(57)【要約】飛行時間イオン検出器を用いるプラズマドーピングプロセスを制御する方法は、基板を支持するプラテンに近接したプラズマチャンバの内にドーパントイオンを含むプラズマを生成するステップを含む。プラズマドーピング用に、前記プラズマ中のイオンを前記基板に引き付ける負電位を有するバイアス電圧波形で、前記プラテンにバイアスをかける。飛行時間イオン検出器を用いて、イオン質量の関数として、前記プラズマ中にあるイオンのスペクトルを測定する。ファラデー線量測定システムを用いて、前記基板に衝突するイオンの総数を測定する。前記測定したイオンのスペクトルから注入プロファイルを決定する。前記測定したイオンの総数及び前記計算した注入プロファイルから積分線量を決定する。前記計算した積分線量に応じて、少なくとも１つのプラズマドーピングパラメータを変更する。
2011512655.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
飛行時間イオン検出器を用いるプラズマドーピングプロセスを制御する方法であって、
前記方法は、
基板を支持するプラテンに近接したプラズマチャンバ内のドーパントイオンを含むプラズマを生成するステップと、
プラズマドーピング用に、前記プラズマ中のイオンを前記基板に引き付ける負電位を有するバイアス電圧波形で、前記プラテンにバイアスをかけるステップと、
飛行時間イオン検出器を用いて、イオン質量の関数として、前記プラズマ中にあるイオンのスペクトルを測定するステップと、
イオン質量の関数としての、前記イオンのスペクトルを解析して、前記プラズマ中の少なくとも１つのイオンの相対数を決定するステップと、
前記スペクトルの解析に応じて、少なくとも１つのプラズマドーピングパラメータを変更するステップと、を有するプラズマドーピングプロセスを制御する方法。
【請求項２】
前記イオンのスペクトルを測定するステップは、前記プラズマ中のイオンが既知の距離を進むのにかかる時間を測定するステップと、前記イオンの飛行時間をイオンの種類にマップするステップと、を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記イオンのスペクトルを解析するステップは、前記イオンのスペクトルをイオンのモデルスペクトルと比較するステップを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つのプラズマドーピングパラメータを変更する前記ステップは、前記プラズマドーピングプロセスを終了するステップを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも１つのプラズマドーピングパラメータを変更するステップは、前記プラテンにバイアスをかける前記バイアス電圧波形を変更するステップを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記少なくとも１つのプラズマドーピングパラメータを変更するステップは、前記基板への線量補正を行う、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
飛行時間イオン検出器を用いるプラズマドーピングプロセスを制御する方法であって、
前記方法は、
基板を支持するプラテンに近接したプラズマチャンバ内にドーパントイオンを含むプラズマを生成するステップと、
プラズマドーピング用に、前記プラズマ中のイオンを前記基板に引き付ける負電位を有するバイアス電圧波形で、前記プラテンにバイアスをかけるステップと、
飛行時間イオン検出器を用いて、イオン質量の関数として、前記プラズマ中にあるイオンのスペクトルを測定するステップと、
イオン質量の関数として、前記イオンの測定スペクトルから注入プロファイルを決定するステップと、
前記注入プロファイルに応じて、少なくとも１つのプラズマドーピングパラメータを変更するステップと、を有するプラズマドーピングプロセスを制御する方法。
【請求項８】
前記イオンのスペクトルを測定するステップは、前記プラズマ中のイオンが既知の距離を進むのにかかる時間を測定するステップと、前記イオンの飛行時間をイオンの種類にマップするステップと、を有する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記イオンの測定スペクトルから前記注入プロファイルを決定するステップは、前記イオンの測定スペクトルをイオンのモデルスペクトルと比較するステップを有する、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記イオンの測定スペクトルから前記注入プロファイルを決定するステップは、前記スペクトルにおけるイオンの相対数の比率を決定するステップを有する、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記少なくとも１つのプラズマドーピングパラメータを変更するステップは、前記プラズマドーピングプロセスを終了するステップを有する、請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのプラズマドーピングパラメータを変更するステップは、前記プラテンにバイアスをかける前記バイアス電圧波形を変更するステップを有する、請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
前記少なくとも１つのプラズマドーピングパラメータを変更するステップは、前記基板への線量補正を行う、請求項７に記載の方法。
【請求項１４】
飛行時間イオン検出器を用いるプラズマドーピングプロセスを制御する方法であって、
前記方法は、
基板を支持するプラテンに近接したプラズマチャンバ内にドーパントイオンを含むプラズマを生成するステップと、
プラズマドーピング用に、前記プラズマ中のイオンを前記基板に引き付ける負電位を有するバイアス電圧波形で、前記プラテンにバイアスをかけるステップと、
