JP5975418B2 - イオン注入方法 - Google Patents
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Description
この発明は、ウエハにアモルファス層を生成する為に、カーボンの分子イオンをイオン注入する手法に関する。
半導体素子の微細化が進み、ウエハ面上から非常に浅い領域へのイオン注入が要求されている。このような領域へのイオン注入を行う為に、ウエハに分子イオンをイオン注入し、ウエハ面の所定領域をアモルファス化する技術が着目されている。また、イオン注入後のアニール工程において、アモルファス層の下方にできる結晶欠陥を少なくすることができるという優位性から、カーボンの分子イオンをイオン注入する研究が進められている。
このようなカーボンの分子イオンをイオン注入する技術が特許文献１に開示されている。より具体的には、この特許文献１には、カーボンの分子イオンの原料としてＣ１６Ｈ２０やＣ１８Ｈ１４を用いて、Ｃ１６ＨＸ ＋イオンやＣ１８ＨＸ ＋イオン（Ｘは１以上の整数）をウエハにイオン注入する技術やカーボンの分子イオンの原料としてＣ１４Ｈ１４を用いて、Ｃ７Ｈ７ ＋イオン、Ｃ３ＨＸ ＋イオンまたはＣ４ＨＸ ＋イオン等（Ｘは１以上の整数）をウエハにイオン注入する技術が開示されている。
カーボンの分子イオンを用いて、アモルファス層を作る場合、イオンビームを照射するエネルギーにもよるが、質量数の大きなイオンを用いて作成されるアモルファス層の厚みは小さい。現在の半導体素子の製造プロセスにおいては、アモルファス層の厚みを約６０ｎｍ以上の厚みとすることが要求されている。そこで、昨今では、このような厚みを有するアモルファス層を生成する為に、Ｃ４ＨＸ ＋イオン、Ｃ５ＨＸ ＋イオンまたはＣ６ＨＸ ＋イオン（Ｘは１以上の整数）をウエハにイオン注入する技術が着目されている。
しかしながら、特許文献１に開示の技術を用いて、Ｃ４ＨＸ ＋イオン、Ｃ５ＨＸ ＋イオンまたはＣ６ＨＸ ＋イオンを生成して、これらのイオンをウエハにイオン注入する手法は、非常に非効率であった。これについて以下に説明する。
特許文献１に開示の技術では、段落００４５に記載されているように、Ｃ１４Ｈ１４を用いて、Ｃ４ＨＸ ＋イオン、Ｃ５ＨＸ ＋イオンまたはＣ６ＨＸ ＋イオンを生成することになる。Ｃ１４Ｈ１４は固体材料であり、沸点は２８４℃と高い。その為、これを気化させる為に高温に対応した加熱器が必要となる。
また、特許文献１の図８に記載されるイオンビームの質量スペクトルを見るとわかるように、Ｃ１４Ｈ１４から生成されるＣ４ＨＸ ＋イオン、Ｃ５ＨＸ ＋イオンまたはＣ６ＨＸ ＋イオンの割合は、全体に対してとても小さい。その為、ウエハにＣ４ＨＸ ＋イオン、Ｃ５ＨＸ ＋イオンまたはＣ６ＨＸ ＋イオンを多量にイオン注入する場合、イオン注入処理に長時間要してしまう。
そこで、本発明では、Ｃ４ＨＸ ＋イオン、Ｃ５ＨＸ ＋イオンまたはＣ６ＨＸ ＋イオン（ｘは１以上の整数）を生成し、ウエハに対して、効率的にイオン注入する手法を提供する。
本発明のイオン注入方法は、ＣｎＨｘ（ｎは４≦ｎ≦６の整数、ｘは１≦ｘ≦２ｎ＋２の整数）で表されるイオン生成用原料を使用して、ＣｍＨｙ＋（ｍは４≦ｍ≦６の整数、ｙは１≦ｙ≦２ｍ＋２の整数）イオンを生成し、ウエハに前記イオンを注入することを特徴としている。
より好ましくは、前記イオン生成用原料は、Ｃ４Ｈｕ（ｕは１≦ｕ≦１０の整数）、Ｃ５Ｈｖ（ｖは１≦ｖ≦１０の整数）またはＣ６Ｈｗ（ｗは１≦ｗ≦１０の整数）の質量スペクトルにおける相対存在量のピークが２０％以上であることが望ましい。
より具体的には、前記イオン生成用原料が、Ｃ６Ｈ１２である。
一方で、前記イオン生成用原料が、Ｃ５Ｈ８であっても良い。
さらには、前記イオン生成用原料が、Ｃ４Ｈ６であっても良い。
このようなイオン注入方法を用いれば、Ｃ４ＨＸ ＋イオン、Ｃ５ＨＸ ＋イオンまたはＣ６ＨＸ ＋イオン（ｘは１以上の整数）を効率良くウエハに注入することができる。
