JP2003515945A - プラズマドーピングシステムのためのドーズ量モニター - Google Patents

プラズマドーピングシステムのためのドーズ量モニター

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Abstract

(57)【要約】 プラズマドーピング装置はプラズマドーピングチェンバーとワークピースを支持するためのプラズマドーピングチェンバー内に配置されるプラテンとチェンバーに結合されるイオン化可能なガス源とプラテンから間隔があけられたアノードとプラテンとアノードとの間に電圧パルスを適用するパルス源とを含む。電圧パルスはワークピースの近傍でプラズマシースを有するプラズマを生成する。電圧パルスは正イオンをワークピースへの注入のためにプラズマシースを横切ってプラテンへと加速する。プラズマドーピング装置はプラズマシースを横切る正イオンのサンプルを収集するための少なくとも一つのファラデーカップを含む。サンプルはワークピースに注入される正イオンのドーズ量を示す。ファラデーカップは電子流出を抑制するために内部チェンバー内に横方向の電場を生成するように形状付けられ，これにより測定精度が改良される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本出願は，1998年8月3日に出願された米国特許出願第09/128,370号の一部継続
出願である。
【０００２】 発明の分野 本発明はワークピースのイオン注入に使用されるプラズマドーピング装置に関
し，特に，プラズマドーピング装置内でワークピース内に注入されるイオンドー
ズ量を測定するための方法および装置に関する。
【０００３】 発明の背景 イオン注入は導電率を変化させる不純物を半導体ウエハ内に導入するための標
準技術である。在来のイオン注入装置において，所望の不純物材料がイオンソー
ス内でイオン化され，該イオンは予め定められたエネルギーのイオンビームを形
成するために加速され，そして該イオンビームはウエハの表面に向けられる。付
勢されたビーム内のイオンは半導体材料のバルク内に侵入し，所望の導電率の領
域を形成するべく半導体材料の結晶格子内に埋め込まれる。
【０００４】 いくつかの応用において，半導体ウエハ内に浅い接合を形成する必要があり，
その場合不純物材料はウエハの表面付近の領域に制限される。これらの応用にお
いて高エネルギー加速および在来のイオン注入器の関連するビーム形成ハードウ
エアは不必要である。したがって，半導体ウエハ内に浅い接合を形成するために
プラズマドーピング装置を使用することが提案された。プラズマドーピング装置
において，半導体ウエハがカソードとして機能する導体プラテン上に載置される
。所望のドーパント材料を含むイオン化可能なガスがチェンバー内に導入され，
高電圧パルスがプラテンとアノードまたはチェンバー壁との間に適用され，ウエ
ハの近傍にプラズマシースを有するプラズマを形成する。適用電圧によってプラ
ズマ内のイオンはプラズマシースを横切り，そしてウエハ内に注入される。注入
の深さはウエハとアノードとの間に適用される電圧に関連する。プラズマドーピ
ング装置はShengによる1994年10月11日に発行された米国特許第5,354,381号に記
載されている。
【０００５】 上記されたプラズマドーピング装置において，高電圧パルスはプラズマを発生
しかつプラズマからウエハ方向へ正イオンを加速する。プラズマ浸漬装置として
知られるような他のタイプのプラズマ装置において連続RF電圧がプラテンとアノ
ードとの間に適用され，連続プラズマを生成する。時々，高電圧パルスがプラテ
ンとアノードとの間に適用され，それによってプラズマ内の正イオンがウエハ方
向へ加速される。
【０００６】 イオン注入に関連する半導体製造処理において，ウエハ内に注入される蓄積イ
オンドーズ量およびウエハ表面にわたるドーズ量の均一性に関する厳しい要求が
課せられる。注入されたドーズ量は注入された領域の電気的活性を決定し，一方
ドーズ量の均一性は半導体ウエハ上のすべてのデバイスが特定された限度内で動
作特性を有することを保証するために要求される。
【０００７】 プラズマドーピング装置におけるドーズ量測定のひとつの従来のアプローチは
，上記した米国特許第5,354,381号に記載されるように，高電圧パルスによって
プラズマに供給される電流の測定に関する。しかし，このアプローチは不正確に
なりやすい。測定電流は，イオン注入の間に生成された電子を含み，たとえこれ
らの中性分子が総ドーズ量に寄与するとしてもワークピース内に注入される中性
分子を除外する。さらにまた，測定電流は注入中のウエハを通過するため，それ
は測定電流にエラーを生じさせるウエハの特性に依存する。それらの特性は放射
率，局所的放電，ウエハ上のフォトレジストからのガス放出などを含む。したが
って，異なるウエハは同一のイオンドーズに対して異なる測定電流を与える。さ
らに，測定電流パルスは測定にエラーを導入する大きな容量または変位電流成分
を含む。
【０００８】 プラズマドーピングドーズ量測定に関する技術は，E. JonesらによるIEEE Tra
nsactions on Plasma Science，Vol.25，No.1，1997年2月，pp.42‐52に記載さ
れている。注入器電流および注入電圧の測定は単一の注入パルスに対する注入プ
ロフィールを決定するのに使用される。単一パルスに対する注入プロフィールは
最終注入プロフィールおよび総注入ドーズ量を計画するために使用される。この
アプローチもまた，反復可能性を保証するために電源およびガス制御安定性に依
存しているという事実のために不正確になりやすい。また，経験的なアプローチ
は時間を浪費しかつ高価である。
【０００９】 ウエハへの高エネルギービームの適用に関する従来のイオン注入装置において
，典型的に蓄積イオンドーズ量はターゲットウエハの正面に配置されたファラデ
ーカップまたはファラデーケージによって測定される。典型的に，ファラデーケ
ージは導電性のエンクロージャーであり，該エンクロージャの下流端にウエハが
配置され，ファラデー装置の一部を構成する。イオンビームはファラデーケージ
を通ってウエハに達し，ファラデー内に電流を生成する。ファラデー電流は電子
ドーズ量プロセッサに供給され，それは総イオンドーズ量を決定するために時間
に関して電流を積分する。ドーズ量プロセッサはイオン注入器を制御するのに使
用されるフィードバックループの一部であってもよい。
