JP2009070886A - イオン注入方法及びイオン注入装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 単位面積当たりのイオン量が減少することなく、任意の浸透深さでイオンを注入できるイオン注入方法を提供する。
【解決手段】 真空中で保持された基板Ｓに対し、加速器１６により加速することで所定の注入エネルギーに制御したイオンビームを照射し、Ｘ、Ｙ方向に走査させて所定のイオンを注入する。その際、加速器での注入エネルギーを保持した状態で、イオンビームに対して基板Ｓを傾け、当該傾きに応じてイオンの浸透深さを変化させる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、真空中でシリコンウエハやガラスなどの基板に対しイオンビームを照射してイオン注入を行うイオン注入方法及びイオン注入装置に関する。

イオン注入装置は、加速することで所定の注入（イオン）エネルギーを持ったイオンを半導体ウェハなどの基板に照射し、基板に対し所定の浸透深さで所定のイオンを打ち込むためのものであり、例えば、半導体の製造工程においては、上記イオン注入装置が、Ｐ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｂなどイオンをシリコンウェハに形成されたデバイス構造各部に適切な量で不純物導入するために用いられている。近年では、このイオン注入装置は、単結晶Ｓｉ搭載ガラス基板「Silicon-on-Glass（ＳｉＯＧ）」技術を使用したフラットパネルディスプレにおいて、シリコンドナー部分を与えるドナー基板に対して水素やヘリウム等の不活性イオンを注入することにも利用されている（例えば、特許文献１）。この場合、浸透（注入）深さが上記ドナー基板から取り出されるドナー部分の厚さを決定することから、この種の用途においては、半導体製造工程で不純物導入する場合と比べて基板表面から比較的浅い領域に所定量のイオンを注入することが求められている。

ここで、基板表面へのイオンの浸透深さは、注入エネルギーに依存する。このことから、イオン源から引き出したイオンを、加速管において最終的な加速エネルギー、つまり、注入エネルギーが得られるように加速するイオン注入装置において、例えば加速管での加速電圧を変調することで、イオンビームの径をブロード化し、注入エネルギーに幅を持たせてイオン注入の深さを任意に制御できるイオン注入方法が特許文献２で知られている。
特表２００５−５３９２５９号公報 特開２００６−３５１３７２号公報

しかしながら、上記特許文献２記載の方法では、イオンビームをブロード化しているため、加速管を通過して基板に到達する前に、加速されたイオンが、基板が収納されたチャンバ内の残留ガスと衝突して反応する量が増えることで、イオンの状態のまま基板に到達せず、基板に注入されるイオンの量が少なくなるという問題がある。このため、特許文献２記載の方法を、上述のＳｉＯＧ技術においてシリコンドナー部分を与えるドナー基板に水素やヘリウム等の不活性イオンを注入することに適用すると、基板表面から任意の浅い位置に不活性イオンを注入できるが、イオン量が足りずに、場合によってはドナー基板が剥離できない。

そこで、本発明の課題は、上記点に鑑み、単位面積当たりのイオン量が減少することなく、任意の浸透深さでイオンを注入できるようにした制御が簡単なイオン注入方法及びイオン注入装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のイオン注入方法は、真空中で保持された基板に対し、加速器により加速することで所定の注入エネルギーに制御したイオンビームを照射し、Ｘ、Ｙ方向に走査させて所定のイオンを注入するイオン注入方法において、前記加速器での注入エネルギーを保持した状態で、イオンビームに対して基板を傾け、当該傾きに応じてイオンの浸透深さを変化させることを特徴とする。

本発明によれば、イオンビームに対して基板が直角となる位置から基板を傾けると、この傾きに応じて、イオンが基板中を斜入射して注入される。その結果、注入エネルギーが同一であれば、イオンビームに対して基板が直角となる位置でイオン注入する場合と比較して、単位面積当たりのイオン量が殆ど減少することなく、基板表面からのイオンの浸透深さを浅くできる。また、イオンビームに対する基板の傾きを変化させるだけで、浸透深さが変えられるので、その制御も簡単である。

このように本発明によれば、単位面積当たりのイオン量が殆ど減少することなく、イオンの浸透深さを浅くできるため、ＳｉＯＧ技術においてドナー基板に対して水素やヘリウム等の不活性イオンを注入することに最適である。

また、上記課題を解決するために、本発明のイオン注入装置は、所定の基板を保持する基板保持手段と、基板保持手段で保持された基板が収納されるチャンバ内を真空排気する真空排気手段と、真空中で当該基板に対しイオンビームを照射し、Ｘ、Ｙ方向に走査するイオン照射手段とを備えたイオン注入装置において、前記基板保持手段は、イオンビームに対し基板を傾ける基板傾斜機構を有し、前記加速器での注入エネルギーを保持した状態で、当該基板傾斜機構を作動させてイオンビームに対して基板を傾け、当該傾きに応じてイオンの浸透深さを変化させるように構成したことを特徴とする。

