JP5212465B2 - 半導体装置の製造方法、イオンビームの調整方法及びイオン注入装置 - Google Patents

半導体装置の製造方法、イオンビームの調整方法及びイオン注入装置 Download PDF

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Description

本発明は、半導体装置の製造方法、イオンビームの調整方法及びイオン注入装置に関し、特に、不純物注入領域を有する半導体装置の製造方法と、ターゲットにイオンを注入するためのイオンビームの調整方法と、イオン注入に使用されるイオン注入装置に関する。
原子、分子を対象物に導入する方法の1つであるイオン注入法は、半導体装置の製造や金属表面改質などに使用されている。例えば、半導体装置の製造において、イオン注入は、MOSFETのゲート電極を構成するポリシリコン膜を導電化する工程、或いは、MOSFETのn型又はp型のソース/ドレイン拡散領域を形成する工程などに使用される。
イオン注入装置は、イオンを生成するイオン源と、イオン源からイオンを引き出す引出電極と、イオン源から引き出されたイオンを質量毎に分離する分離磁石と、分離されたイオン種のうち所定のイオン種を集束させるレンズと、イオン注入対象であるウェーハを載置するウェーハステージとを有している。分離磁石は、質量分析マグネットとも呼ばれる。
そのような構造を有するイオン注入装置は、ウェーハへのイオン注入角度を制御したり、イオン注入効率を高めたりするなどのために種々の工夫がなされている。
例えば、分離磁石を通過したイオンビームの重心を計測する重心計測機構をイオンビーム進路の途中に出し入れ可能に配置するとともに、重心計測機構により測定されたイオンビームの飛行方向とウェーハの法線が一致するようにウェーハステージの角度を制御することが知られている。
また、ウェーハに対するイオンビーム注入角度を調整するために、質量分析マグネットの偏向作用の強度を調整する偏向強度調整手段を設けるとともに、ウェーハをその面方向に沿って移動するウェーハ駆動機構を設けることも知られている。
また、イオン源と質量分析マグネットの周囲との間にイオンビームを受けるマスクを設け、このマスクに流れるビーム電流を測定して、そのビーム電流が最大になるように引出電極とイオン源の距離を調整することも知られている。
また、質量分析マグネットにより分離される複数種類のイオンビームのうち特定質量以外の質量のイオンビームの電流をファラデーカップにより測定し、その測定値に基づいて特定質量のイオンビームの電流を間接的に求めることも知られている。これにより、特定質量のイオンビームを対象物に注入しながら、特定質量のイオンビームの電流を測定できることになる。
この場合、ファラデーカップは、質量分析マグネットのビーム出口寄りの領域に配置され、さらにイオンビームに対して略直交する方向に移動可能に取り付けられることがある。
ところで、上記技術において、ウェーハの回転機構とウェーハの法線角度変更機構とを併存させることは、ウェーハステージを駆動する駆動部の大きさ及び構成から見て難しい。
一方、イオン種が質量分析マグネット内で理想的な軌道を描いて進行することを前提としてイオン注入角度を調整する場合、質量分析マグネットの偏向作用の強度を調整するだけでは、ウェーハへのイオンビームの入射角度を精度良く調整することは難しい。
また、イオンビームのターゲットに電流計を接続して、イオンビーム電流の最大値を検出する方法では、イオンビームの入射位置を検知することはできず、イオンビームの入射角度を調整することは難しい。
特開2006−19048号公報 特開平3−105839号公報 特開平7−169433号公報 特開2001−216934号公報
本発明の目的は、半導体基板へのイオン注入角度をより高い精度で制御する工程を含む半導体装置の製造方法と、イオンビームの軌道をより高い精度で制御することができるイオンビームの調整方法と、イオンビームの軌道をより高い精度で制御する機構を備えたイオン注入装置とを提供することにある。
本発明の1つの観点によれば、ソースヘッドから出力され、引出電極のスリットを通過し質量分析マグネット内に入射するイオンビームを、前記ソースヘッドのイオン出射口に対向して設けられた電流測定器に入射させる工程と、前記質量分析マグネットの磁界を発生させない状態における前記電流測定器の電流測定結果に基づき、前記スリットの位置を制御する工程と、前記位置が制御された前記スリットを通過した前記イオンビームを前記質量分析マグネットの磁界により湾曲させ半導体基板に入射させる工程とを有し、前記質量分析マグネットは、前記ソースヘッド側のイオンビーム入口と、前記半導体基板側のイオンビーム出口とを有し、前記イオンビームを前記半導体基板に入射させる工程は、前記イオンビーム出口と前記半導体基板との間に位置し、マススリットを有するマススリット電極の、前記マススリットの位置を制御する工程と、位置を制御された前記マススリットに前記イオンビームを通過させ、前記イオンビームの前記半導体基板に対する平均の角度を垂直とする工程と、を有するものであることを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
本発明の別の観点によればソースヘッドから出力され、引出電極のスリットを通過したイオンビームを、前記イオンソースに対向し、質量分析マグネットの壁面に設けられた電流測定器に入射させる工程と、前記質量分析マグネットが磁界を発生させない条件で、前記電流測定器に入射される前記イオンビームの電流を測定する工程と、前記電流測定器の電流測定結果に基づいて、前記スリットの位置を制御する工程と、前記位置が制御された前記スリットを通過した前記イオンビームを前記質量分析マグネットの磁界により湾曲させ、半導体基板に入射させる工程と、を有し、前記質量分析マグネットは、前記ソースヘッド側のイオンビーム入口と、前記半導体基板側のイオンビーム出口とを有し、前記半導体基板と前記イオンビーム出口との間に、マススリットを有するマススリット電極が設けられ、前記半導体基板は、プロファイラを有するウェハステージに載置され、前記イオンビームを前記半導体基板に入射させる工程は、前記イオンビームを前記プロファイラに入射させる工程と、前記プロファイラに入射される前記イオンビームの電流を測定する工程と、前記プロファイラの電流測定結果に基づいて、前記マススリットの位置を制御する工程と、位置を制御された前記マススリットに前記イオンビームを通過させ、前記イオンビームの前記半導体基板に対する平均の角度を垂直とする工程と、を有するものであることを特徴とするイオンビームの調整方法が提供される。
