WO2000026950A1 - Procede et dispositif pour l'implantation ionique - Google Patents

Description

明糸田書

イオン注入装置及びイオン注入方法 技術分野

本発明は、 半導体デバイスの製造プロセスに用いられるイオン注入装置及びィ オン注入方法に関するものである。 背景技術

超 L S Iに代表される半導体デバイスに対しては、常に、より一層の高集積化 - 高機能化が求められている。 かかる要請に応えるためには、 半導体デバイスの製 造プロセスを最適な条件下で行うことが必要となる。このため、従来においては、 予め様々な条件で半導体デバイスを試作し、 その試作された半導体デバイスの特 性を評価することで、 各製造プロセスの最適な条件を見出すこととしていた。 半導体製造プロセスの 1つであるイオン注入プロセスにおいても、 最適な条件 を得るために、 予めいろいろな条件でイオン注入を行うこととしている。 勿論、 イオン注入プロセスではイオン注入装置を用いるため、 イオン注入プロセスの条 件は実質的にはイオン注入装置の運転条件を意味する。

イオン注入装置は、 基本的には、 イオンを発生させ所望のイオン種を選択して イオンビームとするイオンビーム発生部と、 このイオンビーム発生部からのィォ ンビームをプロセス用のシリコンウェハに照射してイオン注入を行うイオン注入 部とから構成されている。 イオン注入部としては、 内部が真空となっている夕一 ゲットチャンバと、 このターゲットチャンバ内に配置されたウェハ支持ホイール とを備えた形式のものが広く知られている。 ウェハ支持ホイールは、 ターゲット チャンバ内に揺動可能に取り付けられた揺動シャフトと、 この揺動シャフ卜の先 端部に回転可能に取り付けられたハブと、 このハブから放射状に延び且つそれそ れの先端にシリコンゥヱハを保持するためのウェハホルダを有する複数本のァー ムとから構成されている。 ウェハ支持ホイールは、 ハブを中心として回転すると 共に、 イオンビームがウェハの全面に照射されるようイオンビームに直交する面 内で揺動するようになっている。 発明の開示

上述したような従来のイオン注入装置においては、 1回のイオン注入プロセス でイオンをウェハ全面にわたって均一に注入するように運転される。 言い換える ならば、 従来一般のイオン注入装置により処理されたウェハのドーズ量は、 ゥェ 八面内においてほぼ均一になる。 このため、 例えば複数のイオン注入条件を評価 するためには、 少なくとも条件分の枚数のウェハを用意して処理する必要があつ た。

しかし、 デバイス特性を評価してイオン注入の条件を決定するには、 1枚のゥ ェハから得られるチップの全ては必要ないため、 多くのチップが無駄となってい た。 特に、 近年のウェハの大径化に伴い、 より多くのチップが無駄となり、 しか もウェハ 1枚当たりのコストも高価となるので、 ウェハ全面にわたってイオンを 均一に注入するという方法には問題がある。

また、 従来においては、 1枚のウェハを用いて複数のイオン注入条件を評価す るために、 1枚のゥヱハ上に異なる複数種類のドーズ量領域を形成することも考 えられているが、 この場合にはマスキング等が必要となるため、 その分イオン注 入を行うための工数が多くなり、 コストも高価になる。

本発明の目的は、 マスキング等を行うことなしに、 1回のイオン注入プロセス で 1枚のウェハ上に複数種類のドーズ量領域を形成することができるイオン注入 装置及びイオン注入方法を提供することにある。

