JP2003506890A - System and method for providing a uniform implantation dose between surfaces of a substrate - Google Patents
System and method for providing a uniform implantation dose between surfaces of a substrateInfo
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Abstract
(57)【要約】 本発明の方法及びシステムは、プラズマ・イマージョンイオン注入装置(10)の処理室(12)内で注入された、半導体ウエハ(w)等の基板の表面を横切る注入ドーズ量を均一にするために設けられている。処理室内に発生したプラズマは、所望のドーパントイオンを含んでいる。ウエハを処理する前に、プラズマから抽出されたイオン電流がプラテン上の複数の位置でドーズ量検出器(42)によって決められる。複数の位置は、注入されるウエハの表面上の位置に対応する。複数の電磁石(34,36,38,40)は、処理室(12)内に磁界を発生する。電磁石の大きさ、位置、及び電流率が選択されて、処理室内にウエハの表面上に垂直でかつ均一な磁界を作り出す。ドーズ量検出器は、処理室内における複数の位置で、プラズマから抽出されたイオン電流を検出し、これを表すフィードバック信号をコントローラ(50)に出力する。このフィードバック信号に応じてコントローラは、電源にコントローラ信号を出力し、複数の電磁石における電流量を制御する。この電流は、ウエハを横切る均一なドーズ率を達成するために必要に応じて変化する。好ましい実施形態では、複数の電磁石は、複数の環状電磁石からなり、処理室の外側の周囲に配置される。 (57) SUMMARY The method and system of the present invention provides an implant dose across a surface of a substrate, such as a semiconductor wafer (w), implanted in a processing chamber (12) of a plasma immersion ion implanter (10). Is provided for uniformity. Plasma generated in the processing chamber contains desired dopant ions. Prior to processing the wafer, the ion current extracted from the plasma is determined at a plurality of locations on the platen by a dose detector (42). The plurality of locations correspond to locations on the surface of the wafer to be implanted. The plurality of electromagnets (34, 36, 38, 40) generate a magnetic field in the processing chamber (12). The size, position, and current rate of the electromagnet are selected to create a vertical and uniform magnetic field on the surface of the wafer in the processing chamber. The dose detector detects ion current extracted from the plasma at a plurality of positions in the processing chamber, and outputs a feedback signal indicating the detected ion current to the controller (50). In response to the feedback signal, the controller outputs a controller signal to the power supply and controls the amount of current in the plurality of electromagnets. This current varies as needed to achieve a uniform dose rate across the wafer. In a preferred embodiment, the plurality of electromagnets comprises a plurality of annular electromagnets and is disposed around the outside of the processing chamber.
Description
【0001】[0001]
本発明は、一般的に、プラズマ・イマージョンイオン注入システム(Plasma im
mersion ion implantation system)に関するものである。特に、本発明は、こ
のようなシステムによって注入される基板の表面を横切る均一な注入ドーズ量を
与えるための改良された装置及び方法に関する。The present invention generally relates to plasma immersion ion implantation systems (Plasma im
mersion ion implantation system). In particular, the present invention relates to improved apparatus and methods for providing a uniform implant dose across the surface of a substrate implanted by such a system.
【0002】[0002]
イオン注入は、集積回路の大規模製造において、半導体に不純物を混入させる
ために、産業界に望ましい技術として発展してきた。イオンドーズ量は、特定の
イオン注入処理を定める際に2つの重要な変数の1つである。(他方は、イオン
注入深さを決めるイオンエネルギーである。)イオンドーズ量は、与えられた領
域又は半導体材料の容積に対する注入イオンの濃度に関係する。一般的に、高電
流イオン注入機(一般的に、イオンビーム電流が約1mAまでの能力を有する)
が、低いドーズ量に用いられる。Ion implantation has evolved as a desirable technique in industry for the incorporation of impurities in semiconductors in large scale manufacturing of integrated circuits. Ion dose is one of two important variables in defining a particular ion implantation process. (The other is the ion energy that determines the ion implantation depth.) The ion dose is related to the concentration of implanted ions for a given region or volume of semiconductor material. Generally, high current ion implanters (generally having an ion beam current up to about 1 mA)
Is used for low doses.
【0003】
従来のイオン注入装置は、全体として3つの部分あるいはサブシステムから構
成されている。即ち、(i)イオンビームを出力するためのイオン源、(ii)イオン
ビームを分析するための質量分析磁石を含むビームライン、(iii)イオンビーム
によって注入されるべき半導体ウエハまたは他の基板を含むターゲット室を含む
。イオン注入機内のイオン源は、一般的に、イオン源室内でイオン源ガス及び所
望のドーパント要素である成分をイオン化し、さらに、イオンビームの形にイオ
ン源ガスを抽出することによってイオンビームを発生する。このイオンビームは
、ビームラインによって与えられる、真空中のビーム通路に沿って向けられる。
ビーム内で励起されたイオンは、ターゲット室内の基板に衝突し、そこでイオン
注入される。このようなイオン注入システムにおいて、ウエハ上の回路要素が損
傷される程度に、ウエハの表面に注入イオンが帯電しないようにすることが重要
である。A conventional ion implanter is generally composed of three parts or subsystems. That is, (i) an ion source for outputting an ion beam, (ii) a beamline containing a mass analysis magnet for analyzing the ion beam, (iii) a semiconductor wafer or other substrate to be implanted by the ion beam. Including target room. The ion source in an ion implanter generally produces an ion beam by ionizing the ion source gas and components that are the desired dopant elements in the ion source chamber and further extracting the ion source gas in the form of an ion beam. To do. The ion beam is directed along a beam path in a vacuum provided by the beam line.
Ions excited in the beam strike the substrate in the target chamber where they are implanted. In such an ion implantation system, it is important to prevent the implanted ions from being charged on the surface of the wafer to the extent that the circuit elements on the wafer are damaged.
