特許 6388580 プラズマ処理装置及びスパッタリングシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6388580

(24)【登録日】2018年8月24日

(45)【発行日】2018年9月12日

(54)【発明の名称】プラズマ処理装置及びスパッタリングシステム

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/34 20060101AFI20180903BHJP

   H05H 1/46 20060101ALI20180903BHJP

【ＦＩ】

   C23C14/34 T

   H05H1/46 A

【請求項の数】15

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2015-524439(P2015-524439)

(86)(22)【出願日】2013年7月25日

(65)【公表番号】特表2015-531025(P2015-531025A)

(43)【公表日】2015年10月29日

(86)【国際出願番号】US2013051943

(87)【国際公開番号】WO2014018707

(87)【国際公開日】20140130

【審査請求日】2016年5月27日

(31)【優先権主張番号】13/560,664

(32)【優先日】2012年7月27日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】500239188

【氏名又は名称】ヴァリアン セミコンダクター イクイップメント アソシエイツ インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】100156867

【弁理士】

【氏名又は名称】上村 欣浩

(74)【代理人】

【識別番号】100149249

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 達也

(72)【発明者】

【氏名】ルドヴィック ゴデ

(72)【発明者】

【氏名】アジン サラジリク

【審査官】 有田 恭子

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１０／１１４９６１（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 特開平１０−２６５９５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４７１６３４０（ＵＳ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／１１５１１０（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／００５１５１７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第７７６７９７７（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 国際公開第２０１２／１５８７０８（ＷＯ，Ａ２）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２３Ｃ １４／００−１４／５８

Ｈ０５Ｈ １／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

プロセスチャンバと；
前記プロセスチャンバ内に配置され、ワークピースを支持するプラテンと；
前記ワークピースの前面に近接したプラズマシースを有するプラズマを、前記プロセスチャンバ内に発生するように構成された発生源と；
前記プラズマと前記プラテンとの間に配置された、第１面、第２面、及びギャップを有する絶縁体のプラズマシース・モディファイアであって、前記第１面は前記プラズマに近接し、前記第２面は前記第１面よりも前記プラテンに近く、前記プラズマと前記プラズマシースとの境界の形状の一部分が、前記プラズマに対面する前記ワークピースの前面によって規定される平面に平行でないように、前記境界の形状を制御するように構成された絶縁体のプラズマシース・モディファイアと；
前記絶縁体のプラズマシース・モディファイアの前記第２面に付加された金属ターゲットでと
を具え、
前記プラズマ中のイオンは、前記境界越しに前記ギャップを通って誘引されて、前記金属ターゲットに複数の入射角で当たることを特徴とするプラズマ処理装置。

【請求項2】

前記金属ターゲットにバイアスをかけて、前記プラズマからのイオンを、前記プラズマシース越しに前記金属ターゲットに向けて誘引して、前記金属ターゲットから金属粒子がスパッタされるように構成された電源を、さらに具えていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。

【請求項3】

前記ワークピースにバイアスをかけて、前記金属粒子を前記金属ターゲットに向けて誘引して、前記ワークピース上に金属を堆積させるように構成されたバイアス源をさらに具え、前記金属粒子の、前記平面に対する入射角の範囲が、前記プラズマと前記プラズマシースとの境界の形状によって影響されることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理装置。

【請求項4】

前記ワークピースが、前記金属ターゲットよりも高い電圧のバイアスをかけられることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。

【請求項5】

前記電源が、第１のパルスバイアス信号を前記金属ターゲットに供給し、前記バイアス源が、第２のパルスバイアス信号を前記ワークピースに供給し、前記第１のパルスバイアス信号と前記第２のパルスバイアス信号とを協調させて、前記ワークピース上への前記金属粒子のスパッタリングを最適化することを特徴とする請求項３に記載のプラズマ処理装置。

【請求項6】

前記金属ターゲットが、前記ワークピースに最寄りの当該金属ターゲットの表面が前記ワークピースの前面に平行でないような形状を有することを特徴とする請求項１〜３、５のいずれかに記載のプラズマ処理装置。

【請求項7】

側壁及び開口端を有し、プラズマシースを有するプラズマを発生するように構成されたチャンバと；
前記チャンバの前記開口端付近に配置された絶縁体のプラズマシース・モディファイアであって、第１面、第２面、及び抽出開口を有するように構成され、前記第１面は前記プラズマに近接し、前記第２面は前記第１面よりも前記チャンバから遠位にあり、かつ、前記プラズマと前記プラズマシースとの境界の形状の一部分が、前記チャンバ外に前記第２面から間隔をおいて配置されたワークピースの、前記プラズマに対面する前面によって規定される平面に平行でないように、前記境界の形状を制御するように構成された絶縁体のプラズマシース・モディファイアと；
前記絶縁体のプラズマシース・モディファイアの前記第２面に付加された金属ターゲットと
を具え、
前記プラズマ中のイオンは、前記境界越しに前記抽出開口を通って誘引されて、前記金属ターゲットに複数の入射角で当たることを特徴とするスパッタリングシステム。

【請求項8】

前記ワークピースにバイアスをかけて、前記金属ターゲットからの金属粒子を前記ワークピースに向けて誘引して、前記ワークピース上に金属を堆積させるように構成されたバイアス電源をさらに具え、前記ワークピースに対する前記金属粒子の入射角が、前記プラズマと前記プラズマシースとの境界の形状によって影響されることを特徴とする請求項７に記載のスパッタリングシステム。

