JP2005217083A - イオン注入方法及びイオン注入機 - Google Patents

Abstract

【課題】 成膜工程、活性化アニール工程の不均一性を克服して、半導体等の基板の物性の均一性を向上し、抵抗率分布等の物性値を所望の物性値にすることができるイオン注入方法及びイオン注入機を提供する。
【解決手段】 成膜工程と活性化アニール工程の間で行われる不純物導入工程で使用されるイオン注入機において、前記成膜工程のデータと前記活性化アニール工程のデータを加えた制御用データに基づいて、前記基板が所望の不純物密度分布を持つように、イオン電流密度分布及び基板の移動、又は、ビーム進行角を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子や液晶表示装置等の製造過程で不純物導入に使用されるイオン注入方法及びイオン注入機に関するものである。

半導体素子や液晶表示装置等の製造過程においては、成膜工程、不純物導入工程、活性化アニールなどの各工程が必要とされている。

この成膜工程は、熱酸化法や化学気相堆積法（ＣＶＤ法）等により、シリコンの表面を二酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）や窒化シリコン等で覆って絶縁膜を付けたり、ガラス基板に半導体素子の母材であるシリコン膜を付けたりする工程である。

不純物導入工程は、拡散法やイオン注入法を使用して半導体素子の基板や液晶の基板にヒ素（Ａｓ），リン（Ｐ），ホウ素（Ｂ）、アンチモン（Ｓｂ）等の不純物を導入してシリコンの所望の箇所を、所望の物性（例えば、電気抵抗）に調整することでトランジスタを形成する工程である。

活性化アニール工程は、イオン注入法による不純物導入工程の後に、高温で短時間、又は低温で長時間の熱処理やレーザ又は高輝度ランプの光の極短時間照射による高速アニーリング（ＲＴＡ）等により、熱処理（アニーリング）を行って、この熱処理により、イオン注入によって生じた基板表面の非晶質化や結晶欠陥（原子配列）を回復して、イオン注入で打ち込まれた不純物を電気的に活性化したり、打ち込んだ不純物を所望の深さまで拡散させる工程である。

そして、不純物導入工程には、不純物を高濃度に含んだ層をまず半導体基板表面に堆積し、高温加熱により不純物を基板中に拡散させる拡散法や、不純物をイオン化して高電圧で加速して、半導体基板中に打ち込むイオン注入法が使用されている（例えば、特許文献１〜３参照。）。

そして、イオン注入法は拡散法に比べて深さや注入量の制御が容易であるため、不純物導入工程ではイオン注入法が主流となってきている。

この制御は、イオンの加速電圧とイオン電流を制御することで行われ、不純物分布を高い精度で制御することができる。そして、このイオン注入の際には、製品の物性値、例えば、半導体の抵抗率分布（又はキャリア移動度）等が所望の値となるか否か等は、導入された不純物の分布によっても大きく左右されるので、その不純物の量及び導入する深さは可能な限り精密に制御されている。

一方、一連の半導体や液晶の基板の製造プロセスでは、上記のような成膜工程、不純物導入工程、活性化アニール工程を経て製品化されるが、これらの各工程において基板（半導体ではウエーハ、液晶ではガラス基板）全体の物性を均一化することは難しく、各々の工程の加工を終えた状態においては、基板の物性に不均一が存在してしまう。

特に、成膜工程、活性化アニール工程は熱やプラズマが介在する均一な処理が困難な工程であり、加工の均一性を確保することが困難である。一方、不純物導入工程では、他の処理工程と比較して、イオン電流などで比較的簡単に不純物の導入量を計測でき、また、電気的な制御により容易に制御できる。

例えば、イオン注入法を用いた不純物導入工程において、イオン注入をおこなったロットの一部について抵抗率及びドーズ量を測定し、その測定結果に基づいて、このロットの全基板に対して、このドーズ量を補正するために再度のイオン注入を行って基板の蓄積電荷量が目的とする所定の蓄積電荷量になるようにして、半導体基板間の基板電圧を安定化している（例えば、特許文献４参照。）。

しかし、従来技術においては、各工程毎に独立して、その工程における処理パラメータを操作して、その工程の加工における基板の物性の均一化を図っており、各々の工程でそれぞれの加工後における所望の性能を得るように調整されているため、工程相互間における調整がなされておらず、その結果、この各工程をすべて終了した基板において必ずしも所望の物性値が得られないという問題があった。また、最終的な基板において所望の物性値が得られない場合に、いずれの工程にその原因があったかを究明することも困難であるという問題もあった。

