１６０に隣接した略Ｕ字形の流路を具えている。ピンチ領域１６２は、ピンチ領域高「ＰＲＨ」、ピンチ領域幅「ＰＲＷ」及びピンチ領域長「ＰＲＬ」を有することができ（図７及び８）、これらが一緒になって、ピンチ領域１６２内における閉ループ型プラズマチャンバ１５４のサイズを規定する。一部の実施形態では、ピンチ領域１６２の寸法、及びピンチ領域１６２内における閉ループ型プラズマチャンバ１５４の断面サイズの、閉ループ型プラズマチャンバ１５４の第１部分１５６の断面サイズに対する比率を、要望に応じてより大きな出力またはより低い電子エネルギー向けに最適化して特定用途に適合するように選択することができる。図９Ａ及び９Ｂに見られるように、ピンチ領域１６２に直に隣接した出口開口１６０の直径は、ピンチ領域幅「ＰＲＷ」にほぼ等しい。
このように構成されると、閉ループ型プラズマチャンバ１５４の第１部分１５６は、イオンビームを基板に運ぶ最終段階において、イオンビーム９５の平面に直交する平面内にある。ピンチ領域１６２は、第１部分１５６の平面に直交するように配向され、これにより、ピンチ領域１６２の中心にある出口開口１６０が、イオンビーム９５の平面に直交する向きの軸Ａ−Ａ（図３Ｂ及び９Ｂ）を規定する（例示的なイオンビーム断面に関してピンチ領域１６２を示す図７参照）。その結果、第１及び第２部分１５６、１５８の配向が「屈曲した」プラズマループを生じさせ、これにより、プラズマループにおけるピンチ領域１６２を通って流れる部分が、イオンビーム９５の平面に直交する平面内に配向される。
前述したように、出口開口１６０に隣接したピンチ領域１６２を設けることによって、閉ループ型プラズマチャンバ１５４内に形成されたプラズマが、その最高密度で出て、従って、プラズマとイオンビーム９５との相互作用を最大にして、閉ループ型プラズマチャンバ１５４からのプラズマの「引き出し」を増強する。
閉ループ型プラズマチャンバ１５４の第１部分１５６を、第２部分に直交するように配向させることは、プラズマループ・アセンブリ１２８用の小型の設計を促進して、プラズマループ・アセンブリ１２８が既存のＰＦＧ１１６の筐体内に収まることを可能にすることは明らかである。
図１０は、開示するＰＦＧ１１６の例示的な機能概略図である。図示を明瞭にするために、一対のプラズマループ・アセンブリ１２８を有するＰＦＧ１１６の実施形態を、イオンビーム９５に対するその実際位置から９０度回転させて（即ち、軸８０２の周りに９０度回転させて）示す。図１０に例示するように、ＰＦＧ１１６の各プラズマループ・アセンブリ１２８は、それぞれのＲＦ電源８０４に結合されている。特に、各プラズマループ・アセンブリ１２８の第１及び第２導電性ブロック部１３８、１４０は、インピーダンス・マッチング回路網８０６を通して、それぞれのＲＦ電源８０４に結合されている。図６Ａ及び６Ｂに示すように、各プラズマループ・アセンブリ１２８の第１及び第２導電性ブロック１３８、１４０への物理的結合は、導電ストラップ１４２Ａを介して行われる。
ＲＦ電源８０４によって供給されるＲＦ電力は、例えば２MHz、１３．５６MHz、及び２７．１２MHzのような、工業、科学、及び医療（ＩＳＭ：industrial, scientific and medical）機器に割り当てられた代表的な周波数で動作することができる。各プラズマループ・アセンブリ１２８に結合されるＲＦ電力は、その内部の不活性ガスを励起してプラズマを発生させることができる。供給通路８０５（図３Ｂ参照）をプラズマループ・アセンブリ１２８の端部壁内に設け、供給通路８０５を通して１つ以上のガス状物質をプラズマチャンバに供給することができる。これらのガス状物質は、キセノン（Xe）、アルゴン（Ar）またはクリプトン（Kr）のような不活性ガスを含むことができる。プラズマチャンバ内のガス圧は、調整されたガス流、ガス種、レーストラック（周回路）の寸法、ピンチチャンバの寸法、及び出力開口のサイズに応じて変化し得る。Xeガスを使用する一部の実施形態用の好適なガス流は、０．０５〜５sccmである。種々の実施形態では、プラズマチャンバ内のガス圧を、プラズマチャンバからの電子と共に供給するイオンビームを含むプロセスチャンバ内の結果的なガス圧がイオンビームの存在なしで１０-5Torr以下になるようにする。
