(57)【要約】      （修正有）【課題】ファラデーカップに入ったイオンにより形成された正の電荷のカラムと電子とを分離しかつ電子を維持して、出力信号のエラーを防止するプラズマドーピング装置を提供する。【解決手段】プラズマドーピング装置はプラズマドーピングチェンバーとワークピースを支持するためのプラズマドーピングチェンバー内に配置されるプラテンとチェンバーに結合されるイオン化可能なガス源とプラテンから間隔があけられたアノードとプラテンとアノードとの間に電圧パルスを適用するパルス源とを含む。電圧パルスはワークピースの近傍でプラズマシースを有するプラズマを生成する。装置はプラズマシースを横切る正イオンのサンプルを収集するための少なくとも一つのファラデーカップ３００を含む。ファラデーカップ３００は電子流出を抑制するために内部チェンバー３０８内に横方向の電場を生成するように形状付けられる。【選択図】図１０
2012109570.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ェンバーと，
該プラズマドーピングチェンバー内に取り付けられ，ワークピースを支持するためのプラテンと，
前記チェンバーに連結され，前記ワークピースへの注入のための所望のドーパントを含むイオン化可能なガスソースと，
前記プラテンから間隔があけられるアノードと，
前記ワークピースの近傍に，プラズマシースを有するプラズマを生成するために，前記プラテンと前記アノードとの間に，電圧パルスを適用するパルスソースであって，前記プラズマが，前記イオン化可能なガスの正のイオンを含み，前記電圧パルスが，ワークピースへの注入のために，前記正のイオンを，プラズマシースを横切って前記プラテンに向けて加速するところのパルスソースと，
前記プラズマシースを横切って加速される前記正のイオンのサンプルを収集するための，前記プラテンに隣接して配置されるファラデーカップと，
を含み，
前記プラテンおよびワークピースはカソードを構成し，
前記サンプルはワークピースに注入される正のイオンの数を示し，
前記ファラデーカップは，前記ファラデーカップの内部チェンバー内に，前記ファラデーカップに入るイオンの移動の方向に対して横方向の電場を生成するための手段を含む，
ところのプラズマドーピング装置。
【請求項２】
前記電場を生成する手段は，前記ファラデーカップの内部チェンバー内に位置する電極，および前記ファラデーカップの壁に対して前記電極をバイアスするための，前記電極に接続される電圧源を含む，請求項１に記載のプラズマドーピング装置。
【請求項３】
前記ファラデーカップの内部チェンバーは円筒状のチェンバーからなり，前記電場を生成する手段は，内部チェンバー内に位置する軸線方向の電極からなる，請求項１に記載のプラズマドーピング装置。
【請求項４】
前記ファラデーカップは前記プラテンの周りに位置する環状のファラデーカップからなり，前記環状のファラデーカップは間隔があけられた内側壁および外側壁を有し，前記電場を生成する手段は，前記内側壁と前記外側壁との間に位置する環状の電極を含む，請求項１に記載のプラズマドーピング装置。
【請求項５】
前記ファラデーカップは前記プラテンの周りに位置する環状のファラデーカップからなり，前記環状のファラデーカップは電気的に分離された内側壁および外側壁を有し，当該電場を生成する手段は，前記ファラデーカップの内部チェンバー内に前記電場を生成するために，前記内側壁と前記外側壁との間に電圧を適用する手段を含む，請求項１に記載のプラズマドーピング装置。
【請求項６】
イオンビームを検知するファラデーカップであって，
開口部を有する内部チェンバーを画成する，側壁および底壁と，
当該ファラデーカップの内部チェンバー内に，前記ファラデーカップ内に入るイオン方向に対して横方向の電場を生成する手段と，
を含むファラデーカップ。
【請求項７】
前記電場を生成する手段は，前記ファラデーカップの内部チェンバー内に位置する電極，および前記ファラデーカップの前記側壁に対して前記電極をバイアスするための，前記電極に電圧源を接続する手段を含む，請求項６に記載のファラデーカップ。
【請求項８】
内部チェンバーは円筒状の内部チェンバーからなり，前記電場を生成する手段は，内部チェンバー内に位置する軸線方向の導体からなる，請求項６に記載のファラデーカップ。
【請求項９】
前記側壁は，環状外側壁および環状内側壁を含み，前記電場を生成する手段は，前記内側壁と前記外側壁との間に位置する電極を含む，請求項６に記載のファラデーカップ。
【請求項１０】
前記側壁は環状外側壁および環状内側壁を含み，前記電場を生成する手段は，前記ファラデーカップの内側チェンバー内に前記電場を生成するために，前記内側壁と前記外側壁との間に電圧を適用する手段を含む，請求項６に記載のファラデーカップ。
【請求項１１】
さらに，前記開口を覆うように配置されるカバーを含み，該カバーはイオンが内部チェンバーに入ることができるように複数の開口を有する，請求項６に記載のファラデーカップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は，1998年8月3日に出願された米国特許出願第09/128,370号の一部継続出願に基づくものである。
本発明はワークピース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でワークピース内に注入されるイオンドーズ量を測定するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン注入は導電率を変化させる不純物を半導体ウエハ内に導入するための標準技術である。在来の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，該イオンは予め定められたエネルギーのイオンビームを形成するために加速され，そして該イオンビームはウエハの表面に向けられる。付勢されたビーム内のイオンは半導体材料のバルク内に侵入し，所望の導電率の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】