飛行時間イオン検出器を用いて、イオン質量の関数として、前記プラズマ中にあるイオンのスペクトルを測定するステップと、
ファラデー線量測定システムを用いて、前記基板に衝突するイオンの総数を測定するステップと、
前記測定したイオンのスペクトルから注入プロファイルを決定するステップと、
前記測定したイオンの総数及び前記計算した注入プロファイルから積分線量を決定するステップと、
前記計算した積分線量に応じて、少なくとも１つのプラズマドーピングパラメータを変更するステップと、を有するプラズマドーピングプロセスを制御する方法。
【請求項１５】
前記イオンのスペクトルを測定するステップは、前記プラズマ中のイオンが既知の距離を進むのにかかる時間を測定するステップと、前記イオンの飛行時間をイオンの種類にマップするステップと、を有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記測定したイオンのスペクトルから注入プロファイルを決定するステップは、前記測定したイオンのスペクトルをイオンのモデルスペクトルと比較するステップを有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記測定したイオンのスペクトルから注入プロファイルを決定するステップは、前記スペクトル内のイオンの相対数の比率を決定するステップを有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記積分線量を決定するステップは、前記注入プロファイル及び前記測定したイオンの総数をモデルと比較するステップを有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記少なくとも１つのプラズマドーピングパラメータを変更するステップは、前記プラズマドーピングプロセスを終了するステップを有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
前記少なくとも１つのプラズマドーピングパラメータを変更する前記ステップは、前記プラテンにバイアスをかける前記バイアス電圧波形を変更するステップを有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項２１】
前記少なくとも１つのプラズマドーピングパラメータを変更するステップは、前記基板への線量補正を行うステップを有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項２２】
前記少なくとも１つのプラズマドーピングパラメータを変更するステップは、チャンバの圧力及びプロセスガス流量の内の少なくとも１つを変更するステップを有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項２３】
前記少なくとも１つのプラズマドーピングパラメータを変更するステップは、RF電力及びRF電圧の内の少なくとも１つを変更するステップを有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項２４】
プロセスガスを含むチャンバと、
前記プロセスガスからプラズマを生成するプラズマ源と、
プラズマドーピング用の前記プラズマ源に近接した基板を支持するプラテンと、
イオン質量の関数として、前記プラズマ中にあるイオンのスペクトルを表わす電気信号を生成する飛行時間イオン検出器と、
前記プラテンに電気的に接続する出力を有し、プラズマドーピングのため前記プラズマ中のイオンを前記基板へ引き付ける負電位を有するバイアス電圧波形を生成する、バイアス電圧電源と、
前記飛行時間イオン検出器に電気的に接続する入力と前記バイアス電圧電源に電気的に接続する出力とを有し、前記飛行時間イオン検出器により生成される前記基板への線量補正を供給する信号を生成する、プロセッサと、を備えるプラズマドーピング装置。
【請求項２５】
前記基板に衝突するイオンの総数を測定するファラデー線量測定システムをさらに備える、請求項２４に記載のプラズマドーピング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマドーピングの間にプラズマ処理状態をモニタするための方法及び装置に関する。特に、本発明は、プラズマ処理の間にプラズマ状態をその場でモニタし最適化するための方法及び装置に関する。用語「その場でモニタする」は、プラズマ処理を行なっている間にモニタすることを言う。
【背景技術】
【０００２】
本明細書で用いるセクション見出しは、構成の目的のためだけであり、本出願に記載された主題を限定するものと解釈すべきではない。
【０００３】
プラズマ処理は、半導体及び他の産業で数十年広く用いられてきた。プラズマ処理は、洗浄、エッチング、ミリング及び堆積のような作業に用いられる。最近では、プラズマ処理は、ドーピングに用いられている。プラズマドーピングは、PLAD又はプラズマ浸漬イオン注入（PIII）と呼ばれることもある。プラズマドーピングシステムは、最先端の電子及び光学装置のドーピング要件を満たすように、開発されている。
【０００４】
プラズマドーピングシステムは、イオンを電界で加速して、質量対電荷比によりイオンをフィルターにかけて、注入用の所望のイオンを選択する従来のビームラインイオン注入システムとは、基本的に異なる。対照的に、プラズマドーピングシステムは、ドーパントイオンを含んでいるプラズマ中にターゲットを浸し、ターゲットに一連の負電圧パルスでバイアスをかける。用語「ターゲット」は、本明細書では、イオン注入される基板又はウエハのような注入されるワークピースとして定義する。ターゲットへの負バイアスは、ターゲット表面からの電子をはねのけ、それにより、正イオンのシースを作り出す。プラズマシース内の電界は、イオンをターゲットの方へ加速し、それにより、イオンをターゲットの表面内に注入する。