図１０に更に示すように、バイアス電源８０８をプラズマフラッドガン１１６に結合して、各プラズマループ・アセンブリ１２８に接地に対するバイアスをかける。例えば、基板表面の中和を最適化するために、０ボルトから数ボルトまでの電圧を供給して電子の移送を促進することができるが、バイアスの利益が得られない際にはバイアス電源８０８をオフ状態にすることもできる。プラズマフラッドガン１１６からの放出電流は、図に示すようにバイアス電源８０８に接続された装置によって測定することもでき、バイアス電圧を調整して、所望の電子流をプラズマフラッドガン１１６から出力することができる。
このように構成されると、プラズマは誘導結合によって閉ループ型プラズマチャンバ１５４内に維持される。一次電流は第１及び第２導電性ブロック部１３８、１４０（及び一対の導電ストラップ１４２Ａ、１４２Ｂ）を通って進み、その間に閉ループ型プラズマチャンバ１５４を周回するプラズマ電流が二次電流を形成する。なお、プラズマループ・アセンブリ１２８は、第１及び第２部分１５６、１５８及びピンチ領域１６２を通って延びる連続したプラズマループを発生させるように構成されている。プラズマループ・アセンブリ１２８から出るプラズマは、（ピンチ領域１６２及び出口開口１６０の幾何学的形状によって支配される）初期のプラズマ境界条件、並びにイオンビーム９５及び基板の領域内に存在する電磁界によって制御される。ＲＦ電力は、閉ループ型プラズマチャンバ１５４の一方の側に入り、閉ループ型プラズマチャンバ１５４の他方の側を通って出る。上述したように、絶縁ブロック部１３２の中央本体部１３６は、一対の導電ストラップ１４２によってブリッジ接続され、導電ストラップ１４２は、一次ループを閉ループ型プラズマチャンバ１５４の周りに通す。
ピンチ領域１６２、及び閉ループ型プラズマチャンバ１５４の第１及び第２部分１５６、１５８の「反転した」幾何学的形状の使用は、基板の付近に存在する狭い空間領域内での、電子エネルギー、高いプラズマ密度、及び小型パッケージ化の同時の最適化を可能にする。開示するプラズマループ・アセンブリ１２８を、単独で、（図示する実施形態のように）二重の組として、あるいは多重のグループとして用いて、現在の基板サイズ用の走査ビームまたはリボンビーム、並びに将来予期されるより広幅のビームをカバーすることができる。開示するＲＦ技術は、帯電性能を犠牲にすることなしに次世代の金属汚染の低減を可能にし、ＰＦＧ１１６のプラグ・コンパチブルな（プラグ接続に互換性のある）性質は、生産量を更に高めることができる外部の現場での、あるいは外部装置との使用を可能にする。
図１１Ａ〜１２に、プラズマループ・アセンブリ２２８の代案実施形態を開示する。本実施形態のプラズマループ・アセンブリ２２８は、基部２３０を含む複数の積層本体部、基部２３０上に配置された第１導電性ブロック部２３２、第１導電性ブロック部２３２上に配置された絶縁体部２３４、絶縁体部２３４上に配置された第２導電性ブロック部２３６、及び第２導電性ブロック部２３６上に配置されたキャップ部２３８を具えている。これらの各部分内のそれぞれの開口が、閉ループ型プラズマチャンバ２５４を規定する。プラズマループ・アセンブリ２２８は出口部２４０（図１２）を含み、出口部２４０は、閉ループ型プラズマチャンバ２５４内に発生したプラズマが閉ループ型プラズマチャンバ２５４から出てイオンビーム９５の領域に入ることを可能にする。図示する実施形態では、出口開口２４２が、基部２３０上に配置された開口プレート２４４内に形成されている。図示する実施形態では、出口開口２４２が逆円錐の形状であり、プラズマとイオンビーム９５との相互の係り合いを促進する。
