JP2019110085A - イオン注入装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度のイオン注入を実現する。【解決手段】イオン注入装置１００は、イオン発生源１０１と、イオン発生源から引き出されたイオンのうち所望の電荷質量比のイオンを通過させる質量分析器１０５と、ファラデーカップ１２１の内面の互いに異なる箇所に設けられた複数の帯電センサ１３２，１３３と、イオンビーム１５０の半導体ウエハ１１１への注入条件を制御するコントローラ１２８とを備える。コントローラ１２８は、複数の帯電センサ１３２，１３３の検出値の差に基づいて注入条件を調整する。【選択図】図１

Description

この開示は、イオン注入装置および半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置の製造工程では、真空中で半導体ウエハにインオビームを照射することによって半導体ウエハにイオン注入する処理が行われる。高精度のイオン注入を実現するためには、イオンビームの電流量を正確にモニタする必要があり、たとえば、ファラデーカップが用いられる。

ファラデーカップの使用に際しては、計測誤差に注意する必要がある。計測誤差の原因の代表的なものとして、２次電子がファラデーカップの外に放出されてしまうこと（２次電子漏れと称する）が挙げられる（たとえば、特開平０９−０６３９７９号公報（特許文献１）参照）。

特開平０９−０６３９７９号公報

本願発明者は、高精度のイオン注入の実現を困難にする上記の２次電子漏れについて検討した。この結果、２次電子漏れが生じる原因の１つとして、イオン注入装置内部のチャージアップが挙げられることを見出した。イオン注入装置を長期間使用すると、イオン注入装置の内部の壁面およびファラデーカップ内部の壁面に絶縁被膜が付着し、このためチャージアップが生じる。このチャージアップが２次電子漏れの原因となり得ることについては、これまでほとんど注意が払われてこなかった。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

一実施形態によるイオン注入装置は、イオン電流を計測するためのファラデーカップの内面の互いに異なる箇所に設けられ、ファラデーカップの内面の帯電量を計測する複数の帯電センサを備える。コントローラは、これらの帯電センサの検出値の差に基づいてイオン注入条件を調整する。

上記の実施形態によれば、高精度のイオン注入を実現することができる。

イオン注入装置の構成の一例を示す模式的な断面図である。 ウエハホルダとその駆動機構の一例を示す模式的な斜視図である。 ファラデーカップの内面における帯電センサのより詳細な配置例を示す模式的な断面図である。 ファラデーカップの内面に設けられた帯電センサの構造の一例を示す模式的な断面図である。 第１の実施形態によるイオン注入工程を示すフローチャートである。 ビーム輸送部の内面における帯電センサの配置例を示す模式的な断面図である。 ウエハホルダ上での帯電センサの配置例を示す模式的な平面図である。 第２の実施形態によるイオン注入工程を示すフローチャートである。

以下、各実施形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。

＜第１の実施形態＞
［イオン注入装置の構成］
図１は、イオン注入装置の構成の一例を示す模式的な断面図である。図１において、イオンの進行方向をＸ方向とし、Ｘ方向に垂直な面内方向をＹ方向およびＺ方向とする。図１において、Ｘ方向は紙面の左右方向であり、Ｙ方向は紙面の上下方向であり、Ｚ方向は紙面に垂直な方向である。

図１を参照して、イオン注入装置１００は、イオン発生源１０１と、イオン引き出し部１０４と、質量分析器１０５と、ビーム輸送部１０６と、ウエハホルダ１１０と、イオン電流計測器１２０とを備える。上記の各要素は真空容器に内蔵されている。

イオン発生源１０１は、半導体ウエハに注入される不純物元素の正イオンを生成する。イオン発生方法は特に限定されない。たとえば、フィラメントによって生成された熱電子を原料ガスに衝突させることによって原料ガスをイオン化してもよい。

イオン引き出し部１０４は、イオン発生源１０１によって生成されたイオンを引き出す。具体的に、イオン引き出し部１０４は、複数の引き出し電極１０３と、各引き出し電極１０３に負電位を与える直流電源１０２とを含む。各引き出し電極１０３の電位を調整することによって、イオンビームのエネルギーおよびイオンビームの照射位置を調整することができる。

質量分析器１０５は、磁界によってイオンの進行方向を曲げる。これによって、所望の電荷質量比を有するイオンのみ進行方向が９０°曲がって質量分析器１０５を通過することができる。すわなち、質量分析器１０５は、所望の電荷質量比を有するイオンのみを抽出することができる。

