JP2005294269A - イオン打込み製品の制御電荷中和 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、プラズマ・電子シャワー及びプラズマフラッド法のような他の方法より優れた特異な利点を有する、イオン注入に起因する過剰電荷を中和させるための方法及び装置を提供する。
【手段】イオン注入に起因する半導体ウェーハ等のワークピース上の過剰電荷を中和させるための手段であって、ワークピース表面の小さい領域上の過剰な正電荷を局所的に検出し、それに応答して、適切なドーズ量の電荷補償電子を電子放射源からワークピース上の上記過剰電荷領域に付加する。電荷検知プローブと電圧制御電子発生器アレーとを閉フィードバックループ内で配列的にも機能的にも結合させて、ワークピースの表面に近づけるが接触させることなく、ワークピースの表面を走査させる。電荷検知プローブのアレー及び電子発生器アレーは、ワークピースのイオン打込み領域を瞬時に覆うことができるように構成することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ドーパント又はその他の不純物を半導体のような材料に選択的に合体させるために用いられるイオン注入法、特に半導体超小型電子回路の製造技術として用いられるイオン注入法に関するものである。より詳述すると、本発明は、イオン注入に起因する半導体の空間的可変過剰正荷電領域（ｓｐａｔｉａｌｌｙ−ｖａｒｉａｂｌｅ，ｅｘｃｅｓｓ ｐｏｓｉｔｉｖｅｌｙ−ｃｈａｒｇｅｄ ｒｅｇｉｏｎｓ）を測定して、適切な局部ドーズ量の電子によって材料を補償することによって、その空間的可変過剰正電荷領域を中和させるための技術及び装置に関するものである。

半導体結晶に不純物を制御導入することは、固体技術、特に、集積回路に加えて様々な電子デバイスやオプトエレクトロニクス素子の製造の基本的な方法である。材料に添加されて材料の電気的，光学的，機械的又は磁気的特性を変化させるそのような不純物は、「ドーパント」と呼ばれている。ドーパント不純物をホスト材料に導入する方法は、「ドーピング」と呼ばれている。「不純物」なる用語は、屡々有害な暗示的意味合いを持っているが、特定の濃度レベルの或る不純物で半導体をドーピングすることは、電気的抵抗性のような特性の制御を可能にする重要な技術である。半導体において、ドーピングは、導電率及び主要な電荷キャリヤ粒子（即ち、負荷電電子対正荷電正孔）の双方において相違する領域を線引きする内部接合を形成するために用いられる。半導体結晶の明らかに不純物が添加された領域間の接合は、ダイオード，バイポーラトランジスタ，電界効果トランジスタ，レーザダイオード，ディテクター，発光ダイオード，太陽電池等の如き固体素子の基礎として役立つ。

不純物ドーピングの一般的な方法は、イオン注入法である。イオン注入法や異なったドーパント拡散法においては、ターゲット材料を高温に加熱する必要がない。従って、イオン注入法は、半導体ウェーハの限定された領域に不純物を選択的に添加するためにフォトレジストマスキング及びパターニングにおいて用いられているインサイチュウ・コーティング（ｉｎ−ｓｉｔｕ ｃｏａｔｉｎｇ）と矛盾しない。それにも拘わらず、イオン注入によって齎される結晶構造の損傷を取り除くために、イオンが打ち込まれたウェーハをイオン注入後に高温の焼きなまし処理を施すことが頻繁に行われている。然しながら、このポスト注入焼きなまし（ｐｏｓｔ−ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）は、イオン注入フォトレジスト被覆ウェーハ又はゲート酸化膜及びフィールド酸化膜のような構造的特徴を持ったウェーハ及び様々な製造工程において集積回路が通常遭遇する金属誘電体層の実現性に関係するイオン注入の利点をなくしてしまう。これらのコーティングのデリケートな特徴は、イオン注入処理中に過剰電荷の増強によって齎される帯電誘導損傷を受け易い。

イオン注入法，半導体集積回路へのそれの応用及びイオン注入のために用いられる装置については、多くの文献に記載されている。イオン注入法は、低圧で真空チャンバー内で実施される。典型的なイオン注入法においては、気相不純物の原子をイオン化させ、電場及び（又は）磁場で加速及び集束させ、複数のスリットを介して平行にさせて、イオン化された原子の広いフラックス又は狭い原子ビームを構成する。このイオンフラックスを、半導体ウェーハ又は別のタイプのワークピースに向けて衝突させる。加速されたイオン化不純物のエネルギーのために、衝突したイオンは統計的に予測できるような態様でターゲット半導体材料中に進入する。その結果の空間的不純物のプロフィール（ｐｒｏｆｉｌｅ）、即ち、半導体の暴露表面下の深さと相関関係にある不純物密度は、注入エネルギー及びドーズ量（打ち込まれたイオンの総数）によってコントロールすることができる。半導体ウェーハは、フォトレジストから成るパターンフィルム又は酸化物，窒化物，金属，ポリシリコン又はポリアミドのようなその他の被覆材料によって、通常はマスクされる。リソグラフィによるパターン成形に従ったこれらの保護フィルムは、ウェーハのサブエリア（ｓｕｂａｒｅａ）を、むき出しさせるか又はイオンフラックスやイオンビームによる浸透から保護する。マスクされたウェーハのマスキング及びパターン成形は、イオン注入法によるドーピングの領域を空間的に区画するのを可能にする。集積回路の複雑な構造を構成するために、様々なマスキング，パターン成形及びエッチング工程と組み合わせた多くのイオン注入法を用いることができる。

