JP2007109474A - イオン注入装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板へ不純物イオンを注入する際に不純物濃度の均一性を向上させることができるオン注入装置を提供する。
【解決手段】チャンバー内に設け主面にイオンを注入すべき基板１０を搭載した円板と、この円板を主面に平行な方向に移動させる移動手段と、円板に取り付けてある基板１０にイオンを注入するイオンビーム発生部２とを備えたイオン注入装置１であって、イオンビーム発生部２から出射するイオンビームが基板１０に到達するまでの間の進行路上に設置し、イオンビーム径の形状を少なくとも一方向に拡大させるビーム成形手段５を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、イオン注入装置に係り、特に半導体基板などへの不純物イオンの注入に際し、不純物濃度の均一性を高めることができるイオン注入装置に関する。

半導体基板などの製造の際、即ち基板内部にリン（Ｐ）、硼素（Ｂ）、砒素（Ａｓ）などの不純物イオンを注入する場合、一般に、バッチ処理タイプのイオン注入装置が使用されていた（例えば、特許文献１参照）。即ち、このイオン注入装置には、図８（ａ）に示すように、ディスクチャンバー１０１内部に設けた円板１０２と、この円板１０２を回転させるためディスクチャンバー１０１に固設したモータ１０３と、円板１０２を取付けてあるディスクチャンバー１０１を上下方向に往復運動させるためのボールねじ１０４及びこのボールねじ１０４を駆動させるモータ１０５と、円板１０２上に多数の半導体基板１００を保持するための保持台１０６などを備えたものが知られている。

このような構成のイオン注入装置では、基板１００へのイオン注入の際に不純物濃度の均一性を確保するため、同図（Ｂ）に示すように、注入ターゲットである基板１００に対して、Ｘ方向は基板１００を取り付けた円板１０２の高速回転で移動させるとともに、Ｙ方向は上下方向の反復運度により移動させるように構成している。この場合、注入されるイオンビームＩは、注入前に効率よく、かつ、小さく収束させる（絞る）ことで、注入時の不純物濃度の均一化を図っている。
特開２０００−１１９４１号公報

しかしながら、このような構成のイオン注入装置にあっては、基板を局部的に見ると均一化を図ることが可能であるとしても、小さく収束させた（絞った）イオンビームの影響で基板全体に対しては注入むらを発生させる虞があり、問題となっていた。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、基板へイオンを注入する際に、注入するイオン濃度の均一性を高めることができるイオン注入装置を提供することを目的とする。

本発明のイオン注入装置は、主面からイオンを注入させる基板を搭載した円板と、この円板を前記主面に平行な方向に運動させる移動手段と、前記移動手段で所定の方向に運動中の円板に搭載した前記基板にイオンを注入するイオンビーム発生部とを備えたイオン注入装置であって、前記イオンビーム発生部から出射する前記イオンビームが前記基板に到達するまでの間の進行路上に設置し、前記イオンビーム径の形状を少なくとも一方向に拡大させるビーム成形手段を具備している。
上記構成によれば、例えば固体撮像素子（ＣＣＤ）などの半導体装置の製造に際し、基板内にＰ，Ｂ，Ａｓなどの不純物イオンを注入し、不純物領域を形成する際、基板内での不純物濃度の均一性を向上させることが可能となる。

また、本発明では、イオン注入装置において、前記ビーム成形手段は、前記円板によって前記基板が運動するときの前記基板の運動方向に対して直交方向に、前記イオンビーム径を拡大させるものである。
上記構成によれば、簡単な方法で、基板内へ注入するイオン濃度の均一性を高めることができる。

また、本発明では、イオン注入装置において、前記基板に注入させる直前のイオンビームの通過する流路上に進退可能に若しくは前記流路に対面する状態まで起立可能に設置したビーム形状計測手段を備えるものである。
上記構成によれば、信頼度の高いイオン注入装置を実現することができる。

また、本発明では、イオン注入装置において、前記ビーム形状計測手段から出力するデータに基づき前記ビーム成形手段を制御する制御手段を備えたものである。
上記構成によれば、所望のイオンビーム断面形状が自動的にしかも、正確に形成可能なイオン注入装置を実現できる。

また、本発明では、イオン注入装置において、前記円板は、周縁部に沿って前記基板を複数枚搭載するとともに、前記移動手段は、前記円板の中央部を中心として前記円板を回転運動させる第１回転駆動機構と、前記円板を収容するとともに第１回転駆動手段を固定するチャンバーを、一定方向に沿って往復運動させる往復運動機構とを備えたものである。
上記構成によれば、基板の主面に平行な２方向について、基板を移動させることができるため、注入された基板内でのイオン濃度の均一性がより高められる。

