JP3856846B2 - Ｐｉ３装置および方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、浅い接合デバイスという特定の応用例に関して、イオン注入により半導体材をドーピングする方法および装置に関する。
【０００２】
【従来技術および発明が解決しようとする課題】
現代の電子装置は半導体材料に基づいている。半導体材料は電子がほとんど移動できない結晶構造をもち、そのため本来の伝導性は非常に低く電子デバイスとして使用できない。電流担体を与えるためには微量なある種のタイプの不純物を結晶格子に加える必要があることは知られている。これら不純物を加える工程は“ドーピング”として知られている。初期のドーピング技術は、半導体ウェーハをドーパントから成るガスで取り囲み、不純物原子が格子構造内に拡散するように高温を十分に上げることにより達成された。
【０００３】
ドーパントの空間的な一様性および濃度をより正確に制御する必要性が増大し、イオン注入器として知られる装置が必要な不純物を結晶に加えるための有用な機器となった。これら注入器は、ドーパントイオンビームのエネルギー、位置及び走査速度を非常に正確に制御する、大きくて複雑な装置である。最近、浅い接合の形成のために、ラスター走査イオン注入器が、１０ｋＶ以下といった低エネルギービームの条件の下で、特にドーズ量および生産率、すなわちウェーハスループットの条件が高いときに制限を受ける。ＰＩ³（プラズマイマーションイオン注入）として知られる他の方法は、ドーズ量率がより低いエネルギーで高く、装置が高価でないために研究されている。従来のＰＩ³は真空チェンバー内で連続プラズマを使用する方法である。
【０００４】
発明者が共同発明者の一人であり、本出願人に譲渡された１９９２年３月３日に出願されたアメリカ出願第８４４，３５３号の出願において、ＰＩ³の概念がプラズマチェンバー壁に取り付けられた円筒状のターゲットと関連して動作周期を変えることのできるイオン加速パルスを使用することで改良されている。この出願は浅い接合、低エネルギー高電流注入において改良をなしているが、このアプローチにはいくつかの問題がある。ウェーハの背後の電極がイオンの打ち込みから本質的に完全にシールドされたときでさえ、プラズマエッチングのために思いがけない不純物がチェンバー内に存在し、注入される。また、大きな粒子がプラズマ内に形成され、ウェーハ表面に付着する。
【０００５】
本発明の目的は、従来技術のＰＩ³の汚染および粒子の問題を解消し、同時にどの薄い誘電体も破壊することなく浅い接合注入を高い生産率で行うことである。
【０００６】
本発明の他の目的は、十分な一様性をもち注入ドーズ量が制御された、高価でなく、高いスループットをもつ、半導体ＰＩ³のための装置を提供することである。
【０００７】
【発明の要約】
ＰＩ³を達成する方法は、一対の電源、ウェーハを支える第１の電極に印加される非常に短い負のイオン化パルス、およびこれに続いて、電子の中性化を行うために第１の（ウェーハ）電極に向いている第２の電極に印加される短いイオン化パルスを利用する。
【０００８】
第１の電極のイオン化パルスのオンタイムおよび動作周期は、粒子がＢＦ₃プラズマ内で成長することのないように十分に短いものにされている。
【０００９】
【実施例】
アメリカ特許第４，７６４，３９４号（Cornad)に説明されたような、従来技術のＰ１³装置および方法はホット陰極プロセスといわれ、正のイオンを生成するためにプラズマを連続して維持し、イオンをワークピースへと加速するために負の電圧パルスを印加する。バークレーでのチェングによる初期のＰ１³の研究、バリアン研究所での研究ではまた、連続電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）が操作され、ＢＦ₃ガス内でプラズマ放電が形成され、正のイオンをウェーハへと加速するためにウェーハの背後にある第１の陰極に負の高パルスが加えられた。連続して形成されるプラズマの使用は、(１)チャンバーからエッチされ、ウェーハ内に注入される不純物を著しく集中させ、(２)ウェーハ表面上に付着される粒子を大きなものに形成することが発見された。実験により、連続ＢＦ₃プラズマ放電がウェーハと同様にチャンバーの露出面をエッチする非常に活性化した種を含むことを示す。また、（ほとんどはシリコンの）粒子はその表面で連続して成長し、付着する。
【００１０】
