(57)【要約】【解決手段】プラズマイオン注入装置がプロセスチャンバと、プロセスチャンバにプラズマを形成するプラズマ源と、プロセスチャンバに基板を保持するためのプラテン（１４）と、イオンをプラズマから基板へと加速する注入パルスを生成するパルス源とを含む。他の実施態様では、装置は、プロセスチャンバ内のイオンの質量およびエネルギーを測定するプラズマモニターと、測定されたイオン質量およびエネルギーに応答してプラズマイオン注入装置の動作状態を判定する分析ユニット（１００）とを含む。他の実施態様では、装置は、注入パルスのサンプルを捕捉するデータ捕捉ユニット（３００）と、捕捉されたサンプルに基づいてプラズマイオン注入装置の動作状態を判定する分析器とを含む。
2008502145.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマイオン注入装置であって、
プロセスチャンバと、
前記プロセスチャンバに位置する基板を支持するためのプラテンと、
前記プロセスチャンバにある前記プラテンから間隔があけられた陽極と、
前記プロセスチャンバに連結されたプロセスガス源であって、該プロセス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に導入されるところのプロセスガス源と、
イオンをプラズマから基板へと加速するために、前記プラテンと前記陽極との間に注入パルスを印加するパルス源と、
前記プロセスチャンバ内のイオン質量およびエネルギーを測定するプラズマモニターと、
を含み、測定されたイオン質量およびエネルギーはプラズマイオン注入装置の動作状態を示す、ことを特徴とするプラズマイオン注入装置。
【請求項２】
プラズマモニターがイオン質量およびエネルギー分析器を含む、請求項１に記載のプラズマイオン注入装置。
【請求項３】
プラズマモニターの入り口が陽極に形成されている、請求項１に記載のプラズマイオン注入装置。
【請求項４】
プラズマモニターの入り口がプラテンに形成されている、請求項１に記載のプラズマイオン注入装置。
【請求項５】
プラズマモニターの入り口がプラテンの基板支持面に隣接して位置する、請求項１に記載のプラズマイオン注入装置。
【請求項６】
プラズマモニターが、プラズマ放電領域のイオンを分析するように構成され配置されている、請求項１に記載のプラズマイオン注入装置。
【請求項７】
プラズマモニターが、プラズマ放電領域から基板に加速されるイオンを分析するように構成され配置されている、請求項１に記載のプラズマイオン注入装置。
【請求項８】
プラズマモニターが、前記注入パルスに関して、所定の時間間隔の間イオンの質量およびエネルギーを判定するように構成されている、請求項１に記載のプラズマイオン注入装置。
【請求項９】
プラズマモニターが、捕捉時間間隔の間、イオンの質量およびエネルギーを判定するように構成されている、請求項１に記載のプラズマイオン注入装置。
【請求項１０】
プラズマモニターが、イオン質量およびエネルギーの時間平均の測定を行うように構成されている、請求項１に記載のプラズマイオン注入装置。
【請求項１１】
測定されたイオン質量およびエネルギーに応答してプラズマイオン注入装置の動作状態を判定する分析ユニットと、判定された動作状態に応答してプラズマイオン注入装置のパラメータを制御する制御器とをさらに含む、請求項１に記載のプラズマイオン注入装置。
【請求項１２】
プラズマモニターが、イオン質量に関して測定を走査するように構成されている、請求項１に記載のプラズマイオン注入装置。
【請求項１３】
プラズマモニターが、イオンエネルギーに関して測定を走査するように構成されている、請求項１に記載のプラズマイオン注入装置。
【請求項１４】
プラズマモニターがプロセスチャンバに入り口オリフィスを通じて連通する、
請求項１に記載のプラズマイオン注入装置。
【請求項１５】
プラズマモニターが、前記パルスのそれぞれの間で、所定の時間間隔中にイオン質量およびエネルギーを測定するように構成されている、請求項１に記載のプラズマイオン注入装置。
【請求項１６】
プラズマモニターが、前記パルスのそれぞれの後で、所定の時間間隔中にイオン質量およびエネルギーを測定するように構成されている、請求項１に記載のプラズマイオン注入装置。
【請求項１７】
プラズマモニターが、前記プロセスチャンバにおけるイオン質量の分布を測定する、請求項１に記載のプラズマイオン注入装置。
【請求項１８】
プラズマモニターが、前記プロセスチャンバにおけるイオンエネルギーの分布を測定する、請求項１に記載のプラズマイオン注入装置。
【請求項１９】
プラズマイオン注入装置であって、
プロセスチャンバと、
前記プロセスチャンバに位置する基板を支持するためのプラテンと、
