JP2003124135A

JP2003124135A - 酸素イオン打込み装置

Info

Publication number: JP2003124135A
Application number: JP2001321388A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Tokikuchi; 克己登木口; Takayoshi Seki; 関　　孝義; Junya Ito; 純也伊藤; Hirobumi Seki; 関　　博文
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2003-04-25

Abstract

(57)【要約】【課題】酸素イオン照射に対し耐酸化性に優れ、かつウ
エハの保持に対し摩擦係数の小さい部材がなく、酸素イ
オン打込みで長時間安定に発塵の少ないウエハ保持部材
を提供することができなかった。【解決手段】部材を窒化チタンとすると共にウエハ接触
面をあらかじめ炭素イオンで打込み改質した部材とす
る。【効果】ウエハへのパーティクル付着汚染の少ない酸素
イオン打込み装置が提供可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はシリコンウエハに数
１０ｋｅＶから数１００ｋｅＶに加速された高エネルギ
ーの酸素イオンビームをイオン打込みし、シリコンウエ
ハ内に埋め込み酸化膜を形成させる大電流酸素イオン打
込み装置に関わる。

【０００２】

【従来の技術】シリコンウエハに高エネルギー、大電流
の酸素イオンビームをイオン打込みする酸素イオン打込
み装置は、雑誌「電子材料」２００１年３月号７２頁
（発行、工業調査会）に記載されているように、図２の
構成になっている。図２の酸素イオン打込み装置におい
て、マイクロ波イオン源１から引出された酸素イオンビ
ームは、質量分離器２、後段加速管３、２段の磁気四重
極レンズ系４、ビーム偏向器５を経てイオン打込み室６
に導入される。図３に打込み室６の内部構造を示す。打
込み室には複数枚のシリコンウエハ７を載せた円板８が
置かれ、円板８は真空中で回転しながら半径方向に機械
的に往復走査される。打込み時、酸素ビームは静止して
いる。これにより複数のシリコンウエハ７が同時に均一
に酸素イオン打込みされる。通常、シリコンウエハ７は
イオン打込み中、ランプヒータ９を使って５００℃以上
に加熱されている。所定の量のイオン打込みされたウエ
ハを取出し、別の熱処理炉等で熱処理することによりシ
リコンウエハ内に高品質の埋込み酸化膜が形成される。
このような酸素イオン打込みと熱処理により埋め込み酸
化膜が形成されたシリコンウエハはサイモックス（ＳＩ
ＭＯＸ、ＳｅｐａｒａｔｉｏｎｂｙＩＭｐｌａｎｔ
ｅｄＯＸｙｇｅｎ）ウエハと呼ばれる。ＳＩＭＯＸウ
エハの断面構造を図４に示す。通常、埋め込み酸化膜１
０が形成される深さはウエハ表面から１００〜４００ｎ
ｍ、その酸化膜厚みは５０〜４００ｎｍである。酸化膜
の深さや厚みは打込み酸素エネルギーや打込み量によっ
て変えることができる。近年、このようなＳＩＭＯＸ基
板を使って表面シリコン層１１に高集積半導体デバイス
が作製されるようになってきた。ＳＩＭＯＸ基板に半導
体デバイスを作製すると高速動作、低消費電力の半導体
デバイスが実現でき、今後のデバイス高集積化に有効で
あることが報告されている。埋め込み酸化膜形成用の酸
素イオン打込み量は汎用の半導体デバイス作製用のイオ
ン打込み量（例えば不純物導入用のボロン、リン、砒素
イオン注入などの打込み量）に比べ３〜４桁も高く１平
方センチメートル当り１０の１７乗個以上の桁である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図２に示した従来の酸
素用イオン打込み装置における問題の一つは打込み時の
シリコンウエハ表面へのパーティクル汚染である。図５
はイオン打込み時にパーティクル汚染があった場合のＳ
ＩＭＯＸウエハの断面構造図である。イオン打込み時に
パーティクル汚染があるとパーティクル１９が遮蔽物と
なりその下部に酸素が打込まれないあるいは打込み量が
少ない領域ができる。酸素イオン打込みされたウエハを
熱処理すると、表面パーティクル位置に対応して埋め込
み酸化膜層１０に酸化膜が形成されない、いわゆるピン
ホール欠陥１２が発生する。ピンホール欠陥があるとピ
ンホールの上の表面シリコン層１１に作られる半導体デ
バイスは性能が劣化したり、あるいは動作不能となる。
ＳＩＭＯＸウエハを使って信頼性の高い高集積半導体デ
バイスを作製するには、酸素イオン打込み時にパーティ
クル付着のないイオン打込みを実現することが重要であ
る。