【請求項9】

前記側壁に、前記金属ターゲットに対して正のバイアスをかけるための電源をさらに具えていることを特徴とする請求項８に記載のスパッタリングシステム。

【請求項10】

前記ワークピースが、前記金属ターゲットよりも高い電圧のバイアスをかけられることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載のスパッタリングシステム。

【請求項11】

前記電源が、第１のパルスバイアス信号を前記側壁に供給し、前記バイアス電源が、第２のパルスバイアス信号を前記ワークピースに供給し、前記第１のパルスバイアス信号と前記第２のパルスバイアス信号とを協調させて、前記ワークピース上への前記金属粒子のスパッタリングを最適化することを特徴とする請求項９に記載のスパッタリングシステム。

【請求項12】

前記金属ターゲットに、前記側壁に対して負のバイアスをかけて、前記プラズマからのイオンを、前記プラズマシース越しに前記金属ターゲットに向けて誘引して、前記金属ターゲットから金属粒子をスパッタさせるように構成された電源をさらに具えていることを特徴とする請求項８に記載のスパッタリングシステム。

【請求項13】

前記ワークピースが、前記金属ターゲットよりも高い電圧のバイアスをかけられることを特徴とする請求項７、８、１２のいずれかに記載のスパッタリングシステム。

【請求項14】

前記電源が、第１のパルスバイアス信号を前記金属ターゲットに供給し、前記バイアス電源が、第２のパルスバイアス信号を前記ワークピースに供給し、前記第１のパルスバイアス信号と前記第２のパルスバイアス信号とを協調させて、前記ワークピース上への前記金属粒子のスパッタリングを最適化することを特徴とする請求項１２に記載のスパッタリングシステム。

【請求項15】

前記金属ターゲットが、前記ワークピースに最寄りの当該金属ターゲットの表面が前記ワークピースの前面に平行でないような形状を有することを特徴とする請求項７〜９、１１、１２、１４のいずれかに記載のスパッタリングシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プラズマ処理に関するものであり、特に、金属堆積用のプラズマ処理装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

プラズマ処理装置は、プロセスチャンバ内にプラズマを発生させて、このプロセスチャンバ内にプラテンによって支持されたワークピース（加工片）を処理する。プラズマ処理装置は、ドーピングシステム、エッチングシステム、及び堆積システムを含むことができるが、これらに限定されない。プラズマは、一般に、イオン（通常は正電荷を有する）及び電子（負電荷を有する）の準中性の集合体である。プラズマは、１センチメートル当たり０ボルトの電界を、プラズマの大部分中に有する。一部のプラズマ処理装置では、プラズマからのイオンをワークピースに向けて誘引する。プラズマドーピング処理装置内では、ワークピース、例えば、一例では半導体基板の物理構造内に注入されるのに十分なエネルギーで、イオンを誘引することができる。

【0003】

プラズマは、一般にプラズマシースと称されるワークピースに近接した領域によって境界付けられる。プラズマシースは、プラズマより少数の電子を有する領域である。より少数の電子が存在し、従って、少数の励起−緩和衝突が発生するので、このプラズマシースからの発光は、プラズマより低輝度である。従って、プラズマシースは時として「暗空間（ダークスペース）」と称される。

【0004】

図１を参照すれば、既知のプラズマ処理装置の一部分の断面図が例示され、ここでは、プラズマ１４０が、処理されるワークピース１３８の前面に隣接したプラズマシース１４２を有する。ワークピース１３８の前面は平面１５１を規定し、ワークピース１３８はプラテン１３４によって支持されている。プラズマ１４０とプラズマシース１４２との境界は、平面１５１に平行である。プラズマ１４０からのイオン１０２は、プラズマシース１４２越しにワークピース１３８に向けて誘引することができる。従って、ワークピースに向けて加速されたイオン１０２は、概ね、平面１５１に対して約０°の入射角で（例えば、平面１５１に垂直に）ワークピース１３８に当たる。約３°未満の入射角の小さい角度的広がりが存在し得る。これに加えて、プロセスチャンバ内のガス圧のようなプラズマ処理パラメータを制御することによって、この角度的広がりを約５°まで増加させることができる。

【0005】

従来のプラズマ処理の欠点は、イオン１０２の角度的広がり制御の欠如である。ワークピース上の構造がより小さくなるに連れて、そして三次元構造（例えば、トレンチキャパシタ、ＦｉｎＦＥＴのような垂直チャネル・トランジスタ）がより一般的になるに連れて、より大きな角度制御を行うことが有益になる。例えば、図１には、トレンチ１４４を、明瞭に図示するためにサイズを誇張して示す。約０°の入射角に指向されたイオン１０２、さらには５°までの角度的広がりに指向されたイオン１０２では、トレンチ１４４の側壁１４７を均一に処理することが困難なことがある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

これに加えて、このシステムは、リンのようなドーパントの堆積用に用いることができるが、金属ドーパント用には有効でない。従って、上述した不足及び欠点を克服したプラズマ処理装置の必要性が存在する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

