JP2012531711A - イオン源洗浄の終点検出 - Google Patents

Abstract

イオン注入装置において、イオン源の洗浄中に発生されるイオンビームをファラデーカップで検出する。検出されるイオンビームは、イオン源の洗浄プロセスがいつ完了するかを示す関連質量スペクトルを有する。質量スペクトルは洗浄剤とイオン源を構成する材料とからなる信号を生じる。この信号はイオン源チャネルが洗浄されるにつれて時間とともに上昇し、イオン源チャンバから堆積物がエッチ除去されてしまうと水平に一定になり、よってイオン源洗浄の終点を決定するために既存の注入ツールを利用することが可能になる。

Description

本発明は半導体装置製造の分野に関する。より詳しくは、本発明はイオン注入装置で使用されたイオン源チャンバを洗浄する装置及び方法に関する。

イオン注入は、所望のデバイス特性を得るために半導体基板内に不純物イオンをドープするのに使用されるプロセスである。イオンビームはイオン源チャンバから基板に向け照射される。基板内への注入深さはイオン注入エネルギー及びイオン源チャンバから発生されるイオンの質量に依存する。図１はイオン源チャンバ１０２を含むイオン注入装置１００のブロック図である。電源１０１は特定の種のイオンを発生するように構成されたイオン源１０２に所要のエネルギーを供給する。発生されたイオンはイオン源１０２から一連の電極１０４を通して引き出され、ビーム９５に形成され、質量分析器マグネット１０６を通過する。質量分析器は、特定の磁場を用いて所望の質量対電荷比を有するイオンのみが質量分解スリット１０７を最大に通過して分析器を走り抜けることができるように構成される。所望の種のイオンは質量スリット１０７から減速段１０８を経てコレクタマグネット１１０へと通過する。コレクタマグネット１１０は、支持体（例えばプラテン）１１４上に置かれたワークピース又は基板を標的とするリボンビームを生成するためにイオンビームレットを印加磁場の強さ及び向きに従って偏向するように附勢される。いくつかの実施形態においては、コレクタマグネット１１０と支持体１１４との間に第２の減速段１１２を配置することができる。イオンは基板内の電子及び原子核と衝突するとエネルギーを失い、基板内に加速エネルギーに基づく所望の深さで静止する。

イオン源チャンバ１０２は典型的には、荷電イオン及び電子（プラズマ）を形成するために、チャンバ内に導入されたフィードガスをイオン化する加熱フィラメントを含む。加熱素子は、例えばバーナス型ソースフィラメント、間接加熱陰極（ＩＨＣ）アセンブリ又は他の熱電子源とすることができる。特定のドーパント特性を有するイオンビームを得るために種々のフィードガスがイオン源チャンバに供給される。例えば、比較的高いチャンバ温度でのＨ_２，ＢＦ_３及びＡｓＨ_３の導入は高い注入エネルギーを有する単原子に分解される。高い注入エネルギーは通常２０ｋｅＶより高い値と関連する。低エネルギーイオン注入においては、例えばデカボラン、カルボランなどの重い荷電粒子が低いチャンバ温度でイオン源チャンバ内に導入され、低い注入エネルギーを有するイオン化された分子の分子構造を保存する。低注入エネルギーは典型的には２０ｋｅＶより低い値を有する。特定のフィードガスが所望のイオン種を生成するためにイオン源チャンバ供給されると、追加の望ましくない種（イオン種又は中性種のいずれか）も生成され得る。これらの望ましくない種は典型的には低い蒸気圧を有し、凝結してイオン源チャンバの内面に付着し得る。例えば、ホスフィン（ＰＨ_３）がイオン源チャンバに供給される場合、燐（Ｐ）堆積がチャンバ壁に生じ得る。デカボラン及びカルボランなどの重い分子がイオン源チャンバに供給される場合、イオン源チャンバ及び電極上の望ましくない堆積がより多くなる。これらの固体堆積はチャンバ壁の電気的特性（電圧安不定性）を変化させ、イオン源開口からのイオン引出しを妨害する可能性があり、それによって不安定なイオン源動作及び不均一なビーム引出しを生じる可能性がある。

