JP2010034004A - イオン注入装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体ウェーハのイオン注入に起因して発生するストライプを低減する。
【解決手段】回転駆動機構により回転される回転体の回転軸回りに同心円状に配置された複数の半導体ウェーハを加熱手段により加熱して、加熱されたウェーハにイオン注入手段によりイオンを注入するイオン注入方法において、従来（ａ）は、ウェーハの代表温度があらかじめ設定された温度に達したか否かを判定し（Ｓ１２）、達した場合は（Ｓ１２でＹｅｓ）、イオン注入を開始する（Ｓ１３）ものであった。これに対して、本発明（ｂ）は、ウェーハの代表温度があらかじめ設定された温度に達したか否かを判定し（Ｓ２２）、達した場合は（Ｓ２２でＹｅｓ）、ウェーハのイオン注入側の面の温度ムラがなくなる所定の時間（あらかじめ定められている時間）が経過したか否かを判定し（Ｓ２３）、経過した場合は（Ｓ２３でＹｅｓ）、イオン注入を開始する（Ｓ２４）。
【選択図】図５

Description

本発明は、イオン注入装置及び方法に係り、特に、半導体ウェーハに対するイオン注入に起因して発生する半導体ウェーハのストライプを低減する技術に関する。

近年、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）などの集積回路の高速・低消費電力化を図るために、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハが用いられている。ＳＯＩウェーハは、シリコン支持体と表面シリコン層との間に酸化膜からなる絶縁層が埋め込まれて構成される。

このようなＳＯＩウェーハの製造方法の１つとして、シリコンウェーハに例えば酸素イオンを注入した後熱処理を行い、酸化膜からなる絶縁層つまりＢＯＸ（Ｂｕｒｉｅｄ
Ｏｘｉｄｅ）層を形成するＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂｙ ＩＭｐｌａｎｔｅｄ ＯＸｙｇｅｎ）法と称される方法が用いられている。

特許文献１に記載されているように、ＳＩＭＯＸウェーハのイオン注入装置は、回転体と、回転体の回転軸回りに放射状に延在された複数のアームと、各アームの先端に設けられた支持盤と、旋回するシリコンウェーハにイオンを注入する注入手段などから構成される。

また、イオン注入時には、複数の支持盤が盤面を回転軸にほぼ直交する方向に向けられた状態で旋回されるので、支持盤上に載置されたシリコンウェーハに遠心力が働く。この遠心力によりシリコンウェーハが外に飛び出さないように、各支持盤には、載置されたシリコンウェーハの回転体の回転軸から遠い側の周縁部に当接するようにストッパが設けられており、また、シリコンウェーハの回転体の回転軸から近い側の裏面に当接するように裏面ピンが設けられている。

このようなイオン注入装置におけるイオン注入プロセスは、まずシリコンウェーハを各支持盤に載置し、続いて回転体を回転させながら輻射加熱ヒータによりシリコンウェーハを加熱し、その後、シリコンウェーハが所望の温度まで達したらイオンビームの注入を開始することが知られている。

特開２００７−５９５６２号公報

ところで、特許文献１に記載されたイオン注入方法は、半導体ウェーハのＳＯＩ層及びＢＯＸ層の膜厚のムラに起因するウェーハ表面の外観ストライプの発生を抑制することについて配慮されていない。

すなわち、輻射加熱ヒータなどにより半導体ウェーハを加熱して、半導体ウェーハの代表的な部位の温度或いは半導体ウェーハの周囲雰囲気温度などがあらかじめ設定された温度に達した状態では、ウェーハのイオン注入側の面に温度ムラが生じている場合がある。この温度ムラは、半導体ウェーハの加熱が不十分な場合に、例えば半導体ウェーハを支持する支持盤のストッパや裏面ピンなどの接触支持部からの放熱などに起因して生じ得る。

イオン注入側の面に温度ムラが生じている状態でイオン注入を開始すると、ウェーハの比較的温度が低い部位でのイオン注入による急激な温度上昇に起因してウェーハが全体的に反って結晶方位が変化することにより、ＳＯＩ層及びＢＯＸ層の膜厚のムラが生じる場合が考えられる。

