JP3064269B2 - イオン注入装置及びイオン注入方法 - Google Patents

イオン注入装置及びイオン注入方法

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JP3064269B2 JP10310665A JP31066598A JP3064269B2 JP 3064269 B2 JP3064269 B2 JP 3064269B2 JP 10310665 A JP10310665 A JP 10310665A JP 31066598 A JP31066598 A JP 31066598A JP 3064269 B2 JP3064269 B2 JP 3064269B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイスの
製造プロセスの１つであるイオン注入装置及びイオン注
入方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】超ＬＳＩに代表される半導体デバイスに
対しては、常に、より一層の高集積化・高機能化が求め
られている。かかる要請に応えるためには、半導体デバ
イスの製造プロセスを最適な条件下で行うことが必要と
なる。このため、従来においては、予め様々な条件で半
導体デバイスを試作し、その試作された半導体デバイス
の特性を評価することで、各製造プロセスの最適な条件
を見出すこととしている。
【０００３】半導体製造プロセスの１つであるイオン注
入プロセスにおいても、最適な条件を得るために、予め
いろいろな条件でイオン注入を行うこととしている。勿
論、イオン注入プロセスではイオン注入装置を用いるた
め、イオン注入プロセスの条件は実質的にはイオン注入
装置の運転条件を意味する。
【０００４】イオン注入装置は、基本的には、イオンを
発生させ所望のイオン種を選択してイオンビームとする
イオンビーム発生部と、このイオンビーム発生部からの
イオンビームをプロセス用のシリコンウェハに照射して
イオン注入を行うイオン注入部とから構成されている。
イオン注入部としては、内部が真空となっているターゲ
ットチャンバと、このターゲットチャンバ内に配置され
たウェハ支持ホイールとを備えた形式のものが広く知ら
れている。ウェハ支持ホイールは、ターゲットチャンバ
内に揺動可能に取り付けられた揺動シャフトと、この揺
動シャフトの先端部に回転可能に取り付けられたハブ
と、このハブから放射状に延び且つそれぞれの先端にシ
リコンウェハを保持するためのウェハホルダを有する複
数本のアームとから構成されている。ウェハ支持ホイー
ルは、ハブを中心として回転すると共に、イオンビーム
がウェハの全面に照射されるようイオンビームに直交す
る面内で揺動するようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述したような従来の
イオン注入装置においては、１回のイオン注入プロセス
でイオンをウェハ全面にわたって均一に注入するように
運転される。言い換えるならば、従来一般のイオン注入
装置により処理されたウェハのドーズ量は、ウェハ面内
においてほぼ均一になる。このため、例えば複数のイオ
ン注入条件を評価するためには、少なくとも条件分の枚
数のウェハを用意して処理する必要があった。
【０００６】しかし、デバイス特性を評価してイオン注
入の条件を決定するには、１枚のウェハから得られるチ
ップの全ては必要ないため、多くのチップが無駄となっ
ていた。特に、近年のウェハの大径化に伴い、より多く
のチップが無駄となり、しかもウェハ１枚当たりのコス
トも高価となるので、ウェハ全面にわたってイオンを均
一に注入するという方法には問題がある。
【０００７】また、従来においては、１枚のウェハを用
いて複数のイオン注入条件を評価するために、１枚のウ
ェハ上に異なる複数種類のドーズ量領域を形成すること
も考えられているが、この場合にはマスキング等が必要
となるため、その分イオン注入を行うための工数が多く
なり、コストも高価になる。
【０００８】本発明の目的は、マスキング等を行うこと