イオン源チャンバを洗浄するために使用される一つの方法は、例えば三フッ化窒素（ＮＦ_３）、二塩素（Ｃｌ_２）、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）などの洗浄ガスを導入し、プラズマエンハンスト化学反応により堆積された望ましくない材料をエッチ除去するものである。これらのガスは典型的には高い流量でイオン源チャンバに供給される。しかし、洗浄プロセスを一旦始めたら、イオン源チャンバへの洗浄ガスの供給をいつ停止するかを決定しなければならない。現在、この終点の決定はイオン注入装置に加えて他の装置を必要とする。例えば、残留ガス分析装置（ＲＧＡ）又は発光分光装置をイオン源チャンバ洗浄の終点検出のために使用することができる。ＲＧＡはイオナイザ、質量分析器及びイオン検出器を含む。ＲＧＡはビームラインの外で中性種を分析し、ガス中に存在する種々の種の相対強度を示すスペクトルを出力する。ガスからのイオンはＲＧＡの分析器によってそれらの質量で区別される。ガス中に存在する種がイオン源チャンバを構成する材料に一致することをＲＧＡが検出すると、洗浄処理は停止される。しかし、終点検出のためにＲＧＡを使用することは注入装置自体の他にもう一つの装置を必要とすることになる。加えて、ＲＧＡはイオン源内で生成されイオン源から引き出されるイオンを検出しないで、真空システム内の全域から出る中性のガス原子及び分子を検出している。従って、既存の装置又はツールを利用してイオン源洗浄プロセスの終点を検出することが必要とされている。

本発明の模範的な実施形態はイオン源洗浄の終点を検出する装置及び方法に関する。一つの模範的な実施形態においては、イオン注入システムは電気的に導電性の材料の内壁により画成されたイオン源チャンバを備える。イオン源チャンバは洗浄ガスの導入に応答してイオンを発生する。イオン源チャンバはイオンが引き出される開口を含む。質量分析マグネットがイオン源チャンバの下流に配置される。質量分析マグネットは特定の質量対電荷比を有するイオンをイオンビームから選択するように構成される。ファラデーカップが質量分析マグネットの下流に配置され、イオンビームを受けるように構成される。ファラデーカップに結合された電流計はファラデーカップで受け取られたイオンを表す信号を出力するように構成される。この信号はイオン源チャンバの電気的に導電性の材料及び洗浄ガスと関連するイオンを表す。

一つの模範的な方法においては、洗浄ガスがイオン源チャンバ内に所定の期間に亘って導入される。イオン源チャンバは電気的に導電性の材料からなる内壁を有する。洗浄ガスはイオン源チャンバ内でイオン化され、イオンビームとして引き出される。イオンビームのイオンの質量スペクトルが検出され、その質量スペクトルが、イオン源チャンバの電気的に導電性の材料がイオンビーム内に比較的一定の割合で前記所定の期間に亘って存在することを示すときに、洗浄プロセスが停止される。

代表的なイオン注入装置のブロック図を示す。 本発明の一実施形態によるイオン源の断面ブロック図である。 本発明の一実施形態によるイオン注入装置の模範的な部分簡略ブロック図である。 本発明の一実施形態による図２及び図３に示されるイオン源からの信号の模範的な質量スペクトルである。 本発明の一実施形態によるＸＹ＋信号のスペクトルの時間変化を示す模範的なグラフである。 イオン源チャンバを洗浄するプロセスを示すフローチャートである。

本発明は、本発明の好適な実施形態を示す図面を参照して以下に更に十分に説明される。しかしながら、本発明は多くの異なる形態に具体化でき、本明細書に開示される実施形態に限定されるものと解釈されるべきでない。むしろ、これらの実施形態は、本開示を完全なものとし、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるために与えられている。図面において、同じ番号は全図を通して同じ素子を示す。

