JP3965605B2 - イオン注入装置及びイオン注入方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はイオン注入装置及びイオン注入方法に関するものであり、特に、多品種・少量生産、或いは、研究開発を目的としたイオン注入工程に用い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】
従来のイオン装置においては、１枚の半導体ウェハに１条件のイオン注入を行うのが常識であり、イオン注入に用いるイオン注入装置も１枚の半導体ウェハに１条件のイオン注入を行うのに都合の良い構造・機構を有していた。
【０００３】
この場合のイオン注入条件としては、イオン種、加速エネルギー、イオン注入量（ドーズ量）等があり、その他の条件としては、フォトレジストの影による注入量のバラツキが生じないように、イオンビームを半導体ウェハに対して傾ける注入角度、或いは、イオン注入方向による注入量のバラツキが生じないように回転を与える等の条件がある。
【０００４】
近年、半導体装置の製造に用いられる半導体ウェハは大口径化が進んでおり、１５年前に４インチウェハが主流であったものが、５インチ、６インチを経て、現在では８インチが主流となり、西暦２０００年には１２インチウェハ（３０ｃｍウェハ）が主流になるものと考えられている。
【０００５】
この様な大口径化の流れは、製造コストをあまり変えないで、半導体デバイスの収穫量を増大するとともに、製造歩留りを上げようとするものであり、例えば、単純計算では、一度の製造によって１２インチウェハからは４インチウェハの９倍のチップが収穫でき、また、大口径化にともなって、半導体ウェハ周辺部の活用不可能領域の比率が減少して良品率が高まる。
【０００６】
しかし、この様な大口径ウェハは、大量生産の場合には都合が良いものの、セミカスタムデバイスの製造において、閾値電圧（Ｖ_th）、動作電圧、或いは、消費電力等を少しずつ変化させたデバイスを少量ずつ生産する多品種・少量生産の場合や、或いは、研究開発段階において、製造条件を少しづつ振ったデバイスを少量づつ作製し、その結果を基にデバイス性能の最適化や製造条件の最適化を図る場合には都合が悪いという問題が生ずる。
【０００７】
即ち、多品種・少量生産の場合に大口径ウェハを使用すると、仮に１枚の半導体ウェハを用いたとしても、得られるチップ数は必要とするチップ数を遙かに越えてしまうことになり、この不要チップのコストが必要チップのコストに加算されて、生産コストが高くなるという問題がある。
【０００８】
この場合、多品種・少量生産のために、小口径半導体ウェハ用の専用ラインを構築することも考えられるが、この様な小口径半導体ウェハ用の専用ラインに用いる製造装置としては、量産では用いられない製造台数も少ない特別仕様の製造装置を使わざるを得なくなるが、これらの製造装置は特別仕様であるが由に価格が高く、また、製造による習熟度にも欠けるので性能も低くなってしまう。
【０００９】
また、その様な特別仕様の製造装置が購入不可能な場合には、一社だけで独自開発することが必要になり、膨大な開発コストを必要とするため、製品コストも非常に高いものになる。
【００１０】
また、研究開発の場合には、製造方法の安定化や適性化を図るために多くの条件振りを行う必要があるが、大量生産を目的としていないため、小口径ウェハを用いて、小口径半導体ウェハ用の専用ラインで行えば良いことになる。
【００１１】
しかし、この研究開発の結果の半導体デバイスを大量生産する場合には、当然大口径ウェハを用いた量産ラインで製造することになるが、小口径半導体ウェハ用の専用ラインと大口径ウェハを用いた量産ラインとでは、採用している製造装置の仕様が一部異なることが多いため、研究開発と大量生産との間の製造条件も異なることになり、その結果、大量生産時に製造条件を再び大量生産用に焼き直す必要が生じ、さらに多くの時間と労力と資金が必要になる。
【００１２】
また、製造条件を焼き直したとしても、実際に生産を開始した場合に、量産の結果得られた半導体デバイスの性能と、研究開発段階で得られた半導体デバイスの性能が異なるという問題も生じる。
【００１３】
また、現在のイオン注入では、イオン注入の際に半導体基板上の微細構造物、例えば、ゲート電極の影になってイオン注入されない領域ができるのを避けるために、多方向から傾斜させてイオン注入させる、回転イオン注入方式や４方向イオン注入方式が主流となってきており、そこでこの様な多方向からの傾斜イオン注入も含めウェハを多分割化してイオン注入できる装置が望まれている。
