(57)【要約】  イオン注入時にワークピースに与えられる累積電荷を判定するための電荷モニタ装置および方法が提供される。一態様において、ラングミュアプローブ１２６を有する電荷モニタが提供される。正電荷整流器１３６および負電荷整流器１３８は、プローブに動作可能に接続され、かつ、負電荷および正電荷のみをそれぞれ通過させる。正電流積分器１４０は、正電荷整流器１３６に動作可能に接続されており、正閾値電圧１４２によってバイアスされている。正電流積分器は、正閾値電圧に少なくとも部分的に基づいて、正注入量１４４を出力する。負電流積分器１５０は、負電荷整流器１３８に動作可能に接続されており、負閾値電圧１５２によってバイアスされている。負電流積分器は、負閾値電圧に少なくとも部分的に基づいて、負注入量１５４を出力する。正電荷カウンタ１４６および負電荷カウンタ１５６はそれぞれ、正電荷および負電荷にそれぞれ関連する累積正電荷値および負電荷に関連する累積負電荷値を供給するために、正電流積分器および負電流積分器のそれぞれからの出力を取得する。
2018512697.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン注入システムのための電荷モニタであって、
ラングミュアプローブと、
上記ラングミュアプローブに動作可能に接続されており、かつ、正電荷のみを通過させる正電荷整流器と、
上記正電荷整流器に動作可能に接続された正電流積分器と、
正電荷カウンタと、
上記ラングミュアプローブに動作可能に接続された負電荷整流器と、
上記負電荷整流器に動作可能に接続された負電流積分器と、
負電荷カウンタと、を備えており、
上記正電流積分器は、（ｉ）正閾値電圧によってバイアスされており、かつ、（ｉｉ）当該正閾値電圧に少なくとも部分的に基づいて正注入量を出力し、
上記正電荷カウンタは、（ｉ）上記正電流積分器から上記出力を取得し、かつ、（ｉｉ）上記正電荷に関連する累積正電荷値を供給し、
上記負電流積分器は、（ｉ）負閾値電圧によってバイアスされており、かつ、（ｉｉ）当該負閾値電圧に少なくとも部分的に基づいて負注入量を出力し、
上記負電荷カウンタは、（ｉ）上記負電流積分器から上記出力を取得し、かつ、（ｉｉ）上記負電荷に関連する累積負電荷値を供給することを特徴とする電荷モニタ。
【請求項２】
上記ラングミュアプローブは、ワークピースの平面に沿って、スキャンアーム上に配置されており、
上記スキャンアームは、イオンビームを通過させるように上記ワークピースをスキャンすることを特徴とする請求項１に記載の電荷モニタ。
【請求項３】
上記ラングミュアプローブは、ほぼ平面状であり、
上記ラングミュアプローブは、ワークピースの注入平面とほぼ同一平面上にあることを特徴とする請求項１に記載の電荷モニタ。
【請求項４】
上記ラングミュアプローブに関連する非導電信号トランスミッタをさらに備えており、
上記ラングミュアプローブからの信号は、上記非導電信号トランスミッタを介して、制御器へと通信され、その結果、当該信号の当該通信に関連する浮遊キャパシタンスが概ね抑制されることを特徴とする請求項１に記載の電荷モニタ。
【請求項５】
上記非導電信号トランスミッタは、光ファイバ信号トランスミッタを備えており、
上記信号は、光ファイバケーブルを介して、上記制御器へと通信されることを特徴とする請求項４に記載の電荷モニタ。
【請求項６】
上記非導電信号トランスミッタは、無線トランスミッタを備えており、
上記信号は、上記無線トランスミッタを介して、上記制御器に関連する無線レシーバに向けて、上記制御器へと通信されることを特徴とする請求項４に記載の電荷モニタ。
【請求項７】
上記電荷モニタは、バッテリを備えており、
上記電荷モニタは、上記バッテリによって概ね給電されることを特徴とする請求項１に記載の電荷モニタ。
【請求項８】
再充電ユニットをさらに備えており、
上記再充電ユニットは、上記電荷モニタの上記バッテリに、選択的に電気的に接続され、
上記再充電ユニットは、上記バッテリに電気的に接続された場合に、当該バッテリを再充電することを特徴とする請求項７に記載の電荷モニタ。
【請求項９】
ワークピースへのイオンの注入を制御するための方法であって、
プロセスチャンバ内のワークピースサポート上に、上記ワークピースを設ける工程と、
ある期間において、上記プロセスチャンバ内にイオンのプラズマを発生させる工程と、
上記ワークピースサポートに関連する電荷モニタによって、上記ワークピースに与えられた累積電荷を判定する工程と、
判定された上記累積電荷に少なくとも部分的に基づいて、上記ワークピース上に形成されたデバイスの寿命を判定する工程と、を含んでいることを特徴とする方法。
【請求項１０】
イオンのプラズマを発生させるためのイオン源と、
上記イオンのプラズマを受容するためのプロセスチャンバと、
両極性電荷モニタと、を備えており、
上記プロセスチャンバは、ワークピースを支持するためのワークピースサポートを有しており、
上記両極性電荷モニタは、（ｉ）上記ワークピースサポート上に配置されており、かつ、（ｉｉ）電荷の累積についての定量的な測定を行うことを特徴とするイオン注入システム。
【請求項１１】
上記イオンのプラズマに電子を導入するための電子源をさらに備えていることを特徴とする請求項１０に記載のイオン注入システム。
