JP2009048877A - イオン注入装置 - Google Patents

Abstract

【課題】イオンビームのビーム形状を成形する部材の貫通孔の内面などにイオン種が堆積して飛散することによる処理対象の不良を防止できる期間を延長し、アパーチャの交換頻度を少なくし、生産性を向上できるイオン注入装置を提供する。
【解決手段】ビーム形状を成形するアパーチャ部材２２０の少なくとも貫通孔２２２内面の少なくとも一部にイオンビームに対向するテーパーを設け、貫通孔２２２の内面およびその近傍に溶射膜を厚く形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエハなどにイオンビームを照射してイオン種を注入するイオン注入装置に関し、特に、部材の貫通孔に通過させてビーム形状を成形するイオン注入装置に関する。

現在、半導体ウエハにイオン種を注入するためにイオン注入装置が利用されている。このようなイオン注入装置を図３を参照して以下に説明する。ここで図示するイオン注入装置１００は、イオン銃１１０、アパーチャ部材１２０、ウエハ保持ユニット１３０、等を主要部として配列されている。

イオン銃１１０は、イオン源（図示せず）から供給されるイオン種を、イオンビームとして出射する。アパーチャ部材１２０は、例えば、カーボン・グラファイトの削りだしにより形成されており、平板状の部材本体１２１にスリット状の貫通孔１２２が形成されている。

ウエハ保持ユニット１３０は、回転ステージ１３１とスライダ機構（図示せず）とを有しており、回転ステージ１３１により処理対象である複数のシリコンウエハ１４０を保持する。回転ステージ１３１は、保持した複数のシリコンウエハ１４０を公転させ、スライダ機構は、回転ステージ１３１を上下方向などに往復移動させる。

上述のような構成のイオン注入装置１００では、イオン銃１１０から出射されるイオンビームがアパーチャ部材１２０の貫通孔１２２に通過するので、そのビーム形状が成形される。

このビーム形状が成形されたイオンビームが、ウエハ保持ユニット１３０により公転されながら上下移動されている複数のシリコンウエハ１４０に順次照射されるので、これで複数のシリコンウエハ１４０の全面にイオン種が均等に注入される。

なお、上述のようなアパーチャ部材１２０は、例えば、リゾルビングアパーチャ、ビームアパーチャ、スリット部材、等と呼称されることもあるが、図４に示すように、いずれもスリット状の貫通孔１２２が形成された平板状の部材からなる。

現在、上述のようなイオン注入装置としては、各種の提案がある（例えば、特許文献１〜３参照）。

さらに、イオンビームの経路に位置する各種の部材の少なくとも表面を高純度シリコンで形成した構造のイオン注入装置も提案されている（図示せず）。このようなイオン注入装置では、イオンビームの経路の部材から異物であるパーティクルが発生しても、そのパーティクルが高純度シリコンからなるので、シリコンウエハの汚染を防止することができる。

なお、上述の高純度シリコンは、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で部材表面に堆積されたアモルファスシリコン、スパッタリング法により堆積されたアモルファスシリコン、エピタキシャル法で成長させたシリコンなどからなることが開示されている（例えば、特許文献４参照）。
特開平１０−０２５１７８号 特開平１１−１４９８９８号 特開平１１−２８３５５２号 特開平０３−２６９９４０号

上述のようなイオン注入装置１００では、イオンビームの周囲にイオン種のガスが常時発生しているので、図５に示すように、長期間の使用によりアパーチャ部材１２０の貫通孔１２２の内面などにイオン種が薄膜状に堆積する。

すると、アパーチャ部材１２０の貫通孔１２２の内面などに堆積した薄膜がイオンビームの照射により剥離し、図６に示すように、異物としてシリコンウエハ１４０まで飛散することがある。

この場合、シリコンウエハ１４０の表面に上述の異物が付着したり、異物の衝突によりシリコンウエハ１４０の表面に損傷が発生することになり、何れにしてもシリコンウエハ１４０を廃棄することになる。