質量分析器１０５を通過したイオンは、筒状導体であるビーム輸送部１０６を通過する。ビーム輸送部１０６は接地されている。ビーム輸送部１０６の内部には、たとえば、スリット、ビーム平行化器、ビーム加速器／減速器（いずれも不図示）などが設けられていてもよい。

ウエハホルダ１１０は、複数の半導体ウエハ１１１を支持する。図２は、ウエハホルダとその駆動機構の一例を示す模式的な斜視図である。

図２を参照して、イオン注入装置１００は、ウエハホルダ１１０の中心に取り付けられた回転軸１１３と、その駆動機構１１４とを備える。ウエハホルダ１１０には複数枚（図の場合には、１３枚）の半導体ウエハ１１１が回転中心から等しい位置に均等に取り付けられる。

駆動機構１１４は回転軸１１３を回転駆動するとともに、回転軸１１３を回転軸に垂直な面内で搖動駆動させる（図２の場合には、上下方向に駆動する）。これによって、各半導体ウエハ１１１に均一にイオンビーム１５０を照射することができる。

ウエハホルダ１１０には、さらに、イオンビーム１５０を通過させるためのスリット１１２が設けられる。ウエハホルダ１１０が１回転する間に、イオンビーム１５０は各半導体ウエハ１１１に順次照射され、最後にスリット１１２を通過する。スリット１１２を通過したイオンビームはイオン電流計測器１２０に到達する。

再び図１を参照して、イオン電流計測器１２０は、イオンビーム１５０の電流量を測定する。具体的に、イオン電流計測器１２０は、ファラデーカップ１２１と、電流計１２３と、磁石１２２とを含む。

ファラデーカップ１２１は、金属製のカップであり、荷電粒子を捕捉する。たとえば、ファラデーカップ１２１は円筒状の側面と底面とを有し、底面に電流計１２３が接続される。ファラデーカップ１２１内に入射したイオンが底面の金属壁に衝突すると、衝突したイオンを中和するために電子が電流計１２３を通ってファラデーカップ１２１に移動する。これによって、イオン電流を測定することができる。

磁石１２２は、ファラデーカップ１２１の入り口付近でイオンの進行方向に対して少なくとも直交する方向（図１の場合はＹ方向であるが、ＹＺ平面内であればどの方向でもよい）の磁力線１２４をファラデーカップ１２１内に発生する。磁力線の方向を均一にするために、２個の磁石を、極性を異ならせて対向するように配置し、これらの２個の磁石を鉄ヨーク（不図示）によって接続してもよい。磁力線１２４によって電子の進行方向が曲げられるために、電子の通過が妨げられる。すなわち、磁力線１２４は電子の通過を妨げる電子障壁として機能する。

図１に示すように、イオンビーム１５０の周囲にはイオンビーム１５０のプラス電位に引き付けられた電子が集まりやすい。磁力線１２４はこの電子がファラデーカップ１２１に侵入するのを妨げる。もし、電子がファラデーカップ１２１に侵入すると、侵入した電子はイオンと結びつくために、イオン電流が見かけ上は少なく検出されることになり注入量過多の原因になる。

また、イオンビーム１５０は、ファラデーカップ１２１に衝突すると２次電子を生成する。磁力線１２４は、この２次電子がファラデーカップ１２１から外に漏れ出るのを妨げる。もし、２次電子がファラデーカップ１２１の外に漏れ出ると、見かけ上はこの漏れ２次電子と等価な正電荷が流入したことになるので、イオン電流が実際よりも多めに検出されることになり注入量不足の原因となる。

したがって、上記の注入量過多および注入量不足を防止するために、電子の通過を妨げるための磁力線１２４がファラデーカップ１２１の入り口付近に形成されている。

［帯電センサ］
さらに、イオン注入装置１００は、複数の帯電センサ１３０Ａ、１３０Ｅ，１３１Ａ，１３１Ｅ，１３２Ａ，１３２Ｅ，１３３Ａ，１３３Ｅを備える。

イオン注入装置を使用し続けると、イオン注入装置の内部の壁面およびファラデーカップ内部の壁面には絶縁被膜が付着する。前述のように、プラス電位のイオンビーム１５０の周囲にはマイナス電位の電子が集まりやすいので、この絶縁被膜はマイナスまたはプラスにチャージアップしやすい。帯電センサは、イオン注入装置１００の各部における帯電量を計測する。

第１の実施形態では、イオン電流計測器１２０のファラデーカップ１２１の内面に取り付けられた１３２Ａ，１３２Ｅ，１３３Ａ，１３３Ｅの利用方法について説明する。その他の帯電センサ１３０Ａ、１３０Ｅ，１３１Ａ，１３１Ｅの利用方法については第２の実施形態で説明する。