【００１０】 さまざまなイオン注入器用のファラデーケージ構成が従来技術に開示されてい
る。半導体ウエハの正面に配置されたファラデーケージは，Fornerisらによる19
79年1月16日に発行された米国特許第4,135,097号，Turnerによる1984年2月21日
に発行された米国特許第4,433,247号，Robertsonらによる1983年12月20日に発行
された米国特許第4,421,988号，Robertsonらによる1984年1月31日に発行された
米国特許第4,463,255号，Douglasによる1982年11月30日に発行された米国特許第
4,361,762号，Kolondraらによる1988年11月22日に発行された米国特許第4,786,8
14号，およびWuらによる1986年6月17日に発行された米国特許第4,595,837号に開
示されている。回転ディスクの後方に配置されたファラデーケージは，Rydingに
よる1980年10月14日に発行された米国特許第4,228,358号，Rydingによる1980年1
1月18日に発行された米国特許第4,234,797号，およびFarleyによる1986年5月6日
に発行された米国特許第4,587,433号に開示されている。
【００１１】 ドーズ量およびドーズ量均一性はまた，Corey, Jrらによる1988年6月14日に発
行された米国特許第4,751,393号に開示されるようなコーナーカップ装置を使っ
て従来の高エネルギーイオン注入装置内で測定されてきた。中央に開口部を有す
るマスクがイオンビームの経路内に配置される。ビームはウエハ上に入射する中
央の開口部を通過する部分を有するマスクの領域にわたって走査される。小さい
ファラデーカップがマスクの四隅に配置され，これらの場所でのビーム電流を検
知する。
【００１２】 したがって，プラズマドーピングシステムにおいて，ワークピースに注入され
るイオンドーズ量を測定する，改良された方法および装置に必要性がある。
【００１３】 発明の要約 発明の第一の態様にしたがって，プラズマドーピング装置が提供される。プラ
ズマドーピング装置は，プラズマドーピングチェンバーと，典型的に半導体ウエ
ハであるワークピースを支持するためのプラズマドーピングチェンバー内に設置
されるプラテン（プラテンとワークピースがカソードを構成する）と，チェンバ
ーに結合されるイオン化可能なガスソースと，プラテンから間隔があけられるア
ノードと，カソードとアノードとの間に高電圧パルスを印加するためのパルスソ
ースとを含む。高電圧パルスはワークピースの近傍にプラズマシースを有するプ
ラズマを生成する。該プラズマはイオン化可能のガスの正イオンを含む。高電圧
パルスは正イオンを，ワークピース内への注入のためにプラズマシースを横切っ
てプラテンに向けて加速する。プラズマドーピング装置はさらに，プラズマシー
スを横切って加速された正イオンのサンプルを収集するためのプラテンに隣接し
て配置された一つまたはそれ以上のファラデーカップを含む。該サンプルはワー
クピース内に注入される正イオンのドーズ量を表す。ファラデーカップは複数の
開口をもつカバーを有する。ファラデーカップにより収集されたイオンは，開口
を通過して，ファラデーカップの内部チェンバーにいたる。
【００１４】 好適には，開口のそれぞれはプラズマシースの厚さよりも薄い幅をもつ。各開
口の幅は，ファラデーカップの内部チェンバー内で放電が形成されないように選
択される。
【００１５】 一実施例においては，カバーは多数の開口をもつプレートからなる。他の実施
例においては，カバーはワイヤメッシュからなる。さらに，他の実施例において
は，ファラデーカップは，プラズマに面した正面導体と，ファラデーカップの内
部チェンバーに面した背面導体と，正面導体と平面導体を分離する絶縁体とを含
む。背面導体は電子を追い払うためにバイアスされてもよい。
【００１６】 本発明の他の態様にしたがって，プラズマドーピング装置が提供される。プラ
ズマドーピング装置は，プラズマドーピングチェンバーと，典型的に半導体ウエ
ハであるワークピースを支持するためのプラズマドーピングチェンバー内に設置
されるプラテン（プラテンとワークピースがカソードを構成する）と，チェンバ
ーに結合されるイオン化可能なガスソースと，プラテンから間隔があけられるア
ノードと，カソードとアノードとの間に高電圧パルスを印加するためのパルスソ
ースとを含む。電圧パルスはワークピースの近傍にプラズマシースを有するプラ
ズマを生成する。該プラズマはイオン化可能のガスの正イオンを含む。電圧パル
スは正イオンを，ワークピース内への注入のためにプラズマシースを横切ってプ
ラテンに向けて加速する。プラズマドーピング装置はさらに，プラズマシースを
横切って加速された正イオンのサンプルを収集するためのプラテンに隣接して配
置された一つまたはそれ以上のファラデーカップを含む。該サンプルはワークピ
ース内に注入される正イオンのドーズ量を表す。ファラデーカップは，ファラデ
ーカップに入るイオンの方向に対して，横方向の電場を，ファラデーカップの内
部チェンバー内に生成するための手段を含む。
【００１７】 電場を生成する手段は，ファラデーカップの内部チェンバー内に配置される電
極と，ファラデーカップの壁に関して電極をバイアスする，電極に接続される電
源とを含んでもよい。ファラデーカップの内部チェンバーが円筒状のとき，電極
は内部チェンバー内に配置される軸線方向の導体を含んでもよい。ファラデーカ
ップが環状形状をもつとき，電極は，ファラデーカップの内側壁と外側壁との間
に位置する環状電極を含んでもよい。他の実施例において，環状ファラデーは，
電気的に分離される内側壁および外側壁を含んでもよい。ファラデーカップに入
るイオンの移動方向に対して横方向の電場を，ファラデーカップの内部チェンバ
ーに生成するために，内側壁と外側壁との間に電圧が適用されてもよい。
【００１８】 装置は，プラテンのまわりに配置される一つのファラデーカップ，または二つ
以上のファラデーカップを含んでもよい。プラズマドーピング装置は，ガードリ
ングを含んでもよく，ファラデーカップはガードリング内に埋め込まれてもよい
。ガードリングは，プラズマの一様性を制御するために選択されるカソード電位
または他の電位のいずれかに維持されてもよい。
【００１９】 本発明のよりよい理解にために，添付図面が参照される。
【００２０】 詳細な説明 一つ以上のファラデーカップを組み込むプラズマドーピングシステムの例が図