プラズマ処理装置及び方法を開示する。このプラズマ処理装置は、プロセスチャンバ、ワークピースを支持するプラテン、ワークピースの前面に隣接したプラズマシースを有するプラズマを、プロセスチャンバ内に発生するように構成された発生源、及びプラズマシース・モディファイア（修正材）を含む。プラズマシース・モディファイアは、プラズマとプラズマシースとの境界の形状の一部分が、プラズマに対面するワークピースの前面によって規定される平面に平行でないように、この境界の形状を制御するように構成されている。金属ターゲットを、プラズマシース・モディファイアから電気絶縁されるように、プラズマシース・モディファイアの後面に付加し、この金属ターゲットにバイアスをかけ、これにより、プラズマを出てプラズマシース・モディファイア内の開口を通過するイオンが、金属ターゲットに向けて誘引される。これらのイオンは、金属ターゲットのスパッタリングを生じさせ、ワークピースの三次元金属堆積を可能にする。また、スパッタリングシステムを開示する。このスパッタリングシステムは、側壁及び開口端を有し、プラズマシースを有するプラズマを発生するように構成されたチャンバと、このチャンバの開口端付近に配置されたプラズマシース・モディファイアであって、抽出開口を有するように構成され、かつ、プラズマとプラズマシースとの境界の形状を制御するように構成されたプラズマシース・モディファイアと、このプラズマシース・モディファイアの、チャンバから遠位の側面に付加され、プラズマシース・モディファイアから電気絶縁された金属ターゲットと、ワークピースを保持するように構成されたプラテンであって、金属ターゲットがチャンバと当該プラテンとの間に配置されるように位置するプラテンとを具えている。

【0008】

本発明をより良く理解するために、添付した図面を参照し、これらの図面中では、同様の要素を同様の番号で参照する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】従来技術による従来のプラズマ処理装置の簡略化したブロック図である。

【図2】本発明の実施形態によるプラズマ処理装置のブロック図である。

【図3】本発明の実施形態によるプラズマドーピング装置のブロック図である。

【図4】一対のモディファイアとワークピースとの間の垂直間隔を制御するためのシステムのブロック図である。

【図5】一対のモディファイア間の水平間隔を制御するためのシステムのブロック図である。

【図6】モディファイア・シートと円盤状ワークピースとの間の相対移動を示す図である。

【図7】他の実施形態によるプラズマシース・モディファイア及び金属ターゲットのブロック図である。

【図8A】他の実施形態による金属ターゲットの代案形状を示す図である。

【図8B】他の実施形態による金属ターゲットの代案形状を示す図である。

【図9】代表的なタイミング図である。

【図10】本発明の実施形態によるプラズマドーピング装置のブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図２は、本発明の実施形態による１つのプラズマ処理装置２００のブロック図であり、プラズマ処理装置２００は、プラズマシース・モディファイア２０８、及びこのプラズマシース・モディファイア２０８から電気絶縁された金属ターゲット２０９を有する。プラズマシース・モディファイア２０８は、プラズマシース２４２内の電界を修正して、プラズマ１４０とプラズマシース１４２との境界の形状を制御するように構成されている。プラズマシース・モディファイア２０８は、絶縁体、導体、または半導体材料とすることができる。プラズマシース・モディファイア２０８が絶縁材料であれば、金属ターゲット２０９は、図２に示すように、プラズマシース・モディファイア２０８に直接付加することができる。他の実施形態では、プラズマシース・モディファイア２０８を、半導体または導体材料とすることができる。この場合、図７に示すように、金属ターゲット２０９をプラズマシース・モディファイア２０８に付加して、例えば金属ターゲット２０９とプラズマシース・モディファイア２０８との間に挿入した絶縁材料の層７００によって、プラズマシース・モディファイア２０８から絶縁することができる。従って、「付加する」とは、金属ターゲット２０９とプラズマシース・モディファイア２０８との直接の接触、あるいは、絶縁材料の層７００がプラズマシース・モディファイア２０８と金属ターゲット２０９との間に配置された間接的接触を称する。

【0011】

図２に戻れば、金属ターゲット２０９に電気的バイアスをかける。従って、プラズマ１４０からプラズマシース１４２越しに誘引されるイオン１０２は、特定範囲の入射角で金属ターゲット２０９に当たることができる。金属ターゲット２０９に当たるイオンは、このターゲットにスパッタリングを行わせ、これにより、金属粒子２１１を広範囲の入射角で堆積させる。

【0012】

ここで、プラズマ処理装置２００を、プラズマドーピング装置としてさらに説明することができる。しかし、プラズマ処理装置２００は、エッチング及び堆積システムを含むこともできるが、これらに限定されない。さらに、プラズマドーピングシステムは、多数の異なる材料改質処理を、ターゲット・ワークピース上で実行することができる。１つのこうした処理は、半導体基板のようなワークピースを所望のドーパントでドープすることを含む。

