KR20120089540A - 이온 주입 방법 및 이온 주입 장치 - Google Patents

이온 주입 방법 및 이온 주입 장치 Download PDF

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Abstract

(과제) 기판의 면내에 형성되는 불균일한 도우즈량 분포의 형상에 상관없이, 원하지 않는 도우즈량 분포인 천이 영역을 작게 하고, 이온 주입 처리에 요하는 시간을 단축할 수 있는 이온 주입 방법을 제공한다.
(해결수단) 이 이온 주입 방법은, 이온 빔(3)과 기판(11)의 상대적인 위치 관계를 변경시킴으로써, 기판(11)에의 이온 주입을 실시하는 이온 주입 방법이다. 그리고, 기판(11) 상에 균일한 도우즈량 분포를 형성하는 제1 이온 주입 처리와 기판(11) 상에 불균일한 도우즈량 분포를 형성하는 제2 이온 주입 처리를 미리 결정된 순서에 따라서 행하고, 제2 이온 주입 처리시에 기판(11) 상에 조사되는 이온 빔(3)의 단면 치수가, 제1 이온 주입 처리시에 기판(11) 상에 조사되는 이온 빔(3)의 단면 치수보다 작다.

Description

이온 주입 방법 및 이온 주입 장치{ION IMPLANTATION METHOD AND ION IMPLANTATION APPARATUS}
본 발명은, 기판의 면내에 불균일한 도우즈량 분포를 형성하는 이온 주입 방법 및 이온 주입 장치에 관한 것이다.
반도체 기판의 제조 공정의 하나인 이온 주입 공정에서는, 기판(예를 들어 웨이퍼나 유리 기판)의 면내에 주입되는 이온의 주입량(도우즈량이라고도 함) 분포가 불균일해지도록 이온 주입 처리가 실시되는 경우가 있다.
예를 들어, 반도체 기판의 제조 공정에서, 1장의 기판 상에 제조되는 반도체 디바이스의 특성이 기판의 면내에서 불균일해지는 문제가 있다.
이러한 불균일한 반도체 디바이스의 특성 분포를 보상하는 수단으로서, 종래부터 이온 주입 공정에서 기판에 주입되는 도우즈량을 기판의 면내에서 불균일한 분포로 하는 방법이 이용되어 왔다.
특허문헌 1에는 그 구체적인 방법이 개시되어 있다. 여기서는, Y 방향에의 기판의 왕복 구동과, Y 방향과 직교하는 X 방향으로 스폿형의 이온 빔을 전계 또는 자계에 의해 주사시킴으로써 기판에의 이온 주입을 실현하는 이온 주입 장치가 개시되어 있다. 이 타입의 이온 주입 장치는, 하이브리드 스캔 방식이라고 불리고 있고, 이 이온 주입 장치를 이용하여, 기판 상에서의 이온 빔의 위치에 따라서 이온 빔의 주사 속도를 전환함으로써, 기판의 면내에 불균일한 도우즈량 분포가 형성된다.
한편, 반도체 기판의 제조 공정에서, 기판의 이용 효율을 향상시키기 위해, 1장의 기판 상의 상이한 영역에 특성이 상이한 반도체 디바이스를 제조하는 것이 행해져 왔다. 이 예가 특허문헌 2에 개시되어 있다.
특허문헌 2에서는, 특허문헌 1과 마찬가지로 하이브리드 스캔 방식의 이온 주입 장치를 이용하여 기판에의 이온 주입이 행해지고 있다. 우선, 기판의 중앙부를 사이에 두고, 2개의 상이한 도우즈량 분포를 형성하기 위해, 기판의 중앙부를 이온 빔이 가로지를 때, 이온 빔의 주사 속도와 기판의 구동 속도 중 어느 하나의 속도를 별도의 속도로 전환하여 기판에의 이온 주입을 행한다. 다음으로, 기판을 90도 회전시켜, 다시 기판의 중앙부를 이온 빔이 가로지를 때, 이온 빔의 주사 속도와 기판의 구동 속도 중 어느 하나의 속도의 값을 전환하여 이온 주입을 행한다. 이에 따라, 기판 상에 상이한 도우즈량 분포를 갖는 4개의 영역이 형성된다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2010-118235호 공보(도 3?10, 도 12?18) 특허문헌 2 : 일본 특허 공개 제2003-132835호 공보(도 1?10, 단락 0062?0064, 단락 0096)
특허문헌 2의 단락 0062?0064나 단락 0096에 기재되어 있는 바와 같이, 이온 빔의 주사 속도나 기판의 구동 속도가 원하는 값으로 전환될 때까지, 단시간이기는 하지만 시간이 필요하다. 원하는 속도로 전환되기까지의 동안에 기판에 이온 빔이 조사되면, 기판에 천이 영역으로 불리는 원하지 않는 도우즈량 분포의 영역이 형성된다.
도 11의 (A)?(F)에는, 천이 영역이 형성되는 모습이 기재되어 있다. 도 11의 (A)에는, 지금부터 기판의 면내에 형성하고자 하는 도우즈량 분포가 그려져 있다. 여기서는, 동심원형의 도우즈량 분포를 예를 들고 있고, 중앙 영역에 도우즈량 D2, 외주 영역에 도우즈량 D1의 영역을 형성하는 것을 목적으로 하고 있다. 도 11의 (B)에는, 도 11의 (A)에 기재된 선분 A-A로 기판을 절단했을 때의 도우즈량 분포의 모습이 그려져 있다. 도 11의 (B)?(E)의 그래프에서의 횡축은, 선분 A-A 상에서의 위치를 나타내고 있고, 도 11의 (A), 도 11의 (F)에 기재된 선분 A-A는, 기판의 중앙을 통과하여 기판을 둘로 나누고 있다.