前記プロセスチャンバにある前記プラテンから間隔があけられた陽極と、
前記プロセスチャンバに連結されたプロセスガス源であって、該プロセス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に導入されるところのプロセスガス源と、
イオンをプラズマから基板へと加速するために、前記プラテンと前記陽極との間に注入パルスを印加するパルス源と、
前記注入パルスのサンプルを捕捉するデータ捕捉ユニットと、
を含み、捕捉されたサンプルはプラズマイオン注入装置の動作状態を示す、ことを特徴とするプラズマイオン注入装置。
【請求項２０】
データ捕捉ユニットが、前記注入パルスのそれぞれの電圧波形および電流波形の少なくともひとつで高速サンプリングを行う、請求項１９に記載のプラズマイオン注入装置。
【請求項２１】
さらに、基板に注入されるイオン電流を表す電気信号を形成するドーズ量測定デバイスを含み、
データ捕捉ユニットは、ドーズ量測定デバイスにより成形される電気信号の高速サンプリングを実施する、請求項１９に記載のプラズマイオン注入装置。
【請求項２２】
データ捕捉ユニットは、プラズマイオン注入装置の動作をモニターする、請求項１９に記載のプラズマイオン注入装置。
【請求項２３】
捕捉された波形に応答してプラズマイオン注入装置の動作状態を判定する分析ユニットと、
判定された動作状態に応答してプラズマイオン注入装置のパラメータを制御する制御器と、
をさらに有する、請求項１９に記載のプラズマイオン注入装置。
【請求項２４】
データ捕捉ユニットが、前記注入パルスのそれぞれの多数のサンプルを捕捉する、請求項１９に記載のプラズマイオン注入装置。
【請求項２５】
データ捕捉ユニットが、前記注入パルスのそれぞれの立ち上がり時間を示すサンプルを捕捉する、請求項１９に記載のプラズマイオン注入装置。
【請求項２６】
データ捕捉ユニットが、前記注入パルスのそれぞれの立ち下がり時間を示すサンプルを捕捉する、請求項１９に記載のプラズマイオン注入装置。
【請求項２７】
データ捕捉ユニットが、前記注入パルスのそれぞれのオーバーショットを示すサンプルを捕捉する、請求項１９に記載のプラズマイオン注入装置。
【請求項２８】
データ捕捉ユニットが、前記注入パルスのそれぞれの振幅を示すサンプルを捕捉する、請求項１９に記載のプラズマイオン注入装置。
【請求項２９】
データ捕捉ユニットが、前記注入パルスにおける変化を示すサンプルを捕捉する、請求項１９に記載のプラズマイオン注入装置。
【請求項３０】
データ捕捉ユニットが、捕捉時間間隔の間で前記注入パルスのサンプルを捕捉する、請求項１９に記載のプラズマイオン注入装置。
【請求項３１】
基板にプラズマイオン注入を行う方法であって、
プロセスチャンバと、該プロセスチャンバにプラズマを形成するプラズマ源と、プロセスチャンバに基板を保持するプラテンと、イオンをプラズマから基板に加速する注入パルスを発生するパルス源とを含むプラズマイオン注入装置を用意する工程と、
前記プロセスチャンバにおけるイオン質量およびエネルギーを捕捉測定する工程と、
イオン質量およびエネルギーの捕捉測定に基づきプラズマイオン注入装置の動作状態を判定する工程と、
を含む方法。
【請求項３２】
イオン質量およびエネルギーの捕捉測定が、前記プロセスチャンバにおけるプラズマ放電領域のイオンの捕捉測定を含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
イオン質量およびエネルギーの捕捉測定が、プラテンから基板へと加速されるイオンの捕捉測定を含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
イオン質量およびエネルギーの捕捉測定が、前記注入パルスに関し所定の時間間隔の間でのイオン質量およびエネルギーの捕捉測定を含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３５】
判定された動作状態に応答してプラズマイオン注入装置のパラメータを制御する工程をさらに含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３６】
基板にプラズマイオン注入を行う方法であって、
プロセスチャンバと、該プロセスチャンバ内にプラズマを形成するプラズマ源と、プロセスチャンバに基板を保持するプラテンと、イオンをプラズマから基板に加速する注入パルスを発生するパルス源とを含むプラズマイオン注入装置を用意する工程と、
前記注入パルスのサンプルを捕捉する工程と、
前記捕捉されたサンプルに基づいてプラズマイオン注入装置の動作状態を判定する工程と、
を含む方法。
【請求項３７】