この様子を図７〜図１０に示す。図７は、成膜工程における膜厚分布の例を示し、図８は、不純物導入工程における注入分布の例を示し、図９は、活性化アニール工程における活性化分布の例を示す。

しかしながら、図８に示すように不純物の注入分布が良くても、成膜工程や活性化アニール工程における不均一性の影響を受けるために、結果的には、三工程を終了した後の基板の抵抗分布は、図１０に示すように必ずしも均一化されていないことが分かる。
実開昭５２−３９３６９号公報 実開平６−９７０８２号公報 実開平８−１０２５３３号公報 実開平７−２２６０１号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、成膜工程、活性化アニール工程の不均一性を考慮して、これらの不均一性を解消するように、不純物導入工程における不純物の濃度を制御して、半導体や液晶等の基板の物性の均一性を向上し、基板の抵抗率分布等の物性値を所望の物性値にすることができるイオン注入方法及びイオン注入機を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明のイオン注入方法は、成膜工程と活性化アニール工程の間で行われる不純物導入工程で使用されるイオン注入機において、前記成膜工程のデータと前記活性化アニール工程のデータを加えた制御用データに基づいて、前記基板が所望の不純物密度分布を持つように、イオン電流密度分布及び基板の移動、又は、ビーム走査を制御することを特徴とする。

また、成膜工程と活性化アニール工程の間で行われる不純物導入工程で使用され、かつ、イオンビームを発生するイオン源と、該イオンビームをリボン状ビームに変化させるビーム光学系機構と、該リボン状ビームのイオン電流密度分布を調整するマルチポールと、前記リボン状ビームの照射方向と交差する方向に基板を移動する基板スキャン機構と、前記リボン状ビームのイオン電流密度分布を計測するプロファイラとを備えたイオン注入機において、前記プロファイラで計測されたイオン電流密度分布のデータだけでなく、このデータに前記成膜工程のデータと前記活性化アニール工程のデータを加えたデータに基づいて、前記基板が所望の不純物密度分布を持つように、前記マルチポールにおけるイオンビーム調整用磁場、及び、前記基板スキャン機構における基板の移動を制御することを特徴とする。

あるいは、成膜工程と活性化アニール工程の間で行われる不純物導入工程で使用され、かつ、スポット状のイオンビームを発生するイオン源と、該イオンビームをビーム走査を調整しながら基板にイオンビームを照射するビームスキャン機構と、イオン電流を計測するイオン電流モニタと、前記ビーム走査を計測するスキャンモニタとを備えたイオン注入機において、前記イオン電流モニタで計測されたイオン電流のデータ、前記スキャンモニタで計測されたビーム走査のデータだけでなく、これらのデータに前記成膜工程のデータと前記活性化アニール工程のデータを加えたデータに基づいて、前記基板が所望の不純物密度分布を持つように、前記ビームスキャン機構におけるビーム走査を制御することを特徴とする。

そして、上記のイオン注入方法において、前記成膜工程のデータとして膜厚分布のデータを用いると共に、前記活性化アニール工程のデータとして活性化分布のデータを用いると、所望の基板の比抵抗分布を得られる不純物密度を実現でき、基板の抵抗率等の物性値を均一にすることができる。

また、基板の製造方法に上記のイオン注入方法を用いることにより、基板の抵抗率等の物性値を均一にすることができる。

そして、前記の目的を達成するための本発明のイオン注入機は、成膜工程と活性化アニール工程の間で行われる不純物導入工程で使用され、かつ、イオンビームを発生するイオン源と、該イオンビームをリボン状ビームに変化させるビーム光学系機構と、該リボン状ビームのイオン電流密度分布を調整するマルチポールと、前記リボン状ビームの照射方向と交差する方向に基板を移動する基板スキャン機構と、前記リボン状ビームのイオン電流密度分布を計測するプロファイラとを備えたイオン注入機において、
前記プロファイラで計測されたイオン電流密度分布のデータだけでなく、このデータに前記成膜工程のデータと前記活性化アニール工程のデータを加えたデータに基づいて、前記基板が所望の不純物密度分布を持つように、前記マルチポールにおけるイオンビーム調整用磁場、及び、前記基板スキャン機構におけるスキャン速度とスキャン回数を制御する不純物注入制御部を備えて構成される。

