(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン化可能なガスを含む、低圧のチェンバー内で半導体ウェーハを支持する電極と、前記半導体ウェーハの極近傍にプラズマを誘導し、プラズマから前記半導体ウェーハに向けて正のイオンを加速するために、前記電極に高電圧パルスを与えるための高電圧パルス源を含み、前記電極に与えられたパルスに応答して短い持続時間のコールド陰極プラズマが誘導される、半導体ウェーハにイオンを注入するプラズマエイマーションイオン注入（ＰＩ3）装置において、前記半導体ウェーハへのドーズ量を測定する方法であって、
(ａ)高電圧パルスの適用に応じた前記ウェーハを支持する電極への総電流であって、時間を分けた第１および第２の部分を有するところの総電流を前記電極に接続されたセンサーにより検知する工程と、
(ｂ)正イオンの注入に対応する、検知された電流の前記第１の部分と、前記高電圧パルスを切った瞬間に誘導される誘導電流に対応する、検知された電流の前記第２の部分とを識別する工程と、
(ｃ)前記検知された電流の前記第１の部分のみを表す信号を時間の関数として積分する工程と、
(ｄ)前記ウェーハへの注入ドーズ量を表す出力値として前記積分の結果を与える工程と、
から成る方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
検知された電流の前記第１の部分と検知電流の前記第２の部分とを識別する工程が、
検知された電流の前記第１の部分が開始した瞬間と実質的に同じ時に検知された電流の前記第１の部分を前記積分器に与える工程と、
前記検知された電流の前記第１の部分が終わった時に、ゼロ電位信号を前記積分器に与える工程と、
から成る方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法であって、
ゼロ電位信号を前記積分器に与える前記工程が、検出された電流の前記第１の部分が開始した後、検出された電流の立ち下がりにより決定される、ところの方法。
【請求項４】
請求項２に記載の方法であって、
検知された電流の前記第１の部分を前記積分器へ与える前記工程が前記高電圧パルスを開始するために、トリガー信号に応答して始まる、ところの方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、さらに、
注入ドーズ量を表す前記積分の結果を選択された値と比較する工程、および
該比較工程が、前記選択された注入ドーズ量の値が得られたことを決定したときの瞬間を示し、電源に前記注入を中止させることのできる出力信号を送る工程、を含む方法。
【請求項６】
プラズマエイマーションイオン注入（ＰＩ3）装置において、半導体ウェーハへのドーズ量を測定する装置であって、
プラズマを維持するための、チャンバー内の前記ウェーハを支持する平坦な表面を有する電極と、
前記電極と前記チャンバーの壁との間に電気的に接続される、高電圧パルス電源と、
前記電源と前記電極との間に接続され、前記電荷の流れを表す出力信号を有する電極電流センサーと、
前記電極電流センサーの出力信号を受信するために接続され、前記電流センサーの出力信号の第１の部分と第２の部分と識別する第１の回路、および前記電流センサーの出力信号の前記第１の部分を積分する第２の回路を有するドーズ量コントローラ回路と、
から成り、
前記第１の回路が、前記電流センサーの出力信号の前記第１の部分が終了したときを検知するための立ち下がり端識別手段を含み、
前記パルス電源からのパルスに応答して短い持続時間のコールド陰極プラズマが誘導される、
ところの装置。
【請求項７】
請求項６に記載の装置であって、
前記第１の回路が、前記電流センサーの出力信号の前記第２の部分の間に、前記積分する回路にゼロ電位信号を出力する手段を含む、ところの装置。
【請求項８】
請求項６に記載の装置であって、さらに
前記電流センサーの出力信号の前記第１の部分の時間積分が、選択された基準信号に等しいときの瞬間を示すための出力信号を与える回路を含み、
前記選択された基準信号が前記ドーズ量の調節を表す、
ところの装置。
【請求項９】
請求項６に記載の装置であって、
前記立ち下がり端識別手段が調節可能なタイマー回路である、ところの装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、サンプルにより蓄積された電荷を測定する方法および装置に関し、特にプラズマドーピング装置において半導体により集められたイオン電流を測定するという応用例に関する。
【０００２】
【従来技術および発明が解決しようとする課題】
電位計は、回路を流れる電荷の蓄積を測定するために使用される最も一般的な器具である。標準的なラスター走査イオン注入において、ファラデーカップは基板への電荷の流れを測定するために使用される。ドース量、すなわち一平方センチメートル当たりのイオンを決定するために、電荷の流れを測定することは重要である。