そこで、本発明は、半導体ウェーハに対するイオン注入に起因して発生するストライプを低減することを課題とする。

本発明の半導体ウェーハに対するイオン注入装置は、回転駆動機構により回転される回転体と、この回転体の回転軸回りに放射状に延在された複数のアームと、この各アームに設けられた半導体ウェーハの支持盤と、この支持盤に載置された半導体ウェーハを加熱する加熱手段と、この加熱手段により加熱された半導体ウェーハにイオンを注入するイオン注入手段とを備えて構成される。

特に、イオン注入手段は、半導体ウェーハのイオン注入側の面の温度ムラがなくなるまで半導体ウェーハを加熱した後、イオン注入を開始することを特徴とする。

より具体的には、半導体ウェーハの温度或いは半導体ウェーハの周囲雰囲気温度があらかじめ設定された温度に達した後、半導体ウェーハのイオン注入側の面の温度ムラがなくなる所定の時間待機してからイオン注入を開始することにより実現することができる。

つまり、従来は、半導体ウェーハの代表的な部位の温度或いは半導体ウェーハの周囲雰囲気温度（以下、適宜まとめて半導体ウェーハの代表温度という。）があらかじめ設定された温度に達したらイオン注入を開始していたので、半導体ウェーハに温度ムラが生じている状態でイオンが注入され、これに起因してストライプが発生する場合があった。これに対して、本発明は、半導体ウェーハの代表温度があらかじめ設定された温度に達した後、半導体ウェーハのイオン注入側の面の温度ムラがなくなる所定の時間待機してからイオン注入を開始するものである。

これによれば、半導体ウェーハのイオン注入側の面の温度が略均一に保たれた状態でイオンが注入されるので、ウェーハの反り及び結晶方位の変化などに起因するＳＯＩ層及びＢＯＸ層の膜厚のムラが抑制されてストライプを低減することができる。半導体ウェーハの代表温度の上昇閾値（あらかじめ設定された温度）及び温度ムラがなくなる所定の時間は、種々の実験などによりあらかじめ求めておけばよい。

また、本発明のイオン注入方法は、回転駆動機構により回転される回転体の回転軸回りに同心円状に配置された複数の半導体ウェーハを加熱手段により加熱して、加熱された半導体ウェーハにイオン注入手段によりイオンを注入するものであり、特に、イオン注入手段は、半導体ウェーハのイオン注入側の面の温度ムラがなくなるまで半導体ウェーハを加熱した後、イオン注入を開始することを特徴とする。

より具体的には、イオン注入手段は、半導体ウェーハの温度或いは半導体ウェーハの周囲雰囲気温度があらかじめ設定された温度に達した後、半導体ウェーハのイオン注入側の面の温度ムラがなくなる所定の時間待機してからイオン注入を開始するのが好ましい。

本発明によれば、半導体ウェーハに対するイオン注入に起因して発生するストライプを低減することができる。

以下、本発明を適用してなるイオン注入装置及び方法の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一機能部品については同一符号を付して重複説明を省略する。

図１は、本実施形態のイオン注入装置の全体概略構成の側面図である。図２は、本実施形態のイオン注入装置の全体概略構成の正面図であり、イオン注入時の半導体ウェーハの動作状態を説明するものである。

図１に示すように、イオン注入装置１０は、イオン源１２と質量分離器１４などを含んで構成され、例えば酸素などのイオンを処理対象物に注入するイオン注入手段と、処理対象物としてイオンが注入される例えばシリコンなどの半導体ウェーハが収納される処理室１６とを備えて構成されている。

イオン源１２は、質量分離器１４と図示していない真空排気されたパイプを介して連結されており、マイクロ波を用いて例えば酸素イオンによるイオンビーム１７を生成し、生成したイオンビーム１７を質量分離器１４側へ出射するようになっている。質量分離器１４は、図示していない真空排気されたパイプを介して処理室１６と接続されており、イオン源１２からのイオンビーム１７に対して電磁力を与えてイオンビーム１７をほぼ９０度偏向させるとともに、イオンビーム１７の中から必要な質量を有するイオン種、例えば酸素イオンのみを分離して取り出し処理室１６内に入射するようになっている。

処理室１６内には、回転駆動機構としてのモータ１８と、モータ１８を収容するモータボックス２０と、モータ１８により回転される回転軸２２と、回転軸２２に嵌合された回転体２４と、回転体２４の回転軸２２の回りに放射状に延在された複数のアーム２６と、各アーム２６の先端部に設けられた半導体ウェーハ２８の支持盤３０とが収納されている。