所望のインプランテーションを得るが、これらの問題の両方を避けるために、コールド陰極放電と知られるプロセスを使用し得ることを見いだした。コールド陰極プロセスガスをイオン化するために二次放出電子に依存する。特に、チャンバー内で連続したプラズマはなく、負の高パルスを使用することで、パルスが加えられたときに、きまった場所にのみプラズマが生成される。
【００１１】
６インチのウェーハに対し、第１のパルスは低動作周期で１０マイクロ秒のオーダーのもの、すなわち１％のものが望ましい。しかし、第１のパルス幅が１５ミリ秒のオーダー以下であるならば、顕著な粒子の形成が生じないことがわかった。より小さい直径のウェーハに対してはより短い幅のパルスが本発明の効果を奏する。連続プラズマに対しては、１５ミリ秒の後、粒子は臨界的な直径に達し、非常に集中して表面上に形成され、付着する。
【００１２】
また、電子源に対し第２のコールド陰極に非常に短い高電圧パルスを加え、酸化物の破壊を防止するために、ワークピースへと流れる電子を中性化することが採用されている。
【００１３】
図１において、アルミニウム合金のチェンバー９がポンプ１２により排気され、１ミリトルのオーダーの圧力にされ、ＢＦ₃がボトル１１から質量流コントローラ１０を経てチェンバーに導入される。ウェーハ６がチェンバー９の壁に電気的に接続された環状の円筒状壁５により電気的にシールドされている。ＰＳ１、すなわち負の５ｋＶのオーダーのパルスを与えるための高電圧源（電源）３が導線１４を介して電極４に接続されている。電流センサー１３が導線１４にある。チェンバー内に、電子源７が電極４に関し中心を揃えるが電極４から離れて配置され、一様流の電子が第２の電源ＰＳ２から電極７に印加される大きな負のパルス、すなわち負の２ｋＶのオーダーのパルスに応答してウェーハに加えられる。２つの電源ＰＳ１およびＰＳ２は、それらが正確に同調したパスルをもち得るように、一つのトリガー１源に関してタイミングがそれぞれ取られている。
【００１４】
ガスが前以てイオン化されることがないので、電極４への５ｋＶのオーダーのパスル化された負の電圧が、電極４から等電位のチェンバー壁へと電気力線を形成する。
【００１５】
電子は軽く、非常に移動性があり、電気力線のすべてが電極４の表面に収束しているので、ウェーハ６の近傍の電子が、パルスが印加されたときにガスがら剥ぎ取られる。これがその領域に形成され、より移動の遅い正のイオンが取り残される。これらのイオンは次に加速され、ウェーハ内に注入される。ドーズ量の注入の一様性は、一シグマ分布に対し、６インチのウェーハにわたって２％のオーダーである。
【００１６】
幅の短いイオン化パルスはチェンバー壁のエッチングを完全に除去することはなく、パルスが印加されているときのみであるが不純物が形成される。
【００１７】
図３（ａ）および図３（ｂ）において、ＰＳ１からの電圧パルス（列）３０の後に直ぐにＰＳ２からの電圧パルス３１が続く。パルス列３０のパルス幅Ｗは好適に１〜３０マイクロ秒で、パルス周期は１００Ｗのオーダーである。ＰＳ２のパルス幅Ｗ′は同じオーダーである。パルス３０および３１の両方は図示上の便宜から正の形にして描かれている。良いデバイス／全デバイスの再現割合の観点から見た最良の製造収量はパルス３０の終わりの直後にパルス３１が続いたときに得られる。しかし、図３（ｃ）および図３（ｄ）に示されているように、パルス３０′および３１′は、電子がイオンの注入と同時に誘電体を中性化するように重ね合わせることができる。理由は分からないが、本発明の利点のいくつかが得られるものの、許容できるデバイスの収量はこのような重なるパルスではそれほど高くなく、再現性もよくない。
【００１８】
コールド陰極７は、汚染を与えない材料から選択され、またはこのような材料で被覆されている。高純度のアモルファスカーボンが好適であるが、フッ素プラズマのもとで不活性であるためＮｉもまた利用可能である。電極７の表面の幾何形状はまた重要である。粗面化方法により電子放出効率が電子フラッディング（flooding)密度を増加させるために有用であることがわかった。ほぼ凹状の外面は平坦なデバイスの場合よりもより広い表面領域を与え、ウェーハ表面で一様な電気力線を形成する。
【００１９】
注入されたウェーハをアニールした後、シート抵抗が１３０〜１Ｋオーム／□で、好適には１５０オーム／□で、結合深さが約９００Åであることが証明された。また、粒子の総計はノンクリーンルームの環境（粒子の直径が０．３→２．５μｍ）で、１粒子／ｃｍ²以下である。ＢＦ₃ＥＣＲプロセスと比較すると、ＢＦ₃ＥＣＲでは数オーダー大きい。
【００２０】
図２において、電流センサー１３がドーズ量コントローラ２５に接続されていることが示されている。この実施例のおいて、ドーズ量セレクション２９に応答するドーズ量コントローラは注入の間にその進行状態を測定でき、所望のドーズ量が達成されたとき電源２および３が切られる。