【0004】
プラズマ・イマージョンイオン注入(PIキューブ、即ちPI3)は、プラテン上
のウエハ等の基板を処理室内におけるプラズマ内に侵入させる技術である。そし
て、この処理室は、処理室の機能とともにプラズマ源の機能も有する。一般的に
、電圧差が周期的に処理室の壁とプラテンとの間に形成され、プラズマ内のイオ
ンを基板に引き付ける。十分な電圧差は、イオン注入を基板の表面に生じさせる
。従来のイオン注入システムでは、基板の表面を横切る注入ドーズ量を均一にす
ることが重要である。Plasma immersion ion implantation (PI cube, or PI 3 ) is a technique for injecting a substrate such as a wafer on a platen into plasma in a processing chamber. Then, this processing chamber has the function of the plasma source as well as the function of the processing chamber. Generally, a voltage difference is periodically created between the walls of the process chamber and the platen to attract the ions in the plasma to the substrate. A sufficient voltage difference causes ion implantation to occur on the surface of the substrate. In conventional ion implantation systems, it is important to have a uniform implant dose across the surface of the substrate.
【0005】[0005]
従って、本発明の目的は、プラズマ・イマージョンイオン注入システムによっ
てイオン注入された基板の表面を横切る注入ドーズ量を均一に与えるためのシス
テム及び方法を提供することである。Accordingly, it is an object of the present invention to provide a system and method for providing a uniform implant dose across the surface of a substrate that has been ion implanted by a plasma immersion ion implantation system.
【0006】[0006]
本発明のイオン注入システム及び方法は、プラズマ・イマージョンイオン注入
装置の処理室内で注入された、半導体ウエハ等の基板の表面を横切る注入ドーズ
量を均一にするために設けられている。処理室内に発生したプラズマは、所望の
ドーパントイオンを含んでいる。イオン注入は、ウエハを保持するプラテンに負
のパルス流を加えることにより達成される。ウエハを処理する前に、プラズマか
ら抽出されたイオン電流がプラテン上の複数の位置でドーズ量検出器によって決
められる。複数の位置は、注入されるウエハの表面上の位置に対応する。The ion implantation system and method of the present invention are provided to equalize the implant dose across the surface of a substrate, such as a semiconductor wafer, implanted in the process chamber of a plasma immersion ion implanter. The plasma generated in the processing chamber contains desired dopant ions. Ion implantation is accomplished by applying a negative pulsed flow to the platen holding the wafer. Prior to processing the wafer, the ion current extracted from the plasma is determined by a dose detector at multiple locations on the platen. The plurality of locations correspond to locations on the surface of the wafer to be implanted.
【0007】
複数の電磁石は、処理室内に磁界を発生する。電磁石の大きさ、位置、及び電
流率が選択されて、処理室内にウエハの表面上に垂直でかつ均一な磁界を作り出
す。ドーズ量検出器は、処理室内における複数の位置で、プラズマから抽出され
たイオン電流を検出し、これを表すフィードバック信号をコントローラに出力す
る。このフィードバック信号に応じてコントローラは、電源にコントローラ信号
を出力し、複数の電磁石における電流量を制御する。この電流は、ウエハを横切
る均一なドーズ率を達成するために必要に応じて変化する。好ましい実施形態で
は、複数の電磁石は、複数の環状電磁石からなり、処理室の外側の周囲に配置さ
れる。The plurality of electromagnets generate a magnetic field in the processing chamber. The size, position and current rate of the electromagnets are selected to create a vertical and uniform magnetic field on the surface of the wafer in the process chamber. The dose detector detects the ion current extracted from the plasma at a plurality of positions in the processing chamber, and outputs a feedback signal representing the ion current to the controller. In response to this feedback signal, the controller outputs a controller signal to the power source to control the amount of current in the plurality of electromagnets. This current varies as needed to achieve a uniform dose rate across the wafer. In a preferred embodiment, the plurality of electromagnets comprises a plurality of annular electromagnets and is arranged around the outside of the processing chamber.
【0008】[0008]
図面を参照すると、図1は、参照符号10で概略示すプラズマ・イマージョン
式イオン注入装置を開示する。本システムは、真空状態の処理室12を含み、こ
の処理室は、絶縁体18上に取付けられる電気的に活性なウエハを支持するプラ
テン14と、導電性の壁17を有する電気的にアースされた処理室ハウジング1
6と、石英窓19とを備えている。処理室内で発生したプラズマは、所望のドー
パントイオン種(例えば、砒素)を含み、このイオン種は、負電圧がプラテン1
4に加えられると、処理室に配置される、例えば半導体ウエハWまたは同等品等
の基板内に注入される。図1に示されるように、ウエハWは、ピン装置25によ
って操作されるピン23によりプラテンから持ち上げられる。このようにして、
ウエハはロードロックアセンブリ(図示略)を介してプラズマ室内に迅速に挿入
されかつ取り出すことができる。Referring to the drawings, FIG. 1 discloses a plasma immersion type ion implanter, indicated generally by the reference numeral 10. The system includes a vacuum processing chamber 12, which is electrically grounded with a platen 14 supporting an electrically active wafer mounted on an insulator 18 and a conductive wall 17. Processing chamber housing 1
6 and a quartz window 19. The plasma generated in the processing chamber contains the desired dopant ionic species (eg, arsenic), which has a negative voltage at the platen 1.
4 is added to the substrate, such as a semiconductor wafer W or the like, which is placed in the processing chamber. As shown in FIG. 1, the wafer W is lifted from the platen by the pins 23 operated by the pin device 25. In this way
Wafers can be quickly inserted into and removed from the plasma chamber via a load lock assembly (not shown).