【０００５】
半導体産業で広く用いられている従来のビームラインイオン注入システムは、優れたプロセス制御及び優れたRun-to-Runでの均一性も有する。従来のビームラインイオン注入システムは、最先端の半導体基板の全表面に渡って高度に均一なドーピングも提供する。半導体産業用のプラズマドーピングシステムは、非常に高度なプロセス制御も有しなければならない。しかしながら、一般的に、プラズマドーピングシステムのプロセス制御は、従来のビームラインイオン注入システムほど良くはない。
【０００６】
明細書内の「一実施形態」又は「実施形態」への言及は、その実施形態に関連して記載された特定の機能、構造又は特徴が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。明細書の様々な箇所での「一実施形態では」の句の出現は、必ずしも全てが同一の実施形態を参照するとは限らない。
【０００７】
なお、本発明の方法の個々のステップは、発明が動作可能である限り、任意の順序で及び／又は同時に行なうことができる。さらに、本発明の装置及び方法は、発明が動作可能である限り、任意の数の又は全ての記載された実施形態を含むことができる。
【０００８】
本教示は、添付図面に示す例示的な実施形態を参照して、もっと詳細に説明する。本教示は、様々な実施形態及び実施例に関連して説明するが、本教示は、そのような実施形態に限定することを意図するものではない。それどころか、本教示は、当業者により理解される、様々な代替、変更及び均等物を包含する。本明細書の教示にアクセスする当業者は、本明細書に記載された本開示の範囲内の、追加の実施、変更、実施形態及び他の使用分野を認識するであろう。例えば、本発明は、プラズマドーピングシステムに関連して説明しているが、チャンバの状態をモニタする方法及び装置は、多くの他のタイプの処理システムに適合する。
【０００９】
三次元デバイス構造は、今や、デバイスのスケールを６５nm以下の技術ノードに拡張するためだけでなく、ULSI回路の利用可能な表面領域を増やすためにも開発されている。例えば、FinFET（二重ゲート又は三重ゲート）及びRCAT（Recessed Channel Array Transistor）のようなDRAM（ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ）に用いられる三次元トレンチ・キャパシタ及び垂直チャネルのトランジスタを用いる多数のタイプのデバイスが研究所で開発されている。これらの三次元デバイスの多くは、プラズマドーピングプロセスの非常に正確な制御を必要とする。さらに、多数の他のタイプの最新の電子機器及び光学機器並びにナノテクノロジー微細構造は、プラズマドーピングプロセスの非常に正確な制御を必要とする。
【００１０】
プラズマドーピングプロセスを正確に制御することは、多くの理由で困難である。例えば、ある物理的スパッタリング及び化学エッチングを含む堆積及びエッチングが、イオン注入と共に生じる。また、多数のイオン種の存在、イオン間の衝突、プラズマシース内の不均一性、二次電子放射の存在、寄生インピーダンスにより形成される変位電流及び非理想的バイアスパルスの付与のような多くの要因のために、イオン注入のエネルギー分布が重要なものとなり得る。さらに、イオン注入の間にウエハに印加される高電圧が、ある器具類及び測定技術法と干渉したりする。
【００１１】
本発明は、プラズマドーピングの間にプラズマ処理状態をモニタするための方法及び装置に関する。特に、本発明は、プラズマ処理の間にプラズマ状態をその場でモニタし最適化するための、方法及び装置に関する。用語「その場でモニタする」とは、プラズマ処理を行なっている間にモニタすることを言う。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
既知のプラズマドーピングプロセスでは、処理される基板の近くの総電荷量を測定するファラデーカップ線量測定システムを用いて、注入線量をモニタすることがよくある。多くのプラズマ処理システムでは、ほとんどのプラズマイオンは、一価のイオンである。従って、ファラデーカップ線量測定システムに蓄積される電荷は、ファラデーカップに衝突する総イオン数の良いメトリックとなる。しかしながら、ファラデーカップ線量測定システムにより生成される信号は、プラズマドーピングシステムでのプロセス制御に有用な情報を示さない。例えば、ファラデーカップ線量測定システムにより生成される信号は、どのイオンが基板に注入されるかを示さない。加えるに、ファラデーカップ線量測定システムにより生成される信号は、注入されるイオンの各種類のイオンの百分率を示さない。さらに、ファラデーカップ線量測定システムにより生成される信号は、特定の注入されるイオンの他の注入されるイオンに対する比率を示さない。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の装置及び方法は、プラズマ中の特定のイオンを測定する飛行時間型（TOF）イオン検出器を用いる。飛行時間型（TOF）イオン検出器は、ほぼ一定の電位にわたってイオンを加速し、イオン源での発生から検出器までのイオンの飛行時間を測定する。イオンの電荷当りの運動エネルギーは、ほぼ一定であるため、より重いイオンは、より軽いイオンよりも、もっとゆっくり動き、検出器により遅い時間で到達する。飛行時間型（TOF）イオン検出器は、既知の質量対電荷比の値でイオンの飛行時間を測定することにより、較正することができる。従って、未知のイオンの飛行時間を測定することができ、この測定を質量対電荷比の値を計算するのに用いることができる。
【００１４】
従って、TOFイオン検出器からのデータは、プラズマ中のイオンを識別するために用いることができる。プラズマ中のイオンの識別により、総注入線量の最適化及び注入接合深さの最適化を含むプラズマプロセスの最適化が可能である。さらに、プラズマ中のイオンの識別により、プロセスチャンバの状態が決定可能となり、故障検出用に用いることができる。
