JP3992366B2 - イオン注入中における基板上の電荷蓄積を中和するエレクトロンフラッド装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオンビーム注入装置による基板中へのイオン注入中における基板上の正電荷蓄積を中和するエレクトロンフラッド装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造では、イオンビーム注入は徐々に一般的な処理技術となっている。このイオンビーム注入によれば、所望の不純物イオンのビームが半導体基板に向けられ、これらのイオンが基板中に注入されて、例えば所望の導電型の領域を形成するようになっている。基板のうち注入が行われている一部の領域は、半導体基板の本体から電気的に絶縁されることになる。この結果、イオンの注入中、このような領域は徐々に帯電するようになる。通常、注入イオンは正イオンなので、基板表面上に正の電荷蓄積（charge build-up）が生じる。この電荷蓄積が基板中の絶縁層および絶縁領域の絶縁破壊電圧を上回ると、ダメージが生じる。
【０００３】
このように、イオン注入中における基板表面上の電荷蓄積を中和する必要性が知られている。
【０００４】
この電荷蓄積を中和する公知の技術には、イオンビームのうち基板の直前に位置する領域を電子でフラッディング（flooding）する技術が含まれている。基板上の正電荷蓄積は、これらの電子を基板表面に引き寄せて基板表面を放電させる。エレクトロンフラッド装置（プラズマフラッドガンとしても知られている）の例は、US5089710およびUS5399871に開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
効率を良くするために、基板中和に使用されるこれらのエレクトロンフラッドシステムは、比較的低いエネルギの電子を生成しなければならない。これらの電子は、比較的小さな正電荷が基板上に現れることにより、基板に容易に引き寄せられる。更に、基板の前方に位置する過大なエネルギの電子は、基板表面上の正電荷が既に完全に放電されてしまっている場合であっても基板表面上に衝突して「固着」するので、過大な負の静電荷が表面上に蓄積することになる。このような負の静電荷が基板表面上に蓄積しうる程度は、基板前方の領域内に位置する電子のエネルギに関係する。
【０００６】
従って、イオンビームが基板上に衝突する基板前方の領域をフラッドするために生成された電子が極めて低いエネルギを有していることが、好適なエレクトロンフラッド装置にとって重要な基準となる。
【０００７】
従来のエレクトロンフラッド装置から生じることのある別の問題点は、従来技術のフラッドシステムに使用されるプラズマチャンバ内の熱い金属部品、特にタングステンフィラメントから異物が生じる可能性があることである。
【０００８】
より小さな半導体デバイス形状が求められる傾向が続くなかで、全ての半導体プロセスにおいて望ましくない異物を低減または除去する必要性が高まっている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、イオンビーム注入装置による基板内へのイオン注入中おける基板上への正電荷蓄積を中和するエレクトロンフラッド装置を提供する。この装置は、イオンビームを軸方向に沿って受け取るとともにイオンビームを軸方向に沿って基板に受け渡すチューブと、このチューブの側壁内の開口と、耐熱性誘電材料から形成されると共に、前記チューブの前記開口と連通する出口孔を有するプラズマチャンバと、前記プラズマチャンバに対する不活性ガスの供給源と、高周波（high frequency：h.f.）電源と、前記電源からh.f.電力を供給し、前記チャンバ内のプラズマを維持して低エネルギ電子を生成する手段と、前記チャンバ内に備えられた電極と、を備えており、前記電極は、前記電極上で放電するイオンからグランドに正電流を導通させるように接続され、前記プラズマは、前記チャンバの前記出口孔を通って延出し、前記チューブ内の前記イオンビームにおけるプラズマへのブリッジを形成し、前記低エネルギ電子の束が前記チャンバから出るように制御されて、前記出口孔を通って前記チューブ内に入り、前記イオンビームと合流するようになっている。上記および本明細書の他の箇所で用いる用語「h.f.電力」は、チャンバ内のプラズマと容量結合または誘導結合される通常の無線周波数（radio frequency）における電力と、マイクロ波周波数における電力の双方を含むものである。エレクトロンフラッド装置のプラズマチャンバ内における無線周波（r.f.）維持プラズマまたはマイクロ波維持プラズマの使用は、不要な異物が基板に到達する危険性を最小限に抑える。このプラズマチャンバは、従来技術の装置ではタングステン異物を生じさせることのある熱いフィラメントを有していない。