例えば、大電流イオン注入装置（図示せず）などは、１３枚などの多数のシリコンウエハ１４０をセットするバッチ方式であるため、上述のように不良が発生すると一度に多数のシリコンウエハ１４０を廃棄することになる。

なお、特許文献４に記載のイオン注入装置の場合は、部材から発生した異物がシリコンからなるが、それでも衝突するとシリコンウエハの表面に損傷が発生することになる。また、損傷が発生しなくとも、シリコンの異物がシリコンウエハの表面に付着していると、後段の半導体プロセスでの不良の原因となる。

図７および図８に、貫通孔１２２の内面周囲の前面と後面とに多孔質膜であるコーティング膜１２３が被覆されている例を示す。

このコーティング膜１２３は、例えば、シリコンの溶射により１００（μｍ）程度の膜厚の溶射膜として形成されており、その表面は数マイクロメートル以下のランダムな凹凸により多孔質の粗面に形成されている。

イオン注入装置１００では、アパーチャ部材１２０の貫通孔１２２の内面および周囲に多孔質のコーティング膜１２３が被覆されているので、図７に示すように、イオンビームの周囲に常時発生しているイオン種のガスが多孔質のコーティング膜１２３に吸着される。

このため、使用が長期間となってもイオン種が貫通孔１２２の内面などに堆積しにくく、堆積した薄膜が剥離して飛散することによるシリコンウエハ１４０の不良を良好に防止することができる。

しかし、貫通孔の外側から溶射粒子を吹きつけて、溶射膜をつけると、貫通孔の入り口付近は所定通りの膜厚（例えば３００μｍ）となるものの、貫通孔の内壁面につく溶射膜の膜厚は、所定膜厚の約１／３（例えば１００μｍ）にしかならないことがわかった（図９（ｃ））。

この原因は、貫通孔の最小孔径が、貫通孔の長さの１／２から３／５と短く、貫通孔の内壁面（入り口より奥）に溶射粒子をふきつける方向が、内壁面に対して、わずかな角度でしかできないためである（図９（ｂ））。

さらに、図９（ｃ）の状態のアパーチャ部材１２０をイオン注入装置１００に装着し、イオンビームを貫通孔１２２に通し（図９（ｄ））、一定時間を過ぎてからは、アパーチャ部材貫通孔のイオン源側入り口付近と、内壁面（入り口より奥）の溶射膜は、イオンビームのダメージにより膜厚がしだいに薄くなっていき、ついには溶射膜がなくなってしまう（図９（ｅ））ことがわかった。溶射膜は、アパーチャ部材貫通孔のウエハ側出口付近にのみ残り、この付近にイオン種と溶射膜による無配向の堆積膜１２４がつくことがわかった。

本発明のイオン注入装置は、イオンビームを部材の貫通孔に通過させてビーム形状を成形するイオン注入装置であって、その部材にはイオンビーム入射側の貫通孔内面の少なくとも一部にイオンビームに対向するテーパーを有し、少なくともそのテーパーを含む貫通孔内面に溶射膜が被覆されている。

本発明においては、イオンビームを通過させる部材の貫通孔内面に、イオンビームに対向するテーパーを設け、そのテーパーを含む貫通孔内面に溶射膜が形成されている。このため、膜厚均一性に優れる良好な溶射膜を備えたイオン注入装置を実現できる。

この溶射膜はイオンビームのイオン種を吸着するので、堆積層が剥離してウエハに飛来することによる不良を長期間防ぐことができ、生産性の向上が図れる。

以下本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 本実施の形態のイオン注入装置は、イオンビームをアパーチャ部材２２０の貫通孔２２３に通過させてビーム形状を成形するイオン注入装置２００であって、そのアパーチャ部材２２０にはイオンビーム入射側の貫通孔２２２内面の少なくとも一部にイオンビームに対向するテーパーを有し、少なくともそのテーパーを含む貫通孔２２２内面にコーティング膜２２３が被覆されている。
本実施の形態のイオン注入装置２００はまた、イオン銃２１０、アパーチャ部材２２０、ウエハ保持ユニット２３０、等を主要部として有しており、イオン銃２１０は、イオン源（図示せず）から供給されるイオン種をイオンビームとして出射する。