いくつかの応用において，半導体ウエハ内に浅い接合を形成する必要があり，その場合不純物材料はウエハの表面付近の領域に制限される。これらの応用において高エネルギー加速および在来のイオン注入器に関連するビーム形成ハードウエアは不必要である。したがって，半導体ウエハ内に浅い接合を形成するためにプラズマドーピング装置を使用することが提案された。プラズマドーピング装置において，半導体ウエハがカソードとして機能する導体プラテン上に載置される。所望のドーパント材料を含むイオン化可能なガスがチェンバー内に導入され，高電圧パルスがプラテンとアノードまたはチェンバー壁との間に適用され，ウエハの近傍にプラズマシースを有するプラズマが形成される。適用電圧によってプラズマ内のイオンはプラズマシースを横切り，そしてウエハ内に注入される。注入の深さはウエハとアノードとの間に適用される電圧に関連する。プラズマドーピング装置は特許文献１（Shengによる1994年10月11日に発行された米国特許第5,354,381号）に記載されている。
【０００４】
上記のプラズマドーピング装置において，高電圧パルスはプラズマを発生しかつプラズマからウエハ方向へ正イオンを加速する。プラズマ浸漬装置として知られるような他のタイプのプラズマ装置において連続RF電圧がプラテンとアノードとの間に適用され，連続プラズマを生成する。時々，高電圧パルスがプラテンとアノードとの間に適用され，それによってプラズマ内の正イオンがウエハ方向へ加速される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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4,135,097号明細書
【特許文献３】米国特許第4,433,247号明細書
【特許文献４】米国特許第4,421,988号明細書
【特許文献５】米国特許第4,463,255号明細書
【特許文献６】米国特許第4,361,762号明細書
【特許文献７】米国特許第4,786,814号明細書
【特許文献８】米国特許第4,595,837号明細書
【特許文献９】米国特許第4,228,358号明細書
【特許文献１０】米国特許第4,234,797号明細書
【特許文献１１】米国特許第4,587,433号明細書
【特許文献１２】米国特許第4,751,393号明細書
【特許文献１３】米国特許第5,711,812号明細書
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】E. JonesらによるIEEE Transactions on Plasma Science，Vol.25，No.1，1997年2月（pp.42−52）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
イオン注入に関連する半導体製造処理において，ウエハ内に注入される蓄積イオンドーズ量およびウエハ表面にわたるドーズ量の均一性に関する厳しい要求が課せられている。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，一方ドーズ量の均一性は半導体ウエハ上のすべてのデバイスが特定された限度内で動作特性を有することを保証するために要求される。
【０００８】
プラズマドーピング装置におけるドーズ量測定のひとつの従来のアプローチは，上記した特許文献１（米国特許第5,354,381号）に記載されるように，高電圧パルスによってプラズマに供給される電流の測定に関する。しかし，このアプローチは不正確になりやすい。測定電流は，イオン注入の間に生成された電子を含み，たとえこれらの中性分子が総ドーズ量に寄与するとしてもワークピース内に注入される中性分子を除外する。さらにまた，測定電流は注入中のウエハを通過するため，それは測定電流にエラーを生じさせるウエハの特性に依存する。それらの特性は放射率，局所的放電，ウエハ上のフォトレジストからのガス放出などを含む。したがって，異なるウエハは同一のイオンドーズに対して異なる測定電流を与える。さらに，測定電流パルスは測定にエラーを導入する大きな容量または変位電流成分を含む。
【０００９】
プラズマドーピングドーズ量測定に関する技術は，非特許文献１（E. JonesらによるIEEE Transactions on Plasma Science，Vol.25，No.1，1997年2月，pp.42−52）に記載されている。注入器電流および注入電圧の測定は単一の注入パルスに対する注入プロフィールを決定するのに使用される。単一パルスに対する注入プロフィールは最終注入プロフィールおよび総注入ドーズ量を計画するために使用される。このアプローチもまた，反復可能性を保証するために電源およびガス制御安定性に依存しているという事実のために不正確になりやすい。また，経験的なアプローチは時間を浪費しかつ高価である。
【００１０】
ウエハへの高エネルギービームの適用に関する従来のイオン注入装置において，典型的に蓄積イオンドーズ量はターゲットウエハの正面に配置されたファラデーカップまたはファラデーケージによって測定される。典型的に，ファラデーケージは導電性のエンクロージャーであり，該エンクロージャーの下流端にウエハが配置され，ファラデー装置の一部を構成する。イオンビームはファラデーケージを通ってウエハに達し，ファラデーケージ内に電流を生成する。ファラデー電流は電子ドーズ量プロセッサに供給され，それは総イオンドーズ量を決定するために時間に関して電流を積分する。ドーズ量プロセッサはイオン注入器を制御するのに使用されるフィードバックループの一部であってもよい。
