JPH06236747A - イオン注入中の半導体ウェハにおける帯電を低減するプラズマ放出システム - Google Patents
イオン注入中の半導体ウェハにおける帯電を低減するプラズマ放出システムInfo
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Abstract
電子を放出し、イオン注入中の半導体基板に生成した正
電荷を自己調整して中性化するプラズマ放出システムを
提供する。 【構成】 半導体基板内のイオン注入時に用いられるプ
ラズマ放出システムは、低エネルギー電子を含むプラズ
マを発達させるプラズマ及び低エネルギー電子源12を
備えている。この低エネルギー電子は、負電位にバイア
スされていると共に尖点場磁石56による磁場に支援さ
れている電子閉込め管10への輸送と、この電子閉込め
管10を通過して半導体基板に向かって軸方向に流れて
いるイオンビーム16内への輸送とをプラズマ強化磁石
42による磁場によって増大されている。そのため、半
導体基板における重大な負の帯電を起こさずに、半導体
基板の表面上における正電荷は自己調整して中性化され
ている。
Description
ン注入による半導体の不純物導入技術に関し、より詳細
には、イオン注入装置に用いられる改善したプラズマ放
出システムに関する。
の形態における半導体基板に特定の元素を高ドーズ量で
注入することが行われている。このようなイオン注入を
実行するために使用される装置は、通常、イオン源と質
量分析器とから構成されており、回転しながら横方向に
移動可能な円盤上に支持された半導体ウェハにイオンを
輸送するために、イオン加速管に対する入出力を有す
る。さらに、この装置は、イオン注入中におけるイオン
のドーズ量を制御するために、イオンビーム電流をモニ
タする監視システムを備える。この監視システムは、通
常、半導体ウェハの前方にファラデー箱を用いるか、ウ
ェハの後方にファラデー箱または磁気的抑制方式のビー
ムストップのどちらか一方を用いる。
半導体ウェハの表面は正に帯電するようになる。この表
面電荷が半導体ウェハ上の絶縁膜における絶縁耐圧より
も大きい値に達する場合、絶縁膜は絶縁破壊を起こすこ
とになる。このような事が起こらないように、イオン注
入装置は、通常、電子線または電子の流れを半導体ウェ
ハの表面上に方向付ける電子放出銃または類似したデバ
イスを備えており、半導体ウェハの表面における正電荷
の生成を相殺し、少なくとも局部的に中性化する。
1992年2月18日発行の米国特許第5089710
号が挙げられる。この公知例では、半導体ウェハに隣接
して配置され、イオンビームを受け入れるファラデー管
を備えた装置が開示されている。ファラデー管は、イオ
ンビーム電流をモニタすると共に、イオンが半導体ウェ
ハの表面に打ち込まれる際に発生する二次電子がファラ
デー・システムから洩れないようにするために配備され
ている。このファラデー管は、その管壁を貫通して据付
けられたプラズマ発生チャンバに相対して正電位にバイ
アスされている。プラズマ発生チャンバは、その内部の
フィラメントが半導体ウェハと対面しない位置に配置さ
れている。アルゴンガスがプラズマ発生チャンバ内に導
入されており、フィラメントから放出した熱電子がアル
ゴンガスに作用してプラズマを発生する。エネルギー約
13eVの電子は、プラズマ発生チャンバ内にある小径
の出射開孔をプラズマと共に通過してファラデー管内の
イオンビームに突入する。ファラデー管は正電位に保持
されており、プラズマ発生チャンバから電子を放出させ
てより高いエネルギーレベルに加速するように作用す
る。このような高エネルギー電子は、ファラデー管の管
壁表面に衝突する際に、統計的なエネルギー分布が典型
的に20eVを十分に越えて拡がる二次電子を発生す
る。
る重大な欠陥は、半導体ウェハ上における電荷の生成を
妨げるように、電子の電流量が極度に微妙な調整を施さ
れる必要があることである。詳細には、電子の電流がわ
ずかに過大に調整されている場合、ウェハが既に負電荷