１に略示されている。プラズマドーピングチェンバー10が包囲される体積12を画
成する。チェンバー10内に配置されたプラテン14が半導体ウエハ20のようなワー
クピースを保持するための表面を与える。たとえば，ウエハ20はプラテン14の平
坦面へその周縁でクランプされている。プラテン14はウエハ20を支持しかつ電気
的結合をウエハ20に与える。一実施例において，プラテンはウエハ20を支持する
ための電気的導体の面を有する。他の実施例において，プラテンはウエハ20への
電気的結合のための導電ピンを含む。
【００２１】 アノード24がプラテン14に関して間隔をあけてチェンバー10内に配置されてい
る。アノード24はプラテン14に垂直に矢印26で示される方向に移動可能である。
典型的に，アノード24はチェンバー10の電気的導体の壁に接続され，それら両方
は接地されている。
【００２２】 ウエハ20およびアノード24は高電圧発生器30に接続され，その結果ウエハ20は
カソードとして機能する。典型的にパルス発生器30は，範囲が約100から5000ボ
ルト，間隔が約1から50マイクロ秒，およびパルス繰返し率が約100Hzから2KHzの
パルスを与える。これらのパルスパラメータ値は例示としてのみ与えられ，発明
の範囲内で他の値が使用されてもよいことは理解されよう。
【００２３】 チェンバー10の包囲された体積12は制御可能バルブ32を通じて真空ポンプ34へ
結合されている。ガスソース36が質量流量制御器38を通じてチェンバー10へ結合
されている。チェンバー10内に配置された圧力センサー44はチェンバー圧力を示
す信号を制御器46へ与える。制御器46は検知されたチェンバー圧力を所望の圧力
入力と比較し，制御信号をバルブ32に与える。制御信号はチェンバー圧力と所望
の圧力との間の差を最小化するようにバルブ32を制御する。真空ポンプ34，バル
ブ32，圧力センサー44および制御器46は閉ループ圧力制御システムを構成する。
典型的に，圧力は約1mTorrから500mTorrの範囲に制御されるが，この範囲に限定
されない。ガスソース36はワークピース内に注入するための所望のドーパントを
含むイオン化可能なガスを供給する。イオン化可能なガスの例として，BF3，N2
，Ar，PF5およびB2H6が含まれる。質量流量制御器38はガスがチェンバー10に供
給されるときのレートを調整する。図１に示される構成は，一定のガス流量およ
び一定の圧力において処理ガスの連続流を与える。圧力およびガス流量は好適に
は反復可能な結果を与えるよう調整される。
【００２４】 作動時，ウエハ20はプラテン14上に配置される。その後，圧力制御システム，
質量流量制御器38およびガスソース36はチェンバー10内に所望の圧力およびガス
流量を生成する。例として，チェンバー10は10mTorrの圧力でBF3ガスとともに動
作する。パルス発生器30はウエハ20に対し高電圧パルスの連続を印加し，ウエハ
20とアノード24との間にプラズマ40を形成させる。周知技術のように，プラズマ
40はガスソース36からのイオン化可能なガスの正イオンを含む。プラズマ40はさ
らにプラテン14の近傍にプラズマシース42を含む。高電圧パルスの間，アノード
24とプラテン14との間に存在する電場は正イオンをプラズマ40からプラズマシー
ス42を横切ってプラテン14方向へ加速する。加速されたイオンは不純物材料の領
域を形成するべくウエア20内に注入される。パルス電圧はウエハ20内の所望の深
さに正イオンを注入するように選択される。パルスの数およびパルス間隔はウエ
ハ20に不純物材料の所望のドーズ量を与えるよう選択される。パルス当りの電流
は，パルス電圧，ガス圧力および種並びに電極の可変位置の関数である。たとえ
ば，カソードからアノードまでの間隔は異なる電圧に対して調節され得る。
【００２５】 ウエハ20内に注入されたイオンドーズ量を測定するために一つ以上のファラデ
ーカップがプラテン14に隣接して配置される。図１および２の実施例において，
ファラデーカップ50，52，54および56がウエハ20の周辺の周囲に等しく間隔をあ
けて配置される。各ファラデーカップはプラズマ40に面した入口60を有する導体
エンクロージャーから成る。好適には各ファラデーカップは実際にできるだけウ
エハ20に近く配置され，プラズマ40からプラテン14方向へ加速される正イオンの
サンプルを遮る。
【００２６】 ファラデーカップはドーズ量プロセッサ70または他のドーズ量モニタリング回
路に電気的に接続されている。周知技術のように，入口60を通って各ファラデー
カップに入る正イオンはファラデーカップに接続された電気回路内に電流を生成
する。電流は単位時間あたりに受け取った正イオンの数，すなわちイオン電流を
示す。ファラデーカップ50，52，54および56によって受け取られたイオン電流は
単位時間当りにウエハ20内に注入されるイオンの数と一定の関係を有することが
仮定されている。プラズマ40の均一性およびプラテン14方向へのイオン加速の均
一性に依存して，各ファラデーカップによって受け取られる単位面積当りのイオ
ン電流は実質的にウエハ20内に注入される単位面積当りのイオン電流と等しいか
，またはその一定の部分である。各ファラデーカップの電流出力はウエハ20内に
注入されたイオン電流を表すので，ファラデーカップ50，52，54および56はウエ
ハ20内に注入されたイオンドーズ量の測定を与える。
【００２７】 Chapekらによる1998年1月27日に発行された米国特許第5,711,812号に記載され
るように，プラズマドーピング装置はプラテン14を囲むガードリング66を含んで
もよい。ガードリング66はウエハ20のエッジ付近で注入イオンの相対的に均一な
分布を保証すべくバイアスされる。ファラデーカップ50，52，54および56はウエ
ハ20およびプラテン14の周辺付近でガードリング66内に配置されてもよい。
【００２８】 さまざまな異なるファラデーカップ構成が利用され得ることが理解されよう。
第２の実施例が図３に示される。環状ファラデーカップ80がウエハおよびプラテ
ン14の周囲に配置されている。環状ファラデーカップ80はイオン電流内の局所的
変化がウエハ20の周辺の周囲で平均化されるという利点を有する。ファラデーカ
ップ80は環状ガードリング82内に配置されてもよい。概して，一つ以上のファラ
デーカップのあらゆる構成が利用され得る。ファラデーカップは好適にウエハ20
およびプラテン14に実際にできるだけ近く配置される。しかし，ファラデーカッ