【００１１】
さまざまなイオン注入器用のファラデーケージ構成が従来技術に開示されている。半導体ウエハの正面に配置されたファラデーケージは，特許文献２（Fornerisらによる1979年1月16日に発行された米国特許第4,135,097号），特許文献３（Turnerによる1984年2月21日に発行された米国特許第4,433,247号），特許文献４（Robertsonらによる1983年12月20日に発行された米国特許第4,421,988号），特許文献５（Robertsonらによる1984年1月31日に発行された米国特許第4,463,255号），特許文献６（Douglasによる1982年11月30日に発行された米国特許第4,361,762号），特許文献７（Kolondraらによる1988年11月22日に発行された米国特許第4,786,814号），および特許文献８（Wuらによる1986年6月17日に発行された米国特許第4,595,837号）に開示されている。回転ディスクの後方に配置されたファラデーケージは，特許文献９（Rydingによる1980年10月14日に発行された米国特許第4,228,358号），特許文献１０（Rydingによる1980年11月18日に発行された米国特許第4,234,797号），および特許文献１１（Farleyによる1986年5月6日に発行された米国特許第4,587,433号）に開示されている。
【００１２】
ドーズ量およびドーズ量均一性はまた，特許文献１２（Corey, Jr.らによる1988年6月14日に発行された米国特許第4,751,393号）に開示されるようなコーナーカップ装置を使って従来の高エネルギーイオン注入装置内で測定されてきた。中央に開口部を有するマスクがイオンビームの経路内に配置される。ビームはウエハ上に入射する中央の開口部を通過する部分を有するマスクの領域にわたって走査される。小さいファラデーカップがマスクの四隅に配置され，これらの場所でのビーム電流を検知する。
【００１３】
したがって，プラズマドーピングシステムにおいて，ワークピースに注入されるイオンドーズ量を測定する，改良された方法および装置に必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
発明の第一の態様にしたがって，プラズマドーピング装置が提供される。プラズマドーピング装置は，プラズマドーピングチェンバーと，典型的に半導体ウエハであるワークピースを支持するためのプラズマドーピングチェンバー内に設置されるプラテン（プラテンとワークピースがカソードを構成する）と，チェンバーに結合されるイオン化可能なガスソースと，プラテンから間隔があけられるアノードと，カソードとアノードとの間に高電圧パルスを印加するためのパルスソースとを含む。高電圧パルスはワークピースの近傍にプラズマシースを有するプラズマを生成する。該プラズマはイオン化可能のガスの正イオンを含む。高電圧パルスは，正イオンをワークピース内への注入のために，プラズマシースを横切ってプラテンに向けて加速する。プラズマドーピング装置はさらに，プラズマシースを横切って加速された正イオンのサンプルを収集するためのプラテンに隣接して配置された一つまたはそれ以上のファラデーカップを含む。該サンプルはワークピース内に注入される正イオンのドーズ量を表す。ファラデーカップは複数の開口をもつカバーを有する。ファラデーカップにより収集されたイオンは，開口を通過して，ファラデーカップの内部チェンバーにいたる。
【００１５】
好適には，開口のそれぞれはプラズマシースの厚さよりも薄い幅をもつ。各開口の幅は，ファラデーカップの内部チェンバー内で放電が形成されないように選択される。
【００１６】
一実施例においては，カバーは多数の開口をもつプレートからなる。他の実施例においては，カバーはワイヤーメッシュからなる。さらに，他の実施例においては，ファラデーカップは，プラズマに面した正面導体と，ファラデーカップの内部チェンバーに面した背面導体と，正面導体と平面導体を分離する絶縁体とを含む。背面導体は電子を追い払うためにバイアスされてもよい。
【００１７】
本発明の他の態様にしたがって，プラズマドーピング装置が提供される。プラズマドーピング装置は，プラズマドーピングチェンバーと，典型的に半導体ウエハであるワークピースを支持するためのプラズマドーピングチェンバー内に設置されるプラテン（プラテンとワークピースがカソードを構成する）と，チェンバーに結合されるイオン化可能なガスソースと，プラテンから間隔があけられるアノードと，カソードとアノードとの間に高電圧パルスを印加するためのパルスソースとを含む。電圧パルスはワークピースの近傍にプラズマシースを有するプラズマを生成する。該プラズマはイオン化可能のガスの正イオンを含む。電圧パルスは正イオンを，ワークピース内への注入のためにプラズマシースを横切ってプラテンに向けて加速する。プラズマドーピング装置はさらに，プラズマシースを横切って加速された正イオンのサンプルを収集するためのプラテンに隣接して配置された一つまたはそれ以上のファラデーカップを含む。該サンプルはワークピース内に注入される正イオンのドーズ量を表す。ファラデーカップは，ファラデーカップに入るイオンの方向に対して，横方向の電場を，ファラデーカップの内部チェンバー内に生成するための手段を含む。
【００１８】