【００１４】
この様な問題を解決するものとして、可変開口部を有するシャッタを用いる多分割イオン注入装置が提案（必要ならば、特開昭５６−３３８２０号公報参照）されているので、この装置を図６を参照して説明するが、図６（ａ）は多分割イオン注入装置の最終段近傍の断面構造を示す図で、また、図６（ｂ）は図６（ａ）におけるシャッタの具体的構造を示す図である。
【００１５】
図６（ａ）参照
この多分割イオン注入装置の最終段は、半導体ウェハ４２を保持・固定する支持台４１と、開口部４４を有するシャッタ４３が操作シャフト４５を介して真空チャンバー４６内に収容されており、また、この操作シャフト４５は、筐体４８内に収容されたネジ部材４７によって上下動するようになっている。
【００１６】
この装置においては、イオン源から質量分析器、レンズ、偏向器等を介して真空チャンバー４６に達したイオンビーム５０は、偏向板４９によって偏向されてシャッタ４３に設けた開口部４４を通過して半導体ウェハ４２に部分的に注入されることになる。
【００１７】
図６（ｂ）参照
このシャッタ４３は、互いに直交する方向へ移動可能な二つのシャッタ部材５１，５４によって構成され、各シャッタ部材５１，５４は、夫々イオン透過部５２，５５、イオン遮蔽部５３，５６、及び、操作シャフト４５，５７を有しており、この二枚のシャッタ部材５１，５４の組合せによって、４種類の２分割状態、と、４種類の４分割状態が得られ、図においては半導体ウェハ４２の第３象限にイオン注入するように開口部４４を設けた場合を示している。
【００１８】
この様な多分割イオン注入装置を用いることによって、半導体ウェハの任意の領域に選択的にイオン注入することが可能になり、多品種・少量生産が可能になる。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の多分割イオン注入装置では、現在のデバイス開発に必要不可欠な回転イオン注入や４方向イオン注入といったイオン注入領域に対し多方向から傾斜してイオン注入する方法を分割領域に適用することができないという問題がある。
【００２０】
また、量産用イオン注入装置に用いられている回転機構や注入角度設定機構を有していないため、フォトレジストマスクの影の影響によるドーズ量の面内分布のバラツキが生じやすく、得られた半導体デバイスの性能にバラツキが生じることもあり、特に、大口径半導体ウェハを用いた場合には、元々ウェハ面内のバラツキが生じやすいため、上記のバラツキは問題となる。
【００２１】
なお、シャッタを用いる代わりに、イオンビームの照射領域、即ち、イオンビームの走査範囲を限定する方法も考えられるが、イオン注入において使用するイオンビームの直径は１ｃｍ程度であり、この様な太いイオンビームを用いて鮮明な分割イオン注入領域を描くことは実際には不可能となる。
【００２２】
したがって、本発明は、標準装置に組み込み可能で、且つ、半導体ウェハ面内におけるバラツキのないイオン注入が可能な多分割イオン注入装置を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
図１は、本発明の原理的構成の説明図であり、この図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
（１）本発明は、イオン注入装置において、所定位置でウェハ２を回転させるウェハ回転機構と、所定領域に開口部５を有する回転円盤４を備え、回転円盤４の回転角度により、ウェハ２内におけるイオン注入領域３を選択的に設定するシャッタ機構と、ウェハ２の回転と回転円盤４の回転とが同期するように、ウェハ回転機構と連動して回転円盤４を回転させる回転機構とを設けたことを特徴とする。
【００２４】
この様に、シャッタ機構にウェハ回転機構に同期して回転円盤４を回転するための回転機構を設けたので、標準装置への組み込みが可能になり、製造装置の製造コストを大幅に低減することができる。
【００２５】
また、標準装置と同様にウェハ２を所定角度で傾斜させて、且つ、回転させながらイオン注入することが可能になるので、多品種・少量生産等において分割イオン注入する場合にも、ドーズ量のイオン注入領域３内の面内分布を均一にすることができると同時に、ウェハ面上の微細構造物の存在によって形成される影、即ち、イオン注入されない領域の発生を防止でき、性能のそろった半導体デバイスを製造することができる。
【００２６】
