(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマドーピング(PLAD)イオンインプランテーションを実施する装置であって、
真空チェンバー内に包含される電極と、
該電極上に配置されるターゲットと、
該ターゲットのインプランテーション表面で、ドーパントイオンを有するプラズマを維持する手段と、
前記ターゲットを支承する電極から電気的に絶縁され、前記電極を同心的に、取り巻く一方で前記ターゲットに近接する伝導性のある材料の同心構造物と、
前記電極と前記構造物との間のバイアス変化の調節を行うために、前記同心構造物と同時に前記電極を別個にバイアスする、前記ターゲットの前記PLADイオンインプランテーションの間に、注入量の一様性を与える手段と、
を含む装置。
【請求項２】
請求項1に記載の装置であって、
前記ターゲットが前記電極全体にわたって伸長するエッジ領域を有するウェーハ状であり、そのため前記同心構造物が前記ウェーハ状エッジ領域の下に配置される、ところの装置。
【請求項３】
請求項1に記載の装置であって、
前記別個にバイアスをかける前記手段がさらに、
前記同心構造物とともに前記電極にバイアスをかけるために電圧デバイダーを有するパルサーを有する、ところの装置。
【請求項４】
請求項1に記載の装置であって、
前記別個にバイアスをかける前記手段がさらに、
前記電極および前記同心構造物に同時にバイアスをかけるための別個のパルサーを有する、ところの装置。
【請求項５】
請求項1に記載の装置であって、
前記別個のバイアスをかける手段がさらに、
前記ターゲットの表面の前記PLADイオンインプランテーションの間に、注入量の分布を調節するために、前記電極と前記構造物との間の前記調節可能なバイアスを制御する手段を含む、ところの装置。
【請求項６】
請求項1に記載の装置であって、
前記同心構造物がさらに、複数の部分を含み、
前記部分には、注入量の分布をさらに調節可能にするために、前記電極と前記構造物の前記対応する部分との間でバイアス調整を正確に同調させるべく、別個にバイアスをかけることができる、ところの装置
【請求項７】
請求項1に記載の装置であって、
前記伝導性の材料が、プラズマ種に対して化学的に不活性である、ところの装置。
【請求項８】
請求項1に記載の装置であって、
前記伝導性の材料がシリコン、炭素、またはニッケル/ニッケル被覆材を含む、ところの装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオンインプランテーションにより物質をドーピングするための装置に関し、特にプラズマドーピング（PLAD）イオンインプランテーション処理において注入量を一様にする装置に関する。ドーパント量の一様性は好適には、電場線およびカソードのシース厚さを調節するための手段を導入することにより達成されるものである。
【０００２】
ここで説明する発明は「プラズマイマージョンイオンインプランテーション（PI3)装置」と題するシェングにより米国特許第5,343,381号（1993年5月7日）および「プラズマイマージョンイオンインプランテーション（PI3)方法」と題するその分割出願（出願番号第059,036号）に関するもので、これらはここに参考文献として組み入れられる。
【０００３】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
PI3は物質そのものを直接プラズマ源内に配置されるという物質をドーピングしながら、その物質に加速バイアス（数ｋＶのオーダ）をかける技術である。これは、在来のイオンインプランテーション技術に代わるような手段で、高い注入量（1015/cm3min)がコストのかかるようなイオンインプランテーション設備に修正を行うことなく低エネルギーで達成できる。典型的に、注入されるべきターゲットはプラズマ内に直接位置され、注入のために陽イオンをターゲット内に十分に加速するべく負の電場のバイアスがかけられる。
【０００４】
プラズマドーピング（PLAD)の一つのバージョンである、コールドカソードプラズマイマージョンイオンインプランテーション(C2PI3)はキロボルトのオーダをもち、電極に加えられる負のパルスを使用する。このパルス化されたバイアスは所望の量のドーパントを含むガスを電気的にプラズマにするのに十分な電場を形成する。プラズマ内に含まれるイオン種とともに、ドープされるべきターゲットが電極の表面に配置される。電極とターゲットが一緒になって装置のカソードを形成する。十分な負のバイアスがかけられると、カソードはプラズマを形成する。そうするとすぐに電子がカソードから跳ね返され、正に帯電したイオンが、まわりにプラズマシース(sheath)を形成するカソードへと引きつけられる。イオンはシースを横切って加速され、それらが個体ターゲット物質内に組み込まれるところのターゲット表面内に弾道を描いて注入される。