【請求項１２】
制御システムをさらに備えており、
上記制御システムは、（ｉ）上記両極性電荷モニタからの出力を取得し、かつ、（ｉｉ）上記電子源からの電子の出力を変化させることを特徴とする請求項１１に記載のイオン注入システム。
【請求項１３】
ワークピースを流れる有害な電流を抑制するために、当該ワークピースへのイオンの注入を制御するための方法であって、
電荷モニタによって、上記ワークピースに与えられた正電荷および負電荷を監視する工程と、
上記電荷モニタによって測定された上記正電荷および上記負電荷に対するプリセット閾値を設ける工程と、
上記プリセット閾値の範囲内においてのみ、上記ワークピースにイオンを注入する工程と、を含んでおり、
上記イオンを注入する工程において、上記ワークピースを流れる活性的な電荷の蓄積作用は、当該ワークピースを流れる電流についての有害な変位を生じさせないことを特徴とする方法。
【請求項１４】
上記プリセット閾値は、上記ワークピース上に製作されているデバイスに関連するブレークダウン電圧の予測値に基づいて、設けられていることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔技術分野〕
本発明は、一般的にはイオン注入量を測定するシステムおよび方法に関し、より具体的には、ワークピース上への正電荷および負電荷の累積（蓄積）（build-up）を、その場で（in-situ）監視するためのシステムに関する。
【０００２】
〔背景〕
半導体プロセス産業において、多くの場合、ワークピースに特定の特性を付与するために、当該ワークピース（例：半導体ウェハ）の内部にイオンが注入される。ある標準的なプロセスは、イオンをワークピースの内部に注入する工程を含む。当該プロセスにおいて、トランジスタデバイスは前もって形成されており、かつ、ワークピースと絶縁されている。そして、ポリシリコンのコンタクトが当該デバイスのゲートの上方に配置されている。さらに、ゲートは、所謂「ウェル」を覆う。ウェルに対するコンタクトは、デバイスのソースおよびドレインのコンタクトを概ね規定する。その結果、デバイスの端子を規定できる。さらに、薄い酸化物が、ゲートとチャネルとの間に位置している。ゲートの一方の側のコンタクトは、ソースおよびドレインを規定する。動作時に、例えばｎチャネルトランジスタデバイスにおいて、正電圧がゲートに印加された場合、当該正電圧は、（ｉ）負電荷を増加させまたは引き付け、かつ、（ｉｉ）正電荷を排除する。その結果、トランジスタの電気伝導を効果的に遮断できる。正電圧が緩和された場合、電荷はチャネル内へと侵入することが可能となる。その結果、トランジスタデバイスを導通させることができる。
【０００３】
酸化物の仕様を超過する正電圧（例：５〜１０ＭＶ／ｃｍのオーダの比較的高い電界を酸化物内に発生させうる電圧）がゲートに印加された場合、電流が酸化物を通過するように流れ始めることが一般的である。まず、量子力学的なトンネル電流（多くの場合、Fowler-Nordheimトンネル電流またはＦＮトンネル電流と称される）または直接トンネルによって、電流が酸化物を通過するように流れる。そして、初期的な電流の流れは、酸化物に対して顕著なダメージをもたらさないことが一般的である。初期的な電流が流れる時間中に、初期的に発生する熱はほぼ皆無であるためである。しかしながら、時間の経過に伴い、電流の流れによって電荷トラップが生じる。このため、酸化物の機能不全が次第に生じる。酸化物のブレークダウン（絶縁破壊）または機能不全が生じる前には、比較的多量の電荷（例：１〜３クーロン／ｃｍ２）が当該酸化物を流れることを要求されることが一般的である。
【０００４】
公知の良好な酸化物内に電流が流れ始める電圧は、十分に予測可能である。例えば、所定の酸化物の厚さに対して、トンネル電流は一般的に公知であり、当該トンネル電流は約６〜１０Ｖにおいて流れ始めうる。半導体プロセスにおいて（例：イオン注入プロセスにおいて）、イオン注入によってデバイスがトンネル電圧に達するか否かを判定することが望ましい。また、デバイスがトンネル電圧に達した場合、電流の流れが存在しているか否かを判定することが望ましい。
【０００５】
従来では、電荷の監視は、イオンビームまたはイオン注入プロセスによってワークピースに印加されるピーク電圧を測定するために利用されてきた。一般的に、当該ピーク電流は、フローティングプローブ（例：ラングミュア（Langmuir）プローブ）を用いて測定される。一般的に、測定プローブは平面状のプローブ（例：直径約１ｍｍの小型のディスク）である。プローブがイオンビームを通過すると、ビーム内に過剰なイオンまたは電子が存在しているか否かに応じて、当該プローブに正または負のいずれかの充電電圧が与えられる。一般的に、充電電圧は±１０Ｖの範囲内にある。しかしながら、近年の半導体プロセスにおいて実装される小型のデバイスでは、当該充電電圧は、多くの場合、ゲート酸化物構造の内部を流れる電流を発生させるのに十分な大きさである。
【０００６】
しかしながら、電流の流れを発生させる当該充電電圧は、それ自体によって、デバイスの内部にダメージおよび／またはブレークダウンが生じていることを必ずしも示すわけではない。さらに、当該ピーク電流の測定は、デバイスに対するダメージが生じたか否かを判定するための十分な情報を提供できない。概して、トンネル電流はワークピークに対してダメージを及ぼさないためである。