また、モータボックス２０に連結された揺動アーム３２を介してモータ１８、回転体２４、アーム２６、及び支持盤３０などを処理室１６内で振り子状に揺動させる揺動機構３４が、処理室１６の天面上に設けられている。

図２に示すように、本実施形態のイオン注入装置は、揺動機構３４により図示矢印Ａのように半導体ウェーハ２８を振り子状に揺動し、かつモータ１８により回転軸２２を中心に図示矢印Ｂのように回転しながら、イオン注入手段によりイオンを注入するものである。

また、図１に示すように、本実施形態のイオン注入装置１０では、イオン注入時には、支持盤３０は、盤面が回転軸２２にほぼ直交する方向に向けられた状態で回転されるので、支持盤３０上に載置された半導体ウェーハ２８に遠心力が働く。この遠心力により半導体ウェーハ２８が外に飛び出さないように、各支持盤３０は回転軸２２のほうに盤面を向けるようにわずかに傾けられており、遠心力の分力を盤面で受けるように構成されている。

また、イオン注入の制約上、支持盤の傾きをあまり大きくできないことから、各支持盤３０には、載置された半導体ウェーハ２８の回転体２４の回転軸２２から遠い側の周縁部に当接するように図示していないストッパが設けられている。また、半導体ウェーハ２８の回転体２４の回転軸２２から近い側の裏面に当接するように図示していない裏面ピンが設けられている。

図３は、本実施形態のイオン注入装置のイオンスキャン方式を説明する概略図である。図３に示すように、本実施形態のイオン注入装置１０は、イオン注入手段は位置固定して設けられており、イオンビーム１７は固定された位置に照射される。また、半導体ウェーハ２８はモータ１８により図示矢印Ｂ方向に回転されかつ揺動機構３４により図示矢印Ａ方向に揺動される。そして、モータ１８による半導体ウェーハ２８の回転速度及び回転開始位置、揺動機構３４による揺動速度及び揺動開始位置、及びイオン注入手段によるイオンの照射タイミングなどを制御することにより、イオンビーム１７が半導体ウェーハ２８の全面にわたってスキャンされる。

なお、図１では説明の簡単のために、上下一対のアーム２６、半導体ウェーハ２８、及び支持盤３０しか図示されていないが、実際には、図２或いは図３に示すように回転体２４の回転軸２２の回りに同心円状に例えば１２枚、或いは１８枚など複数の半導体ウェーハ２８が、それぞれのアーム２６と支持盤３０とともに配置されている。

また、図１では、上下一対のアーム２６、半導体ウェーハ２８、及び支持盤３０しか図示していないため、イオンビーム１７が半導体ウェーハ２８に照射されていないが、実際には、図３に示すように、回転体２４の回転軸２２に対して水平方向に位置する半導体ウェーハ２８にイオンビーム１７が照射されるようになっている。また、説明の便宜上、本実施形態の説明では、半導体ウェーハ２８に対するイオンビーム１７のビーム径を実際より大きく図示している。

ところで、このようなイオン注入装置のイオン注入プロセスは、まず複数の半導体ウェーハ２８をそれぞれ支持盤３０に載置する。そして、モータ１８により回転体２４を回転させながらハロゲンランプなどの輻射加熱ヒータにより半導体ウェーハ２８を加熱する。その後、半導体ウェーハ２８の代表温度があらかじめ設定された閾値温度に達したらイオンビームの注入を開始することが知られている。

しかしながら、このような従来のイオン注入プロセスは、半導体ウェーハ２８のＳＯＩ層及びＢＯＸ層の膜厚のムラに起因するウェーハ表面の外観ストライプの発生を抑制することについて配慮されていない。

すなわち、輻射加熱ヒータなどにより半導体ウェーハ２８を加熱して、半導体ウェーハ２８の代表温度があらかじめ設定された温度に達した状態では、ウェーハのイオン注入側の面に温度ムラが生じている場合がある。この温度ムラは、半導体ウェーハ２８の加熱が不十分な場合に、例えば半導体ウェーハ２８を支持する支持盤３０のストッパや裏面ピンなどの接触支持部からの放熱などに起因して生じ得る。

イオン注入側の面に温度ムラが生じている状態でイオン注入を開始すると、ウェーハの比較的温度が低い部位でのイオン注入による急激な温度上昇に起因してウェーハが全体的に反って結晶方位が変化することにより、ＳＯＩ層及びＢＯＸ層の膜厚のムラが生じる場合が考えられる。

