JP4099804B2 - ワークピースの表面を処理する方法及びその装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワークピースをイオンプラズマ内に侵入させ、そしてプラズマ内のイオンを加速してワークピースにイオンを注入することにより、ワークピースにイオン不純物を注入するイオン注入装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
商業的に有益なイオン注入装置は、注入室から離れたイオン源室を有するイオン源を使用し、このイオン源において、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。
【０００３】
イオンが生成され、分析され、そして加速されて、イオンビームが形成されるように、イオン源室の出口開口からイオンが放出される。
【０００４】
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、一般的には、円形のウエハに衝突する。このウエハは、注入室内に配置されている。イオンビームは、イオンをウエハに衝突させるのに十分なエネルギーを有しており、イオンが注入室内のウエハに浸透するようになっている。
【０００５】
このような装置における一般的な利用では、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。
【０００６】
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。この注入技術のための装置は、大きく、複雑で、高価であり、また、低いエネルギーでイオンを注入できるようにその能力が制限されている。
【０００７】
「プラズマ源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号明細書には、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装置が開示されている。密閉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、イオンビームを介してターゲットを走査することなく、プラズマからのイオンはあらゆる面からターゲット対象物に指向される。
【０００８】
この注入は、１つ以上のワークピースに高電圧の負の繰り返しパルスを加えることによって達成される。これらのパルスは、イオンをターゲットの露出面に指向させる。
【０００９】
前述の米国特許第４７６４３９４号明細書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。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
リーベルマンによるプラズマ注入プロセスの理論的研究によれば、急激な負電圧がターゲットのワークピースに印加されると、表面近くの電子は、ワークピースの回りの領域からナノ秒以内に離れて、イオン マトリックス シース(ion matrix sheath) を均一な密度にすることが、エム．エイ．リーベルマン(M.A.Lieberman) の「プラズマ侵入によるイオン注入モデル」［J.Applied Physics ，６６（１９８９年）第２９２６頁参照］に示されている。
【００１１】
その後、シース内のイオンは、反転イオンプラズマ周波数の時間尺度で、加速され、１つまたはそれ以上のワークピース内へ侵入する。次に、このイオンは、ターゲットのワークピースから、さらに、シース境界部へと移動し、ワークピース内に向かう、より多くのイオンを放出する。
【００１２】
より多く時間が経過すると、定常状態のイオンが一般的に空間電荷状態に発展する。約１ｃｍ厚さのシースがマイクロ秒単位内で発達する。この点については、エム．エム．シャミン(M.M.Shamim)等の「プラズマ源によるイオン注入におけるエネルギーのイオン衝撃手段による電子放出の測定」［J.Applied Physics ，７０（１９９１年）第４７５６頁］を見られたい。
【００１３】
プラズマ内の電界は、低く、かつほぼ全ての電位がターゲットに加えられて、シースを横断するイオンを加速する。一般的に、プラズマからのイオンがターゲット表面に衝突するとき、二次電子が作り出される。これらの二次電子は、ターゲットからシース間の電圧降下を介して加速され、そして、密閉室の壁面で終端する。二次電子放出係数の一般的な議論は、エス．クイン(S.Qin) 等の「有限上昇時間における高電圧パルスに対するマイクロウエーブ マルチポラー(Multipoar) バケットプラズマの応答」［ＩＥＥＥ議事録 Ｐｌａｓ，Ｓｃｉ，２０（１９９２年）第５６９頁を参照されたい。
【００１４】
コンラッドの特許に開示されているこのようないくつかのイオン注入装置は、接地電位に注入室を保つとともに、ターゲットのワークピースに相対的に負電位のパルスを印加する。ほぼ平坦なターゲットのワークピースは、半導体ウエハまたは平坦なパネルディスプレイ基板等の一面側を処理する必要があるので、負のパルスをターゲットに印加するイオン注入装置は、好ましいものではない。このようなイオン注入装置において、ターゲットワークピースは、一般的に高い負電位にまで上昇させなければならない。
【００１５】
このことは、ワークピースの取扱いをより困難で複雑ものとし、またこれらの装置は高い負電位を受けるので、ファラデーカップまたはカロリーメータ(calormeters) 等の監視装置によってターゲットのワークピースにおいてチャージコレクターに配給される電位を監視する。
【００１６】
本発明の目的は、イオン注入よりターゲットのワークピースの表面を処理するのための新規でかつ改良された方法及び装置を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は各請求項に記載の構成を有している。本発明によれば、ターゲットのワークピースは、基準電位に維持され、かつワークピースの表面近くの電界は、ワークピース近くの導電体の電極に正の電圧パルスを供給することにより生じる。
【００１８】
電力消費を減ずるために、正のパルスが供給される電極に対して負の電位を有するイオン注入室内の表面領域が減少される。イオン注入のために必要とされる全電流は減じられ、それに従って、イオン注入に必要な電力量もまた減じられる。
【００１９】