図示する実施形態は、開口プレート２４４を別個の要素であるものとして示している。こうした構成は、堆積物が開口プレート２４４及びピンチ領域２６２のそれぞれの表面上に蓄積した場合に、開口プレート２４４及びピンチ領域２６２の洗浄のために開口プレート２４４を取り外すことを可能にする。これに加えて、図示する実施形態は、絶縁体部２３４を一対の分離した円筒形部材で構成されるように示している。その代わりに、絶縁体部２３４を一体の部材として設けることができる。
基部２３０は、図３Ａ〜９Ｂに関して記載したピンチ領域１６２の寸法、形状、及び／または特性のいずれか、あるいは全部を含むピンチ領域２６２を含むことができる。図１１Ｂ及び１２に最も良く見られるように、プラズマループ・アセンブリ２２８はプラズマループ２４８を発生させるように構成され、プラズマループ２４８の一端を、開口プレート２４４内の出口開口２４２に直に隣接するピンチ領域２６２に強制的に通す。図３Ａ〜９Ｂのプラズマループ・アセンブリ１２８により形成されるプラズマループとは異なり、プラズマループ・アセンブリ２２８によって形成されるプラズマループ２４８は、単一の平面内に発生する。
前述したように、開口プレート２４４内の出口開口２４２に隣接したピンチ領域２６２を設けることによって、こうした設計は、閉ループ型プラズマチャンバ２５４内に形成されるプラズマの最高密度領域を最大にし、このプラズマは出口開口２４２からイオンビーム９５内に出ることができる。
図１１Ｂを参照すれば、プラズマループ・アセンブリ２２８によって形成される好適なプラズマループ２４８が示されている。図示するように、一次電流経路２５０が、第１及び第２導電性ブロック部２３２、２３６を通って第１方向（時計回り）に形成され、これに対しプラズマループ２４８は、逆方向（反時計回り）に流れる二次電流経路２５２を具える。特に、図１１Ｂ及び１２中のプラズマループ２４８の表現は非常に概略的であり、プラズマループ２４８の実際の幅は、ピンチ領域２６２内では、プラズマループ２４８の残りの部分のプラズマ幅とは対照的に、大幅に小さくすることができる。
図１２は、基部２３０、ピンチ領域２６２、及び開口プレート２４４を、プラズマループ２４８におけるピンチ領域２６２を通る部分の流れの表現と共に示す。図に見られるように、ピンチ領域２６２は、プラズマループ２４８を（図示する向きでは）下向きに、開口プレート２４４内の出口開口２４２に強制的に向ける。図２との関連では、開口プレート２４４は、ＰＦＧ１１６の筐体１１８内の第１及び第２開口１２４、１２６の一方と通じるように配置される。
本発明の種々の実施形態によれば、図１０に例示するように、１つ以上のプラズマループ・アセンブリ２２８を、１つ以上のＲＦ電源８０４のそれぞれと結合することができる。従って、ＲＦ電源８０４を、インピーダンス・マッチング回路網８０６を介して第１及び第２導電性ブロック部２３２、２３６に接続して、これらの導電性ブロック内にプラズマを発生させることができる。
イオン注入システム内では、ＰＦＧ１１６は、一般に、イオンビーム９５の付近に、イオンビーム９５がプラテン１１４上に配置されたターゲット基板に到達する直前の位置に置かれる。筐体１１８の側壁１１９内に、プラズマループ・アセンブリ１２８の出口部１３０が配置されて、プラズマがイオンビーム９５内に出ることを可能にする。図３Ｂに示すように、一対のプラズマループ・アセンブリ１２８に関連する一対の出口部１３０が筐体１１８内に配置されている。しかし、より多数またはより少数のプラズマループ・アセンブリ１２８及び出口部１３０を、イオンビーム９５の幅全体にわたって設けることができることは明らかである。リボン形イオンビームについては、一対の出口部１３０を、リボン幅のほぼ全体を「カバーする」ように配置することができる。走査イオンビームの場合、一対の出口部１３０が走査幅を「カバーする」ことができる。本発明の一実施形態によれば、一対の出口部１３０を、４〜１８インチの幅を「カバーする」ように間隔をおくことができる。種々の幅のいずれも実現可能であることは、通常の当業者にとって明らかである。