【００１５】
本発明の方法及び装置は、TOFイオン検出器からのデータを測定し、そのTOFデータはプラズマドーピングプロセスをモニタし制御するために用いる。いくつかの実施形態では、TOFイオン検出器からのデータは、ファラデーカップ線量測定システムからのデータと共に、プラズマドーピングプロセスをモニタし制御するために用いる。もっと具体的に言えば、本発明の方法及び装置は、TOFイオン検出器から得られるデータと共に、閉ループプロセス制御を行なう。いくつかの実施形態では、閉ループプロセス制御も、ファラデーカップ線量測定システムからのデータと一緒に得る。様々な実施形態では、TOFイオン検出器を用いて得たデータは、飛行時間信号から得たイオンの比率と他のプロセス運転データから得たイオンの比率との間の相関を決定するために用いる。これらの相関を用いることにより、プロセスエンジニアは、注入線量及び注入深さのような多数のプロセスパラメータに対して、プロセスを最適化することができる。
【００１６】
本発明を、さらなるその利点と共に、好ましい例示的な実施形態により、添付図面と併せて以下にもっと具体的に記載する。図面は必ずしも縮尺通りでなく、代わりに、本発明の原理を例示する箇所は概して強調して示している。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による閉ループプロセス制御及び最適化を有するプラズマドーピングシステムの概略ブロック図である。
【図２】本発明による閉ループプロセス制御及び最適化を有するプラズマドーピングシステムと共に用いることができるTOFイオン検出器の概略図である。
【図３】本発明による線量補正を行なうためのアルゴリズムのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、本発明による閉ループプロセス制御及び最適化を有するプラズマドーピングシステムの概略ブロック図を例示する。本発明による閉ループプロセス制御及び最適化のための方法及び装置には、任意のタイプのプラズマドーピングシステムを使用することができる。例えば、そのようなプラズマドーピングシステムに１つが、出願人に譲渡された出願である発明の名称”RF Plasma Source With Conductive Top Section”の２００４年１２月２０日に出願された出願番号１０／９０５，１７２の米国特許出願に記載されている。その米国特許出願の全明細書が、本明細書に参照用に組み込まれている。
【００１９】
プラズマドーピングシステム１００は、プラズマチャンバ１０２を含む。プラズマチャンバ１０２は、ドーピングシステム１００内でドープすることができるように、基板１０６又はワークピースを保持するプラテン１０４を含む。基板１０６はプラテン１０４に電気的に接続されている。プラズマドーピングシステム１００は、基板１０６に衝突するイオンの数を数えることにより、全電荷を測定するファラデー線量測定システムも含む。
【００２０】
ファラデー線量測定システムは、ファラデーカップ１０８を含み、ファラデーカップ１０８は、このファラデーカップ１０８に衝突するイオンの数が、基板１０６に衝突するイオンの数とほぼ同じとなるように、基板１０６に比較的近い位置にある。いくつかの実施形態では、ファラデーカップ１０８は、プラズマ源からの距離が基板１０６と同じになるように、プラテン１０４に埋め込む。ファラデー線量測定システムは、ファラデーカップ１０８により生成された電流信号を受信し、ファラデーカップ１０８に衝突するイオンの数のメトリックを表わす一連のデジタルパルスを生成する線量積分電子機器１１０も含む。ファラデー線量測定システムは、計器精度を向上するために必要であれば、ファラデーカップ１０８から電荷を取り出すことができる。線量積分電子機器１１０の出力は、線量コントローラ１１２の入力に電気的に接続する。
【００２１】
プラズマチャンバ１０２は、励起されると、プラズマ１１８を形成する第１のコイル１１４及び第２のコイル１１６を含む。第１のコイル１１４及び第２のコイル１１６の内の少なくとも１つは、インピーダンスマッチングネットワーク１２１を介して電源１２０に接続される能動アンテナコイルである。いくつかの実施形態では、第１のコイル１１４及び第２のコイル１１６の内の１つを、寄生コイル又は寄生アンテナとする。用語「寄生アンテナ」は、本明細書では、能動アンテナと電磁通信するが、電源には直接、接続されないアンテナを意味すると定義する。言い換えれば、寄生アンテナは、電源によって直接、励起されるのではなく、むしろ、寄生アンテナと電磁通信する位置にある能動アンテナにより励起される。本発明のいくつかの実施形態では、寄生アンテナの一端は、アンテナのチューニング能力を提供するために、接地電位に電気的に接続する。本実施形態では、寄生アンテナは、寄生アンテナコイル内の有効巻き数を変えるために用いるコイル調整器を含む。金属短絡子のような多数の異なる種類のコイル調整器を用いることができる。
【００２２】
バイアス電圧電源１２２は、ドーピング用に基板１０６にバイアスをかけるために用いる。バイアス電圧電源１２２の出力は、プラテン１０４に電気的に接続する。バイアス電圧電源１２２は、プラズマ内のドーパントイオンが、プラズマから抽出され、基板１０６に衝突するように、プラテン１０４及び基板１０６にバイアスをかけるバイアス電圧を出力に生成する。様々な実施形態では、バイアス電圧電源１２２は、DC電源、パルス電源又はRF電源とすることができる。バイアス電圧電源１２２は、線量コントローラ１１２からトリガパルスを受信する制御入力を含む。トリガパルスは、高電圧パルスをプラテン１０４に印加するようにバイアス電圧電源１２２に指示する。いくつかの実施形態では、線量コントローラ１１２は、バイアス電圧波形を特定の電圧、デューティサイクル及びパルス繰り返し速度で生成するように、バイアス電圧電源１２２に指示する。