【0013】

プラズマ処理装置２００は、プロセスチャンバ２０２、プラテン１３４、発生源２０６、及びプラズマシース・モディファイア２０８を含むことができる。プラテン１３４は、プロセスチャンバ２０２内に配置されてワークピース１３８を支持する。ワークピース１３８は、半導体ウェハー、平面パネル、ソーラー（太陽電池）パネル、及びポリマー基板を含むことができるが、これらに限定されない。一実施形態では、半導体ウェハーを、３００または４５０ミリメートル(mm)の直径を有する円盤状にすることができる。発生源２０６は、プロセスチャンバ２０２内にプラズマ１４０を、現在技術において既知であるように発生すべく構成されている。図２の実施形態では、プラズマシース・モディファイア２０８を絶縁材料製にすることができ、プラズマシース・モディファイア２０８は一対のモディファイア２１２及び２１４を含み、これらは相互間に水平間隔（Ｇ）を有するギャップを規定する。他の実施形態では、プラズマシース・モディファイア２０８が、開口を有する１つのモディファイアのみを含む。上述したように、他の実施形態では、プラズマシース・モディファイア２０８を、半導体または導体材料とすることができる。図２は、絶縁体であるプラズマシース・モディファイア２０８を例示し、金属ターゲット２０９がモディファイア２１２及び２１４に直接付加されているが、本発明は、絶縁体のプラズマシース・モディファイア２０８のみに限定されないことは明らかである。図７に、金属ターゲット２０９を、半導体または導体のプラズマシース・モディファイア２０８と共に用いることができるメカニズムを例示する。

【0014】

一対のモディファイア２１２及び２１４は、薄く平坦な形状を有する一対のシートとすることができる。他の実施形態では、一対のモディファイア２１２及び２１４が、管状、くさび状のような他の形状であること、及び／または、上記ギャップに近接したはす縁を有することができる。

【0015】

一実施形態では、一対のモディファイア２１２及び２１４によって規定されるギャップの水平間隔を、約６．０ミリメートル(mm)にすることができる。一対のモディファイア２１２及び２１４は、ワークピース１３８の前面によって規定される平面１５１の上方に、垂直間隔（Ｚ）をおいて配置することもできる。一実施形態では、垂直間隔（Ｚ）を約３．０mmにすることができる。

【0016】

金属ターゲット２０９は、モディファイア２１２及び２１４の後面上に、上記ギャップに近接して付加される。モディファイア２１２及び２１４が絶縁体であれば、金属ターゲット２０９は、モディファイア２１２及び２１４上に直接配置することができる。その代わりに、金属ターゲット２０９を接着するか、コーティング（被覆）として塗布するか、あるいは機械的に取り付けることができる。金属ターゲット２０９は、２、３ミクロンから数ミリメートルまでに厚さを変化させることができる。ターゲット２０９の厚さが、その有効寿命を決定し得る。モディファイア２１２及び２１４が半導体または導体材料であれば、図７に見られるように、絶縁材料層７００をモディファイア２１２及び２１４上に配置することができる。次に、上述した方法のいずれかを用いて、金属ターゲット２０９を絶縁材料層７００に付加する。

【0017】

金属ターゲット２０９は、あらゆる適切な金属または化合物半導体とすることができ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｗ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｚｎ、ＺｎＴｅ、及びＣｕＴeを含むが、これらに限定されず、要求される堆積層の組成に基づいて選択することができる。金属ターゲット２０９は、スパッタリングプロセスを効率的に制御するようなテクスチャ（組織）にすることができる。これらのテクスチャは、ピラミッド形、多孔質、波形、またはあらゆる適切な形状を含む。

【0018】

一部の実施形態では、金属ターゲット２０９を、上記ギャップまたは開口の周囲全体に配置することができる。他の実施形態では、金属ターゲット２０９を、周囲または開口の一部分のみに配置することができる。金属ターゲット２０９に、バイアス源２２１を用いて電気的バイアスをかけて、ギャップを通過するイオン１０２を誘引することができる。これらのイオン１０２は、金属ターゲット２０９に当たって、この金属ターゲットにスパッタリングを行わせる。そして、これらのスパッタされた金属粒子２１１を、プラテン１３４に向けて誘引して、ワークピース１３８上の広い角度範囲に堆積させる。これらの金属粒子２１１は、イオンにすることも中性にすることもできる。

【0019】

図２は、金属ターゲット２０９を平坦な金属片として示しているが、本発明は、この形状に限定されない。例えば、金属ターゲット２０９の形状を最適化して、スパッタリング歩留まりを改善することができる。例えば、金属ターゲット２０９は、図８Ａ〜Ｂに示すように、湾曲した、角度付けした、あるいは曲線の形状にすることができる。従って、非直線状または曲線状である形状を用いることができる。これに加えて、金属ターゲット２０９の形状を、この金属ターゲットのワークピース１３８に最寄りの表面が、ワークピースの前面に平行でないようにすることができる。

【0020】

動作中には、ガス源２８８が、イオン化可能なガスをプロセスチャンバ２０２に供給する。イオン化可能なガスの例は、ＢＦ₃、ＢＩ₃、Ｎ₂、Ａｒ、ＰＨ₃、ＡｓＨ₃、Ｂ₂Ｈ₆、Ｈ₂、Ｘｅ、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｈｅ、ＳｉＨ₄、ＧｅＨ₄、ＧｅＦ₄、ＣＨ₄、ＣＦ₄、ＡｓＦ₅、ＰＦ₃、及びＰＦ₅を含むが、これらに限定されない。上記スパッタリングの効果に加えて、ＨＣｌ、Ｃｌ₂、塩素系分子、及びターゲット２０９との化学反応を生じさせる他の化合物を用いることもできる。これに加えて、Ｎ₂、Ｈｅ、Ｈ₂、及びＡｒを含む混合物を用いることができる。発生源２０６は、プロセスチャンバ２０２に供給されるガスを励起してイオン化することによって、プラズマ１４０を発生することができる。イオン１０２は、種々の異なるメカニズムによって、プラズマ１４０からプラズマシース２４２越しに誘引することができる。図２の実施形態では、バイアス源２２１が、金属ターゲット２０９に負のバイアスをかけて、イオン１０２をプラズマ１４０からプラズマシース２４２越しに誘引するように構成されている。バイアス源２２１は、ＤＣ電源にしてＤＣ電圧のバイアス信号を供給するか、あるいは、ＲＦ電源にしてＲＦバイアス信号を供給することができる。さらに、バイアス源２２１は、定電圧出力にするか、あるいはパルス化することができる。この動作は、要望に応じて室温でも高温でも実行することができる。