打ち込まれたドーパントイオンは電気的に荷電されているので、イオン注入の結果、ウェーハワークピース上の電荷が増強する。実際に、イオン注入に関連したイオン不均衡は、ウェーハからの二次電子及びその他の荷電種（ｃｈａｒｇｅｄ ｓｐｅｃｉｅｓ）の放出や周囲の環境からのイオン吸収等を含む多くの現象によって齎される。実際のところ、イオン注入に関連した荷電効果は、模型を作るのには難しい。更に、ドーパントイオンビームの変化のために、ワークピースの表面、特に酸化物，窒化物，金属，フォトレジストで構成された表面及び異なった導電率を有する表面領域の可変的な荷電特性ために、更にワークピースの表面に既に存在する何らかの過剰な電荷によって、過剰電荷の空間的分布がウェーハの表面上で変化する。過剰な電荷分布がウェーハの表面上で変化して、一般的に予測できない態様でウェーハにバラ付きが生じる。要約すると、集積回路の製造は、広く変化する荷電特性や電気的抵抗性を有する材料によって被覆された領域を備えた複雑にパターン構成された半導体ウェーハ表面を必要とし、従って、イオン注入によって齎される電荷分布がワークピース表面上で多くの空間的変化を呈することは避けられない。

特に半導体素子の製造中における半導体素子の荷電が有害であることは広く知られている。イオン注入によって齎される過剰電荷はやっかいである。先ず、静電荷（ｓｔａｔｉｃ ｃｈａｒｇｅ）が、半導体素子構造に普通に組み込まれている薄い酸化物フィルムを傷つける。この現象は、一般に「アーク効果（ａｒｃｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｓ）」と呼ばれている。第二に、過剰電荷の増強によって、イオン注入処理自体又は後続の処理が妨げられる。例えば、過剰電荷は、ビーム放散，広がり又はブローアップ（ｂｌｏｗ−ｕｐ）を齎すイオンの衝突ビームを抑制し、その結果、均一でない注入及び均質でないドーパント分布を齎す。

イオン注入されたウェーハ上の電荷増強を防ぐための簡単な解決法は、電気的にアースされた電気的導電性プラテン（ｐｌａｔｅｎ）上にウェーハを載置して、イオン注入処理中にウェーハ上に堆積する過剰電荷を放電するための通路を提供することである。残念なことに、ワークピースを電気的に放電させるためにアースすることは、多くの場合に、決して完全に満足のいくものでないことが証明されている。過剰電荷の問題やウェーハを放電させるためにアースすることの非効果性は、高い電気抵抗率を有する、多くの場合に電気的絶縁性の半導体ウェーハを用いることにより一層悪化する。例えば、多くの半導体素子技術では、サファイア基板，シリコン膜で被覆された絶縁基板（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ），半絶縁性化合物半導体ウェーハ及び電気的伝導度の小さい導体であるその他の基板を用いられている。多くの高速素子の性能は、素子を電気的に絶縁させ且つ容量性結合効果（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｓ）を最小限にくいとめるためのそのような高絶縁性基板を用いることに左右される。そのような理由のために、ウェーハを電気的にアースすることによる放電に依存するというよりはむしろ、イオン注入中の過剰電荷の増強を中和させるという別の方法が必要となる。

イオン注入処理から齎される荷電効果を改善するための電荷中和方法は、半導体産業において用いられ、また、特許文献及び（又は）技術文献において記載され又は提案されている。これらの技術を検討することは、半導体技術のこの問題の目的と重要性とを明らかにし、その技術上の問題の幾分かを浮き彫りにするのに役立つ。イオン注入中の過剰電荷の増強を中和させることの必要性は一般に理解され、広く認識され、その結果、そのような目的のために多くの特異な試みが展開されている。

電荷を中和させるための或る方法は、プラズマ・フラッディング（ｐｌａｓｍａ ｆｌｏｏｄｉｎｇ）と呼ばれている。プラズマ・フラッディング技術においては、アルゴンプラズマのようなプラズマが、加熱されたフィラメントから放出される電子によって発生させられる。プラズマを含んだ電子は、イオンビームと混合させられて、ワークピース上のドーパントイオンビームの正荷電イオン（ｐｏｓｉｔｉｖｅｌｙ−ｃｈａｒｇｅｄ ｉｏｎ）に加えて、そのビームと堆積された補償電子とを部分的に中和させる。

別の電荷中和技術は、電子銃で実施される。その電子銃による電荷中和法においては、加熱されたフィラメントによって放射される電子を平行にさせる（ｃｏｌｌｉｍａｔｅ）ことによって電子ビームが作られる。この一次電子ビームが、二次電子を放射する二次電子ターゲットに衝突し、その二次電子がウェーハ上に向けられて、打ち込まれたドーパントイオンによる過剰電荷を中和させるのに役立つ。

更に別の電荷中和技術は、電子ビームシステムで実施される。この技術では、高カレント低エネルギー電子ビーム作り出すために、高領域ヘキサホウ化ランタン陰極・コレクタグリッド（ｌａｒｇｅ−ａｒｅａ ｌａｎｔｈａｎｕｍ ｈｅｘａｂｏｒｉｄｅ ｃａｔｈｏｄｅ ａｎｄ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｇｒｉｄ）が用いられている。電子ビームはワークピースに向けられて、ワークピース上の過剰電荷の増強を中和させる。

