JPH076728A - 高電圧パルス流のドーズ量測定装置および方法のため の電荷モニター - Google Patents

高電圧パルス流のドーズ量測定装置および方法のため の電荷モニター

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JPH076728A
JPH076728A JP6111690A JP11169094A JPH076728A JP H076728 A JPH076728 A JP H076728A JP 6111690 A JP6111690 A JP 6111690A JP 11169094 A JP11169094 A JP 11169094A JP H076728 A JPH076728 A JP H076728A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、高電位にパルス化されたサ
ンプルにより蓄積される電荷量を測定する。 【構成】 ＰＩ3装置において注入ドーズ量を決定する
電荷測定装置は、ウェーハに到着した正のイオンから生
ずることのない電荷センサーの電流を補償する手段を含
む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、サンプルにより蓄積さ
れた電荷を測定する方法および装置に関し、特にプラズ
マドーピング装置において半導体により集められたイオ
ン電流を測定するという応用例に関する。
【０００２】
【従来技術および発明が解決しようとする課題】電位計
は、回路を流れる電荷の蓄積を測定するために使用され
る最も一般的な器具である。標準的なラスター走査イオ
ン注入において、ファラデーカップは基板への電荷の流
れを測定するために使用される。ドース量、すなわち一
平方センチメートル当たりのイオンを決定するために、
電荷の流れを測定することは重要である。
【０００３】現代の電子装置は半導体材料に基づいてい
る。半導体材料は負の状態で、本質的に非常に低い伝導
性をもち、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。
【０００４】高温ガス拡散およびラスター走査イオン注
入は選択した不純物を半導体にドープするための周知の
技術である。近年、ラスターイオン注入が１０ｋＶ以下
といった低エネルギー条件の下で、特にドーズ量および
生産ウェーハスループットに関心がある場合に制限され
ることが認められた。浅い接合デバイスはより重要にな
り、プラズマイマーションイオン注入（ＰＩ3）として
知られている新しい注入アプローチが研究されている。
ＰＩ3は低エネルギーを使用し、高いドーズ量率を与え
る。ＰＩ3において、ドーズ量を測定するために電流計
を使用することは、特にバイアス電圧が使用されると
き、電流計を電極に挿入することが困難であるので実際
的ではない。また、電流計は典型的に、応答時間が遅
く、電流計は電極への電流の不所望の部分と所望の部分
とを区別できない。
【０００５】
【発明の要約】本発明の目的は、高電位にパルス化され
たサンプルにより蓄積される電荷量の測定を可能にする
ことである。
【０００６】さらに本発明の目的は、電荷パルスが切ら
れた後に生じる検知波形の一部を除去するために、電流
センサーの測定を補償することである。
【０００７】
【実施例】アメリカ特許第４，７６４，３９４号（Conr
ad)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。
【０００８】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。コールド陰極プロセス
は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。
【０００９】６インチのウェーハに対し、第１のパルス
は低動作周期、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
形成は生じない。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望ましい。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。
【００１０】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。
【００１１】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、一つのトリガー源に関し
てタイミングがそれぞれ取られている。
【００１２】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から同電位のチェンバー壁へと電気力線
を形成する。
【００１３】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ガスがら
剥ぎ取られる。これに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。
【００１４】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。
【００１５】図３（ａ）および図３（ｂ）において、Ｐ
Ｓ１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。ＰＳ１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、許容できるデパイスの収量は
このような重なるパルスではそれぼど高くなく、再現性
もよくない。
【００１６】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。
【００１７】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／ｃｍ
2以下である。ＢＦ3ＥＣＲプロセスと比較すると、ＢＦ
3ＥＣＲでは数オーダー大きい。
【００１８】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を切る。
【００１９】ＰＳ１およびＰＳ２が誘導電源であるか
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、ドース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から漏れた磁束のため電
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４
０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、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を完全に除去する波形４４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。
【００２０】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。
【００２１】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。
【００２２】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、除去される
負の部分４２を有し、積分器５２への信号は図４（ａ）
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５４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。
【００２３】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（セレクタ）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５０
０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。
【００２４】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。ＨＩ−３０１のピン４
からの出力は、アナログ・デバイス社製のＯＰ−ＡＭＰ
８２７をまたぐように接続された積分器（回路）５２に
接続される。手動のスイッチ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。
【００２５】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ＤＭ７４
Ｌ５１０９ＡＮ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。
【００２６】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３（ａ）および図３（ｂ）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４（ａ）は陽極回路の一連の電流センサで測
定された電流を示し、図４（ｂ）は図４ａの負の部分を
除去した後の陽極電流を示す。
【図５】ドース量コントローラの略示ブロック図であ
る。
【図６】好適なドース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 １２ 導線 １３ センサー １５ バイアス電源 ２５ ドーズ量コント
ローラ ５１ 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
フロントページの続き (72)発明者 チャールズ・バーレイグ・クーパー・ザ・ サード アメリカ合衆国カリフォルニア州レッドウ ッド・シティー、サミット・ドライブ466 (72)発明者 スーザン・ベンジャミン・フェルク アメリカ合衆国カリフォルニア州ロス・ア ルトス、ジュアレズ・アヴェニュー1817 (72)発明者 チャールズ・イー・ヴァン・ワゴナー アメリカ合衆国カリフォルニア州サンノ ゼ、ミラー・アヴェニュー1055