【００１０】
また、大きなＤＣ電場がない状況では、プラズマチャンバ内の電子が、基板の前に位置するビームプラズマの領域内に高エネルギ電子が存在することを可能にする過大なエネルギに加速されることはない。また、本装置は、前記プラズマチャンバ内に電極を有している。この電極は、この電極上で放電するイオンからグランドへ正電流を導通するように接続されており、これにより、前記出口孔を通る電子束が制御される。プラズマチャンバ内のプラズマから一部の正イオンを吸収することにより、出口孔を通る電子束を制御し、必要に応じて強めることができる。
【００１１】
h.f.電力を供給する前記手段は、前記プラズマにr.f.電力を容量結合する電極を前記チャンバ内に備えていてもよい。このとき、プラズマ電子を閉じ込めるためにチャンバ内に磁場が必要となることがある。この磁場は、一つ以上の永久磁石または電磁石によって生成することができる。
【００１２】
しかしながら、h.f.電力を供給する前記手段は、プラズマチャンバを取り囲んで前記プラズマにr.f.電力を誘導結合するコイルを備えていることが好ましい。この構成によれば、過大なエネルギが電子に供給されるようにすることも可能な大きな電場をプラズマチャンバ内に生成する必要がなくなるとともに、閉込め磁場を与える追加手段も必要なくなる。このr.f.磁場自体は、必要に応じてプラズマ電子を効率良く閉じ込める。
【００１３】
マイクロ波の場合、h.f.電力を供給する前記手段は、マグネトロンと、マグネトロンからプラズマチャンバへマイクロ波電力を供給する導波管と、を備えていてもよい。
【００１４】
前記電極は、基板電位を基準とする負の電圧にバイアスすることができ、前記プラズマチャンバ内において前記出口孔に対向するように配置することができる。
【００１５】
h.f.エネルギの印加だけではプラズマを点火するのに不十分な場合は、前記プラズマチャンバ内にプラズマ点火装置を設置してもよい。プラズマは、点火が完了すると、h.f.エネルギのみによって維持される。
【００１６】
別の態様では、前記プラズマチャンバが、前記出口孔の周囲に位置する前記チャンバの外壁部分上に導電シールドを有している。このシールドは、ともすれば出口孔の周囲に位置するチャンバ壁上に蓄積しがちな静電荷を導通して逃がすようになっている。このシールドは、基板電位または前記チューブの電位に接続されていてもよい。
【００１７】
前記チューブは、基板電位を基準とした負の電圧でバイアスされていることが好ましい。
また、本発明の他のエレクトロンフラッド装置は、イオンビーム注入装置による基板内へのイオン注入中における基板上への正電荷蓄積を中和するエレクトロンフラッド装置であって、イオンビームを軸方向に沿って受け取るとともに、イオンビームを軸方向に沿って基板へ受け渡し、前記基板電位を基準とする負の電圧にバイアスされるチューブと、このチューブの側壁内の開口と、前記チューブの前記開口と連通する出口孔を有するプラズマチャンバと、前記プラズマチャンバに対する不活性ガスの供給源と、高周波（ h.f. ）電源と、前記電源から h.f. 電力を供給し、前記チャンバ内にプラズマを維持して低エネルギ電子を生成する手段と、を備え、前記低エネルギ電子の束が前記チャンバから出て、前記出口孔を通って前記チューブ内に入り、前記イオンビームと合流するようになっており、前記プラズマチャンバは、耐熱性誘電材料から形成されると共に、前記出口孔の周囲に位置する前記チャンバの外面または壁部分の上に導電シールドを有しており、前記シールドは、前記基板電位に接続され、前記出口孔の周囲に位置する前記チャンバ壁上に蓄積しがちな静電荷を導通して逃がすようになっている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下では、添付の図面を参照しながら本発明の具体例を説明する。
【００１９】
図１では、半導体ウェーハ１０からなる基板がウェーハ支持体１１上に設置されている。図面に示される全ての構成要素は、イオン注入機のプロセスチャンバ内に設置されている。このプロセスチャンバは、イオン注入で通常用いられる所望の低圧に排気される。イオン注入機全体は、ウェーハ１０中への注入が望まれる核種のイオン（例えば、Ｂ⁺、ＢＦ₂ ⁺、Ｐ⁺、Ａｓ⁺）のソースを備えている。イオンは、このソースから取り出されてビームを形成する。このビームは、質量分析器および質量選択器を通過して、必要な質量のイオンからなる持続ビームを形成する。質量選択の後（場合によっては更に、ビーム中のイオンの所望の注入エネルギへの加減速を行った後）、図中で符号１２で示されるビームがウェーハ１０に供給される。ウェーハ１０の全ての部分がビーム１２から等しいドーズ量のイオンを確実に受け取るように、走査装置を設置してもよい。