本発明によれば、引出電極のスリットを通過してマグネットに入射するイオンビームの電流を電流測定器により検出し、その電流測定結果に基づいて引出電極の位置を調整することにより、イオンビームの軌道を調整している。これにより、マグネットの磁界により湾曲されるイオンビームのターゲット、例えば半導体基板への入射角度を精度よく調整することが可能になる。
図1は、本発明の実施形態に係るイオン注入装置の構成図である。 図2は、本発明の実施形態に係るイオン注入装置を構成する電流測定器の一例を示す断面図である。 図3は、本発明の実施形態に係るイオン注入装置を構成する電流測定器の取り付け位置の一例を示す側面図である。 図4Aは、本発明の実施形態に係るイオンビームの調整方法を示すフローチャート(その1)である。 図4Bは、本発明の実施形態に係るイオンビームの調整方法を示すフローチャート(その2)である。 図5は、本発明の実施形態に係るイオン注入装置とリファレンスのイオン注入装置におけるそれぞれのイオンビームの軌道を示す図である。 図6は、本発明の実施形態に係るイオン注入装置によるイオンビームの入射状態を示す図である。 図7Aは、本発明の実施形態に係るイオンビームの調整方法により調整されたイオンビームの強度分布とマススリットの位置関係を示す図であり、図7Bは、リファレンスに係るイオンビームの強度分布とマススリットの位置関係を示す図であり、図7Cは、本発明の実施形態に係るイオンビームの調整方法により調整された正規分布のオンビームとマススリットの位置関係を示す図である。 図8は、リファレンスに係るイオン注入装置の部品交換前と部品交換後におけるイオンビーム電流分布の重心のマススリット中心に対するズレの確率を示す図である。 図9A〜図9Eは、本発明の実施形態に係る半導体装置の形成工程を示す断面図である。 図10A、図10Bは、リファレンスに係る半導体装置の形成工程を示す断面図である。 図11は、マススリット中心に対するイオンビーム電流分布の重心のズレとトランジスタのオン電流の関係を示す図である。
以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明の実施形態に係るイオン注入装置を示す構成図である。
イオン注入装置は、原子又は分子のイオンを発生するソースヘッド1と、ソースヘッド1のイオン放出端の前に配置される導電性の引出電極2と、イオン種を質量毎に分離できる質量分析マグネット3と、イオン注入のターゲットであるウェーハWを裁置するウェーハステージ5とを有している。
また、質量分析マグネット3とウェーハステージ5の間には、質量分析マグネット3内を移動した所定質量のイオンビームを選択して通過させるとともに、その一部を遮断できるスリット6sを備えたマススリット電極6が配置されている。
ソースヘッド1と引出電極2はそれぞれソースチャンバ11内に取り付けられている。ソースヘッド1は、その内部に陽極、陰極及びフィラメントを有するアークチャンバ1aと、アークチャンバ1aに磁界を印加するソースマグネット1bを有している。
引出電極2とアークチャンバ1a内の陰極(不図示)との間には加速電源7が接続されている。加速電源7は、引出電極2の電位がアークチャンバ1aの陰極電位よりも低くなる極性で電圧を印加することにより、アークチャンバ1a内のイオン種を引出電極2に向けて放出させる。
引出電極2は、アークチャンバ1aの前端から放出されるイオンを通過させるスリット2sを有している。また、引出電極2は、引出電極移動部8により、イオン進行方向に対して交差する方向に縦と横の位置が制御される。
ソースヘッド1には、イオン種となる原子又は分子を供給するガス源9が接続されている。ガス源9に封入されるガスとして、例えば、フッ化ボロン(BF)、ホスフィン(PH)、アルシン(AsH)がある。
ソースチャンバ11の前端は、絶縁体12を介して、質量分析マグネット3のマグネットチャンバ4の後端に接続されている。
質量分析マグネット3によりマグネットチャンバ4内で発生する磁界の強度と分布は、ビーム軌道制御回路13から質量分析マグネット3に送信される信号により制御される。質量分析マグネット3によりマグネットチャンバ4内で発生する磁界は、図1の一点鎖線で示すように、アークチャンバ1aから出射された所定のイオン種のビームを湾曲させて所定の飛翔軌道に導く強度分布となるように制御される。
マグネットチャンバ4は、所定のイオンビームの飛翔軌道の周りを囲むとともに、磁界により分離された不要なイオン種の一部を衝突させて吸収できる形状を有している。
アークチャンバ1aからウェーハWに注入されるまでのイオンビームの設計飛翔軌道は、マグネットチャンバ4のイオン導入口までは直線の軌道を描き、また、マグネットチャンバ4内では質量分析マグネット3により発生した磁界により湾曲した軌道を描き、さらに、マグネットチャンバ4のイオン放出口から直線状に放出される軌道を描く。
ところで、mを質量、zを電荷とすると、一定のエネルギー(電圧)で加速された同じ質量電荷比(m/z)のイオンは、一様磁界の中を通過する時に、その方向に多少の開きがあって軌道がずれても、同一点に収束させることができる。これを方向収束という。
一定のエネルギーで加速されたイオン群が、質量分析マグネット3内の一様磁界の中を通過すると、軽いイオンほど軌道が大きく曲げられるので、複数のイオン種は分散する。
質量分析マグネット3を使用して質量スペクトルを得るためには、質量分析マグネット3の磁界強度を操作することにより、イオンをウェーハW又はマススリット電極6に収束させることができる。
