(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）１つ以上のワークピース（１４）を処理室（１２）の内部（２４）に挿入し、前記ワークピース（１４）を導電性のワークピース支持部（３０）上に支持して、前記ワークピース（１４）の処理面（１２０）が、内部（２４）を区画する導電性壁部（３２）を有する処理室（１２）の処理領域（３４）に面する工程；
（ｂ）中性電荷のガス分子からなる処理物質を処理室（１２）内に注入して、ガス分子が処理領域（３４）を占有する工程；
（ｃ）処理室（１２）内に注入されたガス分子をイオン化し、前記ワークピース（１４）の処理面（１２０）に荷電粒子を加速して衝突させるために、電圧パルス（１１２、Ｎ、Ｐ）を印加することによって、処理室（１２）の導電性のワークピース支持部（３０）と導電性の壁部（３２）を繰り返して相対的にバイアスする工程であって、導電性の壁部（３２）を基準電位に維持すると同時に、導電性のワークピース支持部（３０）に電圧パルス（１１２、Ｎ）を印加する工程；からなることを特徴とする１つ以上のワークピースの処理方法。
【請求項２】
（ａ）１つ以上のワークピース（１４）を処理室（１２）の内部（２４）に挿入し、前記ワークピース（１４）を導電性のワークピース支持部（３０）上に支持して、前記ワークピース（１４）の処理面（１２０）が、内部（２４）を区画する導電性壁部（３２）を有する処理室（１２）の処理領域（３４）に面する工程；
（ｂ）中性電荷のガス分子からなる処理物質を処理室（１２）内に注入して、ガス分子が処理領域（３４）を占有する工程；
（ｃ）処理室（１２）内に注入されたガス分子をイオン化し、前記ワークピース（１４）の処理面（１２０）に荷電粒子を加速して衝突させるために、電圧パルス（１１２、Ｎ、Ｐ）を印加することによって、処理室（１２）の導電性のワークピース支持部（３０）と導電性の壁部（３２）を繰り返して相対的にバイアスする工程であって、導電性のワークピース支持部（３０）を基準電位に維持すると同時に、導電性の壁部（３２）に電圧パルス（Ｐ）を印加する工程；からなることを特徴とする１つ以上のワークピースの処理方法。
【請求項３】
（ａ）室内部（２４）を画定する処理室（１２）であって、室内部を区画する導電性壁部（３２）を有する処理室（１２）；
（ｂ）処理室（１２）の室内部（２４）に１つ以上のワークピースを支持する導電性ワークピース支持部（３０）；
（ｃ）導電性ワークピース支持部（３０）に支持された１つ以上のワークピース（１４）に隣接する処理領域（３４）を占有するガス分子からなる処理物質を処理室（１２）内に注入するインジェクター（３２）；及び
（ｄ）処理室（１２）の導電性ワークピース支持部（３０）と導電性壁部（３２）を繰り返して相対的にバイアスするための制御回路（１００）であって、該制御回路（１００）は、処理室（１２）に注入されたガス分子をイオン化するために、また、１つ以上のワークピース（１４）の処理面（１２０）に荷電粒子を加速して衝突させるために、連続した電圧パルス（１１２、Ｎ、Ｐ）を発生させる電圧源を構成し、該電圧源により導電性ワークピース支持部（３０）に電圧パルス（１１２、Ｎ）を印加し、かつ、制御回路（１００）は、導電性壁部（３２）を基準電位に維持する；ことを特徴とするワークピースの処理装置。
【請求項４】
（ａ）室内部（２４）を画定する処理室（１２）であって、室内部を区画する導電性壁部（３２）を有する処理室（１２）；
（ｂ）処理室（１２）の室内部（２４）に１つ以上のワークピースを支持する導電性ワークピース支持部（３０）；
（ｃ）導電性ワークピース支持部（３０）に支持された１つ以上のワークピース（１４）に隣接する処理領域（３４）を占有するガス分子からなる処理物質を処理室（１２）内に注入するインジェクター（３２）；及び
（ｄ）処理室（１２）の導電性ワークピース支持部（３０）と導電性壁部（３２）を繰り返して相対的にバイアスするための制御回路（１００）であって、該制御回路（１００）は、処理室（１２）に注入されたガス分子をイオン化するために、また、１つ以上のワークピース（１４）の処理面（１２０）に荷電粒子を加速して衝突させるために、連続した電圧パルス（１１２、Ｎ、Ｐ）を発生させる電圧源を構成し、該電圧源により導電性壁部（３２）に電圧パルス（Ｐ）を印加し、かつ、制御回路（１００）は、導電性ワークピース支持部（３０）を基準電位に維持する；ことを特徴とするワークピースの処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワークピースに衝突させるために加速されるプラズマ粒子の中にワークピースを浸すワークピース処理システムに関する。