이 예에서는, 설명을 간단하게 하기 위해, 하이브리드 스캔 방식의 이온 주입 장치에서, 이온 빔의 전류 밀도와 기판의 구동 속도가 항상 일정한 것으로 하고 있다. 이 경우, 기판에 주입되는 도우즈량은, 이온 빔의 주사 속도에 반비례한다. 그 때문에, 도 11의 (B)에 나타내는 도우즈량 분포를 얻기 위해서는, 도 11의 (C)와 같이 이온 빔의 주사 속도를 변경해야 한다.
단, 주사 속도의 전환에는 약간의 시간이 걸리기 때문에, 실제로는 도 11의 (D)에 나타낸 바와 같이 이온 빔 주사 속도의 전환이 행해진다. 그 결과, 도 11의 (E)에 나타낸 바와 같은 도우즈량 분포가 선분 A-A 상에 형성된다. 최종적으로 기판의 면내에 형성되는 도우즈량 분포는, 도 11의 (F)에 그려진 바와 같이 도우즈량 D1, 도우즈량 D2의 영역 이외에 천이 영역 R이 형성되게 된다.
이러한 천이 영역이 크면, 반도체 디바이스 특성 분포의 보상이 불충분해지는 등의 문제가 발생한다. 그 때문에, 이 천이 영역은 가능한 한 작게 하는 것이 요망된다. 따라서, 특허문헌 2에서는, 이러한 천이 영역을 작게 하기 위해, 이온 빔의 치수를 작게 하는 것이 제안되어 있다. 구체적으로는, 기판의 중앙부에서 X 방향으로 주사되는 이온 빔의 주사 속도를 전환하는 경우, 이온 빔의 X 방향의 치수인 WX를 작게 해 둔다. 이온 빔의 치수를 작게 하면, 그 만큼의 빔 전류가 감소한다. 그 때문에, 이러한 이온 빔을 이용하여 기판에의 이온 주입 처리를 행하면, 원하는 도우즈량 분포를 달성할 때까지 요하는 시간이 길어진다. 그 대책으로서, X 방향과 직교하는 Y 방향의 이온 빔의 치수인 WY를 크게 하고, 대략 타원형의 이온 빔을 이용하여 이온 주입 처리를 행함으로써 이온 빔의 빔 전류의 감소를 억제하는 것이 제안되었다.
단, 특허문헌 1이나 도 11에 나타내는 원형의 도우즈량 분포를 기판 상에 형성하는 경우, 특허문헌 2에 제안되어 있는 타원형의 이온 빔을 이용했다 하더라도, 천이 영역을 작게 하고 빔 전류의 감소를 억제하여 이온 주입 처리에 요하는 시간을 짧게 하는 등의 효과를 나타낼 수는 없다.
특허문헌 1이나 도 11에 기재된 원형의 도우즈량 분포에서는, 이온 빔이 X 방향을 따라서 기판 상에 주사될 때, Y 방향에서도 도우즈량의 분포가 변화한다. 그 때문에, Y 방향에서도 천이 영역을 작게 하는 것을 생각해야 하기 때문에, 특허문헌 2에 제안되어 있는 타원형의 이온 빔을 이용하는 것만으로는 불충분해진다.
따라서, 본 발명에서는 기판의 면내에 형성되는 불균일한 도우즈량 분포의 형상에 상관없이, 원하지 않는 도우즈량 분포인 천이 영역을 작게 하고, 이온 주입 처리에 요하는 시간을 단축할 수 있는 이온 주입 방법 및 이온 주입 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는, 이온 빔과 기판의 상대적인 위치 관계를 변경시킴으로써, 상기 기판에의 이온 주입을 실시하는 이온 주입 방법에 있어서, 상기 기판의 면내에 균일한 도우즈량 분포를 형성하는 제1 이온 주입 처리와 상기 기판의 면내에 불균일한 도우즈량 분포를 형성하는 제2 이온 주입 처리를 미리 결정된 순서에 따라서 행하고, 상기 제2 이온 주입 처리시에 상기 기판 상에 조사되는 상기 이온 빔의 단면 치수가, 상기 제1 이온 주입 처리시에 상기 기판 상에 조사되는 상기 이온 빔의 단면 치수보다 작은 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 기판의 면내에 불균일한 주입 분포를 형성할 때, 큰 단면 치수를 갖는 이온 빔을 이용한 이온 주입 처리와 작은 단면 치수를 갖는 이온 빔을 이용한 이온 주입 처리를 조합하도록 했기 때문에, 기판 상에 형성되는 천이 영역을 충분히 작은 것으로 할 뿐만 아니라, 이온 주입 처리에 요하는 시간을 짧게 하는 것을 기대할 수 있다.
또, 상기 제1 이온 주입 처리와 상기 제2 이온 주입 처리를 이용하여 복수장의 기판을 처리할 때, 복수장의 기판에 대하여 하나의 이온 주입 처리를 연속하여 행한 후에, 다른 하나의 이온 주입 처리를 연속하여 행하도록 하는 것이 바람직하다.