イオンが加速電圧Vにより加速されて速度vになるとすれば、イオンの運動エネルギーは(1/2)×(mv)=zVとなる。イオン移動方向に垂直な磁界Hにイオンが入ると、イオンは半径rの円軌道を描いて移動する。イオンの遠心力はmv/rであり、磁力Hzvと力が釣り合うことにより、mv/r=Hzv、m/z=r/(2V)となる。
磁界Hを一定にして加速電圧Vを変えるか、或いは、加速電圧Vを一定にして磁界Hを変えることにより半径rを一定にすることができる。イオン源から出てくるイオンの運動エネルギーはある広がりを持っていて、厳密に言えば一定ではない。そのために、近い質量を持つイオンの分離ができなくなる。
そのようなイオン軌道を描くマグネットチャンバ4の側壁うち、アークチャンバ1aからマグネットチャンバ4の入口へのイオンビーム設計飛翔軌道の直線延長上の領域には、図2の側部断面に示すように開口部4aが設けられている。また、開口部4aの外側には、マグネットチャンバ4に入射したイオンビームを受ける電流測定器15が取り付けられている。
電流測定器15は、例えば図3に示すように、イオンビームを入射する凹状面を備えた導電性のカップ15aと、カップ15aの開口部周縁の近傍に配置されるサプレッサ15bとから構成され、カップ15aに入射したイオンビームにより生じる電流の値を電流計16により測定する。
カップ15aは、マグネットチャンバ4の開口部4aを通して、その底面をアークチャンバ1aのイオン出射口に対向して配置され、その内径はマグネットチャンバ4の高さによって決定され、例えば30mm〜100mmである。カップ15aは、後述するファラデーカップ22よりも小さく、イオンビームの電流密度分布のプロファイルを測定できる大きさとなっている。
カップ15a内でイオンビームの衝突により発生する二次電子は、サプレッサ15bから発生する磁界H又は電界Eによってカップ15aに戻されて電流値の補正が行われる。
カップ15aに入射したイオンビームの電流値は電流計16により測定されて電極制御部17に伝送される。電極制御部17は、CPU、記憶部等を備え、引出電極移動部8を制御して引出電極2のスリット2sの位置を変えることができる。
また、電極制御部17は、引出電極2の位置とイオンビーム電流値の関係のデータを複数記憶することにより、イオンビームを横切る方向の電流密度分布のプロファイルを測定結果として作成する。さらに、電極制御部17は、電流測定結果に基づいて電流測定器15による電流測定値が最大となる引出電極2の位置を求め、その位置に引出電極2を設定する信号を引出電極移動部8に送信する。
マグネットチャンバ4のイオンビーム放出端には、マススリット電極6、ウェーハステージ5等を収納するウェーハ用チャンバ14の開口端が接続されている。なお、マグネットチャンバ4とウェーハ用チャンバ14は、絶縁体12を介して互いに絶縁されている。
マススリット電極6は、質量分析マグネット3を通過した複数のイオン種のうち1つを選択して通過させるマススリット6sを有し、イオンビームの進行方向に対して交差する方向に移動可能に配置されている。また、マススリット電極6は、マススリット電極移動部18によって移動される
ウェーハステージ5は、イオン照射ターゲットであるウェーハWを取り付ける面を有し、ステージ駆動部19により移動可能な構造となっている。ウェーハWにイオンを注入する時には、ウェーハWにおけるイオン注入面内分布を均一にするために、ウェーハステージ5は、ステージ駆動部19によりイオンビームの進行方向に対して交差する方向に移動される。
ウェーハステージ5の側部には、イオンビーム電流値、イオン照射範囲及びイオン電流密度分布等を測定するためのプロファイラ20が取り付けられている。
プロファイラ20は、例えば、イオンビームに対して横切る方向に移動可能であり、さらに向きの変更が可能な構造を有してもよく、その移動と向きはステージ駆動部19によって制御される。ステージ駆動部19は、例えば、イオンビーム電流を測定する時には、プロファイラ20のイオン検出面20aをマススリット6sに対向させる一方、イオンビームをウェーハWに照射する時にはイオン検出面20aを側方に向けるようにしてもよい。
プロファイラ20により検知された電流は、電流計内蔵のマススリット電極制御部21により測定される。
マススリット電極制御部21は、CPU、記憶部等を有し、ステージ駆動部19からプロファイラ20の位置データを取得して検知電流値と関係づけて記憶する。また、マススリット電極制御部21は、マススリット電極移動部18を制御してマススリット電極6のスリット6sの位置を変えてイオンビーム電流を測定することにより、イオンビームの電流密度分布のプロファイルを作成し、その重心を求める。
マススリット電極移動部18は、マススリット電極制御部21の指令信号により、マススリット電極6を移動してマススリット6sの中心をイオンビームの電流密度分布プロファイルの重心に一致させる。
ウェーハステージ5の後方にはファラデーカップ22が配置されている。ファラデーカップ22は、ウェーハステージ5の往復動作時にウェーハステージ5から外れたイオンビームを入射することにより、イオンビームの電流量を間欠的に測定する。
なお、ステージ用チャンバ11、マグネットチャンバ4、ウェーハ用チャンバ14は互いに気密状態で接続され、さらに、図示しないロータリーポンプ、ターボ分子ポンプ等によりそれらの内部は例えば1×10-4Pa〜1×10-7Paの真空状態に減圧される。
次に、上記のイオン注入装置によりウェーハステージ5上のウェーハWにイオンを注入する方法について図4A、図4Bを参照して説明する。
イオンビームセットアップ時、又は、ウェーハカセット交換後など、ターゲットへのイオン注入の前又は後に次のような処理を行う。
まず、ソースチャンバ11、マグネットチャンバ4、ウェーハ用チャンバ14内を所定圧力に減圧するとともに、質量分析マグネット3による磁界の発生を停止する。
このような状態で、図4AのIに示すように、引出電極制御部17は、引出電極移動部8を介して、引出電極2を初期位置に移動する。
また、ガス源9からガスをソースヘッド1に供給し、ソースヘッド1内でプラズマを発生させ、さらに、加速電源7によりアークチャンバ1a内の陰極と引出電極2の間に電位差を生じさせる。これにより、図4AのIIに示すように、アークチャンバ1a内からプラスイオンを引出電極2側に引き出してイオンビームを出射させる。