プはウエハ20内に注入されるイオン電流を表す測定を与えるウエハに対するあら
ゆる位置を有する。
【００２９】 上で示したように，イオン電流を表す電気信号はファラデーカップからドーズ
量プロセッサ70に供給される。一実施例において，各ファラデーカップからの電
流はチェンバー10の外部に配置されたドーズ量プロセッサ70に直接供給される。
他の実施例において，前処理回路（図示せず）がプラテン14に近接して配置され
，プラテン14の電圧で動作してもよい。回路はファラデーカップの出力を前処理
し，ドーズ量プロセッサ70に結果を供給する。
【００３０】 ウエハ20に送られた総イオンドーズ量は注入時間にわたって積分された瞬間の
イオン電流である。典型的に，ドーズ量プロセッサ70はファラデーカップの出力
を積分するための回路を含む。積分器は，在来の積分回路，電荷検知増幅器，ま
たは積分機能を実行する他の適当な回路を利用する。装置が二つ以上のファラデ
ーカップを含む場合には，出力は総ドーズ量を決定するために平均化されてもよ
い。ドーズ量プロセッサ構成は在来の高エネルギーイオン注入と関連して知られ
ている。
【００３１】 二つ以上のファラデーカップがドーズ量均一性の測定を得るために利用され得
る。ドーズ量均一性はウエハ20の表面領域にわたって注入されたイオンの均一性
である。図２に示されているように，ウエハ20内に注入されたイオンドーズ量が
均一であるとき，ファラデーカップ50，52，54および56は等しいイオン電流を受
け取る。ドーズ量が均一でないとき，ファラデーカップは異なるイオン電流を受
け取る。したがって，ファラデーカップの電流出力は均一性の測定を得るために
互いに，または基準と比較される。したがって，たとえば，もし一つ以上のファ
ラデーカップが他と異なるイオン電流を与えるなら，非均一なイオン注入が示さ
れる。非均一注入の指示は，たとえばイオン注入を停止させるか，または変化さ
せることによって処理を制御するのに使用される。
【００３２】 プラズマドーピング装置で使用されるファラデーカップはさまざまな異なる構
成を有する。図１に示される基本的構成において，各ファラデーカップの入口60
はプラズマ40に面したウエハ20の表面と同一平面上にある。各ファラデーカップ
は，ファラデーカップによるプラズマ40へのあらゆる妨害を最小化するためにプ
ラテン14と同じ電気的ポテンシャルとしてもよい。
【００３３】 ファラデーカップは入ってくる電荷を収集し，電荷の到達率を示す電気信号を
与える。したがって，ファラデーカップから逃げる二次電子がイオン電流の測定
にエラーを導く。高真空で動作するファラデーカップに対し，カップの入口に，
電場および/または磁場を適用にすることは一般的であり，その結果カップへの
イオン衝突の結果として放出される二次電子はファラデーカップにから逃げるこ
とができない。したがって，出力信号は入ってくるイオンビーム電流の正確な測
定値である。二次電子の逃げを停止する他の方法は，電子がファラデーカップの
壁に何度も衝突し，逃げる確率が低下するようにファラデーカップの形状を設計
することである。同じ原理が低真空で動作するファラデーカップにも適用される
が，ファラデーカップ内での付加的なイオン化圧力を防止するために予防策が不
要である。
【００３４】 プラズマドーピングシステムは，在来のビームラインのイオン注入システム よりも低真空（高圧）で動作する。ファラデーカップのガス圧は，プラズマチェ
ンバーの圧力と同じである。プラズマがチェンバーに形成されると，最も強い電
場がプラズマシース内にある。電場がファラデーカップの近傍に存在すると，カ
ップ付近のガス分子はイオン化され，局所放電を強化する。このような強化は，
カップの開口の幾何学的形状および寸法に関連する。円筒形状が局所プラズマ密
度を中空カソード効果により，強度を二次のオーダまでも強化する。ファラデー
カップ内の放電が取り囲むプラズマを乱し，ウエハへのイオン注入の一様性を減
少する。それは，もはや入射イオン電流を示さないことから，ファラデーカップ
出力信号を役に立たないものにする。
【００３５】 放電の攻撃は，ファラデーカップの形状，材料および表面状態，ガスのタイプ
および圧力，プラズマに適用される電圧ならびにプラズマからの電流に関数であ
る。放電の攻撃における，キーとなる要因は，プラテンに垂直な方向のプラズマ
シースの厚さに対するファラデーカップの開口部の大きさの比である。もしこの
比が１よりも大きいと，プラズマシースのエッジは，開口部により変形され，こ
のような変形は局所電場分布を変化させる。電場分布の変化は，変形プロセスを
加速し，いつしかファラデーカップ内での放電をもたらす。この比が１より小さ
いと，プラズマシースのエッジのどの変形も最小で，ファラデーカップの正常な
動作および一様なイオン注入を維持することができる。
【００３６】 内部チェンバー102および開口部104をもつファラデーカップ100が図４に示さ
れている。比較的厚いプラズマシース110が開口部104に隣接して形成されている
。等ポテンシャル線が，開口部104付近の電場分布を示すために図４に示されて
いる。プラズマシース110は開口部104により最小に分布し，強化された局所放電
は，開口部104付近，そして内部チェンバー102に形成されない。
【００３７】 図５は，比較的薄いプラズマシース120の場合のファラデーカップ100を示す。
プラズマシース120は開口部140により非常に歪み，放電122が内部チェンバー102
に形成される。上記したように，放電はイオン注入の一様性を減少させイオン電
流に対して，ファラデーカップを役に立たないものにする。
【００３８】 プラズマシースの厚さは，プラズマ密度およびプラズマに適用される電圧の関
数である。高密度および低電圧がより薄いプラズマシースを生成する。プラズマ
ドーピングは，短時間で，イオン注入を完了するために十分に高いプラズマ密度
を必要とする。高プラズマ密度は通常，低注入電圧で，ガス圧力を増加させるこ
とで達成される。このことは，プラズマシースをより薄くし，ファラデーカップ
の放電の危険性を増加させる。ファラデーカップをドーズ量モニターとして使用
する有効な範囲は，したがって，この放電問題により制限される。
【００３９】 ファラデーカップ内での放電の危険性を減少する形状をもつファラデーカップ
200が図６‐図８に示されている。図６‐図８における同様の要素には同じ符号
が付されている。ファラデーカップ200は内部チェンバー216を画成する底壁212