제1 이온 주입 처리와 제2 이온 주입 처리에서 이온 주입 장치의 운전 파라미터를 변경하는 경우, 상기 구성으로 해 두면, 운전 파라미터를 변경하는 횟수가 1회로 끝난다. 그 때문에, 운전 파라미터의 변경에 따라 장치를 재운전시킬 때까지 요하는 대기 시간을 거의 고려할 필요가 없기 때문에, 그 만큼 이온 주입 처리를 보다 단시간에 끝내는 것을 기대할 수 있다.
또한, 이온 주입 장치로는, 이온 빔과 기판의 상대적인 위치 관계를 변경시킴으로써, 상기 기판에의 이온 주입을 실시하는 이온 주입 장치에 있어서, 상기 기판의 면내에 균일한 도우즈량 분포를 형성하는 제1 이온 주입 처리와 상기 기판의 면내에 불균일한 도우즈량 분포를 형성하는 제2 이온 주입 처리를 미리 결정된 순서에 따라서 행하고, 상기 제2 이온 주입 처리시에 상기 기판에 조사되는 이온 빔의 단면 치수가, 상기 제1 이온 주입 처리시에 상기 기판에 조사되는 이온 빔의 단면 치수보다 작아지도록 제어하는 기능을 갖는 제어 장치를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 제어 장치는, 상기 제1 이온 주입 처리와 상기 제2 이온 주입 처리를 이용하여 복수장의 기판을 처리할 때, 복수장의 기판에 대하여 하나의 이온 주입 처리를 연속하여 행한 후에, 다른 하나의 이온 주입 처리를 연속하여 행하도록 제어하는 기능을 갖고 있는 것이 바람직하다.
이러한 장치 구성으로 해 두면, 전술한 이온 주입 방법과 동등한 효과를 나타낼 수 있다.
또한, 다음과 같은 장치 구성을 채택해도 좋다. 상기 이온 주입 장치에는, 상기 기판에 조사되는 이온 빔을 정형하는 빔 정형 마스크가 포함되어 있고, 상기 제어 장치는, 상기 제1 이온 주입 처리와 상기 제2 이온 주입 처리에 따라서, 상기 빔 정형 마스크의 위치 조정을 행하는 기능을 갖고 있는 것이 바람직하다.
이와 같이 빔 정형 마스크를 이용하면, 이온 빔의 단면 치수의 조정을 간편하게 행할 수 있다.
기판의 면내에 형성되는 불균일한 도우즈량 분포의 형상에 상관없이, 원하지 않는 도우즈량 분포인 천이 영역을 작게 하고, 이온 주입 처리에 요하는 시간을 단축할 수 있다.
도 1은 본 발명에 관한 이온 주입 장치의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 2는 본 발명에 관한 불균일 주입 처리의 일례를 나타내는 플로우차트이다.
도 3은 본 발명의 제1 이온 주입 처리와 제2 이온 주입 처리에서 기판 상에 조사되는 이온 빔의 단면 치수의 관계를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 관한 불균일 주입 처리의 다른 예를 나타내는 플로우차트이고, 도 5의 A에 이어진다.
도 5는 본 발명에 관한 불균일 주입 처리의 다른 예를 나타내는 플로우차트이고, 도 4의 A에 이어지는 것이다.
도 6은 본 발명의 제1 이온 주입 처리와 제2 이온 주입 처리를 이용하여 기판의 면내에 형성되는 불균일한 도우즈량 분포의 일례를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 제1 이온 주입 처리와 제2 이온 주입 처리를 이용하여 기판의 면내에 형성되는 불균일한 도우즈량 분포의 다른 예를 나타낸다.
도 8는 본 발명의 이온 주입 장치에 포함되는 가속관의 일례를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 이온 주입 장치에 포함되는 4중극 렌즈의 일례를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 이온 주입 장치에 포함되는 빔 정형 마스크의 일례를 나타낸다.
도 11은 천이 영역이 형성되는 모습을 그린 설명도이다.
본 발명의 도면에 기재되어 있는 X, Y, Z축의 방향은 서로 직교하고 있고, Z 방향은 이온 빔의 진행 방향을, X 방향은 이온 빔의 주사 방향을 나타내고 있다.
본 발명에 관한 이온 주입 장치(1)의 일례가 도 1에 나타나 있다. 도 1에 기재된 X, Y, Z의 각 축은 후술하는 처리실(14) 내에서의 방향을 가리킨다. 이 이온 주입 장치(1)는, 소위 하이브리드 스캔 방식의 이온 주입 장치이며, 특허문헌 1이나 특허문헌 2에 나타나 있는 이온 주입 장치와 동등한 기능을 갖고 있다.
각 부의 구성을 간단하게 설명한다. 이온원(2)으로부터 사출된 스폿형의 이온 빔(3)은, 질량 분석 마그넷(4)으로 편향되어, 도시하지 않은 분석 슬릿으로 이온 빔(3)으로부터 원하는 성분의 이온만이 추출된다. 그 후, 이온 빔(3)은 가속관(5)을 통과함으로써, 원하는 에너지를 갖는 이온 빔(3)으로 변환된다.
가속관(5)을 통과한 후, 이온 빔(3)은 4중극 렌즈(6)로 그 형상이 정형되어, 에너지 분리기(7)에 입사한다. 에너지 분리기(7)는, 예를 들어 질량 분석 마그넷(4)과 마찬가지로 전자석으로 구성되어 있고, 이온 빔(3)을 미리 정해진 편향량으로 편향시킴으로써, 이온 빔(3)으로부터 중성 입자나 불필요한 에너지 성분을 분리한다.