【００２０】
ビーム１２の正イオンがウェーハ１０の表面領域に衝突し、その領域内に注入されるようになるので、正の電荷が蓄積しがちである。この蓄積は、ウェーハ１０の表面のうちウェーハを形成する半導体材料の本体から絶縁される可能性がある部分の上で特に起こりやすい。ウェーハ支持体１１およびウェーハ１０の本体は、通常、グランドに接続されている。上述のように、この正電荷蓄積が継続しうるようになっていると、この電荷が絶縁破壊電圧を超えてウェーハの各部にダメージを与える可能性がある。
【００２１】
図示の装置では、電子閉込めチューブ１３がウェーハ１０のすぐ前方に設置され、正イオンの入力ビーム１２と同軸に配置されている。チューブ１３の円筒側壁には、開口１４が設けられている。プラズマチャンバ１５は、閉込めチューブ１３の外面に取り付けられており、チャンバ１５の一端に出口孔１６を有している。この出口孔は、閉込めチューブ１３の側壁内の開口１４と連通している。プラズマチャンバ１５の内部には、供給ダクト１７を介してアルゴンガスが供給される。プラズマチャンバ１５の外面の周囲には無線周波コイル１８が巻き付けられており、インピーダンス整合回路２０を介してコイル１８に接続されたr.f.電源１９からのr.f.電力で駆動されるようになっている。プラズマチャンバ１５内で形成されたプラズマは、コイル１９によってプラズマに誘導結合されたr.f.電源１９からのr.f.エネルギによって維持される。
【００２２】
プラズマチャンバ１５内のプラズマ中には低エネルギ電子が生成されるが、これらの電子は、プラズマチャンバ１５の出口孔１６を通ってドリフトし、イオンビーム１２のプラズマと合流する傾向がある。このため、ビーム１２のうちウェーハ１０の前方に位置する領域内の低エネルギ電子の密度を高めることができる。このとき、ウェーハ１０の表面上に蓄積する正電荷がこれらの低エネルギ電子をビームプラズマから引き寄せ、ウェーハ表面を放電させる。
【００２３】
プラズマチャンバ１５からビーム１２への電子束は、プラズマチャンバ内へのアルゴン流やr.f.電力および／またはr.f.周波数を調節することにより制御することができる。しかしながら、この実施形態では、電源２２によりグランドに対して負バイアスすることの可能な電極２１が、出口孔１６の反対側に位置するプラズマチャンバ１５の端部に設置されている。この電極２１は、プラズマチャンバ１５内の一部の正イオン上の電荷がグランドに吸収されてグランドと導通できるようにすることにより、これらのイオンを放電する。電極２１を介してプラズマからグランドへ流れる正電流は、出口孔１６を通る電子の対応する正味の流れを形成することになる。この実施形態では、プラズマチャンバ１５自体は、耐熱性誘電材料から形成されている。
【００２４】
このように、電極２１を用いることで、プラズマチャンバからビーム１２への電子束を制御することができる。
【００２５】
図示の装置では、ウェーハ１０およびその支持体１１がグランド電位に保持されるので、電極２１は、必要な電子束に応じて、グランドを基準とした０〜−５０ボルトの負の電圧に保持される。
【００２６】
プラズマチャンバ１５内のプラズマ自体は、良好な導電体である。プラズマ１５内で形成されるプラズマは、出口孔１６を通って延出し、ビーム１２というプラズマへのプラズマブリッジを形成する。このため、ビーム電位と電極２１の電位との間の電位差のほとんどは、電極２１に隣接する「プラズマシース」領域内の電場として現れることになる。この結果、プラズマチャンバ１５内のプラズマ中で生成された電子のほとんどは、電極２１上の電位によって生じた電場の影響を受けない。電極２１で中和されているアルゴンイオンとの平衡を保つために十分な過剰電子のみが、エネルギを大きく増加させることなく出口孔１６を通って移動する。
【００２７】
正味の静電荷が出口孔１６の領域内においてプラズマチャンバ１５の表面上に蓄積することを防ぐため、出口孔１６の周囲に位置するプラズマチャンバの外面は、グランドに接続された導電スクリーン２３によって被覆またはカバーされている。
【００２８】
現存するプラズマを維持するためにr.f.コイル１８とプラズマチャンバ１５内のプラズマとの間には十分な誘導結合が存在しうるが、プラズマの点火を確実に行うためには特殊な装置が必要になる場合もある。図面では、点火装置２４が設置されている。この点火装置は、プラズマチャンバ内に鋭いまたは尖った導電要素を備えていてもよい。この導電要素は、グランドまたは高電圧に接続されていてもよい。
【００２９】
