JP5035345B2 - イオン注入装置、基板クランプ機構、及びイオン注入方法 - Google Patents

イオン注入装置、基板クランプ機構、及びイオン注入方法 Download PDF

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Description

本発明は、イオン注入装置、基板クランプ機構、及びイオン注入方法に関する。
LSI等の半導体装置では、ウェル等の不純物拡散領域を形成する目的で、半導体基板に対して様々なイオン注入が行われる。
そのイオン注入で使用されるイオン注入装置は、枚葉式の装置とバッチ式の装置に大別される。このうち、バッチ式のイオン注入装置は、複数枚の半導体基板に対して一括してイオン注入ができるので、枚葉式の装置と比べて効率がよい。
バッチ式のイオン注入装置は、円形のディスクの周縁に複数枚の半導体基板を配置し、そのディスクを高速で回動させることにより、各半導体基板にイオンビームを照射するという機構を有する。
ディスクの上には、半導体基板を固定するクランプ機構があり、このクランプ機構のおかげでイオン注入時に半導体基板がディスクから脱落するのが防止される。
ところが、このクランプ機構と半導体基板のオリエンテーションフラット（以下オリフラと言う）とが正しく位置合わせされていないと、クランプ機構の所定の位置に半導体基板を嵌めることができず、半導体基板を落としてしまう可能性がある。また、このように位置合わせが不正確だと、クランプ機構によって半導体装置を固定する力が不足するため、ディスクが回動し始めて間もなくディスクから半導体基板が脱落してしまうこともある。
また、イオン注入方向は半導体基板のオリフラの向きによって決まるため、所定の電気的特性を持った半導体装置に形成するためにも、半導体基板のオリフラをディスクに対して正確に合わせる必要がある。
なお、本発明に関連する技術が次の特許文献１〜３に開示されている。
特開平７−３３５５８５号公報 特開２００４−２５３７５６号公報 特開２００５−２０３７２６号公報
本発明の目的は、バッチ式のイオン注入装置において、ディスクと基板との位置合わせを簡単に行うことが可能なイオン注入装置、基板クランプ機構、及びイオン注入方法を提供することにある。
本発明の一観点によれば、第１の軸を中心にして回動するディスクと、第２の軸を中心にして前記ディスク上で回動自在であり、錘付きホルダーが周囲に装着された基板が載せられるパッドと、前記パッドの周囲の前記ディスクに固定された固定片と、前記ディスクの回動運動により、自身の遠心力で該ディスク上をスライドして、前記固定片と協働して前記ホルダーをクランプするスライド片と、前記基板にイオンビームを照射するイオンビーム発生部とを有するイオン注入装置が提供される。
また、本発明の別の観点によれば、第１の軸を中心にして回動するディスクにおいて、第２の軸を中心にして回動自在に設けられ、錘付きホルダーが周囲に装着された基板が載せられるパッドと、前記パッドの周囲の前記ディスクに固定された固定片と、前記ディスクの回動運動により、自身の遠心力で該ディスク上をスライドして、前記固定片と協働して前記ホルダーをクランプするスライド片とを有する基板クランプ機構が提供される。
そして、本発明の他の観点によれば、錘付きホルダーが周囲に装着された基板を、ディスク上の回動自在なパッドに載せるステップと、前記ディスクを回動させ、該ディスクに設けられたスライド片を自身の遠心力により前記ホルダーに押し当てることにより、前記スライド片と前記ディスクに固定された固定片とで前記ホルダーをクランプするステップと、前記クランプの後、前記ディスクを回動させながら、前記基板にイオンビームを照射するステップとを有するイオン注入方法が提供される。
図１は、イオン注入装置の斜視図である。 図２は、基板クランプ機構の平面図である。 図３は、ディスクの拡大断面図である。 図４は、ホルダーの上面図である。 図５は、ホルダーが装着された状態の半導体基板の断面図である 図６は、ディスクに半導体基板を搬送するロボットとその周囲の平面図である。 図７は、ロボットによりディスクに半導体基板をロードする方法を示す模式図（その１）である。 図８は、ロボットによりディスクに半導体基板をロードする方法を示す模式図（その２）である。 図９は、ロボットによりディスクに半導体基板をロードする方法を示す模式図（その３）である。 図１０（ａ）、（ｂ）は、ディスク上での半導体基板の受け渡しについて説明するための断面図（その１）である。 図１１は、ディスク上での半導体基板の受け渡しについて説明するための断面図（その２）である。 図１２は、イオン注入について説明するためのフローチャートである。 図１３は、イオン注入について説明するための平面図（その１）である。 図１４は、イオン注入について説明するための平面図（その２）である。 図１５は、ディスクが回動している状態での半導体基板近傍の拡大断面図である。