【0021】

プラズマシース・モディファイア２０８が、プラズマシース２４２内の電界を修正して、プラズマ１４０とプラズマシース２４２との境界の形状を制御することが有利である。図２の実施形態では、プラズマシース・モディファイア２０８が一対のモディファイア２１２及び２１４を含み、これらは絶縁体であり、そして、水晶、アルミナ、窒化ホウ素、ガラス、窒化シリコン、等で製造することができる。図７のような他の実施形態では、半導体または導体材料を、モディファイア２１２及び２１４用に用いることができる。これらの実施形態では、この半導体材料を、シリコン、ドープしたシリコン、炭化シリコン、及び他の適切な材料で製造することができる。

【0022】

図２に戻れば、プラズマ１４０とプラズマシース２４２との境界が、平面１５１に対して凸形状を有することができる。バイアス源２２１が金属ターゲット２０９にバイアスをかけると、イオン１０２が、プラズマシース２４２越しに、モディファイア２１２と２１４との間のギャップを通って所定範囲の入射角で誘引される。モディファイア２１２と２１４との間の水平間隔（Ｇ）、これらのモディファイアが平面１５１を上回る垂直間隔（Ｚ）、モディファイア２１２及び２１４の誘電率、バイアス源２２１の電圧、及び他のプラズマ処理パラメータを含むが、これらに限定されない複数の因子に応じて、イオン１０２が、所定範囲の入射角で金属ターゲットに当たることができる。

【0023】

金属ターゲット２０９に当たるイオン１０２が、金属粒子２１１を金属ターゲット２０９からスパッタさせる。従って、イオン１０２が金属ターゲット２０９に当たる角度が、金属粒子２１１がワークピース１３８に向けてスパッタされる角度を決める。イオン１０２が金属ターゲット２０９に当たる角度を変化させることによって、ワークピース１３８上の小さな三次元構造を、金属イオン１０２によって均一に処理することができる。これに加えて、イオン１０２が金属ターゲット２０９に当たる角度を変化させることによって、スパッタ率も制御することができる。

【0024】

図３を参照すれば、１つの好適なプラズマドーピング装置３００が例示されている。図２の装置によれば、プラズマドーピング装置３００は、一対のモディファイア２１２及び２１４を有して、プラズマ１４０とプラズマシース２４２との境界の形状を制御する。

【0025】

一対のモディファイア２１２及び２１４は、互いの間にギャップまたは開口を規定する。１つ以上の金属ターゲット２０９が、このギャップまたは開口に近接して配置されている。１つ以上の金属ターゲット２０９は、金属ターゲット電源３９１に電気的に結合することができる。金属ターゲット電源３９１は、要望に応じて定電圧またはパルス電圧を供給することができる。

【0026】

プラズマドーピング装置３００は、密閉容積空間３０３を規定するプロセスチャンバ２０２を含む。ガス源３０４は、一次ドーパントガスを、マスフロー（質量流量）コントローラ３０６を通してプロセスチャンバ２０２の密閉容積空間３０３に供給する。ガスバッフル３７０をプロセスチャンバ２０２内に配置して、ガス源３０４からのガスの流れを偏向させることができる。圧力計３０８が、プロセスチャンバ２０２内部の圧力を測定する。真空ポンプ３１２が、排気を、プロセスチャンバ２０２から排気ポート３１０を通して真空排気する。排気バルブ３１４が、排気ポート３１０を通る排気コンダクタンス（伝導性）を制御する。

【0027】

プラズマドーピング装置３００は、マスフロー・コントローラ３０６、圧力計３０８、及び排気バルブ３１４に電気接続されたガス圧コントローラ３０６を、さらに含むことができる。ガス圧コントローラ３１６は、圧力計３０８に応答するフィードバックループによって、排気バルブ３１４で排気コンダクタンスを制御するか、マスフロー・コントローラ３０６でプロセスガスの流量を制御するかのいずれかによって、プロセスチャンバ２０２内の所望圧力を維持するように構成することができる。

【0028】

プロセスチャンバ２０２は、略水平方向に延びる誘電体材料で形成された第１部分３２０を含むチャンバ上部３１８を有することができる。チャンバ上部３１８は、第１部分３２０から略垂直方向に、ある高さに延びる誘電体材料で形成された第２部分３２２も含む。チャンバ上部３１８は、第２部分３２２の全体にわたって水平方向に延びる導電性かつ熱伝導性の材料で形成された蓋３２４をさらに含む。