【０００７】
電荷を監視するための別の従来の方法は、消耗品の監視ウェハを使用することである。監視ウェハ（テストエレメントグループウェハとも称される）は、半導体ウェハに設けられている。当該半導体ウェハは、自身に形成された様々なキャパシタ構造を有している。キャパシタ構造は、自身に接続された大型のコンタクトを有している。コンタクトの大きい領域は、比較的多量の電荷を収集し、当該電荷を小さいキャパシタのゲートに集中させる。コンタクト領域の様々なサイズ、および、ゲートコンタクト（例：薄い酸化物）に対するゲート領域の様々なサイズが、厚い酸化膜の上方に位置するデバイスの残余部に提供されている。監視ウェハに電圧が印加された場合、デバイス内における電流の流れは、ゲートそれ自体に集中する。様々な、ゲートの領域に対するコンタクトの領域の比（「アンテナ比」と称される）が提供される。当該比は、監視デバイスの故障が迅速化されるように、ゲートそれ自体に大きい電流密度を与える。しかしながら、監視ウェハは、非常に高価であり、かつ、注入のための消耗品または使い捨て可能なテストウェハとして使用される。
【０００８】
従って、イオン注入時における電荷の累積をその場で測定するための、新規であり、より頑強であり、かつ高価でない両極性（bipolar）の測定システムおよび方法に対するニーズが存在している。
【０００９】
〔概要〕
本発明は、イオン注入が施されているワークピース上への電荷の累積をその場で測定するためのシステムおよび方法を提供することによって、従来技術の制限を克服している。本開示は、電流の流れおよび電荷の累積が存在しているか否かを効果的に識別する。その結果、処理が施されている特定のデバイスの寿命を判定する工程を補助できる。電流の流れが存在している場合、時間経過に伴う電流の流れの程度を識別する工程が、本開示によってさらに提供される。そこで、以下では、本発明の複数の態様に対する基本的な理解を提供するために、簡略的な本開示の概要を示す。本概要は、本発明の広い範囲での概要ではない。本発明の主要な点または重要な要素を特定することを意図しているわけでもないし、本発明の範囲を規定することを意図しているわけでもない。本概要の目的は、後述するより詳細な説明の序文として、簡略化された形態によって、本発明の複数のコンセプトを示すことにある。
【００１０】
従来の監視ウェハの使用は、イオン注入システムの性能を定量的な測定を提供する。しかしながら、このアプローチは制限的なものである。従来の監視ウェハの使用は、半導体ワークピース上に製作された実際のデバイスにおいて予測される結果について、有意義な指標を提供しないためである。本開示は、実際のデバイスに機能不全を生じさせる可能性が最も高いと考えられている故障パラメータついての実際の測定に関して、従来のシステムを超えた顕著な改良を提供する。
【００１１】
本開示の文脈において、１つの特定の故障パラメータは、測定システムを用いての、薄い酸化物を導通する総電荷についての測定に着目している。接地された表面（例：ワークピース）との衝突に伴い、正イオンが二次電子を発生させた場合、本開示の測定システムは、正電荷および負電荷の両方を測定するように動作可能である。同様に、当該測定システムは、累積された正電荷および負電荷の量を測定するように動作可能である。当該二次電子は、イオンビームの外周の近傍の領域において、接地された表面へ向かって消失することが一般的である。続いて、これにより、イオンビーム電位の上昇が生じる。このため、イオンビームの中心の近傍では正の帯電が生じ、当該イオンビームの縁部の近傍では負の帯電が生じる。そこで、本開示は、イオン注入システムにおいて、正電荷および負電荷の寄与を両方を個別に、効果的に監視および測定する。
【００１２】
本開示によれば、ワークピースの内部にイオンを注入するためのイオン注入システムが提供される。イオン源を有するプロセスチャンバが提供される。当該イオン源は、プロセスチャンバ内において、イオンのプラズマまたはイオンビームを発生させるように構成されている。ワークピースサポートは、プロセスチャンバの内部領域にワークピースを位置させるように構成された支持表面を有している。当該ワークピースサポートは、ワークピースの注入表面を、イオンのプラズマまたはイオンビームに対して露出させるように構成されている。電荷モニタは、ワークピースサポートにさらに関連付けられている。制御器は、（ｉ）電荷モニタから信号を受信し、かつ、（ｉｉ）ワークピースに与えられた累積電荷（cumulative charge）の量を、電荷モニタからの当該信号に少なくとも部分的に基づいて判定するように、構成されている。
【００１３】