電場を生成する手段は，ファラデーカップの内部チェンバー内に配置される電極と，ファラデーカップの壁に関して電極をバイアスする，電極に接続される電源とを含んでもよい。ファラデーカップの内部チェンバーが円筒状のとき，電極は内部チェンバー内に配置される軸線方向の導体を含んでもよい。ファラデーカップが環状形状をもつとき，電極は，ファラデーカップの内側壁と外側壁との間に位置する環状電極を含んでもよい。他の実施例において，環状ファラデーは，電気的に分離される内側壁および外側壁を含んでもよい。ファラデーカップに入るイオンの移動方向に対して横方向の電場を，ファラデーカップの内部チェンバーに生成するために，内側壁と外側壁との間に電圧が適用されてもよい。
【００１９】
装置は，プラテンのまわりに配置される一つのファラデーカップ，または二つ以上のファラデーカップを含んでもよい。プラズマドーピング装置は，ガードリングを含んでもよく，ファラデーカップはガードリング内に埋め込まれてもよい。ガードリングは，プラズマの一様性を制御するために選択されるカソード電位または他の電位のいずれかに維持されてもよい。
【００２０】
本発明のよりよい理解にために，添付図面が参照される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は，ファラデーカップを組み込むプラズマドーピングシステムの略示ブロック図である。
【図２】図２は，ウエハおよびファラデーカップを示す，図１の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，環状ファラデーカップを組み込むプラズマドーピングシステムの略示部分断面図である。
【図４】図４は，ファラデーカップの内部チェンバー内で放電を生成しない，比較的厚いプラズマシースを示す，ファラデーカップの略示断面図である。
【図５】図５は，ファラデーカップの内部チェンバー内で放電を生成する，比較的薄いプラズマシースを示す，ファラデーカップの略示断面図である。
【図６】図６は，複数の開口をもつカバーを組み込むファラデーカップの略示断面図である。
【図７】図７は，図５のファラデーカップカバーの略示平面図である。
【図８】図８は，図６に示されたファラデーカップの拡大部分断面図である。
【図９】図９は，複数の開口をもつカバーを有する環状ファラデーカップおよび電子を追い払う電極の略示断面図である。
【図１０】図１０は，ファラデーカップの内部チェンバー内で横方向の電場を生成するための，軸線方向の電極をもつファラデーカップの略示断面図である。
【図１１】図１１は，ファラデーカップの内部チェンバー内で，横方向の電場を生成するための，環状電極をもつファラデーカップの部分斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
一つ以上のファラデーカップを組み込むプラズマドーピングシステムの例が図１に略示されている。プラズマドーピングチェンバー10が包囲される体積12を画成する。チェンバー10内に配置されたプラテン14が半導体ウエハ20のようなワークピースを保持するための表面を与える。たとえば，ウエハ20はプラテン14の平坦面へその周縁でクランプされている。プラテン14はウエハ20を支持しかつ電気的結合をウエハ20に与える。一実施例において，プラテンはウエハ20を支持するための電気的導体の面を有する。他の実施例において，プラテンはウエハ20への電気的結合のための導電ピンを含む。
【００２３】
アノード24がプラテン14に関して間隔をあけてチェンバー10内に配置されている。アノード24はプラテン14に垂直に矢印26で示される方向に移動可能である。典型的に，アノード24はチェンバー10の電気的導体の壁に接続され，それら両方は接地されている。
【００２４】
ウエハ20およびアノード24は高電圧パルス発生器30に接続され，その結果ウエハ20はカソードとして機能する。典型的にパルス発生器30は，範囲が約100から5000ボルト，間隔が約1から50マイクロ秒，およびパルス繰返し率が約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示としてのみ与えられ，発明の範囲内で他の値が使用されてもよいことは理解されよう。
【００２５】
チェンバー10の包囲された体積12は制御可能バルブ32を通じて真空ポンプ34へ結合されている。ガスソース36が質量流量制御器38を通じてチェンバー10へ結合されている。チェンバー10内に配置された圧力センサー44はチェンバー圧力を示す信号を制御器46へ与える。制御器46は検知されたチェンバー圧力を所望の圧力入力と比較し，制御信号をバルブ32に与える。制御信号はチェンバー圧力と所望の圧力との間の差を最小化するようにバルブ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1mTorrから500mTorrの範囲に制御されるが，この範囲に限定されない。ガスソース36はワークピース内に注入するための所望のドーパントを含むイオン化可能なガスを供給する。イオン化可能なガスの例として，BF3，N2，Ar，PF5およびB2H6が含まれる。質量流量制御器38はガスがチェンバー10に供給されるときのレートを調整する。図１に示される構成は，一定のガス流量および一定の圧力において処理ガスの連続流を与える。圧力およびガス流量は好適には反復可能な結果を与えるよう調整される。
【００２６】
