JP6588323B2 - イオン注入方法およびイオン注入装置 - Google Patents

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Description

本発明は、イオン注入方法およびイオン注入装置に関し、特に、イオンビームの注入角度分布を制御する技術に関する。
半導体製造工程では、半導体の導電性を変化させる目的、半導体の結晶構造を変化させる目的などのため、半導体ウエハにイオンを注入する工程（以下、「イオン注入工程」ともいう）が標準的に実施されている。イオン注入工程で使用される装置は、イオン注入装置と呼ばれ、イオン源によってイオンを生成し、生成されたイオンを加速してイオンビームを形成する機能と、そのイオンビームを注入処理室まで輸送し、処理室内のウエハにイオンビームを照射する機能を有する。処理対象となるウェハの全面にイオンを注入するため、例えば、イオンビームはビーム走査器によって往復走査され、ウェハはビーム走査方向に直交する方向に往復運動される。
ウェハに入射するイオンビームの角度が変わると、イオンビームとウェハとの相互作用の態様が変化し、イオン注入の処理結果に影響を与えることが知られている。例えば、ウェハの結晶軸または結晶面に沿ってイオンビームが入射する場合、そうではない場合と比較して、ビームの入射面からより深い位置にまで注入イオンが到達するチャネリング現象が生じ、注入処理の結果として得られるウェハ内のキャリア濃度分布に影響を及ぼす。そのため、注入処理に用いるイオンビームの入射角度を制御する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−２４５５０６号公報
ウェハに入射するイオンビームの角度特性として、ビーム全体の平均値としての入射角度の他にイオンビームを構成するイオン粒子群の角度分布が挙げられる。ウェハに入射するイオンビームは、わずかながらも発散または収束している場合があり、ビームを構成するイオン粒子群はある広がりを持つ角度分布を有する。このとき、ビーム全体の平均値としての入射角度がチャネリング条件を満たさない場合であっても、入射角度がずれた一部のイオン粒子の角度成分がチャネリング条件を満たす場合、その一部のイオンに起因するチャネリング現象が生じる。逆に、ビーム全体の平均値としての入射角度がチャネリング条件を満たす場合であっても、入射角度がずれた一部のイオン粒子の角度成分がチャネリング条件を満たさない場合、その一部のイオンに起因するチャネリング現象の抑制が生じる。したがって、ウェハ内に形成されるキャリア濃度分布の形状ないし範囲をより精密に制御するためには、ビームの角度分布についても正確に制御する必要がある。
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、イオン注入処理の注入精度を高めるための技術を提供することにある。
本発明のある態様は、イオンビームをｘ方向に往復走査させ、ウェハをｙ方向に往復運動させてウェハにイオン注入するイオン注入方法である。この方法は、所定の面チャネリング条件を満たすように配置された第１ウェハにイオンビームを照射し、ビーム照射後の第１ウェハの抵抗を測定することと、所定の軸チャネリング条件を満たすように配置された第２ウェハにイオンビームを照射し、ビーム照射後の第２ウェハの抵抗を測定することと、第１ウェハおよび第２ウェハの抵抗測定結果を用いて、イオンビームのウェハに対するｘ方向およびｙ方向の注入角度分布を調整することと、を備える。
本発明の別の態様は、イオン注入装置である。この装置は、イオンビームに電界および磁界の少なくとも一方を作用させてイオンビームを収束または発散させる二以上のレンズ装置と、イオンビームをｘ方向に往復走査させるビーム走査器と、往復走査されるイオンビームが照射されるウェハをｙ方向に往復運動させるプラテン駆動装置と、ビーム照射後のウェハの抵抗を測定する抵抗測定器と、抵抗測定器の測定結果に基づいて二以上のレンズ装置の動作パラメータを決定してイオン注入処理を実行する制御装置と、を備える。制御装置は、所定の面チャネリング条件を満たすようにプラテン駆動装置に配置された第１ウェハにイオンビームを照射させ、照射後の第１ウェハの抵抗を抵抗測定器により測定させ、所定の軸チャネリング条件を満たすようにプラテン駆動装置に配置された第２ウェハにイオンビームを照射させ、照射後の第２ウェハの抵抗を抵抗測定器により測定させ、第１ウェハおよび第２ウェハの抵抗測定結果を用いて二以上のレンズ装置の動作パラメータを決定し、イオンビームのウェハに対するｘ方向およびｙ方向の注入角度分布を調整する。
本発明のさらに別の態様は、イオン注入方法である。この方法は、イオンビームをｘ方向に往復走査させ、ウェハをｙ方向に往復運動させてウェハにイオン注入するイオン注入方法であって、ｘ方向およびｙ方向の注入角度分布が調整されたイオンビームを被処理ウェハに照射して、被処理ウェハに所望のキャリア濃度分布を形成する。
なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、イオン注入処理の注入精度を高めることができる。
図１（ａ）〜（ｅ）は、ウェハに入射するイオンビームの角度特性を模式的に示す図である。 図２（ａ）〜（ｅ）は、図１（ａ）〜（ｅ）に示すイオンビームの角度分布を模式的に示すグラフである。 イオンビームの照射によりゲート構造の近傍に形成される不純物領域を模式的に示す断面図である。 イオンビームの照射によりゲート構造の近傍に形成される不純物領域を模式的に示す断面図である。 ウェハ処理面上に形成されるゲート構造を模式的に示す平面図である。 図６（ａ）、（ｂ）は、イオンビームＢの基準軌道に対するウェハＷの向きを模式的に示す図である。 図７（ａ）、（ｂ）は、注入角度分布の評価に用いる評価用ウェハを模式的に示す図である。 図８（ａ）〜（ｃ）は、所定のチャネリング条件またはオフチャネリング条件を満たすように配置されたウェハの表面近傍の原子配列を模式的に示す図である。 オフチャネリング条件のウェハにイオンビームを照射したときのウェハのシート抵抗を示すグラフである。 図１０（ａ）、（ｂ）は、面チャネリング条件のウェハにイオンビームを照射したときのウェハのシート抵抗を示すグラフである。 軸チャネリング条件のウェハにイオンビームを照射したときのウェハのシート抵抗を示すグラフである。 実施の形態に係るイオン注入装置の概略構成を示す上面図である。 図１２のイオン注入装置の概略構成を示す側面図である。 図１４（ａ）、（ｂ）は、レンズ装置の構成を模式的に示す図である。 レンズ装置の制御例を模式的に示すグラフである。 図１６（ａ）〜（ｅ）は、レンズ装置により調整されるイオンビームの注入角度分布を模式的に示す図である。 Ｖカーブ法によるシート抵抗の測定例を示すグラフである。 実施の形態に係るイオン注入装置の動作過程を示すフローチャートである。 イオン注入により製造されるトランジスタの閾値電圧と注入に用いるイオンビームの注入角度分布の広がりとの関係性を示すグラフである。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
実施の形態を説明する前に、本発明の概要を述べる。本実施の形態に係るイオン注入装置は、イオンビームをｘ方向に往復走査させるビーム走査器と、往復走査されるイオンビームが照射されるウェハをｙ方向に往復運動させるプラテン駆動装置と、イオンビームに電界および磁界の少なくとも一方を作用させてイオンビームを収束または発散させる二以上のレンズ装置と、を備える。二以上のレンズ装置は、イオンビームに作用させる力を調整することにより、ウェハに入射するイオンビームの角度分布をｘ方向とｙ方向のそれぞれについて独立に調整できるように構成される。
ウェハに入射するイオンビームの角度が変わると、イオンビームとウェハとの相互作用の態様が変化し、イオン注入の処理結果に影響を与えることが知られている。例えば、ウェハの結晶軸または結晶面に沿ってイオンビームが入射する場合、そうではない場合と比較して、ビームの入射面からより深い位置にまで注入イオンが到達するチャネリング現象が生じ、注入処理の結果として得られるウェハ内のキャリア濃度分布に影響を及ぼす。そのため、イオン注入工程では一般的に、イオンビームの進行方向（ｚ方向）に対するウェハの傾斜角（チルト角）とウェハ表面に垂直な軸周りのウェハの回転角（ツイスト角）が調整され、ウェハに入射するビーム全体の平均値としての注入角度が制御される。
