JP5804444B2 - イオン注入方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体基板上に３次元構造のデバイスを製造する際に用いられるイオン注入方法に関する。

半導体デバイスの微細化、高集積化に伴って、マルチゲート素子の開発が行われている。このデバイスはFinFET、トライゲートトランジスタ等の名称で呼ばれており、一般的に３次元構造を有している。

このような３次元構造を有するデバイスへのイオン注入処理は特許文献１の図８に記載されているような手法で行われている。

この手法について、具体的に述べると次のようになる。初めにフィン側面へのイオン注入を行う為に、フィン上面にブロッキングマスク材料を堆積（配置）させる。ブロッキングマスク材料は、イオン注入時のイオンを完全に遮蔽するか、部分的に遮蔽する。その上で、フィン側面へのイオン注入を実施する。この際、フィン側面に照射されるイオンビームは照射面に引かれた法線に対してある特定の角度となるように設定されている。

フィン側面へのイオン注入後、フィン上面へのイオン注入を行う。この際、先にフィン上面のブロッキング材料を取り除いておく。フィン上面に照射されるイオンビームの向きは、フィン上面への法線に沿うように設定されている。その為、フィン上面へのイオン注入時には、フィン側面にイオンビームが照射されない。

このようにして、フィン側面へのイオン注入とフィン上面へのイオン注入とを個別に行うことで、各面のドーズ量、注入深さが基板全域に渡って略均一となるようにイオン注入処理が行われている。

特表２００８−５３７２５（図７、図８、段落００５４、段落００５８）

特許文献１に記載されているようにFin型デバイスの構造は、デザインルールが32nmの場合、幅が10〜20nm、高さが約60nm、Fin間のピッチが約64nmになるものと推定されている。その為、イオン注入時に不純物が注入される深さは従来の半導体デバイスに比べると極めて浅いものになる。

注入深さは、イオンビームの照射角度とエネルギーによって決定される。フィン側面へのイオン注入時に照射されるイオンビームの照射角度（イオン注入される面に対する法線とそこに照射されるイオンビームの進行方向とが成す角度）はフィン上面へのイオン注入時に照射されるイオンビームの照射角度に比べて非常に大きなものになる。その為、特許文献１の図７に開示されているようにフィン上面とフィン側面に同程度の深さでイオン注入することを考えた場合、フィン側面への注入時のイオンビームのエネルギーに比べて、フィン上面への注入時のイオンビームのエネルギーは低くなる。イオンビームのエネルギーが低くなると、ビーム経路中の電子の存在量にもよるが、一般的に空間電荷効果の影響が強く現れてイオンビームが発散してしまう。

このフィン上面へのイオン注入時におけるイオンビームの発散について、特許文献１では想定されていなかった。イオンの注入量分布に着目すると、基板上に製造されるデバイスの特性のバラツキを抑える為に、通常、フィン上面とフィン側面へのドーズ量は略均一（例えば、３〜５パーセント程度）となることが望まれる。特許文献１の技術では、初めにフィン上面をマスクしておき、フィン側面に対してイオン注入を行い、続いてフィン上面のマスクを取り去ってフィン上面に対してイオン注入を行うことになるが、フィン上面へイオン注入を行う際、前述したような発散がイオンビームに強く生じると、フィン側面へもイオン注入されてしまうことが懸念される。

ただし、イオンビームが発散して、フィン上面へのイオン注入時にフィン側面にイオンビームが照射されたとしても、即座に問題になるという訳ではない。イオンビームが照射される面に対するイオンビームの照射角度が非常に大きい場合、イオンはフィンの内側に注入されずにフィン表面で反射されることになる。その為、イオンビームの照射角度が非常に大きい場合には、ほとんど問題にならない。しかしながら、イオンビームの照射角度がある程度の大きさであれば、フィン上面へのイオン注入時にフィン側面にも注入されてしまう。この場合、フィン側面への注入量がフィン上面への注入量よりも多くなってしまうことが懸念される。