このようなシステムでは、１つ以上のワークピースを、正電荷イオンを含むプラズマの中に浸し、続いて、制御されたイオン濃度でウエハをドーピングするために、正電荷イオンはシリコンウエハの表面に向かって加速される。
【０００２】
【従来の技術】
商業的に有益なイオン注入システムは、注入室から離れたイオン源室を有しており、１つ以上のワークピースがイオン源からのイオンによって処理される。
イオンが生成され、分析され、イオンビームを形成するために加速されるように、イオン源室の出口開口からイオンが出される。
イオンビームは、排気されたビーム通路に沿ってイオン注入室に向けられ、１つ以上のワークピースに衝突する。一般的にワークピースは円形であり、注入室内に配置されている。
イオンビームは、注入室内のウエハに、イオンを浸透させるように衝突させるに十分なエネルギーを有している。
一般的なシステムでは、ウエハはシリコンウエハであり、イオンはウエハをドーピングして、半導体材料を作るために使用される。
従来の注入装置では、マスクや不活性化層を使用する選択注入でＩＣ（集積回路）を製造することができる。
【０００３】
“プラズマソースを用いたイオン注入方法及び装置”と題する、コンラッドの米国特許第４７６４３９４号には、イオン衝撃手段によってターゲットを処理するためのイオン注入システムが開示されている。
密閉した室内のターゲットにイオン化プラズマを形成することによって三次元ターゲットの表面へのイオン注入が可能である。
一旦、ターゲットの周囲領域にプラズマが形成されると、ターゲットを操作しなくても、プラズマからのイオンはあらゆる面からターゲットに指向される。
この注入は、イオンをターゲットの露出面に指向させる、２０ＫＶまたはそれ以上の高電圧の繰り返しパルスを適用することによって達成される。
米国特許第４７６４３９４号に開示されているプラズマを生成する技術は、中性ガスをターゲット領域に導入して、イオン化放射でガスをイオン化している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
米国特許第４７６４３９４号に開示されているシステムは、分離したイオン源を利用して、ワークピースの周囲領域にイオンプラズマを生成しており、プラズマ中のプラスイオンをワークピースに引き付けるためにワークピースを支持している電極に負電圧パルスを選択的に送るようにしている。
本発明の目的は、１つの連続した電圧パルスで、プラズマ生成及びワークピース処理の両方を達成できるプラズマ注入システムを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、粒子衝撃によってワークピースを処理する技術に関する。
注入室は室内部を有しており、導電性のワークピース支持部は、一方の電極として機能し、室内部に１つ以上のワークピースを配置する。
室は室内部を区画する導電性の壁部を有しており、第２電極として機能する。
【０００６】
ワークピースは、注入室に挿入され、導電性の支持部に配置されるので、ワークピースの処理面は、注入室の内部領域に面する。
中性電荷のガス分子の形のワークピース処理材が注入室に注入されるので、ガスは、導電性の支持部に支持されたワークピースに極めて接近して注入室の領域を満たすことになる。
【０００７】
一方の電極を形成する導電性のワークピース支持部と、第２電極を形成する注入室の導電性壁部との間にバイアス電圧が印加される。
バイアス電圧は、好適には、第１及び第２電極を相対的にバイアスする連続した電気パルスであり、室に注入されたガス分子をイオン化し、また、イオン化された荷電粒子をワークピースの処理面に向けて加速する。
【０００８】
本発明によれば、制御された濃度のイオンをシリコンウエハ中に注入して、ウエハをドーピングする。経験によれば、好適な注入ドーズ濃度は、好適なイオンドーピング材料で達成される。
【０００９】
本発明は、ワークピースの大表面がイオン衝撃によって処理される、フラットパネルディスプレイなどの注入に好適である。フラットパネルディスプレイは、一面をポリシリコンまたはアモルファスシリコンでコーティングされたガラスのような基板から製造される。