本発明の好ましい実施の形態において、１つ以上のワークピースは、イオン注入室の内部領域内で１つ以上のワークピースを支持する導電性のワーク支持体によって支持される。イオン注入室は、室内部に接近する導電性の内側壁部分を有する。イオン注入室内にはまた、導電性の電極が配置され、この電極は、導電性のワーク支持体に対して位置決められている。当然、荷電ガス分子が、イオン注入室内に放出され、イオン化ガスまたはイオン化プラズマがワークピースの注入表面の近くに形成されるように、順次イオン化される。
【００２０】
本発明の特徴によれば、導電性のワーク支持体、ワークピース、及びイオン注入室の導電性の内壁部分は、全て同一の基準電位に維持される。また、前記電極に対して負の電位を有する前記ワーク支持体及び前記注入室の内壁部分を誘電体でシールドする。導電性の電極には、この基準電位に関連して正のパルスが供給され、ガス分子から形成されたイオンが、ワークピースの注入表面に衝突する前に加速されるようにするための電界が与えられる。
【００２１】
イオン注入のために必要なプラズマ状態の発生は、ワークピースの表面、またはそれに近い部分での電界によって決定され、その効率は、ワークピースに直接対向しないが相対的に正のパルスが供給される表面をほぼシールドすることによって改善することができる。
【００２２】
好ましい実施の形態では、電極は、パルスが発展するにつれてこの電極に関連する電気力線がその電極内に集中するように誘電体でシールドされ、この誘電体のに近接する室内部内には集中しない。
【００２３】
選択的に、誘電体は、基準電位に維持されているケーシング内を覆うことができる。
【００２４】
効率は、基準電位に維持されている表面をシールドすることによって改善され、ターゲットのワークピースの表面での電界を高めるために必要となるものではない。本発明の実施の形態では、注入室の導電性壁部分及び導電性ワーク支持体が誘電体でシールドされ、これにより、電極に対して負の電位を有する注入室内の露出した表面領域の総量（ワーク支持体及び注入室の内壁部分）を効果的に減少させる。
【００２５】
ワークピースは接地電位にあるので、本発明は、ワーク支持体およびワークピースの取扱い、機械的な走査、または他の動作を容易にし、イオンの注入量の均一化を改善することができる。また、注入量を測定するのに用いられるファラデーカップまたカロリーメータ等の装置が基準電位に維持されるので、本発明は、目標物の冷却及びイオン注入量の監視を簡単に行うことができる。
【００２６】
本発明のこれら及び他の目的、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であろう。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、イオン注入装置の全体図であり、この注入装置１０は、イオン処理を行うためにほぼ平坦なワークピース１４が挿入される処理室１２を有する。本発明の装置は、集積回路の製造中にシリコンウエハのイオン注入のために使用される。
【００２８】
図１に示されている注入装置は、一度に１つのウエハを処理室（イオン注入室）１２内に挿入するためのロードロック２０を備えている。このロードロック２０を使用することにより、ワークピースが処理室１２内あるいは室外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（大気圧に対して）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、または処理室１２から回収される時に開閉される。
【００２９】
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を形成する内壁２２を有している。ワークピース１４は、平坦な導電性のテーブルまたはワーク支持体３０上に位置される。ワーク支持体３０は、適当な寸法を有し、例えば、ワーク支持体上に支持されるワークピースの大きさに合う寸法を有している。
【００３０】
ワーク支持体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放出する。この領域３４は、イオン注入装置１０の動作中、イオンプラズマが作り出される。
【００３１】
イオン注入室（処理室）１２の外側にあるガス源３６は、注入室の壁を貫通してマニホールド３２に通じている導管３７を介してイオン化可能なガスを注入する。マニホールド３２は、導管３７からワークピース１４に面して整列された複数の開口（図示略）に通じる複数の分岐通路を有している。
【００３２】
一様に処理するためには、マニホールド３２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は図面において略円形であり、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を有している。
【００３３】
これに関して、複数のワークピース１４は、プラズマの電位的に一様でない領域を避けるために、略円形の支持体３０の端部から内側に距離を置いた支持体３０上に配置される。また、これら部材の端部の電界強度を制御するために、ワーク支持体３０、及びマニホールド３２（電極）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。
【００３４】
まず、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）にガスが入ると、正電荷の原子は、マニホールド３２が接地電位に維持されている間、マニホールド３２に印加される一連の正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。ここに開示する実施の形態では、単一のワークピース１４がワーク支持体３０上に支持されているが、本発明の装置を用いて、多数のワークピースを同時にイオン注入することもできる。
【００３５】
図１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集中を作り出すために使用される、相対的にバイアスをかける配置が示されている。この導電性のワーク支持体３０、ワークピース１４、及び処理室の壁部分２２は、全て接地電位である。正電圧パルスがマニホールド３２に印加されると、領域３４における比較的高い電界により、イオンが作り出されて支持体３０に向けて加速される。
【００３６】
モジュレータ回路（電子源または制御回路）１００が、処理室１２の外側に配置され、マニホールド３２に電圧パルスを印加する。従って、このマニホールド３２は、１つの電極として作用し、また、支持体３０も他の電極として作用する。商業的に受け入れられる多数の電源のうちのいずれか１つが、適切な電圧パルスを供給するために適している。