基板よりも大きな寸法を有するリボン状のイオンビームを用いて基板へのイオン注入処理を行う場合、リボン状のイオンビームの長さ方向における両端部には空間電荷効果による発散の影響が強く現れるので、両端に近づくほどイオンビームの発散角度は大きくなる。この様子が図６に描かれている。

図中、矢印はリボン状のイオンビームを構成する個々のビームレットである。この図より理解できるように、イオンビームの両端部が位置する基板端部ではフィン側面にイオンビームが照射され、イオンビームの中央部が位置する基板中央部ではフィン上面のみにイオンビームが照射される。そうなると、基板の場所によって、注入されるドーズ量が異なる為、基板の端部に製造されるデバイスと基板の中央部に製造されるデバイスの特性が大きく異なってしまうことが懸念される。

さらに、今後、デバイス構造の微細化が進んで、イオンビームのエネルギーがごく微小なものになった場合、このような問題がより顕著になることが考えられる。

そこで、本発明では３次元構造を有するデバイスへのイオン注入時にイオンビームの空間電荷効果による発散を抑制し、基板全域に渡って略均一な特性を有する３次元構造のデバイスを製造する為のイオン注入方法を提供する。

本発明に係るイオン注入方法は、側面と上面とを有する３次元構造のデバイスを半導体基板上に製造する為に用いられるイオン注入方法であって、各面へのイオン注入に先立って、前記上面にブロッキングマスク材料を配置するマスク配置工程と、第一のエネルギーで前記側面へのイオン注入処理を行う第一のイオン注入工程と、前記第一のイオン注入工程に引き続き、前記ブロッキングマスク材料を取り除くマスク取り除き工程と、前記上面へのイオン注入処理に先立って、半導体基板上に照射されるリボン状のイオンビームの広がり角度を計測する計測工程と、前記上面へのイオン注入処理に先立って、空間電荷効果に起因する前記側面への影響を考慮して、当該角度が所定の範囲内にあるかどうかを判別する判別工程と、前記判別工程で前記イオンビームの広がり角度が所定範囲内にないと判別されたとき、前記イオンビームの広がり角度が所定範囲内となるように補正する角度補正工程と、前記判別工程で前記イオンビームの広がり角度が所定範囲内にあると判別された後、前記第一のエネルギーよりも低い第二のエネルギーで前記側面と同程度のイオン注入深さとなるように前記上面へのイオン注入処理を行う第二のイオン注入工程とを有している。

上面へのイオン注入処理に先立って、基板に照射されるイオンビームの広がり角度を計測し、空間電荷効果に起因する側面への影響を考慮した上で、これが所定範囲内にあるかどうかを確認して、所定範囲内にないときにその角度を補正するといった工程を設けたので、従来の手法に比べて、基板全域に渡って略均一な特性を有する３次元構造デバイスを製造することができる。

本発明に係るイオン注入処理を実現するフローチャートである。 本発明で用いられるイオン注入装置の一例を表す。（Ａ）はＸＺ平面での様子を表し、（Ｂ）はＹＺ平面での様子を表す。 角度補正器の一例を表す。（Ａ）はＸＹ平面での様子を表し、（Ｂ）はＹＺ平面での様子を表す。 角度補正器の別の例を表す。（Ａ）は斜視図を表し、（Ｂ）は平面図を表す。 本発明で用いるイオン注入装置の別の例を表す。（Ａ）はＸＺ平面での様子を表し、（Ｂ）はＹＺ平面での様子を表す。 基板上にリボン状のイオンビームが照射される様子を表す。

本実施形態では、Ｚ軸の方向をリボン状のイオンビームの進行方向とし、Ｙ軸の方向をリボン状のイオンビームの長さ方向とし、Ｘ軸の方向をリボン状のイオンビームの短辺方向としている。ここでリボン状のイオンビームとは、イオンビームの進行方向に対して垂直な平面でイオンビームを切断したとき、その断面が略長方形状を成すイオンビームのことを言う。

図１には、本発明に係るイオン注入処理の手順を示したフローチャートが記載されている。このフローチャートを元に、本発明のイオン注入方法について説明した後、当該処理を実現する為に用いられるイオン注入装置の構成についての説明を行う。