イオン種は、イオン群としてイオンビームを形成する。そして、イオンビームは、一定のエネルギーで加速されて引出電極2のスリット2sを通過し、さらにマグネットチャンバ4に向けて直進する。
マグネットチャンバ4内で質量分析マグネット3による磁界が存在しない状態では、その中に侵入したオンビームはそのまま直進してマグネットチャンバ4側部の電流測定器15又はその周辺に到達する。
電流測定器15に入射したイオンは、図4AのIIIに示すように、電流計16により電流値としてその強度が測定される。その測定値は、図4AのIVに示すように、引出電極2の位置データに関係づけて引出電極制御部17により記憶される。
続いて、引出電極制御部17は、引出電極移動部8を介して引出電極2の位置を変更し、その位置においてスリット2sを通過したイオンビームの電流量を電流測定器15及び電流計16により測定し、その測定値を引出電極2の位置とともに記憶する(図4のI〜IV)。
引出電極制御部17は、図4AのVに示すように、引出電極2の移動とイオンビーム電流の測定とそれらの記憶を順に繰り返し行って、引出電極2の位置と電流測定器15による測定電流とを関連付け、電流測定器15により測定されたイオンビーム電流密度分布のプロファイルを求める。このように、イオンビームの照射領域に電流密度分布があるのは、イオンが分散して広がりがあるからである。
そして、図4AのV、VIに示すように、引出電極2の所定範囲内での移動と電流測定が終わった後に、引出電極制御部17は、電流値が最大となる位置に引出電極2を移動させる指令を引出電極移動部8に出力し、その位置に引出電極2を固定する。なお、引出電極移動部8への指令については、イオンビーム電流の測定結果に基づいて作業者が行ってもよい。
電流測定器15のイオンビーム入射面は微小点ではなく所定の大きさを有しているので、イオンビーム電流測定値が最大となる位置に引出電極2を配置することは、イオンビームの重心を設計軌道の中心に一致させることを意味する。これにより、イオンビームは、質量分析マグネット3のビーム入射口に垂直に入射する。
この後に、引出電極2に接続した加速電源7をオフにして、イオンビームの出射を停止する。
次に、図4AのVIIに示すように、質量分析マグネット3にビーム軌道制御回路13から信号を供給してマグネットチャンバ4内に磁界を発生させる。さらに、図4AのVIIIに示すように、ウェーハWに所定のイオン種を注入するために、ガス種の選択、ガス流量の調整、加速電圧の調整を含む各種パラメータを調整する。
続いて、ステージ駆動部19により、プロファイラ20を移動してマススリット電極6に対向させる。さらに、図4BのIXに示すように、マススリット電極制御部21の指令信号により、マススリット電極移動部18はマススリット電極6を初期位置に移動する。
そして、ソースヘッド1からイオンビームを出射すると、イオンビームは引出電極2のスリット2sを通り、上記の直線軌道でマグネットチャンバ4の入射口に垂直に入り、さらにマグネットチャンバ4内の磁界により円軌道を描く。その円軌道は、ビーム軌道制御回路13により調整される。
この場合、複数のガス種は質量、電荷量の違いにより分離し、不要なイオン種はマグネットチャンバ4の壁面に到達するか或いは目標の軌道を外れる。一様の磁界中では、軽いイオンほど大きく曲がる。
また、マグネットチャンバ4を通過した不要なイオン種は、マススリット6s周囲のマスクスリット電極6に入射して外部に流される。これに対して、所定のイオン種のイオンビームは、マグネットチャンバ4内で設計通りの円軌道を描いてマグネットチャンバ4から直線上に放出され、さらにマススリット6sを通過してプロファイラ20のイオン検出部20aに到達する。イオン検出部20aに入射したイオンビームの電流量は、マススリット電極制御部21によって測定され、マススリット6sの位置と関連づけてマススリット電極制御部21に記憶される。
さらに、図4BのIX、X、XI、に示すように、マススリット電極制御部21は、マススリット電極移動部18を介してマススリット電極6を少しずらし、そこでプロファイラ20に入射するイオンビームの電流値とマススリット6sの位置を関連づけて記憶し、さらにこれらの一連の操作を繰り返して行う。
マススリット電極制御部21は、図4BのXIIに示すように、以上のような電流値とマススリット6sの関係のデータを蓄積してイオンビームの電流密度分布を求め、さらにその重心を算出する。
続いて、図4BのXIIIに示すように、マススリット電極制御部21は、マススリット電極移動部18に指令を送ってマススリット電極6の位置を調整し、マススリット6sの中心をイオンビーム電流密度分布の重心に一致させる。なお、マススリット電極移動部18への指令については、イオンビーム電流のデータに基づいて作業者が行ってもよい。
この後に、ソースヘッド1からのイオン放出を停止する。
次に、ステージ駆動部19によってプロファイラ2をマススリット電極6の前方から側方へ移動するとともに、ウェーハステージ5をマススリット電極6の面に対向させる。さらに、ステージ駆動部19によりウェーハステージ5の位置を調整することにより、図4BのXIVに示すように、ターゲットであるウェーハWの中心をマススリット22sの中心に一致させる。
その状態で、ソースヘッド1からイオンビームを出射させると、イオンビームは、図4BのXVに示すように、引出電極2、質量分析マグネット3、マススリット6sを通過して設計通りの軌道を描きながらウェーハWに垂直に注入される。
以上のように、電流測定器15を使用してイオンビームの軌道を調整することにより、質量分析マグネット3へのイオンビームの入射軌道を理想軌道、理想入射角度に合わせることができる。
これにより、図5の二点鎖線A、Cで示すように、質量分析マグネット3内でのイオンビームの軌道を理想通りの飛翔軌道に合わせることが可能になり、イオンビームの重心のウェーハWへの注入角度をウェーハ面に対して垂直にすることが可能になる。
