JP2010040593A - イオン注入装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体ウェーハを振り子状に揺動させながらイオンを照射してイオン注入スキャンを行った際のウェーハの揺動方向のストライプの発生を低減する。
【解決手段】本発明のイオン注入は、回転駆動機構により回転される回転体の回転軸回りに同心円状に配置された複数の半導体ウェーハ２８を回転させ、かつ回転体を振り子状に揺動させる揺動機構により揺動させながらイオンを照射するものであり、回転駆動機構、揺動機構、及びイオンの照射タイミングを制御してイオンをウェーハの全面にわたってスキャンする。特に、（ｂ）に示すように、イオン注入プロセス全体を２回に分けて、１回目のイオンビーム４０のウェーハの揺動方向Ａのイオン注入スキャンピッチの間に、２回目のイオンビーム４２のイオン注入スキャンピッチを設定することにより、ウェーハ揺動方向のＳＯＩ膜厚及びＢＯＸ膜厚の周期的なムラを抑制し、ストライプの発生を低減する。
【選択図】図４

Description

本発明は、イオン注入装置及び方法に係り、特に、半導体ウェーハに対するイオン注入に起因して発生する半導体ウェーハのストライプを低減する技術に関する。

近年、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）などの集積回路の高速・低消費電力化を図るために、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハが用いられている。ＳＯＩウェーハは、シリコン支持体と表面シリコン層との間に酸化膜からなる絶縁層が埋め込まれて構成される。

このようなＳＯＩウェーハの製造方法の１つとして、シリコンウェーハに例えば酸素イオンを注入した後熱処理を行い、酸化膜からなる絶縁層つまりＢＯＸ（Ｂｕｒｉｅｄ Ｏｘｉｄｅ）層を形成するＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂｙ ＩＭｐｌａｎｔｅｄ ＯＸｙｇｅｎ）法と称される方法が用いられている。

特許文献１に記載されているように、ＳＩＭＯＸ法に用いられるイオン注入装置は、モータにより回転される回転ディスクの回転軸回りに同心円状に配置された複数の半導体ウェーハホルダと、回転ディスク及びウェーハホルダ等を一体に振り子状に揺動させる揺動機構と、半導体ウェーハに対してイオンビームを照射するイオン注入手段などを備えて構成されている。そして、各半導体ウェーハをモータによって回転させかつ揺動機構により振り子状に揺動させながらイオンビームを照射することにより、イオンビームをウェーハ全面に渡ってスキャンさせることが知られている。

特開２００２−２３１１７７号公報

ところで、特許文献１に記載されたイオン注入方法は、半導体ウェーハの揺動方向におけるＳＯＩ層及びＢＯＸ層の膜厚の周期的なムラに起因するウェーハ表面の外観ストライプの発生を抑制することについて配慮されていない。

すなわち、イオンビーム内の電流密度は全面均一でなく、一般的に中心部の密度が高く、外周ほど密度が低い。このため、半導体ウェーハを揺動させながらイオンビームを照射して複数回にわたって半導体ウェーハの揺動方向のイオン注入スキャンを行なうと、イオンビームの電流密度が高い部分もしくは、低い部分で半導体ウェーハの揺動方向におけるイオン注入スキャン位置が毎回重なる場合がある。その結果、イオンビームの電流密度が高い部分及び低い部分でイオン注入が重ねて行われる位置があるとＳＯＩ層及びＢＯＸ層の膜厚に差違が生じ、これが揺動方向に周期的に現れることによりストライプが発生する場合がある。

そこで、本発明は、半導体ウェーハを揺動させながらイオンを照射してイオン注入スキャンを行った際の半導体ウェーハの揺動方向のストライプの発生を低減することを課題とする。

本発明の半導体ウェーハに対するイオン注入装置は、回転駆動機構により回転される回転体と、この回転体の回転軸回りに放射状に延在された複数のアームと、この各アームに設けられた半導体ウェーハの支持盤と、回転体、各アーム、及び各支持盤を一体に振り子状に揺動させる揺動機構と、回転駆動機構により回転されながら揺動機構により揺動される半導体ウェーハに対してイオンを照射するイオン注入手段とを備え、回転駆動機構、揺動機構、及びイオンの照射タイミングを制御してイオンを半導体ウェーハの全面にわたってスキャンするものである。