次に、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
・イオン注入装置
図１は、本実施形態に係るイオン注入装置の斜視図である。
このイオン注入装置１は、イオンビーム２０を生成するイオンビーム発生部５を備える。イオンビーム発生部５は、例えばECR(Electron Cyclotron Resonance)放電によってプラズマを生成するプラズマ生成部２と、そこから電界の作用でイオンビーム２０を引き出す引き出し電極４とを備えており、これら引き出し電極４とプラズマ生成部２との間には、直流の引き出し電源３により引き出し電圧VEが印加される。
プラズマ生成部２には、目的とするイオンを生成するためのガスや材料が収容される。例えば、p型不純物であるボロンをイオン注入するときには、フッ化ホウ素（BF3）ガス又はジボラン（B2H6）ガスがプラズマ生成部２に収容される。
更に、このイオン注入装置１は、磁界の作用によってイオンビーム２０の中から特定の質量数のイオン種のみを選択するための質量分析マグネット６を備える。
その質量分析マグネット６を通ったイオンビーム２０は、加速部９に入り、所定の加速電圧で加速される。
加速部９は、多段の電極８を有しており、両端の電極８の間には加速電源７により加速電圧VAが印加される。イオンビーム２０は、その加速電圧VAによって加速され、加速部９を出ることになる。
加速部９の後段には、複数枚の半導体基板Wを外周縁に沿って保持し、かつモータ１９によって第１の軸Aを中心にして回動可能なディスク１８が設けられる。ディスク１８が回動することで、複数枚の半導体基板Wがイオンビーム２０に順次曝され、各半導体基板Wに対して一括してイオン注入を行うバッチ処理が可能となる。
モータ１９はアーム１１に固定される。アーム１１は、軸１２を中心にして不図示のギアやエアシリンダーによって回動可能であって、イオン注入時には図示のように水平面から角度θだけ立った状態となる。その角度θは、半導体基板Wに対するイオン注入の角度に応じ、微調整が可能である。
例えば、半導体基板Wに垂直にイオンビーム２０を照射する場合にはθ＝９０°とすればよいが、半導体基板Wに対して斜めにイオン注入を行う場合には、チルト角（例えば７°）の分だけ直角から斜めにしてθ＝８３°とすればよい。
一方、イオン注入の前若しくは後では、アーム１１は水平に寝た状態（θ＝０°）となり、水平面内において搬送ロボットとディスク１８との間で半導体基板Wの受け渡しが行われる。
そして、半導体基板Wの受け渡しが終了した後に、ディスク１８は、機械的に連結されているアーム１１によって、その回動面が水平面から鉛直面に起こされる。
図２は、ディスク１８の周縁付近に設けられた基板クランプ機構の平面図である。
ディスク１８の周縁には、第２の軸Bを中心にして回動自在なパッド３１が設けられる。そのパッド３１には半導体基板Wが載せられるので、シリコンラバーのような柔らかな材料でパッド３１を構成し、半導体基板Wの裏面に傷が付くのを防止するようにするのが好ましい。
また、パッド３１の周囲のディスク１８には、ステンレスよりなる複数の固定ピン（固定片）３０が固定される。
そして、その固定ピン３０よりも第１の軸Aに近い部位のディスク１８には、ディスク１８の溝１８ｂに沿ってスライドするスライドピン（スライド片）３２が設けられる。そのスライドピン３２は、例えばステンレスで構成される。
本実施形態では、このようなパッド３１とピン３０、３２が、複数枚の半導体基板Wの各々に対応して、ディスク１８の外周縁に複数設けられる。
図３は、ディスク１８の拡大断面図である。
これに示されるように、パッド３１は、ディスク１８に埋め込まれた回転ピン３１ｃによって軸Bを中心にして回動自在となっている。
そして、固定ピン３０とスライドピン３２はディスク１８の表面から突出しており、それらの外周には、ピン３０、３２を中心にして回動自在なステンレス等よりなる回動リング３５、３６が設けられる。
また、スライドピン３２の下端とディスク１８との間には、スライドピン３２を第１の軸A側（図２参照）に付勢するバネ（付勢部材）３７が固定される。このバネ３７の作用により、ディスク１８の回動が停止しているときは、スライドピン３２は溝１８ｂにおいて第１の軸A側に引き付けられた状態となる。