上述した三つの方法は、過剰電荷の空間的変化を考慮したものではない。また、それらの方法は、ウェーハ毎の過剰電荷のバラ付きに応答して電荷補償を自動的に調整することを可能にするものでもない。上述した方法の全てが、各ワークピース上の過剰電荷の空間的細部に関係なく、一定量の補償電荷でワークピースを覆うものである。その結果、ウェーハ上の電荷を過剰補償する可能性があり、それ故、過剰な負電荷を有するウェーハを生じさせる。更に、これらの技術のあるものでの加熱されたフィラメントの使用には、そのようなフィラメントの脆さ，短い寿命及び汚染され易さのために欠点があると考えられる。プラズマを用いる場合には、プラズマの複雑さ及び不均一性が障害となる。

本発明は、一つの又は複数のイオン注入処理から得られる半導体ウェーハのようなワークピース材の問題となる過剰電荷を中和させるための方法及び装置を提供するものである。本発明は、イオン注入によって過剰電荷が生ずるワークピース表面の小さい小区域（ｓｕｂ−ｒｅｇｉｏｎｓ）に局所的に付加される適切なドーズ量の補償電子を提供するという点において、従来の技術を改善したものである。その補償電子ドーズ量は、前記小区域上の過剰電荷のリアルタイムの測定に基づく。

本発明によるシステムにおいては、例えば、半導体ウェーハの一部を選択的にドーピングするために用いられるイオン注入処理による局所的な電荷増強を検出する手段が用いられている。そのシステムは、ウェーハ上の局在正電荷分布を検出して、その電荷の検出に応答して、電荷を中和させるための適切な量の補償電子フラックスを供給する装置を含んでいる。とりわけ、容量性ピックアップ電極（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｐｉｃｋ−ｕｐ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）のような非接触型電荷検知プローブがイオン注入を受けているウェーハ上を横切って走査される。その装置は、ウェーハに相対するローブ位置の関数として局所的な過剰電荷を表示する信号を記録する。電圧制御電子放出源・乗算器（ｖｏｌｔａｇｅ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｓｓｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）（以下、「電子発生器アレー」という）から平行にされた電子ビームが提供され、その電子ビームは走査プローブによって検出される局在過剰電荷のサイトに向けることができる。電圧形態のプローブ信号は、電子発生器アレーに電圧を加える高電圧パワーサプライを制御する閉ループフィードバック回路へのインプットとして役立つ。電子発生器アレーによって発生させられて、ワークピースへ送られる補償電子ドーズ量は、高電圧パワーサプライによって電子発生器アレーに付加される電圧のマグニチュードによってコントロールされる。イオン注入，検出及び電子発生器アレーからの中和電子ビームの適用は、ほぼリアルタイムの電荷補償を提供するために、構成的にも操作的にも、密接的に繋げられている。

本発明によるシステムは、イオン注入プロセスから齎されるシリコンウェーハの如きワークピース上の過剰電荷を局所的に中和させるための電子ビーム発生装置と共に、電荷検知とフィードバック制御とウェーハの位置決めとの組み合わせを利用するものである。

イオン注入
図１は、イオン注入器の簡略化した配列を示したものである。市販のイオン注入器は幾分より複雑であるが、イオン注入に付随する現象，本発明をイオン注入システムに適用する態様及び本発明によって電荷中和を実施するための手段については、図１に示した簡単なイオン注入器によって説明することができる。然しながら、本発明は、特定の構造や特定タイプのイオン注入器に限定されるものではなく、また、特定のターゲット材料又は特定のタイプのワークピースに限定されるものでもなく、従って、本発明がイオン注入技術に広く適用可能であることが銘記されるであろう。

図１に示したように、イオン源１０２がイオンの流れ１０４を発生させ、そのイオンは一連の電圧バイアス電極１０６によって加速され平行にされる。イオン源は、貯蔵部１０８からイオン化室１１０へのガス種（ｇａｓ ｓｐｅｃｉｅｓ）の注入によって一般的に実現され、イオン化室において、そのガスは、加熱されたフィラメントから放出される電子又はプラズマ或いはそれらの組み合わせとの相互作用によってイオン化される。イオンの流れは、時折磁気アナライザーと呼ばれる磁場領域１１２によって濾過され、磁場における移動電荷に付随した力のために磁場領域１１２がイオンビームを曲げる。平行スリット１１４又は集束電極（ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）１１６と組み合わさって、磁気アナライザーが、磁場におけるイオンの電荷従属軌道に基づいて所望のイオンを選択して、イオンビーム１１８を構成する。磁気アナライザーを横切った後に、イオンビーム１８はイオン種（ｉｏｎ ｓｐｅｃｉｅｓ）とエネルギーとの双方において相対的に均一になる。シリコンウェーハ又は多くのそのようなワークピースの如きターゲットワークピース１２０が、イオンビーム１１８をさえぎるようにプラテン１２２の上に位置決めされている。プラテンは、イオンビーム下に選択されたワークピースを位置決めさせ又は組織的な態様でイオンビームをワークピースに走査させるために、回転又は並進運動によって移動させることができる。それに代えて、又はプラテンを移動させるのと組み合わせて、電極１１６への電圧又は電流を変調させてワークピース上にイオンビームを走査させることができる。どちらの場合でも、ワークピースの全体の暴露領域に注入を施すことができる。イオンはターゲットに衝突して、ターゲットの暴露表面の下に浸透する。浸透の深さは、イオン種及びそのエネルギーに左右される。ドーズ量即ち打ち込まれた原子の総量は、イオンビームカレントと、ワークピースがイオンビームに暴露された時間に左右される。その結果のイオン濃度深さプロフィールは、統計的に予測でき、正確に計算することができる。