また、本発明では、イオン注入装置において、移動手段は、前記円板に搭載した前記各基板を個別に回転運動させる、前記基板ごとに設置する第２回転駆動機構を備えたものである。
上記構成によれば、注入された基板内でのイオン濃度の均一性がさらに高められる。

本発明によれば、イオンビーム発生部から出射するイオンビームが基板に到達するまでの間のイオンビーム進行路上に、イオンビーム断面の形状を少なくとも一方向に拡大させるビーム成形手段を備えており、基板などへ不純物イオンなどを注入したときに基板内の不純物イオン濃度の均一性を向上させることができるオン注入装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るイオン注入装置１を示すものであり、このイオン注入装置１は、イオンビーム発生部２と、質量分離器３と、加速部４と、ビーム成形部５と、イオン注入部６とを備え、基板１０が、自転しながら公転するように構成されているている。なお、同図中符号１０は、バッチ処理により複数の半導体基板を形成するため、後述する円板上に複数（多数枚）設置されている基板を示す。

このうち、イオンビーム発生部２では、基板１０へのイオン注入のために用いる所望元素（例えば、Ｐ，Ｂ，Ａｓ，・・・など）のイオン化物質などを供給し、これから所望のイオンを多数発生させ、それらのイオンを連続的にビーム状（イオンビーム）に形成して引き出すものである。本実施の形態のイオンビーム部２は、図示外の気相状態（例えば、金属蒸気）発生炉などのイオン源から供給される中性の原子（又は分子）に対して電離電圧とよぶポテンシャルエネルギー（電離エネルギー、つまり位置エネルギーの一種）を与えることにより、最外殻電子が１個以上取り去られた正イオン（励起状態の中では最も高いポテンシャルエネルギーの状態）などのビームを生成するようになっている。このイオンビーム部２には、イオンを気中放電により生成するプラズマ方式と、金属表面と原子間の相互作用を利用して生成する表面効果方式などが知られており、本実施の形態ではプラズマ方式を用いているが、特にこの方式に限定されるものではない。

質量分離器３は、イオンビーム部２から引き出された各種の正イオンの中から基板１０への注入に必要とするイオンを分離・選別するためのものであり、一般に、磁界中でメインビームをサイクロトロン運動させると、各イオンの質量によってその軌道が異なる（質量が大きいほど軌道半径が大）ので、これを利用して所望のイオンビームを取り出すことができるようになっている。このため、本実施の形態の質量分離器３には、略扇型形状を呈する電磁石（セクターマグネット）を用いているが、ビーム軌道が直線となる、直交電磁界などを利用するＥ×Ｂタイプのものでもよい。

また、この質量分離器３よりもイオンビームの走行方向の下流側であって次の加速部４よりも上流側には、質量分離器３で分離された所望のイオンのビーム量を調整する（或いは、イオンビームの断面が所望の大きさの真円形状に形成する）図示しない可変スリットのような調整手段などを付設している。

加速部４は、ビーム状態のイオンに加速エネルギーを付与することにより、基板１０へ打ち込むときのイオン注入深さなどを制御するものである。本実施の形態の加速部４は、二枚で一対の電極４１を何組（複数組）も等間隔で直列配置してそれらに同じ電圧を印加することにより、Ｚ軸方向に等電界を形成する、円筒状の加速管で構成している。この加速部４では、本実施の形態の場合、シングルエンド方式による静電加速を行う構成としたが、これ以外にタンデム方式での静電加速でも可能である。

ビーム成形部５は、イオンビーム発生部２から引き出されるイオンビームの径形状を少なくとも一方向に拡大させるものであり、本実施の形態では、具体的には、図４に示すように、後述する円板１２が回転することにより基板１０が一定半径で円（公転）運動する際にその基板１０の移動する（Ｘ）方向に対して直交する（Ｙ）方向に拡大させるようになっている。そのため、本実施の形態のビーム成形部５では、図２に示すように、断面が直角双曲線形状の４個の電極５１〜５４を中心であるＺ軸の回りに配設するとともに、互いに向かい合う電極に同種の電圧を印加する４重極構造で構成するようになっている。即ち、注入するイオンの帯電極性とは逆極性の電圧、具体的には、イオンビームを拡大させたいＹ方向に設けた負電極５１、５２の方により大きな電圧（例えば、−１０〜１５ｋＶ）を印加するように構成している。