そして、ディスク１８には複数の貫通孔１８ｃが設けられており、その貫通孔１８ｃの各々にリフトピン３８が挿通される。リフトピン３８は、ディスク１８に固定されたアクチュエータ４０により昇降可能となっている。
パッド３１にはリフトピン３８が通る開口部３１ａが設けられ、貫通孔１８ｃ内を上昇したリフトピン３８はその開口部３１ａを介してパッド３１の上面から突出することになる。
図４は、本実施形態で使用されるホルダー５０の上面図である。
ホルダー５０は、ステンレス等の金属材料で構成され、イオン注入を行うときに半導体基板Wの周囲に装着されるものであって、その一部に錘５１が設けられている。その錘５１は、ホルダー５０の構成材料よりも比重の大きな材料、例えば鉛をホルダー５０に埋め込んでなる。或いは、このように別の材料を埋め込むのではなく、ホルダー５０の一部を突出させて錘５１としてもよい。
図５は、ホルダー５０が装着された状態の半導体基板Wの断面図である。
これに示されるように、ホルダー５０には、半導体基板Wを上から押さえつけるためのフリンジ５０ａが設けられる。
図６は、ディスク１８に半導体基板Wを搬送するロボットとその周囲の平面図である。
このイオン注入装置１には、第１ロボット４８、第２ロボット５４、及びアライナー４９が設けられる。
このうち、第１ロボット４８は、軸４８ａを中心にして回動可能であって、複数枚の半導体基板Wが収容されたウエハカセット５７、アライナー４９、及びディスク１８の間で半導体基板Wの搬送を行う。
第２ロボット５４は、複数のホルダー５０が積み重ねられたホルダーカセット５５と、アライナー４９との間において、ホルダー５０の搬送を行う。
また、アライナー４９は、半導体基板Wが搭載される回動可能なステージ５２と、半導体基板WのオリフラOFの位置を特定するためのオリフラ検出機構５３とを有する。オリフラ検出機構５３では、ステージ５２により半導体基板Wが回動している状態で、その半導体基板Wの周縁に上方からレーザを照射が照射される。オリフラOFの部分ではレーザが半導体基板Wに遮られないので、半導体基板Wの裏面側に設けられた受光部でそのレーザを検知することで、オリフラOFの位置を特定することができる。
なお、オリフラに代えてノッチが設けられた半導体基板Wであっても、アライナー４９によりノッチの位置を特定することができる。
本実施形態では、上記のアライナー４９、第２ロボット５４、及びホルダーカセット５５によりホルダー装着部６０が構成される。
・ロード／アンロード方法
図７〜図９は、ロボット４８、５４によりディスク１８に半導体基板Wをロードする方法を示す模式図である。
ディスク１８に半導体基板Wをロードするには、図７に示すように、第１ロボット４８により半導体基板Wの裏面側を吸着して、ウエハカセット５７からアライナー４９に半導体基板Wを搬送する。
そして、アライナー４９において、半導体基板WのオリフラOFの位置を特定し、オリフラOFが所定の方向Xに向いた状態とする。
また、この時点においては、ホルダーカセット５５では錘５１の位置が予め決められており、例えば同図の下側に錘５１が位置するように、複数のホルダー５０が重ねられている。
次に、図８に示すように、第２ロボット５４を用いて、ホルダーカセット５５に積み重ねられている一番上のホルダー５０を上から把持し、そのホルダー５０を半導体基板Wに上から装着する。
このとき、半導体基板Wの中心から見ると、オリフラOFと錘５１は角度αだけ離れて存在する。その角度αは、アライナー４９におけるオリフラOFの向きX（図７参照）を予め定めておくことにより、任意に設定し得る。これにより、半導体基板Wの所定の位置に錘５１が位置するように、基板Wにホルダー５０を装着することができる。
続いて、図９に示すように、第１ロボット４８を用いて、ホルダー５０が装着された半導体基板Wをディスク１８上に搬送する。図示のように、この段階では、ディスク１８は水平面内で寝た状態となっている。
図１０〜図１１は、ディスク１８上での半導体基板Wの受け渡しについて説明するための断面図である。
図１０（ａ）に示すように、第１ロボット４８により半導体基板Wがディスク１８上に搬送されて来たときは、リフトピン３８は降下した状態となっている。
次に、図１０（ｂ）に示すように、リフトピン３８を上昇させることにより、半導体基板Wとホルダー５０とを持ち上げ、第１ロボット４８を後退させる。
その後に、図１１に示すように、リフトピン３８を降下させることにより、半導体基板Wとホルダー５０とをパッド３１の上に載置する。