特に、上記課題を解決するため、半導体ウェーハの全面にわたるイオン注入は、半導体ウェーハの揺動開始位置及びイオンの照射タイミングの少なくとも一方の条件を変えて複数回行われ、各回のイオン注入時の半導体ウェーハの揺動方向のイオン注入位置が互いにずらされてなることを特徴とする。

すなわち、半導体ウェーハに対するイオン注入プロセスの全工程を複数回に分けて、各回で半導体ウェーハの揺動方向のイオン注入位置を互いにずらすことにより、揺動方向のイオン注入位置がイオンビームの電流密度分布の影響を受けずにまんべんなくイオン注入がなされる。その結果、イオン注入位置を互いにずらさない場合に比べてＳＯＩ層及びＢＯＸ層の膜厚の均一化が図られ、半導体ウェーハの揺動方向におけるストライプの発生を低減することができる。

例えば、半導体ウェーハの揺動開始位置を各回でずらせて設定することにより揺動方向のイオン注入位置をずらせることができる。また、半導体ウェーハの揺動開始位置を変えずに、イオン照射タイミングを各回でずらせることによっても揺動方向のイオン注入位置をずらせることができる。また、半導体ウェーハの揺動開始位置とイオン照射タイミングの両方の条件を変えて揺動方向のイオン注入位置をずらせてもよい。

この場合において、半導体ウェーハの全面にわたるイオン注入を、半導体ウェーハの揺動開始位置及びイオンの照射タイミングの少なくとも一方の条件を変えて２回行い、１回目のイオン注入時の半導体ウェーハの揺動方向のイオン注入スキャンピッチの間に、２回目のイオン注入スキャンピッチを設定することが好ましい。

つまり、１回目の条件設定と２回目の条件設定とを変えて、半導体ウェーハの揺動方向の１回目のスキャンピッチ間に２回目のスキャンピッチを設定することにより、ビームの電流密度が強調された箇所がずれてビーム電流密度の強弱が相殺されて均一に注入されるようになる。その結果、イオン注入位置を互いにずらさない場合に比べてＳＯＩ層及びＢＯＸ層.の膜厚の均一化が図られ、半導体ウェーハの揺動方向におけるストライプの発生を低減することができる。

本発明の半導体ウェーハに対するイオン注入方法は、回転駆動機構により回転される回転体の回転軸回りに同心円状に配置された複数の半導体ウェーハを回転駆動機構により回転させ、かつ回転体を揺動させる揺動機構により揺動させながらイオンを照射して、回転駆動機構、揺動機構、及びイオンの照射タイミングを制御してイオンを半導体ウェーハの全面にわたってスキャンするものである。

特に、上記課題を解決するため、半導体ウェーハの全面にわたるイオン注入を、半導体ウェーハの揺動位置及びイオンの照射タイミングの少なくとも一方の条件を変えて複数回行い、各回のイオン注入時の半導体ウェーハの揺動方向のイオン注入位置を互いにずらすことを特徴としている。

例えば、半導体ウェーハの全面にわたるイオン注入を、半導体ウェーハの揺動位置及びイオンの照射タイミングの少なくとも一方の条件を変えて２回行い、１回目のイオン注入時の半導体ウェーハの揺動方向のイオン注入スキャンピッチの間に、２回目のイオン注入スキャンピッチを設定するのが好ましい。

本発明によれば、半導体ウェーハを揺動させながらイオンを照射してイオン注入スキャンを行った際の半導体ウェーハの揺動方向のストライプの発生を低減することができる。

以下、本発明を適用してなるイオン注入装置及び方法の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一機能部品については同一符号を付して重複説明を省略する。

図１は、本実施形態のイオン注入装置の全体概略構成の側面図である。図２は、本実施形態のイオン注入装置の全体概略構成の正面図であり、イオン注入時の半導体ウェーハの動作状態を説明するものである。

図１に示すように、イオン注入装置１０は、イオン源１２と質量分離器１４などを含んで構成され、例えば酸素などのイオンを処理対象物に注入するイオン注入手段と、処理対象物としてイオンが注入される例えばシリコンなどの半導体ウェーハが収納される処理室１６とを備えて構成されている。