前記注入パルスのサンプル捕捉工程が、前記注入パルスのそれぞれの電圧波形および電流波形の少なくともひとつで高速サンプリングを行う、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
判定された動作状態に応答してプラズマイオン注入装置のパラメータを制御する工程をさらに含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
前記注入パルスのサンプル捕捉工程が、捕捉時間間隔の間でサンプルを捕捉する工程を含む、請求項３７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は基板のプラズマイオン注入装置および方法に関し、特に、プラズマイオン注入システムの動作をモニタリングする方法および装置に関する。
【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。在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源内でイオン化され、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】
半導体産業界の開発の方向は、より小型のより高速なデバイスに向かっていることは周知のことである。特に、半導体デバイスの素子の横寸法および深さの両方が減少している。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開発されたものである。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、特許文献１（Shengによる１９９４年１０月１１日発行の米国特許第5,354,381号）、特許文献２（Liebertらによる２０００年２月１日発行の米国特許第6,020,592号）、および特許文献３（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タイプのプラズマ装置において、連続またはパルス化されたＲＦエネルギーにより連続またはパルス化されたプラズマが生成される。間欠的に、負の電圧パルス（ＲＦパルスと同期化されてもよい）がプラテンに印加されると、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】
プラズマにおける異なるイオンの質量対電荷比の分布および周波数は、プラズマイオン注入において、注入ドーズ量の基本的な影響および注入深さプロファイル分布をもつ。多くの因子が、プラズマイオン注入システムのイオン質量分布、プロセスチャンバの壁の状態、ターゲットおよびプロセスチャンバの要素の電子放出係数、ウエハなどの上の酸化物やフォトレジストに影響を与える。繰り返し可能なプラズマイオン注入プロセスを行えるようにするために、これらの要因における変化は検出され、補償されまたは中性化されなければならず、その結果繰り返し可能な質量分布および強度がプロセスに対して得られる。このことにより、プラズマイオン注入プロセスにおいて、繰り返し可能なイオンドーズ量およびドーパント深さ分布が得られる。
【０００７】
質量分析は在来のビームラインイオン注入システムにおいて採用されている。しかし、質量分析はプラズマをベースにしたプロセス処理において、非常に高いスループットを得るためにプラズマイオン注入システムにおいては捨て去られている。特許文献４（Denholmrらによる２０００年８月１５日発行の米国特許第6,101,971号）は、プラズマイオン注入システムにおいて光学的放出分光計および質量分析の使用を開示している。この特許文献４は、プラズマイオン注入システムにおいて、インサイチュプラズマ状態の測定またはプロセス制御のための質量分析の使用を教示するものではない。
【特許文献４】米国特許第6,101,971号明細書
【０００８】
プラズマイオン注入システムにおいて、短いＤＣ電圧パルス（約１ないし１００マイクロ秒）がプラズマ中にある基板に印加される。これらパルスはプラズマ中の正イオンをターゲットへと加速し、イオンの注入が行われる。ＤＣ注入パルスの電圧および電流波形はパルスに影響を与え、これらの波形の変化がイオンプロセスにおいて問題を生じさせる。プラズマイオン注入の典型的なモニタリングは、残余のガス分析計または光学的放出分光計機器を含む。この典型的なプラズマモニタリングは、プラズマイオン注入で使用されるＤＣパルスの臨界的な電圧および電流波形の過渡的変化を検出するにはあまりにも長い時間をかけて実施される。これら波形で得られた価値あるプロセスモニタリング情報は、典型的なプラズマモニタリング技術が使用されたときに失われる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様にしたがって、プラズマイオン注入装置が提供される。