【０００４】ところで打込み時にシリコンウエハ表面に
付着するパーティクル（粒径０．２μｍ以上）の起源
は、種々考えられる。打込み室各所の機械的摺動に伴う
発塵、真空ポンプの排気や打込み室大気化のガスの流れ
に伴うごみの巻き上がり、酸素イオンビームスパッタ−
による打込み室各所部材からの発塵などが指摘されてい
る。これらの中でウエハ表面に近い位置にあるためその
発塵が直ちにウエハ表面汚染につながり易いものにウエ
ハ保持部材からの発塵がある。特にシリコンウエハの周
辺エッジは、一般に角を持つためわずかな擦れ等により
発塵が起き易い。図６は従来の酸素イオン打込み装置に
おけるウエハ保持部材の構造を説明する図である。
（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。図３の回転円
板８に装着されている複数のウエハ７のそれぞれに図６
のウエハ保持部材が取付けられている。ウエハ７はスト
ッパー１３と２個のウエハチャックピン１４で保持され
ている。ストッパー１２は円板８の回転時にウエハ７が
遠心力で外に飛び出さないためのストッパーである。ま
たウエハチャックピン１４はストッパー１２との併用で
ウエハを保持するためのものである。これらの１３、１
４はウエハのエッジでウエハに接触している。従って、
ウエハの着脱に伴う機械的接触やイオン打込み時に発生
するウエハエッジと部材との擦れ（機械的振動あるいは
ビーム照射によるウエハ熱変形に伴う擦れ）等により容
易に発塵がおきる。実際、イオン打込みしたウエハ表面
に付着しているパーティクルのマップを測定すると、ス
トッパーあるいはウエハチャックピンに対応した位置の
近傍にパーティクル付着が集中する発塵パターンが観測
される。また、発塵パターンの大きさや量はこれらのウ
エハ保持部材の材質やその表面仕上げ状態により大きく
影響されることが確認されている。

【０００５】ウエハ保持部材とウエハエッジとの接触や
擦れに伴う発塵を極力小さくする材質として摩擦係数の
少ないものが良いことが経験的に確かめられている。摩
擦係数が小さいとこすれによるウエハあるいは部材の磨
耗量が減るためと考えられる。真空中における一般の材
料部材（金属やセラミックス等）の摩擦係数は０．６程
度である。これを０．２程度にできれば摩擦に伴う磨耗
発塵量が大きく減ることが知られている。このため従来
装置におけるウエハ保持部材には摩擦係数が０．１程度
となるいわゆるダイアモンドライクカーボン（以下ＤＬ
Ｃ）やガラス状カーボンあるいはＴｉＣ（炭化チタン）
の皮膜が用いられていた。ＤＬＣやガラス状カーボンで
は膜状のものしか現在の技術では作製できないため、通
常、カーボンもしくはグラファイトで作った保持部材の
表面にこれらのコーティングを施して使われてきた。そ
の膜厚は数μｍ〜数１０μｍの桁である。かつこれらの
コーティング部材は一般に高価である。

【０００６】しかしながら従来の保持部材の場合、大量
の酸素イオン照射を受けると部材の酸化が進む。特にＤ
ＬＣコーティング部材ではＤＬＣの主要構成原子である
炭素がＣＯのような形となって損耗し膜厚が減る。この
ため数１０ｍＡの酸素打込み電流でＳＩＭＯＸウエハ作
製の打込み処理を行うと、数１０〜１００時間の酸素照
射時間で保持部材の皮膜がなくなり地肌が現れて発塵が
著しく増加するため、新品への交換が必要であった。Ｓ
ＩＭＯＸウエハ作製用の酸素イオン打込みではウエハ温
度が５００℃以上となるため、高温下での酸化は一層促
進され易い。ＤＬＣでは結合を強化していると言われる
水素が４００℃以上で熱脱離を起すため、炭素同士の結
合が弱くなって酸素とカーボンの反応が進むと考えられ
ている。ガラス状カーボンやＴｉＣについても同様に耐
酸化性には優れず寿命に問題があった。

【０００７】一方、耐酸化性に優れ、耐磨耗性に優れた
部材としてＴｉＮ（窒化チタン）が知られている。しか
しながらＴｉＮの摩擦係数は０．６程度と大きい。この
ためＴｉＮをＳＩＭＯＸウエハ作製用の酸素イオン打込
み装置のウエハ保持部材にそのまま用いると擦れによっ
てウエハエッジ自身からの発塵が起きやすかった。