本発明のイオン注入方法は、２つの異なる注入面（第一の面、第二の面）を有する３次元構造のデバイスを半導体基板上に製造する為に用いられる。３次元構造のデバイスの例としてはFin型デバイスであって、第一の面はフィン側面を意味し、第二の面はフィン上面を意味する。

Ｓ１で、各面へのイオン注入処理に先立って、第二の面にブロッキングマスク材料が配置される（マスク配置工程）。次に、Ｓ２で、第一の面にイオン注入処理が実施される（第一のイオン注入工程）。その後、Ｓ３で、ブロッキングマスク材料が第二の面より取り除かれる（マスク取り除き工程）。ここまでの工程は特許文献１に挙げられる手法と同等である。

特許文献１では次に第二の面へのイオン注入処理を行うが、この注入処理に先立って、本発明ではＳ４で基板に照射されるイオンビームの広がり角度の計測が行われる（計測工程）。そして、Ｓ５で計測された広がり角度が予め決められた所定範囲内のものであるかの確認が行われる（判別工程）。

ここで計測された広がり角度が所定範囲内にないと判断された場合、Ｓ６に進んで所定範囲内に入るようにイオンビームの広がり角度の補正が行われる（角度補正工程）。一方、計測された広がり角度が所定範囲内にあると判断された場合、Ｓ７に進んで、第二の面へのイオン注入処理が実施される（第二のイオン注入工程）。

このようにマスク取り除き工程と第二のイオン注入工程との間に、イオンビームの広がり角度を計測する計測工程と、それが所定範囲内にあるかどうかを確認する判別工程と、所定範囲内にないと判断した場合にはそれを補正する角度補正工程とを備えるようにしたので、ブロッキングマスク材料を取り除いた後に第二の面にイオン注入する際、イオンビームが空間電荷効果により大きく発散したとしてもそれを補正することができる。これにより、デバイスの特性を基板の場所によらず、ほぼ均一なものにすることが可能となる。

図２には本発明で用いられるイオン注入装置の一例が描かれている。（Ａ）はＸＺ平面での様子を表し、（Ｂ）はＹＺ平面での様子を表す。図２（Ａ）を見れば明らかであるように、イオンビーム２の進行方向はビーム経路の場所によって変化している。その為、図２（Ａ）に描かれているＸ、Ｙ、Ｚ軸もビーム経路の場所によって変化する。なお、図２（Ａ）に描かれているＸ、Ｙ、Ｚ軸はイオン源１より射出した直後のイオンビーム２を基準にして描かれたものである。また、後述する図５に描かれているＸ、Ｙ、Ｚ軸も図２の場合と同じく、イオン源１より射出した直後のイオンビーム２を基準にして描かれたものであり、ビーム経路の場所に応じて、これらの軸の方向は、適宜、変化する。

イオン源１からは長さ方向の両端部が平行なリボン状のイオンビーム２が射出される。このイオンビーム２は質量分析マグネット３とその下流側（イオンビーム２の進行方向側）に配置された分析スリット４で質量分析された後、基板７（例えば、シリコンウェーハ）が配置される処理室６内に導入される。

イオン注入処理時、基板７は図示される矢印の方向へ往復駆動され、基板７の全面にイオンビーム２が照射される。一方、イオン注入処理が行われない時には、基板７は図中に破線で描かれている位置に待機している。その為、イオン注入処理が行われない時には、処理室６内に導入されたイオンビーム２はビーム電流計測器８（例えば、多点ファラデーカップ）に照射される。

ビーム電流計測器８にイオンビーム２が照射されることで、イオンビーム２の広がり角度の計測が行われる。そして、その計測結果が制御装置９に送信されて、ここで計測された広がり角度が予め決められた所定範囲内の角度であるかどうかの確認がなされる。制御装置９で所定範囲内にないと判断された場合には、角度補正器５に制御信号が送信され、イオンビーム２の広がり角度の補正が行われる。なお、ここで述べた所定範囲とは、第二の面へのイオン注入処理時に第一の面にイオンビーム２が照射されたとしても、基板７の全域に渡って製造されるデバイスの特性のバラツキが許容範囲内となるようなイオンビーム２の広がり角度の範囲を考慮して設定される。