ＰＦＧ１１６は、下のイオンビーム９５に直面（即ち直交）する一対の出口部１３０を有するものとして説明してきたが、他の配向も考えられる。従って、一実施形態では、プラズマブリッジがイオンビーム９５に斜めの角度で結合するように、ＰＦＧ１１６または一対の出口部１３０を傾斜させることができる。例えば、ＰＦＧ１１６は、一対の出口部１３０から出る電子（またはプラズマブリッジ）が概ね基板の向きに指向されてイオンビーム９５に４５度の角度で結合するように構成することができる。他の角度を用いて、基板表面の中和の移送を最適化することができる。ＰＦＧ１１６外の領域内の外部磁界または外部電界の使用を含めた他の最適化方法を用いて、出て来るプラズマからウェハー表面への荷電粒子の移送を改善することもできる。
要約すれば、本実施形態のピンチ・プラズマブリッジ・フラッドガンは、基板に隣接して配置することができる小型筐体内での電子エネルギー及びプラズマ密度の同時の調整を促進する。異なる実施形態では、こうした小型のフラッド・アーキテクチャが、電子をイオンビーム中に指向させるための、直線状に配置された単一の、二重の、あるいは多重のプラズマループ・アセンブリを含むことができる。このことは、あらゆる幅の走査ビームまたはリボンビームをカバーするように好都合にスケーリング（拡大縮小）することができるアーキテクチャを提供する。ＲＦ誘導技術の使用は、中和のために十分な電子流を発生させる能力を犠牲にすることなしに、金属汚染の低減を可能にする。
本発明は、特定実施形態を参照しながら説明してきたが、添付した特許請求の範囲に規定する本発明の領域及び範囲から逸脱することなしに、説明した実施形態に対する多数の変形、修正、及び変更が可能である。従って、本発明は説明した実施形態に限定されず、以下の特許請求の範囲の文言及びその等価物によって規定される全範囲を有することを意図している。

Claims (15)

  1. イオン注入システム内で使用されるプラズマフラッドガンであって、
    基部及び中央本体部を有する絶縁ブロック部と、
    前記基部上に、かつ前記中央本体部の互いに反対側に配置された第１導電性ブロック部及び第２導電性ブロック部と、
    前記第１導電性ブロック部を前記第２導電性ブロック部に結合する導電ストラップとを具え、
    前記第１導電性ブロック部及び前記第２導電性ブロック部、及び前記中央本体部は、内部に形成されたそれぞれの凹部を含み、これらの凹部が閉ループ型プラズマチャンバを形成し、前記第１導電性ブロック部及び前記第２導電性ブロック部は、無線周波数電力を受けて、ガス状物質を励起することによって前記閉ループ型プラズマチャンバ内にプラズマを発生させ、
    前記第２導電性ブロック部内の前記それぞれの凹部はピンチ領域を含み、このピンチ領域は、前記閉ループ型プラズマチャンバにおける当該ピンチ領域に直に隣接した部分の断面寸法よりも小さい断面寸法を有し、前記ピンチ領域は、出口開口を有する出口部に直に隣接した位置にあるプラズマフラッドガン。
  2. 前記閉ループ型プラズマチャンバが第１部分及び第２部分を具え、前記第１部分は、前記絶縁ブロック部の前記基部に平行して配向され、前記第２部分は前記第１部分に直交して配向されている、請求項１に記載のプラズマフラッドガン。
  3. 前記ピンチ領域が前記閉ループ型プラズマチャンバの前記第２部分内に配置されている、請求項２に記載のプラズマフラッドガン。
  4. 前記閉ループ型プラズマチャンバの前記第１部分がＵ字形状を含む、請求項２に記載のプラズマフラッドガン。
  5. 前記閉ループ型プラズマチャンバの前記第２部分が、前記ピンチ領域で収束する一対の脚部を具えている、請求項２に記載のプラズマフラッドガン。
  6. 前記閉ループ型プラズマチャンバが、無線周波数電力を供給する電源と共に動作して、１〜１００mTorrの圧力範囲にわたるプラズマを発生させる、請求項１に記載のプラズマフラッドガン。
