JP4795755B2 - 半導体基板の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばシリコン等の半導体基板に酸素イオンを注入し、その後高温熱処理を施すことによりＳＩＭＯＸ（ＳｅｐａｒａｔｉｏｎｂｙＩＭｐ１ａｎｔｅｄ ＯＸｙｇｅｎ）基板を製造するために使用する半導体基板の製造装置に関わる。

一般的なバッチ処理式のイオン注入装置は、例えば、特許文献１（特開２００２−２３１１７６号公報）に示すように、複数枚の半導体基板を１つの回転台に備わる複数の支持盤上に取り付けて真空中で一括処理する。

この支持盤を旋回するように回転させながら必要なエネルギーに加速されたイオンを注入する。イオンを半導体基板に均一に注入する方法としては、支持盤の旋回と合わせて支持盤自体をスキャンさせる方法、あるいは支持盤は旋回のみでイオンビームをスキャンさせる方法がある。どちらの方法でも支持盤の旋回とこれらスキャン条件を制御することによって支持盤上全ての半導体基板の全面に渡って均一なイオン注入を行うことができる。

半導体基板の支持には遠心力を利用する。このために半導体基板を支持する支持盤を支持盤の旋回面に対してわずかに傾けて半導体基板を支持盤に押し付ける構造がとられる。

旋回は支持盤の旋回面に対してαだけ傾けると、ｓｉｎαに比例する遠心力の分力により半導体基板は支持盤に押し付けられる。イオン注入の制約上、傾きαを余りに大きくすることはできない。

このために半導体基板裏面の摩擦力のみでは半導体基板が外に飛び出してしまう。従って、半導体基板の飛び出しを抑えるストッパと呼ぶ部材が必須である。

このストッパは幅があるものの、支持盤は数百ｒｐｍ程度で旋回させるのが通常であり、このときの加速度は１５０Ｇ（Ｇ：重力加速度）を超える値にもなる。半導体基板は直径１２インチで１５０ｇ程度はあり、ストッパは自重の１５０倍の荷重（２２．５ｋｇ）を支持する必要がある。

しかし、ストッパによる外周部の接触位置のみでは半導体基板を支持盤に支持することはできない。支持盤内周部の半導体基板にも基板内側支持部を設ける必要がある。

また、半導体基板に注入されたイオンビーム電流は支持盤などの外部に流す必要がある。このためには、少なくともストッパあるいは基板内側支持部のどちらかを電流通路として確保しなければならない。イオンビーム電流の通路としては、半導体基板との接触を遠心力で確保できるストッパが好適である。

また、イオン注入によって半導体基板に生じる熱は、半導体基板裏面全体から輻射伝熱で支持盤を通して放出されるが、一部はストッパや基板内側支持部を通しても放出される。

ＳＩＭＯＸ基板の製造においては、酸素イオン注入時の加速電圧と注入量によりＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｓｕｌａｔｏｒ）層とＢＯＸ（Ｂｕｒｉｅｄ ＯＸｉｄｅ）層の膜厚の絶対値が決まる。このとき、膜厚は注入時の温度にも依存する。

イオン注入量は、前述のスキャン条件の制御によって膜厚の均一性に影響せぬレベルまで均一化できる。また、注入時の温度についても通常は注入を行う半導体基板よりも大きな面積を持つ塙射加熱ヒータにより基板を加熱し、さらに基板内側支持部の接触部には導電性を持たない断熱性ないし熱絶縁性の高い材料を使うことによって温度の均一性レベルを確保することが可能である。

ＳＩＭＯＸ基板を製造するために使用されるイオン注入装置では、半導体基板を所望の温度に加熱する必要がある。このため、前述の支持盤が設置してある真空容器内にハロゲンランプ等の輻射加熱ヒータが設置してある。

イオン注入を行う際は、半導体基板を積載した支持盤を旋回させた後、輻射加熱ヒータにより所望の温度まで半導体基板を加熱する。その後、イオンビームを立ち上げ、円板あるいはビームのスキャン制御しながらイオン注入する。

