JPH07101603B2

JPH07101603B2 - 電荷検出装置を有するイオン注入装置及び蓄積される電荷の制御方法

Info

Publication number: JPH07101603B2
Application number: JP61163516A
Authority: JP
Inventors: ヘンリーローズピーター; ファーレイマービン
Original assignee: イ−トンコ−ポレ−シヨン
Priority date: 1985-07-11
Filing date: 1986-07-11
Publication date: 1995-11-01
Anticipated expiration: 2010-11-01
Also published as: DE3623441A1; JPS6215745A; US4675530A; DE3623441C2

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、加工品のビーム処理中の電荷蓄積を検出する
電荷検出器を備えるイオン注入装置に関する。

（従来の技術）イオン注入装置は、粒子を加工品に衝突させることによ
って加工品を処理するのに利用される。ライディング
（Ryding）への米国特許明細書第4,234,797号およびベ
ンベニステ（Benveniste）への米国特許明細書第4,419,
584号では、半導体基板をドーピングするのに適したイ
オン注入装置を開示している。これらの従来技術の特許
についての内容は、ここに参考として包含されている。

半導体ウエハのような加工品は、イオン粒子の注入中に
帯電される。この帯電の理由は複雑であって、基礎的レ
ベルでは、十分理解されていない。経験的事実に基づい
て、イオンビームそれ自体によって加工品に注入された
電荷に加えて、加工品の近傍に電子またはガスイオンか
ら注入された別の電荷もあり得るし、さらにウエハから
放出される陽イオンおよび電子の両方もあり得る。ウエ
ハの帯電は、注入ビームが中性粒子から構成される場合
ならびにそれが陽イオンあるいは陰イオンである場合に
生じる。注入ビームの正味電荷がビームに注入された電
子によって中性にされる場合でもウエハの帯電を生じ
る。

イオン注入中のウエハの表面における正味電荷は、一般
的に正であり、この正味電荷から生じる、加工品の表面
と、その近くで接地された導体との間の電圧勾配は、種
々の理由から望ましくない。蓄積された電荷は、加工品
から接地された背板へ向って電気的な放電を生じること
がある。加工品は、0.05cmに薄くすることができるの
で、500ボルトの表面電圧によって１万ボルト/cmの電界
を発生し、その結果、電気的に破壊される。

表面の電圧勾配は、それに伴う電子とともにイオンビー
ムの電荷中立性に反対の影響を与えることがあり得る。
イオンビームの電荷中立性は、維持されて高電流密度ビ
ームにおける空間電荷によるビームの破壊を防止する。
電荷中立性は、加工品から上流に向かってイオンビーム
に低エネルギー電子をもたらし、イオンの正電荷を補償
することによって達成される。加工品における正（負）
電圧は、低エネルギー電子を吸引（反発）し、ビームの
中立性を破壊し、そして望ましくないビーム破壊の原因
となる。

最終的に、表面電圧勾配によって注入ビームを偏向さ
せ、そのエネルギーを変えることもできる。ビーム偏向
によって、ウエハを横切る注入量の分布に許容できない
不均衡を引き起こすこともあり得る。これらすべての理
由のために、電荷の蓄積から生じる加工品の表面におけ
る電圧は、許容値、すなわち一般的には100ボルトより
低く、ある場合には10ボルトより低く保持されることが
重要である。

電荷検出装置の必要性ならびにその感度と時間応答につ
いての要求は、イオン注入ビームにより正味電荷を加工
品範囲に沈積させることによって、半径Ｒの一般的な半
導体加工品ウエハ基板の一様な帯電を考慮すれば明らか
である。

半導体製造装置のイオン注入において、生じる電流密度
の一般的な数値は、10A/m²のオーダーであり、もしその
全電流が加工品を帯電させるとすれば、電荷密度は毎秒
10クーロン/m²の割合で増大するであろう。電荷の蓄積
から生じるボルト単位での電位は、円形の加工品ディス
クの中心を通る軸に沿う両点および加工品の周囲に沿っ
た点に対して判定することができる。

