JP6898928B2 - プラズマ浸漬イオン注入装置の制御方法及びバイアス供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ浸漬において機能するイオン注入装置に関する。

本発明の分野は、プラズマ浸漬モードで機能するイオン注入装置の分野である。

基板にイオンを注入することは、プラズマに基板を浸漬することと、プラズマのイオンが基板内に注入されるように、プラズマのイオンを基板に向けて加速することのできる電界を生成するように、基板に、数十ボルトから数十キロボルト（一般に100ｋｖ未満）の範囲の負のバイアス電圧をかけることからなる。このようにして注入された原子をドーパントと呼称する。

イオンの浸透深さは、イオンの加速エネルギによって決定される。イオンの浸透深さは、まず、基板に印加される電圧、つぎに、イオン及び基板の相対的な性質に依存する。注入された原子の濃度は、平方センチメータ（ｃｍ^２）当たりのイオンの数で表現される供与量、及び注入深さに依存する。

プラズマの物理に関連した理由で、電圧が印加された数ナノ秒後に、基板の周囲にイオンシースが生成される。イオンを基板に向けて加速させる電位差は、該シースの境界に位置する。

時間の関数としての該シースの寸法の増加は、チャイルド―ラングミュアの式に従う。

ここで、以下のとおりである。
ｊ_ｃ ：電流密度
ε_０ ：真空の誘電率
ｅ ：イオンの電荷
Ｍ ：イオンの質量
Ｖ_０ ：該シースの両側の電位差
ｓ ：該シースの厚さ

電流密度が、単位時間に該シースの境界を通過する電荷に等しいとして、ｄｓ／ｄｔは、この境界の移動速度を表す。

ここで、表示ｓ_０は、以下のとおりである。

u₀ = (2eV₀/M)は、イオンの特性速度であり、ｎ_０はプラズマの密度であるとする。

該シースの厚さは、主に、印加される電圧、プラズマの密度、イオンの質量に関連する。

注入電流を決定するプラズマの等価インピーダンスは、該シースの厚さの二乗に正比例する。したがって、注入電流は、該シースの寸法が増加すると、非常に急速に減少する。

所定の時間が経過すると、再初期化を進める必要がある。該シースが容器の壁に到達し、注入メカニズムを停止させると、このことは実際上不可避であることがわかる。

システムを再初期化するために、プラズマを着火させたまま、基板における高電圧を停止させるのが通常である。したがって、高電圧パルスを作るパルス発生器を備える必要がある。

したがって、図1を参照すると、特許文献１は、
接地された正極を有する発生器ＧＥＮ、
該発生器ＧＥＮに並列のキャパシタＣｔ、
該発生器ＧＥＮの負極に接続された第1の電極、及び電源供給装置の出力端子Ｏに接続された第2の電極を有する第1のスイッチＩＴ１、
該出力端子Ｏに接続された第１の電極、及び接地された第2の電極を有する第2のスイッチＩＴ２を備える電源供給装置によって基板にバイアス電圧をかけることを提案している。

該方法は、以下の段階を含む。
プラズマ電源供給装置を作動させており、
該第1のスイッチＩＴ１が閉じており、
該第2のスイッチＩＴ２が開いている注入段階、及び
該第1のスイッチＩＴ１が開いており、
該第2のスイッチＩＴ２が閉じている中性化段階。

容器内にプラズマが存続することは、以下の望ましくない効果をもたらす。
粒子、またはダストを発生し、
基板に熱を与え、
容器を侵食し、処理される部品の金属汚染のリスクを生じ、
特にマイクロエレクトロニクスの応用に面倒な電荷効果を生成し、
基板に印加される電圧が上昇し下降する段階の間に安定化されていない加速電圧において注入する。

さらに、特許文献２は、以下の一連の動作を規定している。
基板電源供給装置を作動させ、
所定の遅れの後、プラズマ電源供給装置を1パルスの期間作動させ、
該プラズマ電源供給装置を作動停止させ、
所定の期間の後、該基板電源供給装置を作動停止させる。