【００２１】
ＰＳ１およびＰＳ２が誘導性電源であるから、パルス電流を瞬時に切ることは不可能である。このことは、ドーズ量コントローラが注入されたイオンドーズ量を決定することを複雑にする。イオン注入電圧パルスが１０ｋＶ以下である限り、シリコンのウェーハ表面で生成される二次電子は３％以下である。したがって、ＰＳ１を切ったとき、センサー１３により測定された電流パルス波形は図４（ａ）に図示する形をもつ。この波形の領域４１は、電流がＰＳ２からのパルスに応答するウェーハ６の表面に流れる正のイオン流を表す。図４（ａ）に示されているように、領域４２に表される電流の波形は、電源からの誘導電流のため電流が瞬時に停止しないことによる。正のイオンのドーズ量を測定するために、正のイオン電流によらない波形４０の部分４２を除去することが必要である。検知された電流波形４０を波形４４（パルス４１の立ち上がりおよび立ち下がり時をたどるが、領域４３に示されるように、反対極の部分４２が完全に除去されている）に変換する回路を提供する。波形４４を形成すると、全イオン注入の測定、すなわち時間の関数でドーズ量を測定するために各パルスを積分することが可能である。
【００２２】
図５のブロック図はドーズ量制御回路素子を示す。入力信号５９はゼロ電位に関し２つの極を有する電流波形をもつ。信号５９は電子シャッター５０により受信される。
【００２３】
電子シャッターにはまた、手動のパルス幅アジャスタ５１′を有するパルス幅セレクタ５１が接続されている。パルス幅セレクタ５１に、トリガー発生器からの基準トリガーが接続される。所望のパルスシャッター機能を達成し得る多くのいろいろな回路がある。以下で説明する回路は置き換え可能なものであり、多くの他の回路もまた置き換え可能である。
【００２４】
パルス幅セレクタ５１からのパルスの幅が図４（ａ）の正の部分４１と正確に同じ幅であるとき、シャッター５０の出力は接地に切り替わり、負の部分４２が除去され、積分器５２への信号５５は図４（ｂ）に示されているようになる。積分器５２の出力６４はドーズ量の指標として利用可能で、比較器５４に与えられる。比較器５４は選択調節５３を受け、基準レベルとして安定な電圧ドーズ量の調節を成し遂げる。積分されたアナログ電圧６４が基準５３を越えると、比較器５８は信号５８を送り、電源３を切り、ワークピースの注入を終える。
【００２５】
図６において、図５に示すブロック図の機能を成し遂げ得る回路の詳細が示されている。トリガー回路５１はナショナル・セミコンダクタ・コーポレイション社製の３９０５Ｎチップに基づいている。ピン２とピン３の間に接続された、調節可能な５００オームの抵抗は３０巻の正確な抵抗である。この回路はＲＣ時定数がそのオンタイムを決定するタイマー回路である。標準的なワンショットマルチバイブレータ回路のような他の回路がこの条件を満たす。
【００２６】
３９０５Ｎチップのピン６のパルスがハリスコーポレイション社製ＨＩ−３０１チップのピン６に接続される。そのＨＩ−３０１チップは高速スイッチ回路である。その高速スイッチ回路はピン６の入力が“ハイ”である限り、ピン２の入力信号を出力ピン４へと通過させ、ピン６が“ロー”になると、ピン４の出力が接地されたピン７に信号を進める。タイマー回路（セレクタ）５１の“オンタイム”を手動で調節するためにオシロスコープを使用して、シャッタースイッチング時間が、１．０マイクロ秒のパルサ電圧のパルスオフタイム以内に極めて容易に調節された。
【００２７】
ＨＩ−３０１のピン４からの出力は、アナログ・デバイス社製のＯＰ−ＡＭＰ８２７をまたぐように接続された積分器（回路）５２に接続される。手動パルスイッチＳＷＩが時定数を選択できるようにフィードバックにして接続されている。その積分器は図８により詳細に示されている。
【００２８】
増幅器６０は図７（ａ）により詳細に示され、ナショナル・セミコンダクタ・コーポレイション社製の一つの４４４チップの電圧フォロアである。増幅器６０の出力は比較器５４に接続され、比較器５４は二つの入力ピン５および４のレベルに依存して５Ｖとゼロとの間を切り替える、モトローラ社製の３３０２チップのピン２に出力を与える。ピン４の電圧はピン４に接続された２００オーム電位ディバイダーを調節することにより選択可能なので、利用者は比較器の出力が切り替えるドーズ量のレベルを調節できる。比較器５４の出力は電圧フォロアに接続されている。その電圧フォロアは制御回路を駆動し、所望に次から次ぎへと高電圧パルス発生器を停止することができる。図６に詳細に示されている電源駆動回路６２が一例である。電源駆動回路６２は図９に詳細に示されているパルスコントローラ１００に接続されている。タイマー８１がオプトアイソレータ８４を介してパルス発生器８３を駆動するために、ナショナル・セミコンダクタ・コーポレイション社製のＤＭ７４Ｌ５１０９ＡＮに接続されている。パルス発生器８３はヴェロニクス・インク社（カリフォルニア州サンディエゴ）製のＭｏｄｅｌ３５０である。