図１に示すように、帯電センサ１３２Ａ，１３２Ｅ（総称する場合、帯電センサ１３２と記載する）は、そのＸ方向の中心位置がファラデーカップ１２１の入り口からＬ１の距離となるようにファラデーカップ１２１の内面に配置されている。帯電センサ１３２は、イオンビーム１５０の進行方向（Ｘ方向）に対して垂直な平面に沿って配置されるのが望ましい。さらに、帯電センサ１３２は、イオンビーム１５０を取り囲むように均等に配置されるのが望ましい。

帯電センサ１３３Ａ，１３３Ｅ（総称する場合、帯電センサ１３３と記載する）は、そのＸ方向の中心位置がファラデーカップ１２１の入り口からＬ２の距離（Ｌ２＞Ｌ１）となるようにファラデーカップ１２１の内面に配置されている。帯電センサ１３３は、イオンビーム１５０の進行方向（Ｘ方向）に対して垂直な平面に沿って配置されるのが望ましい。さらに、帯電センサ１３３は、イオンビーム１５０を取り囲むように均等に配置されるのが望ましい。

図３は、ファラデーカップの内面における帯電センサ１３３のより詳細な配置例を示す模式的な断面図である。図３では、ファラデーカップ１２１の中心軸１２１Ｃ（イオンビーム１５０の中心軸にほぼ同じ）に垂直な面での断面図が示されている。なお、ファラデーカップ１２１の入り口付近に設けられた帯電センサ１３２も、帯電センサ１３３と同様に配置されている。

図３を参照して、８個の帯電センサ１３３Ａ〜１３３Ｈは、ビーム輸送部１０６の中心軸１０６Ｃから等距離の位置に対称的に配置されている。したがって、帯電センサ１３３Ａ〜１３３Ｈは、イオンビーム１５０を取り囲むように均等に配置されている。

再び図１を参照して、帯電センサ１３２，１３３の配置位置と前述の磁石１２２の配置位置との関係について説明する。

磁石１２２の磁極ＮおよびＳは、帯電センサ１３２の配置位置と帯電センサ１３３の配置位置との間、すなわち、ファラデーカップ１２１の入り口からの距離がＬ１とＬ２との間に位置する。磁石１２２によって発生する磁力線１２４には、イオンビームの進行方向に垂直方向（すなわち、ＹＺ平面内の方向）の磁力線が含まれる。この垂直方向の磁力線１２４がファラデーカップ１２１の入り口からの距離がＬ１とＬ２との間となるように、磁石１２２が配置されている。言い換えると、帯電センサ１３２は磁石１２２によって形成されるイオンビームと直交する方向の磁力線１２４よりもファラデーカップ１２１の入り口寄りに配置され、帯電センサ１３３はイオンビームと直交する方向の磁力線１２４よりもファラデーカップ１２１の奥に配置される。

ここで、ファラデーカップ１２１の内表面に絶縁被膜が付着し、その表面がマイナスに帯電していていたとする。さらに、帯電センサ１３２によって検出された帯電量と、帯電センサ１３３によって検出された帯電量とに大きな差があったとする。そうすると、帯電量の差によって電界が生じるので、磁石１２２によって形成された磁力線１２４と電界との両方の影響を受けて電子が移動することになり、電子障壁としての磁力線１２４を電子が通過する可能性が増す。

具体的に、ファラデーカップ１２１の入り口寄りに配置された帯電センサ１３２の検出値の絶対値のほうが、より奥に配置された帯電センサ１３３の検出値の絶対値よりも大きければ、ファラデーカップ１２１の外部から中に侵入する電子が生じ得る。電子がファラデーカップ１２１に侵入すると、侵入した電子はイオンと結びつくために、イオン電流が見かけ上は少なく検出されることになり注入量過多の原因になる。

逆に、帯電センサ１３２の検出値の絶対値のほうが帯電センサ１３３の検出値の絶対値よりも小さければ、ファラデーカップ１２１の内部で生じた２次電子がファラデーカップ１２１の外に漏れ出す可能性が増す。２次電子がファラデーカップ１２１の外に漏れ出ると、見かけ上はこの漏れ２次電子と等価な正電荷が流入したことになるので、イオン電流が実際よりも多めに検出されることになり注入量不足の原因となる。