【００２３】
プラズマドーピングシステム１００は、本発明によるTOFイオン検出器１２４を含む。TOFイオン検出器１２４は、プラズマチャンバ１０２に連結される入力ポート１２６を含む。入力ポート１２６は、プラズマチャンバ１０２内にあるイオンを受け取るために、プラズマ１１８にさらされる。TOFイオン検出器１２４は、線量コントローラ１１２に電気的に接続される制御入力も含む。線量コントローラ１１２により生成されたトリガ信号は、TOFイオン検出器１２４の制御入力に印加される。トリガ信号は、イオンの全てが同じエネルギーを得るように、短い加速パルスを入力ポート１２６にあるイオンに印加することにより、TOFイオン検出器１２４に入力ポート１２６のイオンのサンプルを検出するように指示する。TOFイオン検出器１２４は、それから、イオンが既知の距離を移動するのにかかる時間の関数としてのイオンの検出を表わす電気信号を生成する。
【００２４】
TOFイオン検出器１２４は、プロセスチャンバ１０２内の任意の都合の良い位置に置くことができるように、物理的に非常に小さいサイズに構成することができる。多数の種類のTOFイオン検出器を、本発明による閉ループプロセス制御及び最適化のための方法及び装置と一緒に使用することができる。本発明によるTOFイオン検出器を、図２でもっと詳細に説明する。
【００２５】
TOFイオン検出器プロセッサ１２５は、イオンの検出を、イオンが既知の距離を横切るのにかかる時間の関数として表わす、TOFイオン検出器１２４により生成された電気信号を受信する。プロセッサ１２５は、それから、飛行時間分光分析にとって周知の方法を用いて、イオンの飛行時間をイオンの種類にマップする。イオンセンサにより生成されるデータは、イオン質量の関数としてのプラズマイオン母集団の相対振幅のスペクトルである。さらに、プロセッサ１２５は、線量コントローラ１１２の制御入力に電気的に接続される出力を含む。プロセッサ１２５は、所望数のトリガパルスをバイアス電圧電源１２２の制御入力に印加するように、線量コントローラ１１２に指示する線量補正信号をその出力に生成することができる。
【００２６】
プラズマドーピングシステム１００は、プラズマドーピングシステム１００の動作を制御するプロセス制御コンピュータ１２８も含む。プロセス制御コンピュータ１２８は、TOFイオン検出器プロセッサ１２５に接続される双方向インターフェースを含む。コンピュータ１２８は、プロセッサ１２５からデータを受信する。プロセッサ１２５からのデータは、TOFイオン検出器１２４の動作を制御するために、コンピュータ１２８により用いることができる。例えば、プロセッサ１２５からのデータは、イオン抽出パルスのパラメータのような、TOFイオン検出器１２４の動作パラメータ及び検出器電圧を変更する必要があるかどうかを決めるために、コンピュータ１２８により用いることができる。コンピュータ１２８は、それから、あるプロセスゴールを達成するために、TOFイオン検出器１２４の動作パラメータを変更するように、プロセッサ１２５に指示する信号を生成する。
【００２７】
さらに、プロセス制御コンピュータ１２８は、線量コントローラ１１２に接続される双方向インターフェースを含む。コンピュータ１２８は、線量コントローラ１１２と直接通信して、レシピ情報及び制御情報を線量コントローラ１１２へ提供する。例えば、プロセスの開始時に、コンピュータ１２８は、線量コントローラ１１２にプラズマドーピングを開始するように指示する信号を生成する。コンピュータ１２８は、線量コントローラ１１２に、最初に一定数のトリガパルスを生成するように指示する信号も生成する。トリガパルスは、バイアス電圧電源１２２に、高電圧パルスをプラテン１０４に印加するように指示し、その結果、基板１０６に所定の線量が注入される。プロセス制御コンピュータ１２８は、所望の線量が注入されたこと、又は、プロセスの不良状態が発生したためプロセスを中止することを線量コントローラ１１２に指示する信号も生成する。
【００２８】
線量コントローラ１１２は、さらに、プロセス制御コンピュータ１２８と直接、通信して、ファラデー線量測定システム及びTOFイオン検出器１２４からのプロセス状態情報並びに他のセンサ情報をコンピュータ１２８へ供給する。例えば、処理の間、線量コントローラ１１２は、基板の表面に衝突するイオンの総数並びにプラズマ１１８中の特定のイオンの種類及び比率を示す、ファラデー線量測定システムからの現在データで、コンピュータ１２８を継続的に更新することができる。
【００２９】
いくつかの実施形態では、プロセス制御コンピュータ１２８は、RF電源１２０に接続されるインターフェースを含む。これらの実施形態では、コンピュータ１２８は、RF電源１２０と通信して、プラズマ１１８の開始及び終了の指示を与える。さらに、コンピュータ１２８は、RF電源１２０と直接、通信して、プラズマ電力レベルを設定し、変更する指示を与える。
【００３０】
いくつかの実施形態では、プロセス制御コンピュータ１２８は、プロセスガスコントローラ及びプラズマチャンバ圧力コントローラの内の少なくとも１つに接続されるインターフェースを含む。これらの実施形態では、コンピュータ１２８は、プロセスガスコントローラ及び／又はプラズマチャンバ圧力コントローラと通信して、圧力状態及び／又はガス流量を変更する指示を与える。
【００３１】
本明細書で記載されているように、線量コントローラ１１２は、線量積分電子機器１１０、TOFイオン検出器プロセッサ１２５及びプロセスコンピュータ１２８からの制御信号を受信する、高速コントローラ又はプロセッサである。また、本明細書で記載されているように、線量コントローラ１１２は、高電圧パルスをプラテン１０４に印加するようにバイアス電圧電源１２２に指示するトリガパルスを生成する。線量コントローラ１１２は、TOFイオン検出器１２４に入力ポート１２６におけるイオンを検出するように、指示するTOFイオン検出器１２４用のトリガパルスも生成する。当業者は、線量コントローラ１１２を、プロセス制御コンピュータの一部又は別個の専用コンピュータとし得ることを理解するであろう。