このような問題に対応すべく、本実施形態のイオン注入装置１０は、半導体ウェーハ２８のイオン注入側の面の温度ムラがなくなるまで半導体ウェーハ２８を加熱した後、イオン注入を開始するものである。

図４は、本実施形態のイオン注入装置１０の特徴部の機能ブロック図である。図４に示すように、イオン注入装置１０は、半導体ウェーハ２８を加熱する加熱手段として例えばハロゲンランプなどの輻射加熱ヒータ４０と、半導体ウェーハ２８の代表的な部位の温度或いは半導体ウェーハの周囲雰囲気温度（以下、適宜まとめて半導体ウェーハ２８の代表温度という。）を検出する温度センサ４２と、温度センサ４２の出力などに基づいてイオン源１２及び質量分離器１４などからなるイオン注入手段のイオン照射タイミングを制御するイオン注入制御手段４４とを備えている。なお、輻射加熱ヒータ４０及び温度センサ４２などは処理室１６内の適宜の位置に設けられる。

図５は、本実施形態のイオン注入装置１０の特徴部を、従来のイオン注入プロセスと本実施形態のイオン注入プロセスを比較して説明する図である。図５（ａ）は従来のイオン注入プロセスを簡略的に示したフローチャートであり、図５（ｂ）は本実施形態のイオン注入プロセスを簡略的に示したフローチャートである。

図５（ａ）に示すように、従来のプロセスでは、イオン注入を開始すると、まず、半導体ウェーハ２８をそれぞれ支持盤３０にセットする（Ｓ１０）。続いて、モータ１８を駆動して回転体２４を回転させることにより半導体ウェーハ２８を回転させながら加熱を開始する（Ｓ１１）。その後、半導体ウェーハ２８の代表温度があらかじめ設定された温度に達したか否かを判定し（Ｓ１２）、達した場合は（Ｓ１２でＹｅｓ）、イオン注入を開始する（Ｓ１３）。イオン注入が開始された後は公知のプロセスによりＳＩＭＯＸウェーハが形成される。

これによれば、ウェーハのイオン注入側の面に温度ムラが生じている状態でイオン注入が開始されることとなる場合がある。その結果、ウェーハの比較的温度が低い部位でのイオン注入による急激な温度上昇に起因してウェーハが全体的に反って結晶方位が変化することにより、ＳＯＩ層及びＢＯＸ層の膜厚のムラが生じ、ウェーハ表面にストライプが発生するおそれがある。

これに対して、本実施形態では、図５（ｂ）に示すように、まず、半導体ウェーハ２８をそれぞれ支持盤３０にセットする（Ｓ２０）。続いて、モータ１８を駆動して回転体２４を回転させることにより半導体ウェーハ２８を回転させながら加熱を開始する（Ｓ２１）。その後、半導体ウェーハ２８の代表温度があらかじめ設定された温度に達したか否かを判定する（Ｓ２２）。達した場合は（Ｓ２２でＹｅｓ）、半導体ウェーハ２８のイオン注入側の面の温度ムラがなくなる所定の時間（あらかじめ定められている時間）が経過したか否かを、例えばイオン注入制御手段４４に内蔵されているタイマなどを用いて判定する（Ｓ２３）。経過した場合は（Ｓ２３でＹｅｓ）、イオン注入を開始する（Ｓ２４）。

すなわち、本実施形態では、半導体ウェーハ２８の代表温度があらかじめ設定された温度に達した時に、すぐにイオン注入を開始するのではなく、半導体ウェーハ２８のイオン注入側の面の温度ムラがなくなる所定の時間待機してからイオン注入を開始する点が従来と異なる。

これによれば、半導体ウェーハ２８のイオン注入側の面が十分に加熱されて温度が略均一に保たれた状態でイオンが注入されるので、ウェーハの反り及び結晶方位の変化などに起因するＳＯＩ層及びＢＯＸ層の膜厚のムラが抑制されてストライプを低減することができる。

なお、半導体ウェーハの代表温度の上昇閾値（Ｓ１２及びＳ２２で用いるあらかじめ設定された温度）及び温度ムラがなくなる所定の時間は、種々の実験などによりあらかじめ求めておけばよい。また、本実施形態ではイオン注入手段とイオン注入手段を別構成として記載しているが、イオン注入手段がイオン注入制御手段の機能を含むように構成することができる。