１つの例示的な態様によれば、電荷モニタは、ラングミュアプローブを備える。正電荷整流器（positive charge rectifier）および負電荷整流器（negative charge rectifier）はそれぞれ、ラングミュアプローブに動作可能に接続されている。正電荷整流器は正電荷のみを通過させるように構成されており、負電荷整流器は負電荷のみを通過させるように構成されている。正電流積分器（positive current integrator）は、正電荷整流器に動作可能に接続されている。正電流積分器は、正閾値電圧によってバイアスされている。正電流積分器は、正閾値電圧に少なくとも部分的に基づいて、正注入量（positive dosage）を出力するように構成されている。負電流積分器（negative current integrator）は、負電荷整流器に動作可能に接続されている。負電流積分器は、負閾値電圧によってバイアスされている。負電流積分器は、負閾値電圧に少なくとも部分的に基づいて、負注入量（negative dosage）を出力するように構成されている。
【００１４】
正電荷カウンタは、正電荷に関連する累積正電荷値（cumulative positive charge value）を供給するために、正電流積分器からの出力を取得するように構成されている。また、負電荷カウンタは、負電荷に関連する累積負電荷値（cumulative negative charge value）を供給するために、負電流積分器からの出力を取得するように構成されている。
【００１５】
上述の概要は、本発明の一部の実施形態における一部の構成についての簡単な概観を提供することを単に意図している。他の実施形態は、付加的な構成、および／または、上述の構成とは異なる構成を備えていてもよい。特に、本概要は、本願の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。このように、上述の目的および関連する目的を達成するために、本発明は、以下に十分に説明され、かつ、特許請求の範囲において具体的に示された構成を備えている。以下の説明および添付の図面は、本発明の所定の例示的な実施形態を詳細に開示する。これらの実施形態は、本発明の原則において採用されうる様々な方法の一部を例示している。本発明の他の目的、利点、および新たな構成は、図面とともに考慮されることにより、以下の本発明の詳細な説明から、明確になるであろう。
【００１６】
〔図面の簡単な説明〕
図１は、本開示の様々な態様に基づくイオン注入システムのブロック図である。
【００１７】
図２は、本開示の１つの例示的な態様に基づく、スキャンアーム上に配置された電荷モニタを有するスキャンアームを示す。
【００１８】
図３は、本開示の１つの例示的な態様に基づくイオン注入電荷監視システムの概略的な図を示す。
【００１９】
図４は、本開示の１つの例示的な態様に基づくイオン注入電荷監視システムの概略的な図を示す。
【００２０】
〔詳細な説明〕
本開示は、イオン注入が施されているワークピースにおける電荷の累積を、その場で測定および／または監視するためのシステム、装置、および方法を全般的に対象としている。以降、本発明は、図面を参照して説明される。同様の参照番号は、同様の部材を一貫して参照するために用いられてよい。様々な態様についての説明は単なる例示であると理解されるべきであり、限定的な意味に解釈されるべきではない。以下の記載では、説明のために、様々な具体的な詳細が、本発明に対する十分な理解を与えるために開示されている。但し、本発明はこれらの具体的な詳細がなくとも実施されてよいことは、当業者にとって明白であろう。さらに、本発明の範囲は、添付の図面を参照して以下に説明される実施形態または実施例によって限定されることを意図していない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定されることが意図されている。
【００２１】
また、図面は、本開示の実施形態の一部の態様ついての例を与えるために提供されていることに留意されたい。それゆえ、図面は概略的なものにすぎないと見なされるべきである。特に、図面に示されている複数の部材は、互いにスケール通りである必要は必ずしもない。図面中の各部材の配置は、各実施形態についての明確な理解を提供するために選択されている。当該配置は、本発明の一実施形態に係る実施における、様々な部材の実際の相対的な位置を示すものと必ずしも解釈されるべきではない。さらに、本明細書に記載されている様々な実施形態および実施例の構成は、特に明示されない限り、互いに組み合わせられてもよい。
【００２２】
また、以下の説明において、図面または本明細書中に示されている、機能ブロック、デバイス、部材、回路素子、または他の物理的または機能的なユニット間の任意の直接的な接続または連結は、間接的な接続または連結によって実装されうることが理解されるべきである。さらに、図面に示されている機能ブロックまたはユニットは、（ｉ）ある実施形態では個別の構成または回路によって実装されてもよいし、あるいは、（ｉｉ）別の実施形態では共通の構成または回路によって全体的または部分的に実装されてもよいことが理解されるべきである。例えば、様々な機能ブロックは、共通のプロセッサ（例：シグナルプロセッサ）上で動作するソフトウェアとして実装されてよい。さらに、以下の説明において有線として記載されている任意の接続は、特に明示されない限り、無線通信として実装されてもよいことが理解されるべきである。
【００２３】