，側壁210を含む。側壁210は円筒状であってもよい。プラズマシース220に面す
るファラデーカップ200の端部には複数の開口224をもつカバー222が備えられて
いる。図６の例では，カバー222は導電性の多数の開口をもつプレートである。
イオンが開口224を通過してファラデーカップの内部チェンバー216に入り，検出
される。多数の開口をもつカバー222の目的は，プラズマシースの厚さTに対する
開口幅W（図８）の比を減らし，好適には１より小さい値に減らし，これにより
，ファラデーカップの内部チェンバー216での放電リスクが減少する。カバー222
は絶縁体226により側壁210から電気的に分離されている。
【００４０】 カバー222は，開口224の全開口面積が，一つの大きな開口の面積と同じかまた
はほとんど同じであるように形状付けることができ，その結果入射電流は同じか
，またはほとんど同じに維持される。多数開口をもつカバー222の正面の電場は
，一つの，より大きな開口の正面の電場よりもより平坦である。一般的に言える
のは，各開口の幅よりも広い，多数の開口をもつカバーからの離れる距離におい
て，電場は開口があっても無くても実質的に同じである。薄いプラズマシースを
生成するプラズマドーピングプロセスにおいて，シースの厚さは依然として，各
開口の幅よりも大きい。オプラズマの縁における電子およびイオンは，これらの
開口により影響を受けず，プラズマは乱されることはない。このことは，ファラ
デーカップ内での放電の問題を除去し，ファラデーカップの動作範囲を，高圧力
，低電圧へと拡張する。
【００４１】 ファラデーカップ200側壁210および底壁212は，電流検知装置230を通してパル
スソース30に接続されてもよい。カバー222はパルスソース30に接続されてもよ
いが，電流検知装置230と通して接続はされない。好適に，パルスソース30は同
じパルスをプラテン14（図1）に，そしてファラデーカップ200（カバー222を含
む）に供給し，その結果プラズマにとって電場は一様になる。パルス電圧は所望
の注入エネルギーに対応し，典型的には，約100ボルトから5000ボルトの範囲に
ある。電流検知装置230の出力は，ファラデーカップ200の内部チェンバー216に
入るイオンの数を表す電気信号であるが，しかしカバー222に入射するイオンを
含む。電流検知装置230はたとえば，パルスソース30と同じ電位で浮遊するパー
ソンコイルまたは電池式回路であってもよい。
【００４２】 ファラデーカップ200の，拡大部分断面図が図８に示されている。プレート222
の各開口222の幅Wは好適に，薄いプラズマシースを生成するプラズマドーピング
システムの動作条件の下で，プラズマシース220の厚さTよりも小さい。開口224
は，少なくとも一次元においては，プラズマシースの厚さより小さいように，円
形でも，伸長したものなどでもよい。開口224の間に間隔Sが好適に，開口部224
の大きな全面積を与えるように最小化される。開口224の間の間隔Sは開口224の
幅Wのオーダか，それより小さくともよい。カバー222の厚さが好適に，開口部22
4の壁236により遮られるイオンの数を減少させるために，構造上の剛性に必要な
値に対して最小にする。ファラデーカップ200の深さD（多数の開口をもつカバー
222と底壁212との間の間隔）が好適に，二次電子の逃げを最小にするのに十分な
長さとなる。
【００４３】 図６〜図８に示されている上述したカバーは，多数の開口をもつプレートとし
て実施されている。異なるカバーの形状も本発明の範囲で，利用できることは理
解されよう。ファラデーカップ内での放電を防止しるために，適した寸法の開口
をもつどのカバーも利用することができる。カバーは，ワークピースの汚染を制
限するために，ワークピースと同じ材料で作られてもよい。したがって，たとえ
ば，カバーは，シリコンウエハが注入される場合にはシリコンで作られてもよい
。他の実施例において，ワイヤーメッシュまたはスクリーンはカバーとして利用
することができる。ワイヤーメッシュのワイヤー間の間隔は好適に，プラズマシ
ースの厚さよりも小さい幅をもつ開口を与えるように選択される。
【００４４】 多数の開口をもつカバーの他の実施例が図９に示されている。図６〜図９にお
ける同じ要素には同じ符号が付されている。多数の開口をもつカバー240が正面
電極242，および絶縁体246により分離された背面電極242を含む。開口224が正面
電極242，絶縁体246および背面電極244から構成される。正面電極242は，プラズ
マにとって電場が確かに一様になるように，パルスソース30（図６）に接続され
てもよい。背面電極244（ファラデーカップの内部チェンバー216と面している）
は電子を追い払うためにバイアスされ得る。たとえば，背面電極244は底壁212に
関して，負にバイアスされてもよい。したがって，背面電極244は，二次電子が
開口224を通って逃げることを防止する。
【００４５】 上記したファラデーカップの構成は，低入射イオン密度で，よく機能する。本
発明の以下の特徴は，高イオン密度の場合に関連する。プラズマで発生したイオ
ンが正面の開口部を通ってファラデーカップに入り，カップ内で正の電荷のカラ
ムを形成する。カラム内の電荷密度は，イオン速度により分割されるイオン束に
より与えられる。イオン密度が十分に高いと，これらのイオンにより作られる電
場は著しいものになる。この効果（空間電荷効果として知られている）は，イオ
ン密度が一立方センチメートル当たり108個以上のイオンであるときには考慮さ
れなければならない。プラズマドーピングプロセスにおいて，ファラデーカップ
に入るイオン密度は，注入パラメータに依存して，一立方センチメートル当たり
108個のイオン以上の一または二次のオーダの程度であってもよい。空間電荷効
果により，イオンは互いに反発し合い，イオンビームの断面が増加する。電子が
存在すると，正の電荷のカラムは，電子トラップとして機能する。言い換えると
，正の電荷カラムは電位井戸を形成し，井戸に落ちた電子は，外部ソースから十
分にエネルギーを受け取るまで，逃げることができないが，しかし電子は，イオ
ンのと反対の方向に，カラムにそって移動し，ファラデーカップを去る。ファラ
デーカップを去る電子は出力信号にエラーを導く。したがって，正確なイオン電
流測定を確実にするために，電子および正の電荷のカラムを分離し，カップ内に
電子を維持することは重要である。