図１において、ウエハ保持ユニット２３０は、回転ステージ２３１とスライダ機構（図示せず）とを有しており、回転ステージ２３１は、保持した複数のシリコンウエハ２４０を公転させ、スライダ機構は、回転ステージ２３１を上下方向などに往復移動させる。

アパーチャ部材２２０は、平板状の部材本体２２１を有しており、この部材本体２２１は、例えば、カーボン・グラファイトの削りだしにより形成されている。この部材本体２２１にスリット状の貫通孔２２２が形成されているが、この貫通孔２２２の内面および周囲の前面と後面とに多孔質膜であるコーティング膜２２３が被覆されている。

このコーティング膜２２３は、例えば、シリコンの溶射により３００（μｍ）程度の膜厚の溶射膜として形成されており、その表面は数マイクロメートル以下のランダムな凹凸により多孔質の粗面に形成されている。

より詳細には、上述のコーティング膜２２３の表面には多数の凹部と多数の凸部とが形成されており、内部には多数の空孔が形成されている。そして、その多数の凹部の少なくとも一部と多数の空孔の少なくとも一部とが連通しており、多数の空孔の少なくとも一部が相互に連通している。

さらに、コーティング膜２２３の凹部と凸部と空孔とは、ビーム形状の成形に影響せず、イオンビームのイオン種を吸着する数マイクロメートル以下のサイズに形成されている。

このビーム形状が成形されたイオンビームが、ウエハ保持ユニット２３０により公転されながら上下移動されている複数のシリコンウエハ２４０に順次照射されるので、これで複数のシリコンウエハ２４０の全面にイオン種が均等に注入される。

本実施の形態のイオン注入装置２００では、アパーチャ部材２２０の貫通孔２２２の内面および周囲に多孔質のコーティング膜２２３が被覆されているので、図7の場合と同様に、イオンビームの周囲に常時発生しているイオン種のガスが多孔質のコーティング膜２２３に吸着される。

このため、使用が長期間となってもイオン種が貫通孔２２２の内面などに堆積しにくく、堆積した薄膜が剥離して飛散することによるシリコンウエハ２４０の不良を良好に防止することができる。

しかも、コーティング膜２２３が無配向な構造なので、その表面のイオン種による堆積層も無配向な構造となる。このように無配向の構造の堆積層は、層間の密着性が極めて高い。このため、堆積層の剥離を良好に防止することができる。

上述のようなアパーチャ部材２２０を製造するときは、ビーム形状に対応した貫通孔２２２が形成されている部材本体２２１をカーボン・グラファイトの削りだしなどで形成し、さらにイオンビーム入射側の貫通孔２２２内面の一部に、イオンビームに対向するテーパーを形成し、少なくともそのテーパーを含む貫通孔２２２内面に多孔質膜となるコーテイング膜２２３を溶射により被覆することが好適である。

なお、本発明者が実際に上述のようなイオン注入装置２００を試作して実験したところ、シリコンウエハ２４０の表面に発生するパーティクルの個数が、従来の約十分の一に低減されることが確認された。この実験では、シリコンウエハ２４０の表面に付着したパーティクル、および、パーティクルの衝突により発生したと予想されるキズの個数をカウントした。

さらに、詳細には後述するように、カーボン・グラファイトの削りだしなどで形成した部材本体は選択配向の結晶構造に形成されているため、そこに発生する堆積層も層間の密着性が低い選択配向の結晶構造となると推測される。

そこで、本発明者は、前述のようにカーボン・グラファイトからなる部材本体にシリコンの溶射によりコーティング膜を被覆したアパーチャ部材をイオン注入装置に組み込み、ウエハに必要なイオン種のイオンビームを照射した。