【０００５】
超小型電子製造技術では、単位領域当たり制御されかつ一様な数のイオンが、2％の標準偏差（1σ）の信頼水準のオーダーかそれよりも低いオーダーの一様性をもってターゲット全体に注入されることが要求される。注入されるイオンの数の大きさはイオン注入量として参照される。PLAD処理において、部分的なイオン注入量は、イオンが電場線により決められた弾道に沿うことから、電場線の形状に依存する。PLADシステムが非常に複雑で、非線形的なプラズマ環境のもとにあるが、これは電場線の形状が、加えられるバイアス、電極の幾何学、アノードの幾何学（カソードを囲む容器のアースされた壁および内構造を含む）、システムの材料、プラズマパラメータ等により少なくとも部分的に支配されるからである。この複雑さにもかかわらず、一連の仮定がシステム（ドーピングの一様性）の挙動を予見するために必要な分析を単純化するために使用され得る。プラズマシースの厚さは、臨界的な大きさを定義する。その理由は、それが注入を達成するためにイオンに十分なエネルギーを与えるための、最高の加速電位の領域を画成するからである。シースの厚さの一様成は、チャイルド-ラングミュア(Child-Langmuir)則により注入量の一様性に関連する。シースの形状およびサイズがプラズマが、PLAD処理において存在する間、少なくとも準静的方法で空間電荷制限流に対するチャイルド-ラングムュア(Child-Langmuir）の法則により一般的に評価されると仮定される。この近似は一般的に、処理時間のスケールがイオン運動時間スケール（これはシース挙動を支配する）に比べて長い間ずっと維持する。さらに、プラズマシースがほぼターゲット表面にわたって真空等ポテンシャル面をフォローすると仮定される。さらに、プラズマがターゲットの表面にわたって一様であり、そこで、ターゲットおよびプラズマが基本的に方位対称な形状となっていると仮定される。このような対称性が電場の二次元表示を可能にする。
【０００６】
上記仮定は二次元の、ターゲット全体にわたるシース厚さを画成するための円筒状（R-Z)の真空ポテンシャル線の使用を正当化する。シース厚さの一様性はチルド-ラングミュア法則により注入量の一様性に相関する。このようにして、一様性が、ターゲットの表面にわたって平坦で一様な電場線により特徴づけられる静電環境をつくることにより改良されるべきであることが数字的に予見される。電場線がシースの厚さのスケールに関して平坦であると、シースは平坦と考え得る。したがって、一様なプラズマおよび方位対称なシステムに対して、イオン束はターゲット全体にわって一様となろう。
【０００７】
注入量の一様性をパラメータ化するために、面積抵抗と注入量との間の関係が利用される。高ドーパント濃度での拡散制限が、人工的に一様な面積抵抗を生成するように作用することが認められる。この制限にかかわらず、この制限領域の下で注入量の他の十分な特徴化を与えるために面積抵抗を使用できる。特に、注入量の一様性の主要な指標として、面積抵抗の等高線グラフを使用できる。
【０００８】
この非線形処理のどの特徴化にも潜在する複雑さのために、PLAD処理の注入量に一様性を改良することは、在来通りトライアンドエラーによりなされていた。磁場を用いて遠隔からプラズマの一様性を修正するための試みが行われていたが、効果的ではないことが分かった。一般的に、PLADイオンインプランテーションは典型的に、エッジの付近で劇的に非一様性となる、ターゲット表面にわたる半径の方向の注入分布により特徴付けられる。図1は、従来技術のPLAD装置において電極20の頂部に取り付けられたウェーハ状ターゲット10の回りの電場を示す。強いエッジ効果がウェーハ状ターゲットのエッジ30の近傍に見える。このウェーハ状ターゲット10の表面にわたって典型的に得られた半径方向の分布は、図2に示されているようにターゲット表面を特徴づける面積抵抗等高線図において容易に分かる。これらエッジ効果は、例えば加えられるバイアス、周囲圧力等の処理条件とともに変化する。この状況に応えるべく、発明者は他の複雑なシステムの挙動を一般的に予見することができる比較的単純モデルを得るためにいくつかのキーとなる仮定に基づいて多くに処理モデルを展開した。これらのモデルから得られた結論により、PLADイオンインプランテーション処理から得ることのできる注入量の一様性の改良を行う手段を導入することにより構造および機能の改良がもたらされた。