そこで、以下に示されている本開示は、イオン注入が施されているワークピースにおける電荷の累積を監視するための監視デバイス、システム、および方法を説明する。本開示は、単に充電電圧を測定するだけのものではない。本開示は、所定の電圧において利用可能な電流の量を効果的に測定し、かつ、当該利用可能な電流を時間経過に伴って積分する。その結果、測定デバイスに与えられる導電性の電荷の総量を提供できる。本開示の創作的な一態様は、結果として得られた測定デバイスに与えられる導電性の電荷の総量は、統計的に、ワークピース上に形成された、標準的かつ良好に形成された酸化物に与えられる導電性の電荷の総量に類似していることである。このため、標準的な酸化物がダメージを受けるまたはブレークダウンする前に、当該標準的な酸化物が所定の導電性の電荷（例：２クーロン／ｃｍ２）に統計的に耐えるのであれば、本開示は、特定のイオン注入に対して、イオンビームの充電性能を判定するための測定デバイスを提供する。充電性能が所定の導電性の電荷を下回っていれば、酸化物層の予想寿命に関する予測を行うことができる（例：当該酸化物層が、公知の酸化物の摩耗曲線（wear-out curve）またはワイブル曲線（Weibull curve）上に配置された場合）。
【００２４】
図面を参照する。図１は、電荷モニタ１０２（例：両極性電荷モニタとも称される）を採用した例示的なイオン注入システム１００を示す。イオン注入システム１００は、イオン１０４のプラズマを発生させるように構成されている。当該イオンは、ワークピース１０６の内部へと注入される。一例として、イオン注入システム１００は、イオンビーム１０８を発生させるように構成されている。イオン１０４は、公知の技術を用いて、ワークピース１０６へと向けられる。あるいは、イオン注入システム１００は、プラズマ浸漬イオン注入（plasma immersion ion implantation，ＰＩＩＩ）システム、または、ワークピース１０６の内部へと注入するための複数のイオン１０４を発生させることが可能な、任意の他のイオン注入システムを備えている。このため、本発明は、特定のイオン注入システム１００（例：ビームに基づくイオン注入システム、プラズマに基づくイオン注入システム等）に限定されない。本発明は、ワークピース１０６の内部にイオンを注入するように構成されたほぼ全てのイオン注入システムにおいて、実用性を有しているものと確信されている。
【００２５】
図示されるように、イオン注入システム１００は、プロセスチャンバ１１０を備えている。一般的に、ワークピースサポート１１２は、プロセスチャンバの内部に配置されている。ワークピースサポート１１２は、例えば、ワークピース１０６（例えば半導体ウェハ（例：シリコンウェハ））を保持するための表面を提供するように構成されている。ワークピースサポート１１２は、例えば、ワークピースサポートの支持表面１１４にワークピース１０６を静電的または機械的にクランプするように構成された、静電チャックまたは機械式クランプ装置（不図示）を備えている。本実施例では、ワークピースサポート１１２が１つのワークピース１０６を支持するものとして説明されているが、様々な他の構成（例：複数のワークピースを同時に支持するための構成）も考慮されていることに留意されたい。
【００２６】
一実施例において、イオン源１１６が設けられている。当該イオン源は、イオン１０４のプラズマを発生させ、かつ、当該イオンのプラズマを、プロセスチャンバ１１０へと供給するように構成されている。従って、当該イオン源は、当該イオンのプラズマを、ワークピースサポート１１２上に位置するワークピース１０６へと供給するように構成されている。本実施例において、イオン１０４のプラズマは、イオンビーム１０８を含む。イオン源１１６は、当業者であれば理解できるように、イオンビームを質量分析、整形（shape）、および形成（form）するように構成された様々な部材を象徴する。イオン１０４のプラズマを発生させるための、様々なガス、エネルギー、技術、および／または他の公知の装置が、イオンビーム、プラズマシャワー、または他のプラズマの形態によらず、本開示に基づいて利用されてよいことに留意されたい。このようなガス、技術、および／または装置は全て、本発明の範囲に含まれるものと考慮されているためである。
【００２７】
イオンがウェハまたはワークピース表面に衝突した結果として、イオン注入システムの分野において周知の問題が生じる。すなわち、低エネルギーの電子が放出され、ウェハは正に帯電した状態となる傾向にある。一般的に、ウェハに供給される正電荷の正味の量は、ビーム電流に正比例するであろう。ウェハが良好に接地され、当該ウェハに誘電体層がない場合、この電荷は主に大地へと流れる。しかしながら、半導体製造の過程では、ワークピースの表面に１つ以上の誘電体層がすでに形成された後に、イオンが注入されることが一般的である。これらの層は、絶縁されたアイランドとして作用する。そして、当該アイランド上には、イオンビームが静電電荷（electrostatic charge）を発生させる。
【００２８】
こうした電荷の累積は、様々な問題を生じさせる。例えば、静電電荷はビームと相互作用し、当該ビームの密度を低下させる。その結果、望ましくない不均一な注入プロセスが生じる。さらに重要なことには、正電荷は累積および放電しうる。このことは、ウェハ上にすでに形成された誘電体層にダメージを与え、および／または、当該誘電体層を破壊しうる。集積回路のサイズが小さくなるにつれて、このような放電によって誘電体層が破壊へと至る感受性は増加する。従って、イオン注入プロセス時には、表面電荷の累積に対する許容範囲は小さい。
