(57)【要約】【解決手段】プラズマドーピング装置内のプラズマパラメータをモニターするための方法及び装置が与えられる。プラズマドーピング装置は、プラズマドーピングチャンバ、被処理体を支持するためのプラズマドーピングチャンバ内に配置されたプラテン、プラズマドーピングチャンバ内でプラテンから離隔された陽極、プラズマドーピングチャンバに結合された処理ガスソース、プラテンと陽極との間にパルスを印加するためのパルスソース、及びプラズマモニターを含む。処理ガスのイオンを含むプラズマが陽極とプラテンとの間のプラズマ放電領域内で生成される。パルスはイオンをプラズマから被処理体へ加速する。プラズマモニターは、被処理体へ注入されるイオンのドーズ量分布を示すプラズマ密度のようなプラズマパラメータの空間分布を感知する感知デバイスを含む。
2005534187.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマドーピング装置であって、
プラズマドーピングチャンバと、
被処理体を支持するための、前記プラズマドーピングチャンバ内に配置されたプラテンと、
前記プラズマドーピングチャンバ内にあって、前記プラテンから離隔された陽極と、
前記プラズマドーピングチャンバに結合された処理ガスソースであって、処理ガスのイオンを含むプラズマが前記陽極と前記プラテンとの間のプラズマ放電領域内で生成される、ところの処理ガスソースと、
プラズマから被処理体へイオンを加速するために、前記プラテンと前記陽極との間にパルスを印加するためのパルスソースと、
プラズマのパラメータの空間分布を感知するための感知デバイスから成るプラズマモニターと、
から成る装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマドーピング装置であって、前記感知デバイスは被処理体から離隔されて前記プラズマドーピングチャンバ内に配置されたセンサーの直線アレイから成る、ところの装置。
【請求項３】
請求項１に記載のプラズマドーピング装置であって、前記感知デバイスは被処理体から離隔されて前記プラズマドーピングチャンバ内に配置されたセンサーの円形アレイから成る、ところの装置。
【請求項４】
請求項１に記載のプラズマドーピング装置であって、前記感知デバイスは被処理体から離隔されて前記プラズマドーピングチャンバ内に配置されたセンサーの２次元アレイから成る、ところの装置。
【請求項５】
請求項１に記載のプラズマドーピング装置であって、前記感知デバイスは被処理体から離隔されて前記プラズマドーピングチャンバ内に配置されたセンサーの放射状アレイから成る、ところの装置。
【請求項６】
請求項１に記載のプラズマドーピング装置であって、前記感知デバイスはひとつまたはそれ以上の光学センサーから成る、ところの装置。
【請求項７】
請求項６に記載のプラズマドーピング装置であって、前記ひとつまたはそれ以上の光学センサーは広帯域の光を感知するように構成されている、ところの装置。
【請求項８】
請求項６に記載のプラズマドーピング装置であって、前記ひとつまたはそれ以上の光学センサーは狭帯域の光を感知するように構成されている、ところ装置。
【請求項９】
請求項１に記載のプラズマドーピング装置であって、前記感知デバイスはひとつまたはそれ以上の電気センサーから成る、ところの装置。
【請求項１０】
請求項１に記載のプラズマドーピング装置であって、前記感知デバイスは前記陽極内または付近に設置されたひとつまたはそれ以上のセンサーから成る、ところの装置。
【請求項１１】
請求項１に記載のプラズマドーピング装置であって、前記感知デバイスは被処理体から離隔されて前記プラズマドーピングチャンバ内に配置されたイメージセンサーから成る、ところの装置。
【請求項１２】
請求項１に記載のプラズマドーピング装置であって、前記感知デバイスは、被処理体から離隔されて前記プラズマドーピングチャンバ内に配置された可動センサーと、プラズマに関してセンサーを移動させるためのアクチュエータとから成る、ところの装置。
【請求項１３】
請求項１に記載のプラズマドーピング装置であって、前記感知デバイスはプラズマ放電領域内のプラズマ密度の空間分布を感知するように構成されている、ところの装置。
【請求項１４】
請求項１に記載のプラズマドーピング装置であって、前記感知デバイスは被処理体内へ注入されるイオンのドーズ量分布を示すプラズマパラメータを感知するように構成されている、ところの装置。
【請求項１５】
請求項１に記載のプラズマドーピング装置であって、さらに、感知デバイスによる測定を処理し、被処理体内へ注入されるイオンのドーズ量分布を評価するためのドーズプロセッサから成る装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載のプラズマドーピング装置であって、さらに、イオン電流を感知するためのファラデーカップから成り、ドーズプロセッサはビームセンサーの測定に応答して、被処理体へ分配されたイオンドーズ量を評価する、ところの装置。
【請求項１７】
請求項１に記載のプラズマドーピング装置であって、前記感知デバイスは被処理体のプラズマドーピング中のプラズマ密度の空間分布を感知するように構成されている、ところの装置。
【請求項１８】
請求項１に記載のプラズマドーピング装置であって、前記感知デバイスは前記陽極内に設置されたセンサーのアレイから成り、前記プラズマモニターはさらにセンサーに接続された処理回路を含む、ところの装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載のプラズマドーピング装置であって、前記センサーのアレイは、前記陽極内に設置されかつ前記陽極と電気的に絶縁された電気センサーから成る、ところの装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載のプラズマドーピング装置であって、さらに、前記陽極の下面全体を覆う電気的絶縁カバーを含む装置。
【請求項２１】
請求項１８に記載のプラズマドーピング装置であって、前記処理回路は前記センサーの全部または選択された集合を同時にサンプリングするための回路を含む、ところの装置。
【請求項２２】
請求項１８に記載のプラズマドーピング装置であって、前記処理回路は、前記プラテンと前記陽極との間に印加されたパルスの安定部分の間に、前記センサーの全部または選択された集合をサンプリングするための回路を含む、ところの装置。
【請求項２３】
請求項１８に記載のプラズマドーピング装置であって、前記処理回路は、前記プラテンと前記陽極との間に印加された各パルスの開始時またはその付近で、前記センサーの全部または選択された集合をサンプリングするための回路を含む、ところの装置。
【請求項２４】
請求項１８に記載のプラズマドーピング装置であって、前記処理回路は、前記プラテンと前記陽極との間に印加された各パルスの後の残光時間間隔の間に、前記センサーの全部または選択された集合をサンプリングするための回路を含む、ところの装置。
【請求項２５】
請求項１８に記載のプラズマドーピング装置であって、前記処理回路は、前記プラテンと前記陽極との間に印加された各パルスの幅以下のサンプリング時間中に、前記センサーの全部または選択された集合をサンプリングするための回路を含む、ところの装置。
【請求項２６】
請求項１８に記載のプラズマドーピング装置であって、前記処理回路は、前記プラテンと前記陽極との間に印加された各パルスの幅以上のサンプリング時間中に、前記センサーの全部または選択された集合をサンプリングするための回路を含む、ところの装置。
【請求項２７】
請求項１８に記載のプラズマドーピング装置であって、前記処理回路は、前記プラテンと前記陽極との間に印加されたパルスの２個またはそれ以上を含むサンプリング時間中に、前記センサーの全部または選択された集合をサンプリングするための回路を含む、ところの装置。