【００３７】
その一例として、高電力用ＩＧＦＥＴアセンブリを用いて電源を構成することができ、スイッチの閉成時に電圧パルスを発生し、スイッチの開成時に電圧パルスを停止する。このパルス１１２は、導管３７に電気的に結合された導体１１３によって印加され、本発明の好ましい形態では、導管３７は導電性物質から構成されている。代わりに、このパルスは、注入室の壁を貫いてマニホールド３２に直接連結された絶縁導体を通って導くこともできる。
【００３８】
好ましいモジュレータ回路１００は、連続するパルス１１２を供給する電源を含み、このパルスは、注入室内に注入されるガス分子をイオン化し、そしてこのイオン化されたガス分子を１つ以上のワークピース１４の注入表面に向かって加速する。
【００３９】
パルス１１２の繰り返し速度及びパルス持続時間は、グロー放電が生じてマニホールド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かつ維持されるように選択される。
【００４０】
プラズマ密度は、イオン化のためのパルスが取り除かれた後、再結合及び拡散によるミリ秒単位の時間で衰退する。連続してプラズマを維持するために、１秒当たり何千回またはそれ以上のパルス繰り返し率が必要である。しかし、低いパルス速度でも各パルスがある間、イオン化及び注入過程が起こり、低い比率でイオン注入が与えられる。
【００４１】
汚染を減少するために、本発明の実施の形態における支持体３０及びマニホールド３２は、シリコンによって被覆されたアルミニウムで形成されている。注入室の壁２２および／または支持体の非作業領域の少なくとも一部を適当な絶縁材料、例えば、水晶でライニングすることにより、電力消費と共に汚染を減少させることができる。
【００４２】
ワークピース１４を注入室内に挿入するためのロードロック２０を使用することにより、注入室１２の内部を排気状態のままに保つことができる。真空ポンプ１４０は、注入室１２とポンプ１４０の間に置かれたバルブ１４２によって規定される減じた圧力に注入室内部を保つ。
【００４３】
正のパルスが印加されたマニホールド３２に関連する電気力線は、ワークピース１４の表面を含み、注入室１２内でマニホールド３２に対して負の電位を有する表面領域（ワーク支持体及び注入室の内壁部分）に向けられる。絶縁性の誘電体４０を用いたマニホールド３２と配送導管、及び導電性のケーシング４２を基準電位に維持してシールドすることにより効率が改善される。
【００４４】
このシールドは、マニホールド３２に対面する領域の反対側にある、正のパルスが印加されたマニホールド３２の部分を覆うもので、それゆえ、ワークピースの表面またはその近くに電界を発生させる必要がない。マニホールド３２をシールドすることにより、マニホールド３２とワークピースの間の領域３４内の電気力線を集中させることができ、そして注入室１２の内部領域２４内のいずれの部分でも電界強度が減少する。
【００４５】
誘電体４０を用いることにより、モジュレータ回路１００によって駆動される負荷を減少し、これにより、モジュレータ回路１００により消費される電力を減少させる。ケーシング４２を用いて、導管３７に関連する電界が誘電体４０内に含まれるので、加速するイオン及び電子に関連した負荷を生じない。
【００４６】
ケーシング４２を用いない場合、シールドは、与えられているが効率が減少する。ケーシング４２がなければ、誘電体４０の外部表面は、プラズマを形成する電子の流れによって接地電位に保たれる。
【００４７】
図１は、イオン注入装置１０を示し、この注入装置は注入室１２でイオンを増大するために紫外線光源１０２を含んでいる。このイオン注入室１２は、光源１０２から紫外線の通路に送るための窓を有する。この紫外線は、注入室１２を通り、マニホールド３２と支持体３０の間の領域に向かい、そして、ワークピース１４の比較のイオン化領域において、マニホールド３２を介して注入室に入るガス原子のイオン化を促進する。
【００４８】
効率は、注入室１２の表面領域をシールドすることによっても改善することができ、この注入室は、正のパルスが印加されたマニホールド３２に対して負の電位に維持され、そしてワークピース１４の近くまたはその表面に電界を与える必要がない。
【００４９】
図２に示すように、注入室１２の内壁部分２２をシールドするために、誘電体５０を用いることができる。誘電体５０の内側表面５１は、正のイオンが衝突し、そして、二次電子が出る誘電体表面５１によって正に帯電し、マニホールド３２と同一の電位となる。
【００５０】
誘電体５０は、電界が誘電体５１の表面またはその近くのイオンプラズマを通過するのを阻止する。その結果、この領域では、イオン化また加速されるガス分子が減少し、そして、モジュレータ回路１００に導かれた対応する負荷も減少する。
【００５１】
図３は、本発明に従う別のイオン注入装置を示している。この注入装置は、正のパルスが印加されたマニホールド３２に対して負の電位を有するイオン注入室１２内の表面領域の総量を減少する。この形態では、イオン注入装置１０の部品は、正のパルスが印加される。
【００５２】
図３に示すように、イオン源６０及びこれに供給されるイオン化可能な物質の供給源６１は、モジュレータ回路１００によって正のパルスが印加されて高電位となっている。イオン源６０は、誘導的に結合したプラズマ［inductively coupled plasma（ＩＣＰ）] 、ヘリコン(helicon) 、ＥＣＲまたはマイクロ波ソース等の多数の商業的に利用されているソースの１つを含んでいる。
【００５３】
絶縁プレート６３および絶縁リング６４は、イオン注入装置１０の正のパルスが印加された部分を、負の電位を有するワークピース１４の表面領域から分離する。
【００５４】
モジュレータ回路１００の負荷は、マニホールド３２に対して負の電位にある選択された表面領域をシールドするためにバイアスされたグリッドを用いることにより減少する。本実施の形態では、図４に示すように、金属製のグリッド７０が，注入室１２の内壁２２の表面からほぼ１ｃｍ離れて平行に配置されている。絶縁スペーサまたは支柱７１が、グリッド７０を注入室の内壁２２から分離している。互いに電気的に連結しているグリッド７０は、図４の符号１１４で示すように内壁２２に対して負にバイアスされ、その結果、イオン衝撃によって内壁２２の表面に生じる二次電子が、バイアスされたグリッド７０によって抑制される。
【００５５】