なしに、１回のイオン注入プロセスで１枚のウェハ上に
複数種類のドーズ量領域を形成することができるイオン
注入装置及びイオン注入方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、イオンビームを発生するイオンビーム発
生部と、イオン注入されるウェハを支持するウェハ支持
ホイールであって、イオンビーム発生部からのイオンビ
ームがウェハの表面全体を走査するよう、ウェハを旋回
させるべく回転可能であると共に、揺動シャフトにより
揺動可能に支持されている前記ウェハ支持ホイールと、
ウェハ支持ホイールを回転させる第１駆動モータと、ウ
ェハ支持ホイールを揺動させる、正逆両方向に駆動可能
であり且つ速度調整可能である第２駆動モータと、ウェ
ハの表面全体にイオンが均一に注入されるように予め設
定された複数の基本揺動速度モードのいずれかに基づい
て第２駆動モータを回転させウェハ支持ホイールの揺動
速度を制御する制御手段とを備えるイオン注入装置にお
いて、制御手段は、ウェハ支持ホイールの揺動範囲にお
ける任意に選定された切換位置で複数の基本揺動速度モ
ードのうちのいずれかの基本揺動速度モードが他の基本
揺動速度モードに切り換わるよう第２駆動モータの回転
速度を制御し、ウェハの表面にドーズ量が異なる複数の
領域を形成する構成とする。
【００１０】以上のように構成した本発明は、ウェハ支
持ホイールを揺動させる第２駆動モータとして、正逆両
方向に駆動可能であり且つ速度調整可能であるモータを
用いると、ウェハ支持ホイールの揺動速度を瞬時に急激
に変えることができるという知見に基づいて考えられた
ものである。上記のような制御手段を設けることによ
り、ウェハ支持ホイールが揺動範囲を揺動する途中で、
ある基本揺動速度モードが他の基本揺動速度モードに切
り換わることによってウェハ支持ホイールの揺動速度が
瞬時に変化し、その結果ウェハ上にはいくつかの異なる
ドーズ量領域が形成される。したがって、マスキング等
を行わなくても、１回のイオン注入プロセスで１枚のウ
ェハ上に確実に複数種類のドーズ量領域を形成すること
ができる。
【００１１】上記イオン注入装置において、制御手段
は、より具体的には、選定された切換位置で複数の基本
揺動速度モードのうちのいずれかの基本揺動速度モード
が他の基本揺動速度モードに切り換わる制御用揺動速度
モードを設定する設定手段と、設定手段で設定した制御
用揺動速度モードに応じて第２駆動モータを回転駆動さ
せる駆動制御手段とを備える。
【００１２】また、上記の目的を達成するため、本発明
は、イオンビームを発生するイオンビーム発生部と、イ
オン注入されるウェハを支持するウェハ支持ホイールで
あって、イオンビーム発生部からのイオンビームがウェ
ハの表面全体を走査するよう、ウェハを旋回させるべく
回転可能となっていると共に、揺動シャフトにより揺動
可能に支持されているウェハ支持ホイールと、ウェハ支
持ホイールを回転させる第１駆動モータと、ウェハの表
面全体にイオンが均一に注入されるように予め設定され
た基本揺動速度モードに従ってウェハ支持ホイールを揺
動させる、正逆両方向に駆動可能であり且つ速度調整可
能である第２駆動モータとを備えるイオン注入装置を用
いるイオン注入方法において、イオン注入時に、ウェハ
支持ホイールの揺動範囲における任意に選定した切換位
置で、基本揺動速度モードが他の基本揺動速度モードに
切り換わるよう第２駆動モータの回転速度を調整し、ウ
ェハの表面にドーズ量が異なる複数の領域を形成する。
【００１３】これにより、上述したように、マスキング
等を行うことなしに、１回のイオン注入プロセスで１枚
のウェハ上に複数種類のドーズ量領域を形成することが
できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態に
ついて図面を参照して説明する。
【００１５】図１は、本発明が係わるイオン注入装置の
分解斜視図である。イオン注入装置１０は、イオンビー
ムを発生するイオンビーム発生部１２と、このイオンビ