【００２９】
これらの問題に対する解決手法は、ビームがウェハに接触する前に、当該ビームおよび／または当該ウェハの表面に、電子源を用いて、中和電荷（neutralizing charge）（例：電子）を導入することである。中和電荷を用いたウェハの帯電に対する様々な解決手法は、ウェハへのビームの接触が示されている場合と関連して、適用されうる。ウェハへのビームの接触が示されている場合の例は、付与されたＵＳ特許７，８００，０８３および８，７６０，０５４およびその他に一般的に見出される。これらの特許は、参照によって本明細書に組み込まれる。理解されるように、本発明は、ウェハにおいて受容された負の電子の電荷のみならず、正のイオン電荷をも測定するための、両極性の電荷監視デバイスおよびシステムを対象としている。この両極性の電荷監視システムは、電荷の累積についての定量的な測定を行うために使用されてよい。そして、当該システムは、電子源における電子の出力を変化させることを目的として、当該電子源にフィードバックを供給するために使用されてよい。
【００３０】
本開示の１つの例示的な態様において、スキャンアーム１１８は、プロセスチャンバ１１０の内部に設けられている。当該スキャンアームは、ワークピースサポート１１２を選択的に平行移動させるように構成されている。従って、当該スキャンアームは、イオンビーム１０８を通過するように、ワークピース１０６を選択的に平行移動させるように構成されている。イオン注入システム１００の全般的な動作を制御するために、制御器１２０がさらに設けられている。例えば、制御器１２０は、イオン注入システム１００に関連付けられた他の装置および／または条件と同様に、イオン源１１６、プロセスチャンバ１１０内のワークピース１０６の運動、および電荷モニタ１０２を、個別におよび／または全体的に制御するように構成されている。
【００３１】
図２により詳細に示されるように、スキャンアーム１１８を用いて、イオンビーム１０８を通過するワークピース１０６をスキャンする場合、電荷モニタ１０２は、当該電荷モニタがオーバースキャン領域１２０の内部に位置するように、スキャンアーム上に配置されている。オーバースキャン領域１２０は、例えば、スキャンアームの回転１２２および／または平行移動１２４が行われている場合に、イオンビーム１０８を通過するスキャンアーム１１８の一部を含む。電荷モニタ１０２は、ワークピース１０６の同様の領域に形成された半導体デバイス（不図示）と同じ注入量を、イオンビーム１０８から取得する。本開示の一例において、図２のスキャンアーム１１８は、平行移動しつつ（例：平行移動１２４によって）、イオンビーム１０８を通過するように前後に振動する（例：回転１２２によって）。その結果、当該スキャンアームは、ワークピース１０６および電荷モニタ１０２の両方に、イオンビーム１０８を何回も通過させる。一例として、イオンビーム１０８は、垂直スキャンピッチよりもはるかに大きい。このため、当該イオンビームは、ワークピース１０６およびその周辺に配置された電荷モニタ１０２の全ての点を均一にカバーする注入を生じさせる。
【００３２】
本開示において、電荷モニタ１０２は、平面状のラングミュアプローブ１２６を備えている。さらに、ラングミュアプローブ１２６は、例えば、好適な配線および／またはフィードスルーケーブル（不図示）によって、制御器１２０と動作可能に接続されている。別の例において、電荷モニタ１０２は、１つ以上のバッテリ１２８によって給電される。そして、電荷モニタ１０２は、制御器に関連する非導電信号トランスミッタ（non-electrically conductive signal transmitter）１３０を介して、制御器１２０と通信するように構成されている。このため、静電モニタ１０２は、当該信号に関連する浮遊キャパシタンスを概ね抑制するように制御される。当該構成は、プラズマイオン浸漬システム（不図示）において特に有益である。当該システムでは、イオン１０４のプラズマがパルスとして出射される。そして、悪影響を及ぼすキャパシタンスの問題を抑制するために、ワークピース１１２に対する電気的な接続が望ましくは最小化される。一例として、非導電信号トランスミッタ１３０は、光ファイバ信号トランスミッタ（fiber optic signal transmitter）１３２を含んでいる。当該信号は、光ファイバ１３４を介して、制御器１２０へと通信される。あるいは、非導電信号トランスミッタ１３２は、無線トランスミッタ（不図示）を含んでいる。当該信号は、無線トランスミッタを介して、制御器１２０に関連する無線レシーバ（不図示）に向けて、制御器へと通信される。一例として、１つ以上のバッテリ１２８は、（ｉ）プロセスチャンバ１１０に対してのワークピース１０６の移動時または交換時、および、（ｉｉ）真空リカバリ期間、の少なくとも一方において、再充電されるように構成されている。
【００３３】