円板の中心から距離Ｚの軸沿いの点に対して、一様な電
荷密度σから生じる電圧Ｖは以下の公式により与えられ
る。

Ｖ＝5.6×10¹⁰σ｛（Z²＋R²）^1/2−Ｚ｝（１）電荷により誘導された電荷は、加工品の前面に広くわた
っている。式（１）によれば、電圧は、５つの加工品半
径に等しい、軸に沿う距離においてなお最大値の10％と
なっている。一様に帯電されたディスクの中心からＲ
の、周辺での電圧は下記により与えられる。

Ｖ＝3.6×10¹⁰σＲ（２）これは、中心での電圧の約65％となっている。したがっ
て、加工品の電荷密度が一様である場合でさえ、ビーム
の経路を歪ませることのできる放射状電界が存在する。

典型的なイオンビームの注入の実行によって、加工品ウ
エハ上での電圧は決して100ボルトを越えてはならない
こと、そして、できれば10ボルト以下に保持されるべき
ことが必要である。これらの制約のために加工品へ流れ
る正味の電流に厳しい要求を課している。5cmの半径を
有する、典型的な加工品の中心での電圧は、１ナノアン
ペアの正味の電流流量を生じる場合に、360ボルト／秒
の割合で上がる。この電流流量は、加工品に注入される
典型的なイオン直流電流のそれの100万分の１である。

（発明が解決しようとする課題）以上明らかなように、加工品へのビーム注入中にあって
は、加工品表面における電荷蓄積の度合いを見る必要が
あるが、その必要性に応じられるものは、従来存在して
いない。

それゆえ、本発明の目的は、加工品のビーム処理中の電
荷の分布を正確に検出し得るようにすることである。

（課題を解決するための手段および作用）上記目的を達成するために、本発明は、請求項１および
請求項４に記載の構成を備えており、粒子ビーム注入装
置の必要性を十分満たす精度と感度によって、加工品に
蓄積される電荷を検出する。電荷密度および分布に関す
る知識を利用して電荷に蓄積に伴う電界の強さを損なわ
ないようにしている。これにより、加工品の完全性が保
証され、ビーム制御が維持される。

一般的な粒子ビーム注入装置は、粒子ビームを加工品に
向け、加工品表面に接触する粒子の分配を生じさせるビ
ーム源を含んでいる。一例として、このような装置は、
個々に帯電イオンビームの中で移動するように支持され
たウエハ形状の半導体材料をドーピング（不純物の注
入）するのに用いられる。

粒子ビームと加工品の表面との間の接触により電荷の蓄
積が生じるが、それは加工品の表面に関して位置決めさ
れた電荷検出器によって検出される。この電荷検出器
は、加工品から分離されかつそれと向い合う導体によっ
て、加工品上の電荷の分布状態を判定する。この導体に
は、加工品の表面上の電荷によって誘導される電荷が帯
電する。加工品から分離した導体に接続された電荷検出
回路は、導体における電荷の蓄積を検出し、それによっ
て、加工品表面の電荷の蓄積を検出する。

あるイオン注入装置では、いくつかの半導体ウエハが回
転ディスク上に支持されて荷電イオンのビームの中を移
動し、このビームによって半導体ウエハにドーピングが
行われる。この装置では、電荷検出回路に電荷積算器が
含まれており、それは、各ウエハが電荷検出器の導体を
通過して回転するにつれ、各ウエハの電荷密度に比例す
る時間変化信号を発生する。粒子イオンビームの衝突の
均一性は、そのような技術を利用して検出することがで
き、さらに、電荷密度に関する情報によって、消散させ
る蓄積電荷を制御するのに利用することができる。

この制御された電荷の消散は、ウエハの移動経路に近接
して設置された放電装置（電荷消散手段）を介して達成
される。通常、電子が各ウエハ表面に向けられて、ウエ
ハ上に粒子を衝突させることにより正電荷の蓄積を消散
させる。電荷検出回路と電荷消散手段の間に接続された
制御回路は、電荷の蓄積が発生する場合の電荷蓄積の割
合に対応して、電荷の放電（消散）の割合を調整する。

好ましい電荷検出器は、分離ハウジング内に入れられた
導体としての試験板を有し、この試験板はハウジングか
ら電気的に分離された導体平面を前側に有する。電荷検
出器は、回転支持体に近接して設置されているので、個
々の集積回路用ウエハがその試験板を通過する際に、ウ
エハの電荷が検出される。