【請求項２８】
プラズマドーピング装置であって、
プラズマドーピングチャンバと、
被処理体を支持するための、前記プラズマドーピングチャンバ内に配置されたプラテンと、
前記プラズマドーピングチャンバ内にあって、前記プラテンから離隔された陽極と、
前記プラズマドーピングチャンバに結合された処理ガスソースであって、処理ガスのイオンを含むプラズマが前記陽極と前記プラテンとの間のプラズマ放電領域内で生成される、ところの処理ガスソースと、
プラズマから被処理体へイオンを加速するために、前記プラテンと前記陽極との間にパルスを印加するためのパルスソースと、
プラズマの空間分布を感知するために前記陽極上またはその付近に設置されたひとつまたはそれ以上の光学センサーから成るプラズマモニターであって、プラズマの空間分布は被処理体内に注入されるイオンのドーズ量分布を示す、ところのプラズマモニターと、
から成る装置。
【請求項２９】
請求項２８に記載のプラズマドーピング装置であって、前記ひとつまたはそれ以上の光学センサーは、被処理体から離隔されて前記プラズマドーピングチャンバ内に配置されたセンサーの直線アレイから成る、ところの装置。
【請求項３０】
請求項２８に記載のプラズマドーピング装置であって、前記ひとつまたはそれ以上の光学センサーは被処理体から離隔されて前記プラズマドーピングチャンバ内に配置されたセンサーの２次元アレイから成る、ところの装置。
【請求項３１】
請求項２８に記載のプラズマドーピング装置であって、前記ひとつまたはそれ以上の光学センサーは、被処理体から離隔されて前記プラズマドーピングチャンバ内に配置されたイメージセンサーから成る、ところの装置。
【請求項３２】
請求項２８に記載のプラズマドーピング装置であって、前記ひとつまたはそれ以上の光学センサーは、被処理体から離隔されて前記プラズマドーピングチャンバ内に配置された可動センサーと、プラズマに関してセンサーを移動するためのアクチュエータと、から成るところの装置。
【請求項３３】
請求項２８に記載のプラズマドーピング装置であって、前記ひとつまたはそれ以上の光学センサーの各々は、前記プラズマドーピングチャンバ内に設置された光学プローブ、遠隔配置された光センサー及び感知した放射光を遠隔配置された光センサーまで運ぶための光ファイバーから成る、ところの装置。
【請求項３４】
請求項２８に記載のプラズマドーピング装置であって、前記ひとつまたはそれ以上の光学センサーは、約２０ナノメートルまたはそれ以上の幅を有する選択された波長範囲にわたってプラズマの空間分布を感知するように構成されている、ところの装置。
【請求項３５】
請求項３４に記載のプラズマドーピング装置であって、選択された波長範囲は約５０から６００ナノメートルの幅を有する、ところの装置。
【請求項３６】
請求項３４に記載のプラズマドーピング装置であって、選択された波長範囲は処理ガスからの放射光と一致する、ところの装置。
【請求項３７】
請求項３４に記載のプラズマドーピング装置であって、処理ガスはBF3であり、選択された波長範囲は約３５０から４００ナノメートルに集中している、ところの装置。
【請求項３８】
請求項３４に記載のプラズマドーピング装置であって、前記プラズマモニターはさらに、選択された波長範囲にわたって感知した放射光を平均化するための処理回路を含む、ところの装置。
【請求項３９】
請求項３４に記載のプラズマドーピング装置であって、前記プラズマモニターはさらに、選択された波長範囲にわたって感知した放射光を積分するための処理回路を含む、ところの装置。
【請求項４０】
プラズマドーピング方法であって、
プラズマドーピングチャンバ内においてプラテン上で被処理体を支持する工程と、
プラズマを生成し、該プラズマから被処理体へイオンを加速する工程と、
プラズマパラメータの空間分布を感知する工程と、
から成る方法。
【請求項４１】
請求項４０に記載の方法であって、プラズマパラメータの空間分布を感知する工程は、光学センサーのアレイによってプラズマパラメータの空間分布を光学的に感知する工程から成る、ところの方法。
【請求項４２】
請求項４０に記載の方法であって、プラズマパラメータの空間分布を感知する工程は、プラズマドーピングチャンバ内に配置されたイメージセンサーによりプラズマパラメータの空間分布を感知する工程から成る、ところの方法。
【請求項４３】
請求項４０に記載の方法であって、プラズマパラメータの空間分布を感知する工程は、前記プラズマドーピングチャンバ内に配置されたセンサーをプラズマに関して移動させる工程から成る、ところの方法。
【請求項４４】
請求項４０に記載の方法であって、プラズマパラメータの空間分布を感知する工程は、被処理体内に注入されるイオンのドーズ量分布を示すプラズマパラメータの空間分布を感知する工程から成る、ところの方法。
【請求項４５】
請求項４０に記載の方法であって、プラズマパラメータの空間分布を感知する工程は、電気センサーのアレイによりプラズマパラメータの空間分布を電気的に感知する工程から成る、ところの方法。
【請求項４６】
請求項４０に記載の方法であって、プラズマパラメータの空間分布を感知する工程は、センサーのアレイによりプラズマパラメータの空間分布を感知する工程及びプラズマを生成し該プラズマから被処理体内へイオンを加速する工程中にセンサーの全部または選択された集合を同時にサンプリングする工程から成る、ところの方法。
【請求項４７】
請求項４０に記載の方法であって、プラズマを生成してイオンを加速する工程はプラズマドーピングパルスに応答してパルス化されたプラズマを生成する工程から成り、プラズマパラメータの空間分布を感知する工程はひとつまたはそれ以上のセンサーによりプラズマパラメータを感知し、プラズマドーピングパルスの安定部分の間にひとつまたはそれ以上のセンサーの出力をサンプリングする工程から成る、ところの方法。
【請求項４８】
請求項４０に記載の方法であって、プラズマを生成してイオンを加速する工程はプラズマドーピングパルスに応答してパルス化されたプラズマを生成する工程から成り、プラズマパラメータの空間分布を感知する工程はひとつまたはそれ以上のセンサーによりプラズマパラメータを感知し、プラズマドーピングパルスの各々の開始時またはその付近でひとつまたはそれ以上のセンサーの出力をサンプリングする工程から成る、ところの方法。
【請求項４９】
請求項４０に記載の方法であって、プラズマを生成してイオンを加速する工程はプラズマドーピングパルスに応答してパルス化されたプラズマを生成する工程から成り、プラズマパラメータの空間分布を感知する工程はひとつまたはそれ以上のセンサーによりプラズマパラメータを感知し、プラズマドーピングパルスの各々の後の残光時間間隔の間にひとつまたはそれ以上のセンサーの出力をサンプリングする工程から成る、ところの方法。
【請求項５０】
請求項４０に記載の方法であって、プラズマを生成してイオンを加速する工程はプラズマドーピングパルスに応答してパルス化されたプラズマを生成する工程から成り、プラズマパラメータの空間分布を感知する工程はひとつまたはそれ以上のセンサーによりプラズマパラメータを感知し、プラズマドーピングパルスの各々の幅以下のサンプリング時間中にひとつまたはそれ以上のセンサーの出力をサンプリングする工程から成る、ところの方法。
【請求項５１】
請求項４０に記載の方法であって、プラズマを生成してイオンを加速する工程はプラズマドーピングパルスに応答してパルス化されたプラズマを生成する工程から成り、プラズマパラメータの空間分布を感知する工程はひとつまたはそれ以上のセンサーによりプラズマパラメータを感知し、プラズマドーピングパルスの各々の幅以上のサンプリング時間中にひとつまたはそれ以上のセンサーの出力をサンプリングする工程から成る、ところの方法。