シリコンウェーハにイオン注入するための典型的な操作モードは、プラテン１２２上に数個の又はそれ以上のシリコンウェーハ１２０を置くことである。一つの特定のウェーハが所定時間イオンビームをさえぎるように、プラテンを回転又は並進運動させることができる。一方、プラテン上でイオンビーム通路の外にあるその他のウェーハには、電荷中和のようなその他の処置を施すことができる。イオンビームの幅は、通常、約１ｃｍである。更に、円形でなくてはならないシリコン半導体ウェーハは、通常は、１５０ｍｍ（６インチ）〜３００ｍｍ（１２インチ）の範囲の直径を有している。それ故、そのウェーハの表面は、イオン注入プロセス中にイオンビームに殆ど覆われないので、そのシリコンウェーハには、イオン注入と同時に行われる電荷中和のようなその他の処置を施すことができる。

電荷中和
本発明に依れば、イオン注入によって齎される過剰な正電荷を呈しているウェーハ上の所定位置に、平行にされたビーム状の正確なドーズ量の電子が向けられる。補償電子ビームが電子発生器アレー（ＥＧＡ）によって作り出される。電子発生器アレーは、特別に処理されたガラス又はガラスのような材料から成るシートに微視的チャネル（ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｃｈａｎｎｅｌ）のアレー（ａｌｌａｙ）を形成することにより作られた電圧制御電子放射・乗算源である。電子発生器アレーの構成及び動作特性については、特に本発明におけるその電子発生アレーの使用に関連して、下記に詳述する。電子発生器アレーは、付加された電圧によって誘導されコントロールされる電子フラックスを生じさせる。電子のドーズ量は、プログラムされた態様でウェーハを走査する電荷検知プローブによって表示された過剰電荷に対応して計測される。本発明の操作モードは、そのモードの応用においてウェーハ又はワークピースに局所的に行われず又ウェーハ上の過剰電荷のリアルタイムでのサンプリング及び測定によって可能である補償電荷ドーズ量の釣り合わせがなされない従来の電荷中和方法とは対照的である。

図２は、簡単な形態の本発明に係る実施形態を概略的に示した図で、この実施形態は、電荷を検出する手段と、コントローラ・パワーサプライと、ウェーハを走査する機構又は手段と、電子の局所的フラックスを作り出してワークピース上の過剰電荷を中和させるための機構とを含む本発明の機能部品を有している。平行にされたイオンビーム２０２が半導体ウェーハ２０６の小さな小区分２０４に打ち込まれる。そのイオンビームをチューブ即ちシールド（ｓｈｉｅｌｄ）２０８によって任意に包んでもよい。固定させたウェーハに対してイオンビーム自体を移動させ又は固定させたイオンビームに対してウェーハを移動させ或いはそれらを組み合わせることによって、イオンビームがプログラミングされた態様でウェーハを走査する。電荷検知プローブ素子２１０がイオンビームに追従して、イオン注入から齎される局在過剰電荷を評価する。電子発生器アレー２１２が、イオン注入から齎される過剰正電荷を中和させる量の電子フラックスを発生させる。電子発生器アレーによって発生させられた電子フラックスを制御パワーサプライ２１４からの付加電圧によってコントロールする。電荷検知素子２１０からの信号は、電子発生器アレーに対する適切な電圧バイアスを発生させるためのコントローラによって用いられる。こうして、電子検知素子と電子発生器アレーとの結合によって閉フィードバックループが構成される。電荷プローブ信号に応答して発生する電子フラックスは、実験的に又は理論的に決定されるコントロールループ関数（ｃｏｎｔｒｏｌ ｌｏｏｐｆｕｎｃｔｉｏｎ）又はアルゴリズムによって定められる。

リアルタイムの局在電荷中和のための、走査電荷センサーと電子発生器アレーとの結合は、本発明による電荷中和システムの重要な特徴である。電荷検知プローブ信号を入力励振（ｉｎｐｕｔ ｓｔｉｍｕｌｕｓ）として用い、電子発生器アレー電子フラックスを出力応答（ｏｕｔｐｕｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）として用いる制御機構は、当業者に広く知られた電気回路構成要素及び制御機構を用いて複雑さ（ｓｏｐｈｉｓｔｉｃａｔｉｏｎ）のレベルを変えて様々な態様で実施することができる。その一例として、簡単な実施は、電荷検知プローブの出力電圧信号を増幅させる調整可能な利得を備えた差動増幅器を用いることで、そこにおいては、電荷検知ローブ信号は検出された過剰電圧にほぼ比例している。その増幅器は、引き続いて電子発生器アレーに電圧を付加する高電圧パワーサプライをコントロールする出力電圧信号を発生する。補償電子のドーズ量は、電子フラックスとそれの持続時間との積である。それ故、補償電子の総ドーズ量は、電子発生器フラックス（即ち、電流密度即ち毎秒単位面積当たり（ｐｅｒ ｕｎｉｔ ａｒｅａ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）の放射される電子）と、フラックスが作用する持続時間との積である。フラックスが変化した場合には、そのドーズ量は、フラックス密度超過時間の積分（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）によって与えられる。ワークピース上の過剰電荷の局在領域に関して電子フラックスが作用する時間、即ち、より詳しくは、ワークピースの特定の領域が電子フラックスに晒される時間は、フラックス領域（電子ビーム幅）Ａと電子発生器アレーに相対するワークピースの速度Ｓとの関数である。従って、電子の補償ドーズ量Ｄは、１／Ｓ×Φ×Ａに比例するので、その補正ドーズ量を概算することは簡単である。更に、補償及び中和のためには、Ｄはイオン注入から齎されるワークピース上の局在過剰正電荷Qと等しくさせる。電荷と比例した電圧信号Ｖ_ｓを発生する電荷検知プローブに関して、過剰電荷は次の式によって与えられる。