ウェハに入射するイオンビームの角度特性には、ビーム全体の平均値としての入射角度の他にイオンビームを構成するイオン粒子群の角度分布がある。ウェハに入射するイオンビームは、わずかながらも発散または収束している場合があり、ビームを構成するイオン粒子群はある広がりを持つ角度分布を有する。このとき、ビーム全体の平均値としての入射角度がチャネリング条件を満たさない場合であっても、ビームの基準軌道から入射角度のずれた一部のイオン粒子の角度成分がチャネリング条件を満たす場合、その一部のイオンに起因するチャネリング現象が生じる。逆に、ビーム全体の平均値としての入射角度がチャネリング条件を満たす場合であっても、入射角度がずれた一部のイオン粒子の角度成分がチャネリング条件を満たさない場合、その一部のイオンに起因するチャネリング現象の抑制が生じる。したがって、ウェハ内に形成されるキャリア濃度分布の形状ないし範囲をより精密に制御するためには、ビームの角度分布についても正確に制御する必要がある。
その一方で、ウェハに入射するイオンビームの角度分布を直接的に正確に測定することは難しい。イオンビームの角度分布は、例えば、ビームラインの上流と下流の異なる位置で計測したビーム形状を比較したり、ビームの一部をスリットに通過させ、スリット通過後の下流でのビーム形状をスリット形状と比較したりすることにより角度分布が算出される。つまり、ビーム進行方向のビーム形状の変化率からイオンビーム全体の発散または収束の程度が算出される。しかしながら、ビーム形状の変化から角度分布を算出する場合、ビーム形状に大きく影響しないような角度分布情報、例えば、ビームの中心付近の角度分布については正しく測定することができない。また、イオンビームを構成するイオン粒子が中性化して角度分布が変化する場合、中性化した粒子はファラデーカップで計測できないため中性粒子についての角度情報を得ることはできない。
そこで、本実施の形態では、イオンビームを直接測定してビームの角度分布情報を得るのではなく、イオンビームが入射したウェハのシート抵抗を測定することによりビームの角度分布情報を評価する。より具体的には、イオンビームを構成するイオン粒子の角度分布に応じてウェハ内でチャネリングするイオン粒子数の割合が変化し、その結果として得られるウェハのシート抵抗値が変化することを利用してイオンビームの角度分布を評価する。特に、所定の面チャネリング条件を満たす注入処理と所定の軸チャネリング条件を満たす注入処理とを組み合わせることにより、イオンビームのｘ方向およびｙ方向の注入角度分布を評価する。本実施の形態では、ｘ方向およびｙ方向のそれぞれについて注入角度分布を評価できるようにして、より精度の高いイオン注入処理が実現できるようにする。
以下、本実施の形態について、前提となる技術について詳述する。つづいて、後述する前提技術を用いてイオンビームの注入角度分布を調整するイオン注入装置について説明する。
［イオンビームの注入角度分布］
図１（ａ）〜（ｅ）は、ウェハＷに入射するイオンビームＢの角度特性を模式的に示す図である。本図に示すイオンビームＢは、いずれもウェハＷの表面に対して垂直に入射する場合、つまり、イオンビームＢの入射角度が０度となる場合を示している。しかしながら、各図に示すイオンビームＢは、ビームを構成するイオン粒子群の角度分布が異なる。
図１（ａ）は、ウェハＷに向かってイオンビームＢのビーム径が広がって発散していく「発散ビーム」を示す。図１（ｂ）は、（ａ）と同様にイオンビームＢが発散しているものの発散の程度が小さい場合を示す。図１（ｃ）は、ウェハＷに向かうイオンビームＢのビーム径が変わらない場合を示し、イオンビームＢを構成するイオン粒子のほぼ全てがビーム軌道と平行に進む「平行ビーム」を示している。図１（ｄ）は、ウェハＷに向かってイオンビームＢのビーム径が狭くなって収束していく「収束ビーム」を示す。図１（ｅ）は、（ｄ）と同様にイオンビームＢが収束しているものの収束の程度が大きい場合を示す。このようにイオンビームＢは、ビームの基準軌道に対して発散または収束している場合があり、ビーム全体としての進行方向とは別に、各イオン粒子の角度成分のばらつきを表す「角度分布」を有する。
図２（ａ）〜（ｅ）は、図１（ａ）〜（ｅ）に示すイオンビームＢの角度分布を模式的に示すグラフである。各グラフは、縦軸がイオンビームＢを構成するイオン粒子の数を表し、横軸が各イオン粒子の進行方向とイオンビームＢの進行方向とのなす角度ψを表す。図２（ｃ）に示されるように、イオンビームＢを構成するイオン粒子が全て平行に進む場合、イオンビームの角度分布の広がりは小さい。一方、図２（ａ），（ｅ）に示されるように、イオンビームＢの発散または収束が大きい場合には、イオンビームの角度分布の広がりは大きい。なお、イオンビームの角度分布の広がりの程度は、図示される角度分布の標準偏差により定量化することもできる。
イオンビーム全体としての進行方向は、ビームの角度分布の平均角度値またはピーク角度値を基準として定めることができる。したがって、図１に示す例では、イオンビームＢの進行方向はウェハＷに垂直な方向となる。このとき、イオンビームＢの進行方向に沿った方向（ｚ方向）のビーム軌道を本明細書において「基準軌道」ということがある。また、ウェハ処理面（またはウェハ主面）を基準としたときのイオンビームの入射方向を「注入角度」ということがある。この注入角度は、ウェハ主面の法線とビームの基準軌道方向との間の角度により規定される。また、ウェハ主面を基準としたときのイオンビームの角度分布を「注入角度分布」ということがある。
［ウェハに形成される不純物濃度分布］
図３は、イオンビームＢの照射によりゲート構造９０の近傍に形成される不純物領域９１を模式的に示す断面図である。本図は、ウェハ処理面上にゲート構造９０が形成されたウェハＷにイオンビームＢを照射してゲート構造９０の近傍にソース／ドレイン領域となる不純物領域９１を形成するイオン注入処理を示す。ウェハＷは、ウェハ処理面が（１００）面となるシリコン基板である。ウェハＷに入射するイオンビームＢは、ウェハ処理面に対する注入角度が０度であり、注入角度分布の広がりの小さい平行ビームである。そのため、ウェハＷに入射するイオン粒子の多くはウェハＷの＜１００＞方位の結晶軸に沿って入射し、強い軸チャネリング効果によってｚ方向に深く侵入する。その結果、イオン粒子が到達する不純物領域９１の深さ方向の広がり幅ｚ１が大きくなり、ゲート構造９０の下方に回り込んで形成される不純物領域９１のゲート長方向の広がり幅Ｌ１が小さくなる。なお、本図の左方に示すグラフは、深さ方向（ｚ方向）の不純物濃度ＮＤの分布を示し、本図の下方に示すグラフは、ゲート長方向の不純物濃度ＮＤの分布を示す。
図４は、イオンビームＢの照射によりゲート構造９０の近傍に形成される不純物領域９２を模式的に示す断面図である。本図は、ウェハＷに入射するイオンビームＢが図１（ａ）に示したような「発散ビーム」であり、注入角度分布の広がりを有する点で図３と相違する。図４のイオンビームＢは発散ビームであるため、図３に示す平行ビームと比べてチャネリング現象が生じにくく、チャネリングが生じるイオンの割合が少ない。その結果、イオン粒子が到達する不純物領域９２の深さ方向の広がり幅ｚ２が小さくなり、ゲート構造９０の下方に回り込んで形成される不純物領域９２のゲート長方向の広がり幅Ｌ２が大きくなる。なお、注入角度分布以外のビーム特性が同じであれば、イオン注入によって生成される欠陥９３の位置や不純物濃度ＮＤのピーク位置Ｒｐは図３と図４の場合においてほぼ同じである。したがって、照射するイオンビームＢの注入角度分布を適切に制御できれば、ゲート構造９０の近傍に形成される不純物領域の深さ方向およびゲート長方向の広がりの大きさ（分布）を調整できる。また、イオン注入後にウェハＷにアニール処理を加える場合であっても不純物濃度分布は相対的に維持されることから、注入角度分布を制御することで最終的に得られるキャリア濃度分布を目的に合った形状とすることができる。
イオンビームＢの注入角度分布の制御は、一次元方向だけではなくビームの進行方向と直交する断面内の二次元方向についてなされることが好ましい。一般に、同一ウェハに形成されるゲート構造は全て同じ方向を向いているわけではなく、互いに直交する方向や互いに交差する方向に配列されるためである。図５は、ウェハ処理面上に形成されるゲート構造を模式的に示す平面図であり、同一のウェハＷに形成されるゲート電極９０ａ，９０ｂの一例を示す。図示する例では、紙面上において左右方向（ｘ方向）に延在する第１ゲート電極９０ａと、紙面上において上下方向（ｙ方向）に延在する第２ゲート電極９０ｂが設けられる。このようなウェハＷにイオンビームを照射する場合、第１ゲート電極９０ａの近傍に形成される不純物領域のゲート長方向（ｙ方向）の広がり幅は、主にｙ方向の注入角度分布に影響される。一方で、第２ゲート電極９０ｂの近傍に形成される不純物領域のゲート長方向（ｘ方向）の広がり幅は、主にｘ方向の注入角度分布に影響される。したがって、第１ゲート電極９０ａおよび第２ゲート電極９０ｂの双方について所望の不純物濃度分布を得るためには、ｘ方向とｙ方向のそれぞれの注入角度分布を適切に制御する必要がある。
［シート抵抗を利用した注入角度分布の評価］