このように、帯電センサ１３２，１３３によって検出される帯電量の差は、イオン電流計測器１２０の計測誤差の目安となる。

［帯電センサの具体的構造の一例とその動作］
図４は、ファラデーカップの内面に設けられた帯電センサの構造の一例を示す模式的な断面図である。

以下、図４を参照して、帯電センサの具体的構造の一例について説明する。図４では、ファラデーカップ１２１の内面に設けられた帯電センサ１３３を例に挙げて説明する。以下の構造の帯電センサは、図１のその他の箇所に取り付けられた帯電センサ１３０Ａ、１３０Ｅ，１３１Ａ，１３１Ｅ，１３２Ａ，１３２Ｅにも適用可能である。

なお、帯電センサの構造は図４のものに限定されない。他の構造の帯電センサを図１の各帯電センサとして利用することができる。

図４を参照して、帯電センサ１３３は、平板状の誘電体１５４と、誘電体１５４の表面に形成された表面電極１５５と、その反対側である誘電体１５４の裏面に形成された裏面電極１５６と、電圧計１５７とを含む。表面電極１５５および裏面電極１５６が形成された誘電体１５４は、絶縁体１５３を介在してファラデーカップ１２１を構成する筒状導体１５１の内面側に埋め込まれている。ファラデーカップ１２１の内面に絶縁膜１５２が付着していない場合には、表面電極１５５の少なくとも一部はファラデーカップ１２１の内面側の空間に露出している。誘電体１５４および裏面電極１５６は、ファラデーカップ１２１の内面側の空間には露出していない。

次に、図４の帯電センサ１３３の動作について説明する。
図４に示すように、ファラデーカップ１２１を構成する筒状導体１５１の内面上に絶縁膜１５２が形成されたとする。そして、イオンビーム１５０の周囲に集まった電子（ｅ⁻）がその絶縁膜１５２上に付着したとする（すなわち、絶縁膜１５２の表面がマイナス電位にチャージアップされている）。この場合、誘電体１５４の分極により、表面電極１５５には正電荷が誘起され、裏面電極１５６には負電荷が誘起される。したがって、裏面電極１５６の負電位を電圧計１５７で検出することによって、絶縁膜１５２の表面のマイナスの帯電量を検出することができる。

なお、絶縁膜１５２の表面がプラス電位にチャージアップされている場合には、誘電体１５４の分極により、表面電極１５５には負電荷が誘起され、裏面電極１５６には正電荷有機されている。したがって、裏面電極１５６の正電位を電圧計１５７で検出することによって、絶縁膜１５２の表面のプラスの帯電量を検出することができる。

［コントローラ］
イオン注入装置１００は、さらに、装置全体を制御するためのコントローラ１２８を備える。具体的に、コントローラ１２８は、イオン発生源１０１の動作、イオン引き出し部１０４の直流電源１０２の出力、ウエハホルダ１１０用の駆動機構１１４の動作などを制御する。

さらに、コントローラ１２８は、イオン電流計測器１２０に設けられた電流計１２３の検出結果、各帯電センサ１３０，１３１，１３２，１３３によって検出された帯電量の検出結果などを受け取る。コントローラ１２８は、これらの検出結果に基づいてイオン注入条件を調整する。

コントローラ１２８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリを含むマイクロコンピュータをベースに構成されてもよいし、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などの回路によって構成されてもよい。もしくは、コントローラ１２８は、これらを組み合わせることによって実現されていてもよい。

［イオン注入工程］
次に、上記の帯電センサ１３２，１３３による帯電量の計測値を利用したイオン注入工程について説明する。ビーム輸送部１０６に取り付けられた帯電センサ１３０Ａ，１３０Ｅおよびウエハホルダ１１０に取り付けられた帯電センサ１３１Ａ，１３１Ｅに関しては、第２の実施形態で説明する。

図５は、第１の実施形態によるイオン注入工程を示すフローチャートである。図１および図５を参照して、ステップＳ１０１において、イオン注入装置１００の内部のウエハホルダ１１０に半導体ウエハ１１１がセットされる。

なお、半導体ウエハ１１１上の表面上にはイオン注入の際にマスクとして用いられるレジストパターンが、リソグラフィプロセスを利用して予め形成されている。レジストは、イオン注入装置１００の内部に生じる絶縁被膜の原因物質の１つであると考えられる。

イオン注入装置１００を構成する真空チャンバ（不図示）の内部を真空引きした後、ステップＳ１０２においてコントローラ１２８はイオンビーム１５０の調整を行う。イオンビーム１５０の調整中は、コントローラ１２８は、イオンビーム１５０がスリット１１２を通過する位置でウエハホルダ１１０が固定するように駆動機構１１４を制御する。