上記所定の期間の間、該基板電源供給装置は作動し、該プラズマ電源供給装置は作動停止しており、これは緩和段階に相当することとなる。

注入段階の間、電気的に絶縁されている基板の領域は累積的に正に帯電される。ひとえに注入プロセスにもたらされる障害によってこの状況が好ましくないのは言うまでもない。したがって、電子を供給することによって、これらの正の電荷を中性化するのが好ましい。

フィラメントを設けることもできるが、フィラメントは気化しやすい。電子ガンを設けることもできるが、電子ガンは比較的高価な追加の設備を構成する。

したがって、正電荷を中性化することを容易にするのが適切である。

特許文献３は、プラズマ電源供給装置及び基板電源供給装置を含むイオン注入装置を制御する方法に関する。該基板電源供給装置は、
接地された正極を有する電圧発生器、
該電圧発生器の負極に接続された第1の電極、及び該基板電源供給装置の出力端子に接続された第2の電極を有する第1のスイッチ、及び
該出力端子に接続された第１の電極、及び中性化端子に接続された第2の電極を有する第２のスイッチを備える。

該方法は、注入段階を含み、該注入段階において、
該プラズマ電源供給装置を作動させており、
該第1のスイッチは閉じており、
該第２のスイッチは開いている。

該方法は、また、中性化段階を含み、該中性化段階において、
該第1のスイッチは開いており、
該第２のスイッチは閉じている。

該方法は、また、緩和段階を含み、該緩和段階において、
該プラズマ電源供給装置を作動停止させている。

該中性化段階は、該第２のスイッチを閉じるための予備ステップを含み、該予備ステップには、該プラズマ電源供給装置を作動させるために相殺ステップが続く。

このように、該相殺ステップの間に、基板上の正の電荷はプラズマの電子によって中性化される。

上記の好ましくない効果のほとんどは、除去されないとしても、かなり低減される。

しかしながら、プラズマプロセスの間に、特に、電気的陰性の種のプラズマ（たとえば、フッ化物プラズマ）に対して、凝集メカニズムによってダストが発生する。そのメカニズムにおいて、電気的陰性の性質の原子（たとえば、フッ素原子）が、負のイオン（本例ではＦ⁻）を形成するためにプラズマの電子をとらえる。その後、この負のイオンは正のイオンと凝集し、合成物（本例ではフッ化物合成物）を形成する。この合成物は、今度は、プラズマから電子をとらえ、負に帯電し、他の正のイオンを引き付け、このようにしてプラズマ内で累積的に成長しダストを形成する。この成長は、ダストの質量がかなりの大きさとなるか、または、プラズマを発生させる電界が停止したときに停止する。その後、該ダストは、重力の下で処理されている基板上に落下する。

この凝集メカニズムはよく知られており、特にプラズマを消す際に、最適化されたガス流と結合したパルス状のプラズマを利用する方策がとられる。これによって粒子の大きさを減少させ、粒子が基板上に落下する前にポンプ装置へ排出することができる。

しかしながら、この方策は、ますます進展する電子部品の縮小化に際し十分ではないことが判明した。プラズマ浸漬による注入の際に、負の電圧のパルスの間に、プラズマの正のイオンは、基板内に注入されるように基板に向けて加速される。これらのパルスの間に、基板は正の電荷の大きなフラックスを受け、その表面は、特に、基板が酸化物、窒化物、またはフォトリソグラフィ樹脂などの非導電性材料を含む場合には正に帯電されうる。アーク現象につながる可能性のある正の電荷の過度の蓄積を避けるために、負のパルスの終了後に所定の長さの時間（数十マイクロ秒（μｓ））プラズマを着火したままである必要がある。そのとき、正の表面電荷はプラズマから来る電子によって中性化される。このような中性化は、負のパルスと負のパルスの間に、基板に正の電位を印加することによって改善されうる。

しかしながら、電子が基板にひきつけられるならば、このことは負に帯電された粒子にも当てはまり、したがって、負に帯電された粒子が基板の表面にたまる。

ところで、特許文献４は、プラズマ浸漬イオン注入の制御方法の特徴を開示している。該文献は、基板が負にバイアスされ、プラズマ電源供給装置が停止している初期化段階を規定している。しかしながら、この初期化段階の期間は5μｓよりも短い。