上述のことから、本発明の目的は、イオン注入される加
工品のビーム処理中の電荷蓄積を検出し、ビーム粒子の
帯電を制御することであり、それによって粒子ビームの
加工品との接触によって生じた電荷の蓄積は監視されて
おり、さらに良好に制御されて電荷の蓄積による問題を
回避していることが理解される。

（実施例）本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１はイオ
ン注入装置10の概略構成図である。薄い円板形状の半導
体ウエハ12の加工品は、イオンビーム16の正面に一定角
速度ωで回転する支持体14上に保持されている。半導体
ウエハ12はこの支持体14と同一平面に配置することもで
きるし、あるいは図２に示すようにある角度（一般的に
は７゜）で保持することもできる。

イオンビーム源18からの正イオンビーム16は、イオン注
入において、周知の技術で加工品から上流に向かって
の、低エネルギー電子20の導入によって、電気的に中性
に保たれる。イオンビームの中立性にもかかわらず、ウ
エハ12は、図示されているように、一般的には正に帯電
する。電子源（電荷消散手段）22は、イオン注入中、ウ
エハ上に電子を拡散して、加工品への、または加工品か
ら流れる電流の、正味の電気的中立性を維持する。この
中立性からの偏りによってウエハ表面に電荷の蓄積と電
圧を生じさせる。

イオンビームを横切ったウエハは、電荷検出器の導体と
しての試験板30の正面を通過するのであるが、この試験
板はカバー34を有する絶縁ハウジング32内に入れられて
おり、このカバー（図２参照）は、ハウジング32と試験
板30から電気的に分離されている。カバー34は、通常は
絶縁体となっているが、電気的に浮動な導体であっても
よい。加工品の表面がホルダと同一平面になっている図
１の構成では、試験板とウエハを載置する面との間の間
隙は変わることがないので、本装置のキャパシタンスは
一定である。試験板30上の誘導電荷は、この試験板がウ
エハに重なっている面積に電荷密度を掛けたものの積分
によって与えられる。

ここで、電荷検出器は、ウエハ12が処理されるにつれて
ウエハ12に蓄積される電荷を検出するために、支持体14
に近接して取付けられており、しかも支持体14に対面す
る平面を有し、この平面がウエハ12から分離され、かつ
加工品12がこの平面を通過するとき、誘導電荷が前記平
面を有する導体、つまり試験板30に帯電するようになっ
ている。

帯電したウエハが、図3Aに示す試験板が見える線上に入
る場合に、試験板上の誘導電荷が増大する。試験板によ
って見える電荷面積の変化による最初の過度的応答の
後、試験板上の誘導電荷は、図3Bに示される位置での間
は一定値に達する。図3Cにおいて、加工品が試験板の視
界から移行する場合、試験板上の誘導電荷は減少する。

時間の関数としての誘導電荷は、図３において、積分器
で構成される電荷検出回路40へ入力される電流となって
いる。この電荷検出回路は、試験板30に誘導された電荷
を電圧信号に変えるもので、電荷検出回路40からの出力
信号は、フィードバックコンデンサ42の容量によって分
割される試験板上の全電荷に比例する。電荷検出回路の
時定数は、試験板の縁がウエハの縁にさしかかっている
時間に対しては短く、試験板がウエハを横切る時間に対
しては長い。次いで、電荷検出回路の出力電圧は、ウエ
ハ12の中心表面における電荷密度に比例する平均信号を
与える。

加工品における一様のならびに非一様の電荷密度から生
じる電流信号および電圧信号が図４に示されている。図
4A,図4Bに示す時間位置t₀,t₁,t₂は、それぞれ図3A,図3
B,図3Cに示される位置に対応する。加工品における一様
な正電荷分布の結果、図4Aに示される電圧分布とな
る。加工品が試験板30のそばを移動する場合には、図4A
に示すように電流は電荷検出回路内に流れて、その結
果、電荷検出回路の出力電圧は図4Aに示すようにな
る。加工品における電荷分布が一様でないが、例えば、
図4Bのように、ウエハの中心でピークなっている鐘型
分布である場合には、出力電圧は電荷検出回路の時定数
にわたって平均された電荷密度に対して比例しており、
図4Bに示すように現れる。