上記の目的を達成するため、 本発明に係るイオン注入装置は、 イオンビームを 発生するイオンビーム発生部と、 イオン注入されるゥヱハを支持すると共に、 ィ オンビーム発生部からのイオンビームがゥヱハの表面全体を走査するよう、 ゥェ ハを旋回させるベく回転可能となっているウェハ支持ホイールと、 ゥヱハ支持ホ ィ一ルを回転させる第 1駆動モ一夕と、 ゥヱハ支持ホイールを支持する揺動シャ フトと、 揺動シャフト及びゥヱハ支持ホイールを揺動させると共に、 正逆両方向 に駆動可能であり且つ速度調整可能である第 2駆動モータと、 ウェハの表面全体 にイオンが均一に注入されるように予め設定された複数の基本揺動速度モードの いずれかに基づいて第 2駆動モータを回転させて、 ゥヱハ支持ホイールの揺動速 度を制御する制御手段と、 を備え、 制御手段は、 ウェハ支持ホイールの揺動範囲 における任意に選定された切換位置で、 複数の基本揺動速度モードのうちのいず れかの基本揺動速度モ一ドが他の基本揺動速度モードに切り換わるよう第 2駆動 モータを制御することを特徴としている。

以上のように構成した本発明は、 ウェハ支持ホイールを揺動させる第 2駆動モ 一夕として、 正逆両方向に駆動可能であり且つ速度調整可能であるモータを用い ると、 ウェハ支持ホイールの揺動速度を瞬時に急激に変えることができるという 知見に基づいて考えられたものである。 上記のような制御手段を設けることによ り、 ウェハ支持ホイールが揺動範囲を揺動する途中で、 ある基本揺動速度モード が他の基本揺動速度モードに切り換わることによってウェハ支持ホイ一ルの揺動 速度が瞬時に変化し、 その結果ゥヱハ上にはいくつかの異なるドーズ量領域が形 成される。 したがって、 マスキング等を行わなくても、 1回のイオン注入プロセ スで 1枚のゥェハ上に確実に複数種類のド一ズ量領域を形成することができる。 本発明のイオン注入装置において、 制御手段は、 より具体的には、 選定された 切換位置で複数の基本揺動速度モードのうちのいずれかの基本揺動速度モードが 他の基本揺動速度モ一ドに切り換わる制御用揺動速度モードを設定する設定手段 と、 設定手段で設定した制御用揺動速度モードに応じて第 2駆動モータを回転駆 動させる駆動制御手段とを備えることが好ましい。

また、 上記の目的を達成するため、 本発明のイオン注入方法は、 イオンビーム を発生するイオンビーム発生部と、 イオン注入されるウェハを支持すると共に前 記イオンビーム発生部からのイオンビームが前記ウェハの表面全体を走査するよ う前記ゥヱハを旋回させるベく回転可能となっているウェハ支持ホイールと、 前 記ウェハ支持ホイールを回転させる第 1駆動モ一夕と、 前記ウェハ支持ホイール を支持する揺動シャフトと、 前記ウェハの表面全体にイオンが均一に注入される ように予め設定された基本揺動速度モードに従って前記ウェハ支持ホイール及び 揺動シャフトを揺動させると共に、 正逆両方向に駆動可能であり且つ速度調整可 能である第 2駆動モータと、 を備えるイオン注入装置を用い、 イオン注入時に、 前記ウェハ支持ホイールの揺動範囲における任意に選定した切換位置で、 基本揺 動速度モードが、 ドーズ量の異なる他の基本揺動速度モードに切り換わるよう前 記第 2駆動モー夕を駆動させることを特徴とする。

これにより、 上述したように、 マスキング等を行うことなしに、 1回のイオン 注入プロセスで 1枚のウェハ上に複数種類のドーズ量領域を形成することができ る。 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明に係るィオン注入装置の分解斜視図である。

図 2は、 図 1に示すウェハ支持ホイールを作動させるための制御系を示す構成 図である。

図 3は、 図 2に示す制御装置の記憶部に記憶される制御用揺動速度モードのー 例である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 図面を参照して、 本発明の好適な実施形態について説明する。

図 1は、 本発明に係るイオン注入装置の一実施形態を示す分解斜視図である。 イオン注入装置 1 0は、 イオンビームを発生するイオンビーム発生部 1 2と、 こ のイオンビーム発生部 1 2からのイオンビームをプロセス用のシリコンウェハ W に照射して注入するイオン注入部 1 4と、 このイオン注入部 1 4にシリコンゥェ ハ Wを供給するゥヱハローダ部 1 6とを備えている。