上述のように、ウェハに入射するイオンビームの注入角度分布は、ウェハに形成される不純物領域の分布形状に影響を与え、アニール処理後のウェハのキャリア濃度分布にも影響を及ぼしうる。一般に、ウェハのキャリア濃度分布が異なるとウェハのシート抵抗が異なりうることから、照射するイオンビームの注入角度分布とウェハのシート抵抗値との間には一定の相関性が成り立つことが予想される。そこで、本発明者らは、イオン注入後のウェハのシート抵抗を利用することにより、イオン注入に用いたイオンビームの注入角度分布の評価ができるかもしれないと考えた。特に、ウェハの向きを変えてイオンビームから見たｘ方向およびｙ方向のチャネリング条件を変化させることにより、ｘ方向およびｙ方向のそれぞれについて注入角度分布の評価ができるかもしれないと考えた。
図６（ａ）、（ｂ）は、イオンビームＢの基準軌道に対するウェハＷの向きを模式的に示す図である。図６（ａ）は、ビームの基準軌道が延びるｚ方向に対してウェハＷを傾けることによりチルト角θを設定した状態を示す。チルト角θは、図示されるように、ｘ軸周りにウェハＷを回転させたときの回転角として設定される。チルト角θ＝０°となる状態は、ウェハＷにイオンビームＢが垂直に入射する場合である。図６（ｂ）は、ウェハ主面に垂直な軸周りにウェハＷを回転させることによりツイスト角φを設定した状態を示す。ツイスト角φは、図示されるように、ウェハ主面に垂直な軸周りにウェハＷを回転させたときの回転角として設定される。ツイスト角φ＝０°となる状態は、ウェハＷの中心Ｏからアライメントマーク９４に延びる線分がｙ方向となる場合である。本実施の形態では、イオンビームＢに対するウェハＷの配置としてチルト角θとツイスト角φを適切に設定することにより所定のチャネリング条件が実現されるようにする。
図７（ａ）、（ｂ）は、注入角度分布の評価に用いる評価用ウェハＷＴを模式的に示す図である。図７（ａ）は、評価用ウェハＷＴの結晶方位を示し、図７（ｂ）は、評価用ウェハＷＴの表面近傍の原子配列を示す。本実施の形態では、評価用ウェハＷＴとして、ウェハ主面の面方位が（１００）面である単結晶シリコン基板を用いる。評価用ウェハＷＴのアライメントマーク９４は、＜１１０＞方位を示す位置に設けられる。評価用ウェハＷＴは、いわゆるベアウェハであり、半導体回路を構成するためのゲート構造やトレンチ構造などが設けられていない。
評価用ウェハＷＴは、厳密なチャネリング条件を実現できるようにウェハ主面のオフ角が十分小さいことが望ましく、半導体回路製造に一般的に用いられるベアウェハよりも小さいオフ角を有することが好ましい。具体的には、オフ角が０．１度以下となるように切り出されたシリコン基板を用いることが好ましい。ここで「オフ角」とは、ウェハ主面の法線方向とウェハを構成するシリコンの結晶軸の＜１００＞方位との間の角度ずれである。オフ角が０度である場合、評価用ウェハＷＴのウェハ主面がシリコン結晶の（１００）面に厳密に一致する。
図８（ａ）〜（ｃ）は、所定のチャネリング条件またはオフチャネリング条件を満たすように配置されたウェハの表面近傍の原子配列を模式的に示す図であり、ウェハに入射するイオンビームから見た原子配列を示す。本図では、シリコン原子の位置を黒丸で示している。また、奥行き方向（ｚ方向）に異なる位置にあるシリコン原子をｘｙ面内に重ねて描いている。
図８（ａ）は、軸チャネリング条件を満たすように配置された場合の原子配列を示し、上述の評価用ウェハＷＴをツイスト角φ＝２３°、チルト角θ＝０°の向きで配置した場合を示す。図示する軸チャネリング条件では、実線上に配置されるシリコン原子により形成される複数の第１結晶面９６と、破線上に配置されるシリコン原子により形成される複数の第２結晶面９７とが互いに交差して格子状に配列され、一次元的に延びる軸状の隙間（チャネリング軸９５）が形成される。その結果、ｘ方向およびｙ方向の少なくとも一方に角度分布を有するイオンビームは、ｚ方向に直進するイオン粒子のみがチャネリングし、ｚ方向からある程度ずれた角度成分を有するイオン粒子はいずれかの結晶面に遮られてチャネリングしない。したがって、軸チャネリング条件を満たすように配置されるウェハは、主としてイオンビームの基準軌道に沿って軸方向に進むイオン粒子をチャネリングさせる「軸チャネリング」を生じさせる。
軸チャネリング条件を満たす配置は、上述のツイスト角およびチルト角に限られず、図示するような原子配列が実現されるようなウェハ配置であれば、他のツイスト角およびチルト角を用いてもよい。より具体的には、ウェハに入射するイオンビームの基準軌道に沿う方向にチャネリング軸を有する一方で、イオンビームの基準軌道方向（ｚ方向）とウェハの往復運動方向（ｙ方向）により規定される基準面と平行または直交するチャネリング面を有しないように評価用ウェハＷＴが配置されるのであれば、他の角度条件が用いられてもよい。このような軸チャネリング条件を実現するために、例えば、評価用ウェハＷＴのツイスト角を実質的に１５度〜３０度の範囲内とし、チルト角を実質的に０度としてもよい。
図８（ｂ）は、面チャネリング条件を満たすように配置された場合の原子配列を示し、上述の評価用ウェハＷＴをツイスト角φ＝０°、チルト角θ＝１５°の向きで配置した場合を示す。図示する面チャネリング条件では、ｙｚ平面内に配列されたシリコン原子による複数の結晶面９９が形成され、ｘ方向に対向する結晶面９９の間に二次元的な広がりを有する隙間（チャネリング面９８）が形成される。その結果、ｘ方向に角度分布を有するイオンビームは、ｚ方向に直進する一部のイオン粒子のみがチャネリングし、ｘ方向にある程度ずれた角度成分を有するイオン粒子は結晶面９９に遮られてチャネリングしない。一方、ｙ方向に角度分布を有するイオンビームは、結晶面９９に遮られることなく結晶面間の隙間をチャネリングする。したがって、面チャネリング条件を満たすように配置されるウェハは、主としてイオンビームの基準軌道に沿うｚ方向とｙ方向の双方により規定される基準面に沿って進むイオン粒子をチャネリングさせる「面チャネリング」を生じさせる。よって、面チャネリング条件を満たすように配置されたウェハに対してイオンビームを照射すると、ｘ方向に角度成分を有するイオン粒子はチャネリングせず、ｙ方向に角度成分を有するイオン粒子はチャネリングするという方向依存性が生じる。
面チャネリング条件を満たす配置は、上述のツイスト角およびチルト角に限られず、図示されるような原子配列が実現可能なウェハ配置であれば、他のツイスト角およびチルト角を用いてもよい。より具体的には、ウェハに入射するイオンビームの基準軌道に沿う方向とｙ方向の双方により規定される基準面に平行なチャネリング面を有する一方で、基準面と直交するチャネリング面を有しないような向きに評価用ウェハＷＴが配置されるのであれば、他の角度条件が用いられてもよい。面チャネリング条件を実現するために、例えば、評価用ウェハＷＴのツイスト角を実質的に０度または４５度とし、チルト角を１５度〜６０度の範囲内としてもよい。
図８（ｃ）は、オフチャネリング条件を満たすように配置された場合の原子配列を示し、上述の評価用ウェハＷＴをツイスト角φ＝２３°、チルト角θ＝７°の向きで配置した場合を示す。図示されるオフチャネリング条件では、イオン粒子の通り道となるチャネルが見えず、シリコン原子がｘ方向およびｙ方向に隙間なく配置されているように見える。その結果、オフチャネリング条件を満たすウェハに向けてイオンビームを照射すると、ビームを構成するイオン粒子がｘ方向およびｙ方向の角度成分を有するか否かに拘わらず、チャネリング現象が生じないようになる。
オフチャネリング条件を満たす配置は、上述のツイスト角およびチルト角に限られず、図示されるような原子配列が実現可能なウェハ配置であれば、他のツイスト角およびチルト角を用いてもよい。より具体的には、ウェハの｛１００｝面、｛１１０｝面、｛１１１｝面などの低次の結晶面がイオンビームの基準軌道と斜めに交差するような向きに評価用ウェハＷＴが配置されれば、他の角度条件が用いられてもよい。オフチャネリング条件を実現するために、例えば、評価用ウェハＷＴのツイスト角を１５度〜３０度の範囲内とし、チルト角を７度〜１５度の範囲内としてもよい。
なお、オフチャネリング条件を実現するために、評価用ウェハＷＴに対してプレアモルファス化処理を施してもよい。プレアモルファス化処理では、シリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）といったキャリア濃度分布に影響を及ぼさないイオン種のイオンビームを照射して表面近傍の結晶構造を変化させ、ウェハの表面近傍をアモルファス状態にする。アモルファス状態にすることで結晶の規則的な構造を壊してイオン粒子の通り道となるチャネルが存在しないようにでき、上述の「オフチャネリング」条件を実現できる。
つづいて、各チャネリング条件を満たす評価用ウェハＷＴにイオンビームを照射した場合のウェハのシート抵抗について説明する。本実施の形態では、イオンビームを照射した評価用ウェハＷＴにアニール処理を施した後、四探針法を用いてウェハのシート抵抗を測定する。なお、四探針法によるシート抵抗の測定方法は公知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