ーム発生部１２からのイオンビームをプロセス用のシリ
コンウェハＷに照射して注入するイオン注入部１４と、
このイオン注入部１４にシリコンウェハＷを供給するウ
ェハローダ部１６とを備えている。
【００１６】イオンビーム発生部１２は、図示しない
が、イオン源系、イオンビーム引出し・前段加速系、質
量分析系及び後段加速系等から構成されている。イオン
源系は、ガス供給源（図示せず）から送り込まれたドー
ピングガスを放電させることにより、高密度のプラズマ
状態を作り出すことができるようになっている。イオン
ビーム引出し・前段加速系では、イオン源系との電圧差
を利用して、上記プラズマを構成するイオンを引き出す
と共に加速し、イオンビームを形成する。このイオンビ
ームは、質量分析系において所望のイオン種のみを残
し、後段加速系で加速されてイオン注入部１４に注入さ
れる。
【００１７】イオン注入部１４は、内部が真空とされる
ボックスタイプのターゲットチャンバ１８と、ターゲッ
トチャンバ１８内に配置されたウェハ支持ホイール２０
とを備えている。ターゲットチャンバ１８の一方の壁面
には開口２２が形成され、この開口２２からイオンビー
ム発生部１２からのイオンビームが照射されるようにな
っている。また、ターゲットチャンバ１８の他方の壁面
には、開口２２に対向する位置にビームストップ２４
（図２参照）が配設されている。ビームストップ２４
は、ウェハ支持ホイール２０を通過したイオンビームを
受け止めるためのものである。
【００１８】ウェハ支持ホイール２０は、ターゲットチ
ャンバ１８内に揺動可能に取り付けられた揺動シャフト
２６と、この揺動シャフト２６の先端に回転可能に取り
付けられたハブ２８と、このハブ２８から放射状に延び
る複数本のアーム３０とから構成されている。各アーム
３０の先端部には、ウェハＷを支持するためのウェハホ
ルダ３２が設けられている。ハブ２８は矢印Ａ方向に回
転し、また、揺動シャフト２６は矢印Ｂ方向に沿って所
定の揺動角度で揺動する。その結果、各ウェハホルダ３
２に支持されたウェハＷはそれぞれイオンビーム発生部
１２からのイオンビームを横切ると共に、その全面にイ
オンビームが照射され、イオン注入が行われる。
【００１９】図２は、ウェハ支持ホイール２０を作動さ
せるための制御系を示す構成図である。イオン注入装置
１０は、上述した構成に加えて、ハブ２８を矢印Ａ方向
に回転させる第１駆動モータ３４と、揺動シャフト２６
を矢印Ｂ方向に沿って揺動させる第２駆動モータ３６
と、揺動シャフト２６の揺動角を検出する回転センサ３
８と、後述する複数の制御用揺動速度モードのいずれか
を選択入力するための入力装置４０と、回転センサ３８
及び入力装置４０からの信号に基づいて所定の演算処理
を実行し、第２駆動モータ３６を制御する制御装置４２
とを備えている。
【００２０】第１駆動モータ３４は、揺動シャフト２６
に結合された駆動アーム４４に取り付けられ、図示しな
いベルト等の駆動伝達機構を介してハブ２８を一定の速
度で回転させる。第２駆動モータ３６は、正逆両方向に
回転可能でありかつ速度調整可能であるモータであり、
図示しない取付ブラケットに固定され、ベルト４４を介
して揺動シャフト２６を揺動させる。
【００２１】制御装置４２は、記憶部４２Ａと、目標値
設定部４２Ｂと、演算部４２Ｃと、増幅部４２Ｄとを有
している。
【００２２】記憶部４２Ａは、揺動シャフト２６が両エ
ンド位置間を揺動するときの速度変位を規定した複数の
制御用揺動速度モードを予め記憶しておくものである。
ここで、揺動速度とは、ウェハ支持ホイール２０の回転
中心の速度をいう。以下、この制御用揺動速度モードに
ついて詳細に説明する。
【００２３】図３は、記憶部４２Ａに記憶されている複
数の制御用揺動速度モードの１つを示したものであり、
Ｘ軸が揺動シャフト２６の一方のエンド位置を基準とし
たときの揺動シャフト２６の揺動角θを示し、Ｙ軸が揺
動シャフト２６の揺動速度ｖを示している。同図に示す
θ1は、ウェハ支持ホイール２０がウェハＷにおけるハ
ブ２８中心に最も遠い部分にイオン注入される位置（以
下、第１位置という）にあるときの揺動シャフト２６の