を蓄積していようとも、電子が高エネルギーレベルの分
布を有するので、電子が偏向されずに半導体ウェハに衝
突してしまう。さらに、この設計の欠点としては、正電
位にバイアスしたファラデー管は急速に低エネルギーの
一次電子や、半導体ウェハの表面で発生し、半導体ウェ
ハの表面における正電荷の中性化に有用になるはずであ
った低エネルギーの二次電子を引き付けて吸収する。
たプラズマ放出システムを提供することを目的とする。
解決するために、イオンビームによって衝撃を受けてい
る半導体ウェハのような作業部品に向かって低エネルギ
ーの、好ましくは多数の電子が5eV未満である電子線
を放出するように改善したプラズマ電子放出システムを
提供する。このような低エネルギー電子は、プラズマ発
生チャンバから洩れ出しても、負電位にバイアスしてイ
オンビームが半導体基板に向かって通過する電子ガイド
または電子閉込め管によって閉じ込められている。この
電子閉込め管は、作業部品との間隙から漏出する電子を
最小限にするために、作業部品にほぼ接触するように拡
張している。
隣接して磁場を発生する磁石を備え、プラズマの密度を
増大すると共に、プラズマ発生チャンバから電子ガイド
管の内部に向かう低エネルギー電子の放出を増大するこ
とが好ましい。
磁場を発生する磁石の配列を備え、イオンビームと共に
移動する低エネルギー電子の閉込めを支援することが好
ましい。
次電子源(例えば、加熱したフィラメント)に相対して
電子閉込め管における負電位のバイアスは、電子閉込め
管に入射する電子を減速し、そのエネルギーを低減す
る。半導体ウェハでは、その表面が正に帯電し始める
と、即時に低エネルギー電子が局部的に正電位にバイア
スした表面に向かって流れ、表面電荷を中性化する。半
導体ウェハの表面における小さい負電圧は匹敵するエネ
ルギーまたはより小さいエネルギーを有する低エネルギ
ー電子を跳ね返すので、低エネルギー電子の大量供給
が、基板における負の帯電を最小限にするように自己調
整する電荷中性化システムを造り出す。
公知例として記載したシステムと比較すると、本発明は
低エネルギー電子を大流量で半導体基板に放出し、半導
体基板における好適でない負の帯電を最小限にするよう
に自己調整する方法で、より効果的に半導体基板の表面
における正電荷を中性化する。さらに、負電位にバイア
スした電子閉込め管は、半導体基板が帯電することが可
能な最大の負電圧を制限していると共に、低エネルギー
の二次電子を半導体基板の表面に適切に閉じ込めるの
で、その二次電子が半導体基板上に生成した正電荷を中
性化するように寄与する。
ついて、図1ないし図5を参照して説明する。なお、図
面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複
する説明を省略する。
プラズマ放出システムは、プラズマ源と、低エネルギー
電子発生器12と、負電位にバイアスした電子閉込め管
または電子ガイド管10とから構成されている。
形断面でグラファイトからなるメッシュ状の管壁14を
有する。しかしながら、この管壁14は導電性物質で構
成してもよいし、その内部が充填されていても空孔が存
在してもよいし、円筒形またはその他の形状断面を有し
ていてもよい。金属電極はイオンビームを汚染するため
に、イオンビームに接触する電極をグラファイトで製造
することは周知である。電子ガイド管10における四面
の管壁14はそれぞれ、アルミニウムからなる外枠60
で支持された矩形断面でグラファイトからなるメッシュ
状の一枚板であることが好ましい。
れ、複数の半導体ウェハ18,19及び20を運搬して
いる(図示していない)進行中のホイールに据付けられ
た半導体ウェハ18のような半導体基板にイオンビーム
16を軸方向に輸送するように配置されている。図2に
示すように、ホイールは、図面の平面内で垂直方向に半
導体ウェハを急速に移動させるように回転する。このホ
イールがイオンビーム16の外側に半導体ウェハを移動
させると、イオンビーム16はイオンビーム電流、結果
としてイオンのドーズ量を測定する従来のビームストッ