【００２９】
本発明はここで説明した特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲での変形例を含む。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本ＰＩ³装置の略示ブロック図である。
【図２】 自動ドーズ量コントローラを含む、本ＰＩ³装置の詳細なブロック図である。
【図３】 図３ａおよび図３ｂは陽極パルスと陰極パルスとの好適な関係を示すタイミング図である。
【図４】 図４ａは陽極回路の一連の電流センサーで測定された電流を示し、図４ｂは図４ａの負の部分を除去した後の陽極電流を示す。
【図５】 ドーズ量コントローラの略示ブロック図である。
【図６】 好適なドーズ量コントローラの略示図である。
【図７】 図７（ａ）は図６の図示の増幅器の略示図で、図７（ｂ）は図６の他の増幅器の略示図で、図７（ｃ）は図６の高電圧パルスコントローラの略示図である。
【図８】 図６の集積回路の略示図である。
【図９】 図６のパルスコントローラの略示図である。
【符号の説明】
１ トリガー ２ 電源
３ 電源 ４ 電極
５ 円筒状壁 ６ ウェーハ
７ 電子源 ９ チェンバー
１０ 質量流コントローラ １１ ボトル
１３ センサー １４ 導線
２５ ドーズ量コントローラ ２９ ドーズ量セレクション
５０ 電子シャッター ５１ パルス幅セレクタ
５２ 積分器 ５４ 比較器
６２ 電源駆動回路

Claims (21)

1. 半導体ウェーハにイオンを注入するプラズマエイマーションイオン注入（ＰＩ³）方法であって、
   イオン化可能なガスを含む、低圧のチェンバー内の第１の電極上に前記ウェーハを支持する工程と、
   第１の短い持続期間の高電圧パルスを前記第１の電極に与え、少なくとも前記ウェーハの極近傍で前記各パルスに応答して短い持続期間のコールド陰極プラズマを誘導する工程と、
   から成り、
   前記第１のパルス持続期間が、前記ガスのコールド陰極イオン化を開始し、かつ前記極近傍の前記プラズマから前記ウェーハに向けて正のイオンを加速するのに十分に長く、前記ウェーハ上に付着する粒子を形成する反応時間に対し十分に短く、１から３０マイクロ秒の範囲にある、ところの方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   前記プラズマが前記第１の短い持続期間の高電圧パルスを適用した直後に、二次放出電子により、ＢＦ₃のガス分子から電子を剥ぎ取ることにより形成され、
   負のシース電圧が前記第１の電極の極近傍に形成される、ところの方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、
   前記第１の短い持続期間のパルスが１０マイクロ秒である、ところの方法。
4. 請求項３に記載の方法であって、
   前記第１の短い持続期間のパルスが動作周期の１パーセントである、ところの方法。
5. 半導体ウェーハにイオンを注入するプラズマエイマーションイオン注入（ＰＩ³）方法であって、
   排気されたチェンバー内の第１の電極上に前記ウェーハを支持する工程と、
   第１の短い持続期間の高電圧パルスを前記第１の電極に与え、少なくとも前記ウェーハの極近傍で前記各パルスに応答して短い持続期間のＤＣプラズマを誘導する工程と、
   前記ウェーハの表面に形成される正電荷を、その電荷形成が、電場誘導による前記ウェーハ表面上の誘電体の破壊を生じさせるのに十分大きくなる前に、中性化するために、表面電荷の中性化電子流を前記ウェーハに与える工程と、
   から成り、
   前記第１のパルス持続期間が、前記極近傍の前記プラズマから前記ウェーハに向けて正のイオンを加速するのに十分に長く、前記ウェーハ上に付着する粒子を形成する反応時間に対し十分に短く、１から３０マイクロ秒の範囲内にあるところの方法。
6. 請求項５に記載の方法であって、
   表面電荷に中性化電子流を与える工程が、
   前記排気されたチェンバー内にコールド陰極電子源を備える工程と、
   前記コールド陰極電子源に第２の高電圧パルスを繰り返して送る工程と、