図９は、オフチャネリング条件のウェハにイオンビームを照射したときのウェハのシート抵抗Ｒｓを示すグラフであり、注入角度分布に関するビーム条件を変えた場合に得られるシート抵抗値を示す。グラフの縦軸は、測定したシート抵抗値（Ω／□）を示し、横軸は異なるビーム条件Ａ〜Ｄを示す。ビーム条件Ａは、ｘ方向の注入角度分布の広がりが小さく、ｙ方向の注入角度分布の広がりが大きい場合、ビーム条件Ｂは、ｘ方向およびｙ方向の双方の注入角度分布の広がりが小さい場合、ビーム条件Ｃは、ｘ方向の注入角度分布の広がりが大きく、ｙ方向の注入角度分布の広がりが小さい場合、ビーム条件Ｄは、ｘ方向およびｙ方向の双方の注入角度分布の広がりが中程度の場合である。なお、イオンビームのビーム電流量といった他の注入条件は同じである。
図９に示されるように、オフチャネリング条件のウェハを用いる場合、照射するイオンビームの注入角度分布を変えたとしても得られるシート抵抗値は同等となる。これは、ビームの注入角度分布の特性に関係なくチャネリング現象が生じないことに起因すると考えられる。このことから、オフチャネリング条件のウェハを利用したシート抵抗の測定により、注入角度分布に依存しないビーム特性、例えば、ビーム照射により得られるドーズ量を評価できる。
図１０（ａ）、（ｂ）は、面チャネリング条件のウェハにイオンビームを照射したときのウェハのシート抵抗Ｒｓを示すグラフである。図１０（ａ）は、ｙ方向の注入角度分布に関するビーム条件を変えた場合に得られるシート抵抗値を示している。グラフの縦軸は、測定したシート抵抗値（Ω／□）を示し、横軸は異なるビーム条件Ａ，Ｂを示す。ビーム条件Ａは、ｘ方向の注入角度分布の広がりが小さく、ｙ方向の注入角度分布の広がりが大きい場合、ビーム条件Ｂは、ｘ方向およびｙ方向の双方の注入角度分布の広がりが小さい場合である。したがって、二つのビーム条件Ａ，Ｂは、ｘ方向の注入角度分布の広がりが同等であり、ｙ方向の注入角度分布の広がりが異なる。図示されるように、面チャネリング条件のウェハにｙ方向の注入角度分布の広がりが異なるイオンビームを照射しても得られるシート抵抗値の差は十分に小さく、ほぼ同等となる。つまり、面チャネリング条件のウェハにイオンビームを照射する場合、得られるシート抵抗値にｙ方向の注入角度分布の差はほとんど反映されない。
図１０（ｂ）は、ｘ方向の注入角度分布に関するビーム条件を変えた場合に得られるシート抵抗値を示している。グラフの縦軸は、測定したシート抵抗値（Ω／□）を示し、横軸は照射したビームのｘ方向の注入角度分布の広がりの標準偏差値（角度）を示す。なお、イオンビームのビーム電流量といった他の注入条件は同じである。図示されるように、ｘ方向の注入角度分布の広がりが大きくなるにつれて得られるシート抵抗値が増大することがわかる。これは、ｘ方向の注入角度分布の広がりが大きくなるにつれて軸方向にチャネリングしてより深い位置に注入されるイオン粒子数が減少することに起因すると考えられる。このことから、面チャネリング条件のウェハを利用したシート抵抗の測定により、ビームのｘ方向の注入角度分布の広がりを評価できる。
図１１は、軸チャネリング条件のウェハにイオンビームを照射したときのウェハのシート抵抗Ｒｓを示すグラフであり、ｙ方向の注入角度分布に関するビーム条件を変えた場合に得られるシート抵抗を示している。グラフの縦軸は、測定したシート抵抗値（Ω／□）を示し、横軸は照射したビームのｙ方向の注入角度分布の広がりの標準偏差値（角度）を示す。なお、イオンビームのビーム電流量といった他の注入条件は同じである。図示されるように、ｙ方向の注入角度分布の広がりが大きくなるにつれて得られるシート抵抗値が増大することがわかる。これは、注入角度分布の広がりが大きくなるにつれて軸方向にチャネリングしてより深い位置に注入されるイオン粒子数が減少することに起因すると考えられる。このことから、軸チャネリング条件のウェハを利用したシート抵抗の測定により、ビームの注入角度分布の広がりを評価できる。また、上述の面チャネリング条件の評価結果と組み合わせて分析することにより、ビームのｙ方向の注入角度分布の広がりを評価することが可能となる。
［イオン注入装置の構成］
つづいて、上述の技術を利用したイオン注入装置１０について説明する。図１２は、実施の形態に係るイオン注入装置１０を概略的に示す上面図であり、図１３は、イオン注入装置１０の概略構成を示す側面図である。
イオン注入装置１０は、被処理物Ｗの表面にイオン注入処理をするよう構成されている。被処理物Ｗは、例えば基板であり、例えば半導体ウェハである。よって以下では説明の便宜のため被処理物ＷをウェハＷと呼ぶことがあるが、これは注入処理の対象を特定の物体に限定することを意図していない。
イオン注入装置１０は、ビームを一方向に往復走査させ、ウェハＷを該一方向と直交する方向に往復運動させることによりウェハＷの全体にわたってイオンビームＢを照射するよう構成されている。本書では説明の便宜上、設計上のビーム軌道を進むイオンビームＢの進行方向をｚ方向とし、ｚ方向に垂直な面をｘｙ面と定義する。イオンビームＢを被処理物Ｗに対し走査する場合において、ビームの走査方向をｘ方向とし、ｚ方向及びｘ方向に垂直な方向をｙ方向とする。よって、ビームの往復走査はｘ方向に行われ、ウェハＷの往復運動はｙ方向に行われる。
イオン注入装置１０は、イオン源１２と、ビームライン装置１４と、注入処理室１６と、ウェハ搬送室６０と、ウェハ評価室６２と、制御装置７０とを備える。イオン源１２は、イオンビームＢをビームライン装置１４に与えるよう構成されている。ビームライン装置１４は、イオン源１２から注入処理室１６へとイオンを輸送するよう構成されている。また、イオン注入装置１０は、イオン源１２、ビームライン装置１４、注入処理室１６、及びウェハ搬送室６０に所望の真空環境を提供するための真空排気系（図示せず）を備える。
ビームライン装置１４は、例えば、上流から順に、質量分析部１８、可変アパチャ２０、ビーム収束部２２、第１ビーム計測器２４、ビーム走査器２６、平行化レンズ３０又はビーム平行化装置、及び、角度エネルギーフィルタ（ＡＥＦ；Angular Energy Filter）３４を備える。なお、ビームライン装置１４の上流とは、イオン源１２に近い側を指し、下流とは注入処理室１６（またはビームストッパ３８）に近い側を指す。
質量分析部１８は、イオン源１２の下流に設けられており、イオン源１２から引き出されたイオンビームＢから必要なイオン種を質量分析により選択するよう構成されている。
可変アパチャ２０は、開口幅が調整可能なアパチャであり、開口幅を変えることでアパチャを通過するイオンビームＢのビーム電流量を調整する。可変アパチャ２０は、例えば、ビームラインを挟んで上下に配置されるアパチャプレートを有し、アパチャプレートの間隔を変化させることによりビーム電流量を調整してもよい。
ビーム収束部２２は、四重極収束装置（Ｑレンズ）などの収束レンズを備えており、可変アパチャ２０を通過したイオンビームＢを所望の断面形状に整形するよう構成されている。ビーム収束部２２は、電場式の三段四重極レンズ（トリプレットＱレンズともいう）であり、上流側から順に第１四重極レンズ２２ａ、第２四重極レンズ２２ｂ、第３四重極レンズ２２ｃを有する。ビーム収束部２２は、三つのレンズ装置２２ａ，２２ｂ，２２ｃを用いることにより、ウェハＷに入射するイオンビームＢのｘ方向およびｙ方向の収束または発散をそれぞれの方向について独立に調整しうる。ビーム収束部２２は、磁場式のレンズ装置を含んでもよく、電場と磁場の双方を利用してビームを整形するレンズ装置を含んでもよい。
第１ビーム計測器２４は、ビームライン上に出し入れ可能に配置され、イオンビームの電流を測定するインジェクタフラグファラデーカップである。第１ビーム計測器２４は、ビーム収束部２２により整形されたイオンビームＢのビーム形状を計測できるように構成される。第１ビーム計測器２４は、ビーム電流を計測するファラデーカップ２４ｂと、ファラデーカップ２４ｂを上下に移動させる駆動部２４ａを有する。図１３の破線で示すように、ビームライン上にファラデーカップ２４ｂを配置した場合、イオンビームＢはファラデーカップ２４ｂにより遮断される。一方、図１３の実線で示すように、ファラデーカップ２４ｂをビームライン上から外した場合、イオンビームＢの遮断が解除される。
ビーム走査器２６は、ビームの往復走査を提供するよう構成されており、整形されたイオンビームＢをｘ方向に走査する偏向手段である。ビーム走査器２６は、ｘ方向に対向して設けられる走査電極対２８を有する。走査電極対２８は可変電圧電源（図示せず）に接続されており、走査電極対２８に印加される電圧を周期的に変化させることにより、電極間に生じる電界を変化させてイオンビームＢをさまざまな角度に偏向させる。こうして、イオンビームＢは、ｘ方向の走査範囲にわたって走査される。なお、図１２において矢印Ｘによりビームの走査方向及び走査範囲を例示し、走査範囲でのイオンビームＢの複数の軌跡を一点鎖線で示している。