【請求項５２】
請求項４０に記載の方法であって、プラズマを生成してイオンを加速する工程はプラズマドーピングパルスに応答してパルス化されたプラズマを生成する工程から成り、プラズマパラメータの空間分布を感知する工程はひとつまたはそれ以上のセンサーによりプラズマパラメータを感知し、プラズマドーピングパルスの２個またはそれ以上を含むサンプリング時間中にひとつまたはそれ以上のセンサーの出力をサンプリングする工程から成る、ところの方法。
【請求項５３】
プラズマドーピング方法であって、
プラズマドーピングチャンバ内においてプラテン上で被処理体を支持する工程と、
プラズマを生成し、該プラズマから被処理体へイオンを加速する工程と、
プラズマの空間分布を光学的に感知する工程であって、プラズマの空間分布は被処理体内に注入されたイオンのドーズ量分布を示す、ところの工程と、
から成る方法。
【請求項５４】
請求項５３に記載の方法であって、プラズマの空間分布を光学的に感知する工程は光学センサーのアレイによりプラズマを光学的に感知する工程から成る、ところの方法。
【請求項５５】
請求項５４に記載の方法であって、さらに、感知したプラズマの空間分布を処理し、被処理体中に注入されたイオンのドーズ量分布を評価する工程を含む、ところの方法。
【請求項５６】
請求項５３に記載の方法であって、プラテン上で被処理体を支持する工程は、プラテン上で半導体ウエハを支持する工程から成る、ところの方法。
【請求項５７】
請求項５３に記載の方法であって、プラズマの空間分布を光学的に感知する工程は約２０ナノメートルまたはそれ以上の幅を有する選択された波長範囲にわたってプラズマからの放射光を感知する工程から成る、ところの方法。
【請求項５８】
請求項５７に記載の方法であって、選択された波長範囲にわたってプラズマからの放射光を感知する工程は約５０から６００ナノメートルの幅を有する選択された波長範囲にわたって放射光を感知する工程から成る、ところの方法。
【請求項５９】
請求項５７に記載の方法であって、さらに、選択された波長範囲を、プラズマを生成するのに使用される処理ガスからの放射光と一致させる工程を含む方法。
【請求項６０】
請求項５７に記載の方法であって、プラズマはBF3から生成され、選択された波長範囲は約３５０から４００ナノメートルに集中している、ところの方法。
【請求項６１】
請求項５７に記載の方法であって、さらに、選択された波長範囲にわたって感知した放射光を平均化する工程を含む、ところの方法。
【請求項６２】
請求項５７に記載の方法であって、さらに、選択された波長範囲にわたって感知した放射光を積分する工程を含む、ところの方法。
【請求項６３】
プラズマドーピング方法であって、
プラズマドーピングチャンバ内においてプラテン上で被処理体を支持する工程と、
プラズマを生成し、該プラズマから被処理体へイオンを加速する工程と、
プラズマの空間分布を電気的に感知する工程であって、プラズマの空間分布は被処理体内に注入されたイオンのドーズ量分布を示す、ところの工程と、
から成る方法。
【請求項６４】
請求項６３に記載の方法であって、プラズマの空間分布を電気的に感知する工程は電気的センサーのアレイによりプラズマを電気的に感知する工程から成る、ところの方法。
【請求項６５】
プラズマドーピング装置であって、
プラズマドーピングチャンバと、
被処理体を支持するための、前記プラズマドーピングチャンバ内に配置されたプラテンと、
前記プラズマドーピングチャンバ内にあって、前記プラテンから離隔された陽極と、
前記プラズマドーピングチャンバに結合された処理ガスソースであって、処理ガスのイオンを含むプラズマが前記陽極と前記プラテンとの間のプラズマ放電領域内で生成される、ところの処理ガスソースと、
プラズマから被処理体へイオンを加速するために、前記プラテンと前記陽極との間にパルスを印加するためのパルスソースと、
選択された波長範囲にわたってプラズマからの放射光を感知するための光学センサー及び選択された波長範囲にわたって感知した放射光を処理するために光学センサーに接続された処理回路から成るプラズマモニターと、
から成る装置。
【請求項６６】
請求項６５に記載のプラズマドーピング装置であって、選択された波長範囲は約２０ナノメートルまたはそれ以上の幅を有する、ところの装置。
【請求項６７】
請求項６５に記載のプラズマドーピング装置であって、選択された波長範囲は約５０から６００ナノメートルの幅を有する、ところの装置。
【請求項６８】
請求項６５に記載のプラズマドーピング装置であって、選択された波長範囲は処理ガスからの放射光と一致する、ところの装置。
【請求項６９】
請求項６５に記載のプラズマドーピング装置であって、処理ガスはBF3から成り、選択された波長範囲は約３５０から４００ナノメートルに集中している、ところの装置。
【請求項７０】
請求項６５に記載のプラズマドーピング装置であって、処理回路は選択された波長範囲にわたって感知した放射光を平均化する、ところの装置。
【請求項７１】
請求項６５に記載のプラズマドーピング装置であって、処理回路は選択された波長範囲にわたって感知した放射光を積分する、ところの装置。
【請求項７２】
プラズマドーピング方法であって、
プラズマドーピングチャンバ内においてプラテン上で被処理体を支持する工程と、
プラズマを生成し、該プラズマから被処理体へイオンを加速する工程と、
選択された波長範囲にわたってプラズマからの放射光を感知する工程と、
プラズマ状態を表す測定値を与えるよう選択された波長範囲にわたって感知した放射光を処理する工程と、
から成る方法。
【請求項７３】
請求項７２に記載の方法であって、感知した放射光を処理する工程は選択された波長範囲にわたって感知した放射光を平均化する工程から成る、ところの方法。
【請求項７４】
請求項７２に記載の方法であって、感知した放射光を処理する工程は、選択された波長範囲にわたって感知した放射光を積分する工程から成る、ところの方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は被処理体のイオン注入に使用されるプラズマドーピング装置に関し、特に、プラズマドーピング装置内のプラズマパラメータをモニターするための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン注入は半導体ウエハ中に導電率を変更する不純物を導入するための標準的技術である。従来のビームラインイオン注入装置において、所望の不純物材料がイオンソース内でイオン化され、該イオンは所定のエネルギーのイオンビームを形成するべく加速され、該イオンビームはウエハの表面に向けられる。ビーム内の活性イオンは半導体材料のバルクに侵入し、所望の導電率領域を形成するべく半導体材料の結晶格子内に埋め込まれる。
【０００３】
半導体産業界の周知のトレンドは、より小型のより高速なデバイスに向かっている。特に、半導体デバイスの素子の横寸法及び深さの両方が減少している。特定の半導体デバイスは１０００オングストローム以下の接合深さを要求し、ついには２００オングストロームまたはそれ以下のオーダーの接合深さを要求する。ドーパント材料の注入深さは、少なくとも部分的には、半導体ウエハ中に注入されるイオンのエネルギーにより決定される。典型的に、ビームラインイオン注入装置は比較的高い注入エネルギーにおいて効率的に動作するように設計されており、浅い接合注入に必要な低エネルギーにおいて効率的に機能しない。
【０００４】