（数１）
Ｑ＝Ｋ_１×Ｖ_ｓ
ここで、Ｋ_１は電荷検知ローブに関係する比例定数である。フラックスΦは、電子発生器アレーに付加され且つパワーサプライによって提供される電圧Ｖ_Ａによってコントロールされるので、ΦとＶ_Ａとの間の比例関係（ｌｉｎｅａｒｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ）を仮定すると、電子の補償ドーズ量は次の式で与えられる。

（数２）
Ｄ＝Ｋ_２・Ｖ_Ａ
ここで、Ｖ_２は、電子発生器アレーに対するウェーハの相対速度Ｓと、ビームエリアＡを含む電子発生器アレーの特性とに関連する比例定数である。打ち込まれた電荷の中和ためには、Ｄ＝Ｑであり、これは制御電子回路構成要素のための特定の閉ループ電圧利得Ｇを意味する。

（数３）
Ｇ＝Ｖ_Ａ／Ｖ_Ｓ＝Ｋ_１／Ｋ_２
更に、時間遅れを考慮し、電荷検知プローブと電子発生器アレーとの間のラグタイムを補うために含められる。

上述したことは、本発明に係るシステムための制御構成について考慮すべき主な事項及び基礎原理を示している。特定の時間遅れに加えて、比例要素，積分要素及び派生的な制御要素を組み込んだより高性能な制御電気回路構成要素を用いることができることが理解されるであろう。そのような制御電気回路構成要素の特別な実施の方法及び詳細については、当業者によく知られている。

茲で、図３を参照すると、ワークピース３０４を走査して、ワークピース上の局在過剰正電荷３０６を検出するために電荷検知プローブ３０２が位置決めされている。ワークピース、例えば、半導体ウェーハは、そのウェーハの全てのイオン打込み領域が前後とり合わせて電荷検知プローブの下に位置し、引き続いて同様に電子発生器アレーの下に位置するような連続した態様で移動させられる。ラスタタイプの走査パターンは、これを達成するための一つの方法である。これに代えて、ワークピースを固定させたままで、電子発生器アレー３１４と組み合わさった電荷検知プローブをワークピース上に走査させてもよい。更に別の例としては、ワークピース上の全ての過剰電荷を効果的及び効率的な態様で最適且つ完全に中和させるために、ワークピースと、電荷検知プローブと電子発生器アレイとの組み合わせとの双方を独立に移動させるようにしてもよい。

電荷検知プローブ３０２は、過剰電荷にほぼ比例した電圧信号Ｖ_ｓを発生させる。その電圧信号は、別の差動増幅器３０８のインプットとして役立ち、その差動増幅器において、電圧信号は、基準電圧源３１０によって発生させられる基準電圧と比較される。その増幅器３０８の出力信号３１２は、プローブ３０２によって走査されるワークピース３０４の近くの局在過剰表面電荷を表示する。電子発生器アレー３１４が電荷検知プローブに対して固定的に位置決めされていて、予想可能な態様で隔離距離ｄだけ電荷検知プローブに追従する。電子発生器アレーは、ワークピースの表面にドーズ量の電子を送る。その電子のフラックス３１６は、付加される電圧Ｖ_Ａに比例する。電子発生器に付加されるその電圧Ｖ_Ａは、高電圧パワーソース３１８によって提供される。パワーサプライの出力電圧は、前記した別の増幅器の出力によってコントロールされる。適切な遅延回路３２０を増幅器３０８とパワーサプライ３１８との間に配置して、過剰電荷の検出と補償中和電荷の付加との間のタイムラグを補う。従って、電荷検知ロープによって精査されたウェーハ領域は、電子発生器アレーの直下に瞬時に位置決めされる。電荷検知プローブと電子発生器アレイとに相対するワークピースの移動は分かっているので、プローブによる電荷検知と電子発生器アレーからのドーズ量の電子の送りとの間のタイムラグは、過剰電荷の効果的な中和のためにコントロールループに数字で表示することができる。

上述した制御構成の代わりとして、電荷検知プローブ信号を、高電圧パワーサプライを制御するマイクロプロセッサーユニットのインプットとしてデジタル的にサンプル取りすることができる。その場合には、そのプロセッサは、走査電荷検知プローブによって発生させられる信号に基づいて電子発生アレー出力を決定するアルゴリズムを実施するようプログラミングされる。

図４には、本発明による他の実施形態が示されている。半導体ウェーハ４０２を公知の態様でイオンビーム４０４に晒す。従前どおり、イオンビームをチューブ４０６で任意に覆ってもよい。複数の電子検知素子４０８が緊密に整列配置された線形アレー４１０がウェーハ４０２をさっと横切る。その電荷検知アレー４１０は、そのアレーの各電荷検知素子が、その素子の下の過剰電荷、即ち、補償されていない電荷を表示する信号を発生するように、パラレルで効果的に独立したリアルタイム信号を発生する。それ故、電荷検知アレーの個別のプローブ素子からのパラレル信号は、電荷検知アレーの幅に沿った過剰電荷の合成一次元サンプリングを提供する。電荷検知アレーに続いて、セグメントに分けられた電子発生器アレー４１２が配置され、その位置は電荷検知器アレーとの関係で固定されていて、それ故、その電子発生器アレーは電荷検知アレーと縦に一列に並んで移動する。そのセグメントに分けられた電子発生器アレーは、サブユニット４１４に分割されていて、それらサブユニットは、同時且つパラレルに、個別にアドレスされ、電圧バイアスされて、個別の独立にコントロールされた電子フラックスを発生させ、それにより、別個の電子フラックスが、電子発生器アレーの個別且つ独立にバイアスされたサブユニットによって発生させられる。