この期間は負に帯電された粒子を除去するには短すぎる。

WO01/15200 US2007/069157 WO2013/057390 FR2998707

本発明の目的は、基板を汚染する粒子を防止することである。

本発明によれば、プラズマ浸漬において機能する注入装置を制御する方法は、
プラズマが着火されており、基板が負にバイアスされている注入段階と、
プラズマが着火されており、該基板が正またはゼロのバイアスを与えられている中性化段階と、
プラズマが消されている抑制段階と、
プラズマが消されている、該基板における負に帯電された粒子の排除段階と、を含み、
該排除段階の期間が５μｓよりも長いことを特徴とする。

該方法は、該排除段階の後に、プラズマが消されており、該基板が正またはゼロのバイアスを与えられている準備段階を含むのが有利である。

該排除段階の間に該基板が負にバイアスされているのが好ましい。

オプションとして、該注入装置は、該基板の周囲に回復電極を含み、該排除段階の間に該回復電極は正にバイアスされている。

好ましい実施形態において、該抑制段階の間に該基板が正またはゼロのバイアスを与えられている。

また、本発明は、注入装置用のバイアス電源供給装置を提供する。該電源供給装置は、
正極が接地された第１の電圧発生器と、
該第１の電圧発生器の負極に接続された第１の電極と、該電源供給装置の出力端子に接続された第２の電極と、を有する第１のスイッチと、
補償端子に接続された第１の電極と、該出力端子に接続された第２の電極と、を有する第２のスイッチと、を備え、
該電源供給装置は、補助発生器の負極に接続された第１の電極と、該出力端子に接続された第２の電極と、を有する第３のスイッチを含み、該補助発生器の正極は、結合端子に接続されていることを特徴とする。

オプションとして、該結合端子が接地されている。

代替として、該注入装置が回復電極を含み、該結合端子が該回復電極に接続されている。

第一のオプションにおいて、該補償端子が接地されている。

第二のオプションにおいて、該補償端子が第２の電圧発生器の正極に接続されており、該第２の電圧発生器の負極が接地されている。

本発明は、以下において、添付の図面を参照しながら、説明のために与えられた実施例を記述する以下の記載からさらに詳細に明らかにされる。

先行技術の高電圧電源供給装置を示す図である。 制御モジュールを備えたイオン注入装置を示す図である。 本発明の高電圧電源供給装置の第1の実施形態を示す図である。 第1の実施形態による本発明の方法のタイムチャートを示す図である。 本発明の高電圧電源供給装置の第２の実施形態を示す図である。 第２の実施形態による本発明の方法のタイムチャートを示す図である。

二以上の図に存在する構成要素には、それぞれの図で同じ符号を与える。

図2を参照すると、イオン注入装置は、真空容器ＥＮＶの内側及び外側に配置された複数の構成要素を備える。マイクロエレクトロニクスの用途に対して、鉄、クロム、ニッケル、またはコバルトなどの金属元素による汚染を制限するのが望ましければ、アルミニウム合金製の容器を使用するのが推奨される。ケイ素または炭化ケイ素の被覆を使用することもできる。

鉛直軸ＡＸＴの周りに可動で、水平面内の円板の形状である基板保持回転台ＰＰＳは、イオン注入を受ける基板ＳＵＢを収容する。

基板ＳＵＢの近傍には、基板ＳＵＢの周りにおいて同心状のリングのような、回復電極が存在する。該電極は、容器ＥＮＶを保護するために基板ＳＵＢの近傍に鉛直方向に配置された保護ライナー板ＬＩＮの形状であってもよい。

容器ＥＮＶの上部は、鉛直方向の軸ＡＸＰの周りにおいて円筒状のプラズマ源の本体ＣＳを収容する。該本体は石英製である。該本体は、その外側において、第一に閉じ込めコイルＢＯＣｉ、ＢＯＣｊに囲まれ、第二に外部無線周波数アンテナＡＮＴに囲まれている。プラズマ発生ガス入力ＩＮＧは、プラズマ源本体ＣＳの鉛直方向の軸ＡＸＰ上に位置する。