揺動角θであり、同図に示すθ2は、ウェハ支持ホイー
ル２０がウェハＷにおけるハブ２８中心に最も近い部分
にイオン注入される位置（以下、第２位置という）にあ
るときの揺動シャフト２６の揺動角θである。なお、Ｙ
軸のプラス側（Ｘ軸よりも上側）は、第２駆動モータ３
６を回転させて揺動シャフト２６を第１位置側から第２
位置側に揺動させるときの速度を示し、Ｙ軸のマイナス
側（Ｘ軸よりも下側）は、第２駆動モータ３６を逆方向
に回転させて揺動シャフト２６を第２位置側から第１位
置側に揺動させるときの速度を示している。
【００２４】同図において、矢印が付された実線Ｐが制
御用揺動速度モードを示したものであり、この制御用揺
動速度モードＰは、２つの基本揺動速度モードＱ及びＲ
を組み合わせて形成されたものである。ここで、基本揺
動速度モードとは、揺動シャフト２６が両エンド位置間
を揺動したときにウェハＷにイオンが均一に注入され
る、つまりウェハＷのドーズ量が均一になるように予め
設定された揺動シャフト２６の揺動速度を規定したモー
ドである。点線で示す基本揺動速度モードＱにおける揺
動シャフト２６の揺動速度ｖは、ｖ＝ｆ（θ）＋Ｃ１で
表される。一方、１点鎖線で示す基本揺動速度モードＲ
における揺動シャフト２６の揺動速度ｖは、ｖ＝ｆ
（θ）／２＋Ｃ２で表され、揺動シャフト２６の揺動角
θの全域にわたって基本揺動速度モードＱにおける揺動
速度ｖのほぼ１／２となる。これにより、基本揺動速度
モードＱに従って揺動シャフト２６を揺動させたときの
ウェハＷのドーズ量は、基本揺動速度モードＲに従って
揺動シャフト２６を揺動させたときのウェハＷのドーズ
量のほぼ１／２になる。
【００２５】以上のような制御用揺動速度モードＰに従
って揺動シャフト２６を第１位置側から第２位置側に揺
動させると、まず基本揺動速度モードＱに従って揺動速
度が変位し、第１位置と第２位置の中間位置（以下、切
換位置という）に達すると、その後は基本揺動速度モー
ドＲに従って揺動速度が変位していく。また、制御用揺
動速度モードＰに従って揺動シャフト２６を第２位置側
から第１位置側に揺動させると、まず基本揺動速度モー
ドＲに従って揺動速度が変位し、切換位置に達すると、
その後は基本揺動速度モードＱに従って揺動速度が変位
していく。
【００２６】図２に戻り、目標値設定部４２Ｂは、入力
装置４０で選択入力された制御用揺動速度モードを記憶
部４２Ａから読み込み、これをフィードバック制御の目
標値として設定する。演算部４２Ｃは、回転センサ３８
の検出値を入力し、この検出値及び内蔵タイマ（図示せ
ず）から揺動シャフト２６の実際の揺動速度を求め、こ
の実際の揺動速度と目標値設定部４２Ｂで設定した目標
揺動速度とを比較し、実際の揺動速度が目標揺動速度に
なるような指令値を求める。増幅部４２Ｄは、演算部４
２Ｃで求めた指令値を増幅して制御信号を生成し、この
制御信号を第２駆動モータ３６に出力する。
【００２７】なお、上記の構成においては、２つの基本
揺動速度モードを組み合わせて生成した複数の制御用揺
動速度モードを記憶部４２Ａに予め記憶しておくものと
したが、複数の基本揺動速度モードを記憶部４２Ａに記
憶しておいてもよい。この場合には、入力装置４０によ
り複数の基本揺動速度モードの中から２つの基本揺動速
度モードを選択入力し、目標値設定部４２Ｂにおいて、
選択入力された２つの基本揺動速度モードを記憶部４２
Ａから読み出し、これらを組み合わせて制御用揺動速度
モードを生成するようにする。
【００２８】以上のような制御装置４２において、記憶
部４２Ａ及び目標値設定部４２Ｂは、選定された切換位
置で複数の基本揺動速度モードのうちのいずれかの基本
揺動速度モードが他の基本揺動速度モードに切り換わる
制御用揺動速度モードを設定する設定手段を構成し、演
算部４２Ｃ及び増幅部４２Ｄは、設定手段で設定した制
御用揺動速度モードに応じて第２駆動モータ３６を回転
駆動させる駆動制御手段を構成する。
【００２９】以上のように構成した本実施形態におい
て、例えば半導体デバイスの試作及び評価時にイオン注
入を行う場合、ウェハローダ部１６のカセット（図示せ