このとき、スライドピン３２はバネ３７の付勢力によって基板Wから離れているので、各ピン３２、３０の間の空間に半導体基板Wを余裕を持って収めることができる。そのため、各ピン３２、３０と基板Wとの間にシビアな位置合わせ精度が要求されず、ロボット４８からディスク１８に半導体基板Wを搬送するときの搬送トラブルを発生し難くすることができる。
以上により、ディスク１８への半導体基板Wのロードが終了する。
なお、イオン注入が終了した後に半導体基板Wをディスク１８からアンロードするには、上記と逆のフローを辿ればよい。
・イオン注入方法
次に、上記のようにして半導体基板Wがロードされたイオン注入装置１におけるイオン注入方法について説明する。
バッチ式のイオン注入では、ディスク１８における半導体基板WのオリフラOFの向きが、半導体基板Wに形成される半導体装置に影響を与える。
例えば、斜めイオン注入を行う場合のように、アーム１１（図１参照）と水平面との角度θが９０°よりも小さい場合には、イオンビーム２０が半導体基板Wに対して斜めに入射する。その場合に、ディスク１８でのオリフラOFの向きが半導体基板Wによって異なっていると、ゲート電極等のデバイスパターンの延在方向とイオンビーム２０の照射方向が半導体基板W毎に異なってしまい、各半導体基板Wに形成される半導体装置の電気的特性がばらついてしまう。
以下に説明するように、本実施形態に係るイオン注入装置１を用いると、ディスク１８でのオリフラOFの向きが自動的に一方向に合わせられ、上記のような不都合を簡便に解消することができる。
図１２は、本実施形態に係るイオン注入について説明するためのフローチャートである。
また、図１３及び図１４は、本実施形態に係るイオン注入方法について説明するための平面図である。
図１２の最初のステップＳ１では、上記した方法により、水平に寝ている状態のディスク１８に半導体基板Wを載せる。
次のステップＳ２では、アーム１１（図１参照）が水平に寝ている状態で、図１３に示すように、水平面内におけるディスク１８の回動を開始する。その回転数は特に限定されないが、本実施形態では約５０rpmとする。
ディスク１８の回動が始まると、錘５１は自身の遠心力によってディスク１８の外周方向に移動しようとする。このような遠心力に伴い、ホルダー５０は半導体基板Wをパッド３１（図２参照）に押さえつけた状態で回動し、図１４に示すように、ディスク１８の外周に錘５１が位置した状態でパッド３１の回動が停止する。
これにより、ディスク１８におけるオリフラOFの向きが、ディスク１８上で予め定められた方向Yに自動的に合わせられる。その方向Yは、図８で説明した角度αを変えることにより、任意に変えることができる。
図１５は、ディスク１８が回動している状態での半導体基板W近傍の拡大断面図である。
ディスク１８が回動することにより、可動ピン３２は、自身の遠心力によってバネ３７の付勢力に対抗するようになり、ディスク１８の外周方向にスライドする。そして、最終的には、固定ピン３０と協働してホルダー５０を横方向からクランプするようになる。
このとき、ホルダー５０の外周側面に当接する回動リング３５、３６を各ピン３０、３２に設けたため、各ピン３０、３２によってホルダー５０がクランプされても、軸Bを中心としたホルダー５０の回動が補助され、上記したようなホルダー５０の回動によるオリフラOFの位置合わせが妨げられることはない。
次いで、ステップＳ３に移り、各ピン３０、３２によってホルダー５０がクランプされるような回転数でディスク１８を回動しながら、寝ていた状態のアーム１１（図１参照）を起こす。このとき、アーム１１と水平面との角度θは、イオン注入の角度に応じて適宜設定される。
その後に、ステップＳ４に移り、ディスク１８を回動させながらイオンビーム２０を半導体基板Wに照射することにより、半導体基板Wに対するイオン注入を行い、ソース／ドレイン領域やウェル等の不純物拡散領域を半導体基板Wに形成する。
以上により、本実施形態に係るイオン注入の基本ステップを終了する。
上記した本実施形態によれば、図２及び図３に示したように、回転自在なパッド３１とその周囲のピン３０、３２により基板クランプ機構が構成される。
その基板クランプ機構では、図１３及び図１４を参照して説明したように、錘５１が付いたホルダー５０により半導体基板Wがパッド３１に押さえつけられるので、錘５１の遠心力によってホルダー５０と半導体基板Wとがパッド３１と供に回動し、半導体基板WのオリフラOFの方向が自動的に簡単に合わせられる。
そのため、複数の半導体基板Wのそれぞれにおいて、イオンビーム２０の照射方向に対してゲート電極等のデバイスパターンの延在方向が同一の方向を向くようになり、それぞれの半導体基板Wに形成される半導体装置の電気的特性を一様にすることができる。