   から成り、
   前記電子源にパルスを送ることが前記第１の高電圧パルスと同期してタイミングが合わせられる、ところの方法。
7. 請求項６に記載の方法であって、
   前記第２の高電圧パルスが、前記第１の高電圧パルスが切られた瞬間に入れられる、ところの方法。
8. 請求項５に記載の方法であって、
   前記プラズマが、前記短い持続期間の高電圧パルスによりＢＦ₃ガス分子から電子を剥ぎ取ることで形成され、負のシース電圧が前記第１の電極の極近傍に形成され、そのシース電圧は正のプラズマイオンを前記第１の電極に向けて加速させる、ところの方法。
9. 請求項８に記載の方法であって、
   動作中、最適の濃度をもつ前記ＢＦ₃ガスを含む排気されたチェンバーの圧力が１ミリトルである、ところの方法。
10. 請求項６に記載の方法であって、
    負のバイアス電圧が、負に帯電した粒子が前記ウェーハ表面上に到達することを防止するために、前記ウェーハに印加する、ところの方法。
11. 非ラスター走査の注入装置であって、
    壁を有する真空チェンバーであって、前記壁のひとつに電極が設けられ、前記電極がウェーハ内に正のイオンを注入するために、ウェーハを支持する、少なくとも一つの平坦面を有するところの真空チェンバーと、
    前記電極の前記平坦面に向かって大きな断面領域をもつ電子流を与えるために前記チェンバー内に取り付けられる、前記ウェーハの正電荷を中性化する電子源と、
    前記チェンバーに、前記ウェーハに流入する所望のドーパントを含む、イオン化可能なガス源を与える手段と、
    第１および第２の高電圧パルスを与える手段であって、前記第１の高電圧パルスが、前記ドーパントの前記イオン化可能なガスから正イオンを生成するためのコールド陰極イオン化電場を形成し、かつ前記ドーパントを前記電極に加速するために、前記電極と前記チェンバーとの間に加えられ、前記第２の高電圧パルスが、前記第２のパルスに応答して前記電子源から電子を生じさせるために、前記電子源と前記チェンバーとの間に加えられる、ところの高電圧を与える手段と、
    前記第１および第２の高電圧パルスとの間の同調関係を可能にするために、前記第１および第２の高電圧パルスを与える手段に接続される同調トリガー手段と、から成る装置。
12. 請求項１１に記載の装置であって、
    前記電極電流検知手段を含み、
    該電極電流検知手段が、前記第１の高電圧パルスに応答するウェーハへの注入イオン電流に応答して前記電極電流を示す出力信号を与えるために、前記電極と前記第１および第２の高電圧パルスとの間に接続される、ところの装置。
13. 請求項１２に記載の装置であって、
    前記電極電流検知手段の前記出力信号に接続され、かつ前記同調トリガー手段に接続されるドーズ量コントローラを含み、
    前記ドーズ量コントローラが、前記ウェーハに注入されるドーパントのドーズ量を表す信号を決定するために、前記注入イオン電流の時間積分を計算する手段を含む、ところの装置。
14. 請求項１３に記載の装置であって、
    前記ドーズ量コントローラが
    前記ドーズ量を表す前記信号を選択されたドーズ量の終止点信号と比較するための手段、および
    前記ドーズ量終止に達したとき、前記比較に応答して前記第１および第２の高電圧パルスを与える前記手段により与えられるパルスを停止する手段、
    を含む、ところの装置。
15. 請求項１１に記載の装置であって、
    前記電子源がプラズマ種に化学的に不活性な電気的伝導材である、ところの装置。
16. 請求項１１に記載の装置であって、
    前記電子源がアモルファス炭素材または純粋炭素である、ところの装置。
17. 請求項１１に記載の装置であって、
    前記電子源がＮｉまたはＮｉ被覆材である、ところの装置。
18. 請求項１１に記載の装置であって、
    前記電子源が、電子放出効率を改良するために粗面を有する、ところの装置。
19. 請求項１８に記載の装置であって、
    前記粗面には前記表面に微細な放出先端が与えられる、ところの装置。
20. 請求項１１に記載の装置であって、
    前記電極が、負に帯電した低速の粒子を前記ウェーハへの到着からそらすために、負の低電圧バイアス電源にさらに接続される、ところの装置。
21. 請求項１１に記載の装置であって、
    第１および第２の高電圧パルスを与える前記手段が第１の電源および第２の電源から成る、ところの装置。

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