コーティングされた基板は、イオン注入室に挿入され、イオン衝撃によって処理される。
【００１０】
本発明は、従来のイオン源が比較的長い排気されたイオンビーム通路によって注入ステーションから離されているイオン注入装置より明らかに優れている。
本発明のイオン注入装置の製造コストは、プラズマ源及びプラズマ源の給電装置を省略することにより一層安くなる。
処理室の大きさは、室内にプラズマを生成する電極間の間隔を比較的小さくできるので小型化できる。
注入装置の操作コストは、システムの大きさ、パワー消費量により削減され、メンテナンスも簡単に行うことができる。
シリコンでコーティングされたアルミニュームのような材料からなる、２つの隣接したプレートによって、２つのプレート間にプラズマが閉じ込められるように注入装置の汚染は減少される。
処理されるワークピースのサイズに合わせて電極のサイズを大きくするだけで、フラットパネルディスプレイのような横断面の大きいワークピースを処理する能力はは改善される。
また、注入の一様性は非常に良く、変化物はほぼ１％以内を達成できる。
【００１１】
プラズマを生成するために開示された技術はイオン注入装置に限定されず、プラズマエッチィング(plasma etching)やプラズマアッシング(plasma ashing) にも適用される。
第１及び第２電極に印加されるパルスの極性を反転させた場合、電子でワークピースを処理することが可能となり、感光性樹脂の処理に有益である。
一般に、正または負電圧は、第１及び第２電極の一方に印加され、他方の電極は基準電極として、一般的には接地電位に保たれる。
【００１２】
本発明の他の目的、優位性及び特徴は、本発明の好適な実施の形態を説明した詳細な説明及び図面に基いてより良く理解できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、イオン処理するために平面のワークピース１４が挿入される処理室１２を有するイオン注入システム１０の全体図である。
図１に示されているシステムは、一度に１つのウエハを処理室１２内に挿入するためのロードロック２０を備えている。ロードロック２０を使用することにより、ワークピースが処理室１２内に出し入れされる時、バルブ手段２１によって処理室１２は減圧状態（大気圧に関して）に維持される。このバルブ手段２１は、ワークピースが処理室１２内に挿入される時に、また回収される時に開閉される。
【００１４】
図１に示されている処理室１２は、ワークピース１４が挿入される室内部２４を画定する内壁２２を有している。
ワークピース１４は、平面の導電性のテーブルまたは支持台３０上に位置される。支持台３０は、支持台上に支持されるワークピースの大きさにあった寸法を有している。
【００１５】
ワークピース支持台から上方に離れてガス放出用マニホールド３２があり、このマニホールド３２は、マニホールドとワークピース１４の間の領域３４にイオン化可能なガスを注入する。
このワークピース上の領域３４は、注入システム１０の動作中、イオンプラズマが生成される領域である。
イオン化されず、また注入されないガス分子は出口開口３５を介して室から引き出される。
図２及び図３に示されている一形態では、出口開口３５は支持台３０の近くに形成されている。
【００１６】
室の外側にあるガス源３６は、室の壁を貫通してマニホールドに通じている導入管３７を介してイオン化可能なガスを放出する。マニホールドは、導入管３７からワークピース１４に面して整列された複数の開口４０（図２及び図３）に通じる複数の分岐通路を有している。
一様に処理するためには、マニホールドとワークピース１４との間の領域３４内のガス密度をできるだけ一様に維持することが必要である。
好適には、マニホールド３２は平面視略円形であり、マニホールドの外周部の回りのガス濃度をできるだけ一様に維持するために、整列された複数の開口４０を有している。
ワークピース１４は、プラズマの電位的に一様でない領域を避けて略円形の支持台の端部から内側に離されて支持台３０の上に配置される。
また、電極の端部の電界強度を制御するために、第１電極としての支持台３０、及び第２電極としてのマニホールド３２の端部の形状を好適に設計することによって、一様な注入が保証される。
【００１７】
まず、ガスが、ガス分子がイオン化されるプラズマ領域３４（１つ以上の電子が剥離される）に入り、正電荷の原子は、連続する負電圧パルスによってワークピースに向かって加速される。この負電圧パルスは、マニホールド３２が接地電位に維持されている間、導電性の支持台３０（図２）に印加される。