作動時，ウエハ20はプラテン14上に配置される。その後，圧力制御システム，質量流量制御器38およびガスソース36はチェンバー10内に所望の圧力およびガス流量を生成する。例として，チェンバー10は10mTorrの圧力でBF3ガスとともに動作する。パルス発生器30はウエハ20に対し高電圧パルスの連続を印加し，ウエハ20とアノード24との間にプラズマ40を形成させる。周知技術のように，プラズマ40はガスソース36からのイオン化可能なガスの正イオンを含む。プラズマ40はさらにプラテン14の近傍にプラズマシース42を含む。高電圧パルスの間，アノード24とプラテン14との間に存在する電場は正イオンをプラズマ40からプラズマシース42を横切ってプラテン14方向へ加速する。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ア20内に注入される。パルス電圧はウエハ20内の所望の深さに正イオンを注入するように選択される。パルスの数およびパルス間隔はウエハ20に不純物材料の所望のドーズ量を与えるよう選択される。パルス当りの電流は，パルス電圧，ガス圧力および種並びに電極の可変位置の関数である。たとえば，カソードからアノードまでの間隔は異なる電圧に対して調節され得る。
【００２７】
ウエハ20内に注入されたイオンドーズ量を測定するために一つ以上のファラデーカップがプラテン14に隣接して配置される。図１および２の実施例において，ファラデーカップ50，52，54および56がウエハ20の周辺の周囲に等しく間隔をあけて配置される。各ファラデーカップはプラズマ40に面した入口60を有する導体エンクロージャーから成る。好適には各ファラデーカップは実際にできるだけウエハ20に近く配置され，プラズマ40からプラテン14方向へ加速される正イオンのサンプルを遮る。
【００２８】
ファラデーカップはドーズ量プロセッサ70または他のドーズ量モニタリング回路に電気的に接続されている。周知技術のように，入口60を通って各ファラデーカップに入る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電流を生成する。電流は単位時間あたりに受け取った正イオンの数，すなわちイオン電流を示す。ファラデーカップ50，52，54および56によって受け取られたイオン電流は単位時間当りにウエハ20内に注入されるイオンの数と一定の関係を有することが仮定されている。プラズマ40の均一性およびプラテン14方向へのイオン加速の均一性に依存して，各ファラデーカップによって受け取られる単位面積当りのイオン電流は実質的にウエハ20内に注入される単位面積当りのイオン電流と等しいか，またはその一定の部分である。各ファラデーカップの電流出力はウエハ20内に注入されたイオン電流を表すので，ファラデーカップ50，52，54および56はウエハ20内に注入されたイオンドーズ量の測定を与える。
【００２９】
特許文献１３（Chapekらによる1998年1月27日に発行された米国特許第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を囲むガードリング66を含んでもよい。ガードリング66はウエハ20のエッジ付近で注入イオンの相対的に均一な分布を保証すべくバイアスされる。ファラデーカップ50，52，54および56はウエハ20およびプラテン14の周辺付近でガードリング66内に配置されてもよい。
【００３０】
さまざまな異なるファラデーカップ構成が利用され得ることが理解されよう。第２の実施例が図３に示される。環状ファラデーカップ80がウエハおよびプラテン14の周囲に配置されている。環状ファラデーカップ80はイオン電流内の局所的変化がウエハ20の周辺の周囲で平均化されるという利点を有する。ファラデーカップ80は環状ガードリング82内に配置されてもよい。概して，一つ以上のファラデーカップのあらゆる構成が利用され得る。ファラデーカップは好適にウエハ20およびプラテン14に実際にできるだけ近く配置される。しかし，ファラデーカップはウエハ20内に注入されるイオン電流を表す測定を与えるウエハに対するあらゆる位置を有する。
【００３１】
上で示したように，イオン電流を表す電気信号はファラデーカップからドーズ量プロセッサ70に供給される。一実施例において，各ファラデーカップからの電流はチェンバー10の外部に配置されたドーズ量プロセッサ70に直接供給される。他の実施例において，前処理回路（図示せず）がプラテン14に近接して配置され，プラテン14の電圧で動作してもよい。回路はファラデーカップの出力を前処理し，ドーズ量プロセッサ70に結果を供給する。
【００３２】
ウエハ20に送られた総イオンドーズ量は注入時間にわたって積分された瞬間のイオン電流である。典型的に，ドーズ量プロセッサ70はファラデーカップの出力を積分するための回路を含む。積分器は，在来の積分回路，電荷検知増幅器，または積分機能を実行する他の適当な回路を利用する。装置が二つ以上のファラデーカップを含む場合には，出力は総ドーズ量を決定するために平均化されてもよい。ドーズ量プロセッサ構成は在来の高エネルギーイオン注入と関連して知られている。
【００３３】
二つ以上のファラデーカップがドーズ量均一性の測定を得るために利用され得る。ドーズ量の均一性はウエハ20の表面領域にわたって注入されたイオンの均一性である。図２に示されているように，ウエハ20内に注入されたイオンドーズ量が均一であるとき，ファラデーカップ50，52，54および56は等しいイオン電流を受け取る。ドーズ量が均一でないとき，ファラデーカップは異なるイオン電流を受け取る。したがって，ファラデーカップの電流出力は均一性の測定を得るために互いに，または基準と比較される。したがって，たとえば，もし一つ以上のファラデーカップが他と異なるイオン電流を与えるなら，非均一なイオン注入が示される。非均一注入の指示は，たとえばイオン注入を停止させるか，または変化させることによって処理を制御するのに使用される。
【００３４】