具体的にステップＳ１０２においてコントローラ１２８は、イオン注入条件の１つであるイオンビームの照射位置を調整する。このため、コントローラ１２８は、イオン電流計測器１２０の検出値が最大になるように、各引き出し電極１０３の電位を調整する。コントローラ１２８は、イオン電流計測器１２０によって計測された調整後のイオン電流量を記憶する。

次のステップＳ１０３において、コントローラ１２８は、上記のイオン電流量、必要なドーズ（dose)量、およびドーズ面積に基づいて、イオン注入条件の１つであるイオン注入時間を設定する。イオン注入時間とは、半導体ウエハ１１１へのイオンビームの全照射時間である。

その次のステップＳ１０４において、コントローラ１２８は、駆動機構１１４によってウエハホルダ１１０を回転させることによって、半導体ウエハ１１１へのイオン注入を開始する。さらに、ステップＳ１０５において、コントローラ１２８は、帯電センサ１３２，１３３よる帯電量の計測を開始する。なお、イオン電流計測器１２０によるイオン電流の計測は、ステップＳ１０２において既に開始されている。

イオン注入時間が経過するまでの間（ステップＳ１０６でＮＯとなるまでの間）、以下の手順が繰り返される。

まず、コントローラ１２８は、現在の時刻がファラデーカップ１２１の帯電量が異常であるか否かを検査するための検査時刻であるか否かを判定する（ステップＳ１０７）。たとえば、１分ごとのように、ファラデーカップ１２１の帯電量が異常であるか否かの判定は定期的に行われる。

定期的な検査時刻になると（ステップＳ１０７でＹＥＳ）、コントローラ１２８は、帯電センサ１３２の帯電量と帯電センサ１３３の帯電量との差を計算する。すなわち、イオンの進行方向を基準にして電子障壁として機能するイオンビームと直交する方向の磁力線１２４の手前側と奥側での帯電量の差が算出される。なお、この場合の帯電センサ１３２の帯電量および帯電センサ１３３の帯電量は、複数の帯電センサの検出値の平均値を用いてもよいし、中央値を用いてもよいし、最大値または最小値を用いてもよい。

次に、コントローラ１２８は、現時刻がイオン注入条件を補正すべき補正期間内であるか否かを判定する（ステップＳ１０９）。たとえば、全イオン注入時間が６０分の場合、注入開始から１０分後から５５分後までのように、全イオン注入時間の７５％程度が補正期間に設定される。この場合の最初の１０分は、イオン注入装置１００の状態が安定するまでの待ち時間である。

補正期間内において、ステップＳ１０８で算出した帯電量の差が閾値を超えている場合には、コントローラ１２８は、帯電量の差に応じてイオン注入時間を調整する（ステップＳ１１０）。

たとえば、帯電センサ１３２，１３３によって検出された帯電量がマイナスの場合（すなわち、電子の帯電量を示している場合）について説明する。この場合、帯電センサ１３２によって検出された帯電量の絶対値が帯電センサ１３３によって検出された帯電量の絶対値より大きく、かつそれらの差が閾値を超えている場合には、コントローラ１２８は、イオン注入時間をより短い時間に変更する。この場合、ファラデーカップ１２１の外部から中に侵入する電子が生じ得る。そして、電子がファラデーカップ１２１に侵入すると、侵入した電子はイオンと結びつくために、イオン電流が見かけ上は少なく検出されることになるからである。

逆に、帯電センサ１３２によって検出された帯電量の絶対値が帯電センサ１３３によって検出された帯電量の絶対値より小さく、かつそれらの差が閾値を超えている場合には、コントローラ１２８は、イオン注入時間をより長い時間に変更する。この場合、ファラデーカップ１２１の内部で生じた２次電子がファラデーカップ１２１の外に漏れ出す可能性が生じる。２次電子がファラデーカップ１２１の外に漏れ出ると、見かけ上はこの漏れ２次電子と等価な正電荷が流入したことになるので、イオン電流が実際よりも多めに検出されることになるからである。

なお、帯電量の差とイオン注入時間の補正量との関係は予め実験的に定められる。たとえば、半導体ウエハに実際に注入されたイオン量は、半導体ウエハの電気的な特性を測定することによって見積もることができるので、この実際の注入量の推定値と帯電量の測定値との関係からイオン注入時間の補正量を決定する。

ステップＳ１０６において、イオン注入時間が経過した場合には、コントローラ１２８は、イオン発生源１０１を停止することによってイオン注入を停止する（ステップＳ１１１）。さらに、ステップＳ１１２において、コントローラ１２８は、イオン電流計測器１２０によるイオン電流の計測および帯電センサ１３２，１３３による帯電量の計測を終了する（ステップＳ１１２）。