プ収集器21に向かって通過する。例えば、ビームスト
ップ収集器21は従来のファラデー箱でもよいし、Appl
ied Materials 社から市販されているイオン注入器Mode
l 9200に配備されているような磁気的抑制方式のビーム
ストップ収集器であることがより好ましい。半導体ウェ
ハを支持しているホイールの後方におけるビームストッ
プ収集器21の配置によれば、本発明のプラズマ放出シ
ステムが線量測定を目的とするファラデー箱またはファ
ラデー・システムの一部としても機能する必要性が除去
されている。
は、従来のBernas型フィラメントのようなフィラメント
・コイル24を含むプラズマ発生チャンバ22から構成
されている。フィラメント・コイル24は、プラズマ発
生チャンバ22の頂部30に据付けられた端部26及び
28を有し、この端部26及び28は範囲−2〜−5V
の直流電圧で最大約200Aまで供給する可変な電流源
32に接続されている。
ないが、キセノン)のような封入ガスが、ガス供給管3
4から、好ましくは流量約1sccmで円筒形のプラズ
マ発生チャンバ22内に注入される。続いて、封入ガス
は、出射開孔または放出開孔38を通過してプラズマ発
生チャンバ22から電子ガイド管10の内部に流入す
る。この放出開孔38は、少なくとも幅3mmを有する
ことが好ましい。好適な実施例では、放出開孔38は直
径10mmを有する円形の開口36である。封入ガスの
流量はプラズマ発生チャンバ22内に十分なガス圧を生
じる程に十分高くする必要があり、放出開孔38を通過
して最終的には半導体基板18に向かう好適な電子の流
量を発生する程にプラズマ発生チャンバ22内に、以下
に記載しているような十分高いプラズマ密度を生じさせ
る必要がある。放出開孔38の大きさを増大すること
は、放出開孔38を通過する電子の放出効率を改善する
が、プラズマ発生チャンバ22内に十分なガス圧を維持
するために必要な封入ガスの流量も増加させてしまう。
電流量がフィラメント・コイル24自体を加熱するの
で、フィラメント・コイル24はプラズマ発生チャンバ
22の内部に熱イオン的に電子を放出する。フィラメン
ト・コイル24とチャンバ外囲44との間を接続した電
圧源46は、フィラメント・コイル24に相対して正電
圧に、好ましくは60V未満に、より好ましくは約30
Vにチャンバ壁をバイアスする。この電圧は、フィラメ
ント・コイル24からの熱イオン的電子放出に関連し、
プラズマを発生するようにプラズマ発生チャンバ22で
封入ガスの絶縁破壊を起こす。プラズマは、フィラメン
ト・コイル24からの熱イオン的電子放出をいっそう増
大する。主に拡散のために、自由電子の一部は放出開孔
38を通過してプラズマ発生チャンバ22から放出さ
れ、電子ガイド管または電子閉込め管10に入射するこ
とになる。チャンバ壁に電気的に接続した短いノズル4
0は、電子ガイド管10の管壁14の内側表面とほとん
ど同一平面に(coplanar)なるように放出開孔38を拡
張する。
石42は、フィラメント・コイル24を囲んでおり、外
側のプラズマ外囲44の内部で支持されている。プラズ
マ強化磁石42は、隣接したプラズマ発生チャンバ22
の円筒状側壁に平行であり、プラズマ発生チャンバ22
自体及び放出開孔38の両方それぞれの縦軸に平行であ
る同一方向に磁場の軸が整列するように配列されてい
る。したがって、プラズマ強化磁石42は、図1に実践
43によって示すように、隣接したプラズマ発生チャン
バ22の円筒状側壁に平行であると共に、放出開孔38
の軸に平行である磁束線を発生する。フィラメント・コ
イル24内を流れる電流も、図1に点線45で描写され
ているような磁場を発生する。
プラズマは、プラズマ強化磁石42を消磁させ得る熱を
発生する。プラズマ強化磁石42を冷却し続けるため
に、熱シールド49がプラズマ強化磁石42と隣接した
チャンバ壁の間に挿入されている。さらに、水のような
冷却液が、流路47を通過してプラズマ強化磁石42の
周囲にあるチャンバ外囲44の内部を循環している。