電荷検知器アレーから発生する各（パラレル）信号はコントローラとパワーサプライとの組合せ機構４１６へ送られる。そのコントローラは、一組の信号を発生させ、それら信号は一組の平行ラインに伝えられ、その各信号は、電荷検知器アレーの対応の電荷検知素子によって検出された過剰電荷を表示する。それら信号は、電子発生器アレーの対応のサブユニットに一組の高電圧を提供するマルチチャネル高電圧パワーサプライをコントロールする。事実上、電荷検知器アレーの各電荷検知素子は、電子発生器アレーの対応位置のセグメントの電圧バイアスをコントロールする。

実際上、ウェーハに相対する電荷検知器アレー及びセグメントに分けられた電子発生器アレーの移動は、固定したウェーハに対して電荷プローブアレー及び電子発生器アレーを並進移動させ又はウェーハを電荷検知器アレーと電子発生器アレーとの固定された組合せ体に対して移動させることにより実施することができる。

電子発生器アレー
本発明は、茲で全文を参照文献として引用する米国特許第６，２３９，５４９号に記載されている電子発生器アレーと呼ばれる装置を用いている。その電子発生器アレーは、電子放射ソースと乗算器とが組み合わさったもので、狭い平行な電子ビーム又は広い領域の電子フラックスを提供するように寸法付けすることができる。電子発生器アレーは、平らなシート又は板に約１０ミクロンの直径を有する微視的チャネルを形成することにより作られる。その電子発生器アレーは、均質で機械的に剛性な構造体を提供するよう一体に溶融した無数の精密ガラスチューブから構成されている。そのガラスの表面に化学処理を施して、そのアレーの厚みを横切って電圧を付加した時に各微視的チャネルが電子の流れを放出するように、ガラスの電子放射特性を変化させる。電子を発生させる無数のチャネルの各々では、電子フラックスは非常に均質で濃密である。電子発生器アレーの平面図が、図５に示されている。チャネル５０２の対称的な配列が、これら装置の特徴を示している。電子発生器アレーは、数ｍｍから１００ｍｍ以上の範囲の寸法で様々な形状に形成することができる。

一例として一つのマイクロチャネル６０２の電子放射を示した図６に表示されているように、放射電子のエネルギー分布に加えてフルエンス又は匹敵する電子カレントとの双方を決定する付加電圧Ｖ_Ａによって電子フラックス６０４が制御される。現実に、アレーの全てのマイクロチャネルによって同様の電子フラックスが発生させられる。

図７は、付加電圧Ｖ_Ａの一次関数（ｌｉｎｅａｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）としての電子発生器アレーによって発生させられる電子フラックス密度のプロットである。このプロットは、三つの普通の電子発生器ジオメトリー（平行なチャネルを備えた単一プレート（●））と、対向角度（ｏｐｐｏｓｉｎｇ ａｎｇｌｅ）で所定方向に向けられたトップアンドボトムプレート中にマイクロチャネルを備えたシェブロンパターン中に斜めのチャネルを備えた二つのプレート（■）と、斜めのマイクロチャネルの「Ｚ」スタック（“Ｚ”ｓｔａｃｋ）とアレーの水平面と同じ角度をもっている二つのプレート中にマイクロチャネルを備えた二つのプレート（▲）とに関する出力特性を示している。いくつかのジオメトリーに明白な放射しきい値は、制御ループ中のオフセット電圧によって否定することができる。

図８は、加熱されたフィラメント８０２の電子カレント密度アウトプットを電子発生器アレー８０４の電子カレント密度アウトプットと比較することによる電子発生器アレーからの電子放射の相対的空間均一性を示している。電子発生器アレーのフラットで一定のアウトプットは、ワークピースの荷電表面への補償電子の均一な送りを容易にする。

表面電荷及び表面電荷検知
本発明は、表面電荷を検出する装置を用いている。本発明に関してより詳述すると、本発明の構成要素はプローブであり、そのプローブは、プローブに近いワークピースの領域におけるワークピースの表面又は表面近くの部分での局在電荷不均衡に応答して電気的信号を記録する。

本発明のこの内容に関連して、イオン注入によって過剰電荷が齎されるが、本発明の適用によって中和される過剰電荷の原因及び（又は）起因は、イオン注入自体から専ら齎されるというものではない。実際に、過剰電荷は、ワークピースの処理及び分析中に発生する様々な物理的現象が組み合わさった結果、齎されるものであるかも知れない。

プローブをワークピースの表面に接触させる必要はない。一方、ワークピースの汚染や損傷を避け、電荷検知プローブとワークピースの相対的運動を容易にさせるためには、非接触の表面電荷検知法を用いるのが一般的に好ましい。非接触型電荷検知プローブは、よく開発された技術である。この技術は、例えば、エム．エー．ノラス（Ｍ．Ａ．Ｎｏｒａｓ）著の「非接触表面電荷／電圧測定」トレック・アプリケーション ノート Ｎｏ．３００２（トレック インコーポレイテッド、２００２、ニューヨーク、メデイナ）（“Ｎｏｎ−Ｃｏｎｔａｃｔ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｃｈａｒｇｅ／Ｖｏｌｔａｇｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ” Ｔｒｅｋ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｎｏｔｅ Ｎｕｍｂｅｒ３００２（ＴＲＥＫ，Ｉｎｃ．，Ｍｅｄｉｎａ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，２００２））に記載されている。