本発明によれば、高電圧が印加されると、グリッド７０の表面近くの電界強度は、内壁２２にグリッド７０を設けない場合よりも数倍高くなる。しかし、プラズマシース(plasma sheath) がグリッド７０から離れて広がるので、シース境界部での電界強度は、通常のレベルとなり、シースの拡張も通常の速さである。
【００５６】
グリッド７０がないと、正のイオンが衝突する表面は、マニホールド３２に対して負の電位を有し、イオンに対する電子の割合が５倍程高い二次電子を発生する。グリッド７０を備えると、低いバイアス電圧でも十分に、関連する二次電子の負荷電流を減少させることができる。グリッドの影響により、電子放出の表面領域が減少する。このバイアス電圧は、二次電子の負荷を減少させるのに必要であり、外形状に応じて約５０〜１５０ボルトの範囲の非常に低い値である。
【００５７】
本発明の変形例をある程度限定して説明してきたが。本発明は、添付された特許請求の範囲またはその技術的思想に含まれる全ての変更や修正を含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の好ましい実施の形態に従って構成されたイオン注入装置の概略図である。
【図２】図２は、本発明の別の実施の形態に従って構成されたイオン注入装置の概略図である。
【図３】図３は、本発明のもう１つの実施の形態に従って構成されたイオン注入装置の概略図である。
【図４】図４は、さらに、本発明のもう１つの実施の形態に従って構成されたイオン注入装置の概略図である。
【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 内壁部分
２４ 室内部
３０ ワーク支持体
３２ マニホールド（電極）
３４ 領域
３６ ガス供給源
６０ イオン源
１００ モジュレータ回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワークピースをイオンプラズマ内に侵入させ、そしてプラズマ内のイオンを加速してワークピースにイオンを注入することにより、ワークピースにイオン不純物を注入するイオン注入装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
商業的に有益なイオン注入装置は、注入室から離れたイオン源室を有するイオン源を使用し、このイオン源において、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。
【０００３】
イオンが生成され、分析され、そして加速されて、イオンビームが形成されるように、イオン源室の出口開口からイオンが放出される。
【０００４】
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、一般的には、円形のウエハに衝突する。このウエハは、注入室内に配置されている。イオンビームは、イオンをウエハに衝突させるのに十分なエネルギーを有しており、イオンが注入室内のウエハに浸透するようになっている。
【０００５】
このような装置における一般的な利用では、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。
【０００６】
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。この注入技術のための装置は、大きく、複雑で、高価であり、また、低いエネルギーでイオンを注入できるようにその能力が制限されている。
【０００７】
「プラズマ源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号明細書には、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装置が開示されている。密閉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、イオンビームを介してターゲットを走査することなく、プラズマからのイオンはあらゆる面からターゲット対象物に指向される。
【０００８】
この注入は、１つ以上のワークピースに高電圧の負の繰り返しパルスを加えることによって達成される。これらのパルスは、イオンをターゲットの露出面に指向させる。
【０００９】
前述の米国特許第４７６４３９４号明細書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。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
リーベルマンによるプラズマ注入プロセスの理論的研究によれば、急激な負電圧がターゲットのワークピースに印加されると、表面近くの電子は、ワークピースの回りの領域からナノ秒以内に離れて、イオン マトリックス シース(ion matrix sheath) を均一な密度にすることが、エム．エイ．リーベルマン(M.A.Lieberman) の「プラズマ侵入によるイオン注入モデル」［J.Applied Physics ，６６（１９８９年）第２９２６頁参照］に示されている。
【００１１】
その後、シース内のイオンは、反転イオンプラズマ周波数の時間尺度で、加速され、１つまたはそれ以上のワークピース内へ侵入する。次に、このイオンは、ターゲットのワークピースから、さらに、シース境界部へと移動し、ワークピース内に向かう、より多くのイオンを放出する。
【００１２】
より多く時間が経過すると、定常状態のイオンが一般的に空間電荷状態に発展する。約１ｃｍ厚さのシースがマイクロ秒単位内で発達する。この点については、エム．エム．シャミン(M.M.Shamim)等の「プラズマ源によるイオン注入におけるエネルギーのイオン衝撃手段による電子放出の測定」［J.Applied Physics ，７０（１９９１年）第４７５６頁］を見られたい。
【００１３】
プラズマ内の電界は、低く、かつほぼ全ての電位がターゲットに加えられて、シースを横断するイオンを加速する。一般的に、プラズマからのイオンがターゲット表面に衝突するとき、二次電子が作り出される。これらの二次電子は、ターゲットからシース間の電圧降下を介して加速され、そして、密閉室の壁面で終端する。二次電子放出係数の一般的な議論は、エス．クイン(S.Qin) 等の「有限上昇時間における高電圧パルスに対するマイクロウエーブ マルチポラー(Multipoar) バケットプラズマの応答」［ＩＥＥＥ議事録 Ｐｌａｓ，Ｓｃｉ，２０（１９９２年）第５６９頁を参照されたい。
【００１４】