【0009】
プラズマは、処理室12内で以下のように発生する。イオン化可能ガスは、処
理室の上部周辺部に備えられる入口21と有孔環状経路21Aを経由して処理室
12内に導かれる。高周波(RF)発生装置(ジェネレータ)22は、RF信号
(13.5メガヘルツ(MHZ)のオーダー)を発生し、この信号は、整合ネッ
トワーク24に送られる。この整合ネットワークは、RF信号を略平面形状のア
ンテナ28に容量結合するコンデンサ26を備え、アンテナ28は、リード30
、32を経由する内外の環状コイルを有している。RF発生装置22のインピー
ダンスと負荷インピーダンスとをマッチングさせるために、ジェネレータに戻る
RF信号の反射作用を最小にすることでアンテナ28の最大出力を保つ。このよ
うな整合ネットワークの実施形態の1つとして、作動状況に基いてコンデンサ2
6の容量をサーボモータにより変化させる、“逆L形”ネットワークが公知であ
る。Plasma is generated in the processing chamber 12 as follows. The ionizable gas is introduced into the processing chamber 12 via an inlet 21 provided in the upper peripheral portion of the processing chamber and a perforated annular path 21A. A radio frequency (RF) generator 22 generates an RF signal (on the order of 13.5 megahertz (MHZ)), which is sent to a matching network 24. The matching network comprises a capacitor 26 that capacitively couples RF signals to a generally planar antenna 28, which has a lead 30.
, 32 via inner and outer annular coils. In order to match the impedance of the RF generator 22 and the load impedance, the maximum output of the antenna 28 is maintained by minimizing the reflection effect of the RF signal returning to the generator. As one embodiment of such a matching network, the capacitor 2
"Inverted L-shaped" networks are known in which the capacity of 6 is changed by a servomotor.
【0010】
アンテナ28内で発生するRF電流は、石英窓19を通過して処理室12内に
進入する磁界を発生させる。この磁力線は、アンテナコイル内の電流の方向に基
いて、矢印Bによって示される方向に進行する。石英窓19を通過して処理室を
貫通するこの磁界は、処理室内に電界を誘導する。この電界は、電子を加速して
この電子により、環状経路21Aを経由して処理室内に導入されるドーパントガ
スをイオン化してプラズマを作り出す。このプラズマは、所望のドーパントを有
する正に帯電したイオンを含み、適当な抑制電圧がモジュレータ27によってプ
ラテン14に加えられるとき、このイオンがウエハW内に注入される。このイオ
ン注入工程は、真空中で起こるので、処理室12は、ポンプマニホールド29を
介してポンプ(図示略)によって排気される。The RF current generated in the antenna 28 generates a magnetic field that passes through the quartz window 19 and enters the processing chamber 12. This magnetic field line advances in the direction indicated by arrow B based on the direction of the current in the antenna coil. This magnetic field passing through the quartz window 19 and penetrating the processing chamber induces an electric field in the processing chamber. This electric field accelerates the electrons, and the electrons ionize the dopant gas introduced into the processing chamber through the annular path 21A to generate plasma. The plasma contains positively charged ions with the desired dopants, which are implanted into the wafer W when a suitable suppression voltage is applied to the platen 14 by the modulator 27. Since this ion implantation process occurs in vacuum, the processing chamber 12 is exhausted by the pump (not shown) via the pump manifold 29.
【0011】
処理室内に誘導される電界は、アンテナ28の平面(即ち、図1の断面におい
て、X位置およびY位置)に平行で下方にあるリング(環状体)内に集中する環
状の磁力線によって形成される。それゆえ、処理室12内のプラズマは、この環
状磁力線に沿って集中する。このプラズマはウエハに向かって拡散する。この拡
散率と処理室の高さに従って、ウエハでのプラズマ密度は、環状部から中央部ま
で最大(均一な状態を含む。)となる。しかし、拡散率は、プラズマの状態(イ
オン種、圧力RF出力)によるものであり、ウエハ処理を最適にするように選択
される。こうして、均一性を得るための制御変数として、処理室の高さのみが残
る。これは、均一な制御にとって不都合な変数である。The electric field induced in the processing chamber is generated by an annular magnetic field line that is parallel to the plane of the antenna 28 (that is, the X position and the Y position in the cross section of FIG. 1) and is concentrated in the lower ring (annular body). It is formed. Therefore, the plasma in the processing chamber 12 concentrates along this annular magnetic field line. This plasma diffuses toward the wafer. According to the diffusivity and the height of the processing chamber, the plasma density on the wafer becomes maximum (including a uniform state) from the annular portion to the central portion. However, the diffusivity depends on the state of the plasma (ion species, pressure RF power) and is selected to optimize wafer processing. Thus, only the height of the process chamber remains as the control variable for achieving uniformity. This is an inconvenient variable for uniform control.
【0012】
本発明は、環状の磁気コイル34,36,38,40を処理室12の外側に配
置することによってプラズマ密度を均一に制御する問題を解決する。好ましい実
施形態では、ヘルムホルツ・コイル(電磁石)が用いられる。このコイルの目的
は、効果的にプラズマ拡散率を変化させるために、処理室12内の磁界を変化さ
せることであり、ウエハ表面を横切るプラズマ密度の放射状分布を変えることに
なる。The present invention solves the problem of uniformly controlling the plasma density by disposing the annular magnetic coils 34, 36, 38, 40 outside the processing chamber 12. In the preferred embodiment, Helmholtz coils (electromagnets) are used. The purpose of this coil is to change the magnetic field within the process chamber 12 to effectively change the plasma diffusivity, which changes the radial distribution of plasma density across the wafer surface.