支持台３０及びマニホールド３２に印加される電圧の極性が反転すると、結果として、電子はワークピースに衝突させるために加速される。
この実施の形態では、１つのワークピースが、支持台３０上に支持されるように示されているが、本発明によれば複数のワークピースに同時に注入させることができる。
【００１８】
図２及び図３には、ワークピース１４の上方の領域３４でワークピースを処理する物質の濃度を生成するために使用される、４つの異なる相対的にバイアスする配置が示されている。
図２においては、マニホールド３２及び室壁は接地されている。この配置では、領域３４に相対的に高電界でイオンを発生させ、また支持台に向かって加速させるように、負電圧パルスＮが導電性支持台３０に印加される。
図３においては、支持台３０は接地され、電圧パルスはマニホールド３２に印加される。この配置では、正電圧パルスＰによって正電荷イオンがワークピース１４に向かって加速される。
【００１９】
室１２の外側に配置されたモジュレータ回路１００は、導電性支持台３０及び導電性マニホールド３２を相対的にバイアスするために、一方の電極としてのテーブル３０と他方の電極としてのマニホールド３２を横切って電圧パルスを印加する。商業的に受け入れられる電源はどれでも、電圧パルスを供給するために好適である。
【００２０】
好適なモジュレータ回路１００は、室内に注入されるガス分子をイオン化し、また、イオン化されたガス分子を１つ以上のワークピース１４の注入面に向かって加速するために連続したパルスを供給するように、相対的にハイパワーの固体スイッチによって制御される電源を有している。
パルス１１２の繰返率及びパルス持続時間は、グロー放電が発生し、２つの電極３０、３２に印加されるパルスによって領域３４にプラズマが形成され、維持されることを保証するように選ばれる。
プラズマの密度は、イオン化パルスが除去された後の再結合及び拡散によってミリセコンドのオーダーの時間内に減少させることができる。
プラズマを連続的に維持するために、数千／秒以上のパルス繰返率が必要である。しかしながら、より低いパルス繰返率でのイオン化及び注入は各々のパルス期間で起こるが注入率は低くなる。
【００２１】
汚染を減少させるために、支持台３０及びマニホールド３２は、シリコンで被覆されたアルミニュウムで形成されている。
少なくとも、室壁２２の部分及び／または支持台３０の非作業領域を、クオーツのような絶縁材で被覆することによっても、汚染と同じようにパワーの消費も減少できる。
【００２２】
図４には、イオンプラズマ領域３４からのイオン１３０が表面１２０に衝突した時に、ワークピース１４の処理面１２０で起こりえる反応を示している。
図４に示されている、イオン−表面の相互作用は、非弾性反応（光子、Ｘ線、二次電子を発生させ、同時にイオン注入をする）及び弾性反応（スパッタリング及び反射粒子）の両方の反応を生じさせる。
入射イオン１３０は、ワークピース１４の固体格子内に捕獲される。これがイオン注入である。トラッピング確率ｎは、図５に示されているように、イオンエネルギーＥの増加及びイオン質量ｍの減少によって増加する。
高エネルギー（Ｅ＞１０ＫｅＶ）では、イオン質量にかかわらず、トラッピング確率はｎ＝１である。
イオンエネルギーは、モジュレータ１００のパルス電圧によって順番に指令されるプラズマのシース電圧で決定される。
また、トラッピング確率はガス圧に影響されるので、イオンは表面１２０に到達する前にガス分子の衝突によって一部のエネルギーを失うことになる。
【００２３】
ワークピース１４を室内に挿入するロードロック２０を使用することによって、室１２内部を排気状態に維持する。真空ポンプ１４０は、室１２とポンプ１４０との間に配置されるバルブ１４２を介して室内を減圧状態に維持する。
同じポンプ１４０をガス出口開口３５に連結することができる。
【００２４】
シリコンウエハは、本発明に従ってニトロゲンドーパント材によって注入される。ニトロゲンガスは、アルミニュウム製のマニホールド３２を介してガス源３６から室１２内に導入される。マニホールド３２を通って延び、室内部に開口している、いくつかの通路を介してニトロゲンガスは分配される。
図２に示されている室１２全体は、ウエハ支持台３０を除いて接地されており、ウエハ支持台３０は、ロードロック２０を経由して室内に挿入されるシリコンウエハを支持している。