図１には、本発明が適用されるイオン注入装置ＩＭの一例が記載されている。この図において、イオンビームの進行方向をＺ方向、ウエハに照射されるイオンビームの長辺方向をＸ方向とし、両方向に直交する方向をＹ方向としている。また、図示されるＸ、Ｙ、Ｚの各軸は、処理室内でのイオンビームの進行方向等に対応しており、イオンビームがビーム経路を進行する過程でこれらＸ、Ｙ、Ｚの各軸は、適宜、変更される。
イオン源１を構成するイオン源チャンバー４で生成されたイオンは、引出し電極系５によって、イオン源チャンバー４より所定のエネルギーを有するイオンビーム３として、引き出される。この引出し電極系５は、従来のイオン注入装置でよく知られているように、引出し電極、抑制電極、接地電極からなる３枚の電極で構成されている。
引出し電極系５を通過したイオンビーム３には、ウエハ２（例えば、シリコンウエハ）に注入される所望のイオン以外のイオンを含んでいる。このイオンビーム３から所望するイオンを抽出する為に、質量分析電磁石６と分析スリット７により質量分析が行われる。イオンビーム３に含まれる多数のイオンは、それぞれ質量数が異なっている為、質量分析電磁石６で作られる磁場によって、質量分析電磁石６を通過した後のビーム経路に違いが生じる。その為、質量分析電磁石６では、所望するイオンのみが分析スリット７を通過できるように、磁場の調整が行われている。なお、図１では図示を簡略化する為に、所望するイオン以外のビーム経路については図示を省略している。
分析スリット７を通過したイオンビーム３は、四重極レンズ８によってその形状が整形され、その後、走査器９により一方向に長いリボン状のイオンビーム３となるように走査される。この例では、走査器として、電磁石を想定しているが、従来から知られているように静電板を用いて、電場によってイオンビーム３を走査するようにしても良い。最後に、電磁石からなる平行化器１０によって、イオンビーム３の外形が平行となるように整形され、処理室１１内に配置されたウエハ２にイオンビーム３が照射される。
処理室１１内に配置されたウエハ２は、例えば、静電チャックを備えたプラテンにより支持されている。そして、このプラテンが、Ｙ方向に沿って、図示されない駆動機構によってイオンビーム３を横切るように往復搬送されることによって、ウエハ２へのイオン注入処理が達成される。なお、図１に示されているように、走査器９、平行化器１０を通過したイオンビーム３のＸ方向における寸法は、処理室１１内に配置されたウエハ２よりも長い。
図１に記載のイオン源チャンバー４内では、一例として、次のようにしてイオンの生成が行われている。これについて、図２を基に説明する。
イオン源チャンバー４には、イオン源チャンバー４内にイオン生成用のガスを導入する為のガス導入路１７が連結されている。このガス導入路１７は、ガス流量調節器１８を介して第一のガス供給源１３、第二のガス供給源１４、第三のガス供給源１５に連結されており、バルブ１６の開け閉めによって、各ガス供給源からのガスが独立してイオン源チャンバー４内に導入されるように構成されている。
この例では、Ｃ４ＨＸ ＋イオン、Ｃ５ＨＸ ＋イオン、Ｃ６ＨＸ ＋イオン（ｘは１以上の整数）を生成する為の原料として、第一のガス供給源１３にはＣ６Ｈ１２（シクロヘキサン）が、第二のガス供給源１４にはＣ５Ｈ８（シクロペンテン）が、第三のガス供給源１５にはＣ４Ｈ６（ブタジエン）が封入されている。これらの原料は、工業用として一般に市販されており、価格面でも特許文献１で用いられていたＣ１４Ｈ１４（ジベンジル）よりも安価である。さらに、Ｃ１４Ｈ１４（ジベンジル）よりも効率的にＣ４ＨＸ ＋イオン、Ｃ５ＨＸ ＋イオンまたはＣ６ＨＸ ＋イオン（ｘは１以上の整数）を生成することができる。
