JP3608416B2 - プラズマ源 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、ターゲットにイオンビームを照射するイオンビーム照射装置（例えばイオン注入装置）において、イオンビームにプラズマを供給して当該プラズマ中の電子によってイオンビームの中性化を図ってターゲットの帯電を防止すること等に用いられるプラズマ源に関し、より具体的には、放出プラズマ中に高エネルギー電子が含まれることを防止する手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば半導体ウェーハのようなターゲットにイオンビームを照射してイオン注入等の処理を施す場合に、イオンビームの正電荷によってターゲットが正に帯電（チャージアップ）するという問題が生じる。
【０００３】
この帯電の問題を解決するために、例えば特開平５−２３４５６２号公報および特開平５−４７３３８号公報に記載されているように、ターゲットの近くにプラズマ源を設けて、イオンビームにプラズマを供給して、当該プラズマ中の電子によって、イオンビームの中性化を図ってターゲットの帯電を防止する技術が提案されている。なお、このような目的で使用されるプラズマ源は、イオンビーム中性化装置とも呼ばれる。
【０００４】
これを図面を参照して説明すると、図６に、従来のプラズマ源をイオンビーム照射装置に取り付けた一例を示す。
【０００５】
この装置は、真空容器３２内において、ホルダ３８に保持されたターゲット３６にイオンビーム３４を照射して、当該ターゲット３６に、イオン注入、イオンビームエッチング等の処理を施すよう構成されている。ターゲット３６は、例えば、半導体ウェーハ、その他の基板等である。
【０００６】
ターゲット３６の近くの真空容器３２の側壁部に開口部３３を設けており、その外側近傍に、絶縁物３０を介して、プラズマ源２を取り付けている。
【０００７】
このプラズマ源２は、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）型のものであり、プラズマ２０を生成するための金属製のプラズマ室容器４と、このプラズマ室容器４内に例えばアルゴン、キセノン等のプラズマ生成用のガス１２を導入するガス導入管１０（ガス導入手段）と、プラズマ室容器４内に例えば２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波１５を導入する金属製のアンテナ１４（マイクロ波導入手段）と、プラズマ室容器４内に、電子サイクロトロン共鳴を起こさせる強さ（例えばマイクロ波１５が２．４５ＧＨｚの場合は約８７．５ｍＴ）の磁界Ｂをプラズマ放出方向２２に沿って発生する磁気コイル１８とを備えている。１６はコネクタである。
【０００８】
プラズマ室容器４と真空容器３２との間には、真空容器３２内へのプラズマ２０の引き出しを容易にするために、この例のように、直流の引出し電源２８から真空容器３２側を正極にして直流電圧（引出し電圧）を印加できるようにしておくのが好ましい。
【０００９】
プラズマ室容器４の前面部は、この例では、プラズマ放出孔８を有する前面板６で構成されており、プラズマ室容器４内でマイクロ波放電および電子サイクロトロン共鳴によって効率良く生成されたプラズマ２０は、このプラズマ放出孔８から真空容器３２内に放出され、イオンビーム３４に供給される（これはプラズマブリッジとも呼ばれる）。それによって、プラズマ２０中の電子によってイオンビーム３４の中性化を図って、イオンビーム照射に伴うターゲット３６の正帯電を抑制することができる。
【００１０】
また、このプラズマ源２では、プラズマ２０の生成にマイクロ波１５を用いていて、フィラメントを用いていないので、フィラメント構成物質がプラズマ放出孔８から放出されてターゲット３６を汚染することを防止することができる。
【００１１】
更に、このプラズマ源２では、特開平９−２４５９９７号公報に記載の技術と同様に、プラズマ室容器４の内壁およびアンテナ１４を絶縁物製のカバー２４および２６で覆っているので、金属製のプラズマ室容器４、その前面板６およびアンテナ１４がプラズマ２０によってスパッタされ、金属スパッタ粒子がプラズマ放出孔８から放出されてターゲット３６を汚染することを防止することができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなプラズマ源２から放出されるプラズマ２０中に含まれる電子のエネルギーが高いと、この高エネルギーの電子がターゲット３６に到達して、当該電子のエネルギーに相当する電圧まで、ターゲット３６が負に帯電（チャージアップ）する可能性がある。このターゲット３６の負帯電の問題は、看過することができない。
【００１３】