イオンビーム発生部 1 2は、図示しないが、イオン源系、イオンビーム引出し · 前段加速系、 質量分析系及び後段加速系等の公知の要素から構成されている。 ィ オン源系は、 ガス供給源 （図示せず） から送り込まれたドーピングガスを放電さ せることにより、 高密度のプラズマ状態を作り出すことができるようになつてい る。 イオンビーム引出し ·前段加速系では、 イオン源系との電圧差を利用して、 上記プラズマを構成するイオンを引き出すと共に加速し、 イオンビームを形成す る。 このイオンビームは、 質量分析系において所望のイオン種のみを残し、 後段 加速系で加速されてイオン注入部 1 4に注入される。

イオン注入部 1 4は、 内部が真空とされるボックスタイプのターゲットチャン ノ ' 1 8と、 夕一ゲットチャンバ 1 8内に配置されたウェハ支持ホイール 2 0とを 備えている。 ターゲットチャンバ 1 8の一方の壁面には開口 2 2が形成され、 こ の開口 2 2より、 イオンビーム発生部 1 2からのイオンビームが出射されるよう になっている。 また、 夕一ゲヅトチャンバ 1 8の他方の壁面には、 開口 2 2に対 向する位置にビームストップ 2 4 (図 2参照） が配設されている。 ビ一ムストツ プ 2 4は、 ゥヱハ支持ホイール 2 0を通過したイオンビームを受け止めるための ものである。

ウェハ支持ホイール 2 0は、 ターゲットチャンバ 1 8内に揺動可能に取り付け られた揺動シャフト 2 6と、 この揺動シャフト 2 6の先端に回転可能に取り付け られたハブ 2 8と、 このハブ 2 8から放射状に延びる複数本のアーム 3 0とから 構成されている。 各アーム 3 0の先端部には、 ゥヱハ Wを支持するためのウェハ ホルダ 3 2が設けられている。 ハブ 2 8は矢印 A方向に回転し、 また、 揺動シャ フト 2 6は矢印 B方向に沿って所定の揺動角度で揺動する。 その結果、 各ウェハ ホルダ 3 2に支持されたウェハ Wはそれそれイオンビーム発生部 1 2からのィォ ンビームを横切ると共に、 その全面にイオンビームが照射され、 イオン注入が行 われる。

図 2は、 ウェハ支持ホイール 2 0を作動させるための制御系を示す構成図であ る。 イオン注入装置 1 0は、 上述した構成に加えて、 ハブ 2 8を矢印 A方向に回 転させる第 1駆動モ一夕 3 4と、 揺動シャフト 2 6を矢印 B方向に沿って揺動さ せる第 2駆動モ一夕 3 6と、 揺動シャフト 2 6の揺動角を検出する回転センサ 3 8と、 後述する複数の制御用揺動速度モードのいずれかを選択入力するための入 力装置 4 0と、 回転センサ 3 8及び入力装置 4 0からの信号に基づいて所定の演 算処理を実行し、 第 2駆動モ一夕 3 6を制御する制御装置 4 2とを備えている。 第 1駆動モータ 3 4は、 揺動シャフト 2 6に結合された駆動アーム 4 4に取り 付けられ、 図示しないベルト等の駆動伝達機構を介してハブ 2 8を一定の速度で 回転させる。 第 2駆動モータ 3 6は、 正逆両方向に回転可能でありかつ速度調整 可能であるモ一夕であり、 図示しない取付ブラケットに固定され、 ベルト 4 6を 介して揺動シャフト 2 6及びウェハ支持ホイール 2 0を揺動させる。