この代わりに、プラズマチャンバ内のアルゴン圧力をプラズマを一層容易に形成することができるレベルに初期調整することによりプラズマを点火し、この後、この圧力を所望の動作圧力に変えることが可能な場合もある。
【００３０】
プラズマチャンバ１５内でプラズマが形成されると、プラズマ種（アルゴンイオンおよび電子の双方）は、出口孔１６を通って移動し、ビーム１２とプラズマブリッジを形成する傾向を持つ。電子の移動度はアルゴンイオンに比べて高いので、プラズマチャンバ１５からの電子束は、自然に大きさが二桁ほどイオン束よりも高くなる。これによりプラズマチャンバ１５内のプラズマが結果的に正に帯電するようになる傾向があるので、出口孔１６を通る電子流は低減し、最終的に停止することになる。電極２１の存在によりプラズマを放電させることができ、出口孔１６を通る電子流を、制御された流量に維持することができるようになっている。
【００３１】
プラズマチャンバ１５からの電子束は、アルゴンガスの供給量を調節したり、プラズマに結合されるr.f.電力またはr.f.周波数のレベルを調節することによっても制御することができる。
【００３２】
図示の装置では、閉込めチューブ１３自体が電源２５によってグランドに対してバイアスされている。この電源２５は、グランドを基準とした０〜−３０ボルトのバイアス電圧を印加し、低エネルギ電子をイオンビームの領域内に維持するように機能する。更に、わずかな負バイアスをウェーハ１０に対して閉込めチューブ１３に印加することで、ビームプラズマからの電子のウェーハ１０の表面上への移動を促進することができる。
【００３３】
閉込めチューブ１３の負バイアスに加えて、閉込めチューブ１３のまわりに磁石を設置することによっても、イオンビーム１２の領域に電子を閉じ込めることができる。
【００３４】
他の実施形態では、ビーム電流を測定する目的でチューブ１３をファラデーカップの一部として構成してもよい。この場合、チューブ１３をウェーハ１０と同じ電位に保持することが可能であり、更にはウェーハを基準とした正の電位に保持することも可能である。
【００３５】
コイル１８によってプラズマチャンバ１５内に生成されたr.f.磁場自体が、生成されたプラズマ電子を実質的にコイル１８の軸方向に沿って移動するように閉じ込めるので、電子は出口孔１６を通過してビームと合流する。従って、プラズマチャンバ１５には、磁場生成装置を追加する必要はない。
【００３６】
プラズマチャンバ１５は、アルミナなどのセラミックや石英から好適に形成することができる。r.f.電源１９の周波数は、５００ワット〜１キロワットの電力のもとで好適に１０〜５０ＭＨｚとすることができる。
【００３７】
他の構成では、プラズマチャンバ内に配置された電極を用いることでr.f.電力をプラズマに容量結合させることができる。双方のr.f.電力供給電極が絶縁面を有している場合、上述の電極２１と同様の制御電極を更に設置することで正イオン上の電荷を吸収し、チャンバからの電子束を制御することができる。
【００３８】
r.f.電力の代わりに、マグネトロンと導波管やその他の送電線を用いて電力をプラズマチャンバに導通させることでマイクロ波電力を使用することもできる。この場合好適なことに、一つ以上の固定磁石や一つ以上の電磁石によってプラズマチャンバ内に静磁場も形成される。プラズマチャンバ内の磁場は、供給されるマイクロ波エネルギの周波数で電子サイクロトロン共鳴を生じるように選択すべきである。マグネトロン周波数が約２．５４ＧＨｚである場合、一又は複数の磁石は約８７５ガウスのチャンバ内磁場を形成するはずである。このとき、プラズマによるエネルギ吸収が高まるので、プラズマチャンバ内でより低いガス圧を使用することが可能になる。
【００３９】
本発明の上述の例では、イオンビームが実質的に静止しており、ウェーハがイオンビームに対して機械的に走査されることで、ウェーハの全ての部分が等しいドーズ量を確実に受け取るようになっている。本発明の具体例は、イオンビーム自体が少なくとも一つの方向に磁気的または静電的に走査される装置にも適用することができる。この場合、基板位置の前方に配置され、イオンビームを軸方向に沿って授受するチューブが走査ビームを収容するようになっている。従って、ビーム方向と直交する一方向に走査されるビームに対しては、このチューブは、ビーム走査方向に沿って横に延在していてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】イオン注入装置の基板の前方に設置された本発明の実施形態に係るエレクトロンフラッド装置の概略図である。
【符号の説明】