例えば、近年は、ターゲットウェーハの表面に形成するトランジスタ（ＦＥＴ）のサイズが微細化（例えば一辺が０．１８μｍ程度）しており、かつそのゲート酸化膜の膜厚が極薄化（例えば５ｎｍ程度）しているので、処理中のチャージアップ電圧を非常に低く（例えば５Ｖ程度以下に）抑える必要がある。そうしないと、このチャージアップによって絶縁破壊が生じて、トランジスタの歩留まり低下や信頼性低下が起こる。
【００１４】
ところが、上記従来のプラズマ源２では、プラズマ室容器４内において電子サイクロトロン共鳴用の磁界Ｂを、プラズマ放出孔８からのプラズマ放出方向２２に沿って発生させており、プラズマ室容器４内のプラズマ２０中の電子は電子サイクロトロン共鳴によってこの磁界Ｂに沿って加速され、この電子の加速方向にプラズマ放出孔８が存在するため、高速（即ち高エネルギー）の電子がプラズマ放出孔８から放出され、これがイオンビーム３４に供給され、ひいてはターゲット３６に到達してターゲット３６のチャージアップ電圧が高くなるという課題がある。
【００１５】
例えば、詳細は図４を参照して後述するけれども、従来のプラズマ源２から放出されるプラズマ２０中の電子のエネルギーは、数ｅＶ〜１００ｅＶ程度にまで広く分布している。従って、ターゲット３６のチャージアップ電圧は、最大で１００Ｖ近くにまで上昇し得ることになる。
【００１６】
そこでこの発明は、放出プラズマ中に高エネルギー電子が含まれることを防止することを主たる目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明のプラズマ源は、前記電子サイクロトロン共鳴を起こさせる磁界を、前記プラズマ室容器内において、前記プラズマ放出孔からのプラズマ放出方向に交差する方向に発生させる磁界発生手段を備えることを特徴としている。
【００１８】
上記構成によれば、プラズマ室容器内において電子サイクロトロン共鳴によって加速される電子は、プラズマ放出方向に交差する方向の磁界に沿って運動するので、プラズマ室容器の内壁部に衝突して消滅することになる。従って、プラズマ放出孔から放出される電子は、当該プラズマ放出孔付近に拡散したプラズマ中の低速の電子のみになる。その結果、放出プラズマ中に高エネルギー電子が含まれることを防止することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係るプラズマ源をイオンビーム照射装置に取り付けた例を示す縦断面図である。図２は、図１の線Ａ−Ａに沿う拡大横断面図である。図６に示した従来例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明する。
【００２０】
このプラズマ源２ａは、従来のプラズマ源２と同様にＥＣＲ型のものであり、前述した磁界発生手段の一例として、前記プラズマ室容器４内において、前記プラズマ放出孔８からのプラズマ放出方向２２に交差（例えば直交またはほぼ直交）する方向に、前記電子サイクロトロン共鳴を起こさせる磁界Ｂを発生させる電磁石４０を備えている。
【００２１】
前記アンテナ１４は、この例ではプラズマ放出方向２２に平行に配置されているので、上記磁界Ｂは、換言すれば、アンテナ１４に交差（例えば直交またはほぼ直交）する方向に発生させられる。
【００２２】
プラズマ室容器４内における上記磁界Ｂの強さは、前述したように、例えば、マイクロ波１５の周波数が２．４５ＧＨｚの場合、約８７．５ｍＴ（８７５ガウス）である。磁界Ｂの向きは、図示例とは逆方向でも良い（図３の例の場合も同様）。
【００２３】
電磁石４０は、この例では、プラズマ室容器４を挟んで横方向に相対向する一対の磁極４２と、各磁極４２にそれぞれ巻かれたコイル４６と、両磁極４２間を接続するヨーク４４とを備えている。両コイル４６は、図示しない直流電源によって駆動（励磁）される。
【００２４】
このプラズマ源２ａによれば、プラズマ室容器４内で生成されるプラズマ２０中の電子は、電子サイクロトロン共鳴によって加速されるけれども、当該電子は、プラズマ放出方向２２に交差する方向の磁界Ｂに沿って運動するので、プラズマ室容器４の内壁（または当該内壁を覆うカバー２４）に衝突して消滅することになる。従って、プラズマ放出孔８から放出される電子は、当該プラズマ放出孔８付近に拡散したプラズマ２０中の低速の電子のみになる。その結果、このプラズマ源２ａから放出するプラズマ２０中に高エネルギー電子が含まれることを防止することができる。
【００２５】
従って、このプラズマ源２ａを、この例のようにイオンビーム３４の中性化に（換言すればイオンビーム中性化装置として）用いた場合に、ターゲット３６の負のチャージアップ電圧を小さく抑えることができる。これによって例えば、ターゲットウェーハの表面に形成するトランジスタの歩留まり向上および信頼性向上等を図ることができる。
【００２６】