【0029】

上記プラズマドーピング装置は、プラズマ１４０をプロセスチャンバ２０２内に発生するように構成された発生源３０１をさらに含む。発生源３０１は、ＲＦ電力を平面アンテナ３２６及び螺旋アンテナ３４６の一方または両方のいずれかに供給してプラズマ１４０を発生するための電源のようなＲＦ源３５０を含むことができる。ＲＦ源３５０は、インピーダンス整合回路網３５２によってアンテナ３２６、３４６に結合することができ、インピーダンス整合回路網３５２は、ＲＦ源３５０の出力インピーダンスをＲＦアンテナ３２６、３４６のインピーダンスと整合させて、ＲＦ源３５０からＲＦアンテナ３２６、３４６へ伝達される電力を最大にする。

【0030】

上記プラズマドーピング装置は、プラテン１３４に電気的に結合されたバイアス電源３９０を含むこともできる。このプラズマドーピングシステムは、コントローラ３５６及びユーザインタフェース・システム３５８をさらに含むことができる。コントローラ３５６は、所望の入力／出力機能を実行するようにプログラムすることができる汎用コンピュータまたは汎用コンピュータのネットワークとするか、それらを含むことができる。コントローラ３５６は、通信装置、データ記憶装置、及びソフトウェアを含むこともできる。ユーザインタフェース・システム３５８は、タッチスクリーン、キーボード、ユーザ・ポインティングデバイス（指示装置）、ディスプレイ、プリンタ、等のような装置を含んで、ユーザが、コマンド及び／またはデータを入力すること、及び／または、コントローラ３５６を通してプラズマドーピング装置を監視することを可能にすることができる。シールド（遮蔽）リング３９４をプラテン１３４の周りに配置して、ワークピース１３８のエッジ付近に注入されるイオン分布の均一性を改善することができる。ファラデーカップ３９９のような１つ以上のファラデーセンサをシールドリング３９４内に配置して、イオンビーム電流を検出することもできる。

【0031】

動作中には、ガス源３０４が、ワークピース１３８内への注入用の所望のドーパントを含む一次ドーパントガスを供給する。発生源３０１は、プラズマ１４０をプロセスチャンバ２０２内に発生するように構成されている。発生源３０１は、コントローラ３５６によって制御することができる。プラズマ１４０を発生するために、ＲＦ源３５０がＲＦ電流をＲＦアンテナ３２６、３４６の少なくとも一方において共振させて、振動磁界を生成する。この振動磁界が、ＲＦ電流をプロセスチャンバ２０２内に誘導する。プロセスチャンバ２０２内のＲＦ電流が、一次ドーパントガスを励起してイオン化して、プラズマ１４０を発生する。

【0032】

一実施形態では、金属ターゲット電源３９１に負のバイアスをかけ、バイアス電源３９０を接地電位に維持する。プラズマ１４０からのイオン１０２が、金属ターゲット２０９に向けて加速される。ギャップ幅、モディファイア２１２及び２１４の相対的な垂直位置、モディファイア２１２及び２１４とワークピース１３８との間の垂直距離、及び金属ターゲット電源３９１の電圧を変化させることによって、プラズマ１４０を出るイオン１０２の入射角を調整することができる。これらのイオン１０２は、金属ターゲット２０９に当たってスパッタリングを行わせて金属粒子２１１を発生し、これらの金属粒子は、ワークピース１３８に向けて広範囲の角度で放出される。そして、これらの金属粒子２１１は、ワークピース１３８の三次元構造に堆積するか注入される。金属ターゲット２０９は、−１００V〜−２０kVの電圧でバイアスをかけることができる。一部の実施形態では、金属ターゲット２０９に印加されるバイアスを、スパッタリングプロセス中に変化させることができる。例えば、最初にバイアス電圧を−０．５kVにして、特定エネルギーを有してスパッタされる金属粒子を生成することができる。ワークピース１３８がコーティングされているので、バイアス電圧は−２kVに近付いて、金属粒子２１１を、その後の経路において、エネルギーを増加させてワークピース１３８に向けて発射することができる。

【0033】

イオン１０２の角度分布を最適化することによって、金属粒子２１１の軌跡を最適化して、適切な側壁の被覆率を得ることができる。さらに、スパッタリング歩留まりは、イオンの入射角及び金属ターゲットの温度に依存する。例えば、６０°の入射角は、１０°の入射角のスパッタリング歩留まりの３倍のスパッタリング歩留まりを有することができる。例えば０°から６０°までの複数の入射角を並列的に利用することによって、複数の角度を有してスパッタされる種々の金属粒子を発生することができる。

【0034】

他の実施形態では、ワークピース１３８に負のバイアスをかけることができる。この負のバイアスは、金属ターゲット２０９に印加する電圧よりも高くして、イオン１０２が金属ターゲット２０９に一層誘引されるようにすることができる。例えば、一実施形態では、ワークピース１３８に−１kVのバイアスをかけつつ、金属ターゲット２０９には−２kVのバイアスをかける。この場合、プラズマ１４０を出るイオン１０２は、同時にワークピース１３８及び金属ターゲット２０９に向けて加速される。従って、上記に挙げたパラメータに加えて、イオン１０２と、金属ターゲット２０９及びワークピース１３８によって生成される電界との相互作用が、イオン１０２が金属ターゲット２０９に当たる角度に影響を与える。