プラズマイオン注入装置は、プロセスチャンバと、プロセスチャンバに位置する基板を支持するためのプラテンと、プロセスチャンバにあるプラテンから間隔があけられた陽極と、プロセスチャンバに連結されたプロセスガス源であって、該プロセス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に導入されるところのプロセスガス源と、イオンをプラズマから基板へと加速するための、プラテンと陽極との間に注入パルスを印加するパルス源と、プロセスチャンバ内のイオンの質量およびエネルギーを測定するプラズマモニターとを含む。測定されたイオンの質量およびエネルギーはプラズマイオン注入装置の動作状態を示す。
【００１０】
本発明の第２の態様にしたがって、プラズマイオン注入装置が提供される。プラズマイオン注入装置は、プロセスチャンバと、プロセスチャンバに位置する基板を支持するためのプラテンと、プロセスチャンバにあるプラテンから間隔があけられた陽極と、プロセスチャンバに連結されたプロセスガス源であって、該プロセス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に導入されるところのプロセスガス源と、イオンをプラズマから基板へと加速するための、プラテンと陽極との間に注入パルスを印加するパルス源と、注入パルスのサンプルを捕捉するデータ捕捉ユニットとを含む。捕捉されたサンプルはプラズマイオン注入装置の動作状態を示す。
【００１１】
本発明の第３の態様にしたがって、基板にプラズマイオン注入を行う方法が提供される。本方法は、プロセスチャンバと、該プロセスチャンバ内にプラズマを形成するプラズマ源と、プロセスチャンバ内に基板を保持するプラテンと、イオンをプラズマから基板に加速する注入パルスを発生するパルス源とを含むプラズマイオン注入装置を用意する工程と、プロセスチャンバにおけるイオン質量およびエネルギーを捕捉測定する工程と、イオン質量およびエネルギーの捕捉測定に基づきプラズマイオン注入装置の動作状態を判定する工程とを含む。
【００１２】
本発明の第４の態様にしたがって、基板にプラズマイオン注入を行う方法が提供される。本方法は、プロセスチャンバと、該プロセスチャンバ内にプラズマを形成するプラズマ源と、プロセスチャンバ内に基板を保持するプラテンと、イオンをプラズマから基板に加速する注入パルスを発生するパルス源とを含むプラズマイオン注入装置を用意する工程と、注入パルスのサンプルを捕捉する工程と、捕捉されたサンプルに基づいてプラズマイオン注入装置の動作状態を判定する工程とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施に適したプラズオン注入システムの例が図１に略示されている。本発明の実施例が図２ないし７に関連して説明される。図１ないし７で同様の要素については同じ符号が付されている。
【００１４】
プロセスチャンバ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のような基板を保持するための表面を備える。ウエハ２０は、たとえば、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く、静電的に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となる表面を有する。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。さらに、ウエハ２０およびプラテン１４はウエハ／基板の温度を制御するために、加熱／冷却システムを備える。
【００１５】
陽極２４がプラテン１４から間隔をあけてチャンバ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の方向に移動可能である。典型的に、陽極はチャンバ１０の電気的に導電性をもつ壁に結合され、両者は接地され、陽極２４は負の電圧のパルスを受ける。他の構成において、陽極２４およびプラテン１４の両方がアースに対してバイアスされてもよい。
【００１６】
ウエハ２０（プラテン１４を介して）および陽極２４は高電圧パルス源３０に接続され、その結果ウエハ２０は陰極として機能する。典型的にパルス源３０は、振幅が約２０から２００００ボルトの範囲で、間隔が約１から２００ミリ秒で、パルス周期が約１００Hzから２０kHz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。
【００１７】