ず）内に収容された複数枚のウェハＷをロボット（図示
せず）によりターゲットチャンバ１８内に搬送し、ウェ
ハ支持ホイール２０の各ウェハホルダ３２にそれぞれ装
着する。そして、第１駆動モータ３４によりウェハ支持
ホイール２０を矢印Ａ方向に回転させながら、第２駆動
モータ３６によりウェハ支持ホイール２０を矢印Ｂ方向
に沿って第１位置側から第２位置側に揺動させることに
よって、各ウェハＷの全面にイオンビーム発生部１２か
らのイオンビームを照射してイオン注入する。
【００３０】このとき、入力装置４０で複数の制御用揺
動速度モードの中から図３に示すような制御用揺動速度
モードＰを選択入力した場合には、まずウェハ支持ホイ
ール２０は基本揺動速度モードＱに応じた速度で揺動
し、第１位置と第２位置との間の中間の切換位置に達す
るとウェハ支持ホイール２０の速度が瞬時に激減し、ウ
ェハ支持ホイール２０は基本揺動速度モードＲに応じた
速度で揺動していく。したがって、各ウェハＷには基本
揺動速度モードＱ及びＲに対応した２つの面積がほぼ等
しいドーズ量領域が形成される。また、その時の各ウェ
ハＷ表面の半分の領域におけるドーズ量は他の半分の領
域におけるドーズ量の２倍となる。
【００３１】以上のように本実施形態にあっては、１回
のイオン注入プロセスで１枚のウェハＷに２つの異なる
ドーズ量領域を形成することができるので、従来のよう
にいちいちマスキング等を行なくて済み、その分工数を
減らすことができ、これにより、イオン注入に要する時
間を短縮できると共に、コストを削減することができ
る。また、１回のイオン注入プロセスで異なる特性のチ
ップが１枚のウェハから得られるため、無駄となるチッ
プの数を減らすこともでき、この点でもコストを削減す
ることができる。
【００３２】なお、本実施形態では、２つの基本揺動速
度モードを組み合わせて生成した制御用揺動速度モード
に従ってウェハ支持ホイール２０の揺動速度を制御し、
１枚のウェハＷに２つの異なるドーズ量領域を形成する
ようにしたが、特にこのような形態に限らず、３つ以上
の基本揺動速度モードを組み合わせて生成した制御用揺
動速度モードに従ってウェハ支持ホイール２０の揺動速
度を制御し、１枚のウェハＷに３つ以上の異なるドーズ
量領域を生成するようにしてもよい。
【００３３】また、本発明は、半導体デバイスの試作及
び評価だけでなく、実際の半導体デバイスの製造におい
ても適用できる。
【００３４】
【発明の効果】本発明によれば、マスキング等を行うこ
となしに、１回のイオン注入プロセスで１枚のウェハ上
に複数種類のドーズ量領域を形成することができるの
で、効率化を図ることができるとともに、コストを削減
できる。また、１回のイオン注入プロセスで異なる特性
のチップが１枚のウェハから得られるため、無駄となる
チップの数を減らすこともでき、この点でもコストを削
減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が係わるイオン注入装置の分解斜視図で
ある。
【図２】図１に示すウェハ支持ホイールを作動させるた
めの制御系を示す構成図である。
【図３】図２に示す制御装置の記憶部に記憶される制御
用揺動速度モードの一例である。
【符号の説明】
１０…イオン注入装置、１２…イオンビーム発生部、１
８…ターゲットチャンバ、２０…ウェハ支持ホイール、
３４…第１駆動モータ、３６…第２駆動モータ、３８…
回転センサ、４０…入力装置、４２…制御装置（制御手
段）、４２Ａ…記憶部（設定手段）、４２Ｂ…目標値設
定部（設定手段）、４２Ｃ…演算部（駆動制御手段）、