また、本実施形態のイオン注入態様は、イオン注入を１回で行なうプロセスのみならず、例えばイオン注入を２回に分けて、それぞれ温度を変えてウェーハにイオンを注入することでアモルファスの層を含む２つのイオン注入層を形成するイオン注入プロセスにも適用することができる。すなわち、イオン注入を２回に分けて行なう場合、１回目と２回目のそれぞれにおいてウェーハのイオン注入側の面の温度ムラが生じている状態でイオン注入が開始されることにより、ストライプの発生が顕著になり易い。

そこで、１回目と２回目のそれぞれのイオン注入において、半導体ウェーハ２８の代表温度があらかじめ設定された温度に達した後、半導体ウェーハ２８のイオン注入側の面の温度ムラがなくなる所定の時間待機するなどして、半導体ウェーハ２８のイオン注入側の面の温度ムラがなくなるまで半導体ウェーハを加熱した後、イオン注入を開始するのが好ましい。これによれば、１回目と２回目のそれぞれのイオン注入において、ＳＯＩ層及びＢＯＸ層の膜厚のムラに起因するウェーハ表面のストライプを低減することができるので、より一層ストライプ低減の効果が顕著となり好ましい。

また、本実施形態では、揺動機構３４により半導体ウェーハ２８を振り子状に揺動し、かつモータ１８により回転軸２２を中心に回転しながらイオンを注入するイオン注入装置について説明したが、これには限られない。例えば、揺動機構３４を設けることなく、半導体ウェーハ２８をモータ１８により回転軸２２を中心に回転させながら、イオン注入手段を移動させてイオンビームをスキャンさせるイオン注入装置においても、本発明を適用することができる。

本実施形態のイオン注入装置の全体概略構成の側面図である。 本実施形態のイオン注入装置の全体概略構成の正面図であり、イオン注入時の半導体ウェーハの動作状態を説明するものである。 本実施形態のイオン注入装置のイオンスキャン方式を説明する概略図である。 本実施形態のイオン注入装置の特徴部の機能ブロック図である。 本実施形態のイオン注入装置の特徴部を、従来のイオン注入プロセスと本実施形態のイオン注入プロセスを比較して説明する図である。

符号の説明

１０ イオン注入装置
１２ イオン源
１４ 質量分離器
１８ モータ
２２ 回転軸
２４ 回転体
２６ アーム
２８ 半導体ウェーハ
３０ 支持盤
４０ 輻射加熱ヒータ
４２ 温度センサ
４４ イオン注入制御手段

Claims (4)

1. 回転駆動機構により回転される回転体と、該回転体の回転軸回りに放射状に延在された複数のアームと、該各アームに設けられた半導体ウェーハの支持盤と、該支持盤に載置された半導体ウェーハを加熱する加熱手段と、該加熱手段により加熱された半導体ウェーハにイオンを注入するイオン注入手段とを備えてなるイオン注入装置において、
   前記イオン注入手段は、前記半導体ウェーハのイオン注入側の面の温度ムラがなくなるまで半導体ウェーハを加熱した後、イオン注入を開始することを特徴とするイオン注入装置。
2. 前記イオン注入手段は、前記半導体ウェーハの温度或いは半導体ウェーハの周囲雰囲気温度があらかじめ設定された温度に達した後、半導体ウェーハのイオン注入側の面の温度ムラがなくなる所定の時間待機してからイオン注入を開始する請求項１のイオン注入装置。
3. 回転駆動機構により回転される回転体の回転軸回りに同心円状に配置された複数の半導体ウェーハを加熱手段により加熱して、加熱された半導体ウェーハにイオン注入手段によりイオンを注入するイオン注入方法において、
   前記イオン注入手段は、前記半導体ウェーハのイオン注入側の面の温度ムラがなくなるまで半導体ウェーハを加熱した後、イオン注入を開始することを特徴とするイオン注入方法。
4. 前記イオン注入手段は、前記半導体ウェーハの温度或いは半導体ウェーハの周囲雰囲気温度があらかじめ設定された温度に達した後、半導体ウェーハのイオン注入側の面の温度ムラがなくなる所定の時間待機してからイオン注入を開始する請求項３のイオン注入方法。

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