図２は、基板内に注入するイオンを発生させるために使用されるイオン源チャンバ２００を全体的に示す断面ブロック図である。イオン源チャンバ２００はイオンが引き出される開口２２０を含む。チャンバ２００の内壁は電気的に導電性（例えばタングステン）であり、イオン化領域を画成する。このイオン化領域内において、例えば燐（Ｐ）及び砒素（Ａｓ）などのソース元素を有するドーパントガスにエネルギーが与えられて関連するイオンが発生される。ドーパントガスから形成されたイオンは、プラズマ電極２１５、サプレッション電極２１６及び接地電極２１７を備える電界発生用の標準のスリー（３）電極構成によって、イオン源チャンバ２００から開口２２０を経て引き出される。サプレッション電極２１６は接地電極２１７から離間されているように示されているが、これは図示のためにすぎず、両電極は絶縁体を介して互いに物理的に接触している。プラズマ電極１１５はイオン源チャンバ２００と同じ大きな電位にバイアスすることができる。サプレッション電極２１６は電源に接続され、典型的には、電子がイオン源チャンバ２００内に戻るのを阻止するために、中程度の負値にバイアスされる。接地電極２１７はサプレッション電極２１６の下流に配置され、接地電位にされる。これらの電極により発生される電界の強さは、チャンバ２００内に発生されたイオンから所定の種類のイオンビームを引き出すために所望のビーム電流に調整することができる。

イオン源チャンバ２００は、イオン源チャンバ２００の一端に配置された陰極／フィラメントアセンブリ２３０を含む間接加熱型の陰極チャンバである。フィラメント２３１は陰極２３２に近接してチャンバ２００の外に配置される。フィラメント２３１には、フィラメントを加熱して熱電子を発生させるために、フィラメントに十分な電流を流す電圧が供給される。これらの熱電子をフィラメント２３１から陰極２３２へ加速させて陰極を加熱させるために陰極２３２をフィラメントよりも正にバイアスすることによって、陰極２３２はフィラメント２３１により間接的に加熱される。陰極２３２は熱電子をイオン源チャンバ２００内に放出し、これらの熱電子はプラズマ形成チャンバ内に導入されたドーパントガスをイオン化する。リペラ２１０は典型的にはイオン源チャンバ２００の反対端に配置され、陰極２３２と同一電圧にバイアスされる。放出された電子は陰極２３２とリペラ２１０との間に閉じ込められ、ドーパントフィードガスと衝突して所望の特性を有するプラズマを生成する。

前述したように、所望のイオン種を生成するためにフィードガスがイオン源チャンバに供給されるとき、追加の望ましくない種も生成され、それらがチャンバ２００の内壁に堆積し得る。通常（非洗浄サイクル）のイオン源動作中、導管２１２はドーパントガスをイオン源チャンバ２００に導入するために使用される。洗浄動作中、導管２１２は矢印２１２で示されるように洗浄ガスをチャンバ２００に導入するために使用される。例えば、三フッ化窒素（ＮＦ_３）又は二塩素（Ｃｌ_２）などの反応性洗浄ガスをチャンバ２００内に導管２１２を介して比較的高い流量（例えば、１００sccm以上）で供給することができる。これらの洗浄ガスの導入は現位置で実行され、ドーパント種と同時に導入することができ、また装置停止中及び／又は種交換の間に別の洗浄プラズマとして導入することができる。例えば、ＮＦ_３がチャンバ２００に導入されるとき、ＮＦ_３の窒素含有及びフッ素含有分子及び原子への分離により原子状フッ素が発生する。これらのフッ素含有洗浄ガスはイオン源チャンバ２００の内部でプラズマ化学反応及び／又は熱化学反応を受け、それによってフッ素の高度に反応性の準安定種を発生する。これらの種はチャンバ２００の壁上に形成された堆積物をエッチングする。このように、プラズマがチャンバ２００の内壁上の堆積物を除去するために使用される。一度除去されれば、堆積物はガス状又は揮発性化合物に変換され、プラズマ電極２１５、サプレッション電極２１６及び接地電極２１７によってチャンバ２００から抽出される。