［効果］
以上のとおり、第１の実施形態のイオン注入装置１００によれば、イオン電流計測器１２０を構成するファラデーカップ１２１の内部に設けた帯電センサ１３２，１３３によって、ファラデーカップ１２１の内面の帯電量が測定される。この帯電量の測定結果に基づいてイオン電流計測器１２０の計測誤差が補正可能であるので、高精度のイオン注入を実現することができる。

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態では、ビーム輸送部１０６に設けられた帯電センサ１３０Ａ、１３０Ｅ（総称する場合、帯電センサ１３０と記載する）、およびウエハホルダ１１０に設けられた帯電センサ１３１Ａ，１３１Ｅ（総称する場合、帯電センサ１３１と記載する）の利用方法について説明する。これらの帯電センサ１３０，１３１を用いることによって、イオンビーム１５０の中心軸のずれをモニタすることができる。以下、図面を参照して具体的に説明する。

なお、帯電センサの配置以外のイオン注入装置１００の構成は第１の実施形態の場合と同じであるので説明を繰り返さない。

［帯電センサの配置］
図１の帯電センサ１３０は、ビーム輸送部１０６の出口付近で、ビーム輸送部１０６の内面（すなわち、イオンビーム１５０を臨む面）に複数個設けられる。帯電センサ１３０は、イオンビーム１５０の進行方向（Ｘ方向）に対して垂直な平面に沿って配置されるが望ましい。さらに、帯電センサ１３０は、イオンビームの中心軸に対して対称な位置に配置されるのが望ましい。

図６は、ビーム輸送部の内面における帯電センサの配置例を示す模式的な断面図である。図６では、ビーム輸送部１０６の中心軸１０６Ｃに垂直な面での断面図が示されている。図６に示すように、８個の帯電センサ１３０Ａ〜１３０Ｈは、ビーム輸送部１０６の中心軸１０６Ｃから等距離の位置に対称的に配置されている。すなわち、帯電センサ１３０Ａ〜１３０Ｈは、イオンビーム１５０を取り囲むように配置されている。

仮に、イオンビーム１５０の中心軸にずれが生じていたとすれば、イオンビーム１５０に最も近接した帯電センサ１３０と、イオンビーム１５０から最も離間した帯電センサ１３０とでは、検出される帯電量に差が生じるはずである。したがって、イオンビーム１５０の周囲に均等に配置された帯電センサ１３０を用いることによって、イオンビーム１５０の中心軸のずれの有無を検知することができる。

次に、図１のウエハホルダ１１０上で半導体ウエハ１１１の周囲に複数個配置された帯電センサ１３１について説明する。

図７は、ウエハホルダ上での帯電センサの配置例を示す模式的な平面図である。図７に示すように、８個の帯電センサ１３１Ａ〜１３１Ｈは、半導体ウエハ１１１の中心から等距離の位置に対称的に配置されている。

仮に、イオンビーム１５０の中心軸と半導体ウエハ１１１の中心とにずれが生じていたために、半導体ウエハ１１１上のイオンビーム１５０の照射位置に偏りが生じていたとすれば、半導体ウエハ１１１の周囲に配置された帯電センサ１３１の検出値にも場所による差が生じるはずである。したがって、半導体ウエハ１１１の周囲に均等に配置された帯電センサ１３１を用いることによって、イオンビーム１５０の中心軸のずれを検知することができる。

［イオン注入工程］
次に、上記の帯電センサ１３０，１３１による帯電量の計測値を利用したイオン注入工程について説明する。

図８は、第２の実施形態によるイオン注入工程を示すフローチャートである。図８のフローチャートは、図５のフローチャートに対応するものである。したがって、図５と対応するステップについては、同一の参照符号を付して詳しい説明を繰り返さない。

図１および図８を参照して、ステップＳ１０１において、イオン注入装置１００の内部のウエハホルダ１１０に半導体ウエハ１１１がセットされる。真空引きの後、次のステップＳ１０２においてコントローラ１２８はイオンビーム１５０の調整を行う。さらに、ステップＳ１０３においてコントローラ１２８はイオン注入時間を設定する。その次のステップＳ１０４においてコントローラ１２８は、半導体ウエハ１１１へのイオン注入を開始する。さらに、ステップＳ１０５において、コントローラ１２８は、帯電センサ１３２，１３３よる帯電量の計測を開始する。ここまでは、図５の場合と同様である。