【００４６】 カップ電子を去る電子の確率を下げるファラデーカップの構成は，図１０に示
されている。ファラデーカップ300が側壁302，底壁304，多数の開口をもつカバ
ー306および電極310を含む。多数の開口をもつカバー306は正面電極312および絶
縁体316により分離された背面電極314を含んでもよい。開口318が正面電極312，
絶縁体316および背面電極314から作られる。図１０の実施例において，側壁302
は円筒状で，電極310は円筒状の側壁の軸線にそって位置するピンまたはロッド
を含む。電極310は底壁304に電気的に接続され，側壁302は，多数の開口を含む
カバー306の背面電極314に電気的に接続されている。電極310は，ファラデーカ
ップ300に入るイオンの方向に対して横方向の電場320を内部チェンバー308内に
生成するように，側壁302に対してバイアスされる。したがって，側壁304および
中央電極310は電流検知装置322を通して，パルスソース30に接続されてもよく，
カバー312の正面電極312はパルスソース30に接続されてもよく，側壁302および
カバー306の背面電極314は電流検知装置326を通してパルスソース324に接続され
てもよい。電流検知装置322からの組み合わせられた信号は，イオン電流の正確
な測定を与える。パルスソース30および324は同期され，中央電極310に対して正
に，側壁302をバイアスするパルスを生成する。図１０の円筒状の構成において
，電場320は放射方向で，電子がイオンビームの正の電荷カラムから離れるよう
する。
【００４７】 正の電荷カラムにより形成される電位井戸は，カラムの電荷密度および断面積
に比例する。密度が一立方センチメートル当たり3×109個のイオンの，1ミリメ
ートルの直径をもつ電荷カラムの，中央から縁までの電位差は約3.4ボルトであ
る。カラムの縁での電場の強度は一センチメートル当たり約136ボルトである。
電位井戸から電子を押しつけるために，正の電荷のカラムにより形成される電場
のよりも強い水平方向の場が必要となる。この水平方向の場は，中央電極310と
ファラデーカップの側壁302との間に電圧を適用することにより導入される。電
場は，電子がファラデーカップを去る前に，電子を側壁302（電子収集器として
機能する）に押しつけるのに十分な強さをもつ。中央電極310および底壁304はイ
オン収集器として機能する。正味の電流（イオン収集器からの電流から電子収集
器からの電流を引いたもの）は，入射イオン電流の正確な測定を与える。直径が
１インチのファラデーカップに対して，必要な電圧は約200ボルトである。ファ
ラデーカップ内でのガスの破壊を避けるために十分に低く，電圧を維持すること
が重要である。プラズマドーピングにおいて一般的に使用されるBF3ガスにおい
て，最小の破壊電圧は約500ボルトである。単なる一例として，‐1キロボルトの
振幅をもつパルスが電極310および底壁304に適用されてもよく，‐800ボルトの
振幅をもつ同時のパルスが，側壁302および多数の開口をもつカバー306の背面電
極314に適用されてもよい。
【００４８】 環状のファラデーカップ内で横方向の電場を生成するファラデーカップの構成
が図１１に示されている。ファラデーカップ340が外側環状壁342，内側環状壁34
4，底環状壁346およびカバー354を含む。電極350が外側壁342と内側壁344との間
に位置する。電極350は，ファラデーカップ340に入るイオンの方向に対して横方
向の電場352を，ファラデーカップ340の内部チェンバー348内に，生成するため
にバイアスされる。電場352は環状ファラデーカップで放射方向に向き，ファラ
デーカップに入るイオンのより生成される正の電荷カラムから離れるように，電
子を押しつける。外側壁342，内側壁344および電極350に適用される電圧パルス
は，正の電荷カラムから離れるように電子を押しつけるべく，ファラデーカップ
の内部チェンバー348内に，横方向の電場を生成するために選択される。カバー3
54が多数の開口356（円弧形状のスロットであってもよい）を備える。上記した
ように，各開口の幅は好適に，プラズマドーピングチェンバー内のプラズマシー
スの厚さよりも狭い。
【００４９】 他の実施例において，外側壁342は内側壁344から電気的に絶縁され，電極は利
用されない。この実施例において，外側壁342は，ファラデーカップの内部チェ
ンバー348に，横方向の電場を生成するために内側壁344に対してバイアスされる
。したがって，たとえば，外側壁342および内側壁344に適用される電圧パルスは
振幅において，所望の横方向の電場を生成すべく，200ボルトのような選択され
た電圧だけ異なってもよい。
【００５０】 図６〜図９に関連して記述したように，ファラデーカップはファラデーカップ
内での放電の危険性を減少をさるための多数の開口をもつカバーをもってもよい
。さらに，図１０および図１１に関連して記述したように，ファラデーカップは
，ファラデーカップの内部チェンバーから電子が去るのを抑えるための横方向の
電圧を生成すべく，電極を組み込む構成をとってもよい。これらの特徴は本発明
の範囲内で分離して，または組み合わせて利用できることは理解されよう。たと
えば，電極350は多数の開口をもつカバー356ともつ環状のファラデーカップ340
から除去してもよい。これに代えて，電極350をもつファラデーカップ340は一つ
の環状開口をもつカバーを利用できる。
【００５１】 本発明の現時点で考えられる好適実施例について示されかつ説明されてきたが
，特許請求の範囲に画成された発明の範囲から逸脱することなく，さまざまな変
更および修正が可能であることは当業者の知るところである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は，ファラデーカップを組み込むプラズマドーピングシステムの略示ブロ
ック図である。
【図２】 図２は，ウエハおよびファラデーカップを示す，図１のプラズマドーピング装
置の略示部分断面図である。
【図３】 図３は，環状ファラデーカップを組み込むプラズマドーピングシステムの略示
部分断面図である。
【図４】 図４は，ファラデーカップの内部チェンバー内で放電を生成しない，比較的厚
いプラズマシースを示す，ファラデーカップの略示断面図である。
【図５】 図５は，ファラデーカップの内部チェンバー内で放電を生成する，比較的薄い
プラズマシースを示す，ファラデーカップの略示断面図である。