（２）また、本発明は、上記（１）において、イオンビーム６の照射領域を回転円盤４に設けた開口部５領域近傍のみに限定する制御機構を設けたことを特徴とする。
【００２７】
この様に、イオンビーム６の照射領域を制御する機構を設けたので、イオンビーム６をスキャンニングする領域を縮小することができ、照射時間が短縮されるのでスループットが向上する。
【００２８】
（３）また、本発明は、上記（１）または（２）において、選択されたイオン注入領域３毎に、イオン注入条件を管理するデータ管理手段を設けたことを特徴とする。
【００２９】
この様なデータ管理手段を設けることによって、多分割イオン注入を自動的に行うことができるので、スループットが向上する。
【００３０】
（４）また、本発明は、ウェハ２にイオン注入を行うイオン注入方法において、所定領域に開口部５を有する回転円盤４を備え、回転円盤４の回転角度により、ウェハ２内におけるイオン注入領域３を選択的に設定するシャッタ機構を使用して、ウェハ２内におけるイオン注入領域３の設定を行う工程と、次いで、所定位置でウェハ２を回転させるとともに、ウェハ２の回転と回転円盤４の回転が同期するように、回転円盤４をウェハ２に連動させて回転させ、イオン注入領域３にイオンを注入する工程とを備えたことを特徴とする。
【００３１】
この様な構成を採用することによって、特定のイオン注入領域３内におけるドーズ量の面内均一性が得られると同時に、イオン注入の際の影を除外することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図２乃至図５を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図２（ａ）参照
図２（ａ）は、多分割イオン注入装置における回転シャッタの配置状況を説明する概略的機構図であり、イオン源（図示せず）からのイオンビーム２１は、第１静電偏向器３２及び第２静電偏向器３３を介して真空チャンバー２９に導入される。
【００３３】
この真空チャンバー２９内のイオンビーム２１側に、回転シャッタ機構１５が設けられており、この回転シャッタ機構１５に設けた開口部を介して透過したイオンビーム２１が回転支持台１１に保持・固定された半導体ウェハ１２の所定領域にイオン注入されることになる。
【００３４】
なお、真空チャンバー２９内には、ファラデーカップ３０及びファラデーフラッグ３１が設けられており、ファラデーフラッグ３１により回転シャッタ機構１５を透過してきたイオンビーム２１の状態や、回転シャッタ機構１５が退避した状態でのイオンビーム２１の状態を検出する。
【００３５】
図２（ｂ）参照
また、図２（ｂ）は、回転シャッタ機構を設けた近傍の概略的構成を示す図であり、回転シャッタ機構１５を設ける近傍には、回転シャッタ機構１５が退避できる空間部を設け、操作シャフト２７によって回転シャッタ機構１５を矢印の方向に上下することによって、通常のイオン注入工程と、多分割イオン注入工程の使い分けをする。
なお、図における符号３４は、真空チャンバー２９の気密性を保持するための真空シールド部である。
【００３６】
次に、図３を参照して、回転シャッタ機構の具体的構造を説明する。
図３（ａ）及び（ｂ）参照
図３（ａ）は、回転シャッタの具体的回転機構を説明する正面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の一点鎖線方向の透視側面図であり、図２（ｂ）において説明したように、操作シャフト２７によって上下動が可能になっている。
【００３７】
この回転シャッタ機構１５は、外周部にギヤ１６を有し、且つ、１／４円の開口部２３を有する回転円板２２、この回転円板２２の外周部に設けたギヤ１６を介して回転円板２２を回転可能に支持する回転円板支持ギヤ２４、及び、同じく回転円板２２の外周部に設けたギヤ１６を介して回転円板２２を回転させる回転伝達ギヤ１７、この回転伝達ギヤ１７を駆動するステッピングモータ１８から構成される。
【００３８】
また、この回転シャッタ機構１５には、フォトカプラ等からなる回転センサ１９も設けられており、回転円板２２に設けた位置表示マーク２５を光学的に検出することによって、回転円板２３に設けた開口部２３の回転が、半導体ウェハのイオン注入領域の回転に同期するように監視する。
【００３９】
また、これらの回転円板２２、回転伝達ギヤ１７、及び、回転円板支持ギヤ２４等は、支持筐体２６内に収納されており、操作シャフト２７を上下することによって、回転シャッタ機構１５全体が移動するように構成されている。