イオン源１２は、質量分離器１４と図示していない真空排気されたパイプを介して連結されており、マイクロ波を用いて例えば酸素イオンによるイオンビーム１７を生成し、生成したイオンビーム１７を質量分離器１４側へ出射するようになっている。質量分離器１４は、図示していない真空排気されたパイプを介して処理室１６と接続されており、イオン源１２からのイオンビーム１７に対して電磁力を与えてイオンビーム１７をほぼ９０度偏向させるとともに、イオンビーム１７の中から必要な質量を有するイオン種、例えば酸素イオンのみを分離して取り出し処理室１６内に入射するようになっている。

処理室１６内には、回転駆動機構としてのモータ１８と、モータ１８を収容するモータボックス２０と、モータ１８により回転される回転軸２２と、回転軸２２に嵌合された回転体２４と、回転体２４の回転軸２２の回りに放射状に延在された複数のアーム２６と、各アーム２６の先端部に設けられた半導体ウェーハ２８の支持盤３０とが収納されている。

また、モータボックス２０に連結された揺動アーム３２を介してモータ１８、回転体２４、アーム２６、及び支持盤３０などを処理室１６内で振り子状に揺動させる揺動機構３４が、処理室１６の天面上に設けられている。

図２に示すように、本実施形態のイオン注入装置は、揺動機構３４により図示矢印Ａのように半導体ウェーハ２８を振り子状に揺動し、かつモータ１８により回転軸２２中心に図示矢印Ｂのように回転しながら、イオン注入手段によりイオンを注入するものである。

また、図１に示すように、本実施形態のイオン注入装置１０では、イオン注入時には、支持盤３０は、盤面が回転軸２２にほぼ直交する方向に向けられた状態で回転されるので、支持盤３０上に載置された半導体ウェーハ２８に遠心力が働く。この遠心力により半導体ウェーハ２８が外に飛び出さないように、各支持盤３０は回転軸２２のほうに盤面を向けるようにわずかに傾けられており、遠心力の分力を盤面で受けるように構成されている。

また、イオン注入の制約上、支持盤の傾きをあまり大きくできないことから、各支持盤３０には、載置された半導体ウェーハ２８の回転体２４の回転軸２２から遠い側の周縁部に当接するように図示していないストッパが設けられている。また、半導体ウェーハ２８の回転体２４の回転軸２２から近い側の裏面に当接するように図示していない裏面ピンが設けられている。

図３は、本実施形態のイオン注入装置のイオンスキャン方式を説明する概略図である。図３に示すように、本実施形態のイオン注入装置１０は、イオン注入手段は位置固定して設けられており、イオンビーム１７は固定された位置に照射される。また、半導体ウェーハ２８はモータ１８により図示矢印Ｂ方向に回転されかつ揺動機構３４により図示矢印Ａ方向に揺動される。そして、モータ１８による半導体ウェーハ２８の回転速度及び回転開始位置、揺動機構３４による揺動速度及び揺動開始位置、及びイオン注入手段によるイオンの照射タイミングなどを制御することにより、イオンビーム１７が半導体ウェーハ２８の全面にわたってスキャンされる。

なお、図１では説明の簡単のために、上下一対のアーム２６、半導体ウェーハ２８、及び支持盤３０しか図示されていないが、実際には、図２或いは図３に示すように回転体２４の回転軸２２の回りに同心円状に例えば１２枚、或いは１８枚など複数の半導体ウェーハ２８が、それぞれのアーム２６と支持盤３０とともに配置されている。

また、図１では、上下一対のアーム２６、半導体ウェーハ２８、及び支持盤３０しか図示していないため、イオンビーム１７が半導体ウェーハ２８に照射されていないが、実際には、図３に示すように、回転体２４の回転軸２２に対して水平方向に位置する半導体ウェーハ２８にイオンビーム１７が照射されるようになっている。また、説明の便宜上、本実施形態の説明では、半導体ウェーハ２８に対するイオンビーム１７のビーム径を実際より大きく図示している。

ところで、このように半導体ウェーハ２８を振り子状に揺動させながらイオンを照射することにより半導体ウェーハ２８の揺動方向のイオン注入スキャンを行うイオン注入方法では、半導体ウェーハの揺動方向におけるＳＯＩ層及びＢＯＸ層の膜厚の周期的なムラに起因して外観ストライプが発生する場合がある。

すなわち、半導体ウェーハ２８を揺動させながらイオンビーム１７を照射して複数回にわたって半導体ウェーハ２８の揺動方向のイオン注入スキャンを行なうと、半導体ウェーハ２８の揺動方向におけるイオン注入スキャン位置によりビームの電流密度高低が重なる場合がある。その結果、ビームの電流密度の高い部分が重なる位置と低い部分が重なる位置とでは、ＳＯＩ層及びＢＯＸ層の膜厚に差違が生じ、これが揺動方向に周期的に現れることによりストライプが発生する場合がある。