半導体基板全面に対して注入量が設定値に達したらイオンビームが半導体基板に当たらぬ位置でスキャシ制御を停止し、輻射加熱ヒータを切り、支持盤の回転を停止させる。

特開２００２−２３１１７６号公報

しかしながら、近年、ＳＩＭＯＸを含むＳＯＩ基板はＳＯＩ層が極めて薄くなる傾向にあり、僅かな膜厚不均一も許されないものになってきている。この結果、上記従来技術では所定の膜厚均一性が実現できないという問題が発生することが分かった。

従来技術のイオン注入装置によってＳＩＭＯＸ半導体基板を作製すると、支持盤の基板保持部と半導体基板との接触部、特に導電性を確保しているストッパ部近くに膜厚が不均一となる領域が生じる。

これは、大面積の輻射過熱ヒータにより半導体基板を加熱しているものの、半導体基板からストッパ接触部への熱伝導による抜熱と半導体基板からストッパ部への輻射伝熱による抜熱によって半導体基板の温度が他の領域と比べて低くなっている事が原因であることが分かった。

本発明は、上記の問題に鑑み、イオン電流の流出が行なわれるストッパと接触する部分の温度低下を抑えてＳＯＩ層やＢＯＸ層を全体的に均一な厚さに形成できる半導体基板の製造装置を提供することを目的とする。

本発明は、支持盤に保持手段で保持されて旋回するように回転する半導体基板にイオン注入を行なう半導体基板の製造装置において、保持手段は、半導体基板の周縁を保持し、かつ支持盤に接合するストッパと、このストッパを外周側から支え、かつ支持盤に着脱自在に固定されるストッパホルダと、支持盤にストッパを抑え付け、かつ支持盤に着脱自在に固定される抑え部材とを有し、ストッパは導電性を有する材料で形成し、かつストッパを加熱する加熱手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、ストッパを通じて逃げる熱は加熱手段で補われるので、イオン注入中の温度均一性が向上し、ＳＩＭＯＸ半導体基板のＳＯＩ層やＢＯＸ層の膜厚均一性が改善される。

以下、本発明の実施形態について、実施例の図面を引用して説明する。

まず、図１〜図７に沿って半導体基板の製造装置のイオン注入について述べる。

図１に示すように、イオンソース１内で発生した酸素イオンは、引き出し電極２により加速され質量分離器３に入る。質量分離器３では注入するイオン種に対応する磁場をかけて不要なイオンや不純物を除去して必要なイオンのみを取り出す。

不純物が除去された酸素イオンは、後段の加速電極４で更に加速されたイオンビーム２００はレンズ５で経路と形状を制御され、偏向部６で３０度偏向されて半導体基板１０に注入される。

回転台３０は、回転ボス３１、回転ボス３１に嵌合結合する回転軸３２、回転ボス３１に設けられた放射状にされた複数のアーム３３、アーム３３に支持された支持盤３４を有する。回転軸３２の回転により、支持盤３４は旋回するように回転する。この旋回する支持盤３４に半導体基板１０は保持されて旋回する。

支持盤３４は図３に示すように傾斜している。旋回面に対してα角度の傾斜を有する支持盤３４は、図３の図示では旋回外周側が上側に、旋回内周側が下側になるように置かれる。つまり、支持盤３４は、半導体基板１０を装着する装着面側が回転ボス３１の回転軸線側に向くような傾きをもつ。

回転台３０の支持盤３４に保持されて旋回するように回転する半導体基板１０へのイオンビーム２００の注入が図２、図３に示すように行なわれる。注入するイオンビーム２００を図示された矢印の方向にスキャンすることにより、酸素イオンの注入が半導体基板１０の全面に行なわれる。

なお、図１に示すように回転台３０を図示の矢印方向にスキャンしても全面に酸素イオンの注入を行なうことができる。

図４は半導体基板の保持手段を示す。

図４の（イ）は、保持手段で保持される半導体基板を正面から見た図。図４の（ロ）は、図４の（イ）のＡ−Ｃ断面を示す図である。

保持手段のストッパ４０は、旋回する支持盤３４の旋回外周側に位置するように設けられる。旋回内周側寄りには、基板内側支持部４１が設けられる。半導体基板１０は、ストッパ４０、基板内側支持部４１により保持される。