  7. 前記第１導電性ブロック部または前記第２導電性ブロック部に結合されたバイアス電源であって、前記プラズマフラッドガンの電圧を接地に対して調整することによって前記プラズマフラッドガンからの電子放出を調整するように構成されたバイアス電源を具えている、請求項１に記載のプラズマフラッドガン。
  8. イオン注入システム内のプラズマフラッドガン用のプラズマループ・アセンブリであって、
    絶縁ブロック部、及びこの絶縁ブロック部の互いに反対側に配置された第１導電性ブロック部及び第２導電性ブロック部と、
    前記第１導電性ブロック部と前記第２導電性ブロック部との間に結合された導電ストラップとを具え、
    前記第１導電性ブロック部及び前記第２導電性ブロック部、及び前記絶縁ブロック部がそれぞれの凹部を有し、これらの凹部が閉ループ型プラズマチャンバを形成し、
    前記第１導電性ブロック部及び前記第２導電性ブロック部は、無線周波数電力を受けて、ガス状物質を励起することによって前記閉ループ型プラズマチャンバ内にプラズマを発生させ、
    前記第２導電性ブロック部内の前記それぞれの凹部は、出口開口に直に隣接した位置にあるピンチ領域を含み、このピンチ領域は、前記プラズマの前記出口開口を通る容易な移送を可能にし、前記出口開口は、前記プラズマの荷電粒子が当該出口開口を通って流れることを可能にするサイズを有するプラズマループ・アセンブリ。
  9. 前記閉ループ型プラズマチャンバが第１部分及び第２部分を具え、前記第２部分は前記第１部分に直交する、請求項８に記載のプラズマループ・アセンブリ。
  10. 前記ピンチ領域が、前記出口開口に隣接するＵ字形流路を具え、前記出口開口は開口プレート内に配置され、前記出口開口は、円錐形断面またはテーパー付き楕円形状を有する、請求項８に記載のプラズマループ・アセンブリ。
  11. 前記閉ループ型プラズマチャンバの前記第１部分がＵ字形状を含む、請求項９に記載のプラズマループ・アセンブリ。
  12. 前記閉ループ型プラズマチャンバが、前記無線周波数電力を供給する電源と共に動作して、１〜１００mTorrの圧力範囲にわたるプラズマを発生させる、請求項８に記載のプラズマループ・アセンブリ。
  13. 材料処理用途向けのプラズマループ・アセンブリであって、
    絶縁ブロック部、及び前記絶縁ブロック部の互いに反対側に配置された第１導電性ブロック部及び第２導電性ブロック部と、
    前記第１導電性ブロック部を前記第２導電性ブロック部に結合する導電ストラップとを具え、
    前記第１導電性ブロック部及び前記第２導電性ブロック部、及び前記絶縁ブロック部がそれぞれの凹部を有し、これらの凹部が閉ループ型プラズマチャンバを形成し、前記第２導電性ブロック部内の前記それぞれの凹部は出口開口を含み、この出口開口は、前記プラズマの荷電粒子が当該出口開口を通って流れることを可能にするサイズを有し、
    前記第１導電性ブロック部及び前記第２導電性ブロック部は、無線周波数電力を受けて、ガス状物質を励起することによって前記閉ループ型プラズマチャンバ内にプラズマを発生させ、
    前記第１導電性ブロック部内、前記第２導電性ブロック部内、または前記絶縁ブロック部内のうち少なくとも１つにある前記それぞれの凹部が前記出口開口に結合されているプラズマループ・アセンブリ。
  14. 前記出口開口に直に隣接した位置にあるピンチ領域を更に具え、このピンチ領域は、前記出口開口に向かうプラズマの最大の流れを可能にするように構成されている、請求項１３に記載のプラズマループ・アセンブリ。
  15. 前記閉ループ型プラズマチャンバの第２部分が、前記ピンチ領域で収束する一対の脚部を具えている、請求項１３に記載のプラズマループ・アセンブリ。
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