【０００９】
本発明の目的は、ターゲットにわたってPLADの注入量の一様性を得るために、カソードにわたるシースの厚さおよび電場線の形状を調節する手段を導入することである。
【００１０】
本発明の他の目的は、改良された超小型電子製造の応用例に対して高注入量比を低エネルギーで成し遂げることのできるPLADイオンインプランテーション技術に対して注入量の一様性を改良する、コスト的に有効な手段を導入することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
プラズマドーピング（PLAD）イオンインプランテーション装置が、イオンインプランテーションターゲットの表面にわたって放射方向に注入量の一様性を得るものである。ここで、ターゲットは電極の上に配置され、このターゲットはターゲットの周囲に伸びるエッジを有する。この装置は、ターゲット近傍で、好適にはターゲットの周囲エッジに下で、電極の周りに同心的に配置される、別個にバイアスをかけることのできる同心の構造物を利用する。この別個にバイアスをかけることのできる同心の構造物は、ターゲットインプランテーション表面の近くに導入されるプラズマ電場の形状を調節し、ターゲットのわたり、実質的に一様なPLAD注入量分布を与えるために、電極にバイアスをかけるとともに独立して調節可能にバイアスがかけられる。ターゲットの周囲エッジの下にこのような同心の構造物を好適に配置することにより、ターゲットスパッタ汚染の危険性が減少する。別個のバイアスを同心の構造物にかけることは、カソードの有効形状を変化させ、これによりプラズマ環境、たとえばプラズマシースの厚さを変えることによりターゲットの近くの電場の形状を変える。電極をバイアスするとともに同心構造物にバイアスをかけるための手段が、高電圧パルサーの出力を分け、または別個のパルサーを対応して利用する電圧を含む。いずれの場合も電極と構造物の間のバイアス変化を調節し、これによりターゲットの表面についてのPLADイオンインプランテーションの間、注入量の一様性を制御するための手段が設けられる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
前述したように、予見的であるが単純化された数値的モデルが、種々のプロセス条件にわたって注入量の一様性を改良するための電位の修正を同定するための予想ととともに本発明者により展開された。まず、種々の電極の形状幾何学のモデリングが行われた。さらに、一連のリング構造物およびリングのバイアスもまた、リング表面が汚染、ターゲットへのスパッタリングを最小化するためにアースされるところの一つの配置を含むようにしてモデル化された。アースされたリング構造物を有する配置がこの限定された場合に、数値モデルを妥当なものとするために利用されている。アースという限定のもとで、モデルは受け入れがたい結果を予見し、実際に受け入れがたい結果を得た。図3は、電極と同心的で、かつターゲットの周囲エッジの下に導入され、配置されたリング構造物をアースすることから予見された電場表示を示す。図4aは、図3の配置、すなわちアースされたリング構造物のターゲットの表面に対応する面積抵抗の等高線図（5％の等高線間隔）である。予想されたように、受け入れがたい統計的な標準偏差（すなわち、38.5％の1σ値）をもつ注入量分布が得られた（図4a）。しかし、このような限定する場合を現実問題として予見することにより、これらの結果は、単純化された数値モデルの展開においてなされた仮定が妥当であることを示している。
【００１３】
本発明にしたがって、図5に示されているように、プラズマ内で化学的に不活性な低スパッタ率の材料で好適に造られている、別個にバイアスできるリング構造物が、カソードの周りで、好適には、スパッタ汚染の危険性がなく、プラズマ誘導電場の形状を正確に調節するためにウェーハ状ターゲットのエッジに下に配置される。リング構造物40が70で別個にバイアスされる電極60から、別個に50でバイアスされることに注意するべきである。ウェーハ状ターゲット80が周囲エッジ部分90を有する電極60の上に配置されている。リング構造物40は電極60に関して同心的でターゲットに十分に近接して配置され、かつエッジ部分90の下に好適に配置されている。動作中、バイアス50、70は、別個に調節可能であるが、しかし同時に加えることもでき、一つの高電圧パルサー（図示せず）の出力を分ける電圧により生成されるか、または対応する個々のパルサー（ここでは二つの矩形波パルスを示す）により交互に生成される。正確な同調はリング構造物40と電極60との間のバイアス比を調節することにより与えられる。