旋回により半導体基板１０に作用する遠心力は、ストッパ４０により受け止められるので、数百ｒｐｍ程度の高速で旋回するように回転させても半導体基板１０は確実に保持される。

また前述したように、半導体基板を支持する支持盤３４は半導体基板１０を装着する装着面側が回転ボス３１の回転軸線側に向くような傾きをもっているので高速の旋回による遠心力により、半導体基板は支持盤３４に押し付けられるようになるので、支持盤３４により確実に保持されるのである。

図５は保持手段の他の実施例を示す。

図５の（イ）は、保持手段で保持される半導体基板を正面から見た図。図５の（ロ）は、図５の（イ）のＤ−Ｏ−Ｅ断面を示す図である。

この実施例は、ストッパ４０を隣合わせに二つ、基板内側支持部４１を一つであるところが先の実施例との違いで、他は共通の構成を有する。

保持手段の保持について、図６を引用して更に説明を加える。

支持盤３４の旋回外周側にストッパ４０を設け、旋回内周側に可動自在なるチャック４２を備える。ストッパ４０の内周側にはストッパ溝４３が設けられる。

支持盤３４に半導体基板１０をセットし、チャック４２を矢印の方向に回動させることにより、半導体基板１０はストッパ４０に押し付けられる。ストッパ４０のストッパ溝４３に半導体基板１０の周縁が接合し、半導体基板１０が確実に保持される。

次に本発明の主要部であるストッパの関連構造ついて、図７、図８を引用して説明する。

ストッパの関連構造の主部をなす保持手段は、ストッパ１２５、ストッパホルダ１２６抑え部材１２８を有する。

保持手段のストッパ１２５は、支持盤３４の旋回外周側に設けられる。このストッパ１２５は導電性が保たれるようにシリコンまたはカーボンで作られ、半導体基板１０の周縁を受けるストッパ溝４３を有する。

ストッパ１２５は支持盤３４に接合するように置かれ、外周側がストッパホルダ１２６で支えられる。ストッパホルダ１２６は、遠心力の荷重を支えるアルミ合金等の金属材料で形成される。ストッパホルダ１２６は、締め付けネジ１２７で支持盤３４に締め付け固定される。

ストッパ１２５を支持盤３４に抑え付ける抑え部材１２８は締め付けネジ１２９により、支持盤３４に締め付け固定される。

ストッパ１２５は、ストッパホルダ１２６と抑え部材１２８により、支持盤３４に着脱自在に取り付けられる。

半導体基板１０に注入するイオンビーム電流は、シリコンまたはカーボンで作られた導電性を有するストッパ１２５を介して支持盤３４へ流れる。

なお、イオンビーム電流注入条件は次のとおりである。

加速電圧：１６３ｋｅｖ，注入量：４．０×１０^１７／ｃｍ^２，ビーム電流：７０ｍＡ，
加熱温度：７７０Ｋ
加熱手段について述べる。

加熱手段は、半導体基板の周縁の反対側になるストッパ１２５の背面に設ける。加熱手段は、加熱ヒータ１４０、ヒータ支持断熱板１４１を有する。加熱ヒータ１４０の両端子には、給電線１４２、１４３が止めネジ１４４により締め付け固定される。この実施例では、加熱ヒータ１４０の電源とビーム電流の接地電位を独立に保つため、両端子を備えているが片側端子を支持盤３４に接続することも可能である。

加熱ヒータ１４０は、熱の伝わりが良く行なわれるようにストッパ１２５の背面に密着するように接合される。ストッパホルダ１２６が加熱手段の支えも兼ねるように、ストッパ１２５の背面とストッパホルダ１２６の内周側との間に設けた収納空間に加熱手段は、収納される。