【0013】
好ましい実施形態では、電磁コイルは、それぞれ上側と下側に配置された、2
つの大きな主コイル34,40と、処理室12に近接して密着した2つの小さい
調整コイル36,38を含んでいる。大きな主コイル34,40は、第1電流源
44によって供給され、小さな調整コイル36,38は、第2電流源46(図2
参照)によって供給される。一般的に、第1の電流値は、より大きな主コイルに
加えられ、第2のより小さい電流値は、小さな調整コイルに加えられる。この代
わりに、全ての4つのコイルに対して電流を供給するように単一の電流源を用い
ることもできる。In a preferred embodiment, the electromagnetic coils are arranged on the upper side and the lower side, respectively.
It includes two large main coils 34, 40 and two small adjustment coils 36, 38 closely adjoining the process chamber 12. The large main coils 34, 40 are supplied by a first current source 44, and the smaller regulation coils 36, 38 are supplied by a second current source 46 (see FIG. 2).
Supplied). Generally, a first current value is applied to the larger main coil and a second, smaller current value is applied to the smaller conditioning coil. Alternatively, a single current source could be used to supply current to all four coils.
【0014】
ウエハプラテン14は、複数のファラデー電流コレクタまたはファラデーカッ
プ42等のドーズ量検出器を含んでおり、このファラデーカップは、プラズマ電
流密度を測定するために用いられ、これにより、注入ドーズ量の指標を与える。
ファラデーカップは、同一出願人である米国特許出願第09/218770号に
示すように構成することができる。好ましい実施形態では、7つのファラデーカ
ップが、ウエハプラテンの半径に一致して配置される。Wafer platen 14 includes a plurality of Faraday current collectors or dose detectors, such as Faraday cups 42, which are used to measure plasma current densities and thereby allow implantation doses to be measured. Gives an index of.
The Faraday cup can be configured as shown in commonly assigned US patent application Ser. No. 09 / 218,770. In the preferred embodiment, seven Faraday cups are placed to match the radius of the wafer platen.
【0015】
ファラデーカップ42は、電気的にバイアスされ、注入表面に平行な、帯電し
たイオンを集める表面を含んでいる。処理中、ウエハがプラテン上にあるとき、
半径方向最外側のファラデーカップは、プラズマ電流密度を測定するために用い
ることができ、ウエハ内に注入されるドーズ量を示すリアルタイムフィードバッ
ク表示を与える。処理の前に、ウエハがプラテン上にないとき、全てのファラデ
ーカップは、イオンドーズ量に直接対応する、ウエハの表面を横切るプラズマ電
流における放射状分布の表示を与えるために使用することができる。Faraday cup 42 includes a surface that is electrically biased and that is parallel to the implant surface and that collects charged ions. During processing, when the wafer is on the platen,
The radially outermost Faraday cup can be used to measure the plasma current density and provides a real-time feedback indication of the dose injected into the wafer. Prior to processing, when the wafer is not on the platen, all Faraday cups can be used to provide an indication of the radial distribution in plasma current across the surface of the wafer, which directly corresponds to the ion dose.
【0016】
以下で更に説明するように、プラズマ電流密度の放射状分布を調整して均一な
注入ドーズ量を確定するために、処理室12内の磁界を変化させて、処理室12
内のプラズマ密度の分布を効果的に変える。この磁界は、磁気コイルを流れる電
流を変えることにより変化する。As will be further described below, the magnetic field in the process chamber 12 is varied to adjust the radial distribution of the plasma current density to establish a uniform implant dose, and the process chamber 12 is then modified.
Effectively change the distribution of plasma density inside. This magnetic field is changed by changing the current flowing through the magnetic coil.
【0017】
図2は、磁気コイルを流れる電流を制御するための制御装置のブロック図を示
す。7つのファラデーカップ42a〜42gは、コントローラ50に出力信号を
供給する。ファラデーカップの読みに基づいて、コントローラは、コントロール
信号51a、51bを電流源44,46に出力し、大きな主コイルと小さな調整
コイルのそれぞれを動作させる。このように、閉ループ制御システムがウエハへ
のプラズマ分布を制御するために設けられている。FIG. 2 shows a block diagram of a control device for controlling the current flowing through the magnetic coil. The seven Faraday cups 42a-42g provide output signals to the controller 50. Based on the reading of the Faraday cup, the controller outputs control signals 51a, 51b to the current sources 44, 46 to operate the large main coil and the small adjustment coil, respectively. Thus, a closed loop control system is provided to control the plasma distribution on the wafer.
【0018】
図3は、磁石34,36,38,40を用いる図1のシステムの処理室内に作
られる磁界の断面図である。処理室12は、処理室の壁17の想像線によって概
略示されている。処理室の中心線CLに沿って見た処理室の半分だけが、図3に
示されている。コイル34,36,38,40によって作られた磁界は、図示し
ない処理室の他の半分とほとんど同一である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the magnetic field created in the processing chamber of the system of FIG. 1 using magnets 34, 36, 38, 40. The processing chamber 12 is schematically indicated by an imaginary line on the wall 17 of the processing chamber. Only half of the process chamber, as seen along the process chamber centerline C L , is shown in FIG. The magnetic field created by the coils 34, 36, 38, 40 is almost identical to the other half of the process chamber not shown.
