JPH1173908A - 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

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】 このエレクトロンフラッド装置は、基板
に対してイオンビームを軸方向に授受するチューブと、
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
波電源と、前記高周波電源から高周波電力を供給し、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、を備えており、これにより、前記低エネ
ルギ電子の束が前記チャンバから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。

Description

【発明の詳細な説明】

【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、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、
を備えており、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。

【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】好適な態様では、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。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耐
熱性誘電材料から形成されており、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。

【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２
１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８
７５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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シユー−ユ チェン アメリカ合衆国， カリフォルニア州， ミルピタス， ローズ ドライヴ 230 (72)発明者 ロバート ジェイ． ミッチェル イギリス国， プルボロー， ウェスト チルティントン ロード サウスウッド （番地なし) (72)発明者 スティーヴン モファット イギリス国， サリー， ケーティー23 ３キューユー， ブックハム ハイクロフ ト コート ６

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、 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いるエレクトロンフラッ
   ド装置。
2. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項６】 前記チャンバ内に電極を備えている請求
   項１〜５のいずれか記載のエレクトロンフラッド装置で
   あって、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ように
   なっているエレクトロンフラッド装置。
7. 【請求項７】 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６記載のエレクトロ
   ンフラッド装置。
8. 【請求項８】 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６または７記載のエレクトロンフラッド装置。
9. 【請求項９】 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１〜８のいずれか記載のエレク
   トロンフラッド装置。
10. 【請求項１０】 前記プラズマチャンバは、耐熱性誘電
    材料から形成され、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１〜９のいずれか記載のエレ
    クトロンフラッド装置。
11. 【請求項１１】 前記シールドは、前記基板電位に接続
    されている、請求項１０記載のエレクトロンフラッド装
    置。
12. 【請求項１２】 前記シールドは、前記チューブに接続
    されている、請求項１０記載のエレクトロンフラッド装
    置。
13. 【請求項１３】 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１〜１２のい
    ずれか記載のエレクトロンフラッド装置。