すると、イオン注入処理のたびに、アパーチャ部材の貫通孔の表面に無配向な構造の膜が堆積・付着することが確認された。このように無配向の構造の堆積層は、従来技術で堆積していた選択配向の結晶構造の堆積層に比較して、層間の密着性が極めて高い。このため、シリコンの溶射により無配向な構造のコーティング膜を被覆したアパーチャ部材は、堆積層の剥離を防止することができることが確認された。

なお、堆積層は上述のようにカーボンの結晶からなるが、イオン種にカーボンは含有されていない。このため、堆積層はイオンビームの照射によりアパーチャ部材から析出したカーボンとイオン種により形成されていると推測される。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。アパーチャ部材の貫通孔の孔径が一定だと、入射側で、無配向のコーティング膜１２３が図９（ｅ）のようになくなり、図５、図６で示したように、イオン種などの堆積・剥離が発生し、剥離片がウエハに飛散しウエハを汚染するという問題が繰り返されることになる。

このため、アパーチャ部材の貫通孔内壁の溶射膜がなくなる前に、新たに溶射を施した別のアパーチャ部材と交換することになる。この交換間隔は、例えば２週間であるが、その度に、溶射膜を新しくつけたアパーチャ部材を用意しなければならず多額の費用が発生することになる。また、アパーチャ部材の交換のために、イオン注入装置を停止しなければならず、装置稼動効率の低下を招くことになる。これらにより、ひいては、半導体装置の製造コスト低減の阻害要因の一つとなる。

そこで、アパーチャ部材の交換間隔を延ばすために、貫通孔内壁に溶射膜を、図８の状態の膜厚（例えば１００μｍ）より厚い、膜厚（例えば３００μｍ）をつけることが可能な形状のアパーチャ部材を開発した。その一実施例が、図１、図２である。

まず、アパーチャ部材の貫通孔に、イオン源側からテーパーを機械加工によりつける。テーパー角θは例えば５度から４５度、望ましくは１０度から４０度である（図２（ａ））。シリコンを液状に溶かし、アパーチャ部材の貫通孔内壁およびその近傍に噴射し、溶射粒子をあて、溶射膜を形成する。このとき、貫通孔内面の少なくとも一部に、イオンビームに対向するテーパーがあると、テーパー部分の内面に対し、溶射粒子のあたる角度を９０度に近い角度にすることができ（図２（ｂ））、溶射効率がよくなる。図９（ｃ）に示したように貫通孔内面状態の膜厚（例えば１００μｍ）より厚い溶射膜厚のシリコン（例えば３００μｍ）をつけることが可能になる（図２（ｃ））

図２（ｃ）の状態のアパーチャ部材を、テーパーのついた広い開口の側を、イオン源側に向けてイオン注入装置に装着した例を図１に示す。イオン注入時は、イオン源からのイオンビームが、テーパーのついた広い開口の側から入り、狭い開口の側から出て、ウエハに注入される。

このときのアパーチャ部材へのイオンビームが照射される詳細を図２（ｄ）に示す。この状態の動作を長時間続けると、テーパー部分の溶射膜がしだいに薄くなっていくが、図９（ｃ）の状態の膜厚（例えば１００μｍ）のものに比べ、厚い膜厚（例えば３００μｍ）のものは、溶射膜が消失する時間を延長することができる。図９（ｃ）の状態の膜厚（例えば１００μｍ）と、厚い膜厚（例えば３００μｍ）では、テーパー部分の溶射膜がなくなる時間を約３倍（膜厚比と同等）延長できる。テーパー部分の溶射膜は、溶射費用が許せば、さらに、４００μｍとすることも可能である。

なお、本発明は本実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各種において、コーテイング膜２２３の構成材料としてシリコンを例示したが、イオン注入時にシリコンウエハを汚染して信頼性を低下させるものでなければ種々の材料を使用できる。たとえば、タングステン、カーボン、アルミニュームおよびアルミナ等を用いてもよい。