【００１４】
図5に示されたPLADイオンインプランテーションを別個にバイアスした結果は図6に二次元電場表示で示されている。ここでは、エッジ効果が劇的に減少していることが分かる。同様に、図7aは図5のPLADイオンインプランテーションに対応するウェーハ状ターゲットの表面にわたる面積抵抗の等高線図を示す。ここで、改良された全体の注入量の一様性が得られた。実際に図7aおよび図7bにおいて、ウェーハ状ターゲットにわたる面積抵抗は最小のエッジ効果をもつ許容可能な注入量の一様性を示し、これは、電場およびカソードのプラズマシース厚さの調節可能な制御を行い、これにより注入されるべきドーパントの注入量の一様性を与えるために、別個にバイアスをかけられるリンク状構造物の導入にしたがって成し遂げられた。
【００１５】
本発明の最初の実施例において、アルミニウムがリング構造物を構成するための材料として使用される。アルミニウムは明らかに、これらバイアスのもとでのアルミニウムの高スパッタイールド、および高二次電子放出係数は重大な問題を引き起こすためにリング材として最適な材料ではない。しかし、アルミニウムは高価でなく、容易な動作を行うことができ、本発明を実施する上で、減少の原理を証明するために適した材料である。アモルファスシリコン、シリコン、アモルファス炭素、純粋炭素、ニッケルおよびニッケル被覆材のような材料がリング構造材に対して利用できる。実際、プラズマ種に対し化学的に不活性な低スパッタリング係数の伝導体も好適である。図6、図7aおよび図7bに典型的に示された結果は、ウェーハ状ターゲットおよび電極に物理的にまたは電気的に接続されないリング構造物が導入され、ここで説明されたように配置されると、プラズマシースとともに電場の形状を正確に同調し、これによりPLADイオンインプランテーション処理において注入量の一様性を与えるために、これら二つの構造物に別個にバイアスをかけることが可能であることを示す。
【００１６】
本発明はここで説明した特定の実施例に限定されるべきものではなく、特許請求の範囲に含まれるすべての変形例を包含することができると理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ターゲットの表面にわたる注入量の一様性がかけることを示す、電極の上に配置されたウェーハ状ターゲットについての、モデル化された従来の電場の投影表示である。
【図２】  10％以上の受け入れることのできない統計上の標準偏差とともに、イオン注入量の顕著な半径方向の分布を示す、図1に対応したウェーハ状ターゲットの表面にわたる面積抵抗の、従来の等高線図（2％の等高線間隔）である。
【図３】電極を取り巻くリング状構造物が導入されかつアースされているところの電極の上に配置されたウェーハターゲットにわたってモデル化された電場の二次元表示である。
【図４】図4aは、38.5％の1σ値を有する、受け入れることのできない統計上の標準偏差とともに、半径方向のイオン注入量の分布を示す、図3に対応したウェーハ状ターゲットの表面にわたる面積抵抗の、従来の等高線図（2％の等高線間隔）であり、図4bは、図4aに対応するウェーハ状のターゲットの直径にわって走査された面積抵抗のプロフィールである。
【図５】本発明にしたがってPLADイオンインプランテーションを実施するための略示配置図である。
【図６】本発明にしたがってリンク状構造物が電極を取り巻くように導入され、別個にバイアスされるところの、図5の配置に対応する電極の上に配置されたウェーハ状ターゲットにわたってモデル化された電場の二次元表示である。
【図７】図7aは、ターゲットの表面にわたり劇的に改良された注入量の一様性を示す、21.7％の1σを有する、受け入れがたい統計的な標準偏差をもつ、図6に対応するウェーハ状ターゲットの表面にわたる面積抵抗の等高線図（1％の等高線間隔）であり、図7bは図7aに対応するウェーハ状ターゲットの直径にわたり走査された面積抵抗のプロフィールである。
【符号の説明】
40    リング構造物
50    バイアス
60    電極
70    バイアス
80    ターゲット
90    エッジ部分
【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】
0003902263.tif 000008