平行化レンズ３０は、走査されたイオンビームＢの進行方向を設計上のビーム軌道と平行にするよう構成されている。平行化レンズ３０は、中央部にイオンビームの通過スリットが設けられた円弧形状の複数のＰレンズ電極３２を有する。Ｐレンズ電極３２は、高圧電源（図示せず）に接続されており、電圧印加により生じる電界をイオンビームＢに作用させて、イオンビームＢの進行方向を平行に揃える。なお、平行化レンズ３０は他のビーム平行化装置で置き換えられてもよく、ビーム平行化装置は磁界を利用する磁石装置として構成されてもよい。平行化レンズ３０の下流には、イオンビームＢを加速または減速させるためのＡＤ（Accel／Decel）コラム（図示せず）が設けられてもよい。
角度エネルギーフィルタ（ＡＥＦ）３４は、イオンビームＢのエネルギーを分析し必要なエネルギーのイオンを下方に偏向して注入処理室１６に導くよう構成されている。角度エネルギーフィルタ３４は、電界偏向用のＡＥＦ電極対３６を有する。ＡＥＦ電極対３６は、高圧電源（図示せず）に接続される。図１３において、上側のＡＥＦ電極に正電圧、下側のＡＥＦ電極に負電圧を印加させることにより、イオンビームＢをビーム軌道から下方に偏向させる。なお、角度エネルギーフィルタ３４は、磁界偏向用の磁石装置で構成されてもよく、電界偏向用のＡＥＦ電極対と磁石装置の組み合わせで構成されてもよい。
このようにして、ビームライン装置１４は、ウェハＷに照射されるべきイオンビームＢを注入処理室１６に供給する。
注入処理室１６は、図１３に示すように、１枚又は複数枚のウェハＷを保持するプラテン駆動装置５０を備える。プラテン駆動装置５０は、ウェハ保持部５２と、往復運動機構５４と、ツイスト角調整機構５６と、チルト角調整機構５８とを含む。ウェハ保持部５２は、ウェハＷを保持するための静電チャック等を備える。往復運動機構５４は、ビーム走査方向（ｘ方向）と直交する往復運動方向（ｙ方向）にウェハ保持部５２を往復運動させることにより、ウェハ保持部５２に保持されるウェハをｙ方向に往復運動させる。図１３において、矢印ＹによりウェハＷの往復運動を例示する。
ツイスト角調整機構５６は、ウェハＷの回転角を調整する機構であり、ウェハ処理面の法線を軸にウェハＷを回転させることにより、ウェハの外周部に設けられるアライメントマークと基準位置との間のツイスト角を調整する。ここで、ウェハのアライメントマークとは、ウェハの外周部に設けられるノッチやオリフラのことをいい、ウェハの結晶軸方向やウェハの周方向の角度位置の基準となるマークをいう。ツイスト角調整機構５６は、図示されるようにウェハ保持部５２と往復運動機構５４の間に設けられ、ウェハ保持部５２とともに往復運動される。
チルト角調整機構５８は、ウェハＷの傾きを調整する機構であり、ウェハ処理面に向かうイオンビームＢの進行方向とウェハ処理面の法線との間のチルト角を調整する。本実施の形態では、ウェハＷの傾斜角のうち、ｘ方向の軸を回転の中心軸とする角度をチルト角として調整する。チルト角調整機構５８は、往復運動機構５４と注入処理室１６の壁面の間に設けられており、往復運動機構５４を含むプラテン駆動装置５０全体をＲ方向に回転させることでウェハＷのチルト角を調整するように構成される。
注入処理室１６は、ビームストッパ３８を備える。ビーム軌道上にウェハＷが存在しない場合には、イオンビームＢはビームストッパ３８に入射する。また、注入処理室１６には、イオンビームのビーム電流量やビーム電流密度分布を計測するための第２ビーム計測器４４が設けられる。第２ビーム計測器４４は、サイドカップ４０Ｒ、４０Ｌと、センターカップ４２を有する。
サイドカップ４０Ｒ、４０Ｌは、ウェハＷに対してｘ方向にずれて配置されており、イオン注入時にウェハＷに向かうイオンビームを遮らない位置に配置される。イオンビームＢは、ウェハＷが位置する範囲を超えてオーバースキャンされるため、イオン注入時においても走査されるビームの一部がサイドカップ４０Ｒ、４０Ｌに入射する。これにより、イオン注入処理中のイオン照射量を計測する。サイドカップ４０Ｒ、４０Ｌの計測値は、第２ビーム計測器４４に送られる。
センターカップ４２は、ウェハＷの表面（ウェハ処理面）におけるビーム電流密度分布を計測するためのものである。センターカップ４２は、可動式となっており、イオン注入時にはウェハ位置から待避され、ウェハＷが照射位置にないときにウェハ位置に挿入される。センターカップ４２は、ｘ方向に移動しながらビーム電流量を計測して、ビーム走査方向のビーム電流密度分布を計測する。センターカップ４２は、ウェハ処理面の位置でのイオンビームＢのビーム形状を計測できるように構成される。センターカップ４２の計測値は、第２ビーム計測器４４に送られる。なお、センターカップ４２は、ビーム走査方向の複数の位置におけるイオン照射量を同時に計測可能となるように、複数のファラデーカップがｘ方向に並んだアレイ状に形成されていてもよい。
ウェハ搬送室６０は、注入処理室１６に隣接する位置に設けられる。ウェハ搬送室６０は、イオン注入される前の処理前ウェハを準備して注入処理室１６に搬入し、イオン注入された後の処理済ウェハを注入処理室１６から搬出する。ウェハ搬送室６０は、大気圧下のウェハを高真空状態の注入処理室１６に搬入するためのロードロック室や、一枚または複数枚のウェハを搬送するための搬送ロボット等を有する。
ウェハ評価室６２は、注入処理室１６にてイオン注入されたウェハのシート抵抗を測定する場所である。ウェハ評価室６２は、ウェハ搬送室６０に隣接する位置に設けられ、ウェハ搬送室６０を介して処理済ウェハが搬入されるように構成される。ウェハ評価室６２は、処理済ウェハのシート抵抗を測定するためのシート抵抗測定器６４と、シート抵抗の測定前に処理済ウェハをアニールするためのアニール装置６６とを有する。シート抵抗測定器６４は、例えば、四探針法によりウェハのシート抵抗を測定するよう構成される。アニール装置６６は、注入された不純物濃度分布のアニール時の拡散による変化が抑制されるように、９００℃〜１０００℃程度の比較的低い温度でアニールするよう構成される。
図１４（ａ）、（ｂ）は、レンズ装置の構成を模式的に示す図である。図１４（ａ）は、イオンビームＢを縦方向（ｙ方向）に収束させる第１四重極レンズ２２ａおよび第３四重極レンズ２２ｃの構成を示し、図１４（ｂ）は、イオンビームＢを横方向（ｘ方向）に収束させる第２四重極レンズ２２ｂの構成を示す。
図１４（ａ）の第１四重極レンズ２２ａは、横方向（ｘ方向）に対向する一組の水平対向電極８２と、縦方向（ｙ方向）に対向する一組の垂直対向電極８４とを有する。一組の水平対向電極８２には負電位−Ｑｙが印加され、垂直対向電極８４には正電位＋Ｑｙが印加される。第１四重極レンズ２２ａは、正の電荷を有するイオン粒子群で構成されるイオンビームＢに対し、負電位の水平対向電極８２との間で引力を生じさせ、正電位の垂直対向電極８４との間で斥力を生じさせる。これにより、第１四重極レンズ２２ａは、イオンビームＢをｘ方向に発散させ、ｙ方向に収束させるようにビーム形状を整える。第３四重極レンズ２２ｃも第１四重極レンズ２２ａと同様に構成され、第１四重極レンズ２２ａと同じ電位が印加される。
図１４（ｂ）の第２四重極レンズ２２ｂは、横方向（ｘ方向）に対向する一組の水平対向電極８６と、縦方向（ｙ方向）に対向する一組の垂直対向電極８８とを有する。第２四重極レンズ２２ｂは、第１四重極レンズ２２ａと同様に構成されるが、印加される電位の正負が逆である。一組の水平対向電極８６には正電位＋Ｑｘが印加され、垂直対向電極８８には負電位−Ｑｘが印加される。第２四重極レンズ２２ｂは、正の電荷を有するイオン粒子群で構成されるイオンビームＢに対し、正電位の水平対向電極８６との間で斥力を生じさせ、負電位の垂直対向電極８８との間で引力を生じさせる。これにより、第２四重極レンズ２２ｂは、イオンビームＢをｘ方向に収束させ、ｙ方向に発散させるようにビーム形状を整える。
図１５は、レンズ装置の制御例を模式的に示すグラフであり、レンズ装置の対向電極に印加される電位Ｑｘ，Ｑｙと整形されるビームの角度分布との関係性を示す。横軸の縦収束電位Ｑｙは、第１四重極レンズ２２ａおよび第３四重極レンズ２２ｃに印加される電位を示し、縦軸の横収束電位Ｑｘは、第２四重極レンズ２２ｂに印加される電位を示す。図１６（ａ）〜（ｅ）は、レンズ装置により調整されるイオンビームの注入角度分布を模式的に示すグラフである。上段にｘ方向の注入角度分布を示し、下段にｙ方向の注入角度分布を示している。（ａ）〜（ｅ）に示すグラフは、それぞれ図１５の地点Ａ１／Ａ２、地点Ｂ１／Ｂ２、地点Ｃ、地点Ｄ１／Ｄ２、地点Ｅ１／Ｅ２における電位を用いた場合に対応する。