【図６】 図６は，複数の開口をもつカバーを組み込むファラデーカップの略示断面図で
ある。
【図７】 図７は，図５のファラデーカップカバーの略示平面図である。
【図８】 図８は，図６に示されたファラデーカップの拡大部分断面図である。
【図９】 図９は，複数の開口をもつカバーを有する環状ファラデーカップおよび電子を
追い払う電極の略示断面図である。
【図１０】 図１０は，ファラデーカップの内部チェンバー内で横方向の電場を生成するた
めの，軸線方向の電極をもつファラデーカップの略示断面図である。
【図１１】 図１１は，ファラデーカップの内部チェンバー内で，横方向の電場を生成する
ための，環状電極をもつファラデーカップの部分斜視図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１４年２月１４日（２００２．２．１４）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】

Claims (36)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】プラズマドーピング装置であって， プラズマドーピングチェンバーと， 該プラズマドーピングチェンバー内に取り付けられ，ワークピースを支持する
    ためのプラテンと， 前記チェンバーに連結され，前記ワークピースへの注入のための所望のドーパ
    ントを含むイオン化可能なガスソースと， 前記プラテンから間隔があけられるアノードと， 前記ワークピースの近傍に，プラズマシースを有するプラズマを生成するため
    に，前記プラテンと前記アノードとの間に，電圧パルスを適用するパルスソース
    であって，前記プラズマが，前記イオン化可能なガスの正のイオンを含み，前記
    電圧パルスが，ワークピースへの注入のために，前記正のイオンを，プラズマシ
    ースを横切って前記プラテンに向けて加速するところのパルスソースと， 前記プラズマシースを横切って加速される前記正のイオンのサンプルを収集す
    るための，前記プラテンに隣接して配置されるファラデーカップと， を含み， 前記プラテンおよびワークピースはカソードを構成し， 前記サンプルはワークピースに注入される正のイオンの数を示し， 前記ファラデーカップは多数の開口をもつカバーを有し， 前記ファラデーカップにより収集されたイオンは，前記開口を通り，ファラデ
    ーカップの内部チェンバーに至り，検出される， ところのプラズマドーピング装置。
  2. 【請求項２】プラズマシースは前記プラテンに対して垂直な方向に厚さをも
    ち，前記開口のそれぞれは，プラズマシースの厚さより狭い幅を有する，請求項
    １に記載のプラズマドーピング装置。
  3. 【請求項３】前記ファラデーカップのカバーは，多数の開口をもつプレート
    からなる，請求項１に記載のプラズマドーピング装置。
  4. 【請求項４】前記ファラデーカップのカバーはメッシュからなる，請求項１
    に記載のプラズマドーピング装置。
  5. 【請求項５】前記ファラデーカップのカバーは，前記プラズマに面する正面
    導体，前記ファラデーカップの内部チェンバーに面する背面導体，および前記正
    面導体と前記背面導体との間を分離する絶縁体からなり， 当該装置が，電子を跳ね返すために前記背面導体をバイアスする手段を含む，
    ところの請求項１に記載のプラズマドーピング装置。
  6. 【請求項６】前記ファラデーカップのカバーはワークピースの材料から作ら
    れる，請求項１に記載のプラズマドーピング装置。
  7. 【請求項７】前記ファラデーカップのカバーはシリコンから作られる，請求
    項１に記載のプラズマドーピング装置。
  8. 【請求項８】前記ファラデーカップのカバーの開口は円形開口からなる，請
    求項１に記載のプラズマドーピング装置。
  9. 【請求項９】前記ファラデーカップのカバーの開口は伸長した開口からなる
    ，請求項１に記載のプラズマドーピング装置。
  10. 【請求項１０】前記ファラデーカップはさらに，前記ファラデーカップに入
    るイオンの移動方向に対して横方向の電場を，内部チェンバー内に生成するため
    の，前記ファラデーカップの内部チェンバー内に配置される電極を含む，請求項
    １に記載のプラズマドーピング装置。
  11. 【請求項１１】前記ファラデーカップの内部チェンバーは，円筒状の内部チ
    ェンバーからなり，前記電極は内部チェンバー内に配置される軸線方向の導体か
    らなる，請求項１０に記載のプラズマドーピング装置。
  12. 【請求項１２】前記ファラデーカップは前記プラテンの周りに位置する環状
    のファラデーカップからなり，前記環状のファラデーカップは間隔があけられた
    内側壁および外側壁を有し，前記電極は，前記内側壁および前記外側壁との間に
    位置する環状の電極からなる，請求項１０に記載のプラズマドーピング装置。
  13. 【請求項１３】前記ファラデーカップは前記プラテンの周りに位置する環状
    のファラデーカップからなり，前記環状のファラデーカップは電気的に分離され
    た内側壁および外側壁を有し，当該装置は，前記ファラデーカップに入るイオン
    の移動の方向に対して横方向の電場を，前記ファラデーカップの内部チェンバー
    内に生成するために，前記内側壁と前記外側壁との間に電圧を適用する手段を含
    む，請求項１に記載のプラズマドーピング装置。
  14. 【請求項１４】前記ファラデーカップはさらに，前記ファラデーカップの内
    部チェンバー内に，ファラデーカップに入るイオンの移動の方向に対して横方向
    の電場を生成するための手段を含む，請求項１に記載のプラズマドーピング装置
    。
  15. 【請求項１５】前記ファラデーカップは側壁と，内部チェンバーを画成する
    底壁を含み，内部チェンバーは前記プラズマに面する開口部を有し，前記カバー
    は前記開口部全体にわたって配置される，請求項１に記載のプラズマドーピング
    装置。
  16. 【請求項１６】前記ファラデーカップは実質的に円筒状の形状をもつ，請求
    項１に記載のプラズマドーピング装置。
  17. 【請求項１７】前記ファラデーカップは前記プラテンの周りに位置する環状
    の形状をもつ，請求項１に記載のプラズマドーピング装置。
  18. 【請求項１８】前記ファラデーカップのカバーの開口は円弧状のスロットか