上記のような磁界Ｂを発生させる磁界発生手段は、永久磁石で構成しても良い。そのようにした例を図３に示す。この例では、プラズマ室容器４を挟んで横方向に相対向する一対の永久磁石５０を備えており、これによって上記のような磁界Ｂを発生させるようにしている。
【００２７】
なお、上記前面板６は、鉄、磁性ステンレス鋼等の磁性体で形成するのが好ましい。そのようにすれば、上記電磁石４０または永久磁石５０からの漏れ磁界がプラズマ放出孔８の外側へ広がるのを前面板６によって抑制することができるので、プラズマ放出孔８から放出されるプラズマ２０中の電子が上記漏れ磁界によって曲げられたり、漏れ磁界に捕捉されたりすることを防止することができ、電子の引出し効率が向上する。この効果は、プラズマ放出孔８から放出される電子のエネルギーが低エネルギーの場合により顕著になる。
【００２８】
プラズマ室容器４の内壁およびアンテナ１４を覆う上記カバー２４、２６は、例えばアルミナ、窒化ホウ素等の不純物放出の少ないセラミックス、または重金属汚染の問題のないシリコンまたはカーボン等で形成するのが好ましい。
【００２９】
しかし、前面板６の内壁を含めたプラズマ室容器４の内壁の全てを絶縁物で覆うと、電子が流れなくなって電子の放出が困難になるので、これを防止するためには、プラズマ室容器４の内壁のカバーの少なくとも一部を、導電性材料で形成するのが好ましい。図１の例では、プラズマ放出孔８付近を覆うカバー２７を、シリコンまたはカーボン等の導電性材料で形成している。
【００３０】
プラズマ室容器４内へマイクロ波１５を導入するマイクロ波導入手段は、アンテナ１４以外のもの、例えばマイクロ波１５の導波管および導入窓で構成しても良い。
【００３１】
【実施例】
下記の実験条件で、図６に示した従来のプラズマ源２から放出したプラズマ２０中の電子のエネルギー分布の測定結果の一例を図４に示し、図１に示したこの発明に係るプラズマ源２ａから放出したプラズマ２０中の電子のエネルギー分布の測定結果の一例を図５に示す。測定は、静電型のエネルギー分析器で行った。
【００３２】
導入ガス：キセノン、０．２ｃｃｍ
投入マイクロ波電力：１００Ｗ
引出し電圧：３０Ｖ
【００３３】
図４に示すように、従来のプラズマ源２から放出されたプラズマ２０中の電子のエネルギーは、数ｅＶ〜１００ｅＶ程度にまで広く分布しており、高エネルギーの電子が多量に放出されていることが分かる。
【００３４】
これに対して、図５に示すように、図１のプラズマ源２ａから放出されたプラズマ２０中の電子は、その殆ど全てが５ｅＶ前後のエネルギーのものであり、高エネルギー電子がプラズマ２０中に含まれるのを防止することができていることが分かる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、プラズマ放出孔からのプラズマ放出方向に交差する方向に磁界を発生させる磁界発生手段を備えているので、プラズマ放出孔から放出される電子は、当該プラズマ放出孔付近に拡散したプラズマ中の低速の電子のみになり、従って放出プラズマ中に高エネルギー電子が含まれることを防止することができる。その結果、ターゲットの負のチャージアップ電圧を小さく抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るプラズマ源をイオンビーム照射装置に取り付けた例を示す縦断面図である。
【図２】図１の線Ａ−Ａに沿う拡大横断面図である。
【図３】磁界発生手段に永久磁石を用いた例を示す横断面図であり、図２の例に対応している。
【図４】図６に示す従来のプラズマ源から放出されたプラズマ中の電子のエネルギー分布の測定結果の一例を示す図である。
【図５】図１のプラズマ源から放出されたプラズマ中の電子のエネルギー分布の測定結果の一例を示す図である。
【図６】従来のプラズマ源をイオンビーム照射装置に取り付けた例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
２ａ プラズマ源
４ プラズマ室容器
８ プラズマ放出孔
１４ アンテナ
１５ マイクロ波
２０ プラズマ
２２ プラズマ放出方向
４０ 電磁石（磁界発生手段）
５０ 永久磁石（磁界発生手段）
Ｂ 磁界

Claims (1)

1. ターゲットにイオンビームを照射して処理を施すイオンビーム照射装置に用いられるものであって、マイクロ波が導入されるプラズマ室容器内において電子サイクロトロン共鳴を利用してプラズマを生成し、このプラズマをプラズマ室容器の前面部に設けたプラズマ放出孔から放出させる構成をしていて、当該放出させたプラズマ中の電子によってイオンビームの中性化を図るプラズマ源において、前記電子サイクロトロン共鳴を起こさせる磁界を、前記プラズマ室容器内において、前記プラズマ放出孔からのプラズマ放出方向に交差する方向に発生させる磁界発生手段を備えることを特徴とするプラズマ源。

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