【0019】
図3における磁力線Bは、ヘルムホルツコイルによって処理室内に作られた磁
界を形成している。これらの磁力線から明らかなように、処理室12に関係する
コイルの位置と、そこを流れる電流の大きさにより、処理室12内のウエハWの
表面を横切って30ガウスまでの均一な磁界を生じさせる。この均一な磁界は、
ウエハ表面に直交し、かつウエハ表面を均一に通過する。イオン注入処理中、非
均一な電子の軌跡によるいかなる電荷蓄積の問題を避けるために、この磁界は、
ウエハの全表面に均一でありかつ垂直に横切ることが重要である。この場合にお
けるウエハの直径は、300mm(30cm)である。The magnetic field lines B in FIG. 3 form a magnetic field created in the processing chamber by the Helmholtz coil. As is apparent from these lines of magnetic force, a uniform magnetic field up to 30 gauss is generated across the surface of the wafer W in the processing chamber 12 depending on the position of the coil related to the processing chamber 12 and the magnitude of the current flowing therethrough. Let This uniform magnetic field
It is orthogonal to the wafer surface and passes uniformly over the wafer surface. In order to avoid any charge storage problems due to non-uniform electron trajectories during the ion implantation process, this magnetic field is
It is important that the wafer is evenly and vertically across the entire surface. The diameter of the wafer in this case is 300 mm (30 cm).
【0020】
図3に示すように、これらのコイルは、処理室の中心線CLから半径方向外側
へほぼ20cmの両側が均一となる磁界を与える。これにより、ウエハWの全体
が配置される領域で磁界が均一となる。ウエハWの上方近くの領域における均一
な磁界は、ウエハの表面を横切るプラズマが均一となるように制御する。プラズ
マの均一化は、ウエハの表面を横切る均一な注入を保証する。As shown in FIG. 3, these coils provide a uniform magnetic field on both sides of approximately 20 cm radially outward from the center line C L of the processing chamber. As a result, the magnetic field becomes uniform in the region where the entire wafer W is arranged. The uniform magnetic field in the region near the top of the wafer W controls the plasma across the surface of the wafer to be uniform. The plasma homogenization ensures a uniform implant across the surface of the wafer.
【0021】
図4は、磁石と通って流れる電流の異なる値に対して、図3の処理室内のウエ
ハを横切る正規化したプラズマ密度を図示したものである。図4のグラフは、2
00ワットで作動するRF源によって励起されたアルゴンプラズマに対するもの
である。アンテナ28(図3における位置XおよびY)の磁界ローブが20cm
離れて(即ち、中心線CLの両側にそれぞれ10cm)配置されている。記号一
覧で示された6〜16.9アンペアまでの電流値は、大きな主コイル34,40と通
って流れる電流を表す。小さい調整コイル36,38と通って流れる電流は、主
コイル電流の.33(33%)であり、実験におけるこのコイル電流は、適当な比率
となることが見出された。FIG. 4 illustrates the normalized plasma density across the wafer in the process chamber of FIG. 3 for different values of current flowing through the magnet. The graph in FIG.
For an Argon plasma excited by an RF source operating at 00 watts. The magnetic field lobe of the antenna 28 (positions X and Y in FIG. 3) is 20 cm
Apart (i.e., each 10cm in both sides of the center line C L) are arranged. The current values from 6 to 16.9 amps shown in the symbol list represent the current flowing through the large main coils 34, 40. The current flowing through the small conditioning coils 36, 38 was 0.33 (33%) of the main coil current, and this coil current in the experiments was found to be in the proper ratio.
【0022】
図4において示された正規化されプラズマ電子密度は、公知の手段、例えば、
移動式ラングミュアプローブによってウエハの表面上方2cmのところで測定さ
れている。ラングミュアプローブは、ウエハの平面に沿って繰り返し移動され、
種々の磁石による電流に対するプラズマ密度を測定する。代わりに、ウエハ表面
におけるプラズマ密度を測定するために、ファラデーカップ42を使用すること
ができる。The normalized plasma electron density shown in FIG. 4 can be determined by known means, eg
Measured 2 cm above the surface of the wafer by a mobile Langmuir probe. The Langmuir probe is repeatedly moved along the plane of the wafer,
The plasma density is measured against the current through various magnets. Alternatively, the Faraday cup 42 can be used to measure the plasma density at the wafer surface.
【0023】
移動式ラングミュアプローブまたはファラデーカップアレイのいずれかを用い
て、ウエハの表面を横切るプラズマ密度が決定される。コントローラ50は、所
望の均一な磁気プラズマ密度が得られるまで、磁石34,36,38,40にお
ける電流を調整することによって磁界を変化させることができる。ファラデーカ
ップが使用される場合、ファラデーカップの出力信号は、磁石による電流を変え
るために閉ループ制御システム(図2を参照)におけるフィードバックとして用
いることができ、その結果、プラズマ密度の横方向均一性を達成する。Plasma density across the surface of the wafer is determined using either a mobile Langmuir probe or a Faraday cup array. The controller 50 can change the magnetic field by adjusting the current in the magnets 34, 36, 38, 40 until the desired uniform magnetic plasma density is obtained. If a Faraday cup is used, the output signal of the Faraday cup can be used as feedback in a closed loop control system (see FIG. 2) to alter the current through the magnet, resulting in lateral uniformity of plasma density. To achieve.
【0024】
図4に示すように、2つの安定したプラズマモードが得られる。第1モードで
は、低い主磁石電流(6〜8アンペア)で、プラズマ密度が処理室の中心線CLに
沿って集中する。第2モードでは、高い主磁石電流(12〜17アンペア)で、プラ
ズマ密度がアンテナ28の磁気ローブと一致する2つの位置(CLから+10cm
及び−10cm)に集中する。中間電流(9〜11アンペア)では、より均一なプラ
ズマ密度が、ウエハの表面を横切って達成される。しかし、これは、不安定な領
域であり、またプラズマ密度は、より安定な上記2つのモードの一方に移動する
性質を示す。As shown in FIG. 4, two stable plasma modes are obtained. In the first mode, lower main magnet current (6-8 amperes), the plasma density is concentrated along the center line C L of the processing chamber. In the second mode, at high main magnet current (12-17 amps), two positions (+10 cm from C L ) where the plasma density matches the magnetic lobes of antenna 28
And -10 cm). At intermediate currents (9-11 amps), a more uniform plasma density is achieved across the surface of the wafer. However, this is an unstable region, and the plasma density has the property of moving to one of the two more stable modes.