コンラッドの特許に開示されているこのようないくつかのイオン注入装置は、接地電位に注入室を保つとともに、ターゲットのワークピースに相対的に負電位のパルスを印加する。ほぼ平坦なターゲットのワークピースは、半導体ウエハまたは平坦なパネルディスプレイ基板等の一面側を処理する必要があるので、負のパルスをターゲットに印加するイオン注入装置は、好ましいものではない。このようなイオン注入装置において、ターゲットワークピースは、一般的に高い負電位にまで上昇させなければならない。
【００１５】
このことは、ワークピースの取扱いをより困難で複雑ものとし、またこれらの装置は高い負電位を受けるので、ファラデーカップまたはカロリーメータ(calormeters) 等の監視装置によってターゲットのワークピースにおいてチャージコレクターに配給される電位を監視する。
【００１６】
本発明の目的は、イオン注入よりターゲットのワークピースの表面を処理するのための新規でかつ改良された方法及び装置を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は各請求項に記載の構成を有している。本発明によれば、ターゲットのワークピースは、基準電位に維持され、かつワークピースの表面近くの電界は、ワークピース近くの導電体の電極に正の電圧パルスを供給することにより生じる。
【００１８】
電力消費を減ずるために、正のパルスが供給される電極に対して負の電位を有するイオン注入室内の表面領域が減少される。イオン注入のために必要とされる全電流は減じられ、それに従って、イオン注入に必要な電力量もまた減じられる。
【００１９】
本発明の好ましい実施の形態において、１つ以上のワークピースは、イオン注入室の内部領域内で１つ以上のワークピースを支持する導電性のワーク支持体によって支持される。イオン注入室は、室内部に接近する導電性の内側壁部分を有する。イオン注入室内にはまた、導電性の電極が配置され、この電極は、導電性のワーク支持体に対して位置決められている。当然、荷電ガス分子が、イオン注入室内に放出され、イオン化ガスまたはイオン化プラズマがワークピースの注入表面の近くに形成されるように、順次イオン化される。
【００２０】
本発明の特徴によれば、導電性のワーク支持体、ワークピース、及びイオン注入室の導電性の内壁部分は、全て同一の基準電位に維持される。また、前記電極に対して負の電位を有する前記ワーク支持体及び前記注入室の内壁部分を誘電体でシールドする。導電性の電極には、この基準電位に関連して正のパルスが供給され、ガス分子から形成されたイオンが、ワークピースの注入表面に衝突する前に加速されるようにするための電界が与えられる。
【００２１】
イオン注入のために必要なプラズマ状態の発生は、ワークピースの表面、またはそれに近い部分での電界によって決定され、その効率は、ワークピースに直接対向しないが相対的に正のパルスが供給される表面をほぼシールドすることによって改善することができる。
【００２２】
好ましい実施の形態では、電極は、パルスが発展するにつれてこの電極に関連する電気力線がその電極内に集中するように誘電体でシールドされ、この誘電体のに近接する室内部内には集中しない。
【００２３】
選択的に、誘電体は、基準電位に維持されているケーシング内を覆うことができる。
【００２４】
効率は、基準電位に維持されている表面をシールドすることによって改善され、ターゲットのワークピースの表面での電界を高めるために必要となるものではない。本発明の実施の形態では、注入室の導電性壁部分及び導電性ワーク支持体が誘電体でシールドされ、これにより、電極に対して負の電位を有する注入室内の露出した表面領域の総量（ワーク支持体及び注入室の内壁部分）を効果的に減少させる。
【００２５】
ワークピースは接地電位にあるので、本発明は、ワーク支持体およびワークピースの取扱い、機械的な走査、または他の動作を容易にし、イオンの注入量の均一化を改善することができる。また、注入量を測定するのに用いられるファラデーカップまたカロリーメータ等の装置が基準電位に維持されるので、本発明は、目標物の冷却及びイオン注入量の監視を簡単に行うことができる。
【００２６】
本発明のこれら及び他の目的、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であろう。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、イオン注入装置の全体図であり、この注入装置１０は、イオン処理を行うためにほぼ平坦なワークピース１４が挿入される処理室１２を有する。本発明の装置は、集積回路の製造中にシリコンウエハのイオン注入のために使用される。
【００２８】
図１に示されている注入装置は、一度に１つのウエハを処理室（イオン注入室）１２内に挿入するためのロードロック２０を備えている。このロードロック２０を使用することにより、ワークピースが処理室１２内あるいは室外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（大気圧に対して）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、または処理室１２から回収される時に開閉される。
【００２９】
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を形成する内壁２２を有している。ワークピース１４は、平坦な導電性のテーブルまたはワーク支持体３０上に位置される。ワーク支持体３０は、適当な寸法を有し、例えば、ワーク支持体上に支持されるワークピースの大きさに合う寸法を有している。
【００３０】
ワーク支持体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放出する。この領域３４は、イオン注入装置１０の動作中、イオンプラズマが作り出される。
【００３１】
イオン注入室（処理室）１２の外側にあるガス源３６は、注入室の壁を貫通してマニホールド３２に通じている導管３７を介してイオン化可能なガスを注入する。マニホールド３２は、導管３７からワークピース１４に面して整列された複数の開口（図示略）に通じる複数の分岐通路を有している。
【００３２】
一様に処理するためには、マニホールド３２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は図面において略円形であり、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を有している。
【００３３】