つまり、本実施の形態の負の電極５１，５２及び正電極５３，５４は、図３に示すように、このビーム成形部５を通過する直前のイオンビームの断面形状が真円形状であり、このビーム成形部５を通過後のイオンビームの断面形状が、Ｙ軸方向が長軸、Ｘ軸方向が短軸となる楕円形状で、かつ所定の楕円率となるように、そのイオンビームの断面形状に対応しあらかじめ所定の演算式などから電圧値比（正電極と負電極との印加電圧値の比）を算出し、その電圧比で電圧を印加するように構成してある。

イオン注入部６は、図４に示すように、高真空状態に保持されたディスクチャンバー１１内部のイオン注入室に回転可能に設置された円板１２と、この円板１２の主面の外周縁部に沿って複数（多数枚）設置された保持板１３と、この保持板１３に保持されて図示外のイオンビーム部２から引き出されてきたイオンを注入して半導体を形成する基板１０とを備えている。
円板１２には、ディスクチャンバー１１に固設する第１モータ（第１回転駆動機構）１４の出力軸が固着されており、円板１２の保持板１３に搭載された各基板１０が実質的に円運動をするようになっている。一方、円板１２には、この円板１２の裏面に固設した第２モータ（第２回転駆動機構）１５によって各基板１０を搭載する保持板１３をそれぞれ個別に回転させるようになっている。これにより、基板１０は、第１、第２のモータ１４、１５の回転動作により、自転しながら公転するように構成されている。

さらに、このディスクチャンバー１１には、往復移動機構として、円板１２に搭載した基板を往復並進運動させるため、第３モータ１６により回転駆動するボールねじ１７Ａに螺合する雌ねじが切られた螺合部１７Ｂと、ガイドシャフト１８Ａをスライド自在に貫通するガイド部１８Ｂとを備えている。
なお、本実施の形態では、基板１０が自転しながら公転するような構成としたが、所要の効果が得られるようであれば、公転運動と併進運動の２種類の運動を行う構成であってもよい。また、さらに、所要の効果が得られるようであれば、公転運動或いは並進運動のいずれか一方だけを行う構成でもよい。

次に、本実施の形態に係るイオン注入装置１と、従来のイオン注入装置とを実際に稼動させて基板にイオンを注入させて得た２種類の半導体基板について、イオンの注入均一性を比較する実験を行ってみた。その結果、図５（Ａ），（Ｂ）に示すような濃度分布のオシロスコープ波形が得られた。なお、同図（Ａ）は本実施の形態のイオン注入装置１で製造した半導体基板での濃度分布のオシロスコープ波形、同図（Ｂ）は、従来のイオン注入装置で製造した半導体基板での濃度分布のオシロスコープ波形を示すものである。
この図５（Ａ），（Ｂ）から、本実施の形態のイオン注入装置１で製造した半導体基板の方は出力差が５０ｍＶ、従来のイオン注入装置で製造した半導体基板では出力差が１００ｍＶとなり、基板へのイオン注入濃度の均一性が向上していることが判明した。

[第２の実施の形態]
次に、本発明の第２の実施の形態について、図７を参照しながら説明する。なお、本実施の形態において、第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して重複説明を避ける。
本実施の形態のイオン注入装置１では、第１の実施の形態を構成する構成要素のほかに、基板１０に注入される直前のイオンビームＢの通過する流路に対面する状態まで起立可能に設置した（若しくはイオンビームの流路位置まで前進可能に構成してもよい）ビーム形状計測手段を構成するカウンタ７と、このカウンタ７から出力するデータに基づきビーム成形手段５を制御する制御部８とを備えている。

このうち、カウンタ７は、略真円の円板形状を有し、入射するイオンビーム電流を２次元的に計測するようになっている。一方、制御部８は、カウンタ７で計測したイオン電流の分布状態から、イオンビームが所望の断面形状であるかを判断する。そして、その断面形状を構成する各周辺部が所望の形状から一定値以上ずれていると判断した場合には、そのずれ量に応じて所定の演算式などからビーム成形手段５の正負電極へ印加するべき適正な電圧値を算出し、その電圧値を印加するように構成してあり、フィードバック制御するようになっている。