【0025】
2つの明瞭なプラズマモードが存在する理由は、アンテナ28の下方にある環
状体によって表される電界から離れたプラズマの異なる拡散率によって説明する
ことができる。磁石34,36,38,40によって作り出された低い磁界を用
いると、プラズマ横方向拡散率が高くなり、環状体の中心がプラズマで満たされ
始め、最終的に、中心線CLでピークとなる。磁石34,36,38,40によ
って作り出された高い磁界を用いると、プラズマ横方向拡散率が低くなり、プラ
ズマの環状体形状が維持される。The reason why there are two distinct plasma modes can be explained by the different diffusivities of the plasma away from the electric field represented by the annulus below the antenna 28. When using a low magnetic field created by the magnets 34, 36, 38, the plasma lateral diffusion rate is increased, the center of the annular body begins to be filled with plasma, and finally, the peak at the center line C L . With the high magnetic fields created by the magnets 34, 36, 38, 40, the lateral plasma diffusivity is reduced and the toroidal shape of the plasma is maintained.
【0026】
こうして、本発明は、ウエハWの表面を横切る均一なプラズマ密度を達成させ
る2つの方法を考える。ファラデーカップアレイまたは移動式ラングミュアプロ
ーブのいずれかを用いて、主コイル34,40を通る正確な電流が決定され、ウ
エハWの表面を横切る均一なプラズマ密度を生じさせることになる。このウエハ
は、単一のイオン注入ステップを用いて注入することもできる。Thus, the present invention contemplates two methods of achieving a uniform plasma density across the surface of the wafer W. Using either a Faraday cup array or a moving Langmuir probe, the exact current through the main coils 34, 40 will be determined, resulting in a uniform plasma density across the surface of the wafer W. The wafer can also be implanted using a single ion implantation step.
【0027】
代わりに、上記方法がプラズマの不安定な領域を含む場合には、2段階のイオ
ン注入を実行することが可能である。ファラデーカップアレイまたは移動式ラン
グミュアプローブのいずれかを用いて、第1の注入が第1プラズマモードを用い
て実行され、第2の注入が第2プラズマモードを用いて実行される。この2段階
の方法は、2つの分離したイオン注入処理ステップが多くの時間を必要とするけ
れども、単一段階の方法と対比して、各モードにおいてより安定なプラズマを供
給する。Alternatively, a two-step ion implantation can be performed if the method involves an unstable region of the plasma. A first implant is performed using a first plasma mode and a second implant is performed using a second plasma mode, using either a Faraday cup array or a mobile Langmuir probe. This two-step method provides a more stable plasma in each mode, as compared to the single-step method, although the two separate ion implantation process steps take a lot of time.
【0028】
従って、基板の表面を横切る均一なイオン注入ドーズ量を与えるための本発明
の好ましい方法及びシステムをこれまで説明してきた。本発明を用いると、300
mmウエハの表面を横切るドーズ量の変動が2%以下となるような均一なドーズ
量が達成される。しかし、上述した説明は、本発明の一例として示すものであり
、本発明は、個々に記載の特定の実施形態に制限されるものではなく、種々の再
構成、修正、及び変更は、特許請求の範囲及びこれらと等価の構成によって定め
られる本発明の範囲から逸脱しない上記記載に関連して可能である。Accordingly, the preferred method and system of the present invention for providing a uniform ion implantation dose across the surface of a substrate has been described above. With the present invention, 300
A uniform dose amount that achieves a variation of 2% or less across the surface of the mm wafer is achieved. However, the above description is provided as an example of the present invention, and the present invention is not limited to the particular embodiments described individually, and various reconfigurations, modifications, and changes are claimed. Are possible in connection with the above description without departing from the scope of the invention, which is defined by the scope of the invention and its equivalent constructions.
【図1】
図1は、本発明の原理に従って構成されたドーズ量均一機構の1つの形態を含
むプラズマ・イマージョンイオン注入システムの断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a plasma immersion ion implantation system that includes one form of a dose uniformity mechanism constructed in accordance with the principles of the present invention.
【図2】
図2は、図1のシステムにおける磁石を通って流れる電流を制御するための閉
ループ制御装置を示すブロック図である。2 is a block diagram illustrating a closed loop controller for controlling the current flowing through a magnet in the system of FIG.
【図3】
図3は、この図に示された磁石を用いて、図1のシステムの処理室内で作られ
る磁界の断面図である。3 is a cross-sectional view of the magnetic field created in the processing chamber of the system of FIG. 1 using the magnet shown in this figure.
【図4】
図4は、図1のシステムにおける磁石を流れる磁気電流の異なる値に対して、
図3の処理室内でウエハの表面を横切る正規化したプラズマ密度を表すグラフで
ある。FIG. 4 shows that for different values of the magnetic current flowing through the magnet in the system of FIG.
4 is a graph showing the normalized plasma density across the surface of the wafer in the processing chamber of FIG.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 21/265 T (72)発明者 ステジック,ジョージ アメリカ合衆国 ウイスコンシン 53132 フランクリン キャサリーン コート 6810 Fターム(参考) 5C030 DD01 DE07 DE09 5C034 CC01 CD02 CD06 【要約の続き】 い実施形態では、複数の電磁石は、複数の環状電磁石か らなり、処理室の外側の周囲に配置される。─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued Front Page (51) Int.Cl. 7 Identification Code FI Theme Coat (Reference) H01L 21/265 T (72) Inventor Stesick, George United States Wisconsin 53132 Franklin Catherine Court 6810 F Term (Reference) 5C030 DD01 DE07 DE09 5C034 CC01 CD02 CD06 [Summary of Continuation] In one embodiment, the plurality of electromagnets comprises a plurality of annular electromagnets arranged around the outside of the process chamber.