この鉛直方向の軸ＡＸＰは、基板保持回転台ＰＰＳの面と交わる。該面上には、イオン注入用の基板ＳＵＢが配置される。

放電、誘電結合プラズマ（ＩＣＰ）、ヘリコン、マイクロ波、アークなど、任意のタイプのパルス状プラズマ源を使用することができる。これらのプラズマ源は、高電圧回転台ＰＰＳと接地された容器ＥＮＶとの間に生成された電界が、プラズマ源のパルス動作を妨げ得る放電プラズマを着火させないように、十分に低い圧力レベルで動作することができる。

イオン注入装置の制御モジュールは、本質的に、三個の構成要素を含む。すなわち、
基板ＳＵＢへ高電圧を供給するための基板電源供給装置ＰＳ、
無線周波数アンテナＡＮＴ及び閉じ込めコイルＢＯＣｉ、ＢＯＣｊに電力を与えるためのプラズマ電源供給装置ＡＰ（「電源供給装置」という用語は、ここでは広い意味で使用される。というのは、通常、アンテナ用の１台の電源供給装置とコイル用の少なくとも１台の別個の電源供給装置とが存在するからである）、及び
これらの二組の電源供給装置を制御するための制御回路ＣＣである。

図3を参照すると、基板電源供給装置ＰＳは、
接地された正極を有する第1の高電圧発生器ＨＴ、
該第1の高電圧発生器の負極に接続された第1の電極と、該基板電源供給装置の出力端子Ｓに接続された第2の電極と、を有する第1のスイッチＳＷ１、
該出力端子Ｓに接続された第１の電極と、第2の発生器ＧＰの正極に接続された第2の電極と、を有する第２のスイッチＳＷ２と、
接地された負極を有する第２の発生器ＧＰ、及び、
好ましくは、該第1の高電圧発生器ＨＴと並列に接続された調整キャパシタＣｒを含む。

該出力端子Ｓは、注入装置の基板保持回転台ＰＰＳへ接続される。

該第２の発生器ＧＰからの正の電圧は、通常、０から１００ボルト（Ｖ）の範囲であり、しばしば、＋１０Ｖから＋２０Ｖの範囲であるプラズマ電位と実質的に等しくなるように選択するのが有利である。

図４を参照すると、制御回路ＣＣは、プラズマ電源供給装置ＡＰ及び基板電源供給装置ＰＳの２個のスイッチＳＷ１、ＳＷ２を以下のように制御する。

サイクルの最初に注入段階［１］が生じる。
プラズマ電源供給装置ＡＰは作動しており、
第1のスイッチＳＷ１は閉じており、
第２のスイッチＳＷ２は開いている。

この注入段階は、通常は、５μｓから１００μｓの範囲の持続期間を有する。

注入段階に続いて、中性化段階［２］が存在する。
プラズマ電源供給装置ＡＰはまだ作動しており、
第1のスイッチＳＷ１は開いており、
第２のスイッチＳＷ２は閉じている。

プラズマの電子は、正の表面電位に引きつけられ中性化が生じる。ここで、第２の発生器ＧＰを除去することが可能であることに注目すべきである。その場合に、第２のスイッチＳＷ２は接地される。この中性化段階は、通常は、５０μｓから２００μｓの範囲の持続期間を有する。

抑制段階［３］が続く。
プラズマ電源供給装置ＡＰはここで抑制されており、
第1のスイッチＳＷ１は開いたままであり、
第２のスイッチＳＷ２は閉じたままである。

この抑制段階は、通常は、５０μｓから２００μｓの範囲の持続期間を有する。

この抑制段階の後、排除段階［４］が続く。
プラズマ電源供給装置ＡＰはまだ抑制されており、
第２のスイッチＳＷ２は開き、
負に帯電された粒子は、以下の二つの動作のいずれか一方、または両方によって排除される。