図３〜図６には、各原料の質量スペクトルが挙げられている。図６に挙げられるＣ１４Ｈ１４（ジベンジル）の質量スペクトルを見ると、Ｃ５ＨＸ（ｘは１以上の整数）の相対存在量のピークは２０％を若干下回る程度であるが、Ｃ４ＨＸ（ｘは１以上の整数）やＣ６ＨＸ（ｘは１以上の整数）となると、相対存在量比のピークは１０％にも満たない。これに対して、図３に挙げられるＣ６Ｈ１２（シクロヘキサン）では、Ｃ４ＨＸ（ｘは１以上の整数）の相対存在量のピークは１００％であり、Ｃ５ＨＸ（ｘは１以上の整数）の相対存在量比のピークは約３０％、Ｃ６ＨＸ（ｘは１以上の整数）の相対存在量比のピークは８０％を上回っている。また、図４に挙げられるＣ５Ｈ８（シクロペンタン）の質量スペクトルを見ると、Ｃ４ＨＸ（ｘは１以上の整数）の相対存在量のピークは２０％を上回り、Ｃ５ＨＸ（ｘは１以上の整数）の相対存在量のピークは１００％である。そして、図５に挙げられるＣ４Ｈ６（ブタジエン）では、Ｃ４ＨＸ（ｘは１以上の整数）の相対存在量のピークは９０％を上回っている。
上記した比較より理解できるように、Ｃ６Ｈ１２（シクロヘキサン）、Ｃ５Ｈ８（シクロペンテン）、Ｃ４Ｈ６（ブタジエン）といった原料を用いることで、特許文献１に挙げられるＣ１４Ｈ１４（ジベンジル）に比べて、Ｃ４ＨＸ ＋イオン、Ｃ５ＨＸ ＋イオンまたはＣ６ＨＸ ＋イオン（ｘは１以上の整数）の生成効率を格段に向上させることが可能となる。
再び、図２に戻り説明を続けると、第一のガス供給源１３と第二のガス供給源１４には、加熱器２０が備えられている。Ｃ６Ｈ１２（シクロヘキサン）、Ｃ５Ｈ８（シクロペンテン）は常温では液体であり、イオン源チャンバー４内へガス導入路１７を介してこれらの原料を導入するには気化させる必要がある。その為、加熱器２０による加熱が必要とされる。
しかしながら、これらの液体原料を加熱する温度は、特許文献１で挙げられたＣ１４Ｈ１４（ジベンジル）を加熱する温度と比べると低温で済む。この理由は、Ｃ６Ｈ１２（シクロヘキサン）の沸点は約８１℃であり、Ｃ５Ｈ８（シクロペンテン）の沸点が約４４℃であるからである。
その為、Ｃ１４Ｈ１４（ジベンジル）を加熱して気化させるような高温に対応した加熱器を用いる必要がない。この点においても、Ｃ６Ｈ１２（シクロヘキサン）やＣ５Ｈ８（シクロペンテン）をイオン生成用の原料として使用するメリットがある。
一方、第三のガス供給源１５に封入されているＣ４Ｈ６（ブタジエン）は、常温で気体である為、第三のガス供給源１５は、第一のガス供給源１３や第二のガス供給源１４に設けられた加熱器２０を備えていない。
第一〜第三のガス供給源１３〜１５のいずれかより、イオン源チャンバー４内に導入されたガスに対して、イオン源チャンバー４の外側に設けられた電子銃１２から電子ｅが供給される。この種の電子銃１２については、特許文献１が引用する従来文献（米国特許公報６６８６５９５）にも開示されている技術である為、詳しい説明は省略する。簡単に述べると、この電子銃１２には、電子ｅを発生させる為のフィラメントとフィラメントより発生した電子ｅを所定のエネルギーを有する電子ｅに変換し、当該電子ｅをイオン源チャンバー４内に引き出す為の電極が備えられている。そして、イオン源チャンバー４の外側にはビームダンプ２１が配置されており、図示されない電源によりビームダンプ２１の電位がイオン源チャンバー４よりも高い場合、電極により引出された電子ｅはビームダンプ２１に衝突して消滅する。反対に、ビームダンプ２１の電位がイオン源チャンバー４のよりも低い場合、電極により引出された電子ｅはビームダンプ２１で反射される。
イオン源チャンバー４の外側にはイオン源チャンバー４を挟むようにして、図示されない一対の永久磁石が配置されている。この永久磁石によって、イオン源チャンバー４内に図示される矢印Ｂで示す方向の磁界が生成される。
電子銃１２よりイオン源チャンバー４内に導入された電子ｅは、イオン源チャンバー４内の磁界に沿って移動し、イオン源チャンバー４内に導入されたガスに衝突する。この衝突によって、ガスが電離され、イオンの生成が行われる。その後、ここで生成されたイオンは、図１に示した引出し電極系５を構成する引出し電極によって、イオン源チャンバー４のイオンビーム引き出し口１９よりイオンビーム３として引き出される。この段階で発生したイオンビーム３に含まれるイオンについて、簡単に述べておくと、例えば、Ｃ６Ｈ１２（シクロヘキサン）を原料として用いた場合には、先に説明した工程を経て引き出されるイオンビーム３中には、Ｃ３Ｈ５ ＋、Ｃ４Ｈ７ ＋、Ｃ４Ｈ８ ＋、Ｃ５Ｈ９ ＋、Ｃ６Ｈ１１ ＋といったイオンが含まれることになる。