チャンバ１０の密閉空間１２は制御可能弁３２を通じて真空ポンプ３４に結合されている。プロセスガス源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４８はチャンバ圧力を示す信号を制御器４６に与える。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、制御信号を弁３２または質量流量制御器３８に与える。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弁３２または質量流量制御器３８を制御する。真空ポンプ３４、弁３２、圧力センサー４８および制御器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５００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。ガス源３６は被処理体に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、Xe、H2、O2、Ar、PH3、PF3、AsH3、AsF5および B2H6、が含まれる。質量流量制御器３８はチャンバ１０に供給されるガス流量を調節する。図１に示された構成は、一定のガス流量および一定圧力の処理ガスの連続流を与える。圧力およ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。他の実施例では、ガス流が制御器４６により制御さえる弁を使用して調節される一方で、弁３２は一定位置に保持されてよい。このような構成は上流圧力制御として参照される。ガス圧を調整する他の構成も利用できる。
【００１８】
プラズマ注入システムは、中空陰極パルス源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、中空陰極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、中空陰極パルス源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、パルス源３０は所望の注入電圧を形成する。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特許文献３（米国特許第6,182,604号明細書）に記載されている。
【００１９】
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に対向する入り口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方向に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およびプラテン１４の周りに配置される。
【００２０】
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リング回路に電気的に接続されている。入り口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。
【００２１】
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およびプラテン１４の周辺付近のガードリング６６内に配置される。
【００２２】
プラズマイオン注入システムはシステムの構成に応じて他の要素を含み得る。典型的に、システムは、所望の注入プロセスを実施するためにプラズマイオン注入システムの要素を制御しモニターするプロセス制御システム（図示せず）を含む。連続またはパルス化されたＲＦエネルギーを利用するシステムは、アンテナまたは誘導コイルに接続されたＲＦ源を含む。システムは、電子を制限し、プラズマ密度および空間分布を制御する磁場を形成する磁気的要素を含んでもよい。プラズマイオン注入システムに磁気的要素を使用することは、特許文献５（２００３年６月１２日発行のＷＯ03/049142）（ここに参考文献として組み込まれる）に説明されている。
【特許文献５】ＷＯ03/049142パンフレット
【００２３】
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およびガス源３６はチャンバ１０内に所望の圧力およ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。パルス源３０はウエハ２０に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はガス源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。パルスの数およ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、ガス圧力およびガス種、ならびに電極の可変位置の関数である。たとえば、陽極−陰極間隔は、異なる電圧ごとに調節されてもよい。