Claims (21)
処理室内の基板(W)にイオン注入するプラズマ・イマージョン式イオン注入シ
ステム(10)において、注入ドーズ量の制御機構が、 (i) 前記処理室(12)内に磁界を発生するための複数の電磁石(34,36,38,40
)と、 (ii)前記複数の電磁石に電流を供給するための少なくとも1つの電源(44, 46
)と、 (iii)前記処理室内の複数の位置で前記プラズマにおける抽出されたイオン電流
またはプラズマ密度のいずれかを検出し、これを表す出力フィードバック信号 (43)を出力するためのフィードバック機構(42)と、 (iv)前記フィードバック信号を入力し、前記複数の電磁石における電流量を制
御して前記処理室内に複数の位置での均一なプラズマ密度または均一な注入ドー
ズ量分布を達成するために、前記少なくとも1つの電源に前記少なくとも1つの
制御信号(51)を出力するためのコントローラ(50)とを備えることを特徴とす
るイオン注入システム。1. A process chamber (12) is provided, and ions in plasma generated in the process chamber are used to
In a plasma immersion type ion implantation system (10) for implanting ions into a substrate (W) in a processing chamber, an implantation dose control mechanism (i) includes a plurality of magnetic fields for generating a magnetic field in the processing chamber (12). Electromagnet (34,36,38,40
), And (ii) at least one power supply (44, 46) for supplying current to the plurality of electromagnets.
And (iii) a feedback mechanism (42) for detecting either the extracted ion current or the plasma density in the plasma at a plurality of positions in the processing chamber and outputting an output feedback signal (43) representing the detected ion current or the plasma density. ), And (iv) inputting the feedback signal and controlling the amount of current in the plurality of electromagnets to achieve a uniform plasma density or a uniform implantation dose distribution at a plurality of positions in the processing chamber, An ion implantation system comprising: a controller (50) for outputting the at least one control signal (51) to the at least one power supply.
表面上に配置され、基板が、処理中に前記プラテン上に配置され、前記コントロ
ーラ(50)は、前記複数の電磁石における電流量を制御して前記プラテン(14)
の表面上に均一なプラズマ密度または均一な注入ドーズ量を達成することを特徴
とする請求項1記載のイオン注入システム。2. The feedback mechanism (42) is disposed on a surface of a platen (14) in the processing chamber (12), a substrate is disposed on the platen during processing, and the controller (50). Controls the amount of current in the plurality of electromagnets to control the platen (14).
The ion implantation system according to claim 1, wherein a uniform plasma density or a uniform implantation dose amount is achieved on the surface of the ion implantation system.
特徴とする請求項2記載のイオン注入システム。3. The ion implantation system according to claim 2, wherein the plurality of electromagnets (34, 36, 38, 40) are arranged outside the processing chamber.
環状電磁石からなることを特徴とする請求項3記載のイオン注入システム。4. The ion implantation system according to claim 3, wherein the plurality of electromagnets (34, 36, 38, 40) are a plurality of annular electromagnets arranged around the outside of the processing chamber.
40)と少なくとも1つの小さい調整用電磁石(36,38)を含み、この調整用電磁
石は、前記主電磁石よりも低い電流で作動することを特徴とする請求項4記載の
イオン注入システム。5. The plurality of electromagnets (34, 36, 38, 40) are at least one large main electromagnet (34,
40) and at least one small adjusting electromagnet (36, 38), the adjusting electromagnet operating at a lower current than the main electromagnet.
を特徴とする請求項2記載のイオン注入システム。6. The ion implantation system of claim 2, wherein the feedback mechanism (42) is a plurality of Faraday current collectors.
特徴とする請求項2記載のイオン注入システム。7. The ion implantation system according to claim 2, wherein the feedback mechanism (42) is a mobile Langmuir probe.
にイオンを注入する方法であって、 (i) 前記処理室(12)内にプラズマを発生し、 (ii) 複数のの電磁石(34,36,38,40)を用いて前記処理室内に磁界を発生させ
、 (iii) 前記処理室内に複数の位置に配置したフィードバック機構を用いて前記
プラズマ内のイオン電流を検出し、 (iv) この検出されたイオン電流を表すフィードバック信号(43)を出力し、 (v) 前記フィードバック信号をコントローラ(50)に入力し、前記複数の電磁
石における電流量を制御して前記処理室内に複数の位置での均一なプラズマ密度
または均一な注入ドーズ量分布を達成するために、前記コントローラから少なく
とも1つの電源に少なくとも1つの制御信号(51)を出力する、各ステップを有
することを特徴とする方法。8. A substrate (w) in a processing chamber (12) of a plasma immersion ion implanter (10).
(I) plasma is generated in the processing chamber (12), and (ii) a magnetic field is generated in the processing chamber by using a plurality of electromagnets (34, 36, 38, 40). And (iii) the ion current in the plasma is detected by using a feedback mechanism arranged at a plurality of positions in the processing chamber, and (iv) a feedback signal (43) representing the detected ion current is output. (V) The feedback signal is input to the controller (50) to control the amount of current in the plurality of electromagnets to achieve a uniform plasma density or a uniform implantation dose distribution at a plurality of positions in the processing chamber. In order to perform, at least one control signal (51) is output from the controller to at least one power supply.