所定の電位Ｑｘ０、Ｑｙ０が印加される地点Ｃは、図１６（ｃ）に示すように、ｘ方向およびｙ方向の双方の注入角度分布の広がりが小さい「平行ビーム」となる動作条件である。この地点Ｃから直線Ｌｘに沿って電位Ｑｘ，Ｑｙを変化させると、ｘ方向の注入角度分布のみを変化させ、ｙ方向の注入角度分布を変化させないようにビーム調整できる。地点Ｃから地点Ｂ１，Ａ１へと横収束電位Ｑｘを上げていくと、ｘ方向に収束された「収束ビーム」となってｘ方向の注入角度分布の広がりが大きくなる。一方、地点Ｃから地点Ｂ２，Ａ２へと横収束電位Ｑｘを下げていくと、ｘ方向に発散された「発散ビーム」となってｘ方向の注入角度分布の広がりが大きくなる。
同様に、地点Ｃから直線Ｌｙに沿って電位Ｑｘ，Ｑｙを変化させると、ｙ方向の注入角度分布のみを変化させ、ｘ方向の注入角度分布を変化させないようビームを調整できる。地点Ｃから地点Ｄ１，Ｅ１へと縦収束電位Ｑｙを上げていくと、ｙ方向に収束された「収束ビーム」となってｙ方向の注入角度分布の広がりが大きくなる。一方、地点Ｃから地点Ｄ２，Ｅ２へと縦収束電位Ｑｙを下げていくと、ｙ方向に発散された「発散ビーム」となってｙ方向の注入角度分布の広がりが大きくなる。
このようにして、三段式のレンズ装置のそれぞれに印加する電位Ｑｘ，Ｑｙを一定の条件下で変化させることにより、ウェハＷに照射されるイオンビームのｘ方向およびｙ方向の注入角度分布をそれぞれ独立に制御することができる。例えば、ｘ方向の注入角度分布のみを調整したい場合、ΔＱｘ＝α・ΔＱｙの関係性が維持されるようにして直線Ｌｘの傾きに合わせて電位を変化させればよい。同様に、ｙ方向の注入角度分布のみを調整したい場合、ΔＱｘ＝β・ΔＱｙの関係性が維持されるようにして直線Ｌｙの傾きに合わせて電位を変化させればよい。なお、直線Ｌｘ，Ｌｙの傾きα，βの値は、使用するレンズ装置の光学特性に応じて適切な値が求められる。
制御装置７０は、イオン注入装置１０を構成する各機器の動作を制御する。制御装置７０は、実施しようとするイオン注入工程の注入条件の設定を受け付ける。制御装置７０は、注入条件として、イオン種、注入エネルギー、ビーム電流量、ウェハ面内のドーズ量、チルト角、ツイスト角などの設定を受け付ける。また、制御装置７０は、イオンビームの注入角度分布に関する設定を受け付ける。
制御装置７０は、設定された注入条件が実現されるように各機器の動作パラメータを決定する。制御装置７０は、イオン種を調整するためのパラメータとして、イオン源１２のガス種や、イオン源１２の引出電圧、質量分析部１８の磁場の値などを決定する。制御装置７０は、注入エネルギーを調整するためのパラメータとして、イオン源１２の引出電圧、Ｐレンズ電極３２の印加電圧、ＡＤコラムの印加電圧の値などを決定する。制御装置７０は、ビーム電流量を調整するためのパラメータとして、イオン源１２のガス量、アーク電流、アーク電圧、ソースマグネット電流といった各種パラメータや、可変アパチャ２０の開口幅を調整するためのパラメータなどを決定する。また、制御装置７０は、ウェハ面内のドーズ量またはドーズ量分布を調整するためのパラメータとして、ビーム走査器２６の走査パラメータや、プラテン駆動装置５０の速度パラメータなどを決定する。
制御装置７０は、イオンビームの注入角度分布を評価するために、所定のチャネリング条件を満たすように配置された評価用ウェハＷＴにイオンビームを照射する試験照射工程を実行する。制御装置７０は、面チャネリング条件、軸チャネリング条件またはオフチャネリング条件を満たすように評価用ウェハＷＴをプラテン駆動装置５０に配置させ、配置された評価用ウェハＷＴに対するイオン注入処理を実行する。制御装置７０は、試験照射された評価用ウェハＷＴをウェハ評価室６２に搬送させ、ウェハ評価室６２にてアニール処理およびシート抵抗の測定を実施させる。
制御装置７０は、シート抵抗の測定結果を利用してイオンビームの注入角度分布が所望の分布となるように調整する。制御装置７０は、ビーム収束部２２の三つのレンズ装置２２ａ，２２ｂ，２２ｃに印加する横収束電位Ｑｘおよび縦収束電位Ｑｙの値を調整することにより、イオンビームのｘ方向およびｙ方向の注入角度分布をそれぞれ独立に制御する。制御装置７０は、注入角度分布が調整されたイオンビームを被処理ウェハに照射し、被処理ウェハ内に所望のキャリア濃度分布が形成されるような本照射工程を実行する。
つづいて、イオンビームの具体的な調整例について説明する。ここでは、イオン注入装置１０が出力するイオンビームのビーム特性、特に注入角度分布に関する特性を較正するための調整手法について説明する。この調整手法は、イオン注入装置１０が出力する第１イオンビームの特性を基準となる別のイオン注入装置（以下、基準装置ともいう）が出力する第２イオンビームの特性に合わせ込むための方法である。
本調整例に係る方法は、イオンビームのドーズ量を合わせる第１工程と、イオンビームの注入角度の基準値を合わせる第２工程と、イオンビームのｘ方向の注入角度分布を合わせる第３工程と、イオンビームのｙ方向の注入角度分布を合わせる第４工程と、を備える。
第１工程では、上述のオフチャネリング条件を利用する。オフチャネリング条件にてイオンビームを照射する場合、ｘ方向およびｙ方向の注入角度分布に起因するシート抵抗値の変化が見られないため、ビーム照射によりウェハに注入されたドーズ量を比較できる。第１工程では、イオン注入装置１０を用いてオフチャネリング条件の評価用ウェハＷＴにイオンビームを照射し、ビーム照射後にアニール処理が施されたウェハのシート抵抗を測定する。また、基準装置においてもオフチャネリング条件の評価用ウェハＷＴにイオンビームを照射し、ビーム照射後にアニール処理が施されたウェハのシート抵抗を測定する。両者のシート抵抗値の測定結果を比較し、差があればシート抵抗値の差が解消されるようにイオン注入装置１０のドーズ量を設定するための各種パラメータを調整する。
第２工程では、上述の軸チャネリング条件を応用した「Ｖカーブ法」といわれる手法を用いる。Ｖカーブ法では、評価用ウェハＷＴのチルト角をわずかに変化させてビーム照射することにより、シート抵抗値が最小となるチルト角の値からビームの基準軌道の方向を推定する。具体的には、ツイスト角φ＝２３°、チルト角θ＝０°の軸チャネリング条件を満たす向きを中心にして、例えばチルト角θを−２°〜＋２°の範囲で変化させ、各チルト角にてイオンビームが照射された評価用ウェハＷＴのシート抵抗を測定する。
図１７は、Ｖカーブ法による測定例を示すグラフであり、イオン注入装置１０における第１イオンビームの測定結果Ｖ１と基準装置における第２イオンビームの測定結果Ｖ２とを示す。図示されるように、複数の測定点をＶ状の曲線で近似することでシート抵抗のチルト角依存性が得られる。本グラフの例では、シート抵抗の最小値がチルト角θ＝０°の場合であり、チルト角の基準値（例えばθ＝０°）とビームの基準軌道方向との間に角度ずれが生じていない場合を示している。Ｖカーブ法の測定により装置間でチルト角に差異があることが検出された場合には、イオン注入装置１０のチルト角が基準装置のチルト角と一致するように調整する。より具体的には、イオン注入装置１０のチルト角またはビームの基準軌道方向の少なくとも一方を調整することにより、ビームの注入角度（ウェハに対するビーム全体の平均値としての入射角度）の基準値が装置間で一致するようにする。例えば、イオン注入装置１０のチルト角の基準値に所定のオフセットを加えることにより、基準装置との間のチルト角のずれが反映されるようにしてもよい。その他、ビームライン装置１４の各種パラメータを調整することにより、イオン注入装置１０の基準軌道方向を変化させ、基準装置との間のビーム軌道方向のずれが反映されるようにしてもよい。
図１７に示すグラフでは、二つの測定結果Ｖ１，Ｖ２のシート抵抗の最小値に差分ΔＲが生じている。この抵抗値の差分ΔＲは、第１イオンビームと第２イオンビームの注入角度分布の差に起因し、シート抵抗の最小値が小さい第２イオンビームに比べて、シート抵抗の最小値が大きい第１イオンビームの方が注入角度分布が大きいことを意味している。このようにシート抵抗値の差分ΔＲが見られる場合には、第３工程および第４工程により両者の注入角度分布を合わせ込む調整を行う。なお、両者のシート抵抗の最小値がほぼ一致する場合や、シート抵抗の最小値の差が基準範囲内である場合は、以下の第３工程および第４工程による注入角度分布の調整を省略してもよい。
第３工程では、上述の面チャネリング条件を利用してｘ方向の注入角度分布を評価する。イオン注入装置１０を用いて面チャネリング条件の評価用ウェハＷＴにイオンビームを照射し、ビーム照射後にアニール処理が施されたウェハのシート抵抗を測定する。また、基準装置においても面チャネリング条件の評価用ウェハＷＴにイオンビームを照射し、ビーム照射後にアニール処理が施されたウェハのシート抵抗を測定する。両者のシート抵抗値の測定結果を比較し、差があればシート抵抗値の差が解消されるようにビーム収束部２２の動作パラメータを調整する。具体的には、ΔＱｘ＝α・ΔＱｙの関係性が維持されるようにしてレンズ装置に印加する電圧Ｑｘ、Ｑｙを調整し、ｘ方向の注入角度分布が所望の分布となるようにする。