    らなる，請求項１７に記載のプラズマドーピング装置。
  19. 【請求項１９】プラズマドーピング装置であって， プラズマドーピングチェンバーと， 該プラズマドーピングチェンバー内に取り付けられ，ワークピースを支持する
    ためのプラテンと， 前記チェンバーに連結され，前記ワークピースへの注入のための所望のドーパ
    ントを含むイオン化可能なガスソースと， 前記プラテンから間隔があけられるアノードと， 前記ワークピースの近傍に，プラズマシースを有するプラズマを生成するため
    に，前記プラテンと前記アノードとの間に，電圧パルスを適用するパルスソース
    であって，前記プラズマが，前記イオン化可能なガスの正のイオンを含み，前記
    電圧パルスが，ワークピースへの注入のために，前記正のイオンを，プラズマシ
    ースを横切って前記プラテンに向けて加速するところのパルスソースと， 前記プラズマシースを横切って加速される前記正のイオンのサンプルを収集す
    るための，前記プラテンに隣接して配置されるファラデーカップと， を含み， 前記プラテンおよびワークピースはカソードを構成し， 前記サンプルはワークピースに注入される正のイオンの数を示し， 前記ファラデーカップは，前記ファラデーカップの内部チェンバー内に，前記
    ファラデーカップに入るイオンの移動の方向に対して横方向の電場を生成するた
    めの手段を含む， ところのプラズマドーピング装置。
  20. 【請求項２０】前記電場を生成する手段は，前記ファラデーカップの内部チ
    ェンバー内に位置する電極，および前記ファラデーカップの壁に対して前記電極
    をバイアスするための，前記電極に接続される電圧源を含む，請求項１９に記載
    のプラズマドーピング装置。
  21. 【請求項２１】前記ファラデーカップの内部チェンバーは円筒状のチェンバ
    ーからなり，前記電場を生成する手段は，内部チェンバー内に位置する軸線方向
    の電極からなる，請求項１９に記載のプラズマドーピング装置。
  22. 【請求項２２】前記ファラデーカップは前記プラテンの周りに位置する環状
    のファラデーカップからなり，前記環状のファラデーカップは間隔があけられた
    内側壁および外側壁を有し，前記電場を生成する手段は，前記内側壁と前記外側
    壁との間に位置する環状の電極を含む，請求項１９に記載のプラズマドーピング
    装置。
  23. 【請求項２３】前記ファラデーカップは前記プラテンの周りに位置する環状
    のファラデーカップからなり，前記環状のファラデーカップは電気的に分離され
    た内側壁および外側壁を有し，当該電場を生成する手段は，前記ファラデーカッ
    プの内部チェンバー内に前記電場を生成するために，前記内側壁と前記外側壁と
    の間に電圧を適用する手段を含む，請求項１９に記載のプラズマドーピング装置
    。
  24. 【請求項２４】イオンビームを検知するファラデーカップであって， 開口部を有する内部チェンバーを画成する，側壁および底壁と， イオンが内部チェンバーに入ることができるようにするための，複数の開口を
    有する，前記開口部全体を覆うように位置するカバーと， を含むファラデーカップ。
  25. 【請求項２５】前記カバーは，多数の開口をもつプレートからなる，請求項
    ２４に記載のファラデーカップ。
  26. 【請求項２６】前記カバーはワイヤメッシュからなる，請求項２４に記載の
    ファラデーカップ。
  27. 【請求項２７】カバーは，正面導体，内部チェンバーに面する背面導体およ
    び前記正面導体と前記背面導体とを分離する絶縁体を含む，請求項２４に記載の
    ファラデーカップ。
  28. 【請求項２８】内部チェンバーは円筒状の形状をもつ，請求項２４に記載の
    ファラデーカップ。
  29. 【請求項２９】前記内部チェンバーは環状形状をもつ，請求項２４に記載の
    ファラデーカップ。
  30. 【請求項３０】前記カバーの開口は円弧形状のスロットからなる，請求項２
    ９に記載のファラデーカップ。
  31. 【請求項３１】イオンビームを検知するファラデーカップであって， 開口部を有する内部チェンバーを画成する，側壁および底壁と， 当該ファラデーカップの内部チェンバー内に，前記ファラデーカップ内に入る
    イオン方向に対して横方向の電場を生成する手段と， を含むファラデーカップ。
  32. 【請求項３２】前記電場を生成する手段は，前記ファラデーカップの内部チ
    ェンバー内に位置する電極，および前記ファラデーカップの前記側壁に対して前
    記電極をバイアスするための，前記電極に電圧源を接続する手段を含む，請求項
    ３１に記載のファラデーカップ。
  33. 【請求項３３】内部チェンバーは円筒状の内部チェンバーからなり，前記電
    場を生成する手段は，内部チェンバー内に位置する軸線方向の導体からなる，請
    求項３１に記載のファラデーカップ。
  34. 【請求項３４】前記側壁は，環状外側壁および環状内側壁を含み，前記電場
    を生成する手段は，前記内側壁と前記外側壁との間に位置する電極を含む，請求
    項３１に記載のファラデーカップ。
  35. 【請求項３５】前記側壁は環状外側壁および環状内側壁を含み，前記電場を
    生成する手段は，前記ファラデーカップの内側チェンバー内に前記電場を生成す
    るために，前記内側壁と前記外側壁との間に電圧を適用する手段を含む，請求項
    ３１に記載のファラデーカップ。
  36. 【請求項３６】さらに，前記開口を覆うように配置されるカバーを含み，該
    カバーはイオンが内部チェンバーに入ることができるように複数の開口を有する
    ，請求項３１に記載のファラデーカップ。
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Dorai et al. SHk kkkk Miller, South Hamilton,* cited by examiner Primary Examiner–Jack Berman (73) Assignee: Varian Semiconductor Equipment Assistant Examiner–Zia R. Hashmi

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