この場合、図6に示すように、イオンビームにおけるイオンの束は、発散による広がりがあるために、イオンの一部はウェーハWの面に対して垂直にならずに斜めに傾いて入射する。しかし、図7Aに示すように、イオンビーム電流分布の重心とマススリット6sの中心を一致させ、さらにウェーハステージ5をマススリット電極6の面に沿って移動することにより、イオンビームの平均の入射角度はウェーハ面に対して実質的に垂直となる。
ところで、電流測定器15によりイオンビーム電流を測定せずに、図の破線で示すように、イオンビームが質量分析マグネット3内に所定の直線軌道で入射しない場合には、質量分析マグネット3の発生磁界を調整してイオンビームをウェーハWの面に実質的に
垂直に入射させることが難しくなる。
この場合、図7Bに示すように、イオンビームはウェーハWの面に斜めに入射するので、イオンビームの重心をマススリット6sの中心に合わせても、イオンビーム電流分布の重心がウェーハ面の目標位置からずれることになる。
なお、図7Cに示すように、マススリット6sを通過したイオンビームの電流分布が正規分布となることは理想である。しかし、質量分析マグネット3からの磁界による円軌道を描く際に分布が僅かにばらつくことが多い。
ところで、イオンビームの重心のズレは、消耗部品の劣化、真空チャンバ内での生成物付着などによっても生じる。イオンビーム重心にズレがある場合には、一般的にはソースパラメータを調整する。その調整は、イオンビーム電流密度が正規分布をしていることを前提にして、その電流密度分布の最大ピーク点をビーム軌道の中心に合わせることを目標としている。
従って、イオンビームの電流密度分布の重心とビーム軌道の中心にズレがある場合にはイオンビームがウェーハ面に対して実質的に垂直に注入されないことがある。
設計軌道の中心からのイオンビームの重心のズレを調べたところ、図8に示すような結果が得られた。図8は、ソースヘッド1の交換前と交換後のイオンビーム重心のバラツキを示している。なお、図8の横軸の0mmは、設計軌道の中心である。
図8において、ソースヘッド1の交換前後でも、ズレの許容範囲±20mm以内にほぼ重心が入っているが、ソースヘッド交換前には、破線の円で示すように、許容範囲から外れることもあった。そのような場合でも、電流測定器15を使用してイオンビームの軌道を調整することにより、質量分析マグネット3へのイオンビームの入射軌道を設計通りにして、ズレのないイオンビーム軌道を描くことができる。
次に、上記のイオン注入装置及びイオン注入方法を、半導体装置の製造工程に適用する例を説明する。
図9A〜図9Eは、半導体装置の形成工程の一例を示す断面図である。
まず、図9Aに示す構造を形成するまでの工程を説明する。
シリコン基板51の素子分離領域に、素子分離絶縁構造としてシャロートレンチアイソレーション52を形成する。シャロートレンチアイソレーション52は、シリコン基板51に溝を形成した後に、その溝内をシリコン酸化膜で埋め込むことにより形成される。なお、素子分離絶縁構造として、LOCOS法により素子分離絶縁膜を形成してもよい。
続いて、活性領域シリコン基板1の表面に熱酸化法により犠牲酸化膜(不図示)を形成する。そして、第1の活性領域にはホウ素(B)等のp型不純物をイオン注入してPウェル53を形成する。また、第2の活性領域にはリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)等のn型不純物をイオン注入してNウェル54を形成する。
n型不純物とp型不純物を選択してイオン注入する際には、イオン注入をしない領域をフォトレジスト41により覆う。
Pウェル53を形成するためのp型不純物イオンは、加速エネルギーを100keV〜500keVとし、ドーズ量を5.0×1012/cm〜5.0×1013/cmとしてシリコン基板1に注入される。また、Nウェル54を形成するためのn型不純物イオンは、加速エネルギーを200keV〜1000keVとし、ドーズ量を5.0×1012/cm〜5.0×1013/cmとしてシリコン基板1に注入される。
Pウェル53、Nウェル54を形成するためのイオン注入工程では、高精度のイオン注入角度の制御はあまり要求されない。しかし、半導体装置のさらなる高集積化に伴ってウェル形成領域が狭くなって、高精度にイオン注入角度を制御することが予想される。
この場合には、図1に示すウェーハWとしてシリコン基板1をウェーハステージ5上に載せた後に、図4A、図4Bに示すフローに従って各種イオンをシリコン基板1に垂直に注入してもよい。
即ち、質量分析マグネット3による磁界をオフした状態で電流測定器15によるイオンビーム電流測定値が最大となる位置に引出電極2を移動し、さらに、質量分析マグネット3により磁界を発生させた状態でマススリット6sの中心を所定種のイオンビームの重心に一致させる。これにより、ソースヘッド1から出射されたイオンビームは、シリコン基板51の面に対して実質的に垂直に注入される。
なお、シリコン基板51に不純物をイオン注入した後には、不純物を活性化するためにシリコン基板51を所定温度でアニールする。活性化については、以下に説明するn型不純物又はp型不純物のイオン注入工程でも同様に行う。
次に、図9Bに示す構造を形成するまでの工程を説明する。
Pウェル53、Nウェル54が形成されたシリコン基板51の上面に、ゲート絶縁膜55としてシリコン酸化膜を熱酸化法、CVD法等により形成する。
さらに、ゲート絶縁膜上55にポリシリコン膜をCVD法により約100nmの厚さに形成した後に、ポリシリコン膜をフォトリソグラフィー法によりパターニングして、Pウェル53上に第1、第2のゲート電極56、57を形成するとともに、Nウェル54上に第3のゲート電極58を形成する。
第1、第2及び第3のゲート電極56、57、58のパターン幅(ゲート長)は約30nm〜90nmである。
続いて、シリコン基板51の上にフォトレジストを塗布し、これを露光、現像することにより、Nウェル54と第3のゲート電極58を覆うとともにPウェル53の領域を露出する形状の第1のレジストパターン42を形成する。
さらに、第1のレジストパターン42から露出したPウェル53に、n型不純物として例えばヒ素をイオン注入する。この場合、イオン注入のための加速エネルギーを1.0keV〜10keVとし、ドーズ量を5.0×1014/cm〜5.0×1015/cmとする。