第1のスイッチＳＷ１を閉じ、及び／または
回復電極ＬＩＮを正の電圧へ接続する（接続は図示されていない）。

基板ＳＵＢの表面にたまった負の粒子は、静電効果によって排除される。この排除段階は、通常は、５μｓから１００μｓの範囲の持続期間を有する。

回復電極ＬＩＮが正にバイアスされていれば、回復電極ＬＩＮはこれらの粒子をため、もはや、バイアスされなくなるとにこれらの粒子を排出し、基板を再び汚染するリスクがある。したがって、該電極をクリーニングする期間を設けるのが賢明である。一例として、強いガス流が存在する状態で、正のバイアスを停止し、さらに負のバイアスをかけることも可能であり、その結果、粒子はポンプ装置によって排出される。このクリーニング動作は、通常、注入処理期間外で、すなわち、二枚の基板を処理する合間、または二つのバッチ処理の合間、または注入装置の保守を実施するときに行う必要がある。

その後、オプションとして、準備段階［５］と呼称される第５の段階が続く。
プラズマ電源供給装置ＡＰはまだ抑制されており、
第1のスイッチＳＷ１は開いており、
第２のスイッチＳＷ２は閉じている。

この準備段階は、通常は、５０μｓから２００μｓの範囲の持続期間を有する。

一例として、上記の方法は、直径３００ミリメータ（ｍｍ）のシリコン（ケイ素）基板上にＢＦ_３プラズマによってホウ素を注入するのに使用される。負のバイアス電圧ＨＴは２ｋＶに等しい。注入される供与量は１０^１６／ｃｍ^２である。

このような条件下で、基板上の、直径が６５ナノメータ（ｎｍ）より大きい粒子の数は１から８である。上記の方法を使用しないと、基板上に存在する、直径が６５ナノメータ（ｎｍ）より大きい粒子の数は３０から１０００である。

しかしながら、排除段階［４］の間に放電によってプラズマが着火される可能性がある。基板電源供給装置ＰＳを多少変更することによってこの状況を改善することができる。

図５を参照すると、基板電源供給装置ＰＳは、
接地された正極を有する第１の高電圧発生器ＨＴ、
該第１の高電圧発生器ＨＴの負極に接続された第１の電極、及びこの基板電源供給装置の出力端子Ｓに接続された第２の電極を有する第１のスイッチＳＷ１、
該出力端子Ｓに接続された第１の電極、及び補償端子Ｐに接続された第２の電極を有する第２のスイッチＳＷ２、
該出力端子Ｓに接続された第１の電極、及び補助発生器ＧＡの負極に接続された第２の電極を有する第３のスイッチＳＷ３、及び
好ましくは、該第1の高電圧発生器ＨＴと並列に接続された調整キャパシタＣｒを含み、
該補償端子Ｐは、
（構成は図示されていないが）接地されるか、または
（図示されるように）第2の発生器ＧＰの正極に接続され、
該第2の発生器ＧＰは、接地された負極を有し、
該補助発生器ＧＡは、接地されるか、または回復電極ＬＩＮに接続された連結端子Ｌに接続された正極を有する。

該出力端子Ｓは、注入装置の基板保持回転台ＰＰＳに接続される。

補助発生器ＧＡの電圧は、容器における着火を防止するように該第1の発生器ＨＴの電圧よりも低い。

図6を参照すると、該方法は、その場合に以下のように修正される。

サイクルの最初に注入段階［１］が生じる。
プラズマ電源供給装置ＡＰは作動しており、
第1のスイッチＳＷ１は閉じており、
第２のスイッチＳＷ２は開いており、
第３のスイッチＳＷ３は開いている。

この注入段階は、通常は、５μｓから１００μｓの範囲の持続期間を有する。

この注入段階の後に中性化段階［２］が続く。
プラズマ電源供給装置ＡＰはまだ作動しており、
第1のスイッチＳＷ１は開いており、
第２のスイッチＳＷ２は閉じており、
第３のスイッチＳＷ３は開いている。

この中性化段階は、通常は、５０μｓから２００μｓの範囲の持続期間を有する。

抑制段階［３］が続く。
プラズマ電源供給装置ＡＰはここで抑制されており、
第1のスイッチＳＷ１は開いたままであり、
第２のスイッチＳＷ２は閉じたままであり、
第３のスイッチＳＷ３は開いたままである。