イオン注入時間が経過するまでの間（ステップＳ１０６でＮＯとなるまでの間）、以下の手順が繰り返し実行される。

まず、コントローラ１２８は、複数の帯電センサ１３０間での帯電量の検出値の差が閾値を超えているか否かを判定する（ステップＳ２０１）。複数の帯電センサ１３０の検出値の差として、たとえば、最大値と最小値との差が用いられる。同様に、コントローラ１２８は、複数の帯電センサ１３１間での帯電量の検出値の差が閾値を超えているか否かを判定する。

上記のステップＳ２０１での判定の結果、複数の帯電センサ間での検出値の差が閾値を超えていない場合には（ステップＳ２０１でＮＯ）、イオン注入が継続される。

一方、上記のステップＳ２０１での判定の結果、複数の帯電センサ間での検出値の差が閾値を超えている場合には、コントローラ１２８はイオン注入を中断する（ステップＳ２０１）。この場合、イオンビーム１５０の中心軸にずれが生じている可能性が高いからである。そこで、コントローラ１２８は、ステップＳ１０２に戻ってイオンビームの再調整を行う。具体的に、コントローラ１２８は、イオン電流計測器１２０の検出値が最大になるように、各引き出し電極１０３の電位を調整する。コントローラ１２８は、イオン電流計測器１２０によって計測された再調整後のイオン電流量を記憶する。

次のステップＳ１０３においてコントローラ１２８はイオン注入時間を設定する。具体的に、コントローラ１２８は、これまでのイオン注入時間、上記の再調整後のイオン電流量、必要なドーズ（dose)量、およびドーズ面積に基づいて、イオン注入時間を再設定する。

その次のステップＳ１０４においてコントローラ１２８は、半導体ウエハ１１１へのイオン注入を再開する。さらに、ステップＳ１０５によって、コントローラ１２８は、帯電センサ１３２，１３３よる帯電量の計測を再開する。

設定されたイオン注入時間が経過した場合には（ステップＳ１０６でＹＥＳ）、コントローラ１２８はイオン注入を停止し（ステップＳ１１１）、イオン電流計測器１２０によるイオン電流の計測および帯電センサ１３０，１３１による帯電量の計測を終了する。

［効果］
以上のとおり、第２の実施形態のイオン注入装置１００によれば、ビーム輸送部１０６の内面に複数の帯電センサ１３０が設けられ、およびウエハホルダ１１０の表面上で半導体ウエハ１１１の周囲に複数の帯電センサ１３１が設けられる。そして、これらの帯電センサ１３０，１３１の計測値を用いることによって、イオンビーム１５０の中心軸のずれの有無を推定する。この結果、イオンビーム１５０の中心軸のずれが生じていると判断された場合には、イオンビームの再調整を行うことができるので、高精度のイオン注入を実現することができる。

なお、第２の実施形態において説明した帯電センサの検出値に基づくイオンビームの中心軸のずれの検出は、第１の実施形態で説明した帯電センサの検出値に基づくイオン電流量の検出誤差の補正に組み合わせて実施することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記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種々変更可能であることは言うまでもない。

１００ イオン注入装置、１０１ イオン発生源、１０２ 直流電源、１０３ 引き出し電極、１０４ イオン引き出し部、１０５ 質量分析器、１０６ ビーム輸送部、１１０ ウエハホルダ、１１１ 半導体ウエハ、１１２ スリット、１２０ イオン電流計測器、１２１ ファラデーカップ、１２２ 磁石、１２３ 電流計、１２４ 磁力線、１２８ コントローラ、１３０，１３１，１３２，１３３ 帯電センサ、１５０ イオンビーム、１５１ 筒状導体、１５２ 絶縁膜、１５３ 絶縁体、１５４ 誘電体、１５５ 表面電極、１５６ 裏面電極、１５７ 電圧計。

Claims (12)