この工程において、シリコン基板51をウェーハステージ5上に載せる。
さらに、図4A、図4Bに示すフローに従って各種イオンをシリコン基板1に垂直に注入する。即ち、質量分析マグネット3による磁界をオフした状態で電流測定器15によるイオンビーム電流測定値が最大となる位置に引出電極2を移動し、さらに、質量分析マグネット3により磁界を発生させた状態でマススリット6sの中心をn型不純物イオンビームの重心に一致させる。
そのような状態で、ソースヘッド1から出射されたイオンビームは、シリコン基板51の面に対して実質的に垂直に注入される。
そのようにシリコン基板51の上面に対して垂直方向にn型不純物をイオン注入することにより、第1、第2のゲート電極56、57それぞれの両側のPウェル53の表層に第1、第2及び第3のn型エクステンション領域60a、60b、60cを形成する。その際、第1、第2のゲート電極56、57を構成するポリシリコン膜のパターンは、n型不純物イオン注入により導電パターンとなる。
そのイオン注入後に、第1のレジストパターン42を除去する。
次に、図9Cに示すように、シリコン基板51の上にフォトレジストを塗布し、これを露光、現像することにより、Pウェル53と第1、第2のゲート電極56、57を覆うとともにNウェル54の領域を露出する形状の第2のレジストパターン43を形成する。
その後に、第2のレジストパターン43から露出したNウェル54に、p型不純物であるホウ素をイオン注入する。この場合、イオン注入の加速エネルギーを0.1keV〜5.0keVとし、ドーズ量を5.0×1014/cm〜5.0×1015/c する。
この工程においても、シリコン基板51をウェーハステージ5上に載せる。そして、図4A、図4Bに示すフローに従って各種イオンをシリコン基板51に垂直に注入する。即ち、質量分析マグネット3による磁界をオフした状態で電流測定器15によるイオンビーム電流測定値が最大値となる位置に引出電極2を移動し、さらに、質量分析マグネット3により磁界を発生させた状態でマススリット6sの中心をホウ素イオンビームの重心に一致させる。これにより、ソースヘッド1から出射されたイオンビームは、シリコン基板51の面に対して実質的に垂直に注入される。
そのようにシリコン基板51の上面に対して垂直方向にホウ素をイオン注入することにより、第3のゲート電極58両側のNウェル54に第1、第2のp型エクステンション領域62a、62bを形成する。その際、第3のゲート電極58を構成するポリシリコン膜のパターンは、p型不純物イオン注入により導電パターンとなる。
そのイオン注入の後、第2のレジストパターン43を除去する。
次に、図9Dに示す構造を形成する工程を説明する。
まず、シリコン基板1の上面全体に、絶縁膜として例えばシリコン酸化膜をCVD法により形成する。その後に、絶縁膜をエッチバックすることにより、シリコン基板1の表面を露出させるとともに、第1、第2及び第3のゲート電極56、57、58のそれぞれの側面に絶縁膜をサイドウォール59a、59b、59cとして残す。
その後に、n型エクステンション領域60a、60b、60cを形成する工程と同様に、第3のレジストパターン44によりNウェル54と第3のゲート電極58を覆うとともに、Pウェル53の領域を露出する。
続いて、シリコン基板1をイオン注入装置のウェーハステージ5上に載置して、レジストパターン44から露出したPウェル53に、n型不純物をイオン注入する。
このイオン注入工程においても、n型エクステンション領域60a、60b、60cを形成するためのイオン注入と同様にイオンビームの軌道を調整し、さらにn型不純物イオンビームの重心をマススリット6sの中心に合わせる。
そして、第1、第2のゲート電極56、57とサイドウォール59a、59bをマスクにして、シリコン基板51の上面に対して実質的に垂直方向にn型不純物、例えばヒ素をイオン注入する。この場合、イオン注入の加速エネルギーを5.0keV〜15keVとし、ドーズ量を1.0×1015/cm〜1.0×1016/cmとする。
これにより、第1、第2のゲート電極56、57の両側方のPウェル63内には、第1、第2及び第3のn型ソース/ドレイン拡散領域61a、61b、61cが形成される。その際、第1、第2のゲート電極56、57を構成するポリシリコン膜にもn型不純物が注入されるので、第1、第2のゲート電極56、57はさらに低抵抗化する。
第1のn型ソース/ドレイン拡散領域61aは第1のn型エクステンション領域60aの一部に重なり、第2のn型ソース/ドレイン拡散領域61bは第2のn型エクステンション領域60bの一部に重なり、さらに第3のn型ソース/ドレイン拡散領域61cは第3のn型エクステンション領域60cの一部に重なる。
そのイオン注入後に、第3のレジストパターン44を除去する。
次に、図9Eに示すように、第1、第2のp型エクステンション領域62a、62bを形成する工程と同様に、第4のレジストパターン45によりPウェル53と第1、第2のゲート電極56、57を覆うとともに、Nウェル54の領域を露出する。
続いて、シリコン基板1をイオン注入装置のウェーハステージ5上に載置して、第4のレジストパターン45から露出したNウェル54に、p型不純物としてホウ素をイオン注入する。この場合、イオン注入の加速エネルギーを3.0keV〜10keVとし、ドーズ量を1.0×1015/cm15〜1.0×1016/cmとする。
このイオン注入においても、第1、第2のp型エクステンション領域62a、62bを形成するためのイオン注入工程と同様にイオンビームの軌道を調整し、さらホウ素イオンビームの重心をマススリット6sの中心に合わせる。
そして、第3のゲート電極58とサイドウォール59cをマスクにして、シリコン基板51の上面に対して実質的に垂直方向にホウ素をイオン注入する。これにより、第3のゲート電極58の両側方のNウェル54内に第1、第2のp型ソース/ドレイン拡散領域63a、63bが形成される。その際、第3のゲート電極58を構成するポリシリコン膜にもp型不純物が注入されるので、第3のゲート電極58はさらに低抵抗化する。
第1のp型ソース/ドレイン拡散領域63aは第1のp型エクステンション領域62aの一部に重なり、また、第2のp型ソース/ドレイン拡散領域63bは第2のp型エクステンション領域62bの一部に重なる。