電荷検知プローブの簡単な構成のものは、導電性電極、例えば、誘電体基板上に形成された金フィルムのような金属製層である。導電性電極は、増幅器（例えば、高入力インピーダンス演算増幅器）のインプットにワイヤーによって接続される。静電気学においてよく知られているように、そのように構成されたプローブを荷電表面に近づけた時に、電荷がプローブの電極に誘導される。プローブ電極と荷電表面との間には固有のキャパシタンスがあるので、荷電電極と荷電表面との間の電極は、その表面上の電荷のファンクションである。同様に、過度電流が、荷電表面による誘導に対応した電極の荷電に関係する。

電荷検知回路のより高性能なものが当該技術においてよく知られており、本発明の別の実施形態として考慮することができる。

本発明の利点
本発明は、イオン注入によって齎される半導体ウェーハ及びその他のワークピース上に蓄積した電荷を中和させるための一般的に利用可能な装置及び方法の改良を提供するものである。本発明の利点は、個々のワークピース上の空間的に変化する過剰表面電荷のリアルタイム測定に基づいて過剰電荷を補償することができることに関連する。従って、本発明においては、他の方法と対照的に、電荷補償は、ワークピースの荷電特性の空間的な従属相違（ｓｐａｔｉａｌｌｙ−ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）とランダムな処理変更から齎されるウェーハのバラ付きとに起因するワークピースの表面上の電荷を変化させるのに適している。

電荷補償の他の方法は、荷電プロセスの複雑さのために屡々不正確で信頼できない過剰電荷の予測に頼っている。本発明は、ウェーハ上の過剰電荷分布の予測又はモデルに頼らず、その代わりに過剰電荷を直接的に測定するので、ウェーハへ送るために電子のより正確な補償ドーズ量を釣り合わせることができる。更に、本発明においては、電子の補償ドーズ量は、プロセス変動によって過剰電荷にバラ付きのあるウェーハに従って自動的に調整される。

シリコンウェーハをバッチ式にドーピングするための集積回路の製造において用いられている公知のイオン注入装置の概略図である。 本発明による電荷中和装置の概略図である。 図２に示した電荷中和装置と共に用いられるアナログ制御回路の機能ブロック図／概略図である。 本発明による電荷中和装置の別の実施形態を示した概略図である。 本発明による電荷中和装置において用いられる電子発生器アレーの一部の写真である。 図５に示した電子発生器アレーの概略的部分図である。 電子発生器アレー中のマイクロチャネルの三つの幾何学的配列についての付加電圧バイアスの関数（ｆｕｎｃｔｉｏｎ）としての電子フラックス密度を示した一組のグラフである。 電子発生器アレーの中心から側方への距離の関数としての電子フラックス密度と、加熱されたフィラメントの中心から側方への距離の関数としての電子フラックス密度のグラフである。

符号の説明

２０２ イオンビーム
２０４ ウェーハの小区分
２０６ ウェーハ
２０８ シールド
２１０ 電荷検知素子
２１２，３１４，４１２，８０４ 電子発生器アレー
２１４ パワーサプライ
３０２ 電荷検知プローブ
３０４ ワークピース
３０６ 局在過剰正電荷
３０８ 差動増幅器
３１０ 基準電圧源
３１２ 増幅器の出力信号
３１６，６０４ 電子フラックス
３１８ パワーサプライ
３２０ 遅延回路
４０２ 半導体ウェーハ
４０４ イオンビーム
４０６ チューブ
４１０ 線形アレー
４１４ サブユニット
５０２，６０２ マイクロチャネル
８０２ フィラメント

Claims (21)