支持台３０にパルスを送るために、絶縁体１５０が室壁と支持台３０とを分離している。室の側壁及び底壁は耐性のあるクオーツによって保護されている。  ニトロゲンプラズマは、パルス繰返率２０００ｐｐｓ、５マイクロセコンドのパルス幅の、負のパルスをウエハ支持台３０に送ることによって発生する。
【００２５】
グロー放電が起こるスレッショルドパルス電圧は、室１２に導入されるガスの種類、ガス圧、電極３０、３２の間隔に左右される。電極３０、３２の間隔は、目的の電圧パルスの振幅を得るための電界強度を決定する。
【００２６】
希望するイオン化を生成するために必要なパルス電圧は、領域３４に入力される他の外部入力によっても左右される。図２及び図３に、放射源１５２を含むように示されているこれらの入力は、室の側壁の窓１５３を通ったＵＶ、または、放射線である。
ヘルムホルツコイル１５４は、領域３４に磁界を形成するために配置されている。ヘルムホルツコイル１５４は、室の外側あるいは内側に配置されてもよい。
あるいは、領域３４に磁界を形成するために永久磁石が使用されてもよい。
【００２７】
本発明によれば、磁界がなくても、接地された処理室壁に関して−３．６ＫＶの電圧で処理室内にプラズマが生成される。
電極間の間隔が同じで、ヘルムホルツコイル１５４によって４０ガウスの磁界を発生させた場合、−１．８ＫＶでプラズマは発生する。ドーズ量は、ガス圧及びパルス状態に関連している。
Ｖ＝−５ＫＶ、パルス幅４マイクロセコンド、５０００Ｈｚのパルス繰返率の注入状態の場合、ガス圧によるドーズ量は４×１０13cm2/sec 〜２×１０15cm2/sec である。
【００２８】
本発明によるドーピングの場合、直径６インチのシリコンウエハが一様に導電化される。
図６は、ボロントリフロイドを使用したプラズマ注入による、ボロンのドーピングプロファイル（ウエハ表面からの距離の関数として濃度が原子／ｃｍ3 で示されている。）を示している。
図７は、６インチのシリコンウエハに急速な熱アニールに従ってボロンをドーピングする間に達成されるドーピングの一様性を示しており、図７には、４点プローブで測定した、地形図のような抵抗線図が示されている。
図７では、等高線の代わりに等しい抵抗線図で示しており、平均的な抵抗線は太線で示されている。太線から内側及び外側の放射方向の同心線は、平均抵抗線以上または以下の漸進的な抵抗線を表している。
ウエハ１４の表面を横断する平均抵抗線からの全体的なずれは約１％である。
【００２９】
本発明は幾分特定して説明されているが、添付された請求の範囲または精神に含まれる全ての変更や修正は、本発明に含まれることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明のイオン注入システムを示す図である。
【図２】図２は、処理室内にプラズマを生成するためのカソード及びアノードを含む処理室の拡大説明図である。
【図３】図３は、図２と同様の説明図である。
【図４】図４は、ワークピースの表面に衝突するイオン間の相互作用を示す図である。
【図５】図５は、イオンがワークピースに衝突する時、イオンエネルギーと質量の関数としてイオン注入の確率を示すグラフである。
【図６】図６は、ボロントリフロイドガス分子から導出されたボロンで導電化された直径６インチのウエハの注入のために、ウエハの表面付近の深さの関数としてイオン注入濃度を示すグラフである。
【図７】  図７は、ボロン注入された６インチウエハのドーピングの一様性を示すグラフである。
【符号の説明】
１２      処理室
１４      ワークピース
２０      ロードロック
２１      バルブ
２２      内壁
２４      室内部
３０      ワークピース支持部
３２      導電性壁部（インジェクター、マニホールド）
３４      処理領域
３６      ガス源
３７      導入管
１００      制御回路（モジュレータ回路）
１４０      真空ポンプ
１４２      バルブ
１５０      絶縁体
【図１】
0004178330.tif 000002
【図２】
0004178330.tif 000003
【図３】
0004178330.tif 000004
【図４】
0004178330.tif 000005
【図５】
0004178330.tif 000006
【図６】
0004178330.tif 000007
【図７】
0004178330.tif 000008