場は、プラズマ発生チャンバ22内で発生する電子数を
増大し、電子の平均エネルギーレベルを低減するよう
に、プラズマ密度を増大する。このプラズマ強化磁石4
2も、放出開孔38から電子ガイド管10に電子が放出
される速度を増大する。
イル24と電子ガイド管または電子閉込め管10の管壁
14との間に接続されており、フィラメント・コイル2
4に相対して電子ガイド管10を負電位に、好ましくは
範囲−30〜0Vに、より好ましくは約−10Vにバイ
アスする。この負電圧は、プラズマ発生チャンバ22か
ら放出した電子に、従来の電子放出銃に要求される正の
放出電圧よりもむしろ、正味負の放出電圧を付与する。
この負の放出電圧は、放出電子のエネルギーレベルを低
減するのに適切であり、放出電子のエネルギーレベルを
プラズマ発生チャンバ22の側壁に印加する電圧源46
のアーク電圧から自由にするのに適切である。
よる非常に低い(5V未満の)フィラメント・コイル2
4の電圧と、プラズマ強化磁石42によって付与したプ
ラズマ強化と、によって電子ガイド管10に印加した負
の(−10Vの)減速電圧との結果として、電子ガイド
管10に放出された電子は、エネルギーレベルとして5
eV未満の中央値を有する。この値は、これまでイオン
注入装置に使用された従来の電子放出銃で達成可能であ
る値よりも、はるかに低いエネルギーレベルの中央値で
ある。
プラズマ発生チャンバ22を離れ、電子ガイド管10の
内部に入射し、イオンビーム16と共に電子ガイド管1
0に沿って半導体基板18に向かって進む。電子ガイド
管10におけて電力源15による負のバイアス電圧また
は閉込め電圧(上述したように好ましくは−10V)よ
りも高いエネルギーレベルの電子は、管壁14に衝突し
て吸収される傾向にある。低エネルギー電子は負の閉込
め電圧によって跳ね返され、半導体基板に向かって進み
続ける。結果として、電子ガイド管10における負の閉
込め電圧は、半導体基板に到達する電子のエネルギーレ
ベルを低減するのに適切である。
体基板にイオンが衝突することによって発生する二次電
子に対し、同様に適切な効果を有する。比較的高エネル
ギーの二次電子は電子ガイド管10との衝突によってほ
とんど吸収されるが、低エネルギー電子は半導体基板の
方向に跳ね返されるので、半導体基板の付近における低
エネルギー電子の密度を増大することに寄与する。電子
ガイド管10は、半導体基板との間隙を通過して電子が
漏出しないように、その終端が実際に可能な限り半導体
基板に接近し、好適な実施例では10mmしか離れずに
据付けられている。
46によって印加した正のアーク電圧が電子ガイド管1
0の内部に入射した電子を引き付けないようにするため
に、電子ガイド管10の側壁14は、放出開孔38を除
いてプラズマ発生チャンバ22の隣接した側壁を完全に
被覆し、これに直接被着している。結果として、電子ガ
イド管10の内部における電子は、正のアーク電圧に対
して効果的に遮蔽されている。
変な出力電圧または出力電流を有することが好ましい。
一般に、フィラメント・コイル24の電力源32は、半
導体基板18上の電荷を中性化するのに適切な電子放出
電流を発生するために、フィラメント・コイル24を流
れる十分大きい電流を供給し、これによって十分多い電
子を熱イオン的に放出するように調整されていることが
必要である。しかしながら、過剰なフィラメント電流
は、フィラメント・コイル24の寿命を短縮することに
なる。さらに重大なことに、フィラメント電圧を増大す
ることは、熱イオン的に放出した電子のエネルギーレベ
ルを増大することになる。したがって、相対的に小さい
抵抗を有するフィラメントを使用することが好ましい。
は、半導体基板を中性化するのに適切な電子放出電流を
発生するために、十分なプラズマ密度を生じるのに足る
だけ高くするべきであるが、フィラメント・コイル24
の寿命を延長するように、必要以上高くするべきではな
い。
導体デバイスを破壊し得る値以下のエネルギーレベルに
放出開孔38から放出された電子を減速するために、電
子閉込め管10の電力源15は、電子閉込め管10十分