【００２４】
プラズマイオン注入システムの簡単化された略示ブロック図が図２に示されている。図１のシステム要素は本発明を簡単化し、理解を容易にするために省略されている。質量およびエネルギー分析器１００は、プロセスチャンバ１０にプロセスに関連したイオンの質量およびエネルギーを判定するように構成されている。質量およびエネルギー分析器１００はプロセスチャンバ１０からイオンを抽出し、イオンの質量、エネルギーおよび密度を決定する。
【００２５】
一例として、質量およびエネルギー分析器１００はHiden社から製造販売されているモデルEQP質量スペクトロメータであってもよい。EQP質量スペクトロメータは扇型静電場エネルギー分析器、四重極質量フィルター、およびイオン計数検出器を含む。エネルギー分析器は静電分析器を形成する湾曲した一対の電極を含む。質量分析器は四重極質量分析器を含んでもよい。EQP質量スペクトロメータは１Ｅ−６トルのオーダーの低内部圧力で動作し、低内部圧力を維持するために、５０−３００ミクロンのオーダーの小さなオリフィスと通して、プラズマイオン注入システムのプロセスチャンバと連通する。抽出器はオリフィスを通して、分析のための質量素スペクトロメータへと引き寄せる。
【００２６】
質量スペクトロメータは、選択されたエネルギーおよび質量をもつイオンがある瞬間に測定されるように動作する。質量スペクトロメータは、エネルギーおよび質量走査窓にあるイオンが検出されるように走査モードで動作する。検出された信号は、プラズマ中の種々の質量およびエネルギーをもつイオンの集団を反映している。
【００２７】
質量およびエネルギーデータは、ひとつ以上の所定のアルゴリズムにしたがってデータを処理するリアルタイムデータ分析ユニット１４０に与えられる。簡単な例では、データ分析ユニット１４０は、特定種の割合のような特定のパラメータを抽出するために質量およびエネルギーデータを処理し、その特定のパラメータを所望の限界値と比較してもよい。特定のパラメータが所望の限界値内にないとき、誤り信号が生成される。誤り信号はプラズマイオン注入システムプロセスを終了するためにプロセス制御器を遮断し、またはオペレータに操作するように知らせる。リアルタイム分析に代えて、またはそれと共に、質量およびエネルギーデータは後の分析のためにデータ記憶ユニット１４２に記憶される。たとえば、データ分析ユニット１４０はプログラムされたデジタル信号プロセッサのように働き、データ記憶ユニット１４２はひとつ以上のディスクドライバーとして働く。
【００２８】
質量およびエネルギー分析器１００は、プラズマイオン注入システムでのインサイチュ質量およびエネルギー測定のために使用される。質量およびエネルギー分析器は、処理されたものを汚染しかねない不所望のイオン種の存在のように、プロセスの障害検出能力を備える。質量およびエネルギー分析器はまた、たとえばイオン質量の分布または強さにおけるドリフトを補償すべくプラズマプロセスパラメータを調節するために、閉ループプロセス制御システムにおいて働くものでもよい。質量およびエネルギー分析器は、グロー放電またはＲＦ源技術のようなプラズマイオン源技術と、さらにパルス化または連続プラズマ源とともに使用されてもよい。
【００２９】
上記のとおり、質量およびエネルギー分析器１００はイオンをプロセスチャンバから入り口オリフィスを通して抽出できる。入り口オリフィスはプロセスチャンバ内のいろいろな位置にあってもよい。
【００３０】
図２の実施例では、質量およびエネルギー分析器の入り口オリフィス１１０は陽極２４に位置する。質量およびエネルギー分析器１００はしたがって、プラズマ放電領域４４からイオンを捕獲するが、プラテン１４へと加速されるイオンを捕獲しない。
【００３１】
図３に図示の第二の実施例では、質量およびエネルギー分析器１００の入り口オリフィス１２０はプラテン１４に位置する。この実施例では、質量およびエネルギー分析器１００はパルス源３０によりプラテン１４へと加速されるイオンを捕捉する。図３の実施例では、基板が質量およびエネルギーの測定の間プラテン１４上ないこと、または入り口オリフィス１２０と整合する開口部をもつ特別な基板を使用することが必要となる。図３の実施例は、メンテナンスおよび診断測定のために有用である。
【００３２】
図４に図示の第三の実施例では、質量およびエネルギー分析器１００の入り口オリフィス１３０はプラテン１４の基板支持面に隣接したガードリング６６に位置する。この実施例では、イオンの質量およびエネルギーはウエハ２０のプラズマイオン注入の間に分析することができる。質量およびエネルギー分析器１００はプラテン１４へと加速されるイオンを捕獲する。図４の構成は、イオン注入の間に、リアルタイムでインサイチュのエネルギー測定を可能にする。ふたつ以上の入り口オリフィスがプラテン１４の周囲のそって位置してもよい。入り口オリフィスは質量およびエネルギー分析器１００への共通結合部をもってもよい、または質量およびエネルギー分析器１００に連続して結合されてもよい。他の実施例では、ふたつ以上の入り口オリフィスが質量およびエネルギー分析器に関連づけられてもよい。