プラズマドーピング装置は半導体ウエハ中に浅い接合を形成するために研究されたものである。プラズマドーピング装置において、半導体ウエハは陰極として機能する導体プラテン上に載置され、プラズマドーピングチャンバ内に配置される。所望のドーパント材料を含むイオン性処理ガスがチャンバ内に導入され、プラテンと陽極またはチャンバ壁との間に電圧パルスが印加されると、ウエハ付近にプラズマシースを有するプラズマが形成される。印加されたパルスにより、プラズマ内のイオンはプラズマシースを横切ることができ、ウエハ中に注入される。注入の深さはウエハと陽極との間に印加された電圧に関係する。プラズマドーピング装置は、非常に低い注入エネルギーを達成することが可能である。プラズマドーピング装置の例としては、Shengによる１９９４年１０月１１日発行の米国特許第5,354,381号、Liebertらによる２０００年２月１日発行の米国特許第6,020,592号、及びGoecknerらによる２００１年２月６日発行の米国特許第6,182,604号に記載されたものがある。
【特許文献１】米国特許第5,354,381号明細書
【特許文献２】米国特許第6,020,592号明細書
【特許文献３】米国特許第6,182,604号明細書
【０００５】
上記プラズマドーピング装置において、印加された電圧パルスはプラズマを生成し、プラズマからの正イオンをウエハ方向へ加速する。プラズマイマージョン装置として知られる他の種類のプラズマ装置において、プラズマドーピングチャンバの内部または外部に配置されたアンテナからの誘導結合RF電力により連続プラズマが生成される。該アンテナはRF電源に接続されている。間欠的に、電圧パルスがプラテンと陽極との間に印加され、プラズマ中の正イオンがウエハ方向へ加速される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ウエハに注入される累積イオンドーズ量及びウエハ表面にわたるドーズ量の空間均一性に関して、イオン注入を含む半導体製造処理には厳しい要求が課されている。注入されたドーズ量は注入された領域の電気的活性を決定し、一方ドーズ量均一性は半導体ウエハ上のすべてのデバイスが特定限度の動作特性を有することを保証するために要求される。
【０００７】
プラズマドーピング装置において、イオンを生成するプラズマはウエハの表面に配置される。ドーズ量空間均一性は、プラズマの均一性及びウエハ付近の電場に依存する。しかし、プラズマは空間非均一性を有し、時間とともに変化する。そのようなプラズマの非均一性は処理中のウエハ内にドーズ量の非均一性を生成しやすい。ドーズ量の均一性を改良するためにプラテンを包囲する別々にバイアスされた同心構造を使用するプラズマドーピング装置が、Chapekらによる１９９８年１月２７日発行の米国特許第5,711,812号に開示されている。このアプローチによる改良にも拘わらず、ドーズ量均一性の問題はプラズマドーピング装置にはまだ残されている。
【０００８】
したがって、プラズマドーピング装置のパフォーマンスをモニターするための方法及び装置が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様に従い、プラズマドーピング装置が与えられる。該プラズマドーピング装置は、プラズマドーピングチャンバ、被処理体を支持するためのプラズマドーピングチャンバ内に配置されたプラテンと、プラズマドーピングチャンバ内でプラテンから離隔された陽極と、プラズマドーピングチャンバへ結合された処理ガスソースと、プラテンと陽極との間にパルスを印加するためのパルスソースと、プラズマモニターと、から成る。処理ガスのイオンを含むプラズマが陽極とプラテンとの間のプラズマ放電領域内に生成される。プラテンと陽極との間に印加されたパルスはプラズマからのイオンを被処理体へ加速する。プラズマモニターはプラズマパラメータの空間分布を感知する感知デバイスから成る。感知されたプラズマパラメータの空間分布は被処理体内へ注入されるイオンのドーズ量分布を示す。
【００１０】
ある実施例において、感知デバイスは被処理体から離隔されてプラズマドーピングチャンバ内に配置されたセンサーのアレイから成る。センサーは陽極内部またはその付近に設置される。センサーは光学センサーまたは電気センサーから成る。センサーアレイは直線アレイまたは２次元アレイから成る。円筒形状を有するプラズマドーピングチャンバ内で、センサーの円形アレイまたは放射状アレイが利用されてもよい。
【００１１】
ある実施例において、感知デバイスはプラズマ放電領域内でプラズマのイメージを捕捉するためのひとつまたはそれ以上のイメージセンサーから成る。
【００１２】
ある実施例において、感知デバイスは被処理体から離隔されてプラズマドーピングチャンバ内に配置された可動センサーと、プラズマに関してセンサーを移動させるためのアクチュエータと、から成る。
【００１３】
さらにプラズマモニターは、センサーに接続された処理回路を含む。センサーにより得られた測定結果は処理回路に与えられ、該処理回路は被処理体中へ注入されたイオンのドーズ量分布の推定値を計算する。
【００１４】
本発明の他の態様に従い、プラズマドーピング方法が与えられる。方法は、プラズマドーピングチャンバ内のプラテン上で被処理体を支持する工程と、プラズマドーピングチャンバ内でプラズマを生成し、プラズマのイオンを被処理体へ加速する工程と、プラズマパラメータの空間分布を感知する工程と、から成る。プラズマパラメータの空間分布は被処理体内へ注入されたイオンのドーズ量分布を示す。
【００１５】
本発明の他の態様に従い、プラズマドーピング装置が与えられる。プラズマドーピング装置は、プラズマドーピングチャンバと、被処理体を支持するためにプラズマドーピングチャンバ内に配置されたプラテンと、プラズマドーピングチャンバ内でプラテンから離隔された陽極と、プラズマドーピングチャンバに結合された処理ガスソースと、プラテンと陽極との間にパルスを印加するためのパルスソースと、プラズマモニターと、から成る。処理ガスイオンを含むプラズマが陽極とプラテンとの間のプラズマ反応領域内に生成される。プラテンと陽極との間に印加されたパルスはプラズマのイオンを被処理体へ加速する。プラズマモニターは選択された波長範囲にわたってプラズマからの放射光を感知するための光学センサーと、選択された波長範囲にわたって感知された放射光を処理するための光学センサーに接続された処理回路とから成る。
【００１６】
本発明の他の態様にしたがって、プラズマドーピング方法が与えられる。方法は、プラズマドーピングチャンバ内でプラテン上に被処理体を支持する工程と、プラズマを生成し、プラズマのイオンを被処理体へ加速する工程と、選択された波長範囲にわたってプラズマからの放射光を感知する工程と、プラズマの状態を表す測定値を与えるよう選択された波長範囲にわたって感知された放射光を処理する工程と、から成る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施に適したプラズマドーピング装置の例が図１に略示されている。プラズマドーピングチャンバ10は密閉空間12を画成する。チャンバ10内に配置されたプラテン14は半導体ウエハ20のような被処理体を保持するための表面を与える。ウエハ20は例えば、プラテン14の平坦面に対しその周縁がクランプされてもよい。ひとつの実施例において、プラテンはウエハ20を支持するための電気的に導体の表面を有する。他の実施例において、プラテンはウエハ20と接触するための導体ピン（図示せず）を含む。ウエハ20及びプラテン14はプラズマドーピング装置内で陰極として機能する。
【００１８】
陽極24はプラテン14から離隔されてチャンバ10内に配置される。陽極24はプラテン14に対して垂直の矢印26方向に移動可能である。典型的に、陽極はチャンバ10の電気的に導電性の壁に結合され、両者は接地される。他の構成において、プラテン14は接地されかつ陽極24にはパルス電圧が印加される。
【００１９】