これに関して、複数のワークピース１４は、プラズマの電位的に一様でない領域を避けるために、略円形の支持体３０の端部から内側に距離を置いた支持体３０上に配置される。また、これら部材の端部の電界強度を制御するために、ワーク支持体３０、及びマニホールド３２（電極）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。
【００３４】
まず、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）にガスが入ると、正電荷の原子は、マニホールド３２が接地電位に維持されている間、マニホールド３２に印加される一連の正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。ここに開示する実施の形態では、単一のワークピース１４がワーク支持体３０上に支持されているが、本発明の装置を用いて、多数のワークピースを同時にイオン注入することもできる。
【００３５】
図１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集中を作り出すために使用される、相対的にバイアスをかける配置が示されている。この導電性のワーク支持体３０、ワークピース１４、及び処理室の壁部分２２は、全て接地電位である。正電圧パルスがマニホールド３２に印加されると、領域３４における比較的高い電界により、イオンが作り出されて支持体３０に向けて加速される。
【００３６】
モジュレータ回路（電子源または制御回路）１００が、処理室１２の外側に配置され、マニホールド３２に電圧パルスを印加する。従って、このマニホールド３２は、１つの電極として作用し、また、支持体３０も他の電極として作用する。商業的に受け入れられる多数の電源のうちのいずれか１つが、適切な電圧パルスを供給するために適している。
【００３７】
その一例として、高電力用ＩＧＦＥＴアセンブリを用いて電源を構成することができ、スイッチの閉成時に電圧パルスを発生し、スイッチの開成時に電圧パルスを停止する。このパルス１１２は、導管３７に電気的に結合された導体１１３によって印加され、本発明の好ましい形態では、導管３７は導電性物質から構成されている。代わりに、このパルスは、注入室の壁を貫いてマニホールド３２に直接連結された絶縁導体を通って導くこともできる。
【００３８】
好ましいモジュレータ回路１００は、連続するパルス１１２を供給する電源を含み、このパルスは、注入室内に注入されるガス分子をイオン化し、そしてこのイオン化されたガス分子を１つ以上のワークピース１４の注入表面に向かって加速する。
【００３９】
パルス１１２の繰り返し速度及びパルス持続時間は、グロー放電が生じてマニホールド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かつ維持されるように選択される。
【００４０】
プラズマ密度は、イオン化のためのパルスが取り除かれた後、再結合及び拡散によるミリ秒単位の時間で衰退する。連続してプラズマを維持するために、１秒当たり何千回またはそれ以上のパルス繰り返し率が必要である。しかし、低いパルス速度でも各パルスがある間、イオン化及び注入過程が起こり、低い比率でイオン注入が与えられる。
【００４１】
汚染を減少するために、本発明の実施の形態における支持体３０及びマニホールド３２は、シリコンによって被覆されたアルミニウムで形成されている。注入室の壁２２および／または支持体の非作業領域の少なくとも一部を適当な絶縁材料、例えば、水晶でライニングすることにより、電力消費と共に汚染を減少させることができる。
【００４２】
ワークピース１４を注入室内に挿入するためのロードロック２０を使用することにより、注入室１２の内部を排気状態のままに保つことができる。真空ポンプ１４０は、注入室１２とポンプ１４０の間に置かれたバルブ１４２によって規定される減じた圧力に注入室内部を保つ。
【００４３】
正のパルスが印加されたマニホールド３２に関連する電気力線は、ワークピース１４の表面を含み、注入室１２内でマニホールド３２に対して負の電位を有する表面領域（ワーク支持体及び注入室の内壁部分）に向けられる。絶縁性の誘電体４０を用いたマニホールド３２と配送導管、及び導電性のケーシング４２を基準電位に維持してシールドすることにより効率が改善される。
【００４４】
このシールドは、マニホールド３２に対面する領域の反対側にある、正のパルスが印加されたマニホールド３２の部分を覆うもので、それゆえ、ワークピースの表面またはその近くに電界を発生させる必要がない。マニホールド３２をシールドすることにより、マニホールド３２とワークピースの間の領域３４内の電気力線を集中させることができ、そして注入室１２の内部領域２４内のいずれの部分でも電界強度が減少する。
【００４５】
誘電体４０を用いることにより、モジュレータ回路１００によって駆動される負荷を減少し、これにより、モジュレータ回路１００により消費される電力を減少させる。ケーシング４２を用いて、導管３７に関連する電界が誘電体４０内に含まれるので、加速するイオン及び電子に関連した負荷を生じない。
【００４６】
ケーシング４２を用いない場合、シールドは、与えられているが効率が減少する。ケーシング４２がなければ、誘電体４０の外部表面は、プラズマを形成する電子の流れによって接地電位に保たれる。
【００４７】
図１は、イオン注入装置１０を示し、この注入装置は注入室１２でイオンを増大するために紫外線光源１０２を含んでいる。このイオン注入室１２は、光源１０２から紫外線の通路に送るための窓を有する。この紫外線は、注入室１２を通り、マニホールド３２と支持体３０の間の領域に向かい、そして、ワークピース１４の比較のイオン化領域において、マニホールド３２を介して注入室に入るガス原子のイオン化を促進する。
【００４８】
効率は、注入室１２の表面領域をシールドすることによっても改善することができ、この注入室は、正のパルスが印加されたマニホールド３２に対して負の電位に維持され、そしてワークピース１４の近くまたはその表面に電界を与える必要がない。
【００４９】
図２に示すように、注入室１２の内壁部分２２をシールドするために、誘電体５０を用いることができる。誘電体５０の内側表面５１は、正のイオンが衝突し、そして、二次電子が出る誘電体表面５１によって正に帯電し、マニホールド３２と同一の電位となる。
【００５０】
誘電体５０は、電界が誘電体５１の表面またはその近くのイオンプラズマを通過するのを阻止する。その結果、この領域では、イオン化また加速されるガス分子が減少し、そして、モジュレータ回路１００に導かれた対応する負荷も減少する。