【０００８】以上のことから、従来装置ではパーティク
ル付着汚染の少ない酸素イオン打込み処理を長時間安定
に行うことが困難であった。また酸素の大電流化を行っ
てスループットを向上させようとしても部材の寿命に制
約されて度々の交換作業が入り、スループット向上が阻
害されてしまう問題があった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、ウエハ保持部
材に高温で耐酸化性に優れるＴｉＮを使い、かつウエハ
エッジの接触部分をあらかじめ別のイオン打込み装置を
使って炭素イオンもしくは塩素イオンでイオン打込みし
ておき、もってその接触部分の表面摩擦係数を低下させ
た部材とする。本発明のイオン打込み改質により、接触
部の摩擦係数が減り潤滑性が改善されて発塵が低減でき
る。すなわち、酸素イオン打込み装置において、耐酸化
性と低摩擦性の両者の性質を同時に実現することで、高
品質のＳＩＭＯＸウエハ作製に必要なクリーンな酸素イ
オン打込みを長時間、安定に実現するものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を説明す
る。図１は、本発明に基づく表面改質処理を施されたＴ
ｉＮ製のウエハチャックピン１４’、ウエハストッパー
１３を説明する図である。（Ａ）図は全体構成図、
（Ｂ）図は改質面を説明するための構造拡大図である。
（Ｂ）図でウエハチャックピンのくびれ部分の直径は数
ｍｍの桁である。チャックピン１４’のウエハ７のエッ
ジと接触するテーパおよびフラット面（図中Ｂ面で示し
た部分）にはその全周にわたって、別のイオン打込み装
置であらかじめカーボンイオン打込みが施されている。
図中には改質面をハッチングで示した。カーボンイオン
打込みは５０ｋｅＶ以上で、打込み量は1平方センチメ
ートル当り１ｘ１０の１７乗個以上である。

【００１１】次に、ウエハストッパー１３については石
英で部材を作り、ウエハエッジに接触する側の面全体を
ＴｉＮのコーティングをし（図６の面Ａ）、その後、同
様に炭素イオンを打込みして表面改質を施している。な
お石英の代わりにストッパー全体をＴｉＮで作り、ウエ
ハエッジ接触側の全面に炭素イオンを打込んだものも試
験したが、同様な発塵低減効果が得られている。図７
は、ＴｉＮ製チャックピンとストッパーに炭素イオン打
込み処理をした部材（炭素打込み処理は（Ｂ）図に示し
たウエハエッジ接触面側のみ）を使って酸素イオン打込
みした場合の、ウエハ表面パーティクル量と炭素イオン
打込み量の関係を示した図である。ウエハへの酸素打込
みエネルギーは１８０ｋｅＶで打込み量は１平方センチ
メートル当り４ｘ１０の１７乗である。ウエハ温度は５
００℃以上で打込みが行われた。パーティクル量は打込
みされた直径２００ｍｍのウエハの表面に付着している
粒径０．２μｍ以上の異物総数を測定した。図７の縦軸
では、炭素イオン打込み処理をしない時のウエハ表面に
付着したパーティクル量を１として、その相対値で示し
ている。図から、１ｘ１０の１７乗以上の打込み量でパ
ーティクル量の減少が見られた。なお図７に示したパー
ティクル減少とＴｉＮの炭素イオン打込みによる磨耗、
摩擦係数の低減データ（いわゆるPin-On-Disk試験法に
よる磨耗量のテスト結果）とは良く一致することが分っ
た。打込まれた炭素がＴｉＣ等の形態で結合し、このＴ
ｉＣが摩擦係数や磨耗を減らしているものと考えられ
る。

【００１２】本発明によるウエハ保持部材を使って酸素
イオン打込みされたウエハを１３５０℃の高温炉で熱処
理し、埋め込み酸化膜を形成してＳＩＭＯＸウエハを作
製した。そのピンホール欠陥密度を測定したところ、従
来では１平方センチメートル当り０．２〜１個程度の欠
陥密度であったものが０．１個以下に低減できているこ
とが分った。これは将来の最小線幅０．１μｍノードの
ＣＭＯＳ高集積デバイス作製に要求されるＳＩＭＯＸウ
エハの欠陥密度に対応するものである。

【００１３】ところで、炭素イオン打込みしたチャック
ピンの場合、ウエハエッジ接触面がくぼみ構造になって
いるため酸素イオンビームがこの部分に直接照射される
割合は少なくなるよう工夫されている。その上で、くぼ
み部分にＤＬＣコーティングした場合と本願発明による
炭素イオン打込み処理したＴｉＮ製チャッキングピンを
比較した場合、低発塵効果が継続する時間（寿命）は本
願発明の方が長く、数１００時間以上に達していた。炭
素イオンで打込み改質した場合、炭素量の濃度の絶対値
はｐｐｍオーダーで小さいため、炭素が打込まれた面の
耐酸化性はほとんどＴｉＮの耐酸化性で維持され、ＤＬ
Ｃコーティングに比べ長寿命化が図られたものと考えら
れる。