実際には、半導体ウエハ12は、図２で概略的に示すよう
に、加工品支持体14に対して７゜の角度で設置されてお
り、したがって加工品の表面と支持体とは同一平面では
ない。そこで、試験板が回転装置によって移動する場合
に、変化する容量のために電圧が誘導される。しかし、
そのような変化は、ウエハと試験板の間の重複部分の面
積の変化によるそれ基本的に同等であって、かつ上述の
過度的信号に含まれる。

誘導電荷のための電荷検出回路の時定数は、過度応答を
除去するように設定されるが、一方、ウエハ表面にわた
ってゆっくりと変化する適度の電荷を与えている。この
ことは、強力な発射ビームを利用する現在の水準の装置
製造にとって適している。ウエハ支持体の位置と回転速
度が一定なので、位置関係からもたらされる信号のアナ
ログ減衰がより規則的なものとなる。これによって、ウ
エハにわたる電荷分布を測定することができる。

高真空中を移動する帯電ウエハの理想的な配置におい
て、電荷密度の分布は試験板30を遮蔽せずに正確に測定
することができる。イオン注入装置の環境は理想には程
遠い。一般に、ビームの正味電荷を中立化するために、
残留ガスが装置内に導入される。ビーム粒子の拡張の結
果として、広いエネルギー分布状態を有するイオン及び
電子が量的には不揃いで運動している。これら周囲の帯
電粒子は、試験板に衝突するようなことがあれば、試験
板測定値を乱すような電流を生じる。

本発明の１つの特徴として、正面カバー34によって、直
流電流から試験板を分離している。この分離によって、
加工品上の電荷を測定するのに利用される誘導効果が明
らかになる。したがって、カバー34の表面は電気的に分
離されることが必要である。現在利用されている従来例
においては、この分離は、カバー表面を絶縁セラミック
から作ることにより完成される。別の実施例では、前表
面を薄い導体で作り、この導体をカバー34から電気的に
絶縁することによって分離を達成する。

較正適切に積算された誘導電流によって、加工品の電荷密度
を測定する。加工品表面の電圧は論理的には電荷密度か
ら推論できる。実際には、誘導電荷測定は電荷検出回路
の誘導出力電圧を測定することによって較正されるが、
この出力電圧は、較正された電源を介して回転する加工
品の導電複製品に既知の電荷を発生させることにより生
じる。様々な条件の下での多くのテストにより、前述の
ように本装置では、加工品の10ボルトの電位を即座に検
出できることが判明している。加工品上で検出できる最
小電位は、図３の電荷検出回路40に関して示されるよう
に約２ボルトである。

応答時間本発明の最も簡単な実施例では、図１に示すように、１
つの試験板30が置かれており、したがって、加工品の中
心は各イオン注入後、試験板の正面を横切る。一般的な
産業上の応用例では、ウエハは800rpmの割合で、11イン
チ（約27.94cm）の平均半径で回転する。ビームから回
転角度が15゜離れている試験板30を用いて、各注入の0.
5秒以内に電荷の測定が行われる。この時間は、ウエハ
上の電圧を効果的に監視するのには十分の短さであっ
て、その電圧が所定値を越えないようにしている。

制御試験板30からの信号は、ウエハ12に充満する電子の密度
を変えるこによって、ウエハの帯電を制御するのに利用
される。図５には、このような１つの制御装置50のブロ
ック図が示されている。制御回路50は、電荷検出回路40
を電荷消散手段22に接続するように構成され、電荷検出
器30により検出された電荷に応じて、１つまたはそれ以
上の加工品における電荷の消散を調整する。電検出回路
40からの出力電圧は、アナログ／ディジタル変換器52に
よってディジタル化される。次いで、ディジタル化信号
は、コントローラ53によって処理され、そして電子源22
に接続された電子充満制御回路54に出力される。