制御装置 4 2は、 記憶部 4 2 Aと、 目標値設定部 4 2 Bと、 演算部 4 2 Cと、 増幅部 4 2 Dとを有している。

記憶部 4 2 Aは、 揺動シャフト 2 6が両エンド位置間を揺動するときの速度変 位を規定した複数の制御用揺動速度モードを予め記憶しておくものである。 ここ で、 揺動速度とは、 ウェハ支持ホイ一ル 2 0の回転中心の速度をいう。 以下、 こ の制御用揺動速度モードについて詳細に説明する。

図 3は、 記憶部 4 2 Aに記憶されている複数の制御用揺動速度モードの 1つを 示したものであり、 X軸が揺動シャフト 2 6の一方のェンド位置を基準としたと きの揺動シャフト 2 6の揺動角 0を示し、 Y軸が摇動シャフト 2 6の揺動速度 V を示している。 同図に示す 0 1は、ウェハ Wにおけるハブ 2 8の中心から最も遠 い部分にイオン注入される位置 （以下、 「第 1 位置」 という） にウェハ支持ホイ —ル 2 0があるときの揺動シャフト 2 6の揺動角であり、同図に示す 0 2は、ゥェ ハ Wにおけるハブ 2 8の中心から最も近い部分にイオン注入される位置（以下、 「第 2位置」 という）にウェハ支持ホイール 2 0があるときの揺動シャフ ト 2 6 の揺動角である。 なお、 Y軸のプラス側 （X軸よりも上側） は、 第 2駆動モータ 3 6を回転させて揺動シャフト 2 6を第 1位置側から第 2位置側に揺動させると きの速度を示し、 Y軸のマイナス側 （X軸よりも下側） は、 第 2駆動モー夕 3 6 を逆方向に回転させて揺動シャフト 2 6を第 2位置側から第 1位置側に揺動させ るときの速度を示している。

同図において、 矢印が付された実線 Pが制御用揺動速度モードを示したもので あり、 この制御用揺動速度モード Pは、 2つの基本揺動速度モード Q及び Rを組 み合わせて形成されたものである。 ここで、 基本揺動速度モードとは、 揺動シャ フト 2 6が両ェンド位置間を揺動したときにウェハ Wにイオンが均一に注入され る、 つまりウェハ Wのドーズ量が均一になるように予め設定された揺動シャフト 2 6の揺動速度を規定したモードである。 破線で示す基本揺動速度モード Qにお ける揺動シャフト 2 6の揺動速度 Vは、 v = f ( Θ ) + C 1で表される。 一方、 1点鎖線で示す基本揺動速度モード Rにおける揺動シャフト 2 6の揺動速度 Vは、 v = f ( 0 ) / 2 + C 2で表され、 揺動シャフト 2 6の揺動角 0の全域にわたつ て基本揺動速度モ一ド Qにおける揺動速度 Vのほぼ 1 / 2となる。 これにより、 基本揺動速度モード Qに従って揺動シャフト 2 6を揺動させたときのゥヱハ Wの ドーズ量は、 基本揺動速度モード Rに従って揺動シャフト 2 6を揺動させたとき のウェハ Wのドーズ量のほぼ 1 / 2になる。

以上のような制御用揺動速度モード Pに従って揺動シャフト 2 6を第 1位置側 から第 2位置側に揺動させると、 まず基本揺動速度モード Qに従って揺動速度が 変位し、 第 1位置と第 2位置の中間位置 （以下、 「切換位置」 という） に達する と、 その後は基本揺動速度モード Rに従って揺動速度が変位していく。 また、 制 御用揺動速度モード Pに従って揺動シャフ卜 2 6を第 2位置側から第 1位置側に 揺動させると、 まず基本揺動速度モード Rに従って揺動速度が変位し、 切換位置 に達すると、 その後は基本揺動速度モード Qに従って揺動速度が変位していく。 T/JP99/06044 再び図 2を参照して説明すると、 目標値設定部 4 2 Bは、 入力装置 4 0で選択 入力された制御用揺動速度モードを記憶部 4 2 Aから読み込み、 これをフィード バック制御の目標値として設定する。 演算部 4 2 Cは、 回転センサ 3 8の検出値 を入力し、 この検出値及び内蔵タイマ （図示せず） から揺動シャフト 2 6の実際 の揺動速度を求め、 この実際の揺動速度と目標値設定部 4 2 Bで設定した目標揺 動速度とを比較し、実際の揺動速度が目標揺動速度になるような指令値を求める。 増幅部 4 2 Dは、 演算部 4 2 Cで求めた指令値を増幅して制御信号を生成し、 こ の制御信号を第 2駆動モータ 3 6に出力する。