１０…半導体ウェーハ、１１…ウェーハ支持体、１２…イオンビーム、１３…電子閉込めチューブ、１４…開口、１５…プラズマチャンバ、１６…出口孔、１７…供給ダクト、１８…r.f.コイル、２１…電極、２２…電源、２３…導電スクリーン、２４…点火装置、２５…電源。

Claims (13)

1. イオンビーム注入装置による基板内へのイオン注入中における基板上への正電荷蓄積を中和するエレクトロンフラッド装置であって、
   イオンビームを軸方向に沿って受け取るとともに、イオンビームを軸方向に沿って基板へ受け渡すチューブと、
   このチューブの側壁内の開口と、
   耐熱性誘電材料から形成されると共に、前記チューブの前記開口と連通する出口孔を有するプラズマチャンバと、
   前記プラズマチャンバに対する不活性ガスの供給源と、
   高周波（h.f.）電源と、
   前記電源からh.f.電力を供給し、前記チャンバ内にプラズマを維持して低エネルギ電子を生成する手段と、
   前記チャンバ内に備えられた電極と、を備え、
   前記電極は、前記電極上で放電するイオンからグランドに正電流を導通させるように接続され、
   前記プラズマは、前記チャンバの前記出口孔を通って延出し、前記チューブ内の前記イオンビームにおけるプラズマへのブリッジを形成し、
   前記低エネルギ電子の束が前記チャンバから出るように制御されて、前記出口孔を通って前記チューブ内に入り、前記イオンビームと合流するようになっているエレクトロンフラッド装置。
2. h.f.電力を供給する前記手段は、前記プラズマに無線周波（r.f.）電力を容量結合する電極を前
   記チャンバ内に備えている、請求項１記載のエレクトロンフラッド装置。
3. 前記チャンバ内に磁場を形成して前記プラズマ中に電子を閉じ込める手段を備えている請求項２記載のエレクトロンフラッド装置。
4. h.f.電力を供給する前記手段は、前記プラズマチャンバを取り囲んで前記プラズマにr.f.電力を誘導結合するコイルを備えている、請求項１記載のエレクトロンフラッド装置。
5. h.f.電力を供給する前記手段は、マイクロ波エネルギを生成するマグネトロンと、前記マグネトロンから前記プラズマチャンバにマイクロ波電力を供給する導波管と、を備えている、請求項１記載のエレクトロンフラッド装置。
6. 前記電極は、前記基板電位を基準とする負の電圧にバイアスされる、請求項１〜５のいずれか記載のエレクトロンフラッド装置。
7. 前記電極は、前記プラズマチャンバ内において前記出口孔に対向するように配置されている、請求項１〜６のいずれか記載のエレクトロンフラッド装置。
8. 前記プラズマチャンバ内にプラズマ点火装置を備えている請求項１〜７のいずれか記載のエレクトロンフラッド装置。
9. 前記プラズマチャンバは、前記出口孔の周囲に位置する前記チャンバの外面または壁部分の上に導電シールドを有しており、このシールドは、前記出口孔の周囲に位置する前記チャンバ壁上に蓄積しがちな静電荷を導通して逃がすようになっている、請求項１〜８のいずれか記載のエレクトロンフラッド装置。
10. 前記シールドは、前記基板電位に接続されている、請求項９記載のエレクトロンフラッド装置。
11. 前記シールドは、前記チューブに接続されている、請求項９記載のエレクトロンフラッド装置。
12. 前記チューブは、前記基板電位を基準とする負の電圧にバイアスされる、請求項１〜１１のいずれか記載のエレクトロンフラッド装置。
13. イオンビーム注入装置による基板内へのイオン注入中における基板上への正電荷蓄積を中和するエレクトロンフラッド装置であって、
    イオンビームを軸方向に沿って受け取るとともに、イオンビームを軸方向に沿って基板へ受け渡し、前記基板電位を基準とする負の電圧にバイアスされるチューブと、
    このチューブの側壁内の開口と、
    前記チューブの前記開口と連通する出口孔を有するプラズマチャンバと、
    前記プラズマチャンバに対する不活性ガスの供給源と、
    高周波（ h.f. ）電源と、
    前記電源から h.f. 電力を供給し、前記チャンバ内にプラズマを維持して低エネルギ電子を生成する手段と、を備え、
    前記低エネルギ電子の束が前記チャンバから出て、前記出口孔を通って前記チューブ内に入り、前記イオンビームと合流するようになっており、
    前記プラズマチャンバは、耐熱性誘電材料から形成されると共に、前記出口孔の周囲に位置する前記チャンバの外面または壁部分の上に導電シールドを有しており、
    前記シールドは、前記基板電位に接続され、前記出口孔の周囲に位置する前記チャンバ壁上に蓄積しがちな静電荷を導通して逃がすようになっているエレクトロンフラッド装置。

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