この電子源22は、電荷消散手段として、加工品の上へ制
御された電子を指向させることによってウエハ上の電荷
を消散させるために支持体12に近接して取付けられてい
る。図5Aの実施例では、電子源22は二次電子を放出する
ものであり、エミッタにおける一次電子源の加速電圧を
制御することによって、１秒当たりの二次電子数が容易
に制御される。この電子源22には、タングステンカソー
ドエミッタ60、抽出グリッド62、および一次電子を停止
させるターゲット64が含まれている。

一次電子は300電子ボルトまで加速され、ターゲット表
面と衝突するときに停止する。次いで、二次電子は、一
次電子のそれよりはるかに小さいエネルギーで、ターゲ
ット表面から放出される。ターゲットはほとんど０ボル
トにバイアスされているので、電子が放出するために必
要なエネルギーは、ターゲット材料の仕事関数となって
いる。

放出される二次電子数は、一次電子数と、ターゲット材
料へ放出される二次電子数に正比例する。放出される電
子エネルギー範囲は、仕事関数で始まり、300電子ボル
トまでの範囲を有しているが、最大多数の電子が、より
低いエネルギースペクトルで放出され、25eVで最大値に
達する。

ターゲット64は、電子の経路の大部分が注入表面の正面
でイオンビーム16と交差するように、位置決めされてい
る。これは、イオンビームがない場合に、注入面の負の
帯電化が最小になるという点が重要な特徴である。

電子源制御回路54にはフィラメント電源70、カソードバ
イアス電源72、および電子源22の一次電子流を制御する
電子回路が含まれている。一次電子流は、フィラメント
電源70の出力を変えることによって制御される。フィラ
メント電源の出力は、制御装置53からの一次電流入力76
とフィードバックした一次電流入力78との間における差
の関係として制御される。これらの２信号における差は
電源70に結合されて、カソードを通る電流を制御する。

増幅器U1は、一次電流Ipに比例する出力電圧を発生す
る。増幅器U2は、二次電流Isecに比例する出力電圧を発
生する。増幅器U3は、プリセットカソード電圧Vcとフィ
ードバックカソード電圧との間の差の関数として、FET
（Q1）のゲート／ソース電圧を制御することによって、
カソード電圧を制御する。増幅器U4はカソード電圧に比
例する出力電圧を発生する。

図5Aにおいて、重要な２つの電流ループである、一次ル
ープと二次ループがある。一次ループ電流は１オームの
抵抗器R1によって測定され、一方、二次電流ループは、
１オームの抵抗器R2によって測定される。図5Aの回路に
対して、説明されている電流についての下記の関係が保
持される。

I₁＝Ip I₂＝Ip−Isec I₃＝Isec ここで、Ipはカソードから放出された一次電流であり、
Isecはターゲット面から放出された二次電流である。

単一の試験板30は、支持体の各回転中、ウエハ12の所定
の弧状部分にわたる電荷の分布を判定する。この支持体
が商業的なイオン注入装置でよく行われるように、回転
中にビームを横切って移動する場合、試験板30は、その
正面でウエハの弧状部分の電荷分布を測定する。試験板
は、ちょうどイオン注入を受けたばかりの弧状部分を測
定するように位置決めされているので、単一の試験板が
一般に多くの応用例に適している。

しかし、本発明は、単一弧状部分の代わりに全加工品に
わたって電荷分布を測定することが容易となるように拡
張されている。複数の独立した試験板も、回転支持体の
正面に適切な方法で配置される。回転ウエハと複数の試
験板の表面間に１つの絶縁窓を有する単一区画内に、独
立した誘導電荷測定器を入れることができるし、あるい
は独立した区画内にそれぞれ入れることもできる。唯一
の要件は、試験板はアース面によって相互に電気的に絶
縁され、個々の試験板からの電流は個々の電子回路によ
って処理されるということである。

本発明の実施例について説明したが、本発明は、これに
限定されるものではなく、特許請求の範囲内において変
更および修正ができる内容を含んでいるものである。

（発明の効果）以上説明したように、本発明は、電荷検出装置に、電荷
検出器、電荷検出回路、電荷消散手段、および制御回路
を備えており、加工品の表面における電荷によって、そ
の正面に置かれた分離試験板の導体表面に、等しくかつ
反対の電荷を誘導するという原理に基づいて、加工品に
電荷が過剰に帯電しないようにすることができる。この
ために、本発明では、加工品をそれに比較して小さい寸
法の試験板の正面を既知の速度で移動させ、この試験板
上の誘導電荷の時間的変化の分布測定を行って、イオン
注入された加工品上の電荷の空間的な分布の度合いを検
出することができる。