大きい負電圧を印加するように調整される必要がある。
しかしながら、電子閉込め管10が電子を引き付けて半
導体ウェハから引き離し始める前に半導体ウェハが帯電
し得る最大の負電圧は、半導体ウェハの付近における閉
込め電圧によって決定されている。したがって、負の閉
込め電圧は、半導体ウェハがデバイスに損傷を与えない
ように帯電することが許容され得る最大の負電圧より小
さくする必要がある。
段の加速システム48に関連した高電圧による電子抑制
は、電子が後段の加速領域に引き付けられないように
し、後段の加速システム48から半導体ウェハ18の平
面に渡り、プラズマにとって閉鎖的または制限的な環境
を提供する。詳細には、図1に示す加速システム48
は、接地した後段の加速電極50と、環状の絶縁物54
によって加速電極50と隔離されているスライド可能な
電子閉込め管伸縮部52とから構成されている。従来の
方法で電極50がイオンビームを収束させるために前後
に移動されられるように、電子閉込め管伸縮部52は電
子ガイド管10が後段の加速電極50と隣接したままで
スライドすることが可能である。
って電子閉込め管10の電位にバイアスされている一
方、接地した加速電極50に隣接する抑制電極53は電
圧源55によって約−5000V以下の負電圧でバイア
スされている。抑制電圧は、後段の加速領域がプラズマ
放出システムの内部に及ばないようにし、これにより電
子の流れが電子ガイド管10から後段の加速領域に侵入
しないようにする程に十分高い値であると共に、イオン
ビーム16の半導体ウェハに対する投影に障害を与えな
い程に十分低い値である。このような関係で、加速電極
50及び電子閉込め管伸縮部52はイオンビーム16を
輸送する一方、抑制電極55は電子閉込め管10におけ
るイオンビーム16の上流領域に向かって加速しないよ
うに電子を抑制する。
ギー電子の閉込めと輸送を支援するために、本発明の好
適な形態は、図3に最も明瞭に描写しているように、電
子ガイド管10の外面の周囲に軸方向に沿って円周状に
間隔を保って伸びた配列で配置されていてもよい尖点場
磁石56を備えている。各配列の尖点場磁石56はN極
またはS極のどちらか一方であり、図3に示すような電
子ガイド管10の内部に電子を磁気的に閉込めるため
に、軸方向に円周状の磁場を発生する。
と、本発明の電子放出システムは半導体基板に向かって
非常に低エネルギーの電子線を放出し、半導体基板の表
面付近で非常に低エネルギーの電子を大量に保持してい
る。これら低エネルギー電子は自己調整する方法で半導
体基板上の電荷を中性化する。
を引き付けることになるので、半導体ウェハにおける正
の帯電は妨げられる。半導体ウェハにおける負の帯電
は、二つの機構で制限されている。第1に、電子は半導
体基板上の小さい負電荷によって容易に跳ね返される程
度の低エネルギーレベルしか有していない。第2に、半
導体基板上に生成した負電圧は電子ガイド管上における
負の閉込め電圧を越えることはなく、そうでなければ、
電子は半導体基板から電子ガイド管上の比較的大きい正
電位に流れることになる。
した電子を正の加速電圧に委ねるというのではなく、む
しろ電子源に相対して負の閉込め電圧を適用することに
より、電子のより低いエネルギーレベル分布を達成して
いる。
す縦断面図である。
成を示す縦断面図である。
ける拡大図であり、プラズマ放出システム内に電子閉じ
込め管の側面に沿って配置された磁石の配列から発生し
た磁場を描写している。
ムの構成を示す横断面図である。
模式的側面図である。
マ及び低エネルギー電子発生器、14…電子閉込め管の
管壁、15…電力源、16…イオンビーム、18〜20
…半導体ウェハまたは半導体基板、21…ビームストッ
プ収集器、22…プラズマ発生チャンバ、24…フィラ
メント・コイル、26,28…フィラメント・コイルの
端部、30…プラズマ発生チャンバの頂部、32…電流
源、34…ガス供給管、36…放出開孔の開口、38…
出射開孔または放出開孔、40…ノズル、42…プラズ
マ強化磁石、43…磁束線、44…チャンバ外囲、45