しかも、図１５に示したように、本実施形態に係る基板クランプ機構によれば、ディスク１８の回動によってスライドピン３２が自身の遠心力によってスライドし、ホルダー５０をクランプするので、ディスク１８が高速で回動しても半導体基板Wを安定して保持することができ、イオン注入の際に半導体基板Wがディスク１８から脱落し難くなる。
また、半導体基板Wに円形のホルダー５０を装着することにより、オリフラOFの向きによらずに各ピン３０、３２の間に半導体基板Wをクランプすることができるので、オリフラOFと各ピン３０、３２との位置関係が原因で半導体基板Wがディスク１８から脱落することもない。
以上、本実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、上記ではオリフラOFが形成された半導体基板Wを用いたが、オリフラOFに代えてノッチが設けられた半導体基板Wを用いてもよい。

Claims (10)

  1. 第１の軸を中心にして回動するディスクと、
    第２の軸を中心にして前記ディスク上で回動自在であり、錘付きホルダーが周囲に装着された基板が載せられるパッドと、
    前記パッドの周囲の前記ディスクに固定された固定片と、
    前記ディスクの回動運動により、自身の遠心力で該ディスク上をスライドして、前記固定片と協働して前記ホルダーをクランプするスライド片と、
    前記基板にイオンビームを照射するイオンビーム発生部と、
    を有することを特徴とするイオン注入装置。
  2. 前記スライド片を前記第１の軸側に付勢する付勢部材を更に有し、
    前記ディスクが回動しているときに、前記スライド片が自身の遠心力によって前記付勢部材に対抗して前記ディスクの外周方向にスライドす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. 前記固定片と前記スライド片の少なくとも一方に、前記ホルダーの外周側面に当接して、前記第２の軸を中心にした前記ホルダーの回動を補助する回動リングが設けられたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のイオン注入装置。
  4. 前記パッドから前記基板を持ち上げて、該パッドと該基板との間に搬送ロボットが入る空間を作るリフトピンを更に有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のイオン注入装置。
  5. 前記パッドに開口部が設けられ、
    前記開口部を通じて前記リフトピンが前記パッドから前記基板を持ち上げることを特徴とする請求項４に記載のイオン注入装置。
  6. 前記基板の所定の位置に前記錘が位置するように、前記基板に前記ホルダーを装着するホルダー装着部を更に有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のイオン注入装置。
  7. 前記ディスクに機械的に連結され、前記ディスクの回動面を水平面から鉛直面に起こすアームを更に有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のイオン注入装置。
  8. 第１の軸を中心にして回動するディスクにおいて、第２の軸を中心にして回動自在に設けられ、錘付きホルダーが周囲に装着された基板が載せられるパッドと、
    前記パッドの周囲の前記ディスクに固定された固定片と、
    前記ディスクの回動運動により、自身の遠心力で該ディスク上をスライドして、前記固定片と協働して前記ホルダーをクランプするスライド片と、
    を有することを特徴とする基板クランプ機構。
  9. 前記固定片と前記スライド片の少なくとも一方に、前記ホルダーの外周側面に当接して、前記第２の軸を中心にした前記ホルダーの回動を補助する回動リングが設けられたことを特徴とする請求項８に記載の基板クランプ機構。
  10. 錘付きホルダーが周囲に装着された基板を、ディスク上の回動自在なパッドに載せるステップと、
    前記ディスクを回動させ、該ディスクに設けられたスライド片を自身の遠心力により前記ホルダーに押し当てることにより、前記スライド片と前記ディスクに固定された固定片とで前記ホルダーをクランプするステップと、
    前記クランプの後、前記ディスクを回動させながら、前記基板にイオンビームを照射するステップと、
    を有することを特徴とするイオン注入方法。
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