【００１４】次に、炭素イオンの打込みによる表面改質
の代りに、塩素イオン打込みを実施した。この場合も図
７と類似の発塵低減効果が得られた。但し、塩素イオン
の場合、打込み量は1平方センチメートル当り１ｘ１０
の１６乗個以上の桁で済んだ。塩素イオンの場合の磨
耗、摩擦低減効果のメカニズムは未だ明確でないもの
の、低減効果は確認できている。

【００１５】本実施例では、ウエハエッジに対向する部
材の面のみを炭素あるいは塩素イオン打込み改質した
が、発明の本質からして部材全体の表面に打込み改質し
たものを用いても良いことは明らかである。また改質処
理時の炭素、塩素イオン打込みエネルギーは５０ｋｅＶ
としたが、エネルギーを変えることにより打込み深さが
変化するだけであり、発塵低減効果には影響はないこと
は明らかである。実際、２０ｋｅＶ程度もしくは５０〜
２００ｋｅＶで打込みを行った場合でも本願発明の効果
が得られている。

【００１６】この他、打込み室６内の種々の構造材で酸
素イオン照射を受ける部材（たとえば回転円板や円板に
取付けられる部品）も、機械的振動による擦れで一般に
は発塵を引き起す。このためこれらの部材について材質
を窒化チタンとしその酸素照射面を炭素あるいは塩素イ
オンで打込み改質処理すればパーティクル付着汚染の少
ないクリーンな酸素イオン打込みが実現できることは、
発明の本質からして明らかである。

【００１７】

【発明の効果】本発明によれば、ＳＩＭＯＸウエハを作
製する酸素イオン注入装置において、パーティクル付着
汚染の少ないクリーンな酸素イオン打込みが可能とな
る。ＳＩＭＯＸウエハ作製のための実用に供してウエハ
高品質化への効果は著しく大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるシリコンウエハチャックピン及び
ウエハストッパーの構造を説明する図であり、（Ａ）図
は全体図、（Ｂ）図は構造拡大図で、ハッチング部分は
本発明による表面改質個所を示す。

【図２】従来の酸素イオン打込み装置の構成を説明する
図である。

【図３】酸素イオン打込み装置のうち打込み室の内部構
造を説明する図である。

【図４】ＳＩＭＯＸウエハの断面構造を説明する図であ
る。

【図５】酸素イオン打込み時にパーティクル付着汚染が
あった時のＳＩＭＯＸウエハ断面構造を説明する図であ
る。

【図６】ウエハの保持部材の設置位置とその構造を説明
する図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。

【図７】本発明による効果を説明する図で、表面改質用
の炭素イオン打込み量と打込みウエハ表面のパーティク
ル汚染効果の関係を示した図である。

【符号の説明】

１…マイクロ波イオン源、２…質量分離器、３…後段加
速管、４…磁気四重極レンズ系、５…ビーム偏向器、６
…イオン打込み室、７…シリコンウエハ、８…回転円
板、９…ランプヒータ、１０…埋め込み酸化膜、１１…
表面シリコン層、１２…ピンホール欠陥、１３…ウエハ
ストッパー、１４，１４’…ウエハチャックピン、１５
…酸素ガス流量調整器、１６…ウエハ準備室、１７…ビ
ームダンプ、１８…シリコン基板、１９…パーティクル
（ゴミ）、２０…ベース、２１…チャックピン着脱機構
部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤純也茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者関博文茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発研究所内Ｆターム(参考） 5C001 AA01 CC07 DD01 5C034 CC11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコンウエハ内部に埋め込み酸化膜を
形成するため、５００℃以上に加熱したシリコンウエハ
に２０〜２５０ｋｅＶのエネルギーの酸素イオンをイオ
ン打込みする酸素イオン打込み装置において、シリコン
ウエハ周辺エッジ部分でウエハを保持するためのウエハ
保持部材が窒化チタンであると共にウエハエッジに接触
可能な保持部材の一部もしくは全部の表面をあらかじめ
炭素もしくは塩素イオンでイオン打込みさせた保持部材
とする酸素イオン打込み装置。
【請求項２】請求項第１項記載の酸素イオン打込み装
置において、部材にあらかじめ炭素もしくは塩素をイオ
ン打込み処理する条件がそのイオン打込み量で１平方セ
ンチメートル当り１ｘ１０の１６乗個以上及び２０ｋｅ
Ｖ以上の打込みエネルギーで処理された保持部材とした
酸素イオン打込み装置。
【請求項３】請求項第１項の酸素イオン打込み装置に
おいて、打込み室内にあって酸素イオン照射を受ける部
材の材質を窒化チタンとすると共に酸素ビーム照射面の
一部もしくは全部をあらかじめ炭素もしくは塩素イオン
でイオン打込みさせた部材とする酸素イオン打込み装
置。