JP5151651B2

JP5151651B2 - 酸素イオン注入装置

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Publication number: JP5151651B2
Application number: JP2008110807A
Authority: JP
Inventors: 嘉郎青木
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2008-04-22
Filing date: 2008-04-22
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2028-04-22
Also published as: US8293070B2; US20090260570A1; JP2009266391A

Description

本発明は、ウェーハに酸素イオンを注入する装置に関し、特に、ＳＩＭＯＸ（Separation by IMplanted OXygen）ウェーハのＳＯＩ（Silicon On Insulator）層の厚さの均一性を改善できる酸素イオン注入装置に関するものである。

従来、この種の酸素イオン注入装置では、ウェーハをランプヒータにより加熱しており、このランプヒータとしては、ウェーハ全面を均一に加熱するために、等間隔に１０〜１５本配列したハロゲンランプが用いられている。このランプヒータは、ＳＩＭＯＸウェーハの製造工程における酸素イオン注入時に用いられ、現在、市販されているＳＩＭＯＸウェーハはＭＬＤ（Modified Low Dose）法と呼ばれる方法で製造されている。このＭＬＤ方法では、酸素イオン注入を２段階に分けて行っている（例えば、特許文献１参照。）。１回目の酸素イオン注入は、シリコンウェーハを２００〜７００℃、好ましくは５５０〜５７５℃程度に加熱して行い、続いて、２回目の酸素イオン注入は、シリコンウェーハを−２６９〜３００℃、好ましくは２５〜２００℃程度に加熱して行う。１回目の酸素イオン注入は、シリコンウェーハを加熱することで、シリコンウェーハ表面を単結晶のまま維持して、酸素の高濃度層を形成し、２回目の酸素イオン注入では、アモルファス層を形成する。続いて、酸素とアルゴンの混合ガスで高温熱処理を施し、ＳＯＩ構造を形成する。
米国特許第５，９３０，６４３号明細書（クレーム１、６、７、１４及び１５）

上記従来の特許文献１に示された２段階イオン注入方法では、具体的な加熱手段について何ら記載されていない。通常、複数本のハロゲンランプをチャンバ内のウェーハ表面に対向するようにキャップに取付けることにより、ウェーハ全面を均一に加熱できる。このときキャップの内部にはリング状の冷却水通路が形成され、この通路に冷却水を流すことにより、チャンバ内の気密を保つためのＯリングを冷却できるようになっている。しかし、上記通路を通る冷却水によってウェーハの通路に近接する部分、即ちウェーハのチャンバ側面に近接する部分の温度が低下して、ウェーハのＳＯＩ層に膜厚むらが生じるおそれがあった。本発明の目的は、ＳＩＭＯＸウェーハのＳＯＩ層の厚さの均一性を向上できる、酸素イオン注入装置を提供することにある。

請求項１に係る発明は、一方の端面に底壁が設けられ他方の端面が開放された円筒状のチャンバと、このチャンバに収容され複数枚のウェーハを同一円周上に回転可能に保持するウェーハ保持手段と、チャンバの開口部をシール部材により気密を保って閉止し内部にシール部材に近接してリング状の冷却水通路が形成された円板状のキャップと、ウェーハ保持手段により保持された複数枚のウェーハのいずれか１枚に対向するように配設されキャップの円周の接線方向に延びかつ半径方向に並んだ複数本のランプヒータとを備えた酸素イオン注入装置の改良である。その特徴ある構成は、複数本のランプヒータをキャップの半径方向内側の内側ランプ群とキャップの半径方向外側の外側ランプ群とに分けたとき、外側ランプ群のウェーハに付与する単位時間当たりの熱量を内側ランプ群のウェーハに付与する単位時間当たりの熱量より多くするように構成されたところにある。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、外側ランプ群のランプヒータの本数が内側ランプ群のランプヒータの本数より多く配設されたことを特徴とする。請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明であって、外側ランプ群のランプヒータの本数と内側ランプ群のランプヒータの本数を同一とし、外側ランプ群全てに通電しかつ内側ランプ群を間引きして通電するか若しくは全く通電しないように構成されたことを特徴とする。請求項４に係る発明は、請求項１ないし３いずれか１項に係る発明であって、ランプヒータがハロゲンランプであることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、シール部材を冷却するための冷却水通路を流れる冷却水によって酸素イオンの注入されるウェーハのチャンバ側面に近接する部分が冷却されるけれども、この部分を強く加熱したので、この部分の温度が冷却水通路を流れる冷却水によって低下するのを阻止できる。この結果、ウェーハのＳＯＩ層に膜厚むらが生じることがなく、膜厚均一性の良好なＳＩＭＯＸウェーハを作製できる。