この場合、前記真空排気手段は、ターボ分子ポンプを有するものであれば、基板に対して水素イオン等を注入する場合に、排気速度の低下などを防止できてよい。

図１を参照して説明すれば、１は、本発明のイオン注入装置である。イオン注入装置１は、公知の構造の高電圧ターミナル１１を有し、高電圧ターミナル１１は、所定の印加電圧に対して十分な耐電圧を有する間隔を置いて遮蔽箱１２内に収納されている。高電圧ターミナル１１内には公知の構造のイオン源１３が設けられ、このイオン源１３は、真空配管１４ａを介して、多種類のイオンの中から必要なイオンを取出す質量分析マグネット１５に接続されている。この質量分析マグネット１５は、高電圧ターミナル１１の外側まで延出する他の真空配管１４ｂを介して、遮蔽箱１３内に位置する加速管１６に接続されている。

高電圧を印加してイオンを加速し、必要な注入エネルギーを与える加速管１６の他端は、遮蔽箱１２の壁面を貫通して、Ｘ−Ｙ走査チャンバ２に接続されている。Ｘ−Ｙ走査チャンバ２には真空排気手段Ｐ１が接続されている。真空排気手段Ｐ１は、ターボ分子ポンプとその背圧側のロータリポンプから構成されている。また、Ｘ−Ｙ走査チャンバ２内には、その上流側からイオンビームの整形を行う四極子レンズ２１と、例えば高周波を印加してイオンビームをＸ、Ｙ方向にそれぞれ走査する一対の偏向電極（スキャンプレート）２２とが配設され、基板Ｓに対するイオンビームの照射を制御するイオン照射手段を構成する。Ｘ−Ｙ走査チャンバ２の下流側にはイオン注入チャンバ３が接続されている。

イオン注入チャンバ３は、Ｘ−Ｙ走査チャンバ２からの延長線上に位置する第一部分３ａと、当該第一部分３ａから略直角に屈曲した方向に延びる第二部分３ｂとから構成され、上記同様、ターボ分子ポンプとその背圧側のロータリポンプから構成された真空排気手段Ｐ２が接続されている。また、イオン注入チャンバ３には、イオンビームが照射されるガラス基板などの矩形の基板Ｓを保持する基板保持手段４が設けられている。

図２に示すように、基板保持手段４は、一面に静電チャック用の電極（図示せず）が形成された基台４１を有し、当該一面が、電極に通電して基板Ｓを吸着保持できる基板保持部４２を構成する。また、基台４２側面中央には、図示しない駆動モータの回転軸５が、イオンビームに対し直交させて固定されている。この駆動モータは筐体６に収納されており、この筐体６にはナット部材６１が形成されいる。そして、当該ナット部材６１が、第二部分３ｂの長手方向略全長に亘って設けられた送りねじ７に螺合している。

駆動モータ８を作動させて送りねじ７を回転させると、イオンビームが照射できる照射位置（図１では、実線で示した上昇位置）と、基板保持部４２への基板Ｓの受け取り、受け渡しが行われる第２部分３ｂの他端たる基板搬出入位置（図１では、仮想線で示した下降位置）との間で基板保持手段４が移動自在となる。そして、下降位置では、基板保持部４２を上側に位置させ、他方で、上昇位置では、基板保持部４２で保持された基板Ｓがイオンビームに対し直角となるように回転軸５の回転角が制御される。送りねじ７や駆動モータ８はケース部材９に収納されており、イオン注入チャンバ３内の真空雰囲気に悪影響を及ぼさないようにしている。

なお、基板保持部４２への基板Ｓの受け取り、受け渡しを行うために、第２部分３ｂの端部に、ゲートバルブを介してロードロックチャンバ（図示せず）を連結し、搬送ロボットにより、下降位置にある基板保持手段４に対し真空雰囲気中で基板Ｓを受け取りまたは受け渡しができる構成を採用してもよい。また、基台４１に、例えば抵抗加熱式のヒータを内蔵し、イオン注入のプロセスに応じて基板Ｓを所定温度に加熱して保持できる構成を作用してもよい。

次に、上記イオン注入装置１を用いた本発明のイオン注入方法を説明する。基板Ｓが下降位置にある状態で基板保持手段４の基板保持部４２に基板Ｓを位置決めして載置し、電極に通電して基板Ｓを吸着保持する。そして、駆動モータ８を作動させて送りねじ７を回転させて基板保持手段４を上昇位置まで移動させる。このとき、筐体６に収納した他の駆動モータを作動させて回転軸５を所定の回転角だけ回転し、基板保持部４２で保持された基板Ｓをイオンビームに対し直角に位置させる。その後、各真空排気手段Ｐ１及びＰ２を作動させてＸ−Ｙ走査チャンバ２及びイオン注入チャンバ３を所定の真空圧まで真空排気する。