あるいは、成膜工程と活性化アニール工程の間で行われる不純物導入工程で使用され、かつ、スポット状のイオンビームを発生するイオン源と、該イオンビームをビーム走査を調整しながら基板にイオンビームを照射するビームスキャン機構と、イオン電流を計測するイオン電流モニタと、前記ビーム走査を計測するスキャンモニタとを備えたイオン注入機において、前記イオン電流モニタで計測されたイオン電流のデータ、前記スキャンモニタで計測されたビーム走査のデータだけでなく、これらのデータに前記成膜工程のデータと前記活性化アニール工程のデータを加えたデータに基づいて、前記基板が所望の不純物密度分布を持つように、前記ビームスキャン機構におけるビーム走査を制御する不純物注入制御部とを備えて構成される。

そして、上記のイオン注入機において、前記成膜工程のデータとして膜厚分布のデータを用いると共に、前記活性化アニール工程のデータとして活性化分布のデータを用いると、所望の基板の比抵抗分布を得られる不純物密度を実現でき、基板の抵抗率等の物性値を均一にすることができる。

また、基板の製造システムに上記のイオン注入機を備えることにより、基板の抵抗率等の物性値を所望の物性値にすることができる。

本発明に係るイオン注入方法及びイオン注入機によれば、成膜工程、活性化アニール工程の不均一性のデータを加味して、これらの不均一性を解消するように、不純物導入工程における不純物注入を制御するので、成膜工程、不純物導入工程、活性化アニール工程の三工程を終了した後における半導体や液晶等の基板の物性の均一性を向上させることができ、基板の抵抗率分布等の物性値を所望の物性値にすることができる。

以下図面を参照して本発明に係るイオン注入方法及びイオン注入機の実施の形態について説明する。

最初に第１の実施の形態のイオン注入方法及びイオン注入機について説明する。この第１の実施の形態のイオン注入機１０は、イオンビームＢ１を発生するイオン源１１と、このイオンビームＢを横長のリボン状ビームＢ２に変化させるビーム光学系機構１２と、このリボン状ビームＢ２を所望のイオン電流密度分布に調整するマルチポール１３と、リボン状ビームＢ３の照射方向に対して垂直な方向に基板２０をスキャンする基板スキャン機構１４と、リボン状ビームＢ３のイオン電流密度分布を計測するプロファイラ１５と、マルチポール１３と基板スキャン機構１４を制御する不純物注入制御部１６とを備えて構成される。

そして、このイオン源１１では、ヒ素（Ａｓ），リン（Ｐ），ホウ素（Ｂ）等をイオン化すると共に加速してイオンビームＢ１とする。なお、このイオン種を選択する質量分析はイオンの加速前に行う場合と、加速後に行う場合とがある。

このイオンビームＢ１をビーム光学系機構１２において、分解スリットを通して所定のイオンの質量範囲のイオンビームＢ２のみを通過させると共に、横長のリボン状ビームＢ２にする。この通過させるイオンの質量の範囲は分解スリットの開口幅によって予め設定して置く。

このリボン状ビームＢ２を、上下１組の小型電磁石を複数組（例えば、５か７組）並べたマルチポール１３において、各小型電磁石のコイルへの励磁電流を制御して、所定のイオン電流密度分布に調整したイオンビームＢ３にして、半導体や液晶等の基板２０に打ち込む。なお、このイオンビームＢ１，Ｂ２，Ｂ３の通る道筋は真空ポンプ（図示しない）で排気して高真空に保つ。

そして、この第１の実施の形態のイオン注入機１０では、イオンビームＢ３をスキャンせずに、イオンビームＢ３の照射方向を固定して、基板スキャン機構１４の回転ドラム１４ａに吊り下げた基板２０を巻き上げたり、巻き戻したりすることにより往復移動させて基板２０に注入されるイオン量を所望の分布とする。

なお、プロファイラ１５はビームの電流密度を調べる装置であり、ファラデーカップとこのファラデーカップをビームを横断するように移動させる機構で構成される。

そして、本発明においては、不純物注入制御部１６は、プロファイラ１５で計測されたイオン電流密度分布のデータだけでなく、このデータに、成膜工程のデータ（例えば、膜厚分布や不純物濃度分布）と活性化アニール工程のデータ（例えば、活性化分布や熱処理の温度分布や熱処理時間分布）又は成膜工程、不純物導入工程、活性化アニール工程の三工程後の物性値（例えば、抵抗率分布）を加えたデータに基づいて、基板２０に対して所望の不純物密度分布になるように、マルチポール１３におけるイオンビーム調整用磁場、及び、基板スキャン機構１４におけるスキャン速度とスキャン回数を制御するように構成される。

この不純物注入制御部１６を設けた構成により、不純物導入の濃度を成膜工程、活性化アニール工程で生じる物性の不均一性を解消するように制御して処理し、基板２０の抵抗率分布等の物性の均一性を向上することができる。