なお、 上記の構成においては、 2つの基本揺動速度モードを組み合わせて生成 した複数の制御用揺動速度モードを記憶部 4 2 Aに予め記憶しておくものとした が、 複数の基本揺動速度モードを記憶部 4 2 Aに記憶しておいてもよい。 この場 合には、 入力装置 4 0により複数の基本揺動速度モードの中から 2つの基本揺動 速度モードを選択入力し、 目標値設定部 4 2 Bにおいて、 選択入力された 2つの 基本揺動速度モ一ドを記憶部 4 2 Aから読み出し、 これらを組み合わせて制御用 揺動速度モードを生成するようにする。

以上のような制御装置 4 2において、記憶部 4 2 A及び目標値設定部 4 2 Bは、 選定された切換位置で複数の基本揺動速度モードのうちのいずれかの基本揺動速 度モードが他の基本揺動速度モードに切り換わる制御用揺動速度モードを設定す る設定手段を構成し、 演算部 4 2 C及び増幅部 4 2 Dは、 設定手段で設定した制 御用揺動速度モードに応じて第 2駆動モ一夕 3 6を回転駆動させる駆動制御手段 を構成する。

以上のような構成を有する本実施形態のイオン注入装置 1 0において、 例えば 半導体デバイスの試作及び評価時にイオン注入を行う場合、 ゥヱハローダ部 1 6 のカセット （図示せず） 内に収容された複数枚のウェハ Wをロボット （図示せず） により夕一ゲットチャンバ 1 8内に搬送し、 ウェハ支持ホイール 2 0の各ウェハ ホルダ 3 2にそれぞれ装着する。 そして、 第 1駆動モータ 3 4によりウェハ支持 ホイール 2 0を矢印 A方向に回転させながら、 第 2駆動モータ 3 6によりウェハ 支持ホイール 2 0を矢印 B方向に沿って第 1位置側から第 2位置側に揺動させる ことによって、 各ウェハ Wの全面にイオンビーム発生部 1 2からのイオンビ一ム を照射してイオン注入する。

このとき、 入力装置 4 0で複数の制御用揺動速度モードの中から図 3に示すよ うな制御用揺動速度モード Pを選択入力した場合には、 まずウェハ支持ホイール 2 0は基本揺動速度モ一ド Qに応じた速度で揺動し、 第 1位置と第 2位置との間 の中間の切換位置に達するとウェハ支持ホイール 2 0の速度が瞬時に低下し、 ゥ ェハ支持ホイール 2 0は基本揺動速度モード Rに応じた速度で揺動していく。 し たがって、 各ゥヱハ Wには基本揺動速度モード Q及び Rに対応した面積がほぼ等 しい 2つのドーズ量領域が形成される。 また、 各ゥヱハ W表面の半分の領域にお けるドーズ量は、 他の半分の領域におけるドーズ量の 2倍となる。

以上のように本実施形態にあっては、 1回のイオン注入プロセスで 1枚のゥェ ハ Wに 2つの異なるドーズ量領域を形成することができるので、 従来のようにマ スキング等を施さずに済み、 その分工数を減らすことができ、 これにより、 ィォ ン注入に要する時間を短縮できると共に、 コストを削減することができる。また、 1回のイオン注入プロセスで異なる特性のチップが 1枚のウェハから得られるた め、 無駄となるチップの数を減らすこともでき、 この点でもコストを削減するこ とができる。