【００３２】
図２は、本発明による閉ループプロセス制御及び最適化を伴うプラズマドーピングシステム１００に用いることができるTOFイオン検出器２００の概略図を示す。TOFイオン検出器２００は、プラズマチャンバ１０２（図１）内のプラズマ２０４にさらされる入力ポート２０２を含む。入力ポート２０２は、イオンの一部をサンプリングするアパーチャ２０６を含む。例えば、アパーチャ２０６は、直径が１００ミクロン程度のほぼ円形のアパーチャとすることができる。図示の実施形態では、アパーチャ２０６は接地電位にある。しかしながら、多数のバイアス構成が可能である。
【００３３】
TOFイオン検出器２００は、第１の網状格子２０８も含む。いくつかの実施形態では、静電レンズを網状格子の代わりに用いることができる。例えば、第１の網状格子２０８の中心間距離は数ｍｍ程度とすることができる。具体的な実施形態では、第１の網状格子の中心間距離を約２．７ｍｍとする。第１の電圧電源２１０は、第１の網状格子２０８に電気的に接続される出力を含む。例えば、一実施形態では、第１の電圧電源２１０は、約１００ボルトの正のDCバイアス電圧を第１の網状格子２０８に印加する。正のDCバイアス電圧は、入力ポート２０２からのイオンを、第１の網状格子２０８に隣接する領域２１２内に蓄える障壁電位を定める。
【００３４】
TOFイオン検出器２００は、第２の網状格子２１４も含む。いくつかの実施形態では、静電レンズを網状格子の代わりに用いることができる。例えば、第２の網状格子２１４の中心間距離は数ｍｍ程度とすることができる。多くの実施形態では、第２の網状格子２１４の網状格子パターンは、具体的な実施形態で中心間距離は２．７ｍｍ程度とする第１の網状格子２０８の網状格子パターンに一致させる。
【００３５】
第２の電圧電源２１６は、第２の網状格子２１４に電気的に接続される出力を含む。第２の電圧電源２１６は、高電圧の正パルスを第２の網状格子２１４に与える高電圧パルス電源である。高電圧パルスは、領域２１２におけるイオンを、第１の網状格子２０８を経てTOF飛行管２１８内に抽出する。高電圧パルスは、TOF飛行管内へのイオン抽出時間の配分を低減する、比較的短いパルスとする。例えば、短いパルスは、約１マイクロ秒程度の長さとすることができる。いくつかの動作方法では、短いパルスは、イオン注入パルスに同期させる。
【００３６】
飛行管２１８は、領域２１２から引き出したイオンを短いパルスで運ぶ、既知の距離の無電界ドリフト領域である。イオンは、飛行管２１８を横切る間に、質量対電荷比により、時間的に分離される。飛行管２１８は、異なる質量対電荷比のイオンを、従来の電子機器により正確に測定できる時間間隔で、検出できるように、十分に長くしなければならない。例えば、具体的な実施形態では、飛行管２１８は約２８cmの長さとする。
【００３７】
バイアス電圧電源２２０が、飛行管２１８に電気的に接続される。例えば、具体的な実施形態では、バイアス電圧電源２２０が、飛行管２１８が約３００ボルトの浮動負電位になるように、飛行管２１８にバイアスをかける。いくつかの実施形態では、網状格子２２２を飛行管２１８の入力の位置にさせる。また、いくつかの実施形態では、アパーチャ２２４を出て行くイオンがほぼ同じ飛行経路を有するように、アパーチャ２２４を飛行管２１８の出力に位置させる。出口格子２２４′は、図２に示すように、アパーチャ２２４内に位置付けることができる。
【００３８】
偏向板２２６が、飛行管２１８のアパーチャ２２４の近くに位置付けられる。バイアス電圧電源２２０は、高正電圧で偏向板２２６にバイアスをかける。具体的な実施形態では、偏向板２２６に正の２５０ボルトでバイアスをかける。偏向板２２６は、飛行管２１８から出るイオンを偏向させて、イオン検出器２３０に入れる。
【００３９】
多数の種類のイオン検出器をTOFイオン検出器２００に用いることができる。例えば、イオン検出器２３０は、チャンネル型電子増倍管とすることができる。チャンネル型電子増倍管は、イオンの検出を増幅する二次電子を生成する放出層を含む。高電圧電源２３２が、イオン検出器２３０に電気的に接続される。高電圧電源２３２は、高負電圧でチャンネル型電子増倍管にバイアスをかける。例えば、高電圧電源２３２は、負の２５００ボルトでチャンネル型電子増倍管にバイアスをかけることができる。イオン検出器２３０は、イオン検出信号を標準の電子機器で処理することができるように、イオン検出信号を増幅するプリアンプ２３４を含むことができる。また、イオン検出器２３０は、チャンネル型電子増倍管からの短いパルスを検出し、雑音を除去する、弁別器２３６を含むことができる。
【００４０】
いくつかの実施形態では、イオン反射器（図示せず）が、飛行管２１８の端部に位置付けられる。イオン反射器は、異なる質量対電荷比のイオンを検出する相対的時間の測定をもっと正確にする。イオン反射器は、イオンの飛行経路の修正により、最初の運動エネルギー分布の効果を補償するために用いられる無電界ドリフト領域を含む。第１の検出器は、イオン反射器の電源を切ってイオンを検出するために用いられる。第２の検出器は、イオン反射器の電源を入れてイオンを検出するために用いられる。イオン反射器は、イオン加速電圧より少し大きいレベルに増大する電位で、バイアスをかけられる一連のリングを含む。
【００４１】
イオンはイオン反射器に浸透するので、イオンは電界の方向におけるそれらの速度が０になるまで減速される。速度が０になる点で、イオンは、方向を反転し、イオン反射器を経て反対方向に加速される。イオンは、入射エネルギーと同一のエネルギーを有するが、反対方向の速度で、イオン反射器を出る。より大きいエネルギーを有するイオンは、イオン反射器にもっと深く浸透し、その結果、イオン反射器内により長い時間とどまることになる。一連のリングの電位は、同様の質量及び電荷のイオンが第２の検出器に同時に到達するように、イオンの飛行経路を修正するために、選択される。