次に本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１及び図２に示すように、酸素イオン注入装置１０は、一方の端面に底壁１１ａが設けられ他方の端面が開放された円筒状のチャンバ１１と、このチャンバ１１に収容されたウェーハ保持手段１２と、チャンバ１１の開口部１１ｃを閉止する円板状のキャップ１３と、ウェーハ保持手段１２により保持された複数枚のウェーハ１４のいずれか１枚に対向するように配設された複数本のランプヒータ２１〜２５，３１〜３５とを備える。ウェーハ保持手段１２は、チャンバ１１の底壁１１ａ中央に回転可能に挿通された回転軸１２ａと、底壁１１ａ外面に取付けられ回転軸１２ａを回転駆動するモータ１２ｂと、チャンバ１１内に設けられ中心が回転軸１２ａの先端に嵌入して固定された円板状の基台１２ｃと、基台１２ｃの外周部に回転軸１２ａを中心とする同心円上にかつ円周方向に等間隔にチャンバ１１の開口部１１ｃに向ってそれぞれ突設された複数本の固定軸１２ｄと、これらの固定軸１２ｄの先端にそれぞれ嵌入して固定された複数枚のウェーハ受け板１２ｅとを有する。ウェーハ受け板１２ｅはウェーハ１４の外径より大きい直径を有する円板状に形成され、各ウェーハ受け板１２ｅにはウェーハ１４が取外し可能に取付けられる。各ウェーハ１４の外周縁は３本のピン（図示せず）を用いて各ウェーハ受け板１２ｅに固定される。モータ１２ｂが回転軸１２ａを回転駆動することにより基台１２ｃが回転し、この基台１２ｃの回転により複数枚のウェーハ受け板１２ｅにそれぞれ取付けられた複数枚のウェーハ１４が回転軸１２ａを中心に公転するように構成される。

キャップ１３の外周内面にはチャンバ１１の周壁１１ｂ端面に対向してリング状の凹溝１３ａが形成され、この凹溝１３ａにはシール部材であるＯリング１６が収容される。チャンバ１１の開口部１１ｃがキャップ１３により閉止されたとき、上記Ｏリング１６によりチャンバ１１内の気密（所定の真空度）が保たれるように構成される。またキャップ１３の内部には、Ｏリング１６に近接してリング状の冷却水通路１３ｂが形成され、この通路１３ｂには冷却水が流れるように構成される。冷却水通路１３ｂに冷却水が流れることにより、ランプヒータ２１〜２５，３１〜３５の熱がＯリング１６に伝わることが阻止され、Ｏリング１６の劣化を防止できるようになっている。

一方、複数本のランプヒータ２１〜２５，３１〜３５は、この実施の形態では同一の型式の１０本のハロゲンランプである。上記ハロゲンランプ２１〜２５，３１〜３５はキャップ１３の円周の接線方向に延びかつキャップ１３の半径方向に並ぶように配設される。また上記複数本のハロゲンランプ２１〜２５，３１〜３５は、キャップ１３の半径方向内側に位置する５本のハロゲンランプ３１〜３５により構成される内側ランプ群３０と、キャップ１３の半径方向外側に位置する５本のハロゲンランプ２１〜２５により構成される外側ランプ群２０とに分けられる。即ち、内側ランプ群３０は、対向するウェーハ１４の中心より回転軸１２ａ側の部分（図２のウェーハ１４の下側半分）に対向しかつウェーハ１４の半径方向に等間隔に配設され、外側ランプ群２０は、対向するウェーハ１４の中心よりチャンバ１１の周壁１１ｂ側の部分（図２のウェーハ１４の上側半分）に対向しかつウェーハ１４の半径方向に等間隔に配設される。そして外側ランプ群２０のウェーハ１４に付与する単位時間当たりの熱量を内側ランプ群３０のウェーハ１４に付与する単位時間当たりの熱量より多くするように構成される。具体的には、内側ランプ群３０は内側コントローラ（図示せず）によりそれぞれオンオフ制御され、外側ランプ群２０は外側コントローラ（図示せず）によりそれぞれオンオフ制御される。そして外側コントローラは外側ランプ群２０全てに通電し、内側コントローラは内側ランプ群３０を間引きして通電するか若しくは全く通電しないように構成される。なお、図１の符号１３ｃは、ウェーハ保持手段１２により保持された複数枚のウェーハ１４の１枚に対向するように、キャップ１３に形成された通孔である。この通孔１３ｃはハロゲンランプ２１〜２５，３１〜３５が対向するウェーハ１４とは異なるウェーハ１４に対向するように構成される。また、符号１７は通孔１３ｃに連通し酸素イオンビームをウェーハ１４表面に導く導管である。