プラズマドーピング装置で使用されるファラデーカップはさまざまな異なる構成を有する。図１に示される基本的構成において，各ファラデーカップの入口60はプラズマ40に面したウエハ20の表面と同一平面上にある。各ファラデーカップは，ファラデーカップによるプラズマ40へのあらゆる妨害を最小化するためにプラテン14と同じ電気的ポテンシャルとしてもよい。
【００３５】
ファラデーカップは入ってくる電荷を収集し，電荷の到達率を示す電気信号を与える。したがって，ファラデーカップから逃げる二次電子がイオン電流の測定にエラーを導く。高真空で動作するファラデーカップに対し，カップの入口に，電場および/または磁場を適用にすることが一般的であり，その結果カップへのイオン衝突の結果として放出される二次電子はファラデーカップにから逃げることができない。したがって，出力信号は入ってくるイオンビーム電流の正確な測定値である。二次電子の逃げを停止する他の方法は，電子がファラデーカップの壁に何度も衝突し，逃げる確率が低下するようにファラデーカップの形状を設計することである。同じ原理が低真空で動作するファラデーカップにも適用されるが，ファラデーカップ内での付加的なイオン化圧力を防止するために予防策が不要である。
【００３６】
プラズマドーピングシステムは，在来のビームラインのイオン注入システム
よりも低真空（高圧）で動作する。ファラデーカップのガス圧は，プラズマチェンバーの圧力と同じである。プラズマがチェンバーに形成されると，最も強い電場がプラズマシース内にある。電場がファラデーカップの近傍に存在すると，カップ付近のガス分子はイオン化され，局所放電を強化する。このような強化は，カップの開口の幾何学的形状および寸法に関連する。円筒形状が局所プラズマ密度を中空カソード効果により，強度を二次のオーダまでも強化する。ファラデーカップ内の放電が取り囲むプラズマを乱し，ウエハへのイオン注入の一様性を減少する。それは，もはや入射イオン電流を示さないことから，ファラデーカップ出力信号を役に立たないものにする。
【００３７】
放電の攻撃は，ファラデーカップの形状，材料および表面状態，ガスのタイプおよび圧力，プラズマに適用される電圧ならびにプラズマからの電流に関数である。放電の攻撃における，キーとなる要因は，プラテンに垂直な方向のプラズマシースの厚さに対するファラデーカップの開口部の大きさの比である。もしこの比が１よりも大きいと，プラズマシースのエッジは，開口部により変形され，このような変形は局所電場分布を変化させる。電場分布の変化は，変形プロセスを加速し，いつしかファラデーカップ内での放電をもたらす。この比が１より小さいと，プラズマシースのエッジのどの変形も最小で，ファラデーカップの正常な動作および一様なイオン注入を維持することができる。
【００３８】
内部チェンバー102および開口部104をもつファラデーカップ100が図４に示されている。比較的厚いプラズマシース110が開口部104に隣接して形成されている。等ポテンシャル線が，開口部104付近の電場分布を示すために図４に示されている。プラズマシース110は開口部104により最小に分布し，強化された局所放電は，開口部104付近，そして内部チェンバー102に形成されない。
【００３９】
図５は，比較的薄いプラズマシース120の場合のファラデーカップ100を示す。プラズマシース120は開口部140により非常に歪み，放電122が内部チェンバー102に形成される。上記したように，放電はイオン注入の一様性を減少させイオン電流に対して，ファラデーカップを役に立たないものにする。
【００４０】
プラズマシースの厚さは，プラズマ密度およびプラズマに適用される電圧の関数である。高密度および低電圧がより薄いプラズマシースを生成する。プラズマドーピングは，短時間で，イオン注入を完了するために十分に高いプラズマ密度を必要とする。高プラズマ密度は通常，低注入電圧で，ガス圧力を増加させることで達成される。このことは，プラズマシースをより薄くし，ファラデーカップの放電の危険性を増加させる。ファラデーカップをドーズ量モニターとして使用する有効な範囲は，したがって，この放電問題により制限される。
【００４１】
ファラデーカップ内での放電の危険性を減少する形状をもつファラデーカップ200が図６‐図８に示されている。図６‐図８における同様の要素には同じ符号が付されている。ファラデーカップ200は内部チェンバー216を画成する底壁212，側壁210を含む。側壁210は円筒状であってもよい。プラズマシース220に面するファラデーカップ200の端部には複数の開口224をもつカバー222が備えられている。図６の例では，カバー222は導電性の多数の開口をもつプレートである。イオンが開口224を通過してファラデーカップの内部チェンバー216に入り，検出される。多数の開口をもつカバー222の目的は，プラズマシースの厚さTに対する開口幅W（図８）の比を減らし，好適には１より小さい値に減らし，これにより，ファラデーカップの内部チェンバー216での放電リスクが減少する。カバー222は絶縁体226により側壁210から電気的に分離されている。
【００４２】
カバー222は，開口224の全開口面積が，一つの大きな開口の面積と同じかまたはほとんど同じであるように形状付けることができ，その結果入射電流は同じか，またはほとんど同じに維持される。多数開口をもつカバー222の正面の電場は，一つの，より大きな開口の正面の電場よりもより平坦である。一般的に言えるのは，各開口の幅よりも広い，多数の開口をもつカバーからの離れる距離において，電場は開口があっても無くても実質的に同じである。薄いプラズマシースを生成するプラズマドーピングプロセスにおいて，シースの厚さは依然として，各開口の幅よりも大きい。オプラズマの縁における電子およびイオンは，これらの開口により影響を受けず，プラズマは乱されることはない。このことは，ファラデーカップ内での放電の問題を除去し，ファラデーカップの動作範囲を，高圧力，低電圧へと拡張する。