陽極24が接地される構成において、ウエハ20はプラテン14を介して高電圧パルスソース30に接続されている。典型的にパルスソース30は、振幅が約１００から５０００ボルトの範囲で、間隔が約１から５０ミリ秒で、パルス周期が１００Hzから２kHzのパルスを与える。これらのパルスパラメータ値は例として与えられるものであり、発明の態様の範囲内で他の値が使用され得ることが理解されよう。
【００２０】
チャンバ10の密閉空間12は制御可能バルブ32を通じて真空ポンプ34に結合されている。処理ガスソース36は質量流量制御器38を介してチャンバ10と結合されている。チャンバ10内に配置された圧力センサー44はチャンバ圧力を示す信号を制御器46へ与える。制御器46は感知したチャンバ圧力を所望の圧力入力と比較し、制御信号をバルブ32へ与える。制御信号は、チャンバ圧力と所望の圧力との間の差を最小にするようにバルブ32を制御する。真空ポンプ34、バルブ32、圧力センサー44及び制御器46は閉ループ圧力制御システムを構成する。典型的に、圧力は約１ミリトルから約５０ミリトルの範囲で制御されるが、この範囲に限定されない。ガスソース36は被処理体へ注入するための所望のドーパントを含むイオン性ガスを供給する。イオン性ガスの例として、BF3、N2、Ar、PH3、AsH3及びB2H6が含まれる。質量流量制御器38はチャンバ10へ供給されるガス流量を調節する。図１に示された構成は、一定のガス流量及び一定圧力の処理ガスの連続流を与える。圧力及びガス流量は反復可能な結果を与えるよう好適に調整される。
【００２１】
プラズマドーピング装置は、中空陰極パルスソース56に接続された中空陰極54を含んでも良い。ひとつの実施例において、中空カソード54は陽極24とプラテン14との間の空間を包囲する導体中空シリンダから成る。中空陰極は非常に低いイオンエネルギーが要求される応用において使用される。特に、中空カソードパルスソース56はチャンバ12内にプラズマを形成するのに十分なパルス電圧を与え、パルスソース30は所望の注入電圧を確立する。中空陰極の使用に関する詳細は、ここに参考文献として組み込む米国特許第6,182,604号に記載されている。
【００２２】
ウエハ20内に注入されイオンドーズ量を測定するために、ひとつまたはそれ以上のファラデーカップがプラテン14に隣接配置されている。図１の実施例において、ファラデーカップ50、52等はウエハ20の周囲に等間隔に配置されている。各ファラデーカップはプラズマ40に対向する入口60を有する導体エンクロージャから成る。各ファラデーカップは実際のウエハ20付近に配置され、プラズマ40からプラテン14方向へ加速された正イオンのサンプルを捕らえる。他の実施例において、環状のファラデーカップがウエハ20及びプラテン14の周りに配置される。
【００２３】
ファラデーカップはドーズプロセッサ70または他のドーズモニター回路に電気的に接続されている。入口60を通って各ファラデーカップに進入した正イオンは、ファラデーカップに接続された電気回路内にイオン電流を表す電流を生成する。ドーズプロセッサ70はイオンドーズ量を決定するべく該電流を処理する。
【００２４】
上記米国特許第5,711,812号に記載されるように、プラズマドーピング装置はプラテン14を包囲するガードリング66を含む。ガードリング66はウエハ20のエッジ付近の注入イオン分布の均一性を改善するようバイアスされてもよい。ファラデーカップ50、52はウエハ20及びプラテン14の周辺付近のガードリング66内に配置される。
【００２５】
動作中、ウエハ20はプラテン14上に配置されている。圧力制御装置、質量流量制御装置38及びガスソース36はチャンバ10内に所望の圧力及びガス流量を生成する。例として、チャンバ10には１０ミリトルの圧力でBF3ガスが導入される。パルスソース30はウエハ20へ一連の高電圧パルスを印加し、それによりウエハ20と陽極24との間のプラズマ放電領域48にプラズマ40が形成される。周知技術として、プラズマ40はガスソース36からのイオン性ガスの正イオンを含む。プラズマ40はウエハ20の表面付近にプラズマシース42を有する。高電圧パルス中に陽極24とプラテン14との間に存在する電場は、プラズマシース42を横切ってプラズマ40からプラテン14方向へ正イオンを加速する。加速されたイオンは不純物材料の領域を形成するべくウエハ20内に注入される。パルス電圧はウエハ20内の所望の深さまで正イオンを注入するよう選択される。パルスの数及びパルス間隔はウエハ20内に所望のドーズ量の不純物材料を与えるよう選択される。パルス毎の電流は、パルス電圧、ガス圧力及びガス種、並びに電極の可変位置の関数である。例えば、陽極−陰極間隔は、異なる電圧ごとに調節されてもよい。
【００２６】
ウエハ20の表面にわたるイオンドーズ量均一性はプラズマ40の均一性及びウエハ20近傍の電場に依存する。しかし、プラズマ40は空間非均一性を有し、かつ時間とともに変化する。したがって、プラズマドーピング装置のパフォーマンスをモニターするための技術が必要である。
【００２７】
本発明の実施例が図２〜１９を参照して説明される。図１から１９の同一部材は同一符合で示される。図２から１９に示された実施例は図１に示されるタイプのプラズマドーピング装置、上記または他のあらゆるプラズマドーピング装置で利用可能である。
【００２８】
本発明の態様に従い、プラズマドーピング装置は、ウエハまたは他の被処理体内に注入されたイオンのドーズ量分布をモニターするためのプラズマモニターを具備する。プラズマモニターは、プラズマパラメータの空間分布を感知するためのセンサーのアレイのような感知デバイス及びドーズ量均一性の指標を与えるセンサー信号を処理するための処理回路を含む。プラズマモニターは注入の間リアルタイムに使用され、診断ツールとして利用される。
【００２９】
プラズマドーピング装置の実施例の部分断面図が図２に示されている。プラズマドーピング装置は本発明の第１実施例に従うプラズマモニター90を含む。プラズマモニター90は、プラズマ40に関連するパラメータの空間分布を感知するための感知デバイス100及び、感知デバイス100の出力信号を処理するための、ドーズプロセッサ70に組み込まれた処理回路を含む。感知されたプラズマパラメータは被処理体内に注入されたイオンのドーズ量分布を示す。ある実施例において、感知デバイス100は陽極24とプラテン14との間のプラズマ放電領域内のプラズマ40のプラズマ密度の空間分布を感知する。
【００３０】
図２の実施例において、感知デバイス100は陽極24に離隔されて載置されたプラズマセンサー110のアレイを含む。プラズマセンサー110は例えば、光学センサーまたは電気センサーである。センサー110の各々はプラテン14の方向に向けられ、プラズマ40の領域を感知する。センサー110は真空フィードスルー112を通じてドーズプロセッサ70または他のドーズ制御器へ電気的に接続されている。図２の実施例において、センサー110は陽極24の半径方向に沿って離隔されている。感知デバイス100の他の実施例は図３から７に示され、以下に説明される。
【００３１】
センサー110が光学センサーである場合の実施例において、各光学センサー110はプラズマ40の領域からの放射光を観測する。捕捉された光学信号は局所的なプラズマ密度を示し、それは光学センサーによって観測される領域内のウエハ20へ分配されたドーズ量に関係する。センサー110のアレイはプラズマ強度の空間変化に関する情報を与え、それは注入ドーズ量をより均一にするための及び注入ドーズ量の反復性を改善するための診断ツールとして有用である。センサーのアレイは、半導体ウエハまたは他の被処理体のプラズマドーピング中のプラズマ強度の空間的変化をリアルタイムにモニターするためにも使用される。センサー110は好適にはウエハ20または他の被処理体に対して離れて配置され、プラズマ放電領域48内のプラズマからの放射光を測定するよう方向付けられる。注入の均一性を特徴づけるために使用されるドーズマップを作成するのに、センサー110のアレイによる複数回の観測が使用される。