이온 빔(3)은 X 방향에서 기판(11)보다 긴 폭을 갖도록, 주사기(8)에 의해 X 방향으로 자계 또는 전계에 의해 주사된다.
주사기(8)에 의해 주사된 이온 빔(3)은, 콜리메이터 마그넷(9)으로 그 외형이 Z 방향에 평행한 이온 빔(3)이 되도록 편향된다. 그 후, 이온 빔(3)은 빔 정형 마스크(10)를 통과하여, 처리실(14) 내에 배치된 기판(11)에 조사된다.
기판(11)은 플라텐(12) 상에 정전 흡착에 의해 유지되어 있고, 플라텐(12)은 Y 방향으로 연장되어 설치된 도시하지 않은 스캔축에 연결되어 있다. 구동 장치(13)에는 모터가 설치되어 있고, 이 모터에 의해 스캔축을 Y 방향을 따라서 왕복 구동시킴으로써, 기판(11)의 전면(全面)에 대한 이온 빔(3)의 조사가 행해진다.
이러한 이온 주입 장치(1)에는, 제어 장치(30)가 설치되어 있다. 이 제어 장치(30)는, 각종 전원을 제어하는 기능을 갖고 있고, 기판(11)에 조사되는 이온 빔(3)의 단면 치수를 조정하기 위해, 예를 들어, 이온원(2), 가속관(5), 4중극 렌즈(6), 빔 정형 마스크(10)의 구동 장치의 각각에 포함된 전원과의 사이에서, 유선 또는 무선에 의해, 전기 신호(S)의 교환을 행할 수 있도록 구성되어 있다. 그리고, 후술하는 제1 이온 주입 처리와 제2 이온 주입 처리의 전환에 따라서, 이 제어 장치(30)에 의해 이들의 전원이 제어된다.
이 제어 장치(30)에 상기 기능 이외에, 주사기(8)로 이온 빔(3)을 주사하는 주사 속도를 제어하거나, 기판(11)을 구동시키는 구동 속도를 제어하거나 하는 기능이나 그 밖의 광학 요소[질량 분석 마그넷(4)이나 에너지 분리기(7) 등]를 제어하는 기능을 갖추도록 해 두어도 좋다. 또한, 도시하지 않은 반송 기구에 의해, 처리실(14) 내에 기판(11)을 반송하여 미리 정해진 주입 위치에 배치하는 기능이나 주입 위치로부터 기판(11)을 꺼내어, 처리실(14) 밖으로 반출하는 기능을 갖추도록 해 두어도 좋다. 또, 별도의 제어 장치를 설치해 두고, 그 제어 장치에 전술한 주사기(8) 등을 제어하는 기능을 설정하도록 해도 좋다. 그 경우, 2개의 제어 장치 사이에서 전기 신호가 통신을 행할 수 있는 상태로 해 두고, 하나가 다른 하나를 제어하는 관계로 해 두는 것을 생각할 수 있다.
특허문헌 2에 기재되어 있는 바와 같이, 천이 영역을 작게 하는 것만이라면, 기판(11)에 조사되는 이온 빔(3)의 치수를 작게 하면 된다. 단, 이온 빔(3)의 치수를 작게 하면, 기판(11)의 면내에 원하는 불균일한 도우즈량 분포를 형성하는 데 시간을 요한다. 한편, 이온 빔(3)의 치수를 크게 해 두면, 기판(11)의 면내에 원하는 불균일한 도우즈량 분포를 달성시키는 시간을 짧게 할 수 있지만, 천이 영역이 커진다.
상기의 사항을 고려하여, 본 발명에서는 기판에 조사되는 단면 치수가 상이한 이온 빔을 이용하여 2종류의 이온 주입 처리를 행하는 것을 특징으로 하고 있다. 도 2에는, 본 발명의 불균일 주입 처리의 일례를 나타내는 플로우차트가 기재되어 있다. 이하, 이것에 관해 설명한다.
도 2의 플로우차트에서는, 복수장의 기판을 1장씩 주입 위치에 배치시키고, 제1 이온 주입 처리와 제2 이온 주입 처리를 연속하여 행한 후, 처리가 끝난 기판을 주입 위치로부터 꺼내고, 처리 대상으로 하는 기판이 없어질 때까지 이 일련의 처리를 반복하는 방법이 기재되어 있다.
보다 상세하게는, 우선, 제1 이온 주입 처리에서, 큰 단면 치수의 이온 빔을 이용하여 기판(11)의 면내에 균일한 이온 주입 처리를 실시한다. 계속해서, 제2 이온 주입 처리에서, 제1 이온 주입 처리에서 이용한 이온 빔(3)보다 작은 단면 치수의 이온 빔(3)을 이용하여 기판(11)의 면내에 불균일한 이온 주입 처리를 실시한다. 최종적으로, 기판(11)의 면내에 형성되는 도우즈량 분포는, 개개의 이온 주입 처리에 의해 형성된 도우즈량 분포를 합한 것이 된다. 여기서 말하는 균일, 불균일이란, 기판의 면내에서의 도우즈량이 전면에 걸쳐 일정한 값이 되거나(균일), 그렇지 않거나(불균일)의 의미로 이용되고 있다.