【００４３】
ファラデーカップ200の側壁210および底壁212は，電流検知装置230を通してパルスソース30に接続されてもよい。カバー222はパルスソース30に接続されてもよいが，電流検知装置230と通して接続はされない。好適に，パルスソース30は同じパルスをプラテン14（図1）に，そしてファラデーカップ200（カバー222を含む）に供給し，その結果プラズマにとって電場は一様になる。パルス電圧は所望の注入エネルギーに対応し，典型的には，約100ボルトから5000ボルトの範囲にある。電流検知装置230の出力は，ファラデーカップ200の内部チェンバー216に入るイオンの数を表す電気信号であるが，しかしカバー222に入射するイオンを含む。電流検知装置230はたとえば，パルスソース30と同じ電位で浮遊するパーソンコイルまたは電池式回路であってもよい。
【００４４】
ファラデーカップ200の，拡大部分断面図が図８に示されている。プレート222の各開口222の幅Wは好適に，薄いプラズマシースを生成するプラズマドーピングシステムの動作条件の下で，プラズマシース220の厚さTよりも小さい。開口224は，少なくとも一次元においては，プラズマシースの厚さより小さいように，円形でも，伸長したものなどでもよい。開口224の間に間隔Sが好適に，開口部224の大きな全面積を与えるように最小化される。開口224の間の間隔Sは開口224の幅Wのオーダか，それより小さくともよい。カバー222の厚さが好適に，開口部224の壁236により遮られるイオンの数を減少させるために，構造上の剛性に必要な値に対して最小にする。ファラデーカップ200の深さD（多数の開口をもつカバー222と底壁212との間の間隔）が好適に，二次電子の逃げを最小にするのに十分な長さとなる。
【００４５】
図６〜図８に示されている上述したカバーは，多数の開口をもつプレートとして実施されている。異なるカバーの形状も本発明の範囲で，利用できることは理解されよう。ファラデーカップ内での放電を防止するために，適した寸法の開口をもつどのカバーも利用することができる。カバーは，ワークピースの汚染を制限するために，ワークピースと同じ材料で作られてもよい。したがって，たとえば，カバーは，シリコンウエハが注入される場合にはシリコンで作られてもよい。他の実施例において，ワイヤーメッシュまたはスクリーンはカバーとして利用することができる。ワイヤーメッシュのワイヤー間の間隔は好適に，プラズマシースの厚さよりも小さい幅をもつ開口を与えるように選択される。
【００４６】
多数の開口をもつカバーの他の実施例が図９に示されている。図６〜図９における同じ要素には同じ符号が付されている。多数の開口をもつカバー240が正面電極242，および絶縁体246により分離された背面電極242を含む。開口224が正面電極242，絶縁体246および背面電極244から構成される。正面電極242は，プラズマにとって電場が確かに一様になるように，パルスソース30（図６）に接続されてもよい。背面電極244（ファラデーカップの内部チェンバー216と面している）は電子を追い払うためにバイアスされ得る。たとえば，背面電極244は底壁212に関して，負にバイアスされてもよい。したがって，背面電極244は，二次電子が開口224を通って逃げることを防止する。
【００４７】
上記したファラデーカップの構成は，低入射イオン密度で，よく機能する。本発明の以下の特徴は，高イオン密度の場合に関連する。プラズマで発生したイオンが正面の開口部を通ってファラデーカップに入り，カップ内で正の電荷のカラムを形成する。カラム内の電荷密度は，イオン速度により分割されるイオン束により与えられる。イオン密度が十分に高いと，これらのイオンにより作られる電場は著しいものになる。この効果（空間電荷効果として知られている）は，イオン密度が一立方センチメートル当たり108個以上のイオンであるときには考慮されなければならない。プラズマドーピングプロセスにおいて，ファラデーカップに入るイオン密度は，注入パラメータに依存して，一立方センチメートル当たり108個のイオン以上の一または二次のオーダの程度であってもよい。空間電荷効果により，イオンは互いに反発し合い，イオンビームの断面が増加する。電子が存在すると，正の電荷のカラムは，電子トラップとして機能する。言い換えると，正の電荷カラムは電位井戸を形成し，井戸に落ちた電子は，外部ソースから十分にエネルギーを受け取るまで，逃げることができないが，しかし電子は，イオンと反対の方向に，カラムにそって移動し，ファラデーカップを去る。ファラデーカップを去る電子は出力信号にエラーを導く。したがって，正確なイオン電流測定を確実にするために，電子および正の電荷のカラムを分離し，カップ内に電子を維持することは重要である。
【００４８】
カップ電子を去る電子の確率を下げるファラデーカップの構成は，図１０に示されている。ファラデーカップ300が側壁302，底壁304，多数の開口をもつカバー306および電極310を含む。多数の開口をもつカバー306は正面電極312および絶縁体316により分離された背面電極314を含んでもよい。開口318が正面電極312，絶縁体316および背面電極314から作られる。図１０の実施例において，側壁302は円筒状で，電極310は円筒状の側壁の軸線にそって位置するピンまたはロッドを含む。電極310は底壁304に電気的に接続され，側壁302は，多数の開口を含むカバー306の背面電極314に電気的に接続されている。電極310は，ファラデーカップ300に入るイオンの方向に対して横方向の電場320を内部チェンバー308内に生成するように，側壁302に対してバイアスされる。したがって，側壁304および中央電極310は電流検知装置322を通して，パルスソース30に接続されてもよく，カバー312の正面電極312はパルスソース30に接続されてもよく，側壁302およびカバー306の背面電極314は電流検知装置326を通してパルスソース324に接続されてもよい。電流検知装置322からの組み合わせられた信号は，イオン電流の正確な測定を与える。パルスソース30および324は同期され，中央電極310に対して正に，側壁302をバイアスするパルスを生成する。図１０の円筒状の構成において，電場320は放射方向で，電子がイオンビームの正の電荷カラムから離れるようする。