【０００３】
現代の電子装置は半導体材料に基づいている。半導体材料は負の状態で、本質的に非常に低い伝導性をもち、電流担体を与えるためには微量なある種のタイプの不純物を結晶格子に加える必要がある。
【０００４】
高温ガス拡散およびラスター走査イオン注入は選択した不純物を半導体にドープするための周知の技術である。近年、ラスターイオン注入が１０ｋＶ以下といった低エネルギー条件の下で、特にドーズ量および生産ウェーハスループットに関心がある場合に制限されることが認められた。浅い接合デバイスはより重要になり、プラズマイマーションイオン注入（ＰＩ3）として知られている新しい注入アプローチが研究されている。ＰＩ3は低エネルギーを使用し、高いドーズ量率を与える。ＰＩ3において、ドーズ量を測定するために電流計を使用することは、特にバイアス電圧が使用されるとき、電流計を電極に挿入することが困難であるので実際的ではない。また、電流計は典型的に、応答時間が遅く、電流計は電極への電流の不所望の部分と所望の部分とを区別できない。
【０００５】
【発明の要約】
本発明の目的は、高電位にパルス化されたサンプルにより蓄積される電荷量の測定を可能にすることである。
【０００６】
さらに本発明の目的は、電荷パルスが切られた後に生じる検知波形の一部を除去するために、電流センサーの測定を補償することである。
【０００７】
【実施例】
アメリカ特許第４，７６４，３９４号（Conrad)に説明されたような、従来技術のＰ１3装置および方法はホット陰極プロセスといわれ、正のイオンを生成するためにプラズマを連続して維持し、イオンをワークピースへと加速するために負の電圧パルスを印加する。バークレーでのチェングによる初期のＰ１3の研究、バリアン研究所での研究ではまた、連続電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）が操作され、ＢＦ3ガス内でプラズマ放電が形成され、正のイオンをウェーハへと加速するためにウェーハの背後にある第１陰極に負の高パルスが加えられた。連続して形成されるプラズマの使用は、(１)チャンバーからエッチされ、ウェーハ内に注入される不純物を著しく集中させ、(２)ウェーハ表面上に付着される粒子を大きなものに形成することが発見された。実験により、連続ＢＦ3プラズマ放電がウェーハと同様にチャンバーの露出面をエッチする非常に活性化した種を含むことを示す。また、（ほとんどはシリコンの）粒子はその表面で連続して成長し、付着する。
【０００８】
所望のインプランテーションを得るが、これらの問題の両方を避けるために、コールド陰極放電と知られるプロセスを使用し得る。コールド陰極プロセスはガスをイオン化するために二次放出電子に依存する。特に、チャンバー内で連続したプラズマはなく、負の高パルスを使用することで、パルスが加えられたときに、きまった場所にのみプラズマが生成される。
【０００９】
６インチのウェーハに対し、第１のパルスは低動作周期、１０マイクロ秒のオーダーのもの、すなわち１％のものが望ましい。しかし、第１のパルス幅が１５ミリ秒のオーダー以下であるならば、顕著な粒子の形成は生じない。より小さい直径のウェーハに対してはより短い幅のパルスが望ましい。連続プラズマに対しては、１５ミリ秒の後、粒子は臨界的な直径に達し、非常に集中して表面上に形成され、付着する。
【００１０】
また、電子源に対し第２のコールド陰極に非常に短い高電圧パルスを加え、酸化物の破壊を防止するために、ワークピースへと流れる電子を中性化する。
【００１１】
図１において、アルミニウム合金のチェンバー９がポンプ１２により排気され、１ミリトルのオーダーの圧力にされ、ＢＦ3がボトル１１から質量流コントローラ１０を経てチェンバーに導入される。ウェーハ６がチェンバー９の壁に電気的に接続された環状の円筒状壁５により電気的にシールドされている。ＰＳ１、すなわち負の５ｋＶのオーダーのパルスを与えるための高電圧源（電源）３が導線１４を介して電極４に接続されている。電流センサー１３が導線１４にある。チェンバー内に、電子源７が電極４に関し中心を揃えるが電極４から離れて配置され、一様流の電子が第２の電源ＰＳ２から電極７に印加される大きな負のパルス、すなわち負の２ｋＶのオーダーのパルスに応答してウェーハに加えられる。２つの電源ＰＳ１およびＰＳ２は、それらが正確に同調したパスルをもち得るように、一つのトリガー源１に関してタイミングがそれぞれ取られている。
【００１２】
ガスが前以てイオン化されることがないので、電極４への５ｋＶのオーダーのパスル化された負の電圧が、電極４から等電位のチェンバー壁へと電気力線を形成する。
【００１３】