이와 같이 하여, 상이한 이온 주입 처리에 의한 도우즈량 분포를 합함으로써, 천이 영역을 작게 하고, 단시간에 기판(11)의 면내에 원하는 불균일한 도우즈량 분포를 형성할 수 있다. 제1 이온 주입 처리에 이어서 제2 이온 주입 처리를 행하는 예에 관해 설명했지만, 이들의 관계는 반대이어도 좋다. 즉, 제2 이온 주입 처리에 이어서 제1 이온 주입 처리를 행하도록 해도 좋다.
도 3의 (A)?(D)에는, 제1 이온 주입 처리와 제2 이온 주입 처리에서 기판 상에 조사되는 이온 빔의 단면 치수의 관계를 나타내는 예가 나타나 있다. 도 3의 (A)는 제1 이온 주입 처리에서 사용되는 이온 빔(3)의 단면 형상이고, 도 3의 (B)?(D)에는 그 외형이 파선으로 그려져 있다. 또, 도 3의 (B)?(D)의 실선은 제2 이온 주입 처리에서 사용되는 이온 빔(3)의 단면 형상이 그려져 있다.
본 발명에서는, 제2 이온 주입 처리에서 이용되는 이온 빔(3)의 단면 치수가, 제1 이온 주입 처리에서 이용되는 이온 빔(3)의 단면 치수에 비해 작은 것을 특징으로 하고 있다. 여기서 말하는 단면 치수의 대소 관계에 관해서는, 다음과 같이 생각한다. 기판(11)에 조사되는 이온 빔(3)의 단면 형상을 생각한 경우, 제2 이온 주입 처리에서 이용되는 이온 빔(3)의 단면 형상이 제1 이온 주입 처리에서 이용되는 이온 빔(3)의 단면 형상에 포함되어 있다. 이 경우, 제2 이온 주입 처리에서 이용되는 이온 빔(3)의 단면 치수가, 제1 이온 주입 처리에서 이용되는 이온 빔(3)의 단면 치수에 비해 작다고 한다.
보다 구체적으로 말하면, 도 3의 (B)?(D)에 나타나 있는 바와 같이, 제1 이온 주입 처리에서 이용되는 이온 빔의 단면 형상(파선)이, 제2 이온 주입 처리에서 이용되는 이온 빔의 단면 형상(실선)을 포함하고 있는 것이다.
도 4 및 도 5에는, 본 발명에 관한 불균일 주입 처리의 플로우차트를 나타내는 다른 예가 나타나 있다. 도 2의 예와의 차이로서, 이 예에서는 복수장의 기판에 대하여 제1 이온 주입 처리를 연속하여 행한 후에, 제2 이온 주입 처리가 연속하여 행해진다. 도 2의 예와 마찬가지로, 제1 이온 주입 처리와 제2 이온 주입 처리를 행하는 순서를 반대로 해도 좋다.
각 이온 주입 처리에서, 이온 빔(3)의 단면 치수를 변경함에 있어서, 이온 주입 장치(1)의 이온원(2)이나 각종 마그넷 등의 운전 파라미터의 변경이 행해진다. 예를 들어, 도 2의 예에서는, 1장의 기판을 처리할 때마다, 적어도 각 주입 처리의 사이에서 이들 운전 파라미터를 변경해야 한다. 또한, 운전 파라미터 변경후, 기판(11)에 원하는 단면 치수의 이온 빔(3)이 조사되고 있는지의 여부를 모니터하여, 원하는 치수가 아닌 경우에 이들 운전 파라미터의 값을 수정하는 등의 처리가 행해지면, 쓸데없이 시간이 걸린다.
그 때문에, 도 4, 도 5에 예시한 바와 같이, 복수장의 기판에 대하여 각각의 이온 주입 처리를 연속하여 행하는 편이, 이온 주입 처리에 요하는 시간을 단축하는 것을 기대할 수 있다. 여기서 말하는 복수장의 기판이란, 예를 들어 로트 단위에서의 집합을 뜻하고 있다.
도 6에는, 본 발명의 제1 이온 주입 처리와 제2 이온 주입 처리를 이용하여 기판의 면내에 형성되는 불균일한 도우즈량 분포의 일례가 개시되어 있다. 여기서는, 기판(11)의 일부에 대략 링형상을 이루는 도우즈량이 많은 영역이 형성된다.
예를 들어, 제1 이온 주입 처리에서 기판(11)의 전면에 도우즈량 D0이 균일한 이온 주입을 행한다. 그 후, 미리 정해진 영역에 D10 또는 D20의 도우즈량이 주입되도록 이온 빔(3)의 기판(11) 상에서의 위치에 따라서, 이온 빔(3)의 주사 속도나 기판(11)의 구동 속도가 제어된다.
도 7에는, 기판(11)의 중앙 부분에서 도우즈량이 상이한 영역이 둘로 나누어져 있는 모습이 그려져 있다. 여기에 나타낸 바와 같은 도우즈량 분포를 갖는 것이라도, 도 6에 나타낸 도우즈량 분포에 대하여 행한 이온 주입 처리와 동일하게 하여, 2개의 이온 주입 처리를 행함으로써 작은 천이 영역을 갖는 불균일한 도우즈량 분포를 기판(11)의 면내에 단시간에 형성하는 것이 가능해진다.
기판(11)에의 이온 주입을 행할 때, 제1 이온 주입 처리와 제2 이온 주입 처리의 각 이온 주입 처리에서 어느 정도의 도우즈량의 주입을 행할지에 관해서는, 다음과 같이 하여 구한다.