【００３２】
上記したように、センサー110は光学センサーまたは電気センサーである。ある実施例において、各センサー110はフォトダイオードまたは陽極24に載置された他の光センサーである。他の実施例において、各センサー110は、陽極24に載置されたレンズのような光学プローブ、遠隔配置された光センサー及び感知された放射光を遠隔配置された光センサーへ運ぶための光ファイバーを含む。レンズは感知された放射光を光ファイバーの端部に集束する。光センサーはプラズマドーピングチャンバの外部に配置される。さらに他の実施例において、CCDイメージセンサーのようなイメージ感知デバイスが使用されてもよい。感知デバイス100がプラズマパラメータの空間分布を感知する場合、センサーの数及びセンサーの構成は所望の空間解像度に依存する。異なるセンサーアレイが以下に説明されるように使用されてもよい。イメージセンサーの場合、ひとつまたはそれ以上のセンサーがプラズマをモニターするのに使用される。ある実施例において、光学センサーが可視及び赤外線付近スペクトルの選択された波長範囲の放射光をモニターする。感知された放射光は選択された波長範囲にわたって平均化されるか積分される。他の実施例において、光学センサーはプラズマドーピングチャンバ内のガス分子からのある放射光のような狭帯域の放射光をモニターする。
【００３３】
他の実施例において、センサー110は、各センサー付近のプラズマ領域内の荷電粒子（典型的に、電子）を感知する電気センサーであってもよい。電気センサーは陽極24から電気的に分離された導体エレメントである。
【００３４】
本発明に従う感知デバイスの第２から第６実施例が図３から図７にそれぞれ示されている。図３から図７は感知デバイスの構成を示す陽極24の底面図である。図３から図７の実施例において、プラズマドーピングチャンバは円筒形を有し、陽極は円形である。しかし、本発明は任意の形状を有するチャンバ内のプラズマパラメータの空間分布をモニターするために使用可能である。
【００３５】
感知デバイスは陽極24にまたはその付近に設置されたひとつまたはそれ以上のセンサーを含む。例えば、センサーは、プラズマ40を観測するのに適した位置で陽極24の上面あるいは陽極24の下面に配置され、陽極24のひとつまたはそれ以上の開口を通じてプラズマ40をモニターする。感知デバイスは単一のセンサー、イメージセンサー、センサーの固定アレイ、あるいはひとつまたはそれ以上の可動センサーを使用することができる。
【００３６】
図３を参照して、センサー132の直線アレイ130が示されている。センサー132は陽極24の直径に沿って離隔されている。
【００３７】
図４を参照して、センサー142の２次元アレイ140が示されている。図４の実施例において、センサー142は行及び列が等間隔の２次元グリッド上に配置されている。２次元アレイ140は少なくともウエハ20の領域のプラズマ40をモニターするのに十分な面積をカバーする。
【００３８】
図５を参照して、センサー152の２次元アレイ150が示されている。図５の実施例において、２次元アレイ150は所望のモニター解像度を与えるべく陽極24の直径に沿ってかつ等方位角に並べられたセンサー152の２つまたはそれ以上の直線アレイを含む。
【００３９】
図６を参照して、センサー162の２次元アレイ160が示されている。２次元アレイ160は、陽極24と同心円である円形アレイを有するセンサー162のひとつまたはそれ以上の円形アレイを含む。
【００４０】
センサーの数、センサー間隔及びセンサーのアレイ構成は、センサー特性及び所望のモニター解像度に依存する。アレイのセンサー間隔は均等でも異なってもよい。一般に、センサーの空間配置は任意である。センサー170は光学センサーまたは電気センサーである。
【００４１】
固定センサーアレイ以外の可動センサーを使用した構成が図７に示されている。図７の実施例において、センサー170は陽極24のスロット172内に配置されている。センサー170は駆動シャフト174により駆動モーターのようなアクチュエータ176へ結合されている。アクチュエータ176は矢印178で示される方向でスロット172に沿ってセンサー170を移動させる。センサー170は、移動範囲に沿って連続的にまたは断続的にプラズマ40をモニターする。一般に、ひとつまたはそれ以上の可動アクチュエータが使用される。センサー170は光学センサーまたは電気センサーである。可動センサーにより、センサーアレイ内の個々のセンサー間でキャリブレーションを行う必要がなくなる。
【００４２】
上記したように、感知デバイスはCCDイメージセンサーのようなひとつまたはそれ以上のイメージセンサーを含むこともできる。イメージセンサーの数及び位置はイメージセンサーの観測フィールド及び所望のモニター有効範囲に依存する。例えば、数個の離隔されたイメージセンサーがプラズマをモニターするのに使用される。
【００４３】
センサーの出力は、ファラデーカップ50及び52の出力とともにドーズプロセッサ70へ供給される。プラズマセンサーの出力はプラズマ密度のようなプラズマパラメータに関する空間情報を与える。プラズマパラメータは好適にはウエハ20に注入されるイオンドーズ量に関連する。したがって、プラズマ空間情報はウエハ20内に注入されたイオンのドーズ量分布を示す。ファラデーカップ50及び52はウエハ20内に注入されたイオンドーズ量に関する情報を与える。これらの観測から、ドーズプロセッサ70はウエハに注入されたドーズ量及びドーズ量均一性を決定する。
【００４４】
本発明に従うプラズマモニターの第７実施例が図８から図１２を参照して説明される。図８に示されるように、プラズマドーピング装置は図１と逆さまの構造を有し、プラズマ40の上にプラテン40及びウエハ20が配置され、プラズマ40の下に陽極24が配置されている。
【００４５】
プラズマ40に関連するパラメータの空間分布をモニターするための電気センサー210が陽極24に設置されている。図８から１２の実施例は図１０に示されるような４９個の電気センサーのアレイを使用する。しかし、異なる数のセンサー210が本発明の態様内で使用され得る。センサー210に接続された導線212はプラズマドーピングチャンバ10の外部に配置された処理回路220までフィードスルー214を通じて伸長する。導線212は少なくともプラズマドーピングチャンバ10内で耐プラズマ絶縁性を有しなければならない。ある実施例において、導線212は５０Ωの抵抗により終端された同軸ケーブルから成る。
【００４６】
図９を参照して、各電気センサー210はT形の断面を有する導体エレメントから成る。各電気センサー210は陽極24のリセス224内に設置されかつ絶縁スリーブ226により陽極24から電気的に絶縁されている。電気的センサー210と陽極24との間のギャップ230はプラズマ40に対する外乱を制限するために典型的に約０.１ミリメートルのオーダーで比較的小さい。電気的センサー210及び陽極24は典型的に接地であるほぼ同一のポテンシャルで動作するため、それらの間でアーキングは生じない。荷電粒子の感知中に電気センサー210上に誘導される電圧はミリボルトまたはそれ以下のオーダーである。陽極24は、下面でのプラズマ感知を防止しかつ導線212に対して保護を与えるべくプラズマ40と反対側の下面全体に電気的絶縁性カバー232を具備する。図９に示されるように、導線212はカバー232内で電気センサー210の下面に接続される。
【００４７】