そのイオン注入の後に、第4のレジストパターン45を除去する。
第1、第2のp型ソース/ドレイン拡散領域63a、63bを形成した後に、特に図示しないが、第1〜第3のゲート電極56、57、58と、第1〜第3のn型ソース/ドレイン拡散領域61a、61b、61cと、第1、第2のp型ソース/ドレイン拡散領域62a、62bの各上層部に金属シリサイド層を形成する。
以上の工程で形成されたPウェル53、第1のゲート電極56、第1、第2のn型ソース/ドレイン拡散領域61a、61b等により第1のN型MOSFETが構成される。また、Pウェル53、第2のゲート電極57、第2、第3n型ソース/ドレイン拡散領域61b、61c等により第2のN型MOSFETが構成される。さらに、Nウェル54、第3のゲート電極58、第1、第2のp型ソース/ドレイン拡散領域63a、63b等によりP型MOSFETが構成される。
その後に、第1、第2のN型MOSFETとP型MOSFETを覆う層間絶縁膜を形成し、さらに、導電性プラグ等を形成するが、それらの詳細は省略する。
以上のように、n型エクステンション領域60a、60b、60c、n型ソース/ドレイン拡散領域61a、61b、61c、p型エクステンション領域62a、62b及びp型ソース/ドレイン拡散領域63a、63bを形成するために、図1に示すイオン注入装置を使用し、さらに図4A、図4Bに示すイオン注入方法を採用することにより、不純物のイオン注入を基板面に対して垂直にイオン注入している。
即ち、ソースヘッド1から出射されるイオンビームを電流測定器15によりモニターしながら引出電極2の位置を調整し、イオンビーム電流測定値が最大となる位置に引出電極2を設置している。
これにより、イオンビームを所定の直線軌道で質量分析マグネット3内に入射することができ、さらに質量分析マグネット3の磁界により偏向されるイオンビームを設計通りの飛翔軌道に導いて、シリコン基板1の面に垂直に不純物を注入することが可能になる。
従って、第1のN型MOSETを構成する第1、第2のn型エクステンション領域60a、60bのそれぞれの面方向及び深さ方向の不純物濃度分布を、ゲート電極56を中心にして左右対称にすることができる。
また、第1、第2のn型ソース/ドレイン拡散領域61a、61bのそれぞれの面方向及び深さ方向の不純物濃度分布をゲート電極を中心にして左右対称にすることができる。これにより、第1のN型MOSFETのトランジスタ特性を良好にすることができる。
そのような対称性については、第2のN型MOSFETを構成する第2、第3のn型エクステンション領域60b、60c及び第2、第3のn型ソース/ドレイン拡散領域61b、61cについても同様であり、さらに、P型MOSFETを構成する第1、第2のp型エクステンション領域62a、62b及び第1、第2のp型ソース/ドレイン拡散領域63a、63bについても同様である。
ところで、イオンビーム電流を電流測定器15によりモニターせずに、質量分析マグネット3の調整によりイオンビームの軌道を修正すると、イオンビームの重心がマススリット6sの中心と一致しにくくなる。この結果、例えば、第1のN型MOSFETにおいて、第1、第2のn型エクステンション領域60a、60bとゲート電極56の間、又は、第1、第2のn型ソース/ドレイン拡散領域61a、61bとゲート電極56の間にオフセットが生じ易くなる。
例えば、図10Aに示すように、第1、第2及び第3のn型エクステンション領域60a、60b、60cを形成する工程において、イオンビームがシリコン基板1の面に対して斜め、即ち90度以外の角度に入射すると、シリコン基板1へのイオン注入がゲート電極56、57により遮られる領域が発生するとともに、イオンがゲート電極56、57の下に深く入る領域が生じる。
これにより、第1のゲート電極56の一側と第2のn型エクステンション領域60bの間にイオン注入されないか又は不足する領域、即ちオフセット領域Δwが発生する。同様に、第2のゲート電極57、第3のゲート電極58のそれぞれの一側方にもオフセット領域が発生する。
また、図10Bに示すように、第1、第2及び第3のn型ソース/ドレイン拡散領域61a、61b、61cを形成する工程において、イオンビームがシリコン基板1の面に対して斜めに入射すると、第1のゲート電極56の一側と第2のn型ソース/ドレイン拡散領域61bの間と、第2のゲート電極57の一側と第3のn型ソース/ドレイン拡散領域61cの間にそれぞれオフセット領域Δwが発生する。
そのようなオフセット領域Δw、Δwにより、ゲート電極56、57のそれぞれの左右の不純物濃度分布に差が生じてしまい、第1、第2のN型MOSFETの順方向電流と逆方向の電流の差が大きくなり、トランジスタ特性の非対称性が顕著になってしまう。
イオン注入角度がシリコン基板1の上面に対して斜めとなる原因として、例えば、消耗部品の劣化や、チャンバ内での生成物付着によってイオンビームの重心にズレが生じることも原因の1つとして挙げられる。
イオンビームのズレの対策として、ソースパラメータを調整することが行われる。その調整では、イオンビームの電流密度分布が正規分布であるとして、その電流密度分布のピーク位置と設計軌道の中心とを一致させるのが一般的である。
ところが、実際には、イオンビーム電流密度分布におけるピーク位置とウェーハの目標位置が相違することがある。
ウェーハ上のイオンビーム電流密度分布の重心の位置ズレを生じさせるイオン注入を含む工程により形成されたMOSFETのオン電流との関係を調査したところ、例えば図11の結果が得られた。
図11において破線で囲んだように、イオンビーム電流密度分布の重心の位置ズレが許容範囲からはみ出すと、トランジスタのオン電流が小さくなった。
そのようにオン電流が小さくなる理由として、図10A、図10Bに示したオフセット領域Δw、Δwが発生することが原因と考えられる。即ち、イオンビーム電流密度分布の重心がマススリット6sの中心から大きくずれたり、或いはイオンビームが斜めに入射したりすると、基板面に対する注入角度が垂直にならないイオンが多くなってオフセット領域Δw、Δwが発生する。