1. イオンが打ち込まれたワークピースに近づけて位置決めされるようになっている電荷検知電極と、
   前記電荷検知電極とは離間して前記イオン打込みワークピースに近づけて位置決めされるようになっている荷電粒子発生器と、
   前記荷電粒子発生器と作動的に接続される高電圧パワーサプライと、
   前記電荷検知電極と前記高電圧パワーサプライに作動的に接続され、前記電荷検知電極からの電荷検知信号に応答して制御信号を発生させて、その制御信号を前記高電圧パワーサプライに付加してその高電圧パワーサプライの出力を調整し、それにより、前記荷電粒子発生器の荷電粒子出力を調整させる制御手段とを有する、イオン打込みワークピース上の過剰電荷を中和させるための装置。
2. 前記荷電粒子発生器が電子発生器である、請求項１に記載の装置。
3. 前記電子発生器が、平行に整列配置された複数の電子発生マイクロチャネルを有している、請求項２に記載の装置。
4. 前記電荷検知電極が複数の電荷検知素子を有し、前記荷電粒子発生器が複数の荷電粒子発生サブユニットを含み、前記サブユニットの各々が各電荷検知素子に作動的に接続されている、請求項１に記載の装置。
5. 前記荷電粒子発生サブユニットの各々が電子発生ユニットを有している、請求項４に記載の装置。
6. 前記電子発生ユニットの各々が、平行に整列配置された複数の電子発生マイクロチャネルを有している、請求項５に記載の装置。
7. 前記高電圧パワーサプライが、前記複数の荷電粒子発生サブユニットの各々に個別の電圧を提供する複数の出力チャネルを有し、前記複数の荷電粒子発生サブユニットの各々に適切な電圧が付加されるように、前記複数の荷電粒子発生サブユニットの一つに関連する単一のアドレスを前記高電圧パワーサプライに提供して、それにより、前記複数の荷電粒子発生サブユニットの各々の電荷粒子出力を個別に調整することのできるアドレス手段を前記制御手段が有している、請求項４に記載の装置。
8. 前記複数の電荷検知素子が第一の線形アレー中に配列され、前記複数の電荷粒子発生サブユニットが前記第一の線形アレーから離間した第二の線形アレー中に配列されている、請求項４に記載の装置。
9. 前記制御手段が、前記電荷検知電極による電荷の検知と前記電荷粒子発生器による電荷粒子の発生との間のタイムラグを補正するための制御信号をタイムシフトするよう構成された時間遅れ回路を有している、請求項１に記載の装置。
10. 前記電荷検知電極からの出力信号をデジタル的にサンプリングしてデジタル信号を提供する手段と、
    前記デジタルサンプリング手段と作動的に接続されてデジタル信号出力を受けるマイクロプロセッサとを有し、
    前記マイクロプロセッサが前記高電圧パワーサプライに対してインプット用の制御信号を発生するようになっている、請求項１に記載の装置。
11. イオンが打ち込まれたワークピースに近づけて位置決めされるようになっている電荷検知電極と、
    前記電荷検知電極とは離間して前記イオン打込みワークピースに近づけて位置決めされるようになっている電子発生器アレーと、
    前記電子発生器アレーと作動的に接続されてバイアス電圧を前記電子発生器に付加する高電圧パワーサプライと、
    前記電荷検知電極と前記高電圧パワーサプライに作動的に接続され、前記電荷検知電極からの電荷検知信号に応答して制御信号を発生させて、その制御信号を前記高電圧パワーサプライに付加してその高電圧パワーサプライの出力を調整し、それにより、前記電子発生器アレーの電子出力を調整する制御手段とを有する、イオン打込みワークピース上の過剰電荷を中和させるための装置。
12. 前記電子発生器アレーが平行に整列配置された複数の電子発生マイクロチャネルを含んでいる、請求項１１に記載の装置。
13. 前記複数のマイクロチャネルが互いに固定されて一つのシート又はプレートを構成している、請求項１２に記載の装置。
14. 前記電荷検知電極が複数の電荷検知素子を含み、前記電子発生器アレーが複数の電子発生サブアレーを含み、前記サブアレーの各々が各電荷検知素子に作動的に接続される、請求項１１に記載の装置。
15. 前記高電圧パワーサプライが、前記複数の電子発生サブアレーの各々に個別の電圧を提供するための複数の出力チャネルを有し、前記複数の電子発生サブアレーの各々に適切な電圧が付加されるように、前記複数の電子発生サブアレーの各々に関連する単一のアドレスを前記高電圧パワーサプライに提供して、それにより、前記複数の電子発生サブアレーの各々の電子放射を個別に調整することができるようにするアドレス手段を前記制御手段が有している、請求項１４に記載の装置。
16. 前記複数の電荷検知素子が第一の線形アレー中に配列され、前記複数の電子発生サブアレーが前記第一の線形アレーから離間した第二の線形アレー中に配列されている、請求項１４に記載の装置。
17. 前記制御手段が、前記電荷検知電極による電荷の検知と前記電子発生器アレーによる電子の発生との間のタイムラグを補正するための制御信号をタイムシフトするよう構成された時間遅れ回路を有している、請求項１１に記載の装置。
18. 前記電荷検知電極からの出力信号をデジタル的にサンプリングしてデジタル信号を提供する手段と、
    前記デジタルサンプリング手段と作動的に接続されてデジタル信号出力を受けるマイクロプロセッサとを有し、
    前記マイクロプロセッサが前記高電圧パワーサプライに対してインプット用の制御信号を発生するようになっている、請求項１１に記載の装置。
19. 前記電荷検知電極が複数の電荷検知素子を有し、前記電子発生器アレーが複数の電子発生サブアレーを有し、前記サブアレーの各々が作動的に各電荷検知素子と接続されるようになっている、請求項１８に記載の装置。
20. 前記高電圧パワーサプライが前記複数の電子発生サブアレーの各々に個別の電圧を提供する複数の出力チャネルを有し、前記マイクロプロセッサが、前記複数の電子発生サブアレーの各々に適切な電圧が付加されるように、前記複数の電子発生サブアレーの各々に関連する単一のアドレスを前記高電圧パワーサプライに提供して、それにより、前記複数の電子発生サブアレーの各々の電子放射を個別に調整することができるようにプログラミングされている、請求項１９に記載の装置。
21. イオンが打ち込まれた半導体ウェーハに近づけて位置決めされるようになっている電荷検知電極と、
    前記電荷検知電極とは離間して前記イオン打込み半導体ウェーハに近づけて位置決めされるようになっている電子発生器アレーと、
    前記電子発生器アレーと作動的に接続されてバイアス電圧を前記電子発生器アレーに提供する高電圧パワーサプライと、
    前記電荷検知電極及び前記高電圧パワーサプライと作動的に接続され、前記電荷検知電極からの電荷検知信号に応答して制御信号を発生させて、その制御信号を前記高電圧パワーサプライに付加してその高電圧パワーサプライの出力を調整し、それにより、前記電子発生器アレーの電子出力を調整させることのできる制御手段と、
    前記電荷検知電極と前記電子発生器アレーとが前記半導体ウェーハの表面を走査することができるように、前記電荷検知電極及び前記電子発生器アレーと前記半導体ウェーハとの間の相対移動を可能にさせる手段とを有している、イオン打込み半導体ウェーハ上の過剰電荷を中和させるための装置。

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