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
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Description
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、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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、その中に侵入したイ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。
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)。
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。
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。
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。
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。
この後に、ソースヘッド1からのイオン放出を停止する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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/cm3〜5.0×1013/cm3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/cm3〜5.0×1013/cm3としてシリコン基板1に注入される。
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。
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。
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。
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/cm3〜5.0×1015/cm3とする。
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。
そのイオン注入後に、第1のレジストパターン42を除去する。
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/cm3〜5.0×1015/cm 3 とする。
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。
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。
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。
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。
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。
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/cm3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。
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。
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。
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。
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。
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Δw1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。
そのようなオフセット領域Δw1、Δw2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。
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。
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。
Claims (9)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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8に記載のイオンビームの調整方法。
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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PCT/JP2008/056438 WO2009122555A1 (ja) | 2008-03-31 | 2008-03-31 | 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 |
Publications (2)
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