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 プラズマイマーション注入装置において
    ウェーハ内への注入ドーズ量を測定する方法であって、 (ａ)高電圧パルスの適用に応じた前記ウェーハを支持す
    る電極への総電流であって、時間を分けた第１および第
    ２の部分を有するところの総電流を検知する工程と、 (ｂ)正イオンの注入に対応する、検知された電流の前記
    第１の部分と、前記高電圧パルスを切った瞬間にパルス
    回路に存在する磁束の漏れにより前記電極に誘導される
    誘導電流に対応する、検知された電流の前記第２の部分
    とを識別する工程と、 (ｃ)前記検知された電流の前記第１の部分のみを表す信
    号を時間の関数として積分する工程と、 (ｄ)前記ウェーハへの注入ドーズ量を表す出力値として
    前記積分の結果を与える工程と、 から成る方法。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の方法であって、 検知された電流の前記第１の部分と検知電流の前記第２
    の部分とを識別する工程が、 検知された電流の前記第１の部分が開始した瞬間と実質
    的に同じ時に検知された電流の前記第１の部分を前記積
    分器に与える工程と、 前記検知された電流の前記第１の部分が終わった時に、
    ゼロ電位信号を前記積分器に与える工程と、 から成る方法。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載の方法であって、 ゼロ電位信号を前記積分器に与える前記工程が、検知さ
    れた電流の前記第１の部分が開始した後に検知された電
    流の前記瞬間の値の立ち下がり端の遷移により決定され
    る、ところの方法。
  4. 【請求項４】 請求項２に記載の方法であって、 検知された電流の前記第１の部分を前記積分器へ与える
    前記工程が前記高電圧パルスを開始するために、トリガ
    ー信号に応答して始まる、ところの方法。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載の方法であって、さら
    に、 注入ドーズ量を表す前記積分の結果を選択された値と比
    較する工程、および該比較工程が、前記選択された注入
    ドーズ量の値が得られたことを決定したときの瞬間を示
    し、電源に前記注入を中止させることのできる出力信号
    を送る工程、を含む方法。
  6. 【請求項６】 プラズマに晒されると同時に高電位のパ
    ルスを受ける真空チャンバー内のサンプルに蓄積される
    電荷を測定する装置であって、 プラズマを維持するための、チャンバー内の前記サンプ
    ルを支持する平坦な表面を有する電極と、 前記電極と前記チャンバーの壁との間に電気的に接続さ
    れる、高電圧パルス電源と、 前記電源と前記電極との間に接続され、前記電荷の流れ
    を表す出力信号を有する電極電流センサーと、 前記電極電流センサーの出力信号を受信するために接続
    され、前記電流センサーの出力信号の第１の部分と第２
    の部分と識別する第１の回路、および前記電流センサー
    の出力信号の前記第１の部分を積分する第２の回路を有
    するドーズ量コントローラ回路と、 から成る装置。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載の装置であって、 前記電流センサーの出力信号の第１の部分と第２の部分
    を識別する前記第１の回路が、前記電流センサーの出力
    信号の前記第１の部分の間に、前記電流センサーの出力
    信号の第１の部分を前記第１の回路の出力に切り替える
    手段から成る、ところの装置。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載の装置であって、 前記識別する回路がさらに、前記電流センサーの出力信
    号の前記第２の部分の間に、前記ゼロ電位信号を前記積
    分する回路に出力する手段を含む、ところの装置。
  9. 【請求項９】 請求項７に記載の装置であって、 前記第１の回路が、前記電流センサーの出力信号の前記
    第１の部分が終了したときを検知するための立ち下がり
    端識別手段を含む、ところの装置。
  10. 【請求項１０】 請求項７に記載の装置であって、さら
    に前記電流センサーの出力信号の前記第１の部分の時間
    積分が、選択された基準信号に等しいときの瞬間を示す
    ための出力信号を与える回路を含み、 前記選択された基準信号が前記ドーズ量の調節を表す、 ところの装置。
  11. 【請求項１１】 請求項９に記載の装置であって、 前記立ち下がり端識別手段が調節可能なタイマー回路で
    ある、ところの装置。
JP1994111690A 1993-05-07 1994-04-28 高電圧パルス流のドーズ量測定装置および方法のための電荷モニター Expired - Lifetime JP3950177B6 (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/059,033 US5572038A (en) 1993-05-07 1993-05-07 Charge monitor for high potential pulse current dose measurement apparatus and method
US08/059,033 1993-05-07
US59033 1993-05-07

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Publication Number Publication Date
JPH076728A true JPH076728A (ja) 1995-01-10
JP3950177B2 JP3950177B2 (ja) 2007-07-25
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