加熱ヒータは、１０００Ｋ以上の高温に耐えるセラミックの絶縁基板に導電路用箔を貼り付けする構成が望ましい。

この実施例のストッパの関連構造により、ストッパから伝わって熱が逃げても加熱ヒータにより熱を補うことができる。イオン注入して、ストッパに接触する半導体基板のところの温度低下を計測した。加熱手段を設けないものに比べ、温度低下が１０％〜５％程度抑えられることが確認された。

これにより、半導体基板の温度均一性が向上し、ＳＩＭＯＸ半導体基板のＳＯＩ層やＢＯＸ層の膜厚均一性が改善されるのである。

次にストッパの関連構造の他の実施例について、図９、図１０を引用して説明する。

ここでは、この実施例の特徴とするところを主に説明し、先の実施例と共通するところは同じ符号を付して説明は省略する。

ストッパの関連構造の主部をなす保持手段は、ストッパ片１５０、ストッパ片保持部材１５１、ストッパホルダ１２６、ストッパ片支持台１５２、抑え部材と１２８を有する。

保持手段のストッパ片１５０は、支持盤３４の旋回外周側に設けられる。このストッパ片１５０は、導電性を有するカーボンの材料で形成され、半導体基板１０の周縁を受けるストッパ溝４３を有する。また、カーボンで作られたストッパ片１５０は、熱の輻射率も高い。

ストッパ片保持部材１５１は、ストッパ片１５０とストッパ片支持台１５２を保持する。

ストッパ片保持部材１５１とストッパ片支持台１５２は石英ないしセラミックスで形成される。石英で作られたストッパ片保持部材１５１とストッパ片支持台１５２は、絶縁性を有し、かつ熱を伝えにくい断熱性を有し、機械的な強度の面でも優れている。また、イオンビーム注入時に異物の発生を抑えることができる。

ストッパ片１５０とストッパ片支持台１５２は、対向部にテーパ面を有する。このテーパ面の間に導電部材１５３が挟まるように介在する。この導電部材１５３は、ストッパ片支持台１５２とストッパ片保持部材１５１に挟持されるように延び、さらに抑え部材と１２８と支持盤３４とに挟持されるように延在している。導電部材１５３は、０．０２〜０．１ｍｍ程度のアルミ箔ないしアルミ薄板を用いる。

半導体基板１０に注入したイオンビーム電流は、ストッパ片１５０、導電部材１５３を介して支持盤３４へと流れる。イオンビーム電流注入条件は、先の実施例と同様である。

また、導電部材１５３は、ストッパ片１５０とストッパ片支持台１５２のテーパ面に挟まるので、強くしっかり挟持される。ストッパ片１５０は、テーパ面の接合による押し付け力により、ストッパ片保持部材１５１に押し付けられて強くしっかり固定される。

加熱手段は、ストッパ片１５０の反対側になるストッパ片保持部材１５１の背面に設ける。加熱手段は、先の実施例と同様に、加熱ヒータ１４０、ヒータ支持断熱板１４１を有する。

加熱ヒータ１４０からストッパ片１５０への熱伝達は、断熱性を有するストッパ片保持部材１５１を介して行なわれるので、図７、図８により述べた先の実施例に比べて加熱ヒータの発熱量は多く必要とする。一方、ストッパ片保持部材１５１とストッパ片支持台１５２との間の接触熱抵抗が大きくなるように表面化工する。これにより、先の実施例のストッパ１２５のストッパ片支持台１５２の大きさ分だけ加熱体積が小さくなり、結果的に加熱ヒータの発熱量を少なくすることができる。

また、ストッパ片１５０に熱輻射率の高いカーボンを使用し、ストッパ片保持部材１５１とストッパ片支持台１５２を熱の伝わりにくい石英で形成した。加熱ヒータ１４０の表面温度は、１０００Ｋ以上となるためストッパ片１５０への輻射伝熱効果を利用できる。加熱ヒータ１４０とストッパ片１５０の幅方向長さを各々２０〜２５ｍｍとして対向させ、輻射を遮る導電部材１５３の幅を３〜４ｍｍに抑えることにより、熱輻射効率を上げることができる。輻射伝熱効果により加熱ヒータ１４０の必要な発熱量は小さくなる。