この問題に対応すべく、本実施形態のイオン注入装置１０は、半導体ウェーハ２８の全面にわたるイオン注入を、半導体ウェーハ２８の揺動開始位置及びイオンの照射タイミングの少なくとも一方の条件を変えて複数回行い、各回のイオン注入時の半導体ウェーハ２８の揺動方向のイオン注入位置を互いにずらすものである。

言い換えれば、半導体ウェーハ２８に対するイオン注入プロセスの全工程を複数回に分けて、各回で半導体ウェーハ２８の揺動方向のイオン注入位置を互いにずらすものである。

図４は、従来のイオンスキャン方式と本実施形態のイオンスキャン方式を対比して説明する図である。図４（ａ）は、従来技術と同様にイオンスキャン条件を変えずにイオン注入プロセス全体を実行した場合の模式図である。図４（ｂ）は、半導体ウェーハ２８の揺動開始位置及びイオンの照射タイミングの少なくとも一方の条件を変えてイオン注入プロセス全体を２回に分けて実行した場合の模式図である。

なお、図４は説明の便宜上、位置固定された半導体ウェーハ２８に対してイオンビームが移動してスキャンされているような図になっているが、実際は、イオンビームの照射位置は固定されており、半導体ウェーハが揺動されることにより揺動方向のイオン注入スキャンが行なわれる。

図４（ａ）に示すように、イオンスキャン条件を変えずにイオン注入プロセス全体を実行した場合、複数回にわたって半導体ウェーハに対してイオン注入スキャンを行った結果、半導体ウェーハの図示矢印Ａで示した揺動方向におけるイオン注入スキャン位置で電流密度の高い部分もしくは低い部分が重なる。すなわち、イオン注入プロセス全体の前半部分のイオンビームを１回目のイオンビーム４０とし、後半部分のイオンビームを２回目のイオンビーム４２と仮定すると、図４（ａ）では、１回目のイオンビーム４０と２回目のイオンビーム４２のビームの電流密度の高い部分もしくは低い部分が同じ位置に照射される。

その結果、イオン注入のビームの電流密度の高い部分が重なる位置（１回目のイオンビーム４０と２回目のイオンビーム４２が重なる位置）と、その間のビームの電流密度の低い部分が重なる位置４４とが生じる。ビームの電流密度の高い部分が重なる位置とビームの電流密度の低い部分が重なる位置４４とでは、表面シリコン層及びＢＯＸ層の膜厚に差違が生じ、これが揺動方向に周期的に現れることによりストライプが発生する。

これに対して、本実施形態のイオン注入装置では、イオン注入プロセス全体を２回（前半、後半）に分け、図４（ｂ）に示すように、１回目のイオンビーム４０の半導体ウェーハ２８の揺動方向のイオン注入スキャンピッチの間に、２回目のイオンビーム４２のイオン注入スキャンピッチを設定している。

より具体的には、イオン注入の１回目と２回目とで、半導体ウェーハ２８の揺動開始位置、イオンの照射タイミング、或いはこれらの両方の条件を変えることにより、１回目と２回目のスキャン位置を変えている。

これによれば、図４（ｂ）に示すように、半導体ウェーハ２８の揺動方向に沿ってまんべんなくイオン注入がなされて、イオン注入が行なわれない位置４４がほぼ無くなる。その結果、イオン注入位置をずらさない図４（ａ）に比べてＳＯＩ層及びＢＯＸ層の膜厚の均一化が図られ、半導体ウェーハ２８の揺動方向におけるストライプの発生を低減することができる。

図５は、本実施形態のイオン注入装置によるイオン注入による効果を示す図である。図５（ａ）は、従来技術と同様にイオンスキャン条件を変えずにイオン注入プロセス全体を実行した場合の半導体ウェーハのＳＯＩ膜厚とＢＯＸ膜厚を示す図である。図５（ｂ）は、本実施形態のイオン注入装置によるイオン注入を行なった場合の半導体ウェーハのＳＯＩ膜厚とＢＯＸ膜厚を示す図である。