【0035】

他の実施形態では、金属ターゲット電源３９１及びバイアス電源３９０が、パルス列のような時間的に変化する出力を提供することができる。これらのパルスを同期または協調させて、所望の挙動を生成することができる。例えば、一実施形態では、金属ターゲット電源３９１とバイアス電源３９０とが同時に、負の電圧パルスを生成することができる。他の実施形態では、これらの電源の一方が、パルス電圧出力を供給する。このパルス電圧出力の開始後しばらくして、他方の電源がパルス電圧出力を供給する。一部の実施形態では、第１のパルス出力の終了時に、第２の電源がパルス出力を出力することができる。図９に、代表的なタイミング図を示して、金属ターゲット電源３９１とバイアス電源３９０との関係を示す。一実施形態では、金属ターゲット電源３９１が、約５kHzのパルス周波数でパルスを発生し、各パルスが２５〜１００μsの持続時間を有する。バイアス電源３９０も、２５〜１００μsの持続時間を有するパルスを発生する。図９では、バイアス電圧パルスが金属ターゲットパルスに追従するように、これらのパルスを協調させる。こうして、イオン１０２が、まず金属ターゲット２０９に誘引される。金属粒子２１１がスパッタされる間に、バイアス電圧がパルス化されて、これらの金属粒子２１１を加工片１３８に向けて引き寄せる。他の実施形態では、バイアス電圧をパルス化しつつ、金属ターゲット・バイアスを連続したＤＣ電圧にすることができる。

【0036】

パルスプラテン信号、及び／または、パルスのデューティサイクルは、所望のスパッタ率を提供するように選択することができる。パルスプラテン信号の振幅は、所望のエネルギーを提供するように選択することができる。

【0037】

一部の実施形態では、図４に示すように、プラズマシース・モディファイアと、ワークピース１３８の前面によって規定される平面１５１との間の垂直間隔（Ｚ）を調整することができる。アクチュエータ４０２を、一対のモディファイア２１２及び２１４に機械的に結合して、モディファイア２１２及び２１４を、それぞれ直線４２０及び４２２で示すように、平面１５１に対して垂直方向に駆動することができる。一対のモディファイア２１２及び２１４の、平面１５１に対する、また互いに対するＺ位置が、プラズマとプラズマシースとの境界の形状に影響を与え、そしてワークピース１３８または金属ターゲット２０９に当たるイオンの軌跡にも影響を与える。このアクチュエータ４０２は、コントローラ３５６のようなコントローラによって制御することができる。

【0038】

図５を参照すれば、本発明による他の実施形態のブロック図が例示され、ここでは、モディファイア２１２と２１４との水平間隔（Ｇ）を調整することができる。この水平間隔調整は、前に詳述した図４の垂直間隔調整の代わりに、あるいはそれに加えて行うことができる。アクチュエータ５０２を、一対のモディファイア２１２及び２１４の少なくとも一方に機械的に結合して、これらのモディファイアを、矢印５０６で示す方向に、互いに対して駆動することができる。アクチュエータ５０２は、コントローラ３５６のようなコントローラによって制御することができる。

【0039】

図６に示すように、一部の実施形態では、プラズマ処理装置２００が、プラズマシース・モディファイアをワークピース１３８に対して駆動するための走査システム６０２を有することができる。走査システム６０２は、モディファイア２１２及び２１４に機械的に結合されてこれらを駆動するアクチュエータを含むことができる。このアクチュエータ（図示せず）は、コントローラ３５６（図３参照）のようなコントローラによって制御することができる。図６の実施形態では、走査システム６０２が、モディファイア２１２及び２１４を、位置Ａから位置Ｂ、そして位置Ｃ、等に駆動し、これにより、ワークピース１３８のすべての位置を、一対のモディファイア２１２及び２１４によって規定されるギャップに露出させることができる。図６に詳記するようにデカルト座標系を定義すれば、モディファイア２１２及び２１４は、図６のＸ方向に駆動される。他の実施形態では、モディファイア２１２及び２１４、または他の異なる組のモディファイアを、Ｙ方向に、あるいはＸ方向とＹ方向との間の任意の角度に駆動することができる。これに加えて、走査システム６０２がモディファイア２１２及び２１４を一方向に駆動する間に、ワークピース１３８を回転させることができる。走査システム６０２がモディファイア２１２及び２１４を一方向に駆動した後に、ワークピース１３８を所定の回転角だけ回転させることもできる。一例では、この回転を、矢印６２４で例示するように、ワークピースの中心軸の周りに行うことができる。

【0040】

図１０に、一実施形態により用いることができるイオン注入装置の他の実施形態を示す。イオン源９１０は、側壁９２０及び開口端９３０を有するチャンバ９２１を含む。プラズマ９４０がチャンバ９２１内に発生する。プラズマは、傍熱陰極（ＩＨＣ：indirectly heated cathode）、ＲＦエネルギー、または他の手段を含むあらゆる適切な手段を用いて発生することができる。チャンバ９２１内では、開口端９３０の付近に、１つ以上のプラズマシース・モディファイア９５０が配置されている。プラズマシース・モディファイア９５０は、抽出開口９３１を有するように構成されている。イオン源９１０のチャンバ９２１からイオンを抽出する際に、プラズマシース・モディファイア９５０を用いて、開口に近接した所の、プラズマ９４０とプラズマシースとの境界９４２の形状を制御する。プラズマシース・モディファイア９５０は、互いの間にギャップを規定する一対のモディファイア９５１、９５２を含むことができる。他の実施形態は、複数のギャップを規定する複数対のモディファイアを有することができる。