도 6, 도 7에서 제2 이온 주입 처리에서 주입되는 도우즈량에 착안한다. 낮은 도우즈량의 부분(도우즈량 D10)에 대하여 높은 도우즈량의 부분(도우즈량 D20)이 어느 정도의 비율(도우즈 배율이라고 부른다. 수학식 1에서 X로 나타낸다.)이 되는지에 관해, 다음 수 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
이 수학식 1을 변형하면, 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
이 수학식 2를 다시 변형하면, 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
도우즈 배율 X는, 반도체 디바이스의 특성을 보상함에 있어서 어느 정도의 천이 영역을 허용할 수 있는지, 또는, 이온 주입 장치(1)에 포함되는 이온 빔(3)의 주사 속도나 기판(11)의 구동 속도를 전환할 때의 응답 특성 등의 조건에 따라 허용할 수 있는 값의 범위가 결정된다.
이온 주입 처리의 시간을 짧게 한다는 관점에서, 도우즈 배율 X는 허용 범위 내에서 최대에 가까운 값이 선택되는 것이 바람직하다. 이것은 도우즈 배율 X가 커질수록, 제1 이온 주입 처리에 의해 보다 많은 이온 주입이 이루어지게 되기 때문이다. 동일한 도우즈량의 주입을 행함에 있어서, 큰 단면 치수의 이온 빔(3)을 이용하는 제1 이온 주입 처리와 작은 단면 치수의 이온 빔(3)을 이용하는 제2 이온 주입 처리에서는, 제1 이온 주입 처리를 이용하는 편이, 주입 처리에 요하는 시간이 짧다. 그 때문에, 전체 주입 처리에 요하는 시간을 짧게 하기 위해서는, 제1 이온 주입 처리에 의한 이온 주입을 가능한 한 장시간 행하는 편이 바람직하다.
전술한 점을 고려하여, 적절한 도우즈 배율 X의 값이 결정되면, 도우즈량 D1과 도우즈량 D2는 원하는 불균일한 도우즈량 분포에 의해 결정되는 기지의 값이기 때문에, 제1 이온 주입 처리에서 주입되어야 할 도우즈량 D0의 값을 구할 수 있다. 이렇게 하여 구해진 도우즈량 D0을 이용하여, 제1 이온 주입 처리가 행해진다.
이온 빔의 단면 치수를 조정하는 방법으로는, 여러가지 방법을 생각할 수 있다. 이것에 관해 몇가지 구체예를 이하에 설명한다.
도 8에는, 도 1의 이온 주입 장치에 포함되는 가속관(5)의 일례가 개시되어 있다. 이 가속관(5)은, Z 방향을 따라서, 고전압측 전극(16), 포커스 전극(18), 대지측 전극(17)의 전위가 상이한 3장의 관상 전극을 갖고 있고, 각 전극 사이에는 절연 유리(15)가 배치되어 있다. 고전압측 전극(16)과 대지측 전극(17) 사이에는, 가속 감속 전원(19)이 접속되어 있고, 이 전원을 조정함으로써 가속관(5)을 통과하는 이온 빔(3)의 에너지의 조정이 이루어지고 있다. 그리고, 고전압측 전극(16)과 포커스 전극(18) 사이에는 포커스 전원(20)이 접속되어 있고, 이 포커스 전원(20)을 조정함으로써 각 전극 사이에 원하는 전계를 발생시켜, 거기를 통과하는 이온 빔(3)을 수속 또는 발산시키도록 구성되어 있다. 이러한 구성의 가속관(5)을 이용하여, 제1 이온 주입 처리, 제2 이온 주입 처리에 따라서, 적절하게 이온 빔의 단면 치수의 조정을 행하도록 해 두어도 좋다.
도 9에는, 도 1의 이온 주입 장치에 포함되는 4중극 렌즈(6)의 일례가 개시되어 있다. 여기서는, 전자석을 이용한 4중극 렌즈(6)의 예가 기재되어 있다. 이 4중극 렌즈(6)는, 4개의 자극(27)의 각각에 코일(28)이 감겨져 있다. 그리고, 각 코일(28)에 전류 I를 흘림으로써, 각 자극(27)의 선단부에 4개의 극성이 형성된다. 각 자극(27)의 선단부 사이에는 자계 B가 발생하고, 거기를 통과하는 이온 빔(3)에는 로렌츠력 F가 발생한다. 도 9의 예에서는, 이 로렌츠력 F에 의해, 이온 빔(3)이 X 방향을 따라서 짧게, Y 방향을 따라서 길어지도록 정형된다. 구체적으로는, 도면 중에 그려지는 실선의 이온 빔(3)의 형상이 파선으로 그려져 있는 바와 같이 타원형으로 변형된다. 이 4중극 렌즈(6)에서 타원형으로 정형된 이온 빔(3)의 길이 방향을 도 10에 그려진 빔 정형 마스크(10)를 이용하여 제거해 줌으로써, 이온 빔(3)의 치수를 작게 하는 것을 생각할 수 있다. 여기서는 이온 빔(3)으로서, 양의 전하를 갖는 것을 상정하고 있다. 또, 4중극 렌즈(6)는 도 9에 나타낸 전자석이 아니라, 정전 렌즈로 구성되어 있어도 좋다.