このように構成された酸素イオン注入装置１０の使用方法を説明する。先ずチャンバ１１の開口部１１ｃを開放した状態で各ウェーハ受け板１２ｅにウェーハ１４を取付けた後に、チャンバ１１の開口部１１ｃをキャップ１３により閉じる。次にモータ１２ｂにより回転軸１２ａを回転駆動して各ウェーハ受け板１２ｅにより保持された各ウェーハ１４を回転軸１２ａを中心に公転させる。更にキャップ１３の冷却水通路１３ｂに冷却水を流すとともに、内側コントローラにより内側ランプ群３０への通電を制御し、外側コントローラにより外側ランプ群２０への通電を制御する。例えば、外側ランプ群２０の５本のハロゲンランプ２１〜２５全てに通電し、内側ランプ群３０の５本のハロゲンランプ３１〜３５のうち１本置きの２本のハロゲンランプ３２，３４に通電し、残りの３本のハロゲンランプ３１，３３，３５には通電しない。このときハロゲンランプ２１〜２５，３２，３４の発する熱のうちキャップ１３を介してＯリング１６に伝わろうとする熱は冷却水通路１３ｂに流れる冷却水により持ち去られるので、Ｏリング１６が耐熱温度以上に加熱されず、Ｏリング１６の劣化を防止できるけれども、冷却水通路１３ｂを冷却水が流れることにより、酸素イオンの注入されるウェーハ１４のチャンバ周壁１１ｂに近接する部分（図２のウェーハ１４の上側部分）が、ウェーハ１４の回転軸１２ａに近接する部分（図２のウェーハ１４の下側部分）より温度が低下する傾向にある。このためウェーハ１４の下側半分を内側ランプ群３０の２本のハロゲンランプ３２，３４で加熱しているのに対し、ウェーハ１４の上側半分を外側ランプ群２０の５本のハロゲンランプ２１〜２５で加熱することにより、ウェーハ１４の上側半分を強く加熱したので、ウェーハ１４のチャンバ周壁１１ｂに近接する部分の温度が冷却水によって低下するのを阻止でき、ウェーハ１４全体が略同一の温度になるように加熱される。従って、この状態でウェーハ１４に酸素イオンを注入すると、ウェーハ１４のＳＯＩ層に膜厚むらが生じることがなく、膜厚均一性の良好なＳＩＭＯＸウェーハ１４を作製できる。

＜第２の実施の形態＞
図３は本発明の第２の実施の形態を示す。図３において図２と同一符号は同一部品を示す。この実施の形態では、外側ランプ群２０のハロゲンランプ２１〜２５の本数が内側ランプ群５０のハロゲンランプ５１，５２の本数より多く配設される。具体的には、外側ランプ群２０のハロゲンランプ２１〜２５の本数は５本であり、内側ランプ群５０のハロゲンランプ５１，５２の本数は２本である。外側ランプ群２０の５本のハロゲンランプ２１〜２５は、対向するウェーハ１４の中心よりチャンバの周壁１１ｂ側の部分（図３のウェーハ１４の上側半分）に対向しかつウェーハ１４の半径方向に等間隔に配設され、内側ランプ群５０は、対向するウェーハ１４の中心より回転軸側の部分（図３のウェーハ１４の下側半分）に対向しかつウェーハ１４の半径方向に等間隔に配設される。なお、この実施の形態では、内側ランプ群のハロゲンランプの本数を２本としたが、外側ランプ群のハロゲンランプの本数を５本とした場合、内側ランプ群のハロゲンランプの本数は０本、１本、３本又は４本でもよい。上記以外は第１の実施の形態と同一に構成される。

このように構成された酸素イオン注入装置では、内側ランプ群５０のうち通電しないハロゲンランプがなくなるので、部品点数を低減できるとともに、製造工数を低減できる。上記以外の装置の使用方法は第１の実施の形態の使用方法と略同様であるので、繰返しの説明を省略する。