電子は軽く、非常に移動性があり、電気力線のすべてが電極４の表面に収束しているので、ウェーハ６の近傍の電子が、パルスが印加されたときガスがら剥ぎ取られる。これにその領域に形成され、より移動の遅い正のイオンが取り残される。これらのイオンは次に加速され、ウェーハ内に注入される。ドーズ量の注入の一様性は、一シグマ分布に対し、６インチのウェーハにわたって２％のオーダーである。
【００１４】
幅の短いイオン化パルスはチェンバー壁のエッチングを完全に除去することはなく、パルスが印加されているときのみであるが不純物が形成される。
【００１５】
図３（ａ）および図３（ｂ）において、ＰＳ１からの電圧パルス（列）３０の後に直ぐにＰＳ２からの電圧パルス３１が続く。パルス列３０のパルス幅Ｗは好適に１〜３０マイクロ秒で、パルス周期は１００Ｗのオーダーである。ＰＳ２のパルス幅Ｗ′は同じオーダーである。パルス３０および３１の両方は図示上の便宜から正の形にして描かれている。良いデバイス／全デバイスの再現割合の観点から見た最良の製造収量はパルス３０の終わりの直後にパルス３１が続いたときに得られる。しかし、図３（ｃ）および図３（ｄ）に示されているように、パルス３０′および３１′は、電子がイオンの注入と同時に誘電体を中性化するように重ね合わせることができる。理由は分からないが、本発明の利点のいくつかが得られるものの、許容できるデバイスの収量はこのような重なるパルスではそれほど高くなく、再現性もよくない。
【００１６】
コールド陰極７は、汚染を与えない材料から選択され、またはこのような材料で被覆されている。高純度のアモルファスカーボンが好適であるが、フッ素プラズマのもとで不活性であるためＮｉもまた利用可能である。電極７の表面の幾何形状はまた重要である。粗面化方法により電子放出効率が電子フラッディング密度を増加させるために有用であることがわかった。ほぼ凹状の外面は平坦なデバイスの場合よりもより広い表面領域を与え、ウェーハ表面で一様な電気力線を形成する。
【００１７】
注入されたウェーハをアニールした後、シート抵抗が１３０〜１Ｋオーム／□で、好適には１５０オーム／□で、結合深さが約９００Åであることが証明された。また、粒子の総計はノンクリーンルームの環境（粒子の直径が０．３→２．５μｍ）で、１粒子／ｃｍ2以下である。ＢＦ3ＥＣＲプロセスと比較すると、ＢＦ3ＥＣＲでは数オーダー大きい。
【００１８】
図２において、電流センサー１３がドーズ量コントローラ２５に接続されていることが示されている。この実施例のおいて、ドーズ量セレクション２９に応答するドーズ量コントローラは注入の間にその進行状態を測定でき、所望のドーズ量が達成されたとき電源２および３を切る。
【００１９】
ＰＳ１およびＰＳ２が誘導性電源であるから、パルス電流を瞬時に切ることは不可能である。このことは、ドーズ量コントローラが注入されたイオンドーズ量を決定することを複雑にする。イオン注入電圧パルスが１０ｋＶ以下である限り、シリコンのウェーハ表面で生成される二次電子は３％以下である。したがって、ＰＳ１を切ったとき、センサー１３により測定された電流パルス波形は図４（ａ）に図示する形をもつ。この波形の領域４１は、電流がＰＳ１からのパルスに応答するウェーハ６の表面に流れる正のイオン流を表す。図４（ａ）に示されているように、領域４２に表される電流の波形は、電源からの誘導電流のため電流が瞬時に停止しないことによる。正のイオンのドーズ量を測定するために、正のイオン電流によらない波形４０の部分４２を除去することが必要である。検知された電流波形４０を波形４４（パルス４１の立ち上がりおよび立ち下がり時をたどるが、領域４３に示されるように、反対極の部分４２を完全に除去する）に変換する回路を提供する。波形４４を形成すると、全イオン注入の測定、すなわち時間の関数でドーズ量を測定するために各パルスを積分することが可能である。
【００２０】
図５のブロック図はドーズ量制御回路素子を示す。入力信号５９はゼロ電位に関し２つの極を有する電流波形をもつ。信号５９は電子シャッター５０により受信される。
【００２１】
電子シャッターにはまた、手動のパルス幅アジャスタ５１′を有するパルス幅セレクタ５１が接続されている。パルス幅セレクタ５１に、トリガー発生器からの基準トリガーが接続される。所望のパルスシャッター機能を達成し得る多くのいろいろな回路がある。以下で説明する回路は置き換え可能なものであり、多くの他の回路もまた置き換え可能である。
【００２２】
パルス幅セレクタ５１からのパルスの幅が図４（ａ）の正の部分４１と正確に同じ幅であるとき、シャッター５０の出力は接地に切り替わり、負の部分４２が除去され、積分器５２への信号５５は図４（ｂ）に示されているようになる。積分器５２の出力６４はドーズ量の指標として利用可能で、比較器５４に与えられる。比較器５４は選択調節５３を受け、基準レベルとして安定な電圧ドーズ量の調節を成し遂げる。積分されたアナログ電圧６４が基準５３を越えると、比較器５４は信号５８を送り、電源３を切り、ワークピースの注入を終える。
【００２３】