도 10의 (A)?(C)에는, 도 1의 이온 주입 장치에 포함되는 빔 정형 마스크(10)의 예가 개시되어 있다. 이 도 10의 (A)?(C)에서, X, Y, Z축의 방향은 공통된다. 도 10의 (A)의 빔 정형 마스크(10)에는, 직경이 큰 슬릿(21)과 직경이 작은 슬릿(22)이 설치되어 있다. 도 1에서 나타낸 바와 같이 이 빔 정형 마스크(10)가 주사기(8)의 하류측[주사기(8)보다 기판(11)측]에 설치되어 있기 때문에, 마스크에 설치된 개구부는, 이 도면과 같이 이온 빔(3)의 주사 방향으로 길게 신장된 슬릿 형상으로 되어 있다.
도 10의 (A)의 예에서는, 제1 이온 주입 처리를 행할 때에는, 직경이 큰 슬릿(21)을 이온 빔(3)이 통과하도록 해 둔다. 한편, 제2 이온 주입 처리를 행할 때에는, 직경이 작은 슬릿(22)을 이온 빔(3)이 통과하도록 해 둔다. 예를 들어, 빔 정형 마스크(10)는 샤프트(24)에 연결되어 있고, 이 샤프트(24)가 구동 장치(23)에 의해 Y 방향으로 이동 가능하게 지지되어 있다. 이러한 기구를 이용하여, 이온 주입 처리의 종류에 따라서 빔 정형 마스크(10)의 위치 조정이 이루어진다.
도 10의 (B)에는, 하나의 슬릿(29)을 포함하는 빔 정형 마스크(10)의 예가 개시되어 있다. 제1 이온 빔 처리를 행하는 경우, 빔 정형 마스크(10)는 이온 빔(3)이 조사되지 않는 위치로 이동된다. 이 예의 경우에서는, Y 방향 반대측에 도시하지 않은 구동 장치에 의해 이온 빔(3)의 경로에서 후퇴된다. 그리고, 제2 이온 주입 처리를 행하는 경우에, 이온 빔(3)이 슬릿(29)을 통과하도록 빔 정형 마스크(10)의 위치 조정이 이루어진다.
도 10의 (C)에는, 2개의 둥근 구멍을 갖는 빔 정형 마스크(10)의 예가 개시되어 있다. 예를 들어, 이 빔 정형 마스크(10)는, 도 1의 주사기(8)의 상류측[주사기(8)보다 이온원(2)측]에 배치해 두고, 주사전에 이온 빔의 형상을 정형하도록 해 둔다. 2개의 둥근 구멍의 전환은, 도 10의 (A)의 예와 마찬가지로, 직경이 큰 둥근 구멍(25)을 제1 이온 주입시에 이용하고, 직경이 작은 둥근 구멍(26)을 제2 이온 주입시에 이용한다. 또, 둥근 구멍을 하나로 해 두고, 도 10의 (B)에 나타내는 하나의 슬릿(29)의 예와 동일하게 취급해도 좋다. 이 빔 정형 마스크(10)는, 도 9의 4중극 렌즈(6)와 조합하여 이용해도 좋고, 이온 주입 장치에 포함되는 4중극 렌즈(6)와는 별도의 광학 요소와 조합하여 이용해도 좋다. 또한, 빔 정형 마스크(10)를 단독으로 이용하여 이온 빔(3)의 단면 치수를 조정하도록 해도 좋다.
<그 밖의 변형예>
상기 실시형태에서는, 가속관(5)이나 4중극 렌즈(6) 또는 빔 정형 마스크(10)를 이용하여, 이온 빔(3)의 단면 치수를 조정하는 방법에 관해 설명했지만, 그 이외의 방법을 이용해도 좋다. 예를 들어, 이온원(2)의 각종 파라미터(인출 전극에 인가하는 전압값이나 인출 전극의 위치나 기울기 등)를 조정하여, 기판(11)에 조사되는 이온 빔(3)의 단면 치수를 조정하도록 해도 좋다.
또한, 지금까지의 실시형태에서는, 하이브리드 스캔 방식의 이온 주입 장치에 관해 설명했지만, 본 발명은 이 종류의 타입의 이온 주입 장치 이외에 대한 적용도 가능하다. 예를 들어, 기판(11)을 고정시켜 두고, 이온 빔을 직교하는 2방향으로 주사하는 래스터 스캔 방식의 이온 주입 장치에도 적용시키는 것은 가능하다. 이 경우, 기판(11)의 면내에 불균일한 도우즈량 분포를 형성하기 위해, 이온 빔의 2방향에서의 주사 속도를, 기판(11) 상의 위치에 따라서 적절하게 조정하도록 구성해 두면 된다. 그런 다음, 앞서 실시형태에서 설명한 상이한 이온 빔의 단면 치수를 이용한 제1 이온 주입 처리와 제2 이온 주입 처리를 행하도록 하면 된다. 래스터 스캔의 방식으로는, 기판의 고정 대신, 이온 빔을 고정시켜 두고, 기판을 직교하는 2방향으로 구동시키는 방식을 채택해도 좋다.
또, 1장씩 기판을 처리하는 매엽식의 주입 기구가 아니라, 복수장의 기판을 한번에 처리하는 배치식의 주입 기구를 채택해도 좋다. 그 경우, 도 2나 도 4, 도 5에 나타낸 플로우차트에서, 1장씩 기판이 처리되는 것이 아니라, 복수장의 기판이 통합되어 처리되게 된다.