次に第２の実施の形態のイオン注入方法及びイオン注入機について説明する。

このイオン注入機３０Ａは、スポット状のイオンビームを発生するイオン源３１Ａと、このイオンビームＢ４のビーム進行角を調整しながら、イオンビームＢ４を基板２０上にスキャン（走査）するビームスキャン機構３２Ａと、イオン電流を計測するイオン電流モニタ３３Ａと、ビーム走査を計測するスキャンモニタ３４Ａと、ビームスキャン機構３２Ａにおけるビーム走査を制御する不純物注入制御部３５Ａを備えて構成される。

そして、このイオン源３１Ａは、第１の実施の形態のイオン源１１と同様にイオンビームＢ４を発生させる。ビームスキャン機構３２Ａは、Ｘ走査電極３２Ａａ、Ｙ走査電極３２Ａｂに高周波電圧を加えることにより、イオンビームＢ５のＸ方向（左右方向）およびＹ方向（上下方向）に照射方向を変えて基板２０上をスキャン（走査）する。

イオン電流モニタ３３Ａはスキャンしたビームを部分的に受けるファラデーカップによりイオン電流を計測し、スキャンモニタ３４Ａは設置したコイルより計測される磁場変動によりＸ方向（左右方向）およびＹ方向（上下方向）のビーム走査の様子を計測する。

そして、この第２の実施の形態のイオン注入機３０Ａでは、基板２０は固定したままとし、ビームスキャン機構３２Ａによりスキャンしながらイオンの注入を行う。

そして、本発明においては、不純物注入制御部３５Ａは、イオン電流モニタ３３Ａで計測されたイオン電流のデータ、スキャンモニタ３４Ａで計測されたビーム走査のデータだけでなく、これらのデータに成膜工程のデータ（例えば、膜厚分布や不純物濃度分布）と活性化アニール工程のデータ（例えば、活性化分布や熱処理の温度分布や熱処理時間分布）又は成膜工程、不純物導入工程、活性化アニール工程の三工程後の物性値（例えば、抵抗率分布）を加えたデータに基づいて、基板２０に対して所望の不純物密度分布になるように、ビームスキャン機構３２Ａを制御して、ビームＢ５の照射を調整する。

この不純物注入制御部３５Ａを設けた構成により、不純物導入の濃度を成膜工程、活性化アニール工程で生じる物性の不均一性を解消するように制御して処理し、基板２０の抵抗率分布の物性の均一性を向上することができる。つまり、イオン注入機３０Ａによって不純物導入量を調整することで、他の工程における不均一性を補完することが可能となる。

第１の実施の形態のイオン注入方法で不純物導入した実施例におけるイオン注入量による調整と他工程の関係を図３〜図６に示す。また、従来技術の不純物導入工程のみのデータで均一化を図ったイオン注入方法の場合を比較例として図７〜図１０に示す。

図３及び図７は、成膜工程における膜厚分布を示し、実施例と比較例は共に同じ分布を示している。また、図５及び図９は活性化アニール工程における活性化分布を示す、これも実施例と比較例は共に同じ分布を示している。

そして、図４の不純物導入工程のイオン注入量の分布（注入分布）は、成膜工程と活性化アニール工程のデータ（図３と図４のデータ）を加味して行うイオンの注入分布である。一方図９は、比較例のイオン注入における不純物導入工程だけのデータでイオンの注入を行った時のイオンの注入分布である。

この図４と図９の比較では、図４の実施例の方が図９の比較例の方よりも不均一となっているが、図６と図１０の抵抗率分布は、図６の実施例の方が図１０の比較例の方よりも均一となっており、他工程のデータを考慮して不純物導入量を調整したイオン注入の方が、他の工程での不均一を補完して、三工程を終了した基板では、その抵抗分布を均一化できることが分かった。

本発明に係る第１の実施の形態のイオン注入機の構成を示す模式的な斜視図である。 本発明に係る第２の実施の形態のイオン注入機の構成を示す模式的な斜視図である。 実施例の成膜工程における膜厚分布を示す図である。 実施例の不純物導入工程における注入分布を示す図である。 実施例の活性化アニール工程における活性化分布を示す図である。 実施例の三工程終了後の基板の抵抗分布を示す図である。 比較例の成膜工程における膜厚分布を示す図である。 比較例の不純物導入工程における注入分布を示す図である。 比較例の活性化アニール工程における活性化分布を示す図である。 比較例の三工程終了後の基板の抵抗分布を示す図である。