【００４０】
次に、図４を参照して回転シャッタ機構の具体的連動機構を説明する。
図４参照
まず、半導体ウェハ１２を保持・固定する回転支持台１１はステッピングモータ１３によって回転すると共に、一点鎖線で示すイオンビーム２１の注入方向に傾斜可能になっている。
【００４１】
一方、図３において説明したように、回転シャッタ機構１５を構成する回転円板の周囲にはギヤ１６が設けられており、回転伝達ギヤ１７を介してステッピングモータ１８によって回転駆動するようになっており、この回転シャッタ機構１５及び回転支持台１１には、夫々、回転センサ１９及び回転センサ１４が設けられている。
【００４２】
この装置を用いてイオン注入を行う場合には、注入開始信号▲１▼を受けたプロセッサ２０は、ステッピングモータ１３，１８に夫々、回転指示▲２▼，▲３▼を与えて、両者を同期させて回転させる。
【００４３】
この場合、設定したイオン注入領域へのイオン注入が可能になるように、回転センサ１４，１９で回転支持台１１と回転シャッタ機構１５の位置、即ち、半導体ウェハ１２に設定したイオン注入領域と回転シャッタ機構１５に設けた開口部の相対位置を測定して、その結果を位置確認信号▲４▼，▲５▼としてプロセッサ２０へ出力して、回転シャッタ機構１５及び回転支持台１１との位置を制御する。
【００４４】
そして、予定のドーズ量をイオン注入した時に、プロセッサ２０は、ステッピングモータ１３，１８に夫々、回転停止指示▲６▼，▲７▼を与えて、両者の回転を停止させて、一度目のイオン注入を終了する。
【００４５】
次いで、半導体ウェハ１２のイオン注入領域が第１回目のイオン注入領域と異なるように、回転シャッタ機構１５に設けた開口部の相対位置を制御して再びイオン注入を行い、この工程を回転シャッタ機構１５の分割数に応じて繰り返すことによって、１枚の半導体ウェハ１２に対する全イオン注入工程が終了する。
【００４６】
この場合のイオン注入状況を図５を参照して説明する。
図５（ａ）乃至（ｄ）参照
図５は、半導体ウェハ１２に設定した４分割のイオン注入領域２８へ選択的にイオン注入する場合を例示するものであり、回転シャッタ機構１５に設けた開口部２３の位置に応じてイオンビーム２１が選択的に注入される。
【００４７】
まず、半導体ウェハ１２の第２象限をイオン注入領域２８としてイオンビーム２１を注入する場合、回転センサ及びプロセッサによって、回転シャッタ機構１５の開口部２３の位置が第２象限に来るように回転シャッタ機構１５と半導体ウェハ１２との相対位置を設定する。
【００４８】
そして、回転シャッタ機構１５を半導体ウェハ１２の回転に同期して連動するように駆動することによって、常に同じイオン注入領域２８をイオンビーム２１が注入するように制御する。
【００４９】
図は第２象限から９０°づつ回転移動した場合の状態（図においては、第２象限→第３象限→第４象限→第１象限）を示しており、夫々の位置において、フォトレジストパターンの方向に対して連続的或いは４つの異なった方向からイオンビーム２１が注入されることになるので、特定イオン注入領域１２内におけるドーズ量の面内均一性が得られると同時に、イオン注入の際の影を除外することができる。
【００５０】
この様な操作をイオン注入条件を互いに変えて４つの象限に対して順次行うことによって、４種類の異なった特性を有する半導体装置を１枚の半導体ウェハ１２内に形成することができ、且つ、特定イオン注入領域１２内における素子特性を均一にすることができる。
【００５１】
なお、上記の実施の形態における説明では、４分割方式で説明してるが、４分割に限定されるものではなく、２分割以上の各種の等分分割に適用できるものであり、半導体ウェハの大きさと、必要とする半導体チップの数に応じて分割数を設定すれば良い。
【００５２】
また、上記説明においては、９０°づつ回転移動させた例で説明しているが、滑らかに連続的に回転移動させながら、連続的にイオン注入しても良いものであり、また、連動手段としてステッピングモータを用いているが、必ずしもステッピングモータである必要はなく、回転センサの検出出力に応じて回転がスムーズに制御されるモータであれば良く、さらに、回転の伝達は必ずしもギヤを使用する必要はなく、ローラやベルトによる機構を取り入れたものであっても良い。
【００５３】