図３は図１に示すイオン注入装置の第１の部分の簡略ブロック図を示す。特に、イオン注入装置のこの部分は、イオン源２００（引出し電極は省略されている）、質量分析マグネット２０６、質量分解スリット２６０及びファラデーカップ２７０を含む。例えば、減速段、コレクタマグネット及びワークピースプラテンなどの下流のコンポーネントは説明を簡単にするために省略されている。上述したように、洗浄ガスはイオン源チャンバ２００に導入され、イオン化され、ビーム２５０を質量分析マグネット２６０に供給するために引出し電極によって引き出される。分析マグネット２６０は所望のイオン種を選択するために使用され、所望のイオン種は磁場中を走行して開口２６１を有する質量分解スリット２６０を通過する。ファラデーカップ２７０は、ビームがコレクタマグネット及び／又は下流の加速／減速段へ進む前にビーム全体を捕捉するために、質量分解スリット２６０の下流に配置される。ファラデーカップは分析されたビーム２５０の電流を測定するために使用される。この構成では、ファラデーカップ２７０は分析されたビーム２５０を受け、ビーム２５０の代表電流に基づく電流を発生する。ファラデーカップ２７０はアンペア数(例えばｍＡ)を検出するために電流計に接続され、質量分解スリット２６０の開口２６１の面積に基づいて、ファラデーカップ２７０で受けたイオンビームの電流（例えばｍＡ／ｃｍ^２）を決定する。

イオン源チャンバ２００の洗浄中、チャンバの内壁上の堆積物は引き出されるイオンビームによって除去される。所望のビームを質量スリット２６１に集めてファラデーカップ２７０で受けるために、質量分析マグネット２０６を洗浄プラズマにより発生されるイオンの質量に設定することができる。特に、抽出されるイオンビームは洗浄ガスとチャンバ２００の内面を形成する材料（例えばタングステン）からなる特定の質量スペクトル信号を生じる。図４Ａは、洗浄ガスがチャンバに導入され、ファラデーカップ２７０で検出される場合にイオン源チャンバ２００から抽出されるイオンビームの質量スペクトルの一例である。特定の圧力において受け取られるイオンビームの質量スペクトルは、チャンバ２００の内壁を構成する材料と洗浄ガスの反応によって発生されるＸＹ＋として示す信号部分を有する。例えば、チャンバ２００がタングステンからなり、洗浄ガスがＣｌ_２である場合には、ファラデーカップ２７０で受け取られるイオンビーム信号の質量スペクトル（ＸＹ＋として示す）は塩素とタングステンからなる。洗浄プロセスの開始時においては、洗浄剤はチャンバ２００内に堆積された材料を除去しているため、タングステンのレベルは相対的に低い。洗浄プロセスが継続するにつれて、堆積物で覆われたチャンバ２００の面積が小さくなり、質量スペクトル分析で明らかになるように、イオンビーム内に存在するタングステンの量が増大する。これは図４Ｂに示されており、洗浄ガス及びイオン源チャンバ材料を含む信号のＸＹ＋成分は、洗浄プロセスの開始時にチャンバ２００から多量の堆積物が除去されるために増大し始め、ｔ_０時に横ばいになる。これは多量のチャンバ材料がＸＹ＋信号内に検出されていることを示す。検出されるチャンバ材料が一定になることは、除去すべき堆積物はもはや残存せず、チャンバは清浄になったことを意味する。代わりに、ＸＹ信号内の洗浄剤（例えば塩素）の量を検出するのみとすることもできる。この場合には、洗浄剤のレベルは洗浄プロセスの開始時に高く、ｔ_０時に零近くに減少してチャンバが清浄になったことを示す。イオンビーム信号の模範的な質量スペクトル（ＸＹ＋）は塩素及びタングステンを含むが、本システムはチャンバ２００の表面内部を構成するタングステン又は他の材料を測定するように構成することができる。チャンバ材料（及び／又は洗浄剤）と関連するイオンの存在をファラデーカップ２７０で検出することによって、質量スペクトル分析を用いて洗浄時間及び洗浄状態を制御することができる。このように、イオン源チャンバが追加の器具を必要とすることなく注入ツールの使用によって清浄化される時点を決定するために本終点検出プロセスを使用することができる。