【００３３】
図４はまた、プロセス制御のための閉ループ構成に利用される質量およびエネルギー分析器１００を図示する。質量およびエネルギー分析器１００により得られた測定は、リアルタイムデータ分析ユニット１４０に与えられる。データ分析ユニット１４０はプラズマイオン注入システムの動作を評価するために質量およびエネルギー測定を処理することができる。プラズマイオン注入システムの動作が動作パラメータの所望の範囲の外であると判定されると、システムは調整または停止する。図４の例では、分析ユニット１４０は制御信号をパルス源３０に与える。たとえば、パルス幅、パルス周波数および／またはパルス振幅は所望の範囲内でシステム動作を行うように調節されてもよい。たとえば、図１に示されているように、所望の圧力は調節され、プロセスガスの流れは調節され、さらに／または中空の電極パルス源５６は調節される。
【００３４】
質量およびエネルギー測定は連続してまたは特定の時間間隔の間に得ることができる。したがって、質量およびエネルギー分析器１００は特定の時間間隔の間測定を得ることが可能となる。さらに、測定はプラズマイオン注入システムの動作に同期することができる。
【００３５】
本発明の第四の実施例にしたがって、質量およびエネルギーの測定を、パルス源３０により形成される注入パルスに同期システムが図５に示されている。パルス源３０は、図１に図示され、上記したように、プロセスチャンバ１０に、注入パルス２２０を与える。分析のためのイオンは、質量およびエネルギー分析器１００により、プロセスチャンバ１０から抽出される。注入パルスはまた、可変遅延発生器２００に与えられ、該遅延発生器により可変パルスの出力は、可変ゲートパルス発生器２１０に与えられる。ゲートパルス発生器２１０によるゲーティングパルス２２４出力は、外部トリガーのように質量およびエネルギー分析器１９９に与えられ、質量／エネルギーデータはゲーティングパルスが印加されるときのみ収集される。
【００３６】
時間分解測定システムの動作が図６を参照して説明される。図６のタイミング図では、注入パルス２２０はパルス幅T2をもち、時間間隔T1で繰り返される。各注入パルス２２０はパルス幅T3をもつ遅延パルス２２２を開始する。時間パルス２２２は、注入パルス２２０の始まりと質量およびエネルギー測定の開始との間に時間遅延を形成する。遅延パルス２２２はパルス幅T4をもつゲーティングパルス２２４を開始する。ゲーティングパルス２２４は、質量および測定が得られるタイミング間隔を形成する。したがって、可変遅延発生器２００は、注入パルス２２０の始まりに対してゲーティングパルス２２４の時間遅延を形成し、可変ゲートパルス発生器２１０はゲーティングパルス２２４の幅を形成する。ゲーティングパルス２２４が、注入パルス２２０の間またはその後、生ずることは
分かるであろう。さらに、注入パルス２２０以外のイベントが可変遅延発生器２００をトリガーするために使用される。
【００３７】
本発明の第五の実施例にしたがったプラズマイオン注入システムの略示ブロック図が図７に示されている。図７の実施例は誤り検出および／または閉ループプロセス制御に対して、プラズマイオン注入システムの動作に関連した波長を測定することに基づく。上記のとおり、プラテン１４に印加された負のパルスがプラズマ中の正イオンを基板へと加速し、イオン注入が行われる。注入パルスの電流および電圧波形における変化がイオンプロセスにおいて、アーキングのような問題を示す。さらに、注入パルスのインサイチュ高帯域のモニタリングが、プラズマプロセス条件における上記の変化についての情報を与え、閉ループプロセスの制御を可能にする。
【００３８】
図７に示されているように、パルス源３０からの電圧および電流の信号は低電圧信号（たとえば、ゼロから１０ボルト）に変換され、高速データ捕捉ユニット３００に与えられる。データ捕捉ユニット３００は、この実施例で、使用者が選択した、１０メガヘルツまでのレートで電圧および電流波形をサンプル化する。したがって、１マイクロ秒のような短い注入パルスに対してでさえも、各注入パルスの多数のサンプルが捕捉することができる。電圧オーバーショット、パルス立ち上がり時間、パルス立ち下がり時間、電圧変化のようなプロセスパラメータはデジタル信号プロセス処理または同等の技術を使用して高速データ捕捉ユニットから抽出される。データはリアルタイムで分析され、正常な動作範囲の内側または外側にあるようにマークされる。データが正常な動作範囲内にあると、データの要約が、プロセス制御システムに周期的に送られる。データが正常な動作範囲内にあると、誤り状態が示される。高サンプリングレートのデータセットは、将来の分析のために記憶され、プロセス制御システムは誤り状態が知らされる。