【００４２】
TOFイオン検出器プロセッサ２３８は、弁別器２３６の出力に電気的に接続される信号入力を含む。また、プロセッサ２３８は、第２の電圧電源２１０に電気的に接続される。プロセッサ２３８は、TOFイオン検出器２００用の制御及び測定機能を実行する。例えば、プロセッサ２３８は、第２の電圧電源２１０にトリガして、短いパルスを生成し、領域２１２からイオンを抽出する第２の網状格子２０８へ印加する。一動作方法では、短いパルスは、１マイクロ秒程度の長さとする。短いパルスは、典型的には、イオン注入パルスに同期させる。また、プロセッサ２３８は、第２の電圧電源２１０により生成される短いパルスに同期するイオン検出器２３０からのデータを得る。さらに、プロセッサ２３８は、そのデータを格納し、プラズマイオン母集団の相対振幅のスペクトルをイオン質量の関数として生成する。
【００４３】
イオンの種類、特定イオンの他の特定イオンに対する比、及び、イオンの密度などのようなプラズマパラメータは、様々な理由でドリフトする傾向にある。例えば、これらのパラメータは、プラズマ１１８に直接接触するプラズマチャンバの壁の状態により、強く影響される。プラズマチャンバの壁の状態は、プラズマ１１８中に生成されるイオン及び中性物質が壁に常に衝突するために、時間とともにドリフトする傾向にある。さらに、プラズマ１１８中のイオンの一部、従って、イオン密度又はイオン束も、様々な理由で時間とともにドリフトする傾向にある。イオン密度又はイオン束のドリフトは、イオン注入線量を時間とともにドリフトさせ、プラズマドーピングプロセスの再現性を低下させる。
【００４４】
従って、線量補正を行うために、イオン注入線量及びイオンのスペクトルを、リアルタイムにその場で測定する、能動的な線量測定を行うのが望ましい。これらの測定は、プロセスを所定の制御限界内に戻す補正措置をトリガするため、又は、メンテナンス事象をトリガするために用いることができる。例えば、補正措置は、プロセスパラメータの変更、プラズマドーピングプロセスの終了、又はメンテナンス事象の変更とすることができる。プラズマチャンバの状態に関わる、このようなリアルタイムのその場での測定をすることは、これらの測定によって、産出高を改善することができ、これらのシステムで行われるルーチンメンテナンスの量を顕著に減少することができるために所望される。
【００４５】
図３は、本発明による線量補正を行なうためのアルゴリズムのフローチャートを示す。図１、２及び３を参照するに、第１のステップ３０２では、ドープすべき基板１０６をプロセスチャンバ１０２内に導入し、ドーピングプロセスを開始する。第２のステップ３０４では、飛行時間検出器の信号を得る。飛行時間検出器１２４は、バイアス電圧電源１２２からプラテン１０４及び基板１０６に印加され、プラズマドーピングのためにイオンを基板１０６へ引き付けるバイアスパルスに同期させることができる。飛行時間検出器１２４は、各バイアスパルス内で、信号を複数の回数得るように構成することができる。
【００４６】
第３のステップ３０６では、プロセス制御コンピュータ１２８が、本明細書で説明されているように、プラズマイオン母集団の相対振幅のスペクトルを、イオン質量の関数として、計算する。第４のステップ３０８では、コンピュータ１２８は、イオン質量の関数としての、プラズマイオン母集団の相対振幅のスペクトルを、モデルと比較して、プラズマドーピングプロセスが必要なプロセス仕様の範囲内で行われているかどうかを確認する。コンピュータ１２８が、イオン質量の関数としての、プラズマイオン母集団の相対振幅のスペクトルが必要なプロセス仕様の範囲内にないことを確認する場合には、エラーが生成され、プロセスを終了させるか、又は、修正措置を開始する、第５のステップ３１０が行われる。
【００４７】
第２のステップ３０４と同時に、第６のステップ３１２では、ファラデー線量測定信号をファラデーカップ１０８から得る。ファラデーカップ１０８からの信号は、線量積分ユニット１１０により処理される。線量統合ユニット１１０は、本明細書で説明されるように、基板１０６に衝突するイオン総数の良好なメリットとし得る、ファラデーカップ１０８上の総電荷を示す、信号を生成する。
【００４８】
第７のステップ３１４では、プロセス制御コンピュータ１２８が、得られたファラデー線量測定信号を、モデルと比較して、基板１０６に衝突するイオン総数が必要なプロセス仕様の範囲内であるかどうかを確認する。コンピュータ１２８が、基板１０６に衝突するイオン総数がプロセス仕様の範囲内にないことを確認する場合には、エラーが生成され、プロセスを終了させるか、又は、修正措置を開始する、第８のステップ３１６が行われる。
【００４９】
第９のステップ３１８では、プロセス制御コンピュータ１２８が、イオン質量の関数としての、プラズマイオン母集団の相対振幅のスペクトルがプロセス仕様の範囲内にあることを第４のステップ３０８で確認し、かつ、コンピュータ１２８が、基板１０６に衝突するイオンの総数がプロセス仕様の範囲内にあることを第７のステップ３１４で確認した場合に、コンピュータ１２８は、注入プロファイルを計算する。プラズマイオン母集団の相対振幅のスペクトルと、基板１０６の表面に衝突するイオンの総数のデータとから、コンピュータ１２８は、注入プロファイルを計算する。基板１０６の表面に衝突するイオンの総数のこれらのデータは、TOFイオン検出器１２４及びファラデーカップ１０８のいずれか、又は両方から得ることができる。
【００５０】
第１０のステップ３２０では、プロセス制御コンピュータ１２８が、第９のステップ３１８で計算された注入プロファイルをモデルと比較して、計算された注入プロファイルがプロセス仕様の範囲内であるかどうかを確認する。コンピュータ１２８が、第１０のステップ３２０で計算された注入プロファイルはプロセス仕様の範囲内にないことを確認した場合には、エラーが生成され、プロセスを終了させるか、又は、修正措置を開始する、第５のステップ３１０が行われる。