図３（Ａ）、（Ｂ）には角度補正器５の一例が描かれている。この角度補正器５は、イオンビーム２をその短辺方向から挟むようにして配置された一対のヨーク１１を含んでいる。ヨーク１１上にはイオンビーム２の長さ方向に沿って、イオンビーム２側へ突出した２組の磁極対１０が形成されていて、各磁極１０にはコイル１２が巻き回されている。そして、各磁極対１０間には、イオンビーム２をその短辺方向に横切るように磁界Ｂが発生しており、各磁極対１０で発生する磁界Ｂの向きは互いに逆向きとなるように構成されている。

図３（Ｂ）はイオンビーム２側から角度補正器５を構成する一対のヨーク１１の一方を見たときの様子を表す。この図において、イオンビーム２を挟んでＸ軸方向と反対側（紙面手前側）にも図示されるものと同形状の磁極１０とヨーク１１が配置されている。また、イオンビーム２はそれを構成する複数の線状のビームレットで描かれている。図示されているように、ヨーク１１上の磁極１０のイオンビーム２の長さ方向における寸法は、イオンビーム２の長さ方向において異なっている。より具体的には、イオンビーム２の進行方向において、イオンビーム２の中央部が通過する場所に設けられた磁極１０の寸法よりもイオンビーム２の端部が通過する場所に設けられた磁極１０の寸法の方が長い。

上記した構成により、角度補正器５を通過するイオンビーム２にはイオンビーム２の長さ方向において異なるローレンツ力（図３（Ａ）に記載のＦ１、Ｆ２、Ｆ３）が発生する。このローレンツ力は、イオンビーム２の長さ方向（Ｙ軸方向）において、両端部より中央部に向けてその力は徐々に弱くなる。具体的には、図示されるＦ１、Ｆ２、Ｆ３の順番にイオンビーム２に作用するローレンツ力は弱い。これは磁極１０間を通過するイオンビーム２の距離が異なるように磁極１０が構成されている為である。空間電荷効果による発散の影響が大きく現れるイオンビーム２の端部になるほどローレンツ力を強くすることで、空間電荷効果による発散の影響を打ち消して、イオンビーム２の基板７への照射角度を補正することができる。なお、発散の程度に応じて、各磁極１０に巻き回されたコイル１２に流す電流量は、適宜変化される。

図４（Ａ）、（Ｂ）には角度補正器５の別の例が描かれている。この角度補正器５は３つの電極対から構成されている。イオンビーム２の図示は省略しているが、イオンビーム２はこれらの電極対間を通過する。電極対はイオンビーム２の進行方向に沿って第一電極対１３、第二電極対１４、第三電極対１５の順に配置されていて、第一電極対１３と第三電極対１５は電気的に接地されている。そして、第二電極対１４は接地電位を基準にして負電位となるように構成されている。このような電極対はアインツェルレンズとして知られている。

図４（Ｂ）には、イオンビーム２側から図４（Ａ）に記載の電極対の片方をみた時の様子が描かれている。また、イオンビーム２はそれを構成する複数の線状のビームレットで描かれている。この図４（Ｂ）に描かれているように第一電極対１３と第二電極対１４間、第三電極対１５と第二電極対１４間には電界Ｅが図示される矢印の向きに発生している。イオンビーム２の長さ方向において、イオンビーム２の中央部から端部に行くほど、電界Ｅの向きとイオンビーム２を構成するビームレットの進行方向との差が大きくなる。電界Ｅの向きとイオンビーム２を構成するビームレットの進行方向との差が大きくなるほど、イオンビーム２には電界Ｅの向きへの偏向作用が強く働く。つまり、イオンビーム２の長さ方向における端部ほど電界Ｅによる偏向作用が強く働くようになる。このような構成の角度補正器５を用いても、図３の例で説明した角度補正器５と同様に空間電荷効果によるイオンビーム２の端部での発散を抑制させることができる。なお、イオンビーム２の偏向量の調整は、第二電極対１４に印加される電圧の値を調整することで行われる。