図３に概略的に示されるように、ラングミュアプローブ１２６は、正電荷整流器１３６（例：ダイオード）に電気的に接続されている。当該正電荷整流器は、正電荷のみを通過させるように構成されている。ラングミュアプローブ１２６は、負電荷整流器１３８（例：ダイオード）にさらに電気的に接続されている。当該負電荷整流器は、負電荷のみを通過させるように構成されている。正電流積分器１４０がさらに設けられている。当該正電流積分器は、正電荷整流器１３６に動作可能に接続されている。当該正電流積分器は、正閾値電圧１４２（Ｖｔｈ＋とも表記される）によってバイアスされている。従って、正電流積分器１４０は、正閾値電圧１４２に少なくとも部分的に基づいて、正注入量１４４を出力するように構成されている。正電荷カウンタ１４６は、正電流積分器１４０からの出力を取得するように構成されている。そして、当該正電荷カウンタは、ラングミュアプローブ１２６に与えられた蓄積正電荷（accumulated positive charge）に関連する累積正電荷値１４８を供給するように構成されている。
【００３４】
同様に、負電流積分器１５０は、負電荷整流器１３８に動作可能に接続されている。当該負電流積分器は、負閾値電圧１５２（Ｖｔｈ−とも表記される）によってバイアスされている。当該負電流積分器は、当該負閾値電圧に少なくとも部分的に基づいて、負注入量１５４を出力するように構成されている。従って、負電荷カウンタ１５６は、負電流積分器１５０からの出力である負注入量１５４を取得するように構成されている。そして、当該負電荷カウンタは、ラングミュアプローブ１２６に与えられた負電荷に関連する累積負電荷値１５８を供給するように構成されている。
【００３５】
正電流積分器１４０および負電流積分器１５０は、例えば、可変の正閾値電圧１４２および負閾値電圧１５２を個別に用いてバイアスされている。それゆえ、所定の閾値を満たさない低電圧源を遮断する役割を果たす。可変の正閾値電圧１４２および負閾値電圧１５２は、例えば、ワークピース１０６上のデバイスに形成されたゲート酸化物の厚さおよび極性に少なくとも部分的に基づいて、決定および設定されてよい。ワークピース１０６の内部へのイオン注入が完了すると、正電荷カウンタ１４６および負電荷カウンタ１５６（例：１６ビットのデジタルカウンタ）は、正電流および負電流に関して導通された電荷に相当する値（単位：クーロン毎ｃｍ２）を、自身のレジスタに格納しているであろう。当該値は、定電圧における充電を真に測定したものである。イオン注入が完了すると、累積正電荷値１４８および累積負電荷値１５８は、ワークピース１０６上のデバイス（不図示）を導通した電荷を予測するために用いられてよい。
【００３６】
図４は、本発明の別の例示的な態様に基づいて、ワークピースへのイオン注入時における電荷の累積を監視するための例示的な方法２００を示す。例示的な方法は、本明細書では一連の動作またはイベントとして図示および説明されているが、本発明はこのような例示された動作またはイベントの順序に限定されないと理解できることに留意されたい。このため、本発明において、一部のステップは、異なる順序で実行されてもよいし、あるいは本明細書に図示および説明されていない他のステップと共に実行されてもよい。また、本発明に係る方法を実行するために、図示された全てのステップが必ずしも実行される必要があるわけではない。さらに、当該方法は、本明細書において図示または説明されたシステムに関連して実行されてもよいし、本明細書において図示されていない他のシステムにも関連して実行されてもよい。
【００３７】
図４の方法２００は、動作２０２から開始される。動作２０２では、正および負の積分器が初期化されるのと同様に、正閾値電圧Ｖｔｈ＋および負閾値電圧Ｖｔｈ−が初期化される。動作２０４では、電子源（例えばプラズマフラッド源（plasma flood source，ＰＦＳ））の電流が、所定のプリセット値に設定される。そして、ワークピースにイオンビームを通過させることにより、当該ワークピースにイオンが注入される。例えば、ワークピースは、ワークピースサポート上に保持されている。
【００３８】
動作２０６では、正電荷および負電荷は、図１の電荷モニタ１０２を用いて測定される。動作２０６では、例えば、電荷モニタとイオンビーム１０８との間の空間的関係に応じて、当該電荷モニタには、電子およびイオンの両方が異なる割合で衝突する。上述のように、イオンビーム１０８は、当該イオンビームの外周では、大部分が電子によって構成されている。同様に、イオンビーム１０８は、当該イオンビームの中心では、大部分がイオンによって構成されている。従って、電荷モニタ１０２は、イオンビーム１０８の縁部に近付につれて負に帯電する。また、電荷モニタ１０２は、イオンビーム１０８を通過するにつれて正に帯電する。そして、電荷モニタ１０２は、イオンビームの反対の縁部を通り、当該縁部から離れるにつれて、再び負に帯電する。
【００３９】