…フィラメント・コイルの磁場、46…電圧源、47…
流路、48…加速システム、49…熱シールド、50…
加速電極、52…電子閉込め管伸縮部、53…抑制電
極、54…絶縁物、55…電圧源、56…尖点場磁石、
60…電子閉込め管の外枠。
Claims (9)
- 【請求項1】 半導体基板内のイオン注入中に該半導体
基板上に生成した正電荷を中性化する電子放出システム
であって、 軸方向にイオンビームを受け入れ、半導体基板に向かっ
て輸送する電子閉込め管と、 低エネルギー電子を含むプラズマを形成するフィラメン
ト及びガスを有すると共に、該低エネルギー電子を前記
電子閉込め管内に輸送し、前記電子閉込め管内を通過し
ている前記イオンビームに合流するように、前記電子閉
込め管内への開口に繋がった放出開孔を有するプラズマ
発生チャンバと、 このプラズマ発生チャンバを負電位で遮蔽し、前記電子
閉込め管内に向かう前記低エネルギー電子の輸送を制御
すると共に、前記半導体基板上の正電荷を中性化するよ
うに前記半導体基板に向かう前記イオンビームに沿って
その内部に前記低エネルギー電子の流れを合流して増強
するように、前記半導体基板に相対して前記電子閉込め
管を負電位にバイアスする手段とを備えることを特徴と
する電子放出システム。 - 【請求項2】 前記プラズマ発生チャンバに隣接して配
置され、前記プラズマ内における前記低エネルギー電子
の発生と、前記電子閉込め管内への前記低エネルギー電
子の輸送とを増大させるように、磁場を発生する第1の
磁気的手段をさらに備える請求項1記載の電子放出シス
テム。 - 【請求項3】 前記第1の磁気的手段は、前記プラズマ
発生チャンバの周囲に配置され、前記低エネルギー電子
の発生と、前記フィラメントから前記電子閉込め管への
低エネルギー電子の輸送とを増進する複数の磁石で構成
されている請求項2記載の電子放出システム。 - 【請求項4】 前記電子閉込め管に沿って配置され、前
記電子閉込め管に沿って前記半導体基板に向かう前記低
エネルギー電子の流れを包含する磁場を発生する第2の
磁気的手段をさらに備える請求項1記載の電子放出シス
テム。 - 【請求項5】 前記第2の磁気的手段は、前記電子閉込
め管の周囲に間隔を保って相互に異なる極を有する磁石
からなり、軸方向に伸びた少なくとも一つの配列で構成
されている請求項4記載の電子放出システム。 - 【請求項6】 前記放出開孔は、前記プラズマ発生チャ
ンバから前記電子閉込め管内に拡がったノズルを有する
請求項1記載の電子放出システム。 - 【請求項7】 半導体基板内のイオン注入に用いるプラ
ズマ放出システムであって、 プラスマ及び低エネルギー電子源と、 イオンビームを受け入れて半導体基板に向かって輸送す
ると共に、前記プラズマ源からプラズマを受け入れる引
入口を有し、負電位にバイアスした電子閉込め管と、 前記イオンビームと共に前記半導体基板に向かって前記
低エネルギー電子を流し、前記半導体基板上における正
電荷の中性化に影響を及ぼすように、前記プラズマ内に
おける低エネルギー電子の発生と、前記プラズマと共に
前記引入口を通過する前記電子閉込め管への前記低エネ
ルギー電子の輸送とを増大させる第1の磁気的手段とを
備えるプラズマ放出システム。 - 【請求項8】 前記電子閉込め管に沿って配置され、前
記電子閉込め管に沿って前記半導体基板に向かう前記低
エネルギー電子の閉込めを増大する磁場を発生する第2
の磁気的手段をさらに備える請求項7記載のプラズマ放
出システム。 - 【請求項9】 前記第2の磁気的手段は、前記電子閉込
め管の周囲に間隔を保って相互に異なる極を有する磁石
からなり、軸方向に伸びた少なくとも一つの配列で構成
されている請求項8記載のプラズマ放出システム。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US98467092A | 1992-12-02 | 1992-12-02 | |
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