1. イオン発生源と、
   前記イオン発生源から引き出されたイオンのうち所望の電荷質量比のイオンを通過させる質量分析器と、
   前記質量分析器を通過したイオン電流を計測するためのファラデーカップを含む計測部と、
   前記ファラデーカップの内面の互いに異なる箇所に設けられ、前記ファラデーカップの内面の帯電量を検出する複数の帯電センサと、
   イオンビームの半導体ウエハへの注入条件を制御するコントローラとを備え、
   前記コントローラは、前記複数の帯電センサの検出値の差に基づいて前記注入条件を調整するように構成される、イオン注入装置。
2. 前記イオンビームは第１の方向に沿って進行し、
   前記複数の帯電センサは、
   １つまたは複数の第１の帯電センサと、
   １つまたは複数の第２の帯電センサとを含み、
   前記１つの第１の帯電センサまたは前記複数の第１の帯電センサの各々は、その前記第１の方向の中心位置が前記ファラデーカップの入り口から第１の距離となるように配置され、
   前記１つの第２の帯電センサまたは前記複数の第２の帯電センサの各々は、その前記第１の方向の中心位置が前記ファラデーカップの入り口から第２の距離となるように配置され、前記第２の距離は前記第１の距離よりも長く、
   前記コントローラは、前記１つまたは複数の第１の帯電センサによって検出された第１の帯電量と、前記１つまたは複数の第２の帯電センサによって検出された第２の帯電量との差に基づいて、前記注入条件を調整するように構成される、請求項１に記載のイオン注入装置。
3. 前記注入条件は、前記半導体ウエハへのイオン注入時間を含み、
   前記コントローラは、前記第１の帯電量と前記第２の帯電量との差に基づいて前記イオン注入時間を調整する、請求項２に記載のイオン注入装置。
4. 前記計測部は、さらに、
   電子の通過を妨げるために、少なくとも前記第１の方向と直交する第２の方向の磁力線を前記ファラデーカップ内に発生する磁石を含み、
   前記第２の方向の磁力線は、前記ファラデーカップの入り口から前記第１の距離と前記第２の距離との間に位置する、請求項３に記載のイオン注入装置。
5. 前記第１の帯電量および前記第２の帯電量は電子の帯電量を示し、
   前記コントローラは、
   前記第１の帯電量の絶対値が前記第２の帯電量の絶対値より大きくかつ前記第１の帯電量の絶対値と前記第２の帯電量の絶対値との差が第１の閾値を超えている場合に、前記イオン注入時間をより短い時間に変更し、
   前記第２の帯電量の絶対値が前記第１の帯電量の絶対値より大きくかつ前記第２の帯電量の絶対値と前記第１の帯電量の絶対値との差が第２の閾値を超えている場合に、前記イオン注入時間をより長い時間に変更する、請求項４に記載のイオン注入装置。
6. 前記帯電センサは、
   第１の電極と、
   第２の電極と、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に挟まれた誘電体と、
   前記第２の電極と電気的に接続された電圧計とを含み、
   前記第１の電極、前記第２の電極、および前記誘電体の全体は、絶縁体を介在して前記ファラデーカップの内面側に埋め込まれ、
   前記第１の電極の少なくとも一部は、前記ファラデーカップの内面側の空間に露出している、請求項１に記載のイオン注入装置。
7. イオン発生源と、
   前記イオン発生源から引き出されたイオンのうち所望の電荷質量比のイオンを通過させる質量分析器と、
   半導体ウエハを支持するウエハホルダと、
   前記ウエハホルダと前記質量分析器との間に設けられ、前記質量分析器から出力されたイオンが通過する筒状の導体であるビーム輸送部と、
   前記ビーム輸送部の内面の互いに異なる箇所に設けられ、前記ビーム輸送部の内面の帯電量を検出する複数の第１の帯電センサと、
   前記半導体ウエハへのイオンビームの注入条件を制御するコントローラとを備え、
   前記コントローラは、前記複数の第１の帯電センサの検出値の差に基づいて前記注入条件を調整するように構成される、イオン注入装置。
8. 前記複数の第１の帯電センサは、前記イオンビームの進行方向に垂直な平面に沿って配置される、請求項７に記載のイオン注入装置。
9. 前記複数の第１の帯電センサは、前記ビーム輸送部の中心軸に対して対称な位置に配置される、請求項８に記載のイオン注入装置。
10. 前記注入条件は、前記イオンビームの照射位置を含み、
    前記コントローラは、前記複数の第１の帯電センサの検出値の最大値と最小値との差が閾値を超えている場合に、前記イオンビームの照射位置を調整するように構成される、請求項９に記載のイオン注入装置。
11. 前記イオン注入装置は、さらに、前記ウエハホルダ上であって、前記半導体ウエハの周囲に配置され、前記ウエハホルダの帯電量を検出する複数の第２の帯電センサを備え、
    前記コントローラは、前記複数の第２の帯電センサの検出値の差に基づいて前記注入条件を調整するように構成される、請求項７に記載のイオン注入装置。
12. 半導体ウエハをイオンビーム装置のウエハホルダにセットするステップと、
    イオンビームの注入条件を設定するステップと、
    前記イオンビームの注入を開始するステップと、
    ファラデーカップによってイオン電流を計測するステップと、
    前記ファラデーカップの内面の互いに異なる箇所に設けられた複数の帯電センサによって、前記ファラデーカップの内面の帯電量を計測するステップと、
    前記複数の帯電センサの検出値の差に基づいて前記注入条件を調整するステップとを備える、半導体装置の製造方法。

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