本開示を考慮すれば、当業者であれば、図２のラングミュアプローブ１２６に到達した電流（electrical current）は、例えば、（ｉ）当該ラングミュアプローブと、（ｉｉ）図１のイオンビーム１０８に関連するイオン１０４のプラズマと、の間の電位差の関数であることが理解できるであろう。十分な運動エネルギーを有するイオンおよび電子は両方とも、電荷モニタ１０２に衝突する。その結果、電荷モニタ１０２に正味の電流が発生する。電荷モニタ１０２が近付いて来る全ての電子を反発するのに十分な負電位に達した場合、当該電荷モニタは、イオンビーム１０８に由来するイオン電流（ion current）の総量のみを測定するであろう。他方、電荷モニタ１０２が近付いて来る全てのイオンを反発するのに十分な正電位に達した場合、当該電荷モニタは、イオンビームに１０８に由来する電子電流（electron current）の総量のみを測定するであろう。これらの所謂「飽和レベル」は、電荷モニタ１０２が動作するようにセットされる限界の範囲を規定する。当該限界の範囲では、電荷モニタがイオンおよび電子の混合物を収集する。例えば、飽和レベルは、半導体の製造プロセスにおいて、ワークピース１０６に構築された容量性の構造に関連するブレークダウン電圧に類似している。
【００４０】
従って、図４の方法２００は、これらの飽和レベルを、図１の電荷モニタ１０２によって測定されたプリセット閾値として、測定および監視できる。これにより、適切なパラメータ間で、イオン注入プロセスを実行できる。この場合、ワークピース１０６上の誘電体層を流れる活性的な電荷（エネルギー性の電荷）（energetic charges）の累積作用（蓄積作用）（cumulative effect）は、当該誘電体層を流れる電流についての有害な変位（damaging displacement）を生じさせないであろう。
【００４１】
本開示を考慮すれば、両極性電荷モニタ１０２は、各ウェハのスキャン時に、ウェハにおける帯電の累積作用を測定できることが理解できるであろう。当該測定は、電子源および当該電子源によって誘発されるウェハの帯電を調整するために使用されてよい。プリセット入力パラメータは、ワークピース１０６上に製作されているデバイスに関連するブレークダウン電圧の予測値に基づいて、図１の制御器１２０に供給される。従って、図４の動作２０８では、ウェハの帯電の累積作用が処理される。すなわち、負電荷が過小である場合、電子の出力における増加が判定される。そして、新たなプリセット閾値信号が、電子源における電子の出力を増加させるために、当該電子源に送信される（例：動作２１０）。また、負電荷が過大である場合、電子の出力における減少が判定される。そして、新たなプリセット閾値信号が、電子源における電子の出力を減少させるために、当該電子源に送信される（例：動作２１２）。負電荷が満足すべき範囲内であると判定された場合、電子源の出力は満足すべきものであると判定される。そして、電子源における電子の出力を維持するために、当該電子源への入力制御信号としてのプリセット閾値信号は、維持される（例：動作２１４）。その後、処理ステップの結果は、（例えば図１の制御器１２０を介して）電子源に送信される。そして、動作２１６では、電子源における電子の出力の新たなプリセット値を用いて、一連の注入スキャンが実行される。適切な注入量が達成されるまで（例：動作２１８）、処理ステップは、複数の走査スキャンに亘って、複数回実行されてもよい。
【００４２】
従って、電子源（プラズマフラット源ＰＦＳ）は、両極性電荷モニタによって測定された通りのターゲット電荷中和レベルを制御するために調整される。この調整は、各極性の電荷を平衡させるものであってもよい。あるいは、この調整は、一方または他方の極性に不均衡にバランスさせるものであってもよい。当該調整は、例えば、所望の数の注入経路が完了されるまで、各注入経路の終局において効果的に行われる。
【００４３】
本発明は特定の好適な１つ以上の実施形態に関して図示および説明されているが、上述の実施形態は本発明の一部の実施形態の実施に関する例としてのみの役割を果たしており、本発明の適用例はこれらの実施形態に限定されないことに留意されたい。特に、上述の部材（アセンブリ、デバイス、および回路等）によって実現される様々な機能に関して、これらの部材を説明するために使用される用語（「手段」（means）への言及を含む）は、特に明示されない限り、説明された部材の特定の機能を実現する任意の部材（つまり、機能的に等価である部材）に対応するものであると意図されている。このことは、例え当該任意の部材が、本明細書において、本発明の例示的な実施形態にて説明された機能を実現する開示された構造と、構造的に等価でない場合にも当てはまる。さらに、本発明の特定の構成は、複数の実施形態のうちの１つの実施形態のみに関して開示されている場合がある。但し、任意または特定の応用例について、望ましくかつ有益である場合には、このような構成は、他の実施形態の１つ以上の構成と組み合わせられてもよい。従って、本発明は、上述の実施形態に限定されるべきではない。本発明は、添付の特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本開示の様々な態様に基づくイオン注入システムのブロック図である。
【図２】本開示の１つの例示的な態様に基づく、スキャンアーム上に配置された電荷モニタを有するスキャンアームを示す。
【図３】本開示の１つの例示的な態様に基づくイオン注入電荷監視システムの概略的な図を示す。
【図４】本開示の１つの例示的な態様に基づくイオン注入電荷監視システムの概略的な図を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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