次に、このような構成の本実施の形態のイオン注入装置１によるイオンビームの断面形状成形方法について説明する。
実際に基板にイオンを打ち込む前に、ビーム形状計測手段を構成する略真円の円板形状のカウンタ７をイオンビームが通過する流路上に９０度起立する状態まで回動させる（ステップＳ１）。次に、イオン注入装置を実際に試験的に稼動させ、カウンタ７でのイオンビーム電流を計測する（ステップＳ２）。そして、そのカウンタ７から出力するデータを制御部８で解析してカウンタ７計測したイオン電流の分布状態から、イオンビームの断面形状を算出するとともに、予め設定してある基準断面形状と比較し（ステップＳ３）、制御部８はその比較値が所定の値を上回っているか否かを判断する（ステップＳ４）。そして、上回っていると判断した場合には、イオンビームの断面形状を基準の断面形状に補正するため、適正な電圧値比（正電極と負電極との印加電圧値の比）を算出し、ビーム成形手段５の電極へ、補正された電圧値を印加する（ステップＳ５）。そして、再度ステップＳ２へ戻り、以下同様の動作を繰り返す。一方、制御部８がその比較値が所定の値を上回っていないと判断した場合には、ステップ６へ移行し、イオンビームの通過の邪魔にならない状態までカウンタ７を横臥させる。その後、イオン注入装置を実際に運転させて、実際に基板１０へイオンを打ち込み、半導体基板を製造する。

なお、本発明は上述した実施の形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施し得るものである。

本発明のイオン注入装置は、例えば、半導体基板を製造するために、基板へＰ，Ｂ，Ａｓなどの不純物イオンを注入したときに基板内での不純物濃度の均一性を向上させることができる効果を有し、半導体基板の製造装置への適用等に有用である。

本発明の第１の実施の形態に係るイオン注入装置の全体構成を示す概略図である。 本発明の第１の実施の形態に係るイオン注入装置のビーム成形部の概略構成を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態に係るイオン注入装置のビーム成形部の作用を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態に係るイオン注入装置のイオン注入部を示すものであり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は動作を示す説明図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の実施の形態に係るイオン注入装置と従来のイオン注入装置とによりそれぞれ製造した半導体基板でのイオン注入濃度分布特性を示すオシロスコープ波形図である。 本発明の第２の実施の形態に係るイオン注入装置の要部構成を示す概略図である。 本発明の第２の実施の形態に係るイオン注入装置のイオンビームの断面形状制御方法を示すフローチャートである。 （Ａ）は従来のイオン注入装置のイオン注入部の構成を示す断面図、（Ｂ）はその動作を示す説明図である。

符号の説明

１ イオン注入装置
２ イオンビーム発生部
３ 質量分離器
４ 加速部
５ ビーム成形部
５１、５２ 負電極
５３、５４ 正電極
６ イオン注入部
７ カウンタ（ビーム形状計測手段）
８ 制御部
１０ 基板
１２ 円板
１３ 保持板
１１ ディスクチャンバー
１４ 第１モータ（第１回転駆動機構）
１５ 第２モータ（第２回転駆動機構）
１６ 第３モータ（往復移動手段）
１７Ａ ボールねじ（往復移動手段）
１７Ｂ 螺合部（往復移動手段）
１８Ａ ガイドシャフト（往復移動手段）

Claims (6)

1. 主面からイオンを注入させる基板を搭載した円板と、この円板を前記主面に平行な方向に運動させる移動手段と、前記移動手段で所定の方向に運動中の円板に搭載した前記基板にイオンを注入するイオンビーム発生部とを備えたイオン注入装置であって、
   前記イオンビーム発生部から出射する前記イオンビームが前記基板に到達するまでの間の進行路上に設置し、前記イオンビーム径の形状を少なくとも一方向に拡大するビーム成形手段を備えたイオン注入装置。
2. 請求項１に記載のイオン注入装置であって、
   前記ビーム成形手段は、前記円板によって前記基板が運動するときの前記基板の運動方向に対して直交方向に、前記イオンビーム径を拡大させるように構成されるイオン注入装置。
3. 請求項１または２に記載のイオン注入装置であって、
   前記基板に注入させる直前のイオンビームの通過する流路上に進退可能に若しくは前記流路に対面する状態まで起立可能に設置したビーム形状計測手段を備えたイオン注入装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載のイオン注入装置であって、
   前記ビーム形状計測手段から出力するデータに基づき前記ビーム成形手段を制御する制御手段を備えたイオン注入装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載のイオン注入装置であって、
   前記円板は、周縁部に沿って前記基板を複数枚搭載するとともに、
   前記移動手段は、前記円板の中央部を中心として前記円板を回転運動させる第１回転駆動機構と、前記円板を収容するとともに第１回転駆動手段を固定するチャンバーを、一定方向に沿って往復運動させる往復運動機構とを備えたイオン注入装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載のイオン注入装置であって、
   移動手段は、前記円板に搭載した前記各基板を個別に回転運動させる、前記基板ごとに設置する第２回転駆動機構を備えたイオン注入装置。

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