【００５１】
図３は、本発明に従う別のイオン注入装置を示している。この注入装置は、正のパルスが印加されたマニホールド３２に対して負の電位を有するイオン注入室１２内の表面領域の総量を減少する。この形態では、イオン注入装置１０の部品は、正のパルスが印加される。
【００５２】
図３に示すように、イオン源６０及びこれに供給されるイオン化可能な物質の供給源６１は、モジュレータ回路１００によって正のパルスが印加されて高電位となっている。イオン源６０は、誘導的に結合したプラズマ［inductively coupled plasma（ＩＣＰ）] 、ヘリコン(helicon) 、ＥＣＲまたはマイクロ波ソース等の多数の商業的に利用されているソースの１つを含んでいる。
【００５３】
絶縁プレート６３および絶縁リング６４は、イオン注入装置１０の正のパルスが印加された部分を、負の電位を有するワークピース１４の表面領域から分離する。
【００５４】
モジュレータ回路１００の負荷は、マニホールド３２に対して負の電位にある選択された表面領域をシールドするためにバイアスされたグリッドを用いることにより減少する。本実施の形態では、図４に示すように、金属製のグリッド７０が，注入室１２の内壁２２の表面からほぼ１ｃｍ離れて平行に配置されている。絶縁スペーサまたは支柱７１が、グリッド７０を注入室の内壁２２から分離している。互いに電気的に連結しているグリッド７０は、図４の符号１１４で示すように内壁２２に対して負にバイアスされ、その結果、イオン衝撃によって内壁２２の表面に生じる二次電子が、バイアスされたグリッド７０によって抑制される。
【００５５】
本発明によれば、高電圧が印加されると、グリッド７０の表面近くの電界強度は、内壁２２にグリッド７０を設けない場合よりも数倍高くなる。しかし、プラズマシース(plasma sheath) がグリッド７０から離れて広がるので、シース境界部での電界強度は、通常のレベルとなり、シースの拡張も通常の速さである。
【００５６】
グリッド７０がないと、正のイオンが衝突する表面は、マニホールド３２に対して負の電位を有し、イオンに対する電子の割合が５倍程高い二次電子を発生する。グリッド７０を備えると、低いバイアス電圧でも十分に、関連する二次電子の負荷電流を減少させることができる。グリッドの影響により、電子放出の表面領域が減少する。このバイアス電圧は、二次電子の負荷を減少させるのに必要であり、外形状に応じて約５０〜１５０ボルトの範囲の非常に低い値である。
【００５７】
本発明の変形例をある程度限定して説明してきたが。本発明は、添付された特許請求の範囲またはその技術的思想に含まれる全ての変更や修正を含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の好ましい実施の形態に従って構成されたイオン注入装置の概略図である。
【図２】図２は、本発明の別の実施の形態に従って構成されたイオン注入装置の概略図である。
【図３】図３は、本発明のもう１つの実施の形態に従って構成されたイオン注入装置の概略図である。
【図４】図４は、さらに、本発明のもう１つの実施の形態に従って構成されたイオン注入装置の概略図である。
【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 内壁部分
２４ 室内部
３０ ワーク支持体
３２ マニホールド（電極）
３４ 領域
３６ ガス供給源
６０ イオン源
１００ モジュレータ回路
Claims (23)
- ワークピースの表面にイオンを衝突させてこの表面を処理する方法であって、
(a) 室内部(24)を有し、かつ１つ以上のワークピース(14)を支持するための導電性のワーク支持体(30)を前記室内部(24)に配置し、さらにワークピースを、ワーク支持体上の、前記ワーク支持体と導電性の電極との間の領域に置くことができるように、前記ワーク支持体に対して導電性の電極を配置しているイオン注入室(12)を設け、
(b) １つ以上のワークピースをイオン注入室(12)に挿入して、ワークピースの注入表面が前記電極に対面するように、このワークピースを前記ワーク支持体(30)上に配置し、
(c) 前記ワーク支持体(30)、１つ以上のワークピース、及び前記イオン注入室(12)の導電性の内壁部分(22)を同一の基準電位に保ち、かつ前記電極に対して負の電位を有する前記ワーク支持体 (30) 及び前記注入室 (12) の内壁部分 (22) を誘電体でシールドし、
(d) 前記イオン注入室内のイオン化可能な注入物質を、前記ワーク支持体(30)によって支持される１つ以上のワークピースに近接して配置し、
(e) この注入物質をイオン化して、前記ワークピースの注入表面の近くにイオンプラズマを形成し、
(f) 電界を介してプラズマ内のイオンを加速して、前記ワークピースの注入表面にイオンを衝突させる、各工程を含んでいることを特徴とするワークピースの表面を処理する方法。 - 前記イオンを加速する工程が、基準電位に対して正の電圧パルス(112) を用いて、電気的にパルスを電極に加えることにより行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
- 電気的にパルスを電極に加える工程は、ガス分子をイオン化し、かつこのイオン化されたガス分子を加速することを特徴としている請求項２記載の方法。
- イオン化可能な注入物質は、中性ガス分子から作られ、かつこのイオン化工程は、電子源(100) からの電界を印加することにより行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
- イオン化工程は、ＩＣＰ、ヘリコン(helicon) 、ＥＣＲ、マイクロ波ソースを含むグループから選択したイオン源(60)を用いて、ガス分子をイオン化することからなる請求項１記載の方法。
- 誘電体(50)を用いて電極のための支持構造をシールドする工程をさらに含み、前記電極のワーク支持体(30)に関連した電気力線が、前記誘電体内に集中して、この誘電体に極めて接近した室内部(24)内には集中しないことを特徴とする請求項１記載の方法。
- ケーシング内の前記誘電体(50)の外部部分を覆い、かつこのケーシングを基準電位に維持する付加的な工程を含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
- 前記ワーク支持体(30)及び前記注入室 (12) の内壁部分 (22) を誘電体(50)でシールドする工程は、前記電極に対して負電位にある注入室(12)内の表面領域の総量を減少させ、そして、イオン化されたガス分子が注入されるようにすることを特徴とする請求項１記載の方法。