次いで、真空状態のイオン源１３に、図示しないガス源からイオン注入処理に応じて適宜選択されるプロセスガスと、図示しない電源から所定の電力とを供給し、イオン源１３中でプラズマを生成し、イオン源１３から高電圧ターミナル１１の電位までイオンを加速する。次いで、イオン源１３からのイオンを、真空配管１４ａを介して質量分離マグネット１５に入射し、この内部で発生している磁場とイオンの持つ速度によるローレンツ力によってイオンの軌道を曲げる。この場合、質量分離マグネット１５への入力電流を適宜調節すれば、所望のイオンが導き出すことができ、下流側の加速管１６へと導入できる。

次いで、加速管１６内に導入されたイオンを、高電圧ターミナル１１に印加される電圧によって高電圧とイオンの値数との積のエネルギーを持ってグランド電位まで加速し、Ｘ−Ｙ走査チャンバ２に導入する。Ｘ−Ｙ走査チャンバ２に導入されたイオンは、四極子レンズ２１によってイオンビームに整形されて所定の軌跡にのせられ、一対の偏向電極２２に所定の周波数の電圧を印加することで、イオン注入チャンバ３の第１部分３ａの一端に位置する基板Ｓ表面にイオンビームが一様に照射されてイオンが注入される。

ここで、基板Ｓへのイオンの浸透深さを浅くする場合には、上記加速管１６での最終的な加速エネルギー（イオン電流値を）一定に保持したまま、筐体６内の駆動モータを作動させて回転軸５を回転させ、当該回転軸５を支点として基板Ｓを傾ける（図３（ｂ）参照）。これにより、イオンが基板Ｓ中を斜入射する。その結果、イオンビームに対して基板Ｓが直角となる位置でイオン注入する場合の注入深さＤ１と比較して（図３（ａ）参照）、単位面積当たりのイオン量が殆ど減少することなく、基板Ｓ表面からのイオンの浸透深さＤ２が、基板Ｓの傾きに応じて距離Ｄ３だけ浅くできる（図３（ｂ）参照）。この場合、本実施の形態においては、基板保持手段４と回転軸５とが基板Ｓを傾ける基板傾斜機構を構成する。

次いで、基板Ｓに対するイオンビームの入射角が一定となるように、送りねじ７の駆動モータ８を作動させて基板保持手段４を昇降させると共に、回転軸５の回転角を調節しつつ、イオンビームをＸ、Ｙ方向にそれぞれ走査することで、基板Ｓ表面全体に亘ってイオン注入が行われる。このように本実施の形態では、加速管１６での注入エネルギーを一定に保持しつつ、基板保持手段４の回動する回転軸５の回転角を制御してイオンビームに対する基板Ｓの傾きを調節するだけで、浸透深さが変えられるので、その制御も簡単である。

従って、単位面積当たりのイオン量が殆ど減少することなく、イオンの浸透深さを浅くできるため、ＳｉＯＧ技術においてドナー基板に対して水素やヘリウム等の不活性イオンを注入することに最適である。

また、Ｘ−Ｙ走査チャンバ２及びイオン注入チャンバ３を所定の真空圧まで真空排気する真空排気手段として、ターボ分子ポンプを主とするものを用いることで、水素やヘリウム等の不活性イオンを注入するときでも、排気速度の低下が防止できる。

本発明のイオン注入装置を模式的に説明する断面図。 基板保持手段を説明する一部分解斜視図。 基板へのイオンの浸透深さの変化を説明する図。

符号の説明

１ イオン注入装置
２ Ｘ−Ｙ走査チャンバ
３ イオン注入チャンバ
４ 基板保持手段
４１ 基台
４２ 基板保持部
５ 回転軸
７ 送りねじ
８ 駆動モータ
Ｐ１、Ｐ２ 真空排気手段
Ｓ 基板

Claims (3)

1. 真空中で保持された基板に対し、加速器により加速することで所定の注入エネルギーに制御したイオンビームを照射し、Ｘ、Ｙ方向に走査させて所定のイオンを注入するイオン注入方法において、
   前記加速器での注入エネルギーを保持した状態で、イオンビームに対して基板を傾け、当該傾きに応じてイオンの浸透深さを変化させることを特徴とするイオン注入方法。
2. 所定の基板を保持する基板保持手段と、基板保持手段で保持された基板が収納されるチャンバ内を真空排気する真空排気手段と、真空中で当該基板に対しイオンビームを照射し、Ｘ、Ｙ方向に走査するイオン照射手段とを備えたイオン注入装置において、
   前記基板保持手段は、イオンビームに対し基板を傾ける基板傾斜機構を有し、前記加速器での注入エネルギーを保持した状態で、当該基板傾斜機構を作動させてイオンビームに対して基板を傾け、当該傾きに応じてイオンの浸透深さを変化させるように構成したことを特徴とするイオン注入装置。
3. 前記真空排気手段は、ターボ分子ポンプを有することを特徴とする請求項２記載のイオン注入装置。

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