図５は、洗浄プロセスの終点を決定するために質量スペクトル分析を利用する、イオン注入装置のイオン源チャンバを洗浄する方法を示すフローチャートである。ステップＳ−１０において、三フッ化窒素（ＮＦ_３）、二塩素（Ｃｌ_２）、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）などの洗浄ガスが導管２１２を経てイオン源チャンバ２００に導入される。ステップＳ−２０において、洗浄ガスは、適切な温度及び流量で供給されることによって、チャンバ内でイオン化される。ステップＳ−３０において、洗浄ガスがイオン源チャンバ内で高度に反応性のエッチャント原子にイオン化及び／又は分解されるにつれて、イオンビームがイオン源チャンバから引き出される。ステップＳ−４０において、イオン注入ツールの質量分析マグネットが洗浄プロセスにより発生されるイオンの質量対電荷比に設定される。ステップＳ−５０において、イオンビームがファラデーカップ２７０により検出され、ステップＳ−６０において、ＸＹ+信号を有するイオンビームの質量スペクトルが決定される。ステップＳ−７０において、チャンバ材料の存在がイオンビームの質量スペクトルに検出され、その存在量が時間の経過とともに一定になるとき、チャンバ洗浄プロセスが停止される。このように、既存のインライン注入ツール又は装置を用いてイオン源から発生され受領されるイオンビームの質量スペクトル分析を利用することによって、イオン注入装置のイオン源チャンバを洗浄するプロセスの終点を検出することができる。

本発明をいくつかの実施形態について開示したが、開示した実施形態には添付の特許請求の範囲で特定される本発明の範囲から逸脱することなく多くの変更及び変形を加えることが可能である。従って、本発明は開示した実施形態に限定されず、添付の請求項の言語及びその同等言語によって特定される全範囲を含むことを意図している。

Claims (11)

1. イオン源チャンバの洗浄の終点を検出する方法であって、
   洗浄ガスを電気的に導電性の材料からなる内壁を有する前記イオン源チャンバに所定の期間に亘って導入するステップ、
   前記洗浄ガスを前記イオン源チャンバ内でイオン化するステップ、
   前記イオン化されたガスを前記イオン源チャンバからイオンビームとして引き出すステップ、
   前記イオンビーム内のイオンの質量スペクトルを検出するステップ、
   前記イオンビーム内のイオンの前記質量スペクトルが、前記イオン源チャンバの前記電気的に導電性の材料が前記イオンビーム内に比較的一定の割合で前記所定の期間に亘って存在することを示すときを決定するステップ、
   を備える、方法。
2. 前記質量スペクトルが、前記電気的に導電性の材料が前記イオンビーム内に比較的一定の割合で存在することを示すときに、前記イオン源チャンバへの前記洗浄ガスの導入を停止するステップを更に備える、請求項１記載の方法。
3. 前記イオンビーム内のイオンの質量スペクトルを検出するステップは、前記洗浄ガスを表す信号を発生するステップを含む、請求項１記載の方法。
4. 前記イオンビーム内のイオンの質量スペクトルを検出するステップは、前記電気的に導電性の材料を表す信号を発生するステップを含む、請求項１記載の方法。
5. 前記イオンビーム内のイオンの質量スペクトルを検出するステップは、前記イオンビーム内のイオンをファラデーカップを用いて検出するステップを含む、請求項１記載の方法。
6. 前記イオン源チャンバからの前記イオン化されたガスは前記チャンバの内壁からの堆積物を含む、請求項１記載の方法。
7. 前記電気的に導電性の材料はタングステンである、請求項４記載の方法。
8. 前記電気的に導電性の材料はグラファイトである、請求項４記載の方法。
9. 電気的に導電性の材料の内壁により画成されたチャンバを備え、該イチャンバに導入される洗浄ガスに応答してイオンを発生し、前記イオンを引き出す開口を有するイオン源チャンバ、
   前記イオン源チャンバの下流に配置され、前記イオンビームから特定の質量対電荷比を有するイオンを選択するように構成された質量分析マグネット、
   前記質量分析マグネットの下流に配置され、前記イオンビームを受けるように構成されたファラデーカップ、及び
   前記ファラデーカップに結合され、前記ファラデーカップで受けたイオンを表す信号を出力するように構成された電流計を備え、前記信号は前記イオン源チャンバの前記電気的に導電性の材料及び前記洗浄ガスと関連するイオンを表し、前記イオン源チャンバの前記電気的に導電性の材料及び前記洗浄ガスと関連するイオンを表す前記信号が所定の期間に亘って比較的一定になるとき、前記洗浄ガスが前記チャンバに導入されなくなるように構成された、イオン注入システム。
10. 前記洗浄ガスは三フッ化窒素（ＮＦ_３）である、請求項９記載のシステム。
11. 前記洗浄ガスは二塩素（Ｃｌ_２）である、請求項９記載のシステム。

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