また、イオンビームの照射に際しては、回転シャッタ機構全体にイオンビームを照射する必要はなく、回転シャッタ機構に設けた開口部を含む領域近傍のみに照射するようにしても良く、この場合には、第１静電偏向器及び第２静電偏向器に印加する電圧を制御することによって回転シャッタ機構の回転に応じてイオンビームに偏向を加えれば良く、この様な構成を採用することによってイオンビームの走査時間が大幅に低減（単純計算では１／４に低減）すること、即ち、実効的単位面積当たりのイオン照射量を増やすことができ、スループットが向上する。
【００５４】
特に、近年においては、集積度の向上に伴って、浅いイオン注入、即ち、低加速度エネルギーのイオン注入が必要になってきているが、低エネルギー状態においては著しくビーム電流が減少してスループットが低下するので、この様な部分選択照射は、スループット向上のために非常に有効となる。
【００５５】
また、従来のイオン注入装置にも設けられていたが、イオン注入に関するデータを保管するためのコンピュータシステムによるデータ管理システムを設けても良く、この場合には、従来、１枚の半導体ウェハを最小単位としていたものを、１枚の半導体ウェハ内において分割されたイオン注入領域を最小単位としてデータ管理をする必要がある。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、１枚の半導体ウェハに分割イオン注入する際に、半導体ウェハと連動して回転する回転機構を、従来の標準装置に組み込む形でシャッタ機構側に設けたので、多分割イオン注入装置を安価に製造でき、且つ、それを用いて生産した半導体装置の特性を均一にすることができるので、その実用効果・実施効果は非常に大きなものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の実施の形態における回転シャッタ機構の配置状況の説明図である。
【図３】本発明の実施の形態の回転シャッタ機構の説明図である。
【図４】本発明の実施の形態の概略的構成の説明図である。
【図５】本発明の実施の形態の工程の説明図である。
【図６】従来の多分割イオン注入装置の説明図である。
【符号の説明】
１ 支持台
２ ウェハ
３ イオン注入領域
４ 回転円盤
５ 開口部
６ イオンビーム
１１ 回転支持台
１２ 半導体ウェハ
１３ ステッピングモータ
１４ 回転センサ
１５ 回転シャッタ機構
１６ ギヤ
１７ 回転伝達ギヤ
１８ ステッピングモータ
１９ 回転センサ
２０ プロセッサ
２１ イオンビーム
２２ 回転円板
２３ 開口部
２４ 回転円板支持ギヤ
２５ 位置表示マーク
２６ 支持筐体
２７ 操作シャフト
２８ イオン注入領域
２９ 真空チャンバー
３０ ファラデーカップ
３１ ファラデーフラッグ
３２ 第１静電偏向器
３３ 第２静電偏向器
３４ 真空シールド部
４１ 支持台
４２ 半導体ウェハ
４３ シャッタ
４４ 開口部
４５ 操作シャフト
４６ 真空チャンバー
４７ ネジ部材
４８ 筐体
４９ 偏向板
５０ イオンビーム
５１ シャッタ部材
５２ イオン透過部
５３ イオン遮蔽部
５４ シャッタ部材
５５ イオン透過部
５６ イオン遮蔽部
５７ 操作シャフト

Claims (4)

1. 所定位置でウェハを回転させるウェハ回転機構と、所定領域に開口部を有する回転円盤を備え、前記回転円盤の回転角度により、ウェハ内におけるイオン注入領域を選択的に設定するシャッタ機構と、前記ウェハの回転と前記回転円盤の回転とが同期するように、前記ウェハ回転機構と連動して前記回転円盤を回転させる回転機構とを設けたことを特徴とするイオン注入装置。
2. イオンビームの照射領域を、上記回転円盤に設けた開口部領域近傍のみに限定する制御機構を設けたことを特徴とする請求項１記載のイオン注入装置。
3. 上記選択されたイオン注入領域毎に、イオン注入条件を管理するデータ管理手段を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載のイオン注入装置。
4. ウェハにイオン注入を行うイオン注入方法において、所定領域に開口部を有する回転円盤を備え、前記回転円盤の回転角度により、ウェハ内におけるイオン注入領域を選択的に設定するシャッタ機構を使用して、前記ウェハ内におけるイオン注入領域の設定を行う工程と、次いで、所定位置で前記ウェハを回転させるとともに、前記ウェハの回転と前記回転円盤の回転が同期するように、前記回転円盤を前記ウェハに連動させて回転させ、前記イオン注入領域にイオンを注入する工程とを備えたことを特徴とするイオン注入方法。

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