そして、イオン注入中、与えられた加工品の表面電圧分
布を監視すること、本装置のユーザに対して、加工品が
表面電圧分布の特定の値あるいは制限の下でイオン注入
されたことを明らかにすることができ、また加工品の電
荷を補償する電荷測定信号を本装置にフィードバックす
ることによって、加工品における表面電荷分布を制御す
ることができるので、半導体産業にとって重要ないくつ
かの目的に利用することができる。

【図面の簡単な説明】

図１は、イオン注入用粒子ビーム装置の概略構成を示す
斜視図である。図２は、個々の半導体ウエハと電荷検出器との関係を示
す図１の装置の正面面図である。図3Aないし図3Cは、検出器とイオン注入される多数の半
導体ウエハとの間の時間変化の関係を示す図である。図4Aと図4Bは、図３の検出器に対する電圧、電流および
出力信号の波形図である。図５は加工品の表面に蓄積されている正電荷を放電させ
るのに利用する制御装置の概略図である。図5Aは、電子源と制御回路の概略図である。 10……イオン注入装置 12……加工品 14……支持体 30……試験板 32……ハウジング

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】粒子のビーム（16）を発生するビーム源
（18）と、１つまたはそれ以上の加工品（12）をビーム
中で移動して前記加工品（12）を処理するための回転自
在な支持体（14）とを含み、前記加工品（12）が過剰の
電荷を蓄積しないようにするための電荷検出装置を有す
るイオン注入装置（10）であって、前記電荷検出装置が、前記加工品（12）が処理されるにつれてその加工品（1
2）に蓄積される電荷を検出するために前記支持体（1
4）に近接して取付けられており、しかも前記支持体に
対面する平面を有し、この平面が前記加工品から分離さ
れ、かつ加工品がこの平面を通過するとき、誘導電荷が
前記平面を有する導体に帯電するようにした電荷検出器
（30）と、前記導体に誘導された電荷を電圧信号に変えるための電
荷検出回路（40）と、前記加工品の上へ制御された電子を指向させることによ
って前記加工品上の電荷を消散させるために前記支持体
に近接して取付けられる電荷消散手段（22）と、前記電荷検出器により検出された電荷に応じて、１つま
たはそれ以上の加工品における電荷の消散を調整するた
めに、前記電荷検出回路を前記電荷消散手段に接続する
制御回路（50）とを備えていることを特徴とする装置。
【請求項２】回転自在な支持体は、１つの導体であり、
加工品は、この支持体に取付けられ、荷電粒子のイオン
ビームによって処理される半導体ウエハからなることを
特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】電荷検出回路（40）は、前記電荷が導体に
誘導される電荷を積算するための手段から構成されるこ
とを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】イオン注入装置と共に使用して、回転する
支持体上に位置決めされた加工品に接触する粒子ビーム
によって蓄積される電荷を制御する方法であって、前記支持体（14）に近接する導体表面を有する電荷検出
器（30）を位置決め、この電荷検出器（30）に対して加工品（12）を移動し
て、第１の極性を有する蓄積された電荷によって前記導
体表面上に反対の極性の電荷を誘導し、前記導体表面上の反対極性の電荷を検出し、この誘導さ
れた電荷を電圧信号に変換し、前記導体表面上の電荷に対応する電圧信号の強さに関連
して前記加工品の表面に帯電した粒子を指向させること
により前記加工品の表面上の電荷を消散する、各工程を
有することを特徴とする制御方法。
【請求項５】加工品は半導体ウエハで構成されており、
位置決め工程は、多数のウエハを回転して導体表面を通
過できるように行うことを特徴とする請求項４に記載の
制御方法。
【請求項６】検出工程は、導体表面に誘導される電荷を
積算することによりなされることを特徴とする請求項５
に記載の制御方法。