第４工程では、上述の軸チャネリング条件を利用してｙ方向の注入角度分布を評価する。イオン注入装置１０を用いて軸チャネリング条件の評価用ウェハＷＴにイオンビームを照射し、ビーム照射後にアニール処理が施されたウェハのシート抵抗を測定する。また、基準装置においても軸チャネリング条件の評価用ウェハＷＴにイオンビームを照射し、ビーム照射後にアニール処理が施されたウェハのシート抵抗を測定する。両者のシート抵抗値の測定結果を比較し、差があればシート抵抗値の差が解消されるようにビーム収束部２２の動作パラメータを調整する。具体的には、ΔＱｘ＝β・ΔＱｙの関係性が維持されるようにしてレンズ装置に印加する電圧Ｑｘ、Ｑｙを調整し、ｙ方向の注入角度分布が所望の分布となるようにする。
図１８は、イオン注入装置１０の動作過程を示すフローチャートである。まず、オフチャネリング条件にてイオンビームのドーズ量を評価して（Ｓ１０）ドーズ量を調整し（Ｓ１２）、Ｖカーブ法を用いてビームの注入角度を評価して（Ｓ１４）注入角度の基準値を調整する（Ｓ１６）。注入角度分布の調整が必要であれば（Ｓ１８のＹ）、面チャネリング条件にてイオンビームのｘ方向の注入角度分布を評価して（Ｓ２０）ｘ方向の注入角度分布を調整し（Ｓ２２）、軸チャネリング条件にてビームのｙ方向の注入角度分布を評価して（Ｓ２４）ｙ方向の注入角度分布を調整する（Ｓ２６）。注入角度分布の調整が必要なければ（Ｓ１８のＮ）、Ｓ２０〜Ｓ２６をスキップする。つづいて、調整されたイオンビームを被処理ウェハに照射してイオン注入処理を実行する（Ｓ２８）。
本実施の形態によれば、以上の調整方法により、イオン注入装置１０から出力される第１イオンビームのドーズ量、基準軌道方向、ｘ方向およびｙ方向の注入角度分布を基準装置と一致するように合わせ込むことができる。このように調整されたイオンビームを用いて本照射工程を実行することにより、基準装置を用いる場合と同条件のイオン注入処理を実現できる。特に、ビームの注入角度分布を含めて合わせ込むことができるため、被処理ウェハのゲート構造近傍に形成されるキャリア濃度分布の深さ方向およびゲート長方向の広がりが所望の分布となるようにできる。これにより、イオン注入処理の注入精度を高めることができる。
図１９は、イオン注入により製造されるトランジスタの閾値電圧ＶＴＨと注入に用いるイオンビームの注入角度分布との関係性を示すグラフである。グラフの横軸はトランジスタのゲート長Ｌであり、縦軸は製造されるトランジスタの閾値電圧ＶＴＨである。イオン注入に用いるイオンビームＢ０、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３の注入角度分布の広がりの大きさは、Ｂ０＜Ｂ１＜Ｂ２＜Ｂ３の順となっている。例えば、イオンビームＢ０は、注入角度分布がほぼ０である平行ビームであり、イオンビームＢ３は、注入角度分布が大きい発散ビームである。なお、注入角度分布以外の特性はイオンビームＢ０〜Ｂ３において共通である。
図示されるように、注入処理に用いるイオンビームの注入角度分布を変えるだけで製造されるトランジスタの閾値電圧が変化する。例えば、トランジスタのゲート長を所定の値Ｌ０に固定すると、注入角度分布によって製造されるトランジスタの閾値電圧Ｖ０、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３が変化する。これは、注入角度分布の違いによりゲート構造の下に形成されるキャリア濃度分布のゲート長方向の広がり幅が異なることとなり、ゲート構造下の実質的なチャネル長が変化することに起因すると考えられる。本実施の形態によれば、イオン注入に用いるイオンビームの角度分布を所望の分布に調整できるため、製造されるトランジスタの閾値電圧が所望の値となるように注入処理を制御することができる。したがって、本実施の形態によれば、最終的に製造される半導体回路が所望の動作特性を有するように注入条件を適切に調整ないし制御できる。
また、本実施の形態によれば、評価用ウェハＷＴのシート抵抗を用いて異なる注入装置間のビーム特性を評価しているため、共通の指標に基づく評価をすることができる。異なる装置間でビームの注入角度分布を比較する場合、各注入装置の測定方式や測定装置の取付位置などの違いに起因して、同じ特性のビームを測定したとしても異なる測定結果となることが考えられる。その場合、測定結果の数値が互いに合致するようにビーム調整ができたとしても、ビームの注入角度分布が厳密には一致していない可能性がある。一方、本実施の形態によれば、同一特性の評価用ウェハを用いることで、異なる注入装置間であっても共通の評価基準による比較が可能となる。したがって、本実施の形態によれば、装置間のキャリブレーション精度を高めることができる。
また、各注入装置が備える角度分布計測器による計測結果と、ウェハのシート抵抗値との関係性を対応付けるテーブルをあらかじめ作成することにより、注入角度分布に基づいて角度分布計測器の計測値のキャリブレーションをすることもできる。例えば、シート抵抗の測定値を用いて第１イオンビームと第２イオンビームの注入角度分布が同一であることを確認した後に、各注入装置が備えるファラデーカップなどを用いて第１イオンビームと第２イオンビームの注入角度分布を計測する。このような計測結果のペアを異なる注入角度分布について求めることにより、各注入装置が備える角度分布計測器の計測特性を対応付けることができる。例えば、シート抵抗の測定結果から同じ注入角度分布を有することが分かっているイオンビームに対して、第１注入装置では第１の角度分布値が計測される一方で、第２注入装置では第１の角度分布値とは異なる第２の角度分布値が計測されるという相関性が分かる。本実施の形態による手法を用いてこのような相関テーブルをあらかじめ作成すれば、それ以降については評価用ウェハのシート抵抗を測定しなくても各注入装置の角度分布計測機能を利用して注入角度分布を高い精度で合わせ込むことができる。
以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれ得る。
上述の実施の形態では、イオン注入装置１０がシート抵抗測定器６４およびアニール装置６６を備える構成とした。変形例においては、イオン注入装置１０には抵抗測定器およびアニール装置が設けられず、イオン注入装置１０の外に設けられる装置を用いて評価用ウェハのアニール処理および抵抗測定がなされてもよい。
上述の実施の形態では、ビーム照射後のウェハの抵抗値を測定する方法として、四探針法によりウェハのシート抵抗を測定する場合を示した。変形例においては、異なる手法によりウェハの異なる種類の抵抗値を測定してもよい。例えば、拡がり抵抗測定によりウェハの深さ方向のキャリア濃度分布を求めてもよいし、陽極酸化法を用いてウェハの抵抗測定をしてもよい。
上述の実施の形態では、ウェハ処理面に形成されるゲート構造近傍のキャリア濃度分布を制御する場合について示した。変形例においては、ウェハ処理面に形成される任意の三次元構造または立体遮蔽物の近傍に形成されるキャリア濃度分布が所望の分布となるようにビームの注入角度分布が制御されてもよい。ウェハ処理面に形成される構造体は、例えば、フィン型ＦＥＴなどで用いられるフィン構造、縦型トランジスタなどで用いられるトレンチ構造、トランジスタ間を分離するための素子分離酸化膜、その他フォトレジストパターンなどであってもよい。このような構造体が設けられる場合において、ウェハ処理面と直交する深さ方向およびウェハ処理面に平行な水平方向のキャリア濃度分布の広がりが所望の分布となるようにビームの注入角度分布を調整することができる。
上述の実施の形態では、ビームの注入角度分布を調整するためのレンズ装置として、三段式の四重極レンズを用いる場合を示した。変形例においては、ｘ方向およびｙ方向の注入角度分布をそれぞれ独立に制御できる任意の二以上のレンズ装置を用いてもよい。例えば、横方向（ｘ方向）の収束または発散を制御するための第１アインツェルレンズ装置と、縦方向（ｙ方向）の収束または発散を制御するための第２アインツェルレンズ装置とを組み合わせて用いてもよい。第１アインツェルレンズ装置は、ｘ方向に対向する電極対を有し、この電極対に印加される電圧Ｖｘによりｘ方向の注入角度分布を制御してもよい。第２アインツェルレンズ装置は、ｙ方向に対向する電極対を有し、この電極対に印加される電圧Ｖｙによりｙ方向に注入角度分布を制御してもよい。
Ｂ…イオンビーム、Ｗ…ウェハ、１０…イオン注入装置、２２…ビーム収束部、２２ａ…第１四重極レンズ、２２ｂ…第２四重極レンズ、２２ｃ…第３四重極レンズ、２６…ビーム走査器、５０…プラテン駆動装置、６４…シート抵抗測定器、６６…アニール装置、７０…制御装置、９０…ゲート構造、９５…チャネリング軸、９８…チャネリング面。

Claims (17)