＜その他変形例＞
図２の説明では、イオン源チャンバー４の外側に永久磁石を配置する構成について説明したが、イオン源チャンバー４の容積が小さい場合、このような永久磁石がなくとも電子ｅはイオン源チャンバー４内に行き届く為、この永久磁石は特段設けておく必要はない。
図２の説明では、イオン源チャンバー４の外側に永久磁石を配置する構成について説明したが、イオン源チャンバー４の容積が小さい場合、このような永久磁石がなくとも電子ｅはイオン源チャンバー４内に行き届く為、この永久磁石は特段設けておく必要はない。
また、図２の説明では、電子銃１２によってイオン源チャンバー４内に電子ｅを導入する方式について述べたが、これに代えて、バーナス型イオン源として従来から知られているように、イオン源チャンバー４の端部にフィラメントを配置し、当該フィラメントを加熱することによって電子を放出する方式を採用しても良い。一方、バーナス型イオン源に代えて、傍熱型イオン源を用いるようにしても良い。
さらに、図２の説明では、イオン源チャンバー４へのガス導入口を１つにしているが、これに限られない。例えば、イオン源チャンバー４へのガス導入口を３つにしておき、各ガス供給源からのガスが個別の経路を通って、イオン源チャンバー４内に導入されるように構成しておいても良い。この場合、各ガス供給源から供給されるガスの流量を個別に調整できるように、各ガス供給源に個別に対応したガス流量調節器１８を設けておくことが考えられる。一方、ガス供給源を３つ設けている必要はなく、ガス供給源の数は１つ以上であれば良い。
これまでの実施形態では、イオン生成用の原料として、Ｃ６Ｈ１２（シクロヘキサン）、Ｃ５Ｈ８（シクロペンテン）、Ｃ４Ｈ６（ブタジエン）を用いる例を示したが、本発明はこれに限られない。例えば、原料としては、ＣｎＨｘ（ｎは４≦ｎ≦６の整数、ｘは１≦ｘ≦２ｎ＋２の整数）を用いて、ＣｍＨｙ＋イオン（ｍは４≦ｍ≦６の整数、ｙは１≦ｙ≦２ｍ＋２の整数）を生成するようにしても良い。なお、ここで挙げたｎとｍは同じ値であっても異なる値であっても構わない。また、ｘとｙについても同様に、同じ値であっても異なる値であっても構わない。
さらに、この場合、質量スペクトルで、Ｃ４ＨＸ、Ｃ５ＨＸまたはＣ６ＨＸ（ｘは１以上の整数）の相対存在量の割合が、２０％以上であるような原料を選択することが考えられる。このようなものであれば、特許文献１に挙げられたＣ１４Ｈ１４（ジベンジル）を用いるよりも効率良くＣ４ＨＸ ＋イオン、Ｃ５ＨＸ ＋イオンまたはＣ６ＨＸ ＋イオン（ｘは１以上の整数）を生成することが可能となる。
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良いのはもちろんである。
１・・・イオン源
２・・・ウエハ
３・・・イオンビーム
４・・・イオン源チャンバー
５・・・引出し電極系
１２・・・電子銃
１３・・・第一のガス供給源
１４・・・第二のガス供給源
１５・・・第三のガス供給源
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Claims (1)
- Ｃ ６ Ｈ １２ （シクロヘキサン）、Ｃ ５ Ｈ ８ （シクロペンテン）又はＣ ４ Ｈ ６ （ブタジエン）のいずれか１つのイオン生成用原料をイオン化し、質量分析の後、質量スペクトルにおける相対存在量比のピークが２０％以上であるＣ４Ｈ ｘ （ｘは１以上の整数）、Ｃ５Ｈ ｘ （ｘは１以上の整数）またはＣ６Ｈ ｘ （ｘは１以上の整数）のいずれかの正イオンをウエハに注入するイオン注入方法。
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