- 前記内壁部分(22)の内側領域をシールドするための誘電体(50)をさらに含み、前記イオン化されたガス分子が衝突し、そして、この領域の表面に二次電子が出て、前記誘電体(50)が電極(32)の電位とほぼ同一の正電位となるようにさせ、これにより、前記電極に対して負電位にある注入室(12)内の表面領域の総量を減少させ、そして、イオン化されたガス分子が注入されるようにすることを特徴とする請求項１記載の方法。
- イオン注入室(12)は、この注入室の内壁部分からイオン源(60)を分離するための絶縁体(63,64) をさらに含み、前記イオン源は、前記電極(32)の電位とほぼ同一の正の電位となるように電気的にパルスを加えるようになっており、これにより、前記電極に対して負電位にある注入室(12)内の表面領域の総量を減少させ、そして、イオン化されたガス分子が注入されるようにすることを特徴とする請求項１記載の方法。
- 金属製グリッド(70)によって、前記イオン注入室(12)の内壁部分(22)をシールドし、また、前記内壁部分に対して前記グリッドの表面を負の電位にバイアスをかける工程をさらに有しており、前記内壁部分で発生する二次電子がかなり抑制され、これにより、前記電極に対して負電位にある注入室(12)内の表面領域の総量を減少させ、そして、前記電極から二次電子が放出できるようにすることを特徴とする請求項１記載の方法。
- 前記イオン化工程は、紫外線放射が紫外線光源(102) からのイオン化室の領域を通過させる副工程を含んでいることを特徴とする請求項１記載の方法。
- ワークピースの表面にイオンを衝突させてこの注入表面を処理する装置であって、
(a) 室内部(24)を形成し、その中に１つ以上のワークピース(14)を挿入可能であり、前記室内部に接した導電性の内壁部分(22)を有しているイオン注入室(12)と、
(b) このイオン注入室(12)の内部領域内に延びている導電性のワーク支持体(30)と、
(c) このワーク支持体(30)に対してイオン注入室内に配置され、前記ワーク支持体上にあってこの支持体(30)との間の領域(34)に前記ワークピース(14)を配置できるようにする導電性の電極(32)と、
(d) イオン化可能な注入物質を前記イオン注入室内に注入し、イオン化したイオンのプラズマが１つ以上のワークピースの注入表面の近くに形成されるように前記注入物質をイオン化するための手段(36,61,60)と、
(e) 前記ワーク支持体 (30) と前記イオン注入室 (12) の内壁部分 (22) を同一の基準電位に維持するための手段と、
(f) 前記電極に対して負の電位を有する前記ワーク支持体 (30) 及び前記注入室 (12) の内壁部分 (22) を誘電体でシールドする手段と、
(g) 前記ワーク支持体(30)、１つ以上のワークピース、及び前記イオン注入室(12)の内壁部分(22)に対して正の電位となるように前記電極に電気的にパルスを与え、かつイオンが前記ワークピースの注入表面に衝突する前にイオンを加速する電界を形成する電源を含んでいる制御回路(100) とを備えていることを特徴とするワークピースの処理装置。 - 前記電源は、高電力用ＩＧＦＥＴアセンブリ等のソリッドステートスイッチを含み、スイッチの閉位置で電圧パルスを開始し、スイッチの開位置で電圧パルスを停止させることを特徴とする請求項１３記載のワークピースの処理装置。
- 前記電極をシールドするための誘電体(40)をさらに含み、前記電極に関連した電気力線が、この誘電体を通過し、前記電極に近接するイオン化したガス内には通らないことを特徴とする請求項１３記載のワークピースの処理装置。
- 前記電極をシールドするための前記誘電体 (40)の外側部分をほぼシールドするためのケーシング(42)をさらに含んでいることを特徴とする請求項１５記載のワークピースの処理装置。
- 前記ケーシング(42)を基準電位に維持するための手段をさらに含むことを特徴とする請求項１５記載のワークピースの処理装置。
- 前記ワーク支持体(30)及び前記注入室 (12) の内壁部分 (22) を誘電体（ 50 ）でシールドする手段は、前記電極に対して負電位にある前記注入室(12)内の表面領域の総量を減少させ、そして、イオン化されたガス分子が注入されるようにすることを特徴とする請求項１３記載のワークピースの処理装置。
- 前記内壁部分(22)の内側領域をシールドするための誘電体（ 50 ）をさらに含み、前記イオン化したガス分子が衝突し、そして、この領域の表面から二次電子を放出し、前記誘電体(50)が電極(32)の電位とほぼ同一の正電位となるようにさせ、これにより、前記電極に対して負電位にある注入室(12)内の表面領域の総量を減少させ、そして、イオン化されたガス分子が注入されるようにすることを特徴とする請求項１３記載のワークピースの処理装置。
- 前記イオン注入室(12)は、この注入室の内壁部分(22)からイオン源(60)を分離するための絶縁体(63,64) をさらに含み、前記イオン源は、電極(32)の電位とほぼ同一の正電位となるように電気的にパルスを加えるようになっており、これにより、前記電極に対して負電位にある注入室(12)内の表面領域の総量を減少させ、そして、イオン化されたガス分子が注入されるようにすることを特徴とする請求項１３記載のワークピースの処理装置。
- 前記内壁部分をシールドするために、前記イオン注入室(12)の前記内壁部分(22)から離間した、負バイアスの金属製グリッド(70)をさらに含み、これにより、前記電極に対して負電位にある注入室(12)内の表面領域の総量を減少させ、そして、イオン化されたガス分子が注入されるようにすることを特徴とする請求項１３記載のワークピースの処理装置。
- 前記金属製グリッド(70)の表面にバイアスを加える手段(114) をさらに含み、導電性の内壁部分(22)に発生する二次電子がかなり抑制され、これにより、前記導電性の電極に対して負電位にある注入室(12)内の表面領域の総量を減少させ、そして、イオン化されたガス分子が注入されるようにすることを特徴とする請求項２１記載のワークピースの処理装置。
- １つ以上のワークピースの近くのイオン注入室の領域(34)に、紫外線エネルギーを通過させるようにするための紫外線光源(102) を備えていることを特徴とする請求項１３記載のワークピースの処理装置。
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