【００４９】
正の電荷カラムにより形成される電位井戸は，カラムの電荷密度および断面積に比例する。密度が一立方センチメートル当たり3×109個のイオンの，1ミリメートルの直径をもつ電荷カラムの，中央から縁までの電位差は約3.4ボルトである。カラムの縁での電場の強度は一センチメートル当たり約136ボルトである。電位井戸から電子を押しつけるために，正の電荷のカラムにより形成される電場のよりも強い水平方向の場が必要となる。この水平方向の場は，中央電極310とファラデーカップの側壁302との間に電圧を適用することにより導入される。電場は，電子がファラデーカップを去る前に，電子を側壁302（電子収集器として機能する）に押しつけるのに十分な強さをもつ。中央電極310および底壁304はイオン収集器として機能する。正味の電流（イオン収集器からの電流から電子収集器からの電流を引いたもの）は，入射イオン電流の正確な測定を与える。直径が１インチのファラデーカップに対して，必要な電圧は約200ボルトである。ファラデーカップ内でのガスの破壊を避けるために十分に低く，電圧を維持することが重要である。プラズマドーピングにおいて一般的に使用されるBF3ガスにおいて，最小の破壊電圧は約500ボルトである。単なる一例として，−1キロボルトの振幅をもつパルスが電極310および底壁304に適用されてもよく，−800ボルトの振幅をもつ同時のパルスが，側壁302および多数の開口をもつカバー306の背面電極314に適用されてもよい。
【００５０】
環状のファラデーカップ内で横方向の電場を生成するファラデーカップの構成が図１１に示されている。ファラデーカップ340が外側環状壁342，内側環状壁344，底環状壁346およびカバー354を含む。電極350が外側壁342と内側壁344との間に位置する。電極350は，ファラデーカップ340に入るイオンの方向に対して横方向の電場352を，ファラデーカップ340の内部チェンバー348内に，生成するためにバイアスされる。電場352は環状ファラデーカップで放射方向に向き，ファラデーカップに入るイオンのより生成される正の電荷カラムから離れるように，電子を押しつける。外側壁342，内側壁344および電極350に適用される電圧パルスは，正の電荷カラムから離れるように電子を押しつけるべく，ファラデーカップの内部チェンバー348内に，横方向の電場を生成するために選択される。カバー354が多数の開口356（円弧形状のスロットであってもよい）を備える。上記したように，各開口の幅は好適に，プラズマドーピングチェンバー内のプラズマシースの厚さよりも狭い。
【００５１】
他の実施例において，外側壁342は内側壁344から電気的に絶縁され，電極は利用されない。この実施例において，外側壁342は，ファラデーカップの内部チェンバー348に，横方向の電場を生成するために内側壁344に対してバイアスされる。したがって，たとえば，外側壁342および内側壁344に適用される電圧パルスは振幅において，所望の横方向の電場を生成すべく，200ボルトのような選択された電圧だけ異なってもよい。
【００５２】
図６〜図９に関連して記述したように，ファラデーカップはファラデーカップ内での放電の危険性を減少さるための多数の開口をもつカバーをもってもよい。さらに，図１０および図１１に関連して記述したように，ファラデーカップは，ファラデーカップの内部チェンバーから電子が去るのを抑えるための横方向の電圧を生成すべく，電極を組み込む構成をとってもよい。これらの特徴は本発明の範囲内で分離して，または組み合わせて利用できることは理解されよう。たとえば，電極350は多数の開口をもつカバー356ともつ環状のファラデーカップ340から除去してもよい。これに代えて，電極350をもつファラデーカップ340は一つの環状開口をもつカバーを利用できる。
【００５３】
本発明の現時点で考えられる好適実施例について示されかつ説明されてきたが，特許請求の範囲に画成された発明の範囲から逸脱することなく，さまざまな変更および修正が可能であることは当業者の知るところである。
【符号の説明】
【００５４】
１０    プラズマドーピングチェンバー
１４    プラテン
２４    アノード
３６    ガスソース
３０，３２４    パルスソース
２００，３００ファラデーカップ
３１０，３４０    電極
【図１】
2012109570.tif 000003
【図２】
2012109570.tif 000004
【図３】
2012109570.tif 000005
【図４】
2012109570.tif 000006
【図５】
2012109570.tif 000007
【図６】
2012109570.tif 000008
【図７】
2012109570.tif 000009
【図８】
2012109570.tif 000010
【図９】
2012109570.tif 000011
【図１０】
2012109570.tif 000012
【図１１】
2012109570.tif 000013