なお、 本実施形態では、 2つの基本揺動速度モードを組み合わせて生成した制 御用揺動速度モードに従ってウェハ支持ホイール 2 0の揺動速度を制御し、 1枚 のウェハ Wに 2つの異なるドーズ量領域を形成するようにしたが、 特にこのよう な形態に限らず、 3つ以上の基本揺動速度モードを組み合わせて生成した制御用 揺動速度モードに従ってウェハ支持ホイール 2 0の揺動速度を制御し、 1枚のゥ ェハ Wに 3つ以上の異なるド一ズ量領域を生成するようにしてもよい。

また、 本発明は、 半導体デバイスの試作及び評価だけでなく、 実際の半導体デ スの製造に適用することもできる, 産業上の利用可能性

本発明によれば、 マスキング等を行うことなしに、 1回のイオン注入プロセス で 1枚のウェハ上に複数種類のドーズ量領域を形成することができるので、 効率 化を図ることができるとともに、 コストを削減できる。 また、 1回のイオン注入 プロセスで特性の異なる複数のチップが 1枚のゥヱハから得られるため、 無駄と なるチップの数を減らすこともでき、 この点でもコストを削減できる。

Claims

言青求の範囲

1 . イオンビームを発生するイオンビーム発生部と、

イオン注入されるウェハを支持すると共に、 前記イオンビーム発生部からのィ オンビームが前記ウェハの表面全体を走査するよう、 前記ウェハを旋回させるベ く回転可能となっているゥヱハ支持ホイールと、

前記ウェハ支持ホイールを回転させる第 1駆動モ一夕と、

前記ウェハ支持ホイ一ルを支持する摇動シャフトと、

前記揺動シャフト及び前記ウェハ支持ホイールを揺動させると共に、 正逆両方 向に駆動可能であり且つ速度調整可能である第 2駆動モ一夕と、

前記ウェハの表面全体にイオンが均一に注入されるように予め設定された複数 の基本揺動速度モ一ドのいずれかに基づいて前記第 2駆動モー夕を回転させて、 前記ウェハ支持ホイールの揺動速度を制御する制御手段と、 を備え、

前記制御手段は、 前記ウェハ支持ホイールの揺動範囲における任意に選定され た切換位置で、 前記複数の基本揺動速度モードのうちのいずれかの基本揺動速度 モードが他の基本揺動速度モードに切り換わるよう前記第 2駆動モー夕を制御す ることを特徴とするイオン注入装置。

2 . 前記制御手段は、

前記選定された切換位置で前記複数の基本揺動速度モードのうちのいずれかの 基本揺動速度モードが他の基本揺動速度モードに切り換わる制御用揺動速度モー ドを設定する設定手段と、

前記設定手段で設定した制御用揺動速度モードに応じて前記第 2駆動モータを 回転駆動させる駆動制御手段と、

を備えることを特徴とする請求項 1に記載のィオン注入装置。

3 . イオンビームを発生するイオンビーム発生部と、 イオン注入されるゥェ ハを支持すると共に前記イオンビーム発生部からのイオンビームが前記ウェハの 表面全体を走査するよう前記ウェハを旋回させるベく回転可能となっているゥェ ハ支持ホイールと、 前記ウェハ支持ホイールを回転させる第 1駆動モ一夕と、 前 記ウェハ支持ホイ一ルを支持する揺動シャフトと、 前記ウェハの表面全体にィォ ンが均一に注入されるように予め設定された基本揺動速度モードに従って前記ゥ ェハ支持ホイール及び揺動シャフトを揺動させると共に、 正逆両方向に駆動可能 であり且つ速度調整可能である第 2駆動モー夕と、 を備えるィオン注入装置を用 い、

イオン注入時に、 前記ウェハ支持ホイールの揺動範囲における任意に選定した 切換位置で、 基本揺動速度モードが、 ドーズ量の異なる他の基本揺動速度モード に切り換わるよう前記第 2駆動モ一夕を駆動させることを特徴とするイオン注入 方法。