한편, 이온 주입 장치를 2대 이용하도록 하여, 인라인 방식으로 기판을 연속 처리하도록 해도 된다. 예를 들어, 하나의 이온 주입 장치를 제1 이온 주입 처리에 대응한 운전 파라미터로 운전해 두고, 다른 하나의 이온 주입 장치를 제2 이온 주입 처리에 대응한 운전 파라미터로 운전해 둔다. 그런 다음, 두 장치의 처리실을 연결해 두고, 진공을 깨지 않고 상이한 장치 사이에 기판을 연속 반송시켜, 순차적으로 기판을 처리해 나가는 구성으로 하는 것을 생각할 수 있다.
그 밖에, 이온원으로부터 스폿형의 이온 빔을 사출시켜, 이것을 주사하는 방식의 이온 주입 장치에 관해 설명했지만, 이온원으로부터 리본형(대략 직사각형)의 이온 빔을 사출시키고, 이것을 일평면내에서 기판의 치수보다 커지도록 확대시키고 나서 기판에 조사하는 방식의 이온 주입 장치에도 본 발명은 적용할 수 있다. 또, 이온 빔을 도중에 확대하는 것이 아니라, 큰 이온원을 준비해 두고, 처음부터 일평면내에서 기판의 치수보다 큰 리본형의 이온 빔을 발생시키는 방식의 이온 주입 장치에도 본 발명은 적용할 수 있다.
이들 이온 주입 장치의 경우, 이온 빔의 확대 방향에 대하여 대략 직교하는 방향, 즉 대략 직사각형의 이온 빔의 짧은 변 방향을 따라서 기판을 구동시킴으로써, 기판의 전면에 대하여 이온 주입이 행해진다. 이러한 이온 주입 장치로, 기판의 면내에 불균일한 도우즈량 분포를 형성하기 위해서는, 기판의 구동 속도를 변경하면 된다.
그리고, 기판 상에 조사되는 이온 빔의 단면 형상은 대략 직사각형이 되기 때문에, 앞서 실시형태에서 설명한 가속관이나 4중극 렌즈, 빔 정형 마스크를 이용하여, 기판에 조사되는 리본형의 이온 빔의 짧은 변 방향의 폭을 제어함으로써, 제1 이온 주입 처리와 제2 이온 주입 처리에서 기판에 조사되는 이온 빔의 단면 치수를 조정하도록 구성하면 된다.
또, 제1 이온 주입 처리가 완전히 종료하기 전에 그 주입 처리를 일단 정지시켜 두고, 제2 이온 주입 처리로 전환하여 제2 이온 주입 처리를 완료시킨 후, 다시 제1 이온 주입 처리를 계속해서 행하는 순서로 이온 주입 처리를 행해도 좋다.
그 밖에, 전술한 것 외에, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 각종 개량 및 변경을 행해도 좋은 것은 물론이다.
1 : 이온 주입 장치 2 : 이온원
3 : 이온 빔 4 : 질량 분석 마그넷
5 : 가속관 6 : 4중극 렌즈
7 : 에너지 분리기 8 : 주사기
9 : 콜리메이터 마그넷 10 : 빔 정형 마스크
11 : 기판 12 : 플라텐
13 : 구동 장치 14 : 처리실
30 : 제어 장치

Claims (5)

  1. 이온 빔과 기판의 상대적인 위치 관계를 변경시킴으로써, 상기 기판에의 이온 주입을 실시하는 이온 주입 방법에 있어서,
    상기 기판의 면내에 균일한 도우즈량 분포를 형성하는 제1 이온 주입 처리와, 상기 기판의 면내에 불균일한 도우즈량 분포를 형성하는 제2 이온 주입 처리를 미리 결정된 순서에 따라서 행하고,
    상기 제2 이온 주입 처리시에 상기 기판 상에 조사되는 상기 이온 빔의 단면(斷面) 치수는, 상기 제1 이온 주입 처리시에 상기 기판 상에 조사되는 상기 이온 빔의 단면 치수보다 작은 것을 특징으로 하는 이온 주입 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 이온 주입 처리와 상기 제2 이온 주입 처리를 이용하여 복수장의 기판을 처리할 때, 복수장의 기판에 대하여 하나의 이온 주입 처리를 연속하여 행한 후에, 다른 하나의 이온 주입 처리를 연속하여 행하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 방법.
  3. 이온 빔과 기판의 상대적인 위치 관계를 변경시킴으로써, 상기 기판에의 이온 주입을 실시하는 이온 주입 장치에 있어서,
    상기 기판의 면내에 균일한 도우즈량 분포를 형성하는 제1 이온 주입 처리와, 상기 기판의 면내에 불균일한 도우즈량 분포를 형성하는 제2 이온 주입 처리를 미리 결정된 순서에 따라서 행하고, 상기 제2 이온 주입 처리시에 상기 기판에 조사되는 이온 빔의 단면 치수가, 상기 제1 이온 주입 처리시에 상기 기판에 조사되는 이온 빔의 단면 치수보다 작아지도록 제어하는 기능을 갖는 제어 장치를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 제1 이온 주입 처리와 상기 제2 이온 주입 처리를 이용하여 복수장의 기판을 처리할 때, 복수장의 기판에 대하여 하나의 이온 주입 처리를 연속하여 행한 후에, 다른 하나의 이온 주입 처리를 연속하여 행하도록 제어하는 기능을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 이온 주입 장치에는, 상기 기판에 조사되는 이온 빔을 정형하는 빔 정형 마스크가 포함되어 있고, 상기 제어 장치는, 상기 제1 이온 주입 처리와 상기 제2 이온 주입 처리에 따라서, 상기 빔 정형 마스크의 위치 조정을 행하는 기능을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치.
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