処理回路220の例が図１１に示されている。増幅されたセンサー信号を与えるべく、導線212は電気センサー210から各増幅器240へ接続される。増幅されたセンサー信号は、増幅されたセンサー信号をデジタル値に変換するアナログ-デジタル変換器242へ送られる。増幅されたセンサー信号はパルス化されたプラズマドーピング装置の動作中のサンプル信号に応答して同時にサンプリングされる。アナログ-デジタル変換器242は複数チャネル変換器または複数の個別変換器を含む。アナログ-デジタル変換器242の出力は、データバッファ244を通じてデジタル値の処理及び格納用のPCのようなコンピュータ250へ与えられる。複数の電気センサー210がプラズマドーピングチャンバ10内のプラズマ40の空間分布のマップを与える。
【００４８】
センサー信号のサンプリングが図１２に示されている。センサー信号260は処理回路220内のひとつの増幅器240の出力を表す。パルスソース30がプラズマ開始時刻t1においてトリガーされ、プラズマ40が形成されかつプラズマに応答してセンサーパルス262が生成される。アナログ-デジタル変換器242はサンプリング開始時刻t2からサンプリング終了時刻t3までセンサーパルス262をサンプリングするよう作用する。下記の通り、サンプリング開始時刻t2及びサンプリング終了時刻t3は、例えばモニター中のプラズマパラメータ及びセンサー特性に依存して変化し得る。サンプリングは、プラズマ40をリアルタイムにモニターするために、プラズマドーピング装置がパルスソース30によりトリガーされる毎に繰り返される。センサー信号の同時サンプリング中に捕捉された値の各セットは、プラズマドーピングチャンバ10内のプラズマ密度の空間分布のマップを表す。
【００４９】
さまざまな異なるサンプリングパラメータがモニター中のプラズマパラメータに依存して使用される。サンプリング時間は、増幅されたセンサー信号の振幅を測定するためにアナログ-デジタル変換器242がサンプル信号によりイネーブルとなる間の時間として定義される。図１２を参照して、サンプリング時間はサンプリング開始時刻t2からサンプリング終了時刻t3までの時間間隔である。一般に、サンプリング時間は、パルスソース30によりプラテン14へ印加されるプラズマドーピングパルスの幅より短いか、あるいはプラズマドーピングパルスの幅より長い。ある場合、サンプリング時間はプラズマドーピングパルスの幅より非常に長い。図１２に示されるように、センサー信号260はプラズマドーピングパルスと同じパルス幅及びデューティサイクルを有する。
【００５０】
サンプリング時間が長いと、測定は多くのセンサーパルス262をサンプリングし、サンプリング時間にわたる信号の平均である出力を与える。これは光学センサーの場合であり、その際センサー応答時間はプラズマドーピングパルス幅に比べて長い。しかし、電気センサーの場合、サンプリング時間は例えば１マイクロ秒以下で非常に短い。これにより、プラズマドーピングパルスに関して異なるステージでのプラズマパラメータの測定が可能となる。サンプリングは、プラズマが点火された時点であるプラズマドーピングパルスの開始時またはその付近、プラズマが安定状態に達した時点であるパルスの安定部分、またはプラズマドーピングパルスが終了した後の残光時間間隔に実行される。プラズマドーピングパルスの安定部分でのサンプリングは均一性の最適な測定をもたらすと考えられるが、開始時または残光時間間隔でのサンプリングは診断目的及びプラズマドーピングシステムの改良を助けるのに有用である満足な結果をもたらす。上記した同時サンプリングとは、すべてのセンサーのサンプリングが同時に開始しかつ同時に終了することを言う。しかし、図１２を参照して、サンプリング開始時刻t2及びサンプリング終了時刻t3は、プラズマ開始時刻t1に関して任意の所望のタイミングを有し、サンプリング時間はひとつまたはそれ以上のプラズマドーピングパルスを含む。
【００５１】
電気センサー210のサンプリングは陽極24に設置された電気センサー210のすべてあるいは電気センサー210のサブセットの同時サンプリングに関連する。例えば、陽極24の直径に沿ったセンサー210がサンプリングされるか、または陽極24の円周付近のセンサー210がサンプリングされる。
【００５２】
プラズマモニターの第８実施例が図１３を参照して説明される。図１との関連で上記したように、陽極24はウエハに向かってまたは離れる方向に移動可能である。図１３の実施例において、陽極24は、プラズマドーピングチャンバ10内で陽極24を上下に移動させるアクチュエータ（図示せず）へ、フィードスルー272を通じるシャフト270により結合されている。図１３の実施例において、電気センサー210へ接続された導線212はシャフト270及びフィードスルー272の中空部分を通過して外部に配置された処理回路へ接続される。この構成により導線212がプラズマ環境に曝されるのが防止される。
【００５３】
プラズマモニターの第９実施例が図１４を参照して説明される。図１４の実施例は光学センサーを使用する。各光学センサーは、プラズマ48からの放射光を感知するための、陽極24に設置された光学プローブ300、遠隔配置された光センサー302、及び感知された放射光を遠隔配置された光センサー302へ運ぶための光ファイバー304を含む。各光学プローブ300はレンズ支持エレメント312に設置されたレンズ310を含む。光センサー302の各々は感知された放射光に応答して電気信号を生成する。電気信号は処理回路へ与えられ、該処理回路は図１１及び１２に関して上記されたように構成されている。任意の数及び構成の光学センサーが使用され得る。
【００５４】
図１４の実施例において、各光学プローブ300はウエハ20の表面の小さい面積320からの光を集束する。各光学プローブ300はプラズマ48の制限された感知領域からの放射光を感知する。制限された感知領域は例えば、円錐形、円錐台形、または円筒形である。ウエハ20の表面特性に依存して、光学プローブ300はウエハ表面により反射されたプラズマ48の放射光も感知する。
【００５５】
プラズマモニターの第１０実施例が図１５を参照して説明される。図１５の実施例は図１４と関連して上記したように光学センサーを使用する。図１５の実施例において、光学プローブ300aはウエハ20の比較的大きい面積324からの光を集束する。この構成は、ウエハの異なる表面からの反射の平均をもたらす。図１５の実施例内の第２光学センサー300bはプラズマ48内の領域328からの光を集束する。図１５は図示の都合上、異なる領域からの光が別々の光学センサーにより集束されるように示されている。典型的なプラズマドーピング装置において、すべての光学センサーは同一または類似の集束特性を有する。しかし、所望により、同一のプラズマドーピング装置内で異なる光学センサーが異なる集束特性を有してもよい。
【００５６】
プラズマモニターの第１１実施例が図１６を参照して説明される。図１６の実施例は図１４との関係で上記されたような光学センサーを使用する。図１６の実施例において、レンズ支持エレメント312はウエハ20の法線に関してある角度でレンズ310を保持するよう構成されている。この構成により、ウエハ20の表面からの反射による干渉を抑制することができる。
【００５７】
図１４から１６は、光学プローブ300がプラズマ48の所望の感知領域からの放射光を感知できるように構成されていることを原理的に示している。例えば、レンズ310の光学特性及び／または方向は所望の感知動作を達成するべく変更可能である。
【００５８】