また、この実施例のストッパ片１５０は、先の実施例のストッパ１２５に比べ、格段に小型になっているので、半導体基板１０からストッパ片１５０に抜ける輻射熱は少なくなる。これにより、加熱ヒータ１４０の発熱を少なく抑えることができる。

上記のとおり、この実施例のものは、図７、図８により述べた先の実施例よりも加熱ヒータ１４０の少ない発熱量で、半導体基板１０の部分的な温度低下を抑えることができる。

図１１はＳＩＭＯＸ半導体基板の断面を示す。表面側がＳＯＩ層、内側がＢＯＸ層である。

図１２はイオンビーム注入時の半導体基板の表面温度分布を示す。

図１２の（イ）は、加熱ヒータの発熱量を変えて測定した測定値を示す。図１２の（ロ）は、加熱ヒータを備えない構成値を示す。Ｔは実測値、ＴＣは基準値である。基準値は１．０にしている。

横軸は、ストッパに接触するところから離間する範囲を示す。縦軸は測定温度を示す。

図１２の（ロ）に示すようにストッパに接触するところは、基準値よりも温度が低駒,離間するにつれて基準値に近づくことがわかる。

図１２の（イ）に示すように加熱ヒータの発熱量を上げて行くことにより、ストッパに接触するところの温度が徐々に温度低下が是正される。発熱量は２５ワットがベストで、逆に３０ワットでは基準値を上回ることが分かる。

イオン注入中の半導体基板の温度は、注入エネルギー、ビーム電流値、輻射加熱ヒータ温度により変化する。注入時に半導体基板上の温度分布を均一にするには、各注入条件に適した加熱ヒータの発熱入力パワーを調整することが必要である。

図１３は、ＳＯＩ層の膜厚分布測定値を示す。

測定するＳＩＭＯＸ半導体基板は、加熱ヒータの入力を２５ワットに設定して製作した。イオンビームの注入条件は先に述べた実施例と同じである。

図１３の（イ）は、加熱ヒータによる加熱をしたＳＩＭＯＸ半導体基板、図１３の（ロ）は、加熱ヒータによる加熱をしないＳＩＭＯＸ半導体基板を示す。ｔは実測値、ｔｃは基準値である。基準値は１．０にしている。図１３の（イ）.（ロ）に示すように加熱ヒータによる加熱により、ＳＯＩ層の膜厚分布が全体に亘り、均一化されることがわかる。

図１４は、ＢＯＸ層の膜厚分布測定値を示す。

測定するＳＩＭＯＸ半導体基板は、加熱ヒータの入力を２５ワットに設定して製作した。イオンビームの注入条件は先に述べた実施例と同じである。

図１４の（イ）は、加熱ヒータによる加熱をしたＳＩＭＯＸ半導体基板、図１４の（ロ）は、加熱ヒータによる加熱をしないＳＩＭＯＸ半導体基板を示す。ｔは実測値、ｔｃは基準値である。基準値は１．０にしている。図１４の（イ）.（ロ）に示すように加熱ヒータによる加熱により、ＢＯＸ層の膜厚分布が全体に亘り、均一化されることがわかる。

図１３、図１４に示すように加熱ヒータによる加熱により、ストッパに接触するところのＳＯＩ層.ＢＯＸ層の厚膜が見られず、全体に亘り、均一化された良好なＳＩＭＯＸ半導体基板が提供される。

本発明の実施例に係わるもので、イオン注入装置を示す図。 本発明の実施例に係わるもので、回転支持装置に保持された半導体基板を上から見た平面図。 本発明の実施例に係わるもので、回転支持装置の側面図。 本発明の実施例に係わるもので、半導体基板を保持する回転支持装置の保持構造を示す図。 本発明の他の実施例に係わるもので、半導体基板を保持する回転支持装置の保持構造を示す図。 本発明の実施例に係わるもので、回転支持装置が半導体基板を保持した状態を示す斜視図。 本発明の実施例に係わるもので、図４のＡ−Ｂ断面を示すストッパの関連構造図。 本発明の実施例に係わるもので、図４をＰ矢視方向から見たストッパの関連構造図。 本発明の他の実施例に係わるもので、図７に相当するストッパの関連構造図。 本発明の他の実施例に係わるもので、図８に相当するストッパの関連構造図。 本発明の実施例に係わるもので、半導体基板の断面図。 本発明の実施例に係わるもので、半導体基板上面の温度分布測定値の比較図。 本発明の実施例に係わるもので、ＳＯＩ層の膜厚分布測定値の比較図。 本発明の実施例に係わるもので、ＢＯＸ層の膜厚分布測定値の比較図。