【００３９】
図７に示されているように、データ捕捉ユニット３００により捕捉されたデータは、リアルタイムデータ分析ユニット３１０に、そしてデータ記憶ユニット３２０に与えられる。データ分析ユニット３１０は電圧および電流波形を表す捕捉データを分析し、上記したように誤り信号を生成する。選択されたデータは将来の分析のためにデータ記憶ユニットに記憶される。データ捕捉ユニット３００は、トリガーユニット３３０（手動または自動のもの）を介してトリガーされる。たとえば、プロセス制御システムは、一連の注入パルスの開始で、データ捕獲ユニット３００により自動的にデータ捕捉をトリガーし、注入パルスシーケンスが完了するときにデータ捕捉の休止をトリガーする。
【００４０】
データ捕捉ユニット３００はプラズマイオン注入システムの動作を表す信号に関連したデータを得る。図７に示されているように、ファラデーカップ５０および５２により生成された電流波形はデータ捕捉ユニット３００に与えられる。ドーズ量電流波形は高速でサンプル化され、基板に注入されるイオン電流を表す情報を提供する。
【００４１】
図７に示されたデータ捕捉構成は、上記の開ループ構成に利用され得る。ここで、システムの動作はモニターされ、特定の状態がプロセス制御システムに知らされる。他の実施例では、データ捕捉ユニット３００は閉ループ制御システムの一部であってもよい。特に、データ分析ユニット３１０は、特定のパラメータが正常な動作範囲の外にあることを決定する。異常な状態が検出されると、制御信号が、正常な動作範囲となるように動作を調節するように、パルス幅、パルス波長および／またはパルス振幅のような注入パルスの一つ以上のパラメータを調節すべく、パルス源３０に与えられる。他の実施例では、プロセスチャンバ圧力、プロセスガス流および／または中空電極パルス源５６は、データ分析ユニット３１０により検出される異常な条件に応答して調節されてもよい。
【００４２】
一例としえ、データ捕捉ユニット３００はナショナル・インスツルメントモデル６１１５高速データ捕捉カード（３２メガヘルツチャネルをもち、ナショナル・インスツルメントＰＸＩコンピュータで作動する）を使用して実施され、Conduant Stremstorストリーミングデータ記憶ユニットは、単位当たり６０ギガバイトで、八個の２５０ギガバイトハードドライブのアレーのようになるデータ記憶ユニット３２０に与えられる。データ分析ユニット３１０は、リアルタイムで注入パラメータ値および傾向を計算し、工程を適切なフィードバック信号とともにプロセス制御システムに報告される。モニターされ、計算されるパラメータはプロセス別、処方ベルであり、各データ収集シーケンスの前に、プロセス制御システムによりデータ分析ユニット３１０に通信される。
【００４３】
限定的ではなく図のための実施例が示されているが、その修正、変更は当業者には明らかである。これらの修正、変更は、例示の目的である開示範囲内であり、本発明を限定するものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載、および同等のものにより決定される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、プラズマイオン注入システムの略示ブロック図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施例にしたがったプラズマイオン注入システムの略示ブロック図である。
【図３】図３は、本発明の第２の実施例にしたがったプラズマイオン注入システムの略示ブロック図である。
【図４】図４は、本発明の第３の実施例にしたがったプラズマイオン注入システムの略示ブロック図である。
【図５】図５は、本発明の第４の実施例にしたがったプラズマイオン注入システムの略示ブロック図である。
【図６】図６は、図５に示されたシステムの動作を図示するタイミング図である。
【図７】図７は、本発明の第５の実施例にしたがったプラズマイオン注入システムの略示ブロック図である。
【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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【国際調査報告】
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