  1. イオンビームをｘ方向に往復走査させ、ウェハをｙ方向に往復運動させてウェハにイオン注入するイオン注入方法であって、
    入射するイオンビームの基準軌道に沿う方向と前記ｙ方向の双方により規定される基準面に平行なチャネリング面を有する一方で、前記基準面と直交するチャネリング面を有しないように配向させることにより所定の面チャネリング条件を満たすように配置された第１ウェハに前記イオンビームを照射し、ビーム照射後の前記第１ウェハの抵抗を測定することと、
    入射するイオンビームの基準軌道に沿う方向にチャネリング軸を有する一方で、入射するイオンビームの基準軌道に沿う方向と前記ｙ方向の双方により規定される基準面に平行または直交するチャネリング面を有しないように配向させることにより所定の軸チャネリング条件を満たすように配置された第２ウェハに前記イオンビームを照射し、ビーム照射後の前記第２ウェハの抵抗を測定することと、
    前記第１ウェハおよび前記第２ウェハの抵抗測定結果を用いて、前記イオンビームに電界および磁界の少なくとも一方を作用させて前記イオンビームを収束または発散させるレンズ装置の動作パラメータを決定し、前記イオンビームの前記ウェハに対する前記ｘ方向および前記ｙ方向の少なくとも一方の注入角度分布を調整することと、を備えることを特徴とするイオン注入方法。
  2. 前記レンズ装置は、前記ｘ方向および前記ｙ方向のそれぞれの収束または発散を独立に調整可能とし、前記第１ウェハおよび前記第２ウェハの抵抗測定結果を用いて前記レンズ装置の動作パラメータを決定することにより、前記ｘ方向および前記ｙ方向のそれぞれの注入角度分布を調整することを特徴とする請求項１に記載のイオン注入方法。
  3. 前記注入角度分布が調整されたイオンビームを被処理ウェハに照射することをさらに備え、
    前記注入角度分布は、前記被処理ウェハに所望のキャリア濃度分布が形成されるように調整されることを特徴とする請求項２に記載のイオン注入方法。
  4. 前記被処理ウェハは、ウェハ処理面に形成される構造体を有し、
    前記注入角度分布は、前記構造体の近傍におけるキャリア濃度分布の広がりが所望の分布となるように調整されることを特徴とする請求項３に記載のイオン注入方法。
  5. 前記構造体は、ゲート構造であり、
    前記注入角度分布は、前記ゲート構造の近傍におけるキャリア濃度分布の深さ方向及びゲート長方向の広がりが所望の分布となるように調整されることを特徴とする請求項４に記載のイオン注入方法。
  6. 前記第１ウェハは、ウェハ主面が（１００）面である結晶性基板であり、前記第１ウェハの＜１１０＞方位と前記ｙ方向との間のツイスト角が実質的に０度または４５度となり、前記ウェハ主面の法線と前記基準軌道に沿う方向との間のチルト角が１５度〜６０度の範囲内となるように配置されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のイオン注入方法。
  7. 前記第２ウェハは、ウェハ主面が（１００）面である結晶性基板であり、前記第２ウェハの＜１１０＞方位と前記ｙ方向との間のツイスト角が１５度〜３０度の範囲内となり、前記ウェハ主面の法線と前記基準軌道に沿う方向との間のチルト角が実質的に０度となるように配置されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のイオン注入方法。
  8. 前記第１ウェハおよび前記第２ウェハは、ウェハ主面のオフ角が０．１度以下の結晶性基板であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のイオン注入方法。
  9. 前記第１ウェハの抵抗測定前にビーム照射後の前記第１ウェハにアニール処理を施すことと、前記第２ウェハの抵抗測定前にビーム照射後の前記第２ウェハにアニール処理を施すことの少なくとも一方をさらに備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のイオン注入方法。
  10. 前記アニール処理は、９００℃〜１０００℃のアニール温度でなされることを特徴とする請求項９に記載のイオン注入方法。
  11. 前記第１ウェハおよび前記第２ウェハとは別のウェハであって、オフチャネリング条件を満たすように配置された前記別のウェハに前記イオンビームを照射し、ビーム照射後の前記別のウェハの抵抗を測定することと、
    前記別のウェハの抵抗測定結果を用いて前記イオンビームによるイオン注入量を調整することと、をさらに備えることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載のイオン注入方法。
  12. 前記別のウェハは、ウェハ主面が（１００）面である結晶性基板であり、前記別のウェハの＜１１０＞方位と前記ｙ方向との間のツイスト角が１５度〜３０度の範囲内となり、前記ウェハ主面の法線と前記ウェハ主面に入射するイオンビームの基準軌道に沿う方向との間のチルト角が７度〜１５度の範囲内となるように配置されることを特徴とする請求項１１に記載のイオン注入方法。
  13. 前記別のウェハは、ウェハ主面近傍がアモルファス化された基板であることを特徴とする請求項１１に記載のイオン注入方法。
  14. 前記ウェハの抵抗測定は、四探針法を用いて前記ウェハのシート抵抗を測定することであることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載のイオン注入方法。
  15. 前記第１ウェハおよび前記第２ウェハには第１イオン注入装置により生成される第１イオンビームが照射され、
    前記イオン注入方法は、
    前記第１イオン注入装置とは異なる第２イオン注入装置により生成される第２イオンビームを前記所定の面チャネリング条件を満たすように配置された第３ウェハに照射し、ビーム照射後の前記第３ウェハの抵抗を測定することと、
    前記第２イオンビームを前記所定の軸チャネリング条件を満たすように配置された第４ウェハに照射し、ビーム照射後の前記第４ウェハの抵抗を測定することと、をさらに備え、
    前記第１ウェハと前記第３ウェハの抵抗の比較結果および前記第２ウェハと前記第４ウェハの抵抗の比較結果を用いて、前記第１イオンビームに電界および磁界の少なくとも一方を作用させて前記第１イオンビームを収束または発散させる前記レンズ装置の動作パラメータを決定し、前記第１イオンビームの前記ウェハに対する前記ｘ方向および前記ｙ方向の少なくとも一方の注入角度分布を調整することを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載のイオン注入方法。
  16. イオンビームに電界および磁界の少なくとも一方を作用させて前記イオンビームを収束または発散させるレンズ装置と、
    前記イオンビームをｘ方向に往復走査させるビーム走査器と、
    前記往復走査されるイオンビームが照射されるウェハをｙ方向に往復運動させるプラテン駆動装置と、
    ビーム照射後のウェハの抵抗を測定する抵抗測定器と、
    前記抵抗測定器の測定結果に基づいて前記レンズ装置の動作パラメータを決定してイオン注入処理を実行する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、
    入射するイオンビームの基準軌道に沿う方向と前記ｙ方向の双方により規定される基準面に平行なチャネリング面を有する一方で、前記基準面と直交するチャネリング面を有しないように配向させることで所定の面チャネリング条件を満たすように前記プラテン駆動装置に配置された第１ウェハにイオンビームを照射させ、照射後の前記第１ウェハの抵抗を前記抵抗測定器により測定させ、
    入射するイオンビームの基準軌道に沿う方向にチャネリング軸を有する一方で、入射するイオンビームの基準軌道に沿う方向と前記ｙ方向の双方により規定される基準面に平行または直交するチャネリング面を有しないように配向されることにより所定の軸チャネリング条件を満たすように前記プラテン駆動装置に配置された第２ウェハにイオンビームを照射させ、照射後の前記第２ウェハの抵抗を前記抵抗測定器により測定させ、
    前記第１ウェハおよび前記第２ウェハの抵抗測定結果を用いて前記レンズ装置の動作パラメータを決定し、前記イオンビームの前記ウェハに対する前記ｘ方向および前記ｙ方向の少なくとも一方の注入角度分布を調整することを特徴とするイオン注入装置。
  17. 前記ウェハのアニール装置をさらに備え、
    前記制御装置は、前記第１ウェハの抵抗測定前にビーム照射後の前記第１ウェハを前記アニール装置を用いてアニールさせ、前記第２ウェハの抵抗測定前にビーム照射後の前記第２ウェハを前記アニール装置によりアニールさせることを特徴とする請求項１６に記載のイオン注入装置。
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