【0041】

モディファイア９５１、９５２は半導体材料で製造することができ、半導体材料は、シリコン、ゲルマニウム、炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、アンチモン化アルミニウム、窒化アルミニウム、及びガリウムヒ素を含むが、これらに限定されない。モディファイア９５１、９５２は、例えばドープしたシリコン及びドープした炭化シリコンを含むドープした半導体材料で製造することもできる。ドープした炭化シリコンを形成するために、炭化シリコンを、数個のドーパントのみを挙げれば、窒素、ホウ素、及びアルミニウムのような種でドープすることができる。

【0042】

一対のモディファイア９５１、９５２は、薄く平坦な形状を有する一対のシートとすることもできる。一対のモディファイア９５１、９５２は、間隔（Ｇ）を有するギャップを互いの間に規定する。一対の半導体９５１、９５２は、ワークピース１３８上に垂直間隔（Ｚ）をおいて配置することもできる。

【0043】

境界９４２の形状は、複数の因子に応じて制御することができ、これらの因子は、一対のモディファイア９５１、９５２間の水平間隔（Ｇ）、モディファイアがワークピース１３８を上回る垂直間隔（Ｚ）、各モディファイア９５１、９５２がワークピース１３８を上回る垂直間隔の差、相対導電率を含めたモディファイア材料、モディファイア９５１、９５２の厚さ（Ｔ）、一対のモディファイア９５１、９５２の温度、及びイオン源の他の処理パラメータを含むが、これらに限定されない。

【0044】

金属ターゲット２０９は、モディファイア９５１、９５２の、ワークピース１３８に最寄りの側面に近接して配置される。上述したように、金属ターゲット２０９に、金属ターゲット電源３９１によってバイアスをかけることができる。

【0045】

イオン源９１０はイオン注入装置の構成要素とすることができ、このイオン注入装置は、イオン源９１０の抽出開口９３１の下流に配置されたエンド（終端）ステーション９８０を有する。エンド・ステーション９８０を、イオン源９１０の抽出開口９３１に非常に近接して（例えば、一実施形態では１２インチ以下の所に）配置し、これにより、粒子が進む距離を比較的短くすることができる。エンド・ステーション９８０は、ワークピース１３８を支持するためのプラテン９８５を含むことができる。現在技術において既知であるように、プラテン９８５を静電型プラテンにして、ワークピース１３８を静電力で固定することができる。ワークピース１３８は、太陽電池、フラットパネル、磁気媒体、半導体ウェハー、等を含むことができるが、これらに限定されない。

【0046】

一部の実施形態では、金属ターゲット２０９に、金属ターゲット電源３９１によってバイアスをかけて、イオンを抽出開口９３１から金属ターゲット２０９に向けて抽出するための力を生成することができる。ワークピース１３８は、バイアス電源３９０によってバイアスをかけることもできる。ワークピース１３８へのバイアス信号を、オン及びオフの時間間隔を有するパルスバイアス信号にし、これにより、オン間隔中に粒子を誘引し、オフ間隔中には誘引しないことができる。同様に、金属ターゲット２０９へのバイアス信号を、パルスバイアス信号にすることができる。パルスバイアス信号にする１つの理由は、電荷制御と、関連するイオン注入装置に対する処理能力要求とのバランスをとりつつ、イオン処理中に、ワークピース１３８上への電荷蓄積の量を許容可能なレベルに制御するためである。この実施形態では、金属ターゲット電源３９１とバイアス電源３９０との相互作用を、図９に記載されているようにすることができる。

【0047】

他の実施形態では、電源９９０を用いて、イオン源９１０の側壁９２０にバイアスをかける。ワークピース１３８にも、例えばバイアス電源３９０によってバイアスをかけることができ、金属ターゲット２０９には、金属ターゲット電源３９１によってバイアスをかけることができる。この実施形態では、イオン源の側壁９２０に、例えば約２kVの正のバイアスをかけることができる。この実施形態では、金属ターゲット２０９を接地して、チャンバ９２１内からのイオンを金属ターゲット２０９に向けて誘引することができる。ワークピース１３８には、金属ターゲットよりも高い電圧、例えば１kVのバイアスをかけて、イオンが主に金属ターゲット２０９に誘引されるようにすることができる。上述したように、電源９９０、金属ターゲット電源９３１、及びバイアス電源９３０を、パルス化し互いに同期させて、ワークピース１３８上への粒子の堆積を最適化することができる。

【0048】

本発明は、本明細書に記載した特定実施形態によって範囲を限定されるべきものではない。実際に、本明細書に記載したものに加えて、本発明に対する他の種々の実施形態及び変更は、以上の説明及び添付した図面より、通常の当業者にとって明らかである。従って、こうした他の実施形態及び変更は、本発明の範囲内に入ることを意図している。さらに、本明細書では、本発明を、特定環境における特定目的での特定の実現に関連して説明してきたが、その有用性はこれらの実現に限定されず、本発明は、いくつもの環境においていくつもの目的で有益に実現することができることは、通常の当業者の認める所である。従って、以下に記載する特許請求の範囲は、本明細書に記載した本発明の全幅及び精神全体を考慮して解釈すべきものである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9】

【図10】