なお、オフセット領域によるトランジスタ特性への影響は、主にエクステンション領域で現れるが、ゲート電極の幅(ゲート長)が例えば32nm程度まで微細化されるとソース/ドレイン拡散領域にも顕著に現れる。
これに対し、本実施形態では、電流測定器15を使用してイオンビームを目標の飛翔軌道に合わせたので、イオンビームのウェーハへの入射軌道を精度良く調整することができ、イオン注入角度をウェーハ面に対して垂直に制御することができる。
このように、電流測定器15を使用して質量分析マグネット3へのイオンビームの入射軌道を調整することにより、質量分析マグネット3のイオンビーム出射角度を高い精度で制御することができる。従って、上記したイオン注入装置及びイオン注入方法の使用は、垂直以外のイオン注入角度の制御にも有効である。
以上説明した実施形態は典型例として挙げたに過ぎず、各構成要素を組み合わせること、或いはその変形およびバリエーションは当業者にとって明らかであり、当業者であれば本発明の原理および請求の範囲に記載した発明の範囲を逸脱することなく上述の実施形態の種々の変形を行えることは明らかである。

Claims (9)

  1. ソースヘッドから出力され、引出電極のスリットを通過して質量分析マグネット内に入射するイオンビームを、前記ソースヘッドのイオン出射口に対向して設けられた電流測定器に入射させる工程と、
    前記質量分析マグネットの磁界を発生させない状態における前記電流測定器の電流測定結果に基づいて、前記スリットの位置を制御する工程と、
    前記位置が制御された前記スリットを通過した前記イオンビームを前記質量分析マグネットの磁界により湾曲させ、半導体基板に入射させる工程と、
    を有し、
    前記質量分析マグネットは、前記ソースヘッド側のイオンビーム入口と、前記半導体基板側のイオンビーム出口とを有し、
    前記イオンビームを前記半導体基板に入射させる工程は、
    前記イオンビーム出口と前記半導体基板との間に位置し、マススリットを有するマススリット電極の、前記マススリットの位置を制御する工程と、
    位置を制御された前記マススリットに前記イオンビームを通過させ、前記イオンビームの前記半導体基板に対する平均の角度を垂直とする工程と、
    を有するものであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記イオンビームを前記半導体基板に入射させる工程は、トランジスタのゲート電極をマスクにしてソース/ドレイン拡散領域を形成する工程であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記イオンビームを前記半導体基板に入射させる工程は、前記トランジスタの前記ゲート電極をマスクにして、前記ソース/ドレイン拡散領域のエクステンション領域を形成する工程であることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記電流測定結果に基づいて前記引出電極の前記スリットの位置を制御する工程は、前記イオンビームが前記質量分析マグネットに入射する軌道を制御する工程であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記引出電極の前記スリットの位置を制御する工程は、前記電流測定器による電流測定値が最も大きくなる位置に前記引出電極を設定する工程であることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記マススリットの位置を制御する工程は、前記マススリットの中心と前記イオンビームの重心を一致させることを含むものであることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記半導体基板は、プロファイラを有するウェハステージに載置され、
    前記イオンビームを前記半導体基板に入射させる工程は、
    前記イオンビームを前記プロファイラに入射させる工程と、
    前記プロファイラに入射される前記イオンビームの電流を測定する工程と、
    前記プロファイラの電流測定結果に基づいて、前記マススリットの位置を制御する工程と、
    を有するものであることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
  8. ソースヘッドから出力され、引出電極のスリットを通過したイオンビームを、前記ソースヘッドに対向し、質量分析マグネットの壁面に設けられた電流測定器に入射させる工程と、
    前記質量分析マグネットが磁界を発生させない条件で、前記電流測定器に入射される前記イオンビームの電流を測定する工程と、
    前記電流測定器の電流測定結果に基づいて、前記スリットの位置を制御する工程と、
    前記位置が制御された前記スリットを通過した前記イオンビームを前記質量分析マグネットの磁界により湾曲させ、半導体基板に入射させる工程と、
    を有し、
    前記質量分析マグネットは、前記ソースヘッド側のイオンビーム入口と、前記半導体基板側のイオンビーム出口とを有し、
    前記半導体基板と前記イオンビーム出口との間に、マススリットを有するマススリット電極が設けられ、
    前記半導体基板は、プロファイラを有するウェハステージに載置され、
    前記イオンビームを前記半導体基板に入射させる工程は、
    前記イオンビームを前記プロファイラに入射させる工程と、
    前記プロファイラに入射される前記イオンビームの電流を測定する工程と、
    前記プロファイラの電流測定結果に基づいて、前記マススリットの位置を制御する工程と、
    位置を制御された前記マススリットに前記イオンビームを通過させ、前記イオンビームの前記半導体基板に対する平均の角度を垂直とする工程と、
    を有するものであることを特徴とするイオンビームの調整方法。
  9. 前記イオンビームの電流を測定する工程は、前記イオンビームの電流プロファイルを測定する工程であることを特徴とする請求項に記載のイオンビームの調整方法。
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