なお、上記第１及び第２の実施の形態では、凹溝をキャップの外周内面に形成したが、チャンバの周壁端面に形成してもよい。また、上記第１及び第２の実施の形態では、シール部材としてＯリングを挙げたが、ガスケットやパッキン等のシール部材でもよい。また、第１及び第２の実施の形態では、ランプヒータを１０本としたが、２〜９本又は１１本以上でもよい。更に、上記第１及び第２の実施の形態では、ランプヒータとしてハロゲンランプを挙げたが、カーボンランプやコルツランプ等でもよい。

次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
＜実施例１＞
図３に示すように、酸素イオンが注入されるウェーハ１４のチャンバ周壁１１ｂ側の部分（図３のウェーハ１４の上側半分）をウェーハ１４の回転軸側の部分（図３のウェーハ１４の下側半分）より強く加熱するように、外側ランプ群２０のハロゲンランプ２１〜２５の本数を５本に設定し、内側ランプ群５０のハロゲンランプ５１，５２の本数を２本に設定した。１回目の酸素イオン注入は、外側ランプ群２０の５本のハロゲンランプ２１〜２５と内側ランプ群５０の２本のハロゲンランプ５１，５２によりシリコンウェーハ１４を４００℃に加熱した状態で、２２０ｋｅＶの加速エネルギで２．５×１０¹⁷／ｃｍ²の酸素イオンを注入した。２回目の酸素イオン注入は、ウェーハ１４を４０℃に加熱した状態で、２００ｋｅＶの加速エネルギで４．０×１０¹⁵／ｃｍ²の酸素イオンを注入した。続いて、ウェーハ１４を１３００℃に加熱した状態で、酸素分圧４０％の酸素とアルゴンの混合ガスで高温熱処理を施し、ＳＩＭＯＸウェーハ１４を６２４枚作製した（１バッチ処理で１３枚のウェーハ１４を作製し、このバッチ処理を４８回行った）。

＜比較例１＞
酸素イオンが注入されるウェーハの全面に均一の熱量が付与されるように、外側ランプ群のハロゲンランプを５本に設定し、内側ランプ群のハロゲンランプを５本に設定して、実施例１と同様に、ＳＩＭＯＸウェーハを２８６枚作製した（１バッチ処理で１３枚のウェーハを作製し、このバッチ処理を２２回行った。）。

＜比較試験１及び評価＞
実施例１の６２４枚のＳＩＭＯＸウェーハと比較例１の２８６枚のＳＩＭＯＸウェーハについて、ＳＯＩ層の膜厚均一性をそれぞれ求めた。具体的には、各ウェーハについて５７点でＳＯＩ層の厚さを測定し、最大厚さから最小厚さを引いた値を膜厚レンジ（ｎｍ）とした。その結果を図４、図５及び図６に示す。なお、図４において、横軸は注入順、即ち左側が最も早いバッチ処理の順番であり右側に向うに従ってバッチ処理の順番が遅くなることを示す。また、図４の左側は比較例１を示し、右側は実施例１を示す。一方、図５及び図６は上記膜厚レンジ（ｎｍ）をデルタグラフでウェーハ上にマップ化したものである。また図５は実施例１を示し、図６は比較例１を示す。

図４から明らかなように、比較例１では、ＳＯＩ層の膜厚レンジが３．４〜５．０ｎｍ（平均４．２ｎｍ）と大きかったのに対し、実施例１では、ＳＯＩ層の膜厚レンジが２．５〜４．４ｎｍ（平均３．４ｎｍ）と小さくなった。また図６から明らかなように、比較例１では、ウェーハ周辺の膜厚むらが強く見られた（図６の上部の同心円状に膜厚むらが発生している。）のに対し、図５から明らかなように、実施例１では、ウェーハ周辺の膜厚むらが低減された（図５の上部に同心円状の膜厚むらが無い。）。この結果、実施例１のＳＩＭＯＸウェーハの方が比較例１のＳＩＭＯＸウェーハよりＳＯＩ層の膜厚均一性が向上したことが分かった。なお、図５及び図６において、ウェーハ外周縁の黒色の部分は、ウェーハをウェーハ受け板に取付ける３本のピンの部分に相当する。