図５（Ａ）、（Ｂ）には本発明で用いられるイオン注入装置の別の例が描かれている。イオン源１より射出されたイオンビーム２はここでは長さ方向に発散するリボン状のイオンビームである。このイオンビーム２は質量分析マグネット３とその後段に設けられた分析スリット４によって質量分析され、平行化器１５に入射する。例えば、平行化器１５は従来から知られているコリメーターマグネットであり、この平行化器１５によってイオンビーム２が長さ方向において平行となるように整形される。

平行化器１５を通過したイオンビーム２は減速器１６に入射し、ここでイオンビーム２のエネルギーが低エネルギーに変換される。基板７上に製造されるデバイスの微細化が進むと注入深さも浅くなる為、基板７に照射されるイオンビーム２のエネルギーを小さくしておかなければならない。ただし、イオンビーム２のエネルギーが小さいと、空間電荷効果による影響を強く受けて、イオンビーム２が発散してしまう。イオンビーム２の輸送距離が長いほど、この空間電荷効果による発散の程度は大きくなる。その為、この例で示されているように減速器１６を処理室６の近傍に配置して、基板７へイオンが注入される直前にイオンビーム２のエネルギーを低エネルギーに変換することが行われている。

イオンビーム２はビーム経路を進行中に、ビーム経路内の残留ガスに衝突して中性化してしまう恐れがある。中性化したイオンはビーム電流計測器８で測定することができない。このような中性化したイオンが基板７に照射されるとイオン注入量に寄与してしまう。中性化したイオンは電荷を有していないので磁場や電場による偏向作用を受けない。その為、このイオン注入装置では処理室６へのイオンビーム２の導入前にイオンビーム２の全体を一方向へ偏向させるエネルギーフィルター１７が設けられている。なお、この例では、エネルギーフィルター１７はイオンビーム２をその短辺方向から挟むようにして設けられた一対の静電偏向板である。

基板７へのイオン注入処理が行われない時には、処理室６内に導入されたイオンビーム２はビーム電流計測器８に入射し、その計測データが制御装置９に送信される。制御装置９で広がり角度が所定範囲よりも大きい場合には、所定範囲内に入るように制御装置９から角度補正器５に制御信号が送信される。このようなイオン注入装置を用いて本発明を実施しても良い。

前述した以外に、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。

Ｓ１・・・マスク配置工程
Ｓ２・・・第一のイオン注入工程
Ｓ３・・・マスク取り除き工程
Ｓ４・・・計測工程
Ｓ５・・・判別工程
Ｓ６・・・角度補正工程
Ｓ７・・・第二のイオン注入工程

Claims (1)

1. 側面と上面とを有する３次元構造のデバイスを半導体基板上に製造する為に用いられるイオン注入方法であって、
   各面へのイオン注入に先立って、前記上面にブロッキングマスク材料を配置するマスク配置工程と、
   第一のエネルギーで前記側面へのイオン注入処理を行う第一のイオン注入工程と、
   前記第一のイオン注入工程に引き続き、前記ブロッキングマスク材料を取り除くマスク取り除き工程と、
   前記上面へのイオン注入処理に先立って、半導体基板上に照射されるリボン状のイオンビームの広がり角度を計測する計測工程と、
   前記上面へのイオン注入処理に先立って、空間電荷効果に起因する前記側面への影響を考慮して、当該角度が所定の範囲内にあるかどうかを判別する判別工程と、
   前記判別工程で前記イオンビームの広がり角度が所定範囲内にないと判別されたとき、前記イオンビームの広がり角度が所定範囲内となるように補正する角度補正工程と、
   前記判別工程にて、前記イオンビームの広がり角度が所定範囲内にあると判別された後、前記第一のエネルギーよりも低い第二のエネルギーで前記側面と同程度のイオン注入深さとなるように前記上面へのイオン注入処理を行う第二のイオン注入工程とを有していることを特徴とするイオン注入方法。

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