面上に配置され、基板が、処理中に前記プラテン上に配置され、前記コントロー
ラ(50)は、前記複数の電磁石における電流量を制御して前記プラテン(14)の
表面上に均一なプラズマ密度または均一な注入ドーズ量を達成することを特徴と
する請求項8記載の方法。9. The feedback mechanism (42) is disposed on a surface of a platen (14) in the processing chamber (12), a substrate is disposed on the platen during processing, and the controller (50). 9. The method of claim 8, wherein controlling the amount of current in the plurality of electromagnets to achieve a uniform plasma density or a uniform implant dose on the surface of the platen (14).
特徴とする請求項9記載の方法。10. The method of claim 9, wherein the plurality of electromagnets (34, 36, 38, 40) are located outside the process chamber.
環状電磁石からなることを特徴とする請求項10記載の方法。11. The method of claim 10, wherein the plurality of electromagnets (34, 36, 38, 40) comprises a plurality of annular electromagnets arranged around the outside of the processing chamber.
40)と少なくとも1つの小さい調整用電磁石(36,38)を含み、この調整用電磁
石は、前記主電磁石よりも低い電流で作動することを特徴とする請求項11記載
の方法。12. The plurality of electromagnets (34, 36, 38, 40) are at least one large main electromagnet (34,
40) and at least one small adjusting electromagnet (36, 38), the adjusting electromagnet operating at a lower current than the main electromagnet.
を特徴とする請求項9記載の方法。13. The method of claim 9, wherein the feedback mechanism (42) is a plurality of Faraday current collectors.
特徴とする請求項9記載の方法。14. The method of claim 9, wherein the feedback mechanism (42) is a mobile Langmuir probe.
にイオンを注入する方法であって、 (i) 前記処理室(12)内にプラズマを発生し、 (ii) 複数の電磁石(34,36,38,40)を用いて前記処理室内に磁界を発生させ、 (iii) 前記処理室内に複数の位置に配置したフィードバック機構を用いて前記
プラズマ内のイオン電流を検出し、 (iv) この検出されたイオン電流を表す第1フィードバック信号(43)を出力し
、 (v) 前記第1フィードバック信号をコントローラ(50)に入力し、前記複数の
電磁石における電流量を制御して前記処理室内に複数の位置間の第1プラズマ密
度または注入ドーズ量分布を達成するために、前記コントローラから電源に第1
制御信号を出力し、 (vi) 前記処理室内に基板(W)を配置して、第1の注入を実行し、 (vii) 前記処理室内の複数の位置において、フィードバック機構を用いて前記
プラズマ内のイオン電流を検出し、 (viii)この検出されたイオン電流を表す第2フィードバック信号(43)を出力し
、 (ix) 前記第2フィードバック信号を前記コントローラ(50)に入力し、前記複
数の電磁石における電流量を制御して前記処理室内に複数の位置間の第2プラズ
マ密度または注入ドーズ量分布を達成するために、前記コントローラから電源に
第2制御信号を出力し、 (x) 前記基板上で第2の注入を実行する、各ステップを有することを特徴とす
る方法。15. A substrate (w) in a processing chamber (12) of a plasma immersion ion implanter (10).
(I) plasma is generated in the processing chamber (12), and (ii) a magnetic field is generated in the processing chamber using a plurality of electromagnets (34, 36, 38, 40). And (iii) detecting an ion current in the plasma using a feedback mechanism arranged at a plurality of positions in the processing chamber, and (iv) generating a first feedback signal (43) representing the detected ion current. And (v) inputting the first feedback signal to the controller (50) to control the amount of current in the plurality of electromagnets to obtain the first plasma density or the implantation dose distribution between the plurality of positions in the processing chamber. First to power from the controller to achieve
Outputting a control signal, (vi) arranging the substrate (W) in the processing chamber and performing the first implantation, and (vii) using a feedback mechanism at a plurality of positions in the processing chamber to perform plasma treatment in the plasma. (Viii) outputting a second feedback signal (43) representing the detected ion current, and (ix) inputting the second feedback signal to the controller (50), Outputting a second control signal from the controller to a power source to control the amount of current in the electromagnet to achieve a second plasma density or an implantation dose distribution between a plurality of positions in the processing chamber; (x) the substrate A method comprising the steps of performing a second implant above.
面上に配置され、基板が、処理中に前記プラテン上に配置され、この基板(w)
は、第1の注入後に前記処理室から取り出され、前記ステップ(viii)および(ix)
を可能にするために前記第2の注入前に前記処理室内に再配置されることを特徴
とする請求項15記載の方法。16. The feedback mechanism (42) is disposed on a surface of a platen (14) in the processing chamber (12), and a substrate is disposed on the platen during processing, the substrate (w)
Is removed from the process chamber after the first injection and the steps (viii) and (ix)
16. The method of claim 15, wherein the method is repositioned in the process chamber prior to the second injection to allow
特徴とする請求項16記載の方法。17. The method according to claim 16, wherein the plurality of electromagnets (34, 36, 38, 40) are arranged outside the processing chamber.
環状電磁石からなることを特徴とする請求項17記載の方法。18. The method of claim 17, wherein the plurality of electromagnets (34, 36, 38, 40) comprises a plurality of annular electromagnets arranged around the outside of the processing chamber.
40)と少なくとも1つの小さい調整用電磁石(36,38)を含み、この調整用電磁
石は、前記主電磁石よりも低い電流で作動することを特徴とする請求項18記載
の方法。19. The plurality of electromagnets (34, 36, 38, 40) are at least one large main electromagnet (34,
Method according to claim 18, characterized in that it comprises 40) and at least one small adjusting electromagnet (36, 38), which operating at a lower current than the main electromagnet.
を特徴とする請求項16記載の方法。20. The method of claim 16, wherein the feedback mechanism (42) is a plurality of Faraday current collectors.
特徴とする請求項16記載の方法。21. The method of claim 16, wherein the feedback mechanism (42) is a mobile Langmuir probe.
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