符号の説明

１０，３０Ａ イオン注入機
１１，３１Ａ イオン源
１２ ビーム光学系
１３ マルチポール
１４ 基板スキャン機構
１５ プロファイラ
１６，３５Ａ 不純物注入制御部
２０ 基板
３２Ａ ビームスキャン機構
３３Ａ イオン電流モニタ
３４Ａ スキャンモニタ
Ｂ１〜Ｂ５ イオンビーム

Claims (9)

1. 成膜工程と活性化アニール工程の間で行われる不純物導入工程で使用されるイオン注入機において、前記成膜工程のデータと前記活性化アニール工程のデータを加えた制御用データに基づいて、前記基板が所望の不純物密度分布を持つように、イオン電流密度分布及び基板の移動、又は、ビーム走査を制御することを特徴とするイオン注入方法。
2. 成膜工程と活性化アニール工程の間で行われる不純物導入工程で使用され、かつ、イオンビームを発生するイオン源と、該イオンビームをリボン状ビームに変化させるビーム光学系機構と、該リボン状ビームのイオン電流密度分布を調整するマルチポールと、前記リボン状ビームの照射方向と交差する方向に基板を移動する基板スキャン機構と、前記リボン状ビームのイオン電流密度分布を計測するプロファイラとを備えたイオン注入機において、
   前記プロファイラで計測されたイオン電流密度分布のデータだけでなく、このデータに前記成膜工程のデータと前記活性化アニール工程のデータを加えたデータに基づいて、前記基板が所望の不純物密度分布を持つように、前記マルチポールにおけるイオンビーム調整磁場、及び、前記基板スキャン機構における基板の移動を制御することを特徴とするイオン注入方法。
3. 成膜工程と活性化アニール工程の間で行われる不純物導入工程で使用され、かつ、スポット状のイオンビームを発生するイオン源と、該イオンビームをビーム走査を調整しながら基板にイオンビームを照射するビームスキャン機構と、イオン電流を計測するイオン電流モニタと、前記ビーム走査を計測するスキャンモニタとを備えたイオン注入機において、
   前記イオン電流モニタで計測されたイオン電流のデータ、前記スキャンモニタで計測されたビーム走査のデータだけでなく、これらのデータに前記成膜工程のデータと前記活性化アニール工程のデータを加えたデータに基づいて、前記基板が所望の不純物密度分布を持つように、前記ビームスキャン機構におけるビーム走査を制御することを特徴とするイオン注入方法。
4. 前記成膜工程のデータとして膜厚分布のデータを用いると共に、前記活性化アニール工程のデータとして活性化分布のデータを用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のイオン注入方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のイオン注入方法を用いた基板の製造方法。
6. 成膜工程と活性化アニール工程の間で行われる不純物導入工程で使用され、かつ、イオンビームを発生するイオン源と、該イオンビームをリボン状ビームに変化させるビーム光学系機構と、該リボン状ビームのイオン電流密度分布を調整するマルチポールと、前記リボン状ビームの照射方向と交差する方向に基板を移動する基板スキャン機構と、前記リボン状ビームのイオン電流密度分布を計測するプロファイラとを備えたイオン注入機において、
   前記プロファイラで計測されたイオン電流密度分布のデータだけでなく、このデータに前記成膜工程のデータと前記活性化アニール工程のデータを加えたデータに基づいて、前記基板が所望の不純物密度分布を持つように、前記マルチポールにおけるイオンビーム調整磁場、及び、前記基板スキャン機構におけるスキャン速度とスキャン回数を制御する不純物注入制御部を備えたことを特徴とするイオン注入機。
7. 成膜工程と活性化アニール工程の間で行われる不純物導入工程で使用され、かつ、スポット状のイオンビームを発生するイオン源と、該イオンビームをビーム走査を調整しながら基板にイオンビームを照射するビームスキャン機構と、イオン電流を計測するイオン電流モニタと、前記ビーム走査を計測するスキャンモニタとを備えたイオン注入機において、
   前記イオン電流モニタで計測されたイオン電流のデータ、前記スキャンモニタで計測されたビーム走査のデータだけでなく、これらのデータに前記成膜工程のデータと前記活性化アニール工程のデータを加えたデータに基づいて、前記基板が所望の不純物密度分布を持つように、前記ビームスキャン機構におけるビーム走査を制御する不純物注入制御部とを備えたことを特徴とするイオン注入機。
8. 前記成膜工程のデータとして膜厚分布のデータを用いると共に、前記活性化アニール工程のデータとして活性化分布のデータを用いることを特徴とする請求項６又は７記載のイオン注入機。
9. 請求項６〜８のいずれか１項に記載のイオン注入機を備えた基板の製造システム。
   

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