【００５１】
プロセス制御コンピュータ１２８が、第１０のステップ３２０で計算された注入プロファイルがプロセス仕様の範囲内にあることを確認する場合、コンピュータ１２８が、TOF検出器１２４から得られるデータと、TOFイオン検出器プロセッサ１２５により行われる計算とに基づいて、積分線量を計算する、第１１のステップ３２２が行われる。本発明により、積分線量を計算する方法は多数ある。
【００５２】
イオン質量の関数としての、プラズマイオン母集団の相対振幅のスペクトルは、数のアレイとして表わすことができる。例えば、特定質量のプラズマイオンに対応する信号は、アレイ要素の範囲内のイオンカウント数の和として表わすことができる。プラズマ１１８中にある異なるイオン種の比率は、それぞれのアレイ要素の範囲内のイオンカウント数間の比率として表わすことができる。プロセス制御コンピュータ１２８は、積分線量を計算するために、アレイ内のデータを用いて１つ以上のアルゴリズムを実行する。
【００５３】
例えば、コンピュータ１２８は、TOFイオン検出器プロセッサ１２５から決定された、イオン質量の関数としての、プラズマイオン母集団の相対振幅のスペクトルの単一ピーク値を解析するアルゴリズムを実行する。信号ピーク値は、プラズマ１１８中の１つの特定のイオンの数に対応する。他の実施形態では、コンピュータ１２８は、TOFイオン検出器プロセッサ１２５から決定された、イオン質量の関数としての、プラズマイオン母集団の相対振幅のスペクトルの多数のピーク値を解析するアルゴリズムを実行する。多数のピーク値は、プラズマ１１８内の複数の特定のイオンの相対数に対応する。いくつかの実施形態では、コンピュータ１２８は、多数のピーク値を解析して、１つの特定の種類のイオンの別の特定の種類のイオンに対する比率を決定するアルゴリズムを実行する。
【００５４】
いくつかの実施形態では、積分線量は、イオン質量の関数としてのプラズマイオン母集団の相対振幅のスペクトル及びファラデーカップに衝突するイオンの総数と、１つ以上のモデルとを比較することにより決定する。様々な実施形態では、モデルは、理論的に又は実験的に得ることができる。
【００５５】
例えば、イオン質量の種の比率は、イオン質量の種及びイオン質量の種の比率をプロセス性能に関連付けるモデルを開発するために、用いることができる。モデルは、ウエハに注入されるドーパントの量及びどの深さまでドーパントを注入するかを予測するために、用いることができる。特定のプラズマ内で創生される異なるイオンが、異なる等価エネルギーで、異なる深さに注入されることは、実験的に決定することができる。
【００５６】
第１２のステップ３２４では、プロセス制御コンピュータ１２８は、十分な注入線量が基板１０６の表面に注入されたかどうかを確認する。コンピュータが、十分な注入線量が基板１０６の表面に注入されていないことを確認する場合、プロセスを第２のステップ３０４から繰り返す。しかし、コンピュータ１２８が、十分な注入線量が基板１０６の表面に注入されていることを確認する場合、プロセスを終了する。
【００５７】
図３に関連して説明した線量補正を実施するアルゴリズムは、プラズマチャンバの状態をモニタし、モニタに応じて欠陥検出を行うのに、有用である。プラズマドーピングプロセスの安定性及び再現性は、プラズマチャンバ１０２の物理状態に非常に依存する。例えば、イオンの種類、特定のイオンの他のイオンに対する比率及びイオンの密度のようなプラズマパラメータは、プラズマ１１８に直接接触するプラズマチャンバの壁の状態により、強く影響される。プラズマチャンバの壁の状態は、壁がプラズマ１１８内に生成するイオン及び中性物質で常に衝突されるため、時間とともにドリフトする傾向にある。従って、本発明のいくつかの実施形態では、プロセス制御コンピュータ１２８は、TOFイオン検出器プロセッサ１２５からのデータをモニタして、プラズマドーピングを始める又は継続する前に、プラズマチャンバ１０２を清浄にし、又は調整済みにする必要があることを、プラズマ１１８内にあるイオンの種類及び密度が示しているかどうかを確認する。
【００５８】
図３に関連して説明した線量補正を実施するアルゴリズムは、プラズマ中の変動をモニタし、モニタに応じて欠陥検出を行うのにも、有用である。プラズマ１１８中のイオンの一部、従って、イオンの密度又はイオンの流束は、様々な理由のため、時間とともにドリフトする傾向にある。イオンの密度又はイオン束のドリフトは、イオン注入線量が時間とともにドリフトすることを引き起こし、これは、プラズマドーピングプロセスを再現しにくくする。
【００５９】
また、図３に関連して説明した線量補正を実施するアルゴリズムは、流入するプロセスガスの品質をモニタし、モニタに応じて欠陥検出を行うのに、有用である。さらに、図３に関連して説明した線量補正を実施するアルゴリズムは、ガス供給が豊富であるか、又は豊富でないかどうかを確認するのに、有用である。豊富なガスと豊富でないガスとの間を区別するには、注入線量をウエハの中へ正確に分解することが必要である。いくらかのガスは、年数の経過につれて、ガスの組成が変化する。正確に注入線量を正確に分解するために、ガスの組成の変化が起きているかどうか、及び／又は、ガス内に汚染があるかどうかを知る必要がある。
【００６０】
本教示は、様々な実施形態及び実施例とともに説明しているが、本教示は、そのような実施形態に限定することを意図するものではない。それどころか、本教示は、当業者により理解され、本発明の精神及び範囲から逸脱することなくなされる、様々な代替、変更及び均等物を包含する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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