図６において、図５に示すブロック図の機能を成し遂げ得る回路の詳細が示されている。トリガー回路（セレクタ）５１はナショナル・セミコンダクタ・コーポレイション社製の３９０５Ｎチップに基づいている。ピン２とピン３の間に接続された、調節可能な５００オームの抵抗は３０巻の正確な抵抗である。この回路はＲＣ時定数がそのオンタイムを決定するタイマー回路である。標準的なワンショットマルチバイブレータ回路のような他の回路がこの条件を満たす。
【００２４】
３９０５Ｎチップのピン６のパルスがハリスコーポレイション社製ＨＩ−３０１チップのピン６に接続される。そのＨＩ−３０１チップは高速スイッチ回路である。その高速スイッチ回路はピン６の入力が“ハイ”である限り、ピン２の入力信号を出力ピン４へと通過させ、ピン６が“ロー”になると、ピン４の出力が接地されたピン７に信号を進める。タイマー回路（セレクタ）５１の“オンタイム”を手動で調節するためにオシロスコープを使用して、シャッタースイッチング時間が、１．０マイクロ秒のパルサ電圧のパルスオフタイム以内に極めて容易に調節された。ＨＩ−３０１のピン４からの出力は、アナログ・デバイス社製のＯＰ−ＡＭＰ８２７をまたぐように接続された積分器（回路）５２に接続される。手動のスイッチＳＷＩが時定数を選択できるようにフィードバックにして接続されている。その積分器は図８により詳細に示されている。
【００２５】
増幅器６０は図７（ａ）により詳細に示され、ナショナル・セミコンダクタ・コーポレイション社製の一つの４４４チップの電圧フォロアである。増幅器６０の出力は比較器５４に接続され、比較器５４は二つの入力ピン５および４のレベルに依存して５Ｖとゼロとの間を切り替える、モトローラ社製の３３０２チップのピン２に出力を与える。ピン４の電圧はピン４に接続された２００オーム電位ディバイダーを調節することにより選択可能なので、利用者は比較器の出力が切り替えるドーズ量のレベルを調節できる。比較器５４の出力は電圧フォロアに接続されている。その電圧フォロアは制御回路を駆動し、所望に次から次ぎへと高電圧パルス発生器を停止することができる。図６に詳細に示されている電源駆動回路６２が一例である。電源駆動回路６２は図９に詳細に示されているパルスコントローラ１００に接続されている。タイマー８１がオプトアイソレータ８４を介してパルス発生器８３を駆動するために、ナショナル・セミコンダクタ・コーポレイション社製のＤＭ７４Ｌ５１０９ＡＮに接続されている。パルス発生器８３はヴェロニクス・インク社（カリフォルニア州サンディエゴ）製のＭｏｄｅｌ３５０である。
【００２６】
本発明はここで説明した特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲で変形例を含む。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本ＰＩ3装置の略示ブロック図である。
【図２】  自動ドーズ量コントローラを含む、本ＰＩ3装置の詳細なブロック図である。
【図３】  図３（ａ）および図３（ｂ）は陽極パルスと陰極パルスとの好適な関係を示すタイミング図である。
【図４】  図４（ａ）は陽極回路の一連の電流センサで測定された電流を示し、図４（ｂ）は図４ａの負の部分を除去した後の陽極電流を示す。
【図５】  ドーズ量コントローラの略示ブロック図である。
【図６】  好適なドーズ量コントローラの略示図である。
【図７】  図７（ａ）は図６の図示の増幅器の略示図で、図７（ｂ）は図６の他の増幅器の略示図で、図７(ｃ)は図６の高電圧パルスコントローラの略示図である。
【図８】  図６の集積回路の略示図である。
【図９】  図６のパルスコントローラの略示図である。
【符号の説明】
１    トリガー              ２    電源
３    電源                  ４    電極
５    円筒状壁              ６    ウェーハ
７    電子源                ９    チェンバー
１０    質量流コントローラ  １１    ボトル
１２    ポンプ              １３    センサー
１５    バイアス電源        ２５    ドーズ量コントローラ
５０    電子シャッター      ５１    パルス幅セレクタ
５２    積分器              ５４    比較器
６２    電源駆動回路
【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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【図８】
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【図９】
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