本発明の実施の形態に係るアパーチャ部材を装着したイオン注入装置の内部構造を示す模式的な縦断面図である。 本発明の実施の形態に係るアパーチャ部材の貫通孔内面およびその近傍に溶射膜を形成する概略図およびイオン注入動作の概略を示す図である。 従来例のアパーチャ部材を装着したイオン注入装置の内部構造を示す模式的な縦断面図である。 従来例のアパーチャ部材の外観を示す斜視図である。 従来例のアパーチャ部材の貫通孔に堆積層が発生して剥離する状態を示す模式的な縦断面図である。 従来例のアパーチャ部材から剥離した異物がシリコンウエハまで飛散する状態を示す模式的な縦断面図である。 従来例のアパーチャ部材の貫通孔に溶射したコーティング膜によりイオン種が吸着される状態を示す模式的な縦断面図である。 従来例のアパーチャ部材を装着したイオン注入装置の内部構造を示す模式的な縦断面図である。 従来例のアパーチャ部材の貫通孔内面およびその近傍に溶射膜を形成する概略図およびイオン注入動作の概略を示す図である。

符号の説明

２００ イオン注入装置
２１０ イオン銃
２２０ アパーチャ部材
２２１ 部材本体
２２２ 貫通孔
２２３ コーティング膜
２３０ ウエハ保持ユニット
２３１ 回転ステージ
２４０ シリコンウエハ

Claims (12)

1. イオンビームを部材の貫通孔に通過させてビーム形状を成形するイオン注入装置であって、
   前記部材にはイオンビーム入射側の前記貫通孔内面の少なくとも一部に前記イオンビームに対向するテーパーを有し、少なくとも該テーパーを含む貫通孔内面に溶射膜が被覆されているイオン注入装置。
2. 前記溶射膜が多孔質膜である請求項１に記載のイオン注入装置。
3. 前記多孔質膜の表面に複数の凹部が形成されているとともに内部に複数の空孔が形成されており、複数の前記凹部の少なくとも一部と複数の前記空孔の少なくとも一部とが連通しており、複数の前記空孔の少なくとも一部が相互に連通している請求項２に記載のイオン注入装置。
4. 前記多孔質膜の前記凹部と前記空孔とは、前記ビーム形状の成形に影響せず、前記イオンビームのイオン種を吸着するサイズに形成されている請求項３に記載のイオン注入装置。
5. 前記多孔質膜がコーティング膜からなる請求項２ないし４何れか一項に記載のイオン注入装置。
6. 前記溶射膜がシリコンを主成分として含有する請求項１または５に記載のイオン注入装置。
7. 前記溶射膜がタングステンを主成分として含有する請求項１または５に記載のイオン注入装置。
8. イオンビームを貫通孔に通過させてビーム形状を成形する部材であって、イオンビーム入射側の前記貫通孔内面の少なくとも一部に前記イオンビームに対向するテーパーを有し、少なくとも前記貫通孔の前記テーパーを有する内面に溶射膜が被覆されている部材。
9. 前記溶射膜が多孔質膜である請求項８に記載の部材。
10. 前記多孔質膜が無配向な構造である請求項９記載の部材。
11. イオンビームを貫通孔に通過させてビーム形状を成形する部材を製造するための部材製造方法であって、
    前記ビーム形状に対応した前記貫通孔が形成されている部材本体を形成し、
    イオンビーム入射側の前記貫通孔内面の少なくとも一部に前記イオンビームに対向するテーパーを形成し、少なくとも前記テーパーを含む前記貫通孔内面に多孔質膜となるコーテイング膜を溶射により被覆する部材製造方法。
12. 前記多孔質となる前記コーティング膜が無配向な構造となるコーティング膜であることを特徴とする請求項１１に記載の部材製造方法。

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