符号の説明

３４…支持盤、１０…半導体基板、１２５…ストッパ、１２６…ストッパホルダ、１２８…抑え部材。

Claims (8)

1. 支持盤に保持手段で保持されて旋回するように回転する半導体基板にイオン注入を行なう半導体基板の製造装置において、
   前記保持手段は、前記半導体基板の周縁を保持し、かつ前記支持盤に接合するストッパと、このストッパを外周側から支え、かつ前記支持盤に着脱自在に固定されるストッパホルダと、前記支持盤に前記ストッパを抑え付け、かつ前記支持盤に着脱自在に固定される抑え部材とを有し、
   前記ストッパは導電性を有する材料で形成し、かつストッパを加熱する加熱手段を有することを特徴とする半導体基板の製造装置。
2. 支持盤に保持手段で保持されて旋回するように回転する半導体基板にイオン注入を行なう半導体基板の製造装置において、
   前記保持手段は、前記半導体基板の周縁を保持し、かつ導電性を有する材料で形成されたストッパ片と、このストッパ片を保持するストッパ片保持部材と、このストッパ片保持部材を外周側から支え、かつ前記支持盤に着脱自在に固定されるストッパホルダと、前記支持盤に前記ストッパ片保持部材を抑え付け、かつ前記支持盤に着脱自在に固定される抑え部材とを有し、
   前記ストッパ片は導電性を有する材料で形成するとともに前記支持盤に導電部材を介して接続し、
   前記ストッパ片保持部材を加熱する加熱手段を有することを特徴とする半導体基板の製造装置。
3. 支持盤に保持手段で保持されて旋回するように回転する半導体基板にイオン注入を行なう半導体基板の製造装置において、
   前記保持手段は、前記半導体基板の周縁を保持し、かつ導電性を有する材料で形成されたストッパ片と、このストッパ片を支えるストッパ片支持台と、前記ストッパ片およびストッパ片支持台を保持するストッパ片保持部材と、このストッパ片保持部材を外周側から支え、かつ前記支持盤に着脱自在に固定されるストッパホルダと、前記支持盤に前記ストッパ片保持部材を抑え付け、かつ前記支持盤に着脱自在に固定される抑え部材とを有し、
   前記ストッパ片は導電性を有する材料で形成し、
   前記ストッパ片支持台および前記ストッパ片保持部材は断熱性を有する材料で形成し、
   前記ストッパ片を前記支持盤に導電部材を介して接続し、かつ前記ストッパ片保持部材を加熱する加熱手段を有することを特徴とする半導体基板の製造装置。
4. 請求項３記載の半導体基板の製造装置において、
   前記ストッパ片保持部材は、断熱性を有するセラミック材料あるいは石英材を含むことを特徴とする半導体基板の製造装置。
5. 請求項１記載の半導体基板の製造装置において、
   前記加熱手段は前記半導体基板の周縁の反対側になる前記ストッパの背面に設けたことを特徴とする半導体基板の製造装置。
6. 請求項２または３記載の半導体基板の製造装置において、
   前記加熱手段は前記ストッパ片の反対側になる前記ストッパ片保持部材の背面に設けたことを特徴とする半導体基板の製造装置。
7. 請求項１〜６の何れか一つに記載された半導体基板の製造装置において、
   旋回する支持盤の旋回外周側に前記保持手段を設けたことを特徴とする半導体基板の製造装置。
8. 請求項７に記載された半導体基板の製造装置において、
   前記ストッパホルダが前記保持手段に作用する遠心力を支える丈夫な金属材料で形成されていることを特徴とする半導体基板の製造装置。

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