＜実施例２＞
酸素イオンの注入されるウェーハのチャンバ周壁側のみを加熱するようにハロゲンランプを５本配列した。具体的には、外側ランプ群のハロゲンランプの本数を５本に設定し、内側ランプ群のハロゲンランプを０本に設定した。１回目の酸素イオン注入は、外側ランプ群の５本のハロゲンランプによりシリコンウェーハを４００℃に加熱した状態で、２００ｋｅＶの加速エネルギで２．４×１０¹⁷／ｃｍ²の酸素イオンを注入した。２回目の酸素イオン注入は、ウェーハを室温まで冷却した状態で、１９０ｋｅＶの加速エネルギで２．０×１０¹⁵／ｃｍ²の酸素イオンを注入した。続いて、ウェーハを１３００℃に加熱した状態で、酸素分圧４０％の酸素とアルゴンの混合ガスで高温熱処理を施し、ＳＩＭＯＸウェーハを２枚作製した。

＜比較例２＞
酸素イオンが注入されるウェーハの全面に均一の熱量が付与されるように、外側ランプ群のハロゲンランプを５本に設定し、内側ランプ群のハロゲンランプを５本に設定して、実施例２と同様に、ＳＩＭＯＸウェーハを２枚作製した。

＜比較試験２及び評価＞
実施例２の２枚のＳＩＭＯＸウェーハと比較例２の２枚のＳＩＭＯＸウェーハについて、ＳＯＩ層の膜厚均一性をそれぞれ求めた。具体的には、各ウェーハについて５７点でＳＯＩ層の厚さを測定し、最大厚さから最小厚さを引いた値を膜厚レンジ（ｎｍ）とした。その結果、比較例２では、ＳＯＩ層の膜厚レンジが３．６〜３．７ｎｍと大きかったのに対し、実施例２では、ＳＯＩ層の膜厚レンジが３．２〜３．５ｎｍと小さくなった。この結果、実施例２のＳＩＭＯＸウェーハの方が比較例２のＳＩＭＯＸウェーハよりＳＯＩ層の膜厚均一性が向上したことが分かった。

本発明第１実施形態の酸素イオン注入装置の断面構成図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。本発明第２実施形態の酸素イオン注入装置を示す図２に対応する断面図である。実施例１のハロゲンランプと比較例１のハロゲンランプによるＳＯＩ層の膜厚レンジを注入順に示した図である。実施例１のハロゲンランプによるＳＯＩ層の膜厚分布を示した図である。比較例１のハロゲンランプによるＳＯＩ層の膜厚分布を示した図である。

符号の説明

１０酸素イオン注入装置
１１チャンバ
１１ａ底壁
１１ｃ開口部
１２ウェーハ保持手段
１３キャップ
１３ｂ冷却水通路
１４ウェーハ
１６Ｏリング（シール部材）
２０外側ランプ群
２１〜２５，３１〜３５，５１，５２ハロゲンランプ（ランプヒータ）
３０，５０内側ランプ群

Claims

一方の端面に底壁が設けられ他方の端面が開放された円筒状のチャンバと、前記チャンバに収容され複数枚のウェーハを同一円周上に回転可能に保持するウェーハ保持手段と、前記チャンバの開口部をシール部材により気密を保って閉止し内部に前記シール部材に近接してリング状の冷却水通路が形成された円板状のキャップと、前記ウェーハ保持手段により保持された複数枚のウェーハのいずれか１枚に対向するように配設され前記キャップの円周の接線方向に延びかつ半径方向に並んだ複数本のランプヒータとを備えた酸素イオン注入装置において、
前記複数本のランプヒータを前記キャップの半径方向内側の内側ランプ群と前記キャップの半径方向外側の外側ランプ群とに分けたとき、前記外側ランプ群の前記ウェーハに付与する単位時間当たりの熱量を前記内側ランプ群の前記ウェーハに付与する単位時間当たりの熱量より多くするように構成されたことを特徴とする酸素イオン注入装置。
外側ランプ群のランプヒータの本数が内側ランプ群のランプヒータの本数より多く配設された請求項１記載の酸素イオン注入装置。
外側ランプ群のランプヒータの本数と内側ランプ群のランプヒータの本数を同一とし、前記外側ランプ群全てに通電しかつ前記内側ランプ群を間引きして通電するか若しくは全く通電しないように構成された請求項１記載の酸素イオン注入装置。
ランプヒータがハロゲンランプである請求項１ないし３いずれか１項に記載の酸素イオン注入装置。