図１４に示されたものと同様な光学センサー配置によって観測が為された。プラズマはBF3パルス放電であった。石英集束レンズを有する４つの光学センサーが、陽極24の中心からR＝０、３、６及び９センチメートルの半径位置に配置された。ウエハから陽極までの距離は約１０cmであった。すべての光学センサーが、５ミリメートルの集束直径を有するシリコンウエハ表面の方向に直面していた。光学信号は直径６００ミクロンの光ファイバーを使って４チャネルの光学真空フィードスルーを通じてスペクトロメータへ移送された。光学信号は３５０〜４００ナノメートルの間の波長範囲にわたって積分された。
【００５９】
図１７Aから図１７Cは３つの異なる測定技術に関し、半径位置の関数として観測値を表したグラフである。各グラフは２つのプラズマ放電条件の下で為された観測をプロットしたものである。圧力は放電チャンバ内のBF3の圧力であり、電圧は中空陽極54に印加されたパルス電圧である。それぞれの場合、ウエハ20には約−２００ボルトのパルスが印加された。
【００６０】
図１７Aにおいて、光学センサーにより捕捉された相対光学信号が、１５ミリトルのチャンバ圧力及び−２kVの中空陰極パルス電圧に対して（曲線400）、及び５０ミリトルのチャンバ圧力及び−１.３kVの中空陰極パルス電圧に対して（曲線402）、半径位置の関数としてプロットされている。図１７Bは図１７Aに示されたのと同じ条件下で半径位置の関数としてサーマウエイブデータを示す。サーマウエイブはレーザーセンサーによりウエハダメージを測定するための周知技術である。図１７Bにおいて、曲線410は１５ミリトルのチャンバ圧力及び−２.０kVの中空陰極パルス電圧を表し、曲線412は５０ミリトルのチャンバ圧力及び−１.３kVの中空陰極パルス電圧を表す。図１７Cは図１７Aと同じ条件下で半径位置の関数として相対イオン電流値を示す。相対イオン電流はラングミュアプローブにより測定された。図１７Cにおいて、曲線420は１５ミリトルのチャンバ圧力及び−２.０kVの中空陰極パルス電圧を表し、曲線422は５０ミリトルのチャンバ圧力及び−１.３５kVの中空陰極パルス電圧を表す。図１７Aの光学信号は、図１７Bのサーマウエイブ値及び図１７Cのイオン電流値と類似の半径方向プロファイル形状を示している。それぞれの測定技術に対して、１５ミリトル及び−２.０kVの条件は中央ピークプロファイルを生成し、それぞれの測定技術に対して、５０ミリトル及び−１.３kVの条件は比較的均一なプロファイルを生成する。
【００６１】
図１８は異なる波長範囲に対するウエハ電流(mA)の関数として、規格化された光学信号を示すグラフである。光学信号は中心位置（R＝０）において光学センサーにより捕捉され、スペクトロメータへ与えられた。BF3圧力は３０ミリトルであり、プラズマはウエハパルスにより生成された。２００〜８００ナノメートル、３００〜６００ナノメートル、及び４００〜４５０ナノメートルの波長範囲に渡って平均化された測定結果はほぼ同一の結果を示した。それぞれの場合において、光学信号はウエハ電流と線形関係を示した。
【００６２】
図１９は、異なる動作圧力に対して、ウエハ電流の関数として３５０〜４００ナノメートルの波長範囲にわたる光学信号を示すグラフである。曲線450は２０ミリトルの圧力、曲線452は５０ミリトルの圧力、曲線454は１００ミリトルの圧力を表す。光学信号は中心位置（R＝０）で光学センサーにより捕捉され、３５０と４００ナノメートルとの間で積分された。
【００６３】
波長の選択範囲で平均化されまたは積分された光学センサー信号はプラズマ状態を表すことがわかった。光学センサー信号は選択された波長範囲にわたって平均化され、または選択された波長範囲にわたって感知されたプラズマ放射スペクトル領域を与えるよう積分される。これらの関数は例えば図１１に示されたコンピュータ250により実行される。光学センサー信号は異なる波長範囲にわたって平均化または積分されてもよい。ある実施例において、５０から６００ナノメートルの幅を有する波長範囲が使用される。選択された波長範囲の中心は、処理ガスの放射光特性に依存する。処理ガスがBF3である場合、プラズマ放射光は可視スペクトルの青色部分にあり、選択された波長範囲は約３５０〜４００ナノメートルに集中する。光学センサーは選択された波長範囲に対応する透過特性を有する光学フィルタを含んでもよい。
【００６４】
プラズマモニターはドーズ量均一性モニターとの関係で説明されてきた。光学センサーはプラズマ反復性センサーとしても使用可能である。光学センサーはプラズマ状態の約１％またはそれ以下の変化を検出するのに十分な感度を有する。図１８及び１９に示されるように、光学信号とウエハ電流との間には線形関係が存在し、それはプラズマ密度を表している。プラズマからの放射光を感知する光学センサーは、日毎またはバッチ毎の処理に変更を生じさせるプラズマ状態の変化を検出することができる。典型的に、光学センサーは光学感度と光学解像度との間のトレードオフにより特徴づけられる。
【００６５】
プラズマモニターはプラズマドーピング処理を制御するべくフィードバック制御装置内で使用される。例えば、感知されたプラズマパラメータは、プラズマドーピング時間、チャンバ圧力、プラズマ発火電圧等のようなプラズマドーピング条件を調節するのに使用される。
【００６６】
明細書及び図面に記載された実施例のさまざまな変更及び修正が本発明の思想及び態様の範囲内で可能である。よって、上記されたすべての事項は例示に過ぎず発明を限定するものではない。発明は特許請求の範囲の記載によってのみ制限される。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】図１は、プラズマドーピング装置の略示ブロック図である。
【図２】図２は、プラズマモニターの第１実施例を示す、プラズマドーピング装置の略示部分断面図である。
【図３】図３は、プラズマモニターの第２実施例を示す、陽極の底面図である。
【図４】図４は、プラズマモニターの第３実施例を示す、陽極の底面図である。
【図５】図５は、プラズマモニターの第４実施例を示す、陽極の底面図である。
【図６】図６は、プラズマモニターの第５実施例を示す、陽極の底面図である。
【図７】図７は、プラズマモニターの第６実施例を示す、陽極の底面図である。
【図８】図８は、プラズマモニターの第７実施例を示す、プラズマドーピング装置の略示部分断面図である。
【図９】図９は、図８に示された陽極の拡大部分断面図である。
【図１０】図１０は、図８に示された陽極の平面図である。
【図１１】図１１は、図８に示されたプラズマモニターの出力を処理するための電子処理回路のブロック図である。
【図１２】図１２は、時間の関数として示したセンサー信号のグラフである。
【図１３】図１３は、プラズマモニターの第８実施例を示す、プラズマドーピング装置の部分断面図である。
【図１４】図１４は、プラズマモニターの第９実施例を示す、プラズマドーピング装置の部分断面図である。
【図１５】図１５は、プラズマモニターの第１０実施例を示す、プラズマドーピング装置の部分断面図である。
【図１６】図１６は、プラズマモニターの第１１実施例を示す、プラズマドーピング装置の部分断面図である。
【図１７Ａ】図１７Aは、プラズマドーピング装置内の放射位置の関数として感知された放射光の相対強度のグラフである。
【図１７Ｂ】図１７Bは、プラズマドーピング装置内の放射位置の関数としての相対サーマ・ウェイブ値のグラフである。
【図１７Ｃ】図１７Cは、プラズマドーピング装置内の放射位置の関数としての相対イオン電流のグラフである。
【図１８】図１８は、異なる波長範囲に対するウエハ電流の関数として規格化された光学信号のグラフである。
【図１９】図１９は、異なる動作圧力に対するウエハ電流の関数としての光学信号のグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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