４２Ｄ…増幅部（駆動制御手段）、Ｗ…ウェハ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三浦 龍一 千葉県成田市新泉14−３野毛平工業団地 内 アプライド マテリアルズ ジャパ ン 株式会社内 (72)発明者 松永 保彦 千葉県成田市新泉14−３野毛平工業団地 内 アプライド マテリアルズ ジャパ ン 株式会社内 (56)参考文献 特開 平８−213339（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−18176（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−88249（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−257170（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−91146（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/265 H01J 37/317 C23C 14/48

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 イオンビームを発生するイオンビーム発
    生部と、 イオン注入されるウェハを支持するウェハ支持ホイール
    であって、前記イオンビーム発生部からのイオンビーム
    が前記ウェハの表面全体を走査するよう、前記ウェハを
    旋回させるべく回転可能であると共に、揺動シャフトに
    より揺動可能に支持されている前記ウェハ支持ホイール
    と、 前記ウェハ支持ホイールを回転させる第１駆動モータ
    と、 前記ウェハ支持ホイールを揺動させる、正逆両方向に駆
    動可能であり且つ速度調整可能である第２駆動モータ
    と、 前記ウェハの表面全体にイオンが均一に注入されるよう
    に予め設定された複数の基本揺動速度モードのいずれか
    に基づいて前記第２駆動モータを回転させ前記ウェハ支
    持ホイールの揺動速度を制御する制御手段とを備えるイ
    オン注入装置であって、 前記制御手段は、前記ウェハ支持ホイールの揺動範囲に
    おける任意に選定された切換位置で前記複数の基本揺動
    速度モードのうちのいずれかの基本揺動速度モードが他
    の基本揺動速度モードに切り換わるよう前記第２駆動モ
    ータの回転速度を制御し、前記ウェハの表面にドーズ量
    が異なる複数の領域を形成することを特徴とするイオン
    注入装置。
  2. 【請求項２】 前記制御手段は、 前記選定された切換位置で前記複数の基本揺動速度モー
    ドのうちのいずれかの基本揺動速度モードが他の基本揺
    動速度モードに切り換わる制御用揺動速度モードを設定
    する設定手段と、 前記設定手段で設定した制御用揺動速度モードに応じて
    前記第２駆動モータを回転駆動させる駆動制御手段とを
    備えることを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装
    置。
  3. 【請求項３】 イオンビームを発生するイオンビーム発
    生部と、イオン注入されるウェハを支持するウェハ支持
    ホイールであって、前記イオンビーム発生部からのイオ
    ンビームが前記ウェハの表面全体を走査するよう、前記
    ウェハを旋回させるべく回転可能となっていると共に、
    揺動シャフトにより揺動可能に支持されている前記ウェ
    ハ支持ホイールと、前記ウェハ支持ホイールを回転させ
    る第１駆動モータと、前記ウェハの表面全体にイオンが
    均一に注入されるように予め設定された基本揺動速度モ
    ードに従って前記ウェハ支持ホイールを揺動させる、正
    逆両方向に駆動可能であり且つ速度調整可能である第２
    駆動モータとを備えるイオン注入装置を用いるイオン注
    入方法であって、 イオン注入時に、前記ウェハ支持ホイールの揺動範囲に
    おける任意に選定した切換位置で、基本揺動速度モード
    が他の基本揺動速度モードに切り換わるよう前記第２駆
    動モータの回転速度を調整し、前記ウェハの表面にドー
    ズ量が異なる複数の領域を形成することを特徴とするイ
    オン注入方法。
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