図５（ａ）では、ＳＯＩ膜厚及びＢＯＸ膜厚ともに、Ｍ２方向の結果において、周期的な振幅が生じており、これが、半導体ウェーハの表面の外観ストライプとなって現れる。これに対して、図５（ｂ）では、ＳＯＩ膜厚及びＢＯＸ膜厚ともに、図５（ａ）に比べて周期的な振幅が抑制されている。これによって、半導体ウェーハの揺動方向の外観ストライプの発生が低減される。

なお、本実施形態では、イオン注入プロセス全体を２回に分けて、１回目と２回目とで、半導体ウェーハの揺動方向におけるイオンスキャン位置を変える例を示したが、これには限られない。すなわち、イオン注入プロセス全体を３回以上の複数回に分けて、各回のイオン注入時の半導体ウェーハの揺動方向のイオン注入位置を互いにずらすことによっても、同様に半導体ウェーハの揺動方向に沿ったＳＯＩ膜厚及びＢＯＸ膜厚の周期的なムラを抑制して、ストライプの発生を低減することができる。

本実施形態のイオン注入装置の全体概略構成の側面図である。 本実施形態のイオン注入装置の全体概略構成の正面図であり、イオン注入時の半導体ウェーハの動作状態を説明するものである。 本実施形態のイオン注入装置のイオンスキャン方式を説明する概略図である。 従来のイオンスキャン方式と本実施形態のイオンスキャン方式を対比して説明する図である。 本実施形態のイオン注入装置によるイオン注入による効果を示す図である。

符号の説明

１０ イオン注入装置
１２ イオン源
１４ 質量分離器
１７ イオンビーム
１８ モータ
２２ 回転軸
２４ 回転体
２６ アーム
２８ 半導体ウェーハ
３０ 支持盤
３２ 揺動アーム
３４ 揺動機構
４０ １回目のイオンビーム
４２ ２回目のイオンビーム
４４ イオン注入が行なわれない位置

Claims (4)

1. 回転駆動機構により回転される回転体と、該回転体の回転軸回りに放射状に延在された複数のアームと、該各アームに設けられた半導体ウェーハの支持盤と、前記回転体、前記各アーム、及び前記各支持盤を一体に振り子状に揺動させる揺動機構と、前記回転駆動機構により回転されながら前記揺動機構により揺動される前記半導体ウェーハに対してイオンを照射するイオン注入手段とを備え、前記回転駆動機構、前記揺動機構、及び前記イオンの照射タイミングを制御して前記イオンを前記半導体ウェーハの全面にわたってスキャンするイオン注入装置において、
   前記半導体ウェーハの全面にわたるイオン注入は、前記半導体ウェーハの揺動開始位置及び前記イオンの照射タイミングの少なくとも一方の条件を変えて複数回行われ、各回のイオン注入時の前記半導体ウェーハの揺動方向のイオン注入位置が互いにずらされてなるイオン注入装置。
2. 前記半導体ウェーハの全面にわたるイオン注入は、前記半導体ウェーハの揺動開始位置及び前記イオンの照射タイミングの少なくとも一方の条件を変えて２回行われ、１回目のイオン注入時の前記半導体ウェーハの揺動方向のイオン注入スキャンピッチの間に、２回目のイオン注入スキャンピッチが設定されてなる請求項１のイオン注入装置。
3. 回転駆動機構により回転される回転体の回転軸回りに同心円状に配置された複数の半導体ウェーハを前記回転駆動機構により回転させ、かつ前記回転体を揺動させる揺動機構により揺動させながらイオンを照射して、前記回転駆動機構、前記揺動機構、及び前記イオンの照射タイミングを制御して前記イオンを前記半導体ウェーハの全面にわたってスキャンするイオン注入方法において、
   前記半導体ウェーハの全面にわたるイオン注入を、前記半導体ウェーハの揺動位置及び前記イオンの照射タイミングの少なくとも一方の条件を変えて複数回行い、各回のイオン注入時の前記半導体ウェーハの揺動方向のイオン注入位置を互いにずらすイオン注入方法。
4. 前記半導体ウェーハの全面にわたるイオン注入を、前記半導体ウェーハの揺動位置及び前記イオンの照射タイミングの少なくとも一方の条件を変えて２回行い、１回目のイオン注入時の前記半導体ウェーハの揺動方向のイオン注入スキャンピッチの間に、２回目のイオン注入スキャンピッチを設定する請求項３のイオン注入方法。