この抑制段階は、通常は、５０μｓから２００μｓの範囲の持続期間を有する。

この抑制段階の後、排除段階［４］が続く。
プラズマ電源供給装置ＡＰはまだ抑制されており、
第1のスイッチＳＷ１は開いたままであり、
第２のスイッチＳＷ２は開き、
第３のスイッチＳＷ３は閉じ、オプションとして、回復電極ＬＩＮは、（接続が図示されていない）正の電圧、すなわち補助発生器ＧＡの正極に接続される。

基板は、再び負にバイアスされるが、プラズマは発生していない。この排除段階は、通常は、５μｓから１００μｓの範囲の持続期間を有する。

その後、必ず、準備段階［５］と呼称される第５の段階が続く。
プラズマ電源供給装置ＡＰはまだ抑制されており、
第1のスイッチＳＷ１は開いたままであり、
第２のスイッチＳＷ２は閉じ、
第３のスイッチＳＷ３は開く。

この準備段階は、通常は、５０μｓから２００μｓの範囲の持続期間を有する。

上記の本発明の実施例は、性質が具体的であるため選択されたものである。しかしながら、本発明に含まれるすべての実施形態を網羅的に挙げるのは不可能である。特に、記載されたどのようなステップ、またはどのような手段も、本発明の範囲を超えることなく、等価なステップ、または手段と置き換えることができる。

Claims (9)

1. プラズマ浸漬において機能する注入装置を制御する方法であって、
   プラズマ（ＡＰ）が着火されており、基板（ＳＵＢ）が負にバイアス（Ｓ）されている注入段階（［１］）と、
   プラズマ（ＡＰ）が着火されており、該基板（ＳＵＢ）が正またはゼロのバイアス（Ｓ）を与えられている中性化段階（［２］）と、
   プラズマが消されている抑制段階（［３］）と、
   プラズマが消されており基板が負にバイアスされている、該基板における負に帯電された粒子の排除段階（［４］）と、
   該排除段階に続く段階であって、プラズマが消されており、該基板（ＳＵＢ）が正またはゼロのバイアス（Ｓ）を与えられている準備段階（［５］）と、を含み、
   該排除段階の期間が５μｓよりも長い方法。
2. 該排除段階（［４］）の間に該基板（ＳＵＢ）が負にバイアスされている（Ｓ）請求項１に記載の方法。
3. 該注入装置は、該基板（ＳＵＢ）の周囲に回復電極（ＬＩＮ）を含み、該排除段階（［４］）の間に該回復電極は正にバイアスされている請求項１または２に記載の方法。
4. 該抑制段階（［３］）の間に該基板（ＳＵＢ）が正またはゼロのバイアス（Ｓ）を与えられている請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. プラズマ浸漬において機能する注入装置にバイアスを与えるための電源供給装置であって、
   正極が接地された第１の電圧発生器（ＨＴ）と、
   該第１の電圧発生器（ＨＴ）の負極に接続された第１の電極と、該電源供給装置の出力端子（Ｓ）に接続された第２の電極と、を有する第１のスイッチ（ＳＷ１）と、
   補償端子（Ｐ）に接続された第１の電極と、該出力端子（Ｓ）に接続された第２の電極と、を有する第２のスイッチ（ＳＷ２）と、を備え、
   該電源供給装置は、補助発生器（ＧＡ）の負極に接続された第１の電極と、該出力端子（Ｓ）に接続された第２の電極と、を有する第３のスイッチ（ＳＷ３）を含み、該補助発生器（ＧＡ）の正極は、結合端子（Ｌ）に接続されている電源供給装置。
6. 該結合端子（Ｌ）が接地されている請求項５に記載の電源供給装置。
7. 該注入装置が回復電極（ＬＩＮ）を含み、該結合端子（Ｌ）が該回復電極に接続されている請求項５に記載の電源供給装置。
8. 該補償端子（Ｐ）が接地されている請求項５から７のいずれかに記載の電源供給装置。
9. 該補償端子（Ｐ）が第２の電圧発生器（ＧＰ）の正極に接続されており、該第２の電圧発生器（ＧＰ）の負極が接地されている請求項５から７のいずれかに記載の電源供給装置。

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